JP2022119584A - Power factor improvement circuit, air conditioner, control method, and program for power factor improvement circuit - Google Patents

Power factor improvement circuit, air conditioner, control method, and program for power factor improvement circuit Download PDF

Info

Publication number
JP2022119584A
JP2022119584A JP2021016832A JP2021016832A JP2022119584A JP 2022119584 A JP2022119584 A JP 2022119584A JP 2021016832 A JP2021016832 A JP 2021016832A JP 2021016832 A JP2021016832 A JP 2021016832A JP 2022119584 A JP2022119584 A JP 2022119584A
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
time
light load
switching element
switching frequency
load state
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
JP2021016832A
Other languages
Japanese (ja)
Inventor
勝巳 竹中
Katsumi Takenaka
康之 山田
Yasuyuki Yamada
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Samsung Electronics Co Ltd
Original Assignee
Samsung Electronics Co Ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Samsung Electronics Co Ltd filed Critical Samsung Electronics Co Ltd
Priority to JP2021016832A priority Critical patent/JP2022119584A/en
Publication of JP2022119584A publication Critical patent/JP2022119584A/en
Pending legal-status Critical Current

Links

Images

Classifications

    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02BCLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO BUILDINGS, e.g. HOUSING, HOUSE APPLIANCES OR RELATED END-USER APPLICATIONS
    • Y02B70/00Technologies for an efficient end-user side electric power management and consumption
    • Y02B70/10Technologies improving the efficiency by using switched-mode power supplies [SMPS], i.e. efficient power electronics conversion e.g. power factor correction or reduction of losses in power supplies or efficient standby modes
    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02PCLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
    • Y02P80/00Climate change mitigation technologies for sector-wide applications
    • Y02P80/10Efficient use of energy, e.g. using compressed air or pressurized fluid as energy carrier

Landscapes

  • Rectifiers (AREA)
  • Dc-Dc Converters (AREA)

Abstract

To provide a power factor reduction circuit capable of sufficiently reducing energy loss in a light load state in which a load is smaller than a predetermined load state.SOLUTION: In a power factor improvement circuit, a switching element is operated at a reference switching frequency in a reference load state, and the switching element is operated at a light load switching frequency lower than the reference switching frequency in a light load state in which the load is smaller than the reference load state. When an ON time of the switching element, which is set to be equal to or less than an allowable ripple current amplitude value in the reference load state, is a reference On time, and an On time of the switching element, which is set to be equal to or less than the allowable ripple current amplitude value in the light load state is an ON time at light load, the switching frequency at the light load is set on the basis of the reference switching frequency, the reference ON time, and the ON time at light load.SELECTED DRAWING: Figure 1

Description

本発明は、例えば空気調和装置等において用いられる力率改善回路に関するものである。 The present invention relates to a power factor correction circuit used, for example, in an air conditioner or the like.

例えば空気調和装置の圧縮機に用いられる力率改善回路は、負荷が大きいため電流連続モードで駆動される。このような力率改善回路では、接続されている負荷の状態の変化に関係なく、スイッチング素子を動作させるスイッチング周波数を一定にしている。このため、スイッチング周期ごとに発生するスイッチング損失も負荷の状態に関わらずほとんど一定となっている。 For example, a power factor correction circuit used in a compressor of an air conditioner is driven in a continuous current mode because of its heavy load. In such a power factor correction circuit, the switching frequency for operating the switching element is kept constant regardless of changes in the state of the connected load. Therefore, the switching loss that occurs in each switching cycle is almost constant regardless of the state of the load.

これに対して、力率改善回路のコイルに流れるリップル電流は、接続されている負荷の状態によって変動し、図5に示すように最大負荷時においてリップル電流の振幅値は最大となり、軽負荷時には図6に示すようにリップル電流の振幅は小さくなる。 On the other hand, the ripple current flowing in the coil of the power factor correction circuit varies depending on the state of the connected load. As shown in FIG. As shown in FIG. 6, the ripple current amplitude is reduced.

リップル電流はEMIノイズの発生原因となるため、このような力率改善回路にはEMIノイズを除去するためのフィルタ回路も必要となる。加えて、力率改善回路の後段側に設けられている平滑化回路では、入力される電流のリップルを除去して平滑化するためのコンデンサには所定のリップル耐性が必要となる。フィルタ回路やコンデンサは最大負荷時において発生するリップル電流の最大値に対応させて設計される。 Since ripple current causes EMI noise, such a power factor correction circuit also requires a filter circuit for removing EMI noise. In addition, in the smoothing circuit provided on the downstream side of the power factor correction circuit, the capacitor for removing and smoothing the ripple of the input current requires a certain ripple resistance. Filter circuits and capacitors are designed to correspond to the maximum value of ripple current that occurs at maximum load.

特開平8-19259号公報Japanese Patent Application Laid-Open No. 8-19259

しかしながら、前述したフィルタ回路やコンデンサについては、リップル電流の最大値に対応した設計となっているため、軽負荷時には余裕のあるものとなっている。 However, the filter circuits and capacitors described above are designed to accommodate the maximum value of ripple current, so they have a margin when the load is light.

特に空気調和装置のように運転状態が最大負荷状態よりも軽負荷状態が長く続く用途においては、フィルタ回路やコンデンサの性能を十分に生かして軽負荷状態におけるエネルギーの損失を低減できているとは言い難い。 In particular, in applications such as air conditioners, where light load conditions last longer than maximum load conditions, the performance of filter circuits and capacitors can be fully utilized to reduce energy loss during light load conditions. Hard to say.

