(57)【要約】【課題】高調波ひずみ及びフリッカーに関して、交流電源から抵抗負荷に供給される電力の制御方法及び制御装置を提供することにある。【解決手段】交流電源から抵抗負荷に供給される電力の制御装置は、該負荷を該交流電源に接続するためのスイッチ、制御信号を該スイッチに与えるためのコントローラ、及び入力と出力を有する整流ブリッジからなる。該入力は交流電源への接続のために調整され、該出力は第１インダクタ、該負荷及び該スイッチの直列接続に接続される。該コントローラは、交流電源の少なくとも５００倍の周波数をもつ制御信号を与える。該スイッチは、制御信号によりスイッチが切り替えられる。該コントローラは、制御信号のデューティサイクルを変えるための制御エレメントを備える。【選択図】　　　　図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
正弦波出力を与える交流電源から抵抗負荷に供給される電力の制御方法であって：
該正弦波出力の各周期の一部のデュレーションを変えることによって、該交流電源から抵抗負荷に供給される電力を変化させ、該正弦波出力の各周期の一部において該抵抗負荷を該交流電源に接続するステップ；
からなり、
該正弦波出力は整流され、該整流された出力が第１インダクタ及び該抵抗負荷の直列接続に供給され、該抵抗負荷は、該交流電源の少なくとも５００倍の周波数で、該交流電源との接続と切断が行われ、そして該交流電源から抵抗負荷に供給される電力を、該抵抗負荷を接続／切断する時間比率を変化させることによって変えることを特徴とする制御方法。
【請求項２】
交流電源から抵抗負荷に供給される電力の制御装置であって：
該抵抗負荷を該交流電源に接続するためのスイッチ；
制御信号を該スイッチに与えるためのコントローラ；及び
交流電源への接続に適合された入力と、第１インダクタ、該抵抗負荷及び該スイッチの直列接続に接続された出力とを有する整流ブリッジ；
からなり、
該コントローラは、該交流電源の少なくとも５００倍の周波数をもつ制御信号を供給し、該スイッチは該制御信号によりスイッチが切り替えられ、そして、該コントローラは該制御信号のデューティサイクルを変えるための制御エレメントを有することを特徴とする制御装置。
【請求項３】
請求項２記載の制御装置であって、前記第１インダクタと抵抗負荷との直列接続と並列に、フリーホイールエレメントが接続されていることを特徴とする装置。
【請求項４】
請求項２または３記載の制御装置であって、前記整流ブリッジの入力に、第２インダクタが直列接続されていることを特徴とする装置。
【請求項５】
請求項２乃至４記載の何れか１項記載の制御装置であって、前記整流ブリッジに、好ましくは該整流ブリッジの出力に、並列にフリーホイールエレメントが接続されていることを特徴とする装置。
【請求項６】
請求項２乃至５記載の何れか１項記載の制御装置であって、前記制御信号の周波数は、５０〜２５０ｋＨｚの範囲にあることを特徴とする装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、正弦波出力を提供する交流電源から抵抗負荷に供給される電力の制御方法及び制御装置に関し、特に、交流電源から負荷に供給される電力が、各周期の一部のデュレーション（ｄｕｒａｔｉｏｎ）を変えることによって変化させ、当該正弦波出力の各周期の一部において抵抗負荷を交流電源に接続する方法に関する。本発明は、さらに、交流電源から抵抗負荷に供給される電力の制御装置であって、交流電源に負荷を接続するスイッチと、当該スイッチに制御信号を与えるコントローラからなる装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
米国特許第６，１１４，６６９号では、いわゆるフェーズカット（ｐｈａｓｅｃｕｔ）制御方法に従ってコントローラが動作するタイプの制御方法及び制御装置が開示されている。交流電源の１／２の周期の各期間において、交流電源に負荷を接続するスイッチが閉じられ、交流電圧が０になるところで、当該スイッチは開かれる。この従来装置では、制御信号のフェーズ角（ｐｈａｓｅ　ａｎｇｌｅ）を供給電力に対応するフェーズ角近傍に変えることによって、フリッカー（ｆｌｉｃｋｅｒ）や干渉放射（ｉｎｔｅｒｆｅｒｅｎｃｅ　ｒａｄｉａｔｉｏｎ）が抑えられる。
【０００３】
【特許文献１】
米国特許第６，１１４，６６９号
【発明が解決しようとする課題】
この従来装置では、負荷を交流電源に徐々に接続することが可能であるが、比較的多くのコントロールステップを要するにも関わらず、特に小さなフェーズ角では、フェーズ切断が正確でないという欠点がフェーズ制御方法にはある。
【０００４】
さらに、フェーズカット制御方法では、高調波ひずみ（ｈａｒｍｏｎｉｃ　ｄｉｓｔｏｒｔｉｏｎ）により力率（ｐｏｗｅｒ　ｆａｃｔｏｒ）が比較的低い値になる。
【０００５】
本発明の課題は、上述のような高調波ひずみ及びフリッカーに関する高い要請を満足する制御方法及び制御装置を提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、本発明は、以下の特徴を有する課題を解決するための手段を採用している。
