(57)【要約】【課題】コンバータ回路の保護回路の簡素化を行ない、実装面積、コスト、損失を少なくした直流電源装置を提供する。【解決手段】スイッチング素子３ａ、３ｂとダイオード４ａ、４ｂとの逆並列接続回路の２つを直列接続した直列接続回路と、ダイオード４ｃ、４ｄを直列接続した直列接続回路とを並列接続し、直列接続回路のそれぞれの内部接続点と交流電源との間にリアクタ２をそれぞれ接続し、スイッチング素子過電流検出手段９と、入力電流波形を概略正負対称な入力電流波形になるように制御するスイッチング素子制御手段８を備えたことにより、電流検出器５で流れる電流を検出していないスイッチング素子３ａの電流定格を電流検出器５で流れる電流を検出しているスイッチング素子３ｂの電流定格より大きくすることで、保護回路を簡素化できるので、コスト及び損失を少なくすることができる。【選択図】図１
2009033814.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
スイッチング動作により交流電源から直流を作り出す直流電源装置において、スイッチング素子とダイオードとの逆並列接続回路からなるスイッチングアームもしくは逆導通機能を有するスイッチング素子の中から同じもの同士を含めていずれか２つを直列接続した直列接続回路と、ダイオード２個を直列接続した直列接続回路のうちスイッチング素子を含む形で同じもの同士を含めて複数の直列接続回路とを並列接続し、前記複数の直列接続回路の並列接続点間に並列にコンデンサと負荷を、前記複数の直列接続回路のそれぞれの内部接続点と交流電源との間にリアクタをそれぞれ接続し、前記複数の直列接続回路のうち少なくとも一つのスイッチング素子に流れる電流を検知する電流検出器と、前記電流検出器の検出値によって過電流かどうか判断するスイッチング素子過電流検知手段と、前記複数の直列接続回路のうち前記電流検出器で流れる電流を検出していないスイッチング素子の電流定格を前記電流検出器で流れる電流を検出しているスイッチング素子の電流定格より大きくしたものであって、概略正負対称の電流波形になるようにスイッチング素子を制御するスイッチング素子制御手段を備えたことを特徴とする直流電源装置。
【請求項２】
複数の直列接続回路のうち少なくとも１つのスイッチング素子に流れる電流を検出して入力電流を制御する請求項１に記載の直流電源装置。
【請求項３】
複数の直列接続回路のうち少なくとも１つのスイッチング素子に流れる電流をシャント抵抗で検出する請求項１または２に記載の直流電源装置。
【請求項４】
複数の直列接続回路のうち電流検出器で流れる電流を検出しているスイッチング素子がＭＯＳＦＥＴで構成された請求項１〜３のいずれか１項に記載の直流電源装置。
【請求項５】
ＭＯＳＦＥＴ自身、もしくはＭＯＳＦＥＴ近傍の温度検出手段を備え、ＭＯＳＦＥＴのオン抵抗の温度特性を補正する請求項４に記載の直流電源装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、交流電力を直流電力に変換する回路を用い、装置、システム等に高力率、低ひずみで電力を供給する直流電源装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
高力率で高調波を抑制した低ひずみを実現する従来の直流電源装置として、ブリッジ型力率改善回路で２つのスイッチ素子に直列にそれぞれ抵抗を挿入した装置が考案されている（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
図６は、特許文献１に記載された従来の直流電源装置を示すものである。図６に示すように、ブリッジ接続された４個の整流素子２２、２３、２４、２５と１つのコンデンサ２８からなり、インダクタ２１を介して単相交流電源に接続され負荷に直流電力を供給する全波整流回路と、整流素子２２、２３、２４、２５のうち、入力端子がコンデンサ２８に接続されている２つの整流素子にそれぞれ並列に接続された２つのスイッチ素子２４、２５とを備えている。
【０００４】
