KR20130132992A - 전력 변환 장치, 모터 구동 장치 및 냉동 공기 조화 장치 - Google Patents

Abstract

교류 전원(1)의 전압을 정류하는 정류 회로(2)와, 정류 회로(2)로부터의 출력 전압을 평활하는 평활 수단(8)과, 평활 수단(8)보다 교류 전원(1)측에 배치되고, 교류 전원(1)을 단락시켜서 전류 또는 전압의 적어도 한쪽의 제어를 행하는 단락 수단(4)과, 단락 수단(4)보다 교류 전원(1)측에 배치된 리액터(3)와, 부하(9)측부터 교류 전원(1)측으로의 전류의 역류를 방지하는 하나 또는 복수의 역류 방지 소자(5)와, 역류 방지 소자(5)와 병렬 접속한 별도 경로에 전류를 흘리는 전류(轉流) 동작을 행하기 위한 전류 수단(7)과, 전류 수단(7)의 이상을 검출하기 위한 이상 검출 수단(105)과, 이상 검출 수단(105)의 검출에 응하여 전류 수단(7)의 동작 제어를 행하는 스위칭 제어 수단(103)을 구비한다.

Description

전력 변환 장치, 모터 구동 장치 및 냉동 공기 조화 장치{POWER CONVERSION APPARATUS, MOTOR DRIVE APPARATUS, AND REFRIGERATION AIR-CONDITIONING APPARATUS}

본 발명은, 전력 변환 장치, 모터 구동 장치 및 냉동 공기 조화 장치에 관한 것이다. 특히 장치의 보호에 관한 것이다.

가변 전압·가변 주파수의 인버터 장치 등이 실용화됨에 따라, 각종 전력 변환 장치의 응용 분야가 개척되어 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 전류용량(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 전류용량이 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 전력을 취급하는 장치에, 새로운 소자를 이용하여 고효율화를 도모할려고 하는 것은 현재상태로서는 어렵다. 이 때문에, 예를 들면 부하측부터 전원측으로 역류하려고 하는 전류의 흐름을 멉추기 위한 역류 전류방지 소자에 있어서, 전류역류시에 생기는 리커버리 전류의 손실을 저감시키는 것이 어려웠다.

본 발명은, 상기한 바와 같은 과제에 대해, 예를 들면, 전류역류시에 생기는 리커버리 전류의 저감을 도모하여, 고효율, 고신뢰성 등을 갖는 전력 변환 장치 등으로서, 소자, 기기 등 구성 요소가 기능하지 않는 등의 이상시에 있어서의 장치 등의 보호를 도모하는 전력 변환 장치 등을 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명에 관한 전력 변환 장치는, 전원의 전압을 정류하는 정류 회로와, 정류 회로로부터의 출력 전압을 평활하는 평활 수단과, 평활 수단보다 전원측에 배치되고, 전원을 단락시켜서 전류 또는 전압의 적어도 한쪽의 제어를 행하는 단락 수단과, 단락 수단보다 전원측에 배치된 리액터와, 부하측부터 전원측으로의 전류의 역류를 방지하는 하나 또는 복수의 역류 방지 소자와, 역류 방지 소자와 병렬 접속한 별도 경로에 전류를 흘리는 전류(轉流) 동작을 행하기 위한 전류 수단과, 전류 수단의 이상을 검출하기 위한 이상 검출 수단과, 이상 검출 수단의 검출에 의거하여 전류 수단의 보호에 관한 동작 제어를 행하는 제어 수단을 구비하는 것이다.

본 발명에 관한 전력 변환 장치에 의하면, 전류 동작을 행할 수가 있는 전류 수단을 마련함에 의해, 역류 방지 소자를 흐르는 전류를 별도 경로에 전류시킬 수 있기 때문에, 부하측부터 전류가 역류할 때, 역류 방지 소자에 발생하는 리커버리 전류를 저감시킴으로써, 손실 저감, 잡음 단자 전압 레벨 저감, EMC 대책 등을 도모하여, 시스템 전체로서 고효율화를 도모할 수 있다. 그리고, 예를 들면 전류 수단을 구성하는 소자 등의 요소에 고장이 발생하여, 이상(異常) 검출 수단이 전류 수단의 이상을 검출한 경우에, 제어 수단이, 보호에 관한 동작 제어를 행함으로써, 신뢰성이 높은 장치를 얻을 수 있다. 그리고, 전류 수단을 정지시켰다고 하여도, 전력 변환 장치로서의 동작을 유지할 수 있기 때문에, 안전면을 확보하면서, 장치로서 필요한 동작을 행할 수가 있다.

도 1은 실시의 형태 1에 관한 전력 변환 장치의 구성의 한 예를 도시하는 도면.
도 2는 실시의 형태 1에 관한 전류 수단의 구성의 한 예를 도시하는 도면.
도 3은 실시의 형태 1에 관한 제어 수단의 구성의 한 예를 도시하는 도면.
도 4는 실시의 형태 1에 관한 전류 경로의 한 예를 도시하는 도면.
도 5는 실시의 형태 1에 관한 동작 파형의 한 예를 도시하는 도면.
도 6은 실시의 형태 1에 관한 전류 제어를 행하지 않는 경우의 동작 파형의 한 예를 도시하는 도면.
도 7은 실시의 형태 1에 관한 전류 제어를 행하는 경우의 동작 파형의 한 예를 도시하는 도면.
도 8은 실시의 형태 1에 관한 전력 변환 장치의 보호 회로의 구성의 한 예를 도시하는 도면.
도 9는 실시의 형태 1에 관한 전력 변환 장치의 이상 판정시의 동작 파형례를 도시하는 도면.
도 10은 실시의 형태 1에 관한 전력 변환 장치의 이상 판정 등의 플로 차트레를 도시하는 도면.
도 11은 실시의 형태 2에 관한 전력 변환 장치의 구성의 한 예를 도시하는 도면.
도 12는 실시의 형태 2에 관한 동작 파형의 한 예를 도시하는 도면.
도 13은 실시의 형태 2에 관한 전류 수단의 구성의 한 예를 도시하는 도면.
도 14는 실시의 형태 2에 관한 전력 변환 장치의 구성의 한 예를 도시하는 도면.
도 15는 실시의 형태 2에 관한 이상 판정의 한 예를 도시하는 도면.
도 16은 실시의 형태 3에 관한 전력 변환 장치의 구성의 한 예를 도시하는 도면.
도 17은 실시의 형태 3에 관한 전력 변환 장치의 구성의 한 예를 도시하는 도면.
도 18은 실시의 형태 3에 관한 전력 변환 장치의 구성의 한 예를 도시하는 도면.
도 19는 실시의 형태 3에 관한 전력 변환 장치의 구성의 한 예를 도시하는 도면.
도 20은 실시의 형태 3에 관한 전력 변환 장치의 구성의 한 예를 도시하는 도면.
도 21은 실시의 형태 3에 관한 전력 변환 장치의 구성의 한 예를 도시하는 도면.
도 22는 실시의 형태 3에 관한 전력 변환 장치의 구성의 한 예를 도시하는 도면.
도 23은 실시의 형태 3에 관한 전력 변환 장치의 구성의 한 예를 도시하는 도면.
도 24는 실시의 형태 3에 관한 전력 변환 장치의 구성의 한 예를 도시하는 도면.
도 25는 실시의 형태 3에 관한 전력 변환 장치의 구성의 한 예를 도시하는 도면.
도 26은 실시의 형태 3에 관한 전력 변환 장치의 구성의 한 예를 도시하는 도면.
도 27은 실시의 형태 3에 관한 전력 변환 장치의 구성의 한 예를 도시하는 도면.
도 28은 실시의 형태 3에 관한 전력 변환 장치의 구성의 한 예를 도시하는 도면.
도 29는 실시의 형태 3에 관한 전력 변환 장치의 구성의 한 예를 도시하는 도면.
도 30은 실시의 형태 3에 관한 전력 변환 장치의 구성의 한 예를 도시하는 도면.
도 31은 실시의 형태 4에 관한 전력 변환 장치의 구성의 한 예를 도시하는 도면.
도 32는 실시의 형태 4에 관한 전력 변환 장치의 구성의 한 예를 도시하는 도면.
도 33은 실시의 형태 4에 관한 전력 변환 장치의 구성의 한 예를 도시하는 도면.
도 34는 실시의 형태 4에 관한 전력 변환 장치의 구성의 한 예를 도시하는 도면.
도 35는 실시의 형태 4에 관한 전력 변환 장치의 구성의 한 예를 도시하는 도면.
도 36은 실시의 형태 4에 관한 전력 변환 장치의 구성의 한 예를 도시하는 도면.
도 37은 실시의 형태 4에 관한 전력 변환 장치의 구성의 한 예를 도시하는 도면.
도 38은 실시의 형태 4에 관한 전력 변환 장치의 구성의 한 예를 도시하는 도면.
도 39는 실시의 형태 4에 관한 전력 변환 장치의 구성의 한 예를 도시하는 도면.
도 40은 실시의 형태 4에 관한 전력 변환 장치의 구성의 한 예를 도시하는 도면.
도 41은 실시의 형태 5에 관한 모터 구동 장치의 구성의 한 예를 도시하는 도면.
도 42는 실시의 형태 6에 관한 냉동 공기 조화 장치의 구성의 한 예를 도시하는 도면.

이하, 본 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 등의 구성의 한 예를 도시하는 도면이다. 처음에, 도 1에서의 고효율로 전력 변환을 행할 수 있는 전력 변환 장치를 갖는 시스템 구성에 관해 설명한다.

도 1의 시스템에서, 전력 변환 장치는, 교류 전원(1)과 부하(9)와의 사이에 마련되고, 교류 전원(1)으로부터의 교류의 전력을 직류의 전력으로 변환하여 부하(9)에 공급한다. 본 실시의 형태의 전력 변환 장치는, 예를 들면 정류 회로(2), 초퍼 회로(6), 전류(轉流) 수단(7) 및 평활 수단(8)을 갖고 있다. 정류 회로(정류 수단)(2_는, 다이오드 등의 정류 소자(2a 내지 2d)를 브리지 접속하여 구성하고, 교류 전원(1)에 의한 전력의 정류를 행한다.

초퍼 회로(6)는, 리액터(3), 단락 수단(스위치 수단)(4) 및 역류 방지 소자(5)로 구성한다. 리액터(3)는, 정류기(2)의 출력측에 접속되어, 고조파를 억제하기 위해 마련하고 있다. 또한, 단락 수단(4)은, 예를 들면 IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)와 같은 스위칭 소자로 구성한다. 단락 수단(4)은, 구동 신호 생성부(104)로부터의 구동 신호에 의거하여 정류기(2), 리액터(3)를 통하여 교류 전원(1)(교류 전원(1)과 접속하는 2단자 사이)을 단락한다.

