JP2007053880A

JP2007053880A - 電圧変換装置

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Publication number: JP2007053880A
Application number: JP2005238810A
Authority: JP
Inventors: Hitoshi Haga; 仁芳賀; Toshiyuki Maeda; 敏行前田
Original assignee: Daikin Industries Ltd
Current assignee: Daikin Industries Ltd
Priority date: 2005-08-19
Filing date: 2005-08-19
Publication date: 2007-03-01
Anticipated expiration: 2025-08-19
Also published as: JP4945954B2

Abstract

【課題】低出力時における電圧変換装置の変換効率を高めることが目的とされる。
【解決手段】電圧変換装置は、コンバータ１、インバータ２及び切換部３を備える。コンバータ１は、入力端子１１１，１１２、出力端子１２１〜１２３、ダイオードＤｉ１，Ｄｉ２及びコンデンサＣ１，Ｃ２を有する。出力端子１２３は入力端子１１１に接続される。ダイオードＤｉ１は、アノードが出力端子１２１に、カソードが入力端子１１２に接続される。ダイオードＤｉ２は、アノードが入力端子１１２に、カソードが出力端子１２２に接続される。コンデンサＣ１は入力端子１１１と出力端子１２１との間に、コンデンサＣ２は入力端子１１１と出力端子１２２の間にそれぞれ接続される。インバータ２は、出力端子１２１に接続される入力端子２１１と、入力端子２１２とを有する。切換部３は、インバータ２の入力端子２１２の出力端子１２２，１２３への接続を切換え可能である。
【選択図】図１

Description

本発明は電圧変換装置に関し、例えばモータや空調機などに適用できる。

電圧変換装置は、入力された交流電圧を直流電圧に変換するコンバータと、当該直流電圧を所望の３相交流電圧に変換するインバータとを備える。電圧変換装置の出力を高めるために、コンバータには例えば倍電圧整流回路が採用される。

なお、本発明に関連する技術を以下に示す。

特開平８−２２８４８７号公報

しかし、電圧変換装置の出力が低い場合には、電圧変換装置での変換効率が低下するという問題があった。これは、コンバータに全波整流回路を採用した場合にもいえる。

よって、上記特許文献１で紹介されている倍電圧整流回路と全波整流回路とを切り換える技術であっても、低出力時においては変換効率が低い。

本発明は上述した事情に鑑みてなされたものであり、低出力時における電圧変換装置の変換効率を高めることが目的とされる。

本発明にかかる電圧変換装置の第１の態様は、一対の入力端子（１１１，１１２）と、第１及び第２の出力端子（１２１，１２２）と、前記入力端子の一方（１１１）に接続される第３の出力端子（１２３）と、アノードが前記第１の出力端子（１２１）に、カソードが前記入力端子の他方（１１２）にそれぞれ接続される第１のダイオード（Ｄｉ１）と、アノードが前記入力端子の前記他方に、カソードが前記第２の出力端子（１２２）にそれぞれ接続される第２のダイオード（Ｄｉ２）と、前記入力端子の前記一方と前記第１の出力端子との間に接続される第１のコンデンサ（Ｃ１）と、前記入力端子の前記一方と前記第２の出力端子との間に接続される第２のコンデンサ（Ｃ２）と、一対の入力端子（２１１，２１２）を有し、当該入力端子の一方（２１１）が前記第１の出力端子に接続されるインバータ（２）と、前記インバータの前記入力端子の他方（２１２）の前記第２及び前記第３の出力端子への接続を切換え可能な切換部（３）とを備える。

前記切換部には、例えばリレースイッチまたは半導体スイッチが採用できる。

本発明にかかる電圧変換装置の第２の態様は、電圧変換装置の第１の態様であって、前記インバータ（２）の出力電力の指令値（Ｗ０）が入力され、前記指令値が所定値より小さい場合には前記切換部（３）に、前記インバータの前記入力端子の前記他方（２１２）を前記第３の出力端子（１２３）に接続させ、前記指令値が前記所定値より大きい場合には前記切換部（３）に、前記インバータの前記入力端子の前記他方を前記第２の出力端子（１２２）に接続させる制御部（４１）を更に備える。

