KR20130042032A - 전력 변환 장치 및 냉동 공기 조화 장치 - Google Patents

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마코토 타니카와
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Abstract

고효율·고신뢰성을 확보할 수 있는 전력 변환 장치 등을 제공한다. 전원(1)에 의해 인가되는 전압을 소정의 전압으로 변화시키는 승압 수단(2)과, 승압 수단(2)을 흐르는 전류를 별도 경로에 흘리는 전류(轉流) 동작을 행하기 위한 전류 수단(4)과, 승압 수단(2) 및 전류 수단(4)의 출력에 관한 전압을 평활한 전력을 부하(9)측에 공급하는 평활 수단(3)과, 승압 수단(2)에 관한 전압 및 전류의 적어도 한쪽에 의거하여, 승압 수단(2)의 승압 등의 전압 가변에 관한 제어 및 전류 수단(4)의 전류 동작의 제어를 행하는 제어 수단(6)을 구비하는 것이다.

Description

전력 변환 장치 및 냉동 공기 조화 장치{POWER CONVERSION DEVICE AND REFRIGERATION AIR-CONDITIONING DEVICE}
본 발명은, 전력 변환 장치 및 냉동 공기 조화 장치에 관한 것이다.
가변 전압·가변 주파수의 인버터 장치 등이 실용화됨에 따라, 각종 전력 변환 장치의 응용 분야가 개척되고 있다.
예를 들면, 전력 변환 장치에 관해서는, 근래, 승강압 컨버터의 응용 기술 개발이 왕성하다. 한편으로, 탄화규소 등을 재료로 하는 와이드 밴드 갭 반도체 소자 등의 개발도 왕성하게 행하여지고 있다. 이와 같은 새로운 소자에 관해 고내압이라도 전류 용량(전류 실효치의 허용치)이 작은 소자에 관해서는, 정류기를 중심으로 실용화되어 오고 있다(예를 들면, 특허 문헌 1 참조).
특허 문헌 1 : 일본국 특개2005-160284호 공보(도 1)
한편, 고효율의 새로운 소자를 실용화함에 있어서, 예를 들면 전류 용량이 큰 소자에 관해서는, 고비용, 결정 결함 등 때문에, 실용화를 향하여 많은 과제가 있고, 보급에는 아직 시간이 걸린다고 생각된다. 이 때문에, 예를 들면, 공기 조화 장치의 압축기의 모터 등에 공급하는 전력 이상의 변환을 행하는 전력 변환 장치에, 새로운 소자를 이용하여 고효율화를 도모하려고 하는 것은 현재 상태로서는 어렵다.
본 발명은, 상기 과제를 고려하여, 고효율, 고신뢰성 등을 확보할 수 있는 전력 변환 장치 등을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명에 관한 전력 변환 장치는, 인가되는 전압을 소정의 전압으로 변화시키는 전압 가변 수단과, 전압 가변 수단을 흐르는 전류를 별도 경로에 흘리는 전류(轉流) 동작을 행하기 위한 전류(轉流) 수단과, 전압 가변 수단 및 전류 수단의 출력에 관한 전압을 평활한 전력을 부하측에 공급하는 전류 평활 수단과, 전압 가변 수단에 관한 전압 및 전류의 적어도 한쪽에 의거하여, 전압 가변 수단의 전압 가변에 관한 제어 및 전류 수단의 전류(轉流) 동작의 제어를 행하는 제어 수단을 구비하는 것이다.
본 발명에 관한 전력 변환 장치에 의하면, 전류 동작을 할 수가 있는 전류 수단을 마련함에 의해, 전압 가변 수단을 흐르는 전류를 별도 경로로 전류시킬 수 있다. 이 때문에, 예를 들면 전압 가변 수단의 동작에서, 평활 수단측부터 전압 가변 수단측(전원측)에 흐르는 전류를 저감시킬 수 있고, 예를 들면 전압 가변 수단에 이용하는 소자의 전류 용량 등에 관계없이, 이와 같은 전류(電流)에 의한 손실, 통류손(通流損)을 저감할 수 있다. 그리고, 전류 수단의 전류 동작에 의해 손실이 작아지기 때문에, 시스템 전체로서 고효율화를 도모할 수 있다.
또한, 평활 수단측부터 전압 가변 수단측에 흐르는 전류의 저감을 도모함으로써, 전류 발생에 기인하는 잡음 단자 전압 레벨을 저감할 수 있다. 이 때문에, EMC(Electro-Magnetic Compatibility : 전자 양립성) 대책에 유효하다. 특히, 노이즈 필터의 소형화, 저비용화를 도모할 수 있다.
그리고, 예를 들면, 시스템에서 이용되는 스위칭 소자에서의 암 단락 등의 우려가 없어지기 때문에, 고신뢰성 설계를 행하는 것이 가능하다.
도 1은 실시의 형태 1에 관한 전력 변환 장치를 중심으로 하는 시스템을 도시하는 도면.
도 2는 전력 변환 장치를 중심으로 하는 시스템의 별도례를 도시하는 도면.
도 3은 실시의 형태 1에 관한 시스템의 동작 모드의 예를 도시한 도면.
도 4는 전류 수단(4)을 동작시키지 않는 경우의 신호 및 전류 파형을 도시하는 도면.
도 5는 구동 신호(sa)의 기준 신호 생성을 위한 수단 구성례를 설명한 도면.
도 6은 구동 신호(sa) 등의 생성을 위한 수단 구성례를 설명하기 위한 도면.
도 7은 PWM 신호 작성의 한 예를 설명하기 위한 도면.
도 8은 리커버리 전류 발생 경로의 한 예를 도시하는 도면.
도 9는 전류 수단(4)을 동작시키는 경우의 신호 및 전류 파형을 도시하는 도면.
도 10은 실시의 형태 2에 관한 전력 변환 장치를 중심으로 하는 시스템을 도시하는 도면.
도 11은 실시의 형태 2에 관한 전력 변환 장치를 중심으로 하는 시스템을 도시하는 도면.
도 12는 본 발명의 실시의 형태 4에 관한 냉동 공기 조화 장치의 구성도.
이하, 발명의 실시의 형태에 관한 전력 변환 장치 등에 관해 도면 등을 참조하면서 설명한다.
실시의 형태 1.
도 1은, 본 발명의 실시의 형태 1에 관한 전력 변환 장치를 중심으로 하는 시스템 구성을 도시하는 도면이다. 처음에, 도 1에서의 고효율로 전력 변환을 행할 수가 있는 전력 변환 장치를 갖는 시스템 구성에 관해 설명한다.
도 1에 도시하는 시스템은, 전원(1)과 부하(9)와의 사이에 전력 변환 장치가 접속되어 있다. 전원(1)은, 예를 들면 직류 전원, 단상 전원, 삼상 전원 등의 각종 전원을 이용할 수 있다. 여기서는, 직류 전원인 것으로 하여 설명한다. 또한, 부하(9)는, 모터 등, 모터 등에 접속하는 인버터 장치 등이다.
전력 변환 장치는, 전원(1)에 의한 인가 전압을 소정 전압으로 승압하는 승압 수단(2), 필요한 타이밍에서 승압 수단(2)을 흐르는 전류를 다른 경로(별도 경로)에 전류하는 전류 수단(4) 및 승압 수단(2), 전류 수단(4)의 동작에 관한 전압(출력 전압)을 평활하는 평활 수단(3)을 갖고 있다. 또한, 평활 수단(3)에서 얻어진 전압을 검출하는 전압 검출 수단(5), 전압 검출 수단(5)의 검출에 관한 전압에 의거하여, 승압 수단(2) 및 전류 수단(4)을 제어하기 위한 제어 수단(6)을 갖고 있다. 또한, 제어 수단(6)으로부터의 구동 신호(sa)를 승압 수단(2)에 맞춘 구동 신호(SA)로 하여 승압 수단(2)에 전달하는 구동 신호 전달 수단(7) 및 제어 수단(6)으로부터의 구동 신호(전류 신호)(sb)를 전류 수단(4)에 맞춘 구동 신호(SB)로 하여 전류 수단(4)에 전달하는 전류(轉流) 신호 전달 수단(8)을 갖고 있다.
