JPWO2015001617A1 - 逆流防止装置、電力変換装置、モータ駆動装置及び冷凍空気調和装置 - Google Patents

Abstract

電源１と負荷９との間に接続され、負荷９側から電源１側への電流の逆流を防止する逆流防止素子５と、逆流防止素子５と並列接続した転流経路に電流を流す転流動作を行う転流装置７と、転流動作させる時間を決定し、決定した時間に基づいて転流装置７に転流動作を行わせる制御装置１００とを備え、複数の転流経路を有することで、例えば電流容量の小さい素子等を転流経路上に配置してコスト低減をはかり、故障発生等に対応することで、リカバリー電流低減の信頼性を高くする。

Description

本発明は、電力変換装置等が有する逆流防止装置等に関するものである。

可変電圧・可変周波数のインバータ装置等が実用化されるに従って、各種電力変換装置の応用分野が開拓されている。

例えば、電力変換装置に関しては、近年、昇降圧コンバータの応用技術開発が盛んである。一方で、炭化珪素等を材料とするワイドバンドギャップ半導体素子等の開発も盛んに行われている。このような新しい素子に関して、高耐圧であっても電流容量（電流実効値の許容値）の小さい素子に関しては、整流器を中心に実用化されてきている（例えば、特許文献１参照）。

特開２００５−１６０２８４号公報（図１）

一方、高効率な新しい素子を実用化するには、実用化に向けて多くの課題があり、特に空気調和装置の圧縮機のモータ等に供給するような電力を変換する装置に普及させるにはまだ時間がかかると考えられる。そこで、整流器に流れる電流の一部を別経路で転流する装置（回路）を有することにより、整流器に発生するリカバリー電流を低減させるようにしているものもある。このような装置は、昇圧装置等の電力を変化させる装置とは別に、新たな装置（回路）を有することになるため、コストを費やす可能性がある。

そこで、本発明は、できる限りコスト低減をはかることができる電力変換装置等を提供するものである。

本発明に係る逆流防止装置は、電源と負荷との間に接続され、負荷側から電源側への電流の逆流を防止する逆流防止素子と、逆流防止素子と並列接続した別経路となる転流経路に電流を流す転流動作を行う転流装置と、転流動作させる時間を決定し、決定した時間に基づいて転流装置に転流動作を行わせる制御装置とを備え、複数の転流経路を有するものである。

本発明に係る逆流防止装置によれば、逆流防止素子と並列接続した転流経路を複数有するようにしたので、各転流経路に流れる電流を小さくすることができる。このため、電流容量の小さい素子等を転流経路上に配置することができ、コスト低減をはかることができる。また、ある転流経路における素子等が故障した場合でも、転流装置は、他の転流経路で転流動作を継続することができるので、リカバリー電流低減の信頼性を高くすることができる。

本発明の実施の形態１に係る電力変換装置を中心とするシステム等の構成の一例を示す図である。 本発明の実施の形態１に係る逆流防止素子５と並列に転流装置７を接続した場合の一例を示す図（その１）である。 本発明の実施の形態１に係る逆流防止素子５と並列に転流装置７を接続した場合の構成の一例を示す図（その２）である。 本発明の実施の形態１に係る転流装置７を動作させる場合の信号及び電流波形を示す図（その１）である。 本発明の実施の形態１に係る転流装置７を動作させる場合の信号及び電流波形を示す図（その２）である。 本発明の実施の形態２に係る転流装置７を動作させる場合の信号及び電流波形を示す図（その１）である。 本発明の実施の形態２に係る転流装置７を動作させる場合の信号及び電流波形を示す図（その２）である。 本発明の実施の形態３に係る転流装置７を動作させる場合の信号及び電流波形を示す図（その１）である。 本発明の実施の形態３に係る転流装置７を動作させる場合の信号及び電流波形を示す図（その２）である。 本発明の実施の形態３に係る逆流防止素子５に流れる電流と転流動作との関係を説明するための図である。 本発明の実施の形態４に係る逆流防止素子５と並列に転流装置７を接続した場合の一例を示す図（その１）である。 本発明の実施の形態４に係る逆流防止素子５と並列に転流装置７を接続した場合の構成の一例を示す図（その２）である。 本発明の実施の形態４に係る転流装置７を動作させる場合の信号及び電流波形を示す図（その１）である。 本発明の実施の形態４に係る転流装置７を動作させる場合の信号及び電流波形を示す図（その２）である。 本発明の実施の形態５に係る逆流防止素子５と並列に転流装置７を接続した場合の一例を示す図（その１）である。 本発明の実施の形態５に係る逆流防止素子５と並列に転流装置７を接続した場合の構成の一例を示す図（その２）である。 本発明の実施の形態５に係る転流装置７を動作させる場合の信号及び電流波形を示す図（その１）である。 本発明の実施の形態５に係る転流装置７を動作させる場合の信号及び電流波形を示す図（その２）である。 本発明の実施の形態５に係る逆流防止素子５に流れる電流と転流動作との関係を説明するための図である。 本発明の実施の形態６に係る冷凍空気調和装置の構成図である。

