WO2016139734A1

WO2016139734A1 - 電力変換装置及び冷凍サイクル装置

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Publication number: WO2016139734A1
Application number: PCT/JP2015/056120
Authority: WO
Inventors: 健太湯淺; 真作楠部; 岩田　明彦; 晃弘津村
Original assignee: 三菱電機株式会社
Priority date: 2015-03-02
Filing date: 2015-03-02
Publication date: 2016-09-09
Also published as: JPWO2016139734A1; EP3258583A4; JP6355819B2; EP3258583A1; EP3258583B1

Abstract

　電力変換装置（１）は、抵抗値変更回路（３）と、昇圧回路（４）と、平滑コンデンサ（５）と、を備え、昇圧回路（４）は、リアクトル（１１）と、第１の逆流防止素子（１２）及び第２の逆流防止素子（１３）と、第１のスイッチング素子（１４）及び第２のスイッチング素子（１５）と、中間コンデンサ（１６）と、を有し、制御電源を生成し、制御電源によって第１のスイッチング素子（１４）と第２のスイッチング素子（１５）とを駆動する駆動回路（７）を備える。

Description

電力変換装置及び冷凍サイクル装置

　本発明は、電力を変換する電力変換装置及びその電力変換装置を備える冷凍サイクル装置に関する。

　電力変換装置を備える冷凍サイクル装置として、例えば冷凍空気調和装置が挙げられる。冷凍空気調和装置は、例えば圧縮機及びファンを有している。圧縮機及びファン等に備わるモータを駆動する大容量の電力変換装置は、例えば３相全波整流回路によって、インバータを駆動するための直流母線電圧が生成される方式が採用されている。インバータの前段には、平滑コンデンサが接続されており、インバータに出力される電圧の安定化が図られている。そして、商用電源から供給される交流電圧が、整流器で直流電圧に変換され、平滑コンデンサで平滑化された後、インバータで任意の電圧値及び周波数の交流電圧に変換される。そして、その電圧は、モータ等の負荷に出力される。

　冷凍空気調和装置の能力を測る指標として、定格冷房運転時と定格暖房運転時とのエネルギ消費効率（ＣＯＰ）、及び、１年を通した通年エネルギ消費効率（ＡＰＦ）がある。近年、冷凍空気調和装置では、エネルギ消費効率及び通年エネルギ消費効率を高めるため、圧縮機用のモータは、冷凍空気調和装置の定格運転で用いられる回転数付近で、誘起電圧（逆起電力）が電源電圧と同程度となるように設計される傾向にある。この場合、その回転数を超える高速回転域、例えば過負荷運転時等にて運転されると、電力変換装置は、電源電圧以上の電圧を出力できないため、出力電圧飽和によって圧縮機の電流が増大する。

　これにより、モータ効率の低下及び電力変換装置のロスの増加によって、電力変換装置の効率が低下する。また、圧縮機のモータに使用されている磁石の減磁耐力及び電力変換装置に使用されている半導体の許容電流及び許容温度の制約によって、モータの運転範囲が狭まる虞がある。また、平滑コンデンサは、電源投入時に充電されるものであるが、大容量の平滑コンデンサを充電する場合、交流電源から定常時の数倍の突入電流が流れる虞がある。

　特許文献１には、モータの高効率駆動化及び運転範囲拡大のため、電力変換装置の出力電圧の範囲を拡大する昇圧回路を有する電力変換装置が開示されている。特許文献１は、リアクトルの磁気エネルギと、平滑コンデンサとは別に設けられた充放電コンデンサの静電エネルギとを併用して昇圧動作が行われる。この充放電コンデンサは、ダイオードとツェナーダイオードとから構成された初期充電回路を用いて、充電される。なお、初期充電回路は、突入電流を防止する機能を有し、充放電コンデンサを充電するために設けられたスイッチング素子を保護する機能も有している。

