JP4289718B2

JP4289718B2 - Power supply

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Publication number: JP4289718B2
Application number: JP11189799A
Authority: JP
Inventors: 康弘牧野; 和久太田垣
Original assignee: Sanyo Electric Co Ltd
Current assignee: Sanyo Electric Co Ltd
Priority date: 1999-04-20
Filing date: 1999-04-20
Publication date: 2009-07-01
Anticipated expiration: 2019-04-20
Also published as: JP2000308353A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は電源装置に係り、特に、交流電力を直流電力に変換する電源装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
冷凍サイクルによって冷暖房を行なう空気調和機（エアコン）では、冷暖房能力を調整するときに、コンプレッサの運転周波数を変更するものがある。すなわち、エアコンでは、コンプレッサの運転周波数を下げることにより冷暖房能力が下がり、コンプレッサの運転周波数を高くすることにより冷暖房能力が高くなる。このようなエアコンでは、インバータ制御によってコンプレッサを駆動するモータの回転数を制御している。
【０００３】
インバータ制御を行なう電源装置には、ＰＷＭ制御を行なうものに加えてＰＡＭ（ＰｕｌｓｅＡｍｐｌｉｔｕｄｅＭｏｄｕｌａｔｉｏｎ：パルス振幅変調）制御を行なうものがある。ＰＡＭ制御では、交流電圧を整流回路によって直流電圧に変換した後、昇圧回路によって所望の電圧に変換するようになっている。この昇圧回路としてはチョッパ回路が一般的に用いられている。
【０００４】
昇圧回路（チョッパ回路）は、リアクトル素子とスイッチング素子及びダイオードとコンデンサを備え、スイッチング素子をオンしてリアクトル素子に蓄えたエネルギーを、スイッチング素子をオフすることによりてコンデンサを充電する。これにより、コンデンサには、入力電圧とリアクトル素子に蓄えられたエネルギーに応じた電圧が発生する。
【０００５】
このような昇圧回路では、スイッチング素子のオン時間の比率（デューティ比）を制御することにより、前段の整流回路に入力される交流の入力電流の波形及び電流値を制御することができ、直流電圧の制御と共に力率改善及び高調波電流の低減が可能となっている。また、このようなＰＡＭ制御を行う電源装置の中には、スイッチング素子のオンオフを間欠的に行うことにより簡易的にＰＡＭ制御を行うものもある。
【０００６】
一方、整流回路には、力率改善や高調波電流の低減が望まれており、このために受動部品を用いたパッシブ型フィルタがあるが、このパッシブ型フィルタでは、特に入力電圧（電源電圧）が２００Ｖ以上では、力率改善及び高調波電流の低減に限界があり、装置も大型化してしまう。これに対して、上記の簡易的にＰＡＭ制御を行う所謂アクティブフィルタでは、力率改善及び高調波電流の低減が可能となる。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、簡易的なＰＡＭ制御を行う電源装置では、主に高調波電流の抑制を目的としており、出力電圧を高めることが困難であるという問題があった。
【０００８】
本発明は上記事実に鑑みてなされたものであり、高調波抑制と共に出力電圧の制御を可能とする電源装置を提供することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、請求項１記載の発明の電源装置は、入力される交流電力を直流電力に変換して負荷へ供給する電源装置において、前記交流電力を整流する整流手段と、前記整流手段からの出力を倍電圧にすると共に平滑化して直流電力を出力する平滑手段と、前記整流手段の出力端子の間に接続されると共に、入力されるスイッチング信号のオン／オフに基づいて開閉するスイッチング素子と、前記整流手段に入力される入力電圧を検出する入力電圧検出手段と、前記整流手段に入力される入力電流を検出する入力電流検出手段と、前記入力電流検出手段により検出される入力電流値と、前記スイッチング信号を出力する時間に相当する前記入力電圧の位相角及び前記スイッチング信号のデューティ比と、の対応関係を予め定めたテーブルデータが記憶された記憶手段と、前記入力電圧検出手段により検出した入力電圧の第１のゼロクロス点及び当該第１のゼロクロス点の次の第２のゼロクロス点を検出すると共に、前記第１のゼロクロス点を検出した時点から当該第１のゼロクロス点を検出した時点における前記入力電流検出手段により検出された入力電流値に対応する前記入力電圧の位相角に相当する時間が経過するまでの第１の期間は、前記テーブルデータから求めた前記第１のゼロクロス点を検出した時点における前記入力電流検出手段により検出された入力電流値に対応する前記入力電圧の位相角及び前記スイッチング信号のデューティ比で前記スイッチング素子をオン／オフし、前記第１の期間が経過してから前記入力電圧のピークを含む期間が経過した予め定めた時点までの第２の期間は、前記スイッチング信号の出力を停止し、前記第２の期間が経過してから前記予め定めた時点における前記入力電流検出手段により検出された入力電流値に対応する前記入力電圧の位相角に相当する時間が経過するまでの第３の期間は、前記テーブルデータから求めた前記予め定めた時点における前記入力電流検出手段により検出された入力電流値に対応する前記入力電圧の位相角及び前記スイッチング信号のデューティ比で前記スイッチング素子をオン／オフし、前記第３の期間が経過してから前記第２のゼロクロス点を検出するまでの第４の期間は、前記スイッチング信号の出力を停止することにより前記平滑手段からの出力電圧を制御する制御手段と、を有することを特徴としている。
【００１０】
請求項１記載の発明によれば、スイッチング素子を駆動するスイッチング信号のデューティ比を入力電流によって制御する。例えば、スイッチング信号のデューティ比を高くすることにより入力電流を増加させることができる。また、スイッチング素子のオン／オフによって出力電圧も変化するので、スイッチング信号のデューティ比によって平滑手段からの出力電圧の制御が可能となる。