역류 방지 소자(5)는, 단락 수단(4)과 평활 수단(8)의 사이에서, 평활 수단(8)으로부터의 전류의 역류를 방지하기 위한 소자이다. 여기서, 역류 방지 소자(5)는, 통상은, 예를 들면 전기적 특성(특히 리커버리 특성)에 우수하고, 전류용량이 작고 역회복의 시간이 빠른 퍼스트 리커버리 다이오드와 같은 반도체 소자로 한다. 또한, 전류 수단(7)은 역류 방지 소자(5)와 병렬로 접속하고 있는 수단이다. 그리고, 역류 방지 소자(5)에 흐르는 전류를, 필요한 타이밍에서, 달랐던 경로(역류 방지 소자(5)를 통하지 않는 경로)로 전류한다.

도 2는 역류 방지 소자(5)와 병렬로 전류 수단(7)을 접속한 경우의 구성의 한 예를 도시하는 도면이다. 도 2에서는, 예를 들면, 변압기(71), 변압기(71)의 2차측 권선과 직렬 접속한 다이오드 등의 전류용 정류 소자(72) 및 변압기(71)를 동작시키는 변압기 구동 회로(73)에 의해 전류 수단(7)을 구성하고 있다. 또한, 변압기 구동 회로(73)는, 예를 들면, 변압기(71)에 전력 공급하기 위한 전류용 전원(75)과, 구동 신호 생성부(104)로부터의 구동 신호에 의거하여 개폐하고, 변압기(71)(1차측 권선)에의 전력 공급, 공급 정지를 제어하는 전류용 스위치(74)로 구성한다. 여기서, 전류용 정류 소자(72)에 대해서도, 퍼스트 리커버리 다이오드와 같은 반도체 소자로 구성하는 것으로 한다.

여기서, 도 2에서는, 변압기(71)의 2차측 권선과 전류용 정류 소자(72)의 애노드측을 접속하고 있는 예를 나타내고 있지만, 전류용 정류 소자(72)에 흘리는 전류방향이 같으면, 이와 같은 접속으로 한하는 것이 아니다. 예를 들면, 전류용 정류 소자(72)의 캐소드측과 변압기(71)의 2차측 권선을 접속하도록 하여도 좋다. 또한, 변압기 구동 회로(73)를 전류용 스위치(74)와 전류용 전원(75)으로 구성하고 있지만, 노이즈 대책이나 고장시 보호를 고려하여, 필요에 응하여 전류용 전원(75), 전류용 스위치(74), 변압기(71)의 1차측 권선으로 구성하는 전기 회로에, 제한 저항, 고주파 콘덴서, 스너버 회로, 보호 수단 등을 삽입하여 구성하여도 좋다. 보호에 관해서는 후술한다. 또한, 변압기(71)에, 필요에 응하여 1차측 권선에 리셋 권선을 부가하여 여자(勵磁) 전류를 리셋하도록 하여도 좋다. 또한 정류기 등을 마련하여 여자 에너지를 전원측으로 회생(回生)하여, 고효율화하도록 하여도 좋다.

평활 수단(8)은, 예를 들면 콘덴서 등을 이용하여 구성하고, 정류 소자(2a 내지 2d)의 정류에 관한 전압을 평활하고, 부하(9)에 대해 직류 전압(출력 전압, 모선(母線) 전압)을 인가하여 전력 공급을 행한다. 부하(9)는 평활 수단(8)을 통하여 공급된 전력에 의해 구동한다.

또한, 입력 전압 제로 크로스 검출부(100)는, 교류 전원(1)이 인가한 전압(입력 전압)이 0(제로)가 되는 부분을 검출하기 위한 크로스 검출치를 검출 신호에 의해 출력한다. 모선 전압 검출부(101)는, 평활 수단(8)이 평활하여 부하(9)에 인가하는 전압을 검출하고, 전압 검출치를 검출 신호에 의해 출력한다. 모선 전류 검출부(102)는, 교류 전원(1)에 의해 흐르는 입력 전류(모선 전류)를 검출하고, 전류 검출치를 검출 신호에 의해 출력한다.

스위칭 제어 수단(103)은, 입력 전압 제로 크로스 검출부(100), 모선 전압 검출부(101), 모선 전류 검출부(102)의 검출 신호로부터, 단락 수단(4)(전류 수단(7))의 단락 시간을 연산 처리 등을 하는 제어 수단이다. 특히 본 실시의 형태에서는, 전류 수단(7)의 이상에 의거하여 단락 수단(4)의 개폐 동작 등을 제어하기 위한 처리를 행한다. 스위칭 제어 수단(103)은, 예를 들면, 마이크로 컴퓨터, 디지털 시그널 프로세서 등의 연산 장치, 또는 마찬가지 기능을 내부에 갖는 장치 등을 갖고 있다.

도 3은 스위칭 제어 수단(103)의 제어 기능을 블록화한 구성의 한 예를 도시하는 도면이다. 도 3에서, 모선 전류 지령치 연산부(21)는 모선 전압 지령치와 모선 전압 검출부(101)의 검출에 관한 전압 검출치에 의거하여, 모선 전류 지령의 실효치를 연산한다. 또한, 정현파 생성부(22)는 입력 전압 제로 크로스 검출부(100)의 검출에 관한 크로스 검출치로부터, 입력 전압에 동기한 정현파를 작성한다. 온 듀티 연산부(23)는, 모선 전류 지령치 연산부(21)의 출력과 정현파 생성부(22)의 출력을 적산한 모선 전류 지령치와 모선 전류 검출부(102)의 검출에 관한 전류 검출치로부터 단락 수단(4)의 온 듀티를 연산하고, 출력 신호(온 듀티 신호)를 보낸다. 이상 처리부(24)는, 이상 검출 수단(105)의 검출에 관한 단락 수단 전류 검출치에 의거하여, 전류용 스위치(74), 단락 수단(4)의 개폐 제어(개폐 동작)/정지를 판정 등을 한다. 또한, 통보 수단(107)에 통보 지시의 신호를 송신하고, 소리(音), 표시 등에 의한 이상의 통보 등을 행하게 한다.

구동 신호 생성부(104)는, 스위칭 제어 수단(103)으로부터의 출력 신호를 기초로, 단락 수단(4) 및 전류 수단(7)의 구동 신호를 생성하고, 단락 수단(4), 전류 수단(7)에 각각 송신한다. 또한, 이상 검출 수단(105)은, 예를 들면, 전류 수단(7)의 이상을 검출하기 위해 단락 수단(4)에 흐르는 전류를 검출하고, 단락 수단 전류 검출치를 검출 신호에 의해 출력한다. 여기서, 이상 검출 수단(105)은 전류 수단(7)의 이상을 검출하기 위해 단락 수단(4)을 흐르는 전류를 검출하도록 하고 있지만, 이것으로 한정되는 것이 아니다. 예를 들면 역류 방지 소자(5)를 흐르는 전류를 검출하도록 하여도 좋다. 통보 수단(107)은, 스위칭 제어 수단(103)의 이상 처리부(24)로부터의 통보 지시의 신호에 의거하여, 통보를 행한다. 여기서, 통보 수단(107)의 통보에 관해서는, 특히 한정하는 것은 아니지만, 예를 들면 스피커 등으로부터의 소리를 발생시키는, 표시등 등에 의해 점등 표시시키는 등을 하도록 한다.

이상과 같은 본 실시의 형태의 시스템에 관한 동작에 관해, 이하 설명한다. 본 실시의 형태의 전력 변환 장치에서의 동작은, DC 초퍼의 동작에, 전류 수단(7)에서의 전류 동작을 더하고, 평활 수단(8)으로부터 전류가 역류하기 전에 역류 방지 소자(5)를 역회복시켜 두도록 하여, 리커버리 전류의 발생을 억제한다.

도 4는 실시의 형태 1에 관한 전류(電流) 경로의 한 예를 도시하는 도면이다. 도 4는 단락 수단(4) 및 전류 수단(7) 내의 전류용(轉流用) 스위치(74)의 개폐 상태의 조합중, 대표적인 동작례에 의한 경로를 나타내고 있다.

도 5는, 도 4에 의거한 동작에 의한 전원 전압, 전원 전류(입력 전류) 및 단락 수단(4)에 보내지는 구동 신호의 동작에 관한 파형(동작 파형)을 도시하는 도면이다. 도 4 및 도 5를 이용하여, 본 실시의 형태에서의 전력 변환 장치의 동작에 관해 설명한다.

도 4(a)는, 단락 수단(4)이 오프(개방) 및 전류용 스위치(74)가 오프인 상태를 나타내고 있다. 단락 수단(4), 전류용 스위치(74)를 오프 상태로 한 채로 동작시킨 경우, 단순한 전파 정류 회로와 등가가 된다. 예를 들면, 교류 전원(1)의 단자중, 정류 소자(2a, 2b)에 접속되는 측의 단자의 전위가 높은 경우, 전류 경로는, 교류 전원(1) - 정류 소자(2a) - 리액터(3) - 역류 방지 소자(5)-부하(9) - 정류 소자(2d)의 경로가 된다. 이 때, 도 5(a)에 도시하는 바와 같은 동작 파형의 전류가 교류 전원(1)으로부터의 입력 전류로서 흐른다. 이와 같은 파형의 전류의 경우에는 역률은 나쁘고, 고조파 전류도 많이 함유하고 있다.

도 4(b)는, 단락 수단(4)이 온(폐지), 전류용 스위치(74)가 오프인 상태를 나타내고 있다. 이 때, 교류 전원(1) - 정류 소자(2a) - 리액터(3) - 단락 수단(4) - 정류 소자(2d)의 경로로 단락 전류가 흐른다. 여기서, 리액터(3)에 인가되는 전압은 교류 전원(1)의 전압과 거의 동등하게 되고, 상기 경로로 흐르는 단락 전류는 다음 식(1)으로 표시된다.

i_sw4on=(Vs/L)·t+i(0) … (1)

여기서, i_sw4on : 단락 수단(4) 온 시의 전류, Vs : 교류 전원(1)의 전압, L : 리액터(3)의 인덕턴스값, t : 단락 수단(4)의 온 시간, i(0) : 단락 수단(4)이 온 하기 직전의 전류(초기치)를 나타낸다.

