JP2022035420A

JP2022035420A - 直流電源装置

Info

Publication number: JP2022035420A
Application number: JP2020139737A
Authority: JP
Inventors: 泉吉田; Izumi Yoshida; 晴之宮崎; Haruyuki Miyazaki
Original assignee: Panasonic Intellectual Property Management Co Ltd
Current assignee: Panasonic Intellectual Property Management Co Ltd
Priority date: 2020-08-21
Filing date: 2020-08-21
Publication date: 2022-03-04

Abstract

【課題】本開示は、電源半周期で回路入力電流が大きくなるに従いスイッチング周波数を低くすることで高力率を維持しながら半導体スイッチ素子での損失を低減しつつ、コンバータ主回路から発生するノイズの周波数成分の分散化とピークノイズの低減を実現できる直流電源装置を提供する。【解決手段】電圧位相推定部１３、電源電流検出部１４、ＰＷＭ信号生成部１８、母線電圧検出部１７、スイッチング周波数決定部１６により構成された制御部１１と、を備え、スイッチング周波数決定部１６で選択されるスイッチング周波数は、推定電圧位相の０度から９０度に向かって周波数は低くなり、９０度から１８０度に向かって周波数は高くなり、１８０度から２７０度及び２７０度から３６０度においても、同様の変化をすることを特徴とする直流電源装置。【選択図】図２

Description

本開示は、直流電源装置に関する。

特許文献１は、交流電源の交流電源電圧を、整流回路で整流した整流電圧を、昇圧リアクトルを介して入力して、主スイッチによりオン／オフして、入力力率を改善するとともに、直流の出力電圧に変換する力率改善回路を開示している。

特開２００４－２８２９５８号公報

本開示は、スイッチング素子で発生するスイッチング損失を低減しつつ、コンバータ主回路から発生するノイズの周波数成分の分散化とピークノイズの低減とを両立した直流電源装置を提供する。

本開示における直流電源装置は、半導体スイッチをスイッチング動作させることにより、単相交流電源からの交流電圧、あるいは、前記交流電圧を整流した脈動電圧を、リアクタを介して短絡又は開放して、前記単相交流電源から直流電圧に整流した後、平滑コンデンサと負荷に電力を供給する直流電源装置であって、前記直流電源装置は、交流電圧のゼロクロスを検出して電圧ゼロクロスとその周期から電圧位相を推定し推定電圧位相を出力する電圧位相推定部と、前記交流電源の電源電流を検出する電流検出器により電源電流を検出する電源電流検出部と、前記平滑コンデンサの端子間電圧である母線電圧を検出する母線電圧検出部と、前記電圧位相推定部が出力する推定電圧位相からＰＷＭ信号のスイッチング周波数を決定するスイッチング周波数決定部と、電源電流値、推定電圧位相、母線電圧、母線電圧の目標電圧である母線電圧指令値、及び、スイッチング周波数に基づいて電圧フィードバック制御及び電流フィードバック制御により前記半導体スイッチをオン・オフ制御するＰＷＭ信号を生成するＰＷＭ信号生成部と、前記電圧位相推定部、前記電源電流検出部、前記ＰＷＭ信号生成部、前記母線電圧検出部、前記スイッチング周波数決定部により構成された制御部と、を備え、前記スイッチング周波数決定部で選択されるスイッチング周波数は、推定電圧位相の０度から９０度に向かって周波数は低くなり、９０度から１８０度に向かって周波数は高くなり、１８０度から２７０度及び２７０度から３６０度においても同様の変化をすることを特徴とするものである。

本開示における直流電源装置は、電源半周期において、入力電流変化に合わせてスイッチング周波数を変化させることができる。そのため、スイッチング素子で発生するスイッチング損失を低減しつつ、コンバータ主回路から発生するノイズの周波数成分の分散化とピークノイズの低減とを両立した直流電源装置を提供できる。

実施の形態１における直流電源装置の回路ブロック図（ａ）同スイッチング周波数を決定する場合の入力電圧の波形とスイッチング周波数と半導体スイッチの短絡・開放のパターンの関係を示す図（ｂ）同入力電圧と入力電流の関係を示す図実施の形態２における直流電源装置の回路ブロック図（ａ）同負荷変動がある場合の入力電圧と検出電流の関係を示す図（ｂ）同スイッチング周波数決定部が有する位相－スイッチング周波数特性テーブルを示す図（ｃ）同ピーク電流位相差とスイッチング周波数変化特性の関係を示す図実施の形態３における直流電源装置の回路ブロック図同差分とスイッチング周波数の関係を示す図

