JP3759515B2

JP3759515B2 - 整流装置

Info

Publication number: JP3759515B2
Application number: JP2003192082A
Authority: JP
Inventors: 正雄和田
Original assignee: Kyosan Electric Manufacturing Co Ltd
Current assignee: Kyosan Electric Manufacturing Co Ltd
Priority date: 2003-07-04
Filing date: 2003-07-04
Publication date: 2006-03-29
Anticipated expiration: 2023-07-04
Also published as: JP2005027461A

Description

【発明の属する技術分野】
【０００１】
本発明は、交流電圧を直流に変換する簡易構成の整流装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
三相交流電圧を直流に変換する回路としては、例えば、図４に示すような整流回路が用いられている。この整流回路は、交流入力力率が１であるＰＦＣ（Power Factor Correction）整流回路と称され、三相交流を１個のスイッチで制御するもので、主回路や制御方式によって入力力率を１にし、単相交流入力の場合も同一の原理で行われる。
【０００３】
この種の従来の整流装置は、交流入力電圧源Ｅ１、Ｅ２及びＥ３が印加されている各入力線に昇圧チョークとしてのリアクトルＬ１、Ｌ２及びＬ３が挿入され、６個のダイオードＤ１〜Ｄ６から成る全波整流回路と、スイッチ回路（トランジスタ）Ｑ１、ダイオードＤ７を備え、コンデンサＣ７の両端に生ずる電圧が負荷Ｒに供給される。
【０００４】
リアクトルＬ１、Ｌ２及びＬ３は同一リアクトル値を有する。ダイオードＤ１〜Ｄ６から成る全波整流回路の出力側に設けられたスイッチ回路Ｑ１をＯＮ動作させると、ダイオードＤ１〜Ｄ６による三相交流入力に対する各相毎の整流後の電流は、各相入力電圧に比例した線電流となる。ここで、スイッチＱ１のスイッチング周波数は、交流入力周波数よりも高く設定され、スイッチングのオンとオフのデューティ比は５０％以下に設定され、リアクトルＬ１〜Ｌ３に流れる電流が不連続となるような値にリアクトルＬ１〜Ｌ３のリアクトル値が選択される。
【０００５】
斯かる構成を採用することにより、リアクトルＬ１〜Ｌ３に流れる電流は三相交流入力電圧と同相になり、入力力率１が得られる。スイッチＱ１をＯＮ動作させると、三相交流入力電圧がダイオードＤ１〜Ｄ６を通して短絡される。
【０００６】
ここで、入力交流各線に設けられた各リアクトルL１、L2、L3は同一値のため、三相ダイオード全波整流出力端にあるスイッチQ１で短絡すると、各リアクトルL１、L2、L3に流れる電流は，各相電圧E１、Ｅ２、Ｅ３に比例した瞬間値となる。スイッチQ１がオン動作すると、各リアクトルL１、L2、L3には各々エネルギーが貯えられる。各リアクトルに貯えられたエネルギーの合計値はスイッチQ１がオフすると、コンデンサC７へ放出される。
【０００７】
コンデンサC７は、三相ダイオード全波整流出力値より高くなり昇圧動作となる。スイッチQ１のオン動作とオフ動作が順次繰り返され，各入力線電流は高次の高調波を含む正弦波となる。この高次の高調波は、スイッチQ１のキャリア周波数から発生するもので、回路には記載されていない高調波除去フィルタによって高次高調波は除去され正弦波形とすることが出来る。
【０００８】
