JP3484904B2 - 力率改善回路 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、交流から直流に変
換する電源回路において、力率を改善する回路に関する
ものである。

【０００２】

【従来の技術】従来のこの種の力率改善回路について説
明する。

【０００３】図１１に示すような容量インプット型の整
流平滑回路は、効率向上や小型化を図るために電気機器
の多くに応用されている。

【０００４】このような整流回路では整流後の脈流電圧
のピーク付近でのみしか電流が流れない。この電流が流
れる期間を導通期間という。

【０００５】これは脈流電圧のピーク付近でのみ、図１
１のダイオードブリッジ５が順バイアスとなり導通する
ためである。導通期間は商用電源周波数の１周期に対し
て非常に短く、そこを流れる電流は鋭いパルス状にな
る。パルス状の電流は配線の抵抗分やインダクタンス分
によって電圧波形に歪みを発生させる。

【０００６】この状態は力率が低く、また電源高調波の
発生やそれに起因する装置の誤動作、異常発熱などの原
因となる。

【０００７】このように歪んだ電流波形を正弦波に近づ
けるためには、図１０に示すような力率改善回路を用い
る。

【０００８】これは、整流後の脈流電圧の検知手段１０
とダイオード３による整流後の電圧の検知手段１３、お
よび電流検出抵抗７、電流検出手段８からの信号を元
に、電流スイッチング手段１をオン／オフすることによ
り、電流のコントロールを行い、ダイオードブリッジ５
を流れる電流を正弦波に近づけることにより力率改善を
図る働きをするものである。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、力率改
善回路には、図１０に示すような昇圧型のほかに、降圧
型、昇降圧型等いくつか種類があるがいずれの型におい
ても負荷変動によって、力率が変化する、すなわち軽負
荷時に力率が低下するという課題を有していた。

【００１０】また、力率改善回路において電流検出手段
の一部をなす電流検出抵抗は不可欠であるが、同時に電
流検出抵抗による電力の損失の低減も課題であった。

【００１１】上記のような力率改善回路において、定格
に対して１００％の電力を出力しているときは力率がほ
ぼ１に近い回路でも、出力が例えば定格の１０％の軽負
荷時には０．５〜０．７と極端に悪くなるという課題を
有していた。

【００１２】このように軽負荷時に力率が悪化する原因
の１つとして、電流スイッチング手段が動作する１周期
の間にコイルを流れる電流がゼロになって、電流制御が
不十分になり、結果として電流波形の歪みが補正されな
いということがある。

【００１３】通常一般的な特性をもつコイルでは、イン
ダクタンスは負荷電流の変化に対してほぼ一定である
が、このような特性では力率改善回路の定格に対して１
００％の負荷の時には、所定の力率、例えば０．９８以
上を確保することができる。しかし軽負荷時、例えば定
格の１０％の負荷の時には、負荷電流が小さくなり電流
が不連続になって力率改善制御が十分できない区間が発
生するためである。

【００１４】上記の具体的な説明を式１，２を用いて行
う。電流スイッチング手段がオンの期間に

【００１５】

【数１】

【００１６】で表される勾配を持った電流がコイルを流
れる。式１からわかるように電流の勾配は電圧の瞬時値
とコイルのインダクタンスのみで決まり、負荷の大きさ
には影響を受けない。また、コイルを流れる電流の実効
値ｌｒｍｓの１／２が、上記の電流勾配と電流スイッチ
ング手段１の導通時間Ｔｏｎの積を常に越える場合、す
なわち

【００１７】

【数２】

【００１８】が成立するとき、コイルを流れる電流は連
続となり力率改善の効果が最も高い状態になる。この状
態は力率改善回路が定格負荷あるいはそれに近い負荷電
流を出力している場合に対応する。

【００１９】逆に、力率改善回路が定格負荷に対して例
えば５０％以下の負荷電流を出力している場合には式２
が成立せず、その結果電流スイッチング手段１が導通し
ているにもかかわらず、電流が流れない期間が発生す
る。

【００２０】この状態を電流不連続といい、この期間は
電流を制御することができないため、力率改善の効果が
低下する。力率改善回路の負荷が軽くなるほど、すなわ
ち負荷電流が小さくなるほど式２の左辺の値が小さくな
るため、電流不連続の期間が長くなって制御不能の期間
が長くなり、その結果力率改善の効果が更に低下すると
いう課題を有していた。

