(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
交流電源からの交流電圧を整流する整流回路と、交流電源に直列に接続されたリアクタと、リアクタを介して交流電源を短絡・開放するスイッチング手段と、交流電源に同期したパルス信号を発生する電圧位相検出手段と、電圧位相検出手段の出力信号に基づいてスイッチング手段を駆動する制御手段とを備え、交流電源の電圧位相に同期して交流電源の半周期間に１回もしくは複数回、リアクタを介してスイッチング手段により交流電源を短絡・開放する電源装置であって、前記制御手段は、電圧位相検出手段より得られるパルス信号の周期が、予め定められた第１の所定時間から第２の所定時間までの範囲内（第１の所定時間＜第２の所定時間）にある場合にのみ、複数回の短絡・開放動作を行い、前記パルス信号の周期が、前記第１の所定時間から第２の所定時間までの範囲内から外れた場合には短絡・開放動作の回数を１回に制限するとともに、前記パルス信号の周期が、前記第１の所定時間以下の値に設定された第３の所定時間よりも短い場合および、前記第２の所定時間以上の値に設定された第４の所定時間よりも長い場合に、スイッチング手段を開放状態に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】
本発明は交流電源からの交流電圧を直流電圧に変換して負荷に供給する電源装置に関
する。
【背景技術】
【０００２】
従来、交流電源からの交流電圧を直流電圧に変換して負荷へ供給する電源装置として、交流電源のゼロクロス点を検出し、リアクタを介して交流電源を電源半周期に１回もしくは複数回短絡することにより、力率を改善しつつ、高い直流出力電圧が得られるものが提案されている（例えば、特許文献１および特許文献２参照）。
【０００３】
図８は、特許文献１に記載された従来の電源装置の構成を示すものである。
【０００４】
図８に示すように、特許文献１に記載された電源装置は、交流電源１と、交流電源１からの交流電圧を整流する第１のダイオードブリッジ３１と、平滑用コンデンサ３２，３３，３４とで構成される倍電圧整流回路を備えており、さらに、交流電源１の両端には、リアクタ６を介して第２のダイオードブリッジ３５およびスイッチング素子３６が接続されている。
【０００５】
また力率改善部３７とゼロクロス検出部３８とインバータ制御部２３とが、制御手段３９内に設けられる。ゼロクロス検出部３８は交流電源１の両端に接続され、交流電源１のゼロクロス点を検出する。力率改善部３７は、交流電源１の半周期毎に、検出されたゼロクロス点から所定の時間だけスイッチング素子３６を短絡し、その後開放する。
【０００６】
これによって、交流電源１からの入力電流の導通幅を拡大し、力率を改善するとともに、リアクタ６に蓄えられたエネルギーを平滑コンデンサ３２，３３，３４へ供給することで、通常の倍電圧整流回路よりも高い直流出力電圧を得ることができる。
【０００７】
さらに、特許文献１に記載の従来の電源装置は、負荷として、インバータ回路２１およびインバータ回路２１により駆動される電動機２２を備えており、インバータ回路２１を制御するインバータ制御部２３におけるパルス幅変調制御信号のデューティ比に基づいてスイッチング素子３６の短絡開始時刻および短絡期間を決定することで、負荷状態に応じて力率を改善することができる。
【０００８】
図９は、特許文献２に記載された従来の電源装置の構成を示すものである。
【０００９】
図９に示すように、本電源装置は、交流電源１の半周期毎に、スイッチング手段４０を複数回短絡させることで、力率を改善するとともに高調波を抑制することができる。
【特許文献１】特開平１０−２０１２４８号公報
【特許文献２】特許第３４８５０４７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
しかしながら、従来の電源装置は、交流電源のゼロクロス点からの経過時間（ディレイ時間）によって決定される交流電源の短絡開始タイミングを、例えばインバータ回路のＰＷＭ信号のデューティ比や負荷モータのトルクなどの負荷状態に応じて予め設定された関数によって算出するが、その際、交流電源の周波数変動について考慮がなされていない。
【００１１】
したがって、系統接続されている商用電源に比べて電源周波数の変動が起こりやすい自家用発電機などの交流電源に接続された場合、従来の電源装置は、電源周波数の変動時に、交流電源を短絡する電源位相がずれることにより、入力電流の歪みが大きくなりやすい。
