JP4595427B2

JP4595427B2 - 電力変換装置

Info

Publication number: JP4595427B2
Application number: JP2004221345A
Authority: JP
Inventors: 智弘杉本; 正則小川; 英夫松城
Original assignee: Panasonic Corp; Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Corp; Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2004-02-06
Filing date: 2004-07-29
Publication date: 2010-12-08
Anticipated expiration: 2024-07-29
Also published as: JP2005253282A

Description

本発明は、電力変換装置におよびそれを用いたモータ駆動用インバータ制御装置及び空
気調和機に関するものである。

従来、電力変換装置における制御電源とゲート駆動回路が提案されている（例えば、非特許文献１参照）。

図４は、前記非特許文献１に記載された従来の制御電源とゲート駆動回路の構成を示すブロック図である。図４に示すように、交流電源を入力とし、ダイオードブリッジ６で構成される整流回路と、整流回路の出力である直流電力から交流電力に変換するインバータ１０を備えている。インバータ１０の直流母線間には、平滑回路としてのＤＣリンクコンデンサ２１が接続されている。このＤＣリンクコンデンサ２１が入力側に接続されたスイッチング制御電源部１４は、トランス２３およびトランジスタ２２などのスイッチング素子で構成され、インバータ１０の駆動電源２４およびマイコン２６などの制御手段を動作させるための制御電源２５を供給するものである。上記構成において、一般的にスイッチング制御電源部１４の入力側のＤＣリンクコンデンサ２１は大容量であるので、スイッチング制御電源部１４の入力電圧は一定であるので、スイッチング制御電源部１４は安定した動作を行うことができ、一定の制御電源２５および駆動電源２４を供給することができる。

図５は、従来のインバータ装置およびインバータシステムを示す図である。
図５に示すインバータ装置は、直流主電源ライン５０を通じて供給された直流電力を平滑する主平滑コンデンサ５１（第１コンデンサ）と、主平滑コンデンサ５１が平滑した直流電力を与えられ、交流電力に変換するインバータ主回路５２と、インバータ主回路５２を制御するインバータ制御部５３とを備えている。また、このインバータ装置は、直流主電源ライン５０の正側ラインが、ヒューズ５４、順接続されたダイオード５５（逆流防止ダイオード）及び抵抗器５６を経てＤＣ／ＤＣスイッチング電源部５７の負側端子に接続され、ＤＣ／ＤＣスイッチング電源部５７の両端子間に、平滑コンデンサ５８（第２コンデンサ）が接続されている。ＤＣ／ＤＣスイッチング電源部５７は、平滑コンデンサ５８が平滑した直流電力を与えられ、スイッチング制御により所定の直流電圧に変換して、インバータ制御部５３に与える。

上記、構成によれば、逆流防止ダイオード５５は、第２コンデンサからの電流の逆流を防止するので、瞬停等による電源低下に対しても、制御電源を安定して確保できる。
ＤｏｗｎｓｉｚｉｎｇＴｅｃｈｏｎｏｌｏｇｙｆｏｒＧｅｎｅｒａｌ−ＰｕｒｐｏｓｅＩｎｖｅｒｔｅｒｓｖｏｌ．４４Ｎｏ．３ＦＵＪＩＥＬＥＣＴＲＩＣＲＥＶＩＥＷ８５〜８９頁特開２００１−３７２３９公報

しかしながら、前記従来の構成では、容量の大きなＤＣリンクコンデンサ２１を有しており、装置の大型化やコストＵＰを招いている。装置の小型・軽量・低コスト化を実現するために、ＤＣリンクコンデンサ２１を小容量にすることが考えられるが、ＤＣリンクコンデンサ２１が小容量であると、インバータ１０の出力に接続されている負荷が大きい場合、図３に示すように、インバータ１０の直流母線間電圧は交流電源周波数の２倍の周波数で大きく脈動し、ゼロとなる場合がある。インバータ１０の直流母線間電圧がゼロとなると、ＤＣリンクコンデンサ２１に接続されているスイッチング制御電源部１４が動作しなくなり、制御電源２５および駆動電源２４が出力されず、マイコン２６などの制御手段が動作せず、システム全体が停止してしまうという課題があった。

