JP7385136B2

JP7385136B2 - 電力変換装置

Info

Publication number: JP7385136B2
Application number: JP2021060318A
Authority: JP
Inventors: 宏昭中野; 孝幸宮島; 稔鬼頭
Original assignee: Daikin Industries Ltd
Current assignee: Daikin Industries Ltd
Priority date: 2021-03-31
Filing date: 2021-03-31
Publication date: 2023-11-22
Anticipated expiration: 2041-03-31
Also published as: JP2022156565A

Description

本開示は、単相交流電源から供給される入力交流を直流に変換する整流回路を備えた電力変換装置に関する。

特許文献１に開示された電力変換装置は、単相交流電源から第１及び第２の入力端子に供給される入力交流を直流に変換して正電圧側電源線と負電圧側電源線に出力する整流回路と、前記正電圧側電源線と負電圧側電源線の間に互いに直列に接続された第１及び第２のコンデンサと、一端が前記第１及び第２のコンデンサの接続点に接続される一方、他端が前記第１の入力端子に接続された双方向スイッチとを備える。双方向スイッチは、４つのダイオードを有するブリッジ回路と、トランジスタを用いた単方向スイッチ素子とを有している。この電力変換装置では、双方向スイッチの単方向スイッチ素子のオンオフを切り替えることにより、整流回路を２種類の整流モードで動作させることができる。

特許第３５１６６０１号公報

しかし、特許文献１では、整流モードの切り替えに、４つのダイオードを有する双方向スイッチを用いるので、素子数が多くなり、回路規模が増大する。

本開示の目的は、整流回路を２種類の整流モードで動作させる電力変換装置の回路規模を小さくすることにある。

本開示の第１の態様は、電力変換装置（1）が、正電圧側電源線（21）と負電圧側電源線（22）と、単相交流電源（2）から第１及び第２の入力端子（TE1,TE2）に供給される入力交流を直流に変換して前記正電圧側電源線（21）と負電圧側電源線（22）に出力する整流回路（10）と、前記正電圧側電源線（21）と負電圧側電源線（22）の間に互いに直列に接続された第１及び第２のコンデンサ（31,32）と、一端が前記第１及び第２のコンデンサ（31,32）の接続点（CP）に接続される一方、他端が前記第１の入力端子（TE1）に接続された逆導通スイッチ（50）とを備える。

第１の態様では、整流モードの切り替えに、一方向に電流を流すことを可能にするか否かが制御され、他方向には制御によらず常時電流を流すことが可能な逆導通スイッチ（50）（例えば、１つのダイオードと１つのバイポーラトランジスタ又はユニポーラトランジスタとで構成された逆導通スイッチ（50））を用いるので、特許文献１のように４つのダイオードと１つの単方向スイッチとを有する双方向スイッチを用いる場合に比べ、素子数を減らし、回路規模を小さくできる。

本開示の第２の態様は、第１の態様において、前記逆導通スイッチ（50）が、オフ状態で前記第１の入力端子（TE1）から前記接続点（CP）に向かう方向に電流が流れるように接続される場合には、前記第１及び第２のコンデンサ（31,32）のうち前記正電圧側電源線（21）側のコンデンサ（31）が無極性コンデンサであり、前記逆導通スイッチ（50）が、オフ状態で前記接続点（CP）から前記第１の入力端子（TE1）に向かう方向に電流が流れるように接続される場合は、前記第１及び第２のコンデンサ（31,32）のうち前記負電圧側電源線（22）側のコンデンサ（32）が無極性コンデンサであることを特徴とする。

第２の態様では、逆導通スイッチ（50）が、オフ状態で第１の入力端子（TE1）から前記接続点（CP）に向かう方向に電流が流れるように接続される場合には、前記正電圧側電源線（21）側のコンデンサ（31）を無極性コンデンサとするので、当該正電圧側電源線（21）側のコンデンサ（31）に、逆導通スイッチ（50）をオフ状態にしたときに負の電圧を印可できる。

一方、逆導通スイッチ（50）が、オフ状態で前記接続点（CP）から第１の入力端子（TE1）に向かう方向に電流が流れるように接続される場合には、前記負電圧側電源線（22）側のコンデンサ（32）を無極性コンデンサとするので、当該負電圧側電源線（22）側のコンデンサ（32）に、逆導通スイッチ（50）をオフ状態にしたときに負の電圧を印可できる。

本開示の第３の態様は、第１の態様において、前記逆導通スイッチ（50）が、オフ状態で前記第１の入力端子（TE1）から前記接続点（CP）に向かう方向に電流が流れるように接続される場合には、前記第１及び第２のコンデンサ（31,32）のうち前記正電圧側電源線（21）側のコンデンサ（31）は有極性コンデンサであり、当該正電圧側電源線（21）側のコンデンサ（31）には、ダイオード（34）がそのカソードを当該コンデンサ（31）の正極側に向けた状態で並列に接続され、前記逆導通スイッチ（50）が、オフ状態で前記接続点（CP）から前記第１の入力端子（TE1）に向かう方向に電流が流れるように接続される場合には、前記第１及び第２のコンデンサ（31,32）のうち前記負電圧側電源線（22）側のコンデンサ（32）は有極性コンデンサであり、当該負電圧側電源線（22）側のコンデンサ（32）には、ダイオード（33）がそのカソードを当該コンデンサ（32）の正極側に向けた状態で並列に接続されることを特徴とする。

第３の態様では、逆導通スイッチ（50）が、オフ状態で第１の入力端子（TE1）から接続点（CP）に向かう方向に電流が流れるように接続される場合には、正電圧側電源線（21）側のコンデンサ（31）として有極性コンデンサを用いるので、無極性コンデンサを用いる場合に比べ、正電圧側電源線（21）側のコンデンサ（31）を小型化できる。また、正電圧側電源線（21）側のコンデンサ（31）に印可される逆方向の電圧の絶対値を、ダイオード（34）の順方向電圧以下にできるので、正電圧側電源線（21）側のコンデンサ（31）に絶対値の大きい逆方向の電圧が印可されることによる当該コンデンサ（31）の故障を抑制できる。

