特開 2024-42884 整流回路の設計方法、整流回路の生産方法、及び、整流回路

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2024042884

(43)【公開日】2024-03-29

(54)【発明の名称】整流回路の設計方法、整流回路の生産方法、及び、整流回路

(51)【国際特許分類】

   H02M 7/06 20060101AFI20240322BHJP

【ＦＩ】

H02M7/06 H

【審査請求】未請求

【請求項の数】5

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2022147803

(22)【出願日】2022-09-16

(71)【出願人】

【識別番号】000006666

【氏名又は名称】アズビル株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100098394

【弁理士】

【氏名又は名称】山川 茂樹

(72)【発明者】

【氏名】乘安 博史

(72)【発明者】

【氏名】松村 能之

【テーマコード（参考）】

5H006

【Ｆターム（参考）】

5H006CA07

5H006CB01

5H006CC01

5H006FA02

5H006GA01

5H006HA83

5H006HA84

(57)【要約】

【課題】少ない回路素子により突入電流を低減する。
【解決手段】整流回路の設計方法では、整流回路で発生する突入電流の最大値が所望の上限値以下となるノーマルモードインダクタンス成分つまり漏れインダクタンス成分Ｌｌｅａｋ及び直流抵抗成分ＤＣＲを有するチョークコイル３２と、前記最大値が前記上限値以下となる寄生抵抗成分ＥＳＲ及び容量成分Ｃｓｍを有する平滑コンデンサ４２と、を採用する。これにより、突入電流防止回路を用いずに、少ない回路要素（整流回路１に必要な最低限の回路要素）により突入電流を低減することができる。
【選択図】図２

【特許請求の範囲】

【請求項1】

チョークコイルと、前記チョークコイルの後段に配置されたダイオードブリッジと、前記ダイオードブリッジの後段に配置された平滑コンデンサと、前記平滑コンデンサの後段に配置されたスイッチング回路と、を備える整流回路の設計方法であって、
前記チョークコイルとして、前記整流回路で発生する突入電流の最大値が所望の上限値以下となるノーマルモードインダクタンス成分及び直流抵抗成分を有するチョークコイルを採用する、
整流回路の設計方法。

【請求項2】

前記平滑コンデンサとして、前記突入電流の前記最大値が前記上限値以下となる寄生抵抗成分及び容量成分を有する平滑コンデンサを採用する、
請求項１に記載の整流回路の設計方法。

【請求項3】

前記チョークコイルは、コモンモードチョークコイルであり、
前記ノーマルモードインダクタンス成分は、漏れインダクタンス成分である、
請求項１に記載の整流回路の設計方法。

【請求項4】

請求項１から３の整流回路の設計方法で設計された仕様の前記整流回路を生産する、
整流回路の生産方法。

【請求項5】

チョークコイルと、前記チョークコイルの後段に配置されたダイオードブリッジと、前記ダイオードブリッジの後段に配置された平滑コンデンサと、前記平滑コンデンサの後段に配置されたスイッチング回路と、を備える整流回路であって、
前記チョークコイル及び前記平滑コンデンサの組み合せは、前記整流回路で発生する突入電流の最大値を突入電流防止抵抗によらずに所望の上限値以下とするノーマルモードインダクタンス成分及び前記直流抵抗成分を有するチョークコイルと、前記最大値を前記上限値以下とする寄生抵抗成分及び容量成分を有する前記平滑コンデンサと、の組み合せである、
整流回路。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、整流回路の設計方法、整流回路の生産方法、及び、整流回路に関する。

【背景技術】

【0002】

突入電流が生じる可能性がある整流回路には、特許文献１が開示するように、前記突入電流を低減するための突入電流防止回路が使用される。突入電流防止回路は、並列に接続された突入電流防止抵抗と電磁リレーとから構成されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】特開２０１８－１９６３１０号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

