JP5466482B2 - デジタル変換装置及び電力変換装置 - Google Patents

Description

本発明は、アナログ信号（例えば、時々刻々に値が変化する電流値を示す情報信号）をデジタル信号に変換するデジタル変換装置、及びそのデジタル変換装置を使用し且つスイッチング手段を用いて電力形態をその利用目的に応じて変換する、いわゆるパワーエレクトロニクス用の電力変換装置に関する。特に、本発明は、交流電力を一旦直流に変換して、さらに別の交流に変換する電力変換装置や、直流電力を完全に別個の複数の交流電力に変換する電力変換装置に関する。電力変換装置の具体的な例としては、交流電源を用いて、電動圧縮機をインバータで可変速駆動する家庭用や業務用などのエアコン及び冷蔵庫などが挙げられる。

電力変換装置には、交流電力を直流電力に変換するコンバータ部と、直流電力を任意の交流電力に変換するインバータ部との両方を含むものがある。これらを制御して、負荷（例えば、モータ）に所望の電力を供給するために、通常、コンバータ部とインバータ部において、電流値や電圧値を検出し、検出した値に基づいて、コンバータ部とインバータ部を制御している。

従来の電力変換装置は、コンバータ部とインバータ部を制御する制御回路を別々に実現するか、又は制御に用いるセンシング情報が電力系とは絶縁した状態で得られるようにしていた。特に、入力あるいは出力の電流のセンシングに関しては、ホール効果を用いた電流センサを用いて、瞬時の電流を電力系とは絶縁してセンシングできるようにするのが一般的である（例えば、特許文献１参照）。しかしながら、この構成は、ホール効果による電流センサを必要とする。ホール効果による電流センサは、高精度なものほど、比較的高価である。

一方、電流センサの代わりに、電流をセンシングしたい系に低抵抗を挿入し、その両端の電位をセンシングすることにより、電流センシング情報を得る電力変換装置もよく知られている（図１の抵抗１１２、１１３を参照）。この場合、制御回路とコンデンサの一端を共通電位にすれば、一方の抵抗の一端の電位がコンバータ電流に比例する値となり、他方の抵抗の一端の電位はインバータ電流に比例する値になるので、これらの値を用いて、電源電流制御であるコンバータ制御とモータ駆動制御であるインバータ制御を実現することが可能である。しかし、実際の回路では、コンデンサの一端の電位、２つの抵抗の一端の電位、及び制御回路の基準電位を完全に一致させることは難しい。また、電力変換装置の回路中には抵抗分以外にもインダクタンス成分があり、瞬時の電流に比例した電圧が発生できるとは限らない。特にパワーエレクトロニクスでは、スイッチングにより経路を切り替えながら電力変換を行うので、回路には電流が断続的に流れるところがあり、インダクタンス成分により瞬間的には大きな電圧が発生し、ノイズになる。このノイズを少なくするにはインダクタンス成分を少なくすることが必要であり、配線を太くかつ短くするなどの手法をとるが、実際の部品には一定の大きさもあり、短くすることにも限度がある。そのため、コンバータ側とインバータ側の２つの情報は互いに干渉しあう。具体的には、コンバータ側の検出電圧にはインバータ側の抵抗の電圧が大きく変化するタイミングでパルス状のノイズが重畳し（図３（ａ）参照）、インバータ側の検出電圧には、コンバータ側のＩＧＢＴが実際にＯＮ／ＯＦＦするタイミングでパルス状のノイズが重畳する（図３（ｂ）参照）。このように、コンバータ側とインバータ側の両方でＩＧＢＴの変化エッジでパルスノイズが重畳されるため、このパルスノイズを除去する必要がある。

例えば、制御回路が１つの制御回路で実現されていれば、コンバータおよびインバータで用いているＩＧＢＴの変化タイミングを全て監視して、その期間における２つの抵抗の電圧をセンシング情報として用いないとする手法や、２つの抵抗の電圧出力に高域遮断フィルタを経由してからセンシング情報を得るなどの手法が考えられる。ＩＧＢＴの変化タイミングを監視して、変化期間での電圧情報を読込まないとする場合は、正確な変化タイミングを知っておく必要があるが、実際のＩＧＢＴの変化タイミングは、制御回路で決定した変化タイミングよりは少しずれているため、正確な変化タイミングを知ることは困難であり、非現実的である。同様に、電圧出力に高域遮断フィルタを経由させる場合は読込むタイミングがずれるため、インバータ側の波形のように、複数の相の情報が時分割で含まれている場合には、別の相の情報が誤って混入してしまう可能性があり、大きな効果を得ることは非現実的である。特に高域遮断フィルタを経由させると、情報の遅れを生じてしまい、安定かつ高精度な制御を実現することが困難になってしまう。よって、コンバータ部とインバータ部を備える電力変換装置において、簡単な方法でノイズを除去することができない。

また、直流電力を完全に別個の複数の交流電力に変換する電力変換装置がある（図９参照）。しかし、直流電源から複数のインバータを経由して複数のモータを独立に制御する場合にも、複数の電流検出抵抗で得られる電流情報は、互いの電流が急激に変化するタイミングで、もう一方の電流波形にパルスノイズを与えてしまう（図１０（ａ）（ｂ）参照）。このような場合にも、安定かつ高精度な制御を実現するためには、パルスノイズを除去する必要があるが、この場合も上述した問題と同様の問題が生じる。

