JP2016220378A - Dc power supply device and air conditioner using the same - Google Patents

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浩二 月井
正博 田村
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正博 田村
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Kazuhiro Ueda
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a DC power supply device capable of securing the driving voltage for a high-side element and stably performing synchronous rectification control.SOLUTION: A DC power supply device has a full-wave rectification operation mode of converting an AC voltage input through a reactor L1 to a DC voltage by a synchronous rectification operation and a step-up chopper operation of first and second diodes D1, D2 and first and second MOSFETs Q1, Q2, the first MOSFET and the second MOSFET being switched so as to perform the synchronous rectification operation according to the polarity of the AC voltage, a partial switching operation mode in which on/off switching is complementarily performed by a predetermined number of times in a half cycle of the AC voltage, a high-speed switching operation mode in which on/off switching is complementarily performed at a predetermined frequency. The capacitor C2 of a bootstrap circuit serving as a control power source of the first MOSFET is charged when the second MOSFET is turned on.SELECTED DRAWING: Figure 1

Description

本発明は、交流電圧を直流電圧に変換する直流電源装置、並びにそれを用いる空気調和機に関する。   The present invention relates to a DC power supply device that converts an AC voltage into a DC voltage, and an air conditioner using the same.

電車、自動車、空気調和機等には、交流電圧を直流電圧に変換する直流電源装置(直流電源装置)が搭載されている。そして、直流電源装置から出力される直流電圧をインバータによって所定周波数の交流電圧に変換し、この交流電圧がモータ等の負荷に印加される。   In trains, automobiles, air conditioners and the like, a DC power supply device (DC power supply device) that converts an AC voltage into a DC voltage is mounted. And the direct-current voltage output from a direct-current power supply device is converted into the alternating voltage of a predetermined frequency with an inverter, and this alternating voltage is applied to loads, such as a motor.

このような直流電源装置において、電力変換効率を高めて省エネルギー化を図ることが求められている。電力変換効率を高める手段として、例えば、特許文献1に記載されるような従来技術が知られている。   In such a DC power supply device, there is a demand for energy saving by increasing power conversion efficiency. As means for increasing the power conversion efficiency, for example, a conventional technique described in Patent Document 1 is known.

本従来技術においては、コンバータ回路にMOSFETを使用した同期整流回路が提案されている。その回路構成は、直流電圧の正極側に第1のMOSFETのドレインが接続され、負極側に第2のMOSFETのソースが接続された構成となっている。そして、第1のMOSFETのソースと第2のMOSFETのドレインが接続されている。   In this prior art, a synchronous rectifier circuit using a MOSFET as a converter circuit has been proposed. The circuit configuration is such that the drain of the first MOSFET is connected to the positive side of the DC voltage and the source of the second MOSFET is connected to the negative side. The source of the first MOSFET and the drain of the second MOSFET are connected.

特許第5349636号公報Japanese Patent No. 5349636

上記従来技術のように平滑コンデンサの正極側に第1のMOSFETを接続し、平滑コンデンサの負極側に第2のMOSFETを接続して同期整流を行う構成においては、平滑コンデンサの正極側に接続された第1のMOSFETを駆動するには、第1のMOSFETのソース電位を基準とした電源回路が必要となる。しかしながら、上記従来技術では、第1のMOSFETすなわちハイサイド素子の駆動電圧を確保して、安定的に同期整流制御を行うことについては考慮されていない。   In the configuration in which the first MOSFET is connected to the positive electrode side of the smoothing capacitor and the second MOSFET is connected to the negative electrode side of the smoothing capacitor to perform synchronous rectification as in the above prior art, it is connected to the positive electrode side of the smoothing capacitor. In order to drive the first MOSFET, a power supply circuit based on the source potential of the first MOSFET is required. However, the above prior art does not take into consideration the stable rectification control by securing the driving voltage of the first MOSFET, that is, the high-side element.

そこで、本発明は、ハイサイド素子の駆動電圧を確保し、安定的に同期整流制御を行うことが可能な直流電源装置並びにそれを用いて信頼性が向上される空気調和機を提供する。   Therefore, the present invention provides a direct-current power supply device that can secure a driving voltage for a high-side element and stably perform synchronous rectification control, and an air conditioner that is improved in reliability by using the direct-current power supply device.

上記課題を解決するために、本発明による直流電源装置は、第一のダイオードのアノードと第二のダイオードのカソードが接続され、第一のMOSFETのソースと第二のMOSFETのドレインが接続され、第一のダイオードのカソードと第一のMOSFETのドレインが平滑コンデンサの正極側に接続され、第二のダイオードのアノードと第二のMOSFETのソースが平滑コンデンサの負極側に接続され、第一のダイオードと第二のダイオードとの接続点と、第一のMOSFETと第二のMOSFETとの接続点に、リアクトルを介して、交流電源が接続され、第一のMOSFETおよび第二のMOSFETのスイッチングにより、交流電源の交流電圧を直流電圧に変換するものであって、第一のMOSFETおよび第二のMOSFETが、交流電圧の極性に応じて、同期整流動作をするようにスイッチングされる全波整流動作モードと、第一のMOSFETおよび第二のMOSFETが、交流電圧の半サイクルにおいて、相補的に所定回数オン・オフスイッチングされる部分スイッチング動作モードと、第一のMOSFETおよび第二のMOSFETが、所定の周波数で相補的にオン・オフスイッチングされる高速スイッチング動作モードと、を有し、さらに、第一のMOSFETの制御電源となるブートストラップ回路を備え、ブートストラップ回路のコンデンサが、第二のMOSFETがスイッチングされてオンする時に充電される。   In order to solve the above-mentioned problem, a direct current power supply device according to the present invention has an anode of a first diode and a cathode of a second diode connected, a source of the first MOSFET and a drain of the second MOSFET connected, The cathode of the first diode and the drain of the first MOSFET are connected to the positive side of the smoothing capacitor, the anode of the second diode and the source of the second MOSFET are connected to the negative side of the smoothing capacitor, and the first diode An AC power supply is connected to a connection point between the first MOSFET and the second MOSFET, and a connection point between the first MOSFET and the second MOSFET via a reactor, and by switching of the first MOSFET and the second MOSFET, Converting an AC voltage of an AC power source into a DC voltage, the first MOSFET and the second MOSFE However, the full-wave rectification operation mode that is switched so as to perform synchronous rectification operation according to the polarity of the AC voltage, and the first MOSFET and the second MOSFET are complementary in a predetermined number of times in a half cycle of the AC voltage. A partial switching operation mode that is switched on and off; and a high-speed switching operation mode in which the first MOSFET and the second MOSFET are complementarily switched on and off at a predetermined frequency. A bootstrap circuit serving as a control power source for the MOSFET, and a capacitor of the bootstrap circuit is charged when the second MOSFET is switched on.

また、上記課題を解決するために、本発明による空気調和機は、交流電動機によって圧縮機が駆動される電動圧縮機と、電動圧縮機に交流電力を供給するインバータ回路と、インバータ回路を負荷とする直流電源装置と、を備え、電動圧縮機によって圧縮される冷媒が冷凍サイクルに循環するものであって、直流電源装置が、上記本発明による直流電源装置である。   In order to solve the above problems, an air conditioner according to the present invention includes an electric compressor in which a compressor is driven by an AC electric motor, an inverter circuit that supplies AC electric power to the electric compressor, and an inverter circuit as a load. A refrigerant that is compressed by an electric compressor circulates in the refrigeration cycle, and the DC power supply is the DC power supply according to the present invention.

本発明によれば、第一のMOSFETの制御電源となるブートストラップ回路を備え、ブートストラップ回路のコンデンサが、全波整流動作モード、部分スイッチング動作モードおよび高速スイッチング動作モードにおいて第二のMOSFETがオンする時に充電されることにより、ハイサイド素子である第一のMOSFETの駆動電圧を確保し、安定的に同期整流制御を行うことが可能となる。これにより、直流電源装置、並びにそれを用いる空気調和機の効率が向上すると共に、信頼性が向上する。   According to the present invention, the bootstrap circuit serving as the control power source of the first MOSFET is provided, and the capacitor of the bootstrap circuit is turned on in the full-wave rectification operation mode, the partial switching operation mode, and the high-speed switching operation mode. By being charged at the time, the driving voltage of the first MOSFET, which is the high-side element, can be secured, and the synchronous rectification control can be stably performed. This improves the efficiency of the DC power supply device and the air conditioner using the DC power supply device, and improves the reliability.

上記した以外の課題、構成および効果は、以下の実施形態の説明により明らかにされる。   Problems, configurations, and effects other than those described above will become apparent from the following description of embodiments.

本発明の実施例1である直流電源装置の構成図である。BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS It is a block diagram of the direct-current power supply device which is Example 1 of this invention. 交流電源電圧の極性が正の時に主回路に流れる電流の経路を示す。The path of the current flowing through the main circuit when the polarity of the AC power supply voltage is positive is shown. 交流電源電圧の極性が負の時に主回路に流れる電流の経路を示す。The path of the current flowing through the main circuit when the polarity of the AC power supply voltage is negative is shown. 交流電源電圧の極性が正の場合に主回路に流れる力率改善電流の経路を示す。The path of the power factor correction current flowing through the main circuit when the polarity of the AC power supply voltage is positive is shown. 交流電源電圧の極性が負の場合に主回路に流れる力率改善電流の経路を示す。The path of the power factor correction current flowing in the main circuit when the polarity of the AC power supply voltage is negative is shown. 交流電源電圧の正のサイクルにおける、MOSFETの駆動パルスと電源電圧および主回路電流の関係を示す。The relationship between the drive pulse of MOSFET, power supply voltage, and main circuit current in the positive cycle of AC power supply voltage is shown. 交流電源電圧の正の半サイクルにおけるMOSFETの通流率の時間変化を示す。The time change of the duty factor of MOSFET in the positive half cycle of alternating current power supply voltage is shown. 電源電圧瞬時値および回路電流瞬時値の時間変化を示す。The time change of the instantaneous value of the power supply voltage and the instantaneous value of the circuit current is shown. 電流位相遅れを考慮した場合および考慮しない場合におけるMOSFETの通流率の時間変化を示す。The time change of the duty ratio of MOSFET when current phase delay is considered and when it is not considered is shown. ブートストラップ回路におけるコンデンサの充電電流の経路を示す。The path of the capacitor charging current in the bootstrap circuit is shown. 交流電源電圧の極性が正の場合について、ブートストラップ回路のコンデンサが充電される時における、主回路電流の経路およびブートストラップ回路における充電電流の経路を示す。When the polarity of the AC power supply voltage is positive, the path of the main circuit current and the path of the charging current in the bootstrap circuit when the capacitor of the bootstrap circuit is charged are shown. 交流電源電圧の極性が負の場合について、ブートストラップ回路のコンデンサが充電される時における、主回路電流の経路およびブートストラップ回路における充電電流の経路を示す。When the polarity of the AC power supply voltage is negative, the main circuit current path and the charging current path in the bootstrap circuit when the capacitor of the bootstrap circuit is charged are shown. 図10に示した本実施例1の直流電源装置の主回路部と交流電源の電圧波形を示す。FIG. 11 shows voltage waveforms of the main circuit unit and the AC power supply of the DC power supply device according to the first embodiment shown in FIG. 図10に示した本実施例1の直流電源装置の主回路部と交流電源の電圧波形を示す。FIG. 11 shows voltage waveforms of the main circuit unit and the AC power supply of the DC power supply device according to the first embodiment shown in FIG. 本実施例1におけるMOSFETのゲート駆動回路部を示す。2 shows a gate drive circuit portion of a MOSFET in the first embodiment. 充電時に動作する回路部分を示す。The circuit part which operate | moves at the time of charge is shown. 放電時に動作する回路部分を示す。The circuit part which operate | moves at the time of discharge is shown. 放電時に動作する回路部分を示す。The circuit part which operate | moves at the time of discharge is shown. ブートストラップ回路のコンデンサの充電時定数切替手段を示す。The charging time constant switching means for the capacitor of the bootstrap circuit is shown. ブートストラップ回路のコンデンサの充電時定数切替手段を示す。The charging time constant switching means for the capacitor of the bootstrap circuit is shown. 実施例2の空気調和機の冷暖房サイクル構成図である。It is an air-conditioning cycle block diagram of the air conditioner of Example 2. 実施例2の空気調和機の室外機の外観図である。It is an external view of the outdoor unit of the air conditioner of Example 2.

以下、本発明の実施形態について、図面を用いて説明する。なお、各図において、参照番号が同一のものは同一の構成要件あるいは類似の機能を備えた構成要件を示している。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. In each figure, the same reference numerals indicate the same constituent elements or constituent elements having similar functions.

図1は、本発明の実施例1である直流電源装置の構成図である。   FIG. 1 is a configuration diagram of a DC power supply device that is Embodiment 1 of the present invention.

まず、本図1を用いて、本実施例1の回路構成および各部の構成について説明する。   First, the circuit configuration and the configuration of each unit according to the first embodiment will be described with reference to FIG.

