JP2014161195A

JP2014161195A - 直流電源装置

Info

Publication number: JP2014161195A
Application number: JP2013031677A
Authority: JP
Inventors: Shing Hoi Dai; シンホイ戴; Akihiro Kyogoku; 章弘京極; Yoshiro Tsuchiyama; 吉朗土山; Izumi Yoshida; 泉吉田; Tomohiro Kawasaki; 智広川崎
Original assignee: Panasonic Corp
Current assignee: Panasonic Corp
Priority date: 2013-02-21
Filing date: 2013-02-21
Publication date: 2014-09-04

Abstract

【課題】直流電源装置において、復電の際の大きなサージ電流から高速ダイオードを保護する。
【解決手段】交流電源１からの交流電圧を整流する整流回路２１と、整流回路のプラス側出力端に接続したリアクタ２と、リアクタを介して交流電源を短絡・開放するスイッチング手段４と、リアクタの他端にアノード端が接続される高速ダイオード３と、高速ダイオードのカソード端と整流回路のマイナス側出力端との間に接続される平滑用コンデンサ５とを具備し、交流電源と整流回路の各入力端との間から開閉手段７，８を介して、高速ダイオードをバイパスして、平滑用コンデンサに充電電流を流す一般整流ダイオード９、１を設けてある。これにより、高速ダイオードの本来の働きを発揮させつつ高速ダイオードに過大な突入電流が流れるのを防止することができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、交流電源からの交流電圧を整流する整流回路と、リアクタを介して交流電源からの交流電圧を短絡・開放するスイッチング手段とを備えて直流出力電圧を得る直流電源装置に関するもので、特にリアクタと平滑コンデンサの間に配置される高速ダイオードをサージ電流から保護する保護技術に関するものである。

従来、スイッチング素子を用い、リアクタを介して交流電源からの交流電圧を短絡・開放することにより、交流電源からの交流電圧を所望の直流電圧に変換する直流電源装置は、一般整流ダイオードに比べて逆回復時間（ｔｒｒ）の短いファストリカバリダイオード（以下高速ダイオードと記載する）が用いられる。

この種の直流電源装置においては、電源周期あたりのスイッチング回数が比較的多い場合には、スイッチング素子をターンオンする際に、ターンオンの直前に順方向に電流が流れていたダイオードを介して、直流電圧が蓄えられた平滑コンデンサからダイオードの逆バイアス方向に流れる逆回復電流がスイッチング素子を流れる際に生じるスイッチングロスの増加を抑制するため、高速ダイオードが用いられている。

一般的に、高速ダイオードは、低速ダイオードと比較して、逆回復特性（逆回復時間）に優れているものの、サージ電流（ＩＦＳＭ）に対する耐量が低い。

そのため、主回路中に高速ダイオードを有する直流電源装置では、電源投入時や停電からの復電時など、平滑コンデンサへの充電に伴う突入電流（サージ電流）が高速ダイオードを通過して流れることを鑑み、サージ電流に対する保護設計が施されている（例えば、特許文献１参照）。

ちなみに、逆回復時間が長い、いわゆる低速ダイオードはサージ電流に対する耐量が高い為、サージ電流が流れても壊れることは少ない。

図６は、復電時に高速ダイオードにサージ電流が流れることを回避することによって高速ダイオードを保護する特許文献１記載の直流電源装置を示すものである。

図６に示す直流電源装置は、交流電源２００からの交流電圧を直流に変換する整流回路２０７〜２１０と、整流回路２０７〜２１０と交流電源２００の間にリアクタ２０３、２０４とを備えて、二つのリアクタ２０３、２０４を介し交流電源２００からの交流電圧を短絡・開放するスイッチング素子２０５、２０６と、リアクタ２０３、２０４をバイパスし、整流回路の直流出力側に接続するバイパス用ダイオード２０１、２０２を備えている。

図６において、ダイオード２０７と２０９は高速ダイオードである。電源投入時や停電からの復電時、突入電流は高速ダイオード２０７，２０９を経由せず、バイパス用ダイオード２０１、２０２を通して流れる。よって、サージ耐量の小さい高速ダイオード２０７、２０９を保護することができる。（詳細については、特許文献１を参照）。