以下、発明の実施の形態に係る逆流防止装置等について図面等を参照しながら説明する。ここで、図１を含め、以下の図面において、同一の符号を付したものは、同一又はこれに相当するものであり、以下に記載する実施の形態の全文において共通することとする。そして、明細書全文に表わされている構成要素の形態は、あくまでも例示であって、明細書に記載された形態に限定するものではない。特に構成要素の組み合わせは、各実施の形態における組み合わせのみに限定するものではなく、他の実施の形態に記載した構成要素を別の実施の形態に適用することができる。さらに、添字で区別等している複数の同種の機器等について、特に区別したり、特定したりする必要がない場合には、添字を省略して記載する場合がある。また、図面では各構成部材の大きさの関係が実際のものとは異なる場合がある。

実施の形態１．
図１は本発明の実施の形態１に係る電力変換装置を中心とするシステム等の構成の一例を示す図である。はじめに、図１における高効率に電力変換を行うことができる電力変換装置を有するシステム構成について説明する。

図１のシステムにおいて、電力変換装置は、電源１と負荷９との間に設けられ、電源１からの電力を変換して負荷９に供給する。本実施の形態の電力変換装置は、昇圧を行うものとし、例えばチョッパ回路６、転流装置７及び平滑装置８を有している。

電源１については、例えば直流電源、交流電源と整流回路（整流装置）との組み合わせ等で構成し、チョッパ回路６に対して直流による電力供給を行う。

チョッパ回路６は、リアクトル３、昇圧用スイッチ装置４及び逆流防止素子５を有している。リアクトル３は、電源１側に接続され、高調波を抑制するために設けている。また、昇圧用スイッチ装置４は、例えばＩＧＢＴ（Ｉｎｓｕｌａｔｅｄ Ｇａｔｅ Ｂｉｐｏｌａｒ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）のようなスイッチング素子を有している。昇圧用スイッチ装置４は、制御装置１００からの駆動信号（昇圧駆動信号）に基づいてリアクトル３を介して電源１（電源１と接続する２端子間）を短絡する。

逆流防止素子５は、昇圧用スイッチ装置４と平滑装置８との間で、平滑装置８からの電流の逆流を防止するための素子である。ここで、逆流防止素子５は、通常は、例えば電気的特性（特にリカバリー特性）に優れ、電流容量が小さく逆回復の時間がはやいファストリカバリーダイオードのような半導体素子とする。また、転流装置７は逆流防止素子５と並列に接続している装置である。そして、逆流防止素子５に流れる電流を、必要なタイミングで、異なった経路（逆流防止素子５を介さない別経路。以下、転流経路という）に転流させる転流動作を行う。逆流防止素子５と転流装置７とにより、負荷９側から電源１側への電流の逆流を防止する逆流防止装置となる。

図２及び図３は本発明の実施の形態１に係る逆流防止素子５と並列に転流装置７を接続した場合の一例を示す図である。転流装置７は、逆流防止素子５と並列接続した転流経路に電流を流す転流動作を行う装置である。ここで、図２では転流経路を２経路とし、図３では転流経路を３経路としている。これらの図のように、本実施の形態における逆流防止装置では、転流用の転流経路を複数有している。図２及び図３に示すように、本実施の形態の転流装置７は、転流動作装置７０と転流用整流素子７２とを有している。

転流用整流素子７２は、転流経路において変圧器７３の２次側巻線と直列接続している。そして、負荷９側からの電流の逆流を防止し、電源１側から負荷９側に電流が流れるようにする。ここで、図２では転流経路が２経路であるため、図２の転流装置７においては転流用整流素子７２ａ及び７２ｂを有している。また、図３では転流経路が３経路であるため、図３の転流装置７においては転流用整流素子７２ａ、７２ｂ及び７２ｃを有している。転流用整流素子７２は、ファストリカバリーダイオードのような半導体素子で構成する。ここで、転流用整流素子７２には、リカバリー特性が良く、順電圧が低く、ロスの少ない高耐圧なショットキー・バリア・ダイオードを用いてもよい。また、ＳｉＣ（炭化珪素）、ＧａＮ（ガリウムナイトライド、窒化ガリウム）、ダイヤモンド等を材料とするワイドバンドギャップ半導体の素子を用いてもよい。これらの素子は、電流実効値の許容値が大きい仕様になるにつれ、結晶欠陥の増大、コストアップを招く。本実施の形態における転流用整流素子７２に、電流実効値の許容値が小さい素子を使用可能なため、コストパフォーマンスが良好で高効率の電力変換装置を実現することができる。

また、本実施の形態の転流動作装置７０は、各転流経路に独立した転流動作回路７１を有している。図２では転流経路が２経路であるため、図２の転流装置７においては転流動作回路７１ａ及び７１ｂを有している。また、図３では転流経路が３経路であるため、図３の転流装置７においては転流動作回路７１ａ、７１ｂ及び７１ｃを有している。各転流動作回路７１は変圧器７３、転流用スイッチ７４及び転流用電源７５を有している。ここで、図２では転流動作回路７１ｂ内の構成を示し、図３では転流動作回路７１ｃ内の構成を示しているが、転流動作回路７１ａについても同様の構成を示している。変圧器７３は、パルストランス等を有する変圧器７３は、１次側巻線に電圧を印加し、励磁電流を流すことで２次側巻線に電圧を誘起して電流が流れるようにし、チョッパ回路６に流れる電流を転流経路に転流させる。転流用電源７５は、変圧器７３に電力供給する。転流用スイッチ７４は、制御装置１００からの駆動信号（転流駆動信号）に基づいて開閉し、変圧器７３（１次側巻線）への電力供給、供給停止を制御する。