本実施例1の直流電源装置は、交流電源Vsから供給される交流電圧を直流電圧に変換し、この直流電圧を負荷H(インバータ、モータ等)に出力するコンバータである。直流電源装置は、その入力側が交流電源Vsに接続され、出力側が負荷Hに接続されている。   The DC power supply device according to the first embodiment is a converter that converts an AC voltage supplied from an AC power supply Vs into a DC voltage and outputs the DC voltage to a load H (an inverter, a motor, or the like). The DC power supply device has an input side connected to an AC power source Vs and an output side connected to a load H.

図1に示すように、直流電源装置は、リアクトルL1と、平滑コンデンサC1と、ダイオードD1,D2とMOSFET Q1,Q2と、電流検出部11と、電流制御ゲイン制御部12と、交流電圧検出部13と、ゼロクロス判定部14と、負荷検出部15と、昇圧比制御部16と、直流電圧検出部17と、制御部18と、を備えている。   As shown in FIG. 1, the DC power supply includes a reactor L1, a smoothing capacitor C1, diodes D1 and D2, MOSFETs Q1 and Q2, a current detection unit 11, a current control gain control unit 12, and an AC voltage detection unit. 13, a zero cross determination unit 14, a load detection unit 15, a boost ratio control unit 16, a DC voltage detection unit 17, and a control unit 18.

ダイオードD1のアノードは、ダイオードD2のカソードに接続され、その接続点P1は配線haを介して交流電源Vsに接続されている。なお、配線haは、その一端がリアクトルL1を介して交流電源Vsに接続され、他端が接続点P1に接続されている。   The anode of the diode D1 is connected to the cathode of the diode D2, and the connection point P1 is connected to the AC power source Vs via the wiring ha. Note that one end of the wiring ha is connected to the AC power supply Vs via the reactor L1, and the other end is connected to the connection point P1.

MOSFET Q1のソースは、MOSFET Q2のドレインに接続され、その接続点P2は配線hbを介して交流電源Vsに接続されている。なお、配線hbは、その一端が電流検出部11を介して交流電源Vsに接続され、他端が接続点P2に接続されている。   The source of the MOSFET Q1 is connected to the drain of the MOSFET Q2, and the connection point P2 is connected to the AC power source Vs via the wiring hb. Note that one end of the wiring hb is connected to the AC power supply Vs via the current detection unit 11, and the other end is connected to the connection point P2.

ダイオードD2のアノードはMOSFET Q2のソースに接続されている。MOSFET Q1のドレインはダイオードD1のカソードに接続されている。また、ダイオードD1のカソードとMOSFET Q1のドレインは、配線hcを介して平滑コンデンサC1の正極に接続されている。さらにダイオードD2のアノードとMOSFET Q2のソースは平滑コンデンサC1の負極に接続されている。   The anode of the diode D2 is connected to the source of the MOSFET Q2. The drain of MOSFET Q1 is connected to the cathode of diode D1. The cathode of the diode D1 and the drain of the MOSFET Q1 are connected to the positive electrode of the smoothing capacitor C1 via the wiring hc. Further, the anode of the diode D2 and the source of the MOSFET Q2 are connected to the negative electrode of the smoothing capacitor C1.

リアクトルL1は、交流電源Vsから供給される電力をエネルギーとして蓄え、さらにこのエネルギーを放出することで昇圧を行うものである。リアクトルL1は、配線ha上に設けられている。すなわち、リアクトルL1は交流電源Vsと接続点P1の間に接続される。   The reactor L1 stores electric power supplied from the AC power supply Vs as energy, and further boosts the energy by releasing this energy. Reactor L1 is provided on wiring ha. That is, reactor L1 is connected between AC power supply Vs and connection point P1.

平滑コンデンサC1は、ダイオードD1,D2やMOSFET Q1,Q2によって整流された電圧を平滑化して直流電圧にするものであり、配線hc,hdを介して直流電源装置の出力側に接続されている。   The smoothing capacitor C1 smoothes the voltage rectified by the diodes D1 and D2 and the MOSFETs Q1 and Q2 into a DC voltage, and is connected to the output side of the DC power supply device via the wirings hc and hd.

MOSFET Q1,Q2は後記するコンバータ制御部18からの指令によってオン・オフ制御される。なお、スイッチング素子としてMOSFET(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor)を用いることにより、スイッチングを高速で行うことができるとともに、ダイオードに比較して電圧降下の小さいMOSFETに整流電流を流す、同期整流制御を行うことが可能になるので、回路損失を低減できる。 また、オン抵抗の小さいスーパージャンクションMOSFETを用いれば、導通損失を低減することが可能である。   MOSFETs Q1 and Q2 are on / off controlled by a command from converter control unit 18 to be described later. In addition, by using a MOSFET (Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor) as a switching element, switching can be performed at high speed, and synchronous rectification control is performed in which a rectification current is supplied to a MOSFET having a smaller voltage drop than a diode. Circuit loss can be reduced. Further, if a super junction MOSFET having a small on-resistance is used, conduction loss can be reduced.

なお、MOSFET Q1,Q2は、素子内部に、それぞれ寄生ダイオードD11,D21を有している。これらの寄生ダイオードは、MOSFETに逆並列に接続されるダイオード(例えば、環流ダイオード)として適宜用いることができる。しかし、本実施例1におけるMOSFET Q1,Q2の寄生ダイオードD11,D21には、後述する部分スイッチング動作や高速スイッチング動作において逆回復電流が発生する。従って、逆回復時間(trr)が小さいMOSFETを使用すれば、スイッチング損失を低減することができる。また、ダイオードD1,D2については、本実施例1の回路動作において逆回復電流が発生しないので、逆回復特性についてはあまり考慮せず、順方向電圧小さいものを用いることができる。例えば、一般的な整流ダイオードや高耐圧のショットキーバリアダイオードを使用することで、回路の導通損失を低減することできる。   The MOSFETs Q1 and Q2 have parasitic diodes D11 and D21, respectively, inside the element. These parasitic diodes can be used as appropriate as diodes connected in reverse parallel to the MOSFET (for example, free-wheeling diodes). However, reverse recovery current is generated in the parasitic diodes D11 and D21 of the MOSFETs Q1 and Q2 in the first embodiment in a partial switching operation and a high-speed switching operation described later. Therefore, if a MOSFET having a small reverse recovery time (trr) is used, switching loss can be reduced. In addition, as for the diodes D1 and D2, since no reverse recovery current is generated in the circuit operation of the first embodiment, a diode having a small forward voltage can be used without considering the reverse recovery characteristics. For example, by using a general rectifier diode or a high breakdown voltage Schottky barrier diode, the conduction loss of the circuit can be reduced.

電流検出部11は、配線ha,hbを介して流れる電流を検出するものであり、配線hbに設けられている。なお、本実施例1では、電流検出部11として電流トランス(CT)を用いるが、ホール素子やシャント抵抗などを用いてもよい。   The current detector 11 detects a current flowing through the wirings ha and hb, and is provided in the wiring hb. In the first embodiment, a current transformer (CT) is used as the current detector 11, but a Hall element, a shunt resistor, or the like may be used.

電流制御ゲイン制御部12は、回路電流実効値Isと昇圧比aから設定される電流制御ゲインKpを制御する。このときKp×Isを一定値に制御することで、交流電源電圧のa倍に昇圧された直流電圧が得られる。   The current control gain control unit 12 controls the current control gain Kp set from the circuit current effective value Is and the step-up ratio a. At this time, by controlling Kp × Is to a constant value, a DC voltage boosted to a times the AC power supply voltage can be obtained.

交流電圧検出部13は、配線ha,hbに接続され、交流電源Vsから印加される交流電源電圧を検出する。交流電圧検出部13は、電圧検出値をゼロクロス判定部14に出力する。ゼロクロス判定部14は、交流電圧検出部13による電圧検出値に基づいて、交流電源電圧の値の正負が切り替わったか(つまり、ゼロクロス点に達したか)否かを判定する。例えば、ゼロクロス判定部14は、交流電源電圧が正の期間中には制御部18に信号‘1’を出力し、電源電圧が負の期間中にはコンバータ制御部18に‘0’の信号を出力する。すなわち、ゼロクロス判定部14は、交流電源電圧のゼロクロス点において、出力信号を1から0へ、あるいは0から1へ切り替える。   The AC voltage detector 13 is connected to the wirings ha and hb and detects an AC power supply voltage applied from the AC power supply Vs. The AC voltage detection unit 13 outputs the voltage detection value to the zero cross determination unit 14. The zero-cross determination unit 14 determines whether the value of the AC power supply voltage value has been switched (that is, whether the zero-cross point has been reached) based on the voltage detection value by the AC voltage detection unit 13. For example, the zero cross determination unit 14 outputs a signal “1” to the control unit 18 while the AC power supply voltage is positive, and outputs a signal “0” to the converter control unit 18 while the power supply voltage is negative. Output. That is, the zero cross determination unit 14 switches the output signal from 1 to 0 or from 0 to 1 at the zero cross point of the AC power supply voltage.

負荷検出部15は、例えばシャント抵抗であり、負荷Hに供給される負荷電流を検出する。負荷検出部15は、負荷電流検出値を昇圧比制御部16に出力する。なお、負荷Hがモータである場合、負荷検出部15としてロータリエンコーダのような速度センサを用いてモータの回転速度を検出し、この回転速度から負荷電流値を推定するようにしてもよい。この場合、負荷検出部15自体、あるいは後段の昇圧比制御部16によって、負荷電流値が推定される。   The load detector 15 is a shunt resistor, for example, and detects a load current supplied to the load H. The load detection unit 15 outputs the load current detection value to the boost ratio control unit 16. When the load H is a motor, a speed sensor such as a rotary encoder may be used as the load detector 15 to detect the rotational speed of the motor, and the load current value may be estimated from this rotational speed. In this case, the load current value is estimated by the load detection unit 15 itself or the subsequent step-up ratio control unit 16.

昇圧比制御部16は、負荷検出部15による負荷電流検出値に基づいて直流電圧の昇圧比aを設定し、設定された昇圧比aを制御部18に出力する。そして、制御部18は、昇圧比制御部16から入力した昇圧比aに応じた目標電圧まで直流出力電圧を昇圧するように駆動パルスを作成して、MOSFET Q1,Q2に出力することにより、MOSFET Q1,Q2のスイッチング制御を行う。なお、本実施例1において、制御部18は、PWM(Pulse Width Modulation)方式により、駆動パルスとしてPWMパルスを作成する。   The step-up ratio control unit 16 sets the DC voltage step-up ratio a based on the load current detection value by the load detection unit 15 and outputs the set step-up ratio a to the control unit 18. Then, the control unit 18 creates a drive pulse so as to boost the DC output voltage to the target voltage corresponding to the boost ratio a input from the boost ratio control unit 16, and outputs the drive pulse to the MOSFETs Q1 and Q2, whereby the MOSFET Q1 and Q2 switching control is performed. In the first embodiment, the control unit 18 creates a PWM pulse as a drive pulse by a PWM (Pulse Width Modulation) method.

直流電圧検出部17は、平滑コンデンサC1の電圧(直流電圧)を検出する。直流電圧検出部17の正側および負側が、それぞれ配線hcおよび配線hdに接続されている。直流電圧検出部17は、直流電圧検出値を制御部18に出力する。なお、直流電圧検出部17の直流電圧検出値は、制御部18において、負荷Hに印加される直流電圧が所定の目標値に達しているか否かを判定するために用いられる。   The DC voltage detector 17 detects the voltage (DC voltage) of the smoothing capacitor C1. The positive side and the negative side of the DC voltage detection unit 17 are connected to the wiring hc and the wiring hd, respectively. The DC voltage detection unit 17 outputs the DC voltage detection value to the control unit 18. Note that the DC voltage detection value of the DC voltage detection unit 17 is used by the control unit 18 to determine whether or not the DC voltage applied to the load H has reached a predetermined target value.

制御部18は、例えば、マイクロコンピュータ(Microcomputer)によって構成される。この場合、CPU(Central Processing Unit)が、ROM(Read Only Memory)に記憶された制御用プログラムを読み出してRAM(Random Access Memory)に展開し、直流電源装置を制御するための各種処理を実行する。制御部18は、電流検出部11、電流制御ゲイン制御部12、ゼロクロス判定部14、昇圧比制御部16および直流電圧検出部17から入力される情報に基づいて、MOSFET Q1,Q2をオン・オフ制御する。   The control part 18 is comprised by the microcomputer (Microcomputer), for example. In this case, a CPU (Central Processing Unit) reads a control program stored in a ROM (Read Only Memory), develops it in a RAM (Random Access Memory), and executes various processes for controlling the DC power supply device. . The control unit 18 turns the MOSFETs Q1 and Q2 on and off based on information input from the current detection unit 11, the current control gain control unit 12, the zero cross determination unit 14, the boost ratio control unit 16, and the DC voltage detection unit 17. Control.

MOSFET Q1の駆動回路は、抵抗R1、ダイオードD3、コンデンサC2、ドライブ回路K1、ゲート抵抗Rg11および抵抗Rg12から構成されている。ドライブ回路K1は、充電されたコンデンサC2を直流電圧源として、制御部18からの駆動パルスに応じてMOSFET Q1のゲート制御信号を作成する。ドライブ回路K1によって作成されたゲート制御信号は、ゲート抵抗Rg11および抵抗Rg12を介してMOSFET Q1の制御端子(ゲート端子)に与えられる。   The drive circuit of the MOSFET Q1 includes a resistor R1, a diode D3, a capacitor C2, a drive circuit K1, a gate resistor Rg11, and a resistor Rg12. The drive circuit K1 uses the charged capacitor C2 as a DC voltage source to create a gate control signal for the MOSFET Q1 according to the drive pulse from the control unit 18. The gate control signal created by the drive circuit K1 is applied to the control terminal (gate terminal) of the MOSFET Q1 through the gate resistance Rg11 and the resistance Rg12.

