JP6173435B2 - 逆流防止装置、電力変換装置及び冷凍空気調和装置 - Google Patents

Description

本発明は、電力変換装置等が有する逆流防止装置等に関するものである。

可変電圧・可変周波数のインバータ装置等が実用化されるに従って、各種電力変換装置の応用分野が開拓されている。

例えば、電力変換装置に関しては、近年、昇降圧コンバータの応用技術開発が盛んである。一方で、炭化珪素等を材料とするワイドバンドギャップ半導体素子等の開発も盛んに行われている。このような新しい素子に関して、高耐圧であっても電流容量（電流実効値の許容値）の小さい素子に関しては、整流器を中心に実用化されてきている（例えば、特許文献１参照）。

特開２００５−１６０２８４号公報（図１）

一方、高効率な新しい素子を実用化するにあたり、例えば電流容量が大きい素子に関しては、高コスト、結晶欠陥等のため、実用化に向けて多くの課題があり、普及にはまだ時間がかかると考えられる。このため、例えば、空気調和装置の圧縮機のモータ等に供給するような電力以上の電力を変換する電力変換装置に、新しい素子を用いて高効率化をはかろうとすることは現状では難しい。

本発明は、上記課題を考慮し、高効率、高信頼性等を確保することができる逆流防止装置等を提供するものである。そして、損失のさらなる低減をはかるようにするものである。

本発明に係る逆流防止装置は、電源と負荷との間に接続され、負荷側から電源側への電流の逆流を防止する逆流防止素子と、逆流防止素子と並列接続した別経路に電流を流す転流動作を行う転流装置と、電源と負荷との間における、逆流防止素子に印加される電圧を検出又は推測可能な位置に設置された電圧検出器と、転流動作させる転流駆動信号を生成し、転流駆動信号に基づいて転流装置に転流動作を行わせる制御装置とを備え、制御装置は、電圧検出器の検出に係る電圧に基づいて、転流動作させる時間を決定し、決定した時間に基づく転流駆動信号を転流装置に送るものである。

本発明に係る逆流防止装置によれば、転流動作を行うことができる転流装置を設けることにより、逆流防止素子に流れようとする電流を別経路に転流させることができ、負荷側から電流が逆流する際、逆流防止素子に発生するリカバリー電流を低減させることで、損失低減、雑音端子電圧レベル低減、ＥＭＣ対策等をはかり、システム全体として高効率化をはかることができる。このとき、転流動作を行う時間を決定して転流動作させるようにしたので、転流動作に必要な時間だけ転流動作を行うようすることができ、電力変換に寄与しない転流動作に係る電力を低減し、省エネルギをはかることができる。

本発明の実施の形態１に係る電力変換装置を中心とするシステム構成を表す図である。 電源１の構成を示す図（その１）である。 電源１の構成を示す図（その２）である。 電源１の構成を示す図（その３）である。 本発明の実施の形態１に係る逆流防止素子５と並列に転流装置７を接続した場合の構成の一例を示す図である。 本発明の実施の形態１に係る制御装置１００の制御機能をブロック化した構成の一例を示す図である。 本発明の実施の形態１に係る電流経路の一例を示す図（その１）である。 本発明の実施の形態１に係る電流経路の一例を示す図（その２）である。 本発明の実施の形態１に係る電流経路の一例を示す図（その３）である。 本発明の実施の形態１に係る転流装置７を動作させる場合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１に係る転流装置７を動作させる場合の信号及び電流波形の一例を示す図である。 本発明の実施の形態１に係る電力変換装置を中心とするシステム等の構成の別の一例を示す図である。 電源１に交流電源を用いた場合の電圧を示す図である。 本発明の実施の形態１に係る電源位相が図９のＡ及びＣのときの信号及び電流波形の一例を示す図である。 本発明の実施の形態１に係る電源位相が図９のＢ及びＤのときの信号及び電流波形の一例を示す図である。 本発明の実施の形態２に係る転流装置７を動作させる場合の信号及び電流波形の別の一例を示す図である。 本発明の実施の形態３に係る転流装置７を動作させる場合の信号及び電流波形の別の一例を示す図である。 本発明の実施の形態４に係る転流装置７を動作させる場合の信号及び電流波形の別の一例を示す図である。 本発明の実施の形態７に係る電力変換装置を中心とするシステム等の構成の一例を示す図である。 本発明の実施の形態９に係る冷凍空気調和装置の構成図である。

以下、発明の実施の形態に係る逆流防止装置等について図面等を参照しながら説明する。ここで、図１を含め、以下の図面において、同一の符号を付したものは、同一又はこれに相当するものであり、以下に記載する実施の形態の全文において共通することとする。そして、明細書全文に表わされている構成要素の形態は、あくまでも例示であって、明細書に記載された形態に限定するものではない。

実施の形態１．
図１は本発明の実施の形態１に係る電力変換装置を中心とするシステム等の構成の一例を示す図である。はじめに、図１における高効率に電力変換を行うことができる電力変換装置を有するシステム構成について説明する。

図１のシステムにおいて、電力変換装置は、電源１と負荷９との間に設けられ、電源１からの電力を変換して負荷９に供給する。本実施の形態の電力変換装置は、昇圧を行うものとし、例えばチョッパ回路６、転流装置７及び平滑装置８を有している。

図２〜図４は電源１の構成を示す図である。図２は電源１を直流電源１Ａで構成した図である。図３は、単相交流電源１Ｂと整流回路（整流装置）２Ｂとで構成した図である。図４は、三相交流電源１Ｃと整流回路（整流装置）２Ｃとで構成した図である。整流回路２Ｂ及び２Ｃは、例えばダイオード等の整流素子をブリッジ接続して構成し、電源１による電力の整流を行う。このように、本実施の形態の電力変換装置は、様々な形態の電源１に対応することができる。

