JP2021097561A - Ａｃ／ｄｃ電源回路および電気機器 - Google Patents

Abstract

【課題】突入電流を抑制し、かつ、部品コストを削減することのできるＡＣ／ＤＣ電源回路およびそれを備えた電気機器を提供する。【解決手段】ＡＣ／ＤＣ電源回路１０は、入力端子Ｔ１，Ｔ２にＡＣ電圧が入力されることで動作を開始し、負荷２０に対してＤＣ電圧を供給する。ダイオードブリッジＤＢ１は、入力されたＡＣ電圧をＤＣ電圧に変換する。ダイオードブリッジＤＢ１と負荷２０との間には、負荷２０に対して並列となるようにコンデンサＣ１，Ｃ２が接続され、コンデンサＣ２に対してはスイッチ１１が直列に接続されている。ＡＣ／ＤＣ電源回路１０の動作開始時には、スイッチ１１がＯＦＦされている状態でＡＣ電圧の入力が開始される。コンデンサＣ１が充電された後でスイッチ１１がＯＮされ、コンデンサＣ２が充電される。【選択図】図１

Description

本発明は、ＡＣ入力電圧をＤＣ電圧に変換するＡＣ／ＤＣ電源回路およびそれを備えた電気機器に関する。

多くの電気機器（例えば家庭用電気機器）は、商用電源に接続され、ＡＣ電圧が入力されて使用される。また、電気機器には、ＤＣ電圧にて動作する部品を備えているものも多い。このような電気機器は、ＡＣ入力電圧をＤＣ電圧に変換するためのＡＣ／ＤＣ電源回路を備えている。例えば、空気調和機は、ＤＣ電圧にて動作する部品として圧縮機を有しており、圧縮機を負荷とするＡＣ／ＤＣ電源回路を備えている。

図３は、従来のＡＣ／ＤＣ電源回路１００の構成例を示す回路図である。ＡＣ／ＤＣ電源回路１００は、ＡＣ電圧が入力端子Ｔ１，Ｔ２から入力され、これをＤＣ電圧に変換して負荷２０に供給する。ＡＣ／ＤＣ電源回路１００は、ダイオードブリッジＤＢ１、コイルＬ１、コンデンサＣ１，Ｃ２、スイッチ１０１およびＰＴＣ（正特性）サーミスタ１０２により構成されている。スイッチ１０１にはリレーが用いられている。尚、コンデンサＣ１，Ｃ２は、これらの合成容量と容量が等しい１つのコンデンサに置き換えられていてもよい。

ダイオードブリッジＤＢ１は、ＡＣ電圧をＤＣ電圧（脈流）に変換する整流回路であり、ダイオードブリッジＤＢ１の１次側（入力側）には、コイルＬ１、スイッチ１０１およびＰＴＣサーミスタ１０２が配されている。図３の例では、入力端子Ｔ１とダイオードブリッジＤＢ１との間で、コイルＬ１およびスイッチ１０１が直列に接続され、ＰＴＣサーミスタ１０２はスイッチ１０１に対して並列に接続されている。

ダイオードブリッジＤＢ１の２次側（出力側）には、コンデンサＣ１，Ｃ２が配されている。図３の例では、ダイオードブリッジＤＢ１と負荷２０との間で、コンデンサＣ１，Ｃ２がそれぞれ負荷２０に対して並列となるように接続されている。

ＡＣ／ＤＣ電源回路１００は、入力端子Ｔ１，Ｔ２にＡＣ電圧が入力されることで動作を開始し、負荷２０に対してＤＣ電圧を供給する。すなわち、ダイオードブリッジＤＢ１にＡＣ電圧が入力されると、ダイオードブリッジＤＢ１は入力されたＡＣ電圧をＤＣ電圧（脈流）に変換して出力する。ダイオードブリッジＤＢ１が出力するＤＣ電圧（脈流）は、コイルＬ１およびコンデンサＣ１，Ｃ２によって平滑化され、安定化されたＤＣ電圧として負荷２０に与えられる。

