JP6528002B2 - 電源装置 - Google Patents

Description

本発明の実施形態は、例えば、冷凍サイクルを有する空気調和機や熱源機等に搭載される電源装置に関する。

冷凍サイクルを有する空気調和機や熱源機等に搭載される電源装置は、交流電源の電圧を整流する整流回路、およびこの整流回路の出力電圧を昇圧する昇圧回路を含み、この昇圧回路の出力電圧をインバータ等の負荷に供給する。インバータは、昇圧回路の出力電圧を所定周波数の交流電圧に変換する。このインバータの出力により、上記冷凍サイクルにおける圧縮機のモータが動作する。昇圧回路は、上記整流回路の出力端に接続されたリアクタおよびスイッチ（第１スイッチという）の直列回路、この第１スイッチと上記負荷との間の通電路に設けられた逆流防止用ダイオード、この逆流防止用ダイオードを介して上記第１スイッチに並列接続されたコンデンサを含み、上記第１スイッチのオン，オフにより上記整流回路の出力電圧を昇圧する。上記負荷は上記コンデンサに並列接続される。

第１スイッチがオフからオンに切換わったとき、リアクタから逆流防止用ダイオードを順方向に通る経路でコンデンサに電流が流れる。このとき、逆流防止用ダイオードに順方向電圧が生じる。この順方向電圧の発生は、昇圧回路の電力損失を招くもので、省エネルギー性の面で無視できない。

対策として、抵抗値が小さいスイッチ（第２スイッチという）を逆流防止用ダイオードに並列接続し、この第２スイッチを第１スイッチのオン時にオフして第１スイッチのオフ時にオンすることにより、すなわち両スイッチを相補的に動作させることにより、逆流防止用ダイオードに順方向の電流が流れなくなる。これにより、逆流防止用ダイオードに順方向電圧が生じなくなり、よって昇圧回路の電力損失を低減できる。この場合、両スイッチが同時にオン状態になるとコンデンサから両スイッチを通して短絡電流が流れてしまうので、第１スイッチがオフからオンに切換わるときには第２スイッチがオフ状態となって第２スイッチがオフからオンに切換わるとき第１スイッチがオフ状態となるいわゆるデッドタイムが確保される。

特開２００９−３８８７５号公報

上記電源装置では、例えば第１スイッチがオン（閉成）したままオフ（開放）しない故障いわゆる短絡故障が第１スイッチに生じた場合、整流回路からリアクタおよび第１スイッチを通して短絡電流が流れ続けてしまう（電源短絡の異常）。電源サグの復帰時など、整流回路からリアクタを通りさらに逆流防止用ダイオードおよび第２スイッチのいずれか一方を通る経路でコンデンサに過大な突入電流が流れることもある（過電流の異常）。これらの異常が生じると、交流電源から電源装置への入力電流が過大となる。この過電流を捕らえることにより、上記異常を検出できる。

一方、両スイッチに対するスイッチング制御に誤りが生じた場合、あるいは第２スイッチがオン（閉成）したままオフ（開放）しない短絡故障が第２スイッチに生じた場合、両スイッチが同時にオン状態となる事態の発生が考えられる。両スイッチが同時にオン状態になると、コンデンサから両スイッチを通して大きな短絡電流が流れてしまう。この異常については、交流電源から電源装置への入力電流からは検出できない。

本発明の実施形態の目的は、コンデンサから両スイッチを通して短絡電流が流れる異常を確実に検出できる電源装置を提供することである。

請求項１の電源装置は、整流回路、昇圧回路、第１電流検知器、第２電流検知器、およびコントローラを備える。前記整流回路は、交流電圧を整流する。前記昇圧回路は、前記整流回路の出力端に接続されたリアクタおよび第１スイッチの直列回路、この第１スイッチと負荷との間の通電路に設けられた逆流防止用ダイオード、この逆流防止用ダイオードを介して前記第１スイッチに並列接続されたコンデンサ、前記逆流防止用ダイオードに並列接続された第２スイッチを含み、前記第１スイッチのオン，オフおよびこの第１スイッチのオン，オフとは逆位相の前記第２スイッチのオン，オフにより前記整流回路の出力電圧を昇圧する。前記第１電流検知器は、前記昇圧回路への入力電流を検知する。前記第２電流検知器は、前記第２スイッチと前記コンデンサとの間の通電路において前記逆流防止用ダイオードの接続点よりも上流側に配置されている。前記コントローラは、前記コンデンサの一端から他端へ前記第１および第２スイッチを通して短絡電流が流れる上下短絡の異常を前記第２電流検知器の検知電流から検出するとともに、前記第２スイッチがオフしたままオンしないオープン故障の異常を前記第１電流検知器の検知電流と前記第２電流検知器の検知電流との関係により検出する。