チョッパ回路６は、リアクタ３、短絡装置（スイッチ装置）４及び逆流防止素子５を有している。リアクタ３は、電源１側に接続され、高調波を抑制するために設けている。また、短絡装置４は、例えばＩＧＢＴ（Ｉｎｓｕｌａｔｅｄ Ｇａｔｅ Ｂｉｐｏｌａｒ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）のようなスイッチング素子を有している。短絡装置４は、制御装置１００からの駆動信号（短絡駆動信号）に基づいてリアクタ３を介して電源１（電源１と接続する２端子間）を短絡する。

逆流防止素子５は、短絡装置４と平滑装置８との間で、平滑装置８からの電流の逆流を防止するための素子である。ここで、逆流防止素子５は、通常は、例えば電気的特性（特にリカバリー特性）に優れ、電流容量が小さく逆回復の時間がはやいファストリカバリーダイオードのような半導体素子とする。また、転流装置７は逆流防止素子５と並列に接続している装置である。そして、逆流防止素子５に流れる電流を、必要なタイミングで、異なった経路（逆流防止素子５を介さない経路）に転流する。逆流防止素子５と転流装置７とにより、負荷９側から電源１側への電流の逆流を防止する逆流防止装置となる。

図５は本発明の実施の形態１に係る逆流防止素子５と並列に転流装置７を接続した場合の構成の一例を示す図である。図５では、転流装置７は、例えば、変圧器７１、変圧器７１の２次側巻線と直列接続するダイオード等の転流用整流素子７２及び変圧器７１を動作させる変圧器駆動回路７３を有している。また、変圧器駆動回路７３は、例えば、変圧器７１に電力供給するための転流用電源７５と、制御装置１００からの駆動信号（転流駆動信号）に基づいて開閉し、変圧器７１（１次側巻線）への電力供給、供給停止を制御する転流用スイッチ７４とを有している。ここで、転流用整流素子７２についても、ファストリカバリーダイオードのような半導体素子で構成するものとする。

転流用整流素子７２には、リカバリー特性が良く、順電圧が低く、ロスの少ない高耐圧なショットキー・バリア・ダイオードを用いてもよい。また、ＳｉＣ（炭化珪素）、ＧａＮ（ガリウムナイトライド、窒化ガリウム）、ダイヤモンド等を材料とするワイドバンドギャップ半導体の素子を用いてもよい。これらの素子は、電流実効値の許容値が大きい仕様になるにつれ、結晶欠陥の増大、コストアップを招く。本実施の形態における転流用整流素子７２に、電流実効値の許容値が小さい素子を使用可能なため、コストパフォーマンスが良好で高効率の電力変換装置を実現することができる。

また、変圧器７１を介するため、逆流防止素子５、変圧器７１の２次側巻線及び転流用整流素子７２と、変圧器駆動回路７３及び制御装置１００との間を絶縁することができる。このため、転流装置７を駆動する信号の注入が比較的簡易に行える。また、安全性・信頼性の高いシステムを構築することができる。

ここで、図５では、変圧器７１の２次側巻線と転流用整流素子７２のアノード側とを接続している例を示しているが、転流用整流素子７２に流す電流の向きが同じであれば、このような接続に限るものではない。例えば、転流用整流素子７２のカソード側と変圧器７１の２次側巻線とを接続するようにしてもよい。また、変圧器駆動回路７３を転流用スイッチ７４と転流用電源７５とで構成しているが、ノイズ対策や故障時保護を考慮し、必要に応じて転流用電源７５、転流用スイッチ７４、変圧器７１の１次側巻線で構成する電気回路に、制限抵抗、高周波コンデンサ、スナバ回路、保護装置等を挿入して構成してもよい。さらに、変圧器７１に、必要に応じて１次側巻線にリセット巻線を付加して励磁電流をリセットするようにしてもよい。さらに整流器等を設けて励磁エネルギーを電源側に回生し、高効率化するようにしてもよい。

平滑装置８は、例えばコンデンサ等を用いて構成し、電源１により印加される電圧を平滑し、負荷９に対して直流電圧（出力電圧、母線電圧）を印加して電力供給を行う。負荷９は平滑装置８を介して供給された電力により駆動する。

また、負荷電圧検出部１０１は、平滑装置８が平滑して負荷９に印加する電圧を検出し、電圧検出値を検出信号により出力する電圧検出器である。電流検出部１０２は、電源１より流れる電流（母線電流）を検出し、電流検出値を検出信号により出力する電流検出器である。電流検出部１０２の電流検出値に基づいて、リアクタ３を流れる電流を検出することもできる。そして、電源電圧検出部１０３は、電源１により印加される電圧を検出し、電圧検出値を検出信号により出力する電圧検出器である。

制御装置１００は、負荷電圧検出部１０１、電流検出部１０２、電源電圧検出部１０３の検出信号から、短絡装置４、転流装置７等の動作時間（短絡時間）を演算処理等する装置である。制御装置１００は、例えば、ＣＰＵ等の処理装置、記憶装置等を有するマイクロコンピュータ、デジタルシグナルプロセッサ等の演算装置、あるいは同様の機能を内部に有する装置等を有している。

