(57)【要約】  交流電源１の電圧を整流する整流回路２と、整流回路２からの出力電圧を平滑する平滑手段８と、平滑手段８より交流電源１側に配置され、交流電源１を短絡させて電流または電圧の少なくとも一方の制御を行う短絡手段４と、短絡手段４より交流電源１側に配置されたリアクトル３と、負荷９側から交流電源１側への電流の逆流を防止する１または複数の逆流防止素子５と、逆流防止素子５と並列接続した別経路に電流を流す転流動作を行うための転流手段７と、転流手段７の異常を検出するための異常検出手段１０５と、異常検出手段１０５の検出に応じて転流手段７の動作制御を行うスイッチング制御手段１０３とを備える。
2012137258.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電源の電圧を整流する整流回路と、
前記整流回路からの出力電圧を平滑する平滑手段と、
該平滑手段より前記電源側に配置され、前記電源を短絡させて電流または電圧の少なくとも一方の制御を行う短絡手段と、
前記短絡手段より前記電源側に配置されたリアクトルと、
負荷側から前記電源側への電流の逆流を防止する１または複数の逆流防止素子と、
該逆流防止素子と並列接続した別経路に電流を流す転流動作を行うための転流手段と、
前記転流手段の異常を検出するための異常検出手段と、
前記異常検出手段の検出に基づいて前記転流手段の保護に係る動作制御を行う制御手段と
を備える電力変換装置。
【請求項２】
前記整流回路を構成する整流素子の少なくとも１つを前記逆流防止素子とする請求項１記載の電力変換装置。
【請求項３】
前記転流手段は、
前記別経路を流れる電流を整流する転流用整流素子と、
１次側巻線に係る電圧に基づく電圧を前記別経路上の２次側巻線に印加させ、前記転流動作を行う変圧器と、
前記変圧器の１次側巻線への電圧印加による励磁電流を制御する変圧器駆動装置と
を有する請求項１または２に記載の電力変換装置。
【請求項４】
複数の前記逆流防止素子に、それぞれ前記転流用整流素子及び前記変圧器の２次側巻線を並列接続し、
前記変圧器の前記１次側巻線を共通とする請求項３に記載の電力変換装置。
【請求項５】
各逆流防止素子に対応した転流動作のタイミングを異ならせるために、各２次側巻線を逆巻きとする請求項４に記載の電力変換装置。
【請求項６】
前記変圧器駆動装置は、転流用電源と転流用スイッチとを有して前記変圧器の１次側巻線と接続し、
前記転流用スイッチの開閉により、前記転流用電源から前記変圧器の１次側巻線に流れる前記励磁電流を制御する請求項２に記載の電力変換装置。
【請求項７】
前記転流手段は、前記変圧器の１次側巻線もしくは２次側巻線の少なくとも一方を含む電流経路を遮断するための遮断スイッチを有し、
前記制御手段は、前記異常検出手段の出力に応じて、前記遮断スイッチに前記電流経路を遮断させる請求項３〜６のいずれかに記載の電力変換装置。
【請求項８】
前記制御手段は、前記異常検出手段の出力に応じて、前記転流手段が転流動作を行うタイミングを調整する請求項３〜６のいずれかに記載の電力変換装置。
【請求項９】
前記制御手段は、前記異常検出手段の出力に応じて、前記転流手段が転流動作を行う時間を調整する請求項３〜６のいずれかに記載の電力変換装置の保護方法。
【請求項１０】
前記制御手段は、前記異常検出手段の出力に応じて、前記短絡手段の動作を停止する請求項３〜６のいずれかに記載の電力変換装置。
【請求項１１】
報知を行うための報知手段をさらに備え、
前記制御手段は、前記異常検出手段の出力に応じて前記報知手段に異常の旨を報知させる請求項１〜１０のいずれかに記載の電力変換装置。
【請求項１２】
前記転流手段は、前記変圧器の１次側巻線もしくは２次側巻線の少なくとも一方を含む電流経路に電流抑制素子または電流遮断素子を設ける請求項１〜１１のいずれかに記載の電力変換装置。
【請求項１３】
前記転流用整流素子にワイドバンドギャップ半導体を用いる請求項３〜１２のいずれかに記載の電力変換装置。
【請求項１４】
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またはダイヤモンドを材料とする請求項１３に記載の電力変換装置。
【請求項１５】
請求項１〜１４のいずれかに記載した電力変換装置の出力を交流電力に変換するインバータ装置と、
該インバータ装置を制御するインバータ制御手段と、
前記インバータ装置が変換した交流電力にて駆動するモータと
を備えるモータ駆動装置。
【請求項１６】
前記電力変換装置の異常検出手段が異常を検出すると、
前記インバータ制御手段は前記モータの駆動を制限する請求項１５に記載のモータ駆動装置。
【請求項１７】
請求項１５または１６に記載のモータ駆動装置を、圧縮機または送風機の少なくとも一方を駆動するために備える冷凍空気調和装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電力変換装置、モータ駆動装置および冷凍空気調和装置に関するものである。特に装置の保護に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