ＡＣ／ＤＣ電源回路１００において、スイッチ１０１およびＰＴＣサーミスタ１０２は突入電流を防止するために設けられている。空気調和機の圧縮機のように動作電圧が大きい負荷にＤＣ電圧を供給する場合、ＡＣ／ＤＣ電源回路１００は容量の大きいコンデンサＣ１，Ｃ２を備える必要がある。このとき、ＡＣ／ＤＣ電源回路１００がスイッチ１０１およびＰＴＣサーミスタ１０２を有していなければ、ＡＣ／ＤＣ電源回路１００にＡＣ電圧が入力された直後、空のコンデンサＣ１，Ｃ２を充電するために大電流が流れる。すなわち、ＡＣ／ＤＣ電源回路１００において突入電流が発生する。このような突入電流は、ダイオードブリッジＤＢ１を破損させる恐れがある。

これに対し、スイッチ１０１およびＰＴＣサーミスタ１０２を備えたＡＣ／ＤＣ電源回路１００では、ＡＣ電圧が入力された直後は、スイッチ１０１がＯＦＦされている状態でＰＴＣサーミスタ１０２を介して電流を流し、コンデンサＣ１，Ｃ２が充電される。このとき、ＰＴＣサーミスタ１０２を介することで小電流を流すことができ、突入電流を発生させることなくコンデンサＣ１，Ｃ２を充電することができる。そして、コンデンサＣ１，Ｃ２が充電された後、スイッチ１０１をＯＮさせる。コンデンサＣ１，Ｃ２が充電された状態でスイッチ１０１がＯＮされても突入電流は発生しない。

尚、スイッチ１０１がＯＮされてＡＣ／ＤＣ電源回路１００が立ち上がった後は、ダイオードブリッジＤＢ１の１次側ではスイッチ１０１を介して電流が流れるため、ＰＴＣサーミスタ１０２は特に機能しない。

図３に示す従来のＡＣ／ＤＣ電源回路１００では、突入電流防止用のＰＴＣサーミスタ１０２を有することで、部品コストが増加するといった問題がある。

本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、突入電流を抑制し、かつ、部品コストを削減することのできるＡＣ／ＤＣ電源回路およびそれを備えた電気機器を提供することを目的とする。

上記の課題を解決するために、本発明の第１の態様であるＡＣ／ＤＣ電源回路は、入力されるＡＣ電圧をＤＣ電圧に変換して負荷に供給するＡＣ／ＤＣ電源回路であって、前記ＡＣ電圧を前記ＤＣ電圧に変換する整流回路と、前記整流回路と前記負荷との間で、前記負荷に対して並列となるように接続されるｎ個（ｎは２以上）の平滑コンデンサと、ｎ個の前記平滑コンデンサのうち、（ｎ−１）個の平滑コンデンサのそれぞれに対して直列に接続される（ｎ−１）個のスイッチとを備え、当該ＡＣ／ＤＣ電源回路の動作開始時には前記（ｎ−１）個のスイッチがＯＦＦされている状態で前記ＡＣ電圧の入力が開始され、その後、（ｎ−１）個の前記スイッチを順次ＯＮすることで、前記ｎ個の前記平滑コンデンサの充電タイミングを異ならせることを特徴としている。

上記の構成によれば、ＡＣ／ＤＣ電源回路は、複数の平滑コンデンサと、これらの平滑コンデンサに対する充電タイミングを制御する複数のスイッチと有しており、ＡＣ／ＤＣ電源回路の動作開始時にこれら複数の平滑コンデンサを同時に充電するのではなく、充電タイミングをずらすことで突入電流を抑制することができる。このＡＣ／ＤＣ電源回路では、従来使用していた突入電流防止用のＰＴＣサーミスタが省略でき、部品コストを削減することができる。

また、上記ＡＣ／ＤＣ電源回路では、前記スイッチは、半導体トランジスタからなるスイッチング素子である構成とすることができる。

上記の構成によれば、スイッチを半導体トランジスタとすることで、スイッチをリレーとする場合に比べ、ＡＣ／ＤＣ電源回路の動作中にスイッチをＯＮ状態に維持するための消費電力が削減できる。

また、上記の課題を解決するために、本発明の第２の態様である電気機器は、上記記載のＡＣ／ＤＣ電源回路を備えていることを特徴としている。

また、上記電気機器は、当該電気機器が空気調和機であり、前記負荷が圧縮機であり、前記ＡＣ／ＤＣ電源回路は、前記圧縮機の運転状況に応じて、前記スイッチをＯＦＦしながらの動作が可能である構成とすることができる。

上記の構成によれば、例えば、圧縮機が低負荷となる運転状況でスイッチをＯＦＦとすることで、スイッチを常にＯＮとしてＡＣ／ＤＣ電源回路を動作させる場合に比べ、スイッチをＯＮ状態に維持するための消費電力が削減できる。

