JP2018157620A - 電力変換装置 - Google Patents

Abstract

【課題】電力変換装置における高周波漏洩電流の低減を図る。【解決手段】１つのダイオード（14a）、若しくは、直列接続された複数のダイオード（14a）によって構成されたダイオード回路（14）を、アノード側が整流回路（11）の正極側出力端子となるように、該整流回路（11）の正極側出力端子と、コンデンサ（C1）の正極側端子との間に設け、別のダイオード回路（14）を、カソード側が整流回路（11）の負極側出力端子となるように、該整流回路（11）の負極側出力端子と、コンデンサ（C1）の負極側端子との間に設ける。【選択図】図１

Description

本発明は、電力変換装置に関するものである。

モータを有する機器（例えば、空気調和装置の圧縮機）では、該モータを駆動するために電力変換装置を備えていることが多い。特許文献１には、いわゆるコンデンサインプット型の電力変換装置が記載されている。同文献の電力変換装置では、ダイオードブリッジを備えた整流回路で交流を直流に変換している。その直流は、コンデンサで平滑化された後にインバータ回路に入力され、インバータ回路によって、所定の周波数及び電圧を有した交流に変換されている。

特開２０１３−２０１８５０号公報

前記のような電力変換装置では、インバータ回路のスイッチング素子がスイッチング動作を行うことによって電圧が高い周波数で変動し、負荷（モータ等）の寄生容量を介して、機器（例えば空気調和装置の室外ユニット）の外部に高い周波数の電流が漏洩する場合がある。いわゆるコンデンサインプット型の電力変換装置では、ダイオードブリッジが非導通の期間が存在するが、非導通期間であっても、ダイオードのＰＮ間容量を通って高周波漏洩電流が流れる場合がある。

本発明は前記の問題に着目してなされたものであり、電力変換装置における高周波漏洩電流の低減を図ることを目的としている。

前記の課題を解決するため、第１の態様は、
半導体素子を用いて構成され、交流を直流に変換する整流回路（11）と、
前記整流回路（11）の出力端子間に接続されたコンデンサ（C1）と、
１つのダイオード（14a）、若しくは、直列接続された複数のダイオード（14a）によって構成された、２つのダイオード回路（14）と、
を備え、
一方のダイオード回路（14）は、アノード側が前記整流回路（11）の正極側出力端子となるように、該整流回路（11）の正極側出力端子と、前記コンデンサ（C1）の正極側端子との間に設けられ、
他方のダイオード回路（14）は、カソード側が前記整流回路（11）の負極側出力端子となるように、該整流回路（11）の負極側出力端子と、前記コンデンサ（C1）の負極側端子との間に設けられていることを特徴とする電力変換装置である。

この構成では、整流回路（11）の半導体素子が非導通の期間には、ダイオード回路（14）を構成するダイオード（14a）がコンデンサとして機能する。それにより、整流回路（11）とインバータ回路（12）との間のインピーダンスが増加する。

また、第２の態様は、第１の態様において、
前記整流回路（11）は、ダイオード（D1〜D4）を含んだ整流回路であり、
前記ダイオード回路（14）を構成するダイオード（14a）の静電容量は、前記整流回路（11）を構成する１つのダイオード（D1〜D4）の静電容量よりも小さいことを特徴とする電力変換装置である。

また、第３の態様は、第１又は第２の態様において、
一方のダイオード回路（14）の静電容量と、他方のダイオード回路（14）の静電容量とは同等であることを特徴とする電力変換装置である。

第１の態様によれば、電力変換装置における高周波漏洩電流の低減を図ることが可能になる。

また、第２の態様や第３の態様によれば、より効果的に漏えい電流を低減させることが可能になる。

図１は、実施形態１に係る電力変換装置の構成を示すブロック図である。 図２は、交流電源からの入力電圧の波形、交流電源からの入力電流の波形、及びコンデンサの端子間電圧を例示する。 図３は、電力変換装置によってモータに電力供給する場合における漏えい電流経路を模式的に示す。 図４は、非導通期間における、電力変換装置等の等価回路を示す。 図５は、実施形態２に係る電力変換装置の構成を示すブロック図である。

以下、本発明の実施形態について図面を参照しながら説明する。なお、以下の実施形態は、本質的に好ましい例示であって、本発明、その適用物、あるいはその用途の範囲を制限することを意図するものではない。

