JP2019022395A - Power-factor improvement circuit and control method of the same - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、力率改善回路及び力率改善回路の制御方法に関する。 The present invention relates to a power factor correction circuit and a control method for the power factor correction circuit.
従来、インターリーブ方式の力率改善(Power Factor Correction)回路がある(例えば、特許文献1参照)。この従来の力率改善回路は、マスターアーム回路(第1のアーム回路と称されても良い)と、スレーブアーム回路(第2のアーム回路と称されても良い)と、極性切換アーム回路と、を備える。この従来の力率改善回路では、2つのインダクタの電流の位相がずれているので、一方のインダクタの電流が、他方のインダクタの電流を打ち消す方向に流れる。従って、入力コンデンサ及び出力コンデンサのリップル電流を低減できる。 Conventionally, there is an interleaved power factor correction circuit (see, for example, Patent Document 1). This conventional power factor correction circuit includes a master arm circuit (may be referred to as a first arm circuit), a slave arm circuit (may be referred to as a second arm circuit), a polarity switching arm circuit, . In this conventional power factor correction circuit, since the currents of the two inductors are out of phase, the current of one inductor flows in a direction that cancels the current of the other inductor. Therefore, the ripple current of the input capacitor and the output capacitor can be reduced.
しかし、入力電圧のゼロクロス付近では、以下のような事情がある。各インダクタの電流が小さいので、2つのインダクタの電流が互いに打ち消し合うメリットが小さい。従って、入力コンデンサ及び出力コンデンサのリップル電流を低減するメリットが小さい。 However, there are the following circumstances near the zero cross of the input voltage. Since the current of each inductor is small, the merit that the currents of the two inductors cancel each other is small. Therefore, the merit of reducing the ripple current of the input capacitor and the output capacitor is small.
一方、電圧昇圧量が大きく、スイッチ素子を短い周期でスイッチングさせる必要がある。従って、制御負担が大きいというデメリットがある。 On the other hand, the voltage boost amount is large, and it is necessary to switch the switch element in a short cycle. Therefore, there is a demerit that the control burden is large.
また、スイッチ素子を短い周期でスイッチングさせるので、スイッチ素子のスイッチング損失及びゲート駆動損失の絶対量が多い。加えて、入力電圧のゼロクロス付近は、変換電力が小さい領域である。従って、変換電力に対する、スイッチ素子のスイッチング損失及びゲート駆動損失の割合が高い。よって、電力効率が低下するというデメリットがある。 Further, since the switching element is switched in a short period, the absolute amount of switching loss and gate driving loss of the switching element is large. In addition, the vicinity of the zero cross of the input voltage is a region where the converted power is small. Therefore, the ratio of the switching loss of the switch element and the gate drive loss to the converted power is high. Therefore, there is a demerit that power efficiency is lowered.
本発明は、電力効率改善を図ることが可能な力率改善回路及び力率改善回路の制御方法を提供することを目的とする。 An object of the present invention is to provide a power factor correction circuit capable of improving power efficiency and a control method of the power factor correction circuit.
本発明の一態様の力率改善回路は、
交流電圧が入力される一対の第1の入力端子及び第2の入力端子と、
直流電圧を出力する一対の第1の出力端子及び第2の出力端子と、
前記第1の出力端子と前記第2の出力端子との間に接続された出力コンデンサと、
前記第1の入力端子と第1のノードとの間に接続された第1のインダクタ、前記第1のノードと前記第1の出力端子との間に接続された第1のスイッチ素子、及び、前記第1のノードと前記第2の出力端子との間に接続された第2のスイッチ素子を少なくとも有する1以上の第1のアーム回路と、
前記第2の入力端子と前記第1の出力端子との間に接続された第3のスイッチ素子、及び、前記第2の入力端子と前記第2の出力端子との間に接続された第4のスイッチ素子を少なくとも有する極性切り替えアームと、
前記第1の入力端子と第2のノードとの間に接続された第2のインダクタ、前記第2のノードと前記第1の出力端子との間に接続された第5のスイッチ素子、及び、前記第2のノードと前記第2の出力端子との間に接続された第6のスイッチ素子を少なくとも有する1以上の第2のアーム回路と、
前記交流電圧の極性に応じて、前記第1のスイッチ素子から第6のスイッチ素子までのスイッチング動作を制御する制御部と、
を備え、
前記制御部は、
前記第1の入力端子に入力される入力電流と閾値とを比較し、前記入力電流が前記閾値よりも大きい場合には、前記第1のアーム回路及び前記第2のアーム回路の両方を動作させるダブルアーム制御を行い、前記入力電流が前記閾値以下の場合には、前記第1のアーム回路だけを動作させるシングルアーム制御を行う、
ことを特徴とする。
A power factor correction circuit according to one embodiment of the present invention includes:
A pair of first and second input terminals to which an alternating voltage is input;
A pair of first and second output terminals that output a DC voltage;
An output capacitor connected between the first output terminal and the second output terminal;
A first inductor connected between the first input terminal and a first node; a first switch element connected between the first node and the first output terminal; and One or more first arm circuits having at least a second switch element connected between the first node and the second output terminal;
A third switch element connected between the second input terminal and the first output terminal; and a fourth switch element connected between the second input terminal and the second output terminal. A polarity switching arm having at least a switching element;
A second inductor connected between the first input terminal and a second node; a fifth switch element connected between the second node and the first output terminal; and One or more second arm circuits having at least a sixth switch element connected between the second node and the second output terminal;
A control unit that controls a switching operation from the first switch element to the sixth switch element according to the polarity of the AC voltage;
With
The controller is
An input current input to the first input terminal is compared with a threshold value, and if the input current is larger than the threshold value, both the first arm circuit and the second arm circuit are operated. Double arm control is performed, and when the input current is less than or equal to the threshold value, single arm control for operating only the first arm circuit is performed.
It is characterized by that.
前記力率改善回路において、
前記制御部は、
前記シングルアーム制御を行うシングルアーム制御期間における、前記第1のスイッチ素子及び前記第2のスイッチ素子のオン時間を、前記シングルアーム制御期間において前記ダブルアーム制御を行うと仮定した場合の、前記第1のスイッチ素子及び前記第2のスイッチ素子のオン時間の2倍にする、
ことを特徴とする。
In the power factor correction circuit,
The controller is
When the on-time of the first switch element and the second switch element in the single arm control period in which the single arm control is performed is assumed to be performed in the single arm control period, the second arm control is performed. 2 times the on-time of one switch element and the second switch element,
It is characterized by that.
前記力率改善回路において、
前記制御部は、
前記交流電圧の瞬時電圧と、前記ダブルアーム制御を行う場合の前記第1のスイッチ素子及び前記第2のスイッチ素子のオン時間と、に基づいて、前記入力電流のピーク値を計算し、
前記入力電流のピーク値と、予め定められた係数と、の積により、前記閾値を計算する、
ことを特徴とする。
In the power factor correction circuit,
The controller is
Based on the instantaneous voltage of the AC voltage and the ON time of the first switch element and the second switch element when performing the double arm control, the peak value of the input current is calculated,
The threshold value is calculated by a product of a peak value of the input current and a predetermined coefficient.
It is characterized by that.
前記力率改善回路において、
前記係数は、0.5である、
ことを特徴とする。
In the power factor correction circuit,
The coefficient is 0.5.
It is characterized by that.
前記力率改善回路において、
前記制御部は、
前記入力電流のピーク値と、予め定められた複数の係数の各々と、の積により、複数の前記閾値を計算し、
前記直流電圧の値に応じて、複数の前記閾値の内の1つを選択する、
ことを特徴とする。
In the power factor correction circuit,
The controller is
A plurality of the threshold values are calculated by a product of the peak value of the input current and each of a plurality of predetermined coefficients,
Selecting one of the thresholds according to the value of the DC voltage;
It is characterized by that.
前記力率改善回路において、
前記制御部は、
前記直流電圧が予め定められた電圧閾値よりも大きい場合には、複数の前記閾値の内の第1の閾値を選択し、前記直流電圧が予め定められた電圧閾値以下の場合には、複数の前記閾値の内の、前記第1の閾値よりも小さい第2の閾値を選択する、
ことを特徴とする。
In the power factor correction circuit,
The controller is
When the DC voltage is greater than a predetermined voltage threshold, a first threshold is selected from the plurality of thresholds, and when the DC voltage is less than or equal to a predetermined voltage threshold, a plurality of Selecting a second threshold value smaller than the first threshold value among the threshold values;
It is characterized by that.
