JP7145965B2 - 電力変換回路および空気調和機 - Google Patents
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Description
この発明は上述した事情に鑑みてなされたものであり、電力損失を抑制できる電力変換回路および空気調和機を提供することを目的とする。
〈第1実施形態の構成〉
図1は、本発明の第1実施形態によるインバータ120(電力変換回路)の回路図である。
インバータ120は、直流電源142(直流系統)から供給された直流電力を三相交流電力に変換し、負荷装置であるモータ144(交流系統)を駆動する。なお、モータ144は、例えば磁石型三相同期電動機である。インバータ120は、直流端子40P,40Nと、交流端子42U,42V,42Wと、6個のスイッチング素子QA1~QA6(主回路スイッチング素子)と、6個の還流ダイオードDA1~DA6と、6台の逆電圧印加回路11~16と、インバータ制御回路130(制御部)と、ドライバ回路122と、を備えている。
図1において、スイッチング素子QA1がオフ状態であって、ダイオードDA1に順方向の還流電流が流れていたとする。ここで、スイッチング素子QA1がオン状態になると、ダイオードDA1には逆電圧が印加される。その際、ダイオードDA1の残留電荷によって逆方向電流が流れる。この逆方向電流は逆回復電流と呼ばれており、逆回復電流による損失は逆回復損失と呼ばれている。ダイオードDA1に逆回復電流が流れる際、ダイオードDA1に主直流電圧VEがそのまま印加されると、逆回復電流および逆回復損失が大きくなる。そこで、逆電圧印加回路11は、この問題に対応するために設けられている。すなわち、逆電圧印加回路11は、ダイオードDA1に逆回復電流が流れる際、ダイオードDA1に対して、主直流電圧VEよりも低い逆電圧を印加し、逆回復電流および逆回復損失を低減させようとするものである。
スイッチング素子28は、直流電源22が出力する直流電圧VGのスイッチングを行うため、スイッチング素子QA1~QA6よりも耐圧の低いものを採用している。また、ダイオード34は、高速に動作させることが好ましいため、還流ダイオードDA1~DA6よりも逆回復時間が短いものを採用している。具体的には、ダイオード34として、ワイドバンドギャップ半導体(シリコンカーバイド、窒化ガリウム、酸化ガリウム等)を適用するとよい。なお、他の逆電圧印加回路12~16については図示を省略するが、これらは逆電圧印加回路11と同様に構成されている。
図2は、インバータ120における各部の波形図である。
図2において主回路制御信号SA1,SA2は、上述したように、スイッチング素子QA1,QA2を制御するために、インバータ制御回路130が出力する信号である。時刻t0以前においては、主回路制御信号SA2がハイレベルであるため、ゲート・ソース間電圧VgsQA2もハイレベルになっている。従って、スイッチング素子QA2(図1参照)は時刻t0以前にはオン状態になっている。これにより、交流端子42Uからインバータ120に流入した電流は、スイッチング素子QA2を介して直流電源142に還流する。
次に、本実施形態の効果を明らかにするために、比較例の構成について説明する。
本比較例の回路構成について図示は省略するが、「キャパシタ32が設けられていない」点を除いて、上記実施形態のもの(図1参照)と同様である。また、本比較例において、インバータ制御回路130は逆電圧制御信号SB1に代えて、破線で示す逆電圧制御信号SBX1を出力する。ここで、逆電圧制御信号SBX1は、図2に示すように、主回路制御信号SA1の立上りタイミングである時刻t2よりも早い時刻t1に立ち上がり、時刻t12までハイレベルを維持する信号である。また、図1において端子電圧VC1に対応する箇所の電圧を電圧VX1と呼ぶ。本比較例においては、キャパシタ32が設けられていないため、図2に示すように、電圧VX1の立上り/立下りタイミングは、逆電圧制御信号SBX1のものとほぼ同様になる。
以上のように、本実施形態によれば、逆電圧印加回路(11~16)は、それぞれ、直流系統(142)における直流電圧(VE)よりも低い直流電圧(VG)を発生させる低電圧電源(22)と、キャパシタ(32)と、低電圧電源(22)とキャパシタ(32)との間に接続された逆電圧印加スイッチング素子(28)と、キャパシタ(32)に蓄積された電荷によって対応する還流ダイオード(DA1~DA6)に逆電圧を印加するように、キャパシタ(32)と還流ダイオード(DA1~DA6)との間に接続された逆電圧印加ダイオード(34)と、を備える。