본 실시 형태의 승압 수단(2)은, 예를 들면 전원(1)의 정측 또는 부측에 접속된 리액터(21), 그 후단에 접속되는 승압용 스위치(22)(전력 가변용 스위치(22)) 및 승압용 정류기(23)(전력 가변용 정류기(23))로 구성된다. 여기서, 도 1에 도시하는 바와 같이, 승압용 정류기(23)에 관해서는, B점측을 애노드측으로 하고, C점측을 캐소드측으로 한다. 예를 들면 트랜지스터 등의 스위칭 소자를 갖는 승압용 스위치(22)는, 구동 신호 전달 수단(7)으로부터의 구동 신호(SA)에 의거하여 개폐를 행하여, 승압용 스위치(22)를 통한 전원(1)의 정측과 부측 사이의 도통, 비도통을 제어한다. 스위칭 소자로서 이용하는 반도체 소자의 종류에 관해서는 특히 한정하지 않지만, 전원(1)으로부터의 전력 공급에 견딜 수 있는 고내압의 소자 등을 이용한다. 여기서, 도 1에서는 도시하고 있지 않지만, 승압용 스위치(22)는, 개폐 동작을 행하기 위한 전력 공급을 스위치 동작용의 전원으로부터 받고 있다. 또한, 예를 들면 pn 접합 다이오드 등으로 구성하는 승압용 정류기(23)는, 전원(1)측부터 부하(9)측으로 전류(전력)를 정류한다. 본 실시의 형태에서는, 전원(1)으로부터 부하(9)에 공급하는 전력의 크기에 맞추어서, 전류 용량이 큰 정류기를 이용하는 것으로 한다. 또한, 승압용 정류기(23)에서의 전력(에너지) 손실을 억제하기 위해, 순방향 전압이 낮은(Vf 특성이 좋은) 소자를 이용하여 정류를 행한다.
또한, 본 실시의 형태의 전류 수단(4)은, 변압기(41)와, 전류용 정류기(42)와, 변압기(41)를 구동하는 변압기 구동 회로(43)로 구성된다. 도 1에서는 변압기(41)의 1차측, 2차측 권선의 극성은 동일하게 하고 있다. 그리고, 변압기(41)의 2차측 권선과 정류기(42)가 직렬 접속된다. 또한, 전류용 정류기(42)는, 승압 수단(2)의 승압용 정류기(23)와 병렬 접속된다.
변압기(41)는 변압기 구동 회로(43)와 전류 동작 수단을 구성한다. 1차측 권선에 전압 인가하고 여자(勵磁) 전류를 흘림으로써 2차측 권선에 전류를 발생하여, 승압 수단(2)에 흐르는 전류를 전류(轉流)시킨다.
전류용 정류기(42)는, 전류(轉流)에 관한 전류(별도 경로를 흐르는 전류)를 정류한다. 여기서, 전류용 정류기(42)는, 예를 들면 전기적 특성(특히 리커버리 특성)에 우수하고, 전류 용량이 작게 역회복의 시간이 빠른 반도체 소자로 한다. 또한, 전원(1)으로부터 부하(9)에 공급하는 전력의 경로상에 있기 때문에, 고내압의 소자로 할 필요가 있다. 여기서는, 특히 리커버리 특성이 좋은 실리콘제 쇼트 키 배리어 다이오드, 또는 SiC(탄화규소), GaN(갈륨나이트라이드, 질화갈륨), 다이아몬드 등을 재료로 하는 와이드 밴드 갭 반도체의 소자를 전류용 정류기(42)로서 이용한다.
변압기 구동 회로(43)는, 또한, 예를 들면 변압기(41)에 전력을 공급하기 위한 변압기용 전원(45)과 전류(轉流)용 스위치(44)로 구성된다. 예를 들면 트랜지스터 등의 스위칭 소자를 갖는 전류용 스위치(44)는, 전류 신호 전달 수단(8)으로부터의 전류 신호(SB)에 의거하여 개폐를 행하여, 변압기용 전원(45)으로부터 변압기(41)(1차권선측)에의 전력 공급, 공급 정지를 제어한다. 변압기용 전원(45)은, 전류 수단(4)에 전류 동작을 행하게 하기 위한 전원이 된다. 그리고, 변압기용 전원(45)이 변압기(41)에 인가하는 전압에 관해서는, 승압 수단(2), 전류 수단(4)에 의해 평활 수단(3)에 인가되는 전압(출력 전압)보다도 낮게 한다. 여기서, 도 1에서는 특히 도시하고 있지 않지만, 노이즈 대책, 고장시의 회로 보호 등을 고려하여, 변압기용 전원(45), 전류용 스위치(44) 및 변압기(41)의 1차측 권선을 접속하고 있는 배선 경로에, 제한 저항, 고주파 콘덴서, 스너버 회로, 보호 회로 등을 필요에 응하여 삽입하도록 하여도 좋다. 또한, 변압기용 전원(45)에 관해서는, 승압용 스위치(22)의 개폐 동작을 행하게 하기 위한 전원과 공통으로 하여도 좋다.
또한, 도 1의 변압기(41)에서는, 여자 전류를 리셋하는 리셋 권선을 마련하지 않지만, 필요에 응하여 1차측 권선에 리셋 권선을 부가하고, 또한 정류기 등을 마련하도록 하여도 좋다. 이에 의해 여자 에너지를 변압기용 전원(45)측에 회생(回生)시킬 수가 있어서, 더한층의 고효율화가 가능하게 된다.
평활 수단(3)은, 예를 들면 평활용의 콘덴서로 이루어지고, 승압 수단(2) 등의 동작에 관한 전압을 평활하여 부하(9)에 인가한다. 또한, 전압 검출 수단(5)은 평활 수단(3)에 의해 평활된 전압(출력 전압(Vdc))을 검출한다. 여기서, 분압 저항에 의한 레벨 시프트 회로 등으로 구성된다. 또한, 필요에 응하여, 제어 수단(6)이 연산 처리 등을 행하는 신호(데이터)로 할 수 있도록, 아날로그/디지털 변환기 등을 부가하여도 좋다.
도 2는 전력 변환 장치를 중심으로 하는 시스템 구성의 다른 예를 도시하는 도면이다. 도 2의 전력 변환 장치는, 전류(電流) 검출 소자(10) 및 전류 검출 수단(11)을 갖고 있다. 전류 검출 소자(10)는, 전원(1)과 승압용 스위치(22)의 부측에서의 접속점과의 사이에서 전류를 검출하는 것으로, 예를 들면 커런트 트랜스나 션트 저항 등을 이용한다.
또한, 전류 검출 수단(11)은, 전류 검출 소자(10)의 검출에 관한 전류를 신호로서 보낼 때에, 제어 수단(6)이 처리 가능한 적정치(Idc)의 신호로 변환하고, 제어 수단(6)에 입력되도록 한다. 이를 위해, 증폭 회로, 레벨 시프트 회로, 필터 회로 등으로 구성된다. 여기서, 전류 검출 수단(11)이 행하고 있는 기능을 제어 수단(6)이 대신에 처리할 수 있는 경우는, 회로 등을 적절히 생략하여도 좋다.
도 2에 도시하는 바와 같이, 전압 검출 수단(5)의 검출에 관한 전압, 전류 검출 소자(10) 및 전류 검출 수단(11)의 검출에 관한 전류에 의거하여, 제어 수단(6)은 구동 신호의 생성, 송신 처리를 행한다. 도 2의 전력 변환 장치에서는, 전압 검출 수단(5), 전류 검출 소자(10) 및 전류 검출 수단(11)의 양쪽을 갖고 있지만, 어느 한쪽을 마련하고, 전류만, 전압만에 의거하여, 제어 수단(6)이 구동 신호 생성 등의 처리를 행하도록 하여도 좋다.
제어 수단(6)은, 마이크로 컴퓨터나, 디지털 시그널 프로세서 등의 연산 장치, 연산 장치와 같은 기능을 내부에 갖는 장치 등으로 구성된다. 본 실시의 형태에서는, 예를 들면 전압 검출 수단(5), 전류 검출 소자(10) 및 전류 검출 수단(11)의 검출에 관한 전압, 전류에 의거하여, 승압용 스위치(22), 전류용 스위치(44)를 동작시키는 지시를 위한 신호를 생성하고, 승압 수단(2), 전류 수단(4)을 제어한다. 여기서, 도 1에서는 도시하지 않지만, 제어 수단(6)은, 처리 동작을 행하기 위한 전력 공급을, 제어 수단 동작용의 전원으로부터 받고 있다. 이 전원에 관해서는, 변압기용 전원(45)과 공통으로 하여도 좋다. 또한, 본 실시의 형태에서는, 제어 수단(6)은 승압 수단(2) 및 전류 수단(4)의 동작을 제어하는 것으로 하여 설명하지만, 이것으로 한정하는 것이 아니다. 예를 들면, 2개의 제어 수단이, 승압 수단(2), 전류 수단(4)을 각각 제어하도록 하여도 좋다.