特許第５５２８６２２号公報

　しかしながら、特許文献１に開示された電力変換装置は、初期充電回路を有しているため、回路構成が複雑であるという課題があった。

　本発明は、上記のような課題を背景としてなされたもので、回路構成が簡素化された電力変換装置及びその電力変換装置を備える冷凍サイクル装置を提供するものである。

　本発明に係る電力変換装置は、直流電圧が入力され、抵抗、及び、抵抗に並列に接続されたリレーを有し、リレーの動作によって抵抗値が変更される抵抗値変更回路と、抵抗値変更回路から出力された直流電圧を昇圧する昇圧回路と、昇圧回路から出力された直流電圧を平滑する平滑コンデンサと、を備え、昇圧回路は、抵抗値変更回路に直列に接続されたリアクトルと、リアクトルと平滑コンデンサの一端とを接続し、リアクトル側から平滑コンデンサ側に電流が流れることを許容する夫々直列に接続された第１の逆流防止素子及び第２の逆流防止素子と、リアクトルと平滑コンデンサの他端とを接続する夫々直列に接続された第１のスイッチング素子及び第２のスイッチング素子と、第１の逆流防止素子と第２の逆流防止素子との間と、第１のスイッチング素子と第２のスイッチング素子との間とを接続する中間コンデンサと、を有し、制御電源を生成し、制御電源によって第１のスイッチング素子と第２のスイッチング素子とを駆動する駆動回路を備える。

　本発明によれば、抵抗値変換回路を備えている。このため、電力変換回路は、突入電流を防止し、第１のスイッチング素子及び第２のスイッチング素子を保護しつつ、回路構成を簡素化することができる。

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の電流の経路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の電流の経路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の電流の経路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の電流の経路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の動作を示すタイミングチャートである。本発明の実施の形態１における制御部２０の動作を示すフローチャートである。本発明の実施の形態１の変形例に係る電力変換装置１を示す回路図である。本発明の実施の形態２に係る冷凍サイクル装置４０を示す回路図である。

　以下、本発明に係る電力変換装置及び冷凍サイクル装置の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。なお、以下に説明する実施の形態によって本発明が限定されるものではない。また、図１を含め、以下の図面では各構成部材の大きさの関係が実際のものとは異なる場合がある。

実施の形態１．
　図１は、本発明の実施の形態１に係る電力変換装置１を示す回路図である。この図１に基づいて、電力変換装置１について説明する。図１に示すように、電力変換装置１は、突入防止回路３と、昇圧回路４と、平滑コンデンサ５と、駆動回路７とを有している。更に、電力変換装置１は、例えば整流器２と、インバータ６と、制御部２０とを備えている。電力変換装置１は、３相の商用電源８から供給される交流電圧を、任意の電圧値及び任意の周波数の交流電圧に変換し、圧縮機５１（図６参照）等のモータ９に供給するものである。なお、電力変換装置１は、単相の商用電源８から供給された交流電圧を変換するものでもよいし、直流電源から供給された直流電圧を変換するものでもよい。

　整流器２は、交流電圧を直流電圧に変換し、その直流電圧を突入防止回路３に出力するものである。整流器２は、例えば商用電源８の交流電圧２００Ｖ又は４００Ｖを直流電圧に変換するものであり、例えば６個のダイオード３１がブリッジ接続された３相全波整流回路である。

　突入防止回路３は、直流電圧が入力され、突入防止抵抗３ａ、及び、突入防止抵抗３ａに並列に接続されたリレー３ｂを有し、リレー３ｂの動作によって抵抗値が変更されるものであり、本発明の抵抗値変更回路に相当する。これにより、突入防止回路３は、電源投入時に流れる突入電流を防止する。突入防止抵抗３ａは、本発明の抵抗に相当する。また、リレー３ｂは、突入防止抵抗３ａに並列に接続されたものである。リレー３ｂがオフされているとき、整流器２から出力される電流は、突入防止抵抗３ａを通過する。これに対し、リレー３ｂがオンされているとき、整流器２から出力される電流は、突入防止抵抗３ａを通過せず、リレー３ｂが設けられた側を通過する。電源投入時において、リレー３ｂがオフされることにより、電流は、突入防止抵抗３ａによって電流値が下げられる。これにより、突入電流が防止される。

　昇圧回路４は、突入防止回路３から出力された直流電圧を昇圧するものである。昇圧回路４は、リアクトル１１と、第１の逆流防止素子１２と、第２の逆流防止素子１３と、第１のスイッチング素子１４と、第２のスイッチング素子１５と、中間コンデンサ１６とを有している。

　リアクトル１１は、突入防止回路３に直列に接続され、突入防止回路３から出力された直流電圧を昇圧するものである。

　第１の逆流防止素子１２及び第２の逆流防止素子１３は、夫々直列に接続され、リアクトル１１と平滑コンデンサ５の一端とを接続し、リアクトル１１側から平滑コンデンサ５側に電流が流れることを許容する。図１では、第１の逆流防止素子１２は、平滑コンデンサ５側に配置され、第２の逆流防止素子１３は、リアクトル１１側に配置されている。第１の逆流防止素子１２及び第２の逆流防止素子１３は、例えばダイオード３１であり、シリコン（Ｓｉ）と比較してバンドギャップが大きい炭化ケイ素（ＳｉＣ）、窒化ガリウム（ＧａＮ）、ダイヤモンド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の逆流防止素子１２及び第２の逆流防止素子１３は、ファストリカバリダイオードとしてもよい。

