JP2016086585A - Power unit, and air conditioner employing the same - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、電源装置、およびそれを用いた空気調和機に関する。 The present invention relates to a power supply device and an air conditioner using the same.
交流電源を受電して直流電圧を作り出す電源装置においては、交流電圧(電力)を直流電圧(電力)に整流して平滑する機能が基本である。
しかしながら、それに併せて、力率改善の機能や、電源装置の電源投入時に発生する過大な突入電流に対処する機能、そしてダイオードの逆回復電流を低減する機能などが求められる。
交流電圧(電力)を直流電圧(電力)に整流平滑する基本的な回路としては、ダイオードブリッジと平滑コンデンサとを備えた所謂コンデンサインプット整流平滑回路(図5参照、詳細は後記する)がある。
また、整流の際における交流入力側の力率を改善するための技術としては、整流ダイオードの一部をスイッチング素子に置き換え、スイッチング素子と交流電源との間にリアクタを設けて昇圧チョッパにより力率改善を行う整流平滑回路(図6参照、詳細は後記する)がある。
また、電源投入時に発生する過大な突入電流がスイッチング素子に流れて素子が破壊することを防止する技術としては、突入電流を迂回させる整流ダイオードを設けた整流平滑回路(図9参照、特許文献1、詳細は後記する)がある。
また、コンデンサインプット整流平滑回路における整流ダイオードと平滑コンデンサの間にリアクタとスイッチング素子と逆阻止ダイオードとを設けて、力率改善を行う整流平滑回路(図10参照、詳細は後記する)がある。
また、逆阻止ダイオードの逆回復電流を低減するための技術としては、スイッチング素子と逆阻止ダイオードとの間にコイルとダイオードを設けた整流平滑回路(図11参照、特許文献2、詳細は後記する)がある。
A power supply device that receives an AC power supply and generates a DC voltage basically has a function of rectifying and smoothing an AC voltage (power) into a DC voltage (power).
However, a function for improving the power factor, a function for dealing with an excessive inrush current generated when the power supply device is turned on, and a function for reducing the reverse recovery current of the diode are required.
As a basic circuit for rectifying and smoothing an AC voltage (power) into a DC voltage (power), there is a so-called capacitor input rectifying and smoothing circuit (see FIG. 5, details will be described later) including a diode bridge and a smoothing capacitor.
As a technique for improving the power factor on the AC input side during rectification, a part of the rectifier diode is replaced with a switching element, a reactor is provided between the switching element and the AC power supply, and the power factor is increased by a boost chopper. There is a rectifying / smoothing circuit for improvement (see FIG. 6, details will be described later).
Further, as a technique for preventing an excessive inrush current generated at power-on from flowing into the switching element and destroying the element, a rectifying / smoothing circuit provided with a rectifier diode that bypasses the inrush current (see FIG. 9, Patent Document 1). Details will be described later).
Further, there is a rectifying / smoothing circuit (see FIG. 10, details will be described later) for improving the power factor by providing a reactor, a switching element, and a reverse blocking diode between the rectifying diode and the smoothing capacitor in the capacitor input rectifying / smoothing circuit.
As a technique for reducing the reverse recovery current of the reverse blocking diode, a rectifying / smoothing circuit in which a coil and a diode are provided between the switching element and the reverse blocking diode (see FIG. 11, Patent Document 2, details will be described later). )
しかしながら、図5に示すダイオードブリッジと平滑コンデンサとを備えたコンデンサインプット整流平滑回路では、整流の際における力率が低いという問題がある(詳細は後記する)。
また、図6に示す整流ダイオードの一部をスイッチング素子に置き換え、スイッチング素子と交流電源との間にリアクタを設けて、昇圧チョッパにより力率改善を行う整流平滑回路では、電源装置の電源投入時に発生する過大な突入電流によって、スイッチング素子が破壊される可能性があるという問題がある(詳細は後記する)。
また、図9(特許文献1も類似)に示すスイッチング素子と交流電源との間にリアクタを設けて、昇圧チョッパにより力率改善を行う整流平滑回路に、さらに突入電流を迂回させる整流ダイオードを設けた整流平滑回路では、入力電力が小さい場合において、スイッチング素子を動作させると、その得られる効果がスイッチングに必要なエネルギーより小さく、エネルギー効率が悪いという問題がある。
また、図10に示すコンデンサインプット整流平滑回路における整流ダイオードと平滑コンデンサとの間にリアクタとスイッチング素子と逆阻止ダイオードを設けて、力率改善を行う整流平滑回路では、逆阻止ダイオードに瞬間であるが逆回復電流(図12)が流れ、電圧損失、電力損失が発生するという問題がある(詳細は後記する)。
また、図11に示すスイッチング素子と逆阻止ダイオードとの間にコイルとダイオードを設けて、逆阻止ダイオードの逆回復電流を低減するための整流平滑回路では、電源装置の電源投入時に発生する過大な突入電流によって、スイッチング素子が破壊される可能性があるという問題がある(詳細は後記する)。
However, the capacitor input rectifying / smoothing circuit including the diode bridge and the smoothing capacitor shown in FIG. 5 has a problem that the power factor during rectification is low (details will be described later).
6 is replaced with a switching element, a reactor is provided between the switching element and the AC power supply, and the power factor correction is performed by the boost chopper, the rectifying / smoothing circuit is configured when the power supply device is turned on. There is a problem that the switching element may be destroyed by an excessive inrush current that is generated (details will be described later).
Further, a reactor is provided between the switching element shown in FIG. 9 (similar to Patent Document 1) and an AC power supply, and a rectifying diode that further bypasses the inrush current is provided in a rectifying and smoothing circuit that improves the power factor by a boost chopper. In the rectifying and smoothing circuit, when the switching element is operated when the input power is small, there is a problem that the obtained effect is smaller than the energy required for switching and the energy efficiency is poor.
In the rectifying / smoothing circuit in which the reactor, the switching element, and the reverse blocking diode are provided between the rectifying diode and the smoothing capacitor in the capacitor input rectifying / smoothing circuit shown in FIG. 10 to improve the power factor, the reverse blocking diode is instantaneous. However, there is a problem that reverse recovery current (FIG. 12) flows and voltage loss and power loss occur (details will be described later).
In the rectifying and smoothing circuit for reducing the reverse recovery current of the reverse blocking diode by providing a coil and a diode between the switching element and the reverse blocking diode shown in FIG. There is a problem that the switching element may be destroyed by the inrush current (details will be described later).
そこで、本発明はこのような課題を解決するもので、その目的とするところは、力率改善機能を有し、電源投入時に発生する過大な突入電流を抑制し、逆阻止ダイオードの逆回復電流を抑制し、電圧降下が小さく、小型で、高効率の電源装置を提供することである。
また、前記の電源装置を空気調和機に搭載し、空気調和機の高効率化、小型化を図ることである。
Therefore, the present invention solves such a problem, and the object of the present invention is to have a power factor correction function, suppress an excessive inrush current generated when the power is turned on, and reverse recovery current of the reverse blocking diode. Is to provide a power supply device that is small in size, small in size, and highly efficient.
Another object of the present invention is to mount the power supply device on an air conditioner to improve the efficiency and size of the air conditioner.
前記の課題を解決して、本発明の目的を達成するために、以下のように構成した。
すなわち、本発明の電源装置は、第1、第2、第3、第4ダイオードを具備してダイオードブリッジを構成し、前記第1ダイオードのアノードと第2ダイオードのカソードの接続点を第1交流入力端子とし、前記第3ダイオードのアノードと前記第4ダイオードのカソードの接続点を第2交流入力端子とし、前記第1ダイオードのカソードと前記第3ダイオードのカソードの接続点を正極側配線に接続し、前記第2ダイオードのアノードと前記第4ダイオードのアノードの接続点を負極側配線に接続してなる整流回路と、第5ダイオードのアノードと第1スイッチング素子の第2端子とを接続し、第5ダイオードのカソードを前記正極側配線に接続し、第1スイッチング素子の第1端子を前記負極側配線に接続してなる第1直列回路と、第6ダイオードのアノードと第2スイッチング素子の第2端子とを接続し、第6ダイオードのカソードを前記正極側配線に接続し、第2スイッチング素子の第1端子を前記負極側配線に接続してなる第2直列回路と、前記正極側配線と前記負極側配線との間に接続された平滑コンデンサと、交流電源の第1出力端子と前記整流回路の第1交流入力端子との間に接続される第1リアクタと、交流電源の第2出力端子と前記整流回路の第2交流入力端子との間に接続される第2リアクタと、前記第1スイッチング素子の第2端子と前記整流回路の第1交流入力端子との間に接続される第1コイルと、前記第2スイッチング素子の第2端子と前記整流回路の第2交流入力端子との間に接続される第2コイルと、を備えることを特徴とする。
また、その他の手段は、発明を実施するための形態のなかで説明する。
In order to solve the above-described problems and achieve the object of the present invention, the present invention is configured as follows.
