JP2014050166A - Dc power supply - Google Patents
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Abstract
【課題】回路中の高速ダイオードを保護することができる直流電源装置を提供する。
【解決手段】交流電源1からの交流電圧を整流する整流回路(高速ダイオード5、6および一般整流ダイオード7a、7bにて構成)と、交流電源1と整流回路との間に接続されたリアクトル2と、リアクトル2を介して交流電源1からの交流電圧を短絡・開放するスイッチング素子3、4と、平滑コンデンサ8とを備え、前記高速ダイオード5と高速ダイオード6の接続点にその一端を接続し、かつ、そのオン制御時には、高速ダイオード5および6にそれぞれ一般整流ダイオード7cおよび7dが並列接続されるように接続した開閉手段10を備えた構成としてある。これにより平滑コンデンサ8の直流電圧が予め定められた所定の電圧値以下まで低下した場合に開閉手段10をオンにし、高速ダイオードを保護できる。
【選択図】図1A DC power supply device capable of protecting a high-speed diode in a circuit is provided.
A rectifier circuit (consisting of high-speed diodes 5 and 6 and general rectifier diodes 7a and 7b) for rectifying an AC voltage from an AC power source 1 and a reactor 2 connected between the AC power source 1 and the rectifier circuit. And switching elements 3 and 4 for short-circuiting / opening the AC voltage from the AC power source 1 through the reactor 2 and a smoothing capacitor 8, one end of which is connected to the connection point of the high-speed diode 5 and the high-speed diode 6. In addition, at the time of the on-control, the open / close means 10 is connected to the high-speed diodes 5 and 6 so that the general rectifier diodes 7c and 7d are connected in parallel, respectively. As a result, when the DC voltage of the smoothing capacitor 8 drops below a predetermined voltage value, the switching means 10 can be turned on to protect the high speed diode.
[Selection] Figure 1
Description
本発明は、交流電源からの交流電圧を整流する整流回路と、リアクトルを介して交流電源からの交流電圧を短絡・開放するスイッチング手段とを備えて直流出力電圧を得る直流電源装置に関するもので、特にリアクトルと平滑コンデンサの間に配置される高速ダイオードの保護に関する。 The present invention relates to a DC power supply device that includes a rectifier circuit that rectifies an AC voltage from an AC power supply, and a switching unit that short-circuits / opens the AC voltage from the AC power supply via a reactor to obtain a DC output voltage. In particular, it relates to protection of a high-speed diode disposed between a reactor and a smoothing capacitor.
従来、スイッチング素子を用い、リアクトルを介して交流電源からの交流電圧を短絡・開放することにより、交流電源からの交流電圧を所望の直流電圧に変換する直流電源装置は、一般整流ダイオードに比べて逆回復時間(trr)の短いファストリカバリダイオード(以下高速ダイオードと記載する)が用いられる。 Conventionally, a DC power supply device that converts an AC voltage from an AC power source into a desired DC voltage by using a switching element and short-circuiting / opening the AC voltage from the AC power source via a reactor is compared to a general rectifier diode. A fast recovery diode (hereinafter referred to as a fast diode) having a short reverse recovery time (trr) is used.
すなわち、この種の直流電源装置においては、電源周期あたりのスイッチング回数が比較的高い場合には、スイッチング素子をターンオンする際に、ターンオンの直前に順方向に電流が流れていたダイオードを介して、直流電圧が蓄えられた平滑コンデンサからダイオードの逆バイアス方向に流れる逆回復電流がスイッチング素子を流れる際に生じるスイッチングロスの増加を抑制するため、高速ダイオードが用いられている。 That is, in this type of DC power supply device, when the number of times of switching per power supply cycle is relatively high, when turning on the switching element, through a diode in which a current flows in the forward direction immediately before turning on, In order to suppress an increase in switching loss that occurs when a reverse recovery current flowing in the reverse bias direction of the diode from the smoothing capacitor in which the DC voltage is stored flows through the switching element, a high-speed diode is used.
高速ダイオードは、順バイアス時に生じたキャリアを逆バイアス時に早く消滅するために、ライフタイムキラーの照射等の処理を行って作られるが、その特性上、一般整流ダイオードに比べて順方向降下電圧(VF)が高く、さらにサージ電流に対する素子の耐量(IFSM)も低くなる。 High-speed diodes are made by performing processing such as lifetime killer irradiation in order to quickly eliminate carriers generated during forward bias during reverse bias. VF) is high, and further, the device tolerance (IFSM) against surge current is also low.
そのため、主回路中に高速ダイオードを有する直流電源装置では、電源投入時や停電からの復電時など、平滑コンデンサへの充電に伴う突入電流(サージ電流)が高速ダイオードを通過して流れることを鑑み、サージ電流に対する設計配慮が施してある(例えば、特許文献1参照)。 Therefore, in a DC power supply with a high-speed diode in the main circuit, the inrush current (surge current) associated with charging the smoothing capacitor flows through the high-speed diode when the power is turned on or when power is restored from a power failure. In view of the above, design consideration is given to surge current (see, for example, Patent Document 1).
