JP7179222B2 - 電力変換装置、冷凍サイクル装置及び空気調和機 - Google Patents

電力変換装置、冷凍サイクル装置及び空気調和機 Download PDF

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Description

本開示は、ダイオードブリッジレス(Diode Bridge-Less:DBL)整流回路を備えた電力変換装置、電力変換装置を備えた冷凍サイクル装置、及び冷凍サイクル装置を搭載する空気調和機に関する。
DBL整流回路を備えた電力変換装置に関する従来技術として、下記特許文献1に記載されたものがある。この特許文献1には、平滑コンデンサの正極に接続されているスイッチング素子を、ブリッジ回路に電流が流れている期間の少なくとも一部でオン状態とし、電流経路に含まれないスイッチング素子をオフ状態で維持する同期整流を実施することが開示されている。この技術により、高効率で電力変換を行うことができると記載されている。
特開2018-7326号公報
しかしながら、上記特許文献1に記載の同期整流では、負荷がモータであるときにおいて、モータ誘起電圧が効率に及ぼす影響については、何ら考慮されていない。モータが高速で回転する高速回転域では、モータ誘起電圧が大きくなり、モータ電流が増加して、効率に影響を及ぼす。このため、モータの高速回転域での効率に改善の余地がある。
本開示は、上記に鑑みてなされたものであって、モータの高速回転域での効率の更なる改善を図ることができる電力変換装置を得ることを目的とする。
上述した課題を解決し、目的を達成するため、本開示に係る電力変換装置は、リアクタと、第1の上アーム素子と第1の下アーム素子とが直列接続された第1のレグと、第1のレグに並列に接続され、第2の上アーム素子と第2の下アーム素子とが直列接続された第2のレグとを有する整流回路と、を備える。整流回路において、第1の上アーム素子と第1の下アーム素子との接続点と、第2の上アーム素子と第2の下アーム素子との接続点との間には、リアクタを介して交流電源が出力する電源電圧が印加される。また、電力変換装置は、整流回路の出力電圧を平滑する平滑コンデンサと、平滑コンデンサによって平滑された直流電圧をモータへの駆動電圧に変換してモータに印加するインバータと、を備える。更に、電力変換装置は、直流電圧を検出する第1の電圧検出部と、整流回路及びインバータの動作を制御する制御部と、を備える。制御部は、モータに誘起される誘起電圧と直流電圧の検出値とに基づいて第1の上アーム素子及び第1の下アーム素子の動作を制御する。
本開示に係る電力変換装置によれば、モータの高速回転域での効率の更なる改善を図ることができるという効果を奏する。
実施の形態1に係る電力変換装置の構成例を示す図 一般的な金属酸化物半導体電界効果トランジスタ(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor:MOSFET)における電流-損失特性を模式的に示す図 実施の形態1における整流回路の基本動作に係るスイッチングパターンの一つを示す図 実施の形態1における整流回路の基本動作に係るスイッチングパターンの他の一つを示す図 実施の形態1の整流回路に流れる電流の第1の経路を示す図 実施の形態1の整流回路に流れる電流の第2の経路を示す図 実施の形態1の整流回路に流れる電流の第3の経路を示す図 実施の形態1の整流回路に流れる電流の第4の経路を示す図 実施の形態1における要部の動作説明に使用するフローチャート 実施の形態1における要部の動作説明に使用するタイムチャート 実施の形態1の変形例に係る電力変換装置の構成例を示す図 実施の形態2に係る電力変換装置の構成例を示す図 実施の形態2における整流回路及び短絡回路の基本動作に係るスイッチングパターンを示す図 実施の形態2の整流回路又は短絡回路に流れる電流の第5の経路を示す図 実施の形態2の整流回路又は短絡回路に流れる電流の第6の経路を示す図 実施の形態2の整流回路又は短絡回路に流れる電流の第7の経路を示す図 実施の形態2の整流回路又は短絡回路に流れる電流の第8の経路を示す図 実施の形態2における要部の動作説明に使用するタイムチャート 昇圧機能を有する電力変換装置の構成を比較例として示す図 実施の形態3に係る冷凍サイクル装置の構成例を示す図
実施の形態1.
図1は、実施の形態1に係る電力変換装置100の構成例を示す図である。実施の形態1に係る電力変換装置100は、図1に示すように、リアクタ5と、整流回路6と、平滑コンデンサ7と、インバータ8と、制御部10と、電圧検出部11,13と、電流検出部12と、ゲート回路部14とを備える。なお、以下の記載において、電圧検出部11を「第1の電圧検出部」と称し、電圧検出部13を「第2の電圧検出部」と称する場合がある。
電力変換装置100は、モータ52に交流電圧を印加してモータ52を駆動する。交流電源50は、電力変換装置100に電源電圧Vsを印加する交流電源である。モータ52は、不図示の負荷を駆動する駆動手段として利用される。負荷の一例は、圧縮機である。圧縮機は、空気調和機、冷蔵庫又は冷凍庫の冷凍サイクルに搭載される。
一般的な整流回路は、4つのダイオードがブリッジ接続された構成である。これに対し、実施の形態1の整流回路6は、DBL整流回路である。DBL整流回路は、4つのスイッチング素子がブリッジ接続された構成となる。即ち、DBL整流回路においては、4つのダイオードのそれぞれがスイッチング素子に置き替えられる。