特開２０１０−４１８６３号公報

しかしながら、上記従来の直流電源装置において、交流電圧の瞬時電圧の絶対値が直流電圧より高くなると、バイパス用ダイオード２０１、２０２は順バイアスされてオンの状態となる為、回路特性上、交流電圧のピーク電圧よりも低い直流電圧で継続して安定動作をさせることはできない。

そのため、交流電圧のピーク位相付近でスイッチング手段のスイッチング動作を停止させ、交流電圧のピーク電圧よりも低い直流電圧となるように制御することで電力変換効率を高める動作を実現する直流電源装置（例えば国際公開第１２／００４９２７号公報を参照）には適用できないという課題があった。

本発明は、上記従来の課題を解決するもので、通常のスイッチング動作に影響を与えることなく、交流電圧のピーク電圧よりも低い直流電圧となるように制御することも可能で、また、瞬時停電中に直流電圧が低下して次の復電の際に高速ダイオードに大きなサージ電流が流れる恐れがある場合でも、回路中の高速ダイオードを保護することができる直流電源装置を提供することを目的とする。

従来の課題を解決するために、本発明の直流電源装置は、交流電源からの交流電圧を整流する整流回路と、整流回路のプラス側出力端に接続したリアクタと、リアクタを介して交流電源を短絡・開放するスイッチング手段と、リアクタの他端にアノード端が接続される高速ダイオードと、高速ダイオードのカソード端と整流回路のマイナス側出力端との間に接続される平滑用コンデンサとを具備し、前記交流電源と整流回路の各入力端との間から開閉手段を介して、高速ダイオードをバイパスして、平滑用コンデンサに充電電流を流す一般整流ダイオードを設けた構成としてある。

かかる構成によれば、通常の動作時、開閉手段をオフ状態に制御することで、一般整流ダイオードに電流が流れず、本来の高速ダイオードの働きを得ることができ、瞬時停電時に直流電圧の低下が原因で復電時のサージ電流が流れる際には、開閉手段をオン状態に制御するとで、突入電流の大部分を一般整流ダイオードに流し、高速ダイオードに過大な突入電流が流れることを防止できる。

本発明の直流電源装置は、瞬時停電などの時に直流電圧が所定の閾値電圧より低い場合、開閉手段をオン状態に制御するから、瞬時停電から復電の時、突入電流が一般整流ダイオードに流れ、サージ耐量の小さい高速ダイオードに過大な突入電流を流さない。したがって、高速ダイオードもより逆回復時間の短いものを用いることができるようになり、そのため、スイッチング損失をより低減し、交直流変換回路の変換効率を向上させることが可能となる。

本発明の実施の形態１に関わる直流電源装置の構成を示す回路図同実施の形態１に関わる直流電源装置において、交流電圧、直流電圧、及び入力電流を示す説明図同実施の形態１に関わる直流電源装置において、瞬時停電発生時の直流電圧を示す説明図同実施の形態１に関わる直流電源装置において、ゼロクロス検出信号と交流電圧位相を示す説明図本発明の実施の形態２に関わる直流電源装置の構成を示す回路図従来の直流電源装置の構成を示す回路図

第１の発明は、交流電源からの交流電圧を直流電圧に変換して出力する直流電源装置であって、直流電源装置は、交流電源からの交流電圧を整流する整流回路と、整流回路のプラス側出力端に接続したリアクタと、リアクタを介して交流電源を短絡・開放するスイッチング手段と、リアクタの他端にアノード端が接続される高速ダイオードと、高速ダイオードのカソード端と整流回路のマイナス側出力端との間に接続される平滑用コンデンサとを具備し、前記交流電源と整流回路の各入力端との間から開閉手段を介して、高速ダイオードをバイパスして、平滑用コンデンサに充電電流を流す整流ダイオードを設けた構成としたものである。

