JP2016010210A - Dc power supply device, inverter driving device and air conditioner using the same - Google Patents
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Abstract
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素子とを備えて直流出力電圧を得る直流電源装置およびインバータ駆動装置およびこれを用いた空気調和機に関するもので、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。 The present invention relates to a DC power supply device and an inverter drive device that include a rectifier circuit that rectifies an AC voltage from an AC power supply and a switching element that short-circuits / opens the AC voltage from the AC power supply via a reactor to obtain a DC output voltage. In particular, the present invention relates to a protection technique for protecting a high-speed diode disposed between a reactor and a smoothing capacitor from a surge current.
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がある。 2. Description of the Related Art Conventionally, there is a DC power supply device that converts an AC voltage from an AC power source into a desired DC voltage by using a switching element and short-circuiting / opening the AC voltage from the AC power source through a reactor.
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、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）が用いられている。 In this type of DC power supply device, when the number of times of switching per power supply cycle is relatively large, when the switching element is turned on, the DC voltage is passed through a diode in which a current flows in the forward direction immediately before the turn-on. Fast recovery with a short reverse recovery time (trr) compared to a general rectifier diode in order to suppress an increase in switching loss caused by reverse recovery current flowing in the reverse bias direction of the diode from the smoothing capacitor in which the charge is stored A diode (hereinafter referred to as a high-speed diode) is used.
一般的に、高速ダイオードは、一般整流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。 In general, a high-speed diode is superior in reverse recovery characteristics (reverse recovery time) compared to a general rectifier diode, but has a low tolerance for surge current (IFSM).
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）。 Therefore, in a DC power supply device having a high-speed diode in the main circuit, an inrush current (surge current) accompanying charging of the smoothing capacitor flows through the high-speed diode when the power is turned on or when power is restored from a power failure. A protection design against surge current is applied (see, for example, Patent Document 1).
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。 Incidentally, so-called low-speed diodes with a long reverse recovery time have a high tolerance to surge currents, so that they are less likely to break even when surge currents flow.
図８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８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と、整流回路と電源の間にリアクタ２０３、２０４とを備えて、二つのリアクタを介し交流電源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。 FIG. 8 shows a DC power supply device described in Patent Document 1 that protects a high-speed diode by preventing a surge current from flowing through the high-speed diode during power recovery. The DC power supply device shown in FIG. 8 includes a rectifier circuit that converts an AC voltage from the AC power supply 200 into DC, and reactors 203 and 204 between the rectifier circuit and the power supply. Switching elements 205 and 206 for short-circuiting / opening the AC voltage, and bypass diodes 201 and 202 for bypassing the reactor and connecting to the DC output side of the rectifier circuit are provided.
図８において、整流回路を構成するダイオード２０７、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を保護することができる。 In FIG. 8, diodes 207 and 209 constituting the rectifier circuit are high-speed diodes. When power is turned on or when power is restored from a power failure, the inrush current flows through the bypass diodes 201 and 202 without passing through the high-speed diode. Therefore, it is possible to protect a high-speed diode with a small surge resistance.
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。 However, in the above conventional DC power supply device, when the absolute value of the instantaneous voltage of the AC voltage becomes higher than the DC voltage, the bypass diode is forward-biased and turned on. However, stable operation cannot be continued with a low DC voltage.
そのため、交流電圧のピーク位相付近でスイッチング素子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、特許文献２を参照）には適用できないという課題があった。 Therefore, a DC power supply device that realizes an operation of increasing power conversion efficiency by stopping the switching operation of the switching element near the peak phase of the AC voltage and controlling the DC voltage to be lower than the peak voltage of the AC voltage (for example, , See Patent Document 2).
本発明は、上記従来の課題を解決するもので、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ができると同時に、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突入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。また、この直流電源装置を具備し、インバータを駆動するインバータ駆動装置およびこれを用いた空気調和機を提供することを目的とする。 The present invention solves the above-described conventional problems, and can control the DC voltage to be lower than the peak voltage of the AC voltage. At the same time, the DC voltage decreases during an instantaneous power failure and It is an object of the present invention to provide a DC power supply device that can protect a high-speed diode in a circuit even when a large inrush current may flow through the high-speed diode. Moreover, it aims at providing the inverter drive device which comprises this DC power supply device and drives an inverter, and an air conditioner using the same.