整流回路6は、第1のレグ30と、第1のレグ30に並列に接続される第2のレグ32とを有する。第1のレグ30は、第1の上アーム素子であるスイッチング素子1と、第1の下アーム素子であるスイッチング素子2とを有する。スイッチング素子1とスイッチング素子2とは、直列に接続される。第2のレグ32は、第2の上アーム素子であるスイッチング素子3と、第2の下アーム素子であるスイッチング素子4とを有する。スイッチング素子3とスイッチング素子4とは、直列に接続される。第1及び第2の上アーム素子は平滑コンデンサ7の正極に接続される素子であり、第1及び第2の下アーム素子は平滑コンデンサ7の負極に接続される素子である。
図1において、スイッチング素子1,2,3,4のそれぞれには、並列にダイオードが接続されている。スイッチング素子1,2,3,4の一例は、図示のMOSFETである。スイッチング素子1,2,3,4にMOSFETを用いた場合、素子内部に寄生ダイオードが存在する。このため、MOSFETを用いた場合、寄生ダイオードを使用することで、並列に接続されるダイオードを省略することができる。
MOSFETは一般的に、ダイオードのように一方向にのみ電流を流す一方向性素子とは異なり、双方向に電流を流すことができる双方向性素子である。即ち、MOSFETをオンに制御するためにMOSFETのゲートに電荷を供給すると、逆方向にも電流を流すことができる。なお、ここで言う逆方向とは、MOSFETに内蔵される寄生ダイオードに流れる電流の方向とは逆の方向を意味する。
リアクタ5の一端は交流電源50の一方の側に接続され、リアクタ5の他端はスイッチング素子1,2の接続点34に接続される。スイッチング素子3,4の接続点36は、交流電源50の他方の側に接続される。なお、図1の構成に代え、リアクタ5は、交流電源50の他方の側に接続される構成でもよい。また、リアクタ5を2つに分割し、分割された2つのリアクタ5が交流電源50の一方の側と他方の側の両方に接続される構成でもよい。何れの構成においても、整流回路6には、接続点34と、接続点36との間にリアクタ5を介して、交流電源50が出力する交流電圧である電源電圧Vsが印加される接続形態となる。接続点34,36は、整流回路6の入力端を構成する。
整流回路6の出力端間には、平滑コンデンサ7が接続される。整流回路6は、リアクタ5を介して交流電源50から印加される電源電圧Vsを整流して直流電圧に変換する。
平滑コンデンサ7は、整流回路6の出力によって充電される。平滑コンデンサ7は、整流回路6の出力電圧を平滑する。平滑コンデンサ7の両端には、インバータ8が接続される。インバータ8は、平滑コンデンサ7によって平滑された直流電圧Vdcをモータ52への駆動電圧に変換してモータ52に印加する。
モータ52は、回転センサ54を備えている。回転センサ54は、モータ52の図示しない回転子の位置又は速度を検出する検出器である。回転センサ54の検出値は、制御部10に入力される。制御部10は、回転センサ54の検出値に基づいてモータ52の回転速度を演算する。
電圧検出部13は、電源電圧Vsを検出する。電圧検出部11は、平滑コンデンサ7によって平滑された直流電圧Vdcを検出する。直流電圧Vdcは、インバータ8への入力電圧でもある。電源電圧Vs及び直流電圧Vdcの各検出値は、制御部10に入力される。
電流検出部12は、整流回路6の入力側に流れる一次電流Isを検出する。一次電流Isは、リアクタ5に流れるリアクタ電流でもある。一次電流Isの検出値は、制御部10に入力される。なお、図1では、電流検出部12の検出器が交流電源50の一方の側の電気配線に配置される構成を例示しているが、これに限定されない。電流検出部12の検出器は、交流電源50の他方の側の電気配線に配置されていてもよい。
制御部10は、電源電圧Vs、一次電流Is、直流電圧Vdcの各検出値及びモータ52の回転速度に基づいて、スイッチング素子1,2,3,4の導通を制御するための制御信号を生成してゲート回路部14に出力する。
ゲート回路部14は、制御部10から出力される制御信号に基づいて、スイッチング素子1,2,3,4を駆動するためのゲート信号Q1,Q2,Q3,Q4を生成して出力する。ゲート信号Q1は、スイッチング素子1の導通状態をオンからオフ、又はオフからオンに制御する信号である。ゲート信号Q2は、スイッチング素子2の導通状態をオンからオフ、又はオフからオンに制御する信号である。ゲート信号Q3は、スイッチング素子3の導通状態をオンからオフ、又はオフからオンに制御する信号である。ゲート信号Q4は、スイッチング素子4の導通状態をオンからオフ、又はオフからオンに制御する信号である。
スイッチング素子1,2,3,4を駆動する際、ゲート信号Q1,Q2,Q3,Q4は、スイッチング素子1,2,3,4を駆動可能な電圧レベルに変換されて出力される。ゲート回路部14は、レベルシフト回路などを用いて実現することができる。
制御部10は、プロセッサ10aと、メモリ10bとを備える。プロセッサ10aは、演算装置、マイクロプロセッサ、マイクロコンピュータ、CPU(Central Processing Unit)、又はDSP(Digital Signal Processor)といった演算手段である。メモリ10bは、RAM(Random Access Memory)、ROM(Read Only Memory)、フラッシュメモリ、EPROM(Erasable Programmable ROM)、EEPROM(登録商標)(Electrically EPROM)といった不揮発性又は揮発性の半導体メモリである。
メモリ10bには、制御部10の機能を実行するプログラムが格納されている。プロセッサ10aは、図示しないアナログディジタル変換器及びディジタルアナログ変換器を含むインタフェースを介して必要な情報を授受し、メモリ10bに格納されたプログラムをプロセッサ10aが実行することにより、所要の処理を行う。プロセッサ10aによる演算結果は、メモリ10bに記憶される。