【００１１】
このような本発明は、前記制御手段が、前記入力電力検出手段によって検出した入力電圧値が正から負または負から正へと反転するゼロクロス点を基準とし、該ゼロクロス点を検出する直前及びゼロクロス点を検出した時点から前記スイッチング素子を入力電流値に基づいて定めた入力電圧値の位相角及びデューティ比に応じてオン／オフする。言い換えれば、入力電圧の半周期内で、かつピークの部分を除いた両端部でスイッチング素子をオン／オフする。入力電圧値の位相角は、ゼロクロス点からの時間に換算することができる。すなわち、位相角を変化させることにより、スイッチングするタイミングを変化させることができる。
【００１２】
このように、スイッチング信号を出力するタイミングを入力電圧のゼロクロス点に同期させることにより、入力電流の波形の調整が可能となり、高調波を抑制することができる。なお、入力電流値に基づいて定めた入力電圧値の位相角及びデューティ比は、ＲＯＭなどの記憶手段にテーブルデータとして記憶しておき、必要に応じて読み出して制御する。
【００１３】
また、入力電圧値の位相角及びデューティ比は、入力電流値、すなわち負荷の大きさに基づいて最適に定められる。このため、出力電圧を効率的に所望の電圧に昇圧する制御が可能となる。さらに、平滑手段は前記整流手段からの出力を倍電圧にするので、少ない入力電力から高出力が可能となり、電源効率が向上する。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下に図面を参照しながら、本発明の実施の形態を説明する。図２には、本実施の形態に適用した空気調和機（以下「エアコン１０」と言う）の冷凍サイクルを示している。
【００１５】
このエアコン１０は、被空調室に設置される室内ユニット１２と室外に設置される室外ユニット１４によって構成されており、室内ユニット１２と室外ユニット１４とは、冷媒を循環させる太管の冷媒配管１６Ａと、細管の冷媒配管１６Ｂとで接続されている。
【００１６】
室内ユニット１２には、熱交換器１８が設けられており、冷媒配管１６Ａ、１６Ｂのそれぞれの一端がこの熱交換器１８に接続されている。また、冷媒配管１６Ａの他端は、室外ユニット１４のバルブ２０Ａ、マフラー２２Ａを介して四方弁２４に接続されている。この四方弁２４は、アキュムレータ２８及びマフラー２２Ｂを介してコンプレッサ２６に接続されている。
【００１７】
さらに、室外ユニット１４には、熱交換器３０が設けられている。この熱交換器３０は、一方が四方弁２４に接続され、他方がキャピラリチューブ３２、ストレーナ３４、モジュレータ３８を介してバルブ２０Ｂに接続されている。また、ストレーナ３４とモジュレータ３８の間には、電動膨張弁３６が設けられ、バルブ２０Ｂには、冷媒配管１６Ｂの他端が接続されている。これによって、室内ユニット１２と室外ユニット１４の間に冷凍サイクルを形成する冷媒の密閉された循環路が構成されている。
【００１８】
エアコン１０は、コンプレッサ２６と一体に設けているコンプレッサモータ４０の回転駆動によってコンプレッサ２６が運転されると、この冷凍サイクル中を冷媒が循環される。このとき、エアコン１０では、運転モード（冷房モード又は暖房モード）に応じて四方弁２４が切換えられ、電動膨張弁３６の弁開度を制御することにより、冷媒の蒸発温度が調整される。なお、図２では矢印によって暖房運転時（暖房モード）と冷房運転時（冷房モードまたはドライモード）の冷媒の流れを示している。
【００１９】
冷房モードでは、コンプレッサ２６によって圧縮された冷媒が熱交換器３０へ供給されることにより液化され、この液化された冷媒が室内ユニット１２の熱交換器１８で気化することにより、熱交換器１８を通過する空気を冷却する。また、暖房モードでは、逆に、コンプレッサ２６によって圧縮された冷媒が、室内ユニット１２の熱交換器１８で凝縮されることにより放熱し、この冷媒が放熱した熱で熱交換器１８を通過する空気を加熱する。
【００２０】
室内ユニット１２は、送風用に設けられている図示しないクロスフローファンによって室内ユニット１２に吸引した空気を室内へ吹出すときに熱交換器１８を通過させ温調する。これにより、室内ユニット１２から吹出される空気によって室内が空調される。
【００２１】
図１に示されるように、室外ユニット１４には、電源装置４２及びマイコン４４が設けられている。電源装置４２は、交流電力をコンプレッサモータ４０の駆動用の直流電力に変換する。また、マイコン４４は、室外ユニット１４の作動を制御すると共に、電源装置４２の作動を制御する。
【００２２】
例えば、マイコン４４は、例えばシリアル通信等によって室内ユニット１２に設けられている図示しないマイコンと接続されており、この室内ユニット１２のマイコンからの信号に基づいて作動する。なお、マイコン４４は、室内ユニット１２のマイコンから送出された信号及び外気温度を検出する外気温度センサ、コンプレッサ２６の温度を検出するコンプレッサ温度センサ、熱交換器３０のコイル温度を検出するコイル温度センサ等の検出結果に基づいてコンプレッサモータ４０と共に、四方弁、電動膨張弁３６、熱交換器３０を冷却する冷却ファン等の駆動を制御する。
【００２３】
室外ユニット１４に設けられている電源装置４２は、整流回路４６と平滑回路４８を備えており、交流電源５０から供給される交流電力を所定電圧の直流電力に変換し、インバータ回路５２へ出力する。インバータ回路５２は、スイッチング素子が設けられた一般的構成となっており、スイッチング信号によってスイッチング素子がオン／オフ制御されることにより、スイッチング信号に応じた電力をコンプレッサモータ４０へ出力し、この電力（電圧）に応じた回転数でコンプレッサモータ４０を回転駆動する。
【００２４】
インバータ回路５２は、マイコン４４に接続されており、マイコン４４から出力されるスイッチング信号に基づいてスイッチング素子が駆動される。すなわち、マイコン４４は、インバータ回路５２を用いてＰＷＭ制御によってコンプレッサモータ４０の回転数を制御している。
【００２５】
近年、コンプレッサモータ４０としては、ＤＣブラシレスモータを用いており、入力電圧の変化に応じて回転数が変化する。したがって、スイッチング信号のデューティ比に応じた電圧がインバータ回路５２からコンプレッサモータ４０へ出力されることにより、コンプレッサモータ４０は、この電圧に応じた回転数で回転駆動する。
【００２６】
