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公開番号2020141487
公報種別公開特許公報(A)
公開日20200903
出願番号2019035671
出願日20190228
発明の名称電源装置
出願人株式会社富士通ゼネラル
代理人
主分類H02M 7/12 20060101AFI20200807BHJP(電力の発電,変換,配電)
要約【課題】AC電源を整流する電源装置において、平滑コンデンサに流れる突入電流を抑制する突入電流防止回路に用いられる機械式リレーを閉とする場合に、ゼロ電圧スイッチングを確実に行う。
【解決手段】突入電流防止回路20は、入力端1aと整流器2の間に直列に接続された、機械式の副リレー25とダイオード24と抵抗26と、入力端1aに印加されたAC電圧の極性を検出して極性信号として出力する電圧極性検出部21とを備える。そして突入電流防止回路20は、平滑コンデンサ7に電流を流すための副リレー信号が入力された時、副リレー25の接点が閉となるタイミングが、ダイオード24において逆方向電圧となるAC電圧の極性の期間内となるように、極性信号によって検出したゼロクロス点から所定時間だけ遅延させて副リレーを閉にする駆動信号を出力する。
【選択図】図1
特許請求の範囲【請求項1】
AC電源が接続される一対の入力端と、前記入力端に印加されたAC電圧を整流する整流器と、整流された電圧を平滑する平滑コンデンサと、
前記一対の入力端の一方と前記整流器の間に直列に接続され前記平滑コンデンサに流れる突入電流を抑制する突入電流防止手段と、
前記リレーを開閉する制御信号を前記突入電流防止手段へ出力する制御部とを備えた電源装置であって、
前記突入電流防止手段は、
前記一対の入力端の一方と前記整流器の間に直列に接続された、機械式のリレーとダイオードと抵抗と、前記一対の入力端に印加された前記AC電圧の極性を検出して極性信号として出力する電圧極性検出部とを備え、
前記突入電流防止手段は、
前記リレーを閉とする前記制御信号が入力された時、
前記リレーの接点が閉となるタイミングが、前記ダイオードにおいて逆方向電圧となる前記AC電圧の極性の期間内となるように、前記極性信号によって検出したゼロクロス点から所定時間だけ遅延させて、前記リレーを閉にする駆動信号を前記リレーに出力することを特徴とする電源装置。

発明の詳細な説明【技術分野】
【0001】
本発明は、電源装置に係わり、より詳細には、平滑コンデンサへの突入電流を抑制する突入電流防止回路に関する。
続きを表示(約 6,900 文字)【背景技術】
【0002】
従来、突入電流防止回路を備えた電源装置は図3に示すインバータ装置100などに備えられている(例えば、特許文献1参照。)。このインバータ装置100は、燃料電池102から出力される電圧が昇圧回路104に入力されており、昇圧回路104は入力された電圧を昇圧してインバータ105へ供給し、インバータ105は入力された電圧を三相電源に変換してからモータ109に出力する。
【0003】
また、インバータ装置100は、燃料電池102と昇圧回路104の間に直列に主リレー103を備え、さらに、この主リレー103と並列に、突入電流防止回路110が接続され、さらに昇圧回路104の2つの出力端の間に平滑コンデンサ101が昇圧回路104と並列に接続されている。また、突入電流防止回路110は、抵抗107と副リレー106が直列に接続されている。
【0004】
制御回路108は、モータ109が停止している時、主リレー103と副リレー106を共に開としている。そして、制御回路108は、モータ109を回転させる前に副リレー106を閉にして、抵抗107経由で平滑コンデンサ101に電流(突入電流)を流して平滑コンデンサ101の電圧を所定の電圧まで上昇させる。次に制御回路108は、主リレー103を閉にし、その後、副リレー106を開にする。
【0005】
そして、制御回路108は、昇圧回路104を動作させて入力された電圧を昇圧し、これをインバータ装置100へ供給する。次に制御回路108は、インバータ105を動作させてモータ109を回転させる。
【0006】
ところで、機械式のリレーは接点電流が仕様で規定されており、この電流を規定された接点電流以内に制限することで、リレーが閉となった時に流れる突入電流による接点の溶着を防止するようになっている。このため、平滑コンデンサ101の容量を固定とした場合、接点電流の小さな安価な副リレー106を用いようとした場合、抵抗107の値を大きくして突入電流を接点電流以下にしなければならない。当然、この場合は平滑コンデンサ101の電圧が所定の電圧まで上昇する時間が長くなり、モータ109の回転開始までの時間が長くなってしまう問題がある。