図2は、一般的なMOSFETにおける電流-損失特性を模式的に示す図である。図2には、ダイオードの損失特性と、MOSFETがオン動作するときの損失特性とが示されている。図2に示すように、電流値I0よりも電流が小さい領域Aでは、スイッチング素子の損失よりも、ダイオードの損失の方が大きい。また、電流値I0よりも電流が大きい領域Bでは、スイッチング素子の損失よりも、ダイオードの損失の方が小さい。これらの特性を利用し、一次電流Isがダイオードに流れるタイミングに合わせ、ダイオードに逆並列に接続されるスイッチング素子をオン動作させる同期整流を利用すれば、装置を高効率に動作させることができる。
次に、実施の形態1に係る電力変換装置100の基本動作について、図3及び図4の図面を参照して説明する。図3は、実施の形態1における整流回路6の基本動作に係るスイッチングパターンの一つを示す図である。図4は、実施の形態1における整流回路6の基本動作に係るスイッチングパターンの他の一つを示す図である。図3及び図4の横軸は時間を表している。また、図3及び図4の何れの図においても、上段側から順に、電源電圧Vs、一次電流Is、ゲート信号Q1、ゲート信号Q2、ゲート信号Q3及びゲート信号Q4の動作波形が示されている。なお、電源電圧Vsの極性については、電源電圧Vsが正の値をとるときの極性を「正極性」と呼び、電源電圧Vsが負の値をとるときの極性を「負極性」と呼ぶ。
図3において、電源電圧Vsが正極性であるとき、スイッチング素子4は、並列接続されるダイオードに電流が流れる期間中においてオンに制御される。言い替えると、電源電圧Vsが正極性であるとき、スイッチング素子4は、並列接続されるダイオードに電流が流れるタイミングでオンに制御され、並列接続されるダイオードに電流が流れなくなるタイミングでオフに制御される。この動作は、前述した同期整流である。
電源電圧Vsが負極性であるとき、スイッチング素子3は、並列接続されるダイオードに電流が流れる期間中においてオンに制御される。言い替えると、電源電圧Vsが負極性であるとき、スイッチング素子3は、並列接続されるダイオードに電流が流れるタイミングでオンに制御され、並列接続されるダイオードに電流が流れなくなるタイミングでオフに制御される。この動作も同期整流である。
また、図3において、電源電圧Vsが正極性であるとき、スイッチング素子2は、スイッチング素子4がオンに制御されるタイミングでオンに制御される。このとき、整流回路6には、交流電源50、リアクタ5、スイッチング素子2、スイッチング素子4、交流電源50の経路の一次電流Isが流れる。この動作は、平滑コンデンサ7を介さずに一次電流Isを流す動作であるため「電源短絡」と呼ばれる。
電源短絡動作によって、リアクタ5にエネルギーが蓄えられる。そして、直後の同期整流動作によって、リアクタ5に蓄えられたエネルギーが平滑コンデンサ7に放出される。これにより、平滑コンデンサ7の電圧である直流電圧Vdcが昇圧される。
なお、電源短絡の際、スイッチング素子1はオフに制御される。平滑コンデンサ7に充電された電荷がスイッチング素子1,2を介して流れるのを防止するためである。なお、図3には、2回の電源短絡が実施される例が示されているがこれに限定されない。1回のみの電源短絡でもよいし、3回以上、数回以下の電源短絡が実施されてもよい。
電源電圧Vsが正極性であるとき、スイッチング素子2に対する1回以上のスイッチング制御が実施された後は、通常の同期整流に戻る。具体的に、スイッチング素子1は、スイッチング素子4がオンに制御されている期間においてオンに制御される。なお、上アーム素子であるスイッチング素子1と、下アーム素子であるスイッチング素子4とは、対角の位置関係にある。
電源電圧Vsが負極性であるとき、スイッチング素子1は、スイッチング素子3がオンに制御されるタイミングでオンに制御される。このとき、整流回路6には、交流電源50、スイッチング素子3、スイッチング素子1、リアクタ5、交流電源50の経路の一次電流Isが流れる。この動作も、平滑コンデンサ7を介さずに一次電流Isを流す電源短絡動作である。この短絡の際、スイッチング素子2はオフに制御される。平滑コンデンサ7に充電された電荷がスイッチング素子1,2を介して流れるのを防止するためである。図3の正の半周期と同様に、2回の電源短絡が実施される例が示されているが、1回の電源短絡でもよいし、3回以上、数回以下の電源短絡が実施されてもよい。
また、電源電圧Vsが負極性であるとき、スイッチング素子1に対する1回以上のスイッチング制御が実施された後は、通常の同期整流に戻る。具体的に、スイッチング素子2は、スイッチング素子3がオンに制御されている期間においてオンに制御される。なお、下アーム素子であるスイッチング素子2、上アーム素子であるスイッチング素子3とは、対角の位置関係にある。
次に、図4の動作について説明する。まず、スイッチング素子4は、電源電圧Vsが正極性である期間中においてオンに制御され、電源電圧Vsが負極性である期間中においてオフに制御される。また、スイッチング素子3は、電源電圧Vsが正極性である期間中においてオフに制御され、電源電圧Vsが負極性である期間中においてオンに制御される。
電源電圧Vsが正極性であるとき、スイッチング素子2は、スイッチング素子4がオンに制御されるタイミングでオンに制御される。この動作は、電源短絡動作である。電源短絡動作の後、スイッチング素子2はオフに制御され、スイッチング素子1はオンに制御される。この動作は、同期整流動作である。以降、スイッチング素子1,2は、交互にオンオフ制御され、電源短絡動作と同期整流動作とが交互に繰り返される。
電源電圧Vsが負極性であるとき、スイッチング素子2は、スイッチング素子4がオンに制御されるタイミングでオンに制御される。この動作は、電源短絡動作である。電源短絡動作の後、スイッチング素子2はオフに制御され、スイッチング素子1はオンに制御される。この動作は、同期整流動作である。以降、スイッチング素子1,2は、交互にオンオフ制御され、電源短絡動作と同期整流動作とが交互に繰り返される。
