JP7259534B2

JP7259534B2 - 力率改善回路

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Publication number: JP7259534B2
Application number: JP2019091589A
Authority: JP
Inventors: 光平谷野; 昌明長野
Original assignee: Omron Corp
Current assignee: Omron Corp
Priority date: 2019-05-14
Filing date: 2019-05-14
Publication date: 2023-04-18
Anticipated expiration: 2039-05-14
Also published as: JP2020188582A

Description

本発明は、電源装置に利用される力率改善回路に関する。

電源装置に利用される力率改善回路（ＰＦＣ）では、入力電圧に合わせて電流検出用抵抗の抵抗値を設定する。入力電圧の範囲は用途等に応じて広狭があり、広い範囲の入力電圧に対応する電源装置の場合、ＰＦＣでは、電流が最も流れる条件に合わせて電流検出用抵抗の抵抗値を設定することになる。そのため、電源装置への入力電圧が高い場合や、三相入力時に、力率改善回路での検出電圧が小さくなる。これにより、力率が低下する、または、入力電圧が高い場合や三相入力の場合にＰＦＣ過電流保護機能の動作が遅れる等の問題がある。

従来、サージ電圧を抑制するため、スイッチング電源の検出抵抗にスイッチを設け、オンオフするものがある（例えば、特許文献１参照）。また、負荷に応じて過電流のポイントを変化させるものもある（例えば、特許文献２参照）。しかし、このような技術はＰＦＣでは用いられていなかった。

特開２０１８－１５７６３９号公報特開２０１１－３５４７４号公報

本発明は、広いレンジの入力電圧に対応するとともに、三相及び単相の電源に対応して安定した過電流保護を行う力率改善回路を提供することを目的とする。

本発明は、電源と負荷との間に配置される電源装置に含まれる力率改善回路であって、複数の抵抗が並列に接続されるとともに、少なくともいずれかの抵抗に、オンオフの切り替えに応じて電源から負荷に供給する電力の調整に利用するスイッチを有する電流検出回路と、電源からの入力電圧を検出し、検出された入力電圧に応じてスイッチのオンオフを操作する信号を出力する検出回路とを備える。

本発明に係る力率改善回路は、広いレンジの入力電圧に対応するとともに、三相及び単相の電源に対応して安定した過電流保護を行うことができる。

第１実施形態に係る力率改善回路について説明する概略図である。第１実施形態に係る力率改善回路の回路構成図である。図１の力率改善回路におけるタイミングチャートの一例である。第２実施形態に係る力率改善回路の回路構成図である。

以下、図面を参照しながら、本発明の実施形態について説明する。本発明に係る力率改善回路は、広いレンジの入力電圧に対応するものである。これにより、本発明に係る力率改善回路では、入力電流が高い場合や三相入力時において、電流検出用抵抗における検出電圧が小さくなることによる問題を防止するものである。具体的には、実施形態に係る力率改善回路は、並列される複数の電流検出用抵抗を備え、入力電圧に応じて接続される電流検出用抵抗の数を調整し、広範囲な入力電圧に対応するとともに、三相及び単相の電源に対応して安定した過電流保護を行う。

［第１実施形態］
図１に示すように、第１実施形態に係る力率改善回路１は、電源１０と負荷３との間に配置され、一次回路１１１、スイッチング素子１１２、二次回路１１３を有する電源装置２に含まれる。力率改善回路１は、複数の抵抗が並列に接続されるとともに、少なくともいずれかの抵抗に、オンオフの切り替えに応じて電源１０から負荷３に供給する電力の調整に利用するスイッチを有する電流検出回路１２と、電源１０からの入力電圧を検出し、検出された入力電圧に応じて電流検出回路１２のスイッチのオンオフを操作する信号を出力する検出回路１３とを備える。また、力率改善回路１は、電流検出回路１２から出力される信号に応じてスイッチング素子１１２を制御する制御回路１４を有する。

