(57)【要約】      （修正有）【課題】入力電流のモードに依らず、電流波形を電圧波形に対して相似且つ同位相とすることができる力率改善回路を提供する【解決手段】力率改善回路１０は、交流電源２から入力される入力電流を検出する電流検出器AM1と、目標電流IacREFを算出し、目標電流IacREFを補正した補正後目標電流IacREF’に基づいたピーク電流制御を実行するピーク電流制御部２０と、を備える。ピーク電流制御部２０は、目標電流IacREFと入力電流Iacmの差分をとることで補正値Iac_hを算出し、目標電流IacREFの次の半周期の整数倍の時間後に算出される目標電流IacREFを、補正値Iac_hを用いて補正し、補正後目標電流IacREF’を算出する目標電流補正制御を実行する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
交流電源から入力される入力電流を検出する電流検出器と、
目標電流を算出し、前記目標電流を補正した補正後目標電流に基づいたピーク電流制御を実行するピーク電流制御部と、を備え、
前記ピーク電流制御部は、前記目標電流と前記入力電流の差分をとることで補正値を算出し、前記目標電流の次の半周期の整数倍の時間後に算出される前記目標電流を、前記補正値を用いて補正し、前記補正後目標電流を算出する目標電流補正制御を実行する
ことを特徴とする力率改善回路。
【請求項２】
請求項１に記載の力率改善回路において、
前記ピーク電流制御部は、前記補正値を利得に基づいて小さくする
ことを特徴とする力率改善回路。
【請求項３】
請求項１または請求項２に記載の力率改善回路において、
前記ピーク電流制御部は、前記補正値を制御周期毎に算出するとともに、
さらに、前記補正値を、算出された制御周期毎に別けて格納する記憶部を備える
ことを特徴とする力率改善回路。
【請求項４】
請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載の力率改善回路において、
前記交流電源の入力電圧を検出する入力電圧検出器と、
出力電圧を検出する出力電圧検出器と、を備え、
前記入力電圧の波形と、前記出力電圧の値と、に基づいて前記目標電流を算出する
ことを特徴とする力率改善回路。
【請求項５】
請求項１乃至請求項４のいずれか１項に記載の力率改善回路を備えた充電器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
力率改善回路に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般に、交流電圧を直流電圧に変換するコンバータには、電流波形を電圧波形と相似且つ同位相となるように入力電流の制御を行うことで出力電圧を安定化させ、力率を改善する力率改善回路が使用される。
【０００３】
一方、入力電流は、出力電流の大きさの変動に際し、常にインダクタに電流が流れる連続モードと、インダクタに電流が流れない期間を有する不連続モードとの間で遷移し得る。例えば、入力電圧の半周期内で、連続モードと不連続モードとの切り替わりが起こると、ピーク電流制御を実行していた場合、不連続モード時に電圧波形と相似、同位相とならず、総合力率や基本波力率が規格を満たせないという問題が生じる。
【０００４】
特許文献１では、連続モードか不連続モードかの判定に基づき、モードに応じて入力電流の制御を変更する技術が記載されている。より詳しくは、連続モードの際には入力電流の平均値に基づいた制御を実行し、不連続モードの際には入力電流のピーク値に基づいた制御を実行する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特許第５１０４９４６号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明では、入力電流のモードに依らず、即ち入力電流のモードに応じて制御を変更せずとも、電流波形を電圧波形に対して相似且つ同位相とすることができる力率改善回路を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の一態様の力率改善回路は、交流電源から入力される入力電流を検出する電流検出器と、目標電流を算出し、前記目標電流を補正した補正後目標電流に基づいたピーク電流制御を実行するピーク電流制御部と、を備え、前記ピーク電流制御部は、前記目標電流と前記入力電流の差分をとることで補正値を算出し、前記目標電流の次の半周期の整数倍の時間後に算出される前記目標電流を、前記補正値を用いて補正し、前記補正後目標電流を算出する目標電流補正制御を実行する。
