JPH04359674A - 直流電源装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、直流電源装置に係り、
とくに、単相交流電源を倍電圧整流回路やブリッジ整流
回路で整流して直流電源を得る方式の直流電源装置に関
する。

【０００２】

【従来の技術】従来、交流電源から直流電源を得る整流
回路を備えた直流電源装置としては、例えば図５及び図
６に示すものがある。

【０００３】この内、図５に示す装置は、半波整流回路
を組み合わせて倍電圧整流する回路である。すなわち、
単相の交流電源ＰＳ（電源電圧Ｖｉｎ）の両端は、ダイ
オードＤ１、Ｄ２の直列回路及びコンデンサＣ１、Ｃ２
の直列回路の各中間点に接続され、その両方の直列回路
の両端が負荷ＲＤに接続されている。なお、図中、記号
Ｒｉｎはライン抵抗を、Ｌｉｎはライン・インダクタン
スである。この装置では、コンデンサＣ１又はＣ２の充
電電圧が整流時に交流電源Ｖｉｎの入力電圧に加わり、
倍電圧整流がなされる。なお、コンデンサＣ１，Ｃ２は
大きな容量のものを用いて、倍電圧用と平滑用とを兼用
させている。

【０００４】一方、図６に示す装置はブリッジ整流回路
を用いたもので、交流電源ＰＳの両端は、ダイオードＤ
１、Ｄ２の直列回路及びダイオードＤ３、Ｄ４の直列回
路の中間点に各々接続され、その両方の直列回路の両端
が負荷ＲＤ及び平滑コンデンサＣＣに各々接続されてい
る。ダイオードＤ１…Ｄ４はブリッジ整流回路を構成し
ており、これにより、負荷ＲＤを流れる電流は全波整流
波形となる。

【０００５】しかし、上記の直流電源装置の夫々では、
交流電源ＰＳからの入力電圧が平滑コンデンサＣ１、Ｃ
２、ＣＣの充電電圧より高いときのみしか入力電流は流
れない。このため、入力電流の通電角の減少に伴う電流
ピーク値の上昇、電流歪（電源高調波）の増加、及び入
力力率の低下を招いている。

【０００６】そこで、特に大電力が要求される分野では
、それらの欠点をカバーした図７、図８に示す直流電源
装置が実用に供されている。図７の装置は、図５の構成
におけるコンデンサＣ１，Ｃ２を倍電圧コンデンサＣ１
１、Ｃ２１と平滑コンデンサＣＤとに分離し、且つ、入
力側にチョークコイルＬＳを挿入したものである。つま
り、倍電圧コンデンサＣ１１，Ｃ２１は図５のコンデン
サＣ１，Ｃ２と同位置に介挿され、平滑コンデンサＣＤ
は負荷ＲＤに並列に接続されると共に、ダイオードＤ１
，Ｄ２の中間点に接続された電源ラインにチョークコイ
ルが挿入されている。なお、図７の装置にあっては、比
較的大きい容量の平滑コンデンサＣＤを電解コンデンサ
で形成するので、その電解コンデンサの逆極性となる装
置起動時を考慮して、コンデンサＣ１１，Ｃ２１に各々
並列にダイオードＤ３，Ｄ４（向きはダイオードＤ１，
Ｄ２と同じ）を接続してある。これにより、倍電圧整流
を行いながら、その入力電流の変動を極力抑えるように
している。

【０００７】また図８の直流電源装置は、図６の構成に
おける平滑コンデンサＣＣの代わりに、平滑コンデンサ
ＣＥ、ＣＦ及びチョークコイルＬＳによるπ形フィルタ
回路を挿入し、そのフィルタ回路にダイオードＤＳを挿
入したものである。これにより、リプルをより小さくす
るようにしている。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】ここで、図７、８に示
したチョークコイル直列挿入、コンデンサ分離に係る改
善の様子を説明するため、上記図７の直流電源装置の入
力電流及び入力力率に関するシミュレーション結果を図
９に示す。つまり、図７の回路における回路常数を、夫
々、Ｖｉｎ：ＡＣ１００［Ｖ］（正弦波５０Ｈｚ）、Ｒ
ｉｎ：０．１［Ω］、Ｌｉｎ：０．１［ｍＨ］、ＬＳ：
８．７［ｍＨ］、Ｃ１＝Ｃ２：３００［μＦ］、ＣＤ：
１８００［μＦ］、シミュレーションのために負荷ＲＤ
に並列接続した抵抗（図示せず）：３２．８［Ω］とし
たとき、図９に示す入力電流波形Ｉｉｎが得られた。こ
れによると、入力電流Ｉｉｎは、＋３０．３１［Ａ］〜
−３０．３１［Ａ］の間で振れ、その平均値（ＲＭＳ）
は１７．９９［Ａ］であるが、半周期毎に１つのピーク
を持ち、そのピーク間に通電されない位相領域がある。 このような入力電流Ｉｉｎに対する入力力率Ｐｆは９４
［％］であり、そのときの出力電圧Ｖｄｃは２３６．１
〜２２３［Ｖ］であった。