そこで、従来の電力変換装置はパルスノイズを除去するＡＤ変換部を備えている。図１１に、一般によく知られているワンチップマイクロコンピュータのＡＤ変換部のノイズ除去の原理を示した回路構成図を示す。デジタル制御の実現のために、ＡＤ変換部１０００は、まずアナログ情報をＡＤ変換中に値が変化しないように、サンプルホールド回路（Ｓ＆Ｈ）１００１を経由させることにより、アナログの一定値にホールドさせる。ＡＤ変換回路（ＡＤＣ）１００９は、このホールドされたアナログ値をデジタル値に変換し、１回の変換毎に、変換結果１、変換結果２、変換結果３としてそれぞれの記憶手段１０１１、１０１２及び１０１３に順次蓄える。３つの変換が終了すると、離散値除去回路１００７が最もかけ離れた値を除去し、平均回路１００８が残りの値を平均化する。このようにして、パルス状のノイズの影響を除去している。

図１２に、ＡＤ変換部１０００による変換および演算を時系列で示す。ＡＤ変換部１０００は、電力変換装置を内部に含む空気調和機などのシステム全体から、アナログ情報の取込＆ＡＤ変換開始の信号を受けて、一回目のＡＤ変換を行い、その結果を変換結果１に格納し保持する。一回目のＡＤ変換が終了すると、二回目のＡＤ変換を行い、その結果を変換結果２に格納し保持する。二回目のＡＤ変換が終了すると、三回目のＡＤ変換を行いその結果を得る。三回目のＡＤ変換が終了すると、これまでの３つのＡＤ変換結果からもっともかけ離れた値を除去し、除去した残りの値の平均結果を得る。その後、この平均結果を、ノイズ除去されたＡＤ変換結果として採用している。

特開２００６−１５８１５５号公報

しかしながら、従来のＡＤ変換では、パルス状のノイズ成分を除去しているものの、最初にＡＤ変換を開始してからＡＤ変換結果を得るまで（すなわち、取込＆ＡＤ変換開始の信号を受けてから平均化後の出力を得るまで）に長い時間を要している。そのため、得られる情報に遅れが生じ、その情報を使用する制御回路において安定かつ高精度な制御を実現することが難しいという問題があった。

本発明は、上記従来の問題を解決するものであって、得られる情報に遅れが生じることなく、パルス状のノイズ成分を除去するデジタル変換装置、及びそれを利用して電力変換を行う電力変換装置を提供することを目的とする。

上記従来の課題を解決するために、本発明のデジタル変換装置は、時々刻々に値が変化する情報信号をそれぞれ所定時間ずつ遅延させて入力し、入力したときの値を保持する複数の情報信号保持部と、複数の情報信号保持部に保持された値をＡＤ変換してデジタル値を出力する複数の変換部と、変換部から出力されるデジタル値のうち、最もかけ離れた値をもつデジタル値を除去する除去部と、除去部により除去されなかったデジタル値を平均化して、デジタル情報として出力する平均部と、を有し、所定時間は、複数の変換部におけるデジタル値への個々の変換に要する時間よりも短い値であり、且つ、複数の情報信号保持部に入力される情報信号に含まれるパルス状のノイズの時間幅よりも大きいことを特徴とする。複数の情報信号保持部による情報信号の取り込みのタイミングを変換部におけるデジタル情報への変換に要する時間よりも短くしているため、短時間で、デジタル情報を出力することができる。また、除去部により最もかけ離れた値を除去しているため、所定時間の間にパルス状のノイズが含まれていても、そのノイズを除去することができる。よって、得られる情報に遅れが生じることなく、パルス状のノイズ成分を除去することができる。これにより、精度の高い制御用の情報信号を高速に得ることができる。よって、制御精度を高めることができる。上記発明は、デジタル変換した後で、ノイズ除去の演算を行うため、回路素子数が増加する。しかし、それぞれの回路素子にさほど特性の良いものを必要としないため、大規模な集積回路（ＬＳＩ）として実現しやすいという利点を有する。さらに、所定時間を、複数の情報信号保持部に入力される情報信号に含まれるパルス状のノイズの時間幅よりも大きくすることにより、１つのパルスノイズにより乱された情報信号であっても、遅延前と遅延後のどちらかで、ノイズに乱されていない情報信号を保持することができる。

複数の情報信号保持部により保持される情報信号の値は３つ以上であることが好ましい。これにより、パルス状のノイズをより確実に除去することができる。

複数の情報信号保持部に入力される情報信号は電流値を示してもよい。電力変換において、電流の情報は、電流が流れる経路が変化するなどして、激しく変化するものである。すなわち、電流の情報は、制御状態をもっとも顕著にあらわしている情報である。よって、上記デジタル変換装置により、この電流情報の変化を高速に捉えることにより、上記デジタル変換装置を備えた電力変換装置は高精度な電力変換を実現できる。

除去部は最大値と最小値を除去してもよい。これにより、パルス状のノイズで乱された保持値を簡単かつ確実に除去することができる。

本発明の電力変換装置は、交流電源の出力をスイッチング素子により直流電力に変換する直流電力変換部と、直流電力変換部から出力される直流電力を交流電力に変換する交流電力変換部と、デジタル電流情報に基づいて直流電力変換部及び交流電力変換部を制御する制御回路と、直流電力変換部及び交流電力変換部のそれぞれの直流電力部分に接続された抵抗と、抵抗の一端の電圧を他端の電圧を基準として検出することにより、直流電力変換部の直流電流及び交流電力変換部の交流電流をそれぞれ検出し、検出した直流電流及び交流電流をそれぞれデジタル電流情報に変換する上記デジタル変換装置と、を有する。上記デジタル変換装置を備えることにより、短時間で簡単にパルス状のノイズを除去することができるため、簡単な回路構成で電力変換の制御精度を高めることができる。また、各抵抗の一端の電圧を検出するだけで、直流電力変換部及び交流電力変換部の電流の情報を検出できるため、簡単な回路構成で実現できる。

