JP2009177935A - 直流電源装置 - Google Patents

Abstract

【課題】簡単な構成で、電源高調波の抑制と力率改善機能を有し、高効率かつノイズの少ない直流電源装置を提供する。
【解決手段】交流電源１と、高速ダイオード２ａ、２ｂとスイッチング手段３ａ、３ｂの直列回路が同一方向に複数組並列接続された直並列接続回路と、直並列接続回路の各々の高速ダイオード２ａ、２ｂとスイッチング手段３ａ、３ｂの接続部と交流電源１の各ライン間にそれぞれ接続された複数個のリアクトル４ａ、４ｂと、直並列接続回路の並列接続点間に接続され、負荷６に並列に接続された平滑コンデンサ５とを備え、直並列接続回路の並列接続点のうち、スイッチング手段３ａ、３ｂが接続される側の並列接続点と交流電源１の各ライン間にそれぞれダイオード７ａ、７ｂを接続し、スイッチング手段３ａ、３ｂを制御することによって所望の直流電圧を負荷へ供給する。
【選択図】図１

Description

本発明は、交流電源からの交流電圧を整流して負荷へ直流電圧を供給する直流電源装置に関する。

従来、電源高調波の抑制と力率改善の機能を有し、高効率にて交流電圧から直流電圧に電力変換を行う直流電源装置を実現する回路として、図８に示すものが知られている。この図８の回路によれば、交流入力電流の高調波抑制と力率改善を行いつつ、交流電圧を全波整流して得られる直流電圧より高い出力電圧を得るためのＡＣ／ＤＣ変換回路において、電流の通過する半導体素子の個数を最少とすることによって、高い変換効率を得ることができる（例えば、特許文献１参照）。

また、同様の効果を有する直流電源装置を実現する別の回路として、図９に示すようなものが知られている。この図９の回路によれば、２個のスイッチング素子２０１、２０３を、直流電源装置の負側電位を基準とした電源および駆動信号によって直接駆動することができるため、スイッチング素子の駆動電源および駆動回路の構成を簡単にすることができると同時に、高価な直流電流検出器を使用せずに交流電源１の入力電流を検出することができる（例えば、特許文献２参照）。
特公平７−７９５４８号公報 特開２００３−３４８８４９号公報

しかしながら、上記従来の直流電源装置は、前者の場合、２個のスイッチング素子の電位が異なるために、ＨＶＩＣ（高耐圧ＩＣ）やフォトカプラを用いた回路構成が必要となり、スイッチング素子の駆動動回路および保護回路が後者に比べて複雑になるという課題がある。

また、後者の場合、リアクトルに接続されていない側のスイッチング素子のスイッチング動作時に、負荷に供給される直流電圧の負側電位から見た交流電源ラインの電位変動が生じるため、コモンモードノイズが増加するという課題がある。

本発明は、上記従来の課題を解決するもので、簡単な回路構成にて、電源高調波の抑制と力率改善の機能を有し、高効率かつ低ノイズにて、交流電圧から直流電圧に電力変換を行う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、本発明の電源装置は、交流電源と、負荷に並列に接続された平滑コンデンサと、平滑コンデンサを充電する方向に配置された高速ダイオードとスイッチング手段の直列回路が複数組並列接続されて平滑コンデンサの両端に接続された直並列接続回路と、直並列接続回路の各々の高速ダイオードとスイッチング手段の接続部と交流電源の各ライン間にそれぞれ接続された複数個のリアクトルと、直並列接続回路の並列接続点のうち、スイッチング手段が接続される側の並列接続点と交流電源の各ライン間にそれぞれダイオードが接続された構成とすることにより、ＨＶＩＣやフォトカプラを用いることなく、スイッチング手段を駆動することができ、かつ、電流の通過する半導体素子の個数を最少とすることができると同時に、複数組のスイッチング手段のうち、スイッチング動作する側のスイッチング手段に接続されたリアクトルのみに電流が流れ、他
方のリアクトルには電流が流れず、ダイオードに電流が流れることから、電流が流れない側のリアクトルに接続された側の交流電源ラインの電位を、負荷へ供給される直流電圧の負側電位に常に固定することができるため、スイッチング手段のスイッチング動作によって発生する直流電圧の負側電位から見た交流電源ラインの電位変動を抑制することができる。