【発明の効果】
【０００８】
本発明の力率改善回路によれば、入力電流のモードに依らず、電流波形を電圧波形に対して相似且つ同位相とすることができる
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】第１の実施形態における力率改善回路の構成を示す
【図２】力率改善回路の回路部の基本動作について示す
【図３】力率改善回路の回路部の基本動作について示す
【図４】力率改善回路の回路部の基本動作について示す
【図５】力率改善回路の回路部の基本動作について示す
【図６】補正後目標電流に基づいたピーク電流制御を行うことで変化する各波形の様子を示す
【図７】第２の実施形態における力率改善回路の構成を示す
【図８】力率改善回路の回路部の基本動作について示す
【図９】力率改善回路の回路部の基本動作について示す
【図１０】力率改善回路の回路部の基本動作について示す
【図１１】力率改善回路の回路部の基本動作について示す
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下、本発明の第１の実施形態における力率改善回路１０について説明する。図１は、力率改善回路１０の構成を示している。力率改善回路１０は、回路部１と、電流の制御を実行するピーク電流制御部２０とを構成として含む。
【００１１】
回路部１は、交流電源２、インダクタL1、L2、ダイオードD1、D2、D3、D4、スイッチング素子S1、S2、キャパシタCVH、電圧検出器VM1、VM2、電流検出器AM1、駆動装置DRVを含む。尚、スイッチング素子S1、S2はMOSFET（metal-oxide-semiconductor field-effect transistor）である例を示しており、ダイオードD3、D4は、それぞれスイッチング素子S1、S2のボディダイオードである。
【００１２】
また、負荷抵抗Ｒは、出力機器の抵抗を示す。本実施形態では、出力機器は車載の充電器であるものとするが、接続される出力機器はこれに限定されない。
交流電源２の端子の一方にインダクタL1の一端が接続され、インダクタL1の他端にダイオードD1のアノードとスイッチング素子S1のドレインが接続されている。また交流電源２の端子の他方にインダクタL2の一端が接続され、インダクタL2の他端にダイオードD2のアノードとスイッチング素子S2のドレインが接続されている。ダイオードD1,D2のカソードはキャパシタCVHの一方と負荷抵抗Ｒの一方に接続され、スイッチング素子S1,S2のソースはキャパシタCVHの他方と負荷抵抗Ｒの他方に接続されている。
【００１３】
電圧検出器VM1は、交流電源２の入力電圧Vacを検出する。電流検出器AM1は、交流電源２から入力される入力電流Iacを検出する。電圧検出器VM2は、負荷抵抗Rの出力電圧Vvhを検出する。また、検出された入力電圧Vac、出力電圧Vvh、入力電流Iacは、それぞれA/D変換器を介してデジタル信号に変換された後、ピーク電流制御部２０へ送信される。
【００１４】
駆動装置DRVは、ピーク電流制御部２０からの制御信号に基づき、スイッチング素子S1、S2のON,OFFを駆動制御する。尚、ピーク電流制御部２０による具体的な制御については後述する。
【００１５】
次に、力率改善回路１０の回路部１の基本動作について、図２−５を用いて説明する。図１の交流電源２の上側を正側と仮定したとき、図２及び３は正極性半波動作を示す図であり、図４及び５は負極性半波動作を示す図である。尚、各図中のダイオードについては、アノードからカソードへ向かう向きを正方向とし、各図中のスイッチング素子については、ドレインからソースへ向かう向きを正方向とする。
