JP3587918B2

JP3587918B2 - 直流電源装置

Info

Publication number: JP3587918B2
Application number: JP32285895A
Authority: JP
Inventors: 久浩鎌田
Original assignee: Tohoku Ricoh Co Ltd
Current assignee: Tohoku Ricoh Co Ltd
Priority date: 1995-12-12
Filing date: 1995-12-12
Publication date: 2004-11-10
Anticipated expiration: 2015-12-12
Also published as: JPH09163743A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、チョーク入力型の平滑回路を備えた直流電源装置に関る。
【０００２】
【従来の技術】
商用交流電力を全波整流して得られた直流電力の電圧はリップルが大きく、商用周波数（５０Ｈｚまたは６０Ｈｚ）の主として偶数高周波成分が大量に含まれているため、そのまま負荷に供給することは出来ない。
【０００３】
リップルが大きい直流電力の電圧を平滑して、リップル分を目的に応じた許容値以下に抑えるための平滑回路として、コンデンサ入力型とチョーク入力型とがよく知られているが、商用周波数が低周波であるため、全波整流してもリップル分の基本波は１００Ｈｚ又は１２０Ｈｚ程度であるから、コンデンサ入力型の入力段のコンデンサの容量又はチョーク入力型の入力段のチョークコイルのインダクタンスを、それぞれ大きく設定しなければならない。
【０００４】
そのため、コンデンサ入力型の平滑回路は導通角が狹くなり、入力交流電流のピーク値が過大になって力率が低下するから、交流電源のみならず同じ交流ラインに接続された他の機器にも悪影響を及ぼすと共に、特に入力段の平滑コンデンサに流れるリップル電流も大きくなり、内部損失による発熱で内部温度が上昇し、平滑コンデンサの寿命を劣下させるという問題があった。
【０００５】
さらに、コンデンサ入力型においては、軽負荷時には出力電圧が高く、負荷電流の増大と共に出力電圧が急激に低下する。すなわち、負荷変動に対する電圧安定度が極めて悪いため、常時一定負荷であるか変動率（変動幅／中心負荷）が少ない負荷には使用出来るが、変動率が大きいか変動の激しい負荷には適さないという問題があった。
【０００６】
一方、図６に示すチョーク入力型の平滑回路（ただし破線で示したダイオードＤ６がショートされた状態）は、交流電源１１から入力する交流電力をダイオードブリッジ１２で全波整流し、チョークコイル１５を介して平滑コンデンサ１３を充電することにより平滑して負荷１４に供給する。このチョーク入力型の平滑回路は、コンデンサ入力型に比べて導通角が広くなり、入力交流電流のピーク値が抑えられて力率が向上し、直流電力の電圧，電流のリップルも減少する。
【０００７】
したがって、交流電源や他の機器及び平滑コンデンサの寿命等に対する悪影響も少なくなり、軽負荷時の出力電圧が若干低くなる代りに負荷変動に対する電圧安定度が遙かに向上するという長所を持っている。ただし、入力交流電流のピーク値を抑えるためにチョークコイル１５のインダクタンスを余り大きくすると、入力電流の位相が遅れて導通角が狹くなり、力率も低下する。
【０００８】
しかしながら負荷１４が、例えば任意の出力電圧の直流電力に変換するＤＣ−ＤＣコンバータ、又は周波数可変の交流電力に変換するインバータのように、入力側に高周波のスイッチング回路を設けたものである場合は、例えば図７に示すように、ダイオードブリッジ１２の出力電圧及び入力電流の波形が、抵抗性又は容量性負荷の場合に比べて、大きく変化する。
【０００９】