【０００９】このシミュレーション結果によると、入力
力率Ｐｆは改善の跡が見られるが、入力電流Ｉｉｎの流
れない位相範囲が依然として大きく残り、電流通電角の
確保は十分では無い。したがって、入力電流Ｉｉｎのピ
ーク値が必然的に高い（約３０［Ａ］）ままとなってお
り、各回路素子の常数及び電流容量も高い値が必要とな
る。 とくに、入力側のチョークコイルＬＳは理想的なシミュ
レーションとするために、高インダクタンス＝８．７［
ｍＨ］のものに設定してみたが、この８．７［ｍＨ］と
いう値は実際に制作するとなると非常に大きな素子にな
ってしまい、現代の小形化の要請に反する等、現実的な
設計値とはいい難い。これも全て、電流ピーク値が高い
ことに起因しているのである。

【００１０】本発明は、このような従来技術の直面して
いる状況に鑑みてなされたもので、入力力率を高い値に
維持できると共に、入力電流の通電角領域を広げてその
ピーク値を抑え、これにより素子の電流容量及び常数が
小さくて済むようにし、小形化に寄与可能な装置を提供
することを目的とする。

【００１１】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
、本発明に係る直流電源装置では、単相交流電源を整流
して直流電源を形成する直流電源装置において、上記単
相交流電源に至る経路の内の少なくとも一方に介在し且
つリアンクタンス特性が相互に異なる複数の２端子回路
と、この２端子回路の数と同一数の整流素子直列回路を
並列に接続した構成を含む整流回路とを有し、上記複数
の２端子回路の一方の各端子を上記経路の電源側に夫々
接続し、他方の各端子を上記複数の整流素子直列回路の
中点に個別に接続した。

【００１２】

【作用】単相交流電源から出力された電流は、リアンク
タンス特性が異なる複数の２端子回路を経由し、この複
数の経由電流が各々独立した整流素子直列回路に流れる
。複数の２端子回路は、例えばチョークコイルだけの回
路及びチョークコイル及びコンデンサの直列回路で形成
される。このため、そのような例示で言えば、それらの
２端子回路を流れる各電流の位相は入力電圧の位相に対
して異なると同時に、各電流相互間でも異なる。つまり
、コンデンサを含む２端子回路の方の電流（Ｉ２とする
）の位相がより進み、チョークコイルだけの２端子回路
の方の電流（Ｉ１とする）の位相がＩ１よりも遅れるた
め、交流電圧半波に対して、通電角の前半では主として
進み電流Ｉ２が一方の整流素子直列回路を経由して流れ
、直流電源に整流される。また、通電角の後半では主と
して遅れ電流Ｉ１が他方の整流素子直列回路を経由して
流れ、整流される。

【００１３】これにより、従来の比較的高い入力力率を
維持する場合でも、通電角範囲が広がるから、その分、
入力電流のピーク値が低下する。したがって、平滑のた
めの素子の常数及び電流容量も下がり、小形化が推進さ
れる。

【００１４】

【実施例】以下、本発明の実施例を図面を参照して説明
する。

【００１５】まず、第１実施例を図１〜図３を用いて説
明する。ここで、前記従来例と同一の要素には必要に応
じて同一符号を用いる。

【００１６】同図に示す直流電源装置１は、前述した図
７記載の従来装置に対応するもので、商用単相交流電源
ＰＳから直流電力を生成するものである。即ち、直流電
源装置１は、その入力側に介在させた２個の２端子回路
Ｎ１，Ｎ２と、この２端子回路Ｎ１，Ｎ２の出力側に設
けられた整流回路ＢＤと、この整流回路ＢＤの出力側に
設けられたコンデンサＣ１２，Ｃ２２とを有する。

