(57)【要約】【課題】交流電力、又は、直流電力のいずれの電源が接続された場合であっても、駆動可能な機器で、直流電力の電源が接続された場合の消費電力低減効果を最大限に発揮する。【解決手段】リアクタと、前記リアクタを介して交流電源に短絡電流を流すスイッチング素子と、整流回路を含んだ力率改善コンバータ部と、交流電源が接続された際、電圧ゼロクロスタイミングにレベル変化する信号を出力するゼロクロス検出回路と、前記ゼロクロス検出回路の出力信号のレベル変化タイミングを基準にスイッチング素子を動作させる制御回路を有し、前記制御回路が前記ゼロクロス検出回路の出力信号のレベル変化がないと判断した際に、前記力率改善コンバータ部のうち少なくとも前記リアクタの両端を短絡するコンバータ短絡手段を備える。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
リアクタと、前記リアクタを介して交流電源に短絡電流を流すスイッチング素子と、整流回路を含んだ力率改善コンバータ部と、
交流電源が接続された際、電圧ゼロクロスタイミングにレベル変化する信号を出力するゼロクロス検出回路と、
前記ゼロクロス検出回路の出力信号のレベル変化タイミングを基準にスイッチング素子を動作させる制御回路を有し、
前記制御回路が前記ゼロクロス検出回路の出力信号のレベル変化がないと判断した際に、前記力率改善コンバータ部のうち少なくとも前記リアクタの両端を短絡するコンバータ短絡手段を備えたことを特徴とした交流直流共用電源回路。
【請求項２】
請求項１に記載の交流直流共用電源回路であって、
前記コンバータ短絡手段は、前記リアクタと共に整流回路を短絡することを特徴とする交流直流共用電源回路。
【請求項３】
請求項１又は２に記載の交流直流共用電源回路を備えたことを特徴とする電気機器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、交流電源に直列に接続されたリアクタを介して交流電源に短絡電流を流すことにより電源力率を改善した電源回路に関し、特に直流電源に接続された場合においても適用可能な電源回路、及び電気機器に関する。
【背景技術】
【０００２】
電源装置からより多くの有効電力を取り出すには、電源力率を改善することが有効であり、多くの有効電力を負荷の機器に供給することにより機器の最大能力を増大することができる。
【０００３】
また、電源力率を改善することにより、近年問題となりつつある電源の高調波電流を低減できる場合が多く、国内外の高調波電流規制にも対応することができる。
【０００４】
電源装置の力率を改善する回路として、従来、例えば特開平１０−２０１２４８号公報に開示されたものがある。
【０００５】
この種の力率改善回路を搭載した電気機器の構成例を図８に示す。力率改善回路では、スイッチング素子によりリアクタを介して交流電源に短絡電流を流すものであり、具体的には負荷状態、短絡電流、高調波電流含有率、電源力率、波形歪率などに応じてリアクタの短絡開始までの遅延時間、及び短絡期間を決定している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開平１０−２０１２４８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
従来の電気機器は、交流電力である商用電源を入力して動作する制御回路を備えるものが多く、上述したような従来の力率改善回路は、交流電源に接続されることのみ想定されたものであった。
【０００８】
しかし、近年、燃料電池、及び太陽光発電装置等により得られる直流電力や、蓄電池の直流電力を電気機器に直接的に供給するためのシステムの提案がされることから、将来、交流電力を供給するための配電システムとは別に直流電力を供給するための配電システムが流行する可能性が高い。
【０００９】
すなわち、交流電力を供給する配電システムを装備した家庭と、直流電力を供給する配電システムを装備した家庭とが混在することが考えられ、電気機器においては接続される電源の種別毎に対応した電源回路を搭載した機器を用意しなければならないといった課題が発生する。
【００１０】
