JP6337270B2 - 直流電源装置およびインバータ駆動装置およびこれを用いた空気調和機 - Google Patents

Description

本発明は、交流電源からの交流電圧を整流する整流回路と、リアクタを介して交流電源からの交流電圧を短絡・開放するスイッチング素子とを備えて直流出力電圧を得る直流電源装置およびインバータ駆動装置およびこれを用いた空気調和機に関するもので、特にリアクタと平滑コンデンサの間に配置される高速ダイオードをサージ電流から保護する保護技術に関するものである。

従来、スイッチング素子を用い、リアクタを介して交流電源からの交流電圧を短絡・開放することにより、交流電源からの交流電圧を所望の直流電圧に変換する直流電源装置がある。

この種の直流電源装置においては、電源周期あたりのスイッチング回数が比較的多い場合には、スイッチング素子をターンオンする際に、ターンオンの直前に順方向に電流が流れていたダイオードを介して、直流電圧が蓄えられた平滑コンデンサからダイオードの逆バイアス方向に流れる逆回復電流がスイッチング素子を流れる際に生じるスイッチングロスの増加を抑制するため、一般整流ダイオードに比べて逆回復時間（ｔｒｒ）の短いファストリカバリダイオード（以下高速ダイオードと記載する）が用いられている。

一般的に、高速ダイオードは、一般整流ダイオードと比較して、逆回復特性（逆回復時間）に優れているものの、サージ電流（ＩＦＳＭ）に対する耐量が低い。

そのため、主回路中に高速ダイオードを有する直流電源装置では、電源投入時や停電から復電時など、平滑コンデンサへの充電に伴う突入電流（サージ電流）が高速ダイオードを通過して流れることを鑑み、サージ電流に対する保護設計が施されている（例えば、特許文献１参照）。

ちなみに、逆回復時間が長い、いわゆる低速ダイオードはサージ電流に対する耐量が高い為、サージ電流が流れても壊れることは少ない。

図８は、復電時に高速ダイオードにサージ電流が流れることを回避することによって高速ダイオードを保護する特許文献１記載の直流電源装置を示すものである。図８に示す直流電源装置は、交流電源２００からの交流電圧を直流に変換する整流回路と、整流回路と電源の間にリアクタ２０３、２０４とを備えて、二つのリアクタを介し交流電源からの交流電圧を短絡・開放するスイッチング素子２０５、２０６と、リアクタをバイパスし、整流回路の直流出力側に接続するバイパス用ダイオード２０１、２０２を備えている。

図８において、整流回路を構成するダイオード２０７、２０９は高速ダイオードである。電源投入時や停電からの復電時、突入電流は高速ダイオードを経由せず、バイパス用ダイオード２０１、２０２を通して流れる。よって、サージ耐量の小さい高速ダイオードを保護することができる。

特開２０１０−４１８６３号公報 国際公開第２０１２／００４９２７号

しかしながら、上記従来の直流電源装置において、交流電圧の瞬時電圧の絶対値が直流電圧より高くなると、バイパス用ダイオードは順バイアスされてオンの状態となる為、回路特性上、交流電圧のピーク電圧よりも低い直流電圧で継続して安定動作をさせることはできない。

そのため、交流電圧のピーク位相付近でスイッチング素子のスイッチング動作を停止させ、交流電圧のピーク電圧よりも低い直流電圧となるように制御することで電力変換効率を高める動作を実現する直流電源装置（例えば、特許文献２を参照）には適用できないという課題があった。

本発明は、上記従来の課題を解決するもので、交流電圧のピーク電圧よりも低い直流電圧となるように制御することができると同時に、瞬時停電中に直流電圧が低下して次の復電の際に高速ダイオードに大きな突入電流が流れる恐れがある場合でも、回路中の高速ダイオードを保護することができる直流電源装置を提供することを目的とする。また、この直流電源装置を具備し、インバータを駆動するインバータ駆動装置およびこれを用いた空気調和機を提供することを目的とする。