本発明のＡＣ／ＤＣ電源回路および電気機器は、ＡＣ／ＤＣ電源回路の動作開始時の突入電流を抑制し、かつ、部品コストを削減することができるといった効果を奏する。

本発明の一実施形態を示すものであり、実施の形態１に係るＡＣ／ＤＣ電源回路の構成例を示す回路図である。 本発明の一実施形態を示すものであり、実施の形態４に係るＡＣ／ＤＣ電源回路の構成例を示す回路図である。 従来のＡＣ／ＤＣ電源回路の構成例を示す回路図である。

〔実施の形態１〕
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。図１は、本実施の形態１に係るＡＣ／ＤＣ電源回路１０の構成例を示す回路図である。ＡＣ／ＤＣ電源回路１０は、図３に示すＡＣ／ＤＣ電源回路１００と類似した構成を有しているため、異なる部分のみを説明する。また、ＡＣ／ＤＣ電源回路１０において、ＡＣ／ＤＣ電源回路１００と同様の部材については同じ部材番号を付している。

図１に示すＡＣ／ＤＣ電源回路１０は、ＡＣ／ＤＣ電源回路１００におけるスイッチ１０１およびＰＴＣサーミスタ１０２を省略し、代わりにスイッチ１１を備えた構成となっている。スイッチ１１は、コンデンサ（平滑コンデンサ）Ｃ１，Ｃ２の何れか一方（ここではコンデンサＣ２）に対して直列に接続されている。ＡＣ／ＤＣ電源回路１０では、ダイオードブリッジ（整流回路）ＤＢ１と負荷２０との間で、コンデンサＣ１と、直列接続されたコンデンサＣ２およびスイッチ１１とがそれぞれ負荷２０に対して並列となるように接続されている。ここでは、スイッチ１１にリレーを用いている。また、コンデンサＣ１，Ｃ２は、その容量が等しく設定されている。

ＡＣ／ＤＣ電源回路１０は、ＡＣ／ＤＣ電源回路１００と同様に、入力端子Ｔ１，Ｔ２にＡＣ電圧が入力されることで動作を開始し、負荷２０に対してＤＣ電圧を供給する。このときのＡＣ／ＤＣ電源回路１０の動作は、ＡＣ／ＤＣ電源回路１００の動作と同じである。

ＡＣ／ＤＣ電源回路１０では、以下の動作によって突入電流を抑制することができる。すなわち、スイッチ１１を備えたＡＣ／ＤＣ電源回路１０では、ＡＣ電圧が入力された直後は、スイッチ１１がＯＦＦされている状態とされている。このとき、スイッチ１１がＯＦＦされていることで、コンデンサＣ２には充電が行われず、コンデンサＣ１のみが充電される。そして、コンデンサＣ１が充電された後、スイッチ１１をＯＮすることでコンデンサＣ２を充電する。尚、スイッチ１１のＯＮ／ＯＦＦは、ＡＣ／ＤＣ電源回路１０が搭載される電気機器の制御部によって切り替えることができる。すなわち、スイッチ１１のＯＮ／ＯＦＦの切り替えタイミングは、電気機器の制御部によって制御することができる。

ＡＣ／ＤＣ電源回路１０はＰＴＣサーミスタを有していないため、上記の動作では、コンデンサＣ１，Ｃ２のそれぞれの充電時に突入電流が発生する。但し、２つのコンデンサＣ１，Ｃ２を同時に充電するのではなく、これらの充電タイミングをずらすことで、突入電流のピーク値をほぼ半減させることが可能となり、これによって突入電流が抑制される。突入電流を半減させることができれば、突入電流によってダイオードブリッジＤＢ１が破損することも回避できる。

ＡＣ／ＤＣ電源回路１０では、突入電流防止用のＰＴＣサーミスタが省略されることで、部品コストを削減することができる。

〔実施の形態２〕
上記実施の形態１ではスイッチ１１にリレーを用いているが、スイッチ１１には半導体トランジスタからなるスイッチング素子を使用してもよい。スイッチ１１に半導体トランジスタを用いることで、従来のＡＣ／ＤＣ電源回路１００に比べて（さらにはＡＣ／ＤＣ電源回路１０のスイッチ１１にリレーを用いた場合に比べて）、消費電力削減の効果も得られる。尚、スイッチ１１に半導体トランジスタを用いる場合、トランジスタの種類は特に限定されるものではなく、ＩＧＢＴ（絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ）、ＭＯＳＦＥＴ、ＧａＮトランジスタ、ＳｉＣトランジスタおよび酸化ガリウムトランジスタなどが使用可能である。

