WO2022208593A1 - 電力変換装置、モータ駆動装置及び空気調和機 - Google Patents

電力変換装置、モータ駆動装置及び空気調和機 Download PDF

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和徳 畠山
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三菱電機株式会社
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Definitions

  • the present disclosure relates to a power converter that converts an AC voltage applied from an AC power source into a DC voltage, a motor drive device that includes the power converter, and an air conditioner that includes the motor drive device.
  • the power conversion device described in Patent Document 1 below includes a converter configured such that a metal oxide semiconductor field effect transistor (Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor: MOSFET) is connected in parallel across diodes connected in a full bridge.
  • MOSFET Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor
  • the MOSFET is turned on at the timing when a diode connected in parallel to the MOSFET conducts, and current is passed through the channel of the MOSFET to reduce loss. .
  • This technique is called "synchronous rectification".
  • the converter described in Patent Document 1 is a step-up converter, and is used in an air conditioner equipped with an outdoor fan.
  • the voltage value of the DC voltage held in the smoothing capacitor is controlled to be higher than the voltage value of the AC voltage in the process of converting the AC voltage into the DC voltage.
  • the power factor of the AC current which is the current supplied from the AC power supply to the converter, is improved, so harmonics contained in the AC current can be suppressed.
  • the voltage of the smoothing capacitor is controlled to a value higher than the voltage value of the AC voltage. Therefore, when the AC power supply fails, the AC voltage applied to the power conversion device is interrupted, and a current gradient is generated in the direction from the smoothing capacitor to the AC power supply. In this case, there is a risk of interfering with the restoration work of the AC power supply.
  • a brushless DC motor is being used as the fan motor that drives the outdoor fan in order to improve efficiency. Since the outdoor unit of the air conditioner is literally installed outdoors, the outdoor fan may rotate at high speed under strong winds such as typhoons. When the outdoor fan rotates at high speed, the brushless DC motor connected to the outdoor fan generates counter-electromotive voltage corresponding to the number of rotations, and this voltage is supplied to the inverter as the generated voltage and charges the smoothing capacitor.
  • the converter is a conventional diode bridge converter, the generated voltage is blocked by the diode, so the generated voltage is prevented from regenerating to the AC power supply side.
  • the converter is a step-up converter that performs synchronous rectification, the charge accumulated in the smoothing capacitor may flow out to the AC power supply side via the MOSFET when the synchronous rectification operation is performed. .
  • the present disclosure has been made in view of the above, and aims to obtain a power converter that can reliably prevent reverse power flow to the AC power supply side in a power converter that includes a step-up converter that performs synchronous rectification. aim.
  • a power conversion device converts an AC voltage applied from an AC power supply into a DC voltage for an inverter that drives a permanent magnet synchronous motor.
  • a power converter includes a reactor, a converter, a capacitor, first and second detectors, a controller, and a control voltage generator.
  • the converter includes a plurality of switching elements having antiparallel-connected diodes, is configured by bridge-connecting the plurality of switching elements, and is connected to an AC power supply via a reactor.
  • a capacitor is connected to the output of the converter to hold the DC voltage.
  • the first detector detects a voltage value of the DC voltage.
  • the second detector detects the voltage value, frequency, or zero cross point of the AC voltage.
  • the controller controls the operation of the converter.
  • the control voltage generation section generates a control voltage for operating the control section. When the voltage value of the DC voltage is higher than the voltage value of the control voltage and the detection signal is not output from the second detection section, the operation of the switching elements is stopped.
  • the power converter according to the present disclosure it is possible to reliably prevent reverse power flow to the AC power supply side in the power converter including a step-up converter that performs synchronous rectification.
  • FIG. 1 is a diagram showing a configuration example of a motor drive device including a power conversion device according to Embodiment 1;
  • FIG. 2 is a diagram showing a first example of a current path flowing through the power converter according to Embodiment 1;
  • FIG. 4 is a diagram showing a second example of current paths flowing through the power converter according to the first embodiment;
  • FIG. 2 is a diagram showing an example of a path of regenerated current that can flow in the power converter according to Embodiment 1;
  • Flowchart used to explain the operation of the main part in the power converter according to Embodiment 1 1 is a block diagram showing an example of a hardware configuration realizing functions of a control unit according to Embodiment 1;
  • FIG. FIG. 4 is a block diagram showing another example of a hardware configuration that implements the functions of the control unit according to Embodiment 1;
  • FIG. 10 is a diagram showing a configuration example of an air conditioner according to Embodiment 2; Diagrams used for explaining the operation of the air conditioner according to Embodiment 2
  • a power conversion device, a motor drive device, and an air conditioner according to embodiments of the present disclosure will be described below in detail based on the drawings.
  • FIG. 1 is a diagram showing a configuration example of a motor drive device 100 including a power conversion device 110 according to Embodiment 1.
  • motor drive device 100 according to Embodiment 1 includes power conversion device 110 , control unit 70 , and load 120 .
  • Motor drive device 100 is connected to AC power supply 10 .
  • the AC power supply 10 means a power system that supplies AC power to the motor driving device 100 .
  • the power conversion device 110 includes a reactor 16, a converter 20, a smoothing capacitor 30, a voltage detection unit 80 as a first detection unit, and a voltage detection unit 80 as a second detection unit.
  • a detection unit 83 and a control voltage generation unit 90 are provided.
  • the load 120 includes the first inverter 40, the second inverter 45, the first current detector 82, the second current detector 84, the first permanent magnet synchronous motor 50, and the second inverter 45. and a permanent magnet synchronous motor 55 of .
  • the first and second inverters 40 and 45 and the first and second current detectors 82 and 84 are the motors.
  • the load 120 has only the first permanent magnet synchronous motor 50, the first inverter 40 and the first current detector 82, and the second permanent magnet synchronous motor 55, the second inverter 45 and the second A configuration without the current detector 84 may also be used.
  • the first inverter 40 drives the first permanent magnet synchronous motor 50 and the second inverter 45 drives the second permanent magnet synchronous motor 55 .
  • the power conversion device 110 is a power conversion device that converts AC voltage applied from the AC power supply 10 into DC voltage to the first and second inverters 40 and 45 .
  • the power converter 110 outputs the converted DC voltage to the DC buses 25a and 25b.
  • DC buses 25 a and 25 b are electrical wiring that connects converter 20 and load 120 .
  • the AC voltage output from the AC power supply 10 may be called "power supply voltage".
  • the converter 20 includes a plurality of switching elements UCP, UCN, VCP, VCN having antiparallel-connected diodes, and the switching elements UCP, UCN, VCP, VCN are connected in a full bridge. Converter 20 is also connected to AC power supply 10 via reactor 16 .
  • FIG. 1 illustrates a case where the plurality of switching elements UCP, UCN, VCP, and VCN are MOSFETs.
  • a MOSFET is an example of a switching element with an anti-parallel connected diode. Antiparallel means that the anode of the diode is connected to the source of the MOSFET and the cathode of the diode is connected to the drain of the MOSFET.
  • the anti-parallel diode may be an externally connected diode or a parasitic diode inside the MOSFET.
  • An example of an externally connected diode is a fast recovery diode.
  • a parasitic diode is also called a body diode. The use of parasitic diodes eliminates the need for individual diodes, thereby reducing the number of parts and reducing costs.
  • a MOSFET is an example of a switching element that allows current to flow bidirectionally between a drain and a source. Any switching element may be used as long as it is a switching element that allows current to flow bidirectionally between a first terminal corresponding to the drain and a second terminal corresponding to the source, that is, a bidirectional element.
  • a MOSFET SJ-MOSFET
  • SJ super junction
  • WBG wide band gap
  • GaN gallium nitride
  • SiC silicon carbide
  • diamond diamond
  • the switching element If an SJ-MOSFET or a MOSFET composed of a WBG semiconductor is used as the switching element, the voltage resistance is high and the allowable current density is high, so that the module can be made smaller. Since the WBG semiconductor has high heat resistance, it is possible to reduce the size of the heat radiation fins of the heat radiation section.
  • the switching elements UCP, UCN, VCP, and VCN are configured in a full-bridge connection, but this configuration is adapted to the AC power supply 10, which is a single-phase power supply. If the AC power supply 10 is a three-phase power supply, the converter 20 is also configured to support the three-phase power supply. Specifically, six switching elements are connected to a three-phase bridge.
  • Capacitor 30 is connected to the output end of converter 20 via DC bus lines 25a and 25b and holds the DC voltage output by converter 20 .
  • the voltage detection section 80 detects the voltage value of the DC voltage. The detection of the voltage value of the DC voltage is generally performed by dividing the DC voltage with series-connected resistors and outputting it as a low-voltage analog signal.
  • the voltage detection unit 83 detects the voltage value of the AC voltage.
  • the voltage value of the alternating voltage may be an instantaneous value of the alternating voltage, an average value of the alternating voltage, or an effective value of the alternating voltage.
  • the DC voltage detection value Vdc detected by the voltage detection unit 80 and the AC voltage detection value Vac detected by the voltage detection unit 83 are both input to the control unit 70 .
  • the voltage detection unit 80 detects the bus voltage, which is the voltage between the DC bus 25a and the DC bus 25b, but is not limited to this.
  • the voltage detection section 80 may detect a capacitor voltage, which is the voltage of the capacitor 30 .
