JP2020202728A - 制御装置および空気調和装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 遅延回路等を設けることなく、逆回復電流による損失やノイズの発生を抑制できる装置を提供する。【解決手段】 制御装置は、直流電圧源に直列接続され、負荷に電力を供給する第１および第２のスイッチング素子と、各スイッチング素子が共に動作を休止する休止期間を生じるように、各スイッチング素子を交互に駆動する第１および第２の素子駆動回路と、第１のスイッチング素子に逆並列に接続された第１の還流ダイオードと、第１の還流ダイオードに直流電圧より小さい逆電圧を印加する第１の逆電圧印加回路と、第１の逆電圧印加回路を駆動する第１の回路駆動回路とを含む。第１の回路駆動回路および第２の素子駆動回路は、第１の逆電圧印加回路および第２のスイッチング素子への駆動の指示を変換して出力するまでの応答速度として固有の第１および第２の応答速度を有し、第１の応答速度が第２の応答速度より速く、第１の応答速度と第２の応答速度の差に基づく出力の時間差が休止期間より短いことを特徴とする。【選択図】 図４

Description

本発明は、負荷を制御する制御装置および該制御装置を含む空気調和装置に関する。

近年の省エネルギー化に伴い、空気調和装置の室外機に用いられる圧縮機には、モータの回転数を制御する制御装置としてインバータが搭載されている。インバータは、スイッチング動作を行い、スイッチの切り替え間隔を変えることで、出力する交流の周波数や電圧を変え、モータの回転数を制御する。この制御を実現するために、インバータには、半導体回路が使用されている。

半導体回路に含まれるダイオードは、順方向に電圧をかけて電流を流し、逆方向に電圧をかけて電流を停止する。しかしながら、ダイオードは、順方向に電流が流れており、ダイオード内の空乏層が狭まっている状態で逆方向に電圧を掛けた場合、直ぐには電流が停止せず、停止するまで回路毎に固有の時間（逆回復時間）がかかり、その間、逆方向に電流（逆回復電流）が流れてしまう。これは、パワー半導体の構造的に、内部にダイオードの構成（寄生ダイオード、またはボディダイオード）が存在するためである。インバータの出力周波数に合わせて各素子の電流の方向が切り替わることから、その都度逆回復電流が発生し、これが損失となる。

この損失を低減するため、二個一組の主回路スイッチング素子を切り替える際に共にオフ状態の休止期間中に逆電圧印加スイッチング素子をオンさせ、休止期間が経過後にオフさせる技術、逆電圧印加回路駆動用のＰＷＭ信号を生成する手段を設け、逆電圧印加回路のオン時間を制御する技術、適切なタイミングで逆電圧印加回路を動作させるために、遅延回路を負荷する技術等が提案されている（例えば、特許文献１〜３参照）。

特許第４２０４５３４号公報 特許第４７２９３９３号公報 特開２０１３−２５２０４２号公報

しかしながら、上記特許文献１に記載の技術では、休止期間中に逆電圧印加スイッチング素子をオンさせ、休止期間経過後にオフさせるための具体的な構成が開示されていない。また、休止期間経過直後は、逆電圧が印加されているとは言え、その逆電圧より高い直流電源の電圧が瞬時的に印加されるため、逆回復電流による損失やノイズが発生するという問題があった。

また、上記特許文献２、３に記載の技術では、逆電圧印加回路駆動用のＰＷＭ信号を生成する手段や遅延回路を別途設ける必要があり、回路構成が複雑になり、コストが上がるという問題があった。

本発明は、上記課題に鑑み、負荷を制御する制御装置であって、
直流電圧源に直列接続され、負荷に電力を供給する第１および第２のスイッチング素子と、
各スイッチング素子が共に動作を休止する休止期間を生じるように、各スイッチング素子を交互に駆動する第１および第２の素子駆動回路と、
第１のスイッチング素子に逆並列に接続された第１の還流ダイオードと、
第１の還流ダイオードに直流電圧より小さい逆電圧を印加する第１の逆電圧印加回路と、
第１の逆電圧印加回路を駆動する第１の回路駆動回路と
を含み、
第１の回路駆動回路および第２の素子駆動回路は、第１の逆電圧印加回路および第２のスイッチング素子への駆動の指示を変換して出力するまでの応答速度として固有の第１および第２の応答速度を有し、第１の応答速度が第２の応答速度より速く、第１の応答速度と第２の応答速度の差に基づく出力の時間差が休止期間より短い、制御装置が提供される。

本発明によれば、遅延回路等を設けることなく、逆回復電流による損失やノイズの発生を抑制することができる。

空気調和装置の構成例を示した図。 室外機の構成例を示した図。 制御基板の構成例を示した図。 モータを制御するインバータ部の構成例を示した図。 逆電圧印加回路の動作タイミングについて説明する図。 逆電圧印加回路の動作について説明する図。

本制御装置は、モータ等の負荷を制御する装置として、いかなる機器に実装することができるが、ここでは、空気調和装置の室外機の圧縮機が備えるモータを制御する装置として説明する。

