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JP6416690B2 - DC power supply and air conditioner - Google Patents

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JP6416690B2
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Description

本発明は、交流電圧を直流電圧に変換する直流電源装置および、この直流電源装置を用いた空気調和機に関する。   The present invention relates to a DC power supply device that converts an AC voltage into a DC voltage, and an air conditioner using the DC power supply device.

電車、自動車、空気調和機などには、交流電圧を直流電圧に変換する直流電源装置が搭載されている。そして、直流電源装置から出力される直流電圧をインバータによって所定周波数の交流電圧に変換し、この交流電圧をモータなどの負荷に印加するようになっている。このような直流電源装置は、電力変換効率を高めて省エネルギ化を図ることが求められている。   Trains, automobiles, air conditioners, and the like are equipped with a DC power supply device that converts an AC voltage into a DC voltage. And the direct-current voltage output from a direct-current power supply device is converted into the alternating voltage of a predetermined frequency with an inverter, and this alternating voltage is applied to loads, such as a motor. Such a DC power supply is required to improve power conversion efficiency and save energy.

例えば、特許文献1の段落0012には、「交流電源から出力される交流電圧を直流電圧に変換する整流手段と、前記交流電源と前記整流手段との間に接続されたリアクターと、前記整流手段から出力される前記直流電圧を平滑し、並列に負荷が接続される平滑手段と、前記交流電圧を検出する電源電圧検出手段と、前記平滑手段の両端の直流電圧を検出する直流電圧検出手段と、前記電源電圧検出手段によって検出された前記交流電圧(以下、「検出交流電圧」という)、及び前記直流電圧検出手段によって検出された前記直流電圧(以下、「検出直流電圧」という)を受信する制御手段と、を備え、前記整流手段は、整流素子としてMOSFETを有し、前記制御手段は、前記検出交流電圧及び前記検出直流電圧に基づいて、前記MOSFETをON/OFF動作させ、それぞれの前記MOSFETに内蔵された寄生ダイオードに電流が流れ始めたことを検出したときに、そのMOSFETをON動作させ、前記寄生ダイオードに流れる電流が停止したことを検出したときに、そのMOSFETをOFF動作させ、前記MOSFETにおける前記寄生ダイオードに電流が流れ始めたことを検出してから、前記検出交流電圧、前記検出直流電圧及び前記リアクターのインダクタンスに基づいた積分値の算出を開始し、該積分値が0になった場合に、前記寄生ダイオードに流れる電流が停止したものと判断することを特徴とする。」と記載されている。   For example, in paragraph 0012 of Patent Document 1, “a rectifying unit that converts an AC voltage output from an AC power source into a DC voltage, a reactor connected between the AC power source and the rectifying unit, and the rectifying unit” Smoothing means for smoothing the DC voltage output from the power supply and connecting a load in parallel; power supply voltage detecting means for detecting the AC voltage; and DC voltage detecting means for detecting the DC voltage at both ends of the smoothing means; The AC voltage detected by the power supply voltage detection means (hereinafter referred to as “detected AC voltage”) and the DC voltage detected by the DC voltage detection means (hereinafter referred to as “detected DC voltage”) are received. Control means, and the rectifier means includes a MOSFET as a rectifier element, and the control means is configured to select the MOS based on the detected AC voltage and the detected DC voltage. When the ET is turned ON / OFF and when it is detected that a current has started to flow in the parasitic diode built in each MOSFET, the MOSFET is turned ON to detect that the current flowing through the parasitic diode has stopped. When the MOSFET is turned off, it is detected that a current has started to flow through the parasitic diode in the MOSFET, and the integrated value based on the detected AC voltage, the detected DC voltage, and the inductance of the reactor is The calculation is started, and when the integrated value becomes 0, it is determined that the current flowing through the parasitic diode is stopped. Is described.

特開2012−143154号公報JP 2012-143154 A

ところで、直流電源装置には省エネルギ化の他に、電子機器や配電・受電設備の保護といった観点から高調波電流の低減が求められており、そのためには電源力率の改善が必要である。一般的に1次電源側を短絡させて、回路に短絡電流を通流することで力率を改善することが行われる。しかし、短絡回数が1回であると負荷が大きい領域では力率の改善には不十分である。
また、電源力率を改善するためには、単に回路に短絡電流を通流するだけでは足りず、その通流タイミングなどを調整する必要がある。
By the way, in addition to energy saving, the DC power supply apparatus is required to reduce harmonic current from the viewpoint of protection of electronic equipment and power distribution / reception facilities. For this purpose, the power source power factor needs to be improved. Generally, the power factor is improved by short-circuiting the primary power supply side and passing a short-circuit current through the circuit. However, if the number of short circuits is one, it is insufficient for improving the power factor in a region where the load is large.
Further, in order to improve the power source power factor, it is not necessary to simply pass a short-circuit current through the circuit, and it is necessary to adjust the flow timing and the like.

そこで、本発明は、高効率かつ高調波電流の抑制を両立可能な直流電源装置および、この直流電源装置を用いた空気調和機を提供することを課題とする。   Then, this invention makes it a subject to provide the DC power unit which can achieve high efficiency and suppression of a harmonic current, and the air conditioner using this DC power unit.

前記した課題を解決するため、第1の発明では、第1のダイオードのカソードと第1のスイッチング素子の一端とが出力側の正極に接続され、前記第1のダイオードのアノードと第2のダイオードのカソードとが交流電源の一端側に接続され、前記第1のスイッチング素子の他端と第2のスイッチング素子の一端とが前記交流電源の他端側に接続され、前記第2のダイオードのアノードと前記第2のスイッチング素子の他端とが出力側の負極に接続されることによりブリッジ接続される整流回路と、交流電源と前記整流回路との間に設けられるリアクトルと、前記整流回路の出力側に接続され、前記整流回路から印加される電圧を平滑化する平滑コンデンサと、前記交流電源の電圧の極性に同期して前記第1のスイッチング素子と前記第2のスイッチング素子を双方向にスイッチングして負荷に電流を流す同期整流制御を実施すると共に、前記交流電源の半周期間に前記リアクトルを前記交流電源に短絡する回路短絡制御を繰り返し複数回実施する制御部と、を備えることを特徴とする直流電源装置とした。 In order to solve the above-described problem, in the first invention, the cathode of the first diode and one end of the first switching element are connected to the positive electrode on the output side, and the anode of the first diode and the second diode Is connected to one end of the AC power supply, the other end of the first switching element and one end of the second switching element are connected to the other end of the AC power supply, and the anode of the second diode. And the other end of the second switching element connected to the negative electrode on the output side, a rectifier circuit that is bridge-connected, a reactor provided between an AC power supply and the rectifier circuit, and an output of the rectifier circuit A smoothing capacitor for smoothing a voltage applied from the rectifier circuit, and the first switching element and the second in synchronization with the polarity of the voltage of the AC power supply. A control unit that performs synchronous rectification control that switches the switching element bidirectionally and flows current to a load, and repeatedly performs circuit short-circuit control that short-circuits the reactor to the AC power supply during a half cycle of the AC power supply a plurality of times. The direct current power supply device is provided.

第2の発明では、請求項1に記載の直流電源装置を備えたことを特徴とする空気調和機とした。
その他の手段については、発明を実施するための形態のなかで説明する。
According to a second aspect of the present invention, an air conditioner comprising the DC power supply device according to claim 1 is provided.
Other means will be described in the embodiment for carrying out the invention.

本発明によれば、高効率かつ高調波電流の抑制を両立可能な直流電源装置および、この直流電源装置を用いた空気調和機を提供可能となる。   ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, it becomes possible to provide the DC power unit which can achieve high efficiency and suppression of a harmonic current, and the air conditioner using this DC power unit.

本実施形態における直流電源装置を示す概略の構成図である。It is a schematic block diagram which shows the DC power supply device in this embodiment. 交流電源電圧が正の極性の場合において、全波整流を行ったときに回路に流れる電流経路を示した図である。It is the figure which showed the electric current path | route which flows into a circuit, when full-wave rectification is performed in case an alternating current power supply voltage is a positive polarity. 交流電源電圧が負の極性の場合において、全波整流を行ったときに回路に流れる電流経路を示した図である。It is the figure which showed the electric current path | route which flows into a circuit, when full-wave rectification is performed in the case where alternating current power supply voltage is a negative polarity. 全波整流時における、電源電圧と回路電流とMOSFETの駆動パルスの波形図である。FIG. 6 is a waveform diagram of a power supply voltage, a circuit current, and a MOSFET drive pulse during full-wave rectification. 交流電源電圧が正の極性の場合において、回路を短絡した場合に回路に流れる電流経路を示した図である。It is the figure which showed the electric current path | route which flows into a circuit when an AC power supply voltage is a positive polarity, when a circuit is short-circuited. 交流電源電圧が負の極性の場合において、回路を短絡した場合に回路に流れる電流経路を示した図である。It is the figure which showed the electric current path | route which flows into a circuit when an AC power supply voltage is a negative polarity, when a circuit is short-circuited. 短絡電流を通流させた場合における、電源電圧と回路電流とMOSFETの駆動パルスの波形図である。FIG. 6 is a waveform diagram of a power supply voltage, a circuit current, and a MOSFET drive pulse when a short-circuit current is passed. 高速スイッチングを行った場合の電源電圧と回路電流とMOSFETの駆動パルスの波形図である。FIG. 5 is a waveform diagram of a power supply voltage, a circuit current, and a MOSFET drive pulse when high-speed switching is performed. 高速スイッチングを行った場合のMOSFETのデューティの関係を示した図である。It is the figure which showed the relationship of the duty of MOSFET at the time of performing high-speed switching. 高速スイッチングを行い、デッドタイムを考慮した場合のMOSFETのデューティの関係を示した図である。It is the figure which showed the duty relationship of MOSFET when performing high-speed switching and considering dead time. 高速スイッチングを行った場合の交流電源電圧と回路電流の関係を示した図である。It is the figure which showed the relationship between the alternating current power supply voltage at the time of performing high-speed switching, and a circuit current. 交流電源電圧が正極性の場合に、リアクトルによる電流位相の遅れ分を考慮した場合のMOSFETのデューティを示した図である。It is the figure which showed the duty of MOSFET when the amount of delay of the current phase by a reactor is considered when the alternating current power supply voltage is positive polarity. 交流電源電圧が正極性、かつ、片方のMOSFETにデッドタイムを設けた場合、目標電流に対して通流電流が不足している様子を示した図である。It is the figure which showed a mode that the flowing current was insufficient with respect to the target current, when an alternating current power supply voltage was positive polarity and the dead time was provided in one MOSFET. 交流電源電圧が正極性のとき、両方のMOSFETにデッドタイムを設定した様子を表した図である。It is the figure showing a mode that the dead time was set to both MOSFET, when alternating current power supply voltage is positive polarity. 交流電源電圧が負極性のとき、両方のMOSFETにデッドタイムを設定した様子を表した図である。It is the figure showing a mode that the dead time was set to both MOSFET, when alternating current power supply voltage is negative polarity. 部分スイッチングの概要を説明した図である。It is the figure explaining the outline | summary of the partial switching. MOSFETの等価回路を示す図である。It is a figure which shows the equivalent circuit of MOSFET. 本実施形態における空気調和機の室内機、室外機、およびリモコンの正面図である。It is a front view of the indoor unit of the air conditioner in this embodiment, an outdoor unit, and a remote control. 負荷の大きさに応じて直流電源装置の動作モードと空気調和機の運転領域を切り替える様子を説明した概要図である。It is the schematic explaining the mode that the operation mode of a direct-current power supply device and the operation area | region of an air conditioner were switched according to the magnitude | size of load. 変形例における直流電源装置を示す概略の構成図である。It is a schematic block diagram which shows the direct-current power supply device in a modification.

