JP3934982B2 - 電源装置 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は電源装置であって、一定の交流電源から所望の電圧の直流に変換する電源装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
空調装置等の電気機器に用いる電源装置においては高調波規制をクリアする必要があるが、この高調波規制をクリアする一つの手段として、特開平10−111028号公報に開示されたアクティブフィルタを用いて力率を改善する方法がある。アクティブフィルタによれば、力率を改善するとともに副次的に電源電圧の昇圧機能を実現できるという効果が得られる。その反面、回路規模が増大し、製造コストが上昇するといった課題がある。
【0003】
そこで、簡易な構成でアクティブフィルタと同様の効果を実現するものとして、特開2000−188867号公報に開示された技術が考案されている。図14にその構成を示す。図14に示すように、電源装置は、整流回路2の入力端間に接続され、その入力端間を短絡/遮断するスイッチSW11と、整流回路2を構成するダイオードブリッジの中点と倍電圧整流用コンデンサ4,5間の接続点との間に接続され、その間を短絡/遮断するスイッチSW12とを備えている。
【0004】
この電源装置では、スイッチSW11のオン、オフをパルス幅(PWM)制御することにより、アクティブフィルタを用いる場合と同様に力率改善及び昇圧機能を実現している。さらに、スイッチSW12のオン、オフにより全波整流と倍電圧整流との切換を行なうことにより出力電圧の可変範囲を拡大している。すなわち、負荷が小さいときにはスイッチSW12をオフすることにより全波整流モードで動作し、負荷が大きいときにはスイッチSW12をオンすることにより倍電圧整流モードで動作することにより、出力電圧の可変範囲を拡大している。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、図14に示す電源装置には次のような問題がある。
スイッチSW1をパルス幅制御しており、この際パルス幅制御のキャリア周波数は電源周波数に比して非常に高い周波数であるため、高周波ノイズの発生が問題となる。このため、ノイズ対策として別途フィルタ回路が必要となり、製造コストの増加を招く。また、スイッチSW12による全波整流と倍電圧整流との切換時において出力電圧の変動が大きくなる。つまり、動作モードの切換直前の出力電圧と、切換直後の出力電圧との間の電圧差が大きいという問題がある。
【0006】
本発明は上記課題を解決すべくなされたものであり、その目的とするところは、簡易な構成で力率改善を行ないかつ高調波規制をクリアし、動作モードの切換時において出力電圧の急変を抑制する電源装置を提供することにある。
【0007】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る第1の電源装置は、2つの入力端と2つの出力端とを有し、リアクトルを介して交流電源に接続されて交流電源電圧を直流電圧に変換する整流回路と、直列に接続される複数のコンデンサからなり、整流回路の2つの出力端間に接続されたコンデンサ回路と、整流回路の一方の入力端と、前記コンデンサ回路内のコンデンサ間の一つの接続点との間に接続された第1のスイッチ手段と、整流回路の他方の入力端と、前記コンデンサ回路内のコンデンサ間の同接続点との間に接続された第2のスイッチ手段とからなる。
【0008】
第1の電源装置は、第1及び第2の動作モードのうちのいずれかの動作モードにより第1及び第2のスイッチ手段を制御する制御手段を備える。このとき、第1の動作モードでは、第1のスイッチ手段を、電源電圧の半周期において電源装置の出力電圧に応じて変化する第1のオン期間の間だけ連続的にオンに制御し、第2のスイッチ手段を常時オフに制御する。第2の動作モードでは、第1のスイッチ手段を、電源電圧の半周期において電源装置の出力電圧に応じて変化する第1のオン期間の間だけ連続的にオンに制御し、第2のスイッチ手段を常時オンに制御する。
【0009】
制御手段は、前記第1のオン期間のデューティ比が概略100%となったときに、第1のオン期間に関するディーティ比を概略ゼロとするとともに、第2のスイッチ手段をオンして、第1及び第2のスイッチ手段を制御するために用いる動作モードを第1の動作モードから第2の動作モードへ切換え、第2の動作モードでの制御が所定時間以上継続しており、かつ、第1のオン期間がゼロとなったときに、第2の動作モードから第1の動作モードへ切換える。
