JP2008199814A - Power factor corrected direct-current power supply - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、交流電力を直流電力に高力率で変換する力率補正形直流電源装置に関するものである。 The present invention relates to a power factor correction type DC power supply device that converts AC power into DC power at a high power factor.
交流電力を高力率で直流電力に効率よく変換する力率補正形直流電源装置については種々の提案がなされている。 Various proposals have been made on power factor correction type DC power supply devices that efficiently convert AC power into DC power with a high power factor.
その中で、高い入力力率を得るためにゼロクロスのタイミングでスイッチを制御する技術が特許文献1に開示されている。
Among them,
また、入力電流を検出し、その波形のバランスを調整することで力率を改善する提案が特許文献2に記載されている。
Further,
また、ゼロクロスコンバータで電圧と電流の位相差を補正して力率の影響を防いだ交流電力計と電力量計とが特許文献3に開示されている。この技術は変流器と電流検出器出力の位相差を補正するのに、初めに同位相に調整した後、デジタル的に補正するものである。
Further,
更に、交流電流のゼロクロス点を検出した時点がゼロとなるように調整する技術が特許文献4に開示されている。この技術はCT出力をデジタル化し、その信号によりゼロクロス点を検出し補正するものである。
Further,
これらの先行技術には一長一短がり、新たなより良い提案が待たれている。 These prior arts have their merits and demerits, and new and better proposals are awaited.
力率補正形直流電源装置においては交流電圧の正弦波の波形と交流電流の波形とが相似であれば力率は1となる。そこで、電圧波形と電流波形とが同じ正弦波になるよう制御して力率を1に近づけている。しかし、力率を1に近づけるには力率補正形直流電源装置に使用されている素子のばらつき等による影響が無視できない。特にかかる電源装置にFETからなるスイッチ素子が使用されていると、個々のFETには一般にON抵抗やスイッチング時間にばらつきがあり、交流電流の+側と−側とのバランスを崩すことがある。このため、CTを交流電流計測用としてもちいた場合、0点が実際の0点とずれてしまう。直流変流器(以下DCCTという)を用いることで0点のずれは生じなくなるが、DCCTは一般に高価であり、電源装置の価格を高騰させる原因となる。 In the power factor correction type DC power supply, the power factor is 1 if the waveform of the sine wave of the AC voltage is similar to the waveform of the AC current. Therefore, the power factor is brought close to 1 by controlling the voltage waveform and the current waveform to be the same sine wave. However, in order to bring the power factor close to 1, the influence of variations in elements used in the power factor correction type DC power supply cannot be ignored. In particular, when a switching element made of an FET is used in such a power supply device, individual FETs generally vary in ON resistance and switching time, and the balance between the positive side and negative side of the alternating current may be lost. For this reason, when CT is used for AC current measurement, the zero point is shifted from the actual zero point. The use of a direct current transformer (hereinafter referred to as DCCT) eliminates the zero point shift, but the DCCT is generally expensive and causes the price of the power supply device to rise.
このような素子のばらつき等による問題点を解消するために、本発明の目的は、高価なDCCTを用いることなく、力率の良好な力率補正形直流電源装置を提供することにある。 An object of the present invention is to provide a power factor correction type DC power supply device having a good power factor without using expensive DCCT in order to eliminate such problems due to variations in elements.
より具体的には本発明は、交流入力電圧の極性反転点によりCTからの交流入力電流測定値を補正(制御)することにより、CTのアンバランス問題を解決し、安定した力率補正形直流電源装置を提供することにある。 More specifically, the present invention solves the CT imbalance problem by correcting (controlling) the AC input current measurement value from the CT by the polarity reversal point of the AC input voltage, thereby stabilizing the power factor correction type DC. It is to provide a power supply device.
本発明の力率補正形直流電源装置は、交流入力電圧計測値をA/D変換した入力電圧値により、交流入力電流計測値をA/D変換した入力電流値を補正し、交流入力電圧の0点と交流入力電流の0点とが一致するよう前記入力電流を制御することを特徴とする。 The power factor correction type DC power supply device of the present invention corrects an input current value obtained by A / D converting an AC input current measurement value by an input voltage value obtained by A / D converting the AC input voltage measurement value, and The input current is controlled so that the zero point coincides with the zero point of the alternating input current.