本発明にかかる電圧変換装置の第３の態様は、電圧変換装置の第１または第２の態様であって、アノードが前記第３の出力端子（１２３）に、カソードが前記インバータ（２）の前記入力端子の他方（２１２）にそれぞれ接続される第３のダイオード（Ｄｉ３）を更に備える。

本発明にかかる電圧変換装置の第４の態様は、一対の入力端子（１１１，１１２）と、第１及び第２の出力端子（１２１，１２２）と、前記入力端子の一方（１１１）に接続される第３の出力端子（１２３）と、アノードが前記第１の出力端子（１２１）に、カソードが前記入力端子の他方（１１２）にそれぞれ接続される第１のダイオード（Ｄｉ１）と、アノードが前記入力端子の前記他方に、カソードが前記第２の出力端子（１２２）にそれぞれ接続される第２のダイオード（Ｄｉ２）と、前記入力端子の前記一方と前記第１の出力端子との間に接続される第１のコンデンサ（Ｃ１）と、前記入力端子の前記一方と前記第２の出力端子との間に接続される第２のコンデンサ（Ｃ２）と、一対の入力端子（２１１，２１２）を有し、当該入力端子の一方（２１２）が前記第２の出力端子に接続されるインバータ（２）と、前記インバータの前記入力端子の他方（２１１）の前記第１及び前記第３の出力端子への接続を切換え可能な切換部（３）とを備える。

本発明にかかる電圧変換装置の第５の態様は、電圧変換装置の第４の態様であって、前記インバータ（２）の出力電力の指令値（Ｗ０）が入力され、前記指令値が所定値より小さい場合には前記切換部（３）に、前記インバータの前記入力端子の前記他方（２１１）を前記第３の出力端子（１２３）に接続させ、前記指令値が前記所定値より大きい場合には前記切換部（３）に、前記インバータの前記入力端子の前記他方を前記第１の出力端子（１２１）に接続させる制御部（４１）を更に備える。

本発明にかかる電圧変換装置の第６の態様は、電圧変換装置の第４または第５の態様であって、アノードが前記インバータ（２）の前記入力端子の他方（２１１）に、カソードが前記第３の出力端子にそれぞれ接続される第３のダイオード（Ｄｉ４）を更に備える。

本発明にかかる電圧変換装置の第１の態様によれば、インバータの入力端子の他方を第３の出力端子に接続することで、半波整流された直流電圧をインバータに供給することができ、以って効率良く電圧を変換することができる。

しかも、インバータの入力端子の他方を第３の出力端子に接続したままでは、インバータの出力電力を高めにくいが、第２の出力端子への接続に切換えることで、倍電圧整流された直流電圧をインバータに供給することができ、以ってインバータの出力電力を高めることができる。

本発明にかかる電圧変換装置の第２または第５の態様によれば、所望の電力を効率良く出力することができる。しかも、出力電力幅を拡張することができる。

本発明にかかる電圧変換装置の第３または第６の態様によれば、切替部の切替時においてもインバータに半波整流された直流電圧を供給することができるので、切替部に過電圧が生じない。

本発明にかかる電圧変換装置の第４の態様によれば、インバータの入力端子の他方を第３の出力端子に接続することで、半波整流された直流電圧をインバータに供給することができ、以って効率良く電圧を変換することができる。

しかも、インバータの入力端子の他方を第３の出力端子に接続したままでは、インバータの出力電力を高めにくいが、第１の出力端子への接続に切換えることで、倍電圧整流された直流電圧をインバータに供給することができ、以ってインバータの出力電力を高めることができる。

第１の実施の形態．
図１は、本実施の形態にかかる電圧変換装置を概念的に示す。図１では、電圧変換装置に交流電圧を供給する電源６、及び電圧変換装置の出力電力Ｗが供給されるモータ５も示されている。後述する図３〜５においても同様に、モータ５及び電源６が示されている。モータ５には、例えばＩＰＭ（Interior Permanent Magnet）モータが採用される。

電圧変換装置は、コンバータ１、インバータ２、切換部３、切換制御部４１及びインバータ制御部４２を備える。

コンバータ１は、一対の入力端子１１１，１１２、一組の出力端子１２１〜１２３、ダイオードＤｉ１，Ｄｉ２及びコンデンサＣ１，Ｃ２を有する。入力端子１１１，１１２には電源６が接続され、交流電圧が供給される。