【０００７】
請求項１に記載された発明は、正弦波出力を与える交流電源から抵抗負荷に供給される電力の制御方法であって、該正弦波出力の各周期の一部のデュレーションを変えることによって、該交流電源から抵抗負荷に供給される電力を変化させ、該正弦波出力の各周期の一部において該抵抗負荷を該交流電源に接続するステップからなり、該正弦波出力は整流され、該整流された出力が第１インダクタ及び該抵抗負荷の直列接続に供給され、該抵抗負荷は、該交流電源の少なくとも５００倍の周波数で、該交流電源との接続と切断が行われ、そして該交流電源から抵抗負荷に供給される電力を、該抵抗負荷を接続／切断する時間比率を変化させることによって変えることを特徴とする制御方法である。
【０００８】
請求項２に記載された発明は、交流電源から抵抗負荷に供給される電力の制御装置であって、該抵抗負荷を該交流電源に接続するためのスイッチ、制御信号を該スイッチに与えるためのコントローラ及び交流電源への接続に適合された入力と、第１インダクタ、該抵抗負荷及び該スイッチの直列接続に接続された出力とを有する整流ブリッジからなり、該コントローラは、該交流電源の少なくとも５００倍の周波数をもつ制御信号を供給し、該スイッチは該制御信号によりスイッチが切り替えられ、そして、該コントローラは該制御信号のデューティサイクルを変えるための制御エレメントを有することを特徴とする制御装置である。
【０００９】
本発明によれば、スイッチの高周波切り替えにより生じる高周波ひずみが、インダクタを備える抑制回路において負荷の抵抗特性を有効的に利用することによって、効果的に抑えることが可能となる。高調波ひずみのかなりの減少により、所望の値１に近似した力率が得られる。さらに、高周波切り替えにより、負荷の接続／切断の時間比率を０〜１００％までのすべての範囲で線形制御することができる。また、制御ステップはかなり少なくすることができる。本発明による制御装置は、交流電源のある出力電圧・周波数の範囲で設計可能である。
【００１０】
また本発明による制御方法及び制御装置は、熱制御装置や調光器など様々な応用が可能である。
【００１１】
【発明の実施の形態】
図１を参照するに、本発明の実施例による、交流電源１から抵抗負荷２に供給される電力の制御装置の回路図が描かれている。交流電源１は、正弦波出力電圧及び電流を供給する。本発明による制御装置は、負荷２を電源１に接続するためのスイッチ３を備える。本実施例では、ＦＥＴ（Ｆｉｅｌｄ　Ｅｆｆｅｃｔ　Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）、特に、ＭＯＳＦＥＴ（Ｍｅｔａｌ−Ｏｘｉｄｅ　Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ　Ｆｉｅｌｄ　Ｅｆｆｅｃｔ　Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）がスイッチ３として使用される。しかしながら、例えば、ＩＧＢＴ（Ｉｎｓｕｌａｔｅｄ　Ｇａｔｅ　Ｂｉｐｏｌａｒ　Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）やトランジスタのような、その他適切なタイプのスイッチが利用されうる。
【００１２】
コントローラ４は、スイッチ３のオン・オフを切り替えるための制御信号をスイッチ３に送る。この制御信号は、一定の周波数で、かつ可変のデューティサイクル（ｄｕｔｙ　ｃｙｃｌｅ）をもつ。制御信号の周波数は、交流電源１の少なくとも５００倍であることが好ましい。したがって、電源１が５０Ｈｚの標準的周波数を持つとき、制御信号の周波数は少なくとも２５ｋＨｚとされる。好ましくは、制御信号の周波数は、５０〜２５０ｋＨｚの範囲に設定される。このようにして、交流出力電圧の各周期内で、負荷２は何回も交流電源１に接続及び切断される。
【００１３】
コントローラ４は、制御信号のデューティサイクルを変えるための制御エレメント（ｃｏｎｔｒｏｌ　ｅｌｅｍｅｎｔ）５を備える。デューティサイクルは、０〜１００％まで変えられ、それによって、電源１から負荷２に供給される電力も０〜１００％まで変化する。制御エレメント５は、手作業で調整されたエレメントであってもよいし、また他の適切なエレメントであってもよい。また、制御エレメントは、センサから受け取った１つ以上の入力信号に依存して、デューティサイクルをコントロールする電気制御回路の一部であってもよい。図１の実施例では、本発明による制御装置は、第１インダクタ（ｉｎｄｕｃｔｏｒ）７、抵抗負荷２ならびにスイッチ３の直列接続にその出力が接続される整流ブリッジ（ｒｅｃｔｉｆｉｅｒ　ｂｒｉｄｇｅ）６を備える。整流ブリッジ６の入力は、第２インダクタ８を介して交流電源１に接続される。キャパシタ９としてのフリーホイールエレメント（ｆｒｅｅｗｈｅｅｌｉｎｇ　ｅｌｅｍｅｎｔ）が、第１インダクタ、負荷２ならびにスイッチ３の直列接続と並列に整流ブリッジ６の出力に接続される。また、キャパシタ９は、整流ブリッジ６の入力に接続されてもよい。好ましくは、キャパシタ９は、ＥＭＣ（Ｅｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃ　Ｃｏｍｐａｔｉｂｉｌｉｔｙ）放射を抑えるために回路における高周波パスを減らすよう、図１に示されるように整流ブリッジ６の出力に接続されることが望ましい。この場合、スイッチ３がオフのとき、不必要な容量性電流が流れない。
