JP2021035140A - 直流電源装置、モータ駆動装置および空気調和機 - Google Patents

Abstract

【課題】スイッチング素子を用いた整流回路と並列に負荷が接続された場合において、整流回路を安定して動作させることが可能な直流電源装置を得ること。【解決手段】複数のスイッチング素子を用いて交流電力を整流し、直流電力を負荷１０に出力する整流回路４と、交流電源１と整流回路４との間において、整流回路４と並列に負荷１３を接続可能な並列負荷接続部１２と、交流電源１と並列負荷接続部１２との間において、負荷１３が接続されている場合は整流回路４および負荷１３に流れる電流の電流値を検出し、負荷１３が接続されていない場合は整流回路４に流れる電流の電流値を検出する電流検出部２と、並列負荷接続部１２に負荷１３が接続されている場合は負荷１３の動作を制御可能であって、電流検出部２の検出値に基づいて、スイッチング素子の動作を制御する制御部１１と、を備える。【選択図】図１

Description

本発明は、交流電力を直流電力に変換する直流電源装置、モータ駆動装置および空気調和機に関する。

従来、整流ダイオードの代わりにＭＯＳＦＥＴ（Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor）などの半導体スイッチであるスイッチング素子を用いた整流回路を備え、整流回路より交流電源側に電流検出回路を備える直流電源装置がある。特許文献１には、直流電源装置が、スイッチング素子の寄生ダイオードに電流が流れるタイミングに同期させてスイッチング素子を開閉制御することで、導通損失を低減する技術が開示されている。特許文献１に記載の直流電源装置は、同期整流制御において、電流検出回路で検出された整流回路に流れる直流電流の電流値をスイッチング素子の開閉制御に使用し、電流値の絶対値が電流閾値を超えるタイミングに応じて開閉を切り替える。これにより、特許文献１に記載の直流電源装置は、効率良く同期整流制御を実施する。

特開２０１２−１４３１５４号公報

しかしながら、特許文献１に記載の直流電源装置の回路構成では、電流検出回路と整流回路との間に整流回路と並列に負荷が接続されると、電流検出回路は、整流回路に流れる直流電流の電流値と負荷に流れる直流電流の電流値との合計電流値を検出することになる。この場合、電流検出回路の検出値が整流回路に流れる直流電流の電流値よりも大きくなり、検出値が整流回路に対して設定された電流閾値を超えるタイミングが期待したタイミングとずれ、スイッチング素子の開閉のタイミングが期待したタイミングと異なってしまう。そのため、整流回路の前段に交流電源が接続され、整流回路の後段にコンデンサが接続される一般的な回路構成において、コンデンサの両端電圧が交流電源の電源電圧を上回る場合、コンデンサから交流電源へ不適切な回生電流が流れてしまう可能性がある、という問題があった。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、スイッチング素子を用いた整流回路と並列に負荷が接続された場合において、整流回路を安定して動作させることが可能な直流電源装置を得ることを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明に係る直流電源装置は、複数のスイッチング素子を用いて、交流電源から出力される交流電力を整流し、整流後の直流電力を第１の負荷に出力する整流回路と、交流電源と整流回路との間において、整流回路と並列に第２の負荷を接続可能な並列負荷接続部と、交流電源と並列負荷接続部との間において、並列負荷接続部に第２の負荷が接続されている場合は整流回路および第２の負荷に流れる電流の電流値を検出し、並列負荷接続部に第２の負荷が接続されていない場合は整流回路に流れる電流の電流値を検出する電流検出部と、並列負荷接続部に第２の負荷が接続されている場合は第２の負荷の動作を制御可能であって、電流検出部の検出値に基づいて、スイッチング素子の動作を制御する制御部と、を備える。

本発明に係る直流電源装置は、スイッチング素子を用いた整流回路と並列に負荷が接続された場合においても、整流回路を安定して動作させることができる、という効果を奏する。

実施の形態１に係る直流電源装置の構成例を示す図 実施の形態１に係る直流電源装置が同期整流制御に使用する電流閾値を設定する動作を示すフローチャート 実施の形態１に係る直流電源装置において負荷がＰＷＭ（Pulse Width Modulation）信号によって制御されている場合の電流閾値とＰＷＭ信号のＤｕｔｙＯＮ時間との関係の例を示す図 実施の形態１に係る直流電源装置に流れる電流と整流回路のスイッチング素子のオンオフのタイミングとの関係を表す第１の例を示す図 実施の形態１に係る直流電源装置に流れる電流と整流回路のスイッチング素子のオンオフのタイミングとの関係を表す第２の例を示す図 実施の形態１に係る直流電源装置に流れる電流と整流回路のスイッチング素子のオンオフのタイミングとの関係を表す第３の例を示す図 実施の形態１に係る直流電源装置が備える制御部を実現するハードウェア構成の一例を示す図 実施の形態２に係るモータ駆動装置の構成例を示す図 実施の形態３に係る空気調和機の構成例を示す図

以下に、本発明の実施の形態に係る直流電源装置、モータ駆動装置および空気調和機を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。

実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１に係る直流電源装置１００の構成例を示す図である。直流電源装置１００は、交流電源１および負荷１０に接続される。交流電源１は、直流電源装置１００に交流電力を供給する。交流電源１は、一般的な商用電源であるが、これに限定されない。図１に示す交流電源１の電源電圧Ｖｓの矢印の方向を正極とする。負荷１０は、例えば、圧縮機、ファンなどを駆動するモータ、またはモータを駆動するインバータなどであるが、これらに限定されない。直流電源装置１００は、交流電源１から出力される交流電力を直流電力に変換し、負荷１０に出力する。以降の説明において、負荷１０を第１の負荷と称することがある。

