JP5599450B2 - コンバータ回路、並びにそれを備えたモータ駆動制御装置、空気調和機、冷蔵庫、及び誘導加熱調理器 - Google Patents

コンバータ回路、並びにそれを備えたモータ駆動制御装置、空気調和機、冷蔵庫、及び誘導加熱調理器 Download PDF

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Description

本発明は、コンバータ回路、並びにそれを備えたモータ駆動制御装置、空気調和機、冷蔵庫、及び誘導加熱調理器に関するものである。
従来、力率改善（ＰＦＣ）回路として、昇圧コンバータの他、降圧コンバータ、昇降圧コンバータを用いたものが一般的である。
また、コンバータ回路の小型・軽量化のため、例えば、「交流電源を入力とする整流回路と、前記整流回路の出力に接続され少なくとも第１のリアクタと第１のスイッチング手段と第１のダイオードとを有する第１の昇圧コンバータ回路と、前記第１の昇圧コンバータ回路と並列に接続され、少なくとも第２のリアクタと第２のスイッチング手段と第２のダイオードとを有する第２の昇圧コンバータ回路と、前記第１の昇圧コンバータ回路と前記第２の昇圧コンバータ回路の出力に接続された平滑コンデンサと」を備えたものが提案されている（例えば、特許文献１参照）。
特開２００８−８６１０７号公報（請求項１）
力率改善回路として、昇圧コンバータ、又は降圧コンバータや昇降圧コンバータを用いる場合、リアクタに流れる電流を連続モードとして動作する必要があるため、インダクタンス値の大きなリアクタが必要となり、回路の小型・軽量化ができない、という問題点があった。
また、上記のようにコンバータ回路を複数系統並列に接続した構成では、スイッチング損失が大きくなる、という問題点があった。
本発明は、上記のような課題を解決するためになされたもので、コンバータ回路の小型・軽量化を図ることができ、スイッチング損失を低減することができるコンバータ回路、並びにそれを備えたモータ駆動制御装置、空気調和機、冷蔵庫、及び誘導加熱調理器を得るものである。
本発明に係るコンバータ回路は、交流電圧を整流する整流器と、前記整流器の出力に接続され、第１のリアクタと第１のスイッチング素子と第１の逆流防止素子とを有する第１のコンバータ部と、前記整流器の出力に接続され、第２のリアクタと第２のスイッチング素子と第２の逆流防止素子とを有し、前記第１のコンバータ部と並列に接続される第２のコンバータ部と、前記第１及び第２のスイッチング素子を制御するスイッチング制御手段と、前記第１及び第２のコンバータ部の出力に設けられる平滑コンデンサと、前記第１のコンバータ部の出力を開閉する第１の開閉手段と、前記第２のコンバータ部の出力を開閉する第２の開閉手段と、前記第１及び第２の開閉手段の開閉を制御する開閉制御手段と、前記第１及び第２のコンバータ部に入力される入力電流を検出する電流検出手段と、を備え、前記開閉制御手段は、前記入力電流が閾値以上の場合には、前記第１の開閉手段及び第２の開閉手段の双方を閉にし、前記入力電流が閾値未満の場合には、前記第１の開閉手段又は第２の開閉手段の何れか一方を開にするものである。
本発明は、第１のコンバータ部と、前記第１のコンバータ部と並列に接続される第２のコンバータ部とを備えるので、リアクタに必要とされるインダクタンス値を小さくすることができ、小型・軽量化を図ることができる。
本発明の実施の形態１に係るコンバータ回路の構成図である。 コンバータ回路の連続モード動作時における各部の信号及び電流波形を示す図である。 コンバータ回路の不連続モード動作時における各部の信号及び電流波形を示す図である。 コンバータ回路の臨界モード動作時における各部の信号及び電流波形を示す図である。 本発明の実施の形態２に係るコンバータ回路の構成図である。 コンバータ回路の電流波形を説明する図である。 本発明の実施の形態２に係る電流モードの切り換え動作を説明する図である。 本発明の実施の形態２に係るコンバータ回路の構成図である。 本発明の実施の形態３に係るコンバータ回路の構成図である。 本発明の実施の形態４に係るコンバータ回路の構成図である。 本発明の実施の形態４に係るコンバータ回路の構成図である。 本発明の実施の形態６に係るモータ駆動制御装置の構成図である。 本発明の実施の形態７に係る空気調和機の構成を示す図である。 本発明の実施の形態８に係る冷蔵庫の構成を示す図である。 本発明の実施の形態９に係る誘導加熱調理器の構成図である。 降圧コンバータ及び昇降圧コンバータの構成を示す図である。
実施の形態１．
図１は本発明の実施の形態１に係るコンバータ回路の構成図である。
図１において、商用電源１の交流電圧を整流する整流器２は、４個の整流ダイオード２ａ〜２ｄをブリッジ接続した構成となっている。整流器２の出力には、第１のコンバータ部である昇圧コンバータ３ａと、第２のコンバータ部である昇圧コンバータ３ｂとが並列に接続される。
この昇圧コンバータ３ａは、第１のリアクタである昇圧リアクタ４ａと、例えばＩＧＢＴ（Ｉｎｓｕｌａｔｅｄ Ｇａｔｅ Ｂｉｐｏｌａｒ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）などにより構成され、第１のスイッチング素子であるスイッチング素子５ａと、例えばファストリカバリダイオードなどにより構成され、第１の逆流防止手段である逆流防止素子６ａとにより構成される。また昇圧コンバータ３ｂも同様に、第２のリアクタである昇圧リアクタ４ｂと、例えばＩＧＢＴなどにより構成され、第２のスイッチング素子であるスイッチング素子５ｂと、例えばファストリカバリダイオードなどにより構成され、第２の逆流防止素子である逆流防止素子６ｂとにより構成される。尚、昇圧リアクタ４ａ及び４ｂのインダクタンス値については後述する。
そして、スイッチング制御手段７によりスイッチング素子５ａ及び５ｂのスイッチングが制御され、整流器２の出力を昇圧する。
また、スイッチング素子５ａ及びスイッチング素子５ｂには、それぞれ逆並列に接続されるダイオード、ＦＷＤ（Ｆｒｅｅ Ｗｈｅｅｌｉｎｇ Ｄｉｏｄｅ）を設けている。これは、スイッチング素子５がターンオフするときに発生するサージから、スイッチング素子５の破壊を防ぐものである。
尚、本実施の形態では、第１及び第２のコンバータ部が昇圧コンバータ３ａ，３ｂの場合を説明するが、本発明はこれに限るものではなく、昇圧コンバータ、降圧コンバータ、昇降圧コンバータ等の任意のスイッチングコンバータを適用することができる。
例えば、図１６（ａ）に示すように、第１及び第２のコンバータ部に降圧コンバータを用いても良い。また、図１６（ｂ）に示すように、第１及び第２のコンバータ部に昇降圧コンバータを用いても良い。
昇圧コンバータ３ａ及び昇圧コンバータ３ｂの出力は平滑コンデンサ８により平滑される。そして昇圧コンバータ３ａ及び３ｂの出力には負荷（図示せず）が接続され、平滑された昇圧コンバータ３ａ及び３ｂの出力が印加される。
次に、昇圧リアクタ４ａ及び４ｂ（以下、区別しない場合は単に「昇圧リアクタ４」という。）のインダクタンス値について説明する。
上記のように構成された昇圧リアクタ４のインダクタンス値Ｌは、下記の数式１のように定まる。
Figure 0005599450
ここで、ｆｃはスイッチング周波数、Ｖｉｎは入力電圧、Ｖｏは出力電圧、Ｐｉｎは入力電力リプル率、Ｋは電流リプル率である。
数式１に示すように、昇圧リアクタ４に流れる電流の電流リプル率Ｋが大きいほどインダクタンス値Ｌは小さくなる。したがって、昇圧リアクタ４に流れる電流を臨界モード又は不連続モード（後述）とすることによって電流平均値に対して電流ピーク値が大きくなり、電流リプル率Ｋが大きくなるため、昇圧リアクタ４に必要とされるインダクタンス値Ｌを小さくすることができる。そこで、昇圧リアクタ４のインダクタンス値Ｌは、昇圧リアクタ４に流れる電流を臨界モード又は不連続モードとした場合に上記数式１により定まる値を用いる。
上記のように構成されたコンバータ回路の動作及び作用について、以下に説明する。
図１に示すように、商用電源１の交流電圧は、整流器２により整流される。整流器２の出力は、並列に接続される昇圧コンバータ３ａ及び３ｂにより２つの電流経路に分岐される。分岐された電流は昇圧リアクタ４ａ及び４ｂに流れ、スイッチング制御手段７によりスイッチング素子５ａ及び５ｂのスイッチングが制御されて、整流器２の出力は昇圧される。また、スイッチング制御手段７は、スイッチング素子５ａ、５ｂのスイッチングを制御し、昇圧リアクタ４ａ、４ｂに流れる電流の電流モード及び位相差を制御する。このスイッチング動作については後述する。