従来の課題を解決するために、本発明の直流電源装置は、交流電源からの交流電圧を整流する整流回路と、単一もしくは複数のスイッチング素子を用いてリアクタを介して交流電源からの交流電圧を短絡・開放するスイッチング手段と、整流回路の出力側に設けた平滑コンデンサを備えて、スイッチング素子のオン・オフによって負荷へ供給する直流電圧を制御する直流電源装置であって、前記整流回路を構成する整流ダイオードの中、少なくとも一つは高速ダイオードであり、前記交流電源とリアクタとの接続点から、前記平滑コンデンサの正極および負極の間に、開閉手段と一般整流ダイオードが接続され、前記一般整流ダイオードは、前記開閉手段を介し、前記平滑コンデンサに充電電流を流す向きに接続される構成である。

通常の動作時、開閉手段をオフ状態に制御することで、高速ダイオードをバイパスする用の一般整流ダイオードに電流が流れず、交流電圧のピーク電圧よりも低い直流電圧となるように制御することができて、本来の制御に影響を与えない。また、瞬時停電時に直流電圧の低下が原因で復電時の突入電流が流れる際、開閉手段をオン状態に制御することにより、突入電流の大部分をバイパス用の一般整流ダイオードに流す為、高速ダイオードに過大な突入電流が流れることを防止する。

本発明の直流電源装置は、交流電圧のピーク電圧よりも低い直流電圧となるように安定して制御することができる。また、瞬時停電などの時に直流電圧が所定の閾値電圧より低い場合、開閉手段をオン状態に制御することで、瞬時停電から復電の時、突入電流が一般整流ダイオードに流れ、サージ耐量の小さい高速ダイオードに過大な突入電流を流さず、より逆回復時間の短い高速ダイオードを用いることができる。これにより、スイッチング損失を低減し、交直流変換回路の変換効率を向上させることが可能となる。

本発明の実施の形態１に関わる直流電源装置の構成図 本発明の実施の形態１に関わる直流電源装置において、交流電圧、直流電圧、及び入力電流を示す説明図 本発明の実施の形態１に関わる直流電源装置において、瞬時停電発生時の直流電圧を示す説明図 本発明の実施の形態１に関わる直流電源装置において、ゼロクロス検出信号と交流電圧位相を示す説明図 本発明の実施の形態１に関わる直流電源装置において、別の回路構成の構成図 本発明の実施の形態１に関わる直流電源装置において、別の回路構成の構成図 本発明の実施の形態２に関わるインバータ駆動装置の構成を示す図 従来の直流電源装置の構成図

第１の発明は、交流電源からの交流電圧を整流する整流回路と、単一もしくは複数のスイッチング素子を用いてリアクタを介して交流電源からの交流電圧を短絡・開放するスイッチング手段と、整流回路の出力側に設けた平滑コンデンサを備えて、スイッチング素子のオン・オフによって負荷へ供給する直流電圧を制御する直流電源装置であって、前記整流回路を構成する整流ダイオードの中、少なくとも一つは高速ダイオードであり、前記交流電源とリアクタとの接続点から、前記平滑コンデンサの正極および負極の間に、開閉手段と一般整流ダイオードが接続され、前記一般整流ダイオードは、前記開閉手段を介し、前記平滑コンデンサに充電電流を流す向きに接続され、交流電圧のピーク電圧よりも低い直流電圧となるように制御するものである。

上記の回路構成と制御により、動作状況に応じて、開閉手段をオン・オフ状態に制御することができる。通常の動作時、開閉手段をオフ状態に制御することで、一般整流ダイオードに電流が流れず、交流電圧のピーク電圧よりも低い直流電圧となるように制御することができる。一方、瞬時停電時に直流電圧の低下が原因で復電時の突入電流が流れる際、開閉手段をオン状態に制御することで、突入電流の大部分を一般整流ダイオードに流す為、高速ダイオードに過大な突入電流が流れることを防止することができる。

第２の発明は、特に第１の発明において、スイッチング素子のオン・オフを動作させる際は、開閉手段をオフ状態に制御することにより、交流電圧のピーク電圧よりも低い直流電圧となるように制御することができる。