図8は、復電時に高速ダイオードにサージ電流が流れることを回避することによって高速ダイオードを保護する特許文献1記載の直流電源装置を示すものである。
FIG. 8 shows a DC power supply device described in
図8に示す直流電源装置は、スイッチング素子201とダイオード205を逆並列接続したスイッチングアームとダイオード207とを直列接続した直列接続回路と、スイッチング素子202とダイオード206を逆並列接続したスイッチングアームとダイオード208とを直列接続した直列接続回路とを並列接続した回路と、スイッチング素子201とダイオード207の接続点と交流電源1の一端との間に接続されたリアクトル209と、スイッチング素子202とダイオード208との接続点と交流電源1の他端との間に接続されたリアクトル210と、並列接続点213及び214間にそれぞれ並列接続された平滑コンデンサ8と負荷9と、交流電源1の両端と平滑コンデンサ8の正極出力端子との間にそれぞれ接続されたダイオード308,309を備えている。
The DC power supply device shown in FIG. 8 includes a series connection circuit in which a
図8において、ダイオード207およびダイオード208は、高速ダイオードであり、電源投入時や瞬時停電からの復電時に流れる突入電流を、リアクトル209とダイオード207、もしくはリアクトル210とダイオード208をそれぞれバイパスするように接続されたバイパス用のダイオード308もしくはダイオード309に流すことで、サージ電流の耐量の小さな高速ダイオード(ダイオード207およびダイオード208)を保護することができる。(詳細については、特許文献1を参照)。
In FIG. 8, a
しかしながら、上記従来の直流電源装置において、リアクトルと高速ダイオードをバイパスすることで高速ダイオードを保護するバイパス用ダイオードは、交流電圧の瞬時電圧(正しくはその絶対値)が直流電圧よりも高くなると、順バイアスされてオン状態となるため、回路特性上、交流電圧のピーク電圧よりも低い直流電圧で継続して安定動作をさせることはできない。 However, in the above-described conventional DC power supply device, the bypass diode that protects the high-speed diode by bypassing the reactor and the high-speed diode is in order when the instantaneous voltage (correctly the absolute value) of the AC voltage becomes higher than the DC voltage. Since it is biased to be in an on state, it cannot be stably operated with a DC voltage lower than the peak voltage of the AC voltage because of circuit characteristics.
そのため、交流電圧のピーク位相付近でスイッチング手段のスイッチング動作を停止させ、交流電圧のピーク電圧よりも低い直流電圧となるように制御することで電力変換効率を高める動作を実現する直流電源装置(例えば特許文献2を参照)には適用できないという課題があった。 Therefore, a DC power supply device that realizes an operation of increasing the power conversion efficiency by stopping the switching operation of the switching means near the peak phase of the AC voltage and controlling the DC voltage to be lower than the peak voltage of the AC voltage (for example, There is a problem that it cannot be applied to Japanese Patent Application Laid-Open No. H10-228707.
本発明は、上記従来の課題を解決するもので、通常のスイッチング動作に影響を与えることなく、交流電圧のピーク電圧よりも低い直流電圧となるように制御することも可能であって、かつ、瞬時停電中に直流電圧が低下して次の復電の際に高速ダイオードに大きなサージ電流が流れる恐れがある場合においても、回路中の高速ダイオードを保護することができる直流電源装置を提供することを目的とする。 The present invention solves the above-described conventional problem, and can be controlled to be a DC voltage lower than the peak voltage of the AC voltage without affecting the normal switching operation, and To provide a DC power supply device capable of protecting a high-speed diode in a circuit even when there is a possibility that a large surge current flows through the high-speed diode at the time of the next power recovery due to an instantaneous power failure With the goal.
前記従来の課題を解決するために、本発明の直流電源装置は、交流電源からの交流電圧を整流する整流回路と、単一もしくは複数のスイッチング素子を用いてリアクトルを介し交流電源からの交流電圧を短絡・開放するスイッチング手段と、整流回路の出力側に設けられた平滑コンデンサと、前記スイッチング素子のターンオン時に平滑コンデンサからスイッチング素子の向きに流れる回復電流を抑制するためスイッチング素子と平滑コンデンサとの間に接続される高速ダイオードと、当該高速ダイオードに対して、一般整流ダイオードを並列接続するかどうかを切り替える開閉手段とを備えて、直流電源装置の通常動作時には前記開閉手段をオフ状態に制御し、直流電圧の低下時には前記開閉手段をオン状態に制御する構成としてある。 In order to solve the above-described conventional problems, a DC power supply device according to the present invention includes a rectifier circuit that rectifies an AC voltage from an AC power supply, and an AC voltage from the AC power supply via a reactor using a single or a plurality of switching elements. Switching means for short-circuiting and opening, a smoothing capacitor provided on the output side of the rectifier circuit, and a switching element and a smoothing capacitor for suppressing a recovery current flowing from the smoothing capacitor to the switching element when the switching element is turned on. And a switching means for switching whether or not a general rectifier diode is connected in parallel to the high-speed diode. The switching means is controlled to be turned off during normal operation of the DC power supply device. The open / close means is controlled to be turned on when the DC voltage is lowered.