図１は、空気調和装置の構成例を示した図である。空気調和装置は、同一空間内に設けられる１以上の室内機と、その空間の外部に設置される１以上の室外機とを含む。また、空気調和装置は、ユーザが操作するためのリモートコントローラを含む。

図１に例示した装置は、室内に設置された１台の室内機１０と、室外に設置された１台の室外機１１と、室内機１０を運転するための１個のリモートコントローラ１２とから構成されている。

室内機１０と室外機１１は、２本の配管１３により接続され、配管１３内を冷媒が循環するように構成されている。室内機１０は、室内の空気を吸い込み、循環する冷媒により室内の空気を冷却または暖め、冷却または暖めた空気を吹き出す。これを繰り返すことにより、室内を冷やし、または暖める。室外機１１は、冷媒を室内機へ供給するとともに、室内機から回収し、加熱または冷却して、再び室内機１０へ供給する。

リモートコントローラ１２は、電源ボタンや温度設定ボタン等の各種の入力ボタンを備え、室内機１０との間で通信を行う。室内機１０と室外機１１とは、通信ケーブル等により接続され、室内機１０と室外機１１との間で通信を行う。室外機１１は、室内機１０からの指示を受けて、運転を開始または停止し、室内機１０からの情報を取得して、室内温度を設定温度に近づけるように、室内機へ供給する冷媒の温度等を調整する。

図２は、室外機１１の構成例を示した図である。室外機１１は、外気を吸い込み、吹き出すファン２０と、吸い込んだ空気を温め、または冷却する熱交換器２１と、室内機１０と室外機１１との間で冷媒を循環する圧縮機２２と、室外機１１を制御する制御基板２３と、膨張弁２４とを備えている。また、室外機１１は、外気温を計測する温度センサ、圧縮機２２に供給する電流を計測するセンサ、冷媒の流量を計測するセンサ、冷媒の圧力を計測するセンサ、四方弁、アキュムレータ等を備えている。

制御基板２３は、室内機１０からの指示を受けて、室外機１１を運転または停止し、通知された情報に基づき、ファン２０や圧縮機２２を制御して室内温度が設定温度になるように運転負荷を変え、室内機１０へ供給する冷媒の温度や冷媒を循環する流量等を調整する。膨張弁２４は、圧縮された冷媒を膨張させ、冷媒の温度を下げるために使用される。

ここで、運転中の空気調和装置における室外機１１の動作を簡単に説明しておく。室外機１１の運転が開始されると、圧縮機２２が起動され、室内機１０と室外機１１との間の冷媒の循環が開始される。

空気調和装置を冷房に使用する場合、圧縮機２２が冷媒を圧縮し、吐出すると、高温、高圧の冷媒は、熱交換器２１内に供給される。冷媒は、ファン２０により吸い込まれた外気と熱交換され、冷却される。冷却後、冷媒は、膨張弁２４により膨張され、温度が下がり、配管１３を通して室外機１１から室内機１０へ送られる。

室内機１０は、ファンと、熱交換器と、制御基板とを備えており、熱交換器内に冷媒が供給され、ファンにより吸い込まれた室内の空気と熱交換される。空気は、冷媒により冷却され、室内へ吹き出される。

冷媒は、配管１３を通り、圧縮機２２へ戻される。この動作を繰り返し、吹き出された冷たい空気で室内を設定温度になるように冷却していく。

空気調和装置を暖房に使用する場合、冷房の場合と逆の動作となり、圧縮機２２が冷媒を断熱圧縮し、高温、高圧の状態にして吐出すると、熱交換器２１ではなく、配管１３を通して室内機１０へ送られる。室内機１０では、熱交換器内に冷媒が供給され、ファンにより吸い込まれた室内の空気と熱交換される。空気は、冷媒により温められ、室内へ吹き出される。

冷媒は、空気に熱を与えて冷却され、配管１３を通して室外機１１へ送られる。室外機１１では、膨張弁２４により凝縮した高圧の冷媒を膨張させる。これにより、冷媒は、低温、低圧の状態になる。その後、熱交換器２１内に供給され、ファン２０により吸い込まれた外気と熱交換された後、圧縮機２２へ戻される。この動作を繰り返し、吹き出された温かい空気で室内を設定温度になるように暖めていく。

図３は、室外機１１が備える制御基板の構成例を示した図である。図３は、負荷の一例としてのモータを制御するインバータを例示している。制御基板は、インバータ以外の回路を含むことができる。ここでは、インバータが制御基板に含まれるものとして説明するが、制御基板とは別にインバータ基板として設けられていてもよい。

室外機１１は、交流の商用電源が入力される。インバータは、電力を半導体素子で制御するもので、ノイズフィルタ３０と、コンバータ部３１と、平滑回路３２と、インバータ部３３とから構成される。なお、図３に示す構成は一例であり、この構成に限定されるものではない。

