JP4970011B2 - 力率補正形直流電源装置 - Google Patents

Description

本発明は、交流を直流に効率よく変換する力率補正形直流電源装置に関するものである。

従来の力率補正形直流電源装置の回路を図６に示す。
図６に示す力率補正形直流電源装置１は交流電源１０から入力した交流入力電流を直流出力電流として取り出す電源装置で、直流出力電流が所定値を超えないように制限するセンサーとして直流電流センサー２４が用いられている。
図６において、交流電源１０に接続する一方の端子Ｔ１１はリアクトル１１に接続し、リアクトル１１の出力はダイオードとスイッチング素子からなるブリッジ整流回路１２に接続されている。交流電源１０の他方の端子Ｔ１２もブリッジ整流回路１２に接続されている。このブリッジ整流回路１２の出力は直流負荷端子Ｔ１３、Ｔ１４に接続されている。直流負荷端子Ｔ１３、Ｔ１４の間にはコンデンサ１７が接続されている。ブリッジ整流回路１２の一方のダイオード１３にはスイチング素子としてのＦＥＴ１４のドレインが接続され、他方のダイオード１５にはＦＥＴ１６のドレインが接続されている。ＦＥＴ１４、１６のソースは相互に接続されている。直流負荷端子Ｔ１３、Ｔ１４には負荷である機器１８の端子Ｔ１５、Ｔ１６が接続され、前記ＦＥＴのソースと機器端子Ｔ１６との間には直流電流センサー２４が接続されている。

図６に示す直流電源装置１において、交流電源１０の交流入力電圧は端子Ｔ１１と端子Ｔ１２との間に挿入した変圧器２１により計測する。また、交流入力電流は端子Ｔ１２とブリッジ整流回路１２との間に挿入した変流器２２により計測する。また、直流出力電圧は端子Ｔ１３、Ｔ１４間に挿入した電圧計２３で計測し、直流出力電流は前記直流電流センサー２４で計測する。計測された交流入力電圧、交流入力電流、直流出力電圧、直流出力電流の値は制御回路３０に出力され、これらの計測値により該制御回路３０は、該制御回路３０にゲートが接続されたＦＥＴ１４、１６を制御して直流出力電流を制御している。

制御回路３０には、交流入力電圧、交流入力電流、直流出力電圧、直流出力電流が入力され、これらの入力値に基づき制御回路３０は機器１８に対し、後述するように目標電圧の直流出力電圧および制限電流以下の一定した直流出力電流を供給するようにＦＥＴ１４、１６のゲートに信号を付与し、これらをオンオフしてスイッチング制御する。

このスイッチング制御にあたって制御回路３０は交流入力電圧と交流入力電流との波形が相似形となるよう制御し、交流入力力率を補正する。

図７は電源装置１を制御する制御回路３０を示すブロック図である。このブロック図に示すように、
１．端子Ｔ１３、Ｔ１４間で直流出力電圧を計測し、計測した値を目標電圧値と比較し、その差をＰＩ制御部３１に入力する。なお、目標電圧値は機器１８により決まる電圧値である。
２．直流電流センサー２４により直流出力電流を計測し、計測した値を制限電流値と比較し、その差をＰＩ制御部３２に入力する。なお、目標電流値は機器１８により決まる電流値である。
３．次いでＰＩ制御部３１の値とＰＩ制御部３２の値を比較器３３で比較し、高い方の値を乗算器３４に入力する
４．乗算器３４は比較器３３から入力した値と変圧器２１で計測した交流入力電圧の値を乗算する。乗算した結果は比較器３５に入力される。
５．比較器３５では乗算器３４からの値と変流器２２で計測した交流入力電流の値とを比較し、その差の結果をパルス幅変調回路３７に入力する。
６．パルス幅変調回路３７で変調された結果は前記ＦＥＴ１４、１６を制御する。なお、交流電源１０とパルス幅変調回路３７との間には極性判別器３８が設けられ、該極性判別器３８はＦＥＴ１４とＦＥＴ１６のどちらに信号を与えるかを判断する。即ち交流電源１０によりブリッジ整流回路１２の何れかのＦＥＴに電流が流れているが、その流れている方のＦＥＴに信号を与える。

