JP5642243B1 - 整流装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】半導体スイッチの動作状態に起因する交流電源の短絡が生じる可能性がある場合においても、回路の損傷を防止するとともに、力率を低下させることがない整流装置を提供することを目的としている。【解決手段】整流装置１００は、交流電源１に帰還電流が流れる側の隣接する２辺をスイッチ素子Ｑａ，Ｑｂとし、他の２辺が整流素子Ｄａ，Ｄｂにより構成される整流回路４と、入力電圧検出器６と、入力電流検出器７と、入力電圧に同期した同期正弦波に基づいて生成された入力電流目標値と入力電流との差分に応じて、パルス幅を変調してスイッチ素子Ｑａ，Ｑｂを制御する制御回路８と、を備えている。入力電圧、入力電流および同期正弦波の極性のうち、いずれか１つの極性が他の極性と異なる場合に、２つのスイッチ素子Ｑａ，Ｑｂを同時にスイッチング動作させる。【選択図】図１

Description

この発明は、スイッチング制御によって電流制御を行い、交流電力を直流電力に変換する整流装置に関するものである。
従来の交流電力を直流電力に変換する整流装置は、例えば、４つのダイオードで構成されたブリッジ形全波整流回路の出力段に、負荷と直列にチョークコイルとダイオードが、また、負荷と並列に、スイッチ素子と直列接続された抵抗および平滑用コンデンサが配置され、直流出力電力を負荷に供給するように構成されており、抵抗を流れる電流を検出して、その検出結果に基づいてスイッチ素子を所定のパルス幅で制御することによって、整流装置の力率の改善を図っている。
しかし、上記整流装置においては、ダイオード等の損失により変換効率が低下するといった問題点があり、併せて力率を改善するために、ＰＦＣ（Ｐｏｗｅｒ Ｆａｃｔｏｒ Ｃｏｒｒｅｃｔｉｏｎ）回路を備えた整流装置では、ブリッジ形を形成する４個の整流素子の内、２個をスイッチ素子に置き換えている。例えば、図１０に示す特許文献１の電源装置では、ブリッジ形全波整流回路の帰還電流が流れる側の整流素子２個をスイッチ素子４ａ、４ｂにそれぞれ置き替え、この整流回路の次段に設けられた平滑用コンデンサ５がチョークコイル２を介して交流入力電源１に接続され、さらに、スイッチ素子４ａ、４ｂの動作を制御する制御回路６が入力電圧、出力電圧およびスイッチ素子４ａ、４ｂを流れる電流を検出するよう設けられている。制御回路６は、ライン入力電圧の上波側部と下波側部を識別し、これに合わせてスイッチ素子４ａ、４ｂをそれぞれ動作させ、ライン入力電流がライン入力電圧の位相と同相の正弦波交流電流となるようスイッチ素子のパルス幅を適正に制御している。このように、ブリッジ形全波整流回路の帰還電流が流れる整流素子２個をスイッチ素子にそれぞれ置き換え、制御回路がスイッチ素子を適正に制御することによって力率を改善する、所謂ブリッジレスＰＦＣでは、部品点数の削減および変換効率・信頼性の向上を図ることができる。
特開平７−１１５７７４号公報
しかしながら、特許文献１の電源装置においては、入力電圧の極性に応じて、半導体スイッチ素子のスイッチングモード期間とオン固定モード期間とを切り替える為に、入力電圧を検出する必要がある。この入力電圧を検出するために、検出回路が設けられている場合、検出回路において信号伝達遅延時間が生じる。これにより、入力電圧の極性が切り替わるタイミングに対して、上記遅延時間分だけ、半導体スイッチ素子のスイッチングモード期間とオン固定モード期間とを切り替えるタイミング（以下、「動作モード切り替えタイミング」と記述する。）にずれが生じる。
これに対し、例えば、マイコンなどの演算器を用いて、上記検出回路の出力信号から入力電圧と同期した正弦波を生成する場合、検出回路における信号伝達遅延時間分だけ、演算により位相をずらして入力電圧の同期正弦波を生成させることは可能である。しかし、上記のように演算により同期正弦波を生成させる場合には、例えば、入力電圧の周波数が変動した際に、演算の収束速度が周波数の変動速度に対して十分速くなければ、正しく入
力電圧が推定されず、生成された同期正弦波の極性が切り替わるタイミングと入力電圧の極性が切り替わるタイミングとの間にずれが生じてしまう。そのため、入力電圧の極性が切り替わるタイミングと半導体スイッチ素子の動作モード切り替えタイミングとの間にずれが生じる。
また、上記のようなずれが生じていない通常時においては、入力電圧の極性に応じて、常に帰還電流が流れる半導体スイッチ素子をオン固定モードに制御し、オン状態のときのみ交流電源から電流が流れ込むもう一方の半導体スイッチ素子をスイッチングモードで動作するように制御することによって電流経路が操作されている。ここで、入力電圧の極性が切り替わるタイミングと、半導体スイッチ素子の動作モード切り替えタイミングとの間にずれが生じると、オン状態のときのみ交流電源から電流が流れ込む半導体スイッチ素子がオン固定モードに制御されるため電流経路が操作されず、スイッチングモードで動作させた半導体スイッチ素子に帰還電流が流れ続ける。すなわち、図１２（ａ）および図１２（ｃ）に示すように、オン状態のときのみ交流電源から電流が流れ込む半導体スイッチ素子がオン固定モードに制御されると、スイッチングモードで動作させた半導体スイッチ素子のオン・オフ状態に依存せず、電流は交流電源の短絡経路のみにしか流れない。したがって、この期間中は、過大な電流が交流電源から入力され続けることになる。これにより、入力電圧の極性が切り替わるタイミングでは、この過大な電流により、回路が損傷される、あるいは、過大な電流に対する保護対策のための回路が必要となり装置サイズが増大してしまうという課題があった。また、過大な電流が生じることにより、力率が低下するという課題もあった。
