JP3550485B2 - 直流電源装置および空気調和機 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は交流電源からの交流を直流に変換する直流電源装置に係り、特に、交流入力側にリアクタを直列に挿入した直流電源装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、コンデンサインプット形の直流電源装置では、その入力電流が入力電圧＞キャパシタ電圧の区間でしか流れず、またこの区間では電流を制限する要素がないため、入力電流は尖頭値が大きく、通電幅の狭いパルス状の電流となる。これを防止するため、従来より入力回路にリアクタを挿入して力率と電源高調波とを共に改善する方法が提案されている。しかし、これらの効果を得るためにはインダクタンスの大きなリアクタが必要であり、しかも、インダクタンスが増加すると、むしろ電流位相遅れによる直流電圧低下が大きくなり、最大出力電力が低下する。
【０００３】
そこで、本出願人はインダクタンスの小さいリアクタにより入力電流波形の改善と出力直流電圧の改善を図るため、そのリアクタンスに強制通電して力率改善と高調波低減とを共に図ることができる直流電源装置を提案すると共に、さらに、この制御によって発生するリアクタの振動音を抑制するための制御方法も提案している。
【０００４】
図７はこの種の従来未公知の直流電源装置の一例を示す電子回路図であり、商用電源等の交流電源１０１の一方の出力端にリアクタ１０２を直列に挿入している。
【０００５】
リアクタ１０２の他端には短絡回路である第１のダイオードブリッジ回路１０３と、整流回路である第２のダイオードブリッジ回路１０４の一方の入力端を接続し、これら第１，第２のダイオードブリッジ回路１０３，１０４の他方の入力端には交流電源１０１の他方の出力端を接続している。
【０００６】
第１のダイオードブリッジ回路１０３の両出力端には例えばＭＯＳＦＥＴ等よりなるスイッチング素子１０５を接続し、このスイッチング素子１０５に、例えばマイクロプロセッサ等よりなる制御手段１０６を接続している。なお、図４中、符号１０７は倍電圧コンデンサ、１０８は平滑コンデンサ、１０９は負荷である。
【０００７】
そして、制御手段１０６から所定の力率改善パルスを、交流電圧の各ゼロクロスから所定の期間スイッチング素子１０５に与えることにより、このスイッチング素子１０５をオンオフ制御して、交流電源１０１の出力側両端をリアクタ１０２と第１のダイオードブリッジ回路１０３を介して短期間短絡し、リアクタ１０２を強制的に通電して電源導通角を拡大するようになっている。このために、リアクタ１０２の大型化を招かずに力率改善と高調波低減とを共に図ることができる。
【０００８】
しかし、リアクタ１０２の強制通電と遮断の電流急変によりリアクタ１０２に騒音が発生するので、制御手段１０６から力率改善パルスの出力後所定の遅延期間を置いて所定の騒音低減パルスをスイッチング素子１０５に与えることにより上記リアクタ１０２の騒音も低減し得るようになっている。
【０００９】
そして、交流電源１０１からの交流は、上記力率改善パルスにより短絡した第１のダイオードブリッジ回路１０３に短期間流れた後、この第１のダイオードブリッジ回路１０３が開放されると、その電流が第２のダイオードブリッジ回路１０４側に切り替わる。さらに、騒音低減パルスにより再度短絡したときには第２のダイオードブリッジ回路１０４の逆回復電流を含む不連続電流が第１，第２のダイオードブリッジ回路１０３，１０４間を流れる。
【００１０】
図８はこのような第１のダイオードブリッジ回路１０３の短絡時と再短絡時に、第１，第２のダイオードブリッジ回路１０３，１０４同士間を流れる逆回復電流を含む不連続電流を示しており、同図（Ａ）は第２ダイオードブリッジ回路１０４側に流れる不連続電流を示し、同図（Ｂ）は第１のダイオードブリッジ回路１０３側に流れる不連続電流を示している。
【００１１】
また、図９（Ａ），（Ｂ）はスイッチング素子１０５近傍に流れる上記不連続電流の拡大図である。上述した不連続電流の発生はブリッジ回路を破壊する可能性があり、信頼性上好ましくない。
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、このような直流電源装置では第１，第２ダイオードブリッジ１０３，１０４とスイッチング素子１０５とが別体の半導体モジュールにより各々構成されているので、これらの合計の外部端子数は図７中小丸印で示すように第１のダイオードブリッジ１０３が４端子、第２のダイオードブリッジ１０４が４端子、スイッチング素子１０５が３端子であるから、結局、合計１１端子あり、このために、外部端子の結線を含む組立の作業性が低いうえに、信頼性が低下するという課題がある。
【００１３】
また、これら第１，第２のダイオードブリッジ１０３，１０４、スイッチング素子１０５にはその各電気定格に相応した放熱手段をそれぞれ個別に設けているので、小型軽量化が妨げられている。
【００１４】
さらに、スイッチング素子１０５のスイッチングによる不連続電流、再短絡によるスパイク状の逆回復電流が流れる電流経路は、第２のダイオードブリッジ回路１０４の第１ダイオードＤ１→第１のダイオードブリッジ回路１０３の第５ダイオードＤ５→スイッチング素子１０５→第７ダイオードＤ８であり、３つの半導体モジュール１０３，１０４，１０５間を流れるので、外部へ放射される電磁波ノイズも増大するという課題がある。
【００１５】
そこで本発明はこのような事情を考慮してなされたもので、その目的は、組立作業性が良好で電磁波ノイズの少ない小型軽量の直流電源装置を提供することにある。
【００１６】
【課題を解決するための手段】
請求項１の直流電源装置は、交流電源からの交流を直流に整流する整流回路と、この整流回路からの直流出力を平滑するコンデンサと、上記整流回路の交流入力側に直列に挿入されたリアクタと、スイッチング素子により、スイッチング素子がオンのときに上記交流電源を上記リアクタを介して短絡してこのリアクタに強制的に通電する短絡回路と、上記交流電圧の各ゼロクロスから所定の短期間上記短絡回路のスイッチング素子をオンさせる制御手段とを具備し、上記整流回路、短絡回路およびスイッチング素子を１個の半導体モジュールとして一体に構成していることを特徴とする。
【００１７】
この発明によれば、整流回路、短絡回路およびスイッチング素子を１個の外囲器にまとめて実装することにより、１個の半導体モジュールとして一体に構成しているので、従来少なくとも３個必要であった半導体モジュールの外囲器を１個に減少させて装置全体の小型軽量化を図ることができると共に、この外囲器の端子数を減少させることができる。このために、これら端子を外部部品に接続する接続作業の作業性を向上させることができるので、組立作業性を向上させることができる。
【００１８】
また、これら整流回路、短絡回路およびスイッチング素子の外囲器を１個の外囲器で共通化しているので、これら回路を個別の各外囲器を介さずに近接させて配置し接続することができる。このために、その接続経路の長さや面積を縮小することができるので、これら接続経路により発生する浮遊容量やインダクタンスを低減して信頼性を向上させることができる。
【００１９】
さらに、整流回路と短絡回路には、相補的な不連続電流と、再オン（短絡）制御による整流ダイオードの逆回復電流が流れ、高周波ノイズを発生させる虞があるが、本発明は整流回路と短絡回路とを各外囲器を介さずに１個の外囲器内で近接配置して接続しているので、これら電流が流れる電流経路の長さや面積を縮小することができる。このために、この内部電流経路から外部へ放射される高周波ノイズ発生の虞を低減することができる。
【００２７】
請求項２の直流電源装置は、上記半導体モジュールは、上記スイッチング素子の制御用の電源を内蔵していることを特徴とする。
【００２８】
この発明によれば、１個の半導体モジュール内にスイッチング素子制御用の電源を内蔵しているので、このスイッチング素子を外部から容易に制御することができる。
【００２９】
請求項３の直流電源装置は、上記短絡回路は、上記交流電源に対し整流回路と並列に設けられ、この短絡回路の途中に直列にヒューズが挿入されていることを特徴とする。
【００３０】
この発明によれば、交流電源から過電流が短絡回路に流入すると、ヒューズが溶断して短絡回路への過電流の流入を阻止するので、短絡回路の破壊を防止することができる。また、ヒューズは交流入力端子と短絡入力端子の外部端子間に挿入されるので、万一、ヒューズが溶断した後は、そのヒューズに代わる他のヒューズを容易かつ迅速に挿入することにより容易に復帰させることができる。