なお、スイッチ素子２４、２５がＭＯＳＦＥＴで構成してあり、ＭＯＳＦＥＴのボディーダイオードが整流素子の役割をする。
【０００５】
図６に示す第１および第２の抵抗２６、２７は電流検出抵抗である。スイッチ素子２４、２５と整流素子２２、２３の直列回路に直列にそれぞれ第１の抵抗２６と第２の抵抗２７とを挿入し、第１の抵抗６の電圧を半波整流する第１の半波整流回路２９と、第２の抵抗２７の電圧を半波整流する第２の半波整流回路３０と、第１の半波整流回路２９と第２の半波整流回路３０の出力を加算する加算回路３１を備えている。
【０００６】
力率改善回路は、入力電流波形を入力電圧と相似になるように制御し、かつ出力電圧を一定に保つように動作する。このとき抵抗２６、２７に流れる電流波形は、図７（Ａ）、（Ｂ）の様になる。
【０００７】
図６で上から下に流れる向きをプラスとすると、抵抗２６、２７の電流は、プラス側ではスイッチングされているが、マイナス側では連続となっている。これは電流がプラス側の場合はスイッチ素子２４、２５のオンオフによって電流が流れるか流れないかが決まるが、電流がマイナス側の場合スイッチ素子２４、２５のオンオフによらず、それと並列の整流素子２４、２５を通過して流れる為である。図６の場合は、スイッチ素子２４、２５がＭＯＳＦＥＴなので、そのボディーダイオードを通過して電流が流れる為、連続となる。
【０００８】
この波形を半波整流回路２９、３０に入力し、マイナス側の電流連続の部分だけを取り出すと、図７（Ｃ）、（Ｄ）の様になる。そして図７（Ｃ）、（Ｄ）の２つの波形を加算すると、目的とする入力電流波形図７（Ｅ）が得られる。
【特許文献１】特開２００３−３３３８５５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかしながら、上記従来の直流電源装置では、比較的良好な特性を有するが、２つのスイッチング素子それぞれに抵抗を挿入しているので、回路上、部品点数は多くなり、コストと損失が多くなる。
【００１０】
さらに、図６のような上下にスイッチング素子がある回路構成で従来技術を適用し、上下の抵抗を利用して保護回路を構成した場合、上下のスイッチング素子の接続点はスイッチング動作のたびに電位が揺さぶられるので、上側の保護回路は下側に比べ大幅に複雑な回路になるので、部品点数は多くなり、実装面積、コスト及び損失も多くなるという課題を有していた。
【００１１】
本発明の直流電源装置は、従来の課題を解決するものであり、保護回路を簡素化することで、実装面積、コスト及び損失を少なくできる直流電源装置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】
【００１２】
上記課題を解決するために本発明の直流電源装置は、スイッチング素子とダイオードとの逆並列接続回路からなるスイッチングアームもしくは逆導通機能を有するスイッチング素子の中から同じもの同士を含めていずれか２つを直列接続した直列接続回路と、ダイオード２個を直列接続した直列接続回路のうちスイッチング素子を含む形で同じもの同士を含めて複数の直列接続回路とを並列接続し、複数の直列接続回路の並列接続点間に並列にコンデンサと負荷を、複数の直列接続回路のそれぞれの内部接続点と交流電源との間にリアクタをそれぞれ接続し、複数の直列接続回路のうち少なくとも一つのスイッチング素子に流れる電流を検知する電流検出器と、電流検出器の検出値によって過電流かどうか判断するスイッチング素子過電流検知手段と、複数の直列接続回路のうち電流検出器で流れる電流を検出していないスイッチング素子の電流定格を電流検出器で流れる電流を検出しているスイッチング素子の電流定格より大きくしたものであって、概略正負対称の電流波形になるようにスイッチング素子を制御するスイッチング素子制御手段を備えたものである。
【００１３】
これによって、電流検出器で流れる電流を検出していないスイッチング素子の電流定格を電流検出器で流れる電流を検出しているスイッチング素子の電流定格より大きくすることで、過電流が流れても電流検出器で流れる電流を検出していないスイッチング素子の電流定格を越える前に過電流検知が働くため、保護回路を簡素化できるので、実装面積、コスト及び損失が少なくできることとなる。