このインバータ回路５２では、スイッチング信号のデューティ比を一定としたときに、出力電圧がインバータ回路５２への入力電圧、すなわち、平滑回路４８の出力電圧Ｖ０に応じて変化させることができる。これにより、インバータ回路５２への入力電圧に応じてもコンプレッサモータ４０の回転数が変更可能となっている。すなわち、マイコン４４は、ＰＡＭ制御によってもコンプレッサモータ４０の回転数の制御が可能となっている。
【００２７】
一方、整流回路４６は、ダイオード５４をブリッジ状に接続した整流器５６が設けられており、この整流器５６の入力端子５８Ａ、５８Ｂにチョークコイルであるリアクトル６０を介して、交流電源５０が接続される。本実施の形態に適用したエアコン１０の室外ユニット１４は、所定電圧（例えば単相１００Ｖ）の交流電力が供給されることにより運転される。
【００２８】
整流器５６の出力端子６２Ａ、６２Ｂには、ダイオード７２、７４を介して平滑回路４８が接続されている。平滑回路４８は、直列接続されたコンデンサ６４、６６と、このコンデンサ６４、６６に並列接続されたコンデンサ６８によって構成され、整流器５６から出力される脈流を平滑化する。これにより、整流回路４６は、倍電圧両波整流回路を形成している。
【００２９】
ところで、整流器５６の出力端子６２A、６２Ｂの間には、スイッチング回路７６が接続されている。このスイッチング回路７６は、スイッチング素子としてＩＧＢＴ（ＩｎｓｕｌａｔｅｄＧａｔｅＢｉｐｏｌａｒＴｒａｎｓｉｓｔｏｒ）等のスイッチングトランジスタ７８とダイオード８０によって構成されており、スイッチングトランジスタ７８がスイッチング信号によってオンされることにより出力端子６２Ａから出力端子６２Ｂへ電流が流れるようになっている。
【００３０】
このスイッチングトランジスタ７８は、駆動回路８２を介してマイコン４４に接続されており、マイコン４４から出力される高周波のスイッチング信号ＳＴによってオン／オフされる。
【００３１】
一方、マイコン４４には、入力電力検出手段として、電源電圧検出回路８４と電源電流検出回路８４が接続されている。マイコン４４は、この電源電圧検出回路８４によって電源電圧（入力電圧）と共に入力電圧の波形の位相信号を読み込み、位相信号から電源電圧の波形が切り換わるゼロクロス点Ｐ（図３参照）を検出する。マイコン４４は、このゼロクロス点Ｐに基づいてスイッチング信号ＳＴを出力するタイミングを設定するようになっている。
【００３２】
図３に示されるように、マイコン４４は、交流電源５０の周波数ｆ₁の位相に同期させて、周波数ｆ₁の１／２サイクル毎に、スイッチング信号ＳＴを出力するようになっている。また、マイコン４４では、スイッチング信号ＳＴを、スイッチング信号ＳＴ₁、ＳＴ₂に分割して出力するように設定されている（以下総称するときは「スイッチング信号ＳＴ」とする）。
【００３３】
すなわち、マイコン４４は、周波数ｆ₁の１／２サイクル内で、一例としてスイッチング信号ＳＴ₁、ＳＴ₂の何れかを出力する時間α、γと、スイッチング信号ＳＴを停止する時間β、δによって４分割するように設定されている。
【００３４】
スイッチング信号ＳＴ₁は、ゼロクロス点Ｐ（位相角θ＝０）から時間αの間で出力され、スイッチング信号ＳＴ₂は、次のゼロクロス点（θ＝１８０°）の直前で停止する時間γの間で出力するようにしている。これにより、スイッチング信号ＳＴ₂と次のスイッチング信号ＳＴ₁との間で、スイッチング信号ＳＴが停止する時間δを設けるようにしている。また、スイッチング信号ＳＴ₁とスイッチング信号ＳＴ₂の間の電源電圧のピークを挟んだ時間βの間は、スイッチングを停止する。
【００３５】
これにより、マイコン４４が、ゼロクロス点Ｐからスイッチング信号ＳＴ₁を出力した後、一旦、スイッチング信号ＳＴの出力を停止してからスイッチング信号ＳＴ₂を出力する。
【００３６】
また、時間α、γは電圧波形の位相角に換算することができるが、マイコン４４では、電源電流検出回路８６によって検出する入力電流Ｉｉ、すなわち負荷の大きさに基づいてスイッチング信号ＳＴ₁、ＳＴ₂の位相角及びデューティ比を変化させるようにしている。この入力電流Ｉｉに応じた位相角及びデューティ比は、負荷の大きさ（エアコン１０の動作モード）に応じて予め定められており、テーブルデータとしてマイコン４４の図示しないＲＯＭに記憶されている。すなわち、マイコン４４では、ＲＯＭに記憶されたテーブルデータから入力電流Ｉｉの大きさに応じた位相角及びデューティ比を読み込んでＰＡＭ制御を行う。
【００３７】
なお、本実施の形態では、スイッチング信号ＳＴ（ＳＴ₁、ＳＴ₂）の周波数ｆは１７ｋHzとしている。これにより、出力電圧Ｖoは、例えば２８０Ｖ（基準電圧Ｖs＝２８０Ｖ）となるように制御される。
【００３８】
次に、本実施の形態の作用を説明する。
【００３９】
エアコン１０は、図示しないリモコンスイッチの操作によって、運転モード、設定温度等の運転条件、すなわち動作モードが設定され、運転／停止ボタンの操作によって運転開始が指示されると、室内ユニット１２に設けている図示しないマイコンが、設定された運転条件に応じて室内を空調するために必要な空調能力を演算し、この演算結果に基づいてコンプレッサモータ４０の回転数を設定する。この後、室内ユニット１２に設けているマイコンは、設定した回転数でコンプレッサモータ４０を駆動するように、室外ユニット１４に設けているマイコン４４に指示する。
【００４０】
マイコン４４は、室内ユニット１２のマイコンによって指示されたコンプレッサ２６の回転数が得られるように電源装置４２及びインバータ回路５２を制御しながらコンプレッサモータ４０を回転駆動する。これにより、エアコン１０では、コンプレッサ２６で圧縮された冷媒が冷凍サイクル中を循環し、室内ユニット１２に設けている熱交換器１８を通過する空気を温調する。この室内ユニット１２の熱交換器１８を通過することにより温調された空気が、室内ユニット１２から吹出されることにより、室内の空調が図られる。
【００４１】
電源装置４２を制御するマイコン４４は、交流電源５０から整流回路５６に入力される入力電圧Ｖｉの電圧波形のゼロクロス点Ｐを検出すると、電源電流検出回路８６により検出した入力電流Ｉｉに応じた位相角及びデューティ比を内部のＲＯＭから読み出し、この読み出した値に応じた図４（Ａ）に示すようなスイッチング信号ＳＴ₁を出力する。図４（Ａ）では、一例として電圧波形の位相角θが０°〜３０°（１８０°〜２１０°）の間（時間α）の間にスイッチング信号ＳＴ₁が出力され、そのデューティ比は一例として９２％である。なお、図４（Ｂ）は入力電圧Ｖｉの波形、図４（Ｃ）は入力電流値Ｉｉの波形、図４（Ｄ）はスイッチングトランジスタ７８のドレイン−ソース間電流の波形をぞれぞれ示している。