【００１６】
交流電源２の正側の電圧極性が正であるときには、ピーク電流制御部２０の制御周期に基づき、駆動装置DRVによりスイッチング素子S1のON,OFFが切り替えられる。また、スイッチング素子S2は、常にOFFとされるように制御を受ける。
【００１７】
図２に示されるように、スイッチング素子S1がONである状態では、入力電流は、インダクタL1、スイッチング素子S1、ダイオードD4、インダクタL2を介して交流電源２へ戻る。また、図３に示されるように、スイッチング素子S1がOFFである状態では、入力電流は、インダクタL1、ダイオードD1、キャパシタCVH、ダイオードD4、インダクタL2を介して交流電源２へ戻る。
【００１８】
交流電源２の正側の電圧極性が負であるときには、ピーク電流制御部２０の制御周期に基づき、駆動装置DRVによりスイッチング素子S2のON,OFFが切り替えられる。また、スイッチング素子S1は、常にOFFとされるように制御を受ける。
【００１９】
図４に示されるように、スイッチング素子S2がONである状態では、入力電流は、インダクタL2、スイッチング素子S2、ダイオードD3、インダクタL1を介して交流電源２へ戻る。また、図５に示されるように、スイッチング素子S2がOFFである状態では、入力電流は、インダクタL2、ダイオードD2、キャパシタCVH、ダイオードD3、インダクタL1を介して交流電源２へ戻る。
【００２０】
ピーク電流制御部２０は、駆動装置DRVによる上記のスイッチング素子S1、S2のON,OFFを切り替えるタイミングを制御するものであり、入力電流が、ピーク電流制御部２０が生成する波形に相似且つ同位相となるようにピーク電流制御を実行する回路または装置である。即ちピーク電流制御部２０は、入力電流の昇圧制御を行うことで、回路部１における力率を改善する。以下、ピーク電流制御部２０が有する機能及び実行する制御について詳細に説明する。
【００２１】
図１に戻る。ピーク電流制御部２０は、機能構成群として目標電流生成部１１、電圧補償部１２、補正量バッファ１３、目標電流補正部１４、制御信号生成部１５を有している。
【００２２】
目標電流生成部１１は、検出した入力電圧Vac、出力電圧Vvhを用いて目標電流IacREFを生成する。具体的には、入力電圧Vacの波形（周期）と、出力電圧Vvhの値に基づいて得られるVcを用いて、目標電流の波形であるVc sinωtを生成する。ここで、ωは角振動数であり、ｔは時刻である。VcはVvhの値と０ボルトを境に対称な値である。尚、Vcを得る過程で、電圧補償部１２が出力電圧Vvhの電圧降下を補償するとよい。また、電圧検出器VM1で検出した入力電圧Vvhの波形のピークの時刻（tpeak）において振幅Vcをもつように目標電流IacREFの波形が生成される。
【００２３】
目標電流補正部１４は、目標電流生成部１１で生成した目標電流IacREFと入力電流の平均値である入力電流Iacmとの差分をとることで補正値Iac_hを算出する。具体的には、目標電流補正部１４はその制御周期毎に目標電流IacREFと入力電流Iacmとの差分をとり、補正値Iac_hを算出する。尚、入力電流の平均値とは、入力電流Iacのリップルの平均値をサンプリングした波形を示す。入力電流Iacを平均値化する処理は、入力電流Iacの検出後に不図示のLPFフィルタにより行われるものとする。
【００２４】
補正量バッファ１３は、目標電流補正部１４により算出された補正値Iac_hを、算出された制御周期毎にわけて格納する。
目標電流補正部１４は、次の半周期の整数倍の時間後に算出される目標電流IacREFを、補正値Iac_hを用いて補正することで補正後目標電流IacREF’を算出する。具体的には、目標電流補正部１４は、次の半周期の整数倍の時間後に算出される目標電流IacREFに補正値Iac_hを足し合わせることで補正後目標電流IacREF’を算出する。一例では、目標電流IacREFと入力電流Iacmとの差分をとった時刻（時刻t1とする）から一周期後の時刻（時刻t1+nT/2でありここでは整数n = 2,またTは周期を示す）の目標電流IacREFに対して時刻t1で算出された補正値Iac_hを足し合わせる。整数ｎは任意の値に調整される。このように目標電流補正部１４における補正値を算出し、目標電流を補正する制御を目標電流補正制御とも表記する。