図６は本発明の実施の形態１に係る制御装置１００の制御機能をブロック化した構成の一例を示す図である。図６において、オンデューティ演算部１００Ａは、例えば負荷電圧検出部１０１の検出に係る電圧検出値と負荷電圧指令値とに基づき、短絡装置４のオンデューティを演算し、出力信号（オンデューティ信号）を送る。ここでは負荷電圧検出部１０１の検出に係る電圧検出値と負荷電圧指令値とに基づいて演算を行っているが、これに限定するものではない。例えば電流検出部１０２の検出に係る電流検出値と電流指令値とに基づいて演算を行ってもよい。また、電源電圧検出部１０３の検出に係る電圧検出値と負荷電圧指令値とに基づいて演算を行ってもよい。また、電流及び電圧に係る各値を組み合わせて演算を行うようにしてもよい。

駆動信号生成部１００Ｂは、オンデューティ演算部１００Ａからの出力信号に基づいて短絡装置４及び転流装置７の駆動信号を生成し、短絡装置４、転流装置７にそれぞれ送信する。

以上のような本実施の形態のシステムに関する動作について、以下説明する。本実施の形態の電力変換装置は、例えばＤＣチョッパの電力変換動作に、転流装置７における転流動作を加える。これにより、平滑装置８から電流が逆流する前に逆流防止素子５を逆回復させておくようにし、リカバリー電流の低減をはかるものである。

図７〜図９は本発明の実施の形態１に係る電流経路の一例を示す図である。図７〜図９は短絡装置４及び転流装置７内の転流用スイッチ７４の開閉状態の組合せのうち、代表的な動作例による経路を示している。図７〜図９に基づいて本実施の形態における電力変換装置の動作について説明する。ここでは、図３のような単相交流電源１Ｂと整流回路２Ｂとの組み合わせで電源１を構成しているものとする。また、図７〜図９に示すように、整流素子２ａ〜２ｄにより整流回路を構成しているものとする。

図７は、短絡装置４がオフ（開放）及び転流用スイッチ７４がオフの状態を示している。短絡装置４、転流用スイッチ７４をオフ状態としたまま動作させた場合、単純な全波整流回路と等価となる。例えば、電源１の端子のうち、整流素子２ａ、２ｂに接続される側の端子の電位が高い場合、電流経路は、電源１−整流素子２ａ−リアクタ３−逆流防止素子５−負荷９−整流素子２ｄの経路となる。

図８は、短絡装置４がオン（閉止）、転流用スイッチ７４がオフの状態を示している。このとき、電源１−整流素子２ａ−リアクタ３−短絡装置４−整流素子２ｄの経路で短絡電流が流れる。ここで、リアクタ３に印加される電圧は電源１の電圧とほぼ同等となる。

例えば図７のような全波整流において、平滑装置８が放電して負荷９に電流を流す区間では、電源１の入力電流が不通流となる区間が存在する。しかし、短絡装置４をオンした場合、図８のように、リアクタ３を介して短絡電流が流れるため、上記のような不通流区間であっても、電源１による入力電流が流れる。このため、短絡装置４のオン、オフの切り替えを繰り返し行うことで、図７と図８とに示す電流経路を繰り返すことができる。さらにオン、オフの時間割合を制御することで、電源１による入力電流の波形を任意に変形することが可能となり、力率や高調波電流の含有率を改善することができる。

ここで、通常、整流ダイオードの電流容量増加に伴い、蓄積キャリア量は増加していく傾向にある。そのため、電流容量増加と共に、リカバリー電流は増加していくこととなる。また、印加する逆バイアスが大きくなると、リカバリー電流は増加していくこととなる。

本実施の形態では、電流容量の大きい逆流防止素子５に対して、高い逆バイアス電圧を印加して逆回復を行うのではなく、転流装置７により転流経路を形成するようにし、短絡装置４のオン直前に変圧器７１及び転流用整流素子７２を介して低い逆バイアス電圧を印加して逆回復を行う制御（以下、転流制御と称す）を行うものである。

転流制御においては、短絡装置４のオン直前に転流装置７の転流用スイッチ７４をオンし、変圧器７１を介して逆流防止素子５に流れている電流を転流用整流素子７２側に転流する。図９は、短絡装置４がオフ、転流用スイッチ７４がオンしている状態を示している。このときの電流経路は、図７と同様に、電源１−整流素子２ａ−リアクタ３−逆流防止素子５−負荷９−整流素子２ｄの経路となる。さらに、これに加え、転流用スイッチ７４がオンしているため、変圧器７１が励磁され、転流装置７の変圧器７１の２次側巻線−転流用整流素子７２の経路にも電流が流れ込む。そして、一定時間経過後、転流用整流素子７２側の経路に完全に転流することとなる。

図１０は本発明の実施の形態１に係る転流装置７を動作させる場合の信号及び電流波形を示す図である。ここで、短絡装置４及び転流装置７（転流用スイッチ７４）の駆動信号は、ＨＩ側をアクティブ方向（オン方向）としている。図１０のように、短絡装置４の駆動信号がオンとなる直前で、転流装置７の駆動信号をオンとさせる。このとき、励磁電流により変圧器７１の２次側巻線の経路に電流が流れ始める。よって、逆流防止素子５と転流用整流素子７２の各方向に電流が分流して流れる。その後、転流装置７の駆動信号をオン状態に維持すると、逆流防止素子５には電流が流れなくなり、転流用整流素子７２側に全電流が流れることとなる（転流完了）。