【発明の効果】
【００１４】
本発明の直流電源装置は、電流検出器で流れる電流を検出していないスイッチング素子の電流定格を電流検出器で流れる電流を検出しているスイッチング素子の電流定格より大きくすることで、過電流が流れても電流検出器で流れる電流を検出していないスイッチング素子の電流定格を越える前に過電流検知が働くため、保護回路を簡素化でき、実装面積、コスト及び損失を少なくすることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
第１の発明は、スイッチング動作により交流電源から直流を作り出す直流電源装置において、スイッチング素子とダイオードとの逆並列接続回路からなるスイッチングアームもしくは逆導通機能を有するスイッチング素子の中から同じもの同士を含めていずれか２つを直列接続した直列接続回路とダイオード２個とを直列接続した直列接続回路のうちスイッチング素子を含む形で同じもの同士を含めて複数の直列接続回路を並列接続し、複数の直列接続回路の並列接続点間に並列にコンデンサと負荷を、複数の直列接続回路のそれぞれの内部接続点と交流電源との間にリアクタをそれぞれ接続し、複数の直列接続回路のうち少なくとも一つのスイッチング素子に流れる電流を検知する電流検出器と、電流検出器の検出値によって過電流かどうか判断するスイッチング素子過電流検知手段と、複数の直列接続回路のうち電流検出器で流れる電流を検出していないスイッチング素子の電流定格
を電流検出器で流れる電流を検出しているスイッチング素子の電流定格より大きくしたものであって、概略正負対称の電流波形になるようにスイッチング素子を制御するスイッチング素子制御手段を備えたものである。
【００１６】
これにより、電流検出器で流れる電流を検出していないスイッチング素子の電流定格を電流検出器で流れる電流を検出しているスイッチング素子の電流定格より大きくすることで、過電流が流れても電流検出器で流れる電流を検出していないスイッチング素子の電流定格を越える前に過電流検知が働くため、保護回路を簡素化でき、実装面積、コスト及び損失が少なくできることとなる。
【００１７】
第２の発明は、特に、第１の発明の複数の直列接続回路のうち少なくとも１つのスイッチング素子に流れる電流を検出する電流検出器で、入力電流の制御を行なうものである。これにより、過電流検知と入力電流制御を１つの電流検出器で実施できる。
【００１８】
第３の発明は、特に、第１あるいは第２の発明の複数の直列接続回路のうち少なくとも１つのスイッチング素子に流れる電流を検出する電流検出器として、シャント抵抗を用いるものである。これにより、保護回路を簡素化できるので、実装面積、コスト及び損失が少なくできる。
【００１９】
第４の発明は、特に、第１〜第３のいずれか１つの発明の電流検出器で流れる電流を検出しているスイッチング素子を、ＭＯＳＦＥＴで構成し、そのオン抵抗を利用するものである。これにより、電流検出器を削除できるので、部品点数が減り、実装面積、コスト及び損失を少なくすることができる。
【００２０】
第５の発明は、特に、第４の発明のＭＯＳＦＥＴ自身、もしくはＭＯＳＦＥＴ近傍の温度検出手段を備えたものである。これにより、ＭＯＳＦＥＴのオン抵抗を、温度特性を補正することで、より精度よく保護できるようになる。
【００２１】
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。
【００２２】
（実施の形態１）
図１は、本発明に係る第１の実施の形態の直流電源装置を示す構成図である。図１において、交流電源１の出力端からリアクタ２を経由してスイッチング素子３ａ、３ｂとダイオード４ａ、４ｂとの逆並列接続回路からなる直列接続回路と、交流電源１の出力端からリアクタ２を経由しないダイオード４ｃ、４ｄからなる直列接続回路より構成されるブリッジ回路に入力される。
【００２３】