この開閉手段の制御によって、通常のスイッチング動作時には、高速ダイオードに一般整流ダイオードが並列接続されないことから、本来のスイッチング特性には影響を与えず、直流電圧の低下時には、高速ダイオードよりも順方向降下電圧(VF)が低い一般整流ダイオードが高速ダイオードに並列接続されることから、平滑コンデンサへの突入電流の大部分をサージ電流耐量の高い一般整流ダイオードに分流させ、高速ダイオードに過大なサージ電流が流れるのを防止する。 By controlling this switching means, the normal rectifier diode is not connected in parallel to the high-speed diode during normal switching operation, so that the original switching characteristics are not affected. Since a general rectifier diode with a low voltage (VF) is connected in parallel with a high-speed diode, most of the inrush current to the smoothing capacitor is shunted to a general rectifier diode with a high surge current resistance, and an excessive surge current is generated in the high-speed diode. Prevent flow.
本発明の直流電源装置は、瞬時停電等で直流電圧が所定電圧以下に低下した場合に、通常運転時にはオフに制御している開閉手段をオン状態に制御することによって、順方向降下電圧VFの低い一般整流ダイオードを高速ダイオードに並列接続し、停電からの復電時に平滑コンデンサに流れる突入電流を、一般整流ダイオード等のサージ電流耐量の大きなダイオードに流すことができるので、確実な高速ダイオードの保護が可能となる。よって
、高速ダイオードとして、従来使用可能であったダイオードよりもさらに逆回復時間の短いSi系のファストリカバリダイオードや、コスト的なチップサイズの制約上、サージ電流耐量が小さくなりがちなSiC、GaNなどのワイドバンドギャップ系の高耐圧ショットキーダイオードを使用することが可能となる。その結果、直流電圧を交流電源のピーク電圧以下に制御する高効率運転を行うとともに、スイッチング損失をさらに低減し、ノイズの小さな直流電源装置を構成することが可能となる。
The DC power supply device of the present invention controls the forward drop voltage VF by controlling the switching means that is controlled to be turned off during normal operation when the DC voltage drops below a predetermined voltage due to an instantaneous power failure or the like. Low-current rectifier diodes are connected in parallel to high-speed diodes, and inrush current that flows through the smoothing capacitor when power is restored from a power failure can be passed to diodes with high surge current resistance such as general rectifier diodes. Is possible. Therefore, as a high-speed diode, a Si-based fast recovery diode that has a shorter reverse recovery time than a diode that can be used in the past, SiC, GaN, etc. that tend to have a low surge current resistance due to cost-related chip size constraints It is possible to use a wide band gap high breakdown voltage Schottky diode. As a result, it is possible to perform a high-efficiency operation for controlling the DC voltage to be equal to or lower than the peak voltage of the AC power supply, further reduce the switching loss, and configure a DC power supply device with low noise.
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、単一もしくは複数のスイッチング素子を用いてリアクトルを介し交流電源からの交流電圧を短絡・開放するスイッチング手段と、整流回路の出力側に設けられた平滑コンデンサとを備えて、スイッチング素子のオン・オフによって負荷へ供給する直流電圧を制御する直流電源装置において、前記スイッチング素子のターンオン時に平滑コンデンサからスイッチング素子へ流れ込む逆回復電流を抑制するためスイッチング素子と平滑コンデンサとの間に接続される高速ダイオードと、当該高速ダイオードに対して、一般整流ダイオードを並列接続するかどうかを切り替える開閉手段とを具備し、直流電源装置の通常動作時には前記開閉手段をオフ状態に制御し、直流電圧の低下時には前記開閉手段をオン状態に制御する構成としたものである。 According to a first aspect of the present invention, there is provided a rectifier circuit for rectifying an AC voltage from an AC power supply, a switching means for short-circuiting / opening an AC voltage from the AC power supply via a reactor using a single or a plurality of switching elements, and a rectifier circuit. And a reverse recovery current that flows from the smoothing capacitor to the switching element when the switching element is turned on, comprising a smoothing capacitor provided on the output side and controlling a DC voltage supplied to the load by turning on and off the switching element A high-speed diode connected between the switching element and the smoothing capacitor, and switching means for switching whether or not to connect a general rectifier diode in parallel to the high-speed diode. During operation, the switching means is controlled to be in an off state, and when the DC voltage is lowered Is obtained by a structure for controlling the switching means in the ON state.
