WO2013132835A1

WO2013132835A1 - 直流電源装置

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Publication number: WO2013132835A1
Application number: PCT/JP2013/001363
Authority: WO
Inventors: シンホイ戴; 京極　章弘; 吉朗土山; 吉田　泉; 川崎　智広
Original assignee: パナソニック株式会社
Priority date: 2012-03-06
Filing date: 2013-03-05
Publication date: 2013-09-12
Also published as: JPWO2013132835A1; CN104247241B; CN104247241A; JP6288458B2

Abstract

　交流電圧を直流電圧に変換して出力する直流電源装置は、交流電圧を整流するダイオードブリッジ１００３のマイナス側出力端と半導体スイッチの間に接続されるシャント抵抗１００５と、シャント抵抗１００５に流れる電流を検出する電流検出部１０１１とを備え、電流検出部１０１１には、検出される電流値がシャント抵抗１００５に流れる電流よりも大きくなるようなプラスオフセット値を設けて、電源高調波の低減および力率の改善を図る。

Description

直流電源装置

　本発明は、交流電源からの交流電圧を直流電圧に変換して負荷電圧とする直流電源装置に関するものである。

　従来、この種類の直流電源装置を有する電源装置としては、図５に示すように、整流ダイオードブリッジ２、平滑コンデンサ３、インバータ回路４、アクティブフィルタ５、スイッチング制御部７およびインバータ制御部８を備えており、電動機６に所望の周波数の電源を供給するよう構成されている（例えば、特許文献１参照）。このように構成された従来の電源装置において、交流電源１を整流ダイオードブリッジ２で整流した後、リアクタ３１を介して半導体スイッチ３３で短絡し、リアクタ３１に電流を充電し、半導体スイッチ３３がオフになった状態で、ダイオード３２を介して平滑用コンデンサ３に電力を供給して直流電圧を形成している。

　このような直流電源装置において電源高調波を低減するには、電源入力電流を検出し、入力電流波形が電源電圧波形と同じ様な形状となるように、半導体スイッチ３３を短絡および開放させる。これにより、電源高調波成分が低減され、力率を改善することができる。

　入力電流の検出は、図５に示す様に、整流ダイオードブリッジ２のマイナス側とスイッチング素子３３の間に接続される、シャント抵抗３４の両端の電位差を用いて行なわれる。

　図６は、上記のような入力電流の検出に一般的に使用される、入力電流検出方法を示す回路図である。

　図６に示す直流電源装置は、交流電源１０１と、モータ１０２と、整流ダイオードブリッジ１０３と、リアクタ１０４と、シャント抵抗１０５と、半導体スイッチ１０６と、ダイオード１０７と、平滑コンデンサ１０８と、インバータ部１０９と、演算増幅器２０１と、抵抗２０２、２０３および制御部１１０から構成される。

　シャント抵抗１０５の整流ダイオードブリッジ１０３側の端子は、抵抗２０２を介して演算増幅器２０１の反転入力側に接続される。演算増幅器２０１の非反転入力側は、シャント抵抗１０５の整流ダイオードブリッジ１０３の反対側と同じ電位である。演算増幅器２０１の反転入力側に入力されるシャント抵抗１０５の電位は、整流ダイオードブリッジ１０３と反対側の電位（基準電位）よりも低くなるが、演算増幅器２０１により反転増幅されるため、演算増幅器２０１の出力は必ず基準電位より高くなる。つまり、演算増幅器２０１の入力の一部は、基準電位より低くても、出力は基準電位より高くなるので、単電源回路で動作することができる。

　そして、制御部１１０では、交流電源１０１から流入する電源が略正弦波状になるように、半導体スイッチ１０６の短絡および開放させる。　

特開２００３－７９０５０号公報

　しかしながら、上記従来の構成の直流電源装置においては、例えば装置を構成する素子の特性などの原因によって電流検出部でマイナスオフセットが発生する場合、電流検出情報の一部が欠落してしまう。その結果、電流検出情報に基づく制御部の電流制御が乱れ、電源高調波の増大し、力率が悪化するといった課題を有していた。

　本発明は前記従来の課題を解決するものであり、電流検出部に意図的なプラスオフセットを設定することで、電流検出情報の欠落を抑制して適切な電流制御を行い、電源高調波の低減および力率の改善を図ることが可能な直流電源装置を提供することを目的とする。

