(57)【要約】【課題】低コストにて、高力率かつ昇圧能力に優れた直流電源装置を提供する。【解決手段】整流手段２と、リアクタ３と、コンデンサ３，４からなる倍電圧整流回路と、リアクタ３を介して交流電源１を短絡する双方向スイッチ１０と、交流電源１のゼロクロス検出手段９と、ゼロクロスに同期させて双方向スイッチ１０を開閉する双方向スイッチ制御手段１１と、双方向スイッチ電流検出手段１２を備え、双方向スイッチ制御手段１１は、交流電源の半周期に１回双方向スイッチを開閉させる第一の制御状態と、交流電源の半周期に複数回双方向スイッチを開閉させる第二の制御状態を、検出された双方向スイッチの電流値と直流電圧と目標電圧の差分によって選択することで、双方向スイッチの電流値を負荷や交流電圧に依らず所定値以下に抑制することができ、力率の改善や直流電圧の昇圧と併せて、スイッチ素子の電流容量低減に伴うコストダウンを実現することができる。【選択図】図１
2006204051.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
交流電源と、前記交流電源を整流する整流回路と、前記交流電源と前記整流回路の入力端の間に接続されたリアクタと、互いに直列接続され、前記整流回路の出力端に並列に接続され、直列接続の接続点は前記整流回路の片側の入力端に接続された倍電圧昇圧用コンデンサと、前記倍電圧昇圧用コンデンサおよび前記整流回路の出力端に並列接続された負荷と、負荷に印加される直流電圧を検出する直流電圧検出手段と、直流電圧の目標値を記憶する目標電圧記憶手段と、交流電源のゼロクロスを検出するゼロクロス検出手段と、前記リアクタを介して交流電源を短絡する双方向スイッチと、ゼロクロス検出手段で検出されたゼロクロス点に同期して、前記双方向スイッチを開閉する双方向スイッチ制御手段と、双方向スイッチに流れる電流値を検出する双方向スイッチ電流検出手段と、前記電流値の最大値を記憶する最大電流値記憶手段を有し、前記双方向スイッチ制御手段は、検出された直流電圧が目標値に近づくように双方向スイッチの開閉時間（以下パルス幅）を決定し、また、交流電源の半周期に１回、前記双方向スイッチを開閉させる第一の制御状態と、交流電源の半周期に複数回、双方向スイッチを開閉させる第二の制御状態を、検出された双方向スイッチの電流値と、直流電圧と目標電圧の差分によって選択するもので、第二の制御状態においては、目標電圧に近づけるために直流電圧を増加させる際には、ゼロクロス検出後１回目のパルス幅を減少させると共に、２回目移行のパルス幅の増加させ、直流電圧を減少させる際には、１回目のパルス幅を増加させると共に、２回目移行のパルス幅を減少させる事を特徴とする直流電源装置。
【請求項２】
最大電流値記憶手段は第２の最大値を記憶し、双方向スイッチ制御手段は、電流値が前記第２の最大値を超えた場合は双方向スイッチの開閉を停止する事を特徴とする請求項１に記載の直流電源装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は空気調和機等に使用される直流電源装置において、特に力率の向上と直流電圧の昇圧と、変換効率の最適化の両立を必要とされる直流電源装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、空気調和機などに搭載される直流電源装置としては、交流電源のゼロクロスに同期させて、交流電源を、リアクタを介して交流電源の半周期に複数回数短絡することで力率を改善しつつ、高い直流出力電圧を得ることができるものが提案されている（例えば、特許文献１参照）。その短絡時間は、負荷量やリアクタの容量に応じて記憶手段から選択する方法が併せて提案されている。また、直流電圧が目標電圧に近づくように短絡時間を増減させる方法も知られている。
【０００３】
図６は、特許文献１に記載された直流電源装置の構成を示す図である。また図７は、前記従来の直流電源装置における、交流電圧＝１００Ｖ、入力電力＝１５００Ｗにおいて、一定の比率で双方向スイッチを断続的に短絡・開放した場合の各部波形である。また図７は、交流電圧＝１１０Ｖ、入力電力＝１５００Ｗにおいて、図６と同一の間隔で双方向スイッチを短絡・開放した場合の各部波形である。
【特許文献１】特開２０００−２１７３６３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、前記従来の構成では、双方向スイッチの短絡時間は、負荷量やリアクタの容量から決定されるため、図７のように電源電圧が通常よりも高い場合には、双方向スイッチに流れる電流が上昇する。したがって、双方向スイッチとして一般的に使用される半導体の電流容量を、電源電圧や電源インピ−ダンス等のばらつきを考慮した最大値以上に設定する必要があり、素子の大型化によるコストアップを招くという課題があった。