前記力率改善回路において、
前記制御部は、
前記交流電圧の極性が正極性であり且つ前記シングルアーム制御を行う場合には、前記第1のアーム回路だけを動作させ、前記交流電圧の極性が逆極性であり且つ前記シングルアーム制御を行う場合には、前記第2のアーム回路だけを動作させる、
ことを特徴とする。
In the power factor correction circuit,
The controller is
When the polarity of the AC voltage is positive and the single arm control is performed, only the first arm circuit is operated, and the polarity of the AC voltage is the reverse polarity and the single arm control is performed. To operate only the second arm circuit,
It is characterized by that.
本発明の一態様の力率改善回路の制御方法は、
交流電圧が入力される一対の第1の入力端子及び第2の入力端子と、直流電圧を出力する一対の第1の出力端子及び第2の出力端子と、前記第1の出力端子と前記第2の出力端子との間に接続された出力コンデンサと、前記第1の入力端子と第1のノードとの間に接続された第1のインダクタ、前記第1のノードと前記第1の出力端子との間に接続された第1のスイッチ素子、及び、前記第1のノードと前記第2の出力端子との間に接続された第2のスイッチ素子を有する第1のアーム回路と、前記第2の入力端子と前記第1の出力端子との間に接続された第3のスイッチ素子、及び、前記第2の入力端子と前記第2の出力端子との間に接続された第4のスイッチ素子を有する極性切り替えアームと、前記第1の入力端子と第2のノードとの間に接続された第2のインダクタ、前記第2のノードと前記第1の出力端子との間に接続された第5のスイッチ素子、及び、前記第2のノードと前記第2の出力端子との間に接続された第6のスイッチ素子を有する第2のアーム回路と、前記交流電圧の極性に応じて、前記第1のスイッチ素子から第6のスイッチ素子までのスイッチング動作を制御する制御部と、を備える力率改善回路の制御方法であって、
前記制御部により、前記第1入力端子に入力される入力電流と閾値とを比較し、前記入力電流が前記閾値よりも大きい場合には、前記第1アーム回路及び第2アーム回路の両方を動作させるダブルアーム制御を行い、前記入力電流が前記閾値以下の場合には、前記第1アーム回路だけを動作させるシングルアーム制御を行う、
ことを特徴とする。
The control method of the power factor correction circuit according to one aspect of the present invention includes:
A pair of first input terminal and second input terminal to which an AC voltage is input, a pair of first output terminal and second output terminal for outputting a DC voltage, the first output terminal, and the first An output capacitor connected between the two output terminals, a first inductor connected between the first input terminal and the first node, and the first node and the first output terminal. And a first arm circuit having a first switch element connected between the first node and a second switch element connected between the first node and the second output terminal; A third switch element connected between the second input terminal and the first output terminal, and a fourth switch connected between the second input terminal and the second output terminal. A polarity switching arm having an element, and the first input terminal and the second node. A second inductor connected to the second node, a fifth switch element connected between the second node and the first output terminal, and the second node and the second output terminal. A second arm circuit having a sixth switch element connected therebetween, and a control unit for controlling a switching operation from the first switch element to the sixth switch element in accordance with the polarity of the AC voltage; A method for controlling a power factor correction circuit comprising:
The control unit compares the input current input to the first input terminal with a threshold value, and operates both the first arm circuit and the second arm circuit when the input current is larger than the threshold value. Double arm control is performed, and when the input current is less than or equal to the threshold value, single arm control is performed to operate only the first arm circuit.
It is characterized by that.
本発明の一態様の力率改善回路及び力率改善回路の制御方法は、電力効率改善を図ることができるという効果を奏する。 The power factor correction circuit and the control method of the power factor correction circuit according to one embodiment of the present invention have an effect that power efficiency can be improved.
以下に、本発明の力率改善回路の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施の形態により本発明が限定されるものではない。 Embodiments of a power factor correction circuit according to the present invention will be described below in detail with reference to the drawings. In addition, this invention is not limited by this embodiment.
(第1の実施の形態)
図1は、第1の実施の形態の力率改善回路の回路構成を示す図である。力率改善回路1は、インターリーブ方式により、力率を改善する。力率改善回路1は、交流(例えば、50Hz又は60Hz)の入力電圧Vinの供給を電源2から受けて、入力電圧Vinより高い直流の出力電圧Voutを負荷4に出力する、昇圧回路である。本実施の形態では、入力電圧Vinの実効値が200Vであるとし、出力電圧Voutの目標電圧が400Vであるとする。つまり、力率改善回路1は、実効値200Vの入力電圧Vinの供給を受けて、400Vの出力電圧Voutを出力するものとする。
(First embodiment)
FIG. 1 is a diagram illustrating a circuit configuration of the power factor correction circuit according to the first embodiment. The power factor improvement circuit 1 improves the power factor by an interleave method. Power factor correction circuit 1, AC (e.g., 50 Hz or 60Hz) supplied with the input voltage V in from the
電源2と力率改善回路1との間には、ノイズフィルタ3が設けられている。ノイズフィルタ3は、主にコモンモードノイズを抑制するフィルタである。ノイズフィルタ3は、第1のアクロスザラインコンデンサ31と、コモンモードフィルタ32と、第2のアクロスザラインコンデンサ33と、を含む。コモンモードフィルタ32は、第1の巻線32a及び第2の巻線32bを、コア32c(例えば、フェライトコア又はアモルファスコア)に、同じ方向に巻いたものである。
A noise filter 3 is provided between the
第1のアクロスザラインコンデンサ31の両端は、電源2の両端に夫々接続されている。コモンモードフィルタ32の第1の巻線32aの一端は、第1のアクロスザラインコンデンサ31の一端に接続されている。コモンモードフィルタ32の第2の巻線32bの一端は、第1のアクロスザラインコンデンサ31の他端に接続されている。第2のアクロスザラインコンデンサ33の一端は、コモンモードフィルタ32の第1の巻線32aの他端に接続されている。第2のアクロスザラインコンデンサ33の他端は、コモンモードフィルタ32の第2の巻線32bの他端に接続されている。
Both ends of the first across-the-
コモンモードノイズは、第1の巻線32a及び第2の巻線32bを、同方向に流れる。従って、コア32c内部に発生する磁束も、同方向になり、互いに強め合う。その結果、コモンモードフィルタ32のインピーダンスが、大きくなる。これにより、ノイズフィルタ3は、コモンモードノイズを抑制できる。
The common mode noise flows in the same direction through the first winding 32a and the second winding 32b. Therefore, the magnetic fluxes generated in the
力率改善回路1は、入力電圧Vinが供給される第1の入力端子11及び第2の入力端子12を含む。力率改善回路1は、入力電圧Vinを検出する第1の電圧検出器13を含む。第1の電圧検出器13は、第1の入力端子11と第2の入力端子12との間に接続されている。
Power factor correction circuit 1 includes a first input terminal 11 and the
力率改善回路1は、出力電圧Voutを出力する第1の出力端子14及び第2の出力端子15を含む。力率改善回路1は、出力電圧Voutを平滑するための出力コンデンサC1を含む。出力コンデンサC1は、第1の出力端子14と第2の出力端子15との間に接続されている。また、力率改善回路1は、出力電圧Voutを検出する第2の電圧検出器16を含む。第2の電圧検出器16は、第1の出力端子14と第2の出力端子15との間に接続されている。
The power factor correction circuit 1 includes a
第1の出力端子14と第2の出力端子15との間には、負荷4が、接続されている。負荷4は、出力電圧Voutを異なる直流電圧に変換するDC−DCコンバータが例示されるが、これに限定されない。
A
力率改善回路1は、第1のインダクタL1を含む。第1のインダクタL1の一端は、第1の入力端子11に接続されている。第1のインダクタL1の他端は、第1のノードN1に接続されている。また、力率改善回路1は、第2のインダクタL2を含む。第2のインダクタL2の一端は、第1の入力端子11に接続されている。第2のインダクタL2の他端は、第2のノードN2に接続されている。 Power factor correction circuit 1 includes a first inductor L 1. One end of the first inductor L 1 is connected to the first input terminal 11. The first end of the inductor L 1 is connected to the first node N 1. Moreover, power factor correction circuit 1 includes a second inductor L 2. One end of the second inductor L 2 is connected to the first input terminal 11. The second end of the inductor L 2 is connected to the second node N 2.