【００４２】
電源装置４２では、スイッチングトランジスタ７８が、電圧波形のゼロクロス点Ｐからスイッチング信号ＳＴ₁に基づいてオン／オフされることにより、このスイッチング信号ＳＴ₁のオン／オフに応じて図４（ｃ）に示すような入力電流Ｉｉが流れる。
【００４３】
そして、電圧波形の位相角θが３０°を超えるとスイッチング信号ＳＴ₁の出力を停止する。これにより、スイッチングトランジスタ７８によるスイッチングが停止される。
【００４４】
次に、電圧波形が次のゼロクロス点Ｐ（図３のゼロクロス点Ｐ₁）に近づくと、電源電流検出回路８６により検出した入力電流Ｉｉに応じた位相角及びデューティ比を内部のＲＯＭから読み出し、この読み出した値に応じた図４（Ａ）に示すようなスイッチング信号ＳＴ₂を出力する。図４（Ａ）では、一例として電圧波形の位相角θが１２９°〜１４７°（３０９°〜３２７°）の間（時間γ）の間にスイッチング信号ＳＴ₂が出力され、そのデューティ比は一例として４３％である。すなわち、位相角θが３０°〜１２９°（２１０°〜３０９°）の間（時間β）は、スイッチングが停止される。
【００４５】
電源装置４２では、スイッチングトランジスタ７８が、電圧波形のゼロクロス点Ｐからスイッチング信号ＳＴ₂に基づいてオン／オフされることにより、このスイッチング信号ＳＴ₂のオン／オフに応じて入力電流Ｉｉが流れる。
【００４６】
そして、電圧波形の位相角θが１４７°を超えるとスイッチング信号ＳＴ₂の出力を停止する。これにより、スイッチングトランジスタ７８によるスイッチングが停止される。この後、位相角θが次のゼロクロス点Ｐ₁（位相角θ＝１８０°）に達すると、新たにスイッチング信号ＳＴ₁の出力が開始される。すなわち、位相角θが１４７°〜１８０°（３０９°〜０°）の間（時間δ）はスイッチングが停止される。
【００４７】
このように、周波数ｆ₁の１／２サイクルの両端において入力電流Ｉｉ（負荷の大きさ：エアコン１０の動作モード）に応じた入力電圧値の位相角及びデューティ比でスイッチング信号ＳＴ₁及びスイッチング信号ＳＴ₂をそれぞれ出力することにより、入力電流Ｉｉに応じて最適にゼロクロス点Ｐの近傍での電流波形を滑らかにすることができ、簡易的なＰＡＭ制御を行う場合であってもパッシブ型フィルタを用いる場合と比較して出力電圧を高めることができる（例えば数Ｖから約５０Ｖ）。従って、より細かい出力制御（暖房制御）を行うことができる。
【００４８】
また、入力電流Ｉｉに応じて最適にゼロクロス点Ｐの近傍での電流波形を滑らかにすることができるのでＰＡＭ制御を行わない場合と比較して力率を改善することができると共に入力電流Ｉｉの高調波成分の低減が可能となる。このため、図５に示すように高調波規格（ＩＥＣ規格）を満足することができる。図５では、３次以上の高調波について、電流値がすべてＩＥＣ規格値以下となっている。さらに、整流回路４６は、倍電圧両波整流回路となっているので、電源効率（入力電力に対する出力電力の割合）を向上させることができる。
【００４９】
また、マイコン４４のＲＯＭに入力電流Ｉｉに応じた位相角及びデューティ比を記憶させ、これを必要に応じて読み出してスイッチング信号ＳＴを出力するので、制御及び回路構成が簡単になり、低コストとすることができる。
【００５０】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、制御手段が、ゼロクロス点を検出する直前及び検出した時点から、入力電流値に基づいて定めた入力電圧値の位相角及びデューティ比に応じてオン／オフするので、間欠的にスイッチングする場合においても出力電圧を昇圧する制御が可能になると共に入力電流の波形の調整が可能となり、高調波を抑制することができる、という効果を有する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本実施の形態に適用した電源装置の概略を示すブロック図である。
【図２】本実施の形態の電源装置を適用したエアコンの冷凍サイクルを示す概略図である。
【図３】本発明に係る入力電圧の電圧波形に対するスイッチング信号の出力期間を示す線図である。
【図４】入力電圧の電圧波形に対するスイッチング信号と入力電流の電流波形の概略を示す線図である。
【図５】入力電流に対する高調波レベルの概略を示す線図である。
【符号の説明】
１０エアコン
４０コンプレッサモータ
４２電源装置
４４マイコン（制御手段）
４６整流回路（整流手段）
４８平滑回路（平滑手段）
５０交流電源
５２インバータ回路
６０リアクトル
７６スイッチング回路
７８スイッチングトランジスタ（スイッチング素子）
８４電源電圧検出回路（入力電圧検出手段）
８６電源電流検出回路（入力電流検出手段）[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a power supply device, and more particularly to a power supply device that converts AC power into DC power.
[0002]
[Prior art]
Some air conditioners (air conditioners) that perform air conditioning with a refrigeration cycle change the operating frequency of the compressor when adjusting the air conditioning capacity. That is, in an air conditioner, the cooling / heating capacity is lowered by lowering the operating frequency of the compressor, and the cooling / heating capacity is raised by raising the operating frequency of the compressor. In such an air conditioner, the rotation speed of a motor that drives the compressor is controlled by inverter control.
