JP5713291B2 - AC / DC converter - Google Patents

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    • H02M3/1582—Buck-boost converters

Description

本発明は、交流入力電圧を所望の目標電圧値を有する直流出力電圧に変換するＡＣ／ＤＣ変換装置に関する。   The present invention relates to an AC / DC converter that converts an AC input voltage into a DC output voltage having a desired target voltage value.

従来のＡＣ／ＤＣ変換装置として、例えば特許文献１には図６に示すＡＣ／ＤＣ変換装置１０が開示されている。同図に示すように、ＡＣ／ＤＣ変換装置１０は、交流入力電圧Ｖａｃを所望の目標電圧値を有する直流出力電圧Ｖｄｃに変換するものであって、ダイオードブリッジ回路１１と、高周波フィルタ回路１２と、昇圧チョッパ回路からなる力率改善回路１３と、降圧チョッパ回路からなるＤＣ−ＤＣ変換回路１４とを備えている。   As a conventional AC / DC converter, for example, Patent Document 1 discloses an AC / DC converter 10 shown in FIG. As shown in the figure, the AC / DC converter 10 converts an AC input voltage Vac into a DC output voltage Vdc having a desired target voltage value, and includes a diode bridge circuit 11, a high frequency filter circuit 12, and the like. A power factor correction circuit 13 composed of a step-up chopper circuit and a DC-DC conversion circuit 14 composed of a step-down chopper circuit are provided.

このＡＣ／ＤＣ変換装置１０は、昇圧チョッパ回路および降圧チョッパ回路の両方を備えているので、上記目標電圧値を交流入力電圧Ｖａｃの電圧値よりも低い電圧値に設定することも、高い電圧値に設定することもできる。   Since the AC / DC converter 10 includes both the step-up chopper circuit and the step-down chopper circuit, the target voltage value can be set to a voltage value lower than the voltage value of the AC input voltage Vac, or a high voltage value can be set. Can also be set.

また、従来の別のＡＣ／ＤＣ変換装置として、例えば非特許文献１には図７に示すＡＣ／ＤＣ変換装置２０が開示されている。同図に示すように、ＡＣ／ＤＣ変換装置２０は、交流入力電圧Ｖａｃを所望の目標電圧値（ただし、交流入力電圧Ｖａｃの電圧値以上）を有する直流出力電圧Ｖｄｃに変換するものであって、ノイズフィルタ回路２１と、突入防止回路２２と、ダイオードブリッジ回路２３と、スイッチング素子ＳＷ等からなるチョッパ回路と、直流出力電圧Ｖｄｃの電圧値および各部の電流値に基づいてスイッチング素子ＳＷを制御する制御部２４とを備えている。   As another conventional AC / DC converter, Non-Patent Document 1, for example, discloses an AC / DC converter 20 shown in FIG. As shown in the figure, the AC / DC converter 20 converts the AC input voltage Vac into a DC output voltage Vdc having a desired target voltage value (but not less than the voltage value of the AC input voltage Vac). The noise filter circuit 21, the inrush prevention circuit 22, the diode bridge circuit 23, the chopper circuit including the switching element SW and the like, and the switching element SW is controlled based on the voltage value of the DC output voltage Vdc and the current value of each part. And a control unit 24.

特開２００１−８６７３７号公報JP 2001-86737 A

山崎浩、「アクティブフィルタの特徴と開発・応用現状」、電子技術、日刊工業新聞社、平成２年３月発行、第３２巻、第３号、ｐ．７６（図９）Hiroshi Yamazaki, “Characteristics of Active Filter and Current Status of Development / Application”, Electronic Technology, Nikkan Kogyo Shimbun, March 1990, Vol. 32, No. 3, p. 76 (FIG. 9)

しかしながら、上記ＡＣ／ＤＣ変換装置１０、２０は、ダイオードブリッジ回路１１、２３に常に入力電流が流れるため、出力電力が増加して入力電流が増加すると、それに応じてダイオードブリッジ回路１１、２３で発生する損失が増加し、効率が悪化するという問題があった。ＡＣ／ＤＣ変換装置２０については、突入防止回路２２にも常に入力電流が流れるため、当該回路においても損失が発生していた。   However, in the AC / DC converters 10 and 20, since an input current always flows through the diode bridge circuits 11 and 23, when the output power increases and the input current increases, the diode bridge circuits 11 and 23 generate correspondingly. There was a problem that the loss to be increased and the efficiency deteriorated. In the AC / DC converter 20, since an input current always flows through the inrush prevention circuit 22, a loss has occurred in the circuit as well.

また、目標電圧値を広い範囲で設定できるＡＣ／ＤＣ変換装置１０の効率は、直列接続された力率改善回路（昇圧チョッパ回路）１３およびＤＣ−ＤＣ変換回路（降圧チョッパ回路）１４の効率の積となるので、一般的に低く、改善の余地は限定的であった。上記の通り、ＡＣ／ＤＣ変換装置２０は、目標電圧値を交流入力電圧Ｖａｃよりも低く設定することができない。   Further, the efficiency of the AC / DC converter 10 that can set the target voltage value in a wide range is the efficiency of the power factor correction circuit (step-up chopper circuit) 13 and the DC-DC conversion circuit (step-down chopper circuit) 14 connected in series. Since it is a product, it is generally low and there is limited room for improvement. As described above, the AC / DC converter 20 cannot set the target voltage value lower than the AC input voltage Vac.

本発明は上記事情に鑑みてなされたものであって、その課題とするところは、従来のものよりも効率に優れ、かつ直流出力電圧の目標電圧値を広い範囲で設定することができるＡＣ／ＤＣ変換装置を提供することにある。   The present invention has been made in view of the above circumstances, and the problem is that an AC / DC which is more efficient than the conventional one and can set a target voltage value of a DC output voltage in a wide range. The object is to provide a DC converter.