구동 신호 전달 수단(7)은, 예를 들면, 버퍼나 로직 IC, 레벨 시프트 회로 등에 의해 구성되고, 구동 신호(sa)를 구동 신호(SA)로 변환하여 승압 수단(2)에 전달한다. 단, 예를 들면, 제어 장치(6) 내에 그 기능을 내장하는 경우 등이라면, 적절히 생략 가능하다. 그 경우, 제어 장치(6)가 보내는 구동 신호(sa)를 구동 신호(SA)로 하여서, 승압용 스위치(22)의 개폐 조작을 직접 행하도록 하면 좋다. 또한, 전류 신호 전달 수단(8)도, 구동 신호 전달 수단(7)과 마찬가지로, 통상, 버퍼나 로직 IC, 레벨 시프트 회로 등에 의해 구성되고, 전류 신호(sb)를 전류 신호(Sb)로 변환하여 전류 수단(2)에 전달한다. 단, 제어 장치(6) 내에 그 기능을 내장하는 경우 등이라면, 적절히 생략 가능하다. 그 경우는, 제어 장치(6)가 보내는 구동 신호(sb)를 구동 신호(SB)로 하여, 전류용 스위치(44)의 개폐 조작을 직접 행하도록 하면 좋다. 이후, 구동 신호(SA)는 제어 수단(6)으로부터의 구동 신호(sa)와 같은 것으로 하고, 전류 신호(SB)는 전류 신호(sb)와 같은 것으로 하여 설명한다(이 때문에, 구동 신호(sa), 전류 신호(sb)로 한다).
다음에, 도 1 등의 시스템에 관한 동작에 관해 설명한다.
도 3은, 실시의 형태 1에 관한 시스템의 동작 모드의 예를 도시한 도면이다. 본 시스템에서의 전력 변환 장치의 전력 변환 동작(본 실시의 형태에서는 승압 동작)은, 승압 초퍼에 정류기의 전류(轉流) 동작을 가한 것으로 된다. 이 때문에, 승압용 스위치(22) 및 전류용 스위치(44)의 개폐 상태의 조합에 의거하여, 합계 4모드의 동작 모드가 존재한다.
우선, 승압용 스위치(22)가 온(폐지), 또한 전류용 스위치(44)가 오프(개방)의 상태인 경우를 생각한다. 통상, 승압용 정류기(23)는, 리커버리 특성이 양호한 전류용 정류기(42)와 비교하여, 순방향 전압이 낮은 소자를 이용한다. 또한, 변압기(41)의 권선은 인덕터 성분이기 때문에, 여자 전류를 흘리지 않는 경우에는 전류가 흐르지 않는다. 따라서, 전류용 스위치(44)가 오프인 본 케이스에 관해서는, 전류 수단(4)을 마련한 경로(별도 경로)에서는 전류는 흐르지 않는다. 그리고, 승압용 스위치(22)는 온이기 때문에, 도 3(a)의 경로로 전원(1)의 정측과 부측이 도통하여 전류가 흐른다(이 때문에, 승압용 정류기(23)를 통한 경로에는 전류가 흐르지 않는다). 이에 의해, 리액터(21)에 에너지를 축적할 수 있다.
다음에, 승압용 스위치(22)가 오프, 또한 전류용 스위치(44)가 오프인 경우를 생각한다. 이 경우도, 전류용 스위치(44)가 오프이기 때문에, 전류 수단(4)을 마련한 경로에서는 전류는 흐르지 않는다. 또한, 승압용 스위치(22)가 오프이기 때문에, 도 3(b)의 경로(승압용 정류기(23)를 통한 경로)로 리액터(21)의 에너지를, 평활 수단(3)을 통하여 부하(9)측에 공급할 수 있다.
또한 승압용 스위치(22)가 온, 또한 전류용 스위치(44)가 온인 경우를 생각한다. 이 경우, 전류용 스위치(44)가 온이지만, 승압용 스위치(22)도 동시에 온 상태이고, 전원(1)측의 임피던스가 낮기 때문에, 전류 수단(4)을 마련한 경로에서는 거의 전류는 흐르지 않는다. 이 때문에, 도 3(c)의 경로로 전류가 흐르고, 리액터(21)에 에너지를 축적할 수 있다. 본 동작 모드는 제어로서 행하지 않는 동작 모드이다. 전류 신호(SB)의 전달 지연 등에 의해, 순간적으로 본 동작 모드로 되는 경우가 있지만, 사용상, 특히 문제가 되지 않는다.
그리고, 승압용 스위치(22)가 오프, 또한 전류용 스위치(44)가 온인 경우를 생각한다. 이 경우, 승압용 스위치(22)가 오프이기 때문에, 승압용 정류기(23)를 통하여 부하(9)측에 전류가 흘러 들어간다(전류(電流) 경로(1)). 또한, 전류용 스위치(44)도 온 하고 있기 때문에 변압기(41)가 여자되어, 도 3(d)와 같이, 전류 수단(4)을 마련한 경로에서도 전류가 흐른다(전류 경로(2)). 그리고, 이 상태가 일정 시간 경과하면, 완전히 전류(轉流)하여, 전류 수단(4)을 마련한 경로에만 전류가 흐르게 된다.
이상의 각 동작 모드에 의해, 승압용 스위치(22)가 오프, 또한 전류용 스위치(44)가 온(on)시에 전류 동작이 생기는 것이지만, 승압용 스위치(22)의 개폐에 의한 리액터(21)에의 에너지 축적 동작은, 승압 초퍼를 답습(踏襲)한 것으로 된다. 따라서 승압용 스위치(22)가 온시간(Ton), 오프시간(Toff)으로, 반복하여 스위칭(개폐)을 행하면, C점에는 다음 식(1)의 평균 전압(EC)이 인가되고, 승압이 행하여지게 된다. 여기서는 간단화를 위해, 전원(1)의 전압을 E1로 한다.
EC=(Ton+Toff)·E1/Toff … (1)
도 4는, 전류 수단(4)을 동작시키지 않는(전류 신호(sb)를 송신하지 않는 또는 오프 신호를 송신하는) 경우의 구동 신호(sa) 및 각 부분 전류 파형(I1 내지 I3)을 도시하는 도면이다. 여기서, 구동 신호(sa)는 PWM 신호이고, HI측을 액티브 방향(온 방향)으로 한다. 구동 신호(sa)가 온 하면 승압용 스위치(22)가 온 하고(닫힘), 오프 하면 승압용 스위치(22)가 오프 한다(열림).
전류(I1)는 리액터(21)를 흐르는 전류를 나타낸다. 또한, 전류(I2)는 승압용 스위치(22)를 흐르는 전류를 나타내고, I3은 승압용 정류기(23)를 흐르는 전류를 나타낸다. 여기서, 각 전류 파형은, 전원(1) 투입부터 부하(9)나 출력 전압(Vdc)이 일정 출력이 되도록 구동 신호(sa)의 온시간·오프시간을 제어하고, 충분히 시간이 경과한 후의 예를 나타내고 있다. 그리고, 구동 신호(sa)의 온시간과 오프시간의 비율(듀티비)은 거의 일정하게 하고 있다.
도 5는, 제어 수단(6)이 행하는 구동 신호(sa) 생성을 위한 기준 신호 생성의 한 예를 설명하기 위한 도면이다. 도 5에 도시하는 바와 같이, 본 실시의 제어 수단(6)은 피드백 제어기(101)를 갖고 있는 것으로 한다.
피드백 제어기(101)는, 전압 검출 수단(5)의 검출에 의해 얻어진 실제의 출력 전압(Vdc)과 설정된 목표 전압(Vdc*)(지령치)에 의거하여, 예를 들면 비례적분 제어(PI 제어)를 행하여, 구동 신호(sa)를 생성하기 위한 기준 신호(듀티. 이하, 단지 기준 신호라고 칭하다)를 생성한다.
이 때, 실제의 출력 전압(Vdc)이 목표 전압(Vdc*)에 근접하도록 피드백 제어를 실시한다. 기준 신호에 의해 구동 신호(sa)의 온시간이 순서대로 수정·설정되고, 구동 신호(sa)의 듀티비에 반영된다. 그 결과, 일정 시간 경과 후에는, 출력 전압(Vdc)과 목표 전압(Vdc*)은 정상편차를 제외하면 거의 동일하게 된다.