　前記従来の課題を解決するために、本発明の直流電源装置は、交流電源を整流するダイオードブリッジと、ダイオードブリッジのプラス側出力端に接続されるリアクタと、リアクタを介して交流電源からの交流電圧を短絡および開放する半導体スイッチと、ダイオードブリッジのマイナス側出力端と前記半導体スイッチの間に接続されるシャント抵抗と、シャント抵抗に流れる電流を検出する電流検出部と、電流検出部により入力電流を検出し、入力電流が略正弦波になるように前記半導体スイッチのオンオフを短絡および開放させる制御部と、を備え、電流検出部には、検出される電流値が前記シャント抵抗に流れる電流よりも大きくなるようなプラスオフセット値を設けたものである。

　本発明の直流電源装置によれば、電流検出部に意図的なプラスオフセットを設けて電流検出部における電流検出情報の欠落を抑制するので、電流検出情報に基づいた適切な電流制御を行うことができ、電源高調波の低減および力率の改善を図ることができる。

本発明に係る実施の形態１の直流電源装置の回路ブロック図（ａ）電流検出部にプラスオフセットが発生する際の入力電流波形図（ｂ）入力電流波形を基本波と高調波成分に分解した波形図（ｃ）入力電源波形のうち高調波成分を矩形波で近似した波形図電源高調波規制に関するＩＥＣ規格の各次数の許容高調波電流を示すグラフ振幅を２．５Ａに設定した場合の矩形波の各次数の高調波電流を示すグラフ図３Ｂのグラブの一部を拡大して示したグラフ本発明の実施の形態２における直流電源装置の回路ブロック図従来の直流電源装置の電流検出原理を示す回路ブロック図従来の直流電源装置の電流検出部の構成を示す回路ブロック図

　本発明に係る第１の態様の直流電源装置は、交流電源からの交流電圧を直流電圧に変換して出力する直流電源装置であって、前記交流電源を整流するダイオードブリッジと、前記ダイオードブリッジのプラス側出力端に接続されるリアクタと、前記リアクタを介して前記交流電源からの交流電圧を短絡および開放する半導体スイッチと、前記ダイオードブリッジのマイナス側出力端と前記半導体スイッチの間に接続されるシャント抵抗と、前記シャント抵抗に流れる電流を検出する電流検出部と、前記電流検出部により入力電流を検出し、前記入力電流が略正弦波になるように前記半導体スイッチを短絡および開放させる制御部と、を備え、前記電流検出部には、検出される電流値が前記シャント抵抗に流れる電流よりも大きくなるようなプラスオフセット値を設けるものである。

　これにより、電流検出部を構成する素子の影響などによってマイナスオフセットが発生した場合でも、意図的に設定したプラスオフセットによって電流検出情報の欠落を抑制することができ、電流検出情報に基づいた電源入力電流の制御によって電源高調波の低減および力率の改善を図ることができる。

　本発明に係る第２の態様の直流電源装置は、前記の第１の態様における前記プラスオフセット値を２．５Ａ以下とするものである。

　これにより、電流検出部にマイナスオフセットが生じた場合の電流検出情報の欠落を抑制しつつ、意図的なプラスオフセットの設定によって生じる電源高調波成分を、電源高調波規制の国際規格ＩＥＣ６１０００－３－２Ｃｌａｓｓ－Ａ（以下、「ＩＥＣ規格」と称す。）の限度値内に収め、より実用に即した直流電源装置を提供することができる。

　本発明に係る第３の態様の直流電源装置においては、前記の第１の態様または第２の態様における前記電流検出部が反転増幅回路により構成され、前記シャント抵抗は、電位が低い側が前記反転増幅回路の反転入力側に接続され、前記反転増幅回路の非反転入力側の電位を前記シャント抵抗の高電位側よりも高い電位にするものである。

　これにより、電流検出部を単電源で動作させることができるので、安価な構成で適切な電流制御を実現し、電源高調波の低減および力率の改善を図ることができる。

　以下、本発明の直流電源装置に係る実施の形態として直流電源装置を備える電源装置について、添付の図面を参照しながら説明する。なお、本発明の直流電源装置は、以下の実施の形態に記載した構成に限定されるものではなく、以下の実施の形態において説明する技術的思想と同等の技術的思想に基づいて構成される直流電源装置を含むものである。

　（実施の形態１）
　図１は、本発明に係る実施の形態１の直流電源装置を備える電源装置全体の回路構成を示すブロック図である。

　図１において、交流電源１００１の出力端からの電流はダイオードブリッジ１００３に入力される。ダイオードブリッジ１００３のプラス側出力端には、リアクタ１００４が直列に接続され、また、ダイオード１００７が、アノードがリアクタ１００４側になるように直列に接続されている。さらに、ダイオードブリッジ１００３の出力には、平滑コンデンサ１００８が並列に接続されている。

