JP6089115B2 - 交直流転換装置及びその力率校正方法 - Google Patents

交直流転換装置及びその力率校正方法 Download PDF

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Description

本発明は電源転換装置に関し、特に交直流転換装置及びその力率校正方法に関する。
従来の交直流転換装置は、図1に示すとおり、整流回路300と出力キャパシタンスCを有する。整流回路300は、交流電源を直流電源に転換する。出力キャパシタンスCは、整流回路の出力端に接続し、且つ出力キャパシタンスCは、ロード400に並列接続する。
交直流転換装置の動作時には、交流電源の入力電圧と入力電流が相位が異なる状況にあり、導致力率が低く、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充電時間は短くなり、整流回路300中のダイオードの導通時間も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システムに不要な負担を強いる。よって、力率校正回路を有する交直流転換装置が開発された。
交直流転換装置の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で電流ハーモニクス歪み総量は10%以下を達成し、入力電圧範囲が広く、出力電圧が安定し、且つ出力力率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ため、電磁ノイズが大きく、耐用性が低いという欠点が存在する。
またロード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には高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で、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欠点がある。
本発明の主な目的は、効果的に力率を高め、且つ効果的にロードに出力される電圧リップル波を抑制できる交直流転換装置及びその力率校正方法に関する。
上述の目的を達成するため、本発明による交直流転換装置は、電源の交流電を直流電に転換後、ロードに給電する交直流転換装置であって、該交直流転換装置は、整流回路、主動式力率校正回路を有する。
該整流回路は、該電源と電気的に連接し、交流電を直流電に転換し、且つ直流電を出力する正極出力端及び負極出力端を有する。
該主動式力率校正回路は、該主動式力率校正回路の片側と該整流回路に電気的に連接し、もう一つの側は、該ロードに電気的に連接し、該ロードに出力される電圧リップル波を抑制できる。
且つ該主動式力率校正回路は、第一ダイオード、第二ダイオード、第三ダイオード、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、電子スイッチ、第四ダイオード、第三インダクタンス、第二キャパシタンス、第三キャパシタンスを有する。
該第一ダイオードの負極は、該整流回路の正極出力端に連接する。
該第二ダイオードの正極は、該整流回路の負極出力端に連接する。
該第三ダイオードの正極は、該第一ダイオードの正極に連接する。
該第一インダクタンスの一端は、該第一ダイオードの負極、及び該整流回路の正極出力端に連接する。
該第二インダクタンスの一端は、該第二ダイオードの負極に連接し、もう一つの端は、該第一ダイオードと第三ダイオードの正極に連接する。
該第一キャパシタンスの一端は、第一インダクタンスに連接し、もう一つの端は、該第二インダクタンス、及び該第一ダイオードと第三ダイオードの正極に連接する。
該電子スイッチの一端は、該第一インダクタンスと該第一キャパシタンスに連接し、もう一つの端は、該整流回路の負極出力端と該第二ダイオードの正極に連接する。
該第四ダイオードの正極は、該第二ダイオードの負極と該第二インダクタンスに連接し、負極は、該第三ダイオードの負極に連接する。