これによって、本発明の直流電源装置は、通常のスイッチング動作時には、高速ダイオードに一般整流ダイオードが並列接続されないことから、本来のスイッチング特性には影響を与えず、直流電圧の低下時には、高速ダイオードよりも順方向降下電圧VFが低い一般整流ダイオードが高速ダイオードに並列接続されることから、平滑コンデンサへの突入電流の大部分をサージ電流耐量の高い一般整流ダイオードに流して、高速ダイオードに過大なサージ電流が流れるのを防止することができる。 As a result, the DC power supply device of the present invention does not affect the original switching characteristics because the general rectifier diode is not connected in parallel to the high-speed diode during normal switching operation. Since a general rectifier diode with a low forward drop voltage VF is connected in parallel to the high-speed diode, most of the inrush current to the smoothing capacitor is passed through the general rectifier diode with a high surge current resistance, and an excessive surge is applied to the high-speed diode. It is possible to prevent a current from flowing.
第2の発明は、第1の発明において、高速ダイオードに並列接続される一般整流ダイオードを、一般整流用のダイオードブリッジの一部または全てのダイオード素子にて構成したもので、安価でかつ、熱抵抗が小さくフィンなどの取り付けも可能な放熱性に優れたパッケージを採用することができ、よりサージ電流に対する耐量を強くできる。 According to a second invention, in the first invention, the general rectifier diode connected in parallel to the high-speed diode is configured by a part or all of the diode elements of the diode bridge for general rectification. It is possible to adopt a package with low heat resistance and excellent heat dissipation that allows attachment of fins and the like, and can further withstand the surge current.
第3の発明は、第1または第2の発明において、前記直流電圧を検出する直流電圧検出手段を具備し、直流電圧検出手段によって得られる直流電圧が予め定められた所定の電圧
値以下になったときに、前記直流電圧の低下状態にあると判断する構成としたもので、直流電圧を正確に検出することで、瞬時停電からの復帰時に想定される平滑コンデンサへの突入電流の最大電流値を精度よく抑制することが可能となる。
According to a third invention, in the first or second invention, there is provided a DC voltage detecting means for detecting the DC voltage, and the DC voltage obtained by the DC voltage detecting means is equal to or lower than a predetermined voltage value. The maximum current value of the inrush current to the smoothing capacitor that is assumed at the time of recovery from an instantaneous power failure by accurately detecting the DC voltage. Can be accurately controlled.
第4の発明は、第1から第3の発明のいずれか1つの発明において、交流電源のピーク電圧またはその絶対値が所定時間以上の間、規定電圧値以下となった場合に、前記直流電圧の低下状態にあると判断するように構成したものであり、直流電圧検出手段の故障時など、直流電圧検出手段の検出精度が不十分な場合でも、交流電源の停電状態を検出することで、高速ダイオードを確実に保護することができる。 According to a fourth invention, in any one of the first to third inventions, when the peak voltage of the AC power supply or the absolute value thereof is a specified voltage value or less for a predetermined time or more, the DC voltage Even if the detection accuracy of the DC voltage detection means is insufficient, such as when the DC voltage detection means is faulty, by detecting the power outage state of the AC power supply, Fast diodes can be reliably protected.
第5の発明は、第1から第3の発明のいずれか1つの発明において、開閉手段をノーマリオン特性のリレーや半導体スイッチで構成したもので、電源投入時や電源遮断時などで開閉手段を駆動する制御部や制御電源が動作しなくなった場合でも確実に、高速ダイオードにサージ電流が流れることを防止することができ、別途、制御部や開閉手段を駆動するための補助電源を必要とすることなく、高速ダイオードを保護することができる。 A fifth invention is the invention according to any one of the first to third inventions, wherein the opening / closing means is constituted by a normally-on-type relay or a semiconductor switch. Even when the control unit or control power supply to be driven stops operating, it is possible to reliably prevent surge current from flowing through the high-speed diode, and a separate auxiliary power source is required to drive the control unit and switching means. The high-speed diode can be protected without any trouble.
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。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. Note that the present invention is not limited to the embodiments.
(実施の形態1)
図1は、本発明の第1の実施の形態に係る直流電源装置の構成を示す図である。
(Embodiment 1)
FIG. 1 is a diagram showing a configuration of a DC power supply device according to the first embodiment of the present invention.
