JP2011130578A

JP2011130578A - 直流電源装置

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Publication number: JP2011130578A
Application number: JP2009286312A
Authority: JP
Inventors: Terukiyo Nishii; 照清西井
Original assignee: Shihen Technical Corp
Current assignee: Shihen Technical Corp
Priority date: 2009-12-17
Filing date: 2009-12-17
Publication date: 2011-06-30

Abstract

【課題】効率が良くかつ装置全体が大型化するのを抑制でき、さらには出力電圧や出力電流の異なる仕様についても容易に変更可能な直流電源装置を提供する。
【解決手段】商用電源１１からの三相交流を入力とし、その三相交流から直流出力１７を得る直流電源装置であって、三相交流の各相間に、相間電圧を全波整流する単相整流器１２と、全波整流された相間電圧を昇圧してインバータ駆動用の直流電源を得るとともに、入力電流波形が入力電圧波形と相似形となるよう制御する単相用力率改善回路１３と、単相用力率改善回路１３からの直流電圧をパルス幅変調して高周波電圧を得るインバータ回路１４と、高周波電圧が印加され高周波電圧を所要の電圧に変換するトランス１５と、トランス１５で所要の電圧に変換された高周波電圧を整流平滑して直流出力１７を得る整流平滑回路１６とを、この順に配置し、整流平滑回路１６からの各相の出力端を直列に接続した。
【選択図】図１

Description

本発明は、三相商用電源から直流出力を得ることのできる直流電源装置に係り、特に三相力率改善機能付きの直流電源装置に関する。

近年のパワーエレクトロニクス技術の進歩によってインバータ応用製品の利用が増加している。しかし、インバータ応用製品の入力回路は力率の悪いコンデンサインプット形整流平滑回路が多く、これに起因する電力系統の高調波が問題化している。これを解決するために、直流電源装置においても入力整流回路に力率改善回路を加えて、力率改善機能を付加する試みがなされている（例えば、特許文献１参照）。

しかし、力率改善回路を搭載した直流電源装置は、装置全体の大型化や効率悪化等のデメリットがあり、あまり普及していないのが現状である。

すなわち、このような電源装置では、一般に、図５に示すように、商用電源１からの三相に、力率改善回路（力率改善整流回路）２、インバータ回路３、トランス４、及び整流平滑回路５がこの順に配置され、整流平滑回路５から直流出力６が出力される。

力率改善回路２は、商用電源１からの三相交流をインダクタＬ１，Ｌ２，Ｌ３を介して入力し、この三相交流に対して、三相ブリッジ回路を使用して入力電流を入力電圧と相似波形となるように整形するとともに、整流昇圧して直流電圧をコンデンサＣｏに充電することにより、インバータ駆動用直流電源を得るようになっている。ここで、前記三相ブリッジ回路には、ダイオードＤＡ１に並列接続されたスイッチ素子ＱＡ１、ダイオードＤＢ１に並列接続されたスイッチ素子ＱＢ１、ダイオードＤＣ１に並列接続されたスイッチ素子ＱＣ１、ダイオードＤＤ１に並列接続されたスイッチ素子ＱＤ１、ダイオードＤＥ１に並列接続されたスイッチ素子ＱＥ１、及びダイオードＤＦ１に並列接続されたスイッチ素子ＱＦ１が各々設けられている。なお、力率改善回路２には、前記ブリッジ回路とコンデンサＣｏとの間にダイオードＤＧ１が設けられている。

インバータ回路３には、インバータ駆動用直流電源としてコンデンサＣｏに充電された直流電圧が印加され、この直流電圧をパルス幅変調（ＰＷＭ）して高周波電圧を得て、その高周波電圧をトランス４に印加する。ここで、インバータ回路３には、ダイオードＤＡ２に並列接続されたスイッチ素子ＱＡ２、ダイオードＤＢ２に並列接続されたスイッチ素子ＱＢ２、ダイオードＤＣ２に並列接続されたスイッチ素子ＱＣ２、及びダイオードＤＤ２に並列接続されたスイッチ素子ＱＤ２が各々設けられている。

