JP6265304B2 - 電力変換装置 - Google Patents

Description

この発明は、空気調和機等の家電機器に実装され、交流電力を直流電力へ変換するコンバータ動作を行う電力変換装置に関するものであり、特に過電圧保護回路を備えた電力変換装置に関するものである。

空気調和機等の家電機器の過電圧保護回路として、１００Ｖ電源仕様の家電機器に誤って２００Ｖ電源を印可した場合に対処するものがある（例えば、特許文献１参照）。この過電圧保護回路では、交流電力を整流して得た直流電力を平滑する平滑コンデンサの電圧を電圧検出回路で検出し、平滑コンデンサの過電圧状態を検出した際にはリレースイッチを切り替えることにより負荷側への電力供給を遮断するとともに、発光素子やブザーを用いて光や音で家電機器の利用者に電源の過電圧状態を報知するものである。

また、車両のエンジンコントロールユニット（ＥＣＵ）の過電圧保護回路として、電源電圧を保持する電解コンデンサの過電圧を検知した際には積極的に過電圧状態を解消するようにしたものがある（例えば、特許文献２参照）。この過電圧保護回路では、昇圧回路により充電される電解コンデンサの充電電圧をマイコンで監視し、電解コンデンサの充電電圧が所定の耐電圧を超えた場合には電解コンデンサの電荷を放電させる放電手段を設けることにより、積極的に過電圧状態を解消するようにしている。

特開平２−３１１１２５号公報 特開平９−１２７１７４号公報

特許文献１記載の過電圧保護回路は、過電圧検出時に過電圧状態を家電機器の利用者に報知する機能と負荷側への直流電力供給を遮断する機能を有しているものの、リレースイッチより電源側にある整流回路や電圧検出回路等の回路には過電圧が印加され続ける構成になっている。この為、リレースイッチより電源側にある回路部品の耐電圧特性によっては部品破壊若しくは部品不良が起こる可能性がある。

また、特許文献２記載の過電圧保護回路は、過電圧検出時に電解コンデンサの電荷を放電させる放電手段を設けているものの、過電圧状態が昇圧回路の故障により発生し、昇圧回路からの充電電荷量が放電手段による放電電荷量よりも大きくなる状態が継続した場合には、放電手段が動作しても過電圧状態が解消されず、電解コンデンサ等の回路部品が耐圧故障となる可能性がある。

この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あり、本発明の第１の目的は、交流電力から変換して得た直流電力を平滑する平滑コンデンサの過電圧状態を検出するとともに、過電圧状態が昇圧回路の故障により発生した場合でも、平滑コンデンサ、及びその他の回路構成部品を耐電圧故障から保護することができる電力変換装置を得ることである。また、本発明の第２の目的は、過電圧保護機能を有する電力変換装置を備えた空気調和機等の家電機器を得ることである。

本発明の電力変換装置は、交流電源の交流電圧を整流して直流電圧を出力する第１の整流回路と、前記第１の整流回路の直流電圧出力を変換して変換後の直流電圧を出力するコンバータ主回路と、前記コンバータ主回路の直流電圧出力を平滑する主回路コンデンサと、前記交流電源と前記第１の整流回路間の交流電圧経路に設けられた第１の開閉手段と、前記第１の開閉手段の交流電源側端子と前記主回路コンデンサの正極端子間に直列接続された第２の開閉手段及び逆流防止用ダイオードと、コンデンサを有し、前記交流電源の交流電圧を整流して直流電圧を出力する第２の整流回路と、前記第２の整流回路が出力する直流電圧に基づき過電圧状態を検出する過電圧検出回路と、前記過電圧検出回路が過電圧状態を検出した際に、前記第２の整流回路のコンデンサの電荷を放電する放電回路と、前記過電圧検出回路が検出した過電圧状態に基づき、前記第１の開閉手段及び前記第２の開閉手段を制御する制御手段とを備え、前記制御手段は、前記過電圧状態が所定の時間以上継続した際には、閉状態にある前記第１の開閉手段及び前記第２の開閉手段を開放することを特徴とするものである。

本発明の電力変換装置は、整流回路のコンデンサの電荷を放電する放電回路とともに、第１の開閉手段及び前記第２の開閉手段を制御する制御手段を備えたので、整流回路のコンデンサの端子間電圧が部品耐圧を超えない電圧レベルに抑えることが可能であるとともに、コンバータ主回路を含む回路部品を過電圧による部品故障から保護することができる。

実施の形態における電力変換装置を含む空気調和機システムの構成を示す図。 実施の形態における全体動作モードの遷移パターンを示す図。 動作モードが起動（１）モードである時の電流経路（電源電圧位相が正のケース）を示す図 動作モードが起動（１）モードである時の電流経路（電源電圧位相が負のケース）を示す図 動作モードが無効電力削減モードである時の電流経路（電源電圧位相が負のケース）を示す図 動作モードが無効電力削減モードである時の電流経路（電源電圧位相が正のケース）を示す図 過電圧保護回路の動作を示す図（マイコンが過電圧継続状態を検出しなかったケース） 過電圧保護回路の動作を示す部分図（マイコンが過電圧継続状態を検出しなかったケース） マイコンの制御動作フロー図 動作モードが起動（２）モードである時の電流経路（電源電圧位相が正のケース）を示す図 動作モードが起動（２）モードである時の電流経路（電源電圧位相が負のケース）を示す図 過電圧保護回路の動作を示す図（マイコンが過電圧継続状態を検出したケース） 過電圧検出回路及び放電回路の動作を示す部分図（マイコンが過電圧継続状態を検出したケース）

本発明に係る電力変換装置の実施の形態について、図に基づいて構成及び動作を説明する。図１に本実施の形態の電力変換装置を搭載した空気調和機を含むシステム構成を示す。なお、空気調和機の電力変換装置に関連する部分のみ図示し、熱交換器、冷媒配管等の空気調和機が通常備えている構成部分については適宜省略している。

