WO2015098625A1

WO2015098625A1 - 過電圧保護回路、及びそれを備えた電力変換装置

Info

Publication number: WO2015098625A1
Application number: PCT/JP2014/083280
Authority: WO
Inventors: 俊彰佐藤; 矢吹　俊生; 田口　泰貴; 淳也三井; 康平森田; 敬之畑山
Original assignee: ダイキン工業株式会社
Priority date: 2013-12-27
Filing date: 2014-12-16
Publication date: 2015-07-02
Also published as: CN105830302B; CN105830302A; JP2015128357A

Abstract

　本発明の課題は、瞬間的な過大電圧から機器を保護する小型・低コストの過電圧保護回路、及びそれを備えた電力変換装置を提供することにある。過電圧保護回路（５０）では、過電圧時には、過電圧導通回路（１０）のバリスタが導通状態となり、第２スイッチ（１２）がオフすることによって、機器（３０）には電圧Ｖａ＝Ｖａｃ―Ｖｚｓが印加されるが、過電圧値よりも小さいので、機器（３０）は過電圧から保護される。また、スイッチ（１１）が電源ライン（９０１）を遮断することによってインピーダンス回路（２０）での過熱を抑制し、電力消費を止める。この結果、インピーダンス回路（２０）の電力定格を小さくすることができる。

Description

過電圧保護回路、及びそれを備えた電力変換装置

　本発明は、過電圧保護回路、及びそれを備えた電力変換装置に関する。

　電源電圧の変動が起こり易い地域で使用される機器は、電圧上昇時の対策如何によっては、機器の故障を招く虞がある。それゆえ、特許文献１（特開２００９－２０７３２９号公報）に開示されているような過電圧保護回路が設けられる。この過電圧保護回路は、所定電圧以上のときにリレーで電源を遮断する構成である。

　しかしながら、電源電圧が過大となるのに要する時間は極めて短く、上記リレーによる遮断では反応が遅く確実に保護することは困難である。特に半導体素子のような、過電圧に耐えうる時間が短いものについては、リレーによる遮断では保護ができない。また、瞬間的な過大電圧のためだけに半導体素子などの耐圧を高くすることは高コスト化、大型化を招来する。

　そこで、本発明の課題は、瞬間的な過大電圧から機器を保護する小型・低コストの過電圧保護回路、及びそれを備えた電力変換装置を提供することにある。

　本発明の第１観点に係る過電圧保護回路は、電源とその電源から電力を供給される機器との間に接続される過電圧保護回路であって、過電圧時に電流を流す所定素子と、インピーダンス回路とを備えている。所定素子は、電源と機器とを結ぶ一対の電源ライン間に機器と並列に接続される。インピーダンス回路は、電源ラインのうちの電源と所定素子との間に接続される。

　この過電圧保護回路では、過電圧時に、所定素子が導通することによって、機器側の電圧を一定に保つ。また、インピーダンス回路での電圧降下分だけ機器に印加される電圧が低減され、機器を瞬間的な過電圧から保護することができる。

　本発明の第２観点に係る過電圧保護回路は、第１観点に係る過電圧保護回路であって、スイッチと、過電圧状態検出手段とを備えている。スイッチは、電源ラインを開閉する。過電圧状態検出手段は、所定素子に印加される電圧が過電圧状態であることを検出する。スイッチは、通常時は電源ラインを導通状態にし、過電圧状態検出手段によって過電圧状態が検出されたとき、電源ラインを遮断する。

　この過電圧保護回路では、過電圧時にスイッチが動作することによって、所定素子が耐性限界（破壊）に至る前に電源ラインが遮断されるので、所定素子の破壊を回避することができる。さらに、インピーダンス回路での電力消費を止めることができるので、インピーダンス回路の過熱が抑えられ、電力定格を小さくすることができる。

　本発明の第３観点に係る過電圧保護回路は、第１観点に係る過電圧保護回路であって、バイパス回路と、過電圧状態検出回路とをさらに備えている。バイパス回路は、インピーダンス回路を迂回する回路である。過電圧状態検出回路は、所定素子に印加される電圧が過電圧状態であることを検出する。バイパス回路は、バイパス回路を開閉する第２スイッチを有している。第２スイッチは、通常時はバイパス回路を閉じ、過電圧状態検出手段によって過電圧状態が検出されたときにバイパス回路を遮断する。

　この過電圧保護回路では、通常時はバイパス回路を閉じているので、インピーダンス回路で電力が消費されることはなく、機器への印加電圧がインピーダンス回路での電圧降下分だけ低くなることも回避することができる。

　他方、過電圧時には、インピーダンス回路での電圧降下分だけ機器に印加される電圧が低減され、機器を過電圧から保護することができる。

　本発明の第４観点に係る過電圧保護回路は、第２観点に係る過電圧保護回路であって、バイパス回路をさらに備えている。バイパス回路は、インピーダンス回路を迂回する回路である。また、バイパス回路は、バイパス回路を開閉する第２スイッチを有している。第２スイッチは、通常時はバイパス回路を閉じ、過電圧状態検出手段によって過電圧状態が検出されたときにバイパス回路を遮断する。

　本発明の第５観点に係る過電圧保護回路は、第２観点から第４観点のいずれか１つに係る過電圧保護回路であって、過電圧状態検出手段が、電源の電圧を検出する電圧検出器である。

　本発明の第６観点に係る過電圧保護回路は、第２観点から第４観点のいずれか１つに係る過電圧保護回路であって、過電圧状態検出手段が、所定素子を流れる電流の電流検出器である。

　本発明の第７観点に係る過電圧保護回路は、第１観点から第６観点のいずれか１つに係る過電圧保護回路であって、所定素子が、バリスタ、ツェナダイオード、及びアバランシェダイオードのいずれか１つを含んでいる。