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、単一もしくは複数のスイッチング素子を用いて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、整流回路の出力側に設けた平滑コンデンサを備えて、スイッチング素子のオン・オフによって負荷へ供給する直流電圧を制御する直流電源装置であって、前記整流回路を構成する整流ダイオードの中、少なくとも一つは高速ダイオードであり、前記交流電源とリアクタとの接続点から、前記平滑コンデンサの正極および負極の間に、開閉手段と一般整流ダイオードが接続され、前記一般整流ダイオードは、前記開閉手段を介し、前記平滑コンデンサに充電電流を流す向きに接続される構成である。 In order to solve the conventional problems, a DC power supply device according to the present invention includes an AC voltage from an AC power supply via a reactor using a rectifier circuit that rectifies an AC voltage from the AC power supply and a single or a plurality of switching elements. A DC power supply apparatus for controlling a DC voltage supplied to a load by turning on / off a switching element, comprising switching means for short-circuiting / opening and a smoothing capacitor provided on the output side of the rectifier circuit, Among the rectifying diodes to be configured, at least one is a high-speed diode, and switching means and a general rectifying diode are connected between a positive electrode and a negative electrode of the smoothing capacitor from a connection point between the AC power source and a reactor, The rectifier diode is connected to the smoothing capacitor in a direction in which a charging current flows through the opening / closing means.
通常の動作時、開閉手段をオフ状態に制御することで、高速ダイオードをバイパスする用の一般整流ダイオードに電流が流れず、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ができて、本来の制御に影響を与えない。また、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、開閉手段をオン状態に制御することにより、突入電流の大部分をバイパス用の一般整流ダイオードに流す為、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。 During normal operation, the switching means is controlled to be in the off state, so that no current flows through the general rectifier diode for bypassing the high-speed diode, and the DC voltage can be controlled to be lower than the peak voltage of the AC voltage. It does not affect the original control. In addition, when inrush current flows during power recovery due to a drop in DC voltage during an instantaneous power failure, the switching means is controlled to turn on so that most of the inrush current flows to the general rectifier diode for bypass. This prevents excessive inrush current from flowing through the diode.
本発明の直流電源装置は、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安定して制御することができる。また、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ことで、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ず、より逆回復時間の短い高速ダイオードを用いることができる。これにより、スイッチング損失を低減し、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。 The direct-current power supply device of the present invention can be stably controlled so that the direct-current voltage is lower than the peak voltage of the alternating-current voltage. In addition, when the DC voltage is lower than a predetermined threshold voltage at the time of an instantaneous power failure, the inrush current flows to the general rectifier diode at the time of power recovery from the instantaneous power failure by controlling the switching means to be on, and the surge resistance is small A high speed diode with a shorter reverse recovery time can be used without causing an excessive inrush current to flow through the high speed diode. Thereby, switching loss can be reduced and the conversion efficiency of the AC / DC converter circuit can be improved.
第１の発明は、交流電源からの交流電圧を整流する整流回路と、単一もしくは複数のスイッチング素子を用いて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、整流回路の出力側に設けた平滑コンデンサを備えて、スイッチング素子のオン・オフによって負荷へ供給する直流電圧を制御する直流電源装置であって、前記整流回路を構成する整流ダイオードの中、少なくとも一つは高速ダイオードであり、前記交流電源とリアクタとの接続点から、前記平滑コンデンサの正極および負極の間に、開閉手段と一般整流ダイオードが接続され、前記一般整流ダイオードは、前記開閉手段を介し、前記平滑コンデンサに充電電流を流す向きに接続され、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ものである。 According to a first aspect of the present invention, there is provided a rectifying circuit for rectifying an AC voltage from an AC power supply, a switching means for short-circuiting / opening an AC voltage from the AC power supply via a reactor using a single or a plurality of switching elements, and a rectifying circuit. A DC power supply device that includes a smoothing capacitor provided on the output side and controls a DC voltage supplied to the load by turning on and off the switching element, wherein at least one of the rectifier diodes constituting the rectifier circuit is It is a high-speed diode, and an open / close means and a general rectifier diode are connected between a positive electrode and a negative electrode of the smoothing capacitor from a connection point between the AC power source and the reactor, and the general rectifier diode is connected to the positive and negative electrodes via the open / close means. Connected to the smoothing capacitor in the direction in which the charging current flows, and controlled so that the DC voltage is lower than the peak voltage of the AC voltage. Than is.
