JP2016201962A - 力率改善回路及びその制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】寿命末期の判定後であっても出力を低下させることなく延命措置を実施し、且つ利用者に装置の交換を促すことができるようにする。【解決手段】入力する交流電圧を整流する整流回路１１と、整流回路１１の出力側に接続されたインダクタＬ１と、インダクタＬ１に流れる電流をスイッチングするスイッチング素子ＭＮ１と、平滑用の電解コンデンサＣ１と、電解コンデンサＣ１の両端間電圧に応じてスイッチング素子ＭＮ１のスイッチングを制御するとともに電解コンデンサＣ１の寿命を判定する制御装置１３と、判定された寿命が末期であるときそれを通達する通達装置１４とを備える。制御装置１３は、電解コンデンサＣ１の寿命が末期であると判定されたときスイッチング素子ＭＮ１のスイッチング周波数をより高い周波数に切り替える。【選択図】図１

Description

本発明は、電解コンデンサの長寿命化を図った力率改善回路及びその制御方法に関するものである。

力率改善（ＰＦＣ：power factor correction）回路は、入力交流電流波形を入力交流電圧波形に近似した波形になるように処理して力率を改善する回路であり、入力交流電圧を昇圧し直流電圧に変換して出力するＬＥＤアレイ用の電源回路などに組み込まれている。この力率改善回路の寿命は、この回路の出力部分に配置される平滑用の電解コンデンサの寿命で決まる。

電解コンデンサは使い続けると経年劣化で容量値が低下し、リプル電流が多くなる。リプル電流が多くなると内部での発熱量が増加して電解液が蒸発し、内部圧力が上昇する。最終的には内部圧力を解放するための防爆弁が開き、容量値が加速度的に減少する。容量値が加速度的に減少すると、電解コンデンサは力率改善回路の出力リプル電流を吸収できず、その電流が他の部品へ流れ込んで過電流状態となり、過剰な発熱を招く可能性がある。

このような事態を回避するためには、電解コンデンサの防爆弁が開く前に寿命末期を判定する必要があり、これまでに種々検討されている。寿命末期を判定する従来技術を特許文献１〜特許文献５に示す。

特許文献１と特許文献２では、定常運転状態での電解コンデンサの両端間電圧をモニターすることで寿命を判定している。電解コンデンサは使用時間とともに容量値が減少するため、寿命末期ではその両端間電圧の挙動が使用開始時とは異なってくる。そして、この両端間電圧が予め設定された閾値に達したとき寿命末期と判定し、２度と電源が入らない状態にすることで利用者に装置の交換を促している。

特許文献３では、負荷駆動の始動時に発生する電解コンデンサの両端間電圧のリンギング波形の最大値と最小値をモニターすることで寿命を判定している。リンギング波形の最大値と最小値が予め設定された閾値に達した場合、出力を低下させることにより利用者に寿命が近いことを知らせる。出力を低下させることは電解コンデンサヘの熱的負担を減少させ、延命させる効果がある。この延命措置期間中に利用者に装置の交換を促す。

特許文献４では、電解コンデンサの両端間電圧をモニターし、その電圧が予め設定された閾値に達した場合、出力停止や断続的な出力に変更することで、利用者に寿命が近いことを知らせることを提案している。また、これらの出力の変化とともに、付属する装置に寿命末期であることを知らせるメッセージや音声などを出力することを提案している。なお、断続的な出力に変更することで電解コンデンサヘの熱的負担が減少し、電解コンデンサを延命させる効果がある。

特許文献５では、電解コンデンサが寿命末期であると判定されたとき、その電解コンデンサの両端間電圧を低下させるようにスイッチング素子を制御したり、電解コンデンサへの電路を遮断するスイッチング手段を設けることが提案されている。

特開２００７−２０７７０８号公報 特開２０１０−５７３４３号公報 特開２０１１−１０８５１８号公報 特開２０１２−６０８１４号公報 特開２０１１−９７６８０号公報

特許文献１〜特許文献５では電解コンデンサの寿命末期を判定しているが、寿命末期を迎えた場合の対応は出力停止、出力低下、断続的な出力への変更、電解コンデンサの力率改善回路からの開放などであり、この手法ではこれまでの出力を得られない短所がある。例えばＬＥＤアレイ回路の電源回路にこのような力率改善回路が組み込まれた場合には、突然の消灯や照度低下を引き起こす。これは、利用者にとっては利便性が損なわれるだけではなく、危険な場合もある。

本発明の目的は、寿命末期が判定されたときであっても出力を低下させることなく延命措置を実施でき、且つ利用者に装置の交換を促すことができるようにした力率改善回路及びその制御方法を提供することである。