図1に示すようにこの直流電源装置は、交流電源1の一端に接続されたリアクトル2と、互いに同じ向きに直列接続され、かつ、その直列接続点がリアクトル2の他端と接続された2個のスイッチング素子3および4と、スイッチング素子3および4に、それぞれ逆方向に電流が流れる向きに並列接続された高速ダイオード5および6と、交流電源1の他端に交流入力端子の一端が接続され、かつ、前記高速ダイオード5および6とともに全波整流回路を形成するように接続された一般整流用のダイオードブリッジ7(高速ダイオード5、6およびダイオード7a、7bとで全波整流を実現する整流回路13(図2参照)を構成)と、交流電源1からの交流電圧を全波整流した後の電圧を平滑する平滑コンデンサ8を備えて、平滑コンデンサ8の直流電圧を負荷9へ供給する。
As shown in FIG. 1, this DC power supply device is connected in series with a
さらに、本実施の形態の直流電源装置は、2個の高速ダイオード5および6の接続点(スイッチング素子3および4の接続点に同じ)と、ダイオードブリッジ7の他方の交流入力端子との間にリレーなどで構成された開閉手段10を備えるとともに、平滑コンデンサ8の直流電圧を検出する直流電圧検出手段11と、直流電圧検出手段11によって検出された直流電圧に応じて開閉手段10をオンまたはオフ状態に制御する制御部12を備える。
Further, the DC power supply device of the present embodiment is provided between the connection point of the two high-
本実施の形態の直流電源装置は、平滑コンデンサ8の直流電圧が所望の目標電圧となるように、交流電源1の瞬時電圧が正となる電源半周期間にはスイッチング素子4を、交流電源1の瞬時電圧が負となる電源半周期間にはスイッチング素子3をそれぞれオン・オフする。
In the DC power supply device of the present embodiment, the switching element 4 is connected to the
このスイッチング素子3および4の具体的な制御方法については従来から知られている公知の方法を用いればよい。 As a specific method for controlling the switching elements 3 and 4, a conventionally known method may be used.
例えば、一般にアクティブフィルタと呼ばれる構成で、入力電流の検出手段(図示せず)を備えて、20kHz〜50kHz以上の比較的高い周波数でスイッチング動作を行って、交流電源1からの入力電流を略正弦波状の波形となるように制御しながら、入力電流
の振幅を調整することで平滑コンデンサ8の直流出力電圧を所望の電圧に制御する方法を用いればよい。
For example, in a configuration generally referred to as an active filter, an input current detection means (not shown) is provided, and a switching operation is performed at a relatively high frequency of 20 kHz to 50 kHz or more, so that the input current from the
また、入力電流自体の電流フィードバック制御は行わず、交流電源1の電源半周期ごとにスイッチング素子3または4の短絡・開放動作を数回から数十回程度行う形で、スイッチング素子3、4の短絡幅(オン幅)を調整することによって、平滑コンデンサ8の直流出力電圧に対する電圧フィードバック制御のみを行う方法を用いてもよい。
In addition, the current feedback control of the input current itself is not performed, and the switching elements 3 and 4 are short-circuited / opened several times to several tens of times every half cycle of the
いずれの制御方法も公知でよく知られており、かつ、直流電圧フィードバックや入力電流フィードバックの有無は本発明に直接関係しないことから、その制御方法の詳細については記述を省略する。 Any of the control methods is known and well known, and the presence or absence of DC voltage feedback or input current feedback is not directly related to the present invention, so description of the details of the control method is omitted.
図3は、本実施の形態の直流電源装置における、交流電源1の交流電圧、入力電流、直流電圧波形を示す図である。
FIG. 3 is a diagram showing AC voltage, input current, and DC voltage waveforms of the
本発明の直流電源装置は、図3に示すように、直流電圧の目標値を交流電源1のピーク電圧よりも低い電圧値とすることで、交流電源1のピーク電圧付近においてスイッチング素子3および4のスイッチング動作を停止させ、電源周期あたりのスイッチング回数を抑制することで、スイッチング損失を低減する。
As shown in FIG. 3, the DC power supply device of the present invention sets the target value of the DC voltage to a voltage value lower than the peak voltage of the
その際、直流電圧を、交流電源1の交流電圧のピーク電圧よりも高く制御した状態でスイッチング停止期間を設けると、スイッチング停止期間中に入力電流が急激に低下してゼロになりやすく、その結果、入力電流中の高調波成分が増加することから、本直流電源装置においては、スイッチング停止期間において、入力電流が滑らかに連続して流れるよう、直流電圧が交流電源1の交流電圧のピーク電圧よりも低くなるように制御される。(本制御については、本発明の作用に直接関係しないため、詳細の記述については省略する。詳細内容については、参考文献3を参照。)
図2は、本実施の形態の直流電源装置における、通常動作時における主回路構成の等価回路を示す図である。すなわち、制御部12は、通常動作時には開閉手段10をオフとし、ダイオード7c,7dを電源回路から切り離すことによって、図2に示すような回路構成となる。
At that time, if the switching stop period is provided in a state where the DC voltage is controlled to be higher than the peak voltage of the AC voltage of the
FIG. 2 is a diagram showing an equivalent circuit of the main circuit configuration during normal operation in the DC power supply device of the present embodiment. That is, the
交流電源1の正の電源半周期間においては、スイッチング素子4のオン・オフによって、スイッチング素子4または高速ダイオード5に交互に電流が流れることから、高速ダイオード5のリカバリ特性によってスイッチング素子4のターンオン時の逆回復電流が抑制される。
During the positive power supply half cycle of the
交流電源1の負の電源半周期間においては、スイッチング素子3のオン・オフによって、スイッチング素子3または高速ダイオード6に交互に電流が流れることから、高速ダイオード6のリカバリ特性によってスイッチング素子3のターンオン時の逆回復電流が抑制される。
During the negative power supply half cycle of the
次に本実施の形態の直流電源における開閉手段10の制御方法について説明する。 Next, a method for controlling the opening / closing means 10 in the DC power supply according to the present embodiment will be described.