【0015】
本発明に係る第2の電源装置は、2つの入力端と2つの出力端とを有し、リアクトルを介して交流電源に接続されて交流電源電圧を直流電圧に変換する整流回路と、直列に接続される複数のコンデンサからなり、前記整流回路の2つの出力端間に接続されたコンデンサ回路と、整流回路の一方の入力端とコンデンサ回路内のコンデンサ間の一つの接続点との間に接続された第1のスイッチ手段と、整流回路の他方の入力端と、コンデンサ回路内のコンデンサ間の接続点との間に接続された第2のスイッチ手段と、第1及び第2の動作モードのうちのいずれかの動作モードにより第1及び第2のスイッチ手段を制御する制御手段とを備える。第1の動作モードは、第1のスイッチ手段を、電源電圧の半周期において電源装置の出力電圧に応じて変化する第1のオン期間の間だけ連続的にオンに制御し、第2のスイッチ手段を常時オフに制御する。第2の動作モードは、第1のスイッチ手段を、電源電圧の半周期において電源装置の出力電圧に応じて変化する第1のオン期間の間だけ連続的にオンに制御し、第2のスイッチ手段を常時オンに制御する。制御手段は、第1のオン期間に関するデューティ比が概略100%となったときに第1のオン期間に関するディーティ比を概略ゼロとするとともに、第2のスイッチ手段をオンして、第1及び第2のスイッチ手段を制御するために用いる動作モードを第1の動作モードから第2の動作モードへ切換え、第1または第2の動作モードの一方のモードから他方のモードへ切替える際に、電源電圧の半周期もしくはそれ以上の期間、第1および第2のスイッチ手段をともにいったんオフとした後、動作モードを切替える。
【0020】
本発明に係る第3の電源装置は、2つの入力端と2つの出力端とを有し、リアクトルを介して交流電源に接続されて交流電源電圧を直流電圧に変換する整流回路と、直列に接続される複数のコンデンサからなり、整流回路の2つの出力端間に接続されたコンデンサ回路と、整流回路の一方の入力端と、コンデンサ回路内のコンデンサ間の一つの接続点との間に接続された第1のスイッチ手段と、整流回路の他方の入力端とコンデンサ回路内のコンデンサ間の前記接続点との間に接続された第2のスイッチ手段と、第1及び第2の動作モードのうちのいずれかの動作モードにより前記第1及び第2のスイッチ手段を制御する制御手段とを備える。第1の動作モードは、第1のスイッチ手段を、電源電圧の半周期において電源装置の出力電圧に応じて変化する第1のオン期間の間だけ連続的にオンに制御し、第2のスイッチ手段を常時オフに制御する。第2の動作モードは、第1のスイッチ手段を、電源電圧の半周期において電源装置の出力電圧に応じて変化する第1のオン期間の間だけ連続的にオンに制御し、第2のスイッチ手段を常時オンに制御する。制御手段は、第1の動作モードにおいて、電源電圧の半周期あたりの前記第1のオン期間の増減量を、第2の動作モードにおける増減量よりも大きな値とする。
【0022】
【発明の実施の形態】
以下添付の図面を参照して、本発明に係る電源装置の実施の形態を詳細に説明する。
【0023】
(実施の形態1)
図1は本発明に係る電源装置の回路構成の概略を示した図である。
同図に示すように電源装置は、交流電源1からの電圧をリアクトル3を介して入力して整流する整流回路2と、倍電圧整流用のコンデンサ4、5と、整流回路2の各ハーフブリッジの中点と倍電圧整流用コンデンサ4、5間の接続点とを接続するスイッチSW1、SW2とを備える。電源装置は交流電源1からの電圧を整流して負荷8に対して所望の大きさの直流電圧を出力する。負荷8には、空調装置、冷蔵庫等のコンプレッサや洗濯機に使用されるDCモータを駆動するためのインバータ等が含まれる。
【0024】
整流回路2は2つのダイオードのハーフブリッジからなる。コンデンサ4とコンデンサ5とは直列に接続され、整流回路2の出力端に接続される。スイッチSW1、SW2は、整流回路2の各入力端(整流回路2の各ハーフブリッジの中点)と、コンデンサ4とコンデンサ5との間の接続点との間にそれぞれ接続される。なお、倍電圧整流用のコンデンサは2個に限らず、偶数個設けることができる。
【0025】
以上のように構成される電源装置は、スイッチSW1、SW2のオン・オフの状態に応じて2つの動作モード(モード1、モード2)で動作する。(a)モード1:スイッチSW2は常時オフに制御された状態で、スイッチSW1がパルス幅制御される。モード1においては電源電圧のおよそ√2倍から2√2倍の範囲の出力電圧が得られる。(b)モード2:スイッチSW2は常時オン又はパルス幅制御される状態で、スイッチSW1はパルス幅制御される。モード2においては倍電圧整流回路ベースの回路構成となるため、電源電圧の2√2倍以上の出力電圧まで得ることができる。