【００１２】
特に、交流電源の半周期に複数回、リアクタを介して交流電源を短絡・開放する電源装置では、短絡タイミングずれによって、交流電源の波高値が高い電圧位相においてスイッチング素子を短絡・開放することで、高い電流ピークが生じやすく、その結果、力率の低下や電流歪みへの影響も顕著になりやすい。
【００１３】
本発明は、前記従来の課題を解決するもので、電源周波数が変動しても、安定して高力率動作を実現する電源装置を提供することを第1の目的とし、さらに、交流電源の状態が不安定な状態においては、停電回避のため、電源装置の昇圧性能を制限することで交流電源への負担を軽減することを第２の目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
前記従来の課題を解決するために、本発明の電源装置は、交流電源からの交流電圧を整流する整流回路と、交流電源に直列に接続されたリアクタと、リアクタを介して交流電源を短絡・開放するスイッチング手段と、交流電源に同期したパルス信号を発生する電圧位相検出手段と、電圧位相検出手段の出力信号に基づいてスイッチング手段を駆動する制御手段とを備え、交流電源の電圧位相に同期して交流電源の半周期間に１回もしくは複数回、リアクタを介してスイッチング手段により交流電源を短絡・開放する電源装置であって、電圧位相検出手段より得られるパルス信号の周期が、予め定められた第１の所定時間から第２の所定時間までの範囲内にある場合にのみ、複数回の短絡・開放動作を行うものである。
【発明の効果】
【００１５】
本発明の電源装置によれば、交流電源の電源周波数が所定の範囲内にある場合には、電源半周期間に複数回の短絡動作を行うことで、高い力率改善効果と昇圧能力を実現するとともに、電源周波数が所定の範囲外にある場合には、電源半周期間に１回の短絡動作、もしくは短絡動作の停止によって、短絡タイミングずれによる入力電流歪みの影響を低減もしくは排除することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
第１の発明は、交流電源からの交流電圧を整流する整流回路と、交流電源に直列に接続されたリアクタと、リアクタを介して交流電源を短絡・開放するスイッチング手段と、交流電源に同期したパルス信号を発生する電圧位相検出手段と、電圧位相検出手段の出力信号に基づいてスイッチング手段を駆動する制御手段とを備え、交流電源の電圧位相に同期して交流電源の半周期間に１回もしくは複数回、リアクタを介してスイッチング手段により交流電源を短絡・開放する電源装置であって、制御手段は、電圧位相検出手段より得られるパルス信号の周期が、予め定められた第１の所定時間から第２の所定時間までの範囲内（第１の所定時間＜第２の所定時間）にある場合にのみ、複数回の短絡・開放動作を行うものである。
【００１７】
これにより、電源周波数が所定の範囲外にある場合には、電源半周期間の短絡回数を１回以下に制限することによって、短絡タイミングずれによる入力電流歪みの影響を低減することができる。
【００１８】
第２の発明は、第１の発明において、電圧位相検出手段より得られるパルス信号の周期が、前記第１の所定時間以下の値に設定された第３の所定時間よりも短い場合に、スイッ
チング手段を開放状態に制御することで、交流電源の電源周波数が高くなりすぎた場合に、昇圧機能を停止し、最小限の動作（整流動作）のみを継続することができる。
【００１９】
第３の発明は、第２の発明において、電圧位相検出手段より得られるパルス信号の周期が、前記第２の所定時間以上の値に設定された第４の所定時間よりも長い場合に、スイッチング手段を開放状態に制御することで、交流電源の電源周波数が低くなりすぎた場合に、第２の発明同様、昇圧機能を停止し、最小限の動作（整流動作）のみを継続することができる。
【００２０】
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。
【００２１】
（実施の形態１）
図１は本発明の実施の形態１による電源装置の構成を示すブロック構成図である。
【００２２】
図１に示すように、本発明の電源装置は、交流電源１の交流電圧を整流する整流回路２を備え、整流回路２の交流入力端の一方と整流回路２の一方の直流入力端との間に接続される第１のコンデンサ３と、整流回路２の同じ交流入力端と整流回路２の他方の直流入力端との間に接続される第２のコンデンサ４とにより、負荷５へ直流電圧を供給する倍電圧整流回路を構成する。