【００２１】低負荷時でも力率改善効果の低下を防ぐと
いう上記の課題を解決するためには、上述の電流不連続
の期間をなくす、あるいは短くすることが必要で、その
ためには、式２の導通期間Ｔｏｎを短くするか、または
電流勾配Ｖｄｃ／Ｌを小さくすることが必要である。

【００２２】導通期間を短くするための具体的な手段と
しては、電流スイッチング手段のスイッチング周波数ｆ
ｓｗを高くするということがあり、電流勾配Ｖｄｃ／Ｌ
を小さくするためにはコイルのインダクタンスＬを大き
くすることが必要である。

【００２３】また、力率改善動作が不十分になるもう一
つの原因として、軽負荷時には電流検出手段の一部であ
る電流検出部の出力が重負荷時に較べて非常に小さくな
り、その結果制御回路部の動作が最適でなくなると言う
課題がある。

【００２４】本発明では、上記課題を解決し負荷条件に
よらず力率を０．９以上に保つ事を可能とする力率改善
回路を提供する事を目的とするものである。

【００２５】また、本発明は電流検出抵抗による電力損
失低減を図り、力率改善回路の効率の向上を目的とする
ものである。

【００２６】特に昇圧型力率改善回路を例にとって説明
したが、本発明は降圧型、昇降圧型あるいはその他の方
式の力率改善回路においても応用可能である。

【００２７】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に本発明は、電流検出抵抗を可変にしたものである。

【００２８】

【００２９】また、本発明はコイルのインダクタンス値
をコイルを流れる電流に応じて可変にしたものである。

【００３０】

【発明の実施の形態】上記課題を解決するために本発明
は、電流検出抵抗を可変にする事により、重負荷時には
電流検出抵抗を相対的に小さくし、当該抵抗での電力損
失を低減と軽負荷時での力率改善を図るものである。

【００３１】

【００３２】

【００３３】また、本発明はコイルのインダクタンスを
負荷電流に応じて可変にしたものである。

【００３４】

【実施例】以下本発明の実施例について図面を参照して
説明する。

【００３５】（実施例１）図１の７は電流検出抵抗、８
はその信号を検出する増幅器である。

【００３６】９は電流スイッチング手段１を駆動する駆
動部、１１は増幅器８と乗算器１２の出力の差を増幅す
る増幅器、１３は出力電圧検出手段、１５は入力電圧検
出手段、１６は信号発生器である。また、２０は電流検
出部の出力と基準レベルを比較しそれに応じてスイッチ
素子２１をオン／オフする比較器である。

【００３７】１７および１８は信号発生器の動作周波数
を決定する抵抗及び静電容量である。

【００３８】１９はスイッチ素子２１をオンさせること
により等価的に抵抗値を小さくするための抵抗で、その
結果信号発生器の動作周波数をスイッチ素子２１のオフ
時より小さくすることができる。

【００３９】電流検出抵抗７の両端の電位差はそれを流
れる負荷電流に応じて変化する。この電位差またはそれ
に相当する信号は増幅器８を介して増幅器１１と比較器
２０に伝えられる。

【００４０】比較器２０は電流検出部の出力信号と基準
レベルを比較し、出力信号が基準レベルを上回っていれ
ばハイを出力し、スイッチ素子２１をオンする。その結
果抵抗１８と１９が並列になって合成抵抗を形成し、見
かけの抵抗値が小さくなる。

【００４１】その結果、信号発生器の動作周波数が低く
なり、それに同期して電流スイッチング手段１のスイッ
チング周波数も低くなる。

【００４２】逆に増幅器８の出力信号が基準レベルを下
回っているかまたは等しい場合は比較器２０はロウの状
態を維持し、したがってスイッチ素子２１はオフであり
信号発生器の動作周波数は変化しない。

【００４３】図２及び図３は信号発生器１６と抵抗およ
び静電容量の接続の仕方のバリエーションをあらわすも
ので、図２は抵抗１９が１７に対して直列に入っている
場合である。

【００４４】図３は静電容量の変化によって信号発生器
の動作周波数を変化させる回路であり、図３（ａ）は静
電容量１８に対して静電容量２２が並列に入っている場
合、図３（ｂ）は１８に対して２２が直列に入っている
場合を示す。

【００４５】いずれの場合も負荷電流があらかじめ決め
られた設定値を超えたときに、比較器２０の出力がハイ
になってスイッチ素子２１をオンさせ、信号発生器１６
の動作周波数を低くする方向に働く。