以上のように、変圧器７３を介することで、転流経路と変圧器７３の１次側巻線、転流用スイッチ７４及び転流用電源７５を接続する回路との間を絶縁することができる。このため、転流装置７を駆動する信号の注入が比較的簡易に行える。また、安全性・信頼性の高いシステムを構築することができる。ここで、図２及び図３では、変圧器７３の２次側巻線と転流用整流素子７２のアノード側とを接続している例を示しているが、転流用整流素子７２に流す電流の向きが同じであれば、このような接続に限るものではない。例えば、転流用整流素子７２のカソード側と変圧器７３の２次側巻線とを接続するようにしてもよい。また、ノイズ対策や故障時保護を考慮し、必要に応じて転流用電源７５、転流用スイッチ７４、変圧器７３の１次側巻線で構成する電気回路に、制限抵抗、高周波コンデンサ、スナバ回路、保護装置等を挿入して構成してもよい。さらに、変圧器７３に、必要に応じて１次側巻線にリセット巻線を付加して励磁電流をリセットするようにしてもよい。さらに整流器等を設けて励磁エネルギーを電源側に回生し、高効率化するようにしてもよい。

平滑装置８は、例えばコンデンサ等を用いて構成し、電源１により印加される電圧を平滑し、負荷９に対して直流電圧（出力電圧、母線電圧）を印加して電力供給を行う。負荷９は平滑装置８を介して供給された電力により駆動する。

また、負荷電圧検出部１０１は、平滑装置８が平滑して負荷９に印加する電圧を検出し、電圧検出値を検出信号により出力する電圧検出器である。電流検出部１０２は、電源１より流れる電流（母線電流）を検出し、電流検出値を検出信号により出力する電流検出器である。電流検出部１０２の電流検出値に基づいて、リアクトル３を流れる電流を検出することもできる。そして、電源電圧検出部１０３は、電源１により印加される電圧を検出し、電圧検出値を検出信号により出力する電圧検出器である。

制御装置１００は、例えば、負荷電圧検出部１０１、電流検出部１０２、電源電圧検出部１０３の検出に係る信号から、昇圧用スイッチ装置４、転流装置７等の動作時間（短絡時間）等を演算処理等し、制御を行う装置である。制御装置１００は、例えば、マイクロコンピュータ、デジタルシグナルプロセッサ等の演算装置、演算装置の信号を、昇圧用スイッチ装置４及び転流用スイッチ７４を駆動する駆動信号に変換装置等を有している。ここで、本実施の形態では、転流用スイッチ７４を複数有しているため、各転流用スイッチ７４に対応した転流駆動信号を送る。

以上のような本実施の形態のシステムに関する動作について、以下説明する。本実施の形態の電力変換装置は、例えばＤＣチョッパの電力変換動作に、転流装置７における転流動作を加える。これにより、平滑装置８から電流が逆流する前に逆流防止素子５を逆回復させておくようにし、リカバリー電流の低減をはかるものである。

例えば、昇圧用スイッチ装置４、転流用スイッチ７４をオフの状態としたまま動作させると、電流経路は、電源１−リアクトル３−逆流防止素子５−負荷９−電源１の経路となる。また、昇圧用スイッチ装置４がオン（閉止）、転流用スイッチ７４がオフの状態で動作させると、電流経路は、電源１−リアクトル３−昇圧用スイッチ装置４−電源１の経路となる。ここで、リアクトル３に印加される電圧は電源１の電圧とほぼ同等となる。昇圧用スイッチ装置４のオン、オフの切り替えを繰り返し行うことで、電流経路を繰り返すことができる。さらにオン、オフの時間割合を制御することで、電源１による入力電流の波形を任意に変形することが可能となり、力率や高調波電流の含有率を改善することができる。

ここで、通常、整流ダイオードの電流容量増加に伴い、蓄積キャリア量は増加していく傾向にある。そのため、電流容量増加と共に、リカバリー電流は増加していくこととなる。また、印加する逆バイアスが大きくなると、リカバリー電流は増加していくこととなる。

本実施の形態の電力変換装置では、電流容量の大きい逆流防止素子５に対して、高い逆バイアス電圧を印加して逆回復を行うのではなく、転流装置７により転流経路を形成するようにし、昇圧用スイッチ装置４のオン直前に変圧器７３及び転流用整流素子７２を介して低い逆バイアス電圧を印加して逆回復を行う制御（以下、転流制御と称す）を行うものである。

転流制御においては、昇圧用スイッチ装置４のオン直前に転流装置７の転流用スイッチ７４をオンし、変圧器７３を介して逆流防止素子５に流れている電流を転流用整流素子７２側に転流する。昇圧用スイッチ装置４がオフ、転流用スイッチ７４がオンしている状態の電流経路は、電源１−リアクトル３−逆流防止素子５−負荷９−電源１の経路となる。さらに、転流用スイッチ７４がオンしているため、変圧器７３が励磁され、転流装置７の変圧器７３の２次側巻線−転流用整流素子７２の経路にも電流が流れ込む。

