CN109845083B - 电力转换装置及使用该装置的电力转换系统 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种电力转换装置及使用该装置的系统，能够在降低电力转换电路中的各半导体元件的损耗的同时，实现由电力转换装置控制的设备的高效化。该电力转换装置具备直流电源以及具有第1上下臂及第2上下臂的全桥电路，该第1上下臂及第2上下臂分别具有上侧元件及下侧元件，并且能够与设备电连接，第1上下臂的上侧元件及第2上下臂的下侧元件的ON电阻比第1上下臂的下侧元件及第2上下臂的上侧元件的ON电阻小。

Description

电力转换装置及使用该装置的电力转换系统
技术领域
本发明涉及电力转换装置及使用该装置的系统。
背景技术
已知使用电力转换装置来对压缩机进行控制的方法。虽然电力转换装置可以具有多个半导体元件，但也提出了通过使用2种以上的元件来谋求电力转换装置的高效化的构成。
在专利文献1中，公开了具备如下构成的逆变器的主电路：在2组上下臂中，1组串联2个高速开关元件，另一组串联2个低速开关元件。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本专利特开昭63－262062号公报
发明内容
发明要解决的问题
然而，关于通过考虑电力转换装置所控制的设备的负载特性来优化各半导体元件的电阻特性，从而降低在各半导体元件上产生的损耗这一点，专利文献1完全没有考虑到。
因此，本发明提供一种电力转换装置及使用该装置的系统，能够在降低电力转换电路中的各半导体元件的损耗的同时，实现由电力转换装置控制的设备的高效化。
用于解决问题的技术手段
为了解决上述问题，本发明的电力转换装置具备直流电源以及具有第1上下臂及第2上下臂的全桥电路，所述第1上下臂及所述第2上下臂分别具有上侧元件及下侧元件，并且能够与设备电连接，所述电力转换装置的特征在于，所述第1上下臂的上侧元件及所述第2上下臂的下侧元件的ON电阻比所述第1上下臂的下侧元件及所述第2上下臂的上侧元件的ON电阻小。
另外，使用了本发明的电力转换装置的系统的特征在于，具备：电力转换装置，所述电力转换装置具备：直流电源以及全桥电路，所述全桥电路具有第1上下臂及第2上下臂，所述第1上下臂及所述第2上下臂分别具有上侧元件及下侧元件，所述第1上下臂的上侧元件及所述第2上下臂的下侧元件的ON电阻比所述第1上下臂的下侧元件及所述第2上下臂的上侧元件的ON电阻小；以及设备，其与所述电力转换装置的所述第1上下臂及所述第2上下臂电连接，在所述第1上下臂的上侧元件及所述第2上下臂的下侧元件为ON的状态下，所述设备以第1负载应答，在所述第1上下臂的下侧元件及所述第2上下臂的上侧元件为ON的状态下，所述设备以比所述第1负载小的第2负载应答。
发明的效果
根据本发明，能够提供一种电力转换装置及使用该装置的系统，能够在降低电力转换电路中的各半导体元件的损耗的同时，实现由电力转换装置控制的设备的高效化。
根据以下的实施方式的说明，上述以外的问题、构成以及效果变得清楚。
附图说明
图1是由本发明的一实施例涉及的实施例1的电力转换装置以及压缩机构成的系统的整体概略结构图。
图2是对流经构成图1所示的系统的电力转换装置以及压缩机的电流与伴随着工作流体的压缩的压缩机的负载的关系进行说明的概略图。
图3是示出MOS型元件的开关损耗和导通损耗相对于电流的概略特性的图。
图4是示出MOS型元件的综合损耗相对于电流的概略特性的图。
图5是由本发明的其他实施例涉及的实施例2的电力转换装置以及压缩机构成的系统的整体概略结构图。
图6是示出MOS型元件和IGBT元件的开关损耗和导通损耗相对于电流的概略特性的图。
图7是示出MOS型元件和IGBT元件相对于电流的概略特性的图。
具体实施方式