실용(實用)하는 경우에는, 목표 전압(Vdc*)의 값을, 제어 수단(6) 내의 기억부 등에 내부 메모리로서 맵화하여 두고, 운전 상황에 응하여 값을 변화시키도록 하여도 좋다. 또한, 제어 수단(6)의 외부의 기억 장치에 메모리하여 두고, 제어 수단(6) 내에 판독하여, 제어를 실행하도록 하여도 좋다.
또한, 도 2와 같이, 전류 검출 소자(10) 및 전류 검출 수단(11)을 가지며, 전류의 검출을 행하고 있는 경우에는, 예를 들면 도 5(b)에 도시하는 바와 같이, 피드백 제어기(102)를 피드백 제어기(101)의 후단측에 접속한다.
그리고, 출력 전압(Vdc)과 목표 전압(Vdc*)에 의거하여, 피드백 제어기(101)가 전류 지령치(Idc*)를 출력한다.
그리고, 전류 지령치(Idc*)와 전류 검출 소자(10) 및 전류 검출 수단(11)의 검출에 관한 전류 검출치(Idc)에 의거하여, 피드백 제어기(102)는, 예를 들면 PI 제어를 행하여 기준 신호를 생성한다. 이 때, 실제의 출력 전류(Idc)와 목표치(Idc*)가 근접하도록 제어를 실시하고, 기준 신호에 의해 구동 신호(sa)의 온시간을 순서대로 수정·설정한다. 이 경우도 일정 시간 경과 후, Vdc, Idc는 거의 목표치가 된다(정상편차 제외한다).
여기서, 사용 조건에 따라서는, 제어의 낭비 시간 등의 고려가 필요하게 되어 온다. 이 때문에, 피드백 제어기(101, 102)에는, 상황에 응하여, 비례적분 제어에 미분 제어를 조합시킨 PID 제어를 행하게 하도록 하여도 좋다.
또한, 전류 지령치(Idc*)에 대해서도, 예를 들면 제어 수단(6)의 기억부 등에 맵화한 데이터를 기억시켜서 두고, 운전 상황에 응하여 값을 변화시키면 좋다. 또한, 제어 수단(6)의 외부의 기억 장치에 메모리하여 두고, 제어 수단(6) 내에 판독하여, 제어를 실행하도록 하여도 좋다. 또한, 전류 대신에 전력 등의 대체량으로 제어를 실행하여도 좋다.
도 6은 제어 수단(6)의 구동 신호(sa) 등의 생성의 한 예를 설명하기 위한 도면이다. 여기서는, 도 6(a)에 관해 설명한다. 도 6(a)는, 전류 수단(4)에 전류 동작을 시키지 않는(전류 수단(4)이 없는, 또는 전류 신호(sb)를 오프 출력하는) 경우의, 제어 수단(6)에서의 전압 가변 제어를 실현하는 수단의 구성을 도시하고 있다. 도 6(a)에 도시하는 제어 수단(6)의 구성에서는, 기준 신호 생성 수단(201), 제1의 삼각파 신호 생성 수단(202), PWM 신호 생성 수단(211) 및 PWM 신호 발생 수단(212)을 갖고 있는 것으로 한다.
도 6(a)에서, 기준 신호 생성 수단(201)은, 구동 신호(sa)를 생성하기 위한 기준 신호를 생성한다. 기준 신호 생성 수단(201)은, 상술한 도 5에서의 피드백 제어기(101) 또는 피드백 제어기(101과 102)의 조합에 상당하는 수단이다.
또한, 제1의 삼각파 신호 생성 수단(202)은, 미리 설정한 주기, 진폭 등을 갖는 제1의 삼각파 신호를 생성한다. 그리고, PWM 신호 생성 수단(211)은, 제1의 삼각파 신호 생성 수단(202)이 생성한 제1의 삼각파 신호와 기준 신호 생성 수단(201)이 생성한 기준 신호를 비교하여, 신호의 대소 관계에 의거하여 PWM 신호를 생성하고, 승압용 스위치(22)의 온 오프 상태를 정한다.
도 7은, PWM 신호 생성의 한 예를 설명하기 위한 도면이다. 여기서는, 우선, 도 7(a)에 관해 설명한다. 예를 들면, 제1의 삼각파 신호 생성 수단(202)이 생성한 제1의 삼각파 신호와 기준 신호 생성 수단(201)이 생성한 기준 신호를 비교하여, 제1의 삼각파 신호보다도 기준 신호가 크면 구동 신호(sa)를 HI(온)로 한다. 한편, 기준 신호가 제1의 삼각파 신호 이하면 구동 신호(sa)를 Low(오프)로 한다. 여기서, 액티브 방향이나 스레숄드(임계치)를 HI로 판단하는 측에 포함하는지의 여부 등은 필요에 응하여 변경하면 좋다.
그리고, 예를 들면, PWM 발생기 등으로 구성하는 PWM 신호 발생 수단(212)은, 승압용 스위치(22)를 동작시키기 위한 구동 신호(sa)를 구동 신호 전달 수단(7)에 송신한다. 이와 같이 하여, 제어 수단(6)은 승압용 스위치(22)의 온 오프(개폐)를 제어한다.
이상과 같이 하여, 제어 수단(6)은 구동 신호(sa)를 생성한다. 또한 도 1 및 도 4를 참조하면서 구동 신호(sa)와 흐르는 전류와의 관계에 관해 설명한다. 리액터(21)를 흐르는 전류(I1)는, 전류(I1)는 도 1의 A점에서 분기된 후, 승압용 스위치(22)를 흐르는 전류(I2)와 승압용 정류기(23)를 흐르는 전류(I3)로 분류된다. 이것을 다음 식(2)으로 표시한다.
I1=I2+I3 … (2)
승압용 정류기(23)에 순방향 전류가 흐르고 있는 상태에서 구동 신호(sa)에 의해 승압용 스위치(22)를 온 하면(닫는다), A점-D점 사이가 도통하기 때문에, 도 1의 B점에서의 전위는, 거의 도 1의 D점에서의 전위와 동등하게 된다. 예를 들면, 승압용 스위치(22)에 절연 게이트 바이폴러 트랜지스터(IGBT)나 전계효과 트랜지스터(MOS) 등의 소자를 이용하고 있는 경우에는, 소자의 온 전압이 B점과 D점의 전위차가 된다(B점의 전위는 전원(1)의 부측 전위와 거의 동등하게 된다). 한편, 평활 수단(3)에 의해 도 1의 C점에서의 전위는, 충전 전위 상태에 거의 유지되어 있다. 따라서 승압용 스위치(22)를 닫으면, 승압용 정류기(23)에는 C점-B점 사이의 전위차분만큼, 역바이어스 전압이 인가되여, 승압용 정류기(23)는 오프 동작으로 이행한다.
도 8은, 리커버리 전류의 흐름을 설명하기 위한 도면이다. 승압용 정류기(23)에 pn 접합 다이오드 등을 이용하고 있는 경우, 승압용 정류기(23)가 역회복(역방향의 전류를 저지)하기 까지의 동안, 도 8에 도시하는 바와 같은 경로로 단락 전류가 흐르게 된다(이후, 이 단락 전류를 리커버리 전류라고 칭한다). 그리고, 부하(9)(평활 수단(3))측부터 전원(1)측으로 흐를려고 한 리커버리 전류에 의해 회로 손실이 증대한다. 또한, 본 전류가 커먼 모드 전류를 변위시키는 요인이 되고, 잡음 단자 전압·방사 잡음 등의 레벨이 상승한다. 이 때문에, 노이즈 대책에 비용이 걸린다. 또한, 노이즈 필터(도시 생략)가 대형이 되어, 설치 스페이스의 자유도가 제한된다.
또한, 통상, 정류기 등에서는, 전류 용량 증가에 수반하여, 축적 캐리어량은 증가하여 가는 경향에 있다. 그 때문에, 전류 용량이 증가하면, 역회복의 지연 등에 의해 리커버리 전류도 증가하여 가게 된다. 또한, 인가하는 역바이어스 전압이 커지는 것으로도, 리커버리 전류는 증가하여 가게 된다.