本発明の直流電源装置は、ＨＶＩＣやフォトカプラを用いることなく、スイッチング手段を駆動することができ、かつ、電流の通過する半導体素子の個数を最少とすることができると同時に、スイッチング手段のスイッチング動作によって発生する直流電圧の負側電位から見た交流電源ラインの電位変動を抑制することができるため、簡単な回路構成にて、高調波の抑制と力率改善の機能を有する高効率かつ低ノイズの直流電源装置を実現することができる。

第１の発明は、交流電源と、負荷に並列に接続された平滑コンデンサと、平滑コンデンサを充電する方向に配置された高速ダイオードとスイッチング手段の直列回路が複数組並列接続されて平滑コンデンサの両端に接続された直並列接続回路と、直並列接続回路の各々の高速ダイオードとスイッチング手段の接続部と交流電源の各ライン間にそれぞれ接続された複数個のリアクトルと、直並列接続回路の並列接続点のうち、スイッチング手段が接続される側の並列接続点と交流電源の各ライン間にそれぞれ接続されたダイオードとを備え、スイッチング手段を制御することによって所望の直流電圧を負荷へ供給することにより、ＨＶＩＣやフォトカプラを用いることなく、スイッチング手段を駆動することができ、かつ、電流の通過する半導体素子の個数を最少とすることができると同時に、スイッチング手段のスイッチング動作によって発生する直流電圧の負側電位から見た交流電源ラインの電位変動を抑制することができるため、簡単な回路構成にて、高調波の抑制と力率改善の機能を有する直流電源装置を、高効率かつ低ノイズにて実現することができる。

第２の発明は、交流電源と、負荷に並列に接続された平滑コンデンサと、平滑コンデンサを充電する方向に配置された高速ダイオードとスイッチング手段の直列回路が複数組並列接続されて平滑コンデンサの両端に接続された直並列接続回路と、直並列接続回路の各々の高速ダイオードとスイッチング手段の接続部と交流電源の各ライン間にそれぞれ接続された複数個のリアクトルと、直並列接続回路の並列接続点のうち、スイッチング手段が接続される側の並列接続点に一端が接続された電流検出用抵抗と、電流検出用抵抗の他端と交流電源の各ライン間にそれぞれ接続されたダイオードとを備え、スイッチング手段を制御することによって所望の直流電圧を負荷へ供給する直流電源装置であって、電流検出用抵抗の両端電圧によって交流電源の入力電流を検出することによって、交流電源の入力電流の検出回路を簡単に構成することができる。

第３の発明は、特に、請求項１の発明のスイッチング手段を、通流方向が高速ダイオードと異なる向きに接続されたダイオードとスイッチング素子の直列接続回路にて構成することによって、本来オフ動作すべきスイッチング手段の誤点弧があった場合においても、複数のリアクトルに同時に電流が流れることを防止することができる。

第４の発明は、特に、請求項１の発明のスイッチング手段を、通流方向が高速ダイオードと異なる向きに接続された逆阻止ＩＧＢＴで構成することによって、回路を小型化することができる。

第５の発明は、特に、請求項１の発明のスイッチング手段を、平滑コンデンサの負極側に接続することによって、直流電圧の負側電位基準の駆動電源および駆動信号でスイッチ
ング手段を駆動できるため、回路構成を簡単にすることができる。

第６の発明は、複数個のリアクトルを、同一のコアにて構成することによって、リアクトルを小型化することができるため、回路を小型化することができる。

第７の発明は、リアクトルの各巻線を、交流電源の各ラインから直並列接続回路側へ流れる向きの電流による磁束の向きが同一となる方向に巻くことによって、リアクトルのコアに生じる磁束の方向を一方向のみとすることで、リアクトルの鉄損を低減することができるため、より高効率な電源を実現することができる。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。なお、この実施の形態によって本発明が限定されるものではない。

（実施の形態１）
図１は、本発明の第１の実施の形態における直流電源装置の構成を示すものである。

図１に示すように、本実施の形態における直流電源装置は、交流電源１と、２組の高速ダイオード２ａ、２ｂとスイッチング手段３ａ、３ｂの直列回路が同一方向に並列接続された直並列接続回路を備え、直並列接続回路の各々の高速ダイオード２ａ、２ｂとスイッチング手段３ａ、３ｂの接続部と交流電源１の各ライン間にそれぞれ接続されたリアクトル４ａ、４ｂと、直並列接続回路の並列接続点間に接続された平滑コンデンサ５とを備え、平滑コンデンサ５には負荷６が並列接続される。

