JP4454089B2

JP4454089B2 - Power supply

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Publication number: JP4454089B2
Application number: JP2000032311A
Authority: JP
Inventors: 康弘牧野; 和久太田垣
Original assignee: Sanyo Electric Co Ltd
Current assignee: Sanyo Electric Co Ltd
Priority date: 2000-02-09
Filing date: 2000-02-09
Publication date: 2010-04-21
Anticipated expiration: 2020-02-09
Also published as: JP2001224175A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、交流電力を直流電力に変換する電源装置に関する。詳細には、ブリッジ整流回路と昇圧回路が設けられた電源装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
冷凍サイクルによって冷暖房を行なう空気調和機（エアコン）では、冷暖房能力を調整するときに、回転型のコンプレッサの回転数を変更するものがある。すなわち、エアコンでは、コンプレッサの回転数を下げることにより冷暖房能力が下がり、コンプレッサの回転数を高くすることにより冷暖房能力が高くなる。このようなエアコンでは、インバータ制御によってコンプレッサの駆動を制御している。
【０００３】
ところで、コンプレッサのインバータ制御に用いられる電源装置には、ＰＡＭ（Pulse Amplitude Modulation ：パルス振幅変調）制御を行うものがある。ＰＡＭ制御を行う電源装置には、ブリッジ整流回路に加えてチョッパ回路等を用いた昇圧回路が設けられており、ブリッジ整流回路によって整流する電力を昇圧回路によって所望の電圧の電力に変換するようにしている。
【０００４】
昇圧回路は、リアクトル素子、昇圧用のダイオード、スイッチ素子及びコンデンサを備え、スイッチング素子のオン／オフによってリアクトル素子に電力を蓄えたのち、この電力をコンデンサに充電することにより、所望の電圧の直流電力を出力するようになっている。
【０００５】
また、電源装置では、このような昇圧回路を設けたときに、スイッチング素子のオン時間の比率（デューティー比）を制御することにより、力率改善と共に高調波電流の抑制を図っている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、ダイオードでは、少なからず電圧降下（例えば約０．７５Ｖ）が生じる。この電圧降下は、電力損失となって現われ、出力電力が大きくなると損失も大きくなる。ＰＡＭ制御を行う電源装置では、ブリッジ整流回路と昇圧回路のそれぞれにダイオードが設けられており、このために生じる損失によって電力の変換効率が低くなってしまうと言う問題がある。
【０００７】
本発明は上記事実に鑑みてなされたものであり、電力損失を抑えることにより電力の変換効率を向上させた電源装置を提案することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するための本発明は、一対の入力端子に入力される交流電力をダイオードブリッジにより全波整流して一対の出力端子から出力する整流回路と、前記整流回路の前記一対の入力端子の一方に接続されたリアクトル素子、前記整流回路の前記一対の出力端子の間に接続されたスイッチング素子、正極側及び負極側に入力される電力を平滑化して直流電力を出力する平滑回路、及び、前記整流回路の前記一対の出力端子のそれぞれと前記平滑回路の正極側及び負極側との間に配置された一対の昇圧用のダイオードを含んで形成された昇圧回路と、前記リアクトル素子が接続された前記整流回路の前記一方の入力端子と前記平滑回路の正極側及び負極側とを接続する一対のバイパス用のダイオードを含み、前記一対のバイパス用のダイオードの一方の電流方向が前記一方の入力端子側から前記平滑回路の正極側とされ、前記一対のバイパス用のダイオードの他方の電流方向が前記平滑回路の負極側から前記一方の入力端子側とされて形成されたバイパス回路と、を備えている。
【０００９】
この発明によれば、全波整流を行う整流回路と昇圧回路を用いて、交流電流の整流及び昇圧を行って所定の電圧の直流電力を出力する。このとき、整流回路は、ダイオードのブリッジ接続によって形成したブリッジ整流回路が用いられ、また、昇圧回路は、スイッチング素子を設け、このスイッチング素子のオン／オフによって所望の電圧を得る。
【００１０】
バイパス回路は、リアクトル素子と平滑回路を一対のバイパス用のダイオードによって接続しており、一対のバイパス用のダイオードのそれぞれは、平滑回路への充電方向へ電流を流す。したがって、リアクトル素子に蓄積された電力は、整流回路のブリッジ接続されたダイオード及び昇圧回路の昇圧用のダイオードを通過せず、バイパス回路のバイパス用のダイオードを通過して平滑回路に蓄積される。すなわち、リアクトル素子に蓄積された電力が通過するダイオードの数を減らすことができる。
【００１１】
これにより、電力損失を抑え、入力された電力を効率良く出力することができる。
【００１３】
このように本発明では、簡単でかつ低コストで形成することができるバイパス回路によって、電力の変換効率の向上を図ることができる。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下に図面を参照しながら、本発明の実施の形態を説明する。図２には、本実施の形態に適用した空気調和機（以下「エアコン１０」と言う）の冷凍サイクルを示している。
【００１５】
このエアコン１０は、被空調室に設置される室内ユニット１２と室外に設置される室外ユニット１４によって構成されており、室内ユニット１２と室外ユニット１４とは、冷媒を循環させる太管の冷媒配管１６Ａと、細管の冷媒配管１６Ｂとで接続されている。
【００１６】
室内ユニット１２には、熱交換器１８が設けられており、冷媒配管１６Ａ、１６Ｂのそれぞれの一端がこの熱交換器１８に接続されている。また、冷媒配管１６Ａの他端は、室外ユニット１４のバルブ２０Ａ、マフラー２２Ａを介して四方弁２４に接続されている。この四方弁２４は、アキュムレータ２８及びマフラー２２Ｂを介してコンプレッサ２６に接続されている。