통상, 도 4(a), 도 5(a)와 같은 전파 정류에서, 평활 수단(8)이 방전하여 부하(9)에 전류를 흘리는 구간에서는, 교류 전원(1)의 입력 전류가 불통류(不通流)가 되는 구간이 존재한다. 그러나, 단락 수단(4)을 온 한 경우, 도 4(b)와 같이, 리액터(3)를 통하여 단락 전류가 흐르기 때문에, 상기한 바와 같은 불통류 구간이라도, 교류 전원(1)에 의한 입력 전류가 흐른다. 이 때문에, 단락 수단(4)의 온, 오프의 전환을 반복하여 행함으로써, 도 4(a)와 (b)에 도시하는 전류 경로를 반복할 수 있다. 또한 온, 오프의 시간 비율을 제어함으로써, 교류 전원(1)에 의한 입력 전류의 파형을 임의로 변형하는 것이 가능해지고, 역률이나 고조파 전류의 함유율을 개선하는 것이 가능해진다.

예를 들면, 도 3에 도시하는 바와 같은 구성의 스위칭 제어 수단(103)에서, 모선 전류 지령치 연산부(21)에서는, 예를 들면, 외부로부터 입력되는 모선 전압 지령치와 모선 전압 검출부(101)로부터의 전압 검출치와의 편차를 구한다. 그리고, 예를 들면 비례적분 제어를 행하여, 모선에서의 전압 검출치가 모선 전압 지령치가 되도록(근접하도록) 모선 전류 지령의 실효치를 연산한다. 또한, 정현파 생성부(22)에서는, 입력 전압 제로 크로스 검출부(100)의 크로스 검출치로부터 교류 전원(1)의 주파수를 판정하고, 크로스 검출치와 교류 전원(1)의 주파수를 기초로, 입력 전압에 동기한 정현파를 생성한다. 이 때의 정현파의 진폭은 1로 하고, 생성한 정현파의 절대치를 취하여 출력한다. 그리고, 모선 전류 지령치 연산부(21)와 정현파 생성부(22)와의 출력을 적산함으로써, 모선 전류 정현파 지령치를 얻을 수 있다. 온 듀티 연산부(23)에서는, 예를 들면, 상기한 바와 같이 하여 얻어진 모선 전류 정현파 지령치와 모선 전류 검출부(102)의 전류 검출치와의 편차를 구한다. 그리고, 예를 들면 비례적분 제어를 행하여, 모선에서의 전류 검출치가 모선 전류 정현파 지령치가 되도록(근접하도록) 단락 수단(4)의 온 듀티를 연산하여, 출력 신호(온 듀티 신호)를 보낸다.

그리고, 구동 신호 생성부(104)에서는, 예를 들면, 단락 수단(4)의 스위칭 주파수와 동등한 주파수의 삼각파와 스위칭 제어 수단(103)의 출력 신호를 비교하여, 단락 수단(4)의 구동 신호를 생성한다. 일반적으로, 이와 같은 제어를 행하는 경우, 단락 수단(4)의 스위칭 주파수는, 수k 내지 수십kHz 정도가 된다. 여기서는, 상기 모선 전류 지령치를, 교류 전원(1)에 의한 입력 전압과 주파수·위상이 동등하고, 소망하는 진폭을 갖는 정현파로 하기 때문에, 교류 전원(1)으로부터의 입력 전류를 정현파형상으로 제어할 수 있고, 역률·고조파 전류의 함유율을 대폭적으로 개선할 수 있다(도 5(b)).

또한, 상기한 예에서는, 단락 수단(4)을 고속 스위칭시켜서 제어하고, 입력 전류를 정현파형상으로 제어하는 예를 들었지만, 이것으로 한정하는 것이 아니다. 예를 들면, 역률·고조파 전류 함유율의 억제에 대한 요구가 높지 않은 경우에는, 반드시 입력 전류를 정현파형상으로 하기 위한 제어를 행할 필요는 없다. 예를 들면, 도 5(c)에 도시하는 바와 같이, 입력 전류의 불통류 구간에서, 적정한 위상이며, 또한, 적정한 온 시간에서, 단락 수단(4)을 몇회만 온하는 제어를 행하여도, 역률·고조파 함유율의 개선을 도모하는 것이 가능하다.

예를 들면 고조파 규제치와, 입력 전류에 포함된 고조파 전류의 해석치를 비교하여, 규제치를 충족시키는 범위에서, 단락 수단(4)을 온 하는 위상, 온 시간을 결정하고, 단락 수단(4)의 스위칭 회수를 최소한으로 할 수 있다. 상술한 수k 내지 삭십kHz로 단락 수단(4)을 스위칭하는 경우에 비하여 스위칭 회수를 대폭적으로 저감할 수 있기 때문에, 스위칭 손실 저감, 발생 노이즈의 저감이 가능해진다. 또한, 단락 수단(4)으로서, 염가의 저속의 소자를 사용할 수 있기 때문에, 비용 저감도 가능해진다.

이와 같은 제어를 행하는 경우, 예를 들면, 교류 전원(1)의 입력 전압을 검출하고, 입력 전압의 제로 크로스 등으로부터, 단락 수단(4)을 온 하는 위상이나 온 시간을 결정하면 좋다. 이 때문에, 정현파상의 지령치로 할 필요는 없고, 제어도 간이화할 수 있다. 또한, 여기서는 모선 전압, 모선 전류를 제어하는 예를 들었지만, 어느 한쪽의 제어로 하여도 좋다.

도 6은 전류 수단(7)을 동작시키지 않은 경우에 있어서의 신호 및 전류파형을 도시하는 도면이다. 여기서, 도 6에서, 단락 수단(4)의 구동 신호는, HI측을 액티브 방향(온 방향)으로 하고 있다. 상술한 바와 같이, 단락 수단(4)을 오프 하고 있는 경우, 역류 방지 소자(5)에는 순전류(順電流)가 흐른다. 이 상태에서, 단락 수단(4)을 온 하면, 직렬 접속된 역류 방지 소자(5)의 양단에, 평활 수단(8)에 의해 평활된 모선 전압과, 정류기(2)에 의해 정류된 전압과의 차분이 역(逆)바이어스로서 인가된다. 그 후, 역류 방지 소자(5)는 오프 동작으로 이행한다.

여기서, 역류 방지 소자(5)가 오프로 이행하는 기간, 온 하고 있는 기간과는 역방향의 단락 전류가 흐른다. 이것은, 통상, 역류 방지 소자(5)에 사용되는 pn 접합 다이오드에서, 순(順)바이어스 전압으로 정상적으로 통전하고 있는 상태에서는, p, n 쌍방의 반도체에 캐리어가 축적된 상태로 되어 있고, 이 상태에서 순식간에 역바이어스 전압이 인가되면, 그들 캐리어가 순바이어스 전압 인가시에 이동하고 있던 방향과는 반대로 이동하기 때문이다(이 때 흐르는 역방향의 단락 전류를, 이하, 리커버리 전류라고 칭한다). 리커버리 전류는, 커먼 모드 전류를 변위시키는 요인이 되고, 잡음 단자 전압·방사 잡음 등의 레벨이 상승하기 때문에, 노이즈 대책에 비용이 걸린다. 또한, 회로 손실의 증대에도 이어진다.

통상, 정류 다이오드의 전류용량 증가에 수반하여, 축적 캐리어량은 증가하여 가는 경향에 있다. 그 때문에, 전류용량 증가와 함께, 리커버리 전류는 증가하여 가게 된다. 또한, 인가하는 역바이어스가 커지면, 리커버리 전류는 증가하여 가게 된다.

그래서, 본 실시의 형태에서는, 전류용량이 큰 역류 방지 소자(5)에 대해, 높은 역바이어스 전압을 인가하여 역회복을 행하는 것은 아니고, 전류 수단(7)에 의해 전류 경로를 형성하도록 하고, 단락 수단(4)의 온 직전에 변압기(71) 및 전류용 정류 소자(72)를 통하여 낮은 역바이어스를 인가하여 역회복을 행하는 제어(이하, 전류(轉流) 제어라고 칭한다)를 행하는 것이다.

전류 제어에서는, 단락 수단(4)의 온 직전에 전류 수단(7)의 전류용 스위치(74)를 온 하여, 변압기(71)를 통하여 역류 방지 소자(5)에 흐르고 있는 전류를 전류용 정류 소자(72)측으로 전류한다. 도 4(c)는, 단락 수단(4)이 오프, 전류용 스위치(74)가 온 하고 있는 상태를 나타내고 있다. 이 때의 전류 경로는, 도 4(a)와 마찬가지로, 교류 전원(1) - 정류 소자(2a) - 리액터(3) - 역류 방지 소자(5) - 부하(9) - 정류 소자(2d)의 경로가 된다. 또한, 이에 더하여, 전류용 스위치(74)가 온 하고 있기 때문에, 변압기(71)가 여자되고, 전류 수단(7)의 변압기(71)의 2차측 권선 - 전류용 정류 소자(72)의 경로에도 전류가 유입한다. 그리고, 일정 시간 경과 후, 전류용 정류 소자(72)측의 경로에 완전히 전류하게 된다.

도 7은 전류 수단(7)을 동작시키는 경우의 신호 및 전류파형을 도시하는 도면이다. 여기서, 단락 수단(4) 및 전류 수단(7)(전류용 스위치(74))의 구동 신호는, HI측을 액티브 방향(온 방향)으로 하고 있다. 도 7과 같이, 단락 수단(4)의 구동 신호가 온이 되는 직전에, 전류 수단(7)의 구동 신호를 온 시킨다. 이 때, 상술한 바와 같이, 여자 전류에 의해 변압기(71)의 2차측 권선의 경로에 전류가 흐르기 시작하다. 따라서, 역류 방지 소자(5)와 전류용 정류 소자(72)의 각 방향으로 전류가 분류(分流)하여 흐른다. 그 후, 전류 수단(7)의 구동 신호를 온 상태로 유지하면, 역류 방지 소자(5)에는 전류가 흐르지 않게 되고, 전류용 정류 소자(72)측에 전(全) 전류가 흐르게 된다(전류(轉流) 완료).

전류(轉流) 동작할 때, 변압기 구동 회로(73) 내부의 전류용 전원(75)을, 평활 수단(8)의 출력 전압과 비교하여 충분히 작은 값이 되도록 설정하여 둠으로써, 작은 역바이어스 전압으로 역류 방지 소자(5)를 오프(역회복)시키는 것이 가능해진다. 이 상태에서, 단락 수단(4)을 온 하면, 전류용 정류 소자(72)의 역회복 동작이 행하여지고, 이 경우에도 리커버리 전류는 생긴다. 그렇지만, 전류용 정류 소자(72)의 통류 시간은 역류 방지 소자(5)와 비교하여, 극히 단시간이기 때문에, 전류용 정류 소자(72)에 흐르는 전류의 실효 전류는 작고, 필요하게 되는 전류용량이 작게 끝난다. 따라서, 축적 캐리어가 적은, 소용량의 소자를 이용할 수 있고, 역류 방지 소자(5)에 의해 발생하는 경우에 비하여, 리커버리 전류의 저감이 가능해진다(단, 피크 전류를 고려하여 소자를 선정한다). 그리고, 결과적으로 시스템 전체로서, 리커버리 전류에 기인하는 노이즈량 및 손실을 저감하는 것이 가능해진다. 이에 의해, 잡음 단자 전압·방사 잡음 등의 레벨이 저감하고, 또한, 회로 손실이 억제된다. 따라서 노이즈 필터를 소형화할 수 있고, 비용 저감을 도모할 수 있다.