【０００５】
本発明は、前記従来の課題を解決するもので、直流電源装置の高効率・高力率化と併せて、双方向スイッチの小型化によるコストダウンを目的とするものである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
前記従来の課題を解決するために、本発明の直流電源装置は、交流電源の半周期に１回、前記双方向スイッチを開閉させる第一の制御状態と、交流電源の半周期に複数回、双方向スイッチを開閉させる第二の制御状態を、検出された双方向スイッチの電流値と、直流電圧と目標電圧の差分によって選択するもので、特に第二の制御状態においては、目標電圧に近づけるために直流電圧を増加させる際には、ゼロクロス検出後１回目のパルス幅を減少させると共に、２回目移行のパルス幅の増加させ、直流電圧を減少させる際には、１回目のパルス幅を増加させると共に、２回目移行のパルス幅を減少させるものである。
【発明の効果】
【０００７】
本発明の直流電源装置は、双方向スイッチの電流値を検出し、電流値がスイッチ素子の電流容量を越えないように双方向スイッチの開閉時間を制御することで、直流電源装置のコストダウンと双方向スイッチの破壊防止を実現することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
第１の発明は、交流電源と、前記交流電源を整流する整流回路と、前記交流電源と前記整流回路の入力端の間に接続されたリアクタと、互いに直列接続され、前記整流回路の出
力端に並列に接続され、直列接続の接続点は前記整流回路の片側の入力端に接続された倍電圧昇圧用コンデンサと、前記倍電圧昇圧用コンデンサおよび前記整流回路の出力端に並列接続された負荷と、負荷に印加される直流電圧を検出する直流電圧検出手段と、直流電圧の目標値を記憶する目標電圧記憶手段と、交流電源のゼロクロスを検出するゼロクロス検出手段と、前記リアクタを介して交流電源を短絡する双方向スイッチと、ゼロクロス検出手段で検出されたゼロクロス点に同期して、前記双方向スイッチを開閉する双方向スイッチ制御手段と、双方向スイッチに流れる電流値を検出する双方向スイッチ電流検出手段と、前記電流値の最大値を記憶する最大電流値記憶手段を有し、前記双方向スイッチ制御手段は、検出された直流電圧が目標値に近づくように双方向スイッチの開閉時間（以下パルス幅）を決定し、また、交流電源の半周期に１回、前記双方向スイッチを開閉させる第一の制御状態と、交流電源の半周期に複数回、双方向スイッチを開閉させる第二の制御状態を、検出された双方向スイッチの電流値と、直流電圧と目標電圧の差分によって選択するもので、第二の制御状態においては、目標電圧に近づけるために直流電圧を増加させる際には、ゼロクロス検出後１回目のパルス幅を減少させると共に、２回目移行のパルス幅の増加させ、直流電圧を減少させる際には、１回目のパルス幅を増加させると共に、２回目移行のパルス幅を減少させるものであり、これにより双方向スイッチの電流値が所定値に到達した時点で第一の制御状態から第二の制御状態に移行し、第二の制御状態では双方向スイッチの電流値が上昇しないようにパルス幅を増減させながら直流電圧を目標電圧に近づけることで、負荷や電源電圧に依らず双方向スイッチの最大電流を規定することができ、必要な双方向スイッチの電流値に対して、スイッチ素子の電流容量を可能な限り下げることによるコストダウンを図ることができる。
【０００９】
第２の発明は、特に第１の発明で、最大電流値記憶手段は第２の最大値を記憶し、双方向スイッチ制御手段は、電流値が前記第２の最大値を超えた場合は双方向スイッチの開閉を停止させるものであり、これにより電源電圧の急激な変化等による双方向スイッチの電流増加による破壊を防ぐことができる。
【００１０】
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。なお、この実施の形態によって本発明が限定されるものではない。
【００１１】
（実施の形態１）
図１は、本発明の第１の実施の形態における直流電源装置の構成を示すものである。図１に示すように、本発明の直流電源装置は、交流電源１と、前記交流電源を整流する整流回路２と、前記交流電源と前記整流回路の入力端の間に接続されたリアクタ３と、互いに直列接続され、前記整流回路の出力端に並列に接続され、直列接続の接続点は前記整流回路の片側の入力端に接続された２つの倍電圧昇圧用コンデンサ４、５と、前記倍電圧昇圧用コンデンサおよび前記整流回路の出力端に並列接続された負荷６と、負荷に印加される直流電圧を検出する直流電圧検出手段７と、直流電圧の目標値を記憶する目標電圧記憶手段８と、交流電源のゼロクロスを検出するゼロクロス検出手段９と、前記リアクタを介して交流電源を短絡する双方向スイッチ１０と、ゼロクロス検出手段で検出されたゼロクロス点に同期して、前記双方向スイッチを開閉する双方向スイッチ制御手段１１と、双方向スイッチに流れる電流値を検出する双方向スイッチ電流検出手段１２と、前記電流値の最大値を記憶する最大電流値記憶手段１３を有する。
