JP2013141344A - スイッチング電源装置及び空気調和機 - Google Patents

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Abstract

【課題】出力側に複数の負荷回路が接続されるマルチ出力型のスイッチング電源装置において、待機運転モード時における消費電力を低減することのできるスイッチング電源装置及び空気調和機を提供することを目的とする。
【解決手段】待機運転モード時において電力供給が必要となる負荷14を有する負荷回路10cについては、待機運転モード時に必要とされる供給負荷の電圧のうち、最も低い電圧である5Vに出力電圧が設定される。また、負荷回路10cにおいて、通常運転モード時に、5Vである出力電圧よりも高い負荷電圧が必要とされる負荷15に対しては、昇圧コンバータ21等の昇圧手段により出力電圧を昇圧して供給する。
【選択図】図1

Description

本発明は、スイッチング電源装置に係り、特に、複数の負荷回路に出力電圧を供給するマルチ出力型のスイッチング電源装置及びそれを備えた空気調和機に関するものである。
待機運転中の消費電力の低減を目的としたスイッチング電源として、例えば、特許文献1に開示される方法が知られている。
特許文献1に開示のスイッチング電源では、待機運転モード時におけるスイッチング電源の出力電圧(2次側電圧)を通常運転モード時における出力電圧よりも低下させることで、待機運転中における電力消費の低減を図っている。
具体的には、特許文献1のスイッチング電源の負荷回路には、12Vで駆動する第1負荷と、5Vで駆動する第2負荷とが接続されている。通常運転モード時には、スイッチング電源から12Vの出力電力を負荷回路に供給する。12Vの出力電圧は第1負荷にそのまま供給されるとともに、5Vに降圧されて第2負荷に供給される。
また、待機運転モード時においては、スイッチング電源から負荷回路に供給する電圧を約6Vに低下させる。負荷回路においては、第1負荷への電力供給が遮断されるとともに、6Vが5Vまで降圧されて第2負荷に供給される。
特開2005−27354号公報
ところで、スイッチング電源の出力側に複数の負荷回路が設けられているマルチ出力型のスイッチング電源においては、上記特許文献1に開示されているように、待機運転モード時における出力電圧を低下させると、以下のような不都合が生ずる。
マルチ出力型のスイッチング電源では、一つの負荷回路における出力電圧を低下させると、他の全ての負荷回路においても出力電圧が低下してしまう。例えば、特許文献1に開示されているスイッチング電源の出力側に、上記の負荷回路(以下、「第1負荷回路」という。)に加えて、20Vの出力電圧が供給される負荷回路(以下、「第2負荷回路」という。)が更に設けられていた場合を想定する。この場合、待機運転モード時において、上述のように第1負荷回路の出力電圧を12Vから約6Vに降圧すると、第2負荷回路の出力電圧も20Vから約10Vまで降圧されることとなる。このとき、第2負荷回路に、待機運転モード時において10V以上の電圧供給が必要である負荷が接続されていた場合、当該負荷に対して十分な電力を供給できなくなってしまう。
このように、上述した特許文献1に開示の方法は、マルチ出力型のスイッチング電源に対して適用することが難しかった。
本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであって、出力側に複数の負荷回路が接続されるマルチ出力型のスイッチング電源装置において、待機運転モード時における消費電力を低減することのできるスイッチング電源装置及び空気調和機を提供することを目的とする。
上記課題を解決するために、本発明は以下の手段を採用する。
本発明は、通常運転モードと待機運転モードとを有する複数の負荷回路の各々に対して出力電圧を供給するマルチ出力型のスイッチング電源装置であって、少なくとも一つの前記負荷回路は、待機運転モード時に必要とされる供給負荷の電圧のうち、最も低い電圧に応じて出力電圧が設定されており、かつ、通常運転モード時に、該出力電圧よりも高い負荷電圧を供給する必要がある場合に、該出力電圧を昇圧して供給するスイッチング電源装置を提供する。
