CN114982118A - 电力变换装置以及制冷循环应用设备 - Google Patents

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高原贵昭
丰田基
村上哲
植村启介
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Abstract

一种将从交流电源(1)供给的交流电力变换为直流电力并输出到直流负载(7)的电力变换装置(101)，具备：两个以上开关电路，与直流负载(7)并联连接；耦合电抗器(5)，具有3个以上连接端子，3个以上连接端子中的两个连接端子各自连接于两个以上开关电路中的两个开关电路(31、32)的不同的1个开关电路的交流端子；以及控制部(100)，在交流电源(1)的半周期进行1次以上简易开关控制，该简易开关控制为通过两个开关电路(31、32)将耦合电抗器(5)短路到交流电源(1)的控制。

Description

电力变换装置以及制冷循环应用设备
技术领域
本发明涉及将交流电力变换为直流电力的电力变换装置以及制冷循环应用设备。
背景技术
以往存在如下电力变换装置：在将交流电力整流为直流电力的同时，将输出电压升压为高于交流电压的振幅的电压并且控制交流电力的功率因数。在这样的电力变换装置中，在得到大输出功率时或降低输入电流的纹波时等，通常已知并联连接多个包括电抗器、开关元件等的开关电路的方式。在并联连接多个开关电路的情况下，为了使整平电流(leveled current)流过各开关电路，需要针对每个开关电路设置电抗器。然而，当针对每个开关电路设置电抗器时电抗器的体积增大，电力变换装置的体积大型化。
针对这样的问题，专利文献1中公开了使用将多个电抗器合并为一个而成的耦合电抗器来构成电力变换装置的技术。具体而言，关于专利文献1所记载的电力变换装置，在交流电源的后级设置噪声滤波器和整流电路，在整流电路与输出电容器之间并联连接两个包括电抗器、开关元件及二极管的开关电路。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开2014-78577号公报
发明内容
发明所要解决的技术课题
然而，专利文献1所记载的电力变换装置使两个开关电路以比交流电源的频率高的10kHz以上的高频率连续进行开关工作。因此，在专利文献1所记载的电力变换装置中存在如下问题：由于在开关元件接通及断开时产生的开关损耗增大、以及由高频下的电抗器励磁导致的电抗器中的高频铜损及高频铁损增大，因此电路效率下降。
本发明是鉴于上述问题而做出的，目的在于得到能够抑制由频率变高导致的开关元件及电抗器中的损耗并进行高效的电力变换的电力变换装置。
用于解决技术课题的技术方案
为了解决上述技术课题并达到目的，本发明为将从交流电源供给的交流电力变换为直流电力并输出到直流负载的电力变换装置。电力变换装置具备：两个以上开关电路，与直流负载并联连接；耦合电抗器，具有3个以上连接端子，3个以上连接端子中的两个连接端子各自连接于两个以上开关电路中的两个开关电路的不同的1个开关电路的交流端子；以及控制部，在交流电源的半周期进行1次以上简易开关控制，该简易开关控制为通过两个开关电路将耦合电抗器短路到交流电源的控制。
发明效果
本发明的电力变换装置实现能够抑制由频率变高导致的开关元件及电抗器中的损耗并进行高效的电力变换的效果。
附图说明
图1为示出实施方式1的电力变换装置的结构例的图。
图2为示出实施方式1的电力变换装置具备的耦合电抗器的结构例的图。
图3为示出在实施方式1的电力变换装置中当交流电源的极性为正时仅开关元件3b接通的情况下的电流路径的图。
图4为示出在实施方式1的电力变换装置中当交流电源的极性为正时仅开关元件3d接通的情况下的电流路径的图。
图5为示出在实施方式1的电力变换装置中当交流电源的极性为正时开关元件3b、3d断开的情况下的电流路径的图。
图6为示出在实施方式1的电力变换装置中当交流电源的极性为正时开关元件3b、3d接通的情况下的电流路径的图。
图7为示出在实施方式1的电力变换装置中当交流电源的极性为负时仅开关元件3a接通的情况下的电流路径的图。
图8为示出在实施方式1的电力变换装置中当交流电源的极性为负时仅开关元件3c接通的情况下的电流路径的图。
图9为示出在实施方式1的电力变换装置中当交流电源的极性为负时开关元件3a、3c断开的情况下的电流路径的图。
图10为示出在实施方式1的电力变换装置中当交流电源的极性为负时开关元件3a、3c接通的情况下的电流路径的图。
图11为示出在实施方式1的电力变换装置中交流电压的绝对值小于直流电压的1/2时的开关电路的开关元件的接通/断开与交流电流的绝对值的增减的关系的图。
图12为示出在实施方式1的电力变换装置中交流电压的绝对值大于直流电压的1/2时的开关电路的开关元件的接通/断开与交流电流的绝对值的增减的关系的图。
图13为示出实施方式1的电力变换装置通过简易开关控制来控制交流电流和直流电压的情况下的第1结构例的图。
图14为示出实施方式1的电力变换装置通过简易开关控制来控制交流电流和直流电压的情况下的第2结构例的图。
图15为示出实施方式1的电力变换装置在交流电源的半周期设开关次数为两次作为简易开关控制的情况下的工作的例子的图。
图16为示出连接于实施方式1的电力变换装置的直流负载为逆变器时的结构例的图。
图17为示出实施方式1的电力变换装置的第1变形例的图。
图18为示出实施方式1的电力变换装置的第2变形例的图。
图19为示出实施方式1的电力变换装置的第3变形例的图。
图20为示出实施方式1的电力变换装置的控制部进行简易开关控制的工作的流程图。
图21为示出实现实施方式1的电力变换装置具备的控制部的硬件结构的一例的图。
图22为示出实施方式2的电力变换装置的第1结构例的图。
图23为示出实施方式2的电力变换装置的第2结构例的图。
图24为示出实施方式3的制冷循环应用设备的结构例的图。
附图标记
1：交流电源；2：平滑电容器；3a～3f、7a～7f：开关元件；4a～4c、6a～6d：整流元件；5：耦合电抗器；5a～5c：绕组；5d～5f：铁芯；6：全波整流电路；7：直流负载；8、500：马达；10：交流电压电流检测部；11：直流电压检测部；12：交流电压检测部；13：直流电压电流检测部；31～33：开关电路；41：整流电路；100：控制部；101：电力变换装置；504：压缩要素；505：压缩机；506：制冷循环部；506a：四通阀；506b：室内换热器；506c：膨胀阀；506d：室外换热器；600：制冷循环应用设备；A～D：端子。
具体实施方式
以下基于附图详细说明本发明的实施方式的电力变换装置及制冷循环应用设备。此外，本发明不限于该实施方式。
实施方式1.
