JP5834247B2

JP5834247B2 - 整流回路装置

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Publication number: JP5834247B2
Application number: JP2012524448A
Authority: JP
Inventors: 吉田　泉; 泉吉田; 吉朗土山; 京極　章弘; 章弘京極; 川崎　智広; 智広川崎
Original assignee: Panasonic Intellectual Property Management Co Ltd
Current assignee: Panasonic Intellectual Property Management Co Ltd
Priority date: 2010-07-12
Filing date: 2011-07-11
Publication date: 2015-12-16
Anticipated expiration: 2031-07-11
Also published as: EP2595298A1; EP2595298A4; CN102959848B; EP2595298B1; WO2012008139A1; ES2687827T3; CN102959848A; JPWO2012008139A1

Description

本発明は、家庭などの単相交流電源を整流して略直流の電源を形成し、形成された直流電源により直流負荷を駆動する装置や、得られた直流をインバータ回路により、再度、任意周波数の交流に変換して、電動機を可変速度駆動する装置、例えば、圧縮機により冷媒を圧縮することによりヒートポンプを構成し、冷房、暖房、あるいは食品などの冷凍を行う装置に適用される整流回路装置に関する。そのような各種装置における電源電流に含まれる高調波成分の低減や、力率を改善することにより、送電系統の負担を軽減させることができる高効率な整流回路装置の駆動制御に関するものである。

従来、この種の整流回路装置は、例えば図１０に示すように、交流電源１を整流ブリッジ２とリアクタ３ａを介してオン状態の半導体スイッチ３ｃにより短絡して、リアクタ３ａに電流を充電し、半導体スイッチ３ｃがオフ状態になったときに、リアクタ３ａからダイオード３ｂを介して負荷４に電流を流すことにより、交流電源１の瞬時電圧が低い期間にも電源電流が流れるように構成されている。このように構成することにより、電源電流の高調波成分が少なくなり、力率が改善する。ところが、半導体スイッチ３ｃをオンオフ（以下チョッピング）させて、チョッピングする半導体スイッチ３ｃに電流が流れるため、回路の損失が発生する。このような回路の損失という課題を解決するため、半導体スイッチ３ｃを常にチョッピングさせるのではなく、交流位相の特定の期間だけチョッピングさせ、残りの期間は休止させる方法が提案されている（例えば、特許文献１参照）。

図１０は、特許文献１に記載された従来のアクティブ整流回路装置を示すものである。この整流回路装置は、交流電源１を整流ブリッジ２で整流して、脈動を含む直流に変換した後、リアクタ３ａおよびダイオード３ｂを介して、平滑コンデンサ３ｄおよび負荷４に電力を供給する。さらに、図１０に示した従来のアクティブ整流回路装置は、リアクタ３ａを介して、整流ブリッジ２の出力を半導体スイッチ３ｃにより短絡可能に構成した昇圧チョッパ回路３による力率改善機能つきの整流回路装置である。昇圧チョッパ回路３の制御は、検出手段６および入力電流検出部１０で入力電流を検出し、入力電流が入力電圧検出部１１で検出した入力電圧波形（電源電圧波形）と同じ形になるように半導体スイッチ３ｃをチョッピングするものであり、かつ、出力電圧が所望の電圧になるように、入力電流の大きさを調整するものである。

特に、特許文献１では、半導体スイッチを高調波が少なくなるための最低限の区間のみチョッピングすることにより、回路の損失を低減させる工夫を提案している。図１１はそのための制御方法を示す制御ブロック図である。電源ゼロクロス検出手段５により、電源電圧の位相を検出し、パルスカウンタ１３ａにより一定の期間のみ、図１０の半導体スイッチ３ｃのチョッピングを許可し、それ以外の期間では、半導体スイッチ３ｃがオフ状態となるよう制御されている。この制御方法により、電源高調波を殆ど増加させることなく、かつ低損失な整流回路装置の実現を図るものである。

また、特許文献１の制御方法では電源電圧の波形が必要であるが、電源電圧の波形を使用せず、予め決めた波形で同様の動作を実現する方法も提案されている（例えば、特許文献２参照）。さらに、目標となる電流波形を有せずに同様の効果を狙う簡便な制御方法も提案されている（例えば、特許文献３参照）。