図７の（Ａ）及び（Ｂ）にそれぞれ示したダイオードブリッジ１２の直流出力電圧Ｖｒ及び交流入力電流Ｉａｃの波形図は、図６に示したチョークコイル１５のインダクタンスＬをそれぞれＬ＝１５ｍＨ及びＬ＝４３ｍＨにした場合の一例であり、破線で示したダイオードＤ６を介挿した状態での波形図である。
【００１０】
図７の（Ｂ）に示した電流Ｉａｃの波形は、ダイオードＤ６の有無によって殆んど変化しないが、Ｌ＝１５ｍＨの場合の電流Ｉａｃの負の終端時に同図の（Ａ）に示した電圧Ｖｒの波形に現れるスパイク性の立上りは、ダイオードＤ６の両端をショートすると２〜３倍程度に大きくなって観測困難になるため、ダイオードＤ６を介挿したものである。
【００１１】
図７の（Ａ）には示されていないが、ダイオードＤ６をショートすると、Ｌ＝１５ｍＨの場合の電流Ｉａｃの正の終端時にもスパイク性の立上りが現れ、またＬ＝４３ｍＨにした場合でもスパイク性の立上りが現れることがある。
【００１２】
図７から明らかなように、入力電流Ｉａｃの終端時に出力電圧Ｖｒが急に高くなり、出力電圧Ｖｒが高い電圧を保持していても、入力する交流電圧の絶対値が保持されている電圧に達するまでは、入力電流Ｉａｃが流れない。
また、チョークコイル１５のインダクタンスＬが大きくなるに従って電流Ｉａｃのピーク値は低くなるが、位相の遅れが大きくなるから導通角が狭くなり、必ずしも力率は向上せず、インダクタンスＬが過大になればかえって力率が低下する。
【００１３】
位相の遅れを解決するために、例えば図８に示すように、チョークコイル１５に並列に進相用のコンデンサ１６を接続して、チョークコイル１５により位相が遅れる電流Ｉａｃに、コンデンサ１６により位相が進んだ電流を加えることにより、電流の流れ始めを早くして導通角を広げ、力率を向上させるようにしたものがあった。
しかしながら、図８に示したチョークコイル１５とコンデンサ１６の並列回路を設けたものには、発明の実施の形態の欄で後述するような問題がある。
【００１４】
そのため、例えば特開平１−２４８９６６号公報、又は特開平３−９８４６８号公報の第２図、あるいは特開平５−１９９７５８号公報の図１の（ｄ）にそれぞれ示されたように、図８に示したチョークコイル１５とコンデンサ１６との並列回路において、チョークコイル１５に直列に電流がダイオードブリッジ１２から平滑コンデンサ１３に流れる向きにダイオードを接続するという提案があった。
【００１５】
あるいは、特開平５−１９９７５８号公報の図１の（ａ）乃至（ｃ）に示されたような各種の提案があった。
なお、特開平３−９８４６８号公報の第１図、及び特開平５−１９９７５８号公報の図１の（ｅ）にそれぞれ示された提案は、図から明らかなようにコンデンサ入力型の平滑回路に関するものであるから、関係がない。
【００１６】
【発明が解決しようとする課題】
上記の図８に示した並列回路のチョークコイル１５に直列にダイオードを接続する提案は、すなわちチョークコイル１５とダイオードとの直列回路に並列にコンデンサ１６を接続したものであるから、負荷１４の入力段がスイッチング回路であると、そのスイッチングによる高周波ノイズがコンデンサ１６をショート的に通過し、ダイオードブリッジ１２を介して交流電源１１側にリークするという問題がある。
【００１７】
さらに、入力段がスイッチング回路であるインバータ，ＤＣ−ＤＣコンバータ等の出力段に接続された負荷の変動によって、等価的に負荷１４が急激な変化を繰り返す場合には、コンデンサ１６と平滑コンデンサ１３の容量比によっては互いに充放電を繰り返すため、平滑コンデンサ１３の端子間電圧の変動が大きくなって、直流電源としての安定度が大きく損われるという問題もあった。
【００１８】
また、特開平５−１９９７５８号公報の図１の（ａ）乃至（ｃ）に示された各種の提案のうち、先ず図１の（ｃ）に示された提案は、過大な共振電圧が発生して、図８の説明の中で後述する問題と述べたことと同様な問題が発生する恐れが大きい。
【００１９】
さらに、図１の（ａ），（ｂ）に示された提案は、コンデンサ３３に直列に接続した抵抗３５の抵抗値にもよるが、その抵抗値が高ければコンデンサ３３の効果が失われ、低ければ図１の（ｃ）に示された提案と同様な問題が発生する。