上記目的を達成するために、請求項１にかかる発明の力率改善回路は、入力する交流電圧を整流する整流回路と、該整流回路の出力側に接続されたインダクタと、該インダクタに流れる電流をスイッチングするスイッチング素子と、平滑用の電解コンデンサと、該電解コンデンサの両端間の電圧を検出して前記スイッチング素子のスイッチングを制御するとともに前記電解コンデンサの寿命を判定する制御装置と、該制御装置で前記電解コンデンサの寿命が末期であると判定されたときそれを通達する通達装置とを備える力率改善回路であって、前記制御装置は、前記電解コンデンサの寿命が末期であると判定されたとき前記スイッチング素子のスイッチング周波数をより高い周波数に切り替えることを特徴とする。

請求項２にかかる発明は、請求項１に記載の力率改善回路において、前記電解コンデンサの温度を検出する温度センサを備え、前記制御装置は、前記温度センサで検出した温度に応じて前記電解コンデンサの寿命の判定のための前記電解コンデンサの両端間の検出電圧を補正することを特徴とする。

請求項３にかかる発明は、請求項１又は２に記載の力率改善回路において、前記スイッチング周波数をより高い周波数に切り替える際の周波数を選択するスイッチング周波数選択手段を備えることを特徴とする。

請求項４に係る発明の力率改善回路の制御方法は、入力する交流電圧を整流する整流回路と、該整流回路の出力側に接続されたインダクタと、該インダクタに流れる電流をスイッチングするスイッチング素子と、平滑用の電解コンデンサと、該電解コンデンサの両端間の電圧を検出して前記スイッチング素子のスイッチングを制御するとともに前記電解コンデンサの寿命を判定する制御装置と、該制御装置で前記電解コンデンサの寿命が末期であると判定されたときそれを通達する通達装置とを備える力率改善回路の制御方法であって、前記制御装置により、前記電解コンデンサの寿命が末期であると判定されたとき前記スイッチング素子のスイッチング周波数をより高い周波数に切り替えることを特徴とする。

請求項５にかかる発明は、請求項４に記載の力率改善回路の制御方法において、前記電解コンデンサの温度に応じて前記電解コンデンサの寿命判定のための前記電解コンデンサの両端間の検出電圧を補正することを特徴とする。

本発明によれば、電解コンデンサが寿命末期であると判定されたときであっても出力を低下させることなく延命措置を実施でき、且つ利用者に装置の交換を促すことができる。また、電解コンデンサの周囲温度によって電解コンデンサの両端間の検出電圧を補正することで、より精度の高い寿命末期の判定を行うことができる。また、スイッチング周波数をより高い周波数に切り替える際の周波数を選択できるようにすることで、寿命と効率の調整ができ、利用者の利便性向上を図ることができる。

本発明の第１の実施例の力率改善回路を組み込んだ電源装置のブロック図である。 電解コンデンサの寿命のリプル電流依存性を示す特性図である。 リプル電流のスイッチング周波数依存性を示す特性図である。 電解コンデンサの寿命のスイッチング周波数依存性を示す特性図である。 本発明の第２の実施例の力率改善回路を組み込んだ電源装置のブロック図である。 電解コンデンサの容量値の温度変動率を示す特性図である。 本発明の第３の実施例の力率改善回路を組み込んだ電源装置のブロック図である。 電源装置の効率のスイッチング周波数依存性を示す特性図である。 本発明の第３の実施例のスイッチング周波数選択装置の表示画面を示す図である。 本発明の第３の実施例におけるスイッチング周波数調整のフローチャートである。

＜第１の実施例＞
図１は本発明の第１の実施例の力率改善回路１０を組み込んだ電源装置のブロック図である。力率改善回路１０において、１１はダイオードブリッジによる第１整流回路であり、交流電圧Ｖｉｎが入力するライン端子Ｌとニュートラル端子Ｎに接続されていて、その交流電圧Ｖｉｎを両波整流する。第１整流回路１１の正出力側にはインダクタＬ１の一端が接続されている。このインダクタＬ１の他端と整流回路１１の負入力側との間にはスイッチング素子としてのＮＭＯＳのパワートランジスタＭＮ１が接続されている。また、インダクタＬ１の他端にはさらに第２整流回路としてのダイオードＤ１のアノードが接続されている。このダイオードＤ１のカソードと第１整流回路１１の負入力側との間には平滑用の電解コンデンサＣ１が接続されている。

