JP2020171087A

JP2020171087A - 整流器

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Publication number: JP2020171087A
Application number: JP2019070149A
Authority: JP
Inventors: 河野　智行; Tomoyuki Kono; 智行河野; 賢佑伊藤; Kensuke Ito
Original assignee: KYB Corp
Current assignee: KYB Corp
Priority date: 2019-04-01
Filing date: 2019-04-01
Publication date: 2020-10-15

Abstract

【課題】整流器の交流成分においても均等な分圧比を保持し、エネルギ変換効率を向上させることができる整流器を提供する。【解決手段】本発明の一形態に係る整流器は、整流回路と、第１および第２のコンデンサと、第１および第２のバランス抵抗とを具備する。上記整流回路は、交流電源の出力電流を整流する。上記第１および第２のコンデンサは、上記整流回路の出力側に直列接続される。上記第１および第２のバランス抵抗は其々、上記第１および第２のコンデンサに並列接続されるとともに熱結合される。上記第１のコンデンサと上記第２のコンデンサは熱結合される。【選択図】図１

Description

本発明は、複数の電解コンデンサが直列接続される整流器に関する。

交流電源を整流する整流器において、バイパスコンデンサとして耐圧を考慮して直列接続された複数の電解コンデンサが接続される場合、電解コンデンサ自体が有するリーク電流の影響により、複数の電解コンデンサにおいて均等な分圧比が得られない。このリーク電流は、製造バラつきや電解コンデンサの温度上昇などによって変動する。
これを解決するための手段として例えば特許文献１において、バランス抵抗（後述）が、各電解コンデンサに対して並列に設けられ、リーク電流から換算される抵抗値に対して十分低い抵抗値に設定されることにより、整流器の直流成分は均等に分圧される。

その一方で、整流器の交流成分では、電解コンデンサの温度特性により、分圧比が変動してしまうことがある。
この分圧比のくるいは、整流器のエネルギ変換効率を悪化させるものであった。整流器の交流成分においても分圧比の維持が望まれていた。

特許公開２０１８−１４３０２２号公報

以上のような事情に鑑み、本発明の目的は、整流器の交流成分においても均等な分圧比を維持し、エネルギ変換効率を向上させることができる整流器を提供することにある。

上記の課題を解決するために、本発明の一形態に係る整流器は、整流回路と、第１および第２のコンデンサと、第１および第２のバランス抵抗と、を具備する。
上記整流回路は、交流電源の出力電流を整流する。上記第１および第２のコンデンサは、上記整流回路の出力側に直列接続される。上記第１のバランス抵抗は、上記第１のコンデンサに並列接続されるとともに熱結合される。上記第２のバランス抵抗は、上記第２のコンデンサに並列接続されるとともに熱結合される。上記第１のコンデンサと上記第２のコンデンサは熱結合される。

上記の整流器において、上記第１のコンデンサと上記第１のバランス抵抗との間の熱抵抗、および、上記第２のコンデンサと上記第２のバランス抵抗との間の熱抵抗は、上記第１のコンデンサと上記第２のコンデンサとの間の熱抵抗よりも小さくてもよい。

上記の整流器において、上記第１のコンデンサと上記第１のバランス抵抗との間、および、上記第２のコンデンサと上記第２のバランス抵抗との間は、第１の樹脂により熱結合されてもよい。

上記の整流器において、上記第１のコンデンサと上記第２のコンデンサとの間は、第２の樹脂により熱結合され、上記第２の樹脂は、上記第１の樹脂よりも熱伝導率が小さくてもよい。

上記の整流器において、上記第１のコンデンサと上記第２のコンデンサに中空部を設け、上記中空部内に上記第１のバランス抵抗と上記第２のバランス抵抗が配置されてもよい。

上記の整流器において、上記第１の樹脂を包囲する断熱材を備え、上記第１の樹脂は、上記第１のコンデンサと上記第１のバランス抵抗、および、上記第２のコンデンサと上記第２のバランス抵抗を覆うように設けられてもよい。

上記の整流器において、上記第１のバランス抵抗に直列接続されるとともに、上記第１のコンデンサに熱結合される第１のツェナーダイオードと、上記第２のバランス抵抗に直列接続されるとともに、上記第２のコンデンサに熱結合される第２のツェナーダイオードと、を備え、上記第１のツェナーダイオードと上記第２のツェナーダイオードの降伏電圧は、上記第１のコンデンサと上記第２のコンデンサの耐圧より低く設定されてもよい。

