(57)【要約】【課題】  小型で安価かつ、長寿命な昇圧回路を具備する電力変換装置を提供する。【解決手段】  交流電源２１を入力とする整流回路２７と、整流回路２７の正極側出力部２５および負極側出力部２６間に直列接続された第１および第２スイッチング素子ＳＷ１，ＳＷ２と、整流回路２７の正極側出力部２５と負極側出力部２６間に直列接続された第１および第２ダイオード２８，２９と、第１コンデンサＣ１と、第１および第２スイッチング素子ＳＷ１，ＳＷ２との接続部３１と、第１および第２ダイオード２８，２９の接続部３２との間に接続された第２コンデンサＣ２とを備え、第１および第２スイッチング素子ＳＷ１，ＳＷ２とを、商用交流電源２１よりも短い周期で交互にスイッチ動作させる。【選択図】      図１
2014003772.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
商用交流電源が接続される交流電圧入力部と、
前記交流電圧入力部から入力した交流電圧を直流電圧に変換し、変換した直流電圧の正電圧が出力される正極側出力部および負電圧が出力される負極側出力部を有する整流回路と、
前記整流回路の正極側出力部および負極側出力部間に直列に接続される第１スイッチング素子と、
前記第１スイッチング素子および前記負極側出力部間に直列に接続される第２スイッチング素子と、
前記整流回路の正極側出力部および負極側出力部間に直列に接続され、かつ前記第１スイッチング素子と並列に接続される第１ダイオードと、
前記第１ダイオードおよび前記負極側出力部間に直列に接続され、かつ前記第２スイッチング素子と並列に接続される第２ダイオードと、
前記第２ダイオードおよび前記負極側出力部間に直列に接続される第１コンデンサと、
前記第１スイッチング素子および第２スイッチング素子間の接続部と、前記第１ダイオードおよび第２ダイオード間の接続部との間に直列に接続される第２コンデンサと、
前記第１スイッチング素子と第２スイッチング素子とを、前記交流電圧の周期よりも短い周期で、かつ互いにオン状態とオフ状態とが逆となるように同期させてスイッチング動作させるスイッチング制御回路と、を含むことを特徴とする電力変換装置。
【請求項２】
前記交流電圧入力部と前記整流回路との間に直列に接続されるリアクタを、さらに含むことを特徴とする請求項１に記載の電力変換装置。
【請求項３】
前記第１および第２コンデンサは、フィルムコンデンサであることを特徴とする請求項１または２に記載の電力変換装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、出力側に接続されるコンデンサを小容量化した、出力電圧の昇圧を実現する電力変換装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
図４は、従来技術を説明するための倍電圧整流回路１を示す電気回路図である。従来から、電力変換装置の１つとして、図４に示すような倍電圧整流回路１が提案されている。この倍電圧整流回路１は、２つのコンデンサ２，３と、２つのダイオード４，５とを有する。交流電源６の正の半周期に一方のコンデンサ２が充電され、負の半周期に他方の電解コンデンサ３が充電されることによって、入力電圧振幅のピーク電圧に対してほぼ２倍の直流電圧を出力することができるように構成されている。
【０００３】
前記倍電圧整流回路１では、出力電圧の平滑化に、前記２つのコンデンサ２，３として、大容量の電解コンデンサが使用されている。この大容量の電解コンデンサは、大型であり、高価でかつその寿命も比較的短い。そのため、倍電圧整流回路１の小型化、低コスト化、長寿命化を図る上での課題となっている。
【０００４】
このような課題に対して、特許文献１に開示される他の従来技術では、相補的に動作する２つのスイッチング素子と、２つの小容量のコンデンサを使用し、大容量のコンデンサやリアクタを用いることなく、入力電圧の倍電圧を発生させることができ、回路を小型化、長寿命化を図ることができるモータ駆動制御装置が提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００６−３０４４７６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、前述の特許文献１に記載される従来技術では、スイッチ回路が基準電圧に対してフローティングになっており、トランジスタでスイッチ回路を構成する場合には、別途駆動回路が必要になり、構成が大型化してしまうという課題を有する。また、整流回路を流れる電流が２つのスイッチング素子の動作に応じて不連続になるため、急峻な電流の変化に追従することができるダイオードが８箇所に必要になり、これによって構成が大型化および複雑化し、高コスト化してしまうという課題を有する。