  • the voltage detection unit 83 detects the voltage value of the AC voltage, the present invention is not limited to this.
  • the voltage detection section 83 may detect the frequency of the AC voltage, or may detect the zero cross points of the AC voltage waveform.
  • the voltage detection unit 83 may output voltage information as the detected value Vac to the control unit 70, and the control unit 70 may generate frequency information or voltage phase information.
  • the first inverter 40 includes a plurality of switching elements UP, UN, VP, VN, WP, and WN that have antiparallel-connected diodes and are three-phase bridge-connected.
  • the second inverter 45 includes a plurality of switching elements UP', UN', VP', VN', WP', WN' which have antiparallel-connected diodes and are three-phase bridge-connected. Both the first and second inverters 40 and 45 are configured to receive the DC voltage output from the power converter 110 through shared DC buses 25a and 25b.
  • the first inverter 40 drives the first permanent magnet synchronous motor 50 by supplying AC power to the first permanent magnet synchronous motor 50 .
  • the second inverter 45 drives the second permanent magnet synchronous motor 55 by supplying AC power to the second permanent magnet synchronous motor 55 .
  • a plurality of switching elements UP, UN, VP, VN, WP, WN, UP', UN', VP', VN', WP' and WN' are MOSFETs. Although one case is illustrated, switching elements other than MOSFETs may be used.
  • a first current detector 82 detects a first motor current flowing between the first inverter 40 and the first permanent magnet synchronous motor 50 .
  • a second current detector 84 detects a second motor current flowing between the second inverter 45 and the second permanent magnet synchronous motor 55 .
  • An example of the first and second current detectors 82, 84 is a current transformer. Any detection means may be used as long as it can detect the first and second motor currents or physical quantities correlated with these currents. Also, instead of detecting the first and second motor currents, first and second inverter currents, which are currents on the input sides of the first and second inverters 40 and 45, may be detected.
  • First detected values i u , iv , i w of the motor current detected by the first current detector 82 and detected values i uf , ivf of the motor current detected by the second current detector 84 , i wf are both input to the control unit 70 .
  • the control voltage generator 90 is a control power supply that generates a control voltage for operating the controller 70 .
  • the control voltage is a low DC voltage of 24 [V] or less.
  • the power supply system a switching power supply system using a switching element and a transformer is generally adopted. Since the switching power supply system has a transformer, it is possible to generate a non-isolated voltage and an isolated voltage for the capacitor 30 .
  • Control unit 70 controls the operation of converter 20 based on the information on the control voltage generated by control voltage generation unit 90, the detection value Vdc of voltage detection unit 80, and the detection value Vac of voltage detection unit 83. It generates a control signal CS1 for controlling and outputs it to the converter 20 .
  • Control signal CS1 is a pulse train signal that controls conduction of switching elements UCP, UCN, VCP, and VCN of converter 20 .
  • the voltage value of the capacitor voltage is controlled by the control signal CS1, and the alternating current is controlled so as to approximate a sine wave. As a result, the power factor of the alternating current is improved, and harmonics contained in the alternating current can be suppressed.
  • the control signal CS1 performs the synchronous rectification described in the section [Background Art]. The synchronous rectification performed by the power converter 110 according to Embodiment 1 will be described later.
  • control unit 70 controls the first permanent magnet synchronous motor 50 to A control signal CS2 is generated for controlling the switching elements UP, UN, VP, VN, WP, and WN provided in the first inverter 40 so as to rotate at a desired rotation speed.
  • the control signal CS2 is a pulse train signal for pulse width modulation (PWM) control of the switching elements UP, UN, VP, VN, WP, and WN of the first inverter 40 .
  • PWM pulse width modulation
  • control unit 70 controls the second permanent magnet synchronous motor 55 based on the detection value V dc of the voltage detection unit 80 and the detection values i uf , ivf , and i wf of the second current detector 84 .
  • the control signal CS2' is a pulse train signal for PWM-controlling the switching elements UP', UN', VP', VN', WP', and WN' of the second inverter 45.
  • the switching elements UCP and UCN operate complementarily so as not to be turned on at the same time. That is, when one of the switching elements UCP and UCN is on, the other is off.
  • the switching elements VCP and VCN operate complementarily so that they are not turned on at the same time. That is, when one of the switching elements VCP and VCN is on, the other is off.
  • the control unit 70 controls the ON/OFF states of the switching elements UCP, UCN, VCP, and VCN so that the AC current flowing through the AC power supply 10 via the reactor 16 and the capacitor 30 does not become excessive.
  • FIG. 2 is a schematic cross-sectional view showing a schematic structure of a MOSFET used in converter 20 of the first embodiment.
  • FIG. 2 illustrates an n-type MOSFET.
  • a p-type semiconductor substrate 60 having a p-type region 61 is used, as shown in FIG.
  • a source electrode 62 , a drain electrode 63 and a gate electrode 64 are formed on the semiconductor substrate 60 .
  • a high-concentration impurity is ion-implanted to form an n-type region 65 in a portion in contact with the source electrode 62 and the drain electrode 63 .
  • an oxide insulating film 66 is formed between the portion of the p-type semiconductor substrate 60 where the n-type region 65 is not formed and the gate electrode 64 . That is, an oxide insulating film 66 is interposed between the gate electrode 64 and the p-type region 61 in the semiconductor substrate 60 .
  • n-type portion serves as a path for current and is called a channel.
  • FIG. 2 is an example in which an n-type channel 67 is formed.
  • a p-type channel is formed.
  • the MOSFET When synchronous rectification is performed, the MOSFET is turned on, so more current flows through the n-type channel 67 than through the antiparallel diode or the parasitic diode.
  • the parasitic diode is formed in the p-type region 61 .
  • FIG. 3 is a diagram showing a first example of current paths flowing through the power converter 110 according to the first embodiment.
  • FIG. 3 shows an example in which the power supply voltage polarity, which is the polarity of the power supply voltage, is positive.
  • the supply voltage polarity is positive
  • switching elements UCN and VCP are on and switching elements UCP and VCN are off.
  • a current flows through the AC power supply 10 , reactor 16 , switching element VCP, capacitor 30 , switching element UCN, and AC power supply 10 .
  • each switching element is a MOSFET, in Embodiment 1, synchronous rectification is performed by current flowing through the channel of each MOSFET instead of flowing through the parasitic diode of each MOSFET.
  • the switching elements that are turned on are indicated by circles. The same applies to subsequent figures.
  • the switching elements UCP and VCN are on and the switching elements UCN and VCP are off.
  • a current flows through the AC power supply 10 , the switching element UCP, the capacitor 30 , the switching element VCN, the reactor 16 and the AC power supply 10 .
  • the synchronous rectification operation is performed not by the current flowing through the parasitic diodes of the switching elements UCP and VCN, but by the current flowing through the respective channels.
  • FIG. 4 is a diagram showing a second example of current paths flowing through the power converter 110 according to the first embodiment.
  • FIG. 4 shows an example in which the polarity of the power supply voltage is positive, switching elements UCP and VCP are on, and switching elements UCN and VCN are off.
  • a current flows through the AC power supply 10, the reactor 16, the switching element VCP, the switching element UCP, and the AC power supply 10, forming a power supply short-circuit path that does not pass through the capacitor 30.
  • FIG. As described above, in the first embodiment, a power supply short-circuit path is formed by current flowing through the respective channels instead of the parasitic diodes of the switching elements UCP and VCP.
  • a power supply short-circuit path is formed by current flowing through each channel instead of the parasitic diodes of the switching elements UCN and VCN.
  • control unit 70 reduces the harmonic current and improves the power factor by controlling the power supply current waveform. Moreover, the voltage of the capacitor 30 can be boosted by discharging the energy stored in the reactor 16 to the capacitor 30 during the power supply short-circuit operation.
  • various operations are possible depending on the purpose by combining the operations of the switching elements UCP, UCN, VCP, and VCN.
  • the synchronous rectification operation of at least one of the switching elements UCP, UCN, VCP, and VCN may be stopped, that is, the channel of the MOSFET may not conduct but the parasitic diode may conduct.
  • one MOSFET of the switching elements UCP, UCN, VCP, and VCN may be replaced with a diode to achieve a similar operation.
  • FIG. 5 is a diagram showing an example of paths of regenerative current that can flow in the power conversion device 110 according to the first embodiment. Note that FIG. 5 is an example in which the polarity of the power supply voltage is positive.
  • the switching elements UCN and VCP When the polarity of the power supply voltage is positive, the switching elements UCN and VCP are on as shown in FIG. In this case, originally, the synchronous rectification operation is performed as described above. However, when the voltage of the capacitor 30 is higher than the voltage of the AC power supply 10, charging of the capacitor 30 from the AC power supply 10 is not performed. Also, since the switching elements UCN and VCP, which are MOSFETs, function as bidirectional switches, a regenerative current flows from the capacitor 30, which has a relatively high potential, toward the AC power supply 10, which has a relatively low potential. This regenerative current is similarly generated when the polarity of the power supply voltage is negative. Therefore, it is necessary to appropriately control the switching elements UCP, UCN, VCP, and VCN according to the polarity of the power supply voltage or power supply current.
  • FIG. 6 is a flowchart used to explain the operation of the main part of the power conversion device 110 according to the first embodiment.
  • step S001 indicates that the converter 20 is in operation.
