JP2014155237A - 整流回路装置及び整流回路装置のための制御回路 - Google Patents

Abstract

【課題】電源高調波電流を低減でき、かつ損失も低減できる安価な整流回路装置の提供。
【解決手段】半導体スイッチ１０４をチョッピング動作させる、単相交流電源１の出力端子をリアクタ１０２を介し短絡又は開放し、交流電源１から供給される交流電圧を直流に整流し負荷に供給する整流回路装置であり、制御回路３００は検出した電流波形が目標波形となるよう半導体スイッチ１０４のチョッピングを制御し、検出された直流電圧が所定の値となる様目標電流波形の振幅を制御し、脈動判定器で脈動の有無を判定し、脈動無しの場合は半導体スイッチ１０４がチョッピング動作状態であるチョッピング動作位相幅或いは、チョッピング休止状態であるチョッピング休止位相幅が所定の位相幅となるように所定の目標直流電圧を制御するものにおいて、脈動時は目標直流電圧設定器により入力電流から選択した目標電圧による電圧制御に切り替える。
【選択図】図１

Description

本発明は、整流回路装置及び整流回路装置のための制御回路に関し、特に、家庭などの単相交流電源を整流して略直流とし、直流負荷を駆動する回路装置や、得られた直流をインバータ回路により、再度、任意周波数の交流に変換して、電動機の可変速度駆動する装置であって、例えば圧縮機により冷媒を圧縮することによりヒートポンプを構成し、冷房、暖房、又は食品などの冷凍を行う装置に適用させる装置であり、その中での電源電流に含まれる高調波成分の低減や、力率を改善することにより、送電系統の負担を軽減させる技術の高効率な駆動制御を行う整流回路装置及び整流回路装置のための制御回路に関する。

図４は、特許文献１に開示された、従来技術に係る整流回路装置の構成を示す回路図である。

図４において、単相の交流電源１の両出力端子を、リアクタ１０２を介して半導体スイッチ１０４により短絡することで１つのループを構成する。電流検出器１０３は、そのループの電流を検出し、検出された電流値Ｉａｃを示す信号を制御回路１００に出力する。半導体スイッチ１０４をオンすると、リアクタ１０２の電流は増加する一方、半導体スイッチ１０４をオフすると、リアクタ１０２を流れていた電流はダイオードブリッジ回路１０５にて整流されて、その整流された電流は平滑コンデンサ１０６及び負荷４に流れ込み、負荷４を駆動する。負荷４へ印加される平滑コンデンサ１０６の両端のＤＣ電圧ＶｄｃはＤＣ電圧検出器１１０により検出され、ＤＣ電圧検出器１１０は検出されたＤＣ電圧Ｖｄｃを示す信号を制御回路１００に出力する。

また、電圧レベル比較器１０９は交流電源１のＡＣ電圧レベルを所定のしきい値電圧と比較することにより当該しきい値電圧以上であるか否かを示す２値信号Ｓｃｏｍを発生して制御回路１００に出力する。制御回路１００は、２値信号Ｓｃｏｍの周期及び位相に基づいて、交流電源１から出力されるＡＣ電圧の位相を検出し、検出されたＡＣ電圧の位相に基づいて、ＡＣ電圧と実質的に同一の周波数であってＡＣ電圧と相似形状を有する目標電流波形を生成し、電流検出器１０３により検出されるＩａｃが上記生成した目標電流波形の相似形状に漸近するように半導体スイッチ１０４をチョッピング動作させるように制御することを特徴としている。

さらに、制御回路１００は、ＤＣ電圧検出器１１０により検出されたＤＣ電圧Ｖｄｃが、制御回路１００内で設定された所望の電圧になるように、その偏差に応じて、生成する目標電流波形の相似比率を調整する。ここで、制御回路１００は、実際のＤＣ電圧が所望の電圧より低ければ、目標電流指令の相似比率を増大させて、大きな電流になるように制御し、実際のＤＣ電圧が所望のＤＣ電圧よりも高ければ、小さな電流になるように制御を行う。また、制御回路１００は、半導体スイッチ１０４のチョッピング状態に基づいて、半導体スイッチ１０４をパルス幅変調（以下、「ＰＷＭ」という。）駆動している位相幅を検出し、その位相幅と所望の値との偏差を検出し、当該偏差に応じて前記所望のＤＣ電圧値を調整する。

図５は図４の制御回路１００の詳細構成を示すブロック図である。図５の制御回路１００において、当該制御システムの最終制御目標は、チョッピング駆動がなされているチョッピング動作位相幅θｗ_ONを所望の位相幅θｗ_ON ^*に制御することである。まず、ＡＣ電圧位相検出器２０１は、交流電源１の電圧レベルを所定のしきい値電圧Ｖｔｈと比較する
ことにより２値化した２値信号Ｓｃｏｍに基づいて、ＡＣ位相を検出し、検出したＡＣ位相を示す信号を目標電流波形形成器２０２及びチョッピング位相幅検出器２１２に出力する。なお、電圧レベル比較器１０９の具体的な動作は詳細後述する。次いで、目標電流波形形成器２０２は上記ＡＣ位相を示す信号に基づいて、詳細後述する所定の目標電流波形を発生して乗算器２０８に出力する。 チョッピング位相幅検出器２１２は、Ｉａｃ補償演算器２１０からＰＷＭ変調器２１１に出力される半導体スイッチ１０４に対するチョッピング駆動信号Ｓｃｈの元信号に基づいて、ＡＣ電圧位相検出器２０１からの信号が示すＡＣ電圧の位相を基準として、チョッピング状態である位相幅（以下、「チョッピング動作位相幅」又は、単に「チョッピング位相幅」という。）θｗ_ONを検出して、チョッピング位相幅θｗ_ONを示す信号を減算器２０４に出力する。一方、目標位相幅設定器２０３は予め設定されて格納された所望のチョッピング位相幅θｗ_ON ^*を示す信号を減算器２０４に出力する。減算器２０４はいわゆる位相比較器であり、実際のチョッピング位相幅θｗ_ONから所望のチョッピング位相幅θｗ_ON ^*を減算することによりその位相幅の偏差を演算して当該偏差を示す信号を位相幅補償演算器２０５に出力する。位相幅補償演算器２０５は、ＰＷＭ駆動状態の位相幅を安定に保つための所定の補償演算を行うことにより、当該整流回路装置により出力すべきＤＣ電圧の電圧指令Ｖｄｃ^*を発生して当該電圧指令Ｖｄｃ^*を示す信号を減算器２０６に出力する。一方、ＤＣ電圧検出器１１０により検出された実際の出力ＤＣ電圧Ｖｄｃを示す信号は減算器２０６に入力される。

