JPWO2015114780A1 - キャパシタインプット形平滑回路 - Google Patents

Abstract

要約課題 力率をなるべく下げずに、充電時の電力を抑制可能な平滑回路を具体化する。解決手段 キャパシタの非放電時に脈流電圧を負荷へ供給する脈流回路１４と、キャパシタの放電を制御する制御回路Ａ１を備え、上記制御回路は、脈流回路と並列接続された平滑回路１５とその電圧を検知する電圧検知回路１６を具備し、電圧検知回路はキャパシタを放電させる電圧域にあることを検知して不通となる第１スイッチ１７、第１スイッチと接続されその不通時に通電となる第２スイッチ１８、第２スイッチと接続されその通電時に通電となる第３スイッチ１９を具備し、脈流電圧がキャパシタの放電電圧域にないとき、第１スイッチが通電、第２スイッチ及び第３スイッチは不通としてキャパシタ電力が負荷へ供給されないようにするとともに、上記キャパシタの放電電圧として、負荷が必要とする電圧の下限よりもやや高く、かつ、それ以上ではない領域に設定する。選択図 図１

Description

本発明は、交流を直流に変換するときに形成される脈流を整形するためのキャパシタインプット形平滑回路に関するものである。

交流を任意の電圧の直流に変換するには、何らかの方法で整流や昇圧・降圧をする必要がある。上記変換で得られるのは脈流であるから、脈流で都合の悪い場合は、さらに波形がなだらかになるように平滑することも必要になる。

古くから使われ簡易な平滑方法は、整流後、大容量の電解キャパシタを使用する方法である。キャパシタに充放電をさせることで、脈流の谷の部分を、キャパシタからの放電により賄う。

近年では、スイッチング技術を応用した、力率改善回路が利用されている。これは、主にコイルに流れる電流を、スイッチングにより制御するものである。大容量の電解キャパシタを用いる、いわゆるキャパシタインプット形又はコンデンサー入力形と呼ばれる平滑回路では、脈流の電圧が頂点になるまでに充電し、その後脈流電圧が小さくなると放電することが繰り返される。

しかし、充電後、すぐに放電に転じてしまうため、脈流の電圧の頂点から、電圧が下がる時間帯はキャパシタの電力となり、交流電源からの電力ではなくなり、無効電力となってしまう。力率が低下すると高調波の発生等多くの問題が発生し、電力の送配電側に負担となる。高調波電流が過大に電力線に流れると最悪の場合には電力線中に挿入されたコンデンサーを焼損するなどの問題が生ずる。

力率改善回路には、ＰＦＣと略される回路があるが、回路は複雑であり、かつ、スイッチングを伴うため、スイッチングによる電力損失も発生する。さらには、スイッチングノイズが電源ラインを伝い易いという欠点もある。

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このようにキャパシタインプット形は、簡易であるため部品数も少なく、低コストである。その反面、力率の問題があり、ＰＦＣ回路により力率は改善され得るものの、複雑な回路構成が必要で高コストとなる。さらに、ノイズを抑えるための回路も必要となる。

なお、関連技術を調査したが、いわゆる先行技術に該当するものは見当たらなかった。例えば、ＰＦＣ回路を使用するものに特開２００５−１９２６６号の発明があるが、その発明は、電力変成作用を有するトランスと、このトランスにスイッチング素子のオンオフ制御により直流電力の変成を行わせて高調波電流を抑制するためにＰＦＣ制御部を備えているけれども、本発明との関係は殆どない。

特開２００５−１９２６６号

本発明は前記の実情に鑑みてなされたもので、その課題は、力率をなるべく下げずに済み、かつまた、充電時の電力を抑制可能なキャパシタインプット形平滑回路を具体化することにある。また、本発明の他の課題は、部品点数が少なく可能な限り簡易に構成でき、それによって圧倒的なコスト削減を実現することにある。