【００３１】
請求項４の直流電源装置は、上記ヒューズは、上記半導体モジュールのスイッチング素子のボンディングワイヤ等の内部導体の少なくとも一部で形成されていることを特徴とする。
【００３２】
この発明によれば、スイッチング素子のボディングワイヤ等の内部導体の少なくとも一部をヒューズに形成しているので、このスイッチング素子とこれに接続されている短絡回路の少なくとも一方に過電流が流れた場合にはこのヒューズが溶断するので、スイッチング素子と短絡回路の少なくとも一方の電流等による破壊を防止することができる。
【００３３】
請求項５の直流電源装置は、上記ヒューズよりも定格電流が大きく、上記半導体モジュールの外で上記短絡回路よりも上流側の上記交流電源ラインに直列に挿入されたメインヒューズを備えたことを特徴とする。
【００３４】
この発明によれば、万一、短絡回路またはスイッチング素子側のヒューズが過電流等により溶断した場合でも、このヒューズよりも定格電流の大きい交流電源側のメインヒューズを介して引き続き交流を整流回路に供給することができるので、応急的に継続運転することができる。また、メインヒューズを半導体モジュールの外に配設しているので、溶断後のメインヒューズを簡単に交換できる。
【００３９】
請求項６の直流電源装置は、交流電源からの交流を直流に整流する整流回路と、この整流回路からの直流出力を平滑するコンデンサと、上記整流回路の交流入力側に直列に挿入されたリアクタと、このリアクタと整流回路間の交流電源ラインから分岐し、途中に設けられたスイッチング素子により、スイッチング素子がオンのときに上記交流電源を上記リアクタを介して短絡してこのリアクタに強制的に通電する短絡回路と、上記交流電圧の各ゼロクロスから所定の短期間上記短絡回路のスイッチング素子をオンさせる制御手段と、上記短絡回路の途中に直列に挿入されたヒューズと、このヒューズよりも定格電流が大きく、上記交流電源ラインの分岐部分よりも上流側の交流電源ラインに直列に挿入されたメインヒューズを具備したことを特徴とする。
【００４０】
この発明によれば、仮に、スイッチング素子が過電流により破壊されてもヒューズが溶断するので、短絡回路の破壊を防止することができる。また、ヒューズが溶断しても、メインヒューズの定格電流がヒューズよりも大きいので、交流電源からの交流をメインヒューズを介して整流回路に引き続き供給して運転させることができる。
【００４１】
また、万一交流電源から過電流が出力された場合にはメインヒューズが溶断して過電流を防止することができるので、リアクタ以後の各回路部品等の破壊を未然に防止することができる。
【００４２】
請求項７の直流電源装置は、整流回路と短絡回路を１個の半導体モジュールとして一体に構成していることを特徴とする。
【００４３】
この発明によれば、整流回路と短絡回路とを１個の半導体モジュールにより構成するので、直流電源装置全体の小型化と低コスト化とを共に図ることができる。
【００４４】
請求項８の直流電源装置は、上記制御手段はさらに上記交流電圧の各ゼロクロスから所定の短期間上記短絡回路のスイッチング素子をオンさせた後に所定の遅延期間後上記短期間よりも短かい期間上記スイッチング素子を再びオンさせることを特徴とする。
【００４５】
この発明によれば、スイッチング素子が交流電圧のゼロクロスから所定の短期間オンして短絡回路を短絡する。このために、スイッチング素子によりリアクタを介して交流電源が短絡し、入力電圧＜キャパシタ電圧の区間においてもリアクタが通電され電気エネルギーを蓄積させることができ、交流電源の電気導通角が拡大される。このために、直流電源装置の電源力率を改善すると共に、高調波を低減することができる。
【００４６】
また、このスイッチング素子のオンの後に、所定の遅延時間後上記短期間よりも短い期間、再びスイッチング素子がオンするので、上記リアクタが短絡された後に、リアクタの短絡が解放されて短絡電流がオフとなる電流急変による騒音を低減することができる。
【００４７】
請求項９の直流電源装置は、交流を直流に変換するコンバータ装置と、このコンバータ装置で変換された直流を可変電圧・可変周波数の交流に変換して圧縮機駆動電動機に供給するインバータ装置とを備えた空気調和機において、前記コンバータ装置として請求項１〜８のいずれか１項に記載の直流電源装置を用いたことを特徴とする。
【００４８】
この発明によれば、上記請求項１〜８のいずれか１項に記載の直流電源装置をコンバータ装置として使用するので、この請求項１〜８のいずれか１項に記載の発明とほぼ同様の作用，効果を奏することができるうえに、空気調和機の圧縮機駆動用の電源装置の小型軽量化を図ることができる。
【００４９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態を図１〜図３を参照して説明する。なお、これらの図中、同一または相当部分には同一符号を付している。
【００５０】
図１は本発明の第１の実施形態に係る直流電源装置１の電子回路図であり、この直流電源装置１は商用電源等の交流電源２の一方の出力端にリアクタ３を直列に接続している。このリアクタ３の他端は、４個のダイオードからなり、導通方向を揃えている第１のダイオードブリッジ４と、全波整流器を構成している第２のダイオードブリッジ５のそれぞれの一方の入力端に接続されている。第１，第２のダイオードブリッジ４，５のそれぞれの他方の入力端は交流電源２の他方の出力端に接続されている。
【００５１】
第１のダイオードブリッジ４の両出力端は例えばバイポーラトランジスタ、ＩＧＢＴ，ＭＯＳＦＥＴなどからなるスイッチング素子６のコレクタとエミッタ間に接続され、このスイッチング素子６がオンしたときに、第１のダイオードブリッジ４とリアクタ３を介して交流電源２の出力側の両端を短絡する短絡回路に構成している。
【００５２】
スイッチング素子６のゲートはマイクロプロセッサ等よりなる制御手段７に接続され、この制御手段７によってスイッチング素子６がオンオフ制御されるようになっている。
【００５３】
制御手段７の入力側には例えばフォトカプラ、カレントトランスなどからなる図示しないゼロクロス検出手段が設けられ、このゼロクロス検出手段の入力側は交流電源２の出力端に接続されている。これにより、このゼロクロス検出手段は交流電源２の交流電圧が零点、すなわちゼロクロス点ＯＸを通過する時点を検出して出力される検出信号を制御手段７に供給するものである。
【００５４】
制御手段７は、この各ゼロクロス点ＯＸから所定のオン期間、力率改善パルスをスイッチング素子６に与えると共に、この力率改善パルスよりも所定の遅延期間後、パルス幅が力率改善パルスよりも小さな騒音低減パルスをスイッチング素子６に与えるものである。
【００５５】
力率改善パルスは直流電源装置１の力率改善と高調波低減の目的のために、電源電圧波形ＡＣの各ゼロクロス点ＯＸから所定期間（例えば数ｍｍｓｅｃ）出力されるパルスである。騒音低減パルスは力率改善パルスによりリアクタ３が強制的に通電されて通電流が急変することにより発生するリアクタ３の騒音を低減するために、各力率改善パルスに所定の遅延期間後追加されるパルスである。
【００５６】
そして、各力率改善パルスに対する騒音低減パルスの遅延期間と、各騒音低減パルスの再オン期間の各々の最適値はリアクタ３の固有振動数の波長のほぼ１／６程度であり、例えば約２０μｓｅｃ前後の極めて短かい時間である。
【００５７】
また、第２のダイオードブリッジ５の出力端は倍電圧コンデンサ８，９と平滑用電解コンデンサ１０を介して負荷１１に接続されている。これにより交流電源２からの交流電圧が第２のダイオードブリッジ５と倍電圧，平滑用電解コンデンサ８，９，１０により倍電圧整流され、かつ平滑されて直流電圧として負荷１１に供給されるようになっている。
【００５８】
したがって、交流電源２から交流電圧が出力されると、この交流電圧はリアクタ３を介して第２のダイオードブリッジ５と倍電圧，平滑用電解コンデンサ８，９，１０からなる倍電圧整流回路に供給されて直流電圧として負荷１１に供給されると共に、この交流電圧がゼロクロス点ＯＸを通過すると、このゼロクロス点ＯＸ通過がゼロクロス検出手段により検出され、このゼロクロス検出手段から出力される検出信号により制御手段７が駆動される。
【００５９】
これにより、制御手段７は、交流電圧のゼロクロス点通過後に力率改善パルスと騒音低減パルスを所定期間発生してスイッチング素子６に与える。
【００６０】