　バリスタ、ツェナダイオード、及びアバランシェダイオードは、いずれも電圧の過渡変動に対して、短い応答時間で動作する素子である。それゆえ、この過電圧保護回路では、過電圧時に当該素子が導通することによって、短時間ではあるが、機器側の電圧を一定に保つ。また、インピーダンス回路での電圧降下分だけ機器に印加される電圧が低減され、機器を瞬間的な過電圧から保護することができる。

　本発明の第８観点に係る過電圧保護回路は、第１観点から第７観点のいずれか一つに係る過電圧保護回路であって、電源がＡＣ電源である。

　この過電圧保護回路では、ＡＣ電源からの供給電圧が過大電圧であっても、インピーダンス回路での電圧降下分だけ機器に印加される電圧が低減される。それゆえ、短時間の過大電圧からの保護だけのために機器の整流部の電圧定格を高く設計する必要がなく、合理的である。

　本発明の第９観点に係る過電圧保護回路は、第１観点から第７観点のいずれか一つに係る過電圧保護回路であって、電源がＤＣ電源である。

　この過電圧保護回路では、交流を入り切りするスイッチは双方向性を必要とするが、ＤＣ電源の下流側に配置されるスイッチは片方向スイッチでよいので、スイッチの低コスト化を図ることができる。

　本発明の第１０観点に係る電力変換装置は、コンバータ回路と、インバータ回路と、第１観点から第９観点のいずれか一つの過電圧保護回路とを備えている。コンバータ回路は、交流電源に接続され、交流電圧を直流電圧に変換する。インバータ回路は、直流電圧を交流電圧に変換する。

　この電力変換装置では、過電圧保護回路が、コンバータ回路を過渡的に印加される過大交流電圧から保護し、又はインバータ回路を過渡的に印加される過大直流電圧から保護することができる。

　本発明の第１観点に係る過電圧保護回路では、過電圧時に、所定素子が導通することによって、機器側の電圧を一定に保つ。また、インピーダンス回路での電圧降下分だけ機器に印加される電圧が低減され、機器を瞬間的な過電圧から保護することができる。

　本発明の第２観点、又は第５観点若しくは第６観点に係る過電圧保護回路では、過電圧時にスイッチが動作することによって、所定素子が耐性限界（破壊）に至る前に電源ラインが遮断されるので、所定素子の破壊を回避することができる。さらに、インピーダンス回路での電力消費を止めることができるので、インピーダンス回路の電力定格を小さくすることができる。

　本発明の第３観点、又は第５観点若しくは第６観点に係る過電圧保護回路では、通常時はバイパス回路を閉じているので、インピーダンス回路で電力が消費されることはなく、機器への印加電圧がインピーダンス回路での電圧降下分だけ低くなることも回避することができる。

　本発明の第４観点、又は第５観点若しくは第６観点に係る過電圧保護回路では、通常時はバイパス回路を閉じているので、インピーダンス回路で電力が消費されることはなく、機器への印加電圧がインピーダンス回路での電圧降下分だけ低くなることも回避することができる。

　本発明の第７観点に係る過電圧保護回路では、過電圧時に所定素子が導通することによって、短時間ではあるが、機器側の電圧を一定に保つ。また、インピーダンス回路での電圧降下分だけ機器に印加される電圧が低減され、機器を瞬間的な過電圧から保護することができる。

　本発明の第８観点に係る過電圧保護回路では、ＡＣ電源からの供給電圧が過大電圧であっても、インピーダンス回路での電圧降下分だけ機器に印加される電圧が低減される。それゆえ、短時間の過大電圧からの保護だけのために機器の整流部の電圧定格を高く設計する必要がなく、合理的である。

　本発明の第９観点に係る過電圧保護回路では、交流を入り切りするスイッチは双方向性を必要とするが、ＤＣ電源の下流側に配置されるスイッチは片方向スイッチでよいので、スイッチの低コスト化を図ることができる。

　本発明の第１０観点に係る電力変換装置では、過電圧保護回路が、コンバータ回路を過渡的に印加される過大交流電圧から保護し、又はインバータ回路を過渡的に印加される過大直流電圧から保護することができる。

本発明の第１実施形態に係る過電圧保護回路を備えた装置の回路図。第１実施形態の変形例に係る過電圧保護回路を備えた装置の回路図。電圧検出器の回路図。本発明の第２実施形態に係る過電圧保護回路を備えた装置の回路図。第２実施形態の変形例に係る過電圧保護回路を備えた装置の回路図。本発明の第３実施形態に係る過電圧保護回路を備えた電力変換装置の回路図。第３実施形態の変形例に係る過電圧保護回路を備えた電力変換装置の回路図。本発明の第４実施形態に係る過電圧保護回路を備えた電力変換装置の回路図。

　以下、図面を参照しながら、本発明の実施形態について説明する。なお、以下の実施形態は、本発明の具体例であって、本発明の技術的範囲を限定するものではない。

　＜第１実施形態＞
　（１）過電圧保護回路５０の構成
　図１は、本発明の第１実施形態に係る過電圧保護回路５０を備えた装置の回路図である。図１において、機器３０は、商用電源９０から一対の電源ライン９０１，９０２を介して電力供給されている。過電圧保護回路５０は、商用電源９０と機器３０との間に接続されている。

　過電圧保護回路５０は、過電圧導通回路１０と、インピーダンス回路２０と、スイッチ１１と、電圧検出器３３とを含んでいる。

　（２）過電圧保護回路５０の詳細構成
　（２－１）過電圧導通回路１０
　過電圧導通回路１０は、過電圧時に電流を流す素子で構成されている。過電圧時に電流を流す素子としては、バリスタ、ツェナダイオード、及びアバランシェダイオードのいずれかが採用される。

　本実施形態では、過電圧導通回路１０は、一つのバリスタで構成されている。バリスタは、通常は電流が流れないが、印加電圧が制限電圧を超えると一気に電流が流れその電流値が所定範囲に収まっている間は電圧を所定の制限電圧に維持することができる。

　過電圧導通回路１０は、一対の電源ライン９０１，９０２間に機器３０と並列に接続されている。なお、商用電源９０が多相電源の時に各相間の過電圧保護を行なう場合は各相分の電源ライン間に、過電圧導通回路１０が接続される。