　第１のスイッチング素子１４及び第２のスイッチング素子１５は、夫々直列に接続され、リアクトル１１と平滑コンデンサ５の他端とを接続するものである。図１では、第１のスイッチング素子１４は、リアクトル１１側に配置され、第２のスイッチング素子１５は、平滑コンデンサ５側に配置されている。即ち、昇圧回路４において、リアクトル１１と第２の逆流防止素子１３と第１のスイッチング素子１４とが接続されている。第１のスイッチング素子１４及び第２のスイッチング素子１５は、例えばダイオードであり、シリコン（Ｓｉ）と比較してバンドギャップが大きい炭化ケイ素（ＳｉＣ）、窒化ガリウム（ＧａＮ）、ダイヤモンド等のワイドバンドギャップ半導体としてもよい。

　中間コンデンサ１６は、第１の逆流防止素子１２と第２の逆流防止素子１３との間と、第１のスイッチング素子１４と第２のスイッチング素子１５との間とを接続し、リアクトル１１と共に突入防止回路３から出力された直流電圧を昇圧するものである。このように、昇圧回路４における昇圧は、リアクトル１１だけではなく、中間コンデンサ１６の静電エネルギも利用して行われているため、電力変換装置１は、昇圧量を高めることができる。

　平滑コンデンサ５は、昇圧回路４から出力された直流電圧を平滑するものである。平滑コンデンサ５は、昇圧回路４から出力された直流電圧によって充電されるものであり、突入防止回路３の抵抗値が変更されることによって、平滑コンデンサ５の充電時間が変更される。平滑コンデンサ５は、例えば複数設けられており、図１では、２個の平滑コンデンサ５を例示している。

　インバータ６は、平滑コンデンサ５に並列に接続され、直流電圧を交流電圧に変換するものである。変調方式は、例えばＰＷＭである。インバータ６は、複数の例えばＩＧＢＴといったスイッチング素子で構成されている。なお、インバータ６で用いられるスイッチング素子のような半導体素子は、炭化ケイ素（ＳＩＣ）等のワイドバンドギャップ半導体としてもよい。

　駆動回路７は、平滑コンデンサ５から供給される電圧によって、第１のスイッチング素子１４と第２のスイッチング素子１５とを制御する制御電源を生成し、制御電源によって第１のスイッチング素子１４と第２のスイッチング素子１５とを駆動するものである。なお、駆動回路７は、制御電源を、商用電源８から供給される電圧によって生成するものであってもよい。

　制御部２０は、昇圧回路４の動作を制御するものであり、検出手段２１と、判定手段２２と、制御手段２３とを有している。

　検出手段２１は、中間コンデンサ１６に充電されたコンデンサ電圧を検出するものである。

　判定手段２２は、検出手段２１で検出されたコンデンサ電圧が閾値電圧範囲に収まるか否かを判定するものである。

　制御手段２３は、判定手段２２でコンデンサ電圧が閾値電圧範囲から外れると判定された場合、コンデンサ電圧が閾値電圧範囲に収まるように、駆動回路７に第１のスイッチング素子１４及び第２のスイッチング素子１５を駆動させるものである。

　図２Ａ、図２Ｂ、図２Ｃ、図２Ｄは、本発明の実施の形態１に係る電力変換装置１の電流の経路を示す回路図である。次に、電力変換装置１の電流の経路について説明する。図２Ａに示すように、第１のスイッチング素子１４がオフされ、第２のスイッチング素子１５がオンされると、電流は、整流器２、リアクトル１１、第２の逆流防止素子１３、中間コンデンサ１６、第２のスイッチング素子１５、整流器２の順に流れる。このように、整流器２で整流された直流電圧のエネルギは、中間コンデンサ１６に移行し、中間コンデンサ１６が充電される。

　平滑コンデンサ５に充電された電圧をＶｄｃとすると、中間コンデンサ１６に充電されるコンデンサ電圧は、例えばＶｄｃ／２である。中間コンデンサ１６に充電された電圧が０である場合、平滑コンデンサ５の電圧が、第２のスイッチング素子１５のみに印加されるため、第２のスイッチング素子１５の耐圧を超える虞がある。本実施の形態１は、中間コンデンサ１６に充電されるコンデンサ電圧をＶｄｃ／２とすることによって、第１のスイッチング素子１４及び第２のスイッチング素子１５のいずれも、Ｖｄｃ／２が印加される。このように、本実施の形態１は、第１のスイッチング素子１４及び第２のスイッチング素子１５に均等に電圧が印加される。

