CN115280661A - 电力变换装置、制冷循环装置以及空调机 - Google Patents

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Abstract

电力变换装置(100)具备：电抗器(5)；整流电路(6)，其具有：第1桥臂(30)，其串联连接有开关元件(1、2)；以及第2桥臂(32)，其与第1桥臂(30)并联连接，且串联连接有开关元件(3、4)；以及平滑电容器(7)，其对整流电路(6)的输出电压进行平滑。另外，电力变换装置(100)具备：逆变器(8)，其将通过平滑电容器(7)而被平滑了的直流电压变换为对马达(52)进行驱动的驱动电压，并将其外加于马达(52)；电压检测部(11)，其检测直流电压；以及控制部(10)，其控制整流电路(6)及逆变器(8)的动作。控制部(10)基于由马达(52)引起的感应电压和直流电压的检测值来控制开关元件(1、2)的动作。

Description

电力变换装置、制冷循环装置以及空调机
技术领域
本公开涉及具备无桥二极管(Diode Bridge－Less：DBL)整流电路的电力变换装置、具备电力变换装置的制冷循环装置以及搭载制冷循环装置的空调机。
背景技术
作为与具备DBL整流电路的电力变换装置有关的现有技术，有下述专利文献1记载的技术。在该专利文献1中公开了实施同步整流的技术，其中，使与平滑电容器的正极连接的开关元件，在电流流向电桥电路的期间的至少一部分，成为接通状态，使不包含在电流路径中的开关元件维持为断开状态。记载了通过该技术能够高效率地进行电力变换的情况。
专利文献1：日本特开2018－7326号公报
然而，在上述专利文献1记载的同步整流中，当负载为马达时，针对马达感应电压给效率带来的影响，没有进行任何考虑。在马达以高速进行旋转的高速旋转区域中，马达感应电压变大，马达电流增加，给效率带来影响。因此，马达在高速旋转区域中的效率存在改善的余地。
发明内容
本公开是鉴于上述情况而完成的，其目的在于获得能够实现马达在高速旋转区域中的效率的进一步改善的电力变换装置。
为了解决上述课题并达成目的，本公开的电力变换装置具备：电抗器；以及整流电路，该整流电路具有：第1桥臂，其串联连接有第1上臂元件和第1下臂元件；以及第2桥臂，其与第1桥臂并联连接，且串联连接有第2上臂元件和第2下臂元件。在整流电路中，在第1上臂元件与第1下臂元件的连接点、与第2上臂元件与第2下臂元件的连接点之间，经由电抗器而外加有交流电源输出的电源电压。另外，电力变换装置具备：平滑电容器，其对整流电路的输出电压进行平滑；以及逆变器，其将通过平滑电容器而被平滑了的直流电压变换为对马达进行驱动的驱动电压，并将其外加于马达。并且，电力变换装置具备检测直流电压的第1电压检测部、和控制整流电路及逆变器的动作的控制部。控制部基于由马达引起的感应电压和直流电压的检测值来控制第1上臂元件及第1下臂元件的动作。
根据本公开的电力变换装置，起到能够实现马达在高速旋转区域中的效率的进一步改善这样的效果。
附图说明
图1是表示实施方式1的电力变换装置的结构例的图。
图2是示意性地表示通常的金属氧化物半导体场效应晶体管(Metal OxideSemiconductor Field Effect Transistor：MOSFET)中的电流－损耗特性的图。
图3是表示实施方式1中的整流电路的基本动作所涉及的开关模式之一的图。
图4是表示实施方式1中的整流电路的基本动作所涉及的开关模式的另一个的图。
图5是表示在实施方式1的整流电路中流动的电流的第1路径的图。
图6是表示在实施方式1的整流电路中流动的电流的第2路径的图。
图7是表示在实施方式1的整流电路中流动的电流的第3路径的图。
图8是表示在实施方式1的整流电路中流动的电流的第4路径的图。
图9是用于说明实施方式1中的主要部分的动作的流程图。
图10是用于说明实施方式1中的主要部分的动作的时间图。
图11是表示实施方式1的变形例的电力变换装置的结构例的图。
图12是表示实施方式2的电力变换装置的结构例的图。
图13是表示实施方式2中的整流电路及短路电路的基本动作所涉及的开关模式的图。
图14是表示在实施方式2的整流电路或短路电路中流动的电流的第5路径的图。
图15是表示在实施方式2的整流电路或短路电路中流动的电流的第6路径的图。
图16是表示在实施方式2的整流电路或短路电路中流动的电流的第7路径的图。
图17是表示在实施方式2的整流电路或短路电路中流动的电流的第8路径的图。
图18是表示用于说明实施方式2中的主要部分的动作的时间图。
图19是将具有升压功能的电力变换装置的结构作为比较例来表示的图。
图20是表示实施方式3的制冷循环装置的结构例的图。
具体实施方式
实施方式1.