特開２００５−２５３２８４号公報特開２００７−１２９８４９号公報特開２０００−２２４８５８号公報

しかしながら、前記の従来の整流回路装置の構成では、負荷が決まっている条件では、出力電圧が一定になるように制御され、また、半導体スイッチをチョッピングする期間も固定されている。このため、出力電圧の検出手段において誤差を有すると、電流波形が変化してしまう。例えば、実効値２００Ｖの交流を整流して約２８０Ｖの直流を得る場合に、直流電圧が１Ｖ変化するだけで電流波形が大きく変化する。２８０Ｖの直流電圧に対して１Ｖの精度は、約０．３％に相当し、電圧検出において抵抗で電圧を分圧して低い電圧に加工する場合に、非常に高い精度の抵抗が必要になってしまう。このため、出力電圧の検出精度を考慮して、変化した電流波形でも高調波が少なくなるように、チョッピングする期間を長めに設定する必要があり、回路の損失が増加するという課題を有している。

また、このような従来の整流回路装置では、出力電圧が低いほど損失が少なくなるが、電源電圧の瞬時値よりも低い電圧に出力電圧を設定しようとした場合、半導体スイッチをチョッピングする期間の交流電圧が出力電圧より低くても、制御上は予め決められたチョッピング期間であればチョッピングを実施するため、そのチョピング期間は昇圧動作により出力電圧が上昇してしまうという現象が発生する。このため、従来の整流回路装置では、より損失が少なく、低い出力電圧を設定することが難しいという課題も有している。

本発明は、前記の従来の整流回路装置における課題を解決するものであり、出力電圧の検出精度によらず、電源高調波電流を低減することができ、かつ損失も低減することができる整流回路装置を提供することを目的とする。

前記従来の課題を解決するために、本発明の整流回路装置は、交流電圧の位相を検出する手段を設け、検出した位相に応じた目標電流波形を形成し、交流側の電流もしくは交流側から直流側へと流れる電流を検出する手段、直流電圧を検出する手段、前記目標電流波形と検出した電流波形が同一波形になるように前記半導体スイッチのチョッピングを調整して制御するとともに前記直流電圧が所望の電圧になるように、前記目標電流波形の振幅を調整する手段を有し、これらの制御を実行して得られた、前記半導体スイッチがチョッピング状態からチョッピング休止状態へと変化する位相（θ_OFF）が、所望の位相になるよう、前記所望の直流電圧を調節するものである。

さらに、前記所望の直流電圧を調節する際に、前記半導体スイッチがチョッピング状態からチョッピング休止状態へと変化する位相（θ_OFF）に加えて、休止状態からチョッピング状態へと変化する位相（θ_ON）を測定し、チョッピング状態からチョッピング休止状態へと変化する位相（θ_OFF）と休止状態からチョッピング状態へと変化する位相（θ_ON）から、チョッピング状態が継続されている位相幅（θ_ON幅）を計算し、チョッピング状態からチョッピング休止状態へと変化する位相（θ_OFF）が所望の位相（θ_OFF＊）となる以前に、チョッピング状態が継続されている位相幅（θ_ON幅）が予め設定されている値以下となる場合は、チョッピング状態からチョッピング休止状態へと変化する位相（θ_OFF）による直流電圧の調整に優先して、チョッピング状態が継続されている位相幅（θ_ON幅）が予め設定されている値となる様に、前記所望の直流電圧を調節するものである。

さらに、交流電圧波形と同一周波数で位相関係を有する交流位相の０〜９０度もしくは１８０〜２７０度の位相までは、単調増加もしくは一定状態の組合わせであって、前記交流位相の９０〜１８０度、２７０〜３６０度の区間においては、目標値がゼロである区間が存在するようにする目標電流波形もしくは、前記交流位相の０〜９０度もしくは１８０〜２７０度の位相までのうち、前記半導体スイッチのチョッピングを休止させようとする所望の位相までは、単調増加もしくは一定状態の組合わせであって、前記交流位相の９０〜１８０度、２７０〜３６０度の区間においては、目標値がゼロである区間が存在する目標電流波形と、交流側の電流もしくは交流側から直流側へと流れる電流を検出する手段、直流電圧を検出する手段、前記目標電流波形と検出した電流が同一になるように前記半導体スイッチのチョッピングを調整して制御するとともに、前記直流電圧が所望の電圧になるように、前記目標電流波形の振幅を調整する手段を有し、これらの制御を実行して得られた、前記半導体スイッチがチョッピング状態からチョッピング休止状態へと変化する位相（θ_OFF）が、所望の位相になるよう、前記所望の直流電圧を調節するものである。

これによって、直流電圧の検出精度に誤差があっても、直流電圧が相対的に適正な値に調整されて、同様の電流波形になるので、常に損失が少なく、かつチョッピング状態が継続されている位相幅（θ_ON幅）による制限を設けているために電力やリアクタの大小に影響されることなく高調波電流が少ない整流動作が実現される。