그래서, 본 실시의 형태에서는, 전류 용량이 큰 승압용 정류기(23)에 대해, 높은 역바이어스 전압을 인가하여 역회복을 행하는 것이 아니라, 전류용 별더 경로를 마련하여, 승압용 스위치(22)를 온 하기(닫기) 직전의 타이밍에서, 전류 수단(4)의 변압기(41) 및 전류용 정류기(42)를 통하여 낮은 역바이어스 전압을 승압용 정류기(23)에 인가하여 역회복시키고 나서, 승압용 스위치(22)를 온 하도록 제어(이하, 전류(轉流) 제어라고 칭한다)한다.
이 때문에, 구동 신호(sa)를 온 하기 직전에, 전류 수단(4)의 전류 신호(sb)를 온 하여, 변압기(41)를 통하여 승압용 정류기(23)에 흐르고 있는 전류가 전류용 정류기(42)에 전류하도록 하는 것이다.
여기서, 구동 신호(sa)를 생성하기 위한 기준 신호에 관해서는, 전류(轉流) 제어를 행하는지의 여부에 관계없이, 상술한 바와 같이 피드백 제어기(101, 102)(기준 신호 생성 수단(201))에 의한 PI 제어 등을 행하여, 구동 신호(sa)의 온시간을 설정한다(도 5(a), (b)참조).
도 9는, 전류 수단(4)을 동작시키는(전류 신호(sb)를 송신하는) 경우의 구동 신호(sa), 전류 신호(sb) 및 전류 파형(I1 내지 I5)을 도시하는 도면이다. 여기서, 전류 신호(sb)는 PWM 신호이고, HI측을 액티브 방향(온 방향)으로 한다. 또각 전류 파형은, 전원(1) 투입부터 부하(9)가 일정 출력이 되도록 구동 신호(sa)의 온시간·오프시간을 제어하고, 충분히 시간이 경과한 후의 예를 나타내고 있다. 그리고, 구동 신호(sa)의 듀티는 거의 일정치를 나타내고 있다. 또한 I1 내지 I3에 관해서는 도 3에서 설명한 것과 같은 부분을 흐르는 전류를 나타낸다.
다음 식(3)으로 표시하는 바와 같이, 전류(I3)는 B점에서 분기된 후, 승압용 정류기(23)를 흐르는 전류(I4)와 변압기(41)의 2차측 권선 및 전류용 정류기(42)를 흐르는 전류(I5)에 분류된다.
I3=I4+I5 … (2)
여기서, 도 6(b)에 관해 설명한다. 도 6(b)는, 전류 수단(4)에 전류 동작을 시키는(전류 신호(sb)를 송신하는) 경우의, 제어 수단(6)에서의 전압 가변 제어를 실현하는 수단의 구성을 도시하고 있다. 도 6(b)에 도시하는 제어 수단(6)의 구성에서는, 도 6(a)와 같은 기준 신호 생성 수단(201), 제1의 삼각파 신호 생성 수단(202), PWM 신호 생성 수단(211) 및 PWM 신호 발생 수단(212)을 갖고 있다. 또한, 도 6(b)의 제어 수단(6)의 구성에서는, 제2의 삼각파 신호 생성 수단(203), 전류(轉流) 신호 생성 수단(221) 및 전류 신호 발생 수단(222)을 갖고 있는 것으로 한다.
제2의 삼각파 신호 생성 수단(203)은, 제1의 삼각파 신호 생성 수단(202)이 생성한 제1의 삼각파 신호에 대해, 소정의 히스테리시스 폭을 갖는 제2의 삼각파 신호를 생성한다.
그리고, 전류 신호 생성 수단(221)은, 제1의 삼각파 신호 생성 수단(202)이 생성한 제1의 삼각파 신호, 제2의 삼각파 신호 생성 수단(203)이 생성한 제2의 삼각파 신호 및 기준 신호 생성 수단(201)이 생성한 기준 신호를 비교하여, 전류 신호(sb)를 생성한다.
다음에 도 7(b)에 의거하여, 3개의 신호를 비교한 전류 신호(sb)의 생성에 관해 설명한다. 예를 들면, 제1 및 제2의 삼각파 신호의 하강 구간(후반)에서, 제2의 삼각파 신호와 기준 신호가 같은 값이 되었을 때에 제1의 삼각파 신호가 기준 신호보다 크면 전류 신호(sb)를 온 한다(이에 의해 전류용 스위치는 닫힌다). 한편, 제1의 삼각파 신호와 기준 신호가 동일한 값이 되었을 때에 제2의 삼각파 신호가 기준 신호보다 작으면 전류 신호(sb)를 오프 한다(이에 의해 전류용 스위치는 열린다).
여기서는, 제1의 삼각파 신호, 제2의 삼각파 신호, 기준 신호가 상기한 바와 같은 관계를 충족시킴으로써, 전류 신호(sb)의 온 또는 오프를 전환하고 있지만, 이 때, 예를 들면, 전류 수단(4)의 온 타이밍(전류 동작 시작 타이밍)은, 전류 신호(sb)의 출력으로부터 변압기(41)를 구동하고, 전류용 정류기(42)에의 전류(轉流)를 시작하기 위한 지연 시간 등을 고려하여 설정하면 좋다. 또한, 전류 수단의 오프 타이밍에서 관해, 변압기 구동 회로(43)의 지연 시간, 승압용 정류기(23)의 역회복 시간(통상 수백㎱ 내지 수㎲), 전류용 정류기(42)의 역회복 시간(통상 수㎱ 내지 수백㎱) 등을 고려하여, 승압용 스위치(22)를 온 하는 타이밍을 포함하는 소정의 시간 내에 전류 동작을 정지시키는 설정을 할 수 있도록 하여도 좋다. 이 경우, 구동 신호(sa)·전류 신호(sb)의 온 오프 타이밍에서 조정하여도 좋고, 또는 구동 신호 전달 수단(7)이나 전류 신호 전달 수단(8) 내에, 소정의 지연 시간을 얻기 위한 지연 회로를 포함하는 등으로 시간 조정을 행하여도 좋다. 또한, 신호의 액티브 방향 등은 필요에 응하여 변경하면 좋다. 여기서, 삼각파 신호에서 하강 구간(후반)인지 여부의 구간 판정은, 삼각파 신호 생성시의 타이머 등을 이용하여, 예를 들면 주기적으로 전반이나 후반인지를 판단하는 등 하여 행하면 좋다. 또한, 삼각파 신호의 시간 관리(경과 시간을 카운트)에 의해, 신호 온 타이밍·오프 타이밍의 판단에 의거하여 판정을 행하여도 좋다.
또한, 여기서는, 제1·제2의 삼각파 신호와 기준 신호에 의거하여 전류 신호(sb)를 생성하였지만, 이와 같은 생성으로 한정하는 것이 아니다. 예를 들면, 도 9(c)에 도시하는 바와 같이, 제1의 삼각파 신호와 제2의 삼각파 신호와의 히스테리시스량에 상당하는 오프셋량을 기준 신호에 갖게 한 제2의 기준 신호를 생성하고, 2개의 기준 신호와 제1의 삼각파 신호에 의거하여 전류 신호(sb)를 생성하는 것도 가능하다.
그리고, 예를 들면, PWM 발생기 등으로 구성하는 전류 신호 발생 수단(222)은, 전류용 스위치(44)를 동작시키기 위한 전류 신호(sb)를 전류 신호 전달 수단(8)에 송신한다. 이와 같이 하여, 제어 수단(6)은 전류용 스위치(44)의 개폐를 제어한다.
이상과 같이 하여, 제어 수단(6)은 전류 신호(sb)를 생성한다. 다음에 도 1 및 도 9를 참조하면서 구동 신호(sa), 전류 신호(sb)와 흐르는 전류와의 관계에 관해 설명한다. 구동 신호(sa)를 온 하기(승압용 스위치(22)를 온 하기) 직전에 전류 신호(sb)가 온 하면, 여자 전류에 의해 변압기(41)의 2차측 권선에 전류가 흐르기 시작한다. 따라서, 승압용 정류기(23)측과 전류용 정류기(42)측(별도 경로)에 전류가 분류되어 흐르기 시작한다. 그 후, 전류 신호(sb)의 온 상태를 유지하면, 승압용 정류기(23)측에 전류가 흐르지 않게 되고, 전류용 정류기(42)측으로, 모든 전류가 흐르게 된다(전류(轉流) 완료).
이 때, 변압기용 전원(45)에 관한 인가 전압이 승압 수단(2)의 출력 전압(C점-D점 사이 전위 등)과 비교하여 충분 낮은 전압이 되도록 설정하여 둠으로써, 낮은 역바이어스 전압으로도 승압용 정류기(23)를 오프(역회복)시키는 것이 가능해진다.