該第三インダクタンスの一端は、該第三ダイオードの負極及び該第四ダイオードの負極に電気的に連接する。
該第二キャパシタンスの一端は、該第三ダイオードの負極及び該第四ダイオードの負極に連接し、もう一つの端は、該第三インダクタンスに連接する。
該第三キャパシタンスは、該ロードに並列接続し、且つその一端は、該第三インダクタンスと該第二キャパシタンスに連接し、もう一つの端は、該第二ダイオードの負極、該第二インダクタンス及び該第四ダイオードの正極に連接する。
本発明による交直流転換装置の該主動式力率校正回路の該第三インダクタンスは、第五ダイオードを経て、該第三ダイオードの負極及び該第四ダイオードの負極に電気的に連接する。該第五ダイオードの正極は、該第三ダイオードの負極及び該第四ダイオードの負極に連接し、負極は、該第三インダクタンスに連接する。
本発明による交直流転換装置の該第一キャパシタンスは、無極性キャパシタンスである。
本発明による交直流転換装置の該第二キャパシタンスは、無極性キャパシタンスである。
本発明による交直流転換装置の該第三キャパシタンスは、非電解キャパシタンスである。
本発明による交直流転換装置の主動式力率校正回路の力率校正方法は、該整流回路出力の直流電を受け取り、ロードに出力される電圧リップル波を抑制でき、それは以下のステップを有する。
A)該電子スイッチをオンにし、これにより該整流回路出力の直流は該第一インダクタンスに充電し、且つ該第一キャパシタンスは、該第二インダクタンスに対して充電し、該第三インダクタンス、該第二キャパシタンスと該第三キャパシタンスは、該ロードに対してエネルギーを放出する。
B)該電子スイッチをオフにし、該第一ダイオードに導通し、これにより該第一インダクタンスは、該第一キャパシタンスに対してエネルギーを放出し、且つ該第二インダクタンスの貯蔵エネルギーは、該第三キャパシタンスに対して持続的に伝送される。
C)該第四ダイオードに導通し、これにより該第二キャパシタンスと該第三インダクタンスは、該第三キャパシタンスに対してエネルギーを放出し、これにより該第三キャパシタンスは、該ロードに給電する。
D)該第一インダクタンスが該第一キャパシタンスに対してエネルギー放出を完了すると、該第一ダイオードは停止し、且つ該第二キャパシタンスと該第三インダクタンスは、該第三キャパシタンスに対してエネルギーの放出を続け、これにより該第三キャパシタンスは該ロードに対して給電する。
本発明による力率校正方法ではステップD後に、ステップAからステップDのステップを繰り返し執行する。
本発明による力率校正方法ではステップBにおいて、該第二インダクタンスは、該第二キャパシタンスを通して、該第三インダクタンスと形成する共振回路で、その貯蔵エネルギーを、該第三キャパシタンスに伝導する。
本発明による力率校正方法ではステップCにおいて、該第三インダクタンスの電圧ストレスが該第三キャパシタンスの電圧ストレスより大きい時、該第四ダイオードは導通する。
本発明による力率校正方法ではステップCにおいて、該第一インダクタンスは、該第一キャパシタンスにエネルギーを放出し続ける。
本発明は、交直流転換装置及びその力率校正方法により、交直流転換装置は力率を高め、及びロードに出力される電圧リップル波を効果的に抑制することができる。
従来の交直流転換装置の回路図である。 本発明の一実施形態による交直流転換装置の回路図である。 本発明の一実施形態による各ステップの同等回路図である。 本発明の一実施形態による各ステップの同等回路図である。 本発明の一実施形態による各ステップの同等回路図である。 本発明の一実施形態による各ステップの同等回路図である。 本発明の一実施形態による出力電圧と電流の波型図である。
本発明による交直流転換装置は、電源の交流電を直流電に転換後、ロードに給電する。 交直流転換装置は、整流回路、及び主動式力率校正回路を有する。
整流回路と電源とは電気的に連接し、交流電を直流電に転換し、且つ直流電を出力する正極出力端及び負極出力端を有する。
主動式力率校正回路は、該主動式力率校正回路の片側と整流回路を電気的に連接し、もう一つの側には、ロードを電気的に連接し、ロードに出力される電圧リップル波を抑制できる。