トランス４は印加された高周波電圧を所要の電圧に変換し、整流平滑回路５は、所要の電圧に変換された高周波電圧を整流平滑して直流出力を得ている。ここで、整流平滑回路５には、ダイオードＤＡ，ＤＢ，ＤＣ，ＤＤ、インダクタＬｏ、及びコンデンサＣoutが各々設けられている。

特開２０００−２６２０６２号公報

しかしながら、上記従来の技術では、力率改善回路やインバータ回路等は、主回路電流をスイッチング操作しており、スイッチング損失と導通損が各々の回路で発生するため効率が悪いという問題がある。すなわち、従来の技術では、力率改善回路２におけるスイッチ素子ＱＡ１，ＱＢ１，ＱＣ１，ＱＤ１，ＱＥ１，ＱＦ１、及びインバータ回路３におけるスイッチ素子ＱＡ２，ＱＢ２，ＱＣ２，ＱＤ２はハードスイッチングしており、力率改善回路２とインバータ回路３のスイッチング損失は同程度になり、力率改善回路のない直流電源に比べ効率が大幅に悪化する。

また、従来の直流電源装置では、上記各スイッチ素子のスイッチング速度が遅く、スイッチング損失を現実的な値に抑えるためにスイッチング周波数を低く設定しており、これにより、トランスやインダクタが大型化するという問題がある。すなわち、力率改善回路２におけるスイッチ素子ＱＡ１，ＱＢ１，ＱＣ１，ＱＤ１，ＱＥ１，ＱＦ１、及びインバータ回路３におけるスイッチ素子ＱＡ２，ＱＢ２，ＱＣ２，ＱＤ２は操作容量が大きいため、スイッチング速度が遅いものとなるが、スイッチング周波数を高くするとスイッチング損失が大きくなるため、スイッチング周波数は高くできない。そのため、力率改善回路２のインダクタＬ１，Ｌ２，Ｌ３、トランス４、及び整流平滑回路５のインダクタＬｏの動作周波数を低く設定することになり、これら構成部品が大型化してしまう。その結果、前記各構成部品を薄型の筐体内に収めることが不可能となり、また、無理に収めようとすると各構成部品の実装上のデッドスペースが増加してしまう。

さらに、従来の直流電源装置では、出力電圧や出力電流の異なる仕様については、トランス４の再設計から始まり、整流平滑回路５内の各ダイオードＤＡ，ＤＢ，ＤＣ，ＤＤの再選定、インダクタＬｏの再設計、コンデンサＣｏの再選定が必要で、簡単に変更できないという問題もある。

本発明の課題は、効率が良くかつ装置全体が大型化するのを抑制でき、さらには出力電圧や出力電流の異なる仕様についても容易に変更可能な直流電源装置を提供することにある。

上記課題を解決するために、請求項１に記載の発明は、商用電源からの三相交流を入力とし、その三相交流から直流出力を得る直流電源装置であって、前記三相交流の各相間に、相間電圧を整流する整流器と、該整流器で整流された相間電圧を昇圧してインバータ駆動用の直流電源を得るとともに、入力電流波形が入力電圧波形と相似形となるよう制御する力率改善回路と、該力率改善回路からの直流電圧をパルス幅変調して高周波電圧を得るインバータ回路と、前記高周波電圧が印加され該高周波電圧を所要の電圧に変換するトランスと、該トランスで所要の電圧に変換された高周波電圧を整流平滑して直流出力を得る整流平滑回路とを、この順に配置し、前記整流平滑回路からの各相の出力端を直列または並列に接続したことを特徴としている。