本発明は、上記の課題を解決するためになされたものであり、半導体スイッチ素子のスイッチ状態に起因する交流電源の短絡が生じる可能性がある場合においても、回路の損傷を防止するとともに、力率を低下させることがない整流装置を提供することを目的としている。
上記課題を解決するために、本発明に係る第一の整流装置は、四辺形をなすブリッジ形回路のうち、交流電源に帰還電流が流れる側の隣接する２辺がスイッチ素子、他の２辺が整流素子により構成される整流回路と、前記交流電源からの入力電圧を検出する入力電圧検出器と、前記交流電源からの入力電流を検出する入力電流検出器と、前記入力電圧に同期した同期正弦波を生成させるとともにこの同期正弦波に基づいて入力電流目標値を生成し、前記入力電流と前記入力電流目標値との差分に応じて、パルス信号のパルス幅を変調して前記スイッチ素子を制御する制御回路と、を備え、前記入力電圧、前記入力電流および前記同期正弦波の極性のうち、いずれか１つの極性が他の極性と異なる場合に、前記制御回路が、前記スイッチ素子の両方をスイッチング動作させる、前記スイッチ素子のうち、オン状態のときのみ前記交流電源から電流が流れ込むスイッチ素子をオフにさせる、および前記スイッチ素子の両方をオフにさせることのうち、いずれか１つを実行させることを特徴とするものである。
また、本発明に係る第二の整流装置は、四辺形をなすブリッジ形回路のうち、交流電源に帰還電流が流れる側の隣接する２辺がスイッチ素子、他の２辺が整流素子により構成される整流回路と、前記交流電源からの入力電圧を検出する入力電圧検出器と、前記交流電源からの入力電流を検出する入力電流検出器と、前記入力電圧に同期した同期正弦波を生成させるとともにこの同期正弦波に基づいて入力電流目標値を生成し、前記入力電流と前記入力電流目標値との差分に応じて、パルス信号のパルス幅を変調して前記スイッチ素子を制御する制御回路と、を備え、前記入力電圧、前記入力電流および前記同期正弦波のうち、いずれか２つを選択し、その極性が異なる場合に、前記制御回路が、前記スイッチ素子の両方をスイッチング動作させる、前記スイッチ素子のうち、オン状態のときのみ前記交流電源から電流が流れ込むスイッチ素子をオフにさせる、および前記スイッチ素子の両方をオフにさせることのうち、いずれか１つを実行させることを特徴とするものである。
また、本発明に係る第三の整流装置は、四辺形をなすブリッジ形回路のうち、交流電源に帰還電流が流れる側の隣接する２辺がスイッチ素子、他の２辺が整流素子により構成される整流回路と、前記交流電源からの入力電圧を検出する入力電圧検出器と、前記交流電源からの入力電流を検出する入力電流検出器と、前記入力電圧に同期した同期正弦波を生成させるとともにこの同期正弦波に基づいて入力電流目標値を生成し、前記入力電流と前記入力電流目標値との差分に応じて、パルス信号のパルス幅を変調して前記スイッチ素子を制御する制御回路と、を備え、前記入力電圧、前記入力電流および前記同期正弦波の絶対値が閾値以下の場合に、前記制御回路が、前記スイッチ素子の両方をスイッチング動作させる、前記スイッチ素子のうち、オン状態のときのみ前記交流電源から電流が流れ込むスイッチ素子をオフにさせる、および前記スイッチ素子の両方をオフにさせることのうち、いずれか１つを実行させることを特徴とするものである。
また、本発明に係る第四の整流装置は、四辺形をなすブリッジ形回路のうち、交流電源に帰還電流が流れる側の隣接する２辺がスイッチ素子、他の２辺が整流素子により構成される整流回路と、前記交流電源からの入力電圧を検出する入力電圧検出器と、前記交流電源からの入力電流を検出する入力電流検出器と、前記入力電圧に同期した同期正弦波を生成させるとともにこの同期正弦波に基づいて入力電流目標値を生成し、前記入力電流と前記入力電流目標値との差分に応じて、パルス信号のパルス幅を変調して前記スイッチ素子を制御する制御回路と、を備え、前記入力電圧、前記入力電流および前記同期正弦波の極性が反転するタイミングと判定タイミングとの時間差の絶対値が閾値以下の場合に、前記制御回路が、前記スイッチ素子の両方をスイッチング動作させる、前記スイッチ素子のうち、オン状態のときのみ前記交流電源から電流が流れ込むスイッチ素子をオフにさせる、および前記スイッチ素子の両方をオフにさせることのうち、いずれか１つを実行させることを特徴とするものである。
また、本発明に係る第五の整流装置は、四辺形をなすブリッジ形回路のうち、交流電源に帰還電流が流れる側の隣接する２辺がスイッチ素子、他の２辺が整流素子により構成される整流回路と、前記交流電源からの入力電圧を検出する入力電圧検出器と、前記交流電源からの入力電流を検出する入力電流検出器と、前記入力電圧に同期した同期正弦波を生成させるとともにこの同期正弦波に基づいて入力電流目標値を生成し、前記入力電流と前記入力電流目標値との差分に応じて、パルス信号のパルス幅を変調して前記スイッチ素子を制御する制御回路と、を備え、前記入力電圧、前記入力電流および前記同期正弦波の極性が反転するタイミングと判定タイミングとの時間差に相当する位相差の絶対値が閾値以下の場合に、前記制御回路が、前記スイッチ素子の両方をスイッチング動作させる、前記スイッチ素子のうち、オン状態のときのみ前記交流電源から電流が流れ込むスイッチ素子をオフにさせる、および前記スイッチ素子の両方をオフにさせることのうち、いずれか１つを実行させることを特徴とするものである。
