JP6129331B2 - 直流電源装置、電動機駆動装置、空気調和機および冷蔵庫 - Google Patents

直流電源装置、電動機駆動装置、空気調和機および冷蔵庫 Download PDF

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Description

本発明は、直流電源装置、電動機駆動装置、空気調和機および冷蔵庫に関する。
商用三相電源に接続され、整流された直流電圧を基準値と比較して、第１のスイッチング素子と第２のスイッチング素子を動作させるまたは停止させることで２００Ｖと４００Ｖとを標準化する技術が示されている（例えば特許文献１）。また、第１のスイッチング素子と第２のスイッチング素子を同時にオンオフさせる、または、同時にオンさせる期間、一方のみオンする期間、同時にオンする期間、他方のみオン期間を連続させることで、リアクトルにエネルギーを蓄え、昇圧する技術が示されている（例えば特許文献２）。
また、商用単相電源について、２個の直列接続されたスイッチング素子を交互にスイッチングさせることで全波整流と倍電圧整流を制御し、幅広い出力電圧に制御できる技術が示されている（例えば特許文献３）。
さらに、多相電源の星型結線の中性点に各相に挿入されたスイッチング素子とリアクタで構成された昇圧チョッパ部が接続され、スイッチング素子が動作することにより高調波が抑制される技術が開示されている（例えば特許文献４）。
また、倍電圧スイッチをオンオフを制御することで昇圧比を一定に保つ技術が示されている（例えば特許文献５）。
特開２００８−１２５８６号公報 特開２００９−５０１０９号公報 特開２０００−２７８９５５号公報 特開平６−２５３５４０号公報 実開平３−３１８９号公報
特許文献１〜５に記載されている直流電源装置では、電源電圧よりも高い出力電圧を得ることができるが、この出力電圧は全てスイッチング素子による動作により得られる。スイッチング素子は故障すると一般的には短絡破壊となる。したがって、直列接続されたスイッチング素子で構成される直流電源装置の場合、スイッチング素子が一方だけ故障した際には交流電源から短絡電流の流入がないため、短絡電流が検出されず一般的なヒューズによる保護ができないといった課題がある。また、一方のスイッチング素子が故障したことを検出できず、スイッチング動作を継続すると、他方のスイッチング素子がオンとなったタイミングで過電流保護機能が働き、他方のスイッチング素子がオンとなることができず動作が継続できないという課題がある。
本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、２個の直列接続されたスイッチング素子を用いて全波整流状態と昇圧状態とを制御する直流電源装置において、一方のスイッチング素子の短絡故障を検出することができる直流電源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に、本発明は、交流電源に接続された整流器と、直列接続された第１のコンデンサと第２のコンデンサで構成される電荷蓄積部と、直列接続された第１のスイッチング素子および第２のスイッチング素子と、前記電荷蓄積部からの電荷の逆流を抑制する逆流防止素子とで構成される切替部と、リアクトルと、前記第１のスイッチング素子および前記第２のスイッチング素子の動作を制御する制御部と、前記第１のコンデンサの両端電圧である第１の両端電圧と、前記第２のコンデンサの両端電圧である第２の両端電圧とを検出する直流電圧検出部と、を備え、前記整流器と前記切替部はリアクトルを介して接続され、前記制御部は、前記第１の両端電圧と前記第２の両端電圧の電圧差に基づいて、前記第１のスイッチング素子と前記第２のスイッチング素子のうち一方の短絡故障を検出する。
本発明の直流電源装置、電動機駆動装置、空気調和機および冷蔵庫は、２個の直列接続されたスイッチング素子を用いて全波整流状態と昇圧状態とを制御する直流電源装置において、一方のスイッチング素子の短絡故障を検出することができという効果を奏する。
図１は、実施の形態１の直流電源装置の構成例を示す回路ブロック図である。 図２は、実施の形態１の直流電源装置におけるスイッチング制御状態の一例を示す図である。 図３は、実施の形態１の直流電源装置における各動作モードを示す図である。 図４は、第１のスイッチング素子および第２のスイッチング素子のいずれか一方が短絡故障した場合のスイッチング動作波形を示す図である。 図５は、実施の形態１のスイッチング素子の故障検出方法の一例を示すフローチャートである。 図６は、故障していない方のスイッチング素子を動作させて、リレーをオフさせる手順の一例を示すフローチャートである。 図７は、実施の形態２の電動機駆動装置の構成例を示す回路ブロック図である。 図８は、実施の形態３の空気調和機の構成例を示す回路ブロック図である。 図９は、直流電源装置の起動前の故障検出手順の一例を示すフローチャートである。
以下に、本発明にかかる直流電源装置、電動機駆動装置、空気調和機および冷蔵庫の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。
実施の形態１．