転流動作の際、変圧器駆動回路７３内部の転流用電源７５を、平滑装置８の出力電圧と比較して十分小さい値となるよう設定しておくことで、低い逆バイアス電圧にて逆流防止素子５をオフ（逆回復）させることが可能となる。この状態で、短絡装置４をオンすると、転流用整流素子７２の逆回復動作が行われ、この場合にもリカバリー電流は生じる。しかしながら、転流用整流素子７２の通流時間は逆流防止素子５と比較して、ごく短時間のため、転流用整流素子７２に流れる電流の実効電流は小さく、必要とされる電流容量が小さくてすむ。よって、蓄積キャリアの少ない、小容量な素子を用いることができ、逆流防止素子５によって発生する場合と比較して、リカバリー電流の低減が可能となる（ただし、ピーク電流を考慮して素子を選定する）。そして、結果的にシステム全体として、リカバリー電流に起因するノイズ量及び損失を低減することができる。これにより、雑音端子電圧・放射雑音等のレベルが低減し、また、回路損失が抑制される。よってノイズフィルタを小型化することができ、コスト低減をはかることができる。

また、短絡装置４を動作させるための駆動電源（ゲート駆動用電源。図示せず）又は制御装置１００の電源（図示せず）のいずれか一方と、変圧器駆動回路７３の転流用電源７５とを共通化することができる。このため、新たに電源を作成する必要がなくなり、コストアップを避けることができる。

以上のように、転流装置７による転流動作により、逆流防止素子５におけるリカバリー電流を低減し、損失を小さくすることで、システム全体としてさらに効率よく電力変換等を行うことができる。ここで、転流装置７の転流動作と、転流動作を行うための励磁動作は、電力変換装置が行う電力変換に直接寄与するものではなく、損失となる。したがって、転流動作及び励磁動作が少ないほど、転流動作に係る電力が少なくなり、効率が良く、省エネルギである。転流動作に係る電力を低減するには、転流動作が必要な時間だけ転流動作、励磁動作を行えばよい。

図１１は本発明の実施の形態１に係る転流装置７を動作させる場合の信号及び電流波形の一例を示す図である。転流動作が行われる時間は、図１１に示すように、転流用整流素子７２に電流が流れる時間（転流用パルス幅ＴＤ１で表される時間）となる。転流動作の時間を短くしようとすれば転流用パルス幅ＴＤ１の幅を狭くすればよい。そして、制御装置１００は、転流動作に必要な時間分、転流用パルス幅ＴＤ１の電流が流れるようなパルス幅ＴＤ２の転流駆動信号を転流装置７に送ればよい。

ここでは、転流動作に必要な最小時間となる転流用パルス幅ＴＤ１の最小値（最小時間）を求めるために、リアクタ３を流れる電流（リアクタ電流）Ｉｄｃ＿０（ｎ）を算出する。ここで、Ｉｄｃ＿０（ｎ）は、図１１に示すように、リアクタ電流の谷の部分であり、転流動作を行うために最低限必要な電流である。ここでは、リアクタ電流Ｉｄｃ＿０（ｎ）を算出しているが、転流動作時において逆流防止素子５を流れる電流を検出又は推測することができればなおよい。

短絡装置４がオンの期間は、リアクタ電流は傾きｋａ＝Ｖｓ／Ｌで直線的に増加する。ここで、電圧Ｖｓは電源１からの印加電圧である。また、Ｌはリアクタ３のインダクタンスである。一方、短絡装置４がオフの期間は、リアクタ電流は傾きｋｂ＝（Ｖｓ−Ｖｄｃ）／Ｌで直線的に減少する。ここで、電圧Ｖｄｃは負荷９への印加電圧である。

そして、制御装置１００はＩｄｃ＿０（ｎ）を算出する。ここで、電流検出部１０２の電流検出値を取得するタイミングにより、Ｉｄｃ＿０（ｎ）の算出手順が異なる。例えば、制御装置１００がキャリア信号の谷に同期して電流検出部１０２の電流検出値Ｉｄｃ（ｎ）を取得すると次式（１）に基づいて算出する。ここで、Ｔｏｎは、短絡装置４のオン時間である。また、Ｔｏｆｆは、短絡装置４のオフ時間である。

また、制御装置１００がキャリア信号の山に同期して電流検出部１０２の電流検出値Ｉｄｃ（ｎ）を取得すると次式（２）に基づいて算出する。

転流用パルス幅ＴＤ１の最小幅は、次式（３）で算出することができる。ここで、Ｌｃｃは変圧器７１の２次側巻線における漏れインダクタンスである。ここでは、式（３）に基づいているが、転流用パルス幅ＴＤ１を算出することが可能であれば、他のパラメータを用いて算出を行うようにしてもよい。

図１２は本発明の実施の形態１に係る電力変換装置を中心とするシステム等の構成の別の一例を示す図である。図１２において、図１と同じ符号を付している機器については、図１において説明したことと同様の動作等を行う。本実施の形態では、式（３）に示す電圧Ｖｄｃは負荷電圧検出部１０１の検出に係る電圧検出値を用いることができる。例えば負荷電圧検出部１０１を設けていない場合には、制御装置１００に入力される電圧指令値等に基づいて算出するようにしてもよい。また、ここでは、電圧Ｖｄｃとしているが、逆流防止素子５に印加される電圧（両端電圧）を検出又は推測することができればなおよい。検出方法としては、例えば図１２に示すように、両端電圧検出部１０５を有し、逆流防止素子５の両端電圧を検出するようにする。

また、漏れインダクタンスＬｃｃについては、例えば制御装置１００が有する記憶装置等にあらかじめ数値のデータとして記憶しておくようにしてもよい。このとき、一般的な変圧器のインダクタンスと漏れインダクタンスの割合（例えば変圧器のインダクタンスの１割等）を考慮した数値をデータとして記憶しておくようにしてもよい。また、温度、電流等で変化する場合には、テーブル形式のデータとして有しておき、算出時の温度、電流等に基づいて、数値を選択するようにしてもよい。また、ここでは、漏れインダクタンスＬｃｃとしているが、転流動作において、転流装置７に流れる電流の増加率を検出又は推測することができればなおよい。

