JP4833760B2 - Power control apparatus and power control method - Google Patents

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Description

本発明は、正弦波を出力する調光装置を含む交流降圧チョッパ形電力制御装置の改良に関するもので、詳しくは、劇場やテレビスタジオにおいて使用され、負荷容量と制御範囲が非常に広い調光装置などに用いられる交流降圧チョッパ形電力制御装置の改良に関するものである。   The present invention relates to an improvement of an AC step-down chopper type power control device including a dimming device that outputs a sine wave, and more specifically, a dimming device that is used in a theater or a television studio and has a very wide load capacity and control range. The present invention relates to an improvement of an AC step-down chopper type power control device used for, for example.

劇場やテレビスタジオで使用される調光装置などの交流電力制御装置としては、従来、スイッチング素子としてサイリスタ素子を使用し、その位相角を制御することによる電力制御方式が採用されてきた。   Conventionally, as an AC power control device such as a dimmer used in a theater or a television studio, a power control method using a thyristor element as a switching element and controlling its phase angle has been adopted.

しかし、劇場やテレビスタジオの調光装置の負荷範囲や制御範囲は非常に広く、調光器は数十台から数百台に及び、受電容量も数十kWから数百kWに達し、負荷容量も数十Wから数kWのまちまちの照明灯が使用され、それらの広範囲の負荷を位相制御するところから、調光装置の幹線や負荷線に鋸歯状波の電流が流れたり、音響設備などに高調波の誘導障害が発生したりし、また、白熱電球の調光時には鋸歯状波電流に起因する唸り音を生じるなどの問題点があった。   However, the load range and control range of dimmers in theaters and television studios are very wide, the dimmers range from tens to hundreds, and the power reception capacity reaches tens to hundreds kW. In addition, illuminating lamps with tens of watts to several kW are used and phase control is performed over a wide range of loads, so that sawtooth wave current flows through the main and load lines of the dimmer, and is used for sound equipment, etc. There are problems such as inductive disturbances of harmonics and the occurrence of roaring noise caused by sawtooth wave current when dimming an incandescent bulb.

そこで、パワーIGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)素子などを使用した交流降圧形チョッパ回路を使用してデューティ比を制御することによって、調光操作などの電力制御を行う試みがなされた。負荷が照明灯である調光装置としての電力制御装置は、その出力が正弦波である所から、正弦波調光器と呼ばれてきた。しかし、この正弦波調光器の場合、前述のように負荷範囲や制御範囲が非常に広いため、交流降圧チョッパ回路の動作は不安定になりやすかった。また、一般にIGBT素子はサイリスタ素子に比し、過電流やサージ電圧に対する許容範囲が狭いので、いったん過電圧や過電流が発生したりするとこれらに起因してIGBT素子が破損に至ることもあった。   Therefore, an attempt has been made to perform power control such as dimming operation by controlling the duty ratio using an AC step-down chopper circuit using a power IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor) element. A power control device as a dimming device whose load is an illuminating lamp has been called a sine wave dimmer because its output is a sine wave. However, in the case of this sine wave dimmer, since the load range and control range are very wide as described above, the operation of the AC step-down chopper circuit tends to become unstable. In general, an IGBT element has a narrower allowable range for an overcurrent and a surge voltage than a thyristor element. Therefore, once an overvoltage or an overcurrent is generated, the IGBT element may be damaged due to the occurrence of the voltage.

図1は従来の一般的な交流降圧形チョッパ回路による電力制御装置の一例である。交流電源1の入力端子間には、リアクタ2とコンデンサ3からなるフィルター回路が接続されている。フィルター回路は、交流降圧チョッパの動作に伴う高周波電流が電源に流出するのを低減するものである。4は整流器ブリッジ回路で、スイッチング素子としてメインスイッチであるIGBT5に、電源の極性如何にかかわらず正の電圧を印加する。このIGBT5のゲート・エミッタ間に30〜50kHzであって制御可能なデューティ比の信号を印加して、メインスイッチであるIGBT5がオン/オフすることにより電源波形に非同期の櫛形波形を作り、これをリアクタ8とコンデンサ9からなる平滑回路で平滑して、負荷10に正弦波電圧を供給する。   FIG. 1 shows an example of a power control apparatus using a conventional general AC step-down chopper circuit. A filter circuit including a reactor 2 and a capacitor 3 is connected between input terminals of the AC power source 1. The filter circuit reduces the high-frequency current accompanying the operation of the AC step-down chopper from flowing out to the power source. A rectifier bridge circuit 4 applies a positive voltage to the IGBT 5 as a main switch as a switching element regardless of the polarity of the power source. A signal with a controllable duty ratio of 30 to 50 kHz is applied between the gate and emitter of the IGBT 5 to turn on / off the main switch IGBT 5 to create a comb-shaped waveform asynchronous to the power supply waveform. Smoothing is performed by a smoothing circuit including the reactor 8 and the capacitor 9, and a sine wave voltage is supplied to the load 10.