以下，一边适当参照附图一边对本发明的实施例进行详细说明。对同样的构成要素附上同样的符号，并省略重复的说明。
另外，以下，作为构成系统的、被连接至电力转换装置的设备，以压缩机为一例进行说明。
实施例1
[电力转换装置1以及压缩机3]
图1是由本发明的一实施例涉及的实施例1的电力转换装置1以及压缩机3构成的系统的整体概略结构图。如图1所示，压缩机3是以线性电动机为驱动源的设备。线性电动机以及压缩机3分别与电力转换装置1电连接，是使用了电力转换装置1的系统的一例。
电力转换装置1具有电力转换电路11、控制部12、以及直流电源13。
压缩机3具有：有底筒状的缸体31；活塞32，其能够在缸体31的内侧侧面滑动，从而使被缸体31和与缸体31的底面相对的自身的表面(顶端面)包围的内容积发生改变；绕组33，其被卷绕于磁性体；以及可动件34，其一端被连接至活塞32。此外，线性电动机由被卷绕于磁性体的绕组33、以及一端被连接至活塞32的可动件34构成，并且在可动件34上设置有永磁体(未图示)。
电力转换电路11将供给自直流电源13的直流电转换为交流电,从而输出至压缩机3。电力转换电路11是单相的，具有2组上下臂，所述上下臂是2个半导体元件串联连接而成的。更具体来说，半导体元件111以及半导体元件112串联连接而成的第1上下臂与半导体元件113以及半导体元件114串联连接而成的第2上下臂通过并联连接而形成全桥电路。
另外，半导体元件111以及半导体元件113与直流电源13的正侧相连，半导体元件112以及半导体元件114与直流电源13的负侧相连。在连接半导体元件111与半导体元件112的布线(半导体元件111与半导体元件112之间)上连接有压缩机3的绕组33的一端，在连接半导体元件113与半导体元件114的布线(半导体元件113与半导体元件114之间)上连接有压缩机3的绕组33的另一端。此外，与直流电源13的正侧相连的半导体元件也称为上侧元件，与负侧相连的半导体元件也称为下侧元件。
控制部12基于流经绕组33的电动机电流来对电力转换电路11进行控制。
电力转换电路11将交流电输出至绕组33。
可动件34至少具有1个以上的永磁体，接收电力转换电路11的输出并根据绕组33所发出的交流磁通进行往复运动。活塞32随着可动件34的往复运动而进行往复运动，从而缸体31的内容积发生增减。缸体31具有阀(未图示)，该阀能够允许流体(工作流体)进出内容积部分。关于缸体31、活塞32、以及阀(未图示)，能够使用各种已知的物体。以下，以使用气体制冷剂作为流体(工作流体)的情况为一例进行说明。
图2是对流经构成图1所示的系统的电力转换装置1以及压缩机3的电流与伴随着流体(工作流体)的压缩的压缩机3的负载的关系进行说明的概略图。当驱动压缩机3时，作为流体(工作流体)的气体制冷剂随着活塞32的往复运动而压缩或膨胀。像这样的作为流体(工作流体)的气体制冷剂的压缩或膨胀分别所需的做功量(负载)不同，一般来说，压缩负载(第1负载)比膨胀(吸入)负载(第2负载)大。也就是说，压缩所需的线性电动机的推力比膨胀(吸入)所需的线性电动机的推力大，因此优选为将压缩时的电动机电流设得比膨胀(吸入)时的电动机电流大。以下，将在得到压缩时的线性电动机的推力时流动的电流的方向称为正方向，将在得到膨胀(吸入)时的线性电动机的推力时流动的电流的方向称为负方向。此外，第1负载(压缩负载)以及第2负载(膨胀负载)不需要分别在这些负载产生的全部时间内都保持固定，例如作为1个周期的时间平均值，只要第1负载(压缩负载)比第2负载(膨胀负载)大即可。
