JP2011193593A - 交流直流変換装置並びに空気調和機 - Google Patents

Abstract

【課題】低ノイズ化と低電磁騒音化を実現する交流直流変換装置並びに空気調和機を得る。
【解決手段】交流電源１と整流器２との間に一端接地のＹコンデンサーを有するノイズフィルター１４を接続し、更にインピーダンスがほぼ同一のリアクター５ａ、５ｂを電源の各相に直列に接続する。又、整流器２の出力端子間に２つのコンデンサー６、７を直列に接続し、整流器２の一方の入力端子とコンデンサー６、７の接続点との間に第１の双方向スイッチ手段３を挿入し、整流器２の他方の入力端子とコンデンサー６、７の接続点との間に第２の双方向スイッチ手段４を挿入する。制御手段２０は、入力電流検出器２２、電源電圧検出器２３、及び直流電圧検出器２１からの各出力に基づき、直流電圧検出器２１の出力が直流電圧指令値になるようにまた無効電力を低減するよう第１および第２の双方向スイッチ手段３、４の動作を制御する。これによりコモンモードノイズを低減する。
【選択図】図１

Description

本発明は、高調波電流を抑制し、直流電圧を制御する交流直流変換装置並びにこの交流直流変換装置を備えた空気調和機に関する。

従来の交流直流変換装置として、２つのスイッチング素子を設け、同時に２つのスイッチング素子を低周波のＰＷＭ動作させることで入力電流を略正弦波状に制御して高調波電流を抑制し、直流電圧をフィードバック制御して力率改善を図るものがある（例えば、特許文献１参照）。

また、交流側に設けたリアクターをＲ相とＳ相の双方に挿入することでコモンモードノイズを低減するものもある（例えば、特許文献２参照）。

さらに、直流側に設けたリアクターの漏れインダクタンスを主変換動作に用い、主インダクタンスを伝導ノイズ抑制に用いるものもある（例えば、特許文献３参照）。

国際公開第２００９／０２８０５３号Ａ１ 特開２００１−２８６１４９号公報（第５頁、図５〜８） 特開２００９−２４７１２１号公報（第４〜５頁、図１〜４）

特許文献１に示す技術は、５ｋＨｚ以下の低周波のＰＷＭにてスイッチング素子を動作させて入力電流を略正弦波化させることで力率改善を行うものである。特許文献１では、出力する直流電圧を任意の値に制御し、入力電流を略正弦波にするため、基準電圧と検出した電圧との差分を制御値として直流電圧制御を行い、この制御を元に正弦波波形のコンバータ電圧指令を生成して、電源電圧との電圧差にて入力電流を制御するものである。これにより、高調波電流激減と力率改善を行え、出力される直流電圧をフィードバックにて任意の電圧値に制御でき、高周波ＰＷＭ制御より安価で、電源半周期に１回または数回のスイッチ制御よりもリアクターを小型化することが出来る。

しかし、低周波のＰＷＭであるため、入力電流に低周波のスイッチング周波数が伝導し、電源半周期に１回または数回のスイッチ動作する交流直流変換装置よりもコモンモードノイズが大きくなるといった課題があった。

また、特許文献２および３の場合、一般的には２０ｋＨｚ以上とされている高周波のＰＷＭにてスイッチング素子を動作させるため、特許文献１の低周波ＰＷＭよりも更にコモンモードノイズが大きく、かつノーマルモードノイズも大きいため、ノイズが電力線を伝導してその電力線に接続されている他の機器へ悪影響を及ぼすことがある。
そこで、この問題を解決するためにリアクターをスイッチングの上流側と下流側、換言すると、電源より流れ込むラインと電源へ戻って行くライン、双方に挿入することで伝導ノイズを抑制するものである。

そこで、この技術を応用して特許文献１に記載の技術においてリアクターを電源より流れ込むラインと戻っていくラインの双方に挿入することによってコモンモードノイズを低減することは可能であるが、リアクターから電磁音が発生するという新たな課題が発生する。

すなわち、特許文献２および３の技術では、人間の耳には聞こえない可聴領域外の高周波にてスイッチングするように構成されていたため、電磁音が発生しても人間には聞こえず問題にならなかったが、特許文献１のように可聴領域、一般的には、１４ｋＨｚ以下のスイッチング周波数でＰＷＭ動作するような交流直流変換装置に上記特許文献２および３の技術を適用する場合にはリアクターから可聴領域内の電磁音が発生し、人間には騒音として聞こえて問題になってしまう。