且つ主動式力率校正回路は、第一ダイオード、第二ダイオード、第三ダイオード、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、電子スイッチ、第四ダイオード、第三インダクタンス、第二キャパシタンス、第三キャパシタンスを有する。
第一ダイオードの負極は、整流回路の正極出力端に連接する。
第二ダイオードの正極は、整流回路の負極出力端に連接する。
第三ダイオードの正極は、第一ダイオードの正極に連接する。
第一インダクタンスの一端は、第一ダイオードの負極、及び整流回路の正極出力端に連接する。
第二インダクタンスの一端は、第二ダイオードの負極に連接し、もう一つの端は、第一ダイオードと第三ダイオードの正極に連接する。
第一キャパシタンスの一端は、第一インダクタンスに連接し、もう一つの端は、第二インダクタンス及び第一ダイオードと第三ダイオードの正極に連接する。
電子スイッチの一端は、第一インダクタンスと第一キャパシタンスに連接し、もう一つの端は、整流回路の負極出力端と第二ダイオードの正極に連接する。
第四ダイオードの正極は、第二ダイオードの負極と第二インダクタンスに連接し、負極は、第三ダイオードの負極に連接する。
第三インダクタンスの一端は、第三ダイオードの負極及び第四ダイオードの負極に電気的に連接する。
第二キャパシタンスの一端は、第三ダイオードの負極及び第四ダイオードの負極に連接し、もう一つの端は、第三インダクタンスのもう一つの端に連接する。
第三キャパシタンスは、ロードに並列接続し、且つその一端は、第三インダクタンスと第二キャパシタンスに連接し、もう一つの端は、第二ダイオードの負極、第二インダクタンスの正極及び第四ダイオードの正極に連接する。
本発明による主動式力率校正回路の校正方法は、整流回路が出力する直流電を受け取り、ロードに出力される電圧リップル波を抑制でき、且つ以下のステップを有する。
A.電子スイッチをオンにし、これにより整流回路が出力する直流は第一インダクタンスに対して充電し、且つ第一キャパシタンスは第二インダクタンスに対して充電し、且つ第三インダクタンス、第二キャパシタンスと第三キャパシタンスはロードに対してエネルギーを放出する。
B.電子スイッチをオフにし、第一ダイオードに導通し、これにより第一インダクタンスは第一キャパシタンスに対してエネルギーを放出し、且つ第二インダクタンスの貯蔵エネルギーは第三キャパシタンスに持続的に伝送される。
C.第四ダイオードに導通し、これにより第一インダクタンスは第一キャパシタンスに対してエネルギー放出を続け、且つ第二キャパシタンスと第三インダクタンスとは第三キャパシタンスに対してエネルギーを放出し、これにより第三キャパシタンスは、ロードに給電する。
D.第一インダクタンスが第一キャパシタンスに対するエネルギー放出を完了すると、第一ダイオードは停止し、且つ第二キャパシタンスと第三インダクタンスとは第三キャパシタンスに対してエネルギー放出を続け、これにより第三キャパシタンスは、ロードに給電する。
以下に本発明の技術内容、構造特徴、達成する目的及び作用効果について、以下に例を挙げ並びに図面を組み合わせて詳細に説明する。
図2に示すとおり、本発明の一実施形態の交直流転換装置は、電源100の交流電を直流電に転換後、ロード200に給電する。
交直流転換装置は、整流回路10、及び主動式力率校正回路20を有する。
整流回路10と電源100とは、電気的に連接し、交流電を直流電に転換し、且つ直流電を出力する正極出力端12及び負極出力端14を有する。
主動式力率校正回路20は、該主動式力率校正回路20の片側と整流回路10を電気的に連接し、もう一つの側には、ロード200を電気的に連接し、力率を改善し、ロード200に出力する電圧リップル波を抑制する。主動式力率校正回路20は、5個のダイオード(第一ダイオードD1〜第五ダイオードD5)、3個のインダクタンス(第一インダクタンスL1〜第三インダクタンスL3)、3個のキャパシタンス(第一キャパシタンスC1〜第三キャパシタンスC3)、及び1個の電子スイッチSWを有する。