ノイズフィルタ３０は、機器の誤作動を防止するため、電源ラインから侵入するノイズを除去する回路である。コンバータ部３１は、交流の電源を直流に変換する。平滑回路３２は、変換された直流電源の脈動分を除去して平滑にする。インバータ部３３は、周波数と電圧を任意に可変し、交流に逆変換してモータに出力する。

インバータ部３３は、可変した周波数や電圧によりモータの回転数を制御し、圧縮機２２が吐出する冷媒の容量を制御する。また、インバータ部３３は、少なくとも２つのスイッチング素子を使用し、交互に切り替えることで、直流を交流に変換する。スイッチング素子としては、ＭＯＳＦＥＴ(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor)やＩＧＢＴ(Insulated Gate Bipolar Transistor)等が使用される。

図４は、インバータ部３３の構成例を示した図である。インバータ部３３は、単相交流、二相交流、三相交流のいずれを供給するかによって異なるが、少なくとも２つのスイッチング素子４０、５０を含む。なお、二相交流の場合は、４つのスイッチング素子、三相交流の場合は、６つのスイッチング素子を含むことになる。二相交流は、電流または電圧の位相を互いにずらした２系統の単相交流を組み合わせた交流で、三相交流は、互いに位相をずらした３系統の単相交流を組み合わせた交流である。また、インバータ部３３は、スイッチング素子を２つずつ使用し、単相交流では計４つ、二相交流では計８つ、三相交流では計１２個使用してもよい。図４では、説明を簡単にするために、単相に着目した２つのスイッチング素子４０、５０のみの構成を例示している。

制御基板２３は、マイコンを含み、マイコンは、２つの信号を生成する生成回路３５として機能する。生成回路３５は、例えばＰＷＭ(Pulse Width Modulation)信号等の２つのスイッチング素子を駆動するための信号を生成する。以下、２つのスイッチング素子を、第１のスイッチング素子４０と第２のスイッチング素子５０として参照する。信号は、第１のスイッチング素子（Ｑ１）４０へは第１の端子（Ｐ１）４１を介して出力され、第２のスイッチング素子（Ｑ４）５０へは第２の端子（Ｐ４）５１を介して出力される。

信号により第１のスイッチング素子４０と第２のスイッチング素子５０とを駆動するには、例えば集積回路の１つであるドライバＩＣ(Integrated Circuit)等の、入力された信号に対して電圧および電位を変換し、駆動信号として出力する第１の素子駆動回路４２と第２の素子駆動回路５２が必要とされる。ドライバＩＣは、入力信号に対して電圧および電位を変換して出力する集積回路で、マイコンからの出力のように低出力電圧の部品で、比較的高い入力電圧が必要とされる部品を駆動させる場合に一般的に広く用いられるものである。

第１の素子駆動回路４２と第２の素子駆動回路５２は、ドライバＩＣを採用することで、低出力電圧、低出力電流の一般的なマイコン出力に対し、第１のスイッチング素子４０と第２のスイッチング素子５０を駆動させるための比較的高い電圧の駆動信号に変換することができる。

第１のスイッチング素子４０と第２のスイッチング素子５０は、コンバータ部３１等の直流電圧源に直列接続され、モータ等の負荷６０に電力を供給する。第１のスイッチング素子４０と第２のスイッチング素子５０として、ＭＯＳＦＥＴを使用する場合、直流電圧源側に第１のスイッチング素子４０のドレイン電極が接続され、第１のスイッチング素子４０のソース電極と第２のスイッチング素子５０のドレイン電極が接続され、０Ｖ（アース）側に第２のスイッチング素子５０のソース電極が接続される。そして、第１のスイッチング素子４０または第２のスイッチング素子５０のゲート電極に、第１の素子駆動回路４２または第２の素子駆動回路５２からの駆動信号を入力し、電圧を印加することで、第１のスイッチング素子４０または第２のスイッチング素子５０のソース電極とドレイン電極との間にチャネルが形成され、電流が流れる。第１のスイッチング素子４０または第２のスイッチング素子５０を電流が流れると、電流は負荷６０へ供給される。

第１のスイッチング素子４０から第２のスイッチング素子５０へ、または第２のスイッチング素子５０から第１のスイッチング素子４０への切り替えを同時に行うと、一瞬、両方が導通した状態になり、直流電圧が短絡してしまう。このため、第１のスイッチング素子４０および第２のスイッチング素子５０の双方がオフ状態、すなわち動作を休止した休止期間（デッドタイム）を設け、アースと電気的に接続される地絡を避けることが一般的である。

第１のスイッチング素子４０から第２のスイッチング素子５０へ切り替える場合、第１のスイッチング素子４０をオフにし、デッドタイムが経過した後、第２のスイッチング素子５０をオンにする。これは、第２のスイッチング素子５０から第１のスイッチング素子４０へ切り替える際も同様である。