上記課題を解決するために、本発明に係るＡＣ／ＤＣ変換装置は、
第１入力端および第２入力端からなる入力端子対に入力される交流入力電圧を所望の目標電圧値を有する直流出力電圧に変換して第１出力端および第２出力端からなる出力端子対から出力させるＡＣ／ＤＣ変換装置において、コイル、コンデンサおよび第１ないし第５スイッチング素子を有するチョッパ部と、交流入力電圧の電圧値を検知する入力電圧検知部と、直流出力電圧の電圧値を検知する出力電圧検知部と、入力電圧検知部および出力電圧検知部が検知した電圧値に基づいて、直流出力電圧の電圧値が目標電圧値となるようにチョッパ部の第１ないし第５のスイッチング素子をオン／オフ制御する制御部とを備え、第１入力端と第２入力端との間に第１および第２スイッチング素子からなる直列回路が接続され、第１および第２スイッチング素子からなる直列回路に対して出力側で第１入力端と第２入力端との間に第３および第４スイッチング素子からなる直列回路が接続され、第１および第２スイッチング素子との接続部位と第３および第４スイッチング素子との接続部位とがコイルにより接続され、第３および第４スイッチング素子との接続部位と第１出力端との間に第５スイッチング素子が接続され、コンデンサが第５スイッチング素子の出力側であって、第１出力端と第２出力端との間に接続され、制御部は、第１ないし第５スイッチング素子をオン／オフ制御して、チョッパ部に昇降圧チョッパ動作および反転昇降圧チョッパ動作のいずれかを選択的に実行させることで、交流入力電圧を目標電圧値を有する直流出力電圧に変換することを特徴としている。 In order to solve the above problems, an AC / DC converter according to the present invention provides:
An output terminal pair consisting of a first output terminal and a second output terminal by converting an AC input voltage inputted to an input terminal pair consisting of a first input terminal and a second input terminal into a DC output voltage having a desired target voltage value In the AC / DC conversion device for outputting from the AC, the chopper unit having the coil, the capacitor and the first to fifth switching elements, the input voltage detection unit for detecting the voltage value of the AC input voltage, and the voltage value of the DC output voltage are detected. And the first to fifth switching elements of the chopper unit so that the voltage value of the DC output voltage becomes the target voltage value based on the voltage value detected by the input voltage detection unit and the output voltage detection unit. And a control circuit for controlling on / off of the first and second switching elements. A series circuit including first and second switching elements is connected between the first input terminal and the second input terminal. A series circuit composed of third and fourth switching elements is connected between the first input terminal and the second input terminal on the output side with respect to the series circuit composed of the ching elements, and is connected to the first and second switching elements. The part and the connection part of the third and fourth switching elements are connected by a coil, the fifth switching element is connected between the connection part of the third and fourth switching elements and the first output terminal, and the capacitor Connected between the first output terminal and the second output terminal on the output side of the fifth switching element, the control unit controls on / off of the first to fifth switching elements and moves up and down to the chopper unit. The AC input voltage is converted into a DC output voltage having a target voltage value by selectively executing either the pressure chopper operation or the reverse buck-boost chopper operation.

この構成によれば、交流入力電圧の極性および目標電圧値の極性に基づいて制御されるチョッパ部が昇降圧チョッパ動作および反転昇降圧チョッパ動作のいずれかを選択的に実行することにより交流入力電圧が直接スイッチングされるので、ダイオードブリッジ回路を不要とすることができ、該回路による損失の発生を防ぐことができる。また、この構成によれば、２以上のチョッパ回路を直列接続する必要がないので、効率が悪化するのを防ぐことができる。   According to this configuration, the AC input voltage is obtained when the chopper controlled based on the polarity of the AC input voltage and the polarity of the target voltage value selectively executes either the step-up / step-down chopper operation or the reverse step-up / step-down chopper operation. Are directly switched, a diode bridge circuit can be dispensed with, and loss due to the circuit can be prevented. Further, according to this configuration, since it is not necessary to connect two or more chopper circuits in series, it is possible to prevent the efficiency from deteriorating.

ここで、制御部は、目標電圧値が正に設定された場合には、交流入力電圧が正の電圧値のときに昇降圧チョッパ動作を行わせ、交流入力電圧が負の電圧値のときに反転昇降圧チョッパ動作を行わせる一方、目標電圧値が負に設定された場合には、交流入力電圧が正の電圧値のときに反転昇降圧チョッパ動作を行わせ、交流入力電圧が負の電圧値のときに昇降圧チョッパ動作を行わせることを特徴とする。   Here, when the target voltage value is set to be positive, the control unit causes the buck-boost chopper operation to be performed when the AC input voltage is a positive voltage value, and when the AC input voltage is a negative voltage value. If the target voltage value is set to a negative value while the inverting buck-boost chopper operation is performed, the inverting buck-boost chopper operation is performed when the AC input voltage is a positive voltage value, and the AC input voltage is a negative voltage. The step-up / step-down chopper operation is performed when the value is a value.

より具体的には、昇降圧チョッパ動作においては、第３スイッチング素子がオフ状態とされ、かつ第１および第４スイッチング素子と第２および第５スイッチング素子とが交互にオン／オフ制御され、反転昇降圧チョッパ動作においては、第２スイッチング素子がオン状態、第１および第４スイッチング素子がオフ状態とされ、かつ第３スイッチング素子と第５スイッチング素子とが交互にオン／オフ制御される。   More specifically, in the step-up / step-down chopper operation, the third switching element is turned off, and the first and fourth switching elements and the second and fifth switching elements are alternately turned on / off and inverted. In the step-up / step-down chopper operation, the second switching element is turned on, the first and fourth switching elements are turned off, and the third switching element and the fifth switching element are alternately turned on / off.

上記ＡＣ／ＤＣ変換装置の制御部は、交流入力電圧の入力が開始されてから所定の時間が経過するまでの間および／または直流出力電圧の電圧値が所定の電圧値に到達するまでの間、昇降圧チョッパ動作において、第１および第４スイッチング素子のオン時間を短くすることにより、デューティを低く設定することが好ましい。   The control unit of the AC / DC converter is configured until a predetermined time elapses after input of an AC input voltage is started and / or until a voltage value of the DC output voltage reaches a predetermined voltage value. In the step-up / step-down chopper operation, it is preferable to set the duty low by shortening the ON time of the first and fourth switching elements.

この構成によれば、昇降圧チョッパ動作におけるデューティを変えるだけでソフトスタート機能を実現することができるので、突入防止回路を不要とすることができ、該回路による損失の発生を防ぐことができる。   According to this configuration, since the soft start function can be realized only by changing the duty in the step-up / step-down chopper operation, the inrush prevention circuit can be eliminated, and the occurrence of loss due to the circuit can be prevented.

