JP4984751B2

JP4984751B2 - 空調機のコンバータ装置

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Publication number: JP4984751B2
Application number: JP2006236463A
Authority: JP
Inventors: 敏行前田; 守満関本; 仁芳賀; 玲二川嶋; 憲一榊原
Original assignee: Daikin Industries Ltd
Current assignee: Daikin Industries Ltd
Priority date: 2006-08-31
Filing date: 2006-08-31
Publication date: 2012-07-25
Anticipated expiration: 2026-08-31
Also published as: JP2008061412A

Description

本発明は、空調機のコンバータ装置に関し、特に、高効率化に係るものである。

従来より、商用電源に接続されて交流電圧を整流するコンバータ装置がある。例えば、特許文献１のコンバータ装置は、４つのダイオードからなるダイオードブリッジを備えて交流電圧を全波整流する。そして、整流した電圧をインバータ装置を通じて空調機の圧縮機へ供給して該圧縮機を駆動する。
特開２００２−３３０５８８号公報

しかしながら、上述した特許文献１のコンバータ装置では、同期整流ができないため、電力変換効率が低いという問題があった。

一方、近年では、上記ダイオードブリッジの各ダイオードに対して、高速スイッチングが可能なＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）のスイッチング素子を逆並列に接続したものが主流になっている。ところが、この場合、ＩＧＢＴは、順電圧に対してはスイッチングできるが、逆電圧に対してはスイッチングができないため、やはり同期整流ができない。

また、空調機の圧縮機の場合、特に中間期において低出力域（低速回転域）で運転される頻度が高い。この低出力運転では、入力電流が減少するが、ダイオードの電圧降下は電流が減少しても一定値以下には下がらないため、効率が低くなるという問題があった。そのため、空調機の省エネ性が著しく損なわれるという問題があった。したがって、空調機の圧縮機を駆動するコンバータ装置の高効率化が強く望まれていた。

本発明は、斯かる点に鑑みてなされたものであり、その目的は、同期整流を可能とし高効率な空調機のコンバータ装置を提供することである。

第１の発明は、交流電源に接続され、４つのダイオード（D1〜D4）を有するダイオードブリッジ回路（2a）を備え、交流電源を整流して空調機に設けられた圧縮機へ供給する空調機のコンバータ装置を前提としている。そして、本発明は、双方向にオンオフ可能に構成され、上記ダイオード（D1〜D4）の少なくとも１つに互いに並列接続されると共に、該ダイオード（D1〜D4）の順方向電圧降下よりも飽和電圧が低く構成され且つ該ダイオード（D1〜D4）がオフする方向に対して耐電圧性を有するスイッチング素子（T1,T2）を備えているものである。

上記の発明では、例えば、図１に示すように、ダイオードブリッジ回路（2a）において交流電源の入力点に対する上アームおよび下アームの各ダイオード（D1,D2）にスイッチング素子（T1,T2）が並列接続される。そして、スイッチング素子（T1,T2）は、並列接続されたダイオード（D1,D2）の順方向電圧降下よりも飽和電圧が低く且つ双方向にオンオフ可能である。これにより、スイッチング素子（T1,T2）に逆電圧が作用するタイミングで、即ちダイオード（D1,D2）がオンするタイミングで該スイッチング素子（T1,T2）をオンすることで整流損失が削減され、確実に同期整流が行われる。したがって、コンバータ装置の高効率化が図れる。その結果、空調機としての省エネ化が図れる。

さらに、第１の発明は、上記交流電源と上記ダイオードブリッジ回路（2a）の間には、リアクトル（L）が接続されている。上記スイッチング素子（T1,T2）は、上記ダイオードブリッジ回路（2a）における上記リアクトル（L）が接続される側の交流電源の入力点に対する上アームおよび下アームのダイオード（D1,D2）に互いに並列接続されている。そして、上記交流電源の半周期の間に、ダイオード（D1,D2）がオフ状態となる側のスイッチング素子（T1,T2）が一定時間オンされ、該一定時間経過後にダイオード（D1,D2）がオン状態となる側のスイッチング素子（T1,T2）がオンされる。