图1为示出本发明的实施方式1的电力变换装置101的结构例的图。电力变换装置101将从交流电源1供给的交流电力变换为直流电力，将变换后的直流电力输出到并联连接于平滑电容器2的直流负载7。直流负载7被设想为例如LED(Light Emitting Diode，发光二极管)、电池等，但可以为在输出端子连接有旋转机等交流负载的逆变器，也可以为在输出端子连接有LED、电池等直流负载的DC(Direct Current，直流电流)－DC转换器。此外，交流电源1可以为包括输出直流电力的直流电源及将直流电力变换为交流电力的逆变器的结构。
电力变换装置101具备平滑电容器2、耦合电抗器5、开关电路31、32、整流电路41和控制部100。耦合电抗器5具有作为连接端子的3个端子A～C。在3个端子A～C中，端子A连接于交流电源1的一端，端子B连接于开关电路31的交流端子，端子C连接于开关电路32的交流端子。
开关电路31与直流负载7并联连接。开关电路31具备串联连接的开关元件3a、3b。作为开关元件3a、3b的连接点的交流端子连接于耦合电抗器5的端子B。开关电路32与直流负载7并联连接。开关电路32具备串联连接的开关元件3c、3d。作为开关元件3c、3d的连接点的交流端子连接于耦合电抗器5的端子C。此外，电力变换装置101可以具备3个以上开关电路。即，电力变换装置101具备两个以上与直流负载7并联连接的开关电路。另外，开关电路31、32可以具备3个以上开关元件。即，开关电路31、32具备两个以上开关元件。开关元件3a～3d为具有作为反并联二极管的寄生二极管的开关元件，例如为MOSFET(Metal OxideSemiconductor Field Effect Transistor，金属氧化物半导体场效应晶体管)，但不限于此。开关元件3a～3d可以在进行开关的元件之外另外具备反并联二极管。
整流电路41具备整流元件4a、4b。作为整流元件4a、4b的连接点的交流端子连接于交流电源1的另一端。平滑电容器2使从整流电路41输出的电压平滑化。控制部100生成开关元件3a～3d的控制信号Gate_3a～Gate_3d，控制开关电路31、32的工作。具体而言，控制部100在交流电源1的半周期进行1次以上简易开关控制，该简易开关控制为通过两个开关电路31、32将耦合电抗器5短路到交流电源1的控制。控制部100决定两个开关电路31、32的开关次数及接通时间，并分配给两个开关电路31、32以进行简易开关控制。
在此，对耦合电抗器5的结构进行说明。图2为示出实施方式1的电力变换装置101具备的耦合电抗器5的结构例的图。耦合电抗器5具备3个绕组5a～5c和被各绕组盘绕的3个铁芯5d～5f。绕组5a盘绕于铁芯5d，绕组5b盘绕于铁芯5e，绕组5c盘绕于铁芯5f。各绕组的一端在端子D连接。如前所述，绕组5a的另一端通过端子A连接于交流电源1的一端，绕组5b的另一端通过端子B连接于开关电路31的交流端子，绕组5c的另一端通过端子C连接于开关电路32的交流端子。
耦合电抗器5具备：作为第1盘绕部分的铁芯5e，被绕组5b盘绕，绕组5b为连接于两个连接端子即端子B、C中的一方的第1绕组；以及作为第2盘绕部分的铁芯5f，被绕组5c盘绕，绕组5c为连接于两个连接端子即端子B、C中的另一方的第2绕组。在耦合电抗器5中，作为第1绕组的绕组5b及作为第2绕组的绕组5c以交流耦合的方式盘绕。像这样，绕组5b、5c如图1所示那样交流耦合。因此，在盘绕有绕组5b的铁芯5e及盘绕有绕组5c的铁芯5f，在与开关电路31、32的工作相应的方向上感应出磁通。在盘绕有绕组5a的铁芯5d，在与交流电源1的极性相应的方向上感应出磁通。
此外，在耦合电抗器5中，可以使绕组5b及绕组5c盘绕于铁芯5e及5f双方以提高绕组5b与绕组5c的耦合。另外，在耦合电抗器5中，为了改善饱和特性，可以在铁芯5d～5f中的任意铁芯或全部铁芯设置间隙。进而，在耦合电抗器5中，还可以根据所需的电感来变更各绕组的匝数、各铁芯的截面积等。在耦合电抗器5中，例如可以使绕组5a与绕组5b、5c的匝数不同，也可以使铁芯5d与铁芯5e、5f的截面积不同。另外，可以使绕组5b与绕组5c的匝数不同，也可以使铁芯5e与铁芯5f的截面积不同。另外，在耦合电抗器5中，可以不使用绕组5a而将端子D用作端子A。另外，在耦合电抗器5中可以具备端子A～C以外的连接端子。即，耦合电抗器5可以具备3个以上的连接端子。在耦合电抗器5中，3个以上的连接端子中的两个连接端子各自连接于两个以上开关电路中的两个开关电路31、32的不同的1个开关电路的交流端子。