本発明の他の観点による電力変換装置は、直流電源又は交流電源を直流に変換した擬似直流電源の出力を複数の交流電力に変換する複数の交流電力変換部と、デジタル電流情報に基づいて複数の交流電力変換部を制御する制御回路と、直流電源又は擬似直流電源側から複数の交流電力変換部へのそれぞれの経路に接続された抵抗と、抵抗の一端の電圧を他端の電圧を基準として検出することにより、複数の交流電力変換部の交流電流を検出し、検出した交流電流をそれぞれデジタル電流情報に変換する上記デジタル変換装置と、を有する。上記デジタル変換装置を備えることにより、短時間で簡単にパルス状のノイズを除去することができるため、簡単な回路構成で電力変換の制御精度を高めることができる。また、各抵抗の一端の電圧を検出するだけで、複数の交流電力変換部の電流の情報を検出できるため、簡単な回路構成で実現できる。特に、インバータでモータなどを駆動するときには、モータとそのケース（外装部分）との間の浮遊容量を介してパルス状の漏洩電流が発生し、別のモータを経由してそのインバータ系にノイズとして混入することがあるため、この発明により大きな効果を奏する。

本発明によれば、デジタル情報への変換に要する時間よりも短い間隔で、情報信号（例えば、電流の値を示す信号）をサンプル及びホールドすることにより、短時間でノイズが除去されたデジタル変換後の信号を出力することができる。よって、得られる情報に遅れが生じることなく、パルス状のノイズ成分を除去することができる。これにより、安定した高精度な電力変換の制御が可能となる。

本発明の実施形態１〜３の電力変換装置の全体構成を示す回路ブロック図 本発明の実施形態１におけるＡＤ変換部の構成図 （ａ）はコンバータ側の電圧にノイズが入った例を示す図、（ｂ）はインバータ側の電圧にノイズが入った例を示す図 図２に示すＡＤ変換部の動作タイミングを示す図 図２に示すサンプルホールド回路のサンプリングのタイミングを示す図 本発明の実施形態２におけるＡＤ変換部の構成図 図６に示すＡＤ変換部の動作タイミングを示す図 本発明の実施形態３におけるＡＤ変換部の構成図 本発明の実施形態４の電力変換装置の全体構成を示す回路ブロック図 （ａ）は一方のインバータ側の電圧にノイズが入った例を示す図、（ｂ）は他方のインバータ側の電圧にノイズが入った例を示す図 従来例のＡＤ変換部の構成図 従来例のＡＤ変換部の動作タイミングを示す図

以下、本発明の実施形態について、図面を参照しながら説明する。

（実施形態１）
本発明の実施形態１の電力変換装置は、デジタル情報への変換に要する時間よりも短い間隔で電流の値をサンプルホールドするＡＤ変換部を備え、ＡＤ変換部から短時間でノイズが除去されたデジタル変換後の出力を取得することにより、安定した高精度な制御を実現する。本実施形態の電力変換装置は、例えば、空気調和機などのシステムに内蔵される。

１．１ 電力変換装置の構成
図１に、本発明の実施形態１における電力変換装置の全体構成図を示す。本実施形態の電力変換装置は、交流電源１０１から出力される交流電力を直流電力に変換する能動型のコンバータ回路（直流電力変換部）１１６と、コンバータ回路１１６から出力される整流された電流を平滑する平滑コンデンサ１０６と、平滑コンデンサ１０６により平滑されて得られる直流電力を交流電力に変換するインバータ回路（交流電力変換部）１０７と、コンバータ回路１１６及びインバータ回路１０７を制御する制御回路１０９と、を有する。

コンバータ回路１１６は、交流電源１０１に接続されたダイオードブリッジ１０２と、ダイオードブリッジ１０２の一端に接続されたリアクタ１０３と、リアクタ１０３の他端に接続された高速ダイオード１０５と、リアクタ１０３とダイオード１０５との間に一端を接続され、他端を基準電位に接続されたＩＧＢＴ１０４と、を含む。平滑コンデンサ１０６は、ダイオード１０５のカソードと基準電位との間に接続される。コンバータ回路１１６により整流された電流が平滑コンデンサ１０６で平滑されることにより、平滑コンデンサ１０６から得られる出力が直流電源となる。インバータ回路１０７は、直流電力を三相擬似交流に変換する三相ブリッジ回路により実現される。インバータ回路１０７から出力される三相擬似交流はモータ１０８に供給されて、モータ１０８を駆動する。

コンバータ回路１１６の直流電流を検出するために、抵抗１１３がダイオードブリッジ１０２の他端と基準電位との間に接続される。同様に、インバータ回路１０７の交流電流を検出するために、抵抗１１２がインバータ回路１０７と基準電位との間に接続される。抵抗１１２、１１３の一端の電位と平滑コンデンサ１０６の一端の電位は、制御回路１０９の基準電位と同じ部分から接続されており、略同じ電位になる。制御回路１０９と平滑コンデンサ１０６の一端が略同じ電位になっているため、抵抗１１３のダイオードブリッジ１０２側の電位はコンバータ回路１１６の電流に比例する値となる。よって、抵抗１１３の一端の電圧Ｖｃｏｎｖを他端の基準電位を基準として検出することにより、コンバータ回路１１６に比例した電流を検出できる。同様に、抵抗１１２のインバータ側１０７の電位は、インバータ１０７の電流に比例する値となる。よって、抵抗１１２の一端の電圧Ｖｉｎｖを他端の基準電位を基準として検出することにより、インバータ１０７の電流に比例する値を検出できる。