可変電圧・可変周波数のインバータ装置等が実用化されるに従って、各種電力変換装置の応用分野が開拓されている。【０００３】
例えば、電力変換装置に関しては、近年、昇降圧コンバータの応用技術開発が盛んである。一方で、炭化珪素等を材料とするワイドバンドギャップ半導体素子等の開発も盛んに行われている。このような新しい素子に関して、高耐圧であっても電流容量（電流実効値の許容値）の小さい素子に関しては、整流器を中心に実用化されてきている（例えば、特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００５−１６０２８４号公報（図１）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
一方、高効率な新しい素子を実用化するにあたり、例えば電流容量が大きい素子に関しては、高コスト、結晶欠陥等のため、実用化に向けて多くの課題があり、普及にはまだ時間がかかると考えられる。このため、例えば、空気調和装置の圧縮機のモータ等に供給するような電力以上の電力を扱う装置に、新しい素子を用いて高効率化をはかろうとすることは現状では難しい。このため、例えば負荷側から電源側に逆流しようとする電流の流れを止めるための逆流電流防止素子において、電流逆流時に生じるリカバリー電流の損失を低減させることが難しかった。【０００６】
本発明は、上記のような課題に対し、例えば、電流逆流時に生じるリカバリー電流の低減をはかり、高効率、高信頼性等を有する電力変換装置等であって、素子、機器等構成要素が機能しないなどの異常時における装置等の保護をはかる電力変換装置等を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明に係る電力変換装置は、電源の電圧を整流する整流回路と、整流回路からの出力電圧を平滑する平滑手段と、平滑手段より電源側に配置され、電源を短絡させて電流または電圧の少なくとも一方の制御を行う短絡手段と、短絡手段より電源側に配置されたリアクトルと、負荷側から電源側への電流の逆流を防止する１または複数の逆流防止素子と、逆流防止素子と並列接続した別経路に電流を流す転流動作を行うための転流手段と、転流手段の異常を検出するための異常検出手段と、異常検出手段の検出に基づいて転流手段の保護に係る動作制御を行う制御手段とを備えるものである。
【発明の効果】
【０００８】
本発明に係る電力変換装置によれば、転流動作を行うことができる転流手段を設けることにより、逆流防止素子を流れる電流を別経路に転流させることができるので、負荷側から電流が逆流する際、逆流防止素子に発生するリカバリー電流を低減させることで、損失低減、雑音端子電圧レベル低減、ＥＭＣ対策等をはかり、システム全体として高効率化をはかることができる。そして、例えば転流手段を構成する素子等の要素に故障が発生して、異常検出手段が転流手段の異常を検出した場合に、制御手段が、保護に係る動作制御を行うことで、信頼性の高い装置を得ることができる。そして、転流手段を停止させたとしても、電力変換装置としての動作を維持することができるため、安全面を確保しながら、装置として必要な動作を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】実施の形態１に係る電力変換装置の構成の一例を示す図である。
【図２】実施の形態１に係る転流手段の構成の一例を示す図である。
【図３】実施の形態１に係る制御手段の構成の一例を示す図である。
【図４】実施の形態１に係る電流経路の一例を表す図である。
【図５】実施の形態１に係る動作波形の一例を示す図である。
【図６】実施の形態１に係る転流制御を行わない場合の動作波形の一例を示す図である。
【図７】実施の形態１に係る、転流制御を行う場合の動作波形の一例を示す図である。
【図８】実施の形態１に係る電力変換装置の保護回路の構成の一例を示す図である。
【図９】実施の形態１に係る電力変換装置の異常判定時の動作波形例を示す図である。
【図１０】実施の形態１に係る電力変換装置の異常判定等のフローチャート例を示す図である。
【図１１】実施の形態２に係る電力変換装置の構成の一例を示す図である。
【図１２】実施の形態２に係る動作波形の一例を示す図である。
【図１３】実施の形態２に係る転流手段の構成の一例を表す図である。
【図１４】実施の形態２に係る電力変換装置の構成の一例を示す図である。
【図１５】実施の形態２に係る異常判定の一例を示す図である。
【図１６】実施の形態３に係る電力変換装置の構成の一例を示す図である。
【図１７】実施の形態３に係る電力変換装置の構成の一例を示す図である。
【図１８】実施の形態３に係る電力変換装置の構成の一例を示す図である。
【図１９】実施の形態３に係る電力変換装置の構成の一例を示す図である。
【図２０】実施の形態３に係る電力変換装置の構成の一例を示す図である。
【図２１】実施の形態３に係る電力変換装置の構成の一例を示す図である。