接下来，对在开关电路31、32具备的各开关元件的开关状态下的电力变换装置101的工作模式进行说明。图3～6中示出交流电源1的极性为正时的电力变换装置101的工作模式，图7～10中示出交流电源1的极性为负时的电力变换装置101的工作模式。
在交流电源1的极性为正时，开关元件3b、3d成为使耦合电抗器5短路于交流电源1的开关元件。在交流电源1的极性为正时，在电力变换装置101中，存在开关元件3b、3d双方都接通、任意一方接通及双方都断开这4个工作模式。以下，对开关电路31、32施加于耦合电抗器5的电压进行研究。为了简化，在此设为不考虑半导体的接通电压。
图3为示出在实施方式1的电力变换装置101中当交流电源1的极性为正时仅开关元件3b接通的情况下的电流路径的图。如图3所示，从绕组5a至整流元件4b的电流路径分流为绕组5b、开关元件3b的路径和绕组5c、开关元件3c的寄生二极管、平滑电容器2的路径。此时，开关电路31施加于耦合电抗器5的电压为交流电源1向电力变换装置101供给的交流电力的交流电压vac。另外，开关电路32施加于耦合电抗器5的电压为从交流电压vac中减去作为从电力变换装置101输出的直流电力的直流电压且作为平滑电容器2的两端电压的直流电压Vdc而得到的vac－Vdc。即，施加于耦合电抗器5的电压的合计为vac+vac－Vdc＝2vac－Vdc。因此，在交流电压vac小于直流电压Vdc的1/2的情况下，合计电压为负，交流电源1向电力变换装置101供给的交流电力的交流电流的绝对值|iac|减小。另外，在交流电压vac大于直流电压Vdc的1/2的情况下，合计电压为正，交流电源1向电力变换装置101供给的交流电力的交流电流的绝对值|iac|增加。
图4为示出在实施方式1的电力变换装置101中当交流电源1的极性为正时仅开关元件3d接通的情况下的电流路径的图。如图4所示，从绕组5a至整流元件4b的电流路径分流为绕组5b、开关元件3a的寄生二极管、平滑电容器2的路径和绕组5c、开关元件3d的路径。此时，开关电路31施加于耦合电抗器5的电压为从交流电压vac中减去直流电压Vdc而得到的vac－Vdc。另外，开关电路32施加于耦合电抗器5的电压为交流电压vac。即，施加于耦合电抗器5的电压的合计为vac－Vdc+vac＝2vac－Vdc。因此，在交流电压vac小于直流电压Vdc的1/2的情况下，合计电压为负，交流电流的绝对值|iac|减小。另外，在交流电压vac大于直流电压Vdc的1/2的情况下，合计电压为正，交流电流的绝对值|iac|增加。
图5为示出在实施方式1的电力变换装置101中当交流电源1的极性为正时开关元件3b、3d断开的情况下的电流路径的图。如图5所示，从绕组5a至整流元件4b的电流路径分流为绕组5b、开关元件3a的寄生二极管、平滑电容器2的路径和绕组5c、开关元件3c的寄生二极管、平滑电容器2的路径。此时，开关电路31施加于耦合电抗器5的电压为从交流电压vac中减去直流电压Vdc而得到的vac－Vdc。另外，开关电路32施加于耦合电抗器5的电压为从交流电压vac中减去直流电压Vdc而得到的vac－Vdc。即，施加于耦合电抗器5的电压的合计为Vdc－vac+Vdc－vac＝2(vac－Vdc)。在此，由于本实施方式的电力变换装置101为升压型，因此交流电压的绝对值|vac|始终小于直流电压Vdc。因此，不论交流电压vac的相位如何，合计电压始终为负，交流电流的绝对值|iac|减小。
图6为示出在实施方式1的电力变换装置101中当交流电源1的极性为正时开关元件3b、3d接通的情况下的电流路径的图。如图6所示，从绕组5a至整流元件4b的电流路径分流为绕组5b、开关元件3b的路径和绕组5c、开关元件3d的路径。此时，开关电路31施加于耦合电抗器5的电压为交流电压vac。另外，开关电路32施加于耦合电抗器5的电压为交流电压vac。即，施加于耦合电抗器5的电压的合计为vac+vac＝2vac。由于交流电压2vac始终为正，所以交流电流的绝对值|iac|增加。
同样地，在交流电源1的极性为负的情况下，开关元件3a、3c成为使耦合电抗器5短路于交流电源1的开关元件。在交流电源1的极性为负的情况下，在电力变换装置101中，存在开关元件3a、3c双方都接通、任意一方接通及双方都断开这4个工作模式。以下，对开关电路31、32施加于耦合电抗器5的电压进行研究。为了简化，在此设为不考虑半导体的导通电压。