一方、この回路では、全波整流用の各ダイオードＤ１〜Ｄ６のアノードとカソード間には浮遊キャパシタンスＣ１〜Ｃ６が存在し、各キャパシタンスには電荷が充電されている。その結果、スイッチＱ１がＯＮ動作すると、これらのキャパシタンスＣ１〜Ｃ６に充電されている電荷が短絡により放電されるため、出力には高周波ノイズが発生するという問題が生ずる。この問題は、上述の三相用だけでなく、リアクトルと整流用のダイオードを用いる整流回路に共通して存在する問題である。
【０００９】
この高周波ノイズ発生の問題を解決するために、三相入力各線に設けてある同一容量の３個の交流リアクトルをダイオード整流の後段の直流回路へ、同一容量の６個の直流リアクトルとして振り分けるようにした整流装置の回路を、本願出願人は、先に提案している（特願２００３−１１９４７４）。
【００１０】
図３は斯かる改良された整流装置の回路図である。全波整流用のダイオードＤ１〜Ｄ６が図示の如く接続され、ダイオードＤ１とＤ２の直列接続点に交流電圧源Ｅ１が接続され、ダイオードＤ３とＤ４の直列接続点に交流電圧源Ｅ２が接続され、ダイオードＤ５とＤ６の直列接続点に交流電圧源Ｅ３がそれぞれ接続されている。
【００１１】
リアクトルＬ１〜Ｌ６の接続は次のとおりである。すなわち、ダイオードＤ１とＤ２のカソード側とアノード側にはリアクトルＬ１とＬ２の一端がそれぞれ接続され、ダイオードＤ３とＤ４のカソード側とアノード側にはリアクトルＬ３とＬ４の一端がそれぞれ接続され、ダイオードＤ５とＤ６のカソード側とアノード側にはリアクトルＬ５とＬ６の一端がそれぞれ接続されている。
【００１２】
リアクトルＬ１、Ｌ３及びＬ５の他端側と、リアクトルＬ２、Ｌ４及びＬ６の他端側との間にはスイッチＱ１が接続されている。平滑用コンデンサＣ７は、ダイオードＤ７を介したリアクトルＬ１、Ｌ３及びＬ５の他端側と、リアクトルＬ２、Ｌ４及びＬ６の他端側との間に接続され、負荷Ｒが平滑用コンデンサＣ７の両端に接続されている。
【００１３】
スイッチＱ１のスイッチング周波数は、交流入力周波数よりも高く設定され、スイッチングのオンとオフのデューティ比は５０％以下に設定され、リアクトルＬ１〜Ｌ６に流れる電流が不連続となるような値にリアクトルＬ１〜Ｌ６のリアクトル値が設定されている。
【００１４】
こうして、三相交流入力は、ダイオードＤ１〜Ｄ６から成る全波整流回路で全波整流され、スイッチＱ１をオン動作させて三相交流入力電圧をダイオードＤ１〜Ｄ６を通して短絡させ、充電されている平滑用コンデンサＣ７の充電電荷を放電する動作が繰り返される。
【００１５】
ここで、リアクトルＬ２−ダイオードＤ２−ダイオードＤ１−リアクトルＬ１、リアクトルＬ４−ダイオードＤ４−ダイオードＤ３−リアクトルＬ３、及びリアクトルＬ６−ダイオードＤ６−ダイオードＤ５−リアクトルＬ５をアームと称する。
【００１６】
スイッチＱ１がオン動作すると、各相の交流電圧は、各アームに分担され、入力交流電圧に比例した電流が流れ、各アームの正極側（ダイオードのカソード側）と負極側（ダイオードのアノード側）には、交流入力線電流のベクトル合成値が流れる。したがって、リアクトルを片極のみに設けると、交流入力電圧に見合った分担を行うことができない。リアクトルを各アームの正極側と負極側に設けることによって、各相の交流入力電圧に見合った電圧をアームの正極側と負極側に設けたリアクトルで分担することができる。
【００１７】
各アームに印加される電圧は、等価的に交流入力相電圧と同一となり、この電圧に見合ったリアクトル電流が流れるため、各アームに流れる電流は入力電圧に比例したスイッチング周波数による高調波を含む基本波電流となる。
【００１８】