【００１７】
さらに、室外ユニット１４には、熱交換器３０が設けられている。この熱交換器３０は、一方が四方弁２４に接続され、他方がキャピラリチューブ３２、ストレーナ３４、モジュレータ３８を介してバルブ２０Ｂに接続されている。また、ストレーナ３４とモジュレータ３８の間には、電動膨張弁３６が設けられ、バルブ２０Ｂには、冷媒配管１６Ｂの他端が接続されている。これによって、室内ユニット１２と室外ユニット１４の間に冷凍サイクルを形成する冷媒の密閉された循環路が構成されている。
【００１８】
エアコン１０は、コンプレッサ２６と一体に設けているコンプレッサモータ４０の回転駆動によってコンプレッサ２６が運転されると、この冷凍サイクル中を冷媒が循環される。このとき、エアコン１０では、運転モード（冷房モード又は暖房モード）に応じて四方弁２４が切換えられ、電動膨張弁３６の弁開度を制御することにより、冷媒の蒸発温度が調整される。なお、図２では矢印によって暖房運転時（暖房モード）と冷房運転時（冷房モードまたはドライモード）の冷媒の流れを示している。
【００１９】
冷房モードでは、コンプレッサ２６によって圧縮された冷媒が熱交換器３０へ供給されることにより液化され、この液化された冷媒が室内ユニット１２の熱交換器１８で気化することにより、熱交換器１８を通過する空気を冷却する。また、暖房モードでは、逆に、コンプレッサ２６によって圧縮された冷媒が、室内ユニット１２の熱交換器１８で凝縮されることにより放熱し、この冷媒が放熱した熱で熱交換器１８を通過する空気を加熱する。
【００２０】
室内ユニット１２は、送風用に設けられている図示しないクロスフローファンによって吸引した空気を室内へ吹出すときに熱交換器１８を通過させ温調する。これにより、室内ユニット１２から吹出される空気によって室内が空調される。
【００２１】
一方、図１に示されるように、室外ユニット１４には、電源装置４２及び図示しないマイコンを備えたコントロール基板４４が設けられている。電源装置４２は、室外ユニット１４に供給される交流電力を、コンプレッサモータ４０の駆動に用いる直流電力に変換するようになっており、電源装置４２には、インバータ回路４６を介してコンプレッサモータ４０が接続されている。
【００２２】
このコントロール基板４４では、マイコンがシリアル通信等によって室内ユニットに設けられている図示しないマイコンに接続されている。また、コントロール基板４４には、外気温度を検出する外気温度センサ、コンプレッサ２６の温度を検出するコンプレッサ温度センサ、熱交換器３０のコイル温度を検出するコイル温度センサ等が接続されている。
【００２３】
これにより、コントロール基板４４に設けているマイコンは、室内ユニット１２から送出される信号及び各センサの検出結果に基づいて、コンプレッサモータ４０、四方弁２４、電導膨張弁３６熱交換器３０を冷却する冷却ファン等の駆動を制御する。また、コントロール基板４４のマイコンは、コンプレッサモータ４０の作動を制御するときに、電源装置４２およびインバータ回路４６を制御して、コンプレッサ２６が所定の回転数で回転駆動されるように、コンプレッサモータ４０を制御する。
【００２４】
インバータ回路４６は、スイッチング素子が設けられた一般的構成となっている。また、コンプレッサモータ４０としては、ＤＣブラシレスモータが用いられており、入力電圧の変化に応じて回転数が変化する。
【００２５】
コントロール基板４４に設けているマイコンは、インバータ回路４６に設けているスイッチング素子を駆動するスイッチング信号のデューティー比を制御し、このスイッチング信号でスイッチング素子が駆動されることにより、インバータ回路４６は、スイッチング信号のデューティ比に応じた電圧の電力を出力する。この電力によってコンプレッサモータ４０を駆動することにより、コンプレッサ２６が、コントロール基板４４のマイコンで設定した回転数で運転される。
【００２６】
また、インバータ回路４６は、スイッチング信号のデューティ比を一定としたときに、出力電圧がインバータ回路４６への入力電圧、すなわち、電源装置４２からの出力電圧Ｖ₀に応じて変化する。これにより、コンプレッサモータ４０は、インバータ回路４６への入力電圧を変えることにより、回転数が変更可能となっている。
【００２７】
室外ユニット１４では、コントロール基板４４に設けているマイコンが、電源装置４２を制御することにより、インバータ回路４６への出力電圧Ｖ₀を変化させて、コンプレッサモータ４０を駆動するＰＡＭ（Pulse Amplitude Modulation ：パルス振幅変調）制御を行うようになっている。
【００２８】
電源装置４２には、ダイオード４８をブリッジ接続したブリッジ整流回路５０が設けられている。このブリッジ整流回路５０には、一方の入力端子５２Ａにリアクトル５４が接続されている。これにより、電源装置４２には、リアクトル５４を介してブリッジ整流回路５０の入力端子５２Ａ、５２Ｂに、交流電源５６から所定の電圧（例えば単相１００Ｖ）の交流電力が入力される。
【００２９】
また、ブリッジ整流回路５０には、出力端子５８Ａ、５８Ｂに、昇圧用のダイオード６０、６２を介して平滑回路６４が接続されている。出力端子５８Ａに接続されているダイオード６０は、電流方向がブリッジ整流回路５０から平滑回路６４へ向けた方向となっており、出力端子５８Ｂに接続されているダイオード６２は、電流方向が平滑回路６４からブリッジ整流回路５０へ向けた方向となっている。
【００３０】
平滑回路６４は、直列接続されたコンデンサ６６、６８と、このコンデンサ６６、６８に並列接続されたコンデンサ７０によって形成されており、コンデンサ６６、７０の＋側にダイオード６０が接続され、コンデンサ６８、７０の−側がダイオード６２に接続されている。
【００３１】
さらに、電源装置４２には、ダイオード６０、６２の間（ブリッジ整流回路５０の出力端子５８Ａ、５８Ｂの間）にスイッチング回路７２が設けられている。このスイッチング回路７２は、スイッチング素子としてＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）等のスイッチングＴr７４とダイオード７６によって形成されており、スイッチングＴr７４がオンされることにより出力端子５８Ａから出力端子５８Ｂへ電流が流れるようになっている。
【００３２】
これにより、電源装置４２には、ブリッジ整流回路５０を挟んで設けられているリアクトル５４、スイッチング回路７２、ダイオード６０、６２及び平滑回路６４によって昇圧回路７８が形成されており、交流電力をブリッジ整流回路５０で整流した後、スイッチングＴｒ７４のスイッチング（オン／オフ）により昇圧して出力する。このときに、スイッチングＴｒ７４を駆動するスイッチング信号のオン時間によって出力電圧Ｖ₀が変えられる。
