WO2014103745A1 - 昇圧回路、モータ駆動モジュール及び冷凍機器 - Google Patents
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Definitions
- the present invention relates to a rectifier that converts alternating current into direct current, a booster circuit, a motor drive module, and a refrigeration equipment.
- a motor drive system composed of a rectifier that converts AC power into DC and an inverter circuit that converts DC into AC is widely used in the field of home appliances and industrial equipment. Since the application of refrigeration equipment such as an air conditioner requires a lot of time for medium and low speed operation, it is desired to improve the efficiency of the medium and low speed operation region. Therefore, in recent years, there is a tendency that the motor induced voltage (back electromotive force) is designed to be large.
- the inverter output voltage is limited to a DC voltage during high-speed operation, and there is a possibility that the motor cannot be driven.
- Conventional countermeasures include means such as field-weakening control, but as the reactive current of the motor increases, motor loss and inverter loss increase, resulting in a decrease in overall system efficiency. Instead, when the inverter output voltage is insufficient, it is effective to increase the inverter output voltage by boosting the DC voltage.
- a boosting means for example, as described in Patent Document 1, a boosting chopper circuit composed of a reactor, a semiconductor switching element and a diode is described at the output of a diode rectifier.
- Patent Document 1 requires a DC reactor in order to boost the output voltage of the diode rectifier circuit, which inevitably increases the size and cost of the device.
- a loss occurs because a direct current flows through the reactor and the boosting diode.
- the circuit described in Patent Document 2 when the boosting operation is not performed, a current flows through the AC reactor and loss occurs.
- an object of the present invention is to provide a booster circuit, a motor drive module, and a refrigeration apparatus that do not require the use of an AC / DC reactor and can adjust the output voltage by connecting a diode rectifier and a DC / DC converter in series. There is.
- the present invention is composed of a diode rectifier circuit that converts an alternating voltage into a direct current, and a DC / DC converter that insulates an output and an input through an insulation transformer.
- the DC / DC converter input is connected to the DC side of the rectifier circuit, and the negative side of the output is connected to the positive side of the output of the rectifier circuit to adjust the output voltage or output current of the DC / DC converter.
- the DC voltage obtained by connecting the DC / DC converter and the output of the rectifier circuit in series can be adjusted.
- the present invention By using the present invention, there is no need for large-capacity direct current and alternating current reactors, and loss in the medium / low speed operation region (stopping the boost operation) of the motor drive system can be reduced. Further, since the DC / DC converter controls only the boosted voltage, the capacity of the semiconductor switching element and the insulating transformer is smaller than the overall capacity of the device, so that the volume and weight can be reduced. Therefore, according to the present invention, a low-cost and high-efficiency booster circuit, motor drive module, and refrigeration equipment can be provided.
- FIG. 1 is a configuration diagram of a booster circuit according to the first embodiment.
- This booster circuit includes a diode rectifier 2 connected to an AC power source 1, a smoothing capacitor 4 provided on the DC side of the diode rectifier 2, a DC / DC converter 3 whose input is connected to the DC side of the diode rectifier 2, and a DC A smoothing capacitor 5 connected to the output side of the / DC converter 3, an antiparallel diode 7, a smoothing capacitor 6 for output voltage, and a voltage dividing resistor 8 are provided.
- FIG. 2 is a diagram showing an example of a DC / DC converter, which is called a half bridge.
- a half bridge circuit composed of two semiconductor switching elements and an antiparallel diode and the neutrality of two voltage dividing capacitors connected to the DC side of the rectifier circuit are provided. Each point is connected.
- a high-frequency AC voltage from the secondary side of the insulating transformer 3c is converted into a DC voltage via two diode elements.
- the upper diode is energized
- a negative voltage is applied across the primary side of the insulating transformer 3c
- the lower diode is energized, A DC voltage is generated between the cathodes of the two diodes and the neutral point on the secondary side of the isolation transformer 3c.
- the output can be connected in series with the output DC voltage of the diode rectifier circuit. Therefore, the output voltage to the load 9 is the sum of the output DC voltage of the diode rectifier circuit and the output voltage of the DC / DC converter.
- Output voltage output DC voltage of diode rectifier circuit + output voltage of DC / DC converter Therefore, the output voltage to the load 9 can be controlled by adjusting the output voltage of the DC / DC converter.
- FIG. 3 is a diagram showing an example of a DC / DC converter, which is called a full bridge.
- the difference from the circuit shown in FIG. 2 is that the half bridge circuit connected to the primary side of the isolation transformer 3c is replaced with a full bridge circuit composed of four semiconductor switching elements and antiparallel diodes.
- the insulating transformer 3c A positive voltage is applied across the primary side.
- the circuit is insulated.
- a negative voltage is applied across the primary side of the transformer 3c.
- both the left and right upper arm (lower arm) semiconductor switching elements are on, the left and right lower arm (upper arm) semiconductor switching elements are both off, and the anti-parallel diode does not flow,
- the voltage across the primary side of the insulating transformer 3c becomes zero. Similar to the description in FIG. 2, the width of the voltage pulse applied to the primary side of the insulating transformer 3c can be adjusted by adjusting the on / off period of the semiconductor switching element.
- FIG. 4 is a diagram showing an example of a DC / DC converter, which is called an LLC converter.
- a resonant capacitor and a resonant reactor are inserted between both ends of the primary side of the isolation transformer 3c and an output of a half bridge circuit composed of two semiconductor switching elements and an antiparallel diode. In this circuit, the upper arm semiconductor switching element and the lower arm semiconductor switching element are repeatedly turned on and off alternately.
