JP7224546B2 - 直流電源装置およびその制御方法 - Google Patents

Description

本開示は、交流電源に接続される直流電源装置およびその制御方法に関する。

従来、交流電圧のゼロクロス点を検出するゼロクロス検出器、交流電圧を全波整流する整流回路、整流回路の入力端間に接続されたスイッチ部、整流回路の出力端間に接続された平滑コンデンサ、および制御部を有する直流電源装置が知られている（例えば、特許文献１参照）。制御部は、複数種の負荷に対応して、ゼロクロス点からスイッチ部の短絡開始までの遅延時間と短絡時間との組み合わせであるスイッチパターンを記憶し、平滑コンデンサの出力端に並列に接続される負荷に最適なスイッチパターンを選択する。

特開２０１０－２０７０１８号公報

交流電源から供給される交流電圧の周波数は一定とは限らない。例えば、交流電源として発電機を使用する場合、発電機から供給される交流電圧の周波数は発電機のモータの回転数に応じて変動するため、周波数が変動する場合がある。この場合、ゼロクロス点の周期が安定せず、ゼロクロス点のタイミングが急変動することがある。

また、ゼロクロス点の周期の変動は、交流電圧の周波数の異常が原因になる場合に限らず、交流電圧に生じた歪みが原因になることもある。例えば、同じ電源系統に複数の直流電源装置が接続されている状態において、複数の直流電源装置が同じタイミングでスイッチの短絡動作を行うと、大きな短絡電流が流れ、電源のインピーダンス等による電圧降下によって、交流電圧に歪みが生じることがある。

特許文献１に開示された直流電源装置が、周期が変動したゼロクロス点を基準にしてスイッチ部を制御してしまうと、スイッチ部の短絡開始時間および短絡時間が負荷に最適なスイッチパターンと一致しなくなる。そのため、スイッチ部の短絡動作と最適なスイッチパターンとにずれが生じることになり、直流電源装置から出力される直流電圧が過昇圧または昇圧不足になるおそれがある。その結果、直流電源装置は安定した直流電圧を出力することができない。

本開示は、上記のような課題を解決するためになされたもので、交流電源のゼロクロス点の周期が変動しても安定した直流電圧を出力する直流電源装置およびその制御方法を提供するものである。

本開示に係る直流電源装置は、交流電源から出力される電源電圧を整流する整流回路と、前記整流回路の出力電圧を平滑化して直流電圧を出力する平滑コンデンサと、前記整流回路の出力側と前記平滑コンデンサの入力側との間に接続されたスイッチと、前記電源電圧のゼロクロス点を検出するゼロクロス検出器と、前記ゼロクロス検出器によって検出される前記ゼロクロス点の周期であるゼロクロス周期に基づいて、前記スイッチをオン動作させる制御信号であるオン信号を生成する制御装置と、を有し、前記制御装置は、前記スイッチのオン動作のタイミングが、前記ゼロクロス周期と、予め決められた一定時間に検出された複数の前記ゼロクロス周期の平均値であるゼロクロス平均周期との間になるように、前記オン信号の周期であるスイッチング周期を設定する調整手段と、前記調整手段によって設定された前記スイッチング周期に対応して前記オン信号を前記スイッチに出力するスイッチ制御手段と、を有するものである。

本開示に係る直流電源装置の制御方法は、交流電源から出力される電源電圧を整流する整流回路と、前記整流回路の出力電圧を平滑化して直流電圧を出力する平滑コンデンサと、前記整流回路の出力側と前記平滑コンデンサの入力側との間に接続されたスイッチと、前記電源電圧のゼロクロス点を検出するゼロクロス検出器とを有する直流電源装置の制御方法であって、前記スイッチのオン動作のタイミングが、前記ゼロクロス検出器によって検出される前記ゼロクロス点の周期であるゼロクロス周期と、予め決められた一定時間に検出された複数の前記ゼロクロス周期の平均値であるゼロクロス平均周期との間になるように、前記スイッチをオン動作させるオン信号の周期であるスイッチング周期を設定するステップと、設定された前記スイッチング周期に対応して前記オン信号を前記スイッチに出力するステップと、を有するものである。

本開示によれば、スイッチのオン動作のタイミングがゼロクロス検出器の検出値に基づくゼロクロス周期とゼロクロス平均周期との間になるように、スイッチング周期が設定される。そのため、ゼロクロス点が変動しても、ゼロクロス点の変動による直流電圧への影響が低減する。その結果、直流電圧が過昇圧および昇圧不足になることが抑制され、安定した直流電圧を出力することができる。

実施の形態１に係る直流電源装置の一構成例を示す回路構成図である。 図１に示した制御装置の一構成例を示す機能ブロック図である。 図２に示した制御装置の一構成例を示すハードウェア構成図である。 図２に示した制御装置の別の構成例を示すハードウェア構成図である。 実施の形態１に係る直流電源装置の基本動作の場合のスイッチの動作を示す図である。 実施の形態１に係る直流電源装置の動作手順を示すフローチャートである。 実施の形態１において、直流電源のゼロクロス点の周期が変動したときにスイッチング周期が補正される場合の一例を示す図である。 実施の形態２に係る直流電源装置の動作手順を示すフローチャートである。 実施の形態２において、ゼロクロス周期が変動した場合の一例を示すタイミングチャートである。 実施の形態３に係る直流電源装置の動作手順を示すフローチャートである。

実施の形態１．
本実施の形態１の直流電源装置の構成を説明する。図１は、実施の形態１に係る直流電源装置の一構成例を示す回路構成図である。直流電源装置１０は、整流回路２、スイッチ４、平滑コンデンサ６、ゼロクロス検出器７、直流電圧検出器８および制御装置９を有する。図１は、整流回路２が整流用ダイオード２ａ～２ｄを有するブリッジ整流回路の場合を示しているが、整流回路２はブリッジ整流回路に限らない。制御装置９には、直流電源装置１０から出力される直流電圧Ｖｄｃの目標値である目標直流電圧Ｖｓが外部から入力される。

