JP6589877B2

JP6589877B2 - 交流電力調整器及び交流電力調整器の制御方法

Info

Publication number: JP6589877B2
Application number: JP2016556151A
Authority: JP
Inventors: 石橋　学; 学石橋; 啓介秋保
Original assignee: RKC INSTRUMENT Inc
Current assignee: RKC INSTRUMENT Inc
Priority date: 2014-10-31
Filing date: 2014-10-31
Publication date: 2019-10-16
Anticipated expiration: 2034-10-31
Also published as: JPWO2016067445A1; WO2016067445A1

Description

本発明は、入力交流電源から供給される電力を負荷に対して可変出力する交流電力調整器に関する。

商用の交流電源の電圧（実効値）が所定の値（例えば200Ｖ）であるのに対し、種々の電気機器（負荷）にはそれぞれに適した電源電圧があり、従って、商用の交流電源の電圧を調整して負荷に供給する交流電力調整器が利用されている。
このような電力調整器として、スイッチング素子による高周波スイッチングにより、パルス幅変調（ＰＷＭ）を行い、出力電圧の振幅を制御する（０％〜１００％の任意の電圧を出力する）ものがある。
このようなＰＷＭ制御方式の交流電力調整器に関する従来技術が特許文献１によって開示されている。

特開２００３−３４８８４３

従来の電力調整器において、図８にその一例を示したように、スイッチング素子Ｑ１、Ｑ２をスパイク電圧から保護するための保護回路（スナバ回路。図８では、ＲＣＤスナバ回路を例としている）１５１、１５２が設けられているが、このスナバ回路１５１、１５２によって、装置の電源オン時に、負荷３において、意図しない電圧が発生してしまうものであった。
即ち、交流電力調整器１００において、スタンバイ時等の負荷３に対する電源出力をしない状態では、転流回路１６０（スイッチング素子Ｑ３、Ｑ４）をオンとすることにより、負荷３の両端を短絡し、負荷に電圧が生じることを抑止しているが、交流電力調整器１００自体の立ち上げ時（電源接続時等）においては、マイコン１３２がスイッチング素子Ｑ３、Ｑ４に対する制御信号をまだ出力することができず、従ってスイッチング素子Ｑ３、Ｑ４をオンにできない状態が生じ得る。この状態では、図８に示されるように、スナバ回路１５１を介して電流が流れ、負荷に電圧を生じさせてしまうものであり、このような、予定されない電圧の発生は好ましいものではなかった。

本発明は、上記の点に鑑み、スイッチング素子をスパイク電圧から保護するための保護回路（スナバ回路）を備える交流電力調整器であって、その立ち上げ時において、負荷における予定されない電圧の発生を抑止することが可能な交流電力調整器を提供することを目的とする。

（構成１）
入力交流電源をスイッチングして櫛形波形を生成するスイッチング回路と、前記スイッチング回路の動作制御の信号を生成する制御信号生成回路と、前記スイッチング回路と負荷との間に設けられる平滑回路と、前記スイッチング回路をスパイク電圧から保護する保護回路と、を備えることにより、入力交流電源から供給される電力を負荷に対して可変出力する交流電力調整器であって、前記負荷と並列に接続されるノーマリーオンのスイッチ回路を備えることを特徴とする交流電力調整器。

（構成２）
前記スイッチ回路が、前記負荷に対して電力を出力する出力端子間に設けられることを特徴とする構成１に記載の交流電力調整器。

（構成３）
前記平滑回路がＬＣ回路であり、当該平滑回路のインダクタンスと、前記負荷との還流路をオン・オフする転流回路を備え、装置の立ち上げ時において、前記転流回路により前記還流路をオンした後に、前記スイッチ回路をオフ制御することを特徴とする構成１又は構成２に記載の交流電力調整器。

（構成４）
入力交流電源をスイッチングして櫛形波形を生成するスイッチング回路と、前記スイッチング回路の動作制御の信号を生成する制御信号生成回路と、前記スイッチング回路をスパイク電圧から保護する保護回路と、前記スイッチング回路と負荷との間に設けられるＬＣ回路と、前記ＬＣ回路のインダクタンスと前記負荷との還流路をオン・オフする転流回路と、を備えることにより、入力交流電源から供給される電力を負荷に対して可変出力する交流電力調整器において、前記負荷と並列に接続されるノーマリーオンのスイッチ回路を設け、装置の立ち上げ時において、前記転流回路により前記還流路をオンした後に、前記スイッチ回路をオフ制御することを特徴とする交流電力調整器の制御方法。