さらに、本実施の形態における直流電源装置は、スイッチング手段３ａ、３ｂに接続される側の直並列接続回路の並列接続点と交流電源１の各ライン間にそれぞれ接続されたダイオード７ａ、７ｂを有する。

スイッチング手段３ａ、３ｂは、ＭＯＳＦＥＴやＩＧＢＴ、パワートランジスタなどのスイッチング素子で構成され、図８や図９に示す従来の直流電源装置と同様、交流電源１の半周期毎に一方をオフに、他方をアクティブにスイッチング動作させることで交流電源１からの入力電流が略正弦波状の電流に制御しつつ、所望の直流電圧を負荷６へ供給する。

図１より明らかなように、２組のスイッチング手段３ａ、３ｂは、いずれも負荷６へ供給される直流電圧の負側電位を基準とする直流電源および駆動信号（図示せず）にて駆動することが可能である。

したがって、スイッチング手段３ａ、３ｂの駆動において、ＨＶＩＣやフォトカプラなどの部品を必要としないため、本実施の形態における直流電源装置は、スイッチング手段３ａ、３ｂの駆動回路を簡単な構成とすることができる。

図２は、交流電源１の電源電圧が正の半周期間における電流の流れる経路を示した図である。交流電源１の電源電圧が正の半周期間においては、スイッチング手段３ｂは常にオフに制御され、スイッチング手段３ａがオン・オフ制御される。

図２（ａ）は、スイッチング手段３ａのオン時に、図２（ｂ）は、スイッチング手段３ａのオフ時にそれぞれ対応する。

図２に示すように、交流電源１の電源電圧が正の半周期間には、リアクトル４ａのみに電流が流れ、リアクトル４ｂには電流が流れない。

したがって、スイッチング手段３ａがオン・オフ動作しても、交流電源１のＶ点の電位は、ダイオード７ｂの電圧降下を無視すると直流電圧の負側電位に固定されるため、スイッチング動作による電位変動は、図８に示す従来の直流電源装置と同様に生じない。

また、図３は、交流電源の電源電圧が負の半周期間における電流の流れる経路を示した図である。交流電源１の電源電圧が負の半周期間においては、スイッチング手段３ａは常にオフに制御され、スイッチング手段３ｂがオン・オフ制御される。

図３（ａ）は、スイッチング手段３ｂのオン時に、図３（ｂ）は、スイッチング手段３ｂのオフ時にそれぞれ対応する。

図３に示すように、交流電源１の電源電圧が負の半周期間には、リアクトル４ｂのみに電流が流れ、リアクトル４ａには電流が流れない。

したがって、スイッチング手段３ｂがオン・オフ動作しても、交流電源１のＵ点の電位は、ダイオード７ａの電圧降下を無視すると直流電圧の負側電位に固定されるため、スイッチング動作による電位変動は、図８に示す従来の直流電源装置と同様に生じない。

以上により、本発明の直流電源装置は、交流電源１の電源電圧が正の半周期間においても、負の半周期間においても、図９に示すような従来の直流電源装置で生じるスイッチング動作時における電位変動によるコモンモードノイズの増加は起きない。

なお、本実施の形態における直流電源装置は、図２、図３に示すように、スイッチング手段３ａ、３ｂに流れる電流の向きが単一方向に限定されることから、スイッチング手段３ａ、３ｂにはダイオードを逆並列接続する必要はない。

また、本発明の直流電源装置は、図８および図９に示す従来の直流電源装置と同様に、よく知られている１石昇圧型のアクティブフィルタで構成される直流電源装置に比べて、電流の通過する半導体の個数を減少することができるため、損失を低減することができる。

したがって、本実施の形態の直流電源装置は、簡単な回路構成にて、高調波の抑制と力率改善機能を有し、高効率かつ、ノイズの少ない直流電源装置を実現することができる。

（実施の形態２）
図４は、本発明の第２の実施の形態における直流電源装置の構成を示すものである。

図４に示すように、本発明における直流電源装置は、交流電源１と、２組の高速ダイオード２ａ、２ｂとスイッチング手段３ａ、３ｂの直列回路が同一方向に並列接続された直並列接続回路を備え、直並列接続回路の各々の高速ダイオード２ａ、２ｂとスイッチング手段３ａ、３ｂの接続部と交流電源１の各ライン間にそれぞれ接続されたリアクトル４ａ、４ｂと、直並列接続回路の並列接続点間に接続された平滑コンデンサ５とを備え、平滑コンデンサ５には負荷６が並列接続される。