【００１７】２端子回路Ｎ１，Ｎ２の内、一方の回路Ｎ
１はチョークコイルＬＳＳのみから成り、他方の回路Ｎ
２はコンデンサＣＳ及びチョークコイルＬＣＳの直列回
路から成る。これにより、一方の２端子回路Ｎ１は誘導
性を強く呈し、電流の位相遅れが大きいのに対して、他
方の２端子回路Ｎ２はコンデンサＣＳの容量性リアンク
タンスにより遅れ要素が緩和されている。つまり、相互
にリアンクタンス特性が異なるため、一方の２端子回路
Ｎ１を流れる電流Ｉ１よりも他方の２端子回路を流れる
電流Ｉ２の方が位相が進んでいる。

【００１８】また、整流回路ＢＤは、ダイオードＤ１，
Ｄ２の直列回路ＢＤ１とダイオードＤ３，Ｄ４の直列回
路ＢＤ２とを併設させて成る。さらに、コンデンサＣ１
２，Ｃ２２は共に比較的大きな容量を有し、倍電圧作用
及び平滑作用を担うもので、相互に直列に接続されてい
る。

【００１９】このように形成された各回路の内、２端子
回路Ｎ１，Ｎ２の電源側端子が共に直流電源装置１の一
方の入力端子ａに接続されると共に、負荷側端子がダイ
オードの直列回路ＢＤ１，ＢＤ２の中間点に各々接続さ
れている。また、入力端子ｂはコンデンサＣ１２，Ｃ２
２の中間点に直接接続されている。さらに、図示の如く
、ダイオードの直列回路ＢＤ１，ＢＤ２並びにコンデン
サＣ１２，Ｃ２２の直列回路の各両端子が直流電源装置
１の出力端子ｃ，ｄに夫々接続されている。

【００２０】一方、直流電源装置１の入力端子ａ，ｂに
は商用周波数の単相交流電源ＰＳ（電源電圧Ｖｉｎ）が
接続され、出力端子ｃｄには負荷ＲＤが接続されている
。 なお、電源ＰＳのラインには、ライン抵抗Ｒｉｎ及びラ
イン・インダクタンスＬｉｎが挿入されている。

【００２１】次に、本第１実施例の作用効果を説明する
。

【００２２】いま、単相交流電源ＰＳの電源電圧Ｖｉｎ
の正の半周期（図中実線矢印の向きの電流が流れるとす
る）を考える。交流電源ＰＳから入力した電流Ｉｉｎは
、２個の２端子回路Ｎ１，Ｎ２に分岐して流れ、各々の
分岐電流Ｉ１，Ｉ２が専用のダイオードＤ１，Ｄ３を通
る。

【００２３】この正の半周期において、最初は入力電圧
Ｖｉｎが小さく、またコンデンサＣＳを含む側の２端子
回路Ｎ２の進み要素が大きいので、入力電流Ｉｉｎの大
半は最初にコンデンサＣＳを含む側の２端子回路Ｎ２を
流れ始める（電流Ｉ２）。次いで、入力電圧Ｖｉｎの上
昇に伴って今度はチョークコイルＬＳＳのみの２端子回
路Ｎ１を通して大半の電流が流れ始める（電流Ｉ１）。

【００２４】この様子を定性的に示すと図２のようにな
る。即ち、正の半周期の通電角領域における前半では、
コンデンサＣＳＳを含む側の２端子回路Ｎ２の進み電流
Ｉ２が主に入力電流Ｉｉｎを成し、後半ではコイルＬＳ
Ｓのみの２端子回路Ｎ１の遅れ電流Ｉ１が主に入力電流
Ｉｉｎを成し、夫々の電流が合い前後して流れて図２に
示した合成電流Ｉｉｎを形成する。この合成電流Ｉｉｎ
は図示のように、半周期の中で前半と後半に２つのピー
クを持つが、そのピーク値は、従来のように単に１個の
チョークコイルを挿入した場合に比べて、低くなる。こ
のように２つの低いピークを持ち、通電角が広がった整
流電流Ｉｉｎは、一方のコンデンサＣ１２を介して流れ
ると共に、負荷ＲＤ及び他方のコンデンサＣ２２を介し
て実線矢印の所定向きに流れる。これにより、一方のコ
ンデンサＣ１２が充電され、また前回の負の半周期で充
電されている他方のコンデンサＣ２２の電圧が電源電圧
Ｖｉｎに加算され、倍電圧整流となる。このとき、コン
デンサＣ１２は容量が大きいので、負荷電流の脈動を平
滑する。

