JP3681596B2

JP3681596B2 - 直流電源装置

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Publication number: JP3681596B2
Application number: JP36607199A
Authority: JP
Inventors: 治義森; 政男津田; 康宏藪西
Original assignee: Toshiba Mitsubishi Electric Industrial Systems Corp
Current assignee: Toshiba Mitsubishi Electric Industrial Systems Corp
Priority date: 1999-12-24
Filing date: 1999-12-24
Publication date: 2005-08-10
Anticipated expiration: 2019-12-24
Also published as: JP2001186768A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、交流を直流に変換する整流装置等の直流電源装置に関するものであり、特に半導体スイッチング素子から発生するノイズと半導体スイッチング素子の損失を低減する技術に関する。
【０００２】
【従来の技術】
図１３は、従来の整流装置を示す回路図であり、電気学会技術報告第６３５号に示された昇圧形単相ＡＣ−ＤＣコンバータ（昇圧形交流−直流変換器）である。
図において、１は交流電源、２は交流電源１を整流して直流に変換するダイオード整流器で、ダイオード３、４、５、６で構成される。７はリアクトル、８はリアクトル７に流れる電流を制御すると共に、直流回路に接続されたコンデンサ１０及び負荷１１の電圧を制御する昇圧回路用スイッチである。１２は昇圧回路用スイッチを構成し、交流電源１をリアクトル７を介して短絡させるスイッチ、１３は昇圧回路用スイッチを構成するダイオードで、スイッチ１２が開路したときにリアクトル７の電流を直流出力に流し込むよう動作する。
【０００３】
図１４は、従来の整流装置の動作を示すタイミングチャートであり、図１４（ａ）は入力電圧波形、図１４（ｂ）は交流電源１に流れる入力電流波形、図１４（ｃ）〜図１４（ｉ）は時刻Ｔ１からＴ５までの図１４（ｂ）の拡大波形、図１４（ｈ）はスイッチ１２のオンオフ状態を示している。
【０００４】
次に、動作について図１４の波形を併用して説明する。
図１４において、図には示されていない制御回路によって、負荷１１の両端電圧を制御しながら図１４（ｂ）の入力電流を図１４（ａ）の入力電圧に同期した正弦波に近づくようにスイッチ１２をオンオフ制御する。一般に、図１３に示す回路構成の場合は、負荷１１の両端電圧は、入力電圧のピーク値よりも高くなるように設定されている。リアクトル７に流れる電流は、入力電流波形を整流した波形になる。図１４（ｃ）、図１４（ｄ）、図１４（ｇ）、図１４（ｉ）は、時刻Ｔ１からＴ５までの拡大波形であり、各々ダイオード１３の電流、スイッチ１２の電流、ダイオード１３の電圧、ダイオード１３の瞬時損失を示したものである。
【０００５】
図１３において、交流電源１の正弦波電圧波形は、整流器２によって正の電圧に変換される。スイッチ１２は、この整流された電圧を、リアクトル７を介して開閉する。スイッチ１２が閉路中はリアクトル７の電流は図１４（ｄ）の時刻Ｔ１からＴ４に示すようにスイッチ１２を通って増加し、開路中は図１４（ｄ）の時刻Ｔ４からＴ５に示すように、リアクトル７はダイオード１３を通って直流電源に接続されるため電流は減少する。時刻Ｔ５以降は時刻Ｔ１からＴ５までの現象が繰り返される。
【０００６】
この回路において、直流回路に設けられたコンデンサ１０、ダイオード１３、スイッチ１２の回路インダクタンスは、スイッチ１２のスイッチング時の電圧サージを抑制するために、極力小さく設計される。一方、ダイオード１３は、スイッチ１２がターンオンし、ダイオード１３がターンオフする時（図１４の時刻Ｔ１からＴ３）、上記回路インダクタンスが小さいほど逆回復電流（図１４（ｃ）のＩｒｒ）が大きくなり、また逆回復時の電流変化率（図１４（ｃ）の時刻Ｔ２からＴ３）も大きくなるために、スイッチング損失（図１４（ｉ））及び発生ノイズが大きくなる。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
従来の整流装置は、以上のように構成されているので、スイッチング時のサージ電圧を少なくしようとすると、ダイオード１３がオフするときの逆回復電流が増加し、スイッチング損失及び発生ノイズが増加するなどの問題点があった。
【０００８】
この発明は、上記のような問題点を解決するためになされたものであり、ダイオードがオフする時の逆回復電流を抑制して、スイッチの損失及び発生ノイズを低減することができる直流電源装置を得ることを第一の目的とする。
また、運転継続性を強化した直流電源装置を得ることを第二の目的にしている。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
この発明に係わる直流電源装置においては、第一のスイッチと第一のダイオードが第一の直列接続点を介して直列に接続された第一の直列回路と、この第一の直列回路に並列に接続されると共に、第二のスイッチと第二のダイオードが第二の直列接続点を介して直列に接続された第二の直列回路と、電源と第一の直列回路及び第二の直列回路に接続され、第一のスイッチまたは第二のスイッチが閉路したとき、電源から電流が入力されると共に、閉路したスイッチが開路したとき、直流電流を負荷に出力する第一のリアクトルと、電源と第一の直列接続点との間に接続された第二のリアクトルと、電源と第二の直列接続点との間に接続された第三のリアクトルを備え、第一のスイッチ及び第二のスイッチは、いずれか一方が閉路するよう制御され、さらに、第二のリアクトル及び第三のリアクトルのリアクタンスＬ２は、電源の入力電圧のピーク値をＶｉｎ、負荷への出力電圧をＶＤ、第一のダイオード及び第二のダイオードの通電時順電圧降下をＶＦ１、第一のダイオード及び第二のダイオードの電流が流れ始める電圧をＶＦ０、第一のリアクトルのリアクタンスをＬ１としたとき、（ＶＦ１−ＶＦ０）≦（ＶＤ−Ｖｉｎ）Ｌ２／（Ｌ１＋Ｌ２）の関係にあるものである。