【０００７】
本発明の目的は、構成の小型化および簡素化を図り、安価で長寿命な電力変換装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明は、商用交流電源が接続される交流電圧入力部と、
前記交流電圧入力部から入力した交流電圧を直流電圧に変換し、変換した直流電圧の正電圧が出力される正極側出力部および負電圧が出力される負極側出力部を有する整流回路と、
前記整流回路の正極側出力部および負極側出力部間に直列に接続される第１スイッチング素子と、
前記第１スイッチング素子および前記負極側出力部間に直列に接続される第２スイッチング素子と、
前記整流回路の正極側出力部および負極側出力部間に直列に接続され、かつ前記第１スイッチング素子と並列に接続される第１ダイオードと、
前記第１ダイオードおよび前記負極側出力部間に直列に接続され、かつ前記第２スイッチング素子と並列に接続される第２ダイオードと、
前記第２ダイオードおよび前記負極側出力部間に直列に接続される第１コンデンサと、
前記第１スイッチング素子および第２スイッチング素子間の接続部と、前記第１ダイオードおよび第２ダイオード間の接続部との間に直列に接続される第２コンデンサと、
前記第１スイッチング素子と第２スイッチング素子とを、前記交流電圧よりも短い周期で交互にスイッチング動作させるスイッチング制御回路と、を含むことを特徴とする電力変換装置である。
【０００９】
また本発明は、前記交流電圧入力部と前記整流回路との間に直列に接続されるリアクタを、さらに含むことを特徴とする。
【００１０】
さらに本発明は、前記第１および第２コンデンサは、フィルムコンデンサによって実現されることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、第１スイッチング素子と第２スイッチング素子とは、スイッチング制御回路によって制御されて交互にオン／オフ動作を繰り返す。第１および第２スイッチング素子のいずれか一方がオン状態のときは、他方はオフ状態である。第１スイッチング素子をオフ状態とし、第２スイッチング素子をオン状態としたときには、整流回路の出力電流は、第１ダイオード、第２コンデンサ、第２スイッチング素子の経路を流れ、第２コンデンサが入力電圧と同程度まで充電される。
【００１２】
また、第１スイッチング素子がオン状態、第２スイッチング素子がオフ状態に切換えられると、直列に並んだ第１スイッチング素子、第２コンデンサ、第２ダイオード、第１コンデンサに入力電圧と同程度の電圧が印加される。
【００１３】
直列に並んだ制御回路の出力部および第２コンデンサと、直列に並んだ第２ダイオードおよび第１コンデンサとが、並列に接続された状態となり、第２コンデンサには入力電圧と同等の電圧が印加されていることから、第２コンデンサと第１ダイオードとが直列になった系に印加される電圧は入力電圧の２倍となり、第２ダイオードに印加される電圧が十分小さいとすると、第１コンデンサＣ１には入力電圧の２倍の電圧が印加される。
【００１４】
このように大容量のコンデンサを用いずに昇圧回路を実現し、装置の小型化、低コスト化、長寿命化を図ることができる。またスイッチング素子を備えた昇圧回路によって、出力電圧の昇圧を実現することができ、部品点数が少なく、安価な部品によって回路を構成することができ、低コスト化を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明の一実施形態の非平滑倍電圧回路を備えた電力変換装置２０の構成を示す電気回路図である。
【図２】電力変換装置２０の入力電圧波形および出力電圧波形を示す波形図であり、図２（１）は入力部２３，２４の入力電圧波形を示し、図２（２）は出力部３４，３５の出力電圧波形を示す。
【図３】本発明の他の実施形態の非平滑倍電圧回路１０１を備えた電力変換装置２０ａの構成を示す電気回路図である。
【図４】従来技術を説明するための倍電圧整流回路１を示す電気回路図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
本発明は、平滑コンデンサを小容量化した電力変換装置において、２つのスイッチを交互に動作させることによって、昇圧動作を実現することができる。以下、添付図面を参照しながら、本発明における電力変換装置の好ましい実施形態を説明する。
【００１７】
（実施形態１）