そこで、本発明は上述したような問題に鑑みてなされたものであり、所定の負荷状態よりも負荷が小さい軽負荷状態におけるエネルギーの損失を十分に低減できる力率低減回路を提供することを目的とする。 SUMMARY OF THE INVENTION Accordingly, it is an object of the present invention to provide a power factor reduction circuit capable of sufficiently reducing energy loss in a light load state in which the load is smaller than a predetermined load state. and

すなわち、本発明に係る力率改善回路は、交流電圧を直流電圧に整流する整流回路と、前記整流回路の一方の出力端に直列に接続されたコイルと、前記コイルを前記整流回路の他方の出力端との間で短絡又は開放するスイッチング素子と、ダイオード及び平滑キャパシタが直列に接続された閉回路により構成されたチョッパー回路と、を備え、基準の負荷状態において前記スイッチング素子を基準スイッチング周波数で動作させるとともに、前記基準の負荷状態よりも負荷が小さい軽負荷状態において前記スイッチング素子を前記基準スイッチング周波数よりも低い軽負荷時スイッチング周波数で動作させるように構成されており、前記基準の負荷状態において許容リップル電流振幅値以下となるように設定された前記スイッチング素子のON時間を基準ON時間、前記軽負荷状態において前記許容リップル電流振幅値以下となるように設定された前記スイッチング素子のON時間を軽負荷時ON時間とした場合に、前記基準スイッチング周波数、前記基準ON時間、及び、前記軽負荷時ON時間に基づいて、前記軽負荷時スイッチング周波数が設定されることを特徴とする。 That is, the power factor correction circuit according to the present invention includes a rectifier circuit that rectifies an AC voltage to a DC voltage, a coil connected in series to one output terminal of the rectifier circuit, and the coil connected to the other output terminal of the rectifier circuit. a switching element that short-circuits or opens between an output terminal and a chopper circuit configured by a closed circuit in which a diode and a smoothing capacitor are connected in series; In addition, in a light load state in which the load is smaller than the reference load state, the switching element is operated at a light load switching frequency lower than the reference switching frequency. The ON time of the switching element set to be equal to or less than the allowable ripple current amplitude value is the reference ON time, and the ON time of the switching element is set to be equal to or less than the allowable ripple current amplitude value in the light load state. When the light load ON time is set, the light load switching frequency is set based on the reference switching frequency, the reference ON time, and the light load ON time.

このようなものであれば、軽負荷状態においては基準負荷状態において使用される前記基準スイッチング周波数よりも低い前記軽負荷時スイッチング周波数で前記スイッチング素子が動作するので、軽負荷時におけるスイッチング損失を低減できる。また、前記軽負荷時スイッチング周波数は、前記基準スイッチング周波数、前記基準ON時間、及び、前記軽負荷時ON時間に基づいて設定されるので、前記基準ON時間に対して前記軽負荷時ON時間をできる限り近づけることができ、例えばEMIノイズを除去するためのフィルタ回路等の性能や前記コンデンサの性能をフルに活用した上で、スイッチング損失を低減できる。加えて、スイッチング素子がONとなるタイミングでのリップル電流については、周波数を一定にしたときよりも小さくすることが可能となるので、このときの前記ダイオードにおける逆回復損失も低減できる。 With such a structure, the switching element operates at the light-load switching frequency lower than the reference switching frequency used in the reference load state in the light-load state, thereby reducing the switching loss in the light-load state. can. In addition, since the switching frequency at light load is set based on the reference switching frequency, the reference ON time, and the ON time at light load, the ON time at light load is less than the reference ON time. The switching loss can be reduced while making full use of the performance of the filter circuit for removing EMI noise and the performance of the capacitor. In addition, the ripple current at the timing when the switching element is turned on can be made smaller than when the frequency is kept constant, so the reverse recovery loss in the diode at this time can also be reduced.

フィルタ回路や前記コンデンサの性能を最も発揮して、軽負荷時におけるスイッチング損失を低減できるようにするには、前記基準の負荷状態が、最大負荷状態であり、前記許容リップル電流振幅値が前記最大負荷状態において発生するリップル電流の振幅値であればよい。 In order to maximize the performance of the filter circuit and the capacitor and reduce the switching loss under light load conditions, the reference load condition is the maximum load condition and the allowable ripple current amplitude value is the maximum. Any value may be used as long as it is the amplitude value of the ripple current generated in the load state.

許容リップル電流振幅値の範囲内で前記軽負荷時スイッチング周波数を設定するための具体的な設定例としては、前記基準の負荷状態において前記許容リップル電流振幅値となるように前記基準ON時間が設定され、前記軽負荷状態において前記許容リップル電流振幅値となるように前記軽負荷時ON時間が設定されるものが挙げられる。 As a specific setting example for setting the switching frequency at light load within the range of the allowable ripple current amplitude value, the reference ON time is set so as to achieve the allowable ripple current amplitude value under the reference load state. and the ON time during light load is set so as to achieve the allowable ripple current amplitude value in the light load state.

負荷の状態変化に常に対応させて、力率改善回路としての機能とスイッチング損失の低減効果を実現できる前記軽負荷時スイッチング周波数が適切に設定されるようにするには、前記軽負荷時スイッチング周波数が、前記交流電圧の周期に連動して設定されるものであればよい。 In order to appropriately set the switching frequency at light load, which can always respond to changes in the state of the load and realize the function as a power factor correction circuit and the effect of reducing switching loss, the switching frequency at light load may be set in conjunction with the cycle of the AC voltage.

前記軽負荷時ON時間を前記基準ON時間に対してできる限り近づけるための具体的な態様としては、前記コイルを流れる電流を検出するコイル電流検出器をさらに備え、前記軽負荷時ON時間が、前記スイッチング素子がONとなってから前記コイル電流検出器により検出される前記コイルを流れるリップル電流振幅値が最大値となるまでの時間に設定されるものが挙げられる。 As a specific mode for making the ON time during light load as close as possible to the reference ON time, the coil current detector for detecting the current flowing through the coil is further provided, and the ON time during light load is: It may be set to the time from when the switching element is turned on until the ripple current amplitude value flowing through the coil detected by the coil current detector reaches the maximum value.

前記整流回路に入力される前記交流電圧の瞬時値を検出する入力電圧検出器をさらに備え、前記入力電圧検出器で検出される電圧の前記交流電圧のピークとなる所定時間前のタイミングにおいて、前記スイッチング素子を前記基準スイッチング周波数で動作させ、前記コイル電流検出器において検出されるリップル電流が最小値から最大値となるまでの時間を前記軽負荷時ON時間に設定するものが挙げられる。 Further comprising an input voltage detector for detecting an instantaneous value of the AC voltage input to the rectifier circuit, the voltage detected by the input voltage detector at a timing a predetermined time before the peak of the AC voltage, the A switching element is operated at the reference switching frequency, and the time required for the ripple current detected by the coil current detector to change from the minimum value to the maximum value is set as the light load ON time.

