JP6026008B2 - 受動式力率校正交直流転換装置及び力率校正回路の動作方法 - Google Patents

Description

本発明は受動式力率校正回路に関し、特に受動式力率校正交直流転換装置及び力率校正回路の動作方法に関する。

交直流転換装置は、受け取った交流電源を直流電源に転換した後出力する。
図１に示す伝統的な交直流転換装置は、整流回路１０と出力キャパシタンスＣを有する。
整流回路１０は、交流電源Ｓを直流電源に転換する。
出力キャパシタンスＣは、整流回路１０の出力端に接続し、且つ出力キャパシタンスＣは、ロードＲに並列接続する。
交直流転換装置の動作時には、交流電源Ｓの入力電圧Ｖ_ｉｎと入力電流ｉ_ｉｎは、相位が異なる状況にあり、これにより力率は低く、且つ電流の合計ハーモニクスは大きく歪む。
また、直流電源の電圧が出力キャパシタンスＣの電圧より高くなければ、出力キャパシタンスＣに対して充電することはできない。
そのため、出力キャパシタンスＣの充電時間は短くなり、整流回路１０中ダイオードの導通時間もまたそれに従い短くなり、及び導通電流のピーク値もそれに従い増大し、入力電流ｉ_ｉｎ波形は歪み、力率は低下してしまう。
力率の低下は、エネルギーの浪費を招く他、電力会社の電力供給に不要な負担を強いる。
このため、力率校正回路を有する交直流転換装置が開発された。

交直流転換装置に用いる従来の力率校正回路は、主動式と受動式の二種に分けられる。
主動式力率校正回路は、主動スイッチパーツを使用し、入力電流を制御する。
その長所は、力率０．９９以上で電流ハーモニクスの歪み総量は１０％以下を達成し、入力電圧範囲が広く、出力電圧が安定し、且つ出力ワット数変動の影響を受けないことである。

しかしながら、主動式力率校正回路は、別に主動スイッチパーツを使用する必要がある。
その欠点は、製造コストが高く、電磁ノイズが大きく、耐用性が低いことである。

伝統的な受動式力率校正回路は、インダクタンスＬで、インダクタンスＬは交直流転換装置の整流回路１０の入力端に直列接続する（図２参照）。
それは、構造が簡単で耐用性が高く、電磁ノイズを発生する主動スイッチパーツがないという長所を備える。
インダクタンスＬは、体積が大きいシリコンスチールインダクタンスを採用する必要がある。
シリコンスチールインダクタンスの体積は、出力ワット数及び規定の入力電圧低下に従い増加し、且つ力率は最高約７５％であるため、現在の使用ニーズに応えることはできない。

受動式力率校正回路を有する交直流転換装置の力率を高めることができれば、コストが高い主動式力率校正回路を有する交直流転換装置に置換することができる。
また、ロードＲ上の出力電圧のリップル波を減らすため、出力キャパシタンスＣは大容量の電解キャパシタンスを採用する必要があるが、電解キャパシタンスは、長時間熱を受けることにより電解液が漏れ出し易く、それが回路の使用寿命を短くしてしまう。

上述の発明の背景を鑑み、本発明の目的は交直流転換装置の力率を効果的に高め、且つ電解キャパシタンスの使用が不要で、交直流転換装置の使用寿命を効果的に高めることができる受動式力率校正交直流転換装置及び力率校正回路の動作方法を提供することにある。

本発明による受動式力率校正交直流転換装置は、整流回路及び力率校正回路を有する。
該整流回路は、入力ポートと出力ポートを有する。
該入力ポートは、交流電源に電気的に連接し、該整流回路は、該交流電源を、直流電源に転換後、該出力ポートより出力する。
該力率校正回路は、第一インダクタンス、第二インダクタンス、第一キャパシタンス、第二キャパシタンス、第一ダイオードと第二ダイオードを有する。
該第一インダクタンス一端は、該整流回路の出力ポートの正端に電気的に連接し、もう一つの端は、相互に並列接続する２個の直列接続ルートに電気的に連接する。
該直列接続ルートは、第一キャパシタンスと第二ダイオードを有し、該第一キャパシタンス一端は、該第一インダクタンスに電気的に連接する。
該第一キャパシタンスのもう一つの端は、該第二ダイオードの陰極に電気的に連接し、該第二ダイオードの陽極は、該整流回路の出力ポートの接地端に電気的に連接する。
該もう一つの直列接続ルートは、該第二インダクタンスと該第二キャパシタンスを有し、該第二インダクタンス一端は、該第一インダクタンスに電気的に連接する。
該第二インダクタンスのもう一つの端は、該第二キャパシタンスの一端に電気的に連接し、該第二キャパシタンスのもう一つの端は、該整流回路の出力ポートの接地端に電気的に連接し、該第二キャパシタンスは、ロードに並列接続する。
該第一ダイオードの陽極は、該第一キャパシタンスと該第二ダイオードの陰極との間に電気的に連接し、該第一ダイオードの陰極は、該第二インダクタンスと該第二キャパシタンスとの間に電気的に連接する。