ところで、図４に示す整流装置と同様に、各ダイオードＤ１〜Ｄ６には浮遊キャパシタンスＣ１〜Ｃ６が存在するが、スイッチＱ１がオンするときには、整流用ダイオードの浮遊キャパシタンスには直列接続されたリアクトルを介して電流が流れるため、スイッチＱ１のスイッチングによるサージ電流が抑制され、スイッチングノイズが低減される。
【００１９】
上述のように、この整流装置では、図２に示す従来の整流装置における交流側に設けたリアクトルを直流部側に振り分けることによって、交流入力の正弦波化と浮遊キャパシタンスの短絡電流制御を行っている。
【００２０】
【発明が解決しようとする課題】
一方、斯かる構成の整流装置では、直流リアクトルを６個必要とし、配線が複雑化するだけでなく、コスト面でも問題がある。
【００２１】
そこで、本発明の目的は、簡易な回路構成で、スイッチングデバイスの使用数が少なく、制御が簡単な方式の整流装置を提供することにある。
【００２２】
本発明の他の目的は、簡易な構成、簡単な制御、高力率で高周波ノイズを除去可能な三相高力率な整流装置を提供することにある。
【００２３】
【課題を解決するための手段】
前述の課題を解決するため、本発明による整流装置は、次のような特徴的な構成を採用している。
【００２５】
（１）第１〜第６のダイオードから成る全波整流用ダイオードのうち前記第１と第２のダイオードの直列接続の中間点に、同一鉄心に分割して巻かれた第１の直流リアクトルが接続され、前記第３と第４のダイオードの直列接続の中間点に、同一鉄心に分割して巻かれた第２の直流リアクトルが接続され、前記第５と第６のダイオードの直列接続の中間点に、同一鉄心に分割して巻かれた第３の直流リアクトルが接続され、前記第１、第２及び第３の直流リアクトルの、正極側と負極側のリアクトル値が同じとなる位置に設けられた端子には３相交流電源の各電源出力がそれぞれ接続され、
前記第１、第３及び第５のダイオードのカソード側と、前記第２、第４及び第６のダイオードのアノード側にはトランジスタスイッチのコレクタとエミッタがそれぞれ接続され、前記第１、第３及び第５のダイオードのカソードが第７のダイオードのアノードに接続され、平滑用コンデンサが前記第７のダイオードのカソードに接続され、負荷が前記平滑用コンデンサの両端に接続され、
前記トランジスタスイッチのオン時には、前記第１乃至第６のダイオードに直列接続された前記第１乃至第３のリアクトルを介して電流を流すことにより前記トランジスタスイッチのスイッチングによる前記第１乃至第６のダイオードの浮遊キャパシタンスに起因するサージ電流を抑制し、スイッチングノイズを低減する整流装置。
【００２６】
（２）前記直流リアクトルは三端子構造または四端子構造のリアクトルである上記（１）の整流装置。
【００２７】
（３）前記スイッチのスイッチング周波数は、前記交流入力周波数よりも高く設定され、スイッチングのオンとオフのデューティ比は５０％以下に設定されている上記（１）または（２）の整流装置。
【００２９】
（４）前記第１乃至第３のリアクトルは、そこに流れる電流が不連続となるような値に設定されている上記（１）乃至（３）のいずれかの整流装置。
【００３０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明による整流装置の好適実施形態例について添付図を参照して詳細に説明する。
【００３１】