上記の回路構成により、動作状況に応じて、開閉手段をオン・オフ状態に制御することができ、それによって高速ダイオードの本来の働きを発揮させつつ高速ダイオードに過大な突入電流が流れるのを防止することができる。すなわち、通常の動作時、開閉手段をオフ状態に制御することで、一般整流ダイオードに電流が流れず、本来の高速ダイオードの働きが得られる。一方、瞬時停電時に直流電圧の低下が原因で復電時の突入電流が流れる際には、開閉手段をオン状態に制御することで、突入電流の大部分を一般整流ダイオードに流し、高速ダイオードに過大な突入電流が流れることを防止できる。

第２の発明は、特に第１の発明において、スイッチング手段を動作させる際は、開閉手段をオフ状態に制御する構成としたものであり、これにより、通常スイッチング動作時に、スイッチング特性を保持することができる。

第３の発明は、特に第１、第２のいずれか１つの発明において、直流電圧を検出する直流電圧検出部を設け、直流電圧検出部の出力値が所定値以下である場合、開閉手段をオン状態に制御する構成としたものであり、これにより、突入電流の大部分を一般整流ダイオードに流し、高速ダイオードを過大な突入電流から保護することができる。

第４の発明は、特に第１〜第３のいずれか１つの発明において、交流電源の瞬時停電を検出した際、開閉手段をオン状態に制御する構成としたものであり、これにより、瞬時停電から復電の時に、突入電流の大部分を一般整流ダイオードに流し、高速ダイオードを過大な突入電流から保護することができる。

第５の発明は、特に第３または第４の発明において、交流電源からの交流電圧のゼロクロスを検出するゼロクロス検出部を有し、ゼロクロス検出部の出力値か、直流電圧検出部の出力値の少なくとも一方の値に応じて交流電源の瞬時停電を判断した場合、開閉手段をオン状態に制御する構成としてあり、これにより、瞬時停電から復電の時に、突入電流の大部分を一般整流ダイオードに流、高速ダイオードを過大な突入電流から保護することができる。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。なお、この実施の形態によって本発明が限定されるものではない。

（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１における直流電源装置の構成を示す回路図である。
図１に示す様に、本実施の形態１における直流電源装置は、交流電源１からの交流電圧を整流する整流回路２１と、整流回路２１のプラス側出力端に接続したリアクタ２と、リアクタ２を介して交流電源１を短絡・開放するスイッチング手段４と、リアクタ２の他端に
アノード端が接続される高速ダイオード３と、高速ダイオード３のカソード端と整流回路２１のマイナス側出力端との間に接続される平滑用コンデンサ５とを具備し、交流電源１と整流回路２１の各入力端との間から開閉手段７、８を介して、高速ダイオード３をバイパスして、平滑用コンデンサ５に充電電流を流す一般整流ダイオード９、１０を備える。

さらに、本実施の形態１における直流電源装置は、交流電圧のゼロクロス検出部３１、直流電圧検出部３２、制御部１００を備える。

次に、実施の形態１における直流電源装置の基本動作を説明する。

通常スイッチング動作時、開閉手段７、８をオフ状態に制御することで、一般整流ダイオード９、１０には電流が流れない。交流電源１からの交流電圧を整流回路２１で整流した後、リアクタ２を介してスイッチング手段４で短絡せしめ、平滑用コンデンサ５を充電し、スイッチング手段４がオフ状態になった時、高速ダイオード３により負荷６が接続されている平滑用コンデンサ５に電力を供給する。

力率を改善するためには、電源電流を検出し、その電流が電源電圧波形と同じようになるように、前述のスイッチング手段４のオン・オフを制御する。なお、検出した電源電流にて前述のスイッチング手段４のオン・オフを制御する具体的な制御方法については、例えば特開２００３−７９０５０号公報に詳しく記載されているので省略する。

制御部１００にて直流電圧検出部３２にて検出された直流電圧に応じて、開閉手段７、８をオン・オフ状態に制御する。

また、ゼロクロス検出部３１にて交流電圧のゼロクロスを検出し、交流電圧のゼロクロス状況に応じて、開閉手段７、８をオン・オフ状態に制御する。

図２は、本実施の形態１の直流電源装置において、交流電源１からの交流電圧、直流電圧、入力電流を示す説明図である。

図２に示す様に、直流電圧目標値を交流電源１のピーク値より低く設定することで、交流電源電圧のピーク値付近において、スイッチング手段４を停止させる。それにより、スイッチング回数を減らし、スイッチングによる損失を低減する効果がある。なお、前述の制御方法は、本発明に直接に関係しない為、制御の詳細を省略する。（詳細は例えば特開昭６０−１３４７８２号公報参照。）
次に、高速ダイオード３の作用を説明する。