以上の動作によって、直流電圧Vdcは、電源電圧Vsを超える大きさの電圧に昇圧される。また、一次電流Isは電源電圧Vsの半周期の全域に渡って流れるので、力率が改善される。
図3と図4の動作の違いは、電源電圧Vsの1周期の全域に渡ってスイッチング制御が実施されるか否かである。このため、図4の動作は「全域スイッチング」と呼ばれ、図3の動作は「部分スイッチング」と呼ばれることがある。また、スイッチング速度の差異に着目して、図4の動作は「高速スイッチング」と呼ばれ、図3の動作は「低速スイッチング」と呼ばれることがある。
大きな昇圧比を得るには、図4の動作の方が適している。一方、スイッチング損失を小さくするには、図3の動作の方が適している。このため、モータ52の回転速度に応じて、図3の動作と図4の動作とを切り替えるようにすれば、直流電圧Vdcの可変幅を大きくとりつつ、効率の改善を図ることができる。
次に、実施の形態1に係る電力変換装置100における要部の動作について説明する。なお、要部の動作説明の前に、実施の形態1の整流回路6に流れる一次電流Isの経路について説明する。
図5は、実施の形態1の整流回路6に流れる電流の第1の経路を示す図である。図5に示す電流経路を「電流経路(1)」と定義する。図5には、電源電圧Vsが正極性のときの同期整流による電流経路が示されている。スイッチング素子1,4はオン状態であり、スイッチング素子2,3はオフ状態である。この状態において、電流は、交流電源50、リアクタ5、スイッチング素子1、インバータ8、スイッチング素子4、交流電源50の経路で流れる。
図6は、実施の形態1の整流回路6に流れる電流の第2の経路を示す図である。図6に示す電流経路を「電流経路(2)」と定義する。図6には、電源電圧Vsが正極性のときの電源短絡による電流経路が示されている。スイッチング素子2,4はオン状態であり、スイッチング素子1,3はオフ状態である。この状態において、電流は、交流電源50、リアクタ5、スイッチング素子2、スイッチング素子4、交流電源50の経路で流れる。
図7は、実施の形態1の整流回路6に流れる電流の第3の経路を示す図である。図7に示す電流経路を「電流経路(3)」と定義する。図7には、電源電圧Vsが負極性のときの同期整流による電流経路が示されている。スイッチング素子2,3はオン状態であり、スイッチング素子1,4はオフ状態である。この状態において、電流は、交流電源50、スイッチング素子3、インバータ8、スイッチング素子2、リアクタ5、交流電源50の経路で流れる。
図8は、実施の形態1の整流回路6に流れる電流の第4の経路を示す図である。図8に示す電流経路を「電流経路(4)」と定義する。図8には、電源電圧Vsが負極性のときの電源短絡による電流経路が示されている。スイッチング素子1,3はオン状態であり、スイッチング素子2,4はオフ状態である。この状態において、電流は、交流電源50、スイッチング素子3、スイッチング素子1、リアクタ5、交流電源50の経路で流れる。
図9は、実施の形態1における要部の動作説明に使用するフローチャートである。まず、制御部10は、回転センサ54の検出値に基づいてモータ52の現在の回転速度を算出する(ステップS101)。次に、制御部10は、現在の回転速度と誘起電圧定数とに基づいてモータ52に誘起される誘起電圧を算出する(ステップS102)。誘起電圧定数が大きいほど誘起電圧は大きくなる。また、回転速度が速いほど誘起電圧は大きくなる。なお、誘起電圧定数は、使用するモータの特性を記録したパラメータのうちの一つである。誘起電圧定数を含むモータ定数に関するデータは、制御部10内のメモリ10bに記憶されている。
制御部10は、ステップS101の処理と並行して現在の直流電圧の検出値を確認する(ステップS103)。制御部10は、誘起電圧と直流電圧とを比較し(ステップS104)、誘起電圧が直流電圧以下であれば(ステップS104,No)、フローの最初に戻って、ステップS101,S103の処理を繰り返す。一方、誘起電圧が直流電圧を超えていれば(ステップS104,Yes)、直流電圧を昇圧する処理を行う(ステップS105)。ステップS105の処理の後は、フローの最初に戻って、ステップS101,S103の処理を繰り返す。
なお、上記のステップS104では、誘起電圧と直流電圧とが等しいときを“No”と判定しているが、“Yes”と判定してもよい。即ち、誘起電圧と直流電圧とが等しいときを“Yes”又は“No”の何れで判定してもよい。
図10は、実施の形態1における要部の動作説明に使用するタイムチャートである。図10には、図9のフローチャートに従って動作したときの要部における動作波形が示されている。具体的に、図10では、上段側から順に、電源電圧Vs、一次電流Is、直流電圧Vdc及び誘起電圧Vm、ゼロクロス信号Zc、ゲート信号Q1、ゲート信号Q2、ゲート信号Q3及びゲート信号Q4の動作波形が示されている。また、横軸は時間を表している。直流電圧Vdc及び誘起電圧Vmについては、直流電圧Vdcが実線で示され、誘起電圧Vmが一点鎖線で示されている。
ゼロクロス信号Zcは、電源電圧Vsの検出値に基づいて制御部10の内部で生成される信号である。図10では、電源電圧Vsが正極性であるときには“High”が出力され、電源電圧Vsが負極性であるときには“Low”が出力されるように図示されているが、これに限定されない。ゼロクロス信号Zcは、電源電圧Vsが正極性であるときに“Low”が出力され、電源電圧Vsが負極性であるときに“High”が出力される信号であってもよい。
前述したように、電源電圧Vsが正極性であるとき、即ちゼロクロス信号ZcがHighであるときは、一次電流Isが流れるタイミングに合わせてゲート信号Q4がオンになる。また、電源電圧Vsが負極性であるとき、即ちゼロクロス信号ZcがLowであるときは、一次電流Isが流れるタイミングに合わせてゲート信号Q3がオンになる。