第１実施形態の構成を示すブロック図。 第１実施形態における各電流センサの検知電流と異常内容との関係およびその異常に対する安全処置を判り易く示す図。 第２実施形態の構成を示すブロック図。 第２実施形態における各電流センサの検知電流と異常内容との関係およびその異常に対する安全処置を判り易く示す図。

［１］第１実施形態
以下、第１実施形態として、冷凍サイクルを有する空気調和機に搭載される電源装置を例に説明する。
図１に示すように、３相交流電源１に整流回路たとえばダイオードブリッジの全波整流回路２が接続され、その全波整流回路２の出力端に昇圧回路１０が接続されている。この昇圧回路１０の出力端に、当該電源装置の負荷であるインバータ２０が接続されている。昇圧回路１０は、インバータ２０に直流電力を供給する。

昇圧回路１０は、全波整流回路２の出力端に接続されたリアクタ１１およびスイッチ素子（第１スイッチ）ＳＷ１の直列回路、このリアクタ１１およびスイッチ素子ＳＷ１の相互接続点とインバータ２０との間の正側通電路に設けられた逆流防止用ダイオードＤ２、この逆流防止用ダイオードＤ２を介してスイッチ素子ＳＷ１に並列接続されたコンデンサ（電解コンデンサ）１２、逆流防止用ダイオードＤ２に並列接続されたスイッチ素子（第２スイッチ）ＳＷ２を含み、スイッチ素子ＳＷ１のオン，オフ（断続オン）とこのスイッチ素子ＳＷ１のオン，オフとは逆位相のスイッチ素子ＳＷ２のオン，オフ（断続オン）により全波整流回路２の出力電圧（直流電圧）を昇圧する昇圧モードの機能、およびスイッチ素子ＳＷ１のオフ（オフの継続）とスイッチ素子ＳＷ２のオン（オンの継続）により全波整流回路２の出力電圧を昇圧せずに出力する非昇圧動作モードの機能を有する。スイッチ素子ＳＷ１を下相側スイッチ素子、スイッチ素子ＳＷ２を上相側スイッチ素子ともいう。

スイッチ素子ＳＷ１は、寄生ダイオードＤ１を含む半導体スイッチ素子たとえばＭＯＳＦＥＴであり、コントローラ３０から供給される駆動信号Ｓ１によりオン，オフ駆動される。スイッチ素子ＳＷ２は、寄生ダイオードＤ２を含み、オン時にソース・ドレイン間の双方向に電流が流れる双方向性を有し、かつオン時の電力損失（導通損失ともいう）が寄生ダイオードＤ２の順方向電圧による電力損失より小さい半導体スイッチ素子たとえばＭＯＳＦＥＴであり、コントローラ３０から供給される駆動信号Ｓ２によりスイッチ素子ＳＷ１のオン，オフとは逆位相でオン，オフ駆動される。このスイッチ素子ＳＷ２の寄生ダイオードＤ２が、そのまま上記逆流防止用ダイオードＤ２として用いられている。

インバータ２０は、昇圧回路１０の出力電圧をスイッチングにより交流電圧に変換し、その交流電圧をモータ２１への駆動電力として出力する。モータ２１は、圧縮機２２の駆動用モータ（例えばブラシレスＤＣモータ）である。

圧縮機２２は、冷媒を吸込んで圧縮し吐出する。この圧縮機２２の冷媒吐出口に四方弁２３を介して室外熱交換器２４の一端が接続され、その室外熱交換器２４の他端が膨張弁２５を介して室内熱交換器２６の一端に接続されている。室内熱交換器２６の他端は、四方弁２３を介して圧縮機２２の冷媒吸込口に接続されている。これら圧縮機２２、四方弁２３、室外熱交換器２４、膨張弁２５、室内熱交換器２６により、空気調和機のヒートポンプ式冷凍サイクルが構成されている。図１中の矢印は、冷房時の冷媒の流れを示し、圧縮機から吐出した高温冷媒は、室内熱交換器２６で吸熱して室内を冷却し、室外熱交換器２４で放熱する。すなわち、室内熱交換器２６は吸熱器となり、室外熱交換器２４は放熱器となる。四方弁２３を反転すれば、冷媒の流れが反対となり暖房運転ができる。この場合、室内熱交換器２６で放熱して室内を暖め、室外熱交換器２４で吸熱することになる。

全波整流回路２の正側出力端と昇圧回路１０のリアクタ１１との間の通電路に、リアクタ１１に流れる電流（昇圧回路１０への入力電流）Ｉａを検知する入力電流検知器たとえば電流センサ１３が配置されている。スイッチ素子ＳＷ２とコンデンサ１２との間の通電路に、コンデンサ１２及びインバータ２０に流れる電流Ｉｄｃを検知する出力電流検知器たとえば電流センサ１４が配置されている。インバータ２０とモータ２１との間の通電路に、モータ２２に流れる電流（相巻線電流）を検知する電流センサ２７が配置されている。これら電流センサ１３，１４，２７の検知結果がコントローラ３０に供給される。昇圧回路１０の出力電圧（コンデンサ１２の両端間電圧）Ｖｄｃが、コントローラ３０で検出される。

