JP2009296781A - 高調波抑制回路 - Google Patents

Abstract

【課題】２個のスイッチ素子の一方が故障した場合でも、故障していない他方のスイッチ素子をオンオフ制御して高調波を抑制することができる高調波抑制回路を提供する。
【解決手段】マイクロコントローラ（１６）は、第１のスイッチ素子（８）のオンオフ制御及び第２の電流検出回路（３６）によって検出された電流に基づいて、第１のスイッチ素子（８）の故障を判定し、第２のスイッチ素子（９）のオンオフ制御及び第３の電流検出回路（３７）によって検出された電流に基づいて、第２のスイッチ素子（９）の故障を判定する。マイクロコントローラ（１６）は、第１のスイッチ素子（８）と第２のスイッチ素子（９）のうちの一方が故障していると判定した場合、第１のスイッチ素子（８）と第２のスイッチ素子（９）のうちの故障していない他方のみをオンオフ制御する。
【選択図】図１

Description

本発明は、交直変換回路の高調波を抑制する高調波抑制回路に関する。

従来から、ヒートポンプ式給湯機のヒートポンプユニットの制御回路などには、インバータ回路が用いられている。インバータ回路から発生する高調波は、他の動作に対して障害となるので、発生する高調波を抑制することが求められている。従来の高調波抑制回路において、２個のスイッチ素子を用いて制御回路の高調波を抑制することが提案されている（例えば、特許文献１）。図３は、単相交流電源１から供給される交流を直流に変換してインバータ回路２に供給する制御回路における従来の高調波抑制回路の回路図である。制御回路は、ダイオードブリッジを構成するダイオード３，４，５，６と、ダイオードブリッジの出力を平滑する電解コンデンサ７と、を有する。高調波抑制回路は、ダイオード３に並列に接続されたバイポーラトランジスタ８と、ダイオード４に並列に接続されたバイポーラトランジスタ９と、を備える。さらに、高調波抑制回路は、一方の端子がダイオード３，４のアノードに接続されるとともに他方の端子がバイポーラトランジスタ６のエミッタに接続された電流検出用の抵抗１０と、抵抗１１，１２，１３，１４と、オペアンプ１５と、マイクロコントローラ１６と、を備える。

単相交流電源１とリアクタ１７とを介して接続されるダイオードブリッジのダイオード３，４のアノードを電流検出用の抵抗１０を介して電解コンデンサ７の一端に接続するとともにダイオード５，６のカソードを電解コンデンサ７の他端に接続することによって全波整流回路１８を構成する。全波整流回路１８を構成することによって、インバータ回路２に直流電流が供給される。また、電流検出用の抵抗１０の一方の端子を、抵抗１１を介してオペアンプ１５の反転入力端子に接続するとともに、電流検出用の抵抗１０の他方の端子を、抵抗１２を介してオペアンプ１５の非反転入力端子に接続する。また、オペアンプ１５の非反転入力端子を、抵抗１３を介して接地し、オペアンプ１５の出力端子を、抵抗１４を介してオペアンプ１５の反転入力端子に接続する。この結果、インバータ回路２、電解コンデンサ７及びバイポーラトランジスタ８，９を流れる電流を検出する電流検出回路１９が構成される。なお、図３において、矢印ａは、電流検出用の抵抗８に流れる電流の方向を示し、オペアンプ１５は、オペアンプ用電源２０，２１に接続されている。

図３の高周波抑制回路の動作を説明する。電流が、単相交流電源１からリアクタ１７を通じて高調波抑制回路に流れる。この電流は、ダイオード５，６を通じて電解コンデンサ７及びインバータ回路２に流れるとともに、ダイオード３，４を通じてバイポーラトランジスタ８，９に流れる。電解コンデンサ７、インバータ回路２及びバイポーラトランジスタ８，９に流れた電流は、図４に示すような波形を有し、ダイオード３，４を通じて単相交流電源１に戻る。

電解コンデンサ７、インバータ回路２及びバイポーラトランジスタ８，９に流れた電流は、電流検出回路１９によって電圧信号に変換され、この電圧信号がマイクロコントローラ１６によって検出される。マイクロコントローラ１６は、検出した電圧信号から目標とする電流値を計算し、計算した電流値に基づいてバイポーラトランジスタ８，９をオンオフする信号を出力し、単相交流電源１の交流波形を正弦波に近づけるよう制御することによって高調波を抑制している。