【００２０】
この発明は上記の点に鑑みてなされたものであり、簡単な構成で異常な発振やノイズを防止して力率を改善することを目的とする。
【００２１】
【課題を解決するための手段】
この発明は上記の目的を達成するため、入力する交流電力を全波整流して直流電力に変換するダイオードブリッジと、チョークコイルと平滑コンデンサとからなり変換された直流電力を平滑するチョーク入力型の平滑回路とを備えた直流電源装置において、それぞれ次のようにしたものである。
【００２２】
すなわち、チョークコイルに並列に進相用のコンデンサを接続し、該コンデンサとチョークコイルとの並列回路に直列に平滑コンデンサを充電する向きにダイオードを接続したものである。
【００２３】
あるいは、チョークコイルに直列に平滑コンデンサを充電する向きに第１のダイオードを接続し、チョークコイルと第１のダイオードとの直列回路に、進相用のコンデンサと平滑コンデンサを充電する向きに接続した第２のダイオードとの直列回路を並列に接続したものである。
【００２４】
【発明の実施の形態】
以下、この発明の実施の形態を図面を参照しながら具体的に説明する。
図１は、この発明の第１の実施形態である直流電源装置の構成の一例を示す回路図である。
【００２５】
図１に示した直流電源装置は、ダイオードブリッジ２と平滑コンデンサ３と、ダイオードブリッジ２の正負の出力端子２ｐ，２ｎと平滑コンデンサ３の正負の端子との間をそれぞれ結ぶ正負のラインと、正のラインに介挿された移相回路７とにより構成され、ダイオードブリッジ２の入力端子には交流電源１が、平滑コンデンサ３の正負の端子には図示しないスイッチング回路を入力段とする負荷４が、それぞれ接続されている。
【００２６】
移相回路７は、入力側（ダイオードブリッジ２側）の低周波用のチョークコイル５と進相用のコンデンサであるコンデンサ６との並列回路と、該並列回路に直列に接続された出力側（平滑コンデンサ３側）のダイオードＤ１とからなり、ダイオードＤ１は電流がダイオードブリッジ２から平滑コンデンサ３に流れる向き、すなわち平滑コンデンサ３を充電する向きに接続されている。
【００２７】
図２は、図１に示した直流電源装置において、チョークコイル５のインダクタンスＬをＬ＝１５ｍＨ、コンデンサ６の容量ＣをＣ＝３４μＦとした場合の、ダイオードブリッジ２の出力電圧Ｖｒと入力交流電流Ｉａｃの変化の一例を示す波形図である。
【００２８】
図２の（Ａ）は、ダイオードブリッジ２の負の出力端子２ｎの電圧を基準（０Ｖ）とした正の出力端子２ｐの電圧すなわち出力電圧Ｖｒを、図２の（Ｂ）は、交流電源１からダイオードブリッジ２に入力する交流電流Ｉａｃをそれぞれ示している。
【００２９】
図２の（Ａ）に一部を破線で示した電圧波形は、図１に示したダイオードＤ１の両端をショートした場合、すなわち図８に示した従来例のチョークコイル１５とコンデンサ１６との並列回路のみの場合の波形を示している。この場合は、並列回路が全波整流による電源周波数の２倍の基本波に対して並列共振するために、本来は電圧波形の谷間になるところで、実線で示した出力電圧Ｖｒの最大値より高いピークをもつ跳ね上りが発生する。
【００３０】
なお、図６に示した従来例のチョークコイル１５のみの場合の波形も、図７の（Ａ）に示したように、本来は電圧波形の谷間になるところで、しばしばスパイク性の立上りを伴うやや右下りのフラットな電圧が発生するが、これは電流が流れなかったためのチョークコイル１５の逆起電力によるものであり、瞬間的な立上り部分を除いては出力電圧Ｖｒの最大値を超えるものではない。
【００３１】
しかしながら、図８に示した共振回路を備えた例では、ダイオードブリッジ１２の出力電圧Ｖｒが平滑コンデンサ１３の端子間電圧（以下「Ｖｃ」とする）より低い間は、平滑コンデンサ１３から並列回路に電流が逆流して、図２の（Ａ）に破線で示した過大な電圧が出力電圧Ｖｒに現われる。そのため、ダイオードブリッジ１２のみならず並列回路を構成するチョークコイル１５とコンデンサ１６、場合によっては平滑コンデンサ１３にも過大な電圧が印加されて破壊する等の致命的な障害を及ぼす恐れがある。