逆導通スイッチ（50）が、オフ状態で接続点（CP）から第１の入力端子（TE1）に向かう方向に電流が流れるように接続される場合には、負電圧側電源線（22）側のコンデンサ（32）として有極性コンデンサを用いるので、無極性コンデンサを用いる場合に比べ、負電圧側電源線（22）側のコンデンサ（32）を小型化できる。また、負電圧側電源線（22）側のコンデンサ（32）に印可される逆方向の電圧の絶対値を、ダイオード（33）の順方向電圧以下にできるので、負電圧側電源線（22）側のコンデンサ（32）に絶対値の大きい逆方向の電圧が印可されることによる当該コンデンサ（32）の故障を抑制できる。

本開示の第４の態様は、第１～第３のいずれか１つの態様において、前記入力交流の各周期における一方の半周期に含まれる所定のオン期間（T1）に前記逆導通スイッチ（50）をオンする第１の駆動モードと、前記入力交流の各周期における前記一方の半周期に、常に前記逆導通スイッチ（50）をオフする第２の駆動モードとで前記逆導通スイッチ（50）を制御可能な制御部（60）をさらに備え、前記逆導通スイッチ（50）が、オフ状態で前記接続点（CP）から前記第１の入力端子（TE1）に向かう電流方向に電流が流れるように接続される場合には、前記一方の半周期は、前記第１の入力端子（TE1）の電圧が前記第２の入力端子（TE2）の電圧以上となる半周期（HC1）である一方、前記逆導通スイッチ（50）が、オフ状態で前記第１の入力端子（TE1）から前記接続点（CP）に向かう電流方向に電流が流れるように接続される場合には、前記一方の半周期は、前記第２の入力端子（TE2）の電圧が前記第１の入力端子（TE1）の電圧以上となる半周期（HC2）であることを特徴とする。

第４の態様では、第１及び第２の駆動モードで、整流回路（10）の出力電圧、すなわち負電圧側電源線（22）に対する正電圧側電源線（21）の電圧を、互いに異なる態様で遷移させることができる。

本開示の第５の態様は、第４の態様において、前記正電圧側電源線（21）と負電圧側電源線（22）に入力される直流を直流又は交流に変換して負荷に供給する電力変換回路（40）をさらに備え、前記制御部は、前記電力変換回路（40）、前記単相交流電源（2）、及び前記負荷（3）のうちの少なくとも１つの状態に基づいて、前記第１及び第２の駆動モードのいずれか一方を選択し、選択した駆動モードで前記逆導通スイッチ（50）を制御することを特徴とする。

第５の態様では、整流回路（10）の出力電圧の遷移の態様が、電力変換回路（40）、単相交流電源（2）、及び負荷（3）のうちの少なくとも１つの状態に基づいて、第１及び第２の駆動モードに対応する２つの態様から選択される。

本開示の第６の態様は、第４又は第５の態様において、オン期間（T1）の長さ、及び開始タイミングのうちの少なくとも一方は可変であることを特徴とする。

第６の態様では、第１の駆動モードにおける整流回路（10）の出力電圧の遷移の態様を変更できる。

本開示の第７の態様は、第４～第６のいずれか１つの態様において、前記逆導通スイッチ（50）は、ユニポーラトランジスタで構成され、前記制御部（60）は、前記入力交流の各周期における他方の半周期に、前記逆導通スイッチ（50）をオンするオン制御を実行し、前記オン制御中に、前記逆導通スイッチ（50）のチャネルに電流が前記電流方向に流れることを特徴とする。

第７の態様では、オン制御中、前記電流方向に流れる電流を逆導通スイッチ（50）のチャネルに流せるので、ボディダイオードだけに流す場合に比べ、逆導通スイッチ（50）における電力損失を低減できる。

本開示の第８の態様は、第４～第７のいずれか１つの態様において、前記制御部（60）が、前記逆導通スイッチ（50）に電流が流れていないときに、前記逆導通スイッチ（50）をオン状態からオフ状態に切り替える第１切替制御、及び前記逆導通スイッチ（50）をオンしても前記逆導通スイッチ（50）に電流が流れないときに、前記逆導通スイッチ（50）をオフ状態からオン状態に切り替える第２切替制御のうちの少なくとも一方を実行することを特徴とする。

第８の態様では、逆導通スイッチ（50）のスイッチング損失を低減できる。

図１は、実施形態１に係る電力変換装置の構成、及び逆導通スイッチのオン状態における電流の流れを示す回路図である。図２は、逆導通スイッチのオフ状態における図１相当図である。図３（ａ）は、第１の駆動モードにおける電源電圧を例示するタイミングチャートであり、図３（ｂ）は、電源電流及び逆導通スイッチ電流の図３（ａ）相当図であり、図３（ｃ）は、ＤＣ電圧と、第１及び第２のコンデンサの電圧との図３（ａ）相当図である。図４（ａ）は、第２の駆動モードにおける図３（ａ）相当図であり、図４（ｂ）は、第２の駆動モードにおける図３（ｂ）相当図であり、図４（ｃ）は、第２の駆動モードにおける図３（ｃ）相当図である。図５は、実施形態２に係る電力変換装置の構成を示す回路図である。図６は、実施形態２の図４（ｃ）相当図である。図７は、実施形態３に係る電力変換装置の構成、及び第２の駆動モードにおける電源電圧が負となる半周期における電流の流れを示す回路図である。図８は、第２の駆動モードにおける電源電圧が正となる半周期における図７相当図である。図９（ａ）は、実施形態３の図４（ａ）相当図であり、図９（ｂ）は、電源電流、逆導通スイッチ電流及び整流回路ダイオード電流の図９（ａ）相当図であり、図９（ｃ）は、実施形態３の図４（ｃ）相当図である。図１０は、実施形態４に係る電力変換装置の構成を示す回路図である。図１１は、実施形態４の図９（ｃ）相当図である。図１２は、実施形態５におけるＤＣ電圧を例示するタイミングチャートである。図１３（ａ）は、オン期間前後のＤＣ電圧、第１及び第２のコンデンサの電圧を例示するタイミングチャートであり、図１３（ｂ）は、逆導通スイッチの制御信号の図１３（ａ）相当図である。図１４は、実施形態６に係る電力変換装置の構成を示す回路図である。図１５（ａ）は、実施形態７の図３（ｂ）相当図であり、図１５（ｂ）は、逆導通スイッチの制御信号の図１５（ａ）相当図である。