図２に示すように、力率改善回路１は、三相電源と接続可能な第１～第３入力部Ｌ１～Ｌ３を備える。力率改善回路１は、三相電源に接続する場合、全ての入力部Ｌ１～Ｌ３にそれぞれ電源１０が接続される。また、単相電源（二相電源）に接続する場合、第１～第３入力部Ｌ１～Ｌ３から選択された２つに電源が接続される。したがって、電源装置２は、三相電源及び単相電源に対応可能である。また電源装置２は、広範囲な入力電圧に対応可能である。具体的には、電源装置２は、例えば、８５～２６４Ｖ程度のいわゆるユニバーサルレンジといわれるレンジの電源と接続可能である。

また、図２に示すように、電源装置２は、整流用の複数のダイオードＤ１１～Ｄ１６及び平滑用のチョークコイルＣＣを有する一次回路１１１と、スイッチング素子１１２と、整流用のダイオードＤ１７及び平滑用のコンデンサＣ１１とを有する二次回路１１３とが接続される。ここでは、スイッチング素子１１２としてＭＯＳ型ＦＥＴを使用する例で説明する。

ダイオードＤ１１及びＤ１２は、第１入力部Ｌ１に接続され、ダイオードＤ１３及びダイオードＤ１４は、第２入力部Ｌ２に接続され、ダイオードＤ１５及びＤ１６は、第３入力部Ｌ３に接続される。また、ダイオードＤ１１及びＤ１２は、チョークコイルＣＣをカソード側とし、電流検出回路１２をアノード側として、直列に接続される。また、ダイオードＤ１３及びＤ１４は、チョークコイルＣＣをカソード側とし、電流検出回路１２をアノード側として、直列に接続される。さらに、ダイオードＤ１５及びＤ１６は、チョークコイルＣＣをカソード側とし、電流検出回路１２をアノード側として、直列に接続される。また、チョークコイルＣＣは、スイッチング素子１１２のドレインに接続され、電流検出回路１２は、スイッチング素子１１２のソースに接続され、これにより、ダイオードＤ１１及びＤ１２、ダイオードＤ１３及びＤ１４、ダイオードＤ１５及びＤ１６は、スイッチング素子１１２と並列に配置される。

また、チョークコイルＣＣ及びスイッチング素子１１２のドレインＤにはダイオードＤ１７のアノードが接続され、ダイオードＤ１７のカソードにはコンデンサＣ１が接続される。また、コンデンサＣ１は、電流検出回路１２及びスイッチング素子１１２のソースと接続されるとともに、接地接続される。

図２に示す一次回路１１１、スイッチング素子１１２及び二次回路１１３を形成する各素子及びこれらの接続方法は一例であり、電源１０から供給される交流電圧を直流電圧に変換し、負荷３に供給することができれば、その構成は限定されない。

〈検出回路〉
図２に示す例では、検出回路１３は、検出部１３１と、操作部１３２とを有する。
《検出部の具体例》
図２に示すように、検出部１３１は、第１入力部Ｌ１と接続される第１の抵抗Ｒ２１と、第２入力部Ｌ２と接続される第２の抵抗Ｒ２２と、第３入力部Ｌ３と接続される第３の抵抗Ｒ２３とを有する。また、図２に示すように、検出部１３１は、各抵抗Ｒ２１～Ｒ２３にアノードが接続されるダイオードＤ２１～Ｄ２３と、各ダイオードＤ２１～Ｄ２３のカソードと接続される抵抗Ｒ２４と、抵抗Ｒ２４と接続される抵抗Ｒ２５と、コンデンサＣ２１を有する。また、検出部１３１は、抵抗Ｒ２５とコンデンサＣ２１と並列して、直列に配置されるツェナーダイオードＤ２４、抵抗Ｒ２６及びフォトカプラの発光素子ＰＨＣ１を備える。

検出部１３１は、コンデンサＣ２１の値が所定値以上の場合に電流検出回路１２に信号を出力する。具体的には、電源１０からの電力の供給に応じてコンデンサＣ２１に所定量の電荷が蓄えられると、コンデンサＣ２１と接続されるツェナーダイオードＤ２４に電流が流れ、フォトカプラの発光素子ＰＨＣ１が発光することで、操作部１３２に信号が出力される。この信号により操作部１３２のコンデンサＣ３１が充電される。操作部１３２は、コンデンサＣ３１の値が一定値以上となったときに電流検出回路１２のスイッチＳＷをオフに操作する。なお、所定値は、設計者によってスイッチＳＷのオンオフを操作する入力電圧に合わせて任意に設定される。