本発明の整流装置によれば、半導体スイッチ素子のスイッチ状態に起因する交流電源の短絡を防止する必要があるか否かを判定し、短絡を防止する必要があると判定された場合には、交流電源の短絡状態が継続しないよう半導体スイッチ素子を制御することによって、装置サイズを増大させることなく、過大な電流の発生を抑制し、回路の損傷を防止すると共に、力率を向上させることができる効果を発揮する。
実施の形態１に係る整流装置の回路構成を示す図である。 実施の形態１に係る整流装置における動作を説明する図である。 実施の形態１に係る整流装置における電流の経路を示す図である。 実施の形態１の他の実施態様に係る整流装置における動作を説明する図である。 実施の形態１のさらに他の実施態様に係る整流装置における動作を説明する図である。 実施の形態２に係る整流装置における動作を説明する図である。 実施の形態３に係る整流装置における動作を説明する図である。 実施の形態４に係る整流装置における動作を説明する図である。 実施の形態５に係る整流装置における動作を説明する図である。 従来の整流装置の回路構成を示す図である。 従来の整流装置における動作を説明する図である。 従来の整流装置における電流の経路を示す図である。
以下、本発明の実施の形態に係る整流装置について、図１〜図９を参照して説明する。
実施の形態１．
図１は、実施の形態１に係る整流装置の回路構成を示す図であり、図２は、その整流装置の動作を説明する図であり、図３は、整流装置の電流の経路を示す図である。
図１に示すように、整流装置１００は、交流電源１に接続され交流電圧が入力される入力端Ｐ１ａ，Ｐ１ｂと、負荷９に接続され所定の直流電圧が出力される出力端Ｐ２ａ，Ｐ２ｂと、出力端Ｐ２ａ，Ｐ２ｂに対して並列接続された第１の半導体スイッチ素子Ｑａと第１の整流素子Ｄａを含む第１の直列回路と出力端Ｐ２ａ，Ｐ２ｂに対して並列接続された第２の半導体スイッチ素子Ｑｂと第２の整流素子Ｄｂを含む第２の直列回路とで構成され、四辺形のブリッジ形回路をなす整流回路４と、第１の半導体スイッチ素子Ｑａと第１の整流素子Ｄａとの接続点と交流電源１の入力端Ｐ１ａとの間に挿入された第１のリアクトル３ａと、また、第２の半導体スイッチ素子Ｑｂと第２の整流素子Ｄｂとの接続点と交流電源１の入力端Ｐ１ｂとの間に挿入された第２のリアクトル３ｂと、交流電源１からの入力電圧を検出するために二つの入力端Ｐ１ａとＰ１ｂとの間に設けられた入力電圧検出器６と、交流電源１からの入力電流Ｉａｃを検出するために第１の半導体スイッチ素子Ｑａと第１の整流素子Ｄａとの接続点と交流電源１の入力端Ｐ１ａとの間に設けられた入力電流検出器７と、二つの出力端Ｐ２ａ，Ｐ２ｂに並列接続された平滑回路を構成する平滑コンデンサ５と、を備え、さらに、入力電圧検出器６および入力電流検出器７から信号線１０ａ，１０ｂを介して、入力電圧Ｖａｃおよび入力電流Ｉａｃに相当する信号を取得して制御線１１ａ，１１ｂを介して、第１の半導体スイッチ素子Ｑａ、第２の半導体スイッチ素子Ｑｂへゲート信号を出力する制御回路８と、を備えている。
なお、リアクトルは、第１のリアクトル３ａか第２のリアクトル３ｂのうち、どちらか一方のみが挿入されていてもよい。
次に、実施の形態１に係る整流装置１００の動作について、図１から図３を用いて説明する。
まず、制御回路８は、入力電圧検出器６により検出された入力電圧検出値から、入力電圧Ｖａｃと同期した正弦波信号である同期正弦波Ｖｓｙｎを生成する。また、制御回路８は、この同期正弦波Ｖｓｙｎをもとに入力電流目標値を生成し、入力電流検出器７により検出された入力電流検出値と入力電流目標値との差分に応じて、スイッチングモード時における第１の半導体スイッチ素子Ｑａと第２の半導体スイッチ素子Ｑｂを制御するパルス信号のパルス幅を変調（ＰＷＭ）して、オン・オフ比を変化させる。
上記のようにオン・オフ比を変化させながら第１の半導体スイッチ素子Ｑａおよび第２の半導体スイッチ素子Ｑｂを操作することにより、入力電流Ｉａｃが入力電流目標値に近づくよう制御される。
さらに、制御回路８は、第１の半導体スイッチ素子Ｑａおよび第２の半導体スイッチ素子Ｑｂのスイッチ状態に起因する交流電源１の短絡について、すなわち、入力電圧Ｖａｃの極性が反転するタイミングと第１の半導体スイッチ素子Ｑａおよび第２の半導体スイッチ素子Ｑｂの動作モード切り替えタイミングとのずれによって生じる交流電源１の短絡を防止する必要性があるか否かについて判定する（短絡防止要否の判定）。
次に、図２および図３を用いて、第１の半導体スイッチ素子Ｑａおよび第２の半導体スイッチ素子Ｑｂの動作と、短絡防止方法について説明する。図２は、整流装置１００の入力電圧Ｖａｃと、入力電流Ｉａｃおよび入力電圧Ｖａｃに基づいて生成された同期正弦波Ｖｓｙｎと、入力電圧Ｖａｃ、入力電流Ｉａｃおよび同期正弦波Ｖｓｙｎの極性に対する短絡防止要否の判定結果、第１の半導体スイッチ素子Ｑａおよび第２の半導体スイッチ素子Ｑｂのスイッチ状態を示す波形図である。図３（ａ）から（ｄ）は、それぞれ図２中のＡ〜Ｄの期間に相当する電流経路を示した図である。