上記の発明では、交流電源の半周期において、ダイオード（D1,D2）がオフ状態となる側のスイッチング素子（T1,T2）がオンされると、リアクトル（L）にエネルギーが蓄えられる。つまり、電流の流通経路が短絡される。そして、一定時間経過後、そのオンしたスイッチング素子（T2）がオフされると同時に、ダイオード（D1,D2）がオン状態となる側のスイッチング素子（T1,T2）がオンされる。そうすると、リアクトル（L）から電流がオンしたスイッチング素子（T1,T2）およびコンデンサ（C1,C2）へ順に流れる。これにより、電源力率が向上すると共に、整流損失が低減される。したがって、空調機の省エネ化を一層図ることができる。

第２の発明は、上記第１の発明において、直列接続された２つのコンデンサ（C1,C2）が上記ダイオードブリッジ回路（2a）の出力側に設けられ、該２つのコンデンサ（C1,C2）の中点と上記ダイオードブリッジ回路（2a）における交流電源の一方の入力点とが接続されて倍電圧整流するように構成されている。そして、上記スイッチング素子（T1,T2）は、上記ダイオードブリッジ回路（2a）における交流電源の他方の入力点に対する上アームおよび下アームのダイオード（D1,D2）に互いに並列接続されている。

上記の発明では、図４に示すように、倍電圧整流を行う回路が構成される。この場合、実質的な電流の流通経路においてダイオード（D1,D2）の数量が１つになるので、同期整流のために設けるスイッチング素子（T1,T2）の数量が少なくてすむ。したがって、装置の低コスト化が図れる。

第３の発明は、上記第２の発明において、上記２つのコンデンサ（C1,C2）の中点と上記ダイオードブリッジ回路（2a）における交流電源の一方の入力点との間には、スイッチ（S）が設けられている。

上記の発明では、図３に示すように、スイッチ（S）がオンされると、倍電圧整流が行われ、スイッチ（S）がオフされると、全波整流が行われる。これにより、出力電圧範囲が広くなり、低速運転から高速運転まで幅広い運転領域を有する空調機のコンバータ装置として好適である。

第４の発明は、上記第１乃至第３の何れか１の発明において、上記スイッチング素子（T1,T2）と互いに並列接続されるダイオード（D1,D2）は、該スイッチング素子（T1,T2）の寄生ダイオードである。

上記の発明では、ダイオードを別途設ける必要がないため、装置の低コスト化を図ることができる。

第５の発明は、上記第１乃至第４の何れか１の発明において、上記スイッチング素子（T1,・・・）は、ＭＯＳ−ＦＥＴで構成され、その半導体素子にワイドバンドギャップ半導体が用いられているものである。

上記の発明では、例えばＳｉＣ素子等のワイドバンドギャップ半導体が用いられたＭＯＳ−ＦＥＴでスイッチング素子（T1〜T4）が構成される。したがって、確実に双方向にオンオフ切り換えでき且つオン電圧を低くできる。また、ワイドバンドギャップ半導体を用いることにより、耐電圧性に優れ且つ低損失なスイッチング素子（T1,T2）を実現できる。

本発明によれば、双方向にオンオフ可能で、ダイオード（D1,D2）の順方向電圧降下よりも飽和電圧が低く且つ耐電圧性を有するスイッチング素子（T1,T2）をダイオード（D1,D2）に並列接続して、または単独でブリッジ回路（2a）を構成するようにした。これにより、スイッチング素子（T1,T2）に逆電圧が作用するタイミングで該スイッチング素子（T1,T2）をオンすれば、確実に同期整流を行うことができる。したがって、高効率なコンバータ装置を提供でき、それを用いた空調機の省エネ化を図ることができる。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、以下の実施形態は、本質的に好ましい例示であって、本発明、その適用物、あるいはその用途の範囲を制限することを意図するものではない。

《発明の実施形態１》
本発明の実施形態１について説明する。図１に示すように、本実施形態の電力変換装置（1）は、本発明に係るコンバータ装置を構成するコンバータ回路（2）と、インバータ回路（3）と、制御回路（4）とを備えている。

上記電力変換装置（1）は、交流電源をコンバータ回路（2）によって整流し、その直流をインバータ回路（3）によって三相交流に変換して電動機（6）へ供給するものである。この電動機（6）は、空調機の冷媒回路に設けられる圧縮機を駆動するものである。空調機の冷媒回路は、図示しないが、圧縮機と凝縮器と膨張機構と蒸発器が閉回路に接続され、冷媒が循環して蒸気圧縮式冷凍サイクルを行うように構成されている。そして、冷房運転では、蒸発器で冷却された空気が室内へ供給され、暖房運転では、凝縮器で加熱された空気が室内へ供給される。