또한, 단락 수단(4)을 동작시키기 위한 구동 전원(게이트 구동용 전원. 도시 생략) 또는 스위칭 제어 수단(103)의 전원의 어느 한쪽(도시 생략)과, 변압기 구동 회로(73)의 전류용 전원(75)을 공통화할 수 있다. 이 때문에, 새롭게 전원을 작성할 필요가 없어지고, 비용 상승을 피할 수 있다.

전류용 정류 소자(72)에는, 리커버리 특성이 좋고, 순(順)전압이 낮고, 로스가 적은 고내압의 쇼트 키·배리어·다이오드를 이용하여도 좋다. 또한, SiC(탄화규소), GaN(갈륨나이트라이드, 질화갈륨), 다이아몬드 등을 재료로 한 와이드 밴드 갭 반도체의 소자를 이용하여도 좋다. 이들 소자는, 전류(電流) 실효치의 허용치가 큰 사양이 됨에 따라, 결정 결함의 증대, 비용 상승을 초래한다. 본 실시의 형태에서의 전류용 정류 소자(72)에, 전류 실효치의 허용치가 작은 소자를 사용 가능하기 때문에, 비용 대 효과가 양호하고 고효율의 전력 변환 장치를 실현할 수 있다.

또한, 변압기(71)를 이용하기 때문에, 역류 방지 소자(5)?변압기(71)의 2차측 권선·전류용 정류 소자(72)와, 변압기 구동 회로(73)·스위칭 제어 수단(103)의 사이를 절연할 수 있다. 이 때문에, 전류 수단(7)을 구동한 신호의 주입을 비교적 간이하게 행할 수 있다. 또한, 안전성·신뢰성이 높은 시스템을 구축할 수 있다.

다음에, 상기한 바와 같은 동작을 행하는 전류 수단(7)에서의 고장(故障)례와 각 고장의 보호 대책 등에 관해 설명한다.

우선 각 요소(소자, 기기 등)가 단락 고장난 경우에 관해 설명한다. 변압기(71)의 1차측 권선이 단락 고장난 경우, 변압기 구동 회로(73)에서는, 전류용 스위치(74)가 온 하면 전류용 전원(75)이 단락 상태가 된다. 이 때문에, 전류용 스위치(74)의 전류용량을 초과한 전류가 흐르고, 전류용 스위치(74)가 파괴할 우려가 있다. 또한, 전류용 전원(75)에서, 전류 수단(7)측에 많은 전력이 공급되어 버리면, 전류용 전원(75)이 예를 들면 스위칭 제어 수단(103) 등의 전원과 공통되어 있는 경우에는, 스위칭 제어 수단(103)측에서는 공급 전력 부족이 되어, 제어를 정상적으로 행할 수가 없게 될 우려가 있다. 그러면, 변압기 구동 회로(73)의 전류 경로를 차단 등 하여, 전류 수단(7), 전력 변환 장치 등의 보호를 도모한다.

도 8은 보호 수단을 갖는 전류 수단(7)을 역류 방지 소자(5)와 병렬로 접속한 경우의 구성의 한 예를 도시하는 도면이다. 예를 들면 전류 경로를 차단하는 경우에 관해서는, 도 8(a)에 도시하는 보호 수단(80a)의 위치에, 예를 들면 전류용 스위치(74)나 전류용 전원(75)의 전류용량보다 낮은 전류로 끊어지는, 예를 들면 퓨즈와 같은 전류 차단 소자를 삽입하면 좋다. 또한, 변압기 구동 회로(73)에 흐르는 전류를 억제하고, 회로를 보호하는 경우에는, 대전류가 흐른 경우에 자기(自己) 발열에 의한 저항치의 변화를 이용하여 전류를 제한하는, 예를 들면 정특성 서미스터 등과 같은 전류 억제 소자를 삽입하도록 하여도 좋다.

또한, 이 때 전류 수단(7)의 2차측 권선은 여자되지 않고, 전류 동작이 행하여지지 않기 때문에, 리커버리 전류가 억제되지 않고, 단락 수단(4), 역류 방지 소자(5)의 동작 파형은 도 6과 같이 된다. 이 리커버리 전류의 크기에 응하여, 전류용 스위치(74)의 개폐 제어의 동작/정지를 전환하여 스위치를 열어서 정지시키는 등을 하여, 이상시에 전류 경로를 차단하도록 하여도 좋다. 리커버리 전류의 크기는, 예를 들면 이상 검출 수단(105)의 검출에 관한 단락 수단 전류 검출치에 의거하여 판단할 수 있다. 그리고, 스위칭 제어 수단(103)의 이상 처리부(24)가 보호에 관한 판단을 행하도록 한다. 또한, 예를 들면 전류용 전원(75)의 전원 공급 등을 제어할 수 있는 경우에는, 제어 수단이 전류용 전원(75)에의 급전을 정지하도록 하여도 좋다. 여기서, 전류 수단(7)이 동작하지 않는 경우에도, 단락 수단(4)의 개폐 제어에 의해 입력 전류나 출력 전압의 제어는 가능하기 때문에, 반드시 단락 수단(4)의 개폐 동작에 관해서는 정지할 필요는 없다.

도 9는 실시의 형태 1에 관한 전력 변환 장치의 이상 판정에서의 동작 파형의 한 예를 도시하는 도면이다. 전류 수단(7)이 동작하지 않는 경우, 리커버리 전류의 증가에 의해, 단락 수단(4)이나 역류 방지 소자(5)에의 스트레스는 증가하고, 또한, 단락 수단(4)이나 역류 방지 소자(5)에서의 손실은 증가한다. 그래서, 리커버리 전류의 크기에 의해, 단락 수단(4)의 개폐 동작/정지를 판정하면 좋다. 리커버리 전류의 크기에 의한 판정에 관해, 본 실시의 형태에서는 스위칭 제어 수단(103)의 이상 처리부(24)가 행하도록 한다. 이상 처리부(24)는, 예를 들면 도 9에 도시하는 바와 같이, 단락 수단(4) 또는 역류 방지 소자(5)에서의 전류의 피크값 또는 임의의 시간당의 전류변화에 의거하여 단락 수단(4)의 개폐 동작/정지를 판정한다. 또한, 이 중의 어느 하나를 조합시켜서 판정하여도 좋다. 본 실시의 형태에서는, 이상 처리부(24)는, 이상 검출 수단(105)의 검출에 관한 단락 수단 전류 검출치에 의거하여 판정을 행한다. 스위칭 제어 수단(103)은, 이상 처리부(24)의 판정에 의거한 출력 신호를 보내도록 한다.

또한, 변압기(71)의 1차측 권선에 접속되는 전류용 스위치(74)가 단락 고장난 경우도, 상기 변압기(71)의 1차측 권선이 단락 고장난 경우와 마찬가지 현상이 일어난다. 이 때문에, 상기한 바와 마찬가지로 도 8(a)에 도시하는 바와 같이, 예를 들면, 퓨즈와 같은 전류 차단 소자에 의한 전류 경로 차단, 정특성 서미스터 등과 같은 전류 억제 소자에 의한 전류 억제로 회로를 보호할 수 있다. 또한, 전류용 스위치(74)의 단락 고장을 상정하여, 미리 보호용의 차단 스위치를 마찬가지의 위치에 마련하도록 하여도 좋다. 이 경우, 스위치는 통상 온 상태로 하고, 리커버리 전류의 크기에 응하여, 예를 들면 이상 처리부(24)가 이상으로 판정하는 경우만 오프로 하면 좋다. 여기서는 차단 스위치를 단독으로 마련하고 있지만, 예를 들면 전류 차단 소자, 전류 억제 소자와 함께 마련하도록 하여도 좋다. 또한, 리커버리 전류의 크기에 응하여 전류용 전원(75)의 급전을 정지하여도 좋다. 또한, 상기한 바와 같이, 이상 처리부(24)가 판정을 행하고, 단락 수단(4)의 개폐 동작/정지의 제어를 행하도록 하여도 좋다.

한편, 변압기(71)의 2차측 권선이 단락 고장난 경우에는, 전류용 스위치(74)의 개폐 상태에 관계없이 전류 수단(7)은 동작하지 않는다. 이 때 전류용 스위치(74)의 개폐 상태에 관계없이 장치의 안전상의 문제는 없다. 단, 전류용 스위치(74)의 개폐 제어 정지(개방), 전류용 전원(75)의 급전을 정지, 차단 스위치를 마련하고 있는 경우에는, 스위치를 개방함으로써, 변압기 구동 회로(73)의 손실을 저감할 수 있다.

통상, 역류 방지 소자(5)나 전류용 정류 소자(72)에 사용하는 다이오드에서, 순전압 강하와 역회복 특성이란 트레이드 오프의 관계에 있다. 본 실시의 형태에서는, 역류 방지 소자(5)와 전류용 정류 소자(72)에서는, 역류 방지 소자(5)에는, 순전압 강하가 낮은 것을 우선하고, 전류용 정류 소자(72)에는, 역회복 특성이 빠른 것을 우선하여, 부품 선정하는 것이 바람직하다. 이들의 수치는, 소자의 전류용량도 관계되어 있고, 또한 전류용 정류 소자(72)는 전류용량이 낮아도 좋기 때문에, 순전압 강하, 역회복 특성 함께, 역류 방지 소자(5)보다 우수한 소자를, 비교적 저비용으로 이용할 수 있기 때문에, 한 마디로 대소가 정해지는 것은 아니다. 이 때문에, 역류 방지 소자(5)가 전류용 정류 소자(72)에 대해 순전압 강하가 낮은 소자를 사용하고 있으면, 변압기(71)의 2차측 권선이 단락 고장난 경우에도, 역류 방지 소자(5)에 전류가 집중하기 때문에, 전류용량이 작은 전류용 정류 소자(72)의 파괴에 이를 가능성은 적다.

