JP2011050137A - 電力変換回路 - Google Patents

Abstract

【課題】本発明の目的は、電源電圧レベルで設計された回路に対する過電圧を防止する電力変換回路を提供することにある。
【解決手段】電力変換回路１０は、電源側から、ダイオード群１６、ＤＣ部１８、インバータ回路２０が設けられる。ＤＣ部１８には、ダイオード群１６から出力された直流電圧を平滑化するためのリアクトルＬｉｎと平滑コンデンサＣｄｃが備えられ、ＬＣ平滑回路が構成されている。リアクトルＬｉｎよりも交流電源側にコンデンサＣｓｓを接続する。コンデンサＣｓｓを室外機のファンモータ駆動回路３０の電源とすることができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、交流電源と負荷との間に設けられる電力変換回路に関するものである。

交流電源と負荷との間に設けられ、所定の交流電流を負荷に供給する電力変換回路が種々開発されている。その中で、インバータ回路の小型化やコストダウンを目的としたコンデンサレスインバータが提案されている（非特許文献１）。図７に示すように、コンデンサレスインバータ４０は、ダイオード群１６、ＤＣ部１８、およびインバータ回路２０が備えられる。

ダイオード群（第１の整流回路）１６は、交流電源の出力を全波整流するダイオードブリッジである。ダイオード群１６は、上側アームの電源線２２と下側アームの電源線２４に出力する。ＤＣ部１８は、電源線２２に挿入されたリアクトルＬｉｎと電源線２２と２４の間の平滑コンデンサ（第１のコンデンサ）Ｃｄｃからなる。インバータ回路２０は、スイッチング用パワー素子（トランジスタ）と還流ダイオードを備え、スイッチングによって負荷１２に対して交流電力を出力する。ＤＣ部１８に大容量の電解コンデンサを有しない。ＤＣ部１８の平滑コンデンサＣｄｃの容量は例えば約２０μＦであり、電解コンデンサの約０．０１〜０．０２倍である。

ＤＣ部１８の平滑コンデンサＣｄｃが小容量であるため、電源１２からの交流電圧の変動に応じて、ＤＣ部１８の直流電圧Ｖｄｃが大きく変動し、過電圧となる。また、過電圧を生じる他の要因としては、リアクトルＬｉｎと平滑コンデンサＣｄｃとのＬＣ共振や、モータ歪みが挙げられる。

上記の過電圧を防止するための対策として、図８に示すように、ＤＣ部１８にダイオードＤｓ、抵抗Ｒｓ、電解コンデンサＣｓを直列接続したエネルギー吸収回路２８を設けることが提案されている（特許文献１）。平滑コンデンサＣｄｃ以外に電解コンデンサＣｓにも充電がおこなわれるため、平滑コンデンサＣｄｃの見かけ上の容量が増大する。また、抵抗ＲｓはＤＣ部１８の直流電圧の上昇を抑える。したがって、平滑コンデンサＣｄｃの両端の電位差Ｖｄｃの変動が小さくなり、過電圧を防止できる。

電解コンデンサＣｓの充電電圧はほぼ一定に平滑されている。電解コンデンサＣｓは、一定電圧の必要な回路の電源として使用できる。また、コンデンサレスインバータ４０ｂには、スイッチング用パワー素子をコントロールする制御回路２６が設けられる。そこで、制御回路２６の電源としてエネルギー吸収回路２８の電解コンデンサＣｓを使用することが特許文献１に提案されている。

図８のコンデンサレスインバータ４０ｂは、電解コンデンサＣｓが制御回路２６の電源となるが、適宜、他の回路の電源に使用できるか否かを検討する。そのために、電解コンデンサＣｓの充電電圧のシミュレーション結果を図９に示す。シミュレーションの条件として、電源電圧は振幅２０Ｖ、周波数４６０Ｈｚの歪み成分を含み、電圧最大値が３７３Ｖであるとする。リアクトルＬｉｎが６ｍＨ、平滑コンデンサＣｄｃが２０μＦ、抵抗Ｒｓが５Ω、電解コンデンサＣｓが１５０μＦであるとする。シミュレーションの都合上、電解コンデンサＣｓと並列に２０ｋΩの抵抗を接続している。この抵抗は、電解コンデンサＣｓを電源とする回路の代わりである。図９において、Ｖｉｎは電源１２からダイオード群１６に入力される電圧、Ｖｄｃはダイオード群１６からの出力電圧、Ｖｃは電解コンデンサＣｓの充電電圧である。なお、Ｖｉｎは０Ｖよりも低い値を省略している。