出力端子１２３は、入力端子１１１に接続される。

ダイオードＤｉ１は、アノードが出力端子１２１に、カソードが入力端子１１２にそれぞれ接続される。ダイオードＤｉ２は、アノードが入力端子１１２に、カソードが出力端子１２２にそれぞれ接続される。

コンデンサＣ１は、入力端子１１１と出力端子１２１との間に接続される。コンデンサＣ２は、入力端子１１１と出力端子１２２の間に接続される。

インバータ２は、一対の入力端子２１１，２１２、一組の出力端子２２１〜２２３及び３相インバータ回路を有する。出力端子２２１〜２２３には、モータ５が接続される。

３相インバータ回路は、入力端子２１１，２１２の間に接続される３つのアームを有し、それぞれのアームには２つのＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）モジュールが含まれる。

入力端子２１１は、コンバータ１の出力端子１２１に接続される。入力端子２１２は、切換部３を介してコンバータ１の出力端子１２２，１２３のいずれか一方に接続される。

切換部３は端子３１〜３３を有する。端子３１は、インバータ２の入力端子２１２に接続される。端子３２，３３は、それぞれコンバータ１の出力端子１２２，１２３に接続される。切換部３には、例えばリレースイッチや半導体スイッチなどが採用できる。

切換部３は、端子３１の端子３２，３３への接続が切換可能である。すなわち、端子３１が端子３２に接続された場合には、インバータ２の入力端子２１２はコンバータ１の出力端子１２２に接続され、端子３１が端子３３に接続された場合には、入力端子２１２はコンバータ１の出力端子１２３に接続される。

端子３１が端子３２に接続された場合には、コンバータ１は交流電圧Ｖａｃを倍電圧整流し、これを出力端子１２１，１２２の間に出力する。出力された直流電圧は、インバータ２の入力端子２１１，２１２の間に与えられる。

端子３１が端子３３に接続された場合には、コンバータ１は交流電圧Ｖａｃを半波整流し、これを出力端子１２１，１２３の間に出力する。出力された直流電圧は、インバータ２の入力端子２１１，２１２の間に与えられる。

インバータ２は、コンバータ１から与えられた直流電圧を所望の３相交流電圧に変換して出力し、これをモータ５に与える。

切換制御部４１は、電圧変換装置の出力電力の指令値Ｗ０に基づいて切換部３の切換えを制御する。具体的には、指令値Ｗ０が所定値よりも大きい場合には、切換制御部４１は切換部３に端子３１を端子３２に接続させ、指令値Ｗ０が当該所定値よりも小さい場合には、切換制御部４１は切換部３に端子３１を端子３３に接続させる。かかる制御は、例えば切換制御部４１が切換部３に指令Ｓ１を与えることで行われる。

インバータ制御部４２は、電圧変換装置の出力電力Ｗ、出力電力の指令値Ｗ０及び切換制御部の指令Ｓ１に基づいて、インバータ２を制御することで、出力電力Ｗと指令値Ｗ０との偏差を０に収束させる。インバータ２の制御には、例えばＰＷＭ（Pulse Width Modulation）制御が採用できる。かかる制御は、例えばインバータ制御部４２がインバータ２に指令値Ｓ２を与えることで行われる。

かかる電圧変換装置によれば、インバータ２の入力端子２１２をコンバータ１の出力端子１２３に接続することで、半波整流して得られた直流電圧をインバータ２に供給することができ、以って効率良く電圧を変換することができる。

図２は、出力電力とシステム全体の変換効率との関係を示す。図２では、半波整流して得られた直流電圧をインバータ２に供給した場合の当該関係がグラフ１０１で示されている。なお、図２では、比較のために、全波整流して得られた直流電圧をインバータ２に供給した場合の当該関係もグラフ１０２で示す。

グラフ１０１，１０２の比較によれば、半波整流して得られる直流電圧を用いて電圧変換を行うことで、少なくとも出力電力が５０〜１８０（Ｗ）の範囲においてシステム全体の変換効率が、全波整流して得られる直流電圧を用いて電圧変換を行う場合よりも高くなるといえる。