力率改善回路1は、第1及び第2のスイッチ素子(例えば、Nチャネル型電界効果トランジスタ(MOSFET))Q1及びQ2を含む。第1のノードN1は、第1のスイッチ素子Q1のソース−ドレイン経路を介して、第1の出力端子14に接続されている。また、第1のノードN1は、第2のスイッチ素子Q2のドレイン−ソース経路を介して、第2の出力端子15に接続されている。
Power factor correction circuit 1 includes first and second switching elements (for example, N-channel field effect transistor (MOSFET)) the Q 1 and Q 2. The first node N 1, the first source of the switch element Q 1 - through the drain path, and is connected to the
第1のインダクタL1、並びに、第1及び第2のスイッチ素子Q1及びQ2が、第1のアーム回路17を構成する。
The first inductor L 1 and the first and second switch elements Q 1 and Q 2 constitute a
第1のアーム回路17は、マスターアームと称されても良いし、スレーブアームと称されても良い。また、本実施の形態では、力率改善回路1が1個の第1のアーム回路17を含むこととしたが、これに限定されない。力率改善回路1は、並列接続され、第1及び第2のゲートパルス信号P1及びP2で制御される、2個以上の第1のアーム回路17を含んでいても良い。
The
また、第1のアーム回路17は、ハイサイドの1個の第1のスイッチ素子Q1を含んでいるが、これに限定されない。第1のアーム回路17は、ソース−ドレイン経路が並列接続され、第1のゲートパルス信号P1で制御される、ハイサイドの2個以上のスイッチ素子を含んでいても良い。また、第1のアーム回路17は、ローサイドの1個の第2のスイッチ素子Q2を含んでいるが、これに限定されない。第1のアーム回路17は、ソース−ドレイン経路が並列接続され、第2のゲートパルス信号P2で制御される、ローサイドの2個以上のスイッチ素子を含んでいても良い。ハイサイドのスイッチ素子の個数と、ローサイドのスイッチ素子の個数は、同数が好適である。
Further, the
力率改善回路1は、第3及び第4のスイッチ素子Q3及びQ4を含む。第2の入力端子12は、第3のスイッチ素子Q3のソース−ドレイン経路を介して、第1の出力端子14に接続されている。また、第2の入力端子12は、第4のスイッチ素子Q4のドレイン−ソース経路を介して、第2の出力端子15に接続されている。
Power factor correction circuit 1 includes a third and fourth switching elements Q 3 and Q 4. The
第3及び第4のスイッチ素子Q3及びQ4が、極性切り替えアーム回路18を構成する。
The third and fourth switch elements Q 3 and Q 4 constitute a polarity
極性切り替えアーム回路18は、ハイサイドの1個の第3のスイッチ素子Q3を含んでいるが、これに限定されない。極性切り替えアーム回路18は、ソース−ドレイン経路が並列接続され、第3のゲートパルス信号P3で制御される、ハイサイドの2個以上のスイッチ素子を含んでいても良い。また、極性切り替えアーム回路18は、ローサイドの1個の第4のスイッチ素子Q4を含んでいるが、これに限定されない。極性切り替えアーム回路18は、ソース−ドレイン経路が並列接続され、第4のゲートパルス信号P4で制御される、ローサイドの2個以上のスイッチ素子を含んでいても良い。ハイサイドのスイッチ素子の個数と、ローサイドのスイッチ素子の個数は、同数が好適である。
Polarity switching
力率改善回路1は、第5及び第6のスイッチ素子Q5及びQ6を含む。第2のノードN2は、第5のスイッチ素子Q5のソース−ドレイン経路を介して、第1の出力端子14に接続されている。また、第2のノードN2は、第6のスイッチ素子Q6のドレイン−ソース経路を介して、第2の出力端子15に接続されている。
Power factor correction circuit 1 includes a switching element Q 5 and Q 6 of the fifth and sixth. The second node N 2 is the fifth source of the switch element Q 5 - through the drain path, and is connected to the
第2のインダクタL2、並びに、第5及び第6のスイッチ素子Q5及びQ6が、第2のアーム回路19を構成する。
The second inductor L 2 and the fifth and sixth switch elements Q 5 and Q 6 constitute a
第2のアーム回路19は、スレーブアームと称されても良いし、マスターアームと称されても良い。また、本実施の形態では、力率改善回路1が1個の第2のアーム回路19を含むこととしたが、これに限定されない。力率改善回路1は、並列接続され、第5及び第6のゲートパルス信号P5及びP6で制御される、2個以上の第2のアーム回路19を含んでいても良い。第2のアーム回路19の個数と、第1のアーム回路17の個数は、同数が好適である。
The
また、第2のアーム回路19は、ハイサイドの1個の第5のスイッチ素子Q5を含んでいるが、これに限定されない。第2のアーム回路19は、ソース−ドレイン経路が並列接続され、第5のゲートパルス信号P5で制御される、ハイサイドの2個以上のスイッチ素子を含んでいても良い。また、第2のアーム回路19は、ローサイドの1個の第6のスイッチ素子Q6を含んでいるが、これに限定されない。第2のアーム回路19は、ソース−ドレイン経路が並列接続され、第6のゲートパルス信号P6で制御される、ローサイドの2個以上のスイッチ素子を含んでいても良い。ハイサイドのスイッチ素子の個数と、ローサイドのスイッチ素子の個数は、同数が好適である。
The
第1の入力端子11に入力される入力電流Iinは、第1のアーム回路17に流れる電流I1と、第2のアーム回路19に流れる電流I2と、の和である。
Input current I in is input to the first input terminal 11, the current I 1 flowing in the
なお、本実施の形態では、第1のスイッチ素子Q1から第6のスイッチ素子Q6までがNチャネル型MOSFETであることとしたが、これに限定されない。第1のスイッチ素子Q1から第6のスイッチ素子Q6までは、シリコンパワーデバイス、GaNパワーデバイス、SiCパワーデバイス、IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)などでも良い。 In this embodiment, although the first switching element Q 1 until the switch element Q 6 of the sixth was to be a N-channel MOSFET, but is not limited thereto. From the first switching element Q 1 until the switch element Q 6 of the sixth, silicon power devices, GaN power devices, SiC power devices, IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor) or the like.
第1のスイッチ素子Q1から第6のスイッチ素子Q6までは、第1の寄生ダイオード(ボディダイオード)D1から第6の寄生ダイオードD6までを、夫々有する。寄生ダイオードとは、MOSFETのバックゲートとソース及びドレインとの間のpn接合である。第1の寄生ダイオードD1から第6の寄生ダイオードD6までは、第1のスイッチ素子Q1から第6のスイッチ素子Q6までのオフ時の過渡的な逆起電力を逃すためのフリーホイールダイオードとして利用可能である。 From the first switching element Q 1 until the switch element Q 6 of the sixth, from the first parasitic diode (body diode) D 1 to the parasitic diode D 6 of the sixth, respectively Yes. The parasitic diode is a pn junction between the back gate and the source and drain of the MOSFET. From the first parasitic diode D 1 to the parasitic diode D 6 of the sixth, freewheel for missing a transient counter electromotive force at the time of off from the first switching element Q 1 until the switch element Q 6 of the sixth It can be used as a diode.