制御回路１０９は、入力されたアナログの情報信号をＡＤ変換するＡＤ変換部（デジタル変換装置）１５１と、ＡＤ変換部１５１の出力に基づいてコンバータ回路１１６を制御するコンバータ制御部１１１とを含む。制御回路１０９は、さらに、入力されたアナログの情報信号をＡＤ変換するＡＤ変換部（デジタル変換装置）１５２と、ＡＤ変換部１５２の出力に基づいてインバータ回路１０７を制御するインバータ制御部１１０とを含む。制御回路１０９は、コンバータ回路１１６を制御する電源電流制御と、インバータ回路１０７を制御するモータ駆動制御とを行う。本実施形態において、制御回路１０９は、デジタルコンピュータにより実現される。

ＡＤ変換部１５１が入力する情報信号とは、具体的には、抵抗１１３により電圧として検出されるコンバータ回路１１６の電流である。さらに、ダイオードブリッジ１０２の出力電圧、及び平滑コンデンサ１０６の電圧がＡＤ変換部１５１に入力されてもよい。ＡＤ変換部１５２が入力する情報信号とは、抵抗１１２により電圧として検出されるインバータ回路１０７の電流である。なお、平滑コンデンサ１０６の電圧がＡＤ変換部１５２に入力されてもよい。

コンバータ制御部１１１は、例えば、ＡＤ変換部１５１の出力に基づいて、ダイオードブリッジ１０２の出力電圧を見ることにより、交流電圧の絶対値の瞬時値を入力すると共に、平滑コンデンサ１０６の電圧を見ることにより、直流側の出力電圧も見る。コンバータ制御部１１１は、交流電圧と同一の電流波形が得られるように、ＩＧＢＴ１０４のスイッチング制御を行うとともに、所望の直流電圧が得られるように入力電流波形の大きさを調整する。これにより、電源の力率が良好な整流回路を実現する。また、インバータ制御部１１０は、ＡＤ変換部１５２の出力に基づいて、平滑コンデンサ１０６の電圧を見ることにより、直流側の入力電圧も見る。

図２に、ＡＤ変換部１５１とＡＤ変換部１５２の内部構成を示す。ＡＤ変換部１５１とＡＤ変換部１５２の内部構成は同一であるため、以下、ＡＤ変換部１５１が上述した情報信号をデジタル情報に変換する場合を例にして、図２を参照して説明する。ＡＤ変換部１５１は、アナログの情報信号と、デジタルコンピュータ内部で制御開始のために作成された情報信号の取込とＡＤ変換の開始を指示する信号（以下、「動作開始信号」と呼ぶ。）とを入力する。ＡＤ変換部１５１は、入力された情報信号をサンプルホールドする３つのサンプルホールド回路（Ｓ＆Ｈ）３０１、３０２、３０３と、動作開始信号を所定時間、遅延させる遅延回路３０４、３０５、３０６とを含む。

サンプルホールド回路（情報信号保持部）３０１、３０２、３０３は、アナログスイッチと情報を保持するコンデンサで構成される。変換すべきアナログの情報信号は、３つのサンプルホールド回路３０１、３０２、３０３に入力される。サンプルホールド回路３０１は、情報信号の取込とＡＤ変換の開始を指示する動作開始信号に基づいて、入力した情報信号をサンプリングしホールドする。サンプルホールド回路３０２は、遅延回路３０４により遅延された動作開始信号に基づいて、入力した情報信号をサンプリングしホールドする。サンプルホールド回路３０３は、遅延回路３０４と遅延回路３０５により遅延された動作開始信号に基づいて、入力した情報信号をサンプリングしホールドする。すなわち、サンプルホールド回路３０１、３０２、３０３は、この順番に時間が経過した値をそれぞれ保持している。

ＡＤ変換部１５１は、さらに、３つのサンプルホールド回路（Ｓ＆Ｈ）３０１、３０２、３０３から出力される信号のうち最もかけ離れた値を除去する離散値除去回路３０７と、離散値除去回路３０７により除去されなかった値を平均化する平均回路３０８と、平均回路３０８から出力される値をＡＤ変換するＡＤ変換回路(ＡＤＣ）３０９と、を含む。ＡＤ変換回路３０９は、遅延回路３０４、３０５、３０６を通って遅延された動作開始信号に基づいて、サンプルホールド回路３０３がサンプルホールドした時刻よりもさらに遅延された時間からＡＤ変換を開始する。ＡＤ変換回路３０９から出力されるＡＤ変換結果が、コンバータ制御部１１１においてデジタルコンピュータの制御用に使用される。

本実施形態のＡＤ変換部１５１、１５２において、遅延回路３０４、３０５が動作開始信号を遅延させる所定時間（すなわち、各サンプルホールド回路の情報信号のサンプリングの間隔）は、ＡＤ変換回路３０９によるデジタル情報への変換に要する時間よりも短い値に設定される。

１．２ ＡＤ変換の動作
以上のように構成された電力変換装置のＡＤ変換部１５１、１５２のノイズの除去の動作について説明する。図３（ａ）にコンバータ側の抵抗１１３により検出される電圧Ｖｃｏｎｖの波形を示し、図３（ｂ）にインバータ側の抵抗１１２により検出される電圧Ｖｉｎｖの波形を示す。図３（ａ）と図３（ｂ）は、コンバータ側とインバータ側の２つの電圧が互いに干渉しあう様子を示している。図１に示す電力変換装置が作動すると、図３（ａ）と図３（ｂ）に示す電圧Ｖｃｏｎｖ、Ｖｉｎｖの値を示す情報が電流情報としてＡＤ変換部１５１、１５２にそれぞれ入力される。