그러나, 전류용 정류 소자(72)의 순전압 강하가 역류 방지 소자(5)와 동등하거나 그 이상이 되는 경우에는, 도 8(b)에 도시하는 보호 수단(80b)의 위치에, 전류용 정류 소자(72)의 전류용량보다 낮은 전류로 끊어지는 퓨즈와 같은 전류 차단 소자를 삽입하여도 좋다. 또한, 대전류가 흐른 경우에 자기 발열에 의한 저항치의 변화를 이용하여 전류를 제한하는 정특성 서미스터 등과 같은 전류 억제 소자를 삽입하여도 좋다. 차단 스위치를 삽입하여도 좋다. 또한, 상기한 바와 같이, 이상 검출 수단(105)이 판정을 행하고, 단락 수단(4)의 개폐 동작/정지의 제어를 행하도록 하여도 좋다.

변압기(71)의 2차측 권선에 접속되는 전류용 정류 소자(72)가 단락 고장난 경우, 상기한 바와 마찬가지로, 전류용 스위치(74)의 개폐 상태에 관계없이 전류 수단(7)은 동작하지 않는다. 전류용 스위치(74)의 개폐 제어 정지, 전류용 전원(75)의 급전을 정지, 차단 스위치를 마련하고 있는 경우에는 개폐 제어 정지를 함으로써, 변압기 구동 회로(73)의 손실을 저감할 수 있다.

여기서, 전류용 정류 소자(72)가 단락하면, 이 경로에서의 역류 방지가 불가는하게 된다. 이 때문에, 병렬 접속된 역류 방지 소자(5)도 거의 단락 상태가 되고, 평활 수단(8)으로부터 전원측으로의 전류역류를 방지할 수가 없다. 이 때문에, 단락 수단(4)이 온이 되면, 과전류가 흘러서 소자가 파괴에 이를 우려가 있다. 이것을 방지하기 위해서는, 전류 차단 소자, 전류 억제 소자 또는 차단 스위치를 변압기(71)의 2차측 권선과 전류용 정류 소자(72)의 경로에 삽입하면 좋다. 차단 스위치의 동작은 리커버리 전류의 크기에 의해, 개폐 제어를 행하면 좋다. 리커버리 전류의 크기에 의한 판정은, 예를 들면 도 9에 도시하는 바와 같이, 단락 수단(4) 또는 역류 방지 소자(5)의, 전류의 피크값 또는 임의의 시간당의 전류변화에 의해 판정하면 좋다. 이 중의 어느 하나를 조합시켜서 판정하여도 좋다. 판정은 예를 들면 스위칭 제어 수단(103)의 이상 처리부(24)가 행하도록 하면 좋다.

변압기(71)의 1차측 권선, 2차측 권선, 1차측 권선에 접속되는 전류용 스위치(74), 2차측 권선에 접속되는 전류용 정류 소자(72)의 어느 하나가 개방 고장난 경우, 전류 수단(7)은 동작하지 않고, 제품의 안전상의 문제가 되는 모드는 없다. 이 때 단락 수단(4)의 개폐 제어에 의해 입력 전류나 출력 전압의 제어는 가능하기 때문에, 반드시 단락 수단(4)의 개폐 제어를 정지할 필요는 없다. 단, 리커버리 전류의 증가에 의해, 단락 수단(4)이나 역류 방지 소자(5)에의 스트레스는 증가하고, 또한, 단락 수단(4)이나 역류 방지 소자(5)에서의 손실은 증가하기 때문에, 리커버리 전류의 크기에 의해, 단락 수단(4)의 개폐 제어의 동작/정지를 판정하면 좋다. 리커버리 전류의 크기에 의한 판정은, 예를 들면 도 9에 도시하는 바와 같이, 단락 수단(4) 또는 역류 방지 소자(5)의, 전류의 피크값 또는 임의의 시간당의 전류변화에 의해 판정하면 좋다. 이 중의 어느 하나를 조합시켜서 판정하여도 좋다.

도 10은 전력 변환 장치의 보호에 관한 플로 차트의 한 예를 도시하는 도면이다. 예를 들면, 상기한 바와 같은 보호와 아울러, 전류 수단(7)을 갖지 않는 초퍼 회로(6)에서도 사용되는, 모선 전압, 모선 전류 또는 단락 수단(4)을 흐르는 전류가 임계치를 초과하는 것으로 판단한 경우에, 래치 등에 의한 보호용의 회로를 갖는 단락 수단(4)에 관해, 단락 수단(4)을 오프 상태로 하여 개폐 제어를 정지하고, 보호를 도모하도록 하여도 좋다. 여기서, 도 10의 처리에 관해서는, 이상 검출 수단(105)의 검출에 관한 단락 수단 전류 검출치(단락 수단(4)을 흐르는 전류)에 의거하여 이상 처리부(24)가 행하는 것으로 한다.

우선 STEP1에서는, 단락 수단(4)에 흐르는 전류의 변화율과, 임의로 설정한 임계치를 비교한다. 단락 수단(4)에 흐르는 전류가 임계치보다 크다고 판단한다면 STEP2로 진행한다. STEP2에서는, 또한 단락 수단(4)에 흐르는 전류의 피크값과, 임의로 설정한 임계치를 비교한다. 단락 수단(4)에 흐르는 전류의 피크값이 임계치보다 크다고 판단한다면 STEP3으로 진행한다. 여기서, STEP1, STEP2에서는 단락 수단(4)에 흐르는 전류의 변화율과 피크값이 각각의 임의의 임계치를 초과한 경우에 이상으로 판정하는 경우에 관해 설명하였지만, 비교하는 물리량은 이것으로 한정되는 것은 아니다. 예를 들면, 역류 방지 소자(5)의 전류의 변화율이나 피크값을 사용하여도 좋다. 또한, 비교하는 물리량을 단락 수단(4)과 역류 방지 소자(5)의 전류의 변화율로 하는 등, 판정하기 위한 물리량의 조합이나, 조합수 등을 임의로 변경하여도 좋다.

STEP3에서는, STEP4에서 보호 동작으로 이행하고, 단락 수단(4)을 오프 하는 경우에, 보호 동작의 리셋을 임의로 행하기 위한 래치를 거는지의 여부를 판단하기 위해, 그 래치의 리셋 신호의 유무를 판정한다. 리셋 신호가 없다고 판단한다면 STEP4로 진행하여, 상술한 바와 같이 단락 수단(4)을 오프로 하도록, 보호 동작의 리셋을 임의로 행하기 위한 래치를 걸 수 있다.

STEP4의 후는 STEP3으로 재차 진행하여, 래치의 리셋 신호의 유무를 판정한다. 리셋 신호가 있으면, STEP5로 진행하여, 단락 수단(4)의 개폐 제어가 가능해지도록, 보호 동작을 리셋하고, 재차 STEP1부터 보호 동작의 필요 여부 판정을 행한다.

또한, 통상의 전류 수단(7)을 갖지 않는 통상의 초퍼 회로에서도 사용되는, 모선 전압 또는 모선 전류 또는 단락 수단(4)의 전류가 임계치를 초과한 경우에도, 마찬가지의 처리를 행하여 플로에서 보호 동작의 필요 여부 판정을 행하고, 보호 동작이 필요한 경우에는 단락 수단(4)의 오프를 행한다. 여기서는, STEP1, STEP2에서는 단락 수단(4)에 흐르는 전류의 변화율과 피크값이 각각의 임의의 임계치를 초과한 경우에 이상으로 판정하는 경우에 관해 설명하였지만, STEP1, STEP2와 병렬로, 모선 전압 또는 모선 전류 또는 단락 수단(4)의 전류와 각각의 임의의 임계치과의 비교를 행하도록 하여도 좋다. 이 때, STEP3 이후는 공통화할 수 있다. 또한, 보호 수단(80)으로서 차단 스위치를 마련하고 있는 경우, 차단 스위치의 동작의 필요 여부를, 상기한 순서로 판정하도록 하여도 좋다. 또한, 여기서는, 이상 처리부(24)에 의한 처리를 행하도록 하였지만, 예를 들면 콤퍼레이터나 플립플롭 회로를 이용한 하드웨어로 구성하여 마찬가지로 행하도록 하여도 같은 효과를 얻을 수 있다.

이상과 같이, 실시의 형태 1의 전력 변환 장치에 의하면, 전류 수단(7)을 마련함에 의해, 역류 방지 소자(5)를 흐르는 전류를 별도 경로로 전류시킬 수 있기 때문에, 부하(9)측부터 전류가 역류할 때, 역류 방지 소자(5)에 발생하는 리커버리 전류를 저감시킴으로써, 손실 저감, 잡음 단자 전압 레벨 저감, EMC 대책 등을 도모하여, 시스템 전체로서 고효율화를 도모할 수 있다. 그리고, 전류 수단(7)을 구성하는 소자 등의 요소에 고장이 발생하여, 이상 검출 수단(106)이 전류 수단(7)의 이상을 검출한 경우에, 스위칭 제어 수단(103)의 이상 처리부(24)가 전류 수단(7) 및 단락 수단(4)의 적어도 한쪽에 대해 보호에 관한 동작 제어를 행함으로써, 신뢰성이 높은 장치를 얻을 수 있다. 경우에 따라서는, 단락 수단(4)의 정지도 행하도록 하였기 때문에, 회로 보호 등, 신뢰성이 높은 장치를 얻을 수 있다. 단지, 전류 수단(7)을 정지시켰다고 하여도, 단락 수단(4)의 동작을 정지시키지 않는다면 전력 변환 장치로서의 동작을 유지할 수 있고, 안전면을 확보하면서, 장치로서 필요한 동작을 행할 수가 있다.

보호를 행하할때에, 변압기(71)의 1차측 권선, 2차측 권선의 적어도 한쪽에서의 전류 경로를 차단할 수 있도록 보호 수단(80a, 80b)을 마련하도록 하였기 때문에, 전류 수단(7), 전력 변환 장치를 유효하게 보호할 수 있다. 또한, 통보 수단(107)을 마련함으로써, 전류 수단(7)의 이상을 알릴 수 있다.

또한, 전류 수단(7)을 변압기(71) 등으로 구성함으로써, 변압기(71)에 의해, 교류 전원(1)과 부하(9)와의 사이의 회로상에 있는 역류 방지 소자(5), 변압기(71)의 2차측 권선 및 전류용 정류 소자(72)와, 변압기 구동 회로(73), 스위칭 제어 수단(103) 및 전류 수단(7)에의 구동 신호와의 사이를 절연할 수 있기 때문에, 전류 수단(7)에의 구동 신호의 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. 또한, 변압기 구동 회로(73)의 전류용 전원(75)을, 평활 수단(8)의 출력 전압과 비교하여 충분히 작은 값이 되도록 설정하여 둠으로써, 작은 역바이어스 전압으로 역류 방지 소자(5)를 역회복시키는 것이 가능해진다.