图1是表示实施方式1所涉及的电力变换装置100的结构例的图。如图1所示，实施方式1的电力变换装置100具备电抗器5、整流电路6、平滑电容器7、逆变器8、控制部10、电压检测部11、13、电流检测部12和门电路部14。此外，在以下的记载中，有时将电压检测部11称为“第1电压检测部”，将电压检测部13称为“第2电压检测部”。
电力变换装置100对马达52外加交流电压来驱动马达52。交流电源50是对电力变换装置100外加电源电压Vs的交流电源。马达52作为驱动未图示的负载的驱动单元来利用。负载的一例是压缩机。压缩机搭载于空调机、冰箱或制冷库的制冷循环中。
一般的整流电路是桥接有4个二极管的结构。与此相对，实施方式1的整流电路6是DBL整流电路。DBL整流电路为桥接有4个开关元件的结构。即，在DBL整流电路中，4个二极管分别被替换为开关元件。
整流电路6具有第1桥臂30和与第1桥臂30并联连接的第2桥臂32。第1桥臂30具有作为第1上臂元件的开关元件1和作为第1下臂元件的开关元件2。开关元件1和开关元件2串联连接。第2桥臂32具有作为第2上臂元件的开关元件3和作为第2下臂元件的开关元件4。开关元件3和开关元件4串联连接。第1及第2上臂元件是与平滑电容器7的正极连接的元件，第1及第2下臂元件是与平滑电容器7的负极连接的元件。
在图1中，在开关元件1、2、3、4分别并联连接有二极管。开关元件1、2、3、4的一例是图示的MOSFET。在对开关元件1、2、3、4使用了MOSFET的情况下，在元件内部存在寄生二极管。因此，在使用了MOSFET的情况下，使用寄生二极管，由此能够省略并联连接的二极管。
与如二极管那样使电流仅在一个方向上流动的单向元件不同，MOSFET通常是能够使电流在双向上流动的双向元件。即，若为了将MOSFET控制为接通而对MOSFET的门极供给电荷，则也能使电流在相反方向上流动。此外，这里提及的相反方向是指与流向内置于MOSFET的寄生二极管的电流的方向相反的方向。
电抗器5的一端与交流电源50的一侧连接，电抗器5的另一端与开关元件1、2的连接点34连接。开关元件3、4的连接点36与交流电源50的另一侧连接。此外，也可以代替图1的结构，电抗器5构成为与交流电源50的另一侧连接。另外，也可以构成为将电抗器5分割为2个，并将分割出的2个电抗器5与交流电源50的一侧和另一侧这双方连接。无论是哪种结构，在整流电路6中都成为在连接点34与连接点36之间经由电抗器5外加交流电源50输出的交流电压即电源电压Vs的连接方式。连接点34、36构成整流电路6的输入端。
在整流电路6的输出端间连接有平滑电容器7。整流电路6对经由电抗器5从交流电源50外加的电源电压Vs进行整流来变换为直流电压。
平滑电容器7通过整流电路6的输出来进行充电。平滑电容器7使整流电路6的输出电压平滑。在平滑电容器7的两端连接有逆变器8。逆变器8将通过平滑电容器7而平滑了的直流电压Vdc变换为对马达52进行驱动的驱动电压并将其外加于马达52。
马达52具备旋转传感器54。旋转传感器54是检测马达52的未图示的旋转件的位置或速度的检测器。旋转传感器54的检测值被输入控制部10。控制部10基于旋转传感器54的检测值来运算马达52的旋转速度。
电压检测部13检测电源电压Vs。电压检测部11检测通过平滑电容器7而平滑了的直流电压Vdc。直流电压Vdc也是向逆变器8输入的输入电压。电源电压Vs及直流电压Vdc的各检测值被输入控制部10。
电流检测部12检测流向整流电路6的输入侧的一次电流Is。一次电流Is也是向电抗器5流动的电抗器电流。一次电流Is的检测值被输入控制部10。此外，在图1中，例示出电流检测部12的检测器配置于交流电源50的一侧的电气布线的结构，但不限定于此。电流检测部12的检测器也可以配置于交流电源50的另一侧的电气布线。
控制部10基于电源电压Vs、一次电流Is、直流电压Vdc的各检测值及马达52的旋转速度，生成用于控制开关元件1、2、3、4的导通的控制信号，并将其输出至门电路部14。
门电路部14基于从控制部10输出的控制信号，生成并输出用于驱动开关元件1、2、3、4的门信号Q1、Q2、Q3、Q4。门信号Q1是将开关元件1的导通状态从接通控制为断开、或从断开控制为接通的信号。门信号Q2是将开关元件2的导通状态从接通控制为断开、或从断开控制为接通的信号。门信号Q3是将开关元件3的导通状态从接通控制为断开、或从断开控制为接通的信号。门信号Q4是将开关元件4的导通状态从接通控制为断开或从断开控制为接通的信号。
在驱动开关元件1、2、3、4时，门信号Q1、Q2、Q3、Q4被变换为能够驱动开关元件1、2、3、4的电压水平并将其输出。门电路部14能够使用电平移位电路等来实现。