図１は、本発明にかかる直流電源装置１００の実施の形態１の構成例を示す回路ブロック図である。本実施の形態の直流電源装置１００は、交流を直流に変換する電力変換装置であり、交流電源１から供給される三相交流を直流に変換して負荷１１に供給する。負荷１１は、直流で電力消費を行う負荷であれば、どのようなものであってもよい。ここでは、負荷１１として、例えば冷凍サイクルを適用する機器に用いられる圧縮機のモータを駆動するインバータ負荷を想定している。冷凍サイクルを適用する機器としては、例えば、空気調和機、冷凍機、洗濯乾燥機、冷蔵庫、除湿器、ヒートポンプ式給湯機、ショーケースなどがある。負荷１１は、冷凍サイクルを適用する機器の負荷に限らず、掃除機、ファンモータや換気扇、手乾燥機、誘導加熱電磁調理器などにおける負荷であってもよい。
直流電源装置１００は、三相交流を整流する整流回路（整流器）２と、整流回路２の出力側に接続されたリアクトル３と、負荷１１への出力端子間に直列接続された第１のコンデンサ６ａおよび第２のコンデンサ６ｂと、これら第１のコンデンサ６ａおよび第２のコンデンサ６ｂの一方あるいは両方を選択的に充電する切替部７と、切替部７を制御する制御部８と、三相交流の電圧を検出する電源電圧検出部９、負荷１１へ出力する直流電圧を検出する直流電圧検出部１０とを備えている。第１のコンデンサ６ａおよび第２のコンデンサ６ｂは、電荷を蓄積する電荷蓄積部を構成する。なお、図１に示す例では、リアクトル３を整流回路２の出力側に接続した例を示したが、整流回路２の入力側に接続した構成であってもよい。
整流回路２は、６つの整流ダイオードがフルブリッジ接続された三相全波整流回路である。電源電圧検出部９は、図１に示す例では、交流電源１から供給される三相交流のうちの二相（ここでは、ｒ相、ｓ相とする）の線間電圧を検出する例を示している。
切替部７は、第２のコンデンサ６ｂの充電と非充電とを切り替える第１のスイッチング素子４ａと、第１のコンデンサ６ａの充電と非充電とを切り替える第２のスイッチング素子４ｂと、第１のコンデンサ６ａの充電電荷の第１のスイッチング素子４ａへの逆流を防止する第１の逆流防止素子５ａと、第２のコンデンサ６ｂの充電電荷の第２のスイッチング素子４ｂへの逆流を防止する第２の逆流防止素子５ｂとを備えている。
第１のスイッチング素子４ａおよび第２のスイッチング素子４ｂからなる直列回路の中点と第１のコンデンサ６ａおよび第２のコンデンサ６ｂからなる直列回路の中点２００とが接続され、これらの中点の間に中性線断線部２０（接続制御部）が配置される。第１のコンデンサ６ａは、第１のスイッチング素子４ａのコレクタと接続点２０１で接続され、第１のスイッチング素子４ａのコレクタと接続点２０１との間に、接続点２０１に向けて順方向に第１の逆流防止素子５ａが接続される。第２のコンデンサ６ｂは、第２のスイッチング素子４ｂのエミッタと接続点２０２で接続され、第２のスイッチング素子４ｂのエミッタと接続点２０２との間に、第２のスイッチング素子４ｂのエミッタに向けて順方向に第２の逆流防止素子５ｂが接続される。
第１のコンデンサ６ａおよび第２のコンデンサ６ｂの容量は、同一である。また、第１のスイッチング素子４ａおよび第２のスイッチング素子４ｂとしては、例えば、パワートランジスタ、パワーＭＯＳＦＥＴ（Ｍｅｔａｌ Ｏｘｉｄｅ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ Ｆｉｅｌｄ Ｅｆｆｅｃｔ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）、ＩＧＢＴ（Ｉｎｓｕｌａｔｅｄ Ｇａｔｅ Ｂｉｐｏｌａｒ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒｓ）等の半導体素子が用いられる。
制御部８は、第１のスイッチング素子４ａおよび第２のスイッチング素子４ｂのオンとオフを制御する（スイッチング制御する）ことにより、負荷１１に供給する直流電圧を制御する。以下、この制御部８による第１のスイッチング素子４ａおよび第２のスイッチング素子４ｂのスイッチング制御について、図１〜３を参照して説明する。
図２は、本実施の形態の直流電源装置１００におけるスイッチング制御状態の一例を示す図である。なお、図２では、図の簡略化のため、各構成要素の符号を省略している。
図２の状態Ａは、第１のスイッチング素子４ａおよび第２のスイッチング素子４ｂが双方ともオフ制御されている（制御部８によりオフとなるよう制御されている）状態を示している。この状態では、第１のコンデンサ６ａおよび第２のコンデンサ６ｂの充電が行われる。
図２の状態Ｂは、第１のスイッチング素子４ａがオン制御（制御部８によりオンとなるよう制御されている）され、第２のスイッチング素子４ｂがオフ制御されている状態を示している。この状態では、第２のコンデンサ６ｂのみ充電が行われる。
図２の状態Ｃは、第２のスイッチング素子４ｂがオン制御され、第１のスイッチング素子４ａがオフ制御されている状態を示している。この状態では、第１のコンデンサ６ａのみ充電が行われる。
図２の状態Ｄは、２つのスイッチング素子４ａ，４ｂが双方ともオン制御されている短絡状態を示している。この状態では、第１のコンデンサ６ａおよび第２のコンデンサ６ｂの双方の充電が行われない。
本実施の形態では、図２に示す各状態を切り替えることにより、負荷１１に供給する直流電圧を制御しつつ、交流電源１から流れる電流が急峻に大きくなるラッシュ電流を抑制する。