この発明は、上記のような課題を解決するためになされたものであり、低ノイズ化と低電磁騒音化を同時に実現できる交流直流変換装置並びにこの交流直流変換装置を備えた空気調和機を得ることを目的とする。

この発明に係る交流直流変換装置は、一端が交流電源の各相に直列に接続され、ほぼ同一のインピーダンスを有する複数のリアクターと、リアクターの他端に接続された整流器と、整流器の出力端子間に直列に接続された２つのコンデンサーと、整流器の一方の入力端子とコンデンサー間の接続点との間に挿入された第１の双方向スイッチと、整流器の他方の入力端子とコンデンサー間の接続点との間に挿入された第２の双方向スイッチと、コンデンサー間の電圧を検出する直流電圧検出器と、交流電源から入力される電流を検出する入力電流検出器と、交流電源の位相角もしくは瞬時電圧の少なくとも一方を検出する電源電圧検出器と、入力電流検出器と電源電圧検出器の各出力に基づいて直流電圧検出器の出力が所定の値になるように、第１の双方向スイッチおよび第２の双方向スイッチの動作をＰＷＭ制御する制御手段と、を備え、複数のリアクター同士は互いに対向に配置されるものである。

この発明の交流直流変換装置は、交流電源の各相の端子と整流器との間にほぼ同一インピーダンスのリアクターを挿入することにより、コモンモードノイズを低減することができるだけでなく、リアクター同士を対向に配置することで、リアクターを構成する中央脚の電磁石が互いに吸引力のみあるいは反発力のみとなる。これにより、振動源が無くなるので電磁騒音を抑制することができる。

本発明の実施の形態１を示す回路ブロック図である。 本発明の実施の形態１を説明する原理動作のための回路図である。 本発明の実施の形態１を説明する制御ブロック図である。 本発明の実施の形態１を説明する他の制御ブロック図である。 本発明の実施の形態１を示すノイズフィルターの回路ブロック図である。 本発明の実施の形態２を示すリアクターの構造図である。 本発明の実施の形態２を示す他のリアクターの構造図である。 本発明の実施の形態２を示す他のリアクターの構造図である。 本発明の実施の形態３を示す回路ブロック図である。 本発明の実施の形態３を示す他の回路ブロック図である。 本発明の実施の形態３を示す他の回路ブロック図である。 本発明の実施の形態３を示す他の回路ブロック図である。

実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１を示す回路ブロック図である。図１において、交流直流変換装置は、交流電源１の交流を整流するための整流器２と、整流器２の入力端子に一方が接続される第１のスイッチ手段３と、整流器２の他方の入力端子に一方が接続される第２のスイッチ手段４と、交流電源１と第１のスイッチ手段３の間に挿入されたリアクター５ａと、交流電源１と第２のスイッチ手段４の間に挿入されたリアクター５ｂと、整流器２の出力端子に一端が接続された第１のコンデンサー６と、整流器２の他方の出力端子に一端が接続された第２のコンデンサー７と、整流器２の出力に接続される直流負荷８とから構成されている。
第１のスイッチ手段３、第２のスイッチ手段４、第１のコンデンサー６、第２のコンデンサー７、これらの各々の他端は共に接続されている。

また、第１のスイッチ手段３は、例えばＩＧＢＴ３ａとダイオード整流器３ｂから構成される双方向スイッチ手段、第２のスイッチ手段４も例えばＩＧＢＴ４ａとダイオード整流器４ｂから構成される双方向スイッチ手段であり、直流電圧を検出する直流電圧検出器２１の出力と交流電源１の入力電流を検出する入力電流検出器２２と交流電源１の位相を検出する電源電圧検出器２３の出力とに基づいて第１のスイッチ手段３および第２のスイッチ手段４を動作させる制御手段２０が具備されている。

また、第１のコンデンサー６と並列に、ダイオード１０と抵抗１２が、第２のコンデンサー７と並列にダイオード１１と抵抗１３が接続され、ダイオード１０およびダイオード１１は第１のコンデンサー６と第２のコンデンサー７と極性が逆極性となっている。
なお、第１のコンデンサー６は複数のコンデンサーを並列または直列に接続して構成しても良い。第２のコンデンサー７についても同様である。また、第１のスイッチ手段３は複数のスイッチを並列または直列に接続して構成しても良い。第２のスイッチ手段４についても同様である。

