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JP3493273B2 - 三相整流器の力率改善回路 - Google Patents

三相整流器の力率改善回路

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JP3493273B2
JP3493273B2 JP35345296A JP35345296A JP3493273B2 JP 3493273 B2 JP3493273 B2 JP 3493273B2 JP 35345296 A JP35345296 A JP 35345296A JP 35345296 A JP35345296 A JP 35345296A JP 3493273 B2 JP3493273 B2 JP 3493273B2
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JP
Japan
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power factor
phase rectifier
factor correction
correction circuit
switch element
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晋也 大藤
哲也 押方
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Shindengen Electric Manufacturing Co Ltd
Original Assignee
Shindengen Electric Manufacturing Co Ltd
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Publication date
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    • HELECTRICITY
    • H02GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02MAPPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M1/00Details of apparatus for conversion
    • H02M1/0083Converters characterised by their input or output configuration
    • H02M1/0085Partially controlled bridges
    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02PCLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
    • Y02P80/00Climate change mitigation technologies for sector-wide applications
    • Y02P80/10Efficient use of energy, e.g. using compressed air or pressurized fluid as energy carrier

Landscapes

  • Rectifiers (AREA)
  • Electronic Switches (AREA)

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、三相整流器の力率
改善回路に於けるスイッチング損失やサージ電圧及びノ
イズ低減に関するものである。
【0002】
【従来の技術】図1は従来の三相整流器の力率改善回
路、図2はこの回路の各部動作波形示す。 図1に於い
て、Q1〜Q6は主スイッチ素子、例えばFET、D1〜
D6は主スイッチ素子Q1〜Q6の寄生ダイオード、C1〜
C6は主スイッチ素子Q1〜Q6の寄生容量又は外付け容
量、L1〜L3は昇圧及び力率改善用のインダクタンス、
C0は 出力平滑用のコンデンサ及びR0は負荷である。
又、VU,VV,VWは三相交流電源の各相電圧、V0は出
力電圧を示す。
【0003】図2の各部動作波形において、(1)は主ス
イッチ素子Q1〜Q6の駆動信号VGS、(2)、(3)
は、それぞれ主スイッチ素子Q1〜Q6のドレイン電流I
DSとドレイン・ソース間電圧VDS、(4)は主スイッチ
