JP6336137B2 - 電力変換装置 - Google Patents

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Description

本発明は、電力変換装置に関する。
従来、モータを駆動する電力変換装置としては、整流回路、昇圧回路、及び平滑コンデンサを用いたものが知られている。例えば、特許文献1には、昇圧回路のスイッチング動作によって、交流電源電圧を任意の直流電圧に昇圧可能な電力変換装置が記載されている。特許文献2には、直流端子を介して高圧電源装置に接続された平滑コンデンサを有する電力変換装置が記載されている。特許文献3には、リアクタとスイッチング素子とを備える昇圧回路と、平滑コンデンサとを有する電力変換装置が記載されている。特許文献1〜3に記載のような電力変換装置では、平滑された直流電圧が交流電源から生成され、直流母線電圧によってインバータ回路が駆動される。
特開2013−121222号公報 国際公開第11/135621号 特開2014−139038号公報
しかしながら、特許文献1〜3に記載のような電力変換装置では、昇圧動作停止時には、交流電源電圧を整流回路で整流したものが直に平滑コンデンサに印加される。したがって、昇圧動作停止時に、例えば、電源の瞬間停止等により交流電源電圧の不均衡が生じた場合、平滑コンデンサに流れ込むリプル電流が増大するため、平滑コンデンサが故障し、電力変換装置の耐久性が確保できないという問題があった。
本発明は、上述の問題を解決するためになされたものであり、電力変換装置の平滑コンデンサに流れるリプル電流を低減し、電力変換装置の耐久性を確保することを目的とする。
本発明に係る電力変換装置は、交流電源からの電圧を整流する整流器と、前記整流器の出力側に並列接続され、前記整流器で整流された電圧を昇圧する昇圧回路部と、前記昇圧回路部の出力側に並列接続され、前記昇圧回路部で昇圧された電圧を平滑化する第1コンデンサと、前記第1コンデンサに並列接続され、前記第1コンデンサで平滑化された電圧を交流電圧に変換するインバータ回路部と、少なくとも、前記昇圧回路部及び前記インバータ回路部の動作及び停止を制御する制御部とを備え、前記昇圧回路部は、前記整流器の陽極側に直列接続されるリアクタと、前記リアクタに順方向に直列接続される第1ダイオードと、前記第1ダイオードに順方向に直列接続され、前記インバータ回路部の陽極側に接続される第2ダイオードと、前記リアクタと前記第1ダイオードの間から分岐接続される第1スイッチング素子と、前記第1スイッチング素子に直列接続され、前記整流器の陰極側と前記インバータ回路部の陰極側との間に分岐接続される第2スイッチング素子と、前記第1ダイオードと前記第2ダイオードとの間から、前記第1スイッチング素子と前記第2スイッチング素子との間に分岐接続される第2コンデンサとを有し、前記制御部は、前記インバータ回路部が動作し、かつ、前記昇圧回路部における昇圧がない場合に、前記第2スイッチング素子駆動させ、前記第1コンデンサと前記第2コンデンサとを並列接続させるものである。
本発明によれば、第2スイッチング素子を駆動させることにより、第1コンデンサ(平滑コンデンサ)に流れるリプル電流を低減することができるため、第1コンデンサの故障を回避することができる。
本発明の実施の形態1に係る電力変換装置1の一例を示す概略的な回路図である。 本発明の実施の形態1に係る電力変換装置1の一部を拡大した概略的な回路図である。 本発明の実施の形態1に係る電力変換装置1の図2で示した回路の等価回路の一例を示す回路図である。 本発明の実施の形態1に係る電力変換装置1の制御処理の一例を示すフローチャートである。 本発明の実施の形態2に係る電力変換装置1の制御処理の一例を示すフローチャートである。
実施の形態1.