以上のように算出した転流用パルス幅ＴＤ１の最小値を、そのまま用いてＴＤ１＝ＴＤ２とするパルス幅ＴＤ２の転流駆動信号を送ってもよいが、ここでは、ＴＤ１にマージンαを設けてＴＤ２＝ＴＤ１＋αとする転流駆動信号を送る。これは、例えば、転流装置７の部品（変圧器７１、転流用スイッチ７４、転流用整流素子７２等）の特性バラツキを考慮したものである。また、短絡装置４が有するスイッチング素子の特性バラツキ、スイッチング速度（スイッチング素子のゲート抵抗のバラツキ、温度特性）も考えられる。例えばスイッチング速度とスイッチング素子における損失とはトレードオフである関係を利用して、負荷９等に応じてスイッチング速度を可変にする場合にはスイッチング速度に応じてマージンαの調整を行うようにしてもよい。

図１３は電源１に交流電源を用いた場合の電圧を示す図である。図１３に示すように、電源１が交流電源と整流回路との組み合わせである場合には、電源位相によって、整流後の電圧値が異なる。

図１４は本発明の実施の形態１に係る電源位相が図１３のＡ及びＣのときの信号及び電流波形の一例を示す図である。例えば、図１３に示すＡ及びＣにおける電源位相では、力率改善をするようにチョッパ回路６を動作させた場合、図１４に示すように、流れる電流が少なくなる。そして、逆流防止素子５を流れるリカバリー電流は小さくなる。

図１５は本発明の実施の形態１に係る電源位相が図１３のＢ及びＤのときの信号及び電流波形の一例を示す図である。例えば、図１３に示すＢ及びＤにおける電源位相では、力率改善をするようにチョッパ回路６を動作させた場合、図１５に示すように、流れる電流が多くなる。そして、逆流防止素子５を流れるリカバリー電流は大きくなる。

整流後の電圧値が小さい場合には昇圧比が大きくなり、整流後の電圧値が大きい場合には昇圧比が小さくなるため、図１４、図１５の状態を判断するには、電源位相のほか、昇圧比からも判断が可能である。ただし、負荷電圧指令値を変化させる場合、電源電圧変動等で整流後の電圧値が変動する場合当においては、電源位相にかかわらず、昇圧比が変化する。

負荷電圧指令値の変化により昇圧比が変化する場合、昇圧比が大きくなると、短絡装置４のオンデューティが増加するので、リアクタ電流のリプルが増加して、Ｉｄｃ＿０（ｎ）が小さくなり、逆流防止素子５を流れるリカバリー電流が小さくなる。一方、昇圧比が小さくなると短絡装置４のオンデューティが減少するので、リアクタ電流のリプルが減少して、Ｉｄｃ＿０（ｎ）が大きくなり、逆流防止素子５を流れるリカバリー電流が大きくなる。したがって、昇圧比とリカバリー電流の関係は、図１３、図１４、図１５で説明したようなケースと同様の傾向で変化する。

一方で、電源電圧変動により昇圧比が変化する場合、昇圧比が大きくなると、短絡装置４のオンデューティが増加するので、リアクタ電流のリプルが増加するが、負荷９に出力する電力を同等とするためにリアクタ電流の平均値が増加する。このため、結果としてＩｄｃ＿０（ｎ）が大きくなり、逆流防止素子５を流れるリカバリー電流が大きくなる。一方、昇圧比が小さくなると短絡装置４のオンデューティが減少するので、リアクタ電流のリプルが減少するが、負荷９に出力する電力を同等とするためにリアクタ電流の平均値が減少する。このため、Ｉｄｃ＿０（ｎ）が小さくなり、逆流防止素子５を流れるリカバリー電流が小さくなる。したがって、昇圧比とリカバリー電流の関係は、図１３、図１４、図１５で説明したようなケースと逆の傾向で変化する。

このように、昇圧比、交流電源を用いる場合の電源位相（単相では２ｆ、三相では６ｆ）、電源電圧変動等が異なることを考慮して、マージンを設定するようにしてもよい。また、装置の動作状況に応じて、マージンαを変化させるようにしてもよい。

制御装置１００は、以上のようにして決定したパルス幅ＴＤ２の転流駆動信号を転流装置７に送り、転流動作を行わせる。

以上のように、本実施の形態のシステムによれば、リアクタ電流等の算出等を行い、転流用パルス幅ＴＤ１の最小幅を算出し、最小幅に合わせて転流駆動信号を送信して、転流装置７に転流動作を行わせるようにしたので、転流動作を行う時間をできるだけ短くすることができ、電力変換に寄与しない転流動作に係る電力を低減し、省エネルギをはかることができる。

実施の形態２．
図１６は本発明の実施の形態２に係る転流装置７を動作させる場合の信号及び電流波形の別の一例を示す図である。上述の実施の形態１では、転流用パルス幅ＴＤ１の最小値を求めるために、転流動作時において逆流防止素子５を流れる電流を検出又は推測することができる電流として、リアクタ３を流れる電流（リアクタ電流）Ｉｄｃ＿０（ｎ）を算出した。本実施の形態では、短絡装置４を流れる短絡電流（スイッチング電流）に基づいてリアクタ電流Ｉｄｃ＿０（ｎ）の算出を行うものとする。