整流器ブリッジ回路4と平滑回路の間には、これらと並列にサブスイッチであるIGBT6とIGBT7が逆直列に接続されている。電源電圧が正の半サイクルではIGBT7がオン、負の半サイクルではIGBT6がオンとなり、メインスイッチであるIGBT5がオフである期間中にリアクタ8とコンデンサ9に蓄えられたエネルギーを負荷に供給するフライホイール回路14を形成する。   Between the rectifier bridge circuit 4 and the smoothing circuit, IGBTs 6 and IGBTs 7 which are sub switches are connected in antiparallel with these. The IGBT 7 is turned on in the positive half cycle of the power supply voltage, the IGBT 6 is turned on in the negative half cycle, and a fly that supplies the energy stored in the reactor 8 and the capacitor 9 to the load during the period when the IGBT 5 as the main switch is turned off. A wheel circuit 14 is formed.

図2は従来の電力制御装置に抵抗負荷を接続した場合の出力電圧の様子を表したもので12は電源電圧、11はメインスイッチであるIGBT5の出力波形である。同図はメインスイッチのオン/オフのデューティ比が50%の場合を示し、13はこの電圧を平滑して得られた出力電圧の波形を示す。この場合は、電源電圧12と出力電圧13の間に遅れ、すなわち、位相差は、見られない。   FIG. 2 shows the state of the output voltage when a resistive load is connected to a conventional power control apparatus. Reference numeral 12 denotes a power supply voltage, and reference numeral 11 denotes an output waveform of the IGBT 5 which is a main switch. This figure shows a case where the duty ratio of on / off of the main switch is 50%, and 13 shows a waveform of an output voltage obtained by smoothing this voltage. In this case, there is no delay between the power supply voltage 12 and the output voltage 13, that is, no phase difference is observed.

図5は電源電圧61に対して負荷電圧62に遅れがある場合で、負荷が軽負荷や誘導性負荷を接続した場合に発生する。この場合には、メインスイッチであるIGBT5がオフの期間中にリアクタ8とコンデンサ9あるいは負荷10に蓄えられたエネルギーはフライホイール回路14で充分放電されず、従って電源電圧61に対して負荷電圧62は、その位相が遅れることとなる。   FIG. 5 shows a case where the load voltage 62 is delayed with respect to the power supply voltage 61 and occurs when the load is connected to a light load or an inductive load. In this case, the energy stored in the reactor 8 and the capacitor 9 or the load 10 during the period when the IGBT 5 which is the main switch is OFF is not sufficiently discharged by the flywheel circuit 14, and therefore the load voltage 62 with respect to the power supply voltage 61. Will be delayed in phase.

波形63はメインスイッチであるIGBT5の動作を表したもので、電源電圧61に対しては非同期である。なお、この波形63は通常30kHz〜50kHzの周波数を有するものであるが、説明上、見易くするために周波数を低下して表示している(図6の波形73も同じ)。   A waveform 63 represents the operation of the IGBT 5 that is the main switch, and is asynchronous with respect to the power supply voltage 61. The waveform 63 usually has a frequency of 30 kHz to 50 kHz, but for the sake of explanation, the frequency is reduced and displayed (the waveform 73 in FIG. 6 is also the same).

波形64はフライホイール回路14のIGBT7のゲート・エミッタ間電圧で、電源電圧が正の期間中、論理「1」となってコレクタ・エミッタ間がオンになり、電源電圧が負の期間中、論理「0」となってコレクタ・エミッタ間がオフとなる。波形65は同じくフライホイール回路14のIGBT6の動作で、電源電圧が正の期間中はコレクタ・エミッタ間がオフとなり、負の期間中はコレクタ・エミッタ間がオンとなる。これらサブスイッチ6、7の動作は電源電圧に同期しており電源電圧が零点交差すると切り替わる。   The waveform 64 is the gate-emitter voltage of the IGBT 7 of the flywheel circuit 14. When the power supply voltage is positive, the logic is “1”, the collector-emitter is turned on, and the power supply voltage is negative. It becomes “0” and the collector-emitter is turned off. A waveform 65 is also the operation of the IGBT 6 of the flywheel circuit 14, and the collector-emitter is turned off during the positive period of the power supply voltage, and the collector-emitter is turned on during the negative period. The operations of the sub-switches 6 and 7 are synchronized with the power supply voltage and are switched when the power supply voltage crosses the zero point.

このように構成した従来の電力制御装置は、負荷電圧62が印加されている状態でフライホイール回路14のサブスイッチ6、7の動作が切り替わるため、電源電圧と非同期で動作しているメインスイッチがオフになった瞬間に負荷電流が零となって、非常に大きなサージ電圧が発生してメインスイッチとサブスイッチのIGBT5,6,7のコレクタ・エミッタ間に印加されることになり、この電圧が高い場合、素子の最大定格を超えて破損に至る可能性がある。   In the conventional power control device configured as described above, the operations of the sub switches 6 and 7 of the flywheel circuit 14 are switched in a state where the load voltage 62 is applied, so that the main switch operating asynchronously with the power supply voltage is provided. At the moment of turning off, the load current becomes zero, and a very large surge voltage is generated and applied between the collectors and emitters of the IGBTs 5, 6 and 7 of the main switch and the sub switch. If it is high, it may cause damage beyond the maximum rating of the device.