前記の課題を解決するため、本発明は、キャパシタの非放電時に脈流電圧を負荷へ供給する脈流回路と、キャパシタの放電を制御する制御回路を備え、上記制御回路は、脈流回路と並列接続された平滑回路とその電圧を検知する電圧検知回路を具備し、
電圧検知回路はキャパシタを放電させる電圧域を決定し、かつ、電圧域にあることを検知して不通となる第１スイッチ、第１スイッチと接続されその不通時に通電となる第２スイッチ、第２スイッチと接続されその通電時に通電となる第３スイッチを具備し、
脈流電圧がキャパシタの放電電圧域にないとき、第１スイッチが通電、第２スイッチ及び第３スイッチは不通としてキャパシタ電力が負荷へ供給されないようにするとともに、
上記キャパシタの放電電圧として、負荷が必要とする電圧の下限よりもやや高く、かつ、それ以上ではない領域に設定するという手段を講じたものである。

本発明の基本となる構成は一般的なキャパシタインプット形平滑回路である。そして、キャパシタの放電を制御するための制御回路を備えており、制御回路は脈流回路と並列接続された平滑回路とその電圧を検知する電圧検知回路を具備している。

電圧検知回路はキャパシタを放電させる電圧域を決定し、かつ、電圧域にあることを検知して不通となる第１スイッチ、第１スイッチと接続されその不通時に通電となる第２スイッチ、第２スイッチに接続されその通電時に通電となる第３スイッチを具備している。

上記脈流電圧がキャパシタの放電電圧域にないとき、第１スイッチが通電、第２スイッチ及び第３スイッチが不通としてキャパシタ電力が負荷へ供給されないようにするとともに、上記キャパシタの放電電圧として、負荷が必要とする電圧の下限よりもやや高く、かつ、それ以上ではない領域に設定する。

本発明のキャパシタインプット形平滑回路は、より具体的には、交流電源に接続されたブリッジ回路と、上記ブリッジ回路の出力端に接続された電力線とを有するとともに、上記電力線は整流された電力をキャパシタインプット回路、電圧検知回路及び負荷へ直接接続供給する三つの線に分岐し、
第１分岐線はキャパシタの非放電時に直接負荷へ電力を供給し、
第２分岐線は供給された脈流電圧の上昇時にキャパシタへ電力を供給して充電し、
第３分岐線は供給された脈流電圧を分圧して電圧検知回路に供給するものとされ、
負荷に通じる第１分岐線及びキャパシタに通じる第２分岐線に逆流防止素子を配置し、残る第３分岐線にはキャパシタを放電させる電圧域を決定し検知する電圧検知回路を設け、
電圧検知回路としてキャパシタを放電させる電圧域を決定し、上記電圧域にあることを検知して不通となる第１スイッチ、第１スイッチと接続されその不通時に通電する第２スイッチ、第２スイッチに接続されその導通時に通電する第３スイッチを具備し、上記キャパシタの放電電圧として、脈流電圧が第１スイッチの作動ベース電圧に合わせるように設定するという構成を取ることができる。

本発明において、電力は主として商用交流電源より供給され、ブリッジ回路により整流され、負荷へ直接流れる脈流回路、キャパシタを有する回路と、その電圧検知回路、の三つに分けられる。脈流回路は第１分岐線、キャパシタを有する回路は第２分岐線、電圧検知回路は第３分岐線にそれぞれ接続される。

そして、第１分岐線はキャパシタの非放電時に直接負荷へ電力を供給し、
第２分岐線は供給された脈流電圧の上昇時にキャパシタへ電力を供給して充電し、
第３分岐線は供給された脈流電圧を分圧して電圧検知回路に供給する。

負荷への第１分岐線により、本発明回路のキャパシタが放電していない時、負荷には直接、電力が供給される。キャパシタは、供給された脈流の電圧が、上昇時に充電される。

電圧検知回路としてキャパシタを放電させる電圧域を決定し、上記電圧域にあることを検知して不通となる第１スイッチ、第１スイッチと接続されその不通時に通電する第２スイッチ、第２スイッチに接続されその導通時に通電する第３スイッチを具備する。