【００１０】
また、第一のスイッチと第一のダイオードが第一の直列接続点を介して直列に接続された第一の直列回路と、この第一の直列回路に並列に接続されると共に、第二のスイッチと第二のダイオードが第二の直列接続点を介して直列に接続された第二の直列回路と、第一のスイッチまたは第二のスイッチが閉路したとき、電源から電流が入力されるよう接続されると共に、上記閉路した第一のスイッチまたは第二のスイッチが開路したとき、それぞれ第一のダイオードまたは第二のダイオードを介して直流電流を負荷に出力するよう接続された第一のリアクトルと、この第一のリアクトルと第一の直列接続点との間に接続された第二のリアクトルと、第一のリアクトルと第二の直列接続点との間に接続された第三のリアクトルを備え、第一のスイッチ及び第二のスイッチは、いずれか一方が閉路するよう制御され、さらに、第二のリアクトル及び第三のリアクトルのリアクタンスＬ２は、電源の入力電圧のピーク値をＶｉｎ、負荷への出力電圧をＶＤ、第一のダイオード及び第二のダイオードの通電時順電圧降下をＶＦ１、第一のダイオード及び第二のダイオードの電流が流れ始める電圧をＶＦ０、第一のリアクトルのリアクタンスをＬ１としたとき、（ＶＦ１−ＶＦ０）≦（ＶＤ−Ｖｉｎ）Ｌ２／（Ｌ１＋Ｌ２）の関係にあるものである。
【００１１】
さらにまた、ダイオードを用いて構成され、交流電源を整流して直流に変換する整流器を備え、第一のリアクトルは整流器の出力側に挿入されているものである。
また、ダイオードを用いて構成され、交流電源を整流して直流に変換する整流器を備え、第一のリアクトルは整流器の入力側に挿入されているものである。
【００１２】
また、第一の直列回路及び第二の直列回路は、電源の正の半サイクルと電源の負の半サイクルとに対応して、それぞれ二組のスイッチとダイオードの直列回路によって形成されているものである。
加えて、第一のリアクトルは、電源の正の半サイクルと電源の負の半サイクルとに対応して、二つ設けられているものである。
また、ダイオードを用いて構成され、交流電源を整流して直流に変換するハーフブリッジの整流器を備えたものである。
また、第一の直列回路に並列に接続されると共に互いに直列に接続された二つのコンデンサを備え、二つのコンデンサは、電源の正の半サイクルと電源の負の半サイクルとに対応しているものである。
【００１３】
また、第一のスイッチと第二のスイッチは、交互に閉路されるものである。
また、第二のリアクトル及び第三のリアクトルは、それぞれ電流に対して線形のリアクタンスを有するリアクトルと、このリアクトルに直列に接続された過飽和リアクトルによって構成されているものである。
【００１４】
また、整流器を構成するダイオードの一部は、サイリスタによって代替されているものである。
加えて、負荷電流を検出して予め設定されている設定値と比較して過負荷を検出する過負荷検出回路と、この過負荷検出回路によって過負荷が検出されたとき、第一のスイッチ及び第二のスイッチを同時にスイッチングさせる制御信号を形成する第一の信号合成器を備えたものである。
【００１５】
また、負荷電流を検出して予め設定されている設定値と比較して過負荷を検出する過負荷検出回路と、第一のスイッチ及び第二のスイッチのスイッチング周波数を切換えるスイッチング周波数切換回路を備え、過負荷検出回路によって過負荷が検出されたとき、スイッチング周波数切換回路は、第一のスイッチ及び第二のスイッチのスイッチング周波数を低下させるものである。
【００１６】
また、第一のスイッチの異常を検出する第一の異常検出回路と、第二のスイッチの異常を検出する第二の異常検出回路と、第一の異常検出回路及び第二の異常検出回路のいずれか一方により、異常が検出されたとき、過負荷検出回路の過負荷検出レベルを切換える過負荷検出レベル切換回路を備えたものである。
【００１７】
さらに、第一のスイッチの異常を検出する第一の異常検出回路と、第二のスイッチの異常を検出する第二の異常検出回路と、第一の異常検出回路及び第二の異常検出回路のいずれか一方により、異常が検出されたとき、異常でない方のスイッチをスイッチングさせるよう制御信号を形成する第二の信号合成器を備えたものである。
【００１８】
【発明の実施の形態】
実施の形態１．
以下、この発明の実施の形態１を図に基づいて説明する。
図１は、この発明の実施の形態１による直流電源装置を示す回路図である。
図１において、１は交流電源、２は交流電源１を整流して直流に変換するダイオード整流器で、ダイオード３、４、５、６によって構成される。７は第一のリアクトル、８はリアクトル７に流れる電流を制御すると共に直流回路に接続されたコンデンサ１０及び負荷１１の電圧を制御する第一の直列回路である昇圧回路用スイッチであり、交流電源１をリアクトル７を介して短絡させる第一のスイッチ１２と、このスイッチ１２と第一の直列接続点を介して直列に接続されスイッチ１２が開路したときにリアクトル７の電流を直流出力に流し込むよう動作する第一のダイオード１３によって構成される。１５は昇圧回路用スイッチ８と並列に接続された昇圧回路用スイッチ８と同様の第二の直列回路である昇圧回路用スイッチで、昇圧回路用スイッチ８と同様に、第二のスイッチ１６と、このスイッチ１６と第二の直列接続点を介して直列に接続された第二のダイオード１７によって構成されている。ここで、スイッチ１２、１６は半導体スイッチング素子によって形成されている。