  • step S002 it is determined whether or not the AC power supply 10 is lost. If the AC power supply 10 is not lost (step S002, No), the process proceeds to step S003 and the operation of the converter 20 is continued. Henceforth, it returns to step S002 and continues the control flow of FIG. On the other hand, if the AC power supply 10 is lost (step S002, Yes), the process proceeds to step S004.
  • step S004 the magnitude relationship between the DC voltage and the control voltage is compared. If the DC voltage is less than the control voltage (step S004, No), it is determined that there is no risk of reverse flow of excessive voltage to AC power supply 10, and the operation of converter 20 continues in step S003.
  • step S004 if the DC voltage is equal to or higher than the control voltage (step S004, Yes), the process proceeds to step S005, stops the operation of the converter 20, and ends the control flow of FIG.
  • step S004 of FIG. 6 "Yes” is determined when the DC voltage and the control voltage are equal, but “No” may be determined. That is, if the DC voltage and the control voltage are equal, it may be determined by either “Yes” or "No".
  • the determination of the presence or absence of loss of the AC power supply 10 in step S002 of FIG. 6 can be performed based on the detection signal of the voltage detection section 83, which is the second detection section. Specifically, when a detection signal is not output from the voltage detection unit 83, it can be determined that the AC power supply 10 has been lost. The case where the detection signal is not output means that the voltage detection section 83 does not output a significant signal.
  • the configuration or operation of the power converter 110 related to the control flow of FIG. 6 will be supplemented below.
  • the capacitor voltage is less than 50 [V]
  • the ability of the control voltage generator 90 to generate the control voltage is reduced, making it difficult to stably operate the converter 20. . Therefore, it is conceivable to use normally-off MOSFETs for switching elements UCP, UCN, VCP, and VCN that constitute converter 20 .
  • a drive signal for driving a MOSFET is generally designed so that the MOSFET is turned off when the signal level is low. Therefore, if the switching elements UCP, UCN, VCP, and VCN are normally-off MOSFETs, the converter 20 can be controlled to the safe side.
  • the voltage that is generally considered to have no effect on the human body is said to be about 42 [V].
  • the difference between this voltage of 42 [V] and the minimum operating voltage of the control voltage generator 90 of 50 [V] is as small as 8 [V].
  • Q C ⁇ V among the charge amount Q stored in the capacitor 30, the capacitance C of the capacitor 30, and the capacitor voltage V.
  • the safe value of current passing through the human body is said to be 50 [mA/s], and assuming that this 16 [mC] flows for 1 second, the current change rate is 16 [mA/s]. .
  • the capacitor voltage is often about 300 [V] when the converter 20 is boosting.
  • the amount of charge accumulated in the capacitor 30 with a capacitance of 2000 ⁇ F is 516 [mC], which is 16 It is about 32 times the amount of charge [mC].It cannot be said that this amount of charge has an immediate effect on the human body.However, as a future trend, air conditioners that perform synchronous rectification with high energy-saving effects Even if it is safe with one or a few air conditioners, if many air conditioners with synchronous rectification are gathered, it may become a problem in the future. Therefore, it can be said that operating the power conversion device 110 in accordance with the control flow of Fig. 6 is of great significance as a technology in anticipation of future product trends.
  • the control unit 70 controls the operation of the converter 20, and the control voltage generation unit 90 generates a control voltage for operating the control unit 70. Then, when the voltage value of the DC voltage output by the power conversion device 110 is higher than the voltage value of the control voltage and the voltage detection unit 83 for detecting the power supply voltage does not output a detection signal, the control unit 70 controls The switching elements UCP, UCN, VCP, and VCN of converter 20 stop operating. With this control, reverse power flow to the AC power supply 10 side can be reliably prevented even when the power converter 110 includes the step-up converter 20 and performs synchronous rectification. This makes it possible to realize a highly reliable power conversion device 110 .
  • the operating voltage is preferably 42 [V], which is a safe voltage in consideration of the effects on the human body.
  • the operating voltage may be set to 50 [V] or higher depending on the specifications of the switching power supply system or in order to suppress deterioration in the ability of the control voltage generator 90 to generate the control voltage.
  • the operating voltage is set to 50 [V] or higher, it is needless to say that the capacitance of the capacitor 30 should be taken into consideration when deciding.
  • FIG. 7 is a block diagram showing an example of a hardware configuration that implements the functions of the control unit 70 according to the first embodiment.
  • FIG. 8 is a block diagram showing another example of the hardware configuration that implements the functions of the control unit 70 according to the first embodiment.
  • control unit 70 When realizing the functions of the control unit 70 according to the first embodiment, as shown in FIG. can be configured to include an interface 304 that performs
  • the processor 300 is arithmetic means called an arithmetic unit, microprocessor, microcomputer, CPU (Central Processing Unit), DSP (Digital Signal Processor), or system LSI (Large Scale Integration).
  • the memory 302 includes nonvolatile or volatile semiconductor memories such as RAM (Random Access Memory), ROM (Read Only Memory), flash memory, EPROM (Erasable Programmable ROM), EEPROM (registered trademark) (Electrically EPROM), Magnetic discs, flexible discs, optical discs, compact discs, mini discs, and DVDs (Digital Versatile Discs) can be exemplified.
  • the memory 302 stores programs for executing the functions of the control unit 70 according to the first embodiment.
  • the processor 300 can perform the above-described processing by exchanging necessary information via the interface 304 and executing the program stored in the memory 302 by the processor 300 . Results of operations by processor 300 may be stored in memory 302 .
  • the processing circuit 305 shown in FIG. 8 can be used.
  • the processing circuit 305 corresponds to a single circuit, a composite circuit, an ASIC (Application Specific Integrated Circuit), an FPGA (Field-Programmable Gate Array), or a combination thereof.
  • Information to be input to the processing circuit 305 and information to be output from the processing circuit 305 can be obtained via the interface 306 .
  • part of the processing in the control unit 70 may be performed by the processor 300 having the configuration shown in FIG.
  • Embodiment 2 describes an air conditioner provided with power conversion device 110 described in Embodiment 1.
  • FIG. 1 is a diagrammatic representation of Embodiment 2.
  • FIG. 9 is a diagram showing a configuration example of the air conditioner 200 according to the second embodiment.
  • An air conditioner 200 shown in FIG. 9 is a separate type air conditioner and includes an indoor unit 210 and an outdoor unit 220 .
  • the indoor unit 210 includes an indoor unit load 211 and an opening/closing unit 212 .
  • the outdoor unit 220 includes the power converter 110 described in Embodiment 1, the load 120 and the controller 70 .
  • the indoor unit load 211 is composed of a fan motor that drives the blower fan of the indoor unit 210, a stepping motor that operates flaps that adjust the wind direction, and a control unit that operates them.
  • the indoor unit 210 receives power from the AC power supply 10
  • the opening/closing unit 212 is closed to supply the AC power from the AC power supply 10. It operates to apply voltage to the outdoor unit 220 .
  • FIG. 10 is a diagram used for explaining the operation of the air conditioner 200 according to Embodiment 2.
  • the first inverter 40 and the first permanent magnet synchronous motor 50 are used to drive an outdoor fan (not shown) in the outdoor unit 220 .
  • the outdoor fan is a fan device for heat exchange in the outdoor unit 220 .
  • the first inverter 40 and the first permanent magnet synchronous motor 50 are used to drive a compressor (not shown) in the outdoor unit 220.
  • the compressor compresses the refrigerant and circulates it indoors and outdoors.
  • FIG. 10 shows paths of currents flowing between the U phase and the V phase when the first permanent magnet synchronous motor 50 operates as a generator.
  • the current flowing out of the U-phase flows through the diode of the switching element UP, the capacitor 30, and the diode of the switching element VN, and flows into the V-phase. This current charges the capacitor 30 .
  • Similar currents flow between the V-phase and W-phase and between the W-phase and U-phase, although they flow in different time zones.
  • the generated voltage of the first permanent magnet synchronous motor 50 is proportional to the number of revolutions.
  • a general rotational speed for driving an outdoor fan is about 1000 [rpm].
  • the outdoor unit 220 when the outdoor unit 220 is exposed to strong winds such as typhoons, it may rotate at a rotation speed nearly five times the general rotation speed. In this case, the current flowing through the path shown in FIG.
  • control unit 70 When a voltage above a certain level is stored in the capacitor 30, a control voltage is generated by the control voltage generating section 90, and the control section 70 can be activated. If control unit 70 is activated and controls switching elements UCP, UCN, VCP, and VCN of converter 20 , an excessive voltage may be applied to AC power supply 10 . Especially during a power failure, the potential difference between the AC power supply 10 and the capacitor 30 is large, and there is a risk that an excessively large regenerative current will flow. In addition, since the converter 20 is designed on the assumption that an input voltage of 100 [V] or 200 [V] is applied, there is a risk of a short circuit due to insufficient insulation distance, which may damage the circuit. , the varistor, which is a protection device when an excessive voltage is applied, may operate.