以下、本開示の実施形態について図面を参照しながら説明する。なお、以下の実施形態は、本質的に好ましい例示であって、本発明、その適用物、あるいはその用途の範囲を制限することを意図するものではない。

（実施形態１）
図１は、本開示の実施形態１に係る電力変換装置（1）を示す。この電力変換装置（1）は、単相交流電源（2）から供給される入力交流を、所望周波数及び所望電圧を有する交流に変換して、負荷としての電動機（3）に供給する。

電力変換装置（1）は、リアクトル（L）と、整流回路（10）と、正電圧側電源線（21）及び負電圧側電源線（22）と、第１及び第２のコンデンサ（31,32）と、電力変換回路としてのインバータ回路（40）と、逆導通スイッチ（50）と、制御部（60）とを備えている。

リアクトル（L）は、単相交流電源（2）と整流回路（10）の第１の入力端子（TE1）との間に接続されている。したがって、整流回路（10）の第１の入力端子（TE1）には、単相交流電源（2）からの電流がリアクトル（L）を介して入力される。

整流回路（10）は、単相交流電源（2）から第１及び第２の入力端子（TE1,TE2）に供給された入力交流を直流に変換して正電圧側電源線（21）と負電圧側電源線（22）に出力する。整流回路（10）は、ブリッジ状に結線された第１～第４の整流回路用ダイオード（11～14）を有している。これらの整流回路用ダイオード（11～14）は、そのカソードを正電圧側電源線（21）側に向けるとともに、そのアノードを負電圧側電源線（22）側に向けている。第１及び第２の整流回路用ダイオード（11,12）は、正電圧側電源線（21）と負電圧側電源線（22）との間に正電圧側電源線（21）側から順に互いに直列に接続され、それらの接点は、第１の入力端子（TE1）に接続されている。第３及び第４の整流回路用ダイオード（13,14）は、正電圧側電源線（21）と負電圧側電源線（22）との間に正電圧側電源線（21）側から順に互いに直列に接続され、それらの接点は、第２の入力端子（TE2）に接続されている。

第１及び第２のコンデンサ（31,32）は、正電圧側電源線（21）と負電圧側電源線（22）の間に互いに直列に正電圧側電源線（21）側から順に接続されている。つまり、第１のコンデンサ（31）は、正電圧側電源線（21）側に接続され、第２のコンデンサ（32）は、負電圧側電源線（22）に接続されている。第１のコンデンサ（31）は、有極性コンデンサである。一方、第２のコンデンサ（32）は、無極性コンデンサである。

インバータ回路（40）は、整流回路（10）により正電圧側電源線（21）及び負電圧側電源線（22）に入力される直流を交流にスイッチング動作により変換して電動機（3）に供給する。詳しくは、インバータ回路（40）は、６つのスイッチング素子（41a～46a）と、６つの還流ダイオード（41b～46b）とを有している。６つのスイッチング素子（41a～46a）は、ブリッジ結線されている。詳しく説明すると、インバータ回路（40）は、正電圧側電源線（21）及び負電圧側電源線（22）間に接続された３つのスイッチングレグを備えている。スイッチングレグは、２つのスイッチング素子（41a～46a）が互いに直列に接続されたものである。３つのスイッチングレグの各々において、上アームのスイッチング素子（41a,43a,45a）と下アームのスイッチング素子（42a,44a,46a）との中点が、電動機（3）の各相のコイル（u相、v相、w相のコイル）にそれぞれ接続されている。各スイッチング素子（41a～46a）には、還流ダイオード（41b～46b）が１つずつ逆並列に接続されている。

逆導通スイッチ（50）は、バイポーラトランジスタ（51）と、当該バイポーラトランジスタ（51）に逆並列に接続された逆導通スイッチ用ダイオード（52）とを備えている。

バイポーラトランジスタ（51）のコレクタは、第１の入力端子（TE1）に接続され、バイポーラトランジスタ（51）のエミッタは、第１及び第２のコンデンサ（31,32）の接続点（CP）に接続されている。

逆導通スイッチ用ダイオード（52）のアノードは、第１及び第２のコンデンサ（31,32）の接続点（CP）、及びバイポーラトランジスタ（51）のエミッタに接続されている。逆導通スイッチ用ダイオード（52）のカソードは、第１の入力端子（TE1）及びバイポーラトランジスタ（51）のコレクタに接続されている。

このように、逆導通スイッチ（50）の一端は、第１及び第２のコンデンサ（31,32）の接続点（CP）に接続される一方、逆導通スイッチ（50）の他端は、第１の入力端子（TE1）に接続されている。逆導通スイッチ（50）は、バイポーラトランジスタ（51）をオフしたオフ状態で前記接続点（CP）から第１の入力端子（TE1）に向かう方向に電流が流れるように接続されている。

制御部（60）は、インバータ回路（40）の各スイッチング素子（41a～46a）にスイッチング信号を出力することにより、各スイッチング素子（41a～46a）のスイッチング動作を制御する。