控制部10具备处理器10a和存储器10b。处理器10a是运算装置、微处理器、微型计算机、CPU(Central Processing Unit：中央处理器)或DSP(Digital Signal Processor：数字信号处理器)之类的运算单元。存储器10b是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 ROM：可擦可编程只读存储器)、EEPROM(注册商标)(Electrically EPROM：电可擦可编程只读存储器)之类的非易失性或易失性的半导体存储器。
在存储器10b中储存有执行控制部10的功能的程序。处理器10a经由包含未图示的模拟数字转换器及数字模拟变换器的接口来收发需要的信息，处理器10a执行储存于存储器10b的程序，由此进行所需的处理。处理器10a的运算结果存储在存储器10b中。
图2是示意性地表示通常的MOSFET中的电流－损耗特性的图。图2表示二极管的损耗特性和MOSFET进行接通动作时的损耗特性。如图2所示，在电流比电流值I0小的区域A中，二极管的损耗比开关元件的损耗大。另外，在电流比电流值I0大的区域B中，二极管的损耗比开关元件的损耗小。如果利用上述特性，对应于一次电流Is流向二极管的时机，利用使反并联连接于二极管的开关元件进行接通动作的同步整流，能够使装置高效率地动作。
接下来，参照图3及图4的附图来说明实施方式1所涉及的电力变换装置100的基本动作。图3是表示实施方式1中的整流电路6的基本动作所涉及的开关模式之一的图。图4是表示实施方式1中的整流电路6的基本动作所涉及的开关模式的另一个的图。图3及图4的横轴表示时间。另外，在图3及图4的任一图中，均从上段侧起依次示出电源电压Vs、一次电流Is、门信号Q1、门信号Q2、门信号Q3及门信号Q4的动作波形。此外，针对电源电压Vs的极性，将电源电压Vs取正值时的极性称为“正极性”，将电源电压Vs取负值时的极性称为“负极性”。
在图3中，当电源电压Vs为正极性时，开关元件4在电流流向并联连接的二极管的期间中被控制为接通。换言之，当电源电压Vs为正极性时，开关元件4在电流流向并联连接的二极管的时机被控制为接通，在电流不流向并联连接的二极管的时机被控制为断开。该动作是上述同步整流。
当电源电压Vs为负极性时，开关元件3在电流流向并联连接的二极管的期间中被控制为接通。换言之，当电源电压Vs为负极性时，开关元件3在电流流向并联连接的二极管的时机被控制为接通，在电流不流向并联连接的二极管的时机被控制为断开。该动作也是同步整流。
另外，在图3中，当电源电压Vs为正极性时，开关元件2在开关元件4被控制为接通的时机被控制为接通。此时，在整流电路6中流有经由交流电源50、电抗器5、开关元件2、开关元件4、交流电源50的路径的一次电流Is。该动作是不经由平滑电容器7地流有一次电流Is的动作，因此被称为“电源短路”。
通过电源短路动作，在电抗器5中蓄积能量。然后，通过紧随其后的同步整流动作，将蓄积在电抗器5的能量放出至平滑电容器7中。由此，平滑电容器7的电压即直流电压Vdc被升压。
此外，在电源短路时，开关元件1被控制为断开。这是为了防止充电到平滑电容器7中的电荷经由开关元件1、2而流动。此外，在图3中示出实施2次电源短路的例子，但不限定于此。既可以仅实施1次电源短路，也可以实施3次以上、多次以下的电源短路。
当电源电压Vs为正极性时，在实施了针对开关元件2的1次以上的开关控制之后，返回至通常的同步整流。具体而言，开关元件1在开关元件4被控制为接通的期间被控制为接通。此外，作为上臂元件的开关元件1和作为下臂元件的开关元件4处于对角的位置关系。
当电源电压Vs为负极性时，开关元件1在开关元件3被控制为接通的时机被控制为接通。此时，在整流电路6中流有经由交流电源50、开关元件3、开关元件1、电抗器5、交流电源50的路径的一次电流Is。该动作也是不经由平滑电容器7地流有一次电流Is的电源短路动作。在该短路时，开关元件2被控制为断开。这是为了防止充电到平滑电容器7中的电荷经由开关元件1、2而流动。虽然示出与图3的正的半周期相同地实施2次电源短路的例子，但既可以实施1次电源短路，也可以实施3次以上、多次以下的电源短路。
另外，当电源电压Vs为负极性时，在实施了对开关元件1的1次以上的开关控制之后，返回至通常的同步整流。具体而言，开关元件2在开关元件3被控制为接通的期间被控制为接通。此外，作为下臂元件的开关元件2和作为上臂元件的开关元件3处于对角的位置关系。
接下来，说明图4的动作。首先，开关元件4在电源电压Vs为正极性的期间中被控制为接通，在电源电压Vs为负极性的期间中被控制为断开。另外，开关元件3在电源电压Vs为正极性的期间中被控制为断开，在电源电压Vs为负极性的期间中被控制为接通。
当电源电压Vs为正极性时，开关元件2在开关元件4被控制为接通的时机被控制为接通。该动作是电源短路动作。在电源短路动作之后，开关元件2被控制为断开，开关元件1被控制为接通。该动作是同步整流动作。以下，对开关元件1、2交替地进行接通断开控制，交替地反复进行电源短路动作和同步整流动作。