上記コンバータ回路（2）は、交流電源である商用電源（5）に接続され、交流電圧を整流する。このコンバータ回路（2）は、ブリッジ回路（2a）を備えると共に、リアクトル（L）およびコンデンサ（C）を各１つ備えている。

上記ブリッジ回路（2a）は、交流電源である商用電源（5）に接続され、４つのダイオード（D1〜D4）がブリッジ結線されている。つまり、このブリッジ回路（2a）は、本発明に係るダイオードブリッジ回路を構成している。リアクトル（L）は、商用電源（5）の一方の電極とブリッジ回路（2a）との間に接続されている。コンデンサ（C）は、ブリッジ回路（2a）の出力側に設けられ、ブリッジ回路（2a）の出力電圧を充放電する。

上記ブリッジ回路（2a）において、リアクトル（L）が接続される側の商用電源（5）の入力点に対する上アームおよび下アームの各ダイオード（D1,D2）には、スイッチング素子（T1,T2）が並列接続されている。このスイッチング素子（T1,T2）は、ＭＯＳ−ＦＥＴ（Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor）で構成されている。このＭＯＳ−ＦＥＴは、ＩＧＢＴと異なり双方向にオンオフ可能（スイッチング可能）で、且つ、飽和電圧がダイオード（D1,D2）の順方向電圧降下より低い。さらに、このＭＯＳ−ＦＥＴの半導体素子には、ワイドバンドギャップ半導体であるＳｉＣ（炭化珪素）が用いられている。このＳｉＣ素子は、従来のＳｉ素子に比べ、耐圧性（耐電圧性）および耐熱性が高く、低損失である。つまり、本実施形態のスイッチング素子（T1,T2）は、ダイオード（D1,D2）がオフする方向に対して耐圧性（耐電圧性）が高い。なお、ワイドバンドギャップ半導体としては、ＳｉＣの他に、例えばＧａＮ（窒化ガリウム）等のバンドギャップがＳｉよりも大きい素子であればよい。

上記インバータ回路（3）は、コンデンサ（C）の直流電圧を三相交流電圧に変換し、電動機（6）へ供給するように構成されている。なお、このインバータ回路（3）は、図示しないが、例えば６つのスイッチング素子が三相ブリッジ結線されている。

上記制御回路（4）は、ブリッジ回路（2a）のスイッチング制御を行う。具体的に、制御回路（4）は、スイッチング素子（T1,T2）に逆電圧が印可されるタイミングで該スイッチング素子（T1,T2）をオンし、同期整流させる。つまり、スイッチング素子（T1,T2）と並列に接続されたダイオード（D1,D2）がオンするタイミングで該スイッチング素子（T1,T2）がオンされる。これは、スイッチング素子（T1,T2）の飽和電圧がダイオード（D1,D2）の順方向電圧降下より低いため、ダイオード（D1,D2）と同じタイミングでスイッチング素子（T1,T2）をオンできる。なお、スイッチング素子（T1,T2）において、ドレイン側からソース側へ印可される電圧を順電圧（順方向電圧）、ソース側からドレイン側へ印可される電圧を逆電圧（逆方向電圧）とする。

これにより、電流がスイッチング素子（T1,T2）を流れるので、ダイオード（D1,D2）を流れる場合よりも損失が低減される。つまり、同期整流により、電力変換効率が向上する。その結果、コンバータ回路（2）の高効率化を図ることができる。そして、コンバータ回路（2）の高効率化を図れるので、空調機の低速運転時の運転効率を向上させることができ、省エネ化を図ることができる。

さらに、上記制御回路（4）は、図２に示すような制御を行う。

先ず、商用電源（5）の前半の半周期（交流電圧が正の範囲）における制御を説明する。商用電源（5）の入力電圧（Vi）がブリッジ回路（2a）の出力電圧（Vo）より低い期間において、一定時間スイッチング素子（T2）をオンする。これにより、商用電源（5）の入力電圧（Vi）が短絡し、電源力率を向上させることができる。そして、一定時間経過後、スイッチング素子（T2）をオフすると同時に、スイッチング素子（T1）をオンする。その場合、スイッチング素子（T2）をオフすると同時に、スイッチング素子（T1）にリアクトル電流（IL）による逆電圧が作用する。そして、スイッチング素子（T1）は、リアクトル電流（IL）がゼロ、即ちスイッチング素子（T1）の両端がゼロ電圧になるまでオンされる。したがって、この制御では、同期整流による高効率化に加え、力率改善を行うことができる。