【0026】
スイッチSW1、SW2のパルス幅制御は、それらに対して出力される制御パルスのパルス幅を制御することで行なわれる。ここで、制御パルスは、電源電圧の半周期毎に1つだけ出力される。以下、このような半周期毎に1つのみ出力されるパルスによるスイッチング制御を「1パルス制御」という。この1パルス制御は、パルス幅制御におけるキャリア周期を電源電圧の半周期に設定した場合の制御と同等である。
【0027】
1パルス制御では電源周波数の2倍の100Hz又は120Hzといった低速スイッチング動作を基本とする。したがって、アクティブフィルタ方式のように数十kHzの高速スイッチング動作がなく、発生ノイズが小さい。そのため、ノイズ対策のための回路を簡略化でき、スペース的にも、コスト的にも有利となる利点がある。
【0028】
また、本発明では、モード1、モード2いずれの動作モードにあっても、スイッチSW2は、オン一定またはオフ一定のいずれかに制御されており、モード切換時を除いて基本的にスイッチング動作を必要としない。したがって、スイッチSW2にはリレー等の比較的低速なスイッチ素子を用いることが可能である。
【0029】
図2は本発明の電源装置のさらに具体的な構成を示した図である。図2において、スイッチSW1は双方向の半導体スイッチから構成され、スイッチSW2はリレーにより構成されている。スイッチSW2にリレーを用いることによりIGBTなどの半導体スイッチを使用する場合に比べ、スイッチ・オン時の損失を低減できる。図2に示す電源装置は、図1に示した構成に加えてさらに、平滑コンデンサ11と、電源電圧の位相を検出する電源位相検出部12と、スイッチSW1のパルス幅の制御を行うパルス幅制御部13と、スイッチSW2のオン/オフを制御するリレーON/OFF制御部14と、出力電圧を検出する出力電圧検出部15とを備えている。なお、平滑コンデンサ11を挿入することにより、動作モードの切換に伴う容量変動を抑制でき、より安定した電圧供給が可能となる。
【0030】
以上のように構成される電源装置では、パルス幅制御部13が、出力電圧検出部15からの出力電圧の検出結果及び電源位相検出部12からの電源位相の検出結果に基いてスイッチSW1のオン/オフのタイミングを制御するよう制御パルスを出力する。パルス幅制御部13は電源位相がゼロクロスとなるタイミングにおいて、制御パルスを出力する。また、リレーON/OFF制御部14がスイッチSW2のオン/オフのタイミングを制御するよう制御パルスを出力する。
【0031】
図3を用いて電源装置の各動作モードでの動作を説明する。なお、図3(b)はスイッチSW1のデューティ比の変化の様子を、図3(c)はスイッチSW2のオン・オフ状態を示している。図3(a)は一定負荷出力時(約400W)における各スイッチの状態に対応した出力電圧の変化を示している。
【0032】
同図の横軸はとり得る制御状態を表しているが、目標出力電圧に応じて状態が遷移する場合を説明する際には、横軸を時間軸とみて、左から右、または右から左に制御状態が変化すると見てもよい。
【0033】
図3に示すように、モード1においては、スイッチSW2が常時オフの状態で、スイッチSW1が要求される出力電圧に応じてパルス幅制御される(図のP点)。すなわち、モード1において、より高い出力電圧を得たいときはスイッチSW1の制御パルスのパルス幅をより大きくしていく。その際、スイッチSW1の電源半周期に対するデューティ比が100%に達し(このとき、電源周波数の半周期中スイッチSW1がオンに制御される)、さらに、それ以上の出力電圧が要求される場合、スイッチSW1のパルス幅をそれ以上に制御することができないため、動作モードをモード1からモード2に切り換える。
【0034】
モード1からモード2への切換の前後では、スイッチSW1のデューティ比が100%から0%に切換えられ、スイッチSW2がオフからオンに切換えられる(図のQ点)。このとき、切換前後の回路はいずれも倍電圧整流回路そのものであることから、切換前後における出力電圧の変動は生じない。さらに、モード2では、スイッチSW2は常時オンに制御され、スイッチSW1は出力電圧に応じてパルス幅制御される(図のR点)。モード2においては倍電圧整流回路ベースの回路構成となるため、モード1の場合に比しておよそ2倍の出力電圧が得られる。
【0035】
モード2において出力電圧を低下させていく場合は、スイッチSW1のデューティ比が0%に達したときに、スイッチSW2をオンからオフに切換えるとほぼ同時に、スイッチSW1のデューティ比を0%から100%にすることによりモード2からモード1への切換えを行なう。