　ダイオードブリッジ１００３のマイナス側出力端には、シャント抵抗１００５が接続されており、ダイオードブリッジ１００３とシャント抵抗１００５の間にはダイオードブリッジの出力電流を検出する電流検出部１０１１が接続されている。

　また、ダイオードブリッジ１００３の出力端には、リアクタ１００４を介して半導体スイッチ１００６が接続されている。この半導体スイッチ１００６によって、交流電源１００１からの交流電圧を短絡・開放することで電源装置の力率を改善する。交流電源１００１からの交流電圧はダイオードブリッジ１００３により整流され、その後、インバータ部１００９によって交流電圧に変換されモータ１００２を駆動する。

　実施の形態１においては、ダイオードブリッジ１００３、リアクタ１００４、半導体スイッチ１００６、シャント抵抗１００５、電流検出部１０１１、および制御部１０１０により直流電源装置が構成されている。

　次に、本発明に係る実施の形態１における電流検出部１０１１の構成を説明する。

　シャント抵抗１００５の電位の低い側は反転増幅回路の反転側に接続される。この反転増幅回路は、抵抗２００２、２００３、基準電圧源２０５０、演算増幅器２００１で構成される。なお、基準電圧源２０５０のマイナス側は、シャント抵抗１００５の電位の高い側（ゼロ電位）と同じである。これにより、電流検出部１０１１を単電源で動作させることができる。

　次に、制御部１０１０に電流検出信号を入力する電流検出部１０１１の動作を説明する。交流電源１００１からシャント抵抗１００５に電流が流れることで、シャント抵抗１００５の両端に電位差が生じる。シャント抵抗１００５の電位の低い側をＶｉ、基準電圧源２０５０の電位をＶｒｅｆ、抵抗２００２、２００３の抵抗値をＲ２００２、Ｒ２００３とすると、演算増幅器２００１の出力Ｖｏは数式１で求められる。

　ここで、電流検出部の素子である演算増幅器２００１が負側にオフセットを有する場合など、電流検出部１０１１においてシャント抵抗１００５に流れる電流よりも少ない電流値が検出される、つまりマイナスオフセットが発生すると、入力電流が流れても、電流検出部１０１１の出力が飽和し、ゼロのままになることがある。このように、何らかの影響によりマイナスオフセットが発生する場合、電流検出情報の一部が欠落してしまう。その結果、電流検出情報に基づく電流制御が乱れ、電源高調波の増大や力率の悪化を招く。

　一方、電流検出部において、シャント抵抗１００５に流れる電流よりも多めに検出される、いわゆるプラスオフセットが発生した場合、電流検出情報が欠落することなく、検出された電流値に基づく電流制御を行うことができる。

　従って、あらかじめ電流検出部１０１１に意図的なプラスオフセットを設定することで、電流検出情報の欠落を抑制し、電流検出情報に基づいた適切な入力電流制御を実現することができる。

　次に、電流検出部に設定するプラスオフセット値の決定方法を、図２、および図３Ａから図３Ｂを用いて説明する。

　図２において、（ａ）は電流検出部１０１１においてプラスオフセットが発生する際の入力電流波形の一例を示す波形図であり、（ｂ）は入力電流波形を基本波と高調波成分に分解した波形を示す波形図であり、（ｃ）は入力電源波形のうち高調波成分を矩形波で近似した波形を示す波形図である。

　また、図３Ａは電源高調波規制のＩＥＣ規格における各次数の最大許容高調波電流を示すグラフであり、図３Ｂは振幅を２．５Ａに設定した場合の矩形波の各次数の高調波電流を示すグラフであり、図３Ｃは図３Ｂのグラフの一部分を拡大して示したグラフである。

　電流検出部１０１１に意図的なプラスオフセットを設けることで、電流検出情報の欠落を抑制することが可能になる。一方で、過度なプラスオフセットを設定すると、プラスオフセット値を含んだ電流検出情報によって電源入力電流の制御が行なわれるため、図２の（ａ）に示すように、電源入力電流の高調波成分が増加してしまう。この高調波成分を抑制するため、適切なプラスオフセット値を設定する必要がある。

　ここで、図２の（ａ）の入力電流波形は、図２の（ｂ）に示すように、基本波と高調波成分により構成される。この高調波成分は、電流検出部１０１１に設定したプラスオフセットによって生じるものである。この高調波成分がＩＥＣ規格の範囲に収まるようなプラスオフセットの決定方法を以下に説明する。

　まず、図２の（ｃ）に示すように、高調波成分を矩形波で近似する。矩形波は、プラスとマイナスサイクルが対称であるため、偶数次高調波は含まれず、奇数次調波のみが含まれ、その波形は次に示す数式２のフーリエ級数展開によって表される。ここで、Ｉは矩形波電流の振幅を表す。