１８はリアクトル７と昇圧回路用スイッチ８の第一の直列接続点の間に設けられた第二のリアクトル、１９はリアクトル７と昇圧回路用スイッチ１５の第二の直列接続点の間に設けられた第三のリアクトルである。リアクトル１８、１９は昇圧回路用スイッチ８及び昇圧回路用スイッチ１５間で電流を移行するときに、ダイオードがオフするときの電流の変化率を抑制するために設けられている。
【００１９】
図２は、この発明の実施の形態１による直流電源装置の動作を示すタイミングチャートであり、図２（ａ）は入力電圧波形、図２（ｂ）は交流電源１に流れる入力電流波形である。図２（ｃ）〜図２（ｌ）は時刻Ｔ１からＴ９までの図２（ｂ）の拡大波形であり、図２（ｃ）はダイオード１３の電流、図２（ｄ）はスイッチ１２の電流、図２（ｅ）はダイオード１７の電流、図２（ｆ）はスイッチ１６の電流、図２（ｇ）はダイオード１３の電圧、図２（ｈ）はダイオード１７の電圧、図２（ｉ）はダイオード１３の瞬時損失、図２（ｊ）はダイオード１７の瞬時損失である。図２（ｋ）はスイッチ１２のオンオフ状態、図２（ｌ）はスイッチ１６のオンオフ状態を示している。
【００２０】
次に、動作について図を用いて説明する。
図２において、図示されていない制御回路によって、負荷１１の両端電圧を制御しながら、図２（ｂ）の入力電流を、図２（ａ）の入力電圧に同期した正弦波に近づくように、スイッチ１２及びスイッチ１６を交互にオンオフ制御する。
一般に、図１に示す回路構成の場合は、負荷１１の両端電圧は、入力電圧のピーク値よりも高くなるように設定されている。リアクトル７に流れる電流は、入力電流波形を整流した波形になる。
【００２１】
図１において、交流電源１の正弦波電圧波形は、整流器２によって正の電圧に変換される。スイッチ１６は、この整流された電圧をリアクトル７を介して開閉する。スイッチ１６が閉路中は、リアクトル７の電流は図２（ｆ）の時刻Ｔ１からＴ４に示すようにスイッチ１６を通じて増加し、スイッチ１６が開路中は、図２（ｅ）の時刻Ｔ４からＴ５に示すように、リアクトル７はダイオード１７を通じて負荷１１に接続されるため、リアクトル７の電流は減少する。
時刻Ｔ５以降は、時刻Ｔ１からＴ５までのスイッチ１６の代わりにスイッチ１２が開閉する。時刻Ｔ５においてスイッチ１２が閉路すると、それまでダイオード１７に流れていた電流は、時刻Ｔ５からＴ７の間にリアクトル１８、１９を通じてスイッチ１２に移行する。時刻Ｔ５からＴ６までのダイオード１７の電流変化率は、リアクトル１８、１９のリアクタンスで直流電圧ＶＤを除した値になる。
時刻Ｔ７以降は、リアクトル７の電流は、図２（ｄ）の時刻Ｔ７からＴ８に示すようにスイッチ１２を通じて増加し、スイッチ１２が開路する時刻Ｔ８からＴ９の間は、リアクトル７はダイオード１３を通じて負荷１１に接続されるため、図２（ｃ）に示すようにリアクトル７の電流は減少する。時刻Ｔ９以降は、時刻Ｔ１からＴ９までの現象が繰り返される。
【００２２】
この回路において、スイッチ１６もしくはスイッチ１２をオンした時のダイオード１３とダイオード１７の電流変化率は、リアクトル１８、１９のインダクタンスで決定できるため、従来とは異なり、ターンオフ時のｄｉ／ｄｔに依存するダイオードの逆回復電流（Ｉｒｒ）を直流回路のインダクタンス（直流回路に設けられたコンデンサ１０と、ダイオード１３またはダイオード１７と、スイッチ１２またはスイッチ１６の回路インダクタンス）に関係なく決定できる。
【００２３】
なお、たとえばダイオード１３に電流が流れている時は、順電圧降下が発生する。リアクトル１８、１９が無い場合は、ダイオード１７に順方向電圧が印加されるので、ダイオード１７にも電流が流れてしまう。しかしながら、たとえばダイオード１３に電流が流れている場合には、リアクトル１８には、直流電圧ＶＤと交流入力電圧Ｖｉｎとの差の電圧をリアクトル７（インダクタンスＬ１）とリアクトル１８で分圧した電圧（（ＶＤ−Ｖｉｎ）＊Ｌ２／（Ｌ１＋Ｌ２））が、ダイオード１７に逆バイアスをかける方向に印加されるため、このリアクトル１８に印加される電圧を、ダイオード１７の通流時の順電圧降下ＶＦ１とダイオード１７に電流が流れ始める電圧ＶＦ０との差電圧（ＶＦ１−ＶＦ０）よりも大きくすることで、電流が流れていない方のダイオード１７へ電流が移行することを防ぐことができる。
【００２４】
すなわち、下記（１）式の関係でリアクトル１８及びリアクトル１９のインダクタンスＬ２を選べばよい。
（ＶＦ１−ＶＦ０）≦（ＶＤ−Ｖｉｎ）＊Ｌ２／（Ｌ１＋Ｌ２）・・・（１）
ただし、
Ｖｉｎ：入力電圧のピーク値（Ｖ）
ＶＤ：直流出力電圧（Ｖ）
ＶＦ１：スイッチと直列に接続されたダイオードの通電時順電圧降下（Ｖ）
ＶＦ０：電流が流れ始めるダイオードの電圧（Ｖ）
Ｌ１：リアクトル７のリアクタンス（Ｈ）
Ｌ２：リアクトル１８またはリアクトル１９のリアクタンス（Ｈ）
である。
【００２５】
実施の形態１によれば、昇圧回路用スイッチ８、１５を並列に設け、それぞれとリアクトル７の間にリアクトル１８、１９を設けたので、ダイオードがオフする時の電流の変化率を抑制することができ、スイッチング損失及び発生ノイズを低減することができる。
【００２６】
実施の形態２．
図３は、この発明の実施の形態２による直流電源装置を示す回路図である。
図において、１〜１９は図１におけるものと同一のものである。
実施の形態１では、リアクトル７を直流側に設ける構成としたが、実施の形態２では、リアクトル７を交流電源１側に設けている。
【００２７】
直流電源装置におけるリアクトル７は、物理的に大きく、また発熱が大きいために、部品と離して配置されることが多いと共に、ダイオード３、４、５、６及びスイッチとダイオードの直列回路８、１５は、冷却片上にまとめて配置されることが多いことから、図３に示すように、交流電源１側にリアクトル７を配置することで、冷却片からリアクトル７までの往復配線をなくすことができる。
【００２８】
したがって、実施の形態２では、作業時間の短縮と低コスト化を図ることができる。
【００２９】
実施の形態３．