このサージ電圧に対する対策としてUS Patent No.6346778では、メインスイッチに流れる電流を検出し、この電流と電源電圧において、零点交差の際に位相差が生じた場合には、メインスイッチを強制的にONとして、平滑回路に蓄えられたエネルギーを電源に放出する方法が提案されている。しかし、この方法ではメインスイッチに流れる電流か、または、これに対応するメインスイッチのコレクタ・エミッタ間電圧のどちらかを検出しなければならず、しかも、メインスイッチがオンである期間中のみを検出する必要があり、回路構成上、非常に複雑となる欠点があった。   As a countermeasure against this surge voltage, US Patent No. 6346778 detects the current flowing through the main switch, and if a phase difference occurs between the current and the power supply voltage when the zero point crosses, the main switch is forcibly turned on. As a method, a method of releasing energy stored in a smoothing circuit to a power source has been proposed. However, this method must detect either the current flowing through the main switch or the corresponding collector-emitter voltage of the main switch, and only when the main switch is on. There is a drawback that the circuit configuration becomes very complicated.

US Patent No.6346778US Patent No.6346778

本発明は、上記の従来事情に鑑みてなされたものであり、その課題とするところは、非常に簡単な回路構成で、電源電圧と負荷電圧の零点の位相差を検出し、その位相差が検出された期間、すなわち、位相差の生じている間、メインスイッチをONとしてサージ電圧の発生を防止し、また、平滑回路に蓄えられたエネルギーを電源に回生することによって、この種の電力制御装置の効率化と制御特性の向上を図ることである。   The present invention has been made in view of the above-described conventional circumstances, and the problem is that the phase difference between the zero point of the power supply voltage and the load voltage is detected with a very simple circuit configuration, and the phase difference is This type of power control is achieved by turning on the main switch to prevent the occurrence of surge voltage during the detected period, that is, during the phase difference, and regenerating the energy stored in the smoothing circuit to the power source. This is to improve the efficiency of the apparatus and the control characteristics.

上記課題を解決するために、第1の発明は、
少なくともメインスイッチ及び2個のサブスイッチからなるスイッチング素子と、前記2個のサブスイッチを含むフライホイール回路と、メインスイッチに印加される交流を整流する全波整流回路と、メインスイッチのオン及びオフにより得られた櫛形波形を平滑する平滑回路とを備えた交流降圧チョッパ形電力制御装置の電力制御方法であって、電源入力端子と出力端子のそれぞれの交流電圧が零点交差をする際の位相差を検出し、この位相差が検出された期間中、前記メインスイッチを強制的にオンとし、前記2個のサブスイッチを強制的にオフとする交流降圧チョッパ形電力制御装置の電力制御方法とした。
In order to solve the above problem, the first invention is:
Switching element comprising at least a main switch and two sub switches, a flywheel circuit including the two sub switches, a full-wave rectifier circuit for rectifying an alternating current applied to the main switch, and turning on and off the main switch A power control method for an AC step-down chopper type power control device having a smoothing circuit for smoothing a comb waveform obtained by the above, wherein the phase difference when each AC voltage at the power input terminal and the output terminal crosses zero In the period when this phase difference is detected, the main switch is forcibly turned on and the two sub switches are forcibly turned off. .

スイッチング素子としては、IGBT素子のみならず、パワーMOSFET(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor)素子も含む。フライホイール回路は、メインスイッチがオフの間、平滑回路に蓄えられた電気エネルギーを、電源に回生するための回路である。
位相差は、交流電圧の零点を基準として、比較する。電源側電圧と出力側電圧の零点の時間的ずれがすなわち、位相差である。したがって、「位相差が検出された期間中」というのは、電源側電圧値の零点と出力側電圧値の零点との間の時間をいう。
The switching elements include not only IGBT elements but also power MOSFET (Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor) elements. The flywheel circuit is a circuit for regenerating electric power stored in the smoothing circuit to the power source while the main switch is off.
The phase difference is compared using the zero point of the AC voltage as a reference. The time difference between the zero points of the power supply side voltage and the output side voltage is the phase difference. Therefore, “during the period in which the phase difference is detected” refers to the time between the zero point of the power supply side voltage value and the zero point of the output side voltage value.