本発明による受動式力率校正交直流転換装置の該第二インダクタンスのインダクタンス値は、該第一インダクタンスのインダクタンス値の十倍であるか、該第一インダクタンスのインダクタンス値の十倍より大きい。

本発明による受動式力率校正交直流転換装置の該第二キャパシタンスは、非電解キャパシタンスである。

本発明による力率校正回路の動作方法は、以下のステップを含む。
Ａ.該整流回路が出力する直流電源を受け取る。
Ｂ.該第二ダイオードに導通し、該第一キャパシタンスと該直流電源により、該第二ダイオードが停止するまでエネルギーを該ロードに出力する。
Ｃ.該直流電源により、該第一ダイオードが導通するまで、エネルギーを該ロードに出力する。
Ｄ.該直流電源により該第一キャパシタンスに対して充電し、該第一ダイオードが停止するまで、エネルギーを該ロードに出力する。
Ｅ.該直流電源により、該第二ダイオードが導通するまで、エネルギーを該ロードに出力する。
Ｆ.該整流回路に入力される交流電源が供給を停止されるまでステップＢからステップＦまでを繰り返す。

本発明による力率校正回路の動作方法において、ステップＢでは、該第一キャパシタンスの電圧が、該第一インダクタンスの電圧と該第二キャパシタンスの電圧の合計より大きい時、該第一キャパシタンスの電圧が、該第一インダクタンスの電圧と該第二キャパシタンスの電圧の合計より小さくなり、該第二ダイオードが停止するまで、該第二ダイオードに導通する。

本発明による力率校正回路の動作方法において、ステップＣでは、該直流電源の電圧が、該第一インダクタンスの電圧、該第一キャパシタンスの電圧と該第二キャパシタンスの電圧の合計より大きい時、該第一ダイオードは導通する。

本発明による力率校正回路の動作方法において、ステップＤでは、該直流電源の電圧が該第一インダクタンスの電圧、該第一キャパシタンスの電圧と該第二キャパシタンスの電圧の合計より小さい時、該第一ダイオードは停止する。

本発明による力率校正回路の動作方法において、ステップＥでは、該第一キャパシタンスの電圧が、該第一インダクタンスの電圧と該第二キャパシタンスの電圧の合計より大きい時、該第二ダイオードは導通する。

本発明の実施形態を応用する特徴の一つは、受動式力率校正交直流転換装置及びその力率校正回路の動作方法により、整流回路中ダイオードの導通時間を延長することで、交流電源の入力電流を制御でき、力率を効果的に高めることができる。

従来の交直流転換装置の回路図である。 従来の受動式力率校正回路を有する交直流転換装置である。 本発明の一実施形態による受動式力率校正交直流転換装置の回路図である。 本発明の一実施形態が第一状態にある時の同等回路図である。 本発明の一実施形態が第二状態にある時の同等回路図である。 本発明の一実施形態が第三状態にある時の同等回路図である。 本発明の一実施形態が第四状態にある時の同等回路図である。 本発明の一実施形態による受動式力率校正交直流転換装置の波形図である。

図３に示すとおり、本発明一実施形態の受動式力率校正交直流転換装置は、整流回路２０と力率校正回路３０を有する。

本実施形態の整流回路２０は、フルウェーブブリッジ式整流器である。
整流回路２０は、入力ポート２０２と出力ポート２０４を有する。
入力ポート２０２は、交流電源Ｓに電気的に連接する。
交流電源Ｓは、入力電圧Ｖ_ｉｎと入力電流ｉ_ｉｎを整流回路２０に提供する。
本実施形態では、交流電源Ｓは電力会社提供の通常電源であるが、これに限定されない。
また、通常電源を、変圧器を通して降圧、或いは昇圧後に、入力ポート２０２に電気的に連接することもできる。
交流電源Ｓは、整流回路２０を経て整流後、出力ポートにより、二倍周波数の直流電源を出力する。

力率校正回路３０は、第一インダクタンスＬ１、第二インダクタンスＬ２、第一キャパシタンスＣ１、第二キャパシタンスＣ２、第一ダイオードＤ１と第二ダイオードＤ２を有する。