また、MOSFET Q2の駆動回路は、直流電圧源E、ドライブ回路K2、ゲート抵抗Rg21および抵抗Rg22から構成されている。ドライブ回路K2は、直流電圧源Eを制御電源として、制御部18からの駆動パルスに応じてMOSFET Q2のゲート制御信号を作成する。ドライブ回路K1によって作成されたゲート制御信号は、ゲート抵抗Rg21および抵抗Rg22を介してMOSFET Q2の制御端子(ゲート端子)に与えられる。   The drive circuit for the MOSFET Q2 includes a DC voltage source E, a drive circuit K2, a gate resistor Rg21, and a resistor Rg22. The drive circuit K2 uses the DC voltage source E as a control power supply to create a gate control signal for the MOSFET Q2 according to the drive pulse from the control unit 18. The gate control signal created by the drive circuit K1 is applied to the control terminal (gate terminal) of the MOSFET Q2 via the gate resistance Rg21 and the resistance Rg22.

なお、ドライブ回路K1,K2としては、例えば、モータ駆動用の高耐圧IC等が用いられる。   As the drive circuits K1 and K2, for example, a high voltage IC for driving a motor is used.

MOSFET Q1,Q2の内、ハイサイド側のMOSFET Q1を駆動するには、MOSFET Q1のソースを基準電位とした直流電圧源が用いられる。このため、本実施例1においては、MOSFET Q1の制御電源として抵抗R1、ダイオードD3およびコンデンサC2から成るブートストラップ回路を用いる。このブートストラップ回路において、ローサイド側のMOSFET Q2がオンする時、ローサイド側のMOSFET Q2の制御電源である直流電圧源EによりコンデンサC2が充電される。この充電されたコンデンサC2が、上記のように、ハイサイド側のMOSFET Q1を駆動するための直流電圧源となる。なお、ブートストラップ回路の詳細な動作については後記する。   In order to drive the MOSFET Q1 on the high side among the MOSFETs Q1 and Q2, a DC voltage source using the source of the MOSFET Q1 as a reference potential is used. Therefore, in the first embodiment, a bootstrap circuit including a resistor R1, a diode D3, and a capacitor C2 is used as a control power source for the MOSFET Q1. In this bootstrap circuit, when the low-side MOSFET Q2 is turned on, the capacitor C2 is charged by the DC voltage source E which is a control power source for the low-side MOSFET Q2. As described above, the charged capacitor C2 serves as a DC voltage source for driving the MOSFET Q1 on the high side. The detailed operation of the bootstrap circuit will be described later.

次に、本実施例1の直流電源装置の動作について図2〜7を用いて説明する。   Next, the operation of the DC power supply device according to the first embodiment will be described with reference to FIGS.

本実施例1の直流電源装置は、後記するように、三つの動作モード、すなわち、全波整流、部分スイッチングおよび高速スイッチングという動作モードを有する。これら三つの動作モードにおいては、MOSFET Q1,Q2による同期整流制御が用いられる。同期整流制御とは、交流電源電圧Vsの位相に合わせてMOSFET Q1,Q2のスイッチング制御を行うことで、回路の導通損失低減を行う制御手段である。   As will be described later, the DC power supply device according to the first embodiment has three operation modes, that is, operation modes of full-wave rectification, partial switching, and high-speed switching. In these three operation modes, synchronous rectification control using MOSFETs Q1 and Q2 is used. The synchronous rectification control is a control means for reducing the conduction loss of the circuit by performing switching control of the MOSFETs Q1 and Q2 in accordance with the phase of the AC power supply voltage Vs.

そこで、まず、本実施例1における同期整流制御について説明する。   First, the synchronous rectification control in the first embodiment will be described.

図2は、交流電源電圧の極性が正(Vs>0)の時において、直流電源装置の主回路に流れる電流の経路を示す。   FIG. 2 shows a path of a current flowing through the main circuit of the DC power supply device when the polarity of the AC power supply voltage is positive (Vs> 0).

図2に示すように、主回路電流は、交流電源Vs、リアクトルL1、ダイオードD1、平滑コンデンサC1、MOSFET Q2、交流電源Vsを順に通る経路(図2中の矢印参照)にて流れる。このとき、MOSFET Q1はオフ状態、MOSFET Q2はオン状態である。ここで、MOSFET Q2の寄生ダイオードD21も電流経路になり得る。しかし、MOSFET Q2はオン状態であるため、主回路電流は、MOSFET Q2においてチャネルを含むオン抵抗の低い領域を流れ、寄生ダイオーD21にはほとんど流れない。このため、半導体素子を含む主回路部の導通損失を低減することができる。   As shown in FIG. 2, the main circuit current flows through a path (see an arrow in FIG. 2) that passes through the AC power source Vs, the reactor L1, the diode D1, the smoothing capacitor C1, the MOSFET Q2, and the AC power source Vs in order. At this time, the MOSFET Q1 is in an off state, and the MOSFET Q2 is in an on state. Here, the parasitic diode D21 of the MOSFET Q2 can also be a current path. However, since the MOSFET Q2 is in the on state, the main circuit current flows in the low-on-resistance region including the channel in the MOSFET Q2, and hardly flows through the parasitic diode D21. For this reason, the conduction loss of the main circuit part including the semiconductor element can be reduced.

図3は、交流電源電圧の極性が負(Vs<0)の時において、直流電源装置の主回路に流れる電流の経路を示す。   FIG. 3 shows a path of current flowing through the main circuit of the DC power supply device when the polarity of the AC power supply voltage is negative (Vs <0).

図3に示すように、主回路電流は、交流電源Vs、MOSFET Q1、平滑コンデンサC1、ダイオードD2、リアクトルL1、交流電源Vsを順に通る経路(図3中の矢印参照)にて流れる。このとき、MOSFET Q1はオン状態、MOSFET Q2はオフ状態である。ここで、MOSFET Q1の寄生ダイオードD11も電流経路になり得る。しかし、MOSFET Q1はオン状態であるため、主回路電流は、MOSFET Q1においてチャネルを含むオン抵抗の低い領域を流れ、寄生ダイオーD11にはほとんど流れない。このため、半導体素子を含む主回路部の導通損失を低減することができる。   As shown in FIG. 3, the main circuit current flows through a path (see an arrow in FIG. 3) that passes through the AC power source Vs, MOSFET Q1, smoothing capacitor C1, diode D2, reactor L1, and AC power source Vs in order. At this time, the MOSFET Q1 is in an on state, and the MOSFET Q2 is in an off state. Here, the parasitic diode D11 of the MOSFET Q1 can also be a current path. However, since the MOSFET Q1 is in the on state, the main circuit current flows in the low-on-resistance region including the channel in the MOSFET Q1, and hardly flows through the parasitic diode D11. For this reason, the conduction loss of the main circuit part including the semiconductor element can be reduced.

次に、直流電源装置主回路の三つの動作モード、すなわち、全波整流、部分スイッチングおよび高速スイッチングについて説明する。   Next, three operation modes of the DC power supply main circuit, that is, full-wave rectification, partial switching, and high-speed switching will be described.

まず、全波整流について説明する。   First, full-wave rectification will be described.

全波整流において、交流電源電圧の極性が正(Vs>0)の場合、MOSFET Q1は常時オフ状態、MOSFET Q2は常時オン状態にし、交流電源電圧の極性が負(Vs<0)の場合、MOSFET Q1は常時オン状態、MOSFET Q2は常時オフ状態にする。主回路電流は、前者および後者の場合において、それぞれ図2および図3に示したように流れる。すなわち、全波整流において、上述したような同期整流制御が行われるので、直流電源装置の主回路の損失を低減できる。   In full-wave rectification, when the polarity of the AC power supply voltage is positive (Vs> 0), the MOSFET Q1 is always off, the MOSFET Q2 is always on, and the polarity of the AC power supply voltage is negative (Vs <0), MOSFET Q1 is always on, and MOSFET Q2 is always off. The main circuit current flows as shown in FIGS. 2 and 3 in the former and latter cases, respectively. That is, since the synchronous rectification control as described above is performed in the full-wave rectification, the loss of the main circuit of the DC power supply device can be reduced.

MOSFET Q1,Q2は相補的にオン・オフ制御されるが、ゼロクロス判定部14によって判定されるゼロクロスタイミングにて、オン状態およびオフ状態を切り替える。すなわち、交流電源電圧の極性が正から負に切り替わるゼロクロスタイミングで、MOSFET Q1をオフ状態からオン状態に切り替え、MOSFET Q2をオン状態からオフ状態に切り替える。また、交流電源電圧の極性が負から正に切り替わるゼロクロスタイミングで、MOSFET Q1をオン状態からオフ状態に切り替え、MOSFET Q2をオフ状態からオン状態に切り替える。   The MOSFETs Q1 and Q2 are complementarily controlled to be turned on / off, but are switched between the on state and the off state at the zero cross timing determined by the zero cross determination unit 14. That is, the MOSFET Q1 is switched from the off state to the on state and the MOSFET Q2 is switched from the on state to the off state at the zero cross timing at which the polarity of the AC power supply voltage switches from positive to negative. In addition, at the zero cross timing when the polarity of the AC power supply voltage switches from negative to positive, the MOSFET Q1 is switched from the on state to the off state, and the MOSFET Q2 is switched from the off state to the on state.

なお、MOSFET Q1,Q2のオン状態およびオフ状態を切り替える際に、MOSFET Q1,Q2のスイッチング特性によっては、MOSFET Q1,Q2が共にオフ状態となる期間すなわちデッドタイムを設定しても良い。これにより、MOSFET Q1,Q2が同時にオン状態となってMOSFET Q1,Q2に過大な電流が流れることが防止できる。   When the MOSFETs Q1 and Q2 are switched between the on state and the off state, depending on the switching characteristics of the MOSFETs Q1 and Q2, a period during which both the MOSFETs Q1 and Q2 are in the off state, that is, a dead time may be set. As a result, it is possible to prevent MOSFETs Q1 and Q2 from being simultaneously turned on and an excessive current flowing through MOSFETs Q1 and Q2.

次に、部分スイッチングについて説明する。   Next, partial switching will be described.

本実施例1においては、負荷Hの消費電力が大きくなると、平滑コンデンサC1の直流電圧を昇圧する。また、主回路に流れる電流はリアクトルL1の特性によって正弦波に対して歪み波形となるため、負荷Hへ出力する電力が大きくなり、交流電源からの入力電流が増えると、力率が低下し、このため高調波電流も増大する。そこで、本実施例1では、交流電源電圧の半サイクルにおいて、MOSFET Q1,Q2の相補的なスイッチングを所定の複数回数繰り返す部分スイッチング動作により、直流電圧を昇圧すると共に力率を改善する。   In the first embodiment, when the power consumption of the load H increases, the DC voltage of the smoothing capacitor C1 is boosted. Also, since the current flowing through the main circuit has a distorted waveform with respect to the sine wave due to the characteristics of the reactor L1, the power output to the load H increases, and when the input current from the AC power source increases, the power factor decreases, For this reason, the harmonic current also increases. Therefore, in the first embodiment, the DC voltage is boosted and the power factor is improved by a partial switching operation in which complementary switching of the MOSFETs Q1 and Q2 is repeated a predetermined number of times in a half cycle of the AC power supply voltage.

図4は、交流電源電圧の極性が正(Vs>0)の場合に、直流電源装置の主回路に流れる力率改善電流の経路を示す。また、図5は、交流電源電圧の極性が負(Vs<0)の場合に、直流電源装置の主回路に流れる力率改善電流の経路を示す。   FIG. 4 shows a path of the power factor correction current flowing through the main circuit of the DC power supply device when the polarity of the AC power supply voltage is positive (Vs> 0). FIG. 5 shows the path of the power factor correction current flowing in the main circuit of the DC power supply device when the polarity of the AC power supply voltage is negative (Vs <0).

図4に示すように、交流電源電圧の極性が正の場合、力率改善電流は、交流電源Vs、リアクトルL1、ダイオードD1、MOSFET Q1、交流電源Vsを順に通る経路(図4中の矢印参照)で、主回路中を流れる。このとき、MOSFET Q1はオン状態であり、MOSFET Q2はオフ状態である。   As shown in FIG. 4, when the polarity of the AC power supply voltage is positive, the power factor improving current passes through the AC power supply Vs, the reactor L1, the diode D1, the MOSFET Q1, and the AC power supply Vs in this order (see arrows in FIG. 4). ) In the main circuit. At this time, MOSFET Q1 is in the on state and MOSFET Q2 is in the off state.