また、上記ＡＣ／ＤＣ変換装置の制御部は、交流入力電圧の入力が開始されてから所定の時間が経過するまでの間および／または直流出力電圧の電圧値が所定の電圧値に到達するまでの間、反転昇降圧チョッパ動作において、第３スイッチング素子のオン時間を短くすることにより、デューティを低く設定してもよい。   Further, the control unit of the AC / DC conversion device may start the input of the AC input voltage until the predetermined time elapses and / or until the voltage value of the DC output voltage reaches the predetermined voltage value. Meanwhile, in the inverting step-up / down chopper operation, the duty may be set low by shortening the ON time of the third switching element.

この構成によっても、反転昇降圧チョッパ動作におけるデューティを変えるだけでソフトスタート機能を実現することができるので、突入防止回路を不要とすることができ、該回路による損失の発生を防ぐことができる。   Also with this configuration, the soft start function can be realized only by changing the duty in the inverting step-up / step-down chopper operation, so that the inrush prevention circuit can be made unnecessary and the occurrence of loss due to the circuit can be prevented.

本発明によれば、従来のものよりも効率に優れ、かつ直流出力電圧の目標電圧値を広い範囲で設定することができるＡＣ／ＤＣ変換装置を提供することができる。   ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the AC / DC converter which can set the target voltage value of DC output voltage in a wide range can be provided which is more efficient than the conventional one.

本発明に係るＡＣ／ＤＣ変換装置の概略構成図である。1 is a schematic configuration diagram of an AC / DC converter according to the present invention. 交流入力電圧の電圧値と目標電圧値が正の場合に行われる２つのチョッパ動作との対応関係を示す図である。It is a figure which shows the correspondence of two chopper operation | movement performed when the voltage value of alternating current input voltage and a target voltage value are positive. 交流入力電圧の電圧値と目標電圧値が負の場合に行われる２つのチョッパ動作との対応関係を示す図である。It is a figure which shows the correspondence of two chopper operation | movement performed when the voltage value of alternating current input voltage and a target voltage value are negative. 本発明に係るＡＣ／ＤＣ変換装置の等価回路図であって、（Ａ）は第１昇降圧チョッパ動作時、（Ｂ）は第１反転昇降圧チョッパ動作時の等価回路図である。It is an equivalent circuit diagram of the AC / DC converter according to the present invention, where (A) is an equivalent circuit diagram during a first buck-boost chopper operation, and (B) is an equivalent circuit diagram during a first inversion buck-boost chopper operation. 本発明に係るＡＣ／ＤＣ変換装置の等価回路図であって、（Ａ）は第２反転昇降圧チョッパ動作時、（Ｂ）は第２昇降圧チョッパ動作時の等価回路図である。4A and 4B are equivalent circuit diagrams of the AC / DC converter according to the present invention, where FIG. 5A is an equivalent circuit diagram during a second inversion buck-boost chopper operation, and FIG. 従来のＡＣ／ＤＣ変換装置の概略構成図である。It is a schematic block diagram of the conventional AC / DC converter. 従来のＡＣ／ＤＣ変換装置の概略構成図である。It is a schematic block diagram of the conventional AC / DC converter.

以下、添付図面を参照して、本発明に係るＡＣ／ＤＣ変換装置の好ましい実施形態について説明する。   Hereinafter, preferred embodiments of an AC / DC converter according to the present invention will be described with reference to the accompanying drawings.

図１は、本発明に係るＡＣ／ＤＣ変換装置１の概略構成図である。同図に示すように、ＡＣ／ＤＣ変換装置１は、対をなす第１入力端６ａおよび第２入力端６ｂから入力された交流入力電圧Ｖａｃを所望の目標電圧値を有する直流出力電圧Ｖｄｃに変換し、該直流出力電圧Ｖｄｃを対をなす第１出力端７ａおよび第２出力端７ｂから負荷ＲＬに出力するものであって、複数のスイッチング素子ＳＷ１〜ＳＷ５を有するチョッパ部２と、交流入力電圧Ｖａｃの電圧値を検知する入力電圧検知部３と、直流出力電圧Ｖｄｃの電圧値を検知する出力電圧検知部４と、入力電圧検知部３および出力電圧検知部４が検知した電圧値に基づいて、直流出力電圧Ｖｄｃの電圧値が目標電圧値となるようにチョッパ部２を制御する制御部５を備えている。   FIG. 1 is a schematic configuration diagram of an AC / DC converter 1 according to the present invention. As shown in the figure, the AC / DC converter 1 converts an AC input voltage Vac input from a pair of first input terminal 6a and second input terminal 6b into a DC output voltage Vdc having a desired target voltage value. The DC output voltage Vdc is converted and output to the load RL from the first output terminal 7a and the second output terminal 7b that make a pair, and the chopper unit 2 having a plurality of switching elements SW1 to SW5, and the AC input Based on the input voltage detector 3 that detects the voltage value of the voltage Vac, the output voltage detector 4 that detects the voltage value of the DC output voltage Vdc, and the voltage values detected by the input voltage detector 3 and the output voltage detector 4. The control unit 5 is provided for controlling the chopper unit 2 so that the voltage value of the DC output voltage Vdc becomes the target voltage value.

チョッパ部２は、第１入力端６ａにそれぞれ一端が接続された第１スイッチング素子ＳＷ１および第３スイッチング素子ＳＷ３と、第１スイッチング素子ＳＷ１の他端にそれぞれ一端が接続された第２スイッチング素子ＳＷ２およびコイルＬと、第３スイッチング素子ＳＷ３およびコイルＬの他端にそれぞれ一端が接続された第４スイッチング素子ＳＷ４および第５スイッチング素子ＳＷ５と、第５スイッチング素子ＳＷ５の他端に一端が接続されたコンデンサＣｏとを有する。また、第２スイッチング素子ＳＷ２、第４スイッチング素子ＳＷ４およびコンデンサＣｏの他端はそれぞれ第２入力端６ｂおよび第２出力端７ｂに接続され、第５スイッチング素子ＳＷ５の他端は第１出力端７ａに接続されている。各スイッチング素子ＳＷ１〜ＳＷ５は、制御部５によりＯＮ／ＯＦＦ制御される。   The chopper unit 2 includes a first switching element SW1 and a third switching element SW3 each having one end connected to the first input terminal 6a, and a second switching element SW2 having one end connected to the other end of the first switching element SW1. And the coil L, the third switching element SW3 and the fourth switching element SW4 and one end connected to the other end of the coil L, respectively, and the other end of the fifth switching element SW5 and one end connected to the other end of the fifth switching element SW5. And a capacitor Co. The other ends of the second switching element SW2, the fourth switching element SW4, and the capacitor Co are connected to the second input end 6b and the second output end 7b, respectively, and the other end of the fifth switching element SW5 is the first output end 7a. It is connected to the. Each switching element SW <b> 1 to SW <b> 5 is ON / OFF controlled by the control unit 5.