上記したパーツの連接関係は、以下のとおりである。
第一ダイオードD1の負極は、整流回路10の正極出力端12に連接する。
第二ダイオードD2の正極は、整流回路10の負極出力端14に連接する。
第三ダイオードD3の正極は、第一ダイオードD1の正極に連接する。
第一インダクタンスL1一端は、第一ダイオードD1の負極、及び整流回路10の正極出力端12に連接する。
第二インダクタンスL2の一端は、第二ダイオードD2の負極に連接し、もう一つの端は、第一ダイオードD1と第三ダイオードD3の正極に連接する。
第一キャパシタンスC1は、無極性キャパシタンスで、一端は、第一インダクタンスL1に連接し、もう一つの端は、第二インダクタンスL2、及び第一ダイオードD1と第三ダイオードD3の正極に連接する。
電子スイッチSW一端は、第一インダクタンスL1と第一キャパシタンスL2に連接し、もう一つの端は、整流回路10の負極出力端14と第二ダイオードD2の正極に連接する。
第四ダイオードD4の正極は、第二ダイオードD2の負極と第二インダクタンスL2に連接し、負極は、第三ダイオードD3の負極に連接する。
第五ダイオードD5の正極は、第三ダイオードD3の負極と第四ダイオードD4の負極に連接する。
第三インダクタンスL3の一端は、第四ダイオードD4の負極に電気的に連接する。
第二キャパシタンスC2は、無極性キャパシタンスで、一端は、第三ダイオードD3及び第四ダイオードD4の負極に連接し、もう一つの端は、第三インダクタンスL3に連接する。
第三キャパシタンスC3は、非電解キャパシタンスで、且つロード200に並列接続し、一端は、第三インダクタンスL3と第二キャパシタンスC2に連接し、もう一つの端は、第二ダイオードD2の負極、第二インダクタンスL2及び第四ダイオードD4の正極に連接する。
本実施形態において、キャパシタンスC1〜C3、インダクタンスL1〜L3、入力電圧、出力電圧、電子スイッチ切換周波数及びロード200の電気抵抗は、表1に示す。
Figure 0006089115
上述の構造設計と規格により、主動式力率校正回路20は、整流回路10が出力する直流電を受け取った後、力率校正の動作方法を利用し、効果的に力率を高め、ロードに出力される電圧リップル波を抑制できる。それは、以下のステップを有する。
A.図3に示すとおり、電子スイッチSWをオンにすると、整流回路10が出力する直流は、第一インダクタンスL1に対して充電し、且つ第一キャパシタンスC1は第二インダクタンスL2に対して充電し、且つ第三インダクタンスL3、第二キャパシタンスL2と第三キャパシタンスL3は、ロード200に対してエネルギーを放出する。
B.図4に示すとおり、電子スイッチSWをオフにすると、第一ダイオードD1に導通し、これにより第一インダクタンスL1は第一キャパシタンスC1に対してエネルギーを放出する。且つ第二インダクタンスL2は第二キャパシタンスC2を通して、第三インダクタンスL3と形成する共振回路で、その貯蔵エネルギーを第三キャパシタンスC3に伝送し続け、これにより第三キャパシタンスC3は、ロード200に給電する。且つこの時、第二キャパシタンスC2の電圧ストレス極性は反転する。
C.図5に示すとおり、第三インダクタンスL3の電圧ストレスが第三キャパシタンスC3の電圧ストレスより大きい時、第四ダイオードD4は導通し、これにより第二キャパシタンスC2、第三インダクタンスL3と第三キャパシタンスC3の電圧ストレスは等しくなり、これにより第二キャパシタンスC2と第三インダクタンスL3とは、第三キャパシタンスC3に対してエネルギーを放出し、これにより第三キャパシタンスC3は、ロード200に給電する。また、第一インダクタンスL1は第一キャパシタンスC1に対してエネルギー放出を続ける。
D.図6に示すとおり、第一インダクタンスL1が第一キャパシタンスC1に対してエネルギー放出を完了すると、第一ダイオードD1は停止し、且つ第二キャパシタンスC2と第三インダクタンスL3は、第三キャパシタンスC3に対してエネルギーを放出する。これにより第三キャパシタンスC3は、ロード200に給電を続ける。