【図２２】実施の形態３に係る電力変換装置の構成の一例を示す図である。
【図２３】実施の形態３に係る電力変換装置の構成の一例を示す図である。
【図２４】実施の形態３に係る電力変換装置の構成の一例を示す図である。
【図２５】実施の形態３に係る電力変換装置の構成の一例を示す図である。
【図２６】実施の形態３に係る電力変換装置の構成の一例を示す図である。
【図２７】実施の形態３に係る電力変換装置の構成の一例を示す図である。
【図２８】実施の形態３に係る電力変換装置の構成の一例を示す図である。
【図２９】実施の形態３に係る電力変換装置の構成の一例を示す図である。
【図３０】実施の形態３に係る電力変換装置の構成の一例を示す図である。
【図３１】実施の形態４に係る電力変換装置の構成の一例を示す図である。
【図３２】実施の形態４に係る電力変換装置の構成の一例を示す図である。
【図３３】実施の形態４に係る電力変換装置の構成の一例を示す図である。
【図３４】実施の形態４に係る電力変換装置の構成の一例を示す図である。
【図３５】実施の形態４に係る電力変換装置の構成の一例を示す図である。
【図３６】実施の形態４に係る電力変換装置の構成の一例を示す図である。
【図３７】実施の形態４に係る電力変換装置の構成の一例を示す図である。
【図３８】実施の形態４に係る電力変換装置の構成の一例を示す図である。
【図３９】実施の形態４に係る電力変換装置の構成の一例を示す図である。
【図４０】実施の形態４に係る電力変換装置の構成の一例を示す図である。
【図４１】実施の形態５に係るモータ駆動装置の構成の一例を示す図である。
【図４２】実施の形態６に係る冷凍空気調和装置の構成の一例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下、本発明の実施の形態に係る電力変換装置等について図面等を参照しながら説明する。
【００１１】
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を中心とするシステム等の構成の一例を示す図である。はじめに、図１における高効率に電力変換を行うことができる電力変換装置を有するシステム構成について説明する。
【００１２】
図１のシステムにおいて、電力変換装置は、交流電源１と負荷９との間に設けられ、交流電源１からの交流の電力を直流の電力に変換して負荷９に供給する。本実施の形態の電力変換装置は、例えば整流回路２、チョッパ回路６、転流手段７および平滑手段８を有している。整流回路（整流手段）２は、ダイオード等の整流素子２ａ〜２ｄをブリッジ接続して構成し、交流電源１による電力の整流を行う。
【００１３】
チョッパ回路６は、リアクタ３、短絡手段（スイッチ手段）４および逆流防止素子５で構成する。リアクタ３は、整流器２の出力側に接続され、高調波を抑制するために設けている。また、短絡手段４は、例えばＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor ）のようなスイッチング素子で構成する。短絡手段４は、駆動信号生成部１０４からの駆動信号に基づいて整流器２、リアクタ３を介して交流電源１（交流電源１と接続する２端子間）を短絡する。
【００１４】
逆流防止素子５は、短絡手段４と平滑手段８との間で、平滑手段８からの電流の逆流を防止するための素子である。ここで、逆流防止素子５は、通常は、例えば電気的特性（特にリカバリー特性）に優れ、電流容量が小さく逆回復の時間がはやいファストリカバリーダイオードのような半導体素子とする。また、転流手段７は逆流防止素子５と並列に接続している手段である。そして、逆流防止素子５に流れる電流を、必要なタイミングで、異なった経路（逆流防止素子５を介さない経路）に転流する。
【００１５】
図２は逆流防止素子５と並列に転流手段７を接続した場合の構成の一例を示す図である。図２では、例えば、変圧器７１、変圧器７１の２次側巻線と直列接続するダイオード等の転流用整流素子７２および変圧器７１を動作させる変圧器駆動回路７３により転流手段７を構成している。また、変圧器駆動回路７３は、例えば、変圧器７１に電力供給するための転流用電源７５と、駆動信号生成部１０４からの駆動信号に基づいて開閉し、変圧器７１（１次側巻線）への電力供給、供給停止を制御する転流用スイッチ７４とで構成する。ここで、転流用整流素子７２についても、ファストリカバリーダイオードのような半導体素子で構成するものとする。
【００１６】
ここで、図２では、変圧器７１の２次側巻線と転流用整流素子７２のアノード側とを接続している例を示しているが、転流用整流素子７２に流す電流の向きが同じであれば、このような接続に限るものではない。例えば、転流用整流素子７２のカソード側と変圧器７１の２次側巻線とを接続するようにしてもよい。また、変圧器駆動回路７３を転流用スイッチ７４と転流用電源７５とで構成しているが、ノイズ対策や故障時保護を考慮し、必要に応じて転流用電源７５、転流用スイッチ７４、変圧器７１の１次側巻線で構成する電気回路に、制限抵抗、高周波コンデンサ、スナバ回路、保護手段等を挿入して構成してもよい。保護に関しては後述する。さらに、変圧器７１に、必要に応じて１次側巻線にリセット巻線を付加して励磁電流をリセットするようにしてもよい。さらに整流器等を設けて励磁エネルギーを電源側に回生し、高効率化するようにしてもよい。
