JP2012249495A - 電源装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】負荷のインピーダンスの逆数に応じて、適切に、高調波電流の発生を抑制しつつ、消費電力の低減を図ることができる電源装置を提供することを目的とする。
【解決手段】供給される電力の電圧値を所定の昇圧率で昇圧しながら、電力の電圧波形と電流波形とを揃える力率改善処理を行う昇圧型の力率改善部3と、力率改善部3が所定の昇圧率で電圧値を昇圧した電力を受け付けて、定電圧電力を生成し、負荷5に供給する定電圧電力供給部4と、力率改善部3に対して、所定の昇圧率として、負荷5のインピーダンスの逆数に応じた昇圧率で、電力の電圧値を昇圧させる昇圧制御部10と、を備える。
【選択図】図1
【解決手段】供給される電力の電圧値を所定の昇圧率で昇圧しながら、電力の電圧波形と電流波形とを揃える力率改善処理を行う昇圧型の力率改善部3と、力率改善部3が所定の昇圧率で電圧値を昇圧した電力を受け付けて、定電圧電力を生成し、負荷5に供給する定電圧電力供給部4と、力率改善部3に対して、所定の昇圧率として、負荷5のインピーダンスの逆数に応じた昇圧率で、電力の電圧値を昇圧させる昇圧制御部10と、を備える。
【選択図】図1
Description
本発明は、電源装置に関するものである。
特許文献1に記載されている電源装置は、昇圧型の力率改善回路を備えている。昇圧型の力率改善回路は、供給される電力の電圧値を昇圧しながら、当該電力の電圧波形と電流波形とを揃える機能を有している。力率改善回路で波形が揃えられた電力はスイッチング電源において定電圧電力とされ、後段の負荷へ供給される。
この種の力率改善回路は、負荷のインピーダンスの逆数が所定の閾値よりも小さいとき(負荷が軽いとき)には力率改善処理を停止する。これにより、負荷が軽いときには、所定の閾値よりも小さいときに、電源装置の回路損失の低減が図られる。
しかしながら、上記した電源装置では、以下の問題が存在する。つまり、上記した電源装置では、負荷のインピーダンスの逆数が所定の閾値よりも小さくないときには、なんら消費電力低減のための措置が図られていない。一般に、昇圧型の力率改善回路は、昇圧率が大きくなるほど、回路損失が増大することが知られている。
特に、供給される電力の電圧値が各々異なる地域で使用可能な全世界対応の電源装置(いわゆるユニバーサル電源)では、供給される電力の電圧値が小さいほど、連続的に電流を流すため、昇圧率が大きく設定されている。しかしながら、この種の電源装置は、1地域でのみ使用可能な電源装置と比べて昇圧率が大きいので回路損失が大きくなる。
一般に、負荷のインピーダンスの逆数は、その値が大きくなるほど、負荷に流れる電流の電流量が多いことを示し、反面、その値が小さくなるほど、負荷に流れる電流の電流量が少ないことを示すことが知られている。そして、入力電流の歪が大きくなると高調波電流が増加することが知られている。
本発明は、上記の問題を解決するためになされたもので、負荷のインピーダンスの逆数に応じて、適切に、高調波電流の発生を抑制しつつ、回路損失の低減を図ることができる電源装置を提供することを目的とする。
本発明の一局面に係る電源装置は、供給される電力の電圧値を所定の昇圧率で昇圧しながら、前記電力の電圧波形と電流波形とを揃える力率改善処理を行う力率改善部と、前記力率改善部が所定の昇圧率で電圧値を昇圧した電力を受け付けて、定電圧電力を生成し、負荷に供給する定電圧電力供給部と、前記力率改善部に対して、前記所定の昇圧率として、前記負荷のインピーダンスの逆数に応じた昇圧率で、前記電力の電圧値を昇圧させる昇圧制御部と、を備えることを特徴とする(請求項1)。
この構成によれば、供給される電力の電圧値は、負荷のインピーダンスの逆数に応じて、適切に、高調波電流の発生を抑制しつつ、回路損失の低減を図ることができる。
上記構成において、前記昇圧制御部は、前記負荷のインピーダンスの逆数が大きくなるほど、前記昇圧率を比例的に大きくする構成とすることができる(請求項2)。