本発明によれば、待機運転モード時と通常運転モード時における負荷回路への出力電圧が等しく設定され、更に、通常運転モード時において出力電圧よりも高い負荷電圧を供給する必要がある場合には、出力電圧が昇圧されて供給される。したがって、待機運転モード時において、必要な電力が供給されないという従来の不都合を解消することができる。
更に、上述した特許文献1では、待機運転モード時においても約6Vから5Vへの降圧が必要であったが、本発明によれば、待機運転モード時において電力供給が必要とされない負荷に対しては昇圧動作を不要とすることができる。これにより、昇圧手段を停止させることによる消費電力の低下も期待することができる。
上記「出力電圧」とは、スイッチング電源装置から各負荷回路に供給される電圧、すなわち、2次側電圧を意味する。
例えば、出力電圧は、負荷回路において、待機運転モード時に必要とされる供給負荷の電圧のうち最も低い電圧以上、かつ、待機運転モード時に必要とされる供給負荷の電圧のうち最も高い電圧未満に設定される。より好ましくは、出力電圧は、負荷回路において、待機運転モード時に必要とされる供給負荷の電圧のうち最も低い電圧、または、その近傍(例えば、該最低電圧に約0.1V以上3.0V以下の範囲における任意の電圧値を加算した値)に設定される。出力電圧が、負荷回路において待機運転モード時に必要とされる供給負荷の電圧近傍に設定される場合の態様としては、例えば、レギュレータを介して出力電圧が負荷に供給される場合が挙げられる。このとき、出力電圧は、レギュレータの電圧ドロップ(レギュレータの入力電圧からレギュレータの出力電圧を減算した値)を加味して設定されるとよい。例えば、待機運転モード時に必要とされる供給負荷の電圧に約0.1V以上3.0V以下の範囲における任意の電圧値を加算した値に設定される。
本発明は、交流電源から電力供給を受けて駆動するモータ駆動装置と、前記交流電源から電力供給を受ける請求項1に記載のスイッチング電源装置とを備え、前記モータ駆動装置は、交流電源から交流母線を介して供給される交流電力を整流する整流回路と、前記整流回路からの直流電力を交流電力に変換してモータに出力するインバータ回路と、前記交流母線に設けられ、前記交流電源から前記整流回路への電力供給を遮断する第1スイッチ手段とを備え、前記スイッチング電源装置は、前記交流母線において、前記第1スイッチ手段よりも前記交流電源に近いところから交流電力の供給を受け、前記第1スイッチ手段は、前記待機運転モードにおいて、前記整流回路への電力供給を遮断する空気調和機を提供する。
本発明によれば、空気調和機において、モータ駆動装置とスイッチング電源装置とは同一の交流電源から電力供給を受ける。この場合、スイッチング電源装置は、交流母線において第1スイッチ手段よりも交流電源に近いところから交流電力の供給を受けるので、第1スイッチ手段が開状態とされ、モータ駆動装置への電力供給が遮断されても、スイッチング電源装置に対しては継続して交流電力を供給することができる。これにより、待機運転モード時においても電力供給が必要となる負荷に対して、待機電力を供給することができる。
上記空気調和機は、更に、前記整流回路と前記インバータ回路とを接続する直流母線に接続された平滑用のコンデンサと、前記直流母線に接続され、該直流母線からの直流電力を駆動源として駆動するファンモータと、前記直流母線の正極側と、前記スイッチング電源装置における前記直流母線の正極側と同電位の部位とを接続する接続配線と、該接続配線に設けられた第2スイッチ手段とを備え、前記交流電源から電力供給を受けている場合に、前記第2スイッチ手段が開状態とされ、前記交流電源からの電力供給が遮断されている場合に、前記第2スイッチ手段が閉状態とされてもよい。
このような空気調和機によれば、例えば、停電やブレーカーが落ちているなどの理由により交流電源からの電力供給が遮断されている期間においては、接続配線を介して、ファンモータの回生電力をスイッチング電源装置側に逃がすことが可能となる。これにより、回生電力が平滑用のコンデンサに蓄電されることを回避することができ、作業員の感電を防止することができる。
本発明によれば、待機運転中における消費電力を低減することができるという効果を奏する。