以降、本発明を実施するための形態を、各図を参照して詳細に説明する。
図1は、本実施形態に係る直流電源装置1の構成図である。
図1に示すように、直流電源装置1は、交流電源VSから供給される交流電源電圧Vsを直流電圧Vdに変換し、この直流電圧Vdを負荷H(インバータ、モータなど)に出力するコンバータである。直流電源装置1は、その入力側が交流電源VSに接続され、出力側が負荷Hに接続されている。
直流電源装置1は、リアクトルL1と、平滑コンデンサC1と、ダイオードD1,D2、MOSFET(Q1,Q2)およびシャント抵抗R1,R2を含むブリッジ整流回路10とを備えている。直流電源装置1は更に、ゲイン制御部12と、交流電圧検出部13と、ゼロクロス判定部14と、負荷検出部15と、昇圧比制御部16と、直流電圧検出部17と、コンバータ制御部18とを備えている。
Hereinafter, embodiments for carrying out the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
FIG. 1 is a configuration diagram of a DC power supply device 1 according to the present embodiment.
As shown in FIG. 1, the DC power supply 1 is a converter that converts an AC power supply voltage Vs supplied from an AC power supply VS into a DC voltage Vd and outputs the DC voltage Vd to a load H (inverter, motor, etc.). is there. The DC power supply device 1 has an input side connected to an AC power source VS and an output side connected to a load H.
The DC power supply device 1 includes a reactor L1, a smoothing capacitor C1, a bridge rectifier circuit 10 including diodes D1, D2, MOSFETs (Q1, Q2), and shunt resistors R1, R2. The DC power supply device 1 further includes a gain control unit 12, an AC voltage detection unit 13, a zero cross determination unit 14, a load detection unit 15, a boost ratio control unit 16, a DC voltage detection unit 17, and a converter control unit 18. And.

ダイオードD1,D2とMOSFET(Q1,Q2)は、ブリッジ接続されている。ダイオードD1のアノードは、ダイオードD2のカソードに接続され、その接続点P1は配線haを介して交流電源VSの一端に接続されている。   The diodes D1, D2 and the MOSFETs (Q1, Q2) are bridge-connected. The anode of the diode D1 is connected to the cathode of the diode D2, and the connection point P1 is connected to one end of the AC power supply VS via the wiring ha.

MOSFET(Q1)のソースは、シャント抵抗R1を介してMOSFET(Q2)のドレインに接続されている。MOSFET(Q1)のソースとシャント抵抗R1との接続点P2は、配線hbを介して交流電源VSの一端に接続されている。
ダイオードD2のアノードは、MOSFET(Q2)のソースに接続されたシャント抵抗R2に接続されている。
MOSFET(Q1)のドレインは、ダイオードD1のカソードに接続されている。
The source of the MOSFET (Q1) is connected to the drain of the MOSFET (Q2) via the shunt resistor R1. A connection point P2 between the source of the MOSFET (Q1) and the shunt resistor R1 is connected to one end of the AC power supply VS via the wiring hb.
The anode of the diode D2 is connected to a shunt resistor R2 connected to the source of the MOSFET (Q2).
The drain of the MOSFET (Q1) is connected to the cathode of the diode D1.

また、ダイオードD1のカソードとMOSFET(Q1)のドレインは、配線hcを介して平滑コンデンサC1の正極と負荷Hの一端に接続されている。更にダイオードD2のカソードは配線hdを介して、MOSFET(Q2)のソースはシャント抵抗R2と配線hdを介して、それぞれ平滑コンデンサC1の負極および負荷Hの他端に接続されている。   The cathode of the diode D1 and the drain of the MOSFET (Q1) are connected to the positive electrode of the smoothing capacitor C1 and one end of the load H through the wiring hc. Further, the cathode of the diode D2 is connected to the negative electrode of the smoothing capacitor C1 and the other end of the load H via the wiring hd, and the source of the MOSFET (Q2) is connected to the other end of the smoothing capacitor C1 via the shunt resistor R2 and the wiring hd.

リアクトルL1は配線ha上に、つまり交流電源VSとブリッジ整流回路10との間に設けられている。このリアクトルL1は、交流電源VSから供給される電力をエネルギとして蓄え、更にこのエネルギを放出することで昇圧を行う。
平滑コンデンサC1は、ダイオードD1やMOSFET(Q1)を通して整流された電圧を平滑化して、直流電圧Vdとする。この平滑コンデンサC1は、ブリッジ整流回路10の出力側に接続されており、正極側が配線hcに接続され、負極側が配線hdに接続される。
Reactor L1 is provided on wiring ha, that is, between AC power supply VS and bridge rectifier circuit 10. The reactor L1 stores electric power supplied from the AC power source VS as energy, and further boosts the energy by releasing this energy.
The smoothing capacitor C1 smoothes the voltage rectified through the diode D1 and the MOSFET (Q1) to obtain a DC voltage Vd. The smoothing capacitor C1 is connected to the output side of the bridge rectifier circuit 10, and the positive electrode side is connected to the wiring hc and the negative electrode side is connected to the wiring hd.

スイッチング素子であるMOSFET(Q1,Q2)は、後記するコンバータ制御部18からの指令によってオン/オフ制御される。スイッチング素子としてMOSFET(Q1,Q2)を用いることで、スイッチングを高速で行うことができ、更に電圧ドロップの小さいMOSFETに電流を流すことで、いわゆる同期整流制御を行うことが可能であり、回路損失を低減できる。
なお、MOSFET(Q1)は、その内部に寄生ダイオードD11を有している。同様に、MOSFET(Q2)は、その内部に寄生ダイオードD21を有している。
The MOSFETs (Q1, Q2) that are switching elements are on / off controlled by a command from the converter control unit 18 to be described later. By using MOSFETs (Q1, Q2) as switching elements, switching can be performed at a high speed, and by passing a current through a MOSFET with a small voltage drop, so-called synchronous rectification control can be performed, resulting in circuit loss. Can be reduced.
The MOSFET (Q1) has a parasitic diode D11 therein. Similarly, the MOSFET (Q2) has a parasitic diode D21 therein.

このMOSFET(Q1,Q2)として、オン抵抗の小さいスーパージャンクションMOSFETを用いることで、導通損失を更に低減することが可能である。ここで、MOSFETの寄生ダイオードには、アクティブ動作時に逆回復電流が発生する。特にスーパージャンクションMOSFETの寄生ダイオードは、通常のMOSFETの寄生ダイオードに対して逆回復電流が大きく、スイッチング損失が大きいという課題がある。そこで、MOSFET(Q1,Q2)として、逆回復時間(trr)が小さいMOSFETを使用することで、スイッチング損失を低減することができる。   By using a super junction MOSFET having a small on-resistance as the MOSFETs (Q1, Q2), it is possible to further reduce conduction loss. Here, a reverse recovery current is generated in the parasitic diode of the MOSFET during the active operation. In particular, the parasitic diode of the super junction MOSFET has a problem that the reverse recovery current is larger than that of a normal MOSFET parasitic diode and the switching loss is large. Therefore, switching loss can be reduced by using a MOSFET having a short reverse recovery time (trr) as the MOSFET (Q1, Q2).

ダイオードD1,D2はアクティブ動作時においても逆回復電流が発生しないため、その順方向電圧小さいものを選定することが好ましい。例えば、一般的な整流ダイオードや交耐圧のショットキーバリアダイオードを使用することで、回路の導通損失を低減することが可能である。   Since diodes D1 and D2 do not generate a reverse recovery current even during active operation, it is preferable to select diodes D1 and D2 having a low forward voltage. For example, it is possible to reduce the conduction loss of the circuit by using a general rectifier diode or a Schottky barrier diode with a withstand voltage.

シャント抵抗R1,R2(電流検出部)は、配線ha,hbを介して流れる電流(負荷)を検出するものである。しかし後記する図19に示すように、電流検出部としてトランスを用いてもよく、またはホール素子などを用いてもよい。   The shunt resistors R1 and R2 (current detection unit) detect a current (load) flowing through the wirings ha and hb. However, as shown in FIG. 19 to be described later, a transformer may be used as the current detection unit, or a Hall element may be used.

ゲイン制御部12は、回路電流実効値Isと直流電圧圧縮比aから決定される電流制御ゲインKpを制御する機能を有している。このときKp×Isを所定値に制御することで、交流電源電圧Vsから直流電圧Vdをa倍に昇圧することができる。   The gain control unit 12 has a function of controlling a current control gain Kp determined from the circuit current effective value Is and the DC voltage compression ratio a. At this time, by controlling Kp × Is to a predetermined value, the DC voltage Vd can be boosted a times from the AC power supply voltage Vs.

交流電圧検出部13は、交流電源VSから印加される交流電源電圧Vsを検出するものであり、配線ha,hbに接続されている。交流電圧検出部13は、その検出値をゼロクロス判定部14に出力する。   The AC voltage detector 13 detects an AC power supply voltage Vs applied from the AC power supply VS, and is connected to the wirings ha and hb. The AC voltage detection unit 13 outputs the detected value to the zero cross determination unit 14.

ゼロクロス判定部14は、交流電圧検出部13によって検出される交流電源電圧Vsの値に関して、その正負が切り替わったか、つまり、ゼロクロス点に達したか否かを判定する機能を有している。ゼロクロス判定部14は、交流電源電圧Vsの極性を検出する極性検出部である。例えば、ゼロクロス判定部14は、交流電源電圧Vsが正の期間中にはコンバータ制御部18に‘1’の信号を出力し、交流電源電圧Vsが負の期間中にはコンバータ制御部18に‘0’の信号を出力する。   The zero cross determination unit 14 has a function of determining whether the polarity of the AC power supply voltage Vs detected by the AC voltage detection unit 13 has been switched, that is, whether the zero cross point has been reached. The zero cross determination unit 14 is a polarity detection unit that detects the polarity of the AC power supply voltage Vs. For example, the zero-cross determination unit 14 outputs a signal “1” to the converter control unit 18 while the AC power supply voltage Vs is positive, and outputs “1” to the converter control unit 18 when the AC power supply voltage Vs is negative. A 0 'signal is output.

負荷検出部15は、例えばシャント抵抗によって構成され、交流電源VSから流れる電流を検出し、よって負荷Hに供給される電流値(負荷)を検出する機能を有している。なお、負荷Hがモータである場合、負荷検出部15によってモータの回転速度を検出し、この回転速度から電流値(負荷)を推定するようにしてもよい。負荷検出部15は、その検出値を昇圧比制御部16に出力する。
昇圧比制御部16は、負荷検出部15の検出値から直流電圧Vdの昇圧比1/aを選定し、その選定結果をコンバータ制御部18に出力する。そして目標電圧まで直流電圧Vdを昇圧するようにコンバータ制御部18はMOSFET(Q1,Q2)に駆動パルスを出力することで、スイッチング制御を行う。
The load detection unit 15 is configured by, for example, a shunt resistor, and has a function of detecting a current flowing from the AC power supply VS and thus detecting a current value (load) supplied to the load H. If the load H is a motor, the load detection unit 15 may detect the rotational speed of the motor and estimate the current value (load) from this rotational speed. The load detection unit 15 outputs the detected value to the boost ratio control unit 16.
The step-up ratio control unit 16 selects the step-up ratio 1 / a of the DC voltage Vd from the detection value of the load detection unit 15 and outputs the selection result to the converter control unit 18. Then, the converter controller 18 performs switching control by outputting a drive pulse to the MOSFETs (Q1, Q2) so as to boost the DC voltage Vd to the target voltage.

直流電圧検出部17は、平滑コンデンサC1に印加される直流電圧Vdを検出するものであり、その正側が配線hcに接続され、負側が配線hdに接続されている。直流電圧検出部17は、その検出値をコンバータ制御部18に出力する。なお、直流電圧検出部17の検出値は、負荷Hに印加される電圧値が所定の目標値に達しているか否かの判定に用いられる。   The DC voltage detector 17 detects the DC voltage Vd applied to the smoothing capacitor C1, and its positive side is connected to the wiring hc and its negative side is connected to the wiring hd. DC voltage detection unit 17 outputs the detected value to converter control unit 18. Note that the detection value of the DC voltage detection unit 17 is used to determine whether or not the voltage value applied to the load H has reached a predetermined target value.