図３は、本実施の形態の直流電源装置１００における各動作モードを示す図である。図３に示すように、本実施の形態の直流電源装置１００は、動作モードとして、第１のスイッチング素子４ａおよび第２のスイッチング素子４ｂを常時オフ制御状態とした全波整流モード（第１のモード）と、第１のスイッチング素子４ａおよび第２のスイッチング素子４ｂを交互にオン制御する昇圧モード（第２のモード）とを有する。
昇圧モードとしては、昇圧モードａ、昇圧モードｂ、昇圧モードｃの３種類がある。昇圧モードａでは、第１のスイッチング素子４ａおよび第２のスイッチング素子４ｂのオンデューティが、いずれも５０％である。昇圧モードｂでは、第１のスイッチング素子４ａおよび第２のスイッチング素子４ｂのオンデューティが、いずれも５０％未満である。昇圧モードｃでは、第１のスイッチング素子４ａおよび第２のスイッチング素子４ｂのオンデューティが５０％よりも大きい。
全波整流モードでは、第１のスイッチング素子４ａおよび第２のスイッチング素子４ｂを常時オフ制御状態とする。したがって、整流回路２により全波整流された電圧が直流電源装置１００の出力電圧となる。
昇圧モードａでは、第１のスイッチング素子４ａのオンタイミングと第２のスイッチング素子４ｂのオフタイミングとがほぼ同時となり、第１のスイッチング素子４ａのオフタイミングと第２のスイッチング素子４ｂのオンタイミングとがほぼ同時となる。したがって、昇圧モードａでは、図２に示す状態Ｂと状態Ｃとが繰り返される。このときの出力電圧は、全波整流モードにおける出力電圧の略２倍となる。このように、昇圧モードａは、出力電圧が全波整流モードの略２倍となる倍電圧モードである。
昇圧モードｂでは、第１のスイッチング素子４ａと第２のスイッチング素子４ｂの一方がオンとなる期間と、第１のスイッチング素子４ａおよび第２のスイッチング素子４ｂが共にオフとなる同時オフ期間とを設けている。昇圧モードｂでは、図２に示す状態Ｂ→状態Ａ→状態Ｃ→状態Ａの状態遷移が周期的に繰り返され、このときの出力電圧は、全波整流モードにおける出力電圧と、昇圧モードａ（倍電圧モード）における出力電圧との中間電圧となる。
昇圧モードｃでは、第１のスイッチング素子４ａと第２のスイッチング素子４ｂの一方がオンとなる期間と、第１のスイッチング素子４ａおよび第２のスイッチング素子４ｂが共にオンとなる同時オン期間とを設けている。昇圧モードｃでは、図２に示す状態Ｄ→状態Ｃ→状態Ｄ→状態Ｂの状態遷移が周期的に繰り返される。第１のスイッチング素子４ａおよび第２のスイッチング素子４ｂがともにオンとなる期間（ここでは状態Ｄの期間）において、リアクトル３にエネルギーが蓄えられる。このときの出力電圧は、昇圧モードａ（倍電圧モード）における出力電圧以上の電圧となる。
このように、本実施の形態では、第１のスイッチング素子４ａおよび第２のスイッチング素子４ｂのオンデューティを変化させることにより、負荷１１に供給する直流電圧を制御することができる。
本実施の形態は、切替部７を構成する第１のスイッチング素子４ａおよび第２のスイッチング素子４ｂのいずれか一方が短絡故障した場合に直流電源装置の動作を継続させるとともに波及故障を防止することを目的としている。
第１のスイッチング素子４ａと第２のスイッチング素子４ｂのうちいずれか一方が短絡故障した場合、図２に示す状態Ｂまたは状態Ｃのいずれか一方の状態を実現できなくなる。これは、短絡故障していない方のスイッチング素子がオンすると、第１のスイッチング素子４ａおよび第２のスイッチング素子４ｂが共にオンしたことと同義になり、状態Ｄとなるためである。
図４は、第１のスイッチング素子４ａおよび第２のスイッチング素子４ｂのいずれか一方が短絡故障した場合のスイッチング動作波形を示す図である。図４は、図３の昇圧モードａにおいて第１のスイッチング素子４ａおよび第２のスイッチング素子４ｂのいずれか一方が短絡故障した例を示している。図４（ａ）は第１のスイッチング素子４ａが短絡故障した時の動作波形、図４（ｂ）は第２のスイッチング素子４ｂが短絡故障した時の動作波形である。
図４に示すように、例えば、第１のスイッチング素子４ａが短絡故障した時は本来状態Ｃである期間が状態Ｄとなり、第２のスイッチング素子４ｂが短絡故障した時は本来状態Ｂである期間が状態Ｄとなる。短絡故障していないほうのスイッチング素子のオン時間次第ではあるが、電源１からの入力電流が小さく、スイッチング素子（第１のスイッチング素子４ａ，第２のスイッチング素子４ｂ）の電流保護動作以下であれば、直流電源装置は一方のスイッチング素子が短絡故障した状態で動き続けることになる。
図４に示すように状態Ｂと状態Ｄ、または状態Ｃと状態Ｄの組合せ動作となる場合、課題となるのは直列接続された第１のコンデンサ６ａと第２のコンデンサ６ｂのいずれかに生じる電荷不足である。図４に示すように状態Ｂと状態Ｄ、または状態Ｃと状態Ｄの組合せの動作を行っている場合、負荷１１には、これらのコンデンサから電荷が供給される。すなわち、コンデンサとしては放電していることになる。しかし、状態Ｂまたは状態Ｃが無いと、第１のコンデンサ６ａまたは第２のコンデンサ６ｂのいずれか一方への充電ができないということになる。
したがって、第１のスイッチング素子４ａおよび第２のスイッチング素子４ｂのいずれか一方が短絡故障した場合、第２のコンデンサ６ｂまたは第１のコンデンサ６ａのいずれか一方への充電が無く、放電のみ実行されることになる。このため、このコンデンサは、時間経過と共に電荷不足による放電不能の状態に陥る。