また、図5が示すように、交流電源電圧の極性が負(Vs<0)の場合、力率改善電流は、交流電源Vs、MOSFET Q2、ダイオードD2、リアクトルL1、交流電源Vsを順に通る経路(図5中の矢印参照)で、主回路中を流れる。このとき、MOSFET Q1はオフ状態であり、MOSFET Q2はオン状態である。   Further, as shown in FIG. 5, when the polarity of the AC power supply voltage is negative (Vs <0), the power factor improving current passes through the AC power supply Vs, MOSFET Q2, diode D2, reactor L1, and AC power supply Vs in this order. (Refer to the arrow in FIG. 5), it flows in the main circuit. At this time, the MOSFET Q1 is in an off state, and the MOSFET Q2 is in an on state.

これら力率改善電流が流れることにより、交流電源Vsからの入力電流の波形が正弦波に近くなるので、交流電源側の力率が向上する。   When these power factor improving currents flow, the waveform of the input current from the AC power source Vs becomes close to a sine wave, so that the power factor on the AC power source side is improved.

さらに、MOSFET Q1およびMOSFET Q2の一方がオンして、かつ他方がオフして、主回路に力率改善電流Ispが流れたとき、リアクトルL1には、式(1)で表される電気的エネルギーが蓄積される。   Further, when one of the MOSFET Q1 and the MOSFET Q2 is turned on and the other is turned off and the power factor improving current Isp flows through the main circuit, the reactor L1 has electric energy represented by the formula (1). Is accumulated.

W=(1/2)・L1・Isp 2 … (1)
その後、一方がオフして、かつ他方がオンすることで、リアクトルL1に蓄えられたエネルギーが平滑コンデンサC1に放出されることにより、直流電圧が昇圧される。
W = (1/2) · L 1 · I sp 2 (1)
Thereafter, when one is turned off and the other is turned on, the energy stored in the reactor L1 is released to the smoothing capacitor C1, thereby boosting the DC voltage.

上記のように、Vs>0の場合、MOSFET Q1が昇圧チョッパ動作し、MOSFET Q2が同期整流動作する。また、Vs<0の場合、MOSFET Q2が昇圧チョッパ動作し、MOSFET Q1が同期整流動作する。   As described above, when Vs> 0, MOSFET Q1 operates as a boost chopper, and MOSFET Q2 operates as a synchronous rectifier. When Vs <0, the MOSFET Q2 operates as a step-up chopper, and the MOSFET Q1 operates as a synchronous rectifier.

部分スイッチング動作について、図6を用いて、さらに詳細に説明する。   The partial switching operation will be described in more detail with reference to FIG.

図6は、交流電源電圧Vsの正のサイクルにおける、MOSFET Q1,Q2の駆動パルス(ゲート制御信号)と、電源電圧および主回路電流の関係を示す。   FIG. 6 shows the relationship between the drive pulses (gate control signals) of MOSFETs Q1 and Q2, the power supply voltage, and the main circuit current in the positive cycle of the AC power supply voltage Vs.

主回路電流は、部分スイッチング動作により、図6に示すような電源電圧と同様に正弦波状である理想電流に近づけることができる。この場合の回路動作は次のとおりである。   The main circuit current can be brought close to an ideal current that is sinusoidal like the power supply voltage shown in FIG. 6 by the partial switching operation. The circuit operation in this case is as follows.

理想電流上の点P1において、理想電流の傾きをdi(P1)/dtとする。次に、主回路電流がゼロの状態から、MOSFET Q1を時刻0から、あるディレイを持たせた後、オン幅ton1_Q1でオンしたときの主回路電流の傾きをdi(ton1)/dtとする。さらに、時間幅ton1_Q1でオンした後、点P1に対応する時刻で、時間幅toff1_Q1の期間オフした場合の主回路電流の傾きをdi(toff1)/dtとする。このときdi(ton1)/dtとdi(toff1)/dtの平均値が点P1における理想電流の傾きdi(P1)/dtと等しくなるようにする。なお、この平均値は、例えば算術平均値である。   At the point P1 on the ideal current, the slope of the ideal current is di (P1) / dt. Next, from the state where the main circuit current is zero, the MOSFET Q1 is given a delay from time 0, and then the slope of the main circuit current when it is turned on with the on width ton1_Q1 is di (ton1) / dt. Furthermore, after turning on with the time width ton1_Q1, the slope of the main circuit current when turning off for the time width toff1_Q1 at the time corresponding to the point P1 is di (toff1) / dt. At this time, the average value of di (ton1) / dt and di (toff1) / dt is made equal to the gradient di (P1) / dt of the ideal current at the point P1. This average value is, for example, an arithmetic average value.

次に、点P1と同様に点P2での理想電流の傾きをdi(P2)/dtとする。そして、MOSFET Q1を、時間幅toff1_Q1の期間オフした後、オン幅ton2_Q1でオンしたときの主回路電流の傾きをdi(ton2)/dtとする。さらに、時間幅ton2_Q1でオンした後、点P2に対応する時刻で、時間幅toff2_Q1の期間オフした場合の主回路電流の傾きをdi(toff2)/dtとする。点P1の場合と同様に、di(ton2)/dtとdi(toff2)/dtの平均値が点P2における理想電流の傾きdi(P2)/dtと等しくなるようにする。以降、このような動作を繰り返す。このとき、MOSFET Q1のスイッチング回数が多いほど、主回路電流の波形は、理想電流のような正弦波に近づく。すなわち、スイッチング回数を増やすと、力率が改善され、高調波電流を低減できる。   Next, similarly to the point P1, the slope of the ideal current at the point P2 is set to di (P2) / dt. The slope of the main circuit current when the MOSFET Q1 is turned off with the on width ton2_Q1 after the MOSFET Q1 is turned off for the time width toff1_Q1 is defined as di (ton2) / dt. Furthermore, after turning on with the time width ton2_Q1, the slope of the main circuit current when turning off for the time width toff2_Q1 at the time corresponding to the point P2 is di (toff2) / dt. As in the case of the point P1, the average value of di (ton2) / dt and di (toff2) / dt is made equal to the slope of the ideal current di (P2) / dt at the point P2. Thereafter, such an operation is repeated. At this time, the greater the number of switchings of the MOSFET Q1, the closer the waveform of the main circuit current is to a sine wave like an ideal current. That is, when the number of times of switching is increased, the power factor is improved and the harmonic current can be reduced.

また、図6に示すように、MOSFET Q2が時間幅ton1_Q2の期間オンとなり、その後、時間幅toff1_Q2の期間オフ状態となる。MOSFET Q2がオンからオフになるタイミングで、上記のように、MOSFET Q1が時間幅ton1_Q1の期間オン状態になる。そしてMOSFET Q1がオンからオフとなるタイミングでMOSFET Q2が時間幅ton2_Q2の期間オン状態となる。以降、同様にMOSFET Q1,Q2は相補的にオン・オフを繰り返す。これにより、本実施例1の直流電源装置は、上記のMOSFET Q1のスイッチング制御により力率改善動作を行うと共に、MOSFET Q1,Q2のスイッチング制御により、MOSFET Q2による同期整流動作を伴う昇圧動作を行なう。これにより、直流電源装置の効率を向上できる。   Further, as shown in FIG. 6, the MOSFET Q2 is turned on for a time width ton1_Q2, and thereafter is turned off for a time width toff1_Q2. At the timing when the MOSFET Q2 is turned off from on, the MOSFET Q1 is turned on during the time width ton1_Q1 as described above. Then, at the timing when the MOSFET Q1 is turned from on to off, the MOSFET Q2 is turned on during the time width ton2_Q2. Thereafter, the MOSFETs Q1 and Q2 are similarly turned on and off in a complementary manner. As a result, the DC power supply device according to the first embodiment performs the power factor correction operation by the switching control of the MOSFET Q1 and the boosting operation with the synchronous rectification operation by the MOSFET Q2 by the switching control of the MOSFETs Q1 and Q2. . Thereby, the efficiency of the DC power supply device can be improved.

なお、交流電源電圧の負の半サイクルにおいても、上記の正の半サイクルの場合と同様に、主回路電流の波形を理想電流のような正弦波に近づけて、力率を改善して、高調波電流を低減できる。また、本実施例1の直流電源装置は、MOSFET Q2のスイッチング制御により力率改善動作を行うと共に(図5参照)、MOSFET Q1,Q2のスイッチング制御により、MOSFET Q1による同期整流動作を伴う昇圧動作を行なう。これにより、直流電源装置の効率を向上できる。   In the negative half cycle of the AC power supply voltage, as in the case of the positive half cycle described above, the main circuit current waveform is brought closer to a sine wave like an ideal current, the power factor is improved, and the harmonics are increased. Wave current can be reduced. The DC power supply device according to the first embodiment performs a power factor correction operation by switching control of the MOSFET Q2 (see FIG. 5), and a boosting operation accompanied by synchronous rectification operation by the MOSFET Q1 by switching control of the MOSFETs Q1 and Q2. To do. Thereby, the efficiency of the DC power supply device can be improved.

次に、三つ目の動作モードである高速スイッチングについて説明する。   Next, high-speed switching that is the third operation mode will be described.

本実施例1の直流電源装置は、高速スイッチング動作において、部分スイッチング動作と同様に、力率改善動作および昇圧動作を行う。このとき、MOSFET Q1,Q2は、相補的に、一定周期すなわち所定の周波数で、部分スイッチング動作よりも高速にスイッチング制御される。   The direct-current power supply device according to the first embodiment performs a power factor correction operation and a boosting operation in the high-speed switching operation as in the partial switching operation. At this time, the MOSFETs Q1 and Q2 are complementarily controlled at a higher speed than the partial switching operation at a constant period, that is, at a predetermined frequency.

交流電源電圧の極性が正(Vs>0)の場合、力率改善動作時には、MOSFET Q1をオン状態、MOSFET Q2をオフ状態とすることで、力率改善電流を流すと共に、リアクトルL1に電気エネルギーを蓄積する。次に、MOSFET Q1をオフ状態にし、MOSFET Q2をオン状態にして、平滑コンデンサC1にリアクトルL1の蓄積エネルギーを放出することにより、昇圧動作が行われる。ここで、MOSFET Q2をオンさせずに、MOSFET Q2の寄生ダイオードD21を介してリアクトルL1の蓄積エネルギーの放出することも考えられる。しかし、寄生ダイオードD21の導通損失により主回路の電力損失が増加するので、本実施例1では、MOSFET Q2をオンさせて、同期整流動作を行うことにより主回路の電力損失を低減している。   When the polarity of the AC power supply voltage is positive (Vs> 0), during the power factor correction operation, the MOSFET Q1 is turned on and the MOSFET Q2 is turned off, so that a power factor correction current flows and electric energy is supplied to the reactor L1. Accumulate. Next, the boosting operation is performed by turning off the MOSFET Q1 and turning on the MOSFET Q2 to release the stored energy of the reactor L1 to the smoothing capacitor C1. Here, it is conceivable that the stored energy of the reactor L1 is discharged through the parasitic diode D21 of the MOSFET Q2 without turning on the MOSFET Q2. However, since the power loss of the main circuit increases due to the conduction loss of the parasitic diode D21, the power loss of the main circuit is reduced by performing the synchronous rectification operation by turning on the MOSFET Q2 in the first embodiment.

交流電源電圧の極性が負の半サイクル(Vs<0)の場合は、MOSFET Q2をオン状態、MOSFET Q1をオフ状態とすることで、力率改善電流を流すと共に、リアクトルL1に電気エネルギーを蓄積する。次に、MOSFET Q2をオフ状態にし、MOSFET Q1をオン状態にして、平滑コンデンサC1にリアクトルL1の蓄積エネルギーを放出することにより、昇圧動作が行われる。この場合も、寄生ダイオードD11を介してリアクトルL1の蓄積エネルギーを放出すると主回路の電力損失が増加するので、MOSFET Q1をオンさせて、同期整流動作を行うことにより主回路の電力損失が低減される。   When the polarity of the AC power supply voltage is a negative half cycle (Vs <0), by turning on MOSFET Q2 and turning off MOSFET Q1, a power factor correction current flows and electric energy is stored in reactor L1. To do. Next, the MOSFET Q2 is turned off, the MOSFET Q1 is turned on, and the stored energy of the reactor L1 is released to the smoothing capacitor C1, whereby the boosting operation is performed. Also in this case, if the stored energy of the reactor L1 is released through the parasitic diode D11, the power loss of the main circuit increases. Therefore, the power loss of the main circuit is reduced by performing the synchronous rectification operation by turning on the MOSFET Q1. The

以下、高速スイッチング動作モードにおけるMOSFET Q1,Q2のスイッチング制御の具体的手段について説明する。   Hereinafter, specific means for switching control of MOSFETs Q1 and Q2 in the high-speed switching operation mode will be described.