또한, 전류용 정류 소자(72)에 탄화규소, 질화갈륨계 재료 또는 다이아몬드를 재료로 하는 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 전류밀도가 높기 때문에, 소자의 소형화를 도모할 수 있고, 소자를 조립하는 수단도 소형화할 수 있다. 여기서, 전류용 정류 소자(72)뿐만 아니라, 예를 들면 전류용 스위치(74) 등, 시스템 전체로서 손실이 되지 않는 경우에는, 다른 소자에 와이드 갭 밴드 반도체를 이용할 수도 있다.

실시의 형태 2.

도 11은 실시의 형태 2에 관한 전력 변환 장치의 구성의 한 예를 도시하는 도면이다. 도 11에서, 실시의 형태 1과 같은 기기, 소자 등에 관해서는 동일 부호를 붙인다. 도 11에서의 초퍼 회로(6)는, 리액터(3a), 단락 수단(4a), 역류 방지 소자(5a)로 구성한 초퍼 회로에, 리액터(3b), 단락 수단(4b), 역류 방지 소자(5b)로 이루어지는 초퍼 회로를 병렬로 접속한 구성으로 되어 있다. 그리고, 역류 방지 소자(5a, 5b)에는 전류 수단(7)을 접속하고 있다. 이 때문에, 본 실시의 형태에서는, 2개의 초퍼 회로에서의 전류 수단(7)은 공통으로 하고 있다.

스위칭 제어 수단(103)은, 예를 들면 도 3에서 도시하는 구성으로 하고, 실시의 형태 1과 마찬가지로 단락 수단(4a, 4b)의 온 듀티를 연산한다. 여기서, 단락 수단(4a, 4b)의 온 듀티는 동일한 값으로 한다. 그 후, 구동 신호 생성부(104)에서는, 스위칭 제어 수단(103)으로부터의 출력 신호를 기초로, 단락 수단(4a, 4b)의 동작을 행하게 하기 위한 구동 신호를 생성하지만, 이 때의 단락 수단(4a, 4b)에 보내는 구동 신호는 다른 위상으로 한다. 예를 들면, 위상차 등을 특히 한정하는 것은 아니지만, 180도의 위상차를 갖게 하도록 하면 좋다.

본 실시의 형태에서의 초퍼 회로(6)는, 리액터(3), 단락 수단(4), 역류 방지 소자(5)로 이루어지는 2개의 초퍼 회로를 병렬로 접속하고 있다. 실시의 형태 1과 같이 초퍼 회로가 1계통인 경우와 비교하면, 각각의 초퍼 회로에 유입하는 전류는 분산되기 때문에, 각 부품의 전류용량을 저감할 수 있고, 소자수는 증가하지만, 토탈로의 비용, 회로 규모의 저감을 도모하는 것이 가능해진다.

도 12는 실시의 형태 2에 관한 전원 전압, 전원 전류(입력 전류) 및 단락 수단(4)에 보내지는 구동 신호의 동작에 관한 파형(동작 파형) 등을 도시하는 도면이다. 단락 수단(4a, 4b)을 다른 위상의 구동 신호로 동작시킴으로써, 도 12(a), (b)에 도시하는 바와 같이, 각 계통에 흐르는 전류의 총합이 되는 전원 전류는 리플이 상쇄되어 작아진다. 여기서, 도 12(b)에서는 리액터 전류가 스위칭마다 0으로 되지 않는 연속 모드의 예를 들었지만, 스위칭마다 0이 되는 불연속 모드나 임계 모드로 하여도 좋다. 이 경우, 리액터(3a, 3b)에 필요한 인덕턴스값이 작아지기 때문에, 비용 저감, 소형화가 가능해진다. 스위칭마다 전류가 0이 됨으로써, 다음의 스위칭시는 전류 0상태에서의 스위칭인 소프트 스위칭이 된다. 이 때문에, 스위칭 손실의 저감도 도모할 수 있다. 또한, 전원 전류의 리플이 작아지기 때문에, 노이즈 필터의 소형화, 저비용화도 도모할 수 있다. 그리고, 전원 전류의 리플이 작아지는 것을 이용하여, 각 계통에서의 스위칭 주파수를 저감시키도록 하여도 좋다. 이 경우, 전원 전류의 리플 저감 효과는 적어지지만, 각 계통에서의 스위칭 회수가 감소하기 때문에, 스위칭 손실의 저감이 가능해진다.

여기서는 리액터(3), 단락 수단(4), 역류 방지 소자(5)로 이루어지는 초퍼 회로를 2병렬로 한 경우에 관한 예를 들었지만, 3 이상의 초퍼 회로를 병렬로 접속하여 초퍼 회로(6)를 구성하도록 하여도 좋다. 이 때, 각 계통에서 다른 위상차로 함으로써, 상기한 바와 마찬가지의 효과를 얻을 수 있다. 계통수가 많기 때문에, 소자수는 증가하지만, 전원 전류의 리플, 각 계통에 유입하는 전류는 더욱 저감할 수 있다. 또한 위상차는, n계통인 때 360도/n로 함으로써 리플 상쇄의 효과는 최대가 된다.

상기한 바와 같은 구성의 전력 변환 장치에서의 동작에서도, 단락 수단(4a) 온 시에 역류 방지 소자(5a), 단락 수단(4b) 온 시에 역류 방지 소자(5b)로, 실시의 형태 1과 같은 메커니즘으로 리커버리 전류가 발생한다. 따라서 리커버리 전류의 발생 타이밍이 다르다. 이 때문에, 본 실시의 형태에서의 전류 수단(7)에서도, 역류 방지 소자(5a)와 접속된 변압기(71)의 2차측 권선과, 역류 방지 소자(5b)와 접속된 변압기(71)의 2차측 권선이란, 동작한 타이밍을 바꿀 필요가 있다.

도 13은 실시의 형태 2에 관한 전류 수단(7)의 구성의 한 예를 도시하는 도면이다. 전류용 정류 소자(72a)와 접속된 변압기(71)의 2차측 권선과, 전류용 정류 소자(72b)에 접속된 변압기(71)의 2차측 권선은, 권선의 극성을 역극성으로 하고, 역권(逆卷)으로 한다. 또한, 변압기 구동 회로(73)는, 전류용 스위치(74a, 74b), 전류용 전원(75), 콘덴서(76a, 76b)로 구성한다.

도 13의 전류 수단에서, 전류용 스위치(74a)를 온, 전류용 스위치(74b)를 오프로 하면, 콘덴서(76a)가 방전하고, 변압기(71)의 1차측 권선에 여자 전류가 흐른다. 이 때, 변압기(71)의 2차측 권선에서는, 권선이 동극성의, 전류용 정류 소자(72a)측의 권선에 전류가 흐르고, 전류용 정류 소자(72a)가 전류 동작을 시작한다. 한편, 전류용 스위치(74a)를 오프, 전류용 스위치(74b)를 온으로 하면, 콘덴서(76b)가 방전하고, 변압기(71)의 1차측 권선에, 전류용 스위치(74a)를 온, 전류용 스위치(74b)를 오프 한 때란 역방향의 여자 전류가 흐른다. 이 때, 변압기(71)의 2차측 권선에서는, 권선이 역극성의, 전류용 정류 소자(72b)측의 권선에 전류가 흐르고, 전류용 정류 소자(72b)가 전류 동작을 시작한다. 여기서, 변압기 구동 회로(73)는 전류용 스위치(74a, 74b)에 의한 하프 브리지 구성이 예를 들었지만, 스위치의 개수를 늘려서 풀 브리지 구성으로 하여도, 마찬가지로 동작하고, 마찬가지 효과를 얻을 수 있다.

본 실시의 형태에 의하면, 다른 타이밍에서의 전류 동작을 필요로 하는 역류 방지 소자(5a, 5b)의 각각에 전류 수단(7)을 설치하는 경우에도, 변압기(71)의 1차측 권선에서 구성하는 변압기 구동 회로(73)를 공통으로 할 수 있다. 이 때문에, 실시의 형태 1과 마찬가지로 리커버리 전류의 저감에 의한 노이즈·손실의 저감을 도모하면서도, 회로의 부품 갯수를 줄일 수 있고, 회로 면적의 저감이나 비용 상승의 억제를 실현할 수 있다. 여기서는, 타이밍을 다르게 하고 있지만, 예를 들면 전류 동작을 행하는 시간을 조정하도록 하여도 좋다.

다음에 상기한 바와 같은 동작을 행하는 전류 수단(7)의 고장 모드와 그 때의 보호에 관해 설명한다. 변압기(71)의 1차측 권선 및 2차측 권선, 전류용 정류 소자(72a, 72b), 전류용 스위치(74a, 74b)의 고장에 관해서는, 실시의 형태 1과 마찬가지이기 때문에, 실시의 형태 1의 도 8 내지 도 10에 관해 설명한 경우와 마찬가지의 보호를 행할 수가 있다.

콘덴서(76a)가 단락 고장난 경우, 전류용 스위치(74a)를 온 한 때에 변압기(71)의 1차측 권선에는 여자 전류가 흐르지 않기 때문에, 전류용 정류 소자(72a)측의 전류 동작이 불가능하게 된다. 한편, 콘덴서(76b)는 통상시의 2배인 전류용 전원(75)의 전압이 그대로 인가되어 충전된다. 이 때문에, 전류용 스위치(74b)를 온 하였을 때에는, 변압기(71)의 1차측 권선에는 여자 전류가 흐르고, 전류용 정류 소자(72b)측의 전류 동작은 가능하다. 단, 이 때 변압기(71)에 인가되는 전압은 전술한 바와 같이 통상의 2배가 된다. 그래서, 전류용 스위치(74b)를 온 하는 타이밍을 늦추거나, 구동 신호의 펄스 폭을 줄이거나 하도록 조정함으로써, 변압기(71)의 1차측 권선에 흐르는 전류를 통상시와 같은 레벨로 억제하고, 변압기(71)에 걸리는 스트레스를 억제할 수 있다.

또한, 콘덴서(76b)가 단락 고장난 경우도, 콘덴서(76a)가 단락 고장난 경우와 마찬가지 현상이 된다. 이 때, 전류용 스위치(74b)를 온 한 때에는, 변압기(71)의 1차측 권선에는 여자 전류가 흐르지 않기 때문에, 전류용 정류 소자(72b)측의 전류 동작이 불가능하게 된다. 한편, 콘덴서(76a)는 통상시의 2배인 전류용 전원(75)의 전압이 그대로 인가되어 충전된다. 이 때문에, 전류용 스위치(74a)를 온 한 때에는, 변압기(71)의 1차측 권선에는 여자 전류가 흐르고, 전류용 정류 소자(72b)측의 전류 동작은 가능하다. 단, 이 때 변압기(71)에 인가되는 전압은 전술한 바와 같이 통상의 2배가 되기 때문에, 전류용 스위치(74a)의 온 타이밍을 늦추거나, 구동 신호의 펄스 폭을 줄이거나 하도록 조정함으로써, 변압기(71)의 1차측 권선에 흐르는 전류를 통상시와 같은 레벨로 억제하고, 변압기(71)에 걸리는 스트레스를 억제할 수 있다.