コンバータ側の電圧Ｖｃｏｎｖは、ＩＧＢＴ１０４がＯＮしている期間に増加し（ｔ１〜ｔ３、ｔ４〜ｔ７）、ＯＦＦしている期間に減少する（ｔ３〜ｔ４、ｔ７〜ｔ８）基本波形を持つ。この基本波形に対して、インバータ側の電圧Ｖｉｎｖが大きく変化するタイミングでパルス状のノイズが重畳する（ｔ１、ｔ２、ｔ５、ｔ６）。インバータ側の電圧Ｖｉｎｖは、インバータ回路（三相ブリッジ回路）１０７でのＩＧＢＴのＯＮ／ＯＦＦの状態が変化するタイミングで、大きく変化する。一方、インバータ側の電圧Ｖｉｎｖの波形には、モータ１０８の各相の電流に関連する情報が時分割で出現すると共に、コンバータ側のＩＧＢＴ１０４が実際にＯＮ／ＯＦＦするタイミングで、抵抗１１２の電圧波形にパルス状のノイズが重畳する（ｔ３、ｔ４、ｔ７、ｔ８）。

このように、コンバータ側とインバータ側の両方で、互いにＩＧＢＴの変化エッジでパルスノイズが重畳されるため、制御回路１０９ではこのパルスノイズを除去する必要がある。そこで、制御回路１０９は、ＡＤ変換部１５１、１５２により、このパルスノイズを除去する。

図４に、図２に示すＡＤ変換部１５１、１５２の動作タイミングを示す。コンバータ側のＡＤ変換部１５１とインバータ側のＡＤ変換部１５２は同一の回路構成を持つため、その動作タイミングは同一である。以下、コンバータ側のＡＤ変換部１５１が、抵抗１１３により電圧Ｖｃｏｎｖとして検出される電流情報をＡＤ変換する場合を例にして説明する。ＡＤ変換部１５１が、本実施形態の電力変換装置を内蔵するシステム全体（空気調和機など）からアナログ値を取り込んでＡＤ変換を開始させる動作開始信号を受け取ると、３つのサンプルホールド回路３０１、３０２、３０３は順次作動して、抵抗１１３により電圧として検出される電流情報を取り込む。

図５に、３つのサンプルホールド回路３０１、３０２、３０３のサンプリングのタイミングの例を示す。サンプルホールド回路３０１、３０２、３０３は、図２に示す遅延回路３０４、３０５を経由した動作開始信号に基づき、所定の遅延時間ＴＡ毎に、電流情報Ｖｃｏｎｖを取り込む。所定の遅延時間ＴＡは、情報信号に含まれるパルス状のノイズの時間幅よりも大きくなるように設定される。また、図４に示すように、この所定の遅延時間ＴＡは、ＡＤ変換に要する時間ＴＢよりも短い値に設定される。

図４に戻り、サンプルホールド回路３０３が電流情報を取り込むまでの間、サンプルホールド回路３０１、３０２は取り込んだ値をそれぞれ保持する。３つのサンプルホールド回路３０１、３０２、３０３の全てにおいて情報信号の取り込みが終了すると、取り込まれた値が離散値除去回路３０７に入力される。離散値除去回路３０７は、取り込んだ３つのサンプリング結果から最もかけ離れた値を除去する。図５においては、２つ目のサンプリングのタイミングの近傍でパルス状ノイズが入っているため、２つ目のサンプルホールドの結果が他と比べて大きく異なる値になる。よって、離散値除去回路３０７は２つ目のサンプルホールドの値を除去し、１つ目と３つ目のサンプルホールド値のみを通過させる。

離散値除去回路３０７を通過した２つのサンプルホールド値は平均回路３０８にて平均化され、平均化された値がＡＤ変換回路３０９に送られる。ＡＤ変換回路３０９は、平均化された値をＡＤ変換する。

このように、離散値除去回路３０７において最もかけ離れた値を除去するため、ＡＤ変換回路３０９から出力される信号はノイズが除去されたものとなる。この信号がコンバータ制御部１１１に送られる。同様に、ＡＤ変換部１５２によりノイズが除去された信号がインバータ制御部１１０に送られる。

１．３ まとめ
本実施形態の電力変換装置によれば、ＡＤ変換部１５１、１５２により、電力変換における重要な情報である電流などの情報に含まれる配線などのインダクタンスによるパルス状のノイズを除去することができる。よって、抵抗等を使用した簡単な手法で、高精度な情報を高速に得ることができ、電力変換の制御精度を高めることができる。本実施形態の電力変換装置は、パルス状のノイズを除去してセンシングすることが可能であるため、簡単なセンシング方法で高精度な電力変換制御を実現できる。これにより、本実施形態の電力変換装置は、家庭用や業務用のエアコンや冷蔵庫、あるいは、同様に電気動力を利用する洗濯機などの用途にも適用できる。また、制御対象のモータなどの交流負荷が複数個にわたるときなどにも効果を奏する。

特に、図４のタイミング図から明らかなように、本実施形態では、サンプリングの間隔となる所定の遅延時間ＴＡをデジタル情報への変換に要する時間ＴＢよりも短い値に設定している。そのため、図１２で示される一般的なノイズ除去方法と比べて、アナログ情報を入力してから最終的なデジタル情報を取得するまでの時間ＴＣが大幅に短くなる。よって、得られる情報に遅延が生じることなくノイズを除去することができる。また、本実施形態によれば、アナログ値の取り込み毎にＡＤ変換をせず、平均化処理後にＡＤ変換を行っている。よって、デジタル情報を取得するまでの時間ＴＣをより短時間にすることができる。これにより、本実施形態の電力変換装置は安定した高精度な制御を実現することができる。

また、本実施形態によればノイズ除去の演算後にＡＤ変換を行っている（すなわち、簡単なアナログ回路部分で処理を行っている）ため、回路を簡単にできるという利点も有する。