図4は、本実施の形態の直流電源装置における、瞬時停電時の挙動を示す図である。 FIG. 4 is a diagram showing the behavior at the time of an instantaneous power failure in the DC power supply device of the present embodiment.
負荷9の動作中に、交流電源1において瞬時停電が発生すると、交流電源1から平滑コンデンサ8へ電力が供給されなくなる一方で、負荷9は、直流電圧が負荷9の動作に必要な電圧以上である限り動作し続けるため、平滑コンデンサ8の電圧すなわち直流電圧は、負荷9の大きさに応じて低下していく。
If an instantaneous power failure occurs in the
制御部12は、直流電圧検出手段11によって直流電圧を常時モニタし、直流電圧が所定の下限電圧レベル(図4のV1レベル)以下に達した場合に開閉手段10をオンし、順方向降下電圧(VF)の低い一般整流ダイオード7cおよび7dをそれぞれ高速ダイオード5および6に並列接続することで、高速ダイオード5、6に電流が流れるのを防止し、高速ダイオード5および6を実質的にほぼ無効化する。
The
なお、下限電圧レベルV1は、交流電源1の復電時に平滑コンデンサ8に流れ得る最大の突入電流が高速ダイオード5および6のサージ耐量を上回らないように予め決められる。
The lower limit voltage level V1 is determined in advance so that the maximum inrush current that can flow to the smoothing
これによって、交流電源1の復電タイミングにおいて、直流電圧が下限電圧レベルV1以上である場合には、高速ダイオード5、6にはサージ電流耐量以下の突入電流しか流れず、また直流電圧が下限電圧レベルV1未満となった場合には、高速ダイオード5、6よりもサージ電流耐量の大きな一般整流ダイオード7a,7bに突入電流の大部分が流れるため、交流電源1の復電時にサージ電流耐量以上の電流が流れて高速ダイオード5、6が破壊するのを防ぐことができる。
Thereby, at the power recovery timing of the
さらに、一般整流用ダイオードブリッジ7をヒートシンク等に接続すれば、放熱能力が向上するため、平滑コンデンサ8への突入電流に対するダイオードブリッジ7のサージ電流耐量をより向上させることが可能である。
Furthermore, if the general
また、制御部12は、開閉手段10のチャタリング防止のため、直流電圧が下限電圧レベルV1よりも高い電圧に設定された復帰電圧レベル(図4のV2レベル)以上まで上昇したタイミングで開閉手段10をオフ状態に戻す。
Further, the
なお、直流電圧低下時には、直流電圧が復帰電圧レベル以上に回復するまでの期間、リカバリ特性のあまり良くないダイオードでの動作が継続することになるため、平滑コンデンサ8の容量が大きく、直流電圧が復帰電圧レベルに到達するまでの期間が長くなることが想定される。このような場合には、直流電圧が復帰電圧レベルに到達するまで、通常運転時に比べてスイッチング回数を制限したり、スイッチング動作を一時的に停止させたりして、スイッチングノイズの発生頻度や発生量を抑えるとさらによい。
When the DC voltage is reduced, the operation of the diode having poor recovery characteristics continues until the DC voltage recovers to the recovery voltage level or higher, so that the capacity of the smoothing
さらに、開閉手段10が1b接点のリレーなどで構成されるなど、ノーマリオン特性を有する場合には、制御部12ならびに開閉手段10を駆動する制御電源(図示せず)の電圧が不十分な場合においても、開閉手段10をオン状態に保てるため、開閉手段10を駆動する制御電源を、平滑コンデンサ8の直流電圧から構成することができる。
Further, when the switching means 10 is configured with a 1b contact relay or the like and has normally-on characteristics, the voltage of the
また、開閉手段10がノーマリオフ特性の場合には、制御部12と開閉手段10とを外部からの補助電源等を用いて駆動し、直流電源装置への電源投入時に、これに先立って開閉手段10をオンに制御すればよい。
When the opening / closing means 10 has a normally-off characteristic, the
以上のように、本実施の形態1に係る直流電源装置は、瞬時停電等によって直流電圧が低下した場合に、開閉手段10をオンに制御して、高速ダイオード5および6に、順方向降下電圧VFの低い一般整流ダイオード7c、7dをそれぞれ並列接続し、復電時に平滑コンデンサ8の充電に伴う突入電流のほとんどを、一般整流ダイオード7c,7d側に分流することができるため、高速ダイオード5,6の保護はもちろん、当該高速ダイオード5,6に流れるサージ電流を低く制限することができる。
As described above, the DC power supply according to
そのため、従来よりもサージ電流耐量の小さな、逆回復時間(trr)のより短い高速
ダイオードを採用することができ、直流電源装置のスイッチングロスとスイッチングノイズを従来以上に低減することが可能となる。
Therefore, it is possible to employ a high-speed diode having a smaller surge current resistance than that of the prior art and a shorter reverse recovery time (trr), and the switching loss and switching noise of the DC power supply device can be further reduced.