以上のように、本発明によれば、整流器の直流成分および交流成分において均等な分圧比を保持し、整流器のエネルギ変換効率を向上させることができる。

本発明の一実施形態における整流器を示した概略回路図である。本発明におけるコンデンサと抵抗との間の熱結合の一実施形態を示した概略平面図である。本発明におけるコンデンサと抵抗との間の熱結合の他の実施形態を示した概略平面図である。本発明におけるコンデンサと抵抗との間の熱結合の他の実施形態を示した概略平面図である。本発明におけるコンデンサと抵抗との間の熱結合の他の実施形態を示した概略平面図である。本発明におけるコンデンサと抵抗との間の熱結合の他の実施形態を示した概略横断面図である。一比較例の整流器を示した概略回路図である。他の比較例の整流器を示した概略回路図である。図１の整流器が用いられる電力変換装置の全体概略図である。本発明の他の実施形態における整流器を示した概略回路図である。

以下、図面を参照しながら本発明の実施の形態を説明する。

＜本発明の実施形態＞
図１は、本発明の一実施形態における整流器１０を示した概略回路図である。
整流器１０は、交流電源１、交流電源１の出力電流を整流する整流回路２、整流回路２の出力側に並列接続される、互いに直列接続された２つのコンデンサＣ１、Ｃ２（以下、２つの直列コンデンサとする）、および、２つの直列コンデンサＣ１、Ｃ２にそれぞれ並列接続された２つのバランス抵抗Ｒｂａｌ１、Ｒｂａｌ２を備えている。

ここで、交流電源１のピーク値は、一例として約８００Ｖとする。整流回路２は、ダイオード、サイリスタ、単相半波整流、二相全波整流、三相整流などの任意のものである。交流電源１から整流回路２を介して各直列コンデンサＣ１、Ｃ２に印加される電圧をＶ１、Ｖ２とする。
２つの直列コンデンサＣ１、Ｃ２は、交流電源１のピーク値を上回るように選定されるためこの場合は、例えば５００Ｖの耐圧をそれぞれ有するアルミまたはタンタル電解コンデンサなどが選定される。

直列コンデンサおよびバランス抵抗の個数は、少なくとも２つあればよく（複数あってよく）、静電容量は任意の値である。

２つのバランス抵抗Ｒｂａｌ１、Ｒｂａｌ２は、２つの直列コンデンサＣ１、Ｃ２のそれぞれに並列接続されている。バランス抵抗の個数は、直列コンデンサの個数と同数である。
各バランス抵抗が各コンデンサに対応して並列接続され、コンデンサＣ１、Ｃ２の漏れ抵抗Ｒｌｅａｋ１およびＲｌｅａｋ２に対して十分低い抵抗値に設定されることにより、整流器１０の直流成分は、所望の比率で（均等に）分圧されるようになる。

本実施形態では、第１および第２の直列コンデンサＣ１、Ｃ２に、第１および第２のバランス抵抗Ｒｂａｌ１、Ｒｂａｌ２（第１および第２の発熱部品）がそれぞれ、熱結合される。ここで、バランス抵抗Ｒｂａｌ１、Ｒｂａｌ２の代わりに、発熱する他の部品（例えばツェナーダイオード）が熱結合されてもよい。熱伝導率の観点から、半固定抵抗器および可変抵抗器より固定抵抗器のほうが望ましく、面実装タイプ抵抗、セメント抵抗などより、リード付きの抵抗器のほうが特に望ましい。
バランス抵抗Ｒｂａｌ１、Ｒｂａｌ２と、コンデンサＣ１、Ｃ２とがそれぞれ熱結合（近接）されると、バランス抵抗Ｒｂａｌ１、Ｒｂａｌ２が温度上昇した場合、コンデンサＣ１、Ｃ２の温度も上昇する。

コンデンサＣ１、Ｃ２の温度が上昇すると、電解液のエネルギが高まり、静電容量が増える傾向にあるため、結果としてコンデンサＣ１、Ｃ２の電圧上昇を抑制する働きがある。そのうえ、コンデンサＣ１、Ｃ２の漏れ電流が増大するため、コンデンサＣ１、Ｃ２の両端の電圧Ｖ１，Ｖ２を下げる働きがある。