【００３３】
一方、コントロール基板４４には、ＰＡＭ制御回路８０及びスイッチング回路７２のスイッチングＴｒ７４を駆動する駆動回路８２が形成されている。また、電源装置４２には、電流検出回路８４及びゼロクロス検出回路８６が設けられており、これらがＰＡＭ制御回路８０に接続されている。
【００３４】
電流検出回路８４には、リアクトル５４と交流電源５０の間に設けられたＣＴ８８が接続されている。また、ゼロクロス検出回路８６は、リアクトル５４及びブリッジ整流回路５０の入力端子５２Ｂの交流電源５６側に接続されている。これにより、ＰＡＭ制御回路８０は、電源装置４２へ入力される電流及び、電圧波形に基づいたゼロクロス信号が入力される。
【００３５】
ＰＡＭ制御回路８０は、電流検出回路８４によって検出する入力電流に基づいてスイッチング信号のデューティ比を設定し、ゼロクロス検出回路８６によって検出するゼロクロス点に基づいたタイミングで、駆動回路８２へスイッチング信号を出力する。これにより、ＰＡＭ制御回路８０は、電源装置４２から所定の電圧を出力すると共に、電源装置４２に入力される交流電力から高調波成分を除去すると共に力率向上（力率改善）を図るようにしている。なお、ＰＡＭ制御回路８０では、１５ｋHz以上の可聴周波数外の周期（例えば１７ｋHz）でスイッチングを行うようにしている。
【００３６】
これにより、例えば図４（Ａ）乃至図４（Ｄ）に示されるように、ＰＡＭ制御回路８０は、交流電源５０の１サイクル中で、スイッチング信号ＳＴ₁〜ＳＴ₄（図４（Ｃ）参照）を出力するように設定されている。このとき、ＰＡＭ制御回路８０は、入力電圧が負側から正側に変わるゼロクロス点Ｐ₁を検出してから僅かに送らせてスイッチング信号ＳＴ₁を出力し（例えば時間ｔ₁の遅れ）、入力電圧が正側から負側に変わるゼロクロス点Ｐ₂に達する前（例えば時間ｔ₂）に停止するようにスイッチング信号ＳＴ₂を出力する。また、ＰＡＭ制御回路８０は、入力電圧がゼロクロス点Ｐ₂に達するとスイッチング信号ＳＴ₃を出力し、入力電圧がゼロクロス点Ｐ₁に達する前（例えば時間ｔ₃）に停止するようにスイッチング信号ＳＴ₄を出力する。
【００３７】
また、ＰＡＭ制御回路８０は、スイッチング信号ＳＴ₁〜ＳＴ₄が出力される時間であるスイッチング時間ｔ₄、ｔ₅、ｔ₆、ｔ₇を主に電源装置４２の出力電圧Ｖ₀に基づいて設定し、スイッチング信号ＳＴ₁〜ＳＴ₄のデューティ比（オン時間）を、主に電流検出回路８４によって検出する入力電流に基づいて設定する。
【００３８】
このときに、スイッチング信号ＳＴ₁、ＳＴ₃のデューティ比が、スイッチング信号ＳＴ₂、ＳＴ₄のデューティよりも短くなるように設定するようにしている。また、ＰＡＭ制御回路８０は、スイッチング信号ＳＴ₁とスイッチング信号ＳＴ₂の間及びスイッチング信号ＳＴ₃とスイッチング信号ＳＴ₄の間で、スイッチングの停止時間を設けている。
【００３９】
なお、スイッチング信号ＳＴ₁〜ＳＴ₄の送出開始及び停止は、交流電圧の位相角を設定し、この位相角に基づいた時間で行われるものであっても良い。また、スイッチング信号ＳＴ₁、ＳＴ₃は、前段の時間及びデューティ比が予め設定され、後段のデューティ比を入力電流に基づいて設定し、後段の時間を出力電圧Ｖ₀に基づいて設定するものであっても良い。
【００４０】
これにより、例えば、スイッチング回路７２を設けていないときに（ＰＡＭ制御を行わないとき）には、図５（Ａ）に示される入力電圧に対して、図５（Ｂ）に示される入力電流となっている場合、スイッチング回路７２を用いてＰＡＭ制御を行うことにより、図４（Ｄ）に示される入力電流が得られる。
【００４１】
すなわち、電源装置４２では、ＰＡＭ制御を行うことにより、入力電流の位相を入力電圧の位相に近づけ、かつ、入力電流が滑らかに変化することができる。これにより、電源装置４２では、力率を高くできる（例えば０．９７以上）と共に交流電力から高調波成分の除去を図ることができる。
【００４２】
ところで、電源装置４２には、ブリッジ整流回路５０の入力端子５２Ａと、平滑回路６４との間にバイパス回路９０が設けられている。このバイパス回路９０は、電流の通過方向が互いに異なる方向へ向けられた２個のダイオード９２、９４によって形成されている。
【００４３】
ダイオード９２、９４は、リアクトル５４と共にブリッジ整流回路５０の入力端子５２Ａに接続されている。また、一方のダイオード９４は、ダイオード６０と共にコンデンサ６６、７０の＋側に接続されており、他方のダイオード９２は、ダイオード６２と共にコンデンサ６８、７０の−側に接続されている。
【００４４】
電源装置４２では、このようにダイオード９２、９４を設けることにより、図３（Ａ）に示されるように、リアクトル５４からダイオード９４を介してコンデンサ６６の＋側へ電流が流れ、また、図３（Ｂ）に示されるように、コンデンサ６８の−側からダイオード９２を介してリアクトル５４へ電流が流れるようになっている。なお、図３（Ａ）及び図３（Ｂ）では、矢印で電流の流れを示している。
【００４５】
これにより、電源装置４２では、交流電源５６側に設けているリアクトル５４に蓄積された電力が、ブリッジ整流回路５０のダイオード４８及び昇圧用のダイオード６０を通過せずに、バイパス回路９０のダイオード９４を通過してコンデンサ６６、６８に蓄積される。
【００４６】
以下に、本実施の形態の作用を説明する。
【００４７】
エアコン１０は、図示しないリモコンスイッチの操作によって、運転モード、設定温度等の運転条件が設定され、運転／停止ボタンの操作によって運転開始が指示されていると、室内ユニット１２に設けている図示しないマイコンが、設定された運転条件に応じて室内を空調するために必要な空調能力を演算し、この演算結果に基づいてコンプレッサモータ４０の回転数を設定する。この後、室内ユニット１２に設けているマイコンは、設定した回転数でコンプレッサモータ４０を駆動するように、室外ユニット１４のコントロール基板４４へ信号を送出する。
【００４８】
室外ユニット１４に設けているコントロール基板４４では、内部のマイコンが室内ユニット１２のマイコンによって指示されたコンプレッサ２６の回転数が得られるように電源装置４２及びインバータ回路４６を制御しながらコンプレッサモータ４０を回転駆動する。これにより、エアコン１０では、コンプレッサ２６で圧縮された冷媒が冷凍サイクル中を循環され、室内ユニット１２に設けている熱交換器１８を通過する空気を温調する。この室内ユニット１２の熱交換器１８を通過することにより温調された空気が、室内ユニット１２から吹出されることにより、室内の空調が図られる。