第１のスイッチング素子４０をオフにすると、コイルを使用するモータ等の負荷６０では、電流を流し続けようとして瞬間的に高い電圧（サージ電圧）が発生する。この電圧が第１のスイッチング素子４０の耐圧を超えると、第１のスイッチング素子４０の故障の原因となる。このことは、第２のスイッチング素子５０も同様である。

そこで、このような高い電圧が第１のスイッチング素子４０と第２のスイッチング素子５０へ印加されないように、第１のスイッチング素子４０と第２のスイッチング素子５０に並列に、この電圧を逃がすための第１の還流ダイオード４３と第２の還流ダイオード５３が設けられる。第１の還流ダイオード４３と第２の還流ダイオード５３の向きは、第１のスイッチング素子４０と第２のスイッチング素子５０の電流が流れる向きとは逆の向きとされる。

大きな電力を供給することを目的として使用されるパワー半導体では、比較的大きな電流を流すため、内部の半導体構造が異なる。具体的には、Ｎ型半導体、Ｐ型半導体の積層のさせ方や、電極の配置等が異なる。このため、パワー半導体では、ドレイン−ソース間がＮ-Ｐ型半導体のダイオードの構成となり、これが寄生ダイオード、またはボディダイオードとなる。還流ダイオードとしては、この寄生ダイオードを用いるのが一般的である。

ちなみに、寄生ダイオードは、効率向上や仕様向上のためにスイッチング素子の耐圧や電流量の仕様を大きくしようとすると、必然的に逆回復電流が大きくなるというトレードオフの関係がある。

第１の還流ダイオード４３や第２の還流ダイオード５３等のダイオードは、順方向に電流を流し、逆方向へは電流が流れにくい特性を有する。ダイオードは、逆方向へ電圧（逆バイアス）を印加すると、当該逆方向へ電流が全く流れないという訳ではなく、ある一定量の電流が流れる。

第１の還流ダイオード４３に順方向の電流が流れているときに、第１のスイッチング素子４０がオンになると、第１の還流ダイオード４３の両端に直流電圧源からの大きい電圧Ｖｄが逆バイアスとして印加される。第１の還流ダイオード４３は、逆方向に電流（逆回復電流）が流れ、遮断される。逆回復電流が大きいほど、第１の還流ダイオード４３に大きな損失を生じさせる。これは、第２の還流ダイオード５３も同様である。このように還流ダイオードにて大きな損失が生じると、この損失発生によるノイズの発生も懸念される。

そこで、第１の還流ダイオード４３や第２の還流ダイオード５３の損失を低減させるべく、第１の還流ダイオード４３と第２の還流ダイオード５３に対し、直流電圧源からの電圧Ｖｄより小さい電圧を、逆電圧として印加し、第１の還流ダイオード４３と第２の還流ダイオード５３の逆回復を引き起こさせる第１の逆電圧印加回路４４と第２の逆電圧印加回路５４が設けられる。

第１の逆電圧印加回路４４と第２の逆電圧印加回路５４は、第１の還流ダイオード４３と第２の還流ダイオード５３の両端にそれぞれ接続され、第１のスイッチング素子４０や第２のスイッチング素子５０がオンにされる前に、第１の還流ダイオード４３や第２の還流ダイオード５３に対して逆電圧を印加する。これにより、損失やノイズを低減させることができる。

具体的には、高電圧であるＶｄが印加される前に、第１の逆電圧印加回路４４や第２の逆電圧印加回路５４からの弱電圧で逆回復させることで、高電圧であるＶｄによって逆電圧が印加され、大きな損失が生じるのを防ぐ。損失Ｐは、電圧Ｖと電荷Ｉとを乗算して得られる。ここでは、逆回復に必要な電荷Ｉが一定であるため、逆回復時に供給される電圧Ｖが低くなればなるほど損失Ｐが小さくなることなる。

第１の逆電圧印加回路４４と第２の逆電圧印加回路５４の電源としては、各種の電源を使用することが可能である。しかしながら、第１の逆電圧印加回路４４と第２の逆電圧印加回路５４の電源の電圧は、直流電圧源の電圧Ｖｄより小さいものを選定する必要がある。第１の逆電圧印加回路４４と第２の逆電圧印加回路５４の電源の電圧を、直流電圧源の電圧Ｖｄと同等以上のものを使用すると、第１の還流ダイオード４３と第２の還流ダイオード５３の逆回復電流による損失やノイズも同等以上となってしまうからである。

第１の逆電圧印加回路４４は、駆動するために駆動信号から第１の回路駆動回路４５により変換された電圧が入力される必要がある。第１の逆電圧印加回路４４は、第１のスイッチング素子４０が駆動を停止し、第２のスイッチング素子５０が駆動する前に駆動される。このため、第１の逆電圧印加回路４４は、その間に生成された駆動信号から変換された電圧の入力を受けて、または第１のスイッチング素子４０や第２のスイッチング素子５０の駆動のための駆動信号から変換された電圧の入力を一定時間遅延させ、その遅延した後の入力を受けて駆動することができる。これは、第２の逆電圧印加回路５４も同様である。