力率改善回路1は、制御部50を含む。制御部50は、CPU(Central Processing Unit)とプログラムを利用して、実現可能である。
The power factor correction circuit 1 includes a
制御部50は、入力電圧Vinの極性に応じて、第1のスイッチ素子Q1から第6のスイッチ素子Q6までのゲート−ソース間の電圧を制御することにより、第1のスイッチ素子Q1から第6のスイッチ素子Q6までのスイッチング動作を制御する。制御部50は、PWM(Pulse Width Modulation)信号である、第1のゲートパルス信号P1から第6のゲートパルス信号P6までを、第1のスイッチ素子Q1から第6のスイッチ素子Q6までのゲートに、夫々出力する。なお、第1のゲートパルス信号P1から第6のゲートパルス信号P6までには、デッドタイムtdが設定されている。デッドタイムtdは、1nsから10ns程度が例示されるが、これに限定されない。
制御部50は、入力電流Iinと閾値Thαとを比較し、入力電流Iinが閾値Thαよりも大きい場合には、第1のアーム回路17及び第2のアーム回路19の両方を動作させる制御を行う。一方、制御部50は、入力電流Iinが閾値Thα以下の場合には、第1のアーム回路17だけ(又は第2のアーム回路19だけ)を動作させる制御を行う。本実施形態においては、第1のアーム回路17及び第2のアーム回路19の両方を動作させる制御を、ダブルアーム制御といい、第1のアーム回路17だけ(又は第2のアーム回路19だけ)を動作させる制御を、シングルアーム制御という。
制御部50は、係数記憶部51と、ピーク入力電流計算部52と、閾値計算部53と、判定部54と、駆動部55と、を含む。
The
係数記憶部51は、閾値Thαを計算するための係数αを記憶する。係数αは、有線通信又は無線通信経由で書き換え可能であっても良い。係数αは、0.5が例示されるが、これに限定されない。
The
入力電圧Vinの瞬時電圧と、ダブルアーム制御を行う場合の第1、第2、第5及び第6のスイッチ素子Q1、Q2、Q5及びQ6の、1周期の中でのオン時間Ton−dと、の積は、入力電流Iinを表す指標値として使用できる。
The instantaneous voltage of the input voltage V in, the first, the second, switching element to Q 1 fifth and 6,
そこで、ピーク入力電流計算部52は、入力電圧Vinの瞬時電圧と、オン時間Ton−dと、に基づいて、入力電流Iinのピーク値Iin−pを計算する。
Therefore, the peak input
閾値計算部53は、入力電流Iinのピーク値Iin−pと、係数αと、の積により、閾値Thαを計算する。係数αが0.5に設定されている場合には、閾値Thαは、入力電流Iinのピーク値Iin−pの1/2になる。
The threshold
なお、係数αは、第2のアクロスザラインコンデンサ33の能力に応じて設定されると、好ましい。例えば、第2のアクロスザラインコンデンサ33の静電容量が大きければ大きいほど、第2のアクロスザラインコンデンサ33の電圧リップルは小さくなる。つまり、第2のアクロスザラインコンデンサ33の静電容量が大きければ大きいほど、入力電流Iinの電流リップルが大きくても、第2のアクロスザラインコンデンサ33の電圧リップルが小さく抑制される。従って、第2のアクロスザラインコンデンサ33の静電容量が大きければ大きいほど、係数αを大きく設定することが可能である。
The coefficient α is preferably set according to the capability of the second across the
また、第2のアクロスザラインコンデンサ33の耐圧が大きければ大きいほど、第2のアクロスザラインコンデンサ33は、大きな電圧リップルに耐えられる。つまり、第2のアクロスザラインコンデンサ33の耐圧が大きければ大きいほど、入力電流Iinの電流リップルが大きくても、第2のアクロスザラインコンデンサ33は、電圧リップルに耐えられる。従って、第2のアクロスザラインコンデンサ33の耐圧が大きければ大きいほど、係数αを大きく設定することが可能である。
Further, the higher the withstand voltage of the second across the
従って、例えば、係数αは、0.5をベース値とし、第2のアクロスザラインコンデンサ33の静電容量又は耐圧が大きいほど大きく設定され、第2のアクロスザラインコンデンサ33の静電容量又は耐圧が小さいほど小さく設定されることが、可能である。
Therefore, for example, the coefficient α is set to be larger as the capacitance or withstand voltage of the second across the
判定部54は、入力電圧Vinの瞬時電圧と、オン時間Ton−dと、に基づいて、現在の入力電流Iinを計算する。そして、判定部54は、入力電流Iinと閾値Thαとを比較し、入力電流Iinが閾値Thαよりも大きい場合には、ダブルアーム制御を駆動部55に行わせるための、ローレベルの判定信号S1を駆動部55に出力する。一方、判定部54は、入力電流Iinが閾値Thα以下の場合には、シングルアーム制御を駆動部55に行わせるための、ハイレベルの判定信号S1を駆動部55に出力する。
The
なお、本実施の形態では、ピーク入力電流計算部52及び判定部54が、第1の電圧検出器13で検出された入力電圧Vinとオン時間Ton−dとに基づいて、入力電流Iinを計算することとしたが、これに限定されない。力率改善回路1は、入力電流Iinを検出する電流検出器を備えても良い。本実施の形態では、ピーク入力電流計算部52及び判定部54が、第1の電圧検出器13で検出された入力電圧Vinとオン時間Ton−dとに基づいて、入力電流Iinを計算することとした理由は、次の通りである。
In this embodiment, the peak input
駆動部55が第1、第2、第5及び第6のゲートパルス信号P1、P2、P5及びP6を計算するために、力率改善回路1は、第1の電圧検出器13及び第2の電圧検出器16を備える必要がある。従って、ピーク入力電流計算部52及び判定部54が、第1の電圧検出器13で検出された入力電圧Vinとオン時間Ton−dとに基づいて、入力電流を計算することとすれば、新たなハードウェア(電流検出器)の追加が不要になるからである。
In order for the
駆動部55は、判定部54から供給される判定信号S1がローレベルの場合には、ダブルアーム制御を行う。駆動部55は、判定信号S1がハイレベルの場合には、シングルアーム制御を行う。
駆動部55は、ダブルアーム制御及びシングルアーム制御のいずれの場合にも、出力電圧Voutが目標電圧(400V)になるように、第1のスイッチ素子Q1から第6のスイッチ素子Q6までを制御する。
駆動部55は、ダブルアーム制御を行う場合は、第1の電圧検出器13で検出された入力電圧Vinと、第2の電圧検出器16で検出された出力電圧Voutと、に基づいて、第1、第2、第5及び第6のゲートパルス信号P1、P2、P5及びP6の周波数(スイッチング周波数)と、オン時間Ton−dと、第1のアーム回路17と第2のアーム回路19との位相差時間tdiffと、を計算する。駆動部55は、計算した周波数と、オン時間Ton−dと、位相差時間tdiffと、に基づいて、第1、第2、第5及び第6のゲートパルス信号P1、P2、P5及びP6を、第1、第2、第5及び第6のスイッチ素子Q1、Q2、Q5及びQ6のゲートに、夫々出力する。
駆動部55は、シングルアーム制御を行う場合は、第1の電圧検出器13で検出された入力電圧Vinと、第2の電圧検出器16で検出された出力電圧Voutと、に基づいて、第1及び第2のゲートパルス信号P1及びP2の周波数(スイッチング周波数)と、オン時間Ton−sと、を計算する。
駆動部55は、シングルアーム制御を行うシングルアーム制御期間における、第1のスイッチ素子Q1及び第2のスイッチ素子Q2のオン時間Ton−sを、シングルアーム制御期間においてダブルアーム制御を行うと仮定した場合の、第1のスイッチ素子Q1及び第2のスイッチ素子Q2のオン時間Ton−dの2倍にする。つまり、駆動部55は、Ton−s=2・Ton−dとする。これは、ダブルアーム制御を行う場合には、第1のアーム回路17及び第2のアーム回路19の2個のアーム回路が電力変換を担うところ、シングルアーム制御を行う場合には、第1のアーム回路17だけが、電力変換を担わなければならないからである。つまり、シングルアーム制御を行う場合は、第1のアーム回路17は、ダブルアーム制御を行う場合の2倍の電力変換を行わなければならないからである。駆動部55は、計算した周波数と、オン時間Ton−sと、に基づいて、第1及び第2のゲートパルス信号P1及びP2を、第1及び第2のスイッチ素子Q1及びQ2のゲートに、夫々出力する。
Driving
制御部50のダブルアーム制御時の動作について、説明する。
The operation of the
制御部50は、入力電圧Vinの極性が正相である場合には、極性切り替えアーム回路18内の第3のスイッチ素子Q3をオフし且つ第4のスイッチ素子Q4をオンする。
そして、制御部50は、第3のスイッチ素子Q3をオフし且つ第4のスイッチ素子Q4をオンした状態で、第1及び第2のスイッチ素子Q1及びQ2を相補的にオン/オフを切り替えるように制御しつつ、第5及び第6のスイッチ素子Q5及びQ6を相補的にオン/オフを切り替えるように制御する。
Then, the
例えば、制御部50は、入力電圧Vinが正相である場合において、第2、第4及び第6のスイッチ素子Q2、Q4及びQ6をオンし且つ第1、第3及び第5のスイッチ素子Q1、Q3及びQ5をオフした第1の状態から、第2のスイッチ素子Q2をオフし且つ第1のスイッチ素子Q1をオンした第2の状態に制御する。
For example, the
さらに、制御部50は、第2の状態に制御した後、第2の状態から、第6のスイッチ素子Q6をオフした第3の状態に制御する。
Further, the
そして、制御部50は、第3の状態に制御した後、第3の状態から、第5のスイッチ素子Q5をオンした第4の状態に制御する。
And after controlling to the 3rd state, control
また、制御部50は、第4の状態に制御した後、第4の状態から、第1のスイッチ素子Q1をオフした第5の状態に制御する。
The
そして、制御部50は、第5の状態に制御した後、第5の状態から、第2のスイッチ素子Q2をオンした第6の状態に制御する。
And after controlling to the 5th state, control
また、制御部50は、第6の状態に制御した後、第6の状態から、第5のスイッチ素子Q5をオフした第7の状態に制御する。
Further, after controlling to the sixth state, the
そして、制御部50は、第7の状態に制御した後、第7の状態から、第6のスイッチ素子Q6をオンした第8の状態に制御する。
And after controlling to the 7th state, control
また、制御部50は、第8の状態に制御した後、第8の状態から、第2のスイッチ素子Q2をオフした第9の状態に制御する。
Further, after controlling to the eighth state, the
そして、制御部50は、第9の状態に制御した後、第9の状態から、第1のスイッチ素子Q1をオンした第10の状態に制御する。
Then, after controlling to the ninth state, the
以上の制御により、入力電圧Vinの極性が正相である場合には、電流I1及びI2が、第4のスイッチ素子Q4を介して、第2の入力端子12に流れることとなる。
By the control described above, when the polarity of the input voltage V in is positive phase, the current I 1 and I 2 are applied through the fourth switching element Q 4, will flow to the
一方、制御部50は、入力電圧Vinの極性が逆相である場合には、極性切り替えアーム回路18内の第3のスイッチ素子Q3をオンし且つ第4のスイッチ素子Q4をオフする。
On the other hand, the
そして、制御部50は、第3のスイッチ素子Q3をオンし且つ第4のスイッチ素子Q4をオフした状態で、第1及び第2のスイッチ素子Q1及びQ2を相補的にオン/オフを切り替えるように制御しつつ、第5及び第6のスイッチ素子Q5及びQ6を相補的にオン/オフを切り替えるように制御する。
Then, the
この制御により、入力電圧Vinの極性が逆相である場合には、電流I1及びI2が、第3のスイッチ素子Q3を介して第1の入力端子11に流れることとなる。 This control, when the polarity of the input voltage V in is reversed phase, currents I 1 and I 2 is allowed to flow to the first input terminal 11 via a third switching element Q 3.