That is, the power supply device of the present invention includes a first, second, third, and fourth diode to form a diode bridge, and a connection point between the anode of the first diode and the cathode of the second diode is a first alternating current. As an input terminal, a connection point between the anode of the third diode and the cathode of the fourth diode is used as a second AC input terminal, and a connection point between the cathode of the first diode and the cathode of the third diode is connected to the positive electrode side wiring. And connecting a rectifier circuit in which a connection point between the anode of the second diode and the anode of the fourth diode is connected to the negative-side wiring, the anode of the fifth diode, and the second terminal of the first switching element, A first series circuit in which a cathode of a fifth diode is connected to the positive side wiring and a first terminal of the first switching element is connected to the negative side wiring; An anode of the anode and a second terminal of the second switching element are connected, a cathode of the sixth diode is connected to the positive side wiring, and a first terminal of the second switching element is connected to the negative side wiring. Two series circuits, a smoothing capacitor connected between the positive electrode side wiring and the negative electrode side wiring, and a first capacitor connected between the first output terminal of the AC power source and the first AC input terminal of the rectifier circuit. A first reactor, a second reactor connected between a second output terminal of the AC power source and a second AC input terminal of the rectifier circuit, a second terminal of the first switching element, and a first AC of the rectifier circuit A first coil connected between the input terminal and a second coil connected between the second terminal of the second switching element and the second AC input terminal of the rectifier circuit. And
Other means will be described in the embodiment for carrying out the invention.
本発明によれば、力率改善機能を有し、電源投入時に発生する過大な突入電流を抑制し、逆阻止ダイオードの逆回復電流を抑制し、電圧降下が小さく、小型で、高効率の電源装置を提供できる。
また、前記の電源装置を空気調和機に搭載し、空気調和機の高効率化、小型化を図ることができる。
According to the present invention, a power factor correction function is provided, an excessive inrush current generated at the time of power-on is suppressed, a reverse recovery current of a reverse blocking diode is suppressed, a voltage drop is small, a small size, and a highly efficient power source Equipment can be provided.
Moreover, the said power supply device can be mounted in an air conditioner and the efficiency and size reduction of an air conditioner can be achieved.
以下、本発明を実施するための形態(以下においては「実施形態」と称する)を、図面を参照して説明する。 Hereinafter, modes for carrying out the present invention (hereinafter referred to as “embodiments”) will be described with reference to the drawings.
(第1実施形態・電源装置)
本発明の第1実施形態である電源装置について、図1を参照して説明する。
(First Embodiment / Power Supply Device)
The power supply device which is 1st Embodiment of this invention is demonstrated with reference to FIG.
図1は、本発明の第1実施形態である電源装置10の回路構成を示す図である。
図1において、電源装置10は、リアクタ(リアクトル)14a、14b、整流ダイオード(ダイオード)11a、11b、11c、11d、コイル15a、15b、逆阻止ダイオード(ダイオード)12a、12b、スイッチング素子(MOSFET)13a、13b、平滑コンデンサ(コンデンサ)16を備えて構成されている。
なお、特許請求の範囲の請求項1において、リアクタ14a、14bは、それぞれ第1リアクタ、第2リアクタに相当する。また、整流ダイオード11a、11b、11c、11dは、それぞれ順に第1、第2、第3、第4ダイオードに相当する。また、コイル15a、15bは、それぞれ第1コイル、第2コイルに相当する。また、逆阻止ダイオード12a、12bは、それぞれ第5、第6ダイオードに相当する。また、スイッチング素子13a、13bは、それぞれ第1スイッチング素子、第2スイッチング素子に相当する。
FIG. 1 is a diagram showing a circuit configuration of a
In FIG. 1, a
In claim 1 of the claims, the
《整流ダイオードによる整流回路の構成》
整流ダイオード11a、11b、11c、11dは、ダイオードブリッジを構成して、整流回路の機能を有している。
すなわち、整流ダイオード11aのアノードは、整流ダイオード11bのカソードと接続され、整流ダイオード11aのカソードは、直流の正極側配線101に接続され、整流ダイオード11bのアノードは、直流の負極側配線102に接続されている。
《Rectifier circuit configuration with rectifier diode》
The
That is, the anode of the
整流ダイオード11cのアノードは、整流ダイオード11dのカソードと接続され、整流ダイオード11cのカソードは、直流の正極側配線101に接続され、整流ダイオード11dのアノードは、直流の負極側配線102に接続されている。
整流ダイオード11aと整流ダイオード11bとの接続点は、整流回路の第1交流入力端子であり、整流ダイオード11cと整流ダイオード11dとの接続点は、整流回路の第2交流入力端子である。
すなわち、交流電源201の第1、第2出力端子は、それぞれリアクタ14a、14bを介して整流回路(整流ダイオード11a、11b、11c、11d)の第1、第2交流入力端子に接続されている。そして、整流回路(整流ダイオード11a、11b、11c、11d)で整流されて、正極側配線101と負極側配線102に、整流された直流分を主体とする電圧(電力)を供給する。
The anode of the
A connection point between the
That is, the first and second output terminals of the
また、この正極側配線101と負極側配線102に、整流された直流分を主体とする電圧(電力)は、平滑コンデンサ16の作用により平滑され直流電圧に変換されて、負荷202に供給される。
なお、前記の整流回路(整流ダイオード11a、11b、11c、11d)と平滑コンデンサ16の構成および動作は、コンデンサインプット整流平滑回路と称する。
また、この整流回路(整流ダイオード11a、11b、11c、11d)のみでも整流作用が当然ある。
ただし、この整流回路のみであると仮定すると、後記する比較例1の動作波形を示す図7のように、第1交流入力端子と第2交流入力端子の間に加わる電圧(特性線1001)が小さい領域では、電流(特性線1002)が流れない区間が存在する。
これは、整流ダイオード(11a、11b、11c、11d)は、PN接合において内蔵ポテンシャル(PN接合におけるP型半導体とN型半導体の仕事関数の差)を有するために順方向でも電圧が小さい(概ね0.7〜0.8V以下)と、電流が流れないためである。この電流が流れない区間があると、電流波形は正弦波形との差異が大きくなるので力率が低下する原因となる。
Further, the voltage (power) mainly composed of the rectified direct current component in the positive
The configuration and operation of the rectifier circuit (
Further, only this rectifier circuit (
However, if it is assumed that only this rectifier circuit is provided, the voltage (characteristic line 1001) applied between the first AC input terminal and the second AC input terminal is as shown in FIG. In a small region, there is a section where current (characteristic line 1002) does not flow.
This is because the rectifier diodes (11a, 11b, 11c, 11d) have a built-in potential at the PN junction (difference in work function between the P-type semiconductor and the N-type semiconductor at the PN junction), so that the voltage is small in the forward direction (generally). This is because an electric current does not flow. If there is a section in which this current does not flow, the difference between the current waveform and the sine waveform becomes large, which causes the power factor to decrease.