本発明は、前述の課題を解決するものであって、交流もしくは直流といった接続される電源の種別に拘わらず動作する交流直流共用電源回路、及び当該電源回路を備えた電気機器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】
【００１１】
前記従来の課題を解決するために、本発明の交流直流共用電源回路は、リアクタと、前
記リアクタを介して交流電源に短絡電流を流すスイッチング素子と、整流回路を含んだ力率改善コンバータ部と、交流電源が接続された際、電圧ゼロクロスタイミングにレベル変化する信号を出力するゼロクロス検出回路と、前記ゼロクロス検出回路の出力信号のレベル変化タイミングを基準にスイッチング素子を動作させる制御回路を有し、前記制御回路が前記ゼロクロス検出回路の出力信号のレベル変化がないと判断した際に、前記力率改善コンバータ部のうち少なくとも前記リアクタの両端を短絡するコンバータ短絡手段を備えたことを特徴とする。
【００１２】
これにより、交流もしくは直流といった接続される電源の種別に拘わらず動作する電源回路を実現することができる。
【発明の効果】
【００１３】
本発明に係る電源回路によれば、従来から用いられている力率改善回路に物理的に追加するものとしてはコンバータ短絡手段のみだけで交流もしくは直流といった接続される電源の種別に拘わらず動作する電源回路を実現することができるとともに、直流電源に接続された場合の消費電力低減効果を最大限に発揮することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】実施の形態１における交流直流共用電源回路が設けられたインバータ搭載の電気機器を交流電源に接続した様子を示す説明図
【図２】実施の形態１におけるゼロクロス検出回路の一例を示した回路図
【図３】実施の形態１における電気機器が交流電源に接続されたときの交流直流共用電源回路の各部の信号の波形を示す説明図
【図４】実施の形態１における交流直流共用電源回路が設けられたインバータ搭載の電気機器を直流電源に接続した様子を示す説明図
【図５】実施の形態１における電気機器が直流電源に接続されたときの交流直流共用電源回路の各部の信号の波形を示す説明図
【図６】実施の形態２における交流直流共用電源回路が設けられたインバータ搭載の電気機器を直流電源に接続した様子を示す説明図
【図７】実施の形態２における電気機器が直流電源に接続されたときの交流直流共用電源回路の通電動作している箇所を示す説明図
【図８】従来の交流電源回路が設けられたインバータ搭載の電気機器を交流電源に接続した様子を示す説明図
【発明を実施するための形態】
【００１５】
第１の発明は、交流直流共用電源回路であって、リアクタと、リアクタを介して交流電源に短絡電流を流すスイッチング素子と、整流回路を含んだ力率改善コンバータ部と、交流電源が接続された際、電圧ゼロクロスタイミングにレベル変化する信号を出力するゼロクロス検出回路と、ゼロクロス検出回路の出力信号のレベル変化タイミングを基準にスイッチング素子を動作させる制御回路を有し、制御回路がゼロクロス検出回路の出力信号のレベル変化がないと判断した際に、力率改善コンバータ部のうち少なくともリアクタの両端を短絡するコンバータ短絡手段を備えたことを特徴とするものである。
【００１６】
これにより、交流もしくは直流といった接続される電源の種別に拘わらず動作する電源回路を実現することができるとともに、直流電源に接続された場合、少なくともリアクタにおける電力損失をゼロとすることが可能となる。
【００１７】
第２の発明は、特に第１の発明のコンバータ短絡手段が、リアクタと共に整流回路を短絡することを特徴としたものである。
【００１８】
これにより、交流もしくは直流といった接続される電源の種別に拘わらず動作する電源回路を実現することができるとともに、直流電源に接続された場合、リアクタと整流回路における電力損失をゼロとすることが可能となる。
【００１９】
第３の発明は、第１又は第２の発明のうちいずれかの発明の交流直流共用電源回路を備えた電気機器である。
【００２０】
これにより、交流もしくは直流といった接続される電源の種別に拘わらず動作する電気機器を実現することができる。
【００２１】
本発明は、第１の発明から第３の発明の要部を実施の形態とすることにより本発明の目的を達成できるため、各請求項に対応する実施の形態の詳細を、以下に図面を参照しながら説明し、本発明を実施するための形態の説明とする。