また、制御部（60）は、第１の駆動モードと第２の駆動モードとで逆導通スイッチを制御可能である。第１の駆動モードは、第１の入力端子（TE1）の電圧が第２の入力端子（TE2）の電圧以上となる半周期（図３（ｂ）において、符号ＨＣ１で示す）に含まれる所定のオン期間（図３（ｂ）において、符号Ｔ１で示す）に逆導通スイッチ（50）をオンするモードであり、第２の駆動モードは、第１の入力端子（TE1）の電圧が第２の入力端子（TE2）の電圧以上となる半周期（HC1）に常に逆導通スイッチ（50）をオフするモードである。本実施形態１では、第１の駆動モードにおいて、制御部（60）は、常に逆導通スイッチ（50）をオンにする。したがって、前記所定のオン期間（T1）は、第１の入力端子（TE1）の電圧が第２の入力端子（TE2）の電圧以上となる半周期（HC1）全体となる。一方、第２の駆動モードにおいて、常に逆導通スイッチ（50）をオフにする。制御部（60）は、ユーザ又は外部装置からの入力に基づいて、第１及び第２の駆動モードのいずれか一方を選択し、選択した駆動モードで逆導通スイッチ（50）を制御する。

図３（ａ）～図３（ｃ）は、上述のように構成された電力変換装置（1）の第１の駆動モードにおける各部の電圧値及び電流値を示す。図３（ａ）は、第１の入力端子（TE1）と第２の入力端子（TE2）との間の電源電圧を示す。第１の入力端子（TE1）が第２の入力端子（TE2）よりも高電位のときの電源電圧を正とする。図３（ｂ）は、単相交流電源（2）から第１及び第２の入力端子（TE1,TE2）に流入する電源電流、及び逆導通スイッチ（50）を流れる逆導通スイッチ電流を示す。逆導通スイッチ用ダイオード（52）の整流方向、すなわち接続点（CP）から第１の入力端子（TE1）に向かう方向の逆導通スイッチ電流を負とする。図３（ｃ）は、正電圧側電源線（21）と負電圧側電源線（22）との間のＤＣ（direct current）電圧（直流リンク電圧）と、第１及び第２のコンデンサ（31,32）の電圧とを示す。

上述のように構成された電力変換装置（1）では、第１の駆動モードにおいて、第１の入力端子（TE1）の電圧が第２の入力端子（TE2）の電圧以上となる半周期（HC1）の一部に、図１中矢印ＡＲ１で示す向きに電流が流れ、第２のコンデンサ（32）が充電される。このとき、第１の入力端子（TE1）から逆導通スイッチ（50）のバイポーラトランジスタ（51）を介して第２のコンデンサ（32）に電流が流れる。また、第２のコンデンサ（32）から第４の整流回路用ダイオード（14）を介して第２の入力端子（TE2）に電流が流れる。

また、第１の駆動モードにおいて、第２の入力端子（TE2）の電圧が第１の入力端子（TE1）の電圧以上となる半周期（図３（ｂ）中符号ＨＣ２で示す）の一部には、図１中矢印ＡＲ２で示す向きに電流が流れ、第１のコンデンサ（31）が充電される。このとき、第２の入力端子（TE2）から第３の整流回路用ダイオード（13）を介して第１のコンデンサ（31）に電流が流れる。また、第１のコンデンサ（31）から逆導通スイッチ（50）の逆導通スイッチ用ダイオード（52）を介して第１の入力端子（TE1）に電流が流れる。

このように、第１の駆動モードにおいては、第１及び第２のコンデンサ（31,32）の両方が充電されるので、正電圧側電源線（21）及び負電圧側電源線（22）間のＤＣ電圧が、各コンデンサ（31,32）の電圧の２倍程度となる。つまり、整流回路（10）が、いわゆる倍電圧整流モードで動作する。

図４（ａ）～図４（ｃ）は、第２の駆動モードにおける図３（ａ）～図３（ｃ）に相当する図である。

第２の駆動モードにおいては、第１の入力端子（TE1）の電圧が第２の入力端子（TE2）の電圧以上となる半周期（HC1）の一部に、図２中矢印ＡＲ３で示す向きに電流が流れ、第１のコンデンサ（31）が充電される。このとき、第１の入力端子（TE1）から第１の整流回路用ダイオード（11）を介して第１のコンデンサ（31）に電流が流れる。また、第１のコンデンサ（31）から第２のコンデンサ（32）に電流が流れ、第２のコンデンサ（32）から第４の整流回路用ダイオード（14）を介して第２の入力端子（TE2）に電流が流れる。

また、第２の駆動モードにおいて、第２の入力端子（TE2）の電圧が第１の入力端子（TE1）の電圧以上となる半周期（HC2）の一部には、図２中矢印ＡＲ４で示す向きに電流が流れ、第１のコンデンサ（31）が充電される。このとき、第２の入力端子（TE2）から第３の整流回路用ダイオード（13）を介して第１のコンデンサ（31）に電流が流れる。また、第１のコンデンサ（31）から第２のコンデンサ（32）に電流が流れ、第２のコンデンサ（32）から第２の整流回路用ダイオード（12）を介して第１の入力端子（TE1）に電流が流れる。

実施形態１での第２の駆動モードでは、定常状態において、整流回路（10）が、いわゆる全波整流モードのように動作する。過渡状態において第２のコンデンサ（32）の電圧がほぼ０又は正の値であるとき、第２のコンデンサ（32）の電圧と第２の整流回路用ダイオード（12）の順方向電圧を合わせた電圧が、逆導通スイッチ用ダイオード（52）の順方向電圧よりも大きくなるので、電流が矢印ＡＲ４で示す経路を流れず、逆導通スイッチ用ダイオード（52）に流れて第２のコンデンサ（32）が充電されない。しかし、第２のコンデンサ（32）から電動機（3）への電力供給によって第２のコンデンサ（32）が放電され、第２のコンデンサ（32）の電圧が０に近い負の電圧となり、第２のコンデンサ（32）の電圧と第２の整流回路用ダイオード（12）の順方向電圧を合わせた電圧が、逆導通スイッチ用ダイオード（52）の順方向電圧よりも小さくなるので、定常的には、第２のコンデンサ（32）の電圧は０に近い負の電圧で安定し、電流が矢印ＡＲ４の経路で流れるようになる。よって第２の駆動モードにおいては、正電圧側電源線（21）及び負電圧側電源線（22）間のＤＣ電圧が、第１のコンデンサ（31）の電圧と同じ程度となる。また、第２の駆動モードにおいては、逆導通スイッチ（50）に電流が流れない。第２のコンデンサ（32）の電圧は、常に０に近い負の値となる。