この構成によれば、負荷のインピーダンスの逆数が大きくなるほど、昇圧率を比例的に大きくする。これにより、負荷に応じた回路損失の低減が可能となる。
上記構成において、前記負荷のインピーダンスの逆数が、予め設定された設定値を超えるときには、最大昇圧率として予め設定された昇圧率で、前記力率改善部に対して前記電力の電圧値を昇圧させる構成とすることができる(請求項3)。
この構成によれば、負荷のインピーダンスの逆数が所定の設定値を超えるときには、供給される電力が最大の昇圧率で昇圧される。これにより、高調波電流の発生を所定の値以下に抑えることができる。
上記構成において、前記負荷において生じる電圧降下の大きさを検出することによって、前記負荷のインピーダンスの逆数を求める逆数演算部をさらに備える構成とすることができる(請求項4)。
この構成によれば、負荷において生じる電圧降下の大きさを検出すれば、負荷のインピーダンスの逆数が求まるので、負荷のインピーダンスの逆数を簡易に求めることができる。
本発明によれば、供給される電力の電力値が、負荷の重さを表す、負荷のインピーダンスの逆数に応じた昇圧率で昇圧されるため、負荷のインピーダンスの逆数に応じて、適切に、高調波電流を抑制しつつ、回路損失の低減を図ることができる。
以下に、本発明の実施の形態を添付図面に基づいて説明する。図1は、本発明の一実施形態に係る電源装置の一例を示した回路図である。図2は、力率改善処理の概要を説明するための図である。
図1に示される電源装置1は、交流電力受付部2、昇圧部(力率改善部)3、及び、定電圧電力供給部4を備える。交流電力受付部2は、100V〜240Vの範囲内で各々実効電圧値が異なる交流電力を受け付ける端子T1及びT2を備える。また、交流電力受付部2は、コンデンサC1、C2及びフィルタコイルL1からなるフィルタ回路を備える。このフィルタ回路において、供給された交流電力からノイズ成分が除去される。
さらに、交流電力受付部2は、放電用抵抗R1を備える。放電用抵抗R1は、端子T1及びT2が交流電源から切り離された際に、人が端子T1及びT2に触れても、コンデンサC1及びC2における充電電力によって感電しないようにするために設けられている。これにより、端子T1及びT2が電源プラグの栓刃である際に、人が電源プラグをコンセント装置から引き抜いた後には、放電用抵抗R1を通じてコンデンサC1及びC2による放電が行われるので、コンデンサC1及びC2の充電電力は0となる。そのため、端子T1及びT2に人が触れても感電しない。
また、交流電力受付部2は、ノイズ成分が除去された交流電力を全波整流して脈流を生成するダイオードブリッジD1を備える。生成された脈流は、力率改善部3へ供給される。ここに、脈流とは、流れる方向が一定で、大きさが周期的に変化している電流を意味する。
力率改善部3は、昇圧型のPFC回路(power factor control circuit;力率改善回路)で構成されている。この力率改善部3は、チョークコイルL2、MOSFETで構成されたスイッチング素子Q1、ダイオードD2、平滑コンデンサC3、平滑コンデンサC3の充電電圧をモニタリングするための2つの抵抗R2及びR3、昇圧制御回路(昇圧制御部)10、及び、制御回路11を備える。
この力率改善部3において、昇圧制御回路10は、ダイオードブリッジD1で生成された脈流を受け付けて、その脈流を起動電流(昇圧制御回路起動電流)として受け付けて動作する。
この力率改善部3において、昇圧制御回路10は、制御回路11による制御の下で、以下に示される力率改善処理を行う。昇圧制御回路10は、スイッチング素子Q1のゲート端子にゲート電圧を印加することによって、ドレイン電流を流す。これにより、スイッチング素子Q1がオン状態となる。一方、スイッチング素子Q1のゲート端子にゲート電圧が印加されていないときには、ドレイン電流が流れないので、スイッチング素子Q1がオフ状態となる。