また第2の発明としては、
少なくともメインスイッチ及び2個のサブスイッチからなるスイッチング素子と、前記2個のサブスイッチを含むフライホイール回路と、メインスイッチに印加される交流を整流する全波整流回路と、メインスイッチのオン及びオフにより得られた櫛形波形を平滑する平滑回路とを備えた交流降圧チョッパ形電力制御装置において、電源入力端子間に電源側極性判別器を、出力端子間に出力側極性判別器をそれぞれ備えるとともに、制御回路を備え、前記電源側極性判別器と前期出力側極性判別器は交流電圧の正負に応じた極性判別信号を生成し、前記制御回路は前記極性判別信号をもとに電源側と出力側の交流電圧がそれぞれ零点交差をする際の位相差を検出し、この位相差が検出された期間中、前記メインスイッチを強制的にオンとし、前記2個のサブスイッチを強制的にオフとする交流降圧チョッパ形電力制御装置とした。
As a second invention,
Switching element comprising at least a main switch and two sub switches, a flywheel circuit including the two sub switches, a full-wave rectifier circuit for rectifying an alternating current applied to the main switch, and turning on and off the main switch In the AC step-down chopper type power control device provided with a smoothing circuit that smoothes the comb waveform obtained by the above, the power supply side polarity discriminator is provided between the power input terminals, and the output side polarity discriminator is provided between the output terminals, respectively. A power supply side polarity discriminator and a previous term output side polarity discriminator generate a polarity discrimination signal according to the positive / negative of the AC voltage, and the control circuit is configured based on the polarity discrimination signal. Detecting the phase difference when the AC voltages cross each zero point, and forcibly turning on the main switch during the period in which the phase difference is detected, And an AC step-down chopper type power control device for a force off serial two sub-switch.

スイッチング素子としては、IGBT素子のみならず、パワーMOSFET(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor)素子も含む。フライホイール回路は、メインスイッチがオフの間、平滑回路に蓄えられた電気エネルギーを、電源に回生するための回路である。   The switching elements include not only IGBT elements but also power MOSFET (Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor) elements. The flywheel circuit is a circuit for regenerating electric power stored in the smoothing circuit to the power source while the main switch is off.

極性判別器は交流電圧の正負を判別し、正のとき論理「1」を負のとき論理「0」を発生するものであればよい。この場合、正負の判別がつけばよいのであるから、取り扱われる論理回路の状態により、正のとき論理「0」、負のとき論理「1」であってもかまわない。   The polarity discriminator only needs to discriminate between positive and negative of the AC voltage and generate logic “1” when positive and logic “0” when negative. In this case, since it is sufficient to make a positive / negative discrimination, the logic may be “0” when positive and logic “1” when negative depending on the state of the logic circuit to be handled.

制御回路は、極性判別器からの正負の信号を受け、電源側と出力側の交流電圧が零点と交差する際の位相差すなわち正から負に変わる時刻の時間差を、論理「1」または論理「0」として出力するものであればよい。位相差の生じている期間中、すなわち、この信号が論理「1」または論理「0」となっている時間の間、メインスイッチをオンとする信号とサブスイッチをオフとする信号とを生成し、これらの信号をスイッチング素子それぞれのドライブ回路に供給し、メインスイッチ、サブスイッチを制御するものであればよい。   The control circuit receives a positive / negative signal from the polarity discriminator, and calculates the phase difference when the AC voltage on the power source side and the output side crosses the zero point, that is, the time difference between the times when the voltage changes from positive to negative. Anything that outputs as “0” may be used. During the phase difference generation period, that is, during the time when this signal is logic “1” or logic “0”, a signal for turning on the main switch and a signal for turning off the sub switch are generated. These signals may be supplied to the drive circuits of the switching elements to control the main switch and the sub switch.

位相差は、交流電圧の零点を基準として、比較する。電源側電圧と出力側電圧の零点のずれがすなわち、位相差である。したがって、「位相差が検出された期間中」というのは、電源側電圧値の零点と出力側電圧値の零点の間の時間をいう。   The phase difference is compared using the zero point of the AC voltage as a reference. The difference between the zero point of the power supply side voltage and the output side voltage is the phase difference. Therefore, “during the period in which the phase difference is detected” refers to the time between the zero point of the power supply side voltage value and the zero point of the output side voltage value.

さらに、第3の発明としては、
少なくとも前記極性判別器と前記制御回路とをワンチップマイクロコンピュータで構成したことを特徴とする請求項2に記載の交流降圧チョッパ形電力制御装置とした。
Furthermore, as a third invention,
3. The AC step-down chopper type power control device according to claim 2, wherein at least the polarity discriminator and the control circuit are configured by a one-chip microcomputer.

極性判別器と制御回路は、ワイヤードロジック回路で構成してもよい。この場合、個々の論理素子ごとに、ICで実装できる。しかし、これらをマイクロコンピュータを用いて論理回路を実現してもよい。特に、ワンチップのマイクロコンピュータで実装すれば、装置全体をコンパクトにすることができるので省スペースが達成でき、また、経済性も高く、好ましい。 The polarity discriminator and the control circuit may be constituted by a wired logic circuit. In this case, each individual logic element can be mounted with an IC. However, a logic circuit may be realized using a microcomputer. In particular, mounting with a one-chip microcomputer is preferable because the entire apparatus can be made compact, so that space saving can be achieved and the economy is high.