【００１７】
平滑手段８は、例えばコンデンサ等を用いて構成し、整流素子２ａ〜２ｄの整流に係る電圧を平滑し、負荷９に対して直流電圧（出力電圧、母線電圧）を印加して電力供給を行う。負荷９は平滑手段８を介して供給された電力により駆動する。
【００１８】
また、入力電圧ゼロクロス検出部１００は、交流電源１が印加する電圧（入力電圧）が０（ゼロ）となる部分を検出するためのクロス検出値を検出信号により出力する。母線電圧検出部１０１は、平滑手段８が平滑して負荷９に印加する電圧を検出し、電圧検出値を検出信号により出力する。母線電流検出部１０２は、交流電源１により流れる入力電流（母線電流）を検出し、電流検出値を検出信号により出力する。
【００１９】
スイッチング制御手段１０３は、入力電圧ゼロクロス検出部１００、母線電圧検出部１０１、母線電流検出部１０２の検出信号から、短絡手段４（転流手段７）の短絡時間を演算処理等する制御手段である。特に本実施の形態では、転送手段７の異常に基づいて転送手段４の開閉動作等を制御するための処理を行う。スイッチング制御手段１０３は、例えば、マイクロコンピュータ、デジタルシグナルプロセッサ等の演算装置、あるいは同様の機能を内部に有する装置等を有している。
【００２０】
図３はスイッチング制御手段１０３の制御機能をブロック化した構成の一例を示す図である。図３において、母線電流指令値演算部２１は母線電圧指令値と母線電圧検出部１０１の検出に係る電圧検出値とに基づき、母線電流指令の実効値を演算する。また、正弦波生成部２２は入力電圧ゼロクロス検出部１００の検出に係るクロス検出値から、入力電圧に同期した正弦波を作成する。オンデューティ演算部２３は、母線電流指令値演算部２１の出力と正弦波生成部２２の出力を積算した母線電流指令値と母線電流検出部１０２の検出に係る電流検出値とから短絡手段４のオンデューティを演算し、出力信号（オンデューティ信号）を送る。異常処理部２４は、異常検出手段１０５の検出に係る短絡手段電流検出値に基づいて、転流用スイッチ７４、短絡手段４の開閉制御（開閉動作）／停止を判定等する。また、報知手段１０７に報知指示の信号を送信し、音、表示灯による異常の報知等を行わせる。
【００２１】
駆動信号生成部１０４は、スイッチング制御手段１０３からの出力信号をもとに、短絡手段４および転流手段７の駆動信号を生成し、短絡手段４、転流手段７にそれぞれ送信する。また、異常検出手段１０５は、例えば、転流手段７の異常を検出するために短絡手段４に流れる電流を検出し、短絡手段電流検出値を検出信号により出力する。ここで、異常検出手段１０５は転流手段７の異常を検出するために短絡手段４を流れる電流を検出するようにしているが、これに限られるものではない。例えば逆流防止素子５を流れる電流を検出するようにしてもよい。報知手段１０７は、スイッチング制御手段１０３の異常処理部２４からの報知指示の信号に基づいて、報知を行う。ここで、報知手段１０７の報知については、特に限定するものではないが、例えばスピーカ等からの音を発生させる、表示灯等により点灯表示させる等するようにする。
【００２２】
以上のような本実施の形態のシステムに関する動作について、以下説明する。本実施の形態の電力変換装置における動作は、ＤＣチョッパの動作に、転流手段７における転流動作を加え、平滑手段８から電流が逆流する前に逆流防止素子５を逆回復させておくようにし、リカバリー電流の発生を抑える。
【００２３】
図４は実施の形態１に係る電流経路の一例を示す図である。図４は短絡手段４および転流手段７内の転流用スイッチ７４の開閉状態の組合せのうち、代表的な動作例による経路を示している。
【００２４】
図５は、図４に基づく動作による電源電圧、電源電流（入力電流）および短絡手段４に送られる駆動信号の動作に係る波形（動作波形）を示す図である。図４および図５を用いて、本実施の形態における電力変換装置の動作について説明する。
【００２５】
図４（ａ）は、短絡手段４がオフ（開放）および転流用スイッチ７４がオフの状態を示している。短絡手段４、転流用スイッチ７４をオフ状態としたまま動作させた場合、単純な全波整流回路と等価となる。例えば、交流電源１の端子のうち、整流素子２ａ、２ｂに接続される側の端子の電位が高い場合、電流経路は、交流電源１−整流素子２ａ−リアクトル３−逆流防止素子５−負荷９−整流素子２ｄの経路となる。このとき、図５（ａ）に示すような動作波形の電流が交流電源１からの入力電流として流れる。このような波形の電流の場合には力率は悪く、高調波電流も多く含有している。
【００２６】
図４（ｂ）は、短絡手段４がオン（閉止）、転流用スイッチ７４がオフの状態を示している。このとき、交流電源１−整流素子２ａ−リアクトル３−短絡手段４−整流素子２ｄの経路で短絡電流が流れる。ここで、リアクトル３に印加される電圧は交流電源１の電圧とほぼ同等となり、上記経路で流れる短絡電流は次式（１）で表される。