  • the phenomenon described above occurs even during a power outage in which power is not supplied to the outdoor unit 220, and also occurs due to the rotation of the outdoor fan even when the opening/closing unit 212 is open. Therefore, it is necessary to appropriately protect the air conditioner 200 from these phenomena. Therefore, in the air conditioner 200 according to Embodiment 2, when the controller 70 is activated by the rotation of the outdoor fan, first, the detected value V ac of the voltage detector 83 is checked. If the control unit 70 is activated even though the power supply voltage is not detected, it is determined that the outdoor fan is rotating due to strong winds such as typhoons, and the switching elements UCP, UCN, VCP, and VCN are turned on. Stop the operation.
  • This control reliably prevents reverse power flow to the AC power supply 10 side even when the power conversion device 110 provided in the air conditioner 200 includes the step-up converter 20 and performs synchronous rectification. can be done. This makes it possible to realize a highly reliable air conditioner 200 .
  • the configuration shown in the above embodiment shows an example of the content of the present invention, and it is possible to combine it with another known technology, and one configuration can be used without departing from the scope of the present invention. It is also possible to omit or change the part.
  • Second inverter 10 AC power supply 16 Reactor 20 Converter 25a, 25b DC bus 30 Capacitor 40 First inverter 45 Second inverter 50 First permanent magnet synchronous motor 55 Second permanent magnet synchronous motor 60 Semiconductor substrate, 61 p-type region, 62 source electrode, 63 drain electrode, 64 gate electrode, 65 n-type region, 66 oxide insulating film, 67 n-type channel, 70 control section, 80, 83 voltage detection section, 82 first Current detector, 84 Second current detector, 90 Control voltage generator, 100 Motor drive device, 110 Power conversion device, 120 Load, 200 Air conditioner, 210 Indoor unit, 211 Indoor unit load, 212 Switching unit, 220 Outdoor unit, 300 processor, 302 memory, 304, 306 interface, 305 processing circuit, UCP, UCN, VCP, VCN, UP, UN, VP, VN, WP, WN, UP', UN', VP', VN', WP', WN' switching elements.

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Abstract

電力変換装置（１１０）において、制御部（７０）はコンバータ（２０）の動作を制御し、制御電圧生成部（９０）は制御部（７０）を動作させる制御電圧を生成する。電力変換装置（１１０）が出力する直流電圧の電圧値が制御電圧の電圧値よりも高く、且つ、電源電圧を検出する電圧検出部（８３）から検出信号が出力されない場合、制御部（７０）の制御によって、コンバータ（２０）のスイッチング素子（ＵＣＰ，ＵＣＮ，ＶＣＰ，ＶＣＮ）の動作は停止した状態となる。

Description

電力変換装置、モータ駆動装置及び空気調和機
　本開示は、交流電源から印加される交流電圧を直流電圧に変換する電力変換装置、電力変換装置を備えたモータ駆動装置、及びモータ駆動装置を備えた空気調和機に関する。
　下記特許文献１に記載の電力変換装置は、フルブリッジ接続されるダイオードの両端に金属酸化膜半導体電界効果トランジスタ（Ｍｅｔａｌ　Ｏｘｉｄｅ　Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ　Ｆｉｅｌｄ　Ｅｆｆｅｃｔ　Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ：ＭＯＳＦＥＴ）が並列に接続される構成のコンバータを備えている。この種のコンバータを備えた電力変換装置では、ＭＯＳＦＥＴに並列に接続されるダイオードが導通するタイミングでＭＯＳＦＥＴをオン動作させ、ＭＯＳＦＥＴのチャネルに電流を通流させることで損失を低減することが行われる。この技術は「同期整流」と呼ばれている。
　また、特許文献１に記載のコンバータは昇圧型のコンバータであり、室外ファンを備えた空気調和機に用いられている。昇圧型のコンバータは、交流電圧を直流電圧に変換する過程で、平滑コンデンサに保持される直流電圧の電圧値が交流電圧の電圧値よりも高い値に制御される。昇圧型のコンバータでは、交流電源からコンバータに供給される電流である交流電流の力率が改善されるので、交流電流に含まれる高調波の抑制が可能である。
特開２０１６－１７１６８０号公報
　前述したように、昇圧型のコンバータでは、平滑コンデンサの電圧が交流電圧の電圧値よりも高い値に制御される。このため、交流電源の停電時には、電力変換装置に印加される交流電圧が遮断されるので、平滑コンデンサから交流電源に向かう方向の電流勾配が生じる。この場合、交流電源の復旧作業に支障を来すおそれがある。
　また、最近の空気調和機においては、高効率化のため、室外ファンを駆動するファンモータにブラシレスＤＣモータを採用することが行われている。空気調和機の室外機は文字通り室外に設置されるので、台風などの強風下では、室外ファンが高速で回転することがある。室外ファンが高速で回転すると、室外ファンに接続されるブラシレスＤＣモータには、回転数に応じた逆起電圧が発生し、その電圧が発電電圧としてインバータに供給され、平滑コンデンサに充電されることがある。
　コンバータが従来のダイオードブリッジによるコンバータの場合、発電電圧はダイオードにより阻止されるので、発電電圧が交流電源側に回生することは阻止される。一方、コンバータが同期整流を行う昇圧型のコンバータの場合、同期整流動作を行うと平滑コンデンサに蓄えられた電荷がＭＯＳＦＥＴを介して交流電源側に流出、即ち交流電源側に逆潮流するおそれがある。
　本開示は、上記に鑑みてなされたものであって、同期整流を行う昇圧型のコンバータを備えた電力変換装置において、交流電源側への逆潮流を確実に防止できる電力変換装置を得ることを目的とする。