本発明の交流電力調整器によれば、ノーマリーオンのスイッチ回路が負荷と並列に接続されることにより、電源投入時の装置の立ち上げ時において負荷に対して予定されない電圧が印加されることを抑止することができる。

本発明に係る交流電力調整器の概略回路構成図本発明に係る交流電力調整器の動作フェーズごとの説明図（正極性）本発明に係る交流電力調整器の動作を説明する図（正極性）実施形態の交流電力調整器の本発明に係る処理の概略を示すフローチャート本発明に係る交流電力調整器の動作を説明する図（正極性）本発明に係る処理の概略を示す別のフローチャート本発明に係るノーマリーオンのスイッチ回路の接続可能な位置を例示する図従来の交流電力調整器の動作を説明する図（正極性）

以下、本発明の実施態様について、図面を参照しながら具体的に説明する。なお、以下の実施態様は、本発明を具体化する際の一形態であって、本発明をその範囲内に限定するものではない。

図１は、本発明に係る交流電力調整器１の概略回路構成図である。先ず、図１に基づいて、本実施形態の交流電力調整器１の構成を説明する。
本実施形態の交流電力調整器１は、その入力端１１１・１１２に商用電源（入力交流電源）２が、出力端１８１・１８２に負荷３がそれぞれ接続され、商用電源２から供給される電力を負荷３に対して可変出力するものである。
交流電力調整器１は、インダクタンス１２１とキャパシタンス１２２からなる入力フィルタと、入力交流電源をスイッチングして櫛形波形を生成する櫛形波形生成回路１４０と、櫛形波形生成回路１４０に備えられるスイッチング素子Ｑ１、Ｑ２をそれぞれスパイク電圧から保護するための保護回路であるスナバ回路１５１、１５２と、出力側のインダクタンス１７１に蓄積されたエネルギーに基づく還流路を形成するための転流回路１６０と、インダクタンス１７１とキャパシタンス１７２からなる平滑回路１７０と、負荷３と並列に接続されるスイッチＲＬ１と、櫛形波形生成回路１４０及び転流回路１７０のスイッチング制御や、スイッチＲＬ１に対するオン・オフ制御を行うマイコン１３２と、マイコン１３２への電源供給を行う電源回路１３１と、等を備える。

マイコン１３２は、櫛形波形生成回路１４０及び転流回路１６０に備えられる各スイッチング素子（本実施形態ではＭＯＳＦＥＴ）の動作制御の信号を生成するもの（制御信号生成回路）であり、また、スイッチＲＬ１（スイッチ回路）に対するオン・オフ制御も行う。
スイッチＲＬ１は、例えばリレーから構成されるノーマリーオンのスイッチであり、負荷３が接続される出力端１８１・１８２の間に設けられる。
従って、マイコン１３２からの制御信号が無い状態においては常に負荷３の両端を短絡することとなる。

櫛形波形生成回路１４０は、ＭＯＳＦＥＴによって構成されるスイッチング素子Ｑ１と、スイッチング素子Ｑ２が、それぞれのソースが接続されることで直列に接続されて形成される。スイッチング素子Ｑ１のドレインが商用電源２（入力端１１１）とインダクタンス１２１を介して接続され、スイッチング素子Ｑ２のドレインが負荷３（出力端１８１）とインダクタンス１７１を介して接続され、スイッチング素子Ｑ１、Ｑ２の双方のゲートがマイコン１３２と接続される。これにより、櫛形波形生成回路１４０は、商用電源２と負荷３との間の電源供給ライン上に設けられて、これをスイッチングする。

転流回路１６０は、ＭＯＳＦＥＴによって構成されるスイッチング素子Ｑ３とスイッチング素子Ｑ４が、それぞれのソースが接続されることで直列に接続されて形成される。スイッチング素子Ｑ３のドレインが負荷３（出力端１８１）とインダクタンス１７１を介して接続され、スイッチング素子Ｑ４のドレインが負荷３（出力端１８２）に接続され、スイッチング素子Ｑ３、Ｑ４のゲートがマイコン１３２とそれぞれ接続される。これにより、転流回路１６０は、インダクタンス１７１と負荷３との間の還流路を形成（オン・オフ）する。

スナバ回路１５１、１５２は、スイッチング素子Ｑ１、Ｑ２のオフ制御時において生じる逆起電力（スパイク電圧）からスイッチング素子Ｑ１、Ｑ２を保護する回路であり、本実施形態においては、抵抗とキャパシタンスとダイオードからなるＲＣＤスナバ回路を例としている。