スイッチング素子６は力率改善パルスと騒音低減パルスに対応してオン状態に駆動する。このために、第１のダイオードブリッジ４とリアクタ３を介して交流電源２の両端が短絡する。これにより、力率改善パルスに応答してスイッチング素子６がリアクタ３を介して交流電源２が短絡し、入力電圧＜キャパシタ電圧の区間においてもリアクタ３が通電され電気エネルギーを蓄積させることができ、交流電源２の電気導通角が拡大される。このために、直流電源装置の電源力率を改善すると共に、高調波を低減することができる。
【００６１】
また、騒音低減パルスに応答してスイッチング素子６がオン動作した場合には、力率改善パルスによってリアクタ３が短絡された後に、リアクタ３の短絡が解放されて短絡電流がオフとなる電流急変による騒音を低減することができる。
【００６２】
そして、上記第１，第２のダイオードブリッジ４，５とスイッチング素子６の３個の回路を１個の半導体外囲器１２ａにまとめて実装することにより１個の半導体モジュール１２として一体に構成している。
【００６３】
したがって、従来少なくとも３個必要であった外囲器１２ａを１個に減少させて装置全体の小型軽量化を図ることができる。
【００６４】
また、これら第１，第２のダイオードブリッジ４，５とスイッチング素子６の外囲器を１個の外囲器１２ａで共通化しているので、これら半導体回路を個別の各外囲器を介さずに近接させて配置し接続することができる。このために、その接続経路の長さや面積を縮小することができるので、これら接続経路により発生する浮遊容量やインダクタンスを低減して信頼性を向上させることができる。
【００６５】
さらに、第１，第２のダイオードブリッジ４，５には、相補的な不連続電流と、再オン（短絡）制御による第２ダイオードブリッジ５の逆回復電流が流れ、高周波ノイズを発生させる虞があるが、この実施形態では、第１，第２のダイオードブリッジ４，５とを各外囲器を介さずに近接配置して外囲器１２ａ内で接続しているので、これら電流が流れる電流経路から外部へ放射される高周波ノイズ発生の虞を低減することができる。
【００６６】
そして、第１，第２のダイオードブリッジ４，５とスイッチング素子６の外囲器を１個の外囲器１２ａで共通化しているので、この外囲器１２ａの外部端子を図１中小丸印で示すように２個の交流入力端子ＡＣｉｎ、２個の直流出力端子ＤＣｏｕｔ、２個の制御信号入出力端子ｃｏｎｔの計６個に減少させることができる。
【００６７】
したがって、これら６個の外部端子と、交流電源２やリアクタ３等の外部部品との接続箇所を減少させることができるので、これら接続作業を含む組立作業の作業性と信頼性とを共に向上させることができる。
【００６８】
また、制御手段７の入力側にフォトカプラ等を介して図示しない交流電源ゼロクロス検出器等の外部部品を接続することにより、制御手段７と検出器等の外部部品とを電気的に絶縁することができるので、電磁波ノイズにより制御手段７が誤動作するのを防止することができる。
【００６９】
図２は本発明の第２の実施形態に係る直流電源装置１Ａの電子回路図である。これは、第１，第２のダイオードブリッジ４，５とスイッチング素子６と共に、図示しない駆動用電源を具備している制御手段７をも１個の外囲器１３ａにまとめて実装して１個の半導体モジュール１３に一体に構成する一方、メインヒューズ１４とサブヒューズ１５とを設けた点に特徴がある。
【００７０】
メインヒューズ１４は交流電源２の一方の出力端に直列に挿入され、サブヒューブ１５はリアクタ３の一端と、外囲器１３ａの短絡回路入力端子１６との間に直列に挿入される。メインヒューズ１４の電流定格値はサブヒューズ１４のものよりも大きいものが使用されている。短絡回路入力端子１６はリアクタ３を介して専ら第１のダイオードブリッジ４の一方に交流を入力させるための外部端子である。
【００７１】
したがって、この直流電源装置１Ａによれば、１個の共通の外囲器１３ａ内で、制御手段７を、第１，第２のダイオードブリッジ４，５とスイッチング素子６に近接配置して接続することができるので、この共通外囲器１３ａの一層の小型化を図ることができるうえに、これら外囲器１３ａ内の内部接続部の長さや面積を縮小させることができる。このために、内部接続部により発生する浮遊容量やインダクタンスを低減して信頼性を向上させることができるうえに、高周波ノイズを低減させることができる。
【００７２】
さらに、制御手段７は駆動用電源を具備しているので、この制御手段７に交流電源ゼロクロス検出器等の外部部品を接続して容易に外部制御することができる。
【００７３】
そして、仮に、スイッチング素子６が破壊されてもサブヒューズ１５が溶断するので、短絡回路である第１のダイオードブリッジ４の破壊を防止することができる。また、サブヒューズ１５が溶断しても、メインヒューズ１４の定格電流がサブヒューズ１５よりも大きいので、交流電源２からの交流をメインヒューズ１４を介して整流回路の第２のダイオードブリッジ５に引き続き供給して運転させることができる。
【００７４】
また、万一交流電源２から過電流が出力された場合にはメインヒューズ１４が溶断して過電流を防止することができるので、リアクタ３以後の各回路部品等の破壊を未然に防止することができる。
【００７５】
図３は本発明の第３の実施形態に係る直流電源装置１Ｂの電子回路図である。これは上記第２の実施形態において、スイッチング素子６の例えばエミッタ側に接続された内部導体の例えばボンディングワイヤをヒューズ１７に形成した点に特徴がある。
【００７６】
この実施形態によれば、万一スイッチング素子６が破壊してエミッタ側に過電流が流れた場合でも、ヒューズ１７が溶断することにより第１のダイオードブリッジ４の破壊を防止することができる。
【００７７】
したがって、図２で示すサブヒューズ１５と、これに接続された短絡回路入力端子１６を削除することができるので、組立作業性の一段の向上を図ることができる。
【００７８】
図４は本発明の第４実施形態に係る直流電源装置１Ｃの電子回路図である。この直流電源装置１Ｃは、図５で示す従来の直流電源装置１Ｄにおける整流回路５の第３，第４ダイオードＤ３，Ｄ４を、短絡回路４の第７，第８ダイオードＤ７，Ｄ８としても共用することにより、この第７，第８のダイオードＤ７，Ｄ８を削減した点に主な特徴がある。
【００７９】
すなわち、図５に示すように、従来の直流電源装置１Ｄは４個のダイオードＤ１，Ｄ２，Ｄ３，Ｄ４によりブリッジ回路を形成することにより整流回路５を形成する一方、４個のダイオードＤ５，Ｄ６，Ｄ７，Ｄ８により短絡回路４のブリッジ回路を形成している。
【００８０】
また、短絡回路４はスイッチング素子６であるＩＧＢＴ６ａを、その駆動電源装置であり、かつ制御手段７であるゲートドライバ電源装置７ａによりオンオフ制御するようになっている。
【００８１】
これに対し、図４で示す本発明の直流電源装置１Ｃは整流回路５の出力端の負極側に、アノード側を各々接続している第３，第４ダイオードＤ３，Ｄ４を、短絡回路４の第７，第８ダイオードＤ７，Ｄ８としても共用することにより、図５で示す第７，第８の短絡ダイオードＤ７，Ｄ８を削除すると共に、ゲートドライバ電源装置７ａの入力側と、ＩＧＢＴ６ａのソース側を整流出力の負極側に電気的に接続している。
【００８２】
したがって、この直流電源装置１Ｃでは、ゲートドライバ電源装置７ａによりＩＧＢＴ６ａがオンされ、その時、電源２の電圧が第１，第５ダイオードＤ１，Ｄ５のアノード側、つまり図４中Ａ点が正極であるときには、電源２からの電流がリアクタ３を通電してから第１と第５ダイオードＤ１，Ｄ５に分流し、第１ダイオードＤ１に分流された電流は平滑コンデンサ１０で平滑される。一方、第５ダイオードＤ５に分流した電流は、さらにＩＧＢＴ６ａ→第４ダイオードＤ４→電源２の経路で流れる。このために、電源２の出力側両端がリアクタ３を介して短絡され、リアクタ３が強制的に通電され、リアクタ３にエネルギーが効果的に蓄積されるので、力率改善と高調波低減とを共に図ることができる。
【００８３】
一方、ＩＧＢＴ６ａがオンのときに、電源２の電圧が第１，第５のダイオードＤ１，Ｄ５のアノード側、つまり図４中Ａ点が負極で、Ｂ点が正極であることきには、電源２からの電流が第２と第６ダイオードＤ２，Ｄ６に分流し、第２ダイオードＤ２に分流した電流は平滑コンデンサ１０→第３ダイオードＤ３の経路で流れる。一方、第６ダイオードＤ６に分流した電流はさらにＩＧＢＴ６ａ→第３ダイオードＤ３→リアクタ３→電源２の経路で流れ、リアクタ３を介して電源２の出力側両端が短絡される。
【００８４】
そして、ＩＧＢＴ６ａがオフに制御され、その時Ａ点が正極であると、リアクタ３を通した電源２からの電流が第１ダイオードＤ１→平滑コンデンサ１０→第４共用ダイオードＤ４の経路で電流が流れる。
【００８５】
