(57)【要約】【課題】電源装置の力率改善と高調波抑制を実現する。【解決手段】交流の入力電圧を整流した脈流電圧に対して、昇圧チョッパ方式によりスイッチング素子をＰＷＭ制御することで直流の出力電圧を生成する電源装置において、入力電圧のピークタイミングと入力電流のピークタイミングの時間差分を検出し、該時間差分に応じて、予め用意した複数のスイッチングパターンのうちから１つのスイッチングパターンを選択し、該選択したスイッチングパターンの各パルスのデューティを、前記出力電圧と目標電圧との電圧差分に応じて調整し、該調整したスイッチングパターンにより、スイッチング素子をＰＷＭ制御する。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
交流の電圧を整流した電圧に対して、昇圧チョッパ方式によりスイッチング素子をＰＷＭ制御することで、直流の出力電圧を生成する電源装置において、
前記入力電圧のピークタイミングを検出する入力電圧ピークタイミング検出手段と、
入力電流のピークタイミングを検出する入力電流ピークタイミング検出手段と、
前記入力電圧ピークタイミング検出手段と前記入力電流ピークタイミング検出手段とで検出された入力電圧ピークタイミングと入力電流タイミングの比較を行うピークタイミング比較手段を備え、
前記ピークタイミング比較手段での比較結果に応じて前記スイッチング素子をＰＷＭ制御するすることを特徴とする電源装置。
【請求項２】
請求項１に記載の電源装置において、
前記ピークタイミング比較手段での比較結果である前記入力電圧のピークタイミングと前記入力電流のピークタイミングの時間差分に応じて、前記スイッチング素子をＰＷＭ制御することを特徴とする電源装置。
【請求項３】
請求項２に記載の電源装置において、
さらに、予め複数のスイッチングパターンを記憶させる記憶手段と、前記時間差分に応じて前記記憶手段に記憶された複数のスイッチングパターンから１つのスイッチングパターンを選択するスイッチングパターン選択手段とを備え、
前記選択したスイッチングパターンにより、前記スイッチング素子をＰＷＭ制御することを特徴とする電源装置。
【請求項４】
請求項３に記載の電源装置において、
さらに、前記選択したスイッチングパターンの各パルスのデューティを前記出力電圧と目標電圧との電圧差分に応じて調整するデューティ調整手段を備え、
該デューティ調整手段により前記各パルスのデューティを調整したスイッチングパターンにより、前記スイッチング素子をＰＷＭ制御することを特徴とする電源装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、交流の入力電圧を整流し、昇圧チョッパ方式により直流の出力電圧を生成する電源装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
電源装置が発生する高調波電流は、共通の交流電源に接続されている他の電気機器に多くの障害を与えるので、これら高調波電流の抑制は重要であり、そのための規格が制定されている。電気機器を製造する際には、この高調波規格をクリアしなければならない。
【０００３】
交流電源を直流に変換する電源回路は一般にコンデンサ入力形になっているが、このような電源回路は入力電流が歪波となるため入力力率が悪く、また高調波電流を発生する。そこで、この入力力率を改善し、高調波電流を低減するために、スイッチング素子をＰＷＭ制御する昇圧チョッパ型の電源装置では、入力電流と入力電圧とがほぼ同位相の略正弦波になるように、スイッチングを制御している（例えば、特許文献１参照）。
【０００４】
具体的には、入力電流センサで入力電流の値を検出し、ゼロクロス検出回路で入力交流のゼロクロス点を検出して入力周波数の判別と割込み処理を行い、ゼロクロス点が検出されと、検出した入力電流に応じたスイッチングパターンでスイッチング素子をＰＷＭ制御することで、入力電流波形を制御している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開平５−６８３７５公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ところが、ゼロクロス点を基準として入力電流波形を制御すると、入力電流の波形が歪んでいる（ピークタイミングが両側のゼロクロス点の中央からずれている）場合に、ゼロクロス点の検出だけからでは、入力電流の波形歪は検出できず、結果として、入力電流が入力電圧と相似するようなスイッチング制御を行うことはできなかった。