当电源电压Vs为负极性时，开关元件2在开关元件4被控制为接通的时机被控制为接通。该动作是电源短路动作。在电源短路动作之后，开关元件2被控制为断开，开关元件1被控制为接通。该动作是同步整流动作。以下，对开关元件1、2交替地进行接通断开控制，交替地反复进行电源短路动作和同步整流动作。
通过以上的动作，直流电压Vdc被升压到超过电源电压Vs的大小的电压。另外，由于一次电流Is遍及电源电压Vs的半周期的整个区域流动，所以功率因数得到改善。
图3和图4的动作的不同在于，是否遍及电源电压Vs的1个周期的整个区域地实施开关控制。因此，图4的动作被称为“全域开关”，图3的动作被称为“部分开关”。另外，着眼于开关速度的差异，图4的动作被称为“高速开关”，图3的动作被称为“低速开关”。
为了得到大的升压比，图4的动作更适合。另一方面，为了减小开关损耗，图3的动作更适合。因此，如果对应于马达52的旋转速度来切换图3的动作和图4的动作，能够增大直流电压Vdc的可变宽度，且能够实现效率的改善。
接下来，说明实施方式1所涉及的电力变换装置100中的主要部分的动作。此外，在说明主要部分的动作之前，说明在实施方式1的整流电路6中流动的一次电流Is的路径。
图5是表示在实施方式1的整流电路6中流动的电流的第1路径的图。将图5所示的电流路径定义为“电流路径(1)”。在图5中示出电源电压Vs为正极性时的同步整流的电流路径。开关元件1、4为接通状态，开关元件2、3为断开状态。在该状态下，电流在经由交流电源50、电抗器5、开关元件1、逆变器8、开关元件4、交流电源50的路径中流动。
图6是表示在实施方式1的整流电路6中流动的电流的第2路径的图。将图6所示的电流路径定义为“电流路径(2)”。在图6中示出电源电压Vs为正极性时的电源短路的电流路径。开关元件2、4为接通状态，开关元件1、3为断开状态。在该状态下，电流在经由交流电源50、电抗器5、开关元件2、开关元件4、交流电源50的路径中流动。
图7是表示在实施方式1的整流电路6中流动的电流的第3路径的图。将图7所示的电流路径定义为“电流路径(3)”。在图7中示出电源电压Vs为负极性时的同步整流的电流路径。开关元件2、3为接通状态，开关元件1、4为断开状态。在该状态下，电流在经由交流电源50、开关元件3、逆变器8、开关元件2、电抗器5、交流电源50的路径中流动。
图8是表示在实施方式1的整流电路6中流动的电流的第4路径的图。将图8所示的电流路径定义为“电流路径(4)”。在图8中示出电源电压Vs为负极性时的电源短路的电流路径。开关元件1、3为接通状态，开关元件2、4为断开状态。在该状态下，电流在经由交流电源50、开关元件3、开关元件1、电抗器5、交流电源50的路径中流动。
图9是用于说明实施方式1中的主要部分的动作的流程图。首先，控制部10基于旋转传感器54的检测值来计算马达52的当前的旋转速度(步骤S101)。接下来，控制部10基于当前的旋转速度和感应电压常量来计算被马达52感应到的感应电压(步骤S102)。感应电压常量越大，感应电压越大。另外，旋转速度越快，感应电压越大。此外，感应电压常量是记录有使用的马达的特性的参数之中的1个。与包含感应电压常量的马达常量有关的数据存储在控制部10内的存储器10b中。
控制部10以与步骤S101的处理并行的方式确认当前的直流电压的检测值(步骤S103)。控制部10比较感应电压与直流电压(步骤S104)，如果感应电压为直流电压以下(步骤S104，否)，则返回至流程的最初，并反复进行步骤S101、S103的处理。另一方面，如果感应电压超过直流电压(步骤S104，是)，则进行对直流电压升压的处理(步骤S105)。在步骤S105的处理之后，返回至流程的最初，并反复进行步骤S101、S103的处理。
此外，在上述步骤S104中，将感应电压与直流电压相等时判定为“否”，但也可以判定为“是”。即，也可以将感应电压与直流电压相等时判定为“是”或“否”中的任一个。
图10是用于说明实施方式1中的主要部分的动作的时间图。在图10中示出按照图9的流程图进行了动作时的主要部分的动作波形。具体而言，在图10中，从上段侧起依次示出电源电压Vs、一次电流Is、直流电压Vdc及感应电压Vm、过零信号Zc、门信号Q1、门信号Q2、门信号Q3及门信号Q4的动作波形。另外，横轴表示时间。针对直流电压Vdc及感应电压Vm，直流电压Vdc用实线表示，感应电压Vm用单点划线表示。
过零信号Zc是基于电源电压Vs的检测值而在控制部10的内部生成的信号。在图10中图示为：当电源电压Vs为正极性时，输出“High”，当电源电压Vs为负极性时，输出“Low”，但不限定于此。过零信号Zc也可以为如下信号，即：当电源电压Vs为正极性时，输出“Low”，当电源电压Vs为负极性时，输出“High”。