【0036】
なお、図3でモード1において制御パルスがある程度大きくなるまで出力電圧が上昇していないが、これは、制御パルスが小さい区間では電源電圧が小さく、入力電流が流れないためである。また制御パルスが100%に近づいたあたりでも出力電圧が上昇していないが、これも同様である。
【0037】
また、モード1において、スイッチSW1のデューティ比の増加に対する出力電圧の増加分は、その回路構成上、スイッチSW1のオンにより交流電源1のショートループを構成するモード2に比べて低くなる。そのため、図3に示すように、モード1におけるスイッチSW1のデューティ比の増減量をモード2における増減量よりも大きく設定(図では傾きを大きく設定)することにより、フィ−ドバック動作における出力電圧の追従速度を、両動作モード間でほぼ等しくなるように制御している。これによって全出力電圧範囲において出力電圧の追従速度をほぼ一定にすることができる。
【0038】
さらに、上記の例ではスイッチSW2は、デューティ比を0%となった段階で、すぐにモード2からモード1へ切替えているが、デューティ比が0%となった状態で一定時間(たとえば1時間以上)経過した段階で切替えてもよい。この制御を行うことによって一時的に目標とする出力電圧よりも高い状態が継続することになるが、モード1とモード2間を頻繁に行き来するような負荷を想定した場合において、スイッチSW2を切替える頻度を大幅に抑えることができる。
【0039】
また、モード2での制御の継続時間を測定しておき、その継続時間が所定時間以上であり、かつ、スイッチSW1のデューティ比が0%となった時点でモード2からモード1へ切替えるようにしてもよい。この場合は、スイッチSW1のデューティ比が0%となっても、モード2での制御の継続時間が所定時間以上でなければ、モードの切替えは行なわず、その後、モード2での制御の継続時間が所定時間以上になった時点でモード2からモード1への切替えを行なう。
【0040】
一般にDCモータ負荷の場合、出力電圧が高くてもPWM制御によってモータを回転することが可能であり、本制御によって一時的に出力電圧が目標値よりも高くなっても所望の回転数でモータを回すことができるため、その影響は小さい。逆に、DCモータを高回転運転する場合には、負荷であるDCモータの誘起電圧に応じて出力電圧を高くする必要がある。
【0041】
上記の制御においては、モード1からモード2への切替時には時間的制限を加えないため、モータ負荷が急に大きくなった場合にも速やかに出力電圧を上昇させることができる。一方でスイッチSW2をリレーにて構成する場合には、上記制御を行うことでスイッチSW2の切替頻度が低減し、製品寿命保証上必要な、接点寿命を確保することが可能となる。
【0042】
図4は、本実施形態の電源装置のモード1における、スイッチSW1、SW2に対する制御パルス、電源電圧、入力電流、出力電圧(平滑コンデンサ11の両端電圧)、コンデンサ4、5の接続点の電圧の各々の波形を示した図である。同図に示すように、スイッチSW1の制御パルスは電源電圧のゼロクロス位置において出力され、電源電圧の半周期毎に1つだけ出力されている。図に示すように、この制御パルスによって、入力電流は、電源電圧がコンデンサ4、5の中点電圧以上になった時点から流れ始める。つまり、期間Aの間、余分に入力電流を導通させることが可能となり、このように電流導通期間を拡張できることから力率を改善できる。さらに、入力電流の波形を電源電圧の波形に近づけることができるため高周波規制をクリアすることができる。
【0043】
なお、モード切換時においては、スイッチSW2は電源電圧のゼロクロスの位置でオン/オフが切換えられるのが好ましい。また、図4に示す例では、スイッチSW1に対する制御パルスは、電源電圧のゼロクロス位置で出力されているが、電源電圧のゼロクロスのタイミングから所定時間だけ遅延させて出力するようにしてもよい。
【0044】