上記突入電流防止回路が採用される場合、整流回路に必要な回路素子が増えてしまう。回路素子が増えると、製造コスト、省スペースなどの面で不利となる。

【0005】

本発明は、少ない回路素子により突入電流を低減することを課題とする。

【課題を解決するための手段】

【0006】

上記課題を解決するため、本発明に係る整流回路の設計方法は、チョークコイルと、前記チョークコイルの後段に配置されたダイオードブリッジと、前記ダイオードブリッジの後段に配置された平滑コンデンサと、前記平滑コンデンサの後段に配置されたスイッチング回路と、を備える整流回路の設計方法であって、前記チョークコイルとして、前記整流回路で発生する突入電流の最大値が所望の上限値以下となるノーマルモードインダクタンス成分及び直流抵抗成分を有するチョークコイルを採用する。

【0007】

一例では、前記平滑コンデンサとして、前記突入電流の前記最大値が前記上限値以下となる寄生抵抗成分及び容量成分を有する平滑コンデンサを採用する。

【0008】

一例として、前記チョークコイルは、コモンモードチョークコイルであり、前記ノーマルモードインダクタンス成分は、漏れインダクタンス成分である。

【0009】

本発明に係る整流回路の生産方法は、上記整流回路の設計方法で設計された仕様の前記整流回路を生産する。

【0010】

本発明に係る整流回路は、チョークコイルと、前記チョークコイルの後段に配置されたダイオードブリッジと、前記ダイオードブリッジの後段に配置された平滑コンデンサと、前記平滑コンデンサの後段に配置されたスイッチング回路と、を備える整流回路であって、前記チョークコイル及び前記平滑コンデンサの組み合せは、前記整流回路で発生する突入電流の最大値を突入電流防止抵抗によらずに所望の上限値以下とするノーマルモードインダクタンス成分及び前記直流抵抗成分を有するチョークコイルと、前記最大値を前記上限値以下とする寄生抵抗成分及び容量成分を有する前記平滑コンデンサと、の組み合せである。

【発明の効果】

【0011】

本発明によれば、少ない回路素子により突入電流を低減することができる。

【図面の簡単な説明】

【0012】

【図1】図１は、本発明の実施形態に係る整流回路の回路図である。

【図2】図２は、図１の等価回路である。

【図3】図３は、図２の簡易等価回路である。

【図4】図４は、突入電流の最大電流値と簡易等価回路のＲとの関係を示すグラフである。

【図5】図５は、突入電流の最大電流値と簡易等価回路のＬとの関係を示すグラフである。

【図6】図６は、突入電流の最大電流値と簡易等価回路のＣとの関係を示すグラフである。

【図7】図７は、本実施形態に係る整流回路で発生した突入電流を示す電流波形である。

【発明を実施するための形態】

【0013】

以下、本発明の実施形態及びその変形例について、図面を参照して説明する。

【0014】

本願発明者は、図１に示すような本実施形態に係る整流回路１（コンデンサインプット型の整流回路）で生じる突入電流を、適切な特性のチョークコイル３２及び平滑コンデンサ４２を選択することで低減させることを見出した。以下、整流回路１の構成を説明してから、チョークコイル３２及び平滑コンデンサ４２の選択について説明する。

【0015】

整流回路１は、入力端子１１及び１２と、電源スイッチ２０と、ノイズフィルタ３０と、電力変換回路４０と、出力端子５１及び５２と、を備える。

【0016】

入力端子１１及び１２には、商用電源などの交流電源９１が接続される。入力端子１１とノイズフィルタ３０との間に配置された電源スイッチ２０がオンし、電源が投入されると、交流電源９１からの交流電力が、ノイズフィルタ３０を介して電力変換回路４０に入力される。電力変換回路４０に入力された交流電力は、電力変換回路４０により直流電力に変換される。変換された直流電力は、出力端子５１及び５２を介して負荷９５に出力される。ノイズフィルタ３０は、電力変換回路４０で発生して交流電源９１側に出力されるノイズを低減する。上記の突入電流は、電源の投入時に発生する。