【０００７】
本発明の目的は、入力電圧のピークタイミングと入力電流のピークタイミングの比較結果に応じてスイッチング素子をＰＷＭ制御することで、力率改善と高調波抑制を十分に実現した電源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】
上記目的を達成するために、請求項１にかかる発明の電源装置は、交流の電圧を整流した電圧に対して、昇圧チョッパ方式によりスイッチング素子をＰＷＭ制御することで、直流の出力電圧を生成する電源装置において、前記入力電圧のピークタイミングを検出する入力電圧ピークタイミング検出手段と、入力電流のピークタイミングを検出する入力電流ピークタイミング検出手段と、前記入力電圧ピークタイミング検出手段と前記入力電流ピークタイミング検出手段とで検出された入力電圧ピークタイミングと入力電流タイミングの比較を行うピークタイミング比較手段を備え、前記ピークタイミング比較手段での比較結果に応じて前記スイッチング素子をＰＷＭ制御するすることを特徴とする。
請求項２にかかる発明は、請求項１に記載の電源装置において、前記ピークタイミング比較手段での比較結果である前記入力電圧のピークタイミングと前記入力電流のピークタイミングの時間差分に応じて、前記スイッチング素子をＰＷＭ制御することを特徴とする。
請求項３にかかる発明は、請求項２に記載の電源装置において、さらに、予め複数のスイッチングパターンを記憶させる記憶手段と、前記時間差分に応じて前記記憶手段に記憶された複数のスイッチングパターンから１つのスイッチングパターンを選択するスイッチングパターン選択手段とを備え、前記選択したスイッチングパターンにより、前記スイッチング素子をＰＷＭ制御することを特徴とする。
請求項４にかかる発明は、請求項３に記載の電源装置において、さらに、前記選択したスイッチングパターンの各パルスのデューティを前記出力電圧と目標電圧との電圧差分に応じて調整するデューティ調整手段を備え、該デューティ調整手段により前記各パルスのデューティを調整したスイッチングパターンにより、前記スイッチング素子をＰＷＭ制御することを特徴とする。
【発明の効果】
【０００９】
本発明の電源装置によれば、入力電圧と入力電流のピークタイミングの比較結果に応じてスイッチング素子をＰＷＭ制御するので、入力電圧と入力電流の位相を揃えることができ、力率改善および高調波抑制ができる。また、スイッチングを必要以上に行う必要がないので、スイッチングノイズが抑制できる。また、ゼロクロス点だけでは読み取れない入力電流の乱れ（歪等）に対しても、電流位相が電圧位相に相似となるように制御が行われるので、この面でも高調波を抑制できる。このように本発明は、力率改善と高調波抑制をより十分に実現できる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明の実施例の電源装置の構成を示すブロック図である。
【図２】図１の電源装置の制御部の詳細を示すブロック図である。
【図３】入力電圧のピークタイミングに対して入力電流のピークタイミングが進んでいる場合の動作説明図である。
【図４】入力電圧と入力電流のピークタイミングが一致する場合の動作説明図で
【図５】入力電圧のピークタイミングに対して入力電流のピークタイミングが遅れている場合の動作説明図である
【図６】図１の電源装置の動作のフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
本発明では、入力電圧のピークタイミングに対する入力電流ピークタイミングのずれ、つまり入力電流位相の遅れや進みに応じて、スイッチング素子を制御するＰＷＭ信号のスイッチングパターンを予測する。そして、そのスイッチングパターンの各パルスのデューティを、出力電圧と目標電圧との電圧差分に応じて調整する。
【００１２】
図１に本発明の実施例の昇圧チョッパ型の電源装置の構成ブロックを示す。１は商用交流電源（５０Ｈｚ、又は６０Ｈｚ）の入力電圧を全波整流するダイオードブリッジ回路、２は昇圧用のリアクタ、３は逆流阻止用のダイオード、４はスイッチングトランジスタ、５は入力電流検出用の抵抗、６は出力電圧平滑用のキャパシタ、７はキャパシタ６の両端の出力電圧を分圧する分圧回路、８はモータ駆動回路（インバータ）、９は３相モータ、１０は制御部である。