しかしながら、図1においては、リアクタ14a、14bが、それぞれ交流電源201の第1、第2出力端子と整流回路(整流ダイオード11a、11b、11c、11d)の第1交流入力端子と第2交流入力端子との間に設けてある。
リアクタ14a、14bには、電気エネルギーを蓄積・放出する作用がある。また、電流が流れると逆起電力が発生する性質がある。このリアクタ14a、14bの作用により、電流の急峻な変化が抑制され、また入力電圧が減少する場合にも蓄積されていたエネルギーを放出することにより、電流の傾き、最大値が小さくなって、整流回路に流れる電流波形が正弦波に近くなり、力率が改善される。
なお、このリアクタ14a、14bによる整流回路(整流ダイオード11a、11b、11c、11d)の力率改善効果は、後記するスイッチング素子13a、13bをスイッチングしない状態でも有効である。
However, in FIG. 1, the
The
The power factor improvement effect of the rectifier circuits (
《昇圧チョッパ回路の構成》
また、逆阻止ダイオード12a、12bと、スイッチング素子13a、13bとリアクタ14a、14bと、コイル15a、15bとによる昇圧チョッパ回路を構成している。
すなわち、逆阻止ダイオード12aのアノードとスイッチング素子13aの第2端子を接続し、逆阻止ダイオード12aのカソードは正極側配線101に接続し、スイッチング素子13aの第1端子は負極側配線102に接続している(第1の直列回路)。
また、逆阻止ダイオード12bのアノードとスイッチング素子13bの第2端子を接続し、逆阻止ダイオード12bのカソードは正極側配線101に接続し、スイッチング素子13bの第1端子は負極側配線102に接続している(第2の直列回路)。
また、スイッチング素子13aの第2端子は、コイル15aを介して、リアクタ14aの第2端子に接続され、さらにリアクタ14aの第1端子は交流電源201の第1出力端子に接続されている。
また、スイッチング素子13bの第2端子は、コイル15bを介して、リアクタ14bの第2端子に接続され、さらにリアクタ14bの第1端子は交流電源201の第2出力端子に接続されている。
<Configuration of boost chopper circuit>
Further, a step-up chopper circuit is configured by
That is, the anode of the
Further, the anode of the
Further, the second terminal of the
The second terminal of the
以上において、インダクタンスを有する素子として、リアクタ14a、14b(数mH)とコイル15a、15b(数10μH)とがあるが、昇圧チョッパ回路の素子として機能するのは、リアクタ14a、14bである。コイル15a、15bは、直接的には昇圧チョッパ回路の機能としてではなく、後記する別の目的で用いている。
In the above, there are
この昇圧チョッパ回路は、整流機能と、力率を改善する機能とを有している。
すなわち、整流回路を構成するダイオードブリッジの一部をスイッチング素子13a、13bに置き換え、このスイッチング素子13a、13bを同期整流(整流動作)となるように短絡開放(オン・オフ)を繰り返す。このオン・オフを繰り返すことにより、交流電源201との間に設けられたリアクタ14a、14bにエネルギーを蓄積開放する。
前記のスイッチング素子13a、13bを制御することにより、交流電源201が正の半サイクルにおいて、逆阻止ダイオード12aとスイッチング素子13bを介して電流が流れる。
This step-up chopper circuit has a rectifying function and a function for improving the power factor.
That is, a part of the diode bridge constituting the rectifier circuit is replaced with the
By controlling the
また、交流電源201が負の半サイクルにおいては逆阻止ダイオード12bとスイッチング素子13aを介して電流が流れる。
また、スイッチング素子13a、13bについては、スイッチング素子として、MOSFET(metal-oxide-semiconductor field-effect transistor、酸化金属半導体電界効果トランジスタ)を用いている。MOSFETの電流が流れるチャネルには、ダイオードのようなPN接合はないので、電圧降下の小さな整流回路が構成できる。
また、MOSFETとして、スーパージャンクションMOSFETを使用すると、電圧降下がより小さくなって、損失低減がさらに可能となる。
なお、MOSFETの場合には、トランジスタに、逆並列の寄生ダイオードが形成される(図1、13a、13b)。
Further, in the negative half cycle of the
As for the
In addition, when a super junction MOSFET is used as the MOSFET, the voltage drop becomes smaller and the loss can be further reduced.
In the case of a MOSFET, an antiparallel parasitic diode is formed in the transistor (FIGS. 1, 13a, and 13b).
また、リアクタ14a、14bにおいては、インダクタンスと電圧の変化で決まる電流が流れる。
この電流は、逆阻止ダイオード12a、12bの作用により平滑コンデンサ16の電圧にかかわらず流れる。この動作によって、交流電源201の電圧が平滑コンデンサ16の電圧より低い区間においても電流を流すことができる。
換言すれば、前記したように、この昇圧チョッパ回路のリアクタ14a、14bにエネルギーを蓄積開放することにより、交流電源201の入力電圧が小さい区間においても、電流が全く流れる区間が殆どなくなり、図8に示すように、電流波形を正弦波状にすることできて、力率が改善される。
なお、図8については、後記する比較例2において、再度、詳しい説明をする。
In the
This current flows regardless of the voltage of the smoothing
In other words, as described above, by storing and releasing energy in the
Note that FIG. 8 will be described in detail again in Comparative Example 2 described later.
なお、リアクタ14a、14bは、前記したように概ね数mH(1mH以上、10mH未満)である。また、コイル15a、15bは、前記したように、数10μH(10μH以上、100μH未満)である。
このように、コイル15a、15bは、リアクタ14a、14bに対して、充分、小さなインダクタンスに設定することが重要である。
このように、スイッチング素子13a、13bのそれぞれに直列に接続されたコイル15a、15bのインダクタンスが小さく、電流が小さい領域ではコイル15a、15bの逆起電力も小さく同期整流の効果がある。電流が大きくなると、コイル15a、15bの逆起電力も大きくなって、同期整流に支障がでる可能性が生じるが、実際には、前記ように整流ダイオード11a〜11dが、昇圧チョッパ回路と、それぞれ並列に接続されているので、電流は整流ダイオード11a〜11dを流れて動作に支障が生じることはない。
なお、整流ダイオード11a〜11dによる整流動作におれる力率改善は、前記のようにリアクタ14a、14bの機能による。
このとき、コイル15a、15bのインダクタンス値がリアクタ14a、14bのインダクタンス値に近くなると、コイル15a、15bに生ずる逆起電力が整流ダイオード11a〜11dによる整流動作に支障を及ぼす可能性がある。そのためにもコイル15a、15bのインダクタンス値がリアクタ14a、14bのインダクタンス値に対して充分小さいことが望ましい。
The
Thus, it is important that the
As described above, the
The power factor improvement in the rectification operation by the
At this time, if the inductance values of the
以上のように、昇圧チョッパ回路は、スイッチング素子13a、13bのオン・オフを適切に制御すれば、同期整流の機能と、力率改善機能を有している。
なお、昇圧チョッパ回路のスイッチング素子13a、13bのオン・オフは、パルス幅制御(PWM)で行い、パルスの幅とタイミングを組み合わせることにより、前記した同期整流の機能と、力率改善機能のみならず、さらに、整流された直流電圧の電圧値を昇圧(可変電圧)する機能がある。
また、スイッチング素子13a、13bをオン・オフする制御回路については、図示することを省略している。
As described above, the boost chopper circuit has a function of synchronous rectification and a power factor improvement function as long as the
The
Further, illustration of a control circuit for turning on and off the
《逆回復電流の対策の構成》
スイッチング素子13a、13bがオンからオフするとき、逆阻止ダイオード12a、12bに瞬間ではあるが逆方向の電流が流れる可能性がある。これは、逆阻止ダイオード12a、12bのPN接合の近傍に蓄積されたキャリアが、印加電圧が逆になったことにより、吐き出されることによる。
この逆方向の電流が流れる現象を逆回復電流と呼ぶが、逆回復電流が流れることはエネルギーの損失となり、電源装置としての効率が低下する。
《Reverse recovery current countermeasure configuration》
When the
This phenomenon in which a reverse current flows is called a reverse recovery current, but the flow of the reverse recovery current results in a loss of energy, and the efficiency of the power supply device decreases.
逆回復電流を低減するための第1の方策は、逆阻止ダイオード12a、12bに逆回復電流が少ないファーストリカバリーダイオード、あるいはSiC(Silicon Carbide)等のワイドギャップ半導体のショットキーバリアダイオードを使用することである。
ただし、前記のダイオードは、逆回復電流については良好である反面、順方向の電圧降下が大きい。
したがって、以下においては前記の逆回復電流が少ない逆阻止ダイオードを用いない。
順方向の電圧降下が少ないタイプの逆阻止ダイオード12a、12bを用いて、以下に述べる回路上の工夫で逆回復電流の抑制を図る。
The first measure for reducing the reverse recovery current is to use a fast recovery diode with a low reverse recovery current or a wide-gap semiconductor Schottky barrier diode such as SiC (Silicon Carbide) for the
However, the diode has a good reverse recovery current, but has a large forward voltage drop.
Therefore, the reverse blocking diode having a small reverse recovery current is not used in the following.
By using
回路上の工夫で逆回復電流の抑制を図る第2の方策について述べる。
図1に示すように、コイル15a、15bを、それぞれ、整流ダイオード11aのアノードと逆阻止ダイオード12aのアノード間、整流ダイオード11cのアノードと逆阻止ダイオード12bのアノード間に接続する。
例えば、整流ダイオード11aに電流が流れている状態で、スイッチング素子13aをオンすると、整流ダイオード11aに逆回復電流が発生するが、この逆回復電流は、コイル15aを流れることにより、コイル15aによって逆起電力が発生して、逆回復電流が抑制される。
そして、ダイオード(整流ダイオード11a)の逆回復現象が終わると逆回復電流は消滅する。この消滅した逆回復電流のエネルギーは、コイル15aに蓄積される。このコイル15aに蓄積された逆回復電流のエネルギーは、スイッチング素子13aがオフすると、平滑コンデンサ16に開放(回収)されて、損失とはならない。
A second measure for suppressing the reverse recovery current by means of a circuit will be described.