《発明の実施形態１》
図１は、実施形態１に係る電力変換装置（10）の構成を示すブロック図である。電力変換装置（10）は、図１に示すように、整流回路（11）、コンデンサ（C1）、インバータ回路（12）、ＰＷＭ制御部（13）、及びダイオード回路（14）を備えている。この電力変換装置（10）は、単相の交流電源（30）から供給された交流電力を所定の周波数及び電圧を有した交流電力に変換してモータ（20）に供給する。この例では、モータ（20）は、永久磁石埋込型のロータを有したモータ（いわゆるＩＰＭモータ）である。この例では、モータ（20）は、空気調和装置の圧縮機（図示を省略）に用いられて該圧縮機が備える圧縮機構を駆動するものとする。

〈整流回路〉
整流回路（11）は、リアクトル（L1）を介して交流電源（30）に接続され、交流電源（30）からの交流を直流に整流する。この例では、整流回路（11）は、４つのダイオード（D1〜D4）がブリッジ状に結線されたダイオードブリッジ回路である。

〈コンデンサ〉
コンデンサ（C1）は、整流回路（11）の正側出力端子及び負側出力端子の間に接続され、該コンデンサ（C1）の両端子は、インバータ回路（12）の入力端子に接続されている。この例では、コンデンサ（C1）は、整流回路（11）によって整流された電圧（電源電圧に応じて変動する電圧）を平滑化するように静電容量が設定されている。

〈インバータ回路〉
インバータ回路（12）は、整流回路（11）の出力（直流）をスイッチングして三相交流（U,V,W）に変換してモータ（20）に供給する。本実施形態のインバータ回路（12）は、複数のスイッチング素子（12a）がブリッジ結線されて構成されている。このインバータ回路（12）は、三相交流をモータ（20）に出力するために、６個のスイッチング素子（12a）を備えている。スイッチング素子（12a）には、例えば、絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（Insulated Gate Bipolar Transistor、略称IGBT）が採用される。

詳しくは、インバータ回路（12）は、２つのスイッチング素子（12a）を互いに直列接続した３つのスイッチングレグを備え、各スイッチングレグにおける上アームのスイッチング素子（12a）と下アームのスイッチング素子（12a）との中点が、それぞれモータ（20）の各相のコイル（後述）に接続されている。なお、各スイッチング素子（12a）には、還流ダイオード（12b）が逆並列接続されている。そして、インバータ回路（12）は、これらのスイッチング素子（12a）のオンオフ動作によって、整流回路（11）から入力された直流をスイッチングして、所定の周波数及び電圧を有する三相交流に変換し、モータ（20）へ供給する。

スイッチング素子（12a）のオンオフ動作の制御はＰＷＭ制御部（13）が行う。ＰＷＭ制御部（13）は、マイクロコンピュータと、それを動作させるためのソフトウエアが格納されたメモリディバイスを備えている。この例では、ＰＷＭ制御部（13）は、モータ（20）のトルクを指示する指令値（トルク指令値）を受け取り、トルク指令値に応じて、スイッチング素子（12a）のオンオフ切り替えを指示する信号を各スイッチング素子（12a）に出力する。

〈ダイオード回路（14）〉
ダイオード回路（14）は、１つのダイオード（14a）によって構成されている。電力変換装置（10）では、ダイオード回路（14）が２つ設けられている。一方のダイオード回路（14）は、ダイオード（14a）のアノードが整流回路（11）の正極側出力端子となるように、該整流回路（11）の正極側出力端子と、コンデンサ（C1）の正極側端子との間に設けられている。また、他方のダイオード回路（14）は、ダイオード（14a）のカソードが整流回路（11）の負極側出力端子となるように、該整流回路（11）の負極側出力端子と、コンデンサ（C1）の負極側端子との間に設けられている。

一方のダイオード回路（14）の静電容量（すなわちダイオード回路（14）を構成するダイオード（14a）の静電容量）と、他方のダイオード回路（14）の静電容量（同様にダイオード（14a）の静電容量）とは同等である。また、これらのダイオード回路（14）の静電容量は、整流回路（11）を構成するダイオード（D1〜D4）の１つあたりの静電容量よりも小さく設定されている。