ここで、図10の動作波形では、ゲート信号Q4がオンになる期間T1において、直流電圧Vdcは誘起電圧Vmよりも大きい。このため、昇圧動作は行われず、上記で定義した、電流経路(1)の電流が流れる。図10では、“(1)”と表記している。以下、他の電流経路についても同様に表記する。
また、ゲート信号Q3がオンになる期間T2においても、直流電圧Vdcは誘起電圧Vmよりも大きい。このため、昇圧動作は行われず、上記で定義した、電流経路(3)の電流が流れる。
一方、電源電圧Vsの次の1周期では、誘起電圧Vmが直流電圧Vdcよりも大きくなる期間が存在する。このため、ゲート信号Q4がオンになる期間T3においては、電流経路(1)の電流が流れる動作と、電流経路(2)の電流が流れる動作とが繰り返される。また、ゲート信号Q3がオンになる期間T4においても、電流経路(3)の電流が流れる動作と、電流経路(4)の電流が流れる動作とが繰り返される。即ち、期間T3,T4においては、同期整流と昇圧動作とが繰り返される。
また、期間T3,T4においては、同期整流を行っているゲート信号Q3,Q4のスイッチング動作を変更することなく、同期整流と昇圧動作とが切り替えられている。即ち、期間T3,T4においては、スイッチング動作の停止期間を間に挟むことなく、同期整流と昇圧動作とを切り替えることができる。
モータ52の回転速度が速いと、モータ52の誘起電圧Vmが大きくなる。このため、同一の負荷条件では、モータ52に流れる電流であるモータ電流が大きくなり、モータ52での損失が大きくなる。これに対し、実施の形態1の制御では、モータ52の誘起電圧Vmが直流電圧Vdcよりも大きい場合、同期整流を昇圧動作に切り替えて直流電圧Vdcを昇圧するので、モータ電流が増加するのを抑制することができる。これにより、モータ52の高速回転域での効率の更なる改善を図ることが可能となる。
また、実施の形態1の制御では、スイッチング制御を行わないスイッチング停止期間を間に挟むことなく、同期整流と昇圧動作とを切り替えることができるので、同期整流と昇圧動作との切り替えを迅速に行うことができる。これにより、昇圧動作に伴う損失の増加を抑制することができる。
なお、図1では、モータ52が回転センサ54を備える構成を例示したが、この構成に限定されない。例えば、図11のように構成してもよい。図11は、実施の形態1の変形例に係る電力変換装置100Aの構成例を示す図である。図11に示すように、モータ52が誘起電圧検出器56を備え、電力変換装置100Aの制御装置10に誘起電圧検出器56の検出値が入力されるように構成されていてもよい。誘起電圧検出器56は、モータ52の図示しない巻線に誘起される誘起電圧を直接検出する検出器である。
誘起電圧検出器56の検出値は、制御部10に入力される。図11に示す電力変換装置100Aの場合、誘起電圧を演算する必要がないので、図9のフローチャートにおけるステップS101,S102の処理を省略することができる。
なお、図11では、3つの検出器を図示しているが、少なくとも一つの検出器を有していればよい。
また、図1及び図11の構成において、スイッチング素子1,2,3,4、整流回路6を構成する整流素子、並びにインバータ8を構成するスイッチング素子は、シリコン系材料により形成された半導体素子を用いて形成するのが一般的であるが、これに限定されない。これらの半導体素子のうち、スイッチング素子1,2,3,4、整流回路6を構成する整流素子、又はインバータ8を構成するスイッチング素子は、炭化珪素、窒化ガリウム、酸化ガリウム又はダイヤモンドといったワイドバンドギャップ(Wide Band Gap:WBG)半導体により形成されたスイッチング素子でもよい。
一般的にWBG半導体は、シリコン半導体に比べて低損失である。このため、これらの半導体素子を、WBG半導体を用いて形成することにより、より低損失な装置を構成することができる。また、WBG半導体は、シリコン半導体に比べて耐電圧が高い。このため、半導体素子の耐電圧性及び許容電流密度が高くなり、半導体スイッチング素子を組み込んだ半導体モジュールを小型化できる。更に、WBG半導体は、耐熱性も高いため、半導体モジュールで発生した熱を放熱するための放熱部の小型化が可能であり、また半導体モジュールで発生した熱を放熱する放熱構造の簡素化が可能である。
以上説明したように、実施の形態1に係る電力変換装置は、リアクタと、リアクタを介して交流電源が出力する電源電圧が印加される整流回路と、を備える。整流回路は、第1の上アーム素子と第1の下アーム素子とが直列接続された第1のレグと、第1のレグに並列に接続され、第2の上アーム素子と第2の下アーム素子とが直列接続された第2のレグとを有する。制御部は、整流回路の出力電圧を平滑する平滑コンデンサによって平滑された直流電圧を検出し、検出した直流電圧の検出値と、モータに誘起される誘起電圧とに基づいて第1の上アーム素子及び第1の下アーム素子の動作を制御する。これにより、モータ誘起電圧が大きくなるモータの高速回転域での効率の更なる改善を図ることができる。なお、第2の上アーム素子及び第2の下アーム素子は、それぞれに並列に接続されるダイオードに電流が流れるタイミングでオンに制御され、ダイオードに電流が流れなくなるタイミングでオフに制御される素子である。
上記の制御において、誘起電圧が直流電圧の検出値よりも小さいとき、第1の上アーム素子及び第1の下アーム素子は、電源電圧の半周期ごとに交互にオンオフ制御される。また、誘起電圧が直流電圧の検出値よりも小さい状態から大きい状態に変化したとき、第1の上アーム素子及び第1の下アーム素子は、電源電圧の極性に関わらず、同一極性の半周期内で交互にオンオフ制御される。このように制御すれば、同期整流と昇圧動作との切り替えを迅速に行うことができ、昇圧動作に伴う損失の増加を抑制することができる。
実施の形態2.