　また、数式２から、第ｎ次高調波電流の実効値Ｉｎは数式３によって表される。

　ここで、プラスオフセットを設けたことによる電源高調波成分を抑制し、ＩＥＣ規格内に収めるためには、矩形波で近似した電源高調波に含まれる各次数成分の振幅が、図３Ａに示すＩＥＣ規格の許容電流の振幅以下に収まればよい。したがって、そのような矩形波の最大許容振幅を求める。

　ＩＥＣ規格に規定された各次数の許容電流を含む矩形波において、この矩形波の振幅Ｉは、数式３のｎおよびＩｎに、図３Ａに示す次数と各次数における許容電流値を代入することで求められる。得られた振幅Ｉを表１に示す。

　表１から、１５次高調波以降の振幅Ｉは２．５Ａに収束していくことがわかる。

　よって、矩形波電流の振幅が２．５Ａ以下であれば、この矩形波に含まれる各次数成分の電流の振幅が、図３Ａに示す許容電流以下になる。よって、電源高調波成分をＩＥＣ規格に収めるための矩形波電流の最大許容振幅は２．５Ａとなる。このように電流検出部に設定するプラスオフセットを２．５Ａ以下に設定することで、マイナスオフセットが生じることによる制御部の動作の不安定化を抑制するとともに、プラスオフセットによって生じる高調波成分をＩＥＣ規格内に収めることができる。

　確認のため、図３Ｂおよび図３Ｃに、振幅を２．５Ａに設定した矩形波の各次数の高調波電流の値を示す。

　図３Ｂおよび、図３Ｂの一部分を拡大した図３Ｃから、振幅が２．５Ａの矩形波電流は、グラフ内の実線で示すＩＥＣ規格で規定される各次数の高調波電流の許容電流値を超えていないことがわかる。

　以上により、電流検出部１０１１のプラスオフセットが２．５Ａ以下になる様に、演算増幅器２００１の基準電圧源２０５０を設定することで、電流検出部で生じる電流検出情報の欠落を抑制することができるので、電流検出情報に基づく適切な電流制御を行うことができる。また、意図的に設定したプラスオフセットによって生じる電源高調波成分をＩＥＣ規格の限度値以内に収めることができる。

　（実施の形態２）
　図４は、本発明に係る実施の形態２の直流電源装置を備える電源装置全体の回路構成を示すブロック図である。

　以下、実施の形態２の直流電源装置を備える電源装置について、実施の形態１との相違点を中心に説明する。なお、実施の形態２の説明において、前述の実施の形態１と同じ機能を有する構成要素には同じ参照符号を付し、説明を省略する。また、前述の実施の形態１と同じ作用を有する内容についても、説明を省略する。実施の形態２における電流検出部１０１１の回路構成は、実施の形態１と異なるが、実施の形態１と同様に、シャント抵抗１００５の電位差で交流電源１００１からの電流を検出する構成であるため、同じ符号を用いて説明する。

　次に、電流検出部１０１１の構成を説明する。シャント抵抗１００５の両端の電圧を、基準電圧源１１５０と、抵抗１１０２、１１０３、１１０４、演算増幅器１１０１で構成され、反転およびレベルシフトを行う第一の反転・レベルシフト回路と、基準電圧源１１５０と、抵抗１２０２、１２０３、１２０４、演算増幅器１２０１で構成される第二の反転・レベルシフト回路に入力する。

　演算増幅器１１０１、１２０１の出力をそれぞれ抵抗１３０２、１３０４に入力し、抵抗１３０２、１３０３、１３０４、１３０５と演算増幅器１３０１で構成される差動増幅回路を動作させる。そして演算増幅器１１０１、１２０１の出力の差を抽出し、演算増幅器１３０１の出力をもって、電流検出情報とする。

　シャント抵抗１００５の電位の高い側（ゼロ電位）をＶ１、基準電圧源１１５０の電位をＶｒｅｆとし、抵抗１１０２、１１０３、１１０４の各抵抗の値をＲ１１０２、Ｒ１１０３、Ｒ１１０４すると、演算増幅器１１０１の出力電圧Ｖｏ＿１は数式４で表される。

　同様に、シャント抵抗１００５の電位の低い側をＶ２、基準電圧源１１５０の電位をＶｒｅｆとし、抵抗１２０２、１２０３、１２０４の各抵抗の値をＲ１２０２、Ｒ１２０３、Ｒ１２０４すると、演算増幅器１２０１の出力電圧Ｖｏ＿２は数式５で表される。