特開２００３−３３３８５５号公報

図３に示す高調波抑制回路では、マイクロコントローラ１６は、バイポーラトランジスタ８，９のうちの一方をオンしたときに電流検出回路１９によって電流が検出されない場合には、バイポーラトランジスタ８，９のうちの一方がオープン故障したと判定し、それに対して、バイポーラトランジスタ８，９の両方をオフしたときに電流検出回路１９によって電流が検出される場合には、トランジスタ８，９のうちの一方がショート故障したと判定する。

図３に示す高調波抑制回路では、マイクロコントローラ１６は、バイポーラトランジスタ８，９の一方が故障したことを判定することができるが、故障したのがバイポーラトランジスタ８，９のいずれであるかを判定することができない。したがって、マイクロコントローラ１６は、トランジスタ８，９の一方が故障した場合、すなわち、トランジスタ８，９の他方が故障していない場合でも、バイポーラトランジスタ８，９の両方のオンオフ制御を停止する必要があり、その結果、高調波の抑制ができなくなる不都合が生じる。

本発明の目的は、２個のスイッチ素子の一方が故障した場合でも、故障していない他方のスイッチ素子をオンオフ制御して高調波を抑制することができる高調波抑制回路を提供することである。

本発明のうち請求項１に係る発明によれば、第１及び第２のスイッチ素子（８，９）のオンオフ制御及び前記オンオフ状態に基づいて、第１及び第２のスイッチ素子（８，９）の一方の故障を検出し、一方のスイッチ素子の故障を検出すると他方のスイッチ素子のみをオンオフ制御する。

他方のスイッチ素子のみのオンオフ制御は、一方のスイッチ素子が故障した場合でも他方のスイッチ素子に交流電流を供給できるように第５及び第６の整流素子（２２，２３）の出力端子同士を接続することによって可能になる。

したがって、２個のスイッチ素子の一方、すなわち、第１のスイッチ素子（８）と第２のスイッチ素子（９）のうちの一方が故障した場合でも、故障していない他方のスイッチ素子、すなわち、第１のスイッチ素子（８）と第２のスイッチ素子（９）のうちの他方をオンオフ制御して高調波を抑制することができる。

本発明のうち請求項２に係る発明によれば、制御手段（１６）が、第１及び第２のスイッチ素子（８，９）の一方をオンしたときにオフ状態が検出された場合には一方のスイッチ素子のオープン故障を判定する。したがって、２個のスイッチ素子の一方がオープン故障した場合でも、オープン故障していない他方のスイッチ素子をオンオフ制御して高調波を抑制することができる。

本発明のうち請求項３に係る発明によれば、制御手段（１６）が、第１及び第２のスイッチ素子（８，９）の一方をオフしたときにオン状態が検出された場合には一方のスイッチ素子のショート故障を判定する。したがって、２個のスイッチ素子の一方がショート故障した場合でも、ショート故障していない他方のスイッチ素子をオンオフ制御して高調波を抑制することができる。

本発明のうち請求項４に係る発明によれば、オンオフ状態検出手段（３６，３７）が、第１及び第２のスイッチ素子（８，９）に流れる電流を検出する第２及び第３の電流検出回路（３６，３７）を有する。第１及び第２のスイッチ素子（８，９）に流れる電流を検出することによって、第１及び第２のスイッチ素子（８，９）の一方の故障を簡単に判別することができる。

さらに、本発明のうち請求項５に係る発明のように、第１及び第２のスイッチ素子（８，９）を、バイポーラトランジスタ、電界効果トランジスタ又は電界ゲートバイポーラトランジスタとするのが好ましい。

さらに、本発明のうち請求項６に係る発明のように、第１〜第３の電流検出回路（１９，３７，３８）が抵抗、トランス又はコイルを有するのが好ましい。

さらに、本発明のうち請求項７に係る発明のように、負荷回路（２）を、インバータ回路又は電源回路とするのが好ましい。

本発明のうち請求項８に係る発明によれば、交流電源（１）を単相交流電源又は多相交流電源とすることができる。

なお、上記各構成要素に付した括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的な構成要素との対応関係を示す一例である。