在单相的电力转换电路11(全桥电路)中，通过切换斜对面的(互相位于对角线上的)半导体元件的ON/OFF，从而能够切换流经被卷绕于磁性体的绕组33的电流的方向。在本实施例中，通过将电力转换电路11的半导体元件111～114中、斜对面的(互相位于对角线上的)2个半导体元件111(第1上下臂的上侧元件)以及半导体元件114(第2上下臂的下侧元件)设为ON，将剩下的半导体元件112(第1上下臂的下侧元件)以及半导体元件113(第2上下臂的上侧元件)设为OFF，从而将流经绕组33的电流设为正方向。另外，通过将斜对面的(互相位于对角线上的)2个半导体元件112(第1上下臂的下侧元件)以及半导体元件113(第2上下臂的上侧元件)设为ON，将剩下的半导体元件111(第1上下臂的上侧元件)以及半导体元件114(第2上下臂的下侧元件)设为OFF，从而将流经绕组33的电流设为负方向。
当着眼于压缩负载(第1负载)比膨胀负载(第2负载)大的情况时，优选为通过将半导体元件111(第1上下臂的上侧元件)以及半导体元件114(第2上下臂的下侧元件)的ON时间比设得比半导体元件112(第1上下臂的下侧元件)以及半导体元件113(第2上下臂的上侧元件)的ON时间比高，从而将流经半导体元件111(第1上下臂的上侧元件)以及半导体元件114(第2上下臂的下侧元件)的电动机电流设得比流经半导体元件112(第1上下臂的下侧元件)以及半导体元件113(第2上下臂的上侧元件)的电动机电流大。如果这样做，电流集中于半导体元件111(第1上下臂的上侧元件)以及半导体元件114(第2上下臂的下侧元件)，并且流经半导体元件112(第1上下臂的下侧元件)以及半导体元件113(第2上下臂的上侧元件)的电流量变为较小值(在图2中，电动机电流的大小用空心箭头的大小来表示)。像这样在本实施例中，关于具备与正方向及负方向各自适合的电流量不同的设备连接的单相的电力转换电路11的电力转换装置1，电流集中于斜对面的(互相位于对角线上的)半导体元件。
[半导体元件的特性]
图3是示出作为半导体元件的一种的MOS(Metal―Oxide―Semiconductor，金属-氧化物-半导体)型元件的开关损耗和导通损耗各自的相对于电流的概略特性的图。用实线表示的开关损耗(SW损耗)是由于半导体元件的开关而产生的损耗，并且与电动机电流呈大致线性关系。用一点划线表示的导通损耗(导通损耗)是由于半导体元件通电时的电阻(ON电阻)而产生的损耗，并且与电动机电流的平方成比例关系。
关于MOS型元件，已知开关损耗(SW损耗)的降低与导通损耗(导通损耗)的降低处于此消彼长的关系。要减小MOS型元件的ON电阻(减小与电流的平方相乘的系数)，例如就要寻求增大芯片尺寸，但当这样做时在MOS型元件中流动的电荷量增加，因此开关损耗(SW损耗)增加。
图4是示出对MOS型元件的开关损耗(SW损耗)与导通损耗(导通损耗)进行合计后的综合损耗相对于电流的概略特性的图。在图4中，在MOS型元件中，用实线表示低SW损耗的半导体元件，用一点划线表示低导通损耗的半导体元件。在电流小的区域(与第2负载(膨胀负载)相对应的电动机电流的存在区域)中，低SW损耗的半导体元件的综合损耗小,在电流大的区域(与第1负载(压缩负载)相对应的电动机电流的存在区域)中，低导通损耗的半导体元件的综合损耗小。此外，即使变更元件的ON/OFF比，在图4中例示的图表形状通常也能定性地保持。因此，产生电流的集中的半导体元件111(第1上下臂的上侧元件)以及半导体元件114(第2上下臂的下侧元件)适用变成比半导体元件112(第1上下臂的下侧元件)以及半导体元件113(第2上下臂的上侧元件)低的导通损耗(低ON电阻)的种类的半导体元件，不产生电流的集中的半导体元件112(第1上下臂的下侧元件)以及半导体元件113(第2上下臂的上侧元件)适用变成比半导体元件111(第1上下臂的上侧元件)以及半导体元件114(第2上下臂的下侧元件)低的SW损耗的半导体元件，从而能够谋求电力转换电路11整体的综合损耗的降低。此外，半导体元件的ON电阻值、SW损耗值也取决于半导体元件的厚度、芯片面积。