シミュレーションの結果、電解コンデンサＣｓの充電電圧は４２０Ｖに達している。電源電圧レベル（電源電圧の最大値）に最大定格電圧が設定されている回路に対して、電解コンデンサＣｓを電源として使用することはできない。例えば、空調機の室外機において、ファンモータの駆動回路は電源電圧レベルで最大定格電圧を設計している場合が多い。ファンモータの駆動回路の電源として電解コンデンサＣｓを使用した場合、ファンモータの駆動回路は、過電圧保護によって停止したり、破壊されたりする可能性がある。したがって、ファンモータの駆動回路の電源としては使用できない。

なお、図８ではＤＣ／ＤＣコンバータ３２を使用しているため、ファンモータの駆動回路にあわせた電圧に降圧できるように考えられる。しかし、コンデンサレスインバータ４０ｂに使用されるＤＣ／ＤＣコンバータ３２は、高電圧（数１００Ｖ）から低電圧（５〜１０Ｖ程度）に降圧する回路である。また、空調用のファンモータ駆動回路は高電圧が必要であり、ＤＣ／ＤＣコンバータ３２を介さずに直接電解コンデンサＣｓから電力を供給する必要がある。したがって、ファンモータ駆動回路の最大定格電圧よりも高い充電電圧となった電解コンデンサＣｓは、ファンモータ駆動回路の電源とすることができない。また、電解コンデンサＣｓはインバータの駆動用の制御回路２６の電源となっているため、ファンモータ駆動回路の電源は別途設ける必要もある。

特許３７７２８９８号公報 高橋勲「高入力力率のダイオード整流回路を持つＰＭモータのインバータ制御法」、平成１２年電気学会全国大会４−１４９（平成１２年３月）、第１５９１頁

本発明の目的は、電源電圧レベルで設計された回路に対する過電圧を防止する電力変換回路を提供することにある。

本発明の電力変換回路は、交流電源と負荷との間に設けられる電力変換回路において、前記交流電源の出力を全波整流する複数のダイオードを含んだ第１の整流回路と、前記第１の整流回路の出力を平滑する第１のコンデンサとリアクトルを備えた平滑回路と、前記平滑回路の出力を受け、三相交流電流を出力するインバータ回路と、前記第１のコンデンサよりも交流電源側に設けられたリアクトルと、前記リアクトルよりも交流電源側から、第２の整流回路を介して接続された第２のコンデンサとを備え、第１のコンデンサの両端電圧の最大値が最小値の２倍以上である。本回路は、リアクトルよりも前段から第２のコンデンサへの充電をおこなう。

前記リアクトルが第１の整流回路よりも負荷側に設けられ、前記第１の整流回路と前記リアクトルの間に前記第２の整流回路を接続される。また、前記リアクトルが第１の整流回路よりも交流電源側に設けられ、交流電源と前記リアクトルの間に前記第２の整流回路が接続される。

前記第２のコンデンサは、前記第１のコンデンサの両端電圧の最大値以下の電圧を最大定格電圧とした回路の電源となる。第２のコンデンサはリアクトルよりも前段で充電されるため、充電電圧が交流電源の電源電圧レベルとなる。

前記第２コンデンサは電解コンデンサである。第１のコンデンサに比べて大容量の電解コンデンサが、電源電圧レベルで充電がなされる。

前記負荷が空気調和機の圧縮機に使用されるモータを含む。本発明の電力変換回路は、空気調和機の圧縮機用のモータを駆動させる。

前記第２のコンデンサに接続される回路は、空気調和機の室外機のファンに使用されるモータの駆動回路を含む。第２のコンデンサがファンのモータの駆動回路の電源となる。

前記第２のコンデンサに接続される回路は、インバータ回路のスイッチングを制御する制御回路を含む。第２のコンデンサがインバータ回路の制御回路の電源となる。

本発明は、平滑回路のリアクトルよりも交流電源側からコンデンサを接続するため、平滑回路の共振時の影響を受けることがない。コンデンサの充電電圧を電源電圧レベルよりも高くなることを防止できる。コンデンサは、電源電圧レベルで設計された回路の電源にすることができる。その回路としては、空調機の室外機のファンモータ駆動回路が挙げられる。