【００４６】すでに述べたように信号発生器の動作周波
数が低くなると、それに同期して駆動されている電流ス
イッチング手段１のスイッチング周波数も低くなり、そ
の結果スイッチング損失が低減され、力率改善回路の効
率向上につながる。

【００４７】また、負荷電流が設定値よりも低い場合は
比較器２０の出力はロウであり、スイッチ素子２１はオ
フ状態であり、したがって信号発生器１６の動作周波数
は高い設定値に維持され、電流不連続による制御不完全
の状態がなくなり、この結果力率は０．９以上の高いレ
ベルに維持される。

【００４８】以上のような作用により軽負荷時の力率の
向上と、重負荷時の効率の向上が実現される。

【００４９】スイッチ素子２１は図面上ではバイポーラ
トランジスタの記号を用いたが、ＪＦＥＴやＭＯＳＦＥ
Ｔ、サイリスタ、トライアック、フォトカプラあるいは
リレーを用いることも可能である。

【００５０】（実施例２）図４を用いて、周波数発生器
２３と分周器２４から信号発生器１６を構成した場合の
動作について説明する。

【００５１】信号発生器１６’において周波数発生器２
３は力率改善回路の電流スイッチング手段のスイッチン
グ周波数より高い周波数で動作しており、周波数分周器
２４によって２３の出力波形を分周する事により所定の
動作周波数の信号を発生している。

【００５２】２５は増幅器８の出力に応じたディジタル
またはアナログ信号を発生する信号変換器であり、分周
比は２段階以上に設定され信号変換器２５の出力に応じ
て、周波数分周器２４により決される。

【００５３】電流検出抵抗７を流れる負荷電流と分周比
は、グラフ５に示すように単調増加の関係になっている
が、それらの関係を表す関数は制御の内容に応じて線形
あるいは非線形な形をとることが可能である。

【００５４】この関係により負荷電流が増加すれば分周
比は高くなり、負荷電流が減少すれば分周比は低くなる
ように設定することができる。

【００５５】したがって、信号発生器の動作周波数は負
荷電流が増加すると低くなり、負荷電流が減少すると高
くなる特性をもち、この結果電流スイッチング手段１の
スイッチング周波数も負荷電流が増加すると低くなり、
減少すると高くなる特性を持つ。

【００５６】このような作用により、（実施例１）と同
様に軽負荷時の力率の向上と、重負荷の効率の向上が実
現される。

【００５７】（実施例３）図６を用いて電流検出抵抗か
らの信号を増幅する増幅器の増幅率を変えることによ
り、力率を改善する方法を説明する。

【００５８】図５の２５’は電流検出抵抗７からの信号
を増幅する増幅器の増幅率を決定する増幅率決定手段で
ある。増幅率決定手段２５は電流検出抵抗７からの信号
に応じて、増幅器の増幅率を決定する。

【００５９】軽負荷時は負荷電流が小さいため電流検出
抵抗の両端に発生する電位差が小さく、制御を行うため
の情報が不足し、電流スイッチング手段を駆動制御する
制御回路部の動作が不十分になり、その結果力率改善動
作が不十分になる。

【００６０】したがって軽負荷時の場合には、増幅器の
増幅率を大きく設定することにより、制御回路部の動作
が必要十分となり、力率改善の効果が得ることが可能と
なる。

【００６１】また、重負荷時には負荷電流が大きくなり
電流検出抵抗の両端に発生する電位差が大きくなるた
め、増幅率を小さくしても制御回路部の動作には影響を
及ぼさず、したがって力率改善の効果は十分得られる。

【００６２】さらに大電流が流れた場合、増幅率が固定
されていると増幅器の出力が飽和して制御不能になるこ
とがあるが、上記のように負荷電流に応じた増幅率の設
定を行うことによって、増幅器の出力飽和による制御不
能を防止することができる。

【００６３】このような作用により負荷条件によらず力
率を０．９以上に保つことが可能となる。

【００６４】（実施例４）図７を用いて電流検出抵抗の
抵抗値を変えることにより、力率を改善する方法を説明
する。

【００６５】図７（ａ）の７’は電流検出抵抗７に直列
につながる第２の電流検出抵抗であり、２６は電流検出
抵抗７’の両端に接続され、以下に述べるような動作に
より電流検出抵抗７’を短絡するスイッチ素子である。