まず、直流電源装置に流れる瞬時電流isは式(2)で表すことができる。   First, the instantaneous current is flowing through the DC power supply device can be expressed by Equation (2).

s=21/2・V・sin(ωt)/(Kp・Vd) … (2)
ここで、Vsは電源電圧実効値、Kpは電流制御ゲイン、Vdは直流電圧である。さらに、式(2)を書き換えて、式(3)が得られる。
i s = 21/2 · V s · sin (ωt) / (K p · V d ) (2)
Here, Vs is a power supply voltage effective value, Kp is a current control gain, and Vd is a DC voltage. Furthermore, Formula (3) is obtained by rewriting Formula (2).

p・is=21/2・V・sin(ωt)/Vd … (3)
また、瞬時電流isは、電流実効値をIsとすると、式(4)で表される。
K p · i s = 2 1/2 · V s · sin (ωt) / V d (3)
Further, the instantaneous current is is expressed by Expression (4), where Is is an effective current value.

s=21/2・Is・sin(ωt) … (4)
式(3)および式(4)より、式(5)が得られる。
i s = 21/2 · I s · sin (ωt) (4)
Expression (5) is obtained from Expression (3) and Expression (4).

p=21/2・V・sin(ωt)/(Vd×21/2・Is・sin(ωt))=(V/Vd)/Is … (5)
式(5)において、(Vs/Vd)は昇圧比(=(Vd/Vs))の逆数であるから、昇圧比をaとすると、式(5)から式(6)を得る。
K p = 21/2 · V s · sin (ωt) / (V d × 2 1/2 · I s · sin (ωt)) = (V s / V d ) / I s (5)
In equation (5), (Vs / Vd) is the reciprocal of the step-up ratio (= (Vd / Vs)). Therefore, when the step-up ratio is a, equation (6) is obtained from equation (5).

p・Is=1/a … (6)
さらに、MOSFETの通流率d(デューティ)は、式(7)で表すことができる。
K p · I s = 1 / a (6)
Furthermore, the MOSFET flow rate d (duty) can be expressed by equation (7).

d=1−Kp・|is|=1−|is|/(a・Is) … (7)
上式(6)のように、Kp・Isを一定値に制御することにより、電源電圧実効値Vsのa倍に昇圧された直流電圧Vdが出力される。そのとき、昇圧チョッパ動作を行うMOSFETの通流率dは上式(7)で与えられる。
d = 1−K p · | i s | = 1− | i s | / (a · I s ) (7)
As shown in the above equation (6), by controlling Kp · Is to a constant value, a DC voltage Vd boosted a times the power supply voltage effective value Vs is output. At that time, the conduction ratio d of the MOSFET performing the boost chopper operation is given by the above equation (7).

図7aは、交流電源電圧の正の半サイクルにおける、MOSFET Q1とMOSFET Q2の通流率(デューティー)の時間変化を示し、図7bは電源電圧瞬時値vsおよび回路電流瞬時値isの時間変化を示す。また、図7cは、電流位相遅れを考慮した場合および考慮しない場合における、MOSFET Q1の通流率(デューティー)の時間変化を示す。なお、電源電圧の周波数は50Hz、チョッパ周波数は20kHzである。   FIG. 7a shows the time change of the conduction ratio (duty) of MOSFET Q1 and MOSFET Q2 in the positive half cycle of the AC power supply voltage, and FIG. 7b shows the time change of the power supply voltage instantaneous value vs and the circuit current instantaneous value is. Show. Moreover, FIG. 7c shows the time change of the duty ratio (duty) of MOSFET Q1 when the current phase delay is taken into consideration and when it is not taken into consideration. The frequency of the power supply voltage is 50 Hz, and the chopper frequency is 20 kHz.

図7aおよび図7bが示すように、瞬時電流isが大きくなるほど、力率改善動作および昇圧チョッパ動作のためにスイッチング制御されるMOSFET Q1の通流率(デューティー)は小さくなり、isが小さくなるほど、MOSFET Q1の通流率(デューティー)は大きくなる。同期整流動作を行うMOSFET Q2の通流率(デューティー)の変化は、MOSFET Q1の通流率(デューティー)とは逆特性を示す。従って、MOSFET Q1の通流率dQ1およびMOSFET Q2の通流率dQ2はそれぞれ、式(8)および式(9)で表される。   As shown in FIGS. 7a and 7b, the larger the instantaneous current is, the smaller the conduction ratio (duty) of the MOSFET Q1 that is switching-controlled for the power factor correction operation and the step-up chopper operation, and the smaller is is, The conduction ratio (duty) of MOSFET Q1 increases. The change in the duty ratio (duty) of the MOSFET Q2 that performs the synchronous rectification operation is opposite to the duty ratio (duty) of the MOSFET Q1. Therefore, the conduction ratio dQ1 of MOSFET Q1 and the conduction ratio dQ2 of MOSFET Q2 are expressed by Expression (8) and Expression (9), respectively.

dQ1=1−Kp・|is| … (8)
dQ2=1−dQ1 … (9)
なお、図7aは、リアクトルL1のインダクタンスが小さく、電源電圧に対して電流の位相遅れがほとんどない場合である。リアクトルL1のインダクタンスが大きく、電流位相が電圧位相に対して遅れる場合には、図7cに示すように、電流位相を考慮して通流率(デューティー)を設定すればよい。
dQ1 = 1−K p · | i s | (8)
dQ2 = 1-dQ1 (9)
FIG. 7a shows a case where the inductance of the reactor L1 is small and there is almost no phase delay of the current with respect to the power supply voltage. When the inductance of the reactor L1 is large and the current phase is delayed with respect to the voltage phase, the duty ratio (duty) may be set in consideration of the current phase as shown in FIG. 7c.

また、図7bが示すように、高速スイッチングにより、電流isの波形が正弦波状に制御されるので、力率が向上する。   Further, as shown in FIG. 7b, the power factor is improved because the waveform of the current is is controlled in a sine wave shape by high-speed switching.

上記のように、高速スイッチングにより、力率を向上して高調波電流を低減しながら、かつ同期整流によって効率を向上しながら、昇圧された直流電圧が得られる。   As described above, a boosted DC voltage can be obtained by high-speed switching while improving power factor and reducing harmonic current and improving efficiency by synchronous rectification.

以上説明した、全波整流、部分スイッチングおよび高速スイッチングという三つの動作モードは、機器の運転状態に応じて選択される。このとき、制御部18が、機器の運転状態に応じて動作モードを切り替えるように制御してもよい。例えば、負荷が軽く直流電圧の昇圧を行わない全波整流とし、負荷が大きくなって昇圧および力率の改善を行う場合は部分スイッチングとし、更に負荷が大きくなり高調波成分が大きくなる場合は高速スイッチングとするように、負荷の大きさに応じて動作モードを切り替える。   The three operation modes described above, full-wave rectification, partial switching, and high-speed switching, are selected according to the operating state of the device. At this time, you may control so that the control part 18 may switch an operation mode according to the driving | running state of an apparatus. For example, full-wave rectification with a light load that does not boost DC voltage, partial switching when the load increases and boosts and improves the power factor, and fast switching when the load increases and harmonic components increase The operation mode is switched according to the size of the load so as to perform switching.

なお、負荷の大きさの判定する指標としては、直流電源装置に流れる電流、負荷がモータやインバータ等である場合にはモータとインバータに流れる電流やモータの回転数もしくはインバータの変調率、周囲温度や機器の温度というような温度情報を用いることができる。   In addition, as an index for judging the magnitude of the load, when the load is a motor or an inverter, etc. And temperature information such as the temperature of the device.

次に、本実施例1の直流電源装置において、ハイサイド側のMOSFET Q1の制御電源となるブートストラップ回路の動作について説明する。   Next, the operation of the bootstrap circuit serving as the control power supply for the high-side MOSFET Q1 in the DC power supply device of the first embodiment will be described.

図8は、ブートストラップ回路におけるコンデンサC2の充電電流の経路を示す。コンデンサC2が充電される場合、接続点P2がローレベルとなったときにダイオードD3が導通して、図8中に破線で示す経路で充電電流が流れる。すなわち、交流電源電圧の極性が正(Vs>0)の期間、並びに交流電源電圧の極性が負(Vs<0)の期間において、MOSFET Q2がオンした場合に、コンデンサC2が充電される。つまり、MOSFET Q2が同期整流動作、並びに昇圧チョッパ動作(力率改善動作を伴う)を行う場合に、コンデンサC2が充電される。   FIG. 8 shows the path of the charging current of the capacitor C2 in the bootstrap circuit. When the capacitor C2 is charged, the diode D3 becomes conductive when the connection point P2 becomes a low level, and a charging current flows through a path indicated by a broken line in FIG. That is, the capacitor C2 is charged when the MOSFET Q2 is turned on during the period when the polarity of the AC power supply voltage is positive (Vs> 0) and during the period when the polarity of the AC power supply voltage is negative (Vs <0). That is, the capacitor C2 is charged when the MOSFET Q2 performs a synchronous rectification operation and a boost chopper operation (with a power factor correction operation).

まず、交流電源電圧の極性が正(Vs>0)の場合の回路動作について、図9を用いて説明する。   First, the circuit operation when the polarity of the AC power supply voltage is positive (Vs> 0) will be described with reference to FIG.

図9は、交流電源電圧の極性が正(Vs>0)の場合について、ブートストラップ回路のコンデンサC2が充電される時における、主回路電流の経路(実線の矢印)およびブートストラップ回路における充電電流の経路(破線の矢印)を示す。   FIG. 9 shows the main circuit current path (solid arrow) and the charging current in the bootstrap circuit when the capacitor C2 of the bootstrap circuit is charged when the polarity of the AC power supply voltage is positive (Vs> 0). The route (broken arrow) is shown.

直流電源装置に交流電源電圧Vsが入力される前、平滑コンデンサC1には電荷がチャージされていない。この状態で交流電源電圧Vs(>0)が入力されると、主回路には、交流電源Vs、リアクトルL1、ダイオードD1、平滑コンデンサC1、寄生ダイオードD21および交流電源Vsを順に通る経路で主回路電流が流れる。これにより、平滑コンデンサC1に電荷がチャージされ、平滑コンデンサC1は満充電状態となる。そして、平滑コンデンサC1には、交流電源電圧Vsが整流された直流電圧が発生する(Vs=200Vの場合、直流電圧は240V)。このとき、接続点P2がローレベルとなるので、MOSFET Q2が、同期整流動作のためにオンすると、ダイオードD3が導通して、直流電圧源E、抵抗R1、ダイオードD3、MOSFET Q2および直流電圧源Eを順に通る経路でブートストラップ回路に電流が流れる。これにより、コンデンサC2に電荷がチャージされる。すなわち、コンデンサC2は、ローサイドのMOSFET Q2のドライブ回路K2用の制御電源となる直流電圧源Eによって充電される。コンデンサC2が充電された後、MOSFET Q2がオフすると、充電されたコンデンサC2は、実質的にフローティングの直流電圧源となるので、ハイサイド側のMOSFET Q1のドライブ回路K1用の制御電源として用いることができる。   Before the AC power supply voltage Vs is input to the DC power supply device, the smoothing capacitor C1 is not charged. When the AC power supply voltage Vs (> 0) is input in this state, the main circuit passes through the AC circuit Vs, the reactor L1, the diode D1, the smoothing capacitor C1, the parasitic diode D21, and the AC power supply Vs in order. Current flows. As a result, the smoothing capacitor C1 is charged, and the smoothing capacitor C1 is fully charged. The smoothing capacitor C1 generates a DC voltage obtained by rectifying the AC power supply voltage Vs (when Vs = 200V, the DC voltage is 240V). At this time, since the connection point P2 becomes a low level, when the MOSFET Q2 is turned on for the synchronous rectification operation, the diode D3 becomes conductive, and the DC voltage source E, the resistor R1, the diode D3, the MOSFET Q2, and the DC voltage source. A current flows through the bootstrap circuit along a route passing through E in order. As a result, the capacitor C2 is charged. That is, the capacitor C2 is charged by the DC voltage source E serving as a control power source for the drive circuit K2 of the low-side MOSFET Q2. If the MOSFET Q2 is turned off after the capacitor C2 is charged, the charged capacitor C2 becomes a substantially floating DC voltage source, so that it is used as a control power source for the drive circuit K1 of the high-side MOSFET Q1. Can do.

次に、交流電源電圧の極性が負(Vs<0)の場合の回路動作について、図10および図11を用いて説明する。   Next, circuit operation when the polarity of the AC power supply voltage is negative (Vs <0) will be described with reference to FIGS.

図10は、交流電源電圧の極性が負(Vs<0)の場合における、ブートストラップ回路のコンデンサC2が充電される時における、主回路電流の経路(実線の矢印)およびブートストラップ回路における充電電流の経路(破線の矢印)を示す。   FIG. 10 shows the main circuit current path (solid arrow) and the charging current in the bootstrap circuit when the capacitor C2 of the bootstrap circuit is charged when the polarity of the AC power supply voltage is negative (Vs <0). The route (broken arrow) is shown.

図10に示すように、MOSFETQ2がオンすると、接続点P2がローレベルになるため、ダイオードD3が導通して、直流電圧源E、抵抗R1、ダイオードD3、MOSFET Q2および直流電圧源Eを順に通る経路でブートストラップ回路に電流が流れる。これにより、コンデンサC2に電荷がチャージされる。すなわち、コンデンサC2は、ローサイドのMOSFET Q2のドライブ回路K2用の制御電源となる直流電圧源Eによって充電される。コンデンサC2が充電された後、MOSFET Q2がオフすると、充電されたコンデンサC2は、実質的にフローティングの直流電圧源となるので、ハイサイド側のMOSFET Q1のドライブ回路K1用の制御電源として用いることができる。   As shown in FIG. 10, when the MOSFET Q2 is turned on, the connection point P2 becomes a low level, so that the diode D3 conducts and passes through the DC voltage source E, the resistor R1, the diode D3, the MOSFET Q2 and the DC voltage source E in this order. A current flows through the bootstrap circuit along the path. As a result, the capacitor C2 is charged. That is, the capacitor C2 is charged by the DC voltage source E serving as a control power source for the drive circuit K2 of the low-side MOSFET Q2. If the MOSFET Q2 is turned off after the capacitor C2 is charged, the charged capacitor C2 becomes a substantially floating DC voltage source, so that it is used as a control power source for the drive circuit K1 of the high-side MOSFET Q1. Can do.