- FIGS. 5 to 7 correspond to FIGS. 2 to 4, respectively, so that a high-frequency AC voltage from the secondary side of the insulating transformer 3c is converted into a DC voltage using a full-bridge rectifier circuit composed of four diodes. Convert. As a result, two diode elements are added to the circuits shown in FIGS. 2 to 4, but the structure of the insulating transformer can be simplified.
- An appropriate DC / DC converter circuit is selected from FIGS. 2 to 7 according to the boost range and output capacity. For example, when the fluctuation range of the AC voltage and the output voltage is narrow, the overall efficiency can be improved by adopting the LLC resonant circuit of FIG. 4 or 7 that can reduce the operating loss of the semiconductor switching element. Also, In the case of a large capacity output (about 5 kW or more), since the output voltage of the full bridge circuit of FIG. 3 or 6 is high, the current flowing through the primary windings of the semiconductor switching element and the isolation transformer can be reduced.
- the output of the DC / DC converter can be bypassed through the conduction diode 7. This eliminates the flow of the secondary winding of the insulation trance and the rectifier diode (quick recovery diode), thereby reducing the flow loss.
- a short-circuit means such as a relay
- the energization loss of the DC / DC converter 3 does not occur completely when the booster circuit operation is stopped.
- the bypass circuit diode or relay, etc.
- the output voltage is detected using the voltage dividing resistor 8.
- the voltage signal is detected by an inexpensive voltage dividing resistor.
- a DC voltage sensor or the like may be used instead of the voltage dividing resistor.
- the output voltage of the DC / DC converter and the output voltage of the diode rectifier may be detected and processed by the controller as shown in the following expression.
- Total output voltage DC / DC converter output voltage + diode rectifier output voltage
- the relationship between the output voltage of the DC / DC converter and the output voltage of the diode rectifier is approximated by the following equation.
- Output voltage of DC / DC converter Output voltage of diode rectifier ⁇ Modulation rate ⁇ Winding ratio
- the modulation rate is the control amount calculated by the controller 3a
- the winding ratio is the winding ratio of the insulating transformer 3c. Therefore, the total output voltage can be calculated as follows.
- Total output voltage Output voltage of diode rectifier x (1 + modulation factor x winding ratio)
- Total output voltage DC / DC converter output voltage ⁇ ⁇ 1 + 1 / (modulation factor ⁇ winding ratio) ⁇
- the controller 3a of the DC / DC converter is an analog circuit, a microcomputer (microcomputer) or a DSP (digital signal processor). ) And the like, the DC voltage signal from the voltage detection means such as the voltage dividing resistor 8 and the boost target voltage are processed, and the on / off control signal of each semiconductor switching element of the DC / DC converter is processed. appear. In addition, since the pulsation voltage can be suppressed, the smoothing capacitor capacity can be reduced as compared with a normal diode rectifier.
- FIG. 8 is a functional block configuration diagram of the controller 3a of the DC / DC converter.
- the DC voltage controller 3a1 calculates the difference between the detected overall output voltage signal and the boost target voltage to create a PWM control modulation rate.
- a pulsation component of the DC voltage signal is extracted by means such as a band pass filter (BPF), and a cancellation modulation rate is calculated so as to suppress the pulsation.
- BPF band pass filter
- the PWM control modulation rate is output to the PWM controller 18.
- the PWM controller 18 outputs a PWM (Pulse Width Modulation) control signal by comparing the modulation factor with the carrier wave (triangular wave or sawtooth wave), and turns on / off the semiconductor switching element of the DC / DC converter.
- PWM Pulse Width Modulation
- FIG. 9 is a diagram showing the configuration of the motor drive device according to the second embodiment of the present invention.
- the rectification and boosting portion for converting direct current to direct current is the same as that shown in FIG.
- a motor 11 is driven using an inverter 10 on the DC output side of the booster circuit.
- Controller 16 generates a PWM control signal for the inverter to control the motor. Using information such as motor speed and current, inverter output voltage, or inverter modulation factor (ratio of output voltage to DC voltage), the optimal boost target voltage is calculated and transmitted to the controller of the DC / DC converter. To do.
- the controller of the DC / DC converter controls the DC / DC converter using the control configuration of FIG. 8 described in the first embodiment.
- Fig. 10 shows an image of adjusting the DC voltage using a booster circuit in the motor drive device.
- the operation of the booster circuit is stopped and the motor is controlled only by PWM control of the inverter.
- the DC voltage is adjusted by operating the booster circuit, and the motor current is reduced by boost control and inverter PWM control.
- the boost voltage target value is adjusted so as to improve the overall system efficiency and reduce the motor current.
- the motor driving apparatus of the present embodiment a motor with a large induced voltage can be adopted as compared with the case where there is no booster circuit, so that the motor current can be reduced and the inverter loss can be reduced in the middle / low speed region. Since the inverter current can be reduced by boosting operation in a high-speed region, a lower-rated semiconductor switching element can also be employed.
- the above is the embodiment of the configuration of the motor drive device of the present invention.
- FIG. 13 is an external view of the motor drive module 20 according to the third embodiment of the present invention, and shows one form of the final product.
- the module 20 is a motor drive module in which the semiconductor switching element 22 is mounted on the substrate 21.
- the booster circuit, the voltage / current detection circuit, the controller, the inverter circuit, and the like described in FIG. 11 are mounted on the substrate 21.
- the Miniaturization is achieved by modularization, and the device cost can be reduced.
- the module means “standardized structural unit” and is composed of separable hardware / software components.
- the overall product cost and volume can be reduced, so that the versatility and convenience of the motor drive system using the module of this embodiment can be improved.