コントローラ３０は、昇圧制御部４０、インバータ制御部５０、目標値設定部５１、および異常検出部６０を含む。

昇圧制御部４０は、昇圧回路１０の出力電圧Ｖｄｃが目標値Ｖｄｃrefとなるように、かつ昇圧回路１０への入力電流Ｉａが一定となるように、昇圧回路１０のスイッチングをパルス幅変調（ＰＷＭ）制御するもので、減算部４１、ＰＩ制御器４２、減算部４３、ＰＩ制御器４４、ＰＷＭ信号生成部４５、キャリア発生部４６、スイッチ駆動制御部４７，４８を含む。

減算部４１は、昇圧回路１０の出力電圧Ｖｄｃと目標値Ｖｄｃrefとの偏差ΔＶｄｃを求める。ＰＩ制御器４２は、減算部４１で得た偏差ΔＶｄｃを入力とする比例・積分演算により、昇圧回路１０への入力電流Ｉａに対する電流指令値Ｉrefを得る。減算部４３は、ＰＩ制御器４２で得た電流指令値Ｉrefと昇圧回路１０への入力電流（電流センサ１３の検知電流）Ｉａとの偏差ΔＩａを求める。ＰＩ制御器４４は、減算部４３で得た偏差ΔＩａを入力とする比例・積分演算により、パルス幅変調用の電圧指令値Ｖrefを得る。キャリア発生部４６は、所定周波数の三角波状のキャリア信号電圧Ｖｃを発する。ＰＷＭ信号生成部４５は、キャリア発生部４６が発するキャリア信号電圧ＶｃをＰＩ制御器４４で得た電圧指令値Ｖrefでパルス幅変調（電圧比較）することにより、昇圧回路１０のスイッチング素子ＳＷ１，Ｗ２に対するスイッチング用のパルス状のＰＷＭ信号Ｓ０を生成する。

スイッチ駆動制御部４７は、目標値設定部５１で設定される目標値Ｖｄｃrefが所定値以上（高・中負荷時）の場合に、ＰＷＭ信号生成部４５で生成されたＰＷＭ信号Ｓ０と同じ位相の駆動信号Ｓ１をスイッチ素子ＳＷ１の駆動用として生成し出力する。スイッチ駆動制御部４８は、目標値設定部５１で設定される目標値Ｖｄｃrefが所定値以上（高・中負荷時）の場合に、ＰＷＭ信号生成部４５で生成されたＰＷＭ信号Ｓ０と逆位相の駆動信号Ｓ２をスイッチ素子ＳＷ２の駆動用として生成し出力する。これら駆動信号Ｓ１，ＳＷ２の出力により、昇圧回路１０が昇圧動作モードで動作する。

また、スイッチ駆動制御部４７は、目標値設定部５１で設定される目標値Ｖｄｃrefが所定値未満（低負荷時）の場合、スイッチ素子ＳＷ１を継続的にオフさせるための駆動信号Ｓ１を生成し出力する。スイッチ駆動制御部４８は、目標値設定部５１で設定される目標値Ｖｄｃrefが所定値未満（低負荷時）の場合、スイッチ素子ＳＷ２を継続的にオンさせるための駆動信号Ｓ２を生成し出力する。これら駆動信号Ｓ１，ＳＷ２の出力により、スイッチ素子ＳＷ１が継続的にオフされるため、昇圧回路１０が非昇圧動作モードとなる。

なお、目標値Ｖｄｃrefは、ヒートポンプ式冷凍サイクルの負荷（いわゆる冷凍負荷）に応じて設定されるもので、圧縮機２２（モータ２１）が低回転状態となる低冷凍負荷時は低い値に設定され、圧縮機２２が高回転状態となる高冷凍負荷時は高い値に設定される。目標値Ｖｄｃrefが低くなる低冷凍負荷時は、昇圧回路１０が非昇圧動作モードで動作する。

とくに、スイッチ駆動制御部４７，４８は、スイッチ素子ＳＷ１がオフからオンに切換わる前にスイッチ素子ＳＷ２がオンからオフに切換わるように、つまりスイッチ素子ＳＷ１がオフからオンに切換わるタイミングとスイッチ素子ＳＷ２がオンからオフに切換わるタイミングとの間に両スイッチ素子ＳＷ１，ＳＷ２が共にオフ状態となるデッドタイムが確保されるように、かつスイッチ素子ＳＷ１がオンからオフに切換わった後でスイッチ素子ＳＷ２がオフからオンに切換わるように、つまりスイッチ素子ＳＷ１がオンからオフに切換わるタイミングとスイッチ素子ＳＷ２がオンからオフに切換わるタイミングとの間に両スイッチ素子ＳＷ１，ＳＷ２が共にオフ状態となるデッドタイムが確保されるように、駆動信号Ｓ１，Ｓ２を生成する。