次に、本実施形態の交流電力調整器１の負荷への電力供給動作について、図２のタイミングチャートを参照しつつ説明する。

図２に示されるごとく、本実施形態の交流電力調整器１は入力となる交流電源（商用電源２）を櫛形波形生成回路１４０（Ｑ１，Ｑ２）によってスイッチングすることにより、０％〜１００％の任意の電圧を負荷３に対して出力するものである。即ち、図２のタイミングチャートにおいて、拡大図（下図）における（１）の期間において、商用電源２と負荷３との間の電源供給ラインが導通となり、（２）〜（４）の期間ではオープンとされるものであり、このオン・オフのデューティー比に基づいて、０％〜１００％の任意の電圧を負荷３に対して出力するものである。

図２の下図は、交流電源（商用電源２）が正の成分である際における各スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ４の動作を示すタイミングチャートである（図２の上図の一部を拡大する図）。図中の期間（１）では、スイッチング素子Ｑ１及びＱ２がＯＮに制御され、スイッチング素子Ｑ３はＯＦＦに、スイッチング素子Ｑ４はＯＮに制御される。これにより、商用電源２と負荷３との間の電源供給ラインが導通となる。

期間（３）では、スイッチング素子Ｑ１がＯＦＦに、スイッチング素子Ｑ２がＯＮにそれぞれ制御され、スイッチング素子Ｑ３及びＱ４がＯＮに制御されることにより、商用電源２と負荷３との間の電源供給ラインはオープンとなり、一方、インダクタンス１７１と負荷３との間の還流路が導通され、期間（１）においてインダクタンス１７１に蓄積されていたエネルギーが放出される。

ここで、スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ４の動作制御が理想的に行われれば、上記の期間（１）と期間（３）の繰り返しにて動作可能なものであるが、実際にはスイッチング素子Ｑ１〜Ｑ４のオン・オフ制御を厳密に行うことは困難である。その結果、期間（１）から期間（３）への移行時に、スイッチング素子Ｑ１のＯＦＦ制御が、スイッチング素子Ｑ３のＯＮ制御より遅れてしまった場合、スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ４が全てＯＮとなる状態が生じてしまうおそれがある。
そこで、期間（１）と期間（３）の間に、スイッチング素子Ｑ３をＯＦＦ状態に保つ期間（２）と期間（４）を設けている。

期間（２）及び期間（４）では、スイッチング素子Ｑ１がＯＦＦに、スイッチング素子Ｑ２がＯＮにそれぞれ制御され、スイッチング素子Ｑ３はＯＦＦに、スイッチング素子Ｑ４はＯＮに制御される。スイッチング素子Ｑ３がＯＦＦであっても、スイッチング素子Ｑ３が有する寄生ダイオードを介してインダクタンス１６１と負荷３との間の還流路が導通され、期間（１）においてインダクタンス１６１に蓄積されたエネルギーが放出される。一方、スイッチング素子Ｑ３がＯＦＦであることにより、仮にスイッチング素子Ｑ１のＯＦＦ制御が遅れても（ＯＮ状態であっても）、スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ４の経路の短絡が起こることがないものである。

なお、上記説明は、交流電源（商用電源２）が正の成分である際における各スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ４の動作を説明するものであるが、交流電源（商用電源２）が負成分である際についても、極性が異なる（結果として、スイッチング素子Ｑ３とＱ４の役割が入れ換わる）だけで概念的には同一である。

このような、負荷に対する電力の可変供給動作を行う交流電力調整器であるが、図８に示したごとく、従来の交流電力調整器１００においては、交流電力調整器１００を商用電源２に接続する際に、負荷３に意図しない電圧が生じてしまうものであった。
即ち、図８に示されるように、スナバ回路１５１に備えられたキャパシタンスに対する充電電流が流れてしまうため（Ｑ２は、寄生ダイオードによって導通）、これに基づき負荷３に意図しない電圧が生じてしまうものである（なお、図８では正極性の場合を示しているが、負極性の場合は、スナバ回路１５２に備えられたキャパシタンスに対する充電電流と、Ｑ１の寄生ダイオードによって図８とは逆の電流が流れ、負荷３に意図しない電圧が生じる）。
転流回路１６０（スイッチング素子Ｑ３とＱ４）をオン状態にできれば、負荷３に電圧が生じないようにすることができるが、交流電力調整器１００を商用電源２に接続した直後は、マイコンの立ち上げ処理などにかかる時間があり、その間においては、マイコン１３２から各スイッチング素子への制御信号を出力することができず、転流回路１６０（スイッチング素子Ｑ３とＱ４）をオン状態にすることができない。
従って、従来の交流電力調整器１００においては、交流電力調整器１００を商用電源２に接続する際に、負荷３に意図しない電圧が生じてしまうものであった。