- FIG. 14 is a configuration diagram of a refrigeration apparatus such as an air conditioner or a refrigerator that drives a compressor motor using the motor drive module according to the fourth embodiment of the present invention.
- the refrigeration equipment 300 is a device that harmonizes temperatures, and includes heat exchangers 301 and 302, fans 303 and 304, a compressor 305, a pipe 306, and a motor driving device 307.
- the compressor motor 308 is arranged inside the compressor 305 using a permanent magnet synchronous motor or a three-phase induction motor.
- the motor driving device 307 converts AC power into DC and provides it to the motor driving inverter to drive the motor.
- the motor drive module of the present embodiment it is possible to control the boost of DC voltage, and to drive a motor with high efficiency and wide range, so that the efficiency of the refrigeration equipment can be improved and the cost can be reduced.
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Abstract
低コスト高効率の昇圧回路及びモータ駆動モジュールを提供する。そのため、交流電圧を直流に変換するダイオード整流回路（２）と、絶縁トランスを介して出力と入力を絶縁するＤＣ／ＤＣ変換器（３）から構成され、前記ＤＣ／ＤＣ変換器（３）の入力が前記整流回路（２）の直流側に接続し、出力の負側が前記整流回路（２）の出力の正側と接続して、前記ＤＣ／ＤＣ変換器（３）の出力電圧もしくは出力電流を調整することにより、前記ＤＣ／ＤＣ変換器（３）と前記整流回路（２）の出力を直列接続した直流電圧を調整できることを実現する。
Description
本発明は、交流を直流に変換する整流装置、昇圧回路、モータ駆動モジュール及び冷凍機器に関する。
交流電源を直流に変換する整流装置と、直流を交流に変換するインバータ回路から構成されるモータ駆動システムが家電製品や産業機器分野において広く普及している。エアコンなど冷凍機器の応用は、中低速運転の時間が多いので、中低速運転領域の効率向上が望まれている。そのため、近年、モータ誘起電圧（逆起電力）が大きく設計される傾向がある。
しかし、モータ誘起電圧（逆起電力）がモータ回転数と比例するため、高速運転時に、インバータの出力電圧が直流電圧に制限されて、モータ駆動ができなくなる可能性がある。従来対策として、弱め界磁制御など手段があるが、モータの無効電流の増加に伴い、モータ損失とインバータ損失が増え、システム総合効率が低下してしまう。その代わりに、インバータ出力電圧が足りない場合、直流電圧を昇圧させて、インバータ出力電圧を高くするのは有効である。
交流電圧を直流に変換して、さらに昇圧する回路構成の開発は古くから行われており、多数の方式が提案されている。例えば、６個の半導体パワー素子から構成される三相ＰＷＭコンバータを用いて、入力電流の高調波低減と出力直流電圧の昇圧制御ができるが、多くの半導体パワー素子と複雑な制御手段が必要なので、装置のコストが大幅に増加してしまう。エアコンや汎用インバータなど民生や産業用装置は、製品コストを重視するので、安価な昇圧手段が望まれている。
また、昇圧手段として、例えば、特許文献１に記載しているように、ダイオード整流器の出力にリアクトル、半導体スイッチング素子とダイオードから構成される昇圧チョッパ回路が記載されている。
特許文献１に記載の技術は、ダイオード整流回路の出力電圧を昇圧するために、直流リアクトルが必要となり、装置の大型化やコストアップを避けられない。特に、昇圧動作停止時にも、リアクトルと昇圧ダイオードに直流電流が流れるため、損失が発生する。同様に、特許文献２に記載する回路にも、昇圧動作しない場合、交流リアクトルに電流が流れて損失が発生する。
そこで、本発明の目的は、交流／直流リアクトルの採用が不要であり、ダイオード整流器とＤＣ／ＤＣ変換器の直列接続で、出力電圧を調整できる昇圧回路、モータ駆動用モジュール及び冷凍機器を提供することにある。