本発明の電力変換回路の構成を示す回路図である。 図１の回路の電圧の変化を示すシミュレーション結果である。 ダイオード群よりも前段に電解コンデンサを接続した構成を示す回路図である。 ダイオード群よりも前段に電解コンデンサを接続した構成を示す回路図である。 図１を三相のコンデンサレスインバータに適用した構成を示す回路図である。 図４を三相のコンデンサレスインバータに適用した構成を示す回路図である。 従来のコンデンサレスインバータの構成を示す回路図である。 図７のコンデンサレスインバータにエネルギー吸収回路を設けた構成を示す回路図である。 図８の回路の電圧の変化を示すシミュレーション結果である。

本発明について図面を用いて説明する。本発明の電力変換回路は、コンデンサレスインバータである。

図１に示すように、電力変換回路１０は、電源１２と負荷１４との間に設けられ、負荷１４に対して所定の交流電力を出力する。図１の電源１２は単相電源である。負荷１４は三相負荷であり、例えば圧縮機に使用される三相モータが挙げられる。

電力変換回路１０は、電源側から、ダイオード群（第１の整流回路）１６、ＤＣ部１８、インバータ回路２０が設けられる。ダイオード群１６、ＤＣ部１８、インバータ回路２０は、第１電源線２２と第２電源線２４とで接続される。また、インバータ回路２０の駆動・制御のために制御回路２６が設けられる。

ダイオード群１６は、４つのダイオードで構成されたダイオードブリッジである。ダイオード群１６は、全波整流をおこない、第１電源線２２と第２電源線２４とに直流電圧を出力する。第１電源線２２が高電位、第２電源線２４が低電位である。

ダイオード群１６の後段にあるＤＣ部１８には、ダイオード群１６から出力された直流電圧を平滑化するための平滑回路として、リアクトルＬｉｎと平滑コンデンサ（第１のコンデンサ）Ｃｄｃが備えられる。リアクトルＬｉｎは第１電源線２２に挿入され、平滑コンデンサＣｄｃは電源線２２と２４の間に接続される。図１に示すように、リアクトルＬｉｎと平滑コンデンサＣｄｃによって、一般的なＬＣ平滑回路が構成されている。従来技術で説明したように、平滑コンデンサＣｄｃは低容量であり、平滑コンデンサＣｄｃの両端電圧の最大値が最小値の２倍以上である。

ＤＣ部１８には、ＤＣ部１８の過電圧を防止するためのエネルギー吸収回路２８が備えられる。エネルギー吸収回路２８は、平滑コンデンサＣｄｃと並列接続される。エネルギー吸収回路２８は、第１電源線２２側から、ダイオードＤｓ、抵抗Ｒｓ、電解コンデンサＣｓの順で直列接続される。ダイオードＤｓはアノードが第１電源線２２に接続される。平滑コンデンサＣｄｃと電解コンデンサＣｓとが並列接続になり、平滑コンデンサＣｄｃの見かけ上の容量が増大する。抵抗Ｒｓは、急激な電圧の上昇を抑える働きがある。エネルギー吸収回路２８によって、平滑コンデンサＣｄｃの両端電圧Ｖｄｃの過電圧が抑えられる。また、電解コンデンサＣｓは一定電圧に平滑された電圧が充電される。電解コンデンサＣｓはインバータ回路２０の制御回路２６の電源となる。

従来技術で説明した電解コンデンサＣｓの両端電圧が上昇する原因として、リアクトルＬｉｎと平滑コンデンサＣｄｃとの間で発生する共振現象が挙げられる。そこで、リアクトルＬｉｎよりも交流電源側にコンデンサ（第２のコンデンサ）Ｃｓｓを接続する。コンデンサＣｓｓはダイオード群１６とリアクトルＬｉｎとの間において、電源線２２と２４の間に設けられる。コンデンサＣｓｓが、リアクトルＬｉｎと平滑コンデンサＣｄｃで構成される平滑回路よりも交流電源側にあるため、ＬＣ共振の影響を受けることがない。したがって、コンデンサＣｓｓの充電電圧は電源電圧の最大値とほぼ同じになる。