なお、チョッパ部２は、第１入力端６ａおよび第２入力端６ｂに接続されたコンデンサＣｉも備えているが、該コンデンサＣｉはコンデンサＣｏに比べて容量が非常に小さく、チョッパ部２の動作にはほとんど影響を与えないので、以下では、説明を簡単化するためにコンデンサＣｉを無視する。   The chopper unit 2 also includes a capacitor Ci connected to the first input terminal 6a and the second input terminal 6b, but the capacitor Ci has a very small capacity compared to the capacitor Co, and the operation of the chopper unit 2 Is ignored in the following, in order to simplify the explanation, the capacitor Ci is ignored.

図２、図３に示すように、本発明では、交流入力電圧Ｖａｃの電圧値と目標電圧値Ｖｔ（負荷ＲＬに出力すべき直流出力電圧Ｖｄｃの電圧値）とに応じて制御部５が各スイッチング素子ＳＷ１〜ＳＷ５の制御を変更する。言い換えると、本発明では、交流入力電圧Ｖａｃの電圧値および目標電圧値Ｖｔに応じてチョッパ部２のチョッパ動作が変更される。   As shown in FIG. 2 and FIG. 3, in the present invention, the control unit 5 performs each control according to the voltage value of the AC input voltage Vac and the target voltage value Vt (the voltage value of the DC output voltage Vdc to be output to the load RL). The control of the switching elements SW1 to SW5 is changed. In other words, in the present invention, the chopper operation of the chopper unit 2 is changed according to the voltage value of the AC input voltage Vac and the target voltage value Vt.

具体的には、本発明に係るＡＣ／ＤＣ変換装置１のチョッパ部２は、（１）交流入力電圧Ｖａｃの電圧値（第２入力端６ｂを基準とした場合の第１入力端６ａの電位）が正であり、かつ目標電圧値Ｖｔ（第２出力端７ｂを基準とした場合の第１出力端７ａの目標電位）が正の場合は第１昇降圧チョッパ動作を行い、（２）交流入力電圧Ｖａｃの電圧値が負であり、かつ目標電圧値Ｖｔが正の場合は第１反転昇降圧チョッパ動作を行い、（３）交流入力電圧Ｖａｃの電圧値が正であり、かつ目標電圧値Ｖｔが負の場合は第２反転昇降圧チョッパ動作を行い、（４）交流入力電圧Ｖａｃの電圧値が負であり、かつ目標電圧値Ｖｔが負の場合は第２昇降圧チョッパ動作を行う。これらの動作により、直流出力電圧Ｖｄｃの電圧値は、目標電圧値Ｖｔに維持（安定化）される。なお、図２、図３は、上記の制御により直流出力電圧Ｖｄｃの電圧値が目標電圧値Ｖｔとなった状態を示している。   Specifically, the chopper unit 2 of the AC / DC converter 1 according to the present invention (1) voltage value of the AC input voltage Vac (the potential of the first input terminal 6a when the second input terminal 6b is used as a reference). ) Is positive and the target voltage value Vt (target potential of the first output terminal 7a when the second output terminal 7b is used as a reference) is positive, the first step-up / step-down chopper operation is performed, and (2) AC When the voltage value of the input voltage Vac is negative and the target voltage value Vt is positive, the first inversion buck-boost chopper operation is performed. (3) The voltage value of the AC input voltage Vac is positive and the target voltage value When Vt is negative, the second inversion buck-boost chopper operation is performed. (4) When the voltage value of the AC input voltage Vac is negative and the target voltage value Vt is negative, the second buck-boost chopper operation is performed. With these operations, the voltage value of the DC output voltage Vdc is maintained (stabilized) at the target voltage value Vt. 2 and 3 show a state where the voltage value of the DC output voltage Vdc becomes the target voltage value Vt by the above control.

チョッパ部２の４つのチョッパ動作のうち、まず、第１昇降圧チョッパ動作について説明する。本動作においては、第３スイッチング素子ＳＷ３が常にＯＦＦ状態とされる。したがって、本動作中のＡＣ／ＤＣ変換装置１は、図４（Ａ）に示す簡素な等価回路で表現される。   Of the four chopper operations of the chopper unit 2, the first step-up / step-down chopper operation will be described first. In this operation, the third switching element SW3 is always turned off. Therefore, the AC / DC converter 1 during this operation is expressed by a simple equivalent circuit shown in FIG.

また、本動作においては、第１スイッチング素子ＳＷ１および第４スイッチング素子ＳＷ４と第２スイッチング素子ＳＷ２および第５スイッチング素子ＳＷ５とが交互にＯＮ／ＯＦＦ制御される。すなわち、第１スイッチング素子ＳＷ１および第４スイッチング素子ＳＷ４がＯＮ状態からＯＦＦ状態に切り替わると、同期的に第２スイッチング素子ＳＷ２および第５スイッチング素子ＳＷ５がＯＦＦ状態からＯＮ状態に切り替わる。第１スイッチング素子ＳＷ１および第４スイッチング素子ＳＷ４がＯＮ状態とされると、コイルＬにエネルギーが蓄えられる。また、第２スイッチング素子ＳＷ２および第５スイッチング素子ＳＷ５がＯＮ状態とされると、コイルＬに蓄えられていたエネルギーが放出される。   In this operation, the first switching element SW1 and the fourth switching element SW4, the second switching element SW2 and the fifth switching element SW5 are alternately turned on and off. That is, when the first switching element SW1 and the fourth switching element SW4 are switched from the ON state to the OFF state, the second switching element SW2 and the fifth switching element SW5 are synchronously switched from the OFF state to the ON state. When the first switching element SW1 and the fourth switching element SW4 are turned on, energy is stored in the coil L. Further, when the second switching element SW2 and the fifth switching element SW5 are turned on, the energy stored in the coil L is released.