本発明の整流回路装置は、常に損失が少なく、かつ電力やリアクタの大小に影響されることなく、高調波電流が少ない整流動作を実現することができる。

本発明に係る実施の形態１における全体回路構成を示す回路ブロック図図１における制御回路の内部処理を示す制御ブロック図本発明に係る実施の形態１におけるチョッピング位相・幅検出手段の処理内容を説明するフローチャート本発明に係る実施の形態１の動作原理を示す波形図本発明に係る実施の形態２の動作原理を示す波形図本発明に係る実施の形態２に使用可能な目標電流波形例を示す波形図本発明に係る実施の形態１から４における電源位相検出原理を示す波形図本発明に係る実施の形態３における全体回路構成を示す回路ブロック図本発明に係る実施の形態４における全体回路構成を示す回路ブロック図従来の整流回路装置の全体構成を示す回路ブロック図従来の整流回路装置の制御回路の内部処理を示す制御ブロック図

本発明は、交流電圧の位相を検出する手段を設け、検出した位相に応じた目標電流波形を形成し、交流側の電流もしくは交流側から直流側へと流れる電流を検出する手段、直流電圧を検出する手段、前記目標電流波形と検出した電流波形とが同一波形になるように前記半導体スイッチのチョッピングを調整して制御するとともに、前記直流電圧が所望の電圧になるように、前記目標電流波形の振幅を調整する手段を有し、これらの制御を実行して得られた、前記半導体スイッチがチョッピング状態からチョッピングを休止状態へとなった位相が、所望の位相になるよう、前記所望の直流電圧を調節する。

更に、前記半導体スイッチのチョッピングを調整して制御する手段は、前記半導体スイッチがチョッピング状態からチョッピング休止状態へと変化する位相（θ_OFF）に加えて休止状態からチョッピング状態へと変化する位相（θ_ON）を測定し、チョッピング状態からチョッピング休止状態へと変化する位相（θ_OFF）と休止状態からチョッピング状態へと変化する位相（θ_ON）から、チョッピング状態が継続されている位相幅（θ_ON幅）を計算し、チョッピング状態からチョッピング休止状態へと変化する位相（θ_OFF）が所望の位相（θ_OFF＊）となる以前に、チョッピング状態が継続されている位相幅（θ_ON幅）が予め設定されている値以下となる場合は、チョッピング状態からチョッピング休止状態へと変化する位相（θ_OFF）による直流電圧の調整に優先して、チョッピング状態が継続されている位相幅（θ_ON幅）が予め設定されている値となる様に、前記所望の直流電圧を調節する。

更に、交流電圧波形と同一周波数で位相関係を有する、交流位相の０〜９０度もしくは１８０〜２７０度の位相までは、単調増加もしくは一定状態の組合せであって、前記交流位相の９０〜１８０度、２７０〜３６０度の区間においては、目標値がゼロである区間が存在するようにする第一の目標電流波形もしくは、前記交流位相の０〜９０度もしくは１８０〜２７０度の位相までのうち、前記半導体スイッチがチョッピング状態からチョッピングを休止させようとする所望の位相までは、単調増加もしくは一定状態の組合せであって、前記交流位相の９０〜１８０度、２７０〜３６０度の区間においては、目標値がゼロである区間が存在する第二の目標電流波形とのどちらかの目標電流波形とを用いて、交流側の電流もしくは交流側から直流側へと流れる電流を検出する手段、直流電圧を検出する手段、前記目標電流波形と検出した電流波形が同一波形になるように前記半導体スイッチのチョッピングを調整して制御するとともに、前記直流電圧が所望の電圧になるように、前記目標電流波形の振幅を調整する手段を有し、これらの制御を実行して得られた、チョッピング状態が継続されている位相幅（θ_ON幅）が予め設定されている値より大きな場合は前記半導体スイッチがチョッピング状態からチョッピング休止状態へと変化する位相（θ_OFF）が所望の位相になるよう、前記所望の直流電圧を調節し、一方、チョッピング状態が継続されている位相幅（θ_ON幅）が予め設定されている値以下の場合は、チョッピング状態が継続されている位相幅（θ_ON幅）が予め設定されている値（θ_ON幅＊）となるように前記所望の直流電圧を調節する。