本システムは、空気調和機の室外機１及び室内機２と、室外機１に交流電力を供給する交流電源（ＡＣ）３と、交流電源３と室外機１を接続する電源線上に設けられたブレーカ（ＢＲ）４とから構成される。

次に、室外機１内部の電力変換装置の構成を説明する。交流電源３からの電源線はブレーカ４を経由してノイズフィルタ５及びノイズフィルタ６の電源側端子に接続される。ノイズフィルタ６の負荷側端子には室内機２が接続される。ブレーカ４をオン（ＯＮ）することにより、交流電源３の交流電力が室外機１のノイズフィルタ６経由で室内機２に供給されるとともに、ノイズフィルタ５経由で室外機１内部の後述するコンバータ主回路やインバータ主回路等を含んだ電力変換装置にも供給される。

ノイズフィルタ５の負荷側端子の一端には第１の開閉手段であるリレー（ＲＬ）７の一端が接続され、リレー７の他端とノイズフィルタ５の負荷側端子の他端の間にはノイズ除去用のコンデンサ８が接続される。コンデンサ８の両端には第１の整流回路であるダイオードブリッジで構成した全波整流回路（ＤＢ）９の電源側端子が接続される。全波整流回路９は交流電源３から供給される交流電圧を整流して直流電圧を出力する。リレー７は交流電源３と全波整流回路９間の交流電圧経路に設けられているので、リレー７を開放することで交流電源３から全波整流回路９への交流電圧の供給を遮断することができる。

全波整流回路９の負荷側端子にはコンバータ主回路１０が接続される。コンバータ主回路１０は、全波整流回路９の直流電圧出力を変換して変換後の直流電圧を出力する。ここではコンバータ主回路１０として力率改善（ＰＦＣ）コンバータを用いた場合で説明する。なお、コンバータ主回路１０の構成はこれに限定されるものではなく、公知の技術を適用してこれ以外のコンバータ主回路を構成するようにしてもよい。

力率改善（ＰＦＣ）コンバータであるコンバータ主回路１０は、リアクタ１１ａ，１１ｂと、ＭＯＳＦＥＴ（電解効果トランジスタ）等のスイッチング素子１２ａ，１２ｂと、逆流防止用ダイオード１３ａ，１３ｂと、電流検出用のシャント抵抗１４ａ，１４ｂとで構成される。そして、図示しないコンバータ制御用マイコンを用いて、シャント抵抗１４ａ，１４ｂで検出した電流値等の情報に基づいて、リアクタ１１ａ，１１ｂとに流れる電流に位相差が生じるようにスイッチング素子１２ａ，１２ｂを制御することで、コンバータ出力として昇圧された電圧を得ることができる。コンバータ主回路１０の出力側には主回路コンデンサ１５が設けられ、コンバータ出力電圧により主回路コンデンサ１５が充電されることで、主回路コンデンサ１５の端子間に平滑化した直流電圧が生成される。主回路コンデンサ１５としては電解コンデンサが好適である。なお、力率改善コンバータの詳細構成については例えば特許公報（特許第５４４３３６４号）に開示されているものを利用することができる。

リレー７の交流電源側端子にはＰＴＣサーミスタ１６（ＰＴＣ: Positive Temperature Coefficient）の一端が接続され、ＰＴＣサーミスタ１６の他端には第２の開閉手段であるリレー（ＲＬ）１７の一端が接続される。リレー１７の他端には逆流防止用ダイオード１８のアノードが接続され、逆流防止用ダイオード１８のカソードには主回路コンデンサ１５の正極端子が接続される。このようにリレー７の交流電源側端子と主回路コンデンサ１５の正極端子間にＰＴＣサーミスタ１６、リレー１７、逆流防止用ダイオード１８が直列接続されることで、主回路コンデンサ１５へのバイパス充電経路が形成される。このバイパス充電経路にＰＴＣサーミスタ１６を設けることで、主回路コンデンサ１５を充電する際の突入電流を抑制することができる。なお、主回路コンデンサ１５等の回路部品のデバイス特性に応じて、ＰＴＣサーミスタ１６の代わりに通常の抵抗素子を用いてもよい。また、ダイオード１８には全波整流回路９やコンバータ主回路１０内のダイオードよりも電流耐量が大きいスペックの素子を用いることが望ましい。

主回路コンデンサ１５の端子間にはインバータ主回路１９が接続され、インバータ主回路１９には室外機１に搭載される圧縮機のモータ２０が接続される。モータ２０には例えばブラシレスＤＣモータが適用される。インバータ主回路１９は図示しないインバータ制御用マイコンを用いて、インバータ主回路１９内のスイッチング素子をオン・オフ駆動することにより、モータ２０を回転駆動する。なお、インバータ主回路１９はＩＰＭ（Intelligent Power Module）で構成してもよい。

リレー７の交流電源側端子にはもう１つのＰＴＣサーミスタ２１の一端が接続され、ＰＴＣサーミスタ２１の他端にはダイオード２２のアノードとダイオード２３のカソードが接続される。ダイオード２２のカソードには平滑コンデンサ２４の正極端子が接続され、ダイオード２３のアノードには平滑コンデンサ２４の負極端子が接続される。ダイオード２２、ダイオード２３、及び平滑コンデンサ２４で交流電源３の交流電圧を整流して直流電圧を出力する第２の整流回路を構成する。平滑コンデンサ２４としては電解コンデンサが好適である。また、後述するように、平滑コンデンサ２４の電圧は室外機１の起動時に利用されるものであるため、平滑コンデンサ２４の容量は主回路コンデンサ１５よりも小容量でよい。

ＤＣ／ＤＣコンバータ２５は平滑コンデンサ２４に並列接続され、平滑コンデンサ２４の端子間電圧を入力してマイコン２６等の室外機１内の回路素子で使用する各種の直流電圧（ＶＣＣ）を生成する。マイコン２６は室外機１の全体制御を統括するマイコンであり、室外機１が起動し、運転を行うためにはマイコン２６が動作していることが必要になる。

