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JP6566555B2 - 電力変換装置及び空調機 - Google Patents

電力変換装置及び空調機 Download PDF

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JP6566555B2 JP2015140280A JP2015140280A JP6566555B2 JP 6566555 B2 JP6566555 B2 JP 6566555B2 JP 2015140280 A JP2015140280 A JP 2015140280A JP 2015140280 A JP2015140280 A JP 2015140280A JP 6566555 B2 JP6566555 B2 JP 6566555B2
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Description

本発明は、電力変換装置及び空調機に関する。
近年、パワーデバイスを用いた高効率製品開発に伴い、一つのコントローラに多くのパワーデバイス(スイッチング素子)を搭載する機会が増えている。
例えば、空気調和機(空調機)には、電力変換装置として、商用電源から直流電力を生成するためのアクティブフィルタ(アクティブコンバータ)、モータを駆動させるための交流電力を生成するインバータ等が搭載されている(特許文献1〜特許文献3参照)。これらのアクティブフィルタ、インバータ等は、大電力のスイッチングに適したスイッチング素子(いわゆるパワートランジスタ)で構成される。
特開平09−065659号公報 特開2012−235633号公報 特開平11−289770号公報
上述のアクティブフィルタ、インバータ等は、各々を構成するスイッチング素子のON/OFFを適切に制御するスイッチング素子制御回路によって制御される。
一部の空調機においては、インバータ、アクティブコンバータ等を構成する多数のスイッチング素子が同一基板上に搭載されるため、各スイッチング素子のON/OFF制御に応じたスイッチングノイズが発生する。そうすると、特に、各スイッチング素子を制御するスイッチング素子制御回路が同一の電源で動作する場合、電源線を通じて互いのノイズが伝搬し合い、誤動作の要因となることが懸念される。
本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであって、その目的は、スイッチングノイズによる誤動作を低減可能な電力変換装置及び空調機を提供することにある。
本発明の一態様は、定電圧を出力する定電圧出力回路と、前記定電圧出力回路から電源線を通じて印加される前記定電圧に基づいて動作し、電力変換を行うためのスイッチング素子を制御するスイッチング素子制御回路と、前記電源線において、前記定電圧出力回路から前記スイッチング素子制御回路にかけて順方向に接続されたダイオード素子と、前記電源線における前記ダイオード素子と前記スイッチング素子制御回路との間に一端が接続され、他端がグランドに接続されたキャパシタと、を備える電力変換装置である。
また、本発明の一態様によれば、前記ダイオード素子は、前記定電圧出力回路から複数の前記スイッチング素子制御回路の各々へと接続される全ての前記電源線に接続されている。
また、本発明の一態様によれば、前記ダイオード素子は、前記スイッチング素子が、前記定電圧出力回路から前記電源線を通じて前記定電圧を印加される場合において、更に、前記定電圧出力回路と、前記定電圧を印加される前記スイッチング素子と、の間にも接続されている。
また、本発明の一態様によれば、前記定電圧出力回路は、グランドと接続された配線において、前記ダイオード素子と同じ特性のダイオード素子である定電圧調整用ダイオード素子が接続されている。
また、本発明の一態様は、上記記載の電力変換装置を備える空調機である。
上述の電力変換装置及び空調機によれば、スイッチングノイズによる誤動作を低減できる。
第1の実施形態に係る電力変換装置の全体構成を示す図である。 第1の実施形態に係る制御部の構成を示す図である。 第1の実施形態に係る制御部の作用効果を説明する第1の図である。 第1の実施形態に係る制御部の作用効果を説明する第2の図である。
<第1の実施形態>