【００４９】
ところで、エアコン１０の室外ユニット１４では、インバータ回路４６を用いたＰＷＭ制御に加えて、インバータ回路４６に入力する電源装置４２の出力電圧を変化させることにより、コンプレッサ２６の回転数を制御するＰＡＭ制御を行うようにしている。
【００５０】
また、コントロール基板４４に設けているＰＡＭ制御回路８０は、ＰＡＭ制御を行うときに、電源装置４２に入力される交流電力の力率改善および高調波抑制を合わせて行うようにしている。
【００５１】
このために、電源装置４２には、ダイオード４８を用いたブリッジ整流回路５０と、昇圧用のダイオード６０、６２が設けられている。これにより、リアクトル５４に蓄積された電力は、ブリッジ整流回路５０のダイオード４８及びダイオード６０又はダイオード６２を通過して平滑回路６４を形成するコンデンサ６６、６８に蓄積される。
【００５２】
一般に、ダイオード４８、６０、６２等では、少なからず電力の損失が生じる。このために、入力電力に対して出力電力が低くなり、電力の利用効率が低下する。すなわち、ダイオードでは、１個当たり約０．７５Ｖの電圧降下が生じる。この電圧降下は、ダイオードに入力される電力を出力する時の損失となって生じ、通過電流が大きくなるほど電力損失も大きくなる。
【００５３】
一方、電源装置４２には、バイパス回路９０が設けられている。このバイパス回路９０は、リアクトル５４と平滑回路６４とをダイオード９２、９４によって接続している。
【００５４】
これにより、電源装置４２では、図４（Ａ）に示されるように、リアクトル５４に蓄積された電力は、リアクトル５４からダイオード９４を通過して、コンデンサ６６の＋側に流れ、コンデンサ６６に蓄積される。また、コンデンサ６８の−側からは、ダイオード９２を通過してリアクトル５４に流れる。
【００５５】
これにより、リアクトル５４と平滑回路６４の間では、実質的に電流がブリッジ整流回路５０のダイオード４８及び昇圧用のダイオード６０又はダイオード６２を通過せず、ダイオード９４又はダイオード９２を通過して電力の蓄積および放出が行われる。
【００５６】
したがって、電源装置４２では、電力損失の低減が図られ、入力される電力が効率良くインバータ回路４６へ出力される。すなわち、リアクトル５４と平滑回路６４の間が、ブリッジ整流回路５０のダイオード４８と、昇圧用のダイオード６０又はダイオード６２によって接続された場合、電源装置４２に入力される電力は、少なくとも２個のダイオードを通過することになる。これに対してダイオード９２、９４によって形成したバイパス回路９０を設けることにより、入力電力は、１個のダイオードを通過して出力され、２個のダイオードを通過する場合に比べて電力損失が低減される。
【００５７】
電源装置４２では、このように電力の損失を低減することができるので、入力される電力を効率良く出力することができる。特に、エアコン１０では、コンプレッサ２６の能力が大きくなると、電源装置４２は大きな出力電力を必要とする。大きな出力電力が必要となると、ダイオードによる電力損失も大きくなるが、電源装置４２を設けたエアコン１０では、この電力損失を大きく低減して、空調運転を行うことができる。
【００５８】
また、電源装置４２では、バイパス回路９０を２個のダイオード９２、９４によって形成する簡単な構成となっており、電力損失の低減を安価に達成することができている。
【００５９】
なお、本実施の形態では、互いに異なる電流の通過方向が互いに異なる方向へ向けたダイオード９２、９４によってバイパス回路９０を形成したが、バイパス回路としては、少なくともダイオード９２、９４の一方によって形成したものであれば良い。
【００６０】
また、以上説明した本実施の形態は、本発明の構成を限定するものではない。本発明は、エアコン１０に限らず、ＰＡＭ制御を行う任意の構成の空気調和機に適用することができる。また、本発明は、空気調和機に限らず、ＰＡＭ制御を行う任意の構成の電源装置に適用することができる。
【００６１】
【発明の効果】
以上説明したように本発明によれば、一対のバイパス用のダイオードのそれぞれが、整流回路のブリッジダイオードと昇圧回路に設けられる昇圧用のダイオードをバイパスするバイパス回路を設けることにより、ダイオードによる電力の損失の低減を図ることができる。これにより、電力変換効率を向上させ、入力される電力を用いたコンプレッサ等の負荷の効率的な運転が可能となると言う優れた効果が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本実施の形態に適用した電源装置の概略構成を示すブロック図である。
【図２】本実施の形態の電源装置を適用したエアコンの冷凍サイクルを示す概略図である。
【図３】（Ａ）及び（Ｂ）はバイパス回路への電流の流れを示す電源装置の概略図であり、（Ａ）はリアクトルから平滑回路への電流の流れを示し、（Ｂ）は平滑回路からリアクトルへの電流の流れを示している。
【図４】（Ａ）乃至（Ｂ）は横軸を時間軸とした線図であり、（Ａ）は電源装置に入力電圧の一例を示す線図、（Ｂ）は入力電圧に基づいて出力されるスイッチング信号を示す線図、（Ｃ）はスイッチング信号のタイミングを示す線図、（Ｄ）は図４（Ｃ）のタイミングでスイッチングすることにより得られる入力電流を示す線図である。
【図５】（Ａ）及び（Ｂ）は横軸を時間軸とした線図であり、（Ａ）は入力電圧の一例を示す線図であり、（Ａ）はＰＡＭ制御を行わないときの図５（Ａ）に応じた入力電流の一例を示す線図である。
【符号の説明】
１０エアコン
１４室外ユニット
２６コンプレッサ
４０コンプレッサモータ
４２電源装置
４４コントロール基板
４８ダイオード
５０ブリッジ整流回路
５４リアクトル
５６交流電源
６０、６２ダイオード
６４平滑回路
６６、６８、７０コンデンサ
７２スイッチング回路
８０ＰＡＭ制御回路
９０バイパス回路
９２、９４ダイオード[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a power supply device that converts AC power into DC power. Specifically, the present invention relates to a power supply device provided with a bridge rectifier circuit and a booster circuit.