本発明の一実施形態に係るスイッチング電源装置を空気調和機に適用した場合の構成を概略的に示した図である。 本発明の第1実施形態に係る空気調和機の構成を概略的に示した図である。 本発明の第1実施形態に係る空気調和機の他の構成例を示した図である。 本発明の第2実施形態に係る空気調和機の構成を概略的に示した図である。 図1に示したスイッチング電源装置の他の構成例を示した図である。
以下、本発明の一実施形態に係るスイッチング電源装置について、図面を参照して説明する。
図1は、本実施形態に係るスイッチング電源装置を空気調和機に適用した場合の構成を概略的に示した図である。図1に示すように、スイッチング電源装置1は、複数の負荷回路10a,10b,10cの各々に対して出力電圧を供給するマルチ出力型のスイッチング電源装置である。
スイッチング電源装置1は、例えば、交流電源2から供給される交流電圧を直流電圧に変換する整流回路3と、整流回路3からの直流電圧を高周波の交流電圧に変換する共振コンバータ4とを備えている。
共振コンバータ4は、トランスの1次巻線と共振インダクタとキャパシタとを直列に接続した直列共振回路及びスイッチング素子を備えている。スイッチング素子が高周波でオンオフされることにより、トランスの1次巻線に正弦波状の電流が流れ、トランスの2次巻線に電圧が誘起する。
2次側巻線La,Lb、Lcは、各負荷回路10a,10b,10cに対応してそれぞれ設けられており、各負荷回路10a,10b,10cに接続される負荷11〜15に応じて決定される誘起電圧を生じさせる。各2次巻線La,Lb,Lcに生じた誘起電圧は、整流及び平滑化された後に出力電圧として各負荷回路10a,10b,10cの負荷11〜15に供給される。
負荷回路10aには、例えば、強電系の負荷11,12が接続されている。負荷11は、例えば、15Vで作動するインバータ回路のパワートランジスタ、ファンモータ等の負荷である。負荷12は、例えば、18Vで作動するコンバータ回路のアクティブフィルタ等、力率改善用の負荷である。
負荷回路10bには、通信系の負荷13が接続されている。負荷13は、例えば、20Vで作動する通信機器等の負荷である。
負荷回路10cには、弱電系の負荷14,15が接続されている。負荷14は、例えば、5Vで作動するマイコン等の負荷である。負荷15は、例えば、13Vで作動するアクチュエータ等の負荷である。
上記のように、弱電系、強電系、通信系などの負荷の属性により、負荷回路を分けることにより、それぞれのグランドを異ならせることが可能となり、ノイズの低減等の効果を得ることができる。
負荷回路10a,10b,10cは、待機運転モード及び通常運転モードを有している。待機運転モード時において、電力供給が必要とされる負荷が接続されている負荷回路については、待機運転モード時に必要とされる電圧のうち、最小の電圧に合わせて負荷回路の出力電圧(2次側電圧)が設定される。これに対し、待機運転モード時において電力供給の必要がない負荷回路については、その負荷回路に接続される負荷の電圧に応じて、適宜、出力電圧が設定される。
各負荷回路における出力電圧は、通常運転モード時及び待機運転モード時において同じ値が採用される。
本実施形態においては、負荷回路10aについては、待機運転モード時における電力供給が必要とされず、負荷回路10b,10cについては、待機運転モード時においても一部或いは全ての負荷への電力供給が必要とされる。
従って、負荷回路10aについては、適宜、出力電圧が設定される。本実施形態では、一例として、負荷12に合わせて出力電圧が18Vに設定されており、15Vの電圧を必要とする負荷11には、出力電圧を3端子レギュレータにより降圧して供給している。
一方、負荷回路10b,10cについては、待機運転モード時に必要とされる供給負荷の電圧のうち、最も低い電圧に出力電圧が設定されることとなる。
具体的には、負荷回路10bにおいては、待機運転モード時に必要とされる最低電圧は20Vである。従って、負荷回路10bの出力電圧は20Vに設定される。
また、負荷回路10cにおいては、待機運転モード時における電力供給が必要となるのは負荷14のみであり、負荷15は待機運転モード時の電力供給が不要である。したがって、負荷回路10cでは、待機運転モード時に必要とされる最小電圧は5Vとなり、出力電圧は5Vに設定される。