上記構成によれば、商用電源からの三相交流の各相間に、整流器、力率改善回路、インバータ回路、トランス、及び整流平滑回路が設けられているので、従来のものに比べて各構成回路の容量を小さくでき、スイッチ素子として小型の高速素子を利用することができる。そのため、スイッチング周波数を高く設定でき、力率改善回路や整流平滑回路のインダクタ及びトランスの小型化が可能となる。また、スイッチ素子自身が小型になったことと、インダクタやトランスが小型になったことで、同一回路をコンパクトにユニット化でき、装置全体の小型化及び薄型化が可能となる。

また、三相交流の各相間に、整流器、力率改善回路、インバータ回路、トランス、及び整流平滑回路を設けたことにより、出力電圧や出力電流の異なる仕様についても容易に対応することができる。

請求項２に記載の発明は、請求項１において、前記力率改善回路として、臨界モードインターリーブ力率改善回路を設けたことを特徴としている。

請求項３に記載の発明は、請求項１又は２において、前記インバータ回路として、フェーズシフトフルブリッジインバータ回路を設けたことを特徴としている。

本発明によれば、効率が良くかつ装置全体が大型化するのを抑制でき、さらには出力電圧や出力電流の異なる仕様についても容易に変更可能な直流電源装置を実現することが可能となる。

本発明に係る直流電源装置を示しており、実施例１による装置全体の構成図である。本発明に係る直流電源装置を示しており、実施例２による装置全体の構成図である。本発明に係る直流電源装置を示しており、実施例３による装置全体の構成図である。本発明に係る直流電源装置を示しており、実施例４による装置全体の構成図である。従来技術による直流電源装置の全体構成図である。

以下、本発明の実施例を図面に従って説明する。

《実施例１》
図１は、実施例１による直流電源装置の全体構成を示している。この電源装置では、図１に示すように、商用電源１１からの三相交流の各相（Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相）間に、整流器として単相整流器（単相ブリッジ）１２、力率改善回路として単相用力率改善回路１３、インバータ回路１４、トランス１５、及び整流平滑回路１６がこの順に配置され、整流平滑回路１６の各相の出力端が直列に接続されて、整流平滑回路１６の出力端から直流出力１７が得られるよう構成されている。

単相整流器１２は、商用電源１１からの三相交流のうち、二相（Ｕ相とＶ相、Ｖ相とＷ相、またはＷ相とＵ相）の相間電圧を全波整流する。

単相用力率改善回路１３は、各単相整流器１２で全波整流された相間電圧を昇圧してインバータ駆動用の直流電源を得るとともに、入力電流波形が入力電圧波形と相似形と成るよう制御を行う。ここで、単相用力率改善回路１３には、単相整流器１２に接続された２つの配線ａ１，ａ２間に、コンデンサＣ１１、スイッチ素子ＱＡ１１、コンデンサＣo1、及びコンデンサＣ１２がこの順に配置され、さらに、２つの配線のうち一方の配線ａ１には、コンデンサＣ１１とスイッチ素子ＱＡ１１との間にインダクタＬ１１が、スイッチ素子ＱＡ１１とコンデンサＣo1との間にダイオードＤＡ１１がそれぞれ設けられている。なお、インバータ駆動用の直流電源はコンデンサＣo1に充電される。

インバータ回路１４は、単相用力率改善回路１３からの直流電圧、つまりコンデンサＣo1に充電されたインバータ駆動用の直流電圧をパルス幅変調（ＰＷＭ）することにより、高周波電圧を得ている。ここで、インバータ回路１４には、単相用力率改善回路１３内の配線ａ１，ａ２にそれぞれ繋げられた配線ａ３，ａ４間に、コンデンサＣ１３、スイッチ素子ＱＡ１２，ＱＡ１３、スイッチ素子ＱＡ１４，ＱＡ１５がこの順に配置されている。

トランス１５は、その一次巻線側にインバータ回路１４からの高周波電圧が印加され、該高周波電圧を所要の電圧に変換するとともに、二次巻線側に変換後の電圧を出力する。ここで、トランス１５は、その一次側巻線から引き出された配線ａ５，ａ６のうち、一方の配線ａ５がインバータ回路１４のスイッチ素子ＱＡ１２とスイッチ素子ＱＡ１３との間の中間点Ｐ１に、他方の配線ａ６がスイッチ素子ＱＡ１４とスイッチ素子ＱＡ１５との間の中間点Ｐ２にそれぞれ接続されている。

