JP2016171680A - Power conversion device, air conditioner having the same, and power conversion method - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、交流電圧を直流電圧に変換する電力変換装置等に関する。 The present invention relates to a power conversion device that converts AC voltage to DC voltage.
電車、自動車、空気調和機等には、交流電圧を直流電圧に変換する電力変換装置(直流電源装置)が搭載されている。そして、電力変換装置から出力される直流電圧をインバータによって所定周波数の交流電圧に変換し、この交流電圧をモータ等の負荷に印加するようになっている。
このような電力変換装置において、高調波電流規制に準拠して高調波を抑制し、また、電力変換効率を高めて省エネルギ化を図ることが求められている。
Trains, automobiles, air conditioners, and the like are equipped with power conversion devices (DC power supply devices) that convert AC voltage to DC voltage. And the direct-current voltage output from a power converter device is converted into the alternating voltage of a predetermined frequency with an inverter, and this alternating voltage is applied to loads, such as a motor.
In such a power conversion device, it is required to suppress harmonics in accordance with the harmonic current regulation, and to improve power conversion efficiency to save energy.
例えば、特許文献1には、全波整流回路を構成するダイオードのうち2個のダイオードをMOSFETで置き換えた整流回路と、各MOSFETを駆動するMOSFET駆動手段と、を備える電力変換装置について記載されている。
なお、特許文献1に記載の技術では、交流電源の電圧が正の半サイクルの期間中、一方のMOSFETはオン状態に保たれ、他方のMOSFETはオフ状態に保たれる。また、交流電源の電圧が負の半サイクルの期間中、一方のMOSFETはオフ状態に保たれ、他方のMOSFETはオン状態に保たれる。
For example,
In the technique described in
ところで、負荷の消費電力が大きい高負荷領域ではMOSFETに大きな電流が流れ、その損失(つまり、発熱量)は電流の2乗に比例して増大する。さらに、MOSFETには、高温になるほどオン抵抗が大きくなるという特性がある。
特許文献1に記載の技術では、MOSFETに流れる電流の大きさに関わらず、MOSFETのオン/オフが一律に制御される。したがって、MOSFETの温度上昇とオン抵抗の増加とが相まって、エネルギ効率の低下を招いたり、MOSFETの素子破壊が生じたりする可能性がある。
By the way, in a high load region where the power consumption of the load is large, a large current flows through the MOSFET, and the loss (that is, the amount of generated heat) increases in proportion to the square of the current. Further, the MOSFET has a characteristic that the on-resistance increases as the temperature increases.
In the technique described in
そこで、本発明は、高効率かつ信頼性の高い電力変換装置等を提供することを課題とする。 Then, this invention makes it a subject to provide a highly efficient and highly reliable power converter device etc.
前記課題を解決するために、本発明は、交流電源の電圧の極性に同期してスイッチング素子をオン/オフすることで、平滑コンデンサを介して電流を流す同期整流制御と、リアクトルを介した短絡電流の経路に含まれるスイッチング素子をスイッチングする制御と、を負荷検出部の検出値に基づいて切り換えることを特徴とする。
なお、詳細については、発明を実施するための形態において説明する。
In order to solve the above-described problems, the present invention provides a synchronous rectification control in which a current is passed through a smoothing capacitor by turning on / off a switching element in synchronization with the polarity of the voltage of an AC power supply, and a short circuit via a reactor. The control for switching the switching element included in the current path is switched based on the detection value of the load detection unit.
Details will be described in an embodiment for carrying out the invention.
本発明によれば、高効率かつ信頼性の高い電力変換装置等を提供できる。 ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, a highly efficient and highly reliable power converter device etc. can be provided.
≪第1実施形態≫
<電力変換装置の構成>
図1は、第1実施形態に係る電力変換装置1の構成図である。
電力変換装置1は、交流電源Gから供給される交流電圧を直流電圧に変換し、この直流電圧を負荷H(インバータ、モータ等)に出力するコンバータである。電力変換装置1は、その入力側が交流電源Gに接続され、出力側が負荷Hに接続されている。
<< First Embodiment >>
<Configuration of power converter>
FIG. 1 is a configuration diagram of a
The
図1に示すように、電力変換装置1は、整流回路Dと、リアクトルL1と、平滑コンデンサC1と、スイッチング素子Q3,Q4と、電流検出部11と、電流比較部12と、交流電圧検出部13と、ゼロクロス判定部14と、負荷検出部15と、負荷比較部16と、直流電圧検出部17と、コンバータ制御部18と、を備えている。
As shown in FIG. 1, the
整流回路Dは、交流電源Gから配線ha,hbを介して流れる電流を全波整流するダイオードブリッジ回路である。整流回路Dは、ブリッジ形に接続された4個のダイオードD1〜D4を有している。 The rectifier circuit D is a diode bridge circuit that full-wave rectifies the current flowing from the AC power supply G through the wirings ha and hb. The rectifier circuit D has four diodes D1 to D4 connected in a bridge shape.
ダイオードD1のアノードは、ダイオードD3のカソードに接続され、その接続点P1は配線haを介して交流電源Gに接続されている。なお、配線haは、その一端が交流電源Gに接続され、他端が前記した接続点P1に接続されている。
ダイオードD2のアノードは、ダイオードD4のカソードに接続され、その接続点P2は配線hbを介して交流電源Gに接続されている。なお、配線hbは、その一端が交流電源Gに接続され、他端が前記した接続点P2に接続されている。
The anode of the diode D1 is connected to the cathode of the diode D3, and the connection point P1 is connected to the AC power supply G via the wiring ha. The wiring ha has one end connected to the AC power source G and the other end connected to the connection point P1.
The anode of the diode D2 is connected to the cathode of the diode D4, and the connection point P2 is connected to the AC power source G via the wiring hb. The wiring hb has one end connected to the AC power supply G and the other end connected to the connection point P2.
リアクトルL1は、交流電源Gから供給される電力をエネルギとして蓄え、さらにこのエネルギを放出することで昇圧を行うものである。リアクトルL1は、交流電源Gと整流回路Dとを接続する配線haに設けられている。
平滑コンデンサC1は、整流回路Dから印加される電圧を平滑化して直流電圧にするものであり、配線hc,hdを介して整流回路Dの出力側に接続されている。すなわち、平滑コンデンサC1は、その正側がダイオードD1,D2のカソードに接続され、負側がダイオードD3,D4のアノードに接続されている。
The reactor L1 stores electric power supplied from the AC power source G as energy, and further boosts the energy by releasing this energy. The reactor L1 is provided on the wiring ha that connects the AC power supply G and the rectifier circuit D.
The smoothing capacitor C1 smoothes the voltage applied from the rectifier circuit D to obtain a DC voltage, and is connected to the output side of the rectifier circuit D via the wirings hc and hd. That is, the smoothing capacitor C1 has a positive side connected to the cathodes of the diodes D1 and D2, and a negative side connected to the anodes of the diodes D3 and D4.
スイッチング素子Q3,Q4は、例えば、MOSFET(Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor)であり、後記するコンバータ制御部18からの指令によってオン/オフが制御される。なお、スイッチング素子Q3,Q4としてMOSFETを用いることで、消費電力を低減できるとともに、スイッチングを高速で行うことができるという利点がある。
The switching elements Q3 and Q4 are, for example, MOSFETs (Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistors), and are controlled to be turned on / off by a command from the
一方のスイッチング素子Q3は、ダイオードD3に並列接続されている。より具体的には、スイッチング素子Q3(MOSFET)のソースが、ダイオードD3のアノードに接続され、ドレインがダイオードD3のカソードに接続されている。
他方のスイッチング素子Q4は、ダイオードD4に並列接続されている(ダイオードD4との接続関係については、スイッチング素子Q3と同様)。
One switching element Q3 is connected in parallel to the diode D3. More specifically, the source of the switching element Q3 (MOSFET) is connected to the anode of the diode D3, and the drain is connected to the cathode of the diode D3.
The other switching element Q4 is connected in parallel to the diode D4 (the connection relationship with the diode D4 is the same as that of the switching element Q3).
スイッチング素子Q3は、その内部に寄生ダイオードD31を有している。寄生ダイオードD31は、スイッチング素子Q3(MOSFET)のソースとドレインとの間に存在するpn接合の部分である。同様に、スイッチング素子Q4は、その内部に寄生ダイオードD41を有している。 The switching element Q3 has a parasitic diode D31 therein. The parasitic diode D31 is a pn junction portion that exists between the source and drain of the switching element Q3 (MOSFET). Similarly, the switching element Q4 has a parasitic diode D41 therein.
なお、スイッチング素子Q3に並列接続されるダイオードD3としては、その順方向電圧が、スイッチング素子Q3の寄生ダイオードD31の順方向電圧よりも小さいものを選定することが好ましい。これによって、スイッチング素子Q3のオフ時に、損失の大きい寄生ダイオードD31を流れる電流を低減し、スイッチング素子Q3の発熱を抑制できる。スイッチング素子Q4に並列接続されるダイオードD4に関しても、同様のことがいえる。 As diode D3 connected in parallel to switching element Q3, a diode whose forward voltage is smaller than the forward voltage of parasitic diode D31 of switching element Q3 is preferably selected. Thereby, when the switching element Q3 is turned off, the current flowing through the parasitic diode D31 having a large loss can be reduced, and the heat generation of the switching element Q3 can be suppressed. The same can be said for the diode D4 connected in parallel to the switching element Q4.
電流検出部11(負荷検出部)は、配線ha,hbを介して流れる電流(負荷)を検出するものであり、配線hbに設けられている。なお、図1では、電流検出部11としてトランスを用いる場合を示したが、シャント抵抗、ホール素子等を用いてもよい。
電流比較部12は、電流検出部11の検出値と、所定の閾値と、の大小を比較するコンパレータ(比較器)である。なお、電流検出部11の検出値と比較される閾値については後記する。電流比較部12は、その比較結果をコンバータ制御部18に出力する。
The current detection unit 11 (load detection unit) detects a current (load) flowing through the wirings ha and hb, and is provided in the wiring hb. Although FIG. 1 shows the case where a transformer is used as the
The
交流電圧検出部13は、交流電源Gから印加される交流電圧を検出するものであり、配線ha,hbに接続されている。交流電圧検出部13は、その検出値をゼロクロス判定部14に出力する。
ゼロクロス判定部14は、交流電圧検出部13によって検出される交流電圧の値に関して、その正負が切り替わったか(つまり、ゼロクロス点に達したか)否かを判定する機能を有している。例えば、ゼロクロス判定部14は、電源電圧が正の期間中にはコンバータ制御部18に‘1’の信号を出力し、電源電圧が負の期間中にはコンバータ制御部18に‘0’の信号を出力する。
The
The zero
負荷検出部15は、例えば、シャント抵抗であり、負荷Hに供給される電流(負荷)を検出する機能を有している。なお、負荷Hがモータである場合、負荷検出部15によってモータの回転速度を検出し、この回転速度から電流値(負荷)を推定するようにしてもよい。負荷検出部15は、その検出値を負荷比較部16に出力する。
The
負荷比較部16は、負荷検出部15の検出値と、所定閾値と、の大小を比較するコンパレータ(比較器)である。なお、負荷検出部15の検出値と比較される閾値については後記する。負荷比較部16は、その比較結果をコンバータ制御部18に出力する。
The
直流電圧検出部17は、平滑コンデンサC1の電圧(直流電圧)を検出するものであり、その正側が配線hcに接続され、負側が配線hdに接続されている。直流電圧検出部17は、その検出値をコンバータ制御部18に出力する。なお、直流電圧検出部17の検出値は、負荷Hに印加される電圧値が所定の目標値に達しているか否かの判定に用いられる。
The
コンバータ制御部18は、例えば、マイコン(Microcomputer:図示せず)であり、ROM(Read Only Memory)に記憶されたプログラムを読み出してRAM(Random Access Memory)に展開し、CPU(Central Processing Unit)が各種処理を実行するようになっている。コンバータ制御部18は、電流比較部12、ゼロクロス判定部14、負荷比較部16、及び直流電圧検出部17から入力される情報に基づいて、スイッチング素子Q1〜Q4のオン/オフを制御する。なお、コンバータ制御部18が実行する処理については後記する。
The
<電力変換装置の制御モード>
図2は、運転領域、負荷状態、制御モード、及び主目的の対応関係をまとめた表である。電力変換装置1の運転領域は、負荷(例えば、電流検出部11の検出値:図1参照)の大きさに基づいて「定常領域」と、「保護領域」と、に分けられている。ここで、「定常領域」とは、電力変換装置1を含む機器が正常に運転しているときの運転領域である。「保護領域」とは、負荷変動等によって電力変換装置1に流れる電流が異常に大きくなったときの運転領域である。次に、図2に示す負荷状態について、図3を参照しつつ説明する。
<Control mode of power converter>
FIG. 2 is a table summarizing the correspondence relationship between the operation area, the load state, the control mode, and the main purpose. The operation region of the
図3は、各負荷状態の大小関係を示す説明図である。図3に示すように、「定常領域」よりも「保護領域」の方が負荷が大きくなっており、各領域が閾値I2(第2閾値)で分けられている。
「定常領域」は、負荷の大きさに基づいて「軽負荷(中間)」、「軽負荷(定格)」、「中負荷」、及び「高負荷」の負荷状態に分けられている。なお、図3では図示を省略したが、電源投入を行った直後の過渡的な負荷状態である「電源投入時」(図2参照)も「定常領域」に含まれる。
図3に示すように、「軽負荷(中間)」、「軽負荷(定格)」、「中負荷」、及び「高負荷」の順に負荷が大きくなっており、「軽負荷(中間)」と「軽負荷(定格)」とは閾値I1(第1閾値)で分けられている。
FIG. 3 is an explanatory diagram showing the magnitude relationship of each load state. As shown in FIG. 3, the load is greater in the “protection area” than in the “steady area”, and each area is divided by a threshold value I2 (second threshold value).
The “steady region” is divided into “light load (intermediate)”, “light load (rated)”, “medium load”, and “high load” based on the magnitude of the load. Although not shown in FIG. 3, the “steady region” also includes “at power-on” (see FIG. 2), which is a transient load state immediately after power-on.
As shown in FIG. 3, the load increases in the order of “light load (intermediate)”, “light load (rated)”, “medium load”, and “high load”. “Light load (rated)” is divided by a threshold value I1 (first threshold value).
ちなみに、実際には「軽負荷(定格)」、「中負荷」、及び「高負荷」も閾値で分けられ、負荷状態に応じてきめ細かい制御が行われるが、本実施形態ではこれらを一括して閾値I1以上かつ閾値I2未満の領域として扱うものとする。 Incidentally, “light load (rated)”, “medium load”, and “high load” are actually divided by threshold values and fine control is performed according to the load state. Assume that the region is greater than or equal to the threshold value I1 and less than the threshold value I2.