图7为示出在实施方式1的电力变换装置101中当交流电源1的极性为负时仅开关元件3a接通的情况下的电流路径的图。如图7所示，从整流元件4a至绕组5a的电流路径分流为开关元件3a、绕组5b的路径和平滑电容器2、开关元件3d的寄生二极管、绕组5c的路径。此时，开关电路31施加于耦合电抗器5的电压为交流电压(－vac)。另外，开关电路32施加于耦合电抗器5的电压为对交流电压(－vac)加上直流电压Vdc而得到的－vac+Vdc。即，施加于耦合电抗器5的电压的合计为－vac－vac+Vdc＝－2vac+Vdc。因此，在交流电压的绝对值|vac|小于直流电压Vdc的1/2的情况下，合计电压为正，交流电流的绝对值|iac|减小。另外，在交流电压的绝对值|vac|大于直流电压Vdc的1/2的情况下，合计电压为负，交流电流的绝对值|iac|增加。
图8为示出在实施方式1的电力变换装置101中当交流电源1的极性为负时仅开关元件3c接通的情况下的电流路径的图。如图8所示，从整流元件4a至绕组5a的电流路径分流为平滑电容器2、开关元件3b的寄生二极管、绕组5b的路径和开关元件3c、绕组5c的路径。此时，开关电路31施加于耦合电抗器5的电压为对交流电压(－vac)加上直流电压Vdc而得到的－vac+Vdc。另外，开关电路32施加于耦合电抗器5的电压为交流电压(－vac)。即，施加于耦合电抗器5的电压的合计为－vac+Vdc－vac＝－2vac+Vdc。因此，在交流电压的绝对值|vac|小于直流电压Vdc的1/2的情况下，合计电压为正，交流电流的绝对值|iac|减小。另外，在交流电压的绝对值|vac|大于直流电压Vdc的1/2的情况下，合计电压为负，交流电流的绝对值|iac|增加。
图9为示出在实施方式1的电力变换装置101中当交流电源1的极性为负时开关元件3a、3c断开的情况下的电流路径的图。如图9所示，从整流元件4a至绕组5a的电流路径分流为平滑电容器2、开关元件3b的寄生二极管、绕组5b的路径和平滑电容器2、开关元件3d的寄生二极管、绕组5c的路径。此时，开关电路31施加于耦合电抗器5的电压为对交流电压(－vac)加上直流电压Vdc而得到的－vac+Vdc。另外，开关电路32施加于耦合电抗器5的电压为对交流电压(－vac)加上直流电压Vdc而得到的－vac+Vdc。即，施加于耦合电抗器5的电压的合计为2(－vac+Vdc)。在此，由于本实施方式的电力变换装置101为升压型，因此交流电压的绝对值|vac|始终小于直流电压Vdc。因此，不论交流电压vac的相位如何，合计电压始终为正，交流电流的绝对值|iac|减小。
图10为示出在实施方式1的电力变换装置101中当交流电源1的极性为负时开关元件3a、3c接通的情况下的电流路径的图。如图10所示，从整流元件4a至绕组5a的电流路径分流为开关元件3a、绕组5b的路径和开关元件3c、绕组5c的路径。此时，开关电路31施加于耦合电抗器5的电压为交流电压(－vac)。另外，开关电路32施加于耦合电抗器5的电压为交流电压(－vac)。即施加于耦合电抗器5的电压的合计为－vac－vac＝－2vac。由于交流电压(－2vac)始终为负，因此交流电流的绝对值|iac|增加。
图11为示出在实施方式1的电力变换装置101中，在交流电压的绝对值|vac|小于直流电压Vdc的1/2时的、开关电路31、32的开关元件3a～3d的接通/断开与交流电流的绝对值|iac|的增减的关系的图。图12为示出在实施方式1的电力变换装置101中，在交流电压的绝对值|vac|大于直流电压Vdc的1/2时的、开关电路31、32的开关元件3a～3d的接通/断开与交流电流的绝对值|iac|的增减的关系的图。此外，图11或图12所示的关系式中的任意一方可以包含等号。
在图11中，如图6、10所示，仅在开关电路31、32的开关元件都接通而将耦合电抗器5短路于交流电源1的状态下，交流电流的绝对值|iac|增加。在图11中，在其它工作状态下交流电流的绝对值|iac|减小。然而相比于图5、9所示的开关电路31、32都未将耦合电抗器5短路于交流电源1的状态，在如图3、4、7、8所示仅开关电路31、32中的任意一方将耦合电抗器5短路于交流电源1的状态下，向耦合电抗器5的施加电压的绝对值变小。
在图12中，如图5、9所示，仅在开关电路31、32的开关元件都断开而未将耦合电抗器5短路于交流电源1的状态下，交流电流的绝对值|iac|减小。在图12中，在其它工作状态下交流电流的绝对值|iac|增加。然而，相比于图6、10所示的开关电路31、32都将耦合电抗器5短路于交流电源1的状态，在如图3、4、7、8所示仅开关电路31、32中的任意一方将耦合电抗器5短路于交流电源1的状态下，向耦合电抗器5的施加电压的绝对值变小。
即，通过控制部100的控制来选择向耦合电抗器5的施加电压的绝对值变小的工作状态来进行工作，从而电力变换装置101能够降低向耦合电抗器5的施加电压，能够得到铁损降低、由交流电流iac中产生的电流纹波降低带来的铜损降低等效果。