第１～第３の抵抗Ｒ２１～Ｒ２３の少なくともいずれかの抵抗値は異なる値であってもよい。これにより、コンデンサＣ２１における電圧量を変化させることができる。

例えば、第１の抵抗Ｒ２１及び第２の抵抗Ｒ２２の抵抗値である第１抵抗値と比較し、第３の抵抗Ｒ２３の抵抗値である第２抵抗値を低い値としてもよい。また、単相電源と接続される場合、電源装置２では、第２入力部Ｌ２及び第３入力部Ｌ３のみから電力供給されるようにする。これにより、第１抵抗値である第２の抵抗Ｒ２２と、第２抵抗値である第３の抵抗Ｒ２３のみが電源１０と接続されることとなる。したがって、単相入力時と三相入力時とでの抵抗値を異なる値とすることができる。すなわち、単相入力の場合、三相入力の場合と比較して、コンデンサＣ２１の電圧を低くすることができる。これにより、電源装置２を単相電源にも三相電源にも適用することが可能となり、また、いずれの場合であっても安定した過電流保護を実現することができる。

なお、図２に示す検出回路１３の構成は一例であり、電源１０から供給される電圧を検出することができれば、その構成は限定されない。

《操作部の具体例》
図２に示すように、操作部１３２は、定電圧電源ＶＣＣと接続され、検出部１３１の発光素子ＰＨＣ１と対となるフォトカプラの受光素子ＰＨＣ２と、受光素子ＰＨＣ２と直列に接続される抵抗Ｒ３１～３４と、抵抗Ｒ３３及びＲ３４と並列に接続されるコンデンサＣ３１と、受光素子ＰＨＣ２及び抵抗Ｒ３２～Ｒ３４と並列に接続されるコンデンサＣ３２と、シャントレギュレータＳＨとを有する。また、操作部１３２は、シャントレギュレータＳＨのリファレンスと接続される抵抗Ｒ３５と、シャントレギュレータＳＨのカソードＫと直列に接続される抵抗Ｒ３６及びＲ３７と、抵抗Ｒ３６及びＲ３７の間にゲートが接続されるトランジスタ（pnp）ＴＲ３１と、トランジスタＴＲ３１のコレクタと接続される直列に配列された抵抗Ｒ３８，Ｒ３９と、抵抗Ｒ３８，３９の間にゲートが接続されるトランジスタ（ＦＥＴ）ＴＲ３２と、このトランジスタＴＲ３２のドレインと接続される抵抗Ｒ４０と、トランジスタＴＲ３２と並列に接続されるＲ４１と、抵抗Ｒ４０及びトランジスタＴＲ３２のドレインにゲートが接続されるトランジスタ（ＦＥＴ）ＴＲ３３と、トランジスタＴＲ３１のエミッタ及びトランジスタＴＲ３３のドレインに接続されるリレーコイルＲＣとを備える。

操作部１３２は、入力電圧が所定値より大きいときに、電流検出回路１２のスイッチＳＷをオフにする信号を出力し、過電圧保護制御がされる。具体的には、操作部１３２は、入力電圧に応じてコンデンサＣ３１が充電され、コンデンサＣ３１の値に応じてリレースイッチＳＷをオンオフし、電流検出回路１２での電流検出用抵抗Ｒ１１，Ｒ２１の抵抗値を変更する。このように、操作部１３２がスイッチＳＷをオフにすることで、電流検出回路１２では、抵抗Ｒ１１のみに電流が流れるため、スイッチＳＷがオンで抵抗Ｒ１２にも電流が流れる場合と比較し、検出電圧が高くなる。したがって、スイッチＳＷをオフにすることで、電源装置２において、過電流保護がかかりやすくなる。