コンバータ制御部18は、例えば、マイコン(Microcomputer:図示せず)であり、ROM(Read Only Memory)に記憶されたプログラムを読み出してRAM(Random Access Memory)に展開し、CPU(Central Processing Unit)が各種処理を実行するようになっている。コンバータ制御部18は、電流検出部11又はシャント抵抗R1、R2、ゲイン制御部12、ゼロクロス判定部14、昇圧比制御部16、及び直流電圧検出部17から入力される情報に基づいて、MOSFET(Q1,Q2)のオン/オフを制御する。なお、コンバータ制御部18が実行する処理については後記する。   The converter control unit 18 is, for example, a microcomputer (not shown), reads a program stored in a ROM (Read Only Memory) and develops it in a RAM (Random Access Memory), and a CPU (Central Processing Unit) Various processes are executed. Based on information input from the current detection unit 11 or the shunt resistors R1 and R2, the gain control unit 12, the zero cross determination unit 14, the boost ratio control unit 16, and the DC voltage detection unit 17, the converter control unit 18 The on / off of Q1, Q2) is controlled. The processing executed by converter control unit 18 will be described later.

直流電源装置1の動作モードとしては、全波整流モード、部分スイッチングモード、高速スイッチングモードの3つを考える。部分スイッチングモード、高速スイッチングモードは、コンバータがアクティブ動作をするモードであり、ブリッジ整流回路10に短絡電流を通流させることで直流電圧Vdの昇圧と力率の改善を行うモードである。以下、各モードにおける直流電源装置1の動作について説明する。
例えばインバータやモータなどの負荷が大きい場合には、直流電圧Vdを昇圧する必要がある。また、負荷が大きくなり、直流電源装置1に流れる電流が大きくなるにしたがって高調波電流も増大してしまう。そのため、高負荷の場合には、部分スイッチングモードまたは高速スイッチングモードで昇圧を行い、高調波電流の低減つまり、電源入力の力率を改善させる必要がある。
Three operation modes of the DC power supply device 1 are considered: full wave rectification mode, partial switching mode, and high speed switching mode. The partial switching mode and the high-speed switching mode are modes in which the converter performs an active operation, and the DC voltage Vd is boosted and the power factor is improved by passing a short-circuit current through the bridge rectifier circuit 10. Hereinafter, the operation of the DC power supply device 1 in each mode will be described.
For example, when a load such as an inverter or a motor is large, it is necessary to boost the DC voltage Vd. Further, as the load increases and the current flowing through the DC power supply device 1 increases, the harmonic current also increases. Therefore, in the case of a high load, it is necessary to boost the voltage in the partial switching mode or the high-speed switching mode to reduce the harmonic current, that is, improve the power factor of the power supply input.

≪全波整流動作≫
本発明の主目的である高効率動作実現のために、交流電源電圧Vsの極性に応じてMOSFET(Q1,Q2)をスイッチング制御することにより、同期整流制御を行う。
図2は、交流電源電圧Vsが正の極性の場合において、全波整流を行ったときに回路に流れる電流経路を示した図である。
図2において、交流電源電圧Vsが正の半サイクルの期間では、破線矢印で示す向きに電流が流れる。すなわち電流は、交流電源VS→リアクトルL1→ダイオードD1→平滑コンデンサC1→シャント抵抗R2→MOSFET(Q2)→交流電源VSの順に流れる。このとき、MOSFET(Q1)は常時オフ、MOSFET(Q2)は常時オン状態である。仮にMOSFET(Q2)がオン状態で無い場合には、電流はMOSFET(Q2)の寄生ダイオードD21(図1参照)を流れる。しかし通常、MOSFETの寄生ダイオードの特性は悪いため、大きな導通損失が発生してしまう。そこで、MOSFET(Q2)をオンさせて、MOSFET(Q2)のオン抵抗の部分に電流を流すことで、導通損失の低減を図ることが可能である。これが、いわゆる同期整流制御の原理である。なお、MOSFET(Q2)のオン動作開始のタイミングとしては、交流電源電圧Vsの極性が負から正に切り替わるゼロクロスのタイミングから行う。MOSFET(Q2)のオフさせるタイミングとしては、交流電源電圧Vsの極性が正から負に切り替わるタイミングである。
≪Full wave rectification operation≫
In order to realize a high-efficiency operation which is the main object of the present invention, synchronous rectification control is performed by switching the MOSFETs (Q1, Q2) according to the polarity of the AC power supply voltage Vs.
FIG. 2 is a diagram showing a current path that flows through the circuit when full-wave rectification is performed when the AC power supply voltage Vs has a positive polarity.
In FIG. 2, a current flows in the direction indicated by the broken-line arrow during a period in which the AC power supply voltage Vs is a positive half cycle. That is, the current flows in the order of AC power supply VS → reactor L1 → diode D1 → smoothing capacitor C1 → shunt resistor R2 → MOSFET (Q2) → AC power supply VS. At this time, the MOSFET (Q1) is always off, and the MOSFET (Q2) is always on. If the MOSFET (Q2) is not in the on state, the current flows through the parasitic diode D21 (see FIG. 1) of the MOSFET (Q2). However, since the characteristics of the parasitic diode of the MOSFET are usually poor, a large conduction loss occurs. Therefore, the conduction loss can be reduced by turning on the MOSFET (Q2) and passing a current through the on-resistance portion of the MOSFET (Q2). This is the principle of so-called synchronous rectification control. Note that the on-operation start timing of the MOSFET (Q2) is from the zero cross timing at which the polarity of the AC power supply voltage Vs switches from negative to positive. The timing at which the MOSFET (Q2) is turned off is the timing at which the polarity of the AC power supply voltage Vs is switched from positive to negative.

図3は、交流電源電圧が負の極性の場合において、全波整流を行ったときに回路に流れる電流経路を示した図である。
図3において、交流電源電圧Vsが負の半サイクルの期間では、破線矢印で示す向きに電流が流れる。すなわち、交流電源VS→シャント抵抗R1→MOSFET(Q1)→平滑コンデンサC1→ダイオードD2→リアクトルL1→交流電源VSの順に電流が流れる。このとき、MOSFET(Q2)は常時オフ、MOSFET(Q1)は常時オン状態である。なお、MOSFET(Q2)のオン動作開始のタイミングとしては、交流電源電圧Vsの極性が正から負に切り替わるゼロクロスのタイミングから行う。MOSFET(Q2)のオフさせるタイミングとしては、交流電源電圧Vsの極性が負から正に切り替わるタイミングである。
以上のように直流電源装置1を動作させることで、高効率動作が可能となる。
FIG. 3 is a diagram showing a current path that flows through the circuit when full-wave rectification is performed when the AC power supply voltage has a negative polarity.
In FIG. 3, a current flows in the direction indicated by the broken-line arrow during the period of a half cycle in which the AC power supply voltage Vs is negative. That is, current flows in the order of AC power supply VS → shunt resistor R1 → MOSFET (Q1) → smoothing capacitor C1 → diode D2 → reactor L1 → AC power supply VS. At this time, the MOSFET (Q2) is always off, and the MOSFET (Q1) is always on. Note that the on-operation start timing of the MOSFET (Q2) is determined from the zero cross timing at which the polarity of the AC power supply voltage Vs is switched from positive to negative. The timing at which the MOSFET (Q2) is turned off is the timing at which the polarity of the AC power supply voltage Vs is switched from negative to positive.
By operating the DC power supply device 1 as described above, high-efficiency operation is possible.

図4(a)〜(d)は、全波整流時における、交流電源電圧Vsと回路電流isとMOSFETの駆動パルスの波形図である。
図4(a)は交流電源電圧Vsの波形を示し、図4(b)は回路電流isの波形を示している。図4(c)はMOSFET(Q1)の駆動パルス波形を示し、図4(d)はMOSFET(Q2)の駆動パルス波形を示している。
図4(a)に示すように交流電源電圧Vsは、略正弦波状の波形である。
図4(c)に示すようにMOSFET(Q1)の駆動パルスは、交流電源電圧Vsの極性が正のときにLレベル、負のときにHレベルとなる。
図4(c)に示すようにMOSFET(Q2)の駆動パルスは、MOSFET(Q1)の駆動パルスとは反転しており、交流電源電圧Vsの極性が正のときにHレベル、負のときにLレベルとなる。
図4(b)に示すように、回路電流isは、交流電源電圧Vsが所定振幅に達した場合に流れる。
以上が、電源電圧の極性に応じて回路短絡動作を行った場合の電流の流れと、MOSFET(Q1,Q2)のスイッチング動作である。次に、高速スイッチング動作について説明する。
4A to 4D are waveform diagrams of the AC power supply voltage Vs, the circuit current is, and the MOSFET drive pulse during full-wave rectification.
4A shows the waveform of the AC power supply voltage Vs, and FIG. 4B shows the waveform of the circuit current is. FIG. 4C shows the drive pulse waveform of the MOSFET (Q1), and FIG. 4D shows the drive pulse waveform of the MOSFET (Q2).
As shown in FIG. 4A, the AC power supply voltage Vs has a substantially sinusoidal waveform.
As shown in FIG. 4C, the drive pulse of the MOSFET (Q1) becomes L level when the polarity of the AC power supply voltage Vs is positive, and becomes H level when the polarity is negative.
As shown in FIG. 4C, the drive pulse of the MOSFET (Q2) is inverted from the drive pulse of the MOSFET (Q1). When the polarity of the AC power supply voltage Vs is positive, the drive pulse is high. L level.
As shown in FIG. 4B, the circuit current is flows when the AC power supply voltage Vs reaches a predetermined amplitude.
The above is the current flow when the circuit short-circuit operation is performed according to the polarity of the power supply voltage, and the switching operation of the MOSFETs (Q1, Q2). Next, a high speed switching operation will be described.

≪高速スイッチング動作≫
次に直流電圧Vdの昇圧と力率の改善を行う高速スイッチング動作について説明する。
この動作モードでは、あるスイッチング周波数でMOSFET(Q1,Q2)をスイッチング制御して、回路に短絡電流を通流させることで、直流電圧Vdの昇圧と力率の改善を行う。まず、回路を短絡させた場合の動作について説明する。
≪High-speed switching operation≫
Next, a high-speed switching operation for boosting the DC voltage Vd and improving the power factor will be described.
In this operation mode, the MOSFETs (Q1, Q2) are subjected to switching control at a certain switching frequency, and a short-circuit current is passed through the circuit, thereby boosting the DC voltage Vd and improving the power factor. First, the operation when the circuit is short-circuited will be described.

交流電源電圧Vsが正のサイクルで全波整流を行った場合、電流の流れは図2の通りであり、MOSFET(Q1,Q2)の動作については前記した通りである。このとき、図4(b)に示したように、電源電圧に対して回路電流isは歪んでいる。これは、電流が流れるタイミングが交流電源電圧Vsに対して直流電圧Vdが小さくなった場合のみであることと、リアクトルL1の特性から生じるものである。
そこで、複数回に亘って回路に短絡電流を通流させることで、回路電流を正弦波に近づけることで力率の改善を行い、高調波電流を低減する。
When full-wave rectification is performed in a cycle where the AC power supply voltage Vs is positive, the current flow is as shown in FIG. 2, and the operation of the MOSFETs (Q1, Q2) is as described above. At this time, as shown in FIG. 4B, the circuit current is is distorted with respect to the power supply voltage. This is because the current flows only when the DC voltage Vd becomes smaller than the AC power supply voltage Vs, and the characteristic of the reactor L1.
Therefore, by passing a short-circuit current through the circuit a plurality of times, the power factor is improved by bringing the circuit current closer to a sine wave, and the harmonic current is reduced.