　（２－２）インピーダンス回路２０
　インピーダンス回路２０は、当該回路における電圧と電流との比であるインピーダンスがＺとなるように構成された回路である。

　インピーダンス回路２０は、電源ライン９０１上で、商用電源９０と過電圧導通回路１０との間に接続されている。

　このインピーダンス回路２０は、例えば抵抗やＰＴＣサーミスタが適用される。

　（２－３）スイッチ１１
　スイッチ１１は、電源ライン９０１を開閉する。ここで、電源ライン９０１を開閉するとは、電源ライン９０１を導通又は遮断して非導通にすることである。

　スイッチ１１は、通常時は電源ライン９０１を閉、つまり導通状態にしておく。他方、過電圧時には、過電圧導通回路１０のバリスタが導通して所定電圧に維持され、商用電源９０―インピーダンス回路２０―過電圧導通回路１０―商用電源９０という閉回路が構成され、機器３０の保護動作が行われた後に、スイッチ１１がオフして電源ライン９０１を遮断する。

　電源ライン９０１を遮断する目的は、過電圧導通回路１０の素子とインピーダンス回路２０での電力消費を止めるためであり、インピーダンス回路２０の電力定格を小さくすることができ、低コスト化を図ることができる。特に、本実施形態で想定している過電圧導通素子（バリスタ、ツェナダイオード、アバランシェダイオード）は一般にエネルギー耐量がさほど大きくないため、瞬間的な保護には向くが、高電圧あるいは長時間の電圧印加には向かず、このスイッチ１１による電源ライン９０１の遮断が重要である。

　スイッチ１１は、過電圧導通回路１０の素子やインピーダンス回路２０が破壊・故障に到る前に遮断できればよく、さほど高速性は求められないので、本実施形態ではリレー回路が採用されている。

　図１に示すように、スイッチ１１は、電源ライン９０１を開閉するリレー接点１１ａと、リレー接点１１ａを動作させるリレーコイル１１ｂと、リレーコイル１１ｂへの通電と非通電とを行うトランジスタ１１ｃとを含んでいる。リレーコイル１１ｂの一端は、電源Ｖｂの正極に接続され、他端はトランジスタ１１ｃのコレクタ側に接続されている。制御部４０は、トランジスタ１１ｃのベース電流の有無を切り換えて、コレクタとエミッタ間をオンオフし、リレーコイル１１ｂへの通電と非通電を行う。リレー回路を採用することにより、保護動作から１０ｍｓ程度で遮断を行なうことができる。

　（２－４）電圧検出器３３
　電圧検出器３３は、交流電圧検出回路によって構成されている。交流電圧検出回路は、多様であり、使用条件によって適宜採用される。例えば、図３は一般的な電圧検出器３３の回路図である。図３において、電圧検出器３３は、変圧回路３３１、コンバータ回路３３２とで構成されている。

　変圧回路３３１は、入力側に位置し、一次側巻線３３１ａと二次側巻線３３１ｂとからなる。

　コンバータ回路３３２は、整流ダイオードで構成される整流部３３２ａと、平滑コンデンサ３３２ｂとが並列接続された回路である。

　電圧検出器３３では、変圧回路３３１に交流電圧が印加されると、交流電圧は変圧回路３３１によって変圧される。そして、二次側巻線３３１ｂの両端電圧がコンバータ回路３３２に入力される。

　コンバータ回路３３２に入力された変圧後の交流電圧は、整流部３３２ａで直流電圧に変換され、平滑コンデンサ３３２ｂで平滑化される。この平滑化された直流電圧が制御部４０に入力される。すなわち、一次側巻線３３１ａに印加される電圧に応じた直流電圧が、制御部４０に入力されることになる。

　（３）過電圧保護回路５０の動作
　図１において、通常時、過電圧導通回路１０のバリスタは非導通で、且つスイッチ１１は電源ライン９０１を導通状態にしているので、機器３０には電圧Ｖａ＝Ｖａｃ―Ｖｚが印加されている。

　商用電源９０の電圧Ｖａｃが急激に変動して過電圧となり、電圧Ｖａがバリスタの制限電圧を超えると、過電圧導通回路１０のバリスタは導通状態となり、インピーダンス回路２０の電圧降下Ｖｚは、その時バリスタに流れる電流による分だけ大きくなり、機器３０には電圧Ｖａ＝Ｖａｃ―Ｖｚが印加されるが、増加したＶｚにより、Ｖａは過電圧値よりも小さいので、機器３０は過電圧から保護される。

　電圧検出器３３が過電圧状態を検出すると、スイッチ１１が電源ライン９０１を遮断して、インピーダンス回路２０での電力消費を止める。

　商用電源９０の電圧Ｖａｃが下がり、電圧検出器３３から出力される電圧が、バリスタの制限電圧より低い、復帰のための閾値よりも下がったと制御部４０が判定したとき、制御部４０は、スイッチ１１をオンさせて電源ライン９０１を接続することで、通常の動作に復帰する。すなわち、電圧検出器３３での検出有無に応じて、スイッチ１１は電源ライン９０１を遮断／導通させる。
（４）第１実施形態の変形例
　図２は、第１実施形態の変形例に係る過電圧保護回路５０を備えた装置の回路図である。図２において、本変形例では、図１の第１実施形態における電圧検出器３３に替わって、電流検出器３４が採用されている。電流検出器３４は、過電圧導通回路１０に直列接続されている。

　電流検出器３４において電流が検出されるということは、過電圧導通回路１０のバリスタが導通状態となっていることであり、これは即ち商用電源９０の電圧Ｖａｃが過大電圧になっていることを意味するので、電圧検出器３３に替わって電流検出器３４で過電圧を検出することができる。

　（５）第１実施形態の特徴
　（５－１）
　過電圧時には、過電圧導通回路１０のバリスタが導通状態となり、過電圧導通回路１０のバリスタは導通状態となり、機器３０には電圧Ｖａ＝Ｖａｃ―Ｖｚが印加されるが、過電圧値よりも小さいので、機器３０は過電圧から保護される。