図5は、本実施形態の電源装置のモード2における、スイッチSW1、SW2に対する制御パルス、電源電圧及び入力電流の波形を示した図である。同図においては、スイッチSW1の制御パルスは電源電圧のゼロクロス位置から所定の遅延時間Tdだけ遅延された後に出力されている。遅延時間Tdは高調波規制をクリア可能な値に設定する必要がある。遅延時間Tdは、負荷出力が小さくなるほど大きい値とした方が高調波規制をクリヤしやすいが必ずしも必要ではないので、遅延時間Td=0としてもよい(すなわち、スイッチSW1の制御パルスをゼロクロスのタイミングで出力するようにしてもよい。)。モード1では、制御パルスがオンとなっても、電源電圧がコンデンサ4、5の中点電圧以上となる時点以降でないと入力電力が流れ始めなかったのに対し、モード2ではスイッチSW1の制御パルスがオンになると同時に入力電流が流れ始めている。以上のように、スイッチSW1をオンすることによってパルス幅の期間Twの間、余分に入力電流を導通させることが可能となるため、モード1の場合と同様に電流導通期間を拡張でき、力率を改善できる。さらに、入力電流の波形を電源電圧の波形に近づけることができ、高周波規制をクリアすることができる。
【0045】
図6はモード切換時の電源電圧及び入力電流の変化を説明した図である。同図に示すように、モード切換の直前、直後において出力電圧の変動はほとんどない。
モード切替直後の電源半周期Xにおける入力電流は、そのピーク値がやや小さく、次の半周期Yにおいてやや大きくなるものの、その変動の程度は十分に小さい。なお入力電流がこのような波形となる理由は、モード切替前後で入力電源電圧の位相に対して充電される倍電圧用のコンデンサ4、5が入れ替わるためであり、期間Xではその直前の半周期間中に既にコンデンサ5が充電されているため、コンデンサ5への充電電流があまり流れず、次の半周期間Yではコンデンサ4の電圧が減少しているために充電電流が大きくなるためである。
【0046】
これにより、モード切換時において電流波形の変化がなく、出力電圧範囲内で出力電圧を滑らかに変更できる。すなわち、2つの動作モード間をまたがる目標出力電圧の変更時においても出力電圧の急変を抑制できる。
【0047】
前述の例では、図3、図6に示すように、モード1からモード2への切換えは、モード1におけるスイッチSW1のデューティ比が100%に達した時点で行なわれていた。しかし、スイッチSW1のデューティ比が100%に達する前であっても、100%に近い所定のデューティ比(例えば80%程度)に達したときにモード切換を行なうようにしてもよい。図7に、スイッチSW1のデューティ比が80%に達したときにモード切換えを行なう場合のスイッチSW1、SW2のデューティ比の変化、及び、各スイッチ状態に対応した出力電圧の変化を示す。図8は、80%のデューティ比でのモード切換時における、制御パルスと、電源電圧及び入力電流の変化とを説明した図である。この場合においても、100%のデューティ比でのモード切換の場合と同様に、モード切換の直前、直後においてほとんど同じ電流波形が得られ、モード切換時において出力電圧範囲内において出力電圧を滑らかに変更できる。
【0048】
なお図7においては、モード切替前後において10V程度の出力電圧差が生じているが、リアクトル3を4〜6mH程度とし、コンデンサ4、5を1000μF程度、切替時のデューティ比を90%程度と設定した場合には、モード切替時の出力電圧差をほぼゼロとすることができる。これは、図3を用いて説明したように、デューティ比が90%程度あれば、残りの10%に相当する区間は入力電流がゼロであり、倍電圧整流と等価な回路となるためである。この場合には、デューティ比100%付近で生じている、スイッチSW1のデューティ比を上げても出力電圧が上昇しない期間が、デューティ比100%で切替える制御を行う場合よりも減少する。したがって、モード1からモード2に切替える場合において目標出力電圧に向けて出力電圧をより速く追随させることができるようになる。
【0049】
(実施の形態2)
電源装置の動作モードにおけるスイッチSW1、SW2の制御方法の別の例を図9を用いて説明する。
【0050】
図9は本実施形態の各スイッチSW1、SW2の制御を説明した図である。図9に示すように、本実施形態のモード1の制御は図3に示す実施の形態1の場合と同様である。しかし、モード2の制御において、実施の形態1では、スイッチSW2を常時オンにし、スイッチSW1をパルス幅制御していたのに対し、本実施形態では、スイッチSW1を常時オン(すなわち、デューティ比を100%に設定)にし、半導体スイッチ等で構成された双方向性のスイッチSW2を出力電圧に応じてパルス幅制御する。
【0051】
上記のように各スイッチSW1、SW2を制御しても、実施の形態1の場合と同様に、モード切換の前後において入力電流波形を滑らかに接続でき、モード切換時の出力電圧の変動を抑制できる。上記のような制御を行なうため、スイッチSW2にリレーを用いることは困難であるが、スイッチSW2を電源電圧のゼロクロスの位置にて精度よく切換えることが容易となるという利点がある。
【0052】
