專利名稱：直流電源裝置和空調機的制作方法
本申請是發(fā)明名稱為“直流電源裝置和空調機”、申請日為1998年6月26日、申請?zhí)枮?8115297.X的母案的分案申請。
本發(fā)明涉及將來自交流電源的交流電變換成直流電的直流電源裝置。特別涉及在交流電輸入側串聯(lián)插入扼流圈的直流電源裝置。
以往，在電容輸入型的直流電源裝置中，其輸入電流僅在輸入電壓大于電容器電壓時流動，另外，因在該時間內沒有限制電流的元件，所以輸入電流的峰值很大，成為通電寬度狹窄的脈沖狀的電流。為了防止這種情況的發(fā)生，過去已提議的有在輸入電路中插入扼流圈同時改善功率因數和電源高次諧波的方法。但是，為了得到這些效果，扼流圈的電感必須很大，而且，如果增加電感，則由于電流相位滯后導致的直流電壓降增大、最大輸出功率降低。
因此，本申請人為了利用電感小的的扼流圈以改善輸入電流波形和輸出直流電壓，提出在其扼流圈中強制地通電、能同時得到功率因數的改善和高次諧波的降低的直流電源裝置，另外還進一步提出了抑制因這種控制發(fā)生的扼流圈振動噪音的控制方法。
圖7表示以往未公開的直流電源裝置的一例的電子電路圖，在市電電源等的交流電源101的一輸出端上串聯(lián)插入扼流圈102。
在扼流圈102的另一端上連接作為短路電路的第1二極管橋式電路103和作為整流電路的第2二極管橋式電路104的一輸入端，在這些第1、第2二極管橋式電路103、104的另一輸入端上連接交流電源101的另一輸出端。
在第1二極管橋式電路103的兩輸出端上連接例如MOSFET等組成的開關元件105，在這種開關元件105上連接例如由微處理器等組成的控制電路106。此外，在圖4中，標號107表示倍壓電容器，標號108表示濾波電容器，標號109表示負載。
而且，借助于將來自控制電路106的規(guī)定的功率因數改善脈沖在交流電源各過零點之后規(guī)定的時間內提供給開關元件105，對這種開關元件105進行導通/斷開控制，通過扼流圈102和第1二極管橋式電路103使交流電源101的輸出側兩端短時間短路，強制地使扼流圈102通電，使電源導通角增大。因此，能不增大扼流圈102又同時能得到功率因數的改善和高次諧波的降低。
但是，因由于扼流圈102的強制通電和切斷的電流急劇變化會在扼流圈102中發(fā)生噪音，所以借助于在從控制電路106輸出功率因數改善脈沖后設置規(guī)定的延遲時間、將規(guī)定的噪音降低脈沖提供給開關元件105，也能降低前述扼流圈102的噪音。
然而，來自交流電源101的交流電在利用前述功率因數改善脈沖短路的第1二極管橋式電路103中短時間流過后，這種第1二極管橋式電路103一被開路，就將其電流切換到第2二極管橋式電路104側。此外，在利用噪音降低脈沖再次進行短路時，包含第2二極管橋式電路104的反向恢復電流的不連續(xù)電流，流過第1、第2二極管橋式電路103、104。
圖8表示在這種第1二極管橋式電路103短路和再短路時，包含流過第1、第2二極管橋式電路103、104之間的反向恢復電流的不連續(xù)電流，圖8(A)是表示在第2二極管橋式電路104側流過的不連續(xù)電流。圖8(B)是表示在第1二極管橋式電路103側流過的不連續(xù)電流。
圖9(A)、圖9(B)是表示在開關元件105附近流過的前述不連續(xù)電流的放大圖。發(fā)生前述的不連續(xù)電流，可能會破壞橋式電路，可靠性不好。
但是，在這種直流電源裝置中，因利用獨立的半導體模塊，分別構成第1、第2二極管橋式電路103、104和開關元件105，所以如圖7中小圓圈所示，這些合計的外部端子數，因第1二極管橋式電路103是4個端子，第2二極管橋式電路104是4個端子，開關元件105是3個端子，所以其結果是共計11個端子，因此該裝置的問題是，包含外部端子連線的組裝作業(yè)性差，可靠性低。