そこで、本実施の形態では、直流電圧検出部１０は第１のコンデンサ６ａの両端の電圧と第２のコンデンサ６ｂの両端の電圧との双方を検出する。第１のコンデンサ６ａの両端電圧の検出は、例えばオペアンプなどによる差動増幅器で直接検出する方法であってもよいし、第１のコンデンサ６ａおよび第２のコンデンサ６ｂからなる直列回路の両端電圧から第２のコンデンサ６ｂの両端電圧を減算して間接的に検出する方式であってもよい。また、これら以外の他の方式でも構わない。
第１のコンデンサ６ａの両端電圧と第２のコンデンサ６ｂの両端電圧との電圧差を観測すれば、一方だけ充電がなくなること、言い換えると、電圧差が不平衡となり電位差が大幅に差異を持つ状態となることを検出できる。この電圧不平衡を検出することで、第１のスイッチング素子４ａおよび第２のスイッチング素子４ｂのいずれか一方が短絡故障したことを検出できる。
図５は、本実施の形態のスイッチング素子の故障検出方法の一例を示すフローチャートである。直流電圧検出部１０が、第１のコンデンサ６ａの両端電圧を検出し（ステップＳ１）、第２のコンデンサ６ｂの両端電圧を検出する（ステップＳ２）。図５では、ステップＳ１，Ｓ２の順序としているが、ステップＳ１，ステップＳ２は同時であってもよいし、ステップＳ２，Ｓ１の順であってもよい。制御部８は、直流電圧検出部１０から、第１のコンデンサ６ａの両端電圧と第２のコンデンサ６ｂの両端電圧とを取得し、両者の電圧差を演算する（ステップＳ３）。
制御部８は、電圧差に基づいて、第１のコンデンサ６ａの両端電圧と第２のコンデンサ６ｂの両端電圧に不平衡があるか否かを判定する（ステップＳ４）。具体的には、例えば、電圧差が一定値以上であるか否かを判定することにより不均衡があるか否かを判定する。不平衡であれば（ステップＳ４ 不平衡あり）、第１のコンデンサ６ａの両端電圧が第２のコンデンサ６ｂの両端電圧より高いか否かを判断する（ステップＳ５）。第１のコンデンサ６ａの両端電圧が第２のコンデンサ６ｂの両端電圧より高い場合（ステップＳ５ Ｙｅｓ）、第２のスイッチング素子４ｂの故障と判定する（ステップＳ６）。そして、制御部８は、第１のスイッチング素子４ａと第２のスイッチング素子４ｂの双方のスイッチング動作を停止させ（ステップＳ８）、中性線断線部２０へ断線を指示し、中性線断線部２０が第１のスイッチング素子４ａと第２のスイッチング素子４ｂの接続点と、第１のコンデンサ６ａと第２のコンデンサ６ｂとの接続点との接続を断線させる（ステップＳ９）。ステップＳ８では、スイッチング動作の停止の代わりに、故障していないスイッチング素子のみを動作オフの状態とし、さらにステップＳ９の断線を行うことにより、その後は、全波整流モード（図２の状態Ａ）として動作させるようにしてもよい。
第１のコンデンサ６ａの両端電圧が第２のコンデンサ６ｂの両端電圧より高くない場合（ステップＳ５ Ｎｏ）、第１のスイッチング素子４ａの故障と判断し（ステップＳ７）、ステップＳ８へ進む。また、ステップＳ４で、不平衡が無いと判定した場合（ステップＳ４ 不平衡無し）、スイッチング素子は正常であると判断し（ステップＳ１０）、運転を継続する。
前述の通り、故障していない方のスイッチング素子がオン動作した場合には電源短絡状態（図２の状態Ｄ）となる。このため、短絡電流が大きくなると、図示しないスイッチング素子の電流保護機能が動作する。電源短絡の状態Ｄはスイッチング素子が電流破壊しないレベルであれば許容されるものの、故障していない方のスイッチング素子の保護のために、スイッチング動作を停止する。
中性線断線部２０としては、例えばリレーなどを用いることができる。一方、リレーは電流が流れている状態でオフする場合、アークが発生し、接点が溶着し、リレーがオフできなくなることもある。そこで、故障していない方のスイッチング素子を動作させて、リレーをオフさせる。スイッチング素子が動作していれば、状態Ｄになるので中性線（第１のスイッチング素子４ａと第２のスイッチング素子４ｂの接続点と、第１のコンデンサ６ａと第２のコンデンサ６ｂとの接続点とを接続する接続線）に電流は流れない。従ってアークが発生することなく、リレーをオフすることができる。中性線が断線していれば、状態Ｄにはならないため、故障していないスイッチング素子をオフし続ければ、図２の状態Ａと同義になり、一方のコンデンサのみ充電できないとの不具合のある状態から脱却できる。スイッチング素子を双方ともオフの状態とすることで通常の全波整流と同じ動作をさせることができる。図５に示した処理を実施するタイミングに制約はないが、例えば、定期的に実施してもよいし、モードを変更した場合に実施してもよい。モードにより、スイッチング素子の故障による影響が異なるため、モードによって図５の処理を実施する頻度を変えてもよい。
図６は、故障していない方のスイッチング素子を動作させて、リレーをオフさせる手順の一例を示すフローチャートである。図６の動作は、図５のステップＳ８、Ｓ９の代わりに実施する。すなわち、図５のａ点が図６のフローチャートのスタート点となり、その後、ステップＳ８、９の代わりに図６の動作を実施する。
図６に示すように、まず、制御部８は、故障しているスイッチング素子が第１のスイッチング素子４ａであるか否かを判断する（ステップＳ１１）。故障しているスイッチング素子が第１のスイッチング素子４ａであれば（ステップＳ１１ Ｙｅｓ）、第２のスイッチング素子４ｂがオンとなっているタイミングであるか否かを判断する（ステップＳ１２）。第２のスイッチング素子４ｂがオンとなっているタイミングであれば（ステップＳ１２ Ｙｅｓ）、制御部８は、中性線断線部２０に断線を指示し、中性線断線部２０が中性線を断線させる（ステップＳ１４）。そして、制御部８は、スイッチング素子の動作を停止させる（ステップＳ１５）、または全波整流モードで動作させる。