　図２Ｂに示すように、第１のスイッチング素子１４がオンされ、第２のスイッチング素子１５がオフされると、電流は、整流器２、リアクトル１１、第１のスイッチング素子１４、中間コンデンサ１６、第１の逆流防止素子１２、平滑コンデンサ５、整流器２の順に流れる。このように、中間コンデンサ１６で充電された電圧は、放電される。

　図２Ｃに示すように、第１のスイッチング素子１４がオフされ、第２のスイッチング素子１５がオフされると、電流は、整流器２、リアクトル１１、第２の逆流防止素子１３、第１の逆流防止素子１２、平滑コンデンサ５、整流器２の順に流れる。このように、整流器２で整流された直流電圧のエネルギは、平滑コンデンサ５に移行し、平滑コンデンサ５が充電される。

　図２Ｄに示すように、第１のスイッチング素子１４がオンされ、第２のスイッチング素子１５がオンされると、電流は、整流器２、リアクトル１１、第１のスイッチング素子１４、第２のスイッチング素子１５、整流器２の順に流れる。このように、整流器２で整流された直流電圧のエネルギは、リアクトル１１に移行し、リアクトル１１が充電される。

　図３は、本発明の実施の形態１に係る電力変換装置１の動作を示すタイミングチャートである。次に、電力変換装置１の動作について説明する。図３に示すように、ブレーカがオンされると、商用電源８から電力変換装置１に交流電圧が供給される。電源投入時において、図２Ｃに示す経路で電流が流れることにより、先ず、平滑コンデンサ５が充電され始める。なお、このとき、第１のスイッチング素子１４及び第２のスイッチング素子１５は、制御電源が生成されていないため、動作しない。

　平滑コンデンサ５に充電される電圧が所定の電圧を超えると、駆動回路７が、第１のスイッチング素子１４と第２のスイッチング素子１５とを制御する制御電源を生成する。そして、駆動回路７は、制御電源によって、第２のスイッチング素子１５をオンする。即ち、図２Ｃに示す経路から、図２Ａに示す経路に移行する。これにより、中間コンデンサ１６の充電が開始される。このように、電源投入時において、中間コンデンサ１６に充電されたコンデンサ電圧は、平滑コンデンサ５に充電された電圧よりも小さくなるように構成されている。

　ここで、平滑コンデンサ５の電圧をＶｄｃ、整流器２で整流された電圧をＶｄ、平滑コンデンサ５の容量をＣ、突入防止抵抗３ａの抵抗値をＲ、充電時間をｔとすると、平滑コンデンサ５が充電される速度Ｖｄｃは、下記式（１）から算出される。

　Ｖｄｃ＝Ｖｄ×（１－ｅｘｐ（－ｔ／ＣＲ）・・・（１）

　即ち、平滑コンデンサ５は、突入防止抵抗３ａの抵抗値Ｒが変更されることによって、平滑コンデンサ５の充電時間が変更される。抵抗値Ｒを所望の値にすることによって、図３に示す平滑コンデンサ５の充電時間が得られる。平滑コンデンサ５の充電速度が速い場合、生成された制御電源によって第２のスイッチング素子１５がオンされて中間コンデンサ１６の充電が開始されるよりも前に、平滑コンデンサ５の充電が完了する。この場合、第２のスイッチング素子１５の耐圧をオーバーする虞がある。

　本実施の形態１は、電源投入時において、平滑コンデンサ５の充電時間を遅めることによって、平滑コンデンサ５の充電が完了するよりも前に、中間コンデンサ１６の充電が開始される。これにより、第２のスイッチング素子１５の耐圧がオーバーすることを抑制している。

　なお、平滑コンデンサ５の充電の完了とは、平滑コンデンサ５がフル充電された場合だけではなく、例えば平滑コンデンサ５のフル充電電圧の９０％以上の電圧が充電された場合も包含する。

　図４は、本発明の実施の形態１における制御部２０の動作を示すフローチャートである。次に、電力変換装置１における制御部２０の動作について説明する。図４に示すように、先ず、検出手段２１によって、中間コンデンサ１６のコンデンサ電圧が検出される（ステップＳＴ１）。次に、判定手段２２によって、検出手段２１で検出されたコンデンサ電圧が閾値電圧範囲に収まるか否かが判定される（ステップＳＴ２）。具体的には、コンデンサ電圧が第１の閾値より小さく且つ第２の閾値より大きいか否かが判定される。コンデンサ電圧が閾値電圧範囲に収まると判定された場合（ステップＳＴ２のＹｅｓ）、制御が終了する。