〈電力変換装置（10）の動作〉
電力変換装置（10）に交流電源（30）から電力を供給すると、整流回路（11）によって交流が直流に変換される。

図２に、交流電源（30）からの入力電圧の波形、交流電源（30）からの入力電流の波形、及びコンデンサ（C1）の端子間電圧を例示する。同図に示すように、交流電源（30）からの入力電圧が、コンデンサ（C1）の端子間電圧よりも高い期間は、整流回路（11）に電流が流れる期間（導通期間（T0））である。すなわち、交流電源（30）からの入力電圧が、コンデンサ（C1）の端子間電圧よりも低い期間は、整流回路（11）のダイオード（D1〜D4）に電流が流れない期間（以下、非導通期間（T1））である。

導通期間（T0）には、整流回路（11）が出力した直流は、ダイオード回路（14）を通過した後、コンデンサ（C1）で平滑化されてインバータ回路（12）に入力される。インバータ回路（12）は、ＰＷＭ制御部（13）からの指令に応じて入力された直流をスイッチング素子（12a）によってスイッチングして交流に変換する。その交流はモータ（20）に供給され、モータ（20）は、前記圧縮機構を駆動する。

本実施形態のダイオード回路（14）は、非導通期間（T1）における漏えい電流を低減する機能を有する。このダイオード回路（14）の機能を説明するにあたり、まず、電力変換装置（10）で生ずる高周波漏洩電流について説明する。

図３は、電力変換装置（10）によってモータ（20）に電力供給する場合における漏えい電流経路を模式的に示す。図３に示すように、モータ（20）では、そのコイル（21）と該モータ（20）のケーシング（図示は省略）との間に浮遊容量（C2）が存在する。インバータ回路（12）のスイッチング素子（12a）がスイッチング動作を行うと、電圧が高い周波数で変動し、本来目的としている周波数の交流電流に重畳して、高周波電流も発生する。

この例では、モータ（20）は、既述の通り空気調和装置の圧縮機（図示を省略）に用いられるものであり、圧縮機のケーシングがモータ（20）のケーシングを兼ねている。圧縮機は、空気調和装置の例えば室外ユニットの筐体に収容されており、圧縮機（すなわちモータ（20））は、該筐体を介してアースされている。そのため、前記高周波電流は、モータ（20）に形成されている寄生浮遊容量（C2）を介して、圧縮機のケーシングと、室外ユニットの筐体とを介して筐体の外に流れ出す。室外ユニットの筐体から流れ出した高周波電流は、交流電源（30）の接地側の経路から、電力変換装置（10）（詳しくは整流回路（11））に戻ることになる。

非導通期間（T1）には、整流回路（11）のダイオード（D1〜D4）やダイオード回路（14）のダイオード（14a）は、コンデンサとして機能する。図４に、非導通期間（T1）における、電力変換装置（10）等の等価回路を示す。詳しくは、図４の下段は、本実施形態の電力変換装置（10）の、非導通期間（T1）における等価回路である。また、図４の上段は、本実施形態の電力変換装置（10）からダイオード回路（14）を取り除いた電力変換装置（説明の便宜のため従来の電力変換装置と呼ぶ）の、非導通期間（T1）における等価回路である。

図４に示すように、本実施形態の電力変換装置（10）では、整流回路（11）におけるコンデンサ（実態はダイオード（D1〜D4））と、ダイオード回路（14）におけるコンデンサ（実態はダイオード（14a））とが直列に接続される。すなわち、従来の電力変換装置と比べ、整流回路（11）とインバータ回路（12）との間のインピーダンスが増加する。そのため、モータ（20）を出た後に電力変換装置（10）に戻った高周波電流は、コンデンサとして機能するダイオード（14a）によって減衰させられる。とりわけ、本実施形態では、ダイオード回路（14）を構成するダイオード（14a）の静電容量は、整流回路（11）を構成するダイオード（D1〜D4）の１つあたりの静電容量よりも小さく設定されているので、整流回路（11）とインバータ回路（12）との間のインピーダンスを確実に増大させて、高周波漏洩電流を低減させることができる。