图13为示出实施方式1的电力变换装置101通过简易开关控制来控制交流电流iac和直流电压Vdc时的第1结构例的图。相对于图1等所示的结构，电力变换装置101还具备交流电压电流检测部10和直流电压检测部11。交流电压电流检测部10检测从交流电源1供给至电力变换装置101的交流电力的交流电压vac及交流电流iac。直流电压检测部11检测从电力变换装置101输出到直流负载7的直流电力的直流电压。控制部100取得交流电压vac及交流电流iac作为由交流电压电流检测部10检测出的检测结果，取得直流电压Vdc作为由直流电压检测部11检测出的检测结果。控制部100基于取得的交流电压vac、交流电流iac及直流电压Vdc，控制两个开关电路31、32。具体而言，控制部100生成开关元件3a～3d的控制信号Gate_3a～Gate_3d。控制部100将控制信号Gate_3a、Gate_3b输出到开关电路31，将控制信号Gate_3c、Gate_3d输出到开关电路32。此外，控制部100可以基于由交流电压电流检测部10检测出的检测结果及由直流电压检测部11检测出的检测结果中的任意一个来控制两个开关电路31、32、即决定开关电路31、32的开关次数及接通时间。
此外，电力变换装置101也可以不使用交流电源1的交流电流iac。图14为示出实施方式1的电力变换装置101通过简易开关控制来控制交流电流iac和直流电压Vdc时的第2结构例的图。相对于图1等所示的结构，电力变换装置101还具备交流电压检测部12和直流电压检测部11。交流电压检测部12检测从交流电源1供给至电力变换装置101的交流电力的交流电压vac。控制部100取得交流电压vac作为由交流电压检测部12检测出的检测结果，取得直流电压Vdc作为由直流电压检测部11检测出的检测结果。控制部100基于取得的交流电压vac及直流电压Vdc，控制两个开关电路31、32。具体而言，控制部100生成开关元件3a～3d的控制信号Gate_3a～Gate_3d。控制部100将控制信号Gate_3a、Gate_3b输出到开关电路31，将控制信号Gate_3c、Gate_3d输出到开关电路32。此外，控制部100也可以基于由交流电压检测部12检测出的检测结果及由直流电压检测部11检测出的检测结果中的任意一个来控制两个开关电路31、32，即决定开关电路31、32的开关次数及接通时间。
另外，控制部100基于图13所示的交流电压电流检测部10及直流电压检测部11的检测结果或基于图14所示的交流电压检测部12及直流电压检测部11的检测结果，切换要在从交流电源1供给的交流电力的半周期内进行工作的开关电路。图15为示出实施方式1的电力变换装置101在交流电源1的半周期设开关次数为两次作为简易开关控制的情况下的工作的例子的图。在电力变换装置101中，如上所述，不论交流电压|vac|与直流电压Vdc的大小关系如何，控制部100都在交流电压vac的正半波时将能够励磁交流电流iac的开关元件3b、3d同时接通或断开。同样地，在电力变换装置101中，如上所述，不论交流电压|vac|与直流电压Vdc的大小关系如何，控制部100都在交流电压vac的负半波时将能够励磁交流电流iac的开关元件3a、3c同时接通或断开。在电力变换装置101中，在各开关元件接通的期间，交流电流|iac|增加，在各开关元件断开的期间，交流电流|iac|减小。
在简易开关控制下，控制部100使两个开关电路31、32中的一个开关电路具备的至少1个开关元件接通或断开，或者使两个开关电路31、32各自具备的至少1个开关元件接通或断开。例如，在开关电路31的开关元件3a与开关电路32的开关元件3c的绕组的匝数、铁芯的截面积等不同的情况下，电力变换装置101能够使使用了开关元件3a、3c中的任意一个开关元件时的图15所示的交流电流iac的励磁的变化量改变。同样地，在开关电路31的开关元件3b与开关电路32的开关元件3d的绕组的匝数、铁芯的截面积等不同的情况下，电力变换装置101能够使使用了开关元件3b、3d中的任意一个开关元件时的图15所示的交流电流iac的励磁的变化量改变。控制部100通过在简易开关控制中控制各开关元件的开关次数、各开关元件的接通时间等，从而控制交流电流iac、直流电压Vdc等。
作为简易开关控制的开关次数，控制部100在交流电源1的半周期设定1次或几次、例如在两次至20次之间设定。在交流电源1的功率因数、谐波等成为限制事项的情况下，当控制部100使简易开关的开关次数增加时，在电力变换装置101中，在开关元件接通及断开时产生的开关损耗、耦合电抗器5中产生的铜损、铁损等增加。另一方面，控制部100通过使简易开关的开关次数增加，能够改善功率因数、谐波等。因此，控制部100优选为在能够避免限制的范围内设定尽可能少的开关次数。