【００２５】
制御信号生成部１５は、以上のように算出された補正後目標電流IacREF’に基づいた制御信号を駆動装置DRVに送信することで、補正後目標電流IacREF’に基づいたピーク電流制御を実行する。より詳しくは、最初に目標電流IacREFに基づいたピーク電流制御を実行し、次の半周期以降で補正後目標電流IacREF’を算出し、補正後目標電流IacREF’に基づいたピーク電流制御を実行する。
【００２６】
また、上記の目標電流補正制御を実行するに際し、例えば各補正値Iac_hに利得を乗算する等して、補正値を利得に基づいて小さくすることが制御の安定性を図るという意味で望ましい。詳しくは、検出される出力電圧Vvhの波形への影響を抑えることができる。補正値を小さくした場合、一度の補正（即ち目標電流と補正値との一度の足し合わせ）を行い補正後目標電流に基づいたピーク電流制御を実行する時点では目的の波形は得られないが、上述した目標電流補正制御を複数回行うことで入力電流を目的の波形とすることができる。尚、以降の説明では、利得に基づいて小さくした補正値を用いて目標電流補正部１４による目標電流を補正する制御が実行されるものとする。
【００２７】
図６は、目標電流補正部１４における目標電流補正制御を実行し、補正後目標電流に基づいたピーク電流制御を行うことで変化する各波形の様子を示す。図６では、紙面右方向の軸が時間を、紙面上方向の軸が波形の大きさを示す。また図６の例では、半周期前に算出した補正値Iac_hを用いて補正後目標電流IacREF’を算出し、補正後目標電流IacREF’に基づいてピーク電流制御を実行している。（ａ）は、入力電流Iacm及び目標電流IacREFの波形を示している。（ｂ）は、補正値Iac_hの波形を示す。（ｃ）は、入力電流Iacmの絶対値及び補正後目標電流IacREF’の波形を示す。また、図６の例は、前述したとおり補正値を利得に基づいて小さくしているため、複数回目標電流補正制御を実行し、各波形が徐々に変わっていっている。
【００２８】
例えば最初の、補正値に基づき補正されない目標電流に基づいたピーク電流制御によって得られる入力電流の波形（不図示である）は、歪な状態となり得る。近い状況としては、図６の（ａ）の入力電流Iacmの左側の波形である。これは、入力電流が、出力電流の大きさの変動に際し、常にインダクタに電流が流れる連続モードと、インダクタに電流が流れない期間を有する不連続モードとの間で遷移し得ることが原因である。
【００２９】
不連続モードの際には、電流がインダクタに流れない期間が存在することで電流平均値が落ち込むため、電流ピーク値と電流平均値との関係が崩れ、SIN波形に基づきピーク電流制御を実行したとしても、十分に昇圧することができない。従って、波形全体が歪んで目標電流のSIN波形と相似形且つ同位相とならず、力率を十分に改善させることができないといった状況が起こる。
【００３０】
本発明の力率改善回路１０は、補正されない目標電流に基づいたピーク電流制御を実行した時点での入力電流と目標電流との間の波形のズレを補填した補正後目標電流に基づいたピーク電流制御を実行することで、当初の目標電流に基づいたピーク電流制御を実行した段階で電流波形が歪んでしまった場合であってもその歪みを解消するように昇圧制御を実行することができる。即ち、本発明の力率改善回路１０によれば、入力電流のモードの遷移が起こったとしても、電圧波形（目標電流の波形）に対して入力電流の波形を相似形且つ同位相とすることができる。そのため、入力モードに依らない力率改善制御を実現することが可能である。
【００３１】
以下、第２の実施形態における力率改善回路１００について説明する。図７は、力率改善回路１００の構成を示す。力率改善回路１００は、回路部１の代わりに回路部３０を有している点で力率改善回路１０と異なるがそれ以外の構成は同様である。
【００３２】