１スイッチング周期Ｔにおける第１スイッチング素子ＳＷ１および第４スイッチング素子ＳＷ４のＯＮ時間をＴｏｎとすると、第１スイッチング素子ＳＷ１および第４スイッチング素子ＳＷ４のデューティα（＝Ｔｏｎ／Ｔ）は次式で求めることができる。

デューティα＝Ｖｄｃの電圧値／（Ｖｄｃの電圧値＋Ｖａｃの電圧値）
When the ON time of the first switching element SW1 and the fourth switching element SW4 in one switching cycle T is Ton, the duty α (= Ton / T) of the first switching element SW1 and the fourth switching element SW4 is obtained by the following equation. Can do.

Duty α = Vdc voltage value / (Vdc voltage value + Vac voltage value)

第１昇降圧チョッパ動作によれば、交流入力電圧Ｖａｃを昇降圧することにより電圧値が目標電圧値Ｖｔである直流出力電圧Ｖｄｃを得、該直流出力電圧Ｖｄｃを負荷ＲＬに供給することができる（ただし、交流入力電圧Ｖａｃの電圧値＞０、目標電圧値Ｖｔ＞０、直流出力電圧Ｖｄｃ＞０）。   According to the first step-up / step-down chopper operation, the direct-current output voltage Vdc whose voltage value is the target voltage value Vt can be obtained by stepping up / down the alternating-current input voltage Vac, and the direct-current output voltage Vdc can be supplied to the load RL ( However, the voltage value of the AC input voltage Vac> 0, the target voltage value Vt> 0, and the DC output voltage Vdc> 0).

第１反転昇降圧チョッパ動作においては、第２スイッチング素子ＳＷ２が常にＯＮ状態とされ、第１スイッチング素子ＳＷ１および第４スイッチング素子ＳＷ４が常にＯＦＦ状態とされる。したがって、本動作中のＡＣ／ＤＣ変換装置１は、図４（Ｂ）に示す簡素な等価回路で表現される。   In the first inversion step-up / step-down chopper operation, the second switching element SW2 is always turned on, and the first switching element SW1 and the fourth switching element SW4 are always turned off. Therefore, the AC / DC conversion device 1 during this operation is expressed by a simple equivalent circuit shown in FIG.

また、本動作においては、第３スイッチング素子ＳＷ３と第５スイッチング素子ＳＷ５とが交互にＯＮ／ＯＦＦ制御される。すなわち、第３スイッチング素子ＳＷ３がＯＮ状態からＯＦＦ状態に切り替わると、同期的に第５スイッチング素子ＳＷ５がＯＦＦ状態からＯＮ状態に切り替わる。第３スイッチング素子ＳＷ３がＯＮ状態とされると、コイルＬにエネルギーが蓄えられる。また、第５スイッチング素子ＳＷ５がＯＮ状態とされると、コイルＬに蓄えられていたエネルギーが放出される。   In this operation, the third switching element SW3 and the fifth switching element SW5 are alternately turned ON / OFF. That is, when the third switching element SW3 is switched from the ON state to the OFF state, the fifth switching element SW5 is synchronously switched from the OFF state to the ON state. When the third switching element SW3 is turned on, energy is stored in the coil L. Further, when the fifth switching element SW5 is turned on, the energy stored in the coil L is released.

１スイッチング周期Ｔにおける第３スイッチング素子ＳＷ３のＯＮ時間をＴｏｎとすると、第３スイッチング素子ＳＷ３のデューティα（＝Ｔｏｎ／Ｔ）は次式で求めることができる。

デューティα＝Ｖｄｃの電圧値／（Ｖｄｃの電圧値−Ｖａｃの電圧値）
When the ON time of the third switching element SW3 in one switching cycle T is Ton, the duty α (= Ton / T) of the third switching element SW3 can be obtained by the following equation.

Duty α = Vdc voltage value / (Vdc voltage value−Vac voltage value)

第１反転昇降圧チョッパ動作によれば、交流入力電圧Ｖａｃを反転および昇降圧することにより電圧値が目標電圧値Ｖｔである直流出力電圧Ｖｄｃを得、該直流出力電圧Ｖｄｃを負荷ＲＬに供給することができる（ただし、交流入力電圧Ｖａｃの電圧値＜０、目標電圧値Ｖｔ＞０、直流出力電圧Ｖｄｃ＞０）。   According to the first inversion step-up / down chopper operation, the DC input voltage Vac having the target voltage value Vt is obtained by inverting and stepping up / down the AC input voltage Vac, and the DC output voltage Vdc is supplied to the load RL. (However, the voltage value <0 of the AC input voltage Vac, the target voltage value Vt> 0, and the DC output voltage Vdc> 0).

第２反転昇降圧チョッパ動作においては、第２スイッチング素子ＳＷ２が常にＯＮ状態とされ、第１スイッチング素子ＳＷ１および第４スイッチング素子ＳＷ４が常にＯＦＦ状態とされる。したがって、本動作中のＡＣ／ＤＣ変換装置１は、図５（Ａ）に示す簡素な等価回路で表現される。同図に示す等価回路は、直流出力電圧Ｖｄｃ（目標電圧値Ｖｔ）の極性が正負反転している以外の点において図４（Ｂ）に示す等価回路と共通している。   In the second inversion step-up / step-down chopper operation, the second switching element SW2 is always turned on, and the first switching element SW1 and the fourth switching element SW4 are always turned off. Therefore, the AC / DC conversion device 1 during this operation is expressed by a simple equivalent circuit shown in FIG. The equivalent circuit shown in FIG. 4 is common to the equivalent circuit shown in FIG. 4B except that the polarity of the DC output voltage Vdc (target voltage value Vt) is inverted between positive and negative.