关于简易开关控制的开关次数及接通时间，控制部100能够基于例如交流电压电流检测部10、直流电压检测部11、交流电压检测部12等的检测结果，通过内部运算处理来导出，但不限于此。控制部100可以事先求出并存储与工作条件相应的开关次数及接通时间的信息，基于检测结果读出存储的信息而工作。
具体而言，在由交流电压电流检测部10或交流电压检测部12检测出的交流电压的绝对值|vac|的2倍大于由直流电压检测部11检测出的直流电压Vdc的情况下，控制部100通过两个开关电路31、32中的一方或双方来使耦合电抗器5短路到交流电源1。据此，控制部100能够使交流电力的交流电流的绝对值|iac|增加。
另外，在由交流电压电流检测部10或交流电压检测部12检测出的交流电压的绝对值|vac|的2倍大于由直流电压检测部11检测出的直流电压Vdc的情况下，控制部100使两个开关电路31、32双方都停止。据此，控制部100能够使交流电力的交流电流的绝对值减小。
另外，在由交流电压电流检测部10或交流电压检测部12检测出的交流电压的绝对值|vac|的2倍小于由直流电压检测部11检测出的直流电压Vdc的情况下，控制部100通过两个开关电路31、32双方来使耦合电抗器5短路到交流电源1。据此，控制部100能够使交流电力的交流电流的绝对值增加。
另外，在由交流电压电流检测部10或交流电压检测部12检测出的交流电压的绝对值|vac|的2倍小于由直流电压检测部11检测出的直流电压Vdc的情况下，控制部100使两个开关电路31、32中的一方或双方停止。据此，控制部100能够使交流电力的交流电流的绝对值减小。
在此，控制部100可以基于直流负载7的工作状态来决定简易开关控制的开关次数及接通时间。在该情况下，电力变换装置101设置检测直流负载7的直流电压Vdc及直流电流的直流电压电流检测部，能够基于直流电压电流检测部的检测结果来决定开关次数及接通时间。
关于直流负载7，可以如图16所示为连接于马达8的逆变器。图16为示出连接于实施方式1的电力变换装置101的直流负载7为逆变器时的结构例的图。在该情况下，控制部100具备检测从电力变换装置101输出到直流负载7的直流电力的直流电压Vdc及直流电流Idc的直流电压电流检测部13。控制部100基于直流电压电流检测部13的检测结果，决定开关电路31、32的各开关元件的开关次数及接通时间。控制部100基于直流电压电流检测部13的检测结果，运算逆变器的输出频率、输出转矩、输出电压、输出电流等。控制部100可以基于逆变器的输出频率、输出转矩、输出电压、输出电流中的至少一个来决定开关电路31、32的各开关元件的开关次数及接通时间。此外，在如图16所示的电力变换装置101的结构的情况下，控制部100基于直流电压电流检测部13的检测结果等生成控制信号Gate_7a～Gate_7f，控制作为直流负载7的逆变器具备的开关元件7a～7f的工作。电力变换装置101可以使用基于图16所示的检测部以外的检测部的检测结果来控制逆变器。
此外，在电力变换装置101中，也能够将具备两个整流元件的整流电路41替换为两个开关元件。图17为示出实施方式1的电力变换装置101的第1变形例的图。图17所示的电力变换装置101为从图1等所示的电力变换装置101中删除整流电路41并追加开关电路33而成。开关电路33与直流负载7并联连接。开关电路33具备串联连接的开关元件3e、3f。此外，开关电路33可以与开关电路31、32同样地具备3个以上开关元件。即，开关电路33具备两个以上开关元件。
在图17所示的结构的情况下，在电力变换装置101中，控制部100能够根据交流电源1的电压极性或电流极性来进行接通开关元件3e或开关元件3f的同步整流工作。即，控制部100基于从交流电源1供给的交流电力的交流电压或交流电流的极性，使开关电路31～33的两个以上开关元件中的至少1个开关元件接通来进行同步整流工作。此外，控制部100生成开关元件3e、3f的控制信号Gate_3e、Gate_3f，控制开关元件3e、3f的接通/断开。
此外，在电力变换装置101中，在图1所示的结构的情况下，控制部100也可以进行如下同步整流工作：在图3～图10所示的工作模式中，使未将耦合电抗器5短路控制到交流电源1的开关元件、即开关元件中的寄生二极管导通的开关元件接通。控制部100在未将耦合电抗器5短路控制到交流电源1的期间使未使耦合电抗器5短路控制到交流电源1的开关元件接通来进行同步整流工作。
在通过这些同步整流工作，开关元件的导通损耗小于由寄生二极管的正向电压降导致的导通损耗的情况下，控制部100能够降低在开关元件产生的损耗。