第３の発明は、特に第１、第２のいずれか１つの発明において、直流電圧を検出する直流電圧検出部を設け、直流電圧検出部の出力値が所定値以下である場合、開閉手段をオン状態に制御することにより、突入電流の大部分を一般整流ダイオードに流す為、高速ダイオードに過大な突入電流から保護することができる。

第４の発明は、特に第１〜第３のいずれか１つの発明において、交流電源の瞬時停電を検出する瞬時停電検出手段を設け、瞬時停電検出手段にて交流電源の瞬時停電を検出した際、開閉手段をオン状態に制御することにより、瞬時停電から復電の時に、突入電流の大部分を一般整流ダイオードに流す為、高速ダイオードに過大な突入電流から保護することができる。

第５の発明は、特に第１〜第４のいずれか１つの発明において、交流電源からの交流電圧のゼロクロスを検出するゼロクロス検出部を設け、前記瞬時停電検出手段は、ゼロクロス検出部の出力値か、直流電圧検出部の出力値の少なくとも一方の値に応じて交流電源の瞬時停電を判断した場合、開閉手段をオン状態に制御する。それにより、瞬時停電から復電の時に、突入電流の大部分を一般整流ダイオードに流す為、高速ダイオードに過大な突入電流から保護することができる。

第６の発明は、特に第１〜第５のいずれか１つの発明において、負荷がインバータ負荷であり、インバータ負荷を制御するインバータ制御部を有し、交流電源の瞬時停電を検出
した際、インバータ制御部における駆動周波数を下げる。それにより、瞬時停電時の直流電圧の低下速度が遅くなり、復電時に発生する突入電流が小さくなる為、よりサージ耐量の小さい高速ダイオードを用いることができて、設計自由度が向上する。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。なお、この実施の形態によって本発明が限定されるものではない。

（実施の形態１）
図１は、本発明の第１の実施の形態における直流電源装置の構成を示す図である。図１に示す様に、本実施の形態１における直流電源装置は、交流電源１の一端に接続されたリアクタ２と、互いに同じ向きに直列接続され、かつ、その直列接続点がリアクタ２の他端と接続された２個のスイッチング素子３ａおよび３ｂと、スイッチング素子３ａおよび３ｂに、それぞれ逆方向に電流が流れる向きに並列接続された高速ダイオード４ａおよび４ｂと、交流電源１の他端に交流入力端子の一端が接続され、かつ、前記高速ダイオード４ａおよび４ｂとともに全波整流回路を形成するように接続された一般整流ダイオード５ａおよび５ｂと、交流電源１からの交流電圧を全波整流した後の電圧を平滑する平滑コンデンサ６を備えて、平滑コンデンサ６の直流電圧を負荷７へ供給する。

また、本実施の形態１における直流電源装置は、交流電圧のゼロクロスを検出するゼロクロス検出部３１、負荷へ供給される直流電圧を検出する直流電圧検出部３２、制御部１００を備える。

次に、実施の形態１における直流電源装置の基本動作を説明する。通常スイッチング動作時、開閉手段１０ａ、１０ｂをオフ状態に制御することで、高速ダイオード４ａ、４ｂをバイパスするための一般整流ダイオード１１ａ、１１ｂには電流が流れない。平滑コンデンサ６の直流電圧が所望の目標電圧となるように、交流電源１の瞬時電圧が正となる電源半周期間にはスイッチング素子３ｂを、交流電源１の瞬時電圧が負となる電源半周期間にはスイッチング素子３ａをそれぞれオン・オフする。

スイッチング素子３ａおよび３ｂの具体的な制御方法については、一般にアクティブフィルタと呼ばれる構成で、入力電流の検出手段（図示せず）を備えて、２０ｋＨｚ〜５０ｋＨｚ以上の比較的高い周波数でスイッチング動作を行って、交流電源１からの入力電流を略正弦波状の波形となるように制御しながら、入力電流の振幅を調整することで平滑コンデンサ６の直流出力電圧を所望の電圧に制御する方法が公知でよく知られており、例えば、特開２００３−７９０５０号公報に詳しく記載されているので、説明を省略する。