減算部４１およびＰＩ制御器４２が電圧制御系として機能する。減算部４３およびＰＩ制御器４４が電流制御系として機能する。この電圧制御系および電流制御系により、昇圧回路４の出力電圧Ｖｄｃが目標値Ｖｄｃrefとなるように、かつ昇圧回路４への入力電流Ｉが一定となるように、昇圧回路１０のスイッチングがＰＷＭ制御される。

インバータ制御部５０は、電流センサ２７の検知電流（モータ電流）からブラシレスＤＣモータ２１の速度（回転速度）を推定し、その推定速度が冷凍負荷の大きさに対応する目標速度となるようにインバータ２０のスイッチングをＰＷＭ制御する。目標値設定部５１は、インバータ２０の出力電圧が上記目標速度を得るのに必要な最低限の昇圧回路１０の出力電圧Ｖｄｃを目標値Ｖｄｃrefとして設定する。

異常検出部６０は、全波整流回路２からスイッチ素子ＳＷ１を通る経路で短絡電流Ａが流れ続ける異常（電源短絡の異常という）を電流センサ１３の検知電流Ｉａに基づいて検出するとともに、全波整流回路２からリアクタ１１を通りさらに逆流防止用ダイオードＤ２およびスイッチ素子ＳＷ２のいずれか一方を通る経路で過大な突入電流等の過電流がコンデンサ１２に流れる異常（過電流の異常という）を電流センサ１３の検知電流Ｉａに基づいて検出する。具体的には、異常検出部６０は、電流センサ１３の検知電流Ｉａが閾値Ｉａｓ以上に上昇した場合に、“電源短絡の異常”および“過電流の異常”のいずれかが生じたと判定する。

また、異常検出部６０は、コンデンサ１２からスイッチ素子ＳＷ１，ＳＷ２を通る経路で大きな短絡電流Ｂ（＝−Ｉｄｃ）が流れる異常（上下短絡の異常という）を電流センサ１４の検知電流Ｉｄｃに基づいて検出する。具体的には、異常検出部６０は、電流センサ１４の検知電流Ｉｄｃが負の方向に増して閾値−Ｉｄｃｓ以上に達した場合に、“上下短絡の異常”が生じたと判定する。

この異常検出部６０の検出結果（判定結果）がスイッチ駆動制御部４７，４８およびインバータ制御部５０に供給される。

スイッチ駆動制御部４７，４８は、“電源短絡の異常”および“過電流の異常”のいずれかが異常検出部６０で検出された場合に、安全保護のため、スイッチ素子ＳＷ１，ＳＷ２を強制的にオフする。また、スイッチ駆動制御部４７，４８は、“上下短絡の異常”が異常検出部６０で検出された場合に、安全保護のため、スイッチ素子ＳＷ１，ＳＷ２を強制的にオフする。

インバータ制御部５０は、“電源短絡の異常”および“過電流の異常”のいずれかが異常検出部６０で検出され、かつその異常の検出が一時的でなく所定時間にわたり継続した場合に、インバータ２０のスイッチングを停止する（すなわち冷凍負荷を停止する）。また、インバータ制御部５０は、“上下短絡の異常”が異常検出部６０で検出された場合には、即時に、インバータ２０のスイッチングを停止する（すなわち冷凍負荷を停止する）。

少なくとも上記全波整流回路２、上記昇圧回路１０、上記電流センサ１３，１４、および上記コントローラ３０により、本実施形態の電源装置が構成されている。

つぎに、コントローラ３０が実行する制御について説明する。電流センサ１３，１４の検知電流Ｉａ，Ｉｄｃと異常内容との関係およびその異常に対する安全処置を図２に判り易く示している。

モータ２１が高・中速度で回転する高・中負荷時、スイッチ素子ＳＷ１がオン，オフし、かつそのスイッチ素子ＳＷ１のオン，オフとは逆位相でスイッチ素子ＳＷ２がオン，オフする。これにより、全波整流回路２の出力電圧が昇圧回路１０で昇圧されてインバータ２０に供給される。モータ２１が低速度で回転する低負荷時は、スイッチ素子ＳＷ１が継続的にオフしてスイッチ素子ＳＷ２が継続的にオンする。これにより、全波整流回路２の出力電圧は、リアクタ１１およびスイッチ素子ＳＷ２を通り、昇圧されることなくコンデンサ１２を介してインバータ２０に供給される。