また、電圧検知回路で、キャパシタを充電する一方で、キャパシタから負荷へと、電力を供給しない電圧域であると、検知すると、電子スイッチ１が通電となり、それに接続されている電子スイッチ２が不通となる。さらに、電子スイッチ２に接続されている、電子スイッチ３も不通となり、キャパシタからの電力は、負荷へと供給されない。

キャパシタを放電させる電圧域は、負荷が必要とする電圧の下限より、少しだけ高く、かつ、当該電圧より下の領域と設定すれば良い。簡易には、脈流電圧を、分圧抵抗などを用い、トランジスタの作動ベース電圧に合わせる等の方法を取ることもできる。

本発明によれば、脈流電圧の下降する時間帯の電力が、電力線より供給されたものでなくなり、下降する時間帯も、本発明の電圧検知回路と、その制御回路によって、キャパシタから負荷への電力供給は止められ、バイパスされた第３分岐線を通じて、電力線から負荷へと、電力供給されるため、力率が下がるという問題が改善される。すなわち、単純なキャパシタインプット方式での欠点である、脈流の電圧が下降し始めた途端に、キャパシタが放電しはじめてしまい、下降する時間帯の電力が電力線より供給されなくなって力率が下がるという問題が改善される。

また、負荷が必要とする電圧の下限に達する直前に、第２分岐線に設けられた、キャパシタより電力が負荷へ供給されるように電圧検知回路を設定しておくことで、放電時間は最小限となり、より小さなキャパシタを採用することができる。それにより、充電時の電力を抑えられる効果も生じる。

脈流の谷となる時間帯であっても、本発明の回路では、キャパシタの放電は、充電時の最高電圧から、損失を差し引いた電圧より始まるので、力があり、有用である。第１分岐線の電力線よりの電力と、第２分岐線のキャパシタよりの電力の切り替えは、脈流１周期中に２回のみであり、スイッチングに伴うノイズと損失が最小限に抑えられる。

特に本発明は非常に簡素に構成することが可能であり、部品点数も少なく、高価な部品を必要としない。従って、従来一般的であった力率改善回路よりも、圧倒的なコスト削減を実現することができる。また、負荷が必要とする電圧の下限以上ではない領域にキャパシタの放電電圧を設定することにより、一般的なキャパシタよりも少ない充電量で脈流の谷埋めが可能になり、キャパシタ自体の容量もより小さいもので足り、電流が少ないのでさらに力率が改善される。

以下、図示の実施形態を参照し、本発明のキャパシタインプット平滑回路１０について詳細に説明する。図１は、交流電源１１である商用交流電力線より、ダイオードから成るブリッジ回路１２を通り、整流された電力が供給される例１である。これは、平滑されていないので、直流ではあるが、電圧が上下する脈流となる（図２、図３参照）。

脈流は、交流電源１１に接続されたブリッジ回路１２と、上記ブリッジ回路１２の出力端に接続された電力線１３とを有するとともに、上記電力線１３は整流された電力を負荷へ直接接続供給する脈流回路１４、平滑回路（又はキャパシタインプット回路）１５及び電圧検知回路１６への三つの線に分岐される。

上記平滑回路（又はキャパシタインプット回路）１５及び電圧検知回路１６は、キャパシタの放電を制御する制御回路Ａ１を構成する。また、負荷Ｂへ通じる脈流回路１４と平滑回路１５のキャパシタ接続点より上流側には、逆流防止素子Ｄ１、Ｄ２としてダイオードがそれぞれ挿入されている。

三つの分岐線の内、第１分岐線はダイオードＤ１を通り直接負荷へ流れる脈流回路１４に接続される。第２分岐線はダイオードＤ２を通りキャパシタＣ１へ流れる平滑回路１５に接続される。第３分岐線は同順に直列に挿入された抵抗Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３を通り、分圧される電圧検知回路１６に接続される。

一つ目の分岐線では、キャパシタＣ１が放電していないとき、電力線から負荷Ｂへ、直接電力が供給される。二つ目の分岐線では、供給された脈流の電圧が上昇時にキャパシタＣ１が充電される。三つ目の分岐線では、３つの抵抗により、供給された脈流の電圧が分圧される。