[0002]
[Prior art]
Some air conditioners (air conditioners) that perform air conditioning with a refrigeration cycle change the rotational speed of a rotary compressor when adjusting the air conditioning capacity. That is, in the air conditioner, the cooling / heating capacity is lowered by lowering the rotation speed of the compressor, and the cooling / heating capacity is raised by raising the rotation speed of the compressor. In such an air conditioner, the drive of the compressor is controlled by inverter control.
[0003]
By the way, some power supply devices used for compressor inverter control perform PAM (Pulse Amplitude Modulation) control. A power supply device that performs PAM control includes a booster circuit that uses a chopper circuit or the like in addition to a bridge rectifier circuit, and converts the power rectified by the bridge rectifier circuit into power of a desired voltage by the booster circuit. ing.
[0004]
The step-up circuit includes a reactor element, a step-up diode, a switch element, and a capacitor. After the power is stored in the reactor element by turning on / off the switching element, the capacitor is charged with the electric power to generate a direct current of a desired voltage. It is designed to output power.
[0005]
In the power supply device, when such a booster circuit is provided, the ratio of the ON time of the switching element (duty ratio) is controlled to improve the power factor and suppress the harmonic current.
[0006]
[Problems to be solved by the invention]
However, in the diode, a voltage drop (for example, about 0.75 V) occurs not a little. This voltage drop appears as power loss, and the loss increases as the output power increases. In a power supply device that performs PAM control, a diode is provided in each of the bridge rectifier circuit and the booster circuit, and there is a problem that the power conversion efficiency is lowered due to the loss caused by this.
[0007]
The present invention has been made in view of the above-described facts, and an object of the present invention is to propose a power supply device that improves power conversion efficiency by suppressing power loss.
[0008]
[Means for Solving the Problems]
The present invention for solving the above problems, a rectifier circuit that outputs the pair of output terminals and more full-wave rectifying an AC power input to a pair of input terminals to the diode bridge, the pair of inputs of the rectifier circuit A reactor element connected to one of the terminals, a switching element connected between the pair of output terminals of the rectifier circuit, a smoothing circuit for smoothing the power input to the positive electrode side and the negative electrode side and outputting DC power, and, a booster circuit formed include a pair of diodes for boosting disposed between the positive electrode side and negative electrode side of each said smoothing circuit of the pair of output terminals of the rectifier circuit, wherein the reactor element A pair of bypass diodes for connecting the one input terminal of the connected rectifier circuit and the positive electrode side and the negative electrode side of the smoothing circuit; One current direction of Aode is from the one input terminal side to the positive side of the smoothing circuit, and the other current direction of the pair of bypass diodes is from the negative side of the smoothing circuit to the one input terminal side. And a bypass circuit formed .
[0009]
According to the present invention, using a rectifier circuit that performs full-wave rectification and a booster circuit, the AC current is rectified and boosted to output DC power of a predetermined voltage. At this time, a bridge rectifier circuit formed by diode bridge connection is used as the rectifier circuit, and the booster circuit is provided with a switching element, and a desired voltage is obtained by turning on / off the switching element.
[0010]
Bypass circuit, a reactor element and a smoothing circuit are connected by a pair of bypass diodes, each diode of a pair of bypass electric current to the charging direction to the smoothing circuit. Thus, the power accumulated in the reactor element is not spend through the diode for the step-up of the bridge-connected diodes and the booster circuit of the rectifier circuit, is stored in the smoothing circuit through the diode for bypassing the bypass circuit. That is, the number of diodes through which the electric power stored in the reactor element passes can be reduced.
[0011]
As a result, power loss can be suppressed and input power can be output efficiently.
[0013]
Thus, according to the present invention, the power conversion efficiency can be improved by the bypass circuit that can be formed easily and at low cost.
[0014]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings. FIG. 2 shows a refrigeration cycle of an air conditioner (hereinafter referred to as “air conditioner 10”) applied to the present embodiment.
[0015]
The air conditioner 10 includes an indoor unit 12 installed in an air-conditioned room and an outdoor unit 14 installed outside the room. The indoor unit 12 and the outdoor unit 14 are thick refrigerant pipes 16A that circulate refrigerant. And a thin refrigerant pipe 16B.
[0016]
The indoor unit 12 is provided with a heat exchanger 18, and one ends of the refrigerant pipes 16 A and 16 B are connected to the heat exchanger 18. The other end of the refrigerant pipe 16A is connected to the four-way valve 24 via the valve 20A and the muffler 22A of the outdoor unit 14. The four-way valve 24 is connected to the compressor 26 via an accumulator 28 and a muffler 22B.
[0017]
Furthermore, the outdoor unit 14 is provided with a heat exchanger 30. One of the heat exchangers 30 is connected to the four-way valve 24, and the other is connected to the valve 20 B via a capillary tube 32, a strainer 34, and a modulator 38. An electric expansion valve 36 is provided between the strainer 34 and the modulator 38, and the other end of the refrigerant pipe 16B is connected to the valve 20B. Thereby, a sealed circulation path of the refrigerant forming the refrigeration cycle is configured between the indoor unit 12 and the outdoor unit 14.