図5は、電源電圧が正のサイクルでMOSFET(Q1)をオンさせた場合に流れる短絡電流ispの経路を示した図である。
短絡電流ispの経路としては、交流電源VS→リアクトルL1→ダイオードD1→MOSFET(Q1)→シャント抵抗R1→交流電源VS、の順である。このとき、リアクトルL1には、以下の式(1)で表されるエネルギが蓄えられる。このエネルギが平滑コンデンサC1に放出されることで、直流電圧Vdが昇圧される。

Figure 0006416690
FIG. 5 is a diagram showing a path of the short-circuit current isp that flows when the MOSFET (Q1) is turned on in a cycle in which the power supply voltage is positive.
The path of the short-circuit current isp is in the order of AC power supply VS → reactor L1 → diode D1 → MOSFET (Q1) → shunt resistor R1 → AC power supply VS. At this time, the energy represented by the following formula (1) is stored in the reactor L1. This energy is discharged to the smoothing capacitor C1, so that the DC voltage Vd is boosted.
Figure 0006416690

交流電源電圧Vsが負のサイクルで全波整流を行った場合の電流の流れは図5の通りであり、MOSFET(Q1,Q2)の動作については前記の通りである。
図6は、MOSFET(Q2)をオンさせて短絡電流ispを通流させた場合の経路を示した図である。
電流の経路としては、交流電源VS→MOSFET(Q2)→シャント抵抗R2→ダイオードD2→リアクトルL1、の順となる。このときも、前記したようにリアクトルL1にエネルギが蓄えられ、そのエネルギによって直流電圧Vdが昇圧される。
When full-wave rectification is performed in a cycle in which the AC power supply voltage Vs is negative, the flow of current is as shown in FIG. 5, and the operation of the MOSFETs (Q1, Q2) is as described above.
FIG. 6 is a diagram showing a path when the MOSFET (Q2) is turned on and the short-circuit current isp flows.
The current path is in the order of AC power supply VS → MOSFET (Q2) → shunt resistor R2 → diode D2 → reactor L1. Also at this time, as described above, energy is stored in the reactor L1, and the DC voltage Vd is boosted by the energy.

図7(a)〜(d)は、短絡電流を通流させた場合における、交流電源電圧Vsと回路電流isとMOSFETの駆動パルスの波形図である。
図7(a)は交流電源電圧Vsの波形を示し、図7(b)は回路電流isの波形を示している。図7(c)はMOSFET(Q1)の駆動パルス波形を示し、図7(d)はMOSFET(Q2)の駆動パルス波形を示している。
図7(a)に示すように交流電源電圧Vsは、略正弦波状の波形である。
図7(c)に示すようにMOSFET(Q1)の駆動パルスは、交流電源電圧Vsの極性が正のときにLレベルとなり、更に所定タイミングで2回のHレベルのパルスとなる。交流電源電圧Vsの極性が負のときにHレベルとなり、更に所定タイミングで2回のLレベルのパルスとなる。
図7(c)に示すようにMOSFET(Q2)の駆動パルスは、MOSFET(Q1)の駆動パルスとは反転している。
図7(b)に示すように、回路電流isは、交流電源電圧Vsが正極性かつ、MOSFET(Q1)の駆動パルスがHレベルになったときに立ち上がり、交流電源電圧Vsが負極性かつ、MOSFET(Q2)の駆動パルスがHレベルになったときに立ち上がる。これにより、力率が改善される。
FIGS. 7A to 7D are waveform diagrams of the AC power supply voltage Vs, the circuit current is, and the MOSFET drive pulse when a short-circuit current is passed.
FIG. 7A shows the waveform of the AC power supply voltage Vs, and FIG. 7B shows the waveform of the circuit current is. FIG. 7C shows a drive pulse waveform of the MOSFET (Q1), and FIG. 7D shows a drive pulse waveform of the MOSFET (Q2).
As shown in FIG. 7A, the AC power supply voltage Vs has a substantially sinusoidal waveform.
As shown in FIG. 7C, the drive pulse of the MOSFET (Q1) becomes L level when the polarity of the AC power supply voltage Vs is positive, and further becomes two H level pulses at a predetermined timing. It becomes H level when the polarity of the AC power supply voltage Vs is negative, and further becomes two L level pulses at a predetermined timing.
As shown in FIG. 7C, the drive pulse of the MOSFET (Q2) is inverted from the drive pulse of the MOSFET (Q1).
As shown in FIG. 7B, the circuit current is rises when the AC power supply voltage Vs is positive and the driving pulse of the MOSFET (Q1) becomes H level, and the AC power supply voltage Vs is negative and It rises when the drive pulse of the MOSFET (Q2) becomes H level. Thereby, a power factor is improved.

図8(a)〜(d)は、高速スイッチングを行った場合の交流電源電圧Vsと回路電流isとMOSFETの駆動パルスの波形図である。
図8(a)は交流電源電圧Vsの波形を示し、図8(b)は回路電流isの波形を示している。図8(c)はMOSFET(Q1)の駆動パルス波形を示し、図8(d)はMOSFET(Q2)の駆動パルス波形を示している。
図8(a)に示すように交流電源電圧Vsは、略正弦波状の波形である。
図8(c)に示すようにMOSFET(Q1)の駆動パルスは、交流電源電圧Vsの極性が正のとき、その大きさに応じたオフ・デューティとなる。交流電源電圧Vsの極性が負のとき、その大きさに応じオン・デューティとなる。
図8(c)に示すようにMOSFET(Q2)の駆動パルスは、MOSFET(Q1)の駆動パルスとは反転しており、交流電源電圧Vsの極性が正のとき、その大きさに応じたオン・デューティとなる。交流電源電圧Vsの極性が負のとき、その大きさに応じたオフ・デューティとなる。
図8(b)に示すように、回路電流isは、交流電源電圧Vsと同位相の正弦波状の波形となる。これにより、図7の場合よりも更に力率が改善される。
FIGS. 8A to 8D are waveform diagrams of AC power supply voltage Vs, circuit current is, and MOSFET drive pulses when high-speed switching is performed.
FIG. 8A shows the waveform of the AC power supply voltage Vs, and FIG. 8B shows the waveform of the circuit current is. FIG. 8C shows a drive pulse waveform of the MOSFET (Q1), and FIG. 8D shows a drive pulse waveform of the MOSFET (Q2).
As shown in FIG. 8A, the AC power supply voltage Vs has a substantially sinusoidal waveform.
As shown in FIG. 8C, when the polarity of the AC power supply voltage Vs is positive, the drive pulse of the MOSFET (Q1) has an off duty according to the magnitude. When the polarity of the AC power supply voltage Vs is negative, it becomes on-duty according to the magnitude.
As shown in FIG. 8C, the drive pulse of the MOSFET (Q2) is inverted from the drive pulse of the MOSFET (Q1), and when the polarity of the AC power supply voltage Vs is positive, the ON pulse corresponding to the magnitude thereof is turned on.・ It becomes duty. When the polarity of the AC power supply voltage Vs is negative, it becomes an off-duty according to the magnitude.
As shown in FIG. 8B, the circuit current is has a sinusoidal waveform in phase with the AC power supply voltage Vs. Thereby, the power factor is further improved as compared with the case of FIG.

高速スイッチング動作においては、例えば電源電圧が正の極性の場合、回路短絡動作時には、MOSFET(Q1)をオン、MOSFET(Q2)をオフ状態とすることで、短絡電流ispを通流させる。次にMOSFET(Q1)をオフ状態にし、MOSFET(Q2)をオン状態にする。このように、このように短絡動作の有無に応じてMOSFET(Q1,Q2)のオン、オフを切り替えているのは、同期整流を行っているためである。単純に高速スイッチング動作を行うためには、MOSFET(Q2)は常時オフ状態で、MOSFET(Q1)を一定周波数でスイッチング動作を行えばよい。しかし、このとき、MOSFET(Q1)オフ時にMOSFET(Q2)もオフ状態であると、電流はMOSFET(Q2)の寄生ダイオードD22を流れることになる。前記したように、この寄生ダイオードは特性が悪く、電圧ドロップが大きいために、導通損失が大きくなってしまう。そこで本発明では、MOSFET(Q1)オフ時には、MOSFET(Q2)をオン状態にして同期整流を行うことで、導通損失を低減しているのである。
直流電源装置1に流れる回路電流is(瞬時値)は、以下の式(2)で表すことができる。

Figure 0006416690
In the high-speed switching operation, for example, when the power supply voltage has a positive polarity, the short-circuit current isp is caused to flow by turning on the MOSFET (Q1) and turning off the MOSFET (Q2) during the circuit short-circuit operation. Next, the MOSFET (Q1) is turned off and the MOSFET (Q2) is turned on. Thus, the reason why the MOSFETs (Q1, Q2) are switched on and off in accordance with the presence / absence of a short-circuit operation is that synchronous rectification is performed. In order to simply perform a high-speed switching operation, the MOSFET (Q2) is always in an off state, and the MOSFET (Q1) may be switched at a constant frequency. However, at this time, if the MOSFET (Q2) is also in the off state when the MOSFET (Q1) is off, the current flows through the parasitic diode D22 of the MOSFET (Q2). As described above, this parasitic diode has poor characteristics and a large voltage drop, resulting in a large conduction loss. Therefore, in the present invention, when the MOSFET (Q1) is off, the conduction loss is reduced by performing synchronous rectification by turning on the MOSFET (Q2).
The circuit current is (instantaneous value) flowing through the DC power supply device 1 can be expressed by the following equation (2).
Figure 0006416690

さらに、この式(2)を書き換えると、以下の式(3)となる。

Figure 0006416690
Furthermore, when this equation (2) is rewritten, the following equation (3) is obtained.
Figure 0006416690

式(4)は、回路電流is(瞬時値)と、回路電流実効値Isとの関係を示すものである。

Figure 0006416690
Equation (4) shows the relationship between the circuit current is (instantaneous value) and the circuit current effective value Is.
Figure 0006416690

式(3)を変形して式(4)を代入すると、以下の式(5)となる。

Figure 0006416690
When formula (3) is modified and formula (4) is substituted, formula (5) below is obtained.
Figure 0006416690

昇圧比の逆数を右辺とすると、以下の式(6)となる。

Figure 0006416690
When the reciprocal of the step-up ratio is the right side, the following equation (6) is obtained.
Figure 0006416690

さらに、MOSFETのデューティdは、式(7)のように表すことが可能である。

Figure 0006416690
Furthermore, the duty d of the MOSFET can be expressed as in Expression (7).
Figure 0006416690

以上より、式(6)に示したKp×Isを制御することで、交流電源電圧Vsの実効値のa倍に昇圧可能であり、そのときのMOSFETのデューティd(通流率)は、式(7)で与えることができる。   As described above, by controlling Kp × Is shown in the equation (6), the voltage can be boosted to a times the effective value of the AC power supply voltage Vs, and the duty d (conductivity) of the MOSFET at that time is expressed by the equation It can be given by (7).

図9は、電源電圧半サイクル(正の極性)における、MOSFET(Q1)とMOSFET(Q2)の駆動パルスのオン・デューティの関係を示した図である。図9の縦軸はオン・デューティを示し、横軸は正の極性の電源電圧の半サイクル分の時間を示している。
破線で示したMOSFET(Q2)の駆動パルスのオン・デューティは、交流電源電圧Vsと比例している。2点鎖線で示したMOSFET(Q1)の駆動パルスのオン・デューティは、1.0からMOSFET(Q2)の駆動パルスのオン・デューティを減算したものとなる。
図9において、式(7)で示したように、回路電流isが大きくなるほど短絡電流を流すためにスイッチング動作を行うMOSFET(Q1)の駆動パルスのデューティdは小さくなり、逆に回路電流isが小さいほどMOSFET(Q1)の駆動パルスのデューティdは大きくなる。同期整流を行う側のMOSFET(Q1)の駆動パルスのデューティdは、MOSFET(Q2)の駆動パルスのデューティdとは逆特性となる。
FIG. 9 is a diagram showing the on-duty relationship of the drive pulses of the MOSFET (Q1) and the MOSFET (Q2) in the half cycle of the power supply voltage (positive polarity). The vertical axis in FIG. 9 indicates the on-duty, and the horizontal axis indicates the time corresponding to a half cycle of the positive polarity power supply voltage.
The on-duty of the drive pulse of the MOSFET (Q2) indicated by the broken line is proportional to the AC power supply voltage Vs. The on-duty of the driving pulse of the MOSFET (Q1) indicated by a two-dot chain line is obtained by subtracting the on-duty of the driving pulse of the MOSFET (Q2) from 1.0.
In FIG. 9, as shown by the equation (7), as the circuit current is increases, the duty d of the driving pulse of the MOSFET (Q1) that performs the switching operation in order to flow the short-circuit current decreases. The smaller the value is, the larger the driving pulse duty d of the MOSFET (Q1) is. The duty d of the drive pulse of the MOSFET (Q1) on the side where the synchronous rectification is performed has a reverse characteristic to the duty d of the drive pulse of the MOSFET (Q2).