　さらに、演算増幅器１１０１の出力Ｖｏ＿１を演算増幅器１３０１の反転入力側に入力し、演算増幅器１２０１の出力Ｖｏ＿２を演算増幅器１３０１の非反転入力側に入力した場合に、抵抗１３０２、１３０３、１３０４、１３０５の抵抗値をそれぞれ、Ｒ１３０２、Ｒ１３０３、Ｒ１３０４、Ｒ１３０５とすると、演算増幅器１３０１の出力Ｖｏ＿３は数式６で表される。

　ここで、入力電流がゼロの場合、演算増幅器１３０１の出力Ｖｏ＿３が、電流検出部１０１１のオフセット値となる。

　また、演算増幅器１３０１周囲の抵抗を、Ｒ１３０５／Ｒ１３０４＞Ｒ１３０３／Ｒ１３０２の様に設定すれば、電流検出部１０１１にプラスオフセットを与えることができる。

　以上の回路構成において、プラスオフセットが２．５Ａ以下になる様に、演算増幅器１１０１、１２０１、１３０１の回路定数を設定することで、電流検出部１０１１における電流検出情報の欠落を抑制することができるので、電流検出情報に基づく適切な電流制御を行うことができる。また、意図的に設定したプラスオフセットによって生じる電源高調波成分を、ＩＥＣ規格の限度値以内に収めることができる。

　実施の形態２の構成においては、実施の形態１と同様に、ダイオードブリッジ１００３、リアクタ１００４、半導体スイッチ１００６、シャント抵抗１００５、電流検出部１０１１、および制御部１０１０により直流電源装置が構成されている。

　なお、前述の実施の形態１，２においては、ＩＥＣ規格で、電源電圧実効値が２３０Ｖの場合を想定して説明したが、この規格と同等あるいは類似の規格が各国で適用されており、当該国の電源電圧が異なるものの、規定電流値が同じ場合には、実施の形態と同じ電流値以下となるオフセット値を与えればよく、当該国の電源電圧が異なり規定電流値が変化する場合には、電源電圧比率に反比例した値以下となるオフセット値を与えればよいことは、容易に類推できることである。例えば、当該国の電源電圧実効値が１００Ｖであれば、２．５×２３０÷１００＝５．７５Ａとすることができる。

　本明細書においては本発明をある程度の詳細さをもって各実施の形態において説明したが、これらの実施の形態の開示内容は構成の細部において変化してしかるべきものであり、各実施の形態における要素の組合せや順序の変化は請求された本開示の範囲および思想を逸脱することなく実現し得るものである。

　本発明に係る直流電源装置は、電源の利用効率を高めることができるため、例えば、電源装置として圧縮機に適用し、冷媒を圧縮することによりヒートポンプを構成することで、冷房、暖房、あるいは食品などの冷凍を行うものに適用できる。

　１００１　交流電源
　１００３　ダイオードブリッジ
　１００４　リアクタ
　１００５　シャント抵抗
　１００６　半導体スイッチ
　１００８　平滑コンデンサ
　１０１０　制御部
　１０１１　電流検出部
　１１０２、１１０３、１１０４、１２０２、１２０３、１２０４、１３０２、１３０３、１３０４、１３０５、２００２、２００３　抵抗
　１１０１、１２０１、１３０１、２００１　演算増幅器
　１１５０、２０５０　基準電圧源

Claims

　交流電源からの交流電圧を直流電圧に変換して出力する直流電源装置であって、
　前記交流電源を整流するダイオードブリッジと、
　前記ダイオードブリッジのプラス側出力端に接続されるリアクタと、
　前記リアクタを介して前記交流電源からの交流電圧を短絡および開放する半導体スイッチと、
　前記ダイオードブリッジのマイナス側出力端と前記半導体スイッチの間に接続されるシャント抵抗と、
　前記シャント抵抗に流れる電流を検出する電流検出部と、
　前記電流検出部により入力電流を検出し、前記入力電流が略正弦波になるように前記半導体スイッチを短絡および開放させる制御部と、を備え、
　前記電流検出部には、検出される電流値が前記シャント抵抗に流れる電流よりも大きくなるようなプラスオフセット値を設けることを特徴とする直流電源装置。
　前記プラスオフセット値を２．５Ａ以下とすることを特徴とする請求項１に記載の直流電源装置。
　前記電流検出部は反転増幅回路により構成され、
　前記シャント抵抗は、電位が低い側が前記反転増幅回路の反転入力側に接続され、
　前記反転増幅回路の非反転入力側の電位を前記シャント抵抗の高電位側よりも高い電位にすることを特徴とする請求項１または２に記載の直流電源装置。