[0003]
Among power supply devices that perform inverter control, there are devices that perform PAM (Pulse Amplitude Modulation) control in addition to those that perform PWM control. In PAM control, an AC voltage is converted to a DC voltage by a rectifier circuit, and then converted to a desired voltage by a booster circuit. A chopper circuit is generally used as the booster circuit.
[0004]
The booster circuit (chopper circuit) includes a reactor element, a switching element, a diode, and a capacitor, and charges the capacitor by turning on the switching element and turning off the switching element with the energy stored in the reactor element. Thereby, a voltage according to the input voltage and the energy stored in the reactor element is generated in the capacitor.
[0005]
In such a booster circuit, by controlling the on-time ratio (duty ratio) of the switching element, it is possible to control the waveform and current value of the AC input current that is input to the rectifier circuit in the previous stage. It is possible to improve the power factor and reduce the harmonic current together with the control of. Some power supply devices that perform such PAM control simply perform PAM control by intermittently turning on and off the switching elements.
[0006]
On the other hand, the rectifier circuit is desired to improve the power factor and reduce the harmonic current. For this reason, there is a passive type filter using passive components. In this type of passive type filter, in particular, the input voltage (power supply voltage) However, if it is 200 V or more, there is a limit to the power factor improvement and the reduction of the harmonic current, and the apparatus becomes large. On the other hand, in the so-called active filter that performs PAM control simply, the power factor can be improved and the harmonic current can be reduced.
[0007]
[Problems to be solved by the invention]
However, the power supply apparatus that performs simple PAM control has a problem that it is mainly intended to suppress harmonic current and it is difficult to increase the output voltage.
[0008]
The present invention has been made in view of the above-described facts, and an object of the present invention is to provide a power supply device that can control output voltage while suppressing harmonics.
[0009]
[Means for Solving the Problems]
In order to achieve the above object, a power supply device according to claim 1 is a power supply device that converts input AC power into DC power and supplies the load to a load, and a rectifier that rectifies the AC power; The output from the rectifying means is doubled and smoothed, and is connected between the smoothing means for outputting DC power and the output terminal of the rectifying means, and is opened and closed based on ON / OFF of the input switching signal. The switching element for detecting the input voltage, the input voltage detecting means for detecting the input voltage input to the rectifying means, the input current detecting means for detecting the input current input to the rectifying means, and the input current detecting means. A correspondence relationship between the input current value and the phase angle of the input voltage corresponding to the time for outputting the switching signal and the duty ratio of the switching signal is determined in advance. A storage unit storing table data; a first zero cross point of the input voltage detected by the input voltage detection unit; and a second zero cross point next to the first zero cross point; The first time from when the zero cross point is detected until the time corresponding to the phase angle of the input voltage corresponding to the input current value detected by the input current detecting means at the time when the first zero cross point is detected. Is a phase angle of the input voltage and a duty ratio of the switching signal corresponding to the input current value detected by the input current detection means when the first zero-cross point obtained from the table data is detected. The switching element is turned on / off, and a period including the peak of the input voltage has elapsed since the first period has elapsed. In the second period until the predetermined time, the output of the switching signal is stopped, and the input current value detected by the input current detecting means at the predetermined time after the second period elapses. The third period until the time corresponding to the phase angle of the corresponding input voltage elapses corresponds to the input current value detected by the input current detection means at the predetermined time obtained from the table data. The switching element is turned on / off with the phase angle of the input voltage and the duty ratio of the switching signal, and a fourth period from when the third period elapses until the second zero cross point is detected is: Control means for controlling the output voltage from the smoothing means by stopping the output of the switching signal .
[0010]
According to the first aspect of the present invention, the duty ratio of the switching signal for driving the switching element is controlled by the input current. For example, the input current can be increased by increasing the duty ratio of the switching signal. Further, since the output voltage also changes depending on on / off of the switching element, the output voltage from the smoothing means can be controlled by the duty ratio of the switching signal.
[0011]
In the present invention as described above, the control unit uses the zero cross point at which the input voltage value detected by the input power detection unit reverses from positive to negative or negative to positive as a reference, and immediately before detecting the zero cross point and the zero cross. The switching element is turned on / off in accordance with the phase angle and duty ratio of the input voltage value determined based on the input current value from the time point is detected. In other words, the switching element is turned on / off at both ends excluding the peak portion within a half cycle of the input voltage. The phase angle of the input voltage value can be converted into the time from the zero cross point. That is, the switching timing can be changed by changing the phase angle.
[0012]
As described above, by synchronizing the timing of outputting the switching signal with the zero-cross point of the input voltage, the waveform of the input current can be adjusted, and harmonics can be suppressed. The phase angle and duty ratio of the input voltage value determined based on the input current value are stored as table data in storage means such as a ROM, and are read and controlled as necessary .
[0013]
The phase angle and duty ratio of the input voltage value are optimally determined based on the input current value, that is, the load size. Therefore, it is possible to control the output voltage to be boosted efficiently to a desired voltage. Further, since the smoothing means doubles the output from the rectifying means, a high output is possible from a small input power, and the power supply efficiency is improved.
[0014]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings. FIG. 2 shows a refrigeration cycle of an air conditioner (hereinafter referred to as “air conditioner 10”) applied to the present embodiment.
[0015]
The air conditioner 10 includes an indoor unit 12 installed in an air-conditioned room and an outdoor unit 14 installed outside the room. The indoor unit 12 and the outdoor unit 14 are thick refrigerant pipes 16A that circulate refrigerant. And a thin refrigerant pipe 16B.
[0016]
The indoor unit 12 is provided with a heat exchanger 18, and one ends of the refrigerant pipes 16 </ b> A and 16 </ b> B are connected to the heat exchanger 18. The other end of the refrigerant pipe 16A is connected to the four-way valve 24 via the valve 20A and the muffler 22A of the outdoor unit 14. The four-way valve 24 is connected to the compressor 26 via an accumulator 28 and a muffler 22B.