図１は、本発明の一実施形態の非平滑倍電圧回路１００を備えた電力変換装置２０の構成を示す電気回路図である。本実施形態の電力変換装置２０は、商用交流電源２１が接続される交流電圧入力部２２と、交流電圧入力部２２から２つの入力部２３，２４を介して入力された交流電圧を直流電圧に変換し、変換された直流電圧の正電圧が出力される正極側出力部２５および負電圧が出力される負極側出力部２６を有する整流回路２７と、前記整流回路２７の正極側出力部２５および負極側出力部２６間に直列に接続される第１スイッチング素子ＳＷ１と、前記第１スイッチング素子ＳＷ１および前記負極側出力部２６間に直列に接続される第２スイッチング素子ＳＷ２と、前記整流回路２７の正極側出力部２５および負極側出力部２６間に直列に接続され、かつ前記第１スイッチング素子ＳＷ１と並列に接続される第１ダイオード２８と、前記第１ダイオード２８および前記負極側出力部２６間に直列に接続され、かつ前記第２スイッチング素子ＳＷ２と並列に接続される第２ダイオード２９とを含む。
【００１８】
また、前記電力変換装置２０は、前記第２ダイオード２９および前記負極側出力部２６間に直列に接続される第１コンデンサＣ１と、前記第１スイッチング素子ＳＷ１および第２スイッチング素子ＳＷ２間の接続部３１と、前記第１ダイオード２８および第２ダイオード２９間の接続部３２との間に直列に接続される第２コンデンサＣ２と、前記第１スイッチング素子ＳＷ１と第２スイッチング素子ＳＷ２とを、前記交流電圧よりも短い周期で、かつ互いにオン状態とオフ状態とが逆となるように同期させてスイッチング動作させるスイッチング制御回路３３とを含む。
【００１９】
このような電力変換装置２０は、２つの出力部３４，３５を有し、これらの出力部３４，３５に電力負荷３６が接続される。前記スイッチング制御回路３３は、たとえばサイリスタやトライアックなどの半導体素子を用いた半導体制御に起因する高調波電流を抑制し、力率を改善する力率改善(Power Factor Correction;略称ＰＦＣ)回路によって実現され、回路中に流れる電流値を検出し、リファレンス電流と比較した上で、第１および第２スイッチング素子ＳＷ１，ＳＷ２のスイッチング動作の周期の制御を行い、力率改善を行うように構成されてもよい。
【００２０】
前記電力変換装置２０において、前記第１および第２スイッチング素子ＳＷ１,ＳＷ２は、高速でスイッチング動作可能なＦＥＴ(Field Effect Transistor)が用いられる。このＦＥＴは、ドレイン−ソース間電圧ＶＤＳに対するドレイン電流ＩＤが、トランジスタのベース電流に相当するゲート電圧によって、導通状態におけるドレイン電流ＩＤをスイッチング制御回路３３によって制御する。このようなＦＥＴをスイッチング動作させるためには、スイッチング制御回路３３からゲート電圧をパルス状に印加する。印加電圧が０からＶＧ１を超えると、動作点はハイレベルＨからローレベルＬに移動し、遮断状態となり、スイッチの切換えに応じて回路状態（トポロジー）が変化する。また、第１コンデンサＣ１と第２コンデンサＣ２との容量は同程度のフィルムコンデンサであり、たとえば５μＦ以上２０μＦ以下に選ばれる。
【００２１】
第１スイッチング素子ＳＷ１と第２スイッチング素子ＳＷ２とは、スイッチング制御回路３３によって制御されて交互にオン／オフ動作を繰り返し、いずれか一方がオン状態のときは他方はオフ状態である。第１スイッチング素子ＳＷ１をオフ状態とし、第２スイッチング素子ＳＷ２をオン状態としたときには、整流回路２７の出力電流は、第１ダイオード２８、第２コンデンサＣ２、第２スイッチング素子ＳＷ２の経路を流れ、第２コンデンサＣ２が入力電圧と同程度まで充電される。
【００２２】
前記スイッチング制御回路３３によって、第１スイッチング素子ＳＷ１がオン状態、第２スイッチング素子ＳＷ２がオフ状態に切換えられると、直列に並んだ第１スイッチング素子ＳＷ１、第２コンデンサＣ２、第２ダイオード２９、第１コンデンサＣ１に入力電圧と同程度の電圧が印加される。
【００２３】
このとき、見方を変えると、直列に並んだ第２コンデンサＣ２と整流回路２７の正極側出力部２５と、直列に並んだ第２ダイオード２９と第１コンデンサＣ１とが、並列に接続された構造になっており、第２コンデンサＣ２には入力電圧と同等の電圧が印加されていることから、第２コンデンサＣ２と第１ダイオード２８とが直列になった系に印加される電圧は入力電圧の２倍であるため、第２ダイオード２９に印加される電圧が十分小さいとすると、第１コンデンサＣ１には入力電圧の２倍の電圧が印加される。
【００２４】
第１および第２コンデンサＣ１，Ｃ２が小容量である場合には、２つの出力部３４，３５に接続される負荷３６への電力供給に伴って比較的速い電圧降下が生じるため、所望の電圧が維持されるように、第１コンデンサＣ１への充電と、第２コンデンサＣ２への充電とを適切な周期で切換えられる。
【００２５】
このように、スイッチング制御回路３３のスイッチ制御信号（図示せず）によって、第１および第２スイッチング素子ＳＷ１，ＳＷ２のオン／オフ動作が、一方がオンのときは他方がオフとなるよう相補的に行われ、第１および第２コンデンサＣ１，Ｃ２が、整流回路２７の出力電圧によって交互に充電される。