　（５－２）
　さらに、スイッチ１１が電源ライン９０１を遮断することによってインピーダンス回路２０での電力消費を止める。この結果、インピーダンス回路２０の電力定格を小さくすることができる。

　（５－３）
　通常時には、機器３０には電圧Ｖａ＝Ｖａｃ―Ｖｚが印加され、電圧Ｖａが過大電圧のときであっても、機器３０には電圧Ｖａ＝Ｖａｃ―Ｖｚが印加されるだけである。それゆえ、短時間の過大電圧からの保護だけのために機器３０の電圧定格を高く設計する必要がなく、合理的である。

　＜第２実施形態＞
　（１）過電圧保護回路５０の構成
　図４は、本発明の第２実施形態に係る過電圧保護回路５０を備えた装置の回路図である。図４において、機器３０は、商用電源９０から一対の電源ライン９０１，９０２を介して電力供給されている。過電圧保護回路５０は、商用電源９０と機器３０との間に接続されている。

　過電圧保護回路５０は、過電圧導通回路１０と、インピーダンス回路２０と、電圧検出器３３、バイパス回路３５とを含んでいる。

　（２）過電圧保護回路５０の詳細構成
　第２実施形態は、第１実施形態にバイパス回路３５が追加された形態であり、過電圧導通回路１０、インピーダンス回路２０、スイッチ１１及び電圧検出器３３については同様のものを採用している。したがって、ここではバイパス回路３５についてのみを説明する。

　（２－１）バイパス回路３５
　バイパス回路３５は、インピーダンス回路２０に並列接続されており、インピーダンス回路２０を迂回する回路である。バイパス回路３５は、第２スイッチ１２を有している。第２スイッチ１２は、バイパス回路３５を開閉する。ここで、バイパス回路３５を開閉するとは、バイパス回路３５を導通又は遮断して非導通にすることである。

　（２－２）第２スイッチ１２
　第２スイッチ１２は、通常時はバイパス回路３５を閉、つまり導通状態にしておく。なぜなら、通常時にバイパス回路３５を開（非導通状態）にしておくと、インピーダンス回路２０で常に電力消費される上に、機器３０への印加電圧がインピーダンス回路２０のインピーダンスＺの電圧降下分だけ低くなるからである。

　他方、過電圧時は機器３０を保護するためにバイパス回路３５を素早く開にして、商用電源９０―インピーダンス回路２０―過電圧導通回路１０―商用電源９０という閉回路を構成する必要がある。そのため、第２スイッチ１２には、高速動作が求められる。

　第２スイッチ１２としては、トライアック、双方向に導通させるように接続したＭＯＳＦＥＴなどが採用される。本実施形態では、フォトトライアックカプラが採用されている。

　図４に示すように、第２スイッチ１２は、入力側（Ａ１－Ａ２間）に発光ダイオード１２ａが設けられ、出力側（Ｂ１－Ｂ２間）にフォトトライアック１２ｂが設けられている。フォトトライアック１２ｂの等価回路は、２つのフォトサイリスタ１２１，１２２を互いに逆方向に並列接続した構成である。

　発光ダイオード１２ａのアノードＡ１は抵抗Ｒを介して電源Ｖｃに接続されている。また、発光ダイオード１２ａのカソードＡ２は信号線を介して制御部４０に接続されている。

　フォトトライアック１２ｂの第１アノードＢ１は、電源ライン９０１のうちのインピーダンス回路２０と機器３０との間に接続されている。また、フォトトライアック１２ｂの第２アノードＢ２は電源ライン９０１にうちのインピーダンス回路２０と商用電源９０との間に接続されている。

　発光ダイオード１２ａは電流が流れると発光する。フォトトライアック１２ｂは、第１アノードＢ１の電位が第２アノードＢ２の電位より大きい状態で発光ダイオード１２ａからの光を受けるとフォトサイリスタ１２１がオン状態になる。他方、第１アノードＢ１の電位が第２アノードＢ２の電位より小さい状態で発光ダイオード１２ａからの光を受けるとフォトサイリスタ１２２がオン状態になる。

　このように、フォトトライアック１２ｂは双方向の印加電圧に対して動作する双方向素子であり、しかも高速で動作するので、双方向の高速スイッチとして利用される。

　また、第２スイッチ１２の動作制御、つまり発光ダイオード１２ａへの通電制御は制御部４０が行う。

　（３）過電圧保護回路５０の動作
　図４において、通常時、スイッチ１１はオンし、バイパス回路３５は第２スイッチ１２が閉じて導通状態であるので、機器３０には電圧Ｖａ＝Ｖａｃが印加されている。

　商用電源９０の電圧Ｖａｃが急激に増加し、制御部４０が電圧検出器３３から出力される電圧が、バリスタが導通するであろう閾値を超えたと判定したとき、制御部４０は、第２スイッチ１２の発光ダイオード１２ａへの通電を停止し、フォトトライアック１２ｂをオフさせる。

　その結果、商用電源９０―インピーダンス回路２０―過電圧導通回路１０―商用電源９０という閉回路が構成される。このとき、機器３０には電圧Ｖａ＝Ｖａｃ―Ｖｚが印加されるが、過電圧値よりも小さいので、機器３０は過電圧から保護される。

　商用電源９０の電圧Ｖａｃが下がり、電圧検出器３３から出力される電圧が、バリスタの制限電圧より低い、復帰のための閾値よりも下がったと制御部４０が判定したとき、制御部４０は、第２スイッチ１２の発光ダイオード１２ａへ通電し、フォトトライアック１２ｂをオンさせる。さらに、スイッチ１１をオンさせて電源ライン９０１を接続することで、通常の動作に復帰する。
（４）第２実施形態の変形例
　図５は、第２実施形態の変形例に係る過電圧保護回路５０を備えた装置の回路図である。図５において、本変形例では、図４の第２実施形態における電圧検出器３３に替わって、電流検出器３４が採用されている。電流検出器３４は、過電圧導通回路１０に直列接続されている。