また、ＩＧＢＴ６ａがオフのときにＢ点が正極のときは、電源２からの電流は第２ダイオードＤ２→平滑コンデンサ１０→第３ダイオードＤ３→リアクタ３の経路で流れる。
【００８６】
したがって、第３，第４整流ダイオードＤ３，Ｄ４を第７，第８の短絡ダイオードＤ７，Ｄ８として共用しているので、これら第７，第８ダイオードＤ７，Ｄ８を削減することにより６個のダイオードＤ１〜Ｄ６に削減することができる。このために、直流電源装置１Ｃの構成の簡単化とコスト低減とを共に図ることができる。
【００８７】
さらに、この直流電源装置１ＣはＩＧＢＴ６ａのソースを整流出力の負極側に接続しているので、このＩＧＢＴ６ａの駆動電源として図示しないインバータ回路のゲートドライバ電源７ａをそのまま共用することができる。したがって、２つの電源装置を１個に削減することができ、構成の簡単化とコスト低減とを共に図ることができる。
【００８８】
図６は上述した各直流電源装置１〜１Ｃのいずれかを適用した空気調和機の第５の実施形態の構成を示すブロック図である。この実施形態は交流を直流に変換するコンバータ装置としての直流電源装置と、この直流電源装置から出力された直流を可変電圧、可変周波数の交流に変換して圧縮機駆動電動機に供給するインバータ装置とを備えている。ここに使用した直流電源装置は、図１に例示したもので、図１の負荷抵抗１１の代りに、インバータ装置３０を介して、圧縮機駆動電動機３３が接続されている。
【００８９】
この空気調和機は室内機と室外機とでなり、室内機を交流電源に接続する構成になっている。そして、室内機においては交流電源２から、ノイズフィルタ２２を介して、室内制御部２３に動作電力を供給するようになっている。室内制御部２３にはリモコン装置２４からの指令を受信する受信部２５、室内温度を検出する温度センサ２６、図示省略の室内熱交換器を通して風を室内に循環させる室内ファン２８、吹出し空気の方向を変えるルーバ２９が接続されている。一方、室外機においても、ノイズフィルタ３１を介して、交流電源２から室外制御部３５および圧縮機駆動電動機３３に動作電力を供給するようになっている。この場合、ノイズフィルタ３１の負荷側に電流値検出器３２が設けられ、この検出信号が室外制御部３５に入力される。また、制御手段７はノイズフィルタ３１の負荷側の交流電圧を監視して、ゼロクロス点を検出するゼロクロス検出器を内蔵している。室外制御部３５には、室外熱交換器の温度を検出する温度センサ３６、運転モードに応じて冷媒の循環方向を変える四方弁３７、図示省略の室外熱交換器に風を送り込む室外ファン３８とが接続されている。また、室外制御部３５は室内制御部２３と送受信してインバータ装置３０を制御すると共に、制御手段７をオン・オフ切り換えるリレー３４を操作する構成になっている。
【００９０】
上記のように構成された空気調和機の実施形態の概略動作について以下に説明する。
【００９１】
まず、リモコン装置２４から運転開始、運転モード、室内設定温度、室内ファンの風速、風向等の指令が受信部２５を介して室内制御部２３に加えられる。これに応じて室内制御部２３は運転状態等を表示器２７に表示し、室内ファン２８およびルーバ２９の駆動制御を実行すると共に、設定温度と室内温度との偏差に応じて圧縮機駆動電動機３３を駆動する電源周波数（以下圧縮機周波数という）を演算し、運転モード信号と併せて圧縮機周波数信号を室外制御部３５に送信する。室外制御部３５は運転モード信号に応じて四方弁３７を励磁（または非励磁）状態とし、圧縮機周波数に従ってインバータ装置２０を制御し、室外ファン３８を駆動すると共に、室外熱交換器に設けた温度センサ３６の検出信号等によって四方弁１７を制御して除霜運転等を行なう。また、室外制御部３５は電流値検出器３２による電流検出値が予め設定された設定値を超えると、制御手段７の入力ラインに設けた強制短絡通電リレー３４をオン状態とし、直流電源装置を構成するリアクタＬｉｎに対する強制短絡通電制御を実行させる。制御手段７の強制通電制御によって、電源高調波の低減および力率の向上を図ると同時に、電流値検出器３２による電流検出値が設定値を超えようとするとき、リアクタＬｉｎに対する強制通電の位相区間を調整して、規定された制限値内でより多くの電力を圧縮機駆動電動機３３に供給する制御を実行する。上記実施例のように空気調和機に、本発明の直流電源装置を用いた場合には、空気調和機の圧縮機駆動用の電源装置の小型軽量が図れる。
【００９２】
【発明の効果】
以上説明したように本発明は、整流回路、短絡回路およびスイッチング素子を１個の外囲器にまとめて実装することにより１個の半導体モジュールとして一体に構成しているので、従来少なくとも３個必要であった半導体モジュールの外囲器を１個に減少させて装置全体の小型軽量化を図ることができると共に、この外囲器の端子数を減少させることができる。このために、これら端子を外部部品に接続する接続作業の作業性を向上させることができるので、組立作業性を向上させることができる。
【００９３】
また、これら整流回路、短絡回路およびスイッチング素子の外囲器を１個の外囲器で共通化しているので、これら回路を個別の各外囲器を介さずに近接させて配置し接続することができる。このために、その接続経路の長さや面積を縮小することができるので、これら接続経路により発生する浮遊容量やインダクタンスを低減して信頼性を向上させることができる。
【００９４】
さらに、整流回路と短絡回路には、相補的な不連続電流と、再オン（短絡）制御による整流ダイオードの逆回復電流が流れ、高周波ノイズを発生させる虞があるが、本発明は整流回路と短絡回路とを各外囲器を介さずに１個の外囲器内で近接配置して接続しているので、これら電流が流れる電流経路の長さや面積を縮小することができる。このために、この内部電流経路から外部へ放射される高周波ノイズ発生の虞を低減することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る直流電源装置の電子回路図。
【図２】本発明の第２の実施形態に係る直流電源装置の電子回路図。
【図３】本発明の第３の実施形態に係る直流電源装置の電子回路図。
【図４】本発明の第４の実施形態に係る直流電源装置の電子回路図。
【図５】従来の直流電源装置の電子回路図。
【図６】本発明の直流電源装置を空気調和機に用いた第５の実施形態の構成を示すブロック図。
【図７】従来未公知の直流電源装置の電子回路図。
【図８】（Ａ）は従来未公知の直流電源装置の第２のダイオードブリッジ回路側に流れる不連続電流の波形図、（Ｂ）は同第１のダイオードブリッジ回路側に流れる不連続電流の波形図。
【図９】（Ａ）は図８（Ａ）で示す不連続電流がスイッチング素子近傍で流れる場合の拡大電流波形図、（Ｂ）は図８（Ａ）で示す不連続電流がスイッチング素子近傍で流れる場合の拡大電流波形図。
【符号の説明】
１，１Ａ，１Ｂ，１Ｃ 直流電源装置
２ 交流電源
３ リアクタ
４ 第１のダイオードブリッジ（短絡回路）
５ 第２のダイオードブリッジ（整流回路）
６ スイッチング素子
７ 制御手段
８，９ 倍電圧コンデンサ
１０ 平滑コンデンサ
１２，１３ 半導体モジュール
１２ａ，１３ａ 半導体モジュールの外囲器
１４ メインヒューズ
１５，１７ サブヒューズ
Ｄ１〜Ｄ８ 第１〜第８ダイオード
【発明の属する技術分野】
本発明は交流電源からの交流を直流に変換する直流電源装置に係り、特に、交流入力側にリアクタを直列に挿入した直流電源装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、コンデンサインプット形の直流電源装置では、その入力電流が入力電圧＞キャパシタ電圧の区間でしか流れず、またこの区間では電流を制限する要素がないため、入力電流は尖頭値が大きく、通電幅の狭いパルス状の電流となる。これを防止するため、従来より入力回路にリアクタを挿入して力率と電源高調波とを共に改善する方法が提案されている。しかし、これらの効果を得るためにはインダクタンスの大きなリアクタが必要であり、しかも、インダクタンスが増加すると、むしろ電流位相遅れによる直流電圧低下が大きくなり、最大出力電力が低下する。
【０００３】
そこで、本出願人はインダクタンスの小さいリアクタにより入力電流波形の改善と出力直流電圧の改善を図るため、そのリアクタンスに強制通電して力率改善と高調波低減とを共に図ることができる直流電源装置を提案すると共に、さらに、この制御によって発生するリアクタの振動音を抑制するための制御方法も提案している。
【０００４】
図７はこの種の従来未公知の直流電源装置の一例を示す電子回路図であり、商用電源等の交流電源１０１の一方の出力端にリアクタ１０２を直列に挿入している。
【０００５】