直流電圧検出部３２にて検出された直流電圧が制御部１００に入力され、制御部１００は直流電圧の状況に応じて、開閉手段１０ａ、１０ｂをオン・オフ状態に制御する。また、ゼロクロス検出部３１にて検出された交流電圧のゼロクロスが制御部１００に入力され、制御部１００は交流電圧のゼロクロス状況に応じて、開閉手段１０ａ、１０ｂをオン・オフ状態に制御する。

図２は、本実施形態の直流電源装置において、交流電源１からの交流電圧、直流電圧、入力電流を示す図である。図２に示す様に、直流電圧の目標電圧を交流電源１のピーク値より低く設定することで、交流電源電圧のピーク値付近において、スイッチング素子３ａ、３ｂを停止させる。それにより、スイッチング回数を減らし、スイッチングによる損失を低減する効果がある。なお、前述の制御方法は、本発明に直接に関係しない為、制御の詳細の説明を省略する（詳細は例えば、特開昭６０−１３４７８２号公報を参照）。

次に、高速ダイオード４ａ、４ｂの作用を説明する。一般的に、高速ダイオードは、一
般整流ダイオードと比較して、逆回復特性（リカバリ特性）が優れるため、平滑コンデンサからダイオードの逆バイアス方向に流れる逆回復電流を抑制する効果を有する。逆回復特性を表す逆回復時間について、一般整流ダイオードは凡そ１０μｓ以上に対し、高速ダイオードは凡そ１００ｎｓ以下である。

交流電源１の正の電源半周期間においては、スイッチング素子３ｂのオン・オフによって、スイッチング素子３ｂまたは高速ダイオード４ａに交互に電流が流れることから、高速ダイオード４ａのリカバリ特性によってスイッチング素子３ｂのターンオン時の逆回復電流が抑制されることから、スイッチングによる損失を低減する。

交流電源１の負の電源半周期間においては、スイッチング素子３ａのオン・オフによって、スイッチング素子３ａまたは高速ダイオード４ｂに交互に電流が流れることから、高速ダイオード４ｂのリカバリ特性によってスイッチング素子３ａのターンオン時の逆回復電流が抑制されることから、スイッチングによる損失を低減する。

次に、本実施形態の直流電源装置において、開閉手段１０ａ、１０ｂの制御方法を説明する。まず、検出された直流電圧に応じて、開閉手段１０ａ、１０ｂの制御方法を説明する。図３は瞬時停電発生時の直流電圧と開閉手段１０ａ、１０ｂの駆動信号を示す図である。負荷７の動作中に、交流電源１は瞬時停電が発生する際、負荷７は直流電圧が必要な動作電圧以上である限り、継続的に運転する。一方、交流電源１からの電力供給が無くなり、負荷７が運転必要な電力は全て平滑コンデンサ６から供給される為、平滑コンデンサ６両端の電圧、すなわち直流電圧が低下する。

直流電圧検出部３２は、常時に直流電圧を検出し、検出された直流電圧信号が制御部１００に入力される。

図３に示す様に、直流電圧が所定の下限閾値ＶＬより低く検知されると、開閉手段１０ａ、１０ｂをオン状態に制御することで、交流電源１の正の電源半周期においては、高速ダイオード４ａをバイパスして、一般整流ダイオード１１ａを通し、平滑コンデンサ６を充電することができる。一方、交流電源１の負の電源半周期においては、高速ダイオード４ｂをバイパスして、一般整流ダイオード１１ｂを通し、平滑コンデンサ６を充電することができる。

瞬時停電から復電の時に、リアクタ２のインピーダンスにより、交流電源１の正、負の電源半周期にかかわらず、平滑コンデンサ６への充電に伴う突入電流（サージ電流）の大部分は、サージ耐量の大きい一般整流ダイオード１１ａ、１１ｂを通し、平滑コンデンサ６に流れる。高速ダイオード４ａ、４ｂには過大な突入電流が流れない為、高速ダイオード４ａ、４ｂを保護することができる。