As shown in FIG. 1, the
For example, when the switching
When the reverse recovery phenomenon of the diode (
また、逆阻止ダイオード12aにおけるスイッチング素子13aのオンによる逆回復電流についても、同様にコイル15aに蓄積され、スイッチング素子13aがオフすると、平滑コンデンサ16に開放(回収)されて、損失とはならない。
Similarly, the reverse recovery current caused by turning on the
また、スイッチング素子13bがオン・オフした際における整流ダイオード11b、逆阻止ダイオード12bについても、コイル15bの作用によって、逆回復電流、および、そのエネルギーは回収されて、損失とはならない。
そのため、第1実施形態の電源装置10においては、整流ダイオード11a、11b、逆阻止ダイオード12a、12bに逆回復電流は大きいが電圧降下の小さい整流ダイオードを採用し、かつ逆回復電流を抑制して使用することができる。
Further, the reverse recovery current and the energy of the
Therefore, in the
なお、「整流ダイオード」と「逆阻止ダイオード」と主な回路機能によって別の名称をつけているが、ダイオードであることに変わりはなく、図1の回路においては、逆回復電流が発生する可能性は同じである。
また、リアクタ14a、14bは、前記したように数mHであるのに対し、コイル15a、15bは、数10μHである。
ここで、前記のようにリアクタ14a、14bのインダクタンスは、コイル15a、15bのインダクタンスより充分に大きいことが特徴であるが、それぞれのインダクタンスは一例であり、大きさを限定するものではない。
リアクタ14a、14bは、主として整流作用に用いているのに対し、コイル15a、15bは、前記のように、ダイオード(逆阻止ダイオード、整流ダイオード)の逆回復電流を低減するためと後記する突入電流の影響を抑制するために用いている。
リアクタ14a、14bもコイル15a、15bも、共にインダクタンスを有する素子であるが、前記のように数mHと数10μHとの差があり、また、主たる機能もリアクタ14a、14b(整流作用、昇圧チョッパ作用、力率改善作用)、とコイル15a、15b(逆回復電流低減作用、および次に述べる突入電流抑制作用)とでは、差異があるので、その差異を明確にするために別の名称を用いている。
Note that “rectifier diode” and “reverse blocking diode” are given different names depending on their main circuit functions, but they are still diodes, and in the circuit of FIG. 1, reverse recovery current can be generated. Sex is the same.
The
Here, as described above, the inductances of the
The
The
《突入電流の対策の構成》
図1の回路においては、電源投入時において、交流電源201から整流ダイオード11a、11b、11c、11dを介して、平滑コンデンサ16に突入電流が流れる。
また、逆阻止ダイオード12a、12bとスイッチング素子13a、13bからなる昇圧チョッパ回路にも過大な電流が流れる可能性がある。
スイッチング素子13a、13bは、整流ダイオード(11a〜11d)に比較して、破壊される可能性が高い。特に、スイッチング素子13a、13bとしてMOSFETを用いた場合には、薄く耐圧が弱いゲート膜があるので配慮が必要である。
また、逆阻止ダイオード12a、12bも整流ダイオード(11a〜11d)に比較して、破壊される可能性が高いことがある。
その対策としても、コイル15a、15bが備えられている。
《Inrush current countermeasure configuration》
In the circuit of FIG. 1, an inrush current flows from the
In addition, an excessive current may flow through the boost chopper circuit including the
The
Further, the
As countermeasures, coils 15a and 15b are provided.
コイル15a、15bが、スイッチング素子13a、13bに対して直列に挿入されているので、コイル15a、15bのインダクタンスは数10μHであるが、突入電流の急峻な変化の電流に対しては、逆起電力が発生して突入電流を抑制する作用がある。
Since the
また、昇圧チョッパ回路(12a、12b、13a、13b)は、整流回路(整流ダイオード11a、11b、11c、11d)と並列に接続されているので、突入電流は分流される。
この突入電流が分流されることにより、昇圧チョッパ回路のスイッチング素子13a、13b、および逆阻止ダイオード12a、12bが破壊される可能性が低減される。
Further, since the boost chopper circuits (12a, 12b, 13a, 13b) are connected in parallel with the rectifier circuits (
Since the inrush current is shunted, the possibility that the
以上の前記のコイル15a、15bの抑制作用と、整流回路(整流ダイオード11a、11b、11c、11d)の分流作用によって、昇圧チョッパ回路のスイッチング素子13a、13b、および逆阻止ダイオード12a、12bが破壊される危険性は、大幅に低減される。
The
<第1実施形態の電源装置の効果>
以上により、図1の電源装置10は、力率改善機能を有し、電源投入時に発生する過大な突入電流を抑制し、逆阻止ダイオードの逆回復電流を抑制し、電圧降下が小さく、高効率の電源装置となる。また、突入電流を抑制するので安全性が高く、電圧損失や電力損失が小さいので、電源装置を小型化できる。
<Effects of Power Supply Device of First Embodiment>
As described above, the
(比較例)
次に、前記した本発明の第1実施形態の電源装置が、従来の技術に対して、如何に優れているかを示すために、比較例として、他の整流平滑回路の例を示す。
(Comparative example)
Next, in order to show how the power supply device according to the first embodiment of the present invention is superior to the prior art, an example of another rectifying / smoothing circuit is shown as a comparative example.
<比較例1>
比較例1として、図5に示す構成のコンデンサインプット整流平滑回路を、図7を参照して、説明する。なお、図2〜図4は、本発明の実施形態として、後で説明する。
図5は、交流電源を受電して直流電圧(電力)を生成するコンデンサインプット整流平滑回路の第1例の回路構成を示す図である。
図7は、図5に示すコンデンサインプット整流平滑回路の入力側の電圧波形と電流波形を示す図である。なお、図6は、比較例2として後で説明する。
図5において、整流ダイオード11a〜11dをダイオードブリッジとして整流回路を構成している。
<Comparative Example 1>
As Comparative Example 1, a capacitor input rectifying and smoothing circuit having the configuration shown in FIG. 5 will be described with reference to FIG. 2 to 4 will be described later as an embodiment of the present invention.
FIG. 5 is a diagram showing a circuit configuration of a first example of a capacitor input rectifying / smoothing circuit that receives an AC power supply and generates a DC voltage (power).
FIG. 7 is a diagram showing voltage waveforms and current waveforms on the input side of the capacitor input rectifying and smoothing circuit shown in FIG. 6 will be described later as a comparative example 2.
In FIG. 5, a rectifier circuit is configured with
交流電源201は、整流回路の第1、第2の交流入力端子へ交流電圧(電力)を供給している。
整流回路(整流ダイオード11a〜11d)は、交流電圧を整流して直流分を主体とする電圧(電力)を正極側配線101と負極側配線102を介して平滑コンデンサ16に供給する。
平滑コンデンサ16で平滑化された電圧(電力)は、負荷202に供給されている。
図5に示すコンデンサインプット整流平滑回路は、第1の交流入力端子と第2の交流入力端子との間に加わる電圧(特性線1001:図7)が小さい領域では、電流(特性線1002:図7)が流れない区間が存在する。
この電流が流れない区間があることによって、電流波形は正弦波との差異が大きくなり、力率が低下するという問題がある。
The
The rectifier circuits (
The voltage (power) smoothed by the smoothing
The capacitor input rectifying and smoothing circuit shown in FIG. 5 has a current (characteristic line 1002: FIG. 7) in a region where the voltage (characteristic line 1001: FIG. 7) applied between the first AC input terminal and the second AC input terminal is small. There is a section where 7) does not flow.
Since there is a section where no current flows, there is a problem that the current waveform is greatly different from a sine wave, and the power factor is lowered.
<比較例2>
比較例2として、図6に示す構成のコンデンサインプット整流平滑回路を、図8を参照して、説明する。
図6は、交流電源を受電して直流電圧(電力)を生成するコンデンサインプット整流平滑回路の第2例の回路構成を示す図である。
図8は、図6に示すコンデンサインプット整流平滑回路の入力側の電圧波形と電流波形を示す図である。
図6においては、図5における整流回路(整流ダイオード11a〜11d)の一部をスイッチング素子(13e、13f)に置き換え、スイッチング素子(13e、13f)と交流電源201との間にリアクタ14a、14bを設けて昇圧チョッパにより力率改善を行う整流平滑回路である。
<Comparative Example 2>
As Comparative Example 2, a capacitor input rectifying and smoothing circuit having the configuration shown in FIG. 6 will be described with reference to FIG.
FIG. 6 is a diagram illustrating a circuit configuration of a second example of the capacitor input rectifying / smoothing circuit that receives an AC power supply and generates a DC voltage (power).