그리고, 이 상태에서 구동 신호(sa)를 온 한다. 이 때, 전류용 정류기(42)에서 역회복 동작이 행하여진다. 이 경우에도 리커버리 전류는 생긴다. 그러나, 전류용 정류기(42)의 역회복에서의 통류 시간은 승압용 정류기(23)와 비교하여 극히 단시간이기 때문에, 전류용 정류기(42)에 필요하게 되는 실효 전류의 값은 작아도 해결된다. 따라서 축적 캐리어량이 적은, 소전류 용량의 소자를 이용할 수 있고, 승압용 정류기(23)와 비교하여 리커버리 전류 저감이 가능해진다(단, 피크 전류는 고려하여 소자를 선정한다).
이상의 결과, 실시의 형태 1의 시스템에서는, 전력 변환 장치에 전류 수단(4)을 마련하고, 승압 수단(2)을 흐르는 전류를 별도 경로로 평활 수단(3)측에 전류시키도록 함으로써, 예를 들면 승압용 스위치(22)가 온하기 전에 승압용 정류기(23)를 역회복시키고, 승압용 스위치(22)가 온 함으로써 흐르는 리커버리 전류를, 순방향 전압은 낮지만 많은 리커버리 전류가 흐르는 승압용 정류기(23)가 아니라, 역회복에 관한 시간이 짧고, 리커버리 특성이 좋은 전류용 정류기(42)를 통하여 흐르도록 함으로써, 전력 변환 장치에서의 리커버리 전류를 저감할 수 있다. 또한, 전류 동작이 행하여지지 않을 때(통상시)에는, 순방향 전압이 낮은 승압용 정류기(23)를 전류가 흐르게 되기 때문에, 승압 수단(2)의 전력 변환에서의 동작 중의 손실도 억제할 수 있다. 이 때문에, 예를 들면, 승압용 정류기(23)로서 전류 용량이 큰 소자를 이용하는 등 하여도, 승압 수단(2)에서의 소자의 전류 용량, 소자의 리커버리 특성 등에 관계없이, 리커버리 손실·통류손을 저감할 수 있다. 이 때문에, 전류 수단(4)의 전류 동작 등을 행하는 것이지만, 시스템 전체로서, 리커버리 전류에 기인하는 손실, 및 노이즈량을 저감하는 것이 가능해진다.
또한, 회로 손실이 억제되고, 또한 잡음 단자 전압·방사 잡음 등의 레벨이 저감한다. 따라서, 노이즈 필터를 소형화할 수가 있어서, 비용 저감 등이 가능하게 된다. 그리고, EMC 대책에 유효하다.
또한, 승압용 스위치(22)를 동작시키기 위한 구동 전원(게이트 구동용 전원), 제어 장치(6)의 처리 동작을 행하게 하기 위한 전원의 어느 한쪽과, 변압기용 전원(45)을 공통의 전원으로 할 수 있기 때문에, 새롭게 전원을 작성할 필요가 없어저서, 비용 상승을 피할 수 있다.
또한, 전류용 정류기(42)에 와이드 갭 밴드 반도체를 이용하도록 하였기 때문에, 저손실의 전력 변환 장치를 얻을 수 있다. 또한, 전력 손실이 작기 때문에, 소자의 고효율화를 도모할 수 있다. 와이드 갭 밴드 반도체는 허용 전류 밀도가 높기 때문에, 소자의 소형화를 도모할 수 있고, 소자를 조립한 수단도 소형화할 수 있다. 여기서, 전류용 정류기(42)뿐만 아니라, 예를 들면 전류용 스위치(44) 등, 시스템 전체로서 손실에 영향을 주지 않는 경우에는, 다른 소자에 와이드 갭 밴드 반도체를 이용할 수도 있다.
여기서, 전류용 정류기(42)에는, 와이드 갭 밴드 반도체 외에도, 예를 들면 순전압이 낮고, 로스가 적은 고내압의 쇼트 키 배리어 다이오드 등을 이용하여도 좋다. 이들의 소자는, 전류 실효치의 허용치가 큰 사양이 됨에 수반하여, 결정 결함의 증대나, 비용 상승이 커진다. 본 실시의 형태의 전력 변환 장치(시스템)에서는, 별도 경로에서의 전류가 흐르는 시간이 짧기 때문에, 전류 수단에서 정류기는, 전류 실효치의 허용치가 작은(전류 용량이 작은) 소자를 사용할 수가 있어서, 코스트 퍼포먼스가 양호한 고효율의 전력 변환 장치를 실현할 수 있다.
또한, 변압기(41)를 통하여 승압 수단(2), 변압기(41)의 2차측 권선 및 전류용 정류기(42)와 변압기 구동 회로(43), 제어 수단(6) 및 전류 신호(sb)와의 사이를 절연할 수 있기 때문에, 전류 신호(sb)(전류 신호(SB))의 송신을 비교적 간이하게 행할 수 있다. 그리고, 높은 전압이 인가되는 수단과 낮은 전압으로 동작하는 수단을 전기적으로 분리시킬 수 있다. 또한, 안전성, 신뢰성이 높은 시스템의 구축을 행할 수가 있다. 여기서, 본 실시의 형태에서는 변압기(41)와 변압기 구동 회로(43)에 의해 전류 동작 수단을 구성하고 있지만, 상기한 바와 같은 효과는 발휘할 수 없을 가능성은 있는 것이지만, 전류를 별도 경로로 전류하는 전류 동작을 행할 수가 있으면 수단 구성을 변경할 수 있다.
실시의 형태 2.
도 10은, 본 발명의 실시의 형태 1에 관한 전력 변환 장치를 중심으로 하는 시스템 구성을 도시하는 도면이다. 다음에, 도 1과 마찬가지로 고효율로 전력 변환을 행할 수 있는 장치를 갖는 시스템 구성에 관해 설명한다.
도 10에서는, 전원(1)을 교류 전원(단상(單相))으로 하고 있는 점 및 정류기(51a 내지 51d)를 구비하고 있는 점이, 실시의 형태 1(도 1 등)과 비교하여 다르다. 다이오드 등의 정류기(51a 내지 51d)는, 다이오드 브리지를 구성하고, 전원(1)(교류)에 의해 공급되는 전류(전력)를 정류한다.
도 11은 실시의 형태 2의 시스템의 대표적인 동작에 관한 전류의 흐름을 도시하는 도면이다. 도 11(a)는, 정류기(51a·51d) 및 승압용 스위치(22)를 전류가 흐르는 경우이다. 이 때, 승압용 스위치(22)가 온 하고 있고, 또한 변압기 구동 회로(43)가 구동하지 않는(변압기(6)가 동작하지 않는) 상태이다.
또한, 도 11(b)는, 정류기(51a·51d) 및 승압용 정류기(23)를 전류가 흐르는 경우이다. 이 때, 승압용 스위치(22)가 오프 하고 있고, 또한 변압기 구동 회로(43)가 구동하지 않는 상태이다.
그리고, 도 11(c)는, 정류기(51a·51d) 및 승압용 정류기(23)·전류용 정류기(42)를 전류가 흐르는 경우이다. 이 때 승압용 스위치(22)가 오프 하고 있고, 또한 변압기 구동 회로(43)가 구동하고 있는 상태이다.
여기서, 도 11(b)의 상태(승압용 스위치(22) 오프)로부터 도 11(a)의 상태로 이행하기 직전(승압용 스위치(22) 온 직전)에, 도 11(c)에 도시하는 바와 같이, 변압기 구동 회로(43)를 구동하여 전류 제어를 행함으로써, 리커버리 전류를 저감시킬 수 있다.
또한, 정류기(51b·51c)에 전류가 흐르는 경우도 마찬가지로, 승압용 스위치(22)의 온 직전에 변압기 구동 회로(43)를 구동시켜서 전류 제어를 행하도록 함으로써, 리커버리 전류 저감 등이 가능하게 된다.
이상과 같이, 전원(1)이 단상 교류 전원인 경우에도, 실시의 형태 1과 같은 효과를 이룰 수 있다.
여기서는 전원(1)이 단상 교류 전원인 경우, 직류측(정류기(51a 내지 51d)로부터 부하(9)측)으로 전압을 가변시키기 위한 승압용 스위치(22)(전압 가변용 스위치)를 마련하는 전력 변환 장치를 예로 하여 설명하였지만, 다른 구성의 전력 변환 장치에도 적용할 수 있다. 예를 들면, 교류측(정류기(51a 내지 51d)로부터 전원(1)측)으로 승압용 스위치(22)(전압 가변용 스위치)를 마련하도록 전개(展開)하는 것도 가능하다. 또한, 전원(1)이 3상 교류 전원인 경우에, 공급되는 전력을 변환하는 전력 변환 장치에도 전개 가능하다.