【００１３】
制御部１０は、交流の入力電圧のゼロクロス点を検出するゼロクロス検出部１１、全波整流された整流電圧を検出する入力電圧検出部１２、抵抗５の両端に発生する電圧で交流の入力電流を検出する入力電流検出部１３、および分圧回路７で得られる電圧により直流の出力電圧を検出する出力電圧検出部１５からのそれぞれの検出信号を取り込んで処理を行う。
【００１４】
そして、制御部１０での処理の結果に応じて、駆動回路１４はスイッチングトランジスタ４をＰＷＭ制御によりスイッチングする。また、制御部１０はモータ駆動回路８を駆動するインバータ駆動部１６を制御する。この制御部１０には、他に処理用のプログラム、入力値、演算結果、その他のデータ等を格納する記憶部１０ａ、制御のためのＣＰＵ（図示せず）等が含まれる。
【００１５】
図２に制御部１０の機能ブロックを示す。制御部１０は、スイッチング許可信号生成部１０１、入力電圧ピークタイミング検出部１０２、入力電流ピークタイミング検出部１０３、ピークタイミング差分検出部１０４、スイッチングパターン選択部１０５、出力電圧平均演算部１０６、加算器１０７、ＰＩ制御部１０８、スイッチングデューティ調整部１０９を備える。
【００１６】
スイッチング許可信号生成部１０１は、ゼロクロス検出部１１からの検出信号によって、スイッチング許可信号を生成する。このスイッチング許可信号は、スイッチングのスタートを許可する信号で、ゼロクロス検出部１１でゼロクロスが検出されてから、予め決められた所定時間経過後に、出力される。
【００１７】
入力電圧ピークタイミング検出部１０２は、ゼロクロス検出部１１からの検出信号と入力電圧検出部１２からの検出信号を取り込むことで、入力電圧のゼロクロス点から次のゼロクロス点までの半周期毎に、１ｍｓ単位で入力電圧を測定し、記憶部１０ａに記憶する。そして、記憶した電源半周期間の測定結果から、最大値を検出して、そのときの時刻を電圧ピークタイミングｔ１とする。
【００１８】
入力電流ピークタイミング検出部１０３は、ゼロクロス検出部１１からの検出信号と入力電流検出部１３からの検出信号を取り込むことで、入力電圧のゼロクロス点から次のゼロクロス点までの半周期毎に、１ｍｓ単位で入力電流を測定し、記憶部１０ａに記憶する。そして、記憶した電源半周期間の測定結果から、最大値を検出して、そのときの時刻を電流ピークタイミングｔ２とする。
【００１９】
ピークタイミング差分検出部１０４は、入力電圧ピークタイミング検出部１０２で得られた電圧ピークタイミングｔ１と入力電流ピークタイミング検出部１０３で得られた電流ピークタイミングｔ２との時間差分Δｔ（＝ｔ１−ｔ２）を算出する。
【００２０】
スイッチングパターン選択部１０５は、ピークタイミング差分検出部１０４で検出された時間差分Δｔに応じて、予め記憶部１０ａに記憶した複数のスイッチングパターン（ＰＷＭ信号のデューティパターン）から１つのスイッチングパターンを選択する。記憶部１０ａに記憶されるスイッチングパターンの各パルスのデューティは、ピークタイミングの時間差分の極性、大きさ、リアクタ２の容量等に基づいて、予め決められている。
【００２１】
昇圧チョッパ型の電源装置では、入力電流が大きくなる（負荷が大きくなる）と、高調波が大きくなる。また、スイッチング素子のスイッチング周波数が一定の場合は、リアクタ容量が大きくなると入力電流の位相遅れが大きくなり、高調波が大きくなる。通常はリアクタ容量は一定であり、この場合は、スイッチング周波数が低くなるほど、高調波が大きくなるとともに、リアクタ騒音が大きくなる。このような関係があるので、これが、前記した記憶部１０ａに記憶させた複数のスイッチングパターンに反映されている。
【００２２】
出力電圧平均演算部１０６は、出力電圧検出部１５からの検出信号により、１ｍｓ単位で出力電圧を検出し、記憶部１０ａに記憶する。そして、記憶した過去１００ｍｓ間の測定結果を平均することで、１ｍｓ毎に、平均出力電圧を算出する。
【００２３】
加算器１０７は、目標出力電圧と平均出力電圧を加算することで電圧差分を得、ＰＩ制御部１０８でその電圧差分の積分値を得て制御量（基準デューティ：基準ＰＷＭパルス幅）を生成し、スイッチングデューティ調整部１０９に送る。
【００２４】
スイッチングデューティ調整部１０９では、スイッチングパターン選択部１０５で選択されたスイッチングパターンをセットし、ＰＩ制御部１０８から入力する電圧差分に応じた制御量で、そのスイッチングパターンの各パルスのデューティを調整する。