另外，因這些第1、第2二極管橋式電路103、104及開關元件105根據其電氣規(guī)格分別設置散熱裝置，所以很難實現(xiàn)小型化和輕量化。
此外，由于開關元件105的開關而導致的不連續(xù)電流及由于再短路而產生的尖峰狀反向恢復電流所流過的電流路徑是第2二極管橋式電路104的第1二極管D1→第1二極管橋式電路103的第5二極管D5→開關元件105→第7二極管D8，因流過3個半導體模塊103、104、105之間，所以還存在向外部放射的電磁波噪音也增大的問題。
這里，本發(fā)明考慮到前述情況，其目的在于提供組裝作業(yè)性好并且電磁波噪音小的小型輕量的直流電源裝置。
本發(fā)明的直流電源裝置，包括一對交流電源線，串聯(lián)插入到所述交流電源線的扼流圈，將與交流電源線連接的、通過扼流圈從交流電源供給的交流電整流成直流電的由4個二極管組成的二極管橋式電路，與所述二極管橋式電路的直流輸出連接的、對所述直流輸出進行濾波的電容器，具有將陽極側連接在各交流電源線上的共同連接陽極側的2個二極管，和串聯(lián)插入到所述2個二極管的共同連接部分與所述二極管橋式電路的負極側的輸出之間的開關元件，并在開關元件導通時，通過所述扼流圈對所述交流電源進行短路，強制地對所述扼流圈進行通電的短路電路，與所述交流電源連接的、檢測所述交流電壓的過零點的過零點檢測電路，在所述過零點檢測電路檢測的所述交流電壓的各過零點之后規(guī)定的短時間內、將使所述短路電路開關元件導通的信號提供給所述開關元件的控制電路。
圖1表示與本發(fā)明實施例1相關的直流電源裝置的電子電路圖。
圖2表示與本發(fā)明實施例2相關的直流電源裝置的電子電路圖。
圖3表示與本發(fā)明實施例3相關的直流電源裝置的電子電路圖。
圖4表示與本發(fā)明實施例4相關的直流電源裝置的電子電路圖。
圖5表示以往的直流電源裝置的電子電路圖。
圖6表示在空調機中使用本發(fā)明的直流電源裝置實施例5的結構的方框圖。
圖7表示以往未公開的直流電源裝置的電子電路圖。
圖8(A)表示以往未公開的直流電源裝置的第2二極管橋式電路側中流過的不連續(xù)電流的波形圖。
圖8(B)表示以往未公開的直流電源裝置的第1二極管橋式電路側中流過的不連續(xù)電流的波形圖。
圖9(A)表示圖8(A)所示的不連續(xù)電流在開關元件附近流動的場合的放大電流波形圖。
圖9(B)表示圖8(B)所示的不連續(xù)電流在開關元件附近流動的場合的放大電流波形圖。
下面，參照附圖對本發(fā)明的實施例進行說明。
實施例1下面，參照圖1至圖3對本發(fā)明的實施例進行說明。在這些圖中對相同或者相當的部分附以相同的標號。
圖1表示與本發(fā)明實施例1相關的直流電源裝置1的電子電路圖。該直流電源裝置1在市電電源的交流電源2的一輸出端上串聯(lián)連接扼流圈3。該扼流圈3的另一端，分別連接到由4個二極管組成的導通方向一致的第1二極管橋式電路4和構成全波整流電路的第2二極管橋式5的一輸入端上。在交流電源2的另一輸出端上分別連接第1、第2二極管橋式電路4、5的另一輸入端。
將第1二極管橋式電路4的兩個輸出端連接到由雙極型晶體管、IGBT、MOSFET等組成的開關元件6的集電極和發(fā)射極之間，在這種開關元件6導通時，通過第1二極管橋式電路4和扼流圈3，構成將交流電源2的輸出側的兩端短路的短路電路。
將開關元件6的柵極連接到由微處理器等組成的控制電路7上，并由這種控制電路對開關元件6進行導通/斷開控制。