【００２７】
ｉ_sw4on＝（Ｖｓ／Ｌ）・ｔ＋ｉ（０）                  …（１）
【００２８】
ここで、ｉ_sw4on：短絡手段４オン時の電流、Ｖｓ：交流電源１の電圧、Ｌ：リアクタ３のインダクタンス値、ｔ：短絡手段４のオン時間、ｉ（０）：短絡手段４がオンする直前の電流（初期値）を表す。
【００２９】
通常、図４（ａ）、図５（ａ）のような全波整流において、平滑手段８が放電して負荷９に電流を流す区間では、交流電源１の入力電流が不通流となる区間が存在する。しかし、短絡手段４をオンした場合、図４（ｂ）のように、リアクトル３を介して短絡電流が流れるため、上記のような不通流区間であっても、交流電源１による入力電流が流れる。このため、短絡手段４のオン、オフの切り替えを繰り返し行うことで、図４（ａ）と（ｂ）とに示す電流経路を繰り返すことができる。さらにオン、オフの時間割合を制御することで、交流電源１による入力電流の波形を任意に変形することが可能となり、力率や高調波電流の含有率を改善することが可能となる。
【００３０】
例えば、図３に示すような構成のスイッチング制御手段１０３において、母線電流指令値演算部２１では、例えば、外部から入力される母線電圧指令値と母線電圧検出部１０１からの電圧検出値との偏差を求める。そして、例えば比例積分制御を行い、母線における電圧検出値が母線電圧指令値となるように（近づくように）母線電流指令の実効値を演算する。また、正弦波生成部２２では、入力電圧ゼロクロス検出部１００のクロス検出値から交流電源１の周波数を判定し、クロス検出値と交流電源１の周波数をもとに、入力電圧に同期した正弦波を生成する。このときの正弦波の振幅は１とし、生成した正弦波の絶対値を取って出力する。そして、母線電流指令値演算部２１と正弦波生成部２２との出力を積算することで、母線電流正弦波指令値が得られる。オンデューティ演算部２３では、例えば、上記のようにして得られた母線電流正弦波指令値と母線電流検出部１０２の電流検出値との偏差を求める。そして、例えば比例積分制御を行い、母線における電流検出値が母線電流正弦波指令値となるように（近づくように）短絡手段４のオンデューティを演算し、出力信号（オンデューティ信号）を送る。
【００３１】
そして、駆動信号生成部１０４では、例えば、短絡手段４のスイッチング周波数と同等の周波数の三角波とスイッチング制御手段１０３の出力信号とを比較し、短絡手段４の駆動信号を生成する。一般に、このような制御を行う場合、短絡手段４のスイッチング周波数は、数ｋ〜数十ｋＨｚ程度とされる。ここでは、上記母線電流指令値を、交流電源１による入力電圧と周波数・位相が等しく、所望の振幅をもつ正弦波とするため、交流電源１からの入力電流を正弦波状に制御することができ、力率・高調波電流の含有率を大幅に改善することができる（図５（ｂ））。
【００３２】
また、上記の例では、短絡手段４を高速スイッチングさせて制御し、入力電流を正弦波状に制御する例を挙げたが、これに限定するものではない。例えば、力率・高調波電流含有率の抑制に対する要求が高くないような場合には、必ずしも入力電流を正弦波状にするための制御を行う必要はない。例えば、図５（ｃ）に示すように、入力電流の不通流区間において、適正な位相で、かつ、適正なオン時間で、短絡手段４を数回のみオンするような制御を行っても、力率・高調波含有率の改善を図ることが可能である。
【００３３】
例えば高調波規制値と、入力電流に含まれる高調波電流の解析値とを比較し、規制値を満たす範囲で、短絡手段４をオンする位相、オン時間を決定し、短絡手段４のスイッチング回数を最少限にすることができる。上述の数ｋ〜数十ｋＨｚで短絡手段４をスイッチングする場合に比べてスイッチング回数を大幅に低減できるので、スイッチング損失低減、発生ノイズの低減が可能となる。また、短絡手段４として、安価な低速の素子を使用することができるので、コスト低減も可能となる。
【００３４】
このような制御を行う場合、例えば、交流電源１の入力電圧を検出し、入力電圧のゼロクロス等から、短絡手段４をオンする位相やオン時間を決定すればよい。このため、正弦波状の指令値とする必要はなく、制御も簡易化できる。また、ここでは母線電圧、母線電流を制御する例を挙げたが、いずれか一方の制御としてもよい。
【００３５】
図６は転流手段７を動作させない場合における信号および電流波形を示す図である。ここで、図６において、短絡手段４の駆動信号は、ＨＩ側をアクティブ方向（オン方向）としている。上述したように、短絡手段４をオフしている場合、逆流防止素子５には順電流が流れる。この状態で、短絡手段４をオンすると、直列接続された逆流防止素子５の両端に、平滑手段８により平滑された母線電圧と、整流器２により整流された電圧との差分が逆バイアスとして印加される。その後、逆流防止素子５はオフ動作に移行する。
【００３６】
