专利名称：直流电源装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及电抗器输入型的直流电源装置，特别涉及一种直流电源装置，该直流电源装置能够在与交流电的规格的差异等无关的情况下，适当设定对电抗器的输出进行短路控制的开关元件的动作定时。
背景技术：
电抗器输入型的直流电源装置如图1所示，一般以下述结构为主来构成即，对交流电进行全波整流的整流器1 ；与该整流器1的一个输出端连接的感应性元件即电抗器2 ； 以及对来自该电抗器2的输出进行平滑化并供给至负载RL的电容器3。另外，为了抑制在这种直流电源装置中产生高次谐波，提出了在上述电抗器2与上述电容器3之间串联装入防止倒流用的二极管4，并且在上述电抗器2与上述整流器1的另一个输出端之间设置IGBT 或MOS晶体管等开关元件5，与其动作周期同步地使上述开关元件5导通(接通)，对上述电抗器2的输出进行短路[例如参照专利文献1等]。专利文献专利文献1 日本专利特开第2763479号公报
发明内容
另外，上述的开关元件5通过对上述电抗器2的输出进行短路控制，使从上述电抗器2经由二极管4输出至电容器3的电流波形接近正弦波，由此起到抑制高次谐波的产生的作用。然而，是否能使上述电流波形接近正弦波，很大程度上受到上述开关元件5的导通、断开定时的影响。而且，上述开关元件5的最佳的导通、断开定时会根据交流电源的规格(电压、频率)或负载的状况等而发生变化。因此，即使预先设想这种直流电源装置的使用条件以求出上述开关元件5的几个导通、断开定时，选择性对其使用并对上述开关元件5 进行导通、断开控制，也难以根据各种使用条件来实现动作条件的最优化。本发明是考虑到这样的情况而完成的，其目的在于提供一种直流电源装置，该直流电源装置能够在与交流电的规格的差异或负载的状态等无关的情况下、适当设定对电抗器的输出进行短路的开关元件的导通、断开定时，并抑制高次谐波的产生。为了达到上述目的，本发明所涉及的直流电源装置着眼于从电抗器输出并经由二极管供给至负载的电流、以及被开关元件短路的电流，通过利用基于不流过电流的期间的计算处理，决定将上述开关元件进行导通、断开的适当的定时，在与交流电的规格的差异或负载的状态等无关的情况下，能够有效地抑制高次谐波的产生。S卩，本发明所涉及的直流电源装置包括将被整流器进行全波整流后的电力输入至电抗器，将来自该电抗器的输出电流经由防止倒流用二极管引导至电容器，在平滑化后供给至负载的单元；以及与进行所述全波整流后的电力的周期同步，对所述电抗器的输出进行短路，抑制高次谐波的产生的开关元件，其特征在于，特别包括对从所述电抗器输出的电流进行逐次检测的电流检测单元，对所述开关元件进行导通、断开控制的开关控制单元具备第一单元，该第一单元从所述开关元件的导通定时，求出在所述周期的初始来自所述电抗器的输出电流为零的第一断开期间，并且从断开所述开关元件之后由所述电抗器输出的电流为零的定时，求出在所述周期的终期来自所述电抗器的输出电流为零的第二断开期间；以及第二单元，该第二单元修正所述开关元件的导通定时并再起动所述第一单元，使得所述第一断开期间接近基于所述第二断开期间而设定的目标断开期间，决定所述开关元件的导通定时以使所述第一断开期间与所述目标断开期间一致。顺带提及，所述目标断开期间例如是通过所述第二断开期间乘以预定的系数而设定的。另外，所述开关控制单元构成为以输入至所述整流器的交流电源的交流电压的零交叉点的检测定时为开始点，控制所述开关元件的导通、断开定时。另外，关于所述开关元件的断开定时，设定为例如从所述电抗器输出的电流超过预先设定的电流阈值的定时，优选的是，求出所述电流阈值，以作为所述1个动作周期量的目标电流波形(正弦波)乘以预定的系数而得到的电流波形(正弦波)即可，该所述1个动作周期量的目标电流波形例如是基于从所述电抗器遍及1个动作周期输出至负载的电流量而等效地求出的。