【００２５】
図３に入力電圧に対して入力電流のピークタイミングが進んでいる場合（電流位相進み）の波形を示す。この場合は、スイッチングパターン選択部１０５によって、位相遅れ用の、入力電流波形を入力電圧波形に近づけるようなスイッチングパターン、例えばパルス幅が「大・中・小・小・中・中」のデューティのパルスの組み合わせのスイッチングパターンが選択され、スイッチングデューティ調整部１０９にセットされる。
【００２６】
図４に入力電圧と入力電流のピークタイミングが一致している場合の波形を示す。この場合は、スイッチングパターン選択部１０５によって、位相無調整用の、入力電流波形を入力電圧波形に近づけるようなスイッチングパターン、例えばパルス幅が「大・中・中・小・小・小」のデューティのパルスの組み合わせのスイッチングパターンが選択され、スイッチングデューティ調整部１０９にセットされる。
【００２７】
図５に入力電圧に対して入力電流のピークタイミングが遅れている場合（電流位相遅れ）の波形を示す。この場合は、スイッチングパターン選択部１０５によって、位相進み用の、入力電流波形を入力電圧波形に近づけるようなスイッチングパターン、例えばパルス幅が「大・中・中・小・小」のデューティのパルスの組み合わせのスイッチングパターンが選択され、スイッチングデューティ調整部１０９にセットされる。
【００２８】
このスイッチングデューティ調整部１０９には、ＰＩ制御部１０８からの制御量も、出力電圧に応じた基準デューティ（基準ＰＷＭパルス幅）として入力するので、このスイッチングデューティ調整部１０９において、スイッチングパターン選択部１０５によって選択されたスイッチングパターンの各パルスのデューティが、その基準デューティに応じて調整される。例えば、平均出力電圧が目標出力電圧よりも高ければ、各パルスのデューティは小さくなるよう調整され、低ければ大きくなるよう調整される。
【００２９】
以上のようにして、入力電流波形を入力電圧波形に近づけ、かつ出力電圧の値が目標電圧に近づくように、スイッチングトランジスタ４が、ＰＷＭ制御される。図６に制御動作のフローチャートを示した。電圧と電流のピークタイミングの算出（Ｓ２）からピークタイミングの時間差分の算出（Ｓ３）を経由してスイッチングパターンの決定（Ｓ４）までの処理と、出力電圧の算出（Ｓ５）から基準デューティ決定（Ｓ６）までの処理は、平行して行われる。なお、ステップＳ２→Ｓ３→Ｓ４のルートと、ステップＳ５→Ｓ６のルートでは、処理時間に差が生じるが、後者のルートは継続的に絶えず処理を行っており、前者のルートの処理が終わってスイッチングパターンが決定したときに、基準デューティを用いる。
【００３０】
本実施例では、入力電圧と入力電流のピークタイミングの時間差分から、入力電流波形が入力電圧波形に近づくようなスイッチングパターンを決めるため、電流波形が電圧波形に相似するようなスイッチング制御が行われ、高調波抑制および力率改善ができる。また、入力電圧と入力電流のピークタイミングの時間差に基づいて、予め記憶させておいたスイッチングパターンを選択して制御を行うので、従来に比べて制御の追従性が良い。このような電源装置は、例えば空気調和機の室外機に搭載することにより、負荷変動や入力電源電圧の変動に対して、高調波抑制および力率改善に大きな効果を発揮する。
【符号の説明】
【００３１】
１：ダイオードブリッジ回路、２：リアクタ、３：ダイオード、４：スイッチングトランジスタ、５：抵抗、６：キャパシタ、７：分圧回路、８：モータ駆動回路、９：３相モータ、１０：制御部
１１：ゼロクロス検出部、１２：入力電圧検出部、１３：入力電流検出部、１４：駆動回路、１５：出力電圧検出部、１６：インバータ駆動部
１０１：スイッチング許可信号生成部、１０２：入力電圧ピークタイミング検出部、１０３：入力電流ピークタイミング検出部、１０４：ピークタイミング差分検出部、１０５：スイッチングパターン選択部、１０６：出力電圧平均演算部、１０７：加算器、１０８：ＰＩ制御部、１０９：スイッチングデューティ調整部
【図１】
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【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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