リアクタ１０２の他端には短絡回路である第１のダイオードブリッジ回路１０３と、整流回路である第２のダイオードブリッジ回路１０４の一方の入力端を接続し、これら第１，第２のダイオードブリッジ回路１０３，１０４の他方の入力端には交流電源１０１の他方の出力端を接続している。
【０００６】
第１のダイオードブリッジ回路１０３の両出力端には例えばＭＯＳＦＥＴ等よりなるスイッチング素子１０５を接続し、このスイッチング素子１０５に、例えばマイクロプロセッサ等よりなる制御手段１０６を接続している。なお、図４中、符号１０７は倍電圧コンデンサ、１０８は平滑コンデンサ、１０９は負荷である。
【０００７】
そして、制御手段１０６から所定の力率改善パルスを、交流電圧の各ゼロクロスから所定の期間スイッチング素子１０５に与えることにより、このスイッチング素子１０５をオンオフ制御して、交流電源１０１の出力側両端をリアクタ１０２と第１のダイオードブリッジ回路１０３を介して短期間短絡し、リアクタ１０２を強制的に通電して電源導通角を拡大するようになっている。このために、リアクタ１０２の大型化を招かずに力率改善と高調波低減とを共に図ることができる。
【０００８】
しかし、リアクタ１０２の強制通電と遮断の電流急変によりリアクタ１０２に騒音が発生するので、制御手段１０６から力率改善パルスの出力後所定の遅延期間を置いて所定の騒音低減パルスをスイッチング素子１０５に与えることにより上記リアクタ１０２の騒音も低減し得るようになっている。
【０００９】
そして、交流電源１０１からの交流は、上記力率改善パルスにより短絡した第１のダイオードブリッジ回路１０３に短期間流れた後、この第１のダイオードブリッジ回路１０３が開放されると、その電流が第２のダイオードブリッジ回路１０４側に切り替わる。さらに、騒音低減パルスにより再度短絡したときには第２のダイオードブリッジ回路１０４の逆回復電流を含む不連続電流が第１，第２のダイオードブリッジ回路１０３，１０４間を流れる。
【００１０】
図８はこのような第１のダイオードブリッジ回路１０３の短絡時と再短絡時に、第１，第２のダイオードブリッジ回路１０３，１０４同士間を流れる逆回復電流を含む不連続電流を示しており、同図（Ａ）は第２ダイオードブリッジ回路１０４側に流れる不連続電流を示し、同図（Ｂ）は第１のダイオードブリッジ回路１０３側に流れる不連続電流を示している。
【００１１】
また、図９（Ａ），（Ｂ）はスイッチング素子１０５近傍に流れる上記不連続電流の拡大図である。上述した不連続電流の発生はブリッジ回路を破壊する可能性があり、信頼性上好ましくない。
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、このような直流電源装置では第１，第２ダイオードブリッジ１０３，１０４とスイッチング素子１０５とが別体の半導体モジュールにより各々構成されているので、これらの合計の外部端子数は図７中小丸印で示すように第１のダイオードブリッジ１０３が４端子、第２のダイオードブリッジ１０４が４端子、スイッチング素子１０５が３端子であるから、結局、合計１１端子あり、このために、外部端子の結線を含む組立の作業性が低いうえに、信頼性が低下するという課題がある。
【００１３】
また、これら第１，第２のダイオードブリッジ１０３，１０４、スイッチング素子１０５にはその各電気定格に相応した放熱手段をそれぞれ個別に設けているので、小型軽量化が妨げられている。
【００１４】
さらに、スイッチング素子１０５のスイッチングによる不連続電流、再短絡によるスパイク状の逆回復電流が流れる電流経路は、第２のダイオードブリッジ回路１０４の第１ダイオードＤ１→第１のダイオードブリッジ回路１０３の第５ダイオードＤ５→スイッチング素子１０５→第７ダイオードＤ８であり、３つの半導体モジュール１０３，１０４，１０５間を流れるので、外部へ放射される電磁波ノイズも増大するという課題がある。
【００１５】
そこで本発明はこのような事情を考慮してなされたもので、その目的は、組立作業性が良好で電磁波ノイズの少ない小型軽量の直流電源装置を提供することにある。
【００１６】
【課題を解決するための手段】
請求項１の直流電源装置は、交流電源からの交流を直流に整流する整流回路と、この整流回路からの直流出力を平滑するコンデンサと、上記整流回路の交流入力側に直列に挿入されたリアクタと、スイッチング素子により、スイッチング素子がオンのときに上記交流電源を上記リアクタを介して短絡してこのリアクタに強制的に通電する短絡回路と、上記交流電圧の各ゼロクロスから所定の短期間上記短絡回路のスイッチング素子をオンさせる制御手段とを具備し、上記整流回路、短絡回路およびスイッチング素子を１個の半導体モジュールとして一体に構成していることを特徴とする。
【００１７】
この発明によれば、整流回路、短絡回路およびスイッチング素子を１個の外囲器にまとめて実装することにより、１個の半導体モジュールとして一体に構成しているので、従来少なくとも３個必要であった半導体モジュールの外囲器を１個に減少させて装置全体の小型軽量化を図ることができると共に、この外囲器の端子数を減少させることができる。このために、これら端子を外部部品に接続する接続作業の作業性を向上させることができるので、組立作業性を向上させることができる。
【００１８】
また、これら整流回路、短絡回路およびスイッチング素子の外囲器を１個の外囲器で共通化しているので、これら回路を個別の各外囲器を介さずに近接させて配置し接続することができる。このために、その接続経路の長さや面積を縮小することができるので、これら接続経路により発生する浮遊容量やインダクタンスを低減して信頼性を向上させることができる。
【００１９】
さらに、整流回路と短絡回路には、相補的な不連続電流と、再オン（短絡）制御による整流ダイオードの逆回復電流が流れ、高周波ノイズを発生させる虞があるが、本発明は整流回路と短絡回路とを各外囲器を介さずに１個の外囲器内で近接配置して接続しているので、これら電流が流れる電流経路の長さや面積を縮小することができる。このために、この内部電流経路から外部へ放射される高周波ノイズ発生の虞を低減することができる。
【００２７】
請求項２の直流電源装置は、上記半導体モジュールは、上記スイッチング素子の制御用の電源を内蔵していることを特徴とする。
【００２８】
この発明によれば、１個の半導体モジュール内にスイッチング素子制御用の電源を内蔵しているので、このスイッチング素子を外部から容易に制御することができる。
【００２９】
請求項３の直流電源装置は、上記短絡回路は、上記交流電源に対し整流回路と並列に設けられ、この短絡回路の途中に直列にヒューズが挿入されていることを特徴とする。
【００３０】
この発明によれば、交流電源から過電流が短絡回路に流入すると、ヒューズが溶断して短絡回路への過電流の流入を阻止するので、短絡回路の破壊を防止することができる。また、ヒューズは交流入力端子と短絡入力端子の外部端子間に挿入されるので、万一、ヒューズが溶断した後は、そのヒューズに代わる他のヒューズを容易かつ迅速に挿入することにより容易に復帰させることができる。
【００３１】
請求項４の直流電源装置は、上記ヒューズは、上記半導体モジュールのスイッチング素子のボンディングワイヤ等の内部導体の少なくとも一部で形成されていることを特徴とする。
【００３２】
この発明によれば、スイッチング素子のボディングワイヤ等の内部導体の少なくとも一部をヒューズに形成しているので、このスイッチング素子とこれに接続されている短絡回路の少なくとも一方に過電流が流れた場合にはこのヒューズが溶断するので、スイッチング素子と短絡回路の少なくとも一方の電流等による破壊を防止することができる。
【００３３】
請求項５の直流電源装置は、上記ヒューズよりも定格電流が大きく、上記半導体モジュールの外で上記短絡回路よりも上流側の上記交流電源ラインに直列に挿入されたメインヒューズを備えたことを特徴とする。
【００３４】
この発明によれば、万一、短絡回路またはスイッチング素子側のヒューズが過電流等により溶断した場合でも、このヒューズよりも定格電流の大きい交流電源側のメインヒューズを介して引き続き交流を整流回路に供給することができるので、応急的に継続運転することができる。また、メインヒューズを半導体モジュールの外に配設しているので、溶断後のメインヒューズを簡単に交換できる。
【００３９】