スイッチ１０１やスイッチ１１は、ＡＣ／ＤＣ電源回路１００またはＡＣ／ＤＣ電源回路１０の動作中は常にＯＮされている。そして、リレーを用いたスイッチ１０１やスイッチ１１は、リレーのＯＮ状態を維持するために電力が消費される。

一方、半導体トランジスタからなるスイッチング素子においても、ＯＮ状態を維持するために電力は消費されるが、その消費電力はリレーに比べて十分に小さいものである。このため、スイッチ１１に半導体トランジスタを用いることで消費電力削減の効果が得られる。

尚、従来のＡＣ／ＤＣ電源回路１００においては、スイッチ１０１に半導体トランジスタを用いることは困難であり、スイッチ１０１にはリレーを用いる必要があった。これは、ＡＣ／ＤＣ電源回路１００におけるスイッチ１０１は、ダイオードブリッジＤＢ１の１次側（入力側）に設けられており、スイッチ１０１を流れる電流がＡＣ電流となるためである。ＡＣ電流のＯＮ／ＯＦＦを半導体トランジスタで切り替えることは困難であるため、スイッチ１０１にはリレーが使用される。

これに対し、ＡＣ／ＤＣ電源回路１０においてスイッチ１１が設けられるのは、ダイオードブリッジＤＢ１の２次側（出力側）である。このため、スイッチ１１を流れる電流はＤＣ電流となるため、スイッチ１１に半導体トランジスタを使用することが可能となり、消費電力削減の効果を得ることができる。

〔実施の形態３〕
ＡＣ／ＤＣ電源回路１０が適用される電気機器が空気調和機であり、ＡＣ／ＤＣ電源回路１０によってＤＣ電圧が供給される負荷２０が圧縮機である場合、空気調和機の運転状況に応じてスイッチ１１をＯＦＦすることで、さらなる消費電力削減の効果を得ることができる。

空気調和機における圧縮機は、冷房および暖房運転時における設定温度と室温との差が大きいときには回転数が大きくなり高負荷となるが、設定温度と室温との差が小さいときには回転数が小さくなり低負荷となる。そして、ＡＣ／ＤＣ電源回路１０は、負荷２０が高負荷であるときには、出力するＤＣ電圧を安定化させるために大きなコンデンサ容量を必要とするが、負荷２０が低負荷であるときには、コンデンサ容量が小さくてもＤＣ電圧を安定化させることができる。

このため、本実施の形態３にかかる空気調和機では、ＡＣ／ＤＣ電源回路１０において、圧縮機が高負荷となる運転状況ではスイッチ１１をＯＮとするが、圧縮機が低負荷となる運転状況ではスイッチ１１をＯＦＦとする。すなわち、スイッチ１１がＯＮされている間は、コンデンサＣ１，Ｃ２の両方が使用されてコンデンサ容量が大きくなるが、スイッチ１１がＯＦＦされている間は、コンデンサＣ２が使用されず（コンデンサＣ１のみが使用され）コンデンサ容量が小さくなる。

このように、圧縮機が低負荷となる運転状況でスイッチ１１をＯＦＦとすることで、スイッチ１１をＯＮさせながらＡＣ／ＤＣ電源回路１０を動作させる場合に比べ、スイッチ１１をＯＮ状態に維持するための消費電力が削減できる。この効果は、スイッチ１１がリレーの場合により顕著であるが、スイッチ１１が半導体トランジスタの場合にも得られる。

空気調和機のＡＰＦ（通年エネルギー消費効率）では、暖房中間や冷房中間の測定モードにおける消費電力の影響が大きい。暖房中間や冷房中間では圧縮機が低負荷となるため、これらの測定モードで消費電力を削減できることは、ＡＰＦの向上において有効となる。

〔実施の形態４〕
上記説明のＡＣ／ＤＣ電源回路１０は、平滑コンデンサとして２つのコンデンサＣ１，Ｃ２を備え、これら２つのコンデンサＣ１，Ｃ２の充電タイミングを異ならせることで突入電流のピークをほぼ半減させている。