ところで、スイッチ素子ＳＷ１がオン（閉成）したままオフ（開放）しない短絡故障が生じると、全波整流回路２からスイッチ素子ＳＷ１を通る経路で短絡電流Ａが流れ続ける“電源短絡の異常”が生じる可能性がある。また、全波整流回路２からスイッチ素子ＳＷ２を通る経路でコンデンサ１２に突入電流等の過電流が流れる“過電流の異常”が生じる可能性もある。このような“電源短絡の異常”および“過電流の異常”のいずれかが生じた場合、電流センサ１３の検知電流Ｉａが閾値Ｉａｓ以上に上昇する。電流センサ１３の検知電流Ｉａが閾値Ｉａｓ以上に上昇した場合、異常検出部６０は、“電源短絡の異常”または“過電流の異常”が生じたと判定する。この判定に際し、スイッチ駆動制御部４７はスイッチ素子ＳＷ１を強制的にオフし、スイッチ駆動制御部４８はスイッチ素子ＳＷ２を強制的にオフする。これにより、上記短絡電流Ａや上記過電流による昇圧回路１０や全波整流回路２の電気部品の破壊を防ぐことができる。

なお、“過電流の異常”が生じた場合、スイッチ素子ＳＷ２がオフ状態であれば、過電流が逆流防止用ダイオードＤ２を通って流れるが、逆流防止用ダイオードＤ２はその過電流に対して十分な容量を有するので、逆流防止用ダイオードＤ２が破壊に至ることはない。

また、スイッチ素子ＳＷ１，ＳＷ２に対するスイッチング制御の誤りやスイッチ素子ＳＷ２の短絡故障などにより、コンデンサ１２の一端から他端へとスイッチ素子ＳＷ２，ＳＷ１を通る経路で大きな短絡電流Ｂが流れる“上下短絡の異常”が生じる可能性がある。この“上下短絡の異常”が生じた場合、電流センサ１４の検知電流Ｉｄｃが負の方向に増して閾値−Ｉｄｃｓ以上となる。電流センサ１４の検知電流Ｉｄｃが負の方向に増して閾値−Ｉｄｃｓ以上に達した場合、異常検出部６０は、“上下短絡の異常”が生じたと判定する。この判定に際し、スイッチ駆動制御部４７，４８は、スイッチ素子ＳＷ１，ＳＷ２を強制的にオフする。これにより、上記短絡電流Ｂによる昇圧回路１０や全波整流回路２の電気部品の破壊を防ぐことができる。

以上のように、昇圧回路１０における“電源短絡の異常”“過電流の異常”“上下短絡の異常”を２つの電流センサ１３，１４によって確実に検出することができる。異常を検出した場合はスイッチ素子ＳＷ１，ＳＷ２を強制的にオフするので、昇圧回路１０および全波整流回路２を保護することができる。電流センサ１３は昇圧制御部４０の電流制御用としてもともと用意されているものなので、異常の検出用として新たに電流センサを用意する必要がない。よって、コストの上昇を抑えることができる。

［２］第２実施形態
第２実施形態について説明する。
図３に示すように、昇圧回路１０は、全波整流回路２の出力端に接続されたリアクタ１１およびスイッチ素子（第１スイッチ）ＳＷ１の直列回路、このリアクタ１１およびスイッチ素子ＳＷ１の相互接続点とインバータ２０との間の正側通電路に設けられた逆流防止用ダイオード１５、この逆流防止用ダイオード１５を介してスイッチ素子ＳＷ１に並列接続されたコンデンサ１２、逆流防止用ダイオード１５に並列接続されたスイッチ素子ＳＷ２，ＳＷ３の直列回路（第２スイッチ）を含み、スイッチ素子ＳＷ１のオン，オフ（断続オン）とこのスイッチ素子ＳＷ１のオン，オフとは逆位相のスイッチ素子ＳＷ２，ＳＷ３のオン，オフ（断続オン）により全波整流回路２の出力電圧を昇圧する昇圧動作モードの機能、およびスイッチ素子ＳＷ１のオフ（オフの継続）とスイッチ素子ＳＷ２，ＳＷ３のオン（オンの継続）により全波整流回路２の出力電圧を昇圧せずに出力する非昇圧動作モードの機能を有する。すなわち、第１実施形態のスイッチ素子ＳＷ２に代えて、スイッチ素子（前段スイッチ）ＳＷ２とスイッチ素子（後段スイッチ）ＳＷ３の直列回路を採用している。

スイッチ素子ＳＷ２，ＳＷ３は、互いに同じ駆動信号Ｓ２を受けることにより、互いに同期して動作する。昇圧回路１０が正常に動作している間は電流が逆流防止用ダイオード１５にほぼ流れないため、逆流防止用ダイオード１５として安価で小容量（定格）の部品を使用できる。別の言い方をすると、逆流防止用ダイオード１５は、負荷が大きい場合にスイッチ素子ＳＷ２，ＳＷ３の直列回路に流れる電流（昇圧電流）と同じ大きさの電流が継続して流れることのできる容量を有しない。