以下、図面を参照しながら、実施の形態を詳細に説明する。但し、必要以上に詳細な説明は省略する場合がある。例えば、既によく知られたこと項の詳細説明、または、実質的に同一の構成に対する重複説明を省略する場合がある。これは、以下の説明が必要以上に冗長になるのを避け、当業者の理解を容易にするためである。

なお、添付図面および以下の説明は、当業者が本開示を十分に理解するために提供されるのであって、これらにより特許請求の範囲に記載の主題を限定することを意図していない。

（実施の形態１）
以下、図１および図２を用いて、実施の形態１を説明する。

図１は、実施の形態１における直流電源装置の回路ブロック図を示すものである。

単相交流電源１の一方の出力はリアクタ２を経由して半導体スイッチ３ａ、３ｂの共通接続部に接続される。半導体スイッチ３ａ、３ｂにはダイオード５ａ、５ｂがそれぞれ寄生ダイオードとして並列接続されている。

単相交流電源１の他方の出力はダイオード６ａ、６ｂの共通接続部に接続される。半導体スイッチ３ａとダイオード６ａの残りの一端と、半導体スイッチ３ｂとダイオード６ｂの残りの一端は、それぞれ共通接続されて、それぞれ平滑コンデンサ９に接続されている。また、平滑コンデンサ９には負荷１０が接続される。

単相交流電源１には、極性検出回路１２が設けられ、どちらの端子の電位が高いかの情報を制御部１１に送る。この情報は、２つの半導体スイッチ３ａ、３ｂのどちらを短絡・開放の制御を行うかに用いる。

制御部１１では、単相交流電源１の極性情報、電流検出器７で検出した電流情報、母線電圧検出部１７が検出し、平滑コンデンサ９に印加される母線電圧情報、母線電圧指令値を用いて、電流フィードバック演算と電圧フィードバック演算により得られた結果から、半導体スイッチ駆動回路４ａ、４ｂに駆動制御信号を送り、半導体スイッチ３ａ、３ｂのどちらかを短絡・開放する制御を行う。

例えば、単相交流電源１のリアクタ２接続側の電圧が高い期間には、半導体スイッチ３ｂを短絡・開放することにより、短絡時にリアクタ２に電流を蓄えて、開放時にはダイオード５ａを経由しリアクタ２に蓄えた電流を平滑コンデンサ９に送り込む。

これにより、交流電圧の瞬時電圧が低いときにも、単相交流電源１から平滑コンデンサ９に電力を送ることができ、結果として、高調波電流の少ない整流回路を実現する。

図２は、スイッチング周波数決定部１６で、スイッチング周波数を決定する場合の、動作原理を説明するための波形図である。

図２（ａ）の上段は入力電圧の波形であり、中段はスイッチング周波数、下段は半導体スイッチの短絡（＝ＯＮ）・開放（＝ＯＦＦ）のパターンを示している。スイッチング周波数は、電圧位相の０度から９０度に向かって周波数は低くなり、９０度から１８０度に向かって周波数は高くなっている。

図２（ａ）は電源周期の前半（０度から１８０度）の関係を示しているが、電源周期の後半（１８０度から３６０度）も同様の関係で、スイッチング周波数は、電圧位相の１８０度から２７０度に向かって周波数は低くなり、２７０度から３６０度に向かって周波数は高くなっている。

図２（ｂ）は、入力電圧と入力電流の関係を示している。この場合は、入力電圧のピーク位相は入力電流のピークと一致している。

以上のように、実施の形態１においては、直流電源装置は、制御部１１内に、スイッチング周波数決定部１６と母線電圧検出部１７とＰＷＭ信号生成部１８とを備える。スイッチング周波数決定部１６は、推定電圧位相に基づきスイッチング周波数を決定する。