しかしながら、本発明のＡＣ／ＤＣ電源回路において、備えられる平滑コンデンサの数は２つに限定されるものではなく、３つ以上であってもよい。すなわち、ＡＣ／ＤＣ電源回路において、備えられる平滑コンデンサの数をｎ個（ｎは２以上）とする場合、これらｎ個の平滑コンデンサの充電タイミングを異ならせることで突入電流のピークをほぼ１／ｎに低減することができる。

図２は、本実施の形態４に係るＡＣ／ＤＣ電源回路１０’の構成例を示す回路図である。ＡＣ／ＤＣ電源回路１０’は、平滑コンデンサとして３個のコンデンサＣ１〜Ｃ３を備えた変形例である。コンデンサＣ１〜Ｃ３は、ダイオードブリッジＤＢ１と負荷２０との間でそれぞれ負荷２０に対して並列となるように接続されている。また、３つのコンデンサＣ１〜Ｃ３のうちの２つ（ここではコンデンサＣ２，Ｃ３）には、スイッチ１１が直列に接続されている。尚、ＡＣ／ＤＣ電源回路がｎ個の平滑コンデンサを備える場合、スイッチ１１の数は（ｎ−１）個となる。

ＡＣ／ＤＣ電源回路１０’は、ＡＣ／ＤＣ電源回路１０と同様に、入力端子Ｔ１，Ｔ２にＡＣ電圧が入力されることで動作を開始し、ＡＣ電圧が入力された直後は、両方のスイッチ１１がＯＦＦされている。そして、コンデンサＣ１が充電された後、２つのスイッチ１１を順次ＯＮすることでコンデンサＣ２，Ｃ３を順次充電する。

尚、本実施の形態４に係るＡＣ／ＤＣ電源回路１０を実施の形態３の動作に適用する場合、ＡＣ／ＤＣ電源回路１０’の動作中にＯＦＦさせるスイッチ１１の数を変えることで、負荷２０の状況に応じて消費電力の削減効果を段階的に得ることも可能である。例えば、負荷２０が高負荷の場合は２つのスイッチ１１を両方ともＯＮさせ、負荷２０が低負荷の場合は２つのスイッチ１１を両方ともＯＦＦさせ、負荷２０が中負荷の場合は２つのスイッチ１１の一方のみをＯＦＦさせることも可能である。

今回開示した実施形態は全ての点で例示であって、限定的な解釈の根拠となるものではない。したがって、本発明の技術的範囲は、上記した実施形態のみによって解釈されるものではなく、特許請求の範囲の記載に基づいて画定される。また、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内での全ての変更が含まれる。

１０，１０’ ＡＣ／ＤＣ電源回路
１１ スイッチ
２０ 負荷
Ｔ１，Ｔ２ 入力端子
Ｌ１ コイル
ＤＢ１ ダイオードブリッジ（整流回路）
Ｃ１〜Ｃ３ コンデンサ（平滑コンデンサ）

Claims (4)

1. 入力されるＡＣ電圧をＤＣ電圧に変換して負荷に供給するＡＣ／ＤＣ電源回路であって、
   前記ＡＣ電圧を前記ＤＣ電圧に変換する整流回路と、
   前記整流回路と前記負荷との間で、前記負荷に対して並列となるように接続されるｎ個（ｎは２以上）の平滑コンデンサと、
   ｎ個の前記平滑コンデンサのうち、（ｎ−１）個の平滑コンデンサのそれぞれに対して直列に接続される（ｎ−１）個のスイッチとを備え、
   当該ＡＣ／ＤＣ電源回路の動作開始時には前記（ｎ−１）個のスイッチがＯＦＦされている状態で前記ＡＣ電圧の入力が開始され、その後、（ｎ−１）個の前記スイッチを順次ＯＮすることで、前記ｎ個の前記平滑コンデンサの充電タイミングを異ならせることを特徴とするＡＣ／ＤＣ電源回路。
2. 請求項１に記載のＡＣ／ＤＣ電源回路であって、
   前記スイッチは、半導体トランジスタからなるスイッチング素子であることを特徴とするＡＣ／ＤＣ電源回路。
3. 請求項１または２に記載のＡＣ／ＤＣ電源回路を備えていることを特徴とする電気機器。
4. 請求項３に記載の電気機器であって、
   当該電気機器が空気調和機であり、
   前記負荷が圧縮機であり、
   前記ＡＣ／ＤＣ電源回路は、前記圧縮機の運転状況に応じて、前記スイッチをＯＦＦしながらの動作が可能であることを特徴とする電気機器。

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