整流平滑回路１６は、トランス１５で所要の電圧に変換された高周波電圧を整流平滑して直流出力１７を得ている。ここで、整流平滑回路１６には２つの配線ａ９，ａ１０が設けられ、これら配線ａ９，ａ１０間に、ダイオードＤＡ２１，ＤＡ２２、ダイオードＤＡ２３，ＤＡ２４、及びコンデンサＣout1がこの順に配置されている。トランス１５の二次側巻線から引き出された配線ａ７，ａ８のうち、一方の配線ａ７は整流平滑回路１６のダイオードＤＡ２１とダイオードＤＡ２２との間の中間点Ｐ３に、他方の配線ａ８はダイオードＤＡ２３とダイオードＤＡ２４との間の中間点Ｐ４にそれぞれ接続されている。また、配線ａ９には、ダイオードＤＡ２３，ＤＡ２４とコンデンサＣout1との間にインダクタＬo1が設けられている。

本実施例では、単相整流器１２、単相用力率改善回路１３、インバータ回路１４、トランス１５、及び整流平滑回路１６を一組の回路ユニットとしたとき、同様な構成の回路ユニットが他に二組設けられ、合計三組の回路ユニットで直流電源装置が構成されている。図１において、上段の回路ユニットは、中段及び下段の回路ユニットとは入力電圧分の電位差があり、トランス１５により絶縁された各整流平滑回路１６の各相の出力端で直列接続または並列接続できる。本実施例では、各整流平滑回路１６の各相の出力端は接続線ｂ１，ｂ２によって直列に接続されており、この直列接続のトータル値が直流出力１７となる。なお、回路ユニットの個数は、３の倍数個（３回路、６回路、９回路、・・・・・・）に設定できる。

本実施例によれば、三相の各相間３箇所に、単相整流器１２、単相用力率改善回路１３、インバータ回路１４、トランス１５、及び整流平滑回路１６からなる回路ユニットを３組設けることで、三相力率改善回路を有した直流電源装置を実現することができる。また、出力電力容量によって、回路ユニットの個数は３の倍数個設けることが可能である。

また、本実施例によれば、従来例に比べて各回路ユニットの容量を小さくできるため、スイッチ素子ＱＡ１１，ＱＡ１２等として小型の高速素子を利用することができる。そのため、スイッチング周波数を高く設定でき、単相用力率改善回路１３内のインダクタＬ１１、及び整流平滑回路１６内のインダクタＬo1の小型化が可能となる。

また、スイッチ素子ＱＡ１１，ＱＡ１２等自身が小型になったことと、インダクタＬ１１，Ｌo1とトランス１５が小型になったことで、同一回路をコンパクトにユニット化でき装置全体の小型化、薄型化が可能になる。

さらに、三相交流の各相間に、単相整流器１２、単相用力率改善回路１３、インバータ回路１４、トランス１５、及び整流平滑回路１６を設けたことにより、出力電圧や出力電流の異なる仕様についても容易に対応することができる。

また、本実施例の直流電源装置においては、出力電圧や出力電流を変更する場合、整流平滑回路１６の直並列の変更で、３回路構成時に３倍または１／３倍を、６回路構成時に６倍または３倍、２倍、１／２倍、１／３倍、１／６倍を主回路部品の変更なしに実現できる。

《実施例２》
本実施例では、図２に示すように、実施例１における単相用力率改善回路１３の代わりに、単相用臨界モードインターリーブ力率改善回路１３’が設けられている。他の構成は実施例１の場合と同様である。