主回路コンデンサ１５の端子間電圧は、ダイオード２７とダイオード２８を介してＤＣ／ＤＣコンバータ２５にも入力される。ＤＣ／ＤＣコンバータ２５は主回路コンデンサ１５の端子間電圧と平滑コンデンサ２４の端子間電圧の両方の電圧に対応可能な入力電圧範囲を持つものを使用する。ダイオード２７，２８は平滑コンデンサ２４から主回路コンデンサ１５方向への直流電流を阻止する役割も有している。また、出力電圧検出部４０は主回路コンデンサ１５の端子間電圧を検出し、検出した電圧値をコンバータ出力電圧値としてマイコン２６の入力ポート（ＩＮ−１）に出力する。

次に、過電圧保護回路４１の構成を説明する。過電圧保護回路４１は、平滑コンデンサ２４の端子間電圧に基づいて過電圧状態を検出する過電圧検出回路４１ａと、平滑コンデンサ２４の電荷を放電する放電回路４１ｂとからなる。まず、過電圧検出回路４１ａの回路構成について説明する。

抵抗２９、３０は平滑コンデンサ２４の正極端子と接地（ＧＮＤ）間に直列接続される。これにより、抵抗２９、３０は平滑コンデンサ２４の端子間電圧を分圧して検出電圧Ｖdetを生成する。過電圧状態検出用のスイッチング素子３２（ここでは一例としてトランジスタとする。）は、ベースが抵抗２９、３０の相互接続点に接続され、エミッタと接地間には定電圧ダイオード３１が接続される。ここで定電圧ダイオード３１の基準電圧（降伏電圧）をＶzとする。また、トランジスタであるスイッチング素子３２のベース・エミッタ間電圧をＶbeとする。そうすると、スイッチング素子３２は、検出電圧Ｖdetが基準電圧Ｖzとエミッタ・ベース間電圧Ｖbeの和（Ｖz＋Ｖbe）より大きくなるとオン状態になり、検出電圧Ｖdetが基準電圧Ｖzとエミッタ・ベース間電圧Ｖbeの和（Ｖz＋Ｖbe）より小さくなるとオフ状態になる。

抵抗３３、３４は平滑コンデンサ２４の正極端子とスイッチング素子３２のコレクタ間に直列接続される。フォトカプラ３５のフォトダイオードは抵抗３４に並列接続される。抵抗３３、３４はフォトカプラ３５のフォトダイオードに流れる電流を制限する。抵抗３６の一端はＤＣ／ＤＣコンバータ２５が生成する直流電源（ＶＣＣ）に接続され、抵抗３６の他端はフォトカプラ３５のフォトトランジスタのコレクタに接続される。フォトカプラ３５のフォトトランジスタのコレクタとエミッタ間にはコンデンサ３７が接続され、フォトカプラ３５のフォトトランジスタのエミッタは接地される。抵抗３６はフォトカプラ３５のフォトトランジスタに流れる電流を制限し、コンデンサ３７はフォトカプラ３５出力に重畳するノイズを除去する為のものである。そして、フォトカプラ３５のフォトトランジスタのコレクタ端子がマイコン２６へ接続される。

過電圧検出回路４１ａは以上のように構成されているので、平滑コンデンサ２４が過電圧状態になると、スイッチング素子３２がオン状態となり、フォトカプラ３５が導通することで、フォトカプラ３５から低電位（ＧＮＤ電位）がマイコン２６の入力ポート（ＩＮ−２）へ出力される。一方、平滑コンデンサ２４が過電圧状態でない時には、スイッチング素子３２がオフ状態となり、フォトカプラ３５が非導通状態になり、フォトカプラ３５から高電位（ＶＣＣ）がマイコン２６へ出力される。このようにして、マイコン２６は平滑コンデンサ２４の過電圧状態を把握することができる。マイコン２６は過電圧状態の把握に基づいてリレー７及びリレー１７の開閉を制御する。リレー７,１７の開閉制御手順については後述する。なお、ブレーカ4及びリレー７,１７の開閉状態を表記するのに、開状態をオフ、閉状態をオンとも表記することにする。

次に、平滑コンデンサ２４の電荷を放電させる放電回路４１ｂの構成を説明する。放電用のスイッチング素子３８（ここでは一例としてトランジスタとする。）のベースがスイッチング素子３２のコレクタに接続され、スイッチング素子３８のコレクタが接地されている。平滑コンデンサ２４の正極端子とスイッチング素子３８のエミッタ間には抵抗３９が接続されている。

放電回路４１ｂは以上のように構成されているので、過電圧状態検出用のスイッチング素子３２がオン状態（過電圧状態を検出時）になると、スイッチング素子３８がオンし、平滑コンデンサ２４の電荷が抵抗３９経由で放電される。一方、過電圧状態でない時はスイッチング素子３２がオフ状態であるので、スイッチング素子３８がオフし、平滑コンデンサ２４の電荷は放電されない。

次に、室外機１全体の動作状態と関連させて、本実施の形態の電力変換装置の動作を説明する。図２に室外機１が停止している状態から起動し、通常モード、及び無効電力削減モードに移行する場合の動作タイミング図を示す。なお、各モードの詳細は後述する。

［１］停止
最初に室外機１が停止状態にある時（図２：停止）には、ブレーカ４がオフ状態であるので交流電源３の交流電力は室外機１及び室内機２に給電されていない。また、リレー１７，リレー７もともにオフ状態であり、交流電源３から主回路コンデンサ１５への充電経路が遮断されている。