[0017]
Furthermore, the outdoor unit 14 is provided with a heat exchanger 30. One of the heat exchangers 30 is connected to the four-way valve 24, and the other is connected to the valve 20 </ b> B via a capillary tube 32, a strainer 34, and a modulator 38. An electric expansion valve 36 is provided between the strainer 34 and the modulator 38, and the other end of the refrigerant pipe 16B is connected to the valve 20B. Thereby, a sealed circulation path of the refrigerant forming the refrigeration cycle is configured between the indoor unit 12 and the outdoor unit 14.
[0018]
In the air conditioner 10, when the compressor 26 is operated by the rotational drive of the compressor motor 40 provided integrally with the compressor 26, the refrigerant is circulated in the refrigeration cycle. At this time, in the air conditioner 10, the four-way valve 24 is switched according to the operation mode (cooling mode or heating mode), and the evaporation temperature of the refrigerant is adjusted by controlling the valve opening degree of the electric expansion valve 36. In addition, in FIG. 2, the flow of the refrigerant | coolant at the time of heating operation (heating mode) and cooling operation (cooling mode or dry mode) is shown by the arrow.
[0019]
In the cooling mode, the refrigerant compressed by the compressor 26 is liquefied by being supplied to the heat exchanger 30, and the liquefied refrigerant is vaporized by the heat exchanger 18 of the indoor unit 12. Cool the passing air. In the heating mode, conversely, the refrigerant compressed by the compressor 26 dissipates heat by being condensed in the heat exchanger 18 of the indoor unit 12, and the air passing through the heat exchanger 18 with the heat dissipated by the refrigerant. Heat.
[0020]
When the air sucked into the indoor unit 12 is blown into the room by a cross flow fan (not shown) provided for blowing air, the indoor unit 12 passes through the heat exchanger 18 and adjusts the temperature. Thereby, the room is air-conditioned by the air blown from the indoor unit 12.
[0021]
As shown in FIG. 1, the outdoor unit 14 is provided with a power supply device 42 and a microcomputer 44. The power supply device 42 converts AC power into DC power for driving the compressor motor 40. The microcomputer 44 controls the operation of the outdoor unit 14 and also controls the operation of the power supply device 42.
[0022]
For example, the microcomputer 44 is connected to a microcomputer (not shown) provided in the indoor unit 12 by, for example, serial communication, and operates based on a signal from the microcomputer of the indoor unit 12. The microcomputer 44 includes an outside temperature sensor that detects the signal and the outside temperature sent from the microcomputer of the indoor unit 12, a compressor temperature sensor that detects the temperature of the compressor 26, and a coil temperature sensor that detects the coil temperature of the heat exchanger 30. Based on the detection results of the above, the compressor motor 40 and the driving of a cooling fan or the like for cooling the four-way valve, the electric expansion valve 36, and the heat exchanger 30 are controlled.
[0023]
The power supply device 42 provided in the outdoor unit 14 includes a rectifier circuit 46 and a smoothing circuit 48, converts AC power supplied from the AC power supply 50 into DC power having a predetermined voltage, and outputs the DC power to the inverter circuit 52. . The inverter circuit 52 has a general configuration in which a switching element is provided. When the switching element is on / off controlled by the switching signal, the inverter circuit 52 outputs power corresponding to the switching signal to the compressor motor 40. The compressor motor 40 is rotationally driven at a rotational speed corresponding to (voltage).
[0024]
The inverter circuit 52 is connected to the microcomputer 44, and the switching element is driven based on a switching signal output from the microcomputer 44. That is, the microcomputer 44 uses the inverter circuit 52 to control the rotation speed of the compressor motor 40 by PWM control.
[0025]
In recent years, a DC brushless motor is used as the compressor motor 40, and the number of revolutions changes in accordance with a change in input voltage. Therefore, when a voltage corresponding to the duty ratio of the switching signal is output from the inverter circuit 52 to the compressor motor 40, the compressor motor 40 is rotationally driven at a rotational speed corresponding to this voltage.
[0026]
In the inverter circuit 52, when the duty ratio of the switching signal is constant, the output voltage can be changed according to the input voltage to the inverter circuit 52, that is, the output voltage V0 of the smoothing circuit 48. Thereby, the rotational speed of the compressor motor 40 can be changed even in accordance with the input voltage to the inverter circuit 52. That is, the microcomputer 44 can control the rotation speed of the compressor motor 40 also by PAM control.
[0027]
On the other hand, the rectifier circuit 46 is provided with a rectifier 56 in which a diode 54 is connected in a bridge shape, and an AC power supply 50 is connected to input terminals 58A and 58B of the rectifier 56 via a reactor 60 that is a choke coil. . The outdoor unit 14 of the air conditioner 10 applied to the present embodiment is operated by supplying AC power of a predetermined voltage (for example, single-phase 100V).
[0028]
A smoothing circuit 48 is connected to the output terminals 62A and 62B of the rectifier 56 via diodes 72 and 74. The smoothing circuit 48 includes capacitors 64 and 66 connected in series and a capacitor 68 connected in parallel to the capacitors 64 and 66, and smoothes the pulsating current output from the rectifier 56. Thereby, the rectifier circuit 46 forms a voltage doubler wave rectifier circuit.
[0029]
Incidentally, a switching circuit 76 is connected between the output terminals 62A and 62B of the rectifier 56. The switching circuit 76 includes a switching transistor 78 such as an IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor) as a switching element and a diode 80. When the switching transistor 78 is turned on by a switching signal, the output terminal 62A changes to the output terminal 62B. A current flows.
[0030]
The switching transistor 78 is connected to the microcomputer 44 via the drive circuit 82 and is turned on / off by a high-frequency switching signal ST output from the microcomputer 44.
[0031]
On the other hand, the power supply voltage detection circuit 84 and the power supply current detection circuit 84 are connected to the microcomputer 44 as input power detection means. The microcomputer 44 reads the phase signal of the waveform of the input voltage together with the power supply voltage (input voltage) by the power supply voltage detection circuit 84, and detects the zero cross point P (see FIG. 3) at which the waveform of the power supply voltage is switched from the phase signal. The microcomputer 44 sets the timing for outputting the switching signal ST based on the zero cross point P.