なお、前述の直流電圧下限閾値ＶＬは、交流電源１が復電時に流れ得る最大突入電流が、高速ダイオード４ａ、４ｂのサージ電流耐量を上回らない様に設定すれば良い。これにより、直流電圧は下限閾値直流電圧ＶＬ以下のタイミングで復電の場合、突入電流は高速ダイオード４ａ、４ｂのサージ耐量以下である為、高速ダイオード４ａ、４ｂに流れても破壊に至らない。

また、直流電圧復帰閾値ＶＨを設定し、直流電圧が所定の復帰閾値ＶＨより高く検知されると、開閉手段１０ａ、１０ｂをオフ状態に制御する。それにより、一般整流ダイオード１１ａ、１１ｂには電流が流れない。

なお、復帰閾値ＶＨを下限閾値ＶＬより高く設定することで、開閉手段を制御する際の
チャタリングを防止することができる。

次に、交流電源１のゼロクロス信号にて、開閉手段１０ａ、１０ｂの制御方法を説明する。図４は、ゼロクロス検出部３１の出力信号と交流電圧位相の関係を示す図である。

ゼロクロス検出部３１は抵抗、ダイオード、フォトカプラ等で構成される。図４（ａ）に示す様に、十分小さな正の比較電圧Ｖｒｅｆを設定し、交流電圧が比較電圧Ｖｒｅｆより大きければ、ゼロクロス検出部３１はＬの信号を出力する。交流電圧が比較電圧Ｖｒｅｆより小さければ、ゼロクロス検出部３１はＨの信号を出力する。これにより、ゼロクロス信号を検出する。

制御部１００は、ゼロクロス検出部３１からのＬ信号を常に検出し、Ｌ信号が所定の期間以上継続する場合、交流電源１が瞬時停電と判断し、開閉手段１０ａ、１０ｂをオン状態に制御する。それにより、瞬時停電から復電の時に、平滑コンデンサ６への充電に伴う突入電流の大部分は、サージ耐量の大きい一般整流ダイオード１１ａ、１１ｂを通し、平滑コンデンサ６に流れる。高速ダイオード４ａ、４ｂには過大な突入電流が流れない為、高速ダイオード４ａ、４ｂを保護することができる。

さらに、検出された直流電圧、もしくはゼロクロス信号を両方用いて判断し、状況に応じて、開閉手段１０ａ、１０ｂをオン状態に制御することで、高速ダイオード４ａ、４ｂを保護しても良い。

本実施の形態では、図１に示す直流電源装置の回路構成で説明するが、図５に示すように、スイッチング素子の配置が異なる回路構成の場合、および図６に示すように、開閉手段の数と配置が異なる回路構成の場合でも同様の効果を奏することができる。

（実施の形態２）
図７は、本発明の第２の実施の形態に関わるインバータ駆動装置の構成を示す図である。図７に示す様に、本発明の第２の実施の形態に関わるインバータ駆動装置は、図１に示した実施の形態１に係る直流電源装置と同様の構成の直流電源装置を備えるとともに、モータ８と、モータを駆動するインバータ９と、インバータを負荷として駆動するインバータ制御部１０１を有する。

なお、実施の形態２のインバータ駆動装置における直流電源装置は、実施の形態１に係る直流電源装置と同様な構成であるため、直流電源装置の説明は省略する。実施の形態１の直流電源装置と異なる部分のみ説明する。

瞬時停電からの復電時に発生する突入電流の大きさは、瞬時停電から復電する直前の直流電圧と、瞬時停電から復電する際の交流電源１からの交流電圧との差により決定される。この差が大きい程、復電時に発生する突入電流が大きくなる。

交流電源１は瞬時停電が発生する時、インバータ負荷が重い程、直流電圧の低下速度が速くなる。インバータ負荷がモータの場合、モータの周波数が高いほど、インバータ負荷が重くなる。すなわち、直流電圧の低下速度が速くなる。