本発明の実施の形態1に係る電力変換装置1について説明する。図1は、本実施の形態1の電力変換装置1の一例を示す概略的な回路図である。なお、図1を含む以下の図面では各構成部材の寸法の関係及び形状が、実際のものとは異なる場合がある。また、以下の図面では、同一の又は類似する部材又は部分には、同一の符号を付すか、又は符号を付すことを省略している。
図1に示すように、本実施の形態1に係る電力変換装置1は、整流器2と、昇圧回路部3と、第1コンデンサ4と、インバータ回路部5と、制御部6とを備える。整流器2は、交流電源7からの電圧を整流するものである。昇圧回路部3は、整流器2で整流された電圧Vdcを昇圧するものであり、整流器2の出力側に並列接続されている。第1コンデンサ4は、昇圧回路部3で昇圧された電圧を平滑化するものであり、昇圧回路部3の出力側に並列接続されている。インバータ回路部5は、第1コンデンサ4で平滑化された電圧Vdc1を交流電圧に変換するものであり、第1コンデンサ4に並列接続されている。制御部6は、少なくとも、昇圧回路部3及びインバータ回路部5の動作及び停止を制御するものである。
整流器2は、例えば、6個の整流ダイオードをブリッジ接続して構成された三相全波整流器である。なお、整流器2に交流電圧を供給する交流電源7は、例えばAC200V又はAC400Vの商用の三相交流電源である。
昇圧回路部3は、例えば、整流器2で整流された電圧Vdc(母線電圧)を昇圧する昇圧コンバータ回路(マルチレベルチョッパ回路)である。昇圧回路部3は、例えばAC200Vの交流電源7から供給され、整流器2で整流された電圧をDC350V等に昇圧する。
昇圧回路部3は、昇圧用のリアクタ31と、第1ダイオード32と、第2ダイオード33と、第1スイッチング素子34(上アーム)と、第2スイッチング素子35(下アーム)とを有している。リアクタ31は、整流器2の陽極側に直列接続されている。第1ダイオード32は、リアクタ31に順方向に直列接続されている。第2ダイオード33は、第1ダイオード32に順方向に直列接続され、インバータ回路部5の陽極側に接続されている。第1スイッチング素子34は、リアクタ31と第1ダイオード32の間から分岐接続されている。第2スイッチング素子35は、第1スイッチング素子34に直列接続され、整流器2の陰極側とインバータ回路部5の陰極側との間に分岐接続されている。第2コンデンサ36は、第1ダイオード32と第2ダイオード33との間から、第1スイッチング素子34と第2スイッチング素子35との間に分岐接続されている。
リアクタ31は、誘導性リアクタンスを利用して整流器2で整流された電圧Vdcを昇圧するものである。
第1ダイオード32及び第2ダイオード33は、電流の逆流を防止する整流素子(以降、「逆流防止素子」と称する。)として用いられる。第1ダイオード32及び第2ダイオード33は、例えば、シリコン(Si)素子よりもバンドギャップが大きい炭化ケイ素(SiC)素子、窒化ガリウム(GaN)素子、又はダイヤモンド素子等のワイドバンドギャップ半導体としてもよい。また、第1ダイオード32及び第2ダイオード33は、ファストリカバリダイオードとしてもよい。
第1スイッチング素子34及び第2スイッチング素子35は、予め定められたデューティ比の駆動信号が制御部6から入力されることによって、整流器2で整流された電圧Vdcを昇圧するものである。第1スイッチング素子34及び第2スイッチング素子35は、例えばトランジスタ、MOSFET、又はIGBT等の半導体素子とすることができるが、これらの半導体素子に限られない。例えば、第1スイッチング素子34及び第2スイッチング素子35は、シリコン(Si)素子よりバンドギャップが大きい炭化ケイ素(SiC)素子、窒化ガリウム(GaN)素子、又はダイヤモンド素子等のワイドバンドギャップ半導体としてもよい。
また、第1スイッチング素子34の陽極と陰極の間には、逆流防止素子として第3ダイオード37が逆方向に並列接続されていてもよい。同様に、第2スイッチング素子35の陽極と陰極の間には、逆流防止素子として第4ダイオード38が逆方向に並列接続されていてもよい。
第2コンデンサ36は、第1スイッチング素子34が停止状態(すなわち、オフ状態)にあり、第2スイッチング素子35が駆動状態(すなわち、オン状態)の場合に、電圧が印加される構成となっている。
第1コンデンサ4は、昇圧回路部3で昇圧された電圧を平滑化する平滑コンデンサとして動作するとともに、昇圧回路部3で昇圧された電力を充電するものである。