図２はコンバータ回路の連続モード動作時における各部の信号及び電流波形を示す図、図３はコンバータ回路の不連続モード動作時における各部の信号及び電流波形を示す図、図４はコンバータ回路の臨界モード動作時における各部の信号及び電流波形を示す図である。
次に、昇圧コンバータ３ａ及び３ｂのスイッチング動作について説明する。
昇圧コンバータ３ａにおいて、スイッチング素子５ａがオンした場合は、逆流防止素子６ａは導通が阻止され、昇圧リアクタ４ａには整流器２によって整流された電圧が印加される。一方、スイッチング素子５ａがオフした場合は、逆流防止素子６ａは導通され、昇圧リアクタ４ａには、スイッチング素子５ａオン時と逆向きの電圧が誘導される。
このため、昇圧リアクタ４ａに流れる電流は、スイッチング素子５ａオン時に直線的に増加し、スイッチング素子５ａオフ時に直線的に減少する。
昇圧コンバータ３ｂにおいても同様に、昇圧リアクタ４ｂに流れる電流は、スイッチング素子５ｂオン時に直線的に増加し、スイッチング素子５ｂオフ時に直線的に減少する。
このようなスイッチング素子５ａ及び５ｂ（以下、区別しないときは単に「スイッチング素子５」という。）のスイッチング動作において、図２に示すように、昇圧リアクタ４に流れる電流が減少しても０（ゼロ）にならない動作状態を連続モードと呼ぶ。一方、図３に示すように、昇圧リアクタ４に流れる電流が減少して０（ゼロ）となる区間が存在する動作状態を不連続モードと呼ぶ。そして、図４に示すように、スイッチング素子５オフ時に昇圧リアクタ４に流れる電流が減少して０（ゼロ）となった瞬間に、スイッチング素子５がオンする動作状態を、連続モードと不連続モードとの境界という意味で臨界モードと呼ぶ。
上述したように、昇圧リアクタ４のインダクタンス値Ｌは、昇圧リアクタ４に流れる電流を臨界モード又は不連続モードとした場合に定まる値を用いている。そして、図４、図３に示すように、スイッチング制御手段７により、昇圧リアクタ４ａに流れる電流、及び昇圧リアクタ４ｂに流れる電流が臨界モード又は不連続モードとなるように、スイッチング素子５ａ及び５ｂのスイッチングを制御する。
さらに、スイッチング制御手段７は、図３、図４に示すように、昇圧リアクタ４ａ及び４ｂに流れる電流に、それぞれ所定の位相差が生じるように（例えば１８０度一定の位相差）、位相シフトして制御する。
これにより、昇圧リアクタ４ａ、及び昇圧リアクタ４ｂの個々においては臨界モード又は不連続モードとして動作し、昇圧コンバータ３ａ及び３ｂにより２つの電流経路に分岐される前の入力電流は、その加算となり、連続モードで動作することとなる。
以上のように本実施の形態においては、昇圧コンバータ３を２系統とし、各昇圧リアクタ４に流れる電流を臨界モード又は不連続モードとなるように動作させるので、昇圧コンバータ３を構成する部品が２つずつ必要となるが、昇圧リアクタ４に流れる電流は、電流平均値に対して電流リプルが大きくなるため、昇圧リアクタ４に必要とされるインダクタンス値Ｌを小さくすることができ、昇圧リアクタ４の小型・軽量化を図ることができる。
これにより、昇圧リアクタ４自体の直材低減、昇圧リアクタ４のオンボード化による配線低減、及びノイズ耐力の向上を図ることが可能となる。
また、昇圧コンバータ３が１系統の場合と比較して、小型の昇圧リアクタ４を２つに分けて設けることができるため、回路上の部品配置の自由度向上や、組み立て時の効率の向上やミス低減を狙った設計が可能となる。
さらに、回路容積の多くを占める昇圧リアクタ４の小型・軽量化を図ることにより、製品自体の小型・軽量化といったメリットアップを図ることが可能となる。
また、製品自体の小型化を図ることにより、当該製品の包装の軽量化・小型化、包装容積の減縮を図ることができる。
また、昇圧コンバータ３は、スイッチング素子５ａ、５ｂと逆並列にＦＷＤを設けている。このため、スイッチング素子５がターンオフするときに、昇圧リアクタ４の一端とスイッチング素子５の一端と逆流防止素子６の一端とが接続される部分の配線インピーダンスにより発生するサージから、スイッチング素子５の破壊を防ぐことができる。
また、昇圧リアクタ４に流れる電流は、位相シフトして制御されるため、昇圧リアクタ４の個々においては臨界モード又は不連続モードとして動作するにも関わらず、入力電流は連続モードで動作することができる。このため、入力電流の高調波電流を抑制することが可能となる。
さらに、昇圧コンバータ３が１系統で臨界モード又は不連続モードとした場合と比較して、昇圧コンバータ３の各素子に流れる電流はほぼ半分となるため、昇圧リアクタ４、スイッチング素子５、及び逆流防止素子６には、容量の小さな素子を選定することが可能となる。
前述したように、入力電流は昇圧リアクタ４ａ、４ｂに流れる電流の加算となる。このとき、スイッチング制御手段７において、昇圧リアクタ４ａ、４ｂに流れる電流の位相差を１８０度（逆位相）で制御したとすると、入力電流の電流リプルは、レベルが最小となり、入力電流の高調波成分を低減できる。このとき入力電流の電流リプルの周波数はスイッチング周波数の２倍となる。
尚、位相差を１８０度（逆位相）で制御したとき、入力電流の電流リプルが起因となり、スイッチング周波数の２倍の周波数で騒音又は振動が発生する場合が考えられる。この場合、昇圧リアクタ４ａ、４ｂに流れる電流の位相差を１８０度一定でなく、１８０度の前後のランダム値とするなど、所定範囲内でランダムに変化するように制御することで、スイッチング周波数の２倍の成分を低減し、騒音を抑制することが可能となる。
位相差のランダム値の生成法として一例を説明する。スイッチング制御手段７の内部において、乱数生成部（図示せず）から、例えば−１〜１までの範囲の乱数を取得し、位相差１８０度からの差分を算出する位相差差分算出部（図示せず）にて、位相差差分の最大値１８０度と乱数の掛け合わせにより位相差差分を算出する。ここで、位相差１８０度に差分を足し合わせることで、昇圧リアクタ４ａ、４ｂに流れる電流の位相差として、１８０度を中心としたランダム値を得る。
このようにすることで、スイッチング素子５ａ、５ｂそれぞれのスイッチング周波数を違えることなく、スイッチング周波数に依存した電流リプル、騒音又は振動を抑制することが可能となる。
また、位相差にランダム値を用いると、騒音の音色が、ピークが立った音から全体的に音のレベルが上がったように感じられる場合が考えられる。この場合、乱数生成部から取得する乱数の範囲を、例えば、−０．５〜０．５又は−０．３〜０．３というように狭めることで、騒音のレベルや音色を調整することが可能となる。
実施の形態２．
上記実施の形態１では、昇圧リアクタ４に流れる電流の電流モードを、臨界モード又は不連続モードとなるように動作させた。本実施の形態２では、運転中に電流モードを切り換えることで、それぞれの電流モードの特徴を活かした動作を可能とする。
ここで、各電流モードの特徴について説明する。
連続モードで制御した場合は、臨界モード及び不連続モードに比べ電流リプル率が小さく、入力電流の高調波成分の発生を抑制することが可能となる。一方、臨界モード及び不連続モードに比べスイッチング周波数が高くなることから、スイッチング素子５及び逆流防止素子６におけるスイッチング損失が大きくなる。
臨界モードで動作させた場合は、不連続モードに比べ電流リプル率が小さく、入力電流の高調波成分の発生を抑制することが可能となる。一方、不連続モードに比べスイッチング周波数が高くなることから、スイッチング素子５及び逆流防止素子６におけるスイッチング損失が大きくなる。
不連続モードで動作させた場合は、連続モード及び臨界モードに比べ入力電流における電流リプルが大きいことから、入力電流の高調波成分抑制の効果は小さい。一方、連続モード及び臨界モードに比べスイッチング周波数が低くなることから、スイッチング素子５及び逆流防止素子６におけるスイッチング損失が小さくなる。
このようなことから、本実施の形態２におけるスイッチング制御手段７は、所定の条件に基づいて、昇圧リアクタ４ａ及び昇圧リアクタ４ｂに流れる電流の電流モードを、連続モード、臨界モード、又は不連続モードの何れに切り換える。
以下、電流モードを切り換える所定の条件、及びその具体例について説明する。
まず、電流モードを切り換える所定の条件として、入力電流に基づく動作について説明する。
図５は本発明の実施の形態２に係るコンバータ回路の構成図である。
図５において、コンバータ回路は、上記実施の形態１の構成に加え、昇圧コンバータ３ａ及び３ｂに入力される入力電流を検出する電流検出手段２０をさらに備えている。
尚、その他の構成は上記実施の形態１と同様であり、同様の構成には同じ符号を付する。