交流降圧チョッパを使用した正弦波調光器のような電力制御装置において入力電源側 及び出力側に電圧の極性を判別する極性判別器を接続し、両判別器の出力の差分を検出して、差分出力が論理「1」または論理「0」の期間中はメインスイッチを強制的にオンとし、サブスイッチをオフとすることによって、電力制御装置の出力側に接続された平滑回路のエネルギーを安全に電源に回生するとともに、メイン及びサブのスイッチが共にオフとなる瞬間が存在しなくなるためサージ電圧を発生することなく、高効率で制御特性が良好な電力制御装置を提供することができる。また、電源及び出力の極性判別器と制御回路はコンパレータ素子などの簡単なデジタル回路により容易に実現可能であるため、経済性にも優れている。   In a power control device such as a sine wave dimmer using an AC step-down chopper, a polarity discriminator that discriminates the polarity of the voltage is connected to the input power supply side and the output side, and the difference between the outputs of both discriminators is detected. While the differential output is logic “1” or logic “0”, the main switch is forcibly turned on and the sub switch is turned off, so that the energy of the smoothing circuit connected to the output side of the power control device is safe In addition, since there is no moment when both the main and sub switches are turned off, the power control device can be provided with high efficiency and good control characteristics without generating a surge voltage. Moreover, the polarity discriminator and the control circuit of the power source and the output can be easily realized by a simple digital circuit such as a comparator element, so that the economy is excellent.

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
図3は本発明に係る電力制御装置で、交流電源15が入力端子16に印加される。次段には、リアクタ18とコンデンサ19により、高周波電流が電源へ流出するのを低減するためのフィルター回路を構成している。さらに、次段には、整流器D1、D2、D3、D4からなる全波整流器ブロック20が接続されている。この全波整流器ブロック20は、正負極間にメインスイッチとしてのIGBT21が接続され、ゲート・エミッタ間にはドライブ回路22が接続されている。この後段には、サブスイッチ23、25と整流器24、26からなるフライホイール回路40が形成されている。サブスイッチのIGBT23、25は、逆方向電流を流すための整流器24、26がそれぞれ接続され、メインスイッチ同様、ゲート・エミッタ間には、サブスイッチのドライブ回路27、28がそれぞれ接続されている。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
FIG. 3 shows a power control apparatus according to the present invention, in which an AC power supply 15 is applied to an input terminal 16. In the next stage, the reactor 18 and the capacitor 19 constitute a filter circuit for reducing high-frequency current from flowing to the power source. Further, a full-wave rectifier block 20 including rectifiers D1, D2, D3, and D4 is connected to the next stage. In this full-wave rectifier block 20, an IGBT 21 as a main switch is connected between the positive and negative electrodes, and a drive circuit 22 is connected between the gate and the emitter. In the subsequent stage, a flywheel circuit 40 including sub switches 23 and 25 and rectifiers 24 and 26 is formed. The sub-switch IGBTs 23 and 25 are connected to rectifiers 24 and 26 for flowing a reverse current, respectively. Like the main switch, sub-switch drive circuits 27 and 28 are connected between the gate and the emitter, respectively.

さらに、後段には、コンデンサ29とリアクタ30からなる平滑回路39が接続されている。平滑回路39は、メインスイッチであるIGBT21の動作に伴う櫛形波形に対する平滑作用をおこなうものである。この電力制御装置の出力端子37を通じ、外部負荷32が接続される。   Further, a smoothing circuit 39 including a capacitor 29 and a reactor 30 is connected to the subsequent stage. The smoothing circuit 39 performs a smoothing action on the comb waveform accompanying the operation of the IGBT 21 as the main switch. An external load 32 is connected through an output terminal 37 of the power control device.

電源入力端子間には電源側極性判別器17が接続され、出力端子間には出力側極性判別器31が接続されている。極性判別器は、電圧波形の零点(ゼロクロス点)を検出するためのものであり、電圧波形が正であれば論理「1」または論理「0」を、負であれば論理「0」または論理「1」を出力する。詳細は、図4の説明(後述)で開示する。   A power source polarity discriminator 17 is connected between the power input terminals, and an output side polarity discriminator 31 is connected between the output terminals. The polarity discriminator is for detecting the zero point (zero cross point) of the voltage waveform. If the voltage waveform is positive, the logic “1” or logic “0” is set. If the voltage waveform is negative, the logic “0” or the logic is set. “1” is output. Details will be disclosed in the description of FIG. 4 (described later).

制御回路33は、電力制御部の制御入力端子34に印加される信号を受け、極性判別器17、31の出力から、メインスイッチ21とサブスイッチ23、25のドライブ回路22、27,28に供給する信号を生成する。35と36は外部制御信号発生器で、図示のように直流電源35と摺動抵抗器36からアナログ信号として供給される場合と、DMXなどのデジタル信号として供給される場合とがある。マイクロコンピュータを用いて、制御回路を実現する場合は、デジタル信号で供給することが好ましい。制御回路についても詳細は図4の説明(後述)で開示する。   The control circuit 33 receives a signal applied to the control input terminal 34 of the power control unit, and supplies it to the drive circuits 22, 27, 28 of the main switch 21 and the sub switches 23, 25 from the outputs of the polarity discriminators 17, 31. To generate a signal. Reference numerals 35 and 36 denote external control signal generators, which may be supplied as analog signals from the DC power supply 35 and the sliding resistor 36 as shown in the figure, or may be supplied as digital signals such as DMX. When the control circuit is realized using a microcomputer, it is preferably supplied as a digital signal. Details of the control circuit will also be disclosed in the description of FIG. 4 (described later).