整流回路２は、交流電源１の出力側に接続され、交流電源１から出力される電源電圧Ｖａｃを全波整流する。整流回路２の出力側の２本の電線にスイッチ４が並列に接続されている。整流回路２の出力側の２本の電線のうち、高電圧側の電線にリアクトル３が接続されている。リアクトル３は、力率を改善し、高調波を抑制する。スイッチ４の出力側の２本の電線に平滑コンデンサ６が並列に接続されている。

スイッチ４は、整流回路２の出力側と平滑コンデンサの入力側との間に接続されている。スイッチ４は、整流回路２によって全波整流された電圧がリアクトル３を介して印加される。スイッチ４は、制御装置９と信号線（図示せず）を介して接続される。スイッチ４は、制御装置９から入力される制御信号に対応してオン動作およびオフ動作する。スイッチ４がオン動作すると、整流回路２の出力側の２本の電線が短絡し、スイッチ４がオフ動作すると、整流回路２の出力側の２本の電線が開放される。スイッチ４は、整流回路２の出力側の２本の電線を短絡および開放する。

スイッチ４の出力側の２本の電線のうち、高電圧側の電線にダイオード５が接続されている。ダイオード５は、平滑コンデンサ６から放電される電流がスイッチ４側に流れることを防ぐ。平滑コンデンサ６の出力側に直流電圧Ｖｄｃが出力される。平滑コンデンサ６の出力側に図に示さない負荷が接続され、直流電圧Ｖｄｃが負荷に供給される。

ゼロクロス検出器７は、交流電源１の出力側に接続されている。ゼロクロス検出器７は、交流電源１から出力される電源電圧Ｖａｃのゼロクロス点を検出する。ゼロクロス点は、電源電圧Ｖａｃにおける負電圧と正電圧との変化点である。直流電圧検出器８は、平滑コンデンサ６の出力側に接続されている。直流電圧検出器８は、平滑コンデンサ６から出力される直流電圧Ｖｄｃを検出する。ゼロクロス検出器７および直流電圧検出器８は制御装置９と接続される。ゼロクロス検出器７は、ゼロクロス点を検出すると、ゼロクロス点を検出したことを示す信号であるゼロクロス信号を制御装置９に出力する。直流電圧検出器８は、検出した直流電圧Ｖｄｃの値を制御装置９に出力する。本実施の形態１において、ゼロクロス検出器７によって検出されるゼロクロス点の周期であるゼロクロス周期をＴとする。

図１に示した制御装置９の構成を説明する。図２は、図１に示した制御装置の一構成例を示す機能ブロック図である。制御装置９は、直流電圧検出器８によって検出される直流電圧Ｖｄｃとゼロクロス検出器７によって検出されるゼロクロス点の周期であるゼロクロス周期Ｔとに基づいて、スイッチ４をオン動作させる制御信号であるオン信号Ｓを生成してスイッチ４に出力する。制御装置９は、調整手段２１と、スイッチ制御手段２２とを有する。制御装置９は、マイクロコンピュータなどの演算装置がソフトウェアを実行することにより各種機能が実現される。制御装置９は、各種機能を実現する回路デバイスなどのハードウェアで構成されてもよい。

調整手段２１は、ゼロクロス検出器７からゼロクロス信号が入力される時間間隔をタイマ（図示せず）で計測し、ゼロクロス周期Ｔを算出する。そして、調整手段２１は、ゼロクロス周期Ｔの平均値であるゼロクロス平均周期Ｔａｖｅを算出して記憶する。例えば、制御装置９が図に示さないメモリを有し、調整手段２１は、予め決められた一定時間に検出された複数のゼロクロス周期Ｔの値をメモリ（図示せず）に記憶させ、記憶した複数のゼロクロス周期Ｔを用いてゼロクロス平均周期Ｔａｖｅを算出する。そして、調整手段２１は、ゼロクロス平均周期Ｔａｖｅをメモリ（図示せず）に記憶させる。調整手段２１は、時間経過に伴って、メモリ（図示せず）に記憶させるゼロクロス平均周期Ｔａｖｅを最新の値に更新する。

また、調整手段２１は、スイッチ４のオン動作のタイミングが、ゼロクロス検出器７から入力されるゼロクロス信号に基づくゼロクロス周期Ｔと、ゼロクロス平均周期Ｔａｖｅとの間になるように、スイッチング周期Ｔｓを設定する。スイッチング周期Ｔｓは、スイッチ４に出力されるオン信号Ｓの周期である。例えば、調整手段２１は、次の式（１）に示す関係になるように、スイッチング周期Ｔｓを設定する。ただし、式（１）のｋは、０＜ｋ＜１である。（ｔ）は、（ｔ）の付された値が最新の値であることを意味する。
Ｔｓ（ｔ）＝Ｔａｖｅ（ｔ）＋ｋ（Ｔ（ｔ）－Ｔａｖｅ（ｔ））…（１）

スイッチ制御手段２２は、調整手段２１によって設定されたスイッチング周期Ｔｓにしたがって、オン信号Ｓをスイッチ４に出力する。また、スイッチ制御手段２２は、目標直流電圧Ｖｓと直流電圧検出器８によって検出される直流電圧Ｖｄｃとを比較する。そして、スイッチ制御手段２２は、目標直流電圧Ｖｓを基準として、目標直流電圧Ｖｓと直流電圧Ｖｄｃとの偏差がゼロに近づくように、スイッチ４をオン動作させる時間の長さを示すオン信号幅Ｔｏｎを算出する。オン信号幅Ｔｏｎは、スイッチ制御手段２２がオン信号Ｓをスイッチ４に出力する時間に相当する。スイッチ制御手段２２は、調整手段２１によって設定されたスイッチング周期Ｔｓに対応して、オン信号Ｓをオン信号幅Ｔｏｎの時間、スイッチ４に出力する。