入力端子２１２を出力端子１２３に接続したままでは、インバータ２の出力電力を高めにくい。しかし、かかる電圧変換装置において、入力端子２１２の接続を出力端子１２２に切換えることで、倍電圧整流して得られた直流電圧をインバータ２に供給することができ、以ってインバータ２の出力電力を高めることができる。すなわち、出力電力幅を拡張することができる。

図３は、図１で示される電圧変換装置が更にダイオードＤｉ３を備える構成を概念的に示す。ダイオードＤｉ３は、アノードがコンバータ１の出力端子１２３に、カソードがインバータ２の入力端子２１２にそれぞれ接続される。

かかる構成によれば、切替部３の切替時においてもインバータ２に半波整流された直流電圧を供給することができるので、切替部３に過電圧が生じない。これにより、切替部３の寿命を長くすることができる。

第２の実施の形態．
図４は、本実施の形態にかかる電圧変換装置を概念的に示す。当該電圧変換装置は、コンバータ１、インバータ２、切替部５、切替制御部４１及びインバータ制御部４２を備える。

コンバータ１及びインバータ２は、第１の実施の形態で説明したのと同様に構成される。ただし、インバータ２の入力端子２１２はコンバータ１の出力端子１２２に接続され、入力端子２１１は切替部５を介してコンバータ１の出力端子１２１、１２３のいずれか一方に接続される。

切替部５は端子５１〜５３を有する。端子５１は、インバータ２の入力端子２１１に接続される。端子５２，５３は、それぞれコンバータ１の出力端子１２１，１２３に接続される。切換部５には、例えばリレースイッチや半導体スイッチなどが採用できる。

切換部５は、端子５１の端子５２，５３への接続が切換可能である。すなわち、端子５１が端子５２に接続された場合には、インバータ２の入力端子２１１はコンバータ１の出力端子１２１に接続され、端子５１が端子５３に接続された場合には、入力端子２１１はコンバータ１の出力端子１２３に接続される。

端子５１が端子５２に接続された場合には、コンバータ１は交流電圧Ｖａｃを倍電圧整流し、これを出力端子１２１，１２２の間に出力する。出力された直流電圧は、インバータ２の入力端子２１１，２１２の間に与えられる。

端子５１が端子５３に接続された場合には、コンバータ１は交流電圧Ｖａｃを半波整流し、これを出力端子１２２，１２３の間に出力する。出力された直流電圧は、インバータ２の入力端子２１１，２１２の間に与えられる。

切替制御部４１は、電圧変換装置の出力電力の指令値Ｗ０に基づいて切換部５の切換えを制御する。具体的には、指令値Ｗ０が所定値より大きい場合には、切換制御部４１は切換部５に端子５１を端子５２に接続させ、指令値Ｗ０が所定値より小さい場合には、切換部４１は切換部５に端子５１を端子５３に接続させる。かかる制御は、例えば切換制御部４１が切換部５に指令値Ｓ１を与えることで行われる。

インバータ制御部４２は、第１の実施の形態で説明したのと同様にして、インバータ２の制御を行う。

かかる電圧変換装置によれば、インバータ２の入力端子２１１をコンバータ１の出力端子１２３に接続することで、半波整流して得られた直流電圧をインバータ２に供給することができ、以って効率良く電圧を変換することができる。

しかも、入力端子２１１を出力端子１２３に接続したままでは、インバータ２の出力電力を高めにくいが、かかる電圧変換装置において、入力端子２１１の接続を出力端子１２１に切換えることで、倍電圧整流して得られた直流電圧をインバータ２に供給することができる。よって、インバータ２の出力電力を高めることができる。すなわち、出力電力幅を拡張することができる。

図５は、図４で示される電圧変換装置が更にダイオードＤｉ４を備える構成を概念的に示す。ダイオードＤｉ４は、アノードがインバータ２の入力端子２１１に、カソードがコンバータ１の出力端子１２３にそれぞれ接続される。

かかる構成によれば、切換部５の切換時においてもインバータ２に半波整流された直流電圧を供給することができるので、切換部５に過電圧が生じない。これにより、切換部５の寿命を長くすることができる。

第１の実施の形態で説明される、電圧変換装置を概念的に示す図である。出力電力とシステム全体の変換効率との関係を示す図である。ダイオードＤｉ３を更に備える構成を概念的に示す図である。第２の実施の形態で説明される、電圧変換装置を概念的に示す図である。ダイオードＤｉ４を更に備える構成を概念的に示す図である。