なお、入力電圧Vinの極性が逆相である場合の、第1及び第2のスイッチ素子Q1及びQ2を相補的にオン/オフを切り替えるように制御しつつ、第5及び第6のスイッチ素子Q5及びQ6を相補的にオン/オフを切り替えるように制御する具体的な動作は、上述の入力電圧Vinが正相である場合の第1の状態から第10の状態までの制御と同様である。 The polarity of the input voltage V in when it is reversed phase, while controlling to switch complementarily turned on / off first and second switching elements Q 1 and Q 2, the fifth and sixth specific operations for controlling to switch complementarily turned on / off the switch element Q 5 and Q 6 from a first state when the input voltage V in the above are positive-phase up to the 10 state It is the same as the control.
図2は、第1の実施の形態の力率改善回路の動作波形の一例を示す図である。図2は、入力電圧Vinの極性が正相である場合の、力率改善回路1のダブルアーム制御時の動作波形の一例を示す図である。 FIG. 2 is a diagram illustrating an example of operation waveforms of the power factor correction circuit according to the first embodiment. 2, when the polarity of the input voltage V in is positive phase is a diagram illustrating an example of operation waveforms at the time of double-arm control of the power factor correction circuit 1.
制御部50は、入力電圧Vinが正相である場合において、第2、第4及び第6のスイッチ素子Q2、Q4及びQ6をオンし且つ第1、第3及び第5のスイッチ素子Q1、Q3及びQ5をオフした第1の状態に制御する。次に、制御部50は、タイミングt1において、第2のスイッチ素子Q2をオフする。次に、制御部50は、タイミングt1からデッドタイムtd経過後のタイミングt2において、第1のスイッチ素子Q1をオンした第2の状態に制御する。
次に、制御部50は、タイミングt3において、第2の状態から、第6のスイッチ素子Q6をオフした第3の状態に制御する。次に、制御部50は、タイミングt3からデッドタイムtd経過後のタイミングt4において、第5のスイッチ素子Q5をオンした第4の状態に制御する。タイミングt2からタイミングt4までの期間が、第1のアーム回路17と第2のアーム回路19との間の位相差時間tdiffである。
Next, the
次に、制御部50は、タイミングt5において、第4の状態から、第1のスイッチ素子Q1をオフした第5の状態に制御する。タイミングt2からタイミングt5までの期間が、オン時間Ton−dである。次に、制御部50は、タイミングt5からデッドタイムtd経過後のタイミングt6において、第2のスイッチ素子Q2をオンした第6の状態に制御する。次に、制御部50は、タイミングt7において、第6の状態から、第5のスイッチ素子Q5をオフした第7の状態に制御する。タイミングt4からタイミングt7までの期間が、オン時間Ton−dである。
Next, the
次に、制御部50は、タイミングt7からデッドタイムtd経過後のタイミングt8において、第7の状態から、第6のスイッチ素子Q6をオンした第8の状態に制御する。次に、制御部50は、タイミングt9において、第8の状態から、第2のスイッチ素子Q2をオフした第9の状態に制御する。タイミングt6からタイミングt9までの期間が、オン時間Ton−dである。次に、制御部50は、タイミングt9からデッドタイムtd経過後のタイミングt10において、第9の状態から、第1のスイッチ素子Q1をオンした第10の状態に制御する。
Next, the
制御部50は、以降同様の制御を実行する。
Thereafter, the
なお、第2のスイッチ素子Q2を制御するための第2のゲートパルス信号P2の位相と、第6のスイッチ素子Q6を制御するための第6のゲートパルス信号P6の位相とは、位相差時間tdiffだけずれている。同様に、第1のスイッチ素子Q1を制御するための第1のゲートパルス信号P1の位相と、第5のスイッチ素子Q5を制御するための第5のゲートパルス信号P5の位相とは、位相差時間tdiffだけずれている。 Note that the second gate pulse signals P 2 phases for controlling the second switching element Q 2, the phase and the sixth switch element Q 6 gate pulse signal P 6 of the sixth to control the And the phase difference time t diff . Similarly, the phase of the first gate pulse signal P 1 for controlling the first switch element Q 1 and the phase of the fifth gate pulse signal P 5 for controlling the fifth switch element Q 5 Is shifted by the phase difference time t diff .
制御部50のシングルアーム制御時の動作について、説明する。
An operation during single arm control of the
第1のアーム回路17は、昇圧チョッパ回路と同様の回路構成を有する。従って、力率改善回路1は、シングルアーム制御の場合には、昇圧チョッパ回路と同様の動作を行う。
The
具体的には、制御部50は、入力電圧Vinの極性が正相である場合には、極性切り替えアーム回路18内の第3のスイッチ素子Q3をオフし且つ第4のスイッチ素子Q4をオンする。
More specifically, the
そして、制御部50は、第3のスイッチ素子Q3をオフし且つ第4のスイッチ素子Q4をオンした状態で、第1及び第2のスイッチ素子Q1及びQ2を相補的にオン/オフを切り替えるように制御する。
Then, the
例えば、制御部50は、入力電圧Vinが正相である場合において、第2及び第4のスイッチ素子Q2及びQ4をオンし且つ第1、第3、第5及び第6のスイッチ素子Q1、Q3、Q5及びQ6をオフした第1の状態から、第2のスイッチ素子Q2をオフし且つ第1のスイッチ素子Q1をオンした第2の状態に制御する。
For example, the
さらに、制御部50は、第2の状態に制御した後、第2の状態から、第1のスイッチ素子Q1をオフした第3の状態に制御する。そして、制御部50は、第3の状態に制御した後、第3の状態から、第2のスイッチ素子Q2をオンした第4の状態に制御する。また、制御部50は、第4の状態に制御した後、第4の状態から、第2のスイッチ素子Q2をオフした第5の状態に制御する。
Further, the
以上の制御により、入力電圧Vinの極性が正相である場合には、電流I1が、第4のスイッチ素子Q4を介して、第2の入力端子12に流れることとなる。
By the control described above, when the polarity of the input voltage V in is positive phase current I 1 through the fourth switching element Q 4, will flow to the
一方、制御部50は、入力電圧Vinの極性が逆相である場合には、極性切り替えアーム回路18内の第3のスイッチ素子Q3をオンし且つ第4のスイッチ素子Q4をオフする。
On the other hand, the
そして、制御部50は、第3のスイッチ素子Q3をオンし且つ第4のスイッチ素子Q4をオフした状態で、第1及び第2のスイッチ素子Q1及びQ2を相補的にオン/オフを切り替えるように制御する。
Then, the
この制御により、入力電圧Vinの極性が逆相である場合には、電流I1が、第3のスイッチ素子Q3を介して第1の入力端子11に流れることとなる。 This control, when the polarity of the input voltage V in the reverse phase, the current I 1 is allowed to flow to the first input terminal 11 via a third switching element Q 3.