単相用臨界モードインターリーブ力率改善回路１３’は、単相整流器１２に繋がった２つの配線ａ１，ａ２間に、コンデンサＣ１１、スイッチ素子ＱＭ１、コンデンサＣo1、及びコンデンサＣ１２がこの順に配置され、さらに、２つの配線のうち一方の配線ａ１には、コンデンサＣ１１とスイッチ素子ＱＭ１との間にインダクタＬＭ１が、スイッチ素子ＱＭ１とコンデンサＣo1との間にダイオードＤＭ１がそれぞれ設けられている。

また、配線ａ１に並列して配線ａ１１が設けられ、この配線ａ１１と配線ａ２間にはスイッチ素子ＱＳ１が配置されている。配線ａ１１は、インダクタＬＭ１の上流側の接続点Ｐ５及びダイオードＤＭ１の下流側の接続点Ｐ６で配線ａ１に接続されている。さらに、配線ａ１１には、コンデンサＣ１１とスイッチ素子ＱＳ１との間にインダクタＬＳ１が、スイッチ素子ＱＳ１とコンデンサＣo1との間にダイオードＤＳ１がそれぞれ設けられている。

単相用臨界モードインターリーブ力率改善回路１３’は、電流連続モード力率改善回路に比較して、スイッチ素子ＱＭ１，ＱＳ１の損失を小さくできるため力率改善回路の効率が良くなる。そのため、実施例１の場合より装置全体の効率が良くなる。

また、単相用臨界モードインターリーブ力率改善回路１３’は、二回路（インダクタＬＭ１、スイッチ素子ＱＭ１及びダイオードＤＭ１を含む回路と、インダクタＬＳ１、スイッチ素子ＱＳ１及びダイオードＤＳ１を含む回路）が交互動作して各回路の容量は半分となるため、電流連続モード力率改善回路に比較して、構成部品が小さくなる。

さらに、スイッチ素子ＱＭ１，ＱＳ１とダイオードＤＭ１，ＤＳ１の損失が小さいことから、スイッチング周波数をより高く設定でき、インダクタＬＭ１，ＬＳ１を小さくすることができる。その結果、実施例１の場合よりも装置全体の小型化かつ薄型化が可能となる。

なお、本実施例では、図２に示したように、上段の回路ユニット、中段の回路ユニット及び下段の回路ユニットの各整流平滑回路１６の各相の出力端が接続線ｂ１，ｂ２によって直列接続された例を示しているが、各整流平滑回路１６の各相の出力端を並列接続しても良い。

また、本実施例の直流電源装置においても、出力電圧や出力電流を変更する場合、整流平滑回路１６の直並列の変更で、３回路構成時に３倍または１／３倍を、６回路構成時に６倍または３倍、２倍、１／２倍、１／３倍、１／６倍を主回路部品の変更なしに実現できる。

《実施例３》
本実施例では、図３に示すように、実施例１におけるインバータ回路（通常のフルブリッジ回路）１４の代わりに、フェーズシフトフルブリッジインバータ回路１４’が設けられている。他の構成は実施例１の場合と同様である。

フェーズシフトフルブリッジインバータ回路１４’は、単相用力率改善回路１３に繋げられた２つの配線ａ３，ａ４間に、コンデンサＣ１３、スイッチ素子ＱＡ１２，ＱＡ１３、コンデンサＣＡ１，ＣＢ１、スイッチ素子ＱＡ１４，ＱＡ１５、及びコンデンサＣＣ１，ＣＤ１がこの順に配置されている。

そして、トランス１５の一次側巻線から引き出された配線ａ５，ａ６のうち、一方の配線ａ５がインバータ回路１４のスイッチ素子ＱＡ１２とスイッチ素子ＱＡ１３との間の中間点Ｐ１及びコンデンサＣＡ１とコンデンサＣＢ１との間の中間点Ｐ７に、他方の配線ａ６がスイッチ素子ＱＡ１４とスイッチ素子ＱＡ１５との間の中間点Ｐ２及びコンデンサＣＣ１とコンデンサＣＤ１との間の中間点Ｐ８にそれぞれ接続されている。