【0007】
一方、平滑コンデンサ101の電圧が所定の電圧まで上昇する時間を短くするためには、接点電流が大きく高価な副リレー106を採用する必要があり、コストアップとなってしまう問題があった。さらにこの場合、突入電流が大きくなるため、昇圧回路104内の部品や平滑コンデンサ101において、この大きい突入電流に耐える性能を持った部品を選定しなければならないため、さらにコストアップとなってしまう。
【0008】
この問題を解決するためには、副リレー106に流れる電流が最小の時に副リレー106を閉にすることで解決できる。例えば、図3の燃料電池102の代わりにAC電圧を整流した電圧が突入電流防止回路110に印加される交流の電源装置であれば、AC電圧のゼロクロス点で副リレー106の接点を閉とし、副リレー106を閉とした時に急激に大電流が流れるのを防ぐようにすればよい。つまり、いわゆるゼロ電圧スイッチングを行うことでこの問題を解決できる。
【0009】
しかしながら、機械式リレーは制御信号が入力されてから接点が閉となるまでの機械的な遅延時間があるが、個々のリレーの特性や経年変化、駆動電圧、周囲温度などでこの遅延時間が変動する。このため、小さな接点電流規格のリレーを用いてAC電圧のゼロクロス点で副リレー106の接点を閉にする制御を行ったとしても、遅延時間の変動により狙ったタイミングで接点を閉にできず、リレーの接点電流規格よりも大きな突入電流が流れる場合があった。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0010】
特開2005−261040号公報(段落番号0014〜0021)
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0011】
本発明は以上述べた問題点を解決し、AC電源を整流する電源装置において、平滑コンデンサに流れる突入電流を抑制する突入電流防止回路に用いられる機械式リレーを閉とする場合に、ゼロ電圧スイッチングを確実に行うことを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【0012】
本発明は上述の課題を解決するため、本発明の請求項1に記載の発明は、
AC電源が接続される一対の入力端と、前記入力端に印加されたAC電圧を整流する整流器と、整流された電圧を平滑する平滑コンデンサと、
前記一対の入力端の一方と前記整流器の間に直列に接続され前記平滑コンデンサに流れる突入電流を抑制する突入電流防止手段と、
前記リレーを開閉する制御信号を前記突入電流防止手段へ出力する制御部とを備えた電源装置であって、
前記突入電流防止手段は、
前記一対の入力端の一方と前記整流器の間に直列に接続された、機械式のリレーとダイオードと抵抗と、前記一対の入力端に印加された前記AC電圧の極性を検出して極性信号として出力する電圧極性検出部とを備え、
前記突入電流防止手段は、
前記リレーを閉とする前記制御信号が入力された時、
前記リレーの接点が閉となるタイミングが、前記ダイオードにおいて逆方向電圧となる前記AC電圧の極性の期間内となるように、前記極性信号によって検出したゼロクロス点から所定時間だけ遅延させて、前記リレーを閉にする駆動信号を前記リレーに出力することを特徴とする。
【発明の効果】
【0013】
以上の手段を用いることにより、本発明による電源装置によれば、突入電流防止手段が、リレーと直列に接続されているダイオードに電流が流れない期間にリレーを閉とするため、平滑コンデンサへの突入電流を小さくすることができる。このため、従来の突入電流防止回路方式に用いられているリレーよりも小さな接点電流のリレーを採用することができる。
【図面の簡単な説明】
【0014】
本発明による電源装置の実施例を示すブロック図である。
本発明による電源装置の動作を説明する説明図である。
従来の電源装置を示すブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【0015】
以下、本発明の実施の形態を、添付図面に基づいた実施例として詳細に説明する。
【実施例】
【0016】