실시의 형태 3.
상술한 실시의 형태에서는, 전류 수단(4)이 전류(轉流)의 대상으로 하는 수단을 승압 수단(2)으로 하고, 전원(1)의 전압을 승압한 전력 변환을 행하는 전력 변환 장치에 관해 설명하였지만, 이것으로 한정하는 것이 아니다. 승압 수단(2) 대신에, 예를 들면 강압 수단, 승강압 수단 등의 전압을 변화시킬 수 있는 전압 가변 수단을 적용한 전력 변환 장치에서도, 상술한 효과를 이룰 수 있다.
실시의 형태 4.
도 12는 본 발명의 실시의 형태 4에 관한 냉동 공기 조화 장치의 구성도이다. 본 실시의 형태에서는, 상술한 실시의 형태에서의 전력 변환 장치를 갖는 냉동 사이클 장치의 한 예로서 냉동 공기 조화 장치에 관해 설명한다. 도 12의 냉동 공기 조화 장치는, 열원측 유닛(실외기)(300)과 부하측 유닛(실내기)(400)을 구비하고, 이들이 냉매 배관으로 연결되고, 주(主)가 되는 냉매 회로(이하, 주 냉매 회로라고 칭한다)를 구성하여 냉매를 순환시켜서 있다. 냉매 배관 중, 기체의 냉매(가스 냉매)가 흐르는 배관을 가스 배관(500)으로 하고, 액체의 냉매(액 냉매. 기액 2상 냉매의 경우도 있다)가 흐르는 배관을 액 배관(600)으로 한다.
열원측 유닛(300)은, 본 실시의 형태에서는, 압축기(301), 기름 분리기(302), 4방밸브(303), 열원측 열교환기(304), 열원측 팬(305), 어큐뮬레이터(306), 열원측 조임 장치(팽창 밸브)(307), 냉매 사이 열교환기(308), 바이패스 조임 장치(309) 및 열원측 제어 장치(310)의 각 장치(수단)로 구성한다.
압축기(301)는, 흡입한 냉매를 압축하여 토출한다. 여기서, 압축기(301)는, 인버터 장치 등을 구비하고, 운전 주파수를 임의로 변화시킴에 의해, 압축기(301)의 용량(단위시간당의 냉매를 송출하는 양)을 미세하게 변화시킬 수 있는 것으로 한다. 또한, 예를 들면, 상술한 각 실시의 형태에서의 전력 변환 장치가, 압축기(301)(모터)를 구동시키는 전력을 공급하는 전원(1)과 부하(9)가 되는 인버터 장치, 압축기(301) 등과의 사이에 장착되어 있다.
기름 분리기(302)는, 냉매에 섞여서 압축기(301)로부터 토출된 윤활유를 분리시키는 것이다. 분리된 윤활유는 압축기(301)로 되돌아온다. 4방밸브(303)는, 열원측 제어 장치(310)로부터의 지시에 의거하여 냉방 운전시와 난방 운전시에 따라 냉매의 흐름을 전환한다. 또한, 열원측 열교환기(304)는, 냉매와 공기(실외의 공기)와의 열교환을 행한다. 예를 들면, 난방 운전시에서는 증발기로서 기능하여, 열원측 조임 장치(307)를 통하여 유입한 저압의 냉매와 공기와의 열교환을 행하고, 냉매를 증발시켜서, 기화시킨다. 또한, 냉방 운전시에서는 응축기로서 기능하여, 4방밸브(303)측부터 유입한 압축기(301)에서의 압축된 냉매와 공기와의 열교환을 행하여, 냉매를 응축하여 액화시킨다. 열원측 열교환기(304)에는, 냉매와 공기와의 열교환을 효율적으로 행하기 위해, 열원측 팬(305)이 마련되어 있다. 열원측 팬(305)에 대해서도, 상술한 각 실시의 형태 1에 기재한 전력 변환 장치를 통하여 전력 공급을 행하여, 예를 들면 부하(9)가 되는 인버터 장치에서 팬 모터의 운전 주파수를 임의로 변화시켜서 팬의 회전 속도를 미세하게 변화시키도록 하여도 좋다.
냉매 사이 열교환기(308)는, 냉매 회로의 주가 되는 유로를 흐르는 냉매와, 그 유로로부터 분기되어 바이패스 조임 장치(309)(팽창 밸브)에 의해 유량 조정된 냉매와의 사이에서 열교환을 행한다. 특히 냉방 운전시에 있어서 냉매를 과냉각할 필요가 있는 경우에, 냉매를 과냉각하여 부하측 유닛(400)에 공급하는 것이다. 바이패스 조임 장치(309)를 통하여 흐르는 액체는, 바이패스 배관을 통하여 어큐뮬레이터(306)로 되돌아온다. 어큐뮬레이터(306)는 예를 들면 액체의 잉여 냉매를 모아두는 수단이다. 열원측 제어 장치(310)는, 예를 들면 마이크로 컴퓨터 등으로 이루어진다. 부하측 제어 장치(404)와 유선 또는 무선 통신할 수 있고, 예를 들면, 냉동 공기 조화 장치 내의 각종 검지 수단(센서)의 검지에 관한 데이터에 의거하여, 인버터 회로 제어에 의한 압축기(301)의 운전 주파수 제어 등, 냉동 공기 조화 장치에 관한 각 수단을 제어하여 냉동 공기 조화 장치 전체의 동작 제어를 행한다. 또한, 상술한 실시의 형태에서 설명한 제어 수단(6)이 행하는 처리를 열원측 제어 장치(310)가 행하도록 하여도 좋다.
한편, 부하측 유닛(400)은, 부하측 열교환기(401), 부하측 조임 장치(팽창 밸브)(402), 부하측 팬(403) 및 부하측 제어 장치(404)로 구성된다. 부하측 열교환기(401)는 냉매와 공기와의 열교환을 행한다. 예를 들면, 난방 운전시에서는 응축기로서 기능하여, 가스 배관(500)으로부터 유입한 냉매와 공기와의 열교환을 행하여, 냉매를 응축시켜서 액화(또는 기액 2상화)시켜, 액 배관(600)측으로 유출시킨다. 한편, 냉방 운전시에서는 증발기로서 기능하여, 부하측 조임 장치(402)에 의해 저압 상태가 된 냉매와 공기와의 열교환을 행하여, 냉매에 공기의 열을 빼앗게 하고 증발시켜서 기화시켜, 가스 배관(500)측에 유출시킨다. 또한, 부하측 유닛(400)에는, 열교환을 행하는 공기의 흐름을 조정하기 위한 부하측 팬(403)이 마련되어 있다. 이 부하측 팬(403)의 운전 속도는, 예를 들면 이용자의 설정에 의해 결정된다. 부하측 조임 장치(402)는, 개방도를 변화시킴으로써, 부하측 열교환기(401) 내에서의 냉매의 압력을 조정하기 위해 마련한다.
또한, 부하측 제어 장치(404)도 마이크로 컴퓨터 등으로 이루어지고, 예를 들면 열원측 제어 장치(310)와 유선 또는 무선 통신할 수 있다. 열원측 제어 장치(310)로부터의 지시, 거주자 등으로부터의 지시에 의거하여, 예를 들면 실내가 소정의 온도가 되도록, 부하측 유닛(400)의 각 장치(수단)를 제어한다. 또한, 부하측 유닛(400)에 마련된 검지 수단의 검지에 관한 데이터를 포함하는 신호를 송신한다.
이상과 같이 실시의 형태 4의 냉동 공기 조화 장치에서는, 상술한 실시의 형태에서의 전력 변환 장치를 이용하여 압축기(301), 열원측 팬(305) 등에의 전력 공급을 행하도록 하였기 때문에, 고효율, 고신뢰성의 냉동 공기 조화 장치를 얻을 수 있다.
산업상의 이용 가능성
전술한 실시의 형태 4에서는, 본 발명에 관한 전력 변환 장치를 냉동 공기 조화 장치에 적용하는 경우에 관해 설명하였지만, 이것으로 한정하는 것이 아니다. 히트 펌프 장치, 냉장고 등의 냉동 사이클(히트 펌프 사이클)을 이용하는 장치, 엘리베이터 등의 반송 기기 등, 조명기구(시스템)에도 적용할 수 있다.