符号の説明

２インバータ
３，５切換部
４１切換制御部
１１１，１１２（コンバータの）入力端子
１２１〜１２３（コンバータの）出力端子
２１１，２１２（インバータの）入力端子
Ｄｉ１〜Ｄｉ４ダイオード
Ｃ１，Ｃ２コンデンサ
Ｗ０出力電力の指令値

Claims

一対の入力端子（１１１，１１２）と、
第１及び第２の出力端子（１２１，１２２）と、
前記入力端子の一方（１１１）に接続される第３の出力端子（１２３）と、
アノードが前記第１の出力端子（１２１）に、カソードが前記入力端子の他方（１１２）にそれぞれ接続される第１のダイオード（Ｄｉ１）と、
アノードが前記入力端子の前記他方に、カソードが前記第２の出力端子（１２２）にそれぞれ接続される第２のダイオード（Ｄｉ２）と、
前記入力端子の前記一方と前記第１の出力端子との間に接続される第１のコンデンサ（Ｃ１）と、
前記入力端子の前記一方と前記第２の出力端子との間に接続される第２のコンデンサ（Ｃ２）と、
一対の入力端子（２１１，２１２）を有し、当該入力端子の一方（２１１）が前記第１の出力端子に接続されるインバータ（２）と、
前記インバータの前記入力端子の他方（２１２）の前記第２及び前記第３の出力端子への接続を切換え可能な切換部（３）と
を備える、電圧変換装置。
前記インバータ（２）の出力電力の指令値（Ｗ０）が入力され、前記指令値が所定値より小さい場合には前記切換部（３）に、前記インバータの前記入力端子の前記他方（２１２）を前記第３の出力端子（１２３）に接続させ、前記指令値が前記所定値より大きい場合には前記切換部（３）に、前記インバータの前記入力端子の前記他方を前記第２の出力端子（１２２）に接続させる制御部（４１）を更に備える、請求項１記載の電圧変換装置。
アノードが前記第３の出力端子（１２３）に、カソードが前記インバータ（２）の前記入力端子の他方（２１２）にそれぞれ接続される第３のダイオード（Ｄｉ３）を更に備える、請求項１または請求項２記載の電圧変換装置。
一対の入力端子（１１１，１１２）と、
第１及び第２の出力端子（１２１，１２２）と、
前記入力端子の一方（１１１）に接続される第３の出力端子（１２３）と、
アノードが前記第１の出力端子（１２１）に、カソードが前記入力端子の他方（１１２）にそれぞれ接続される第１のダイオード（Ｄｉ１）と、
アノードが前記入力端子の前記他方に、カソードが前記第２の出力端子（１２２）にそれぞれ接続される第２のダイオード（Ｄｉ２）と、
前記入力端子の前記一方と前記第１の出力端子との間に接続される第１のコンデンサ（Ｃ１）と、
前記入力端子の前記一方と前記第２の出力端子との間に接続される第２のコンデンサ（Ｃ２）と、
一対の入力端子（２１１，２１２）を有し、当該入力端子の一方（２１２）が前記第２の出力端子に接続されるインバータ（２）と、
前記インバータの前記入力端子の他方（２１１）の前記第１及び前記第３の出力端子への接続を切換え可能な切換部（３）と
を備える、電圧変換装置。
前記インバータ（２）の出力電力の指令値（Ｗ０）が入力され、前記指令値が所定値より小さい場合には前記切換部（３）に、前記インバータの前記入力端子の前記他方（２１１）を前記第３の出力端子（１２３）に接続させ、前記指令値が前記所定値より大きい場合には前記切換部（３）に、前記インバータの前記入力端子の前記他方を前記第１の出力端子（１２１）に接続させる制御部（４１）を更に備える、請求項４記載の電圧変換装置。
アノードが前記インバータ（２）の前記入力端子の他方（２１１）に、カソードが前記第３の出力端子にそれぞれ接続される第３のダイオード（Ｄｉ４）を更に備える、請求項４または請求項５記載の電圧変換装置。
前記切換部（３）は、リレースイッチまたは半導体スイッチである、請求項１乃至請求項６のいずれか一つに記載の電圧変換装置。