このように、第１の駆動モードと第２の駆動モードとで、整流回路（10）の出力電圧、すなわち負電圧側電源線（22）に対する正電圧側電源線（21）の電圧を、互いに異なる態様で遷移させることができる。

したがって、本実施形態１によれば、整流モードの切り替えに、１つの逆導通スイッチ用ダイオード（52）と１つのバイポーラトランジスタ（51）とで構成された逆導通スイッチ（50）を用いるので、特許文献１のように４つのダイオードと１つの単方向スイッチとを有する双方向スイッチを用いる場合に比べ、素子数を減らし、回路規模を小さくできる。

また、負電圧側電源線（22）側のコンデンサ、すなわち第２のコンデンサ（32）を無極性コンデンサとしたので、当該第２のコンデンサ（32）に、逆導通スイッチ（50）をオフ状態にしたときに負の電圧を印可できる。

（実施形態２）
図５は、本開示の実施形態２に係る電力変換装置（1）を示す。本実施形態２では、第１のコンデンサ（31）が、無極性コンデンサである一方、第２のコンデンサ（32）が、有極性コンデンサである。

また、逆導通スイッチ（50）が、バイポーラトランジスタ（51）をオフしたオフ状態で第１の入力端子（TE1）から第１及び第２のコンデンサ（31,32）の接続点（CP）に向かう方向に電流が流れるように接続されている。つまり、バイポーラトランジスタ（51）のコレクタは、第１及び第２のコンデンサ（31,32）の接続点（CP）に接続され、バイポーラトランジスタ（51）のエミッタは、第１の入力端子（TE1）に接続されている。

また、逆導通スイッチ用ダイオード（52）のアノードは、第１の入力端子（TE1）及びバイポーラトランジスタ（51）のエミッタに接続されている。逆導通スイッチ用ダイオード（52）のカソードは、第１及び第２のコンデンサ（31,32）の接続点（CP）、及びバイポーラトランジスタ（51）のコレクタに接続されている。

また、本実施形態２では、第１の駆動モードは、第２の入力端子（TE2）の電圧が第１の入力端子（TE1）の電圧以上となる半周期（HC2）に含まれる所定のオン期間に逆導通スイッチ（50）をオンするモードであり、第２の駆動モードは、第２の入力端子（TE2）の電圧が第１の入力端子（TE1）の電圧以上となる半周期（HC2）に常に逆導通スイッチ（50）をオフするモードである。本実施形態２でも、実施形態１と同様に、第１の駆動モードにおいて、制御部（60）は、常に逆導通スイッチ（50）をオンにする。したがって、前記所定のオン期間は、第２の入力端子（TE2）の電圧が第１の入力端子（TE1）の電圧以上となる半周期（HC2）全体となる。一方、第２の駆動モードにおいて、常に逆導通スイッチ（50）をオフにする。

その他の構成は、実施形態１と同じであるので、同一の構成には同じ符号を付してその詳細な説明を省略する。

本実施形態２では、図６に示すように、第２の駆動モードにおいて、第２のコンデンサ（32）だけが充電され、第１のコンデンサ（31）の電圧が、常に０に近い負の値となる。

したがって、本実施形態２によれば、正電圧側電源線（21）側のコンデンサ、すなわち第１のコンデンサ（31）を無極性コンデンサとしたので、当該第１のコンデンサ（31）に、逆導通スイッチ（50）をオフ状態にしたときに負の電圧を印可できる。

（実施形態３）
図７は、本開示の実施形態３に係る電力変換装置（1）を示す。本実施形態３では、第２のコンデンサ（32）が、有極性コンデンサである。また、この第２のコンデンサ（32）に、負電圧電源線側ダイオード（33）がそのカソードを第２のコンデンサ（32）の正極側に向けた状態で並列に接続されている。負電圧電源線側ダイオード（33）のアノードは、負電圧側電源線（22）に接続され、負電圧電源線側ダイオード（33）のカソードは、第１及び第２のコンデンサ（31,32）の接続点（CP）に接続されている。

図９（ａ）～図９（ｃ）は、本実施形態３の電力変換装置（1）の第２の駆動モードにおける各部の電圧値及び電流値を示す。図９（ｂ）において、整流回路ダイオード電流は、整流回路（10）の第２及び第４の整流回路用ダイオード（12,14）を流れる電流である。

本実施形態３の電力変換装置（1）では、第２の駆動モードにおいて、第２の入力端子（TE2）の電圧が第１の入力端子（TE1）の電圧以上となる半周期（HC2）の一部に、図７中矢印ＡＲ５及び矢印ＡＲ６で示す２つの経路に分かれて電流が流れる。矢印ＡＲ５に示す経路は、第２の入力端子（TE2）から第３の整流回路用ダイオード（13）、第１のコンデンサ（31）、及び逆導通スイッチ用ダイオード（52）を順に介して第１の入力端子（TE1）に至る経路である。矢印ＡＲ６に示す経路は、第２の入力端子（TE2）から第３の整流回路用ダイオード（13）、インバータ回路（40）、及び第２の整流回路用ダイオード（12）を順に介して第１の入力端子（TE1）に至る経路である。矢印ＡＲ５の経路に電流が流れる理由は以下のとおりである。前記半周期（HC2）において、矢印ＡＲ５の経路で電流が流れる前は、第２のコンデンサ（32）の電圧が負電圧電源線側ダイオード（33）の順方向電圧以下の負の電圧であり、図２の矢印ＡＲ４の経路で電流が流れている。矢印ＡＲ４の経路に電流が流れた状態で、第２のコンデンサ（32）が充電され続けると、第２のコンデンサ（32）の電圧と第２の整流回路用ダイオード（12）の順方向電圧を合わせた電圧が、逆導通スイッチ用ダイオード（52）の順方向電圧よりも大きくなり、この時点で、矢印ＡＲ５の経路に電流の経路が切り替わる。