図2に示す「電源投入時」は、前記したように、電源投入直後の過渡的な負荷状態であり、スイッチング素子Q3,Q4(図1参照)はオフ状態になっている。
「軽負荷(中間)」は、負荷が比較的小さい領域であり、中間領域とも呼ばれている。ちなみに、空気調和機(ルームエアコン)では、この「軽負荷(中間)」での低損失化・高効率化が、APF(Annual Performance Factor)の向上に大きく影響する。本実施形態では、「軽負荷(中間)」において同期整流制御を行うことで、電力変換装置1の高効率化を図るようにした。なお、同期整流制御については後記する。
2 is a transient load state immediately after the power is turned on, as described above, and the switching elements Q3 and Q4 (see FIG. 1) are in the off state.
“Light load (intermediate)” is an area where the load is relatively small, and is also called an intermediate area. By the way, in air conditioners (room air conditioners), the low loss and high efficiency of this “light load (intermediate)” greatly affect the improvement of APF (Annual Performance Factor). In the present embodiment, synchronous rectification control is performed at “light load (intermediate)” to increase the efficiency of the
「軽負荷(定格)」は、負荷が比較的大きい領域であり、定格領域とも呼ばれている。この「軽負荷(定格)」における運転効率も、前記した「軽負荷(中間)」と同様、空気調和機のAPFに大きく影響する。
「中負荷」及び「高負荷」は、「軽負荷(定格)」よりも負荷が大きい領域である。特に「高負荷」の領域では、電力変換装置1が正常に駆動する範囲内において、出力が最大限になっている。
「軽負荷(定格)」、「中負荷」、及び「高負荷」の領域では、高効率動作、高調波の抑制、及び昇圧を主目的として、同期整流・回路短絡制御が行われる。なお、同期整流・回路短絡制御については後記する。
“Light load (rated)” is a region where the load is relatively large, and is also called a rated region. The operating efficiency at this “light load (rated)” also greatly affects the APF of the air conditioner, as with the above “light load (intermediate)”.
“Medium load” and “High load” are regions where the load is larger than “Light load (rated)”. In particular, in the “high load” region, the output is maximized within the range in which the
In the “light load (rated)”, “medium load”, and “high load” regions, synchronous rectification and short circuit control are performed mainly for high-efficiency operation, harmonic suppression, and boosting. The synchronous rectification / circuit short-circuit control will be described later.
「第1保護領域」は、負荷変動等によって回路内に流れる電流が異常に大きくなったときの負荷状態である。負荷の大きさが「第1保護領域」に含まれる場合、回路短絡制御が実行される。なお、回路短絡制御については後記する。
「第2保護領域」は、「第1保護領域」よりも負荷が大きい領域である。すなわち、「第2保護領域」は、「第1保護領域」で回路短絡制御を行ってもスイッチング素子Q3,Q4の温度が下がらなかったり、負荷変動が収まらず電流が更に大きくなったりしたときの負荷状態である。この場合、スイッチング素子Q3,Q4の破壊を防止するために、負荷H(モータ)が減速又は停止される。
「第1保護領域」と「第2保護領域」とは、図3に示すように、閾値I3(第3閾値)で分けられている。
The “first protection region” is a load state when the current flowing in the circuit becomes abnormally large due to load fluctuation or the like. When the magnitude of the load is included in the “first protection region”, the circuit short-circuit control is executed. Circuit short-circuit control will be described later.
The “second protection area” is an area having a larger load than the “first protection area”. That is, the “second protection region” is a case where the temperature of the switching elements Q3 and Q4 does not decrease even when the circuit short-circuit control is performed in the “first protection region”, or the current does not settle and the current further increases. Load condition. In this case, the load H (motor) is decelerated or stopped in order to prevent the switching elements Q3 and Q4 from being destroyed.
As shown in FIG. 3, the “first protection area” and the “second protection area” are separated by a threshold value I3 (third threshold value).
なお、閾値の個数(図3では、閾値I1,I2,I3の3個)や、閾値の大きさは、事前の実験やシミュレーションに基づいて適宜設定される。
また、負荷状態の判定には、電流検出部11(図1参照)の検出値を用いてもよいし、負荷検出部15(図1参照)の検出値を用いてもよい。例えば、負荷H(図1参照)がインバータやモータを含む場合、負荷検出部15によって検出される電流値やモータの回転速度等が負荷として検出される。そして、この負荷が、図3に示す各領域のいずれに含まれるかが、負荷比較部16(図1参照)によって特定される。
以下では、一例として、電流検出部11(図1参照)の検出値に基づいて負荷状態(図2参照)を特定する場合について説明する。
Note that the number of threshold values (three threshold values I1, I2, and I3 in FIG. 3) and the magnitude of the threshold values are appropriately set based on prior experiments and simulations.
Further, for the determination of the load state, the detection value of the current detection unit 11 (see FIG. 1) may be used, or the detection value of the load detection unit 15 (see FIG. 1) may be used. For example, when the load H (see FIG. 1) includes an inverter and a motor, the current value detected by the
Below, the case where a load state (refer FIG. 2) is specified based on the detected value of the electric current detection part 11 (refer FIG. 1) as an example is demonstrated.
<電力変換装置の動作>
図4は、電力変換装置1が実行する処理を示すフローチャートである。
ステップS101において電力変換装置1は、外部(例えば、リモコン)から電源投入の指令が入力されたか否かを判定する。電源投入の指令が入力された場合(S101:Yes)、電力変換装置1の処理はステップS102に進む。一方、電源投入の指令が入力されていない場合(S101:No)、電力変換装置1はステップS101の処理を繰り返す。
ステップS102において電力変換装置1は、電源投入を行う。
<Operation of power converter>
FIG. 4 is a flowchart illustrating processing executed by the
In step S101, the
In step S102, the
(1.電源投入時)
図5は、電源投入時において、電源電圧が正の半サイクルに含まれるときの電流の流れを示す説明図である。電源投入の瞬間はスイッチング素子Q3,Q4に駆動信号が入力されないため、スイッチング素子Q3,Q4はオフ状態になっている。また、電源投入前は平滑コンデンサC1に電荷がチャージされていないため、電源を投入した瞬間に突入電流が流れる。この突入電流によって素子破壊が起こらないよう、電流容量に余裕を持たせてスイッチング素子Q3,Q4を選定することが好ましい。
(1. When power is turned on)
FIG. 5 is an explanatory diagram showing the flow of current when the power supply voltage is included in the positive half cycle when the power is turned on. Since no drive signal is input to the switching elements Q3 and Q4 at the moment of turning on the power, the switching elements Q3 and Q4 are in the off state. Further, since the electric charge is not charged in the smoothing capacitor C1 before the power is turned on, an inrush current flows at the moment when the power is turned on. It is preferable to select the switching elements Q3 and Q4 with a sufficient current capacity so that element breakdown does not occur due to this inrush current.
電源電圧が正の半サイクルの期間では、図5の矢印で示す向きに電流が流れる。すなわち、交流電源G→リアクトルL1→ダイオードD1→平滑コンデンサC1→ダイオードD4及びスイッチング素子Q4(寄生ダイオードD41)→交流電源Gの順に電流が流れる。なお、平滑コンデンサC1の負側からの電流は、ダイオードD4と寄生ダイオードD41とに分流する。 During the period of the positive half cycle of the power supply voltage, a current flows in the direction indicated by the arrow in FIG. That is, current flows in the order of AC power supply G → reactor L1 → diode D1 → smoothing capacitor C1 → diode D4 and switching element Q4 (parasitic diode D41) → AC power supply G. The current from the negative side of the smoothing capacitor C1 is shunted to the diode D4 and the parasitic diode D41.
図4のステップS103において電力変換装置1は、電流比較部12によって、電流検出部11の検出値I(負荷)を読み込む。
ステップS104において電力変換装置1は、ステップS103で読み込んだ検出値Iが閾値I2(第2閾値)未満であるか否かを判定する。つまり、電力変換装置1は、電流の検出値Iが「定常領域」(図3参照)に含まれるか否かを判定する。
In step S <b> 103 of FIG. 4, the
In step S104, the
入力電流が閾値I2未満である場合(S104:Yes)、電力変換装置1の処理はステップS105に進む。
ステップS105において電力変換装置1は、ステップS103で読み込んだ検出値Iが閾値I1(第1閾値)未満であるか否かを、電流比較部12によって判定する。つまり、電力変換装置1は、電流の検出値Iが「軽負荷(中間)」(図3参照)の領域に含まれるか否かを判定する。
When the input current is less than the threshold value I2 (S104: Yes), the process of the
In step S105, the
検出値Iが閾値I1未満である場合(S105:Yes)、電力変換装置1の処理はステップS106に進む。
ステップS106において電力変換装置1は、コンバータ制御部18によって同期整流制御を実行する。ここで、同期整流制御とは、交流電源Gの電圧の極性に同期してスイッチング素子Q3,Q4をオン/オフすることで、平滑コンデンサC1を介して電流を流す制御である。
When the detection value I is less than the threshold value I1 (S105: Yes), the process of the
In step S <b> 106, the
(2.同期整流制御)
図6は、同期整流制御時(軽負荷(中間)時)における電源電圧、配線ha,hb等を流れる回路電流、及びスイッチング素子Q3,Q4の駆動パルスの時間的変化を示す説明図である。
電源電圧が正の半サイクルの期間において(図6(a)参照)、コンバータ制御部18は、スイッチング素子Q3をオフ状態にし(図6(c)参照)、スイッチング素子Q4をオン状態にする(図6(d)参照)。電源電圧が負の半サイクルの期間では、スイッチング素子Q3,Q4のオン/オフが入れ替わる。このように、電源電圧のゼロクロス点に同期してスイッチング素子Q3,Q4が交互にオン/オフされる。
ちなみに、交流電源Gの電圧の極性(正/負)は、ゼロクロス判定部14によって判定される。
(2. Synchronous rectification control)
FIG. 6 is an explanatory diagram showing temporal changes in the power supply voltage, the circuit current flowing through the wirings ha and hb, and the driving pulses of the switching elements Q3 and Q4 during synchronous rectification control (light load (intermediate)).
During the period of the positive half cycle of the power supply voltage (see FIG. 6A),
Incidentally, the polarity (positive / negative) of the voltage of the AC power supply G is determined by the zero
図7は、同期整流制御時(軽負荷(中間)時)において、電源電圧が正の半サイクルに含まれるときの電流の流れを示す説明図である。図7の矢印で示すように、電源電圧が正の半サイクルの期間では、交流電源G→リアクトルL1→ダイオードD1→平滑コンデンサC1→スイッチング素子Q4→交流電源Gの順に電流が流れる。 FIG. 7 is an explanatory diagram showing the flow of current when the power supply voltage is included in the positive half cycle during synchronous rectification control (light load (intermediate)). As indicated by an arrow in FIG. 7, current flows in the order of AC power supply G → reactor L1 → diode D1 → smoothing capacitor C1 → switching element Q4 → AC power supply G in the period of the positive half cycle of the power supply voltage.
なお、スイッチング素子Q4とダイオードD4とが並列接続されているが、スイッチング素子Q4がオンすることで、電圧ドロップ(電圧降下)の小さいスイッチング素子Q4側に電流が流れる。つまり、電圧ドロップの大きいダイオードD4には電流がほとんど流れないため、低損失化・高効率化を図ることができる。 Although the switching element Q4 and the diode D4 are connected in parallel, when the switching element Q4 is turned on, a current flows to the switching element Q4 side where the voltage drop (voltage drop) is small. In other words, since almost no current flows through the diode D4 having a large voltage drop, it is possible to achieve low loss and high efficiency.
なお、仮にリアクトルL1(図7参照)を設けない構成にすると、交流電圧が平滑コンデンサC1(図7参照)の電圧を超える短い期間だけ電流が流れるため、電流は鋭く尖った波形になって力率が低くなる。これに対して本実施形態では、リアクトルL1を設けることで、図6(b)に示すように通電区間を延ばして力率を改善できる。 If the reactor L1 (see FIG. 7) is not provided, the current flows only during a short period in which the AC voltage exceeds the voltage of the smoothing capacitor C1 (see FIG. 7). The rate is lowered. On the other hand, in this embodiment, by providing the reactor L1, as shown in FIG.6 (b), an energization area can be extended and a power factor can be improved.
図4のステップS106で同期整流制御を行った後、電力変換装置1の処理はステップS107に進む。ステップS107において電力変換装置1は、外部(例えば、リモコン)から停止指令が入力されたか否かを判定する。
外部から停止指令が入力された場合(S107:Yes)、電力変換装置1は直流電力の供給を停止し(S108)、処理を終了する(END)。一方、外部から停止指令が入力されていない場合(S107:No)、電力変換装置1の処理はステップS103に戻る。
After performing the synchronous rectification control in step S106 of FIG. 4, the process of the
When a stop command is input from the outside (S107: Yes), the
また、ステップS105において電流の検出値Iが閾値I1以上である場合(S105:No,I1≦I<I2)、つまり、電流の検出値Iが「軽負荷(定格)」、「中負荷」、及び「高負荷」(図3参照)のいずれかに含まれる場合、電力変換装置1の処理はステップS109に進む。
ステップS109において電力変換装置1は、コンバータ制御部18によって同期整流・回路短絡制御を実行する。ここで、同期整流・回路短絡制御とは、リアクトルL1を介した短絡電流の経路(図9参照)に含まれるスイッチング素子Q3,Q4の一方をオン状態とし、他方をスイッチングする制御である。なお、「短絡電流」とは、交流電源Gから平滑コンデンサC1を介さずに流れて、交流電源Gに戻る電流である。
When the detected current value I is greater than or equal to the threshold value I1 in step S105 (S105: No, I1 ≦ I <I2), that is, the detected current value I is “light load (rated)”, “medium load”, And “high load” (see FIG. 3), the process of the
In step S <b> 109, the
(3.同期整流・回路短絡制御)
図8は、同期整流・回路短絡制御時(軽負荷(定格)、中負荷、高負荷時)における電源電圧、配線ha,hb等を流れる回路電流、及びスイッチング素子Q3,Q4の駆動パルスの時間的変化を示す説明図である。なお、同期整流・回路短絡制御時ではスイッチング素子Q3,Q4が交互にスイッチングされる点が(図8(c)、(d)参照)、前記した同期整流制御(図6(c)、(d)参照)と異なっている。
(3. Synchronous rectification and short circuit control)
FIG. 8 shows the power supply voltage, the circuit current flowing through the wirings ha, hb, etc., and the drive pulse time of the switching elements Q3, Q4 at the time of synchronous rectification / circuit short-circuit control (light load (rated), medium load, high load). It is explanatory drawing which shows a change. In the synchronous rectification / circuit short-circuit control, the switching elements Q3 and Q4 are alternately switched (see FIGS. 8C and 8D), and the above-described synchronous rectification control (see FIGS. 6C and 6D). ))).