さらに、交流電源１とリアクター５ａ、５ｂとの間にノイズフィルター１４が挿入されている。

図１の交流直流変換装置の動作原理について、図２を用いて説明する。交流電源１およびリアクター５ａ、５ｂは図１に示すものと同様であり、交流直流変換装置を仮想交流電源９とする。交流電源１の両端電圧をＶｓ、仮想交流電源９の両端電圧をＶｃ*、リアクター５ａ、５ｂに流れる電流をＩとする点も図１と同様である。２つのスイッチ手段３および４が相互的に動作することで図２に示すような仮想交流電源９が実現される。

交流電源１と仮想交流電源９との差電圧によって、リアクター５ａ、５ｂに流れる電流Ｉが決まる。仮想交流電源９より出力されるコンバータ電圧Ｖｃ*が、正弦波状に出力されれば、リアクター５ａ、５ｂに流れる電流、言い換えると入力電流は正弦波化された電流が流れ、高調波電流が抑制される。また、入力電流と交流電源１の電圧との位相差がゼロとなると、電源力率は１００％となることから、仮想交流電源９における電圧の振幅|Ｖｃ*|、及びこの仮想交流電源９の電圧と交流電源１の電圧との位相差φを適切に制御して正弦波電圧を出力すれば、入力電流の高調波を抑制し、力率向上を実現できる。

ここでは、さらに整流器２の出力端子間である直流電圧を任意の指令値に制御することができるように、前記仮想交流電源９の電圧Ｖｃ*を制御する制御ブロックの一例を図３に示す。

図３は制御手段２０の内部構成を示すものであり、図３について説明する。直流電圧検出器２１にて検出した直流電圧Ｖｄｃを予め設定された所定値である直流電圧指令値Ｖｄｃ*に制御するため、直流電圧の検出値と指令値の差分をＰＩ制御器３０に入力する。ＰＩ制御器３０にて直流電圧を所定値に制御するべく、電流指令値Ｉｐ*を出力する。

入力電流検出器２２にて検出した入力電流の瞬時値Ｉｓと電源電圧検出器２３にて検出した電源位相θをＰＱ変換器３１へ入力する。ＰＱ変換器３１は、入力電流の有効電力成分（Ｐ軸成分）と入力電流の無効電力成分（Ｑ軸成分）とに分離し、電源力率が１００％となるよう無効電力成分Ｉｑは０となるようＰＩ制御器３３が制御し、有効電力成分Ｉｐは、ＰＩ制御器３０の出力値Ｉｐ*となるようＰＩ制御器３４が制御する。

ＰＩ制御器３３の出力とＰＩ制御器３４の出力を電源位相θで逆ＰＱ変換器３５にて逆変換する。この結果、電源力率が１００％、換言すると電流の無効電力成分が０、および、予め設定された直流電圧となる仮想交流電源９の両端電圧の指令値Ｖｃ*が得られる。

また、図４に制御手段２０の他の構成の一例を示す。図４は特許文献１に記載の力率＝１００％の時に電圧電流のベクトル関係が直交する性質を利用したものであり、詳細説明は特許文献１に記載されているため、ここでは説明を省略する。
なお、図４中、Ｖ１は交流電源電圧Ｖｓの実効値を示しており、√２{（ωＬＩ＊）２＋Ｖ１２}は交流電源の電圧ベクトルとリアクター５のωＬＩ＊成分が直交した時のＶｃ＊のピーク値を示している。

このように図３、図４のような制御構成にて図１に示す交流直流変換装置を動作させることは可能であり、図２に示すようにコンバータ電圧Ｖｃ*を出力して入力電流を制御するので、低周波ＰＷＭで制御できるが、このとき、低周波のＰＷＭにて常時スイッチング動作していることとなるため、電源半周期に１回や数回程度スイッチングする方式よりノイズ発生量が増加する。

そこで、特許文献２に記載のように、図１でも交流側に設置されているリアクター５ａ、５ｂを両方の交流電源ラインに挿入する。この時、リアクター５ａ、５ｂのインダクタンスを、その和が図２に示すリアクター５のインダクタンス値と一致するように設定する。