この一連の働きは、整流器１０の出力電圧の分圧比を保持するように負帰還を構成している。
バランス抵抗Ｒｂａｌ１、Ｒｂａｌ２と、コンデンサＣ１、Ｃ２とを熱結合させることにより、結果として、コンデンサＣ１、Ｃ２の静電容量および漏れ電流の双方が増大し、均等な分圧を維持できる。これにより、リーク電流の大きい複数の直列コンデンサ（例えば電解コンデンサ）が並列配置される整流器の交流成分においてもエネルギ変換効率を向上させることができる。

図１０に示すように、バランス抵抗Ｒｂａｌ１、Ｒｂａｌ２のそれぞれに、ツェナーダイオードＺｄ１、Ｚｄ２が直接接続されてもよい。ツェナーダイオードを設けることで、ツェナーダイオードの降伏電圧より低い場合は、バランス抵抗Ｒｂａｌ１、Ｒｂａｌ２を発熱させずに、エネルギ変換効率を向上させる。

バランス抵抗Ｒｂａｌ１、Ｒｂａｌ２を其々、バランス抵抗Ｒｂａｌ１、Ｒｂａｌ２およびツェナーダイオードＺｄ１、Ｚｄ２で形成し、ツェナーダイオードＺｄ１、Ｚｄ２の耐圧をコンデンサＣ１、Ｃ２の耐圧の９０％〜９９％の間で設定すると、コンデンサＣ１、Ｃ２の耐圧を超える前にツェナーダイオードＺｄ１、Ｚｄ２に電流が流れ始め、ツェナーダイオードＺｄ１、Ｚｄ２およびバランス抵抗Ｒｂａｌ１、Ｒｂａｌ２が発熱する。この熱をコンデンサＣ１、Ｃ２が受けて、コンデンサＣ１、Ｃ２のリーク電流が増して、各コンデンサに流れる電流バランスが保たれる。
ツェナーダイオードを使用することで、電圧が低い時の効率が向上する。これにより、低電圧時のエネルギ変換効率をより向上させることができる。

例えば、Ｒｂａｌ１＝Ｒｂａｌ２、Ｒｌｅａｋ１＞Ｒｌｅａｋ２であり、かつ、バランス抵抗Ｒｂａｌ１／／漏れ抵抗Ｒｌｅａｋ１＞バランス抵抗Ｒｂａｌ２／／漏れ抵抗Ｒｌｅａｋ２の場合、コンデンサＣ１の両端の電圧Ｖ１のほうがＶ２より高くなる。
Ｖ１：Ｖ２＝１．１：１の場合、バランス抵抗Ｒｂａｌ１、Ｒｂａｌ２の発熱量は、Ｐ_{Ｒｂａｌ１}：Ｐ_{Ｒｂａｌ２}＝１．２１：１となり、バランス抵抗Ｒｂａｌ１、Ｒｂａｌ２の温度上昇も、Δｔ_{Ｒｂａｌ１}：Δｔ_{Ｒｂａｌ２}＝１．２１：１の比率となる。

コンデンサ（Ｃ１、Ｃ２）は温度が上昇すると、コンデンサ内部の漏れ電流が増大し、かつ、静電容量も増える。この漏れ電流が増えると、対応するコンデンサの直流成分の分圧値が下がる。コンデンサの静電容量が増えると、対応するコンデンサの交流成分の分圧値が下がる。
これにより、バランス抵抗Ｒｂａｌ１／／漏れ抵抗Ｒｌｅａｋ１＞バランス抵抗Ｒｂａｌ２／／漏れ抵抗Ｒｌｅａｋ２の大小関係が、コンデンサを発熱させることで、Ｒｌｅａｋ１とＲｌｅａｋ１の相対比が近づく。または発熱量が所定の値を超えると、この相対比は逆転する。

これは前述したように、熱結合によって、コンデンサの両端電圧に負帰還をかけたことと同様である。

以下に本実施形態におけるコンデンサと抵抗との間の熱結合の具体的な方法を例示する。
図２は、本発明におけるコンデンサと抵抗との間の熱結合の一実施形態を示した概略平面図である。

図２のようにコンデンサＣ１，Ｃ２は、バランス抵抗Ｒ１，Ｒ２（または前述したツェナーダイオードＺｄ１、Ｚｄ２）と、熱結合されるように互いに近接または接触される。近接させる場合、コンデンサとバランス抵抗との間の距離は、例えば５．０ｍｍ以下にするのが望ましい。

