(57)【要約】【課題】  ブリッジレス力率補正トポロジを有するスイッチング電源装置において、高負荷時における電力変換効率を向上させる。【解決手段】  キャパシタＣ１と、交流電源Ｅ１の各相に接続されたインダクタＬ１，Ｌ２と、インダクタＬ１，Ｌ２とキャパシタＣ１の正極とを各々接続する整流素子Ｄ１，Ｄ２と、インダクタＬ１，Ｌ２とキャパシタＣ１の負極とを各々接続するスイッチング素子Ｑ１，Ｑ２と、インダクタＬ１に並列接続されたリレー素子ＲＹ１と、複数のスイッチング素子Ｑ１，Ｑ２およびリレー素子ＲＹ１の導通遮断制御を行う制御回路ＣＮＴ１とを備えるスイッチング電源装置１において、交流入力電流が零になる時刻で、直近の交流入力電流の実効値が閾値以上である場合にはリレー素子ＲＹ１を導通させ、直近の交流入力電流の実効値が閾値未満である場合にはリレー素子ＲＹ１を遮断させる。【選択図】      図１
2014007875.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ブリッジレス力率補正トポロジを有し、ブーストインダクタとして複数のインダクタと、
前記複数のインダクタの少なくとも１つのインダクタに、並列に接続されるリレー素子と、を備えることを特徴とするスイッチング電源装置。
【請求項２】
前記複数のインダクタは、一端が交流電源の各相に少なくとも１ずつ接続され、
前記リレー素子は、前記複数のインダクタのうちの少なくとも１つのインダクタに並列に接続され、
直流出力電圧を平滑するキャパシタと、
前記複数のインダクタの各他端と前記キャパシタの一端とを各々接続する複数の整流素子と、
前記複数のインダクタの各他端と前記キャパシタの他端とを各々接続する複数のスイッチング素子と、
入出力電圧を検出する複数の電圧計と、
交流入力電流を検出する少なくとも１つの電流計と、
前記複数の電圧計および少なくとも１つの電流計により検出された入出力電圧および交流入力電流に基づいて前記複数のスイッチング素子およびリレー素子の導通遮断制御を行う制御回路と、を備え、
前記制御回路は、交流入力電流の直近の実効値に基づいて前記リレー素子の導通遮断制御を行うことを特徴とする請求項１に記載のスイッチング電源装置。
【請求項３】
前記複数のインダクタのうち少なくとも１つのインダクタのインダクタンスが他のインダクタのインダクタンスと異なることを特徴とする請求項２に記載のスイッチング電源装置。
【請求項４】
前記制御回路は、前記複数のリレー素子の導通遮断制御を、交流入力電流が零となる時刻に行うことを特徴とする請求項２または３に記載のスイッチング電源装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ブリッジレス力率補正トポロジを有するスイッチング電源装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、社会的に民生機器や産業機器に更なる省エネルギー性を求める声が高まる中、特許文献１に記載のような力率補正機能を有する交流直流電力変換装置の技術分野において、ブリッジダイオードの損失を低減できるブリッジレス力率補正トポロジを有するスイッチング電源装置に対する注目が高まっている。
【０００３】
図３は、従来技術に係るブリッジレス力率補正トポロジを有するスイッチング電源装置３の構成を示す電気回路図である。図３に示すスイッチング電源装置３は、直流出力電圧を平滑するキャパシタＣ１と、交流電源Ｅ１の各相に接続されたインダクタＬ１およびＬ２と、インダクタＬ１またはＬ２とキャパシタＣ１の正極とを各々接続する整流素子Ｄ１およびＤ２と、インダクタＬ１またはＬ２とキャパシタＣ１の負極とを各々接続するスイッチング素子Ｑ１およびＱ２と、交流入力電圧を検出する交流電圧計ＭＶ１と、交流入力電流を検出する交流電流計ＭＩ１と、直流出力電圧を検出する直流電圧計ＭＶ２と、電圧計ＭＶ１,ＭＶ２により検出された電圧値および電流計ＭＩ１により検出された電流値に基づいて、スイッチング素子Ｑ１およびＱ２の導通遮断制御を行う制御回路ＣＮＴ１と、によって構成され、負荷Ｚ１と接続される。主として制御回路ＣＮＴ１は、交流電源Ｅ１や負荷Ｚ１の変動に応じて、直流出力電圧が定格電圧となるような定電圧制御と、交流入力電力の力率ができるだけ１となるような力率補正制御と、の２つの制御を行っている。
【０００４】