　上述した課題を解決し、目的を達成するため、本開示に係る電力変換装置は、交流電源から印加される交流電圧を、永久磁石同期モータを駆動するインバータへの直流電圧に変換する電力変換装置である。電力変換装置は、リアクトルと、コンバータと、コンデンサと、第１及び第２の検出部と、制御部と、制御電圧生成部とを備える。コンバータは、逆並列接続ダイオードを有するスイッチング素子を複数備え、複数のスイッチング素子がブリッジ接続されて構成され、リアクトルを介して交流電源に接続される。コンデンサは、コンバータの出力端に接続され、直流電圧を保持する。第１の検出部は、直流電圧の電圧値を検出する。第２の検出部は、交流電圧の電圧値、周波数又はゼロクロス点を検出する。制御部は、コンバータの動作を制御する。制御電圧生成部は、制御部を動作させる制御電圧を生成する。直流電圧の電圧値が制御電圧の電圧値よりも高く、且つ、第２の検出部から検出信号が出力されない場合、複数のスイッチング素子の動作は停止した状態である。
　本開示に係る電力変換装置によれば、同期整流を行う昇圧型のコンバータを備えた電力変換装置において、交流電源側への逆潮流を確実に防止できるという効果を奏する。
実施の形態１に係る電力変換装置を含むモータ駆動装置の構成例を示す図 実施の形態１のコンバータで用いられるＭＯＳＦＥＴの概略構造を示す模式的断面図 実施の形態１に係る電力変換装置に流れる電流経路の第１の例を示す図 実施の形態１に係る電力変換装置に流れる電流経路の第２の例を示す図 実施の形態１に係る電力変換装置において流れ得る回生電流の経路例を示す図 実施の形態１に係る電力変換装置における要部の動作説明に使用するフローチャート 実施の形態１に係る制御部の機能を実現するハードウェア構成の一例を示すブロック図 実施の形態１に係る制御部の機能を実現するハードウェア構成の他の例を示すブロック図 実施の形態２に係る空気調和機の構成例を示す図 実施の形態２に係る空気調和機の動作説明に使用する図
　以下に、本開示の実施の形態に係る電力変換装置、モータ駆動装置及び空気調和機を図面に基づいて詳細に説明する。
実施の形態１．
　図１は、実施の形態１に係る電力変換装置１１０を含むモータ駆動装置１００の構成例を示す図である。図１に示すように、実施の形態１に係るモータ駆動装置１００は、電力変換装置１１０と、制御部７０と、負荷１２０とを備える。モータ駆動装置１００は、交流電源１０に接続される。交流電源１０は、モータ駆動装置１００に交流電力を供給する電源系統を意味する。
　電力変換装置１１０は、図１に示すように、リアクトル１６と、コンバータ２０と、平滑コンデンサであるコンデンサ３０と、第１の検出部である電圧検出部８０と、第２の検出部である電圧検出部８３と、制御電圧生成部９０とを備える。また、負荷１２０は、第１のインバータ４０と、第２のインバータ４５と、第１の電流検出器８２と、第２の電流検出器８４と、第１の永久磁石同期モータ５０と、第２の永久磁石同期モータ５５と、を備える。負荷１２０の構成要素のうち、第１及び第２の永久磁石同期モータ５０，５５を除く、第１及び第２のインバータ４０，４５、及び第１及び第２の電流検出器８２，８４がモータ駆動装置１００の構成要素である。なお、負荷１２０は、第１の永久磁石同期モータ５０、第１のインバータ４０及び第１の電流検出器８２のみを有し、第２の永久磁石同期モータ５５、第２のインバータ４５及び第２の電流検出器８４を有さない構成であってもよい。
　第１のインバータ４０は第１の永久磁石同期モータ５０を駆動し、第２のインバータ４５は第２の永久磁石同期モータ５５を駆動する。電力変換装置１１０は、交流電源１０から印加される交流電圧を、第１及び第２のインバータ４０，４５への直流電圧に変換する電力変換装置である。電力変換装置１１０は、変換した直流電圧を直流母線２５ａ，２５ｂに出力する。直流母線２５ａ，２５ｂは、コンバータ２０と負荷１２０とを接続する電気配線である。なお、本稿において、交流電源１０から出力される交流電圧を「電源電圧」と呼ぶことがある。
　コンバータ２０は、逆並列接続ダイオードを有する複数のスイッチング素子ＵＣＰ，ＵＣＮ，ＶＣＰ，ＶＣＮを備え、スイッチング素子ＵＣＰ，ＵＣＮ，ＶＣＰ，ＶＣＮがフルブリッジ接続されて構成される。また、コンバータ２０は、リアクトル１６を介して交流電源１０に接続される。
　図１では、複数のスイッチング素子ＵＣＰ，ＵＣＮ，ＶＣＰ，ＶＣＮがＭＯＳＦＥＴである場合を例示している。ＭＯＳＦＥＴは、逆並列接続ダイオードを備えたスイッチング素子の一例である。逆並列とは、ダイオードのアノードがＭＯＳＦＥＴのソースに接続され、ダイオードのカソードがＭＯＳＦＥＴのドレインに接続されることを意味する。逆並列接続ダイオードは、外部接続のダイオードでもよいし、ＭＯＳＦＥＴが内部に有する寄生ダイオードでもよい。外部接続のダイオードの一例は、ファーストリカバリダイオードである。寄生ダイオードは、ボディダイオードとも呼ばれる。寄生ダイオードを利用すれば、個別のダイオードが不要になるので、部品点数を削減することができ、コスト低減につながる。
　また、ＭＯＳＦＥＴは、ドレインとソースとの間で双方向に電流を流すことができるスイッチング素子の例示である。ドレインに相当する第１端子とソースに相当する第２端子との間で双方向に電流を流すことができるスイッチング素子、即ち双方向素子であれば、どのようなスイッチング素子でもよい。例えば、スーパージャンクション（Ｓｕｐｅｒ　Ｊｕｎｃｔｉｏｎ：ＳＪ）構造を有するＭＯＳＦＥＴ（ＳＪ－ＭＯＳＦＥＴ）、又は窒化ガリウム（Ｇａｌｌｉｕｍ　Ｎｉｔｒｉｄｅ：ＧａＮ）、炭化珪素（Ｓｉｌｉｃｏｎ　Ｃａｒｂｉｄｅ：ＳｉＣ）、ダイヤモンドといったワイドバンドギャップ（Ｗｉｄｅ　Ｂａｎｄ　Ｇａｐ：ＷＢＧ）半導体で構成されたＭＯＳＦＥＴを用いることができる。スイッチング素子にＳＪ－ＭＯＳＦＥＴ又はＷＢＧ半導体で構成されたＭＯＳＦＥＴを用いると、耐電圧性が高く、許容電流密度も高くなるので、モジュールの小型化が可能となる。ＷＢＧ半導体は、耐熱性も高いため、放熱部の放熱フィンの小型化も可能になる。
　なお、図１では、スイッチング素子ＵＣＰ，ＵＣＮ，ＶＣＰ，ＶＣＮがフルブリッジ接続される構成であるが、この構成は、単相電源である交流電源１０に合わせたものである。交流電源１０が三相電源の場合、コンバータ２０も三相電源に対応した構成とされる。具体的には、６つのスイッチング素子が三相ブリッジ接続される構成となる。
　コンデンサ３０は、直流母線２５ａ，２５ｂを介してコンバータ２０の出力端に接続され、コンバータ２０が出力する直流電圧を保持する。電圧検出部８０は、直流電圧の電圧値を検出する。直流電圧の電圧値の検出は、直列接続した抵抗で直流電圧を分圧して、低電圧のアナログ信号として出力する構成が一般的である。また、電圧検出部８３は、交流電圧の電圧値を検出する。交流電圧の電圧値は、交流電圧の瞬時値であってもよいし、交流電圧の平均値であってもよいし、交流電圧の実効値であってもよい。電圧検出部８０によって検出された直流電圧の検出値Ｖｄｃ及び電圧検出部８３によって検出された交流電圧の検出値Ｖａｃは、共に制御部７０に入力される。
　なお、図１において、電圧検出部８０は、直流母線２５ａと直流母線２５ｂとの間の電圧である母線電圧を検出しているが、これに限定されない。電圧検出部８０は、コンデンサ３０の電圧であるコンデンサ電圧を検出してもよい。また、電圧検出部８３は、交流電圧の電圧値を検出しているが、これに限定されない。電圧検出部８３は、交流電圧の周波数を検出してもよいし、交流電圧波形のゼロクロス点を検出してもよい。また、電圧検出部８３が検出値Ｖａｃとして電圧情報を制御部７０に出力し、制御部７０の側で周波数の情報又は電圧位相の情報が生成されるように構成されていてもよい。
　また、負荷１２０において、第１のインバータ４０は、逆並列接続ダイオードを有して三相ブリッジ接続される複数のスイッチング素子ＵＰ，ＵＮ，ＶＰ，ＶＮ，ＷＰ，ＷＮを備える。第２のインバータ４５は、逆並列接続ダイオードを有して三相ブリッジ接続される複数のスイッチング素子ＵＰ’，ＵＮ’，ＶＰ’，ＶＮ’，ＷＰ’，ＷＮ’を備える。第１及び第２のインバータ４０，４５は、共に共用の直流母線２５ａ，２５ｂを通じて、電力変換装置１１０が出力する直流電圧が印加される構成となっている。
　第１のインバータ４０は、第１の永久磁石同期モータ５０に交流電力を供給することで第１の永久磁石同期モータ５０を駆動する。第２のインバータ４５は、第２の永久磁石同期モータ５５に交流電力を供給することで第２の永久磁石同期モータ５５を駆動する。
　なお、第１及び第２のインバータ４０，４５では、複数のスイッチング素子ＵＰ，ＵＮ，ＶＰ，ＶＮ，ＷＰ，ＷＮ，ＵＰ’，ＵＮ’，ＶＰ’，ＶＮ’，ＷＰ’，ＷＮ’がＭＯＳＦＥＴである場合を例示しているが、ＭＯＳＦＥＴ以外のスイッチング素子を用いてもよい。
　第１の電流検出器８２は、第１のインバータ４０と第１の永久磁石同期モータ５０との間に流れる第１のモータ電流を検出する。第２の電流検出器８４は、第２のインバータ４５と第２の永久磁石同期モータ５５との間に流れる第２のモータ電流を検出する。第１及び第２の電流検出器８２，８４の一例は、カレントトランスである。なお、第１及び第２のモータ電流、又はこれらの電流と相関のある物理量を検出できるものであれば、どのような検出手段でもよい。また、第１及び第２のモータ電流を検出する構成に代えて、第１及び第２のインバータ４０，４５の入力側の電流である第１及び第２のインバータ電流を検出してもよい。第１の電流検出器８２によって検出された第１のモータ電流の検出値ｉｕ，ｉｖ，ｉｗ、及び第２の電流検出器８４によって検出されたモータ電流の検出値ｉｕｆ，ｉｖｆ，ｉｗｆは、共に制御部７０に入力される。