　電流検出器３４において電流が検出されるといくことは、過電圧導通回路１０のバリスタが導通状態となっていることであり、これは即ち商用電源９０の電圧Ｖａｃが過大電圧になっていることを意味するので、電圧検出器３３に替わって電流検出器３４で過電圧を検出することができる。

　（５）第２実施形態の特徴
　（５－１）
　過電圧保護回路５０では、通常時は、過電圧導通回路１０のバリスタが非導通で、且つスイッチ１１は電源ライン９０１を導通状態にし、第２スイッチ１２をオンにしてバイパス回路３５を閉じているので、インピーダンス回路２０で電力が消費されることはなく、機器３０への印加電圧がインピーダンス回路２０での電圧降下分だけ低くなることも回避することができる。

　（５－２）
　過電圧時には、過電圧導通回路１０のバリスタが導通状態となり、第２スイッチ１２がオフすることによって、機器３０には電圧Ｖａ＝Ｖａｃ―Ｖｚｓが印加されるが、過電圧値よりも小さいので、機器３０は過電圧から保護される。

　（５－３）
　また、スイッチ１１が電源ライン９０１を遮断することによってインピーダンス回路２０での電力消費を止める。この結果、インピーダンス回路２０の電力定格を小さくすることができる。

　（５－４）
　電圧Ｖａが過大電圧のときであっても、機器３０には電圧Ｖａ＝Ｖａｃ―Ｖｚｓが印加されるだけである。それゆえ、短時間の過大電圧からの保護だけのために機器３０の電圧定格を高く設計する必要がなく、合理的である。

　＜第３実施形態＞
　（１）電力変換装置２００の構成
　図６は、本発明の第３実施形態に係る過電圧保護回路１００を備えた電力変換装置２００の回路図である。図６において、電力変換装置２００は、直流電源部８０、インバータ９５、過電圧保護回路１００で構成されている。

　インバータ９５は、直流電源部８０から一対の電源ライン８０１，８０２を介して電力供給されている。過電圧保護回路１００は、直流電源部８０とインバータ９５との間に接続されている。

　（１－１）直流電源部８０
　直流電源部８０は、整流部８１と、整流部８１と並列接続される平滑コンデンサ８２とで構成されている。

　整流部８１は、４つのダイオードＤ１ａ，Ｄ１ｂ，Ｄ２ａ，Ｄ２ｂによってブリッジ状に構成されている。具体的には、ダイオードＤ１ａとＤ１ｂ、Ｄ２ａとＤ２ｂは、それぞれ互いに直列に接続されている。ダイオードＤ１ａ，Ｄ２ａの各カソード端子は、共に平滑コンデンサ８２のプラス側端子に接続されており、整流部８１の正側出力端子として機能する。ダイオードＤ１ｂ，Ｄ２ｂの各ダイオードの各アノード端子は、共に平滑コンデンサ８２のマイナス側端子に接続されており、整流部８１の負側出力端子として機能する。

　ダイオードＤ１ａ及びダイオードＤ１ｂの接続点は、商用電源９０の一方の極に接続されている。ダイオードＤ２ａ及びダイオードＤ２ｂの接続点は、商用電源９０の他方の極に接続されている。整流部８１は、商用電源９０から出力される交流電圧を整流して直流電圧を生成し、これを平滑コンデンサ８２へ供給する。

　平滑コンデンサ８２は、整流部８１によって整流された電圧を平滑する。平滑後の電圧Ｖｄｃは、平滑コンデンサ８２の出力側に接続されるインバータ９５へ印加される。

　なお、コンデンサの種類としては、電解コンデンサやフィルムコンデンサ、タンタルコンデンサ等が挙げられるが、本実施形態においては、平滑コンデンサ８２として電解コンデンサが採用される。

　この直流電源部８０は、交流電圧を直流電圧に変換するコンバータ回路と言い換えることもできる。

　（１－２）インバータ９５
　インバータ９５は、複数のＩＧＢＴ（絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ、以下、単にトランジスタという）及び複数の還流用ダイオードを含んでいる。インバータ９５は、平滑コンデンサ８２からの電圧Ｖｄｃが印加され、かつゲート駆動回路９６により指示されたタイミングで各トランジスタがオン及びオフを行うことによって、モータ１５０を駆動する駆動電圧を生成する。モータ１５０は、例えばヒートポンプ式空気調和機の圧縮機モータ、ファンモータである。

　なお、本実施形態のインバータ９５は、電圧形インバータであるが、それに限定されるものではなく、電流形インバータでもよい。

　（１－３）ゲート駆動回路９６
　ゲート駆動回路９６は、制御部４０からの指令に基づき、インバータ９５の各トランジスタのオン及びオフの状態を変化させる。

　（１－４）過電圧保護回路１００
　過電圧保護回路１００は、過電圧導通回路６０と、インピーダンス回路７０と、電圧検出器８３、バイパス回路８５と、スイッチ６１とを含んでいる。

　（２）過電圧保護回路１００の詳細構成
　この第３実施形態と、既に説明した第１実施形態及び第２実施形態と大きく異なる点は、過電圧保護回路１００が直流部に設けられていることである。したがって、各構成要素も交流仕様から直流仕様に置き換えられることに鑑みて、同一名称であっても符号を換えて、再度説明する。

　（２－１）過電圧導通回路６０
　過電圧導通回路６０は、過電圧時に電流を流す素子で構成されている。過電圧時に電流を流す素子としては、バリスタ、ツェナダイオード、及びアバランシェダイオードのいずれかが採用される。

　本実施形態では、過電圧導通回路６０は、一つのバリスタで構成されている。バリスタは、通常は電流がながれないが、印加電圧が制限電圧を超えると一気に電流が流れその電流値が所定範囲に収まっている間は電圧を所定の制限電圧に維持することができる。