図１６に示すように、短絡装置４がオンしている間は、スイッチング電流は、リアクタ電流と同様に傾きｋａ＝Ｖｓ／Ｌで直線的に増加する。また、短絡装置４がオフしている間は、スイッチング電流は０である（流れない）。

したがって、例えば制御装置１００がキャリア信号の谷に同期して、スイッチング電流を電流検出値Ｉｄｃ（ｎ）として取得すると、前述した式（１）に基づいてＩｄｃ＿０（ｎ）を算出することができる。

以上のように、実施の形態２のシステムによれば、制御装置１００は、オンしている間に、短絡装置４に流れるスイッチング電流に基づいてリアクタ電流Ｉｄｃ＿０（ｎ）の算出を行うことができる。

実施の形態３．
図１７は本発明の実施の形態３に係る転流装置７を動作させる場合の信号及び電流波形の別の一例を示す図である。本実施の形態は、転流動作時において逆流防止素子５を流れる電流（素子電流）に基づいてリアクタ電流Ｉｄｃ＿０（ｎ）の算出を行うものとする。図１７に示すように、短絡装置４がオンしている間は、素子電流は０である（流れない）。短絡装置４がオフしている間は、素子電流は傾きｋｂ＝（Ｖｓ−Ｖｄｃ）／Ｌで直線的に減少する。

したがって、例えば制御装置１００がキャリア信号の山に同期して、スイッチング電流を電流検出値Ｉｄｃ（ｎ）として取得すると、前述した式（２）に基づいてＩｄｃ＿０（ｎ）を算出することができる。

以上のように、実施の形態３のシステムによれば、制御装置１００は、短絡装置４がオフしている間に、転流動作時の逆流防止素子５に流れる素子電流に基づいてリアクタ電流Ｉｄｃ＿０（ｎ）の算出を行うことができる。

実施の形態４．
図１８は本発明の実施の形態４に係る転流装置７を動作させる場合の信号及び電流波形の別の一例を示す図である。本実施の形態は、交流電源と整流回路との組み合わせによる電源１から供給される電流（電源電流）に基づいてリアクタ電流Ｉｄｃ＿０（ｎ）の算出を行うものとする。図１８に示すように、電源電流が正である間は、電源電流＝リアクタ電流となる。一方、電源電流が負である間は、電源電流＝−リアクタ電流となる。したがって、電源電流よりリアクタ電流がわかるので、上述した式（１）又は式（２）に基づいて、リアクタ電流Ｉｄｃ＿０（ｎ）を算出することができる。

実施の形態５．
上述の各実施の形態では特に規定しなかったが、例えば算出等して決定した転流用パルス幅ＴＤ１又はパルス幅ＴＤ２（転流動作を行う時間）に対して、決定可能な上限値及び下限値を設定するようにしてもよい。例えば、転流動作を行わない場合のリカバリー損失＜転流動作を行うことにより発生する損失（電力）の場合には、転流動作を行う必要はない。そこで、転流動作を行わない場合のリカバリー損失と同等の損失となるパルス幅を上限値として設定してもよい。また、上述したように、昇圧比が大きい場合等により電力変換装置に流れる電流が少ないと、逆流防止素子５を流れるリカバリー電流が小さい場合がある。この場合には、転流動作を行う効果が小さいことがある。さらに、転流装置７に流れる電流が、転流装置が有する素子等の電流容量を超えないように上限値等を設定してもよい。制御装置１００は、決定した転流用パルス幅ＴＤ１又はパルス幅ＴＤ２（転流動作を行う時間）が上限値以上であると判断すると、転流駆動信号のパルスの送信を行わないようにする。さらに、例えばチョッパ回路６で発生するリカバリー電流が最小となる条件に合わせて下限値等を設定してもよい。

以上のように、上限値及び下限値を設定し、上限値及び下限値で規定する範囲から外れた転流動作を行わないようにしたので、転流動作を行わない方が損失が少ない場合等において、転流動作を行うことによる損失を低減することができる。また、電流が過度に流れる等を防止することができ、転流装置７の素子等を保護することができ、安全性を向上させることができる。また、電流容量の小さい整流素子を用いることができるので、コスト低減をはかることができる。

実施の形態６．
上述した実施の形態では、転流動作を行う毎に転流用パルス幅ＴＤ１及びパルス幅ＴＤ２を算出するようにしたが、これに限定するものではない。例えば、制御装置１００は、転流用パルス幅ＴＤ１及びパルス幅ＴＤ２を算出する（パルス幅を変化させる場合）と転流用パルス幅ＴＤ１及びパルス幅ＴＤ２を算出しない場合（パルス幅を固定させる場合）とを切り替えられるようにしてもよい。

例えば、電源１が印加する電圧のばらつきが小さい場合、負荷９に変化がなくなり、略一定になった場合等には、電力変換装置の動作が安定するので、パルス幅を固定させるようにしてもよい。また、制御装置１００が転流動作毎の算出処理が行えないような場合等においてもパルス幅を固定させるようにしてもよい。パルス幅を固定することにより、制御装置１００の処理負荷を減らすことができる。

実施の形態７．
図１９は本発明の実施の形態７に係る電力変換装置を中心とするシステム等の構成の一例を示す図である。図１９において、図１と同じ符号を付している機器等については、実施の形態１で説明したことと同様の動作、処理等を行う。

図１９において、遮断装置１１０は、制御装置１００から送られる転流駆動信号を強制的に遮断する装置である。例えば、転流装置７に転流動作させてリカバリー電流を低減させる効果が小さい場合がある。例えば負荷９が小さい場合には、小さい効果のまま、転流動作が継続して行われることがある。このような場合に、遮断装置１１０は転流駆動信号を遮断するものと判定して遮断を行う。