【００２３】
さらに、交流電源１と整流回路２の交流入力端との間にリアクタ６が接続され、ダイオードブリッジやＭＯＳＦＥＴ・ＩＧＢＴなどの半導体素子で構成される双方向性のスイッチング手段７がリアクタ６を介して交流電源１を短絡する位置に接続される。
【００２４】
また、電圧位相検出手段８が、交流電源１の両端に接続され、交流電源１の電圧位相に同期したパルス信号を出力する。
【００２５】
制御手段９は、マイクロコンピュータ等で構成され、周期検出部９ａによって測定された電圧位相検出手段８からの出力パルス信号の周期Ｔと、記憶部９ｂに予め記憶されている複数の時間（Ｔ１〜Ｔ４）とを短絡回数決定部９ｃにて比較し、電源半周期間にスイッチング手段７を短絡する回数を決定する。
【００２６】
さらに、制御手段９は、駆動信号生成部９ｄにおいて、電圧位相検出手段８から出力されるパルス信号をタイミングの基準とし、スイッチング手段７を駆動する駆動信号を生成することによって、電源半周期毎に短絡回数決定部９ｃにて決定した短絡回数だけ、スイッチング手段７の短絡・開放を繰り返す。
【００２７】
図２は、短絡回数決定部９ｃのフローチャートの一例である。
【００２８】
図２に示すように、制御手段９は、電圧位相検出手段８から出力されるパルス信号の周期Ｔが予め制御手段９内の記憶部９bに記憶されている第１の所定時間Ｔ１以上かつ、第２の所定時間Ｔ２以下の範囲にある場合には、電源半周期間の短絡回数を５回とすることで、電源装置は、高力率かつ高い昇圧能力が得られる入力電流波形にて動作する。
【００２９】
また、電圧位相検出手段８から出力されるパルス信号の周期Ｔが、第１の所定時間Ｔ１以下の値に設定された第３の所定時間Ｔ３よりも短いか、第２の所定時間Ｔ２以上の値に設定された第４の所定時間よりも長い場合には、交流電源１の状態が不安定であるとみなして短絡回数を０とし、スイッチング手段７を開放状態に制御する。
【００３０】
周期Ｔが上記以外の場合には、電源半周期間の短絡回数を１回に限定することで、スイッチングタイミングずれによる入力電流波形の歪みを回避しつつ、必要最小限の昇圧性能を確保する。
【００３１】
図３は、本発明における電圧位相検出手段８の具体的な回路の一例を示すものである。
【００３２】
図３に示すように、電圧位相検出手段８は、交流入力のフォトカプラ１０と抵抗１１、１２、１３とによって構成される。
【００３３】
フォトカプラ１０がオンする交流電源１の電圧位相は、フォトカプラ１０の１次側に接続される抵抗１１と抵抗１２とによって調整される。
【００３４】
またフォトカプラ１０の２次側は、出力トランジスタのコレクタが抵抗１３によってプルアップされて、マイクロコンピュータである制御手段９の入力ポートに接続される。
【００３５】
図４は、電源半周期間の短絡回数が１回の場合における、電圧位相検出手段８の出力パルス信号とスイッチング手段７の駆動信号との関係を表すタイミングチャートである。
【００３６】
制御手段９は、電圧位相検出手段８からのパルス信号の終了に相当するエッジ（図４では立ち上がりエッジ）を検出したタイミングから、予め負荷５の状態に応じて定められた時間Ｔｄに基づいて、時間Ｔｄ経過後にスイッチング手段７の短絡動作を開始し、その後時間Ｔｗ後に開放するよう、スイッチング手段７を制御する。
【００３７】
時間Ｔｗは、電流やモータ回転数など、負荷５の状態に応じて予め設定された値を用いてもよいし、電源装置の直流出力電圧が所定の目標電圧に等しくなるようにフィードバック制御により調整してもよい。
【００３８】
図５は、電源半周期間の短絡回数が５回の場合における、電圧位相検出手段８の出力パルス信号とスイッチング手段７の駆動信号との関係を表すタイミングチャートである。
【００３９】
制御手段９は、電圧位相検出手段８からのパルス信号の終了に相当するエッジ（図５では立ち上がりエッジ）を検出したタイミングから、予め負荷５の状態に応じて定められた時間Ｔｄｎ（ｎ＝１〜５）に基づいて、それぞれ時間Ｔｄｎ（ｎ＝１〜５）経過後にスイッチング手段７の短絡動作を開始し、その後それぞれ時間Ｔｗｎ（ｎ＝１〜５）（図５には記号を図示せず）後に開放するよう、スイッチング手段７を制御する。
【００４０】
なお、時間Ｔｗｎ（ｎ＝１〜５）は、短絡回数が１回の場合と同様、負荷５の状態に応じて予め設定された値としてもよいし、電源装置の直流出力電圧が所定の目標電圧に等しくなるようにフィードバック制御により調整してもよい。