　過電圧導通回路６０は、一対の電源ライン８０１，８０２間に機器３０と並列に接続されている。

　（２－２）インピーダンス回路７０
　インピーダンス回路７０は、当該回路における電圧と電流との比であるインピーダンスがＺとなるように構成された回路である。一般に抵抗素子やＰＴＣサーミスタが採用される。

　インピーダンス回路７０は、電源ライン８０１上で、直流電源部８０と過電圧導通回路６０との間に接続されている。

　（２－３）電圧検出器８３
　電圧検出器８３は、平滑コンデンサ８２の出力側に接続されており、平滑コンデンサ８２の両端電圧、即ち平滑後の電圧Ｖｄｃの値を検出する。電圧検出器８３は、例えば、互いに直列に接続された２つの抵抗が平滑コンデンサ８２に並列接続され、電圧Ｖｄｃが分圧されるように構成される。それら２つの抵抗同士の接続点の電圧値は、制御部４０に入力される。

　（２－４）バイパス回路８５
　バイパス回路８５は、インピーダンス回路７０に並列接続されており、インピーダンス回路７０を迂回する回路である。バイパス回路８５は、第２スイッチ６２を有している。第２スイッチ６２は、バイパス回路８５を開閉する。ここで、バイパス回路８５を開閉するとは、バイパス回路８５を導通又は遮断して非導通にすることである。

　（２－５）スイッチ６１
　スイッチ６１は、電源ライン８０１を開閉する。ここで、電源ライン８０１を開閉するとは、電源ライン８０１を導通又は遮断して非導通にすることである。

　スイッチ６１は、通常時は電源ライン８０１を閉、つまり導通状態にしておく。他方、過電圧時には、過電圧導通回路６０が導通し、第２スイッチ６２がオフして、直流電源部８０―インピーダンス回路７０―過電圧導通回路６０―直流電源部８０という閉回路が構成され、インバータ９５の保護動作が行われた後に、スイッチ６１がオフして電源ライン８０１を遮断する。

　電源ライン８０１を遮断する目的は、インピーダンス回路７０での電力消費を止めるためであり、インピーダンス回路７０の電力定格を小さくすることができ、低コスト化を図ることができる。

　スイッチ６１は、スイッチ６１は高速性を求められないので、本実施形態ではリレー回路が採用されている。

　図６に示すように、スイッチ６１は、電源ライン８０１を開閉するリレー接点６１ａと、リレー接点６１ａを動作させるリレーコイル６１ｂと、リレーコイル６１ｂへの通電と非通電とを行うトランジスタ６１ｃとを含んでいる。リレーコイル６１ｂの一端は、電源Ｖｂの正極に接続され、他端はトランジスタ６１ｃのコレクタ側に接続されている。制御部４０は、トランジスタ６１ｃのベース電流の有無を切り換えて、コレクタとエミッタ間をオンオフし、リレーコイル６１ｂへの通電と非通電を行う。

　（２－６）第２スイッチ６２
　第２スイッチ６２は、通常時はバイパス回路８５を閉、つまり導通状態にしておく。なぜなら、通常時にバイパス回路８５を開（非導通状態）にしておくと、インピーダンス回路７０で常に電力消費される上に、インバータ９５への印加電圧がインピーダンス回路７０のインピーダンスＺの電圧降下分だけ低くなるからである。

　他方、過電圧時はインバータ９５を保護するためにバイパス回路８５を素早く開にして、直流電源部８０―インピーダンス回路７０―過電圧導通回路６０―直流電源部８０という閉回路を構成する必要がある。そのため、第２スイッチ６２には、高速動作が求められる。

　図６に示すように、第２スイッチ６２は、フォトカプラ６２ａと、駆動回路６２ｂと、トランジスタ６２ｃとで構成されている。フォトカプラ６２ａは、発光ダイオード６２１とフォトトランジスタ６２２を内蔵している。

　スイッチ６１の入力側（Ｃ１－Ｃ２間）にはフォトカプラ６２ａの発光ダイオード６２１が接続されている。発光ダイオード６２１のアノードＣ１は抵抗Ｒを介して電源Ｖｃに接続されている。発光ダイオード６２１のカソードＣ２は信号線を介して制御部４０に接続されている。また、フォトトランジスタ６２２は駆動回路６２ｂとＧＮＤとの間に接続されている。

　第２スイッチ６２の出力側（Ｄ１－Ｄ２間）にトランジスタ６２ｃが設けられている。トランジスタ６２ｃのエミッタＤ１はインピーダンス回路７０とインバータ９５との間に接続されている。また、トランジスタ６２ｃのコレクタＤ２はインピーダンス回路７０と直流電源部８０との間に接続されている。

　制御部４０の制御信号は、フォトカプラ６２ａを介して駆動回路６２ｂに入力される。駆動回路６２ｂには、駆動用電源（図示せず）が接続されており、制御部４０が発光ダイオード６２１の信号ラインをオンさせると、発光ダイオード６２１が発光しフォトトランジスタ６２２が導通する。このフォトトランジスタ６２２が導通している間、駆動回路６２ｂからトランジスタ６２ｃのベースに駆動信号が出力され、トランジスタ６２ｃのコレクタＤ２－エミッタＤ１間が導通する。

　逆に、制御部４０が発光ダイオード６２１の信号ラインをオフさせると、発光ダイオード６２１が発光しないので、フォトトランジスタ６２２は導通しない。このフォトトランジスタ６２２が導通していない間、トランジスタ６２ｃのコレクタＤ２－エミッタＤ１間も導通しない。

　（３）過電圧保護回路１００の動作
　図６において、通常時、過電圧導通回路６０のバリスタが非導通状態で、バイパス回路８５は第２スイッチ６２が閉じて導通状態であるので、機器３０には電圧Ｖａ＝Ｖｄｃが印加されている。

　直流電源部８０の電圧Ｖｄｃが急激に増加し、制御部４０が電圧検出器８３から出力される電圧が閾値を超えたと判定したとき、制御部４０は、第２スイッチ６２の発光ダイオード６２１への通電を停止し、トランジスタ６２ｃをオフさせる。