［２］起動（１）
次に、ブレーカ４をオフからオンに切り替えることで、室外機１が起動する（図２：起動（１））。ブレーカ４の操作は空気調和機のユーザが手動で行う。この時、リレー７とリレー１７はオフ状態のままである。これにより、交流電源３の交流電力により平滑コンデンサ２４を充電する電流経路が形成される。図３は交流電源３の電圧位相が正の半波の時の電流経路である。ここで、交流電源３のブレーカ４側の電位がブレーカ４に接続していない側の電位より高い時に、交流電源３の電圧位相を「正」とし、ブレーカ４側の電位がブレーカ４に接続していない側の電位より低い時に、交流電源３の電圧位相を「負」と定義する。交流電源３の電圧位相が正の半波の時は、交流電源３→ノイズフィルタ５→ＰＴＣサーミスタ２１→ダイオード２２→平滑コンデンサ２４→ダイオード２８→全波整流回路９→ノイズフィルタ５→交流電源３の経路で電流が流れ、平滑コンデンサ２４が充電される。ここで、ＰＴＣサーミスタ２１は室外機１の起動時に交流電源３から平滑コンデンサ２４への突入電流を抑制するために設けたものである。

一方、交流電源３の電圧位相が負の半波の時には、図４に示す電流経路が形成される。これにより、交流電源３→ノイズフィルタ５→全波整流回路９→コンバータ主回路１０→ダイオード２７→平滑コンデンサ２４→ダイオード２３→ＰＴＣサーミスタ２１→ノイズフィルタ５→交流電源３の経路で電流が流れ、平滑コンデンサ２４が充電される。

このようにして、平滑コンデンサ２４の端子間には交流電源３を整流した直流電圧が発生する。この直流電圧はＤＣ／ＤＣコンバータ２５に入力され、ＤＣ／ＤＣコンバータ２５がマイコン２６用の直流電源を生成することで、マイコン２６が起動する。マイコン２６は図示しない記憶素子に予め記憶されたプログラムを実行することで、室外機１全体を管理・制御することが可能になる。

［３］起動（２）
次にマイコン２６の制御により、リレー１７をオン状態に切り替える（図２：起動（２））。これにより、交流電源３の電圧位相が正の半波の時に、交流電源３→ノイズフィルタ５→ＰＴＣサーミスタ１６→リレー１７→ダイオード１８→主回路コンデンサ１５→全波整流回路９→ノイズフィルタ５→交流電源３の経路で電流が流れ、主回路コンデンサ１５が充電される。こうして、主回路コンデンサ１５の端子間には交流電源３を半波整流した直流電圧が発生する。

［４］起動（３）
次にマイコン２６は出力電圧検出部４０の検出値に基づいて、コンバータ出力電圧（主回路コンデンサ１５の端子間電圧）が所定の電圧閾値以上になったことを確認後、リレー７をオン状態にする（図２：起動（３））。これにより、全波整流回路９及びコンバータ主回路１０を経由した主回路コンデンサ１５への充電経路が形成される。

また、リレー７をオン状態に切り替える時点では、主回路コンデンサ１５はある程度充電された状態にあるので、リレー７をオン状態に切り替えた際に全波整流回路９及びコンバータ主回路１０に過大な突入電流が流れることを防止できる。前述したコンバータ出力電圧の電圧閾値はこの突入電流が抑制できる効果を考慮して設定すればよい。

［５］通常モード
次にマイコン２６はリレー７をオン状態に切り替え後、所定の時間経過後にリレー１７をオフ状態にする（図２：通常モード））。これにより、ダイオード１８を経由する主回路コンデンサ１５へのバイパス充電経路が遮断され、主回路コンデンサ１５はコンバータ主回路１０を経由した充電経路のみで充電される。また、通常モード時にはコンバータ主回路１０に昇圧動作（スイッチング素子１２ａ，１２ｂのオン・オフ制御）をさせることにより、全波整流回路９の出力電圧を昇圧した直流電圧が主回路コンデンサ１５の端子間に生成される。

主回路コンデンサ１５の端子間電圧であるコンバータ出力電圧はインバータ主回路１９に供給され、インバータ主回路１９はコンバータ出力電圧を電源としてモータ２０を回転駆動することで、空気調和機の通常の運転動作が実行される。

以下では、室外機１が通常モードで動作している時の過電圧保護回路４１の動作について説明する。まず平滑コンデンサ２４が過電圧状態になっていない場合について説明する。前述したように、平滑コンデンサ２４の端子間電圧を分圧した検出電圧Ｖdetが定電圧ダイオード３１の基準電圧Ｖzとスイッチング素子３２のエミッタ・ベース間電圧Ｖbeの和（Ｖz＋Ｖbe）以下であればスイッチング素子３２はオフ状態であり、マイコン２６へ過電圧の検出状態を伝達するフォトカプラ３５は非導通となる。そしてマイコン２６の入力ポートには高電位（ＶＣＣ）が入力されるので、マイコン２６は平滑コンデンサ２４の端子間電圧が「通常状態（過電圧状態ではない）」であると認識する。

ここで平滑コンデンサ２４の端子間電圧をＶｃ、抵抗２９、３０の抵抗値をそれぞれＲ２９,Ｒ３０とするとマイコン２６が平滑コンデンサ２４の端子間電圧が「通常状態（過電圧状態ではない）」であると判定する条件は、（式１）、（式２）から（式３）となる。
（式１）Ｖdet≦Ｖz＋Ｖbe
（式２）Ｖdet＝Ｖｃ・Ｒ３０/（Ｒ２９＋Ｒ３０）
（式３）Ｖｃ≦（Ｒ２９/Ｒ３０＋１）・（Ｖz＋Ｖbe）

従って、マイコン２６は（式４）で定義される過電圧検出の判定電圧閾値Ｖth1に基づいて過電圧検出していることになる。
（式４）Ｖth１=（Ｒ２９/Ｒ３０＋１）・（Ｖz＋Ｖbe）
従って、判定電圧閾値Ｖth１は、抵抗２９、３０の抵抗値で決まる抵抗比Ｒ２９/Ｒ３０、及び定電圧ダイオード３１の基準電圧Ｖzとスイッチング素子３２のエミッタ・ベース間電圧Ｖbeの和（Ｖz＋Ｖbe）に基づいて決まる。ここで判定電圧閾値Ｖth１は、平滑コンデンサ２４を含む使用している電子部品の耐圧定格よりも判定電圧閾値Ｖth１が小さくなるように設定すればよい。