スイッチ素子ＳＷ１は、第１実施形態と同じもので、コントローラ３０から供給される駆動信号Ｓ１によってオン，オフ駆動される。スイッチ素子ＳＷ２は、寄生ダイオードＤ２を含み、オン時にソース・ドレイン間の双方向に電流が流れる双方向性を有する低耐圧のＭＯＳＦＥＴであり、コントローラ３０から供給される駆動信号Ｓ２によってスイッチ素子ＳＷ１のオン，オフとは逆位相でオン，オフ駆動される。低耐圧のＭＯＳＦＥＴは、本来オン抵抗が小さため低損失であり、よって効率の低下を防止できる。スイッチ素子ＳＷ３は、半導体スイッチ素子たとえばスーパージャンクションＭＯＳＦＥＴであり、コントローラ３０から供給される駆動信号Ｓ２によってスイッチ素子ＳＷ１のオン，オフとは逆位相でオン，オフ駆動される。すなわち、スイッチ素子ＳＷ２，ＳＷ３は、互いに同期して駆動される。

スイッチ素子ＳＷ２，ＳＷ３の直列回路は、スイッチ素子ＳＷ２，ＳＷ３を互いに逆方向に直列接続（互いに逆向きの極性で直列接続）したもので、スイッチ素子ＳＷ３の寄生ダイオードＤ３の逆回復電流を抑制する高効率スイッチング回路を逆流防止用ダイオード１５と共に形成している。これにより、第１実施形態よりもより高い効率を得ることができる。スイッチ素子ＳＷ２，ＳＷ３がオンしたときの上記直列回路の抵抗値（スイッチ素子ＳＷ２，ＳＷ３の抵抗値の合計）による電力損失（導通損失ともいう）は、逆流防止用ダイオード１５の順方向電圧による電力損失より小さい。上記高効率スイッチング回路は、例えば特開2015-156795号公報に記載されている半導体スイッチ回路に相当するもので、スイッチ素子ＳＷ３の寄生ダイオード（還流ダイオードともいう）Ｄ３の逆回復電流を効果的に抑制することで、損失の低減およびスイッチング速度の高速化を実現する。この半導体スイッチ回路の詳細についての説明は省略する。

電流センサ１４は、スイッチ素子ＳＷ２，ＳＷ３の直列回路とコンデンサ１２との間の通電路において、逆流防止用ダイオード１５の接続点よりも上流側の位置に配置されており、スイッチ素子ＳＷ２，ＳＷ３の直列回路を通してコンデンサ１２およびインバータ（負荷）２０に流れる電流Ｉｄｃを検知する。

異常検出部６０は、全波整流回路２の正側端子から負側端子へとスイッチ素子ＳＷ１を通る経路で短絡電流Ａが流れ続ける“電源短絡の異常”、および全波整流回路２からリアクタ１１を通りさらに逆流防止用ダイオード１５またはオン状態のスイッチ素子ＳＷ２，ＳＷ３を通る経路で過大な突入電流等の過電流がコンデンサ１２に流れる“過電流の異常”を、第１実施形態と同様に電流センサ１３の検知電流Ｉａに応じて検出する。また、異常検出部６０は、コンデンサ１２の一端から他端へとスイッチ素子ＳＷ３，ＳＷ２，ＳＷ１を通る経路で大きな短絡電流Ｂ（＝−Ｉｄｃ）が流れる“上下短絡の異常”を、第１実施形態と同様に電流センサ１４の検知電流Ｉｄｃに応じて検出する。

さらに、異常検出部６０は、スイッチ素子ＳＷ２，ＳＷ３のいずれかがオフ（開放）したままオン（閉成）しない異常いわゆる“オープン故障の異常”を検出する。スイッチ素子ＳＷ２の“オープン故障の異常”は、寄生ダイオードＤ２が導通しない異常を含む。スイッチ素子ＳＷ３の“オープン故障の異常”は、寄生ダイオードＤ３が導通しない異常を含む。これら“オープン故障の異常”は、電流センサ１３の検知電流Ｉａと電流センサ１４の検知電流Ｉｄｃとの差ΔＩ（＝Ｉａ−Ｉｄｃ）によって検出することができる。具体的には、スイッチ素子ＳＷ２，ＳＷ３のいずれかに“オープン故障の異常”が生じると、電流センサ１４の検知電流Ｉｄｃが零となるので、差ΔＩ（＝Ｉａ−Ｉｄｃ）が閾値αより大きくなる。差ΔＩが閾値αより大きくなった場合、異常検出部６０は、スイッチ素子ＳＷ２，ＳＷ３のいずれかに“オープン故障の異常”が生じたと判定する。なお、この場合、電流センサ１３で検知される電流Ｉａは、逆流防止用ダイオード１５を順方向に通ってコンデンサ１２側に流れていることになる。