更具体来说，优选为对如下那样的半导体元件的种类的组合进行选择：在与第1负载(压缩负载)相对应的线性电动机的推力的产生所需的电流量时，半导体元件111(第1上下臂的上侧元件)以及半导体元件114(第2上下臂的下侧元件)的综合损耗比半导体元件112(第1上下臂的下侧元件)以及半导体元件113(第2上下臂的上侧元件)的综合损耗小，在与第2负载(膨胀负载)相对应的线性电动机的推力的产生所需的电流量时，半导体元件111(第1上下臂的上侧元件)以及半导体元件114(第2上下臂的下侧元件)的综合损耗比半导体元件111(第1上下臂的上侧元件)以及半导体元件114(第2上下臂的下侧元件)的综合损耗大。
此外，关于压缩机3，也可以将第1负载(压缩负载)以及第2负载(膨胀负载)分别认为是稳定状态下的压缩负载以及膨胀负载。在这里，稳定状态例如是指进出压缩室内的气体制冷剂的流量维持大致固定5秒以上的状态。
如上所述，根据本实施例，能够提供一种电力转换装置及使用该装置的系统，能够在降低电力转换电路中的各半导体元件的损耗的同时，实现由电力转换装置控制的设备的高效化。
另外，具体来说，通过使用本实施例的电力转换装置1，能够抑制各半导体元件的损耗，并对单相驱动的压缩机3进行高效地驱动。
实施例2
实施例2的构成除了下述的点以外与实施例1相同。本实施例的电力转换装置1具有MOS型元件和IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor，绝缘栅双极型晶体管)型元件。更具体来说，使用IGBT型的半导体元件115(第1上下臂的上侧元件)以及IGBT型的半导体元件116(第2上下臂的下侧元件)，来代替在正方向的电流流动时处于ON的MOS型的半导体元件111(第1上下臂的上侧元件)以及半导体元件114(第2上下臂的下侧元件)。
图5是由本实施例的电力转换装置1以及压缩机3构成的系统的整体概略结构图、图6是示出MOS型元件和IGBT型元件的开关损耗和导通损耗的相对于电流的概略特性的图。
如图6所示，用实线表示的MOS型元件如上所述，成为相对于电动机电流呈大致线性的关系的开关损耗(SW损耗)、以及具有与电动机电流的平方成比例的关系的导通损耗(导通损耗)。用一点划线表示的IGBT型元件由于以与MOS型元件同样的原理产生开关损耗(SW损耗)，因此相对于电动机电流呈大致线性的关系。然而，导通损耗(导通损耗)是由于二极管的正向电压而产生的损耗，因此与MOS型元件的情况不同，相对于电动机电流呈大致线性的关系。
图7是示出对MOS型元件以及IGBT型元件各自的开关损耗(SW损耗)与导通损耗(导通损耗)进行合计后的综合损耗相对于电流的概略特性的图。如图7所示，在与电流小的区域(第2负载(膨胀负载)相对应的电动机电流的存在区域)中，用实线表示的MOS型元件的综合损耗比用一点划线表示的IGBT型元件的综合损耗小。另一方面，在与电流大的区域(第1负载(压缩负载)相对应的电动机电流的存在区域)中，用一点划线表示的IGBT型元件的综合损耗比用实线表示的MOS型元件的综合损耗小。
因此，在本实施例中，如图5所示，作为电力转换电路11的半导体元件，产生电流的集中的半导体元件115(第1上下臂的上侧元件)以及半导体元件116(第2上下臂的下侧元件)适用IGBT型元件，不产生电流的集中的半导体元件112(第1上下臂的下侧元件)以及半导体元件113(第2上下臂的上侧元件)适用MOS型元件。通过这样做能够谋求综合损耗的降低。此外，也可以使用由于二极管的正向电压而产生导通损耗的其他元件来代替IGBT型元件。
如上所述，根据本实施例，能够提供一种电力转换装置及使用该装置的系统，其能够在降低电力转换电路中的各半导体元件的损耗的同时，实现由电力转换装置控制的设备的高效化。