FIG. 8 is a diagram showing voltage waveforms and current waveforms on the input side of the capacitor input rectifying and smoothing circuit shown in FIG.
In FIG. 6, a part of the rectifier circuit (
リアクタ14a、14bにおいては、インダクタンスと電圧の変化で決まる電量が流れる。
この電流は、逆阻止ダイオード12a、12bの作用により平滑コンデンサ16の電圧にかかわらず流れる。この動作によって、交流電源201の電圧が平滑コンデンサ16の電圧より低い区間においても電流(特性線1003:図8)を流すことができる。
つまり、この昇圧チョッパ回路のリアクタ14a、14bにエネルギーを蓄積開放することにより、交流電源201の入力電圧が小さい区間においても、電流が全く流れる区間が殆どなくなり、図8に示すように、電流波形を正弦波状にすることできて、力率が改善される。
In the
This current flows regardless of the voltage of the smoothing
In other words, by storing and releasing energy in the
しかしながら、図6に示すコンデンサインプット整流平滑回路は、電源投入時において、平滑コンデンサ16が充電されていないため、電源投入時に大きな電流が流れる。
これを突入電流という。一般に、図5のコンデンサインプット整流平滑回路に用いられる整流ダイオードは、この突入電流に耐えられる非繰り返しサージ耐量を持つ整流ダイオードが用いられる。
しかしながら、スイッチング素子13e、13f、および逆阻止ダイオード12e、12fは、サージ耐量が低く、電源投入時の突入電流によって破壊される可能性があるという問題がある。
However, in the capacitor input rectifying / smoothing circuit shown in FIG. 6, since the smoothing
This is called inrush current. In general, the rectifier diode used in the capacitor input rectifying and smoothing circuit of FIG. 5 is a rectifier diode having a non-repetitive surge withstand capability that can withstand this inrush current.
However, the
<比較例3>
比較例3として、図9に示す構成のコンデンサインプット整流平滑回路を説明する。
図9は、交流電源を受電して直流電圧(電力)を生成するコンデンサインプット整流平滑回路の第3例の回路構成を示す図である。また、特許文献1に類似した技術が開示されている。
図9において、スイッチング素子13e、13f、および逆阻止ダイオード12e、12fに流れる突入電流を低減するために整流ダイオード11a、11cを設けている。
しかしながら、図9に示すように整流ダイオード11a、11cを設けると、電源電流はリアクタ14a、14bに発生する逆起電力によって、殆んどが整流ダイオード11a、11cを流れる。
<Comparative Example 3>
As Comparative Example 3, a capacitor input rectifying and smoothing circuit having the configuration shown in FIG. 9 will be described.
FIG. 9 is a diagram illustrating a circuit configuration of a third example of the capacitor input rectifying / smoothing circuit that receives an AC power supply and generates a DC voltage (power). Further, a technique similar to Patent Document 1 is disclosed.
In FIG. 9,
However, when the
スイッチング素子13e、13fとリアクタ14a、14bとのそれぞれの直列回路は、整流ダイオード11a、11cの電圧降下より小さな電圧降下で動作することができない。そのため、図9に示す電源装置は、必ずスイッチング素子13e、13fをスイッチング動作させる必要がある。
したがって、交流電源201からの入力電力が小さい場合においても、スイッチング動作をさせる必要があり、スイッチング動作によるエネルギー損失が、入力電力が小さい場合における力率改善効果を実質的に上回ってしまい、スイッチング動作をさせることが得策とはならないという問題がある。
Each series circuit of the
Therefore, even when the input power from the
<比較例4>
比較例4として、図10に示す構成のコンデンサインプット整流平滑回路を説明する。
図10は、交流電源を受電して直流電圧(電力)を生成するコンデンサインプット整流平滑回路の第4例の回路構成を示す図である。
図12は、図10の回路において、逆回復電流(特性線2004)が流れることを示す図である。なお、図11は、比較例5として後で説明する。
図10において、整流ダイオード11a〜11dによって交流電圧を整流して直流分を主体とする電圧を正極側配線111、負極側配線102に出力し、その後段にリアクタ24、スイッチング素子26、逆阻止ダイオード25からなる昇圧チョッパを設けて力率改善を行い、平滑コンデンサ16に直流電圧(電力)を出力する整流平滑回路を構成している。そして平滑コンデンサ16の両端の正極側配線121と負極側配線102とから負荷202に電圧(電力)を供給している。
<Comparative example 4>
As Comparative Example 4, a capacitor input rectifying and smoothing circuit having the configuration shown in FIG. 10 will be described.
FIG. 10 is a diagram illustrating a circuit configuration of a fourth example of the capacitor input rectification smoothing circuit that receives an AC power supply and generates a DC voltage (power).
FIG. 12 is a diagram showing that a reverse recovery current (characteristic line 2004) flows in the circuit of FIG. FIG. 11 will be described later as Comparative Example 5.
In FIG. 10, the AC voltage is rectified by the
ここで、昇圧チョッパの原理および逆阻止ダイオード5の動作について説明する。
図10に示すように、全波整流波形をスイッチング素子26を介してリアクタ24で短絡すると電圧とリアクタ24のインダクタンスで決まる傾きで増大する電流が流れる。
この電流は、逆阻止ダイオード25の作用により、平滑コンデンサ16の電圧に係わらず流れる。この動作によって、交流電源201の電圧が平滑コンデンサ16の電圧より低い期間においても電流を流すことができ、図8に示すような電流波形とすることが可能となる。
スイッチング素子26をオフすると、スイッチング素子26に電流は流れなくなるが、リアクタ24の電流は、インダクタンスの慣性により急峻には変化(この場合は減少)することできない。
Here, the principle of the boost chopper and the operation of the reverse blocking diode 5 will be described.
As shown in FIG. 10, when the full-wave rectified waveform is short-circuited in the
This current flows regardless of the voltage of the smoothing
When the switching
そのため、リアクタ24は、電流を流れ続けさせるために逆起電力を発生させて、逆阻止ダイオード25を介して平滑コンデンサ16を充電する電流を流す。この動作を繰り返すことにより電流波形を正弦波状にすることできる。
スイッチング素子26がオフからオンするとき、逆阻止ダイオード25に瞬間であるが逆方向の電流が流れる。これを逆回復電流という。図12に示すように逆回復電流(特性線2004)は、リアクタ24の電流に重畳されてスイッチング素子26を流れる。
この逆回復電流(特性線2004)は、図10の回路においては、電圧損失、電力損失が発生するという問題がある。
Therefore, the
When the switching
This reverse recovery current (characteristic line 2004) has a problem that voltage loss and power loss occur in the circuit of FIG.
<比較例5>
比較例5として、図11に示す構成のコンデンサインプット整流平滑回路を説明する。
図11は、交流電源を受電して直流電圧(電力)を生成するコンデンサインプット整流平滑回路の第5例の回路構成を示す図である。
図13は、図11の回路において、逆回復電流(特性線2004)が流れなくなったこと(特性線2005)を示す図である。
図11において、図10の回路にさらにスイッチング素子26と逆阻止ダイオード25の間にコイル15とダイオード29を設けている。これは、図10の回路における逆阻止ダイオード25の逆回復電流を低減するためである。
前記のように、インダクタンスに流れる電流は急峻な変化を嫌う。逆回復電流のような急峻な電流が流れる経路にインダクタンスを挿入すれば逆機電圧が発生して電流を抑制することができる。
すなわち、図11において、コイル15は、リアクタ24の電流にも作用するため、コイル15と並列にダイオード29を接続して電流を迂回している。この逆阻止ダイオード25の逆回復電流はコイル15を流れる。このときコイル15に逆起電力が発生して逆回復電流を抑制する(特性線2005:図13)。
<Comparative Example 5>
As Comparative Example 5, a capacitor input rectifying and smoothing circuit having the configuration shown in FIG. 11 will be described.
FIG. 11 is a diagram illustrating a circuit configuration of a fifth example of the capacitor input rectifying / smoothing circuit that receives an AC power supply and generates a DC voltage (power).
FIG. 13 is a diagram showing that the reverse recovery current (characteristic line 2004) no longer flows (characteristic line 2005) in the circuit of FIG.
In FIG. 11, a
As described above, the current flowing through the inductance does not like a sharp change. If an inductance is inserted in a path through which a steep current such as a reverse recovery current flows, a reverse machine voltage is generated and the current can be suppressed.