[0018]
In the air conditioner 10, when the compressor 26 is operated by the rotational drive of the compressor motor 40 provided integrally with the compressor 26, the refrigerant is circulated in the refrigeration cycle. At this time, in the air conditioner 10, the four-way valve 24 is switched according to the operation mode (cooling mode or heating mode), and the evaporation temperature of the refrigerant is adjusted by controlling the valve opening degree of the electric expansion valve 36. In addition, in FIG. 2, the flow of the refrigerant | coolant at the time of heating operation (heating mode) and cooling operation (cooling mode or dry mode) is shown by the arrow.
[0019]
In the cooling mode, the refrigerant compressed by the compressor 26 is liquefied by being supplied to the heat exchanger 30, and the liquefied refrigerant is vaporized by the heat exchanger 18 of the indoor unit 12. Cool the passing air. In the heating mode, conversely, the refrigerant compressed by the compressor 26 dissipates heat by being condensed in the heat exchanger 18 of the indoor unit 12, and the air passing through the heat exchanger 18 with the heat dissipated by the refrigerant. Heat.
[0020]
The indoor unit 12 passes through the heat exchanger 18 and adjusts the temperature when air sucked by a cross flow fan (not shown) provided for blowing air is blown into the room. Thereby, the room is air-conditioned by the air blown from the indoor unit 12.
[0021]
On the other hand, as shown in FIG. 1, the outdoor unit 14 is provided with a power supply device 42 and a control board 44 including a microcomputer (not shown). The power supply device 42 converts AC power supplied to the outdoor unit 14 into DC power used to drive the compressor motor 40. The power supply device 42 includes a compressor motor 40 via an inverter circuit 46. It is connected.
[0022]
In the control board 44, the microcomputer is connected to a microcomputer (not shown) provided in the indoor unit by serial communication or the like. The control board 44 is connected to an outside air temperature sensor that detects the outside air temperature, a compressor temperature sensor that detects the temperature of the compressor 26, a coil temperature sensor that detects the coil temperature of the heat exchanger 30, and the like.
[0023]
Thereby, the microcomputer provided in the control board 44 cools the compressor motor 40, the four-way valve 24, the conductive expansion valve 36 and the heat exchanger 30 based on the signal sent from the indoor unit 12 and the detection result of each sensor. Controls driving of cooling fans and the like. Further, when the microcomputer of the control board 44 controls the operation of the compressor motor 40, the microcomputer 40 controls the power supply device 42 and the inverter circuit 46 so that the compressor 26 is rotationally driven at a predetermined rotational speed. To control.
[0024]
The inverter circuit 46 has a general configuration in which a switching element is provided. Further, as the compressor motor 40, a DC brushless motor is used, and the rotation speed changes according to the change of the input voltage.
[0025]
The microcomputer provided on the control board 44 controls the duty ratio of the switching signal for driving the switching element provided in the inverter circuit 46, and the switching circuit is driven by this switching signal. The power of the voltage according to the duty ratio of the signal is output. By driving the compressor motor 40 with this electric power, the compressor 26 is operated at the rotation speed set by the microcomputer of the control board 44.
[0026]
The inverter circuit 46, when a constant duty ratio of the switching signal, the input voltage to the output voltage inverter circuit 46, i.e., changes in accordance with the output voltage V ₀ which from the power supply 42. Thereby, the rotation speed of the compressor motor 40 can be changed by changing the input voltage to the inverter circuit 46.
[0027]
In the outdoor unit 14, a microcomputer provided on the control board 44 controls the power supply device 42 to change the output voltage V ₀ to the inverter circuit 46 to drive the compressor motor 40. PAM (Pulse Amplitude Modulation: (Pulse amplitude modulation) control is performed.
[0028]
The power supply device 42 is provided with a bridge rectifier circuit 50 in which a diode 48 is bridge-connected. In the bridge rectifier circuit 50, a reactor 54 is connected to one input terminal 52A. Thereby, AC power of a predetermined voltage (for example, single phase 100 V) is input from the AC power source 56 to the input terminals 52A and 52B of the bridge rectifier circuit 50 via the reactor 54.
[0029]
Further, a smoothing circuit 64 is connected to the bridge rectifier circuit 50 via output diodes 60 and 62 at output terminals 58A and 58B. The diode 60 connected to the output terminal 58A has a current direction in the direction from the bridge rectifier circuit 50 to the smoothing circuit 64, and the diode 62 connected to the output terminal 58B has a current direction in the smoothing circuit 64. To the bridge rectifier circuit 50.
[0030]
The smoothing circuit 64 is formed by capacitors 66 and 68 connected in series and a capacitor 70 connected in parallel to the capacitors 66 and 68, and a diode 60 is connected to the + side of the capacitors 66 and 70. The negative side of 70 is connected to the diode 62.
[0031]
Further, the power supply device 42 is provided with a switching circuit 72 between the diodes 60 and 62 (between the output terminals 58A and 58B of the bridge rectifier circuit 50). The switching circuit 72 is formed by a switching Tr 74 such as an IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor) as a switching element and a diode 76 so that a current flows from the output terminal 58A to the output terminal 58B when the switching Tr 74 is turned on. It has become.
[0032]
As a result, in the power supply device 42, the booster circuit 78 is formed by the reactor 54, the switching circuit 72, the diodes 60 and 62, and the smoothing circuit 64 provided with the bridge rectifier circuit 50 interposed therebetween, and the AC power is bridge rectified. After rectification by the circuit 50, the voltage is boosted by switching (on / off) of the switching Tr 74 and output. At this time, the output voltage V ₀ is changed depending on the ON time of the switching signal for driving the switching Tr 74.
[0033]
On the other hand, on the control substrate 44, a drive circuit 82 for driving the PAM control circuit 80 and the switching Tr 74 of the switching circuit 72 is formed. Further, the power supply device 42 is provided with a current detection circuit 84 and a zero cross detection circuit 86, and these are connected to the PAM control circuit 80.