本発明に係る力率改善回路の好適な適用例としては、前記力率改善回路の出力が入力される圧縮機と、を備えた空気調和装置が挙げられる。このようなものであれば、軽負荷時におけるスイッチング損失を従来よりも低減して、高効率の運転が可能となる。 A preferable application example of the power factor correction circuit according to the present invention is an air conditioner provided with a compressor to which the output of the power factor correction circuit is input. With such a configuration, switching loss at light load is reduced compared to the conventional one, and highly efficient operation becomes possible.

軽負荷状態におけるスイッチング損失を十分に低減できる本発明に係る力率改善回路の制御方法としては、交流電圧を直流電圧に整流する整流回路と、前記整流回路の一方の出力端に直列に接続されたコイルと、前記コイルを前記整流回路の他方の出力端との間で短絡又は開放するスイッチング素子と、ダイオード及び平滑キャパシタが直列に接続された閉回路により構成されたチョッパー回路と、を備えた力率改善回路の制御方法であって、基準の負荷状態において前記スイッチング素子を基準スイッチング周波数で動作させるとともに、前記基準の負荷状態よりも負荷が小さい軽負荷状態において前記スイッチング素子を前記基準スイッチング周波数よりも低い軽負荷時スイッチング周波数で動作させ、前記基準の負荷状態において許容リップル電流振幅値以下となるように設定された前記スイッチング素子のON時間を基準ON時間、前記軽負荷状態において前記許容リップル電流振幅値以下となるように設定された前記スイッチング素子のON時間を軽負荷時ON時間とした場合に、前記基準スイッチング周波数、前記基準ON時間、及び、前記軽負荷時ON時間に基づいて、前記軽負荷時スイッチング周波数が設定することを特徴とする。 As a method of controlling a power factor correction circuit according to the present invention that can sufficiently reduce switching loss in a light load state, a rectifier circuit that rectifies an AC voltage to a DC voltage and a rectifier circuit that is connected in series to one output terminal of the rectifier circuit are connected. a coil, a switching element that short-circuits or opens the coil with the other output terminal of the rectifier circuit, and a chopper circuit configured by a closed circuit in which a diode and a smoothing capacitor are connected in series. A control method for a power factor correction circuit, comprising operating the switching element at a reference switching frequency under a reference load condition, and operating the switching element at the reference switching frequency under a light load condition in which the load is smaller than the reference load condition The ON time of the switching element set to be equal to or less than the allowable ripple current amplitude value in the reference load state is set to the reference ON time and the allowable ripple in the light load state. When the ON time of the switching element set to be equal to or less than the current amplitude value is the ON time at light load, based on the reference switching frequency, the reference ON time, and the ON time at light load, It is characterized in that the switching frequency at light load is set.

また、既存の力率改善回路において例えばプログラムの書き換えによって軽負荷状態におけるスイッチング損失を十分に低減できるようにするには、交流電圧を直流電圧に整流する整流回路と、前記整流回路の一方の出力端に直列に接続されたコイルと、前記コイルを前記整流回路の他方の出力端との間で短絡又は開放するスイッチング素子と、ダイオード及び平滑キャパシタが直列に接続された閉回路により構成されたチョッパー回路と、を備えた力率改善回路に用いられるプログラムであって、基準の負荷状態において前記スイッチング素子を基準スイッチング周波数で動作させるとともに、前記基準の負荷状態よりも負荷が小さい軽負荷状態において前記スイッチング素子を前記基準スイッチング周波数よりも低い軽負荷時スイッチング周波数で動作させるスイッチング制御部としての機能をコンピュータに発揮させるものであり、前記基準の負荷状態において許容リップル電流振幅値以下となるように設定された前記スイッチング素子のON時間を基準ON時間、前記軽負荷状態において前記許容リップル電流振幅値以下となるように設定された前記スイッチング素子のON時間を軽負荷時ON時間とした場合に、前記基準スイッチング周波数、前記基準ON時間、及び、前記軽負荷時ON時間に基づいて、前記軽負荷時スイッチング周波数が設定されることを特徴とする力率改善回路用プログラムを用いれば良い。 In addition, in order to sufficiently reduce the switching loss in the light load state by rewriting the program in the existing power factor correction circuit, a rectification circuit that rectifies the AC voltage to the DC voltage and one output of the rectification circuit A chopper composed of a coil connected in series at one end, a switching element that short-circuits or opens the coil with the other output end of the rectifier circuit, and a closed circuit in which a diode and a smoothing capacitor are connected in series. and a program for operating the switching element at a reference switching frequency in a reference load state, and in a light load state in which the load is smaller than the reference load state, the The computer functions as a switching controller that operates the switching element at a switching frequency at light load that is lower than the reference switching frequency. When the ON time of the switching element set to be the reference ON time and the ON time of the switching element set so as to be equal to or less than the allowable ripple current amplitude value in the light load state, A power factor correction circuit program may be used in which the switching frequency at light load is set based on the reference switching frequency, the reference ON time, and the ON time at light load.

なお、力率改善回路用プログラムは電子的に配信されるものであってもよいし、CD、DVD、フラッシュメモリ等のプログラム記録媒体に記録されたものであってもよい。 The power factor correction circuit program may be electronically distributed, or may be recorded on a program recording medium such as a CD, DVD, or flash memory.

このように本発明に係る力率改善回路によれば、負荷が相対的に大きい基準状態において発生するリップル電流に合わせて設計されたフィルタ回路や前記コンデンサの性能を軽負荷時においても十分に発揮させることによって、軽負荷時において前記スイッチング素子を動作させるスイッチング周波数を低減できる。このため、基準負荷状態よりも軽負荷状態における動作時間が長い用途であれば、全体としてエネルギー損失を低減でき、効率の良い運転が可能となる。また、軽負荷状態において流れるリップル電流自体も低減できるので、前記ダイオードにおける逆回復損失についても低減できる。 As described above, according to the power factor correction circuit according to the present invention, the performance of the filter circuit and the capacitor designed according to the ripple current generated in the reference state where the load is relatively large can be sufficiently exhibited even at the time of light load. Therefore, the switching frequency for operating the switching element can be reduced at the time of light load. Therefore, in applications where the operation time is longer in the light load state than in the reference load state, the energy loss can be reduced as a whole, enabling efficient operation. Moreover, since the ripple current itself that flows in the light load state can be reduced, the reverse recovery loss in the diode can also be reduced.