That is, in FIG. 11, since the
以上のように、逆回復電流は抑制されるものの、逆回復電流が消滅するとき、コイル15のインダクタンスの作用によりダイオード29を介して還流電流が流れる。
この電流によるエネルギーはコイル15の抵抗とダイオード29の電圧降下で消費され損失となり、電源装置の効率を低下させるという問題がある。
As described above, although the reverse recovery current is suppressed, when the reverse recovery current disappears, the return current flows through the
The energy due to this current is consumed and lost due to the voltage drop of the resistance of the
(第2実施形態・電源装置)
次に、本発明の第2実施形態である電源装置について、図2を参照して説明する。
図2は、本発明の第2実施形態である電源装置の回路構成と、この電源装置とモータを備えた電動圧縮機との接続関係を示す図である。なお、図2は、後記する第5実施形態の空気調和機の説明を兼ねる図でもある。
図2における電源装置20は、図1に示した第1実施形態の電源装置10に、さらに直流電圧(電力)を可変の周波数と電圧の交流電圧(電力)に変換するインバータ17を備えたものである。
なお、図1に示した第1実施形態の電源装置10は、交流電源から交流電圧(電力)を入力して、直流電圧(電力)を出力する電源装置であるのに対し、図2に示した第2実施形態の電源装置20は、例えば商用の交流電源から交流電圧(電力)を入力して、可変の周波数と電圧の交流電圧(電力)を出力する電源装置である。
(Second Embodiment / Power Supply Device)
Next, the power supply device which is 2nd Embodiment of this invention is demonstrated with reference to FIG.
FIG. 2 is a diagram illustrating a circuit configuration of a power supply device according to a second embodiment of the present invention and a connection relationship between the power supply device and an electric compressor including a motor. In addition, FIG. 2 is also a figure which serves as description of the air conditioner of 5th Embodiment mentioned later.
A
The
図2において、インバータ17は、MOSFETからなるスイッチング素子18a、18b、18c、18d、18e、18fを備えて構成されている。
上アームとなるスイッチング素子18aと、下アームとなるスイッチング素子18bとによって、U相のスイッチングレッグが構成されている。
上アームとなるスイッチング素子18cと、下アームとなるスイッチング素子18dとによって、V相のスイッチングレッグが構成されている。
上アームとなるスイッチング素子18eと、下アームとなるスイッチング素子18fとによって、W相のスイッチングレッグが構成されている。
以上のU相、V相、W相のスイッチングレッグは、平滑コンデンサ16が接続された正極側配線101と負極側配線102とを電源として、直流電圧(電力)が供給される。
そして、図示していない制御回路によって、スイッチング素子18a、18b、18c、18d、18e、18fの制御端子(ゲート端子)をそれぞれ所定の制御をすることにより、U相、V相、W相のスイッチングレッグから、U相交流出力103U、V相交流出力103V、W相交流出力103Wによって、三相交流電圧(電力)が出力される。
In FIG. 2, the
The switching
The switching
The switching
The above U-phase, V-phase, and W-phase switching legs are supplied with DC voltage (electric power) using the positive-
Then, by controlling the control terminals (gate terminals) of the
なお、インバータ17から出力される三相交流電圧(電力)は、制御回路がインバータ17を所定の制御をすることにより、可変周波数となる。
また、昇圧チョッパ回路(12a、12b、13a、13b、14a、14b、15a、15b)のスイッチング素子13a、13bのオン・オフを所定の制御をすることにより、平滑コンデンサ16の両端の電圧は、可変の直流電圧となるので、平滑コンデンサ16の直流電圧を電源とするインバータ17の三相交流電圧(電力)の電圧振幅も可変となる。
このインバータ17から出力される三相交流電圧(電圧)は、モータ(電動機)を備えた電動圧縮機203に供給される。
また、インバータ17を制御する制御回路と、昇圧チョッパ回路のスイッチング素子13a、13bのスイッチングを制御する制御回路とは、一体化した制御回路であることが望ましい。
なお、図2における第2実施形態の電源装置20は、前記したように図1の第1実施形態の電源装置10とは、インバータ17の構成のみが異なるので、第1実施形態の電源装置10と重複する説明は省略する。
Note that the three-phase AC voltage (power) output from the
In addition, by controlling on / off the
The three-phase AC voltage (voltage) output from the
The control circuit that controls the
2 is different from the
以上により、図2の電源装置20は、直流電圧(電力)を発生する回路を、図1の電源装置10と共通に有しているので、図2の電源装置20も力率改善機能を有し、かつ電源投入時に発生する過大な突入電流を抑制し、逆阻止ダイオードの逆回復電流を抑制して、電圧降下が小さく、安全性の高い、高効率の可変周波数、可変電圧の三相交流電圧(電力)を出力する電源装置となる。
2 has a circuit for generating a DC voltage (electric power) in common with the
(第3実施形態・電源装置)
本発明の第3実施形態である電源装置について、図3を参照して説明する。
図3は、本発明の第3実施形態である電源装置30の回路構成を示す図である。
図3の電源装置30は、図1の電源装置10とほぼ同様の原理に基づき、図1の回路構成を変形したものである。
図3において、電源装置30は、リアクタ14、整流ダイオード11a、11b、11c、11d、コイル15c、15d、逆阻止ダイオード12c、12d、スイッチング素子13c、13d、平滑コンデンサ16を備えて構成されている。
なお、特許請求の範囲の請求項2において、整流ダイオード11a、11b、11c、11dは、それぞれ順に第1、第2、第3、第4ダイオードに相当する。また、コイル15c、15dは、それぞれ第2コイル、第1コイルに相当する。また、逆阻止ダイオード12c、12dは、それぞれ第6、第5ダイオードに相当する。また、スイッチング素子13c、13dは、それぞれ第2スイッチング素子、第1スイッチング素子に相当する。
(Third embodiment: power supply device)
A power supply device according to a third embodiment of the present invention will be described with reference to FIG.
FIG. 3 is a diagram showing a circuit configuration of the
The
In FIG. 3, the
In claim 2, the
整流ダイオード11a、11b、11c、11dによる整流回路の構成は、図1と同じであるので重複する説明は省略する。
リアクタ14は一つのみ設けて、交流電源201の第1出力端子と、整流ダイオード11cと整流ダイオード11dの接続点(第1交流入力端子)との間に接続する。
また、交流電源201の第2出力端子は、整流ダイオード11aと整流ダイオード11bの接続点(第2交流入力端子)との間に接続する。
スイッチング素子13c(N型MOFET)の第2端子(ドレイン電極)を正極側配線101に接続し、第1端子(ソース電極)を、コイル15cを介して、リアクタ14に接続する。
スイッチング素子13d(N型MOFET)の第1端子(ソース電極)を負極側配線102に接続し、第2端子(ドレイン電極)を、コイル15dを介して、リアクタ14に接続する。
The configuration of the rectifier circuit including the
Only one
The second output terminal of the
The second terminal (drain electrode) of the switching
The first terminal (source electrode) of the
スイッチング素子13cの第1端子に、逆阻止ダイオード12cのカソードを接続する。また、逆阻止ダイオード12cのアノードを負極側配線102に接続する(第2直列回路)。
スイッチング素子13dの第2端子に、逆阻止ダイオード12dのアノードを接続する。また、逆阻止ダイオード12dのカソードを正極側配線101に接続する(第1直列回路)。
平滑コンデンサ16は、正極側配線101と負極側配線102との間に接続されている。
また、平滑コンデンサ16の直流電圧(電力)が、正極側配線101と負極側配線102を介して負荷202に供給されている。
以上の回路により、電源装置30(第3実施形態)を構成している。
The cathode of the
The anode of the
The smoothing
Further, the DC voltage (electric power) of the smoothing
The power supply device 30 (third embodiment) is configured by the above circuit.
次に、図3の回路における昇圧チョッパの動作を説明する。
交流電源201が正の半周期において、電流はリアクタ14、整流ダイオード11cを流れて平滑コンデンサ16を充電して、整流ダイオード11bを流れて交流電源201に戻る。
スイッチング素子13dをオンすると、リアクタ14の電流はコイル15dを介してスイッチング素子13dを流れる。このとき、整流ダイオード11cに逆回復電流が流れるがコイル15dの作用により抑制される。
Next, the operation of the boost chopper in the circuit of FIG. 3 will be described.