なお、上記のようにモードを切換える場合に、スイッチSW1のデューティ比が100%近傍の所定のデューティ比に達した時点でモードを切換えるようにしてもよい。すなわち、図10に示すように、モード1からモード2への切り換えを、スイッチSW1のデューティ比が90%に達した時点で行なってもよい。このとき、スイッチSW1については、モード2に切換後も、そのデューティ比が100%に達するまではパルス幅制御がなされる。
【0053】
以上のように制御しても、前述の場合と同様に、モード切換の前後において同様の効果が得られる。
【0054】
なお、実施の形態1、2では、電源電圧の半周期に1つのみの制御パルスを印加する「1パルス制御」について説明したが、スイッチSW1に対し、キャリア周波数を電源周波数に比して非常に高い周波数に設定し(すなわち電源電圧の半周期に比して非常に短いキャリア周期を設定)、そのキャリア周波数でパルス幅制御を行なうようにしてもよい。
【0055】
(実施の形態3)
実施の形態1では図4に示すように、スイッチSW1に対して、電源電圧の半周期に1つのみの制御パルスを印加する「1パルス制御」を行なっていた。これに対し、本実施形態では、図11に示すように、スイッチSW1に対し、電源電圧の半周期に2つの制御パルスを印加する制御(以下「2パルス制御」という。)を行なう。このとき、前半のパルスは電源電圧のゼロクロス発生時に印加し、後半のパルスは1パルス制御の場合に入力電流がゼロになる時点の近傍に印加するようにする。なお、後半のパルスは、前半のパルスよりも小さいパルス幅にする。このように2パルス制御を行なうことにより、期間Aに加えて期間Bにおいても入力電流を導通させることが可能となり、より力率を改善することができ、電源効率を向上できる。
【0056】
(実施の形態4)
実施の形態1では、一方の動作モードから他方の動作モードへ移行する際に、スイッチSW1およびスイッチSW2を同じ電源電圧の半周期内で、切替えるよう制御していた。これに対し、本実施形態では、図12および図13に示すように、前記2つの動作モードの切替時には、まず電源電圧の半周期間、スイッチSW1,SW2をともにオフに制御した後、動作モードを切替える。なお、スイッチSW1,SW2をともにオフにする期間(以下「デッドタイム」という。)は電源電圧の半周期よりも大きくてもよい。
【0057】
図12は、モード1からモード2へ切替える際の電源電圧、入力電流及及び出力電圧の変化を説明した図である。同図に示すように、モード切換直前の電源半周期間において入力電流がゼロとなっていることを除けば、モード切替前後で実施の形態1の場合とほぼ同様の電流波形が得られている。またスイッチSW1,SW2をともにオフに制御した期間(デッドタイム)において、出力電圧が波高値で20〜30V程度低下するが、定常状態におけるリプル電圧も同程度であることから、出力電圧が大幅に変動することはない。したがって本制御においてもモード切替時において出力電圧を滑らかに変更できる。すなわち、目標出力電圧の変更時における電圧の急変を抑制できる。
【0058】
図13にモード2からモード1への切替時の波形を示す。図12の場合と同様にスイッチSW1、SW2をともにオフに制御した期間(デッドタイム)で出力電圧がいったん低下するものの、その波高値は20〜30V程度であり、出力電圧の変動は抑制されている。
【0059】
なお、スイッチSW2がリレーの場合には、スイッチSW2の動作時間を考慮して、リレーON/OFF制御部14は、モード切替を行おうとする電源電圧のゼロクロスよりも手前の時点にてオンまたはオフの制御信号を出力するが、本制御では、万一スイッチSW2のオフ動作がTYP値よりも10ms程度遅れた場合にも、デッドタイムが設けられているため、スイッチSW1およびSW2がともにオンすることはない。したがって、スイッチSW2の動作時間のバラツキが大きい場合においても、本制御を行うことによって、交流電源1のショートループ形成に伴う昇圧作用によって生じる出力電圧の上昇を確実に回避することができる。
【0060】
【発明の効果】
本発明によれば、出力側において直列に接続された複数個のコンデンサ間の接続点と、整流回路の各入力端子との間にそれぞれ第1及び第2のスイッチ手段を設けた構成において、各スイッチ手段のオン・オフの組み合わせを切換えることで、全波整流回路及び倍電圧回路をベースとした、昇圧作用を有する電源回路を構成することができる。これによって、力率改善を行ないかつ高調波規制をクリアしつつ、広範囲(120〜290V程度)な出力電圧範囲を有する電源装置を構成することが可能となる。
【0062】