この異常検出部６０の検出結果がスイッチ駆動制御部４７，４８およびインバータ制御部５０に供給される。

スイッチ駆動制御部４７は、“電源短絡の異常”および“過電流の異常”のいずれかが異常検出部６０で検出された場合に、第１実施形態と同様に、スイッチ素子ＳＷ１を強制的にオフする。スイッチ駆動制御部４８は、“電源短絡の異常”および“過電流の異常”のいずれかが異常検出部６０で検出された場合に、スイッチ素子ＳＷ２，ＳＷ３を強制的にオンする。

スイッチ駆動制御部４７は、“上下短絡の異常”が異常検出部６０で検出された場合、第１実施形態と同様に、安全保護のためスイッチ素子ＳＷ１を強制的にオフする。スイッチ駆動制御部４８は、“上下短絡の異常”が異常検出部６０で検出された場合、安全保護のためスイッチ素子ＳＷ２，ＳＷ３を強制的にオフする。

また、スイッチ駆動制御部４７は、スイッチ素子ＳＷ２，ＳＷ３のいずれかの“オープン故障の異常”が異常検出部６０で検出された場合、スイッチ素子ＳＷ１を強制的にオフする。スイッチ駆動制御部４８は、スイッチ素子ＳＷ２，ＳＷ３のいずれかの“オープン故障の異常”が異常検出部６０で検出された場合、スイッチ素子ＳＷ２，ＳＷ３を強制的にオフする。但し、この“オープン故障の異常”に際しては、スイッチ素子ＳＷ２，ＳＷ３にオフ信号を入力しても、動作状態に変化はないので、容量の小さい逆流防止用ダイオード１５に大きな電流が流れる事態を阻止できない。そこで、インバータ制御部５０は、スイッチ素子ＳＷ２，ＳＷ３のいずれかの“オープン故障の異常”が異常検出部６０で検出された場合、即時にインバータ２０のスイッチングを停止して逆流防止用ダイオード１５の破壊を防ぐ。

なお、インバータ制御部５０は、“電源短絡の異常”“過電流の異常”“上下短絡の異常”のいずれかが異常検出部６０で検出された場合に、第１実施形態と同様の制御を行う。

他の構成は第１実施形態と同じである。同じ部分の説明については省略する。

つぎに、コントローラ３０が実行する制御のうち、“電源短絡の異常”および“過電流の異常”のいずれかが生じた場合の制御、および“オープン故障の異常”が生じた場合の制御について説明する。電流センサ１３，１４の検知電流Ｉａ，Ｉｄｃと異常内容との関係およびその異常に対する安全処置を図４に判り易く示している。

“電源短絡の異常”および“過電流の異常”のいずれかが異常検出部６０で検出された場合、スイッチ駆動制御部４７はスイッチ素子ＳＷ１を強制的にオフし、スイッチ駆動制御部４８はスイッチ素子ＳＷ２，ＳＷ３を強制的にオンする。“過電流の異常”が生じた場合にスイッチ素子ＳＷ２，ＳＷ３がオフの状態のままでは、容量の小さい逆流防止用ダイオード１５に過電流の全てが流れてしまい、逆流防止用ダイオード１５が破壊される可能性がある。この破壊を防ぐため、スイッチ素子ＳＷ２，ＳＷ３を強制的にオンするようにしている。

スイッチ素子ＳＷ２，ＳＷ３のいずれか例えばスイッチ素子ＳＷ３がオフしたままオンしない“オープン故障の異常”が生じた場合、スイッチ素子ＳＷ２，ＳＷ３の直列回路からコンデンサ１２へと流れる電流Ｉｄｃが零または零に近い値に減少する。このとき、電流センサ１３の検知電流Ｉａと電流センサ１４の検知電流Ｉｄｃとの差ΔＩ（＝Ｉａ−Ｉｄｃ）が閾値αより大きくなるので、異常検出部６０は、スイッチ素子ＳＷ２，ＳＷ３のいずれかに“オープン故障の異常”が生じたと判定する。この判定に際し、スイッチ駆動制御部４７はスイッチ素子ＳＷ１を強制的にオフし、スイッチ駆動制御部４８はスイッチ素子ＳＷ２，ＳＷ３を強制的にオフし、インバータ制御部５０は負荷であるインバータ２０のスイッチングを即時に停止する。

以上のように、昇圧回路１０における“電源短絡の異常”“過電流の異常”“上下短絡の異常”“オープン故障の異常”を電流センサ１３，１４によって確実に検出することができる。また、検出した異常の内容に応じてスイッチ素子ＳＷ１，ＳＷ２，ＳＷ３およびインバータ２０の動作を安全側へ適切に制御するので、昇圧回路１０および全波整流回路２を保護することができる。