直流電源装置１００の構成について説明する。直流電源装置１００は、電流検出部２と、リアクタ３と、整流回路４と、コンデンサ９と、制御部１１と、並列負荷接続部１２と、負荷１３と、を備える。なお、直流電源装置１００は、交流電源１と電流検出部２との間に、電源オンオフ切替用途、および過電流時に強制遮断する用途で、交流電源１の遮断用スイッチ、すなわちブレーカーを備えていてもよい。

電流検出部２は、交流電源１と並列負荷接続部１２との間に設置されている。電流検出部２は、並列負荷接続部１２に負荷１３が接続されている場合は整流回路４に流れる電流Ｉｒおよび負荷１３に流れる電流Ｉｌの合計電流である電流Ｉｓの電流値を検出する。電流検出部２は、並列負荷接続部１２に負荷１３が接続されていない場合は整流回路４に流れる電流Ｉｒである電流Ｉｓの電流値を検出する。電流Ｉｓ、電流Ｉｒ、および電流Ｉｌについては、図１に示す矢印の方向を正方向とする。なお、電流Ｉｓを一次電流と称することがある。電流検出部２は、例えば、カレントトランス、シャント抵抗などの電流検出素子、および電流検出素子で検出された電流Ｉｓの検出値を制御部１１が取り扱い可能な範囲内の電圧に変換して出力する増幅器によって構成されるが、電流検出部２の構成はこれに限定されない。

リアクタ３は、力率改善を行うために挿入しており、リアクタ３を挿入することで交流電源１から出力される電流Ｉｓの通流期間を延ばすことで力率改善を行うことが可能となる。また特許文献１の図５に記載のように、リアクタ３を交流電源１に対して短絡するスイッチングを行うことで更なる力率改善、および整流回路４の出力電圧（直流電圧）を昇圧することも可能である。

整流回路４は、スイッチング素子Ｓ１〜Ｓ４を備える。スイッチング素子Ｓ１〜Ｓ４は、例えば、ＭＯＳＦＥＴなどの半導体スイッチ５〜８である。半導体スイッチ５〜８には各々ダイオード５ａ〜８ａが接続されているが、ダイオード５ａ〜８ａは、ＭＯＳＦＥＴに存在する寄生ダイオードであってもよいし、別途接続されるダイオードであってもよい。スイッチング素子Ｓ１〜Ｓ４のオンオフは、制御部１１によって制御される。整流回路４は、スイッチング素子Ｓ１〜Ｓ４を用いて電力変換を行う。具体的には、整流回路４は、交流電源１から出力される交流電力を整流し、整流後の直流電力を、コンデンサ９を介して負荷１０に出力する。整流回路４は、スイッチング素子Ｓ１〜Ｓ４が全てオフの状態では、ダイオード５ａ〜８ａによってブリッジ整流器の構成となる。整流回路４では、ダイオード５ａ〜８ａに電流が流れる場合、ダイオード５ａ〜８ａの順方向損失およびリカバリー損失によって変換効率が低下することになる。

ここで、スイッチング素子Ｓ１〜Ｓ４には、シリコンを用いた半導体素子を始め、炭化珪素（ＳｉＣ）、窒化ガリウム（ＧａＮ）などを代表としたワイドバンドギャップ半導体を用いたスイッチング素子が用いられる。また、スイッチング素子Ｓ１〜Ｓ４としては、ＭＯＳＦＥＴの他に、スーパージャンクションＭＯＳＦＥＴなどが用いられる。ダイオード５ａ〜８ａについても、シリコン、炭化珪素（ＳｉＣ）などの材料が用いられる。ダイオード５ａ〜８ａには、通常の整流ダイオード、リカバリー特性の良いファストリカバリ品、ショットキーバリアダイオードなどが用いられる。

コンデンサ９は、整流回路４による電力変換後の直流電力の電圧を平滑化するためのコンデンサである。コンデンサ９は、例えば、電界コンデンサである。コンデンサ９の両端には、負荷１０が接続されている。

制御部１１は、電流検出部２で検出された電流Ｉｓの電流値に基づいて、整流回路４が備えるスイッチング素子Ｓ１〜Ｓ４の動作を制御する。以降の説明において、電流検出部２で検出された電流Ｉｓの電流値を検出値と称することがある。本実施の形態では、制御部１１は、交流電源１の電源電圧Ｖｓの極性に基づいて整流回路４のスイッチング素子Ｓ１，Ｓ２のオンオフを制御し、交流電源１の電流Ｉｓの電流値、すなわち電流検出部２の検出値に基づいて整流回路４のスイッチング素子Ｓ３，Ｓ４のオンオフを制御する。また、制御部１１は、電流検出部２の検出値に基づいて、負荷１０の動作を制御する。また、制御部１１は、負荷１３がファンモータのように負荷の値が変化する場合、電流検出部２の検出値に基づいて、負荷１３の動作を制御する。すなわち、制御部１１は、並列負荷接続部１２に負荷１３が接続されている場合は負荷１３の動作を制御することができる。なお、図１に示す直流電源装置１００では、制御部１１が整流回路４および負荷１０，１３を直接制御しているが、一例であり、これに限定されない。直流電源装置１００は、整流回路４を駆動するための駆動部、負荷１０を駆動するための駆動部、および負荷１３を駆動するための駆動部を備えていてもよい。この場合、制御部１１は、制御信号を生成して各駆動部に出力する。各駆動部は、制御部１１から取得した制御信号に基づいて、駆動信号を生成して出力する。

並列負荷接続部１２は、電流検出部２とリアクタ３との間において、整流回路４と並列に、負荷１３を接続可能な接続部である。並列負荷接続部１２は、例えば、直流電源装置１００が実装される基板において、負荷１３と接続可能なように設けられたパターン、コネクタなどである。