インバータ回路部5は、第1コンデンサ4によって平滑された電圧Vdc1(直流母線電圧)を、例えば、三相交流電力に変換し、モータ8(例えば、三相モータのU相、V相、及びW相)に供給するものである。インバータ回路部5は、例えば、三相ブリッジ接続されたインバータ用スイッチング素子51a、52a、53a、54a、55a、56aを備える。また、各々のインバータ用スイッチング素子51a、52a、53a、54a、55a、56aの両端には、逆向きに流れるモータ電流を環流させ、逆向きに流れるモータ電流からインバータ用スイッチング素子51a、52a、53a、54a、55a、56aを保護するためのインバータ用逆流防止素子51b、52b、53b、54b、55b、56b(例えば、整流ダイオード、ショットキーバリアダイオード等のフライホイールダイオード)がそれぞれ並列接続されている。モータ8は、単相モータであってもよく、DCブラシレスモーターとして構成してもよい。
インバータ用スイッチング素子51a、52a、53a、54a、55a、56aは、例えばIGBT等の半導体素子とすることができる。例えば、第1スイッチング素子34及び第2スイッチング素子35は、シリコン(Si)素子よりバンドギャップが大きい炭化ケイ素(SiC)素子、窒化ガリウム(GaN)素子、又はダイヤモンド素子等のワイドバンドギャップ半導体としてもよい。
制御部6は、CPU、メモリ(例えば、ROM、RAM等)、I/Oポート等を備えたマイクロコンピュータを有している。制御部6は、昇圧回路部3を制御するコンバータ制御部61と、インバータ回路部5を制御するインバータ制御部62とを備える。コンバータ制御部61及びインバータ制御部62は、相互にデータ通信を行うことができるように構成してもよい。
コンバータ制御部61は、整流器2の出力側に配置された電流検出部9が検出したリアクタ電流Idc1と、出力電圧検出部10が検出した第1コンデンサ4の両端の電圧Vdc1とから、第1スイッチング素子34を駆動するためのパルス信号Cp及び第2スイッチング素子35を駆動するためのパルス信号Cnを生成し、出力するものである。
インバータ制御部62は、モータ電流検出部11によって検出された交流電流(例えば、三相モータのU相に流れるモータ電流Iu、三相モータのW相に流れるモータ電流Iw)から、インバータ回路部5を駆動するためのパルス信号を生成するものである。例えば、インバータ制御部62は、インバータ用スイッチング素子51aを駆動するためのパルス信号Upと、インバータ用スイッチング素子52aを駆動するためのパルス信号Unと、インバータ用スイッチング素子53aを駆動するためのパルス信号Vpと、インバータ用スイッチング素子54aを駆動するためのパルス信号Vnと、インバータ用スイッチング素子55aを駆動するためのパルス信号Wpと、インバータ用スイッチング素子56aを駆動するパルス信号Wnとを生成し、出力するものである。インバータ制御部62は、パルス信号によって、インバータ回路部5からモータ8に出力される交流電力の周波数を制御するものである。
次に、本実施の形態1に係る電力変換装置1の動作を説明する。
交流電源7から供給される交流電圧は、整流器2で整流され、昇圧回路部3に出力される。整流器2で整流された電圧Vdcは、昇圧回路部3において、第1スイッチング素子34及び第2スイッチング素子35のスイッチング動作によって昇圧される。第1スイッチング素子34及び第2スイッチング素子35のスイッチング動作は、コンバータ制御部61によって制御される。
第1スイッチング素子34及び第2スイッチング素子35が駆動状態の場合(すなわち、第1スイッチング素子34及び第2スイッチング素子35がオン状態である場合)、第1ダイオード32及び第2ダイオード33には電流が流れない。したがって、整流器2によって整流された電圧はリアクタ31のみに印加される。
一方、第1スイッチング素子34及び第2スイッチング素子35が停止状態の場合(すなわち、第1スイッチング素子34及び第2スイッチング素子35がオフ状態である場合)、第1ダイオード32及び第2ダイオード33に電流が流れる。したがって、リアクタ31には、第1スイッチング素子34及び第2スイッチング素子35が駆動状態である場合に印加される電圧と逆向きの電圧が誘導される。
第1スイッチング素子34及び第2スイッチング素子35が駆動状態から停止状態に切り替わるときに、リアクタ31に蓄積されたエネルギーが第1コンデンサ4に移送され、電圧Vdcの昇圧が行われる。よって、第1スイッチング素子34及び第2スイッチング素子35のオンデューティ(パルスオンオフのタイミング)を制御することによって、昇圧回路部3の出力電圧を制御することができる。