或者调整并决定所述开关元件的断开定时，以使得供给至所述负载的直流电压为预先设定的目标直流电压即可。根据这样结构的直流电源装置，基于从电抗器输出的电流、特别是经由二极管供给至电容器的电流为零的期间，利用预定的计算处理来适当设定将上述开关元件导通的定时，另外，对于上述开关元件的断开定时，也可以由被上述开关元件短路而得到的电流来适当设定。即，可以根据交流电源的规格或直流电源装置的使用状况等，适当且简易地设定开关元件的导通、断开定时。所以，能够在与交流电源的规格的差异或负载的状态等无关的情况下，有效地抑制高次谐波的产生。另外，由于即使预先设定开关元件的导通、断开定时的标准，也能够根据本装置的使用状况，根据实际上从电抗器输出的电流来逐步修正上述开关元件的导通定时及断开定时，以对其进行优化，因此可以根据各种使用环境，有效地抑制高次谐波的产生。
图1是本发明的一个实施方式所涉及的直流电源装置的简要结构图。图2是用于说明直流电源装置的基本动作的动作波形图。图3是用于说明本发明所涉及的直流电源装置的伴随开关元件的导通、断开的动作的图。图4是示出本发明的一个实施方式所涉及的直流电源装置的初始设定处理步骤的一个例子的图。图5是示出本发明的一个实施方式所涉及的直流电源装置的开关元件的导通定时及断开定时的设定处理步骤的一个例子的图。
具体实施例方式下面，参照附图来说明本发明的一个实施方式所涉及的直流电源装置。该直流电源装置是所谓的电抗器输入型直流电源装置，如图1所示，一般以下述结构为主来构成 即，对交流电进行全波整流的整流器1 ；将一端与该整流器1的一个输出端[+]连接的感应性元件即电抗器2 ；连接于该电抗器2的另一端与上述整流器1的另一个输出端[_]之间， 对来自该电抗器2的输出电流进行平滑化并供给至负载RL的电容器3。另外，在上述电抗器2的另一端与上述电容器3之间串联装入有防止倒流用的二极管4，进一步在上述电抗器 2的另一端与上述整流器1的另一个输出端[_]之间连接有开关元件5，该开关元件5对电抗器2进行短路并断开向上述负载侧的供电。该开关元件5由利用开关控制部(开关控制单元)6而被导通、断开控制(oruofT控制)的IGBT或MOS晶体管构成。另外，上述开关控制部6 —般起到以下作用即，以由零交叉检测器7所检测出的上述交流电源的零交叉点作为同步基准定时，在预定的定时对上述开关元件5进行导通、 断开控制。顺带提及，在以往的直流电源装置的开关控制部6中，一般而言对于上述开关元件5的导通、断开(oruoff)定时，使其与电源规格一致地进行固定设定，或者根据负载的规格或电源装置的使用状况来选择预先准备的多种导通、断开(on，off)定时中的一个以进行设定。这一点，在本实施方式所涉及的直流电源装置中，在上述整流器1的另一个输出端[_] 一侧串联地插入有并联电阻8，上述开关控制部6根据经由上述并联电阻8而检测出的上述电抗器2的输出电流，如后所述地分别适当设定上述开关元件5的导通定时Ton及断开定时Toff。另外，经由并联电阻8而检测出的电流I是在上述开关元件5导通时来自经由该开关元件5而短路的上述电抗器2的输出电流，是在上述开关元件5断开时从上述电抗器2经由上述二极管4供给至电容器3，进而供给至负载RL侧的电流。此处，首先说明上述直流电源装置的基本动作，经由整流器1被全波整流并输入至上述电抗器2的输入电压Vin如图2所示，是将交流电源的零交叉点作为拐点(基准点) 的半周期的正弦波(正分量)，其周期T为交流电压波形的周期的1/2倍。而且，若开关元件5始终为断开状态，则经由上述电抗器2而流入的输入电流Iin如图2所示，从输入电压 Vin高于电容器3的充电电压(被平滑化后的输出电压Vout)的时间点起对该电容器3进行充电而逐步增加，之后随着输入电压Vin的下降而减少，在该输入电压Vin下降至上述电容器3的充电电压时变为零。