In the positive half cycle of the
When the
なお、逆阻止ダイオード12d(および12c)に、逆回復電流を速く回復するため、逆回復電流の少ないファーストリカバリーダイオードを使用することもできる。
Note that a fast recovery diode with a small reverse recovery current can be used for the
図1に示した第1実施形態の電源装置10と同様に、コイル15dのインダクタンスは小さく、電流が消失すれば逆回復電流は流れない。
スイッチング素子13dをオン・オフして昇圧チョッパの動作の動作により力率改善を行う動作は第1実施形態の電源装置10と同様である。
以上は、交流電源201が正の半周期についての説明であったが、負の半周期についても、スイッチング素子13c、コイル15c、逆阻止ダイオード12c、そしてリアクタ14、整流ダイオード11cにおいて、同様の作用により、逆回復電流を抑制すること、力率改善を行う動作をすることについては、同じである。事実上、重複する説明は省略する。
Similar to the
The operation for improving the power factor by the operation of the step-up chopper by turning on / off the
The above description is about the positive half cycle of the
また、図3に示した第3実施形態の電源装置30においても、コイル15c、15dの作用により、逆阻止ダイオード12c、12dの逆回復電流が抑制される。なお、コイル15c、15dの作用があるので、逆阻止ダイオード12c、12dに、逆回復電流の少ないファーストリカバリーダイオードを使用しなくともよい。
また、コイル15c、15dの作用により、逆阻止ダイオード12c、12dとスイッチング素子13c、13dへの突入電流を抑制することができる。
Also in the
Moreover, the inrush current to the
また、第3実施形態の電源装置30においても、スイッチング素子13a、13bにスーパージャンクションMOSFETを使用すれば同期整流により損失を低減することができる。
Also in the
(第4実施形態・電源装置)
次に、本発明の第4実施形態である電源装置について、図4を参照して説明する。
図4は、本発明の第4実施形態である電源装置40の回路構成と、この電源装置40とモータを備えた電動圧縮機203との接続関係を示す図である。なお、図4は、後記する第6実施形態の空気調和機の説明を兼ねる図でもある。
図4における電源装置40は、図3に示した第3実施形態の電源装置30に、さらに直流電圧(電力)を可変の周波数と電圧の交流電圧(電力)に変換するインバータ17を備えたものである。
なお、図3に示した第3実施形態の電源装置30は、交流電源から交流電圧(電力)を入力して、直流電圧(電力)を出力する電源装置であるのに対し、図4に示した第4実施形態の電源装置40は、例えば商用の交流電源から交流電圧(電力)を入力して、可変の周波数と電圧の交流電圧(電力)を出力する電源装置である。
(Fourth embodiment, power supply device)
Next, the power supply device which is 4th Embodiment of this invention is demonstrated with reference to FIG.
FIG. 4 is a diagram illustrating a circuit configuration of a
The
The
図4において、インバータ17は、図2で説明したインバータ17と同じである。すなわち、インバータ17からは、可変周波数の三相交流電圧(電力)が出力する。
また、第4実施形態の電源装置40は、第3実施形態の電源装置30と同様に、昇圧チョッパ回路を備えているので、平滑コンデンサ16の直流電圧を電源とするインバータ17の三相交流電圧(電力)の電圧振幅も可変となる。
このインバータ17から出力される可変周波数、可変電圧の三相交流電圧(電圧)は、モータ(電動機)を備えた電動圧縮機203に供給される。
なお、図4における第4実施形態の電源装置40は、前記したように図3の第3実施形態の電源装置30と、図2の第2実施形態の電源装置20におけるインバータ17を組み合わせたものである。したがって、重複する説明は省略する。
In FIG. 4, the
Since the
The variable frequency, variable voltage three-phase AC voltage (voltage) output from the
In addition, the
以上により、図4の電源装置40は、直流電圧(電力)を発生する回路を、図3の電源装置30と共通に有しているので、図4の電源装置40も力率改善機能を有し、かつ電源投入時に発生する過大な突入電流を抑制し、逆阻止ダイオードの逆回復電流を抑制して、電圧降下が小さく、安全性の高い、高効率の可変周波数、可変電圧の三相交流電圧(電力)を出力する電源装置となる。
4 has a circuit for generating a DC voltage (power) in common with the
(第5実施形態・空気調和機)
本発明の第5実施形態である空気調和機について、図2を参照して説明する。
図2において、第2実施形態の電源装置20と、モータを備えた電動圧縮機203との接続関係を示している。
電源装置20と電動圧縮機203は、空気調和機に備えられている。
空気調和機には、図示していない、電動圧縮機11で冷媒を圧縮して室外熱交換器、減圧器、室内熱交換器、四方弁からなる冷凍サイクルを備えている。
また、各熱交換器に対して送風機が設けられている。冷媒は電動圧縮機203により圧縮され、室外機においては室外熱交換器にて送風機からの送風により室外の空気と熱交換され、室内機においては室内熱交換器にて送風機からの送風により室内の空気と熱交換される。
冷房と暖房の切り換えは、四方弁により冷媒の循環方向を逆転させることにより行われる。
(Fifth embodiment / air conditioner)
The air conditioner which is 5th Embodiment of this invention is demonstrated with reference to FIG.
FIG. 2 shows a connection relationship between the
The
The air conditioner is provided with a refrigerating cycle (not shown) that is composed of an outdoor heat exchanger, a decompressor, an indoor heat exchanger, and a four-way valve by compressing a refrigerant with an electric compressor 11.
Moreover, the air blower is provided with respect to each heat exchanger. The refrigerant is compressed by the
Switching between cooling and heating is performed by reversing the direction of refrigerant circulation using a four-way valve.
前記したように、電源装置20により供給される可変電圧、可変周波数の三相交流によって、電動圧縮機203を駆動する。
すなわち、空気調和機に第2実施形態の電源装置20(もしくは第1実施形態の電源装置10)を用いることにより、空気調和機としても電源電流の力率が改善される。
また、第2実施形態の電源装置20(もしくは第1実施形態の電源装置10)の内部において、直流電圧を昇圧できるので空気調和機としても効率を向上することができる。
また、入力電流の小さい領域では、空気調和機としても効率を向上することかできる。
また、逆回復電流を抑制できるのでノイズの発生を抑制でき、空気調和機としてもノイズ対策部品を減らすことができる。
As described above, the
That is, by using the
Further, since the DC voltage can be boosted inside the
In the region where the input current is small, the efficiency can be improved as an air conditioner.
In addition, since the reverse recovery current can be suppressed, the generation of noise can be suppressed, and noise countermeasure parts can be reduced as an air conditioner.
(第6実施形態・空気調和機)
本発明の第6実施形態である空気調和機について、図4を参照して説明する。
図4において、第4実施形態の電源装置40と、モータを備えた電動圧縮機203との接続関係を示している。
電源装置40と電動圧縮機203は、空気調和機に備えられている。
電源装置40については、第4実施形態において説明した。
また、電動圧縮機203を備えた空気調和機については、第5実施形態において、説明した。
第6実施形態である空気調和機は、第4実施形態の電源装置40を搭載していることを以外は、第5実施形態の空気調和機と同様の構成、作用である。
また、第6実施形態に搭載された電源装置40は、第5実施形態に搭載された電源装置20と概ね同様の作用、機能、効果がある。
したがって、第6実施形態である空気調和機は、第5実施形態である空気調和機と、概ね同様の作用、機能、効果がある。
事実上、重複する説明は省略する。
(Sixth embodiment, air conditioner)
The air conditioner which is 6th Embodiment of this invention is demonstrated with reference to FIG.
In FIG. 4, the connection relationship between the
The
The
The air conditioner provided with the
The air conditioner which is 6th Embodiment is the structure and effect | action similar to the air conditioner of 5th Embodiment except mounting the
The
Therefore, the air conditioner according to the sixth embodiment has substantially the same functions, functions, and effects as the air conditioner according to the fifth embodiment.
In practice, duplicate descriptions are omitted.
(その他の実施形態)
以上、本発明の実施形態について図面を参照して詳述したが、本発明はこれら実施形態およびその変形に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲の設計変更等があってもよく、以下にその例をあげる。
(Other embodiments)
As mentioned above, although embodiment of this invention was explained in full detail with reference to drawings, this invention is not limited to these embodiment and its deformation | transformation, There exists a design change etc. of the range which does not deviate from the summary of this invention. Well, here are some examples:
《IGBTのスイッチング素子》
第2実施形態の電源装置を、図2で説明した際には、インバータ17を構成するスイッチング素子をMOSFETで説明した。しかし、インバータ17を構成するスイッチング素子は、MOSFETに限定されない。
インバータ17を構成するスイッチング素子は、IGBTでもよい。またスーパージャンクションMOSFETでもよい。
<Switching element of IGBT>
When the power supply device according to the second embodiment has been described with reference to FIG. 2, the switching elements constituting the
The switching element forming the
《三相交流電源について》
図1においては、交流電源201が単相の場合について説明したが、三相の場合であってもよい。この場合には、少なくとも整流ダイオード11a〜11dの組、およびリアクタ14a、14bの組が、それぞれ3組(U、V、W相用)となる。
<Three-phase AC power supply>
Although the case where the
《空気調和機以外の機器》
第5、第6実施形態においては、第1〜第4実施形態の電源装置を空気調和機に搭載する場合について説明した。
しかし、第1、第3実施形態の電源装置は、交流電源の交流電圧(電力)から直流電圧(電力)を得る電源装置であるので、この電源装置を搭載して有効となる機器としては、空気調和機に限定されない。直流電圧(電力)を直接、または間接に用いる機器は、他にも広くあり、応用できる。
また、第2、第4実施形態の電源装置は、例えば商用の交流電源の交流電圧(電力)から可変電圧、可変周波数の三相交流電圧(電力)を得る電源装置であるので、この電源装置を搭載して有効となる機器としては、空気調和機に限定されない。
可変電圧、可変周波数の三相交流電圧(電力)をもとにモータを駆動し、このモータを搭載する機器は、他にも広くあり、応用できる。
<Devices other than air conditioners>
In 5th, 6th embodiment, the case where the power supply device of 1st-4th embodiment was mounted in an air conditioner was demonstrated.