コンデンサＣ１，Ｃ２とバランス抵抗Ｒ１，Ｒ２とは、ポッティング材（第１の樹脂）３で熱結合されるように接着される。この近接または接触、および接着は、併用されてよい。ポッティング材は、熱抵抗の小さいものであり、バランス抵抗Ｒ１，Ｒ２を全体的に覆い、コンデンサＣ１，Ｃ２を部分的に覆い、バランス抵抗およびコンデンサが互いに熱結合されるように形成される。

このポッティング材の形成は、これに限定されず、バランス抵抗およびコンデンサを全体的または部分的に覆ってもよいし、コンデンサを全体的に覆い、かつ、バランス抵抗を部分的に覆ってもよい。つまり、ポッティング材により、バランス抵抗Ｒ１，Ｒ２およびコンデンサＣ１，Ｃ２が、熱結合されればよい。
コンデンサＣ１，Ｃ２は、熱抵抗の大きい樹脂系の接着剤（第２の樹脂）により互いに接着されている。第２の樹脂は、第１の樹脂よりも熱伝導率が小さい。

図３は、本発明におけるコンデンサと抵抗との間の熱結合の他の実施形態を示した概略平面図である。
この図に示されているように、熱伝導性に優れた金属板５，５（銅やアルミニウムなどのヒートシンク）が回路基板９上に配置され、この金属板５，５上に、コンデンサＣ１，Ｃ２とバランス抵抗Ｒ１，Ｒ２とが、それぞれ配置（介在）される。

ここで、金属板５，５は必ずしも回路基板９上に配置されなくてもよく、上記のポッティング材がさらに介在してもよい。これにより、熱エネルギをより効率よく伝達できるため、バランス抵抗値を高く設定できる。

図４は、本発明におけるコンデンサと抵抗との間の熱結合の他の実施形態を示した概略平面図である。
この図に示されているように、コンデンサＣ１，Ｃ２に中空部を設け、その中空部内にバランス抵抗Ｒ１，Ｒ２がそれぞれ配置される。すると、コンデンサとバランス抵抗との間のそれぞれの距離（エアギャップ）６、６は、各コンデンサＣ１，Ｃ２の外径より小さくなる。
これにより、コンデンサの内部にバランス抵抗を設けることで沿面距離をより長くすることができる。このとき、コンデンサとバランス抵抗とが、ポッティング材で接着されてもよい（接着および近接）。そしてコンデンサＣ１，Ｃ２は、熱抵抗の大きい樹脂系の接着剤により互いに接着されてもよい。

図５は、本発明におけるコンデンサと抵抗との間の熱結合の他の実施形態を示した概略平面図である。
この図に示されているように熱を外部に逃がさないように、断熱材７が、各コンデンサＣ１，Ｃ２およびバランス抵抗Ｒ１，Ｒ２を全面的に包囲する。断熱材７としては、セラミックファイバー、シリコン、エポキシ樹脂などが用いられる。

このとき、コンデンサＣ１およびバランス抵抗Ｒ１と、コンデンサＣ２およびバランス抵抗Ｒ２との間に、断熱材７の一部として仕切り板が設けられる。この断熱材７により区画されたスペース内部は、例えばエアギャップ６、６であり、各コンデンサとバランス抵抗との間の熱抵抗が小さく設定される。
当然のことながら、コンデンサＣ１，Ｃ２とバランス抵抗Ｒ１，Ｒ２とが、ポッティング材（樹脂）３で熱結合されるように接着されてもよい。

図６は、本発明におけるコンデンサと抵抗との間の熱結合の他の実施形態を示した概略横断面図である。
この図に示されているように、各バランス抵抗Ｒ１，Ｒ２が、回路基板９を介してコンデンサＣ１，Ｃ２の裏側に熱結合されるように配置される。
ここで、この回路基板９の熱結合部は熱抵抗が小さい材料（金属やセラミックなど）が選択され、回路基板９の熱結合部以外の部位は、熱抵抗が大きい材料（例えばガラス）が選択される。あるいは、回路基板９に熱結合用の穴を設け、ポッティング材（樹脂）３で各コンデンサとバランス抵抗とが熱結合されるように接着されてもよい。

バランス抵抗とコンデンサとの間の熱抵抗θＲＣと、直列接続されたコンデンサ同士の熱抵抗θＣＣとは、θＲＣ＜θＣＣの関係にすることで、発熱を利用した負帰還により利得を得ることができる。