請求項６の直流電源装置は、交流電源からの交流を直流に整流する整流回路と、この整流回路からの直流出力を平滑するコンデンサと、上記整流回路の交流入力側に直列に挿入されたリアクタと、このリアクタと整流回路間の交流電源ラインから分岐し、途中に設けられたスイッチング素子により、スイッチング素子がオンのときに上記交流電源を上記リアクタを介して短絡してこのリアクタに強制的に通電する短絡回路と、上記交流電圧の各ゼロクロスから所定の短期間上記短絡回路のスイッチング素子をオンさせる制御手段と、上記短絡回路の途中に直列に挿入されたヒューズと、このヒューズよりも定格電流が大きく、上記交流電源ラインの分岐部分よりも上流側の交流電源ラインに直列に挿入されたメインヒューズを具備したことを特徴とする。
【００４０】
この発明によれば、仮に、スイッチング素子が過電流により破壊されてもヒューズが溶断するので、短絡回路の破壊を防止することができる。また、ヒューズが溶断しても、メインヒューズの定格電流がヒューズよりも大きいので、交流電源からの交流をメインヒューズを介して整流回路に引き続き供給して運転させることができる。
【００４１】
また、万一交流電源から過電流が出力された場合にはメインヒューズが溶断して過電流を防止することができるので、リアクタ以後の各回路部品等の破壊を未然に防止することができる。
【００４２】
請求項７の直流電源装置は、整流回路と短絡回路を１個の半導体モジュールとして一体に構成していることを特徴とする。
【００４３】
この発明によれば、整流回路と短絡回路とを１個の半導体モジュールにより構成するので、直流電源装置全体の小型化と低コスト化とを共に図ることができる。
【００４４】
請求項８の直流電源装置は、上記制御手段はさらに上記交流電圧の各ゼロクロスから所定の短期間上記短絡回路のスイッチング素子をオンさせた後に所定の遅延期間後上記短期間よりも短かい期間上記スイッチング素子を再びオンさせることを特徴とする。
【００４５】
この発明によれば、スイッチング素子が交流電圧のゼロクロスから所定の短期間オンして短絡回路を短絡する。このために、スイッチング素子によりリアクタを介して交流電源が短絡し、入力電圧＜キャパシタ電圧の区間においてもリアクタが通電され電気エネルギーを蓄積させることができ、交流電源の電気導通角が拡大される。このために、直流電源装置の電源力率を改善すると共に、高調波を低減することができる。
【００４６】
また、このスイッチング素子のオンの後に、所定の遅延時間後上記短期間よりも短い期間、再びスイッチング素子がオンするので、上記リアクタが短絡された後に、リアクタの短絡が解放されて短絡電流がオフとなる電流急変による騒音を低減することができる。
【００４７】
請求項９の直流電源装置は、交流を直流に変換するコンバータ装置と、このコンバータ装置で変換された直流を可変電圧・可変周波数の交流に変換して圧縮機駆動電動機に供給するインバータ装置とを備えた空気調和機において、前記コンバータ装置として請求項１〜８のいずれか１項に記載の直流電源装置を用いたことを特徴とする。
【００４８】
この発明によれば、上記請求項１〜８のいずれか１項に記載の直流電源装置をコンバータ装置として使用するので、この請求項１〜８のいずれか１項に記載の発明とほぼ同様の作用，効果を奏することができるうえに、空気調和機の圧縮機駆動用の電源装置の小型軽量化を図ることができる。
【００４９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態を図１〜図３を参照して説明する。なお、これらの図中、同一または相当部分には同一符号を付している。
【００５０】
図１は本発明の第１の実施形態に係る直流電源装置１の電子回路図であり、この直流電源装置１は商用電源等の交流電源２の一方の出力端にリアクタ３を直列に接続している。このリアクタ３の他端は、４個のダイオードからなり、導通方向を揃えている第１のダイオードブリッジ４と、全波整流器を構成している第２のダイオードブリッジ５のそれぞれの一方の入力端に接続されている。第１，第２のダイオードブリッジ４，５のそれぞれの他方の入力端は交流電源２の他方の出力端に接続されている。
【００５１】
第１のダイオードブリッジ４の両出力端は例えばバイポーラトランジスタ、ＩＧＢＴ，ＭＯＳＦＥＴなどからなるスイッチング素子６のコレクタとエミッタ間に接続され、このスイッチング素子６がオンしたときに、第１のダイオードブリッジ４とリアクタ３を介して交流電源２の出力側の両端を短絡する短絡回路に構成している。
【００５２】
スイッチング素子６のゲートはマイクロプロセッサ等よりなる制御手段７に接続され、この制御手段７によってスイッチング素子６がオンオフ制御されるようになっている。
【００５３】
制御手段７の入力側には例えばフォトカプラ、カレントトランスなどからなる図示しないゼロクロス検出手段が設けられ、このゼロクロス検出手段の入力側は交流電源２の出力端に接続されている。これにより、このゼロクロス検出手段は交流電源２の交流電圧が零点、すなわちゼロクロス点ＯＸを通過する時点を検出して出力される検出信号を制御手段７に供給するものである。
【００５４】
制御手段７は、この各ゼロクロス点ＯＸから所定のオン期間、力率改善パルスをスイッチング素子６に与えると共に、この力率改善パルスよりも所定の遅延期間後、パルス幅が力率改善パルスよりも小さな騒音低減パルスをスイッチング素子６に与えるものである。
【００５５】
力率改善パルスは直流電源装置１の力率改善と高調波低減の目的のために、電源電圧波形ＡＣの各ゼロクロス点ＯＸから所定期間（例えば数ｍｍｓｅｃ）出力されるパルスである。騒音低減パルスは力率改善パルスによりリアクタ３が強制的に通電されて通電流が急変することにより発生するリアクタ３の騒音を低減するために、各力率改善パルスに所定の遅延期間後追加されるパルスである。
【００５６】
そして、各力率改善パルスに対する騒音低減パルスの遅延期間と、各騒音低減パルスの再オン期間の各々の最適値はリアクタ３の固有振動数の波長のほぼ１／６程度であり、例えば約２０μｓｅｃ前後の極めて短かい時間である。
【００５７】
また、第２のダイオードブリッジ５の出力端は倍電圧コンデンサ８，９と平滑用電解コンデンサ１０を介して負荷１１に接続されている。これにより交流電源２からの交流電圧が第２のダイオードブリッジ５と倍電圧，平滑用電解コンデンサ８，９，１０により倍電圧整流され、かつ平滑されて直流電圧として負荷１１に供給されるようになっている。
【００５８】
したがって、交流電源２から交流電圧が出力されると、この交流電圧はリアクタ３を介して第２のダイオードブリッジ５と倍電圧，平滑用電解コンデンサ８，９，１０からなる倍電圧整流回路に供給されて直流電圧として負荷１１に供給されると共に、この交流電圧がゼロクロス点ＯＸを通過すると、このゼロクロス点ＯＸ通過がゼロクロス検出手段により検出され、このゼロクロス検出手段から出力される検出信号により制御手段７が駆動される。
【００５９】
これにより、制御手段７は、交流電圧のゼロクロス点通過後に力率改善パルスと騒音低減パルスを所定期間発生してスイッチング素子６に与える。
【００６０】
スイッチング素子６は力率改善パルスと騒音低減パルスに対応してオン状態に駆動する。このために、第１のダイオードブリッジ４とリアクタ３を介して交流電源２の両端が短絡する。これにより、力率改善パルスに応答してスイッチング素子６がリアクタ３を介して交流電源２が短絡し、入力電圧＜キャパシタ電圧の区間においてもリアクタ３が通電され電気エネルギーを蓄積させることができ、交流電源２の電気導通角が拡大される。このために、直流電源装置の電源力率を改善すると共に、高調波を低減することができる。
【００６１】
また、騒音低減パルスに応答してスイッチング素子６がオン動作した場合には、力率改善パルスによってリアクタ３が短絡された後に、リアクタ３の短絡が解放されて短絡電流がオフとなる電流急変による騒音を低減することができる。
【００６２】
そして、上記第１，第２のダイオードブリッジ４，５とスイッチング素子６の３個の回路を１個の半導体外囲器１２ａにまとめて実装することにより１個の半導体モジュール１２として一体に構成している。
【００６３】
したがって、従来少なくとも３個必要であった外囲器１２ａを１個に減少させて装置全体の小型軽量化を図ることができる。
【００６４】
また、これら第１，第２のダイオードブリッジ４，５とスイッチング素子６の外囲器を１個の外囲器１２ａで共通化しているので、これら半導体回路を個別の各外囲器を介さずに近接させて配置し接続することができる。このために、その接続経路の長さや面積を縮小することができるので、これら接続経路により発生する浮遊容量やインダクタンスを低減して信頼性を向上させることができる。
【００６５】