通常、コストの観点から、インダクタＬ１およびＬ２は同一のインダクタンスのものが使用されることが多く、図３に示すスイッチング電源装置３の入出力電圧および力率の定格が規定されている場合、必要となる最小インダクタンスは、交流入力電流または直流出力電流の最小定格電流、および、スイッチング素子Ｑ１，Ｑ２のスイッチング周波数に反比例することが知られている。ここで、スイッチング周波数に関しては、スイッチング素子Ｑ１およびＱ２や制御回路ＣＮＴ１の応答時間などによる制約があるので、主としてインダクタＬ１およびＬ２のインダクタンスは、最小定格電流に基づいて決定されることが多い。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２０１２−８５４８９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
インバータエアコンの電源装置などは、室内外の気温差や冷暖房の運転条件などにより、電力負荷が広範囲で変動するにも関わらず、高い省エネルギー性が要求される。定電圧の場合、電力負荷が増大すれば出力電流を大きくする必要があるので、図３に示すスイッチング電源装置３がインバータエアコンの電源装置などに利用されるときには、インダクタＬ１およびＬ２に生じる電流が、電力負荷の広範囲の変動に伴って、広範囲で変動することなる。上記のように、インダクタＬ１およびＬ２のインダクタンスは最小定格電流に基づいて決定されているので、最大定格電流付近での動作時、すなわち高負荷時においては過大となり、逆にそれらの銅損および鉄損による損失が電力変換効率の低下の一因となってしまう。
【０００７】
本発明の目的は、ブリッジレス力率補正トポロジを有するスイッチング電源装置において、高負荷時における電力変換効率を向上させることである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明は、ブリッジレス力率補正トポロジを有し、ブーストインダクタとして複数のインダクタと、
前記複数のインダクタの少なくとも１つのインダクタに、並列に接続されるリレー素子と、を備えることを特徴とするスイッチング電源装置である。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、インダクタに並列に接続されるリレー素子を用いることで、交流入力電流によるインダクタの銅損および鉄損を低減することができる。これにより、高負荷時における電力変換効率が向上することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明に係るスイッチング電源装置１の構成を示す電気回路図である。
【図２】本発明に係るスイッチング電源装置２の構成を示す電気回路図である。
【図３】従来技術に係るスイッチング電源装置３の構成を示す電気回路図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
図１は、本発明の第１実施形態に係るスイッチング電源装置１の構成を示す電気回路図である。スイッチング電源装置１は、直流出力電圧を平滑するキャパシタＣ１と、交流電源Ｅ１の各相に接続されたブーストインダクタであるインダクタＬ１およびＬ２と、インダクタＬ１またはＬ２とキャパシタＣ１の正極とを各々接続する整流素子Ｄ１およびＤ２と、インダクタＬ１またはＬ２とキャパシタＣ１の負極とを各々接続するスイッチング素子Ｑ１およびＱ２と、交流入力電圧を検出する交流電圧計ＭＶ１と、交流入力電流を検出する交流電流計ＭＩ１と、直流出力電圧を検出する直流電圧計ＭＶ２と、インダクタＬ１に並列接続されたリレー素子ＲＹ１と、電圧計ＭＶ１,ＭＶ２により検出された電圧値および電流計ＭＩ１により検出された電流値に基づいて、スイッチング素子Ｑ１およびＱ２の導通遮断制御を行う制御回路ＣＮＴ１と、によって構成され、負荷Ｚ１と接続される。ここで、スイッチング素子Ｑ１，Ｑ２は、たとえば、高速でスイッチング動作可能な電界効果トランジスタ（Field Effect Transistor;略称ＦＥＴ）によって実現される。このＦＥＴは、ドレイン−ソース間電圧によるソース電流を制御回路ＣＮＴ１からパルス状に印加されるゲート電圧によってスイッチング動作するように構成されている。
【００１２】
スイッチング電源装置１の主な特徴点は、インダクタＬ１にリレー素子ＲＹ１が並列接続されている点と、後述するように、リレー素子ＲＹ１が制御回路ＣＮＴ１により導通遮断制御される点と、の２点である。このスイッチング電源装置１は、この特徴点を含む構成により、力率補正制御に寄与するインダクタンスを、インダクタＬ１とインダクタＬ２との合計のインダクタンスと、インダクタＬ２の単独のインダクタンスと、の２段階に切り換えることが可能となる。