前記課題を解決するため、本発明は交流電圧を直流に変換するダイオード整流回路と、絶縁トランスを介して出力と入力を絶縁するＤＣ／ＤＣ変換器から構成され、
前記ＤＣ／ＤＣ変換器の入力が前記整流回路の直流側に接続し、出力の負側が前記整流回路の出力の正側と接続しで、前記ＤＣ／ＤＣ変換器の出力電圧もしくは出力電流を調整することにより、前記ＤＣ／ＤＣ変換器と前記整流回路の出力を直列接続した直流電圧を調整できることを特徴とするものである。
前記ＤＣ／ＤＣ変換器の入力が前記整流回路の直流側に接続し、出力の負側が前記整流回路の出力の正側と接続しで、前記ＤＣ／ＤＣ変換器の出力電圧もしくは出力電流を調整することにより、前記ＤＣ／ＤＣ変換器と前記整流回路の出力を直列接続した直流電圧を調整できることを特徴とするものである。
本発明を用いることにより、大容量の直流及び交流リアクトルの必要がなくなり、モータ駆動システムの中低速運転領域（昇圧動作停止）の損失低減が図れる。また、ＤＣ／ＤＣ変換器が昇圧分電圧だけ制御するので、半導体スイッチング素子及び絶縁トランスの容量は、装置全体容量より小さいので、体積と重量の低減ができる。
したがって、本発明によれば、低コスト高効率の昇圧回路、モータ駆動モジュール及び冷凍機器を提供できる。
したがって、本発明によれば、低コスト高効率の昇圧回路、モータ駆動モジュール及び冷凍機器を提供できる。
以下、本発明の実施例について図面を用いて説明する。
以下、図面を用いて本発明の実施例１について説明する。
図１は、第１実施例の昇圧回路の構成図である。この昇圧回路は、交流電源１に接続されるダイオード整流器２と、ダイオード整流器２の直流側に設ける平滑コンデンサ４と、入力をダイオード整流器２の直流側に接続するＤＣ／ＤＣ変換器３と、ＤＣ／ＤＣ変換器３の出力側に接続する平滑コンデンサ５と逆並列ダイオード７と、出力電圧の平滑コンデンサ６と、分圧抵抗８を備える。
図１は、第１実施例の昇圧回路の構成図である。この昇圧回路は、交流電源１に接続されるダイオード整流器２と、ダイオード整流器２の直流側に設ける平滑コンデンサ４と、入力をダイオード整流器２の直流側に接続するＤＣ／ＤＣ変換器３と、ＤＣ／ＤＣ変換器３の出力側に接続する平滑コンデンサ５と逆並列ダイオード７と、出力電圧の平滑コンデンサ６と、分圧抵抗８を備える。
ダイオード整流器２には高周波電流が流れないため、５０Ｈｚ／６０Ｈｚ電源対応の安価な汎用整流ダイオードを使用する。また、直流及び交流リアクトルが使わないため、通流損失低減が図れる。ＤＣ／ＤＣ変換器が昇圧電圧だけ出力するので、半導体スイッチング素子及び絶縁トランスの容量は、全体容量より小さい。
ＤＣ／ＤＣ変換器は、図２～図７に示す回路構成の何れかを採用する。
図２は、ＤＣ／ＤＣ変換器の一例を示す図でハーフブリッジと呼ばれるものである。ここで絶縁トランス３ｃの一次側の両端には、二つの半導体スイッチング素子及び逆並列ダイオードから構成されるハーフブリッジ回路の出力と、前記整流回路の直流側に接続する二つの分圧コンデンサの中性点とが、それぞれ接続される。ハーフブリッジ回路の上アームの半導体スイッチング素子がオン、下アームの半導体スイッチング素子がオフ状態にすると、絶縁トランス３ｃの一次側の両端に正の電圧が印加する。逆に、ハーフブリッジ回路の上アームの半導体スイッチング素子がオフ、下アームの半導体スイッチング素子がオン状態にすると、絶縁トランス３ｃの一次側の両端に負の電圧が印加する。また、上アームと下アームの半導体スイッチング素子が両方オフにして、かつ逆並列ダイオードが通流しない際、絶縁トランス３ｃの一次側の両端電圧が０になる。これにより、半導体スイッチング素子の通電状態を制御すれば、ダイオード整流回路の出力直流電圧を高周波の交流電圧に変換できる。
更に、半導体スイッチング素子のオン・オフ区間を調整すれば、絶縁トランス３ｃの一次側に印加する電圧パルスの幅を調整できる。
図２は、ＤＣ／ＤＣ変換器の一例を示す図でハーフブリッジと呼ばれるものである。ここで絶縁トランス３ｃの一次側の両端には、二つの半導体スイッチング素子及び逆並列ダイオードから構成されるハーフブリッジ回路の出力と、前記整流回路の直流側に接続する二つの分圧コンデンサの中性点とが、それぞれ接続される。ハーフブリッジ回路の上アームの半導体スイッチング素子がオン、下アームの半導体スイッチング素子がオフ状態にすると、絶縁トランス３ｃの一次側の両端に正の電圧が印加する。逆に、ハーフブリッジ回路の上アームの半導体スイッチング素子がオフ、下アームの半導体スイッチング素子がオン状態にすると、絶縁トランス３ｃの一次側の両端に負の電圧が印加する。また、上アームと下アームの半導体スイッチング素子が両方オフにして、かつ逆並列ダイオードが通流しない際、絶縁トランス３ｃの一次側の両端電圧が０になる。これにより、半導体スイッチング素子の通電状態を制御すれば、ダイオード整流回路の出力直流電圧を高周波の交流電圧に変換できる。
更に、半導体スイッチング素子のオン・オフ区間を調整すれば、絶縁トランス３ｃの一次側に印加する電圧パルスの幅を調整できる。
絶縁トランス３ｃの二次側からの高周波の交流電圧を、二つのダイオード素子を介して、直流電圧に変換する。
絶縁トランス３ｃの一次側の両端に正の電圧が印加する場合、上のダイオードが通電し、絶縁トランス３ｃの一次側の両端に負の電圧が印加する場合、下のダイオードが通電することにより、二つのダイオードのカソードと絶縁トランス３ｃの二次側の中性点との間から直流電圧が出る。