減算器２０６は、ＤＣ電圧の電圧指令Ｖｄｃ^*から実際の出力ＤＣ電圧Ｖｄｃを減算することにより電圧偏差を演算し、電圧偏差を示す信号を発生してＶｄｃ補償演算器２０７に出力する。補償演算器２０７は、実際のＤＣ電圧Ｖｄｃが電圧指令Ｖｄｃ^*と実質的に一致しかつ安定になるための補償演算を実行することにより補償演算後の電圧偏差を示す信号を乗算器２０８に出力する。乗算器２０８は、目標電流波形形成器２０２からの目標電流波形に対して補償演算後の電圧偏差を乗算し、乗算結果である瞬時の電流指令値Ｉａｃ^*を発生して減算器２０９に出力する。乗算器２０８では、実際の電圧Ｖｄｃが電圧指令Ｖｄｃ^*よりも低いとき、目標電流波形の振幅を増大させる一方、実際の電圧Ｖｄｃが電圧指令Ｖｄｃ^*よりも高いとき、目標電流波形の振幅を減少させる動作を行う。

減算器２０９は、瞬時の電流指令値Ｉａｃ^*から、電流検出器１０３により検出された実際の電流値Ｉａｃを減算することにより、減算結果である電流偏差を示す信号をＩａｃ補償演算器２１０に出力する。Ｉａｃ補償演算器２１０は、交流電源１から入力される電流が電流指令値Ｉａｃ^*に安定かつ速やかに実質的に一致するように所定の補償演算を行って、補償演算後の電流偏差を示す信号をＰＷＭ変調器２１１及びチョッピング位相幅検出器２１２に出力する。

ＰＷＭ変調器２１１は入力される信号が示す補償演算後の電流偏差に対してＰＷＭ変調することにより、半導体スイッチ１０４をオンオフするためのチョッピング駆動信号Ｓｃｈを発生して半導体スイッチ１０４に出力する。一方、チョッピング位相幅検出器２１２は、上述のように、Ｉａｃ補償演算器２１０からＰＷＭ変調器２１１に出力される半導体スイッチ１０４に対するチョッピング駆動信号Ｓｃｈの元信号に基づいて、ＡＣ電圧位相検出器２０１からの信号が示すＡＣ電圧の位相を基準として、チョッピング位相幅θｗ_ONを検出して、チョッピング位相幅θｗ_ONを示す信号を減算器２０４に出力する。これにより、チョッピング位相幅の制御ループが構成される。

以上のように構成された、半導体スイッチ１０４をチョッピング駆動制御する制御回路１００においては、図５の減算器２０４よりも右側のループ（２０４から２０５，２０６，２０７，２０８，２０９，２１０，２１２を介して２０４に戻るループをいう。）において、チョッピング位相幅検出器２１２により検出されたチョッピング位相幅が目標位相幅設定器２０３により設定された目標位相幅に実質的に一致するようにＤＣ電圧Ｖｄｃが
制御される。また、図５の減算器２０６よりも右側のループ（２０６から２０７，２０８，２０９，２１０，２１１，１０４，１１０を介して２０６に戻るループをいう。）において、ＤＣ電圧検出器１１０により検出されたＤＣ電圧Ｖｄｃが位相幅補償演算器２０５により示される所望のＤＣ電圧指令Ｖｄｃ^*と実質的に一致するように目標電流の振幅が制御されてチョッピング駆動制御される。さらに、図５の減算器２０９よりも右側のループ（２０９から２１０，２１１，１０４，１０３を介して２０９に戻るループをいう。）において、電流検出器１０３により検出された電流Ｉａｃが目標電流波形形成器２０２により形成された目標電流波形に基づいて発生された電流指令Ｉａｃ^*に実質的に一致するようにチョッピング駆動制御される。

次に、図６（ａ）、（ｂ）の波形図を用いて図４の制御回路１００の動作を説明する。それぞれの図は、ＡＣ電圧と整流後のＤＣ電圧との関係の違いで、制御すべき目標電流波形と、実際に制御した後のＡＣ電流とを示す信号波形図をそれぞれ説明した図である。

図６（ａ）では、出力されるＤＣ電圧が比較的低く、半導体スイッチ１０４に対するチョッピング位相幅（例えば、最小の位相幅）θｗ_ONが所望の位相幅θｗ_ON ^*よりも小さくなっている場合である。このときには、ＡＣ電圧がＤＣ電圧より高い位相期間が増加するので、ＡＣ電源１からリアクタ１０２とダイオードブリッジ回路１０５を経由してＤＣ側へと流れ込む電流が増加する。このため、ＡＣ電流の波形が先鋭になり、ＡＣ電流の高調波成分が増加する。

一方、図６（ｂ）では、出力されるＤＣ電圧が比較的高く、半導体スイッチ１０４に対するチョッピング位相幅（例えば、最大の位相幅）θｗ_ONが所望の位相幅θｗ_ON ^*よりも大きくなっている場合である。このときには、ＡＣ電圧がＤＣ電圧より高い位相期間が図６（ａ）の場合に比較して減少するので、交流電源１からリアクタ１０２とダイオードブリッジ回路１０５を経由してＤＣ側へと流れ込む電流も減少し、ＡＣ電流の高調波成分が減少する。しかし、図６（ａ）の波形に比べて、半導体スイッチ１０４に対するチョッピングが行われている期間が増加しているため、回路の損失が増加してしまう。