【００３２】
図１に示した移相回路７は、チョークコイル５とコンデンサ６からなる並列回路に直列にダイオードＤ１を接続して、平滑コンデンサ３から並列回路への逆流を防止している。そのため、図２の（Ａ）に実線で示したように出力電圧Ｖｒの跳ね上りが消えて、若干のあばれは認められるが、本来の電圧波形の谷間が現れ、過大な電圧の発生による各素子の破壊が防止される。
【００３３】
さらに、ダイオードブリッジ２と負荷４とがコンデンサ６を介して直接に接続されていないから、負荷４の図示しない入力段のスイッチング回路のスイッチングによる高周波ノイズがショート的にダイオードブリッジ２に伝わって、交流電源１にリークすることがない。従って、跳ね上りの消滅と共に、ＥＭＩすなわち電気磁気的な障害が大幅に抑制される。
【００３４】
図２の（Ｂ）に示した入力交流電流Ｉａｃの波形は、ダイオードＤ１の有無によって余り変らないが、電流波形の後半のピークを伴う滑らかな部分、すなわちチョークコイル５によって位相が遅れた部分の前に、振動波形を伴った部分、すなわちコンデンサ６によって位相が進んだ部分が加わるから、導通角が広くなってピーク電流が抑えられ、力率が向上する。進相部分の振動波形の振幅は、コンデンサ６の容量を大きくすることによって減少させることが出来る。
【００３５】
図３は、図１に示した直流電源装置の出力電力に対する入力交流電力の力率及び平滑コンデンサ３の端子間電圧Ｖｃすなわち負荷電圧の変化の一例を、それぞれ図６に示した従来例と比較して示す線図であり、図３の（Ａ）は力率特性、同図の（Ｂ）は負荷電圧特性をそれぞれ示している。
【００３６】
なお、図１に示した直流電源装置（実施例）において、チョークコイル５のインダクタンスＬをＬ＝１５ｍＨ、コンデンサ６の容量ＣをＣ＝１３μＦとしており、図６に示した直流電源装置（従来例）においては、チョークコイル５のインダクタンスＬをＬ＝１５ｍＨとしている。
【００３７】
図３の（Ａ）に示した力率特性において、破線で示した従来例は軽負荷では力率が８０％弱で、出力電力が１２０Ｗを超えると漸減しているが、実線で示した実施例では力率が８０％強から始り、出力電力の増加と共に力率が向上して出力電力１３０Ｗ近傍で最大値約９０％に達し、それから漸減傾向を示している。しかしながら、いずれの出力電力においても、実施例の力率は常に従来例を上回っている。
【００３８】
図３の（Ｂ）に示した負荷電圧特性は、いずれも無負荷時約１４０Ｖから始まるが、破線で示した従来例は、負荷がかかり始めると先ず急に電圧が降下し、出力電力の増加と共に電圧降下も増加するが、その傾斜は次第にゆるくなる。
一方、実線で示した実施例は、電圧降下が遙かに少ない。
【００３９】
負荷電圧の変動が少なければ、負荷４であるＤＣ−ＤＣコンバータやインバータ等のスイッチング駆動パルスのデューティ比の制御幅が少なくて済むから、それだけ制御を容易にし、制御の精度を向上させることが出来る効果がある。
【００４０】
図４は、この発明の第２の実施形態である直流電源装置の構成の一例を示す回路図であり、図４に示した直流電源装置は、その移相回路８が図１に示した移相回路７と異なるだけで、その他は同じであるから、同一部分には同一符号を付して説明を省略する。
【００４１】
図４に示した移相回路８は、チョークコイル５と第１のダイオードであるダイオードＤ２とからなる直列回路と、進相用のコンデンサであるコンデンサ６と第２のダイオードであるダイオードＤ３とからなる直列回路とが、互いに並列に接続されて構成され、ダイオードＤ２とダイオードＤ３はそれぞれ平滑コンデンサ３を充電する向きに接続されている。
【００４２】