さらに、本実施の形態における直流電源装置は、スイッチング手段３ａ、３ｂに接続される側の直並列接続回路の並列接続点に接続された電流検出用抵抗８と、電流検出用抵抗８と交流電源１の各ライン間にそれぞれ接続されたダイオード７ａ、７ｂを有する。

本実施の形態における直流電源装置の電流経路は、実施の形態１における図２、図３に
示した電流経路と同様となることから、電流検出用抵抗８には、交流電源１の入力電流の絶対値と常に等しい電流が同一方向に流れる。

したがって、本実施の形態における直流電源装置は、電流検出用抵抗８の両端電圧Ｖ_Ｒを用いて、交流電源１からの入力電流を簡単に検出することができる。

図５に、本発明の実施の形態の直流電源装置における、制御ブロックを含む構成の一例を示す。

本発明の直流電源装置は、交流電源１の両端に接続されたゼロクロス検出部９において、交流電源１の電圧位相を検出し、平滑コンデンサ５の両端の直流電圧を検出する出力電圧検出部１０によって検出された直流電圧と、目標電圧（図示せず）との電圧偏差から、目標電流生成部１１において電圧偏差をＰＩ補償して得られる値に比例した振幅を有し、交流電源１の電圧位相に同期した正弦波状の電流を目標電流に設定する。

さらに、電流検出部１２において、電流検出用抵抗８の両端電圧から交流電源１の入力電流を検出し、短絡制御部１３において、交流電源１の電圧位相に応じてスイッチング手段３ａ、３ｂの一方をオフとし、検出された入力電流値が目標電流の絶対値と等しくなるようにＰＷＭ制御を行うことで、スイッチング手段３ａ、３ｂの他方の短絡タイミングを決定する。

以上により、本実施の形態の直流電源装置は、交流電源１からの入力電流を正弦波状に制御することができ、高調波電流の抑制および力率の改善が可能となる。

また、電流検出用抵抗８には、常に交流電源１からの入力電流の絶対値に等しい電流が同一方向に流れることから、図９に示す直流電源装置のようにカレントトランス等で構成される電流検出器を必要とせずに、交流電源１からの入力電流を簡単に検出することができる。

（実施の形態３）
図６は、本発明の第３の実施の形態における直流電源装置の構成を示すものである。

図６に示すように、本実施の形態の直流電源装置は、実施の形態１または２において、リアクトル４ａ、４ｂのコアを共通とするものである。

リアクトル４ａ、４ｂのコアを共通としたリアクトル４とすることによって、リアクトル４の一方の巻線に電流が流れる際に他方の巻線に、コア内の磁束の変化を妨げる方向に電圧が誘起される。

これによって、スイッチング手段３ａ、３ｂに、通流方向と逆向きの電圧が印加されるタイミングが生じるため、図６に示すように、スイッチング手段３ａ、３ｂは、ダイオード１４ａ、１４ｂとスイッチング素子１５ａ、１５ｂの直列回路によって構成される。

本発明における直流電源装置は、リアクトル４ａ、４ｂのコアを共通とすることで、実施の形態１または２に比べてコアの数が少なくすむため、回路の小型化が可能となる。

さらに、リアクトル４の各巻線を、図６に示すように、交流電源１の各ラインから負荷側、すなわち、ダイオード１４ａ、１４ｂとスイッチング素子１５ａ、１５ｂの直列回路側へ流れる向きの電流が作るコア内の磁束が同一方向となるように巻くことによって、コア内の磁束の向きを一方向のみに制限することができる。

図８や図９に示すように単一のリアクトル１３４で構成される従来の直流電源装置では、リアクトルには双方向の電流が流れることから、本実施の形態における直流電源装置は、従来の直流電源装置に比べて、ヒステリシスループを小さくすることができるため、従来回路に比べてリアクトル４の鉄損を低減することができ、より高効率な電源を得ることが可能となる。

なお、本実施の形態の直流電源装置は、スイッチング手段３ａ、３ｂとして、ダイオード１４ａ、１４ｂとスイッチング素子１５ａ、１５ｂの直列回路を用いているため、本来オフ動作すべきスイッチング素子の誤点弧が生じた場合においても、ダイオード１５ａ、１５ｂが存在することにより、交流電源１をリアクタ４を介してスイッチング素子３ａとスイッチング素子３ｂとで短絡する電流経路を完全に遮断することができる。