另外，具体来说，通过使用本实施例的电力转换装置1，能够抑制各半导体元件的损耗，并对单相驱动的压缩机3进行高效地驱动。
此外，由上述实施例1或实施例2的电力转换装置1以及压缩机3构成的系统能够适用于在空气调节器中加压输送制冷剂的压缩机，该空气调节器具备作为凝缩器或蒸发器起作用的热交换器。
另外，由实施例1或实施例2的电力转换装置1以及压缩机3构成的系统能够适用于为了针对空气悬架调整车辆高度而压缩工作流体的压缩机。
另外，由实施例1或实施例2的电力转换装置1以及压缩机3构成的系统还能够适用于在具有凝缩器以及蒸发器的冰箱中加压输送液体制冷剂的压缩机。
此外，在上述实施例1以及实施例2中，作为构造系统的、与电力转换装置1电连接的设备，以压缩机3为一例进行了说明，但并不限定于此。作为与上述实施例1以及实施例2所示的电力转换装置1电连接的设备，在驾驶状态或运转状态下负载会变动那样的设备、特别是对气相、液相、或气液混合相、具有粘性的流体等进行控制的设备等中也同样能够适用。
此外，本发明并非限定于上述实施例，能够在不违反本申请的技术构思的范围内实施各种变形。例如，上述实施例是为了容易理解地说明本发明而进行的详细说明，并非限定于具备所说明的所有构成。另外，能够对实施例的构成的一部分追加、删除、替换公知的构成。
符号说明
1···电力转换装置，11···电力转换电路(全桥电路)，111～116···半导体元件，12···控制部，13···直流电源，3···压缩机，31···缸体，32···活塞，33···绕组，34···可动件。

Claims (6)

1.一种电力转换装置，其具备：
直流电源；以及
具有第1上下臂及第2上下臂的全桥电路，所述第1上下臂及所述第2上下臂分别具有上侧元件及下侧元件，
所述第1上下臂及所述第2上下臂能够与设备电连接，
所述电力转换装置的特征在于，
所述第1上下臂的上侧元件及所述第2上下臂的下侧元件的导通电阻比所述第1上下臂的下侧元件及所述第2上下臂的上侧元件的导通电阻小,
所述第1上下臂的下侧元件及所述第2上下臂的上侧元件的开关损耗比所述第1上下臂的上侧元件及所述第2上下臂的下侧元件的开关损耗小，
将流经所述第1上下臂的上侧元件及所述第2上下臂的下侧元件的电流设得比流经所述第1上下臂的下侧元件及所述第2上下臂的上侧元件的电流大。
2.根据权利要求1所述的电力转换装置，其特征在于，
所述第1上下臂的下侧元件及所述第2上下臂的上侧元件是MOS型元件，
所述第1上下臂的上侧元件及所述第2上下臂的下侧元件是由于二极管的正向电压而产生导通损耗的元件。
3.一种电力转换系统，其特征在于，具备权利要求1所述的电力转换装置以及与该电力转换装置连接的设备，
在所述第1上下臂的上侧元件及所述第2上下臂的下侧元件为导通的状态下，所述设备以第1负载应答，
在所述第1上下臂的下侧元件及所述第2上下臂的上侧元件为导通的状态下，所述设备以比所述第1负载小的第2负载应答。
4.根据权利要求3所述的电力转换系统，其特征在于，
所述设备是具有活塞和绕组的压缩机，
所述活塞通过往复运动使流体压缩及膨胀，
所述绕组与所述电力转换装置电连接。
5.一种电力转换系统，其特征在于，具备权利要求2所述的电力转换装置以及与该电力转换装置连接的设备，
在所述第1上下臂的上侧元件及所述第2上下臂的下侧元件为导通的状态下，所述设备以第1负载应答，
在所述第1上下臂的下侧元件及所述第2上下臂的上侧元件为导通的状态下，所述设备以比所述第1负载小的第2负载应答。
6.根据权利要求5所述的电力转换系统，其特征在于，
所述设备是具有活塞和绕组的压缩机，
所述活塞通过往复运动使流体压缩及膨胀，
所述绕组与所述电力转换装置电连接。
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