電源電圧が正の半サイクルの期間において(図8(a)参照)、コンバータ制御部18は、スイッチング素子Q3を所定回数・所定パルス幅でオン/オフしてスイッチングし(図8(c)参照)、スイッチング素子Q4をオン状態にする(図8(d)参照)。
また、電源電圧が負の半サイクルの期間において(図8(a)参照)、コンバータ制御部18は、スイッチング素子Q3をオン状態にし(図8(c)参照)、スイッチング素子Q4をスイッチングする(図8(d)参照)。
During the period of the positive half cycle of the power supply voltage (see FIG. 8A), the
Further, during the period of the half cycle in which the power supply voltage is negative (see FIG. 8A),
なお、本実施形態では、一例として、電源電圧の正負が切り替わった直後にオン/オフを2回繰り返してスイッチングする場合を示したが(図8(c)、(d)参照)、スイッチングのタイミング、回数等は適宜設定できる。 In the present embodiment, as an example, a case where switching is performed by repeatedly turning on / off twice immediately after the positive / negative of the power supply voltage is switched (see FIGS. 8C and 8D) is shown. The number of times can be set as appropriate.
図9は、同期整流・回路短絡制御時(軽負荷(定格)、中負荷、高負荷時)において、電源電圧が正の半サイクルに含まれるときの電流の流れを示す説明図である。
電源電圧の正の半サイクルの期間においてスイッチング素子Q3がオン状態になっているときには(図8(c)参照)、図9の矢印で示す力率改善電流Is(短絡電流)が流れる。すなわち、交流電源G→リアクトルL1→スイッチング素子Q3→スイッチング素子Q4→交流電源Gの順に力率改善電流Isが流れる。
FIG. 9 is an explanatory diagram showing the flow of current when the power supply voltage is included in the positive half cycle during synchronous rectification / circuit short-circuit control (light load (rated), medium load, and high load).
When the switching element Q3 is in the ON state during the positive half cycle period of the power supply voltage (see FIG. 8C), the power factor correction current Is (short circuit current) indicated by the arrow in FIG. 9 flows. That is, the power factor correction current Is flows in the order of AC power supply G → reactor L1 → switching element Q3 → switching element Q4 → AC power supply G.
このように力率改善電流Isが流れることで、電流波形の歪みの程度を小さくし、電流波形を正弦波に近づけることができる(図8(b)参照)。つまり、電力変換装置1の力率を改善できる。また、電流波形を正弦波に近づけることで、回路電流に含まれる高調波を抑制することができる。
なお、スイッチング時のディレイ(正負の切替りからスイッチング開始までの遅れ時間)やオン時間を調整することで、回路電流の位相を調整できる。
As the power factor correction current Is flows in this way, the degree of distortion of the current waveform can be reduced, and the current waveform can be made closer to a sine wave (see FIG. 8B). That is, the power factor of the
Note that the phase of the circuit current can be adjusted by adjusting the delay at the time of switching (delay time from switching between positive and negative to the start of switching) and the on-time.
また、リアクトルL1及びスイッチング素子Q3,Q4を介して力率改善電流Isが流れることで、直流電圧(平滑コンデンサC1の電圧)の昇圧を行うこともできる。リアクトルL1のインダクタンスをLsとすると、力率改善電流IsがリアクトルL1に流れた場合、リアクトルL1にはPL=1/2*Ls*Is2で表されるエネルギが蓄えられる。
例えば、電源電圧が正の半サイクルの期間では、スイッチング素子Q3,Q4をオンすることで、力率改善電流Isが流れてリアクトルL1にエネルギが蓄えられる。その後、スイッチング素子Q3をオフすると、リアクトルL1に蓄えられたエネルギによって平滑コンデンサC1に電流が流れ、平滑コンデンサC1の直流電圧が昇圧される。
Further, the DC voltage (the voltage of the smoothing capacitor C1) can be boosted by the power factor correction current Is flowing through the reactor L1 and the switching elements Q3 and Q4. When the inductance of the reactor L1 and Ls, if power factor correction current Is flows through the reactor L1, the reactor L1 is stored the energy represented by P L = 1/2 * Ls * Is 2.
For example, during the period of the positive half cycle of the power supply voltage, by turning on the switching elements Q3 and Q4, the power factor correction current Is flows and energy is stored in the reactor L1. Thereafter, when switching element Q3 is turned off, a current flows through smoothing capacitor C1 due to the energy stored in reactor L1, and the DC voltage of smoothing capacitor C1 is boosted.
このように、同期整流・回路短絡制御によって、力率の改善、高調波の抑制、及び昇圧を行うことができる。また、電源電圧が正の半サイクルの期間では、スイッチング素子Q4がオン状態に保たれるため(図8(d)参照)、電流はダイオードD4を迂回してスイッチング素子Q4に流れる。したがって、ダイオードD4で大きな損失を生じることがなく、電力変換装置1の高効率化を図ることもできる。
Thus, the power factor can be improved, the harmonics can be suppressed, and the voltage can be boosted by the synchronous rectification / circuit short-circuit control. Further, since the switching element Q4 is kept in the ON state during the period of the positive half cycle of the power supply voltage (see FIG. 8D), the current flows to the switching element Q4 bypassing the diode D4. Therefore, a large loss does not occur in the diode D4, and the efficiency of the
再び、図4に戻って説明を続ける。ステップS109で同期整流・回路短絡制御を行った後、電力変換装置1の処理はステップS107に進む。
また、ステップS104において電流の検出値Iが閾値I2以上である場合(S104:No)、つまり、電流の検出値Iが「保護領域」(図3参照)に含まれる場合、電力変換装置1の処理はステップS110に進む。
Returning again to FIG. 4, the description will be continued. After performing synchronous rectification and circuit short-circuit control in step S109, the process of the
When the detected current value I is greater than or equal to the threshold value I2 in step S104 (S104: No), that is, when the detected current value I is included in the “protection area” (see FIG. 3), The process proceeds to step S110.
ステップS110において電力変換装置1は、電流比較部12によって、電流の検出値Iが閾値I3(第3閾値)未満であるか否か、つまり、電流の検出値Iが「第1保護領域」(図3参照)に含まれるか否かを判定する。電流の検出値Iが閾値I3未満である場合(S110:Yes,I2≦I<I3)、電力変換装置1の処理はステップS111に進む。一方、電流の検出値Iが閾値I3以上である場合(S110:No)、電力変換装置1の処理は、後記するステップS113に進む。
In step S110, the
ステップS111において電力変換装置1は、コンバータ制御部18によって回路短絡制御を実行する。ここで、回路短絡制御とは、リアクトルL1を介した短絡電流の経路(図11参照)に含まれるスイッチング素子Q3,Q4の一方をオフ状態とし、他方をスイッチングする制御である。
In step S <b> 111, the
(4.回路短絡制御)
図10は、回路短絡制御時(第1保護領域)における電源電圧、配線ha,hb等を流れる回路電流、及びスイッチング素子Q3,Q4の駆動パルスの時間的変化を示す説明図である。なお、電源電圧の正の半サイクルでスイッチング素子Q4がオフ状態に(図10(d)参照)、負の半サイクルでスイッチング素子Q3がオフ状態(図10(c)参照)になっている点が、同期整流・回路短絡制御の場合(図8(c)、(d)参照)と異なっている。
(4. Short circuit control)
FIG. 10 is an explanatory diagram showing temporal changes in the power supply voltage, the circuit current flowing through the wirings ha and hb, and the drive pulses of the switching elements Q3 and Q4 during the circuit short-circuit control (first protection region). The switching element Q4 is turned off in the positive half cycle of the power supply voltage (see FIG. 10D), and the switching element Q3 is turned off in the negative half cycle (see FIG. 10C). However, this is different from the case of synchronous rectification / circuit short-circuit control (see FIGS. 8C and 8D).
電源電圧が正の半サイクルの期間において(図10(a)参照)、コンバータ制御部18は、スイッチング素子Q3を所定回数・所定パルス幅でオン/オフしてスイッチングし(図10(c)参照)、スイッチング素子Q4をオフ状態にする(図10(d)参照)。
また、電源電圧が負の半サイクルの期間において(図10(a)参照)、コンバータ制御部18は、スイッチング素子Q3をオフ状態にし(図10(c)参照)、スイッチング素子Q4をスイッチングする(図10(d)参照)。
During the period of the positive half cycle of the power supply voltage (see FIG. 10A), the
Further, during the period of the half cycle in which the power supply voltage is negative (see FIG. 10A),
図11は、回路短絡制御時(第1保護領域)において、電源電圧が正の半サイクルに含まれるときの電流の流れを示す説明図である。電源電圧の正の半サイクルの期間において、スイッチング素子Q3がオンになっているとき(図10(c)参照)、図11の矢印で示す向きに電流(短絡電流)が流れる。すなわち、交流電源G→リアクトルL1→スイッチング素子Q3→ダイオードD4及びスイッチング素子Q4(寄生ダイオードD41)→交流電源Gの順に電流が流れる。 FIG. 11 is an explanatory diagram showing a current flow when the power supply voltage is included in the positive half cycle during the circuit short-circuit control (first protection region). During the period of the positive half cycle of the power supply voltage, when the switching element Q3 is on (see FIG. 10C), a current (short-circuit current) flows in the direction indicated by the arrow in FIG. That is, current flows in the order of AC power supply G → reactor L1 → switching element Q3 → diode D4 and switching element Q4 (parasitic diode D41) → AC power supply G.
なお、MOSFET(スイッチング素子Q3,Q4)は、その温度が高くなるにつれてオン抵抗が大きくなる。また、回路に大きな電流が流れる「第1保護領域」(図3参照)では、スイッチング素子Q3,Q4が発熱しやすい。仮に、大きな電流がスイッチング素子Q3,Q4に流れた場合、スイッチング素子Q3,Q4の発熱とオン抵抗の増加とが相まって、熱暴走に到る可能性がある。 Note that MOSFETs (switching elements Q3 and Q4) have higher on-resistance as the temperature rises. Further, in the “first protection region” (see FIG. 3) where a large current flows in the circuit, the switching elements Q3 and Q4 tend to generate heat. If a large current flows through the switching elements Q3 and Q4, the heat generation of the switching elements Q3 and Q4 and the increase in on-resistance may cause a thermal runaway.
したがって、本実施形態では、回路に大きな電流が流れる「第1保護領域」(図3参照)では、同期整流制御を行わずに回路短絡制御のみを行うようにした。これによって、スイッチング素子Q3,Q4に流れる定常電流を小さくし、スイッチング素子Q3,Q4の発熱を抑えることができる。また、図10(b)に示すように、前記したスイッチングによって回路電流を正弦波に近づけることができるとともに、平滑コンデンサC1の直流電圧を昇圧することもできる。 Therefore, in this embodiment, in the “first protection region” (see FIG. 3) in which a large current flows in the circuit, only the circuit short-circuit control is performed without performing the synchronous rectification control. Thereby, the steady current flowing through the switching elements Q3 and Q4 can be reduced, and the heat generation of the switching elements Q3 and Q4 can be suppressed. Further, as shown in FIG. 10B, the circuit current can be made close to a sine wave by the above switching, and the DC voltage of the smoothing capacitor C1 can be boosted.
図4のステップS112において電力変換装置1は、電流検出部11の検出値Iが閾値I2未満になったか否か、つまり、ステップS111の回路短絡制御によって電流の検出値Iが「定常領域」(図3参照)に入ったか否かを判定する。電流の検出値Iが閾値I2未満である場合(S112:Yes)、電力変換装置1の処理はステップS105に進む。一方、電流の検出値Iが閾値I2以上である場合(S112:No)、電力変換装置1の処理はステップS113に進む。
In step S112 of FIG. 4, the
ステップS113において電力変換装置1は、保護制御を実行する。例えば、負荷がモータである場合、電力変換装置1は、このモータを減速又は停止させる。図4では図示を省略したが、例えば、ステップS113で電力変換装置1はモータを減速し、モータの減速後も電流が減少しない場合には、モータを停止させる。また、前記した減速によって電流が減少した場合にはステップS111に進んで回路短絡制御を行う。
In step S113, the
<効果>
本実施形態よれば、回路に流れる電流が小さい「軽負荷(中間)」の領域では(S105:Yes)、同期整流制御を行ってスイッチング素子Q3,Q4に積極的に電流を流すことで(S106)、ダイオードD3,D4で大きな損失が生じることを回避できる。したがって、電力変換装置1の高効率化を図ることができる。
<Effect>
According to the present embodiment, in the “light load (intermediate)” region where the current flowing through the circuit is small (S105: Yes), synchronous rectification control is performed to actively flow current through the switching elements Q3 and Q4 (S106). ), A large loss can be avoided in the diodes D3 and D4. Therefore, high efficiency of the
また、回路に流れる電流が比較的大きい「軽負荷(定格)」、「中負荷」、「高負荷」の領域では(S105:No)、同期整流・回路短絡制御を行うことで(S109)、力率を改善するとともに、高調波を抑制し、さらに昇圧を行うことができる。 Further, in the regions of “light load (rated)”, “medium load”, and “high load” where the current flowing through the circuit is relatively large (S105: No), by performing synchronous rectification / circuit short-circuit control (S109), While improving a power factor, a harmonic can be suppressed and further pressure | voltage rise can be performed.
また、回路に流れる電流が非常に大きい「第1保護領域」では(S110:Yes)、回路短絡制御を行うことで(S111)、スイッチング素子Q3,Q4の発熱を抑えつつ昇圧を行うことができる。
また、減速運転等を行っても電流値が小さくならない場合には(S110:No,S112:No)、保護制御を行うことで(S113)、スイッチング素子Q3,Q4の破壊を確実に防止できる。
Further, in the “first protection region” where the current flowing through the circuit is very large (S110: Yes), the circuit can be boosted while suppressing the heat generation of the switching elements Q3 and Q4 by performing the circuit short-circuit control (S111). .
Further, if the current value does not become small even when the deceleration operation is performed (S110: No, S112: No), the protection elements (S113) can surely prevent the switching elements Q3 and Q4 from being destroyed.
このように本実施形態では、負荷状態(電流値の大きさ)に応じてスイッチング素子Q3,Q4の制御モードを選択的に実行することで、電力変換装置1の高効率化を図ることができるとともに、その信頼性を高めることができる。
Thus, in this embodiment, the efficiency of the
≪第2実施形態≫
第2実施形態は、スイッチング素子Q1,Q2(図12参照)を追加した点が第1実施形態と異なるが、その他の構成については第1実施形態と同様である。また、電力変換装置1Aが実行する処理の流れ(図4参照)についても第1実施形態と同様である。したがって、第1実施形態と異なる部分について説明し、重複する部分については説明を省略する。
<< Second Embodiment >>
The second embodiment is different from the first embodiment in that switching elements Q1 and Q2 (see FIG. 12) are added, but the other configurations are the same as those of the first embodiment. Further, the flow of processing executed by the
図12は、第2実施形態に係る電力変換装置1Aの構成図である。
電力変換装置1Aは、第1実施形態で説明した構成に加えて、スイッチング素子Q1,Q2(例えば、MOSFET)を備えている。図12に示すように、スイッチング素子Q1は、ダイオードD1に並列接続されている。より具体的には、スイッチング素子Q1(MOSFET)のソースはダイオードD1のアノードに接続され、ドレインはダイオードD1のカソードに接続されている。
スイッチング素子Q2は、ダイオードD2に並列接続されている(ダイオードD2との接続関係については、スイッチング素子Q1と同様)。
FIG. 12 is a configuration diagram of a
The
The switching element Q2 is connected in parallel to the diode D2 (the connection relationship with the diode D2 is the same as that of the switching element Q1).