図１は本発明による整流装置の一実施形態の回路図である。本実施形態の整流装置は、全波整流用のダイオードＤ１〜Ｄ６を有し、ダイオードＤ１とＤ２の直列接続の中間点に、同一鉄心に分割して巻かれた直流リアクトルＬ１が接続されている。ダイオードＤ３とＤ４の直列接続の中間点に、同一鉄心に分割して巻かれた直流リアクトルＬ２が接続されている。また、ダイオードＤ５とＤ６の直列接続の中間点に、同一鉄心に分割して巻かれた直流リアクトルＬ３が接続されている。直流リアクトルＬ１、Ｌ２及びＬ３は、同一鉄心に正極側と負極側のリアクトル値が同じとなるように巻線が巻かれている。つまり、これら直流リアクトルの三端子の中央部は直流リアクトル値の中間値となる。また、直流リアクトルは三端子構造でなく、同一鉄心上に正極側と負極側を分離した四端子構造でも良い。要するに、リアクトルの中間値位置に接続端子が設けられていれば良い。
【００３２】
図１において、直流リアクトルＬ１の中央部が交流電圧源Ｅ１に、直流リアクトルＬ２の中央部が交流電圧源Ｅ２に、直流リアクトルＬ３の中央部が交流電圧源Ｅ３に、それぞれ接続されている。
【００３３】
このように、本実施形態では、三端子（四端子）の直流リアクトル３個にし、各アームの中間点に挿入されている。これは、図３に示す整流回路における６個の直流リアクトル交流入力の各線間に対応するダイオード整流アームの正極側と負極側へ各々２個ずつ接続されていることと比較すると、差は顕著である。
【００３４】
ダイオードＤ１、Ｄ３及びＤ５のカソード側と、ダイオードＤ２、Ｄ４及びＤ６のアノード側にはトランジスタスイッチＱ１のコレクタとエミッタがそれぞれ接続されている。ダイオードＤ７のアノードは、ダイオードＤ１、Ｄ３及びＤ５のカソードに接続されている。平滑用コンデンサＣ７は、ダイオードＤ７のカソードに接続され、負荷Ｒが平滑用コンデンサＣ７の両端に接続されている。
【００３５】
図４に示す整流回路と同様に、スイッチＱ１のスイッチング周波数は、交流入力周波数よりも高く設定され、スイッチングのオンとオフのデューティ比は５０％以下に設定され、リアクトルＬ１〜Ｌ３に流れる電流が不連続となるような値にスイッチング周波数とリアクトルＬ１〜Ｌ３のリアクトル値が設定されている。
【００３６】
三相交流入力は、ダイオードＤ１〜Ｄ６から成る全波整流回路で全波整流され、スイッチＱ１をオン動作させて三相交流入力電圧をダイオードＤ１〜Ｄ６を通して短絡させ、充電されている平滑用コンデンサＣ７の充電電荷を放電する動作が繰り返される。
【００３７】
ここで、ダイオードＤ２−リアクトルＬ１−ダイオードＤ１、ダイオードＤ４−リアクトルＬ２−ダイオードＤ３、及びダイオードＤ６−リアクトルＬ３−ダイオードＤ５をアームと称する。
【００３８】
上記アームに印加される電圧は、等価的に交流入力相電圧と同一となり、この電圧に見合ったリアクトル電流が流れるため、各アーム電流は入力電圧に比例したスイッチング周波数による高調波を含む基本波電流となる。
【００３９】
図２には、スイッチＱ１のオン・オフ動作と各アームに流れる電流の波形図が示されている。
【００４０】
スイッチＱ１としては、トランジスタが用いられ、そのベースに供給されるゲートパルスによってオン動作される。このゲートパルスの周波数は、交流入力の周波数よりも高く設定され、そのデユーティ比は５０％以下に設定される。５０％以下に設定されるのは、スイッチＱ１のオフ・オン動作によりコンデンサＣ７の充電が適切に行われるようにするためである。
【００４１】
図２を参照すると、ゲートパルス（Ａ）の供給に応答して、スイッチＱ１がオン動作し、各相の交流入力Ｅ１、Ｅ２、Ｅ３の線電流（Ｃ）、（Ｄ）及び（Ｅ）が流れる。その結果、スイッチＱ１のオン動作したときにリアクトルに流れる電流は、各相交流電圧源と同相の（Ｂ）に示すような三角波となる。
【００４２】
各アームに印加される電圧は、等価的に交流入力相電圧と同一となり、この電圧に見合ったリアクトル電流が流れるため、各アームに流れる電流は入力電圧に比例したスイッチング周波数による高調波を含む基本波電流となる。