对此，若在预先设定的定时对上述开关元件5进行导通、断开控制，则经由电抗器 2而流入的输入电流Iin如图3所示，从开关元件5导通的时间点Ton起开始流动并逐步增大，从上述开关元件5断开的时间点Toff起经由上述二极管4对电容器3进行充电而流入。另外，在开关元件5处于导通状态的情况(接通期间)下，由于输入电流Iin全部经由开关元件5而发生短路，因此不会经由上述二极管4而供给至电容器3 (负载RL侧)。此时，若使经由电抗器2而流入的输入电流Iin尽可能接近正弦波，则能够抑制高次谐波的产生，所以为了得到这样的接近正弦波的输入电流Iin，重要的是分别适当设定上述的开关元件5的导通定时Ton和断开定时Toff。因此，在本发明中，着眼于遍及从上述电抗器2输出的电流I的上述周期T的平均电流lave，设定上述开关元件5的断开定时TofT，并且基于在断开上述开关元件5后上述电流I为零的定时，适当设定上述开关元件5的导通定时Ton。顺带提及，遍及从上述电抗器2输出的电流I的周期T的平均输入电流Iave如图2所示，将周期T内的来自电抗器2 的输出电流I的积分值即电流量Σ I定义为根据其输入电压Vin而平均地输入至电抗器2 的电流(半周期的正弦波)，其电流量Σ lave被定为与上述电流量Σ I相等。
S卩，在本实施方式中，将利用上述开关元件5的导通而从电抗器2输出的电流I、 高于在上述平均电流Iave乘以预定的系数α ( > 1)而设定的如图3所示的阈值电流Ith 的定时，设定为上述开关元件5的断开定时Toff。S卩，由于开关元件5的导通，来自电抗器 2的电流I开始输出，其输出电流I逐步增大。而且，若在电流I增大到某一程度的时间点断开上述开关元件5，则之后着眼于从电抗器2经由二极管4流入至电容器3的电流I继续输出，基于从电抗器2输出的电流I的大小，对上述开关元件5设定断开定时Toff。另外，为了适当设定上述开关元件5的导通定时Ton，首先，从假设设定的上述开关元件5的导通定时Ton，求出在上述周期T的初始时输入电流Iin维持为零的第一断开期间Tl，并且在断开上述开关元件5后，从上述输入电流Iin (经由二极管4而供给至电容器 3的电流)为零的定时Tend，求出在上述周期T的终期时输入电流Iin为零的第二断开期间T2 [第一单元]。然后，基于如上所述求出的第二断开期间T2来设定初始时的目标断开期间T3，变更上述第一断开期间Tl，具体而言变更上述开关元件5的导通定时Ton，使其接近该目标断开期间T3 [第二单元]。于是，随着开关元件5的导通定时Ton的变更，从上述电抗器2输出的电流I高于上述的阈值电流Ith的定时发生变化，由此，开关元件5的断开定时TofT 也发生变化。其结果是，在断开上述开关元件5之后，从上述电抗器2经由二极管4而供给至电容器3的电流(输出电流I)为零的定时Tend也发生变化，上述第二断开期间T2也会相应地发生变化。因此，在变更了开关元件5的导通定时Ton的条件下，使利用上述的第一单元的处理再次执行[第二单元]，重新求出上述第二断开期间T2，设定新的目标断开期间T3。然后，通过重复执行上述的处理，使上述第一断开期间Tl逐步地收敛至重新求出的目标断开期间T3，据此实现对上述开关元件5的导通定时Ton的优化，同时实现对上述开关元件5的断开定时Toff的优化。图4示出为了实现上述开关元件5的导通定时Ton及断开定时Toff而构成的本发明的直流电源装置的初始设定处理步骤的一个例子。该初始设定处理由以下处理步骤构成基于交流电压波形的周期来决定上述开关元件5的控制周期T，并且基于来自电抗器 2的输出电流I来算出输入至该电抗器2的上述的平均电流lave，进一步基于该平均电流 Iave来设定用于决定上述开关元件5的断开定时Toff的阈值电流Ith。