さらに、第１，第２のダイオードブリッジ４，５には、相補的な不連続電流と、再オン（短絡）制御による第２ダイオードブリッジ５の逆回復電流が流れ、高周波ノイズを発生させる虞があるが、この実施形態では、第１，第２のダイオードブリッジ４，５とを各外囲器を介さずに近接配置して外囲器１２ａ内で接続しているので、これら電流が流れる電流経路から外部へ放射される高周波ノイズ発生の虞を低減することができる。
【００６６】
そして、第１，第２のダイオードブリッジ４，５とスイッチング素子６の外囲器を１個の外囲器１２ａで共通化しているので、この外囲器１２ａの外部端子を図１中小丸印で示すように２個の交流入力端子ＡＣｉｎ、２個の直流出力端子ＤＣｏｕｔ、２個の制御信号入出力端子ｃｏｎｔの計６個に減少させることができる。
【００６７】
したがって、これら６個の外部端子と、交流電源２やリアクタ３等の外部部品との接続箇所を減少させることができるので、これら接続作業を含む組立作業の作業性と信頼性とを共に向上させることができる。
【００６８】
また、制御手段７の入力側にフォトカプラ等を介して図示しない交流電源ゼロクロス検出器等の外部部品を接続することにより、制御手段７と検出器等の外部部品とを電気的に絶縁することができるので、電磁波ノイズにより制御手段７が誤動作するのを防止することができる。
【００６９】
図２は本発明の第２の実施形態に係る直流電源装置１Ａの電子回路図である。これは、第１，第２のダイオードブリッジ４，５とスイッチング素子６と共に、図示しない駆動用電源を具備している制御手段７をも１個の外囲器１３ａにまとめて実装して１個の半導体モジュール１３に一体に構成する一方、メインヒューズ１４とサブヒューズ１５とを設けた点に特徴がある。
【００７０】
メインヒューズ１４は交流電源２の一方の出力端に直列に挿入され、サブヒューブ１５はリアクタ３の一端と、外囲器１３ａの短絡回路入力端子１６との間に直列に挿入される。メインヒューズ１４の電流定格値はサブヒューズ１４のものよりも大きいものが使用されている。短絡回路入力端子１６はリアクタ３を介して専ら第１のダイオードブリッジ４の一方に交流を入力させるための外部端子である。
【００７１】
したがって、この直流電源装置１Ａによれば、１個の共通の外囲器１３ａ内で、制御手段７を、第１，第２のダイオードブリッジ４，５とスイッチング素子６に近接配置して接続することができるので、この共通外囲器１３ａの一層の小型化を図ることができるうえに、これら外囲器１３ａ内の内部接続部の長さや面積を縮小させることができる。このために、内部接続部により発生する浮遊容量やインダクタンスを低減して信頼性を向上させることができるうえに、高周波ノイズを低減させることができる。
【００７２】
さらに、制御手段７は駆動用電源を具備しているので、この制御手段７に交流電源ゼロクロス検出器等の外部部品を接続して容易に外部制御することができる。
【００７３】
そして、仮に、スイッチング素子６が破壊されてもサブヒューズ１５が溶断するので、短絡回路である第１のダイオードブリッジ４の破壊を防止することができる。また、サブヒューズ１５が溶断しても、メインヒューズ１４の定格電流がサブヒューズ１５よりも大きいので、交流電源２からの交流をメインヒューズ１４を介して整流回路の第２のダイオードブリッジ５に引き続き供給して運転させることができる。
【００７４】
また、万一交流電源２から過電流が出力された場合にはメインヒューズ１４が溶断して過電流を防止することができるので、リアクタ３以後の各回路部品等の破壊を未然に防止することができる。
【００７５】
図３は本発明の第３の実施形態に係る直流電源装置１Ｂの電子回路図である。これは上記第２の実施形態において、スイッチング素子６の例えばエミッタ側に接続された内部導体の例えばボンディングワイヤをヒューズ１７に形成した点に特徴がある。
【００７６】
この実施形態によれば、万一スイッチング素子６が破壊してエミッタ側に過電流が流れた場合でも、ヒューズ１７が溶断することにより第１のダイオードブリッジ４の破壊を防止することができる。
【００７７】
したがって、図２で示すサブヒューズ１５と、これに接続された短絡回路入力端子１６を削除することができるので、組立作業性の一段の向上を図ることができる。
【００７８】
図４は本発明の第４実施形態に係る直流電源装置１Ｃの電子回路図である。この直流電源装置１Ｃは、図５で示す従来の直流電源装置１Ｄにおける整流回路５の第３，第４ダイオードＤ３，Ｄ４を、短絡回路４の第７，第８ダイオードＤ７，Ｄ８としても共用することにより、この第７，第８のダイオードＤ７，Ｄ８を削減した点に主な特徴がある。
【００７９】
すなわち、図５に示すように、従来の直流電源装置１Ｄは４個のダイオードＤ１，Ｄ２，Ｄ３，Ｄ４によりブリッジ回路を形成することにより整流回路５を形成する一方、４個のダイオードＤ５，Ｄ６，Ｄ７，Ｄ８により短絡回路４のブリッジ回路を形成している。
【００８０】
また、短絡回路４はスイッチング素子６であるＩＧＢＴ６ａを、その駆動電源装置であり、かつ制御手段７であるゲートドライバ電源装置７ａによりオンオフ制御するようになっている。
【００８１】
これに対し、図４で示す本発明の直流電源装置１Ｃは整流回路５の出力端の負極側に、アノード側を各々接続している第３，第４ダイオードＤ３，Ｄ４を、短絡回路４の第７，第８ダイオードＤ７，Ｄ８としても共用することにより、図５で示す第７，第８の短絡ダイオードＤ７，Ｄ８を削除すると共に、ゲートドライバ電源装置７ａの入力側と、ＩＧＢＴ６ａのソース側を整流出力の負極側に電気的に接続している。
【００８２】
したがって、この直流電源装置１Ｃでは、ゲートドライバ電源装置７ａによりＩＧＢＴ６ａがオンされ、その時、電源２の電圧が第１，第５ダイオードＤ１，Ｄ５のアノード側、つまり図４中Ａ点が正極であるときには、電源２からの電流がリアクタ３を通電してから第１と第５ダイオードＤ１，Ｄ５に分流し、第１ダイオードＤ１に分流された電流は平滑コンデンサ１０で平滑される。一方、第５ダイオードＤ５に分流した電流は、さらにＩＧＢＴ６ａ→第４ダイオードＤ４→電源２の経路で流れる。このために、電源２の出力側両端がリアクタ３を介して短絡され、リアクタ３が強制的に通電され、リアクタ３にエネルギーが効果的に蓄積されるので、力率改善と高調波低減とを共に図ることができる。
【００８３】
一方、ＩＧＢＴ６ａがオンのときに、電源２の電圧が第１，第５のダイオードＤ１，Ｄ５のアノード側、つまり図４中Ａ点が負極で、Ｂ点が正極であることきには、電源２からの電流が第２と第６ダイオードＤ２，Ｄ６に分流し、第２ダイオードＤ２に分流した電流は平滑コンデンサ１０→第３ダイオードＤ３の経路で流れる。一方、第６ダイオードＤ６に分流した電流はさらにＩＧＢＴ６ａ→第３ダイオードＤ３→リアクタ３→電源２の経路で流れ、リアクタ３を介して電源２の出力側両端が短絡される。
【００８４】
そして、ＩＧＢＴ６ａがオフに制御され、その時Ａ点が正極であると、リアクタ３を通した電源２からの電流が第１ダイオードＤ１→平滑コンデンサ１０→第４共用ダイオードＤ４の経路で電流が流れる。
【００８５】
また、ＩＧＢＴ６ａがオフのときにＢ点が正極のときは、電源２からの電流は第２ダイオードＤ２→平滑コンデンサ１０→第３ダイオードＤ３→リアクタ３の経路で流れる。
【００８６】
したがって、第３，第４整流ダイオードＤ３，Ｄ４を第７，第８の短絡ダイオードＤ７，Ｄ８として共用しているので、これら第７，第８ダイオードＤ７，Ｄ８を削減することにより６個のダイオードＤ１〜Ｄ６に削減することができる。このために、直流電源装置１Ｃの構成の簡単化とコスト低減とを共に図ることができる。
【００８７】
さらに、この直流電源装置１ＣはＩＧＢＴ６ａのソースを整流出力の負極側に接続しているので、このＩＧＢＴ６ａの駆動電源として図示しないインバータ回路のゲートドライバ電源７ａをそのまま共用することができる。したがって、２つの電源装置を１個に削減することができ、構成の簡単化とコスト低減とを共に図ることができる。
【００８８】
図６は上述した各直流電源装置１〜１Ｃのいずれかを適用した空気調和機の第５の実施形態の構成を示すブロック図である。この実施形態は交流を直流に変換するコンバータ装置としての直流電源装置と、この直流電源装置から出力された直流を可変電圧、可変周波数の交流に変換して圧縮機駆動電動機に供給するインバータ装置とを備えている。ここに使用した直流電源装置は、図１に例示したもので、図１の負荷抵抗１１の代りに、インバータ装置３０を介して、圧縮機駆動電動機３３が接続されている。
【００８９】