ノイズには、コモンモードノイズとノーマルモードノイズの２種類のノイズが存在する。コモンモードノイズとは、一般的に対地（アース）との間の電位差にて発生するノイズであり、ノーマルモードノイズとは、一般的に装置の端子間の電位差にて発生するノイズである。

従って、リアクター５ａを交流電源１に接続された往路に挿入しリアクター５ｂを復路に挿入する場合、このリアクター５ａのインダクタンスとリアクター５ｂのインダクタンスの和が不変であれば、理屈上、ノーマルモードノイズは不変である。さらに、コモンモードノイズ低減用の一般的なチョークコイルは、コイル同士が発生する磁束が相殺するよう磁気経路を共通化するように構成されている。

これに対して、コアが共通化されていないリアクター５ａ、５ｂをそれぞれ交流電源の往路、復路に挿入したことでコモンモードノイズが低減される明確な理由が特許文献２には示されていない。また、特許文献３では、主インダクタンスをコモンモードチョークコイルとして利用すると記述しているが、主インダクタンスをコモンモードチョークコイルに利用すれば、コモンモードノイズが抑制できることは自明である。

これに対して本発明は、リアクター５ａ、５ｂをノーマルモードコイルとして利用しつつ、コモンモードノイズを低減し、かつ、低周波ＰＷＭにて発生する電磁騒音を抑制することが可能なリアクターを用いた交流直流変換装置を提供するものである。

交流電源１の往路と復路の双方にリアクター５ａ、５ｂをそれぞれ挿入することでコモンモードノイズを低減する原理について説明する。一般的に、ノイズフィルター１４は図５に示すような回路構成を取り、装置の入力端子側に配置され、交流電源１と接続される。図５のコモンモードチョークコイル４２は、前述の磁束が相殺されるように往路側コイルと復路側コイルの巻線数を同一にし、且つ極性を逆にするなどして構成されるものである。また、ノーマルモードノイズを低減するコンデンサー４１および４３、コモンモードノイズを対地（アース）へ放出するコンデンサー４４、４５が存在する。このコンデンサー４４、４５を一般的にYコンデンサーと称す。

従って、アースとの電位差というのは、Ｙコンデンサー４４、４５の中点との電位差と同義になる。往路と復路にリアクター５ａ、５ｂがある場合、図１に示す整流器２のａ点、ｂ点とＹコンデンサー４４、４５の中点との間に必ずインピーダンスが存在する。しかし、片方のみにリアクター５ａ、５ｂを集中させた場合、例えば、ａ点とノイズフィルター間にリアクター５（リアクター５ａと５ｂのインダクタンスの和に相当するインダクタンスを有するリアクター）を挿入し、ｂ点とノイズフィルター間にはリアクターを挿入せず、ｂ点をノイズフィルターと直接接続した場合を考えると、リアクター５があるライン側はインピーダンスがあるが、リアクターが無いライン側は整流器２とアースがＹコンデンサー４５を介して接続されているだけになる。

これにより、整流器２のｂ点にて発生するノイズは直接アースへ流れ込むが、ａ点で発生しているノイズはインピーダンスによりアースへ流れ込む前に減衰できる。この違いにより、コモンモードノイズが発生する。そこで、Ｙコンデンサー４４、４５より後段の両ラインにほぼ同一インピーダンスを有するリアクター５ａ、５ｂをそれぞれ挿入することで交流直流変換装置のコモンモードノイズを低減できる。

以上のように、ノイズフィルターを構成するＹコンデンサーの中点から、整流器の各入力端子までにほぼ同一インピーダンスを有する２つのリアクターをそれぞれ挿入することにより、コモンモードノイズを低減することができる。また、低周波のＰＷＭにて動作するため、高周波ＰＷＭスイッチングよりも発生ノイズ量が少なく、更にリアクターを交流の両ラインにほぼ同一インピーダンスとなるよう挿入することによるノイズ低減にて電源半周期に１回または数回のスイッチング方式と同等レベルの発生ノイズ量に抑制でき、ノイズ対策の低コスト化を実現できる。