　その結果、直流電源部８０―インピーダンス回路７０―過電圧導通回路６０―直流電源部８０という閉回路が構成される。このとき、インバータ９５には電圧Ｖａ＝Ｖｄｃ―Ｖｚが印加されるが、過電圧値よりも小さいので、インバータ９５は過電圧から保護される。

　電圧検出器８３が過電圧状態を検出すると、スイッチ６１が電源ライン８０１を遮断して、インピーダンス回路７０での電力消費を止める。

　商用電源９０の電圧Ｖａｃが下がり、電圧検出器８３から出力される電圧が、バリスタの制限電圧より低い、復帰のための閾値よりも下がったと制御部４０が判定したとき、制御部４０は第２スイッチ６２の発光ダイオード６２１へ通電し、トランジスタ６２ｃをオンさせる。さらに、スイッチ６１をオンさせて電源ライン８０１を接続することで、通常の動作に復帰する。

　（４）第３実施形態の変形例
　図７は、第３実施形態の変形例に係る過電圧保護回路１００を備えた電力変換装置２００の回路図である。図７において、本変形例では、図６の第３実施形態における電圧検出器８３に替わって、電流検出器８４が採用されている。電流検出器８４は、過電圧導通回路６０に直列接続されている。

　電流検出器８４において電流が検出されるということは、過電圧導通回路６０のバリスタが導通状態となっていることであり、これは即ち直流電源部８０の電圧Ｖｄｃが過大電圧になっていることを意味するので、電圧検出器８３に替わって電流検出器８４で過電圧を検出することができる。

　（５）第３実施形態の特徴
　（５－１）
　過電圧保護回路１００では、通常時は、過電圧導通回路６０のバリスタが非導通で、且つスイッチ６１は電源ライン８０１を導通状態にし、第２スイッチ６２をオンにしてバイパス回路３５を閉じているので、インピーダンス回路７０で電力が消費されることはなく、インバータ９５への印加電圧がインピーダンス回路７０での電圧降下分だけ低くなることも回避することができる。

　（５－２）
　過電圧時には、過電圧導通回路６０のバリスタが導通状態となり、第２スイッチ６２がオフすることによって、インバータ９５には電圧Ｖ＝Ｖｄｃ―Ｖｚが印加されるが、過電圧値よりも小さいので、インバータ９５は過電圧から保護される。

　（５－３）
　また、スイッチ６１が電源ライン８０１を遮断することによってインピーダンス回路７０での電力消費を止める。この結果、インピーダンス回路７０の電力定格を小さくすることができる。

　（５－４）
　さらに、直流電源部８０の下流側に配置される第２スイッチ６２は片方向スイッチでよいので、第２スイッチ６２の低コスト化を図ることができる。

　＜第４実施形態＞
　（１）過電圧保護回路１００の構成
　図８は、本発明の第４実施形態に係る過電圧保護回路１００を備えた電力変換装置２００の回路図である。図８において、インバータ９５は、直流電源部８０から一対の電源ライン８０１，８０２を介して電力供給されている。過電圧保護回路１００の一部は商用電源９０と直流電源部８０との間に接続され、他の部分は直流電源部８０とインバータ９５との間に接続されている。

　過電圧保護回路１００は、過電圧導通回路６０と、スイッチ１１と、インピーダンス回路７０と、電圧検出器３３、バイパス回路８５と、第２スイッチ６２とを含んでいる。

　第４実施形態と、既に説明した第３実施形態と異なる点は、過電圧保護回路１００の構成要素である電圧検出器とスイッチとが商用電源９０と直流電源部８０との間に設けられていることである。つまり、電圧検出器及びスイッチの配置が、第１実施形態における電圧検出器３３及びスイッチ１１の配置と同じである。したがって、電圧検出器及びスイッチが直流仕様から交流仕様に置き換えられることに鑑みて、第１実施形態の電圧検出器３３及びスイッチ１１が採用されている。

　したがって、各構成要素の内容は、第１実施形態の電圧検出器３３及びスイッチ１１、第３実施形態の過電圧導通回路６０、インピーダンス回路７０、及びバイパス回路８５と同様であるので、ここでは説明を省略し、動作説明のみ行う。

　（２）過電圧保護回路１００の動作
　図８において、通常時、過電圧導通回路６０のバリスタは非導通状態で、バイパス回路８５は第２スイッチ６２が閉じて導通状態であり、且つスイッチ１１は電源ライン９０１を導通状態にしているので、インバータ９５には電圧Ｖａ＝Ｖｄｃが印加されている。

　商用電源９０の電圧Ｖａｃの変動により、直流電源部８０の電圧Ｖｄｃが急激に増加し、制御部４０が電圧検出器３３から出力される電圧が閾値を超えたと判定したとき、制御部４０は第２スイッチ６２の発光ダイオード６２１への通電を停止し、トランジスタ６２ｃをオフさせる。

　電圧検出器３３が過電圧状態を検出すると、スイッチ１１が電源ライン９０１を遮断して、インピーダンス回路７０での電力消費を止める。

　商用電源９０の電圧Ｖａｃが下がり、電圧検出器３３から出力される電圧が、バリスタの制限電圧より低い、復帰のための閾値よりも下がったと制御部４０が判定したとき、制御部４０は第２スイッチ６２の発光ダイオード６２１へ通電し、トランジスタ６２ｃをオンさせる。さらに、スイッチ１１をオンさせて電源ライン９０１を接続することで、通常の動作に復帰する。

　（３）第４実施形態の特徴
　（３－１）
　過電圧保護回路１００では、通常時は第２スイッチ６２をオンにしてバイパス回路８５を閉じているので、インピーダンス回路７０で電力が消費されることはなく、インバータ９５への印加電圧がインピーダンス回路７０での電圧降下分だけ低くなることも回避することができる。