図10は、電源電圧半サイクル(正の極性)における、デッドタイムを考慮したMOSFET(Q2)の駆動パルスのオン・デューティを実線で追記した図である。図10の縦軸はオン・デューティを示し、横軸は交流電源電圧Vsの正極性の半サイクル分の時間を示している。
このように、所定のデッドタイムを付与すると、MOSFET(Q2)の駆動パルスのデューティは、このデッドタイム分だけ小さくなる。
FIG. 10 is a diagram in which the on-duty of the drive pulse of the MOSFET (Q2) in consideration of the dead time in the half cycle of the power supply voltage (positive polarity) is additionally written with a solid line. The vertical axis in FIG. 10 indicates the on-duty, and the horizontal axis indicates the time corresponding to the positive half cycle of the AC power supply voltage Vs.
As described above, when a predetermined dead time is given, the duty of the driving pulse of the MOSFET (Q2) is reduced by this dead time.

図11は、交流電源電圧Vsの瞬時値vsと、回路電流is(瞬時値)との関係を示した図である。実線は交流電源電圧Vsの瞬時値vsを示し、破線は回路電流isの瞬時値を示している。図11の横軸は正の極性の電源電圧の半サイクル分の時間を示している。
図11に示すように、高速スイッチング制御により、交流電源電圧Vsの瞬時値vsと回路電流is(瞬時値)とは両方とも略正弦波状となり、よって力率を改善することができる。
MOSFET(Q1)のデューティdQ1を、以下の式(8)に示す。

Figure 0006416690
FIG. 11 is a diagram showing the relationship between the instantaneous value vs of the AC power supply voltage Vs and the circuit current is (instantaneous value). The solid line indicates the instantaneous value vs of the AC power supply voltage Vs, and the broken line indicates the instantaneous value of the circuit current is. The horizontal axis of FIG. 11 indicates the time for half a cycle of the positive polarity power supply voltage.
As shown in FIG. 11, the instantaneous value vs of the AC power supply voltage Vs and the circuit current is (instantaneous value) are both substantially sinusoidal due to the high-speed switching control, so that the power factor can be improved.
The duty d Q1 of the MOSFET (Q1) is shown in the following equation (8).
Figure 0006416690

MOSFET(Q2)のデューティdQ2を、以下の式(9)に示す。

Figure 0006416690
The duty d Q2 of the MOSFET (Q2) is shown in the following equation (9).
Figure 0006416690

また、電源電圧と電流の関係をみると、回路電流isは正弦波状に制御されているため、力率は良い状態である。なお、これはリアクトルL1(図1参照)のインダクタンスが小さく電源電圧に対して電流の位相遅れが無い状態を想定している。仮に、リアクトルL1のインダクタンスが大きく、電流位相が電圧位相に対して遅れる場合には、電流位相を考慮してデューティdを設定すればよい。   Further, looking at the relationship between the power supply voltage and the current, the circuit current is is controlled in a sine wave shape, so that the power factor is good. This assumes a state in which the inductance of reactor L1 (see FIG. 1) is small and there is no phase delay of the current with respect to the power supply voltage. If the inductance of the reactor L1 is large and the current phase is delayed with respect to the voltage phase, the duty d may be set in consideration of the current phase.

図12は、交流電源電圧Vsが正極性の場合に、リアクトルL1による電流位相の遅れ分を考慮した場合のMOSFET(Q1)のデューティを示した図である。図12の縦軸はMOSFET(Q1)のデューティを示し、横軸は正の極性の電源電圧の半サイクル分の時間を示している。
実線は、リアクトルL1による電流位相の遅れ分を考慮しない場合のMOSFET(Q1)のデューティを示している。破線は、リアクトルL1による電流位相の遅れ分を考慮した場合のMOSFET(Q1)のデューティを示している。このように制御することにより、リアクトルL1のインダクタンスが大きい場合であっても、電流を正弦波状に制御可能である。
FIG. 12 is a diagram showing the duty of MOSFET (Q1) when the current phase delay due to reactor L1 is taken into account when AC power supply voltage Vs is positive. The vertical axis in FIG. 12 indicates the duty of the MOSFET (Q1), and the horizontal axis indicates the time for a half cycle of the positive polarity power supply voltage.
The solid line indicates the duty of MOSFET (Q1) when the current phase delay due to reactor L1 is not taken into consideration. The broken line indicates the duty of MOSFET (Q1) when the delay of the current phase due to reactor L1 is taken into consideration. By controlling in this way, even if the inductance of the reactor L1 is large, the current can be controlled in a sine wave shape.

ブリッジ整流回路10の制御において、MOSFET(Q1)がオンからオフに切り替わり、MOSFET(Q2)がオフからオンに切り替わるタイミングではデッドタイムを設ける必要がある。MOSFET(Q1)がオフからオンに切り替わり、MOSFET(Q2)がオンからオフに切り替わるタイミングも同様である。デッドタイムを設けていない場合には、ブリッジ整流回路10の直流出力側が上下短絡し、最悪の場合、直流電源装置1が破壊するおそれがある。   In the control of the bridge rectifier circuit 10, it is necessary to provide a dead time at the timing when the MOSFET (Q1) is switched from on to off and the MOSFET (Q2) is switched from off to on. The same applies to the timing at which the MOSFET (Q1) is switched from OFF to ON and the MOSFET (Q2) is switched from ON to OFF. When the dead time is not provided, the DC output side of the bridge rectifier circuit 10 is vertically short-circuited, and in the worst case, the DC power supply device 1 may be destroyed.

図13(a)〜(c)は、交流電源電圧Vsが正のサイクルの場合において、MOSFET(Q1,Q2)それぞれにデッドタイムを設けた場合の回路電流とMOSFET(Q1,Q2)の駆動パルスの関係を示した図である。
図13(a)の回路電流の実線はMOSFET(Q1)にデッドタイムを設けた場合に通流する電流を示している。回路電流の破線は、目標値を示している。
図13(b)はMOSFET(Q1)の駆動パルス波形を示している。破線はデッドタイムを考慮しない場合、実線はデッドタイムを考慮した場合である。周期TはPWM周期を示し、時間tonはオン時間、時間toffはオフ時間を示している。
図13(c)はMOSFET(Q1)の駆動パルス波形を示している。図13(a)〜(c)とも横軸は、共通する時間を示している。時間tdはデッドタイムを示している。
FIGS. 13A to 13C show circuit currents and driving pulses of the MOSFETs (Q1, Q2) when dead time is provided for each of the MOSFETs (Q1, Q2) when the AC power supply voltage Vs is a positive cycle. FIG.
The solid line of the circuit current in FIG. 13A indicates the current that flows when the dead time is provided in the MOSFET (Q1). The broken line of the circuit current indicates the target value.
FIG. 13B shows the drive pulse waveform of the MOSFET (Q1). A broken line indicates a case where dead time is not considered, and a solid line indicates a case where dead time is considered. A period T indicates a PWM period, a time ton indicates an on time, and a time toff indicates an off time.
FIG. 13C shows a drive pulse waveform of the MOSFET (Q1). In FIGS. 13A to 13C, the horizontal axis indicates a common time. Time td indicates dead time.

図13(b)のt0のタイミングにおいて、本来はMOSFET(Q1)の駆動パルス波形において、破線で示す部分までオン・デューティを確保すべきである。しかしMOSFET(Q1)側にもデッドタイムを設けることで、設定されたオン・デューティを確保できない。よって図13(a)に示すように、破線で示す目標電流まで電流を通流させることができていない。
このため、直流電圧Vdを目標値まで昇圧することができない。
At the timing t0 in FIG. 13B, the on-duty should be secured up to the portion indicated by the broken line in the drive pulse waveform of the MOSFET (Q1). However, the set on-duty cannot be secured by providing a dead time on the MOSFET (Q1) side. Therefore, as shown in FIG. 13A, the current cannot be passed to the target current indicated by the broken line.
For this reason, the DC voltage Vd cannot be boosted to the target value.

例えば目標とするデッドタイムを確保するために、交流電源電圧Vsが正極性のとき、MOSFET(Q1)とMOSFET(Q2)のデッドタイムの分担比を考えた場合に、MOSFET(Q1)の分担比を小さくすればするほど、目標電流に近づけることが可能となる。つまり、理想的にはMOSFET(Q2)側にデッドタイムを100%分担させることで、目標電流を通流させることができ、つまりは目標とする直流電圧Vdまで昇圧することが可能である。この内容を図示すると、図14のような関係となる。   For example, when the AC power supply voltage Vs is positive in order to ensure the target dead time, the sharing ratio of the MOSFET (Q1) when considering the sharing ratio of the dead time of the MOSFET (Q1) and the MOSFET (Q2) The smaller the value is, the closer it is to the target current. In other words, ideally, by sharing the dead time 100% on the MOSFET (Q2) side, the target current can be passed, that is, the voltage can be boosted to the target DC voltage Vd. If this content is illustrated, it will become a relationship like FIG.

図14(a),(b)は、交流電源電圧Vsが正極性のとき、MOSFET(Q2)にデッドタイムを設定した様子を表した図である。図14(a)はMOSFET(Q1)の駆動パルスを示し、図14(b)はMOSFET(Q2)の駆動パルスを示している。
ここではMOSFET(Q2)側にデッドタイムを100%分担し、MOSFET(Q1)側はデッドタイムを分担していない。
図14(a)のように、オン時間tonとオフ時間toffとがMOSFET(Q1)の駆動パルスに設定されている。これにより、回路電流isを目標電流に近づけることが可能となる。
図14(b)のように、MOSFET(Q1)の駆動パルスに対して、時間tdのデッドタイムをMOSFET(Q2)の駆動パルスに設けている。これにより、ブリッジ整流回路10の直流出力側の上下短絡を防ぐことができる。
FIGS. 14A and 14B are diagrams illustrating a state in which a dead time is set for the MOSFET (Q2) when the AC power supply voltage Vs is positive. FIG. 14A shows a drive pulse for the MOSFET (Q1), and FIG. 14B shows a drive pulse for the MOSFET (Q2).
Here, 100% of the dead time is shared on the MOSFET (Q2) side, and no dead time is shared on the MOSFET (Q1) side.
As shown in FIG. 14A, the ON time ton and the OFF time toff are set as the driving pulse for the MOSFET (Q1). Thereby, the circuit current is can be brought close to the target current.
As shown in FIG. 14B, a dead time of time td is provided for the drive pulse of the MOSFET (Q2) with respect to the drive pulse of the MOSFET (Q1). Thereby, the upper and lower short circuit of the DC output side of the bridge rectifier circuit 10 can be prevented.

また同様に交流電源電圧Vsが負極性のとき、MOSFET(Q1)側にデッドタイムをもたせることで直流電圧Vdを目標値まで昇圧可能である。この内容を図示すると図15のような関係となる。   Similarly, when the AC power supply voltage Vs is negative, the DC voltage Vd can be boosted to the target value by providing a dead time on the MOSFET (Q1) side. When this content is illustrated, the relationship is as shown in FIG.

図15(a),(b)は、交流電源電圧Vsが負極性のとき、MOSFET(Q1)にデッドタイムを設定した様子を表した図である。図15(a)はMOSFET(Q1)の駆動パルスを示し、図15(b)はMOSFET(Q2)の駆動パルスを示している。
ここではMOSFET(Q1)側にデッドタイムを100%分担し、MOSFET(Q2)側はデッドタイムを分担していない。
図15(a)のように、MOSFET(Q1)の駆動パルスに対して、時間tdのデッドタイムをMOSFET(Q2)の駆動パルスに設けている。これにより、ブリッジ整流回路10の直流出力側の上下短絡を防ぐことができる。
図15(b)のように、オン時間tonとオフ時間toffとがMOSFET(Q2)の駆動パルスに設定されている。これにより、回路電流isを目標電流に近づけることが可能となる。
FIGS. 15A and 15B are diagrams illustrating a state in which a dead time is set in the MOSFET (Q1) when the AC power supply voltage Vs is negative. FIG. 15A shows a drive pulse for the MOSFET (Q1), and FIG. 15B shows a drive pulse for the MOSFET (Q2).
Here, 100% of the dead time is shared on the MOSFET (Q1) side, and no dead time is shared on the MOSFET (Q2) side.
As shown in FIG. 15A, a dead time of time td is provided for the drive pulse of the MOSFET (Q2) with respect to the drive pulse of the MOSFET (Q1). Thereby, the upper and lower short circuit of the DC output side of the bridge rectifier circuit 10 can be prevented.
As shown in FIG. 15B, the ON time ton and the OFF time toff are set as the driving pulse for the MOSFET (Q2). Thereby, the circuit current is can be brought close to the target current.