　一方、コンデンサ電圧が閾値電圧範囲から外れると判定された場合（ステップＳＴ２のＮｏ）、コンデンサ電圧が第２の閾値より小さいか否かが判定される（ステップＳＴ３）。コンデンサ電圧が第２の閾値より小さいと判定された場合（ステップＳＴ３のＹｅｓ）、制御手段２３は、第２のスイッチング素子１５をオンするように駆動回路７に指示する（ステップＳＴ５）。コンデンサ電圧が第２の閾値より小さいと判定された場合、第２のスイッチング素子１５がオンされて、コンデンサ電圧が充電される（図２Ａ）。これにより、コンデンサ電圧が大きくなる。

　一方、ステップＳＴ３にて、コンデンサ電圧が第２の閾値より大きいと判定された場合（ステップＳＴ３のＮｏ）、コンデンサ電圧が第１の閾値より大きいことが確定する（ステップＳＴ４）。そして、制御手段２３は、第１のスイッチング素子１４をオンするように駆動回路７に指示する（ステップＳＴ６）。コンデンサ電圧が第１の閾値より大きいと判定された場合、第１のスイッチング素子１４がオンされて、コンデンサ電圧が放電される（図２Ｂ）。これにより、コンデンサ電圧が小さくなる。

　そして、ステップＳＴ５及びステップＳＴ６が終了すると、ステップＳＴ１に戻る。このように、制御が繰り返されることによって、中間コンデンサ１６のコンデンサ電圧が閾値電圧範囲に収まる。

　ここで、中間コンデンサ１６のコンデンサ電圧の目標値が、平滑コンデンサ５のフル充電電圧Ｖｄｃの１／２である場合について例示する。中間コンデンサ１６に充電されるコンデンサ電圧をＶｄｃ／２とすることによって、第１のスイッチング素子１４及び第２のスイッチング素子１５のいずれも、Ｖｄｃ／２が印加される。このように、本実施の形態１は、第１のスイッチング素子１４及び第２のスイッチング素子１５に均等に電圧が印加される。

　そして、例えば、第１の閾値は、Ｖｄｃ／２＋α、第２の閾値は、Ｖｄｃ／２－αと定められる。なお、αは、コンデンサ電圧の目標値Ｖｄｃ／２にどこまで近づけるかを示すパラメータである。即ち、αは、第１のスイッチング素子１４及び第２のスイッチング素子１５に印加される電圧のバランスが、どの程度崩れるかを示すパラメータでもある。従って、第１のスイッチング素子１４及び第２のスイッチング素子１５の耐圧が低い場合、αを小さくし、第１のスイッチング素子１４及び第２のスイッチング素子１５の耐圧が高い場合、αを大きくする。なお、コンデンサ電圧をＶｄｃ／２、パラメータをαとしたが、これに限定されず、用途に応じて適宜変更可能である。

　次に、本実施の形態１に係る電力変換装置１の作用について説明する。駆動回路７は、平滑コンデンサ５から供給される電圧によって、第１のスイッチング素子１４及び第２のスイッチング素子１５を駆動する。これにより、電源投入時においても、平滑コンデンサ５が充電された後の定常時においても、第１のスイッチング素子１４及び第２のスイッチング素子１５の動作によって、中間コンデンサ１６を充電することができる。また、電力変換装置１は、突入防止回路３を有しているため、電源投入時に流れる突入電流を防止することができる。

　従来、平滑コンデンサ５だけではなく、中間コンデンサ１６が設けられる場合、突入電流を防止することと、第１のスイッチング素子１４及び第２のスイッチング素子１５の耐圧オーバーを抑制することとを目的として、初期充電回路が設けられている。初期充電回路は、ダイオードとツェナーダイオードとを有している。ダイオードは、第１のスイッチング素子と第２のスイッチング素子との間と、平滑コンデンサ同士の間とを接続し、第１のスイッチング素子と第２のスイッチング素子との間側から平滑コンデンサ同士の間側に電流が流れることを許容するものである。また、ツェナーダイオードは、第１のスイッチング素子と第２のスイッチング素子との間側から平滑コンデンサ同士の間側に電流が流れることを、ツェナー電圧に至るまで防止するものである。

　初期充電回路は、電源投入時において、中間コンデンサを充電するものである。このように、初期充電回路は、突入電流を防止するだけではなく、第１のスイッチング素子及び第２のスイッチング素子の耐圧オーバーを抑制するものである。