図９は、整流器１０が用いられる電力変換装置１００の全体概略図である。この電力変換装置１００は、整流器１０および駆動部２０を含み、駆動部２０は例えば、モータの駆動回路である。

＜比較例１＞
図７は、一従来例の整流器１０'を示した概略回路図である。
この整流器１０'は、図１の整流器１０から２つのバランス抵抗Ｒ１，Ｒ２（熱結合）を取り除いたものである。したがって、図１の整流器１０と他の同様の構成に関しては、説明を省略する。

この場合、各直列コンデンサＣ１、Ｃ２には、電極箔の損傷、湿気吸着等から生じる漏れ電流が存在する。その各漏れ電流から換算される仮想的な抵抗をＲｌｅａｋ１およびＲｌｅａｋ２とする。この漏れ仮想抵抗Ｒｌｅａｋ１およびＲｌｅａｋ２は、コンデンサの個体差により、値が大きく異なるため、電圧Ｖ１，Ｖ２が、所望の比率で（均等に）分圧されない。

＜比較例２＞
図８は、他の従来例の整流器１０'を示した概略回路図である。
この整流器１０'は、図７の整流器１０'に２つのバランス抵抗Ｒ１，Ｒ２がさらに設けられたものであるが、上述した熱結合がされていない。図１の整流器１０と同様の構成に関しては、説明を省略する。

整流器１０、１０'の交流成分は、コンデンサＣ１、Ｃ２に流れる。図８の整流器１０'では、コンデンサＣ１、Ｃ２の温度特性（温度上昇）により静電容量が変化（増大）して、コンデンサにおける分圧比が変動し、整流器１０'のエネルギ変換効率を悪化させてしまうことがある。

１・・・交流電源
２・・・整流回路
３・・・ポッティング材
４・・・接着剤
５・・・金属板（ヒートシンク）
６・・・エアギャップ
７・・・断熱材
９・・・回路基板
１０，１０'・・・整流器
２０・・・駆動部
１００・・・電力変換装置
Ｃ１、Ｃ２・・・直列コンデンサ
Ｒｌｅａｋ１、Ｒｌｅａｋ２・・・漏れ仮想抵抗
Ｒｂａｌ１、Ｒｂａｌ２・・・バランス抵抗

Claims

交流電源の出力電流を整流する整流回路と、
前記整流回路の出力側に直列接続される第１および第２のコンデンサと、
前記第１のコンデンサに並列接続されるとともに熱結合される第１のバランス抵抗と、
前記第２のコンデンサに並列接続されるとともに熱結合される第２のバランス抵抗と、を備え、
前記第１のコンデンサと前記第２のコンデンサは熱結合される
整流器。
請求項１に記載の整流器であって、
前記第１のコンデンサと前記第１のバランス抵抗との間の熱抵抗、および、前記第２のコンデンサと前記第２のバランス抵抗との間の熱抵抗は、前記第１のコンデンサと前記第２のコンデンサとの間の熱抵抗よりも小さい
整流器。
請求項１または２に記載の整流器であって、
前記第１のコンデンサと前記第１のバランス抵抗との間、および、前記第２のコンデンサと前記第２のバランス抵抗との間は、第１の樹脂により熱結合される
整流器。
請求項３に記載の整流器であって、
前記第１のコンデンサと前記第２のコンデンサとの間は、第２の樹脂により熱結合され、
前記第２の樹脂は、前記第１の樹脂よりも熱伝導率が小さい
整流器。
請求項１〜４のいずれか１項に記載の整流器であって、
前記第１のコンデンサと前記第２のコンデンサに中空部を設け、前記中空部内に前記第１のバランス抵抗と前記第２のバランス抵抗が配置される
整流器。
請求項３に記載の整流器であって、
前記第１の樹脂を包囲する断熱材を備え、
前記第１の樹脂は、前記第１のコンデンサと前記第１のバランス抵抗、および、前記第２のコンデンサと前記第２のバランス抵抗を覆うように設けられる
整流器。
請求項１〜６のいずれか１項に記載の整流器であって、
前記第１のバランス抵抗に直列接続されるとともに、前記第１のコンデンサに熱結合される第１のツェナーダイオードと、
前記第２のバランス抵抗に直列接続されるとともに、前記第２のコンデンサに熱結合される第２のツェナーダイオードと、を備え、
前記第１のツェナーダイオードと前記第２のツェナーダイオードの降伏電圧は、前記第１のコンデンサと前記第２のコンデンサの耐圧より低く設定される
整流器。