上述した制御回路３０は図８に示すように交流入力電圧波形と交流入力電流波形とが相似形となるよう制御する。交流電源１０から目的とする直流出力電圧をうるために、乗算器３４で直流出力電圧と直流出力電流の高い方と交流入力電圧との乗算を行う。即ち、直流電圧が目標電圧である場合には直流出力電圧と交流入力電圧との乗算を行い、同様に、指定の電流以上の電流が流れた場合は直流出力電流と交流入力電圧との乗算を行い、前記スイッチング素子を制御することにより入力力率の向上を図り、出力電圧、電流の制御を行う。

図９は交流電源からの電圧、電流を直流電圧、直流電流に変換したときの目標電圧と制限電流を示すもので、制限電流以上が負荷に流れることを禁止し、目標電圧で出力されるように制御回路３０が上述したように両スイッチング素子を制御する。

直流電流センサーを用いて直流出力電流を計測し制御することは例えば特許文献１に記載される。
特開平１１−４１９３９号公報

図６に示す従来の電源装置１は出力電流制限用に直流電流センサー２４を用いている。このような装置に使用される直流電流センサー２４はシャント抵抗や直流変流器（ＤＣＣＴ）を用いている。このため、これらの直流電流センサー２４は高価であり、しかもシャント抵抗では電力損失が発生するため、コスト高と電力損失という問題点を内在している。

このような従来の問題点を解消するために、本発明の目的は、出力電流を制限する直流電流センサー２４として高価な直流電流センサーを用いることなく、安価で電力損失のない力率補正形直流電源装置を提供することにある。

より具体的には、本発明は、交流入力電圧、交流入力電流、直流出力電圧の３点を測定し、それらの値を用いて直流出力電流値を推測し、該直流出力電流推測値を用いて直流出力電流を制御する力率補正形直流電源装置を提供する。

本発明の力率補正形直流電源装置は、交流入力電流計測値と交流入力電圧計測値と直流出力電圧計測値を用いて直流出力電流を推測し、推測した直流出力電流推測値を予め求めた交流入力電圧と変換効率との関係からその時の交流入力電圧に基づく変換効率で補正して直流出力電流を一定に制御するものである。

本発明は、直流出力電流値を計測する機器（直流電流センサー）が不要となり、したがって、電流値計測機器による電力損失がなく、即ち電力費を削減することができ、力率補正形直流電源装置を安価に提供することができる。

以下本発明を、図面を参照しつつ詳細に説明する。
図１は本発明の一実施形態を示す直流電源装置１００の回路図で、図１において図６と共通する部分には同一の符号を付している。

図１において、交流電源１０に接続する端子Ｔ１１はリアクトル１１に接続し、リアクトル１１の出力はダイオードとスイッチング素子からなるブリッジ整流回路１２に接続されている。交流電源１０の他方の端子Ｔ１２も該ブリッジ整流回路１２に接続されている。ブリッジ整流回路１２の出力は直流負荷端子Ｔ１３、Ｔ１４に接続されている。直流負荷端子Ｔ１３、Ｔ１４の間にはコンデンサ１７が接続されている。ブリッジ整流回路１２の一方のダイオード１３にはスイッチング素子としてのＦＥＴ１４のドレインが接続され、他方のダイオード１５にもスイッチング素子としてのＦＥＴ１６のドレインが接続されている。ＦＥＴ１４、１６のソースは相互に接続され、該ソースは負荷端子Ｔ１４に接続されている。

図１に示す直流電源装置１００において、交流電源１０の交流入力電圧は端子Ｔ１１と端子Ｔ１２との間に挿入した変圧器２１により計測する。また、交流入力電流は端子Ｔ１２とブリッジ整流回路１２との間に挿入した変流器２２により計測する。また、直流出力電圧は端子Ｔ１３、Ｔ１４間で計測し、直流出力電流は後述するように交流入力電圧、交流入力電流、直流出力電圧の３点を測定し、それらの値を用いて直流出力電流値を推測し、その推測値に変換効率で補正した推測値を直流出力電流値とする。

