JP2007053880A - 電圧変換装置 - Google Patents

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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。
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 (7)

  1. 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。
  2. 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。
  3. 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。
  4. 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。
  5. 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。
  6. 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。
  7. 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。
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