第一インダクタンスＬ１一端は、整流回路２０出力ポート２０４の正端に電気的に連接し、他端は、２個の相互に並列する直列接続ルートに電気的に連接する。
直列接続ルートは、第一キャパシタンスＣ１と第二ダイオードＤ２を有する。
本実施形態の第一キャパシタンスＣ１は、極性キャパシタンスで、その正極は、第一インダクタンスＬ１に電気的に連接し、その負極は、第二ダイオードＤ２の陰極に電気的に連接する。
第二ダイオードＤ２の陽極は、整流回路２０出力ポート２０４の接地端に電気的に連接するし、もう一つの直列接続ルートは、第二インダクタンスＬ２と第二キャパシタンスＣ２を有する。
第二インダクタンスＬ２一端は、第一インダクタンスＬ１に電気的に連接し、第二インダクタンスＬ２のもう一つの端は、第二キャパシタンスＣ２の一端に電気的に連接する。
第二キャパシタンスＣ２のもう一つの端は、整流回路２０出力ポート２０４の接地端に電気的に連接する。

第一ダイオードＤ１は、２個の直列接続ルートの間を跨いで接続される。
第一ダイオードＤ１の陽極は、第一キャパシタンスＣ１の負極と第二ダイオードＤ２の陰極との間に電気的に連接する。
第一ダイオードＤ１の陰極は、第二インダクタンスＬ２と第二キャパシタンスＣ２との間に電気的に連接する。
第二キャパシタンスＣ２の両端は、ロードＲに並列接続する。
実際には、第一キャパシタンスＣ１は、無極性のキャパシタンスを採用することができる。

上述した回路において、力率校正回路３０の動作方法は、以下のとおりである。
交流電源Ｓの各半サイクル中（即ち、直流電源の各一サイクル）において、力率校正回路３０は整流回路２０が出力する直流電源を受け取り、順番に４個の異なる状態を生じる。
それを、第一状態、第二状態、第三状態、第四状態とする。

第一キャパシタンスＣ１の電圧が、第一インダクタンスＬ１の電圧と第二キャパシタンスＣ２の電圧の合計より大きい時、第二ダイオードＤ２は導通し、導通電流ｉ_Ｄ２を生じ、力率校正回路３０は第一状態となる。
その同等回路は、図４に示す。
この時、第一キャパシタンスＣ１は、第二キャパシタンスＣ２及び第二インダクタンスＬ２に対して、エネルギーを放出する。
同時に、直流電源は、第一インダクタンスＬ１を経て、第二インダクタンスＬ２及び第二キャパシタンスＣ２に対して充電し、エネルギーをロードＲに出力し、第二ダイオードＤ２が停止に至るまで（即ち、第一キャパシタンスＣ１の電圧が、第一インダクタンスＬ１の電圧と第二キャパシタンスＣ２の電圧の合計より小さい）出力電圧Ｖ_ｏを生じ、第一状態は終了する。
第一状態において、第一インダクタンスＬ１と第一キャパシタンスＣ１は、レゾナンス回路を構成し、交流電源Ｓの入力電流ｉ_ｉｎのハーモニクス成分を低下させる。

第一キャパシタンスＣ１の電圧が、第一インダクタンスＬ１の電圧と第二キャパシタンスＣ２の電圧の合計より小さい時、第二ダイオードＤ２は停止し、力率校正回路３０は、第二状態となる。
その同等回路は、図５に示す。
この時、直流電源は、第一インダクタンスＬ１を経て、第二インダクタンスＬ２及び第二キャパシタンスＣ２充電に対して充電し、エネルギーをロードＲに出力する。
第一ダイオードＤ１が導通すると（即ち、直流電源の電圧が第一インダクタンスＬ１の電圧、第一キャパシタンスＣ１の電圧と第二キャパシタンスＣ２の電圧の合計より大きい）、第二状態は終了する。

直流電源の電圧が第一インダクタンスＬ１の電圧、第一キャパシタンスＣ１の電圧と第二キャパシタンスＣ２の電圧の合計より大きいと、第一ダイオードＤ１は導通し、導通電流ｉ_Ｄ１を生じ、力率校正回路３０は第三状態となり、その同等回路は図６に示す。
この時、直流電源は第一インダクタンスＬ１を経て、第一キャパシタンスＣ１、第二インダクタンスＬ２及び第二キャパシタンスＣ２に対して充電し、ロードＲにエネルギーを出力する。
第一ダイオードＤ１が停止すると（即ち、直流電源の電圧が第一インダクタンスＬ１の電圧、第一キャパシタンスＣ１の電圧と第二キャパシタンスＣ２の電圧の合計より小さい）、第三状態は終了する。