図12は、実施の形態2に係る電力変換装置100Bの構成例を示す図である。実施の形態2に係る電力変換装置100Bでは、図1に示す実施の形態1に係る電力変換装置100の構成において、リアクタ5と整流回路6との間に短絡回路17が配置されている。短絡回路17は、短絡スイッチング素子16と、短絡スイッチング素子16に並列に接続されるダイオードブリッジ15とを備える。短絡回路17は、短絡スイッチング素子16のオン動作により、リアクタ5を介して印加される電源電圧Vsを短絡させる電源短絡動作を行う。また、図12では、ゲート回路部14がゲート回路部14Bに置き替えられている。ゲート回路部14Bは、ゲート信号Q1,Q2,Q3,Q4に加え、短絡スイッチング素子16を駆動するためのゲート信号Q5を生成して出力する。なお、その他の構成については、実施の形態1の構成と同一又は同等であり、同一又は同等の構成部には同一の符号を付して、重複する説明は省略する。
図13は、実施の形態2における整流回路6及び短絡回路17の基本動作に係るスイッチングパターンを示す図である。図13の横軸は時間を表している。また、図13の縦軸方向には、上段側から順に、電源電圧Vs、一次電流Is、ゲート信号Q5、ゲート信号Q1、ゲート信号Q2、ゲート信号Q3及びゲート信号Q4の動作波形が示されている。
図13において、電源電圧Vsが正極性であるとき、スイッチング素子1,4のそれぞれは、並列接続されるダイオードに電流が流れる期間中においてオンに制御される。また、電源電圧Vsが負極性であるとき、スイッチング素子2,3のそれぞれは、並列接続されるダイオードに電流が流れる期間中においてオンに制御される。これらの動作は、前述した同期整流である。
直流電圧Vdcの昇圧が必要な場合には、図13に示されるように、ゲート信号Q5がオンに制御され、短絡スイッチング素子16が導通する。このとき、短絡回路17には、交流電源50、リアクタ5、ダイオードブリッジ15、短絡スイッチング素子16、ダイオードブリッジ15、交流電源50の経路で電流が流れる。これにより、リアクタ5にエネルギーが蓄えられる。その後、短絡スイッチング素子16が非導通となったときに、リアクタ5に蓄えられたエネルギーが整流回路6を介して平滑コンデンサ7に放出される。これにより、平滑コンデンサ7の電圧である直流電圧Vdcが昇圧される。
なお、図13では、電源電圧Vsの半周期ごとに2回の電源短絡が実施される例が示されているがこれに限定されない。1回のみの電源短絡でもよいし、3回以上、数回以下の電源短絡が実施されてもよい。
次に、実施の形態2に係る電力変換装置100Bにおける要部の動作について説明する。なお、要部の動作説明の前に、実施の形態2の整流回路6又は短絡回路17に流れる電流の経路について説明する。
図14は、実施の形態2の整流回路6又は短絡回路17に流れる電流の第5の経路を示す図である。図14に示す電流経路を「電流経路(5)」と定義する。図14には、電源電圧Vsが正極性のときの同期整流による電流経路が示されている。スイッチング素子1,4はオン状態であり、スイッチング素子2,3はオフ状態であり、短絡スイッチング素子16はオフ状態である。この状態において、電流は、交流電源50、リアクタ5、スイッチング素子1、インバータ8、スイッチング素子4、交流電源50の経路で流れる。
図15は、実施の形態2の整流回路6又は短絡回路17に流れる電流の第6の経路を示す図である。図15に示す電流経路を「電流経路(6)」と定義する。図15には、電源電圧Vsが正極性のときの電源短絡による電流経路が示されている。スイッチング素子1,4はオン状態であり、スイッチング素子2,3はオフ状態であり、短絡スイッチング素子16はオン状態である。この状態において、電流は、交流電源50、リアクタ5、ダイオードブリッジ15、短絡スイッチング素子16、ダイオードブリッジ15、交流電源50の経路で流れる。
図16は、実施の形態2の整流回路6又は短絡回路17に流れる電流の第7の経路を示す図である。図16に示す電流経路を「電流経路(7)」と定義する。図16には、電源電圧Vsが負極性のときの同期整流による電流経路が示されている。スイッチング素子2,3はオン状態であり、スイッチング素子1,4はオフ状態であり、短絡スイッチング素子16はオフ状態である。この状態において、電流は、交流電源50、スイッチング素子3、インバータ8、スイッチング素子2、リアクタ5、交流電源50の経路で流れる。
図17は、実施の形態2の整流回路6又は短絡回路17に流れる電流の第8の経路を示す図である。図17に示す電流経路を「電流経路(8)」と定義する。図17には、電源電圧Vsが負極性のときの電源短絡による電流経路が示されている。スイッチング素子2,3はオン状態であり、スイッチング素子1,4はオフ状態であり、短絡スイッチング素子16はオン状態である。この状態において、電流は、交流電源50、ダイオードブリッジ15、短絡スイッチング素子16、ダイオードブリッジ15、リアクタ5、交流電源50の経路で流れる。
図18は、実施の形態2における要部の動作説明に使用するタイムチャートである。図18には、図9のフローチャートに従って動作したときの要部における動作波形が示されている。具体的に、図18では、上段側から順に、電源電圧Vs、一次電流Is、直流電圧Vdc及び誘起電圧Vm、ゼロクロス信号Zc、ゲート信号Q5、ゲート信号Q1、ゲート信号Q2、ゲート信号Q3及びゲート信号Q4の動作波形が示されている。また、横軸は時間を表している。直流電圧Vdc及び誘起電圧Vmについては、直流電圧Vdcが実線で示され、誘起電圧Vmが一点鎖線で示されている。