ここで、図２に示した制御装置９のハードウェアの一例を説明する。図３は、図２に示した制御装置の一構成例を示すハードウェア構成図である。制御装置９の各種機能がハードウェアで実行される場合、図２に示した制御装置９は、図３に示すように、処理回路４１で構成される。図２に示した、調整手段２１およびスイッチ制御手段２２の各機能は、処理回路４１により実現される。

各機能がハードウェアで実行される場合、処理回路４１は、例えば、単一回路、複合回路、プログラム化したプロセッサ、並列プログラム化したプロセッサ、ＡＳＩＣ（Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ Ｓｐｅｃｉｆｉｃ Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ Ｃｉｒｃｕｉｔ）、ＦＰＧＡ（Ｆｉｅｌｄ－Ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ Ｇａｔｅ Ａｒｒａｙ）、または、これらを組み合わせたものに該当する。調整手段２１およびスイッチ制御手段２２の各手段の機能のそれぞれを処理回路４１で実現してもよい。また、調整手段２１およびスイッチ制御手段２２の各手段の機能を１つの処理回路４１で実現してもよい。

また、図２に示した制御装置９の別のハードウェアの一例を説明する。図４は、図２に示した制御装置の別の構成例を示すハードウェア構成図である。制御装置９の各種機能がソフトウェアで実行される場合、図２に示した制御装置９は、ＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ）等のプロセッサ４２と、メモリ４３とで構成される。調整手段２１およびスイッチ制御手段２２の各機能は、プロセッサ４２およびメモリ４３により実現される。図４は、プロセッサ４２およびメモリ４３がバス４４を介して互いに通信できるように接続されることを示す。メモリ４３は、ゼロクロス平均周期Ｔａｖｅを記憶する役目も果たす。

各機能がソフトウェアで実行される場合、調整手段２１およびスイッチ制御手段２２の機能は、ソフトウェア、ファームウェア、またはソフトウェアとファームウェアとの組み合わせにより実現される。ソフトウェアおよびファームウェアは、プログラムとして記述され、メモリ４３に格納される。プロセッサ４２は、メモリ４３に記憶されたプログラムを読み出して実行することにより、各手段の機能を実現する。

メモリ４３として、例えば、ＲＯＭ（Ｒｅａｄ Ｏｎｌｙ Ｍｅｍｏｒｙ）、フラッシュメモリ、ＥＰＲＯＭ（Ｅｒａｓａｂｌｅ ａｎｄ Ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ ＲＯＭ）およびＥＥＰＲＯＭ（Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌｌｙ Ｅｒａｓａｂｌｅ ａｎｄ Ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ ＲＯＭ）等の不揮発性の半導体メモリが用いられる。また、メモリ４３として、ＲＡＭ（Ｒａｎｄｏｍ Ａｃｃｅｓｓ Ｍｅｍｏｒｙ）の揮発性の半導体メモリが用いられてもよい。さらに、メモリ４３として、磁気ディスク、フレキシブルディスク、光ディスク、ＣＤ（Ｃｏｍｐａｃｔ Ｄｉｓｃ）、ＭＤ（Ｍｉｎｉ Ｄｉｓｃ）およびＤＶＤ（Ｄｉｇｉｔａｌ Ｖｅｒｓａｔｉｌｅ Ｄｉｓｃ）等の着脱可能な記録媒体が用いられてもよい。

なお、図１に示す構成例は、整流回路２とスイッチ４とを接続する電線にリアクトル３が接続される場合を示しているが、リアクトル３の位置は図１に示す場合に限らない。例えば、交流電源１に接続される電線にリアクトル３が接続されてもよく、リアクトル３はスイッチ４よりも交流電源１側に設けられていればよい。

次に、直流電源装置１０の基本動作を説明する。ここでは、交流電源１から出力される電源電圧Ｖａｃのゼロクロス点の周期が変動しない場合で説明する。交流電源１から供給された電源電圧Ｖａｃは整流回路２に入力する。整流回路２は、入力された交流の電源電圧Ｖａｃを全波整流して出力する。整流された電圧は、リアクトル３を介して平滑コンデンサ６によって平滑化され、直流電圧Ｖｄｃになる。

ゼロクロス検出器７は、交流電源１から供給される電源電圧Ｖａｃのゼロクロス点を検出し、ゼロクロス信号を制御装置９に出力する。直流電圧検出器８は、平滑コンデンサ６の両端の電圧である直流電圧Ｖｄｃを検出し、直流電圧Ｖｄｃを示す値を制御装置９に出力する。

調整手段２１は、ゼロクロス検出器７から入力されたゼロクロス信号から求めたゼロクロス周期Ｔとゼロクロス平均周期Ｔａｖｅとを用いて、式（１）にしたがってスイッチング周期Ｔｓを決める。ここでは、ゼロクロス点の周期が変動していないので、式（１）において、Ｔａｖｅ（ｔ）＝Ｔ（ｔ）となる。そのため、調整手段２１は、スイッチング周期Ｔｓを、Ｔｓ（ｔ）＝Ｔａｖｅ（ｔ）＝Ｔ（ｔ）に設定する。スイッチ制御手段２２は、目標直流電圧Ｖｓに直流電圧Ｖｄｃを近づけるオン信号幅Ｔｏｎを算出する。そして、スイッチ制御手段２２は、オン信号幅Ｔｏｎの情報を含むオン信号Ｓを、最新のゼロクロス周期（ｔ）のタイミングに合わせて、オン信号幅Ｔｏｎが示す時間、オン信号Ｓをスイッチ４に出力する。スイッチ４は、制御装置９から入力されるオン信号Ｓにしたがってオン動作し、オン信号幅Ｔｏｎの終了時にオフ動作する開閉動作を行う。

図５は、実施の形態１に係る直流電源装置の基本動作の場合のスイッチの動作を示す図である。図５は、交流電源１の電源電圧Ｖａｃ、リアクトル３に流れる電流Ｉｓ、およびスイッチ４のオン信号Ｓのそれぞれについて、経時変化を示すグラフである。