これに対し、本実施形態の交流電力調整器１によれば、ノーマリーオンのスイッチＲＬ１が負荷と並列に接続されているため、図３に示したように、交流電力調整器１を商用電源２に接続した直後におけるマイコン１３２から各スイッチング素子への制御信号を出せない間において、負荷３の両端がスイッチＲＬ１によって短絡され、従って、負荷３に対して予定されない電圧が印加されることを効果的に抑止することができるものである。
加えて、マイコン１３２の故障等により、各スイッチング素子に制御信号を送出できない状態が発生してしまった場合においても、負荷３に対して予定されない電圧が印加されることを効果的に抑止することができるため（「制御信号を送出できない」ということは、ノーマリーオンのスイッチＲＬ１がオンとなるということであるため）、負荷３を保護することができるものである。

次に、当該電源接続時からのマイコン１３２における処理の概略（主に本発明に関する部分）について図４のフローチャートを参照しつつ説明する。

交流電力調整器１が商用電源２に接続されると、電源回路１３１からのマイコン１３２への電源供給が開始され、マイコン１３２において起動処理が実行される（Ｓ００１）。
この際、図３に基づいて上記説明したごとく、負荷３の両端がノーマリーオンのスイッチＲＬ１によって短絡されるため、負荷３に対して予定されない電圧が発生することはない。

マイコン１３２が立ち上がったことにより、各スイッチング素子に対する制御信号が出せる状態になったら、スイッチング素子Ｑ３、Ｑ４に対してこれをオンとする制御信号を送出する（Ｓ００２）。これにより、図３からも理解されるように、転流回路１６０によって負荷３に対して予定されない電圧が発生することを抑止することができるため、スイッチング素子Ｑ３、Ｑ４のオンした後のＳ００３において、スイッチＲＬ１に対してこれをオフとする制御信号を送出する（以後、装置の起動中においてスイッチＲＬ１に対するオフ制御を持続する）。これにより、図５に示したように、仮にスナバ回路１５１に備えられたキャパシタンスに対する充電電流が流れる状態であったとしても、負荷３において予定されない電圧が発生することはない。

Ｓ００３より後のＳ００４〜Ｓ００７は、基本的に従来の交流電力調整器と同様に負荷への電力供給をする動作となる。
即ち、交流電力調整器に接続される外部装置からの信号や、交流電力調整器に設けられている設定装置（手動設定）などにより、出力値の設定および出力指示があった場合には（Ｓ００４：Ｙｅｓ）、図２に基づいて上記説明した制御によって負荷３に対して電力を出力し（Ｓ００５）、同様に外部装置からの信号や設定装置（手動設定）などにより、スタンバイ指示（出力停止指示）があった場合には（Ｓ００６：Ｙｅｓ）、櫛形波形生成回路１４０（Ｑ１，Ｑ２）をオフとし、転流回路１６０（Ｑ３、Ｑ４）をオンとした上で、次の出力指示を待つ（Ｓ００７→Ｓ００４）。

以上のごとく、本実施形態の交流電力調整器１によれば、ノーマリーオンのスイッチＲＬ１が負荷と並列に接続され、電源接続時にマイコンから制御信号を出せるようになった際に、転流回路１６０（Ｑ３、Ｑ４）をオンとした後にスイッチＲＬ１をオフとしているため、負荷３に対して予定されない電圧が印加されることを効果的に抑止することができるものである。

なお、本実施形態においては、転流回路１６０（Ｑ３、Ｑ４）をオンとした後にスイッチＲＬ１をオフとし、以後、装置の起動中においてスイッチＲＬ１に対するオフ制御を持続するものを例としたが、スイッチＲＬ１をオフとする期間は、転流回路１６０（Ｑ３、Ｑ４）をオンとした後であって、少なくとも負荷に対する電力出力期間中においてオフとするものであればよい。
図６に、このような処理のフローチャートを示した。図４と同様の処理については同一の符号を付している。
図６の処理では、転流回路１６０（Ｑ３、Ｑ４）をオンした（Ｓ００２）直後にスイッチＲＬ１をオフするのではなく、電力出力指示があった際に（Ｓ００４：Ｙｅｓ）、スイッチＲＬ１に対してこれをオフとする制御信号を送出する（Ｓ０１１）。その後、スタンバイ指示（出力停止指示）があった場合に（Ｓ００６：Ｙｅｓ）、櫛形波形生成回路１４０（Ｑ１，Ｑ２）をオフとし、転流回路１６０（Ｑ３、Ｑ４）をオンとし、且つスイッチＲＬ１をオンとする（Ｓ０１２）。なお、スイッチＲＬ１はノーマリーオンの素子であるので、「スイッチＲＬ１をオン制御」とは、スイッチＲＬ１へのオフ制御信号の送出停止である。
このような処理により、より確実に負荷３を保護することができるとともに、スイッチＲＬ１に対する制御信号の送出期間を最小化することができる（低消費電力）。