なお、本発明におけるチョッピング状態、或いはチョッピング休止状態とは、電源周期半周期中の前記半導体スイッチのスイッチングの状態を意味している。

以下、本発明に係る実施の形態について、図面を参照しながら説明する。なお、この実施の形態によって本発明が限定されるものではない。

（実施の形態１）
図１は、本発明に係る実施の形態１における整流回路装置の全体構成を示す回路ブロック図である。

図１において、交流電源１をリアクタ１０２とオン状態の半導体スイッチ１０４とで短絡するループを構成する。そのループの電流を検出できるよう電流検出手段１０３を設け、その検出結果を制御回路１００に入力する。半導体スイッチ１０４をオンとして交流電源１を短絡すると、リアクタ１０２の電流は増加していき、半導体スイッチ１０４をオフすると、リアクタ１０２を流れていた電流はダイオードブリッジ１０５にて整流されて、平滑コンデンサ１０６および負荷４に流れ込み、負荷４を駆動する。負荷４へ印加される直流電圧は、直流電圧検出手段１１０により検出され、制御回路１００に入力される。さらに、交流電源１の電圧レベルを比較する電圧レベル比較手段１０９が設けられており、電圧レベル比較手段１０９は交流電源１の電圧レベルが一定値以上か否かを示す２値化された情報を形成して、その情報を制御回路１００に出力する。

制御回路１００では、交流電源１が一定の電圧レベル以上か否かを示す２値化された情報から交流電源１の位相を検出し、目標電流波形を生成し、電流検出手段１０３での検出結果と目標電流波形との相似形とに漸近するように半導体スイッチ１０４をチョッピングする。さらに、直流電圧検出手段１１０の電圧情報が、制御回路内部に有する所望の電圧になるように、その偏差に応じて、目標電流波形の相似比率を調整する。すなわち、実際の直流電圧値が所望の直流電圧値より低ければ、目標電流指令の相似比率を増大させて、大きな電流になるように制御し、実際の直流電圧値が所望の直流電圧値よりも高ければ、小さな電流になるように制御を行う。

さらに、チョッピングの状況から、半導体スイッチ１０４のチョッピング休止が開始されている交流電圧位相と、半導体スイッチ１０４のチョッピングが開始されている交流電圧位相と、チョッピング開始及びチョッピング休止開始の双方の位相から、半導体スイッチ１０４がチョッピングを継続している位相幅を調べる。半導体スイッチ１０４がチョッピングを継続している位相幅が予め設定されている値を上回っている場合は、半導体スイッチ１０４のチョッピング休止が開始されている交流電圧位相が所望の値か否かを調べ、所望の値に対する偏差に応じて、前記所望の直流電圧値を調整する。

一方、半導体スイッチ１０４がチョッピングを継続している位相幅が設定されている値以下の場合は、半導体スイッチ１０４がチョッピングを継続している位相幅と予め設定されている値との偏差に応じて、前記所望の直流電圧値を調整する。

図２は、図１における制御回路１００での制御情報の流れを示すブロック線図である。システムの最終制御目標は、半導体スイッチ１０４がチョッピングを継続している位相幅（θ_ON幅）が設定されている値（θ_ON幅＊）を越える場合は、チョッピング状態からチョッピング休止に切替わる位相（θ_OFF）を所望の値（θ_OFF＊）に制御することである。一方、半導体スイッチ１０４がチョッピングを継続している位相幅（θ_ON幅）が設定されている値（θ_ON幅＊）以下の場合は、半導体スイッチ１０４がチョッピングを継続している位相幅（θ_ON幅）を設定されている値（θ_ON幅＊）に制御することである。

まず、交流電源の電圧レベルを２値化した情報をもとに、交流位相検出手段２０１により交流位相を検出する。交流位相検出手段２０１の具体的な検出方法の例は後述する。得られた交流位相情報をもとに、目標電流波形形成手段２０２により目標電流波形を発生せしめ、乗算器２０８へと入力する。目標電流波形については、後述する。

チョッピング位相・幅検出手段２１２では、交流位相検出手段２０１の出力である交流位相情報と、電流系の補償演算手段２１０の出力から、チョッピングからチョッピング休止に変化したときの位相情報（θ_OFF）と、チョッピング休止からチョッピングに変化したときの位相情報と、それぞれの位相情報から計算したチョッピングが継続されている位相幅（θ_ON幅）のうち、チョッピング休止に変化したときの位相情報（θ_OFF）とチョッピングが継続されている位相幅（θ_ON幅）とを偏差設定手段２１３へ出力する。

偏差設定手段２１３は、チョッピング位相・幅検出手段２１２からの情報であるチョッピングからチョッピング休止に変化したときの位相情報（θ_OFF）とその目標値（θ_OFF＊）、及びチョッピングが継続されている位相幅（θ_ON幅）とその制限値（θ_ON幅＊）から制御に用いる偏差を計算し、電圧系の補償演算手段２０５へ出力する。