また、本動作においては、第３スイッチング素子ＳＷ３と第５スイッチング素子ＳＷ５とが交互にＯＮ／ＯＦＦ制御される。すなわち、第３スイッチング素子ＳＷ３がＯＮ状態からＯＦＦ状態に切り替わると、同期的に第５スイッチング素子ＳＷ５がＯＦＦ状態からＯＮ状態に切り替わる。第３スイッチング素子ＳＷ３がＯＮ状態とされると、コイルＬにエネルギーが蓄えられる。また、第５スイッチング素子ＳＷ５がＯＮ状態とされると、コイルＬに蓄えられていたエネルギーが放出される。   In this operation, the third switching element SW3 and the fifth switching element SW5 are alternately turned ON / OFF. That is, when the third switching element SW3 is switched from the ON state to the OFF state, the fifth switching element SW5 is synchronously switched from the OFF state to the ON state. When the third switching element SW3 is turned on, energy is stored in the coil L. Further, when the fifth switching element SW5 is turned on, the energy stored in the coil L is released.

１スイッチング周期Ｔにおける第３スイッチング素子ＳＷ３のＯＮ時間をＴｏｎとすると、第３スイッチング素子ＳＷ３のデューティα（＝Ｔｏｎ／Ｔ）は次式で求めることができる。

デューティα＝Ｖｄｃの電圧値／（Ｖｄｃの電圧値−Ｖａｃの電圧値）
When the ON time of the third switching element SW3 in one switching cycle T is Ton, the duty α (= Ton / T) of the third switching element SW3 can be obtained by the following equation.

Duty α = Vdc voltage value / (Vdc voltage value−Vac voltage value)

第２反転昇降圧チョッパ動作によれば、交流入力電圧Ｖａｃを反転および昇降圧することにより電圧値が目標電圧値Ｖｔである直流出力電圧Ｖｄｃを得、該直流出力電圧Ｖｄｃを負荷ＲＬに供給することができる（ただし、交流入力電圧Ｖａｃの電圧値＞０、目標電圧値Ｖｔ＜０、直流出力電圧Ｖｄｃ＜０）。   According to the second inversion step-up / step-down chopper operation, the DC input voltage Vac having the target voltage value Vt is obtained by inverting and stepping up / down the AC input voltage Vac, and the DC output voltage Vdc is supplied to the load RL. (However, the voltage value of the AC input voltage Vac> 0, the target voltage value Vt <0, and the DC output voltage Vdc <0).

第２昇降圧チョッパ動作においては、第３スイッチング素子ＳＷ３が常にＯＦＦ状態とされる。したがって、本動作中のＡＣ／ＤＣ変換装置１は、図５（Ｂ）に示す簡素な等価回路で表現される。同図に示す等価回路は、直流出力電圧Ｖｄｃ（目標電圧値Ｖｔ）の極性が正負反転している以外の点において図４（Ａ）に示す等価回路と共通している。   In the second step-up / step-down chopper operation, the third switching element SW3 is always turned off. Therefore, the AC / DC converter 1 during this operation is expressed by a simple equivalent circuit shown in FIG. The equivalent circuit shown in the figure is common to the equivalent circuit shown in FIG. 4A except that the polarity of the DC output voltage Vdc (target voltage value Vt) is inverted between positive and negative.

また、本動作においては、第１スイッチング素子ＳＷ１および第４スイッチング素子ＳＷ４と第２スイッチング素子ＳＷ２および第５スイッチング素子ＳＷ５とが交互にＯＮ／ＯＦＦ制御される。すなわち、第１スイッチング素子ＳＷ１および第４スイッチング素子ＳＷ４がＯＮ状態からＯＦＦ状態に切り替わると、同期的に第２スイッチング素子ＳＷ２および第５スイッチング素子ＳＷ５がＯＦＦ状態からＯＮ状態に切り替わる。第１スイッチング素子ＳＷ１および第４スイッチング素子ＳＷ４がＯＮ状態とされると、コイルＬにエネルギーが蓄えられる。また、第２スイッチング素子ＳＷ２および第５スイッチング素子ＳＷ５がＯＮ状態とされると、コイルＬに蓄えられていたエネルギーが放出される。   In this operation, the first switching element SW1 and the fourth switching element SW4, the second switching element SW2 and the fifth switching element SW5 are alternately turned on and off. That is, when the first switching element SW1 and the fourth switching element SW4 are switched from the ON state to the OFF state, the second switching element SW2 and the fifth switching element SW5 are synchronously switched from the OFF state to the ON state. When the first switching element SW1 and the fourth switching element SW4 are turned on, energy is stored in the coil L. Further, when the second switching element SW2 and the fifth switching element SW5 are turned on, the energy stored in the coil L is released.

１スイッチング周期Ｔにおける第１スイッチング素子ＳＷ１および第４スイッチング素子ＳＷ４のＯＮ時間をＴｏｎとすると、第１スイッチング素子ＳＷ１および第４スイッチング素子ＳＷ４のデューティα（＝Ｔｏｎ／Ｔ）は次式で求めることができる。

デューティα＝Ｖｄｃの電圧値／（Ｖｄｃの電圧値＋Ｖａｃの電圧値）
When the ON time of the first switching element SW1 and the fourth switching element SW4 in one switching cycle T is Ton, the duty α (= Ton / T) of the first switching element SW1 and the fourth switching element SW4 is obtained by the following equation. Can do.

Duty α = Vdc voltage value / (Vdc voltage value + Vac voltage value)

第２昇降圧チョッパ動作によれば、交流入力電圧Ｖａｃを昇降圧することにより電圧値が目標電圧値Ｖｔである直流出力電圧Ｖｄｃを得、該直流出力電圧Ｖｄｃを負荷ＲＬに供給することができる（ただし、交流入力電圧Ｖａｃの電圧値＜０、目標電圧値Ｖｔ＜０、直流出力電圧Ｖｄｃ＜０）。   According to the second step-up / step-down chopper operation, the direct-current output voltage Vdc whose voltage value is the target voltage value Vt can be obtained by stepping up / down the alternating-current input voltage Vac, and the direct-current output voltage Vdc can be supplied to the load RL ( However, the voltage value <0 of the AC input voltage Vac, the target voltage value Vt <0, and the DC output voltage Vdc <0).