콘덴서(76a)가 개방 고장난 경우, 콘덴서(76b)는 전류용 스위치(74a)가 온 하고 있는 동안에 충전되어 간다. 콘덴서(76b)가 충분히 충전되기 까지의 기간은, 전류용 스위치(74b)를 온 하여도 변압기(71)의 1차측 권선에는 여자 전류가 충분히 흐르지 않기 때문에, 전류용 정류 소자(72b)측의 전류 동작이 불가능하게 된다. 이와 같은 상태인 경우, 통보 수단(107) 등에 의해 이상(異常)인 취지를 유저 등에게 통보하도록 하여, 전력 변환 장치의 정지나 수리를 촉구하고, 그 동안은 계속 운전하도록 제어하여도 좋다. 여기서, 통보 수단 등에서는, 상기한 경우로 한정하는 일 없이, 다른 원인 등에 의해 전류 수단(7) 등에 고장이 발생한 경우에도 통보하도록 하여도 좋다.

콘덴서(76b)가 개방 고장난 경우도, 콘덴서(76a)가 개방 고장난 경우와 마찬가지 현상이 된다. 이 때, 콘덴서(76a)는 전류용 스위치(74b)를 온 하고 있는 동안에 충전되어 간다. 콘덴서(76a)가 충분히 충전되기 까지의 기간은, 전류용 스위치(74a)를 온 하여도 변압기(71)의 1차측 권선에는 여자 전류가 충분히 흐르지 않기 때문에, 전류용 정류 소자(72a)측의 전류 동작이 불가능하게 된다. 이와 같은 상태인 경우에도, 통보 수단(도시 생략) 등에 의해 통보하도록 하고, 그 동안은 계속 운전하도록 제어하여도 좋다.

도 14는 실시의 형태 2에 관한 전력 변환 장치의 구성의 다른 한 예를 도시하는 도면이다. 예를 들면, 구성 요소가 고장나서 역류 방지 소자(5a측 또는 5b)측의 어느 한쪽의 전류 수단(7)이 동작 불가가 된 경우에 관해 설명한다. 각 계통에서의 전류 수단(7)의 동작 가부는, 예를 들면 도 10에 도시하는 플로 차트와 같은 처리에 의거하여, 단락 수단(4a, 4b), 역류 방지 소자(5a, 5b)의 전류 피크값 또는 전류 변화율의 어느 하나, 또는 그 중의 복수항목을 조합시켜서 판단하도록 하여도 좋다. 그리고, 그 판단 결과에 의거하여 단락 수단(4a, 4b)의 동작을 정지하도록 하여도 좋다. 이 때, 도 14에 도시하는 바와 같이, 역류 방지 소자(5a, 5b)의 후단(역류 방지 소자(5a, 5b)와 평활 수단(8)과의 사이의 경로)에, 예를 들면 릴레이와 같은 차단 스위치(106a, 106b)를 마련하여, 경로를 차단할 수 있도록 하여도 좋다.

도 15는 전류 수단(7)의 동작 가부와 부하와의 관계를 도시하는 도면이다. 예를 들면, 도 15에 도시하는 바와 같이, 전류 수단(7)의 동작 가부와, 부하의 조합으로, 단락 수단(4a, 4b)의 동작/정지를 행하는지의 여부를 판정하도록 하여도 좋다. 여기서는, 부하로서 인버터 회로로 모터를 구동하는 경우를 상정한다. 또한, 역류 방지 소자(5a, 5b)에 대해, 각각 독립한 전류 수단(7)을 접속하고 있는 것으로 한다.

예를 들면 부하가 작은 경우에는, 모선 전압의 승압이 불필요하게 되기 때문에, 부하가 작은 경우의 단락 수단(4a, 4b)은 정지로 한다. 이 경우, 초퍼 회로(6)는 동작하지 않기 때문에, 콘덴서 입력 형태의 컨버터와 같은 거동을 한다. 부하가 작기 때문에, 차단 스위치(106a, 106b)의 어느 하나를 차단하여도, 각 소자의 전류용량을 초과하지 않는다. 이 때문에, 파괴의 위험은 없고, 그에 더하여, 전력 변환시에 통과하는 소자를 줄일 수 있고, 손실 저감이 가능해진다.

한편, 부하가 큰 경우에는, 모선 전압을 승압하여 모터의 동작 영역을 확대하거나, 모터를 고권수화(高卷數化)하여 효율 개선을 도모하기 위해, 단락 수단(4a, 4b)은 가능한 한 동작시킨 쪽이 좋다. 이 때, 전류 수단(7a, 7b)이 동작 불가능한 경우에는, 전류 수단(7)의 동작 불가능한 측의 단락 수단(4)의 동작을 정지하고, 그리고 나서 차단 스위치(106a, 106b)에서 경로를 차단한다. 이 때, 상기한 바와 마찬가지로, 전력 변환할 때에 통과하는 소자를 줄일 수 있기 때문에, 손실 저감이 가능해진다. 단, 차단하지 않는 측의 각 소자에는 통상 분산되어 있던 전류가 집중하기 때문에, 전류용량을 초과하는 경우에는, 단락 수단(4)의 동작을 정지하고, 콘덴서 인풋형(形)의 컨버터로서 동작시키는 것이 바람직하다.

이상과 같이, 실시의 형태 2의 전력 변환 장치에 의하면, 예를 들면 역류 방지 소자(5a, 5b)의 각각에 다른 타이밍에서 전류 동작을 행하는 경우에도, 변압기(71)의 2차측 권선, 전류용 정류 소자(72a, 72b)를, 실시의 형태 1과 마찬가지로 역류 방지 소자(5a, 5b)에 각각 병렬 접속하고, 한편으로, 변압기(71)의 1차측 권선에 전력 공급을 제어하는 변압기 구동 회로(73)를 공통으로 할 수 있기 때문에, 실시의 형태 1과 마찬가지의, 리커버리 전류의 저감에 의한 노이즈·손실의 저감을 도모하면서도, 회로의 부품 갯수를 줄일 수 있고, 회로 면적의 저감이나 비용 상승의 억제를 실현할 수 있다.

또한, 콘덴서(76)의 한쪽이 단락 고장 등을 한 경우에, 전류용 스위치(74)의 온 타이밍을 늦추거나, 구동 신호의 펄스 폭(온 시간, 듀티)을 줄이거나 하도록 조정함으로써, 변압기(71)의 1차측 권선에 흐르는 전류를 통상시와 같은 레벨로 억제하고, 변압기(71)에 걸리는 스트레스를 억제할 수 있다.

실시의 형태 3.

도 16 내지 30은 본 발명의 실시의 형태 3에 관한 전력 변환 장치의 구성의 한 예를 도시하는 도면이다. 같은 동작을 행하는 수단, 소자 등에 관해서는, 실시의 형태 1 등에서 설명한 도면과 동일 부호를 붙이고 있다. 상술한 실시의 형태 1, 2에서는, 단상의 교류 전원에 접속되고, 전원을 정류한 후단에서 단락 수단을 마련한 전력 변환 장치에 관해 기술하였다. 이 밖에, 예를 들면 도 16 내지 30에 도시하는 바와 같은, 단상 교류 전원에 대응한 전력 변환 장치에 관해서도, 전류 수단(7)을 마련하여 전류 제어를 행함으로써 상기한 바와 마찬가지의 효과를 얻을 수 있고, 이 전류 수단(7)에 고장이 일어난 경우에도 장치를 보호하고, 신뢰성을 향상하는 효과를 얻을 수 있다. 이 때, 예를 들면 도 16과 같이, 정류 소자(2a) 등을 역류 방지 소자로서 전류 수단(7)을 마련하도록 하여도 좋다.

또한, 도 17은 단락 수단(4)의 구성의 한 예를 도시하는 도면이다. 예를 들면 도 17(a)에서는, 정류 소자(41a 내지 41d)를 브리지 접속한 단락용 정류 회로(41)와, 단락용 스위치(42)로 단락 수단(4)을 구성하고 있다. 도 17(a)는 단락용 스위치(42)로서 예를 들면 IGBT와 같은 쌍방향으로 전류를 흘릴 수 없는 소자를 하나 이용한 경우에 있어서의 일반적인 구성을 나타내고 있다. 그 밖에도, 도 17(b)에 도시하는 바와 같이, 예를 들면 IGBT(절연 게이트 바이폴러 트랜지스터), MOSFET(전계 효과 트랜지스터) 등을 복수개 이용하여 구성하는 쌍방향 스위치 등으로 단락 수단(4)을 구성하여도 좋고, 마찬가지 효과를 얻을 수 있다.

실시의 형태 4.

도 31 내지 도 40은 본 발명의 실시의 형태 4에 관한 전력 변환 장치의 구성의 한 예를 도시하는 도면이다. 같은 동작을 행하는 수단, 소자 등에 관해서는, 실시의 형태 1 등에서 설명한 도면과 동일 부호를 붙이고 있다. 상술한 실시의 형태 1 내지 3에서는, 단상의 교류 전원에 대응한 전력 변환 장치에 관해 기술하여 왔다. 이 밖에, 예를 들면, 도 31 내지 도 40에 도시하는 바와 같은, 삼상 교류 전원 대응의 같은 방식의 전력 변환 장치에 관해서도, 전류 수단(7)을 마련하여 전류 제어를 행함으로써 상기한 바와 마찬가지의 효과를 얻을 수 있고, 이 전류 수단(7)에 고장이 일어난 경우에도 장치를 보호하고, 신뢰성을 향상하는 효과를 얻을 수 있다.

실시의 형태 5.

도 41은 본 발명의 실시의 형태 5에 관한 모터 구동 장치의 구성의 한 예를 도시하는 도면이다. 본 실시의 형태에서는, 상술한 전력 변환 장치를 통한 전력 공급을 행하는 부하로서, 도 41에 도시하는 바와 같은 인버터 회로(90)와 모터(91)를 접속한다. 또한, 인버터 회로(90)의 동작을 제어하는 인버터 제어 수단(92)을 갖는다. 본 발명에 관한 전력 변환 장치를 적용함으로써, 고효율, 고신뢰성이고, 또한 이들에 마련한 전류 수단(7)에 고장이 일어난 경우에도 장치를 보호하고, 신뢰성을 향상하는 효과를 얻을 수 있다. 여기서, 본 실시의 형태와 같은 모터 구동 장치에서, 전단의 전력 변환 장치에서 전류 수단(7)의 이상을 검출한 경우에는, 인버터 제어 수단(92)은, 모터(91)에서의 부하가 작아지도록 인버터 회로(90)의 동작을 조정하도록 하여도 좋다.