本発明は、高価なDCCTを用いることなく、力率の安定した力率補正形直流電源装置を安価に提供することができる。 The present invention can provide a power factor correction type DC power supply device having a stable power factor at low cost without using expensive DCCT.
本発明の一実施形態である力率補正形直流電源装置の回路を図1に示す。 FIG. 1 shows a circuit of a power factor correction type DC power supply apparatus according to an embodiment of the present invention.
図1に示す力率補正形直流電源装置(以下単に電源装置ということもある。)1は交流電源10から入力した交流電流を直流電流として取り出す電源装置である。
A power factor correction type DC power supply device (hereinafter also simply referred to as a power supply device) 1 shown in FIG. 1 is a power supply device that takes out an alternating current input from an alternating
図1において、交流電源10に接続する一方の端子T11はリアクトル11に接続し、リアクトル11の出力はダイオード13及びFET14に接続されている。交流電源10の他方の端子T12は交流入力電流測定用トランス22(以下単にCT22ということがある)を経てダイオード15及びFET16に接続されている。ダイオード13及び15の出力は+側直流負荷端子T13に接続されている。FET14及び16のソースは−側直流負荷端子T14に接続されている。直流負荷端子T13、T14の間にはコンデンサ17が接続されている。直流負荷端子T13、T14には機器18の端子T15、T16が接続され、前記FET14及び16のドレインと機器端子T16との間には直流電流センサー24が接続されている。
In FIG. 1, one terminal T <b> 11 connected to the
図1に示す直流電源装置1において、交流電源10の交流入力電圧は端子T11と端子T12との間に挿入した交流入力電圧測定用トランス21(以下単にPT21ということがある)により計測する。また、交流入力電流は端子T12とダイオード15及びFET16との間に挿入したCT22により計測する。また、直流出力電圧は端子T13、T14間に挿入した電圧計23で計測し、直流出力電流は前記直流電流センサー24で計測する。計測された交流入力電圧、交流入力電流、直流出力電圧、直流出力電流の値は制御回路30に出力され、これらの計測値により該制御回路30は、該制御回路30にゲートが接続のFET14、16を制御する。
In the DC
制御回路30には、交流入力電圧、交流入力電流、直流出力電圧、直流出力電流が入力され、これらの入力値に基づき制御回路30は機器18に対し、機器18が要求する直流出力電圧および制限電流以下の一定した直流出力電流を供給するように前記FET14、16のゲートに信号を付与し、これらFETを制御する。
The
このFET制御にあたって制御回路30は交流入力電圧と交流入力電流との波形が相似形となるよう制御することで高い交流入力力率を得る。
In this FET control, the
図2は電源装置1を制御する制御回路30を示すブロック図である。このブロック図に示すように、
1.端子T13、T14間で直流出力電圧を計測し、計測した値を目標電圧値と比較し、その差をPI制御31に入力する。なお、目標電圧値は機器18により決まる電圧値である。
2.直流電流センサー24により直流電流を計測し、計測した値を制限電流値と比較し、その差をPI制御32に入力する。なお、目標電流値は機器18により決まる電流値である。
3.次いでPI制御31の値と、PI制御32との値を比較器33で比較し、高い方の値を乗算器34に入力する
4.乗算器34は比較器33から入力した値とPT21で計測した交流入力電圧とを掛算する。掛算した結果は比較器35に入力される。
5.比較器35では乗算器34からの値とCT22で計測した交流入力電流とを比較し、その結果をPI制御36に入力し、その値をパルス幅変調回路37に入力する。
6.パルス幅変調回路37で変調された結果は前記FET14、16を制御する。なお、交流電源10とパルス幅変調回路37との間には極性判別器38が設けられ、該極性判別器38はFET14とFET16のどちらに信号を与えるかを判断する。
FIG. 2 is a block diagram illustrating a
1. The DC output voltage is measured between the terminals T13 and T14, the measured value is compared with the target voltage value, and the difference is input to the
2. The direct
3. Next, the value of the
5. The
6). The result of modulation by the pulse
上述した制御回路30は図3に示すように交流電圧波形と交流電流波形とが相似形となるよう制御する。交流電源10から目的とする直流出力電圧を得るために、乗算器34で直流出力電圧と直流出力電流の高い方と交流入力電圧との掛算を行う。即ち、直流電圧が目標電圧である場合には直流出力電圧と交流出力電圧との掛算を行い、同様に、指定の電流以上の電流が流れた場合は直流出力電流と交流入力電圧との掛算を行い、前記FET14、16を制御することにより入力力率の向上を図り、出力電圧、電流の制御を行う。