さらに、前記特許文献１によれば、第２コンデンサの容量は、ＤＣ／ＤＣスイッチング電源部５７の入力電圧が、瞬停等の場合、ある一定期間減少するので、その電源リプルに対応できる容量で構成されているが、本発明によれば、主平滑コンデンサが小容量であるので、常時、主平滑コンデンサの両端電圧が交流電源周波数の２倍の周波数で脈動するので、安定したスイッチング制御電源を得るのが困難となる課題があった。

本発明の電力変換装置は、上記従来の問題を解決するものであり、小型・軽量・低コストで、インバータの直流母線間電圧が大きく脈動しても安定したスイッチング制御電源部の動作を実現でき、一定の制御電源および駆動電源を供給できる電力変換装置を提供することを目的とする。

前記従来の課題を解決するために、本発明の電力変換装置は、交流電源を入力とし、ダイオードブリッジと、ダイオードブリッジの交流入力側または直流出力側に接続される小容量のリアクタで構成される整流回路と、前記整流回路の出力である直流電力から交流電力に変換するインバータとを備え、インバータの直流母線間には、小容量のＤＣリンクコンデンサを備え、またスイッチング制御電源部の１次回路が電荷を蓄積する１次側コンデンサで構成され、スイッチング制御電源部の出力を制御手段に供給するもので、前記１次側コンデンサと前記インバータの直流母線間に単方向整流手段を備えたものである。

上記の構成によって、小容量ＤＣリンクコンデンサおよび小容量リアクタを用いることにより、小型・軽量・低コストな電力変換装置を実現でき、またインバータの直流母線間電圧が大きく脈動しても安定したスイッチング制御電源部の動作を実現でき、一定な制御電源および駆動電源を出力できる。

本発明の電力変換装置によれば、インバータの直流母線間電圧が大きく脈動しても、安定したスイッチング制御電源部の動作を実現でき、一定な制御電源および駆動電源を供給できる。また、それを用いたモータ駆動用インバータ制御装置及び空気調和機を提供できる。

第１の発明は、スイッチング制御電源部の１次回路に１次側コンデンサと、前記１次側コンデンサとインバータの直流母線間に単方向整流手段を設け、小容量ＤＣリンクコンデンサと小容量リアクタとの共振周波数（ＬＣ共振周波数）を交流電源周波数の４０倍よりも大きくなるようにすることで、インバータの直流母線間電圧が大きく脈動しても、安定したスイッチング制御電源部の動作を実現でき、一定な制御電源および駆動電源を供給できる。また、交流電源電流の高調波成分を抑制してＩＥＣ規格をクリアすることができる。さらに、１次側コンデンサ容量を、スイッチング制御電源部が停止しないだけ投入することで、スイッチング制御電源部を安定に動作させることができる。

第２の発明は、特に第1の発明でさらにファンモータに接続されるコンデンサと前記インバータの直流母線間に単方向整流手段を設けることを特徴とするもので、この構成によれば、小型・軽量・低コストな電力変換装置を実現でき、ファンモータに接続されるコンデンサとインバータの直流母線間に単方向整流手段を設けることで、インバータの直流母線間電圧が大きく脈動しても、問題なく使用することができる。

第３の発明は、特に第1の発明でさらに誘導性負荷に接続されるコンデンサと前記イン
バータの直流母線間に単方向整流手段を設けることを特徴とするもので、インバータの直流母線間電圧が大きく脈動しても、問題なく使用することができる。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して説明する。なお、本実施の形態によって本発明が限定されるものではない。

（実施の形態１）
図１は、本発明の第１の実施形態である電力変換装置のシステム構成を示すものである。図１の装置は、交流電源１と、交流電源からの交流を全波整流する４つのダイオード２〜５で形成されたブリッジ整流回路６と、ブリッジ整流回路６の交流入力側に挿入された小容量のリアクタ９と、ブリッジ整流回路６の直流側母線間に接続した極めて小容量のＤＣリンクコンデンサ７と、ブリッジ整流回路６の出力である直流電力から交流電力に変換するインバータ１０とを備えるもので、またスイッチング制御電源部１４の１次回路が電荷を蓄積する１次側コンデンサ１３で構成され、スイッチング制御電源部１４の出力を制御手段１６に供給するもので、前記１次側コンデンサ１３と前記インバータ１０の直流母線間に単方向整流手段１２を備えたものである。尚、小容量リアクタ９の設置箇所はブリッジ整流回路６の直流出力端と小容量ＤＣリンクコンデンサ７との間でも構わない。