本発明の一実施形態における力率改善回路を示す回路図。1 is a circuit diagram showing a power factor correction circuit in one embodiment of the present invention; FIG. 本発明の一実施形態におけるスイッチング周波数の決定方法を示すグラフ。5 is a graph showing how switching frequency is determined in one embodiment of the present invention. 同実施形態における最大負荷時における信号波形を示すグラフ。4 is a graph showing signal waveforms at maximum load in the same embodiment; 同実施形態における軽負荷時における信号波形を示すグラフ。4 is a graph showing signal waveforms at light load in the same embodiment; 従来の力率改善回路における最大負荷状態における信号波形を示すグラフ。7 is a graph showing signal waveforms in a maximum load state in a conventional power factor correction circuit; 従来の力率改善回路における軽負荷時状態における信号波形を示すグラフ。7 is a graph showing signal waveforms in a light load state in a conventional power factor correction circuit;

<力率改善回路100の構成> <Configuration of Power Factor Correction Circuit 100>

本発明の一実施形態に係る力率改善回路100について各図を参照しながら説明する。 A power factor correction circuit 100 according to an embodiment of the present invention will be described with reference to each drawing.

本実施形態の力率改善回路100は例えば空気調和装置において圧縮機(図示しない)に供給される電力の力率を改善するために用いられるものであり、交流電源と圧縮機に接続されるインバータ回路との間に設けられる。 The power factor correction circuit 100 of this embodiment is used, for example, to improve the power factor of electric power supplied to a compressor (not shown) in an air conditioner. provided between the circuits.

この力率改善回路100は、図1に示すように交流電源に接続されて、交流電圧を直流電圧に整流する整流回路1と、整流回路1の一方の出力端に直列に接続されたコイルL1と、コイルL1を整流回路1の他方の出力端との間で短絡又は開放するスイッチング素子M1と、ダイオードD5及び平滑キャパシタが直列に接続された閉回路により構成されたチョッパー回路3と、を備えたものである。チョッパー回路3の出力端にはインバータ回路を介して負荷である圧縮機が接続される。また、本実施形態の力率改善回路100は、交流電源と整流回路1との間にはEMIノイズを除去するためのフィルタ回路Fが設けられている。さらに、力率改善回路100は、交流電源の出力電圧、すなわち整流回路1に入力される交流電圧の瞬時値を検出する入力電圧検出器(図示しない)と、コイルL1を流れる電流を検出するコイル電流検出器2と、スイッチング素子M1をON/OFFを制御するスイッチング制御部4を備えている。 This power factor correction circuit 100, as shown in FIG. , a switching element M1 that short-circuits or opens the coil L1 with the other output end of the rectifier circuit 1, and a chopper circuit 3 configured by a closed circuit in which a diode D5 and a smoothing capacitor are connected in series. It is a thing. A compressor as a load is connected to the output end of the chopper circuit 3 via an inverter circuit. Further, the power factor correction circuit 100 of this embodiment is provided with a filter circuit F for removing EMI noise between the AC power supply and the rectifier circuit 1 . Furthermore, the power factor correction circuit 100 includes an input voltage detector (not shown) that detects the output voltage of the AC power supply, that is, the instantaneous value of the AC voltage that is input to the rectifier circuit 1, and a coil that detects the current flowing through the coil L1. A current detector 2 and a switching controller 4 for controlling ON/OFF of the switching element M1 are provided.

各部について詳述する。 Each part will be described in detail.

フィルタ回路Fは、コイルL1を流れるリップル電流によるEMIノイズの発生を防ぎ、交流電源側に影響を与えないように構成されている。このフィルタ回路Fは、最大負荷時において発生する最大のリップル電流を許容できるように設計されている。すなわち、許容リップル電流振幅値に基づいて、フィルタ回路Fは構成されている。このため、従来のようにスイッチング周波数が固定されている場合には、軽負荷時にはリップル電流が小さくなり、フィルタ回路Fには余裕が発生することになる。 The filter circuit F is configured so as to prevent EMI noise from being generated by the ripple current flowing through the coil L1 and not to affect the AC power supply side. This filter circuit F is designed to allow the maximum ripple current that occurs at maximum load. That is, the filter circuit F is configured based on the allowable ripple current amplitude value. Therefore, when the switching frequency is fixed as in the conventional art, the ripple current becomes small when the load is light, and the filter circuit F has a margin.

整流回路1は、4つのダイオードD1、D2、D3、D4がブリッジをなすように接続され、交流を全波整流して直流として出力するように構成されている。 The rectifier circuit 1 is configured such that four diodes D1, D2, D3, and D4 are connected to form a bridge, and full-wave rectification of AC is performed to output DC.

コイルL1はブーストコイルであって、コイルL1を構成する主巻線とともに電流検出用の補助巻線がコアに対して巻回されており、コイルL1に流れる電流を検出できるように構成されている。主巻線に電流が流れるとそれに比例して補助巻線には電圧が発生するので、この補助巻線に発生する電圧に基づいてコイルL1に流れているリップル電流の大きさを検出している。すなわち、補助巻線によって前述したコイル電流検出器2が構成される。なお、コイル電流検出器2は補助巻線に限られるものではなく、例えばコイルL1を構成する主巻線に対して直列に接続した電流検出用の抵抗であってもよいし、コイルL1に印加される電圧を検出してコイルL1に流れる電流量を検出するように構成されたものであってもよい。 The coil L1 is a boost coil, and a main winding that constitutes the coil L1 and an auxiliary winding for current detection are wound around the core, so that the current flowing through the coil L1 can be detected. . When a current flows through the main winding, a voltage is generated in the auxiliary winding in proportion to it. Based on the voltage generated in this auxiliary winding, the magnitude of the ripple current flowing through the coil L1 is detected. . That is, the auxiliary winding constitutes the coil current detector 2 described above. Note that the coil current detector 2 is not limited to the auxiliary winding. It may be configured to detect the voltage applied to the coil L1 to detect the amount of current flowing through the coil L1.