ここで、逆流防止素子５がオフへ移行する期間、オンしている期間とは逆向きの短絡電流が流れる。これは、通常、逆流防止素子５に用いられるｐｎ接合ダイオードにおいて、順バイアス電圧で定常に通電している状態では、ｐ、ｎ双方の半導体にキャリアが蓄積された状態となっており、この状態から瞬時に逆バイアス電圧が印加されると、それらのキャリアが順バイアス電圧印加時に移動していた方向とは反対に移動するためである（このとき流れる逆向きの短絡電流を、以下、リカバリー電流と称す）。リカバリー電流は、コモンモード電流を変位させる要因となり、雑音端子電圧・放射雑音等のレベルが上昇するため、ノイズ対策に費用がかかる。また、回路損失の増大にもつながる。
【００３７】
通常、整流ダイオードの電流容量増加に伴い、蓄積キャリア量は増加していく傾向にある。そのため、電流容量増加と共に、リカバリー電流は増加していくこととなる。また、印加する逆バイアスが大きくなると、リカバリー電流は増加していくこととなる。
【００３８】
そこで、本実施の形態では、電流容量の大きい逆流防止素子５に対して、高い逆バイアス電圧を印加して逆回復を行うのではなく、転流手段７により転流経路を形成するようにし、短絡手段４のオン直前に変圧器７１および転流用整流素子７２を介して低い逆バイアスを印加して逆回復を行う制御（以下、転流制御と称す）を行うものである。
【００３９】
転流制御においては、短絡手段４のオン直前に転流手段７の転流用スイッチ７４をオンし、変圧器７１を介して逆流防止素子５に流れている電流を転流用整流素子７２側に転流する。図４（ｃ）は、短絡手段４がオフ、転流用スイッチ７４がオンしている状態を示している。このときの電流経路は、図４（ａ）と同様に、交流電源１−整流素子２ａ−リアクトル３−逆流防止素子５−負荷９−整流素子２ｄの経路となる。さらに、これに加え、転流用スイッチ７４がオンしているため、変圧器７１が励磁され、転流手段７の変圧器７１の２次側巻線−転流用整流素子７２の経路にも電流が流れ込む。そして、一定時間経過後、転流用整流素子７２側の経路に完全に転流することとなる。
【００４０】
図７は転流手段７を動作させる場合の信号および電流波形を示す図である。ここで、短絡手段４および転流手段７（転流用スイッチ７４）の駆動信号は、ＨＩ側をアクティブ方向（オン方向）としている。図７のように、短絡手段４の駆動信号がオンとなる直前で、転流手段７の駆動信号をオンとさせる。このとき、上述したように、励磁電流により変圧器７１の２次側巻線の経路に電流が流れ始める。よって、逆流防止素子５と転流用整流素子７２の各方向に電流が分流して流れる。その後、転流手段７の駆動信号をオン状態に維持すると、逆流防止素子５には電流が流れなくなり、転流用整流素子７２側に全電流が流れることとなる（転流完了）。
【００４１】
転流動作の際、変圧器駆動回路７３内部の転流用電源７５を、平滑手段８の出力電圧と比較して十分小さい値となるよう設定しておくことで、小さい逆バイアス電圧にて逆流防止素子５をオフ（逆回復）させることが可能となる。この状態で、短絡手段４をオンすると、転流用整流素子７２の逆回復動作が行われ、この場合にもリカバリー電流は生じる。しかしながら、転流用整流素子７２の通流時間は逆流防止素子５と比較して、ごく短時間のため、転流用整流素子７２に流れる電流の実効電流は小さく、必要とされる電流容量が小さくてすむ。よって、蓄積キャリアの少ない、小容量な素子を用いることができ、逆流防止素子５によって発生する場合と比較して、リカバリー電流の低減が可能となる（ただし、ピーク電流を考慮して素子を選定する）。そして、結果的にシステム全体として、リカバリー電流に起因するノイズ量および損失を低減することが可能となる。これにより、雑音端子電圧・放射雑音等のレベルが低減し、また、回路損失が抑制される。よってノイズフィルタが小型化でき、コスト低減をはかることができる。
【００４２】
また、短絡手段４を動作させるための駆動電源（ゲート駆動用電源。図示せず）またはスイッチング制御手段１０３の電源（図示せず）のいずれか一方と、変圧器駆動回路７３の転流用電源７５とを共通化することができる。このため、新たに電源を作成する必要がなくなり、コストアップを避けることができる。
【００４３】
転流用整流素子７２には、リカバリー特性が良く、順電圧が低く、ロスの少ない高耐圧なショットキー・バリア・ダイオードを用いてもよい。また、ＳｉＣ（炭化珪素）、ＧａＮ（ガリウムナイトライド、窒化ガリウム）、ダイヤモンド等を材料とするワイドバンドギャップ半導体の素子を用いてもよい。これらの素子は、電流実効値の許容値が大きい仕様になるにつれ、結晶欠陥の増大、コストアップを招く。本実施の形態における転流用整流素子７２に、電流実効値の許容値が小さい素子を使用可能なため、コストパフォーマンスが良好で高効率の電力変換装置を実現することができる。
【００４４】
また、変圧器７１を介するため、逆流防止素子５・変圧器７１の２次側巻線・転流用整流素子７２と、変圧器駆動回路７３・スイッチング制御手段１０３との間を絶縁することができる。このため、転流手段７を駆動する信号の注入が比較的簡易に行える。また、安全性・信頼性の高いシステムを構築することができる。