以下、第1の実施形態に係る電力変換装置について、図1〜図4を参照しながら説明する。
(全体構成)
図1は、第1の実施形態に係る電力変換装置の全体構成を示す図である。
本実施形態に係る電力変換装置1は、空調機に搭載される。電力変換装置1は、商用電源からの交流電力を変換して、当該空調機の運転状態に応じてコンプレッサのモータを駆動させるための電力を生成する。
図1に示すように、電力変換装置1は、交流電源10と、整流回路11と、アクティブフィルタ12と、インバータ13と、モータ14と、制御部2と、を備えている。
交流電源10は、いわゆる商用電源であって、例えば、周波数50Hz(60Hz)、AC200Vの交流電力を出力する。
整流回路11は、ブリッジ接続されたダイオード素子からなる整流回路である。整流回路11は、交流電源10から入力された交流電力を直流電力に変換する。整流回路11は、高電位線αに一定の高電位を、低電位線に一定の低電位(通常はグランド電位)を出力する。
アクティブフィルタ12は、整流回路11から出力される直流電力に重畳される高調波ノイズを低減する。
具体的には、図1に示すように、アクティブフィルタ12は、インダクタ120、アクティブフィルタ用ダイオード素子121、及び、スイッチング素子122で構成される。アクティブフィルタ12は、後述する制御部2が、高電位線αと低電位線βとの間に接続されるスイッチング素子122を適切に制御することで、整流回路11から出力される直流電力の高調波成分を抑制するフィルタとして機能する。
なお、スイッチング素子122(及び、後述するスイッチング素子130)は、大電力出力(高電圧、大電流)に適用可能なパワートランジスタであり、例えば、FET(Field Effect Transistor)、バイポーラトランジスタ、IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)素子等が一般的である。
インバータ13は、整流回路11から出力された直流電力を、モータ14を駆動させるための三相交流電力に変換して出力する。
具体的には、図1に示すように、インバータ13は、6個のスイッチング素子130によって構成される。インバータ13は、高電位線αと低電位線βとの間において、3組のスイッチング素子130が並列に接続されてなり、当該スイッチング素子130の各組が、三相交流電力の各相(U相、V相、W相)に対応して交流電力を出力する。
モータ14は、インバータ13から出力される三相交流電力に応じたトルク、回転数で動力(回転力)を生成する。モータ14が生成する回転力によりコンプレッサが駆動し、空調機としての基本的機能が発揮される。
制御部2は、電力変換装置1の動作全体を司る。
具体的には、制御部2は、高電位線α、低電位線βにおける各種センシング値(電圧、電流)を取り込みながら、取得した当該センシング値に応じて、適切にスイッチング素子122、130のON/OFFを制御する。制御部2の態様については、図2を参照しながら具体的に説明する。
(制御部の構成)
図2は、第1の実施形態に係る制御部の構成を示す図である。
図2に示すように、制御部2は、定電圧出力回路20と、アクティブフィルタ制御回路21と、制御用スイッチング素子210と、インバータ制御回路22と、ファンモータ制御回路23と、を備えている。
また、図2に示すように、制御部2を構成する各種回路には、ダイオード素子D0〜D3、定電圧調整用ダイオード素子D4、及び、キャパシタC0〜C4が接続されている。
定電圧出力回路20は、いわゆるレギュレータであって、後述する各種回路(アクティブフィルタ制御回路21、制御用スイッチング素子210、インバータ制御回路22、ファンモータ制御回路23)を動作させるための定電圧(電源電圧)を出力する。
定電圧出力回路20は、例えば、DC15Vの定電圧を出力する。定電圧出力回路20から出力された定電圧は、電源線Vを通じて上記各種回路に供給(印加)される。
また、電源線Vは、定電圧出力回路20から分岐して、上記各種回路の各々へと接続される。
アクティブフィルタ制御回路21は、アクティブフィルタ12(図1)を制御するスイッチング素子制御回路である。具体的には、アクティブフィルタ制御回路21は、電力変換装置1の各配線(高電位線α、低電位線β等)における電圧(電流)をセンシングしながら、当該センシング値(サンプリング値)に応じて、アクティブフィルタ12のスイッチング素子122を制御する。ここで、アクティブフィルタ制御回路21は、例えば、30kHz程度の周波数でスイッチング素子122のON/OFFを制御する。