スイッチング素子M1は、例えばMOSFET等を用いることができる。このスイッチング素子M1は、コイルL1に流れる電流が連続的に流れ続けるように電流連続モードで制御される。そして、電源電流が電源の波形と相似形となるようにスイッチング素子M1のON/OFFが切り替えられる。スイッチング素子M1がONとなっている間は、コイルL1に電気エネルギーが蓄積される。また、本実施形態では負荷の状態に応じてスイッチング素子M1を動作させるスイッチング周波数が変更される。このようなスイッチング素子M1の動作の詳細についてはスイッチング制御部4とともに後述する。 For example, a MOSFET or the like can be used as the switching element M1. The switching element M1 is controlled in a current continuous mode so that the current flowing through the coil L1 continues to flow continuously. Then, ON/OFF of the switching element M1 is switched so that the power supply current has a waveform similar to that of the power supply. Electric energy is accumulated in the coil L1 while the switching element M1 is ON. Further, in this embodiment, the switching frequency for operating the switching element M1 is changed according to the state of the load. The details of the operation of the switching element M1 will be described later together with the switching control section 4. FIG.

ダイオードD5は、ファーストリカバリーダイオードであって、スイッチング素子M1がOFFとなっている間はコイルL1に蓄積された電気エネルギーがダイオードD5を介して負荷に供給される。 Diode D5 is a fast recovery diode, and electric energy accumulated in coil L1 is supplied to the load via diode D5 while switching element M1 is OFF.

コンデンサC1は、平滑キャパシタとして作用するものであり、スイッチング素子M1のON/OFFにコイルL1を流れる電流に含まれるリップルを取り除いて負荷へと供給する。コンデンサC1の特性については最大負荷時に発生する最大のリップル電流の振幅値に基づいて設定される。すなわち、許容リップル電流振幅値に応じてコンデンサC1の特性が設定される。 Capacitor C1 acts as a smoothing capacitor, removes ripple contained in the current flowing through coil L1 when switching element M1 is ON/OFF, and supplies the current to the load. The characteristics of the capacitor C1 are set based on the maximum amplitude of ripple current that occurs at maximum load. That is, the characteristics of the capacitor C1 are set according to the allowable ripple current amplitude value.

スイッチング制御部4は、例えばCPU、メモリ、A/Dコンバータ、D/Aコンバータ、各種入出力手段を備えたマイクロコンピュータによってその機能が実現されるものである。すなわち、メモリに格納されている力率改善回路用プログラムが実行されることによってスイッチング制御部4としての機能が実現される。 The functions of the switching control unit 4 are realized by a microcomputer having, for example, a CPU, a memory, an A/D converter, a D/A converter, and various input/output means. That is, the function of the switching control unit 4 is realized by executing the power factor correction circuit program stored in the memory.

スイッチング制御部4は、基準の負荷状態である最大負荷時には、予め固定値に定められた基準スイッチング周波数でスイッチング素子M1を動作させるとともに、基準の負荷状態よりも負荷が小さい軽負荷状態においては、基準スイッチング周波数よりも低い軽負荷時スイッチング周波数でスイッチング素子M1を動作させるように構成されている。より具体的には、スイッチング制御部4は、軽負荷状態においてスイッチング素子M1を動作させる軽負荷時スイッチング周波数と、その1周期中における軽負荷時ON時間の長さを所定のアルゴリズムに基づいて設定する。 The switching control unit 4 operates the switching element M1 at a reference switching frequency predetermined as a fixed value when the load is maximum, which is the reference load state. It is configured to operate the switching element M1 at a light-load switching frequency that is lower than the reference switching frequency. More specifically, the switching control unit 4 sets the light-load switching frequency for operating the switching element M1 in the light-load state and the length of the ON time during the light-load period in one cycle based on a predetermined algorithm. do.

ここで、基準の負荷状態となる最大負荷時において用いられる基準スイッチング周波数と1周期中のON時間である基準ON時間については予め固定値が設定してある。基準ON時間は、最大負荷時において最大のリップル電流振幅が発生する際に許容リップル電流振幅値以下となるように設定される。 Here, fixed values are set in advance for the reference switching frequency and the reference ON time, which is the ON time in one cycle, which is used at the time of maximum load, which is the reference load state. The reference ON time is set so that when the maximum ripple current amplitude occurs at maximum load, it is equal to or less than the allowable ripple current amplitude value.

具体的には図2(a)に示すように交流電圧がピーク値を取るタイミングでコイルL1を流れるリップル電流の振幅も最大となるので、図2(b)に示すようにこのタイミングでのリップル電流振幅値が許容リップル電流振幅値となるように基準ON時間t0を設定する。また、本実施形態では基準スイッチング周波数f0の逆数である周期1/f0はほぼ基準ON時間t0の2倍となるように設定してある。これらの値は常に固定された値である。これらの値と、軽負荷時において基準ON時間t0にできる限り近づくように設定した軽負荷時ON時間t1に基づいて、スイッチング制御部4は軽負荷時に用いる軽負荷時スイッチング周波数f1を算出し設定する。 Specifically, as shown in FIG. 2(a), the amplitude of the ripple current flowing through the coil L1 becomes maximum at the timing when the AC voltage takes a peak value. The reference ON time t0 is set so that the current amplitude value becomes the allowable ripple current amplitude value. Further, in this embodiment, the period 1/f0, which is the reciprocal of the reference switching frequency f0, is set to be approximately twice the reference ON time t0. These values are always fixed values. Based on these values and the light load ON time t1 which is set to be as close as possible to the reference ON time t0 at light load, the switching control unit 4 calculates and sets the light load switching frequency f1 used at light load. do.

具体的なアルゴリズムは以下のようなものである。 A concrete algorithm is as follows.