尚、昇圧リアクタ４のインダクタンス値Ｌは、昇圧リアクタ４に流れる電流を臨界モードとした場合に上記数式１により定まる値を用いる。後述するように、臨界モードと不連続モードとを切り換える。このため電流リプル率がより小さい臨界モードで動作させるためである。
このような構成により、スイッチング制御手段７は、電流検出手段２０により検出された入力電流の大きさ（レベル）に基づいて、昇圧リアクタ４に流れる電流の電流モードを切り換える。
スイッチング制御手段７は、例えば入力電流ピーク値の３０％等を閾値として設定される。そして、検出された入力電流の大きさ（レベル）が閾値以上の場合には、昇圧リアクタ４に流れる電流の電流モードが臨界モードとなるように、スイッチング素子５のスイッチングを制御する。一方、検出された入力電流の大きさ（レベル）が閾値未満の場合には、昇圧リアクタ４に流れる電流の電流モードが不連続モードとなるように、スイッチング素子５のスイッチングを制御する。
図６はコンバータ回路の電流波形を説明する図、図７は本発明の実施の形態２に係る電流モードの切り換え動作を説明する図である。
図６及び図７においては、図４で示した昇圧リアクタ４ａの電流波形及びスイッチング波形について、時間軸を広げた様子を示している。尚、図６及び図７に示す波形は、スイッチング動作を示すために波形を模式的に示したものであり、実際の計測波形ではない。スイッチング素子５のスイッチング周期は、商用電源１（入力電圧波形）の周期より十分短いものである。
図６に示すように、臨界モードでの電流は、昇圧コンバータ３ａに入力される入力電圧に比例して変位する。そして、スイッチング周波数は、電流のピーク付近では低く、ゼロクロス付近では高くなる。
図７は、上記の動作により電流モードを切り換えた場合の電流波形、及びスイッチング波形を示している。図７に示すように、電流のピーク付近では臨界モードとして動作し、ゼロクロス付近では不連続モードとして動作する。
以上のような動作により、入力電流が大きいピーク付近の領域では、臨界モードとすることで、不連続モードと比べスイッチング周波数は高いが、臨界電流モードにおける入力電流の高調波成分抑制への寄与度が大きいため、高調波成分抑制の効果を維持することができる。
また、入力電流の小さいゼロクロス付近の領域では、不連続モードとすることで、臨界モードに比べて高調波成分抑制の効果は小さくなるが、臨界モードと比較してスイッチング周波数低減によるスイッチング損失の低減を図ることができる。
尚、上記説明では閾値が入力電流ピーク値の３０％の場合を説明したが、本発明はこれに限るものではない。例えば、閾値を入力電流ピーク値の５０％等、大きく設定することで不連続モードの範囲を広げ、よりスイッチング損失を低減することができる。
また、例えば、閾値を入力電流ピーク値の１０％等、小さく設定することで臨界モードの範囲を広げ、入力電流の高調波成分を低減することが可能である。
次に、電流モードを切り換える所定の条件として、スイッチング周波数に基づく動作について説明する。
上記図６に示したように、臨界モードでの運転時、スイッチング周波数を一定にはできず、スイッチング周波数は、入力電流のピーク付近では低く、ゼロクロス付近では高い。このことから、スイッチング制御手段７は、スイッチング素子５のスイッチング周波数に基づいて、昇圧リアクタ４ａ及び昇圧リアクタ４ｂに流れる電流の電流モードを切り換える。
スイッチング制御手段７は、予め所定の周波数が閾値として設定される。そして、スイッチング素子５のスイッチング制御において、スイッチング周波数が閾値未満の場合には、昇圧リアクタ４に流れる電流の電流モードを臨界モードに切り換える。一方、スイッチング周波数が閾値以上の場合には、昇圧リアクタ４に流れる電流の電流モードを不連続モードに切り換える。
以上のような動作により、スイッチング周波数の低いピーク付近の領域では、臨界モードとすることで、不連続モードと比べスイッチング周波数は高いが、臨界電流モードにおける入力電流の高調波成分抑制への寄与度が大きいため、高調波成分抑制の効果を維持することができる。
また、スイッチング周波数の高いゼロクロス付近の領域では、不連続モードとすることで、臨界モードに比べて高調波成分抑制の効果は小さくなるが、臨界モードと比較してスイッチング周波数低減によるスイッチング損失の低減を図ることができる。
尚、スイッチング制御手段７に設定されるスイッチング周波数の閾値を、例えば、スイッチング素子５のスペックに合わせて設定すれば、スイッチング素子５の破壊防止やよりよい環境での使用も可能となる。
次に、電流モードを切り換える所定の条件として、出力電力に基づく動作について説明する。
臨界モードでの運転時、出力電力に対しては、高負荷になるほどスイッチング周波数が低くなる。このことから、スイッチング制御手段７は、出力電力に基づいて昇圧リアクタ４に流れる電流の電流モードを切り換える。
図８は本発明の実施の形態２に係るコンバータ回路の構成図である。
図８において、コンバータ回路は、上記実施の形態１の構成に加え、昇圧コンバータ３ａ及び昇圧コンバータ３ｂの出力電力を検出する出力電力検出手段３０をさらに備えている。尚、その他の構成は上記実施の形態１と同様であり、同様の構成には同じ符号を付する。
尚、図５と同様に、昇圧リアクタ４のインダクタンス値Ｌは、昇圧リアクタ４に流れる電流を臨界モードとした場合に上記数式１により定まる値を用いる。
このような構成により、スイッチング制御手段７は、出力電力検出手段３０により検出された出力電力に基づいて、昇圧リアクタ４に流れる電流の電流モードを切り換える。
スイッチング制御手段７は、予め所定の出力電力値が閾値として設定される。そして、検出された出力電力の大きさが閾値以上の場合には、昇圧リアクタ４に流れる電流の電流モードが臨界モードとなるように、スイッチング素子５のスイッチングを制御する。一方、検出された出力電力の大きさが閾値未満の場合には、昇圧リアクタ４に流れる電流の電流モードが不連続モードとなるように、スイッチング素子５のスイッチングを制御する。
以上のような動作により、高負荷の場合は臨界モードとすることで、不連続モードと比べスイッチング周波数は高いが、臨界電流モードにおける入力電流の高調波成分抑制への寄与度が大きいため、高調波成分抑制の効果を維持することができる。
また、低負荷の場合は不連続モードとすることで、臨界モードに比べて高調波成分抑制の効果は小さくなるが、臨界モードと比較してスイッチング周波数低減によるスイッチング損失の低減を図ることができる。
また、前述の入力電流やスイッチング周波数に閾値を設けた場合、電源周期内で何度も電流モードを切り換えるのに対し、上記のような出力電力に基づき電流モードを切り換える場合、電流モードの切り換えが少ないため、比較的簡単なプログラムで制御を実行できる。
次に、電流モードを切り換える所定の条件として、回路効率に基づく動作について説明する。
低負荷域では出力電力の増加に伴い、回路効率は上昇するが、高負荷域では回路効率が減少することがある。このことから、スイッチング制御手段７は、回路効率に基づいて、昇圧リアクタ４に流れる電流の電流モードを切り換える。
コンバータ回路は、上記図５に示した電流検出手段２０と、上記図８に示した出力電力検出手段３０とを備える。尚、その他の構成は上記実施の形態１と同様である。
このような構成により、スイッチング制御手段７は、予め所定の回路効率の値が閾値として設定される。
スイッチング制御手段７は、検出された入力電流と出力電力とに基づき回路効率を求める。そして、求めた回路効率の値が閾値未満の場合、昇圧リアクタ４に流れる電流の電流モードが臨界モードのときは不連続モードへ切り換え、連続モードのときは臨界モード又は不連続モードへ切り換える。
以上のような動作により、回路効率が減少した場合にスイッチング周波数を低減させてスイッチング損失の低減を図り、回路効率の改善を図ることができる。
次に、電流モードを切り換える所定の条件として、出力電圧、出力電圧指令、又は出力電圧指令の変化値に基づく動作について説明する。
昇圧コンバータ３に対する出力電圧指令を変化させた場合、入力電流の電流リプルも変化する。このことから、スイッチング制御手段７は、出力電圧、出力電圧指令、又は出力電圧指令の変化値に基づいて昇圧リアクタ４に流れる電流の電流モードを切り換える。
スイッチング制御手段７は、昇圧コンバータ３の出力電圧を設定する出力電圧指令に関する情報が入力される。そして、スイッチング制御手段７は、入力された出力電圧指令に応じて、スイッチング素子５を制御して、昇圧コンバータ３の出力電圧を設定する。
また、スイッチング制御手段７には、出力電圧値、出力電圧指令値、又は出力電圧指令の変化値に対し、電流リプルが多くなる所定の値又は範囲が閾値として、予め設定される。尚、その他の構成は上記実施の形態１と同様である。