　これに対し、本実施の形態１は、電源投入時においても、中間コンデンサ１６が、第１のスイッチング素子１４及び第２のスイッチング素子１５の動作によって、充電される。このため、初期充電回路３０が不要である。従って、電力変換装置１は、回路構成を簡素化することができる。このように、本実施の形態１は、突入電流を防止し、第１のスイッチング素子１４及び第２のスイッチング素子１５を保護しつつ、回路構成を簡素化することができる。また、これにより、コストが低減し、実装スペースを減らすことができる。更に、初期充電回路３０がないため、初期充電時以外のときに電流が流れることを抑制する手段も不要であり、設計が容易である。

　また、制御部２０は、中間コンデンサ１６のコンデンサ電圧が閾値電圧範囲に収まるようにしているため、第１のスイッチング素子１４及び第２のスイッチング素子１５の耐圧オーバーが更に抑制される。このため、第１のスイッチング素子１４及び第２のスイッチング素子１５として、耐圧が低い安価な素子を用いることができる。これにより、第１のスイッチング素子１４及び第２のスイッチング素子１５は、その耐圧が、整流器２で用いられる半導体素子及びインバータ６で用いられる半導体素子のうち少なくとも一方の半導体素子の耐圧よりも低くなるように構成されることも可能である。

　また、電力変換装置１は、平滑コンデンサ５の充電が完了するよりも前に、中間コンデンサ１６の充電が開始される。そして、制御部２０は、中間コンデンサ１６のコンデンサ電圧が閾値電圧範囲に収まるようにしている。このため、昇圧回路４が完全に起動するまでの起動性を向上させることができる。

　なお、上記実施の形態１においては、電源投入時の動作について説明したが、これに限らない。例えば、インバータ６が停止しているときに、制御手段２３が、判定手段２２でコンデンサ電圧が閾値電圧範囲に収まらないと判定された場合、コンデンサ電圧が閾値電圧範囲に収まるように、駆動回路７に第１のスイッチング素子１４及び第２のスイッチング素子１５を駆動させてもよい。また、インバータ６動作しているときに、制御手段２３が、判定手段２２でコンデンサ電圧が閾値電圧範囲に収まらないと判定された場合、コンデンサ電圧が閾値電圧範囲に収まるように、駆動回路７に第１のスイッチング素子１４及び第２のスイッチング素子１５を駆動させてもよい。

　（変形例）
　図５は、本発明の実施の形態１の変形例に係る電力変換装置１を示す回路図である。次に、本実施の形態１の変形例に係る電力変換装置１について説明する。変形例では、初期充電回路３０を有している点で、実施の形態１と相違する。図５に示すように、初期充電回路３０は、第１のスイッチング素子１４と第２のスイッチング素子１５との間と、平滑コンデンサ５同士の間とを接続し、第１のスイッチング素子１４と第２のスイッチング素子１５との間側から平滑コンデンサ５同士の間側に電流が流れることを許容するダイオード３１、及び、第１のスイッチング素子１４と第２のスイッチング素子１５との間側から平滑コンデンサ５同士の間側に電流が流れることを、ツェナー電圧に至るまで防止するツェナーダイオード３２を有するものである。

　変形例では、中間コンデンサ１６の充電が、第１のスイッチング素子１４及び第２のスイッチング素子１５の動作で行われるだけではなく、初期充電回路３０を用いても行われる。これにより、一方が動作不良の場合にも、中間コンデンサ１６を充電することができる。従って、第１のスイッチング素子１４及び第２のスイッチング素子１５が耐圧オーバーで故障するリスクを低減することができる。これにより、信頼性が向上する。

実施の形態２．
　次に、本発明の実施の形態２に係る冷凍サイクル装置４０について説明する。図６は、本発明の実施の形態２に係る冷凍サイクル装置４０を示す回路図である。本実施の形態２に係る冷凍サイクル装置４０は、実施の形態１に係る電力変換装置１を有している。本実施の形態２では、実施の形態１と共通する部分は同一の符号を付して説明を省略し、実施の形態１との相違点を中心に説明する。

　図６に示すように、冷凍サイクル装置４０は、例えば空気調和機であり、電力変換装置１と冷媒回路５０とを有している。冷媒回路５０は、電力変換装置１から電力が供給される圧縮機５１、四方弁５２、第１の熱交換器５３、膨張装置５４及び第２の熱交換器５５が、冷媒配管によって環状に接続されたものであり、冷媒が流通する。このうち、電力変換装置１、圧縮機５１、四方弁５２、第１の熱交換器５３及び膨張装置５４は、室外機６１の内部に設置されている。また、第２の熱交換器５５は、室内機６２の内部に設置されている。