本発明に係る電力制御装置の動作を図6の波形図で説明する。図6で61は電源電圧波形、62は出力波形である。同図の波形61、62の零点付近で見られるように、電源電圧波形61と出力波形62には位相差が生じている。70は図3の電源側極性判別器17の出力で、電源電圧61が正の期間中は論理「1」で負の期間中論理「0」である。71は図3の出力側極性判別器31の出力で、出力電圧62が正の期間中は論理「1」で負の期間中は論理「0」である。波形70と波形71の差分を取ると波形72が得られ、この波形72が正の期間中は、メインスイッチであるIGBT21の制御信号73を強制的にオンとし、また、サブスイッチであるIGBT23,25の制御信号74、75は強制的にオフとなる。この様に動作させることによって、平滑回路に蓄えられたエネルギーは零点付近で強制的に電源に回生され、また、サブスイッチであるIGBT23,25はオフに強制されることで、メインスイッチであるIGBT21がオンの状態を保っても短絡電流が流れることはない。   The operation of the power control apparatus according to the present invention will be described with reference to the waveform diagram of FIG. In FIG. 6, 61 is a power supply voltage waveform, and 62 is an output waveform. As seen in the vicinity of the zero point of the waveforms 61 and 62 in the same figure, there is a phase difference between the power supply voltage waveform 61 and the output waveform 62. 70 is the output of the power supply side polarity discriminator 17 of FIG. 3, which is a logic “1” when the power supply voltage 61 is positive and a logic “0” during a negative period. Reference numeral 71 denotes an output of the output side polarity discriminator 31 of FIG. 3, which is a logic “1” when the output voltage 62 is positive and a logic “0” during a negative period. When the difference between the waveform 70 and the waveform 71 is taken, a waveform 72 is obtained. While the waveform 72 is positive, the control signal 73 of the IGBT 21 that is the main switch is forcibly turned on, and the IGBTs 23, 25 control signals 74 and 75 are forcibly turned off. By operating in this way, the energy stored in the smoothing circuit is forcibly regenerated to the power source near the zero point, and the IGBTs 23 and 25 that are the sub switches are forced to be turned off, thereby the IGBT 21 that is the main switch. Even if is kept on, no short-circuit current flows.

極性判別器17、31および制御回路33を具体的に表したものを図4に示す。なお、図3と同じ符号を付した部分や部品は、同様の作用効果を有するものとする。   A specific representation of the polarity discriminators 17, 31 and the control circuit 33 is shown in FIG. In addition, the part and component which attached | subjected the same code | symbol as FIG. 3 shall have the same effect.

図4において、抵抗器41、42は電源側極性判別器17の入力分圧器を構成している。コンパレータ43は、電源電圧が正の期間はその出力が論理「1」を、負の期間中は論理「0」を出力する。また、抵抗器44、45は、出力側極性判別器31の入力分圧器を構成しており、コンパレータ46は、出力電圧が正の期間はその出力が論理「1」を、負の期間は論理「0」を出力する。これらのコンパレータ出力を排他的論理和回路47に入力すると、コンパレータ出力の差分がとられ、排他的論理和回路47の出力として、図6の波形72が得られる。   In FIG. 4, resistors 41 and 42 constitute an input voltage divider of the power supply side polarity discriminator 17. The comparator 43 outputs a logic “1” when the power supply voltage is positive and outputs a logic “0” during the negative period. The resistors 44 and 45 constitute an input voltage divider of the output side polarity discriminator 31, and the comparator 46 outputs a logic "1" when the output voltage is positive and outputs a logic "1" during the negative period. “0” is output. When these comparator outputs are input to the exclusive OR circuit 47, the difference between the comparator outputs is taken, and the waveform 72 of FIG. 6 is obtained as the output of the exclusive OR circuit 47.

図4の53はメインスイッチであるIGBT21に供給するPWM(Pulse Width Modulation)信号を入力信号端子に印加された信号電圧に従って生成するPWM信号発生器で、その出力と上記の排他的論理和回路47の出力をOR回路48に入力することで、図6に示したメインスイッチ21の制御出力波形73が得られ、メインスイッチ21は零点交差の位相差が検出されている期間ではオンに強制される。   4 is a PWM signal generator for generating a PWM (Pulse Width Modulation) signal to be supplied to the IGBT 21 as a main switch according to the signal voltage applied to the input signal terminal. The output and the exclusive OR circuit 47 described above are generated. 6 is input to the OR circuit 48, the control output waveform 73 of the main switch 21 shown in FIG. 6 is obtained, and the main switch 21 is forced to turn on during the period in which the phase difference of the zero crossing is detected. .