ここで、交流電源１からのＡＣ電圧にひずみが含まれていると、ＡＣ電圧の半周期の間にチョッピングがなされている区間が複数回数出現することがあるが、その場合には、チョッピング位相幅検出器２１２は、ＡＣ電圧の位相の０度又は１８０度に近いチョッピング位相幅を制御用チョッピング位相幅として選択して当該チョッピング制御を行ってもよい。また、チョッピング位相幅検出器２１２は、ＡＣ電圧の位相の０度又は１８０度の代わりに、ＡＣ電流又はＡＣ電圧の極性を判定している基準位相に近い方の位相幅を制御用チョッピング位相幅として選択して当該チョッピング制御を行ってもよい。さらに、チョッピング位相幅検出器２１２は、上記複数個得られたチョッピング位相幅を加算し、加算結果の位相幅を制御用チョッピング位相幅として当該チョッピング制御を行ってもよい。

電圧レベル比較器１０９の２値化処理について、図７（ａ）、（ｂ）を参照して以下に説明する。

図７（ａ）、（ｂ）は共に、ＡＣ電圧としきい値電圧Ｖｔｈとの関係と、電圧レベル比較器１０９からの２値信号とを示す信号波形図である。但し、閾値Ｖｔｈは異なっている。

すなわち、図７（ａ）及び図７（ｂ）は、ＡＣ電圧が一定のレベル以上か否かの情報から電圧位相を検出する方法を示す。この情報はＡＣ電圧の瞬時電圧がしきい値を超えているか否かを２値信号として得る。すなわち、電圧レベル比較器１０９は、ＡＣ電圧をしきい値電圧Ｖｔｈと比較し、ＡＣ電圧がしきい値電圧Ｖｔｈ以上のときハイレベル信号を出
力する一方、ＡＣ電圧がしきい値電圧Ｖｔｈ未満のときローレベル信号を出力する。

ここで、しきい値電圧Ｖｔｈが変動しても２値信号の周期は電源周波数と同一であり、２値信号のハイレベル側又はローレベル側の中点を求めれば、ＡＣ電圧位相の９０度又は２７０度の時間を知ることができる。また、ＡＣ電圧位相の９０度と２７０度の中点は１８０度及び０度の位相になる。このようにして得られた情報を、ＰＬＬなどを用いて逓倍すれば、瞬時瞬時の位相を正確に知ることができる。

次に、負荷の特性により入力電流に脈動が発生する場合の動作を説明する。

図８は整流回路装置の構成を示す回路図である。また、図９は図８の制御回路１１１の詳細構成を示すブロック図である。図８においては、図４の制御回路１００に代えて制御回路１１１を備えたものであり、制御回路１１１は、図９に示すように、図４の制御回路１００に比較して、入力電流変動判定値設定器２１３ａを有する入力状況判定器２１３と、目標位相幅選定器２１４（図４の目標位相幅設定器２０３に代えて設けられる）と、チョッピング位相幅抽出器２１６とをさらに備えたものである。

接続される負荷４の負荷特性により入力電流が脈動する場合、電源電圧の周期に基づいて同一のチョッピング位相幅は得られない。そこで、脈動しない領域での所望のチョッピング位相幅とは別に、脈動する領域における所望のチョッピング位相幅を設け、かつ、この脈動する領域では、予め設定された一定時間又は一定周期数における、最大或いは平均のチョッピング位相幅を抽出して当該チョッピング制御を行う。

図８及び図９の構成において、制御回路１１１により半導体スイッチ１０４をチョッピング制御することにより、電源電圧の高調波の低減とＤＣ電圧の制御が行われる。図９の制御回路１１１において、当該制御システムの最終制御目標は、チョッピング駆動がなされているチョッピング位相幅θｗ_ONを、目標位相幅選定器２１４からの所望の位相幅θｗ_ON ^*に一致するように制御することである。以下、図９の制御回路１１１の構成及び動作について、図５の制御回路１００との相違点を中心に説明し、図５の制御回路１００と同様の構成及び動作の説明については省略する。

電流検出器１０３は検出したＡＣ電流Ｉａｃを示す信号を減算器２０９と入力状況判定器２１３に出力する。入力状況判定手段２１３は、複数の電源電圧周期のピーク値から入力電流の変動幅を計算し、当該計算した変動幅から、入力電流変動判定値設定器２１３ａにより予め設定されている入力電流変動判定値を減算して、減算結果である変動幅偏差を示す信号を目標位相幅選定器２１４及びチョッピング位相幅抽出器２１６に出力する。目標位相幅選定器２１４は予め、変動幅偏差の各種数値範囲に対応して設定すべき所望のチョッピング位相幅θｗ_ON ^*をチョッピング位相幅テーブルとして内蔵テーブルメモリ２１４ｍに格納しており、入力状況判定器２１３からの変動幅偏差（入力電流の変動の程度）を示す信号に基づいて、上記チョッピング位相幅テーブルを参照して、対応するチョッピング位相幅θｗ_ON ^*を決定してそれを示す信号を減算器２０４に出力する。

チョッピング位相幅抽出器２１６は、チョッピング位相幅検出器２１２からのチョッピング状態の位相幅と、入力状況判定器２１３からの変動幅偏差とに基づいて、当該位相幅において所定値以上の脈動が発生していないと判断したとき、チョッピング位相幅検出器２１２からのチョッピング状態のチョッピング位相幅θｗ_ONを示す信号をそのまま減算器２０４に出力する。一方、チョッピング位相幅抽出器２１６は、当該チョッピング位相幅θｗ_ONにおいて所定値以上の脈動が発生していると判断したとき、予め設定された一定時間或いは一定周期数における、最大或いは平均のチョッピング状態の位相幅を抽出して当該位相幅を示す信号を減算器２０４に出力する。

以上のように構成された図９の制御回路１１１を備えた図８の整流回路装置によれば、所定値以上の脈動が発生する脈動的な負荷がある場合でも、電源電圧の高調波に大きく影響を与えるチョッピング状態の位相幅θｗ_ONを抽出することができ、電源電圧の高調波の低減と回路損失の低減との両立をはかることができる。

国際公開第２０１２／００４９２７号

しかしながら、前記従来技術に係る整流回路装置の構成では、脈動の影響を受け時々刻々と変化するチョッピング位相幅θｗ_ON ^*を検出し、その検出した位相幅のいずれの値を抽出し制御に用いるかという部分は、その周期性の有無や周期の長短に大きく影響される内容であり、制御対象とするチョッピング位相幅θｗ_ON ^*の値を決定する処理にかける時間の設定如何によっては決定される位相幅が安定せず、結果的に出力電圧や電源高調波のレベルが所望の値に安定しないという課題を有している。