本実施形態においては、スイッチＲＬ１を出力端１８１と１８２の間に設けるものを例としているが、本発明をこれに限るものではなく、例えば図７で示した（１）〜（４）の位置にスイッチＲＬ１を設けるようにしてよい（（４）が本実施形態の位置）。なお、（１）と（２）、（３）と（４）はそれぞれ電気的には違いはない。

本実施形態においては、櫛形波形を生成するスイッチング回路を構成するスイッチング素子の例として、ＭＯＳＦＥＴ（及びＭＯＳＦＥＴが有する寄生ダイオード）を用いているが、本発明をこれに限るものではなく、機能的に「交流電源から負荷方向にはオン・オフ制御が可能であり、負荷から交流電源方向には常時オン」である第１のスイッチング回路と、「負荷から交流電源方向にはオン・オフ制御が可能であり、交流電源から負荷方向には常時オン」である第２のスイッチング回路であればよく、例えば、トランジスタとそのエミッタ・コレクタ間を接続するダイオードとによって、櫛形波形を生成するスイッチング回路を構成する等してもよい。
また、本実施形態においては、マイコンによって櫛形波形生成回路１４０、転流回路１７０に備えられる各スイッチング素子のスイッチング制御と、スイッチＲＬ１に対するオン・オフ制御の双方を行うものを例として説明したが、櫛形波形生成回路１４０、転流回路１７０への制御信号を生成する回路と、スイッチＲＬ１への制御信号を生成する回路が別に形成されるようなものであってもよい。また、それぞれ、汎用的なマイコンで制御するものであってもよいし、専用回路にて構成されるものであってもよい。

１．．．交流電力調整器
２．．．商用電源（入力交流電源）
３．．．負荷
１３２．．．マイコン（制御信号生成回路）
１４０．．．櫛形波形生成回路（櫛形波形を生成するスイッチング回路）
１５１、１５２．．．スナバ回路（保護回路）
１６０．．．転流回路
１７０．．．平滑回路（ＬＣ回路）
１７１．．．インダクタンス
１８１、１８２．．．出力端子
ＲＬ１．．．スイッチ（ノーマリーオンのスイッチ回路）

Claims

入力交流電源から供給される電力を負荷に対して可変出力する交流電力調整器であって、
入力交流電源をＭＯＳＦＥＴによってスイッチングして櫛形波形を生成するスイッチング回路と、
前記スイッチング回路の動作制御の信号を生成する制御信号生成回路と、
前記スイッチング回路と負荷との間に設けられるＬＣ回路である平滑回路と、
前記スイッチング回路をスパイク電圧から保護する保護回路と、
前記平滑回路のインダクタンスと、前記負荷との還流路をオン・オフする転流回路と、
前記負荷と並列に接続されるノーマリーオンのスイッチ回路と、
を備え、
装置の立ち上げ時において、前記転流回路により前記還流路をオンした後に、前記スイッチ回路をオフ制御することを特徴とする交流電力調整器。
前記転流回路により前記還流路をオンした後であって、且つ、外部装置又は設定装置からの電力出力指示があった後に、前記スイッチ回路をオフ制御することを特徴とする請求項１に記載の交流電力調整器。
入力交流電源をＭＯＳＦＥＴによってスイッチングして櫛形波形を生成するスイッチング回路と、前記スイッチング回路の動作制御の信号を生成する制御信号生成回路と、前記スイッチング回路をスパイク電圧から保護する保護回路と、前記スイッチング回路と負荷との間に設けられるＬＣ回路と、前記ＬＣ回路のインダクタンスと前記負荷との還流路をオン・オフする転流回路と、を備えることにより、入力交流電源から供給される電力を負荷に対して可変出力する交流電力調整器において、
前記負荷と並列に接続されるノーマリーオンのスイッチ回路を設け、装置の立ち上げ時において、前記転流回路により前記還流路をオンした後に、前記スイッチ回路をオフ制御することを特徴とする交流電力調整器の制御方法。