電源電圧Ｖａｃのゼロクロス点の経時変化およびスイッチ４のオン信号Ｓの経時変化に示すように、制御装置９からスイッチ４に出力される制御信号によって、スイッチ４がオン動作する。スイッチ４がオン動作すると、整流回路２の出力側の２本の電線が短絡状態になる。整流回路２の出力側の２本の電線が短絡状態になることで、交流電源１から整流回路２、リアクトル３およびスイッチ４を経由した後、再び、整流回路２を経由して交流電源１の順に、短絡電流が流れる。短絡電流は、図５の電流Ｉｓに示すように、尖った形状を有する入力電流となる。スイッチ４の短絡動作によって、入力力率が改善され、高調波電流が抑制される。例えば、高調波電流の値を一定値以下に抑制できる。

次に、電源電圧Ｖａｃのゼロクロス点の周期が変動した場合について、直流電源装置１０の動作を説明する。図６は、実施の形態１に係る直流電源装置の動作手順を示すフローチャートである。図７は、実施の形態１において、直流電源のゼロクロス点の周期が変動したときにスイッチング周期が補正される場合の一例を示す図である。図７は、交流電源１の電源電圧Ｖａｃ、リアクトル３に流れる電流Ｉｓ、およびスイッチ４のオン信号Ｓのそれぞれについて、経時変化を示す。制御装置９は図６に示すフローを一定の周期で実行する。制御装置９は、例えば、ゼロクロス検出器７からゼロクロス信号を受信するタイミングで図６に示すフローを実行する。

ゼロクロス検出器７は、交流電源１から供給される電源電圧Ｖａｃのゼロクロス点を検出すると、ゼロクロス信号を制御装置９に出力する。直流電圧検出器８は、平滑コンデンサ６の両端の電圧である直流電圧Ｖｄｃを検出すると、直流電圧Ｖｄｃを示す値を制御装置９に出力する。調整手段２１は、ゼロクロス検出器７からゼロクロス信号が入力されると（ステップＳ１０１）、最新のゼロクロス周期Ｔ（ｔ）を算出する。スイッチ制御手段２２は、直流電圧検出器８から直流電圧Ｖｄｃを示す値が入力されると（ステップＳ１０２）、目標直流電圧Ｖｓが目標直流電圧Ｖｓと一致するようにオン信号幅Ｔｏｎを算出する。

調整手段２１は、次のスイッチング周期Ｔｓ（ｔ）を決めるために、式（１）の条件が満たされるか否かを判定する。具体的には、調整手段２１は、使用中のスイッチング周期Ｔｓ（ｔ－１）が最新のゼロクロス周期Ｔ（ｔ）と最新のゼロクロス平均周期Ｔａｖｅ（ｔ）との間の値であるか否かを判定する（ステップＳ１０３）。ステップＳ１０３の判定の結果、スイッチング周期Ｔｓ（ｔ－１）が最新のゼロクロス周期Ｔ（ｔ）と最新のゼロクロス平均周期Ｔａｖｅ（ｔ）との間にない場合、調整手段２１は、次のスイッチング周期Ｔｓ（ｔ）を、スイッチング周期Ｔｓ（ｔ－１）とは異なる値に変更する（ステップＳ１０４）。具体的には、調整手段２１は、次のスイッチング周期Ｔｓ（ｔ）を、式（１）を満たす値に変更する。調整手段２１は、変更したスイッチング周期Ｔｓ（ｔ）の情報をスイッチ制御手段２２に送信する。

一方、ステップＳ１０３の判定の結果、スイッチング周期Ｔｓ（ｔ－１）が最新のゼロクロス周期Ｔ（ｔ）と最新のゼロクロス平均周期Ｔａｖｅ（ｔ）との間の値である場合、調整手段２１は、スイッチング周期Ｔｓ（ｔ）を変更しない（ステップＳ１０５）。調整手段２１は、次のスイッチング周期Ｔｓ（ｔ）をスイッチング周期Ｔｓ（ｔ－１）と同じ値に維持する旨の情報をスイッチ制御手段２２に送信する。

スイッチ制御手段２２は、調整手段２１によって設定されたスイッチング周期Ｔｓ（ｔ）に対応して、算出したオン信号幅Ｔｏｎの時間、オン信号Ｓをスイッチ４に出力する（ステップＳ１０６）。

このようにして、ゼロクロス点の周期が変動しても、スイッチ４のオン動作のタイミングが、最新のゼロクロス周期Ｔとゼロクロス平均周期Ｔａｖｅとの間になるように、ゼロクロス周期Ｔの変動に追従して補正される。スイッチ４は、変動後のゼロクロス周期に対応して確実にオン動作する。そのため、スイッチ４のスイッチングが理想的なスイッチングタイミングから大きくずれてしまうことを抑制できる。その結果、電源電圧歪みまたは周波数変動に起因してゼロクロス点が変動しても、出力される直流電圧Ｖｄｃが過電圧になったり、昇圧不足になったりすることを抑制できる。

本実施の形態１の直流電源装置１０は、電源電圧Ｖａｃを整流する整流回路２と、整流回路２の出力電圧を平滑化して直流電圧Ｖｄｃを出力する平滑コンデンサ６と、整流回路２の出力側と平滑コンデンサ６の入力側との間に接続されたスイッチ４と、電源電圧Ｖａｃのゼロクロス点を検出するゼロクロス検出器７と、制御装置９とを有する。制御装置９は、ゼロクロス検出器７によって検出されるゼロクロス点の周期であるゼロクロス周期Ｔに基づいて、スイッチ４をオン動作させる制御信号であるオン信号Ｓを生成する。制御装置９は、調整手段２１およびスイッチ制御手段２２を有する。調整手段２１は、スイッチ４のオン動作のタイミングが、ゼロクロス周期Ｔと、ゼロクロス平均周期Ｔａｖｅとの間になるように、スイッチング周期Ｔｓを設定する。スイッチ制御手段２２は、調整手段２１によって設定されたスイッチング周期Ｔｓに対応してオン信号Ｓをスイッチ４に出力する。