絶縁トランス３ｃの一次側の両端に正の電圧が印加する場合、上のダイオードが通電し、絶縁トランス３ｃの一次側の両端に負の電圧が印加する場合、下のダイオードが通電することにより、二つのダイオードのカソードと絶縁トランス３ｃの二次側の中性点との間から直流電圧が出る。
この図２のＤＣ／ＤＣ変換器を図１に備えたことにより、
絶縁トランスを介して出力と入力の電気絶縁がされるため、出力はダイオード整流回路の出力直流電圧との直列接続ができる。故に、負荷９への出力電圧は、ダイオード整流回路の出力直流電圧とＤＣ／ＤＣ変換器の出力電圧の和である。
〔式１〕
出力電圧＝ダイオード整流回路の出力直流電圧＋ＤＣ／ＤＣ変換器の出力電圧
従って、ＤＣ／ＤＣ変換器の出力電圧の調整により、負荷９への出力電圧制御ができる。
絶縁トランスを介して出力と入力の電気絶縁がされるため、出力はダイオード整流回路の出力直流電圧との直列接続ができる。故に、負荷９への出力電圧は、ダイオード整流回路の出力直流電圧とＤＣ／ＤＣ変換器の出力電圧の和である。
〔式１〕
出力電圧＝ダイオード整流回路の出力直流電圧＋ＤＣ／ＤＣ変換器の出力電圧
従って、ＤＣ／ＤＣ変換器の出力電圧の調整により、負荷９への出力電圧制御ができる。
図３は、ＤＣ／ＤＣ変換器の一例を示す図でフルブリッジと呼ばれるものである。図２に示す回路と違うのは、絶縁トランス３ｃの一次側に接続するハーフブリッジ回路を、四つの半導体スイッチング素子及び逆並列ダイオードから構成されるフルブリッジ回路に替えること。この回路の左側の上アームの半導体スイッチング素子と右側の下アームの半導体スイッチング素子がオン、左側の下アームの半導体スイッチング素子と右側の上アームの半導体スイッチング素子がオフ状態にすると、絶縁トランス３ｃの一次側の両端に正の電圧が印加する。逆に、この回路の左側の下アームの半導体スイッチング素子と右側の上アームの半導体スイッチング素子がオン、左側の上アームの半導体スイッチング素子と右側の下アームの半導体スイッチング素子がオフ状態にすると、絶縁トランス３ｃの一次側の両端に負の電圧が印加する。また、左側と右側の上アーム（下アーム）の半導体スイッチング素子が両方オン、左側と右側の下アーム（上アーム）の半導体スイッチング素子が両方オフにして、かつ逆並列ダイオードが通流しない際、絶縁トランス３ｃの一次側の両端電圧が０になる。図２での説明と同様に、半導体スイッチング素子のオン・オフ区間を調整すれば、絶縁トランス３ｃの一次側に印加する電圧パルスの幅を調整できる。
この回路は図２に示す回路より二つの半導体スイッチング素子が増えるが、絶縁トランス３ｃの一次側への出力電圧振幅が２倍であるため、より大きい出力容量が得られる。昇圧原理は、図２で説明した動作と同じであるため、ここで説明を省略する。
図４は、ＤＣ／ＤＣ変換器の一例を示す図でＬＬＣ変換器と呼ばれるものである。絶縁トランス３ｃの一次側の両端と、二つの半導体スイッチング素子及び逆並列ダイオードから構成されるハーフブリッジ回路の出力との間に、共振コンデンサと共振リアクトルを挿入する。この回路では，上アームの半導体スイッチング素子と下アームの半導体スイッチング素子が交互にオン・オフを繰り返す。このオン・オフ動作により，直列共振回路には正負に行き来する循環電流が流れ，この循環電流により二つの半導体スイッチング素子のターンオン時にはゼロ電圧スイッチング（Ｚｅｒｏ Ｖｏｌｔａｇｅ Ｓｗｉｔｃｈｉｎｇ）を実現する。またターンオフ時には，下アームの半導体スイッチング素子に並列に接続された電圧共振用コンデンサとの電圧擬似共振動作によりスイッチング損失を軽減できる。
図４は、ＤＣ／ＤＣ変換器の一例を示す図でＬＬＣ変換器と呼ばれるものである。絶縁トランス３ｃの一次側の両端と、二つの半導体スイッチング素子及び逆並列ダイオードから構成されるハーフブリッジ回路の出力との間に、共振コンデンサと共振リアクトルを挿入する。この回路では，上アームの半導体スイッチング素子と下アームの半導体スイッチング素子が交互にオン・オフを繰り返す。このオン・オフ動作により，直列共振回路には正負に行き来する循環電流が流れ，この循環電流により二つの半導体スイッチング素子のターンオン時にはゼロ電圧スイッチング（Ｚｅｒｏ Ｖｏｌｔａｇｅ Ｓｗｉｔｃｈｉｎｇ）を実現する。またターンオフ時には，下アームの半導体スイッチング素子に並列に接続された電圧共振用コンデンサとの電圧擬似共振動作によりスイッチング損失を軽減できる。
これにより、二つの半導体スイッチング素子のスイッチング損失を低減し、より高い動作周波数を実現できるため、昇圧回路の効率向上と小型化を図れる。昇圧原理は、図２で説明した動作と同じであるため、ここで説明を省略する。
図５～７は、図２～４にそれぞれに対応して、絶縁トランス３ｃの二次側からの高周波の交流電圧が、四つのダイオードから構成されるフルブリッジ整流回路を用いて、直流電圧に変換する。これにより、図２～４に示す回路より二つのダイオード素子が増えるが、絶縁トランスの構造が簡略できる。