上記の回路構成と制御により、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る。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、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ができる。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、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。 With the above-described circuit configuration and control, the opening / closing means can be controlled to be in an on / off state in accordance with the operation state. During normal operation, the switching means is controlled to be in an off state, so that no current flows through the general rectifier diode, and the direct current voltage can be controlled to be lower than the peak voltage of the alternating voltage. On the other hand, when an inrush current flows at the time of power recovery due to a drop in DC voltage during a momentary power failure, the switching means is controlled to turn on so that most of the inrush current flows to the general rectifier diode. It is possible to prevent an inrush current from flowing.
第２の発明は、特に第１の発明において、スイッチング素子のオン・オフを動作させる際は、開閉手段をオフ状態に制御することにより、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ができる。 In the second invention, particularly in the first invention, when the switching element is turned on / off, the switching means is controlled to be in the off state so that the DC voltage is lower than the peak voltage of the AC voltage. Can be controlled.
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ことにより、突入電流の大部分を一般整流ダイオードに流す為、高速ダイオードに過大な突入電流から保護することができる。 According to a third aspect of the invention, in particular, in any one of the first and second aspects, a DC voltage detection unit that detects a DC voltage is provided, and when the output value of the DC voltage detection unit is equal to or less than a predetermined value, the opening / closing means is provided. By controlling the on-state, most of the inrush current flows to the general rectifier diode, so that the high-speed diode can be protected from an excessive inrush current.
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する瞬時停電検出手段を設け、瞬時停電検出手段に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ことにより、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す為、高速ダイオードに過大な突入電流から保護することができる。 In a fourth aspect of the invention, in particular, in any one of the first to third aspects, when an instantaneous power failure detection means for detecting an instantaneous power failure of the AC power supply is provided and the instantaneous power failure detection means detects the instantaneous power failure of the AC power supply By controlling the opening / closing means to be in the on state, most of the inrush current flows to the general rectifier diode when the power is restored from an instantaneous power failure, so that the high speed diode can be protected from an excessive inrush current.
第５の発明は、特に第１〜第４のいずれか１つの発明において、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設け、前記瞬時停電検出手段は、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。それにより、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す為、高速ダイオードに過大な突入電流から保護することができる。 According to a fifth aspect of the invention, in particular, in any one of the first to fourth aspects of the invention, a zero-cross detection unit that detects a zero-cross of an AC voltage from an AC power supply is provided, and the instantaneous power failure detection means is an output value of the zero-cross detection unit. If the instantaneous power failure of the AC power supply is determined according to at least one of the output values of the DC voltage detector, the switching means is controlled to be in the ON state. As a result, most of the inrush current flows to the general rectifier diode at the time of power recovery from an instantaneous power failure, so that the high speed diode can be protected from an excessive inrush current.
第６の発明は、特に第１〜第５のいずれか１つの発明において、負荷がインバータ負荷であり、インバータ負荷を制御するインバータ制御部を有し、交流電源の瞬時停電を検出
した際、インバータ制御部における駆動周波数を下げる。それにより、瞬時停電時の直流電圧の低下速度が遅くなり、復電時に発生する突入電流が小さくなる為、よりサージ耐量の小さい高速ダイオードを用いることができて、設計自由度が向上する。
In a sixth aspect of the invention, in particular, in any one of the first to fifth aspects of the invention, the load is an inverter load, and has an inverter control unit that controls the inverter load. Lower the drive frequency in the control unit. As a result, the rate of decrease of the DC voltage at the time of an instantaneous power failure is slowed, and the inrush current generated at the time of power recovery is reduced. Therefore, a high-speed diode with a smaller surge resistance can be used, and the degree of freedom in design is improved.
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。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. Note that the present invention is not limited to the embodiments.