コンデンサＣｓｓとしては、電解コンデンサを使用する。エネルギー吸収回路２８の電解コンデンサＣｓの代わりにするためである。また、第１電源線２２からダイオードＤｓｓ、リアクトルＬｓｓ、抵抗Ｒｓｓ、コンデンサＣｓｓを直列接続する。ダイオード（第２の整流回路）Ｄｓｓは、コンデンサＣｓｓに蓄電された電気エネルギーを三相負荷１４に流さないために、電流の逆流防止素子として働く。リアクトルＬｓｓと抵抗Ｒｓｓは、電流の波形改善や減流の効果がある。コンデンサＣｓｓは、一定電圧に平滑された電圧が充電される。

図２に図９の条件と同じ条件でのシミュレーション結果を示す。本発明において従来とは異なる新たな構成については、抵抗Ｒｓｓが５Ω、コンデンサＣｓｓが１５０μＦである。シミュレーションのために、ファンモータ駆動回路３０として、コンデンサＣｓｓと並列に２０ｋΩの抵抗を設けた。コンデンサＣｓｓの両端電圧Ｖｃｃは３７０Ｖである。電源電圧の実効値２４０Ｖに対し電圧変動＋１０％を見込むと、電源電圧の波高値は最大３７３Ｖに達する。一方、従来のエネルギー吸収回路２８の電解コンデンサＣｓの両端電圧Ｖｃは従来と同様に４２０Ｖに達しており、電源電圧を超えている。シミュレーション結果より、リアクトルＬｉｎよりも電源側にコンデンサＣｓｓを設けると、コンデンサＣｓｓの両端電圧Ｖｃｃは電解コンデンサＣｓの両端電圧Ｖｃよりも低くなることが分かる。

電力変換回路１０を空調機に使用した場合、室外機のファンのモータを駆動させるファンモータ駆動回路３０を備える。このファンモータ駆動回路３０は、ＤＣ部１８の平滑コンデンサＣｄｃの両端電圧の最大値以下の電圧を最大定格電圧としている。図２のシミュレーション結果から、電圧Ｖｃｃと電圧Ｖｉｎの最大値が同じであり、ファンモータ駆動回路３０は、コンデンサＣｓｓを電源として使用できる。

その他、インバータ回路２０は、ＤＣ部１８の出力を受け、三相交流電流を出力する。インバータ回路２０は、２つのスイッチング用パワー素子（トランジスタ）が直列接続され、その接続部と負荷１４の端子が接続される。直列接続されたスイッチング用パワー素子は、第１電源線２２と第２電源線２４に接続される。負荷１４が三相負荷であるので、スイッチング用パワー素子は合計６個となる。各スイッチング用パワー素子と並列に還流ダイオードが接続される。制御回路２６がスイッチング用パワー素子のオン・オフのタイミングを調節することにより、所望の三相電流を負荷１４に出力する。制御回路２６は、電解コンデンサＣｓを電源としており、必要に応じてＤＣ／ＤＣコンバータ３２を設けて必要な電圧に変換する。

以上のように、本発明はリアクトルＬｉｎと平滑コンデンサＣｄｃとからなる平滑回路よりも前段にコンデンサＣｓを接続している。ＬＣ共振の影響を受けず、コンデンサＣｓｓの充電電圧は電源電圧レベルである。コンデンサＣｓｓは、電源電圧レベルを最大定格電圧とする回路の電源にすることができる。本発明を空調機に使用した場合、コンデンサＣｓｓを室外機のファンモータ駆動回路３０の電源とすることができる。

以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明の実施形態は上記の内容に限定されることはない。例えば、ダイオード群１６よりも電源側に平滑回路のリアクトルＬｉｎがある場合でも、リアクトルＬｉｎよりも電源側からコンデンサＣｓｓを接続し、充電をおこなう。具体的には、図３の回路１０ｂのように、リアクトルＬｉｎよりも電源側からリアクトルＬｓｓ、抵抗Ｒｓｓ、整流回路（第２の整流回路）３４を介してコンデンサ（第２のコンデンサ）Ｃｓｓに充電をおこなう。コンデンサＣｓｓは、図１と同様に電解コンデンサである。リアクトルＬｓｓと抵抗Ｒｓｓは、電流の波形改善や減流の働きがある。整流回路３４は、４つのダイオードＤｓｂで全波整流をおこなう。これらの回路構成により、コンデンサＣｓｓの充電電圧は電源電圧レベルでほぼ一定に平滑され、一定電圧を必要とする回路の電源となる。整流回路３４により、電流の逆流も防止され、コンデンサＣｓｓに充電された電気エネルギーが負荷１４に流れるのを防止できる。