【００２２】
なお、本実施の形態によって本発明が限定されるものではない。また、各実施の形態の説明において、同一構成並びに同一作用効果を奏するところには、同一符号を付して重複した説明を行わないものとする。
【００２３】
（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１における交流直流共用電源回路１１が設けられたインバータ搭載の電気機器を交流電源１に接続した様子を示す説明図である。
【００２４】
同図に示す交流直流共用電源回路１１は、交流電源１の一方の出力端に一端が接続されたリアクタ２を有し、リアクタ２の他端は４個のダイオードからなる第１のダイオードブリッジ３に接続されており、リアクタ２の両端を短絡状態にすることができるコンバータ短絡手段５がリアクタ２と並列に接続されている。
【００２５】
第１のダイオードブリッジ３で整流され、平滑コンデンサ４で蓄えられた直流電圧は、インバータ７によって交流電圧に変換され、モータ８を駆動するようになっている。
【００２６】
また、リアクタ２と第１のダイオードブリッジ３の間には第２のダイオードブリッジ９が接続され、この第２のダイオードブリッジ９の両出力端には例えばＩＧＢＴやＭＯＳＦＥＴなどからなるスイッチング素子１０が接続され、スイッチング素子１０がオンした場合には、リアクタ２、及び第２のダイオードブリッジ９を介して電流を流し、これにより電源装置の力率を改善しうるようにした力率改善コンバータ部６が配されている。
【００２７】
前記スイッチング素子１０の制御端子は制御回路１３に接続され、制御回路１３によってスイッチング素子１０が駆動され、これによりスイッチング素子１０はオンするようになっている。
【００２８】
また、交流電源１の両端にはゼロクロス検出回路１２が接続され、これによりゼロクロス検出回路１２は交流電源１の交流電圧がゼロクロス点を通過する時点を検出し、この検出信号を制御回路１３に供給するようになっている。
【００２９】
更に、制御回路１３は、インバータ７へパルス幅変調（ＰＷＭ）制御信号を出力し、これにより平滑コンデンサ４で蓄えられる直流電圧を交流電圧に変換するようにインバータ７を制御している。
【００３０】
図２は、ゼロクロス検出回路１２の具体例である。抵抗２１ａ、２１ｂ、２１ｃとダイオード２２、フォトカプラ２３によって構成され、入力端子２４ａ、２４ｂは交流電源１
の両端に、出力端子２５は制御回路１３に接続される。
【００３１】
入力端子２４ａの電圧が入力端子２４ｂの電圧より大きい場合には、抵抗２１ａからフォトカプラ２３を通り抵抗２１ｂへ電流が流れることでフォトカプラ２３がオンし、出力端子２５はＨｉｇｈレベルになり、入力端子２４ａの電圧が入力端子２４ｂの電圧より小さい場合には、抵抗２１ｂからダイオード２２を通り抵抗２１ａへ電流が流れることでフォトカプラ２３がオフし、出力端子２５はＬｏｗレベルとなる。
【００３２】
すなわちゼロクロス検出回路１２は、交流電源１の電圧ゼロクロスポイント毎に出力端子２５がＬｏｗレベルとＨｉｇｈレベルに切り替わるような回路となっている。ちなみに抵抗２１ｃは、出力端子２５のＨｉｇｈかＬｏｗかの信号レベルを安定化させるための抵抗である。
【００３３】
図３は、図１に示す交流直流共用電源回路１１の各部の信号の波形を示す図である。図３において、３１は交流電源１の電圧波形、３２はゼロクロス検出回路１２の出力信号、３３はコンバータ短絡手段５への制御回路１３の出力信号、３４はスイッチング素子１０を駆動する制御回路１３の出力信号、３５は力率改善を行った場合の交流電源１の電流波形を示している。
【００３４】
図１の交流直流共用電源回路１１の動作について説明する。図３の交流電源１の電圧波形３１で示すような正弦波の交流電圧が交流電源１から入力されると、ゼロクロス検出回路１２の出力端子２５からは交流電圧のゼロクロス点のタイミングにおいてＬｏｗレベルとＨｉｇｈレベルに切り替わるようなゼロクロス検出回路１２の出力信号３２が出力され、制御回路１３に入力される。
【００３５】
制御回路１３は、ゼロクロス検出回路１２の出力信号３２がＬｏｗとＨｉｇｈのレベル変化があることを認識した場合は、コンバータ短絡手段５への制御回路１３の出力信号３３をオフしてコンバータ短絡手段５が開放となるように制御する。