まず、制御回路８により“短絡防止を要しない（短絡防止否）”と判定された期間（図２のＢ期間、Ｄ期間）について説明する。この場合には、同期正弦波Ｖｓｙｎの極性にしたがって、制御回路８は、第１の半導体スイッチ素子Ｑａおよび第２の半導体スイッチ素子Ｑｂのうちどちらか一方が必ずオン固定モードで動作するように制御する。すなわち、オン・オフ状態に関わらず常に交流電源１への帰還電流が流れ続ける半導体スイッチ素子をオン固定モードで動作するように制御し、他方の半導体スイッチ素子をスイッチングモードで動作するように制御する。したがって、同期正弦波Ｖｓｙｎの極性が正である場合には、同期正弦波Ｖｓｙｎの位相と入力電圧Ｖａｃの位相とが一致していれば、入力電圧Ｖａｃも正電圧であり、図２に示すＢ期間は、図３（ｂ）に示すように、第１の半導体スイッチ素子Ｑａのオン・オフ状態に関わらず、第２の半導体スイッチ素子Ｑｂには常に交流電源１への帰還電流が流れ続けるため、制御回路８は、第２の半導体スイッチ素子Ｑｂをオン固定モードで動作するよう制御し、第１の半導体スイッチ素子Ｑａをスイッチングモードで動作するように制御する。また、同期正弦波Ｖｓｙｎの極性が負である場合には、同期正弦波Ｖｓｙｎの位相と入力電圧Ｖａｃの位相とが一致していれば、入力電圧Ｖａｃも負電圧であり、図２に示すＤ期間は、図３（ｄ）に示すように、第１の半導体スイッチ素子Ｑａには常に交流電源１への帰還電流が流れ続けるため、制御回路８は、第１の半導体スイッチ素子Ｑａをオン固定モードで動作するように制御し、第２の半導体スイッチ素子Ｑｂをスイッチングモードで動作するように制御する。
この場合の制御方法は、上記短絡防止の要否の判定を行わない従来の整流装置（図１０参照。）における図１１のＢ期間およびＤ期間に示す通常の制御方法と同様である。すなわち、同期正弦波の極性のみにしたがって、第１の半導体スイッチ素子Ｑａおよび第２の半導体スイッチ素子Ｑｂの動作モード切り替えを行う方法である。また、図１２（ｂ）および図１２（ｄ）に示す電流経路は、図３（ｂ）および図３（ｄ）に示す電流経路と同じになる。
しかし、従来の整流装置においては、例えば、入力電圧の周波数が急変するなどの要因により、入力電圧Ｖａｃの位相と同期正弦波Ｖｓｙｎの位相とにずれが生じると、図１１のＡ期間、Ｃ期間のように入力電圧Ｖａｃの極性と、同期正弦波Ｖｓｙｎの極性とが反転する期間が発生する。図１１のＡ期間では、入力電圧Ｖａｃの極性が正であるが、同期正弦波Ｖｓｙｎの極性が負であるため、第１の半導体スイッチ素子Ｑａはオン固定モードで動作し、第２の半導体スイッチ素子Ｑｂはスイッチングモードで動作するが、図１２（ａ）に示すように、第２の半導体スイッチ素子Ｑｂのオン・オフ状態に関わらず、第２の半導体スイッチ素子Ｑｂには、常に交流電源１への帰還電流が流れる。従って、第１の半導体スイッチ素子Ｑａがオン固定モードで動作するため、交流電源１を短絡する経路にしか電流が流れず、過大な電流が発生する。また、図１１のＣ期間では、入力電圧Ｖａｃの極性が負であるが、同期正弦波Ｖｓｙｎの極性が正であるため、第１の半導体スイッチ素子Ｑａはスイッチングモードで動作するが、第２の半導体スイッチ素子Ｑｂはオン固定モードで動作するため、図１２（ｃ）に示すように、第１の半導体スイッチ素子Ｑａには、常に交流電源１への帰還電流が流れる。このため、交流電源１を短絡する経路にしか電流が流れないため、同様に過大な電流が発生する。
すなわち、入力電圧Ｖａｃの極性と、同期正弦波Ｖｓｙｎの極性とが反転する期間が存在する場合において、同期正弦波Ｖｓｙｎの極性のみにしたがってオン固定モードで動作させる半導体スイッチ素子を決定すると、交流電源１が短絡状態となる。
これに対して、本実施の形態１における制御回路８において、図２に示すように、入力電圧検出値、入力電流検出値および同期正弦波の極性のうち、一つの極性が他の二つの極性と異なる場合には、“短絡防止を要する（短絡防止要）”と判定される。このように短絡防止要否の判定を行って、第１の半導体スイッチ素子Ｑａおよび第２の半導体スイッチ素子Ｑｂのうち、どちらかの半導体スイッチ素子をオン固定モードで動作すると、もう一方の半導体スイッチ素子のスイッチ状態に関わらず交流電源１を短絡させる半導体スイッチ素子をオン固定モードで動作させないように制御することにより、過電流の発生を抑制することが可能である。なお、入力電圧検出値、入力電流検出値および同期正弦波の極性がすべて一致している場合には、制御回路８において、“短絡防止を要しない（短絡防止否）”とは判定され、上述した通り、図２のＢ期間、Ｄ期間に示すように、同期正弦波Ｖｓｙｎの極性にしたがって第１の半導体スイッチ素子Ｑａおよび第２の半導体スイッチ素子Ｑｂが制御される。
続いて、制御回路８において、“短絡防止を要する（短絡防止要）”と判定された場合における第１の半導体スイッチ素子Ｑａおよび第２の半導体スイッチ素子Ｑｂの動作について説明する。図２のＡ期間およびＣ期間に示すように、制御回路８により、“短絡防止を要する（短絡防止要）”と判定された場合には、第１の半導体スイッチ素子Ｑａおよび第２の半導体スイッチ素子Ｑｂは両方ともスイッチングモードで動作するように制御される。ここで、第１の半導体スイッチ素子Ｑａおよび第２の半導体スイッチ素子Ｑｂは、制御回路８により、同一のオン・オフ比で変化させながらスイッチング制御され、入力電流Ｉａｃを制御する。これにより、入力電圧Ｖａｃの極性と、同期正弦波Ｖｓｙｎの極性とが反転する期間（図２のＡ期間、Ｃ期間）において、第１の半導体スイッチ素子Ｑａおよび第２の半導体スイッチ素子Ｑｂのうち、どちらかの半導体スイッチ素子をオン固定モードで動作すると、もう一方の半導体スイッチ素子のスイッチ状態に関わらず交流電源１を短絡させる半導体スイッチ素子は、スイッチングモードで動作されるため、図３（ａ）、図３（ｂ）に示すように、交流電源１の短絡状態を防止し、過電流の発生を抑制することができる。