ステップA〜ステップDを一度執行すると、1つの周期の動作を完成する。よって、交直流転換装置の持続動作の状況において、ステップD後には、交直流転換装置が動作を停止するまで、ステップA〜ステップDを執行する。
こうして、図7に示すとおり、本実施形態中では、出力が12Vである時、その高周波リップル波は、0.9Vだけである。すなわち、上述構造と方法の設計を通して、従来の回路の力率上昇の効果を達成できる他、第三インダクタンスL3を利用し、同時も貯蔵エネルギーとフィルターの回路構造設計を行うことができ、毎回入力エネルギー増加時(すなわち、電子スイッチSW導通時)に起きる出力電圧リップル波を抑制することができる。
また、主動式の電子スイッチSWの切換、及び第三インダクタンスL3と第二キャパシタンスC2共振の設計を通して、第二キャパシタンスC2の電圧貯蔵エネルギーをインダクタンス電流に転換し、且つ第二キャパシタンスC2の電圧ストレスの極性を反転させ、こうして第四ダイオードD2導通前後の全体回路構造を改変し、入力エネルギー停止(すなわち、電子スイッチSWのオフ時)が引き起こす出力電圧リップル波を抑制することができる。
さらに、第五ダイオードD5の設計は、ロード200付近の回路が回路フィードバックを生じることを効果的に防止し、こうして全体回路はより安定し、交直流転換装置の力率向上とリップル波抑制の効果を達成することができる。当然、実施においては、第五ダイオードD5を使用しなくともリップル波抑制の目的を達成することができる。
本発明は、前述の通り、好ましい実施例を既に開示したが、これらは本発明に制約を加えるものではない。本業務に熟知する技術員が、本発明の技術手段の範囲を逸脱せずに、前述に開示した技術内容に基づいて若干の変更或いは修飾を加えて同等効果を有する実施例を生み出すことは可能であるが、本発明の技術手段を逸脱しない内容であり、本発明の技術的根本となるものに依拠して、以上の実施例に対して行なう如何なる簡単な修正、同等効果を有する変化、及び修飾は全て、本発明の技術手段の範囲内に属することをここに明記する。
10 整流回路
12 正極出力端
14 負極出力端
20 主動式力率校正回路
D1、D2、D3、D4、D5 ダイオード
LI、L2、L3 インダクタンス
C1、C2、C3 キャパシタンス
SW 電子スイッチ
100 電源
200 ロード
300 整流回路
400 ロード
C 出力キャパシタンス

Claims (10)

  1. 電源の交流電を直流電に転換後、ロードに給電する交直流転換装置であって、前記交直流転換装置は、整流回路、主動式力率校正回路を有し、
    前記整流回路は、前記電源と電気的に連接し、交流電を直流電に転換し、且つ直流電を出力する正極出力端及び負極出力端を有し、
    前記主動式力率校正回路の片側は、前記整流回路に電気的に連接し、もう一つの側は前記ロードに電気的に連接し、前記ロードに出力される電圧リップル波を抑制でき、力率を高め、第一ダイオード、第二ダイオード、第三ダイオード、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、電子スイッチ、第四ダイオード、第三インダクタンス、第二キャパシタンス、第三キャパシタンスを有し、
    前記第一ダイオードの負極は、前記整流回路の正極出力端に連接し、
    前記第二ダイオードの正極は、整流回路の負極出力端に連接し、
    前記第三ダイオードの正極は、第一ダイオードの正極に連接し、
    前記第一インダクタンスの一端は、前記第一ダイオードの負極、及び前記整流回路の正極出力端に連接し、
    前記第二インダクタンスの一端は、前記第二ダイオードの負極に連接し、もう一つの端は、前記第一ダイオードと第三ダイオードの正極に連接し、
    前記第一キャパシタンスの一端は、第一インダクタンスに連接し、もう一つの端は、前記第二インダクタンス、及び前記第一ダイオードと第三ダイオードの正極に連接し、