アクティブフィルタ制御回路21は、電源線Vを通じて印加されるDC15Vの定電圧に基づいて動作する。
アクティブフィルタ12は、制御用スイッチング素子210を介してスイッチング素子122を制御する。ここで、制御用スイッチング素子210は、アクティブフィルタ制御回路21に基づいて動作するスイッチング素子である。制御用スイッチング素子210は、同じく、電源線Vを通じて印加されるDC15Vの定電圧に基づいて動作する。
インバータ制御回路22は、インバータ13(図1)を制御するスイッチング素子制御回路である。具体的には、インバータ制御回路22は、インバータ13を構成する6個のスイッチング素子130(図1参照)を制御して、三相交流電力の各相(U相、V相、W相)を生成する。
ここで、インバータ制御回路22は、電力変換装置1の各配線(高電位線α、低電位線β等)における電圧(電流)のセンシング値に応じながら、インバータ13を構成するスイッチング素子130の各々を独立して制御する。これにより、モータ14(図1)のトルク、回転数等が、空調機の運転状態に応じて適宜調整される。インバータ制御回路22は、例えば、4.5kHz程度の周波数で各スイッチング素子130のON/OFFを制御する。
インバータ制御回路22は、同じく、電源線Vを通じて印加されるDC15Vの定電圧に基づいて動作する。
ファンモータ制御回路23は、ファンモータ(図1、図2には図示せず)を制御するスイッチング素子制御回路である。具体的には、ファンモータ制御回路23は、ファンモータの回転を制御するためのスイッチング素子(図1、図2には図示せず)を制御して、ファンモータの回転を制御する。
ファンモータ制御回路23は、同じく、電源線Vを通じて印加されるDC15Vの定電圧に基づいて動作する。
なお、ファンモータの回転を制御するスイッチング素子の構成は、図1に示すインバータ13と同様である。
次に、電源線Vの各箇所に接続されたキャパシタC0〜C4、及び、ダイオード素子D0〜D3について説明する。なお、以下の説明において、電源線Vのうち定電圧出力回路20に近い側を「上流側」、各スイッチング素子制御回路(アクティブフィルタ制御回路21、インバータ制御回路22等)に近い側を「下流側」と称して説明する。
キャパシタC0〜C4は、電源線Vに印加されるDC15Vの定電圧を安定化させるために設けられた平滑容量である。
図2に示すように、キャパシタC0は、定電圧出力回路20とアクティブフィルタ制御回路21とを接続する電源線Vの下流側に一端が接続され、他端がグランドに接続されている。
また、キャパシタC1は、定電圧出力回路20と制御用スイッチング素子210とを接続する電源線Vの下流側に一端が接続され、他端がグランドに接続されている。
また、キャパシタC2は、定電圧出力回路20とインバータ制御回路22とを接続する電源線Vの下流側に一端が接続され、他端がグランドに接続されている。
また、キャパシタC3は、定電圧出力回路20とファンモータ制御回路23とを接続する電源線Vの下流側に一端が接続され、他端がグランドに接続されている。
そして、キャパシタC4は、電源線Vの上流側に一端が接続され、他端がグランドに接続されている。
図2に示すように、ダイオード素子D0〜D3は、それぞれ、定電圧出力回路20から複数のスイッチング素子制御回路(アクティブフィルタ制御回路21、インバータ制御回路22、ファンモータ制御回路23)及び制御用スイッチング素子210の各々へと接続される全ての電源線Vに接続されている。
具体的には、ダイオード素子D0は、定電圧出力回路20とアクティブフィルタ制御回路21とを接続する電源線Vにおいて、定電圧出力回路20からアクティブフィルタ制御回路21にかけて順方向に直列接続されている。
また、ダイオード素子D1は、定電圧出力回路20と制御用スイッチング素子210とを接続する電源線Vにおいて、定電圧出力回路20から制御用スイッチング素子210にかけて順方向に直列接続されている。
また、ダイオード素子D2は、定電圧出力回路20とインバータ制御回路22とを接続する電源線Vにおいて、定電圧出力回路20からインバータ制御回路22にかけて順方向に直列接続されている。