図４は、この発明の実施の形態３による直流電源装置を示す回路図である。
図において、１、２、８、１０、１１、１５、１８、１９は図１におけるものと同一のものである。７ａ、７ｂはリアクトル、１２ａ、１２ｂは昇圧回路用スイッチ８を構成し半導体スイッチング素子によって形成されるスイッチ、１３ａ、１３ｂは昇圧回路用スイッチ８を構成するダイオード、１６ａ、１６ｂは、昇圧回路用スイッチ１５を構成し、半導体スイッチング素子によって形成されるスイッチ、１７ａ、１７ｂは昇圧回路用スイッチ１５を構成するダイオードである。
【００３０】
図４のスイッチ１２ａ、１６ａとダイオード１３ａ、１７ａ及びリアクトル７ａは、交流電源の正の半サイクルで電流を流すために使用し、スイッチ１２ｂ、１６ｂとダイオード１３ｂ、１７ｂとリアクトル７ｂは、交流電源の負の半サイクルで電流を流すために使用する。
【００３１】
実施の形態１では、フルブリッジの整流器２で整流する場合について述べたが、実施の形態３は、図４に示すように、ハーフブリッジの整流器２と、ハーフブリッジのスイッチとダイオードの組み合わせによる昇圧回路用スイッチ８、１５の場合であっても、同様の効果を得ることができる。
【００３２】
次に、実施の形態３の回路動作について説明する。
一般に、この回路構成の場合は、負荷１１の両端電圧は交流電源１の電圧ピーク値よりも高くなるように設定されている。装置は図示されていない制御回路によって、負荷１１の両端電圧を制御しながら、交流電源１の正の半サイクルでは、スイッチ１２ａとスイッチ１６ａを、図１の回路のスイッチ１２、１６と同様に、交互にオン・オフ制御し、整流器２の直流回路負側母線に接続されたダイオード１３ｂ、１７ｂ及びリアクトル７ｂを通って流れる電流波形が、交流電源１の正弦波の正側の波形に近づくように制御する。
また、交流電源１の負の半サイクルでは、スイッチ１２ｂとスイッチ１６ｂを、交互にオン・オフ制御し、整流器２の直流回路正側母線に接続されたダイオード１３ａ、１７ａ及びリアクトル７ａを通って流れる電流波形が、交流電源１の正弦波の負側の波形に近づくように制御する。
【００３３】
図４の回路の場合は、図１に示した回路の整流器２をハーフブリッジ構成とし、昇圧回路用スイッチ回路８、１５及びリアクトル７ａ、７ｂの動作を、交流電源１の極性すなわち整流器２のダイオードの動作極性にあわせて変更するようにしている。従って、動作としては図１の回路の昇圧回路用スイッチ８、１５を、それぞれ交流電源１の電圧極性毎に二回路持つように構成したものと同様であり、リアクトル１８、１９の動作および選定方法も同様となる。なお、実施の形態１の（1）式で、リアクトル７ａ及びリアクトル７ｂは、それぞれＬ１のリアクタンスを有するものとする。
【００３４】
実施の形態３は、電流が通過する半導体素子の数が少ないので損失が少ないため、冷却用部品を含めて小型・低コスト化を図ることができる。
【００３５】
実施の形態４．
図５は、この発明の実施の形態４による直流電源装置を示す回路図である。
図において、１、２、８、１０、１１、１２ａ、１２ｂ、１３ａ、１３ｂ、１５、１６ａ、１６ｂ、１７ａ、１７ｂ、１８、１９は図４におけるものと、７は図１におけるものとそれぞれ同一のものである。
実施の形態３では、リアクトル７ａ、７ｂを直流側に設ける構成としたが、実施の形態４は、リアクトル７を交流電源１側に設けている。
【００３６】
次に、実施の形態４の回路動作について説明する。
一般に、この回路構成の場合は、負荷１１の両端電圧は、交流電源１の電圧ピーク値よりも高くなるように設定されている。装置は図示されていない制御回路によって、負荷１１の両端電圧を制御しながら、交流電源１の正の半サイクルでは、スイッチ１２ａとスイッチ１６ａを、図１の回路のスイッチ１２、１６と同様に、交互にオン・オフ制御し、整流器２の直流回路負側母線に接続されたダイオード１３ｂ、１７ｂ及びリアクトル７を通って流れる電流波形が、交流電源１の正弦波の正側の波形に近づくように制御する。
また、交流電源１の負の半サイクルでは、スイッチ１２ｂとスイッチ１６ｂを交互にオン・オフ制御し、整流器２の直流回路正側母線に接続されたダイオード１３ａ、１７ａ及びリアクトル７を通って流れる電流波形が、交流電源１の正弦波の負側の波形に近づくように制御する。図５の回路の場合は、図３に示した回路の整流器２をハーフブリッジ構成とし、昇圧回路用スイッチ回路８、１５の動作を、交流電源１の極性すなわち整流器２のダイオードの動作極性にあわせて変更するようにしている。
【００３７】
従って、動作としては、図３の回路の昇圧回路用スイッチ８、１５を、それぞれ交流電源１の電圧極性毎に二回路持つように構成したものと同様であり、リアクトル１８、１９の動作および選定方法も同様となる。
【００３８】
直流電源装置におけるリアクトル７は、物理的に大きくまた発熱が大きいために他の部品と離して配置されることが多いと共に、整流器２を構成するダイオード及びスイッチとダイオードの直列回路８、１５は、冷却片上にまとめて配置されることが多いことから、図５に示すように、交流電源１側にリアクトル７を配置することで、冷却片からリアクトル７までの配線をなくすことができる。
【００３９】
したがって、実施の形態４によれば、作業時間の短縮と低コスト化を図ることができ、さらに実施の形態１及び２に比べて、実施の形態３と同様に損失及びコストを低減することができる。
【００４０】
実施の形態５．
図６は、この発明の実施の形態５による直流電源装置を示す回路図である。
図において、１、２、７、８、１１、１２ａ、１２ｂ、１３ａ、１３ｂ、１５、１６ａ、１６ｂ、１７ａ、１７ｂ、１８、１９は図５におけるものと同一のものである。１０ａ、１０ｂは直列に接続されたコンデンサである。
【００４１】
次に、実施の形態５の回路動作について説明する。