【0017】

ノイズフィルタ３０は、Ｘコンデンサ３１と、Ｘコンデンサ３１の後段に設けられたチョークコイル３２と、を備える。

【0018】

Ｘコンデンサ３１の一端は、電源スイッチ２０を介して入力端子１１に接続された節点Ｎ１に接続されており、他端は、入力端子１２に接続された節点Ｎ２に接続されている。

【0019】

チョークコイル３２は、コモンモードチョークコイルとして構成されている。チョークコイル３２の巻き線３２Ａの一端は、節点Ｎ１に接続されている。チョークコイル３２の巻き線３２Ｂの一端は、節点Ｎ２に接続されている。チョークコイル３２の巻き線３２Ａ及び３２Ｂの各他端は、電力変換回路４０に接続されている。

【0020】

電力変換回路４０は、チョークコイル３２の後段に配置されたダイオードブリッジ４１と、ダイオードブリッジ４１の後段に配置された平滑コンデンサ４２と、平滑コンデンサ４２の後段に配置されたスイッチング回路４３と、を備える。

【0021】

ダイオードブリッジ４１は、ブリッジ接続された４つのダイオードから構成されている。ダイオードブリッジ４１の一対の入力端子は、チョークコイル３２の巻き線３２Ａ及び３２Ｂの各他端にそれぞれ接続されている。ダイオードブリッジ４１の一対の出力端子は、節点Ｎ３及びＮ４にそれぞれ接続されている。

【0022】

平滑コンデンサ４２の両端は、節点Ｎ３及びＮ４にそれぞれ接続されている。平滑コンデンサ４２は、例えば、電解コンデンサからなる。

【0023】

スイッチング回路４３の一対の入力端子は、節点Ｎ３及びＮ４にそれぞれ接続されている。スイッチング回路４３の一対の出力端子は、出力端子５１及び５２をそれぞれ介して負荷の両端にそれぞれ接続される。スイッチング回路４３は、スイッチング素子、スイッチング素子を駆動する駆動回路、スイッチングトランス、整流平滑回路などを含んで構成される。

【0024】

電力変換回路４０では、ノイズフィルタ３０を介して入力される交流電源９１からの交流電圧が、ダイオードブリッジ４１により全波整流されて直流電圧に変換される。変換された直流電圧は、平滑コンデンサ４２により平滑化される。平滑化された直流電圧は、スイッチング回路４３でのスイッチング動作によりパルス電圧に変換され、その後、平均化され、安定した直流電圧として負荷９５に出力される。スイッチング回路４３は、スイッチング素子のスイッチング動作により動作する回路であればよく、他の回路であってもよい。

【0025】

図１の整流回路１の等価回路１Ａを図２に示す。図２に示すように、チョークコイル３２の巻き線３２Ａ及び３２Ｂは、それぞれ、直流抵抗成分ＤＣＲ、漏れインダクタンス成分Ｌｌｅａｋ、コモンモードインダクタンス成分Ｌｃ、鉄損成分Ｒｐ、及び、浮遊容量成分Ｃｓｔを有する。漏れインダクタンス成分Ｌｌｅａｋは、ノーマルモードインダクタンス成分とも呼ばれる。平滑コンデンサ４２は、容量成分Ｃｓｍ、及び、寄生抵抗成分ＥＳＲを有する。上記各成分に付した符号は、その成分の値を表す記号としても使用される。例えば、ＤＣＲは、上記直流抵抗成分の抵抗値をも示す。このようなことは、下記のＲ、Ｌ、及び、Ｃについても同様である。