また、第２の駆動モードにおいて、第１の入力端子（TE1）の電圧が第２の入力端子（TE2）の電圧以上となる半周期（HC1）の一部には、図８中矢印ＡＲ７及び矢印ＡＲ８で示す２つの経路に分かれて電流が流れる。矢印ＡＲ７に示す経路は、第１の入力端子（TE1）から第１の整流回路用ダイオード（11）、第１のコンデンサ（31）、第２のコンデンサ（32）及び第４の整流回路用ダイオード（14）を順に介して第２の入力端子（TE2）に至る経路である。矢印ＡＲ８に示す経路は、第１の入力端子（TE1）から第１の整流回路用ダイオード（11）、インバータ回路（40）、及び第４の整流回路用ダイオード（14）を順に介して第２の入力端子（TE2）に至る経路である。本実施形態３では、図９（ｃ）に示すように、第２のコンデンサ（32）に印可される逆方向の電圧の絶対値が、負電圧電源線側ダイオード（33）の順方向電圧以下に維持される。

したがって、本実施形態３によれば、負電圧側電源線（22）側のコンデンサ、すなわち第２のコンデンサ（32）として有極性コンデンサを用いるので、無極性コンデンサを用いる場合に比べ、当該第２のコンデンサ（32）を小型化できる。また、第２のコンデンサ（32）に印可される逆方向の電圧の絶対値を、負電圧電源線側ダイオード（33）の順方向電圧以下にできるので、第２のコンデンサ（32）に絶対値の大きい逆方向の電圧が印可されることによる当該第２のコンデンサ（32）の故障を抑制できる。

（実施形態４）
図１０は、本開示の実施形態４に係る電力変換装置（1）を示す。本実施形態４では、第１のコンデンサ（31）が、有極性コンデンサである。また、この第１のコンデンサ（31）に、正電圧電源線側ダイオード（34）がそのカソードを第１のコンデンサ（31）の正極側に向けた状態で並列に接続されている。正電圧電源線側ダイオード（34）のアノードは、第１及び第２のコンデンサ（31,32）の接続点（CP）に接続され、正電圧電源線側ダイオード（34）のカソードは、正電圧側電源線（21）に接続されている。

その他の構成は、実施形態２と同じであるので、同一の構成には同じ符号を付してその詳細な説明を省略する。

本実施形態４では、図１１に示すように、第２の駆動モードにおいて、第１のコンデンサ（31）に印可される逆方向の電圧の絶対値が、正電圧電源線側ダイオード（34）の順方向電圧以下に維持される。

したがって、本実施形態４によれば、正電圧側電源線（21）側のコンデンサ、すなわち第１のコンデンサ（31）として有極性コンデンサを用いるので、無極性コンデンサを用いる場合に比べ、当該第１のコンデンサ（31）を小型化できる。また、第１のコンデンサ（31）に印可される逆方向の電圧の絶対値を、正電圧電源線側ダイオード（34）の順方向電圧以下にできるので、第１のコンデンサ（31）に絶対値の大きい逆方向の電圧が印可されることによる当該第１のコンデンサ（31）の故障を抑制できる。

（実施形態５）
本開示の実施形態５では、制御部（60）が、オン期間（T1）の長さ、及び開始タイミングをユーザ又は外部装置からの入力に基づいて可変に設定できる。

その他の構成は、実施形態１と同じであるので、その詳細な説明を省略する。

図１２中、Ｇ１は、オン期間（T1）を、第１の入力端子（TE1）の電圧が第２の入力端子（TE2）の電圧以上となる半周期（HC1）の一部とした場合の整流回路（10）の出力電圧を示す。Ｇ２は、実施形態１と同様に、オン期間（T1）を、第１の入力端子（TE1）の電圧が第２の入力端子（TE2）の電圧以上となる半周期（HC1）全体にした場合の整流回路（10）の出力電圧を示す。Ｇ３は、オン期間（T1）を、第１の入力端子（TE1）の電圧が第２の入力端子（TE2）の電圧以上となる半周期（HC1）に設けない場合の整流回路（10）の出力電圧を示す。

図１３（ａ）及び図１３（ｂ）に示す例では、オン期間（T1）を、第１の入力端子（TE1）の電圧が第２の入力端子（TE2）の電圧以上となる半周期（HC1）の一部としている。また、オン期間（T1）の開始タイミングを、当該半周期（HC1）の開始タイミング、すなわち第１の入力端子（TE1）の電圧が第２の入力端子（TE2）の電圧と等しくなったタイミングとしている。オン期間（T1）を、第１の入力端子（TE1）の電圧が第２の入力端子（TE2）の電圧以上となる半周期（HC1）の一部とした場合、オン期間（T1）中、第２のコンデンサ（32）だけが充電され、第１のコンデンサ（31）が充電されない。一方、第１の入力端子（TE1）の電圧が第２の入力端子（TE2）の電圧以上となる半周期（HC1）のうち、逆導通スイッチ（50）をオフする期間（図１３（ｂ）中、符号Ｔ２で示す）の少なくとも一部には、第１及び第２のコンデンサ（31,32）の両方が充電される。