在控制電路7的輸入側，設置由光電耦合器及電流互感器等組成的未圖示的過零檢測電路，將這種過零檢測電路的輸入側連接到交流電源2的輸出端。由此，這種過零檢測電路將檢測交流電源2的交流電壓通過零點、即過零點OX的時刻并輸出的檢測信號供給控制電路7。
控制電路7在所述各過零點OX之后規(guī)定的導通時間內，將功率因數改善脈沖提供給開關元件6，同時在從這種功率因數改善脈沖規(guī)定的延遲時間后，將脈沖寬度比功率因數改善脈沖小的噪音降低脈沖提供給開關元件6。
為了達到改善直流電源裝置1的功率因數和降低高次諧波的目的，功率因數改善脈沖是從電源電壓波形AC的各過零點OX開始的規(guī)定時間內(例如數msec)輸出的脈沖。噪音降低脈沖是為了降低因功率因數改善脈沖強制地使扼流圈3通電使通過電流急劇地變化而產生的扼流圈3的噪音，在各功率因數改善脈沖規(guī)定的延遲時間后增加的脈沖。
而且，噪音降低脈沖對于各功率因數改善脈沖延遲的時間和各噪音降低脈沖的再導通時間的各最佳值，是扼流圈3的固有振動波長的大致1/6左右，例如是大約20μsec左右的極短的時間。
另外，通過倍壓電容器8、9和濾波電解電容器10，將第2二極管橋式5的輸出端連接到負載11上。由此，利用第2二極管橋式5和倍壓及濾波電解電容器8、9、10，對來自交流電源2的交流電壓進行倍壓整流，而且，將濾波的直流電壓供給到負載11上。
因此，當從交流電源2輸出交流電壓時，通過扼流圈3就將這種交流電壓供給到由第2二極管橋式5和倍壓及濾波電解電容器8、9、10組成的倍壓整流電路中，并產生直流電壓供給負載11，同時，當這種交流電壓通過過零點OX時，利用過零檢測電路8檢測這種過零點OX，借助于從這種過零檢測電路8輸出的檢測信號，驅動控制電路7。
由此，控制電路7在交流電壓的過零點通過后，在規(guī)定時間內產生功率因數改善脈沖和噪音降低脈沖，并提供給開關元件6。
開關元件6在對應的功率因數改善脈沖和噪音降低脈沖驅動下處于，導通狀態(tài)。這樣，交流電源2的兩端通過第1二極管橋式電路4及扼流圈3而短路。由此，對應于功率因數改善脈沖，開關元件6通過扼流圈將交流電源2短路，即使在輸入電壓小于電容器電壓的時間內，扼流圈3也能通電，存儲電能，增大交流電源2的電氣導通角。因此，能改善直流電源裝置的電源功率因數，同時降低高次諧波。
另外，在對應于噪音降低脈沖開關元件6導通時，在利用功率因數改善脈沖短路扼流圈3后，能降低因切斷扼流圈3的短路、使短路電流斷開而產生的電流急劇變化的噪音。
而且，借助于在1個半導體外殼12a中集中安裝所述第1、第2二極管橋式電路4、5和開關元件6的這3個電路，能整體構成1個半導體模塊。
因此，使以往至少3個必要的外殼12a減少到1個，能謀得裝置整體的小型化輕量化。
因用1個外殼1 2a共同構成這些第1、第2二極管橋式電路4、5和開關元件6的外殼，所以能不必通過個別的各個外殼，接近配置并連接這些半導體電路。因此，因能縮小其連接路徑的長度和面積，所以能降低因這些連接路徑而產生的寄生電容和電感，提高可靠性。
此外，雖然在第1、第2二極管橋式電路4、5中流過互補的不連續(xù)電流和因再導通(短路)控制而產生的第2二極管橋式5的反向恢復電流，會發(fā)生高次諧波噪音，但在本實施例中，因不通過各外殼接近配置第1、第2二極管橋式電路4、5，并在外殼12a中連接，所以能降低從這些電流流過的電流路徑向外部發(fā)射的高次諧波噪音的發(fā)生。
而且，因用1個外殼12a共同構成這些第1、第2二極管橋式電路4、5和開關元件6的外殼，所以如圖1這小圓圈所示，能減少這種外殼12a的外部端子成為2個交流輸入端子ACin、2個直流輸出端子DCout、和2個控制信號輸入輸出端子cont共計6個端子。