また、抽出条件が接続される負荷に特化してしまい汎用性に欠けるという課題を有している。

加えて、このような制御方法は一般にデジタルコンピュータを用いて実現されるが、制御に用いる位相幅を決定するまでの処理が煩雑となり、高速なマイクロコンピュータが必要となりコストアップを招くという課題を有している。

本発明の目的は以上の問題点を解決し、接続されている負荷が持つ脈動の周期性有無や長短の如何にかかわらず、脈動中においても常に損失が少なく、かつ高調波電流が少ない汎用性のある整流回路装置を低コストで提供することにある。

第１の発明に係る整流回路装置は、
半導体スイッチをチョッピング動作させることにより、単相交流電源の出力端子をリアクタを介して短絡又は開放し、前記単相交流電源から前記リアクタを介して供給される交流電圧を直流電圧に整流して負荷に供給する整流回路装置、或いは、交流電源を整流後半導体スイッチをチョッピング動作させることにより、整流後の電圧をリアクタを介して短絡又は開放することにより、前記単相交流電源から直流電圧に変換して負荷に供給する整流回路装置であって、
前記交流電圧の波形と同一周波数の目標電流波形を形成する波形形成手段と、
交流側に流れる電流或いは直流側に流れる電流を検出する電流検出手段と、
前記直流電圧を検出する電圧検出手段と、
前記検出された交流電流の波形が実質的に前記目標電流波形となるように前記半導体スイッチのチョッピング動作を制御する第１の制御手段と、
前記検出された直流電圧が実質的に所定の目標直流電圧となるように前記目標電流波形の振幅を制御する第２の制御手段と、
前記半導体スイッチがチョッピング動作状態であるチョッピング動作位相幅、もしくは、前記半導体スイッチがチョッピング休止状態であるチョッピング休止位相幅が実質的に所定の位相幅となるように前記所定の目標直流電圧を制御する第３の制御手段とを備えたものにおいて、
負荷の影響による入力電流における脈動の発生の有無を判定する脈動判定手段と、
前記脈動判定手段が脈動発生を認識している間は、予め設定された脈動発生時目標直流電圧を前記第２の制御手段の目標直流電圧として指示する第４の制御手段と
を備えた構成としてある。

また、第２の発明に係る整流回路装置のための制御回路は、
半導体スイッチをチョッピング動作させることにより、単相交流電源の出力端子をリアクタを介して短絡又は開放し、前記単相交流電源から前記リアクタを介して供給される交流電圧を直流電圧に整流して負荷に供給する整流回路装置のための制御回路、或いは、交流電源を整流後半導体スイッチをチョッピング動作させることにより、整流後の電圧をリアクタを介して短絡又は開放することにより、前記単相交流電源から直流電圧に変換して負荷に供給する整流回路装置のための制御回路であって、
前記交流電圧の波形と同一周波数の目標電流波形を形成する波形形成手段と、
交流側に流れる電流或いは直流側に流れる電流を検出する電流検出手段と、
前記直流電圧を検出する電圧検出手段と、
前記検出された交流電流の波形が実質的に前記目標電流波形となるように前記半導体スイッチのチョッピング動作を制御する第１の制御手段と、
前記検出された直流電圧が実質的に所定の目標直流電圧となるように前記目標電流波形の振幅を制御する第２の制御手段と、
前記半導体スイッチがチョッピング動作状態であるチョッピング動作位相幅、もしくは、前記半導体スイッチがチョッピング休止状態であるチョッピング休止位相幅が実質的に所定の位相幅となるように前記所定の目標直流電圧を制御する第３の制御手段とを備えたものにおいて、
上記整流回路装置のための制御回路は、
負荷の影響による入力電流における脈動の発生の有無を判定する脈動判定手段と、
前記脈動判定手段が脈動発生を認識している間は、予め設定された脈動発生時目標直流電圧を前記第２の制御手段の目標直流電圧として指示する第４の制御手段と
を備えた構成としてある。

上記各構成によれば、接続される負荷の影響により入力電流に脈動が発生している場合は、入力電流に応じて設定される脈動時目標直流電圧による電圧制御に切り替える事により、脈動の周期性や長短の如何にかかわらず、常に損失が少なく、かつ高調波電流が少なく汎用性の高い整流動作が実現される。

加えて脈動判定を含む脈動時の処理が簡単であるため低コストで実現される。

本発明は、接続された負荷により入力電流に脈動が発生している間は、入力電流に応じた目標電圧による電圧制御に切り替える事で、脈動の周期性や長短の如何にかかわらず簡単な処理により、常に損失が少なく、かつ高調波電流が少なく汎用性の高い整流動作を低コストで実現することができる。

本発明の実施の形態１に係る整流回路装置の構成を示す回路図 図１の制御回路の詳細構成を示すブロック図 本発明の実施の形態１に係る整流回路装置において、リアクタ及び半導体スイッチが整流ブリッジ以降にある場合の構成を示す回路図 従来技術に係る整流回路装置の構成を示す回路図 図４の制御回路の詳細構成を示すブロック図 （ａ）図４の制御回路の制御動作を説明するための図であって、交流電圧（以下、ＡＣ電圧という。）と整流後の直流電圧（以下、ＤＣ電圧という。）との関係と、制御すべき目標電流波形と、実際に制御した後の交流電流（以下、ＡＣ電流という。）とを示す信号波形図、（ｂ）図４の制御回路の制御動作を説明するための図であって、ＡＣ電圧と整流後のＤＣ電圧との関係と、制御すべき目標電流波形と、実際に制御した後のＡＣ電流とを示す信号波形図 （ａ）従来技術に係る整流回路装置の電圧レベル比較器１０９の２値化処理の動作例を説明するための図であって、ＡＣ電圧としきい値電圧Ｖｔｈとの関係と、電圧レベル比較器１０９からの２値信号とを示す信号波形図、（ｂ）従来技術に係るに係る整流回路装置の電圧レベル比較器１０９の２値化処理を説明するための図であって、ＡＣ電圧としきい値電圧Ｖｔｈとの関係と、電圧レベル比較器１０９からの２値信号とを示す信号波形図 従来技術に係る脈動が発生する負荷に接続された場合における整流回路装置の構成を示す回路図 図８の制御回路の詳細構成を示すブロック図