例えば、昇圧用スイッチ装置４の昇圧駆動信号がオンとなる直前で、転流装置７（転流用スイッチ７４）の転流駆動信号をオンさせる。このとき、励磁電流により変圧器７３の２次側巻線の経路に電流が流れ始める。よって、逆流防止素子５と転流用整流素子７２の各方向に電流が分流して流れる。その後、転流駆動信号をオン状態に維持すると、一定時間経過後には、逆流防止素子５には電流が流れなくなり、転流用整流素子７２側に全電流が流れることとなる（転流完了）。

転流動作の際、転流用電源７５を、平滑装置８の出力電圧と比較して十分小さい値となるよう設定しておくことで、低い逆バイアス電圧にて逆流防止素子５をオフ（逆回復）させることが可能となる。この状態で、昇圧用スイッチ装置４をオンすると、転流用整流素子７２の逆回復動作が行われ、この場合にもリカバリー電流は生じる。しかしながら、転流用整流素子７２の通流時間は逆流防止素子５と比較して、ごく短時間のため、転流用整流素子７２に流れる電流の実効電流は小さく、必要とされる電流容量が小さくてすむ。よって、蓄積キャリアの少ない、小容量な素子を用いることができ、逆流防止素子５によって発生する場合と比較して、リカバリー電流の低減が可能となる（ただし、ピーク電流を考慮して素子を選定する）。そして、結果的にシステム全体として、リカバリー電流に起因するノイズ量及び損失を低減することができる。これにより、雑音端子電圧・放射雑音等のレベルが低減し、また、回路損失が抑制される。よってノイズフィルタを小型化することができ、コスト低減をはかることができる。

図４及び図５は本発明の実施の形態１に係る転流装置７を動作させる場合の信号及び電流波形を示す図である。ここで、昇圧用スイッチ装置４及び転流装置７（転流用スイッチ７４）の駆動信号は、ＨＩ側をアクティブ方向（オン方向）としている。図４及び図５に示すように、転流装置７に転流動作をさせない場合には、点線で示しているような大きなリカバリー電流が逆流防止素子５に発生する。転流装置７による転流動作を行うことにより、逆流防止素子５のリカバリー電流が低減される。

また、本実施の形態では、制御装置１００は、各転流動作回路７１の各転流用スイッチ７４におけるオン及びオフするタイミングを同じにする転流駆動信号を送るものとする。したがって、転流動作によって転流装置７側に流れる電流は各転流経路に分流し、転流経路を１つとして転流用整流素子７２を備えた場合に比べると、各転流経路に流れる電流のピーク及び平均は、転流経路数に応じて小さくなる。また、負荷９側から電源１側に逆流しようとする電流も小さくなることになる。このため、各転流用整流素子７２の電流容量を小さくすることができる。電流容量を小さくすることで、転流用整流素子７２として多くの素子を採用することができる。また、コストの低減をはかることができる。さらに、転流経路を複数有することにより、例えばある転流経路における転流用整流素子７２、転流動作回路７１の少なくとも一方が破損等して電流を流すことができなくなったとしても、他の転流経路により電流を流すことができるため、信頼性を高めることができる。

以上のように、実施の形態１の逆流防止装置を有するシステムにおいては、逆流防止素子５と並列接続した転流経路を複数有するようにしたので、各転流経路に流れる電流を小さくすることができる。このため、転流動作回路７１を同時に動作させることで、１つの転流経路に流れる電流を少なくすることができるので、電流容量の小さい素子等を転流経路上に配置することができ、コスト低減をはかることができる。また、例えばある転流経路における素子等が故障した場合でも、転流装置７は、他の転流経路で転流動作を継続することができ、リカバリー電流低減の信頼性を高くすることができる。

実施の形態２．
図６及び図７は本発明の実施の形態２に係る転流装置７を動作させる場合の信号及び電流波形を示す図である。システム及び電力変換装置の構成等については、実施の形態１において図１〜３に基づいて説明したことと同様である。

本実施の形態では、制御装置１００は、各転流動作回路７１の各転流用スイッチ７４におけるオン及びオフするタイミングを異なる転流駆動信号を送るものとする。例えば、図６においては、昇圧駆動信号のオンに対し、交互に転流駆動信号をオンさせるようにしている。したがって、各転流用スイッチ７４は、昇圧駆動信号の２回のオンに対して、１回オンすることになる。したがって、動作周期が２倍になり、デューティは１／２となる。

また、図７においては、昇圧駆動信号のオンに対応してそれぞれ転流駆動信号をオンさせるようにしている。したがって、各転流用スイッチ７４は、昇圧駆動信号の３回のオンに対して、１回オンすることになる。

以上のように、複数の転流経路において転流動作が同時に行わるのではなく、各転流経路において転流動作が行われることになる。各転流経路における転流動作の間隔（動作周期）がパラ数倍に長くなるので、転流経路を１つとして転流用整流素子７２を備えた場合に比べると、各転流経路に流れる電流の電流実効値（平均）は、転流経路数に応じて小さくなる。また、素子のばらつき等によって、電流が流れる転流経路に偏りが生じる等、電流集中が生じない。

実施の形態３．
図８及び図９は本発明の実施の形態３に係る転流装置７を動作させる場合の信号及び電流波形を示す図である。システム及び電力変換装置の構成等については、実施の形態１において図１〜３に基づいて説明したことと同様である。