また、排他的論理和回路47の出力はインバータ回路49を介してAND回路51の一方の入力に、他方の入力にはコンパレータ43の出力を接続することで、その出力に図6のサブスイッチ25の制御出力波形74が得られる。また、コンパレータ43の出力をインバータ回路50に入力し、その出力をAND回路52の一方の入力に、他方の入力には上記インバータ回路49の出力を接続することで、その出力は図6のサブスイッチ23の制御出力75が得られる。   Further, the output of the exclusive OR circuit 47 is connected to one input of the AND circuit 51 via the inverter circuit 49, and the output of the comparator 43 is connected to the other input, so that the output of the sub switch 25 of FIG. The control output waveform 74 is obtained. Further, the output of the comparator 43 is input to the inverter circuit 50, the output is connected to one input of the AND circuit 52, and the output of the inverter circuit 49 is connected to the other input. A control output 75 of the switch 23 is obtained.

これらの制御信号はそれぞれメインスイッチであるIGBT21のドライブ回路22、サブスイッチ23のドライブ回路27、サブスイッチ25のドライブ回路28に供給されて、電源電圧と出力電圧の零点付近での位相差があっても、メインスイッチ21とサブスイッチ23、25が共にオフになることがなく、平滑回路39に蓄えられた余剰エネルギーは円滑に電源に回生されて、効率が良く制御特性の良好な正弦波調光器を含む電力制御装置を提供することが可能となる。   These control signals are supplied to the drive circuit 22 of the IGBT 21, which is the main switch, the drive circuit 27 of the sub switch 23, and the drive circuit 28 of the sub switch 25, respectively, and there is a phase difference near the zero point between the power supply voltage and the output voltage. However, both the main switch 21 and the sub switches 23 and 25 are not turned off, and the surplus energy stored in the smoothing circuit 39 is smoothly regenerated to the power source, and the sine wave modulation with good efficiency and good control characteristics is achieved. It is possible to provide a power control apparatus including an optical device.

図4で示した、コンパレータ43、46、論理回路47〜52、PWM信号発生器53を含む制御回路が、図3で示した制御回路33であり、この制御回路33は個別の論理回路ICを使用して実装してもよいが、ワンチップマイクロコンピュータで構成してもよい。   The control circuit including the comparators 43 and 46, the logic circuits 47 to 52, and the PWM signal generator 53 shown in FIG. 4 is the control circuit 33 shown in FIG. 3, and the control circuit 33 includes individual logic circuit ICs. Although it may be used and mounted, it may be constituted by a one-chip microcomputer.

また、本説明では半導体スイッチング素子としてIGBTを用いた場合について記述したが、パワーMOSFET(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor)を用いた場合でも同様に本発明に係る回路構成を採用できる。   Further, in this description, the case where IGBT is used as the semiconductor switching element is described, but the circuit configuration according to the present invention can be similarly adopted even when a power MOSFET (Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor) is used.

更に、交流降圧チョッパ形電力制御装置には各種の回路方式が提案され、実用化されているが、チョッパの平滑回路を含み、あるいは負荷として誘導性負荷が接続されるなど、電源電圧と負荷電圧に位相差が生じる可能性のある電力制御装置では本発明の提案が適用でき、これも本発明の範囲内である。   Furthermore, various circuit systems have been proposed and put into practical use for the AC step-down chopper type power control device, but include a chopper smoothing circuit, or an inductive load is connected as a load. In a power control apparatus in which a phase difference may occur, the proposal of the present invention can be applied, and this is also within the scope of the present invention.

従来の電力制御装置の一例である。It is an example of the conventional power control apparatus. 抵抗付加を接続した場合の、従来の電力制御装置の波形である。It is a waveform of the conventional power control apparatus when resistance addition is connected. 本発明の概略ブロック図である。1 is a schematic block diagram of the present invention. 本発明の詳細ブロック図である。It is a detailed block diagram of the present invention. 誘導性負荷がある場合の、従来の電力制御装置の波形である。It is a waveform of the conventional power control device when there is an inductive load. 誘導性負荷がある場合の、本発明の電力制御装置の波形である。It is a waveform of the electric power control apparatus of this invention when there exists an inductive load.