ここで、交流電源電圧の極性が負(Vs<0)の場合にMOSFET Q2が昇圧チョッパ動作をするためにオンすると、図10に示すように、主回路には、交流電源Vs、MOSFET Q2、ダイオードD2、リアクトルL1および交流電源Vsを順に通る経路(図10の実線の矢印)で主回路電流が流れる。この主回路電流は、MOSFET Q1がオンすることによって交流電源が短絡されて流れる、いわば短絡電流である。そこで、以下の説明では、このような主回路電流を短絡電流と記載する。   Here, when the polarity of the AC power supply voltage is negative (Vs <0) and the MOSFET Q2 is turned on to perform the boost chopper operation, as shown in FIG. 10, the main circuit includes the AC power supply Vs, the MOSFET Q2, The main circuit current flows through a path (solid arrow in FIG. 10) that passes through the diode D2, the reactor L1, and the AC power supply Vs in order. This main circuit current is a short-circuit current that flows when the AC power supply is short-circuited by turning on the MOSFET Q1. Therefore, in the following description, such a main circuit current is described as a short-circuit current.

図11および図12は、図10に示した本実施例1の直流電源装置の主回路部と交流電源の電圧波形を示す。なお、図11および図12においても、交流電源電圧の極性が負(Vs<0)の場合における、主回路電流(短絡電流)の経路(実線の矢印)およびブートストラップ回路における充電電流の経路(破線の矢印)を示す。   11 and 12 show voltage waveforms of the main circuit unit and the AC power supply of the DC power supply device according to the first embodiment shown in FIG. 11 and 12, the main circuit current (short-circuit current) path (solid arrow) and the charging current path (bootstrap circuit) (when the polarity of the AC power supply voltage is negative (Vs <0)) (Broken arrows).

短絡電流の大きさは、MOSFETQ2をスイッチングするタイミングによって異なり、図11に示すように交流電源電圧ピーク値付近となるタイミングでは短絡電流が大きくなる。また、図12に示すように交流電源電圧のゼロクロス点付近のタイミングでは短絡電流は小さくなる。   The magnitude of the short-circuit current varies depending on the timing at which the MOSFET Q2 is switched. As shown in FIG. 11, the short-circuit current increases at the timing near the AC power supply voltage peak value. In addition, as shown in FIG. 12, the short-circuit current decreases at the timing near the zero cross point of the AC power supply voltage.

過大な短絡電流を防止するために、交流電源電圧が小さい時にMOSFET Q2をスイッチングしたり、MOSET Q2の通流率(デューティー)を絞ったりすることが好ましい。   In order to prevent an excessive short-circuit current, it is preferable to switch the MOSFET Q2 when the AC power supply voltage is small, or to reduce the duty ratio of the MOSET Q2.

次に、本実施例1におけるブートストラップ回路のコンデンサC2の充放電動作について、図13a〜dを用いて説明する。   Next, the charging / discharging operation of the capacitor C2 of the bootstrap circuit in the first embodiment will be described with reference to FIGS.

図13aは、本実施例1においてMOSFET Q1,Q2のゲート駆動回路部を示す。なお、本図13aにおいても、図8〜12と同様にブートストラップ回路における充電電流の経路(図中の破線の矢印)を示す。また、図13bは、充電時に動作する回路部分を示す。さらに、図13cおよび図13dは、放電時に動作する回路部分を示す。なお、図13cおよび図13dにおいては、簡単のため、ドライブ回路K1,K2は省略している。   FIG. 13a shows the gate drive circuit portion of the MOSFETs Q1 and Q2 in the first embodiment. Also in FIG. 13a, the charging current path (broken arrow in the figure) in the bootstrap circuit is shown as in FIGS. FIG. 13b shows the circuit portion that operates during charging. Further, FIGS. 13c and 13d show circuit portions that operate during discharge. In FIGS. 13c and 13d, the drive circuits K1 and K2 are omitted for simplicity.

以下、動作モードが全波整流である場合について説明する。なお、他の動作モードについても、基本的な充放電動作は同様である。   Hereinafter, a case where the operation mode is full-wave rectification will be described. The basic charge / discharge operation is the same for the other operation modes.

交流電源電圧の極性が正(Vs>0)の時に、同期整流のためにMOSFET Q2がオンされる。これにより、前述のように、また図13aに示すように、ブートストラップ回路のコンデンサC2が充電される。このとき、図13bにおいて、抵抗R1の抵抗値をRとし、コンデンサC2の容量をCとし、直流電圧源Eの電圧をEとすると、コンデンサC2の電圧Vc2(t)は式(10)で表される。 When the polarity of the AC power supply voltage is positive (Vs> 0), the MOSFET Q2 is turned on for synchronous rectification. This charges the capacitor C2 of the bootstrap circuit as described above and as shown in FIG. 13a. At this time, in FIG. 13b, and the resistance value of the resistor R1 and R 1, the capacitance of the capacitor C2 and C 2, When E the voltage of the DC voltage source E, the voltage V c2 of the capacitor C2 (t) is Equation (10 ).

c2(t)=E×(1−exp(−t/(C2・R1))) … (10)
式(10)が示すように、コンデンサC2の充電時の時定数はC・Rである。例えば、直流電圧E=15V,C=33μF,R=22Ωのとき、時定数=726μsとなり、約5.32msの時間充電すれば、ほぼ満充電(Vc2=約14.99V)となる。
V c2 (t) = E × (1−exp (−t / (C 2 · R 1 ))) (10)
As shown in Expression (10), the time constant when the capacitor C2 is charged is C 2 · R 1 . For example, when the DC voltage E = 15 V, C 2 = 33 μF, and R 1 = 22Ω, the time constant is 726 μs, and if the time is charged for about 5.32 ms, the battery is almost fully charged (Vc2 = about 14.99 V).

次に、コンデンサC2の放電について説明する。   Next, the discharge of the capacitor C2 will be described.

充電されたコンデンサC2は、交流電源電圧の極性が負(Vs<0)の時に、同期整流のためにMOSFET Q1がオンするときに放電される。このとき、MOSFET Q1のゲート容量に電荷がチャージされるので、主に図13cに示す経路(図中の実線の矢印)で、放電電流が流れる。この場合、図13cにおいて、MOSFET Q1のゲート容量をCg(Q1)とし、ゲート抵抗Rg11の抵抗値をRg11とし、コンデンサC2の電圧をVc2(t)とすると、MOSFET Q1のゲート電圧Vg(Q1)は式(11)で表される。 The charged capacitor C2 is discharged when the MOSFET Q1 is turned on for synchronous rectification when the polarity of the AC power supply voltage is negative (Vs <0). At this time, since the charge is charged in the gate capacitance of the MOSFET Q1, a discharge current flows mainly through the path (solid arrow in the figure) shown in FIG. 13c. In this case, in FIG. 13c, assuming that the gate capacitance of the MOSFET Q1 is C g (Q1) , the resistance value of the gate resistance Rg11 is R g11, and the voltage of the capacitor C2 is V c2 (t), the gate voltage V of the MOSFET Q1 g (Q1) is represented by Formula (11).

g(Q1)=Vc2(t)×(1−exp(−t/(Cg(Q1)・Rg11))) … (11)
式(11)が示すように、MOSFET Q1のゲート充電時の時定数はCg(Q1)・Rg11である。コンデンサC2が満充電状態からMOSFET Q1のゲート容量がチャージされた場合、例えば、Vc2(t)=15V,Cg(Q1)=1000pF,Rg11=400Ωのとき、時定数=40μsとなり、コンデンサC2の放電開始から約3μs後にゲート容量へのチャージが完了する(Vg(Q1)=15V)。
V g (Q1) = V c2 (t) × (1−exp (−t / (C g (Q1) · R g11 ))) (11)
As shown in the equation (11), the time constant at the time of gate charging of the MOSFET Q1 is C g (Q1) · R g11 . When the gate capacitance of the MOSFET Q1 is charged from the fully charged state of the capacitor C2, for example, when V c2 (t) = 15 V, C g (Q1) = 1000 pF, R g11 = 400Ω, the time constant is 40 μs, and the capacitor About 3 μs after the start of C2 discharge, the charging of the gate capacitance is completed (V g (Q1) = 15 V).

また、このときのコンデンサC2の電圧Vc2(t)は、式(12)で表される。 In addition, the voltage V c2 (t) of the capacitor C2 at this time is expressed by Expression (12).

c2(t)=E×exp(−t/(C2・Rg11)) … (12)
式(12)が示すように、コンデンサC2の放電時定数はC・Rg11となる。例えばC=33μF,Rg11=400Ω,E=15Vのとき、時定数=約13.2msとなり、MOSFET Q1のゲート容量へのチャージが完了する約3μs後において、コンデンサC2の電圧Vc2は、ほぼ15Vである。
V c2 (t) = E × exp (−t / (C 2 · R g11 )) (12)
As shown in Expression (12), the discharge time constant of the capacitor C2 is C 2 · R g11 . For example, when C 2 = 33 μF, R g11 = 400Ω, and E = 15 V, the time constant is about 13.2 ms, and after about 3 μs after the charging of the gate capacitance of the MOSFET Q1, the voltage V c2 of the capacitor C2 is It is approximately 15V.

さらに、MOSFET Q1のゲート容量に電荷がチャージされた後、図13dに示す経路(図中の実線の矢印)で放電電流が流れてコンデンサC2は放電される。このとき、ゲート抵抗Rg12の抵抗値をRg12とし、MOSFET Q1のゲート容量に電荷が満充電されたときのコンデンサC2の電圧をVc2とすると、コンデンサC2の電圧Vc2´(t)は、式(13)で表される。 Furthermore, after the charge is charged in the gate capacitance of MOSFET Q1, a discharge current flows through the path shown in FIG. 13d (solid arrow in the figure), and capacitor C2 is discharged. At this time, the resistance value of the gate resistor Rg12 and R g12, when the voltage of the capacitor C2 when the charge on the gate capacitance of the MOSFET Q1 is fully charged and V c2, the voltage V c2 of the capacitor C2 '(t) is It is represented by Formula (13).

c2´(t)=Vc2×exp(−t/(C2・(Rg11+Rg12)) … (13)
式(13)が示すように、コンデンサC2の放電時定数はC・(Rg11+Rg12)である。例えば、C=33μF,Rg11=400Ω,Rg12=20kΩ,Vc2=15Vのとき、時定数=673.2msとなる。交流電源電圧の周波数を50Hzとすれば、電源電圧半サイクルである10ms後のコンデンサC2の電圧は、約14.76Vであり、約0.24Vの電圧降下となる。
V c2 ′ (t) = V c2 × exp (−t / (C 2 · (R g11 + R g12 )) (13)
As shown in Equation (13), the discharge time constant of the capacitor C2 is C 2 · (R g11 + R g12 ). For example, C 2 = 33μF, R g11 = 400Ω, R g12 = 20kΩ, when V c2 = 15V, when the constant = 673.2ms. If the frequency of the AC power supply voltage is 50 Hz, the voltage of the capacitor C2 after 10 ms, which is a half cycle of the power supply voltage, is about 14.76V, which is a voltage drop of about 0.24V.

また、例えば、抵抗Rg11=100Ω,Rg12=10kΩのとして時定数を低減すると、MOSFET Q1の満充電は約0.78μs後と速くなるが、10ms後のコンデンサC2の電圧は約11.16Vとなり、約3.84Vの電圧降下となる。すなわち、放電時の時定数が小さいほど、MOSFET Q1のスイッチングによるコンデンサC2の電圧降下は大きくなる。 Further, for example, when the time constant is reduced with the resistors R g11 = 100Ω and R g12 = 10 kΩ, the full charge of the MOSFET Q1 becomes faster after about 0.78 μs, but the voltage of the capacitor C2 after 10 ms is about 11.16V. Thus, the voltage drop is about 3.84V. That is, the smaller the time constant during discharge, the greater the voltage drop across the capacitor C2 due to switching of the MOSFET Q1.