なお、上記各実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、書き換え、変更を行うことができる。これら実施形態は、発明の範囲は要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

本発明の実施形態の電源装置は、冷凍サイクルを有する空気調和機や熱源機等への搭載が可能である。

Claims (7)

1. 交流電圧を整流する整流回路と、
   前記整流回路の出力端に接続されたリアクタおよび第１スイッチの直列回路、この第１スイッチと負荷との間の通電路に設けられた逆流防止用ダイオード、この逆流防止用ダイオードを介して前記第１スイッチに並列接続されたコンデンサ、前記逆流防止用ダイオードに並列接続された第２スイッチを含み、前記第１スイッチのオン，オフおよびこの第１スイッチのオン，オフとは逆位相の前記第２スイッチのオン，オフにより前記整流回路の出力電圧を昇圧する昇圧回路と、
   前記昇圧回路への入力電流を検知する第１電流検知器と、
   前記第２スイッチと前記コンデンサとの間の通電路において前記逆流防止用ダイオードの接続点よりも上流側に配置された第２電流検知器と、
   前記コンデンサの一端から他端へ前記第１スイッチおよび前記第２スイッチを通して短絡電流が流れる上下短絡の異常を前記第２電流検知器の検知電流に基づいて検出するとともに、前記第２スイッチがオフしたままオンしないオープン故障の異常を前記第１電流検知器の検知電流と前記第２電流検知器の検知電流と関係により検出するコントローラと、
   を備えることを特徴とする電源装置。
2. 前記負荷は、前記昇圧回路の出力電圧をスイッチングにより交流電圧に変換し、その交流電圧をモータへの駆動電力として出力するインバータであり、
   前記コントローラは、前記上下短絡の異常を検出した場合および前記オープン故障の異常を検出した場合に、前記第１スイッチおよび前記第２スイッチを強制的にオフするとともに前記インバータのスイッチングを即時に停止する、
   ことを特徴とする請求項１に記載の電源装置。
3. 前記コントローラは、
   前記整流回路の正側端子から負側端子へ前記リアクタおよび前記第１スイッチを通して短絡電流が流れ続ける電源短絡の異常を前記第２電流検知器の検知電流に応じて検出し、この電源短絡の異常を検出した際に前記第１スイッチおよび前記第２スイッチを強制的にオフし、かつ前記電源短絡の異常の検出が所定時間にわたり継続した場合に前記インバータのスイッチングを停止し、
   前記整流回路から前記リアクタを通りさらに前記逆流防止用ダイオードまたは前記第２スイッチを通る経路で過電流が前記コンデンサに流れる過電流の異常を前記第１電流検知器の検知電流に応じて検出し、この過電流の異常を検出した際に前記第１スイッチおよび前記第２スイッチを強制的にオフし、かつ前記過電流の異常の検出が所定時間にわたり継続した場合に前記インバータのスイッチングを停止する、
   ことを特徴とする請求項２に記載の電源装置。
4. 前記第２スイッチは、寄生ダイオードを含むとともに、オン時に双方向に電流が流れる双方向性を有し、かつオン時の電力損失が前記寄生ダイオードの順方向電流による電力損失より小さい半導体スイッチ素子である、
   前記逆流防止用ダイオードは、前記第２スイッチの前記寄生ダイオードである、
   ことを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の電源装置。
5. 前記第２スイッチは、前段スイッチと後段スイッチとの直列回路であり、
   前記コントローラは、前記前段スイッチおよび前記後段スイッチのいずれかがオフしたままオンしない前記オープン故障の異常を前記第１電流検知器の検知電流と前記第２電流検知器の検知電流との差により検出する、
   ことを特徴とする請求項１に記載の電源装置。
6. 前記前段スイッチは、寄生ダイオードを含むとともに、オン時に双方向に電流が流れる双方向性を有する半導体スイッチ素子である、
   前記後段スイッチは、寄生ダイオードを含むとともに、オン時に双方向に電流が流れる双方向性を有する半導体スイッチ素子である、
   前記前段スイッチおよび前記後段スイッチの直列回路は、前記前段スイッチおよび前記後段スイッチを互いに逆方向に直列接続し、前記後段スイッチの寄生ダイオードの逆回復電流を抑制する高効率スイッチング回路を前記逆流防止用ダイオードと共に形成するもので、前記前段スイッチおよび前記後段スイッチがオンしたときの電力損失が前記逆流防止用ダイオードの順方向電流による電力損失より小さい、
   ことを特徴とする請求項５に記載の電源装置。
7. 前記逆流防止用ダイオードは、前記負荷が大きい場合に前記前段スイッチおよび前記後段スイッチの直列回路に流れる電流と同じ大きさの電流が継続して流れることのできる容量を有しない、
   ことを特徴とする請求項６に記載の電源装置。

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