尚、昇圧リアクタ４のインダクタンス値Ｌは、昇圧リアクタ４に流れる電流を連続モードとした場合に上記数式１により定まる値を用いる。後述するように、電流リプル率がより小さい連続モードで動作させるためである。
このような構成により、スイッチング制御手段７は、出力電圧値、出力電圧指令値、又は出力電圧指令の変化値が、電流リプルが多くなる所定の値又は範囲である場合には、昇圧リアクタ４に流れる電流の電流モードを連続モードに切り換える。
このような動作により、出力電圧指令が変化して電流リプルが多くなる場合、電流リプルがより小さい連続モードに切り換えることができ、高調波成分の抑制を図ることができる。
実施の形態３．
上記実施の形態１又は２では、昇圧コンバータを２系統とした場合を説明したが、本実施の形態３では、３系統又は３系統以上の昇圧コンバータを用いる。
図９は本発明の実施の形態３に係るコンバータ回路の構成図である。
図９に示すように、本実施の形態３におけるコンバータ回路は、上記実施の形態１の構成に加え、昇圧コンバータ３ａ及び３ｂと並列に接続される昇圧コンバータ３ｃを備える。
昇圧コンバータ３ｃも同様に、本発明におけるリアクタである昇圧リアクタ４ｃと、例えばＩＧＢＴなどにより構成され、本発明におけるスイッチング素子であるスイッチング素子５ｃと、例えばファストリカバリダイオードなどにより構成され、本発明における逆流防止素子である逆流防止素子６ｃとにより構成される。
尚、その他の構成は上記実施の形態１と同様であり、同様の構成には同じ符号を付する。
このような構成により、各昇圧リアクタ４に流れる電流の加算である入力電流は、電流リプルをさらに小さくすることができ、高調波電流抑制の効果をさらに向上させることができる。
また、各昇圧コンバータ３の昇圧リアクタ４、スイッチング素子５、逆流防止素子６に流れる電流もさらに少なくなり、さらに容量の小さな素子を選定することも可能となる。
尚、図９では昇圧コンバータ３が３系統の場合を示すが、本発明はこれに限らず、３系統以上の任意の数（Ｎ）だけ昇圧コンバータ３を並列接続するようにしても良い。
上記実施の形態１で説明したように、入力電流は各昇圧リアクタ４に流れる電流の加算となる。例えば昇圧コンバータをＮ系統並列接続したとすると、入力電流の電流リプルが最小となるのは、３６０／Ｎ度のときとなる。このとき、入力電流の電流リプルの周波数はスイッチング周波数のＮ倍となる。
このとき、入力電流の電流リプルが起因となり、スイッチング周波数のＮ倍の周波数で騒音が発生する場合が考えられる。この場合、それぞれの昇圧リアクタに流れる電流の位相差を３６０／Ｎの前後で数度だけ変化させるように制御することで、スイッチング周波数のＮ倍の成分を低減し、騒音を抑制することが可能となる。
この位相差の変化は、上記実施の形態１と同様に、例えば位相差差分算出部などにより位相差を所定範囲内でランダム変化させることができる。
また、昇圧コンバータ３の系統数（Ｎ）が大きいほど、入力電流の電流リプルは小さくなるため、昇圧コンバータ３を多くすることで、入力電流の高調波成分抑制の効果を向上することができる。また、ノイズフィルタの小型化も可能となる。
また、昇圧リアクタ４、スイッチング素子５、逆流防止素子６に流れる電流もさらに少なくなり、さらに容量の小さな素子を選定することも可能となる。
また、昇圧コンバータ３の系統数（Ｎ）と電流モードとのトレードオフにより、昇圧リアクタ４に流れる電流の電流モードを、連続モード、臨界モード、又は不連続モードの何れに切り換えるようにしても良い。例えば、高調波成分の抑制効果に主眼を置き、連続モードで動作する構成や、小型・軽量化に主眼を置き、臨界モードで動作する構成や、低損失化に主眼を置き、不連続モードで動作する構成といった様々な構成が可能となる。
実施の形態４．
図１０は本発明の実施の形態４に係るコンバータ回路の構成図である。
図１０において、商用電源１の交流電圧を整流する整流器２は、４個の整流ダイオード２ａ〜２ｄをブリッジ接続した構成となっている。整流器２の出力には、昇圧コンバータ３ａと昇圧コンバータ３ｂとが並列に接続される。
この昇圧コンバータ３ａは、昇圧リアクタ４ａと、例えばＩＧＢＴのようなスイッチング素子５ａと、例えばファストリカバリダイオードのような逆流防止素子６ａとにより構成される。
また昇圧コンバータ３ｂも同様に、昇圧リアクタ４ｂと、例えばＩＧＢＴのようなスイッチング素子５ｂと、例えばファストリカバリダイオードのような逆流防止素子６ｂとにより構成される。
そして、スイッチング制御手段７によりスイッチング素子５ａ及び５ｂのスイッチングが制御され、整流器２の出力を昇圧する。尚、昇圧リアクタ４ａ及び４ｂのインダクタンス値は、上述した実施の形態１と同様に、昇圧リアクタ４に流れる電流を臨界モード又は不連続モードとした場合において、数式１により定まる値を用いる。
また、スイッチング素子５ａ及びスイッチング素子５ｂに、それぞれ逆並列に接続されるＦＷＤを設けている。これは、スイッチング素子５がターンオフするときに発生するサージから、スイッチング素子５の破壊を防ぐものである。
尚、本実施の形態においても、昇圧コンバータ３に限るものではなく、昇圧コンバータ、降圧コンバータ、昇降圧コンバータ等の任意のスイッチングコンバータを適用することができる。
昇圧コンバータ３ａ及び昇圧コンバータ３ｂの出力は平滑コンデンサ８により平滑される。そして昇圧コンバータ３ａ及び３ｂの出力には負荷（図示せず）が接続され、平滑された昇圧コンバータ３ａ及び３ｂの出力が印加される。
昇圧コンバータ３ａの出力側には、昇圧コンバータ３ａの出力を開閉（オンオフ）するスイッチ素子からなる開閉手段９ａが設けられ、昇圧コンバータ３ｂの出力側には、昇圧コンバータ３ｂの出力を開閉（オンオフ）するスイッチ素子からなる開閉手段９ｂが設けられている。また、開閉手段９ａ及び９ｂの開閉を制御する開閉制御手段４０が設けられている。
上記のように構成されたコンバータ回路の動作及び作用について、以下に説明する。
開閉手段９ａ及び９ｂが共にオン状態においては、上記実施の形態１と同様の回路構成である。上記実施の形態１と同様に、商用電源１の交流電圧は、整流器２により整流される。整流器２の出力は、並列に接続される昇圧コンバータ３ａ及び３ｂにより２つの電流経路に分岐される。分岐された電流は昇圧リアクタ４ａ及び４ｂに流れ、スイッチング制御手段７によりスイッチング素子５ａ及び５ｂのスイッチングが制御されて、整流器２の出力は昇圧される。また、スイッチング制御手段７は、スイッチング素子５ａ、５ｂのスイッチングを制御し、昇圧リアクタ４ａ、４ｂに流れる電流の電流モード及び位相差を制御する。尚、このスイッチング動作については、上記実施の形態１の動作と同様である。
このように開閉手段９ａ及び９ｂが共にオン状態においては、上記実施の形態１と同様の効果を得ることができる。
次に、開閉手段９ａ、９ｂによる昇圧コンバータ３ａ、３ｂの使用状態の切り換え動作について説明する。
図１０に示したように、本実施の形態におけるコンバータ回路は、開閉制御手段４０により制御される開閉手段９ａ及び９ｂを設けている。
開閉制御手段４０は、所定の条件に基づいて、開閉手段９ａ及び開閉手段９ｂの少なくとも一方を開閉し、昇圧コンバータ３ａ及び昇圧コンバータ３ｂの双方、又は何れか一方を動作させる。つまり、開閉手段９ａをオン、開閉手段９ｂをオフとした場合、昇圧コンバータ３ａは使用状態、昇圧コンバータ３ｂは休止状態とすることができる。また、開閉手段９ａをオフ、開閉手段９ｂをオンとした場合、昇圧コンバータ３ａは休止状態、昇圧コンバータ３ｂは使用状態とすることができる。
このような開閉手段９ａ、９ｂによる昇圧コンバータ３ａ、３ｂの使用状態（以下、単に「使用状態」ともいう。）の切り換えは、入力電流のレベル、スイッチング周波数、回路効率、出力電力等に閾値を設けることで行う。以下、使用状態を切り換える所定の条件、及びその具体例について説明する。
まず、使用状態を切り換える所定の条件として、入力電流に基づく動作について説明する。
上述した図１０の構成に加え、上記実施の形態２（図５）と同様に、昇圧コンバータ３ａ及び３ｂに入力される入力電流を検出する電流検出手段２０を設ける。
そして、開閉制御手段４０は、電流検出手段２０により検出された入力電流の大きさ（レベル）に基づいて、開閉手段９ａ及び９ｂのオンオフを切り換える。
開閉制御手段４０は、例えば入力電流ピーク値の３０％等を閾値として設定される。そして、検出された入力電流の大きさ（レベル）が閾値以上の場合には、開閉手段９ａ及び９ｂを双方ともオンにし、昇圧コンバータ３ａ、３ｂの双方を使用状態とする。