ここで、偏差設定手段２１３の動作を図３のフローチャートを用いて説明する。
ステップ１ではチョッピングが継続されている位相幅（θ_ON幅）とその制限値（θ_ON幅＊）とを比較し、チョッピングが継続されている位相幅（θ_ON幅）が大きい場合はステップ２へ進み、そうでない場合はステップ３へ進む。ステップ２では、チョッピングからチョッピング休止に変化したときの位相情報（θ_OFF）とその目標値である（θ_OFF＊）との差分をとり、それを偏差として補償演算手段２０５へ出力し、処理を終了する。

ステップ３ではチョッピングが継続されている位相幅（θ_ON幅）とその制限値（θ_ON＊）との差分を取り、それを偏差として補償演算手段２０５へ出力し、処理を終了する。このように、ある程度のチョッピングが継続されている位相幅（θ_ON幅）を保つことにより、電力やリアクタの大小に対して電源高調波の悪化を防ぐことができる。

図２に示す位相系の補償演算手段２０５では、チョッピング休止状態に変化した時の位相（θ_OFF）、或いはチョッピングが継続されている位相幅（θ_ON幅）を安定に保つための補償演算を行わせる。

補償演算結果は、出力電圧の指令電圧（Ｖｄｃ＊）となり、比較手段２０６へと送られる。比較手段２０６では実際の出力電圧との比較を行い、比較結果である電圧偏差を直流電圧制御用の電圧系の補償演算手段２０７へと送られる。電圧系の補償演算手段２０７では、実際の電圧が指令電圧（Ｖｄｃ＊）と合致し、かつ安定になるための補償演算を実行する。補償演算結果は乗算器２０８へと送られて、目標電流波形とで乗算が行われる。つまり、実際の電圧が指令電圧よりも低ければ、目標電流波形の振幅を増大させ、逆であれば、減少させる。乗算器２０８の出力結果は瞬時の電流指令（Ｉａｃ＊）として、比較手段２０９へと送られる。比較手段２０９では、瞬時の電流指令（Ｉａｃ＊）と実際の電流値（Ｉａｃ）とを比較し、比較結果である電流偏差を電流系の補償演算手段２１０に送る。電流系の補償演算手段２１０では、電流が指令値に安定かつ速やかに合致するように補償演算を行う。補償演算結果はＰＷＭ手段２１１に送られ、半導体スイッチ用のＯＮ／ＯＦＦ情報に変換される。一方で補償演算結果はチョッピング位相・幅検出手段２１２にも送られ、これにより位相に関する制御ループが構成されている。

図４は制御動作を波形で説明したものである。図４において、上段の波形は交流電圧と直流電圧との相対関係を示すものであり、中段の波形は目標電流波形であり、下段の波形は実際の電流波形である。図４の（ａ）では、出力電圧（ＤＣ電圧）が低く、半導体スイッチのチョッピングが休止となった位相（θ_OFF）が所望の位相（θ_OFF＊）よりも小さくなっている場合である。この時には、交流電圧が直流電圧より高い位相期間が増加するので、交流電源からリアクタとダイオードを経由して直流側へと流れ込む電流が増加する。このため、電流波形が先鋭になり、電流の高調波成分が増加する。

一方、図４の（ｂ）では、出力電圧（ＤＣ電圧）が高く、半導体スイッチのチョッピングが休止となった位相（θ_OFF）が所望の位相（θ_OFF＊）よりも大きくなっている場合である。この場合には、交流電圧が直流電圧より高い位相期間が減少するので、交流電源からリアクタとダイオードを経由して直流側へと流れ込む電流も減少し、電流の高調波成分が減少する。しかし、図４の（ｂ）においては、図４の（ａ）の波形に比べて、半導体スイッチのチョッピングが行われている期間が増加しているため、回路の損失が増加してしまう。但し、この時に、チョッピングが継続されている位相幅（θ_ON幅）が制限値（θ_ON幅＊）以下の場合は、チョッピングからチョッピング休止に変化したときの位相（θ_OFF）は目標値である（θ_OFF＊）に到達していないが、チョッピングが継続されている位相幅（θ_ON幅）の確保が優先されるため、チョッピングが継続されている位相幅の制限値（θ_ON幅＊）を保つ動作が実行されることとなる。