【００３６】
さらに制御回路１３では、スイッチング素子１０のオン開始タイミングとオン継続時間を負荷の状態などによって決定し、ゼロクロス検出回路１２で検出したゼロクロス点からオン開始タイミングだけ遅延させて図３のスイッチング素子１０を駆動する制御回路１３の出力信号３４で示すように出力して、スイッチング素子１０をオン状態に駆動し、これにより第２のダイオードブリッジ９、リアクタ２を介した電流を流す。
【００３７】
オン継続時間経過後、スイッチング素子１０を駆動する制御回路１３の出力信号３４をオフしてスイッチング素子１０をオフ状態にすると、リアクタ２に蓄積されたエネルギーが負荷側に放出され、インバータ７に供給される。
【００３８】
このようにスイッチング素子１０を交流電圧のゼロクロスタイミングを基準としたタイミングでオンオフ動作させることにより、図３の力率改善を行った場合の交流電源１の電流波形３５で示すように電源電流の導通時間を拡大させることができ、電源力率が改善される動作を実現できることになる。
【００３９】
図４は、本発明の実施の形態１における交流直流共用電源回路１１が設けられたインバータ搭載の電気機器を直流電源１４に接続した様子を示す説明図である。
【００４０】
交流直流共用電源回路１１において図１と異なるのは、コンバータ短絡手段５によってリアクタ２の両端を短絡状態にしている点である。
【００４１】
この動作について図５を用いて説明する。図５は、図４に示す交流直流共用電源回路１１の各部の信号の波形を示す図である。図５において、５１は直流電源１４の電圧波形、５２はゼロクロス検出回路１２の出力信号、５３はコンバータ短絡手段５への制御回路１３の出力信号、５４はスイッチング素子１０を駆動する制御回路１３の出力信号、５５は直流電源１４の電流波形を示している。
【００４２】
図５の直流電源１４の電圧波形５１で示すような一定の電圧を確保した直流電圧が直流電源１４から入力されると、ゼロクロス検出回路１２の出力端子２５からはＬｏｗレベル、もしくはＨｉｇｈレベルどちらかに張り付いたゼロクロス検出回路１２の出力信号５２が出力され、制御回路１３に入力される。
【００４３】
制御回路１３は、ゼロクロス検出回路１２の出力信号５２がＬｏｗとＨｉｇｈのレベル変化がないことを認識した場合は、スイッチング素子１０を駆動する制御回路１３の出力信号５４をオフしてスイッチング素子１０をオフ状態で維持し、図１や図３で説明した力率改善動作が行われないようにする。
【００４４】
この時、直流電源１４の電流波形５５で示すような一定の直流電流が流れる。さらにゼロクロス検出回路１２からの信号がＬｏｗとＨｉｇｈのレベル変化がないことを認識した場合、すなわち、電源に直流電力を出力するものが接続されたと判断した場合は、コンバータ短絡手段５への制御回路１３の出力信号５３をオンしてコンバータ短絡手段５が短絡状態となるように制御し、直流電源１４の電力においてリアクタ２の抵抗成分による損失を回避し、インバータ７へ供給されるような構成にする。
【００４５】
上述してきたように、本実施の形態１においては、直流電源１４に接続された場合、交流電源１が接続された場合の力率改善動作に必要なゼロクロス検出回路１２を用い、その出力状態を制御回路１３で判断し、コンバータ短絡手段５によってリアクタ２の両端を短絡状態にすることによって、交流もしくは直流といった接続される電源の種別に拘わらず動作する電源回路を最小限の部品追加だけでコスト増大を抑制しつつ実現することができ、また、リアクタ部における電力損失をゼロとすることで省エネ高効率のシステムとすることが可能となる。
【００４６】
また、本実施の形態１では、第１のダイオードブリッジ３での整流機能がいかなる場合においても有効であるため、直流電源１４に接続される二本の電源コードにおいて、正負の極性を問わない接続が可能であるという特長を有した機器を実現することができる。
【００４７】
（実施の形態２）
次に、本発明の実施の形態２について図面を参照して説明する。実施の形態１では、第１のダイオードブリッジ３での整流機能がいかなる場合においても有効であるため、直流電源１４に接続される二本の電源コードにおいて、正負の極性を問わない接続が可能であるという特長を有した機器を実現することができたが、一方で、直流電源１４への接続において正負の逆極性での接続を防止できるような配電システムに適用できるのであれば、第１のダイオードブリッジ３での整流機能は不要であり、電力損失の観点から見れば不利である。