図1は本発明による電源装置30の実施例を示すブロック図である。電源装置30は、図示しない50ヘルツのAC電源が接続される一対の入力端である入力端1aと入力端1bと、DC電圧が出力される出力端6aと出力端6bと、入力端1aと入力端1bの間に接続されたAC電源の出力電圧を整流する整流器2と、出力端6aと出力端6bの間に接続され、整流器2の出力電圧を平滑する平滑コンデンサ7と、入力端3eと入力端3hと出力端3fと共通端3gを備えたスイッチング部3と、スイッチング部3を駆動するスイッチングパルス信号を入力端3hへ出力する制御部5を備えている。
【0017】
そして、整流器2の出力側正極にスイッチング部3の入力端3eが、整流器2の出力側負極にスイッチング部3の共通端3gと平滑コンデンサ7の負極端がそれぞれ接続されている。また、入力端1aと整流器2の入力側の一端の間には直列に主リレー4が接続されており、主リレー4は制御部5が出力する主リレー信号によって接点が開閉される。また、制御部5は後述する副リレーの接点の開閉も行う。
【0018】
一方、スイッチング部3は、入力端3eに一端が接続されたインダクタ3aと、同インダクタ3aの他端がアノード端子に接続されカソード端子が出力端3fに接続されたダイオード3bと、インダクタ3aの他端と共通端3gとの間に接続され、入力されたスイッチングパルス信号によりオン/オフするスイッチング素子であるIGBT3cを備えている。IGBT3cのコレクタ端子はインダクタ3aの他端に接続され、また、エミッタ端子は共通端3gに接続され、ゲート端子は入力端3hに接続されている。
【0019】
このスイッチング部3は、インダクタ3aを介して整流器2の出力側正極と出力側負極の間にIGBT3cが接続されている。スイッチング部3は、IGBT3cが短絡状態の時にインダクタ3aに電流が流れてエネルギーとして蓄積され、次にIGBT3cが開放された時に蓄積されたエネルギーが電流となってインダクタ3aから平滑コンデンサ7に流れ込み、結果的に平滑コンデンサ7の電圧が上昇する昇圧機能を有している。
【0020】
一方、入力端1a及び入力端1bと、整流器2の間には平滑コンデンサ7への突入電流を抑制する突入電流防止回路(突入電流防止手段)20が設けられている。この突入電流防止回路20には、入力端1aと整流器2の一方の入力側の間に直列に接続された、副リレー(機械式のリレー)25とダイオード24と抵抗26と、入力端1aと入力端1bの間に印加されたAC電圧の極性を検出して極性信号として出力する電圧極性検出部21と、制御部5が出力する副リレー信号(制御信号)と電圧極性検出部21から出力される極性信号が入力され、これらの論理積であるトリガ信号を出力するAND回路23と、入力されたトリガ信号を所定時間、この実施例では5ミリセカンドだけ遅延させて副リレー25の開閉を行う駆動信号を出力する遅延回路22を備えている。なお、ダイオード24は入力端1aにAC電圧の正の半周期が印加された時に電流が流れる向きに接続されている。
【0021】
次に電源装置30の動作につて説明する。
電源装置30がDC電圧を出力する前は主リレー4と副リレー25は共に開となり、また、IGBT3cもオフとなっている。そして入力端1aと入力端1bにAC電源が接続された後、制御部5はまず最初に、平滑コンデンサ7を充電するため副リレー信号をハイレベルにする。なお、電源装置30は図示しない制御用直流電源を備えており、この制御用直流電源には入力端1aと入力端1bからAC電源が入力されており、AC電源が入力されると制御部5や突入電流防止回路20へ+5ボルトや+12ボルトなどの直流の制御用電源を供給する。
また、この実施例では電源装置単体として説明しているため、各リレーを閉とするトリガーをAC電源の投入時として説明しているが、これに限るものでなく、この電源装置が組み込まれた機器からの指示、例えば空気調和機における圧縮機の回転開始の指示で行うようにしてもよい。
【0022】
ハイレベルの副リレー信号は、突入電流防止回路20のAND回路23の一方の入力端に入力される。一方、電圧極性検出部21はAC電圧が正の半周期の時にハイレベル、負の半周期の時にローレベルの極性信号を出力する従って。副リレー信号がハイレベルになってから最初にAC電圧が正の半周期となった時にAND回路23はローレベルからハイレベルにしたトリガ信号を遅延回路22へ出力する。遅延回路22は入力された信号を5ミリセカンドだけ遅延してから駆動信号として副リレー25へ出力する。
【0023】
副リレー25は制御信号が入力されてから接点が閉となるまでの機械的遅延時間があり、駆動信号がローレベル(開)の状態からハイレベル(閉)の状態に変化したしても、この機械的遅延時間が経過しないと副リレー25の接点は実際に接続されない。また、この機械的遅延時間は背景技術で説明したように種々の要因で変動するため、この実施例の副リレー25はこの機械的遅延時間が10ミリセカンド±1.5ミリセカンドの仕様であるが、経年変化や周囲環境によってはさらに変動範囲が増加する場合がある。