このように、逆電圧印加スイッチング素子(28)の耐圧を低くすることにより、逆電圧印加回路(11~16)を安価に構成することができ、逆回復時間が短い逆電圧印加ダイオード(34)を適用することにより、逆電圧印加回路(11~16)を高速に動作させることができる。
これにより、全ての還流ダイオード(DA1~DA6)において、逆回復電流を抑制することができる。
〈第2実施形態の構成〉
図3は、本発明の第2実施形態によるAC/DCコンバータ170(電力変換回路)の回路図である。なお、以下の説明において、上述した第1実施形態の各部に対応する部分には同一の符号を付し、その説明を省略する場合がある。
AC/DCコンバータ170は、交流電源162(交流系統)から供給された交流電力を直流電力に変換し、負荷装置164(直流系統)に供給するものである。AC/DCコンバータ170は、一対の交流端子60A,60Bと、直流端子62P,62Nと、4個のスイッチング素子QD1~QD4(主回路スイッチング素子)と、4個の還流ダイオードDD1~DD4と、4台の逆電圧印加回路51~54と、コンバータ制御回路180(制御部)と、ドライバ回路172と、リアクトル174と、平滑キャパシタ176と、電流検出部177と、電圧検出部178と、を備えている。
コンバータ制御回路180は、負荷の大きさ(例えば、交流電流瞬時値isの振幅値)に基づいて、複数の動作モードのうち何れかを選択可能である。ここで、選択可能な動作モードには、「同期整流モード」、および「スイッチング・モード」が含まれる。
同期整流モードは、スイッチング素子QD1~QD4のオン/オフ状態を、交流電圧瞬時値vsの極性に応じて、交流電圧瞬時値vsの半周期毎に切り換える動作モードである。すなわち、交流電圧瞬時値vsが正値であるとき、コンバータ制御回路180は、スイッチング素子QD1,QD4をオン状態にし、スイッチング素子QD2,QD3をオフ状態にする。これにより、交流電源162から電流が供給されると、その電流は、リアクトル174、スイッチング素子QD1、負荷装置164、スイッチング素子QD4を順次介して流れ、交流電源162に戻る。
ところで、AC/DCコンバータ170は、リアクトル174を含むため、上述した同期整流モードでは、交流電流瞬時値isは交流電源162の電圧に対して遅れ位相になる。スイッチング・モードは、AC/DCコンバータ170の力率を改善しようとする動作モードである。すなわち、スイッチング・モードにおいては、コンバータ制御回路180は、交流電圧瞬時値vsの半周期内で、スイッチング素子QD1,QD2のオン/オフ状態を、デッドタイムを挟みつつ相補的に複数回切り替える。また、コンバータ制御回路180は、スイッチング素子QD3,QD4のオン/オフ状態については、上述した同期整流モードにおける状態と同様になるように制御する。
以上のように、本実施形態によれば、制御部(180)は、交流系統(162)から直流系統(164)に向かって電力を供給する際に、交流系統(162)における交流電圧の半周期の期間内に、交流系統(162)とリアクトル(174)とを断続的に複数回直結するように、主回路スイッチング素子(QD1~QD4)を制御する。
そして、第1実施形態と同様に、逆電圧印加回路(51~54)は、それぞれ、直流系統(164)における直流電圧(VE)よりも低い直流電圧(VG)を発生させる低電圧電源(22)と、キャパシタ(32)と、低電圧電源(22)とキャパシタ(32)との間に接続された逆電圧印加スイッチング素子(28)と、キャパシタ(32)に蓄積された電荷によって対応する還流ダイオード(DD1~DD4)に逆電圧を印加するように、キャパシタ(32)と還流ダイオード(DD1~DD4)との間に接続された逆電圧印加ダイオード(34)と、を備える。
図4は、本発明の第3実施形態による空気調和機900の冷凍サイクル系統図である。
図4に示すように、本実施形態の空気調和機900は、室外機960と、室内機970と、を備えるとともに、両者を接続するガス配管982と、液配管984と、を備えている。
冷房運転において、四方弁962は、実線で示すように、圧縮機961の吐出側と室外熱交換器963とを連通させ、圧縮機961の吸入側とガス配管982とを連通させる。圧縮機961から吐出される冷媒は、高温高圧のガス状であり、四方弁962を通過して、室外熱交換器963に流れる。室外熱交換器963に流入したガス状の冷媒は、室外ファン965によって供給される室外の空気と熱交換して凝縮され、液状の冷媒となる。この液状の冷媒は、全開状態の室外膨張弁964および液配管984を通過して、室内機970に流入する。