図５に示すように、ノイズは短いパルス状であるため、３つのうち２つのサンプルホールド値が乱される可能性は殆ど無い。よって、本実施形態の方法により、大きなパルス状のノイズを十分に除去することができる。また、パルス状態のノイズが３つのサンプルホールドの遅延の間に入った場合には、どのサンプルホールド値も乱されないため、大きなパルス状ノイズの除去を実現できる。

本実施形態では、各サンプルホールドにおける遅延時間ＴＡをアナログ入力の情報信号に含まれるパルス状のノイズの時間幅よりも大きく設定している。よって、２つ以上のノイズ値をサンプルホールドすることがなくなる。従って、サンプルホールドした情報のうち、もっともかけ離れた１つの情報を取り除くことにより、十分にノイズの影響を除去することができる。

また、本実施形態では、電流を検出したい箇所に抵抗１１２、１１３を挿入し、抵抗の両端の電位差により、電流情報を得ている。よって、本実施形態によれば、簡単な検出方法でパルス状のノイズを除去でき、電力変換の制御精度を高めることができる。電力変換において、電流情報は、電流が流れる経路が変化することにより、激しく変化することもある。すなわち、電流情報は、制御状態をもっとも顕著にあらわしている情報である。従って、この情報の変化を高速に捉えることにより、高精度な電力変換を実現できる。

なお、本実施形態では、サンプルホールド回路を３つ設け、３つのアナログ情報信号の数をサンプルホールドしたが、この数は３つに限定されない。例えば、サンプルホールド回路の数及びサンプルホールドする値の数を４つ以上にしてもよい。演算に使用する情報信号の数が多いほど、より正確な値を算出できるため、３つ以上であることが好ましい。

（実施形態２）
実施形態２の電力変換装置は、ＡＤ変換部１５１、１５２の構成及び動作が実施形態１の電力変換装置と異なる。実施形態１のＡＤ変換部１５１、１５２はＡＤ変換を最後に行った。一方、実施形態２では、サンプルホールドの直後にＡＤ変換を行う。すなわち、個々のサンプルホールド回路に続いて、ＡＤ変換回路をそれぞれに設けて、全てを一旦デジタル情報に変換した後に、デジタル演算で離散値の除去と平均演算を行う。これにより、ＡＤ変換部１５１、１５２を大規模な集積回路（ＬＳＩ）として実現しやすくなる。本実施形態２は、ＡＤ変換部１５１、１５２の構成及び動作以外については、実施形態１と同一である。

図６に、本発明の実施形態２におけるＡＤ変換部１５１の構成を示す。ＡＤ変換部１５２も図６に示す構成を持つ。以下、ＡＤ変換部１５１を例にして、その構成及び動作について説明する。ＡＤ変換部１５１は、アナログ入力である情報信号を取り込む３つのサンプルホールド回路３０１、３０２、３０３と、３つのサンプルホールド回路３０１、３０２、３０３の出力結果をデジタル情報にそれぞれ変換するＡＤ変換回路６２１、６２２、６２３と、サンプルホールドとＡＤ変換の開始のタイミングを指示する動作開始信号を所定時間遅延させる遅延回路６０４、６０５、６０６、６２０とを含む。サンプルホールド回路３０２とＡＤ変換回路６２１は遅延回路６０４を通った動作開始信号に基づいて動作する。サンプルホールド回路３０３とＡＤ変換回路６２２は、遅延回路６０４、６０５を通った動作開始信号に基づいて動作する。ＡＤ変換回路６２３は、遅延回路６０４、６０５、６０６を通った動作開始信号に基づいて動作する。ＡＤ変換部１５１はさらに、デジタル情報に変換された情報信号の中から最もかけ離れた値を除去する離散値除去回路３０７と、除去されなかった値を平均化する平均回路３０８と、を含む。平均回路３０８の出力が、ノイズが除去されたＡＤ変換結果となる。

図７に、図６に示すＡＤ変換部１５１の動作タイミングを示す。ＡＤ変換部１５１が、図１に示す電力変換装置を内部に含む空気調和機などのシステム全体から、アナログ値を取り込んでＡＤ変換を開始させる指令の動作開始信号を受け取ると、３つのサンプルホールド回路３０１、３０２、３０３は順次動作して、そのときのアナログ情報（例えば、図１に示す抵抗１１２、１１３により検出される電流情報）を取り込む。３つのサンプルホールド回路３０１、３０２、３０３の結果は、直ちにＡＤ変換回路６２１、６２２、６２３に送られる。ＡＤ変換回路６２１、６２２、６２３は、遅延回路６０４、６０５、６０６から出力される動作開始信号に基づいて、サンプルホールドの結果をデジタル情報に変換する。個々のＡＤ変換動作が終了すると得られた結果はそれぞれ保持され、最後のＡＤ変換が終了した時点で３つのＡＤ変換結果が揃う。その後、得られたデジタル情報は、離散値除去回路３０７に送られる。離散値除去回路３０７は、取得したデジタル情報の中から最もかけ離れた値を持つデジタル情報を除去し、除去されなかった値を平均回路３０８に送る。平均回路３０８は、取得した値を平均化する。

実施形態１と同様に、図７において、遅延回路６０４、６０５、６０６による所定の遅延時間ＴＡ（すなわち、サンプルホールドのタイミング）は、ＡＤ変換回路６２１、６２２、６２３によるデジタル情報への変換に要する時間ＴＢよりも短い値に設定する。これにより、動作開始信号を受けてからＡＤ変換が終了するまでの時間ＴＣは、図４と同様に、一般的な方法による図１２の時間に比べて短くなる。なお、遅延回路６２０の遅延時間は、ＡＤ変換回路６２３によるデジタル情報への変換に要する時間に設定する。