开关元件5的控制周期T 一般被定为由上述的零交叉检测器7检测出的交流电压的零交叉点的周期。顺带提及，虽然交流电源的频率长期保持为大致一定，但在短期中还是会有若干摇摆(变动)，换而言之，交流电压的周期自身会有若干摇摆(变动)。另外，根据使用直流电源装置的地域或国家的不同，交流电源的频率自身有时也不同，很难说电源频率的稳定度是一样的。因此，在本实施方式中，首先为了不受交流电源的周期的变动的影响而能稳定地设定上述开关元件5的控制周期T，将上述开关元件5的控制周期T决定为利用上述零交叉检测器7经过N次(例如50次)而检测出的零交叉点的周期的平均值。具体而言，将周期检测的参数η初始设定为零W]〈步骤Sl>，使该控制参数η步进(增加)〈步骤S2>，同时对由上述零交叉检测器7检测出的交流电压的零交叉点间的期间Tn(n = 1 N)进行检测〈步骤S3〉。然后，判定所检测出的期间(零交叉周期)Tn是否包含在预先决定的范围Tmin Tmax的范围内 < 步骤S4>，废弃在脱离上述范围的情况下获取的数据(所检测出的期间Tn) <步骤S5>。重复执行该处理直至得到N个数据(所检测出的期间Tn) <步骤S6>， 将这N个数据的平均值设定为上述开关元件5的控制周期Τ<步骤S7>。另外，关于上述的零交叉周期Tn的判定范围，考虑到交流电源的频率标准是50Hz 或者60Hz，例如设定电源频率超过65Hz时为最小周期15. 385n^eC、以及电源频率不到45Hz 时为最大周期22. 222mSec即可。另外，也可以利用滤波处理来求出平均的零交叉周期Tn， 将其设定为上述开关元件5的控制周期Τ，以代替通过上述步骤来求出零交叉输入的平均值。之后，设定用于对上述开关元件5的断开定时Toff进行规定的阈值电流Ith。该处理是设定如下的理想条件而进行的将上述开关元件5始终设定为断开状态(无导通、断开控制)，使来自电抗器2的输出电流I的全部经由二极管4而供给至电容器3 (负载RL侧)< 步骤Sll>。然后，在该状态下，遍及如上所述而设定的周期T，经由上述并联电阻8逐次检测输出电流I (流过二极管4的电流Id) <步骤S12>。该电流检测例如以100 200 μ Sec 的取样周期来执行。接着，根据遍及周期T而检测出的输出电流I (经过二极管4的电流Id)的积分值 Σ I，对应于输入电压Vin遍及上述周期T来描绘正弦波，求出平均输入至上述电抗器2的平均电流IaVe<步骤S13>。另外，也可以求出遍及周期T的输出电流I的平均值，基于该输出电流I的平均值遍及上述周期T来描绘正弦波，从而求出平均输入至上述电抗器2的平均电流lave，以代替求出输出电流I的积分值Σ I。然后，基于该平均电流lave，将用于规定上述开关元件5的断开定时Toff的阈值电流Ith设定为例如Ith = α · Iave〈步骤S14>。但是，考虑到不会随着开关元件5的导通、断开控制而经由上述二极管4供给至电容器3、而会经由该开关元件5被短路的电流Is量，将上述系数α设定为例如[1.1] [1.3]左右的值。若如上所述结束初始设定处理，则接下来根据图5所示的处理步骤，设定使上述开关元件5导通的定时Ton和使该开关元件5断开的定时Toff。具体而言，首先，对使上述开关元件5导通的定时Ton进行预设定 < 步骤S21>，使其与上述的零交叉的周期T同步，在上述定时Ton使开关元件5导通 < 步骤S22>。即，在周期T的初始时，在经过使来自电抗器 2的输出电流I为零的第一断开期间Tl之后，使开关元件5导通。关于上述预设定的导通定时Ton (第一断开期间Tl)，以往将其定为通常的直流电源装置中所固定(标准)设定的导通定时即可，但也可以将其设定为交流电压的零交叉点。然后，此时经由上述并联电阻8检测出从上述电抗器2输出的电流I (流过开关元件5的短路电流Is)〈步骤S23>，判定该电流I是否超过上述的阈值电流Ith<步骤S24>。 