直流電源の電圧が、第一インダクタンスＬ１の電圧、第一キャパシタンスＣ１の電圧と第二キャパシタンスＣ２の電圧の合計より小さいと、第一ダイオードＤ１は停止し、力率校正回路３０は、第四状態となる。
その同等回路は、図７に示す。
この時、直流電源は第一インダクタンスＬ１を経て、第二インダクタンスＬ２及び第二キャパシタンスＣ２に対して充電し、ロードＲにエネルギーを出力する。
第二ダイオードＤ２が導通すると（即ち、第一インダクタンスＬ１の電圧と第二キャパシタンスＣ２の電圧の合計が第一キャパシタンスＣ１の電圧より小さい）、第四状態は終了し、力率校正回路３０は、交流電源Ｓの次の半サイクルに入り、第一状態から第四状態までを繰り返し、整流回路２０に入力される交流電源Ｓが停止されるまで供給する。

図８は、受動式力率校正交直流転換装置の入力電圧Ｖ_ｉｎ、入力電流ｉ_ｉｎ、出力電圧Ｖ_ｏ、第一ダイオードＤ１の導通電流ｉ_Ｄ１及び第二ダイオードＤ２の導通電流ｉ_Ｄ２の波形を示す。
ロードＲは、ｌ００ｏｈｍのレジスターを例とする。
第一インダクタンスＬ１は５５ｍＨで、第二インダクタンスＬ２は５５０ｍＨである。
第一キャパシタンスＣｌは１０μＦで、第二キャパシタンスＣ２は１０μＦである。
交流電源Ｓの入力電圧Ｖ_ｉｎはｌｌ０Ｖｒｍｓの正弦波である。
図８に示すとおり、入力電流ｉ_ｉｎは正弦波に近い波形にすでに校正されている。
受動式力率校正交直流転換装置の力率は０．９５９で、伝統的な受動式力率校正回路に比べ、力率を効果的に高めることができている。
また、第一インダクタンスＬ１と第一キャパシタンスＣ１構成のレゾナンス回路は、交流電源Ｓの入力電流ｉ_ｉｎのハーモニクス成分を効果的に低下させられている。

第一インダクタンスＬ１と第一キャパシタンスＣ１は、レゾナンス回路を構成し、整流回路２０中ダイオードの導通時間を延長させられ、交流電源Ｓの入力電流ｉ_ｉｎをこれにより制御することができる。
第一キャパシタンスＣ１と第一ダイオードＤ１、第二ダイオードＤ２、第二インダクタンスＬ２及び第二キャパシタンスＣ２が構成する共振回路は、ロードＲに出力される出力電圧Ｖ_ｏのリップル波を低下させられ、及び交流電源Ｓの力率を高める効果を備える。

好ましくは、第二インダクタンスＬ２のインダクタンス値は、第一インダクタンスＬ１のインダクタンス値の十倍であるか、第一インダクタンスのインダクタンス値の十倍より大きい。充放電の時間を効果的に制御し、第一状態、第二状態、第三状態と第四状態の持続時間を調整することができる。
また、第二インダクタンスＬ２は、エネルギー貯蔵とフィルターの機能を兼ね備え、エネルギーをロードＲに提供し、ロードＲの電流のリップル波を抑制することができる。
よって、第二キャパシタンスＣ２には、非電解キャパシタンス（セラミックキャパシタンス或いはタンタルキャパシタンスなど）を採用し、伝統的な電解キャパシタンスに置換できるため、回路の使用寿命を効果的に延長することができる。

前述した本発明の実施形態は本発明を限定するものではなく、よって、本発明により保護される範囲は後述される特許請求の範囲を基準とする。

１０ 整流回路
Ｃ 出力キャパシタンス
Ｓ 交流電源
Ｒ ロード
２０ 整流回路
２０２ 入力ポート
２０４ 出力ポート
３０ 力率校正回路
Ｃ１ 第一キャパシタンス
Ｃ２ 第二キャパシタンス
Ｄ１ 第一ダイオード
Ｄ２ 第二ダイオード
Ｌ１ 第一インダクタンス
Ｌ２ 第二インダクタンス
Ｖ_ｉｎ 入力電圧
Ｖ_ｏ 出力電圧
ｉ_ｉｎ 入力電流
ｉ_Ｄ１ 導通電流
ｉ_Ｄ２ 導通電流

Claims (8)