图18为示出实施方式1的电力变换装置101的第2变形例的图。图18所示的电力变换装置101为针对图1等所示的电力变换装置101使向交流电源1的连接极性反转而成的。在如图18所示的结构中，控制部100也能够与图1等所示的电力变换装置101的情况同样地通过简易开关控制来进行工作控制。图19为示出实施方式1的电力变换装置101的第3变形例的图。图19所示的电力变换装置101为针对图18所示的电力变换装置101，将整流电路41替换为开关电路33而成的。在如图19所示的结构中，控制部100也能够与图18所示的电力变换装置101的情况同样地根据交流电源1的电压极性或电流极性来进行接通开关元件3e或开关元件3f的同步整流工作。
使用流程图来说明电力变换装置101的控制部100的工作。图20为示出实施方式1的电力变换装置101的控制部100进行简易开关控制的工作的流程图。在电力变换装置101中，控制部100从交流电压电流检测部10、直流电压检测部11、交流电压检测部12、直流电压电流检测部13等取得检测结果(步骤S1)。控制部100基于取得的至少1个检测结果，决定开关电路31、32的开关元件3a～3d的开关次数及接通时间(步骤S2)。控制部100生成控制开关元件3a～3d的接通/断开的控制信号Gate_3a～Gate_3d(步骤S3)并输出到开关电路31、32(步骤S4)。
接下来，对电力变换装置101具备的控制部100的硬件结构进行说明。图21为示出实现实施方式1的电力变换装置101具备的控制部100的硬件结构的一例的图。控制部100由处理器91及存储器92来实现。
处理器91为CPU(也称为Central Processing Unit(中央处理单元)、中央处理装置、处理装置、运算装置、微处理器、微型计算机、处理器、DSP(Digital Signal Processor，数字信号处理器))或系统LSI(Large Scale Integration，大规模集成)。作为存储器92，能够例示诸如RAM(Random Access Memory，随机存取存储器)、ROM(Read Only Memory，只读存储器)、闪存、EPROM(Erasable Programmable Read Only Memory，可擦除可编程只读存储器)、EEPROM(注册商标)(Electrically Erasable Programmable Read Only Memory，电可擦除可编程只读存储器)等非易失性或易失性半导体存储器。另外，存储器92不限于这些，也可以为磁盘、光盘、压缩盘、迷你盘或DVD(Digital Versatile Disc，数字多功能盘)。
如以上说明，根据本实施方式，在电力变换装置101中，设为控制部100控制开关电路31、32、即决定开关电路31、32的开关次数及接通时间，在交流电源1的半周期进行1次以上简易开关控制，该简易开关控制为通过两个开关电路31、32将耦合电抗器5短路到交流电源1的控制。据此，电力变换装置101大幅抑制在开关元件3a～3d接通及断开时产生的开关损耗、在耦合电抗器5由高频下的电抗器励磁导致的高频铜损及高频铁损等损耗，能够进行高效的电力变换。
实施方式2.
在实施方式1的电力变换装置101中，在开关电路31、32的后级配置有整流电路41。在实施方式2中，对如下情况进行说明：在电力变换装置101中，在交流电源1的后级配置全波整流电路以代替整流电路41。
图22为示出实施方式2的电力变换装置101的第1结构例的图。电力变换装置101为针对如图1所示的实施方式1的电力变换装置101，删除整流电路41并追加全波整流电路6而成的。全波整流电路6具备整流元件6a～6d。实施方式2的电力变换装置101为将全波整流电路6设置于交流电源1的后级且在全波整流电路6的输出侧连接耦合电抗器5及两个开关电路31、32的结构。在实施方式2的电力变换装置101中，基于控制部100的简易开关控制方式及各简易开关控制时的电流路径与实施方式1的电力变换装置101中正半波时是同样的。因此省略详细说明。
在实施方式2的电力变换装置101中，在开关元件3a、3c中仅在使平滑电容器2充电的方向上流过电流。因此，如图23所示，能够将开关元件3a、3c中的至少一个替换为整流元件。图23为示出实施方式2的电力变换装置101的第2结构例的图。图23中示出了在电力变换装置101中将开关元件3a替换为整流元件4a且将开关元件3c替换为整流元件4c的例子。
在实施方式2中，电力变换装置101在图22及图23中的任意情况下都能够得到与实施方式1时同样的效果。
实施方式3.