さらに、低周波のスイッチングで実現できるので、スイッチング損失の少なく高効率な交流直流変換装置を得ることが出来る。
なお、リアクター５ａと、リアクター５ｂを互いに対向に配置することで、リアクター５ａ、５ｂのコイルの巻き方向により、リアクター５ａと５ｂの間には引力のみあるいは反発力のみが作用する。この詳細については、実施の形態２で説明する。

実施の形態２．
図６は、本発明の実施の形態２を示すリアクターの構成図である。このリアクターは、前述までの図１のリアクター５ａ、５ｂを同一コア（鉄心）にて構成したものである。

通常、Ｅ形状のコアとＩ形状のコアを接合し、コイルをＥ形状のコアの中央脚に巻きつける構成が一般的である。この時の巻数がNターンであるとする。このとき、図６に示すように、Ｎ／２ターンのコイル２つをＥ形状のコアの中央脚に巻きつける。

図６のコイルの巻いている回転方向が同一であれば、Ｈ１→Ｈ２、Ｈ３→Ｈ４の方向に電流を流すと同一方向に磁束が発生するので、コイル２つのインダクタンスの和が合成インダクタンスとなる。従って、図１に示す接続点と対比すると、ｃ１−Ｈ１、ｃ２−Ｈ２、ｄ２−Ｈ３、ｄ１−Ｈ４を接続すれば、２つのコイルの和が合成インダクタンスとなるリアクター５ａ、５ｂを構成できる。

このように上下にコイルを分割し、コイルの巻周回方向が同一であれば、コイルは同じ工程で製造でき、製造加工費を抑制できる。また、接続方法を誤ると電流が流れる向きが異なり、発生する磁束が相殺する方向で発生してしまう恐れがある。そこで、回路とリアクター５ａ、５ｂの端子とが必ず一対一に嵌合出来ないような形状の端子台とすることで、製造時のミスを無くし、信頼性の高い交流直流変換装置を提供することができる。

また、図６のようなリアクターを構成した場合にはリアクターと回路とを結ぶ配線が交差してしまい、リアクターの配線がコモンモードノイズを発生することになることもある。そこで、配線が交差しないように上下に分割するコイルの周回方向を逆方向とし、それぞれの端子台を互いに反対面に配置する。

このリアクター構造の上面図が図７（ａ）、側面図が図７（ｂ）である。上面からみて、上側コイルを時計回りに巻線し、下側コイルを半時計回りに巻線すると、ｃ１−Ｈ１、ｃ２−Ｈ２、ｄ１−Ｈ３、ｄ２−Ｈ４を接続することで２つのコイルの和が合成インダクタンスとなるリアクター５ａ、５ｂを構成できる。

このようにすれば、コイルを巻く巻線加工機の回周方向は同一で、コアの中央脚に挿入する際に回周方向を逆にすべく端子部を反対面の側面に配置することで、製造上は同一巻線でありながら、リアクター構成時には、周回方向が逆であるリアクターが製造できる。

図６や図７のリアクターを用いた場合、本発明の交流直流変換装置の最大の特長である低周波ＰＷＭスイッチングにより、可聴領域でスイッチングするためリアクターより電磁騒音が発生する。またリアクターを分割した場合に、コアを共通化しない場合、リアクター１つあたりはインダクタンスが半分となり、リアクターが小型化できる利点と相反して小型化により剛性が低下し、電磁騒音が増大化する。

また、コアを共通化した場合、他方のコイルで発生した磁束の影響を受け、コイルに電磁誘導が発生し、スイッチング周波数に起因する周波数の電磁騒音が増大化する。従って、本発明の交流直流変換装置にコモンモードノイズを低減するべくリアクター５ａ、５ｂのように交流電源１の往路と復路に挿入する技術を適用した場合、特許文献２や３では起こり得なかった電磁騒音と言った問題が発生する。

そこで、図６に図示するように電磁騒音抑制のための非磁性体の樹脂部材などを空隙（Ｇａｐ）に挿入する。これは、コア中央脚が電磁石となって、上部に配置されているＩ形状のコア材を引いたり押したりするためである。これによりＩ形状のコア部が振動して電磁騒音となるため、空隙部に非磁性体部材を挿入しＩ形状のコア部の振動を抑制する。