本実施の形態では、制御装置１００は、各転流動作回路７１の各転流用スイッチ７４においてオン状態となる時間が異なるように転流駆動信号を送るものとする。このとき、オフにするタイミングは略同じになるような転流駆動信号を送る。

各転流動作回路７１の各転流用スイッチ７４においてオン状態となる時間が異なるようにすることで、各転流経路に流れる電流の量が異なる。このため、転流装置７の転流動作により、転流経路に流れる電流の量を調整することができ、転流経路上の素子等の損傷防止をはかることができる。また、転流装置７に流れる電流を少なくするようにして損失を抑えることができる。場合によっては、一部の転流用スイッチ７４をオンさせずに、電流が流れる転流経路数を減らすようにしてもよい。

図１０は本発明の実施の形態３に係る逆流防止素子５に流れる電流と転流動作との関係を説明するための図である。図１０では、図３に示す３つの転流経路を有する転流装置７の場合について説明する。例えば、逆流防止素子５に流れる電流が大きいほどリカバリー電流も大きくなる。そこで、制御装置１００は負荷９側から電源１側に流れようとするリカバリー電流の大きさを判断する。ここで、図１０においては、逆流防止素子５を流れる電流が多いほど、リカバリー電流が大きくなることを示している。

ここで、例えば、電源１から電力変換装置に流れる電流（電流検出部１０２の検出に係る電流）、リアクトル３を流れる電流、昇圧用スイッチ装置４を流れる電流、逆流防止素子５を流れる電流又は電力変換装置から負荷９に流れる電流からリカバリー電流の大きさを判断することができる。このため、電流検出装置によって、これらの電流のうち、少なくとも１の電流を検出することで、制御装置１００はリカバリー電流の大きさを判断することができる。また、例えば、逆流防止素子５の両端に印加される電圧又は負荷９に印加する電圧（負荷電圧検出部１０１の検出に係る電圧）からリカバリー電流の大きさを判断することができる。このため、電圧検出装置によって、これらの電圧のうち、すくなくとも１の電圧を検出するようにしてもよい。さらに、例えば、電源１から電力変換装置に供給される電力又は電力変換装置から負荷９に供給する電力からリカバリー電流の大きさを判断することができる。このため、電力検出装置によって、これらの電力のうち、すくなくとも１の電力を検出するようにしてもよい。いずれの物理量によっても検出できるので、他の用途の検出と共用することができる。

制御装置１００は、判断したリカバリー電流の大きさに基づいて、転流動作により電流を流す転流経路数を決定する。そして、決定した転流経路数に基づいて、対応する転流動作回路７１に転流駆動信号を送って転流動作を行わせるようにする。このようにして、転流経路に流れる電流を抑えることができる。例えばリカバリー電流が大きい場合には、実施の形態１等と同様の効果を奏する。また、リカバリー電流が小さい場合には、転流動作に係る損失を抑制し、装置全体の低損失化をはかることができる。

実施の形態４．
図１１及び図１２は本発明の実施の形態４に係る逆流防止素子５と並列に転流装置７を接続した場合の一例を示す図である。システムの構成等については、実施の形態１において図１に基づいて説明したことと同様である。本実施の形態は、転流装置７の構成が図２及び図３とは異なり、複数の転流経路について、変圧器７３の１次側巻線、転流用スイッチ７４及び転流用電源７５を共用するようにしたものである。したがって、本実施の形態では、転流装置７における転流用スイッチ７４は１つである。

図１３及び図１４は本発明の実施の形態４に係る転流装置７を動作させる場合の信号及び電流波形を示す図である。本実施の形態では、転流用スイッチ７４は１つであるため、制御装置１００は、１つの転流駆動信号を送るだけでよい。そして、変圧器７３における各２次側巻線において電圧が誘起されるタイミングが同じであるため、実施の形態１の場合と同様に、転流動作によって転流装置７側に流れる電流は各転流経路に分流し、転流経路を１つとして転流用整流素子７２を備えた場合に比べると、各転流経路に流れる電流のピーク及び平均は、転流経路数に応じて小さくなる。

また、負荷９側から電源１側に逆流しようとする電流も小さくなることになる。このため、各転流用整流素子７２の電流容量を小さくすることができる。電流容量を小さくすることで、転流用整流素子７２として多くの素子を採用することができる。また、コストの低減をはかることができる。さらに、転流経路を複数有することにより、例えばある転流経路における転流用整流素子７２、転流動作回路７１の少なくとも一方が破損等して電流を流すことができなくなったとしても、他の転流経路により電流を流すことができるため、リカバリー電流低減に係る信頼性を高めることができる。

以上のように、実施の形態４の転流装置７において、複数の転流経路について、変圧器７３の１次側巻線、転流用スイッチ７４及び転流用電源７５を共用するようにしたので、素子数を少なくすることによるコスト低減、装置の小型化等をはかることができる。