以上、まとめると本発明の直流電源装置1において、デッドタイムは、交流電源電圧Vsが正の場合には、MOSFET(Q2)側の駆動パルスのデッドタイムの分担に対してMOSFET(Q1)側を小さくし、理想的にはMOSFET(Q2)側にデッドタイムを設定する。交流電源電圧Vsが負の場合には、MOSFET(Q1)の駆動パルスのデッドタイムの分担に対してMOSFET(Q2)側を小さくし、理想的にはMOSFET(Q1)側にデッドタイムを設定する。   In summary, in the DC power supply device 1 of the present invention, when the AC power supply voltage Vs is positive, the dead time of the MOSFET (Q1) side with respect to the sharing of the dead time of the drive pulse on the MOSFET (Q2) side is Ideally, the dead time is set on the MOSFET (Q2) side. When the AC power supply voltage Vs is negative, the MOSFET (Q2) side is reduced with respect to the sharing of the dead time of the drive pulse of the MOSFET (Q1), and ideally the dead time is set on the MOSFET (Q1) side. .

以上のように、交流電源電圧Vsの極性に合わせてデッドタイムを設定した場合、MOSFET(Q1,Q2)のデューティやオン時間、オフ時間の関係を表すと以下のようになる。
MOSFET(Q1)のオン時間ton_Q1は、以下の式(10)で算出される。ここでTは周期である。

Figure 0006416690
As described above, when the dead time is set in accordance with the polarity of the AC power supply voltage Vs, the relationship among the duty, on time, and off time of the MOSFETs (Q1, Q2) is expressed as follows.
The on time t on_Q1 of the MOSFET (Q1) is calculated by the following equation (10). Here, T is a period.
Figure 0006416690

MOSFET(Q1)のオフ時間toff_Q1は、以下の式(11)で算出される。

Figure 0006416690
The off time toff_Q1 of the MOSFET (Q1) is calculated by the following equation (11).
Figure 0006416690

MOSFET(Q2)のオン時間ton_Q2は、以下の式(12)で算出される。ここでtdはデッドタイムである。

Figure 0006416690
The on time t on_Q2 of the MOSFET (Q2) is calculated by the following equation (12). Here, td is a dead time.
Figure 0006416690

MOSFET(Q2)のオフ時間toff_Q2は、以下の式(13)で算出される。

Figure 0006416690
The off time toff_Q2 of the MOSFET (Q2) is calculated by the following equation (13).
Figure 0006416690

MOSFET(Q2)のデューティdQ2は、以下の式(14)で算出される。

Figure 0006416690
The duty d Q2 of the MOSFET (Q2) is calculated by the following equation (14).
Figure 0006416690

以上のようにデッドタイムを設定することで、直流電圧Vdを目標値まで昇圧しつつ、力率の改善による高調波電流の低減が可能である。更に、本発明の直流電源装置1においては同期整流を行っているため高効率動作も可能である。   By setting the dead time as described above, it is possible to reduce the harmonic current by improving the power factor while boosting the DC voltage Vd to the target value. Furthermore, since the DC power supply device 1 of the present invention performs synchronous rectification, high-efficiency operation is possible.

≪部分スイッチング動作≫
前記したように、高速スイッチング動作を行うことで回路電流isを正弦波に成形することができ、高力率を確保することができる。しかし、スイッチング周波数が大きければ大きいほどスイッチング損失は大きくなる。
回路の入力が大きいほど、高調波電流も増大するので、特に高次の高調波電流の規制値を満足することが難しくなるため、入力電流が大きいほど高力率を確保する必要がある。逆に入力が小さい場合には高調波電流も小さくなるので必要以上に力率を確保する必要が無い場合がある。つまり、言い換えると負荷条件に応じて効率を考慮しつつ最適な力率を確保することで高調波電流を低減すればよいと言える。
そこで、スイッチング損失の増大を抑えつつ、力率を改善する場合には部分スイッチング動作を行えばよい。
≪Partial switching operation≫
As described above, the circuit current is can be shaped into a sine wave by performing a high-speed switching operation, and a high power factor can be ensured. However, the switching loss increases as the switching frequency increases.
Since the harmonic current increases as the circuit input increases, it becomes difficult to satisfy the regulation value of the higher-order harmonic current in particular. Therefore, it is necessary to ensure a high power factor as the input current increases. Conversely, when the input is small, the harmonic current is also small, so there is a case where it is not necessary to secure a power factor more than necessary. In other words, it can be said that the harmonic current may be reduced by securing an optimum power factor while considering the efficiency in accordance with the load condition.
Therefore, in order to improve the power factor while suppressing an increase in switching loss, a partial switching operation may be performed.

部分スイッチング動作とは、高速スイッチング動作のように所定周波数で回路を短絡させるのではなく、交流電源電圧Vsの半サイクルの中で、ブリッジ整流回路を繰り返し複数回短絡させることで直流電圧Vdの昇圧と力率の改善を行う動作モードである。高速スイッチング動作の場合と比べてMOSFET(Q1,Q2)のスイッチング回数が少ない分、スイッチング損失の低減が可能である。以下、図16を用いて部分スイッチング動作の説明を行う。   The partial switching operation does not short-circuit the circuit at a predetermined frequency as in the high-speed switching operation, but boosts the DC voltage Vd by repeatedly short-circuiting the bridge rectifier circuit a plurality of times in the half cycle of the AC power supply voltage Vs. This is an operation mode that improves the power factor. Compared with the case of high-speed switching operation, the switching loss of the MOSFETs (Q1, Q2) is reduced, so that the switching loss can be reduced. Hereinafter, the partial switching operation will be described with reference to FIG.

図16(a)〜(d)は、交流電源電圧Vsが正のサイクルにおける、MOSFET(Q1)の駆動パルスと交流電源電圧Vs、回路電流isの関係を示した図である。
図16(a)は交流電源電圧Vsを示し、図16(b)は回路電流isを示している。図16(c)はMOSFET(Q1)の駆動パルスを示し、図16(d)はMOSFET(Q2)の駆動パルスを示している。
図16(a)に示すように交流電源電圧Vsは、略正弦波状である。
図16(b)の一点鎖線は、理想的な回路電流isを略正弦波状に示している。このとき、最も力率が改善される。
ここで例えば、理想電流上の点P1を考えた場合、この点での傾きをdi(P1)/dtとおく。次に、電流がゼロの状態から、MOSFET(Q1)を時間ton1_Q1に亘ってオンしたときの電流の傾きをdi(ton1_Q1)/dtとおく。さらに時間ton1_Q1に亘ってオンした後、時間toff_Q1に亘ってオフした場合の電流の傾きをdi(toff1_Q1)/dtとおく。このときdi(ton1_Q1)/dtとdi(toff1_Q1)/dtとの平均値が点P1における傾きdi(P1)/dtと等しくなるように制御する。
次に、点P1と同様に、点P2での電流の傾きをdi(P2)/dtとおく。そして、MOSFET(Q1)を時間ton2_Q1に亘ってオンしたときの電流の傾きをdi(ton2_Q1)/dtとおき、時間toff2_Q2に亘ってオフした場合の電流の傾きをdi(toff2_Q2)/dtとおく。点P1の場合と同様に、di(ton2_Q1)/dtとdi(toff2_Q1)/dtの平均値が点P2における傾きdi(P2)/dtと等しくなるようにする。以降これを繰り返していく。このとき、MOSFET(Q1)のスイッチング回数が多いほど、理想的な正弦波に近似することが可能である。
FIGS. 16A to 16D are diagrams showing the relationship between the driving pulse of the MOSFET (Q1), the AC power supply voltage Vs, and the circuit current is in the cycle in which the AC power supply voltage Vs is positive.
16A shows the AC power supply voltage Vs, and FIG. 16B shows the circuit current is. FIG. 16C shows a drive pulse for the MOSFET (Q1), and FIG. 16D shows a drive pulse for the MOSFET (Q2).
As shown in FIG. 16A, the AC power supply voltage Vs is substantially sinusoidal.
An alternate long and short dash line in FIG. 16B indicates an ideal circuit current is in a substantially sine wave shape. At this time, the power factor is most improved.
Here, for example, when the point P1 on the ideal current is considered, the slope at this point is set to di (P1) / dt. Next, the slope of the current when the MOSFET (Q1) is turned on for the time ton1_Q1 from the state where the current is zero is set to di (ton1_Q1) / dt. Furthermore, after the power is turned on for the time ton1_Q1, the current gradient when the power is turned off for the time toff_Q1 is set to di (toff1_Q1) / dt. At this time, control is performed so that the average value of di (ton1_Q1) / dt and di (toff1_Q1) / dt is equal to the slope di (P1) / dt at the point P1.
Next, similarly to the point P1, the slope of the current at the point P2 is set to di (P2) / dt. Then, the slope of the current when the MOSFET (Q1) is turned on over time ton2_Q1 is set to di (ton2_Q1) / dt, and the slope of the current when turned off over time toff2_Q2 is set to di (toff2_Q2) / dt. . As in the case of the point P1, the average value of di (ton2_Q1) / dt and di (toff2_Q1) / dt is made equal to the slope di (P2) / dt at the point P2. This is repeated thereafter. At this time, it can be approximated to an ideal sine wave as the switching frequency of the MOSFET (Q1) is increased.

図16(d)において、まずMOSFET(Q2)が時間ton1_Q2に亘ってオンとなり、そののち時間toff1_Q2に亘ってオフ状態となる。
図16(c)に示すように、MOSFET(Q2)がオフになったタイミングで、MOSFET(Q1)が時間ton1_Q1に亘ってオン状態になる。そしてMOSFET(Q1)がオフ状態となったタイミングでMOSFET(Q2)が時間ton2_Q2に亘ってオン状態となる。以降、同様にMOSFET(Q1,Q2)は双方でオン、オフを繰り返す。これは、高速スイッチング動作で説明したように、回路短絡動作を行いつつ、同期整流を行っているためである。この部分スイッチング動作においても、MOSFET(Q1,Q2)のオン、オフ切り替わりのタイミングで上下短絡を起こす危険性があるため、高速スイッチング動作の場合と同様にデッドタイムを設けている。つまり、交流電源電圧Vsが正の場合では、MOSFET(Q1)側のデッドタイムの割合をMOSFET(Q2)よりも小さくする。理想的にはMOSFET(Q2)側でデッドタイムを確保する。交流電源電圧Vsが負の場合では、MOSFET(Q2)側のデッドタイムの割合をMOSFET(Q1)よりも小さくする。理想的にはMOSFET(Q1)側でデッドタイムを確保する。このようにデッドタイムを設定することで、高効率動作を行いつつ、力率の改善と直流電圧Vdの昇圧を行うことが可能である。
In FIG. 16D, first, the MOSFET (Q2) is turned on for a time ton1_Q2, and then turned off for a time toff1_Q2.
As shown in FIG. 16C, at the timing when the MOSFET (Q2) is turned off, the MOSFET (Q1) is turned on for a time ton1_Q1. Then, at the timing when the MOSFET (Q1) is turned off, the MOSFET (Q2) is turned on for a time ton2_Q2. Thereafter, the MOSFETs (Q1, Q2) are repeatedly turned on and off in the same manner. This is because, as described in the high-speed switching operation, the synchronous rectification is performed while performing the circuit short-circuit operation. Also in this partial switching operation, there is a risk of causing a vertical short-circuit at the timing of switching on and off of the MOSFETs (Q1, Q2), and therefore a dead time is provided as in the case of the high-speed switching operation. That is, when the AC power supply voltage Vs is positive, the ratio of the dead time on the MOSFET (Q1) side is made smaller than that of the MOSFET (Q2). Ideally, a dead time is secured on the MOSFET (Q2) side. When the AC power supply voltage Vs is negative, the ratio of the dead time on the MOSFET (Q2) side is made smaller than that of the MOSFET (Q1). Ideally, a dead time is secured on the MOSFET (Q1) side. By setting the dead time in this way, it is possible to improve the power factor and boost the DC voltage Vd while performing a highly efficient operation.