制御回路３０には、交流入力電圧、交流入力電流、直流出力電圧の計測値と、直流出力電流の推測値が入力され、該制御回路３０は目標電圧の直流出力電圧および制限電流以下の直流出力電流となるように計測された交流入力電圧、交流入力電流、直流出力電圧と推測した直流出力電流値によりスイッチング素子を制御する。

このスイッチング制御にあたって制御回路３０は交流入力電圧と交流入力電流との波形が相似形となるよう（図８参照）制御し、交流入力力率を補正する。

本発明は、交流入力電圧、交流入力電流、直流出力電圧の３点の測定値から、直流出力電流値を推測する。

一般に力率補正形直流電源の電力変換効率は交流入力電圧との関係が大きく、交流入力電圧が高いほど損失は小さくなる傾向がある。図２は本実施形態において、交流入力電圧（Ｖ）と変換効率（％）との関係を実測したグラフである。このグラフより、この交流入力電圧と電力変換効率との関係はほぼ１次式で近似できる。図２において点線で示すグラフは実際に計測した出力電流値のグラフであり、実線は最小２乗法による近似式で算出したグラフである。測定値から推測する直流出力電流値は電力変換損失予測値で補正する必要があり、実測した交流入力電圧、交流入力電流、直流出力電圧から直流出力電流を推測し、この推測値を前記近似式を用いて補正して直流出力電流値とし、補正した直流出力電流（推測）値を用いて出力制限電流を制御する。

上述したように、交流から直流に変換する際には電力変換損失を考慮する必要性から、前記交流入力電圧、交流入力電流、直流出力電圧の３点の測定値から推測する直流出力電流値を変換効率で補正する。

そこで先ず、交流入力電圧と変換効率の関係を近似式で求める。
本実施形態において、上記図２は交流入力電圧（Ｖ）と変換効率（％）とを実測したグラフで、このグラフより下記の近似式が得られる。
電力変換効率Ｅ＝９２＋０．０５×ＡＣＶ
なお、ＡＣＶは交流入力電圧である。

次に直流出力電流を算出する工程を図３を参照して説明する。
ステップ１
先ず交流入力電圧（ＡＣＶ）、交流入力電流（ＡＣＩ）、直流出力電圧（ＤＣＶ）を各々のＡ／Ｄコンバータに入力しデジタル値に変換する。交流電圧は変圧器２１より入力し、交流電流は変流器２２より入力し、直流電圧は端子Ｔ１３、Ｔ１４間に挿入の電圧計２３から入力する
ステップ２
交流電圧と交流電流とより１周期分の電力を算出する。算出結果をＡＣＷとする。
ステップ３
ステップ２で算出した１周期分の電力ＡＣＷを直流出力電圧ＤＣＶで割り直流出力電流値（ＤＣＡ）を算出し、これを直流出力電流推測値とする。
ステップ４
前記交流入力電圧と変換効率の関係からステップ３で算出した直流出力電流推測値を補正し、直流出力電流値とする。即ち
ＤＣＡ＝ＤＣＡ×（Ｅ÷１００）

上記算出方法により補正した直流出力電流値を用いて装置１００を制御する方法につき説明する。

図１に示す回路おいて、交流入力電圧、交流入力電流、直流出力電圧の３点を測定する。制御回路３０ではこれら測定値と前記近似式を用いる指定のプログラムにより補正した直流出力電流値を算出し、該算出した直流出力電流値に基づいて前記同様制御回路３０からパルス幅変調回路（ＰＷＭ）３７にスイッチング制御パルスを入力し、パルス幅変調回路３７はスイッチング素子としてのＦＥＴ１４、１６を制御する。

具体的には、機器１８により例えば図９に示すように制限（目標）電流値と目標電圧値を決定する。

図４に示すように、変圧器２１により計測した交流入力電圧をＡ／Ｄコンバータに入力しデジタル値に変換して制御回路３０（例えばＣＰＵまたはＤＳＰ）に入力する。また、計測した交流入力電流をＡ／Ｄコンバータによりデジタル値に変換し制御回路３０に入力する。さらに、直流出力電圧をＡ／Ｄコンバータによりデジタル値に変換し制御回路３０に入力する。