図５～７は、図２～４にそれぞれに対応して、絶縁トランス３ｃの二次側からの高周波の交流電圧が、四つのダイオードから構成されるフルブリッジ整流回路を用いて、直流電圧に変換する。これにより、図２～４に示す回路より二つのダイオード素子が増えるが、絶縁トランスの構造が簡略できる。
昇圧範囲や出力容量によって、図２～図７から適当なＤＣ／ＤＣ変換器の回路を選択する。たとえば、交流電圧と出力電圧の変動範囲が狭い場合、半導体スイッチング素子の動作損失を低減できる図４若しくは図７のＬＬＣ共振回路を採用すれば、全体効率向上ができる。また、
大容量出力（約５ｋＷ以上）の場合、図３若しくは図６のフルブリッジ回路の出力電圧が高いため、半導体スイッチング素子及び絶縁トランスの一次巻線に流す電流が低減できる。
大容量出力（約５ｋＷ以上）の場合、図３若しくは図６のフルブリッジ回路の出力電圧が高いため、半導体スイッチング素子及び絶縁トランスの一次巻線に流す電流が低減できる。
昇圧回路動作停止時に、通流ダイオード７を通じてＤＣ／ＤＣ変換器の出力をバイパスできる。これにより、絶縁トレンスの２次巻き線と整流ダイオード（快速回復ダイオード）の通流が無くなるため、通流損失が低減できる。バイパスダイオード７の通流損失をさらに低減するため、ダイオードの代わりに、オン・オフ制御可能な短絡手段（リレーなど）を使用しても良い。そうすれば、昇圧回路動作停止時に、ＤＣ／ＤＣ変換器３の通電損失が完全に発生しない。但し、コスト削減のため、上記バイパス回路（ダイオード若しくはリレーなど）を削除
しても、絶縁トレンスの２次巻き線と整流ダイオードに電流が流れられるので、昇圧回路動作への影響がない。
しても、絶縁トレンスの２次巻き線と整流ダイオードに電流が流れられるので、昇圧回路動作への影響がない。
出力電圧を安定制御するため、分圧抵抗８を用いて、出力電圧を検出する。ここで、コスト削減のため、安価な分圧抵抗で電圧信号を検出するが、分圧抵抗の代わりに、直流電圧センサなど手段にしても構わない。
また、全体出力電圧の代わりに、ＤＣ／ＤＣ変換器の出力電圧とダイオード整流器の出力電圧を検出して、制御器で下式のように処理しても良い。
〔式２〕
全体出力電圧 ＝ ＤＣ／ＤＣ変換器の出力電圧 ＋ ダイオード整流器の出力電圧 更に、ＤＣ／ＤＣ変換器の出力電圧はダイオード整流器の出力電圧との関係が下式で近似に表れる。
ＤＣ／ＤＣ変換器の出力電圧 ＝ ダイオード整流器の出力電圧×変調率×巻線比
ここで、変調率が制御器３ａで算出した制御量、巻線比が絶縁トランス３ｃの巻線比である。故に、全体出力電圧が以下のように算出できる。
〔式３〕
全体出力電圧 ＝ ダイオード整流器の出力電圧×（１＋変調率×巻線比）
〔式４〕
全体出力電圧 ＝ ＤＣ／ＤＣ変換器の出力電圧×｛１＋１／（変調率×巻線比）｝ ＤＣ／ＤＣ変換器の制御器３ａは、アナログ回路、マイコン（マイクロコンピュータ）もしくはＤＳＰ（デジタルシグナルプロセッサ）等の半導体演算素子を用いて、分圧抵抗８などの電圧検出手段からの直流電圧信号と昇圧目標電圧を処理して、ＤＣ／ＤＣ変換器の各半導体スイッチング素子のオン・オフ制御信号を発生する。また、脈動電圧の抑制もできるので、平滑コンデンサ容量は通常のダイオード整流器より低減することが可能になる。
〔式２〕
全体出力電圧 ＝ ＤＣ／ＤＣ変換器の出力電圧 ＋ ダイオード整流器の出力電圧 更に、ＤＣ／ＤＣ変換器の出力電圧はダイオード整流器の出力電圧との関係が下式で近似に表れる。
ＤＣ／ＤＣ変換器の出力電圧 ＝ ダイオード整流器の出力電圧×変調率×巻線比
ここで、変調率が制御器３ａで算出した制御量、巻線比が絶縁トランス３ｃの巻線比である。故に、全体出力電圧が以下のように算出できる。
〔式３〕
全体出力電圧 ＝ ダイオード整流器の出力電圧×（１＋変調率×巻線比）
〔式４〕
全体出力電圧 ＝ ＤＣ／ＤＣ変換器の出力電圧×｛１＋１／（変調率×巻線比）｝ ＤＣ／ＤＣ変換器の制御器３ａは、アナログ回路、マイコン（マイクロコンピュータ）もしくはＤＳＰ（デジタルシグナルプロセッサ）等の半導体演算素子を用いて、分圧抵抗８などの電圧検出手段からの直流電圧信号と昇圧目標電圧を処理して、ＤＣ／ＤＣ変換器の各半導体スイッチング素子のオン・オフ制御信号を発生する。また、脈動電圧の抑制もできるので、平滑コンデンサ容量は通常のダイオード整流器より低減することが可能になる。
図８は、ＤＣ／ＤＣ変換器の制御器３ａの機能ブロック構成図である。具体的には、直流電圧制御器３ａ１では、検出した全体出力電圧信号と昇圧目標電圧の差分を演算し、ＰＷＭ制御変調率を作成する。更に、脈動抑制制御器３ａ４では、図８に示すように、バンドパスフィルタ（ＢＰＦ）など手段で直流電圧信号の脈動成分を抽出して、その脈動を抑制するように、打ち消し変調率を算出し、ＰＷＭ制御変調率と合わせてＰＷＭ制御器１８に出力する。
最後に、ＰＷＭ制御器１８で、変調率とキャリア波（三角波もしくはのこぎり波）との比較により、ＰＷＭ（Ｐｕｌｓｅ Ｗｉｄｔｈ Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ）制御信号を出力し、ＤＣ／ＤＣ変換器の半導体スイッチング素子のオン・オフを制御する。
以上が、本発明の昇圧回路の構成と昇圧制御の実施例である。
以上が、本発明の昇圧回路の構成と昇圧制御の実施例である。