[0034]
A CT 88 provided between the reactor 54 and the AC power supply 50 is connected to the current detection circuit 84. The zero-cross detection circuit 86 is connected to the reactor 54 and the input terminal 52B of the bridge rectifier circuit 50 on the AC power supply 56 side. As a result, the PAM control circuit 80 receives the zero cross signal based on the current and voltage waveform input to the power supply device 42.
[0035]
The PAM control circuit 80 sets the duty ratio of the switching signal based on the input current detected by the current detection circuit 84, and outputs the switching signal to the drive circuit 82 at a timing based on the zero cross point detected by the zero cross detection circuit 86. To do. As a result, the PAM control circuit 80 outputs a predetermined voltage from the power supply device 42, removes harmonic components from the AC power input to the power supply device 42, and improves the power factor (power factor improvement). ing. Note that the PAM control circuit 80 performs switching at a period outside the audible frequency of 15 kHz or more (for example, 17 kHz).
[0036]
Thus, for example, as shown in FIG. 4 (A) through FIG. 4 (D), PAM control circuit 80, in one cycle of the AC power supply 50, switching signals ST ₁ ~ST ₄ (see FIG. 4 (C) ) Is set to output. At this time, the PAM control circuit 80 detects the zero cross point P _{1 at} which the input voltage changes from the negative side to the positive side, and then outputs it slightly to output the switching signal ST ₁ (for example, a delay of time t ₁ ). The switching signal ST ₂ is output so as to stop before reaching the zero cross point P ₂ where the voltage changes from the positive side to the negative side (for example, time t ₂ ). The PAM control circuit 80 outputs the switching signal ST ₃ when the input voltage reaches the zero cross point P ₂ , and the switching signal ST so as to stop before the input voltage reaches the zero cross point P ₁ (for example, time t ₃ ). ₄ is output.
[0037]
Further, the PAM control circuit 80 sets switching times t ₄ , t ₅ , t ₆ , and t ₇ that are times when the switching signals ST _{1 to} ST ₄ are output mainly based on the output voltage V ₀ of the power supply device 42. Then, the duty ratio (ON time) of the switching signals ST _{1 to} ST ₄ is set mainly based on the input current detected by the current detection circuit 84.
[0038]
At this time, the duty ratio of the switching signals ST ₁ and ST ₃ is set to be shorter than the duty of the switching signals ST ₂ and ST ₄ . In addition, the PAM control circuit 80 provides switching stop time between the switching signal ST ₁ and the switching signal ST ₂ and between the switching signal ST ₃ and the switching signal ST ₄ .
[0039]
Note that the start and stop of sending of the switching signals ST _{1 to} ST ₄ may be performed by setting the phase angle of the AC voltage and the time based on this phase angle. In addition, the switching signals ST ₁ and ST ₃ are set in advance with the time and duty ratio of the preceding stage, set the duty ratio of the subsequent stage based on the input current, and set the time of the subsequent stage based on the output voltage V _0. There may be.
[0040]
Thereby, for example, when the switching circuit 72 is not provided (when PAM control is not performed), the input current shown in FIG. 5B is compared with the input voltage shown in FIG. In such a case, the input current shown in FIG. 4D can be obtained by performing the PAM control using the switching circuit 72.
[0041]
That is, in the power supply device 42, by performing the PAM control, the phase of the input current can be brought close to the phase of the input voltage, and the input current can be changed smoothly. Thereby, in the power supply device 42, a power factor can be made high (for example, 0.97 or more), and a harmonic component can be removed from AC power.
[0042]
Incidentally, the power supply device 42 is provided with a bypass circuit 90 between the input terminal 52 A of the bridge rectifier circuit 50 and the smoothing circuit 64. The bypass circuit 90 is formed by two diodes 92 and 94 whose current passing directions are directed in different directions.
[0043]
The diodes 92 and 94 are connected to the input terminal 52 A of the bridge rectifier circuit 50 together with the reactor 54. One diode 94 is connected to the positive side of the capacitors 66 and 70 together with the diode 60, and the other diode 92 is connected to the negative side of the capacitors 68 and 70 together with the diode 62.
[0044]
In the power supply device 42, by providing the diodes 92 and 94 as described above, as shown in FIG. 3A, a current flows from the reactor 54 to the positive side of the capacitor 66 through the diode 94. As shown in (B), a current flows from the negative side of the capacitor 68 to the reactor 54 via the diode 92. Note that in FIGS. 3A and 3B, current flow is indicated by arrows.
[0045]
Thus, in the power supply device 42, stored in the reactor 54 provided for the AC power supply 56 side power, without passing through the diode 48 and the diode 6 0 for boosting the bridge rectifier circuit 50, the diode of the bypass circuit 90 94 is accumulated in capacitors 66 and 68 after passing through 94 .
[0046]
The operation of the present embodiment will be described below.
[0047]
The air conditioner 10 is provided in the indoor unit 12 when an operation condition such as an operation mode and a set temperature is set by an operation of a remote control switch (not shown) and an operation start is instructed by an operation of the operation / stop button. The microcomputer calculates the air conditioning capacity necessary for air conditioning the room according to the set operating conditions, and sets the rotation speed of the compressor motor 40 based on the calculation result. Thereafter, the microcomputer provided in the indoor unit 12 sends a signal to the control board 44 of the outdoor unit 14 so as to drive the compressor motor 40 at the set rotational speed.
[0048]
On the control board 44 provided in the outdoor unit 14, the compressor motor 40 is controlled while controlling the power supply device 42 and the inverter circuit 46 so that the internal microcomputer can obtain the rotation speed of the compressor 26 instructed by the microcomputer of the indoor unit 12. Rotation drive. Thereby, in the air conditioner 10, the refrigerant compressed by the compressor 26 is circulated in the refrigeration cycle, and the temperature of the air passing through the heat exchanger 18 provided in the indoor unit 12 is adjusted. Air that has been temperature-controlled by passing through the heat exchanger 18 of the indoor unit 12 is blown out of the indoor unit 12, thereby air conditioning the room.
[0049]
By the way, in the outdoor unit 14 of the air conditioner 10, in addition to PWM control using the inverter circuit 46, PAM control for controlling the rotation speed of the compressor 26 by changing the output voltage of the power supply device 42 input to the inverter circuit 46. Like to do.