通常状態（過電圧状態ではない）時は、スイッチング素子３２はオフ状態を維持しているので、放電回路のスイッチング素子３８はオフ状態となり平滑コンデンサ２４に蓄積されている電荷が放電されることはない。

このように、平滑コンデンサ２４の端子間電圧Ｖｃが過電圧検出の判定電圧閾値Ｖｔｈ１以下の時は、マイコン２６は平滑コンデンサ２４の端子間電圧が「通常状態（過電圧状態ではない）」であると認識するとともに、放電回路は動作せず、平滑コンデンサ２４の電荷は放電されない。また、マイコン２６はリレー７及びリレー１７のオン・オフ状態を変更することはしない。

室外機１が通常モードで動作している時には、マイコン２６は出力電圧検出部４０が検出したコンバータ出力電圧値に基づいて過電圧状態を検出している。この時、コンバータ出力電圧値に基づく過電圧検出の判定閾値Ｖth２を前述した過電圧検出回路４１ａの信号に基づく過電圧検出の判定電圧閾値Ｖth１より小さく設定すれば（即ちＶth2＜Ｖth1）、マイコン２６は過電圧検出回路で過電圧を検出する前に過電圧に対する保護動作を実行できる。従って、通常モードで動作時には過電圧検出回路４１ａが過電圧状態を検出するケースは実運用上少ないと考えられる為、そのようなケースでの回路動作の説明は割愛する。

［５］無効電力削減モード
次に、無効電力削減モードでの過電圧検出回路及び放電回路の動作について説明する。ここで、無効電力削減モードとは、通常モード時のモータ２０の運転が終了し、コンバータ主回路１０及びインバータ主回路１９への電力供給が不要になった時に、コンデンサ８を流れる無効電流を減らすことで無効電力を削減させる動作モードである。

無効電力削減モードへの移行は、通常モード時のモータ２０の運転が終了した後、あらかじめ設定した所定時間経過後にマイコン２６の制御により、リレー７をオフにすることで行われる。なおリレー１７はオフ状態を維持する（図２：無効電力削減モード）。

無効電力削減モードへの移行でリレー７がオン状態からオフ状態に切り替わる際に、コンデンサ８に電荷が残留していた場合、この残留電荷によるコンデンサ８の端子間電圧の極性と交流電源３の電圧極性の関係に応じて、平滑コンデンサ２４の端子間に過電圧状態を発生させる電流経路が形成される。

ここでは説明しやすいように、コンデンサ８の２つの端子のうち、ブレーカ４と接続されている端子をコンデンサ８の第１端子、他方の端子をコンデンサ８の第２端子と定義する。そして、コンデンサ８の第１端子がコンデンサ８の第２端子より高電位の時、コンデンサ８の端子間電圧が正極性とし、コンデンサ８の第１端子がコンデンサ８の第２端子より低電位の時、コンデンサ８の端子間電圧が負極性と定義する。

平滑コンデンサ２４の端子間に過電圧状態が発生する１つ目の電流経路は、コンデンサ８の第１端子に正電荷が残留している状態で、かつ交流電源３の電圧位相が負である時に無効電力削減モードに移行した場合に形成される。具体的には図５に示すように、交流電源３→ノイズフィルタ５→コンデンサ８→全波整流回路９→コンバータ主回路１０→ダイオード２７→平滑コンデンサ２４→ダイオード２３→ＰＴＣサーミスタ２１→ノイズフィルタ５→交流電源３の経路で電流が流れる。この為、コンデンサ８の端子間電圧と交流電源３の電源電圧を加算した電圧が平滑コンデンサ２４の端子間に印加されることで、平滑コンデンサ２４の端子間に過電圧状態が発生する。なお、図５ではコンデンサ８の残留電荷の極性を示すプラス（＋）・マイナス（−）記号を付記している。

平滑コンデンサ２４の端子間に過電圧状態が発生する２つ目の電流経路は、コンデンサ８の第１端子に負電荷が残留している状態で、かつ交流電源３の電圧位相が正である時に無効電力削減モードに移行した場合に形成される。具体的には図６に示すように、交流電源３→ノイズフィルタ５→ＰＴＣサーミスタ２１→ダイオード２２→平滑コンデンサ２４→ダイオード２８→全波整流回路９→コンデンサ８→ノイズフィルタ５→交流電源３の経路で電流が流れる。この為、コンデンサ８の端子間電圧と交流電源３の電圧を加算した電圧が平滑コンデンサ２４の端子間に印加されることで、平滑コンデンサ２４の端子間に過電圧状態が発生する。なお、図６ではコンデンサ８の残留電荷の極性を示すプラス（＋）・マイナス（−）記号を付記している。

この為、電力変換装置の動作時に想定されるコンデンサ８の残留電荷量の最大値及び交流電源３の電圧変動範囲を予め規定することで平滑コンデンサ２４に必要な耐圧を算定し、平滑コンデンサ２４としてこの耐圧特性を満たす部品を選定することができればよい。しかしながら、実際に選定可能なコンデンサ部品の耐圧特性には限度があること、及び外部の電源供給系統の異常等で規定した範囲を逸脱する交流電源３の大きな電圧変動が発生しうることから、あらゆる状況に対処できるようなコンデンサ部品を予め選定することは難しい。

次に、平滑コンデンサ２４の端子間に過電圧状態が発生した場合の過電圧保護回路４１の動作を説明する。図７は過電圧保護回路４１の各部の動作波形を示す図である。図７において、（ａ）は平滑コンデンサ２４の端子間電圧を示し、（ｂ）及び（ｃ）はそれぞれスイッチング素子３２，３８のオン・オフ状態を示す。（ｄ）はマイコン２６の入力ポート（ＩＮ−２）の入力電圧であり、これはフォトカプラ３５のコレクタ電圧でもある。（ｅ）及び（ｆ）はそれぞれリレー１７，７のオン・オフ状態を示す。