[0032]
As shown in FIG. 3, the microcomputer 44 outputs the switching signal ST every 1/2 cycle of the frequency f ₁ in synchronization with the phase of the frequency f ₁ of the AC power supply 50. Further, the microcomputer 44 is set so that the switching signal ST is divided into switching signals ST ₁ and ST ₂ (hereinafter referred to as “switching signal ST”).
[0033]
In other words, the microcomputer 44, as an example, within the ½ cycle of the frequency f ₁ , outputs four of the switching signals ST ₁ and ST ₂ by the times α and γ and the times β and δ at which the switching signal ST is stopped. It is set to split.
[0034]
The switching signal ST ₁ is output during the time α from the zero cross point P (phase angle θ = 0), and the switching signal ST ₂ is during the time γ that stops just before the next zero cross point (θ = 180 °). To output. As a result, a time δ during which the switching signal ST stops is provided between the switching signal ST ₂ and the next switching signal ST ₁ . Further, switching is stopped during a time β between which the peak of the power supply voltage between the switching signal ST ₁ and the switching signal ST ₂ is sandwiched.
[0035]
Thus, after the microcomputer 44 outputs the switching signal ST ₁ from the zero cross point P, the microcomputer 44 temporarily stops outputting the switching signal ST and then outputs the switching signal ST ₂ .
[0036]
The time α and γ can be converted into the phase angle of the voltage waveform. In the microcomputer 44, the switching signals ST ₁ , ST are based on the input current Ii detected by the power source current detection circuit 86, that is, the magnitude of the load. ₂ and so as to change the phase angle and the duty ratio. The phase angle and the duty ratio corresponding to the input current Ii are predetermined according to the magnitude of the load (the operation mode of the air conditioner 10), and are stored as table data in a ROM (not shown) of the microcomputer 44. That is, the microcomputer 44 reads the phase angle and duty ratio corresponding to the magnitude of the input current Ii from the table data stored in the ROM and performs PAM control.
[0037]
In the present embodiment, the frequency f of the switching signals ST (ST ₁ , ST ₂ ) is 17 kHz. Thereby, the output voltage Vo is controlled to be 280 V (reference voltage Vs = 280 V), for example.
[0038]
Next, the operation of the present embodiment will be described.
[0039]
The air conditioner 10 is provided in the indoor unit 12 when an operation condition such as an operation mode and a set temperature, that is, an operation mode is set by operating a remote control switch (not shown) and an operation start is instructed by operating the operation / stop button. The microcomputer (not shown) calculates the air conditioning capacity necessary for air conditioning the room according to the set operating conditions, and sets the rotation speed of the compressor motor 40 based on the calculation result. Thereafter, the microcomputer provided in the indoor unit 12 instructs the microcomputer 44 provided in the outdoor unit 14 to drive the compressor motor 40 at the set rotation speed.
[0040]
The microcomputer 44 rotationally drives the compressor motor 40 while controlling the power supply device 42 and the inverter circuit 52 so that the rotation speed of the compressor 26 instructed by the microcomputer of the indoor unit 12 is obtained. Thereby, in the air conditioner 10, the refrigerant compressed by the compressor 26 circulates in the refrigeration cycle, and the temperature of the air passing through the heat exchanger 18 provided in the indoor unit 12 is controlled. Air that has been temperature-controlled by passing through the heat exchanger 18 of the indoor unit 12 is blown out of the indoor unit 12, thereby air conditioning the room.
[0041]
When the microcomputer 44 that controls the power supply 42 detects the zero-crossing point P of the voltage waveform of the input voltage Vi input from the AC power supply 50 to the rectifier circuit 56, the phase corresponding to the input current Ii detected by the power supply current detection circuit 86. The angle and duty ratio are read from the internal ROM, and a switching signal ST ₁ as shown in FIG. 4A corresponding to the read value is output. In FIG. 4A, as an example, the switching signal ST ₁ is output when the phase angle θ of the voltage waveform is 0 ° to 30 ° (180 ° to 210 °) (time α), and the duty ratio thereof is an example. As 92%. 4B shows the waveform of the input voltage Vi, FIG. 4C shows the waveform of the input current value Ii, and FIG. 4D shows the waveform of the drain-source current of the switching transistor 78. ing.
[0042]
In the power supply device 42, switching transistor 78, by being turned on / off based the zero-cross point P of the voltage waveforms in the switching signal ST _1, in FIG. 4 (c) in accordance with on / off of the switching signal ST ₁ An input current Ii as shown flows.
[0043]
When the phase angle θ of the voltage waveform exceeds 30 °, the output of the switching signal ST ₁ is stopped. Thereby, switching by the switching transistor 78 is stopped.
[0044]
Next, when the voltage waveform approaches the next zero-cross point P (zero-cross point P _{1 in} FIG. 3), the phase angle and the duty ratio corresponding to the input current Ii detected by the power source current detection circuit 86 are read from the internal ROM, and it outputs a switching signal ST ₂ as shown in FIG. 4 (a) in accordance with the read out value. In FIG. 4A, as an example, the switching signal ST ₂ is output when the phase angle θ of the voltage waveform is between 129 ° and 147 ° (309 ° and 327 °) (time γ), and the duty ratio is an example. 43%. That is, switching is stopped when the phase angle θ is 30 ° to 129 ° (210 ° to 309 °) (time β).
[0045]
In the power supply device 42, switching transistor 78, by being turned on / off based the zero-cross point P of the voltage waveforms in the switching signal ST _2, the input current Ii flows accordance with on / off of the switching signal ST _2.
[0046]
When the phase angle θ of the voltage waveform exceeds 147 °, the output of the switching signal ST ₂ is stopped. Thereby, switching by the switching transistor 78 is stopped. Thereafter, when the phase angle θ reaches the next zero cross point P ₁ (phase angle θ = 180 °), the output of the switching signal ST _{1 is} newly started. That is, switching is stopped when the phase angle θ is 147 ° to 180 ° (309 ° to 0 °) (time δ).
[0047]
As described above, the switching signal ST ₁ and the switching signal at the phase angle and the duty ratio of the input voltage value according to the input current Ii (the magnitude of the load: the operation mode of the air conditioner 10) at both ends of the ½ cycle of the frequency f _1. By outputting each ST ₂ , the current waveform in the vicinity of the zero cross point P can be smoothed optimally according to the input current Ii, and the passive filter can be used even when performing simple PAM control. The output voltage can be increased as compared with the case of using it (for example, from several V to about 50 V). Therefore, finer output control (heating control) can be performed.