そこで、図８のようにＥ形状のコアを２つ用いて、上コイルと下コイルをそれぞれのコアの中央脚に巻きつける。図８のように構成すると、中央脚が電磁石となるが、電磁石が２つでき、しかも磁束の発生する向きは同一方向となる。所謂、上コイルの空隙部に接する磁極がＮ極だとすると、下コイルの空隙部に接する磁極はＳ極になる。交流リアクターの為、交流電界が中央脚に印加されて磁極が変化しても上コイルと下コイルで発生する磁極は常に反対の関係となり、引き付け合う磁気力しか発生しなくなる。

これにより、電磁騒音の原因である中央脚の電磁石による吸引力と反発力が相互に発生することでコアが振動することが無くなり、電磁石が互いに吸引力のみとなり、振動源が無くなることでコイルを２分割化することが電磁騒音抑制にも効果を奏する。尚、コイルを２分割して説明しているが、コイルを共通化しても電磁石を２つ構成することにより磁気吸引力のみとして振動抑制することでも同等効果を有することは言うまでも無い。
なお、上記の例では、常時引き付け合う磁気力しか発生しない例について説明したが、これに限る必要はなく、互いに反対方向になるように巻いても良い。この場合には常時反発し合う磁気力しか発生しないため、リアクターから振動が発生することはない。

以上のように、Ｅ形状のコアにコイルをそれぞれ周回させたものを重ね合せたリアクターを本発明の交流直流変換装置に適用することにより、コモンモードノイズを低減できるだけでなく、電磁騒音の抑制にも寄与することが出来、ノイズ対策と騒音対策費用を低減して低コストで提供できる。さらに、製造時の誤配線の防止の為、端子形状を変更して一対でしか接続出来ないように構成しても同等効果を有することは言うまでも無い。また、スイッチ手段を動作させるＰＷＭ周波数が可聴領域である交流直流変換装置に対して特に有効となることは言うまでもない。

実施の形態３．
図９は、本発明の実施の形態３を示す回路ブロック図である。図１と同じ構成要素は同符号を付し、説明を省略する。図９において、５０、５１は交流電源ラインと容量結合するコンデンサー、５２は互いに相殺する磁束を発生するコモンモードチョークコイルである。

コモンモードチョークコイルは、通常、交流電源と装置との間に直列に挿入される。コモンモードノイズを抑制するため、往路と復路にて流れる電流に対し、磁束が反対方向に発生するよう巻線されている。図９におけるコモンモードチョークコイル５２は、コンデンサー５０、５１を介して交流電源１に接続されるからコモンモード電流が流れるように、コイルにて発生する磁束が相殺するようにコンデンサー５０、５１を接続する。コモンモードチョークコイル５２のもう一方の端子を互いに接続し、アースに接地する。

これにより、アースに対しコモンモードでのインピーダンスが低くなり、ノーマルモードでのインピーダンスが高くなることから、コモンモードノイズのみアースに流れ出る。よって、コモンモードノイズが低減され、ノイズフィルター１４の強化が不要となる。

図１０は図１の回路構成に対し、リアクター５ａ、５ｂと整流器２との間に直列接続したコンデンサー５３および５４を挿入したものである。このコンデンサー５３、５４の中点をアースに接地する。これにより、コモンモードノイズが低減できる。

本発明の交流直流変換装置は、コンバータ電圧Ｖｃ*を正弦波状に出力することで入力電流を制御するものである。このコンバータ電圧Ｖｃ*は、３レベル上の電圧を出力する。この時、このコンバータ電圧Ｖｃ*の中性点と交流電源の電圧Ｖｓとの中性点が同じであれば、その間に発生する電位差は無くなり、コモンモード電圧は０となる。

しかしながら、両者の中性点間には必ずインピーダンスが存在するため、同電位となることは有り得ないため、コモンモード電圧が必ず発生する。そこで、交流電源１の中性点はほぼアースに接地されているので、コンバータ電圧Ｖｃ*の中性点とアースとのインピーダンスを極力抑制することにより、コモンモード電圧の発生を抑制することが出来る。

そこでコンバータ電圧Ｖｃ*の仮想中性点をコンデンサー５３および５４にて生成し、その中性点をアースに接地する。これにより、コモンモードでのインピーダンスが低下でき、交流電源１の中性点とコンバータ電圧Ｖｃ*の中性点との電位差が０となり、コモンモード電圧が低下できる。