前述したように通常モードで動作中にはリレー１７はオフ状態で、リレー７はオン状態にある。ここで、リレー７をオフ状態に切り換える（時間Ｔ１）ことにより無効電力削減モードに移行すると、図５もしくは図６に示した電流経路で平滑コンデンサ２４に過電圧が印加され、平滑コンデンサ２４の端子間電圧が上昇する。そして、平滑コンデンサ２４の端子間電圧が、前述した過電圧検出の判定電圧閾値Ｖth１より大きくなると（時間Ｔ２）、スイッチング素子３２がターンオンする。なお、ターンオンとはスイッチング素子がオフ状態からオン状態に移行することを意味する。

スイッチング素子３２がオン状態になった後、引き続いて放電用のスイッチング素子３８がターンオンする（時間Ｔ３）とともに、フォトカプラ３５もターンオンする。スイッチング素子３８がオン状態になることで、平滑コンデンサ２４から抵抗３９を経由して放電電流が流れ、平滑コンデンサ２４の端子間電圧は低下していく。また、フォトカプラ３５がオン状態になることで、マイコン２６の入力ポート（ＩＮ−２）には低電位（ＧＮＤ電位）が入力され、マイコン２６は平滑コンデンサ２４の端子間電圧が過電圧状態であることを認識する。

このようにして、平滑コンデンサ２４の端子間電圧は部品の耐圧レベルに到達する前に低下していくので、過電圧で部品故障になることを防止することができる。平滑コンデンサ２４の端子間電圧が、過電圧検出の判定電圧閾値Ｖth１より小さくなると（時間Ｔ４）、スイッチング素子３２がターンオフする。なお、ターンオフとはスイッチング素子がオン状態からオフ状態に移行することを意味する。

スイッチング素子３２がオフ状態になった後、引き続いて放電用のスイッチング素子３８がターンオフする（時間Ｔ５）とともに、フォトカプラ３５もターンオフする。スイッチング素子３８がオフ状態になることで、平滑コンデンサ２４から抵抗３９を経由して流れていた放電電流の流れが停止し、平滑コンデンサ２４の端子間電圧の低下も停止する。この時、電圧低下が停止した時点の平滑コンデンサ２４の端子間電圧値は、スイッチング素子３２及びスイッチング素子３８のターンオフの時間遅延幅、及び抵抗３９の抵抗値に依存する。なお、図７では説明をしやすくするために、スイッチング素子３２及びスイッチング素子３８のターンオン及びターンオフの時間遅延を誇張して示している。また、フォトカプラ３５がオフ状態になることで、マイコン２６の入力ポート（ＩＮ−２）には高電位（ＶＣＣ電位）が入力され、マイコン２６は平滑コンデンサ２４の端子間が過電圧状態でなくなったことを認識する。

図８は、図７におけるマイコン２６の入力ポート（ＩＮ−２）の入力電圧が低電位（ＧＮＤ電位）になった部分を拡大して示したものである。図８において、（ｄ）及び（ｆ）は図７に示したものと同じ信号波形であり、（ｇ）は入力ポート（ＩＮ−２）の入力電圧をマイコン２６でサンプリングするサンプリングタイミングを示したものである。マイコン２６は周期Ｔｓで入力ポート（ＩＮ−２）の入力電圧をサンプリングする。ここで、周期Ｔｓの値は図示しない記憶媒体にマイコン２６が実行する処理プログラムの一部として予め設定しておけばよい。

マイコン２６はこのサンプリングした電圧値に基づいて、過電圧状態検出の有無を判断する。具体的には、図９に示すフロチャートに従って判断する。最初の処理（ステップＳ１）として、カウント値ｎをクリアする（ｎ＝０）。ここでカウント値ｎは、サンプリングした入力電圧が低電位であった回数をカウントするためのカウンタとして使用する。また、マイコン２６はこの初期状態時には平滑コンデンサ２４の端子間電圧が「正常状態」であるとみなす。ここで、「正常状態」とは後述する「過電圧状態」に至っていないことを意味する。

次にマイコン２６の入力ポート（ＩＮ−２）の入力電圧をサンプリングする（ステップＳ２）。サンプリングは周期Ｔｓ毎に行われる。以下の処理は１回のサンプリング値取得に対応して行う処理である。次に、サンプリングした電圧が低電位（ＧＮＤ電位）であるか否か判定する（ステップＳ３）。ここでサンプリングした電圧が低電位か否かは予め決めた閾値電圧により判断すればよく、低電位でない場合は高電位（ＶＣＣ電位）であるとみなされる。サンプリングした電圧が高電位である場合には、カウンタｎをクリアし（ｎ＝０）、マイコン２６は電圧状態が「正常状態」であると判断する（ステップＳ４）。一方、サンプリングした電圧が低電位である場合にはカウンタｎをカウントアップする（ｎ→ｎ＋１）（ステップＳ５）。

次にカウンタｎがＮｓ以上か否か判定する（ステップＳ６）。ここでＮｓ値は過電圧継続状態判定閾値として、図示しないメモリ素子等に予め保持しておくか、マイコン２６の処理プログラム内で規定しておけばよい。ｎ≧Ｎｓの場合は、連続してＮｓ回以上分のサンプリング電圧が全て低電位であったことを意味する。入力ポート（ＩＮ−２）の入力電圧が低電位になるのは過電圧検出回路４１ａが過電圧状態を検出した場合であるから、ｎ≧Ｎｓになったということは、放電回路４１ｂによる平滑コンデンサ２４の放電を実施したにもかかわらず、少なくとも（Ｎｓ−１）×Ｔｓ時間にわたって過電圧状態が解消されなかったことを意味する。このような過電圧状態が継続している時間長を過電圧継続時間Ｔｄとする。そして、マイコン２６は過電圧継続時間Ｔｄが（Ｎｓ−１）×Ｔｓ以上の時「過電圧継続状態」と判断する（ステップＳ７）。そして、「過電圧継続状態」と判断した時は、マイコン２６の制御によりリレー７，１７をそれぞれオフ状態にする。なお、リレー７，１７が既にオフ状態になっている場合にはそれぞれのリレーのオフ状態を維持するようにする（ステップＳ８）。リレー７，１７をオフ状態にして交流電源３からの電力を遮断することで、過電圧状態を解消するようにする。これはソフトウェア制御による過電圧解消動作である。ここで、リレー７，１７による電力遮断を実施したことを図示しない表示装置により電力変換装置の利用者に過電圧継続状態の発生を通知してもよい。