以上のように、本発明に係るＡＣ／ＤＣ変換装置１では、制御部５がチョッパ部２のチョッパ動作を（１）第１昇降圧チョッパ動作、（２）第１反転昇降圧チョッパ動作、（３）第２反転昇降圧チョッパ動作、および（４）第２昇降圧チョッパ動作に切り替える。また、各チョッパ動作においては、チョッパ部２が交流入力電圧Ｖａｃを直接スイッチングする。したがって、本発明に係るＡＣ／ＤＣ変換装置１によれば、ダイオードブリッジ回路（図６の符号１１、図７の符号２３）を不要とすることができるので、該回路による損失の発生を防ぐことができ、効率を改善することができる。   As described above, in the AC / DC converter 1 according to the present invention, the control unit 5 performs the chopper operation of the chopper unit 2 as (1) first step-up / step-down chopper operation, (2) first inversion step-up / step-down chopper operation, ( 3) Switch to the second reverse buck-boost chopper operation and (4) the second buck-boost chopper operation. In each chopper operation, the chopper unit 2 switches the AC input voltage Vac directly. Therefore, according to the AC / DC conversion apparatus 1 according to the present invention, the diode bridge circuit (reference numeral 11 in FIG. 6 and reference numeral 23 in FIG. 7) can be eliminated, so that the generation of loss due to the circuit can be prevented. Can improve efficiency.

また、図１、図４および図５から明らかなように、本発明に係るＡＣ／ＤＣ変換装置１は、２つ以上のチョッパ回路を直列接続した構成とはなっていない。したがって、本発明に係るＡＣ／ＤＣ変換装置１によれば、２つ以上のチョッパ回路のそれぞれが効率を悪化させることによる装置全体の効率の悪化を防ぐことができる。   Further, as is apparent from FIGS. 1, 4 and 5, the AC / DC converter 1 according to the present invention does not have a configuration in which two or more chopper circuits are connected in series. Therefore, according to the AC / DC conversion apparatus 1 according to the present invention, it is possible to prevent the deterioration of the efficiency of the entire apparatus due to the deterioration of the efficiency of each of the two or more chopper circuits.

なお、本発明に係るＡＣ／ＤＣ変換装置は上記構成に限定されるものではなく、種々の変形例が考えられる。   The AC / DC converter according to the present invention is not limited to the above-described configuration, and various modifications can be considered.

例えば、効率をさらに改善するためには、交流入力電圧Ｖａｃの入力が開始されてから所定の時間が経過するまでの間および／または直流出力電圧Ｖｄｃの電圧値が所定の電圧値（例えば、目標電圧値Ｖｔの約９５％）に到達するまでの間、各チョッパ動作におけるデューティを通常時とは異なったデューティとすることが好ましい。これによれば、突入防止回路（図７の符号２２）がなくても突入電流の量を制限することができるので、該回路による損失の発生を防ぐことができる。   For example, in order to further improve the efficiency, the voltage value of the DC output voltage Vdc is set to a predetermined voltage value (for example, a target value) until a predetermined time elapses after the input of the AC input voltage Vac is started. It is preferable to set the duty in each chopper operation to a duty different from the normal time until the voltage value reaches about 95% of the voltage value Vt). According to this, since the amount of inrush current can be limited without the inrush prevention circuit (reference numeral 22 in FIG. 7), it is possible to prevent the occurrence of loss due to the circuit.

より詳しくは、第１昇降圧チョッパ動作および第２昇降圧チョッパ動作においては、第２スイッチング素子ＳＷ２および第５スイッチング素子ＳＷ５がＯＮ状態に切り替えられたときに、コイルＬに蓄積されていたエネルギーが第５スイッチング素子ＳＷ５を通じてコンデンサＣｏに供給される。したがって、通常時よりもデューディα（＝Ｔｏｎ／Ｔ）を低めに設定して第１スイッチング素子ＳＷ１および第４スイッチング素子ＳＷ４のＯＮ時間Ｔｏｎを短くし、コイルＬに蓄積されるエネルギーを減らすことで、突入電流の量を制限することができる。   More specifically, in the first buck-boost chopper operation and the second buck-boost chopper operation, when the second switching element SW2 and the fifth switching element SW5 are switched to the ON state, the energy accumulated in the coil L is The voltage is supplied to the capacitor Co through the fifth switching element SW5. Therefore, the duty time (= Ton / T) is set lower than normal so that the ON time Ton of the first switching element SW1 and the fourth switching element SW4 is shortened, and the energy accumulated in the coil L is reduced. The amount of inrush current can be limited.

また、第１反転昇降圧チョッパ動作および第２反転昇降圧チョッパ動作においては、第５スイッチング素子ＳＷ５がＯＮ状態に切り替えられたときに、コイルＬに蓄積されていたエネルギーが第５スイッチング素子ＳＷ５を通じてコンデンサＣｏに供給される。したがって、通常時よりもデューディα（＝Ｔｏｎ／Ｔ）を低めに設定して第３スイッチング素子ＳＷ３のＯＮ時間Ｔｏｎを短くし、コイルＬに蓄積されるエネルギーを減らすことで、突入電流の量を制限することができる。   In the first inversion buck-boost chopper operation and the second inversion buck-boost chopper operation, when the fifth switching element SW5 is switched to the ON state, the energy accumulated in the coil L passes through the fifth switching element SW5. It is supplied to the capacitor Co. Accordingly, the amount of inrush current can be reduced by setting the duty [alpha] (= Ton / T) lower than usual to shorten the ON time Ton of the third switching element SW3 and reducing the energy accumulated in the coil L. Can be limited.

また、別の変形例として、入力電流検出回路を設けることにより、制御部５は、力率改善および高調波対策のために、入力電流波形を正弦波に近づけるような各スイッチング素子ＳＷ１〜ＳＷ５の制御を追加的に行ってもよい。   As another modified example, by providing an input current detection circuit, the control unit 5 allows each of the switching elements SW1 to SW5 to bring the input current waveform closer to a sine wave for power factor improvement and harmonic countermeasures. Control may be additionally performed.