また、リカバリ特性に優れたワイドギャップ系のSiCやGaN系の高耐圧ショットキーダイオードは、価格面の制約等からチップサイズが小さく、サージ電流耐量が低くなる傾向があるので、高速ダイオードとしてこれらのダイオードを用いる場合においても本発明は非常に効果的である。 In addition, wide-gap SiC and GaN high-voltage Schottky diodes with excellent recovery characteristics tend to be smaller in chip size and lower in surge current resistance due to price constraints, etc. Even when a diode is used, the present invention is very effective.
なお、本実施の形態1に係る直流電源装置において、高速ダイオード5、6に並列接続されるダイオードの種類を一般整流ダイオードとして説明したが、想定されるサージ電流耐量が小さい場合には、保護対象となる高速ダイオード5、6に比べて、順方向降下電圧VFが小さく、サージ電流耐量の大きなダイオードであれば同様の効果が得られることは言うまでもない。
In the DC power supply according to the first embodiment, the type of diode connected in parallel to the high-
(実施の形態2)
図5は、本発明の第2の実施の形態に係る直流電源装置の構成を示す図である。
(Embodiment 2)
FIG. 5 is a diagram showing a configuration of a DC power supply device according to the second embodiment of the present invention.
図5に示すように、この直流電源装置は、交流電源1からの交流電圧を全波整流するように交流電源1に接続された一般整流用ダイオードで構成された整流回路13と、整流回路13の直流出力端子(+)に一端が接続されたリアクトル2と、リアクトル2の他端と整流回路13の直流出力端子(−)間に接続されたスイッチング素子3と、リアクトル2の前記他端と平滑コンデンサ8間に接続された高速ダイオード5で構成される1石昇圧形回路において、平滑コンデンサ8の両端に並列接続された一般整流用のダイオードブリッジ14と、一般整流用ダイオードブリッジ14の一方もしくは両方の交流入力端と高速ダイオード5のアノード間に接続された開閉手段10を有する(図5では、開閉手段10が両方の交流入力端に接続された場合を記載)。
As shown in FIG. 5, this DC power supply device includes a
開閉手段10のオン・オフの制御タイミングについては、実施の形態1と同様であるため、詳細の記述を省略するが、本実施の形態の直流電源装置は、第1の実施の形態に係る直流電源装置と同様に、復帰時に平滑コンデンサ8を充電する際に流れる突入電流をサージ電流耐量の大きな一般整流ダイオード14aおよび14b側に流すことで、高速ダイオード5の破壊を防止することができる。
Since the on / off control timing of the opening / closing means 10 is the same as that of the first embodiment, the detailed description thereof is omitted, but the DC power supply device of the present embodiment is a direct current according to the first embodiment. Similar to the power supply device, the high-
また、電源事情などで交流電源1の交流電圧が高くなることが想定される場合や、平滑コンデンサ8の容量が大きい場合など、電源投入時の突入電流が無視できない場合には次のようにすればよい。すなわち、図5に示すように、別途、PTCなどの突入電流防止用抵抗15aと突入電流防止抵抗15aに並列接続されたリレー15b等で構成される突入電流防止回路15を、交流電源1と平滑コンデンサ8間に設けて、電源投入時には、突入電流防止抵抗15aを介して平滑コンデンサ8への突入電流の電流ピークを抑制した後、数秒後にリレー15bをオンして突入電流防止抵抗15aを無効化すればよい。
Also, if the inrush current at power-on cannot be ignored, such as when the AC voltage of the
本内容についてはよく知られた内容であるため、詳細の記述を省略する(詳しくは参考文献3を参照)。 Since this content is well known, a detailed description is omitted (see Reference 3 for details).