（実施の形態１）
図１は、本発明の第１の実施の形態における直流電源装置の構成を示す図である。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の一端に接続されたリアクタ２と、互いに同じ向きに直列接続され、かつ、その直列接続点がリアクタ２の他端と接続された２個のスイッチング素子３ａおよび３ｂと、スイッチング素子３ａおよび３ｂに、それぞれ逆方向に電流が流れる向きに並列接続された高速ダイオード４ａおよび４ｂと、交流電源１の他端に交流入力端子の一端が接続され、かつ、前記高速ダイオード４ａおよび４ｂとともに全波整流回路を形成するように接続された一般整流ダイオード５ａおよび５ｂと、交流電源１からの交流電圧を全波整流した後の電圧を平滑する平滑コンデンサ６を備えて、平滑コンデンサ６の直流電圧を負荷７へ供給する。
(Embodiment 1)
FIG. 1 is a diagram showing a configuration of a DC power supply device according to the first embodiment of the present invention. As shown in FIG. 1, the DC power supply device according to the first embodiment is connected in series to the reactor 2 connected to one end of the AC power supply 1 in the same direction, and the series connection point is the other of the reactor 2. Two switching elements 3a and 3b connected to one end, high-speed diodes 4a and 4b connected in parallel to the switching elements 3a and 3b in a direction in which current flows in the opposite direction, and an alternating current at the other end of the AC power source 1, respectively. After full-wave rectification of the AC voltage from the AC power supply 1 and the general rectifier diodes 5a and 5b connected to one end of the input terminal and connected to form the full-wave rectifier circuit together with the high-speed diodes 4a and 4b And a smoothing capacitor 6 for smoothing the voltage of the smoothing capacitor 6, and a DC voltage of the smoothing capacitor 6 is supplied to the load 7.
また、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を検出するゼロクロス検出部３１、負荷へ供給される直流電圧を検出する直流電圧検出部３２、制御部１００を備える。 Further, the DC power supply apparatus according to the first embodiment includes a zero-cross detection unit 31 that detects a zero-cross of an AC voltage, a DC voltage detection unit 32 that detects a DC voltage supplied to a load, and a control unit 100.
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１０ａ、１０ｂをオフ状態に制御することで、高速ダイオード４ａ、４ｂをバイパスするための一般整流ダイオード１１ａ、１１ｂには電流が流れない。平滑コンデンサ６の直流電圧が所望の目標電圧となるように、交流電源１の瞬時電圧が正となる電源半周期間にはスイッチング素子３ｂを、交流電源１の瞬時電圧が負となる電源半周期間にはスイッチング素子３ａをそれぞれオン・オフする。 Next, the basic operation of the DC power supply device according to Embodiment 1 will be described. During the normal switching operation, the switching means 10a, 10b are controlled to be in an off state, so that no current flows through the general rectifier diodes 11a, 11b for bypassing the high speed diodes 4a, 4b. In order to make the DC voltage of the smoothing capacitor 6 a desired target voltage, the switching element 3b is used during the power supply half cycle in which the instantaneous voltage of the AC power supply 1 is positive, and the power supply half cycle in which the instantaneous voltage of the AC power supply 1 is negative. Turns the switching element 3a on and off, respectively.
スイッチング素子３ａおよび３ｂの具体的な制御方法については、一般にアクティブフィルタと呼ばれる構成で、入力電流の検出手段（図示せず）を備えて、２０ｋＨｚ〜５０ｋＨｚ以上の比較的高い周波数でスイッチング動作を行って、交流電源１からの入力電流を略正弦波状の波形となるように制御しながら、入力電流の振幅を調整することで平滑コンデンサ６の直流出力電圧を所望の電圧に制御する方法が公知でよく知られており、例えば、特開２００３−７９０５０号公報に詳しく記載されているので、説明を省略する。 The specific control method of the switching elements 3a and 3b is generally configured as an active filter, and includes an input current detection means (not shown) and performs a switching operation at a relatively high frequency of 20 kHz to 50 kHz or more. A method for controlling the DC output voltage of the smoothing capacitor 6 to a desired voltage by adjusting the amplitude of the input current while controlling the input current from the AC power supply 1 to have a substantially sinusoidal waveform is known. Since it is well known and is described in detail in, for example, Japanese Patent Application Laid-Open No. 2003-79050, description thereof is omitted.
直流電圧検出部３２にて検出された直流電圧が制御部１００に入力され、制御部１００は直流電圧の状況に応じて、開閉手段１０ａ、１０ｂをオン・オフ状態に制御する。また、ゼロクロス検出部３１にて検出された交流電圧のゼロクロスが制御部１００に入力され、制御部１００は交流電圧のゼロクロス状況に応じて、開閉手段１０ａ、１０ｂをオン・オフ状態に制御する。 The DC voltage detected by the DC voltage detection unit 32 is input to the control unit 100, and the control unit 100 controls the opening / closing means 10a and 10b to be turned on / off according to the state of the DC voltage. Further, the zero cross of the AC voltage detected by the zero cross detection unit 31 is input to the control unit 100, and the control unit 100 controls the open / close means 10a and 10b to be in an on / off state according to the zero cross state of the AC voltage.