실시의 형태 6.

도 42는 본 발명의 실시의 형태 6에 관한 냉동 공기 조화 장치의 구성의 한 예를 도시하는 도면이다. 본 실시의 형태에서는, 상술한 실시의 형태 5에서의 모터 구동 장치를, 공기 조화 장치의 압축기, 송풍기의 일방 또는 쌍방에 적용하는 경우에 관해 설명한다.

도 42의 냉동 공기 조화 장치는, 열원측 유닛(실외기)(300)과 부하측 유닛(실내기)(400)을 구비하고, 이들이 냉매 배관으로 연결되어, 주(主)가 되는 냉매 회로(이하, 주냉매 회로라고 칭한다)를 구성하여 냉매를 순환시키고 있다. 냉매 배관중, 기체의 냉매(가스 냉매)가 흐르는 배관을 가스 배관(500)으로 하고, 액체의 냉매(액 냉매. 기액 2상(相) 냉매인 경우도 있다)가 흐르는 배관을 액 배관(600)으로 한다.

열원측 유닛(300)은, 본 실시의 형태에서는, 압축기(301), 유(油)분리기(302), 4방 밸브(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, 운전 주파수를 임의로 변화시킴에 의해, 압축기(301)의 용량(단위시간당의 냉매를 송출하는 양)을 미세하게 변화시킬 수 있는 것으로 한다. 여기서, 상술한 각 실시의 형태에서의 전력 변환 장치가, 압축기(301)(모터)를 구동시키는 전력을 공급하는 교류 전원(1)과 부하(9)로 이루어지는 압축기(301) 등과의 사이에 부착되어 있다.

유분리기(302)는, 냉매에 섞여서 압축기(301)로부터 토출된 윤활유를 분리시키는 것이다. 분리된 윤활유는 압축기(301)로 되돌아온다. 4방 밸브(303)는, 열원측 제어 장치(310)로부터의 지시에 의거하여 냉방 운전시와 난방 운전시에 의해 냉매의 흐름을 전환한다. 또한, 열원측 열교환기(304)는, 냉매와 공기(실외의 공기)와의 열교환을 행한다. 예를 들면, 난방 운전시에는 증발기로서 기능하고, 열원측 조임 장치(307)를 통하여 유입한 저압의 냉매와 공기와의 열교환을 행하고, 냉매를 증발시켜, 기화시킨다. 또한, 냉방 운전시에서는 응축기로서 기능하여, 4방 밸브(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 관해서도, 상술한 각 실시의 형태에 기재한 전력 변환 장치를 통하여 전력 공급을 행하고, 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 모아 두는 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 스위칭 제어 수단(103) 등이 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 빼앗아서 증발시켜서 기화시켜, 가스 배관(500)측으로 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) 내에서 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 6의 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 시스템을 얻을 수 있다. 또한, 전력 변환 장치에서의 전류 수단(7)이, 고장 등에 의해 장애가 일어난 경우에도 장치, 시스템을 보호하고, 신뢰성을 향상하는 효과를 얻을 수 있다.

산업상의 이용 가능성

전술한 실시의 형태 6에서는, 본 발명에 관한 전력 변환 장치를 냉동 공기 조화 장치에 적용한 경우에 관해 설명하였지만, 이것으로 한정하는 것이 아니다. 히트 펌프 장치, 냉장고 등의 냉동 사이클(히트 펌프 사이클)을 이용하는 장치, 엘리베이터 등의 반송기기 등, 조명기구(시스템)에도 적용할 수 있고, 마찬가지 효과를 이룰 수 있다.

1 : 교류 전원
2 : 정류기
2a 내지 2f : 정류 소자
3, 3a 내지 3c : 리액터
4, 4a, 4b : 단락 수단
5, 5a, 5b : 역류 방지 소자
6 : 초퍼 회로
7, 7a 내지 7d : 전류 수단
8, 8a, 8b : 평활 수단
9 : 부하
21 : 모선 전류 지령 실효치 연산부
22 : 정현파 생성부
23 : 온 듀티 연산부
24 : 이상 처리부
41 : 정류기
41a 내지 41d : 정류 소자
42 : 단락 스위치
42a, 42b : 단락 스위치
71 : 변압기
72, 72a, 72b : 정류 소자
73 : 변압기 구동 회로
74, 74a, 74b : 전류용 스위치
75 : 전류용 전원
76, 76a, 76b : 콘덴서
80, 80a, 80b : 보호 수단
90 : 인버터 회로
91 : 모터
92 : 인버터 제어 수단
100 : 입력 전압 제로 크로스 검출부
101 : 모선 전압 검출 수단
102 : 모선 전류 검출 수단
103 : 스위칭 제어 수단
104 : 구동 신호 생성부
105 : 이상 검출 수단
106 : 차단 스위치
107 : 통보 수단
300 : 열원측 유닛
301 : 압축기
302 : 유분리기
303 : 4방 밸브
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 (17)

1. 전원의 전압을 정류하는 정류 회로와,
   상기 정류 회로로부터의 출력 전압을 평활하는 평활 수단과,
   그 평활 수단보다 상기 전원측에 배치되고, 상기 전원을 단락시켜서 전류 또는 전압의 적어도 한쪽의 제어를 행하는 단락 수단과,
   상기 단락 수단보다 상기 전원측에 배치된 리액터와,
   부하측부터 상기 전원측으로의 전류의 역류를 방지하는 하나 또는 복수의 역류 방지 소자와,
   그 역류 방지 소자와 병렬 접속한 별도 경로에 전류를 흘리는 전류 동작을 행하기 위한 전류 수단과,
   상기 전류 수단의 이상을 검출하기 위한 이상 검출 수단과,
   상기 이상 검출 수단의 검출에 의거하여 상기 전류 수단의 보호에 관한 동작 제어를 행하는 제어 수단을 구비하는 것을 특징으로 하는 전력 변환 장치.
2. 제1항에 있어서,
   상기 정류 회로를 구성하는 정류 소자의 적어도 하나를 상기 역류 방지 소자로 하는 것을 특징으로 하는 전력 변환 장치.
3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
   상기 전류 수단은,
   상기 별도 경로를 흐르는 전류를 정류하는 전류용 정류 소자와,
   1차측 권선에 관한 전압에 의거한 전압을 상기 별도 경로상의 2차측 권선에 인가시켜, 상기 전류 동작을 행하는 변압기와,
   상기 변압기의 1차측 권선에의 전압 인가에 의한 여자 전류를 제어하는 변압기 구동 장치를 갖는 것을 특징으로 하는 전력 변환 장치.
4. 제3항에 있어서,
   복수의 상기 역류 방지 소자에, 각각 상기 전류용 정류 소자 및 상기 변압기의 2차측 권선을 병렬 접속하고,
   상기 변압기의 상기 1차측 권선을 공통으로 하는 것을 특징으로 하는 전력 변환 장치.
5. 제4항에 있어서,
   각 역류 방지 소자에 대응한 전류 동작의 타이밍을 다르게 하기 위해, 각 2차측 권선을 역권(逆卷)으로 하는 것을 특징으로 하는 전력 변환 장치.
6. 제2항에 있어서,
   상기 변압기 구동 장치는, 전류용 전원과 전류용 스위치를 갖고서 상기 변압기의 1차측 권선과 접속하고,
   상기 전류용 스위치의 개폐에 의해, 상기 전류용 전원으로부터 상기 변압기의 1차측 권선에 흐르는 상기 여자 전류를 제어하는 것을 특징으로 하는 전력 변환 장치.
7. 제3항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 전류 수단은, 상기 변압기의 1차측 권선 또는 2차측 권선의 적어도 한쪽을 포함하는 전류 경로를 차단하기 위한 차단 스위치를 가지며,
   상기 제어 수단은, 상기 이상 검출 수단의 출력에 응하여, 상기 차단 스위치에 상기 전류 경로를 차단시키는 것을 특징으로 하는 전력 변환 장치.
8. 제3항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 제어 수단은, 상기 이상 검출 수단의 출력에 응하여, 상기 전류 수단이 전류 동작을 행하는 타이밍을 조정하는 것을 특징으로 하는 전력 변환 장치.
9. 제3항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 제어 수단은, 상기 이상 검출 수단의 출력에 응하여, 상기 전류 수단이 전류 동작을 행하는 시간을 조정하는 것을 특징으로 하는 전력 변환 장치의 보호 방법.
10. 제3항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제어 수단은, 상기 이상 검출 수단의 출력에 응하여, 상기 단락 수단의 동작을 정지하는 것을 특징으로 하는 전력 변환 장치.
11. 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서,
    통보를 행하기 위한 통보 수단을 또한 구비하고,
    상기 제어 수단은, 상기 이상 검출 수단의 출력에 응하여 상기 통보 수단에 이상의 취지를 통보시키는 것을 특징으로 하는 전력 변환 장치.
12. 제1항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 전류 수단은, 상기 변압기의 1차측 권선 또는 2차측 권선의 적어도 한쪽을 포함하는 전류 경로에 전류 억제 소자 또는 전류 차단 소자를 마련하는 것을 특징으로 하는 전력 변환 장치.
13. 제3항 내지 제12항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 전류용 정류 소자에 와이드 밴드 갭 반도체를 이용하는 것을 특징으로 하는 전력 변환 장치.
14. 제13항에 있어서,
    상기 와이드 밴드 갭 반도체는, 탄화규소, 질화갈륨계 재료 또는 다이아몬드를 재료로 하는 것을 특징으로 하는 전력 변환 장치.
15. 제1항 내지 제14항 중 어느 한 항에 기재한 전력 변환 장치의 출력을 교류 전력으로 변환하는 인버터 장치와,
    그 인버터 장치를 제어하는 인버터 제어 수단과,
    상기 인버터 장치가 변환한 교류 전력으로 구동하는 모터를 구비하는 것을 특징으로 하는 모터 구동 장치.
16. 제15항에 있어서,
    상기 전력 변환 장치의 이상 검출 수단이 이상을 검출하면,
    상기 인버터 제어 수단은 상기 모터의 구동을 제한하는 것을 특징으로 하는 모터 구동 장치.
17. 제15항 또는 제16항에 기재된 모터 구동 장치를, 압축기 또는 송풍기의 적어도 한쪽을 구동하기 위해 구비하는 것을 특징으로 하는 냉동 공기 조화 장치.

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