この空気調和機は室内機と室外機とでなり、室内機を交流電源に接続する構成になっている。そして、室内機においては交流電源２から、ノイズフィルタ２２を介して、室内制御部２３に動作電力を供給するようになっている。室内制御部２３にはリモコン装置２４からの指令を受信する受信部２５、室内温度を検出する温度センサ２６、図示省略の室内熱交換器を通して風を室内に循環させる室内ファン２８、吹出し空気の方向を変えるルーバ２９が接続されている。一方、室外機においても、ノイズフィルタ３１を介して、交流電源２から室外制御部３５および圧縮機駆動電動機３３に動作電力を供給するようになっている。この場合、ノイズフィルタ３１の負荷側に電流値検出器３２が設けられ、この検出信号が室外制御部３５に入力される。また、制御手段７はノイズフィルタ３１の負荷側の交流電圧を監視して、ゼロクロス点を検出するゼロクロス検出器を内蔵している。室外制御部３５には、室外熱交換器の温度を検出する温度センサ３６、運転モードに応じて冷媒の循環方向を変える四方弁３７、図示省略の室外熱交換器に風を送り込む室外ファン３８とが接続されている。また、室外制御部３５は室内制御部２３と送受信してインバータ装置３０を制御すると共に、制御手段７をオン・オフ切り換えるリレー３４を操作する構成になっている。
【００９０】
上記のように構成された空気調和機の実施形態の概略動作について以下に説明する。
【００９１】
まず、リモコン装置２４から運転開始、運転モード、室内設定温度、室内ファンの風速、風向等の指令が受信部２５を介して室内制御部２３に加えられる。これに応じて室内制御部２３は運転状態等を表示器２７に表示し、室内ファン２８およびルーバ２９の駆動制御を実行すると共に、設定温度と室内温度との偏差に応じて圧縮機駆動電動機３３を駆動する電源周波数（以下圧縮機周波数という）を演算し、運転モード信号と併せて圧縮機周波数信号を室外制御部３５に送信する。室外制御部３５は運転モード信号に応じて四方弁３７を励磁（または非励磁）状態とし、圧縮機周波数に従ってインバータ装置２０を制御し、室外ファン３８を駆動すると共に、室外熱交換器に設けた温度センサ３６の検出信号等によって四方弁１７を制御して除霜運転等を行なう。また、室外制御部３５は電流値検出器３２による電流検出値が予め設定された設定値を超えると、制御手段７の入力ラインに設けた強制短絡通電リレー３４をオン状態とし、直流電源装置を構成するリアクタＬｉｎに対する強制短絡通電制御を実行させる。制御手段７の強制通電制御によって、電源高調波の低減および力率の向上を図ると同時に、電流値検出器３２による電流検出値が設定値を超えようとするとき、リアクタＬｉｎに対する強制通電の位相区間を調整して、規定された制限値内でより多くの電力を圧縮機駆動電動機３３に供給する制御を実行する。上記実施例のように空気調和機に、本発明の直流電源装置を用いた場合には、空気調和機の圧縮機駆動用の電源装置の小型軽量が図れる。
【００９２】
【発明の効果】
以上説明したように本発明は、整流回路、短絡回路およびスイッチング素子を１個の外囲器にまとめて実装することにより１個の半導体モジュールとして一体に構成しているので、従来少なくとも３個必要であった半導体モジュールの外囲器を１個に減少させて装置全体の小型軽量化を図ることができると共に、この外囲器の端子数を減少させることができる。このために、これら端子を外部部品に接続する接続作業の作業性を向上させることができるので、組立作業性を向上させることができる。
【００９３】
また、これら整流回路、短絡回路およびスイッチング素子の外囲器を１個の外囲器で共通化しているので、これら回路を個別の各外囲器を介さずに近接させて配置し接続することができる。このために、その接続経路の長さや面積を縮小することができるので、これら接続経路により発生する浮遊容量やインダクタンスを低減して信頼性を向上させることができる。
【００９４】
さらに、整流回路と短絡回路には、相補的な不連続電流と、再オン（短絡）制御による整流ダイオードの逆回復電流が流れ、高周波ノイズを発生させる虞があるが、本発明は整流回路と短絡回路とを各外囲器を介さずに１個の外囲器内で近接配置して接続しているので、これら電流が流れる電流経路の長さや面積を縮小することができる。このために、この内部電流経路から外部へ放射される高周波ノイズ発生の虞を低減することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る直流電源装置の電子回路図。
【図２】本発明の第２の実施形態に係る直流電源装置の電子回路図。
【図３】本発明の第３の実施形態に係る直流電源装置の電子回路図。
【図４】本発明の第４の実施形態に係る直流電源装置の電子回路図。
【図５】従来の直流電源装置の電子回路図。
【図６】本発明の直流電源装置を空気調和機に用いた第５の実施形態の構成を示すブロック図。
【図７】従来未公知の直流電源装置の電子回路図。
【図８】（Ａ）は従来未公知の直流電源装置の第２のダイオードブリッジ回路側に流れる不連続電流の波形図、（Ｂ）は同第１のダイオードブリッジ回路側に流れる不連続電流の波形図。
【図９】（Ａ）は図８（Ａ）で示す不連続電流がスイッチング素子近傍で流れる場合の拡大電流波形図、（Ｂ）は図８（Ａ）で示す不連続電流がスイッチング素子近傍で流れる場合の拡大電流波形図。
【符号の説明】
１，１Ａ，１Ｂ，１Ｃ 直流電源装置
２ 交流電源
３ リアクタ
４ 第１のダイオードブリッジ（短絡回路）
５ 第２のダイオードブリッジ（整流回路）
６ スイッチング素子
７ 制御手段
８，９ 倍電圧コンデンサ
１０ 平滑コンデンサ
１２，１３ 半導体モジュール
１２ａ，１３ａ 半導体モジュールの外囲器
１４ メインヒューズ
１５，１７ サブヒューズ
Ｄ１〜Ｄ８ 第１〜第８ダイオード
Claims (9)
- 交流電源からの交流を直流に整流する整流回路と、この整流回路からの直流出力を平滑するコンデンサと、上記整流回路の交流入力側に直列に挿入されたリアクタと、スイッチング素子により、スイッチング素子がオンのときに上記交流電源を上記リアクタを介して短絡してこのリアクタに強制的に通電する短絡回路と、上記交流電圧の各ゼロクロスから所定の短期間上記短絡回路のスイッチング素子をオンさせる制御手段とを具備し、上記整流回路、短絡回路およびスイッチング素子を１個の半導体モジュールとして一体に構成していることを特徴とする直流電源装置。
- 上記半導体モジュールは、上記スイッチング素子の制御用の電源を内蔵していることを特徴とする請求項１記載の直流電源装置。
- 上記短絡回路は、上記交流電源に対し整流回路と並列に設けられ、この短絡回路の途中に直列にヒューズが挿入されていることを特徴とする請求項１または２記載の直流電源装置。
- 上記ヒューズは、上記半導体モジュールのスイッチング素子のボンディングワイヤ等の内部導体の少なくとも一部で形成されていることを特徴とする請求項３記載の直流電源装置。
- 上記ヒューズよりも定格電流が大きく、上記半導体モジュールの外で上記短絡回路よりも上流側の上記交流電源ラインに直列に挿入されたメインヒューズを備えたことを特徴とする請求項４記載の直流電源装置。
- 交流電源からの交流を直流に整流する整流回路と、この整流回路からの直流出力を平滑するコンデンサと、上記整流回路の交流入力側に直列に挿入されたリアクタと、このリアクタと整流回路間の交流電源ラインから分岐し、途中に設けられたスイッチング素子により、スイッチング素子がオンのときに上記交流電源を上記リアクタを介して短絡してこのリアクタに強制的に通電する短絡回路と、上記交流電圧の各ゼロクロスから所定の短期間上記短絡回路のスイッチング素子をオンさせる制御手段と、上記短絡回路の途中に直列に挿入されたヒューズと、このヒューズよりも定格電流が大きく、上記交流電源ラインの分岐部分よりも上流側の交流電源ラインに直列に挿入されたメインヒューズを具備したことを特徴とする直流電源装置。
- 整流回路と短絡回路を１個の半導体モジュールとして一体に構成していることを特徴とする請求項６記載の直流電源装置。
- 上記制御手段はさらに上記交流電圧の各ゼロクロスから所定の短期間上記短絡回路のスイッチング素子をオンさせた後に所定の遅延期間後上記短期間よりも短かい期間上記スイッチング素子を再びオンさせることを特徴とする請求項１〜７のいずれか１項に記載の直流電源装置。
- 交流を直流に変換するコンバータ装置と、このコンバータ装置で変換された直流を可変電圧・可変周波数の交流に変換して圧縮機駆動電動機に供給するインバータ装置とを備えた空気調和機において、前記コンバータ装置として請求項１〜８のいずれか１項に記載の直流電源装置を用いたことを特徴とする空気調和機。
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