本実施の形態１によれば、スイッチ４のオン動作のタイミングがゼロクロス検出器７の検出値に基づくゼロクロス周期Ｔとゼロクロス平均周期Ｔａｖｅとの間になるように、スイッチング周期Ｔｓが設定される。そのため、電源電圧歪みまたは周波数変動に起因してゼロクロス点が変動しても、ゼロクロス点の変動による直流電圧Ｖｄｃへの影響が低減する。その結果、直流電圧Ｖｄｃが過昇圧および昇圧不足になることが抑制され、安定した直流電圧Ｖｄｃを出力することができる。

実施の形態２．
実施の形態１は、交流電源１の電源電圧Ｖａｃのゼロクロス点の周期が変動したとき、スイッチ４のオン動作のタイミングを補正する場合である。本実施の形態２は、ゼロクロス点の周期の変動が大きい場合に、スイッチ４のオン動作のタイミングだけでなく、オン信号幅を調整することで、直流電圧Ｖｄｃを安定させるものである。本実施の形態２においては、実施の形態１と同一の構成について同一の符号を付し、その詳細な説明を省略する。また、実施の形態１で説明した動作と同様な動作についての詳細な説明を省略する。

本実施の形態２の直流電源装置１０における制御装置９の構成を、図２を参照して説明する。調整手段２１は、ゼロクロス周期Ｔおよびゼロクロス平均周期Ｔａｖｅの情報をスイッチ制御手段２２に送信する。本実施の形態２においては、Ｔａｖｅを電源電圧Ｖａｃの周波数ｆが変動する前のゼロクロス平均周期とし、Ｔを電源電圧Ｖａｃの周波数ｆが変動した後のゼロクロス周期として説明する。スイッチ制御手段２２は、ゼロクロス周期Ｔおよびゼロクロス平均周期Ｔａｖｅの情報をスイッチ制御手段２２から受信すると、式（２）および（３）にしたがって、次にスイッチ４に出力するオン信号Ｓのオン信号幅Ｔｏｎ（ｔ）を設定する。
（Ｔ－Ｔａｖｅ）＜０のとき、Ｔｏｎ（ｔ）＜Ｔｏｎ（ｔ－１）…（２）
（Ｔ－Ｔａｖｅ）＞０のとき、Ｔｏｎ（ｔ）＞Ｔｏｎ（ｔ－１）…（３）

つまり、Ｔ＜Ｔａｖｅである場合、式（２）にしたがって、スイッチ制御手段２２は、次にスイッチ４に出力するオン信号Ｓのオン信号幅Ｔｏｎ（ｔ）を最後に設定したオン信号幅Ｔｏｎ（ｔ－１）よりも小さい値に設定する。また、Ｔ＞Ｔａｖｅである場合、式（３）にしたがって、スイッチ制御手段２２は、次にスイッチ４に出力するオン信号Ｓのオン信号幅Ｔｏｎ（ｔ）を最後に設定したオン信号幅Ｔｏｎ（ｔ－１）よりも大きい値に設定する。Ｔ＝Ｔａｖｅである場合、スイッチ制御手段２２は、オン信号幅Ｔｏｎ（ｔ）を最後に設定したオン信号幅Ｔｏｎ（ｔ－１）に維持する。

なお、スイッチ制御手段２２は、オン信号幅Ｔｏｎ（ｔ）をオン信号幅Ｔｏｎ（ｔ－１）とは異なる値に変更する場合、ゼロクロス周期Ｔとゼロクロス平均周期Ｔａｖｅとの差に比例する補正値を用いてオン信号幅Ｔｏｎ（ｔ）を算出してもよい。例えば、ｊを係数とすると、式（２）の場合、Ｔｏｎ（ｔ）＝Ｔｏｎ（ｔ－１）－ｊ×（Ｔａｖｅ－Ｔ）／Ｔａｖｅの式が適用される。また、式（３）の場合、Ｔｏｎ（ｔ）＝Ｔｏｎ（ｔ－１）＋ｊ×（Ｔ－Ｔａｖｅ）／Ｔａｖｅの式が適用される。

次に、交流電源１から出力される電源電圧Ｖａｃのゼロクロス点の周期が変動した場合について、本実施の形態２の直流電源装置１０の動作手順を説明する。図８は、実施の形態２に係る直流電源装置の動作手順を示すフローチャートである。図８は、制御装置９が実施の形態１を参照して説明した処理を行った上で本実施の形態２の処理を行う場合を示す。図８に示すステップＳ２０１～Ｓ２０５およびＳ２１０は、図６を参照して説明したステップＳ１０１～Ｓ１０６と同様な処理になるため、その詳細な説明を省略する。

ステップＳ２０４の後、スイッチ制御手段２２は、Ｔ＞Ｔａｖｅであるか否かを判定する（ステップＳ２０６）。ステップＳ２０６の判定の結果、Ｔ＞Ｔａｖｅである場合、スイッチ制御手段２２は、スイッチ制御手段２２は、次のオン信号Ｓのオン信号幅Ｔｏｎ（ｔ）を最後に設定したオン信号幅Ｔｏｎ（ｔ－１）よりも大きい値に設定する（ステップＳ２０７）。これにより、周波数ｆが変動する前のゼロクロス周期に対応するオン信号幅Ｔｏｎ（ｔ－１）と比べて、オン信号幅Ｔｏｎ（ｔ）は長くなるように補正される。オン信号幅Ｔｏｎが長くなると、１回にリアクトル３に流れる電流Ｉｓが増加するため、オン信号Ｓの間隔が長くなっても、直流電圧Ｖｄｃの昇圧量が大きくなる。