【0026】

図２の等価回路１Ａから、突入電流に関連する要素のみを抽出した簡易等価回路１Ｂを図３に示す。図３に示すように、簡易等価回路１Ｂは、入力端子１１及び１２から見て直列に接続された、抵抗Ｒ、インダクタンスＬ、コンデンサＣを備える。コンデンサＣは、入力端子１１及び１２から見てスイッチング回路４３と並列に接続されている。より具体的に、直列に接続された抵抗Ｒ及びインダクタンスＬの組み合わせの両端は、入力端子１１及び節点Ｎ５にそれぞれ接続されている。節点Ｎ５には、スイッチング回路４３も接続されている。コンデンサＣの両端は、節点Ｎ５及びＮ６にそれぞれ接続されている。節点Ｎ６には、スイッチング回路４３及び入力端子１２も接続されている。

【0027】

ここで、Ｒ＝２＊ＤＣＲ＋ＥＳＲである。Ｌ＝２＊Ｌｌｅａｋである。Ｃ＝Ｃｓｍである。簡易等価回路１Ｂでは、コモンモードインダクタンス成分Ｌｃ及び鉄損成分Ｒｐが無視されている。これらは、突入電流のような過大な電流入力時には無視できるからである。浮遊容量成分Ｃｓｔ及びＸコンデンサ３１も、その容量値が平滑コンデンサ４２の容量値Ｃｓｍに比べて十分小さいため、簡易等価回路１Ｂでは無視される。ダイオードブリッジ４１についても、生じる電圧などが交流電源９１（図１）からの電源電圧よりも十分小さいため無視される。

【0028】

図３の簡易等価回路１Ｂにおいて、キルヒホッフの法則からコンデンサＣの電荷ｑを用いた下記式（１）が得られる。ここで、Ｅは、交流電源９１から整流回路１に印加される電源電圧とする。

【数1】

【0029】

初期条件：時間ｔ＝０、抵抗Ｒなどを流れる電流ｉ＝０、電荷ｑ＝０において電源電圧Ｅが印加されたとして、下記の３条件で上記式（１）の微分方程式を解く。

【0030】

（条件１）過減衰条件Ｒ^２－４Ｌ／Ｃ＞０
この場合、突入電流の最大値Ｉｍａｘは、下記数式（２）から求められる。

【数2】

【0031】

（条件２）減衰振動条件Ｒ^２－４Ｌ／Ｃ＜０
この場合、突入電流の最大値Ｉｍａｘは、下記数式（３）から求められる。

【数3】

【0032】

（条件３）減衰振動条件Ｒ^２－４Ｌ／Ｃ＝０
この場合、突入電流の最大値Ｉｍａｘは、下記数式（４）から求められる。

【数4】

【0033】

上記式（２）～（４）における電源電圧Ｅの値は、交流電源９１の特性により決まる。従って、上記式（２）～（４）によれば、突入電流の最大値Ｉｍａｘが、上記簡易等価回路における、抵抗Ｒの抵抗値、インダクタンスＬのインダクタンス値、及び、コンデンサＣの静電容量値により求まる。このＲ、Ｌ、及び、Ｃは、上述のように、Ｒ＝２＊ＤＣＲ＋ＥＳＲ、Ｌ＝２＊Ｌｌｅａｋ、Ｃ＝Ｃｓｍなので、チョークコイル３２と平滑コンデンサ４２との各特性により調整可能であることが分かる。

【0034】

以上のようなことから、整流回路１の設計方法では、突入電流の最大値Ｉｍａｘが所望の上限値を超えないＲ、Ｌ、Ｃを実現する特性のチョークコイル３２と平滑コンデンサ４２とを選択する。これにより、突入電流防止抵抗及びスイッチング素子の組合せなどの突入電流防止回路を用いずに突入電流を低減することができる。