昇圧回路部3で昇圧された電圧は、第1コンデンサ4で平滑化されるとともに充電される。第1コンデンサ4によって平滑された電圧Vdc1は、インバータ回路部5で、モータ8が必要とする周波数の交流電流に変換される。インバータ回路部5の動作は、インバータ制御部62によって制御され、インバータ制御部62が出力する駆動信号に応じて、インバータ回路部5から負荷に出力される電力の周波数が制御されている。
ここで、第1スイッチング素子34を停止状態に、第2スイッチング素子35を駆動状態にした場合の電力変換装置1を図2、3を用いて説明する。
図2は、本実施の形態1に係る電力変換装置1の一部を拡大した概略的な回路図である。図2の回路図では、昇圧回路部3と第1コンデンサ4の接続関係を示している。
図3は、本実施の形態1に係る電力変換装置1の図2で示した回路の等価回路の一例を示す回路図である。図3は、第1スイッチング素子34を停止状態に、第2スイッチング素子35を駆動状態にした場合の図2の回路の等価回路である。
第1スイッチング素子34を停止状態に、第2スイッチング素子35を駆動状態にした場合、図2に示した回路は、昇圧回路部3の第2コンデンサ36と第1コンデンサ4とを並列接続した回路と等価となる。ここで、リアクタ31のインダクタンスをL、第1コンデンサ4のキャパシタンス(静電容量)をC、第2コンデンサ36のキャパシタンスをCとする。図2の回路は、図3のような等価回路で示されるものとなり、昇圧回路部3で昇圧された電圧が印加されるコンデンサのキャパシタンスがCからC1+C2に増加する。
次に、コンバータ制御部61における第2スイッチング素子35を駆動状態にする制御処理を図4を用いて説明する。
図4は、本実施の形態1に係る電力変換装置1の制御処理の一例を示すフローチャートである。図4の制御処理は、常時又は電源の不均衡(例えば、電源の瞬間停止等)を検出した場合に行うようにしてもよい。
ステップS11において、コンバータ制御部61は、インバータ回路部5が動作中か否かを判定する。インバータ回路部5が停止中であれば、制御処理は終了する。
インバータ回路部5が動作中である場合、ステップS12において、コンバータ制御部61は、昇圧回路部3が昇圧中か否かを判定する。
昇圧回路部3が昇圧中である場合、昇圧回路部3において、リアクタ31に流れる電流が一定となるように制御されているため、第1コンデンサ4に対するリプル電流による影響はほとんどない。したがって、コンバータ制御部61は、ステップS13において、第2スイッチング素子35が停止状態(オフ状態)となるように第2スイッチング素子35に出力するパルスを制御し、制御処理を終了する。
昇圧回路部3が昇圧中でない場合、ステップS14において、コンバータ制御部61は、第2スイッチング素子35が駆動状態(オン状態)となるように第2スイッチング素子35に出力するパルスを制御し、制御処理を終了する。
以上に記載のとおり、本実施の形態1に係る電力変換装置1の昇圧回路部3は、リアクタ31と、第1ダイオード32と、第2ダイオード33と、第1スイッチング素子34と、第2スイッチング素子35と、第2コンデンサ36とを有している。第2コンデンサ36は、第1スイッチング素子34と第2スイッチング素子35との間に分岐接続されており、第1スイッチング素子34が停止状態であり、第2スイッチング素子35が駆動状態である場合に、第1コンデンサ4と並列接続される。制御部6は、インバータ回路部5が動作し、かつ、昇圧回路部3における昇圧がない場合に、第2スイッチング素子35を駆動させるものである。
本実施の形態1によれば、第1スイッチング素子34を停止状態とし、第2スイッチング素子35を駆動状態とすることによって、昇圧回路部3で昇圧された電圧が印加されるコンデンサのキャパシタンスがCからC1+C2に増加する。すなわち、交流電源7の電圧の不平衡により第1コンデンサ4に流れるリプル電流が、第2コンデンサ36にも流れるため、第1コンデンサ4に流れるリプル電流を低減することができる。したがって、リプル電流の増大による第1コンデンサ4の故障を回避することができ、電力変換装置1の耐久性を向上させることができる。
従来、大容量のインバータ装置を備える電力変換装置では、三相全波整流回路によりインバータ駆動用の直流母線電圧を生成する方式が用いられていた。例えば、大容量のインバータ装置は、空気調和装置の圧縮機及びファン等のモータを駆動するのに用いられている。空気調和装置では、電力変換装置は、更に定格冷房運転又は定格暖房運転時のエネルギー消費効率(COP)、及び通年エネルギー消費効率(APF)を高めるように設計される。例えば、圧縮機用のモータで用いる場合、電力変換装置は、空気調和装置の定格運転で用いるモータ回転数付近での誘起電圧(逆起電力)が、交流電源電圧と同程度となるように設計されることがある。