【００１３】
制御回路ＣＮＴ１は、交流電流計ＭＩ１により、交流入力電流の瞬時値および直近の実効値を常時監視しており、瞬時値が零となった時刻において、直近の実効値が所定の閾値以上である場合は、リレー素子ＲＹ１を導通するように制御を行う。また、制御回路ＣＮＴ１は、瞬時値が零となった時刻において、直近の実効値が所定の閾値未満である場合は、リレー素子ＲＹ１を遮断するように制御を行う。瞬時値が零となる時刻以外で導通遮断制御を行うと、インダクタＬ１，Ｌ２に流れる電流が急激に変化することになり、電流が不連続になることにより力率が低下するという問題、インダクタＬ１，Ｌ２の逆起電力によりスパイク電圧が発生し、リレー素子ＲＹ１にストレスがかかるという問題、および、インダクタＬ１，Ｌ２の逆起電力によりスパイク電圧が発生しラインノイズなどの不要輻射が大きくなるという問題が発生するが、スイッチング電源装置１は、瞬時値が零となる時刻で制御回路ＣＮＴ１が導通遮断制御を行うことにより、このような問題を防ぐことができる。なお、上記制御とは独立して、制御回路ＣＮＴ１は、従来公知の力率補正制御（Power Factor Correction;略称ＰＦＣ）も行う。
【００１４】
このようなスイッチング電源装置１によれば、低負荷時（直近の実効値が所定の閾値未満の時）には、力率補正制御に寄与するインダクタンスを、インダクタＬ１とインダクタＬ２との合計のインダクタンスとし、高負荷時（直近の実効値が所定の閾値以上である時）には、力率補正制御に寄与するインダクタンスを、インダクタＬ２の単独のインダクタンスとすることができる。これにより、スイッチング電源装置１は、損失を低減することができる。
【００１５】
次に、本発明の第２実施形態について説明する。図２は、本発明の第２実施形態に係るスイッチング電源装置２の構成を示す電気回路図である。なお、前述の第１実施形態と対応する部分には、同一の参照符号を付し、重複する説明は省略する。スイッチング電源装置２は、直流出力電圧を平滑するキャパシタＣ１と、交流電源Ｅ１の各相に接続されたブーストインダクタであるインダクタＬ１およびＬ２と、インダクタＬ１またはＬ２とキャパシタＣ１の正極とを各々接続する整流素子Ｄ１およびＤ２と、インダクタＬ１またはＬ２とキャパシタＣ１の負極とを各々接続するスイッチング素子Ｑ１およびＱ２と、交流入力電圧を検出する交流電圧計ＭＶ１と、交流入力電流を検出する交流電流計ＭＩ１と、直流出力電圧を検出する直流電圧計ＭＶ２と、インダクタＬ１に並列接続されたリレー素子ＲＹ１と、インダクタＬ２に並列接続されたリレー素子ＲＹ２と、電圧計ＭＶ１,ＭＶ２により検出された電圧値および電流計ＭＩ１により検出された電流値に基づいて、スイッチング素子Ｑ１およびＱ２の導通遮断制御を行う制御回路ＣＮＴ１と、によって構成され、負荷Ｚ１と接続される。
【００１６】
スイッチング電源装置２の主な特徴点は、インダクタＬ１にリレー素子ＲＹ１が並列接続されている点と、インダクタＬ２にリレー素子ＲＹ２が並列接続されている点と、後述するように、インダクタＬ１のインダクタンスがインダクタＬ２のインダクタンスよりも大きな値である点と、後述するように、リレー素子ＲＹ１が制御回路ＣＮＴ１により導通遮断制御される点と、後述するように、リレー素子ＲＹ２が制御回路ＣＮＴ１により導通遮断制御される点と、の５点である。このスイッチング電源装置２は、この特徴点を含む構成により、力率補正制御に寄与するインダクタンスを、インダクタＬ１とインダクタＬ２との合計のインダクタンスと、インダクタＬ１の単独のインダクタンスと、インダクタＬ２の単独のインダクタンスと、の３段階に切り換えることが可能となる。なお、スイッチング電源装置２の、スイッチング電源装置１との相違点は、インダクタＬ１とインダクタＬ２とのインダクタンスが異なる点、インダクタＬ２にもリレー素子ＲＹ２が並列接続されている点、および、リレー素子ＲＹ２も制御回路ＣＮＴ１により導通遮断制御される点である。
【００１７】