ここで、コンデンサＣ３２に加えられる電圧は、電源１０からの入力電圧や電源１０の相数に応じて変化する。具体的には、コンデンサＣ２１の電圧がツェナーダイオードＤ２４で設定される電圧以上となったとき、受光素子ＰＨＣ２のフォトカプラをオンさせることで、コンデンサＣ３１の電圧も大きくなる。また、シャントレギュレータＳＨで入力電圧を基準電圧と比較し、コンデンサＣ３１の電圧が一定以上となるとシャントレギュレータＳＨにトランジスタＴＲ３１のベース電流が流れ、トランジスタＴＲがオフからオンとなる。また、これにより、トランジスタＴＲ３２もオフからオンになる。そして、これにより、トランジスタＴＲ３３は、オンからオフとなり、電流が流れていたリレーコイルＲＣには電流が流れなくなるため、リレースイッチＳＷは、オンからオフになる。

このように、電源１０からの入力電圧が大きい場合や、電源１０が三相電源である時には、リレーコイルＲＣに電流が流ないため、リレースイッチＳＷは、オフである。一方、入力電圧が低い場合や、単相電源である場合は、リレーコイルＲＣに電流が流れるため、リレースイッチＳＷは、オンである。

入力電圧が大きくなると、検出部１３１において、コンデンサＣ２１が充電され、その電圧値がツェナーダイオードＤ２４で設定される電圧値を超えた場合に発光素子ＰＣＨ１が発光し、操作部１３２に信号を出力する。また、操作部１３２は、発光素子ＰＣＨ１の発光を受光素子ＰＨＣ２が受光することでコンデンサＣ３２が充電され、その値が所定値以上となると電流が流れる。これにより、その値が所定値以上となると、シャントレギュレータＳＨに電流が流れ、トランジスタＴＲ３１、ＴＲ３２が順番にオンとなり、ＴＲ３３がオフとなることで、リレーコイルＲＣに流れていた電流が流れなくなり、このリレーコイルＲＣから信号が出力されない。これにより、リレーコイルＲＣとともにリレーを構成するリレースイッチＳＷをオフにする。

抵抗Ｒ３１の抵抗値を高くし、また、コンデンサＣ３１の静電容量を高くすることで、コンデンサＣ３１における充電に要する時間が長くなるため、起動時において、定電圧の入力及び高電圧の入力にかかわらず、リレースイッチＳＷをオフ状態とすることができる。これにより、電流検出回路１２の素子、具体的には、スイッチング素子１１２やダイオードＤ１７へのサージ電圧を軽減することが可能となる。

また、操作部１３２において、トランジスタＴＲ３１からシャントレギュレータＳＨのリファレンス端子の間に、抵抗Ｒ３５及びダイオード３１を用いることで、ヒステリシス性をつけることができる。これにより、力率改善回路１では、入力電圧の微小な変動でリレースイッチＳＷのオンオフを繰り返すことを防止することができる。

なお、図２に示す検出回路１３の構成は一例であり、検出回路１３における過電流の検出に応じて電流検出回路１２を制御することができれば、その構成は限定されない。

〈電流検出回路〉
図２に示すように、電流検出回路１２は、並列された複数の電流検出用抵抗を有し、いずれかの電流検出用抵抗にリレースイッチが接続され、リレースイッチのオンオフによって電流検出回路１２での電流検出用抵抗を可変して電力を調整する。

《電流検出回路の具体例》
具体的には、図２に示すように、電流検出回路１２は、第１の電流検出用抵抗Ｒ１１及び第２の電流検出用抵抗Ｒ１２が並列され、第２の電流検出用抵抗Ｒ１２には、リレースイッチＳＷが接続される。リレースイッチＳＷは、操作部１３２のリレーコイルＲＣとリレーを構成する。図２に示す例では、リレースイッチＳＷは、オープンであって、リレーコイルＲＣに電流が流れることで、クローズとなる。これにより、電流検出用抵抗Ｒ２に電流が流れる。また、この電流は、制御回路１４に出力される。また、制御回路１４から、この電流に基づいてスイッチング素子１１２を制御する制御信号が生成される。上述したように、操作部１３２によってスイッチＳＷがオフにされると、抵抗Ｒ１１のみに電流が流れるため、抵抗Ｒ１２にも電流が流れる場合と比較し、検出電圧が高くなり、電源装置２において、過電流保護がかかりやすくなる。