ここで、図18の動作波形では、ゲート信号Q4がオンになる期間T5において、直流電圧Vdcは誘起電圧Vmよりも大きい。このため、昇圧動作は行われず、上記で定義した、電流経路(5)の電流が流れる。
また、ゲート信号Q3がオンになる期間T6においても、直流電圧Vdcは誘起電圧Vmよりも大きい。このため、昇圧動作は行われず、上記で定義した、電流経路(7)の電流が流れる。
一方、電源電圧Vsの次の1周期では、誘起電圧Vmが直流電圧Vdcよりも大きくなる期間が存在する。このため、ゲート信号Q4がオンになる期間T7においては、電流経路(5)の電流が流れる動作と、電流経路(6)の電流が流れる動作とが繰り返される。また、ゲート信号Q3がオンになる期間T8においても、電流経路(7)の電流が流れる動作と、電流経路(8)の電流が流れる動作とが繰り返される。即ち、期間T7,T8においては、同期整流と昇圧動作とが繰り返される。
また、期間T7,T8においては、同期整流を行っているゲート信号Q1,Q2,Q3,Q4のスイッチング動作を変更することなく、同期整流と昇圧動作とが切り替えられている。即ち、期間T3,T4においては、スイッチング動作の停止期間を間に挟むことなく、同期整流と昇圧動作とを切り替えることが可能である。
モータ52の回転速度が速いと、モータ52の誘起電圧Vmが大きくなる。このため、同一の負荷条件では、モータ52に流れる電流であるモータ電流が大きくなり、モータ52での損失が大きくなる。これに対し、実施の形態2の制御では、モータ52の誘起電圧Vmが直流電圧Vdcよりも大きい場合、同期整流を昇圧動作に切り替えて直流電圧Vdcを昇圧するので、モータ電流が増加するのを抑制することができる。これにより、モータ52の高速回転域での効率の更なる改善を図ることが可能となる。
また、実施の形態2の制御では、整流回路6における同期整流のスイッチングパターンを変更せず、短絡スイッチング素子16の制御のみで同期整流と昇圧動作とをシームレスに切り替えることができる。これにより、昇圧動作を行うときの制御を実施の形態1よりも簡素化することができる。
また、実施の形態2の構成では、同期整流を行う回路と昇圧動作を行う回路とが分散して配置されている。これにより、1つあたりのスイッチング素子で発生する発熱量を実施の形態1のものよりも小さくできるという効果が期待できる。
また、実施の形態1及び実施の形態2の回路構成では、リアクタ5は整流回路6の入力側に配置されている。これらの構成とは、別に、整流回路6の出力側にリアクタ5を配置する構成も公知である。その一例を図19に示す。図19は、昇圧機能を有する電力変換装置100Cの構成を比較例として示す図である。
比較例に係る電力変換装置100Cでは、図1に示す実施の形態1に係る電力変換装置100の構成において、リアクタ5が整流回路6の出力側に配置されると共に、リアクタ5と平滑コンデンサ7との間に昇圧回路20が配置されている。昇圧回路20は、平滑コンデンサ7に並列に接続されるスイッチング素子22と、平滑コンデンサ7に充電された電荷が整流回路6に流れ込むのを防止する向きに接続されたダイオード21とを備える。また、図19では、ゲート回路部14がゲート回路部14Cに置き替えられている。ゲート回路部14Cは、ゲート信号Q1,Q2,Q3,Q4に加え、スイッチング素子22を駆動するためのゲート信号Q6を生成して出力する。
昇圧回路20は、スイッチング素子22のオン動作により、リアクタ5を介して印加される整流回路6の出力電圧を短絡させる短絡動作を行う。この短絡動作により、リアクタ5にはエネルギーが蓄えられる。その後、スイッチング素子22を非導通にすることで、リアクタ5に蓄えられたエネルギーを平滑コンデンサ7に放出する。これにより、平滑コンデンサ7の電圧である直流電圧Vdcが昇圧される。
図19に示す構成では、インバータ8に供給される電力は、全てダイオード21を通過する。これに対し、実施の形態1及び実施の形態2の構成では、ダイオード21に相当する素子は存在しない。従って、実施の形態1及び実施の形態2の電力変換装置100,100A,100Bによれば、図19に示す電力変換装置100Cよりも、半導体素子による損失を小さくすることが可能である。
以上説明したように、実施の形態2に係る電力変換装置は、リアクタと、リアクタを介して交流電源が出力する電源電圧が印加される整流回路と、リアクタと整流回路との間に配置され、オン動作によりリアクタを介して電源電圧を短絡させる短絡回路と、を備える。整流回路は、第1の上アーム素子と第1の下アーム素子とが直列接続された第1のレグと、第1のレグに並列に接続され、第2の上アーム素子と第2の下アーム素子とが直列接続された第2のレグとを有する。制御部は、整流回路の出力電圧を平滑する平滑コンデンサによって平滑された直流電圧を検出し、検出した直流電圧の検出値と、モータに誘起される誘起電圧とに基づいて短絡回路の動作を制御する。これにより、モータ誘起電圧が大きくなるモータの高速回転域での効率の更なる改善を図ることができる。なお、第1及び第2の上アーム素子、並びに第1及び第2の下アーム素子は、それぞれに並列に接続されるダイオードに電流が流れるタイミングでオンに制御され、ダイオードに電流が流れなくなるタイミングでオフに制御される素子である。
上記の制御において、誘起電圧が直流電圧の検出値よりも小さいとき、短絡回路はオフに制御され、誘起電圧が直流電圧の検出値よりも大きいとき、短絡回路はオンオフ制御される。このように、実施の形態2では、短絡回路の制御のみで、同期整流と昇圧動作との切り替えが可能になる。これにより、昇圧動作を行うときの制御を実施の形態1よりも簡素化することができる。
実施の形態3.