【００２５】一方、電源電圧Ｖｉｎの負の半周期におい
ても同様の動作を得る（図１中の点線矢印及び図２参照
）。

【００２６】このように、直流電源装置１の入力側に設
けた、リアクタンス特性の異なる２個の２端子回路Ｎ１
，Ｎ２が、その電流位相差に拠って入力電流Ｉ１，Ｉ２
の通電角領域を分離する。このため、電流波形ピークは
２つになるものの、トータルの通電電気角は広がること
から、その電流ピーク値は低下する。これにより、高い
入力力率を維持又は一層向上させることができ、また電
流歪（電源高調波）も良好に抑えることができる。さら
に、ピーク値そのものが低下することに伴って、２端子
回路Ｎ１，Ｎ２及び整流回路ＢＤの各素子の電流容量が
小さくて済むと共に、前述した図７のものと同一の入力
力率を得る場合でも、２端子回路Ｎ１，Ｎ２中のチョー
クコイルＬＳＳ、ＬＣＳの常数が小さいもので間に合い
、したがって、回路の小形化を推進できるという利点が
ある。

【００２７】さらに、本実施例では、電源（入力）電圧
Ｖｉｎのピーク付近で入力電流Ｉｉｎが減少している（
波形がへこんでいる）から、負荷ＲＤに対して、他のコ
ンデンサインプット形直流電源装置（例えば前述した図
５〜図８に示した装置）を併設することにより、電源シ
ステムとしてトータルの力率を向上させ、また高調波低
減が可能になる。一方、本実施例のように、高い力率を
保持したまま小形化できる装置が得られることで、設計
の自由度が増し、出力電圧や出力電流の値に合わせた装
置構成の選定が可能になる。

【００２８】ここで、本第１実施例の入力電流及び入力
力率に関するシミュレーション結果の一例を図３に示す
。これは前記図９のシミュレーション結果と対比される
もので、図３の回路常数を、夫々、Ｖｉｎ：ＡＣ１００
［Ｖ］（正弦波５０Ｈｚ）、Ｒｉｎ：０．１［Ω］、Ｌ
ｉｎ：０．１［ｍＨ］、ＬＳＳ：３［ｍＨ］、ＬＣＳ：
４［ｍＨ］、ＣＳ：３９０［μＦ］、Ｃ１２＝Ｃ２２：
３３００［μＦ］、シミュレーションのために負荷ＲＤ
に並列接続した抵抗（図示せず）：２９．３［Ω］とし
たとき、図３に示す電流波形が得られた。図中、合成電
流Ｉｉｎの波形は前述した如く、波形Ｉ２（コンデンサ
ＣＳを含む２端子回路Ｎ２の電流）と波形Ｉ１（チョー
クコイルＬＳＳのみを含む２端子回路Ｎ１の電流）の重
ね合わせとなって、通電角も広がっている。

【００２９】これによると、２つの波形Ｉ２，Ｉ１のピ
ーク値は夫々、２５．７［Ａ］，２０．８［Ａ］（合成
電流Ｉｉｎのピーク値は２８．９［Ａ］）であり、図９
のピーク値３０．３１［Ａ］に比べて格段に低下してい
るから、チョークコイルＬＳＳ，ＬＣＳを小形化できる
。 また入力平均電流（ＲＭＳ）は１７．９５［Ａ］、出力
電圧Ｖｄｃは２２５．２〜２１２．１［Ｖ］であり、ま
た入力力率Ｐｆは９５．２５［％］であった。つまり、
力率Ｐｆは図７の構成のものよりも向上している。

【００３０】なお、本第１実施例においては、ダイオー
ド直列回路ＢＤ１，ＢＤ２のいずれか一方のみにより整
流回路ＢＤを形成し、２端子回路Ｎ１，Ｎ２の両方の負
荷側端子を回路ＢＤ１又はＢＤ２の中間点に並列に接続
する構成も可能である。

【００３１】また、図１に示した構成において、図７の
装置に示したように、コンデンサを倍電圧用と平滑用に
分離する構成としてもよい。

【００３２】続いて、本発明の第２実施例を図４に基づ
き説明する。ここで、前記従来例及び第１実施例と同一
の要素には必要に応じて同一符号を用いる。

【００３３】図４に示す直流電源装置１１は、前述した
図６記載の従来装置に対応するもので、商用単相交流電
源ＰＳから全波整流により直流電力を生成するものであ
る。即ち、直流電源装置１１は、その入力側に介在させ
た２個の２端子回路Ｎ１，Ｎ２と、この２端子回路Ｎ１
，Ｎ２の出力側に設けられた整流回路ＢＤと、この整流
回路ＢＤの出力側に設けられた平滑用コンデンサＣＣと
を有する。