実施の形態５．
図１５及び図１６は本発明の実施の形態５に係る逆流防止素子５と並列に転流装置７を接続した場合の一例を示す図である。システムの構成等については、実施の形態１において図１に基づいて説明したことと同様である。本実施の形態においては、転流装置７の構成が図１０及び図１１とは異なる。複数の転流経路について、変圧器７３の１次側巻線、転流用スイッチ７４及び転流用電源７５を共用している点では実施の形態２と同様である。ただ、本実施の形態では、２つの転流用スイッチ７４（７４ａ及び７４ｂ）と２つの転流用電源７５（７５ａ及び７５ｂ）とを有している。

図１７及び図１８は本発明の実施の形態５に係る転流装置７を動作させる場合の信号及び電流波形を示す図である。ここで、転流用スイッチ７４ａをオンした場合と、転流用スイッチ７４ｂをオンした場合とでは、変圧器７３の１次側巻線に印加される電圧の向き（１次側巻線に流れる電流の方向）が異なるようにする。そして、制御装置１００は、転流用スイッチ７４ａと転流用スイッチ７４ｂとを交互にオンさせる転流駆動信号を送る。

また、各転流経路における変圧器７３の２次側巻線については、１次側巻線と極性が同じものと異なるもの（逆巻きになっているもの）とがある。図１７については、２つの転流経路における２次側巻線は互いに極性が異なっている（）。したがって、転流装置７における転流動作については、実施の形態２と同様に、各転流経路で交互に転流動作が行われる。また、図１７については、転流用整流素子７２ａを有する転流経路と転流用整流素子７２ｃを有する転流経路とにおける１次側巻線については、２次側巻線と極性が同じである。転流用整流素子７２ｂを有する転流経路とにおける１次側巻線については、２次側巻線と極性が異なっている。したがって、転流装置７における転流動作については、２つの転流経路と１つの転流経路とで交互に転流動作が行われる。

図１９は本発明の実施の形態５に係る逆流防止素子５に流れる電流と転流動作との関係を説明するための図である。上述した実施の形態３では、制御装置１００はリカバリー電流の大きさに基づいて、電流を流す転流経路数を決定することについて説明した。

例えば、図１６に示す転流装置７においては、変圧器７３の１次側巻線に流れる電流の方向によって、電流が流れる転流経路の数が異なる（転流用整流素子７２ｂを有する転流経路と、転流用整流素子７２ａを有する転流経路及び転流用整流素子７２ｃを有する転流経路とに分かれる）。そこで、制御装置１００は、例えばリカバリー電流の大きさを判断する。リカバリー電流が小さいと判断すると、転流用整流素子７２ａを有する転流経路に電流を流すように、転流用スイッチ７４ａを開閉する転流駆動信号を送る。また、リカバリー電流が大きいと判断すると、転流用整流素子７２ａ及び７２ｃを有する転流経路に電流を流すように、転流用スイッチ７４ｂを開閉する転流駆動信号を送る。

以上のように、実施の形態５の転流装置７において、複数の転流経路について、変圧器７３の１次側巻線、転流用スイッチ７４及び転流用電源７５を共用するようにしたので、素子数を少なくすることによるコスト低減、装置の小型化等をはかることができる。また、複数の転流経路に異なるタイミングで転流動作を行わせることができる。

実施の形態６．
図２０は本発明の実施の形態６に係る冷凍空気調和装置の構成図である。本実施の形態では、上述した電力変換装置を介して電力供給を行う冷凍空気調和装置について説明する。図２０の冷凍空気調和装置は、熱源側ユニット（室外機）３００と負荷側ユニット（室内機）４００とを備え、これらが冷媒配管で連結され、主となる冷媒回路（以下、主冷媒回路と称す）を構成して冷媒を循環させている。冷媒配管のうち、気体の冷媒（ガス冷媒）が流れる配管をガス配管５００とし、液体の冷媒（液冷媒。気液二相冷媒の場合もある）が流れる配管を液配管６００とする。

熱源側ユニット３００は、本実施の形態においては、圧縮機３０１、油分離器３０２、四方弁３０３、熱源側熱交換器３０４、熱源側ファン３０５、アキュムレータ３０６、熱源側絞り装置（膨張弁）３０７、冷媒間熱交換器３０８、バイパス絞り装置３０９及び熱源側制御装置３１０の各装置（手段）で構成する。

圧縮機３０１は、吸入した冷媒を圧縮して吐出する。ここで、圧縮機３０１は、運転周波数を任意に変化させることにより、圧縮機３０１の容量（単位時間あたりの冷媒を送り出す量）を細かく変化させることができるインバータ装置を有しているものとする。ここで、上述した各実施の形態における電力変換装置が、圧縮機３０１（モータ）を駆動させる電力を供給する電源１と負荷９となるインバータ装置を有する圧縮機３０１等との間に取り付けられている。ここで、電力変換装置とインバータ装置とを組み合わせた装置がモータ駆動装置となる。