スイッチング手段４をオン・オフ制御することで、スイッチング手段４と高速ダイオード３は交互に電流が流れる。スイッチング手段４はオフの時、高速ダイオード３を通し平滑用コンデンサ５に充電する。一方、スイッチング手段４はオンの時、平滑用コンデンサ５から逆電流が高速ダイオード３を通し、スイッチング手段４に逆流する。高速ダイオード３はリカバリ特性に優れていることで、平滑用コンデンサ５からの逆回復電流を阻止する働きをする。

次に、本実施形態の直流電源装置において、開閉手段７、８の制御方法を説明する。

まず、検出された直流電圧に応じて、開閉手段７、８を制御する方法を説明する。

図３は瞬時停電発生時の直流電圧を示す図である。

負荷６の動作中に、交流電源１は瞬時停電が発生すると、負荷６は直流電圧が必要な動作電圧以上である限り、継続的に運転する。一方、交流電源１からの電力供給が無くなり、負荷６が運転必要な電力は全て平滑用コンデンサ５から供給される為、平滑用コンデンサ５両端の電圧、すなわち直流電圧が低下する。

直流電圧検出部３２は、常時に直流電圧を検出する。検出された直流電圧信号が制御部１００に入力される。

図３に示す様に、直流電圧が所定の下限閾値直流電圧Ｖ_Lより低く検知されると、制御部１００は開閉手段７、８をオン状態に制御することで、高速ダイオード３をバイパスして、一般整流ダイオード９、１０を通し、平滑用コンデンサ５を充電することができる。

復電時に平滑用コンデンサ５への充電に伴う突入電流（サージ電流）の大部分は、サージ耐量の大きい一般整流ダイオード９、１０を通し、平滑用コンデンサ５に流れる。高速ダイオード３には過大な突入電流が流れない為、高速ダイオード３を保護することができる。

なお、前述の下限閾値直流電圧Ｖ_Lは、交流電源１が復電時に流れ得る最大突入電流（サージ電流）が、高速ダイオード３のサージ電流耐量を上回らない様に設定すれば良い。これにより、直流電圧は下限閾値直流電圧Ｖ_L以上のタイミングで交流電源１が復電の場合、突入電流は高速ダイオード３のサージ耐量以下である為、高速ダイオード３に流れても破壊に至らない。

また、復帰閾値直流電圧Ｖ_Hを設定し、直流電圧が所定の復帰閾値直流電圧Ｖ_Hより高く検知されると、制御部１００は開閉手段７、８をオフ状態に制御する。それにより、一般整流ダイオード９、１０には電流が流れず、通常スイッチング動作が可能となる。

なお、復帰閾値直流電圧Ｖ_Hを下限閾値直流電圧Ｖ_Lより高く設定することで、開閉手段を制御する際のチャタリングを防止することができる。

次に、交流電源１の状態に応じて、開閉手段７、８を制御する方法を説明する。

交流電源１は瞬時停電が発生すると、直流電圧は低下していくことを推測することが可能である。交流電源１が瞬時停電と判断すると、制御部１００は開閉手段７、８をオン状態に制御する。それにより、復電の時に、突入電流の大部分を一般整流ダイオード９、１０に流す為、高速ダイオード３を過大な突入電流から保護することができる。

以下は、交流電源１のゼロクロス信号にて、交流電源１が瞬時停電かどうか判断する方法を説明する。図４は、ゼロクロス検出部３１の出力信号と交流電圧位相の関係を示す説明図である。

ゼロクロス検出部３１は抵抗、ダイオード、フォトカプラ等で構成される。図４に示す様に、十分小さな正の比較電圧Ｖｒｅｆを設定し、交流電圧が比較電圧Ｖｒｅｆより大きければ、ゼロクロス検出部３１はＬの信号を出力する。交流電圧が比較電圧Ｖｒｅｆより小さければ、ゼロクロス検出部３１はＨの信号を出力する。これにより、ゼロクロス信号を検出する。