更に、ダイオード素子D3は、定電圧出力回路20とファンモータ制御回路23とを接続する電源線Vにおいて、定電圧出力回路20からファンモータ制御回路23にかけて順方向に直列接続されている。
図2に示すように、ダイオード素子D0は、キャパシタC0の一端よりも上流側の電源線Vにおいて接続される。換言すると、キャパシタC0は、電源線Vにおけるダイオード素子D0とアクティブフィルタ制御回路21との間に一端が接続され、他端がグランドに接続される。
また、ダイオード素子D1は、キャパシタC1の一端よりも上流側の電源線Vにおいて接続される。換言すると、キャパシタC1は、電源線Vにおけるダイオード素子D1と制御用スイッチング素子210との間に一端が接続され、他端がグランドに接続される。
また、ダイオード素子D2は、キャパシタC2の一端よりも上流側の電源線Vにおいて接続される。換言すると、キャパシタC2は、電源線Vにおけるダイオード素子D2とインバータ制御回路22との間に一端が接続され、他端がグランドに接続される。
更に、ダイオード素子D3は、キャパシタC3の一端よりも上流側の電源線Vにおいて接続される。換言すると、キャパシタC3は、電源線Vにおけるダイオード素子D3とファンモータ制御回路23との間に一端が接続され、他端がグランドに接続される。
また、図2に示すように、定電圧調整用ダイオード素子D4は、定電圧出力回路20とグランドとを接続する配線Gにおいて、直列に接続されている。ここで、定電圧調整用ダイオード素子D4は、定電圧出力回路20からグランドにかけて順方向に接続される。
定電圧調整用ダイオード素子D4は、電源線Vの各所に接続されたダイオード素子D0〜D3と同じ特性のダイオード素子である。
(作用効果)
図3は、第1の実施形態に係る制御部の作用効果を説明する第1の図である。
また、図4は、第1の実施形態に係る制御部の作用効果を説明する第2の図である。
具体的には、図3は、図2に示す回路構成においてダイオード素子D0〜D3を具備しない対比例についての動作を説明する図である。
また、図4は、図2に示す回路構成のとおり、ダイオード素子D0〜D3を具備する制御部2の動作を説明する図である。
なお、図3、図4においては、簡略化のため、図2に示す制御部2の回路構成のうち、定電圧出力回路20、アクティブフィルタ制御回路21、インバータ制御回路22及びこれらを接続する電源線Vのみを示している。
以下、図3及び図4を参照しながら、制御部2の回路構成(図2)に基づく作用効果について説明する。
図3、図4に示すアクティブフィルタ制御回路21及びインバータ制御回路22は、上述したように、それぞれ異なる制御周波数(例えば、30kHz、4.5kHz等)で、各々に対応するスイッチング素子(スイッチング素子122、スイッチング素子130)のON/OFFを制御する。この場合、一般に、電源線Vにおいて、各々の制御周波数に応じたスイッチングノイズが発生する。なお、キャパシタC0〜C3は、このようなスイッチングノイズを平滑化して、各スイッチング素子制御回路に対し安定的に定電圧が供給されるようにする目的で設けられている。
しかしながら、対比例に示す回路構成(図3)の場合、上記スイッチングノイズが、電源線Vに接続された各キャパシタと電源線Vに寄生するインダクタンス成分とに基づく共振特性に誘起されることで、同スイッチングノイズの一部成分が、電源線Vにおいて伝搬、反射を繰り返すことが確認されている。
ここで、図3によれば、定電圧出力回路20からアクティブフィルタ制御回路21にかけて、定常的に電流Id1が流れるとともに、定電圧出力回路20からインバータ制御回路22にかけて、定常的に電流Id2が流れている。
対比例に示す回路構成の場合、定電圧出力回路20から供給される正規の電流Id1、Id2に加え、アクティブフィルタ制御回路21及びインバータ制御回路22の各々の動作に起因して生じたスイッチングノイズが、キャパシタC0、C2と電源線Vに寄生するインダクタンス成分とに基づく共振特性に誘起されることで電源線Vを伝搬する。
例えば、図3に示すように、キャパシタC0からインバータ制御回路22にかけてノイズ電流In1が流れるとともに、キャパシタC2からアクティブフィルタ制御回路21にかけてノイズ電流In2が流れる。
このように、一つの電源線Vにおいて並列に接続された複数のスイッチング素子制御部が、それぞれ独立したタイミングでスイッチングノイズ(ノイズ電流In1、In2)を発生させるので、上記共振特性に誘起された複数のノイズ成分が所定のタイミングで重畳し、意図しないほどに強い電圧変動を生じさせることが懸念される。