図20は、実施の形態3に係る冷凍サイクル装置200の構成例を示す図である。図20に示す実施の形態3に係る冷凍サイクル装置200は、実施の形態1で説明した電力変換装置100を備える。冷凍サイクル装置200は、モータ52を有する圧縮機41、四方弁42、室外熱交換器43、膨張弁44、室内熱交換器45が冷媒配管46を介して取り付けられた冷凍サイクル150を有して構成されている。モータ52は、インバータ8によって駆動される。なお、冷凍サイクル装置200は、実施の形態1で説明した電力変換装置100A又は実施の形態2で説明した電力変換装置100Bを備えて構成されていてもよい。
圧縮機41の内部には、冷媒を圧縮する圧縮機構47と、これを動作させるモータ52とが設けられている。これにより、圧縮機41から室外熱交換器43と室内熱交換器45との間を冷媒が循環することで冷暖房などを行う冷凍サイクル150が構成される。なお、図20に示す冷凍サイクル150は、例えば空気調和機に適用可能である。
実施の形態3に係る冷凍サイクル装置200は、実施の形態1で説明した電力変換装置100を備える。前述したように、実施の形態1に係る電力変換装置100は、モータの高速回転域での効率の更なる改善を図ることができる。これにより、実施の形態3に係る冷凍サイクル装置200を、例えば空気調和機に適用した場合、これらの製品の効率を従来よりも高くできるという効果が得られる。
以上の実施の形態に示した構成は、一例を示すものであり、別の公知の技術と組み合わせることも可能であるし、実施の形態同士を組み合わせることも可能であるし、要旨を逸脱しない範囲で、構成の一部を省略、変更することも可能である。
1,2,3,4,22 スイッチング素子、5 リアクタ、6 整流回路、7 平滑コンデンサ、8 インバータ、10 制御部、10a プロセッサ、10b メモリ、11,13 電圧検出部、12 電流検出部、14,14B,14C ゲート回路部、15 ダイオードブリッジ、16 短絡スイッチング素子、17 短絡回路、20 昇圧回路、21 ダイオード、30 第1のレグ、32 第2のレグ、34,36 接続点、41 圧縮機、42 四方弁、43 室外熱交換器、44 膨張弁、45 室内熱交換器、46 冷媒配管、47 圧縮機構、50 交流電源、52 モータ、54 回転センサ、56 誘起電圧検出器、100,100A,100B,100C 電力変換装置、150 冷凍サイクル、200 冷凍サイクル装置。

Claims (8)

  1. リアクタと、
    第1の上アーム素子と第1の下アーム素子とが直列接続された第1のレグと、前記第1のレグに並列に接続され、第2の上アーム素子と第2の下アーム素子とが直列接続された第2のレグとを有し、前記第1の上アーム素子と前記第1の下アーム素子との接続点と、前記第2の上アーム素子と前記第2の下アーム素子との接続点との間に前記リアクタを介して、交流電源が出力する電源電圧が印加される整流回路と、
    前記整流回路の出力電圧を平滑する平滑コンデンサと、
    前記平滑コンデンサによって平滑された直流電圧をモータへの駆動電圧に変換して前記モータに印加するインバータと、
    前記直流電圧を検出する第1の電圧検出部と、
    前記整流回路の入力側に流れる一次電流を検出する電流検出部と、
    前記電源電圧を検出する第2の電圧検出部と、
    前記整流回路及び前記インバータの動作を制御する制御部と、
    を備え、
    前記制御部は、前記モータに誘起される誘起電圧と前記直流電圧の検出値とに基づいて前記第1の上アーム素子及び前記第1の下アーム素子の動作を制御し、
    前記第2の上アーム素子及び前記第2の下アーム素子は、それぞれに並列に接続されるダイオードに電流が流れるタイミングでオンに制御され、前記ダイオードに電流が流れなくなるタイミングでオフに制御され、
    前記誘起電圧が前記直流電圧の検出値よりも小さいとき、
    前記第1の上アーム素子及び前記第1の下アーム素子は、前記電源電圧の半周期ごとに交互にオンオフ制御され、
    前記誘起電圧が前記直流電圧の検出値よりも大きいとき、
    前記第1の上アーム素子及び前記第1の下アーム素子は、前記電源電圧の極性に関わらず、同一極性の半周期内で交互にオンオフ制御される
    電力変換装置。
  2. リアクタと、
    第1の上アーム素子と第1の下アーム素子とが直列接続された第1のレグと、前記第1のレグに並列に接続され、第2の上アーム素子と第2の下アーム素子とが直列接続された第2のレグとを有し、前記第1の上アーム素子と前記第1の下アーム素子との接続点と、前記第2の上アーム素子と前記第2の下アーム素子との接続点との間に前記リアクタを介して、交流電源が出力する電源電圧が印加される整流回路と、
    前記リアクタと前記整流回路との間に配置され、オン動作により前記リアクタを介して前記電源電圧を短絡させる短絡回路と、
    前記整流回路の出力電圧を平滑する平滑コンデンサと、
    前記平滑コンデンサによって平滑された直流電圧をモータへの駆動電圧に変換して前記モータに印加するインバータと、
    前記直流電圧を検出する第1の電圧検出部と、
    前記整流回路、前記インバータ及び前記短絡回路の動作を制御する制御部と、
    を備え、
    前記制御部は、前記モータに誘起される誘起電圧と前記直流電圧の検出値とに基づいて前記短絡回路の動作を制御する
    電力変換装置。
  3. 前記第1及び第2の上アーム素子、並びに前記第1及び第2の下アーム素子は、それぞれに並列に接続されるダイオードに電流が流れるタイミングでオンに制御され、前記ダイオードに電流が流れなくなるタイミングでオフに制御される
    請求項に記載の電力変換装置。
  4. 前記整流回路の入力側に流れる一次電流を検出する電流検出部と、
    前記電源電圧を検出する第2の電圧検出部と、
    を備え、
    前記誘起電圧が前記直流電圧の検出値よりも小さいとき、
    前記短絡回路はオフに制御され、
    前記誘起電圧が前記直流電圧の検出値よりも大きいとき、
    前記短絡回路はオンオフ制御される
    請求項に記載の電力変換装置。
  5. 前記第1及び第2のレグにおける上下アーム素子は、ワイドバンドギャップ半導体で形成されている
    請求項からの何れか1項に記載の電力変換装置。
  6. 前記ワイドバンドギャップ半導体は、炭化珪素、窒化ガリウム、酸化ガリウム又はダイヤモンドである
    請求項に記載の電力変換装置。
  7. 請求項からの何れか1項に記載の電力変換装置と、
    前記モータを搭載する圧縮機と、
    を備える冷凍サイクル装置。
  8. 請求項に記載の冷凍サイクル装置を備える空気調和機。
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