在实施方式3中，对将电力变换装置101搭载于制冷循环应用设备的情况进行说明。关于制冷循环应用设备，例如有空调机、制冷装置等。在实施方式3中，具体而言以将电力变换装置101搭载于空调机的情况为例来说明。
图24为示出实施方式3的制冷循环应用设备600的结构例的图。制冷循环应用设备600为搭载有实施方式1或实施方式2的电力变换装置101的空调机。在电力变换装置101的输出侧连接有作为直流负载7的逆变器，在作为直流负载7的逆变器的输出侧连接有马达500。压缩机505具备马达500和压缩要素504。连接于作为直流负载7的逆变器的马达500连结于压缩要素504。制冷循环部506以包括四通阀506a、室内换热器506b、膨胀阀506c及室外换热器506d的形态构成。
在制冷循环应用设备600的内部进行循环的制冷剂的流路以如下形态构成：从压缩要素504起经由四通阀506a、室内换热器506b、膨胀阀506c、室外换热器506d，再次经由四通阀506a返回到压缩要素504。电力变换装置101将从交流电源1供给的交流电力变换为直流电力，将直流电力输出到作为直流负载7的逆变器。在制冷循环应用设备600中，作为直流负载7的逆变器使马达500旋转。通过马达500旋转，从而压缩要素504执行制冷剂的压缩工作，能够使制冷剂在制冷循环部506的内部进行循环。
通过搭载实施方式1、2的电力变换装置101，制冷循环应用设备600能够获得在实施方式1说明过的效果。关于电力变换装置101，不限于制冷循环应用设备600，也可以搭载于鼓风机等来用于驱动。
以上的实施方式所示的结构示出本发明内容的一例，也能够与其它公知技术结合，还能够在不脱离本发明主旨的范围内对部分结构进行省略、变更。

Claims (16)

1.一种电力变换装置，将从交流电源供给的交流电力变换为直流电力并输出到直流负载，该电力变换装置具备：
两个以上开关电路，与所述直流负载并联连接；
耦合电抗器，具有3个以上连接端子，3个以上的所述连接端子中的两个连接端子各自连接于所述两个以上开关电路中的两个开关电路的不同的1个开关电路的交流端子；以及
控制部，在所述交流电源的半周期进行1次以上简易开关控制，该简易开关控制为通过所述两个开关电路将所述耦合电抗器短路到所述交流电源的控制。
2.根据权利要求1所述的电力变换装置，其中，
所述控制部决定所述两个开关电路的开关次数及接通时间并分配给所述两个开关电路以进行所述简易开关控制。
3.根据权利要求2所述的电力变换装置，具备：
交流电压检测部，检测从所述交流电源供给至所述电力变换装置的所述交流电力的交流电压；以及
直流电压检测部，检测从所述电力变换装置输出到所述直流负载的所述直流电力的直流电压，
其中，所述控制部基于所述交流电压检测部及所述直流电压检测部的检测结果来控制所述两个开关电路。
4.根据权利要求3所述的电力变换装置，其中，
所述控制部基于所述交流电压检测部及所述直流电压检测部的检测结果，切换要在从所述交流电源供给的所述交流电力的半周期内进行工作的开关电路。
5.根据权利要求3或4所述的电力变换装置，其中，
在由所述交流电压检测部检测出的所述交流电压的绝对值的2倍大于由所述直流电压检测部检测出的所述直流电压的情况下，所述控制部通过所述两个开关电路中的一方或双方来使所述耦合电抗器短路到所述交流电源，使所述交流电力的交流电流的绝对值增加。
6.根据权利要求3或4所述的电力变换装置，其中，
在由所述交流电压检测部检测出的所述交流电压的绝对值的2倍大于由所述直流电压检测部检测出的所述直流电压的情况下，所述控制部使所述两个开关电路双方都停止，使所述交流电力的交流电流的绝对值减小。
7.根据权利要求3或4所述的电力变换装置，其中，
在由所述交流电压检测部检测出的所述交流电压的绝对值的2倍小于由所述直流电压检测部检测出的所述直流电压的情况下，所述控制部通过所述两个开关电路双方来使所述耦合电抗器短路到所述交流电源，使所述交流电力的交流电流的绝对值增加。
8.根据权利要求3或4所述的电力变换装置，其中，
在由所述交流电压检测部检测出的所述交流电压的绝对值的2倍小于由所述直流电压检测部检测出的所述直流电压的情况下，所述控制部使所述两个开关电路中的一方或双方停止，使所述交流电力的交流电流的绝对值减小。
9.根据权利要求2至4中的任意一项所述的电力变换装置，其中，
所述开关电路具有两个以上开关元件，
在所述简易开关控制下，所述控制部使所述两个开关电路中的一个开关电路具备的至少1个开关元件接通或断开，或者使双方的开关电路各自具备的至少1个开关元件接通或断开。
10.根据权利要求1所述的电力变换装置，其中，
所述开关电路具有两个以上开关元件，
在未将所述耦合电抗器短路控制到所述交流电源的期间，所述控制部使未使所述耦合电抗器短路控制到所述交流电源的开关元件接通来进行同步整流工作。
11.根据权利要求1所述的电力变换装置，其中，
具备如下开关电路：与所述直流负载并联连接，具有两个以上的开关元件，交流端子连接于所述交流电源，
所述控制部基于从所述交流电源供给的所述交流电力的交流电压或交流电流的极性，使所述两个以上的开关元件中的至少1个开关元件接通来进行同步整流工作。
12.根据权利要求1所述的电力变换装置，其中，
所述耦合电抗器具有：第1盘绕部分，被第1绕组盘绕，该第1绕组连接于所述两个连接端子中的一方；以及第2盘绕部分，被第2绕组盘绕，该第2绕组连接于所述两个连接端子中的另一方，所述第1绕组及所述第2绕组以交流耦合的方式盘绕。
13.根据权利要求2所述的电力变换装置，其中，
具备交流电压检测部，该交流电压检测部检测从所述交流电源供给至所述电力变换装置的所述交流电力的交流电压，
所述控制部基于所述交流电压检测部的检测结果，决定所述开关电路的开关次数及接通时间。
14.根据权利要求2所述的电力变换装置，其中，
具备直流电压电流检测部，该直流电压电流检测部检测从所述电力变换装置输出到所述直流负载的所述直流电力的直流电压及直流电流，
所述控制部基于所述直流电压电流检测部的检测结果，决定所述开关电路的开关次数及接通时间。
15.根据权利要求2所述的电力变换装置，其中，
在所述直流负载为连接于马达的逆变器的情况下，
所述控制部基于所述逆变器的输出频率、输出转矩、输出电压、输出电流中的至少一个，决定所述开关电路的开关次数及接通时间。
16.一种制冷循环应用设备，具备权利要求1至15中任意一项所述的电力变换装置。
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