制御回路ＣＮＴ１は、交流電流計ＭＩ１により、交流入力電流の瞬時値および直近の実効値を常時監視しており、瞬時値が零となった時刻において、直近の実効値が所定の上限閾値以上である場合は、リレー素子ＲＹ１のみを導通し、かつ、リレー素子ＲＹ２を遮断するように制御を行う。また、制御回路ＣＮＴ１は、瞬時値が零となった時刻において、直近の実効値が所定の上限閾値未満かつ所定の下限閾値以上である場合は、リレー素子ＲＹ１を遮断し、かつ、リレー素子ＲＹ２のみを導通するように制御を行う。また、制御回路ＣＮＴ１は、瞬時値が零となった時刻において、直近の実効値が所定の下限閾値未満である場合は、リレー素子ＲＹ１およびリレー素子ＲＹ２の両方を遮断するように制御を行う。なお、上記制御とは独立して、制御回路ＣＮＴ１は、従来公知の力率補正制御も行う。
【００１８】
このようなスイッチング電源装置２によれば、低負荷時（直近の実効値が所定の下限閾値未満の時）には、力率補正制御に寄与するインダクタンスを、インダクタＬ１とインダクタＬ２との合計のインダクタンスとし、中負荷時（直近の実効値が所定の上限閾値未満かつ所定の下限閾値以上である時）には、力率補正制御に寄与するインダクタンスを、インダクタＬ１の単独のインダクタンスとし、高負荷時（直近の実効値が所定の上限閾値以上である時）には、力率補正制御に寄与するインダクタンスを、インダクタＬ２の単独のインダクタンスとすることができる。これにより、スイッチング電源装置２は、スイッチング電源装置１と比較して、より損失を低減することができる。
【００１９】
なお、本発明の他の実施形態として、ブーストインダクタとしてインダクタが３つ以上設けられる場合には、少なくとも１つのインダクタのインダクタンスを他のインダクタのインダクタンスと異なるものとし、好ましくは、すべてのインダクタのインダクタンスを異なるものとし、各インダクタンスに並列して、リレー素子を接続する。これにより、制御回路ＣＮＴ１によって、力率補正制御に寄与するインダクタンスを、負荷の変動に合わせて細かく調整することができ、より損失を低減することができる。
【実施例】
【００２０】
以下に、本発明の実施例を説明する。実施例として、図１に示すスイッチング電源装置１を用いた。実施例に用いたスイッチング電源装置１の具体的構成は、交流電源Ｅ１の電圧がＡＣ１００［Ｖ］であり、交流電源Ｅ１の周波数が５０［Ｈｚ］であり、整流素子Ｄ１およびＤ２の順方向の閾値電圧が１．５［Ｖ］であり、スイッチング素子Ｑ１およびＱ２のオン抵抗が９０［ｍΩ］であり、スイッチング素子Ｑ１およびＱ２の順方向の閾値電圧が０．６［Ｖ］であり、スイッチング素子Ｑ１およびＱ２のスイッチング周波数が５０［ｋＨｚ］であり、キャパシタＣ１の静電容量が３００［μＦ］であり、インダクタＬ１およびＬ２のインダクタンスが１５０［μＨ］であり、インダクタＬ１およびＬ２の等価直列抵抗が５０［ｍΩ］であり、リレー素子ＲＹ１およびＲＹ２のオン抵抗が１０［ｍΩ］であり、出力直流電圧がＤＣ３９０［Ｖ］である。
【００２１】
このような条件下で、以下の（ａ）〜（ｃ）の回路シミュレーションを行った。
（ａ）力率補正制御に寄与するインダクタンスが、インダクタＬ１とインダクタＬ２との合計のインダクタンス（３００［μＨ］）であり、低負荷時（出力直流電流が２．５［Ａ］、出力電力が３９０［Ｖ］×２．５［Ａ］＝９７５［Ｗ］）
（ｂ）力率補正制御に寄与するインダクタンスが、インダクタＬ１とインダクタＬ２との合計のインダクタンス（３００［μＨ］）であり、高負荷時（出力直流電流が５［Ａ］、出力電力が３９０［Ｖ］×５［Ａ］＝１９５０［Ｗ］）
（ｃ）力率補正制御に寄与するインダクタンスが、インダクタＬ２の単独のインダクタンス（１５０［μＨ］）であり、高負荷時（出力直流電流が５［Ａ］、出力電力が３９０［Ｖ］×５［Ａ］＝１９５０［Ｗ］）
【００２２】
この回路シミュレーションの結果、力率［％］、電力変換効率［％］、入力電力［Ｗ］、出力電力［Ｗ］、および損失［Ｗ］は、以下の表１のようになった。
【００２３】
【表１】
2014007875.tif 000003
【００２４】
（ｂ）の結果と（ｃ）の結果とを比較すると、実施例のスイッチング電源装置１は、力率を９９［％］台に保ったまま、損失が１１８［Ｗ］から９８［Ｗ］へと、２０［Ｗ］も損失を低減できていることがわかる。
【符号の説明】
【００２５】
１，２，３  スイッチング電源装置
Ｃ１  キャパシタ
ＣＮＴ１  制御回路
Ｄ１，Ｄ２  整流素子
Ｅ１  交流電源
Ｌ１，Ｌ２  インダクタ
ＭＩ１  交流電流計
ＭＶ１  交流電圧計
ＭＶ２  直流電圧計
Ｑ１，Ｑ２  スイッチング素子
ＲＹ１，ＲＹ２  リレー素子
Ｚ１  負荷
【図１】
2014007875.tif 000004
【図２】
2014007875.tif 000005
【図３】
2014007875.tif 000006