本実施形態によれば、実施形態１と同様の効果が得られる。すなわち、短時間でノイズを除去することができ、安定した高精度な制御を実現することが可能となる。

本実施形態によれば、デジタル変換した後で離散値除去と平均化の演算を行うため、実施形態１と比較して回路素子数が増加する。しかし、それぞれの回路素子にさほど特性の良いものを必要としないため、大規模な集積回路（ＬＳＩ）として実現しやすいという利点を有する。

（実施形態３）
実施形態３の電力変換装置は、ＡＤ変換部１５１、１５２の構成及び動作が実施形態１、２の電力変換装置と異なる。実施形態１及び実施形態２のＡＤ変換部１５１、１５２において、離散値除去回路３０７は最もかけ離れた値を除去したが、実施形態３では最大値と最小値を除去する。実施形態３において、それ以外の構成及び動作は、実施形態１と同一である。

図８に、本実施形態のＡＤ変換部１５１の構成を示す。なお、ＡＤ変換部１５２についても図８に示す構成を持つ。以下、ＡＤ変換部１５１を例にして、その構成及び動作を説明する。本実施形態のＡＤ変換部１５１は、図２に示す離散値除去回路３０７の代わりに、入力した信号のうち最大値を持つ信号と最小値を持つ信号を除去する最大値最小値除去回路４０７を用いる。

本実施形態におけるＡＤ変換部１５１におけるノイズの除去の動作について、図５の波形を参照して説明する。図５に示す波形の場合、最大値は２つ目のサンプルホールド値であり、最小値は３つ目のサンプルホールド値である。従って、最大値最小値除去回路４０７は、２つ目と３つ目のサンプルホールド値を除去し、１つ目のサンプルホールド値を出力する。１つ目のサンプルホールド値はパルスノイズで乱されていないため、平均回路３０８の出力はノイズの影響が除去された信号となる。なお、この例では、平均回路３０８の入力値が一つになるため、平均回路３０８の入力と出力は同じになる。

本実施形態においても、実施形態１と同様に、遅延時間ＴＡは遅延回路３０４、３０５により、デジタル情報への変換に要する時間ＴＢよりも短い値に設定される（図４参照）。

本実施形態によれば、実施形態１と同一の効果が得られる。すなわち、短時間でノイズを除去することができ、安定した高精度な制御を実現することが可能になる。

なお、本実施形態によれば、サンプルホールド回路の数及びサンプルホールドする値の数を３つにしたが、この数は４つ以上であってもよい。サンプルホールド回路を４つ以上用いた場合は、最大値と最小値を除去したあとの情報信号は複数個になるため、この複数個の信号が平均回路３０８で平均化される。この場合でもノイズの影響を除去した値をＡＤ変換値として出力することができる。

なお、実施形態２と同様に、サンプルホールド回路３０１、３０２、３０３に続いてＡＤ変換回路６２１、６２２、６２３をそれぞれに設けた構成であっても、本実施形態を適用できる。この場合、全ての値を一旦デジタル情報に変換した後に、デジタル演算で最大値と最小値を除去し、その結果に対して平均演算を行う。

（実施形態４）
実施形態１〜３の電力変換装置は、交流電源１０１から出力される交流電力を変換して、変換後の電力をモータに供給した。一方、実施形態４の電力変換装置は、直流電源から出力される直流電力を変換して、変換後の電力をモータに供給する。本実施形態の電力変換装置は、実施形態１〜３のいずれかと同一のＡＤ変換部１５１、１５２を備える。

図９に本発明の実施形態４の電力変換装置の構成を示す。本実施形態の電力変換装置は、直流電源８０６から出力される直流電力を交流電力に変換するインバータＡ８２７、インバータＢ８１７と、インバータＡ８２７及びインバータＢ８１７を制御する制御回路８０９と、を有する。インバータＡ８２７及びインバータＢ８１７は、三相ブリッジ回路により実現される。インバータＡ８２７及びインバータＢ８１７から出力された交流電力はモータ８２８、８１８に供給される。これにより、モータ８１８、８２８を独立に制御する。直流電源８０６とインバータＡ８２７及びインバータＢ８１７との間にそれぞれ電流検出抵抗８２２、８１２が接続される。直流電源８０６のマイナス側を基準電位として、インバータＡ８２７及びインバータＢ８１７の電流検出抵抗８２２、８１２の電圧を検出することにより、電流検出抵抗８２２、８１２の両端の瞬時電圧を検出できる。これにより、２つのモータ８２８、８１８の瞬時の電流（インバータ８２７、８１７の電流値）を知ることができる。制御回路８０９は、アナログ情報（例えば、インバータＡ８２７及びインバータＢ８１７の電流値を示す情報や直流電源８０６の電圧値を示す情報）を入力してＡＤ変換するＡＤ変換部１５１、１５２と、ＡＤ変換部１５１、１５２の出力に基づいてインバータＡ８２７及びインバータＢ８１７をそれぞれ制御するインバータＡ制御部８２０及びインバータＢ制御部８１０と、を有する。電流検出抵抗８２２、８１２により、モータ８２８、８１８の瞬時の電流を検出することにより、インバータＡ制御部８２０及びインバータＢ制御部８１０は、その電流値情報を用いて、それぞれのモータ８２８、８１８を高精度に駆動できる。

図１０（ａ）にインバータＡ８２７側の電流検出抵抗８２２の抵抗電圧Ｖａを示し、図１０（ｂ）にインバータＢ８１７側の電流検出抵抗８１２の抵抗電圧Ｖｂを示す。これらの抵抗電圧Ｖａ及び抵抗電圧Ｖｂは、電流情報として、それぞれＡＤ変換部１５１、１５２に入力される。２つの電流検出抵抗８１２、８２２で得られる電流情報は、図１０に示すように互いの電流が急激に変化するタイミングで、もう一方の電流波形にパルス状のノイズを与えてしまう。よって、本実施形態においても、ＡＤ変換部１５１、１５２により、このパルス状のノイズを除去する。