ブリッジ整流回路の出力には平滑コンデンサ６、負荷７が接続されている。また、スイッチング素子制御手段８は入力電流波形が概略正負対称な電流波形になるように、スイッチング素子３ａと３ｂの適切なパルス信号を出力している。
【００２４】
次に過電流が流れた場合の動作について説明する。図２は、図１において過電流が流れている場合の各部電流波形を示すものであり、ここでは電流検出器５はスイッチング素子３ｂとダイオード４ｂの逆並列接続回路に直列に接続された場合について説明する。
【００２５】
図２において、入力電流の負電流（区間（１））時に過電流検知レベルを超える電流が流れ始めたとすると、スイッチング素子３ｂの電流定格がスイッチング素子３ａの電流定格、及び過電流検知レベルと同等であると、スイッチング素子３ｂを流れる経路には過電流を検出する手段がないので、スイッチング素子３ｂの電流定格以上の電流が流れてしま
い、スペックオーバーとなってしまう可能性がある。
【００２６】
しかし、入力電流が次第に大きくなる過電流状態においては、スイッチング素子３ｂの電流定格をスイッチング素子３ａの電流定格、及び過電流検知レベルより大きくすることで、入力電流の負電流（区間（１））時にスペックオーバーにならず、入力電流の正電流（区間（２））に移行した時に電流検出器５により過電流を検知して異常判断を行なう。
【００２７】
一方、入力電流の正電流時に過電流検知レベルを超える電流が流れ始めた場合は、スイッチング素子３ａの経路に過電流が流れるので、入力電流の負電流に移行する前に過電流を検知して異常判断を行なう。
【００２８】
そうすることで、スイッチング素子３ａ、３ｂの両方に電流検出器５を挿入しなくても、少なくとも一つのスイッチング素子に直列に電流検出器５を挿入し、電流検出器５が挿入されてない方のスイッチング素子３ａの電流定格がスイッチング素子３ｂの電流定格、及び過電流検知レベルより大きいものを使用すれば保護回路は少なくとも１組のみでよいので実装面積は少なくてすむ。
【００２９】
また、過電流検知レベルをスイッチング素子３ａ、３ｂの電流定格より十分に低く設定すればよいと考えられるが、そうすると最大出力の能力が低くなってしまうので、ここでは過電流検知レベルはスイッチング素子３ｂの電流定格を超えない程度の値で設定するのが望ましい。
【００３０】
ここでは、電流検出器５をスイッチング素子３ｂに直列に挿入した場合について説明したが、スイッチング素子３ａに電流検出器５を挿入して、スイッチング素子３ｂの電流定格をスイッチング素子３ａの電流定格、及び過電流検知レベルより大きくすることで同様の動作となる。
【００３１】
しかし、図３のような上下にスイッチング素子３ａ、３ｂがあるコンバータ回路では、スイッチング動作のたびに上下のスイッチング素子の接続点の電位は変わるので、通常保護回路は複雑かつ困難になる。
【００３２】
しかし、スイッチング素子３ａの電流定格を上げて保護回路を簡素化することで、実装面積、コスト及び損失を少なくすることができる。
【００３３】
さらに、コンバータ回路のブリッジ部分は、図１に限らず、図３に示すように、リアクタ２に接続された、４組のスイッチング素子３ａ、３ｂ、３ｃ、３ｄとダイオード４ａ、４ｂ、４ｅ、４ｆの逆並列回路で構成されたコンバータ回路であってもよい。
【００３４】
過電流が流れた場合の動作については図１と同様の作用を行なうものであり、例えば、スイッチング素子３ｂに電流検出器５が挿入されている場合は、スイッチング素子３ａ、３ｃ、３ｄの電流定格をスイッチング素子３ｂの電流定格、及び過電流検知レベルより大きくすることで成り立ち、図３のような４個のスイッチング素子を用いたコンバータ回路でも同様に適用することができる。
【００３５】
（実施の形態２）
実施の形態２では、実施の形態１の電流検出器５で入力電流の制御を行なうものである。電流検出器５の検出値は半波整流波形であるが、電流検出器５を通らないもう一方の経路に流れる半波の電流波形も電流検出器５の検出値と同じ傾向になるようにスイッチング素子を制御する。つまり、電流検出器５で検出した電流波形に基づき、目標となる概略正負対称な入力電流波形と相似になるように入力電流波形を制御する。