第１の発明の実施形態に係る整流回路装置は、
半導体スイッチをチョッピング動作させることにより、単相交流電源の出力端子をリアクタを介して短絡又は開放し、前記単相交流電源から前記リアクタを介して供給される交流電圧を直流電圧に整流して負荷に供給する整流回路装置、或いは、交流電源を整流後半導体スイッチをチョッピング動作させることにより、整流後の電圧をリアクタを介して短絡又は開放することにより、前記単相交流電源から直流電圧に変換して負荷に供給する整流回路装置であって、
前記交流電圧の波形と同一周波数の目標電流波形を形成する波形形成手段と、
交流側に流れる電流或いは直流側に流れる電流を検出する電流検出手段と、
前記直流電圧を検出する電圧検出手段と、
前記検出された交流電流の波形が実質的に前記目標電流波形となるように前記半導体スイッチのチョッピング動作を制御する第１の制御手段と、
前記検出された直流電圧が実質的に所定の目標直流電圧となるように前記目標電流波形の振幅を制御する第２の制御手段と、
前記半導体スイッチがチョッピング動作状態であるチョッピング動作位相幅、もしくは、前記半導体スイッチがチョッピング休止状態であるチョッピング休止位相幅が実質的に所定の位相幅となるように前記所定の目標直流電圧を制御する第３の制御手段とを備えたものにおいて、
上記整流回路装置は、負荷の影響による入力電流における脈動の発生の有無を判定する脈動判定手段と、前記脈動判定手段が脈動発生を認識している間は、予め設定された脈動時目標直流電圧を前記第２の制御手段の目標直流電圧として指示する第４の制御手段を備えたことを特徴とする。

また、上記第１の発明において、前記脈動判定手段は、電源周期毎或いは半電源周期毎に検出される前記チョッピング動作位相幅或いは前記チョッピング休止位相幅を順次比較し、差分が予め設定されている制限値を越えた場合に脈動状態が発生していると判断することを特徴とする。

また、上記第１の発明において、前記脈動判定手段は、前記電流検出手段により得られる電流値から電流の変動比率を計算し、変動比率が予め設定している設定値を越えた場合に脈動状態が発生していると判断することを特徴とする。

また、上記第１の発明において、前記脈動判定手段は、前記電圧検出手段により得られる電圧値から電圧の変動比率を計算し、変動比率が予め設定されている設定値を越えた場合に脈動状態が発生していると判断することを特徴とする。

また、第２の発明の実施形態に係る、整流回路装置のための制御回路は、
半導体スイッチをチョッピング動作させることにより、単相交流電源の出力端子をリアクタを介して短絡又は開放し、前記単相交流電源から前記リアクタを介して供給される交流電圧を直流電圧に整流して負荷に供給する整流回路装置のための制御回路、或いは、交流電源を整流後半導体スイッチをチョッピング動作させることにより、整流後の電圧をリアクタを介して短絡又は開放することにより、前記単相交流電源から直流電圧に変換して負荷に供給する整流回路装置のための制御回路であって、
前記交流電圧の波形と同一周波数の目標電流波形を形成する波形形成手段と、
交流側に流れる電流或いは直流側に流れる電流を検出する電流検出手段と、
前記直流電圧を検出する電圧検出手段と、
前記検出された交流電流の波形が実質的に前記目標電流波形となるように前記半導体スイッチのチョッピング動作を制御する第１の制御手段と、
前記検出された直流電圧が実質的に所定の目標直流電圧となるように前記目標電流波形の振幅を制御する第２の制御手段と、
前記半導体スイッチがチョッピング動作状態であるチョッピング動作位相幅、もしくは、前記半導体スイッチがチョッピング休止状態であるチョッピング休止位相幅が実質的に所定の位相幅となるように前記所定の目標直流電圧を制御する第３の制御手段とを備えたものにおいて、
上記制御回路は、負荷の影響による入力電流における脈動の発生の有無を判定する脈動判定手段と、前記脈動判定手段が脈動発生を認識している間は、予め設定された脈動時目標直流電圧を前記第２の制御手段の目標直流電圧として指示する第４の制御手段を備えたことを特徴とする。

また、上記第１および第２の発明において、前記第４の制御手段は、前記脈動時目標直流電圧を前記電流検出手段から得られる電流値に応じて設定されることを特徴とする。

また、上記第２の発明において、前記脈動判定手段は、電源周期毎或いは半電源周期毎に検出される前記チョッピング動作位相幅或いは前記チョッピング休止位相幅を順次比較し、差分が予め設定されている制限値を越えた場合に脈動状態が発生していると判断することを特徴とする。

また、上記第２の発明において、前記脈動判定手段は、前記電流検出手段により得られる電流値から電流の変動比率を計算し、変動比率が予め設定している設定値を越えた場合に脈動状態が発生していると判断することを特徴とする。

また、上記第２の発明において、前記脈動判定手段は、前記電圧検出手段により得られる電圧値から電圧の変動比率を計算し、変動比率が予め設定されている制限値を越えた場合に脈動状態が発生していると判断することを特徴とする。

本発明の上記各実施の形態によれば、接続される負荷の影響により発生する入力電流の脈動の有無を判定し、脈動発生と判断している間は、脈動時目標直流電圧による電圧制御へ切り替える事により、脈動の周期性や長短の如何にかかわらず、脈動中においても常に損失が少なく、かつ高調波電流が少ない整流動作を実現することができる。

また、脈動の有無の判定を含め脈動時の制御は、接続される負荷に特化したものではないため汎用性のある制御となる。

また、入力電流の大きさにより脈動発生時目標直流電圧を選択することにより、入力電流が小さい場合は脈動時目標直流電圧を下げ、入力電流が大きい場合は脈動時目標直流電
圧を上げることにより、電源高調波電流値を押さえながら、損失が少ない整流動作を実現することができる。加えて脈動判定を含む脈動時の処理が簡単であるため低コストで実現できる。