以上より、本発明の交流直流変換装置に最適な回路を追加することにより、コモンモードノイズを低減し、ノイズフィルター強化なしで、発生ノイズを低減できる。

また、図１１および図１２に図１と異なる他の実施の形態の回路ブロック図を示す。図１１および図１２であっても前述と同様の効果を有することは言うまでも無い。更に言えば、図１１および図１２に図９、図１０の構成要素を付加しても前述と同等効果を有することは言うまでも無い。

さらに、図１、図１１、図１２に記載のスイッチング素子はＩＧＢＴにて記載しているが、スーパージャンクション構造のＭＯＳＦＥＴと称されるＭＯＳＦＥＴを用いることで、更なる低損失化を実現でき、高効率な交流直流変換装置を提供できる。尚、スーパージャンクション構造とは、通常のＭＯＳＦＥＴよりも深いＰ層を持つ構造であり、深いＰ層がｎ層と広く接することで低オン抵抗でありながら高い電圧耐力を有するものである。

また、スーパージャンクション構造ＭＯＳＦＥＴではなく、ＧａＮ（窒化ガリウム）やＳｉＣ（シリコンカーバイド）、ダイヤモンドなどのワイドバンドギャップ半導体で図１、１１、１２の回路を構成しても更なる低損失な交流直流変換装置を提供できることは言うまでも無い。さらに、ワイドバンドギャップ半導体を用いることで耐電圧性が高く、許容電流密度も高くなるため、ＭＯＳＦＥＴの小型化が可能であり、これらの素子を組み込んだ半導体モジュールの小型化が可能となる。耐熱性も高いため、ヒートシンクの放熱フィンの小型化も可能になる。

さらに、本発明の交流直流変換装置において、目的および効果を損なわない範囲においての回路構成の変更であれば、コモンモードノイズを低減する効果を有することは言うまでも無い。

本発明の活用例として、直流で電力消費を行う負荷向けの交流直流変換装置に利用可能である。特に、直流交流変換装置であるインバータの変換装置として利用でき、永久磁石電動機を駆動するインバータに適用することによる省エネの実現、安価でノイズの少ない交流直流変換装置の構成などから、空気調和機や冷凍機、洗濯乾燥機のほか、冷蔵庫、除湿器、ヒートポンプ式給湯機、ショーケース、掃除機など家電製品全般に適用可能であり、ファンモータや換気扇、手乾燥機などへの適用も可能である。

１ 交流電源、２ 整流器、３ 第１の双方向スイッチ手段、４ 第２の双方向スイッチ手段、５ リアクター、５ａ 第１のリアクター、５ｂ 第２のリアクター、６ 第１のコンデンサー、７ 第２のコンデンサー、８ 負荷、９ 仮想交流電源、１４ ノイズフィルター、２０ 制御手段、２１ 直流電圧検出器、２２ 入力電流検出器、２３ 電源電圧検出器。

Claims (13)