　（３－２）
　過電圧時には、過電圧導通回路６０のバリスタが導通状態となり、第２スイッチ６２がオフすることによって、インバータ９５には電圧Ｖａ＝Ｖｄｃ―Ｖｚが印加されるが、過電圧値よりも小さいので、インバータ９５は過電圧から保護される。

　（３－３）
　また、スイッチ１１が電源ライン９０１を遮断することによってインピーダンス回路７０での過熱を抑制し、電力消費を止める。この結果、インピーダンス回路７０の電力定格を小さくすることができる。

　（３－４）
　さらに、直流電源部８０の下流側に配置される第２スイッチ６２は片方向スイッチでよいので、スイッチの低コスト化を図ることができる。

　＜その他実施形態＞
　（Ａ）
　図１に示す第１実施形態、及び図２に示す第１実施形態の変形例は、いずれも交流電圧に対する過電圧保護回路を実施形態としているが、電源が直流電源である場合、あるいは機器内に交流電源を整流する直流電源部を持つ場合には、各構成要素を交流仕様から直流仕様へ置き換えて直流電源部の下流側に設けてもよい。

　（Ｂ）
　第４実施形態は、第３実施形態から、電圧検出器とスイッチとを、商用電源９０と直流電源部８０との間に設けるように変更したものであるが、電圧検出器のみを商用電源９０と直流電源部８０との間に設けるようにしてもよい。

　（Ｃ）
　第３実施形態、第４実施形態では、機器の内部に過電圧保護回路を持つ例を示したが、機器はコンバータ回路とインバータ回路を持つものに限定されない。

　（Ｄ）
　第１実施形態では、機器３０の保護動作が行なわれ、電圧検出器が過電圧状態を検出した後にスイッチがオフされるものとしたが、保護動作が行なわれてから所定時間が経過したことを判定してスイッチをオフしてもよい。

　本発明は、電源電圧の変動が起こり易い地域で使用される機器、例えば、冷凍装置に有用である。

１０，６０　　　過電圧導通回路（所定素子）
１１，６１　　　スイッチ
１２，６２　　　第２スイッチ
２０，７０　　　インピーダンス回路
３３，８３　　　電圧検出器（過電圧状態検出手段）
３４，８４　　　電流検出器（過電圧状態検出手段）
３５，８５　　　バイパス回路
５０，１００　　過電圧保護回路
８０　　　　　　直流電源部（ＤＣ電源、コンバータ回路）
９０　　　　　　商用電源（ＡＣ電源）
９５　　　　　　インバータ（インバータ回路）
２００　　　　　電力変換装置

特開２００９－２０７３２９号公報

Claims

　電源と前記電源から電力を供給される機器との間に接続される過電圧保護回路であって、
　前記電源と前記機器とを結ぶ一対の電源ライン間に前記機器と並列に接続され、過電圧時に電流を流す所定素子（１０，６０）と、
　前記電源ラインのうちの前記電源と前記所定素子（１０，６０）との間に接続されるインピーダンス回路（２０，７０）と、
を備える、
過電圧保護回路（５０，１００）。
　前記電源ラインを開閉するスイッチ（１１，６１）と、
　前記所定素子（１０，６０）に印加される電圧が過電圧状態であることを検出する過電圧状態検出手段（３３，３４，８３，８４）と、
をさらに備え、
　前記スイッチ（１１，６１）は、通常時は前記電源ラインを導通状態にし、前記過電圧状態検出手段（３３，３４，８３，８４）によって過電圧状態が検出されたとき、前記電源ラインを遮断する、
請求項１に記載の過電圧保護回路（５０，１００）。
　前記インピーダンス回路（２０，７０）を迂回するバイパス回路（３５，８５）と、
　前記所定素子（１０，６０）に印加される電圧が過電圧状態であることを検出する過電圧状態検出手段（３３，３４，８３，８４）と、
をさらに備え、
　前記バイパス回路（３５，８５）は、前記バイパス回路（３５，８５）を開閉する第２スイッチ（１２，６２）を有し、
　前記第２スイッチ（１２，６２）は、通常時は前記バイパス回路（３５，８５）を閉じ、前記過電圧状態検出手段（３３，３４，８３，８４）によって前記過電圧状態が検出されたときに前記バイパス回路（３５，８５）を遮断する、
請求項１に記載の過電圧保護回路（５０，１００）。
　前記インピーダンス回路（２０，７０）を迂回するバイパス回路（３５，８５）さらに備え、
　前記バイパス回路（３５，８５）は、前記バイパス回路（３５，８５）を開閉する第２スイッチ（１２，６２）を有し、
　前記第２スイッチ（１２，６２）は、通常時は前記バイパス回路（３５，８５）を閉じ、前記過電圧状態検出手段（３３，３４，８３，８４）によって前記過電圧状態が検出されたときに前記バイパス回路（３５，８５）を遮断する、
請求項２に記載の過電圧保護回路（５０，１００）。
　前記過電圧状態検出手段は、前記電源の電圧を検出する電圧検出器（３３，８３）である、
請求項２から請求項４のいずれか１項に記載の過電圧保護回路（５０，１００）。
　前記過電圧状態検出手段は、前記所定素子（１０，６０）を流れる電流の電流検出器（３４，８４）である、
請求項２から請求項４のいずれか１項に記載の過電圧保護回路（５０，１００）。
　前記所定素子（１０，６０）は、バリスタ、ツェナダイオード、及びアバランシェダイオードのいずれか１つを含む、
請求項１から請求項６のいずれか１項に記載の過電圧保護回路（５０，１００）。
　前記電源は、ＡＣ電源である、
請求項１から請求項７のいずれか１項に記載の過電圧保護回路（５０）。
　前記電源は、ＤＣ電源である、
請求項１から請求項７のいずれか１項に記載の過電圧保護回路（１００）。
　交流電源に接続され、交流電圧を直流電圧に変換するコンバータ回路（８０）と、
　前記直流電圧を交流電圧に変換するインバータ回路（９５）と、
　請求項１から請求項９のいずれか１項に記載の過電圧保護回路（１００）と、
を備える、
電力変換装置（２００）。