また、図４の（ｃ）は、出力電圧（ＤＣ電圧）がさらに高く、半導体スイッチのチョッピングが全域で実施されている場合である。この場合は、半導体スイッチのチョッピングが休止となる位相（θ_OFF）が所望の位相（θ_OFF＊）となるまで出力電圧を下げていく動作が実行される。

なお、交流電源にひずみが含まれていると、交流電源の半周期の間にチョッピング状態からチョッピング休止状態へと変化する位相が複数回数出現することがあるが、その場合には、交流電源の位相の９０度もしくは２７０度に近いほうの位相を選ぶことで、安定に制御することができる。また、交流電源の位相の９０度もしくは２７０度の代わりに、交流電流の瞬時値が最大になっている位相に近い位相を選ぶことでも同様の効果を得ることができる。

（実施の形態２）
次に、本発明に係る実施の形態２における整流回路装置について説明する。実施の形態２の整流回路装置は、前述の実施の形態１の整流回路装置と実質的に同じ構成を有しているが、整流回路装置における駆動制御が異なっている。
図５は目標電流波形を正弦波以外の波形にすることで、さらに損失が低減できる制御方法の動作原理を示す波形図である。特に、負荷が軽いときには、波形歪みが増加しても、高調波電流そのものは少ないので、さらに損失を低減することが可能である。図５において、上段の波形は交流電圧と直流電圧との相対関係を示すものであり、中段の波形は目標電流波形であり、下段の波形は実際の電流波形である。図５の（ａ）では、出力電圧（ＤＣ電圧）が低く、半導体スイッチのチョッピングが休止となった位相（θ_OFF）が所望の位相（θ_OFF＊）よりも小さくなっている場合である。この時にも、交流電圧が直流電圧より高い位相期間が増加するので、交流電源からリアクタとダイオードを経由して直流側へと流れ込む電流が増加する。このため、電流波形が先鋭になり、電流の高調波成分が増加する。

一方、図５の（ｂ）では、出力電圧（ＤＣ電圧）が高く、半導体スイッチのチョッピングが休止となった位相（θ_OFF）が所望の位相（θ_OFF＊）よりも大きくなっている場合である。この時には、交流電圧が直流電圧より高い位相期間が減少するので、交流電源からリアクタとダイオードを経由して直流側へと流れ込む電流も減少し、電流の高調波成分が減少する。しかし、図５の（ｂ）においては、図５の（ａ）の波形に比べて、半導体スイッチのチョッピングが行われている期間が増加しているため、回路の損失が増加してしまう。

但し、この時、チョッピングが継続されている位相幅（θ_ON幅）が制限値（θ_ON幅＊）以下の場合は、チョッピングからチョッピング休止に変化したときの位相（θ_OFF）は目標値である（θ_OFF＊）に到達していないが、チョッピングが継続されている位相幅（θ_ON幅）の確保が優先されるため、チョッピングが継続されている位相幅の制限値（θ_ON幅＊）を保つ動作が実行されることとなる。

目標電流波形は、１８０度期間の前半で上昇し、後半にゼロになる区間を有する波形を用いる。例えば図５の中段では、１８０度区間の前半で単調に増加し、９０度よりも少し手前で逆に減少を開始し、後半にゼロを含む波形である。図６に他の波形例を示す。図６の（ａ）では、図５中段の波形と比べて、単調減少する区間の代わりに、瞬時にゼロにするようにしたものである。図６の（ｂ）では、単調増加区間を正弦波状に増加させるものであり、後半にゼロになる区間を有するものである。さらに図６の（ｃ）で示すように、制約条件を設けて、９０度より手前でゼロにすることも可能である。また、図６の（ｄ）で示すように、０度からしばらくの期間、ゼロにし、その後で単調増加させるものも可能である。

図６の（ｃ），（ｄ）では９０度よりも手前で目標電流をゼロにしているが、ゼロにする位相よりも手前で半導体スイッチのチョッピング動作から、チョッピングが休止になる所望位相を設ければ同様に使用することができる。しかも、本動作は、直流電圧が交流電圧の最高瞬時電圧よりも低いので、９０度近傍では、電源からリアクタとダイオードを経由して電流が流れ込むため、目標電流がゼロになっても電源電流がしばらくは流れ続け、高調波成分の少ない電流が高効率で実現できる。