次に、商用電源（5）の後半の半周期（交流電圧が負の範囲）における制御を説明する。この場合、入力電圧（Vi）が出力電圧（Vo）より高い期間において、一定時間スイッチング素子（T1）をオンする。そして、一定時間経過後、スイッチング素子（T1）をオフすると同時にスイッチング素子（T2）をオンし、そのスイッチング素子（T2）の両端がゼロ電圧になるまでオンされる。

また、本実施形態では、ブリッジ回路（2a）における全て（４つ）のダイオード（D1〜D4）に対してスイッチング素子を設けるようにしてもよい。この場合、コンバータ回路（2）の一層の高効率化を図ることができ、空調機の省エネ化を一層図ることができる。なお、本発明は、ブリッジ回路（2a）における少なくとも１つのダイオード（D1〜D4）にスイッチング素子を設けることにより、同期整流が可能となり電源変換効率が向上する。

また、本実施形態では、スイッチング素子（T1,T2）が接続されたダイオード（D1,D2）をスイッチング素子（T1,T2）の寄生ダイオードで構成するようにしてもよい。その場合、ダイオードを別途設ける必要がないため、低コスト化を図ることができる。

−実施形態１の効果−
この実施形態１によれば、ＳｉＣ素子を用いたＭＯＳ−ＦＥＴのスイッチング素子（T1,T2）を２つのダイオード（D1,D2）のそれぞれに並列接続するようにした。スイッチング素子（T1,T2）において、逆電圧が印可されるタイミングでオンでき、電流を流すことができる。これにより、コンバータ回路（2）の効率を向上させることができる。したがって、空調機の省エネ化を図ることができる。

また、商用電源（5）の半周期において、その商用電源（5）の入力電圧（Vi）を短絡させるようにスイッチング素子（T1,T2）をオンオフ制御すれば、力率改善を図ることができる。したがって、同期整流による高効率化と力率改善の双方を図ることができる。

《発明の実施形態２》
本発明の実施形態２について説明する。本実施形態は、図３に示すように、上記実施形態１におけるコンバータ回路（2）の構成を変更したものである。具体的に、上記実施形態１ではコンデンサ（C）を１つ設けたが、本実施形態では２つのコンデンサ（C1,C2）が直列に設けられている。そして、ブリッジ回路（2a）におけるスイッチング素子（T1,T2）が接続されていない２つのダイオード（D3,D4）の中点と、上記２つのコンデンサ（C1,C2）の中点との間に、スイッチ（S）が設けられている。つまり、本実施形態のコンバータ回路（2）は、スイッチ（S）がオン状態になると、倍電圧整流回路に切り換わり、スイッチ（S）がオフ状態になると、全波整流回路に切り換わるように構成されている。

本実施形態の制御回路（4）は、スイッチ（S）がオン状態およびオフ状態の何れの場合も、上記実施形態１と同様に、同期整流および力率改善を行うようにスイッチング素子（T1,T2）をオンオフさせる。つまり、倍電圧整流回路および全波整流回路の双方において、同期整流および力率改善が行われる。したがって、上記実施形態１と同様に、高効率化を図ることができる。

また、全波整流を行う場合においては、倍電圧整流を行う場合よりも電源電圧を低くできるため、スイッチング損失や電動機（6）の渦電流損失を低減することができる。その結果、空調機の省エネ化を一層図ることができる。また、倍電圧整流を行う場合においては、電流が流れるダイオードは１つであるため、ダイオードに並列接続するスイッチング素子（T1,T2）の数量を少なくできる。したがって、低コスト化を図ることができる。さらに、全波整流と倍電圧整流とが切換可能なので、出力電圧範囲が広くなり、低速運転から高速運転まで幅広い運転領域を有する空調機に好適である。

なお、本実施形態において、図４に示すように、コンバータ回路（2）におけるスイッチ（S）を省略して、２つのダイオード（D3,D4）の中点と上記２つのコンデンサ（C1,C2）の中点との間を単に接続するようにしてもよい。この場合、コンバータ回路（2）は、倍電圧整流のみを行う回路になる。

《発明の参考形態１》
本発明の参考形態１について説明する。本参考形態は、図５に示すように、上記実施形態１におけるコンバータ回路（2）の構成を変更したものである。具体的に、本参考形態のブリッジ回路（2a）は、ダイオードが省略され、４つのスイッチング素子（T1〜T4）のみで構成されている。