そうすると、各スイッチング素子制御回路(アクティブフィルタ制御回路21、インバータ制御回路22等)における電圧(電流)のセンシング能力が大幅に低下し、場合によっては、誤動作を引き起こすことが懸念される。
また、通常の電力変換装置では、異常(過電流)が発生したことを検知する過電流検知器が備えられていることが一般的であるが、このような過電流検知器が、上述の電圧変動に起因して誤動作することも考えられる。
これに対し、第1の実施形態に係る制御部2の回路構成(図4)の場合、電源線Vに接続された各キャパシタと電源線Vに寄生するインダクタンス成分とに基づく共振特性に誘起されたスイッチングノイズが、ダイオード素子D0、D2を逆方向に伝搬する際に遮断される。
例えば、図4に示すように、キャパシタC0からインバータ制御回路22にかけて流れようとするノイズ電流In1は、その進行方向に対し逆方向に接続されたダイオード素子D0によって遮断される。同様に、キャパシタC2からアクティブフィルタ制御回路21にかけて流れようとするノイズ電流In2は、その進行方向に対し逆方向に接続されたダイオード素子D2によって遮断される。
一方、定電圧出力回路20からアクティブフィルタ制御回路21にかけて定常的に流れる電流Id1は、ダイオード素子D0によって阻害されることはない。同様に、定電圧出力回路20からインバータ制御回路22にかけて定常的に流れる電流Id2は、ダイオード素子D2によって阻害されることはない。
次に、定電圧調整用ダイオード素子D4の作用効果について説明する。
図2に示すように、定電圧出力回路20と、各スイッチング素子制御回路(アクティブフィルタ制御回路21、インバータ制御回路22等)及び制御用スイッチング素子210と、の間にダイオード素子D0〜D3が設けられている。そうすると、電源線V上において、ダイオード素子D0〜D3の閾値電圧Vfに起因する電圧降下(例えば、Vf=0.7V)が生じる。この場合、各スイッチング素子制御回路等に印加される定電圧がダイオード素子D0〜D3の閾値電圧Vf分だけ低下する。したがって、各スイッチング素子制御回路等は、本来印加されるべき電圧(例えば、DC15V)が印加されず、誤動作を引き起こす可能性がある。
そこで、図2に示すように、定電圧調整用ダイオード素子D4を、定電圧出力回路20とグランドとを接続する配線Gにおいて、直列に接続する。このようにすることで、元々、DC15Vの定電圧を出力するように設計されていた定電圧出力回路20を、定電圧調整用ダイオード素子D4の閾値Vf分だけ上昇させることができる。ここで、上述したように、定電圧調整用ダイオード素子D4が他のダイオード素子D0〜D3と同じ特性である。そうすると、定電圧出力回路20から出力される定電圧は、ダイオード素子D0〜D3による電圧降下量に相当する分だけ上昇するので、結果として、各スイッチング素子制御回路等に対し、所望する定電圧が印加される。
以上、第1の実施形態に係る電力変換装置1は、各スイッチング素子制御回路(及び、制御用スイッチング素子210)の各々に対応して接続されたダイオード素子D0〜D3をもって、共振現象により各電源線Vを伝搬し得るスイッチングノイズを遮断する。
これにより、スイッチングノイズを低減し、ひいてはスイッチングノイズによる誤動作を低減することができる。特に、アクティブフィルタ12においては、アクティブフィルタ制御回路21における電圧、電流のセンシング性能が改善されるため、高調波抑制性能が向上する。
また、例えば、制御用スイッチング素子210のように、スイッチング素子が定電圧出力回路20から電源線Vを通じて定電圧を印加される場合には、ダイオード素子(ダイオード素子D1)が、更に、定電圧出力回路20と、当該定電圧を印加されるスイッチング素子(制御用スイッチング素子210)と、の間にも接続されている。
電源線Vに接続されているスイッチング素子そのものもノイズ発生源となり得るため、このようにすることで、スイッチングノイズを一層低減することができる。
<第1の実施形態の変形例>
以上、第1の実施形態に係る電力変換装置1について詳細に説明したが、電力変換装置1の具体的な態様は、上述のものに限定されることはなく、要旨を逸脱しない範囲内において種々の設計変更等を加えることは可能である。