図７は交流電圧が一定のレベル以上かどうかの情報から電圧位相を検出する方法を示した波形図である。この情報は交流電圧の瞬時電圧がしきい値を超えているかどうかを２値信号として得るものである。しきい値が変動しても２値信号の周期は電源周波数と同一であり、２値信号のＨｉ側もしくはＬｏ側の中点を求めれば、交流電圧位相の９０度もしくは２７０度の時間を知ることができる。また、９０度と２７０度の中点は１８０度および０度の位相になる。このようにして得られた情報を、ＰＬＬなどを用いて逓倍すれば、瞬時瞬時の位相を知ることができる。例えば、３６０逓倍すれば、１つのパルスが１度相当になり、このパルスを計数すれば、単位が度の位相情報を得ることができる。そして、得られた位相情報で、その瞬時瞬時の目標電流波形を呼び出せばよい。その他のレベル比較から得られた２値情報を用いて位相を検出する方法については、例えば、同一発明者を含む特開２００１−４５７６３号公報にも提案されており、特に限定されるものではない。

以上のように、実施の形態２の整流回路装置を用いることにより、直流電圧の検出精度に誤差があっても、チョッピング動作からチョッピング休止になる位相が所望の位相になるように直流電圧を相対的に調整するので、同様の電流波形になり、常に損失が少なく、かつ、チョッピングが継続されている位相幅（θ_ON幅）の確保が行われることから、電力やリアクタの大小に影響されることなく高調波電流が少ない整流動作が実現される。

また、インバータを駆動する場合に対しては、電圧を下げることによる効率の向上を見込むことが可能である。

（実施の形態３）
次に、本発明に係る実施の形態３における整流回路装置について説明する。
図８は、本発明に係る実施の形態３における整流回路装置の基本回路構成を示す回路図である。図８に示す実施の形態３の整流回路装置は、交流電源１がリアクタ６０２を介して、半導体スイッチ６０４ａ、６０４ｂおよびダイオード６０５ａ、６０５ｂ、６０５ｃ、６０５ｄで構成されたブリッジ回路に接続されており、このブリッジ回路で整流された電流が平滑コンデンサ１０６および負荷４に供給されて、負荷４を駆動するよう構成されている。実施の形態３の整流回路装置における制御方法は、図１に示した実施の形態１と同じであり、２つの半導体スイッチ６０４ａ、６０４ｂを同時に駆動することで実現できる。

（実施の形態４）
次に、本発明に係る実施の形態４における整流回路装置について説明する。
図９は、本発明に係る実施の形態４における整流回路装置の基本回路構成を示す回路図である。図９に示す実施の形態４の整流回路装置は、交流電源１がリアクタ７０２を介して、半導体スイッチ７０４ａ、７０４ｂおよびダイオード７０５ａ、７０５ｂ、７０５ｃ、７０５ｄで構成されたブリッジ回路に接続されており、このブリッジ回路で整流された電流が平滑コンデンサ１０６および負荷４に供給されて、負荷４を駆動するよう構成されている。実施の形態４の整流回路装置における制御方法は、基本的に図１に示した実施の形態１と同じであるが、交流電源の極性に応じて、いずれか一方の半導体スイッチのみをチョッピングさせる点が異なっている。

例えば、交流電源１の極性がリアクタ７０２に接続されている側が高い期間であれば、半導体スイッチ７０４ｂをチョッピングし、交流電源１の極性がリアクタ７０２に接続されている側が低い期間であれば、半導体スイッチ７０４ａをチョッピングする。なお、実施の形態４では、半導体スイッチ７０４ａと７０４ｂを同時にオンさせると、直流出力を短絡することになるので、交流電源１の極性が反転する近傍、即ち位相が０度近傍および１８０度近傍では、どちらの半導体スイッチもオンしないように設定する場合がある。これは、この時に図９の半導体スイッチ７０４ａと７０４ｂとが同時にＯＮすると危険だからである。このような直流出力の短絡防止をしている場合、制御部は意図的にチョッピングを停止しており、制御部自身がチョッピング状態が分かっているので、本発明でのチョッピングが休止状態に変化した位相としての取り扱いをしないことで、制御をより容易にすることができる。

なお、全ての実施の形態において共通することとして、チョッピングの状況が休止状態からチョッピング状態に変化する際とその逆に変化する際に、回路の揺らぎやノイズにより、一瞬だけ休止状態或いはチョッピング状態に再度変化する場合があるが、これについては、本発明でのチョッピングが休止状態に変化した位相或いはチョッピング状態に変化した位相としての取り扱いをしないことにより、容易に実現することができる。

さらに、本発明の実施方法として、電源電圧の位相情報を用いることで説明しているが、電源の周波数が固定されている場合には、交流電源のゼロクロスなどの情報をもとに、時間情報で同様の制御ができることは明白である。同様に、時間を計測する代わりに、チョッピング手法の一例であるＰＷＭ制御を実現せしめるキャリア信号のパルス数で計数する方法でも実施できることも明白である。