これにより、本実施形態によれば、第1,第2実施形態と同様にAC/DCコンバータ170およびインバータ120の電力損失を抑制でき、高効率な空気調和機900を実現することができる。
本発明は上述した実施形態に限定されるものではなく、種々の変形が可能である。上述した実施形態は本発明を理解しやすく説明するために例示したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、ある実施形態の構成の一部を他の実施形態の構成に置き換えることが可能であり、ある実施形態の構成に他の実施形態の構成を加えることも可能である。また、各実施形態の構成の一部について削除し、もしくは他の構成の追加・置換をすることが可能である。また、図中に示した制御線や情報線は説明上必要と考えられるものを示しており、製品上で必要な全ての制御線や情報線を示しているとは限らない。実際には殆ど全ての構成が相互に接続されていると考えてもよい。上記実施形態に対して可能な変形は、例えば以下のようなものである。
22 直流電源(低電圧電源)
28 スイッチング素子(逆電圧印加スイッチング素子)
32 キャパシタ
34 ダイオード(逆電圧印加ダイオード)
120 インバータ(電力変換回路)
170 AC/DCコンバータ(電力変換回路)
130 インバータ制御回路(制御部)
142 直流電源(直流系統)
144 モータ(交流系統)
162 交流電源(交流系統)
164 負荷装置(直流系統)
180 コンバータ制御回路(制御部)
174 リアクトル
900 空気調和機
QA1~QA6,QD1~QD4 スイッチング素子(主回路スイッチング素子)
DA1~DA6,DD1~DD4 還流ダイオード
VE 主直流電圧(直流電圧)
VG 直流電圧
Claims (3)
- 直流系統と交流系統との間に設けられ、電力変換を行う複数の主回路スイッチング素子と、
複数の前記主回路スイッチング素子の各々に逆並列接続された複数の還流ダイオードと、
少なくとも一部の前記還流ダイオードに接続され、対応する前記還流ダイオードが遮断する際に、前記直流系統における直流電圧よりも低い逆電圧を、対応する前記還流ダイオードに印加する逆電圧印加回路と、
前記逆電圧印加回路を制御する制御部と、
を備え、
前記逆電圧印加回路は、それぞれ、
前記直流系統における直流電圧よりも低い直流電圧を発生させる低電圧電源と、
キャパシタと、
前記低電圧電源と前記キャパシタとの間に接続された逆電圧印加スイッチング素子と、
前記キャパシタに蓄積された電荷によって対応する前記還流ダイオードに逆電圧を印加するように、前記キャパシタと前記還流ダイオードとの間に接続された逆電圧印加ダイオードと、
を備え、
前記逆電圧印加スイッチング素子は、前記主回路スイッチング素子よりも耐圧が低く、
前記逆電圧印加スイッチング素子と、前記キャパシタとは、前記低電圧電源の正極と負極との間に直列接続され、
前記逆電圧印加ダイオードは、前記還流ダイオードよりも逆回復時間が短く、前記キャパシタと前記還流ダイオードとの間に接続されている
ことを特徴とする電力変換回路。 - 直流系統と交流系統との間に設けられ、電力変換を行う複数の主回路スイッチング素子と、
複数の前記主回路スイッチング素子の各々に逆並列接続された複数の還流ダイオードと、
少なくとも一部の前記還流ダイオードに接続され、対応する前記還流ダイオードが遮断する際に、前記直流系統における直流電圧よりも低い逆電圧を、対応する前記還流ダイオードに印加する逆電圧印加回路と、
前記逆電圧印加回路を制御する制御部と、
を備え、
前記逆電圧印加回路は、それぞれ、
前記直流系統における直流電圧よりも低い直流電圧を発生させる低電圧電源と、
キャパシタと、
前記低電圧電源と前記キャパシタとの間に接続された逆電圧印加スイッチング素子と、
前記キャパシタに蓄積された電荷によって対応する前記還流ダイオードに逆電圧を印加するように、前記キャパシタと前記還流ダイオードとの間に接続された逆電圧印加ダイオードと、
前記主回路スイッチング素子と前記交流系統との間に接続されたリアクトル
を備え、
前記制御部は、前記交流系統から前記直流系統に向かって電力を供給する際に、前記交流系統における交流電圧の半周期の期間内に、前記交流系統と前記リアクトルとを断続的に複数回直結するように、前記主回路スイッチング素子を制御する
ことを特徴とする電力変換回路。 - 請求項1または2に記載の電力変換回路を備える
ことを特徴とする空気調和機。
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