図６の回路の場合は、直流回路のコンデンサ１０ａ，１０ｂを交流電源１の正極性用、負極性用に各々設けることで、図５の回路で必要だった整流回路２を削除している。一般に、この回路構成の場合は、直流回路のコンデンサ１０ａ、１０ｂの各々の電圧は、交流電源１の電圧のピーク値よりも高くなるように設定されており、負荷１１の両端電圧はコンデンサ１０ａ、１０ｂの電圧の和となる。装置は図示されていない制御回路によって、コンデンサ１０ａ、１０ｂの各々の電圧が負荷１１の両端電圧の１／２となるように制御しながら、交流電源１の正の半サイクルでは、スイッチ１２ａとスイッチ１６ａを、図１の回路のスイッチ１２、１６と同様に、交互にオン・オフ制御し、リアクトル７を通って流れる電流波形が、交流電源１の正弦波の正側の波形に近づくように制御する。
また、交流電源１の負の半サイクルでは、スイッチ１２ｂとスイッチ１６ｂを交互にオン・オフ制御し、リアクトル７を通って流れる電流波形が、交流電源１の正弦波の負側の波形に近づくように制御する。
【００４２】
この図６の回路の場合は、直流回路のコンデンサ１０ａ、１０ｂを、交流電源１の正極性用及び負極性用に各々設けることで、図５の回路ではコンデンサ１０が直流母線間に１組しか使用していないために、交流電源１を直流に変換するために必要だった整流回路２を削除しているが、昇圧回路用スイッチ８、１５の動作としては、図５の回路の昇圧回路用スイッチ８、１５と同様であり、リアクトル１８、１９の動作および選定方法も同様となる。
【００４３】
実施の形態４では、整流器２を設けた場合について述べたが、実施の形態５は、図６に示すように、直流回路のコンデンサを２分割し、コンデンサ１０ａ、１０ｂを設ける構成とすることにより、整流器２を削除することができる。
【００４４】
実施の形態５では、整流器を削除することで、さらに損失とコストを低減することができる。
【００４５】
実施の形態６．
図７は、この発明の実施の形態６による直流電源装置を示す回路図である。
図において、１、２、４、６〜１９は図１におけるものと同一のものである。３ａ、５ａは整流器２を構成するサイリスタである。
【００４６】
実施の形態１では、整流器２として、ダイオード３、５を使用していたが、実施の形態６は、図７に示すように、これをサイリスタ３ａ、５ａとしている。
【００４７】
これにより、実施の形態６では、起動時の突入電流を低減することができ、整流器２のダイオードの過電流耐量を低減できるので、小型、低コストを図ることができる。
これは、実施の形態３、４、５の整流用ダイオードをサイリスタにした場合についても同様の効果がある。
【００４８】
実施の形態７．
図８は、この発明の実施の形態７による直流電源装置を示す回路図である。
図において、１〜１７は図１におけるものと同一のものである。１８ａ、１９ａは電流に対して線形のリアクタンス特性を有するリアクトル、１８ｂ、１９ｂは過飽和リアクトルである。
【００４９】
実施の形態１では、昇圧回路用スイッチ８、１５を構成するスイッチとダイオードの接続点と電源側との間に使用するリアクトル１８、１９は、電流に対して線形のリアクタンス特性を有するものであったが、実施の形態７は、図８に示すように、電流に対して線形のリアクタンス特性を有するリアクトル１８ａ、１９ａと過飽和リアクトル１８ｂ、１９ｂとの各々の直列回路を適用した。これにより、たとえばスイッチ１６がオフし、ダイオード１７に電流が流れている状態から、スイッチ１２がオンしてダイオード１７の電流がなくなる直前の逆回復現象のためにダイオード電流極性が反転した時（図２の時刻Ｔ６の直前の波形（ｅ）の極性が反転するとき）に過飽和リアクトルの特性により、大きなインダクタンスを持つため、電流のｄｉ／ｄｔがさらに抑制される。
【００５０】
この結果、実施の形態７では、ダイオードのオフ時のスイッチング波形がさらになめらかになることで、スイッチングに伴うノイズの発生及び損失がさらに低減できる。
これは、実施の形態３、４、５に用いても同様の効果がある。
【００５１】
実施の形態８．
図９は、この発明の実施の形態８による直流電源装置を示す回路図である。
図において、１〜１９は図１におけるものと同一のものである。２１は負荷電流を検出する電流センサ、２２は電流センサ２１で検出した電流値と予め設定した電流値を比較して設定レベル以上の負荷電流が流れている場合の過負荷を検出する過負荷検出回路、２３は過負荷検出回路２２の出力により、スイッチ１２とスイッチ１６にそれまで与えていた信号の論理和信号を形成して、スイッチ１２、１６に制御信号として出力する第一の信号合成器である。
【００５２】
実施の形態１では、スイッチ１２、１６は交互に導通するようにしたが、実施の形態８は、図９に示すように、予め設定した電流値と電流センサ２１の検出値とを比較し、設定レベル以上の電流が流れている場合に、過負荷を検出する過負荷検出回路２２の出力信号により、スイッチ１２、１６にそれまで与えていた信号の論理和信号を信号合成器２３によって形成し、スイッチ１２、１６に同時に出力する。これにより、通常運転状態では、初期の低ノイズ、高効率性能を実現すると共に、過負荷時にはスイッチ１２、１６に同時に電流が流れ、ダイオード１３、１７も同時にオフするようになる。
【００５３】
したがって、実施の形態８では、ダイオードの逆回復に伴うノイズが増えるものの、スイッチ及びダイオードに流れる電流が１／２になることで、スイッチ及びダイオードの損失を低減し、運転継続性を強化できる。
【００５４】
実施の形態９．
図１０は、この発明の実施の形態９による直流電源装置を示す回路図である。
図において、１〜２２は図９におけるものと同一のものである。２４は過負荷検出回路２２の出力によりスイッチ１２、１６のスイッチング周波数を低下させるスイッチング周波数切換回路である。
【００５５】
実施の形態１では、スイッチ１２、１６は一定周波数で動作するようにしたが、実施の形態９は、図１０に示すように、過負荷検出回路２２で過負荷を検出したとき、スイッチング周波数切換回路２４により、スイッチ１２、１６のスイッチング周波数を低下させる。