【００４５】
次に、上記のような動作を行う転流手段７における故障例と各故障の保護対策等について説明する。
【００４６】
まず各要素（素子、機器等）が短絡故障した場合について説明する。変圧器７１の１次側巻線が短絡故障した場合、変圧器駆動回路７３においては、転流用スイッチ７４がオンすると転流用電源７５が短絡状態となる。このため、転流用スイッチ７４の電流容量を超過した電流が流れ、転流用スイッチ７４が破壊する恐れがある。また、転流用電源７５において、転流手段７側に多くの電力が供給されてしまうと、転流用電源７５が例えばスイッチング制御手段１０３等の電源と共通している場合には、スイッチング制御手段１０３側においては供給電力不足となり、制御を正常に行うことができなくなる恐れがある。そこでは、変圧器駆動回路７３の電流経路を遮断等して、転流手段７、電力変換装置等の保護をはかる。
【００４７】
図８は保護手段を有する転流手段７を逆流防止素子５と並列に接続した場合の構成の一例を示す図である。例えば電流経路を遮断する場合については、図８（ａ）に示す保護手段８０ａの位置に、例えば転流用スイッチ７４や転流用電源７５の電流容量より低い電流で切れる、例えばヒューズのような電流遮断素子を挿入するとよい。また、変圧器駆動回路７３に流れる電流を抑制し、回路を保護する場合には、大電流が流れた場合に自己発熱による抵抗値の変化を利用して電流を制限する、例えば正特性サーミスタ等のような電流抑制素子を挿入するようにしてもよい。
【００４８】
また、このとき転流手段７の２次側巻線は励磁されず、転流動作が行われないため、リカバリー電流が抑制されず、短絡手段４、逆流防止素子５の動作波形は図６のようになる。このリカバリー電流の大きさに応じて、転流用スイッチ７４の開閉制御の動作／停止を切り替えてスイッチを開いて停止させる等して、異常時に電流経路を遮断するようにしてもよい。リカバリー電流の大きさは、例えば異常検出手段１０５の検出に係る短絡手段電流検出値に基づいて判断することができる。そして、スイッチング制御手段１０３の異常処理部２４が保護に係る判断を行うようにする。また、例えば転流用電源７５の電源供給等を制御できる場合には、制御手段が転流用電源７５への給電を停止するようにしてもよい。ここで、転流手段７が動作しない場合でも、短絡手段４の開閉制御により入力電流や出力電圧の制御は可能であるため、必ずしも短絡手段４の開閉動作については停止する必要はない。
【００４９】
図９は実施の形態１に係る電力変換装置の異常判定における動作波形の一例を示す図である。転流手段７が動作しない場合、リカバリー電流の増加により、短絡手段４や逆流防止素子５へのストレスは増加し、また、短絡手段４や逆流防止素子５における損失は増加する。そこで、リカバリー電流の大きさにより、短絡手段４の開閉動作／停止を判定すればよい。リカバリー電流の大きさによる判定について、本実施の形態ではスイッチング制御手段１０３の異常処理部２４が行うようにする。異常処理部２４は、例えば図９に示すように、短絡手段４または逆流防止素子５における電流のピーク値または任意の時間当たりの電流変化に基づいて短絡手段４の開閉動作／停止を判定する。また、このうちのいずれかを組み合わせて判定してもよい。本実施の形態では、異常処理部２４は、異常検出手段１０５の検出に係る短絡手段電流検出値に基づいて判定を行う。スイッチング制御手段１０３は、異常処理部２４の判定に基づく出力信号を送るようにする。
【００５０】
また、変圧器７１の１次側巻線に接続される転流用スイッチ７４が短絡故障した場合も、上記変圧器７１の１次側巻線が短絡故障した場合と同様の現象が起こる。このため、上記と同様、図８（ａ）に示すように、例えば、ヒューズのような電流遮断素子による電流経路遮断、正特性サーミスタ等のような電流抑制素子による電流抑制にて回路を保護することができる。また、転流用スイッチ７４の短絡故障を想定して、予め保護用の遮断スイッチを同様の位置に設けるようにしてもよい。この場合、スイッチは通常オン状態とし、リカバリー電流の大きさに応じて、例えば異常処理部２４が異常と判定した場合のみオフとすればよい。ここでは遮断スイッチを単独で設けているが、例えば電流遮断素子、電流抑制素子とともに設けるようにしてもよい。また、リカバリー電流の大きさに応じて転流用電源７５の給電を停止してもよい。また、上記のように、異常処理部２４が判定を行い、短絡手段４の開閉動作／停止の制御を行うようにしてもよい。
【００５１】
一方、変圧器７１の２次側巻線が短絡故障した場合には、転流用スイッチ７４の開閉状態にかかわらず転流手段７は動作しない。このとき転流用スイッチ７４の開閉状態にかかわらず装置の安全上の問題はない。ただし、転流用スイッチ７４の開閉制御停止（開放）、転流用電源７５の給電を停止、遮断スイッチを設けている場合には、スイッチを開放することで、変圧器駆動回路７３の損失を低減することができる。
【００５２】