<デッドタイム可変>
これまでの説明では、デッドタイムはある一定の固定値で考えてきた。しかしデッドタイムにある特性をもたせ、場合に応じて変化させてもよい。
図16は、MOSFETのゲート回路の等価回路である。
MOSFETのゲート電圧Vgsは、以下の式(15)の関係がある。

Figure 0006416690
<Dead time variable>
In the description so far, the dead time has been considered as a certain fixed value. However, it may have a characteristic in the dead time and may be changed according to circumstances.
FIG. 16 is an equivalent circuit of a MOSFET gate circuit.
The gate voltage Vgs of the MOSFET has the relationship of the following formula (15).
Figure 0006416690

但し、Eは電源電圧、Cgsはゲート−ソース間容量、Cgdはゲート−ドレイン間容量、Rgはゲート抵抗を示している。また、ゲートの入力容量Cissは、CgdとCgsとの和で表される。
ここで、ゲートの入力容量Cissは、ドレイン−ソース間電圧Vdsが大きくなるほど、容量が小さくなるという特性がある。そのためドレイン−ソース間電圧Vdsが大きいほど早くオンするといえる。本発明の直流電源装置1は、入力電源が交流電源VSであるため、実際にはオンするまでの時間も、この交流電源電圧Vsとともに変化していると考えられる。すなわち、交流電源電圧Vsのゼロクロス付近でのオン時間ton_zeroと、交流電源電圧Vsのピーク付近でのオン時間ton_peakとを比べると、オン時間ton_zeroは、オン時間ton_peakよりも大きい。
However, E is a power supply voltage, Cgs is a gate-source capacitance, Cgd is a gate-drain capacitance, and Rg is a gate resistance. The input capacitance Ciss of the gate is represented by the sum of Cgd and Cgs.
Here, the input capacitance Ciss of the gate has a characteristic that the capacitance decreases as the drain-source voltage Vds increases. For this reason, it can be said that the larger the drain-source voltage Vds is, the faster it is turned on. In the DC power supply device 1 of the present invention, since the input power supply is the AC power supply VS, it is considered that the time until the power is actually turned on also changes with the AC power supply voltage Vs. That is, when the on-time ton_zero near the zero cross of the AC power supply voltage Vs is compared with the on-time ton_peak near the peak of the AC power supply voltage Vs, the on-time ton_zero is larger than the on-time ton_peak.

そこで、より最適にデッドタイムを設定するためには、電源電圧ゼロクロス付近でのデッドタイムに対して、電源電圧ピーク付近でのデッドタイムは小さく設定すればよい。このように設定することで、同期整流期間が増えることになり、損失低減効果をさらに高めることが可能である。
例えばデッドタイムtdを、以下の式(16)のように設定する。

Figure 0006416690
Therefore, in order to set the dead time more optimally, the dead time near the power supply voltage peak may be set smaller than the dead time near the power supply voltage zero cross. By setting in this way, the synchronous rectification period is increased, and the loss reduction effect can be further enhanced.
For example, the dead time td is set as in the following equation (16).
Figure 0006416690

但し、td0はデッドタイムの最大値、Tはスイッチング周期、tonはオン時間、toffはオフ時間である。
ここで、ton,toffは変化する。デューティで考えた場合、図9に示したように、ゼロクロス付近では100%、電圧ピーク付近では10%以下というように、ピーク付近ほどデューティは小さくなる、つまりtonは小さくなる。よって式(16)に示すように、周期に対してオン時間の割合だけデッドタイムtdを小さくするとよい。交流電源電圧VsとMOSFETの特性を考慮してデッドタイムtdを可変させることで、同期整流期間を増やすことができ、導通損低減効果を更に高めることが可能である。なお、デッドタイムtdの可変方法として式(16)で説明したが、これはあくまで代表的な式であり、別の式や方法でデッドタイムを可変させてもよい。
Where td0 is the maximum dead time, T is the switching period, ton is the on time, and toff is the off time.
Here, ton and toff change. When considering the duty, as shown in FIG. 9, the duty decreases near the peak, that is, 100% near the zero cross and 10% or less near the voltage peak, that is, the ton decreases. Therefore, as shown in Expression (16), the dead time td may be reduced by the ratio of the on time to the cycle. By changing the dead time td in consideration of the AC power supply voltage Vs and the characteristics of the MOSFET, the synchronous rectification period can be increased, and the conduction loss reduction effect can be further enhanced. Note that although the equation (16) has been described as the variable method of the dead time td, this is merely a representative equation, and the dead time may be varied by another equation or method.

<空気調和機と直流電源装置の動作>
図18は、本実施形態における空気調和機の室内機、室外機、およびリモコンの正面図である。
図18に示すように、空気調和機Aは、いわゆるルームエアコンであり、室内機100と、室外機200と、リモコンReと、不図示の直流電源装置1(図1参照)とを備えている。室内機100と室外機200とは冷媒配管300で接続され、周知の冷媒サイクルによって、室内機100が設置されている室内を空調する。また、室内機100と室外機200とは、通信ケーブル(図示せず)を介して互いに情報を送受信するようになっている。直流電源装置1は、この室内機100と室外機200とに直流電力を供給する。
<Operation of air conditioner and DC power supply>
FIG. 18 is a front view of an indoor unit, an outdoor unit, and a remote controller of an air conditioner according to this embodiment.
As shown in FIG. 18, the air conditioner A is a so-called room air conditioner, and includes an indoor unit 100, an outdoor unit 200, a remote controller Re, and a DC power supply 1 (not shown) (see FIG. 1). . The indoor unit 100 and the outdoor unit 200 are connected by a refrigerant pipe 300, and air-conditions the room in which the indoor unit 100 is installed by a known refrigerant cycle. The indoor unit 100 and the outdoor unit 200 transmit and receive information to and from each other via a communication cable (not shown). The DC power supply device 1 supplies DC power to the indoor unit 100 and the outdoor unit 200.

リモコンReは、ユーザによって操作されて、室内機100のリモコン送受信部Qに対して赤外線信号を送信する。この赤外線信号の内容は、運転要求、設定温度の変更、タイマ、運転モードの変更、停止要求などの指令である。空気調和機Aは、これら赤外線信号の指令に基づいて、冷房モード、暖房モード、除湿モードなどの空調運転を行う。また、室内機100は、リモコン送受信部QからリモコンReへ、室温情報、湿度情報、電気代情報などのデータを送信する。   The remote controller Re is operated by the user and transmits an infrared signal to the remote controller transmission / reception unit Q of the indoor unit 100. The contents of the infrared signal are commands such as an operation request, a change in set temperature, a timer, an operation mode change, and a stop request. The air conditioner A performs air conditioning operations such as a cooling mode, a heating mode, and a dehumidifying mode based on these infrared signal commands. Moreover, the indoor unit 100 transmits data such as room temperature information, humidity information, and electricity bill information from the remote control transmission / reception unit Q to the remote control Re.

空気調和機Aに搭載された直流電源装置1の動作の流れについて説明する。直流電源装置1は、高効率動作と力率の改善による高調波電流の低減と直流電圧Vdの昇圧を行うものである。そして、動作モードとしては前記のように、全波整流動作、高速スイッチング動作、部分スイッチング動作の3つの動作モードを備えている。   An operation flow of the DC power supply device 1 mounted on the air conditioner A will be described. The direct-current power supply 1 performs high-efficiency operation and reduction of harmonic current by boosting the power factor and boosting of the direct-current voltage Vd. As described above, the operation mode includes the three operation modes of full-wave rectification operation, high-speed switching operation, and partial switching operation.

例えば負荷Hとして空気調和機Aのインバータやモータを考えた場合、負荷が小さく、効率重視の運転が必要であれば、直流電源装置1を全波整流モードで動作させるとよい。
負荷が大きくなり、昇圧と力率の確保とが必要であれば、直流電源装置1に高速スイッチング動作を行わせるとよい。また空気調和機Aの定格運転時のように、負荷としてはそれほど大きくないが昇圧や力率の確保が必要な場合には、部分スイッチング動作を行わせるとよい。
For example, when an inverter or a motor of the air conditioner A is considered as the load H, the DC power source device 1 may be operated in the full-wave rectification mode if the load is small and an operation that emphasizes efficiency is necessary.
If the load increases and it is necessary to increase the voltage and secure the power factor, the DC power supply device 1 may be allowed to perform a high-speed switching operation. In addition, as in the rated operation of the air conditioner A, if the load is not so large but it is necessary to ensure the pressure increase or the power factor, the partial switching operation may be performed.

図19は、負荷の大きさに応じて直流電源装置1の動作モードと空気調和機Aの運転領域を切り替える様子を説明した概要図である。
定格運転とは、JISC9612に記載された「JISB8615-1 表1(冷房能力試験条件)のT1条件下での運転」のことをいう。具体的にはJISB8615-1の第5項「冷房試験」と第6項「暖房試験」の中に、温度条件が記載されている。
高負荷運転とは、例えば「JIS B 8615-1に記載の過負荷運転条件下での運転」であるが、定格運転よりも更に入力が大きい運転領域であればよい。
中間運転とは、「定格運転の半分の運転能力」のことをいい、JISC9612に記載されている。
負荷に、閾値#1,#2を設けて、かつ機器として空気調和機Aを考えた場合、負荷が小さい中間領域において、直流電源装置1は全波整流を行い、定格運転時には部分スイッチングを行い、必要に応じて高速スイッチングを行う。
定格運転よりも更に負荷が大きい低温暖房運転領域などにおいて、直流電源装置1は高速スイッチングを行い、必要に応じて部分スイッチングを行う。
以上のように、直流電源装置1は、空気調和機Aの運転領域に応じた最適な動作モードに切り替えることで、高効率動作を行いつつ、高調波電流の低減を行うことが可能である。
FIG. 19 is a schematic diagram illustrating how the operation mode of the DC power supply device 1 and the operation region of the air conditioner A are switched according to the size of the load.
“Rated operation” means “operation under the T1 condition of JISB8615-1 Table 1 (cooling capacity test condition)” described in JISC9612. Specifically, the temperature conditions are described in JISB8615-1 item 5 “cooling test” and item 6 “heating test”.
The high load operation is, for example, “operation under the overload operation condition described in JIS B 8615-1”, but may be an operation region in which the input is larger than the rated operation.
Intermediate operation refers to “operating capacity that is half of rated operation” and is described in JISC9612.
When the thresholds # 1 and # 2 are provided for the load and the air conditioner A is considered as a device, the DC power supply 1 performs full-wave rectification in the intermediate region where the load is small, and performs partial switching during rated operation. If necessary, perform high-speed switching.
In a low-temperature heating operation region where the load is higher than that of the rated operation, the DC power supply device 1 performs high-speed switching, and performs partial switching as necessary.
As described above, the DC power supply device 1 can reduce the harmonic current while performing high-efficiency operation by switching to the optimum operation mode according to the operation region of the air conditioner A.

なお、負荷Hがインバータやモータなどの場合、負荷の大きさを決めるパラメータとして、インバータやモータに流れる電流、インバータの変調率、モータの回転速度が考えられる。また、直流電源装置1に通流する回路電流isで負荷Hの大きさを判断してもよい。
例えばまたは負荷の大きさが閾値#1以下ならば、直流電源装置1は全波整流を行い、閾値#1を超えたならば部分スイッチングを行う。または負荷の大きさが閾値#2を超えたならば、直流電源装置1は高速スイッチングを行い、閾値#2を以下ならば部分スイッチングを行う。
以上のように直流電源装置1は、負荷の大きさに応じた最適な動作モードに切り替えることで、高効率動作を行いつつ、高調波電流の低減を行うことが可能である。
When the load H is an inverter, a motor, or the like, the parameters that determine the magnitude of the load may include the current flowing through the inverter or the motor, the modulation rate of the inverter, and the rotation speed of the motor. Further, the magnitude of the load H may be determined by the circuit current is flowing through the DC power supply device 1.
For example, or if the load size is equal to or less than threshold value # 1, DC power supply device 1 performs full-wave rectification, and if threshold value # 1 is exceeded, performs partial switching. Or if the magnitude | size of load exceeds threshold value # 2, the DC power supply device 1 will perform high-speed switching, and if threshold value # 2 is below, it will perform partial switching.
As described above, the DC power supply device 1 can reduce the harmonic current while performing high-efficiency operation by switching to the optimum operation mode according to the size of the load.