なお、入力電圧Vinの極性が逆相である場合の、第1及び第2のスイッチ素子Q1及びQ2を相補的にオン/オフを切り替えるように制御する具体的な動作は、上述の入力電圧Vinが正相である場合の第1の状態から第5の状態までの制御と同様である。 The polarity of the input voltage V in when it is reversed phase, specific operation of controlling so that the first and second switching elements Q 1 and Q 2 switches the complementarily turned on / off, the above input voltage V in is the same as the control from the first state when a positive phase to a fifth state.
図3は、比較例の力率改善回路の動作波形の一例を示す図である。図3は、入力電圧Vinの極性が正相の期間81の全部でダブルアーム制御を行う場合の、力率改善回路1の動作波形の一例を示す図である。
FIG. 3 is a diagram illustrating an example of operation waveforms of the power factor correction circuit of the comparative example. FIG. 3 is a diagram illustrating an example of an operation waveform of the power factor correction circuit 1 when the double arm control is performed in the
入力電圧Vinの極性が正相の期間81でダブルアーム制御を行う場合には、第1のアーム回路17を流れる電流I1の包絡線及び第2のアーム回路19を流れる電流I2の包絡線は、正弦波状になる。
When the double arm control is performed in the
図4は、第1の実施の形態の力率改善回路の動作波形の一例を示す図である。図4は、入力電圧Vinの極性が正相である場合の、力率改善回路1の動作波形の一例を示す図である。 FIG. 4 is a diagram illustrating an example of operation waveforms of the power factor correction circuit according to the first embodiment. 4, when the polarity of the input voltage V in is positive phase is a diagram illustrating an example of operation waveforms of the power factor correction circuit 1.
係数αが0.5に設定されている場合には、入力電流Iinが、入力電流Iinのピーク値Iin−pの1/2より大きい期間72が、ダブルアーム制御を行う期間である。そして、入力電流Iinが、入力電流Iinのピーク値Iin−pの1/2以下の期間71及び73が、シングルアーム制御を行う期間である。
When the coefficient α is set to 0.5, a
期間72では、制御部50は、ダブルアーム制御を行う。従って、期間72では、電流I1及びI2の波形は、比較例(図3参照)と同様である。
In the
期間71及び73では、制御部50は、第1のアーム回路17だけを動作させ、第2のアーム回路19を動作させない。従って、期間71及び73では、第2のアーム回路19を流れる電流I2は、0である。一方、期間71及び73では、第1のアーム回路17は、第2のアーム回路19の分まで電力変換を担わなければならない。また、期間71及び73では、Ton−s=2・Ton−dである。従って、期間71及び73では、第1のアーム回路17を流れる電流I1は、比較例(図3参照)の同じ期間の電流I1の概ね2倍になる。
In the
上記の通り、力率改善回路1は、入力電流Iinが閾値Thより大きい領域では、ダブルアーム制御を行う。 As described above, the power factor correction circuit 1 performs double arm control in a region where the input current I in is larger than the threshold Th.
入力電流Iinが閾値Thより大きい領域では、電流I1及びI2が大きいので、電流I1及びI2が互いに打ち消し合うメリットが大きい。 Since the currents I 1 and I 2 are large in the region where the input current I in is larger than the threshold Th, there is a great merit that the currents I 1 and I 2 cancel each other.
また、入力電圧Vinが大きい領域では、入力電圧Vinを出力電圧Voutに昇圧する昇圧量が小さいので、第1、第2、第5及び第6のスイッチ素子Q1、Q2、Q5及びQ6を長い周期、つまり低いスイッチング周波数でスイッチングさせれば足りる。第1、第2、第5及び第6のスイッチ素子Q1、Q2、Q5及びQ6のスイッチング周期が長いと、制御部50の制御負担のデメリットが小さい。
Further, in a region input voltage V in is large, the increased amount of pressure for boosting the input voltage V in to an output voltage V out is small, the first, second, switching element to Q 1 fifth and 6, Q 2, Q It is sufficient to switch 5 and Q 6 with a long period, that is, with a low switching frequency. When the switching cycle of the first, second, fifth and sixth switch elements Q 1 , Q 2 , Q 5 and Q 6 is long, the demerit of the control burden of the
また、第1、第2、第5及び第6のスイッチ素子Q1、Q2、Q5及びQ6のスイッチング周期が長いと、第1、第2、第5及び第6のスイッチ素子Q1、Q2、Q5及びQ6のスイッチング損失及びゲート駆動損失の絶対量が少ない。加えて、入力電圧Vinが大きい領域は、変換電力が大きい領域である。そのため、変換電力に対する、第1、第2、第5及び第6のスイッチ素子Q1、Q2、Q5及びQ6のスイッチング損失及びゲート駆動損失の割合が低い。即ち、電力効率低下のデメリットが小さい。 Further, if the switching cycle of the first, second, fifth and sixth switch elements Q 1 , Q 2 , Q 5 and Q 6 is long, the first, second, fifth and sixth switch elements Q 1 , Q 2 , Q 5 and Q 6 have a small absolute amount of switching loss and gate driving loss. In addition, the area input voltage V in is high, the conversion power is large area. Therefore, the ratio of the switching loss and gate drive loss of the first, second, fifth and sixth switch elements Q 1 , Q 2 , Q 5 and Q 6 to the converted power is low. That is, the demerit of power efficiency reduction is small.
従って、力率改善回路1は、入力電流Iinが閾値Thより大きい領域では、ダブルアーム制御を行うことにより、第2のアクロスザラインコンデンサ33及び出力コンデンサC1のリップル電流を低減でき、電力効率改善を図ることが可能である。
Therefore, the power factor correction circuit 1, the input current I in is the threshold Th larger area, by performing the double-arm control can reduce the second across-the Line ripple current of the
力率改善回路1は、入力電流Iinが閾値Th以下の領域では、シングルアーム制御を行う。 The power factor correction circuit 1 performs single arm control in a region where the input current I in is equal to or less than the threshold Th.
入力電流Iinが閾値Th以下の領域、つまり、入力電圧Vinのゼロクロス付近では、電流I1及びI2が小さいので、電流I1及びI2が互いに打ち消し合うメリットが小さい。 Input current I in is the threshold Th or less of the area, that is, in the vicinity of the zero crossing of the input voltage V in, the current I 1 and I 2 is small, a small advantage that the current I 1 and I 2 cancel each other.
また、入力電圧Vinのゼロクロス付近では、入力電圧Vinを出力電圧Voutに昇圧する昇圧量が大きいので、第1、第2、第5及び第6のスイッチ素子Q1、Q2、Q5及びQ6を短い周期でスイッチングさせる必要がある。第1、第2、第5及び第6のスイッチ素子Q1、Q2、Q5及びQ6のスイッチング周期が短いと、制御部50の制御負担が大きいというデメリットがある。
Further, in the vicinity of the zero crossing of the input voltage V in, since a large step-up amount for boosting the input voltage V in to an output voltage V out, first, second, switching element to Q 1 fifth and 6, Q 2, Q it is necessary to switch the 5 and Q 6 in a short cycle. If the switching cycle of the first, second, fifth and sixth switch elements Q 1 , Q 2 , Q 5 and Q 6 is short, there is a demerit that the control load of the
また、第1、第2、第5及び第6のスイッチ素子Q1、Q2、Q5及びQ6のスイッチング周期が短いと、第1、第2、第5及び第6のスイッチ素子Q1、Q2、Q5及びQ6のスイッチング損失及びゲート駆動損失の絶対量が多い。加えて、入力電圧Vinのゼロクロス付近は、変換電力が小さい領域である。そのため、変換電力に対する、第1、第2、第5及び第6のスイッチ素子Q1、Q2、Q5及びQ6のスイッチング損失及びゲート駆動損失の割合が高い。即ち、電力効率低下のデメリットが大きい。 When the switching cycle of the first, second, fifth, and sixth switch elements Q 1 , Q 2 , Q 5, and Q 6 is short, the first, second, fifth, and sixth switch elements Q 1 , Q 2 , Q 5 and Q 6 have a large amount of switching loss and gate drive loss. In addition, near the zero crossing of the input voltage V in is an area conversion power is small. Therefore, the ratio of the switching loss and gate drive loss of the first, second, fifth and sixth switch elements Q 1 , Q 2 , Q 5 and Q 6 to the converted power is high. That is, the demerit of power efficiency reduction is great.