例えば、第1の実施形態に係る定電圧出力回路20では、当該定電圧出力回路20とグランドとを接続する配線Gに定電圧調整用ダイオード素子D4を接続することで定電圧を適切に調整する態様としたが、他の実施形態においてはこの態様に限定されない。
例えば、他の実施形態に係る定電圧出力回路20は、配線Gに、ダイオード素子D0〜D3の閾値電圧Vfに相当する電圧降下を生じさせる抵抗値を有する抵抗素子、又は、これに類する回路素子を接続する態様であってもよい。
また、第1の実施形態に係る電力変換装置1は、電源線Vに接続されるスイッチング素子制御回路と、同じ電源線Vに接続されるスイッチング素子(制御用スイッチング素子210)と、の全てに対応してダイオード素子D0〜D3及びキャパシタC0〜C3が設けられる態様として説明したが、他の実施形態においてはこの態様に限定されない。
即ち、他の実施形態においては、スイッチングノイズ低減効果が所望に得られる範囲内であれば、必ずしも、電源線Vに接続される全てのスイッチング素子制御回路及びスイッチング素子に対応してダイオード素子D0〜D3及びキャパシタC0〜C3を設けなくともよい。
また、第1の実施形態に係る電力変換装置1は、スイッチング素子制御回路として、アクティブフィルタ制御回路21、インバータ制御回路22及びファンモータ制御回路23を備える態様(図2参照)として説明したが、他の実施形態においてはこの態様に限定されない。
即ち、他の実施形態においては、電力変換装置1は、アクティブフィルタ制御回路21、インバータ制御回路22、ファンモータ制御回路23のうちの何れか一つ又は複数を具備しない態様であってもよいし、逆に、アクティブフィルタ制御回路21、インバータ制御回路22、ファンモータ制御回路23以外のスイッチング素子制御回路を具備する態様であってもよい。
以上、本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると同様に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれるものとする。
1 電力変換装置
10 交流電源
11 整流回路
12 アクティブフィルタ
120 インダクタ
121 アクティブフィルタ用ダイオード素子
122 スイッチング素子
13 インバータ
130 スイッチング素子
14 モータ
2 制御部
20 定電圧出力回路
21 アクティブフィルタ制御回路(スイッチング素子制御回路)
210 制御用スイッチング素子(スイッチング素子)
22 インバータ制御回路(スイッチング素子制御回路)
23 ファンモータ制御回路(スイッチング素子制御回路)
C0、C1、C2、C3、C4 キャパシタ
D0、D1、D2、D3 ダイオード素子
D4 定電圧調整用ダイオード素子
V 電源線
G 配線
α 高電位線
β 低電位線

Claims (4)

  1. 定電圧を出力する定電圧出力回路と、
    前記定電圧出力回路から電源線を通じて印加される前記定電圧に基づいて動作し、電力変換を行うためのスイッチング素子を制御するスイッチング素子制御回路と、
    前記電源線において、前記定電圧出力回路から前記スイッチング素子制御回路にかけて順方向に接続されたダイオード素子と、
    前記電源線における前記ダイオード素子と前記スイッチング素子制御回路との間に一端が接続され、他端がグランドに接続されたキャパシタと、
    を備え
    前記定電圧出力回路は、
    グランドと接続された配線において、前記ダイオード素子と同じ特性のダイオード素子である定電圧調整用ダイオード素子が接続されている
    電力変換装置。
  2. 前記ダイオード素子は、
    前記定電圧出力回路から複数の前記スイッチング素子制御回路の各々へと接続される全ての前記電源線に接続されている
    請求項1に記載の電力変換装置。
  3. 前記ダイオード素子は、
    前記スイッチング素子が、前記定電圧出力回路から前記電源線を通じて前記定電圧を印加される場合において、更に、前記定電圧出力回路と、前記定電圧を印加される前記スイッチング素子と、の間にも接続されている
    請求項1又は請求項2に記載の電力変換装置。
  4. 請求項1から請求項3の何れか一項に記載の電力変換装置を備える空調機。
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