また、入力電流Ｉａｃは、入力電圧Ｖａｃに対して相似型の正弦波になるように制御されるため、入力電流Ｉａｃの極性が反転するタイミングと入力電圧Ｖａｃの極性が反転するタイミングはほぼ等しくなる。このため、入力電圧検出器６の検出精度が低く、入力電圧Ｖａｃの極性が反転するタイミングについて検出誤差が生じている場合においても、入力電流を判定要素に加えることによって、入力電圧Ｖａｃの極性が反転するタイミングを間接的に検出できるため、より確実な短絡防止要否の判定を行うことができる。
なお、本実施の形態では、入力電圧、入力電流および同期正弦波を判定要素とし、このうち少なくとも一つの判定要素の極性が他の二つの極性と異なる場合に、“短絡防止を要する（短絡防止要）”と判定されたが、判定要素はこれに限るものではなく、入力電圧Ｖａｃに同期した正弦波であればよく、入力電圧Ｖａｃに同期した正弦波のうち、少なくとも２つ以上の正弦波を判定要素とし、このうち少なくとも一つの判定要素の極性が他の判定要素の極性と異なる場合に、“短絡防止を要する（短絡防止要）”と判定してもよい。
また、本実施の形態では、制御回路８において、“短絡防止を要する（短絡防止要）”と判定された場合には、制御回路８により、第１の半導体スイッチ素子Ｑａおよび第２の半導体スイッチ素子Ｑｂの両方ともスイッチングモードで動作するよう制御されるが、図４に示す他の実施態様では、第１の半導体スイッチ素子Ｑａおよび第２の半導体スイッチ素子Ｑｂのうち、どちらかの半導体スイッチ素子をオン固定モードで動作させると、もう一方の半導体スイッチ素子のスイッチ状態に関わらず交流電源１を短絡させる半導体スイッチ素子をオフにするように制御してもよい。
また、“短絡防止を要する（短絡防止要）”と判定された期間中は、第１の半導体スイッチ素子Ｑａおよび第２の半導体スイッチ素子Ｑｂのうち、少なくとも、オン固定モードで動作させると交流電源１を短絡させる半導体スイッチ素子を、オフにするように制御すればよいため、図５に示すさらに他の実施態様では、第１の半導体スイッチ素子Ｑａおよび第２の半導体スイッチ素子Ｑｂを共にオフにするよう制御してもよい。
このように、実施の形態１に係る整流装置では、入力電圧、入力電流および同期正弦波の極性を判定要素とし、一つの判定要素の極性が他の判定要素の極性と異なる場合に、交流電源の短絡を防止する必要があると判定し、第１の半導体スイッチ素子および第２の半導体スイッチ素子のスイッチ状態に起因する交流電源の短絡状態が継続しないように第１の半導体スイッチ素子および第２の半導体スイッチ素子を制御しているため、過大な電流の発生を抑制し、回路の損傷を防止すると共に、力率を向上させることができる。
実施の形態２．
図６は、実施の形態２に係る整流装置の動作を説明する図である。本実施の形態２における動作が、実施の形態１における動作と異なる点は、実施の形態１に係る整流装置では、入力電圧、入力電流および同期正弦波の極性を３つの判定要素とし、一つの判定要素の極性が他の判定要素の極性と異なる場合に、交流電源の短絡を防止する必要があると判定するものであったが、実施の形態２における動作では、入力電圧Ｖａｃ、入力電流Ｉａｃおよび同期正弦波Ｖｓｙｎのうちから２つを選択し、２つの判定要素の極性が一致しない場合に、“短絡防止を要する（短絡防止要）”と判定するものである。なお、実施の形態２に係る整流装置の構成は実施の形態１と同様であり説明を省略する。
次に、実施の形態２に係る整流装置における動作について、図６を用いて説明する。図６では、２つの判定要素として、例えば、入力電圧Ｖａｃと同期正弦波Ｖｓｙｎの２つを用いる場合について説明する。
入力電圧Ｖａｃと同期正弦波Ｖｓｙｎの二つの判定要素の極性が一致しない場合には、“短絡防止を要する（短絡防止要）”と判定される。二つの判定要素の極性が一致している場合には、制御回路８において、“短絡防止を要しない（短絡防止否）”とは判定され、図６のＢ期間およびＤ期間に示すように、同期正弦波Ｖｓｙｎの極性にしたがって第１の半導体スイッチ素子Ｑａおよび第２の半導体スイッチ素子Ｑｂが制御される。
また、二つの判定要素の極性が一致しない場合には、制御回路８において、“短絡防止を要する（短絡防止要）”と判定され、図６のＡ期間およびＣ期間に示すように、第１の半導体スイッチ素子Ｑａおよび第２の半導体スイッチ素子Ｑｂは両方ともスイッチングモードで動作するように制御される。
このように、実施の形態２に係る整流装置では、入力電圧Ｖａｃ、入力電流Ｉａｃおよび同期正弦波Ｖｓｙｎのうちから２つを選択し、２つの判定要素の極性が一致しない場合に、交流電源の短絡を防止する必要があると判定し、第１の半導体スイッチ素子および第２の半導体スイッチ素子のスイッチ状態に起因する交流電源の短絡状態が継続しないように第１の半導体スイッチ素子および第２の半導体スイッチ素子を制御しているため、過大な電流の発生を抑制し、回路の損傷を防止すると共に、力率を向上させることができる。
実施の形態３．
図７は、実施の形態３に係る整流装置における動作を説明する図である。本実施の形態３における動作が、実施の形態１における動作と異なる点は、実施の形態１においては、入力電圧、入力電流および同期正弦波を短絡防止要否の判定要素とし、これら判定要素のうち、少なくとも一つの判定要素の極性が、その他の判定要素の極性と異なる場合に、”短絡防止を要する（短絡防止要）”と判定するものであるのに対して、実施の形態３では、入力電圧と同期正弦波とを判定要素とし、少なくとも一つの判定要素の絶対値が所定の閾値以下となる場合に、”短絡防止を要する（短絡防止要）”と判定するものである。なお、実施の形態３に係る整流装置の構成は実施の形態１と同様であるので説明を省略する。