The
図4は交流電源からの電圧、電流を直流電圧、直流電流に変換したときの目標電圧と制限電流を示すもので、制限電流以上の電流が機器18に流れることを禁止し、目標電圧で出力されるように制御回路30が上述したように両FET14、16を制御する。
FIG. 4 shows the target voltage and limit current when the voltage and current from the AC power source are converted to DC voltage and DC current. The current exceeding the limit current is prohibited from flowing to the
上述した力率補正形直流電源装置1において、正常な状態では交流電圧波形と交流電流波形とは図3に示すように両者は相似形となっており、力率は1に近い状態にある。即ち、図示するように正常状態では交流電圧波形と交流電流波形とは相似形となり、時間軸において交流電圧の極性反転点(ゼロクロス点)と交流電流の正負反転点(ゼロクロス点)は一致する。
In the power factor correction type DC
しかし、前記図1に示す電源装置1においては、図5に示すように、交流入力電流において+側の電流が−側の電流より小さくなることがあり、交流入力電流の波形がずれることがある。この原因は電源装置1のFET14、16が素子固有のバラツキや入力・出力の過度変動等により、交流入力電流の+側と−側とで電流値が等しくならないためである。このように交流入力電流の+側と−側との電流値が等しくならないとCT22の出力0点は実際の0点と異なった値となり正常な制御が行えなくなり、場合によってはFET14、16を損傷してしまうことになる。
However, in the
本発明は交流入力電流測定値を交流入力電圧がゼロクロスしたときに交流入力電流測定値を補正(制御)し、安価なCTで安定した制御が行える電源装置である。以下、その補正方法につき詳細に説明する。 The present invention is a power supply apparatus that corrects (controls) an AC input current measurement value when the AC input voltage zero-crosses the AC input current measurement value, and enables stable control with inexpensive CT. Hereinafter, the correction method will be described in detail.
図6はPT21で測定した交流入力電圧の極性が変化する0点の時間軸と、CT22で測定した出力電流の正負が反転する0点とのバランスが崩れた状態を示している。図6(1)はPT21への交流入力電圧の波形、同(2)はCT22への交流入力電流の波形、同(3)はCT22から出力された交流電圧の波形、同(4)は前記CT22から出力された交流電流の波形のずれを示すものである。これらの図から明らかなように交流入力電圧の0点と交流出力電流の0点とがずれている。このように交流出力電流の0点がずれる(変化する)ことで正常な力率補正形直流電源の制御が行えなくなる。
FIG. 6 shows a state in which the balance between the zero point time axis at which the polarity of the AC input voltage measured by the
前記図6に示すように、−側の電流が+側の電流より大きい場合、CT22への入力に対し、その出力に接続された抵抗に発生する電圧は、トランス自体が磁気による結合で交流信号のみしか伝達しないことにより入力電流の0点の位置と抵抗に発生する0点の電圧位置がずれてしまう。このように0点がずれてしまうと正常な制御が行えなくなってします。 As shown in FIG. 6, when the current on the negative side is larger than the current on the positive side, the voltage generated in the resistor connected to the output of the CT22 is an AC signal due to the magnetic coupling of the transformer itself. By transmitting only the zero point, the position of the zero point of the input current is shifted from the position of the zero point generated in the resistor. If the zero point shifts in this way, normal control cannot be performed.
本実施形態では、CTによる0点のずれ(変化)を補正して正常な制御を行うものである。 In the present embodiment, normal control is performed by correcting the deviation (change) of 0 point due to CT.
図7は0点補正の工程を、図8はその工程を制御するCPUが内蔵するメモリに記載のソフトウェアのフローを示す図である。 FIG. 7 is a diagram illustrating a flow of software described in a memory built in a CPU that controls the zero point correction process, and FIG.