    前記電子スイッチの一端は、前記第一インダクタンスと前記第一キャパシタンスに連接し、もう一つの端は、前記整流回路の負極出力端と前記第二ダイオードの正極に連接し、 前記第四ダイオードの正極は、前記第二ダイオードの負極と前記第二インダクタンスに連接し、負極は、前記第三ダイオードの負極に連接し、
    前記第三インダクタンスの一端は、前記第三ダイオードの負極及び前記第四ダイオードの負極に電気的に連接し、
    前記第二キャパシタンスの一端は、前記第三ダイオードの負極及び前記第四ダイオードの負極に連接し、もう一つの端は、前記第三インダクタンスに連接し、
    前記第三キャパシタンスは、前記ロードに並列接続し、且つその一端は、前記第三インダクタンスと前記第二キャパシタンスに連接し、もう一つの端は、前記第二ダイオードの負極、前記第二インダクタンス及び前記第四ダイオードの正極に連接することを特徴とする交直流転換装置。
  2. 前記主動式力率校正回路の前記第三インダクタンスは、第五ダイオードを通して前記第三ダイオードの負極及び前記第四ダイオードの負極に電気的に連接し、
    前記第五ダイオードの正極は、前記第三ダイオードの負極及び前記第四ダイオードの負極に連接し、負極は、前記第三インダクタンスに連接することを特徴とする請求項1に記載の交直流転換装置。
  3. 前記第一キャパシタンスは、無極性キャパシタンスであることを特徴とする請求項1に記載の交直流転換装置。
  4. 前記第二キャパシタンスは、無極性キャパシタンスであることを特徴とする請求項1に記載の交直流転換装置。
  5. 前記第三キャパシタンスは、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に記載の交直流転換装置。
  6. 請求項1に記載する交直流転換装置の主動式力率校正回路の力率校正方法は、前記整流回路出力の直流電を受け取り、ロードに出力される電圧リップル波を抑制でき、力率を高め、以下のステップを有し、
    A)前記電子スイッチをオンにし、前記整流回路出力の直流は前記第一インダクタンスに充電し、且つ前記第一キャパシタンスは、前記第二インダクタンスに対して充電し、前記第三インダクタンス、前記第二キャパシタンスと前記第三キャパシタンスは、前記ロードに対してエネルギーを放出し、
    B)前記電子スイッチをオフにし、前記第一ダイオードに導通し、これにより前記第一インダクタンスは、前記第一キャパシタンスに対してエネルギーを放出し、且つ前記第二インダクタンスの貯蔵エネルギーは、前記第三キャパシタンスに対して持続的に伝送され、
    C)前記第四ダイオードに導通し、これにより前記第二キャパシタンスと前記第三インダクタンスは、前記第三キャパシタンスに対してエネルギーを放出し、これにより前記第三キャパシタンスは、前記ロードに給電し、
    D)前記第一インダクタンスは、前記第一キャパシタンスに対してエネルギー放出を完了すると、前記第一ダイオードは停止し、且つ前記第二キャパシタンスと前記第三インダクタンスは、前記第三キャパシタンスに対してエネルギーの放出を続け、これにより前記第三キャパシタンスは前記ロードに対して給電することを特徴とする交直流転換装置の主動式力率校正回路の力率校正方法。
  7. 前記ステップD後、ステップAからステップDのステップを繰り返し執行することを特徴とする請求項6に記載の力率校正方法。
  8. 前記ステップBにおいて、前記第二インダクタンスは、前記第二キャパシタンスを通して、前記第三インダクタンスと形成する共振回路で、その貯蔵エネルギーを、前記第三キャパシタンスに伝導することを特徴とする請求項6に記載の力率校正方法。
  9. 前記ステップCにおいて、前記第三インダクタンスの電圧ストレスは、前記第三キャパシタンスの電圧ストレスより大きい時、前記第四ダイオードは導通することを特徴とする請求項6に記載の力率校正方法。
  10. 前記ステップCにおいて、前記第一インダクタンスは、前記第一キャパシタンスにエネルギーを放出し続けることを特徴とする請求項6に記載の力率校正方法。
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