一方、検出された入力電流の大きさ（レベル）が閾値未満の場合には、開閉手段９ａ、９ｂの何れか一方をオン、他方をオフとして、昇圧コンバータ３ａ、３ｂの何れか一方を使用状態とする。
以上のような動作により、入力電流が大きいピーク付近の領域では、昇圧コンバータ３ａ及び３ｂの双方を使用状態とすることで、入力電流は昇圧コンバータ３ａの経路と３ｂの経路とに分割されるため、各昇圧コンバータ３における部品に流れる電流を抑制できる。
また、入力電流の小さいゼロクロス付近の領域では、昇圧コンバータ３ａ、３ｂの何れか一方を使用状態とすることで、休止状態の昇圧コンバータ３では動作損失が発生せず、回路の損失を低減できる。
次に、使用状態を切り換える所定の条件として、スイッチング周波数に基づく動作について説明する。
上記実施の形態２（図６）に示したように、臨界モードでの運転時、スイッチング周波数を一定にはできず、スイッチング周波数は、入力電流のピーク付近では低く、ゼロクロス付近では高い。このことから、開閉制御手段４０は、スイッチング素子５のスイッチング周波数に基づいて、開閉手段９ａ及び９ｂのオンオフを切り換える。
開閉制御手段４０は、予め所定の周波数が閾値として設定される。また、開閉制御手段４０にはスイッチング制御手段７からスイッチング周波数に関する情報が入力される。そして、スイッチング周波数が閾値未満の場合には、開閉手段９ａ、９ｂを双方ともオンし、昇圧コンバータ３ａ、３ｂの双方を使用状態とする。
一方、スイッチング周波数が閾値以上の場合には、開閉手段９ａ、９ｂの何れか一方をオンとし、他方をオフとして、昇圧コンバータ３ａ、３ｂの何れか一方を使用状態とする。
以上のような動作により、スイッチング周波数が低い領域では、昇圧コンバータ３ａ及び３ｂの双方を使用状態とすることで、入力電流は昇圧コンバータ３ａの経路と３ｂの経路とに分割されるため、各昇圧コンバータ３における部品に流れる電流を抑制できる。
また、スイッチング周波数が高い領域では、昇圧コンバータ３ａ、３ｂの何れか一方を使用状態とすることで、休止状態の昇圧コンバータ３では動作損失が発生せず、回路の損失を低減できる。
尚、開閉制御手段４０に設定されるスイッチング周波数の閾値を、例えば、スイッチング素子５のスペックに合わせて設定すれば、スイッチング素子５の破壊防止やよりよい環境での使用も可能となる。
次に、使用状態を切り換える所定の条件として、出力電力に基づく動作について説明する。
臨界モードでの運転時、出力電力に対しては、高負荷になるほどスイッチング周波数が低くなる。このことから、開閉制御手段４０は、出力電力に基づいて開閉手段９ａ及び９ｂのオンオフを切り換える。
上述した図１０の構成に加え、上記実施の形態２（図８）と同様に、昇圧コンバータ３ａ及び昇圧コンバータ３ｂの出力電力を検出する出力電力検出手段３０を設ける。
そして、開閉制御手段４０は、出力電力検出手段３０により検出された出力電力に基づいて、開閉手段９ａ及び９ｂのオンオフを切り換える。
開閉制御手段４０は、予め所定の出力電力値が閾値として設定される。そして、検出された出力電力の大きさが閾値以上の場合には、開閉手段９ａ、９ｂを双方ともオンし、昇圧コンバータ３ａ、３ｂの双方を使用状態とする。
一方、検出された出力電力の大きさが閾値未満の場合には、開閉手段９ａ、９ｂの何れか一方をオンとし、他方をオフとして、昇圧コンバータ３ａ、３ｂの何れか一方を使用状態とする。
以上のような動作により、高負荷の場合は昇圧コンバータ３ａ及び３ｂの双方を使用状態とすることで、入力電流は昇圧コンバータ３ａの経路と３ｂの経路とに分割されるため、各昇圧コンバータ３における部品に流れる電流を抑制できる。
また、低負荷の場合は昇圧コンバータ３ａ、３ｂの何れか一方を使用状態とすることで、休止状態の昇圧コンバータ３では動作損失が発生せず、回路の損失を低減できる。
また、前述の入力電流やスイッチング周波数に閾値を設けた場合、電源周期内で何度も電流モードを切り換えるのに対し、上記のような出力電力に基づき電流モードを切り換える場合、開閉手段９ａ及び９ｂのオンオフの切り換えが少ないため、比較的簡単なプログラムで制御を実行できる。
次に、使用状態を切り換える所定の条件として、回路効率に基づく動作について説明する。
低負荷域では出力電力の増加に伴い、回路効率は上昇するが、高負荷域では回路効率が減少することがある。このことから、開閉制御手段４０は、回路効率に基づいて、開閉手段９ａ及び９ｂのオンオフを切り換える。
上述した図１０の構成に加え、上述した電流検出手段２０と出力電力検出手段３０とを設ける。開閉制御手段４０は、予め所定の回路効率の値が閾値として設定される。
そして、開閉制御手段４０は、検出された入力電流と出力電力とに基づき回路効率を求める。そして、求めた回路効率の値が閾値未満の場合、開閉手段９ａ、９ｂの何れか一方をオン、他方をオフとして、昇圧コンバータ３ａ、３ｂの何れか一方を使用状態とする。一方、回路効率の値が閾値以上の場合には、開閉手段９ａ及び９ｂを双方ともオンにし、昇圧コンバータ３ａ、３ｂの双方を使用状態とする。
以上のような動作により、回路効率が減少した場合に昇圧コンバータ３ａ、３ｂの何れか一方を使用状態とすることで、休止状態の昇圧コンバータ３では動作損失が発生せず、回路効率の改善を図ることができる。
次に、使用状態を切り換える所定の条件として、出力電圧、出力電圧指令、又は出力電圧指令の変化値に基づく動作について説明する。
昇圧コンバータ３に対する出力電圧指令を変化させた場合、入力電流の電流リプルも変化する。このことから、開閉制御手段４０は、出力電圧、出力電圧指令、又は出力電圧指令の変化値に基づいて開閉手段９ａ及び９ｂのオンオフを切り換える。
スイッチング制御手段７には昇圧コンバータ３の出力電圧を設定する出力電圧指令が入力され、この出力電圧指令に応じてスイッチング素子５を制御して昇圧コンバータ３の出力電圧を設定する。
開閉制御手段４０には、出力電圧指令に関する情報が入力される。開閉制御手段４０には、出力電圧値、出力電圧指令値、又は出力電圧指令の変化値に対し、電流リプルが多くなる所定の値又は範囲が閾値として、予め設定される。
そして開閉制御手段４０は、出力電圧値、出力電圧指令値、又は出力電圧指令の変化値が、電流リプルが多くなる所定の値又は範囲である場合には、開閉手段９ａ、９ｂを双方ともオンし、昇圧コンバータ３ａ、３ｂの双方を使用状態とする。
このような動作により、出力電圧指令が変化して電流リプルが多くなる場合、昇圧コンバータ３ａ及び３ｂの双方を使用状態とすることで、入力電流の電流リプルを小さくし、高調波成分抑制を図ることができる。
次に、使用状態を切り換える所定の条件として、任意の周期により切り換える動作について説明する。
昇圧コンバータ３ａ及び３ｂの両方又は何れか一方の使用状態を継続すると、昇圧コンバータ３を構成する各素子の温度が上昇する。このことから、開閉制御手段４０は、開閉手段９ａ及び９ｂのオンオフを任意の周期で切り換えて、昇圧コンバータ３ａ及び３ｂの使用状態と休止状態とを任意の周期で切り換える。
このような動作により、昇圧コンバータ３を構成する昇圧リアクタ４、スイッチング素子５、逆流防止素子６の温度上昇を抑制でき、より効率よくコンバータ回路を動作させることができる。
また、各素子の温度上昇を抑制することにより、動作温度超過による素子破壊を防ぐことができ、長期使用が可能となる。
尚、本実施の形態４においても、上記実施の形態１と同様に、昇圧リアクタ４ａ及び４ｂに流れる電流の位相差を１８０度、又は１８０度を中心とするランダム値に調整することにより、入力電流の高調波の抑制、及び電流リプルに起因する騒音振動を抑制することができる。
尚、本実施の形態４では、昇圧コンバータ３が２系統の場合を説明したが、本発明はこれに限らず、例えば図１１に示すように、昇圧コンバータ３を複数系統並列に接続するようにしても良い。このような構成によっても上記実施の形態３と同様の効果を得ることができる。
実施の形態５．
上記実施の形態２では、所定の条件に基づいて、昇圧リアクタ４に流れる電流の電流モードを切り換えた。また、上記実施の形態４では、所定の条件に基づいて、昇圧コンバータ３ａ及び３ｂの使用状態を切り換えた。本実施の形態５においては、所定の条件に基づいて、昇圧コンバータ３ａ及び３ｂの使用状態の切り換えと、昇圧リアクタ４に流れる電流の電流モードの切り換えとを同時に行う。
以下、使用状態及び電流モードを切り換える所定の条件、及びその具体例について説明する。尚、本実施の形態５におけるコンバータ回路の構成は上記実施の形態４と同様である。