【００１２】
ここで、交流電圧＝１００Ｖ、双方向スイッチ最大電流値＝３０Ａｐｅａｋ、目標電圧＝３００Ｖの場合の第一の制御領域から第二の制御領域への移行動作について図２と図３を用いて説明する。
【００１３】
図２は第一の制御領域において、直流電圧が目標電圧に近づくようにパルス幅を増加させる過渡時における交流電圧Ｖｉ、交流電流ＩＬ、直流電圧および双方向スイッチの制御
信号の波形を示す。図２の時点で双方向スイッチの電流値は３０Ａ、直流電圧は約２９０Ｖで、パルス幅は２．８ｍｓである。図２の時点で双方向スイッチの電流値は最大電流地に到達しているが、直流電圧は目標電圧である３００Ｖ未満のため、第二の制御領域に移行する。図３は第二の制御領域で電源電圧の半周期に３回のパルスを印加し、直流電圧が目標電圧である３００Ｖに調整された時の各部の波形を示すものである。第一の制御領域からの移行時点のパルス幅に対し、ゼロクロス検出直後のパルス幅は２．２ｍｓに減少し、２回目および３回目のパルス幅はそれぞれ０．５ｍｓおよび０．３ｍｓである。また、双方向スイッチの電流値は２８Ａであり、制御領域移行時点に対し直流電圧は増加し、双方向スイッチ電流は減少していることが分かる。本実施の形態では、双方向スイッチの電流値を所定値以下に維持しながら、直流電圧の昇圧を実現することができる。ここで、前記所定値を双方向スイッチ素子の定格電流付近に設定することで、必要以上に大容量のスイッチ素子を使用することによるコストアップを避けることが可能である。
【００１４】
（実施の形態２）
本発明の第２の実施の形態における直流電源装置の構成は図１と同様であるため説明を割愛する。図４は、交流電圧＝１００Ｖ、目標電圧＝２９０Ｖ、第２の最大値＝３１Ａの場合の第二の制御領域における、各部の波形を示す図である。ここで、１回目から３回目におけるバルス幅はそれぞれ、２．２ｍｓ、０．３ｍｓ、０．２ｍｓで、双方向スイッチの電流は２４Ａで、直流電圧は２９０Ｖであり目標電圧に調整されている状態である。
【００１５】
次に図５において、図４の状態から、交流電圧が１１０Ｖに急変し、パルス幅を維持した場合の各部波形を示す。図５の状態における双方向スイッチの電流値は３３Ａであり、第２の最大値を超えることが分かる。第２の実施の形態では、双方向スイッチの電流値が第２の最大値である３１Ａを超えた時点でパルスを停止、すなわち双方向スイッチをオフ状態に固定するため、許容電流超過によるスイッチ素子の破壊を防ぐ事ができる。
【産業上の利用可能性】
【００１６】
以上のように、本発明にかかる直流電源装置は、負荷や交流電圧の変動等にかかわらず双方向スイッチの電流値を所定値以内に維持しながら、力率の向上や直流電圧の昇圧を図ることができ、空気調和機や冷蔵庫等の家電製品の電源装置として適用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本発明の実施の形態１における直流電源装置の構成図
【図２】本発明の実施の形態１における第一の制御領域での各部波形図
【図３】本発明の実施の形態１における第二の制御領域での各部波形図
【図４】本発明の実施の形態２における第ニの制御領域での各部波形図
【図５】図４の状態から交流電圧が１１０Ｖに急変した場合の各部波形図
【図６】従来の直流電源装置における構成図
【図７】従来の直流電源装置において交流電圧が１００Ｖの場合の各部波形図
【図８】従来の直流電源装置において交流電圧が１１０Ｖの場合の各部波形図
【符号の説明】
【００１８】
１  交流電源
２  整流回路
３  リアクタ
４  倍電圧昇圧用コンデンサ１
５  倍電圧昇圧用コンデンサ２
６  負荷
７  直流電圧検出手段
８  目標電圧記憶手段
９  ゼロクロス検出手段
１０  双方向スイッチ
１１  双方向スイッチ制御手段
１２  双方向スイッチ電流検出手段
１３  最大電流値記憶手段
１４  平滑コンデンサ
１５  短絡信号生成手段
１６  短絡・開放駆動手段
【図１】
2006204051.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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