JP3670955B2

JP3670955B2 - 力率改善回路

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Publication number: JP3670955B2
Application number: JP2000342951A
Authority: JP
Inventors: 裕治船山; 孝治村山; 誠石井; 保夫能登原
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 2000-11-10
Filing date: 2000-11-10
Publication date: 2005-07-13
Anticipated expiration: 2020-11-10
Also published as: JP2002153068A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、力率改善回路に係り、特に単相交流電源の力率を改善して直流電圧を出力するための整流回路及び昇圧回路を備える力率改善回路に好適なものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来のモータ制御装置として、単相交流電源を整流して直流電圧に変換する整流回路を有する電源回路の高調波を抑制し、所定の直流電圧を出力する電源回路を備えた特開平７−１１５７８８号公報（従来技術１）に記載されたものがある。
【０００３】
この従来技術１の回路を図８を用いて説明する。モータ制御装置は、単相交流電源１に接続された整流回路３と、リアクトル２、スイッチング素子４及びダイオード１１からなる昇圧回路と、コンデンサ５からなる平滑回路と、昇圧回路のスイッチング動作を制御するコンバータ制御手段９とからなる力率改善回路を有すると共に、この力率改善回路の出力側にインバータ回路６を介してモータ７が接続された構成となっている。コンバータ制御手段９は、電源電圧波形、直流電流、直流電圧の参照値から昇圧回路のスイッチング素子４を制御するものである。この制御により、電源電流を正弦波とし、且つ所定の出力電圧を得ることが出来る。
【０００４】
また、従来の電源装置としては、特開平１−１１４３７２号公報（従来技術２)の図１から図７に関して示されているように、単相交流電源を直流に変換する整流回路及び平滑回路と、単相交流電源を昇圧する昇圧回路と、スイッチング素子をオンオフして電源電流を正弦波にし且つ直流電圧を所定の電圧に制御する制御装置とを備えており、整流回路をダイオードのブリッジ回路で形成し、単相交流電源の交流ラインを整流回路の入力側接続点に接続すると共に、平滑回路を整流回路の出力側接続点に接続し、昇圧回路を２つのスイッチング素子、１つリアクトル及び整流回路の上段のダイオードを兼用して形成し、この２つスイッチング素子を整流回路の入力側接続点の間に整流回路の下段ダイオードに対して逆向きに並列接続し、１つのリアクトルを単相交流電源の交流ラインの一方にのみ設けたものがある。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、従来技術１の力率改善回路では、昇圧回路のスイッチング素子４のオン時には２つのダイオードに通電されると共に、オフ時には３つのダイオードに通電されるために、ダイオードによる損失が大きいという問題があった。
【０００６】
以下に図９から図１１を用いてその理由を述べる。図９は電源回路の等価回路、図１０はスイッチング素子オン時の電源等価回路、図１１にスイッチング素子オフ時の電源等価回路である。従来技術１の力率改善回路は、図９に示すようにリアクトル２及びスイッチング素子４が整流回路３０の後の直流ラインに接続されているため、スイッチング素子４をオンする時には、図１０に示すように必然的に整流回路３０を構成する２つのダイオード３に通電され、スイッチング素子４のオフ時には、図１１に示すようにそれに加えて昇圧回路を構成するもう１つのダイオード１１にも通電される回路構成であった。また、電源電圧波形を参照することは、整流回路３０の後でないと出来なかった。これらが昇圧回路のスイッチング素子４のオン時には、整流回路３０を構成する２つのダイオードで損失が発生し、且つスイッチング素子４のオフ時には、整流回路３０を構成する２つのダイオード３と昇圧回路を構成するダイオード１１の計３つのダイオード３、１１で損失が発生する大きな理由である。
【０００７】
また、従来技術２の電源装置では、リアクトルを単相交流電源の交流ラインの一方にのみ設けているので、大きなインダクタンスを有するリアクトルとする必要が有り、これにより大きなリアクトルとなってしまって他の部品と同じ基板に実装することが困難であると共に、交流ラインの両方のインピーダンスのアンバランスが大きくなり、大きなノイズが発生するという問題があった。
【０００８】