まず、使用状態及び電流モードを切り換える所定の条件として、入力電流に基づく動作について説明する。
上記実施の形態４と同様に、電流検出手段２０により検出された入力電流の大きさ（レベル）が閾値以上の場合には、開閉制御手段４０は、開閉手段９ａ及び９ｂを双方ともオンにし、昇圧コンバータ３ａ、３ｂの双方を使用状態とする。また、スイッチング制御手段７は、昇圧リアクタ４に流れる電流の電流モードが臨界モード又は不連続モードとなるように、スイッチング素子５のスイッチングを制御する。
一方、検出された入力電流の大きさ（レベル）が閾値未満の場合には、開閉制御手段４０は、開閉手段９ａ、９ｂの何れか一方をオン、他方をオフとして、昇圧コンバータ３ａ、３ｂの何れか一方を使用状態とする。また、スイッチング制御手段７は、昇圧リアクタ４に流れる電流の電流モードが連続モードとなるように、スイッチング素子５のスイッチングを制御する。
以上のような動作により、入力電流が大きいピーク付近の領域では、昇圧コンバータ３ａ及び３ｂの双方を使用状態とし、電流モードを臨界モード又は不連続モードとすることで、各昇圧コンバータ３における部品に流れる電流を抑制するとともに、昇圧リアクタ４に流れる電流のリプルを大きくでき、スイッチング周波数低減によるスイッチング損失の低減を図ることができる。
また、入力電流の小さいゼロクロス付近の領域では、昇圧コンバータ３ａ、３ｂの何れか一方を使用状態とし、電流モードを連続モードとすることで、休止状態の昇圧コンバータ３では動作損失が発生せず、回路の損失を低減できるとともに、入力電流の電流リプルを小さくし、高調波成分抑制を図ることができる。
次に、使用状態及び電流モードを切り換える所定の条件として、スイッチング周波数に基づく動作について説明する。
上記実施の形態４と同様に、スイッチング周波数が閾値未満の場合には、開閉制御手段４０は、開閉手段９ａ、９ｂを双方ともオンし、昇圧コンバータ３ａ、３ｂの双方を使用状態とする。また、スイッチング制御手段７は、昇圧リアクタ４に流れる電流の電流モードが臨界モード又は不連続モードとなるように、スイッチング素子５のスイッチングを制御する。
一方、スイッチング周波数が閾値以上の場合には、開閉制御手段４０は、開閉手段９ａ、９ｂの何れか一方をオンとし、他方をオフとして、昇圧コンバータ３ａ、３ｂの何れか一方を使用状態とする。また、スイッチング制御手段７は、昇圧リアクタ４に流れる電流の電流モードが連続モードとなるように、スイッチング素子５のスイッチングを制御する。
以上のような動作により、スイッチング周波数が低い領域では、昇圧コンバータ３ａ及び３ｂの双方を使用状態とし、電流モードを臨界モード又は不連続モードとすることで、各昇圧コンバータ３における部品に流れる電流を抑制するとともに、昇圧リアクタ４に流れる電流のリプルを大きくすることができ、スイッチング周波数低減によるスイッチング損失の低減を図ることができる。
また、スイッチング周波数が高い領域では、昇圧コンバータ３ａ、３ｂの何れか一方を使用状態とし、電流モードを連続モードとすることで、休止状態の昇圧コンバータ３では動作損失が発生せず、回路の損失を低減できるとともに、入力電流の電流リプルを小さくし、高調波成分抑制を図ることができる。
次に、使用状態及び電流モードを切り換える所定の条件として、出力電力に基づく動作について説明する。
上記実施の形態４と同様に、出力電力検出手段３０によりされた出力電力の大きさが閾値以上の場合には、開閉制御手段４０は、開閉手段９ａ、９ｂを双方ともオンし、昇圧コンバータ３ａ、３ｂの双方を使用状態とする。また、スイッチング制御手段７は、昇圧リアクタ４に流れる電流の電流モードが臨界モード又は不連続モードとなるように、スイッチング素子５のスイッチングを制御する。
一方、検出された出力電力の大きさが閾値未満の場合には、開閉制御手段４０は、開閉手段９ａ、９ｂの何れか一方をオンとし、他方をオフとして、昇圧コンバータ３ａ、３ｂの何れか一方を使用状態とする。また、スイッチング制御手段７は、昇圧リアクタ４に流れる電流の電流モードが臨界モード又は不連続モードとなるように、スイッチング素子５のスイッチングを制御する。
以上のような動作により、高負荷の場合は昇圧コンバータ３ａ及び３ｂの双方を使用状態とすることで、各昇圧コンバータ３における部品に流れる電流を抑制できるとともに、臨界モード又は不連続モードとすることで、スイッチング周波数低減によるスイッチング損失の低減を図ることができる。
また、低負荷の場合は昇圧コンバータ３ａ、３ｂの何れか一方を使用状態とし、電流モードを連続モードとすることで、休止状態の昇圧コンバータ３では動作損失が発生せず、回路の損失を低減できるとともに、入力電流の電流リプルを小さくし、高調波成分抑制を図ることができる。
次に、使用状態及び電流モードを切り換える所定の条件として、回路効率に基づく動作について説明する。
上記実施の形態４と同様に、回路効率の値が閾値未満の場合、開閉制御手段４０は、開閉手段９ａ、９ｂの何れか一方をオン、他方をオフとして、昇圧コンバータ３ａ、３ｂの何れか一方を使用状態とする。また、スイッチング制御手段７は、昇圧リアクタ４に流れる電流の電流モードが臨界モードのときは不連続モードへ切り換え、連続モードのときは臨界モード又は不連続モードへ切り換える。
以上のような動作により、回路効率が減少した場合に昇圧コンバータ３ａ、３ｂの何れか一方を使用状態とすることで、休止状態の昇圧コンバータ３では動作損失が発生せず、回路効率の改善を図ることができる。また、回路効率が減少した場合にスイッチング周波数を低減させてスイッチング損失の低減を図り、回路効率の改善を図ることができる。
次に、使用状態及び電流モードを切り換える所定の条件として、出力電圧、出力電圧指令、又は出力電圧指令の変化値に基づく動作について説明する。
上記実施の形態４と同様に、スイッチング制御手段７には昇圧コンバータ３の出力電圧を設定する出力電圧指令が入力され、この出力電圧指令に応じてスイッチング素子５を制御して昇圧コンバータ３の出力電圧を設定する。
開閉制御手段４０は、出力電圧値、出力電圧指令値、又は出力電圧指令の変化値が、電流リプルが多くなる所定の値又は範囲である場合には、開閉手段９ａ、９ｂを双方ともオンし、昇圧コンバータ３ａ、３ｂの双方を使用状態とする。また、スイッチング制御手段７は、昇圧リアクタ４に流れる電流の電流モードが連続モードとなるように、スイッチング素子５のスイッチングを制御する。
このような動作により、出力電圧指令が変化して電流リプルが多くなる場合、昇圧コンバータ３ａ及び３ｂの双方を使用状態とし、電流モードを連続モードすることで、入力電流の電流リプルを小さくし、高調波成分の抑制を図ることができる。
尚、上記説明では、入力電流のレベル、スイッチング周波数、回路効率、又は出力電力等の所定の条件に応じて、使用状態の切り換えと電流モードの切り換えとを行ったが、開閉手段９ａ及び９ｂの開閉状態に応じて、電流モードを切り換えるようにしても良い。
つまり、スイッチング制御手段７は、開閉手段９ａ及び９ｂの開閉状態に基づいて、昇圧リアクタ４ａ及び４ｂに流れる電流の電流モードを、連続モード、臨界モード、又は不連続モードの何れに切り換えるようにしても良い。
例えば、開閉手段９ａ及び９ｂを双方ともオン状態で、昇圧コンバータ３ａ及び３ｂの双方が使用状態である場合、昇圧リアクタ４ａ及び４ｂに流れる電流の電流モードを臨界モード又は不連続モードとする。一方、開閉手段９ａ、９ｂの何れか一方がオン、他方がオフ状態で、昇圧コンバータ３ａ、３ｂの何れか一方が使用状態である場合、使用状態の昇圧リアクタ４に流れる電流の電流モードを連続モードとする。
このような動作により、昇圧コンバータ３ａ及び３ｂの双方が使用状態のとき、臨界モード又は不連続モードとすることで、スイッチング損失を低減することができるとともに、入力電流は、昇圧コンバータ３ａ及び３ｂにより２つの電流経路の加算となり、連続モードで動作するので、入力電流の電流リプルを小さくし、高調波成分抑制を図ることができる。
また、昇圧コンバータ３ａ、３ｂの何れか一方を使用状態とし、電流モードを連続モードとすることで、休止状態の昇圧コンバータ３では動作損失が発生せず、回路の損失を低減できるとともに、使用状態の昇圧コンバータ３は、連続モードとして動作するので、入力電流の電流リプルを小さくし、高調波成分抑制を図ることができる。
尚、本実施の形態５においても、上記実施の形態１と同様に、昇圧リアクタ４ａ及び４ｂに流れる電流の位相差を１８０度、又は１８０度を中心とするランダム値に調整することにより、入力電流の高調波の抑制、及び電流リプルに起因する騒音又は振動を抑制することができる。