また、開閉手段10をオンに制御するタイミングを決定する別の判断方法として、交流電源1の交流電圧が低い状態(停電状態)が継続する時間によって、直流電圧の低下を推測し開閉手段10をオンすることも可能であり、以下にその方法について記載する。
Further, as another determination method for determining the timing for controlling the opening / closing means 10 to be on, the DC voltage drop is estimated by the time during which the AC voltage of the
図6は、交流電源1の交流電圧が所定の電圧閾値よりも低いかどうかを認識して二値信号出力を行うゼロクロス検出回路16の構成とその二値信号出力を示した図である。
FIG. 6 is a diagram showing the configuration of the zero-
図6(a)に示すゼロクロス検出回路16は、二値出力の交流電圧における電圧閾値を調整するための抵抗16a、制御部12との絶縁を行うためのフォトカプラ16bなどから構成されて、図6(b)に示すように、交流電源1の電圧が所定の電圧Vth未満になればH出力、所定の電圧Vth以上になればL出力となるゼロクロス検出信号を出力する。
The zero
また別の回路例として、図6(c)に示すゼロクロス検出回路16では、図6(d)に示すように、交流電源1の電圧の絶対値が所定の電圧Vth未満になればH出力、所定の電圧Vth以上になればL出力となるゼロクロス検出信号を出力する。
As another circuit example, in the zero
制御部12は、ゼロクロス検出信号のL出力が継続する時間を常に検出し、L出力が所定期間以上継続した場合に、交流電源1の電圧が復帰した場合に大きなサージ電流が流れる恐れがあるレベルまで直流電圧が低下していると判断して、開閉手段10をオンする。
The
なお、本実施の形態の直流電源装置では、主回路構成として、一般的な1石昇圧型の回路にて説明を行ったが、1石昇圧型と同様のリアクトル、スイッチング素子、高速ダイオードを2組ずつ設けてそれらを互いに位相差をつけて駆動するインターリーブ方式の回路においても同様に適用できる。 In the DC power supply device according to the present embodiment, a general single-step boost type circuit has been described as the main circuit configuration. However, the same reactor, switching element, and high-speed diode as the single-step boost type are described. The present invention can be similarly applied to an interleave type circuit in which a set is provided and driven with a phase difference.
図7は、本発明の直流電源装置を別の主回路構成(インターリーブ方式)に適用する場合の構成を示す図である。(制御部12は図示せず)
図7に示すように、2個の高速ダイオード5aおよび5bに対し、それぞれ一般整流用のダイオードブリッジ14で構成された一般整流ダイオード14a、14bが並列接続されるように、開閉手段10a、10bが設けられる。
FIG. 7 is a diagram showing a configuration when the DC power supply device of the present invention is applied to another main circuit configuration (interleave method). (The
As shown in FIG. 7, the switching means 10a, 10b are connected to the two high-
図7から明らかなように、開閉手段10aおよび10bのオン・オフするタイミングについては、いずれも実施の形態1の直流電源装置の開閉手段10と同じとすることで、交流電源1からの平滑コンデンサ8への突入電流は、リアクトル2a−一般整流ダイオード14aと、リアクトル2b−一般整流ダイオード14bとに分かれて流れることから、実施の形態1の直流電源装置と同様の効果を奏することは言うまでもない。
As is apparent from FIG. 7, the opening / closing means 10a and 10b are turned on / off at the same timing as the opening / closing means 10 of the DC power supply device of the first embodiment, so that the smoothing capacitor from the
以上のように、本発明に係る直流電源装置は、瞬時停電などで直流電圧が低くなった際に、一般整流ダイオードを高速ダイオードに並列接続することで、サージ電流に弱い高速ダイオードを安全に保護することができ、交流電源からの交流電圧を、リアクトルを介してスイッチング素子によって短絡・開放することで直流電圧に変換して負荷へ電力供給するエアコン、冷蔵庫、洗濯機、ヒートポンプ給湯機などの機器への用途に幅広く適用することができる。 As described above, the DC power supply according to the present invention safely protects a high-speed diode that is vulnerable to surge current by connecting a general rectifier diode in parallel with a high-speed diode when the DC voltage drops due to an instantaneous power failure or the like. Air conditioners, refrigerators, washing machines, heat pump water heaters, etc. that convert AC voltage from an AC power source to DC voltage by short-circuiting / opening with a switching element via a reactor and supplying power to the load It can be widely applied to various uses.
1 交流電源
2 リアクトル
2a リアクトル
2b リアクトル
3 スイッチング素子
3a スイッチング素子
3b スイッチング素子
4 スイッチング素子
5 高速ダイオード
6 高速ダイオード
7 ダイオードブリッジ
7a、7b 一般整流ダイオード
7c、7d 一般整流ダイオード
8 平滑コンデンサ
9 負荷
10 開閉手段
10a 開閉手段
10b 開閉手段
11 直流電圧検出手段
12 制御部
13 整流回路
14 ダイオードブリッジ
14a 一般整流ダイオード
14b 一般整流ダイオード
DESCRIPTION OF
Claims (5)
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| JP2012189486A JP2014050166A (en) | 2012-08-30 | 2012-08-30 | Dc power supply |
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ID=50609338
Family Applications (1)
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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| JP2016135003A (en) * | 2015-01-20 | 2016-07-25 | 三菱電機株式会社 | DC / DC converter |
| JP2017118646A (en) * | 2015-12-22 | 2017-06-29 | 株式会社ノーリツ | Hot water supply device |
| CN117092501A (en) * | 2023-10-18 | 2023-11-21 | 西安高压电器研究院股份有限公司 | Fracture joint voltage test loop for switching device and measuring method |
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