しかしながら、この方法では、第１の逆電圧印加回路４４や第２の逆電圧印加回路５４へ別途信号を出力するために、その信号を生成する手段や遅延回路の追加が必要となる。信号の生成は、マイコンにより実現可能であるが、マイコンを動作させるソフトウェアの負担が大きくなり、使用するマイコンポートの数も増えることから、コストが増大する。また、遅延回路の追加も、部品数が増加し、コストが増大する。

ところで、半導体素子や半導体素子を用いた回路において、信号が入力されてから信号が出力されるまでの速度（応答速度）に差が存在し、応答速度は素子に固有のものであることが知られている。一般に販売されるＩＣ等においても、応答速度は固有の値として存在し、仕様として販売メーカから提供されている。仕様は、メーカが製品を開発する際に取り決めた製品の機能や性能等である。

応答速度に差があることを利用し、適切な応答速度の回路を選択して使用すれば、別途信号を生成することや遅延回路を設けることなく、適切なタイミングで第１の還流ダイオード４３や第２の還流ダイオード５３に逆電圧を印加することができることを見出した。

そこで、第１の逆電圧印加回路４４は、第２の端子５１と第１の回路駆動回路４５を介して接続し、第２の端子５１から出力される信号（駆動の指示）を第１の回路駆動回路４５により電圧や電位に変換し、第１の回路駆動回路４５からの出力を受けて駆動するように構成する。

また、第２の逆電圧印加回路５４は、第１の端子４１と第２の回路駆動回路５５を介して接続し、第１の端子４１から出力される信号を第２の回路駆動回路５５により電圧や電位に変換し、第２の回路駆動回路５５からの出力を受けて駆動するように構成する。

第１のスイッチング素子４０の駆動が停止した後、第２のスイッチング素子５０を駆動するため、第２の端子５１から信号が出力される。第１の回路駆動回路４５の固有の応答速度（第１の応答速度）を、第２の素子駆動回路５２の固有の応答速度（第２の応答速度）よりも速くすれば、第２のスイッチング素子５０の駆動前に、第１の逆電圧印加回路４４を駆動し、第１の還流ダイオード４３に逆電圧を印加することができる。

また、第１の回路駆動回路４５の固有の応答速度と第２の素子駆動回路５２の固有の応答速度の差に基づく第１の逆電圧印加回路４４と第２のスイッチング素子５０とへの信号出力の時間差が、デッドタイムより短くなるようにする。これにより、第１のスイッチング素子４０がオン中に、第１の逆電圧印加回路４４がオンになることがないため、第１の逆電圧印加回路４４が第１のスイッチング素子４０を介してショート状態となることを防ぐことができる。

同様に、第２のスイッチング素子５０の駆動が停止した後、第１のスイッチング素子４０を駆動するため、第１の端子４１から信号が出力される。第２の回路駆動回路５５の固有の応答速度（第３の応答速度）を、第１の素子駆動回路４２の固有の応答速度（第４の応答速度）よりも速くすれば、第１のスイッチング素子４０の駆動前に、第２の逆電圧印加回路５４を駆動し、第２の還流ダイオード５３に逆電圧を印加することができる。

この場合も、第２の回路駆動回路５５の固有の応答速度と第１の素子駆動回路４２の固有の応答速度の差に基づく第２の逆電圧印加回路５４と第１のスイッチング素子４０への信号出力の時間差が、デッドタイムより短くなるようにする。これにより、第２の逆電圧印加回路５４が第２のスイッチング素子５０を介してショート状態となることを防ぐことができる。

第１の回路駆動回路４５および第２の回路駆動回路５５も、第１の素子駆動回路４２および第２の素子駆動回路５２と同様、スイッチング素子駆動用のドライバＩＣ等を用いることができる。

第１の素子駆動回路４２、第１の回路駆動回路４５、第２の素子駆動回路５２、第２の回路駆動回路５５としてドライバＩＣを用いる場合、各回路の固有の応答速度は、各ドライバＩＣの仕様によって決定された応答速度となる。

第１の素子駆動回路４２と第２の素子駆動回路５２は、同じ仕様のドライバＩＣを用いることができ、第１の回路駆動回路４５と第２の回路駆動回路５５は、同じ仕様のドライバＩＣを用いることができる。これは、同じ信号を受け、変換して出力する第１の素子駆動回路４２と第２の回路駆動回路５５とで、また、第２の素子駆動回路５２と第１の回路駆動回路４５とで応答速度が異なっていればよいからである。同じ仕様のドライバＩＣを用いることで、仕様が異なる２種類のドライバＩＣを用意すれば済み、４種類のドライバＩＣを用意する必要がなくなる。

第１の逆電圧印加回路４４および第２の逆電圧印加回路５４はそれぞれ、スイッチング素子と、還流ダイオードと、コンデンサとを含むことができる。スイッチング素子は、第１のスイッチング素子４０や第２のスイッチング素子５０と同様、ゲート電極への電圧の印加によりソース電極とドレイン電極との間にチャネルを形成し、電流を流すことで、逆電圧を印加する。還流ダイオードは、サージ電圧を逃がすために設けられる。コンデンサは、スイッチング素子に供給する電源として機能する。