本発明の実施の形態１である電力変換装置において、スイッチング制御電源部１４の１次側コンデンサ１３と、インバータ１０の直流母線間との間にダイオード等の単方向整流手段１２を設けることで、インバータ１０の直流母線間電圧が１次側コンデンサ１３の電圧より高い場合のみ、１次側コンデンサ１３へ充電し、インバータ１０の直流母線間電圧が１次側コンデンサ１３より低くなった場合には１次側コンデンサ１３が放電しない構成となるため、図２に示す通り、インバータ１０の直流母線間電圧が交流電源周波数の２倍の周波数で大きく脈動しても、スイッチング制御電源部１４の入力電圧である１次側コンデンサ１３の両端電圧はゼロまで低下することなく、スイッチング制御電源部１４が安定した動作を行い、一定の制御電源および駆動電源を供給することができる。図２は図１の小容量ＤＣリンクコンデンサ７と１次側コンデンサ１３の両端の電圧波形図である。なお、インバータ１０の出力は負荷モータなど負荷が大きいものであるので、負荷が大きいと図２に示す通り、インバータの直流母線間電圧が大きく脈動するが、スイッチング制御電源部１４の出力はマイコンなどの制御手段１６であるため、負荷が小さく１次側コンデンサ１３が小容量であっても、インバータの直流母線間と１次側コンデンサ１３との間に単方向整流手段１２を設けているので、インバータの直流母線間電圧のように、大きく脈動することはない。なお、１次側コンデンサ１３の電圧が、交流電源周波数の２倍の周波数で脈動するので、１次側コンデンサ１３は、脈動する電源リプルに対応できるコンデンサ容量が確保されていれば問題ない。

（実施の形態２）
本発明の第２の実施の形態である電力変換装置について、以下に説明する。詳しくは、前記実施の形態１の小容量ＤＣリンクコンデンサ７および小容量リアクタ９の仕様決定に関する具体的な方法、また前記実施の形態１の１次側コンデンサ１３の容量決定方法について以下に説明する。

本発明の実施の形態２の電力変換装置では、交流電源電流の高調波成分を抑制してＩＥＣ規格をクリアするために、小容量ＤＣリンクコンデンサ７と小容量リアクタ９との共振周波数ｆＬＣ（ＬＣ共振周波数）を交流電源周波数ｆＳの４０倍よりも大きくなるようにする。

ここで、小容量ＤＣリンクコンデンサ７の容量をＣ［Ｆ］、小容量リアクタ９のインダクタンス値をＬ［Ｈ］とすると、ＬＣ共振周波数ｆＬＣは数１のように表される。

即ち、ｆＬＣ＞４０ｆＳを満たすように小容量ＤＣリンクコンデンサ７と小容量リアクタ９の組み合わせを決定するものである。（ＩＥＣ規格では交流電源電流の高調波成分において第４０次高調波まで規定されているため）以上により、小容量ＤＣリンクコンデンサ７および小容量リアクタ９の組み合わせを決定することで、交流電源電流の高調波成分を抑制して、ＩＥＣ規格をクリアすることが可能となる。

次に、実施の形態１に示してある通り、インバータの直流母線間に接続されているＤＣリンクコンデンサ７が小容量であると、インバータの直流母線間電圧は電源周波数の２倍の周波数で大きく脈動してしまう。これを、インバータの直流母線間とスイッチング制御電源部１４の１次側コンデンサ１３との間に単方向整流手段１２を設けることで、小容量ＤＣリンクコンデンサ７の容量に影響されることなくスイッチング制御電源部１４に入力電圧を供給することができる。スイッチング制御電源部１４が停止しないだけ１次側コンデンサ１３を投入することで、スイッチング制御電源部１４の安定した動作が望め、一定の制御電源および駆動電源を供給することができる。なお、スイッチング制御電源部１４の出力側はマイコンなどの制御手段１６に接続されており、負荷が小さいので、スイッチング制御電源部１４の入力側に接続された１次側コンデンサ１３は小容量で済むことから、装置の小型・軽量化も図れる。このときの諸元としては、小容量リアクタ６のインダクタンス値は０．５ｍＨ、小容量ＤＣリンクコンデンサ７の容量は１０μＦ、交流電源は２２０Ｖ（５０Ｈｚ）、また１次側コンデンサの容量１３は１０μＦである。