制御回路３０では、図７に示すように
ＳＴ１．決められた目標電圧値と計測した直流電圧値とを比較し、その差をＰＩ制御３１に入力する。
ＳＴ２．算出補正された直流出力電流値を制限電流値と比較し、その差をＰＩ制御３２に入力する。
ＳＴ３．次いでＰＩ制御部３１の値と、ＰＩ制御部３２との値を比較器３３で比較し、高い方の値を乗算器３４に入力する。
ＳＴ４．乗算器３４は比較器３３から入力された値と交流入力電圧とを乗算する。乗算した結果は比較器３５に入力される。
ＳＴ５．比較器３５では乗算器３４からの値と交流入力電流とを比較しその差の結果をパルス幅変調回路３７に入力する。
ＳＴ６．パルス変調された結果に基づいて制御回路３０は前記ＦＥＴ１４、１６のオン、オフを制御する。なお、交流電源１０とパルス幅変調回路３７との間には極性判別器３８が設けられ、該極性判別器３８はＦＥＴ１４とＦＥＴ１６のどちらに信号を与えるかを判断する。

上述した制御回路３０は交流入力電圧波形と交流入力電流波形とが相似形になるよう制御する。交流電源から目的とする直流電圧をうるために、上述したように直流出力電圧と直流出力電流の高い方と交流入力電圧との乗算を行う。即ち、直流出力電圧が目標電圧である場合には直流電圧出力と交流入力電圧との乗算を行い、同様に、指定の電流以上の電流が流れた場合は直流出力電流と交流入力電圧との乗算を行い、これを交流入力電流と比較し前記ＦＥＴを制御することにより入力力率の向上を図り、出力電圧、電流の制御をも行う。

図５は本実施形態における機器１８に対する目標電圧と制限電流との実測値を示す。図５から分かるように、近似式を用いて直流出力電流を推測することにより、制限電流を±１％以内に制御することができた。

本発明は上述したように、直流電源装置から直流電流センサーを取り除くことにより、電流損失の少ない電源装置を提供でき、かつ、安価に電源装置を提供することができる。

以上詳述したように、本発明では直流電流センサーを使用することなく交流入力を直流出力に効率良く変換でき、したがって装置を簡素化でき、電力損失の少ない電源装置を安価に提供できる、優れた効果を有するものである。

本発明の実施形態を示す回路図である。 本発明において近似式を算出する交流入力電圧と変換効率との関係を示すグラフである。 本発明において近似式に基づき直流出力電流推測値を算出する工程を示すフローチャートである。 スイッチを制御する過程を示す説明図である。 本発明において実測した、機器に対し目標とする直流電圧と制限直流電流との関係を示すグラフである。 従来の直流電源装置を示す回路図である。 直流電源装置における制御回路を示す説明図である。 交流入力電圧と交流入力電流の波形を示す図である。 機器に対する目標とする直流電圧と制限直流電流との関係を示すグラフである。

符号の説明

１ 直流電源装置
１０ 交流電源
１１ リアクトル
１２ ブリッジ整流回路
１３ ダイオード
１４ スイッチング素子（ＦＥＴ）
１５ ダイオード
１６ スイッチング素子（ＦＥＴ）
１７ コンデンサ
１８ 機器
２１ 変圧器
２２ 変流器
２３ 電圧計
２４ 直流電流センサー
３０ 制御回路
３１ ＰＩ制御部
３２ ＰＩ制御部
３３ 比較器
３４ 乗算器
３５ 比較器
３７ パルス幅変調回路
３８ 極性判別器
１００ 直流電源装置

Claims (1)

1. 交流入力電流計測値と交流入力電圧計測値と直流出力電圧計測値を用いて直流出力電流を推測し、推測した直流出力電流推測値を、予め求めた交流入力電圧と変換効率との関係からその時の交流入力電圧に基づく変換効率で補正して直流出力電流を一定に制御する力率補正形直流電源装置。