以下、本発明の実施形態について図面を参照しながら説明する。なお、この実施形態によって本発明が限定されない。

（実施の形態１）
図１は本発明の実施の形態１に係る整流回路装置の構成を示す回路図である。

図１において、単相の交流電源１の両出力端子を、リアクタ１０２を介して半導体スイッチ１０４により短絡することで１つのループを構成する。電流検出器１０３は、そのループの電流を検出し、検出された電流値Ｉａｃを示す信号を制御回路３００に出力する。半導体スイッチ１０４をオンすると、リアクタ１０２の電流は増加する一方、半導体スイッチ１０４をオフすると、リアクタ１０２を流れていた電流はダイオードブリッジ回路１０５にて整流されて、その整流された電流は平滑コンデンサ１０６及び負荷４に流れ込み、負荷４を駆動する。負荷４へ印加される平滑コンデンサ１０６の両端のＤＣ電圧ＶｄｃはＤＣ電圧検出器１１０により検出され、ＤＣ電圧検出器１１０は検出されたＤＣ電圧Ｖｄｃを示す信号を制御回路３００に出力する。

また、電圧レベル比較器１０９は交流電源１のＡＣ電圧レベルを所定のしきい値電圧と比較することにより当該しきい値電圧以上であるか否かを示す２値信号Ｓｃｏｍを発生して制御回路３００に出力する。制御回路３００は、２値信号Ｓｃｏｍの周期及び位相に基づいて、交流電源１から出力されるＡＣ電圧の位相を検出し、検出されたＡＣ電圧の位相に基づいて、ＡＣ電圧と実質的に同一の周波数であってＡＣ電圧と相似形状を有する目標電流波形を生成し、電流検出器１０３により検出されるＩａｃが上記生成した目標電流波形の相似形状に漸近するように半導体スイッチ１０４をチョッピング動作させるように制御する。

さらに、制御回路３００は、ＤＣ電圧検出器１１０により検出されたＤＣ電圧Ｖｄｃが、制御回路３００内で設定された所望の電圧になるように、その偏差に応じて、生成する目標電流波形の相似比率を調整する。ここで、制御回路３００は、実際のＤＣ電圧が所望の電圧より低ければ、目標電流指令の相似比率を増大させて、大きな電流になるように制御し、実際のＤＣ電圧が所望のＤＣ電圧よりも高ければ、小さな電流になるように制御を行う。また、制御回路３００は、半導体スイッチ１０４のチョッピング状態に基づいて、半導体スイッチ１０４をパルス幅変調（以下、「ＰＷＭ」という。）駆動している位相幅を検出し、その位相幅と所望の値との偏差を検出し、当該偏差に応じて前記所望のＤＣ電圧値を調整する。

図２は図１の制御回路３００の詳細構成を示すブロック図である。図２の制御回路３００において、脈動が発生していない場合の当該制御システムの最終制御目標は、チョッピング駆動がなされているチョッピング動作位相幅θｗ_ONを所望の位相幅θｗ_ON ^*に制御することであり、脈動が発生している場合の当該制御システムの最終制御目標は、ＤＣ電圧Ｖｄｃを脈動時Ｖｄｃ＊に制御することである。

まず、ＡＣ電圧位相検出器２０１は、交流電源１の電圧レベルを所定のしきい値電圧Ｖｔｈと比較することにより２値化した２値信号Ｓｃｏｍに基づいて、ＡＣ位相を検出し、検出したＡＣ位相を示す信号を目標電流波形形成器２０２及びチョッピング位相幅検出器２１２に出力する。なお、電圧レベル比較器１０９の具体的な動作は従来例で説明済みのため省略する。次いで、目標電流波形形成器２０２は上記ＡＣ位相を示す信号に基づいて
、詳細後述する所定の目標電流波形を発生して乗算器２０８に出力する。

チョッピング位相幅検出器２１２は、Ｉａｃ補償演算器２１０からＰＷＭ変調器２１１に出力される半導体スイッチ１０４に対するチョッピング駆動信号Ｓｃｈの元信号に基づいて、ＡＣ電圧位相検出器２０１からの信号が示すＡＣ電圧の位相を基準として、チョッピング状態である位相幅（以下、「チョッピング動作位相幅」又は、単に「チョッピング位相幅」という。）θｗ_ONを検出して、チョッピング位相幅θｗ_ONを示す信号を減算器２０４と脈動判定器３０２に出力する。一方、目標位相幅設定器２０３は予め設定されて格納された所望のチョッピング位相幅θｗ_ON ^*を示す信号を減算器２０４に出力する。減算器２０４はいわゆる位相比較器であり、実際のチョッピング位相幅θｗ_ONから所望のチョッピング位相幅θｗ_ON ^*を減算することによりその位相幅の偏差を演算して当該偏差を示す信号を位相幅補償演算器２０５に出力する。位相幅補償演算器２０５は、ＰＷＭ駆動状態の位相幅を安定に保つための所定の補償演算を行うことにより、当該整流回路装置により出力すべきＤＣ電圧の電圧指令である安定時Ｖｄｃ^*を発生し電圧指令選択器３０１に出力する。

脈動判定器３０２は、電源周期毎或いは半電源周期毎にチョッピング位相幅検出器２１２から出力されるチョッピング位相幅θｗ_ONの最大値と最小値を記憶し、その差分が予め設定されている値を超える場合は脈動が発生していると判断し、電圧指令選択器３０１及び目標直流電圧設定器３０３に対し、脈動の有無を示す２値信号Ｓｐｕｌを出力する。目標直流電圧設定器３０３は、電流検出器１０３から出力される電流値Ｉａｃからピーク値を計測している。また、目標直流電圧設定器３０３は、予め、電流値Ｉａｃのピーク電流の数値範囲に対応して設定すべき電圧指令である脈動時Ｖｄｃ＊を脈動時電圧指令テーブルとして内蔵テーブルメモリ３０３ｍに格納しており、計測した電流ピーク値に基づいて、前記内蔵テーブルメモリ３０３ｍを参照して、対応する脈動時Ｖｄｃ＊を決定してそれを示す信号を電圧指令選択器３０１に出力する。

電圧指令選択器３０１は、脈動判定器３０２からの出力であるＳｐｕｌ信号により、脈動が発生している場合は、脈動時Ｖｄｃ＊を、脈動が発生しない場合は安定時Ｖｄｃ＊を、電圧指令Ｖｄｃ＊として減算器２０６に出力する。