重复进行该判定处理，直至经由并联电阻8而检测出的电流I超过上述阈值电流Ith。然后，在电流I超过上述阈值电流Ith时，断开上述开关元件5<步骤S25>，并且将该检测定时预设定为上述开关元件5的断开定时Toff<步骤S26>。另外，上述判定中所使用的阈值电流Ith如图3所示，在与零交叉点同步的周期T 内，随着时间经过描绘正弦波且发生变化。所以，只要使其与上述的零交叉点同步且遍及上述周期T来生成描绘半周期的正弦波的阈值电流Ith，同时与遍及上述周期T而逐次检测出的电流I比较，从而判定该检测电流I是否超过阈值电流Ith即可。若通过这样将开关元件5断开，则接下来经由上述并联电阻8检测出从上述电抗器2输出且通过上述二极管4被供给至电容器3的电流I (流过二极管4的电流Id) <步骤 S26>，重复判定该电流I是否为零W]〈步骤S27>，从而对流过二极管4的电流I为零
的定时Tend进行检测 < 步骤S28>。然后，基于该检测定时Tend，求出在上述周期T的后期从上述电抗器2输出的电流I为零的第二断开期间T2<步骤S29>，基于该第二断开期间T2 来设定在上述周期T的初始时为了使来自上述电抗器2的输出电流I为零的目标断开期间 T3< 步骤 S30>。将该目标断开期间T3设定为周期T内的电抗器2的输出电流I尽可能接近半周期的正弦波的期间，例如设定为T3 = β · T2。但是，考虑到在开关元件5导通时流过该开关元件5的来自上述电抗器2的输出电流Is的变化、与在断开开关元件5时流过上述二极管4的来自上述电抗器2的输出电流Id的变化之间的差异，将上述系数β设定为例如
左右的值。然后，判定上述的第一断开期间Tl与如上所述设定的目标断开期间Τ3是否相等< 步骤S31>，在这些期间Tl、T2不同的情况下，修正上述开关元件5的导通定时Ton，使得上述第一断开期间Tl接近上述目标断开期间T3<步骤S32>。然后，在修正后的导通定时Ton 下对上述开关元件5进行导通控制，由此再次重复执行从步骤S23起的处理。关于对上述开关元件5的导通定时Ton的修正，每隔预定时间Δ t对先前设定的导通定时Ton进行移动即可。由于若通过这样对开关元件5的导通定时Ton进行修正，则电流从电抗器2经由开关元件5而输出的定时发生相应地发生变化，因此该输出电流I超过上述的阈值电流Ith 的定时也会发生变化。而且，由于开关元件5的断开定时Toff也会相应地发生变化，因此进一步流过二极管4的电流I为零W]的定时Tend也会发生变化。所以，上述的第二断开期间T2会相应地发生变化，进一步地目标断开期间T3也会发生变化。然后，在重新设定的目标断开期间T3下判定如上所述设定的开关元件5的导通定时Ton是否适当，重复执行上述的处理，直至第一期间Tl收敛至目标断开期间T3。然后，在第一期间Tl收敛至目标断开期间T3时 < 步骤S32>，将此时预设定的开关元件5的导通定时Ton与该开关元件5的断开定时Toff决定为来自电抗器2的输出电流I平衡良好地接近半周期的正弦波以有效地抑制高次谐波的产生的控制定时，并始终对其进行输出〈步骤S32>。因为根据由此来设定开关元件5的导通定时Ton与其断开定时Toff的本直流电源装置，能够使从电抗器2输出的电流波形平衡良好地接近半周期的正弦波，因此可以有效地抑制高次谐波的产生。而且，即使在交流电源的频率(周期)不明确，或其频率(周期) 的变动较大的情况下，或者在因负载RL的差异而引起的其动作条件大幅变化的情况下，也可以简易且有效地对开关元件5的导通、断开定时Ton、Toff进行适当设定。所以，在抑制各种条件下所使用的电抗器输入型的直流电源装置中产生高次谐波的方面，其实用的优点很大。