如上所述，当电源电压Vs为正极性时，即，当过零信号Zc为High时，对应于一次电流Is流动的时机，门信号Q4成为接通。另外，当电源电压Vs为负极性时，即，当过零信号Zc为Low时，对应于一次电流Is流动的时机，门信号Q3成为接通。
这里，在图10的动作波形中，在门信号Q4接通的期间T1，直流电压Vdc比感应电压Vm大。因此，不进行升压动作，在上述中已定义的电流路径(1)的电流流动。在图10中，标记为“(1)”。以下，针对其他电流路径，也同样进行标记。
另外，在门信号Q3接通的期间T2，直流电压Vdc也比感应电压Vm大。因此，不进行升压动作，在上述中已定义的电流路径(3)的电流流动。
另一方面，在电源电压Vs的接下来的1个周期中，存在感应电压Vm比直流电压Vdc大的期间。因此，在门信号Q4接通的期间T3，反复进行电流路径(1)的电流流动的动作和电流路径(2)的电流流动的动作。另外，在门信号Q3接通的期间T4，也是反复进行电流路径(3)的电流流动的动作和电流路径(4)的电流流动的动作。即，在期间T3、T4中，反复进行同步整流和升压动作。
另外，在期间T3、T4中，以不变更进行着同步整流的门信号Q3、Q4的开关动作的方式，对同步整流和升压动作进行切换。即，在期间T3、T4中，能够以不将开关动作的停止期间夹于之间的方式对同步整流和升压动作进行切换。
若马达52的旋转速度快，则马达52的感应电压Vm变大。因此，在相同的负载条件下，流向马达52的电流即马达电流变大，马达52中的损耗变大。与此相对，在实施方式1的控制中，由于在马达52的感应电压Vm比直流电压Vdc大的情况下，将同步整流切换为升压动作而对直流电压Vdc进行升压，所以能够抑制马达电流增加。由此，能够实现马达52在高速旋转区域中的效率的进一步改善。
另外，在实施方式1的控制中，由于能够以不将不进行开关控制的开关停止期间夹于之间的方式对同步整流和升压动作进行切换，所以能够迅速地进行同步整流和升压动作的切换。由此，能够抑制伴随升压动作的损耗的增加。
此外，在图1中，例示出马达52具备旋转传感器54的结构，但不限定于该结构。例如，也可以如图11那样构成。图11是表示实施方式1的变形例的电力变换装置100A的结构例的图。如图11所示，也可以构成为：马达52具备感应电压检测器56，向电力变换装置100A的控制装置10输入感应电压检测器56的检测值。感应电压检测器56是直接检测被马达52的未图示的绕组感应到的感应电压的检测器。
感应电压检测器56的检测值被输入控制部10。在图11所示的电力变换装置100A的情况下，无需运算感应电压，因此能够省略图9的流程图中的步骤S101、S102的处理。
此外，在图11中图示出3个检测器，但具有至少1个检测器即可。
另外，在图1及图11的结构中，对于开关元件1、2、3、4、构成整流电路6的整流元件、以及构成逆变器8的开关元件，通常使用由硅系材料形成的半导体元件来形成，但不限定于此。在这些半导体元件中，开关元件1、2、3、4、构成整流电路6的整流元件、或构成逆变器8的开关元件也可以是由碳化硅、氮化镓、氧化镓或金刚石之类的宽带隙(Wide Band Gap：WBG)半导体形成的开关元件。
通常，WBG半导体与硅半导体相比损耗低。因此，通过使用WBG半导体来形成这些半导体元件，能够构成更低损耗的装置。另外，WBG半导体和硅半导体相比，耐电压高。因此，半导体元件的耐电压性及容许电流密度变高，能够将组装有半导体开关元件的半导体模块小型化。并且，由于WBG半导体的耐热性也高，所以能够使用于对在半导体模块中产生的热进行散热的散热部的小型化，另外，能够使对在半导体模块中产生的热进行散热的散热构造简化。
如以上说明那样，实施方式1所涉及的电力变换装置具备电抗器、和经由电抗器外加交流电源输出的电源电压的整流电路。整流电路具有：第1桥臂，其串联连接有第1上臂元件和第1下臂元件；以及第2桥臂，其与第1桥臂并联连接，且串联连接有第2上臂元件和第2下臂元件。控制部检测通过对整流电路的输出电压进行平滑的平滑电容器而被平滑了的直流电压，并基于检测出的直流电压的检测值和由马达引起的感应电压来控制第1上臂元件及第1下臂元件的动作。由此，能够实现马达感应电压变大的马达在高速旋转区域中的效率的进一步的改善。此外，第2上臂元件及第2下臂元件是在电流流向与各自分别并联连接的二极管的时机被控制为接通、在电流不流向二极管的时机被控制为断开的元件。
在上述控制中，当感应电压比直流电压的检测值小时，每隔电源电压的半周期对第1上臂元件及第1下臂元件交替地进行接通断开控制。另外，当感应电压从比直流电压的检测值小的状态变化为比直流电压的检测值大的状态时，无论电源电压的极性任何，都在同一极性的半周期内对第1上臂元件及第1下臂元件交替地进行接通断开控制。如果这样进行控制，能够迅速地进行同步整流和升压动作的切换，能够抑制伴随升压动作的损耗的增加。
实施方式2.