動作モードが全波整流である場合は、MOSFET Q1は、交流電源電圧の半サイクルの期間内で1回だけスイッチングされるので、電圧降下は、上記の例では、約0.24Vである。しかし、動作モードが部分スイッチングおよび高速スイッチングの場合、MOSFET Q1のスイッチングが複数回行われるので、MOSFET Q1のゲート容量への充放電は複数回行われる。つまり、コンデンサC2の放電が複数回行われることになり、放電によるコンデンサC2の電圧降下が増加する。例えば、動作モードが、スイッチング周波数20kHz(周期50μs)の高速スイッチングである場合、MOSFET Q1は交流電源電圧の半サイクルの期間内、すなわち10msの間に200回のスイッチングを行う。このとき、通流率(デューティー)を50%(オン時間25μs)とすると、MOSFET Q1の1回の充放電によって、コンデンサC2の電圧降下は約0.01Vとなり、200回のスイッチングにより電圧降下は2Vとなる。   When the operation mode is full-wave rectification, the MOSFET Q1 is switched only once within a half cycle period of the AC power supply voltage, so the voltage drop is about 0.24V in the above example. However, when the operation mode is partial switching and high-speed switching, switching of the MOSFET Q1 is performed a plurality of times, so that the gate capacitance of the MOSFET Q1 is charged and discharged a plurality of times. That is, the capacitor C2 is discharged a plurality of times, and the voltage drop of the capacitor C2 due to the discharge increases. For example, when the operation mode is high-speed switching with a switching frequency of 20 kHz (period 50 μs), the MOSFET Q1 performs switching 200 times within a half cycle period of the AC power supply voltage, that is, 10 ms. At this time, assuming that the duty ratio (duty) is 50% (ON time 25 μs), the voltage drop of the capacitor C2 becomes about 0.01 V by one charge / discharge of the MOSFET Q1, and the voltage drop is reduced by 200 times of switching. 2V.

時定数がさらに低減すると電圧降下がさらに大きくなるため、スイッチング制御の安定性が確保できず、制御性が低下してしまう。もし、コンデンサC2の電圧がMOSFET Q1のゲート閾値電圧以下となれば、MOSFET Q1をスイッチングすることができなくなってしまう。   If the time constant is further reduced, the voltage drop is further increased. Therefore, the stability of the switching control cannot be ensured, and the controllability is lowered. If the voltage of the capacitor C2 is equal to or lower than the gate threshold voltage of the MOSFET Q1, the MOSFET Q1 cannot be switched.

このため、コンデンサC2の電圧が電圧値Eから所定値以下とならないように、コンデンサC2の電圧を検出して、ある閾値以下となった場合にはMOSFET Q1を所定期間オフにして、MOSFET Q2をオンさせることによりコンデンサC2の充電を行うことが好ましい。このとき、主回路に流れる短絡電流を抑えるために、MOSFET Q2の通流率(デューティー)を低減することが好ましい。しかし、前述のように、コンデンサC2の充電時定数がブートストラップ回路の抵抗R1の抵抗値Rに依存するため、抵抗値Rが大きいと、速やかに充電が行えない可能性がある。 For this reason, the voltage of the capacitor C2 is detected so that the voltage of the capacitor C2 does not fall below the predetermined value from the voltage value E, and when the voltage falls below a certain threshold value, the MOSFET Q1 is turned off for a predetermined period and the MOSFET Q2 is turned off. It is preferable to charge the capacitor C2 by turning it on. At this time, in order to suppress a short-circuit current flowing in the main circuit, it is preferable to reduce the current conduction rate (duty) of MOSFET Q2. However, as described above, since the charging time constant of the capacitor C2 is dependent on the resistance value R 1 of the resistor R1 of the bootstrap circuit, the resistance value R 1 is greater, it may not be performed promptly charged.

そこで、本実施例1の直流電源装置では、図14aおよび図14bに示すような、ブートストラップ回路のコンデンサC2の充電時定数切替手段のいずれかが適用される。これらの手段によれば、ブートストラップ回路によるコンデンサC2充電時にはコンデンサC2の充電時の時定数を通常よりも小さい値に切り替えることにより、通流率(デューティー)を低減しても、コンデンサC2の速やかな満充電が可能になる。   Therefore, in the DC power supply device of the first embodiment, any one of charging time constant switching means for the capacitor C2 of the bootstrap circuit as shown in FIGS. 14a and 14b is applied. According to these means, when the capacitor C2 is charged by the bootstrap circuit, the time constant at the time of charging the capacitor C2 is switched to a value smaller than usual, so that the capacitor C2 can be quickly returned even if the duty ratio is reduced. Can be fully charged.

図14aに示す手段においては、MOSFET Q3を抵抗R1に並列接続し、MOSFET Q2のスイッチングと同期させてMOSFET Q3をスイッチングすることにより充電時定数を切り替える。コンデンサC2の電圧は、抵抗Ra,Rbによって分圧され、分圧された電圧が制御部18を構成するマイクロコンピュータに入力される。マイクロコンピュータは、この分圧された電圧に基づいて、コンデンサC2の電圧を監視する。制御部18は、コンデンサC2の電圧が所定の閾値以下になったと判定すると、MOSFET Q3をオン・スイッチングする指令を、図示しないMOSFET・Q3のゲート駆動回路へ送信する。これにより、MOSFET Q3がオンすると、充電電流が、直流電圧源E、MOSFETQ3、ダイオードD3、コンデンサC2、MOSFET Q2、直流電圧源Eの順に通る経路(図中の破線の矢印)で通流するため、充電時の時定数が抵抗R1で設定される値よりも小さな値に切り替えられる。   In the means shown in FIG. 14a, the MOSFET Q3 is connected in parallel to the resistor R1, and the charging time constant is switched by switching the MOSFET Q3 in synchronization with the switching of the MOSFET Q2. The voltage of the capacitor C <b> 2 is divided by the resistors Ra and Rb, and the divided voltage is input to the microcomputer constituting the control unit 18. The microcomputer monitors the voltage of the capacitor C2 based on the divided voltage. When the control unit 18 determines that the voltage of the capacitor C2 is equal to or lower than a predetermined threshold value, the control unit 18 transmits a command to turn on / off the MOSFET Q3 to a gate drive circuit of the MOSFET Q3 (not shown). As a result, when MOSFET Q3 is turned on, the charging current flows through a path (broken arrow in the figure) that passes through DC voltage source E, MOSFET Q3, diode D3, capacitor C2, MOSFET Q2, and DC voltage source E in this order. The time constant during charging is switched to a value smaller than the value set by the resistor R1.

なお、コンデンサC2の電圧の閾値は、例えば直流電圧源Eが15Vの場合、14Vとする。   For example, when the DC voltage source E is 15V, the threshold voltage of the capacitor C2 is 14V.

また、図14bに示す手段においては、負の温度特性を持つNTC(Negative Temperature Coefficient)サーミスタTH1が抵抗R1に並列接続される。電流による発熱のためにNTCサーミスタTH1の温度が上昇し、NTCサーミスタTH1の抵抗値が下がると、充電電流が、直流電圧源E、NTCサーミスタTH、ダイオードD3、コンデンサC2、MOSFET Q2、直流電圧源Eの順に通る経路(図中の破線の矢印)でも通流するため、充電時の時定数が抵抗R1で設定される値よりも小さな値になる。本手段は、部分スイッチングや高速スイッチングのようにMOSFET Q2が複数回スイッチングされ、NTCサーミスタTHの発熱量が大きくなる場合に好適である。   In the means shown in FIG. 14b, an NTC (Negative Temperature Coefficient) thermistor TH1 having a negative temperature characteristic is connected in parallel to the resistor R1. When the temperature of the NTC thermistor TH1 rises due to the heat generated by the current and the resistance value of the NTC thermistor TH1 falls, the charging current becomes DC voltage source E, NTC thermistor TH, diode D3, capacitor C2, MOSFET Q2, and DC voltage source. Since the route also passes through the route E (broken arrow in the figure), the time constant during charging is smaller than the value set by the resistor R1. This means is suitable when the MOSFET Q2 is switched a plurality of times, such as partial switching or high-speed switching, and the amount of heat generated by the NTC thermistor TH is increased.

以上のように、図14aおよび図14bに示す充電時定数切替手段によれば、コンデンサC2の電圧が所定値以下となった場合においても、MOSFET Q2による充電を行うことでコンデンサC2の電圧降下を防ぐことができ、直流電源装置が安定的に同期整流動作を行うことが可能になる。従って、直流電源装置の制御性が向上し、効率および信頼性が向上する。   As described above, according to the charging time constant switching means shown in FIGS. 14a and 14b, even when the voltage of the capacitor C2 becomes equal to or lower than a predetermined value, the voltage drop of the capacitor C2 is reduced by charging with the MOSFET Q2. This can prevent the DC power supply apparatus from performing stable synchronous rectification operation. Therefore, controllability of the DC power supply device is improved, and efficiency and reliability are improved.

上述したように、本実施例1によれば、第一のMOSFETの制御電源となるブートストラップ回路を備え、ブートストラップ回路のコンデンサが、全波整流動作モード、部分スイッチング動作モードおよび高速スイッチング動作モードにおいて第二のMOSFETがオンする時に充電されることにより、ハイサイド素子である第一のMOSFETの駆動電圧を確保し、安定的に同期整流制御を行うことが可能となる。これにより、直流電源装置の効率が向上すると共に、信頼性が向上する。   As described above, according to the first embodiment, the bootstrap circuit serving as the control power source of the first MOSFET is provided, and the capacitor of the bootstrap circuit includes the full-wave rectification operation mode, the partial switching operation mode, and the high-speed switching operation mode. In this case, when the second MOSFET is turned on, the driving voltage of the first MOSFET, which is the high-side element, can be secured, and the synchronous rectification control can be stably performed. Thereby, the efficiency of the DC power supply device is improved and the reliability is improved.

次に、本発明の実施例2である空気調和機について説明する。   Next, an air conditioner that is Embodiment 2 of the present invention will be described.

本実施例2の空気調和機は、圧縮機が三相交流電動機によって駆動される電動圧縮機、およびこの電動圧縮機に三相交流電圧(電力)を供給するインバータ回路、このインバータ回路を負荷とする直流電源装置として実施例1の直流電源装置を備えている。   The air conditioner of the second embodiment includes an electric compressor in which the compressor is driven by a three-phase AC motor, an inverter circuit that supplies a three-phase AC voltage (electric power) to the electric compressor, and the inverter circuit as a load. The DC power supply device according to the first embodiment is provided as the DC power supply device.

以下、本実施例5の空気調和機について、図15および図16を用いて、さらに説明する。   Hereinafter, the air conditioner of the fifth embodiment will be further described with reference to FIGS. 15 and 16.

図15は本実施例2の空気調和機の冷暖房サイクル構成図である。空気調和機は、室内熱交換器51、室外熱交換器52、圧縮機53、膨張弁54、四方弁55、室内送風ファン56および室外送風ファン57を備えている。圧縮機53と室外熱交換器52と室外送風ファン(プロペラファン)57と膨張弁54は室外機(図16参照)に配置され、室内熱交換器51と室内送風ファン56は室内機(図示せず)に配置されている。   FIG. 15 is a configuration diagram of an air-conditioning cycle of the air conditioner according to the second embodiment. The air conditioner includes an indoor heat exchanger 51, an outdoor heat exchanger 52, a compressor 53, an expansion valve 54, a four-way valve 55, an indoor blower fan 56, and an outdoor blower fan 57. The compressor 53, the outdoor heat exchanger 52, the outdoor blower fan (propeller fan) 57, and the expansion valve 54 are arranged in the outdoor unit (see FIG. 16), and the indoor heat exchanger 51 and the indoor blower fan 56 are indoor units (not shown). )).

冷房運転時、圧縮機53より吐出された高温且つ高圧の冷媒は、四方弁55を介して室外熱交換器52に流入する。室外熱交換器52に流入した冷媒は、室外送風ファン57によって送られる室外の空気と熱交換することで、凝縮されて液冷媒となる。液冷媒は、膨張弁54を通過することで低温低圧の二相冷媒になり、室内熱交換器51に流入する。室内熱交換器51に流入した低温低圧の二相冷媒は、室内送風ファン56によって送られる室内の空気と熱交換する。このとき、室内熱交換器51に送られた室内の空気は、室内熱交換器51に流入した低温低圧の二相冷媒によって冷却され、吹出口(図示せず)から室内に吐出される。吹出口(図示せず)から室内に吐出される空気は、吸込口(図示せず)における空気の温度よりも低いため、室内の温度を下げることができる。室内熱交換器51で熱交換された冷媒は四方弁55を介して再び圧縮機53に戻る。   During the cooling operation, the high-temperature and high-pressure refrigerant discharged from the compressor 53 flows into the outdoor heat exchanger 52 through the four-way valve 55. The refrigerant flowing into the outdoor heat exchanger 52 is condensed and becomes liquid refrigerant by exchanging heat with outdoor air sent by the outdoor blower fan 57. The liquid refrigerant passes through the expansion valve 54 to become a low-temperature and low-pressure two-phase refrigerant and flows into the indoor heat exchanger 51. The low-temperature and low-pressure two-phase refrigerant that has flowed into the indoor heat exchanger 51 exchanges heat with the indoor air sent by the indoor blower fan 56. At this time, the indoor air sent to the indoor heat exchanger 51 is cooled by the low-temperature and low-pressure two-phase refrigerant that has flowed into the indoor heat exchanger 51, and is discharged into the room from a blower outlet (not shown). Since the air discharged into the room from the air outlet (not shown) is lower than the temperature of the air at the air inlet (not shown), the room temperature can be lowered. The refrigerant heat-exchanged by the indoor heat exchanger 51 returns to the compressor 53 again via the four-way valve 55.