（実施の形態３）
本発明の第３の実施の形態である電力変換装置について、以下に説明する。

本発明の実施の形態３の電力変換装置は、前記実施の形態１の小容量ＤＣリンクコンデンサ７および前記実施の形態１の１次側コンデンサ１３をフィルムコンデンサもしくはセラミックコンデンサにすることである。インバータの直流母線間電圧は電源周波数の２倍の周期で大きく脈動するため、リプル電流も大きく、リプル許容電流が小さい電解コンデンサは使用できない。そこで、リプル電流を気にすることなく使用することができるフィルムコンデンサを用いる。なお、前記小容量コンデンサ７は容量が小さいためフィルムコンデンサを用いることができる。次に、スイッチング制御電源部１４の１次側コンデンサ１３の容量は、実施の形態２に示した通り、スイッチング制御電源部１４が停止しないだけ投入することから、１次側コンデンサ１３も小容量であるため、リプル電流が大きくなる傾向にある。従って、上記小容量コンデンサ７と同じく、１次側コンデンサ１３にもフィルムコンデンサを用いることで、スイッチング制御電源部１４の入力電圧にリプルが発生しても問題ない。また、１次側コンデンサ１３が大容量タイプのセラミックコンデンサであっても同様の効果を得ることができる。

なお、前記スイッチング電源部１４がファンモータであっても構わず、この時ファンモータが安定して動作するだけ１次側コンデンサ１３を投入すれば良い。また、前記スイッチング電源部１４が誘導性負荷であっても構わない。

本発明の電力変換装置は、インバータ回路を使用してモータを駆動するモータ駆動用インバータ制御装置に適用できる。例えば、インバータ回路を搭載した空気調和機、冷蔵庫、電気洗濯機、電気乾燥機、電気掃除機、送風機、ヒートポンプ給湯器等である。いずれの製品についても、モータ駆動用インバータ制御装置を小型化、軽量化することで、製品の設計の自由度が向上し、安価な製品を提供することができる。

本発明の実施の形態１における電力変換装置の構成を示すブロック図同電力変換装置の電圧波形図従来の電力変換装置における電圧波形図同制御電源とゲート駆動回路の構成を示すブロック図従来のインバータ装置およびインバータシステムを示す図

１交流電源
６ブリッジ整流回路
７小容量ＤＣリンクコンデンサ
９小容量リアクタ
１０インバータ
１２単方向整流手段
１３１次側コンデンサ
１４スイッチング制御電源部

Claims

交流電源を入力とし、ダイオードブリッジと、前記ダイオードブリッジの交流入力側または直流出力側に接続される小容量のリアクタで構成される整流回路と、前記整流回路の出力である直流電力から交流電力に変換するインバータと、前記インバータの直流母線間には、極めて小容量のＤＣリンクコンデンサとを備え、スイッチング制御電源部の１次側コンデンサと前記インバータの直流母線間に単方向整流手段を設け、前記小容量ＤＣリンクコンデンサの容量値とスイッチング制御電源部の１次側コンデンサ容量値は互いに独立し、前記小容量ＤＣリンクコンデンサと前記小容量リアクタとの共振周波数を交流電源周波数の４０倍よりも大きく、かつ前記１次側コンデンサ容量を前記スイッチング制御電源部が停止しないだけ投入することを特徴とする電力変換装置。
ファンモータに接続されるコンデンサと前記インバータの直流母線間に単方向整流手段を設けることを特徴とする請求項１に記載の電力変換装置。
誘導性負荷に接続されるコンデンサと前記インバータの直流母線間に単方向整流手段を設けることを特徴とする請求項１に記載の電力変換装置。
請求項１〜３のいずれか１項に記載の電力変換装置において、前記交流電源の電源周波数の２倍の周波数で小容量ＤＣリンクコンデンサの両端電圧が脈動するので、前記スイッチング制御電源部の１次側コンデンサ容量が、電圧リプルに対応できる容量であることを特徴とする電力変換装置。