【００１４】
さらなるフリーホイールエレメント１０は、第１インダクタ７と負荷２の直列接続と並列に接続される。図示された実施例では、フリーホイールエレメント１０は、超高速リカバリタイプ（ｖｅｒｙ　ｆａｓｔ　ｒｅｃｏｖｅｒｙ　ｔｙｐｅ）のダイオードである。
【００１５】
動作中、抵抗負荷２は、スイッチ３のデューティサイクルにより制御された振幅をもつ整流化正弦波電圧を受け取る。図２に示されたフェーズにて、電源１の電圧Ｖ１が正でスイッチ３が閉じられているとき、負荷２を通じた電流ＩＬは、スイッチ３がスイッチオフされるまで増加する。次のフェーズで、電圧Ｖ１は正でスイッチ３が開かれるとき、負荷電流ＩＬは減少する。このフェーズで、負荷２は、閉じられた回路のインダクタ７に蓄えられたエネルギーを、フリーホイールエレメント１０を通じて放散する。このフェーズの期間において、キャパシタ９は、インダクタ８のフリーホイールエレメントと同様の動作をする。
【００１６】
図４及び５に示された第３及び４フェーズは、図２及び３のフェーズでの、電源の交流電流が整流ブリッジ６の他の２つのダイオードを通じて反対方向に流れるよう、電源１の電圧Ｖ１が負とされている場合に対応している。
【００１７】
上述された制御装置の回路図では、負荷２の抵抗特性が高周波切り替えによる高周波ひずみの抑制に効果的に利用されている。この高周波ひずみ部分は、比較的高い周波数域にあるので、負荷２とインダクタ７により形成される抑制回路により効果的に抑えることができる。
【００１８】
整流ブリッジ６は標準的なブリッジでよい。高い効率性を得るために、フリーホイールエレメント１０は、超高速リカバリタイプである必要がある。上述のように、制御信号の周波数は、５０〜２５０ｋＨｚの範囲にあることが好ましい。インダクタ７及び８のインピーダンス値は、５０〜５００μＨの範囲にあることが好ましく、キャパシタ９のインピーダンス値は、１００ｎＦから２．２μＦの範囲にあることが好ましい。図１に示された回路図に従う実施例で、切り替え周波数を１００ｋＨｚ、第１インダクタ７のインピーダンス値を５００μＨ、第２インダクタ８のインピーダンス値を５００μＨ、そしてキャパシタ９のインピーダンス値を１００ｎＦとしたとき、良好な結果が実験により得られた。このときの負荷２の抵抗値は１０Ωであった。
【００１９】
本発明は、そのような値の構成要素を有する実施例に制限されるものでなく、また与えられた実施例は請求の範囲内において様々な方法で変形されうる。
【００２０】
【発明の効果】
本発明によれば、スイッチの高周波切り替えにより生じる高周波ひずみが、インダクタを備える抑制回路において負荷の抵抗特性を有効的に利用することによって、効果的に抑えることが可能となる。高調波ひずみのかなりの減少により、所望の値１に近似した力率が得られる。さらに、高周波切り替えにより、負荷の接続／切断の時間比率を０〜１００％までのすべての範囲で線形制御することができる。また、制御ステップはかなり少なくすることができる。本発明による制御装置は、交流電源のある出力電圧・周波数の範囲で設計可能である。
【００２１】
また本発明による制御方法及び制御装置は、熱制御装置や調光器など様々な応用が可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例による制御装置の概略回路図である。
【図２】交流電源の交流電圧の１周期における第１のケースでの図１に示された回路図での電流の流れを示す図である。
【図３】交流電源の交流電圧の１周期における第２のケースでの図１に示された回路図での電流の流れを示す図である。
【図４】交流電源の交流電圧の１周期における第３のケースでの図１に示された回路図での電流の流れを示す図である。
【図５】交流電源の交流電圧の１周期における第４のケースでの図１に示された回路図での電流の流れを示す図である。
【図６】制御信号の第１のデューティサイクルに対して、電源と負荷の交流電流を表した図である。
【図７】制御信号の第２のデューティサイクルに対して、電源と負荷の交流電流を表した図である。
【図８】制御信号の第３のデューティサイクルに対して、電源と負荷の交流電流を表した図である。
【図９】制御信号の第４のデューティサイクルに対して、電源と負荷の交流電流を表した図である。
【符号の説明】
１　　交流電源
２　　抵抗負荷
３　　スイッチ
４　　コントローラ
５　　制御エレメント
６　　整流ブリッジ
７　　第１インダクタ
８　　第２インダクタ
９　　キャパシタ
１０　フリーホイールエレメント
【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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