以上のように、本発明の整流回路装置は、高調波電流の抑制と回路損失の低減を両立することが可能となるので、圧縮機により冷媒を圧縮することによりヒートポンプを構成し、冷房、暖房、あるいは食品などの冷凍を行うもの等の用途にも適用できる。

１交流電源
１００制御手段
１０２，６０２，７０２リアクタ
１０３電流検出手段
１０４、６０４ａ、６０４ｂ、７０４ａ、７０４ｂ半導体スイッチ
１０６平滑コンデンサ
１０９電圧レベル比較手段
１１０直流電圧検出手段
２０１交流位相検出手段
２０２目標電流波形形成手段

Claims

半導体スイッチをチョッピングすることにより、単相交流電源をリアクタを介して、短絡・開放し、前記リアクタを介して、電流が交流側から直流側へと供給される構成の整流回路装置であって、
交流電圧波形と同一周波数の目標電流波形を形成する手段と、
交流側の電流もしくは直流側の電流を検出する手段と、
直流電圧を検出する手段と、
前記目標電流波形と検出した電流波形が同一形状になるように前記半導体スイッチのチョッピングを調整して制御する手段と、
前記直流電圧が所望の電圧になるように前記目標電流波形の振幅を調整する手段と、を有し、
前記半導体スイッチがチョッピング状態からチョッピング休止状態へと変化する位相（θ_OFF）が所望の位相（θ_OFF＊）になるよう、前記所望の直流電圧を調節することを特徴とする、整流回路装置。
前記半導体スイッチのチョッピングを調整して制御する手段は、前記半導体スイッチがチョッピング状態からチョッピング休止状態へと変化する位相（θ_OFF）に加えて前記半導体スイッチが休止状態からチョッピング状態へと変化する位相（θ_ON）を測定し、前記半導体スイッチがチョッピング状態からチョッピング休止状態へと変化する位相（θ_OFF）と前記半導体スイッチが休止状態からチョッピング状態へと変化する位相（θ_ON）から、チョッピング状態が継続されている位相幅（θ_ON幅）を計算し、前記半導体スイッチがチョッピング状態からチョッピング休止状態へと変化する位相（θ_OFF）が所望の位相（θ_OFF＊）となる以前に、チョッピング状態が継続されている位相幅（θ_ON幅）が予め設定されている値（θ_ON幅＊）を下回る場合は、前記半導体スイッチがチョッピング状態からチョッピング休止状態へと変化する位相（θ_OFF）による直流電圧の調整に優先して、チョッピング状態が継続されている位相幅（θ_ON幅）が予め設定されている値（θ_ON幅＊）となるように、前記所望の直流電圧を調節することを特徴とする、請求項１に記載の整流回路装置。
前記目標電流波形は、前記交流位相の０〜９０度もしくは１８０〜２７０度の位相までは単調増加もしくは一定値の組合わせであって、前記交流位相の９０〜１８０度、２７０〜３６０度の区間において、ゼロである区間が存在することを特徴とする請求項１または２に記載の整流回路装置。
前記目標電流波形は、前記交流位相の０〜９０度もしくは１８０〜２７０度の位相までのうち、前記半導体スイッチのチョッピング状態からチョッピング休止状態となる所望の位相（θ_OFF＊）までは、単調増加もしくは一定値の組合わせであって、前記交流位相の９０〜１８０度、２７０〜３６０度の区間においては、ゼロである区間が存在することを特徴とする請求項１または２に記載の整流回路装置。
交流電圧と一定の電圧との大小関係を検出して２値化し、得られた２値信号の周期および位相から、前記交流電圧の位相を推定し、推定された位相から目標電流波形を形成し、推定された位相情報をもとに、半導体スイッチがチョッピング状態からチョッピング休止状態へと変化する位相（θ_OFF）と半導体スイッチがチョッピング休止状態からチョッピング状態へと変化する位相（θ_ON）の検出および、所望位相（θ_OFF＊）とチョッピングを継続して実施している位相幅（θ_ON幅）と所望位相幅（θ_ON幅＊）を算出すること特徴とする、請求項１乃至４のいずれか１項に記載の整流回路装置。
前記半導体スイッチのチョッピング状態からチョッピング休止状態へと変化する位相（θ_OFF）が交流電源の半分周期の間に複数回数出現するときには、交流電源の９０度もしくは２７０度の位相に近いほうの位相値を用いることを特徴とする、請求項１乃至５のいずれか１項に記載の整流回路装置。