まず、スイッチング制御部4は、交流電圧の瞬時値がピークとなる手前においてスイッチング周波数を基準スイッチング周波数f0に設定する。本実施形態では例えば入力電圧検出器で検出される交流電源電圧がピーク値の95%となった時点から、スイッチング周波数を基準スイッチング周波数f0と、基準ON時間t0でスイッチング素子M1を動作させる。 First, the switching control unit 4 sets the switching frequency to the reference switching frequency f0 before the instantaneous value of the AC voltage reaches its peak. In this embodiment, for example, when the AC power supply voltage detected by the input voltage detector reaches 95% of the peak value, the switching element M1 is operated at the reference switching frequency f0 and the reference ON time t0.

ここで、図2(c)に示すように交流電源電圧の瞬時値がピークとなる時に最大のリップル電流が現れるので、スイッチング制御部4は、そのタイミングを記憶する。また、図2(d)に示すように、コイル電流検出器2で検出されるコイル電流により前述したタイミングのリップル電流の全振幅が現れている時間を検知し、その時間を軽負荷時に設定する軽負荷時ON時間t1として検知する。 Here, as shown in FIG. 2(c), the maximum ripple current appears when the instantaneous value of the AC power supply voltage reaches its peak, so the switching controller 4 stores the timing. Further, as shown in FIG. 2(d), the coil current detected by the coil current detector 2 detects the time during which the full amplitude of the ripple current at the timing described above appears, and sets that time when the load is light. It is detected as ON time t1 at light load.

スイッチング制御部4は、検知した軽負荷時ON時間t1、基準ON時間t0、基準スイッチング周波数f0に基づいて軽負荷時スイッチング周波数をf1=t1/t0・f0により算出する。このようにして設定された軽負荷時スイッチング周波数f1及び軽負荷時ON時間t1を用いることで、許容リップル電流振幅値内でできるだけ大きなリップル電流値を発生させながら、基準スイッチング周波数f0よりも低い周波数の軽負荷時スイッチング周波数を設定できる。このような軽負荷時スイッチング周波数f1及び軽負荷時ON時間については交流電源の電圧周期ごとに実行される。 The switching control unit 4 calculates the switching frequency at light load by f1=t1/t0·f0 based on the detected ON time t1 at light load, reference ON time t0, and reference switching frequency f0. By using the light-load switching frequency f1 and the light-load ON time t1 set in this way, it is possible to generate a ripple current value as large as possible within the allowable ripple current amplitude value, and at a frequency lower than the reference switching frequency f0. can set the switching frequency at light load. The switching frequency f1 during light load and the ON time during light load are executed for each voltage cycle of the AC power supply.

<力率改善回路100の効果> <Effect of Power Factor Correction Circuit 100>

このように構成された本実施形態の力率改善回路100であれば、軽負荷状態においては最大負荷状態である基準負荷状態において使用される基準スイッチング周波数f0よりも低い軽負荷時スイッチング周波数f1でスイッチング素子M1を動作させることができる。このため、軽負荷時におけるスイッチング損失を低減できる。 With the power factor correction circuit 100 of the present embodiment configured as described above, in the light load state, the switching frequency f1 at light load, which is lower than the reference switching frequency f0 used in the reference load state which is the maximum load state, is used. The switching element M1 can be operated. Therefore, it is possible to reduce the switching loss at the time of light load.

また、軽負荷時に設定される軽負荷時ON時間t1は、最大負荷時に設定される基準ON時間t0にできるだけ近づけた状態に設定されるので、EMIノイズを除去するためのフィルタ回路F等の性能やコンデンサC1の性能をフルに活用して、スイッチング損失を低減できる。 In addition, the light load ON time t1 set at light load is set as close as possible to the reference ON time t0 set at maximum load. and the performance of the capacitor C1 can be fully utilized to reduce the switching loss.

加えて、スイッチング素子M1がONとなるタイミングでのリップル電流については、周波数を一定にしたときよりも小さくすることが可能となるので、ダイオードD5における逆回復損失も低減できる。 In addition, the ripple current at the timing when the switching element M1 is turned ON can be made smaller than when the frequency is kept constant, so the reverse recovery loss in the diode D5 can also be reduced.

言い換えると、図3の最大負荷時の信号波形と図4の軽負荷時の信号波形に示されるように、本実施形態の力率改善回路100は、負荷状態に応じてスイッチング周波数を変更することによって、従来と比較して軽負荷時にはリップル電流を大きくすることで、スイッチング周波数は小さくできる。例えば空気調和装置のように最大負荷での運転時間が短く、軽負荷での運転時間が大半を占める場合には、軽負荷時のスイッチング損失が低減される効果によって全体としてエネルギーの効率を高くすることができる。 In other words, as shown in the signal waveform at maximum load in FIG. 3 and the signal waveform at light load in FIG. Therefore, the switching frequency can be reduced by increasing the ripple current when the load is light compared to the conventional case. For example, in the case of air conditioners, where the operating time at maximum load is short and the operating time at light load accounts for most of the time, the effect of reducing switching loss at light load increases overall energy efficiency. be able to.

その他の実施形態について説明する。 Other embodiments will be described.

前記実施形態では、各電源電圧周期で軽負荷時ON時間t1や軽負荷時スイッチング周波数f1を負荷の状態ごとに切り替えるようにしていたが、例えば運転状態がある程度決まっているならばその負荷状態に対して固定したt1やf1を用いてもよい。この場合、各種検出器を用いずに力率改善回路を構成してもよい。 In the above embodiment, the light load ON time t1 and the light load switching frequency f1 are switched for each load state in each power supply voltage cycle. Alternatively, fixed t1 and f1 may be used. In this case, the power factor correction circuit may be configured without using various detectors.

基準の負荷状態については最大負荷状態に限られるものではなく、負荷が相対的に大きい状態を基準の負荷状態としてもよい。また、力率改善回路が用いられる用途は空気調和装置に限られず、例えば洗濯機等の様々な用途に用いても構わない。 The reference load state is not limited to the maximum load state, and a relatively large load state may be used as the reference load state. In addition, the application for which the power factor correction circuit is used is not limited to the air conditioner, and it may be used for various applications such as a washing machine.