次に、実施の形態３の整流装置における動作について、図７を用いて説明する。入力電圧Ｖａｃと同期正弦波Ｖｓｙｎとを短絡防止要否の判定要素とし、それぞれの判定要素に対し、絶対値を判定閾値として設けておき、入力電圧Ｖａｃと同期正弦波Ｖｓｙｎのうち少なくともどちらか一方の絶対値がこの判定閾値以下となった場合に、”短絡防止を要する（短絡防止要）”と判定する。例えば、入力電圧Ｖａｃおよび同期正弦波Ｖｓｙｎの判定閾値として、入力電圧判定閾値Δｙ１および同期正弦波判定閾値Δｙ２を設け、入力電圧Ｖａｃと同期正弦波Ｖｓｙｎの絶対値のどちらかがこれらの判定閾値以下となった場合に”短絡防止を要する（短絡防止要）”と判定される。
実施の形態３において、制御回路８により、入力電圧Ｖａｃの極性が反転する前後のタイミングおよび同期正弦波Ｖｓｙｎの極性が反転する前後のタイミングで、短絡防止の要否が判定され、交流電源１の短絡状態が継続しないよう、第１の半導体スイッチ素子Ｑａおよび第２の半導体スイッチ素子Ｑｂの制御をおこなっているため、入力電圧Ｖａｃの位相と同期正弦波Ｖｓｙｎの位相との間にずれが生じても、交流電源１の短絡を防止することができ、過大な電流の発生を抑制し、回路の損傷を防止すると共に、力率を向上させることができる。これにより、実施の形態３では、極性反転近傍における短絡防止の要否の判定の精度を向上させることができ、より精度よく交流電源１の短絡状態の発生を抑制することができる。
なお、本実施の形態では、入力電圧と同期正弦波を判定要素としたが、判定要素はこれに限られるものではなく、入力電圧に同期した正弦波であればよく、入力電圧に同期した正弦波のうち、いずれか一つの正弦波を判定要素とし、判定要素の絶対値が判定閾値以下となるときに、”短絡防止を要する”と判定してもよい。
このように、実施の形態３に係る整流装置では、入力電圧および同期正弦波の極性を判定要素とし、どちらか一つの判定要素の絶対値が判定閾値以下となった場合に、交流電源の短絡を防止する必要があると判定し、第１の半導体スイッチ素子および第２の半導体スイッチ素子のスイッチ状態に起因する交流電源の短絡状態が継続しないように第１の半導体スイッチ素子および第２の半導体スイッチ素子を制御しているため、実施の形態１と同様、過大な電流の発生を抑制し、回路の損傷を防止すると共に、力率を向上させることができる。
実施の形態４．
図８は、実施の形態４に係る整流装置における動作を説明する図である。本実施の形態４における動作が、実施の形態１における動作と異なる点は、実施の形態１においては、入力電圧、入力電流および同期正弦波を短絡防止要否の判定要素とし、これら判定要素のうち、少なくとも一つの判定要素の極性が、その他の判定要素の極性と異なる場合に、”短絡防止を要する（短絡防止要）”と判定するものであるのに対して、実施の形態４では、入力電圧と同期正弦波とを判定要素とし、少なくとも一つの判定要素の極性が反転するタイミングと判定タイミングとの時間差絶対値が所定の時間差閾値以下となる場合に、”短絡防止を要する（短絡防止要）”と判定するものである。なお、実施の形態４に係る整流装置の構成は実施の形態１と同様であるので説明を省略する。
次に、実施の形態４の整流装置における動作について、図８を用いて説明する。入力電圧Ｖａｃと同期正弦波Ｖｓｙｎとを短絡防止要否の判定要素とし、それぞれの判定要素に対し極性が反転するタイミングと判定タイミングとの時間差において、時間差閾値として設けておき、入力電圧Ｖａｃと同期正弦波Ｖｓｙｎのうち少なくともどちらか一方の極性が反転するタイミングと判定タイミングとの時間差絶対値がこの時間差閾値以下となった場合に、”短絡防止を要する（短絡防止要）”と判定する。例えば、入力電圧Ｖａｃおよび同期正弦波Ｖｓｙｎの時間差閾値として、入力電圧時間差閾値Δｔ１および同期正弦波時間差閾値Δｔ２を設け、入力電圧Ｖａｃまたは同期正弦波Ｖｓｙｎと判定タイミングとの時間差絶対値のどちらかがこれらの時間差閾値以下となった場合に、”短絡防止を要する（短絡防止要）”と判定される。
判定タイミングとしては、少なくとも半導体スイッチ素子の制御周期以下の周期とし、時間経過とともに判定周期Ｔ毎のタイミングで判定が行われる。すなわち、時間経過とともに、判定タイミングと、同期正弦波の極性が反転するタイミングとの時間差が小さくなり、時間差閾値以下となったときに、“短絡防止を要する（短絡防止要）”と判定される。
具体的には、判定タイミングｔ１の時点で判定するとき、判定タイミングｔ１と入力電圧Ｖａｃの極性が反転するタイミングの時間差が時間差閾値Δｔ１以下となるため、“短絡防止を要する（短絡防止要）”と判定される。判定周期Ｔ毎に判定を繰り返し実施し、判定タイミングｔ２の時点になると、判定タイミングｔ２と入力電圧Ｖａｃの極性が反転するタイミングの時間差は時間差閾値Δｔ１以上となるが、判定タイミングｔ２と同期正弦波Ｖｓｙｎの極性が反転するタイミングの時間差が時間差閾値Δｔ２以下であるため、判定結果は、“短絡防止を要する（短絡防止要）”として継続される。さらに、判定周期Ｔ毎に判定が繰り返し実施され、判定タイミングｔ３の時点になると、判定タイミングｔ３と同期正弦波Ｖｓｙｎの極性が反転するタイミングの時間差も時間差閾値Δｔ２以上となるため、“短絡防止を要しない（短絡防止否）”と判定される。