1 : 전원
2 : 승압 수단
3 : 평활 수단
4 : 전류 수단
5 : 전압 검출 수단
6 : 제어 수단
7 : 구동 신호 전달 수단
8 : 전류 신호 전달 수단
9 : 부하
10 : 전류 검출 소자
11 : 전류 검출 수단
21 : 리액터
22 : 승압용 스위치
23 : 승압용 정류기
41 : 변압기
42 : 전류용 정류기
43 : 변압기 구동 회로
44 : 전류용 스위치
45 : 변압기용 전원
51a, 51b, 51c, 51d : 정류기
101, 102 : 피드백 제어기
201 : 기준 신호 생성 수단
202 : 제1의 삼각파 신호 생성 수단
203 : 제2의 삼각파 신호 생성 수단
211 : PWM 신호 생성 수단
212 : PWM 신호 발생 수단
221 : 전류 신호 생성 수단
222 : 전류 신호 발생 수단
300 : 열원측 유닛
301 : 압축기
302 : 기름 분리기
303 : 4방밸브
304 : 열원측 열교환기
305 : 열원측 팬
306 : 어큐뮬레이터
307 : 열원측 조임 장치
308 : 냉매 사이 열교환기
309 : 바이패스 조임 장치
310 : 열원측 제어 장치
400 : 부하측 유닛
401 : 부하측 열교환기
402 : 부하측 조임 장치
403 : 부하측 팬
404 : 부하측 제어 장치
500 : 가스 배관
600 : 액 배관

Claims (16)

  1. 인가되는 전압을 소정의 전압으로 변화시키는 전압 가변 수단과,
    그 전압 가변 수단을 흐르는 전류를 별도 경로에 흘리는 전류 동작을 행하기 위한 전류 수단과,
    상기 전압 가변 수단 및 상기 전류 수단의 출력에 관한 전압을 평활한 전력을 부하측에 공급하는 평활 수단과,
    상기 전압 가변 수단에 관한 전압 및 전류의 적어도 한쪽에 의거하여, 상기 전압 가변 수단의 전압 가변에 관한 제어 및 상기 전류 수단의 상기 전류 동작의 제어를 행하는 제어 수단을 구비하는 것을 특징으로 하는 전력 변환 장치.
  2. 인가되는 전압을 소정의 전압으로 변화시키는 전압 가변 수단과,
    그 전압 가변 수단을 흐르는 전류를 별도 경로에 흘리는 전류 동작을 행하기 위한 전류 수단과,
    상기 전압 가변 수단 및 상기 전류 수단의 출력에 관한 전압을 평활한 전력을 부하측에 공급하는 평활 수단과,
    상기 전압 가변 수단에 관한 전압 및 전류의 적어도 한쪽에 의거하여, 상기 전압 가변 수단의 전압 가변에 관한 제어를 행하는 제1의 제어 수단과,
    상기 전압 가변 수단에 관한 전압 및 전류의 적어도 한쪽에 의거하여, 상기 전류 수단의 상기 전류 동작의 제어를 행하는 제2의 제어 수단을 구비하는 것을 특징으로 하는 전력 변환 장치.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 전압 가변 수단은, 리액터와, 그 리액터에 축방전을 시키기 위한 개폐를 행하는 전압 가변용 스위치와, 전압 가변용 정류기를 갖는 것을 특징으로 하는 전력 변환 장치.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 전류 수단은,
    상기 제어 수단의 지시에 의거하여, 상기 전류 동작을 행하는 전류 동작 수단과,
    상기 전압 가변 수단으로부터의 전류에 관한 전류를 정류하는 전류용 정류기를 갖는 것을 특징으로 하는 전력 변환 장치.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 전류 동작 수단은,
    1차권선측의 전압에 의거하여 상기 별도 경로상의 2차권선측에 전압을 인가시켜, 상기 전류 동작을 행하는 변압기와,
    상기 제어 수단의 지시에 의거하여, 상기 변압기의 1차권선에의 전압 인가를 제어하는 변압기 구동 장치를 갖는 것을 특징으로 하는 전력 변환 장치.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 변압기에 인가하는 전압을 전압 가변 수단의 출력 전압보다도 낮게 하는 것을 특징으로 하는 전력 변환 장치.
  7. 제4항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 전류용 정류기는, 와이드 밴드 갭 반도체를 이용한 소자인 것을 특징으로 하는 전력 변환 장치.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 와이드 밴드 갭 반도체는, 탄화규소, 질화갈륨계 재료 또는 다이아몬드를 재료로 하는 것을 특징으로 하는 전력 변환 장치.
  9. 제3항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제어 수단은, 상기 전압 가변용 스위치를 닫기 전에 상기 전류 수단에 상기 전류 동작을 시작시키는 것을 특징으로 하는 전력 변환 장치.
  10. 제3항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제어 수단은, 상기 전압 가변용 스위치를 닫는 타이밍을 포함하는 소정 시간 내에, 상기 전류 수단에 전류 동작을 종료시키도록 하는 것을 특징으로 하는 전력 변환 장치.
  11. 제3항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제어 수단은,
    상기 전압 가변 수단에 관한 전압 및 전류의 적어도 한쪽에 의거하여, PWM 신호를 생성하기 위한 기준으로 하는 기준 신호를 생성하는 기준 신호 생성 수단과,
    제1의 삼각파 신호를 생성하는 제1의 삼각파 신호 생성 수단과,
    상기 기준 신호와 상기 제1의 삼각파 신호에 의거하여 PWM 신호를 생성하는 PWM 신호 생성 수단과,
    상기 PWM 신호를 송출하는 PWM 신호 발생 수단을 가지며,
    상기 전압 가변 스위치의 개폐 제어를 하는 것을 특징으로 하는 전력 변환 장치.
  12. 제1항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 전류 수단은, 개폐에 의해 상기 전류 동작을 제어하기 위한 전류용 스위치를 가지며,
    또한, 상기 제어 수단은,
    상기 전압 가변 수단에 관한 전압 및 전류의 적어도 한쪽에 의거하여, PWM 신호인 전류 신호를 생성하기 위한 기준으로 하는 기준 신호를 생성하는 기준 신호 생성 수단과,
    제1의 삼각파 신호를 생성하는 제1의 삼각파 신호 생성 수단과,
    제2의 삼각파 신호를 생성하는 제2의 삼각파 신호 생성 수단과,
    상기 기준 신호, 상기 제1의 삼각파 신호 및 상기 제2의 삼각파 신호에 의거하여 전류 신호를 생성하는 전류 신호 생성 수단과,
    상기 전류 신호를 송출하는 전류 신호 발생 수단을 가지며,
    상기 전류용 스위치의 개폐 제어를 하는 것을 특징으로 하는 전력 변환 장치.
  13. 제1항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 전류 수단은, 개폐에 의해 상기 전류 동작을 제어하기 위한 전류용 스위치를 가지며,
    또한, 상기 제어 수단은,
    상기 전압 가변 수단에 관한 전압 및 전류의 적어도 한쪽에 의거하여, PWM 신호인 전류 신호를 생성하기 위한 기준으로 하는 제1의 기준 신호 및 상기 제1의 기준 신호와 소정의 간격을 갖는 제2의 기준 신호를 생성하는 기준 신호 생성 수단과,
    제1의 삼각파 신호를 생성하는 제1의 삼각파 신호 생성 수단과,
    상기 제1의 기준 신호, 상기 제2의 기준 신호, 상기 제1의 삼각파 신호에 의거하여 전류 신호를 생성하는 전류 신호 생성 수단과,
    상기 전류 신호를 송출하는 전류 신호 발생 수단을 가지며,
    상기 전류용 스위치의 개폐 제어를 하는 것을 특징으로 하는 전력 변환 장치.
  14. 제1항 내지 제13항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 전류 수단에 전류 동작시키기 위한 전원과 상기 전압 가변 수단의 전압 가변 동작을 시키기 위한 전원을 공통으로 하는 것을 특징으로 하는 전력 변환 장치.
  15. 제1항 내지 제14항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 전류 수단에 전류 동작시키기 위한 전원과 상기 제어 수단의 동작 전원을 공통으로 하는 것을 특징으로 하는 전력 변환 장치.
  16. 제1항 내지 제15항 중 어느 한 항에 기재된 전력 변환 장치를, 압축기 또는 송풍기의 적어도 한쪽을 구동하기 위해 구비하는 것을 특징으로 하는 냉동 공기 조화 장치.
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