【００３６】
以上により、過電流検知と入力電流制御を１つの電流検出器５で実施できるため、部品点数が多くならないため、実装面積、コスト及び損失は少なくできることとなる。
【００３７】
（実施の形態３）
実施の形態３では、実施の形態１または２の電流検出器５としてシャント抵抗を用いたものである。図４は、本発明にかかる実施の形態３のシャント抵抗を用いたときの直流電源装置の構成図である。
【００３８】
図４において、スイッチング素子３ｂに直列にシャント抵抗を挿入して、コンパレータを用いて過電流検知を行なうことを示したものであり、シャント抵抗によってスイッチング素子３ｂに流れる電流を電圧レベルで検出し、そのシャント抵抗間の電圧と基準電圧（Ｖｒｅｆ）を比較し、シャント抵抗間の電圧が過大であればコンパレータの出力がアクティブＨｉ（またはアクティブＬｏ）になり、過電流が発生したと見なして保護回路を動作させる。
【００３９】
電流検出器５としてシャント抵抗を用いることにより、コンパレータといくつかの抵抗やコンデンサの追加程度で容易に回路を組むことができるので、保護回路を簡素化できるので、実装面積、コスト及び損失を少なくすることができる。
【００４０】
（実施の形態４）
実施の形態４では、実施の形態１〜３の電流検出器５にて電流を検出しているスイッチング素子をＭＯＳＦＥＴで構成したものである。図５は、本発明にかかる実施の形態４のＭＯＳＦＥＴを用いたときの直流電源装置の構成図である。
【００４１】
図５において、ＭＯＳＦＥＴがオンした時のドレインーソース間の電圧を検出し、そのドレインーソース間の電圧と基準電圧（Ｖｒｅｆ）を比較し、ドレインーソース間の電圧が過大であればコンパレータの出力がアクティブＨｉ（またはアクティブＬｏ）になり、過電流が発生したと見なして保護回路を動作させる。
【００４２】
そうすることで、電流検出器５を用いなくても保護回路を構成することができるので、実装面積、コスト及び損失を少なくすることができる。
【００４３】
さらに、図５に示すように、ＭＯＳＦＥＴ、もしくは近傍の温度検出手段を備え、ＭＯＳＦＥＴのオン抵抗の温度特性の補正を行なう。温度によるオン抵抗のばらつきを補正することで、オン抵抗のばらつきが小さくなることからドレインーソース間の電圧のばらつきも小さくなり、基準電圧（Ｖｒｅｆ）の設計はばらつきを小さくした設計でよくなる。
【００４４】
つまり、オン抵抗の温度特性の補正を行なうことで、より精度よく保護できるようになる。
【産業上の利用可能性】
【００４５】
以上のように、本発明に係る直流電源装置は、少なくとも一つのスイッチング素子に流れる電流を検出することで、簡単な構成で過電流保護検知が可能となるので、大出力のインバータエアコン等の用途に適用できる。
【図面の簡単な説明】
【００４６】
【図１】本発明の実施の形態１における直流電源装置の構成図
【図２】本発明の実施の形態１における各電流波形を示す波形図
【図３】本発明の実施の形態１の別の態様における直流電源装置の構成図
【図４】本発明の実施の形態３における直流電源装置の構成図
【図５】本発明の実施の形態４における直流電源装置の構成図
【図６】従来の直流電源装置の一例に係る構成図
【図７】従来の直流電源装置の一例に係る各電流波形を示す波形図
【符号の説明】
【００４７】
１  交流電源
２  リアクタ
３ａ、３ｂ、３ｃ、３ｄ  スイッチング素子
４ａ、４ｂ、４ｃ、４ｄ、４ｅ、４ｆ  ダイオード
５  電流検出器
６  平滑コンデンサ
７  負荷
８  スイッチング素子制御手段
９  スイッチング素子過電流検知手段
１０  シャント抵抗
１１  コンパレータ
１２  ＭＯＳＦＥＴ
１３  温度検出及び温度補正手段
【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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