次に、電源投入時、同期整流制御、同期整流・回路短絡制御、及び回路短絡制御における電流の流れについて説明する。 Next, the current flow in the synchronous rectification control, the synchronous rectification / circuit short-circuit control, and the circuit short-circuit control when the power is turned on will be described.
(1.電源投入時)
図13は、電源投入時において、電源電圧が正の半サイクルに含まれるときの電流の流れを示す説明図である。電源投入時(S102:図4参照)には、スイッチング素子Q1〜Q4は全てオフ状態になっている。電源電圧が正の半サイクルの期間では、交流電源G→リアクトルL1→ダイオードD1及びスイッチング素子Q1(寄生ダイオードD11)→平滑コンデンサC1→ダイオードD4及びスイッチング素子Q4(寄生ダイオードD41)→交流電源Gの順に電流が流れる。電源電圧が負の半サイクルの期間については、説明を省略する。
(1. When power is turned on)
FIG. 13 is an explanatory diagram showing the flow of current when the power supply voltage is included in the positive half cycle when the power is turned on. When the power is turned on (S102: see FIG. 4), the switching elements Q1 to Q4 are all in the off state. In the period of the positive half cycle of the power supply voltage, AC power supply G → reactor L1 → diode D1 and switching element Q1 (parasitic diode D11) → smoothing capacitor C1 → diode D4 and switching element Q4 (parasitic diode D41) → AC power supply G Current flows sequentially. The description of the period of the half cycle in which the power supply voltage is negative is omitted.
(2.同期整流制御)
図14は、同期整流制御時において、電源電圧が正の半サイクルに含まれるときの電流の流れを示す説明図である。同期整流制御(S106:図4参照)を行う際、コンバータ制御部18は、スイッチング素子Q1〜Q4を次のように制御する。すなわち、コンバータ制御部18は、電源電圧が正の半サイクルの期間において、スイッチング素子Q1,Q4をオン状態にし、スイッチング素子Q2,Q3をオフ状態にする。そうすると、図14に示すように、交流電源G→リアクトルL1→スイッチング素子Q1→平滑コンデンサC1→スイッチング素子Q4→交流電源Gの順に電流が流れる。
なお、電源電圧が負の半サイクルの期間では、スイッチング素子Q2,Q3がオン状態にされ、スイッチング素子Q1,Q4がオフ状態にされる。
(2. Synchronous rectification control)
FIG. 14 is an explanatory diagram showing the flow of current when the power supply voltage is included in the positive half cycle during synchronous rectification control. When performing synchronous rectification control (S106: refer to FIG. 4),
In the period of a half cycle in which the power supply voltage is negative, switching elements Q2 and Q3 are turned on, and switching elements Q1 and Q4 are turned off.
このように同期整流制御を行うと、スイッチング素子Q1〜Q4に電流が流れ、ダイオードD1〜D4には電流がほとんど流れない。特に、第1実施形態(図7参照)のように同期整流制御時において、損失の大きいダイオードD1を介して電流が流れず、スイッチング素子Q1を介して電流が流れる(図14参照)。したがって、第1実施形態よりもさらに低損失化・高効率化を図ることができる。 When synchronous rectification control is performed in this way, a current flows through the switching elements Q1 to Q4, and a current hardly flows through the diodes D1 to D4. In particular, during the synchronous rectification control as in the first embodiment (see FIG. 7), current does not flow through the diode D1 having a large loss, but current flows through the switching element Q1 (see FIG. 14). Therefore, the loss and efficiency can be further reduced as compared with the first embodiment.
(3.同期整流・回路短絡制御)
図15は、同期整流・回路短絡制御時において、電源電圧が正の半サイクルに含まれるときの電流の流れを示す説明図である。同期整流・回路短絡制御(S109:図4参照)を行う際、コンバータ制御部18は、スイッチング素子Q1〜Q4を次のように制御する。すなわち、コンバータ制御部18は、電源電圧が正の半サイクルの期間において、スイッチング素子Q3を所定回数・所定パルス幅でスイッチングし、スイッチング素子Q4をオン状態にし、スイッチング素子Q1,Q2をオフ状態にする。そうすると、スイッチング素子Q3がオンになっているときには、交流電源G→リアクトルL1→スイッチング素子Q3→スイッチング素子Q4→交流電源Gの順に電流(短絡電流)が流れる。
(3. Synchronous rectification and short circuit control)
FIG. 15 is an explanatory diagram showing a current flow when the power supply voltage is included in the positive half cycle during the synchronous rectification / circuit short-circuit control. When performing synchronous rectification / circuit short-circuit control (S109: see FIG. 4), the
なお、電源電圧が負の半サイクルの期間では、スイッチング素子Q3がオン状態にされ、スイッチング素子Q4がスイッチングされ、スイッチング素子Q1,Q2がオフ状態にされる。
このように同期整流・回路短絡制御を行うことで、第1実施形態で説明したように、力率の改善、高調波の抑制、及び昇圧を行うことができる。
Note that, during the half cycle in which the power supply voltage is negative, the switching element Q3 is turned on, the switching element Q4 is switched, and the switching elements Q1, Q2 are turned off.
By performing synchronous rectification / circuit short-circuit control in this way, it is possible to improve power factor, suppress harmonics, and boost voltage as described in the first embodiment.
(4.回路短絡制御)
図16は、回路短絡制御時において、電源電圧が正の半サイクルに含まれるときの電流の流れを示す説明図である。回路短絡制御(S111:図4参照)を行う際、コンバータ制御部18は、スイッチング素子Q1〜Q4を次のように制御する。すなわち、コンバータ制御部18は、電源電圧が正の半サイクルの期間において、スイッチング素子Q3を所定回数・所定パルス幅でスイッチングし、スイッチング素子Q1,Q2,Q4をオフ状態にする。そうすると、スイッチング素子Q3がオンになっているときには、図16に示すように、交流電源G→リアクトルL1→スイッチング素子Q3→スイッチング素子Q4(寄生ダイオードD41)→交流電源Gの順に電流が流れる。
(4. Short circuit control)
FIG. 16 is an explanatory diagram showing the flow of current when the power supply voltage is included in the positive half cycle during circuit short-circuit control. When performing the circuit short-circuit control (S111: see FIG. 4), the
なお、電源電圧が負の半サイクルの期間では、スイッチング素子Q1,Q2,Q3がオフ状態にされ、スイッチング素子Q4がスイッチングされる。
このように回路短絡制御を行うことで、第1実施形態で説明したように、平滑コンデンサC1の直流電圧を昇圧しつつ、スイッチング素子Q1〜Q4の発熱を抑制できる。
Note that, in the period of a half cycle in which the power supply voltage is negative, the switching elements Q1, Q2, and Q3 are turned off, and the switching element Q4 is switched.
By performing the circuit short-circuit control in this way, as described in the first embodiment, it is possible to suppress the heat generation of the switching elements Q1 to Q4 while boosting the DC voltage of the smoothing capacitor C1.
<効果>
本実施形態によれば、負荷状態(電流値の大きさ)に応じてスイッチング素子Q1〜Q4の制御モードを選択的に実行することで、電力変換装置1Aの高効率化を図ることができるとともに、その信頼性を高めることができる。
また、同期整流制御において、損失の大きいダイオードD1〜D4には電流が流れず、損失の小さいスイッチング素子Q1〜Q4を介して電流が流れる。これによって、回路での損失を抑制し、第1実施形態よりもさらにエネルギ効率を高めることができる。
<Effect>
According to the present embodiment, it is possible to increase the efficiency of the
In the synchronous rectification control, no current flows through the diodes D1 to D4 having a large loss, and a current flows through the switching elements Q1 to Q4 having a small loss. Thereby, the loss in the circuit can be suppressed, and the energy efficiency can be further increased as compared with the first embodiment.
≪第3実施形態≫
第3実施形態は、電力変換装置1B(図17参照)が温度検出部T3,T4及び記憶部19を備える点が第1実施形態と異なっているが、その他については第1実施形態と同様である。したがって、第1実施形態と異なる部分について説明し、重複する部分については説明を省略する。
«Third embodiment»
The third embodiment is different from the first embodiment in that the
図17は、第3実施形態に係る電力変換装置1Bの構成図である。
電力変換装置1Bは、第1実施形態で説明した構成に加えて、温度検出部T3,T4と、記憶部19と、を備えている。
温度検出部T3は、スイッチング素子Q3の温度を検出するものである。例えば、温度検出部T3は、スイッチング素子Q3が収容されている収容体(図示せず)の温度を、このスイッチング素子Q3の温度として検出する。なお、スイッチング素子Q3に設置されている放熱フィン(図示せず)の温度や、スイッチング素子Q3の周囲の温度を、スイッチング素子Q3の温度として間接的に検出するようにしてもよい。温度検出部T3は、その検出値を電流比較部12に出力する。
同様に、温度検出部T4は、スイッチング素子Q4の温度を検出し、その検出値を電流比較部12に出力する。
FIG. 17 is a configuration diagram of a
The
The temperature detector T3 detects the temperature of the switching element Q3. For example, the temperature detection unit T3 detects the temperature of a container (not shown) in which the switching element Q3 is stored as the temperature of the switching element Q3. It should be noted that the temperature of the radiating fin (not shown) installed in the switching element Q3 and the temperature around the switching element Q3 may be indirectly detected as the temperature of the switching element Q3. The temperature detection unit T3 outputs the detected value to the
Similarly, the temperature detection unit T4 detects the temperature of the switching element Q4 and outputs the detected value to the
記憶部19には、スイッチング素子Q3,Q4の温度と、電流に関する閾値I21,I31と、の対応関係を示す情報(図18参照)が格納されている。なお、記憶部19として、半導体記憶装置、磁気ディスク装置、光ディスク装置等を用いることができる。
The
図18は、スイッチング素子Q3,Q4の温度と、回路電流の閾値と、の関係を示す説明図である。図18の横軸は、温度検出部T3,T4によって検出されるスイッチング素子Q3,Q4の温度(素子温度)である。縦軸は、電流検出部11によって検出される回路電流である。
FIG. 18 is an explanatory diagram showing the relationship between the temperature of the switching elements Q3 and Q4 and the threshold value of the circuit current. The horizontal axis in FIG. 18 represents the temperatures (element temperatures) of the switching elements Q3 and Q4 detected by the temperature detectors T3 and T4. The vertical axis represents the circuit current detected by the
閾値I21(第2閾値)は、第1実施形態で説明した「定常領域」(図2参照)と、「第1保護領域」(図2参照)と、を分ける閾値である。
閾値I31(第3閾値)は、第1実施形態で説明した「第1保護領域」(図2参照)と、第2保護領域(図2参照)と、とを分ける閾値である。図18に示すように、各温度において閾値I31は、閾値I21よりも大きい値に設定されている。
The threshold value I21 (second threshold value) is a threshold value that divides the “steady region” (see FIG. 2) described in the first embodiment and the “first protection region” (see FIG. 2).
The threshold value I31 (third threshold value) is a threshold value that divides the “first protection region” (see FIG. 2) described in the first embodiment and the second protection region (see FIG. 2). As shown in FIG. 18, at each temperature, the threshold value I31 is set to a value larger than the threshold value I21.
また、図18に示すように、閾値I21及び閾値I31は、スイッチング素子Q3,Q4の温度が高くなるにつれて各閾値が小さくなるように設定されている。これは、スイッチング素子Q3,Q4(MOSFET)のオン抵抗が温度に対して正特性で変化し、スイッチング素子Q3,Q4の温度が高くなるほど、その発熱量が大きくなって熱暴走しやすくなるからである。
なお、図18に示す情報は、事前の実験やシミュレーションによって作成され、予め記憶部19に格納されている。なお、閾値I21,I31は、温度に関する関数として特定してもよいし、マップとして記憶部19に格納するようにしてもよい。
As shown in FIG. 18, the threshold value I21 and the threshold value I31 are set such that each threshold value decreases as the temperature of the switching elements Q3 and Q4 increases. This is because the on-resistance of the switching elements Q3 and Q4 (MOSFET) changes in a positive characteristic with respect to the temperature, and the higher the temperature of the switching elements Q3 and Q4, the greater the amount of heat generation and the more likely the thermal runaway occurs. is there.
Note that the information shown in FIG. 18 is created by a prior experiment or simulation and stored in the
図17に示す電流比較部12Bは、温度検出部T3,T4から入力されるスイッチング素子Q3,Q4の温度に対応する閾値と、電流検出部11の検出値と、の大小を比較する。そして、電流比較部12は、その比較結果をコンバータ制御部18に出力する。
The
図19は、電力変換装置1Bの動作の流れを示すフローチャートである。なお、第1実施形態で説明した図4のフローチャートと重複する部分については、図4と同一のステップ番号を付した。
ステップS103で電流検出部11の検出値Iを読み込んだ後、ステップS201において電力変換装置1Bは、温度検出部T3,T4の検出値を読み込む。
FIG. 19 is a flowchart showing an operation flow of the
After reading the detection value I of the
ステップS202において電力変換装置1Bは、電流比較部12Bによって、ステップS201で読み込んだ温度に対応する閾値I21,I31を特定する。例えば、温度検出部T3の検出値が温度Tαであった場合、図18に示すように、この温度Tαに対応する電流の閾値I21α(第2閾値)と、閾値I31α(第3閾値)と、が特定される。
なお、図19のステップS202では、温度検出部T3,T4の検出値のうち高い方の温度に対応する閾値I21,I31を優先的に用いることが好ましい(後記するS110aも同様)。これによって、スイッチング素子Q3,Q4のうち高温側の熱暴走を確実に防止できるからである。
In step S202, the
In step S202 of FIG. 19, it is preferable to preferentially use thresholds I21 and I31 corresponding to the higher temperature among the detection values of the temperature detectors T3 and T4 (the same applies to S110a described later). This is because thermal runaway on the high temperature side of the switching elements Q3 and Q4 can be reliably prevented.
また、本実施形態では、閾値I1(図18では、図示せず)を温度に関して固定値としたが、図18に示す対応情報に閾値I1に関する情報を追加してもよい。この場合において閾値I1は、各温度において閾値I21(図18参照)よりも小さく、かつ、スイッチング素子Q3,Q4の温度が高くなるにつれて閾値I1が小さくなるように設定される。 In the present embodiment, the threshold value I1 (not shown in FIG. 18) is a fixed value regarding the temperature, but information regarding the threshold value I1 may be added to the correspondence information shown in FIG. In this case, the threshold value I1 is set to be smaller than the threshold value I21 (see FIG. 18) at each temperature, and the threshold value I1 becomes smaller as the temperature of the switching elements Q3 and Q4 becomes higher.