負荷１３は、ヒーターなどのように負荷の値が変化しないものであってもよいし、ファンモータなどのように負荷の値が変化するものであってもよい。負荷１３は、負荷の値が変化する場合、制御部１１からの制御信号、例えば、ＰＷＭ信号によって動作が制御される。負荷１３は、例えば、直流電源装置１００に対してオプションとして接続可能な部品である。負荷１３は、並列負荷接続部１２に接続される。直流電源装置１００において、負荷１３は、電流検出部２の後段で整流回路４に対して並列に接続される。以降の説明において、負荷１３を第２の負荷と称することがある。

つづいて、直流電源装置１００の動作について説明する。直流電源装置１００において、制御部１１は、前述のように電流検出部２の検出値に基づいて、整流回路４のスイッチング素子Ｓ３，Ｓ４のオンオフを制御する。具体的には、制御部１１は、電流検出部２の検出値の絶対値が電流閾値以上になる期間において、スイッチング素子Ｓ３またはスイッチング素子Ｓ４の一方をオンする。しかしながら、電流検出部２は、図１に示すように、負荷１３が接続されていない場合は整流回路４に流れる電流Ｉｒの電流値を電流Ｉｓの電流値として検出するが、負荷１３が接続されている場合は整流回路４に流れる電流Ｉｒおよび負荷１３に流れる電流Ｉｌの合計電流である電流Ｉｓの電流値を検出する。そのため、電流検出部２は、負荷１３が接続されている場合、整流回路４に流れる電流Ｉｒの電流値のみを検出できない。この場合、電流Ｉｓには電流Ｉｒの他に電流Ｉｌが含まれるため、制御部１１は、電流Ｉｓの検出値と、整流回路４に流れる電流Ｉｒに対して設定された電流閾値とを比較しても、電流Ｉｒの絶対値が電流閾値以上になるタイミング、および電流Ｉｒの絶対値が電流閾値未満になるタイミングを正確に判断することができない。

ここで、直流電源装置１００が空気調和機などの電気製品で使用されることを想定した場合、オプションとして接続される負荷１３は、予め想定された既知の部品である。そのため、制御部１１は、直流電源装置１００の内部で負荷１３が接続されている場合、負荷１３の特性、すなわち負荷１３の種類に応じて、電流検出部２で検出される電流Ｉｓの検出値と比較するための電流閾値を設定する。制御部１１は、予め同期整流制御に使用する初期設定の電流閾値Ｉｔｈ１を保持しており、負荷１３の動作状態によって、電流検出部２の検出値に対する電流閾値を、新たに求めた電流閾値Ｉｔｈ２に変更する。制御部１１は、負荷１３の動作状態に応じて、スイッチング素子Ｓ１〜Ｓ４のうち検出値に応じてオンオフさせるスイッチング素子Ｓ３，Ｓ４がオンしているオン時間と、交流電源１から電流検出部２に流れる電流の導通時間の比率を変化させるとも言える。以降の説明において、スイッチング素子Ｓ３，Ｓ４を第１のスイッチング素子と称することがある。

図２は、実施の形態１に係る直流電源装置１００が同期整流制御に使用する電流閾値を設定する動作を示すフローチャートである。直流電源装置１００において、制御部１１は、負荷１３が並列負荷接続部１２に、すなわち整流回路４の前段に接続されているか否かを判定する（ステップＳＴ１）。制御部１１は、電流検出部２で検出される電流値を用いて判定してもよいし、整流回路４の前段において電圧を検出する図示しない検出器の検出値を用いて判定してもよいし、判定方法はこれらに限定されない。制御部１１は、負荷１３が整流回路４の前段に接続されている場合（ステップＳＴ１：Ｙｅｓ）、負荷１３が制御オン状態か否かを判定する（ステップＳＴ２）。制御部１１は、例えば、制御部１１から負荷１３へ送信している制御信号の有無によって判定することができるが、判定方法はこれに限定されない。

制御部１１は、負荷１３が制御オン状態の場合（ステップＳＴ２：Ｙｅｓ）、電流閾値を初期設定の電流閾値Ｉｔｈ１から変更するための新たな電流閾値Ｉｔｈ２を算出する（ステップＳＴ３）。制御部１１は、負荷１３を制御するＰＷＭ信号の値から電流閾値Ｉｔｈ２を算出してもよいが、これに限定されない。制御部１１は、予め電流閾値Ｉｔｈ２を取得するためのテーブルを備え、負荷１３を制御するＰＷＭ信号の値に関連付けてテーブルから電流閾値Ｉｔｈ２を取得してもよい。制御部１１は、負荷１３が接続されていないまたは制御されていない状態でスイッチング素子Ｓ３，Ｓ４がオンする第１の時間と、負荷１３が接続されて制御されている状態でスイッチング素子Ｓ３，Ｓ４がオンする第２の時間とが同じになるように電流閾値Ｉｔｈ２を算出する。制御部１１は、電流閾値Ｉｔｈ２の値を変更しながら実際に制御を行い、第１の時間と第２の時間とが同じになる電流閾値Ｉｔｈ２を求めてもよい。制御部１１は、同期整流制御に使用する電流閾値として、新たに求めた電流閾値Ｉｔｈ２を設定する（ステップＳＴ４）。

制御部１１は、負荷１３が整流回路４の前段に接続されていない場合（ステップＳＴ１：Ｎｏ）、または、負荷１３が制御オフ状態の場合（ステップＳＴ２：Ｎｏ）、同期整流制御に使用する電流閾値として、初期設定の電流閾値Ｉｔｈ１を設定する（ステップＳＴ５）。電流閾値Ｉｔｈ１は、予め制御部１１が保持していたものである。制御部１１は、上記動作を繰り返し実施することで、電流閾値をリアルタイムに変更することができる。制御部１１は、直流電源装置１００が運転されている間、上記動作を常時実施してもよいし、上記動作を一定の周期で間欠的に実施してもよいし、実施するタイミングは限定されない。このように、制御部１１は、並列負荷接続部１２における負荷１３の接続有無によって電流閾値を変更することができる。なお、制御部１１は、電流閾値Ｉｔｈ２について、値が線型的に連続するように算出してもよいし、値が段階的になるように算出してもよい。