　制御電圧生成部９０は、制御部７０を動作させる制御電圧を生成する制御電源である。一般的に、制御電圧は、２４［Ｖ］以下の低圧の直流電圧である。また、電源方式は、一般的に、スイッチング素子及びトランスによるスイッチング電源方式が採用される。スイッチング電源方式は、トランスを有するので、コンデンサ３０に対して非絶縁の電圧と絶縁の電圧とを生成することができる。
　制御部７０は、制御電圧生成部９０が生成する制御電圧の情報と、電圧検出部８０の検出値Ｖｄｃと、電圧検出部８３の検出値Ｖａｃとに基づいて、コンバータ２０の動作を制御するための制御信号ＣＳ１を生成してコンバータ２０に出力する。制御信号ＣＳ１は、コンバータ２０のスイッチング素子ＵＣＰ，ＵＣＮ，ＶＣＰ，ＶＣＮの導通を制御するパルス列信号である。制御信号ＣＳ１により、コンデンサ電圧の電圧値が制御され、交流電流が正弦波に近づくように制御される。これにより、交流電流の力率が改善され、交流電流に含まれる高調波の抑制が可能となる。また、制御信号ＣＳ１により、［背景技術］の項で説明した同期整流が行われる。実施の形態１に係る電力変換装置１１０で行われる同期整流については後述する。
　また、制御部７０は、電圧検出部８０の検出値Ｖｄｃと、第１の電流検出器８２の検出値ｉｕ，ｉｖ，ｉｗとに基づいて、第１の永久磁石同期モータ５０が所望の回転数で回転するように、第１のインバータ４０に具備されるスイッチング素子ＵＰ，ＵＮ，ＶＰ，ＶＮ，ＷＰ，ＷＮを制御するための制御信号ＣＳ２を生成する。制御信号ＣＳ２は、第１のインバータ４０のスイッチング素子ＵＰ，ＵＮ，ＶＰ，ＶＮ，ＷＰ，ＷＮをパルス幅変調（Ｐｕｌｓｅ　Ｗｉｄｔｈ　Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ：ＰＷＭ）制御するためのパルス列信号である。
　同様に、制御部７０は、電圧検出部８０の検出値Ｖｄｃと、第２の電流検出器８４の検出値ｉｕｆ，ｉｖｆ，ｉｗｆとに基づいて、第２の永久磁石同期モータ５５が所望の回転数で回転するように、第２のインバータ４５に具備されるスイッチング素子ＵＰ’，ＵＮ’，ＶＰ’，ＶＮ’，ＷＰ’，ＷＮ’を制御するための制御信号ＣＳ２’を生成する。制御信号ＣＳ２’は、第２のインバータ４５のスイッチング素子ＵＰ’，ＵＮ’，ＶＰ’，ＶＮ’，ＷＰ’，ＷＮ’をＰＷＭ制御するためのパルス列信号である。
　次に、実施の形態１に係る電力変換装置１１０の基本的な動作を説明する。まず、スイッチング素子ＵＣＰ，ＵＣＮは、同時にオン状態にならないように相補的に動作する。即ち、スイッチング素子ＵＣＰ，ＵＣＮは、一方がオンの場合には他方はオフである。同様に、スイッチング素子ＶＣＰ，ＶＣＮは、同時にオン状態にならないように相補的に動作する。即ち、スイッチング素子ＶＣＰ，ＶＣＮは、一方がオンの場合には他方はオフである。制御部７０は、リアクトル１６及びコンデンサ３０を介して交流電源１０に流れる交流電流が過大とならないように、スイッチング素子ＵＣＰ，ＵＣＮ，ＶＣＰ，ＶＣＮのオン又はオフ状態を制御する。
　次に、実施の形態１におけるスイッチング素子ＵＣＰ，ＵＣＮ，ＶＣＰ，ＶＣＮの状態と実施の形態１に係る電力変換装置１１０に流れる電流の経路との関係について説明する。なお、本説明の前に、ＭＯＳＦＥＴの構造について、図２を参照して説明する。
　図２は、実施の形態１のコンバータ２０で用いられるＭＯＳＦＥＴの概略構造を示す模式的断面図である。図２では、ｎ型ＭＯＳＦＥＴを例示している。
　ｎ型ＭＯＳＦＥＴの場合、図２に示すように、ｐ型領域６１を有するｐ型の半導体基板６０が用いられる。半導体基板６０には、ソース電極６２、ドレイン電極６３及びゲート電極６４が形成される。ソース電極６２及びドレイン電極６３と接する部位には、高濃度の不純物がイオン注入されてｎ型領域６５が形成される。また、ｐ型の半導体基板６０において、ｎ型領域６５が形成されない部位とゲート電極６４との間には、酸化絶縁膜６６が形成される。即ち、ゲート電極６４と、半導体基板６０におけるｐ型領域６１との間には、酸化絶縁膜６６が介在している。
　ゲート電極６４に正電圧が印加されると、半導体基板６０におけるｐ型領域６１と酸化絶縁膜６６との間の境界面に電子が引き寄せられ、当該境界面が負に帯電する。電子が集まった所は、電子の密度がホール密度よりも高くなりｎ型化する。このｎ型化した部分は電流の通り道となりチャネルと呼ばれる。図２の例は、ｎ型チャネル６７が形成される場合の例である。ｐ型ＭＯＳＦＥＴの場合には、ｐ型チャネルが形成される。
　同期整流を行う場合、ＭＯＳＦＥＴがオンに制御されるので、通流する電流は、逆並列ダイオード又は寄生ダイオードよりもｎ型チャネル６７の方に多く流れるようになる。なお、図２の構成のｎ型ＭＯＳＦＥＴの場合、寄生ダイオードは、ｐ型領域６１に形成される。
　図３は、実施の形態１に係る電力変換装置１１０に流れる電流経路の第１の例を示す図である。図３は、電源電圧の極性である電源電圧極性が正の場合の例である。電源電圧極性が正の場合、スイッチング素子ＵＣＮ，ＶＣＰがオンであり、スイッチング素子ＵＣＰ，ＶＣＮがオフである。この状態では、交流電源１０、リアクトル１６、スイッチング素子ＶＣＰ、コンデンサ３０、スイッチング素子ＵＣＮ、交流電源１０の経路で電流が流れる。各スイッチング素子がＭＯＳＦＥＴである場合、実施の形態１では、各ＭＯＳＦＥＴの寄生ダイオードに電流が流れるのではなく、各ＭＯＳＦＥＴのチャネルに電流が流れることで、同期整流動作が行われる。なお、図３では、オンしているスイッチング素子を丸印で示している。以降の図においても同様とする。
　なお、電源電圧極性が負の場合については図示しないが、スイッチング素子ＵＣＰ，ＶＣＮがオンであり、スイッチング素子ＵＣＮ，ＶＣＰがオフである。この状態では、交流電源１０、スイッチング素子ＵＣＰ、コンデンサ３０、スイッチング素子ＶＣＮ、リアクトル１６、交流電源１０の経路で電流が流れる。電源電圧極性が正の場合と同様に、スイッチング素子ＵＣＰ，ＶＣＮの寄生ダイオードに電流が流れるのではなく、それぞれのチャネルに電流が流れることで、同期整流動作が行われる。
　図４は、実施の形態１に係る電力変換装置１１０に流れる電流経路の第２の例を示す図である。図４は、電源電圧極性が正の場合の例であり、スイッチング素子ＵＣＰ，ＶＣＰがオンであり、スイッチング素子ＵＣＮ，ＶＣＮがオフである。この状態では、交流電源１０、リアクトル１６、スイッチング素子ＶＣＰ、スイッチング素子ＵＣＰ、交流電源１０の経路で電流が流れ、コンデンサ３０を経由しない電源短絡経路が形成される。このように、実施の形態１では、スイッチング素子ＵＣＰ，ＶＣＰの寄生ダイオードではなく、それぞれのチャネルに電流が流れることで、電源短絡経路が形成される。
　なお、電源電圧極性が負の場合については図示しないが、スイッチング素子ＵＣＮ，ＶＣＮがオンであり、スイッチング素子ＵＣＰ，ＶＣＰがオフである。この状態では、交流電源１０、スイッチング素子ＵＣＮ、スイッチング素子ＶＣＮ、リアクトル１６、交流電源１０の順序で電流が流れ、コンデンサ３０を経由しない電源短絡経路が形成される。このように、実施の形態１では、スイッチング素子ＵＣＮ，ＶＣＮの寄生ダイオードではなく、それぞれのチャネルに電流が流れることで、電源短絡経路が形成される。
　制御部７０は、以上に述べた電流経路の切替えを制御することで、電源電流波形の制御による高調波電流の低減及び力率改善を行う。また、電源短絡動作時において、リアクトル１６に蓄えたエネルギーをコンデンサ３０に放出することで、コンデンサ３０の電圧を昇圧することができる。
　ここで、スイッチング素子ＵＣＰ，ＵＣＮ，ＶＣＰ，ＶＣＮの動作の組み合わせにより、目的に応じた様々な動作が可能である。例えば、スイッチング素子ＵＣＰ，ＵＣＮ，ＶＣＰ，ＶＣＮのうちの少なくとも１つの同期整流動作を停止させる、つまりＭＯＳＦＥＴのチャネルを通流させずに寄生ダイオードを通流させるようにしてもよい。或いは、スイッチング素子ＵＣＰ，ＵＣＮ，ＶＣＰ，ＶＣＮのうちの１つのＭＯＳＦＥＴをダイオードに置き換えて同様の動作を実現させてもよい。
　次に、図５を用いて、コンデンサ３０のエネルギーが交流電源１０に回生する動作について説明する。図５は、実施の形態１に係る電力変換装置１１０において流れ得る回生電流の経路例を示す図である。なお、図５は、電源電圧極性が正の場合の例である。
　電源電圧極性が正の場合、図５のように、スイッチング素子ＵＣＮ，ＶＣＰがオン状態である。この場合、本来であれば、前述の通りの同期整流動作となる。ところが、交流電源１０の電圧よりもコンデンサ３０の電圧の方が高い場合、交流電源１０からコンデンサ３０への充電は行われない。また、ＭＯＳＦＥＴであるスイッチング素子ＵＣＮ，ＶＣＰは双方向スイッチとして機能するため、相対的に電位の高いコンデンサ３０から相対的に電位の低い交流電源１０へ向かって回生電流が流れる。この回生電流は、電源電圧極性が負の場合にも同様に発生する。このため、電源電圧又は電源電流の極性に応じて、スイッチング素子ＵＣＰ，ＵＣＮ，ＶＣＰ，ＶＣＮを適切に制御する必要がある。