図19のステップS104aにおいて電力変換装置1Bは、ステップS103で読み込んだ電流の検出値Iが、ステップS202で特定した閾値I21未満であるか否かを判定する。つまり、電力変換装置1Bは、素子温度と電流検出値とによって特定される状態が、図18に示す「定常領域」に含まれるか否かを判定する。なお、ステップS105〜S109については第1実施形態と同様であるから、説明を省略する。
In step S104a of FIG. 19, the
また、ステップS110aにおいて電力変換装置1Bは、ステップS103で読み込んだ電流の検出値Iが、ステップS202で特定した閾値I31未満であるか否かを判定する。つまり、電力変換装置1Bは、素子温度と電流検出値とによって特定される点が、図18に示す「第1保護領域」に含まれるか否かを判定する。なお、ステップS111〜S113については第1実施形態と同様であるから、説明を省略する。
In step S110a, the
<効果>
本実施形態では、スイッチング素子Q3,Q4の温度に対応する閾値I21,I31と、電流の検出値Iと、の比較結果に基づいて制御モードが決定される。したがって、第1実施形態よりも適切なタイミングで制御モードを切り替えることができる。
なお、スイッチング素子Q3,Q4の温度に関わらず閾値I21,I31を一定にした場合、熱暴走が起こらないように、ある程度の余裕をみて閾値I21,I31が小さい値に設定される。そうすると、スイッチング素子Q3,Q4の温度はそれほど高くないにもかかわらず、負荷H(モータ)の減速等の保護制御に切り替えられる可能性がある。
<Effect>
In the present embodiment, the control mode is determined based on the comparison result between the threshold values I21 and I31 corresponding to the temperatures of the switching elements Q3 and Q4 and the detected current value I. Therefore, the control mode can be switched at a timing more appropriate than in the first embodiment.
When the thresholds I21 and I31 are kept constant regardless of the temperatures of the switching elements Q3 and Q4, the thresholds I21 and I31 are set to a small value with a certain margin so as not to cause thermal runaway. Then, there is a possibility of switching to protection control such as deceleration of the load H (motor) even though the temperatures of the switching elements Q3 and Q4 are not so high.
これに対して本実施形態では、スイッチング素子Q3,Q4の温度に対応して最適な閾値I21,I31が設定されているため(図18参照)、時期尚早に保護制御を実行することがない。したがって、第1実施形態よりも電力変換装置1Bのエネルギ効率をさらに高めることができる。
また、図18に示す情報を参照することで、スイッチング素子Q3,Q4が熱破壊に到る前の最適なタイミングで保護制御を実行できる。したがって、スイッチング素子Q3,Q4の熱破壊を確実に防止し、電力変換装置1Bの信頼性を高めることができる。
On the other hand, in the present embodiment, since the optimum threshold values I21 and I31 are set corresponding to the temperatures of the switching elements Q3 and Q4 (see FIG. 18), the protection control is not performed prematurely. Therefore, the energy efficiency of the
Further, by referring to the information shown in FIG. 18, the protection control can be executed at an optimal timing before the switching elements Q3 and Q4 reach thermal destruction. Therefore, the thermal destruction of switching elements Q3 and Q4 can be reliably prevented, and the reliability of
≪第4実施形態≫
第4実施形態に係る電力変換装置1C(図20参照)は、第1実施形態に係る電力変換装置1(図1参照)からスイッチング素子Q3及びダイオードD4を省略し、さらに、第1実施形態で説明したダイオードD2(図1参照)に代えて、スイッチング素子Q2(図20)を備える構成になっている。また、第4実施形態に係る電力変換装置1C(図20参照)は、電流制御ゲイン調整部20と、昇圧比制御部21と、を備える点が、第1実施形態とは異なっている。なお、その他の点については第1実施形態(図1〜図4参照)と同様である。したがって、第1実施形態とは異なる部分について説明し、重複する部分については説明を省略する。
<< Fourth Embodiment >>
The
図20は、第4実施形態に係る電力変換装置1Cの構成図である。
電力変換装置1Cは、ブリッジ回路Jと、リアクトルL1と、平滑コンデンサC1と、電流検出部11と、電流比較部12と、交流電圧検出部13と、ゼロクロス判定部14と、負荷検出部15と、負荷比較部16と、直流電圧検出部17と、コンバータ制御部18と、電流制御ゲイン調整部20と、昇圧比制御部21と、を備えている。
FIG. 20 is a configuration diagram of a
The
ブリッジ回路Jは、交流電源Gから配線ha,hbを介して流れる電流を全波整流する機能や、リアクトルL1と共に昇圧を行う機能を有している。ブリッジ回路Jは、直列接続された一対のダイオードD1,D3と、直列接続された一対のスイッチング素子Q2,Q4と、が並列接続された構成になっている。
スイッチング素子Q2,Q4は、例えば、MOSFETであり、コンバータ制御部18からの指令によってオン/オフが制御されるようになっている。スイッチング素子Q2のドレインは平滑コンデンサC1の正側に接続され、ソースは他のスイッチング素子Q4のドレインに接続されている。スイッチング素子Q4のソースは、平滑コンデンサC1の負側に接続されている。
The bridge circuit J has a function of full-wave rectifying current flowing from the AC power supply G via the wirings ha and hb, and a function of boosting with the reactor L1. The bridge circuit J has a configuration in which a pair of diodes D1 and D3 connected in series and a pair of switching elements Q2 and Q4 connected in series are connected in parallel.
The switching elements Q2, Q4 are, for example, MOSFETs, and are controlled to be turned on / off by a command from the
また、一対のダイオードD1,D3の接続点P1は、配線haを介して交流電源Gに接続されている。一対のスイッチング素子Q2,Q4の接続点P2は、配線hbを介して交流電源Gに接続されている。 The connection point P1 between the pair of diodes D1 and D3 is connected to the AC power supply G via the wiring ha. A connection point P2 between the pair of switching elements Q2 and Q4 is connected to the AC power supply G via the wiring hb.
電流制御ゲイン調整部20は、回路電流の実効値Is及び直流電圧の昇圧比aに基づいて、電流制御ゲインKpを調整する機能を有している。このときKp×Isを一定値に制御することで、交流電源Gの電圧(実効値)に対して直流電圧をa倍に昇圧するようになっている。昇圧比制御部21は、負荷検出部15の検出値に基づいて直流電圧の昇圧比1/aを選定(決定)し、その選定結果をコンバータ制御部18に出力する。なお、電流制御ゲイン調整部20及び昇圧比制御部21が実行する処理については後記する。
Current control
また、第4実施形態は、第1実施形態(図1参照)とは異なり、スイッチング素子Q2,Q4と並列にダイオードが並列接続されておらず、電流がダイオードとスイッチング素子の寄生ダイオードとに分流する構成にはなっていない。したがって、以下では、第1実施形態で説明した同期整流・回路短絡制御と、回路短絡制御と、を合わせて「スイッチング制御」と記すこととする。 Further, unlike the first embodiment (see FIG. 1), the fourth embodiment has no diode connected in parallel with the switching elements Q2 and Q4, and the current is divided between the diode and the parasitic diode of the switching element. It is not configured to do. Therefore, hereinafter, the synchronous rectification / circuit short-circuit control described in the first embodiment and the circuit short-circuit control are collectively referred to as “switching control”.
(1.電源投入時)
図21は、電源投入時において、電源電圧が正の半サイクルに含まれるときの電流の流れを示す説明図である。電源投入時(S102:図4参照)には、スイッチング素子Q2,Q4はいずれもオフ状態になっている。電源電圧が正の半サイクルの期間では、交流電源G→リアクトルL1→ダイオードD1→平滑コンデンサC1→スイッチング素子Q4(寄生ダイオードD41)→交流電源Gの順に電流が流れる。
(1. When power is turned on)
FIG. 21 is an explanatory diagram showing the flow of current when the power supply voltage is included in the positive half cycle when the power is turned on. When the power is turned on (S102: see FIG. 4), the switching elements Q2 and Q4 are both turned off. In the period of the positive half cycle of the power supply voltage, current flows in the order of AC power supply G → reactor L1 → diode D1 → smoothing capacitor C1 → switching element Q4 (parasitic diode D41) → AC power supply G.
図22は、電源投入時において、電源電圧が負の半サイクルに含まれるときの電流の流れを示す説明図である。電源電圧が負の半サイクルの期間では、交流電源G→スイッチング素子Q2(寄生ダイオードD21)→平滑コンデンサC1→ダイオードD3→リアクトルL1→交流電源Gの順に電流が流れる。 FIG. 22 is an explanatory diagram showing the flow of current when the power supply voltage is included in the negative half cycle when the power is turned on. During the half cycle of the negative power supply voltage, current flows in the order of AC power supply G → switching element Q2 (parasitic diode D21) → smoothing capacitor C1 → diode D3 → reactor L1 → AC power supply G.
(2.同期整流制御)
図23は、同期整流制御時(軽負荷(中間)時)において、電源電圧が正の半サイクルに含まれるときの電流の流れを示す説明図である。電流検出部11の検出値I(負荷)が閾値I1(第1閾値)未満である場合(S105:Yes、図4参照)、コンバータ制御部18は、同期整流制御を実行する(S106)。
同期整流制御を行う際、コンバータ制御部18は、交流電源Gの電圧の極性に同期してスイッチング素子Q2,Q4をオン/オフする。すなわち、コンバータ制御部18は、電源電圧が正の半サイクルの期間において、スイッチング素子Q4をオン状態にし、スイッチング素子Q2をオフ状態にする。そうすると、図23に示すように、交流電源G→リアクトルL1→ダイオードD1→平滑コンデンサC1→スイッチング素子Q4→交流電源Gの順に電流が流れる。
(2. Synchronous rectification control)
FIG. 23 is an explanatory diagram showing the flow of current when the power supply voltage is included in the positive half cycle during synchronous rectification control (light load (intermediate)). When the detection value I (load) of the
When performing synchronous rectification control,
図24は、同期整流制御時(軽負荷(中間)時)において、電源電圧が負の半サイクルに含まれるときの電流の流れを示す説明図である。コンバータ制御部18は、電源電圧が負の半サイクルの期間において、スイッチング素子Q2をオン状態にし、スイッチング素子Q4をオフ状態にする。そうすると、図24に示すように、交流電源G→スイッチング素子Q2→平滑コンデンサC1→ダイオードD3→リアクトルL1→交流電源Gの順に電流が流れる。
FIG. 24 is an explanatory diagram showing a current flow when the power supply voltage is included in a negative half cycle during synchronous rectification control (light load (intermediate)).
このように同期整流制御を行うことで、スイッチング素子Q2又はスイッチング素子Q4に電流が流れるため、低損失化・高効率化を図ることができる。 By performing synchronous rectification control in this way, a current flows through the switching element Q2 or the switching element Q4, so that a reduction in loss and an increase in efficiency can be achieved.
(3.スイッチング制御)
また、電流検出部11の検出値I(負荷)が閾値I1(第1閾値)以上である場合、コンバータ制御部18は、前記した「スイッチング制御」を行う。具体的には、検出値Iが閾値I1以上かつ閾値I4未満であるときには、コンバータ制御部18は、部分スイッチング制御を実行する。また、検出値Iが閾値I4以上かつ閾値I2未満であるときには、コンバータ制御部18は、高速スイッチング制御を実行する。前記した閾値I4(I1<I4<I2)は、部分スイッチング制御を行うか、又は、高速スイッチング制御を行うかを決定する際の基準となる閾値であり、予め設定されている。なお、部分スイッチング制御及び高速スイッチング制御については、後記する。
(3. Switching control)
Further, when the detection value I (load) of the
図25は、スイッチング制御時(軽負荷(定格)、中負荷、高負荷時)において、電源電圧が正の半サイクルに含まれるときの電流の流れを示す説明図である。
スイッチング制御を行う際、コンバータ制御部18は、スイッチング素子Q2,Q4を交互にオン/オフする。すなわち、コンバータ制御部18は、電源電圧が正の半サイクルの期間において、スイッチング素子Q2を所定回数・所定パルス幅でスイッチングし、スイッチング素子Q2がオン状態のときには、スイッチング素子Q4をオフ状態にする。そうすると、スイッチング素子Q2がオンになっているときには、交流電源G→リアクトルL1→ダイオードD1→→スイッチング素子Q2→交流電源Gの順に電流(短絡電流)が流れる。
FIG. 25 is an explanatory diagram showing the flow of current when the power supply voltage is included in the positive half cycle during switching control (light load (rated), medium load, and high load).
When performing switching control,
図26は、スイッチング制御時(軽負荷(定格)、中負荷、高負荷時)において、電源電圧が負の半サイクルに含まれるときの電流の流れを示す説明図である。電源電圧が負の半サイクルの期間において、スイッチング素子Q4がオンになっているときには、交流電源G→スイッチング素子Q4→ダイオードD3→リアクトルL1→交流電源Gの順に電流(短絡電流)が流れる。前記したように、スイッチング素子Q2,Q4は交互にオン/オフされるため、スイッチング素子Q4がオンになっているときには、スイッチング素子Q2はオフになっている。 FIG. 26 is an explanatory diagram showing the flow of current when the power supply voltage is included in the negative half cycle during switching control (light load (rated), medium load, and high load). When the switching element Q4 is on during the half cycle of the negative power supply voltage, a current (short circuit current) flows in the order of AC power supply G → switching element Q4 → diode D3 → reactor L1 → AC power supply G. As described above, since the switching elements Q2 and Q4 are alternately turned on / off, the switching element Q2 is turned off when the switching element Q4 is turned on.
(3−1.部分スイッチング制御)
部分スイッチング制御は、電源電圧の半サイクル内において、所定のディレイ、デューティでスイッチング素子Q2、Q4のスイッチング(つまり、短絡)を複数回行うことで、直流電圧の昇圧と力率の改善を行う制御である。後記する高速スイッチング制御の場合と比べて、スイッチング素子Q2,Q4のスイッチング回数が少ない分、スイッチング損失を低減できる。
主回路に短絡電流(力率改善電流)を流すために、同期整流制御(全波整流)の場合と同様に、コンバータ制御部18は、交流電源Gの電圧Vsの極性に応じてスイッチング素子Q2,Q4のスイッチングを行う。コンバータ制御部18は、例えば、電源電圧の正の半サイクルにおいて、スイッチング素子Q2,Q4を交互にオン/オフした後、負の半サイクルに切り替わるまではスイッチング素子Q2,Q4をオフ状態とする。
(3-1. Partial switching control)
The partial switching control is a control for boosting the DC voltage and improving the power factor by switching the switching elements Q2 and Q4 multiple times (that is, short-circuiting) with a predetermined delay and duty within a half cycle of the power supply voltage. It is. Compared with the case of the high-speed switching control described later, the switching loss can be reduced because the switching frequency of the switching elements Q2 and Q4 is small.