なお、制御部１１は、第１の時間と第２の時間とが同じになるような電流閾値Ｉｔｈ２を算出するが、これは、負荷１０に対する制御内容が一定の場合である。制御部１１は、負荷１０に対する制御内容が変化した場合においては、第１の時間と第２の時間とが異なっていてもよい。また、制御部１１は、第１の時間と第２の時間とが同じになるように制御する場合において、第１の時間と第２の時間とが厳密に同一でなくてもよく、誤差が規定された範囲内になるようにする。すなわち、制御部１１は、負荷１０の動作状態に変化がない場合、負荷１３に対する制御内容によらず、スイッチング素子Ｓ１〜Ｓ４のうち電流検出部２の検出値に応じてオンオフさせるスイッチング素子Ｓ３，Ｓ４がオンしているオン時間の誤差が規定された範囲内になるように制御する。

図３は、実施の形態１に係る直流電源装置１００において負荷１３がＰＷＭ信号によって制御されている場合の電流閾値Ｉｔｈ２とＰＷＭ信号のＤｕｔｙＯＮ時間との関係の例を示す図である。図３（ａ）は、制御部１１が負荷１３の動作を制御するための制御用のＰＷＭ信号を示す。図３（ｂ）は、ＰＷＭ信号のＤｕｔｙＯＮ時間ごとの電流閾値Ｉｔｈ２を示す。

制御部１１は、負荷１３を制御する制御信号がＰＷＭ信号である場合、ＰＷＭ信号のＤｕｔｙＯＮ時間に比例して電流閾値Ｉｔｈ２を算出する。図３では、制御部１１が電流閾値Ｉｔｈ２を算出するタイミングをＰＷＭ信号の処理周期ごとにしているが、制御部１１が電流閾値Ｉｔｈ２を算出するタイミングはこれに限定されない。図３は、ＤｕｔｙＯＮ時間がＤｕｔｙ１→Ｄｕｔｙ２→Ｄｕｔｙ３へと変化していくときの電流閾値Ｉｔｈ２の変化を示している。電流閾値Ｉｔｈ２は、ＤｕｔｙＯＮ時間がＤｕｔｙ１の場合はＩｔｈ２＿Ｌｏ、ＤｕｔｙＯＮ時間がＤｕｔｙ２の場合はＩｔｈ２＿Ｍｉ、ＤｕｔｙＯＮ時間がＤｕｔｙ３の場合はＩｔｈ２＿Ｈｉと変化する。なお、図３において、ＤｕｔｙＯＮ時間はＤｕｔｙ１＜Ｄｕｔｙ２＜Ｄｕｔｙ３の関係性を持ち、電流閾値Ｉｔｈ２はＩｔｈ２＿Ｌｏ＜Ｉｔｈ２＿Ｍｉ＜Ｉｔｈ２＿Ｈｉの関係性を持つものとする。

図４は、実施の形態１に係る直流電源装置１００に流れる電流Ｉｓと整流回路４のスイッチング素子Ｓ３，Ｓ４のオンオフのタイミングとの関係を表す第１の例を示す図である。図４は、一例として、直流電源装置１００の内部で負荷１３が制御されていない、または接続されていない場合の関係を示している。具体的には、図４は、図２のフローチャートのステップＳＴ１：ＮｏおよびステップＳＴ２：Ｎｏの場合を示している。

図４（ａ）は、交流電源１の電源電圧Ｖｓの波形を示す。図４（ｂ）は、電流検出部２で検出される電流Ｉｓの波形を示す。

図４（ｃ）は、交流電源１から出力される電源電圧Ｖｓが正極性のときに制御部１１で使用される電流閾値であり、＋Ｉｔｈとする。＋Ｉｔｈの値は、図２のフローチャートにおける電流閾値Ｉｔｈ１が設定されている。図４（ｄ）は、交流電源１から出力される電源電圧Ｖｓが負極性のときに制御部１１で使用する電流閾値であり、−Ｉｔｈとする。−Ｉｔｈの値は、図４（ｃ）のＩｔｈの値と同じ絶対値で符号が逆転しているものである。

図４（ｅ）は、スイッチング素子Ｓ３を制御するため制御部１１から出力される駆動信号である。制御部１１は、電源電圧Ｖｓが負極性の場合、電流検出部２で検出される電流Ｉｓが−Ｉｔｈよりも小さくなったときにスイッチング素子Ｓ３をオンさせる。図４（ｆ）は、スイッチング素子Ｓ４を制御するため制御部１１から出力される駆動信号である。制御部１１は、電源電圧Ｖｓが正極性の場合、電流検出部２で検出される電流Ｉｓが＋Ｉｔｈよりも大きくなったときにスイッチング素子Ｓ４をオンさせる。

直流電源装置１００において、制御部１１は、図４に示す例では、通常の一般的な制御によって、スイッチング素子Ｓ３，Ｓ４のオンオフを制御する。

図５は、実施の形態１に係る直流電源装置１００に流れる電流Ｉｓと整流回路４のスイッチング素子Ｓ３，Ｓ４のオンオフのタイミングとの関係を表す第２の例を示す図である。図５は、一例として、直流電源装置１００の運転途中で制御部１１が負荷１３を制御オフ状態から制御オン状態に切り替えた場合の関係を示している。