なお、負荷回路10cにおいては、通常運転モード時に、負荷15に対して13Vの電圧を供給する必要がある。このように、通常運転モード時において出力電圧よりも高い負荷電圧を供給する必要がある場合には、出力電圧を昇圧して供給する。このため、負荷回路10cには、昇圧コンバータ21が設けられている。通常運転モード時においては、5Vの出力電圧が昇圧コンバータ21によって13Vに昇圧されて負荷15に供給される。
このようなスイッチング電源装置1においては、交流電源2から供給される交流電圧は、整流回路3により直流電圧に変換され、共振コンバータ4に供給される。共振コンバータ4では、スイッチング素子が高周波でオンオフ制御されることにより、トランスの1次巻線に高周波の正弦波状の電流が流れる。これにより、各負荷回路10a,10b,10cに応じて設けられたトランスの2次巻線に電圧が誘起され、誘起電圧が整流、平滑化されることにより、負荷回路10aについては18V、負荷回路10bについては20V、負荷回路10cについては5Vの出力電圧がそれぞれ生成される。
ここで、通常運転モード時であれば、負荷回路10aでは、スイッチ素子20が閉状態とされることにより、18Vの出力電圧は負荷12にそのまま供給されるとともに、3端子レギュレータを介して15Vに降圧された電圧が負荷11に供給される。
また、負荷回路10bでは、20Vの出力電圧がそのまま負荷13に供給される。負荷回路10cでは、5Vの出力電圧が負荷14にそのまま供給されるとともに、13Vまで昇圧コンバータ21によって昇圧されて負荷15に供給される。
他方、待機運転モード時であれば、負荷回路10aでは、スイッチ素子20が開状態とされることにより、負荷11、12への電力供給が遮断される。
また、負荷回路10bでは、通常運転モード時と変わらず、20Vの出力電圧が負荷13にそのまま供給される。また、負荷回路10cでは、5Vの出力電圧が負荷14にそのまま供給されるとともに、昇圧コンバータ21の動作が停止されることにより、負荷15への電力供給が遮断される。
以上説明したように、本実施形態に係るマルチ出力型のスイッチング電源装置1によれば、負荷回路10b、10cの出力電圧を待機運転モード時に必要とされる供給負荷の電圧のうち最も低い電圧に合わせて設定するとともに、通常運転モード時に、出力電圧よりも高い負荷電圧を供給する必要がある場合には、出力電圧を昇圧して供給するので、例えば、待機運転モード時における昇圧コンバータ21及び負荷15への電力供給を不要とすることができ、消費電力を効果的に低減させることが可能となる。
更に、待機運転モード時と通常運転モード時とで、出力電圧を変化させないため、複数の負荷回路10a,10b,10cへの電力供給を行うマルチ出力型のスイッチング電源であっても、各負荷11〜15を確実に作動させることが可能となる。
なお、本実施形態では、負荷回路10cにおいて5Vの出力電圧をそのまま負荷14に供給していたが、負荷14に電圧精度が必要な場合には、図5に示すように、3端子レギュレータ23を介して出力電圧を負荷14に供給することとしても良い。この場合、負荷回路10cにおける出力電圧は、3端子レギュレータ23の電圧ドロップを加味して設定される。図5のような構成によれば、負荷回路10cの出力電圧は、3端子レギュレータ23によって定電圧化され、精度の高い5Vの電圧が負荷14に供給されることとなる。
〔第1実施形態〕
次に、上述した本発明の一実施形態に係るスイッチング電源装置1を備える空気調和機の第1実施形態について図2を参照して説明する。
図2は、本発明の第1実施形態に係る空気調和機の概略構成を示した図である。図2に示すように、空気調和機50において、圧縮機モータ34を駆動するモータ駆動装置30とスイッチング電源装置1とは、同一の交流電源31から電力供給を受けている。
モータ駆動装置30は、交流電源31からの交流電力を整流する整流回路32と、整流回路32からの直流電力を交流電力に変換して圧縮機モータ34に出力するインバータ回路33とを備えている。また、整流回路32とインバータ回路33との間には、力率改善・平滑化を目的としてアクティブフィルタ35及び平滑回路36が設けられている。