本発明の目的は、力率改善回路を構成するスイッチング素子及びダイオードをモジュール化すると共に力率改善回路の各部品実装基板に昇圧回路のリアクトルを２つにして実装することにより安価なものとし、電源電流の高調波を抑制しつつ、整流回路の損失を低減して効率を向上すると共に、単相交流電源の交流ラインのインピーダンスのバランスを良好にしてノイズを低減することのできる力率改善回路を得ることにある。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するための本発明の特徴は、単相交流を直流に変換するダイオードのブリッジ回路で形成された整流回路と、前記整流回路の直流側に接続された平滑回路と、スイッチング素子を有する昇圧回路と、このスイッチング素子をオンオフして電源電流を正弦波状にし且つ直流電圧を所定の電圧に制御する制御装置とを備えた力率改善回路において、前記昇圧回路を、前記整流回路の前記単相交流入力側であって前記整流回路の下段ダイオードに対して逆向きに並列接続された２つのスイッチング素子、前記整流回路の単相交流入力側の両方に設けられた２つのリアクトル及び前記整流回路の上段のダイオードを兼用して形成し、前記整流回路のダイオード及び前記スイッチング素子をモジュール化し、力率改善回路を構成する部品を実装する基板に前記２つのリアクトルも実装したことにある。
【００１８】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の各実施例を図を用いて説明する。なお、第２実施例以降の実施例においては第１実施例と重複する説明を省略する。各実施例の図及び従来例の図における同一符号は同一物又は相当物を示す。
【００１９】
まず、本発明の第１実施例を図１から図５を用いて説明する。
【００２０】
最初に、図１を用いて電気機器の電気回路を説明する。図１は本発明の第１実施例の電気機器の電気回路図である。なお、本実施例の電気機器としては空気調和機の場合について説明するが、本発明を冷蔵庫やその他の家電製品等の単相交流電源を整流し所定の直流電圧を出力する電源及び交流電源の力率を改善する電源を必要とする全ての電気機器に適用できる。
【００２１】
単相交流電源１は、家庭用の商用電源であり、交流ライン１ａ、１ｂに交流電圧を出力する。整流回路３０及び平滑コンデンサ５は、単相交流電源を直流に変換するものである。整流回路３０は、４つのダイオード３のブリッジ回路で形成され、交流ライン１ａ、１ｂが接続される入力側接続点３０ａと、平滑コンデンサ５の両端が接続される出力側接続点３０ｂとを有し、電源電圧の全波整流波形となる脈動直流電圧を出力する。
【００２２】
昇圧回路は、２つのリアクトル２、２つのスイッチング素子４、及び整流回路３０の上段の２つのダイオード３等から構成され、スイッチング素子４のスイッチング動作とリアクトル２のエネルギー蓄積効果により昇圧する。２つのリアクトル２は、同一のもので構成され、交流ライン１ａ、１ｂの両方に接続されている。２つのスイッチング素子４は、同一のパワー素子で構成され、入力側接続点３０ａの間に電源電流検出抵抗８及び整流回路３０の下段のダイオード３に対して逆向きに並列接続され、この並列接続回路の間に電源電流検出抵抗８が設けられている。
【００２３】
平滑コンデンサ５は、平滑回路を構成するものであり、昇圧回路により昇圧された脈動直流電圧を安定した直流電圧にして出力する。モータ７を接続したインバータ回路６は、平滑用コンデンサ５に接続されており、平滑用コンデンサ５から供給される直流電圧を任意の交流電圧に変換してモータ７を駆動する。このモータ７は、空気調和機における圧縮機、ファン等を駆動するものである。
【００２４】
制御装置は、コンバータ制御手段９、電源電流検出抵抗８、電源電圧参照回路１０、及びその他の制御手段等で構成され、昇圧回路及びインバータ回路６等を制御するものである。コンバータ制御手段９は、電源電流検出抵抗８より電源電流が入力され、電源電圧参照回路１０より全波整流波形が入力され、平滑コンデンサ６より直流電圧が入力され、これに基づいて電源電流の正弦波化と出力電圧を所定の値とすべく昇圧回路のスイッチング動作を制御する。また、電源電圧参照回路１０は、交流ライン１ａ、１ｂに接続される電源電圧検出用ダイオード１０ａ、１０ｂ、及び検出した電圧を分圧する分圧用抵抗１０ｃ、１０ｄ等から構成されている。このように、電源電圧参照回路を形成することにより、単相交流電源電圧を正確に検出することができ、この検出値を用いて電源電流の高調波を確実に抑制することができる。
【００２５】
次に、かかる電気機器の回路における力率改善回路の動作について、図２から図５を用いて説明する。図２は図１の電気機器における力率改善回路の等価回路図、図３は図２におけるスイッチング素子のオン時の等価回路図、図４は図２におけるスイッチング素子のオフ時の等価回路図、図５は図１の電気機器における力率改善回路の効率を従来例と比較した図である。
【００２６】
図２に示す力率改善回路におけるスイッチング素子４がオフした状態から、スイッチング素子４がオンすると、図３に示す通電回路が構成される。即ち、単相交流電源１に対して、リアクトル２、スイッチング素子４、電源電流検出抵抗８、ダイオード３、及びリアクトル２の通電回路が形成される。この場合には、１つのダイオード３に通電されるものであり、図１０に示す従来例の２つのダイオード３に通電される場合に比較して、ダイオード３による損失を半減することができる。次いで、スイッチング素子４がオフすると、図４に示す通電回路が構成される。即ち、単相交流電源１に対して、リアクトル２、ダイオード３、平滑コンデンサ５、電源電流検出抵抗８、ダイオード３、及びリアクトル２の通電回路が形成される。この場合には、２つのダイオード３に通電されるものであり、図１１に示す従来例の３つダイオード３に通電される場合に比較して、ダイオード３による損失を大幅に低減することができる。