図５（ａ）は、交流電源１の電源電圧Ｖｓの波形を示す。図５（ｂ）は、電流検出部２で検出される電流Ｉｓの波形を示す。

図５（ｃ）は、交流電源１から出力される電源電圧Ｖｓが正極性のときに制御部１１で使用される電流閾値であり、＋Ｉｔｈとする。＋Ｉｔｈの値は、図２のフローチャートにおいて、負荷１３が制御オフ状態のときは電流閾値Ｉｔｈ１が設定され、負荷１３が制御オン状態になったタイミングで電流閾値Ｉｔｈ２に変更される。図５（ｄ）は、交流電源１から出力される電源電圧Ｖｓが負極性のときに制御部１１で使用される電流閾値であり、−Ｉｔｈとする。−Ｉｔｈの値は、図５（ｃ）の＋Ｉｔｈの値と同じ絶対値で符号が逆転しているものである。

図５（ｅ）は、スイッチング素子Ｓ３を制御するため制御部１１から出力される駆動信号である。制御部１１は、電源電圧Ｖｓが負極性の場合、電流検出部２で検出される電流Ｉｓが−Ｉｔｈよりも小さくなったときにスイッチング素子Ｓ３をオンさせる。図５（ｆ）は、スイッチング素子Ｓ４を制御するため制御部１１から出力される駆動信号である。制御部１１は、電源電圧Ｖｓが正極性の場合、電流検出部２で検出される電流Ｉｓが＋Ｉｔｈよりも大きくなったときにスイッチング素子Ｓ４をオンさせる。

図５（ｇ）は、負荷１３の制御状態を示す。図５（ｇ）において、制御オフ状態は制御部１１が負荷１３の動作を制御していない状態であり、制御オン状態は制御部１１が負荷１３の動作を制御している状態である。

直流電源装置１００において、制御部１１は、負荷１３が接続されて制御オン状態の場合、電流閾値を電流閾値Ｉｔｈ１から電流閾値Ｉｔｈ２に変更する。これにより、制御部１１は、負荷１３が接続されていないまたは制御されていない状態でスイッチング素子Ｓ３，Ｓ４がオンする時間と、負荷１３が接続されて制御されている状態でスイッチング素子Ｓ３，Ｓ４がオンする時間とを同じにすることができる。

ここで、交流電源１の電源電圧Ｖｓが正極性の場合、図５において、タイミングＡは負荷１３の制御オフ状態において整流回路４に電流Ｉｒが流れ始めるタイミングを示し、タイミングＤは負荷１３の制御オフ状態において整流回路４に電流Ｉｒが流れなくなるタイミングを示す。また、タイミングＢは負荷１３の制御オフ状態においてスイッチング素子Ｓ４がオンするタイミングを示し、タイミングＣは負荷１３の制御オフ状態においてスイッチング素子Ｓ４がオフするタイミングを示す。交流電源１の電源電圧Ｖｓが正極性の場合、図５において、タイミングＥは負荷１３の制御オン状態において整流回路４に電流Ｉｒが流れ始めるタイミングを示し、タイミングＨは負荷１３の制御オン状態において整流回路４に電流Ｉｒが流れなくなるタイミングを示す。また、タイミングＦは負荷１３の制御オン状態においてスイッチング素子Ｓ４がオンするタイミングを示し、タイミングＧは負荷１３の制御オン状態においてスイッチング素子Ｓ４がオフするタイミングを示す。制御部１１は、電流検出部２の検出値の絶対値が電流閾値以上になる第１のタイミングであるタイミングＢ，Ｆでスイッチング素子Ｓ４をオンし、電流検出部２の検出値の絶対値が電流閾値未満になる第２のタイミングであるタイミングＣ，Ｇでスイッチング素子Ｓ４をオフする。

図５において、タイミングＢとタイミングＣとの間の時間が、負荷１３の制御オフ状態のときのスイッチング素子Ｓ４のオン時間であり、タイミングＦとタイミングＧとの間の時間が、負荷１３の制御オン状態のときのスイッチング素子Ｓ４のオン時間である。また、図５において、タイミングＡとタイミングＤとの間の時間が、負荷１３の制御オフ状態のときに交流電源１から電流検出部２に電流Ｉｓが流れる時間であり、タイミングＥとタイミングＨとの間の時間が、負荷１３の制御オン状態のときに交流電源１から電流検出部２に電流Ｉｓが流れる時間である。制御部１１は、電流閾値を変更することによって、前述のように負荷１３の動作状態に応じて、スイッチング素子Ｓ３，Ｓ４がオンしているオン時間と、交流電源１から電流検出部２に流れる電流Ｉｓの導通時間の比率を変化させる。なお、交流電源１の電源電圧Ｖｓが正極性の場合について説明したが、交流電源１の電源電圧Ｖｓが負極性の場合も同様である。

図６は、実施の形態１に係る直流電源装置１００に流れる電流Ｉｓと整流回路４のスイッチング素子Ｓ３，Ｓ４のオンオフのタイミングとの関係を表す第３の例を示す図である。図６は、一例として、直流電源装置１００の運転途中で制御部１１が負荷１３を制御オフ状態から制御オン状態に切り替え、さらにＤｕｔｙＯＮ時間をＤｕｔｙ１からＤｕｔｙ２に変更した場合の関係を示している。

図６（ａ）は、交流電源１の電源電圧Ｖｓの波形を示す。図６（ｂ）は、電流検出部２で検出される電流Ｉｓの波形を示す。

図６（ｃ）は、交流電源１から出力される電源電圧Ｖｓが正極性のときに制御部１１で使用される電流閾値であり、＋Ｉｔｈとする。＋Ｉｔｈの値は、図２のフローチャートにおいて、負荷１３が制御オフ状態のときは電流閾値Ｉｔｈ１が設定され、負荷１３が制御オン状態になったタイミングで電流閾値Ｉｔｈ２に変更される。Ｉｔｈ２の値は、ＤｕｔｙＯＮ時間がＤｕｔｙ１からＤｕｔｙ２に変化することで正比例して増大する。図６（ｄ）は、交流電源１から出力される電源電圧Ｖｓが負極性のときに制御部１１で使用される電流閾値であり、−Ｉｔｈとする。−Ｉｔｈの値は、図５（ｃ）の＋Ｉｔｈの値と同じ絶対値で符号が逆転しているものである。