抵抗Ｒ２とＲ３の合成抵抗と、抵抗Ｒ１との分圧電圧は、第２スイッチ１８であるトランジスタＴｒ２のベース駆動用に使用される。抵抗Ｒ１とＲ２の合成抵抗と、抵抗Ｒ３との分圧電圧が、第１スイッチ１７であるＴｒ１のベース電圧に達すると、キャパシタＣ１の放電が停止されるように設定されている。

抵抗Ｒ５とＲ６は、第３スイッチ１９であるＦＥＴ１の駆動用の適切な電圧をつくるものである。抵抗Ｒ６は第２スイッチ１８と第３スイッチ１９を結ぶ回路に、抵抗Ｒ５は平滑回路１５のキャパシタＣ１と第３スイッチ間と抵抗Ｒ６と第３スイッチ１９の間に、それぞれ挿入されている。

第３スイッチ１９として、例示の場合は電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）を使用しており、このＦＥＴ１はＰｃｈ（Ｐチャネル型）であるので、通電時はゲートから抵抗Ｒ６を通じて電流が流れ出る。一般にＦＥＴは微量の電流で駆動でき、トランジスタＴｒ２に負担をかけたくないので、電流を流し過ぎないように抵抗Ｒ６を設定すべきである。

前述したように、Ｄ１、Ｄ２、Ｄ３は、それぞれ逆流防止用のダイオードを示す。ダイオードＤ１、Ｄ２は、抵抗Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３による電力線からの電力の電圧検出時に、キャパシタＣ１からの逆流電力によって、誤った電圧を検出しないために必要である。ダイオードＤ３は、ダイオードＤ１を通った電力が、ＦＥＴ１に内蔵されている破損防止ダイオードを通り、キャパシタＣ１に電力が流れ込まないようにするために挿入している。なお、破損防止ダイオードに大電流は流せないことを記憶すべきである。

商用交流電力線より供給される電圧が交流２１０Ｖのときは、直流に直すと、２９６Ｖである。抵抗Ｒ１が２．２ＭΩ、抵抗Ｒ２が２６０ＫΩ、抵抗Ｒ３が１４ＫΩ、抵抗Ｒ４が２６０ＫΩとすると、１８０Ｖ前後で、トランジスタＴｒ１のベース電圧が０．５６Ｖ程度になり、それを境にトランジスタＴｒ１が通電、不通を切り替える。

よって、以下のように計算できる。
（合成抵抗）２７４ＫΩ＝（Ｒ２）２６０ＫΩ＋（Ｒ３）１４ＫΩ、
（合成抵抗）１３３ＫΩ＝（Ｒ２＋Ｒ３）２７４ＫΩと（Ｒ４）２６０ＫΩの並列、
（合成抵抗）２３３３ＫΩ＝（Ｒ１）２２００ＫΩ＋１３３ＫΩ、
１８０Ｖ時、抵抗Ｒ１に流れる電流は、約８０ｕＡ＝１８０Ｖ／２３３３ＫΩ、
抵抗Ｒ２、Ｒ４には、ほぼ半分分流するとして、約４０μＡずつとなる。
抵抗Ｒ３にも約４０μＡ流れるとして、トランジスタＴｒ１のベース電圧は、約０．５６Ｖ＝１４ＫΩ×４０μＡ、
となる。

このような構成を有する本発明のキャパシタインプット形平滑回路１０では、トランジスタＴｒ１が通電となれば、トランジスタＴｒ１のコレクタ電圧は下がり、そこに接続されているトランジスタＴｒ２のベース電圧が下がり、トランジスタＴｒ２は不通となる。トランジスタＴｒ２のコレクタに接続されている、ＰｃｈのＦＥＴ１のゲートは、トランジスタＴｒ２が不通となると電圧がマイナス電位とならず、ＦＥＴ１は不通となる。よって、キャパシタＣ１から負荷Ｂへは、放電されない。