[0050]
In addition, the PAM control circuit 80 provided on the control board 44 is configured to perform power factor improvement and harmonic suppression of AC power input to the power supply device 42 when performing PAM control.
[0051]
For this purpose, the power supply device 42 is provided with a bridge rectifier circuit 50 using a diode 48 and boosting diodes 60 and 62. Thereby, the electric power stored in the reactor 54 is stored in the capacitors 66 and 68 that pass through the diode 48 and the diode 60 or the diode 62 of the bridge rectifier circuit 50 to form the smoothing circuit 64.
[0052]
In general, the diodes 48, 60, 62 and the like cause a considerable power loss. For this reason, output power becomes low with respect to input power, and the utilization efficiency of electric power falls. That is, in the diode, a voltage drop of about 0.75 V per one occurs. This voltage drop occurs as a loss when outputting the power input to the diode, and the power loss increases as the passing current increases.
[0053]
On the other hand, the power supply device 42 is provided with a bypass circuit 90. In the bypass circuit 90, the reactor 54 and the smoothing circuit 64 are connected by diodes 92 and 94 .
[0054]
As a result, in the power supply device 42, as shown in FIG. 4A, the electric power accumulated in the reactor 54 flows from the reactor 54 through the diode 94 to the + side of the capacitor 66 and accumulates in the capacitor 66. Is done. Further, from the minus side of the capacitor 68, it passes through the diode 92 and flows to the reactor 54.
[0055]
As a result, between the reactor 54 and the smoothing circuit 64, the current substantially does not pass through the diode 48 and the boosting diode 60 or the diode 62 of the bridge rectifier circuit 50, but passes through the diode 94 or the diode 92 and the electric power. Accumulation and release takes place.
[0056]
Therefore, in the power supply device 42, power loss is reduced, and input power is efficiently output to the inverter circuit 46. That is, when the reactor 54 and the smoothing circuit 64 are connected by the diode 48 of the bridge rectifier circuit 50 and the boosting diode 60 or the diode 62, the power input to the power supply device 42 is at least two diodes. Will pass. On the other hand, by providing the bypass circuit 90 formed by the diodes 92 and 94, the input power is output through one diode, and the power loss is reduced as compared with the case of passing through two diodes. The
[0057]
In the power supply device 42, power loss can be reduced in this way, so that input power can be output efficiently. In particular, in the air conditioner 10, when the capacity of the compressor 26 increases, the power supply device 42 requires a large output power. When a large output power is required, the power loss due to the diode also increases. However, in the air conditioner 10 provided with the power supply device 42, the power loss can be greatly reduced and the air conditioning operation can be performed.
[0058]
Further, the power supply device 42 has a simple configuration in which the bypass circuit 90 is formed by the two diodes 92 and 94, and reduction of power loss can be achieved at low cost.
[0059]
In the present embodiment, the bypass circuit 90 is formed by the diodes 92 and 94 having different current passing directions in different directions. However, the bypass circuit is formed by at least one of the diodes 92 and 94. If it is good.
[0060]
Further, the present embodiment described above does not limit the configuration of the present invention. The present invention is not limited to the air conditioner 10 and can be applied to an air conditioner having an arbitrary configuration that performs PAM control. The present invention is not limited to an air conditioner and can be applied to a power supply apparatus having an arbitrary configuration that performs PAM control.
[0061]
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention, each of the pair of bypass diodes is provided with a bypass circuit that bypasses the boost diode provided in the boost diode and the bridge diode of the rectifier circuit. Loss can be reduced. As a result, it is possible to improve the power conversion efficiency and to obtain an excellent effect that the load such as a compressor using the input power can be efficiently operated.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a block diagram showing a schematic configuration of a power supply device applied to the present embodiment.
FIG. 2 is a schematic diagram showing a refrigeration cycle of an air conditioner to which the power supply device of the present embodiment is applied.
FIGS. 3A and 3B are schematic views of a power supply device showing a current flow to a bypass circuit, FIG. 3A shows a current flow from a reactor to a smoothing circuit, and FIG. It shows the current flow from the circuit to the reactor.
4A and 4B are diagrams in which the horizontal axis is a time axis, FIG. 4A is a diagram illustrating an example of an input voltage to a power supply device, and FIG. 4B is an output based on the input voltage; FIG. 5C is a diagram showing the switching signal timing, FIG. 5C is a diagram showing the timing of the switching signal, and FIG. 5D is a diagram showing the input current obtained by switching at the timing of FIG.
FIGS. 5A and 5B are diagrams with the horizontal axis as a time axis, FIG. 5A is a diagram showing an example of an input voltage, and FIG. 5A is a diagram when PAM control is not performed; It is a diagram which shows an example of the input current according to FIG.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 Air conditioner 14 Outdoor unit 26 Compressor 40 Compressor motor 42 Power supply device 44 Control board 48 Diode 50 Bridge rectifier circuit 54 Reactor 56 AC power supply 60, 62 Diode 64 Smoothing circuit 66, 68, 70 Capacitor 72 Switching circuit 80 PAM control circuit 90 Bypass circuit 92, 94 diode

Claims

A rectifier circuit that outputs the pair of output terminals and more full-wave rectifying an AC power input to a pair of input terminals to the diode bridge,
A reactor element connected to one of the pair of input terminals of the rectifier circuit, a switching element connected between the pair of output terminals of the rectifier circuit, and power input to the positive side and the negative side are smoothed. smoothing circuit for outputting DC power, and is formed to include a pair of respectively the positive electrode side and a pair of diodes for boosting disposed between the negative electrode side of the smoothing circuit output terminals of said rectifier circuit A booster circuit;
Including a pair of bypass diodes that connect the one input terminal of the rectifier circuit to which the reactor element is connected and the positive side and the negative side of the smoothing circuit, and one current of the pair of bypass diodes The direction is formed from the one input terminal side to the positive side of the smoothing circuit, and the other current direction of the pair of bypass diodes is formed from the negative side of the smoothing circuit to the one input terminal side. A bypass circuit;
Power supply unit with