昇圧制御回路10は、スイッチング素子Q1をオンオフさせて、平滑コンデンサC3から放電される電流の波形を、端子T1及びT2から入力される交流電源に近似する波形に整える制御を行う。
昇圧制御回路10は、図2(a)に示される平滑コンデンサC3の端子間電圧(充電電圧)の電圧レベルと、図2(a)に示される全波整流電圧波形とを監視している。そして、平滑コンデンサC3の端子間電圧と、全波整流電圧波形とに基づいて、スイッチング素子Q1のゲート端子に出力するパルスのデューティ比を決定する。
そして、昇圧制御回路10は、決定したデューティ比のパルスをスイッチング素子Q1のゲート端子に出力して、ONduty期間にスイッチング素子Q1をオン状態とさせ、OFFduty期間にスイッチング素子Q1をオフ状態とさせる。
これにより、スイッチング素子Q1がオン状態のときにチョークコイルL2に電流が流れてチョークコイルL2に電気エネルギーが蓄積する。スイッチング素子Q1がオン状態のときにチョークコイルL2を流れる電流(図2(c)の実線に示される三角形状の電流)は、いわゆるチョッパ電流と呼ばれる。このようなチョッパ電流がチョークコイルL2を流れる頻度が多いほど、力率が好適に改善される。従って、スイッチング素子Q1がオン状態となる頻度が多いほど力率が好適に改善される。
一方、スイッチング素子Q1がオフ状態のときにチョークコイルL2の電気エネルギーが逆流防止用のダイオードD2を介して平滑コンデンサC3に流入する。その際、平滑コンデンサC3が充電される。平滑コンデンサC3には、チョークコイルL2に蓄えられた電気エネルギーが供給されて充電されるので、平滑コンデンサC3の端子間電圧は、ダイオードブリッジD1で生成された脈流の最大振幅値よりも高い電圧値となる。そして、チョークコイルL2から供給される電気エネルギーの電圧値が、平滑コンデンサC3の端子間電圧を下回ったときに、平滑コンデンサC3において放電が生じる。
また、力率改善部3において、抵抗R2及びR3からなる直列回路が平滑コンデンサC3と並列に接続されている。抵抗R2及びR3からなる直列回路は、平滑コンデンサC3の端子間電圧を抵抗分割により降圧する。そして、抵抗分割により降圧された端子間電圧は、昇圧制御回路10へ入力される。これにより、昇圧制御回路10は、平滑コンデンサC3の端子間電圧をモニタリングする。
そして、昇圧制御回路10は、平滑コンデンサC3の端子間電圧が一定の電圧値となるように、スイッチング素子Q1をスイッチングさせて、平滑コンデンサC3を充放電させる。これにより、力率改善部3から定電圧電力供給部4に対して、一定の電圧値の直流電力が供給される。ここに、直流電力の電圧値は、スイッチング素子Q1がオン状態となる頻度が多いほど高くなる。
以上に示されるように、スイッチング素子Q1がオン状態となる頻度が多いほど、力率が好適に改善され、かつ、定電圧電力供給部4に対して供給される直流電力の電圧値が高くなる。
そして、力率改善部3において、制御回路11は、昇圧制御回路10を制御する。力率改善部3は、例えば、後述される手法によって負荷5のインピーダンスの逆数を得て、得た逆数に適した昇圧率を設定する。これは、力率改善のために、負荷5に対して電流を連続的に供給するために入力電圧を昇圧する必要があるためである。そして、力率の改善度が向上すれば、交流電源を通じて外部へ高調波電流が漏れることが抑制される。尚、負荷5のインピーダンスの逆数に適した昇圧率として、例えば、電源装置1の高調波電流規格を満たすことができるように力率を改善することができる昇圧率が挙げられる。
本実施形態では、制御回路11において、負荷のインピーダンスの逆数(負荷率)が“0”以上“a”未満の範囲内の値に対応する昇圧率が“0”として設定されている。また、負荷のインピーダンスの逆数(負荷率)が“a”以上“b”以下の範囲内の値に対応する昇圧率は、各値の大きさに比例して大きくなるように設定されている。さらに、負荷のインピーダンスの逆数(負荷率)が“b”を超え“100”以下の範囲内の値に対応する昇圧率は最大の昇圧率が設定されている。