図２は、本実施形態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、入力電流を示す図である。図２に示す様に、直流電圧の目標電圧を交流電源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、スイッチング素子３ａ、３ｂ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、制御の詳細の説明を省略する（詳細は例えば、特開昭６０−１３４７８２号公報を参照）。 FIG. 2 is a diagram illustrating an AC voltage, a DC voltage, and an input current from the AC power supply 1 in the DC power supply device of the present embodiment. As shown in FIG. 2, by setting the target voltage of the DC voltage to be lower than the peak value of the AC power supply 1, the switching elements 3a and 3b are stopped near the peak value of the AC power supply voltage. Thereby, there is an effect of reducing the number of times of switching and reducing loss due to switching. Since the above-described control method is not directly related to the present invention, detailed description of the control is omitted (for details, see, for example, Japanese Patent Laid-Open No. 60-134782).
次に、高速ダイオード４ａ、４ｂの作用を説明する。一般的に、高速ダイオードは、一
般整流ダイオードと比較して、逆回復特性（リカバリ特性）が優れるため、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を抑制する効果を有する。逆回復特性を表す逆回復時間について、一般整流ダイオードは凡そ１０μｓ以上に対し、高速ダイオードは凡そ１００ｎｓ以下である。
Next, the operation of the high speed diodes 4a and 4b will be described. Generally, a high-speed diode has an effect of suppressing a reverse recovery current flowing from a smoothing capacitor in the reverse bias direction of the diode because the reverse recovery characteristic (recovery characteristic) is superior to a general rectifier diode. Regarding the reverse recovery time representing the reverse recovery characteristic, the general rectifier diode is about 10 μs or more, and the high-speed diode is about 100 ns or less.
交流電源１の正の電源半周期間においては、スイッチング素子３ｂのオン・オフによって、スイッチング素子３ｂまたは高速ダイオード４ａに交互に電流が流れることから、高速ダイオード４ａのリカバリ特性によってスイッチング素子３ｂのターンオン時の逆回復電流が抑制されることから、スイッチングによる損失を低減する。 During the positive power supply half cycle of the AC power supply 1, the switching element 3b is turned on and off, so that current flows alternately to the switching element 3b or the high-speed diode 4a. Therefore, when the switching element 3b is turned on by the recovery characteristic of the high-speed diode 4a. Since the reverse recovery current is suppressed, the loss due to switching is reduced.
交流電源１の負の電源半周期間においては、スイッチング素子３ａのオン・オフによって、スイッチング素子３ａまたは高速ダイオード４ｂに交互に電流が流れることから、高速ダイオード４ｂのリカバリ特性によってスイッチング素子３ａのターンオン時の逆回復電流が抑制されることから、スイッチングによる損失を低減する。 During the half cycle of the negative power source of the AC power source 1, since the current flows alternately to the switching element 3a or the high speed diode 4b by turning on / off the switching element 3a, the switching element 3a is turned on by the recovery characteristic of the high speed diode 4b. Since the reverse recovery current is suppressed, the loss due to switching is reduced.
次に、本実施形態の直流電源装置において、開閉手段１０ａ、１０ｂ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１０ａ、１０ｂの制御方法を説明する。図３は瞬時停電発生時の直流電圧と開閉手段１０ａ、１０ｂの駆動信号を示す図である。負荷７の動作中に、交流電源１は瞬時停電が発生する際、負荷７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７が運転必要な電力は全て平滑コンデンサ６から供給される為、平滑コンデンサ６両端の電圧、すなわち直流電圧が低下する。 Next, a method for controlling the opening / closing means 10a and 10b in the DC power supply device of the present embodiment will be described. First, a control method of the opening / closing means 10a and 10b will be described according to the detected DC voltage. FIG. 3 is a diagram showing a DC voltage and driving signals for the switching means 10a and 10b when an instantaneous power failure occurs. During the operation of the load 7, when the instantaneous power failure occurs, the load 7 operates continuously as long as the DC voltage is equal to or higher than the required operating voltage. On the other hand, since the power supply from the AC power supply 1 is lost and all the electric power required for the operation of the load 7 is supplied from the smoothing capacitor 6, the voltage across the smoothing capacitor 6, that is, the DC voltage decreases.
直流電圧検出部３２は、常時に直流電圧を検出し、検出された直流電圧信号が制御部１００に入力される。 The DC voltage detection unit 32 always detects a DC voltage, and the detected DC voltage signal is input to the control unit 100.