【００４３】
ところで、図３に示す整流装置と同様に、各ダイオードＤ１〜Ｄ６には浮遊キャパシタンスＣ１〜Ｃ６が存在するが、スイッチＱ１がオンするときには、整流用ダイオードＤ１〜Ｄ６の浮遊キャパシタンスには直列接続されたリアクトルを介して電流が流れるため、スイッチＱ１のスイッチングによるサージ電流が抑制され、スイッチングノイズが低減される。
【００４４】
上述のように、本実施形態では、交流入力の正弦波化と浮遊キャパシタンスの短絡電流制御を行っている。
【００４５】
以上の実施形態は、三相交流入力に限らず、単相交流入力にも適用することができることは明らかである。
【００４６】
以上、本発明の整流装置の好適実施形態例を説明したが、これは単なる例示にすぎず、特定用途に応じて種々の変形変更が可能であることは勿論である。
【００４７】
【発明の効果】
上述の如く、本発明の整流装置は、直流リアクトル３個で構成でき、部品点数が少なく、整流用ダイオードの浮遊キャパシタの短絡電流に起因するノイズの発生を抑制し、交流入力の正弦波化を単一スイッチングデバイスで実施することができる。また、本発明では、スイッチは１個で良く、単純な主回路構成で制御が簡単で、三相交流入力の高効率化が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態による整流装置の回路図である。
【図２】図１に示す整流装置の動作を説明するための波形図である。
【図３】従来の整流装置の回路図である。
【図４】従来の整流装置の回路図である。
【符号の説明】
Ｅ１〜Ｅ３三相交流電圧源
Ｄ１〜Ｄ７ダイオード
Ｌ１〜Ｌ３リアクトル
Ｃ１〜Ｃ６浮遊キャパシタ
Ｃ７平滑用コンデンサ
Ｑ１スイッチ
Ｒ負荷

Claims

第１〜第６のダイオードから成る全波整流用ダイオードのうち前記第１と第２のダイオードの直列接続の中間点に、同一鉄心に分割して巻かれた第１の直流リアクトルが接続され、前記第３と第４のダイオードの直列接続の中間点に、同一鉄心に分割して巻かれた第２の直流リアクトルが接続され、前記第５と第６のダイオードの直列接続の中間点に、同一鉄心に分割して巻かれた第３の直流リアクトルが接続され、前記第１、第２及び第３の直流リアクトルの、正極側と負極側のリアクトル値が同じとなる位置に設けられた端子には３相交流電源の各電源出力がそれぞれ接続され、
前記第１、第３及び第５のダイオードのカソード側と、前記第２、第４及び第６のダイオードのアノード側にはトランジスタスイッチのコレクタとエミッタがそれぞれ接続され、前記第１、第３及び第５のダイオードのカソードが第７のダイオードのアノードに接続され、平滑用コンデンサが前記第７のダイオードのカソードに接続され、負荷が前記平滑用コンデンサの両端に接続され、
前記トランジスタスイッチのオン時には、前記第１乃至第６のダイオードに直列接続された前記第１乃至第３のリアクトルを介して電流を流すことにより前記トランジスタスイッチのスイッチングによる前記第１乃至第６のダイオードの浮遊キャパシタンスに起因するサージ電流を抑制し、スイッチングノイズを低減することを特徴とする整流装置。
前記直流リアクトルは三端子構造または四端子構造のリアクトルであることを特徴とする請求項１に記載の整流装置。
前記スイッチのスイッチング周波数は、前記交流入力周波数よりも高く設定され、スイッチングのオンとオフのデューティ比は５０％以下に設定されていることを特徴とする請求項１または２に記載の整流装置。
前記第１乃至第３のリアクトルは、そこに流れる電流が不連続となるような値に設定されていることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の整流装置。