第２のスイッチング素子４ｂがオンとなっているタイミングでない場合（ステップＳ１２ Ｎｏ）、ステップＳ１２を繰り返しオンとなっているタイミングまで待機する。故障しているスイッチング素子が第１のスイッチング素子４ａでなければ（ステップＳ１１ Ｎｏ）、第１のスイッチング素子４ａがオンとなっているタイミングであるか否かを判断する（ステップＳ１３）。第１のスイッチング素子４ａがオンとなっているタイミングであれば（ステップＳ１３ Ｙｅｓ）、ステップＳ１４へ進む。第１のスイッチング素子４ａがオンとなっているタイミングでない場合（ステップＳ１３ Ｎｏ）、ステップＳ１３を繰り返しオンとなっているタイミングまで待機する。
図５の手順を用いる場合には、電源短絡状態（状態Ｄ）を生成することなく、早急に保護することができる。一方、図６の手順を用いる場合には、安価なリレーを中性線断線部２０として適用することができる。電源短絡状態（状態Ｄ）での短絡電流がスイッチング素子の保護動作以下の状態であれば、電流が流れていない時に中性線断線部２０によって断線させることで、確実に中性線を断線することができる。これにより、スイッチング素子の故障に関係なく、全波整流（状態Ａ）を維持できるので信頼性の高い保護を実現できる。
以上のように、本実施の形態では、２つのコンデンサの両端電圧をそれぞれ検出し、両端電圧間の電圧差を検出することで、故障したスイッチング素子を検出することができる。これにより、全波整流状態ではあるが、スイッチング素子の故障後も動作を継続できる信頼性の高い直流電源装置を提供できる。特にスイッチング素子がスイッチング動作する倍電圧モードで常時検出することで拡大被害を未然に防止することが可能となる。また、故障していないスイッチング素子をオンとした状態で中性線断線部２０により中性線を断線させることで、アーク無しで断線できる信頼性の高い保護シーケンス処理を提供できる。
実施の形態２．
図７は、本発明の実施の形態２の電動機駆動装置の構成例を示す回路ブロック図である。図７では図１に示す回路構成と同様な動作をする構成要素は実施の形態１と同一符号を付し、重複する説明を略する。図７に示す電動機駆動装置は、実施の形態１の直流電源装置１００を備える。図１の負荷１１は、図７のインバータ３０および電動機３１に対応する。インバータ３０は、第１のコンデンサ６ａと第２のコンデンサ６ｂで構成される直列回路の両端に接続される。インバータ３０には直流電圧が入力される。
本実施の形態の電動機駆動装置は、実施の形態１の直流電源装置１００に加え、電流検出器３２および駆動制御部３３を備える。電流検出器３２（３２ａ，３２ｂ）は、電動機３１に流れる電流を検出する。駆動制御部３３は、電流検出器３２により検出された電流と直流電圧検出部１０により検出される直流電圧とに基づいてインバータ３０を制御する。
電動機３１は、インバータ３０により駆動制御される。したがって、インバータ３０に入力される直流電圧によって、電動機３１の駆動動作範囲が変化する。特に電動機３１が、回転子に永久磁石を用いた電動機である場合、この直流電流は回転子に使用される永久磁石の磁石特性へも影響を及ぼす。
永久磁石の材料として、例えば、磁力の強い希土類磁石を用いる永久磁石電動機が適用されている。希土類磁石は磁力が強いために少ない電流でトルクが発生する。このため、希土類磁石は、省エネルギーが求められる機器で用いられる電動機３１に適用される。しかしながら、希土類磁石はレアアースと呼ばれる稀少金属であるため、入手が困難である。希土類磁石を使用せず、希土類磁石より磁力の弱いフェライトなどの磁石を使用した永久磁石電動機では、同じ電流であれば希土類磁石を用いる場合に比べ出力トルクが小さくなる。このため、磁力の弱いフェライトなどの磁石を使用した永久磁石電動機では、磁石磁力の低下分だけ電流を増加させてトルクを補うか、または出力トルクは電流×巻線の巻数に比例するため、巻数を増加して電流を増加させずに出力トルクを補う。電流を増加させると、電動機３１の銅損やインバータ３０での導通損失が増加する。
損失が増加することを避けるために、電流を増加させずに、巻数を増加させた場合、電動機３１の回転数に応じた誘起電圧が増加する。インバータ３０は誘起電圧よりも高い直流電圧が必要とするので、巻数を増加させる場合、直流電圧を上昇させる必要がある。
そこで、本実施の形態では、電動機駆動装置において、電動機３１を駆動するインバータ３０に電力を供給する直流電源装置として実施の形態１で述べた直流電源装置１００を使用する。これにより、インバータ３０に、全波整流状態、倍電圧整流状態等の複数種類の直流電圧を供給することができる。このため、電動機３１として希土類磁石を用いずに巻数を増加させた電動機を用いる場合に、電動機３１に適した直流電圧を供給することができる。したがって、希土類磁石を用いない電動機３１の損失を増加させずに電動機３１を駆動することができる。
また、実施の形態１の直流電源装置１００を用いることにより、電動機３１の動作状態（負荷量）に応じて、電動機３１へ適切な電圧が印加されるため、効率の良い駆動動作が実現できる。具体的には、駆動制御部３３が、電流検出器３２により検出された電流に基づいて電動機３１の動作状態を把握し、動作状態に基づいて制御部８に対して電圧を指示する。制御部は、この指示された電圧となるよう切替部７のモード（全波整流モード、昇圧モードａ、昇圧モードｂ、昇圧モードｃ）を選択し、選択したモードで切替部７を動作させる。