1. 受動式力率校正交直流転換装置は、整流回路、力率校正回路を有し、
   前記整流回路は、入力ポートと出力ポートを有し、前記入力ポートは、交流電源に電気的に連接し、前記整流回路は、前記交流電源を、直流電源に転換後、前記出力ポートより出力し、
   前記力率校正回路は、第一インダクタンス、第二インダクタンス、第一キャパシタンス、第二キャパシタンス、第一ダイオードと第二ダイオードを有し、該第二インダクタンスのインダクタンス値は該第一インダクタンスのインダクタンス値より大きく、
   前記第一インダクタンス一端は、前記整流回路の出力ポートの正端に電気的に連接し、もう一つの端は、相互に並列接続する２個の直列接続ルートに電気的に連接し、前記直列接続ルートは、第一キャパシタンスと第二ダイオードを有し、前記第一キャパシタンス一端は、前記第一インダクタンスに電気的に連接し、前記第一キャパシタンスのもう一つの端は、前記第二ダイオードの陰極に電気的に連接し、前記第二ダイオードの陽極は、前記整流回路の出力ポートの接地端に電気的に連接し、もう一つの直列接続ルートは、前記第二インダクタンスと前記第二キャパシタンスを有し、前記第二インダクタンス一端は、前記第一インダクタンスに電気的に連接し、前記第二インダクタンスのもう一つの端は、前記第二キャパシタンスの一端に電気的に連接し、前記第二キャパシタンスのもう一つの端は、前記整流回路の出力ポートの接地端に電気的に連接し、
   前記第二キャパシタンスは、ロードに並列接続し、
   前記第一ダイオードの陽極は、前記第一キャパシタンスと前記第二ダイオードの陰極との間に電気的に連接し、前記第一ダイオードの陰極は、前記第二インダクタンスと前記第二キャパシタンスとの間に電気的に連接することを特徴とする受動式力率校正交直流転換装置。
2. 前記第二インダクタンスのインダクタンス値は、前記第一インダクタンスのインダクタンス値の十倍であるか、前記第一インダクタンスのインダクタンス値の十倍より大きいことを特徴とする請求項１に記載の受動式力率校正交直流転換装置。
3. 前記第二キャパシタンスは、非電解キャパシタンスであることを特徴とする請求項１に記載の受動式力率校正交直流転換装置。
4. 請求項１に記載の受動式力率校正交直流転換装置の力率校正回路の動作方法は、以下のステップを含み、
   Ａ.整流回路が出力する直流電源を受け取り、
   Ｂ.第二ダイオードに導通し、第一キャパシタンスと直流電源により、第二ダイオードが停止するまでエネルギーをロードに出力し、
   Ｃ.直流電源により、第一ダイオードが導通するまで、エネルギーをロードに出力し、 Ｄ.直流電源により第一キャパシタンスに対して充電し、第一ダイオードが停止するまで、エネルギーを前記ロードに出力し、
   Ｅ.直流電源により、第二ダイオードが導通するまで、エネルギーをロードに出力し、 Ｆ.整流回路に入力される交流電源が供給を停止されるまでステップＢからステップＥまでを繰り返すことを特徴とする請求項１に記載の受動式力率校正交直流転換装置の力率校正回路の動作方法。
5. 前記ステップＢにおいて、前記第一キャパシタンスの電圧が、前記第一インダクタンスの電圧と前記第二キャパシタンスの電圧の合計より大きい時、前記第一キャパシタンスの電圧が、前記第一インダクタンスの電圧と前記第二キャパシタンスの電圧の合計より小さくなり、前記第二ダイオードが停止するまで、前記第二ダイオードに導通することを特徴とする請求項４に記載の力率校正回路の動作方法。
6. 前記ステップＣにおいて、前記直流電源の電圧が、前記第一インダクタンスの電圧、前記第一キャパシタンスの電圧と前記第二キャパシタンスの電圧の合計より大きい時、前記第一ダイオードは導通することを特徴とする請求項４に記載の力率校正回路の動作方法。
7. 前記ステップＤにおいて、前記直流電源の電圧が、前記第一インダクタンスの電圧、前記第一キャパシタンスの電圧と前記第二キャパシタンスの電圧の合計より小さい時、前記第一ダイオードは停止することを特徴とする請求項４に記載の力率校正回路の動作方法。
8. 前記ステップＥにおいて、前記第一キャパシタンスの電圧が、前記第一インダクタンスの電圧と前記第二キャパシタンスの電圧の合計より大きい時、前記第二ダイオードは導通することを特徴とする請求項４に記載の力率校正回路の動作方法。

Images