通常のフルブリッジ回路のスイッチングはハードスイッチングで、スイッチング損失が大きい。一方、フェーズシフトフルブリッジインバータ回路は、部分共振を利用しており、スイッチング損失を小さくできるため、インバータ回路の効率が良くなる。そのため、本実施例によれば、実施例１の場合よりも装置全体の効率が良くなる。

また、スイッチ素子の損失が小さいことからスイッチング周波数をより高く設定でき、トランス１５、及び整流平滑回路１６のインダクタＬo1とコンデンサＣout1を小さくすることができる。その結果、実施例１の場合よりも装置全体の小型化及び薄型化がより一層可能となる。

なお、本実施例では、図３に示したように、上段の回路ユニット、中段の回路ユニット及び下段の回路ユニットの各整流平滑回路１６の各相の出力端が接続線ｂ１，ｂ２によって直列接続された例を示しているが、各整流平滑回路１６の各相の出力端を並列接続しても良い。

《実施例４》
本実施例は、実施例２の特徴部分と実施例３の特徴部分を加えた構成を成している。すなわち、本実施例では、図４に示すように、実施例１における単相用力率改善回路１３の代わりに、単相用臨界モードインターリーブ力率改善回路１３’が設けられ、かつ、実施例１におけるインバータ回路１４の代わりに、フェーズシフトフルブリッジインバータ回路１４’が設けられている。他の構成は実施例１の場合と同様である。

単相用臨界モードインターリーブ力率改善回路１３’及びフェーズシフトフルブリッジインバータ回路１４’は、スイッチ素子のスイッチング損失が小さいため、力率改善回路とインバータ回路の両方の効率が良くなり、実施例２や実施例３の場合より装置全体の効率がより一層良くなる。

また、スイッチ素子の損失が小さいことからスイッチング周波数をより高く設定でき、インダクタとトランスを小さくすることができる。そのため、実施例２や実施例３の場合よりも、さらに小型化及び薄型化を実現できる。

なお、本実施例では、図４に示したように、上段の回路ユニット、中段の回路ユニット及び下段の回路ユニットの各整流平滑回路１６の各相の出力端が接続線ｂ１，ｂ２によって直列接続された例を示しているが、各整流平滑回路１６の各相の出力端を並列接続しても良い。

以上、本発明の実施例を図面により詳述してきたが、上記各実施例は本発明の例示にしか過ぎないものであり、本発明は上記各実施例の構成にのみ限定されるものではない。本発明の要旨を逸脱しない範囲の設計の変更等があっても、本発明に含まれることは勿論である。

１１商用電源
１２単相整流器（整流器）
１３単相用力率改善回路（力率改善回路）
１３’ （単相用）臨界モードインターリーブ力率改善回路
１４インバータ回路
１４’ フェーズシフトフルブリッジインバータ回路
１５トランス
１６整流平滑回路
１７直流出力

Claims

商用電源からの三相交流を入力とし、その三相交流から直流出力を得る直流電源装置であって、
前記三相交流の各相間に、相間電圧を整流する整流器と、該整流器で整流された相間電圧を昇圧してインバータ駆動用の直流電源を得るとともに、入力電流波形が入力電圧波形と相似形となるよう制御する力率改善回路と、該力率改善回路からの直流電圧をパルス幅変調して高周波電圧を得るインバータ回路と、前記高周波電圧が印加され該高周波電圧を所要の電圧に変換するトランスと、該トランスで所要の電圧に変換された高周波電圧を整流平滑して直流出力を得る整流平滑回路とを、この順に配置し、前記整流平滑回路からの各相の出力端を直列または並列に接続したことを特徴とする直流電源装置。
前記力率改善回路として、臨界モードインターリーブ力率改善回路を設けたことを特徴とする請求項１に記載の直流電源装置。
前記インバータ回路として、フェーズシフトフルブリッジインバータ回路を設けたことを特徴とする請求項１又は２に記載の直流電源装置。