この効果は、リアクトルのコアを共通としない回路構成の場合においても同様である。

また、本実施の形態では、スイッチング手段３ａ、３ｂとして、ダイオード１４ａ、１４ｂとスイッチング素子１５ａ、１５ｂの直列回路を用いたが、図７（ａ）（ｂ）（ｃ）に示すような双方向スイッチにて構成してもよいし、逆耐圧性能を有するスイッチング素子である逆阻止ＩＧＢＴにて構成することによって、さらに回路を小型化することが可能である。

以上のように、本発明にかかる電源装置は、簡単な構成にて、電源高調波の抑制と力率改善の機能を有し、高効率でノイズの少ない直流電源装置を得ることができるため、空気調和機や、ヒートポンプ給湯機、冷蔵庫、洗濯機などの電化製品の電源装置として適用できる。

本発明の実施の形態１における直流電源装置の構成を示す図 （ａ）（ｂ）本発明の実施の形態１における直流電源装置において、交流電源１の電源電圧が正の半周期間における電流の流れる経路を示す図 （ａ）（ｂ）本発明の実施の形態１における直流電源装置において、交流電源１の電源電圧が負の半周期間における電流の流れる経路を示す図 本発明の実施の形態２における直流電源装置の構成を示す図 本発明の実施の形態の直流電源装置における、制御ブロックを含む構成の一例を示す図 本発明の実施の形態３における直流電源装置の構成を示す図 （ａ）（ｂ）（ｃ）本発明の実施の形態３における直流電源装置の構成を示す図 従来の直流電源装置の構成を示す図 従来の直流電源装置の別の構成を示す図

符号の説明

１ 交流電源
２ 高速ダイオード
３ａ スイッチング手段
３ｂ スイッチング手段
４ａ リアクトル
４ｂ リアクトル
５ 平滑コンデンサ
６ 負荷
７ａ ダイオード
７ｂ ダイオード
８ 電流検出用抵抗
１４ａ ダイオード
１４ｂ ダイオード
１５ａ スイッチング素子
１５ｂ スイッチング素子

Claims (7)

1. 交流電源と、負荷に並列に接続された平滑コンデンサと、平滑コンデンサを充電する方向に配置された高速ダイオードとスイッチング手段の直列回路が複数組並列接続されて平滑コンデンサの両端に接続された直並列接続回路と、直並列接続回路の各々の高速ダイオードとスイッチング手段の接続部と交流電源の各ライン間にそれぞれ接続された複数個のリアクトルと、直並列接続回路の並列接続点のうち、スイッチング手段が接続される側の並列接続点と交流電源の各ライン間にそれぞれ接続されたダイオードとを備え、スイッチング手段を制御することによって所望の直流電圧を負荷へ供給する直流電源装置。
2. 交流電源と、負荷に並列に接続された平滑コンデンサと、平滑コンデンサを充電する方向に配置された高速ダイオードとスイッチング手段の直列回路が複数組並列接続されて平滑コンデンサの両端に接続された直並列接続回路と、直並列接続回路の各々の高速ダイオードとスイッチング手段の接続部と交流電源の各ライン間にそれぞれ接続された複数個のリアクトルと、直並列接続回路の並列接続点のうち、スイッチング手段が接続される側の並列接続点に一端が接続された電流検出用抵抗と、電流検出用抵抗の他端と交流電源の各ライン間にそれぞれ接続されたダイオードとを備え、スイッチング手段を制御することによって所望の直流電圧を負荷へ供給する直流電源装置であって、前記電流検出用抵抗を用いて交流電源の入力電流を検出することを特徴とする直流電源装置。
3. スイッチング手段は、通流方向が高速ダイオードと異なる向きに接続されたダイオードとスイッチング素子の直列接続回路にて構成され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。
4. スイッチング手段は、通流方向が高速ダイオードと異なる向きに接続された逆阻止ＩＧＢＴで構成され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。
5. 直並列接続回路のスイッチング手段は、平滑コンデンサの負極側に接続されることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の直流電源装置。
6. 複数個のリアクトルは、同一のコアにて構成されることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の直流電源装置。
7. リアクトルの各巻線は、交流電源の各ラインから直並列接続回路側へ流れる向きの電流による磁束の向きが同一となる方向に巻かれていることを特徴とする請求項６に記載の直流電源装置。

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