(57)【要約】【課題】少ない機器を用い、交流電源のスイッチ素子破損のおそれがない初期充電を可能にする。【解決手段】可変周波数の交流電源１を整流する整流器２の出力側に設けられるコンデンサ３を、前記交流電源１の起動時に充電するに当たり、交流電源１の周波数の切換えを行なう切換スイッチ６に対してタイマ５を設け、交流電源１の起動時は周波数を高くして運転し、タイマ５の時間経過後は電源周波数を低くするように切換えることで、コンデンサ３に流れる電流が過大とならないようにする。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
可変周波数の交流電源を整流する整流器の出力側に設けられるコンデンサを、前記交流電源の起動時に充電する初期充電回路において、
前記交流電源の周波数を切換える切換スイッチと、周波数切換のタイミングを定めるタイマとを設け、起動時には交流電源の周波数を通常運転時よりも高くし、前記タイマの時間経過後には通常運転時の周波数とすることを特徴とする初期充電回路。
【請求項２】
前記起動時の周波数は電源電圧の振幅と負荷定数に基づき、周波数切換えのタイミングは電源電圧の振幅と負荷定数の他にコンデンサ容量に基づき、それぞれ定めることを特徴とする請求項１に記載の初期充電回路。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、スイッチング電源や電力変換器のゲート駆動回路用電源の初期充電回路に関する。
【背景技術】
【０００２】
この種の初期充電回路の一般的な例を図３に示す。
図示のように、可変周波数の矩形波を出力する交流電源１の出力は整流回路２の入力に接続され、整流回路２の出力はコンデンサ３に接続され、このコンデンサ３には種々の負荷４が接続されている。
このような回路は、商用周波数を整流した直流を一旦交流に変換した後、再び異なる直流に変換するスイッチング電源の一部や、ゲート駆動回路に電源を供給するシステムなどの様々な回路で用いられる。
【０００３】
いま、交流電源１の出力電圧をVo、出力電流をIo、コンデンサ３の電圧をVDCとする。交流電源１の半周期あたりの出力電流Ioの変化率は、（Voの振幅−VDC）の大きさと、配線の抵抗などを無視すると、図示されない配線インダクタンスとで決まる値となり、初期充電時などでVDCが小のときには、Ioは大となる。また、交流電源１の半周期あたりのIoの変化量で見ると、交流電源１の周期が長い（周波数が低い）ほうがIoは大きくなる。
【０００４】
Ioが大きくなると、図示されない交流電源１を構成するスイッチ素子の発熱が大となり、場合によっては、過大な電流をスイッチ素子にて遮断することにより発生する過大な電圧がスイッチ素子に印加され、スイッチ素子が破壊に到る場合がある。このため、VDCが小のときには、電流Ioを大としない方法が例えば特許文献１に開示されている。
【０００５】
【特許文献１】特開２００５−２７８２６９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
図４は図３の動作を説明するための波形図である。同図のT4期間では、Voは周波数f2で出力されている。T5の期間はVDCが急激に低くなった場合を示し、同図では簡単のため瞬時にVDCを低くしている。また、コンデンサ３に接続された負荷４が大となった場合にも、このような現象となる。このときIoの変化率は上述のように（Voの振幅−VDC）の大きさにより決まるため、Ioは図示のように大きくなる。
【０００７】
制御回路８は、電流検出器７を介してIoが大きくなったことを検出し、周波数切換スイッチ６によりf2からf1（f1＞f2）に切り換える。T6の期間では、上述のように、交流電源１の周波数が高い方がIoの変化量は小となるため、Ioの振幅も抑制されている。次のT7の期間は、VDCが元の電圧に戻った場合を示しており、Ioの振幅はさらに小となっている。
制御回路８は、電流検出器７を介してIoが小さくなったことを検出し、周波数切換スイッチ６によりf1からf2に切換える。これにより、Ioは元の値に戻ることになる。
【０００８】
以上のように、図３のような方法では電流検出器７が必要となる。但し、初期充電時などでVDCが極端に小のときには、電流検出器でIoが大きくなり過ぎることを検知するまでに既に過大電流が流れてしまい、その後周波数を切換える方法では対策が間に合わず、図示されない交流電源１のスイッチ素子を破損するおそれがある。なお、初期充電時に電流Ioを抑制できさえすれば、その後はIoが過大にならない場合もある。
【０００９】
したがって、この発明の課題は、少ない機器により、交流電源のスイッチ素子を破損させるおそれなく初期充電を可能にすることにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
このような課題を解決するため、請求項１の発明では、可変周波数の交流電源を整流する整流器の出力側に設けられるコンデンサを、前記交流電源の起動時に充電する初期充電回路において、