特に、フェライトなどの磁力が希土類と比較して小さい磁石を用いた電動機３１において、動作状態に応じて適切な電圧が印加されることにより損失の増加を抑え効率の良い駆動動作を実現することができる。従って、直流電源装置１００は、フェライトなどの永久磁石電動機を駆動するインバータ向け直流電源装置として好適である。
さらに、スーパージャンクション構造のＭＯＳＦＥＴと称されるＭＯＳＦＥＴを、本実施の形態の直流電源装置を構成する素子（第１のスイッチング素子４ａ、第２のスイッチング素子４ｂ、第１の逆流防止素子５ａ、第２の逆流防止素子５ｂ、整流回路２を構成する整流素子）、インバータ３０のスイッチング素子のうちの１つ以上に用いることで、更なる低損失化を実現でき、高効率な直流電源装置を提供できる。尚、スーパージャンクション構造とは、通常のＭＯＳＦＥＴよりも深いＰ層を持つ構造であり、深いＰ層がｎ層と広く接することで低オン抵抗でありながら高い電圧耐力を有することが知られている。
また、本実施の形態の直流電源装置を構成する素子、インバータ３０のスイッチング素子のうち１つ以上を、ＧａＮ（窒化ガリウム）やＳｉＣ（シリコンカーバイド）、ダイヤモンドなどのワイドバンドギャップ半導体で構成しても更なる低損失な直流電源装置を提供できることは言うまでも無い。さらに、ワイドバンドギャップ半導体を用いることで耐電圧性が高く、許容電流密度も高くなるため、ＭＯＳＦＥＴの小型化が可能であり、これらの素子を組み込んだ半導体モジュールの小型化が可能となる。耐熱性も高いため、ヒートシンクの放熱フィンの小型化も可能になる。さらにワイドバンドギャップ半導体は従来シリコン（Ｓｉ）半導体より耐圧が高く、高電圧化に優位に作用するため、低損失で電圧の高い直流電源装置もしくはインバータ３０を構成することでワイドバンドギャップ半導体の特性を更に引き出すことができる。
以上のように、本実施の形態では、実施の形態１の直流電源装置１００を電動機駆動装置へ適用した例を示した。本実施の形態の電動機駆動装置では、電動機３１を駆動制御するインバータ３０へ供給する電圧を電動機３１の構成（永久磁石の種類，巻数等）や動作状態に応じて適切に制御することができる。これにより、フェライトなどの磁力が希土類と比較して小さい磁石を用いた電動機３１を駆動制御する場合にも、損失を抑えて効率のよい駆動動作を実現できる。また、第１のスイッチング素子４ａと第２のスイッチング素子４ｂのうちの一方が故障した場合に、実施の形態１と同様の効果を得ることができる。
実施の形態３．
図８は、本発明の実施の形態３の空気調和機の構成例を示す回路ブロック図である。本実施の形態の空気調和機は、実施の形態２で述べた電動機駆動装置を備える。本実施の形態の空気調和機は、実施の形態２の電動機３１を内蔵した圧縮機４１、四方弁４２、室外熱交換器４３、膨張弁４４、室内熱交換器４５が冷媒配管４６を介して取り付けられた冷凍サイクルを有して、セパレート形空気調和機を構成している。
圧縮機４１内部には冷媒を圧縮する圧縮機構４７とこれを動作させる電動機３１が設けられ、圧縮機４１から熱交換器４３と４５間を冷媒が循環することで冷暖房などを行う冷凍サイクルが構成されている。図８に示した回路ブロックは、空気調和機だけなく、冷蔵庫、冷凍庫等の冷凍サイクルを備える機器に適用可能である。
冷凍サイクルにより、冷房や暖房を行う空気調和機では、室内温度が使用者が設定した設定温度まで近づくと安定状態となり、圧縮機４１に搭載された電動機３１を低速で回転させるようインバータ３０が動作する。従って、空気調和機では低速回転が長時間継続されるため、低速運転時の効率改善が省エネルギーに大きく寄与する。このため、電動機３１として、電流が少なくなるよう希土類磁石もしくは巻数を増加させた磁力の弱い永久磁石を用いた電動機を用いると省エネルギーに寄与することになる。
一方、第１のスイッチング素子４ａまたは第２のスイッチング素子４ｂが故障した場合、電動機３１を動作させなければ、空気調和機が動作しないこととなる。特に、真夏や真冬に故障した場合、熱中症など人体へ与える影響も大きい。他にも、冷蔵庫やショーケースの場合、中に貯蔵している食品が傷むことも予想される。
本実施の形態では、実施の形態１の通り、第１のスイッチング素子４ａまたは第２のスイッチング素子４ｂが故障した場合に、この故障を検出し、中性線断線部２０により中性線を断線させる。これにより、全波整流だけであれば直流電源装置は動作することができる。これにより電動機３１の起電圧が高くなるような高速回転の動作はできないものの低速回転での動作は継続できる。
したがって、本実施の形態の空気調和機は、第１のスイッチング素子４ａまたは第２のスイッチング素子４ｂが故障を検出した場合に、警報などにより使用者に通知し、修理されるまでの間、低速回転だけの応急運転を行うことができる。これにより、真夏や真冬に故障しても、応急運転を実現でき、人体へ与える影響を極力排除できる。冷蔵庫やショーケースに適用した場合も、食品が傷むまでの時間を稼ぐことができ、故障による損害を未然に抑制できる。