　圧縮機５１は、冷媒を圧縮する圧縮要素５１ａと、圧縮要素５１ａを動作させるモータ９とを有している。モータ９は、電力変換装置１に接続されており、電力変換装置１によって変換された交流電圧が供給されて駆動する。四方弁５２は、冷媒回路５０における冷媒の流通方向を切り替えるものであり、これにより、冷房運転及び暖房運転のいずれもが実施される。第１の熱交換器５３は、例えば室外空気と冷媒とを熱交換するものである。膨張装置５４は、冷媒を膨張及び減圧するものである。第２の熱交換器５５は、例えば室内空気と冷媒とを熱交換するものである。

　次に、冷凍サイクル装置４０の動作について説明する。先ず、冷房運転について説明する。圧縮機５１は、冷媒を吸入し、この冷媒を圧縮して高温高圧のガスの状態で吐出する。この吐出された冷媒は、四方弁５２を通過して、第１の熱交換器５３に流入し、第１の熱交換器５３は、室外空気との熱交換により、冷媒を凝縮する。凝縮された冷媒は、膨張装置５４に流入し、膨張装置５４は、凝縮された冷媒を膨張及び減圧する。そして、減圧されて気液二相となった冷媒は、第２の熱交換器５５に流入し、第２の熱交換器５５は、室内空気との熱交換により、冷媒を蒸発する。このとき、室内空気が冷却されて、室内が冷房される。そして、蒸発されて低温低圧のガスの状態となった冷媒は、四方弁５２を通過して、圧縮機５１に吸入される。

　次に、暖房運転について説明する。圧縮機５１は、冷媒を吸入し、この冷媒を圧縮して高温高圧のガスの状態で吐出する。この吐出された冷媒は、四方弁５２を通過して、第２の熱交換器５５に流入し、第２の熱交換器５５は、室内空気との熱交換により、冷媒を凝縮する。このとき、室内空気が加熱されて、室内が暖房される。凝縮された冷媒は、膨張装置５４に流入し、膨張装置５４は、凝縮された冷媒を膨張及び減圧する。そして、減圧されて気液二相となった冷媒は、第１の熱交換器５３に流入し、第１の熱交換器５３は、室外空気との熱交換により、冷媒を蒸発する。そして、蒸発されて低温低圧のガスの状態となった冷媒は、四方弁５２を通過して、圧縮機５１に吸入される。

　本実施の形態２に係る冷凍サイクル装置４０において、圧縮機５１のモータ９は、実施の形態１に係る電力変換装置１から供給された交流電圧で駆動する。このため、実施の形態１と同様の効果を奏する。

　なお、図６では、冷凍サイクル装置４０として、空気調和機の圧縮機５１のモータ９に、実施の形態１に係る電力変換装置１が接続されている例を示したが、電力変換装置１は、ヒートポンプ装置、冷凍装置等の冷凍サイクル装置４０のモータ９等に接続されてもよい。

　１　電力変換装置、２　整流器、３　突入防止回路、３ａ　突入防止抵抗、３ｂ　リレー、４　昇圧回路、５　平滑コンデンサ、６　インバータ、７　駆動回路、８　商用電源、９　モータ、１１　リアクトル、１２　第１の逆流防止素子、１３　第２の逆流防止素子、１４　第１のスイッチング素子、１５　第２のスイッチング素子、１６　中間コンデンサ、２０　制御部、２１　検出手段、２２　判定手段、２３　制御手段、３０　初期充電回路、３１　ダイオード、３２　ツェナーダイオード、４０　冷凍サイクル装置、５０　冷媒回路、５１　圧縮機、５１ａ　圧縮要素、５２　四方弁、５３　第１の熱交換器、５４　膨張装置、５５　第２の熱交換器、６１　室外機、６２　室内機。