暖房運転時、圧縮機53より吐出された高温且つ高圧の冷媒は、四方弁55を介して室内熱交換器51に流入する。そして、四方弁55、室外熱交換器52を通過して、四方弁55を介して圧縮機53に戻る。   During the heating operation, the high-temperature and high-pressure refrigerant discharged from the compressor 53 flows into the indoor heat exchanger 51 through the four-way valve 55. Then, it passes through the four-way valve 55 and the outdoor heat exchanger 52 and returns to the compressor 53 via the four-way valve 55.

図16は本実施例2の空気調和機の室外機の外観図である。室外機内の空間は、仕切り板70を挟んで、圧縮機53が設置される圧縮機室Aと、室外送風ファン57が設置される送風機室Bに分割されている。圧縮機53を駆動する電源装置などの電装品79は、電装箱内に収納された状態で、圧縮機53と上蓋80の間であって、圧縮機室Aと送風機室Bとに跨る位置に設置されている。また、電装品79は、仕切り板70の上方に位置し、仕切り板70によって支持されている。   FIG. 16 is an external view of an outdoor unit of an air conditioner according to the second embodiment. The space in the outdoor unit is divided into a compressor chamber A in which the compressor 53 is installed and a blower chamber B in which the outdoor blower fan 57 is installed, with the partition plate 70 interposed therebetween. An electrical component 79 such as a power supply device that drives the compressor 53 is accommodated in the electrical box and is located between the compressor 53 and the upper lid 80 and across the compressor chamber A and the blower chamber B. is set up. Further, the electrical component 79 is located above the partition plate 70 and is supported by the partition plate 70.

室外の空気は、室外送風ファン57によって、室外機の背面側から吸い込まれ、室外熱交換器52を通過した後、室外機の前面側(前面パネル81)から吹き出される。   The outdoor air is sucked from the rear side of the outdoor unit by the outdoor blower fan 57, passes through the outdoor heat exchanger 52, and then blown out from the front side (front panel 81) of the outdoor unit.

圧縮機53すなわち電動圧縮機が備える三相交流電動機に、実施例1の直流電源装置の負荷となるインバータ回路によって可変電圧、可変周波数の三相交流電圧(電力)が供給され、三相交流電動機が回転すると、三相交流電動機によって圧縮機53が駆動される。これにより、空気調和機は、上述したように冷房および暖房動作を行う。   The compressor 53, that is, the three-phase AC motor included in the electric compressor, is supplied with variable voltage and variable-frequency three-phase AC voltage (power) by the inverter circuit serving as a load of the DC power supply device according to the first embodiment. , The compressor 53 is driven by the three-phase AC motor. Thereby, the air conditioner performs cooling and heating operations as described above.

本実施例2の空気調和機によれば、直流電源装置において安定的に同期整流制御を行うことが可能となるので、空気調和機を安定に運転することができる。従って、空気調和機のエネルギー効率(APF)が向上すると共に、空気調和機の信頼性が向上する。   According to the air conditioner of the second embodiment, the synchronous rectification control can be stably performed in the DC power supply device, and thus the air conditioner can be stably operated. Therefore, the energy efficiency (APF) of the air conditioner is improved and the reliability of the air conditioner is improved.

なお、本発明は前述した実施例に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば、前述した実施例は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、各実施例の構成の一部について、他の構成の追加・削除・置き換えをすることが可能である。   In addition, this invention is not limited to the Example mentioned above, Various modifications are included. For example, the above-described embodiments have been described in detail for easy understanding of the present invention, and are not necessarily limited to those having all the configurations described. Further, it is possible to add, delete, and replace other configurations for a part of the configuration of each embodiment.

例えば、MOSFET Q1,MOSFET Q2として、スーパージャンクションMOSFETやSiC−MOSFETを用いても良い。これにより、直流電源装置の効率が向上する。また、図14aにおけるMOSFET Q3に代えて、バイポーラトランジスタなどの他のスイッチング素子を用いても良い。   For example, a super junction MOSFET or a SiC-MOSFET may be used as the MOSFET Q1 and the MOSFET Q2. Thereby, the efficiency of the DC power supply device is improved. Further, instead of MOSFET Q3 in FIG. 14a, other switching elements such as bipolar transistors may be used.

また、空気調和機以外の機器に本発明の直流電源装置を搭載しても、効率および信頼性が向上する。   Moreover, even if the direct-current power supply device of the present invention is mounted on equipment other than the air conditioner, efficiency and reliability are improved.

11 電流検出部
12 電流制御ゲイン制御部
13 交流電圧検出部
14 ゼロクロス判定部
15 負荷検出部
16 昇圧比制御部
17 直流電圧検出部
18 制御部
51…室内熱交換器
52…室外熱交換器
53…圧縮機
54…膨張弁
55…四方弁
56…室内送風ファン
57…室外送風ファン
70…仕切り板
79…電装品
80…上蓋
81…前面パネル
Vs 交流電源
C1 平滑コンデンサ
D1,D2 ダイオード
ha,hb,hc,hd 配線
L1 リアクトル
Q1,Q2 MOSFET
C2 コンデンサ
D3 ダイオード
R1 抵抗
Rg11,Rg12,R21,Rg22 ゲート抵抗
E 直流電圧源
K1,K2 ドライブ回路
Q3 MOSFET
TH1 NTCサーミスタ
DESCRIPTION OF SYMBOLS 11 Current detection part 12 Current control gain control part 13 AC voltage detection part 14 Zero cross determination part 15 Load detection part 16 Boost ratio control part 17 DC voltage detection part 18 Control part 51 ... Indoor heat exchanger 52 ... Outdoor heat exchanger 53 ... Compressor 54 ... Expansion valve 55 ... Four-way valve 56 ... Indoor fan 57 ... Outdoor fan 70 ... Partition plate 79 ... Electrical component 80 ... Upper lid 81 ... Front panel Vs AC power supply C1 Smoothing capacitor D1, D2 Diodes ha, hb, hc , Hd wiring L1 reactor Q1, Q2 MOSFET
C2 Capacitor D3 Diode R1 Resistance Rg11, Rg12, R21, Rg22 Gate resistance E DC voltage source K1, K2 Drive circuit Q3 MOSFET
TH1 NTC thermistor

Claims (11)

第一のダイオードのアノードと第二のダイオードのカソードが接続され、
第一のMOSFETのソースと第二のMOSFETのドレインが接続され、
前記第一のダイオードのカソードと前記第一のMOSFETのドレインが平滑コンデンサの正極側に接続され、
前記第二のダイオードのアノードと前記第二のMOSFETのソースが前記平滑コンデンサの負極側に接続され、
前記第一のダイオードと前記第二のダイオードとの接続点と、前記第一のMOSFETと前記第二のMOSFETとの接続点に、リアクトルを介して、交流電源が接続され、
前記第一のMOSFETおよび前記第二のMOSFETのスイッチングにより、前記交流電源の交流電圧を直流電圧に変換する直流電源装置において、
前記第一のMOSFETおよび前記第二のMOSFETが、前記交流電圧の極性に応じて、同期整流動作をするようにスイッチングされる全波整流動作モードと、
前記第一のMOSFETおよび前記第二のMOSFETが、前記交流電圧の半サイクルにおいて、相補的に所定回数オン・オフスイッチングされる部分スイッチング動作モードと、
前記第一のMOSFETおよび前記第二のMOSFETが、所定の周波数で相補的にオン・オフスイッチングされる高速スイッチング動作モードと、
を有し、
さらに、前記第一のMOSFETの制御電源となるブートストラップ回路を備え、
前記ブートストラップ回路のコンデンサが、前記第二のMOSFETがスイッチングされてオンする時に充電されることを特徴とする直流電源装置。
The anode of the first diode and the cathode of the second diode are connected,
The source of the first MOSFET and the drain of the second MOSFET are connected,
The cathode of the first diode and the drain of the first MOSFET are connected to the positive side of the smoothing capacitor;
The anode of the second diode and the source of the second MOSFET are connected to the negative side of the smoothing capacitor;
An AC power supply is connected to a connection point between the first diode and the second diode and a connection point between the first MOSFET and the second MOSFET via a reactor.
In the DC power supply device that converts the AC voltage of the AC power supply into a DC voltage by switching the first MOSFET and the second MOSFET,
A full-wave rectification operation mode in which the first MOSFET and the second MOSFET are switched to perform a synchronous rectification operation according to the polarity of the AC voltage;
A partial switching operation mode in which the first MOSFET and the second MOSFET are complementarily switched on and off a predetermined number of times in a half cycle of the AC voltage;
A high-speed switching operation mode in which the first MOSFET and the second MOSFET are switched on and off complementarily at a predetermined frequency;
Have
Furthermore, a bootstrap circuit serving as a control power source for the first MOSFET is provided,
The DC power supply device, wherein a capacitor of the bootstrap circuit is charged when the second MOSFET is switched on.
請求項1に記載の直流電源装置において、
前記部分スイッチング動作モードおよび前記高速スイッチングモードにおいて、前記第一のMOSFETおよび前記第二のMOSFETの一方および他方が、それぞれ昇圧チョッパ動作および同期整流動作をするようにスイッチングされることを特徴とする直流電源装置。
The DC power supply device according to claim 1,
In the partial switching operation mode and the high-speed switching mode, one and the other of the first MOSFET and the second MOSFET are switched so as to perform a step-up chopper operation and a synchronous rectification operation, respectively. Power supply.
請求項2に記載の直流電源装置において、
前記ブートストラップ回路の前記コンデンサが、前記第二のMOSFETが前記昇圧チョッパ動作または前記同期整流動作をする時に充電されることを特徴とする直流電源装置。
In the DC power supply device according to claim 2,
The DC power supply device, wherein the capacitor of the bootstrap circuit is charged when the second MOSFET performs the step-up chopper operation or the synchronous rectification operation.
請求項3に記載の直流電源装置において、
前記第一のMOSFETおよび前記第二のMOSFETは、前記交流電圧のゼロクロス点付近において、前記昇圧チョッパ動作のためにスイッチングされることを特徴とする直流電源装置。
In the DC power supply device according to claim 3,
The DC power supply device according to claim 1, wherein the first MOSFET and the second MOSFET are switched for the step-up chopper operation near a zero cross point of the AC voltage.
請求項2に記載の直流電源装置において、
前記昇圧チョッパ動作に伴って、力率改善電流を流すことを特徴とする直流電源装置。
In the DC power supply device according to claim 2,
A DC power supply device, wherein a power factor correction current is caused to flow along with the step-up chopper operation.
請求項2に記載の直流電源装置において、
前記高速スイッチングモードの場合、前記第一のMOSFETおよび前記第二のMOSFETの前記一方の通流率を主回路電流の増加に応じて増加し、前記他方を前記主回路電流の増加に応じて低減することを特徴とする直流電源装置。
In the DC power supply device according to claim 2,
In the case of the high-speed switching mode, the conduction ratio of the one of the first MOSFET and the second MOSFET is increased as the main circuit current is increased, and the other is decreased as the main circuit current is increased. A direct current power supply device.
請求項3に記載の直流電源装置において、
前記ブートストラップ回路の充電時定数を低減する時定数切替手段を備えることを特徴とする直流電源装置。
In the DC power supply device according to claim 3,
A DC power supply device comprising time constant switching means for reducing a charging time constant of the bootstrap circuit.
請求項7に記載の直流電源装置において、
前記時定数切替手段が、前記ブートストラップ回路の抵抗に並列に接続されるスイッチング素子であり、前記スイッチング素子は、前記ブートストラップ回路のコンデンサの電圧に応じてオンされることを特徴とする直流電源装置。
In the DC power supply device according to claim 7,
The DC power supply characterized in that the time constant switching means is a switching element connected in parallel with a resistor of the bootstrap circuit, and the switching element is turned on in accordance with a voltage of a capacitor of the bootstrap circuit. apparatus.
請求項7に記載の直流電源装置において、
前記時定数切替手段が、前記ブートストラップ回路の抵抗に並列に接続されるNTCサーミスタであることを特徴とする直流電源装置。
In the DC power supply device according to claim 7,
The DC power supply device characterized in that the time constant switching means is an NTC thermistor connected in parallel to the resistance of the bootstrap circuit.
請求項1に記載の直流電源装置において、
負荷の大きさに応じて、前記全波整流動作モード、前記部分スイッチング動作モードおよび前記高速スイッチング動作モードのいずれかが設定されることを特徴とする直流電源装置。
The DC power supply device according to claim 1,
One of the full-wave rectification operation mode, the partial switching operation mode, and the high-speed switching operation mode is set according to the size of the load.
交流電動機によって圧縮機が駆動される電動圧縮機と、
前記電動圧縮機に交流電力を供給するインバータ回路と、
前記インバータ回路を負荷とする直流電源装置と、
を備え、
前記電動圧縮機によって圧縮される冷媒が冷暖房サイクルに循環する空気調和機において、
前記直流電源装置が、請求項1に記載される直流電源装置であることを特徴とする空気調和機。
An electric compressor whose compressor is driven by an AC motor;
An inverter circuit for supplying AC power to the electric compressor;
A DC power supply device having the inverter circuit as a load;
With
In the air conditioner in which the refrigerant compressed by the electric compressor circulates in an air conditioning cycle,
An air conditioner, wherein the DC power supply device is the DC power supply device according to claim 1.
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