【００２７】
かかる力率改善回路の効率向上は、図５に示すように、低い出力電圧で小さい入力電力から高い出力電圧で大きい入力電力まで、具体的には出力電圧１５０Ｖ〜３００Ｖ、入力電力２３０Ｗ〜１５００Ｗの範囲で、約１．５％〜１．２％の効率向上を図ることができるものである。
【００２８】
そして、図３及び図４の何れの場合においても、交流ライン１ａ、１ｂに接続されたリアクトル２に均等に通電されるので、単相交流電源１の交流ライン１ａ、１ｂのインピーダンスのバランスを良好にしてノイズを低減することのできる。
【００２９】
次に、本発明の第２実施例を図６を用いて説明する。図６は本発明の第２実施例の電気機器の電気回路図である。
【００３０】
本実施例は、スイッチング素子４に対してダイオード３を逆向きに並列接続すると共に、この並列接続したスイッチング素子４とダイオード３とをモジュール化し、この並列接続回路の間に電源電流検出抵抗８を設け、この電源電流検出抵抗８部からダイオード（図示せず）を介してコンバータ制御手段９に電源電流を入力するようにした点で第１実施例と相違するものであり、その他の点については第１実施例と基本的には同一である。
【００３１】
このように並列接続したスイッチング素子４とダイオード３とをモジュール化することにより、安価なものとすることができる。
【００３２】
次に、本発明の第３実施例を図７を用いて説明する。図７は本発明の第３実施例の電気機器の電気回路図である。
【００３３】
本実施例は、スイッチング素子４に対してダイオード３を逆向きに並列接続すると共に、電源電流検出抵抗８を交流ライン１ｂに設け、整流回路のダイオード３とスイッチング素子４を全てモジュール化し、この並列接続回路の間に電源電流検出抵抗８を設け、この電源電流検出抵抗８部からダイオード（図示せず）を介してコンバータ制御手段９に電源電流を入力するようにした点で第１実施例と相違するものであり、その他の点については第１実施例と基本的には同一である。
【００３４】
このように整流回路のダイオード３とスイッチング素子４を全てモジュール化することにより、より一層安価なものとすることができる。
【００３５】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、力率改善回路を構成するスイッチング素子及びダイオードをモジュール化すると共に力率改善回路の各部品実装基板に昇圧回路のリアクトルを２つにして実装することにより安価なものとし、電源電流の高調波を抑制しつつ、整流回路の損失を低減して効率を向上すると共に、単相交流電源の交流ラインのインピーダンスのバランスを良好にしてノイズを低減することのできる力率改善回路を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施例の電気機器の電気回路図である。
【図２】図１の電気機器における力率改善回路の等価回路図である。
【図３】図２におけるスイッチング素子のオン時の等価回路図である。
【図４】図２におけるスイッチング素子のオフ時の等価回路図である。
【図５】図１の電気機器における力率改善回路の効率を従来例と比較した図である。
【図６】本発明の第２実施例の電気機器の電気回路図である。
【図７】本発明の第３実施例の電気機器の電気回路図である。
【図８】従来の電気機器の電気回路図である。
【図９】図８の電気機器における力率改善回路の等価回路図である。
【図１０】図９におけるスイッチング素子のオン時の等価回路図である。
【図１１】図９におけるスイッチング素子のオフ時の等価回路図である。
【符号の説明】
１…単相交流電源、１ａ、１ｂ…交流ライン、２…リアクトル、３…ダイオード、４…スイッチング素子、５…平滑コンデンサ、６…インバータ回路、７…モータ、８…電源電流検出抵抗、９…コンバータ制御手段、１０…電源電圧参照回路、１０ａ、１０ｂ…電源電圧検出用ダイオード、１１…ダイオード、３０…整流回路、３０ａ…入力側接続点、３０ｂ…出力側接続点。

Claims

単相交流を直流に変換するダイオードのブリッジ回路で形成された整流回路と、
前記整流回路の直流側に接続された平滑回路と、
スイッチング素子を有する昇圧回路と、
このスイッチング素子をオンオフして電源電流を正弦波状にし且つ直流電圧を所定の電圧に制御する制御装置とを備えた力率改善回路において、
前記昇圧回路を、前記整流回路の前記単相交流入力側であって前記整流回路の下段ダイオードに対して逆向きに並列接続された２つのスイッチング素子、前記整流回路の単相交流入力側の両方に設けられた２つのリアクトル及び前記整流回路の上段のダイオードを兼用して形成し、
前記整流回路のダイオード及び前記スイッチング素子をモジュール化し、
力率改善回路を構成する部品を実装する基板に前記２つのリアクトルも実装した
ことを特徴とする力率改善回路。