素子Q1〜Q6のスイッチング時の損失電力PLである。
又、TON,TOFFは主スイッチ素子Q1〜Q6のオン時間
及びオフ時間、Tは一周期を示す。 (3)
【0004】ドレイン電流IDSとドレイン・ソース間電
圧VDSが重なる時間においては、(4)で示す様なスイ
ッチング時の損失電力PLが発生し、スイッチング動作
が高周波になる程、この損失電力は大きくなり効率が低
下する。
【0005】又、図2の(2)、(3)に示す主スイッ
チ素子Q1〜Q6の電流IDS、電圧VDSが、スイッチング
時に配線等の寄生インダクタンスにより、サージ電圧や
ノイズを発生させる等の問題を起こす。尚、各スイッチ
素子Q1〜Q6のスイッチング時の動作波形は、いずれも
図2と同じである。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】本発明は、この様な従
来技術の問題を解決し、三相整流器の力率改善回路を高
効率化、サージ電圧の低減及び低ノイズ化する事を目的
とするものである。又、従来の準共振型コンバータにみ
られる主スイッチ素子の電圧、電流ストレスを軽減出
来、更に制御上の難かしさも解決出来、コストアップ等
の要因も少なくなる。
【課題を解決する手段】
【0007】本発明は、三相整流器の制御用スイッチ素
子(以下、主スイッチ素子と言う)がスイッチングする
時に、電圧と電流が重ならない様にして、スイッチング
ロスを低減する様に構成されている。更に、主スイッチ
素子の寄生容量を含む並列容量の電荷を負荷に帰還して
効率アップを図る様に構成されている。
【0008】本発明はこれを実現するために、三相交流
入力の各相に昇圧及び力率改善用のインダクタンスを接
続し、定電圧制御された整流電圧を出力する様に構成さ
れた三相整流器の力率改善回路に於いて、三相整流器の
出力端子間に、負荷側の電位 (4) の影響を受けない様にブロッキング素子を介在して、例
えば負荷に順方向のダイオードを介在して、共振チョー
ク、トランスの1次巻線及び補助スイッチ素子がオンし
た時のエネルギー及びトランスの励磁エネルギーを、負
荷に供給するように接続した事を特徴とする。又、共振
チョークはトランスのリーケージインダクタンスであっ
ても構わない。
【0009】そして、補助スイッチ素子がオンする時の
タイミングは、三相整流器の出力電圧制御用の主スイッ
チ素子がオンする前であり、かつ、主スイッチ素子のオ
フ時の並列容量の電荷が、主スイッチ素子がオンする時
にはゼロになるに充分な時間間隔がある必要がある。
又、補助スイッチ素子のオフ時のタイミングは、共振チ
ョークに蓄えられたエネルギーがゼロになった後である
必要がある。
【0010】尚、三相整流器の主スイッチ素子は、三相
全波電圧を制御する様に構成した6個の制御素子でもよ
いし、三相ワンサイドスイッチを制御する様に構成した
3個の制御素子でもよい。また、主スイッチ素子は、三
相整流器を無制御素子で構成し、出力電圧を制御する様
に構成した1個の制御素子でもよい。そして、これらの
制御素子はFET、IGBT、サイリスタ、トランジス
タ等の制御機能を有する素子なら何でも構わない。又、
各主スイッチ素子には、並列にコンデンサ及び逆並列に
ダイオードが接続されており、これらの並列素子は主ス
イッチ素子の寄生容量や寄生ダイオードであっても構わ
ない。
【0011】
【実施の形態】図3は、本発明の三相整流器の力率改善
回路に於ける第一の実施例である。又、図4は、図3の
回路各部動作波形を示す。本発明の回路に於いて、図1
の従来技術と同じ部分は同じ記号を付し、説明の (5) 重複はさける。
【0012】本発明は、三相整流器の出力端子間に、共
振チョークL4とトランスT1の1次巻線及び補助スイッ
チ素子Q7の直列回路を接続する。そしてこの直列回路
は、負荷R0及び平滑用のコンデンサC0の電圧の影響を
受けない様に、負荷側に対してブロッキングする様に回
路を構成する。すなわち、整流器の正側出力端子より順
方向のダイオードD7を介して平滑コンデンサC0及び負
荷R0の正極に接続し、このダイオードD7のアノードに
共振チョークL4の一端を接続し、直列回路の補助スイ
ッチ素子Q7の一端を負極に接続する。
【0013】又、トランスT1の2次巻線の両端は、補
助スイッチ素子Q7がON時のトランスT1の電流及びト
ランスT1の励磁エネルギーを負荷に帰還する様に、ダ
イオードを介して負荷R0側の端子に接続する。図に示
すダイオードはD8の構成は、トランスT1の電流のみを
帰還する様になっているが、トランスT1の2次巻線を
センタータップにして、ダイオードを2ヶ用いて全波整
流構成にすれば、励磁エネルギーも負荷に帰還する事が