実施の形態４においても、制御回路８により、入力電圧Ｖａｃの極性が反転する前後のタイミングおよび同期正弦波Ｖｓｙｎの極性が反転する前後のタイミングで、短絡防止の要否が判定され、交流電源１の短絡状態が継続しないよう、第１の半導体スイッチ素子Ｑａおよび第２の半導体スイッチ素子Ｑｂの制御をおこなっているため、入力電圧Ｖａｃの位相と同期正弦波Ｖｓｙｎの位相との間にずれが生じても、交流電源１の短絡を防止することができ、過大な電流の発生を抑制し、回路の損傷を防止すると共に、力率を向上させることができる。これにより、実施の形態４では、極性反転近傍における短絡防止の要否の判定の精度を向上させることができ、より精度よく交流電源１の短絡状態の発生を抑制することができる。
なお、本実施の形態では、入力電圧と同期正弦波を判定要素としたが、判定要素はこれに限られるものではなく、入力電圧に同期した正弦波であればよく、入力電圧に同期した正弦波のうち、いずれか一つの正弦波を判定要素とし、判定要素の極性が反転するタイミングと判定タイミングとの時間差絶対値が時間差閾値以下となるときに、”短絡防止を要する（短絡防止要）”と判定してもよい。
このように、実施の形態４に係る整流装置では、入力電圧および同期正弦波の極性を判定要素とし、どちらか一つの判定要素の極性が反転するタイミングと判定タイミングとの時間差絶対値が時間差閾値以下となった場合に、交流電源の短絡を防止する必要があると判定し、第１の半導体スイッチ素子および第２の半導体スイッチ素子のスイッチ状態に起因する交流電源の短絡状態が継続しないように第１の半導体スイッチ素子および第２の半導体スイッチ素子を制御しているため、実施の形態１と同様、過大な電流の発生を抑制し、回路の損傷を防止すると共に、力率を向上させることができる。
実施の形態５．
図９は、実施の形態５に係る整流装置における動作を説明する図である。本実施の形態５における動作が、実施の形態１における動作と異なる点は、実施の形態１においては、入力電圧、入力電流および同期正弦波を短絡防止要否の判定要素とし、これら判定要素のうち、少なくとも一つの判定要素の極性が、その他の判定要素の極性と異なる場合に、”短絡防止を要する（短絡防止要）”と判定するものであるのに対して、実施の形態５では、入力電圧と同期正弦波とを判定要素とし、少なくとも一つの判定要素の極性が反転するタイミングと判定タイミングとの時間差に相当する位相差絶対値が所定の位相差閾値以下となる場合に、”短絡防止を要する（短絡防止要）”と判定するものである。なお、実施の形態５に係る整流装置の構成は実施の形態１と同様であるので説明を省略する。
次に、実施の形態５の整流装置における動作について、図９を用いて説明する。入力電圧Ｖａｃと同期正弦波Ｖｓｙｎとを短絡防止要否の判定要素とし、それぞれの判定要素に対し極性が反転するタイミングと判定タイミングとの位相差において、位相差閾値として設けておき、入力電圧Ｖａｃと同期正弦波Ｖｓｙｎのうち少なくともどちらか一方の極性が反転するタイミングと判定タイミングとの位相差絶対値がこの位相差閾値以下となった場合に、”短絡防止を要する（短絡防止要）”と判定する。例えば、入力電圧Ｖａｃおよび同期正弦波Ｖｓｙｎの位相差閾値として、入力電圧位相差閾値Δθ１および同期正弦波位相差閾値Δθ２を設け、入力電圧Ｖａｃまたは同期正弦波Ｖｓｙｎと判定タイミングとの位相差絶対値のどちらかがこれらの位相差閾値以下となった場合に”短絡防止を要する（短絡防止要）”と判定される。判定タイミングは実施の形態４と同様である。
実施の形態５においても、制御回路８により、入力電圧Ｖａｃの極性が反転する前後のタイミングおよび同期正弦波Ｖｓｙｎの極性が反転する前後のタイミングで、短絡防止の要否が判定され、交流電源１の短絡状態が継続しないよう、第１の半導体スイッチ素子Ｑａおよび第２の半導体スイッチ素子Ｑｂの制御をおこなっているため、入力電圧Ｖａｃの位相と同期正弦波Ｖｓｙｎの位相との間にずれが生じても、交流電源１の短絡を防止することができ、過大な電流の発生を抑制し、回路の損傷を防止すると共に、力率を向上させることができる。これにより、実施の形態５では、極性反転近傍における短絡防止の要否の判定の精度を向上させることができ、より精度よく交流電源１の短絡状態の発生を抑制することができる。
なお、本実施の形態では、入力電圧と同期正弦波を判定要素としたが、判定要素はこれに限られるものではなく、入力電圧に同期した正弦波であればよく、入力電圧に同期した正弦波のうち、いずれか一つの正弦波を判定要素とし、判定要素の極性が反転するタイミングと判定タイミングとの時間差に相当する位相差絶対値が位相差閾値以下となるときに、”短絡防止を要する（短絡防止要）”と判定してもよい。
このように、実施の形態５に係る整流装置では、入力電圧および同期正弦波の極性を判定要素とし、どちらか一つの判定要素の極性が反転するタイミングと判定タイミングとの位相差絶対値が位相差閾値以下となった場合に、交流電源の短絡を防止する必要があると判定し、第１の半導体スイッチ素子および第２の半導体スイッチ素子のスイッチ状態に起因する交流電源の短絡状態が継続しないように第１の半導体スイッチ素子および第２の半導体スイッチ素子を制御しているため、実施の形態１と同様、過大な電流の発生を抑制し、回路の損傷を防止すると共に、力率を向上させることができる。
なお、本発明は、その発明の範囲内において、各実施の形態を自由に組み合わせたり、各実施の形態を適宜、変形、省略したりすることが可能である。
また、図において、同一符号は、同一または相当部分を示す。
１ 交流電源、３ａ，３ｂ リアクトル、４ 整流回路、５ 平滑コンデンサ、６ 入力電圧検出器、７ 入力電流検出器、８ 制御回路、９ 負荷、１００ 整流装置、Ｄａ 第１の整流素子、Ｄｂ 第２の整流素子、Ｑａ 第１の半導体スイッチ素子、Ｑｂ 第２の半導体スイッチ素子。