因此，因能減少這6個外部端子和交流電源2和扼流圈3等的外部元件的連接點，所以能同時提高包含這種連接作業(yè)的組裝作業(yè)的作業(yè)性和可靠性。
借助于在控制電路7的輸入側通過光電耦合器連接未圖示的交流電源過零檢測器等的外部元件，能電氣隔離控制電路7和檢測器等的外部元件，所以能防止由于電磁波噪音而導致的控制電路7的誤動作。
實施例2圖2表示與本發(fā)明實施例2相關的直流電源裝置1A的電子電路圖。其特征在于，與第1、第2二極管橋式電路4、5和開關元件6一起、將包括未圖示的驅動用電源的控制電路7，集中安裝在1個外殼13a中，整體構成1個半導體模塊13，另一方面，設置主熔絲14和輔助熔絲15。
在交流電源2的一輸出端上串聯(lián)插入主熔絲14，在扼流圈3的一端和外殼13a的短路電路輸入端子16之間串聯(lián)插入輔助熔絲15。使用的主熔絲14的電流額定值比輔助熔絲15的額定值大。短路電路輸入端子16是通過扼流圈3專門用于在第1二極管橋式電路4的一端輸入交流電的外部端子。
因此，采用這種直流電源裝置1A，則因能在1個共同的外殼13a中與第1、第2二極管橋式電路4、5和開關元件6接近配置并連接控制電路7，所以能謀得該共同外殼13a的進一步小型化，而且，能縮小該外殼13a中的內部連接部分的長度和面積。因此，能降低由于內部連接部分產生的寄生電容和電感并提高可靠性，而且，能降低高次諧波噪音。
此外，因控制電路7包括驅動用電源，所以能在控制電路7中連接交流電源過零檢測器等的外部元件并容易進行外部控制。
而且，假設即使開關元件6損壞，由于輔助熔絲15熔斷，所以能防止作為短路電路的第1二極管橋式電路4的損壞。此外，即使輔助熔絲15熔斷，也因主熔絲14的額定電流比輔助熔絲15大，所以，通過主熔絲14，能將來自交流電源2的交流電繼續(xù)供給到整流電路的第2二極管橋式5中，并繼續(xù)運行。
在萬一從交流電源2輸出渦流的場合，因主熔絲14熔斷能防止渦流，所以能防止扼流圈以后的各電路元件等的損壞。
實施例3圖3表示與本發(fā)明實施例3相關的直流電源裝置1B的電子電路圖。其特征在于，是在前述實施例2中，在熔絲17形成與開關元件6的例如發(fā)射極側連接的內部導體例如焊線。
采用本實施例，則即使在萬一開關元件6損壞、在發(fā)射極側流過渦流的場合，因能借助于熔絲17熔斷防止第1二極管橋式電路4的損壞。
因此，因能刪除圖2所示的輔助熔絲15和與其連接的短路電路輸入端16，所以能進一步改善組裝作業(yè)。
實施例4圖4表示與本發(fā)明實施例4相關的直流電源裝置1C的電子電路圖。其特征在于，這種直流電源裝置1C，是借助于共用圖5所示的以往的直流電源裝置1D的整流電路5的第3、第4二極管D3、D4作為短路電路4的第7、第8二極管D7、D8，刪除這種第7、第8二極管。
也就是說，如圖5所示，以往的直流電源裝置1D，利用4個二極管D1、D2、D3、D4形成橋式電路，構成整流電路5，另一方面，利用4個二極管D5、D6、D7、D8形成短路電路4的橋式電路。
短路電路4是這樣的，利用作為其驅動電源裝置而且作為控制電路7的柵極驅動器電源裝置7a，對作為開關元件6的IGBT6a進行導通/斷開控制。
與此相對應，圖4所示的本發(fā)明的直流電源裝置1C，借助于共用分別將陽極連接在整流電路5的輸出端的負極側上的第3、第4二極管D3、D4作為短路電路4的第7、第8二極管D7、D8，可刪除圖5所示的第7、第8短路二極管D7、D8，同時將柵極驅動電源裝置7a的輸入側和IGBT6a的源極側與整流輸出的負極側電氣連接。