[0048]
In addition, since the current waveform in the vicinity of the zero cross point P can be optimally smoothed according to the input current Ii, the power factor can be improved and the input current Ii can be improved as compared with the case where the PAM control is not performed. Harmonic components can be reduced. Therefore, the harmonic standard (IEC standard) can be satisfied as shown in FIG. In FIG. 5, the current values are all equal to or lower than the IEC standard value for the third and higher harmonics. Furthermore, since the rectifier circuit 46 is a voltage doubler wave rectifier circuit, the power supply efficiency (ratio of output power to input power) can be improved.
[0049]
Further, since the phase angle and the duty ratio corresponding to the input current Ii are stored in the ROM of the microcomputer 44, and this is read out as necessary and the switching signal ST is output, the control and circuit configuration are simplified, and the cost is reduced. can do.
[0050]
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention, the control unit is turned on / off according to the phase angle and duty ratio of the input voltage value determined based on the input current value from immediately before and when the zero cross point is detected. Since the switch is turned off, it is possible to control to boost the output voltage even when switching intermittently, and to adjust the waveform of the input current, thereby suppressing the harmonics.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a block diagram showing an outline of a power supply device applied to the present embodiment.
FIG. 2 is a schematic diagram showing a refrigeration cycle of an air conditioner to which the power supply device of the present embodiment is applied.
FIG. 3 is a diagram showing an output period of a switching signal with respect to a voltage waveform of an input voltage according to the present invention.
FIG. 4 is a diagram showing an outline of a switching signal with respect to a voltage waveform of an input voltage and a current waveform of an input current.
FIG. 5 is a diagram showing an outline of a harmonic level with respect to an input current.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 Air conditioner 40 Compressor motor 42 Power supply 44 Microcomputer (control means)
46 Rectifier circuit (rectifier means)
48 Smoothing circuit (smoothing means)
50 AC power supply 52 Inverter circuit 60 Reactor 76 Switching circuit 78 Switching transistor (switching element)
84 Power supply voltage detection circuit (input voltage detection means)
86 Power supply current detection circuit (input current detection means)

Claims

入力される交流電力を直流電力に変換して負荷へ供給する電源装置において、
前記交流電力を整流する整流手段と、
前記整流手段からの出力を倍電圧にすると共に平滑化して直流電力を出力する平滑手段と、
前記整流手段の出力端子の間に接続されると共に、入力されるスイッチング信号のオン／オフに基づいて開閉するスイッチング素子と、
前記整流手段に入力される入力電圧を検出する入力電圧検出手段と、
前記整流手段に入力される入力電流を検出する入力電流検出手段と、
前記入力電流検出手段により検出される入力電流値と、前記スイッチング信号を出力する時間に相当する前記入力電圧の位相角及び前記スイッチング信号のデューティ比と、の対応関係を予め定めたテーブルデータが記憶された記憶手段と、
前記入力電圧検出手段により検出した入力電圧の第１のゼロクロス点及び当該第１のゼロクロス点の次の第２のゼロクロス点を検出すると共に、前記第１のゼロクロス点を検出した時点から当該第１のゼロクロス点を検出した時点における前記入力電流検出手段により検出された入力電流値に対応する前記入力電圧の位相角に相当する時間が経過するまでの第１の期間は、前記テーブルデータから求めた前記第１のゼロクロス点を検出した時点における前記入力電流検出手段により検出された入力電流値に対応する前記入力電圧の位相角及び前記スイッチング信号のデューティ比で前記スイッチング素子をオン／オフし、前記第１の期間が経過してから前記入力電圧のピークを含む期間が経過した予め定めた時点までの第２の期間は、前記スイッチング信号の出力を停止し、前記第２の期間が経過してから前記予め定めた時点における前記入力電流検出手段により検出された入力電流値に対応する前記入力電圧の位相角に相当する時間が経過するまでの第３の期間は、前記テーブルデータから求めた前記予め定めた時点における前記入力電流検出手段により検出された入力電流値に対応する前記入力電圧の位相角及び前記スイッチング信号のデューティ比で前記スイッチング素子をオン／オフし、前記第３の期間が経過してから前記第２のゼロクロス点を検出するまでの第４の期間は、前記スイッチング信号の出力を停止することにより前記平滑手段からの出力電圧を制御する制御手段と、
を有する電源装置。In a power supply device that converts input AC power into DC power and supplies it to a load,
Rectifying means for rectifying the AC power;
Smoothing means for smoothing and smoothing the output from the rectifying means to double voltage and outputting DC power;
A switching element that is connected between the output terminals of the rectifier and that opens and closes based on ON / OFF of an input switching signal;
Input voltage detecting means for detecting an input voltage input to the rectifying means;
An input current detecting means for detecting an input current input to the rectifying means;
Table data in which correspondence relations between the input current value detected by the input current detection means and the phase angle of the input voltage corresponding to the time for outputting the switching signal and the duty ratio of the switching signal are stored in advance. Stored storage means,
The first zero cross point of the input voltage detected by the input voltage detection means and the second zero cross point next to the first zero cross point are detected, and the first zero cross point is detected from the time when the first zero cross point is detected. The first period until the time corresponding to the phase angle of the input voltage corresponding to the input current value detected by the input current detection means at the time when the zero cross point is detected is obtained from the table data Turning on / off the switching element at a phase angle of the input voltage and a duty ratio of the switching signal corresponding to the input current value detected by the input current detecting means at the time of detecting the first zero-cross point, The second period from the elapse of the first period to the predetermined time when the period including the peak of the input voltage has elapsed is the The time corresponding to the phase angle of the input voltage corresponding to the input current value detected by the input current detection means at the predetermined time after the second period has elapsed after the output of the chching signal is stopped. The third period until elapses is the phase angle of the input voltage and the duty ratio of the switching signal corresponding to the input current value detected by the input current detection means at the predetermined time obtained from the table data In the fourth period from when the switching element is turned on / off to when the second zero-cross point is detected after the third period has elapsed, the output of the switching signal is stopped to stop the smoothing means. Control means for controlling the output voltage from
A power supply unit having