例えば、リアクタ３の電流モードが不連続モード又は臨界モードであるときに、遮断装置１１０は、リアクタ電流を検出して遮断を行うかどうかを判定するようにしてもよい。また、負荷９の大小に基づいて、遮断を判定するようにしてもよい。例えば、電源１が直流電源の場合には、リアクタ３の電流モードにおいて、連続モードと、不連続モード又は臨界モードとの切り替わりにより負荷９の大小を判断するようにしてもよい。また、リアクタ３の電流モードにおいて、連続モードと、不連続モード又は臨界モードとの割合が任意の値を超えるときの負荷を記憶装置等に記憶しておいて遮断の判定を行うようにしてもよい。

以上のように、遮断装置１１０を設けることにより、不要な転流動作を行わない用にすることができる。本実施の形態では、制御装置１００とは別に遮断装置１１０を設けたが、制御装置１００が遮断装置１１０の処理を行うようにしてもよい。

実施の形態８．
上述の実施の形態では、転流装置７が転流の対象とする装置を昇圧を行うチョッパ回路６とし、電源１の電圧を昇圧した電力変換を行う電力変換装置について説明したが、これに限定するものではない。昇圧の代わりに、例えば降圧、昇降圧等の電圧等を変化させて負荷９に供給する電力の変換を行うことができる電圧可変装置を適用した電力変換装置においても適用することができ、上述した各実施の形態で説明したことと同様の効果を奏することができる。

実施の形態９．
図２０は本発明の実施の形態９に係る冷凍空気調和装置の構成図である。本実施の形態では、上述した電力変換装置を介して電力供給を行う冷凍空気調和装置について説明する。図２０の冷凍空気調和装置は、熱源側ユニット（室外機）３００と負荷側ユニット（室内機）４００とを備え、これらが冷媒配管で連結され、主となる冷媒回路（以下、主冷媒回路と称す）を構成して冷媒を循環させている。冷媒配管のうち、気体の冷媒（ガス冷媒）が流れる配管をガス配管５００とし、液体の冷媒（液冷媒。気液二相冷媒の場合もある）が流れる配管を液配管６００とする。

熱源側ユニット３００は、本実施の形態においては、圧縮機３０１、油分離器３０２、四方弁３０３、熱源側熱交換器３０４、熱源側ファン３０５、アキュムレータ３０６、熱源側絞り装置（膨張弁）３０７、冷媒間熱交換器３０８、バイパス絞り装置３０９及び熱源側制御装置３１０の各装置（手段）で構成する。

圧縮機３０１は、吸入した冷媒を圧縮して吐出する。ここで、圧縮機３０１は、運転周波数を任意に変化させることにより、圧縮機３０１の容量（単位時間あたりの冷媒を送り出す量）を細かく変化させることができるものとする。そして、上述した各実施の形態において説明した電力変換装置が、圧縮機３０１（モータ）を駆動させる電力を供給する電源１と負荷９となる圧縮機３０１等との間に取り付けられている。

油分離器３０２は、冷媒に混じって圧縮機３０１から吐出された潤滑油を分離させるものである。分離された潤滑油は圧縮機３０１に戻される。四方弁３０３は、熱源側制御装置３１０からの指示に基づいて冷房運転時と暖房運転時とによって冷媒の流れを切り換える。また、熱源側熱交換器３０４は、冷媒と空気（室外の空気）との熱交換を行う。例えば、暖房運転時においては蒸発器として機能し、熱源側絞り装置３０７を介して流入した低圧の冷媒と空気との熱交換を行い、冷媒を蒸発させ、気化させる。また、冷房運転時においては凝縮器として機能し、四方弁３０３側から流入した圧縮機３０１において圧縮された冷媒と空気との熱交換を行い、冷媒を凝縮して液化させる。熱源側熱交換器３０４には、冷媒と空気との熱交換を効率よく行うため、熱源側ファン３０５が設けられている。熱源側ファン３０５についても、上述の各実施の形態に記載した電力変換装置を介して電力供給を行い、例えば負荷９となるインバータ装置においてファンモータの運転周波数を任意に変化させてファンの回転速度を細かく変化させるようにしてもよい。

冷媒間熱交換器３０８は、冷媒回路の主となる流路を流れる冷媒と、その流路から分岐してバイパス絞り装置３０９（膨張弁）により流量調整された冷媒との間で熱交換を行う。特に冷房運転時において冷媒を過冷却する必要がある場合に、冷媒を過冷却して負荷側ユニット４００に供給するものである。バイパス絞り装置３０９を介して流れる液体は、バイパス配管を介してアキュムレータ３０６に戻される。アキュムレータ３０６は例えば液体の余剰冷媒を溜めておく手段である。熱源側制御装置３１０は、例えばマイクロコンピュータ等からなる。そして、負荷側制御装置４０４との間で有線又は無線通信することができ、例えば、冷凍空気調和装置内の各種検知手段（センサ）の検知に係るデータに基づいて、インバータ回路制御による圧縮機３０１の運転周波数制御等、冷凍空気調和装置に係る各機器（手段）を制御して冷凍空気調和装置全体の動作制御を行う。また、上述した各実施の形態における制御装置１００が行う処理を、熱源側制御装置３１０が行うようにしてもよい。