图12是表示实施方式2所涉及的电力变换装置100B的结构例的图。在实施方式2所涉及的电力变换装置100B中，在图1所示的实施方式1所涉及的电力变换装置100的结构中的电抗器5与整流电路6之间，配置有短路电路17。短路电路17具备短路开关元件16、和与短路开关元件16并联连接的二极管桥15。短路电路17通过短路开关元件16的接通动作，进行使经由电抗器5而外加的电源电压Vs短路的电源短路动作。另外，在图12中，门电路部14被置换为门电路部14B。除门信号Q1、Q2、Q3、Q4之外，门电路部14B还生成并输出用于驱动短路开关元件16的门信号Q5。此外，针对其他结构，与实施方式1的结构相同或同等，对相同或同等的结构部标注相同的附图标记，并省略重复说明。
图13是表示实施方式2中的整流电路6及短路电路17的基本动作的开关模式的图。图13的横轴表示时间。另外，在图13的纵轴方向上，从上段侧起依次示出电源电压Vs、一次电流Is、门信号Q5、门信号Q1、门信号Q2、门信号Q3及门信号Q4的动作波形。
在图13中，当电源电压Vs为正极性时，开关元件1、4分别在电流流向并联连接的二极管的期间中被控制为接通。另外，当电源电压Vs为负极性时，开关元件2、3分别在电流流向并联连接的二极管的期间中被控制为接通。这些动作是上述同步整流。
在需要进行直流电压Vdc的升压的情况下，如图13所示，门信号Q5被控制为接通，从而短路开关元件16导通。此时，在短路电路17中，且在经由交流电源50、电抗器5、二极管桥15、短路开关元件16、二极管桥15、交流电源50的路径中，电流流动。由此，能量蓄积在电抗器5中。之后，当短路开关元件16成为非导通时，蓄积在电抗器5的能量经由整流电路6而被放出至平滑电容器7中。由此，平滑电容器7的电压即直流电压Vdc被升压。
此外，在图13中示出每隔电源电压Vs的半周期实施2次电源短路的例子，但不限定于此。既可以仅实施1次电源短路，也可以实施3次以上、多次以下的电源短路。
接下来，说明实施方式2所涉及的电力变换装置100B中的主要部分的动作。此外，在说明主要部分的动作之前，说明在实施方式2的整流电路6或短路电路17中流动的电流的路径。
图14是表示在实施方式2的整流电路6或短路电路17中流动的电流的第5路径的图。将图14所示的电流路径定义为“电流路径(5)”。在图14中示出电源电压Vs为正极性时的同步整流的电流路径。开关元件1、4为接通状态，开关元件2、3为断开状态，短路开关元件16为断开状态。在该状态下，电流在经由交流电源50、电抗器5、开关元件1、逆变器8、开关元件4、交流电源50的路径中流动。
图15是表示在实施方式2的整流电路6或短路电路17中流动的电流的第6路径的图。将图15所示的电流路径定义为“电流路径(6)”。在图15中示出电源电压Vs为正极性时的电源短路的电流路径。开关元件1、4为接通状态，开关元件2、3为断开状态，短路开关元件16为接通状态。在该状态下，电流在经由交流电源50、电抗器5、二极管桥15、短路开关元件16、二极管桥15、交流电源50的路径中流动。
图16是表示在实施方式2的整流电路6或短路电路17中流动的电流的第7路径的图。将图16所示的电流路径定义为“电流路径(7)”。在图16中示出电源电压Vs为负极性时的同步整流的电流路径。开关元件2、3为接通状态，开关元件1、4为断开状态，短路开关元件16为断开状态。在该状态下，电流在经由交流电源50、开关元件3、逆变器8、开关元件2、电抗器5、交流电源50的路径中流动。
图17是表示在实施方式2的整流电路6或短路电路17中流动的电流的第8路径的图。将图17所示的电流路径定义为“电流路径(8)”。在图17中示出电源电压Vs为负极性时的电源短路的电流路径。开关元件2、3为接通状态，开关元件1、4为断开状态，短路开关元件16为接通状态。在该状态下，电流在经由交流电源50、二极管桥15、短路开关元件16、二极管桥15、电抗器5、交流电源50的路径中流动。
图18是用于说明实施方式2中的主要部分的动作的时间图。在图18中示出按照图9的流程图进行了动作时的主要部分的动作波形。具体而言，在图18中，从上段侧起依次示出电源电压Vs、一次电流Is、直流电压Vdc及感应电压Vm、过零信号Zc、门信号Q5、门信号Q1、门信号Q2、门信号Q3及门信号Q4的动作波形。另外，横轴表示时间。针对直流电压Vdc及感应电压Vm，直流电压Vdc用实线表示，感应电压Vm用单点划线表示。