これにより、ＰＷＭ信号生成部１８は、電源半周期内でスイッチング周波数が異なるＰＷＭ信号を生成することができる。

そのため、入力電流の変化に応じた最適なスイッチング周波数を選択することにより、入力電流の小さなところにおいてはスイッチング周波数を高くし、入力電流の大きなところにおいてはスイッチング周波数を低くすることができ、高力率を維持しながら半導体スイッチ素子での損失を低減しつつ、コンバータ主回路から発生するノイズの周波数成分の分散化とピークノイズの低減とを実現できる
尚、実施の形態１では、電圧位相１８０度に対して５分割してスイッチング周波数を設定しているが、これに限定されるものでは無く、更に細かい設定をする、あるいは、各区間でバラバラにスイッチング周波数を設定しても良い。

（実施の形態２）
以下、図３および図４を用いて、実施の形態２を説明する。

図３は、実施の形態２における直流電源装置の回路ブロック図を示すものである。実施の形態１との相違点は、制御部１１内に電圧位相差計算記憶部１５が追加されている点である。

これにより、例えば、ロータリー圧縮機の様な負荷変動が大きな場合で、入力電圧と入力電流のピークが一致しない場合においても最適なスイッチング周波数が決定できる。

単相交流電源１の一方の出力は、リアクタ２を経由して半導体スイッチ３ａ、３ｂの共通接続部に接続される。半導体スイッチ３ａ、３ｂにはダイオード５ａ、５ｂがそれぞれ寄生ダイオードとして並列接続されている。

単相交流電源１の他方の出力は、ダイオード６ａ、６ｂの共通接続部に接続される。半導体スイッチ３ａとダイオード６ａの残りの一端と、半導体スイッチ３ｂとダイオード６ｂの残りの一端は、それぞれ共通接続されて、それぞれ平滑コンデンサ９に接続されている。また、平滑コンデンサ９には負荷１０が接続される。

制御部１１には、電圧位相差計算記憶部１５が実施の形態１に追加されている。電圧位相差計算記憶部１５では、電源半周期単位での電流がピークとなる電圧位相を電圧位相９０度あるいは２７０度から減算しピーク電流位相差としてスイッチング周波数決定部１６へ出力する。

スイッチング周波数決定部１６では、推定電圧位相にピーク電流位相差を加算し、その電圧位相からスイッチング周波数を決定しＰＷＭ信号生成部１８へ出力する。

ＰＷＭ信号生成部１８では、単相交流電源１の極性情報、電流検出器７で検出した電流情報、平滑コンデンサ９に印加される母線電圧情報、母線電圧指令値、スイッチング周波数決定部からのスイッチング周波数を用いて、電流フィードバック演算と電圧フィードバック演算により得られた結果から、半導体スイッチ駆動回路４ａ、４ｂに駆動制御信号を送り、半導体スイッチ３ａ、３ｂのどちらかを短絡・開放する制御を行う。

図４は、接続される負荷の特性が、例えば、ロータリー圧縮機の様な負荷変動が大きな場合に、電圧位相差計算記憶部１５とスイッチング周波数決定部１６がスイッチング周波数を決定する動作原理を説明した図である。

図４（ａ）は、一例として負荷変動がある場合の、入力電圧と検出電流の関係を示した図である。図４（ａ）では、検出電流のピークが入力電圧のピークよりも進んでいる。

図４（ｂ）は、スイッチング周波数決定部１６が有する位相－スイッチング周波数特性テーブルである。

図４（ｃ）の上段は、検出電流と入力電圧及び電圧位相差計算記憶部１５が出力するピーク電流位相差の関係を示している。図４（ｃ）の下段は、ピーク電流位相差とスイッチング周波数特性テーブルの関係を示した図である。

以下、図４を用いて、電圧位相差計算記憶部１５とスイッチング周波数決定部１６の働きを説明する。

電圧位相差計算記憶部１５では、電源電流検出部１４が出力した電源電流から電源半周期の間におけるピーク電流を抽出し、その時の電圧位相推定部１３が出力する推定電圧位相を記憶し、９０度あるいは１８０度から記憶した値を差し引いてピーク電流位相差としてスイッチング周波数決定部１６へ出力する。

例えば、ピーク電流を検出した推定電圧位相が８０度であった場合、ピーク電流位相差は、９０度から８０度を差し引いて１０度となる。

図４（ｃ）の下段は、スイッチング周波数決定部１６の処理を示したものである。スイッチング周波数決定部１６では、電圧位相推定部１３が出力した推定電圧位相に電圧位相差計算記憶部１５が出力したピーク電流位相差を加算し、スイッチング周波数を決定する際の電圧位相とする。