ここに、負荷のインピーダンスの逆数(負荷率)が“a”以上“b”以下の範囲内の値に対応する昇圧率は、各値の大きさに比例して大きくなるように設定することは、例えば、負荷のインピーダンスの逆数(負荷率)が大きくなるほど、大きな昇圧率が設定されたテーブルを設けることで実現できる。
制御回路11は、設定された昇圧率を表す信号を昇圧制御回路10へ出力する。これにより、昇圧制御回路10は、供給される直流電力が、負荷5のインピーダンスの逆数に応じた昇圧率で昇圧されるように、スイッチング素子Q1のスイッチングを制御する。
定電力生成部4は、いわゆるスイッチング電源である。定電力生成部4は、トランスT1を備える。トランスT1は、第1の一次巻線N1、第1の一次巻線N1とは非導通な第2の一次巻線N2、及び二次巻線N3を備える。第1の一次巻線N1には、力率改善部3から供給される直流電力が供給される。
定電圧電力供給部4において、スイッチング素子Q2は、第1の一次巻線N1の導通及び非導通を切り換えることによって、第1の一次巻線N1に対してパルス状の直流電力を供給する。スイッチング素子Q2は、PWM制御回路12によりPWM制御される。
PWM制御回路12は、ダイオードブリッジD1で生成された脈流を受け付けて、その脈流を駆動電流(PWM制御回路駆動電流)として受け付けて動作する。PWM制御回路12は、二次巻線N3側の直流電力の電圧値の帰還を受け付けて、その電圧値が目標の電圧値となるようなデューティ比のパルスをスイッチング素子Q2に出力する。
すると、スイッチング素子Q2は、パルスのONduty期間にオン状態となって、第1の一次巻線N1を導通させる。また、スイッチング素子Q2は、パルスのOFFduyy期間にオフ状態となって、第1の一次巻線N1を非導通とする。
定電圧電力供給部4において、第2の一次巻線N2には、二次巻線N3に存在するパルス状の直流電力が電磁誘導により伝えられる。第2の一次巻線N2に伝えられたパルス状の直流電力は、第2の一次巻線N2側に設けられたダイオードD3及びコンデンサC4によって整流及び平滑が行われて直流電力とされ、抵抗R4を介して制御回路11へ供給される。
制御回路11は、供給された直流電力の電圧値を監視している。この電圧値は、二次巻線N3における直流電力の電圧値が高くなるほど高くなり、二次巻線N3における直流電力の電圧値が低くなるほど低くなる。ここに、二次巻線N3における直流電力の電圧値は、負荷5のインピーダンスの逆数が大きくなるほど(負荷5が重たくなるほど)、負荷5における電圧降下が大きくなるので大きくなる。また、二次巻線N3における直流電力の電圧値は、負荷5のインピーダンスの逆数が小さくなるほど(負荷5が軽くなるほど)、負荷5における電圧降下が小さくなるので小さくなる。
そして、制御回路11は、抵抗R4を介して供給された直流電力の電圧値が高いほど負荷5のインピーダンスの逆数(負荷率)が大きいと判断する。一方、制御回路11は、抵抗R4を介して供給された直流電力の電圧値が低いほど負荷5のインピーダンスの逆数(負荷率)が小さいと判断する。
制御回路11は、例えば、電圧値が大きくなるほど、大きな、負荷のインピーダンスの逆数(負荷率)が設定されたテーブルを備えている。制御回路11は、抵抗R4を介して供給された直流電力の電圧値を検出して、その電圧値に対応して記憶されている、負荷5のインピーダンスの逆数(負荷率)をテーブルから得る。以上に示される手法により、抵抗R4を介して供給された直流電力の電圧値から、負荷5のインピーダンスの逆数(負荷率)を求めることが容易に実現できる。
二次巻線N3には、第1の一次巻線N1に供給される直流電圧が、電磁誘導により、パルス状に伝えられる。二次巻線N3に伝えられたパルス状の直流電圧は、ダイオードD4及び平滑コンデンサC5によって整流及び平滑されて直流電力とされ、負荷5へ供給される。