従って、力率改善回路1は、入力電流Iinが閾値Th以下の領域では、シングルアーム制御を行うことにより、第5及び第6のスイッチ素子Q5及びQ6のスイッチング動作を抑制して、第5及び第6のスイッチ素子Q5及びQ6のスイッチング損失及びゲート駆動損失を抑制することにより、電力効率改善を図ることが可能である。 Therefore, the power factor correction circuit 1, the input current I in is the threshold Th or less of the area, by performing a single-arm control, to suppress the switching operation of the switching element Q 5 and Q 6 of the fifth and sixth, by suppressing the switching loss and the gate drive loss of the fifth and the switch element Q 5 and Q 6 of the sixth, it is possible to achieve power efficiency.
また、係数αが0.5に設定されている場合には、シングルアーム制御を行う期間(期間71と期間73との和)と、ダブルアーム制御を行う期間(期間72)と、の比率が、概ね1:1になる。これにより、シングルアーム制御のメリット及びデメリットと、ダブルアーム制御のメリット及びデメリットと、のバランスが好適になる。
When the coefficient α is set to 0.5, the ratio between the period for performing single arm control (sum of
なお、制御部50は、入力電圧Vinの極性が正極性であり且つシングルアーム制御を行う場合には、第1のアーム回路17だけを動作させ、入力電圧Vinの極性が逆極性であり且つシングルアーム制御を行う場合には、第2のアーム回路19だけを動作させても良い。これにより、力率改善回路1は、第1のアーム回路17の発熱と、第2のアーム回路19の発熱と、の偏りを抑制できる。
The
(第2の実施の形態)
第1の実施の形態では、出力電圧Voutの目標電圧を400Vとした。しかしながら、出力電圧Voutの目標電圧が変わる場合が考えられる。例えば、負荷4が、通常動作時には400Vを要求するが、低電圧(低消費電力)動作時(例えば、スリープモード時)には390Vを要求する場合がある。
(Second Embodiment)
In the first embodiment, the target voltage of the output voltage Vout is 400V. However, there may be a case where the target voltage of the output voltage Vout changes. For example, the
第2の実施の形態では、出力電圧Voutの目標電圧が、第1の目標電圧(例えば、400V)と、第2の目標電圧(例えば、390V)と、に変わるものとする。 In the second embodiment, the target voltage of the output voltage V out is changed to a first target voltage (for example, 400 V) and a second target voltage (for example, 390 V).
図5は、第2の実施の形態の力率改善回路の回路構成を示す図である。なお、第1の実施の形態と同じ構成要素には、同じ参照符号を付して、説明を省略する。 FIG. 5 is a diagram illustrating a circuit configuration of the power factor correction circuit according to the second embodiment. The same constituent elements as those in the first embodiment are denoted by the same reference numerals, and description thereof is omitted.
力率改善回路1Aは、第1の実施の形態の制御部50に代えて、制御部50Aを含む。制御部50Aは、係数記憶部51Aと、ピーク入力電流計算部52と、閾値計算部53Aと、判定部54Aと、駆動部55Aと、出力電圧閾値記憶部56と、を含む。
The power
係数記憶部51Aは、閾値Thα及びThβを計算するための係数α及びβを記憶する。係数α及びβは、有線通信又は無線通信経由で書き換え可能であっても良い。係数αは、0.5が例示されるが、これに限定されない。係数βは、0.4が例示されるが、これに限定されない。
The
第2の目標電圧(390V)が第1の目標電圧(400V)よりも低い場合には、係数βは、係数αよりも小さいことが好ましい。第2の目標電圧(例えば、410V)が第1の目標電圧(400V)よりも高い場合には、係数βは、係数αよりも大きいことが好ましい。 When the second target voltage (390V) is lower than the first target voltage (400V), the coefficient β is preferably smaller than the coefficient α. When the second target voltage (for example, 410V) is higher than the first target voltage (400V), the coefficient β is preferably larger than the coefficient α.
閾値計算部53Aは、入力電流のピーク値Iin−pと、係数αと、の積により、閾値Thαを計算する。また、閾値計算部53Aは、入力電流のピーク値Iin−pと、係数βと、の積により、閾値Thβを計算する。
The threshold
出力電圧閾値記憶部56は、出力電圧Voutの閾値Vthを記憶する。閾値Vthは、有線通信又は無線通信経由で書き換え可能であっても良い。閾値Vthは、第1の目標電圧(400V)と、第2の目標電圧(390V)と、の間の値である。例えば、閾値Vthは、395Vが例示されるが、これに限定されない。閾値Vthは、394Vや396Vであっても良い。
The output voltage
判定部54Aは、出力電圧Voutと、閾値Vthと、を比較する。判定部54Aは、出力電圧Voutが閾値Vthより大きい場合は、閾値Thα及びThβの内の閾値Thαを選択する。判定部54Aは、出力電圧Voutが閾値Vth以下である場合は、閾値Thα及びThβの内の閾値Thβを選択する。
The
判定部54Aは、入力電圧Vinの瞬時電圧と、オン時間Ton−dと、に基づいて、現在の入力電流Iinを計算する。そして、判定部54Aは、入力電流Iinと、閾値Thα及びThβの内の選択した閾値と、を比較する。判定部54Aは、入力電流Iinが選択した閾値よりも大きい場合には、ダブルアーム制御を駆動部55Aに行わせるための、ローレベルの判定信号S1を駆動部55Aに出力する。一方、判定部54Aは、入力電流Iinが選択した閾値以下の場合には、シングルアーム制御を駆動部55Aに行わせるための、ハイレベルの判定信号S1を駆動部55Aに出力する。
駆動部55Aには、目標電圧を指定する信号S2が供給される。信号S2がローレベルの場合には、第1の目標電圧(400V)が指定される。信号S2がハイレベルの場合には、第2の目標電圧(390V)が指定される。
The
駆動部55Aは、ダブルアーム制御及びシングルアーム制御のいずれの場合にも、出力電圧Voutが第1の目標電圧(400V)又は第2の目標電圧(390V)になるように、第1のスイッチ素子Q1から第6のスイッチ素子Q6までを制御する。駆動部55Aの具体的な制御内容は、第1の実施の形態の駆動部55と同様であるので、説明を省略する。
The
第2の目標電圧(390V)が指定され、出力電圧Voutが低下した場合に、第1の目標電圧(400V)の場合の閾値Thαが使用されると、シングルアーム制御期間(図4の期間71及び73参照)は変わらないのに対し、ダブルアーム制御期間(図4の期間72参照)が短くなってしまい、ダブルアーム制御のメリットが減少してしまう。
When the second target voltage (390V) is specified and the output voltage Vout decreases, the threshold Thα for the first target voltage (400V) is used, and the single arm control period (period of FIG. 4) is used. 71 and 73) are not changed, but the double arm control period (see
そこで、力率改善回路1Aは、2個の係数α及びβを記憶し、出力電圧Voutに応じて、係数α及びβの内の一方を選択する。これにより、力率改善回路1Aは、シングルアーム制御期間(図4の期間71及び73参照)と、ダブルアーム制御期間(図4の期間72参照)と、のバランスを調整することができる。これにより、力率改善回路1Aは、ダブルアーム制御のメリットが減少してしまうことを抑制できる。
Therefore, the power
本発明のいくつかの実施の形態を説明したが、これらの実施の形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら実施の形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施の形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると同様に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれるものである。 Although several embodiments of the present invention have been described, these embodiments are presented as examples and are not intended to limit the scope of the invention. These embodiments can be implemented in various other forms, and various omissions, replacements, and changes can be made without departing from the spirit of the invention. These embodiments and modifications thereof are included in the invention described in the claims and equivalents thereof as well as included in the scope and gist of the invention.