油分離器３０２は、冷媒に混じって圧縮機３０１から吐出された潤滑油を分離させるものである。分離された潤滑油は圧縮機３０１に戻される。四方弁３０３は、熱源側制御装置３１０からの指示に基づいて冷房運転時と暖房運転時とによって冷媒の流れを切り換える。また、熱源側熱交換器３０４は、冷媒と空気（室外の空気）との熱交換を行う。熱源側熱交換器３０４は、例えば、暖房運転時においては蒸発器として機能し、熱源側絞り装置３０７を介して流入した低圧の冷媒と空気との熱交換を行い、冷媒を蒸発させ、気化させる。また、冷房運転時においては凝縮器として機能し、四方弁３０３側から流入した圧縮機３０１において圧縮された冷媒と空気との熱交換を行い、冷媒を凝縮して液化させる。熱源側熱交換器３０４には、冷媒と空気との熱交換を効率よく行うため、熱源側ファン３０５が設けられている。熱源側ファン３０５についても、上述の各実施の形態に記載した電力変換装置を介して電力供給を行い、例えば負荷９が有するインバータ装置においてファンモータの運転周波数を任意に変化させてファンの回転速度を細かく変化させるようにしてもよい。

冷媒間熱交換器３０８は、冷媒回路の主となる流路を流れる冷媒と、その流路から分岐してバイパス絞り装置３０９（膨張弁）により流量調整された冷媒との間で熱交換を行う。冷媒間熱交換器３０８は、特に冷房運転時において冷媒を過冷却する必要がある場合に、冷媒を過冷却して負荷側ユニット４００に供給するものである。バイパス絞り装置３０９を介して流れる液体は、バイパス配管を介してアキュムレータ３０６に戻される。アキュムレータ３０６は例えば液体の余剰冷媒を溜めておく手段である。熱源側制御装置３１０は、例えばマイクロコンピュータ等からなる。熱源側制御装置３１０は、負荷側制御装置４０４と有線又は無線通信することができ、例えば、冷凍空気調和装置内の各種検知手段（センサ）の検知に係るデータに基づいて、インバータ回路制御による圧縮機３０１の運転周波数制御等、冷凍空気調和装置に係る各手段を制御して冷凍空気調和装置全体の動作制御を行う。また、上述の実施の形態において説明した制御装置１００が行う処理を熱源側制御装置３１０が行うようにしてもよい。

一方、負荷側ユニット４００は、負荷側熱交換器４０１、負荷側絞り装置（膨張弁）４０２、負荷側ファン４０３及び負荷側制御装置４０４で構成される。負荷側熱交換器４０１は冷媒と空気との熱交換を行う。負荷側熱交換器４０１は、例えば、暖房運転時においては凝縮器として機能し、ガス配管５００から流入した冷媒と空気との熱交換を行い、冷媒を凝縮させて液化（又は気液二相化）させ、液配管６００側に流出させる。一方、冷房運転時においては蒸発器として機能し、負荷側絞り装置４０２により低圧状態にされた冷媒と空気との熱交換を行い、冷媒に空気の熱を奪わせて蒸発させて気化させ、ガス配管５００側に流出させる。また、負荷側ユニット４００には、冷媒との熱交換を行う空気の流れを調整するための負荷側ファン４０３が設けられている。この負荷側ファン４０３の運転速度は、例えば利用者の設定により決定される。負荷側絞り装置４０２は、開度を変化させることで、負荷側熱交換器４０１内における冷媒の圧力を調整するために設ける。

また、負荷側制御装置４０４もマイクロコンピュータ等からなり、例えば熱源側制御装置３１０と有線又は無線通信することができる。熱源側制御装置３１０からの指示、居住者等からの指示に基づいて、例えば室内が所定の温度となるように、負荷側ユニット４００の各装置（手段）を制御する。また、負荷側ユニット４００に設けられた検知手段の検知に係るデータを含む信号を送信する。

以上のように実施の形態８の冷凍空気調和装置では、上述した実施の形態における電力変換装置を用いて圧縮機３０１、熱源側ファン３０５等への電力供給を行うようにしたので、高効率、高信頼性の冷凍空気調和装置を得ることができる。

前述した実施の形態８では、本発明に係る電力変換装置を冷凍空気調和装置に適用する場合について説明したが、これに限定するものではない。本発明に係る電力変換装置は、ヒートポンプ装置、冷蔵庫等の冷凍サイクル（ヒートポンプサイクル）を利用する装置、エレベータ等の搬送機器等、照明器具（システム）、ハイブリッド車、太陽光発電のパワーコンディショナー等にも適用することができ、同様の効果を奏することができる。

１ 電源、３ リアクトル、４ 昇圧用スイッチ装置、５ 逆流防止素子、６ チョッパ回路、７ 転流装置、８ 平滑装置、９ 負荷、７０ 転流動作装置、７１，７１ａ，７１ｂ，７１ｃ 転流動作回路、７２，７２ａ，７２ｂ，７２ｃ 転流用整流素子、７３ 変圧器、７４，７４ａ，７４ｂ 転流用スイッチ、７５，７５ａ，７５ｂ 転流用電源、１００ 制御装置、１０１ 負荷電圧検出部、１０２ 電流検出部、１０３ 電源電圧検出部、３００ 熱源側ユニット、３０１ 圧縮機、３０２ 油分離器、３０３ 四方弁、３０４ 熱源側熱交換器、３０５ 熱源側ファン、３０６ アキュムレータ、３０７ 熱源側絞り装置、３０８ 冷媒間熱交換器、３０９ バイパス絞り装置、３１０ 熱源側制御装置、４００ 負荷側ユニット、４０１ 負荷側熱交換器、４０２ 負荷側絞り装置、４０３ 負荷側ファン、４０４ 負荷側制御装置、５００ ガス配管、６００ 液配管。