【0035】

以下、突入電流の最大値Ｉｍａｘの上限値を１５［Ａ］とした整流回路１の設計方法の一例について説明する。

【0036】

例えば、突入電流の最大値Ｉｍａｘと抵抗値Ｒとの関係、最大値Ｉｍａｘとインダクタンス値Ｌとの関係、及び、最大値Ｉｍａｘと静電容量Ｃとの関係をそれぞれ導出する。

【0037】

突入電流の最大値Ｉｍａｘと抵抗値Ｒとの関係を図４に示す。ここでは、Ｃ＝１４μＦ、Ｌ＝０．８ｍＨに固定し、抵抗値Ｒを変化させている。図４の関係では、最大値Ｉｍａｘを１５Ａ以下とする抵抗値Ｒは２０Ω以上である。

【0038】

突入電流の最大値Ｉｍａｘとインダクタンス値Ｌとの関係を図５に示す。ここでは、Ｃ＝１５μＦ、Ｒ＝２０Ωに固定し、インダクタンス値Ｌを変化させている。図５の関係では、最大値Ｉｍａｘを１５Ａ以下とするインダクタンス値Ｌは０．８ｍＨ以下である。

【0039】

突入電流の最大値Ｉｍａｘと静電容量Ｃとの関係を図６に示す。ここでは、Ｒ＝２０Ω、Ｈ＝０．８ｍＨに固定し、静電容量Ｃを変化させている。図６の関係では、最大値Ｉｍａｘを１５Ａ以下とする静電容量Ｃは１４．５μＦ以下である。

【0040】

以上のようなことから、抵抗値Ｒは２０Ω以上、インダクタンス値Ｌ＝０．８ｍＨ以上、静電容量Ｃ＝１４．５μＦ以下を目安とすると、突入電流の最大値Ｉｍａｘは、１５Ａ以下とすることができる。そこで、上記条件を満たす、直流抵抗成分ＤＣＲ及び漏れインダクタンス成分Ｌｌｅａｋを有するチョークコイル３２と、容量成分Ｃｓｍ及び寄生抵抗成分ＥＳＲを有する平滑コンデンサ４２と、を選択することで、突入電流の最大値を１５Ａ以下に抑制できる。

【0041】

例えば、Ｒ＝１９．５２Ω、Ｌ＝０．８６ｍＨ、Ｃ＝１１．１μＦとするチョークコイル３２（ＤＣＲ＝５．７７Ω、Ｌｌｅａｋ＝０．４３ｍＨ）及び平滑コンデンサ４２（ＥＳＲ＝７．９８Ω、Ｃｓｍ＝１１．１μＦ）を採用した整流回路１にて突入電流を計測したところ、突入電流の最大値Ｉｍａｘは、１４．６Ａとなった。このときの入力端子１１での電流波形を図７に示す。

【0042】

直流抵抗成分ＤＣＲ、漏れインダクタンス成分Ｌｌｅａｋ、容量成分Ｃｓｍ、寄生抵抗成分ＥＳＲは、実測されてもよいし、部品仕様などから得られてもよい。また、これらは、部品仕様に含まれる各種特性から算出されてもよい。

【0043】

図４～図６からすると、抵抗値Ｒ（直流抵抗成分ＤＣＲ、寄生抵抗成分ＥＳＲ）及びインダクタンス値Ｌ（漏れインダクタンス成分Ｌｌｅａｋ）が大きいほど突入電流が低減され、静電容量Ｃ（Ｃｓｍ）が小さいほど突入電流が低減されることが分かる。このため、整流回路１に求められる性能を満たしつつ、抵抗値Ｒ及びインダクタンス値Ｌを大きくし、かつ、静電容量Ｃを小さくするチョークコイル３２及び平滑コンデンサ４２を選択するとよい。

【0044】

チョークコイル３２及び平滑コンデンサ４２の選択の仕方は、任意である。例えば、選択の候補としての複数のチョークコイル３２及び複数の平滑コンデンサ４２を用意する。そして、用意した各チョークコイル３２の直流抵抗成分ＤＣＲ及び漏れインダクタンス成分Ｌｌｅａｋを特定する。また、各チョークコイル３２の直流抵抗成分ＤＣＲ及び漏れインダクタンス成分Ｌｌｅａｋを特定する。そして、特定した各値の組合せが、突入電流の最大値Ｉｍａｘが所望の上限値を超えないＲ、Ｌ、Ｃを実現するかを判定し、実現する組合せを特性として有するチョークコイル３２及び平滑コンデンサ４２を選択してもよい。