また、二次巻線N3側には、抵抗R5及びR6からなる直列回路が平滑コンデンサC5と並列に接続されている。抵抗R5及びR6からなる直列回路は、平滑コンデンサC5の端子間電圧を抵抗分割により降圧する。そして、抵抗分割により降圧された端子間電圧は、PWM制御回路12へ入力される。これにより、PWM制御回路12は、平滑コンデンサC5の端子間電圧をモニタリングする。
そして、PWM制御回路12は、平滑コンデンサC5の端子間電圧が一定の電圧値となるように、スイッチング素子Q2をスイッチングさせる。これにより、定電圧電力供給部4から負荷5に対して、定電圧電力が供給される。
このような構成の電源回路1において、力率改善部3は、例えば、以下に示される昇圧処理を行うことができる。図3は、負荷率と昇圧電圧との相関の一例を示した図である。ここに、供給される交流電力の電圧値は127Vであるとされる。
力率改善部3において、制御回路11は、負荷5のインピーダンスの逆数(負荷率)が“0”以上“a”未満の範囲内の値であるときには、昇圧率を“0”とする。この場合、力率改善部3は昇圧処理を行わないので、電源装置1の消費電力が低減される。また、負負荷5のインピーダンスの逆数が小さいので、負荷5を流れる電流の電流量が少ない。従って、力率改善部3によって昇圧を伴った力率改善処理が施されなくても、高調波電流が交流電源を通じて外部に漏れにくい。
また、制御回路11は、負荷5のインピーダンスの逆数(負荷率)が“a”以上“b”以下の範囲内の値であるときには、負荷5のインピーダンスの逆数が大きくなるほど、大きな昇圧率を設定する。これにより、負荷5のインピーダンスの逆数が大きくなるほど、供給される電力の電圧値が、大きな昇圧率で昇圧されながら、その電力の電圧波形及び電流波形が揃えられる。これにより、負荷5のインピーダンスの逆数に適した改善度で力率が改善されるので、高調波電流が発生することを適切に抑制することができる。
さらに、制御回路11は、負荷5のインピーダンスの逆数(負荷率)が“b”を超え“100”以下の範囲内にあるときには、最大の昇圧率を設定する。本実施形態では、供給された交流電力の電圧値が127Vから370Vにまで昇圧されている。
これにより、負荷5において多くの電流量の電流が流れていることにより高調波電流が外部に漏れやすい状態においても、供給される電力の電圧値が、最大の昇圧率で昇圧されながら、その電力の電圧波形及び電流波形が揃えられる。このように、負荷5のインピーダンスの逆数が“b”を超えるように大きな場合には、最も高い改善度で力率が改善されて、適切に、高調波電流の発生を抑制することができる。
1 電源装置
3 力率改善部
4 定電圧電力供給部
5 負荷
10 昇圧制御回路
3 力率改善部
4 定電圧電力供給部
5 負荷
10 昇圧制御回路
Claims (4)
- 供給される電力の電圧値を所定の昇圧率で昇圧しながら、前記電力の電圧波形と電流波形とを揃える力率改善処理を行う昇圧型の力率改善部と、
前記力率改善部が所定の昇圧率で電圧値を昇圧した電力を受け付けて、定電圧電力を生成し、負荷に供給する定電圧電力供給部と、
前記力率改善部に対して、前記所定の昇圧率として、前記負荷のインピーダンスの逆数に応じた昇圧率で、前記電力の電圧値を昇圧させる昇圧制御部と、
を備えることを特徴とする電源装置。 - 前記昇圧制御部は、
前記負荷のインピーダンスの逆数が大きくなるほど、前記昇圧率を比例的に大きくすることを特徴とする請求項1に記載の電源装置。 - 前記昇圧制御部は、
前記負荷のインピーダンスの逆数が、予め設定された設定値を超えるときには、最大昇圧率として予め設定された昇圧率で、前記力率改善部に対して前記電力の電圧値を昇圧させることを特徴とする請求項1又は請求項2に記載の電源装置。 - 前記負荷において生じる電圧降下の大きさを検出することによって、前記負荷のインピーダンスの逆数を求める逆数演算部をさらに備えることを特徴とする請求項1乃至請求項3のいずれか一項に記載の電源装置。
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