Claims (5)

  1. 四辺形をなすブリッジ形回路のうち、交流電源に帰還電流が流れる側の隣接する２辺がスイッチ素子、他の２辺が整流素子により構成される整流回路と、
    前記交流電源からの入力電圧を検出する入力電圧検出器と、
    前記交流電源からの入力電流を検出する入力電流検出器と、
    前記入力電圧に同期した同期正弦波を生成させるとともに、この同期正弦波に基づいて入力電流目標値を生成し、前記入力電流と前記入力電流目標値との差分に応じて、パルス信号のパルス幅を変調して前記スイッチ素子を制御する制御回路と、を備え、
    前記入力電圧、前記入力電流および前記同期正弦波の極性のうち、いずれか１つの極性が他の極性と異なる場合に、前記制御回路が、
    前記スイッチ素子の両方をスイッチング動作させる、
    前記スイッチ素子のうち、オン状態のときのみ前記交流電源から電流が流れ込むスイッチ素子をオフにさせる、
    および前記スイッチ素子の両方をオフにさせることのうち、いずれか１つを実行させることを特徴とする整流装置。
  2. 四辺形をなすブリッジ形回路のうち、交流電源に帰還電流が流れる側の隣接する２辺がスイッチ素子、他の２辺が整流素子により構成される整流回路と、
    前記交流電源からの入力電圧を検出する入力電圧検出器と、
    前記交流電源からの入力電流を検出する入力電流検出器と、
    前記入力電圧に同期した同期正弦波を生成させるとともにこの同期正弦波に基づいて入力電流目標値を生成し、前記入力電流と前記入力電流目標値との差分に応じて、パルス信号のパルス幅を変調して前記スイッチ素子を制御する制御回路と、を備え、
    前記入力電圧、前記入力電流および前記同期正弦波のうち、いずれか２つを選択し、その極性が異なる場合に、前記制御回路が、
    前記スイッチ素子の両方をスイッチング動作させる、
    前記スイッチ素子のうち、オン状態のときのみ前記交流電源から電流が流れ込むスイッチ素子をオフにさせる、
    および前記スイッチ素子の両方をオフにさせることのうち、いずれか１つを実行させることを特徴とする整流装置。
  3. 四辺形をなすブリッジ形回路のうち、交流電源に帰還電流が流れる側の隣接する２辺がスイッチ素子、他の２辺が整流素子により構成される整流回路と、
    前記交流電源からの入力電圧を検出する入力電圧検出器と、
    前記交流電源からの入力電流を検出する入力電流検出器と、
    前記入力電圧に同期した同期正弦波を生成させるとともにこの同期正弦波に基づいて入力電流目標値を生成し、前記入力電流と前記入力電流目標値との差分に応じて、パルス信号のパルス幅を変調して前記スイッチ素子を制御する制御回路と、を備え、
    前記入力電圧、前記入力電流および前記同期正弦波の絶対値が閾値以下の場合に、前記制御回路が、
    前記スイッチ素子の両方をスイッチング動作させる、
    前記スイッチ素子のうち、オン状態のときのみ前記交流電源から電流が流れ込むスイッチ素子をオフにさせる、
    および前記スイッチ素子の両方をオフにさせることのうち、いずれか１つを実行させることを特徴とする整流装置。
  4. 四辺形をなすブリッジ形回路のうち、交流電源に帰還電流が流れる側の隣接する２辺がスイッチ素子、他の２辺が整流素子により構成される整流回路と、
    前記交流電源からの入力電圧を検出する入力電圧検出器と、
    前記交流電源からの入力電流を検出する入力電流検出器と、
    前記入力電圧に同期した同期正弦波を生成させるとともにこの同期正弦波に基づいて入力電流目標値を生成し、前記入力電流と前記入力電流目標値との差分に応じて、パルス信号のパルス幅を変調して前記スイッチ素子を制御する制御回路と、を備え、
    前記入力電圧、前記入力電流および前記同期正弦波の極性が反転するタイミングと判定タイミングとの時間差の絶対値が閾値以下の場合に、前記制御回路が、
    前記スイッチ素子の両方をスイッチング動作させる、
    前記スイッチ素子のうち、オン状態のときのみ前記交流電源から電流が流れ込むスイッチ素子をオフにさせる、
    および前記スイッチ素子の両方をオフにさせることのうち、いずれか１つを実行させることを特徴とする整流装置。
  5. 四辺形をなすブリッジ形回路のうち、交流電源に帰還電流が流れる側の隣接する２辺がスイッチ素子、他の２辺が整流素子により構成される整流回路と、
    前記交流電源からの入力電圧を検出する入力電圧検出器と、
    前記交流電源からの入力電流を検出する入力電流検出器と、
    前記入力電圧に同期した同期正弦波を生成させるとともにこの同期正弦波に基づいて入力電流目標値を生成し、前記入力電流と前記入力電流目標値との差分に応じて、パルス信号のパルス幅を変調して前記スイッチ素子を制御する制御回路と、を備え、
    前記入力電圧、前記入力電流および前記同期正弦波の極性が反転するタイミングと判定タイミングとの時間差に相当する位相差の絶対値が閾値以下の場合に、前記制御回路が、
    前記スイッチ素子の両方をスイッチング動作させる、
    前記スイッチ素子のうち、オン状態のときのみ前記交流電源から電流が流れ込むスイッチ素子をオフにさせる、
    および前記スイッチ素子の両方をオフにさせることのうち、いずれか１つを実行させることを特徴とする整流装置。
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