【0045】

以上のように、本実施形態に係る整流回路１の設計方法では、整流回路１で発生する突入電流の最大値が所望の上限値以下となるノーマルモードインダクタンス成分つまり漏れインダクタンス成分Ｌｌｅａｋ及び直流抵抗成分ＤＣＲを有するチョークコイル３２と、前記最大値が前記上限値以下となる寄生抵抗成分ＥＳＲ及び容量成分Ｃｓｍを有する平滑コンデンサ４２と、を採用する。これにより、突入電流防止回路を用いずに、少ない回路要素（整流回路１に必要な最低限の回路要素）により突入電流を低減することができる。

【0046】

なお、任意の平滑コンデンサ４２を先に決定し、その後、突入電流の最大値Ｉｍａｘが所望の上限値を超えないＲ、Ｌ、Ｃを実現する、直流抵抗成分ＤＣＲ、漏れインダクタンス成分Ｌｌｅａｋを有するチョークコイル３２を選択するようにしてもよい。このように、少なくとも、整流回路１で発生する突入電流の最大値が所望の上限値以下となるノーマルモードインダクタンス成分つまり漏れインダクタンス成分Ｌｌｅａｋ及び直流抵抗成分ＤＣＲを有するチョークコイル３２ことで上記と同様の効果を得ることができる。

【0047】

チョークコイルは、ノーマルモードのインダクタンス成分と直流抵抗成分を持てば良く、チョークコイルとしてノーマルモードチョークコイルが採用されてもよい。この場合は、漏れインダクタンス成分に代わり、当該コイルのインダクタンスがノーマルモードインダクタンス成分となる。

【0048】

上記整流回路１の設計方法で設計された整流回路１の仕様に従って、整流回路１を生産するとよい。これにより、少ない回路要素（整流回路１に必要な最低限の回路要素）により突入電流を低減した整流回路１が生産される。

【0049】

整流回路１は、チョークコイルと、前記チョークコイルの後段に配置されたダイオードブリッジと、前記ダイオードブリッジの後段に配置された平滑コンデンサと、前記平滑コンデンサの後段に配置されたスイッチング回路と、を備える整流回路であればよい。そして、前記チョークコイル及び前記平滑コンデンサの組み合せは、前記整流回路で発生する突入電流の最大値を突入電流防止抵抗によらずに所望の上限値以下とするノーマルモードインダクタンス成分及び前記直流抵抗成分を有するチョークコイルと、前記最大値を前記上限値以下とする寄生抵抗成分及び容量成分を有する前記平滑コンデンサと、の組み合せであればよい。これにより、少ない回路要素（整流回路１に必要な最低限の回路要素）により突入電流を低減できる。

【0050】

以上、実施形態及び変形例を参照して本発明を説明したが、本発明は、上記実施形態及び変形例に限定されるものではない。例えば、本発明には、本発明の技術思想の範囲内で当業者が理解し得る、上記実施形態及び変形例に対する様々な変更が含まれる。上記実施形態及び変形例に挙げた各構成は、矛盾の無い範囲で適宜組み合わせることができる。

【符号の説明】

【0051】

１…整流回路、１Ａ…等価回路、１Ｂ…簡易等価回路、１１…入力端子、１２…入力端子、２０…電源スイッチ、３０…ノイズフィルタ、３１…Ｘコンデンサ、３２…チョークコイル、３２Ａ…巻き線、３２Ｂ…巻き線、４０…電力変換回路、４１…ダイオードブリッジ、４２…平滑コンデンサ、４３…スイッチング回路、５１…出力端子、５２…出力端子、９１…交流電源、９５…負荷。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】