図３に示す様に、直流電圧が所定の下限閾値ＶＬより低く検知されると、開閉手段１０ａ、１０ｂをオン状態に制御することで、交流電源１の正の電源半周期においては、高速ダイオード４ａをバイパスして、一般整流ダイオード１１ａを通し、平滑コンデンサ６を充電することができる。一方、交流電源１の負の電源半周期においては、高速ダイオード４ｂをバイパスして、一般整流ダイオード１１ｂを通し、平滑コンデンサ６を充電することができる。 As shown in FIG. 3, when the DC voltage is detected to be lower than a predetermined lower limit threshold VL, the switching means 10a, 10b are controlled to be in an ON state, so that the high speed diode By bypassing 4a, the smoothing capacitor 6 can be charged through the general rectifier diode 11a. On the other hand, in the negative power supply half cycle of the AC power supply 1, the smoothing capacitor 6 can be charged by bypassing the high speed diode 4b and passing through the general rectifier diode 11b.
瞬時停電から復電の時に、リアクタ２のインピーダンスにより、交流電源１の正、負の電源半周期にかかわらず、平滑コンデンサ６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１１ａ、１１ｂを通し、平滑コンデンサ６に流れる。高速ダイオード４ａ、４ｂには過大な突入電流が流れない為、高速ダイオード４ａ、４ｂを保護することができる。 At the time of power recovery from an instantaneous power failure, due to the impedance of the reactor 2, most of the inrush current (surge current) that accompanies charging of the smoothing capacitor 6, regardless of the positive or negative half cycle of the AC power supply 1, is surge-resistant. Flows through the smoothing capacitor 6 through the general rectifier diodes 11a and 11b having a large current. Since an excessive inrush current does not flow through the high speed diodes 4a and 4b, the high speed diodes 4a and 4b can be protected.
なお、前述の直流電圧下限閾値ＶＬは、交流電源１が復電時に流れ得る最大突入電流が、高速ダイオード４ａ、４ｂ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ＶＬ以下のタイミングで復電の場合、突入電流は高速ダイオード４ａ、４ｂのサージ耐量以下である為、高速ダイオード４ａ、４ｂに流れても破壊に至らない。 The DC voltage lower limit threshold VL may be set so that the maximum inrush current that can flow when the AC power supply 1 is restored does not exceed the surge current tolerance of the high-speed diodes 4a and 4b. As a result, when the DC voltage is restored at a timing equal to or lower than the lower limit threshold DC voltage VL, the inrush current is less than the surge withstand capability of the high speed diodes 4a and 4b.
また、直流電圧復帰閾値ＶＨを設定し、直流電圧が所定の復帰閾値ＶＨより高く検知されると、開閉手段１０ａ、１０ｂをオフ状態に制御する。それにより、一般整流ダイオード１１ａ、１１ｂには電流が流れない。 Further, a DC voltage return threshold value VH is set, and when the DC voltage is detected to be higher than a predetermined return threshold value VH, the opening / closing means 10a and 10b are controlled to be in an OFF state. As a result, no current flows through the general rectifier diodes 11a and 11b.
なお、復帰閾値ＶＨを下限閾値ＶＬ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。
Note that chattering when controlling the opening / closing means can be prevented by setting the return threshold VH higher than the lower limit threshold VL.
次に、交流電源１のゼロクロス信号にて、開閉手段１０ａ、１０ｂの制御方法を説明する。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図である。 Next, a method for controlling the opening / closing means 10a and 10b using the zero cross signal of the AC power supply 1 will be described. FIG. 4 is a diagram showing the relationship between the output signal of the zero cross detector 31 and the AC voltage phase.
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（ａ）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。 The zero cross detection unit 31 includes a resistor, a diode, a photocoupler, and the like. As shown in FIG. 4A, when a sufficiently small positive comparison voltage Vref is set and the AC voltage is larger than the comparison voltage Vref, the zero cross detection unit 31 outputs an L signal. If the AC voltage is smaller than the comparison voltage Vref, the zero cross detector 31 outputs an H signal. Thereby, a zero cross signal is detected.