尚、本実施の形態５では、昇圧コンバータ３が２系統の場合を説明したが、本発明はこれに限らず、上記実施の形態３と同様に、昇圧コンバータ３を複数系統並列に接続するようにしても良い。このような構成によっても上記実施の形態３と同様の効果を得ることができる。
実施の形態６．
本実施の形態６においては、上記実施の形態１〜５のコンバータ回路について、モータ駆動制御装置を対象負荷とした場合の構成の一例を示す。
図１２は本発明の実施の形態６に係るモータ駆動制御装置の構成図である。
図１２において、商用電源１の交流電圧を整流する整流器２は、４個の整流ダイオード２ａ〜２ｄをブリッジ接続した構成となっている。整流器２の出力には、昇圧コンバータ３ａと昇圧コンバータ３ｂとが並列に接続される。
この昇圧コンバータ３ａは、昇圧リアクタ４ａと、例えばＩＧＢＴのようなスイッチング素子５ａと、例えばファストリカバリダイオードのような逆流防止素子６ａとにより構成される。また昇圧コンバータ３ｂも同様に、昇圧リアクタ４ｂと、例えばＩＧＢＴのようなスイッチング素子５ｂと、例えばファストリカバリダイオードのような逆流防止素子６ｂとにより構成される。
そして、スイッチング制御手段７によりスイッチング素子５ａ及び５ｂのスイッチングが制御され、整流器２の出力を昇圧する。
また、スイッチング素子５ａ及びスイッチング素子５ｂに、それぞれ逆並列に接続されるＦＷＤを設けている。これは、スイッチング素子５がターンオフするときに発生するサージから、スイッチング素子５の破壊を防ぐものである。
尚、本実施の形態においても、昇圧コンバータ３に限るものではなく、昇圧コンバータ、降圧コンバータ、昇降圧コンバータ等の任意のスイッチングコンバータを適用することができる。
昇圧コンバータ３ａ及び昇圧コンバータ３ｂの出力は平滑コンデンサ８により平滑される。そして昇圧コンバータ３ａ及び３ｂの出力には負荷１０が接続され、平滑された昇圧コンバータ３ａ及び３ｂの出力が印加される。
負荷１０は、昇圧コンバータ３ａ及び３ｂの出力を交流電圧に変換するインバータ回路１１と、このインバータ回路１１に接続されるモータ１２とによって構成される。
インバータ回路１１は、スイッチング素子１１ａ〜１１ｆをブリッジ接続して構成される。また、各々のスイッチング素子１１ａ〜１１ｆには逆並列に高速ダイオードが内蔵されている。この内蔵されている高速ダイオードはスイッチング素子１１ａ〜１１ｆがオフしたとき還流電流を流す働きをする。このインバータ回路１１は、インバータ駆動手段５０により、例えばＰＷＭ制御される。そして、入力された直流電圧を任意電圧、任意周波数の交流に変換して、モータ１２を駆動する。
尚、コンバータ回路と、インバータ回路１１と、インバータ駆動手段５０とにより、モータ駆動制御装置を構成する。
尚、図１２においては、上記実施の形態１のコンバータ回路の構成に、インバータ回路１１及びモータ１２からなる負荷１０を設けた場合を示したが、本発明はこれに限るものではなく、上記実施の形態１〜５の何れの構成においても、インバータ回路１１及びモータ１２からなる負荷１０を設けるようにしても良い。
このような構成によりモータ１２を運転させることにより、上記実施の形態１〜５と同様の効果が得られることはいうまでもない。
実施の形態７．
図１３は本発明の実施の形態７に係る空気調和機の構成を示す図である。
図１３において、本実施の形態における空気調和機は、室外機３１０、室内機３２０を備え、室外機３１０には、図示しない冷媒回路に接続され冷凍サイクルを構成する冷媒圧縮機３１１、図示しない熱交換機を送風する室外機用の送風機３１２を備えている。そして、この冷媒圧縮機３１１、室外機用の送風機３１２は、上述した実施の形態６のモータ駆動制御装置により制御されるモータ１２により駆動される。このような構成によりモータ１２を運転させても、上記実施の形態１〜６と同様の効果が得られることはいうまでもない。
実施の形態８．
図１４は本発明の実施の形態８に係る冷蔵庫の構成を示す図である。図１４に示すように、冷蔵庫４００は、図示しない冷媒回路に接続され冷凍サイクルを構成する冷媒圧縮機４０１、冷却室４０２内に設けられた冷却器４０３で生成された冷気を、冷蔵室、冷凍室等に送るための冷気循環用の送風機４０４を備えている。そして、この冷媒圧縮機４０１、冷気循環用の送風機４０４は、上述した実施の形態６のモータ駆動制御装置により制御されるモータ１２により駆動される。このような構成によりモータ１２を運転させても、上記実施の形態１〜６と同様の効果が得られることはいうまでもない。
実施の形態９．
本実施の形態９においては、上記実施の形態１〜５のコンバータ回路について、誘導加熱調理器を対象負荷とした場合の構成の一例を示す。
図１５は本発明の実施の形態９に係る誘導加熱調理器の構成図である。
図１５において、商用電源１の交流電圧を整流する整流器２は、４個の整流ダイオード２ａ〜２ｄをブリッジ接続した構成となっている。整流器２の出力には、昇圧コンバータ３ａと昇圧コンバータ３ｂとが並列に接続される。
この昇圧コンバータ３ａは、昇圧リアクタ４ａと、例えばＩＧＢＴのようなスイッチング素子５ａと、例えばファストリカバリダイオードのような逆流防止素子６ａとにより構成される。また昇圧コンバータ３ｂも同様に、昇圧リアクタ４ｂと、例えばＩＧＢＴのようなスイッチング素子５ｂと、例えばファストリカバリダイオードのような逆流防止素子６ｂとにより構成される。
そして、スイッチング制御手段７によりスイッチング素子５ａ及び５ｂのスイッチングが制御され、整流器２の出力を昇圧する。
また、スイッチング素子５ａ及びスイッチング素子５ｂに、それぞれ逆並列に接続されるＦＷＤを設けている。これは、スイッチング素子５がターンオフするときに発生するサージから、スイッチング素子５の破壊を防ぐものである。
尚、本実施の形態においても、昇圧コンバータ３に限るものではなく、昇圧コンバータ、降圧コンバータ、昇降圧コンバータ等の任意のスイッチングコンバータを適用することができる。
昇圧コンバータ３ａ及び昇圧コンバータ３ｂの出力は平滑コンデンサ８により平滑される。そして昇圧コンバータ３ａ及び３ｂの出力には負荷１０が接続され、平滑された昇圧コンバータ３ａ及び３ｂの出力が印加される。
負荷１０は、昇圧コンバータ３ａ及び３ｂの出力を交流電圧に変換するインバータ回路１１と、このインバータ回路１１に接続される負荷回路１３とによって構成される。
インバータ回路１１は、スイッチング素子１１ａ〜１１ｆをブリッジ接続して構成される。このインバータ回路１１は、インバータ駆動手段５０により駆動され、平滑コンデンサ８により平滑された直流電圧を高周波電圧に変換する。
インバータ回路１１の出力点には、誘導加熱コイル１４及び共振コンデンサ１５からなる負荷回路１３が接続される。そしてインバータ回路１１によって変換された高周波電圧が負荷回路１３に印加される。そして、これにより、誘導加熱調理器に載置された被加熱物（図示せず）を誘導加熱する。
尚、図１５においては、上記実施の形態１のコンバータ回路の構成に、インバータ回路１１及び負荷回路１３からなる負荷１０を設けた場合を示したが、本発明はこれに限るものではなく、上記実施の形態１〜５の何れの構成においても、インバータ回路１１及び負荷回路１３からなる負荷１０を設けるようにしても良い。
このような誘導加熱調理器により負荷回路１３を運転させることにより、上記実施の形態１〜５と同様の効果が得られることはいうまでもない。
尚、例えば、上記図１２又は図１５に示すように、負荷としてインバータ回路１１が接続された場合、通常、スイッチングコンバータで用いられるスイッチング素子は大容量のものが必要であり、インバータ回路で用いられるスイッチング素子との共用化は難しい。
上記実施の形態１〜９によれば、コンバータ回路で用いられるスイッチング素子５と、インバータ回路１１で用いられるスイッチング素子１１ａ〜１１ｆとが同容量で構成可能となるような、昇圧コンバータ数を選択することで、スイッチング素子の共用化、ひいてはコスト低減が可能となる。
以上、本発明の実施の形態について具体的に説明したが、本発明は実施の形態で具体的に説明したものに限定されるものではなく、例えば、商用電源１として単相電源でなく３相電源を用いる等、実施の形態に限定されず、その趣旨を逸脱しない範囲で様々に変更可能であることはいうまでもない。