本実施の形態の空気調和機において、直流電源装置１００を起動時（すなわち第１のスイッチング素子４ａまたは第２のスイッチング素子４ｂのスイッチング動作開始前）に第１のスイッチング素子４ａまたは第２のスイッチング素子４ｂの故障を検出することもできる。図９は、直流電源装置１００の起動前の故障検出手順の一例を示すフローチャートである。まず、第１のスイッチング素子４ａおよび第２のスイッチング素子４ｂともに短絡故障していた場合、直流電源装置１００が起動されると、電源短絡となり、図示していないブレーカの遮断またはヒューズ溶断により交流電源１から電流が供給されないよう保護される。
図９に示すように、中性線断線部２０をオフ（断線）状態にしておき、交流電源１からの通電を開始する（ステップＳ２１）。その後、制御部８は、第１のスイッチング素子４ａをオンとする（ステップＳ２２）。この状態のときに、交流電源１からの短絡電流が流れたか否かを判断する（ステップＳ２３）。短絡電流が流れなければ（ステップＳ２３ Ｎｏ）、第１のスイッチング素子４ａは故障していないと判断して、第１のスイッチング素子４ａをオフとし第２のスイッチング素子４ｂをオンとする（ステップＳ２５）。この状態のときに、交流電源１からの短絡電流が流れたか否かを判断する（ステップＳ２６）。短絡電流が流れなければ（ステップＳ２６ Ｎｏ）、スイッチング素子は両方とも正常であると判断し（ステップＳ２８）、制御部８は通常のスイッチング動作の実施を許可する（ステップＳ２９）。
ステップＳ２３で、短絡電流が流れれば（ステップＳ２３ Ｙｅｓ）、制御部８は、第２のスイッチング素子４ｂが故障していると判断し（ステップＳ２４）、制御部８は通常のスイッチング動作の実施を禁止する（ステップＳ３０）。または、応急運転（全波整流モード）だけを許可する。ステップＳ２６で、短絡電流が流れれば（ステップＳ２６ Ｙｅｓ）、制御部８は、第１のスイッチング素子４ａが故障していると判断し（ステップＳ２７）、ステップＳ３０へ進む。
交流電源１からの短絡電流の検出方法は、図１、７、８では図示していないが、リアクトル３に２次巻線を巻いて、その誘導電圧を検出する方法としてもよいし、切替部７と整流器２との間に電流センサを設けて検出する方法でも良いし、その他の検出方法でもよい。リアクトル３に２次巻線を巻いて、その誘導電圧を検出する場合は、リアクトル３が短絡電流検出部としての機能を有し、切替部７と整流器２との間に電流センサを設けて検出する場合は電流センサが短絡電流検出部となる。なお、両方のスイッチング素子が同時に故障している場合は前述の通り、ヒューズやブレーカなどで保護する。
直流電圧を２倍に昇圧することが可能な直流電源装置を用いた電動機駆動装置では高効率化が実現できる。一方、スイッチング素子を追加することで故障する可能性のある部品が増加する。しかしながら、実施の形態１で述べた直流電源装置１００を用いれば、仮にスイッチング素子が故障しても、動作不全に陥ることなく、故障箇所を特定し、電動機３１の動作を低速回転動作に特定することで、動作を継続させることができる。
本実施の形態の空気調和機は、実施の形態２で述べたように、稀少金属である希土類磁石を用いずとも巻数を増加させた磁力の弱い永久磁石を用いた電動機３１を効率良く駆動制御することができる。このため、巻数を増加させた磁力の弱い永久磁石を用いた電動機３１を用いた場合も、省エネルギーを実現できる。また、本実施の形態の空気調和機はスイッチング素子の故障を通常運転中でも起動前であっても検出できるので、応急運転により動作を継続することができる。
特に、冷蔵庫のような２４時間常時運転するような機器に第２の実施の形態の電動機駆動装置を適用すると、低速回転における低電流状態での運転が長いため、巻数を増加させたフェライト磁石等を適用した電動機３１により、低コストで省エネルギー化を実現できる。
以上のように、本発明にかかる直流電源装置は、直流で電力消費を行う負荷向けの電源装置に利用可能である。特に、直流電源装置を必要とするインバータの電源装置として利用でき、永久磁石電動機を駆動するインバータに適用することによる省エネの実現のほか、希少金属である希土類磁石を用いることなく安価で省エネルギー性の高い電動機駆動装置を構成できることから、空気調和機や冷凍機、洗濯乾燥機のほか、冷蔵庫、除湿器、ヒートポンプ式給湯機、ショーケース、掃除機など家電製品全般に適用可能であり、ファンモータや換気扇、手乾燥機、誘導加熱電磁調理器などへの適用も可能である。
１ 交流電源、２ 整流器、３ リアクトル、４ａ 第１のスイッチング素子、４ｂ 第２のスイッチング素子、５ａ 第１の逆流防止素子、５ｂ 第２の逆流防止素子、６ａ 第１のコンデンサ、６ｂ 第２のコンデンサ、７ 切替部、８ 制御部、９ 電源電圧検出部、１０ 直流電圧検出部、１１ 負荷、２０ 中性線断線部、３０ インバータ、３１ 電動機、３２ 電流検出器、３３ 駆動制御部、４１ 圧縮機、４２ 四方弁、４３ 室外熱交換器、４４ 膨張弁、４５ 室内熱交換器、４６ 冷媒配管、４７ 圧縮機構、１００ 直流電源装置。

Claims (15)

  1. 交流電源に接続された整流器と、
    直列接続された第１のコンデンサと第２のコンデンサで構成される電荷蓄積部と、
    直列接続された第１のスイッチング素子および第２のスイッチング素子と、前記電荷蓄積部からの電荷の逆流を抑制する逆流防止素子とで構成される切替部と、
    リアクトルと、
    前記第１のスイッチング素子および前記第２のスイッチング素子の動作を制御する制御部と、