１ ＡＣ／ＤＣ変換装置
２ チョッパ部
３ 入力電圧検知部
４ 出力電圧検知部
５ 制御部 DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 AC / DC converter 2 Chopper part 3 Input voltage detection part 4 Output voltage detection part 5 Control part

Claims (5)

第１入力端および第２入力端からなる入力端子対に入力される交流入力電圧を所望の目標電圧値を有する直流出力電圧に変換して第１出力端および第２出力端からなる出力端子対から出力させるＡＣ／ＤＣ変換装置において、
コイル、コンデンサおよび第１ないし第５スイッチング素子を有するチョッパ部と、
前記交流入力電圧の電圧値を検知する入力電圧検知部と、
前記直流出力電圧の電圧値を検知する出力電圧検知部と、
前記入力電圧検知部および前記出力電圧検知部が検知した電圧値に基づいて、前記直流出力電圧の電圧値が前記目標電圧値となるように前記チョッパ部の前記第１ないし第５のスイッチング素子をオン／オフ制御する制御部と
を備え、
前記第１入力端と第２入力端との間に前記第１および第２スイッチング素子からなる直列回路が接続され、
前記第１および第２スイッチング素子からなる直列回路に対して出力側で前記第１入力端と第２入力端との間に前記第３および第４スイッチング素子からなる直列回路が接続され、
前記第１および第２スイッチング素子との接続部位と前記第３および第４スイッチング素子との接続部位とが前記コイルにより接続され、
前記第３および第４スイッチング素子との接続部位と前記第１出力端との間に前記第５スイッチング素子が接続され、
前記コンデンサが前記第５スイッチング素子の出力側であって、前記第１出力端と前記第２出力端との間に接続され、
前記制御部は、前記第１ないし第５スイッチング素子をオン／オフ制御して、前記チョッパ部に昇降圧チョッパ動作および反転昇降圧チョッパ動作のいずれかを選択的に実行させることで、前記交流入力電圧を前記目標電圧値を有する直流出力電圧に変換することを特徴とするＡＣ／ＤＣ変換装置。 An output terminal pair consisting of a first output terminal and a second output terminal by converting an AC input voltage inputted to an input terminal pair consisting of a first input terminal and a second input terminal into a DC output voltage having a desired target voltage value In the AC / DC converter for outputting from
A chopper portion having a coil, a capacitor, and first to fifth switching elements;
An input voltage detector for detecting a voltage value of the AC input voltage;
An output voltage detector for detecting a voltage value of the DC output voltage;
Based on the voltage values detected by the input voltage detector and the output voltage detector, the first to fifth switching elements of the chopper unit are set so that the voltage value of the DC output voltage becomes the target voltage value. A control unit for on / off control,
A series circuit composed of the first and second switching elements is connected between the first input terminal and the second input terminal,
A series circuit composed of the third and fourth switching elements is connected between the first input terminal and the second input terminal on the output side with respect to the series circuit composed of the first and second switching elements;
The connection part of the first and second switching elements and the connection part of the third and fourth switching elements are connected by the coil,
The fifth switching element is connected between the connection portion of the third and fourth switching elements and the first output end,
The capacitor is on the output side of the fifth switching element and is connected between the first output end and the second output end;
The control unit performs on / off control of the first to fifth switching elements, and causes the chopper unit to selectively execute either a step-up / step-down chopper operation or a reverse step-up / step-down chopper operation, whereby the AC input is performed. An AC / DC converter characterized by converting a voltage into a DC output voltage having the target voltage value. 前記制御部は、
前記目標電圧値が正に設定された場合には、前記交流入力電圧が正の電圧値のときに昇降圧チョッパ動作を行わせ、前記交流入力電圧が負の電圧値のときに反転昇降圧チョッパ動作を行わせる一方、
前記目標電圧値が負に設定された場合には、前記交流入力電圧が正の電圧値のときに反転昇降圧チョッパ動作を行わせ、前記交流入力電圧が負の電圧値のときに昇降圧チョッパ動作を行わせることを特徴とする請求項１に記載のＡＣ／ＤＣ変換装置。 The controller is
When the target voltage value is set to be positive, a step-up / step-down chopper operation is performed when the AC input voltage is a positive voltage value, and an inverting step-up / step-down chopper is performed when the AC input voltage is a negative voltage value. While doing the action,
When the target voltage value is set to be negative, an inversion buck-boost chopper operation is performed when the AC input voltage is a positive voltage value, and a buck-boost chopper when the AC input voltage is a negative voltage value. 2. The AC / DC conversion apparatus according to claim 1, wherein the operation is performed. 前記昇降圧チョッパ動作においては、前記第３スイッチング素子がオフ状態とされ、かつ前記第１および第４スイッチング素子と前記第２および第５スイッチング素子とが交互にオン／オフ制御され、
前記反転昇降圧チョッパ動作においては、前記第２スイッチング素子がオン状態、前記第１および第４スイッチング素子がオフ状態とされ、かつ前記第３スイッチング素子と前記第５スイッチング素子とが交互にオン／オフ制御されることを特徴とする請求項２に記載のＡＣ／ＤＣ変換装置。 In the step-up / step-down chopper operation, the third switching element is turned off, and the first and fourth switching elements and the second and fifth switching elements are alternately turned on / off,
In the inverting buck-boost chopper operation, the second switching element is turned on, the first and fourth switching elements are turned off, and the third switching element and the fifth switching element are alternately turned on / off. The AC / DC conversion apparatus according to claim 2, wherein the AC / DC conversion apparatus is off-controlled. 前記交流入力電圧の入力が開始されてから所定の時間が経過するまでの間および／または前記直流出力電圧の電圧値が所定の電圧値に到達するまでの間、前記制御部は、前記昇降圧チョッパ動作において、前記第１および第４スイッチング素子のオン時間を短くすることにより、デューティを低く設定することを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載のＡＣ／ＤＣ変換装置。   Until the predetermined time elapses after the input of the AC input voltage is started and / or until the voltage value of the DC output voltage reaches a predetermined voltage value, the controller 4. The AC / DC converter according to claim 1, wherein in the chopper operation, the duty is set to be low by shortening the ON time of the first and fourth switching elements. 5. 前記交流入力電圧の入力が開始されてから所定の時間が経過するまでの間および／または前記直流出力電圧の電圧値が所定の電圧値に到達するまでの間、前記制御部は、前記反転昇降圧チョッパ動作において、前記第３スイッチング素子のオン時間を短くすることにより、デューティを低く設定することを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載のＡＣ／ＤＣ変換装置。   Until the predetermined time elapses after the input of the AC input voltage is started and / or until the voltage value of the DC output voltage reaches a predetermined voltage value, the control unit 4. The AC / DC converter according to claim 1, wherein, in the pressure chopper operation, the duty is set to be low by shortening the ON time of the third switching element. 5.
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