【００５６】
これにより、実施の形態９では、過負荷運転時は、リアクトル７に印加されるＰＷＭ周波数が低下することで、リアクトル７のリップル電流は増加するが、スイッチング損失の減少により、運転継続性を強化できる。
【００５７】
実施の形態１０．
図１１は、この発明の実施の形態１０による直流電源装置を示す回路図である。
図において、１〜１９は図１におけるものと同一のものである。２５、２６はそれぞれスイッチ１２、１６の異常を検出する異常検出回路、２７はスイッチ１２、１６のオンオフ信号を発生させるオンオフ信号発生回路、２８は異常検出回路２５、２６の出力及びオンオフ信号発生回路２７の出力が入力される第二の信号合成器で、異常検出回路２５、２６のいずれかが動作したときは、健全な側のスイッチに、スイッチ１２、１６にそれまで与えていた信号の論理和信号を制御信号として出力する。
【００５８】
実施の形態１では、スイッチ１２、１６は交互に導通するようにしたが、実施の形態１０は、図１１に示すように、スイッチ１２、１６の異常検出回路２５、２６のいずれかが動作したとき、スイッチ１２、１６にそれまで与えていた信号の論理和信号を信号合成器２８によって形成し、健全な側のスイッチに出力する。
【００５９】
実施の形態１０では、これにより、通常の健全運転状態では、初期の低ノイズ、高効率性能を実現すると共に、故障時の運転継続性を強化できる。
【００６０】
実施の形態１１．
図１２は、この発明の実施の形態１１による直流電源装置を示す回路図である。
図において、１〜１９、２５〜２８は図１１におけるものと、２１、２２は図１０におけるものとそれぞれ同一のものであり、過負荷検出回路２２は、図示されていないスイッチング周波数切換回路に出力を行う。２９は過負荷検出回路２２に設けられ、異常検出回路２５、２６のいずれかが動作したとき、過負荷検出レベルを切換える過負荷検出レベル切換回路である。
【００６１】
実施の形態１０では、スイッチの異常検出回路２５、２６を設けると共に、異常検出回路２５、２６のいずれかが動作したときは、健全な側のスイッチを動作させる手段を設けたが、実施の形態１１は、図１２に示すように、スイッチの異常検出回路２５、２６のいずれかが動作したとき、過負荷検出レベルを切換える過負荷検出レベル切換回路２９を設けると共に、健全な側のスイッチだけに、スイッチ１２、１６にそれまで与えていた信号の論理和を信号合成器２８により形成して出力するようにした。これにより、過負荷検出回路２２の検出レベルを最適にして、過負荷を検出し、図１０と同様の、図示されていないスイッチング周波数切換回路に出力して、健全な側のスイッチに与えるスイッチング周波数を制御する。
【００６２】
これにより、実施の形態１１では、通常の健全運転状態では所期の低ノイズ、高効率性能を実現すると共に、故障時の運転継続性を強化し、さらに過負荷保護特性も最適値に設定できる。
【００６３】
なお、実施の形態１〜１１では、電源を交流電源としたが、直流電源であってもよい。
【００６４】
また、実施の形態１〜１１では、スイッチング方式としてパルス幅制御として記載したが、他の変調方式であってもよい。
【００６５】
【発明の効果】
この発明は、以上説明したように構成されているので、以下に示すような効果を奏する。
第一のスイッチと第一のダイオードが第一の直列接続点を介して直列に接続された第一の直列回路と、この第一の直列回路に並列に接続されると共に、第二のスイッチと第二のダイオードが第二の直列接続点を介して直列に接続された第二の直列回路と、電源と第一の直列回路及び第二の直列回路に接続され、第一のスイッチまたは第二のスイッチが閉路したとき、電源から電流が入力されると共に、閉路したスイッチが開路したとき、直流電流を負荷に出力する第一のリアクトルと、電源と第一の直列接続点との間に接続された第二のリアクトルと、電源と第二の直列接続点との間に接続された第三のリアクトルを備え、第一のスイッチ及び第二のスイッチは、いずれか一方が閉路するよう制御され、
さらに、第二のリアクトル及び第三のリアクトルのリアクタンスＬ２は、電源の入力電圧のピーク値をＶｉｎ、負荷への出力電圧をＶＤ、第一のダイオード及び第二のダイオードの通電時順電圧降下をＶＦ１、第一のダイオード及び第二のダイオードの電流が流れ始める電圧をＶＦ０、第一のリアクトルのリアクタンスをＬ１としたとき、（ＶＦ１−ＶＦ０）≦（ＶＤ−Ｖｉｎ）Ｌ２／（Ｌ１＋Ｌ２）の関係に設定すれば、第一のダイオード及び第二のダイオードがオフするときの逆回復電流を確実に抑制して、第一のスイッチ及び第二のスイッチの損失及び発生ノイズを低減することができる。
【００６６】
また、第一のスイッチと第一のダイオードが第一の直列接続点を介して直列に接続された第一の直列回路と、この第一の直列回路に並列に接続されると共に、第二のスイッチと第二のダイオードが第二の直列接続点を介して直列に接続された第二の直列回路と、第一のスイッチまたは第二のスイッチが閉路したとき、電源から電流が入力されるよう接続されると共に、上記閉路した第一のスイッチまたは第二のスイッチが開路したとき、それぞれ第一のダイオードまたは第二のダイオードを介して直流電流を負荷に出力するよう接続された第一のリアクトルと、この第一のリアクトルと第一の直列接続点との間に接続された第二のリアクトルと、第一のリアクトルと第二の直列接続点との間に接続された第三のリアクトルを備え、第一のスイッチ及び第二のスイッチは、いずれか一方が閉路するよう制御され、
さらに、第二のリアクトル及び第三のリアクトルのリアクタンスＬ２は、電源の入力電圧のピーク値をＶｉｎ、負荷への出力電圧をＶＤ、第一のダイオード及び第二のダイオードの通電時順電圧降下をＶＦ１、第一のダイオード及び第二のダイオードの電流が流れ始める電圧をＶＦ０、第一のリアクトルのリアクタンスをＬ１としたとき、（ＶＦ１−ＶＦ０）≦（ＶＤ−Ｖｉｎ）Ｌ２／（Ｌ１＋Ｌ２）の関係に設定すれば、第一のダイオード及び第二のダイオードがオフするときの逆回復電流を確実に抑制して、第一のスイッチ及び第二のスイッチの損失及び発生ノイズを低減することができる。