1. 一端が交流電源の各相毎に接続され、ほぼ同一のインピーダンスを有する複数のリアクターと、
   このリアクターの他端に接続された整流器と、
   この整流器の出力端子間に直列に接続された２つのコンデンサーと、
   前記整流器の一方の入力端子と前記コンデンサー間の接続点との間に挿入された第１の双方向スイッチと、
   前記整流器の他方の入力端子と前記コンデンサー間の接続点との間に挿入された第２の双方向スイッチと、
   前記コンデンサー間の電圧を検出する直流電圧検出器と、
   前記交流電源から入力される電流を検出する入力電流検出器と、
   前記交流電源の位相角もしくは瞬時電圧の少なくとも一方を検出する電源電圧検出器と、
   前記入力電流検出器と前記電源電圧検出器の各出力に基づいて前記整流器の出力端子間の直流電圧が所定の値となるように前記第１の双方向スイッチおよび前記第２の双方向スイッチの動作をＰＷＭ制御する制御手段と、を備え、
   前記複数のリアクター同士は互いに対向に配置されることを特長とする交流直流変換装置。
2. 前記複数のリアクターより発生する磁束がほぼ同一方向の磁気回路を形成するように鉄心を共用化したことを特長とする請求項１に記載の交流直流変換装置。
3. 前記複数のリアクターのコイルを同一周回方向に鉄心へ巻きつけてリアクターを構成することを特長とする請求項２に記載の交流直流変換装置。
4. 同一周回方向に巻かれたコイルを互い違いにコアへ挿入することにより回路との結線が交差しないように前記リアクターを構成することを特長とする請求項２に記載の交流直流変換装置。
5. 前記複数のリアクターより発生する磁束が互いに反対向きの磁気回路を形成するように鉄心を共用化したことを特長とする請求項１に記載の交流直流変換装置。
6. 前記複数のリアクターの内、隣接するリアクター同士のコイルを互いに向きが反対になるように周回方向に鉄心へ巻きつけてリアクターを構成することを特長とする請求項５に記載の交流直流変換装置。
7. 複数のコイルを挿入する鉄心形状をＥ形状２つにてリアクターを構成することを特長とする請求項２乃至６に記載の交流直流変換装置。
8. 前記複数のリアクターに対応して設けられ、一端が前記リアクターと前記交流電源との接続点に接続された複数のコンデンサーと、
   一端が前記複数のコンデンサーの内の第１のコンデンサーの他端に接続され他端が接地された１次側トランスと、一端が前記複数のコンデンサーの内の第２のコンデンサーの他端に接続され他端が接地され、前記１次側トランスとの間でコモンモード電流を相殺するよう構成された２次側トランスとを具備したことを特長とする請求項１乃至７のいずれかに記載の交流直流変換装置。
9. 前記整流器の入力端子間に直列接続されたコンデンサーと、
   前記直列接続されたコンデンサーの中点を接地することを特長とする請求項１乃至８のいずれかに記載の交流直流変換装置。
10. 前記電源電圧検出器は前記交流電源の位相を検出し、
    前記制御手段は、前記電源電圧検出器の出力と前記直流電圧指令値の差分をＰＩ制御して有効電流指令値を出力する第１のＰＩ制御器と、前記電源電圧検出器が検出した前記交流電源の位相に基づいて前記入力電流検出器の出力をＰＱ変換して有効電力用電流と無効電力用電流に分離するＰＱ変換器と、このＰＱ変換器によって分離された無効電力用電流が０になるようにＰＩ制御する第２のＰＩ制御器と、前記ＰＱ変換器によって分離された有効電力用電流が前記第１のＰＩ制御器から出力された有効電流指令値になるように制御する第３のＰＩ制御器と、前記電源電圧検出器が検出した前記交流電源の位相に基づいて前記第２のＰＩ制御器の出力と前記第３のＰＩ制御器の出力とを逆ＰＱ変換する逆ＰＱ変換器と、を備え、この逆ＰＱ変換器の出力に基づいて前記第１および第２の双方向スイッチの動作をＰＷＭ制御することを特長とする請求項１乃至９のいずれかに記載の交流直流変換装置。
11. 前記電源電圧検出器は前記交流電源の位相と電圧とを検出し、
    前記制御手段は、前記直流電圧検出器の出力と前記直流電圧指令の差分をＰＩ制御して電流指令値を算出し、算出された電流指令値と前記電源電圧検出器が検出した前記交流電源の電圧と前記リアクターのインダクタンスに基づいて前記リアクターによる電圧の遅れ位相と、前記リアクターの出力側電圧の振幅とを算出し、前記電源電圧検出器が検出した前記交流電源の位相に基づいて前記入力電流検出器の出力をＰＱ変換して無効電力用電流を出力し、前記リアクターの出力側電圧の振幅と前記無効電力用電流との差分を算出し、算出された差分と電源電圧検出器が検出した前記交流電源の位相と前記リアクターによる電圧の遅れ位相とに基づいて前記電源周波数の正弦波を生成し、この正弦波で前記第１および第２の双方向スイッチの動作をＰＷＭ制御することを特長とする請求項１乃至９のいずれかに記載の交流直流変換装置。
12. 前記第１の双方向スイッチと、第２の双方向スイッチに代えて、
    前記整流器の入力端子と入力端子が接続された第２の整流器と、
    第２の整流器の出力端子間に直列接続されたスイッチング素子と、
    直列接続されたスイッチング素子の中点と前記直列に接続された２つのコンデンサーの中点とを接続したことを特長とする請求項１乃至１１のいずれかに記載の交流直流変換装置。
13. 請求項１乃至１２のいずれかに記載の交流直流変換装置を空気調和機に搭載されている圧縮機を動作させるインバータ用の交流直流変換装置として使用することを特長とする空気調和機。

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