また、リアクトルＬｉｎがダイオード群１６よりも後段にあったとしても、図４の回路１０ｃのように、ダイオード群１６よりも電源側に整流回路（第２の整流回路）３４を接続し、整流回路３４からコンデンサ（第２のコンデンサ）Ｃｓｓの充電をおこなってもよい。図１や図３の回路１０，１０ｂと同様に、コンデンサＣｓｓは電源電圧の最大値で充電され、電源電圧レベルを最大定格電圧とする回路の電源とすることができる。

図１などの回路１０で設けられた電流の波形改善や減流のためのリアクトルＬｓｓや抵抗Ｒｓｓは、必要なければ設けなくてもよい。回路が簡略化できる。

各図面は単相のコンデンサレスインバータであったが、三相のコンデンサレスインバータであっても本発明を適用することができる。図５の回路１０ｄは図１に対応し、図６の回路１０ｅは図４に対応する。平滑回路のリアクトルＬｉｎよりも前段からコンデンサ（第２のコンデンサ）Ｃｓｓに充電をおこなっている。コンデンサＣｓｓは、電源電圧レベルを最大定格電圧とする回路の電源とすることができる。

コンデンサＣｓｓを電源とするのは、ファンモータ駆動回路３０だけに限定されるものではなく、インバータ回路２０の制御回路２６の電源にもできる。コンデンサＣｓｓを電源とする回路は、ＤＣ部１８にある平滑コンデンサＣｄｃの両端電圧の最大値よりも小さい電圧を最大定格電圧とする回路である。コンデンサＣｓとＣｓｓは、利用される回路の耐電圧によって適宜選択される。また、必要に応じてＤＣ／ＤＣコンバータを使用して所定の電圧に変換する。

その他、本発明は、その主旨を逸脱しない範囲で当業者の知識に基づき種々の改良、修正、変更を加えた態様で実施できるものである。

１０：電力変換回路
１２：電源
１４：負荷
１６：ダイオード群
１８：ＤＣ部
２０：インバータ回路
２２，２４：電源線
２６：制御回路
２８：エネルギー吸収回路
３０：ファンモータ駆動回路
３２：ＤＣ／ＤＣコンバータ
３４：整流回路

Claims (8)

1. 交流電源と負荷との間に設けられる電力変換回路において、
   前記交流電源の出力を整流するダイオードを含んだ第１の整流回路と、
   前記第１の整流回路の出力を平滑する第１のコンデンサとリアクトルとを含む平滑回路と、
   前記平滑回路の出力を受け、三相交流電流を出力するインバータ回路と、
   前記リアクトルよりも交流電源側から第２の整流回路を介して接続された第２のコンデンサと、
   を備え、
   前記第１のコンデンサの両端電圧の最大値が最小値の２倍以上である電力変換回路。
2. 前記リアクトルが前記第１の整流回路よりも負荷側に設けられ、前記第１の整流回路と前記リアクトルの間に前記第２の整流回路を接続した請求項１の電力変換回路。
3. 前記リアクトルが前記第１の整流回路よりも交流電源側に設けられ、交流電源と前記リアクトルの間に前記第２の整流回路を接続した請求項１の電力変換回路。
4. 前記第２のコンデンサは、前記第１のコンデンサの両端電圧の最大値以下の電圧を最大定格電圧とした回路の電源となる請求項１乃至３の電力変換回路。
5. 前記第２のコンデンサは電解コンデンサである請求項１乃至４の電力変換回路。
6. 前記負荷が空気調和機の圧縮機に使用されるモータを含む請求項１乃至５の電力変換回路。
7. 前記第２のコンデンサに接続される回路は、空気調和機の室外機のファンに使用されるモータの駆動回路を含む請求項１乃至６の電力変換回路。
8. 前記第２のコンデンサに接続される回路は、前記インバータ回路のスイッチングを制御する制御回路を含む請求項１乃至６の電力変換回路。

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