制御部１００は、ゼロクロス検出部３１からのＬ信号を常に検出し、Ｌ信号が所定の期間以上継続する場合、交流電源１が瞬時停電と判断し、開閉手段７、８をオン状態に制御する。

さらに、検出された直流電圧、もしくはゼロクロス信号の両方用いて判断し、状況に応じて、開閉手段７、８をオン状態に制御することで、高速ダイオード３を保護する構成としても良い。

（実施の形態２）
図５は、本発明の実施の形態２に関わる直流電源装置の構成を示す回路図である。
図５に示す様に、本発明の実施の形態２に関わる直流電源装置は、交流電源１からの交流電圧を整流する整流回路２１と、整流回路２１のプラス側出力端に接続したリアクタ２と、リアクタ２を介して交流電源１を短絡・開放するスイッチング手段４と、リアクタ２の他端にアノード端が接続される高速ダイオード３と、高速ダイオード３のカソード端と整流回路２１のマイナス側出力端との間に接続される平滑用コンデンサ５とを具備し、交流電源１と整流回路２１の各入力端との間から開閉手段７、８を介して、高速ダイオード３をバイパスして、平滑用コンデンサ５に充電電流を流す保護用整流回路２２を備える。

開閉手段７、８のオン・オフ状態に制御するタイミングは、実施の形態１と同様である為、記述を省略する。

本実施の形態２の直流電源装置は、前記実施の形態１と同様に、瞬時停電時に直流電圧の低下が原因で復電時のサージ電流が流れる際、開閉手段７、８をオン状態に制御することで、突入電流の大部分を保護用整流回路２２に流す為、高速ダイオードに過大な突入電流が流れることを防止することができる。

以上の様に、本発明にかかる直流電源装置は、瞬時停電後の復電の際の突入電流を、当該突入電流に対する高いサージ耐量を持つ低速ダイオードにバイパスさせることで、高速ダイオードに過大な突入電流が流れず、高速ダイオードを保護することが可能となる。よって、交流電源からの交流電圧を、リアクタを介してスイッチング素子により短絡・開放することで、直流電圧に変換し負荷に電力を供給するエアコン、冷蔵庫、洗濯機など幅広い機器に適用できる。

１交流電源
２リアクタ
３高速ダイオード
４スイッチング手段
５平滑用コンデンサ
６負荷
７、８開閉手段
９、１０一般整流ダイオード
２１整流回路
２２保護用整流回路
３１ゼロクロス検出部
３２直流電圧検出部
１００制御部

Claims

交流電源からの交流電圧を直流電圧に変換して出力する直流電源装置であって、前記直流電源装置は、前記交流電源からの交流電圧を整流する整流回路と、前記整流回路のプラス側出力端に接続したリアクタと、前記リアクタを介して前記交流電源を短絡・開放するスイッチング手段と、前記リアクタの他端にアノード端が接続される高速ダイオードと、前記高速ダイオードのカソード端と前記整流回路のマイナス側出力端との間に接続される平滑用コンデンサとを具備し、前記交流電源と前記整流回路の各入力端との間から開閉手段を介して、前記高速ダイオードをバイパスして、前記平滑用コンデンサに充電電流を流す一般整流ダイオードを設けたことを特徴とする直流電源装置。
スイッチング手段を動作させる際は、開閉手段をオフ状態に制御することを特徴とする請求項１記載の直流電源装置。
直流電圧を検出する直流電圧検出部を設け、前記直流電圧検出部の出力値が所定値以下である場合、開閉手段をオン状態に制御することを特徴とする請求項１または２に記載の直流電源装置。
交流電源の瞬時停電を検出した際、開閉手段をオン状態に制御することを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の直流電源装置。
交流電源からの交流電圧のゼロクロスを検出するゼロクロス検出部を有し、前記ゼロクロス検出部の出力値か、直流電圧検出部の出力値の少なくとも一方の値に応じて交流電源の瞬時停電を判断することを特徴とする請求項３または４記載の直流電源装置。