本発明による高調波抑制回路の実施の形態を、図面を参照して詳細に説明する。なお、図面中、同一の構成要素に対して同一の符号を付す。

図１は、高調波抑制制御回路の実施の形態の回路図である。高調波抑制制御回路は、例えばヒートポンプ式給湯機のヒートポンプユニットの制御回路に適用される。図１に示す高調波抑制制御回路は、図３に示す高調波抑制制御回路の構成要素に加えて、アノードが単相交流電源１の一端に接続されるとともにカソードがバイポーラトランジスタ８に接続されたダイオード２２と、アノードが単相交流電源１の他端に接続されるとともにカソードがバイポーラトランジスタ９に接続されたダイオード２３と、を備える。

さらに、高調波抑制制御回路は、一方の端子が電流検出用の抵抗１０の一方の端子に接続されるとともに他方の端子がバイポーラトランジスタ８のエミッタに接続された電流検出用の抵抗２４と、抵抗２５，２６，２７，２８と、オペアンプ２９と、一方の端子が電流検出用の抵抗２４の一方の端子に接続されるとともに他方の端子がバイポーラトランジスタ９のエミッタに接続された電流検出用の抵抗３０と、抵抗３１，３２，３３，３４と、オペアンプ３５と、を備える。

本実施の形態では、ダイオード３，４，５，６，２２，２３によって第１〜第６の整流素子をそれぞれ構成し、バイポーラトランジスタ８，９によって第１及び第２のスイッチ素子をそれぞれ構成し、マイクロコントローラ１６によって制御手段を構成する。ダイオード２２のカソードはダイオード２３のカソードに接続され、これらカソード同士を接続することによって、バイポーラトランジスタ８，９の一方が故障した場合でも、他方に交流電流を供給することができる。その結果、１個のバイポーラトランジスタで高調波を抑制できるようになる。

電流検出用の抵抗１０の一方の端子を、抵抗１１を介してオペアンプ１５の反転入力端子に接続するとともに、電流検出用の抵抗１０の他方の端子を、抵抗１２を介してオペアンプ１５の非反転入力端子に接続する。また、オペアンプ１５の非反転入力端子を、抵抗１３を介して接地し、オペアンプ１５の出力端子を、抵抗１４を介してオペアンプ１５の反転入力端子に接続する。その結果、ダイオード３，４を流れる電流を検出する第１の電流検出回路としての電流検出回路１９が構成される。

電流検出用の抵抗２４の一方の端子を、抵抗２５を介してオペアンプ２９の反転入力端子に接続するとともに、電流検出用の抵抗２４の他方の端子を、抵抗２６を介してオペアンプ２９の非反転入力端子に接続する。また、オペアンプ２９の非反転入力端子を、抵抗２７を介して接地し、オペアンプ２９の出力端子を、抵抗２８を介してオペアンプ２９の反転入力端子に接続する。その結果、バイポーラトランジスタ８に流れる電流を検出する第２の電流検出回路としての電流検出回路３６が構成される。

電流検出用の抵抗３０の一方の端子を、抵抗３１を介してオペアンプ３５の反転入力端子に接続するとともに、電流検出用の抵抗３０の他方の端子を、抵抗３２を介してオペアンプ３５の非反転入力端子に接続する。また、オペアンプ３５の非反転入力端子を、抵抗３３を介して接地し、オペアンプ３５の出力端子を、抵抗３４を介してオペアンプ３５の反転入力端子に接続する。その結果、さらに、バイポーラトランジスタ９に流れる電流を検出する第３の電流検出回路としての電流検出回路３７が構成される。

なお、図１において、矢印ｂ，ｃ，ｄはそれぞれ、電流検出用の抵抗１０，２４，３０に流れる電流の方向を示す。オペアンプ２９は、オペアンプ用電源３９に接続されるとともに０Ｖのオペアンプ用電源４０に接続され、オペアンプ３５は、オペアンプ用電源４１に接続されるとともに０Ｖのオペアンプ用電源４２に接続される。また、電流検出回路３６，３７によって、バイポーラトランジスタ８，９のオンオフ状態をそれぞれ検出するオンオフ状態検出手段を構成する。

本実施の形態の動作を説明する。図２Ａの波形図に示すようなダイオード３，４に流れる電流は、電流検出回路１９によって、図２Ｂの波形図に示すような電圧信号に変換される。この電圧信号は、マイクロコントローラ１６によって検出される。マイクロコントローラ１６は、検出した電圧信号から目標とする電流値を計算し、計算した電流値に基づいて、高調波抑制回路に流れる電流が正弦波になるようバイポーラトランジスタ８，９をオンオフする信号を出力し、高調波を抑制している。