    前記第１のコンデンサの両端電圧である第１の両端電圧と、前記第２のコンデンサの両端電圧である第２の両端電圧とを検出する直流電圧検出部と、
    を備え、
    前記整流器と前記切替部はリアクトルを介して接続され、
    前記制御部は、前記第１の両端電圧と前記第２の両端電圧の電圧差に基づいて、前記第１のスイッチング素子と前記第２のスイッチング素子のうち一方の短絡故障を検出する直流電源装置。
  2. 前記交流電源から流れる短絡電流を検出する短絡電流検出部、
    を備え、
    前記制御部は、前記切替部のスイッチング動作の開始前に、前記第１のスイッチング素子と前記第２のスイッチング素子のうち一方のスイッチング素子をオンとし他方のスイッチング素子をオフとした状態で前記短絡電流が検出されたか否かに基づいて前記他方のスイッチング素子が短絡故障しているか否かを検出する請求項１に記載の直流電源装置。
  3. 交流電源に接続された整流器と、
    直列接続された第１のコンデンサと第２のコンデンサで構成される電荷蓄積部と、
    直列接続された第１のスイッチング素子および第２のスイッチング素子と、前記電荷蓄積部からの電荷の逆流を抑制する逆流防止素子とで構成される切替部と、
    リアクトルと、
    前記第１のスイッチング素子および前記第２のスイッチング素子の動作を制御する制御部と、
    前記交流電源から流れる短絡電流を検出する短絡電流検出部と、
    を備え、
    前記整流器と前記切替部はリアクトルを介して接続され、
    前記制御部は、前記切替部のスイッチング動作の開始前に、前記第１のスイッチング素子と前記第２のスイッチング素子のうち一方のスイッチング素子をオンとし他方のスイッチング素子をオフとした状態で前記短絡電流が検出されたか否かに基づいて前記他方のスイッチング素子が短絡故障しているか否かを検出する直流電源装置。
  4. 前記第１のスイッチング素子と前記第２のスイッチング素子の中点である第１の中点と、前記第１のコンデンサと前記第２のコンデンサの中点である第２の中点との接続を断線させるか接続するかを切り替える接続制御部、
    を備え、
    前記制御部は、前記短絡故障を検出した場合に、前記接続制御部に前記第１の中点と前記第２の中点との間を断線させるよう指示し、前記切替部の動作を停止させる請求項１から３のいずれか１つに記載の直流電源装置。
  5. 前記第１のスイッチング素子と前記第２のスイッチング素子の中点である第１の中点と、前記第１のコンデンサと前記第２のコンデンサの中点である第２の中点との接続を断線させるか接続するかを切り替える接続制御部、
    を備え、
    前記制御部は、前記短絡故障を検出した場合に、前記接続制御部に前記第１の中点と前記第２の中点との間を断線させるよう指示し、前記第１のスイッチング素子と前記第２のスイッチング素子のうち前記短絡故障が生じていないスイッチング素子をオフとした状態で動作させる請求項１から３のいずれか１つに記載の直流電源装置。
  6. 前記制御部は、前記短絡故障を検出した場合に、前記短絡故障が検出されていないスイッチング素子がオンとなっているときに、前記接続制御部に前記第１の中点と前記第２の中点との間を断線させるよう指示する請求項４または５に記載の直流電源装置。
  7. 前記第１のスイッチング素子、前記第２のスイッチング素子、前記逆流防止素子および前記整流器を構成する整流素子のうちの少なくとも１つはワイドバンドギャップ半導体によって形成されている請求項１から６のいずれか１つに記載の直流電源装置。
  8. 前記ワイドバンドギャップ半導体は、炭化珪素、窒化ガリウム系材料又はダイヤモンドである請求項７に記載の直流電源装置。
  9. 電動機を駆動する電動機駆動装置であって、
    請求項１から８のいずれか１つに記載の直流電源装置と、
    前記直流電源装置から供給される直流電流を用いて前記電動機を制御するインバータと、
    前記電動機に流れる電流を検出する電流検出部と、
    前記電流検出部により検出された電流に基づいて前記インバータを制御する駆動制御部と、
    を備える電動機駆動装置。
  10. 前記駆動制御部は、前記電動機の負荷量に基づいて前記インバータへ供給される直流電流の電圧を決定し、決定した前記電圧を前記直流電源装置へ指示し、
    前記直流電源装置は、前記駆動制御部からの指示に基づいて前記インバータへ供給される直流電流の電圧を制御する請求項９に記載の電動機駆動装置。
  11. 前記電動機は希土類元素以外で構成される永久磁石を有する請求項９または１０に記載の電動機駆動装置。
  12. 前記インバータを構成するスイッチング素子はワイドバンドギャップ半導体によって形成されている請求項９から１１のいずれか１つに記載の電動機駆動装置。
  13. 前記ワイドバンドギャップ半導体は、炭化珪素、窒化ガリウム系材料又はダイヤモンドである請求項１２に記載の電動機駆動装置。
  14. 請求項９から１３のいずれか１つに記載の電動機駆動装置と、
    前記電動機駆動装置により駆動される電動機を有する圧縮機と、
    を備える空気調和機。
  15. 請求項９から１３のいずれか１つに記載の電動機駆動装置と、
    前記電動機駆動装置により駆動される電動機を有する圧縮機と、
    を備える冷蔵庫。
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