その他、本発明の趣旨に反しない限りにおいて様々な実施形態の変形や、各実施形態の一部同士を組み合わせても良い。 In addition, as long as it does not contradict the gist of the present invention, various modifications of the embodiments and parts of the embodiments may be combined.

100・・・力率改善回路
1 ・・・整流回路
L1 ・・・コイル
M1 ・・・スイッチング素子
D5 ・・・ダイオード
C1 ・・・コンデンサ
3 ・・・チョッパー回路
F ・・・フィルタ回路
4 ・・・スイッチング制御部
100 Power factor correction circuit 1 Rectifier circuit L1 Coil M1 Switching element D5 Diode C1 Capacitor 3 Chopper circuit F Filter circuit 4・Switching controller

Claims (9)

交流電圧を直流電圧に整流する整流回路と、
前記整流回路の一方の出力端に直列に接続されたコイルと、
前記コイルを前記整流回路の他方の出力端との間で短絡又は開放するスイッチング素子と、
ダイオード及び平滑キャパシタが直列に接続された閉回路により構成されたチョッパー回路と、を備え、
基準の負荷状態において前記スイッチング素子を基準スイッチング周波数で動作させるとともに、前記基準の負荷状態よりも負荷が小さい軽負荷状態において前記スイッチング素子を前記基準スイッチング周波数よりも低い軽負荷時スイッチング周波数で動作させるように構成されており、
前記基準の負荷状態において許容リップル電流振幅値以下となるように設定された前記スイッチング素子のON時間を基準ON時間、前記軽負荷状態において前記許容リップル電流振幅値以下となるように設定された前記スイッチング素子のON時間を軽負荷時ON時間とした場合に、
前記基準スイッチング周波数、前記基準ON時間、及び、前記軽負荷時ON時間に基づいて、前記軽負荷時スイッチング周波数が設定されることを特徴とする力率改善回路。
a rectifier circuit that rectifies an AC voltage to a DC voltage;
a coil connected in series to one output terminal of the rectifier circuit;
a switching element that short-circuits or opens the coil with the other output end of the rectifier circuit;
a chopper circuit configured by a closed circuit in which a diode and a smoothing capacitor are connected in series;
The switching element is operated at a reference switching frequency in a reference load state, and the switching element is operated at a light load switching frequency lower than the reference switching frequency in a light load state in which the load is smaller than the reference load state. is configured as
The ON time of the switching element is set to be equal to or less than the allowable ripple current amplitude value in the reference load state, and the reference ON time is set to be equal to or less than the allowable ripple current amplitude value in the light load state. When the ON time of the switching element is the ON time at light load,
A power factor correction circuit, wherein the switching frequency at light load is set based on the reference switching frequency, the reference ON time, and the ON time at light load.
前記基準の負荷状態が、最大負荷状態であり、
前記許容リップル電流振幅値が前記最大負荷状態において発生するリップル電流の振幅値である請求項1記載の力率改善回路。
the reference load state is a maximum load state;
2. A power factor correction circuit according to claim 1, wherein said allowable ripple current amplitude value is the amplitude value of ripple current generated in said maximum load condition.
前記基準の負荷状態において前記許容リップル電流振幅値となるように前記基準ON時間が設定され、
前記軽負荷状態において前記許容リップル電流振幅値となるように前記軽負荷時ON時間が設定される請求項1又は2記載の力率改善回路。
the reference ON time is set so as to achieve the allowable ripple current amplitude value in the reference load state;
3. The power factor correction circuit according to claim 1, wherein said light load ON time is set so as to achieve said allowable ripple current amplitude value in said light load state.
前記軽負荷時スイッチング周波数が、前記交流電圧の周期に連動して設定される請求項1乃至3いずれかに記載の力率改善回路。 4. The power factor correction circuit according to claim 1, wherein said light load switching frequency is set in conjunction with a period of said AC voltage. 前記コイルを流れる電流を検出するコイル電流検出器をさらに備え、
前記軽負荷時ON時間が、前記スイッチング素子がONとなってから前記コイル電流検出器により検出される前記コイルを流れるリップル電流振幅値が最大値となるまでの時間に設定される請求項1乃至4いずれかに記載の力率改善回路。
Further comprising a coil current detector that detects the current flowing through the coil,
2. The light load ON time is set to a time from when the switching element is turned ON to when the ripple current amplitude value flowing through the coil detected by the coil current detector reaches a maximum value. 5. The power factor correction circuit according to any one of 4.
前記整流回路に入力される前記交流電圧の瞬時値を検出する入力電圧検出器をさらに備え、
前記入力電圧検出器で検出される電圧の前記交流電圧のピークとなる所定時間前のタイミングにおいて、前記スイッチング素子を前記基準スイッチング周波数で動作させ、
前記コイル電流検出器において検出されるリップル電流が最小値から最大値となるまでの時間を前記軽負荷時ON時間に設定する請求項5記載の力率改善回路。
Further comprising an input voltage detector that detects an instantaneous value of the AC voltage input to the rectifier circuit,
operating the switching element at the reference switching frequency at a timing a predetermined time before the peak of the AC voltage of the voltage detected by the input voltage detector;
6. The power factor correction circuit according to claim 5, wherein the ON time at light load is set to the time required for the ripple current detected by the coil current detector to change from the minimum value to the maximum value.
請求項1乃至6いずれかに記載の力率改善回路と、
前記力率改善回路の出力が入力される圧縮機と、を備えた空気調和装置。
A power factor correction circuit according to any one of claims 1 to 6;
and a compressor to which the output of the power factor correction circuit is input.
交流電圧を直流電圧に整流する整流回路と、前記整流回路の一方の出力端に直列に接続されたコイルと、前記コイルを前記整流回路の他方の出力端との間で短絡又は開放するスイッチング素子と、ダイオード及び平滑キャパシタが直列に接続された閉回路により構成されたチョッパー回路と、を備えた力率改善回路の制御方法であって、
基準の負荷状態において前記スイッチング素子を基準スイッチング周波数で動作させるとともに、前記基準の負荷状態よりも負荷が小さい軽負荷状態において前記スイッチング素子を前記基準スイッチング周波数よりも低い軽負荷時スイッチング周波数で動作させ、
前記基準の負荷状態において許容リップル電流振幅値以下となるように設定された前記スイッチング素子のON時間を基準ON時間、前記軽負荷状態において前記許容リップル電流振幅値以下となるように設定された前記スイッチング素子のON時間を軽負荷時ON時間とした場合に、
前記基準スイッチング周波数、前記基準ON時間、及び、前記軽負荷時ON時間に基づいて、前記軽負荷時スイッチング周波数が設定することを特徴とする制御方法。
A rectifying circuit that rectifies an AC voltage to a DC voltage, a coil that is connected in series to one output terminal of the rectifying circuit, and a switching element that shorts or opens the coil to the other output terminal of the rectifying circuit. and a chopper circuit configured by a closed circuit in which a diode and a smoothing capacitor are connected in series, wherein
The switching element is operated at a reference switching frequency in a reference load state, and the switching element is operated at a light load switching frequency lower than the reference switching frequency in a light load state in which the load is smaller than the reference load state. ,
The ON time of the switching element is set to be equal to or less than the allowable ripple current amplitude value in the reference load state, and the reference ON time is set to be equal to or less than the allowable ripple current amplitude value in the light load state. When the ON time of the switching element is the ON time at light load,
A control method, wherein the switching frequency at light load is set based on the reference switching frequency, the reference ON time, and the ON time at light load.
交流電圧を直流電圧に整流する整流回路と、前記整流回路の一方の出力端に直列に接続されたコイルと、前記コイルを前記整流回路の他方の出力端との間で短絡又は開放するスイッチング素子と、ダイオード及び平滑キャパシタが直列に接続された閉回路により構成されたチョッパー回路と、を備えた力率改善回路に用いられるプログラムであって、
基準の負荷状態において前記スイッチング素子を基準スイッチング周波数で動作させるとともに、前記基準の負荷状態よりも負荷が小さい軽負荷状態において前記スイッチング素子を前記基準スイッチング周波数よりも低い軽負荷時スイッチング周波数で動作させるスイッチング制御部としての機能をコンピュータに発揮させるものであり、
前記基準の負荷状態において許容リップル電流振幅値以下となるように設定された前記スイッチング素子のON時間を基準ON時間、前記軽負荷状態において前記許容リップル電流振幅値以下となるように設定された前記スイッチング素子のON時間を軽負荷時ON時間とした場合に、
前記基準スイッチング周波数、前記基準ON時間、及び、前記軽負荷時ON時間に基づいて、前記軽負荷時スイッチング周波数が設定されることを特徴とする力率改善回路用プログラム。