トランジスタＴｒ１が不通となればトランジスタＴｒ１のコレクタ電圧は上がり、そこに接続されているトランジスタＴｒ２のベース電圧も上がり、トランジスタＴｒ２は通電となる。トランジスタＴｒ２のコレクタに接続されている、ＰｃｈのＦＥＴ１のゲートはトランジスタＴｒ２が通電となると、電圧がマイナス電位となり、ＦＥＴ１は通電となる。よって、キャパシタＣ１から負荷へ放電される。

例１の場合、脈流電圧の０Ｖ付近で、トランジスタＴｒ２は不通になるはずであるが、実際にはトランジスタにもＦＥＴのようにベースに静電容量が少しばかりあるため、その残留電力によってトランジスタＴｒ２が通電する。第３スイッチの電界効果トランジスタＦＥＴ１は微弱な電流でも通電するので、第２スイッチのトランジスタＴｒ２が半ば開いていても事実上の問題は生じないのである。

しかし、作動の万全を期すことも、また、重要であり、その場合のために図２に示したように構成することができる。図２に示す本発明に係る例２の平滑回路では、適切な容量のキャパシタＣ２をトランジスタＴｒ１のコレクタ、トランジスタＴｒ２のベースに追加接続し通電を確保する。これにより、脈流電圧の０Ｖ付近における、トランジスタＴｒ２の通電を保持することができる。なお、制御回路Ａ２を含む、例２の他の構成は例１と同じで良いので、詳細な説明は省略する。

図３は、従来の単純なキャパシタインプット方式で平滑した時の、電力線からの入力電圧、負荷にかかる電圧と、キャパシタＣ１の電流の充放電量を時間軸とともに表したものである。図３において電圧は上位に、電流は下位に示されている。電力線からの脈流の電圧が、Ｖｓｅｎに達すると、キャパシタＣ１に電流が流入し、充電される。充電は、脈流の電圧が頂点Ｖｍａｘに達するまで続く。同時期、負荷への電力は、電力線より供給される。その後、脈流の電圧がＶｍａｘより降下し始めると、キャパシタＣ１から電流が放出され放電される。同時期、負荷への電力は、キャパシタＣ１より供給される。電力線より供給される時間は、Ｔ１からＴ２の間で、その他の時間帯は、キャパシタＣ１より供給される。電力線からの脈流の電圧が下降に向かうときは、まだ電圧が高いにもかかわらず、電力は使われず無効電力となってしまい、力率が低いことがわかる。

図４は、本発明のキャパシタインプット形平滑回路１０において、電力線からの入力電圧、負荷にかかる電圧と、キャパシタＣ１の電流の充放電量を時間軸とともに表したものである。図４において電圧は上位に、電流は下位に示されている。電力線からの脈流の電圧が、Ｖｓｅｎに達すると、キャパシタＣ１に電流が流入し、充電される。充電は、脈流の電圧が、頂点Ｖｍａｘに達するまで続く。同時期、負荷への電力は電力線より供給される。これは、単純なキャパシタインプット方式と同様である。なお、電流はキャパシタに充電される時にプラスの値、放電される時にマイナスの値として記載している。

その後、脈流の電圧がＶｍａｘより下降しはじめても、キャパシタＣ１から電流は放出されない。本発明のキャパシタインプット形平滑回路１０では、脈流がＶｓｅｎより高い電圧の時は、キャパシタＣ１より放電しない様に設定されているからである。同時期、負荷Ｂへの電力は、電力線より供給される。さらに、その後、脈流の電圧がＶｓｅｎを下回ると電子スイッチＦＥＴ１が通電となり、キャパシタより負荷への電力の供給がされる。同時期、負荷Ｂにかかる電圧は、キャパシタＣ１が充電時に受けた、最高電圧Ｖｍａｘから、損失を差し引いた値から始まり、徐々に降下して行く。

電力線より供給される時間は、Ｔ１からＴ３の間で、その他の時間帯は、キャパシタＣ１より供給される。電力は、負荷Ｂが必要とする電圧の下限Ｖｓｅｎより上の領域で、電力線から供給される。負荷ＢがＴ１からＴ３以外の時間帯は、キャパシタＣ１よりの電力を使うのは、他の平滑回路でも同様である。