図６（ｅ）は、スイッチング素子Ｓ３を制御するため制御部１１から出力される駆動信号である。制御部１１は、電源電圧Ｖｓが負極性の場合、電流検出部２で検出される電流Ｉｓが−Ｉｔｈよりも小さくなったときにスイッチング素子Ｓ３をオンさせる。図６（ｆ）は、スイッチング素子Ｓ４を制御するため制御部１１から出力される駆動信号である。制御部１１は、電源電圧Ｖｓが正極性の場合、電流検出部２で検出される電流Ｉｓが＋Ｉｔｈよりも大きくなったときにスイッチング素子Ｓ４をオンさせる。

図６（ｇ）は、負荷１３の制御状態を示す。図６（ｇ）において、制御オフ状態は制御部１１が負荷１３の動作を制御していない状態であり、制御オン状態は制御部１１が負荷１３の動作を制御している状態である。図６（ｈ）は、負荷１３を制御する制御部１１からのＰＷＭ信号のＤｕｔｙＯＮ時間を示す。ＤｕｔｙＯＮ時間は０＜Ｄｕｔｙ１＜Ｄｕｔｙ２の関係にあり、制御オフ状態のときのＤｕｔｙＯＮ時間は０に等しい。

直流電源装置１００において、制御部１１は、負荷１３が接続されて制御オン状態の場合、電流閾値を電流閾値Ｉｔｈ１から電流閾値Ｉｔｈ２に変更する。さらに、制御部１１は、負荷１３を制御するＰＷＭ信号のＤｕｔｙＯＮ時間に応じて、電流閾値Ｉｔｈ２の値を変更する。すなわち、制御部１１は、負荷１３を制御する制御信号に基づいて、電流閾値を変更する。制御部１１は、負荷１３をＰＷＭ制御、すなわちパルス幅制御によって制御している場合、パルス幅制御のＤｕｔｙＯＮ時間に比例して電流閾値を変更する。これにより、制御部１１は、負荷１３が接続されていないまたは制御されていない状態でスイッチング素子Ｓ３，Ｓ４がオンする時間と、負荷１３が接続されて制御されている状態でスイッチング素子Ｓ３，Ｓ４がオンする時間とを同じにすることができる。

つづいて、直流電源装置１００が備える制御部１１のハードウェア構成について説明する。図７は、実施の形態１に係る直流電源装置１００が備える制御部１１を実現するハードウェア構成の一例を示す図である。制御部１１は、プロセッサ２０１およびメモリ２０２により実現される。

プロセッサ２０１は、ＣＰＵ（Central Processing Unit、中央処理装置、処理装置、演算装置、マイクロプロセッサ、マイクロコンピュータ、プロセッサ、ＤＳＰ（Digital Signal Processor）ともいう）、またはシステムＬＳＩ（Large Scale Integration）である。メモリ２０２は、ＲＡＭ（Random Access Memory）、ＲＯＭ（Read Only Memory）、フラッシュメモリー、ＥＰＲＯＭ（Erasable Programmable Read Only Memory）、ＥＥＰＲＯＭ（登録商標）（Electrically Erasable Programmable Read-Only Memory）といった不揮発性または揮発性の半導体メモリを例示できる。また、メモリ２０２は、これらに限定されず、磁気ディスク、光ディスク、コンパクトディスク、ミニディスク、またはＤＶＤ（Digital Versatile Disc）でもよい。

以上説明したように、本実施の形態によれば、直流電源装置１００は、スイッチング素子Ｓ１〜Ｓ４を用いた整流回路４の前段に、整流回路４と並列に負荷１３が接続されている場合、整流回路４および負荷１３に流れる合計電流を検出する電流検出部２の検出値に対する電流閾値を、負荷１３の動作状態に応じて変更することとした。これにより、直流電源装置１００は、整流回路４に流れる電流Ｉｒの電流値に対して電流検出部２の検出値が変化する場合でも、整流回路４を安定して動作させることができる。直流電源装置１００は、整流回路４に対してコンデンサ９から交流電源１への不用意な回生が行われることで発生する出力電圧の乱れ、リンギングなどを回避でき、安定かつ低損失な交直の電力変換を行うことができる。

なお、直流電源装置１００は、商用電源である交流電源１から得られる交流電力を直流電力に変換する際に用いる整流回路４だけでなく、その他の整流回路においても適用可能である。

また、直流電源装置１００は、並列負荷接続部１２は直流電源装置１００が実装される基板において負荷１３と接続可能なように設けられたパターン、コネクタなどであることから、同一の基板を用いて、負荷１３を備えない構成にすることも可能である。これにより、直流電源装置１００は、負荷１３の有無に係わらず、共通の基板を用いることができる。

実施の形態２．
実施の形態２では、実施の形態１で説明した直流電源装置１００を備えるモータ駆動装置について説明する。

図８は、実施の形態２に係るモータ駆動装置１０１の構成例を示す図である。モータ駆動装置１０１は、負荷であるモータ４２を駆動する。モータ駆動装置１０１は、実施の形態１の直流電源装置１００と、インバータ４１と、モータ電流検出部４４と、インバータ制御部４３とを備える。インバータ４１は、直流電源装置１００に接続される負荷１０に相当する。インバータ４１は、直流電源装置１００から供給される直流電力を交流電力に変換してモータ４２へ出力することにより、モータ４２を駆動する。なお、モータ駆動装置１０１の負荷がモータ４２である場合の例を説明しているが、一例であり、インバータ４１に接続される機器は、交流電力が入力される機器であればよく、モータ４２以外の機器でもよい。