図９は、本発明の実施例２のモータ駆動装置の構成を示す図である。交流から直流を変換する整流と昇圧部分は、図１に示すものと同じである。昇圧回路の直流出力側に、インバータ１０を用いて、モータ１１を駆動する。
制御器１６では、インバータのＰＷＭ制御信号を発生してモータを制御する。モータの回転数や電流及びインバータの出力電圧もしくはインバータの変調率（出力電圧と直流電圧の比）など情報を用いて、最適な昇圧目標電圧を算出し、ＤＣ／ＤＣ変換器の制御器へ伝送する。ＤＣ／ＤＣ変換器の制御器は、第１実施例で説明した図８の制御構成を用いて、ＤＣ／ＤＣ変換器を制御する。
図１０に、モータ駆動装置において昇圧回路を使って直流電圧を調整するイメージを示す。モータが中低速運転領域で、昇圧回路の動作を停止し、インバータのＰＷＭ制御のみでモータを制御する。高速運転領域で、昇圧回路を動作させることにより直流電圧を調整して、昇圧制御とインバータのＰＷＭ制御により、モータ電流を低減する。また、昇圧電圧目標値は、システム全体効率向上及びモータ電流低減するように調整する。調整方法は、例えば、事前に設定した昇圧電圧目標値と回転数との関係テーブルを用意して、これを用いることが考えられる。
故に、本実施例のモータ駆動装置を使用すれば、昇圧回路が無い場合に比べて、大きい誘起電圧を設計したモータを採用できるので、中低速領域でモータ電流低減とインバータの損失低減ができる。高速領域で昇圧動作により、インバータの電流も低減できので、より低定格の半導体スイッチング素子も採用できる。
以上が、本発明のモータ駆動装置の構成の実施例である。
以上が、本発明のモータ駆動装置の構成の実施例である。
図１３は、本発明の実施例３のモータ駆動モジュール２０の外観図であり、最終製品の一形態を示す。モジュール２０は、基板２１に半導体スイッチング素子２２が搭載されたモータ駆動モジュールであり、基板２１には、前述の図１１に記載の昇圧回路、電圧電流検出回路、制御器、インバータ回路などが実装される。モジュール化によって、小型化が達成され、装置コストの低減が図れる。なお、モジュールとは「規格化された構成単位」という意味であり、分離可能なハードウエア／ソフトウエアの部品から構成されているものである。また、製造上、同一基板上で構成されていることが好ましいが、同一基板に限定はされない。これより、同一筐体に内蔵された複数の回路基板上に構成されてもよい。
この実施例によれば、製品全体コストの削減と体積の低減ができるので、本実施例のモジュールを使用するモータ駆動システムの汎用性と便利性を向上できる。
以下、図面を用いて本実施例の冷凍機器について説明する。
図１４は、本発明の実施例４の前記モータ駆動モジュールを用いて、圧縮機モータを駆動した空気調和機や冷凍機などの冷凍機器の構成図である。冷凍機器３００は、温度を調和する装置であり、熱交換器３０１と３０２と、ファン３０３と３０４と、圧縮機３０５と、配管３０６と、モータ駆動装置３０７から構成されている。なお、圧縮機用モータ３０８は永久磁石同期モータもしくは三相誘導モータを用いて、圧縮機３０５の内部に配置されている。モータ駆動装置３０７は、交流電源を直流に変換して、モータ駆動インバータに提供し、モータを駆動する。
図１４は、本発明の実施例４の前記モータ駆動モジュールを用いて、圧縮機モータを駆動した空気調和機や冷凍機などの冷凍機器の構成図である。冷凍機器３００は、温度を調和する装置であり、熱交換器３０１と３０２と、ファン３０３と３０４と、圧縮機３０５と、配管３０６と、モータ駆動装置３０７から構成されている。なお、圧縮機用モータ３０８は永久磁石同期モータもしくは三相誘導モータを用いて、圧縮機３０５の内部に配置されている。モータ駆動装置３０７は、交流電源を直流に変換して、モータ駆動インバータに提供し、モータを駆動する。
本実施例のモータ駆動モジュールを使用することにより、直流電圧の昇圧制御ができ、より高効率広範囲モータ駆動ができるので、冷凍機器の効率向上とコスト削減を図れる。
１ 交流電源
２ ダイオードブリッジ
３ ＤＣ／ＤＣ変換器
３ａ 制御器
３ａ１ 直流電圧制御器
３ａ２ ＰＷＭ制御器
３ａ３ キャリア波発生器
３ａ４ 脈動補償制御器
３ｂ ＤＣ／ＡＣ変換器
３ｂ１ 半導体スイッチング素子
３ｂ２ コンデンサ
３ｂ３ 共振リアクトル
３ｃ 絶縁トレンス
３ｄ ＡＣ／ＤＣ変換器
３ｄ１ ダイオード
４、５、６ 平滑コンデンサ
７ ダイオード
８ 分圧抵抗
９ 直流負荷
１０ インバータ
１１ モータ
１２、１４ シャント抵抗
１３、１５ 増幅器
１６ 制御器
１７、２０ モータ駆動モジュール
１８ 直流電圧グラフ
１９ モータ電流グラフ
２１ 基板
２２ 半導体スイッチング素子（パワーモジュール）
２３ マイコン
３００ 冷凍機器
３０１、３０２ 熱交換器
３０３、３０４ ファン
３０５ 圧縮機
３０６ 配管
３０７ モータ駆動装置
３０８ 圧縮機用モータ
２ ダイオードブリッジ
３ ＤＣ／ＤＣ変換器
３ａ 制御器
３ａ１ 直流電圧制御器
３ａ２ ＰＷＭ制御器
３ａ３ キャリア波発生器
３ａ４ 脈動補償制御器
３ｂ ＤＣ／ＡＣ変換器
３ｂ１ 半導体スイッチング素子
３ｂ２ コンデンサ
３ｂ３ 共振リアクトル
３ｃ 絶縁トレンス
３ｄ ＡＣ／ＤＣ変換器
３ｄ１ ダイオード
４、５、６ 平滑コンデンサ
７ ダイオード
８ 分圧抵抗
９ 直流負荷
１０ インバータ