このような設計のモータを用いて、空気調和装置の定格運転で用いる回転数以上で運転しようとした場合、インバータ装置は交流電源電圧以上の電圧を出力できないため、出力電流が増加する。よって、電力損失が増加し、エネルギー消費効率が低下することとなる。また、電流等の制約により運転範囲が狭くなる場合もある。
上述の問題を解決するために、従来、空気調和装置では、APF及び電力損失等を考慮した上で、必要に応じて整流後の母線電圧を昇圧回路を動作させて昇圧し、その他の場合は昇圧を停止状態にするチョッパ等を有する電力変換装置が用いられてきた。
しかしながら、このような昇圧回路を有する電力変換装置では、昇圧回路が動作しない場合は、不平衡の交流電源電圧を三相全波整流回路で整流したものが母線電圧となる場合があるため、平滑コンデンサに流れ込むリプル電流が増大し、平滑コンデンサの破壊の要因となるという問題があった。
本実施の形態1によれば、昇圧回路部3が昇圧中である場合、第2スイッチング素子35が停止状態となるように制御される。一方、昇圧回路部3が昇圧中でない場合、第2スイッチング素子35が駆動状態となるように制御される。したがって、本実施の形態1によれば、リプル電流の抑制制御を第2スイッチング素子35によって効率良く行うことができる。
また、第1ダイオード32、第2ダイオード33、第1スイッチング素子34、及び第2スイッチング素子35は、ワイドバンドギャップ半導体素子とすることにより、シリコン系半導体素子と比較して、電力損失の低減を図ることができるため、エネルギー消費量を削減可能な電力変換装置1を提供できる。
実施の形態2.
本発明の実施の形態2に係る電力変換装置1の制御処理について図5を用いて説明する。
図5は、本実施の形態2に係る電力変換装置1の制御処理の一例を示すフローチャートである。図5の制御処理は、図4の制御処理と同様に、常時又は電源の不均衡(例えば、電源の瞬間停止等)を検出した場合に行うようにしてもよい。なお、電力変換装置1の構造及び動作は、上述の実施の形態1のものと同一であるため説明は省略する。
ステップS21において、コンバータ制御部61は、インバータ回路部5が動作中か否かを判定する。インバータ回路部5が停止中であれば、制御処理は終了する。ステップS21は、図4のステップS11と同一の制御処理である。
インバータ回路部5が動作中である場合、ステップS22において、コンバータ制御部61は、昇圧回路部3が昇圧中か否かを判定する。ステップS22は、図4のステップS12と同一の制御処理である。
昇圧回路部3が昇圧中である場合、第1コンデンサ4に対するリプル電流による影響はほとんどない。したがって、コンバータ制御部61は、ステップS23において、第2スイッチング素子35が停止状態(オフ状態)となるように第2スイッチング素子35に出力するパルスを制御し、制御処理を終了する。ステップS23は、図4のステップS13と同一の制御処理である。
昇圧回路部3が昇圧中でない場合、ステップS24において、交流電源7の電源周波数f0が以下の式(1)
Figure 0006336137
の条件を満たすか否かが判定される。ここで、リアクタ31のインダクタンスをL、第1コンデンサ4のキャパシタンス(静電容量)をC、第2コンデンサ36のキャパシタンスをCとする。交流電源7の電源周波数f0が、式(1)の条件を満たす場合は、ステップS25において、コンバータ制御部61は、第2スイッチング素子35が駆動状態(オン状態)となるように第2スイッチング素子35に出力するパルスを制御し、制御処理を終了する。式(1)の条件を満たさない場合は、ステップS23において、第2スイッチング素子35が停止状態(オフ状態)となるように、第2スイッチング素子35に出力するパルスを制御し、制御処理を終了する。
本実施の形態2は、交流電源7の電圧の不平衡によるリプル電流の増加が、交流電源7の電源周波数f0の2倍の周波数成分と、リアクタ31と第1コンデンサ4との共振周波数、近づくほど大きくなるという現象に基づいている。本実施の形態2では、交流電源7の電源周波数f0が、上述の式(1)の関係を満たす場合に、第2スイッチング素子35を駆動状態にする制御を行うものである。したがって、本実施の形態2では、リプル電流の増加が大きい場合に、第1コンデンサ4に流れるリプル電流を効率良く低減することができる。
その他の実施の形態.