それにより、実施の形態１に記載の直流電圧、もしくはゼロクロス信号にて、交流電源１が瞬時停電と判断した場合、インバータ制御部１０１からのインバータ駆動周波数を下げることで、直流電圧の低下速度が遅くなる。それに応じて、復電時に発生する突入電流が小さくなるため、よりサージ耐量の小さい高速ダイオードを用いることができて、設計自由度が向上する。

以上の様に、本発明にかかる直流電源装置は、交流電圧のピーク電圧よりも低い直流電圧となるように安定して制御することができる。また、瞬時停電後の復電の際、突入電流に対する高いサージ耐量を持つ低速ダイオードにバイパスさせることで、高速ダイオードに過大な突入電流が流れず、高速ダイオードを保護することが可能となるので、交流電源からの交流電圧を、リアクタを介してスイッチング素子により短絡・開放することで、直流電圧に変換し負荷に電力を供給するエアコン、冷蔵庫、洗濯機などの機器にも適用できる。

１ 交流電源
２ リアクタ
３ａ、３ｂ、３ｃ スイッチング素子
４ａ、４ｂ 高速ダイオード
５ａ、５ｂ 一般整流ダイオード
６ 平滑コンデンサ
７ 負荷
８ モータ
９ インバータ
１０ａ、１０ｂ、１０ｃ 開閉手段
１１ａ、１１ｂ 一般整流ダイオード
３１ ゼロクロス検出部
３２ 直流電圧検出部
１００ 制御部
１０１ インバータ制御部

Claims (9)

1. 交流電源からの交流電圧を整流する整流回路と、単一もしくは複数のスイッチング素子を用いてリアクタを介して交流電源からの交流電圧を短絡・開放するスイッチング手段と、整流回路の出力側に設けた平滑コンデンサを備えて、
   スイッチング素子のオン・オフによって負荷へ供給する直流電圧を制御する直流電源装置であって、
   前記整流回路を構成する整流ダイオードの中、少なくとも一つは高速ダイオードであり、前記交流電源とリアクタとの接続点から、前記平滑コンデンサの正極および負極の間に、開閉手段と一般整流ダイオードが接続され、
   前記一般整流ダイオードは、前記開閉手段を介し、前記平滑コンデンサに充電電流を流す向きに接続されることを特徴とする直流電源装置。
2. 前記直流電圧は前記交流電源からの交流電圧の瞬時ピーク電圧の絶対値より低くなるように制御することを特徴とする請求項１記載の直流電源装置。
3. 前記スイッチング素子のオン・オフを動作させる際は、前記開閉手段をオフ状態に制御することを特徴とする請求項１〜２のいずれかの一項に記載の直流電源装置。
4. 前記直流電圧を検出する直流電圧検出部を設け、前記直流電圧検出部の出力値が所定値以下である場合、前記開閉手段をオン状態に制御することを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の直流電源装置。
5. 交流電源の瞬時停電を検出する瞬時停電検出手段を設け、
   瞬時停電検出手段にて交流電源の瞬時停電を検出した際、前記開閉手段をオン状態に制御することを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の直流電源装置。
6. 交流電源からの交流電圧のゼロクロスを検出するゼロクロス検出部を設け、
   前記瞬時停電検出手段は、前記ゼロクロス検出部の出力値か、前記直流電圧検出部の出力値の少なくとも一方の値に応じて交流電源の瞬時停電を判断することを特徴とする請求項５記載の直流電源装置。
7. 前記負荷がインバータ負荷である請求項１〜６のいずれか一項に記載の直流電源装置と、前記インバータ負荷を制御するインバータ制御部を備えて、
   前記交流電源の瞬時停電を検出した際、前記インバータ制御部における駆動周波数を下げることを特徴とするインバータ駆動装置。
8. 前記請求項１〜６のいずれか一項に記載の直流電源装置を備えた空気調和機。
9. 前記請求項７記載のインバータ駆動装置を備えた空気調和機。