一方、ステップＳ２０６の判定の結果、Ｔ＞Ｔａｖｅでない場合、スイッチ制御手段２２は、Ｔ＜Ｔａｖｅであるか否かを判定する（ステップＳ２０８）。ステップＳ２０８の判定の結果、Ｔ＜Ｔａｖｅである場合、スイッチ制御手段２２は、次のオン信号Ｓのオン信号幅Ｔｏｎ（ｔ）を最後に設定したオン信号幅Ｔｏｎ（ｔ－１）よりも小さい値に設定する（ステップＳ２０９）。これにより、周波数ｆが変動する前のゼロクロス周期に対応するオン信号幅Ｔｏｎ（ｔ－１）と比べて、オン信号幅Ｔｏｎ（ｔ）は短くなるように補正される。オン信号幅Ｔｏｎが短くなると、１回にリアクトル３に流れる電流Ｉｓが減少するため、オン信号Ｓの間隔が短くなっても、直流電圧Ｖｄｃの昇圧量を抑制できる。このようにして、オン信号幅Ｔｏｎを調整することで、ゼロクロス周期の変動に対して、直流電圧Ｖｄｃの変化を緩和することができる。

ステップＳ２０８の判定の結果、Ｔ＜Ｔａｖｅでない場合、スイッチ制御手段２２は、次のオン信号Ｓのオン信号幅Ｔｏｎ（ｔ）を最後に設定したオン信号幅Ｔｏｎ（ｔ－１）に維持し、ステップＳ２１０に進む。ゼロクロス周期の変動が小さい場合、調整手段２１がスイッチ４のオン動作のタイミングを制御することで（ステップＳ２０４）、変動による直流電圧Ｖｄｃへの影響が抑制され、オン信号幅Ｔｏｎを変更しなくてもよい。

図９は、実施の形態２において、ゼロクロス周期が変動した場合の一例を示すタイミングチャートである。図９は、電源電圧Ｖａｃの周波数ｆが５０Ｈｚから５４Ｈｚに急に変動した場合を示す。図９は、交流電源１の電源電圧Ｖａｃ、リアクトル３に流れる電流Ｉｓ、およびスイッチ４のオン信号Ｓのそれぞれについて、経時変化を示す。

電源電圧Ｖａｃの周波数ｆが５０Ｈｚから５４Ｈｚに変動すると、ゼロクロス周期Ｔがゼロクロス平均周期Ｔａｖｅよりも短くなる。つまり、ゼロクロス周期Ｔとゼロクロス平均周期Ｔａｖｅとの関係は、Ｔ＜Ｔａｖｅとなる。図８に示したステップＳ２０３の判定の結果、調整手段２１がステップＳ２０４の処理に進むと、次のスイッチング周期Ｔｓ（ｔ）は、ゼロクロス平均周期Ｔａｖｅより小さくなる。すなわち、スイッチ４のオン動作のタイミングが、変動前のゼロクロス周期と比較して早くなる。これにより、実施の形態１で説明したように、電源電圧Ｖａｃがより低いタイミングで、リアクトル３に電流Ｉｓが流れるため、直流電圧Ｖｄｃの昇圧量を抑制できる。

また、Ｔ＜Ｔａｖｅの関係なので、図８に示したステップＳ２０９において、Ｔｏｎ（ｔ）＜Ｔｏｎ（ｔ－１）の関係になるように、オン信号幅Ｔｏｎ（ｔ）が補正される。すなわち、周波数ｆが変動する前のゼロクロス周期に対応するオン信号幅Ｔｏｎ（ｔ－１）と比べて、オン信号幅Ｔｏｎ（ｔ）は短くなるように補正される。オン信号幅Ｔｏｎが短くなると、１回にリアクトル３に流れる電流Ｉｓが減少するため、周波数ｆが５０Ｈｚから５４Ｈｚに変動することでオン信号Ｓの間隔が短くなっても、直流電圧Ｖｄｃの昇圧量を抑制できる。

ここでは、具体的な事例として、図９を参照して、電源電圧Ｖａｃの周波数ｆが５０Ｈｚから５４Ｈｚに急に変動し、最新のゼロクロス周期Ｔがゼロクロス平均周期Ｔａｖｅより短くなる場合を説明したが、この場合に限らない。図９の事例とは反対に電源電圧Ｖａｃの周波数ｆが長くなる場合にも、図８を参照して説明した制御方法を適用できる。この場合、最新のゼロクロス周期Ｔがゼロクロス平均周期Ｔａｖｅよりも長くなるが、直流電圧Ｖｄｃの昇圧量を増加させる制御を行うことができる。

交流電源１の電源電圧Ｖａｃのゼロクロス点の周期の変動が大きいと、スイッチ４のオン動作のタイミングを制御しても、直流電圧Ｖｄｃを目標直流電圧Ｖｓに近づけられない場合がある。本実施の形態２によれば、電源電圧Ｖａｃのゼロクロス点の周期が大きく変動しても、直流電圧Ｖｄｃが過電圧または昇圧不足になることを防ぎ、直流電圧Ｖｄｃを安定させることができる。

実施の形態３．
本実施の形態３は、実施の形態２で説明した制御方法とは別の制御方法によってオン信号幅を調整するものである。本実施の形態３は、特に、直流電圧Ｖｄｃが過電圧になることを防ぐものである。本実施の形態３においては、実施の形態１と同一の構成について同一の符号を付し、その詳細な説明を省略する。また、実施の形態１で説明した動作と同様な動作についての詳細な説明を省略する。