【００６６】軽負荷時には電流検出抵抗７および７’を
流れる負荷電流は比較的小さく、従ってその抵抗群で発
生する損失も比較的小さい。

【００６７】また、その両端に発生する電位差は、電流
検出抵抗７’の抵抗値を適切に選ぶことにより制御回路
部が動作する上で必要十分なレベルに設定できる。

【００６８】重負荷になると負荷電流が増加するため、
電流検出抵抗７および７’の両端に発生する電位差も増
加する。

【００６９】スイッチ素子２６は電流検出抵抗からの信
号を増幅する増幅器８の出力が、あらかじめ設定された
レベルを終えたときに短絡するように設定されており、
スイッチ素子２６が短絡することにより、負荷電流は電
流検出抵抗７’を流れなくなり、その結果その抵抗での
損失を０にすることができる。

【００７０】具体的には、通常電流検出抵抗は０．０１
〜０．０５Ω程度を設定するが、仮に０．０２Ωの抵抗
を用いて１Ａの負荷電流を流した場合を考えると、その
両端に発生する電位差は２０ｍＶとなり、制御信号とし
ては非常に小さく制御回路部の動作が不十分になる。

【００７１】また、同じ抵抗に１０Ａを流した場合に
は、電位差は２００ｍＶであるが、損失が２Ｗ発生す
る。

【００７２】上記の条件で負荷電流が１Ａの時には０．
０２Ω、１０Ａの時には０．０５Ωというような抵抗値
の可変を行うことにより、２００ｍＶの信号と０．５Ｗ
の低損失を１つの回路で実現できる。

【００７３】このような作用により、軽負荷時の力率の
向上と、重負荷の効率の向上が実現される。

【００７４】第２の電流検出抵抗の接続の仕方について
は、上記以外に図７（ｂ）のように電流検出抵抗７に対
して並列に接続する方法もあり、この場合も同様に重負
荷の時にスイッチ素子２６が短絡するように設定するこ
とにより、同様の効果を得ることができる。

【００７５】（実施例５）グラフ８と図９を用いてイン
ダクタンスの可変による軽負荷時の力率改善の効果につ
いて説明する。

【００７６】グラフ８はコイルのもつインダクタンスの
電流特性を表す。図８は一般的な昇圧型力率改善回路の
ブロック図である。

【００７７】通常一般的な特性をもつコイルでは、負荷
電流の変化に対してほぼ一定であるが、このような特性
では力率改善回路の定格に対して１００％の負荷の時に
は、所定の力率、例えば０．９８以上を確保することが
できる。

【００７８】しかし軽負荷時、例えば定格の５０％以下
の軽負荷の時には、負荷電力が小さくなり電流が不連続
になって制御ができない区間が発生するためである。

【００７９】詳細な説明は［発明が解決しようとする課
題］で述べているとおりである。軽負荷時でも電流不連
続の区間をなくすあるいは少なくするためには、コイル
のインダクタンスＬを負荷に応じて変化させるというこ
とが解決策の１つである。

【００８０】すなわち、軽負荷時にはインダクタンスＬ
が大きく重負荷時には小さくなるようなコイルを用いる
ことにより、実現することができる。

【００８１】現在実用化されているコイルのコア材の中
では、特にダストコアと呼ばれるものがそれに近い特性
を持っているので、材料の改善によりグラフ８の特性を
実現することで、上述の改善策を具現化することができ
る。

【００８２】

【発明の効果】上記実施例から明らかなように、請求項
１記載の発明によれば、電流検出抵抗の抵抗値を低負荷
時には大きく設定することにより、力率改善回路の制御
回路部に送られる信号の振幅が適正になり、その結果制
御回路部の動作の精度が向上し、低負荷時でも力率改善
の効果を一定値以上に維持することができ、また重負荷
時には抵抗値を小さく設定することにより、電流検出抵
抗での損出を低減し力率改善回路の効率向上を図ること
ができる。

【００８３】

【００８４】

【００８５】

【００８６】 また、請求項２記載の発明によれば、負
荷電流に応じてコイルのインダクタンスを可変にするこ
とにより、すなわち負荷電流の小さい低負荷時にはイン
ダクタンスを大きくし、負荷電流の大きい大負荷時には
インダクタンスを小さくすることにより電流不連続を抑
制し、その結果低負荷時でも力率改善の効果を維持する
ことができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例を示す力率改善回路のブロッ
ク図