なお、図２に示す電流検出回路１２の構成は一例であり、検出回路１３における過電流の検出に応じて電流検出回路１２を制御することができれば、その構成は限定されない。

図３に示すタイミング図は、抵抗Ｒ３１の抵抗値を低くし、コンデンサＣ３１の静電容量を低くすることで、時定数が小さい場合（実線）と、抵抗Ｒ３１の抵抗値を高くし、コンデンサＣ３１の静電容量を高くすることで、時定数を大きくした場合（破線）とを比較するリレースイッチＳＷの状態（ｂ）と、過電流検出点における電流値の変化（ｃ）である。

上述したように、第１実施形態に係る力率改善回路１は、複数の電流検出用抵抗を条件に応じて切り替えて使用することで、広範囲な入力電圧に対応するとともに、三相及び単相の電源に対応して安定した過電流保護を行う。

［第２実施形態］
図４を用いて、第２実施形態に係る力率改善回路１Ａについて説明する。図４に示すように、第２実施形態に係る力率改善回路１Ａは、電流検出回路１２Ａの構成が図２を用いて上述した力率改善回路１と異なる。第１実施形態では、電流検出回路１２で用いるスイッチはリレースイッチであったが、第２実施形態では、電流検出回路１２Ａが用いるスイッチＳＷ１はＦＥＴであり、一部の構成が異なる。

なお、図４に示す一次回路１１１、スイッチング素子１１２及び二次回路１１３を形成する各素子及びこれらの接続方法は一例であり、電源１０から供給される交流電圧を直流電圧に変換し、負荷３に供給することができれば、その構成は限定されない。

〈検出回路の具体例〉
図４に示す例でも、検出回路１３は、検出部１３１と、操作部１３２Ａとを有する。
図４に示すように、検出部１３１は、図２を用いて上述した例と同一である。なお、図２に示す検出回路１３の構成は一例であり、電源１０から供給される電圧を検出することができれば、その構成は限定されない。

図４に示すように、操作部１３２Ａは、一部で図２を用いて上述した操作部１３２と異なる。すなわち、操作部１３２Ａは、リレーコイルＲＣを不要とするため、トランジスタＴｒ３３も備えず、抵抗Ｒ４１は、電流検出回路１２Ａと接続される。この操作部１３２でも、入力電圧の微小な変動でＦＥＴのスイッチＳＷ１のオンオフを繰り返すことを防止することができる。

なお、図４に示す検出回路１３の構成は一例であり、検出回路１３における過電流の検出に応じて電流検出回路１２を制御することができれば、その構成は限定されない。

〈電流検出回路〉
図２に示すように、電流検出回路１２Ａは、並列された複数の電流検出用抵抗Ｒ１１，Ｒ１２を有し、すのうちの一の抵抗Ｒ１２にＦＥＴスイッチＳＷ１が接続され、ＦＥＴスイッチＳＷ１のオンオフによって電流検出回路１２Ａでの電流検出用抵抗を可変して電力を調整する。

《電流検出回路の具体例》
具体的には、図４に示すように、電流検出回路１２Ａは、第１の電流検出用抵抗Ｒ１１及び第２の電流検出用抵抗Ｒ１２が並列され、第２の電流検出用抵抗Ｒ１２には、ＦＥＴスイッチＳＷ１が接続される。また、ＦＥＴスイッチＳＷ１のドレインとソースには、ダイオードＤ１８が接続される。さらに、ＦＥＴスイッチＳＷ１のソースとゲートには、抵抗Ｒ５１及びコンデンサＣ５１が並列に接続される。さらに、ＦＥＴスイッチＳＷ１のドレインと検出回路１３との間には、抵抗Ｒ５２が接続される。これにより、操作部１３２から流れる電流によりＦＥＴスイッチＳＷ１が操作される。また、この電流は、制御回路１４に出力される。そして、制御回路１４から、この電流に基づいてスイッチング素子１１２を制御する制御信号が生成される。