図２Ｃの波形図に示すようなバイポーラトランジスタ８に流れる電流は、電流検出回路３６によって、図２Ｄの波形図に示すような電圧信号に変換される。この電圧信号は、マイクロコントローラ１６によって検出される。

図２Ｅの波形図に示すようなバイポーラトランジスタ９に流れる電流は、バイポーラトランジスタ８に流れる電流と異なる波形を有し、電流検出回路３７によって、図２Ｆの波形図に示すような電圧信号に変換される。この電圧信号は、マイクロコントローラ１６によって検出される。図２Ｃ及び２Ｅの波形図に示すようなバイポーラトランジスタ８，９に流れる電流は、バイポーラトランジスタ８，９の一方を動作させているときに他方を停止することによって得られる。

バイポーラトランジスタ８，９の一方がオープン故障した場合、マイクロコントローラ１６がバイポーラトランジスタ８，９の一方のベースにオン信号を入力したとしても、電流検出用の抵抗２４又は電流抵抗用の抵抗３０に電流が流れない。マイクロコントローラ１６は、電流検出用の抵抗２４又は電流抵抗用の抵抗３０に電流が流れないことを検出すると、バイポーラトランジスタ８，９の一方がオープン故障したと判定する。

バイポーラトランジスタ８，９の一方がショート故障した場合、マイクロコントローラ１６がバイポーラトランジスタ８，９の一方のベースにオフ信号を入力したとしても、電流検出用の抵抗２４又は電流抵抗用の抵抗３０に電流が流れる。マイクロコントローラ１６は、電流検出用の抵抗２４又は電流抵抗用の抵抗３０に電流が流れることを検出すると、バイポーラトランジスタ８，９の一方がショート故障したと判定する。

マイクロコントローラ１６は、バイポーラトランジスタ８，９の一方がオープン故障又はショート故障したと判定した場合、オープン故障又はショート故障したバイポーラトランジスタ８，９の一方についてはオンオフ制御を行わない。マイクロコントローラ１６、オープン故障又はショート故障していないバイポーラトランジスタ８，９の他方についてのみオンオフ制御を行い、高周波を抑制する。

本実施の形態によれば、１個のバイポーラトランジスタのみによって高調波を抑制することができる。したがって、２個のバイポーラトランジスタの一方が故障した場合でも、故障していない１個のバイポーラトランジスタをオンオフ制御して高調波を抑制することができる。この場合、バイポーラトランジスタの一方が故障したことをディスプレイ（図示せず）で表示し又はマイクロホン（図示せず）で報知することができる。これにより、両方のバイポーラトランジスタが故障して高周波制御回路が機能しなくなる前に、バイポーラトランジスタ故障部分を修理するようにユーザに促す。トランジスタ故障部分を修理し又は取り換えることによって、高周波制御回路が機能しなくなる可能性を大幅に減少することができる。

本発明は、上記実施の形態に限定されるものではなく、幾多の変更及び変形が可能である。例えば、第１及び第２のスイッチ素子としてバイポーラトランジスタを使用した場合について説明したが、第１及び第２のスイッチ素子として電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）、電界ゲートバイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ）等を用いることもできる。

また、第１〜第３の電流検出回路が電流検出用の抵抗を有する場合について説明したが、第１〜第３の電流検出回路が電流検出用の抵抗の代わりにトランス又はコイルを用いることもできる。また、負荷回路としてインバータ回路を用いる場合について説明したが、負荷回路としてインバータ回路の代わりに電源回路を用いることもできる。また、交流電源として単相交流電源を用いる場合について説明したが、交流電源として単相交流電源の代わりに三相交流電源、四相交流電源、五相交流電源等の多相交流電源を用いることができる。さらに、第１〜第３の電流検出回路は、図１に示す構成以外の構成をとることができる。

上記実施の形態において、第１及び第２のスイッチ素子の一方を動作させるとともに他方を停止する場合について説明したが、第１及び第２のスイッチ素子を同時に動作させることもできる。この場合、第１及び第２のスイッチ素子に流れる電流は、同一波形を有する。