上述の実施の形態に限らず種々の変形が可能である。例えば、上述の実施の形態は、例示した空気調和装置のみならず、ショーケース、冷凍機、冷蔵庫等のヒートポンプ装置にも用いることができる。
また、上述の実施の形態は互いに組み合わせて用いることが可能である。
1 電力変換装置、2 整流器、3 昇圧回路部、4 第1コンデンサ、5 インバータ回路部、6 制御部、7 交流電源、8 モータ、9 電流検出部、10 出力電圧検出部、11 モータ電流検出部、31 リアクタ、32 第1ダイオード、33 第2ダイオード、34 第1スイッチング素子、35 第2スイッチング素子、36 第2コンデンサ、37 第3ダイオード、38 第4ダイオード、51a、52a、53a、54a、55a、56a インバータ用スイッチング素子、51b、52b、53b、54b、55b、56b インバータ用逆流防止素子、61 コンバータ制御部、62 インバータ制御部。

Claims (3)

  1. 交流電源からの電圧を整流する整流器と、
    前記整流器の出力側に並列接続され、前記整流器で整流された電圧を昇圧する昇圧回路部と、
    前記昇圧回路部の出力側に並列接続され、前記昇圧回路部で昇圧された電圧を平滑化する第1コンデンサと、
    前記第1コンデンサに並列接続され、前記第1コンデンサで平滑化された電圧を交流電圧に変換するインバータ回路部と、
    少なくとも、前記昇圧回路部及び前記インバータ回路部の動作及び停止を制御する制御部と
    を備え、
    前記昇圧回路部は、
    前記整流器の陽極側に直列接続されるリアクタと、
    前記リアクタに順方向に直列接続される第1ダイオードと、
    前記第1ダイオードに順方向に直列接続され、前記インバータ回路部の陽極側に接続される第2ダイオードと、
    前記リアクタと前記第1ダイオードの間から分岐接続される第1スイッチング素子と、
    前記第1スイッチング素子に直列接続され、前記整流器の陰極側と前記インバータ回路部の陰極側との間に分岐接続される第2スイッチング素子と、
    前記第1ダイオードと前記第2ダイオードとの間から、前記第1スイッチング素子と前記第2スイッチング素子との間に分岐接続される第2コンデンサと
    を有し、
    前記制御部は、
    前記インバータ回路部が動作し、かつ、前記昇圧回路部における昇圧がない場合に、前記第2スイッチング素子駆動させ、前記第1コンデンサと前記第2コンデンサとを並列接続させるものである
    電力変換装置。
  2. 前記制御部は、
    前記交流電源の電源周波数に応じて、前記第2スイッチング素子の駆動を制御するものである
    請求項に記載の電力変換装置。
  3. 前記第1ダイオード、前記第2ダイオード、前記第1スイッチング素子、及び前記第2スイッチング素子は、ワイドバンドギャップ半導体素子である
    請求項1又は2に記載の電力変換装置。
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