本実施形態では、MOSFET(Q1,Q2)としてスーパージャンクションMOSFETを使用した例を説明した。このMOSFET(Q1,Q2)としてSiC(Silicon Carbide)−MOSFETを用いることで、更なる高効率動作を実現することが可能である。   In the present embodiment, an example in which a super junction MOSFET is used as the MOSFET (Q1, Q2) has been described. By using a SiC (Silicon Carbide) -MOSFET as the MOSFETs (Q1, Q2), it is possible to realize further high-efficiency operation.

また、本発明の直流電源装置1を空気調和機Aに備えることで、エネルギ効率(つまり、APF)が高く、また、信頼性の高い空気調和機Aを提供できる。空気調和機以外の機器に本発明の直流電源装置1を搭載しても、高効率で信頼性の高い機器を提供することが可能である。   Further, by providing the air conditioner A with the DC power supply device 1 of the present invention, the air conditioner A having high energy efficiency (that is, APF) and high reliability can be provided. Even if the DC power supply device 1 of the present invention is mounted on a device other than an air conditioner, it is possible to provide a highly efficient and highly reliable device.

(変形例)
本発明は上記した実施形態に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば上記した実施形態は、本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。ある実施形態の構成の一部を他の実施形態の構成に置き換えることが可能であり、ある実施形態の構成に他の実施形態の構成を加えることも可能である。また、各実施形態の構成の一部について、他の構成の追加・削除・置換をすることも可能である。
(Modification)
The present invention is not limited to the embodiments described above, and includes various modifications. For example, the above-described embodiment has been described in detail for easy understanding of the present invention, and is not necessarily limited to the one having all the configurations described. A part of the configuration of one embodiment can be replaced with the configuration of another embodiment, and the configuration of another embodiment can be added to the configuration of one embodiment. Moreover, it is also possible to add, delete, and replace other configurations for a part of the configuration of each embodiment.

上記の各構成、機能、処理部、処理手段などは、それらの一部または全部を、例えば集積回路などのハードウェアで実現してもよい。上記の各構成、機能などは、プロセッサがそれぞれの機能を実現するプログラムを解釈して実行することにより、ソフトウェアで実現してもよい。各機能を実現するプログラム、テーブル、ファイルなどの情報は、メモリ、ハードディスクなどの記録装置、または、フラッシュメモリカード、DVD(Digital Versatile Disk)などの記録媒体に置くことができる。   A part or all of the above-described configurations, functions, processing units, processing means, and the like may be realized by hardware such as an integrated circuit. Each of the above-described configurations, functions, and the like may be realized by software by a processor interpreting and executing a program that realizes each function. Information such as programs, tables, and files for realizing each function can be stored in a recording device such as a memory or a hard disk, or a recording medium such as a flash memory card or a DVD (Digital Versatile Disk).

各実施形態に於いて、制御線や情報線は、説明上必要と考えられるものを示しており、製品上必ずしも全ての制御線や情報線を示しているとは限らない。実際には、殆ど全ての構成が相互に接続されていると考えてもよい。
例えば図20は、変形例における直流電源装置1Aを示す概略の構成図である。電流検出部11(電流検出部)は、トランスであり、配線hbに設けられており、配線ha,hbを介して流れる電流(負荷)を検出する。本発明は、このように構成してもよい。なお、トランスの代わりに、ホール素子などを用いてもよい。
In each embodiment, the control lines and information lines indicate what is considered necessary for the explanation, and not all the control lines and information lines on the product are necessarily shown. Actually, it may be considered that almost all the components are connected to each other.
For example, FIG. 20 is a schematic configuration diagram illustrating a DC power supply device 1A according to a modification. The current detection unit 11 (current detection unit) is a transformer, is provided in the wiring hb, and detects a current (load) flowing through the wirings ha and hb. The present invention may be configured in this way. A Hall element or the like may be used instead of the transformer.

1,1A 直流電源装置
10 ブリッジ整流回路 (整流回路)
11 電流検出部
R1,R2 シャント抵抗 (電流検出部)
12 ゲイン制御部
13 交流電圧検出部
14 ゼロクロス判定部 (極性検出部)
15 負荷検出部
16 昇圧比制御部
17 直流電圧検出部
18 コンバータ制御部
Vs 交流電源
C1 平滑コンデンサ
D1,D2 ダイオード
ha,hb,hc,hd 配線
L1 リアクトル
Q1,Q2 MOSFET
1,1A DC power supply 10 Bridge rectifier circuit (rectifier circuit)
11 Current detection part R1, R2 Shunt resistance (Current detection part)
12 Gain Control Unit 13 AC Voltage Detection Unit 14 Zero Cross Determination Unit (Polarity Detection Unit)
DESCRIPTION OF SYMBOLS 15 Load detection part 16 Boost ratio control part 17 DC voltage detection part 18 Converter control part Vs AC power supply C1 Smoothing capacitor D1, D2 Diode ha, hb, hc, hd Wiring L1 Reactor Q1, Q2 MOSFET

Claims (12)

第1のダイオードのカソードと第1のスイッチング素子の一端とが出力側の正極に接続され、前記第1のダイオードのアノードと第2のダイオードのカソードとが交流電源の一端側に接続され、前記第1のスイッチング素子の他端と第2のスイッチング素子の一端とが前記交流電源の他端側に接続され、前記第2のダイオードのアノードと前記第2のスイッチング素子の他端とが出力側の負極に接続されることによりブリッジ接続される整流回路と、
交流電源と前記整流回路との間に設けられるリアクトルと、
前記整流回路の出力側に接続され、前記整流回路から印加される電圧を平滑化する平滑コンデンサと、
前記交流電源の電圧の極性に同期して前記第1のスイッチング素子と前記第2のスイッチング素子を双方向にスイッチングして負荷に電流を流す同期整流制御を実施すると共に、前記交流電源の半周期間に前記リアクトルを前記交流電源に短絡する回路短絡制御を繰り返し複数回実施する制御部と、
を備えることを特徴とする直流電源装置。
The cathode of the first diode and one end of the first switching element are connected to the positive electrode on the output side, the anode of the first diode and the cathode of the second diode are connected to one end side of the AC power supply, The other end of the first switching element and one end of the second switching element are connected to the other end of the AC power supply, and the anode of the second diode and the other end of the second switching element are on the output side. A rectifier circuit that is bridge-connected by being connected to the negative electrode of
A reactor provided between an AC power supply and the rectifier circuit;
A smoothing capacitor connected to the output side of the rectifier circuit and smoothing a voltage applied from the rectifier circuit;
Synchronous rectification control is performed in which the first switching element and the second switching element are bidirectionally switched in synchronism with the polarity of the voltage of the AC power supply to pass a current to the load, and during the half cycle of the AC power supply. A control unit that repeatedly performs a circuit short-circuit control for short-circuiting the reactor to the AC power source a plurality of times,
A DC power supply device comprising:
前記制御部は、
交流全周期に亘って前記同期整流制御を実施する全波整流動作と、
前記同期整流制御を実施すると共に、前記交流電源の所定位相にて部分的に前記回路短絡制御を実施する部分スイッチング動作と、
交流全周期に亘って前記同期整流制御と前記回路短絡制御とを交互に実施する高速スイッチング動作、のうちいずれかの動作に切り替える、
ことを特徴とする、請求項1に記載の直流電源装置。
The controller is
Full-wave rectification operation for performing the synchronous rectification control over the entire AC cycle;
A partial switching operation for performing the synchronous rectification control and partially implementing the circuit short-circuit control at a predetermined phase of the AC power supply;
Switching to any one of the high-speed switching operations in which the synchronous rectification control and the circuit short-circuit control are alternately performed over the entire AC cycle,
The DC power supply device according to claim 1, wherein:
前記制御部は、前記整流回路の出力側の負荷の大きさに応じて、前記全波整流動作と前記部分スイッチング動作と前記高速スイッチング動作のうちいずれかの動作に切り替える、
ことを特徴とする請求項2に記載の直流電源装置。
The control unit switches to any one of the full-wave rectification operation, the partial switching operation, and the high-speed switching operation according to the load on the output side of the rectifier circuit.
The DC power supply device according to claim 2, wherein
前記制御部は、上位装置の運転領域に応じて、前記全波整流動作と前記部分スイッチング動作と前記高速スイッチング動作のうちいずれかの動作に切り替える、
ことを特徴とする請求項2に記載の直流電源装置。
The control unit switches to any one of the full-wave rectification operation, the partial switching operation, and the high-speed switching operation according to the operation region of the host device.
The DC power supply device according to claim 2, wherein
前記交流電源の一端側の電圧が正極性の場合は、同一のスイッチング周期の中で前記第1のスイッチング素子に設けたデッドタイムに対して、前記第2のスイッチング素子に設けたデッドタイムを相対的に大きくし、前記交流電源の一端側の電圧が負極性の場合は、前記第1のスイッチング素子に設けたデッドタイムに対して、前記第2のスイッチング素子に設けたデッドタイムを相対的に小さくする、
ことを特徴とする請求項に記載の直流電源装置。
When the voltage at one end of the AC power supply is positive, the dead time provided in the second switching element is relative to the dead time provided in the first switching element in the same switching cycle. When the voltage at one end of the AC power source is negative, the dead time provided in the second switching element is relatively set with respect to the dead time provided in the first switching element. Make it smaller,
The DC power supply device according to claim 2 , wherein
前記制御部は、前記第1,第2のスイッチング素子の制御のデッドタイムを前記交流電源の電圧の大きさに応じて変化させる、
ことを特徴とする請求項に記載の直流電源装置。
The control unit changes the control dead time of the first and second switching elements according to the voltage of the AC power supply.
The DC power supply device according to claim 5 , wherein:
前記制御部は、前記第1,第2のスイッチング素子の制御のデッドタイムを前記交流電源の電圧位相に応じて変化させる、
ことを特徴とする請求項に記載の直流電源装置。
The control unit changes a control dead time of the first and second switching elements according to a voltage phase of the AC power supply.
The DC power supply device according to claim 5 , wherein:
前記制御部は、前記第1,第2のスイッチング素子の制御のデッドタイムを、電源電圧ゼロクロス付近に対して電源電圧ピーク付近の方が小さくなるように変化させる、
ことを特徴とする請求項に記載の直流電源装置。
The control unit changes the control dead time of the first and second switching elements so that the vicinity of the power supply voltage peak is smaller than the vicinity of the power supply voltage zero cross,
The DC power supply device according to claim 5 , wherein:
前記交流電源の一端側の電圧が正極性の場合は、同一のスイッチング周期の中で、前記第2のスイッチング素子の制御にデッドタイムを設けて、前記第1のスイッチング素子の制御には設けず、前記交流電源の一端側の電圧が負極性の場合は、同一のスイッチング周期の中で、前記第1のスイッチング素子側の制御にデッドタイムを設け、前記第2のスイッチング素子側の制御には設けない、
ことを特徴とする請求項に記載の直流電源装置。
When the voltage at one end of the AC power supply is positive, a dead time is provided for the control of the second switching element in the same switching cycle, and is not provided for the control of the first switching element. When the voltage on the one end side of the AC power supply is negative, a dead time is provided for the control on the first switching element side in the same switching cycle, and the control on the second switching element side Not provided,
The DC power supply device according to claim 2 , wherein
前記第1,第2のダイオードは、SiC(Silicon Carbide)−ショットキーバリアダイオードまたは整流ダイオードである、
ことを特徴とする請求項1に記載の直流電源装置。
The first and second diodes are SiC (Silicon Carbide) -Schottky barrier diodes or rectifier diodes,
The DC power supply device according to claim 1.
前記第1,第2のスイッチング素子は、スーパージャンクションMOSFET(Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor)またはSiC−MOSFETである、
ことを特徴とする請求項1に記載の直流電源装置。
The first and second switching elements are super junction MOSFETs (Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistors) or SiC-MOSFETs.
The DC power supply device according to claim 1.
請求項1ないし請求項11のうち何れか1項に記載の直流電源装置を備えた、
ことを特徴とする空気調和機。
A DC power supply device according to any one of claims 1 to 11 is provided.
An air conditioner characterized by that.
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