なお、図４に示す電流検出回路１２Ａの構成は一例であり、検出回路１３における過電流の検出に応じて電流検出回路１２Ａを制御することができれば、その構成は限定されない。

上述したように、第２実施形態に係る力率改善回路１Ａは、複数の電流検出用抵抗を条件に応じて切り替えて使用することで、広範囲な入力電圧に対応するとともに、三相及び単相の電源に対応して安定した過電流保護を行う。

本開示の電源装置は、例えば、力率改善制御を行う電源装置に有用である。

１力率改善回路
２電源装置
１１１一次回路
１１２スイッチング素子
１１３二次回路
１２電流検出回路
１３検出回路
１４制御回路
１０電源
３負荷

Claims

電源と負荷との間に配置される電源装置に含まれる力率改善回路であって、
複数の抵抗が並列に接続されるとともに、少なくともいずれかの抵抗に、オンオフの切り替えに応じて前記電源から前記負荷に供給する電力の調整に利用するスイッチを有する電流検出回路と、
前記電源からの入力電圧を検出し、検出された入力電圧に応じて前記スイッチのオンオフを操作する信号を出力する検出回路と、
を備え、
三相電源と接続される第１乃至第３入力部を備え、
前記検出回路は、前記第１入力部と接続される第１の抵抗、前記第２入力部と接続される第２の抵抗及び前記第３入力部と接続される第３の抵抗を備え、
前記検出回路は、前記第１の抵抗、前記第２の抵抗、及び、前記第３の抵抗のそれぞれを介して、前記電源からの入力電圧を検出し、
前記第１乃至第３の抵抗の少なくともいずれかの抵抗値は異なる値である
ことを特徴とする力率改善回路。
前記電流検出回路は、並列された複数の抵抗を有し、いずれかの抵抗にスイッチが接続され、前記スイッチのオンオフによって当該電流検出回路での抵抗値を可変して電力を調整し、
前記検出回路は、検出する入力電圧が所定値より大きいとき、前記スイッチをオフにする信号を出力する
請求項１に記載の力率改善回路。
前記電流検出回路は、第１の抵抗及び第２の抵抗が並列され、前記第２の抵抗には、前記スイッチとしてリレースイッチが接続され、
前記検出回路は、前記リレースイッチとともにリレーを構成するリレーコイルを有し、コイルで発生する電流により、前記リレースイッチをオフにする信号を出力する
請求項２に記載の力率改善回路。
前記電流検出回路は、第１の抵抗及び第２の抵抗が並列され、前記第２の抵抗には、前記スイッチとしてＦＥＴが接続され、
前記検出回路は、前記ＦＥＴのゲートと接続され、当該ゲートに前記ＦＥＴをオフにする信号を出力する
請求項２に記載の力率改善回路。
単相電源と接続される場合、前記第２入力部及び前記第３入力部のみから電力供給され、
前記第１の抵抗及び前記第２の抵抗の抵抗値と比較し、前記第３の抵抗の抵抗値を低い値とする
請求項１乃至４のいずれか１に記載の力率改善回路。
前記検出回路は、
前記第１の抵抗、前記第２の抵抗、及び、前記第３の抵抗のそれぞれを介して、前記電源に接続される第１コンデンサと、当該第１コンデンサの電圧を示す第１コンデンサの値が所定値以上の場合に信号を出力する信号発信部とを備える検出部と、
前記信号発信部から発信される信号を受信する受信部と、当該受信部における信号の受信により、定電圧電源からの電流が流れることで第２コンデンサの電圧を示す第２コンデンサの値が所定以上となるとき、前記スイッチをオフに操作する操作部と、
を有する請求項１乃至５のいずれか１に記載の力率改善回路。
前記操作部は、さらに、抵抗を備え、
前記抵抗の抵抗値及び前記第２コンデンサの静電容量は、前記電源から電圧が供給された直後から所定期間前記スイッチをオフとする値である
請求項６に記載の力率改善回路。