更に、モータ駆動装置30において、交流電源31と整流回路32とを接続する交流母線LacのP極側には、交流電源31から整流回路32への電力供給を遮断する第1スイッチ素子37が設けられている。また、整流回路32とインバータ回路33とを接続する直流母線Ldcには、突入電流を抑制するための突入電流抑制回路38が設けられている。突入電流抑制回路38は、スイッチ素子40と抵抗41とが並列に接続された構成とされている。起動時には、スイッチ素子40が開状態とされて、抵抗41を介して電流が流れることにより、突入電流の発生が抑制される。この状態において、電流が低下し安定すると、スイッチ素子40が閉状態とされ、スイッチ素子40を介して電力が供給される。
また、スイッチング電源装置1へは、交流母線Lacの第1スイッチ素子37よりも交流電源31側から交流電力が供給される。これにより、第1スイッチ素子37が開状態とされ、モータ駆動装置30への電力供給が遮断された場合でも、スイッチング電源装置1に対しての電力供給が維持される。
このような空気調和機50において、通常運転モード時においては、第1スイッチ素子37及び突入電流抑制回路38のスイッチ素子40が閉状態とされることにより、交流電源31からの電力がモータ駆動装置30に供給され、所定の周波数の電圧が圧縮機モータ34へ供給される。更に、交流電源31からの電力はスイッチング電源装置1を介して各負荷回路10a、10b、10cに供給され、各負荷11〜15が作動する。
これに対し、待機運転モード時においては、モータ駆動装置30における第1スイッチ素子37が開状態とされることで、モータ駆動装置30への電力供給が遮断される。したがって、圧縮機モータ34への電力供給が遮断され、圧縮機モータ34が停止される。これにより、待機運転モード時におけるモータ駆動装置30の電力消費を抑制することができる。
他方、待機運転モード時においても、スイッチング電源装置1には交流電源31からの交流電力が継続して供給される。このとき、スイッチング電源装置1における待機運転モード時における電圧の供給は、負荷回路10bにおける負荷13、負荷回路10cにおける負荷14に限定される。
以上説明したように、本実施形態に係る空気調和機50によれば、待機運転モード時において、スイッチ素子37が開状態とされることにより、モータ駆動装置30への電力供給が遮断される。これにより、待機運転モード時におけるモータ駆動装置30の電力消費をなくすことができる。また、スイッチング電源装置1においては、負荷回路10aへの電力供給が遮断されることから、負荷回路10aにおける消費電力の消費をなくすことができる。更に、負荷回路10cにおいては、昇圧コンバータ21の駆動が停止されるので、昇圧コンバータ21並びにアクチュエータ等の負荷15による電力消費をなくすことができる。この結果、待機運転モード時における空気調和機全体としての消費電力を低減することができる。
なお、図2に示したモータ駆動装置30において、突入電流抑制回路38は、直流母線Ldcに設けられていたが、図3に示すように、モータ駆動装置30´の交流母線Lacに設けられている第1スイッチ素子37と並列に接続されていてもよい。この場合、突入電流抑制回路38´は、スイッチ素子40と抵抗41とが直列的に接続された構成とされる。
〔第2実施形態〕
次に、本発明の第2実施形態に係る空気調和機について図面を参照して説明する。
図4は、本実施形態に係る空気調和機60の構成を概略的に示した図である。図4に示すように、本実施形態における空気調和機60は、図3に示した空気調和機50´に加えて、更に、ファンモータ45を備えている。
具体的には、アクティブフィルタ35とインバータ回路33との間の直流母線Ldcにファンモータ45の入力端子が接続されている。これにより、直流電圧が動力としてファンモータ45に供給されて、ファンモータ45が駆動する。また、ファンモータ45を制御する制御部(図示略)は、その駆動源を負荷回路10aの15V電力線から受けている。
このような空気調和機60によれば、例えば、停電やブレーカ(図示略)により交流電源31からの電力供給が遮断された状態で、強風などによってファンモータ45が回転すると、その回生電力がモータ駆動装置30´の平滑回路36のコンデンサ46に充電される。この状態において、メンテナンス等の目的により、作業員がモータ駆動装置30´に触れると、平滑コンデンサ46に蓄えられた電荷によって感電するおそれがある。