In order to cause the short circuit current (power factor correction current) to flow through the main circuit, the
スイッチング素子Q2又はスイッチング素子Q4をスイッチングして主回路に短絡電流Ispが流れたとき、リアクトルL1には、以下の(数式1)で表されるエネルギWが蓄えられる。なお、L1は、リアクトルL1のインダクタンスである。 When the switching element Q2 or the switching element Q4 is switched and the short-circuit current Isp flows through the main circuit, the energy W represented by the following (Equation 1) is stored in the reactor L1. L 1 is the inductance of reactor L1.
その後、スイッチング素子Q2又はスイッチング素子Q4がオフされることで、リアクトルL1に蓄えられたエネルギが平滑コンデンサC1に放出され、直流電圧が昇圧される。 Thereafter, switching element Q2 or switching element Q4 is turned off, so that the energy stored in reactor L1 is released to smoothing capacitor C1, and the DC voltage is boosted.
図27は、部分スイッチング制御の動作原理を示す説明図である。図27に示す説明図の横軸は、時刻であり、縦軸は、電源電圧Vs(正の半サイクル)と、正弦波状の理想電流(回路電流)と、スイッチング素子Q2,Q4の駆動パルスと、を示している。図27の「理想電流」に示すように、電源電圧Vsに対して、回路電流も正弦波状になることが理想的である。この理想電流は、例えば、負荷検出部15の検出値と、ゼロクロス判定部14の判定結果と、に基づき、電流制御ゲイン調整部20によって求められる。
FIG. 27 is an explanatory diagram showing the operation principle of partial switching control. In the explanatory diagram shown in FIG. 27, the horizontal axis represents time, and the vertical axis represents power supply voltage Vs (positive half cycle), sine wave ideal current (circuit current), and driving pulses of switching elements Q2 and Q4. , Shows. As shown in “ideal current” in FIG. 27, the circuit current is ideally sinusoidal with respect to the power supply voltage Vs. This ideal current is obtained by the current control
例えば、理想電流上の点P1を考え、この点P1での接線の傾き(時間的な変化率)をdi(P1)/dtとおく。次に、時刻t=0[s]から所定のディレイを持たせた後、ton1_Q2のオン時間でスイッチング素子Q2をオンしたときの回路電流の傾きをdi(ton1)/dtとおく。その後、時間toff1_Q2でスイッチング素子Q2をオフした場合の電流の傾きをdi(toff1)/dtとおく。このときdi(ton1)/dtとdi(toff1)/dtとの平均値が、点P1における傾きdi(P1)/dtと等しくなるように、コンバータ制御部18は、スイッチング素子Q2,Q4をオン/オフするタイミングを設定する。
同様に、点P2での電流の傾きをdi(P2)/dtとおく。そして、スイッチング素子Q2をton2_Q2の時間でオンしたときの電流の傾きをdi(ton2)/dtとおき、toff2_Q2の時間でオフした場合の電流の傾きをdi(toff2)/dtとおく。点P1の場合と同様に、di(ton2)/dtとdi(toff2_Q2)/dtとの平均値が、点P2における傾きdi(P2)/dtと等しくなるように、コンバータ制御部18は、スイッチング素子Q2,Q4をオン/オフするタイミングを設定する。以降、これを繰り返していく。
For example, the point P1 on the ideal current is considered, and the tangent slope (rate of change with time) at this point P1 is set to di (P1) / dt. Next, after giving a predetermined delay from time t = 0 [s], the slope of the circuit current when the switching element Q2 is turned on during the on time of ton1_Q2 is set to di (ton1) / dt. Thereafter, the current gradient when the switching element Q2 is turned off at time toff1_Q2 is set to di (toff1) / dt. At this time, the
Similarly, the current gradient at the point P2 is set to di (P2) / dt. The slope of the current when the switching element Q2 is turned on for the time of ton2_Q2 is set to di (ton2) / dt, and the slope of the current when turned off for the time of toff2_Q2 is set to di (toff2) / dt. As in the case of the point P1, the
なお、電源電圧が正の半サイクルにおいて、スイッチング素子Q2,Q4を交互にオン/オフするタイミングは、例えば、正の半サイクルの開始時に設定してもよいし、スイッチング素子Q2,Q4のオン/オフするたびに次回のタイミングを設定してもよい。 It should be noted that the timing for alternately turning on / off switching elements Q2, Q4 in the positive half cycle of the power supply voltage may be set, for example, at the start of the positive half cycle, or on / off of switching elements Q2, Q4. The next timing may be set every time it is turned off.
図27に示す例では、コンバータ制御部18は、ton1_Q2(=toff1_Q4)の区間においてスイッチング素子Q2をオン状態とし、スイッチング素子Q4をオフ状態とする。そして、コンバータ制御部18は、toff1_Q2(=ton2_Q4)の区間においてスイッチング素子Q2をオフ状態とし、スイッチング素子Q4をオン状態とする。このようにして、コンバータ制御部18は、スイッチング素子Q2,Q4を時間的に交互にオン/オフする。これは、回路短絡動作を行いつつ、同期整流を行っているためである。つまり、本実施形態では、部分スイッチングによる昇圧と力率改善動作を行いつつも、同期整流を行うようになっている。これによって、電力変換を高効率で行うことができる。
In the example shown in FIG. 27,
なお、スイッチング素子Q2のスイッチング回数が多いほど、理想的な正弦波に近づけることが可能である。すなわち、スイッチング回数を増やすほど力率が改善され、高調波電流を低減できる。 It should be noted that the closer to the ideal sine wave, the more the switching frequency of the switching element Q2. That is, the power factor is improved as the number of times of switching is increased, and the harmonic current can be reduced.
(3−1.高速スイッチング制御)
高速スイッチング制御は、スイッチング素子Q2,Q4を所定周波数でスイッチングすることによって、直流電圧の昇圧と力率の改善を行う制御である。電源電圧が正の半サイクルの期間では、コンバータ制御部18は、スイッチング素子Q2をオン、スイッチング素子Q4をオフにすることで短絡電流を流し、次にスイッチング素子Q2をオフ、スイッチング素子Q4をオンにすることで同期整流を行う。このようにして、コンバータ制御部18は、スイッチング素子Q2,Q4を所定周波数で交互にオン/オフする。
(3-1. High-speed switching control)
The high-speed switching control is a control for boosting the DC voltage and improving the power factor by switching the switching elements Q2 and Q4 at a predetermined frequency. In the period of the positive half cycle of the power supply voltage, the
同様に、電源電圧が負の半サイクルの期間では、スイッチング素子Q4をオン、スイッチング素子Q2をオフにすることで短絡電流を流し、次にスイッチング素子Q4をオフ、スイッチング素子Q2をオンにすることで同期整流を行う。
なお、回路に流れる瞬時電流isは、以下の(数式2)で表される。ここで、Vsは電源電圧の実効値であり、Kpは電流制御ゲインであり、Vdは直流電圧であり、ωは角周波数である。
Similarly, in the period of the half cycle in which the power supply voltage is negative, the switching element Q4 is turned on and the switching element Q2 is turned off to allow a short-circuit current to flow, and then the switching element Q4 is turned off and the switching element Q2 is turned on. Synchronous rectification is performed at
Incidentally, the instantaneous current i s flowing through the circuit is expressed by the following (Equation 2). Here, V s is the effective value of the supply voltage, K p is the current control gain, V d is the DC voltage, the ω is the angular frequency.
上記の(数式2)を整理すると、以下の(数式3)になる。 By arranging the above (Equation 2), the following (Equation 3) is obtained.
また、瞬時電流isを、以下の(数式4)で表すこともできる。 Further, the instantaneous current i s, can be expressed by the following (Equation 4).
(数式3)、(数式4)に基づき、電流制御ゲインKpは、以下の(数式5)で表される。 Based on (Formula 3) and (Formula 4), the current control gain Kp is expressed by the following (Formula 5).
(数式5)より、以下の(数式6)で示す関係が成り立つ。ここで、Isは回路電流の実効値であり、aは昇圧比である。 From (Equation 5), the relationship shown by the following (Equation 6) is established. Here, I s is the effective value of the circuit current, a is a step-up ratio.
また、電源電圧が正の半サイクルにおいて、スイッチング素子Q2のオンデューティd(電源電圧が負の半サイクルでは、スイッチング素子Q4のオンデューティ)は、以下の(数式7)で表される。 In addition, in the half cycle in which the power supply voltage is positive, the on-duty d of the switching element Q2 (in the half cycle in which the power supply voltage is negative, the on-duty of the switching element Q4) is expressed by the following (Equation 7).
Kp・Isが一定となるように、電流制御ゲイン調整部20によって電流制御ゲインKpを調整し、この電流制御ゲインKpに基づいてコンバータ制御部18がスイッチング素子Q2,Q4のオン/オフを制御することで((数式6)、(数式7)を参照)、電源電圧の実行値Vsに対してa倍に昇圧できる。なお、昇圧比aは、負荷検出部15によって検出される負荷に基づき、昇圧比制御部21によって設定(制御)される。すなわち、負荷が大きいほど、昇圧比aも大きな値に設定される。
As K p · I s is constant, and adjusting the current control gain K p by the current control
図28(a)は高速スイッチング制御におけるスイッチング素子Q2,Q4のデューティの関係を示す説明図である。前記したように、高速スイッチング制御の実行中、スイッチング素子Q2,Q4は交互にオン/オフされ、図28(a)に示すように、そのデューティ(通流率)が制御される。 FIG. 28A is an explanatory diagram showing the relationship of the duty of the switching elements Q2 and Q4 in the high-speed switching control. As described above, during the execution of the high-speed switching control, the switching elements Q2 and Q4 are alternately turned on / off, and the duty (conductivity) is controlled as shown in FIG.
図28(b)は、高速スイッチング制御における電源電圧の瞬時値vsと、回路電流の瞬時値isとの関係を示す説明図である。図28(a)、(b)に示すように、電源電圧が正の半サイクルにおいて、瞬時電流isが大きいほど、短絡電流を流すためのスイッチング動作を行うスイッチング素子Q2のデューティが小さい値に設定される((数式7)を参照)。同期整流を行う側のスイッチング素子Q4のデューティは、スイッチング素子Q2のデューティとは逆の特性になる。つまり、以下の(数式8)、(数式9)で示す関係が成り立つ。 FIG. 28B is an explanatory diagram showing the relationship between the instantaneous value vs of the power supply voltage and the instantaneous value is of the circuit current in the high-speed switching control. As shown in FIGS. 28A and 28B, in the half cycle in which the power supply voltage is positive, the duty of the switching element Q2 that performs the switching operation for flowing the short-circuit current is set to a smaller value as the instantaneous current is is larger. (See (Equation 7)). The duty of the switching element Q4 on the side where synchronous rectification is performed has a characteristic opposite to that of the switching element Q2. That is, the relationship shown by the following (Formula 8) and (Formula 9) is established.
また、図28(b)で示すように、電源電圧の瞬時値vsと回路電流の瞬時値isとの関係をみると、回路電流が正弦波状に制御されているため、力率を比較的高くなっている。なお、図28(b)は、リアクトルL1のインダクタンスが比較的小さく、電源電圧に対して電流の位相遅れがほとんど無い状態を想定している。仮に、リアクトルL1のインダクタンスが比較的大きく、電流位相が電圧位相に対して遅れている場合には、図28(c)に示すように、電流位相を考慮してスイッチング素子Q2,Q4のデューティを設定すればよい。 Further, as shown in FIG. 28 (b), when the relationship between the instantaneous value vs of the power supply voltage and the instantaneous value is of the circuit current is seen, the circuit current is controlled in a sine wave shape, so that the power factor is relatively high. It has become. FIG. 28B assumes a state in which the inductance of the reactor L1 is relatively small and there is almost no phase delay of the current with respect to the power supply voltage. If the inductance of reactor L1 is relatively large and the current phase is delayed with respect to the voltage phase, the duty of switching elements Q2 and Q4 is set in consideration of the current phase as shown in FIG. You only have to set it.
このように高速スイッチング制御を行うことで、回路電流を正弦波に近づけて高調波電流を低減し、また、力率を向上させることできる。また、スイッチング素子Q2,Q4を交互にオン/オフすることで昇圧及び同期整流を行うことができ、電力変換において高効率化を図ることができる。 By performing high-speed switching control in this way, the circuit current can be approximated to a sine wave to reduce the harmonic current, and the power factor can be improved. Further, by alternately turning on / off switching elements Q2 and Q4, boosting and synchronous rectification can be performed, and high efficiency can be achieved in power conversion.
<効果>
本実施形態によれば、負荷の大きさに応じて同期整流制御又はスイッチング制御を行うことで、力率の改善、高調波の抑制、及び昇圧を行うことができるとともに、高効率化を図ることができる。
なお、第1実施形態(図1参照)では、回路短絡動作時においてダイオードD2に逆回復電流が発生するため、低損失化を図るために、ダイオードD2として逆回復時間の比較的短い高速ダイオードを用いることが望ましい。しかしながら、高速ダイオードは順方向の電圧降下が比較的大きいため、それに伴って導通損失が大きくなりやすい。
これに対して本実施形態では、スイッチング素子Q2,Q4として、逆回復時間の比較的短いtrr高速タイプのスイッチング素子(MOSEFT)を用いることで、スイッチング損失を低減し、さらに、前記した同期整流制御によって導通損失を低減できる。したがって、電力変換を行う際の低損失化を図ることができる。
<Effect>
According to the present embodiment, by performing synchronous rectification control or switching control according to the size of the load, power factor can be improved, harmonics can be suppressed, and voltage can be boosted, and higher efficiency can be achieved. Can do.
In the first embodiment (see FIG. 1), since a reverse recovery current is generated in the diode D2 during the circuit short-circuit operation, a high-speed diode having a relatively short reverse recovery time is used as the diode D2 in order to reduce the loss. It is desirable to use it. However, since the high-speed diode has a relatively large forward voltage drop, the conduction loss tends to increase accordingly.
In contrast, in the present embodiment, a trr high-speed type switching element (MOSEFT) having a relatively short reverse recovery time is used as the switching elements Q2 and Q4, so that the switching loss is reduced. Therefore, conduction loss can be reduced. Therefore, it is possible to reduce the loss when power conversion is performed.
≪第5実施形態≫
第5実施形態では、第1実施形態で説明した電力変換装置1を備える空気調和機Wについて説明する。なお、電力変換装置1の構成(図1参照)、及び電力変換装置1が実行する処理(図4参照)については、第1実施形態と同様である。したがって、第1実施形態と異なる部分について説明し、重複する部分については説明を省略する。
«Fifth embodiment»
5th Embodiment demonstrates the air conditioner W provided with the
図29は、第5実施形態に係る空気調和機Wの構成図である。
空気調和機Wは、電力変換装置1と、インバータ2と、モータ3と、空調回路(圧縮機41、室外熱交換器42、膨張弁43、室内熱交換器44等)と、を備えている。
FIG. 29 is a configuration diagram of an air conditioner W according to the fifth embodiment.