以上のように、本発明のキャパシタインプット形平滑回路１０によれば、電力線から負荷へ供給される時間帯が、単純なキャパシタインプット方式と比較して、本発明のキャパシタインプット形平滑回路１０の方が非常に長くなっている。このことからも、本発明により力率の改善ができていると言える。なお、上記は本発明に係るキャパシタインプット形平滑回路の基本的説明である。

本発明に係るキャパシタインプット形平滑回路の例１を示す回路図である。 本発明に係るキャパシタインプット形平滑回路の例２を示す回路図である。 従来の単純なキャパシタインプット平滑回路における入力電圧、負荷の電圧とキャパシタの電流の動きを示すグラフである。 本発明に係るキャパシタインプット形平滑回路における入力電圧、負荷の電圧とキャパシタの電流の動きを示すグラフである。

１０ キャパシタインプット形平滑回路
１１ 交流電源
１２ ブリッジ回路
１３ 電力線
１４ 脈流回路
１５ キャパシタインプット回路（平滑回路）
１６ 電圧検知回路
１７ 第１スイッチ
１８ 第２スイッチ
１９ 第３スイッチ
Ａ１、Ａ２ 制御回路
Ｂ 負荷
Ｃ１、Ｃ２ キャパシタ
Ｄ１、Ｄ２、Ｄ３ ダイオード
ＦＥＴ１ 電界効果トランジスタ
Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３、Ｒ４、Ｒ５、Ｒ６ 抵抗
Ｔｒ１、Ｔｒ２ トランジスタ

Claims (3)

1. キャパシタの非放電時に脈流電圧を負荷へ供給する脈流回路と、キャパシタの放電を制御する制御回路を備え、上記制御回路は、脈流回路と並列接続された平滑回路とその電圧を検知する電圧検知回路を具備し、
   電圧検知回路はキャパシタを放電させる電圧域を決定し、かつ、電圧域にあることを検知して不通となる第１スイッチ、第１スイッチと接続されその不通時に通電となる第２スイッチ、第２スイッチと接続されその通電時に通電となる第３スイッチを具備し、
   脈流電圧がキャパシタの放電電圧域にないとき、第１スイッチが通電、第２スイッチ及び第３スイッチは不通としてキャパシタ電力が負荷へ供給されないようにするとともに、
   上記キャパシタの放電電圧として、負荷が必要とする電圧の下限よりもやや高く、かつ、それ以上ではない領域に設定された
   キャパシタインプット形平滑回路。
2. スイッチング電源方式により交流を直流に変換する際に発生する脈流を平滑化するためのキャパシタインプット形平滑回路であって、
   交流電源に接続されたブリッジ回路と、上記ブリッジ回路の出力端に接続された電力線とを有するとともに、上記電力線は整流された電力を負荷へ直接接続供給する脈流回路、キャパシタインプット回路及び電圧検知回路に通じる三つの線に分岐し、
   第１分岐線はキャパシタの非放電時に直接負荷へ電力を供給し、
   第２分岐線は供給された脈流電圧の上昇時にキャパシタへ電力を供給して充電し、
   第３分岐線は供給された脈流電圧を分圧して電圧検知回路に供給するものとされ、
   負荷に通じる第１分岐線及びキャパシタに通じる第２分岐線に逆流防止素子を配置し、残る第３分岐線にはキャパシタを放電させる電圧域を決定し検知する電圧検知回路を設け、
   電圧検知回路としてキャパシタを放電させる電圧域を決定し、上記電圧域にあることを検知して不通となる第１スイッチ、第１スイッチと接続されその不通時に通電する第２スイッチ、第２スイッチに接続されその導通時に通電する第３スイッチを具備し、上記キャパシタの放電電圧として、脈流電圧が第１スイッチの作動ベース電圧に合わせるように設定された
   キャパシタインプット形平滑回路。
3. 脈流電圧の０Ｖ付近における、第２スイッチの通電を保持するために、キャパシタを第１スイッチのコレクタ、第２スイッチのベースに追加接続するようにした
   請求項２記載のキャパシタインプット形平滑回路。

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