【0024】
本実施例ではAC電源の周波数が50ヘルツであるため、ローレベルの副リレー信号がハイレベルになり、最初にAC電圧が正の半周期となった時から所定時間:5ミリセカンドと副リレー25の機械的遅延時間を加算した15ミリセカンド後に、副リレー25の接点が実際に接続される。このタイミングはAC電圧が負の半周期になってから5ミリセカンドであり、負の半周期の中央となる。
【0025】
この負の半周期内はダイオード24には電流が流れない逆方向電圧の期間であるため、副リレー25の接点が実際に接続される時には接点に電流が流れない。また、この負の半周期の中央から前後に5ミリセカンドの期間は電流が流れないため、副リレー25の機械的遅延時間が変動したとしてもこの負の半周期の期間内であれば接点に電流が流れることがない。また、この負の半周期の期間内であれば接点にチャタリングが発生しても実際には電流が流れないため、チャタリングによる電流の断続で発生するノイズを発生することがない。
【0026】
図2は本実施例による突入電流防止回路20を含む電源装置30の動作を説明する説明図である。
図2の横軸は時間であり、縦軸に関して図2(1)は50ヘルツのAC電圧を、図2(2)はダイオード24の出力電圧を、図2(3)は極性信号を、図2(4)は副リレー信号を、図2(5)は駆動信号を、図2(6)は副リレー25の接点状態を、図2(7)は整流器2に流れる電流(本発明による突入電流防止回路20を用いた回路の場合)を、図2(8)は整流器に流れる電流(従来の回路を用いた場合)を、それぞれ示している。なお、t0からt9は時刻である。
【0027】
図2(1)に示すようにAC電圧は、例えばt2〜t4で示される10ミリセカンドの正の半周期とt4〜t7で示される10ミリセカンドの負の半周期で1周期となっている。また、図2(2)に示すように、後で説明する副リレー25が閉となるタイミングで、かつ、AC電圧の正の半周期の時、例えばt7〜t9の期間のみダイオード24のカソード端子に出力電圧が現れる。また、図2(3)に示すように極性信号はAC電圧の負の半周期から正の半周期に切り替わった時にローレベルからハイレベルになり、正の半周期から負の半周期に切り替わった時にハイレベルからローレベルになる。従って、この切り替わりタイミング、例えばt2、t4、t7、t9がゼロクロス点になる。
【0028】
図2(4)に示すように制御部5が副リレー信号をt1でローレベルからハイレベル(閉の指示)すると、突入電流防止回路20のAND回路23は、t2で極性信号がローレベルからハイレベルに変化した時、つまり、ゼロクロス点でかつ、正の半周期の開始時点でトリガ信号をローレベルからハイレベルにする。このトリガ信号が入力された遅延回路22はt2から5ミリセカンド遅延したt3で図2(5)に示すように駆動信号をローレベルからハイレベルにする。
【0029】
この駆動信号が入力された副リレー25は接点を接続するように機械的な動作を開始するが、前述したように機械的遅延時間(10ミリセカンド)が経過したt5で接点が閉となる。ただし、この接点はチャタリング期間が経過したt6で完全に閉となる。そして次の正の半周期となるt7から図2(7)に示すように整流器2に電流(突入電流)が流れ始める。ただし、t7の以降に流れる電流は、AC電圧がゼロボルトから上昇するサイン波形に従って増加するのでなだらかに上昇する。この時のピーク電流はt8で15アンペアとなっている。その後、正の半周期毎にピーク電流は15アンペアとなる。
【0030】
平滑コンデンサ7はある電圧で蓄積される電荷は決まっている。このため、短時間でこの電荷を蓄積するためには大きな電流で一気に蓄積する。このため、ピーク電流が大きくなる。ただし、流せる電流の大きさはコンデンサの特性によって規定されている。一方、長い時間で蓄積する場合は小さな電流で徐々に蓄積すればよい。本実施例の場合、AC電圧がゼロボルトの時からAC電圧の瞬時値が大きくなるに従って徐々に平滑コンデンサ7に流れ込む電流が大きくなる。つまり、平滑コンデンサ7へ流れる電流を時間的に分散化するため、ピーク電流を抑制することができる。
(【0031】以降は省略されています)

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