这里，在图18的动作波形中，在门信号Q4接通的期间T5中，直流电压Vdc比感应电压Vm大。因此，不进行升压动作，在上述中已定义的电流路径(5)的电流流动。
另外，在门信号Q3接通的期间T6中，直流电压Vdc也比感应电压Vm大。因此，不进行升压动作，在上述中已定义的电流路径(7)的电流流动。
另一方面，在电源电压Vs的接下来的1个周期中，存在感应电压Vm比直流电压Vdc大的期间。因此，在门信号Q4接通的期间T7中，反复进行电流路径(5)的电流流动的动作和电流路径(6)的电流流动的动作。另外，在门信号Q3接通的期间T8中，也是反复进行电流路径(7)的电流流动的动作和电流路径(8)的电流流动的动作。即，在期间T7、T8中，反复进行同步整流和升压动作。
另外，在期间T7、T8中，以不变更进行着同步整流的门信号Q1、Q2、Q3、Q4的开关动作的方式对同步整流和升压动作进行切换。即，在期间T3、T4中，能够以不将开关动作的停止期间夹于之间的方式对同步整流和升压动作进行切换。
若马达52的旋转速度快，则马达52的感应电压Vm变大。因此，在相同的负载条件下，在马达52流动的电流即马达电流变大，马达52中的损耗变大。与此相对，在实施方式2的控制中，在马达52的感应电压Vm比直流电压Vdc大的情况下，将同步整流切换为升压动作来对直流电压Vdc进行升压，因此能够抑制马达电流增加。由此，能够实现马达52在高速旋转区域中的效率的进一步的改善。
另外，在实施方式2的控制中，能够以不变更整流电路6中的同步整流的开关模式，仅通过短路开关元件16的控制，无缝地对同步整流和升压动作进行切换。由此，与实施方式1相比，能够简化进行升压动作时的控制。
另外，在实施方式2的结构中，进行同步整流的电路与进行升压动作的电路分散配置。由此，能够期待可使在每个开关元件中产生的发热量比实施方式1中的小这一效果。
另外，在实施方式1及实施方式2的电路结构中，电抗器5配置于整流电路6的输入侧。除这些结构之外，在整流电路6的输出侧配置电抗器5的结构也是公知的。图19表示其一例。图19是将具有升压功能的电力变换装置100C的结构作为比较例来表示的图。
对于比较例的电力变换装置100C，在图1所示的实施方式1所涉及的电力变换装置100的结构中，电抗器5配置于整流电路6的输出侧，且在电抗器5与平滑电容器7之间配置有升压电路20。升压电路20具备：开关元件22，其与平滑电容器7并联连接；以及二极管21，其以防止充电到平滑电容器7中的电荷流入整流电路6的方向进行连接。另外，在图19中，门电路部14被置换为门电路部14C。除门信号Q1、Q2、Q3、Q4之外，门电路部14C还生成并输出用于驱动开关元件22的门信号Q6。
升压电路20通过开关元件22的接通动作，进行使经由电抗器5外加的整流电路6的输出电压短路的短路动作。通过该短路动作，在电抗器5中蓄积能量。之后，通过使开关元件22成为非导通，将蓄积在电抗器5中的能量放出至平滑电容器7中。由此，平滑电容器7的电压即直流电压Vdc被升压。
在图19所示的结构中，向逆变器8供给的电力全部通过二极管21。与此相对，在实施方式1及实施方式2的结构中，不存在与二极管21相当的元件。因此，根据实施方式1及实施方式2的电力变换装置100、100A、100B，能够相比图19所示的电力变换装置100C而减小由半导体元件引起的损耗。
如以上说明那样，实施方式2的电力变换装置具备：电抗器；整流电路，其经由电抗器而外加有交流电源输出的电源电压；以及短路电路，其配置于电抗器与整流电路之间，通过接通动作经由电抗器使电源电压短路。整流电路具有：第1桥臂，其串联连接有第1上臂元件和第1下臂元件；以及第2桥臂，其与第1桥臂并联连接，且串联连接有第2上臂元件和第2下臂元件。控制部检测通过对整流电路的输出电压进行平滑的平滑电容器而被平滑了的直流电压，并基于检测出的直流电压的检测值与由马达引起的感应电压来控制短路电路的动作。由此，能够实现马达感应电压变大的马达在高速旋转区域中的效率的进一步的改善。此外，第1及第2上臂元件、以及第1及第2下臂元件是在电流流向与各自分别并联连接的二极管的时机被控制为接通，在电流不流向二极管的时机被控制为断开的元件。
在上述控制中，当感应电压比直流电压的检测值小时，短路电路被控制为断开，当感应电压比直流电压的检测值大时，对短路电路进行接通断开控制。这样，在实施方式2中，仅通过短路电路的控制，就能够对同步整流和升压动作进行切换。由此，与实施方式1相比，能够简化进行升压动作时的控制。
实施方式3.