1、1A 力率改善回路
2 電源
3 ノイズフィルタ
4 負荷
11 第1の入力端子
12 第2の入力端子
13 第1の電圧検出器
14 第1の出力端子
15 第2の出力端子
16 第2の電圧検出器
17 第1のアーム回路
18 極性切り替えアーム回路
19 第2のアーム回路
50、50A 制御部
51、51A 係数記憶部
52 ピーク入力電流計算部
53、53A 閾値計算部
54、54A 判定部
55、55A 駆動部
56 出力電圧閾値記憶部
L1 第1のインダクタ
L2 第2のインダクタ
Q1 第1のスイッチ素子
Q2 第2のスイッチ素子
Q3 第3のスイッチ素子
Q4 第4のスイッチ素子
Q5 第5のスイッチ素子
Q6 第6のスイッチ素子
C1 出力コンデンサ
N1 第1のノード
N2 第2のノード
DESCRIPTION OF
Claims (8)
直流電圧を出力する一対の第1の出力端子及び第2の出力端子と、
前記第1の出力端子と前記第2の出力端子との間に接続された出力コンデンサと、
前記第1の入力端子と第1のノードとの間に接続された第1のインダクタ、前記第1のノードと前記第1の出力端子との間に接続された第1のスイッチ素子、及び、前記第1のノードと前記第2の出力端子との間に接続された第2のスイッチ素子を少なくとも有する1以上の第1のアーム回路と、
前記第2の入力端子と前記第1の出力端子との間に接続された第3のスイッチ素子、及び、前記第2の入力端子と前記第2の出力端子との間に接続された第4のスイッチ素子を少なくとも有する極性切り替えアームと、
前記第1の入力端子と第2のノードとの間に接続された第2のインダクタ、前記第2のノードと前記第1の出力端子との間に接続された第5のスイッチ素子、及び、前記第2のノードと前記第2の出力端子との間に接続された第6のスイッチ素子を少なくとも有する1以上の第2のアーム回路と、
前記交流電圧の極性に応じて、前記第1のスイッチ素子から第6のスイッチ素子までのスイッチング動作を制御する制御部と、
を備え、
前記制御部は、
前記第1の入力端子に入力される入力電流と閾値とを比較し、前記入力電流が前記閾値よりも大きい場合には、前記第1のアーム回路及び前記第2のアーム回路の両方を動作させるダブルアーム制御を行い、前記入力電流が前記閾値以下の場合には、前記第1のアーム回路だけを動作させるシングルアーム制御を行う、
ことを特徴とする、力率改善回路。 A pair of first and second input terminals to which an alternating voltage is input;
A pair of first and second output terminals that output a DC voltage;
An output capacitor connected between the first output terminal and the second output terminal;
A first inductor connected between the first input terminal and a first node; a first switch element connected between the first node and the first output terminal; and One or more first arm circuits having at least a second switch element connected between the first node and the second output terminal;
A third switch element connected between the second input terminal and the first output terminal; and a fourth switch element connected between the second input terminal and the second output terminal. A polarity switching arm having at least a switching element;
A second inductor connected between the first input terminal and a second node; a fifth switch element connected between the second node and the first output terminal; and One or more second arm circuits having at least a sixth switch element connected between the second node and the second output terminal;
A control unit that controls a switching operation from the first switch element to the sixth switch element according to the polarity of the AC voltage;
With
The controller is
An input current input to the first input terminal is compared with a threshold value, and if the input current is larger than the threshold value, both the first arm circuit and the second arm circuit are operated. Double arm control is performed, and when the input current is less than or equal to the threshold value, single arm control for operating only the first arm circuit is performed.
A power factor correction circuit characterized by that.
前記シングルアーム制御を行うシングルアーム制御期間における、前記第1のスイッチ素子及び前記第2のスイッチ素子のオン時間を、前記シングルアーム制御期間において前記ダブルアーム制御を行うと仮定した場合の、前記第1のスイッチ素子及び前記第2のスイッチ素子のオン時間の2倍にする、
ことを特徴とする、請求項1に記載の力率改善回路。 The controller is
When the on-time of the first switch element and the second switch element in the single arm control period in which the single arm control is performed is assumed to be performed in the single arm control period, the second arm control is performed. 2 times the on-time of one switch element and the second switch element,
The power factor correction circuit according to claim 1, wherein:
前記交流電圧の瞬時電圧と、前記ダブルアーム制御を行う場合の前記第1のスイッチ素子及び前記第2のスイッチ素子のオン時間と、に基づいて、前記入力電流のピーク値を計算し、
前記入力電流のピーク値と、予め定められた係数と、の積により、前記閾値を計算する、
ことを特徴とする、請求項1又は2に記載の力率改善回路。 The controller is
Based on the instantaneous voltage of the AC voltage and the ON time of the first switch element and the second switch element when performing the double arm control, the peak value of the input current is calculated,
The threshold value is calculated by a product of a peak value of the input current and a predetermined coefficient.
The power factor correction circuit according to claim 1, wherein the power factor correction circuit according to claim 1.
ことを特徴とする、請求項3に記載の力率改善回路。 The coefficient is 0.5.
The power factor correction circuit according to claim 3, wherein:
前記入力電流のピーク値と、予め定められた複数の係数の各々と、の積により、複数の前記閾値を計算し、
前記直流電圧の値に応じて、複数の前記閾値の内の1つを選択する、
ことを特徴とする、請求項3に記載の力率改善回路。 The controller is
A plurality of the threshold values are calculated by a product of the peak value of the input current and each of a plurality of predetermined coefficients,
Selecting one of the thresholds according to the value of the DC voltage;
The power factor correction circuit according to claim 3, wherein:
前記直流電圧が予め定められた電圧閾値よりも大きい場合には、複数の前記閾値の内の第1の閾値を選択し、前記直流電圧が予め定められた電圧閾値以下の場合には、複数の前記閾値の内の、前記第1の閾値よりも小さい第2の閾値を選択する、
ことを特徴とする、請求項5に記載の力率改善回路。 The controller is
When the DC voltage is greater than a predetermined voltage threshold, a first threshold is selected from the plurality of thresholds, and when the DC voltage is less than or equal to a predetermined voltage threshold, a plurality of Selecting a second threshold value smaller than the first threshold value among the threshold values;
The power factor correction circuit according to claim 5, wherein:
前記交流電圧の極性が正極性であり且つ前記シングルアーム制御を行う場合には、前記第1のアーム回路だけを動作させ、前記交流電圧の極性が逆極性であり且つ前記シングルアーム制御を行う場合には、前記第2のアーム回路だけを動作させる、
ことを特徴とする、請求項1から6のいずれか1項に記載の力率改善回路。 The controller is
When the polarity of the AC voltage is positive and the single arm control is performed, only the first arm circuit is operated, and the polarity of the AC voltage is the reverse polarity and the single arm control is performed. To operate only the second arm circuit,
The power factor correction circuit according to claim 1, wherein:
前記制御部により、前記第1の入力端子に入力される入力電流と閾値とを比較し、前記入力電流が前記閾値よりも大きい場合には、前記第1のアーム回路及び前記第2のアーム回路の両方を動作させるダブルアーム制御を行い、前記入力電流が前記閾値以下の場合には、前記第1のアーム回路だけを動作させるシングルアーム制御を行う、
ことを特徴とする、力率改善回路の制御方法。 A pair of first input terminal and second input terminal to which an AC voltage is input, a pair of first output terminal and second output terminal for outputting a DC voltage, the first output terminal, and the first An output capacitor connected between the two output terminals, a first inductor connected between the first input terminal and the first node, and the first node and the first output terminal. And one or more first arm circuits having at least a second switch element connected between the first node and the second output terminal. And a third switch element connected between the second input terminal and the first output terminal, and connected between the second input terminal and the second output terminal. A polarity switching arm having at least a fourth switch element; A second inductor connected between an input terminal and a second node; a fifth switch element connected between the second node and the first output terminal; and One or more second arm circuits having at least a sixth switch element connected between a node and the second output terminal, and the first switch element to the second switch according to the polarity of the AC voltage. A control unit that controls a switching operation up to 6 switch elements, and a control method of a power factor correction circuit comprising:
The control unit compares an input current input to the first input terminal with a threshold value. When the input current is larger than the threshold value, the first arm circuit and the second arm circuit are compared. Double arm control is performed to operate both, and when the input current is less than the threshold value, single arm control is performed to operate only the first arm circuit.
A method for controlling a power factor correction circuit.
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