本実施形態のＡＤ変換部１５１、１５２の構成は、実施形態１〜３のいずれかのＡＤ変換部１５１、１５２と同一である。すなわち、サンプリングの間隔（遅延時間）ＴＡは、ＡＤ変換回路３０９におけるデジタル情報への変換に要する時間ＴＢよりも短い値に設定される（図４参照）。

本実施形態のＡＤ変換部１５１、１５２の構成は、実施形態１〜３のいずれかのＡＤ変換部１５１、１５２と同一であるため、本実施形態によれば実施形態１〜３と同様の効果が得られる。すなわち、短時間でノイズを除去でき、安定した高精度な制御が可能になる。

また、本実施形態によれば、簡単な構成で正確に複数のモータを駆動させることができる。本実施形態のように、複数のインバータを用いて複数のモータをそれぞれ駆動するとき、モータとそのケース（外装部分）との間の浮遊容量を介して、パルス状の漏洩電流が発生し、その漏洩電流が別のモータを経由して、別のモータのインバータ系にノイズとして混入することがある。よって、本実施形態のように、複数のインバータを用いて複数のモータをそれぞれ駆動する場合は、本実施形態によるノイズの除去は大きな効果を奏する。

なお、本実施形態では直流電源を使用して複数のモータを駆動したが、交流電源を使用して複数のモータを駆動してもよい。この場合、図１に示す構成と同様に、交流電源の出力を整流して平滑することにより得られる直流状の電源を使用する。この場合であっても、本実施形態と同様の効果が得られる。

本発明は、特定の実施形態について説明されてきたが、当業者にとっては他の多くの変形例、修正、他の利用が明らかである。それゆえ、本発明は、ここでの特定の開示に限定されず、添付の請求の範囲によってのみ限定され得る。

本発明のデジタル変換装置は短時間でノイズを除去できるため、このデジタル変換装置を用いた電力変換装置は安定した高精度な電力変換制御を実現できるという効果を有し、家庭用や業務用のエアコンや冷蔵庫、あるいは同様に電気動力を利用する洗濯機などの用途に有用である。

１０１ 交流電源
１０２ ダイオードブリッジ
１０３ リアクタ
１０４ ＩＧＢＴ
１０５ ダイオード
１０６ 平滑コンデンサ
１０７、８１７、８２７ インバータ回路
１０８、８１８、８２８ モータ
１０９、８０９ 制御回路
１１０、８１０、８２０ インバータ制御部
１１１ コンバータ制御部
１１２、１１３、８１２、８２２ 抵抗
１１６ コンバータ回路
１５１、１５２ ＡＤ変換部
３０１、３０２、３０３ サンプルホールド回路
３０４、３０５、３０６、６０４、６０５、６０６、６２０ 遅延回路
３０７ 離散値除去回路
３０８ 平均回路
３０９、６２１、６２２、６２３ ＡＤ変換回路
４０７ 最大値最小値除去回路
８０６ 直流電源

Claims (6)

1. 時々刻々に値が変化する情報信号をそれぞれ所定時間ずつ遅延させて入力し、入力したときの値を保持する複数の情報信号保持部と、
   前記複数の情報信号保持部に保持された値をＡＤ変換してデジタル値を出力する複数の変換部と、
   前記変換部から出力されるデジタル値のうち、最もかけ離れた値をもつデジタル値を除去する除去部と、
   前記除去部により除去されなかったデジタル値を平均化して、デジタル情報として出力する平均部と、
   を有し、
   前記所定時間は、前記複数の変換部におけるデジタル値への個々の変換に要する時間よりも短い値であり、且つ、前記複数の情報信号保持部に入力される前記情報信号に含まれるパルス状のノイズの時間幅よりも大きいことを特徴とするデジタル変換装置。
2. 前記複数の情報信号保持部により保持される情報信号の値は３つ以上であることを特徴とする、請求項１に記載のデジタル変換装置。
3. 前記複数の情報信号保持部に入力される情報信号は電流値を示す、請求項１に記載のデジタル変換装置。
4. 前記除去部は最大値と最小値を除去することを特徴とする、請求項１に記載のデジタル変換装置。
5. 交流電源の出力をスイッチング素子により直流電力に変換する直流電力変換部と、
   前記直流電力変換部から出力される直流電力を交流電力に変換する交流電力変換部と、
   デジタル電流情報に基づいて、前記直流電力変換部及び前記交流電力変換部を制御する制御回路と、
   前記直流電力変換部及び前記交流電力変換部のそれぞれの直流電力部分に接続された抵抗と、
   前記抵抗の一端の電圧を他端の電圧を基準として検出することにより、前記直流電力変換部の直流電流及び前記交流電力変換部の交流電流をそれぞれ検出し、検出した直流電流及び交流電流をそれぞれ前記デジタル電流情報に変換する、請求項１に記載のデジタル変換装置と、
   を有する電力変換装置。
6. 直流電源又は交流電源を直流に変換した擬似直流電源の出力を複数の交流電力に変換する複数の交流電力変換部と、
   デジタル電流情報に基づいて、前記複数の交流電力変換部を制御する制御回路と、
   前記直流電源又は前記擬似直流電源側から前記複数の交流電力変換部へのそれぞれの経路に接続された抵抗と、
   前記抵抗の一端の電圧を他端の電圧を基準として検出することにより、前記複数の交流電力変換部の交流電流を検出し、検出した交流電流をそれぞれ前記デジタル電流情報に変換する、請求項１に記載のデジタル変換装置と、
   を有する電力変換装置。

Images