符号の説明Explanation of symbols

14:フライホイール回路
15:交流電源
16:入力端子
17:電源側極性判別器
18:リアクタ
19:コンデンサ
20:全波整流器ブロック
21:メインスイッチ
22:ドライブ回路
23:サブスイッチ
24:整流器
25:サブスイッチ
26:整流器
27:ドライブ回路
28:ドライブ回路
29:コンデンサ
30:リアクタ
31:出力側極性判別器
32:外部負荷
33:制御回路
34:制御入力端子
35:直流電源
36:抵抗器
37:出力端子
38:電力制御装置
39:平滑回路
40:フライホイール回路
41:抵抗器
42:抵抗器
43:コンパレータ
44:抵抗器
45:抵抗器
46:コンパレータ
47:排他的論理和回路
48:OR回路
49:インバータ回路
50:インバータ回路
51:AND回路
52:AND回路
53:PWM信号発生器
61:電源電圧波形
62:出力波形
70:電源側極性判別器出力
71:出力側極性判別器出力
72:差分波形
73:メインスイッチの制御出力波形
74:サブスイッチの制御出力波形
75:サブスイッチの制御出力波形
14: Flywheel circuit 15: AC power supply 16: Input terminal 17: Power supply side polarity discriminator 18: Reactor 19: Capacitor 20: Full wave rectifier block 21: Main switch 22: Drive circuit 23: Sub switch 24: Rectifier 25: Sub Switch 26: Rectifier 27: Drive circuit 28: Drive circuit 29: Capacitor 30: Reactor 31: Output side polarity discriminator 32: External load 33: Control circuit 34: Control input terminal 35: DC power supply 36: Resistor 37: Output terminal 38: Power control device
39: smoothing circuit 40: flywheel circuit 41: resistor 42: resistor 43: comparator 44: resistor 45: resistor 46: comparator 47: exclusive OR circuit 48: OR circuit 49: inverter circuit 50: inverter circuit 51: AND circuit 52: AND circuit 53: PWM signal generator 61: Power supply voltage waveform 62: Output waveform 70: Power supply side polarity discriminator output 71: Output side polarity discriminator output 72: Difference waveform 73: Control output of main switch Waveform 74: Subswitch control output waveform 75: Subswitch control output waveform

Claims (3)

少なくともメインスイッチ及び2個のサブスイッチからなるスイッチング素子と、前記2個のサブスイッチを含むフライホイール回路と、メインスイッチに印加される交流を整流する全波整流回路と、メインスイッチのオン及びオフにより得られた櫛形波形を平滑する平滑回路とを備えた交流降圧チョッパ形電力制御装置の電力制御方法であって、電源入力端子と出力端子のそれぞれの交流電圧が零点交差をする際の位相差を検出し、この位相差が検出された期間中、前記メインスイッチを強制的にオンとし、前記2個のサブスイッチを強制的にオフとすることにより、サージ電圧の発生を防止するとともに前記平滑回路に蓄えられた電気エネルギーを電源に回生することを特徴とする交流降圧チョッパ形電力制御装置の電力制御方法。 Switching element comprising at least a main switch and two sub switches, a flywheel circuit including the two sub switches, a full-wave rectifier circuit for rectifying an alternating current applied to the main switch, and turning on and off the main switch A power control method for an AC step-down chopper type power control device having a smoothing circuit for smoothing a comb waveform obtained by the above, wherein the phase difference when each AC voltage at the power input terminal and the output terminal crosses zero During the period when this phase difference is detected, the main switch is forcibly turned on and the two sub switches are forcibly turned off, thereby preventing the occurrence of surge voltage and the smoothing. A power control method for an AC step-down chopper type power control device, wherein electrical energy stored in a circuit is regenerated to a power source. 少なくともメインスイッチ及び2個のサブスイッチからなるスイッチング素子と、前記2個のサブスイッチを含むフライホイール回路と、メインスイッチに印加される交流を整流する全波整流回路と、メインスイッチのオン及びオフにより得られた櫛形波形を平滑する平滑回路とを備えた交流降圧チョッパ形電力制御装置において、電源入力端子間に電源側極性判別器を、出力端子間に出力側極性判別器をそれぞれを備えるとともに、制御回路を備え、前記電源側極性判別器と前記出力側極性判別器は交流電圧の正負に応じた極性判別信号を生成し、前記制御回路は前記極性判別信号をもとに電源側と出力側の交流電圧がそれぞれ零点交差をする際の位相差を検出し、この位相差が検出された期間中、前記メインスイッチを強制的にオンとし、前記2個のサブスイッチを強制的にオフとすることにより、サージ電圧の発生を防止するとともに前記平滑回路に蓄えられた電気エネルギーを電源に回生することを特徴とする交流降圧チョッパ形電力制御装置。 Switching element comprising at least a main switch and two sub switches, a flywheel circuit including the two sub switches, a full-wave rectifier circuit for rectifying an alternating current applied to the main switch, and turning on and off the main switch In the AC step-down chopper type power control device provided with a smoothing circuit for smoothing the comb waveform obtained by the above, the power supply side polarity discriminator is provided between the power input terminals, and the output side polarity discriminator is provided between the output terminals. The power supply side polarity discriminator and the output side polarity discriminator generate a polarity discrimination signal according to the polarity of the AC voltage, and the control circuit outputs the power source side and the output side based on the polarity discrimination signal. The phase difference when the AC voltage on the side crosses each zero point is detected, and the main switch is forcibly turned on during the period when the phase difference is detected. An AC step-down chopper type power control device characterized by preventing the generation of a surge voltage by forcibly turning off the two sub-switches and regenerating electrical energy stored in the smoothing circuit to a power source . 少なくとも前記極性判別器と前記制御回路とをワンチップマイクロコンピュータで構成したことを特徴とする請求項2に記載の交流降圧チョッパ形電力制御装置。 3. The AC step-down chopper type power control apparatus according to claim 2, wherein at least the polarity discriminator and the control circuit are configured by a one-chip microcomputer.
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