第１の逆電圧印加回路４４および第２の逆電圧印加回路５４に用いられるスイッチング素子は、第１のスイッチング素子４０および第２のスイッチング素子５０と同等か、それ以上の耐圧を有することが好ましい。

第１の逆電圧印加回路４４は、第１のスイッチング素子４０がターンオフし、第２のスイッチング素子５０がオンしているとき、直流電圧源からの電圧Ｖｄが印加される。このとき、還流ダイオードを介して電流を流し、スイッチング素子への電圧の印加を抑制することができる。しかしながら、直流電圧源から電圧Ｖｄが印加されたタイミングでダイオードには逆回復電流が流れてしまうことから、スイッチング素子にこの逆回復電流が流れ、直流電圧源の電圧Ｖｄが印加されてしまう。すると、スイッチング素子が誤作動し、破壊される場合がある。

上記のように、第１の逆電圧印加回路４４および第２の逆電圧印加回路５４に用いられるスイッチング素子を、第１のスイッチング素子４０および第２のスイッチング素子５０と同等か、それ以上の耐圧を有するものとすることで、誤作動や破壊を抑止することができる。

第１の逆電圧印加回路４４や第２の逆電圧印加回路５４には、第１のスイッチング素子４０や第２のスイッチング素子５０で発生するスイッチングノイズが印加される。この影響で、第１の逆電圧印加回路４４や第２の逆電圧印加回路５４は誤作動し、破壊される場合がある。これを抑止するためには、第１のスイッチング素子４０や第２のスイッチング素子５０のスイッチング速度を落とす等の調整を行い、スイッチングノイズを低減する変更を加える必要がある。

しかしながら、第１の逆電圧印加回路４４および第２の逆電圧印加回路５４に用いられるスイッチング素子を、第１のスイッチング素子４０および第２のスイッチング素子５０と同等か、それ以上の耐圧を有するものとすることで、第１のスイッチング素子４０や第２のスイッチング素子５０のスイッチング速度の調整を行うことなく、発生するスイッチングノイズに耐えうることが可能となる。

なお、このスイッチングノイズに充分に耐えうるようにするべく、第１の逆電圧印加回路４４と第１の還流ダイオード４３とを接続する、第１の逆電圧印加回路４４の端部、および第２の逆電圧印加回路５４と第２の還流ダイオード５３とを接続する、第２の逆電圧印加回路５４の端部に、ダイオード４６、５６を設けてもよい。

図５は、第１の逆電圧印加回路４４および第２の逆電圧印加回路５４の動作タイミングについて説明する図である。生成回路３５によりＰＷＭ信号が生成され、第１の端子４１であるＰ１へ送られ、Ｐ１から出力される。信号が出力されると、矩形波が０から正の値に立ち上がる。Ｐ１からの信号の出力は、デッドタイム内に行われる。

Ｐ１からの信号を受けて、第２の回路駆動回路５５であるＡ４が固有の応答速度で駆動信号を出力し、第１の逆電圧印加回路４４に入力する。第１の逆電圧印加回路４４は、逆電圧を第１の還流ダイオード４３に印加する。逆電圧の印加により、矩形波が０から正の値に立ち上がる。Ａ４は、第１の素子駆動回路４２より固有の応答速度が速いものが選択されている。このため、Ａ４は、第１の素子駆動回路４２より先に第１の逆電圧印加回路４４へ駆動信号を出力する。第１の逆電圧印加回路４４は、Ａ４から出力された駆動信号を受けて、第１のスイッチング素子４０より先に駆動する。このため、第１の逆電圧印加回路４４は、デッドタイム中に駆動することになる。

Ｐ１からの信号を受けて、第１の素子駆動回路４２は固有の応答速度で駆動信号を生成し、第１のスイッチング素子４０であるＱ１に駆動信号を出力する。第１の素子駆動回路４２は、Ａ４より固有の応答速度が遅いため、Ａ４が駆動信号を出力した後に、Ｑ１へ駆動信号を出力する。Ｑ１への駆動信号の入力により、矩形波が０から正の値に立ち上がり、デッドタイムが終了する。

Ｑ１が駆動中、生成回路３５により駆動を停止させるためのＰＷＭ信号が生成され、Ｐ１から出力される。信号が出力されると、矩形波が正の値から０に立ち下がる。Ｐ１からの信号を受けて、Ａ４が固有の応答速度で停止信号を出力し、第１の逆電圧印加回路４４に入力する。第１の逆電圧印加回路４４は、逆電圧の印加を停止する。この停止により、矩形波が０から正の値から０に立ち下がる。