因此，在這種直流電源裝置1C中，利用柵極驅動電源裝置7a使IGBT6a導通，這時，電源2的電壓在第1、第5二極管D1、D5的陽極側，即圖4中A點是正時，來自電源2的電流使扼流圈3通電，然后分流到第1和第5二極管D1、D5，分流到第1二極管D1的電流用濾波電容器10濾波。另一方面，分流到第5二極管D5的電流，進一步在IGBT6a→第4二極管D4→電源2的路徑中流動。因此，因通過扼流圈3使電源2的輸出側兩端短路，強制地使扼流圈3通電，并在扼流圈3中有效地存儲能量，所以能同時謀得功率因數的改善和高次諧波的降低。
另一方面，在IGBT6a導通時，電源2的電壓在第1、第5二極管D1、D5的陽極側，即圖4中A點是負、B點是正時，來自電源2的電流分流到第2和第6二極管D2、D6，分流到第2二極管D1的電流在濾波電容器10→第3二極管D3的路徑中流動。另一方面，分流到第6二極管D6的電流，進一步在IGBT6a→第3二極管D3→扼流圈3→電源2的路徑中流動，并通過扼流圈3使電源2的輸出側兩端短路。
而且，當將IGBT6a控制成斷開、這時A點是正時，通過扼流圈3的來自電源2的電流在第1二極管D1→濾波電容器10→第4共用二極管D4的路徑中流動。
在IGBT6a斷開時、B點是正時，來自電源2的電流在第2二極管D2→濾波電容器10→第3二極管D3→扼流圈3的路徑中流動。
因此，因共用第3、第4整流二極管D3、D4作為第7、第8二極管D7、D8，所以借助于刪除這些第7、第8二極管D7、D8，能減少到6個二極管D1～D6。因此，能同時謀得直流電源裝置1C的結構的簡單化和降低成本。
此外，因這種直流電源裝置1C將IGBT6a的源極連接到整流輸出的負極側，所以作為這種IGBT6a的驅動電源、能直接共用未圖示的逆變器電路的柵極驅動電源7a。因此，能將2個電源裝置刪減成1個，能同時謀得結構的簡單化和降低成本。
實施例5圖6表示在空調機中使用本發(fā)明的直流電源裝置的實施例5的結構的方框圖。本實施例包括作為將交流電變換成直流電的變換器裝置的直流電源裝置和將從這種直流電源裝置輸出的直流電變換成可變電壓、可變頻率的交流電，并供給壓縮機的驅動電機的逆變器裝置。這里使用的直流電源裝置，是圖1所示的直流電源裝置，圖1中的負載電阻11為通過逆變器裝置30連接的壓縮機驅動電機33。
這種空調機由室內機和室外機構成，將室內機連接到交流電源。而且，在室內機中，通過噪音濾波器從交流電源2將動作電能供給到室內控制單元23中。在室內控制單元23中，連接有接收來自遙控裝置24的指令的接收單元25、檢測室內溫度的溫度傳感器26、通過未圖示的室內熱交換器使風在室內循環(huán)的室內電扇28及變換排出空氣方向的百葉窗29。另一方面，在室外機中也通過噪音濾波器31、從交流電源2將動作電能供給到室外控制單元35和壓縮機驅動電機33中。這種場合，在噪音濾波器31的負極側設置電流檢測器32，并將這種檢測信號輸入到室外控制單元35中。控制電路7監(jiān)視噪音濾波器31的負載側的交流電壓，并內裝檢測過零點的過零檢測器。在室外控制單元35上連接有檢測室外熱交換器溫度的溫度傳感器36、對應于運轉方式變換冷卻媒體循環(huán)方向的四通閥37及將風送入未圖示的室外熱交換器中的室外電扇38。所構成的室外控制單元35與室內控制單元23進行信號發(fā)送接收并對逆變器裝置30進行控制，同時對控制電路7進行導通/斷開切換的繼電器34進行操作。
下面，對前述結構的空調機的實施例的大致動作進行說明。