図５は、図４に示した直流電源装置におけるダイオードブリッジ２の出力電圧Ｖｒと入力交流電流Ｉａｃの変化の一例を示す波形図であり、図５の（Ａ）は出力電圧Ｖｒを、同図の（Ｂ）は入力交流電流Ｉａｃをそれぞれ示している。
なお、図４に示した移相回路８のチョークコイル５のインダクタンスＬはＬ＝１５ｍＨ、コンデンサ６の容量ＣはＣ＝３４μＦであって、図２に波形図を示した移相回路７（図１）と同一データである。
【００４３】
図５の（Ａ）に実線で示した移相回路８を備えた場合の出力電圧Ｖｒの波形は、図２の（Ａ）に実線で示し、図５の（Ａ）ではその一部を破線で示した移相回路７を備えた場合の波形に比べて、本来の電圧波形の谷間部分のあばれがなくなって、正弦波形に似たスムースな波形になり、電源周波数の高周波成分によるノイズがさらに減少する。
図５の（Ｂ）に示した入力交流電流Ｉａｃの波形は、図２の（Ｂ）に示した波形と殆んど変らないから、説明を省略する。
【００４４】
すなわち、図４に示した移相回路８を用いれば、図１に示した移相回路７を用いた場合の効果をそのまま有し、さらに高周波成分によるノイズが減少して、ＥＭＩのトラブル発生の恐れは皆無になる。
【００４５】
移相回路７及び移相回路８は、従来のチョークコイルとコンデンサとの並列回路に、それぞれダイオードを１個又は２個加えただけの簡単な構成であるから、コストは殆んど変らないにも拘らず、その効果は極めて大きく、入力段にスイッチング回路を備えたＤＣ−ＤＣコンバータやインバータ等の１次直流電源として、その適用範囲もまた極めて広い。
【００４６】
【発明の効果】
以上説明したようにこの発明による直流電源装置は、簡単な構成で異常な発振やノイズを防止して力率を改善することが出来る。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の第１の実施形態である直流電源装置の構成の一例を示す回路図である。
【図２】図１に示した直流電源装置のダイオードブリッジの出力電圧と入力交流電流の一例を示す波形図である。
【図３】図１に示した直流電源装置の出力電力に対する力率及び負荷電圧の変化の一例を、従来例と比較して示す線図である。
【図４】この発明の第２の実施形態である直流電源装置の構成の一例を示す回路図である。
【図５】図４に示した直流電源装置のダイオードブリッジの出力電圧と入力交流電流の一例を示す波形図である。
【図６】従来のチョーク入力型の平滑回路を用いた直流電源装置の構成の一例を示す回路図である。
【図７】図６に示した直流電源装置のダイオードブリッジの出力電圧と入力交流電流の一例を示す波形図である。
【図８】従来のチョークコイルとコンデンサの並列回路を用いた直流電源装置の構成の一例を示す回路図である。
【符号の説明】
１：交流電源２：ダイオードブリッジ
３：平滑コンデンサ４：負荷
５：チョークコイル
６：コンデンサ（進相用のコンデンサ）
７，８：移相回路
Ｄ１：ダイオード
Ｄ２：ダイオード（第１のダイオード）
Ｄ３：ダイオード（第２のダイオード）

Claims

入力する交流電力を全波整流して直流電力に変換するダイオードブリッジと、チョークコイルと平滑コンデンサとからなり変換された前記直流電力を平滑するチョーク入力型の平滑回路とを備えた直流電源装置において、
前記チョークコイルに並列に進相用のコンデンサを接続し、
該コンデンサと前記チョークコイルとの並列回路に直列に前記平滑コンデンサを充電する向きにダイオードを接続したことを特徴とする直流電源装置。
入力する交流電力を全波整流して直流電力に変換するダイオードブリッジと、チョークコイルと平滑コンデンサとからなり変換された前記直流電力を平滑するチョーク入力型の平滑回路とを備えた直流電源装置において、
前記チョークコイルに直列に前記平滑コンデンサを充電する向きに第１のダイオードを接続し、
前記チョークコイルと第１のダイオードとの直列回路に、進相用のコンデンサと前記平滑コンデンサを充電する向きに接続した第２のダイオードとの直列回路を並列に接続したことを特徴とする直流電源装置。