また、第1の動作モードにおけるオン期間が所定値よりも大きくなったときに第1のスイッチ手段をオフし、第2のスイッチ手段をオンすることで第2の動作モードへ移行することにより、従来、モード切換時に生じていた出力電圧の変動を抑制することができる。
【0064】
また、2つの動作モードの切替条件に時間要素を付加することにより、第2のスイッチ手段の切替頻度を減らすことができるため、第2のスイッチ手段にリレーを使用した場合に接点寿命を延ばすことが可能となる。
また、請求項2記載の発明によれば、動作モードの切替時に電源電圧の半周期間、第1および第2のスイッチ手段をオフに制御することによって、第2のスイッチ手段に動作時間のバラツキの大きなリレーを用いた場合においても第1および第2がともにオンとなることを防止することで、入力電源のショートループによる昇圧作用から生じる出力電圧の乱れを確実に回避することができる。
【0069】
また、請求項3記載の発明によれば、第1の動作モードにおいて、電源半周期あたりの第1のスイッチ手段のオン幅の増減量を、第2の動作モードにおける増減量よりも大きく設定することにより、出力電圧範囲内において、目標出力電圧に対する出力電圧の応答性をほぼ等しくすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】 本発明に係る電源装置の概念を説明するための回路図。
【図2】 本発明の実施の形態1の電源装置の構成を示す回路図。
【図3】 実施の形態1の電源装置の一つの動作モード(ディーティ比100%でモード切換)を説明した図((a)出力電圧、(b)スイッチSW1のデューティ比の変化、(c)スイッチSW2のオン/オフ状態)。
【図4】 実施の形態1の電源装置の動作モード1における、スイッチのオン/オフと、各種波形(電源電圧、出力電圧、入力電流等の波形)との関係を示した図((a)出力電圧等の波形、(b)スイッチSW1の制御パルス、(c)スイッチSW2の制御パルス)。
【図5】 実施の形態1の電源装置の動作モード2における、スイッチのオン/オフと、各種波形(電源電圧、入力電流の波形)との関係を示した図((a)入力電流等の波形、(b)スイッチSW1の制御パルス、(c)スイッチSW2の制御パルス)。
【図6】 実施の形態1の電源装置の一つの動作モードの切換時における入力電流の波形を示した図((a)入力電流等の波形、(b)スイッチSW1のデューティ比の変化、(c)スイッチSW2のオン/オフ状態)。
【図7】 実施の形態1の電源装置の別の動作モード(ディーティ比90%でモード切換)を説明した図((a)出力電圧、(b)スイッチSW1のデューティ比の変化、(c)スイッチSW2のオン/オフ状態)。
【図8】 実施の形態1の電源装置の別の動作モードの切換時における入力電流の波形を示した図((a)入力電流等の波形、(b)スイッチSW1の制御パルス、(c)スイッチSW2のオン/オフ状態)。
【図9】 実施の形態2の電源装置の一つの動作モード(ディーティ比100%でモード切換)を説明した図((a)出力電圧、(b)スイッチSW1のデューティ比の変化、(c)スイッチSW2のデューティ比の変化)。
【図10】 実施の形態2の電源装置の別の動作モード(ディーティ比90%でモード切換)を説明した図((a)出力電圧、(b)スイッチSW1のデューティ比の変化、(c)スイッチSW2ののデューティ比の変化)。
【図11】 実施の形態3の電源装置における2パルス制御を説明した図((a)入力電流等の波形、(b)スイッチSW1の制御パルス、(c)スイッチSW2のオン/オフ状態)。
【図12】 実施の形態4の電源装置の一つの動作モードの切換時(モード1からモード2への切替)における入力電流の波形を示した図((a)入力電流等の波形、(b)スイッチSW1のデューティ比の変化、(c)スイッチSW2のオン/オフ状態)。
【図13】 実施の形態4の電源装置の一つの動作モードの切換時(モード2からモード1への切替)における入力電流の波形を示した図((a)入力電流等の波形、(b)スイッチSW1のデューティ比の変化、(c)スイッチSW2のオン/オフ状態)。
【図14】 従来の電源装置の回路図。
【符号の説明】
1 交流電源
2 整流回路
3 リアクトル
4、5、11 コンデンサ
8 負荷
12 電源位相検出部
15 出力電圧検出部
13 パルス幅制御部
14 リレーON/OFF制御部
SW1、SW2 スイッチ
Claims (4)
- 2つの入力端と2つの出力端とを有し、リアクトルを介して交流電源に接続されて交流電源電圧を直流電圧に変換する整流回路と、
直列に接続される複数のコンデンサからなり、前記整流回路の2つの出力端間に接続されたコンデンサ回路と、