出来る。あるいはトランスT1の2次側をブリッジ構成
にして帰還してもよい。
【0014】又、トランスT1の1次巻線NPと2次巻線
NSの巻数比nは、NS/NPとなる様に選ぶ。
【0015】図4は図3の回路の各部動作波形を示し
て、(1)は主スイッチ素子のゲート入力電圧VGS1、
(2)は補助スイッチ素子Q7のゲート入力電圧VGS2、
(3)はダイオードD7のアノード側の電圧Vr、(4)
は補助スイッチ素子Q7に流れるドレイン電流IQ7、
(5)はダイオードD7に流れる電流ID7を表す。又、
V0は出力電圧、IDは主スイッチ素子Q1、Q3、Q5ド
レイン電流の和である。 (6)
【0016】以下、本発明の三相整流器の力率改善回路
について、詳細動作を図3、図4を用いて説明する。説
明を簡単にするため、交流入力のインダクタンスL1〜
L3に流れる電流は、スイッチングの一周期においては
定電流源として扱い、又、主スイッチ素子Q1〜Q6、補
助スイッチ素子Q7、ダイオードD1〜D8、D11の電圧
降下及び配線による電圧降下は無いものとする。
【0017】
【t1〜t2期間】時刻t1で補助スイッチ素子Q7がター
ンオンする。ダイオードのD7に流れていた電流ID7
は、補助スイッチ素子Q7の方へ分流し、時刻t2でゼロ
に達する。又、この時補助スイッチ素子Q7に流れる電
流IQ7の立上がり時間は、共振チョークL4とトランス
T1の1次巻線に発生する電圧、および出力電圧によっ
て決まる。
【0018】補助スイッチQ7の電流IQ7の立上がり時
間は(1)式で表される。 △t1=t2−t1=L4・ID/(V0−V0/n) 但し、IDは主スイッチ素子Q1、Q3、Q5のドレイン
より流れ出る電流の和
【0019】したがって、補助スイッチ素子Q7はゼロ
電流スイッチング(ZCS)動作 を行なうため、補助
スイッチング素子Q7のスイッチング損失は極めて少な
いも のとなる。
【0020】又、トランスT1の2次巻線には、ダイオ
ードD8を通して補助スイッチ素子Q7の電流IQ7のト
ランスの巻数比分の一の電流、すなわちIQ7/nが流
れる。
【0021】又、交流入力のインダクタンスL1〜L3に
は、定電流が流れ続け、ダイオード (7) D7によりVrは出力電流V0にクランプされているた
め、各相の主スイッチ素子Q1〜Q6と並列のいずれかの
コンデンサC1〜C6はV0に充電されている。
【0022】
【t2〜t3期間】時刻t2で補助スイッチ素子Q7の電流
IQ7が電流IDに達すると、出力電圧V0に充電されて
いる主スイッチ素子Q1〜Q6と並列に接続されたコンデ
ンサC1〜C6の電圧が放電を開始する。
【0023】時刻t3でそのコンデンサ電圧がゼロにな
る。すなわち、ダイオードD7のアノードと出力平滑用
のコンデンサC0のマイナス間の電圧Vrがゼロになる。
【0024】そして、Vrがゼロボルトになるまでの時
間は次の式で表すことができる。 △t2=t3−t2=1/W・arc cos〔1/(1−n) (2) W=(L4・C)-1/2 C:出力電圧V0に充電されている各相のコンデンサの
値の和
【0025】又、電圧Vrがゼロボルトになるための条
件は、n≧2でなければならない。更にダイオードD7
の電圧は、ダイオードD7に流れていた電流ID7が、時
刻t2で、ゼロになってからゆるやかに印加されるた
め、リカバリー発生が少ないものとなり、それによりサ
ージ電圧やノイズの発生は極めて少なくなる。
【0026】
【t3〜t4期間】時刻t3で電圧Vrがゼロボルトになる
と、補助スイッチ素子Q7の電流IQ7は、共振チョーク
L4にエネルギーが残っているため、ダイオードD1〜D
6や、オンしている主スイッチ素子を通して流れ続け
る。この期間△t3は次の式より求めることができる。
【0027】 (8) △t3=(t4−t3)=L4〔IQ7(t3)−ID〕/(V0/n) (3) 但しIQ7(t3)は、時刻t3時での補助スイッチ素子
Q7に流れている電流値
【0028】又、この期間で主スイッチ素子がターンオ
ンすることにより、ゼロ電圧スイッチング(ZVS)動
作が可能となる。
【0029】
【t4〜t5期間】時刻t4で補助スイッチ素子Q7に流れ
ていた電流IQ7が主スイッチ素子Q1、Q3、Q5のドレ
インより流れ出る電流の和IDに達するため、主スイッ
チ素子へ分流し始める。そして時刻t5でゼロに達す
る。
【0030】この期間t4は、次式により求めることが
できる。 △t4=t5−t4=L4・ID(V0/n) (4)
【0031】したがって、補助スイッチ素子Q7のター
ンオフは、ゼロ電流スイッチング(ZCS)動作させる