前記交流電源の周波数を切換える切換スイッチと、周波数切換のタイミングを定めるタイマとを設け、起動時には交流電源の周波数を通常運転時よりも高くし、前記タイマの時間経過後には通常運転時の周波数とすることを特徴とする。
この請求項１の発明においては、前記起動時の周波数は電源電圧の振幅と負荷定数に基づき、周波数切換えのタイミングは電源電圧の振幅と負荷定数の他にコンデンサ容量に基づき、それぞれ定めることができる（請求項２の発明）。
【発明の効果】
【００１１】
この発明によれば、コンデンサの初期充電時と通常運転時の交流電源周波数の切換えを電流検出器を用いずに行なうため、構成を簡略化することができる。また、タイマを使用することで、過大な電流を検知してから周波数を切換えるまでの制御遅れが生じないので、交流電源の運転開始と同時に高い周波数で運転することができ、最初の出力時にも過大な電流を流すことがなくなり、この結果スイッチ素子の破損を防止できるので、信頼性が向上する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
図１はこの発明の実施の形態を示す回路図であり、図２はその動作を説明するための波形図である。
図１に示すように、図３の制御回路８に代えてタイマ５を設け、このタイマ５からの出力で切換スイッチ６を動作させ、周波数を切換えるようにした点が特徴である。
以下、図２も参照して図１の動作について説明する。
【００１３】
いま、運転指令を受けると、交流電源１は周波数f1で運転を開始するとともに、タイマ５が起動される。運転開始後のT1期間中は、図示のようにVDC＝０であるが、周波数が高いため（f1）、初期充電時の最初のVo出力時にIoが過大となることはない。運転開始からT1経過後のT2期間中は、VDCが通常の電圧となり、Ioの振幅が小となっている。そして、運転開始からT期間経過後にタイマ５がタイムアップすると、切換スイッチ６により周波数がf1からf2（f2＜f1）に切換えられる。これにより、以後のT3の期間ではIoも大となり、通常の値になっている。
【００１４】
具体例として、ゲート駆動回路に電源を供給する場合を考える。このとき、ノイズの問題から、ゲート駆動回路を駆動するスイッチ素子の側に設置し、電源を離れた位置に設置する場合には、電源と整流器、コンデンサ間にはある程度のインダクタンスが存在するので、本発明の適用がより有効となる。
例えば、電源の電力：数ｋＷ〜数十ｋＷ，電圧：数十Ｖ〜数百Ｖ程度で、通常時は、周波数：数十Ｖ〜数百ｋＨｚで運転する電圧形フルブリッジ構成で単相出力のインバータなどにより、初期充電時のみ周波数：数百ｋ〜数ＭＨｚで運転する。
【００１５】
このとき、上記インバータのスイッチ素子としては、高周波に適したMOSFET(金属酸化膜型電界効果トランジスタ)を用い、運転開始してから数百ｍｓ程度以内に通常時の周波数に切換えるようにすれば、初期充電時の周波数：数百ｋ〜数ＭＨｚのスイッチ素子のスイッチング損失による発熱や、その他機器の発熱は殆ど問題にならない。
【００１６】
次に、上記起動時の周波数や、周波数切換えのタイミングについて考える。
ところで、交流電源１（電圧Vo）の半周期当たりの出力電流Ioの変化率は、上述のように（Voの振幅−コンデンサ電圧VDC）の大きさと、配線の抵抗などを無視すると、配線インダクタンスLとで決まり、次の（１）式のように表わされる。
変化率＝（Voの振幅−VDC）／ L…（１）
【００１７】
従って、初期充電回路ではVDC=0のときの出力電流Ioのピーク値が一定値を超えないようにする必要があるが、上式および変化率×半周期により出力電流Ioのピーク値が決まる関係から、Voの振幅と配線インダクタンス等の負荷定数に基づき、その周波数（＝１／（半周期×２））を決定すれば良いということになる。
【００１８】
一方、コンデンサ電圧VDCは、上記出力電流Ioを整流した電流IDCの時間積分と、コンデンサ容量Cとから、次の（２）式の関係で上昇する。
VDC＝∫IDC・dt／C…（２）
（１）式ではVDCが大きくなると、変化率は小さくなる。従って周波数を低くしても（半周期を長くしても）、変化率×半周期により出力電流Ioのピーク値が一定値を超えない時点で周波数を切り換えることになるが、そのタイミングは上記の条件（Voの振幅と配線インダクタンス等の負荷定数）の他に、上記（２）式からコンデンサ容量Cが加わることになる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】この発明の実施の形態を示す回路図
【図２】図１の動作を説明するための波形図
【図３】従来例を示す回路図
【図４】図１の動作を説明するための波形図
【符号の説明】
【００２０】
１…可変周波数交流電源、２…整流器、３…コンデンサ、４…負荷、５…タイマ、６…切換スイッチ、７…電流検出器、８…制御回路。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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