本実施の形態３の直流電源装置１０における制御装置９の構成を、図２を参照して説明する。スイッチ制御手段２２は、直流電圧検出器８によって検出される直流電圧Ｖｄｃと予め決められた電圧である第１閾値Ｖｔｈ１とを比較する。第１閾値Ｖｔｈ１は、直流電圧Ｖｄｃについて、直流電圧Ｖｄｃを段階的に下げる制御を必要とするか否かを判定する基準となる値である。直流電圧Ｖｄｃが第１閾値Ｖｔｈ１よりも大きい場合、スイッチ制御手段２２は、算出したオン信号幅Ｔｏｎから予め決められた補正値ΔＴを減算する補正処理を、直流電圧Ｖｄｃが第１閾値Ｖｔｈ１以下になるまで繰り返す。

直流電圧Ｖｄｃが第１閾値Ｖｔｈ１以下にならず、直流電圧Ｖｄｃが予め決められた第２閾値Ｖｔｈ２に到達した場合、スイッチ制御手段２２は、スイッチ４へのオン信号Ｓの出力を停止する。第２閾値Ｖｔｈ２は、直流電圧Ｖｄｃについて、直流電圧Ｖｄｃが過電圧であるか否かを判定する基準となる値である。目標直流電圧Ｖｓ、第１閾値Ｖｔｈ１および第２閾値Ｖｔｈ２は、Ｖｓ＜Ｖｔｈ１＜Ｖｔｈ２の関係である。

また、直流電圧Ｖｄｃが第１閾値Ｖｔｈ１以下にならず、補正処理の回数Ｃｒが予め決められた上限数Ｃｍａｘに到達した場合、スイッチ制御手段２２は、スイッチ４へのオン信号Ｓの出力を停止する。上限数Ｃｍａｘは、補正処理の回数Ｃｒに関して、直流電圧Ｖｄｃが過電圧であるか否かを判定する基準となる値である。

制御装置９は、第１閾値Ｖｔｈ１、第２閾値Ｖｔｈ２、補正値ΔＴおよび上限数Ｃｍａｘを記憶する。例えば、制御装置９が図８に示したハードウェア構成である場合、メモリ４３が第１閾値Ｖｔｈ１、第２閾値Ｖｔｈ２、補正値ΔＴおよび上限数Ｃｍａｘを記憶している。

次に、本実施の形態３の直流電源装置１０の動作手順を説明する。図１０は、実施の形態３に係る直流電源装置の動作手順を示すフローチャートである。本実施の形態３は、実施の形態２と同様に、制御装置９は、実施の形態１を参照して説明した処理を行った後、図１１に示す処理を行う。つまり、図８に示したフローにおいて、制御装置９は、ステップＳ２０６～Ｓ２０９の代わりに図１０に示すステップＳ３０１～Ｓ３０８を実行する。なお、図８に示したステップＳ２０１～Ｓ２０５およびＳ２１０は、図６を参照して説明したステップＳ１０１～Ｓ１０６と同様な処理になるため、その詳細な説明を省略する。

スイッチ制御手段２２は、目標直流電圧Ｖｓが目標直流電圧Ｖｓと一致するようにオン信号幅Ｔｏｎを算出し、補正処理の回数Ｃｒ＝０を設定する（ステップＳ３０１）。続いて、スイッチ制御手段２２は、直流電圧検出器８によって検出される直流電圧Ｖｄｃが第１閾値Ｖｔｈ１より大きいか否かを判定する（ステップＳ３０２）。ステップＳ３０２の判定の結果、直流電圧Ｖｄｃが第１閾値Ｖｔｈ１以下である場合、スイッチ制御手段２２は、図８に示したステップＳ２１０に進む。一方、ステップＳ３０２の判定の結果、直流電圧Ｖｄｃが第１閾値Ｖｔｈ１よりも大きい場合、スイッチ制御手段２２は、補正処理の回数Ｃｒに１を加算し、演算結果を新たな回数Ｃｒに設定する（ステップＳ３０３）。続いて、スイッチ制御手段２２は、算出したオン信号幅Ｔｏｎから補正値ΔＴを減算する補正処理を行う。スイッチ制御手段２２は、補正処理結果を新たなオン信号幅Ｔｏｎに設定する（ステップＳ３０４）。

そして、スイッチ制御手段２２は、調整手段２１からゼロクロス周期Ｔの情報を受信すると（ステップＳ３０５）、ゼロクロス周期Ｔに対応して、ステップＳ３０４で算出したオン信号幅Ｔｏｎの時間、オン信号Ｓをスイッチ４に出力する（ステップＳ３０６）。その後、スイッチ制御手段２２は、直流電圧Ｖｄｃが第２閾値Ｖｔｈ２に到達したか否か、または補正処理の回数Ｃｒが上限数Ｃｍａｘに到達したか否かを判定する（ステップＳ３０７）。ステップＳ３０７の判定の結果、直流電圧Ｖｄｃが第２閾値Ｖｔｈ２に到達せず、かつ補正処理の回数Ｃｒが上限数Ｃｍａｘに到達していない場合、スイッチ制御手段２２は、ステップＳ３０２に戻る。一方、ステップＳ３０７の判定の結果、直流電圧Ｖｄｃが第２閾値Ｖｔｈ２に到達した場合、または補正処理の回数Ｃｒが上限数Ｃｍａｘに到達した場合、スイッチ制御手段２２は、直流電圧Ｖｄｃが過昇圧されることで過電圧に至る異常が発生したと判断する。そして、スイッチ制御手段２２は、スイッチ４へのオン信号Ｓの出力を停止する（ステップＳ３０８）。

本実施の形態３の直流電源装置１０は、オン信号幅Ｔｏｎを段階的に小さくする補正処理を一定の回数まで繰り返しても、直流電圧Ｖｄｃが第１閾値Ｖｔｈ１以下にならない場合、異常が発生したと判定し、スイッチ４のスイッチングを停止する。そのため、直流電圧Ｖｄｃが過電圧に至ることで直流電源装置１０が故障してしまうことを防ぐことができる。

なお、上述の実施の形態２および３において、実施の形態１で説明した制御を組み合わせる場合で説明したが、実施の形態１で説明した制御を行わなくてもよい。実施の形態２および３で説明したオン信号幅Ｔｏｎの制御は、直流電圧Ｖｄｃに対して、ゼロクロス周期Ｔの変動による影響が小さく、電源電圧Ｖａｃの振幅の変動による影響が大きい場合に有効である。