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１０ａ、１０ｂをオン状態に制御する。それにより、瞬時停電から復電の時に、平滑コンデンサ６への充電に伴う突入電流の大部分は、サージ耐量の大きい一般整流ダイオード１１ａ、１１ｂを通し、平滑コンデンサ６に流れる。高速ダイオード４ａ、４ｂには過大な突入電流が流れない為、高速ダイオード４ａ、４ｂを保護することができる。 The control unit 100 always detects the L signal from the zero cross detection unit 31, and when the L signal continues for a predetermined period or longer, the AC power source 1 determines that there is an instantaneous power failure and controls the opening / closing means 10a and 10b to be in an on state. . As a result, most of the inrush current associated with charging of the smoothing capacitor 6 flows to the smoothing capacitor 6 through the general rectifier diodes 11a and 11b having a large surge withstand during charging from an instantaneous power failure to recovery. Since an excessive inrush current does not flow through the high speed diodes 4a and 4b, the high speed diodes 4a and 4b can be protected.
さらに、検出された直流電圧、もしくはゼロクロス信号を両方用いて判断し、状況に応じて、開閉手段１０ａ、１０ｂをオン状態に制御することで、高速ダイオード４ａ、４ｂを保護しても良い。 Further, the high-speed diodes 4a and 4b may be protected by making a determination using both the detected DC voltage or the zero-cross signal and controlling the open / close means 10a and 10b to be in an on state according to the situation.
本実施の形態では、図１に示す直流電源装置の回路構成で説明するが、図５に示すように、スイッチング素子の配置が異なる回路構成の場合、および図６に示すように、開閉手段の数と配置が異なる回路構成の場合でも同様の効果を奏することができる。 In the present embodiment, the circuit configuration of the DC power supply device shown in FIG. 1 will be described. However, in the case of a circuit configuration in which the arrangement of the switching elements is different as shown in FIG. 5 and as shown in FIG. Similar effects can be obtained even in the case of circuit configurations having different numbers and arrangements.
（実施の形態２）
図７は、本発明の第２の実施の形態に関わるインバータ駆動装置の構成を示す図である。図７に示す様に、本発明の第２の実施の形態に関わるインバータ駆動装置は、図１に示した実施の形態１に係る直流電源装置と同様の構成の直流電源装置を備えるとともに、モータ８と、モータを駆動するインバータ９と、インバータを負荷として駆動するインバータ制御部１０１を有する。
(Embodiment 2)
FIG. 7 is a diagram showing a configuration of an inverter driving apparatus according to the second embodiment of the present invention. As shown in FIG. 7, the inverter drive apparatus according to the second embodiment of the present invention includes a DC power supply apparatus having the same configuration as that of the DC power supply apparatus according to the first embodiment shown in FIG. 8, an inverter 9 that drives the motor, and an inverter control unit 101 that drives the inverter as a load.
なお、実施の形態２のインバータ駆動装置における直流電源装置は、実施の形態１に係る直流電源装置と同様な構成であるため、直流電源装置の説明は省略する。実施の形態１の直流電源装置と異なる部分のみ説明する。 Note that the DC power supply device in the inverter drive device according to the second embodiment has the same configuration as the DC power supply device according to the first embodiment, and thus the description of the DC power supply device is omitted. Only parts different from the DC power supply device of the first embodiment will be described.
瞬時停電からの復電時に発生する突入電流の大きさは、瞬時停電から復電する直前の直流電圧と、瞬時停電から復電する際の交流電源１からの交流電圧との差により決定される。この差が大きい程、復電時に発生する突入電流が大きくなる。 The magnitude of the inrush current that occurs when power is restored from an instantaneous power failure is determined by the difference between the DC voltage immediately before power is restored from the instantaneous power failure and the AC voltage from the AC power source 1 when power is restored from the instantaneous power failure. . The larger this difference is, the larger the inrush current generated at the time of power recovery.
交流電源１は瞬時停電が発生する時、インバータ負荷が重い程、直流電圧の低下速度が速くなる。インバータ負荷がモータの場合、モータの周波数が高いほど、インバータ負荷が重くなる。すなわち、直流電圧の低下速度が速くなる。 When the AC power supply 1 generates an instantaneous power failure, the heavier inverter load, the faster the DC voltage drop rate. When the inverter load is a motor, the higher the motor frequency, the heavier the inverter load. That is, the rate of decrease in DC voltage is increased.
それにより、実施の形態１に記載の直流電圧、もしくはゼロクロス信号にて、交流電源１が瞬時停電と判断した場合、インバータ制御部１０１からのインバータ駆動周波数を下げることで、直流電圧の低下速度が遅くなる。それに応じて、復電時に発生する突入電流が小さくなるため、よりサージ耐量の小さい高速ダイオードを用いることができて、設計自由度が向上する。 Accordingly, when the AC power supply 1 determines that there is an instantaneous power failure using the DC voltage or the zero cross signal described in the first embodiment, the rate of decrease in the DC voltage can be reduced by reducing the inverter drive frequency from the inverter control unit 101. Become slow. Accordingly, since the inrush current generated at the time of power recovery is reduced, a high-speed diode having a smaller surge resistance can be used, and the degree of freedom in design is improved.