インバータ４１は、ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）をはじめとするスイッチング素子を、３相ブリッジ構成または２相ブリッジ構成とした回路である。インバータ４１に用いられるスイッチング素子は、ＩＧＢＴに限定されず、ワイドバンドギャップ半導体で構成されたスイッチング素子、ＩＧＣＴ（Integrated Gate Commutated Thyristor）、ＦＥＴ（Field Effect Transistor）またはＭＯＳＦＥＴでもよい。

モータ電流検出部４４は、インバータ４１とモータ４２との間に流れる電流を検出する。インバータ制御部４３は、モータ電流検出部４４で検出された電流を用いて、モータ４２が所望の回転数にて回転するように、インバータ４１内のスイッチング素子を駆動するためのＰＷＭ信号を生成してインバータ４１へ印加する。インバータ制御部４３は、制御部１１と同様に、プロセッサおよびメモリにより実現される。なおモータ駆動装置１０１のインバータ制御部４３と、直流電源装置１００の制御部１１は、１つの回路で実現してもよい。

直流電源装置１００がモータ駆動装置１０１に用いられる場合、インバータ４１の制御に必要な母線電圧Ｖｄｃが、モータ４２の運転状態に応じて変化する。一般に、モータ４２の回転数が高回転になる程、インバータ４１の出力電圧を高くする必要がある。このインバータ４１の出力電圧の上限は、インバータ４１への入力電圧、すなわち直流電源装置１００の出力である母線電圧Ｖｄｃにより制限される。インバータ４１からの出力電圧が、母線電圧Ｖｄｃにより制限される上限を超えて飽和する領域を過変調領域と呼ぶ。

このようなモータ駆動装置１０１において、モータ４２が低回転の範囲、すなわち過変調領域に到達しない範囲では、母線電圧Ｖｄｃを昇圧させる必要はない。一方、モータ４２が高回転となった場合には、母線電圧Ｖｄｃを昇圧させることで、過変調領域をより高回転側にすることができる。これにより、モータ４２の運転範囲を高回転側に拡大できる。

また、モータ４２の運転範囲を拡大する必要がなければ、その分、モータ４２が備える固定子への巻線の巻数を増やすことができる。巻線の巻数を増やすことにより、低回転の領域では、巻線の両端に発生するモータ電圧が高くなり、その分、巻線に流れる電流が低下するため、インバータ４１内のスイッチング素子のスイッチング動作で生じる損失を低減できる。モータ４２の運転範囲の拡大と、低回転の領域の損失改善との双方の効果を得る場合には、モータ４２の巻線の巻数は適切な値に設定される。

以上説明したように、本実施の形態によれば、直流電源装置１００を用いることによってアーム間の発熱の偏りが低減され、信頼性が高く高出力のモータ駆動装置１０１を実現できる。

実施の形態３．
実施の形態３では、実施の形態２で説明したモータ駆動装置１０１の適用例について説明する。

図９は、実施の形態３に係る空気調和機７００の構成例を示す図である。空気調和機７００は、冷凍サイクル装置の一例であり、実施の形態２のモータ駆動装置１０１およびモータ４２を備える。空気調和機７００は、圧縮機構８７およびモータ４２を内蔵した圧縮機８１と、四方弁８２と、室外熱交換器８３と、膨張弁８４と、室内熱交換器８５と、冷媒配管８６と、を備える。空気調和機７００は、室外機が室内機から分離されたセパレート型空気調和機に限定されず、圧縮機８１、室内熱交換器８５および室外熱交換器８３が１つの筐体内に設けられた一体型空気調和機でもよい。モータ４２は、モータ駆動装置１０１により駆動される。

圧縮機８１の内部には、冷媒を圧縮する圧縮機構８７と、圧縮機構８７を動作させるモータ４２と、が設けられる。圧縮機８１、四方弁８２、室外熱交換器８３、膨張弁８４、室内熱交換器８５および冷媒配管８６に冷媒が循環することにより、冷凍サイクル装置が構成される。なお、空気調和機７００が備える構成要素は、冷凍サイクル装置を備える冷蔵庫または冷凍庫といった機器にも適用可能である。

実施の形態３では、圧縮機８１の駆動源にモータ４２が利用され、モータ駆動装置１０１によりモータ４２を駆動する場合について説明した。しかしながら、空気調和機７００が備える不図示の室内機送風機および室外機送風機を駆動する駆動源にモータ４２を適用し、当該モータ４２をモータ駆動装置１０１で駆動してもよい。また、室内機送風機、室外機送風機および圧縮機８１の駆動源にモータ４２を適用し、当該モータ４２をモータ駆動装置１０１で駆動してもよい。

ここで、図９における四方弁８２、膨張弁８４などは、内蔵されたモータにより駆動されるため、電気的なアクチュエータであり、駆動源となる電源が必要となる。電源の生成方法として、例えば、図９における電源装置９１を、交流電源１に対してモータ駆動装置１０１と並列に接続する手段が取られることがある。このとき、電源装置９１、四方弁８２、および膨張弁８４は、前述の負荷１３に該当する。また、室外機における消費電力は、圧縮機８１および内蔵されるモータ４２での消費電力が支配的であり、その電力源となるモータ駆動装置１０１は、大きな電力変換を扱うこととなる。そのため、いかに高効率な電力変換回路を搭載したとしても、大きな損失が発生することになり、半導体素子の熱破壊を防ぐためにも冷却が必要となる。そこで、図９のように、例えば、外付けの空冷ファン９２などを設置したときにも電源が必要となり、図９のように電源装置９１から電力供給する場合も考えられる。空冷ファン９２は、前述の負荷１３に該当する。