ステップ1
PT21で交流電圧を測定する。また、CT22で交流電流を測定する。更に、直流電圧を電圧計23で測定する。
The AC voltage is measured with PT21. Moreover, an alternating current is measured by CT22. Further, the DC voltage is measured with the
ステップ2
測定した交流電圧値を図7に示すようにA/Dコンバータ71でA/D変換しCPU70へ出力する。この値をXとする。また。測定した交流電流値をA/Dコンバータ72で変換しCPU70へ出力する。この値をYとする。同時に測定した直流電圧をA/Dコンバータ73でA/D変換しCPU70へ出力する。なお、直流電圧を測定しCPUへ出力するのは、目的とする直流出力電圧となるようCPUが電圧をコントロールするためである。
The measured AC voltage value is A / D converted by an A /
ステップ3
測定した値Xの極性が変化したとき(X=0)ステップ4に進み、それ以外のときにはステップ6に進む。
When the polarity of the measured value X has changed (X = 0), the process proceeds to step 4; otherwise, the process proceeds to step 6.
ステップ4
ステップ2で測定した値Yを値Zとして記憶する。そして、ステップ2で測定した値Yが0点(Z)に位置すると仮定する。
The value Y measured in
ステップ5
ステップ2で測定の値Yを0とする。CPU70はステップ5で値Yを0と置き換える、即ちZの位置を0点として0点補正を行う。そして再びデータを読み込む。
Step 5
In
ステップ6
ステップ3で値Xの極性が変化しないときは、値Yを新しいYに書き換えてYとするが、その際値Zが記憶されている場合は、その値Zを差し引き、Y=Y−Zを計算して新しい値Yとする。そして再びデータを読み込む。
Step 6
If the polarity of the value X does not change in
このようにCPU70が交流出力電流の波形を補正することにより、電源装置1が安定して交流電力から直流電力に変換でき、負荷(機器18)へ電流を供給することができる。
As described above, the
図9は本実施形態の電源装置1で測定した交流出力電圧に対する交流出力電流の波形図である。図9(1)は交流電圧波形図であり、同(2)は本発明を適用せず、即ち補正機能のない状態での交流出力電流の波形図、同(3)は本実施形態の補正機能を備えた状態での交流出力電流の波形図である。
FIG. 9 is a waveform diagram of the AC output current with respect to the AC output voltage measured by the
この図から明らかなように、図9(2)では理想とする0点(0A)がずれており力率が低下している状態となっているのに対し、同(3)に示す本実施形態の補正機能を備えた電源装置では0点(0A)が理想の点にあり、力率の低下がないことを示している。 As is clear from this figure, in FIG. 9 (2), the ideal 0 point (0A) is shifted and the power factor is in a reduced state. In the power supply device having the form correction function, the zero point (0A) is an ideal point, which indicates that the power factor does not decrease.
以上詳細に説明したように、本発明は交流入力電流にアンバランスが生じ、磁気結合方式電流測定用CTの出力の0点が変化しても、電圧ゼロクロスにより容易に補正することができる力率補正形直流電源装置を提供することができる、優れた効果を有するものである。 As described above in detail, according to the present invention, even if the AC input current is unbalanced and the zero point of the output of the magnetic coupling type current measurement CT changes, it can be easily corrected by the voltage zero crossing. The correction type DC power supply device can be provided and has an excellent effect.
1 力率補正形直流電源装置(電源装置)
10 交流電源
11 リアクトル
13 ダイオード
14 FET
15 ダイオード
16 FET
17 コンデンサ
18 機器
21 交流入力電力測定用トランス(PT)
22 交流入力電流測定用トランス(CT)
23 電圧計
24 直流電流センサー
30 制御回路
31 PI制御
32 PI制御
33 比較器
34 乗算器
35 比較器
37 パルス幅変調回路
38 極性判別器
70 CPU
71 コンバータ
72 コンバータ
73 コンバータ
T11 端子
T12 端子
T13 端子
T14 負荷端子
T15 端子
T16 機器端子
1 Power factor correction type DC power supply (power supply)
10
15
17
22 AC input current measurement transformer (CT)
23
71
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Cited By (3)
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WO2012070200A1 (en) * | 2010-11-24 | 2012-05-31 | パナソニック株式会社 | Dc power source device |
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JP2012151969A (en) * | 2011-01-18 | 2012-08-09 | Daikin Ind Ltd | Power converter |
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