Ｐ１からの信号を受けて、第１の素子駆動回路４２は、Ａ４より固有の応答速度が遅いため、第１の逆電圧印加回路４４の停止後に、Ｑ１を停止させる。Ｑ１への停止信号の入力により、矩形波が正の値から０に立ち下がり、デッドタイムが開始される。

デッドタイム中に、生成回路３５によりＰＷＭ信号が生成され、第２のスイッチング素子５０であるＱ４を駆動するため、第２の端子５１であるＰ４から出力される。

Ｐ４からの信号を受けて、第１の回路駆動回路４５であるＡ１が固有の応答速度で駆動信号を出力し、第２の逆電圧印加回路５４に入力する。第２の逆電圧印加回路５４は、逆電圧を第２の還流ダイオード５３に印加する。Ａ１は、第２の素子駆動回路５２より固有の応答速度が速いものが選択されている。第２の逆電圧印加回路５４は、Ａ１から出力された駆動信号を受けて、第２のスイッチング素子５０より先に駆動する。このため、第２の逆電圧印加回路５４は、デッドタイム中に駆動することになる。

Ｐ４からの信号を受けて、第２の素子駆動回路５２は固有の応答速度で駆動信号を生成し、第２のスイッチング素子５０であるＱ４に駆動信号を出力する。第２の素子駆動回路５２は、Ａ１より固有の応答速度が遅いため、Ａ１が駆動信号を出力した後に、Ｑ４へ駆動信号を出力する。Ｑ４への駆動信号の入力により、矩形波が０から正の値に立ち上がり、デッドタイムが終了する。

Ｑ４が駆動中、生成回路３５により駆動を停止させるためのＰＷＭ信号が生成され、Ｐ４から出力される。信号が出力されると、矩形波が正の値から０に立ち下がる。Ｐ４からの信号を受けて、Ａ１が固有の応答速度で停止信号を出力し、第２の逆電圧印加回路５４に入力する。第２の逆電圧印加回路５４は、逆電圧の印加を停止する。この停止により、矩形波が０から正の値から０に立ち下がる。

Ｐ４からの信号を受けて、第２の素子駆動回路５２は、Ａ１より固有の応答速度が遅いため、第２の逆電圧印加回路５４の停止後に、Ｑ４を停止させる。Ｑ４への停止信号の入力により、矩形波が正の値から０に立ち下がり、デッドタイムが開始される。その後は、上記と同様にして、Ｑ１の駆動、停止、Ｑ４の駆動、停止が交互に実行される。

これまで信号の入出力タイミングについて説明してきたが、図５および図６を参照して、電流が各スイッチング素子を流れるタイミングについて説明する。図６は、逆電圧印加回路の動作について説明する図である。図６（ａ）〜（ｄ）は、図５中の（ａ）〜（ｄ）の時点での動作の状態を示している。

図５に示すように、Ｑ１へ駆動信号が入力されると、矩形波が正側に立ち上がり、Ｑ１を電流が流れる。また、Ｑ１へ停止信号が入力されると、矩形波が０に立ち下がり、Ｑ１を流れていた電流が遮断され、電流が流れなくなる。

電流は、交流に変換して負荷６０へ供給するため、流れる向きを変え、Ｑ４がオンのときは、図６（ａ）に示すように、アース側からＱ４を介して負荷６０へ流れる。このように流れる向きが逆であるため、電流の値は、負の値となっている。

Ｑ４がターンオフし、デッドタイムに入ると、電流は、Ｑ４を通ることはできないが、第２の還流ダイオード５３は通ることができるので、デッドタイム中は、図６（ｂ）に示すように、アース側から第２の還流ダイオード５３を介して負荷６０へ流れる。

第２の逆電圧印加回路５４は、固有の応答速度の差により、Ｑ４より先に駆動信号が入力される。すると、第２の逆電圧印加回路５４は、第２の還流ダイオード５３へ逆電圧を印加する。これにより、図６（ｃ）に示すように、第２の還流ダイオード５３を逆向きに流れる逆回復電流が発生する。逆回復電流は、図５に示すように、電流の値が０を超えることで発生し、ある最大の電流に達した後、低下していく。

Ｑ１へ駆動信号が出力され、Ｑ１が駆動し、デッドタイムが終了すると、図６（ｄ）に示すように、直流電圧源からＱ１を介して負荷６０へ電流が流れるようになり、アース側からは電流が流れなくなる。このため、Ｑ４または第２の還流ダイオード５３を介して流れる電流は、図５に示すように０となる。これは、Ｑ１の駆動が停止されるまで継続する。

Ｑ１が停止されると、直流電圧源からＱ１を介して流れる電流がなくなるので、再び図６（ｂ）に示すようにアース側から第２の還流ダイオード５３を介して電流が流れることとなる。

以上のように、スイッチング素子を駆動するための信号を用い、逆電圧印加回路を駆動する構成で、各駆動回路の固有の応答速度を適切なものに選定しただけである。このため、既存のインバータに逆電圧印加回路を付加するだけで、スイッチング素子への直流電圧源の電圧Ｖｄを投入した際のダイオードの逆回復電流による損失やノイズを低減することが可能となる。なお、インバータは、室外機の圧縮機のみに搭載されているものとして説明したが、室外機のファンや室内機のファンにも搭載されていてもよい。