一方、負荷側ユニット４００は、負荷側熱交換器４０１、負荷側絞り装置（膨張弁）４０２、負荷側ファン４０３及び負荷側制御装置４０４で構成される。負荷側熱交換器４０１は冷媒と空気との熱交換を行う。例えば、暖房運転時においては凝縮器として機能し、ガス配管５００から流入した冷媒と空気との熱交換を行い、冷媒を凝縮させて液化（又は気液二相化）させ、液配管６００側に流出させる。一方、冷房運転時においては蒸発器として機能し、負荷側絞り装置４０２により低圧状態にされた冷媒と空気との熱交換を行い、冷媒に空気の熱を奪わせて蒸発させて気化させ、ガス配管５００側に流出させる。また、負荷側ユニット４００には、熱交換を行う空気の流れを調整するための負荷側ファン４０３が設けられている。この負荷側ファン４０３の運転速度は、例えば利用者の設定により決定される。負荷側絞り装置４０２は、開度を変化させることで、負荷側熱交換器４０１内における冷媒の圧力を調整するために設ける。

また、負荷側制御装置４０４もマイクロコンピュータ等からなり、例えば熱源側制御装置３１０との間で、有線又は無線通信することができる。熱源側制御装置３１０からの指示、居住者等からの指示に基づいて、例えば室内が所定の温度となるように、負荷側ユニット４００の各装置（手段）を制御する。また、負荷側ユニット４００に設けられた検知手段の検知に係るデータを含む信号を送信する。

以上のように実施の形態９の冷凍空気調和装置では、上述した各実施の形態における逆流防止装置を有する電力変換装置を用いて圧縮機３０１、熱源側ファン３０５等への電力供給を行うようにしたので、高効率、高信頼性、省エネルギの冷凍空気調和装置を得ることができる。

前述した実施の形態９では、本発明に係る電力変換装置を冷凍空気調和装置に適用する場合について説明したが、これに限定するものではない。ヒートポンプ装置、冷蔵庫等の冷凍サイクル（ヒートポンプサイクル）を利用する装置、エレベータ等の搬送機器等、照明器具（システム）にも適用することができる。

１ 電源、１Ａ 直流電源、１Ｂ 単相交流電源、１Ｃ 三相交流電源、２Ｂ，２Ｃ 整流回路、２ａ、２ｂ、２ｃ、２ｄ 整流素子、３ リアクタ、４ 短絡装置、５ 逆流防止素子、６ チョッパ回路、７ 転流装置、７１ 変圧器、７２ 転流用整流素子、７３ 変圧器駆動回路、７４ 転流用スイッチ、７５ 転流用電源、８ 平滑装置、９ 負荷、１００ 制御装置、１００Ａ オンデューティ演算部、１００Ｂ 駆動信号生成部、１０１ 負荷電圧検出部、１０２ 電流検出部、１０３ 電源電圧検出部、１０５ 両端電圧検出部、１１０ 遮断装置、３００ 熱源側ユニット、３０１ 圧縮機、３０２ 油分離器、３０３ 四方弁、３０４ 熱源側熱交換器、３０５ 熱源側ファン、３０６ アキュムレータ、３０７ 熱源側絞り装置、３０８ 冷媒間熱交換器、３０９ バイパス絞り装置、３１０ 熱源側制御装置、４００ 負荷側ユニット、４０１ 負荷側熱交換器、４０２ 負荷側絞り装置、４０３ 負荷側ファン、４０４ 負荷側制御装置、５００ ガス配管、６００ 液配管。

Claims (11)

1. 電源と負荷との間に接続され、前記負荷側から前記電源側への電流の逆流を防止する逆流防止素子と、
   該逆流防止素子と並列接続した別経路に電流を流す転流動作を行う転流装置と、
   前記電源と前記負荷との間における、前記逆流防止素子に印加される電圧を検出又は推測可能な位置に設置された電圧検出器と、
   前記転流動作させる転流駆動信号を生成し、該転流駆動信号に基づいて前記転流装置に前記転流動作を行わせる制御装置とを備え、
   前記制御装置は、前記電圧検出器の検出に係る電圧に基づいて、前記転流動作させる時間を決定し、決定した時間に基づく前記転流駆動信号を前記転流装置に送る逆流防止装置。
2. 前記制御装置は、パルス幅の前記転流駆動信号を前記転流装置に送る請求項１に記載の逆流防止装置。
3. 前記電源と前記負荷との間における、前記逆流防止素子に流れる電流を検出又は推測可能な位置に電流検出器を備える請求項１又は２に記載の逆流防止装置。
4. 前記電源は、交流電源と整流装置とを有し、
   前記電源から流れる電流経路に前記電流検出器を備える請求項３に記載の逆流防止装置。
5. 前記逆流防止素子の両端電圧を検出する前記電圧検出器又はリアクタ、スイッチング素子及び前記逆流防止装置を備える回路から出力される電圧を検出する前記電圧検出器を備える請求項１に記載の逆流防止装置。
6. 前記決定可能な時間の上限値及び下限値の少なくとも一方を設定する請求項１又は２に記載の逆流防止装置。
7. 前記制御装置は、前記転流動作を行わせる時間を固定するか又は変化させるかを切り替え可能とする請求項１〜６のいずれか一項に記載の逆流防止装置。
8. 前記制御装置は、前記電源の電圧変化量又は前記負荷に基づいて前記切り替えを行う請求項７に記載の逆流防止装置。
9. 前記転流駆動信号を遮断する遮断装置をさらに備える請求項１〜８のいずれか一項に記載の逆流防止装置。
10. 請求項１〜９のいずれか一項に記載の逆流防止装置を備え、電源と負荷との間で電力変換を行う電力変換装置。
11. 請求項１０に記載の電力変換装置を、圧縮機又は送風機の少なくとも一方を駆動するために備えることを特徴とする冷凍空気調和装置。

Images