　前述したように、交流電源１０の電圧よりもコンデンサ３０の電圧の方が高い場合には、コンデンサ３０から交流電源１０に向かう回生電流が流れ得る。このため、交流電源１０に停電が発生した場合、コンデンサ３０に電圧が保持されていると、スイッチング素子ＵＣＰ，ＵＣＮ，ＶＣＰ，ＶＣＮの動作次第では回生電流が流れてしまう。
　一般的に、インバータを有する電力機器においては、数１０００［μＦ］の大容量のコンデンサ３０を用いることが多く、比較的過大な電圧が交流電源１０に印加されるおそれがある。交流電源１０が正常に供給されている状態では、このような過大な電圧に誤って触れることはない。一方、例えば停電等により、交流電源１０が喪失された状態においては、復旧させる作業員がこの過大電圧に触れるおそれがある。そのため、この種の回生動作に対しては、適切に対処して、作業員の安全性を確保する必要がある。
　回生動作を停止させるためには、スイッチング素子ＵＣＰ，ＵＣＮ，ＶＣＰ，ＶＣＮを停止させれば、寄生ダイオードにより回生動作が阻止される。一方、制御部７０を動作させるためには、制御部７０を動作させる制御電圧が確保されている必要がある。そこで、実施の形態１に係る電力変換装置１１０を図６に示す制御フローに従って動作させる。図６は、実施の形態１に係る電力変換装置１１０における要部の動作説明に使用するフローチャートである。
　まず、ステップＳ００１では、コンバータ２０が動作中であることを示している。ステップＳ００２では、交流電源１０の喪失の有無が判定される。交流電源１０が喪失された状態でなければ（ステップＳ００２，Ｎｏ）、ステップＳ００３に移行し、コンバータ２０の動作を継続する。以降、ステップＳ００２に戻って、図６の制御フローを継続する。一方、交流電源１０が喪失された状態であれば（ステップＳ００２，Ｙｅｓ）、ステップＳ００４に移行する。ステップＳ００４では、直流電圧と制御電圧との大小関係が比較される。直流電圧が制御電圧未満であれば（ステップＳ００４，Ｎｏ）、交流電源１０に過大な電圧が逆潮流するおそれがないと判断し、ステップＳ００３に移行してコンバータ２０の動作を継続する。以降、ステップＳ００２に戻って、図６の制御フローを継続する。一方、直流電圧が制御電圧以上であれば（ステップＳ００４，Ｙｅｓ）、ステップＳ００５に移行し、コンバータ２０の動作を停止して図６の制御フローを終了する。
　なお、図６のステップＳ００４では、直流電圧と制御電圧とが等しい場合を“Ｙｅｓ”と判定しているが、“Ｎｏ”と判定してもよい。即ち、直流電圧と制御電圧とが等しい場合を“Ｙｅｓ”又は“Ｎｏ”の何れで判定してもよい。
　また、図６のステップＳ００２における交流電源１０の喪失の有無の判定は、第２の検出部である電圧検出部８３の検出信号に基づいて行うことができる。具体的に、電圧検出部８３から検出信号が出力されない場合に、交流電源１０が喪失したと判定することができる。検出信号が出力されない場合とは、電圧検出部８３から有意な信号が出力されないことを意味する。
　以下、図６の制御フローに関係する電力変換装置１１０の構成又は動作について補足する。まず、コンデンサ３０の静電容量にもよるが、コンデンサ電圧が５０［Ｖ］未満では、制御電圧生成部９０による制御電圧の生成能力が低下し、コンバータ２０を安定して動作させることが難しくなる。そこで、コンバータ２０を構成するスイッチング素子ＵＣＰ，ＵＣＮ，ＶＣＰ，ＶＣＮにノーマリオフ型のＭＯＳＦＥＴを用いることが考えられる。一般的に、ＭＯＳＦＥＴを駆動するための駆動信号は、信号レベルがローのときにＭＯＳＦＥＴがオフ状態となるように設計されるのが一般的である。このため、スイッチング素子ＵＣＰ，ＵＣＮ，ＶＣＰ，ＶＣＮがノーマリオフ型のＭＯＳＦＥＴであれば、コンバータ２０を安全側に制御することができる。
　また、一般的に人体への影響がないとされている電圧は、４２［Ｖ］程度と言われている。この４２［Ｖ］の電圧と、制御電圧生成部９０の最低動作電圧である５０［Ｖ］との差は８［Ｖ］と小さい。また、コンデンサ３０に蓄えられた電荷量Ｑと、コンデンサ３０の静電容量Ｃと、コンデンサ電圧Ｖとの間には、Ｑ＝Ｃ×Ｖの関係がある。従って、例えば静電容量Ｃ＝２０００［μＦ］の場合の電圧差８［Ｖ］分の電荷量Ｑは、１６［ｍＣ］である。ここで、人体通過電流の安全値は、５０［ｍＡ／ｓ］と言われており、仮にこの１６［ｍＣ］が１秒間流れたと仮定すると、その電流変化率は１６［ｍＡ／ｓ］である。なお、１秒の経過後は、１６［ｍＣ］分の電荷がコンデンサ３０から抜け、コンデンサ電圧は５０－８＝４２［Ｖ］以下となる。このため、５０［Ｖ］の動作電圧は、人体への影響がないと言っても過言ではない。
　なお、電力変換装置１１０の適用例が空気調和機である場合、コンバータ２０が昇圧動作している場合のコンデンサ電圧は、３００［Ｖ］程度であることが多い。この場合、前述した電圧差は３００［Ｖ］－４２［Ｖ］＝２５８［Ｖ］となり、静電容量が２０００「μＦ］のコンデンサ３０に蓄積されている電荷量は５１６［ｍＣ］となり、１６［ｍＣ］の約３２倍の電荷量となる。この電荷量を持って、直ちに人体への影響があると言うことはできない。しかしながら、今後のトレンドとして、省エネ効果の高い同期整流を行う空気調和機が標準的な機能になることも想定される。１台又は少数の空気調和機では安全である場合も、同期整流を行う空気調和機が多数台集まった場合には、将来的に問題となることが予想される。従って、図６の制御フローに従って電力変換装置１１０を動作させることは、将来的な製品動向を見据えた技術として多大な意義があると言える。
　以上説明したように、実施の形態１に係る電力変換装置１１０によれば、制御部７０はコンバータ２０の動作を制御し、制御電圧生成部９０は制御部７０を動作させる制御電圧を生成する。そして、電力変換装置１１０が出力する直流電圧の電圧値が制御電圧の電圧値よりも高く、且つ、電源電圧を検出する電圧検出部８３から検出信号が出力されない場合、制御部７０の制御によって、コンバータ２０のスイッチング素子ＵＣＰ，ＵＣＮ，ＶＣＰ，ＶＣＮの動作は停止した状態となる。この制御により、電力変換装置１１０が昇圧型のコンバータ２０を備え、且つ同期整流を行う場合であっても、交流電源１０側への逆潮流を確実に防止することができる。これにより、信頼性の高い電力変換装置１１０を実現することが可能となる。
　なお、制御電圧生成部９０をスイッチング電源方式で構築する場合、その動作電圧は、人体への影響を考慮した安全電圧である４２［Ｖ］とすることが好ましい。なお、スイッチング電源方式の仕様により、又は制御電圧生成部９０による制御電圧の生成能力の低下を抑制するため、５０［Ｖ］以上の動作電圧に設定されていてもよい。但し、動作電圧を５０［Ｖ］以上とする場合には、コンデンサ３０の静電容量を考慮して決定すべきであることは言うまでもない。
　次に、実施の形態１に係る制御部７０の機能を実現するためのハードウェア構成について、図７及び図８の図面を参照して説明する。図７は、実施の形態１に係る制御部７０の機能を実現するハードウェア構成の一例を示すブロック図である。図８は、実施の形態１に係る制御部７０の機能を実現するハードウェア構成の他の例を示すブロック図である。
　実施の形態１に係る制御部７０の機能を実現する場合には、図７に示すように、演算を行うプロセッサ３００、プロセッサ３００によって読みとられるプログラムが保存されるメモリ３０２、及び信号の入出力を行うインタフェース３０４を含む構成とすることができる。
　プロセッサ３００は、演算装置、マイクロプロセッサ、マイクロコンピュータ、ＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ　Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ　Ｕｎｉｔ）、ＤＳＰ（Ｄｉｇｉｔａｌ　Ｓｉｇｎａｌ　Ｐｒｏｃｅｓｓｏｒ）、又はシステムＬＳＩ（Ｌａｒｇｅ　Ｓｃａｌｅ　Ｉｎｔｅｇｒａｔｉｏｎ）と称される演算手段である。また、メモリ３０２には、ＲＡＭ（Ｒａｎｄｏｍ　Ａｃｃｅｓｓ　Ｍｅｍｏｒｙ）、ＲＯＭ（Ｒｅａｄ　Ｏｎｌｙ　Ｍｅｍｏｒｙ）、フラッシュメモリ、ＥＰＲＯＭ（Ｅｒａｓａｂｌｅ　Ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ　ＲＯＭ）、ＥＥＰＲＯＭ（登録商標）（Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌｌｙ　ＥＰＲＯＭ）といった不揮発性又は揮発性の半導体メモリ、磁気ディスク、フレキシブルディスク、光ディスク、コンパクトディスク、ミニディスク、ＤＶＤ（Ｄｉｇｉｔａｌ　Ｖｅｒｓａｔｉｌｅ　Ｄｉｓｃ）を例示することができる。
　メモリ３０２には、実施の形態１に係る制御部７０の機能を実行するプログラムが格納されている。プロセッサ３００は、インタフェース３０４を介して必要な情報を授受し、メモリ３０２に格納されたプログラムをプロセッサ３００が実行することにより、上述した処理を行うことができる。プロセッサ３００による演算結果は、メモリ３０２に記憶することができる。