以上の様に、本発明にかかる直流電源装置は、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安定して制御することができる。また、瞬時停電後の復電の際、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ので、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、洗濯機などの機器にも適用できる。 As described above, the DC power supply device according to the present invention can be stably controlled so that the DC voltage is lower than the peak voltage of the AC voltage. In addition, when power is restored after a momentary power failure, bypassing to a low-speed diode with a high surge resistance against inrush current prevents excessive inrush current from flowing to the high-speed diode, thus protecting the high-speed diode. The AC voltage from the AC power supply can be applied to devices such as an air conditioner, a refrigerator, and a washing machine that convert the DC voltage into DC voltage and supply power to the load by short-circuiting / opening with a switching element via a reactor.
１ 交流電源
２ リアクタ
３ａ、３ｂ、３ｃ スイッチング素子
４ａ、４ｂ 高速ダイオード
５ａ、５ｂ 一般整流ダイオード
６ 平滑コンデンサ
７ 負荷
８ モータ
９ インバータ
１０ａ、１０ｂ、１０ｃ 開閉手段
１１ａ、１１ｂ 一般整流ダイオード
３１ ゼロクロス検出部
３２ 直流電圧検出部
１００ 制御部
１０１ インバータ制御部
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 AC power supply 2 Reactor 3a, 3b, 3c Switching element 4a, 4b High speed diode 5a, 5b General rectifier diode 6 Smoothing capacitor 7 Load 8 Motor 9 Inverter 10a, 10b, 10c Opening / closing means 11a, 11b General rectifier diode 31 Zero cross detection part 32 DC voltage detection unit 100 control unit 101 inverter control unit
Claims (9)
スイッチング素子のオン・オフによって負荷へ供給する直流電圧を制御する直流電源装置であって、
前記整流回路を構成する整流ダイオードの中、少なくとも一つは高速ダイオードであり、前記交流電源とリアクタとの接続点から、前記平滑コンデンサの正極および負極の間に、開閉手段と一般整流ダイオードが接続され、
前記一般整流ダイオードは、前記開閉手段を介し、前記平滑コンデンサに充電電流を流す向きに接続されることを特徴とする直流電源装置。 Provided on the output side of the rectifier circuit, a rectifier circuit that rectifies the AC voltage from the AC power source, a switching means that short-circuits / opens the AC voltage from the AC power source via a reactor using a single or multiple switching elements With a smoothing capacitor,
A DC power supply device that controls a DC voltage supplied to a load by turning on and off a switching element,
Among the rectifier diodes constituting the rectifier circuit, at least one is a high-speed diode, and an opening / closing means and a general rectifier diode are connected between a positive electrode and a negative electrode of the smoothing capacitor from a connection point between the AC power source and a reactor. And
The DC power supply device according to claim 1, wherein the general rectifier diode is connected to the smoothing capacitor in a direction in which a charging current flows through the opening / closing means.
瞬時停電検出手段にて交流電源の瞬時停電を検出した際、前記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のいずれか一項に記載の直流電源装置。 Instant power failure detection means to detect instantaneous power failure of AC power supply,
The DC power supply device according to any one of claims 1 to 3, wherein when the instantaneous power failure detection means detects an instantaneous power failure of the AC power supply, the switching means is controlled to be in an ON state.
前記瞬時停電検出手段は、前記ゼロクロス検出部の出力値か、前記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５記載の直流電源装置。 A zero-cross detector that detects the zero-cross of AC voltage from the AC power supply is provided.
The said instantaneous power failure detection means judges the instantaneous power failure of AC power supply according to at least one value of the output value of the said zero cross detection part, or the output value of the said DC voltage detection part. DC power supply.
前記交流電源の瞬時停電を検出した際、前記インバータ制御部における駆動周波数を下げることを特徴とするインバータ駆動装置。 The load is an inverter load, comprising the DC power supply device according to any one of claims 1 to 6 and an inverter control unit that controls the inverter load.
An inverter driving device characterized in that when an instantaneous power failure of the AC power supply is detected, the drive frequency in the inverter control unit is lowered.
The air conditioner provided with the inverter drive device of the said Claim 7.
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