先ほどの例では、ピーク電流位相差は１０度であるため、選択されるスイッチング周波数は、実際の推定位相より１０度進んだスイッチング周波数を選択することとなり、電流の最も大きなところで、設定したスイッチング周波数の中で最も低いスイッチング周波数を選択することが可能となる。

以上のように、実施の形態２においては、直流電源装置は制御部１１内に電圧位相差計算記憶部１５とスイッチング周波数決定部１６及びＰＷＭ信号生成部１８を備える。

電圧位相差計算記憶部１５は、入力電流ピーク時の推定電圧位相と電圧位相９０度あるいは２７０度との差分であるピーク電流位相差を、スイッチング周波数決定部１６に出力する。

スイッチング周波数決定部１６は、推定電圧位相にピーク電流位相差を加えた電圧位相に基づき、スイッチング周波数を決定する。

これにより、ＰＷＭ信号生成部１８は電源半周期内で、スイッチング周波数が異なるＰＷＭ信号を生成することができる。

そのため、入力電流の変化に応じた最適なスイッチング周波数を選択し、入力電流の小さなところにおいてはスイッチング周波数を高くし、入力電流の大きなところにおいてはスイッチング周波数を低くし、かつ、入力電流のピークで最も低いスイッチング周波数を選択することができ、高力率を維持しながら、半導体スイッチ素子での損失を低減しつつ、コンバータ主回路から発生するノイズの周波数成分の分散化とピークノイズの低減とを実現できる
尚、実施の形態２では、スイッチング周波数決定部１６で用いる位相－スイッチング周波数特性テーブルを、図４（ｂ）で示した特性としている。

ここで、ゼロクロス近傍が一定となっているのは、ピーク電流位相差を加算・減算した場合に得られるスイッチング周波数が、ゼロクロス近傍で変化しないためである。

加えて、位相－スイッチング周波数特性テーブルは、図２（ａ）に示した特性でもよく、もちろんこれらの特性に限定されるものでは無い。

（実施の形態３）
以下、図５および図６を用いて、実施の形態３を説明する。

図５は、実施の形態３における直流電源装置の回路ブロック図を示すものである。

実施の形態１との相違点は、制御部１１内のスイッチング周波数決定部１６をスイッチング周波数演算部１９に置換え、スイッチング周波数演算部１９ではＰＷＭ信号生成部１８が出力する電流指令値と電源電流との差分とスイッチング周波数との関係から、スイッチング周波数を所定の範囲内で自動調整し、ＰＷＭ信号生成部１８に出力するように構成している点である。

以下、制御部１１の動作について説明する。なお、ＰＷＭ信号生成部１８における電流フィードバック制御については、一般的な制御方式であるため、説明は省略する。

制御部１１は、実施の形態１で説明したスイッチング周波数決定部１６の代わりに、スイッチング周波数演算部１９に置換えられている。

スイッチング周波数演算部１９には、ＰＷＭ信号生成部１８で計算される電流指令値と電源電流との差分が入力される。スイッチング周波数演算部１９では、図６に示す入力された差分値と予め設定されているスイッチング周波数の関係に従いスイッチング周波数が演算される。

図６は、差分とスイッチング周波数の関係を示した特性図であり、ある程度差分が大きくなった場合は、スイッチング周波数を一定とすることで、スイッチング周波数の変化範囲を制限している。

基本的に入力電流は、電圧位相０度から電圧位相９０度へ向けて単位時間当たりの入力電流の変化は徐々に小さくなり、電圧位相９０度から１８０度については、単位時間当たりの入力電流の変化は徐々に大きくなることから、差分の変化についても同様と考えることができる。差分が大きな（電流変化の大きな）領域では、スイッチング周波数を高くすることで電流の応答性を高くしる。

一方、差分の小さな（電流変化の小さな）領域では、スイッチング周波数を低くすることで電流の応答性を下げることになるが、応答性を下げるのが電流変化の小さな領域であるため、大きな影響はない。

以上のように、実施の形態３においては、直流電源装置は制御部１１内にスイッチング周波数演算部１９とＰＷＭ信号生成部１８とを備える。スイッチング周波数演算部１９は、ＰＷＭ信号生成部１８が出力する電流差分とスイッチング周波数との関係に基づき、スイッチング周波数を演算し、ＰＷＭ信号生成部１８に出力する。