これまで本発明の制御装置および空気調和装置について上述した実施形態をもって詳細に説明してきたが、本発明は、上述した実施形態に限定されるものではなく、他の実施形態や、追加、変更、削除など、当業者が想到することができる範囲内で変更することができ、いずれの態様においても本発明の作用・効果を奏する限り、本発明の範囲に含まれるものである。

１０…室内機
１１…室外機
１２…リモートコントローラ
１３…配管
２０…ファン
２１…熱交換器
２２…圧縮機
２３…制御基板
２４…膨張弁
３０…ノイズフィルタ
３１…コンバータ部
３２…平滑回路
３３…インバータ部
４０…第１のスイッチング素子
４１…第１の端子
４２…第１の素子駆動回路
４３…第１の還流ダイオード
４４…第１の逆電圧印加回路
４５…第１の回路駆動回路
４６…ダイオード
５０…第２のスイッチング素子
５１…第２の端子
５２…第２の素子駆動回路
５３…第２の還流ダイオード
５４…第２の逆電圧印加回路
５５…第２の回路駆動回路
５６…ダイオード
６０…負荷

Claims (9)

1. 負荷を制御する制御装置であって、
   直流電圧源に直列接続され、前記負荷に電力を供給する第１および第２のスイッチング素子と、
   前記各スイッチング素子が共に動作を休止する休止期間を生じるように、前記各スイッチング素子を交互に駆動する第１および第２の素子駆動回路と、
   前記第１のスイッチング素子に逆並列に接続された第１の還流ダイオードと、
   前記第１の還流ダイオードに直流電圧より小さい逆電圧を印加する第１の逆電圧印加回路と、
   前記第１の逆電圧印加回路を駆動する第１の回路駆動回路と
   を含み、
   前記第１の回路駆動回路および前記第２の素子駆動回路は、前記第１の逆電圧印加回路および前記第２のスイッチング素子への駆動の指示を変換して出力するまでの応答速度として固有の第１および第２の応答速度を有し、前記第１の応答速度が前記第２の応答速度より速く、前記第１の応答速度と前記第２の応答速度の差に基づく出力の時間差が前記休止期間より短い、制御装置。
2. 前記第１の逆電圧印加回路は、前記第１のスイッチング素子の耐圧と同等もしくはそれ以上の耐圧を有するスイッチング素子を含む、請求項１に記載の制御装置。
3. 前記第１の回路駆動回路および前記第２の素子駆動回路は、前記指示として入力される電圧および電流を、前記第１の逆電圧印加回路および前記第２のスイッチング素子を駆動するための一定以上の電圧および電流に変換する集積回路である、請求項１または２に記載の制御装置。
4. 前記第２のスイッチング素子に逆並列に接続された第２の還流ダイオードと、
   前記第２の還流ダイオードに直流電圧より小さい逆電圧を印加する第２の逆電圧印加回路と、
   前記第２の逆電圧印加回路を駆動する第２の回路駆動回路と
   を含み、
   前記第２の回路駆動回路および前記第１の素子駆動回路は、前記第２の逆電圧印加回路および前記第１のスイッチング素子への駆動の第２の指示を変換して出力するまでの応答速度として固有の第３および第４の応答速度を有し、前記第３の応答速度が前記第４の応答速度より速く、前記第３の応答速度と前記第４の応答速度の差に基づく出力の時間差が前記休止期間より短い、請求項１〜３のいずれか１項に記載の制御装置。
5. 前記第２の逆電圧印加回路は、前記第２のスイッチング素子の耐圧と同等もしくはそれ以上の耐圧を有するスイッチング素子を含む、請求項４に記載の制御装置。
6. 前記第２の回路駆動回路および前記第１の素子駆動回路は、前記第２の指示として入力される電圧および電流を、前記第２の逆電圧印加回路および前記第１のスイッチング素子を駆動するための一定以上の電圧および電流に変換する集積回路である、請求項４または５に記載の制御装置。
7. 前記第１〜第４の応答速度は、前記第１の回路駆動回路、前記第２の素子駆動回路、前記第２の回路駆動回路、前記第１の素子駆動回路として採用される集積回路の仕様により決定され、
   前記第１および第３の応答速度を有する集積回路が同じ仕様の集積回路とされ、前記第２および第４の応答速度を有する集積回路が同じ仕様の集積回路とされる、請求項４〜６のいずれか１項に記載の制御装置。
8. 前記第１の回路駆動回路および前記第２の素子駆動回路に対し、前記第１の逆電圧印加回路および前記第２のスイッチング素子を駆動させるための指示を生成する生成回路を含む、請求項１〜７のいずれか１項に記載の制御装置。
9. 請求項１〜８のいずれか１項に記載の制御装置を含む、空気調和装置。