A rectifying circuit that rectifies an AC voltage to a DC voltage, a coil that is connected in series to one output terminal of the rectifying circuit, and a switching element that shorts or opens the coil to the other output terminal of the rectifying circuit. and a chopper circuit configured by a closed circuit in which a diode and a smoothing capacitor are connected in series, and a program used in a power factor correction circuit comprising:
The switching element is operated at a reference switching frequency in a reference load state, and the switching element is operated at a light load switching frequency lower than the reference switching frequency in a light load state in which the load is smaller than the reference load state. It makes the computer demonstrate the function as a switching control unit,
The ON time of the switching element is set to be equal to or less than the allowable ripple current amplitude value in the reference load state, and the reference ON time is set to be equal to or less than the allowable ripple current amplitude value in the light load state. When the ON time of the switching element is the ON time at light load,
A program for a power factor correction circuit, wherein the switching frequency at light load is set based on the reference switching frequency, the reference ON time, and the ON time at light load.

JP2021016832A 2021-02-04 2021-02-04 Power factor improvement circuit, air conditioner, control method, and program for power factor improvement circuit Pending JP2022119584A (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2021016832A JP2022119584A (en) 2021-02-04 2021-02-04 Power factor improvement circuit, air conditioner, control method, and program for power factor improvement circuit

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2021016832A JP2022119584A (en) 2021-02-04 2021-02-04 Power factor improvement circuit, air conditioner, control method, and program for power factor improvement circuit

Publications (1)

Publication Number Publication Date
JP2022119584A true JP2022119584A (en) 2022-08-17

Family

ID=82848476

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2021016832A Pending JP2022119584A (en) 2021-02-04 2021-02-04 Power factor improvement circuit, air conditioner, control method, and program for power factor improvement circuit

Country Status (1)

Country Link
JP (1) JP2022119584A (en)

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP6478881B2 (en) DC power supply and air conditioner
JP5997677B2 (en) Power converter and air conditioner
JP3740946B2 (en) Power supply device, electric motor drive device and air conditioner
JP6712104B2 (en) DC power supply and air conditioner
KR100806774B1 (en) Ac-to-dc converter and method for converting ac to dc using the same
JP2006174689A (en) Dc power supply device
JP6671126B2 (en) DC power supply and air conditioner
JP2018007327A (en) Dc power supply and air conditioner
US8824180B2 (en) Power conversion apparatus
JPWO2019049299A1 (en) Power converters, compressors, blowers, and air conditioners
JP5471384B2 (en) Inverter device for motor drive
WO2016098160A1 (en) Power converter, compressor, air blower, and air conditioner
JP4817204B2 (en) Motor control device
WO2015056403A1 (en) Power converter and air conditioner
JP2000188867A (en) Converter circuit and device for controlling dc voltage
JP2018174642A (en) Voltage doubler rectifier circuit and motor drive device
JP2022119584A (en) Power factor improvement circuit, air conditioner, control method, and program for power factor improvement circuit
JP2008228511A (en) Power supply
JP2020096527A (en) Dc power supply unit and air conditioner
JPH11178342A (en) Power supply unit, electronic apparatus, and step-down type rectification/smoothing circuit
JP4674122B2 (en) Power supply
JP7490089B2 (en) Air conditioners
JP7049770B2 (en) Power converter and motor drive system
JP7175364B2 (en) DC power supply and air conditioner
EP4181373A1 (en) Power transforming apparatus and air conditioner including the same