１２は電圧変換回路であり、力率改善回路１０の出力電圧Ｖｐを取り込んで抵抗分割により分圧した電圧検出信号を出力する。１３は制御装置であり、電圧変換回路１２で得られた電圧検出信号を取り込んでパワートランジスタＭＮ１のＯＮ時間を制御するとともに電解コンデンサＣ１の推定寿命を演算する。１４はその制御装置１３によって演算された寿命を報知する通達装置である。

この力率改善回路１０の出力側には、出力電圧Ｖｐを入力して昇圧あるいは降圧した所定の電圧を出力するＤＣ−ＤＣコンバータ２０が接続され、そのＤＣ−ＤＣコンバータ２０の出力側に、複数のＬＥＤが直列接続された負荷回路としてのＬＥＤアレイ回路３０が接続されている。

次に、電解コンデンサＣ１の寿命末期の判定について説明する。ただし力率改善回路１０は、例えば、インダクタＬ１に流れる電流が０にならない電流連続モードで動作するものとする。電解コンデンサＣ１は使用を続けると、前述したように徐々に容量値が低下する。容量値が低下すると、電解コンデンサＣ１がリプル電流を吸収できなくなり、そのリプル電圧が大きくなる。すなわち、力率改善回路１０の出力電圧Ｖｐの振幅が大きくなる。この出力電圧Ｖｐの情報は電圧変換回路１２によって制御回路１３に取り込まれ、振幅が事前に設定された閾値に達した場合、制御装置１３において寿命末期と判定される。

このように、制御装置１３による電解コンデンサＣ１の寿命判定は、容量値の低下を検出するものであるが、直接的には、容量低下の結果の現象として現れる出力電圧Ｖｐのリプル電圧の増大を閾値と比較することで判定する。

そして、本実施例では、寿命末期と判定された場合、制御装置１３がパワートランジスタＭＮ１を制御するスイッチング周波数ｆｓを増加させる。スイッチング周波数ｆｓが増加することで、リプル電流が低下する。リプル電流が低下することで、電解コンデンサＣ１の自己発熱量が低下する。自己発熱量が低下するとアニレウスの法則により、電解コンデンサＣ１の負担が減り、寿命が延びる。

これが延命措置となる。スイッチング周波数ｆｓが変わっただけなので、力率改善回路１０の出力電圧Ｖｐの振幅が小さくなるが平均値はスイッチング周波数ｆｓの増加の前後で変わらない。なお、アニレウスの法則とは、温度が１０℃高くなる毎に寿命が１／２づつに低下し、温度が１０℃低くなる毎に寿命が２倍づつ長くなるという法則である。

制御装置１３において電解コンデンサＣ１の寿命が末期と判定されると、制御装置１３に接続された通達装置１４で利用者にその旨が伝えられる。この通達装置１４は、例えばメッセージ表示出力装置、音声出力装置、通信インターフェイスを用いたパーソナルコンピュータ画面などで実現できる。通信インターフェイスを用いれば、通知先は利用者だけでなく、この力率改善回路１０を製造するメーカーにも寿命末期であることを知らせることができる。

ところで、特許文献３や特許文献４では、力率改善回路の出力を低下させる等で延命措置を実現し、その間に利用者に装置の交換を促している。これに対し、本実施例の力率改善回路１０では、寿命末期判定後も、出力電圧Ｖｐを低下させることなく延命措置を実施し、通達装置１４によって利用者に装置の交換を促すものである。このため、ＬＥＤアレイ回路３０用の電源装置にその力率改善回路１０が組み込まれた場合、突然の照度低下などで利用者の利便性を損なわない利点がある。

なお、電解コンデンサＣ１の寿命を導くアニレウスの法則を近似した計算式は、電解コンデンサのメーカー等が公開している。具体的には次式で表される。この計算式に従うと、図２のように、電解コンデンサＣ１の寿命は、リプル電流の増加とともに減少する。そのときの推定寿命Ｌｘ（Ｈｒ）は、

で表される。ここで、
Ｌｒ：定格寿命（Ｈｒ）
Ｔｏ：最大定格温度（℃）
Ｔｘ：実際に使用している周囲の温度（℃）
ΔＴｏ：最大定格リプル電流の重畳時の上昇温度（℃）
Ｉｏ：最大定格リプル電流（Ａｒｍｓ）
Ｉｘ：実際に流れているリプル電流（Ａｒｍｓ）
である。

また、電流連続モードでのリプル電流Ｉｘはスイッチング周波数ｆｓに概ね反比例して、次式で表される。

この式（２）に従うと、図３のように、リプル電流Ｉｘはスイッチング周波数ｆｓの増加とともに減少する。そして式（１）と式（２）より電解コンデンサＣ１の寿命Ｌｘのスイッチング周波数ｆｓの依存性を導くと、図４のように、スイッチング周波数ｆｓの増加とともに寿命Ｌｘが延びることが分かる。