首先，通過接收單元25從遙控裝置24將運轉開始、運轉方式、室內設定溫度、室內電扇的風速、風向等指令施加到室內控制單元23上。與此對應，室內控制單元23在顯示器27上顯示運轉狀態(tài)等，執(zhí)行室內電扇28和百葉窗29的驅動控制。同時對應于設定溫度和室內溫度的偏差、對驅動壓縮機驅動電機33的電源頻率(下面稱為壓縮機頻率)進行運算，并與運轉方式信號一起將壓縮機頻率信號發(fā)送到室外控制單元35中。室外控制單元35對應于運轉方式信號使四通閥37成為勵磁(或者非勵磁)狀態(tài)，并根據壓縮機頻率對逆變器裝置20進行控制，驅動室外電扇38，同時利用設置在室外交換器中的溫度傳感器36的檢測信號等，控制四通閥17并進行除霜運轉等。當電流檢測器32的電流檢測值超過預先設定的設定值時，室外控制單元35使設置在控制電路7的輸入線中的強制短路通電繼電器34成為導通狀態(tài)，對于構成直流電源裝置的扼流圈Lin執(zhí)行強制短路通電控制。利用控制電路7的強制通電控制，能謀得電源高次諧波的降低和功率因數的改善，同時當電流檢測器32的電流檢測值超過設定值時，調整對于扼流圈Lin的強制通電的相位區(qū)間，執(zhí)行控制，將在規(guī)定的限制值內更多的功率供給壓縮機驅動電機33。如前述實施例所示，在空調機中使用本發(fā)明的直流電源裝置的場合，能謀得空調機的壓縮機驅動用的電源裝置的小型化輕量化。
如前所述，因本發(fā)明借助于將整流電路、短路電路和開關元件集中在1個外殼中，整體構成1個半導體模塊，所以使以往至少必須3個半導體模塊的外殼減少到1個，能謀得裝置整體的小型化輕量化，同時能減少其外殼的端子數。為此，能減少將這些端子與外部元件的連接作業(yè)，所以能改善裝配作業(yè)的作業(yè)性。
另外，因將這些整流電路、短路電路和開關元件的外殼共用1個外殼，所以能不必通過各自的各個外殼接近配置并連接這些電路。為此，因能縮小其連接路徑和長度和面積，所以能降低由于這些連接路徑產生的寄生電容和電感并提高可靠性。
再有，在整流電路和短路電路中，雖然互補的不連續(xù)電流和由于再導通(短路)控制而導致整流二極管的反向恢復電流的流動，會發(fā)生高次諧波噪音，但因本發(fā)明不通過各自的外殼而在1個外殼中接近配置并連接整流電路和短路電路，所以能縮小這些電流流過的電流路徑的長度和面積。因此，能減少從這種內部電流路徑向外部發(fā)射的高次諧波噪音的發(fā)生。
權利要求
1.一種直流電源裝置，其特征在于，包括一對交流電源線，串聯(lián)插入到所述交流電源線的扼流圈，將與交流電源線連接的、通過扼流圈從交流電源供給的交流電整流成直流電的由4個二極管組成的二極管橋式電路，與所述二極管橋式電路的直流輸出連接的、對所述直流輸出進行濾波的電容器，具有將陽極側連接在各交流電源線上的共同連接陽極側的2個二極管，和串聯(lián)插入到所述2個二極管的共同連接部分與所述二極管橋式電路的負極側的輸出之間的開關元件，并在開關元件導通時，通過所述扼流圈對所述交流電源進行短路，強制地對所述扼流圈進行通電的短路電路，與所述交流電源連接的、檢測所述交流電壓的過零點的過零點檢測電路，在所述過零點檢測電路檢測的所述交流電壓的各過零點之后規(guī)定的短時間內、將使所述短路電路開關元件導通的信號提供給所述開關元件的控制電路。
全文摘要
本發(fā)明揭示一種直流電源裝置和空調機,包括在開關元件(6)導通時通過扼流圈(3)將交流電源(2)短路、強制地對扼流圈進行通電的第1二極管橋式電路(4),和在交流電壓的各過零點之后規(guī)定的短時間內、使開關元件導通的同時,并在第1導通后所規(guī)定的延遲期間后在比短期間更加短的期間、使開關元件再次導通的控制電路(7),將第1、第2二極管橋式電路和開關元件整體構成為1個半導體模塊。本發(fā)明提供了組裝作業(yè)性好并且電磁波噪音小的小型輕量的直流電源裝置。
文檔編號H02M1/12GK1378334SQ01125268
公開日2002年11月6日 申請日期2001年8月27日 優(yōu)先權日1997年6月27日
發(fā)明者植杉通可, 蛭間淳之 申請人:東芝株式會社