However, since the power supply device of the first and third embodiments is a power supply device that obtains a DC voltage (power) from the AC voltage (power) of the AC power supply, It is not limited to air conditioners. Devices that directly or indirectly use DC voltage (electric power) are widely available and applicable.
Moreover, since the power supply apparatus of 2nd, 4th embodiment is a power supply apparatus which obtains a variable voltage and a variable frequency three-phase alternating current voltage (electric power) from the alternating voltage (electric power) of commercial alternating current power supply, for example, this power supply apparatus The device that is effective by mounting is not limited to an air conditioner.
A motor is driven based on a three-phase AC voltage (electric power) having a variable voltage and a variable frequency, and devices equipped with this motor are widely available and applicable.
10、20、30、40 電源装置
11a、11b、11c、11d 整流ダイオード
12a、12b、12c、12d 逆阻止ダイオード
13a、13b、13c、13d スイッチング素子(MOSFET)
14、14a、14b リアクタ
15a、15b コイル
16 平滑コンデンサ
17 インバータ
18a、18b、18c、18d、18e、18f スイッチング素子
101 正極側配線
102 負極側配線
201 交流電源
202 負荷
203 電動圧縮機(モータ)
10, 20, 30, 40
14, 14a,
Claims (8)
第5ダイオードのアノードと第1スイッチング素子の第2端子とを接続し、第5ダイオードのカソードを前記正極側配線に接続し、第1スイッチング素子の第1端子を前記負極側配線に接続してなる第1直列回路と、
第6ダイオードのアノードと第2スイッチング素子の第2端子とを接続し、第6ダイオードのカソードを前記正極側配線に接続し、第2スイッチング素子の第1端子を前記負極側配線に接続してなる第2直列回路と、
前記正極側配線と前記負極側配線との間に接続された平滑コンデンサと、
交流電源の第1出力端子と前記整流回路の第1交流入力端子との間に接続される第1リアクタと、
交流電源の第2出力端子と前記整流回路の第2交流入力端子との間に接続される第2リアクタと、
前記第1スイッチング素子の第2端子と前記整流回路の第1交流入力端子との間に接続される第1コイルと、
前記第2スイッチング素子の第2端子と前記整流回路の第2交流入力端子との間に接続される第2コイルと、
を備えることを特徴とする電源装置。 A diode bridge is configured by including first, second, third, and fourth diodes, a connection point between the anode of the first diode and the cathode of the second diode is a first AC input terminal, and A connection point between the anode and the cathode of the fourth diode is a second AC input terminal, a connection point between the cathode of the first diode and the cathode of the third diode is connected to a positive-side wiring, and the anode of the second diode A rectifier circuit formed by connecting a connection point of the anode of the fourth diode to a negative electrode side wiring;
An anode of the fifth diode and a second terminal of the first switching element are connected, a cathode of the fifth diode is connected to the positive electrode side wiring, and a first terminal of the first switching element is connected to the negative electrode side wiring. A first series circuit comprising:
An anode of the sixth diode and a second terminal of the second switching element are connected, a cathode of the sixth diode is connected to the positive side wiring, and a first terminal of the second switching element is connected to the negative side wiring. A second series circuit comprising:
A smoothing capacitor connected between the positive electrode side wiring and the negative electrode side wiring;
A first reactor connected between a first output terminal of an AC power supply and a first AC input terminal of the rectifier circuit;
A second reactor connected between a second output terminal of the AC power source and a second AC input terminal of the rectifier circuit;
A first coil connected between a second terminal of the first switching element and a first AC input terminal of the rectifier circuit;
A second coil connected between a second terminal of the second switching element and a second AC input terminal of the rectifier circuit;
A power supply apparatus comprising:
第5ダイオードのアノードと第1スイッチング素子の第2端子とを接続し、第5ダイオードのカソードを前記正極側配線に接続し、第1スイッチング素子の第1端子を前記負極側配線に接続してなる第1直列回路と、
第6ダイオードのカソードと第2スイッチング素子の第1端子とを接続し、第6ダイオードのアノードを前記負極側配線に接続し、第2スイッチング素子の第2端子を前記正極側配線に接続してなる第2直列回路と、
前記正極側配線と前記負極側配線との間に接続された平滑コンデンサと、
交流電源の第1出力端子と前記整流回路の第1交流入力端子との間に接続されるリアクタと、
前記第1スイッチング素子の第2端子と前記整流回路の第1交流入力端子との間に接続される第1コイルと、
前記第2スイッチング素子の第1端子と前記整流回路の第1交流入力端子との間に接続される第2コイルと、
を備え、
交流電源の第2出力端子と前記整流回路の第2交流入力端子とが接続される
ことを特徴とする電源装置。 A diode bridge is configured by including first, second, third, and fourth diodes, a connection point between the anode of the first diode and the cathode of the second diode is used as a second AC input terminal, and the third diode A connection point between the anode and the cathode of the fourth diode is a first AC input terminal, a connection point between the cathode of the first diode and the cathode of the third diode is connected to a positive-side wiring, and the anode of the second diode A rectifier circuit formed by connecting a connection point of the anode of the fourth diode to a negative electrode side wiring;
An anode of the fifth diode and a second terminal of the first switching element are connected, a cathode of the fifth diode is connected to the positive electrode side wiring, and a first terminal of the first switching element is connected to the negative electrode side wiring. A first series circuit comprising:
The cathode of the sixth diode and the first terminal of the second switching element are connected, the anode of the sixth diode is connected to the negative side wiring, and the second terminal of the second switching element is connected to the positive side wiring. A second series circuit comprising:
A smoothing capacitor connected between the positive electrode side wiring and the negative electrode side wiring;
A reactor connected between a first output terminal of an AC power source and a first AC input terminal of the rectifier circuit;
A first coil connected between a second terminal of the first switching element and a first AC input terminal of the rectifier circuit;
A second coil connected between a first terminal of the second switching element and a first AC input terminal of the rectifier circuit;
With
A power supply apparatus comprising: a second output terminal of an AC power supply connected to a second AC input terminal of the rectifier circuit.
さらに、
前記正極側配線と前記負極側配線とを介して前記平滑コンデンサの直流電圧を入力し、可変周波数の三相交流電圧に変換して出力するインバータを備える
ことを特徴とする電源装置。 The power supply device according to claim 1 or 2,
further,
A power supply apparatus comprising: an inverter that inputs a DC voltage of the smoothing capacitor through the positive electrode side wiring and the negative electrode side wiring, converts the voltage into a three-phase AC voltage having a variable frequency, and outputs the voltage.
前記第1スイッチング素子と第2スイッチング素子がMOSFETからなる
ことを特徴とする電源装置。 In any one of Claims 1 thru | or 3,
The power supply apparatus, wherein the first switching element and the second switching element are made of MOSFETs.
前記MOSFETは、スーパージャンクションMOSFETである
ことを特徴とする電源装置。 In claim 4,
The power supply apparatus, wherein the MOSFET is a super junction MOSFET.
前記リアクタは、インダクタンス値が1mH以上、10mH未満であり、前記コイルは、インダクタンス値が10μH以上、100μH未満である
ことを特徴とする電源装置。 In any one of Claims 1 thru | or 3,
The reactor has an inductance value of 1 mH or more and less than 10 mH, and the coil has an inductance value of 10 μH or more and less than 100 μH.
前記第5、第6ダイオードは、ファーストリカバリーダイオード、またはワイドギャップ半導体のショットキーバリアダイオードである
ことを特徴とする電源装置。 In any one of Claims 1 thru | or 3,
The fifth and sixth diodes are fast recovery diodes or wide-gap semiconductor Schottky barrier diodes.
ことを特徴とする空気調和機。 An air conditioner comprising the power supply device according to any one of claims 1 to 7.
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