〈本実施形態における効果〉
以上の通り、本実施形態の電力変換装置（10）では、非導通期間（T1）における高周波漏洩電流の低減を図ることが可能になる。

《発明の実施形態２》
図５は、実施形態２に係る電力変換装置（10）の構成を示すブロック図である。本実施形態の電力変換装置（10）は、ダイオード回路（14）の構成が、実施形態１とは異なっている。具体的に、本実施形態のダイオード回路（14）は複数個（数は特には限定はない）のダイオード（14a）が直列接続されて構成されている。この直列回路では、各ダイオード（14a）は、同じ向きで直列接続されている。すなわち、ダイオード回路（14）は、２つの端子を有し、その一端が、複数のダイオード（14a）による直列回路のアノード側であり、他端がカソード側である。

この例でも、電力変換装置（10）には２つのダイオード回路（14）が設けられている。一方のダイオード回路（14）は、アノード側が整流回路（11）の正極側出力端子となるように、該整流回路（11）の正極側出力端子と、コンデンサ（C1）の正極側端子との間に設けられている。また、他方のダイオード回路（14）は、カソード側が整流回路（11）の負極側出力端子となるように、該整流回路（11）の負極側出力端子と、コンデンサ（C1）の負極側端子との間に設けられている。

また、本実施形態でも、一方のダイオード回路（14）の静電容量（ダイオード（14a）を直列接続した状態の静電容量を意味する。以下、同様）と、他方のダイオード回路（14）の静電容量とは同等である。また、これらのダイオード回路（14）の静電容量は、整流回路（11）を構成するダイオード（D1〜D4）の１つあたりの静電容量よりも小さく設定されている。

本実施形態でも、導通期間（T0）には、ダイオード回路（14）内の各ダイオード（14a）がダイオードとして機能して順方向に電流が流れ、非導通期間（T1）には、ダイオード回路（14）内の各ダイオード（14a）は、コンデンサとして機能する。すなわち、非導通期間（T1）のダイオード回路（14）は、直列接続されたコンデンサと等価である。

そのため、本実施形態でも、非導通期間（T1）には、従来の電力変換装置（ダイオード回路（14）がない電力変換装置）と比べ、整流回路（11）とインバータ回路（12）との間のインピーダンスが増加する。すなわち、本実施形態でも、電力変換装置（10）に戻った高周波電流は、コンデンサとして機能するダイオード（14a）によって減衰させられる。

以上の通り、本実施形態の電力変換装置（10）でも、非導通期間（T1）における高周波漏洩電流の低減を図ることが可能になる。

《その他の実施形態》
なお、整流回路（11）は、ダイオードブリッジ回路（図１参照）には限定されない。半導体素子を用いて構成された他の種類の整流回路にも本発明を適用できる。

また、電力変換装置（10）で電力供給する負荷は、モータ（20）には限定されない。

また、交流電源（30）は、単相交流電源には限定されない。

本発明は、電力変換装置として有用である。

１０ 電力変換装置
１１ 整流回路
１４ ダイオード回路
１４ａ ダイオード
Ｄ１〜Ｄ４ ダイオード

Claims (3)

1. 半導体素子を用いて構成され、交流を直流に変換する整流回路（11）と、
   前記整流回路（11）の出力端子間に接続されたコンデンサ（C1）と、
   １つのダイオード（14a）、若しくは、直列接続された複数のダイオード（14a）によって構成された、２つのダイオード回路（14）と、
   を備え、
   一方のダイオード回路（14）は、アノード側が前記整流回路（11）の正極側出力端子となるように、該整流回路（11）の正極側出力端子と、前記コンデンサ（C1）の正極側端子との間に設けられ、
   他方のダイオード回路（14）は、カソード側が前記整流回路（11）の負極側出力端子となるように、該整流回路（11）の負極側出力端子と、前記コンデンサ（C1）の負極側端子との間に設けられていることを特徴とする電力変換装置。
2. 請求項１において、
   前記整流回路（11）は、ダイオード（D1〜D4）を含んだ整流回路であり、
   前記ダイオード回路（14）を構成するダイオード（14a）の静電容量は、前記整流回路（11）を構成する１つのダイオード（D1〜D4）の静電容量よりも小さいことを特徴とする電力変換装置。
3. 請求項１又は請求項２において、
   一方のダイオード回路（14）の静電容量と、他方のダイオード回路（14）の静電容量とは同等であることを特徴とする電力変換装置。

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