回路部３０は、交流電源２、インダクタL1、ダイオードD1、D2、D3、D4、スイッチング素子S1、S2、キャパシタCVH、電圧検出器VM1、VM2、電流検出器AM1、駆動装置DRVを含む。ダイオードD1、D3は、それぞれスイッチング素子S1、S2のボディダイオードである。回路部３０は、所謂トーテムポール方式の力率改善回路である。
【００３３】
交流電源２の端子の一方にインダクタL1の一端が接続され、インダクタL1の他端にスイッチング素子S1のソースとスイッチング素子S2のドレインが接続されている。また交流電源２の端子の他方にダイオードD2のアノードとダイオードD4のカソードが接続されている。スイッチング素子S1のドレインとダイオードD2のカソードはキャパシタCVHの一方と負荷抵抗Ｒの一方に接続され、スイッチング素子S2のソースとダイオードD4のアノードはキャパシタCVHの他方と負荷抵抗Ｒの他方に接続されている。
次に、力率改善回路１００の回路部３０の基本動作について、図８−１１を用いて説明する。図７の交流電源２の上側を正側と仮定したとき、図８及び９は正極性半波動作を示す図であり、図１０及び１１は負極性半波動作を示す図である。
【００３４】
交流電源２の正側の電圧極性が正であるときには、ピーク電流制御部２０の制御周期に基づき、駆動装置DRVによりスイッチング素子S2のON,OFFが切り替えられる。また、スイッチング素子S1は、常にOFFとされるように制御を受ける。
【００３５】
図８に示されるように、スイッチング素子S2がONである状態では、入力電流は、インダクタL1、スイッチング素子S2、ダイオードD4を介して交流電源２へ戻る。また、図９に示されるように、スイッチング素子S2がOFFである状態では、入力電流は、インダクタL1、ダイオードD1、キャパシタCVH、ダイオードD4を介して交流電源２へ戻る。
【００３６】
交流電源２の正側の電圧極性が負であるときには、ピーク電流制御部２０の制御周期に基づき、駆動装置DRVによりスイッチング素子S1のON,OFFが切り替えられる。また、スイッチング素子S2は、常にOFFとされるように制御を受ける。
【００３７】
図１０に示されるように、スイッチング素子S1がONである状態では、入力電流は、ダイオードD2、スイッチング素子S1、インダクタL1を介して交流電源２へ戻る。また、図１１に示されるように、スイッチング素子S1がOFFである状態では、入力電流は、ダイオードD2、キャパシタCVH、ダイオードD3、インダクタL1を介して交流電源２へ戻る。
【００３８】
駆動装置DRVによる上記のスイッチング素子S1、S2のON,OFFの切り替えのタイミングは、ピーク電流制御部２０の制御に基づき実行される。ピーク電流制御部２０の制御については第１の実施形態で説明したとおりである。
【００３９】
以上のように、本発明の力率改善回路の回路構成は、第１の実施形態で示した力率改善回路１０の構成に限定されず、例えば、回路部３０のようなトーテムポール方式の回路を含む力率改善回路であっても構わない。その他、従来公知の力率改善回路が使用されてもよい。
【００４０】
上述した実施形態は、発明の理解を容易にするために具体例を示したものであり、本発明はこれらの実施形態に限定されるものではない。上述した力率改善回路、充電器は、特許請求の範囲に記載した本発明を逸脱しない範囲において、さまざまな変形、変更が可能である。
【符号の説明】
【００４１】
１０、１００  力率改善回路
１、３０  回路部
２０  ピーク電流制御部
１１  目標電流生成部
１２  電圧補償部
１３  補正量バッファ
１４  目標電流補正部
L1、L2  インダクタ
D1、D2、D3、D4  ダイオード
S1、S2  スイッチング素子
CVH  キャパシタ
VM1,VM2  電圧検出器
AM1  電流検出器
DRV  駆動装置
【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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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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