１１ モータ
１２、１４ シャント抵抗
１３、１５ 増幅器
１６ 制御器
１７、２０ モータ駆動モジュール
１８ 直流電圧グラフ
１９ モータ電流グラフ
２１ 基板
２２ 半導体スイッチング素子（パワーモジュール）
２３ マイコン
３００ 冷凍機器
３０１、３０２ 熱交換器
３０３、３０４ ファン
３０５ 圧縮機
３０６ 配管
３０７ モータ駆動装置
３０８ 圧縮機用モータ
Claims (12)
- 交流電圧を直流電圧に変換するダイオード整流回路と、
絶縁トランスを介して出力側と入力側とが絶縁され、出力電圧又は出力電流を調整するＤＣ／ＤＣ変換器と、を備え、
前記ＤＣ／ＤＣ変換器は、
入力側が前記ダイオード整流回路の直流側に接続されるとともに、出力側の負側が前記ダイオード整流回路の直流側の正側と接続されることにより、前記ＤＣ／ＤＣ変換器と前記ダイオード整流回路とが直列接続され、出力される直流電圧を調整可能に構成されたことを特徴とする昇圧回路。 - 請求項１において、
前記ＤＣ／ＤＣ変換器の前記絶縁トランスの一次側の両端に、二つの半導体スイッチング素子及び逆並列ダイオードから構成されるハーフブリッジ回路の出力と、前記整流回路の直流側に接続する二つの分圧コンデンサの中性点とが、それぞれ接続されることにより、前記ダイオード整流回路の出力直流電圧を交流電圧に変換することを特徴とする昇圧回路。 - 請求項１において、
前記ＤＣ／ＤＣ変換器の前記絶縁トランスの一次側の両端が、四つの半導体スイッチング素子及び逆並列ダイオードから構成されるフルブリッジ回路の交流出力に接続されることにより、前記ダイオード整流回路の出力直流電圧を交流電圧に変換することを特徴とする昇圧回路。 - 請求項１において、
前記ＤＣ／ＤＣ変換器の絶縁トランスの一次側と、二つの半導体スイッチング素子及び逆並列ダイオードから構成されるハーフブリッジ回路の出力との間に、共振コンデンサ及び共振リアクトルが接続され、
前記半導体スイッチング素子の通電幅と周波数を制御することにより、回路共振により素子のスイッチング損失を低減し、前記整流回路の出力直流電圧を交流電圧に変換することを特徴とする昇圧回路。 - 請求項１～４の何れかにおいて、
四つのダイオードから構成されるフルブリッジ整流回路を用いて、前記ＤＣ／ＤＣ変換器の絶縁トランスの二次側の出力を直流に変換することを特徴とする昇圧回路。 - 請求項１～４の何れかにおいて、
前記ＤＣ／ＤＣ変換器の前記絶縁トランスの二次巻き線に中点を設けて、二つのダイオードを用いて、二次巻き線の交流出力を直流に変換することを特徴とする昇圧回路。
- 請求項１において、
前記ＤＣ／ＤＣ変換器が動作停止時に、前記ＤＣ／ＤＣ変換器の出力端子に接続される逆並列ダイオードもしくはオン・オフ制御できるスイッチ素子のバイパス通流により、当該ＤＣ／ＤＣ変換器の損失を低減する
ことを特徴とする昇圧回路。 - 請求項１～７の何れかにおいて、
前記ＤＣ／ＤＣ変換器は、ＤＣ／ＤＣ変換器の出力電圧、前記整流回路の出力電圧、ＤＣ／ＤＣ変換器と整流回路と直列した全体出力電圧の少なくとも一つを検出して、ＤＣ／ＤＣ変換器の半導体スイッチング素子のオン・オフ制御により、全体出力電圧を所定指令値に昇圧できる
ことを特徴とする昇圧回路。 - 請求項１において、
前記ＤＣ／ＤＣ変換器の出力電圧と、前記整流回路の出力電圧、ＤＣ／ＤＣ変換器と整流回路と直列した全体出力電圧の少なくとも一つの電圧の脈動成分を検出して、前記ＤＣ／ＤＣ変換器の半導体スイッチング素子のオン・オフ制御により、出力直流電圧の脈動成分を抑制する
ことを特徴とする昇圧回路。 - 請求項９において、
前記昇圧回路の負荷がモータ駆動用インバータである場合、インバータの出力電圧もしくは変調率（出力電圧と直流電圧の比）と、モータ回転周波数と、モータ電流の少なくとも一つの情報を用いて、モータ電流の低減もしくは全体損失低減するように、前記昇圧回路の出力電圧の所定指令値を調整することを特徴とするモータ駆動モジュール。 - 交流電圧を直流に変換して直流電圧を調整できる昇圧回路と、直流を交流に変換するインバータを有するモータ駆動モジュールにおいて、
前記昇圧回路は請求項１～１０の何れかに記載の昇圧回路であることを特徴とするモータ駆動モジュール。 - 交流電圧を直流に変換して直流電圧を調整できる昇圧回路と、直流を交流に変換するインバータを有するモータ駆動用モジュールを用いて圧縮機に内蔵されたモータを駆動する冷凍機器において、
前記昇圧回路は請求項１～１０の何れかに記載の昇圧回路であることを特徴とする冷凍機器。
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2012
- 2012-12-28 JP JP2012286610A patent/JP2014131372A/ja active Pending
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2013
- 2013-12-13 WO PCT/JP2013/083411 patent/WO2014103745A1/ja active Application Filing
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