そこで、本実施形態では、モータ駆動装置30´において、アクティブフィルタ35とインバータ回路33との間における直流母線Lacの正極側とスイッチング電源装置1における同電位箇所とを接続し、更に、その接続ラインLseに第2スイッチ素子48を設けている。
なお、図4では、一例として、直流母線Lacの正極側とスイッチング電源装置1の1次巻線側とを接続しているが、待機運転モード時における電位が同じであれば、負荷回路側に接続ラインLseを接続することも可能である。
このような構成によれば、停電やブレーカーにより、交流電源31からの電力供給が遮断された場合には、第2スイッチ素子48が閉状態とされる。これにより、ファンモータ45の回生電力は、接続ラインLseを経由してスイッチング電源装置1側の負荷によって消費されることとなり、平滑コンデンサ46への電荷の蓄積は行われないこととなる。これにより、モータ駆動装置30´の停止時における作業員の感電を防止することができる。
また、交流電源31からモータ駆動装置30´及びスイッチング電源装置1に電力が供給されている状態においては、第2スイッチ素子48は開状態とされる。これにより、直流母線Ldcとスイッチング電源装置1との接続が遮断され、接続ラインLseを介した電流の流れが遮断される。
なお、上記第1及び第2実施形態では、図1に示したスイッチング電源装置1を備える場合について説明したが、これに代えて、図5に示したスイッチング電源装置を備えていても良い。
1 スイッチング電源装置
2,31 交流電源
3,32 整流回路
4 共振コンバータ
10a,10b,10c 負荷回路
11〜15 負荷
20 スイッチ素子
21 昇圧コンバータ
23 3端子レギュレータ
30,30´ モータ駆動装置
33 インバータ回路
34 圧縮機モータ
35 アクティブフィルタ
36 平滑回路
37 第1スイッチ素子
38,38´ 突入電流抑制回路
45 ファンモータ
46 平滑コンデンサ
48 第2スイッチ素子
50,50´,60 空気調和機

Claims (3)

  1. 通常運転モードと待機運転モードとを有する複数の負荷回路の各々に対して出力電圧を供給するマルチ出力型のスイッチング電源装置であって、
    少なくとも一つの前記負荷回路は、
    待機運転モード時に必要とされる供給負荷の電圧のうち、最も低い電圧に応じて出力電圧が設定されており、かつ、通常運転モード時に、該出力電圧よりも高い負荷電圧を供給する必要がある場合に、該出力電圧を昇圧して供給するスイッチング電源装置。
  2. 交流電源から電力供給を受けて駆動するモータ駆動装置と、
    前記交流電源から電力供給を受ける請求項1に記載のスイッチング電源装置と
    を備え、
    前記モータ駆動装置は、
    交流電源から交流母線を介して供給される交流電力を整流する整流回路と、
    前記整流回路からの直流電力を交流電力に変換してモータに出力するインバータ回路と、
    前記交流母線に設けられ、前記交流電源から前記整流回路への電力供給を遮断する第1スイッチ手段と
    を備え、
    前記スイッチング電源装置は、前記交流母線において、前記第1スイッチ手段よりも前記交流電源に近いところから交流電力の供給を受け、
    前記第1スイッチ手段は、前記待機運転モードにおいて、前記整流回路への電力供給を遮断する空気調和機。
  3. 前記整流回路と前記インバータ回路とを接続する直流母線に接続された平滑用のコンデンサと、
    前記直流母線に接続され、該直流母線からの直流電力を駆動源として駆動するファンモータと、
    前記直流母線の正極側と、前記スイッチング電源装置における前記直流母線の正極側と同電位の部位とを接続する接続配線と、
    該接続配線に設けられた第2スイッチ手段と
    を備え、
    前記交流電源から電力供給を受けている場合に、前記第2スイッチ手段が開状態とされ、前記交流電源からの電力供給が遮断されている場合に、前記第2スイッチ手段が閉状態とされる請求項2に記載の空気調和機。
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