また、暖房も行う空気調和機７００において、極低温における暖房時には室内熱交換器８５が着霜する場合がある。これを防止するため、例えば、図９に示すような凍結防止用のヒーター９３を設置する場合がある。これは、空気調和機７００に限らず、例えば、冷蔵庫においても同様であり、特に冷蔵庫では、空気調和機７００のような除霜運転が出来ないため、ヒーター９３を搭載する割合が比較的高い。このようなヒーター９３に電源装置９１から電力供給する場合にも、ヒーター９３は、前述の負荷１３に該当する。

実施の形態１では、負荷１３の状態に応じてスイッチング素子Ｓ１〜Ｓ４のスイッチング方式を適宜変更することについて説明した。具体的には、実施の形態３において、四方弁８２、膨張弁８４、空冷ファン９２、ヒーター９３などの負荷１３に相当する前段負荷の状態に応じて、スイッチング素子Ｓ１〜Ｓ４のスイッチング手法を適宜変更する。これにより、直流電源装置１００、モータ駆動装置１０１などを安定的かつ高効率に運転することが可能となる。

ここで、図９では、電源装置９１を介して空冷ファン９２、ヒーター９３などに電力供給を行う構成としているが、これに限定されるものではない。空気調和機７００は、例えば、電源装置９１を介さずに交流電源１から直接、空冷ファン９２、ヒーター９３などに電力供給する構成であってもよい。また、空気調和機７００において、四方弁８２、膨張弁８４、空冷ファン９２、ヒーター９３などに対するスイッチ、リレーなどの操作手段についての記載を省略したが、適宜挿入しても問題ない。また、負荷１３として、四方弁８２、膨張弁８４、空冷ファン９２、ヒーター９３などを記載したが、これらは実施の形態３における例であり、これら以外の負荷装置、アクチュエータであっても問題ない。

以上説明したように、本実施の形態によれば、空気調和機７００は、電源装置９１、空冷ファン９２、ヒーター９３などを備える場合においても、直流電源装置１００、モータ駆動装置１０１などを安定的かつ高効率に運転することが可能となる。

以上の実施の形態に示した構成は、本発明の内容の一例を示すものであり、別の公知の技術と組み合わせることも可能であるし、本発明の要旨を逸脱しない範囲で、構成の一部を省略、変更することも可能である。

１ 交流電源、２ 電流検出部、３ リアクタ、４ 整流回路、５〜８ 半導体スイッチ、５ａ〜８ａ ダイオード、９ コンデンサ、１０，１３ 負荷、１１ 制御部、１２ 並列負荷接続部、４１ インバータ、４２ モータ、４３ インバータ制御部、４４ モータ電流検出部、８１ 圧縮機、８２ 四方弁、８３ 室外熱交換器、８４ 膨張弁、８５ 室内熱交換器、８６ 冷媒配管、８７ 圧縮機構、９１ 電源装置、９２ 空冷ファン、９３ ヒーター、１００ 直流電源装置、１０１ モータ駆動装置、７００ 空気調和機、Ｓ１〜Ｓ４ スイッチング素子。

Claims (11)

1. 複数のスイッチング素子を用いて、交流電源から出力される交流電力を整流し、整流後の直流電力を第１の負荷に出力する整流回路と、
   前記交流電源と前記整流回路との間において、前記整流回路と並列に第２の負荷を接続可能な並列負荷接続部と、
   前記交流電源と前記並列負荷接続部との間において、前記並列負荷接続部に前記第２の負荷が接続されている場合は前記整流回路および前記第２の負荷に流れる電流の電流値を検出し、前記並列負荷接続部に前記第２の負荷が接続されていない場合は前記整流回路に流れる電流の電流値を検出する電流検出部と、
   前記並列負荷接続部に前記第２の負荷が接続されている場合は前記第２の負荷の動作を制御可能であって、前記電流検出部の検出値に基づいて、前記スイッチング素子の動作を制御する制御部と、
   を備える直流電源装置。
2. 前記制御部は、前記第２の負荷の動作状態に応じて、前記スイッチング素子のうち前記検出値に応じてオンオフさせる第１のスイッチング素子がオンしているオン時間と前記交流電源から前記電流検出部に流れる電流の導通時間の比率を変化させる、
   請求項１に記載の直流電源装置。
3. 前記制御部は、前記第１の負荷の動作状態に変化がない場合、前記第２の負荷に対する制御内容によらず、前記スイッチング素子のうち前記検出値に応じてオンオフさせる第１のスイッチング素子がオンしているオン時間の誤差が規定された範囲内になるように制御する、
   請求項１または２に記載の直流電源装置。
4. 前記制御部は、前記検出値の絶対値が電流閾値以上になる第１のタイミングで前記第１のスイッチング素子をオンし、前記検出値の絶対値が前記電流閾値未満になる第２のタイミングで前記第１のスイッチング素子をオフする、
   請求項２または３に記載の直流電源装置。
5. 前記制御部は、前記並列負荷接続部における前記第２の負荷の接続有無によって前記電流閾値を変更する、
   請求項４に記載の直流電源装置。
6. 前記制御部は、リアルタイムかつ線型的に前記電流閾値を変更する、
   請求項４に記載の直流電源装置。
7. 前記制御部は、リアルタイムかつ段階的に前記電流閾値を変更する、
   請求項４に記載の直流電源装置。
8. 前記制御部は、前記第２の負荷を制御する制御信号に基づいて、前記電流閾値を変更する、
   請求項４に記載の直流電源装置。
9. 前記制御部は、前記第２の負荷をパルス幅制御によって制御している場合、前記パルス幅制御のデューティオン時間に比例して前記電流閾値を変更する、
   請求項４に記載の直流電源装置。
10. モータを駆動するモータ駆動装置であって、
    請求項１から９の何れか一項に記載の直流電源装置と、
    前記直流電源装置から出力される直流電力を交流電力に変換して前記モータへ出力するインバータと、
    を備えるモータ駆動装置。
11. モータと、
    請求項１０に記載のモータ駆動装置と、
    を備える空気調和機。

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