图20是表示实施方式3所涉及的制冷循环装置200的结构例的图。图20所示的实施方式3所涉及的制冷循环装置200具备在实施方式1中已说明的电力变换装置100。制冷循环装置200构成为具有制冷循环150，该制冷循环150经由制冷剂配管46而安装有具有马达52的压缩机41、四通阀42、室外热交换器43、膨胀阀44、室内热交换器45。马达52由逆变器8驱动。此外，制冷循环装置200也可以构成为：具备在实施方式1中已说明的电力变换装置100A或在实施方式2中已说明的电力变换装置100B。
在压缩机41的内部设置有压缩制冷剂的压缩机构47、和使压缩机构47动作的马达52。由此，构成通过使制冷剂从压缩机41开始在室外热交换器43与室内热交换器45之间循环来进行制冷制热等的制冷循环150。此外，图20所示的制冷循环150例如能够应用于空调机。
实施方式3的制冷循环装置200具备在实施方式1中已说明的电力变换装置100。如上所述，实施方式1所涉及的电力变换装置100能够实现马达在高速旋转区域中的效率的进一步的改善。由此，在将实施方式3所涉及的制冷循环装置200应用于例如空调机的情况下，可获得能够比以往进一步提高这些制品的效率这一效果。
在以上的实施方式中示出的结构表示一例，既可以与其它公知技术组合，也可以将实施方式彼此组合，还可以在不脱离主旨的范围省略、变更结构的一部分。
附图标记说明：
1、2、3、4、22…开关元件；5…电抗器；6…整流电路；7…平滑电容器；8…逆变器；10…控制部；10a…处理器；10b…存储器；11、13…电压检测部；12…电流检测部；14、14B、14C…门电路部；15…二极管桥；16…短路开关元件；17…短路电路；20…升压电路；21…二极管；30…第1桥臂；32…第2桥臂；34、36…连接点；41…压缩机；42…四通阀；43…室外热交换器；44…膨胀阀；45…室内热交换器；46…制冷剂配管；47…压缩机构；50…交流电源；52…马达；54…旋转传感器；56…感应电压检测器；100、100A、100B、100C…电力变换装置；150…制冷循环；200…制冷循环装置。

Claims (10)

1.一种电力变换装置，其特征在于，具备：
电抗器；
整流电路，该整流电路具有：第1桥臂，其串联连接有第1上臂元件和第1下臂元件；以及第2桥臂，其与所述第1桥臂并联连接，且串联连接有第2上臂元件和第2下臂元件，在所述第1上臂元件与所述第1下臂元件的连接点、与所述第2上臂元件与所述第2下臂元件的连接点之间，经由所述电抗器而外加有交流电源输出的电源电压；
平滑电容器，其对所述整流电路的输出电压进行平滑；
逆变器，其将通过所述平滑电容器而被平滑了的直流电压变换为对马达进行驱动的驱动电压，并将其外加于所述马达；
第1电压检测部，其检测所述直流电压；以及
控制部，其控制所述整流电路及所述逆变器的动作，
所述控制部基于由所述马达引起的感应电压和所述直流电压的检测值来控制所述第1上臂元件及所述第1下臂元件的动作。
2.根据权利要求1所述的电力变换装置，其特征在于，
所述第2上臂元件及所述第2下臂元件在电流流向与各自分别并联连接的二极管的时机被控制为接通，在电流不流向所述二极管的时机被控制为断开。
3.根据权利要求2所述的电力变换装置，其特征在于，具备：
电流检测部，其检测流向所述整流电路的输入侧的一次电流；以及
第2电压检测部，其检测所述电源电压，
当所述感应电压比所述直流电压的检测值小时，
每隔所述电源电压的半周期，交替地对所述第1上臂元件及所述第1下臂元件进行接通断开控制，
当所述感应电压比所述直流电压的检测值大时，
无论所述电源电压的极性如何，都在同一极性的半周期内交替地对所述第1上臂元件及所述第1下臂元件进行接通断开控制。
4.一种电力变换装置，其特征在于，具备：
电抗器；
整流电路，该整流电路具有：第1桥臂，其串联连接有第1上臂元件和第1下臂元件；以及第2桥臂，其与所述第1桥臂并联连接，且串联连接有第2上臂元件和第2下臂元件，在所述第1上臂元件与所述第1下臂元件的连接点、与所述第2上臂元件与所述第2下臂元件的连接点之间，经由所述电抗器而外加有交流电源输出的电源电压；
短路电路，其配置于所述电抗器与所述整流电路之间，通过接通动作而经由所述电抗器使所述电源电压短路；
平滑电容器，其对所述整流电路的输出电压进行平滑；
逆变器，其将通过所述平滑电容器而被平滑了的直流电压变换为对马达进行驱动的驱动电压，并将其外加于所述马达；
第1电压检测部，其检测所述直流电压；以及
控制部，其控制所述整流电路、所述逆变器以及所述短路电路的动作，
所述控制部基于由所述马达引起的感应电压和所述直流电压的检测值来控制所述短路电路的动作。
5.根据权利要求4所述的电力变换装置，其特征在于，
所述第1上臂元件和所述第2上臂元件、以及所述第1下臂元件和所述第2下臂元件在电流流向与各自分别并联连接的二极管的时机被控制为接通，在电流不流向所述二极管的时机被控制为断开。
6.根据权利要求5所述的电力变换装置，其特征在于，具备：
电流检测部，其检测流向所述整流电路的输入侧的一次电流；以及
第2电压检测部，其检测所述电源电压，
当所述感应电压比所述直流电压的检测值小时，
所述短路电路被控制为断开，
当所述感应电压比所述直流电压的检测值大时，
对所述短路电路进行接通断开控制。
7.根据权利要求2～6中任一项所述的电力变换装置，其特征在于，
所述第1桥臂和所述第2桥臂中的上下臂元件由宽带隙半导体形成。
8.根据权利要求7所述的电力变换装置，其特征在于，
所述宽带隙半导体是碳化硅、氮化镓、氧化镓或金刚石。
9.一种制冷循环装置，其特征在于，具备：
权利要求2～8中任一项所述的电力变换装置；以及
搭载有所述马达的压缩机。
10.一种空调机，其特征在于，
具备权利要求9所述的制冷循环装置。
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