マイコン２６は「過電圧継続状態」と判断するまでは、入力ポート（ＩＮ−２）の入力電圧をサンプリングする毎にステップＳ２〜Ｓ６の処理を繰り返し実行する。図８の無効電力削減モード時の動作では、Ｎｓ＝３とした場合の動作を例示している。この事例では、過電圧継続時間Ｔｄが小さい為に、連続したＮｓ回分のサンプリング電圧が全て低電位とはなっていないので、マイコン２６は「過電圧継続状態」とは判断していない。なお、無効電力削減モード時にはリレー７，１７は既にオフ状態で交流電源３からの交流電力は遮断されているので、マイコン２６が「過電圧継続状態」と判断する状況は通常は発生しにくい。この為、交流電源３の電圧が瞬間的に変動した場合でも、過電圧保護回路４１のハードウェア動作のみで過電圧状態を解消させることができる。

［６］コンバータ主回路１０の短絡故障時
次に過電圧状態が継続して、ソフトウェア制御による過電圧解消動作が実行されるケースについて動作を説明する。ここではコンバータ主回路１０内部のスイッチング素子１２ａが短絡故障している状態で室外機１を起動した場合を例にして説明する。

室外機１が「停止」状態（ブレーカ４，リレー７，１７はいずれもオフ状態にある。図２参照）にある時に、ブレーカ４をオフ状態からオン状態に切り替えることで、室外機１の動作モードを「起動（１）」状態へと移行させると、前述した図３及び図４の電流経路で交流電力が室外機１に供給され、平滑コンデンサ２４が充電される。これにより、ＤＣ／ＤＣコンバータ２５からの直流電圧でマイコン２６が起動する。

引き続いて、リレー１７をオフ状態からオン状態に切り替えることで、室外機１の動作モードを「起動（２）」状態へと移行させると、交流電源３から室外機１に図１０及び図１１の経路でも電流が流れるようになる。ここで、図１０は交流電源３の電圧位相が正の場合の電流経路を示し、図１１は交流電源３の電圧位相が負の場合の電流経路を示している。

具体的には交流電源３の電圧位相が正の場合には図１０に示すように、交流電源３→ノイズフィルタ５→ＰＴＣサーミスタ１６→ダイオード１８→主回路コンデンサ１５→全波整流回路９→ノイズフィルタ５→交流電源３の経路で電流が流れる。これにより、主回路コンデンサ１５が充電される。一方、交流電源３の電圧位相が負の場合には図１１に示すように、交流電源３→ノイズフィルタ５→全波整流回路９→コンバータ主回路１０→主回路コンデンサ１５→ダイオード２７→平滑コンデンサ２４→ダイオード２３→ＰＴＣサーミスタ２１→ノイズフィルタ５→交流電源３の経路で電流が流れる。このときコンバータ主回路１０はまだ昇圧動作を開始しておらず、スイッチング素子１２ａ，１２ｂはオン・オフ駆動されていないが、スイッチング素子１２ａが短絡故障している為にスイッチング素子１２ａ内部が導通して、前述の経路で電流が流れるものである。これにより、主回路コンデンサ１５の端子間電圧と交流電源３の電圧を加算した電圧が平滑コンデンサ２４の端子間に印加されることで、平滑コンデンサ２４の端子間に過電圧状態が発生する。以後、交流電源３の電圧周期毎に平滑コンデンサ２４に対する昇圧動作が反復することで、平滑コンデンサ２４の過電圧状態は継続して発生することになる。

この現象が発生した時の過電圧保護回路４１の動作を図１２及び図１３で説明する。図１２及び図１３は室外機１の動作モードが「起動（１）」状態から「起動（２）」状態に遷移する時の過電圧保護回路４１の動作タイミングを図７及び図８と同様に示したものである。

前述したように起動（１）モードで動作中にはリレー１７及びリレー７はオフ状態にある。ここで、リレー１７をオン状態に切り換える（時間Ｔ１１）ことにより起動（２）モードに移行すると、交流電源３の電圧位相に対応して図１０及び図１１に示した電流経路で電流が流れることで平滑コンデンサ２４に過電圧が印加され、平滑コンデンサ２４の端子間電圧が上昇する。そして、平滑コンデンサ２４の端子間電圧が、過電圧検出の判定電圧閾値Ｖth１より大きくなると（時間Ｔ１２）、スイッチング素子３２がターンオンする。

スイッチング素子３２がオン状態になった後、引き続いて放電用のスイッチング素子３８がターンオンする（時間Ｔ１３）とともに、フォトカプラ３５もターンオンする。スイッチング素子３８がオン状態になることで、平滑コンデンサ２４から抵抗３９を経由して放電電流が流れる。また、フォトカプラ３５がオン状態になることで、マイコン２６の入力ポート（ＩＮ−２）には低電位（ＧＮＤ電位）が入力され、マイコン２６は平滑コンデンサ２４の端子間が過電圧状態であることを認識する。

時間Ｔ１３以後は、放電回路４１ｂが動作することで平滑コンデンサ２４の電荷は放電されるものの、交流電源３の電圧周期で昇圧動作が繰り返される為、平滑コンデンサ２４は図１０及び図１１に示した電流経路で繰り返し充電される。この為、平滑コンデンサ２４の端子間電圧は依然として増加し続ける。