　また、実施の形態１に係る制御部７０の機能を実現する場合には、図８に示す処理回路３０５を用いることもできる。処理回路３０５は、単一回路、複合回路、ＡＳＩＣ（Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ　Ｓｐｅｃｉｆｉｃ　Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ　Ｃｉｒｃｕｉｔ）、ＦＰＧＡ（Ｆｉｅｌｄ－Ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ　Ｇａｔｅ　Ａｒｒａｙ）、又は、これらを組み合わせたものが該当する。処理回路３０５に入力する情報、及び処理回路３０５から出力する情報は、インタフェース３０６を介して入手することができる。なお、処理回路３０５を用いる構成でも、制御部７０における一部の処理は、図７に示す構成のプロセッサ３００で実施してもよい。
実施の形態２．
　実施の形態２では、実施の形態１で説明した電力変換装置１１０を備える空気調和機について説明する。
　図９は、実施の形態２に係る空気調和機２００の構成例を示す図である。図９に示す空気調和機２００は、セパレート型の空気調和機であり、室内機２１０と室外機２２０とを備えている。室内機２１０は、室内機負荷２１１と、開閉部２１２とを備える。また、室外機２２０は、実施の形態１で説明した電力変換装置１１０と、負荷１２０と、制御部７０とを備える。
　室内機負荷２１１は、図示しないが、室内機２１０の送風ファンを駆動するファンモータ、風向きを調整するフラップなどを操作するステッピングモータ、それらを動作させるための制御部などにより構成される。また、室内機２１０が交流電源１０を受電する機種においては、リモコン、又は応急運転スイッチによって空気調和機２００への起動指令が入った場合に、開閉部２１２を閉状態として交流電源１０からの交流電圧を室外機２２０に印加するように動作する。
　停電などにより交流電源１０が喪失された場合、開閉部２１２を開状態とするまでは、電力変換装置１１０の回生動作によるエネルギーが交流電源１０に供給されるおそれがある。また、仮に開閉部２１２が開状態であっても、室内機２１０の開閉部２１２には回生エネルギーが供給された状態となる。そのため、ユーザー又は修理などを行うサービスマンが誤って室内機２１０の開閉部２１２に触れてしまうおそれがある。
　次に、図１０を用いて空気調和機特有の電力変換装置１１０の動作について説明する。図１０は、実施の形態２に係る空気調和機２００の動作説明に使用する図である。なお、図１０において、第１のインバータ４０及び第１の永久磁石同期モータ５０は、室外機２２０における不図示の室外ファンを駆動するために用いられる。なお、室外ファンは、室外機２２０において、熱交換を行うためのファン装置である。また、図１０において、第１のインバータ４０及び第１の永久磁石同期モータ５０は、室外機２２０における不図示の圧縮機を駆動するために用いられる。なお、圧縮機は、冷媒を圧縮して室内外に循環させる動作を行う。
　室外機２２０は、一般的に屋外に設置されるため風雨に晒される状態下にある。第１の永久磁石同期モータ５０は、外力で回転させると発電機として動作して電圧を発生する。図１０には、第１の永久磁石同期モータ５０が発電機として動作したときにＵ相とＶ相との間で流れる電流の経路が示されている。第１の永久磁石同期モータ５０において、Ｕ相から流出する電流は、スイッチング素子ＵＰのダイオード、コンデンサ３０、スイッチング素子ＶＮのダイオードの経路で流れ、Ｖ相に流入する。この電流により、コンデンサ３０が充電される。なお、流れる時間帯は異なるが、Ｖ相とＷ相との間、及びＷ相とＵ相との間においても、同様な電流が流れる。
　第１の永久磁石同期モータ５０の発電電圧は、回転数に比例する。室外ファンを駆動する際の一般的な回転数は、１０００［ｒｐｍ］程度である。しかしながら、室外機２２０が台風などの強風下に晒された場合、一般的な回転数の５倍近い回転数で回転することもある。この場合、図１０の経路により流れた電流により、交流電源１０の電圧よりも非常に高い発電電圧がコンデンサ３０に発生し、コンデンサ３０に一定以上の電圧が蓄えられる。
　コンデンサ３０に一定以上の電圧が蓄えられると、制御電圧生成部９０により制御電圧が生成され、制御部７０が起動可能となる。制御部７０が起動して、コンバータ２０のスイッチング素子ＵＣＰ，ＵＣＮ，ＶＣＰ，ＶＣＮを制御してしまうと、交流電源１０に過大な電圧が印加されるおそれがある。特に停電時においては、交流電源１０とコンデンサ３０との間の電位差が大きく、過大な回生電流が流れるおそれがある。また、コンバータ２０においては、１００［Ｖ］又は２００［Ｖ］の入力電圧が印加されることを想定した設計がされているため、絶縁距離不足による短絡状態を招き回路が損傷するおそれがあると共に、過大電圧が印加された際の保護装置であるバリスタが動作してしまうおそれがある。
　上述した現象は、室外機２２０に電力が供給されない停電時でも発生し、また、開閉部２１２が開状態でも、室外ファンが回転することにより発生してしまう。このため、これらの現象から、空気調和機２００を適切に保護する必要がある。そこで、実施の形態２に係る空気調和機２００では、室外ファンの回転により制御部７０が起動した場合、まず、電圧検出部８３の検出値Ｖａｃを確認する。そして、電源電圧が検出されないにも関わらず、制御部７０が起動している場合には、台風などの強風により室外ファンが回転していると判断し、スイッチング素子ＵＣＰ，ＵＣＮ，ＶＣＰ，ＶＣＮの動作を停止状態とする。この制御により、空気調和機２００に具備される電力変換装置１１０が昇圧型のコンバータ２０を備え、且つ同期整流を行う場合であっても、交流電源１０側への逆潮流を確実に防止することができる。これにより、信頼性の高い空気調和機２００を実現することが可能となる。
　以上の実施の形態に示した構成は、本発明の内容の一例を示すものであり、別の公知の技術と組み合わせることも可能であるし、本発明の要旨を逸脱しない範囲で、構成の一部を省略、変更することも可能である。
　１０　交流電源、１６　リアクトル、２０　コンバータ、２５ａ，２５ｂ　直流母線、３０　コンデンサ、４０　第１のインバータ、４５　第２のインバータ、５０　第１の永久磁石同期モータ、５５　第２の永久磁石同期モータ、６０　半導体基板、６１　ｐ型領域、６２　ソース電極、６３　ドレイン電極、６４　ゲート電極、６５　ｎ型領域、６６　酸化絶縁膜、６７　ｎ型チャネル、７０　制御部、８０，８３　電圧検出部、８２　第１の電流検出器、８４　第２の電流検出器、９０　制御電圧生成部、１００　モータ駆動装置、１１０　電力変換装置、１２０　負荷、２００　空気調和機、２１０　室内機、２１１　室内機負荷、２１２　開閉部、２２０　室外機、３００　プロセッサ、３０２　メモリ、３０４，３０６　インタフェース、３０５　処理回路、ＵＣＰ，ＵＣＮ，ＶＣＰ，ＶＣＮ，ＵＰ，ＵＮ，ＶＰ，ＶＮ，ＷＰ，ＷＮ，ＵＰ’，ＵＮ’，ＶＰ’，ＶＮ’，ＷＰ’，ＷＮ’　スイッチング素子。

Claims (9)

  1. 　交流電源から印加される交流電圧を、永久磁石同期モータを駆動するインバータへの直流電圧に変換する電力変換装置であって、
    　リアクトルと、
    　逆並列接続ダイオードを有するスイッチング素子を複数備え、複数の前記スイッチング素子がブリッジ接続されて構成され、前記リアクトルを介して前記交流電源に接続されるコンバータと、
    　前記コンバータの出力端に接続され、前記直流電圧を保持するコンデンサと、
    　前記直流電圧の電圧値を検出する第１の検出部と、
    　前記交流電圧の電圧値、周波数又はゼロクロス点を検出する第２の検出部と、
    　前記コンバータの動作を制御する制御部と、
    　前記制御部を動作させる制御電圧を生成する制御電圧生成部と、
    　を備え、
    　前記直流電圧の電圧値が前記制御電圧の電圧値よりも高く、且つ、前記第２の検出部から検出信号が出力されない場合、複数の前記スイッチング素子の動作は停止した状態である
    　電力変換装置。
  2. 　前記スイッチング素子は、ノーマリオフ型の金属酸化膜半導体電界効果トランジスタである
    　請求項１に記載の電力変換装置。
  3. 　前記スイッチング素子は、ワイドバンドギャップ半導体により形成された金属酸化膜半導体電界効果トランジスタである
    　請求項１又は２に記載の電力変換装置。
  4. 　前記ワイドバンドギャップ半導体は、炭化珪素、窒化ガリウム、酸化ガリウム又はダイヤモンドである
    　請求項３に記載の電力変換装置。
  5. 　前記スイッチング素子は、スーパージャンクション構造の金属酸化膜半導体電界効果トランジスタである
    　請求項１から４の何れか１項に記載の電力変換装置。
  6. 　前記逆並列接続ダイオードは、前記金属酸化膜半導体電界効果トランジスタの寄生ダイオードである
    　請求項２から５の何れか１項に記載の電力変換装置。
  7. 　請求項１から６の何れか１項に記載の電力変換装置を備えたモータ駆動装置。
  8. 　請求項７に記載のモータ駆動装置を備えた空気調和機。
  9. 　前記空気調和機は、室外機を備え、
    　前記制御部は、前記室外機の室外ファンが外力による回転によって前記制御電圧が生成された場合には、前記スイッチング素子を全てオフ状態に制御する
    　請求項８に記載の空気調和機。
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