前記整流回路の一方の入力端と、前記コンデンサ回路内のコンデンサ間の一つの接続点との間に接続された第1のスイッチ手段と、
整流回路の他方の入力端と、前記コンデンサ回路内のコンデンサ間の前記接続点との間に接続された第2のスイッチ手段と、
第1及び第2の動作モードのうちのいずれかの動作モードにより前記第1及び第2のスイッチ手段を制御する制御手段とを備え、
前記第1の動作モードは、第1のスイッチ手段を、電源電圧の半周期において電源装置の出力電圧に応じて変化する第1のオン期間の間だけ連続的にオンに制御し、前記第2のスイッチ手段を常時オフに制御し、前記第2の動作モードは、第1のスイッチ手段を、電源電圧の半周期において電源装置の出力電圧に応じて変化する第1のオン期間の間だけ連続的にオンに制御し、前記第2のスイッチ手段を常時オンに制御し、
前記制御手段は、該第1のオン期間に関するデューティ比が概略100%となったときに第1のオン期間に関するディーティ比を概略ゼロとするとともに、第2のスイッチ手段をオンして、第1及び第2のスイッチ手段を制御するために用いる動作モードを第1の動作モードから第2の動作モードへ切換え、前記第2の動作モードでの制御が所定時間以上継続しており、かつ、第1のオン期間がゼロとなったときに、第2の動作モードから第1の動作モードへ切換える
ことを特徴とする電源装置。 - 2つの入力端と2つの出力端とを有し、リアクトルを介して交流電源に接続されて交流電源電圧を直流電圧に変換する整流回路と、
直列に接続される複数のコンデンサからなり、前記整流回路の2つの出力端間に接続されたコンデンサ回路と、
前記整流回路の一方の入力端と、前記コンデンサ回路内のコンデンサ間の一つの接続点との間に接続された第1のスイッチ手段と、
整流回路の他方の入力端と、前記コンデンサ回路内のコンデンサ間の前記接続点との間に接続された第2のスイッチ手段と、
第1及び第2の動作モードのうちのいずれかの動作モードにより前記第1及び第2のスイッチ手段を制御する制御手段とを備え、
前記第1の動作モードは、第1のスイッチ手段を、電源電圧の半周期において電源装置の出力電圧に応じて変化する第1のオン期間の間だけ連続的にオンに制御し、前記第2のスイッチ手段を常時オフに制御し、前記第2の動作モードは、第1のスイッチ手段を、電源電圧の半周期において電源装置の出力電圧に応じて変化する第1のオン期間の間だけ連続的にオンに制御し、前記第2のスイッチ手段を常時オンに制御し、
前記制御手段は、該第1のオン期間に関するデューティ比が概略100%となったときに第1のオン期間に関するディーティ比を概略ゼロとするとともに、第2のスイッチ手段をオンして、第1及び第2のスイッチ手段を制御するために用いる動作モードを第1の動作モードから第2の動作モードへ切換え、前記第1または第2の動作モードのうち、一方の動作モードから他方の動作モードへ切替える際に、前記第1および第2のスイッチ手段をともにオフに制御する期間を電源電圧の半周期またはそれ以上設けた後、動作モードを切替えることを特徴とする電源装置。 - 2つの入力端と2つの出力端とを有し、リアクトルを介して交流電源に接続されて交流電源電圧を直流電圧に変換する整流回路と、
直列に接続される複数のコンデンサからなり、前記整流回路の2つの出力端間に接続されたコンデンサ回路と、
前記整流回路の一方の入力端と、
前記コンデンサ回路内のコンデンサ間の一つの接続点との間に接続された第1のスイッチ手段と、
整流回路の他方の入力端と、
前記コンデンサ回路内のコンデンサ間の前記接続点との間に接続された第2のスイッチ手段と、
第1及び第2の動作モードのうちのいずれかの動作モードにより前記第1及び第2のスイッチ手段を制御する制御手段とを備え、
前記第1の動作モードは、第1のスイッチ手段を、電源電圧の半周期において電源装置の出力電圧に応じて変化する第1のオン期間の間だけ連続的にオンに制御し、前記第2のスイッチ手段を常時オフに制御し、前記第2の動作モードは、第1のスイッチ手段を、電源電圧の半周期において電源装置の出力電圧に応じて変化する第1のオン期間の間だけ連続的にオンに制御し、前記第2のスイッチ手段を常時オンに制御し、
前記制御手段は、前記第1の動作モードにおいて、電源電圧の半周期あたりの前記第1のオン期間の増減量を、前記第2の動作モードにおける増減量よりも大きな値とすることを特徴とする電源装置。 - 前記第2のスイッチ手段はリレーからなることを特徴とする請求項1から3のいずれか1項記載の電源装置。
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