１ 交流電源、２ 整流回路、２ａ～２ｄ 整流用ダイオード、３ リアクトル、４ スイッチ、５ ダイオード、６ 平滑コンデンサ、７ ゼロクロス検出器、８ 直流電圧検出器、９ 制御装置、１０ 直流電源装置、２１ 調整手段、２２ スイッチ制御手段、４１ 処理回路、４２ プロセッサ、４３ メモリ、４４ バス。

Claims (6)

1. 交流電源から出力される電源電圧を整流する整流回路と、
   前記整流回路の出力電圧を平滑化して直流電圧を出力する平滑コンデンサと、
   前記整流回路の出力側と前記平滑コンデンサの入力側との間に接続されたスイッチと、
   前記電源電圧のゼロクロス点を検出するゼロクロス検出器と、
   前記ゼロクロス検出器によって検出される前記ゼロクロス点の周期であるゼロクロス周期に基づいて、前記スイッチをオン動作させる制御信号であるオン信号を生成する制御装置と、を有し、
   前記制御装置は、
   前記スイッチのオン動作のタイミングが、前記ゼロクロス周期と、予め決められた一定時間に検出された複数の前記ゼロクロス周期の平均値であるゼロクロス平均周期との間になるように、前記オン信号の周期であるスイッチング周期を設定する調整手段と、
   前記調整手段によって設定された前記スイッチング周期に対応して前記オン信号を前記スイッチに出力するスイッチ制御手段と、
   を有する、直流電源装置。
2. 前記平滑コンデンサから出力される前記直流電圧を検出する電圧検出器をさらに有し、
   前記スイッチ制御手段は、
   前記電圧検出器によって検出される前記直流電圧が予め決められた目標直流電圧に一致するように前記オン信号を出力する時間であるオン信号幅を算出し、
   前記ゼロクロス周期が前記ゼロクロス平均周期よりも大きい場合、前記オン信号幅を、最後に出力した前記オン信号のオン信号幅である最後のオン信号幅よりも大きい値に設定し、前記ゼロクロス周期が前記ゼロクロス平均周期よりも小さい場合、前記オン信号幅を前記最後のオン信号幅よりも小さい値に設定する、
   請求項１に記載の直流電源装置。
3. 前記平滑コンデンサから出力される前記直流電圧を検出する電圧検出器をさらに有し、
   前記スイッチ制御手段は、
   前記電圧検出器によって検出される前記直流電圧が予め決められた目標直流電圧に一致するように前記オン信号を出力する時間であるオン信号幅を算出し、
   前記電圧検出器によって検出される前記直流電圧が予め決められた第１閾値よりも大きい場合、前記オン信号幅から予め決められた補正値を減算する補正処理を、前記電圧検出器によって検出される前記直流電圧が前記第１閾値以下になるまで繰り返し、
   前記補正処理の回数が予め決められた上限数に到達した場合または前記電圧検出器によって検出される前記直流電圧が前記第１閾値よりも大きい第２閾値に到達した場合、前記スイッチへの前記オン信号の出力を停止する、
   請求項１に記載の直流電源装置。
4. 交流電源から出力される電源電圧を整流する整流回路と、前記整流回路の出力電圧を平滑化して直流電圧を出力する平滑コンデンサと、前記整流回路の出力側と前記平滑コンデンサの入力側との間に接続されたスイッチと、前記電源電圧のゼロクロス点を検出するゼロクロス検出器とを有する直流電源装置の制御方法であって、
   前記スイッチのオン動作のタイミングが、前記ゼロクロス検出器によって検出される前記ゼロクロス点の周期であるゼロクロス周期と、予め決められた一定時間に検出された複数の前記ゼロクロス周期の平均値であるゼロクロス平均周期との間になるように、前記スイッチをオン動作させるオン信号の周期であるスイッチング周期を設定するステップと、
   設定された前記スイッチング周期に対応して前記オン信号を前記スイッチに出力するステップと、
   を有する、直流電源装置の制御方法。
5. 前記平滑コンデンサから出力される前記直流電圧を検出する電圧検出器が前記直流電源装置に設けられ、
   前記オン信号を前記スイッチに出力するステップの前に、
   前記電圧検出器によって検出される前記直流電圧が予め決められた目標直流電圧に一致するように前記オン信号を出力する時間であるオン信号幅を算出するステップと、
   前記ゼロクロス周期が前記ゼロクロス平均周期よりも大きい場合、前記オン信号幅を、最後に出力した前記オン信号のオン信号幅である最後のオン信号幅よりも大きい値に設定し、前記ゼロクロス周期が前記ゼロクロス平均周期よりも小さい場合、前記オン信号幅を前記最後のオン信号幅よりも小さい値に設定するステップと、
   を有する、請求項４に記載の直流電源装置の制御方法。
6. 前記平滑コンデンサから出力される前記直流電圧を検出する電圧検出器が前記直流電源装置に設けられ、
   前記オン信号を前記スイッチに出力するステップの前に、
   前記電圧検出器によって検出される前記直流電圧が予め決められた目標直流電圧に一致するように前記オン信号を出力する時間であるオン信号幅を算出するステップと、
   前記電圧検出器によって検出される前記直流電圧が予め決められた第１閾値よりも大きい場合、前記オン信号幅から予め決められた補正値を減算する補正処理を、前記電圧検出器によって検出される前記直流電圧が前記第１閾値以下になるまで繰り返すステップと、
   前記補正処理の回数が予め決められた上限数に到達した場合または前記電圧検出器によって検出される前記直流電圧が前記第１閾値よりも大きい第２閾値に到達した場合、前記スイッチへの前記オン信号の出力を停止するステップと、
   を有する、請求項４に記載の直流電源装置の制御方法。

Images