【００３４】２個の２端子回路Ｎ１，Ｎ２はここでは第
１実施例と同一である。整流回路ＢＤは、ブリッジ整流
回路を成す一方のダイオード直列回路群ＢＤａ（ダイオ
ードＤ１，Ｄ２，Ｄ５，Ｄ６）と他方のダイオード直列
回路ＢＤｂ（ダイオードＤ３，Ｄ４）とから成り、この
内の一方のダイオード直列回路群ＢＤａが２個のダイオ
ード直列回路ＢＤ１（ダイオードＤ１，Ｄ２），ＢＤ２
（ダイオードＤ３，Ｄ４）から構成されている。そして
、２端子回路Ｎ１，Ｎ２の各両端が装置１１の入力端子
ａ及びダイオード直列回路ＢＤ１，ＢＤ２の各中間点に
図示の如く接続されている。装置１１の入力端子ｂは、
他方のダイオード直列回路ＢＤｂの中間点に接続されて
いる。その他は図７の構成と同様である。

【００３５】このため、本第２実施例によっても全波整
流による直流電源が得られると共に、第１実施例と同等
の作用効果が得られる。

【００３６】なお、本発明における複数の２端子回路は
、前述したように必ずしも２個に限定されるものではな
く、３個以上の回路を併設するようにしてもよい。また
、それらの２端子回路を挿入する電源ラインは、前述し
たように一方の電源ラインに限定されることなく、例え
ば両方のラインに夫々挿入し、平衡形とするようにして
もよい。

【００３７】

【発明の効果】本発明に係る直流電源装置にあっては、
単相交流電源に至る経路の内の少なくとも一方に、リア
ンクタンス特性が相互に異なる複数の２端子回路を並列
に介在させ、この個々の２端子回路を流れる電流に位相
進み、遅れを持たせた状態で整流するようにしたため、
電流位相の違いによって、個々の２端子回路の通電角領
域が分離され、トータルの入力電流の通電角が広がる。 これにより、合成電流の各半周期毎に複数の電流ピーク
値が形成され、入力側に単に１個のチョークコイルを挿
入した従来装置に比べ、同等又はそれ以上の入力力率が
得られると共に、合成電流のピーク値が低下するので整
流素子の電流容量を下げることができ、且つ、２端子回
路のコイル素子の常数も下げることができるから、小形
の素子で間に合い、よりコンパクトになった直流電源装
置を提供できる。

【００３８】さらに、上述のように通電角領域を広げた
結果、入力電流の波形は入力（電源）電圧のピーク値付
近で凹んだ形となる。このため、入力電圧のピーク付近
で単一のピークを有する従来のコンデンサインプット形
直流電源を併用することによりトータル電源システムと
して、力率をさらにアップさせ、高調波を低減させるこ
とができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る直流電源装置の第１実施例を示す
回路構成図。

【図２】入力電圧及び入力電流の変化を定性的に説明す
る波形図。

【図３】第１実施例におけるシミュレーション結果の一
例を示す電流波形図。

【図４】本発明に係る直流電源装置の第２実施例を示す
回路構成図。

【図５】従来の倍電圧整流を用いた直流電源装置の一例
を示す回路構成図。

【図６】従来のブリッジ整流を用いた直流電源装置の一
例を示す回路構成図。

【図７】従来の倍電圧整流を用いた直流電源装置の他の
例を示す回路構成図。

【図８】従来のブリッジ整流を用いた直流電源装置の他
の例を示す回路構成図。

【図９】図７に示した直流電源装置におけるシミュレー
ション結果の一例を示す電流波形図。

【符号の説明】

１　　直流電源装置 １１　　直流電源装置 ＰＳ　　単相交流電源 Ｎ１，Ｎ２　　２端子回路 ＢＤ　　整流回路

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】　　単相交流電源を整流して直流電源を形
   成する直流電源装置において、上記単相交流電源に至る
   経路の内の少なくとも一方に介在し且つリアンクタンス
   特性が相互に異なる複数の２端子回路と、この２端子回
   路の数と同一数の整流素子直列回路を並列に接続した構
   成を含む整流回路とを有し、上記複数の２端子回路の一
   方の各端子を上記経路の電源側に夫々接続し、他方の各
   端子を上記複数の整流素子直列回路の中点に個別に接続
   したことを特徴とする直流電源装置。