１ 商用電源、２ 整流器、２ａ〜２ｄ 整流ダイオード、３ａ〜３ｃ 昇圧コンバータ、４ａ〜４ｃ 昇圧リアクタ、５ａ〜５ｃ スイッチング素子、６ａ〜６ｃ 逆流防止素子、７ スイッチング制御手段、８ 平滑コンデンサ、９ａ 開閉手段、９ｂ 開閉手段、１０ 負荷、１１ インバータ回路、１１ａ〜１１ｆ スイッチング素子、１２ モータ、１３ 負荷回路、１４ 誘導加熱コイル、１５ 共振コンデンサ、２０ 電流検出手段、３０ 出力電力検出手段、４０ 開閉制御手段、５０ インバータ駆動手段、３１０ 室外機、３１１ 冷媒圧縮機、３１２ 送風機、３２０ 室内機、４００ 冷蔵庫、４０１ 冷媒圧縮機、４０２ 冷却室、４０３ 冷却器、４０４ 送風機。

Claims (12)

  1. 交流電圧を整流する整流器と、
    前記整流器の出力に接続され、第１のリアクタと第１のスイッチング素子と第１の逆流防止素子とを有する第１のコンバータ部と、
    前記整流器の出力に接続され、第２のリアクタと第２のスイッチング素子と第２の逆流防止素子とを有し、前記第１のコンバータ部と並列に接続される第２のコンバータ部と、
    前記第１及び第２のスイッチング素子を制御するスイッチング制御手段と、
    前記第１及び第２のコンバータ部の出力に設けられる平滑コンデンサと、
    前記第１のコンバータ部の出力を開閉する第１の開閉手段と、
    前記第２のコンバータ部の出力を開閉する第２の開閉手段と、
    前記第１及び第２の開閉手段の開閉を制御する開閉制御手段と、
    前記第１及び第２のコンバータ部に入力される入力電流を検出する電流検出手段と、
    を備え、
    前記開閉制御手段は、
    前記入力電流が閾値以上の場合には、前記第１の開閉手段及び第２の開閉手段の双方を閉にし、
    前記入力電流が閾値未満の場合には、前記第１の開閉手段又は第２の開閉手段の何れか一方を開にする
    ことを特徴とするコンバータ回路。
  2. 交流電圧を整流する整流器と、
    前記整流器の出力に接続され、第１のリアクタと第１のスイッチング素子と第１の逆流防止素子とを有する第１のコンバータ部と、
    前記整流器の出力に接続され、第２のリアクタと第２のスイッチング素子と第２の逆流防止素子とを有し、前記第１のコンバータ部と並列に接続される第２のコンバータ部と、
    前記第１及び第２のスイッチング素子を制御するスイッチング制御手段と、
    前記第１及び第２のコンバータ部の出力に設けられる平滑コンデンサと、
    前記第１のコンバータ部の出力を開閉する第１の開閉手段と、
    前記第２のコンバータ部の出力を開閉する第２の開閉手段と、
    前記第１及び第２の開閉手段の開閉を制御する開閉制御手段と、
    を備え、
    前記開閉制御手段は、
    前記第１及び第２のスイッチング素子のスイッチング周波数が閾値未満の場合には、前記第１の開閉手段及び第２の開閉手段の双方を閉にし、
    前記第１及び第２のスイッチング素子のスイッチング周波数が閾値以上の場合には、前記第１の開閉手段又は第２の開閉手段の何れか一方を開にする
    ことを特徴とするコンバータ回路。
  3. 交流電圧を整流する整流器と、
    前記整流器の出力に接続され、第１のリアクタと第１のスイッチング素子と第１の逆流防止素子とを有する第１のコンバータ部と、
    前記整流器の出力に接続され、第２のリアクタと第２のスイッチング素子と第２の逆流防止素子とを有し、前記第１のコンバータ部と並列に接続される第２のコンバータ部と、
    前記第１及び第２のスイッチング素子を制御するスイッチング制御手段と、
    前記第１及び第２のコンバータ部の出力に設けられる平滑コンデンサと、
    前記第１のコンバータ部の出力を開閉する第１の開閉手段と、
    前記第２のコンバータ部の出力を開閉する第２の開閉手段と、
    前記第１及び第２の開閉手段の開閉を制御する開閉制御手段と、
    前記第１及び第２のコンバータ部の出力電力を検出する出力電力検出手段と、
    を備え、
    前記開閉制御手段は、
    前記出力電力が閾値以上の場合には、前記第１の開閉手段及び第２の開閉手段の双方を閉にし、
    前記出力電力が閾値未満の場合には、前記第１の開閉手段又は第２の開閉手段の何れか一方を開にする
    ことを特徴とするコンバータ回路。
  4. 交流電圧を整流する整流器と、
    前記整流器の出力に接続され、第１のリアクタと第１のスイッチング素子と第１の逆流防止素子とを有する第１のコンバータ部と、
    前記整流器の出力に接続され、第２のリアクタと第２のスイッチング素子と第２の逆流防止素子とを有し、前記第１のコンバータ部と並列に接続される第２のコンバータ部と、
    前記第１及び第２のスイッチング素子を制御するスイッチング制御手段と、
    前記第１及び第２のコンバータ部の出力に設けられる平滑コンデンサと、
    前記第１のコンバータ部の出力を開閉する第１の開閉手段と、
    前記第２のコンバータ部の出力を開閉する第２の開閉手段と、
    前記第１及び第２の開閉手段の開閉を制御する開閉制御手段と、
    前記第１及び第２のコンバータ部に入力される入力電流を検出する電流検出手段と、
    前記第１及び第２のコンバータ部の出力電力を検出する出力電力検出手段と、
    を備え、
    前記開閉制御手段は、
    前記入力電流と前記出力電力とに基づき回路効率を求め、
    前記回路効率が閾値以上の場合には、前記第１の開閉手段及び第２の開閉手段の双方を閉にし、
    前記回路効率が閾値未満の場合には、前記第１の開閉手段又は第２の開閉手段の何れか一方を開にする
    ことを特徴とするコンバータ回路。
  5. 交流電圧を整流する整流器と、
    前記整流器の出力に接続され、第１のリアクタと第１のスイッチング素子と第１の逆流防止素子とを有する第１のコンバータ部と、
    前記整流器の出力に接続され、第２のリアクタと第２のスイッチング素子と第２の逆流防止素子とを有し、前記第１のコンバータ部と並列に接続される第２のコンバータ部と、
    前記第１及び第２のスイッチング素子を制御するスイッチング制御手段と、
    前記第１及び第２のコンバータ部の出力に設けられる平滑コンデンサと、
    前記第１のコンバータ部の出力を開閉する第１の開閉手段と、
    前記第２のコンバータ部の出力を開閉する第２の開閉手段と、
    前記第１及び第２の開閉手段の開閉を制御する開閉制御手段と、
    を備え、
    前記開閉制御手段は、
    前記第１及び第２のコンバータ部の出力電圧を設定する出力電圧指令に関する情報が入力され、
    前記出力電圧、前記出力電圧指令、又は前記出力電圧指令の変化値が所定の値又は範囲である場合には、前記第１の開閉手段及び第２の開閉手段の双方を閉にする
    ことを特徴とするコンバータ回路。
  6. 前記スイッチング制御手段は、
    前記第１のリアクタと第２のリアクタとに流れる電流に所定の位相差が生じるように、前記第１及び第２のスイッチング素子のスイッチングを制御することを特徴とする請求項１〜５の何れか１項に記載のコンバータ回路。
  7. 前記スイッチング制御手段は、
    前記第１のリアクタと第２のリアクタとに流れる電流の位相差が、所定範囲内でランダムに変化するように、前記第１及び第２のスイッチング素子のスイッチングを制御することを特徴とする請求項１〜５の何れか１項に記載のコンバータ回路。
  8. 前記整流器の出力に接続され、リアクタとスイッチング素子と逆流防止素子とを有し、前記第１及び第２のコンバータ部と並列に接続される１又は複数のコンバータ部と
    を更に備えたことを特徴とする請求項１〜７の何れか１項に記載のコンバータ回路。
  9. 請求項１〜８の何れか１項に記載のコンバータ回路と、
    前記コンバータ回路の直流電圧出力を交流電圧に変換するインバータ回路と、
    前記インバータ回路を駆動するインバータ駆動手段と
    を備えたことを特徴とするモータ駆動制御装置。
  10. 請求項９記載のモータ駆動制御装置と、
    前記モータ駆動制御装置により駆動されるモータと
    を備えたことを特徴とする空気調和機。
  11. 請求項９記載のモータ駆動制御装置と、
    前記モータ駆動制御装置により駆動されるモータと
    を備えたことを特徴とする冷蔵庫。
  12. 請求項１〜８の何れかに記載のコンバータ回路と、
    前記コンバータ回路の直流電圧出力を交流電圧に変換するインバータ回路と、
    前記インバータ回路を駆動するインバータ駆動手段と、
    前記インバータ回路の出力点に接続され、少なくとも誘導加熱コイル及び共振コンデンサを有する負荷回路と
    を備えたことを特徴とする誘導加熱調理器。
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