【００２６】
第１および第２スイッチング素子ＳＷ１，ＳＷ２のオン／オフ動作は、交流電源の周波数、たとえば６０Ｈｚに対応する周期（１／６０（秒））よりも短い周期、たとえば、１／１００００（秒）で行われる。つまり、第１および第２スイッチング素子ＳＷ１，ＳＷ２のオン／オフによって、第１および第２コンデンサＣ１，Ｃ２の各々には、上記整流回路２７の出力電圧が、該商用交流電源２１の周期より短い周期で印加されることになる。
【００２７】
図２は、電力変換装置２０の入力電圧波形および出力電圧波形を示す波形図であり、図２（１）は入力部２３，２４の入力電圧波形を示し、図２（２）は出力部３４，３５の出力電圧波形を示す。前記２つの入力部２３，２４に商用交流電源２１から交流１００Ｖの電源電力が入力されると、従来技術の電力変換装置であれば、出力電圧のピーク値は１４０Ｖ程度となるが、本実施形態では、２３０Ｖ程度の出力電圧を得ることができる。また、得られる電圧は使用する素子の特性、スイッチング制御回路３３のスイッチング周波数により変動する。
【００２８】
なお、本実施形態ではスイッチング素子としてＦＥＴ(Field Effect Transistor)を用いているが、本発明の他の実施形態では、スイッチとして機能する素子であれば、ＩＧＢＴ(Insulated Gate Bipolar Transistor)、トランジスタ、フォトカプラなどのスイッチング素子であってもよく、このようなスイッチング素子を用いる場合であっても、上記と同様な効果を奏することができる。
【００２９】
（実施形態２）
図３は、本発明の他の実施形態の非平滑倍電圧回路１０１を備えた電力変換装置２０ａの構成を示す電気回路図である。なお、前述の実施形態と対応する部分には、同一の参照符を付す。本実施形態の電力変換装置２０ａは、前述の実施形態とほぼ同様に構成されるが、整流回路２７の一方の入力部２３と小容量（５００μＨ以下）のリアクタ４０が直列に接続される。このリアクタ４０の挿入により、電流の急峻な変化が抑制され、高調波雑音の低減、力率の改善等の効果を期待することができる。
【００３０】
また、リアクタ４０は、整流回路２７の出力側に接続し、もう一端を第１スイッチング素子ＳＷ１と第１ダイオード２８との接続点４１に接続する構成としても同様の効果が得られる。
【００３１】
このように本実施形態の非平滑倍電圧回路１０１では、商用交流電源２１の出力電圧を整流する整流回路２７と、該整流回路２７の出力を平滑する直列接続の第１および第２コンデンサＣ１，Ｃ２と、該第１および第２コンデンサＣ１，Ｃ２に商用交流電源２１の出力電圧が該商用交流電源２１の周期より短い周期で繰り返し印加されるよう、上記両コンデンサＣ１，Ｃ２と商用交流電源２１との接続をスイッチング制御回路３３によって切換えるように構成されるので、第１および第２コンデンサＣ１，Ｃ２の時間あたりの充電回数が商用交流電源２１の周波数より多くなり、商用交流電源２１の極性反転毎に各コンデンサＣ１，Ｃ２を交互に充電する場合に比べて、入力電圧の倍電圧の発生に必要な両コンデンサＣ１，Ｃ２の容量を小さくすることができる。
【００３２】
また、この実施形態では、商用交流電源２１の出力電圧を第１および第２コンデンサＣ１，Ｃ２に交互に印加するので、常に２つのコンデンサＣ１，Ｃ２のいずれかが充電されることになる。このため、入力電圧の倍電圧を発生するコンデンサＣ１，Ｃ２の充電を効率よく行うことができ、倍電圧の発生に必要なコンデンサ容量をより小さく抑えることが可能となる。
【００３３】
さらに、前述の各実施形態では、直列接続の第１および第２コンデンサＣ１，Ｃ２の端子電圧の加算電圧を、非平滑倍電圧回路１０１の出力電圧としているので、個々のコンデンサＣ１，Ｃ２の耐圧を、非平滑倍電圧回路１０１の最大出力電圧の半分程度と低く抑えることができる。
【００３４】
本発明に係る各実施形態によれば、非平滑回路において昇圧動作を実現することができ、また、従来の非平滑昇圧回路に比べ、部品点数を削減することができるため、低コストで非平滑昇圧回路を実現することができる。
【符号の説明】
【００３５】
２０  電力変換装置
２１  商用交流電源
２２  交流電圧入力部
２３，２４  入力部
２５  正極側出力部
２６  負極側出力部
２７  整流回路
２８  第１ダイオード
２９  第２ダイオード
３１，３２接続部
３３  スイッチング制御回路
１００，１００ａ  非平滑倍電圧回路
Ｃ１  第１コンデンサ
Ｃ２  第２コンデンサ
ＳＷ１  第１スイッチング素子
ＳＷ２  第２スイッチング素子
【図１】
2014003772.tif 000003
【図２】
2014003772.tif 000004
【図３】
2014003772.tif 000005
【図４】
2014003772.tif 000006