【００６７】
さらにまた、ダイオードを用いて構成され、交流電源を整流して直流に変換する整流器を備え、第一のリアクトルは整流器の出力側に挿入されているので、交流電源を用いて、第一のスイッチ及び第二のスイッチの損失及び発生ノイズをさらに低減することができる。
また、ダイオードを用いて構成され、交流電源を整流して直流に変換する整流器を備え、第一のリアクトルは整流器の入力側に挿入されているので、交流電源と第一のリアクトルを近くに配置し、第一のスイッチ及び第二のスイッチの損失及び発生ノイズをさらに低減することができる。
【００６８】
また、第一の直列回路及び第二の直列回路は、電源の正の半サイクルと電源の負の半サイクルとに対応して、それぞれ二組のスイッチとダイオードの直列回路によって形成されているので、交流電源に用いることができる。
【００６９】
加えて、第一のリアクトルは、電源の正の半サイクルと電源の負の半サイクルとに対応して、二つ設けられているので、交流電源に用いても、第一のダイオード及び第二のダイオードがオフするときの逆回復電流を抑制することができる。
また、ダイオードを用いて構成され、交流電源を整流して直流に変換するハーフブリッジの整流器を備えたので、交流電源を用いて、電流が通過する半導体素子の数を少なくすることができる。
【００７０】
また、第一の直列回路に並列に接続されると共に互いに直列に接続された二つのコンデンサを備え、二つのコンデンサは、電源の正の半サイクルと電源の負の半サイクルとに対応しているので、交流電源に用いても、第一のダイオード及び第二のダイオードがオフするときの逆回復電流を抑制することができる。
【００７１】
また、第一のスイッチと第二のスイッチは、交互に閉路されるので、第一のダイオード及び第二のダイオードがオフするときの逆回復電流を抑制することができる。
【００７２】
また、第二のリアクトル及び第三のリアクトルは、それぞれ電流に対して線形のリアクタンスを有するリアクトルと、このリアクトルに直列に接続された過飽和リアクトルによって構成されているので、第一のスイッチ及び第二のスイッチの損失及び発生ノイズをさらに低減することができる。
【００７３】
また、整流器を構成するダイオードの一部は、サイリスタによって代替されているので、起動時の突入電流を低減することができる。
加えて、負荷電流を検出して予め設定されている設定値と比較して過負荷を検出する過負荷検出回路と、この過負荷検出回路によって過負荷が検出されたとき、第一のスイッチ及び第二のスイッチを同時にスイッチングさせる制御信号を形成する第一の信号合成器を備えたので、過負荷時に第一のスイッチ及び第二のスイッチに同時に電流を流すことができる。
【００７４】
また、負荷電流を検出して予め設定されている設定値と比較して過負荷を検出する過負荷検出回路と、第一のスイッチ及び第二のスイッチのスイッチング周波数を切換えるスイッチング周波数切換回路を備え、過負荷検出回路によって過負荷が検出されたとき、スイッチング周波数切換回路は、第一のスイッチ及び第二のスイッチのスイッチング周波数を低下させるので、第一のスイッチ及び第二のスイッチの損失及び発生ノイズが減少する。
【００７５】
また、第一のスイッチの異常を検出する第一の異常検出回路と、第二のスイッチの異常を検出する第二の異常検出回路と、第一の異常検出回路及び第二の異常検出回路のいずれか一方により、異常が検出されたとき、過負荷検出回路の過負荷検出レベルを切換える過負荷検出レベル切換回路を備えたので、第一のスイッチまたは第二のスイッチの故障時の過負荷保護特性を最適値に設定できる。
【００７６】
さらに、第一のスイッチの異常を検出する第一の異常検出回路と、第二のスイッチの異常を検出する第二の異常検出回路と、第一の異常検出回路及び第二の異常検出回路のいずれか一方により、異常が検出されたとき、異常でない方のスイッチをスイッチングさせるよう制御信号を形成する第二の信号合成器を備えたので、第一のスイッチまたは第二のスイッチの故障時の運転継続性を強化できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の実施の形態１による直流電源装置を示す回路図である。
【図２】この発明の実施の形態１による直流電源装置の動作を示すタイミングチャートである。
【図３】この発明の実施の形態２による直流電源装置を示す回路図である。
【図４】この発明の実施の形態３による直流電源装置を示す回路図である。
【図５】この発明の実施の形態４による直流電源装置を示す回路図である。
【図６】この発明の実施の形態５による直流電源装置を示す回路図である。
【図７】この発明の実施の形態６による直流電源装置を示す回路図である。
【図８】この発明の実施の形態７による直流電源装置を示す回路図である。
【図９】この発明の実施の形態８による直流電源装置を示す回路図である。
【図１０】この発明の実施の形態９による直流電源装置を示す回路図である。
【図１１】この発明の実施の形態１０による直流電源装置を示す回路図である。
【図１２】この発明の実施の形態１１による直流電源装置を示す回路図である。
【図１３】従来の整流装置を示す回路図である。
【図１４】従来の整流装置の動作を示すタイミングチャートである。
【符号の説明】
１交流電源、２整流器、３，４，５，６ダイオード、
３ａ，５ａサイリスタ、７リアクトル、８，１５昇圧回路用スイッチ、
１０コンデンサ、１１負荷、１２，１６スイッチ、
１３，１７ダイオード、１８，１８ａ，１９，１９ａリアクトル、
１８ｂ，１９ｂ過飽和リアクトル、２１電流センサ、
２２過負荷検出回路、２３，２８信号合成器、
２４スイッチング周波数切換回路、２５，２６異常検出回路、
２７オンオフ信号発生回路、２９過負荷検出レベル切換回路。

Claims