ため、t5以降に設定する必要がある。つまり、補助ス
イッチ素子Q7のターンオフ時間△tは△t1+△t2+
△t3+△4以上にする必要がある。
【0032】図5は、本発明の第2の実施例で、三相整
流器のワンサイドスイッチを制御する制御素子、すなわ
ちQ2、Q4、Q6の3個のスイッチ素子で構成したもの
である。又、図6は、本発明の第3の実施例で、三相整
流器は無制御素子として、出力に1個の制御素子Q8を
用いたものである。いずれの方式の場合も、本発明に係
わる部分の回路構成は変わらない。
【0033】
【発明の効果】 (9) 本発明により、三相整流器の力率改善回路において、ス
イッチング時の共振作用により主スイッチ素子のスイッ
チング損失を低減すると共に、サージ電圧やノイズの低
減に効果があり、補助スイッチ素子自体もスイッチング
損失が極めて少なく、コンバータの高効率化、低ノイズ
化及び小型化が実現出来、産業上の効果大である。
【図面の簡単な説明】
【図1】従来の三相整流器力率改善回路。
【図2】従来の三相整流器力率改善回路の各部動作波
形。
【図3】本発明の三相整流器力率改善回路の第一の実施
例。
【図4】本発明の第一実施例の各部動作波形。
【図5】本発明の三相整流器力率改善回路の第二の実施
例。
【図6】本発明の三相整流器力率改善回路の第三の実施
例。
【符号の説明】
L1〜L3 インダクタンス L4 共振チョーク Q1〜Q6,Q11 主スイッチ素子 Q7 補助スイッチ素子 D1〜D8,D01〜D06,D11 ダイオード C1〜C6,C11 コンデンサ T1 トランス C0 平滑コンデンサ R0 負荷
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) H02M 7/217 H02M 7/219 H03K 17/16

Claims (8)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 三相交流入力の各相にインダクタンスを
    接続し、制御整流電圧を出力する三相整流器の力率改善
    回路に於いて、 前記三相整流器の出力端子間に、負荷側の電位の影響を
    受けない様に、ブロッキング素子を介して、共振チョー
    ク、トランスの1次巻線及び補助スイッチ素子の直列回
    路を接続し、かつ前記トランスの2次巻線より、前記補
    助スイッチ素子がオン時のエネルギー及び前記トランス
    の励磁エネルギーを、負荷に供給するように接続した事
    を特徴とする三相整流器の力率改善回路。
  2. 【請求項2】 請求項1記載の三相整流器の力率改善回
    路に於いて、 前記共振チョークは、トランスのリーケージインダクタ
    ンスである事を特徴とする三相整流器の力率改善回路。
  3. 【請求項3】 請求項1記載の三相整流器の力率改善回
    路に於いて、 前記ブロッキング素子は、負荷に順方向のダイオードで
    ある事を特徴とする三相整流器の力率改善回路。
  4. 【請求項4】 請求項1記載の三相整流器の力率改善回
    路に於いて、 前記補助スイッチ素子のオン時のタイミングは、前記三
    相整流器の出力電圧制御用の主スイッチ素子がオンする
    前であり、かつ前記主スイッチ素子オフ時の並列容量の
    電荷がオン時にはゼロになっている時間間隔を有し、
    又、前記補助スイッチ素子のオフ時のタイミングは、前
    記共振チョークのエネルギーがゼロになった後である事
    を特徴とする三相整流器の力率改善回路。
  5. 【請求項5】 請求項4記載の三相整流器の力率改善回
    路に於いて、 前記主スイッチ素子は、三相全波電圧を制御する制御素
    子である事を特徴とする三相整流器の力率改善回路。
  6. 【請求項6】 請求項4記載の三相整流器の力率改善回
    路に於いて、 前記主スイッチ素子は、三相ワンサイドスイッチを制御
    する制御素子である事を特徴とする三相整流器の力率改
    善回路。 (2)
  7. 【請求項7】 請求項4記載の三相整流器の力率改善回
    路に於いて、 前記主スイッチ素子は、三相全波出力の無制御電圧を制
    御する制御素子である事を特徴とする三相整流器の力率
    改善回路。
  8. 【請求項8】 請求項5〜7のいずれか1項記載の三相
    整流器の力率改善回路に於いて、 前記制御素子は、FET,IGBT、サイリスタ又はト
    ランジスタのいずれかである事を特徴とする三相整流器
    の力率改善回路。
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