Claims

　直流電圧が入力され、抵抗、及び、前記抵抗に並列に接続されたリレーを有し、前記リレーの動作によって抵抗値が変更される抵抗値変更回路と、
　前記抵抗値変更回路から出力された直流電圧を昇圧する昇圧回路と、
　前記昇圧回路から出力された直流電圧を平滑する平滑コンデンサと、を備え、
　前記昇圧回路は、
　前記抵抗値変更回路に直列に接続されたリアクトルと、
　前記リアクトルと前記平滑コンデンサの一端とを接続し、前記リアクトル側から前記平滑コンデンサ側に電流が流れることを許容する夫々直列に接続された第１の逆流防止素子及び第２の逆流防止素子と、
　前記リアクトルと前記平滑コンデンサの他端とを接続する夫々直列に接続された第１のスイッチング素子及び第２のスイッチング素子と、
　前記第１の逆流防止素子と前記第２の逆流防止素子との間と、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との間とを接続する中間コンデンサと、を有し、
　制御電源を生成し、前記制御電源によって前記第１のスイッチング素子と前記第２のスイッチング素子とを駆動する駆動回路を備える電力変換装置。
　前記中間コンデンサは、
　前記第２のスイッチング素子がオンされることによって、前記第２の逆流防止素子を介して充電され、
　前記第１のスイッチング素子がオンされることによって、前記第１の逆流防止素子を介して放電されるものである請求項１記載の電力変換装置。
　前記昇圧回路の動作を制御する制御部を更に備え、
　前記制御部は、
　前記中間コンデンサに充電されたコンデンサ電圧を検出する検出手段と、
　前記検出手段で検出されたコンデンサ電圧が閾値電圧範囲に収まるか否かを判定する判定手段と、
　前記判定手段で前記コンデンサ電圧が閾値電圧範囲から外れると判定された場合、前記コンデンサ電圧が前記閾値電圧範囲に収まるように、前記駆動回路に前記第１のスイッチング素子及び前記第２のスイッチング素子を駆動させる制御手段と、を有する請求項１又は２記載の電力変換装置。
　前記平滑コンデンサに並列に接続され、直流電圧を交流電圧に変換するインバータを更に備え、
　前記制御手段は、
　前記インバータが停止しているときに、前記判定手段で前記コンデンサ電圧が閾値電圧範囲に収まらないと判定された場合、前記コンデンサ電圧が前記閾値電圧範囲に収まるように、前記駆動回路に前記第１のスイッチング素子及び前記第２のスイッチング素子を駆動させるものである請求項３記載の電力変換装置。
　前記平滑コンデンサに並列に接続され、直流電圧を交流電圧に変換するインバータを更に備え、
　前記制御手段は、
　前記インバータが動作しているときに、前記判定手段で前記コンデンサ電圧が閾値電圧範囲に収まらないと判定された場合、前記コンデンサ電圧が前記閾値電圧範囲に収まるように、前記駆動回路に前記第１のスイッチング素子及び前記第２のスイッチング素子を駆動させるものである請求項３記載の電力変換装置。
　前記駆動回路は、
　電源投入時において、前記制御電源を生成するものであり、
　前記中間コンデンサは、
　前記平滑コンデンサの充電が完了するよりも前に、充電が開始されるものである請求項１～５のいずれか１項に記載の電力変換装置。
　前記駆動回路は、
　前記制御電源を、前記平滑コンデンサから供給される電圧によって生成するものである請求項１～６のいずれか１項に記載の電力変換装置。
　前記駆動回路は、
　前記制御電源を、商用電源から供給される電圧によって生成するものである請求項１～６のいずれか１項に記載の電力変換装置。
　商用電源投入時において、前記中間コンデンサに充電されたコンデンサ電圧は、前記平滑コンデンサに充電された電圧よりも小さくなるように構成された請求項１～８のいずれか１項に記載の電力変換装置。
　前記平滑コンデンサは複数設けられており、
　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との間と、前記平滑コンデンサ同士の間とを接続し、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との間側から前記平滑コンデンサ同士の間側に電流が流れることを許容するダイオード、及び、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との間側から前記平滑コンデンサ同士の間側に電流が流れることを、ツェナー電圧に至るまで防止するツェナーダイオードを有する初期充電回路を更に備える請求項１～９のいずれか１項に記載の電力変換装置。
　交流電圧を直流電圧に変換し、その直流電圧を前記抵抗値変更回路に出力する整流器と、
　前記平滑コンデンサに並列に接続され、直流電圧を交流電圧に変換するインバータと、を更に備え、
　前記第１のスイッチング素子及び前記第２のスイッチング素子は、
　その耐圧が、前記整流器で用いられる半導体素子及び前記インバータで用いられる半導体素子のうち少なくとも一方の半導体素子の耐圧よりも低く構成されている請求項１～１０のいずれか１項に記載の電力変換装置。
　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、前記第１の逆流防止素子及び前記第２の逆流防止素子のうち少なくとも一つは、ワイドバンドギャップ半導体からなるように構成されている請求項１～１１のいずれか１項に記載の電力変換装置。
　請求項１～１２のいずれか１項に記載の電力変換装置と、
　前記電力変換装置から電力が供給される圧縮機、第１の熱交換器、膨張装置及び第２の熱交換器が、冷媒配管によって環状に接続された冷媒回路と、
　を備える冷凍サイクル装置。