【００４８】
そこで、本実施の形態２においては、図６に示すように、コンバータ短絡手段５ａ、コンバータ短絡手段５ｂをリアクタ２と共に第１のダイオードブリッジ３が短絡されるように配した。
【００４９】
この動作については図５を用いて説明したときと同様である。図５の直流電源１４の電圧波形５１で示すような一定の電圧を確保した直流電圧が直流電源１４から入力されると
、ゼロクロス検出回路１２の出力端子２５からはＬｏｗレベルに張り付いた信号が出力され、制御回路１３に入力される。
【００５０】
制御回路１３は、ゼロクロス検出回路１２からの信号がＬｏｗとＨｉｇｈのレベル変化がないことを認識し、スイッチング素子１０をオフ状態で維持する。
【００５１】
さらにゼロクロス検出回路１２からの信号がＬｏｗとＨｉｇｈのレベル変化がないことを認識した場合、すなわち、電源に直流電力を出力するものが接続されたと判断した場合は、コンバータ短絡手段５ａ、５ｂが短絡状態となるように制御し、直流電源１４の電力においてリアクタ２の抵抗成分と第１のダイオードブリッジ３の抵抗成分による損失を回避し、インバータ７へ供給されるような構成にする。
【００５２】
図７は上述した状態を通電動作している箇所のみ抜き出した簡略図である。直流電源１４から出力された電力がコンバータ短絡手段５ａ、５ｂのみ通過してインバータ７へ供給されているので、従来のコンバータ部分における電力損失が存在しない省エネ高効率のシステムとなっている。
【００５３】
以上のように、本実施の形態２においては、ゼロクロス検出回路１２からの信号がＬｏｗとＨｉｇｈのレベル変化がないことを認識した場合、すなわち、電源に直流電力を出力するものが接続されたと判断した場合は、コンバータ短絡手段５ａ、５ｂによってリアクタ２と第１のダイオードブリッジ３を短絡状態となるように制御し、直流電源１４から出力された電力が損失を発生しないままインバータ７へ供給されるため、実施の形態１の省エネ高効率の効果をさらに大きくすることが可能となる。
【００５４】
以上、本発明の各種実施形態を説明したが、本発明は前記実施形態において示された事項に限定されず、明細書の記載、並びに周知の技術に基づいて、当業者がその変更・応用することも本発明の予定するところであり、保護を求める範囲に含まれる。
【産業上の利用可能性】
【００５５】
本発明は、家庭用のエアコンや冷蔵庫といったヒートポンプシステムを搭載した電気機器に限らず、大型のリアクタによって力率改善される機器全般においても有効であることから、オフィス、店舗等で使用される機器全般にも適用することが可能である。
【符号の説明】
【００５６】
１  交流電源
２  リアクタ
３  第１のダイオードブリッジ
４  平滑コンデンサ
５、５ａ、５ｂ  コンバータ短絡手段
６  力率改善コンバータ部
７  インバータ
８  モータ
９  第２のダイオードブリッジ
１０  スイッチング素子
１１  交流直流共用電源回路
１２  ゼロクロス検出回路
１３  制御回路
１４  直流電源
２１ａ、２１ｂ、２１ｃ  抵抗
２２  ダイオード
２３  フォトカプラ
２４ａ、２４ｂ  入力端子
２５  出力端子
３１  交流電源１の電圧波形
３２、５２  ゼロクロス検出回路１２の出力信号
３３、５３  コンバータ短絡手段５への制御回路１３の出力信号
３４、５４  スイッチング素子１０を駆動する制御回路１３の出力信号
３５  力率改善を行った場合の交流電源１の電流波形
５１  直流電源１４の電圧波形
５５  直流電源１４の電流波形
【図１】
2012100493.tif 000003
【図２】
2012100493.tif 000004
【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
2012100493.tif 000008
【図７】
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【図８】
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