よって、電解コンデンサＣ１が寿命末期になったとき、スイッチング周波数ｆｓを高い周波数に切り替えると、寿命を延命させることができる。

＜第２の実施例＞
図５は本発明の第２の実施例の力率改善回路１０Ａを組み込んだ電源装置のブロック図である。この第２の実施例は第１の実施例に電解コンデンサＣ１の周囲温度Ｔｘを検出する温度センサ１５を追加したものである。温度センサ１５は電解コンデンサＣ１の付近に設置し、その検出信号を制御装置１３Ａに入力する。

第２の実施例の動作を説明する。電解コンデンサＣ１の寿命末期判定の基本的な動作は第１の実施例と同じである。違いは温度センサ１５で周囲温度を検出することで、電解コンデンサＣ１の容量値の温度補正ができることである。電解コンデンサＣ１の容量値は、図６のように、温度によって変化する。例えば、温度が低下すると容量値が低下し、リプル電流が増大して出力電圧Ｖｐが閾値に達し、寿命末期と誤判定される可能性がある。また、温度が上昇すると容量値が増加して、実際には寿命末期であっても出力電圧Ｖｐが閾値に達せずに、寿命末期と判定されない場合がある。

第２の実施例はこのような誤判定を回避するため、温度センサ１５で電解コンデンサＣ１の周囲温度を検出し、この温度センサ１５で検出した温度信号を制御装置１３Ａで処理する。具体的には、例えば、出力電圧Ｖｐの検出信号を温度信号によって補正することで、電解コンデンサＣ１の容量値の温度による変化を補正する。

以上から、第２の実施例の力率改善回路によれば、温度補償により、第１の実施例の力率改善回路よりも、高精度な寿命判定をできる利点がある。

＜第３の実施例＞
図７は本発明の第３の実施例の力率改善回路１０Ｂを組み込んだ電源装置のブロック図である。この第３の実施例の力率改善回路１０Ｂは、第１の実施例の力率改善回路１０にスイッチング周波数選択装置１６を追加し、制御装置１３Ｂに接続したものである。本実施例でのスイッチング周波数選択装置１６はパーソナルコンピュータで実現することができ、この場合、パーソナルコンピュータと制御装置１３Ｂは通信ケーブルで接続される。

第３の実施例の動作を説明する。電解コンデンサＣ１の寿命末期の判定の基本的な動作は第１の実施例の力率改善回路１０と同じである。違いは、スイッチング周波数ｆｓをどの程度増加させるか、つまり寿命をどの程度伸ばすかを利用者が選択できる機能を追加した点である。

図１０のフローチャートを用いて、スイッチング周波数選択装置１６によりスイッチング周波数ｆｓが変更されることを説明する。スイッチング周波数選択装置１６は、図９のような画面１６１をパーソナルコンピュータで表示し、操作する。図９に示すように、この画面１６１には、推定寿命表示部１６２、目標寿命表示部１６３、目標寿命設定可否部１６４、スイッチング周波数表示部１６４、効率表示部１６６が設けられる。

ここで、利用者は推定寿命の表示を確認し（ステップＳ１）、推定寿命が短くなったら、つまり寿命が末期になったら、目標寿命をパーソナルコンピュータ画面上で入力する（ステップＳ２）。制御装置１３Ｂはパーソナルコンピュータからの目標寿命のデータを受け取り、式（１）と式（２）を用いてあるいは図４の特性図から、スイッチング周波数ｆｓを取得する（ステップＳ３）。取得したスイッチング周波数ｆｓが予め定められた周波数範囲内であった場合（ステップＳ４がＹｅｓ）、制御装置１３ＢはパワートランジスタＭＮ１のスイッチング周波数ｆｓを取得した当該の周波数に変更する（ステップＳ５）。その周波数範囲は、力率改善回路１０で使用できる周波数であるか、あるいはその他の条件などによって定められる。

そして、変更された周波数に対応する推定寿命の表示更新（ステップＳ６）、目標寿命設定可否についてＯＫの表示（ステップＳ７）、算出されたスイッチング周波数の値の表示（ステップＳ８）、電源装置の効率の表示(ステップＳ９）を、図９に示されるように画面１６１において実施する。