另外，本发明不限于上述的实施方式。在实施方式中，从来自电抗器2的输出电流 I求出输入至该电抗器2的平均电流lave，在基于该平均电流Iave而设定的阈值电流Ith 下，设定开关元件5的断开定时Toff，但是，也可以着眼于经由电容器3而被平滑化的输出电压Vout，来设定开关元件5的断开定时Toff。具体而言，检测由电容器3平滑化且输出至负载RL的电压Vout，修正上述开关元件5的断开定时Toff，使得该输出电压Vout接近由上述负载RL的规格等决定的目标输出电压。然后，通过重复执行该修正处理，使该开关元件5的断开定时Toff收敛至最佳的定时即可。此外，本发明可以在不脱离其要点的范围内进行各种变形以进行实施。工业上的实用性优选一种直流电源装置，该直流电源装置能够根据交流电源的规格或直流电源装置的使用状况等，适当且简易地设定开关元件的导通、断开定时这样的优良。标号说明
1整流器
2电抗器
3电容器
4二极管(防止倒流用)
5开关元件(IGBT或MOS晶体
6开关控制部
7零交叉检测器
8并联电阻(电流检测单元)
RL负载
权利要求
1.一种直流电源装置，包括将被整流器进行全波整流后的电力输入至电抗器，将来自该电抗器的输出电流经由防止倒流用二极管引导至电容器，在平滑化后供给至负载的单元；以及与进行所述全波整流后的电源的周期同步，对所述电抗器的输出进行短路，抑制高次谐波的产生的开关元件，其特征在于，包括对从所述电抗器输出的电流进行逐次检测的电流检测单元，对所述开关元件进行导通、断开控制的开关控制单元具备第一单元，该第一单元从所述开关元件的导通定时，求出在所述周期的初始来自所述电抗器的输出电流为零的第一断开期间，并且从断开所述开关元件之后由所述电抗器输出的电流为零的定时，求出在所述周期的终期来自所述电抗器的输出电流为零的第二断开期间；以及第二单元，该第二单元修正所述开关元件的导通定时并再起动所述第一单元，使得所述第一断开期间接近基于所述第二断开期间而设定的目标断开期间，决定所述开关元件的导通定时以使所述第一断开期间与所述目标断开期间一致。
2.如权利要求1所述的直流电源装置，其特征在于，所述目标断开期间是通过所述第二断开期间乘以预定的系数而设定的。
3.如权利要求1所述的直流电源装置，其特征在于，所述开关控制单元从输入至所述整流器的交流电源的交流电压的零交叉点的检测定时，检测所述全波整流电源的周期，以所述零交叉点的检测定时为动作周期的开始点，控制所述开关元件的导通、断开定时。
4.如权利要求1所述的直流电源装置，其特征在于，将所述开关元件的断开定时设定为从所述电抗器输出的电流超过预先设定的电流阈值的定时，求出所述电流阈值，以作为1个动作周期量的目标电流波形乘以预定的系数而得到的电流波形，该1个动作周期量的目标电流波形是基于从所述电抗器遍及1个动作周期输出至负载的电流量而等效地求出的。
5.如权利要求1所述的直流电源装置，其特征在于，调整所述开关元件的断开定时，使得供给至所述负载的直流电压为预先设定的目标直流电压。
全文摘要
本发明提供一种直流电源装置，该直流电源装置能够适当设定对电抗器的输出进行短路的开关元件的导通、断开定时，并抑制高次谐波的产生。从开关元件的导通定时，求出在控制周期的初期来自所述电抗器的输出电流为零的第一断开期间，并且在断开所述开关元件后，从由所述电抗器所输出的电流为零的定时，求出在所述周期的终期来自所述电抗器的输出电流为零的第二断开期间(第一单元)，修正所述开关元件的导通定时并再起动所述第一单元，使得所述第一断开期间接近基于第二断开期间而设定的目标断开期间，决定所述开关元件的导通定时以使所述第一断开期间与所述目标断开期间一致(第二单元)。
文档编号H02M7/06GK102362421SQ201080014028
公开日2012年2月22日 申请日期2010年3月18日 优先权日2009年3月26日
发明者中泽勇二, 吉田浩, 小林孝次, 时崎久, 金子峻辅, 高田康平 申请人:三电有限公司