そのため、入力電流の変化に応じた最適なスイッチング周波数を選択することにより、入力電流の小さなところにおいてはスイッチング周波数を高くし、入力電流の大きなところにおいてはスイッチング周波数を低くすることができ、高力率を維持しながら半導体スイッチ素子での損失を低減しつつ、コンバータ主回路から発生するノイズの周波数成分の分散化とピークノイズの低減とを実現できる
尚、実施の形態３では、スイッチング周波数演算部１９で用いる差分－スイッチング周波数特性を、図６で示した特性としているが、これらの特性に限定されるものでは無く、二次の特性などを持たせる設定をしてもよい。あるいは、差分とスイッチング周波数の関数を作り、計算により求めてもよい。

なお、上述の実施の形態は、本開示における技術を例示するためのものであるから、特許請求の範囲またはその均等の範囲において種々の変更、置き換え、付加、省略などを行うことができる。

本開示は、生成された直流をインバータ回路により、再度、任意周波数の交流に変換して、負荷であるモータを可変速度駆動する直流電源装置に適用可能である。具体的には、圧縮機により冷媒を圧縮し、冷房、暖房、あるいは、食品などの冷凍を行う機器の直流電源装置に適用可能である。

１単相交流電源
２リアクタ
７電流検出器
９平滑コンデンサ
１１制御部
１３電圧位相推定部
１４電源電流検出部
１６スイッチング周波数決定部
１７母線電圧検出部
１８ＰＷＭ信号生成部

Claims

半導体スイッチをスイッチング動作させることにより、単相交流電源からの交流電圧、あるいは、前記交流電圧を整流した脈動電圧を、リアクタを介して短絡又は開放して、前記単相交流電源から直流電圧に整流した後、平滑コンデンサと負荷に電力を供給する直流電源装置であって、
前記直流電源装置は、
交流電圧のゼロクロスを検出して電圧ゼロクロスとその周期から電圧位相を推定し推定電圧位相を出力する電圧位相推定部と、
前記交流電源の電源電流を検出する電流検出器により電源電流を検出する電源電流検出部と、
前記平滑コンデンサの端子間電圧である母線電圧を検出する母線電圧検出部と、
前記電圧位相推定部が出力する推定電圧位相からＰＷＭ信号のスイッチング周波数を決定するスイッチング周波数決定部と、
電源電流値、推定電圧位相、母線電圧、母線電圧の目標電圧である母線電圧指令値、及び、スイッチング周波数に基づいて電圧フィードバック制御及び電流フィードバック制御により前記半導体スイッチをオン・オフ制御するＰＷＭ信号を生成するＰＷＭ信号生成部と、
前記電圧位相推定部、前記電源電流検出部、前記ＰＷＭ信号生成部、前記母線電圧検出部、前記スイッチング周波数決定部により構成された制御部と、
を備え、
前記スイッチング周波数決定部で選択されるスイッチング周波数は、
推定電圧位相の０度から９０度に向かって周波数は低くなり、
９０度から１８０度に向かって周波数は高くなり、
１８０度から２７０度及び２７０度から３６０度においても、同様の変化をすることを特徴とする直流電源装置。
前記制御部は電圧位相差計算記憶部を更に備え、前記電圧位相差計算記憶部は、電源半周期内での電源電流ピーク時の推定電圧位相をピーク時推定電圧位相とし、９０度あるいは２７０度からピーク時推定電圧位相を減算して得られたピーク電流位相差を前記スイッチング周波数決定部に出力するものであり、前記スイッチング周波数決定部は、前記スイッチング周波数を決定する際の電圧位相として、前記電圧位相推定部が出力する推定電圧位相に前記電圧位相差計算記憶部が出力するピーク電流位相差を加算した電圧位相を用いることを特徴とする請求項１に記載の直流電源装置。
前記制御部は、前記スイッチング周波数決定部の代わりにスイッチング周波数演算部を有し、前記スイッチング周波数演算部は、前記ＰＷＭ信号生成部が出力する電流指令値と電源電流との差分と、予め設定している差分と前記スイッチング周波数との関係に基づき、前記スイッチング周波数を所定の範囲内で自動調整し、前記ＰＷＭ信号生成部に出力するように構成したことを特徴とする請求項１に記載の直流電源装置。