減算器２０６は、ＤＣ電圧の電圧指令Ｖｄｃ^*から実際の出力ＤＣ電圧Ｖｄｃを減算することにより電圧偏差を演算し、電圧偏差を示す信号を発生してＶｄｃ補償演算器２０７に出力する。Ｖｄｃ補償演算器２０７は、実際のＤＣ電圧Ｖｄｃが電圧指令Ｖｄｃ^*と実質的に一致しかつ安定になるための補償演算を実行することにより補償演算後の電圧偏差を示す信号を乗算器２０８に出力する。乗算器２０８は、目標電流波形形成器２０２からの目標電流波形に対して補償演算後の電圧偏差を乗算し、乗算結果である瞬時の電流指令Ｉａｃ^*を発生して減算器２０９に出力する。乗算器２０８では、実際の電圧Ｖｄｃが電圧指令Ｖｄｃ^*よりも低いとき、目標電流波形の振幅を増大させる一方、実際の電圧Ｖｄｃが電圧指令Ｖｄｃ^*よりも高いとき、目標電流波形の振幅を減少させる動作を行う。

減算器２０９は、瞬時の電流指令Ｉａｃ^*から、電流検出器１０３により検出された実際の電流値Ｉａｃを減算することにより、減算結果である電流偏差を示す信号をＩａｃ補償演算器２１０に出力する。Ｉａｃ補償演算器２１０は、交流電源１から入力される電流が電流指令Ｉａｃ^*に安定かつ速やかに実質的に一致するように所定の補償演算を行って、補償演算後の電流偏差を示す信号をＰＷＭ変調器２１１及びチョッピング位相幅検出器２１２に出力する。ＰＷＭ変調器２１１は入力される信号が示す補償演算後の電流偏差に対してＰＷＭ変調することにより、半導体スイッチ１０４をオンオフするためのチョッピング駆動信号Ｓｃｈを発生して半導体スイッチ１０４に出力する。一方、チョッピング位相幅検出器２１２は、上述のように、Ｉａｃ補償演算器２１０からＰＷＭ変調器２１１に
出力される半導体スイッチ１０４に対するチョッピング駆動信号Ｓｃｈの元信号に基づいて、ＡＣ電圧位相検出器２０１からの信号が示すＡＣ電圧の位相を基準として、チョッピング位相幅θｗ_ONを検出して、チョッピング位相幅θｗ_ONを示す信号を減算器２０４と脈動判定器３０２に出力する。これにより、脈動が発生していない場合はチョッピング位相幅の制御ループが構成され、脈動が発生している場合は、脈動時の目標電圧である脈動時Ｖｄｃ＊による制御ループが構成される。

以上のように構成された、半導体スイッチ１０４をチョッピング駆動制御する制御回路３００においては、脈動が発生していない場合、図２の減算器２０４よりも右側のループ（２０４から２０５，３０１，２０６，２０７，２０８，２０９，２１０，２１２を介して２０４に戻るループをいう。）において、チョッピング位相幅検出器２１２により検出されたチョッピング位相幅が目標位相幅設定器２０３により設定された目標位相幅に実質的に一致するようにＤＣ電圧Ｖｄｃが制御される。

また、脈動が発生している場合は、目標電圧を目標直流電圧設定器３０３から出力される脈動時Ｖｄｃ＊とする事で、ＤＣ電圧検出器１１０により検出されたＤＣ電圧Ｖｄｃが、実質的に一致するように目標電流の振幅が制御されてチョッピング駆動制御される。

図２の減算器２０６よりも右側のループ（２０６から２０７，２０８，２０９，２１０，２１１，１０４，１１０を介して２０６に戻るループをいう。）は、安定時および脈動時共通の動作であり、ＤＣ電圧検出器１１０により検出されたＤＣ電圧Ｖｄｃが電圧指令選択器３０１により示される所望のＤＣ電圧指令Ｖｄｃ^*と実質的に一致するように目標電流の振幅が制御されてチョッピング駆動制御される。

さらに、図２の減算器２０９よりも右側のループ（２０９から２１０，２１１，１０４，１０３を介して２０９に戻るループをいう。）において、電流検出器１０３により検出された電流Ｉａｃが目標電流波形形成器２０２により形成された目標電流波形に基づいて発生された電流指令Ｉａｃ^*に実質的に一致するようにチョッピング駆動制御される。

なお、本実施形態では、脈動の検出にチョッピング位相幅検出器２１２の出力信号であるチョッピング位相幅θｗ_ONを用いたが、脈動を判定する信号として、チョッピング休止位相幅θｗ_OFFの最大幅と最小幅を求め、その差分を変動幅として用いることでも同様の作用効果を得ることができる。

或いは、電流検出器１０３の出力信号Ｉａｃから最大振幅と最小振幅値を求め、両者から求めた変動率を用いることでも同様の作用効果を得ることができる。

或いはＤＣ電圧検出器１１０の出力信号Ｖｄｃから最大値と最小値を求め、両者から求めた変動率を用いることでも同様の作用効果を得ることができる。

或いはＤＣ電圧検出器１１０の出力信号Ｖｄｃをローパスフィルターに入力することにより、ローパスフィルター出力に脈動成分が出力される場合には脈動と判断することでも同様の作用効果を得ることができる。

なお、本実施例では、図１に示すように、単相交流電源の出力端子をリアクタを介して短絡又は開放する回路構成で説明したが、図３に示すような、交流電源１からの交流電圧をダイオードブリッジ回路１０５で整流した後、リアクタ１０２を介して、前記ダイオードブリッジ回路１０５からの出力電圧を半導体スイッチ１０４で短絡する回路構成とした場合においても、電流検出手段で検出される電流は、図１の場合の両極性の交流電流から、交流を折り返した単極性の電流となるが、同様の作用効果を得ることができる。

以上詳述したように本発明は、脈動の発生の有無にかかわらず高調波電流の抑制と回路損失の低減を両立することが可能となるので、圧縮機により冷媒を圧縮することによりヒートポンプを構成し、冷房、暖房、あるいは食品などの冷凍を行うもの等の用途にも適用できる。