したがって、本実施形態５によれば、オン期間（T1）の長さ（半周期（HC1）に占める割合）又は開始タイミングを変更することにより、第１の駆動モードにおける整流回路（10）の出力電圧の遷移の態様を変更できる。

（実施形態６）
図１４は、本開示の実施形態６に係る電力変換装置（1）を示す。本実施形態６では、逆導通スイッチ（50）が、ＭＯＳＦＥＴ（metal-oxide-semiconductor field-effect transistor）、すなわちユニポーラトランジスタで構成されている。

本実施形態６でも、第１の駆動モードにおいて、制御部（60）は、常に逆導通スイッチ（50）をオンにする。つまり、第１の駆動モードにおいて、制御部（60）は、第２の入力端子（TE2）の電圧が第１の入力端子（TE1）の電圧以上となる半周期（HC2）中常に、逆導通スイッチ（50）をオンにするオン制御を実行する。したがって、当該オン制御中、電流が、逆導通スイッチ（50）のチャネルに、第１及び第２のコンデンサ（31,32）から第１の入力端子（TE1）に向かう方向（電流方向）に電流が流れる。このように、オン制御中、電流を逆導通スイッチ（50）のチャネルに流せるので、ボディダイオードだけに流す場合に比べ、逆導通スイッチ（50）における電力損失を低減できる。

なお、上記実施形態３において、第２の駆動モードにおける第２の入力端子（TE2）の電圧が第１の入力端子（TE1）の電圧以上となる半周期（HC2）中に、逆導通スイッチ（50）をオンするオン制御を実行してもよい。これにより、例えば図７の矢印ＡＲ５に示す経路で、接続点（CP）から逆導通スイッチ（50）を介して第１の入力端子（TE1）に電流が流れる際に、逆導通スイッチ（50）のチャネルに電流を流し、逆導通スイッチ（50）における電力損失を低減できる。

（実施形態７）
本開示の実施形態７では、図１５（ａ）及び図１５（ｂ）に示すように、制御部（60）が、第１の駆動モードにおいて、逆導通スイッチ（50）に電流が流れていないときに、逆導通スイッチ（50）をオン状態からオフ状態に切り替える第１切替制御、及び逆導通スイッチ（50）をオンしても逆導通スイッチ（50）に電流が流れないときに、逆導通スイッチ（50）をオフ状態からオン状態に切り替える第２切替制御を実行する。

したがって、本実施形態７によれば、逆導通スイッチ（50）のスイッチング損失を低減できる。

また、上記実施形態１において、第１の駆動モードでオン状態の逆導通スイッチ（50）のチャネルに電流が流れていないときに、逆導通スイッチ（50）をオン状態からオフ状態に切り替えることにより、駆動モードを第２の駆動モードに切り替えるようにしてもよい。また、この場合、第２の駆動モードで逆導通スイッチ（50）をオンしても逆導通スイッチ（50）のチャネルに電流が流れないタイミングで、逆導通スイッチ（50）をオフ状態からオン状態に切り替えることにより、駆動モードを第１の駆動モードに切り替えるようにしてもよい。これにより、逆導通スイッチ（50）のスイッチング損失を低減できる。

（その他の実施形態）
上記実施形態１～７では、制御部（60）が、ユーザ又は外部装置からの入力に基づいて、第１及び第２の駆動モードのいずれか一方を選択したが、インバータ回路（40）、単相交流電源（2）、及び電動機（3）のうちの少なくとも１つの状態に基づいて選択してもよい。例えば、インバータ回路（40）の出力電力、入力電力、及び入力電流等、インバータ回路（40）の出力電力に関わる値に基づいて選択してもよいし、電動機（3）の回転数、インバータ回路（40）のスイッチング素子（41a～46a）のデューティ比、インバータ回路（40）の入力電力等、電動機（3）の誘起電圧に関わる値に基づいて選択してもよい。また、電源電圧に基づいて選択してもよい。

また、上記実施形態１～７では、正電圧側電源線（21）と負電圧側電源線（22）に入力される直流を交流に変換して電動機（3）に供給するインバータ回路（40）を電力変換回路として設けたが、正電圧側電源線（21）と負電圧側電源線（22）に入力される直流を直流に変換して電動機（3）に供給するＤＣ／ＤＣコンバータを電力変換回路として設けてもよい。

なお、上記実施形態５では、オン期間（T1）の長さ及び開始タイミングの両方を可変としたが、いずれか一方だけを可変としてもよい。

また、上記実施形態５では、制御部（60）が、オン期間（T1）の長さ、及び開始タイミングをユーザ又は外部装置からの入力に基づいて設定したが、電力変換装置（1）、単相交流電源（2）、及び電動機（3）のうちの少なくとも１つの状態に基づいて設定してもよい。例えば、インバータ回路（40）の出力電力、入力電力、及び入力電流等、インバータ回路（40）の出力電力に関わる値に基づいて設定してもよいし、電動機（3）の回転数、インバータ回路（40）のスイッチング素子（41a～46a）のデューティ比、インバータ回路（40）の入力電力等、電動機（3）の誘起電圧に関わる値に基づいて設定してもよい。また、電源電圧に基づいて設定してもよい。これにより、整流回路（10）の出力電圧の遷移の態様を、電力変換装置（1）、単相交流電源（2）、及び電動機（3）のうちの少なくとも１つの状態に基づいて、第１及び第２の駆動モードに対応する２つの態様から選択できる。

また、上記実施形態７では、制御部（60）が、第１の駆動モードにおいて、第１切替制御と第２切替制御の両方を実行したが、いずれか一方だけを実行してもよい。

以上、実施形態を説明したが、特許請求の範囲の趣旨及び範囲から逸脱することなく、形態や詳細の多様な変更が可能なことが理解されるであろう。また、以上の実施形態及び変形例は、本開示の対象の機能を損なわない限り、適宜組み合わせたり、置換したりしてもよい。