高調波抑制回路の実施の形態の回路図である。 図１の電流検出用の抵抗の電流及びオペアンプの出力電圧の波形図である。 従来の高調波抑制回路の回路図である。 図３の電流検出用の抵抗の電流及びオペアンプの出力電圧の波形図である。

符号の説明

１ 単相交流電源
２ インバータ回路
３，４，５，６，２２，２３ ダイオード
７ 電解コンデンサ
８，９ バイポーラトランジスタ
１０，２４，３０ 電流検出用の抵抗
１１，１２，１３，１４，２５，２６，２７，２８，３１，３２，３３，３４ 抵抗
１５，２９，３５ オペアンプ
１６ マイクロコントローラ
１７ コイル
１８ 全波整流回路
１９，３６，３７ 電流検出回路
２０，２１，３９，４０，４１，４２ オペアンプ用電源

Claims (8)

1. 負荷回路（２）を搭載した制御回路の高調波を抑制する高調波抑制回路であって、
   交流電源（１）の両端に接続されるブリッジ接続を構成する第１〜第４の整流素子（３，４，５，６）と、前記第１及び第２の整流素子（３，４）の入力端子が一端に接続されるとともに前記第３及び第４の整流素子（５，６）の出力端子が他端に接続された容量性素子（７）とを有し、前記負荷回路（２）に直流電流を供給する全波整流回路（１８）と、
   前記第１の整流素子（３）の出力端子と前記第３の整流素子（５）の入力端子との接続部に接続した入力端子を有する第５の整流素子（２２）と、
   前記第２の整流素子（４）の出力端子と前記第４の整流素子（６）の入力端子との接続部に接続した入力端子及び前記第５の整流素子（２２）の出力端子に接続した出力端子を有する第６の整流素子（２３）と、
   一端を前記第５及び第６の整流素子（２２，２３）の出力端子に接続するとともに他端を前記第１及び第２の整流素子（３，４）の入力端子に接続した第１のスイッチ素子（８）と、
   前記第１のスイッチ（８）に並列に接続した第２のスイッチ素子（９）と、
   前記第１及び第２の整流素子（３，４）に流れる電流を検出する第１の電流検出回路（１９）と、
   前記第１及び前記第２のスイッチ素子（８，９）のオンオフ状態を検出するオンオフ状態検出手段（３６，３７）と、
   前記第１の電流検出回路（１９）によって検出された電流に基づいて、前記高調波抑制回路に流れる電流が正弦波になるよう前記第１及び第２のスイッチ素子（８，９）をオンオフ制御し、前記オンオフ制御及び前記オンオフ状態に基づいて、前記第１及び第２のスイッチ素子（８，９）の一方の故障を検出し、一方のスイッチ素子の故障を検出すると他方のスイッチ素子のみをオンオフ制御する制御手段（１６）と、を備えた高調波抑制回路。
2. 前記制御手段（１６）が、前記第１及び第２のスイッチ素子（８，９）の一方をオンしたときに前記オンオフ状態検出手段（３６，３７）によってオフ状態が検出された場合には一方のスイッチ素子のオープン故障を判定する請求項１記載の高調波抑制回路。
3. 前記制御手段（１６）が、前記第１及び第２のスイッチ素子（８，９）の一方をオフしたときに前記オンオフ状態検出手段（３６，３７）によってオン状態が検出された場合には一方のスイッチ素子のショート故障を判定する請求項１又は２記載の高調波抑制回路。
4. 前記オンオフ状態検出手段（３６，３７）が、前記第１及び第２のスイッチ素子（８，９）に流れる電流を検出する第２及び第３の電流検出回路（３６，３７）を有する請求項１から３のうちのいずれか１項に記載の高調波抑制回路。
5. 前記第１及び第２のスイッチ素子（８，９）を、バイポーラトランジスタ、電界効果トランジスタ又は電界ゲートバイポーラトランジスタとした請求項１から４のうちのいずれか１項に記載の高調波抑制回路。
6. 前記第１〜第３の電流検出回路（１９，３６，３７）が、抵抗、トランス又はコイルを有する請求項１から５のうちのいずれか１項に記載の高調波抑制回路。
7. 前記負荷回路（２）を、インバータ回路又は電源回路とした請求項１から６のうちのいずれか１項に記載の高調波抑制回路。
8. 前記交流電源（１）を、単相交流電源又は多相交流電源とした請求項１から７のうちのいずれか１項に記載の高調波抑制回路。

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