【００４１】
図６（ａ）〜（ｄ）に、本発明の電源装置における入力電流波形の一例を示す。
【００４２】
図６（ａ）、（ｂ）に示すように、電源周波数が５０Ｈｚ、５５Ｈｚの場合には、電源半周期に５回スイッチング動作することで高力率な電流波形（力率約９９％）を得ている。
【００４３】
図６（ｃ）は、電源周波数がさらに高くなって、電圧位相検出手段８のパルス信号の周期ＴがＴ１を下回り、電源半周期に１回スイッチング動作をしているときの入力電流波形である。
【００４４】
また図６（ｄ）は、電源周波数が低くなって、電圧位相検出手段８のパルス信号の周期ＴがＴ２を超えたため、電源半周期に１回のスイッチング動作となっているときの入力電流波形である。
【００４５】
図６（ｃ）、（ｄ）いずれの場合も、短絡回数を１回に抑えることで、短絡タイミングずれによって電源電圧の波高値が高い電圧位相でのスイッチングが生じるのを回避することで、入力電流を比較的高力率な状態に保っていることがわかる。
【００４６】
なお、図示はしていないが、本発明の電源装置は、電圧位相検出手段８のパルス信号の周期Ｔが８．３３３ｍｓ（６０Ｈｚ時の半周期相当）以下、もしくは１２．５ｍｓ（４０Ｈｚ時の半周期相当）以上となった場合には、スイッチング手段７は、開放状態に制御される。
【００４７】
このとき、入力電流は、よく知られたコンデンサインプット時の波形となり、電源装置の昇圧性能を完全に停止することで、交流電源１への負担を軽減する。
【００４８】
なお、本実施例において、電圧位相検出手段８は、図３に示すように、交流電源１の半周期毎に１回、パルス信号が出力されることから、パルス信号の周期Ｔは、交流電源１の半周期にほぼ等しい値となるが、電圧位相検出手段８として、交流電源１の一周期に１回、パルス信号が出力される回路を採用し、パルス信号の周期Ｔが電源周期に等しくなる場合についても同様の効果が得られることは言うまでもない。
【００４９】
以上のように、本実施の形態１は、電圧位相検出手段８の出力パルス信号の周期Ｔに応じて、電源半周期間の短絡回数を切り替えることにより、交流電源１が比較的安定している場合には、高力率かつ高い昇圧能力を有するとともに、電源周波数が標準周波数から大幅に乖離し、交流電源１が不安定と考えられる場合には、スイッチング手段７の短絡動作を一時的に停止することで、電源への負担を最小限とすることができる。
【００５０】
なお、本実施の形態１における電源装置の構成においては、図１に示すように倍電圧整流回路として説明を行ったが、図７に示すような全波整流回路であっても同様の効果が得られることは言うまでもない。
【産業上の利用可能性】
【００５１】
以上のように、本発明にかかる電源装置は、交流電源の電源周波数が変動しても、安定して高力率動作を実現することができるため、国内外の空気調和機やヒートポンプ給湯機、冷蔵庫、洗濯機などの電化製品への用途に適用できる。
【図面の簡単な説明】
【００５２】
【図１】本発明の実施の形態１における電源装置のブロック構成図
【図２】同短絡回数決定部のフローチャート
【図３】同電圧位相検出手段の具体的な回路の一例を示す回路図
【図４】同電圧位相検出手段の出力パルス信号とスイッチング手段の駆動信号との関係を表すタイミングチャート(短絡回数が１回の場合)
【図５】同電圧位相検出手段の出力パルス信号とスイッチング手段の駆動信号との関係を表すタイミングチャート(短絡回数が５回の場合)
【図６】（ａ）本発明の実施の形態１における電源装置の５０Ｈｚの場合の入力電流波形図（ｂ）同５５Ｈｚの場合の入力電流波形図（ｃ）同５８．５Ｈｚの場合の入力電流波形図（ｄ）同５Ｈｚの場合の入力電流波形図
【図７】同実施の形態１における電源装置の別のブロック構成図
【図８】従来の電源装置のブロック構成図
【図９】別の従来の電源装置のブロック構成図
【符号の説明】
【００５３】
１  交流電源
２  整流回路
５  負荷
６  リアクタ
７  スイッチング手段
８  電圧位相検出手段
９  制御手段
Ｔ１  第１の所定時間
Ｔ２  第２の所定時間
Ｔ３  第３の所定時間
Ｔ４  第４の所定時間
【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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