電源装置の効率の表示については、スイッチング周波数ｆｓが増加すると、パワートランジスタＭＮ１でのスイッチングロスが多くなり、図８のように、電源装置の効率が低下する。そこで、この効率を画面１６１に表示して、スイッチング周波数変更後の効率が利用者にとって許容できるものであれば（ステップＳ１０がＹｅｓ）、スイッチング周波数の選択が完了する。もし効率が利用者にとって許容できるものでなければ（ステップＳ１０がＮｏ）、利用者は再び別の目標寿命を入力して（ステップＳ２）、スイッチング周波数ｆｓを新たな値に設定することができる。

また、利用者が目標寿命を入力した（ステップＳ２）ものの、その目標寿命を達成するためのスイッチング周波数ｆｓが予め設定された周波数範囲外だった場合（ステップＳ４がＮｏ）、制御装置１３Ｂはスイッチング周波数ｆｓを従来通りとし（ステップＳ１１）、画面１６１において目標寿命設定可否についてＮＧを表示する（ステップＳ１２）。この場合、利用者は再び目標寿命を入力できる。

以上のように、第３の実施例の力率改善回路１０Ｂは、電解コンデンサＣ１の寿命末期の判定後に利用者がスイッチング周波数を調整可能であるので、寿命と効率の調整ができ、利用者の利便性向上につながる利点がある。例えば、寿命末期の判定後、すぐに装置を交換するのであればスイッチング周波数を増加させる必要はない。一方、装置の交換まで時間を要する場合、効率を低下させてでも、寿命を延ばすことを選択できる。

＜その他の実施例＞
なお、以上の各実施例において、パワートランジスタＭＮ１はＰＭＯＳトランジスタに代えることも、またバイポーラのＰＮＰあるいはＮＰＮトランジスタに代えることもできる。また、以上の各実施例では、インダクタＬ１に流れる電流が０とならない電流連続モードで動作する力率改善回路の場合について説明したが、インダクタＬ１に流れる電流が一定時間だけ０になる電流不連続モードや、スイッチング素子のＯＮタイミングをインダクタＬ１に流れる電流が０になったときとする電流臨界モードで動作する力率改善回路にも同様に適用することができる。

１０，１０Ａ，１０Ｂ：力率改善回路
１１：第１整流回路、１２：電圧変換回路、１３，１３Ａ，１３Ｂ：制御装置、１４：通達装置、１５：温度センサ、１６：スイッチング周波数選択装置
２０：ＤＣ−ＤＣコンバータ
３０：ＬＥＤアレイ回路

Claims (5)

1. 入力する交流電圧を整流する整流回路と、該整流回路の出力側に接続されたインダクタと、該インダクタに流れる電流をスイッチングするスイッチング素子と、平滑用の電解コンデンサと、該電解コンデンサの両端間の電圧を検出して前記スイッチング素子のスイッチングを制御するとともに前記電解コンデンサの寿命を判定する制御装置と、該制御装置で前記電解コンデンサの寿命が末期であると判定されたときそれを通達する通達装置とを備える力率改善回路であって、
   前記制御装置は、前記電解コンデンサの寿命が末期であると判定されたとき前記スイッチング素子のスイッチング周波数をより高い周波数に切り替えることを特徴とする力率改善回路。
2. 請求項１に記載の力率改善回路において、
   前記電解コンデンサの温度を検出する温度センサを備え、
   前記制御装置は、前記温度センサで検出した温度に応じて前記電解コンデンサの寿命の判定のための前記電解コンデンサの両端間の検出電圧を補正することを特徴とする力率改善回路。
3. 請求項１又は２に記載の力率改善回路において、
   前記スイッチング周波数をより高い周波数に切り替える際の周波数を選択するスイッチング周波数選択手段を備えることを特徴とする力率改善回路。
4. 入力する交流電圧を整流する整流回路と、該整流回路の出力側に接続されたインダクタと、該インダクタに流れる電流をスイッチングするスイッチング素子と、平滑用の電解コンデンサと、該電解コンデンサの両端間の電圧を検出して前記スイッチング素子のスイッチングを制御するとともに前記電解コンデンサの寿命を判定する制御装置と、該制御装置で前記電解コンデンサの寿命が末期であると判定されたときそれを通達する通達装置とを備える力率改善回路の制御方法であって、
   前記制御装置により、前記電解コンデンサの寿命が末期であると判定されたとき前記スイッチング素子のスイッチング周波数をより高い周波数に切り替えることを特徴とする力率改善回路の制御方法。
5. 請求項４に記載の力率改善回路の制御方法において、
   前記電解コンデンサの温度に応じて前記電解コンデンサの寿命判定のための前記電解コンデンサの両端間の検出電圧を補正することを特徴とする力率改善回路の制御方法。

Images