The air conditioner W includes a
インバータ2は、電力変換装置1から印加される直流電圧を、例えば、PWM制御(Pulse Width Modulation)に基づいて交流電圧に変換する電力変換器である。
モータ3は、インバータ2から入力される交流電圧によって駆動する電動機(例えば、三相同期モータ)である。
圧縮機41は、冷媒を圧縮する装置であり、モータ3の回転によって駆動する。
室外熱交換器42は、室外ファンF1から送り込まれる室内空気と、冷媒と、の熱交換を行うための熱交換器である。
膨張弁43は、室外熱交換器42又は室内熱交換器44から流れ込む冷媒を膨張させて減圧するための減圧器である。
なお、図29に示す例では、電力変換装置1、インバータ2、モータ3、圧縮機41、室外熱交換器42、及び室外ファンF1が、室外機U1に設置されている。
The inverter 2 is a power converter that converts the DC voltage applied from the
The motor 3 is an electric motor (for example, a three-phase synchronous motor) that is driven by an AC voltage input from the inverter 2.
The
The
The
In the example shown in FIG. 29, the
室内熱交換器44は、室内ファンF2から送り込まれる室内空気と、冷媒と、の熱交換を行うための熱交換器であり、室内機U2に設置されている。
圧縮機41、室外熱交換器42、膨張弁43、及び室内熱交換器44が配管iを介して環状に順次接続されてなる空調回路において、周知のヒートポンプサイクルで冷媒を循環させるようになっている。なお、空気調和機Wは、冷房用でもよいし、暖房用でもよい。また、冷房時と暖房時とで冷媒の流れる向きを切り替える四方弁(図示せず)を設けてもよい。
The
In an air-conditioning circuit in which the
また、図29では図示を省略したが、第1実施形態で説明した保護制御(S113:図4参照)の一つとして、室外ファンF1の回転速度を上昇させるようにしてもよい。これによって、スイッチング素子Q3,Q4(図1参照)に設置されている放熱フィン(図示せず)に向けて室外ファンF1から外気が送り込まれるため、スイッチング素子Q3,Q4の放熱を促進させることができる。 Although not shown in FIG. 29, as one of the protection controls described in the first embodiment (S113: see FIG. 4), the rotational speed of the outdoor fan F1 may be increased. As a result, since the outside air is sent from the outdoor fan F1 toward the radiation fins (not shown) installed in the switching elements Q3 and Q4 (see FIG. 1), the heat radiation of the switching elements Q3 and Q4 can be promoted. it can.
<効果>
本実施形態によれば、空気調和機Wが電力変換装置1を備えることで、エネルギ効率(つまり、APF)が高く、また、信頼性の高い空気調和機Wを提供できる。
<Effect>
According to this embodiment, since the air conditioner W includes the
≪変形例≫
以上、本発明に係る電力変換装置1等について各実施形態により説明したが、本発明はこれらの記載に限定されるものではなく、種々の変更を行うことができる。
例えば、第1実施形態(図1参照)では、ダイオードD3,D4にスイッチング素子Q3,Q4を並列接続する構成について説明したが、これに限らない。すなわち、図1に示すダイオードD1,D2にそれぞれスイッチング素子を並列接続し、ダイオードD3,D4にはスイッチング素子を並列接続しない構成でもよい。なお、各スイッチング素子の制御方法については、第1実施形態(図4参照)と同様であるから説明を省略する。
≪Modification≫
As mentioned above, although each embodiment demonstrated the
For example, in the first embodiment (see FIG. 1), the configuration in which the switching elements Q3 and Q4 are connected in parallel to the diodes D3 and D4 has been described, but the present invention is not limited to this. That is, a configuration in which switching elements are connected in parallel to the diodes D1 and D2 shown in FIG. 1 and no switching elements are connected in parallel to the diodes D3 and D4 may be employed. Note that the control method of each switching element is the same as that in the first embodiment (see FIG. 4), and thus the description thereof is omitted.
また、スイッチング素子Q1〜Q4として、オン抵抗の小さいスーパー・ジャンクションMOSFET又はSiC−MOSFETを使用してもよい。これによって、電力変換装置1のエネルギ損失をさらに低減し、低損失化・高効率化を図ることができる。
また、各実施形態では、スイッチング素子Q1〜Q4がMOSFETである場合について説明したが、これに限らない。例えば、スイッチング素子Q1〜Q4として、バイポーラトランジスタを用いてもよいし、IGBT(Insulated-Gate- Bipolar-Transistor)を用いてもよい。
例えば、第4実施形態(図20参照)で説明したスイッチング素子Q2,Q4としてバイポーラトランジスタを用いる場合には、スイッチング素子Q2のコレクタを平滑コンデンサC1の正側に接続し、スイッチング素子Q2のエミッタをスイッチング素子Q4のコレクタに接続し、スイッチング素子Q4のエミッタを平滑コンデンサC1の負側に接続すればよい。
Moreover, you may use super junction MOSFET or SiC-MOSFET with small ON resistance as switching element Q1-Q4. Thereby, the energy loss of the
Moreover, although each embodiment demonstrated the case where switching element Q1-Q4 was MOSFET, it is not restricted to this. For example, bipolar transistors may be used as the switching elements Q1 to Q4, or IGBTs (Insulated-Gate-Bipolar-Transistors) may be used.
For example, when bipolar transistors are used as the switching elements Q2 and Q4 described in the fourth embodiment (see FIG. 20), the collector of the switching element Q2 is connected to the positive side of the smoothing capacitor C1, and the emitter of the switching element Q2 is connected. What is necessary is just to connect to the collector of switching element Q4 and to connect the emitter of switching element Q4 to the negative side of smoothing capacitor C1.
また、各実施形態では、例えば、図1に示すように、交流電源Gと整流回路Dとを接続する配線hbに電流検出部11を設ける場合について説明したが、これに限らない。すなわち、電流検出部11に代えて、スイッチング素子Q3,Q4のドレイン側又はソース側にシャント抵抗(電流検出部)を設置してもよい。これによって、スイッチング素子Q3,Q4に流れる電流を精度よく検出でき、ひいては制御モードを最適なタイミングで切り替えることができる。
In each embodiment, for example, as illustrated in FIG. 1, the case where the
また、第1実施形態では、電流検出部11の検出値Iと、閾値I1,I2,I3と、の比較結果に基づいて、制御モードを決定する場合について説明したが、これに限らない。例えば、電流(負荷)に関する閾値を、閾値I1のみとして、次のように制御モードを切り替えてもよい。すなわち、電流検出部11の検出値が閾値I1未満の場合、前記した同期整流制御を実行し(図6参照)、検出値が閾値I1以上である場合、リアクトルL1を介した短絡電流の経路に含まれるスイッチング素子Q3(又はスイッチング素子Q4)をスイッチングするようにしてもよい(図8、図10参照)。
このような制御でも、同期整流制御によって低損失化・高効率化を図り、また、スイッチングによって力率の改善、高調波の抑制、昇圧等を行うことができる。なお、前記した「スイッチング」は、同期整流・回路短絡制御であってもよいし(図8参照)、回路短絡制御(図10参照)であってもよいし、第4実施形態でいえば「スイッチング制御」に相当する。前記した制御方法は、第2〜第5実施形態にも適用できる。
Moreover, although 1st Embodiment demonstrated the case where a control mode was determined based on the comparison result of the detected value I of the electric
Even in such control, loss reduction and high efficiency can be achieved by synchronous rectification control, and power factor improvement, harmonic suppression, boosting, and the like can be performed by switching. The “switching” described above may be synchronous rectification / circuit short-circuit control (see FIG. 8), circuit short-circuit control (see FIG. 10), or “4” in the fourth embodiment. This corresponds to “switching control”. The control method described above can also be applied to the second to fifth embodiments.
また、例えば、電流に関する閾値を、閾値I1,I2のみとし、電流検出部11の検出値Iが閾値I1以上かつ閾値I2未満の場合に同期整流・回路短絡制御を実行し(図8参照)、閾値I2以上である場合に回路短絡制御を実行するようにしてもよい(図10参照)。
Further, for example, the thresholds related to the current are only thresholds I1 and I2, and when the detection value I of the
また、各実施形態では、電流検出部11(図1参照)の検出値に基づいて制御モードを切り替える場合について説明したが、これに限らない。すなわち、配線ha,hb(図1参照)に流れる電流と正の相関を有する「負荷」を、負荷検出部15(図1参照)によって検出し、この「負荷」の大きさに基づいて制御モードを切り替えるようにしてもよい。
具体的には、平滑コンデンサC1(図1参照)の出力電圧と、複数の閾値と、の比較結果に基づいて制御モードを切り替えてもよい。なお、負荷が大きくなるにつれて出力電圧も大きくなるため、複数の閾値によって分けられる負荷領域と出力電圧との関係は、図3と同様になる。
Moreover, although each embodiment demonstrated the case where control mode was switched based on the detected value of the electric current detection part 11 (refer FIG. 1), it is not restricted to this. That is, a “load” having a positive correlation with the current flowing in the wirings ha and hb (see FIG. 1) is detected by the load detection unit 15 (see FIG. 1), and the control mode is based on the magnitude of this “load”. May be switched.
Specifically, the control mode may be switched based on the comparison result between the output voltage of the smoothing capacitor C1 (see FIG. 1) and a plurality of threshold values. Since the output voltage increases as the load increases, the relationship between the load area divided by a plurality of threshold values and the output voltage is the same as in FIG.
また、平滑コンデンサC1(図1参照)の出力側のインバータ2(図29参照)の電流値、インバータ2に接続されるモータ3(図29参照)の回転速度、又は、モータ3の変調率に基づいて、制御モードを切り替えるようにしてもよい。前記した「変調率」とは、インバータ2の直流電圧に対するモータ3の印加電圧(線間電圧)の実効値の比である。なお、負荷が大きくなるにつれてインバータ2に流れる電流(モータ3の回転速度、変調率)も大きくなる。したがって、複数の閾値によって分けられる負荷領域と、インバータ2に流れる電流(モータ3の回転速度、変調率)との関係は、図3と同様になる。 Also, the current value of the inverter 2 (see FIG. 29) on the output side of the smoothing capacitor C1 (see FIG. 1), the rotational speed of the motor 3 (see FIG. 29) connected to the inverter 2, or the modulation rate of the motor 3 Based on this, the control mode may be switched. The above-described “modulation rate” is a ratio of the effective value of the applied voltage (line voltage) of the motor 3 to the DC voltage of the inverter 2. As the load increases, the current flowing through the inverter 2 (the rotation speed of the motor 3 and the modulation rate) also increases. Therefore, the relationship between the load region divided by a plurality of threshold values and the current flowing through the inverter 2 (the rotational speed and modulation rate of the motor 3) is the same as that in FIG.
また、第5実施形態では、空気調和機W(図29参照)が備える電力変換装置1に関して、制御モードの切替えを行う際に電流検出部11の検出値(負荷)を用いる場合について説明したが、これに限らない。例えば、室内機U2(図29参照)に設置されている室温サーミスタ(図示せず)の検出値と、空気調和機Wの設定温度と、の差に基づいて負荷を検出してもよい。この場合、室温と設定温度との差が大きいほど、電力変換装置1の負荷は高くなり、空気調和機Wの出力も大きくなる。
また、コンバータ制御部18が、前記した同期整流制御と、リアクトルL1を介した短絡電流の経路に含まれるスイッチング素子Q3(又はスイッチング素子Q4)をスイッチングする制御と、を負荷の大きさに基づいて切り換えるようにしてもよい。
Moreover, although 5th Embodiment demonstrated the case where the detected value (load) of the electric
Further, based on the size of the load,
また、各実施形態は、適宜組み合わせることができる。例えば、第2実施形態と第3実施液体とを組み合わせ、スイッチング素子Q1〜Q4のそれぞれに温度検出部を設け、各温度検出部の検出値と、負荷(例えば、回路電流)の大きさと、に基づいて制御モードを切り替えるようにしてもよい。なお、電力変換装置1が実行する処理については、第3実施形態(図19参照)と同様であるから説明を省略する。
Moreover, each embodiment can be combined suitably. For example, the second embodiment and the third embodiment liquid are combined, a temperature detection unit is provided for each of the switching elements Q1 to Q4, and the detection value of each temperature detection unit and the magnitude of the load (for example, circuit current) The control mode may be switched based on this. In addition, about the process which the
また、例えば、第4実施形態で説明した電流制御ゲイン調整部20(図20参照)と、昇圧比制御部21(図20参照)と、を第1実施形態の電力変換装置1(図1参照)に追加し、第4実施形態で説明した方法に基づいて、スイッチング素子Q3,Q4(図1参照)のオン/オフを制御するようにしてもよい。具体的には、部分スイッチング制御を行う際、電源電圧Vsが正の半サイクルの期間においてコンバータ制御部18は、スイッチング素子Q4を常時オン状態とし、スイッチング素子Q3を所定のディレイ、デューティで複数回スイッチングする。また、高速スイッチング制御を行う際、電源電圧Vsが正の半サイクルの期間においてコンバータ制御部18は、スイッチング素子Q4を常時オン状態とし、スイッチング素子Q3を所定周波数でスイッチングする。このように、同期整流・回路短絡制御及び回路短絡制御においても、部分スイッチング制御や高速スイッチング制御を適用できる。同様に、第2、第3実施形態に第4実施形態を適用することも可能である。
Further, for example, the current control gain adjustment unit 20 (see FIG. 20) and the boost ratio control unit 21 (see FIG. 20) described in the fourth embodiment are combined with the power conversion device 1 (see FIG. 1) of the first embodiment. ) And on / off of the switching elements Q3 and Q4 (see FIG. 1) may be controlled based on the method described in the fourth embodiment. Specifically, when performing the partial switching control, the
また、第3実施形態と第5実施形態とを組み合わせ、スイッチング素子Q3,Q4に設置される温度検出部T3,T4(図17参照)の検出値に基づいて、電力変換装置1(図29参照)の制御モードを切り替えるようにしてもよい。また、スイッチング素子Q3,Q4の温度を直接的に検出せずに、室外機U1(図29参照)に設置されている外気温サーミスタ(図示せず)の検出値を用いて、スイッチング素子Q3,Q4の温度を間接的に検出してもよい。例えば、冷房運転を行う場合には、外気温が高いほど負荷も大きくなり、スイッチング素子Q3,Q4が昇温しやすくなる。したがって、この場合には、外気温に対応する閾値II21,I31(図18参照)が、比較的小さい値で設定される。 Moreover, the power converter 1 (refer FIG. 29) is combined with 3rd Embodiment and 5th Embodiment and based on the detected value of temperature detection part T3, T4 (refer FIG. 17) installed in switching element Q3, Q4. ) Control mode may be switched. Further, without directly detecting the temperature of the switching elements Q3 and Q4, the detected value of an outside temperature thermistor (not shown) installed in the outdoor unit U1 (see FIG. 29) is used to switch the switching elements Q3 and Q3. You may detect the temperature of Q4 indirectly. For example, when performing a cooling operation, the higher the outside air temperature, the larger the load, and the switching elements Q3 and Q4 are more likely to rise in temperature. Therefore, in this case, the threshold values II21 and I31 (see FIG. 18) corresponding to the outside air temperature are set to relatively small values.