１ 交流電源
４ 負荷
１０２ リアクタ
１０３ 電流検出器
１０４ 半導体スイッチ
１０５ ダイオードブリッジ回路
１０６ 平滑コンデンサ
１０９ 電圧レベル比較器
１１０ ＤＣ電圧検出器
２０１ ＡＣ電圧位相検出器
２０２ 目標電流波形形成器
２０３ 目標位相幅設定器
２０４，２０６，２０９ 減算器
２０５ 位相幅補償演算器
２０７ Ｖｄｃ補償演算器
２０８ 乗算器
２１０ Ｉａｃ補償演算器
２１１ ＰＷＭ変調器
２１２ チョッピング位相幅検出器
３００ 制御回路
３０１ 電圧指令選択器
３０２ 脈動判定器
３０３ 目標直流電圧設定器
３０３ｍ 内蔵テーブルメモリ

Claims (10)

1. 半導体スイッチをチョッピング動作させることにより、単相交流電源の出力端子をリアクタを介して短絡又は開放し、前記単相交流電源から前記リアクタを介して供給される交流電圧を直流電圧に整流して負荷に供給する整流回路装置、或いは、交流電源を整流後半導体スイッチをチョッピング動作させることにより、整流後の電圧をリアクタを介して短絡又は開放することにより、前記単相交流電源から直流電圧に変換して負荷に供給する整流回路装置であって、
   前記交流電圧の波形と同一周波数の目標電流波形を形成する波形形成手段と、
   交流側に流れる電流或いは整流後の直流側に流れる電流を検出する電流検出手段と、
   前記直流電圧を検出する電圧検出手段と、
   前記検出された電流の波形が実質的に前記目標電流波形となるように前記半導体スイッチのチョッピング動作を制御する第１の制御手段と、
   前記検出された直流電圧が実質的に所定の目標直流電圧となるように前記目標電流波形の振幅を制御する第２の制御手段と、
   前記半導体スイッチがチョッピング動作状態であるチョッピング動作位相幅、もしくは、前記半導体スイッチがチョッピング休止状態であるチョッピング休止位相幅が実質的に所定の位相幅となるように前記所定の目標直流電圧を制御する第３の制御手段とを備えたものにおいて、
   上記整流回路装置は、
   負荷の影響により発生する入力電流の脈動の有無を判定する脈動判定手段と、前記脈動判定手段が脈動発生を認識している間は、予め設定された脈動時目標直流電圧を目標直流電圧として前記第２の制御手段に指示する第４の制御手段とを備えたことを特徴とする整流回路装置。
2. 前記第４の制御手段は、前記脈動時目標直流電圧を前記電流検出手段から得られる電流値に応じて設定されることを特徴とする請求項１記載の整流回路装置。
3. 前記脈動判定手段は、電源周期毎或いは半電源周期毎に検出される前記チョッピング動作位相幅或いは前記チョッピング休止位相幅を順次比較し、差分が予め設定されている制限値を越えた場合に脈動状態が発生していると判断することを特徴とする請求項１記載の整流回路装置。
4. 前記脈動判定手段は、前記電流検出手段により得られる電流値から電流の変動比率を計算し、変動比率が予め設定している制限値を越えた場合に脈動状態が発生していると判断することを特徴とする請求項１記載の整流回路装置。
5. 前記脈動判定手段は、前記電圧検出手段により得られる電圧値から電圧の変動比率を計算し、変動比率が予め設定されている制限値を越えた場合に脈動状態が発生していると判断することを特徴とする請求項１記載の整流回路装置。
6. 半導体スイッチをチョッピング動作させることにより、単相交流電源の出力端子をリアクタを介して短絡又は開放し、前記単相交流電源から前記リアクタを介して供給される交流電圧を直流電圧に整流して負荷に供給する整流回路装置のための制御回路、或いは、交流電源を整流後半導体スイッチをチョッピング動作させることにより、整流後の電圧をリアクタを介して短絡又は開放することにより、前記単相交流電源から直流電圧に変換して負荷に供給する整流回路装置のための制御回路であって、前記交流電圧の波形と同一周波数の目標電流波形を形成する波形形成手段と、交流側に流れる電流或いは直流側に流れる電流を検出する電流検出手段と、前記直流電圧を検出する電圧検出手段と、前記検出された電流の波形が実質的に前記目標電流波形となるように前記半導体スイッチのチョッピング
   動作を制御する第１の制御手段と、前記検出された直流電圧が実質的に所定の目標直流電圧となるように前記目標電流波形の振幅を制御する第２の制御手段と、前記半導体スイッチがチョッピング動作状態であるチョッピング動作位相幅、もしくは、前記半導体スイッチがチョッピング休止状態であるチョッピング休止位相幅が実質的に所定の位相幅となるように前記所定の目標直流電圧を制御する第３の制御手段とを備えたものにおいて、上記制御回路は、負荷の影響により発生する入力電流の脈動の有無を判定する脈動判定手段と、前記脈動判定手段が脈動発生を認識している間は、予め設定された脈動発生時目標直流電圧を目標直流電圧として前記第２の制御手段に指示する第４の制御手段とを備えたことを特徴とする整流回路装置のための制御回路。
7. 前記第４の制御手段は、前記脈動発生時目標直流電圧を前記電流検出手段から得られる電流値に応じて設定されることを特徴とする請求項６記載の整流回路装置のための制御回路。
8. 前記脈動判定手段は、電源周期毎或いは半電源周期毎に検出される前記チョッピング動作位相幅或いは前記チョッピング休止位相幅を順次比較し、差分が予め設定されている制限値を越えた場合に脈動状態が発生していると判断することを特徴とする請求項６記載の整流回路装置のための制御回路。
9. 前記脈動判定手段は、前記電流検出手段により得られる電流値から電流の変動比率を計算し、変動比率が予め設定している制限値を越えた場合に脈動状態が発生していると判断することを特徴とする請求項６記載の整流回路装置のための制御回路。
10. 前記脈動判定手段は、前記電圧検出手段により得られる電圧値から電圧の変動比率を計算し、変動比率が予め設定されている制限値を越えた場合に脈動状態が発生していると判断することを特徴とする請求項６記載の整流回路装置のための制御回路。

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