第一のスイッチと第一のダイオードが第一の直列接続点を介して直列に接続された第一の直列回路、この第一の直列回路に並列に接続されると共に、第二のスイッチと第二のダイオードが第二の直列接続点を介して直列に接続された第二の直列回路、電源と上記第一の直列回路及び第二の直列回路に接続され、上記第一のスイッチまたは第二のスイッチが閉路したとき、電源から電流が入力されると共に、上記閉路したスイッチが開路したとき、直流電流を負荷に出力する第一のリアクトル、上記電源と第一の直列接続点との間に接続された第二のリアクトル、上記電源と第二の直列接続点との間に接続された第三のリアクトルを備え、上記第一のスイッチ及び第二のスイッチは、いずれか一方が閉路するよう制御され、
かつ、上記第二のリアクトル及び第三のリアクトルのリアクタンスＬ２は、上記電源の入力電圧のピーク値をＶｉｎ、上記負荷への出力電圧をＶＤ、上記第一のダイオード及び第二のダイオードの通電時順電圧降下をＶＦ１、上記第一のダイオード及び第二のダイオードの電流が流れ始める電圧をＶＦ０、上記第一のリアクトルのリアクタンスをＬ１としたとき、（ＶＦ１−ＶＦ０）≦（ＶＤ−Ｖｉｎ）Ｌ２／（Ｌ１＋Ｌ２）の関係にあることを特徴とする直流電源装置。
第一のスイッチと第一のダイオードが第一の直列接続点を介して直列に接続された第一の直列回路、この第一の直列回路に並列に接続されると共に、第二のスイッチと第二のダイオードが第二の直列接続点を介して直列に接続された第二の直列回路、上記第一のスイッチまたは第二のスイッチが閉路したとき、電源から電流が入力されるよう接続されると共に、上記閉路した第一のスイッチまたは第二のスイッチが開路したとき、それぞれ第一のダイオードまたは第二のダイオードを介して直流電流を負荷に出力するよう接続された第一のリアクトル、この第一のリアクトルと第一の直列接続点との間に接続された第二のリアクトル、上記第一のリアクトルと第二の直列接続点との間に接続された第三のリアクトルを備え、上記第一のスイッチ及び第二のスイッチは、いずれか一方が閉路するよう制御され、
かつ、上記第二のリアクトル及び第三のリアクトルのリアクタンスＬ２は、上記電源の入力電圧のピーク値をＶｉｎ、上記負荷への出力電圧をＶＤ、上記第一のダイオード及び第二のダイオードの通電時順電圧降下をＶＦ１、上記第一のダイオード及び第二のダイオードの電流が流れ始める電圧をＶＦ０、上記第一のリアクトルのリアクタンスをＬ１としたとき、（ＶＦ１−ＶＦ０）≦（ＶＤ−Ｖｉｎ）Ｌ２／（Ｌ１＋Ｌ２）の関係にある
ことを特徴とする直流電源装置。
ダイオードを用いて構成され、交流電源を整流して直流に変換する整流器を備え、第一のリアクトルは上記整流器の出力側に挿入されていることを特徴とする請求項１または請求項２記載の直流電源装置。
ダイオードを用いて構成され、交流電源を整流して直流に変換する整流器を備え、第一のリアクトルは上記整流器の入力側に挿入されていることを特徴とする請求項１または請求項２記載の直流電源装置。
第一の直列回路及び第二の直列回路は、電源の正の半サイクルと電源の負の半サイクルとに対応して、それぞれ二組のスイッチとダイオードの直列回路によって形成されていることを特徴とする請求項１記載の直流電源装置。
第一のリアクトルは、電源の正の半サイクルと電源の負の半サイクルとに対応して、二つ設けられていることを特徴とする請求項５記載の直流電源装置。
ダイオードを用いて構成され、交流電源を整流して直流に変換するハーフブリッジの整流器を備えたことを特徴とする請求項１または請求項５または請求項６記載の直流電源装置。
第一の直列回路に並列に接続されると共に互いに直列に接続された二つのコンデンサを備え、上記二つのコンデンサは、電源の正の半サイクルと電源の負の半サイクルとに対応していることを特徴とする請求項５記載の直流電源装置。
第一のスイッチと第二のスイッチは、交互に閉路されることを特徴とする請求項１〜請求項８のいずれか一項記載の直流電源装置。
第二のリアクトル及び第三のリアクトルは、それぞれ電流に対して線形のリアクタンスを有するリアクトルと、このリアクトルに直列に接続された過飽和リアクトルによって構成されていることを特徴とする請求項１〜請求項９のいずれか一項記載の直流電源装置。
整流器は、ダイオードを用いて構成されると共に、上記ダイオードの一部は、サイリスタによって代替されていることを特徴とする請求項３〜請求項５のいずれか一項記載の直流電源装置。
負荷電流を検出して予め設定されている設定値と比較して過負荷を検出する過負荷検出回路、この過負荷検出回路によって過負荷が検出されたとき、第一のスイッチ及び第二のスイッチを同時にスイッチングさせる制御信号を形成する第一の信号合成器を備えたことを特徴とする請求項１〜請求項１１のいずれか一項記載の直流電源装置。
負荷電流を検出して予め設定されている設定値と比較して過負荷を検出する過負荷検出回路、第一のスイッチ及び第二のスイッチのスイッチング周波数を切換えるスイッチング周波数切換回路を備え、上記過負荷検出回路によって過負荷が検出されたとき、上記スイッチング周波数切換回路は、第一のスイッチ及び第二のスイッチのスイッチング周波数を低下させることを特徴とする請求項１〜請求項１２のいずれか一項記載の直流電源装置。
第一のスイッチの異常を検出する第一の異常検出回路、第二のスイッチの異常を検出する第二の異常検出回路、上記第一の異常検出回路及び第二の異常検出回路のいずれか一方により、異常が検出されたとき、過負荷検出回路の過負荷検出レベルを切換える過負荷検出レベル切換回路を備えたことを特徴とする請求項１３記載の直流電源装置。
第一のスイッチの異常を検出する第一の異常検出回路、第二のスイッチの異常を検出する第二の異常検出回路、上記第一の異常検出回路及び第二の異常検出回路のいずれか一方により、異常が検出されたとき、異常でない方のスイッチをスイッチングさせるよう制御信号を形成する第二の信号合成器を備えたことを特徴とする請求項１〜請求項１４のいずれか一項記載の直流電源装置。