また、第4実施形態では、負荷の大きさに基づいて部分スイッチング制御と、高速スイッチング制御と、を切り替える場合について説明したが、これに限らない。すなわち、部分スイッチング制御と高速スイッチング制御の切替えを行わず、電流検出部11の検出値Iが閾値I1以上かつ閾値I2未満である場合、部分スイッチング制御のみを実施してもよいし、また、高速スイッチングのみを実施してもよい。そして、検出値Iが(負荷の大きさ)が第1保護領域(図3参照)に入った場合には、スイッチング回数を減らしてスイッチング損失の低減を行うことで、素子の熱破壊を防ぐことができる。また、負荷の大きさが第2保護領域(図3参照)に入った場合には、機器の減速運転又は運転停止を行えばよい。
In the fourth embodiment, the case where the partial switching control and the high-speed switching control are switched based on the size of the load has been described. However, the present invention is not limited to this. That is, when the switching value between the partial switching control and the high-speed switching control is not performed and the detection value I of the
また、第5実施形態では、電力変換装置1が空気調和機W(図20参照)に搭載される場合について説明したが、これに限らない。例えば、バッテリへの充電設備、冷蔵庫、給湯機、洗濯機、乗り物等に電力変換装置1を搭載してもよい。
また、各実施形態では、単相の交流電源Gの交流電圧を電力変換装置1によって直流電圧に変換する場合について説明したが、これに限らない。例えば、三相の交流電源から供給される交流電圧を直流電圧に変換する場合にも、各実施形態を適用できる。
Moreover, although 5th Embodiment demonstrated the case where the
Moreover, although each embodiment demonstrated the case where the alternating voltage of the single phase alternating current power supply G was converted into a direct voltage by the
また、前記した各実施形態は本発明を分かりやすく説明するために詳細に記載したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されない。また、ある実施形態の構成の一部を他の実施形態の構成に置き換えることが可能である。また、ある実施形態の構成に他の実施形態の構成を加える事も可能である。また、各実施形態の構成の一部について、他の構成の追加・削除・置換をすることが可能である。 Each of the above-described embodiments is described in detail for easy understanding of the present invention, and is not necessarily limited to the one having all the configurations described. A part of the configuration of one embodiment can be replaced with the configuration of another embodiment. Further, the configuration of another embodiment can be added to the configuration of a certain embodiment. In addition, it is possible to add, delete, and replace other configurations for a part of the configuration of each embodiment.
また、前記した各構成、機能、処理部、処理手段等は、それらの一部又は全部を、例えば集積回路で設計する等によりハードウェアで実現しても良い。また、機構や構成は説明上必要と考えられるものを示しており、製品上必ずしも全ての機構や構成を示しているとは限らない。 Each of the above-described configurations, functions, processing units, processing means, and the like may be realized by hardware by designing a part or all of them, for example, by an integrated circuit. Further, the mechanisms and configurations are those that are considered necessary for the explanation, and not all the mechanisms and configurations on the product are necessarily shown.
1,1A,1B,1C 電力変換装置
11 電流検出部(負荷検出部)
12,12B 電流比較部(制御部)
13 交流電圧検出部
14 ゼロクロス判定部(制御部)
15 負荷検出部
16 負荷比較部(制御部)
17 直流電圧検出部
18 コンバータ制御部(制御部)
19 記憶部
20 電流制御ゲイン調整部
21 昇圧比制御部
2 インバータ
3 モータ
41 圧縮機(空調回路)
42 室外熱交換器(空調回路)
43 膨張弁(空調回路)
44 室内熱交換器(空調回路)
i 配管(空調回路)
G 交流電源
C1 平滑コンデンサ
D 整流回路
D1,D2,D3,D4 ダイオード
ha 配線
L1 リアクトル
Q1,Q2,Q3,Q4 スイッチング素子
T3,T4 温度検出部
W 空気調和機
1, 1A, 1B,
12, 12B Current comparison unit (control unit)
13 AC
15
17 DC
DESCRIPTION OF
42 Outdoor heat exchanger (air conditioning circuit)
43 Expansion valve (air conditioning circuit)
44 Indoor heat exchanger (air conditioning circuit)
i Piping (air conditioning circuit)
G AC power source C1 Smoothing capacitor D Rectifier circuit D1, D2, D3, D4 Diode ha Wiring L1 Reactor Q1, Q2, Q3, Q4 Switching element T3, T4 Temperature detector W Air conditioner
Claims (12)
前記交流電源と前記整流回路とを接続する配線に設けられるリアクトルと、
前記整流回路の出力側に接続され、前記整流回路から印加される電圧を平滑化して直流電圧にする平滑コンデンサと、
複数の前記ダイオードのうち、前記平滑コンデンサの正側にカソードが接続されるダイオード、及び/又は、前記平滑コンデンサの負側にアノードが接続されるダイオードのそれぞれに並列接続されるスイッチング素子と、
前記配線に流れる電流の大きさと正の相関を有する負荷を検出する負荷検出部と、
前記スイッチング素子を制御する制御部と、を備え、
前記制御部は、
前記交流電源の電圧の極性に同期して前記スイッチング素子をオン/オフすることで、前記平滑コンデンサを介して電流を流す同期整流制御と、
前記リアクトルを介した短絡電流の経路に含まれる前記スイッチング素子をスイッチングする制御と、を前記負荷検出部の検出値に基づいて切り換えること
を特徴とする電力変換装置。 A rectifier circuit having a plurality of diodes connected in a bridge shape and rectifying a current from an AC power supply;
A reactor provided in a wiring connecting the AC power supply and the rectifier circuit;
A smoothing capacitor connected to the output side of the rectifier circuit and smoothing the voltage applied from the rectifier circuit to a DC voltage;
Among the plurality of diodes, a diode having a cathode connected to the positive side of the smoothing capacitor, and / or a switching element connected in parallel to each of a diode having an anode connected to the negative side of the smoothing capacitor,
A load detection unit for detecting a load having a positive correlation with the magnitude of the current flowing in the wiring;
A control unit for controlling the switching element,
The controller is
Synchronous rectification control for flowing current through the smoothing capacitor by turning on / off the switching element in synchronization with the polarity of the voltage of the AC power supply;
A power converter that switches between switching the switching element included in a short-circuit current path via the reactor based on a detection value of the load detection unit.
前記負荷検出部の検出値が第1閾値未満である場合、前記同期整流制御を実行し、
前記負荷検出部の検出値が前記第1閾値以上である場合、前記リアクトルを介した短絡電流の経路に含まれる前記スイッチング素子をスイッチングすること
を特徴とする請求項1に記載の電力変換装置。 The controller is
When the detection value of the load detection unit is less than a first threshold, the synchronous rectification control is executed,
The power conversion device according to claim 1, wherein when the detection value of the load detection unit is equal to or greater than the first threshold value, the switching element included in a short-circuit current path via the reactor is switched.
前記負荷検出部の検出値が前記第1閾値以上、かつ、前記第1閾値よりも大きい第2閾値未満である場合、前記リアクトルを介した短絡電流の経路に含まれる二つの前記スイッチング素子の一方をオン状態とし、他方をスイッチングする同期整流・回路短絡制御を実行し、
前記負荷検出部の検出値が前記第2閾値以上である場合、前記経路に含まれる二つの前記スイッチング素子の一方をオフ状態とし、他方をスイッチングする回路短絡制御を実行すること
を特徴とする請求項2に記載の電力変換装置。 The controller is
One of the two switching elements included in the short-circuit current path through the reactor when the detection value of the load detection unit is equal to or greater than the first threshold and less than a second threshold greater than the first threshold. Executes synchronous rectification and short circuit control that switches on the other,
When the detection value of the load detection unit is equal to or greater than the second threshold, one of the two switching elements included in the path is turned off and circuit short-circuit control is performed to switch the other. Item 3. The power conversion device according to Item 2.
前記負荷検出部の検出値が、前記第2閾値よりも大きい第3閾値以上である場合、前記平滑コンデンサの出力側のモータを減速又は停止させる保護制御を実行すること
を特徴とする請求項3に記載の電力変換装置。 The controller is
The protection control for decelerating or stopping the motor on the output side of the smoothing capacitor is executed when the detection value of the load detection unit is equal to or greater than a third threshold value greater than the second threshold value. The power converter device described in 1.
少なくとも前記第2閾値及び前記第3閾値が、前記スイッチング素子の温度に対応付けて記憶されている記憶部と、を備え、
前記制御部は、前記温度検出部によって検出される温度に対応する前記第2閾値及び前記第3閾値を前記記憶部から読み出して、前記負荷検出部の検出値と各閾値との大小を比較すること
を特徴とする請求項4に記載の電力変換装置。 A temperature detector for directly or indirectly detecting the temperature of the switching element;
A storage unit in which at least the second threshold value and the third threshold value are stored in association with the temperature of the switching element,
The control unit reads the second threshold value and the third threshold value corresponding to the temperature detected by the temperature detection unit from the storage unit, and compares the detection value of the load detection unit with each threshold value. The power converter according to claim 4, wherein:
前記平滑コンデンサの出力電圧、前記平滑コンデンサに接続されるインバータの電流値、前記インバータに接続されるモータの回転速度、又は、前記モータの電圧に関する変調率を、前記負荷の大きさとして検出すること
を特徴とする請求項1に記載の電力変換装置。 The load detector is
Detecting the output voltage of the smoothing capacitor, the current value of the inverter connected to the smoothing capacitor, the rotational speed of the motor connected to the inverter, or the modulation rate related to the voltage of the motor as the magnitude of the load. The power conversion device according to claim 1.
を特徴とする請求項1に記載の電力変換装置。 The power converter according to claim 1, wherein the switching element is a MOSFET, a source is connected to an anode of the diode, and a drain is connected to a cathode of the diode.
を特徴とする請求項7に記載の電力変換装置。 The power converter according to claim 7, wherein a forward voltage of the diode is smaller than a forward voltage of a parasitic diode included in the switching element connected in parallel to the diode.
を特徴とする請求項7に記載の電力変換装置。 The power converter according to claim 7, wherein the MOSFET is a super junction MOSFET or a SiC-MOSFET.
前記交流電源と前記ブリッジ回路とを接続する配線に設けられるリアクトルと、
前記ブリッジ回路の出力側に接続され、前記ブリッジ回路から印加される電圧を平滑化して直流電圧にする平滑コンデンサと、
前記配線に流れる電流の大きさと正の相関を有する負荷を検出する負荷検出部と、
前記スイッチング素子を制御する制御部と、を備え、
前記制御部は、
前記交流電源の電圧の極性に同期して前記スイッチング素子をオン/オフすることで、前記平滑コンデンサを介して電流を流す同期整流制御と、
前記交流電源の電圧の正・負の半サイクルそれぞれにおいて、前記一対のスイッチング素子を交互に複数回オン/オフするスイッチング制御と、を前記負荷検出部の検出値に基づいて切り換えること
を特徴とする電力変換装置。 A pair of diodes connected in series and a pair of switching elements connected in series are connected in parallel, and a connection point of the pair of diodes and a connection point of the pair of switching elements are respectively A bridge circuit connected to an AC power source;
A reactor provided in a wiring connecting the AC power supply and the bridge circuit;
A smoothing capacitor connected to the output side of the bridge circuit and smoothing a voltage applied from the bridge circuit to a DC voltage;
A load detection unit for detecting a load having a positive correlation with the magnitude of the current flowing in the wiring;
A control unit for controlling the switching element,
The controller is
Synchronous rectification control for flowing current through the smoothing capacitor by turning on / off the switching element in synchronization with the polarity of the voltage of the AC power supply;
The switching control for alternately turning on and off the pair of switching elements a plurality of times in each of positive and negative half cycles of the voltage of the AC power supply is switched based on a detection value of the load detection unit. Power conversion device.
前記電力変換装置から印加される直流電圧を交流電圧に変換するインバータと、
前記インバータから印加される交流電圧で駆動するモータと、を備えるとともに、
前記モータの回転によって駆動する圧縮機と、室外熱交換器と、膨張弁と、室内熱交換器と、が配管を介して環状に順次接続されてなる空調回路を備えること
を特徴とする空気調和機。 The power conversion device according to any one of claims 1 to 10,
An inverter that converts a DC voltage applied from the power converter to an AC voltage;
A motor driven by an AC voltage applied from the inverter, and
An air conditioner comprising an air conditioning circuit in which a compressor driven by the rotation of the motor, an outdoor heat exchanger, an expansion valve, and an indoor heat exchanger are sequentially connected in an annular manner through a pipe. Machine.
前記交流電源と前記整流回路とを接続する配線に設けられるリアクトルと、
前記整流回路の出力側に接続され、前記整流回路から印加される電圧を平滑化して直流電圧にする平滑コンデンサと、
複数の前記ダイオードのうち、前記平滑コンデンサの正側にカソードが接続されるダイオード、及び/又は、前記平滑コンデンサの負側にアノードが接続されるダイオードのそれぞれに並列接続されるスイッチング素子と、
前記配線に流れる電流の大きさと正の相関を有する負荷を検出する負荷検出部と、
を備える電力変換装置が実行する電力変換方法であって、
前記交流電源の電圧の極性に同期して前記スイッチング素子をオン/オフすることで、前記平滑コンデンサを介して電流を流す同期整流制御と、
前記リアクトルを介した短絡電流の経路に含まれる前記スイッチング素子をスイッチングする制御と、を前記負荷検出部の検出値に基づいて切り換えること
を特徴とする電力変換方法。 A rectifier circuit having a plurality of diodes connected in a bridge shape and rectifying a current from an AC power supply;
A reactor provided in a wiring connecting the AC power supply and the rectifier circuit;
A smoothing capacitor connected to the output side of the rectifier circuit and smoothing the voltage applied from the rectifier circuit to a DC voltage;
Among the plurality of diodes, a diode having a cathode connected to the positive side of the smoothing capacitor, and / or a switching element connected in parallel to each of a diode having an anode connected to the negative side of the smoothing capacitor,
A load detection unit for detecting a load having a positive correlation with the magnitude of the current flowing in the wiring;
A power conversion method executed by a power conversion device comprising:
Synchronous rectification control for flowing current through the smoothing capacitor by turning on / off the switching element in synchronization with the polarity of the voltage of the AC power supply;
A control method for switching the switching element included in the short-circuit current path through the reactor based on a detection value of the load detection unit.
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