【図２】本発明の他の実施例を示す回路ブロック図

【図３】（ａ）は本発明のさらに他の実施例を示す回路
ブロック図 （ｂ）は（ａ）の接続方法の異なる実施例を示す回路ブ
ロック図

【図４】本発明のさらに他の実施例を示す回路ブロック
図

【図５】本発明に必要な負荷電流と分周比の特性を示す
グラフ

【図６】本発明のさらに他の実施例を示す回路ブロック
図

【図７】（ａ）は本発明のさらに他の実施例を示す回路
ブロック図 （ｂ）は（ａ）の接続方法の異なる実施例を示す回路ブ
ロック図

【図８】本発明に必要なコイルの特性を示すグラフ

【図９】本発明のさらに実施例を示す回路ブロック図

【図１０】従来の力率改善回路のブロック図

【図１１】従来の交流・直流変換の方式を示す回路ブロ
ック図

【符号の説明】

１ 電流スイッチング手段 ２ コイル ３ ダイオード ４ 電圧平滑手段 ５ ダイオードブリッジ ６ 負荷 ７ 電流検出抵抗 ８，２５ 増幅器 ９ 電流スイッチング手段駆動回路 １３ 出力電圧検出手段 １５ 入力電圧検出手段 １６ 信号発生器 １７，１９ 抵抗 １８，２２ 静電容量 ２０ 比較器 ２１，２６ スイッチ素子 ２３ 発振器 ２４ 周波数分周器

フロントページの続き (56)参考文献 特開 平８−182329（ＪＰ，Ａ) 特開 平８−19259（ＪＰ，Ａ) 特開 平８−51733（ＪＰ，Ａ) 特開 平８−266046（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) H02M 3/155 H02M 1/12 H02M 7/217

Claims (2)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 交流電圧波形を全波整流する第１の整流
   手段と、この第１の整流手段により整流された電圧波形
   を分圧する入力電圧検出手段と、前記第１の整流手段の
   高電位側に一方の接点を接続されたコイルと、前記コイ
   ルの反対側の接点に接続された電流スイッチング手段
   と、前記コイルの電流スイッチング手段側の接点に一方
   の接点を接続され前記電流スイッチング手段によってス
   イッチングされる電流を半波整流する第２の整流手段
   と、前記第２の整流手段の出力側の接点に接続する電圧
   平滑手段と、前記電圧平滑手段に並列に接続された出力
   電圧検出手段と、前記電流スイッチング手段の接地電位
   側の接点と第１の整流手段の接地電位側の接点の間に接
   続された電流検出抵抗と、前記電流検出抵抗の信号を増
   幅する増幅器とを具備し、前記入力電圧検出手段からの
   信号と、前記出力電圧検出手段からの信号と、前記電流
   検出抵抗からの信号を増幅する増幅器の出力と、のこぎ
   り波信号を発生する信号発生器の出力信号をもとに制御
   信号を作成し、当該制御信号によって前記電流スイッチ
   ング手段を駆動制御する制御回路部からなり、前記電流
   検出抵抗の信号を増幅する増幅器の出力に応じて前記電
   流検出抵抗の抵抗値を可変することができる機構を有す
   ることを特徴とする力率改善回路。
2. 【請求項２】 交流電圧波形を全波整流する第１の整流
   手段と、この第１の整流手段により整流された電圧波形
   を分圧する入力電圧検出手段と、前記第１の整流手段の
   高電位側に一方の接点を接続されたコイルと、前記コイ
   ルの反対側の接点に接続された電流スイッチング手段
   と、前記コイルの電流スイッチング手段側の接点に一方
   の接点を接続され前記電流スイッチング手段によってス
   イッチングされる電流を半波整流する第２の整流手段
   と、前記第２の整流手段の出力側の接点に接続する電圧
   平滑手段と、前記電圧平滑手段に並列に接続された出力
   電圧検出手段と、前記電流スイッチング手段の接地電位
   側の接点と第１の整流手段の接地電位側の接点の間に接
   続された電流検出抵抗と、前記電流検出抵抗の信号を増
   幅する増幅器とを具備し、前記入力電圧検出手段からの
   信号と、前記出力電圧検出手段からの信号と、電流検出
   抵抗からの信号を増幅する増幅器の出力と、のこぎり波
   信号を発生する信号発生器の出力信号をもとに制御信号
   を作成し、当該制御信号によって前記電流スイッチング
   手段を駆動制御する制御回路部からなり、前記コイルの
   インダクタンス値は、流れる電流と負の相関関係にあ
   り、電流値が最小値の場合には最大のインダクタンスと
   なり、電流値が最大値の場合には最小のインダクタンス
   となるコイルを有することを特徴とする力率改善回路。