この参考形態においても、制御回路（4）は、スイッチング素子（T1〜T4）に逆電圧が作用するタイミングで該スイッチング素子（T1〜T4）をオンする。この場合、特にスイッチング素子（T1,T2）のオン期間（オンしている時間）に誤差が生じると、素子が破壊されるおそれがある。したがって、制御回路（4）は、スイッチング素子（T1〜T4）におけるドレイン電位がソース電位より低くなると、自動的に該スイッチング素子（T1〜T4）のゲートをオンさせる制御を行うことが望ましい。これにより、同期整流を確実に行うことができ、高効率化を図ることができる。

《発明の参考形態２》
本発明の参考形態２について説明する。本参考形態は、図６に示すように、上記実施形態１において、ブリッジ回路（2a）のスイッチング素子（T1,T2）が接続されているダイオード（D1,D2）を省略すると共に、コンデンサ（C1,C2）を２つ有して倍電圧整流するように構成したものである。この場合も、スイッチング素子（T1,T2）に逆電圧が作用するタイミングで該スイッチング素子（T1,T2）をオンすることにより、同期整流を確実に行うことができる。

以上説明したように、本発明は、交流電源を整流する空調機のコンバータ装置として有用である。

実施形態１の電力変換装置を示す構成図である。電圧および電流とスイッチング素子のオンオフ切換との関係を示す図である。実施形態２の電力変換装置を示す構成図である。実施形態２の別の電力変換装置を示す構成図である。参考形態１の電力変換装置を示す構成図である。参考形態の電力変換装置を示す構成図である。

1 電力変換装置
2 コンバータ回路（コンバータ装置）
2a ブリッジ回路（ダイオードブリッジ回路）
T1〜T4 スイッチング素子
D1〜D4 ダイオード
C1,C2 コンデンサ
S スイッチ

Claims

交流電源に接続され、４つのダイオード（D1〜D4）を有するダイオードブリッジ回路（2a）を備え、交流電源を整流して空調機に設けられた圧縮機へ供給する空調機のコンバータ装置であって、
双方向にオンオフ可能に構成され、上記ダイオード（D1〜D4）の少なくとも１つに互いに並列接続されると共に、該ダイオード（D1〜D4）の順方向電圧降下よりも飽和電圧が低く構成され且つ該ダイオード（D1〜D4）がオフする方向に対して耐電圧性を有するスイッチング素子（T1,T2）を備え、
上記交流電源と上記ダイオードブリッジ回路（2a）の間には、リアクトル（L）が接続され、
上記スイッチング素子（T1,T2）は、上記ダイオードブリッジ回路（2a）における上記リアクトル（L）が接続される側の交流電源の入力点に対する上アームおよび下アームのダイオード（D1,D2）に互いに並列接続される一方、
上記交流電源の半周期の間に、ダイオード（D1,D2）がオフ状態となる側のスイッチング素子（T1,T2）が一定時間オンされ、該一定時間経過後にダイオード（D1,D2）がオン状態となる側のスイッチング素子（T1,T2）がオンされる
ことを特徴とする空調機のコンバータ装置。
請求項１において、
直列接続された２つのコンデンサ（C1,C2）が上記ダイオードブリッジ回路（2a）の出力側に設けられ、該２つのコンデンサ（C1,C2）の中点と上記ダイオードブリッジ回路（2a）における交流電源の一方の入力点とが接続されて倍電圧整流するように構成され、
上記スイッチング素子（T1,T2）は、上記ダイオードブリッジ回路（2a）における交流電源の他方の入力点に対する上アームおよび下アームのダイオード（D1,D2）に互いに並列接続されている
ことを特徴とする空調機のコンバータ装置。
請求項２において、
上記２つのコンデンサ（C1,C2）の中点と上記ダイオードブリッジ回路（2a）における交流電源の一方の入力点との間には、スイッチ（S）が設けられている
ことを特徴とする空調機のコンバータ装置。
請求項１乃至３の何れか１項において、
上記スイッチング素子（T1,T2）と互いに並列接続されるダイオード（D1,D2）は、該スイッチング素子（T1,T2）の寄生ダイオードである
ことを特徴とする空調機のコンバータ装置。
請求項１乃至４の何れか１項において、
上記スイッチング素子（T1,・・・）は、ＭＯＳ−ＦＥＴで構成され、その半導体素子にワイドバンドギャップ半導体が用いられている
ことを特徴とする空調機のコンバータ装置。