本発明に係る逆流防止装置は、電源と負荷との間に接続され、負荷側から電源側への電流の逆流を防止する逆流防止素子と、逆流防止素子と並列接続した別経路となる転流経路に電流を流す転流動作を行う転流装置と、転流装置に転流動作を行わせる制御装置とを備え、複数の転流経路を有するものである。

Claims (18)

1. 電源と負荷との間に接続され、前記負荷側から前記電源側への電流の逆流を防止する逆流防止素子と、
   該逆流防止素子と並列接続した別経路となる転流経路に電流を流す転流動作を行う転流装置と、
   転流動作させる時間を決定し、決定した時間に基づいて前記転流装置に前記転流動作を行わせる制御装置とを備え、
   複数の前記転流経路を有する逆流防止装置。
2. 前記制御装置は、前記転流装置による、複数の前記転流経路に対する前記転流動作を略同じタイミングで開始させる請求項１に記載の逆流防止装置。
3. 前記制御装置は、前記転流装置による、複数の前記転流経路に対する前記転流動作を異なるタイミングで開始させる請求項１に記載の逆流防止装置。
4. 前記制御装置は、前記転流装置による、複数の前記転流経路に対する前記転流動作を略同じタイミングで終了させる請求項１〜３のいずれか一項に記載の逆流防止装置。
5. 前記制御装置は、前記転流動作によって前記電流を流す前記転流経路の数を決定する請求項１〜４のいずれか一項に記載の逆流防止装置。
6. 前記負荷側から前記電源側に流れる電流を検出する電流検出装置をさらに備え、
   前記制御装置は、前記電流検出装置が検出する電流の大きさに基づいて、前記転流経路の数を決定する請求項５に記載の逆流防止装置。
7. 前記転流装置は、
   前記転流経路を流れる電流を整流する転流用整流素子と、
   １次側巻線に係る電圧に基づく電圧を前記転流経路上の２次側巻線に印加させ、前記転流動作を行う変圧器と、
   転流用電源と転流用スイッチとを有して前記変圧器の１次側巻線と接続し、前記転流用スイッチの開閉により、前記転流用電源から前記変圧器の１次側巻線に流れる励磁電流を制御する変圧器駆動装置と
   を有する請求項１〜６のいずれか一項に記載の逆流防止装置。
8. 少なくとも前記転流用スイッチ、前記変圧器及び前記転流用整流素子を前記転流経路と同数とする請求項７に記載の逆流防止装置。
9. 少なくとも前記転流用スイッチ、前記変圧器の前記２次側巻線及び前記転流用整流素子を前記転流経路と同数とし、
   前記変圧器の前記１次側巻線を共用とする請求項７に記載の逆流防止装置。
10. 前記１次側巻線と極性が異なる前記２次側巻線を少なくとも１つ有し、前記１次側巻線に流す電流の向きを変化させて、複数の前記転流経路に対する前記転流動作を異なるタイミングで開始させる請求項７に記載の逆流防止装置。
11. 前記転流用整流素子は、ワイドバンドギャップ半導体を用いた素子である請求項７〜１０のいずれか一項に記載の逆流防止装置。
12. 前記ワイドバンドギャップ半導体は、炭化珪素、窒化ガリウム系材料又はダイヤモンドを材料とすることを特徴とする請求項１１に記載の逆流防止装置。
13. 出力電圧を平滑する平滑装置と、
    該平滑装置より前記電源側に配置され、スイッチの開閉により前記電源を短絡させるスイッチ装置と、
    該スイッチ装置より前記電源側に配置されたリアクトルと、
    前記負荷側からの電流の逆流を防止する請求項１〜１２のいずれかに記載の逆流防止装置と、
    該逆流防止装置の転流動作の制御と前記スイッチ装置のスイッチ開閉とを制御する制御装置と
    を備える電力変換装置。
14. 前記電源から流れる電流、前記リアクトルを流れる電流、前記スイッチ装置を流れる電流、前記逆流防止素子を流れる電流及び負荷に流れる電流のうち、少なくとも１の電流を検出する電流検出装置をさらに備え、
    前記制御装置は、前記電流検出装置の検出に係る電流に基づいて 前記負荷側から前記電源側に流れる電流の大きさを判断する請求項１３に記載の電力変換装置。
15. 前記逆流防止素子に係る電圧及び負荷に印加する電圧のうち、少なくとも１の電圧を検出する電圧検出装置をさらに備え、
    前記制御装置は、前記電圧検出装置の検出に係る電圧に基づいて 前記負荷側から前記電源側に流れる電流の大きさを判断する請求項１３に記載の電力変換装置。
16. 前記電源から供給される電力及び前記負荷に供給する電力のうち、少なくとも１の電力を検出する電力検出装置をさらに備え、
    前記制御装置は、前記電力検出装置の検出に係る電力に基づいて 前記負荷側から前記電源側に流れる電流の大きさを判断する請求項１３に記載の電力変換装置。
17. 請求項１３〜１６のいずれかに記載の電力変換装置と、
    該電力変換装置が供給する電力を交流電力に変換するインバータ装置と
    を備えるモータ駆動装置。
18. 請求項１７に記載のモータ駆動装置を、圧縮機又は送風機の少なくとも一方を駆動するために備えることを特徴とする冷凍空気調和装置。

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