この為、マイコン２６の入力ポート（ＩＮ−２）の入力電圧は低電位である時間が長くなる。そして、マイコン２６の入力ポート（ＩＮ−２）の入力電圧をサンプリングした電圧がＮｓ回（ここではＮｓ＝３）連続して低電位となった時点（時間Ｔ１４）で、「過電圧継続状態」であると判断し、リレー１７をオン状態からオフ状態に切り替える。なお、起動（２）モードではリレー７はオフ状態であるので、このオフ状態を維持するようにする。なお、誤動作等の理由でリレー７がオン状態にあった場合には、リレー７もオフ状態に切り替える。リレー１７がオフ状態になることにより、平滑コンデンサ２４の充電経路が遮断される。そして、放電回路４１ｂによる平滑コンデンサ２４の放電は継続することで、平滑コンデンサ２４の端子間電圧は部品の耐圧レベルに到達する前に低下していく。このようにして過電圧で部品故障になることを防止することができる。

平滑コンデンサ２４の端子間電圧が、過電圧検出の判定電圧閾値Ｖth１より小さくなると（時間Ｔ１５）、スイッチング素子３２がターンオフし、引き続いて放電用のスイッチング素子３８及びフォトカプラ３５もターンオフする（時間Ｔ１６）。これにより、マイコン２６の入力ポート（ＩＮ−２）の入力電圧は高電位に変化するが、マイコン２６は室外機１を含む空気調和機全体を再起動するまでリレー１７のオフ状態を維持する。

その後、マイコン２６は空気調和機システム全体を再起動することで、「停止」状態の動作モードから処理を再開する。空気調和機システムの再起動後も同様にマイコン２６が「過電圧継続状態」を検出した場合には再度再起動を行う。Ｎｆ回連続して再起動後に「過電圧継続状態」を検出した場合には、過電圧状態の発生が一時的なものではなく、コンバータ主回路１０の故障である可能性が高いので、それ以降の再起動処理を停止させる。なおＮｆ値はシステム故障判定閾値として、図示しないメモリ素子等に予め保持しておくか、マイコン２６の処理プログラム内で規定しておけばよい。

以上説明したように、無効電力削減モード移行時や、コンバータ主回路１０の短絡故障時等に平滑コンデンサ２４の端子間電圧が過電圧状態になっても過電圧検出回路４１ａが過電圧状態を検出し、放電回路４１ｂが平滑コンデンサ２４の電荷を放電するように過電圧保護回路４１を構成したので、平滑コンデンサ２４の端子間電圧が部品耐圧を超えない電圧レベルに抑えることが可能である。

また、放電回路４１ｂによる放電を行っても過電圧状態が解消しない場合には、マイコン２６の制御によりリレー７及びリレー１７をオフ状態にすることで、平滑コンデンサ２４の充電経路、及びコンバータ主回路１０への通電経路が遮断されるので、このような場合でも平滑コンデンサ２４の端子間電圧が部品耐圧を超えない電圧レベルに抑えることが可能であるとともに、コンバータ主回路１０を含む回路部品を過電圧による部品故障から保護することができる。

なお、以上の説明では本発明の電力変換装置を空気調和機に適用した例で説明したが、その他の家電機器、産業用機器に適用することも可能である。

１ 室外機
２ 室内機
３ 交流電源
４ ブレーカ（ＢＲ）
５，６ ノイズフィルタ
７,１７ リレー
８ コンデンサ
９ 全波整流回路
１０ コンバータ主回路
１５ 主回路コンデンサ
１６,２１ ＰＴＣサーミスタ
１８ 逆流防止用ダイオード
１９ インバータ主回路
２０ モータ
２４ 平滑コンデンサ
２５ ＤＣ／ＤＣコンバータ
２６ マイコン
４０ 出力電圧検出部
４１ 過電圧保護回路
４１ａ 過電圧検出回路
４１ｂ 放電回路

Claims (5)

1. 交流電源の交流電圧を整流して直流電圧を出力する第１の整流回路と、
   前記第１の整流回路の直流電圧出力を変換して変換後の直流電圧を出力するコンバータ主回路と、
   前記コンバータ主回路の直流電圧出力を平滑する主回路コンデンサと、
   前記交流電源と前記第１の整流回路間の交流電圧経路に設けられた第１の開閉手段と、
   前記第１の開閉手段の交流電源側端子と前記主回路コンデンサの正極端子間に直列接続された第２の開閉手段及び逆流防止用ダイオードと、
   コンデンサを有し、前記交流電源の交流電圧を整流して直流電圧を出力する第２の整流回路と、
   前記第２の整流回路が出力する直流電圧に基づき過電圧状態を検出する過電圧検出回路と、
   前記過電圧検出回路が過電圧状態を検出した際に、前記第２の整流回路のコンデンサの電荷を放電する放電回路と、
   前記過電圧検出回路が検出した過電圧状態に基づき、前記第１の開閉手段及び前記第２の開閉手段を制御する制御手段とを備え、
   前記制御手段は、前記過電圧状態が所定の時間以上継続した際には、閉状態にある前記第１の開閉手段及び前記第２の開閉手段を開放することを特徴とする電力変換装置。
2. 前記過電圧検出回路は、前記第２の整流回路が出力する直流電圧が所定の電圧閾値より大きい時に過電圧状態と判断することを特徴とする請求項１に記載の電力変換装置。
3. 前記制御手段は、閉状態にある前記第１の開閉手段又は前記第２の開閉手段を開放した後に、再起動を実行することを特徴とする請求項１又は２に記載の電力変換装置。
4. 前記コンバータ主回路は、スイッチング素子を用いた力率改善コンバータであることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一つに記載の電力変換装置。
5. 請求項１〜４のいずれか一つに記載の電力変換装置を備えることを特徴とする空気調和機。

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