本開示は、単相交流電源から供給される入力交流を直流に変換する整流回路を備えた電力変換装置として有用である。

１電力変換装置
２単相交流電源
３電動機（負荷）
１０整流回路
２１正電圧側電源線
２２負電圧側電源線
３１第１のコンデンサ
３２第２のコンデンサ
３３負電圧電源線側ダイオード
３４正電圧電源線側ダイオード
４０インバータ回路（電力変換回路）
５０逆導通スイッチ
６０制御部
ＴＥ１第１の入力端子
ＴＥ２第２の入力端子
ＣＰ接続点

Claims

正電圧側電源線（21）と負電圧側電源線（22）と、
単相交流電源（2）から第１及び第２の入力端子（TE1,TE2）に供給される入力交流を直流に変換して前記正電圧側電源線（21）と負電圧側電源線（22）に出力する整流回路（10）と、
前記正電圧側電源線（21）と負電圧側電源線（22）の間に互いに直列に接続された第１及び第２のコンデンサ（31,32）とを備え、
前記第１及び第２の入力端子（TE1,TE2）のうちの前記第１の入力端子（TE1）のみに、一端が前記第１及び第２のコンデンサ（31,32）の接続点（CP）に接続された逆導通スイッチ（50）の他端が接続されている電力変換装置。
請求項１に記載の電力変換装置において、
前記逆導通スイッチ（50）が、オフ状態で前記第１の入力端子（TE1）から前記接続点（CP）に向かう方向に電流が流れるように接続される場合には、前記第１及び第２のコンデンサ（31,32）のうち前記正電圧側電源線（21）側のコンデンサ（31）が無極性コンデンサであり、
前記逆導通スイッチ（50）が、オフ状態で前記接続点（CP）から前記第１の入力端子（TE1）に向かう方向に電流が流れるように接続される場合は、前記第１及び第２のコンデンサ（31,32）のうち前記負電圧側電源線（22）側のコンデンサ（32）が無極性コンデンサであることを特徴とする電力変換装置。
請求項１に記載の電力変換装置において、
前記逆導通スイッチ（50）が、オフ状態で前記第１の入力端子（TE1）から前記接続点（CP）に向かう方向に電流が流れるように接続される場合には、前記第１及び第２のコンデンサ（31,32）のうち前記正電圧側電源線（21）側のコンデンサ（31）は有極性コンデンサであり、当該正電圧側電源線（21）側のコンデンサ（31）には、ダイオード（34）がそのカソードを当該コンデンサ（31）の正極側に向けた状態で並列に接続され、
前記逆導通スイッチ（50）が、オフ状態で前記接続点（CP）から前記第１の入力端子（TE1）に向かう方向に電流が流れるように接続される場合には、前記第１及び第２のコンデンサ（31,32）のうち前記負電圧側電源線（22）側のコンデンサ（32）は有極性コンデンサであり、当該負電圧側電源線（22）側のコンデンサ（32）には、ダイオード（33）がそのカソードを当該コンデンサ（32）の正極側に向けた状態で並列に接続されることを特徴とする電力変換装置。
請求項１～３のいずれか１項に記載の電力変換装置において、
前記入力交流の各周期における一方の半周期に含まれる所定のオン期間（T1）に前記逆導通スイッチ（50）をオンする第１の駆動モードと、
前記入力交流の各周期における前記一方の半周期に、常に前記逆導通スイッチ（50）をオフする第２の駆動モードとで前記逆導通スイッチ（50）を制御可能な制御部（60）をさらに備え、
前記逆導通スイッチ（50）が、オフ状態で前記接続点（CP）から前記第１の入力端子（TE1）に向かう電流方向に電流が流れるように接続される場合には、前記一方の半周期は、前記第１の入力端子（TE1）の電圧が前記第２の入力端子（TE2）の電圧以上となる半周期（HC1）である一方、前記逆導通スイッチ（50）が、オフ状態で前記第１の入力端子（TE1）から前記接続点（CP）に向かう電流方向に電流が流れるように接続される場合には、前記一方の半周期は、前記第２の入力端子（TE2）の電圧が前記第１の入力端子（TE1）の電圧以上となる半周期（HC2）であることを特徴とする電力変換装置。
請求項４に記載の電力変換装置において、
前記正電圧側電源線（21）と負電圧側電源線（22）に入力される直流を直流又は交流に変換して負荷に供給する電力変換回路（40）をさらに備え、
前記制御部は、前記電力変換回路（40）、前記単相交流電源（2）、及び前記負荷（3）のうちの少なくとも１つの状態に基づいて、前記第１及び第２の駆動モードのいずれか一方を選択し、選択した駆動モードで前記逆導通スイッチ（50）を制御することを特徴とする電力変換装置。
請求項４又は５に記載の電力変換装置において、
前記オン期間（T1）の長さ、及び開始タイミングのうちの少なくとも一方は可変であることを特徴とする電力変換装置。
請求項４～６のいずれか１項に記載の電力変換装置において、
前記逆導通スイッチ（50）は、ユニポーラトランジスタで構成され、
前記制御部（60）は、前記入力交流の各周期における他方の半周期に、前記逆導通スイッチ（50）をオンするオン制御を実行し、
前記オン制御中に、前記逆導通スイッチ（50）のチャネルに電流が前記電流方向に流れることを特徴とする電力変換装置。
請求項４～７のいずれか１項に記載の電力変換装置において、
前記制御部（60）が、前記逆導通スイッチ（50）に電流が流れていないときに、前記逆導通スイッチ（50）をオン状態からオフ状態に切り替える第１切替制御、及び前記逆導通スイッチ（50）をオンしても前記逆導通スイッチ（50）に電流が流れないときに、前記逆導通スイッチ（50）をオフ状態からオン状態に切り替える第２切替制御のうちの少なくとも一方を実行することを特徴とする電力変換装置。