通常、逆流防止素子５や転流用整流素子７２に使用するダイオードにおいて、順電圧降下と逆回復特性とはトレードオフの関係にある。本実施の形態においては、逆流防止素子５と転流用整流素子７２では、逆流防止素子５には、順電圧降下が低いことを優先し、転流用整流素子７２には、逆回復特性の速いことを優先して、部品選定することが望ましい。これらの数値は、素子の電流容量も関係しており、また転流用整流素子７２は電流容量が低くてよいため、順電圧降下、逆回復特性ともに、逆流防止素子５より優れた素子を、比較的低コストで用いることができるため、一概に大小が決まるわけではない。このため、逆流防止素子５が転流用整流素子７２に対して順電圧降下の低い素子を使用していれば、変圧器７１の２次側巻線が短絡故障した場合でも、逆流防止素子５に電流が集中するため、電流容量の小さい転流用整流素子７２の破壊に至る可能性は少ない。
【００５３】
しかし、転流用整流素子７２の順電圧降下が逆流防止素子５と同等かそれ以上となる場合には、図８（ｂ）に示す保護手段８０ｂの位置に、転流用整流素子７２の電流容量より低い電流で切れるヒューズのような電流遮断素子を挿入してもよい。また、大電流が流れた場合に自己発熱による抵抗値の変化を利用して電流を制限する正特性サーミスタ等のような電流抑制素子を挿入してもよい。遮断スイッチを挿入してもよい。また、上記のように、異常検出手段１０５が判定を行い、短絡手段４の開閉動作／停止の制御を行うようにしてもよい。
【００５４】
変圧器７１の２次側巻線に接続される転流用整流素子７２が短絡故障した場合、上記同様、転流用スイッチ７４の開閉状態にかかわらず転流手段７は動作しない。転流用スイッチ７４の開閉制御停止、転流用電源７５の給電を停止、遮断スイッチを設けている場合には開閉制御停止をすることで、変圧器駆動回路７３の損失を低減することができる。
【００５５】
ここで、転流用整流素子７２が短絡すると、この経路での逆流防止が不可となる。このため、並列接続された逆流防止素子５もほぼ短絡状態となり、平滑手段８から電源側への電流逆流が防止できない。このため、短絡手段４がオンとなると、過電流が流れ素子が破壊に至る恐れがある。これを防止するためには、電流遮断素子、電流抑制素子または遮断スイッチを変圧器７１の２次側巻線と転流用整流素子７２の経路に挿入すればよい。遮断スイッチの動作はリカバリー電流の大きさにより、開閉制御を行えばよい。リカバリー電流の大きさによる判定は、例えば図９に示すように、短絡手段４もしくは逆流防止素子５の、電流のピーク値または任意の時間当たりの電流変化より判定すればよい。このうちのいずれかを組み合わせて判定してもよい。判定は例えばスイッチング制御手段１０３の異常処理部２４が行うようにすればよい。
【００５６】
変圧器７１の１次側巻線、２次側巻線、１次側巻線に接続される転流用スイッチ７４、２次側巻線に接続される転流用整流素子７２のいずれかが開放故障した場合、転流手段７は動作せず、製品の安全上の問題となるモードはない。このとき短絡手段４の開閉制御により入力電流や出力電圧の制御は可能であるため、必ずしも短絡手段４の開閉制御を停止する必要はない。ただし、リカバリー電流の増加により、短絡手段４や逆流防止素子５へのストレスは増加し、また、短絡手段４や逆流防止素子５における損失は増加するため、リカバリー電流の大きさにより、短絡手段４の開閉制御の動作／停止を判定すればよい。リカバリー電流の大きさによる判定は、例えば図９に示すように、短絡手段４もしくは逆流防止素子５の、電流のピーク値または任意の時間当たりの電流変化より判定すればよい。このうちのいずれかを組み合わせて判定してもよい。
【００５７】
図１０は電力変換装置の保護に係るフローチャートの一例を示す図である。例えば、上記のような保護と併せて、転流手段７を持たないチョッパ回路６においても使用されるような、母線電圧、母線電流または短絡手段４を流れる電流が閾値を超えたものと判断した場合に、ラッチ等による保護用の回路を有する短絡手段４について、短絡手段４をオフ状態として開閉制御を停止し、保護をはかるようにしてもよい。ここで、図１０の処理については、異常検出手段１０５の検出に係る短絡手段電流検出値（短絡手段４を流れる電流）に基づいて異常処理部２４が行うものとする。
【００５８】
まずＳＴＥＰ１では、短絡手段４に流れる電流の変化率と、任意に設定した閾値とを比較する。短絡手段４に流れる電流が閾値より大きいと判断するとＳＴＥＰ２に進む。ＳＴＥＰ２では、さらに短絡手段４に流れる電流のピーク値と、任意に設定した閾値とを比較する。短絡手段４に流れる電流のピーク値が閾値より大きいと判断するとＳＴＥＰ３に進む。ここで、ＳＴＥＰ１、ＳＴＥＰ２では短絡手段４に流れる電流の変化率とピーク値とがそれぞれの任意の閾値を超える場合に異常と判定する場合について説明したが、比較する物理量はこれに限定されるものではない。例えば、逆流防止素子５の電流の変化率やピーク値を使ってもよい。また、比較する物理量を短絡手段４と逆流防止素子５の電流の変化率とするなど、判定するための物理量の組合せや、組合せ数等を任意に変更してもよい。
【００５９】
ＳＴＥＰ３では、ＳＴＥＰ４で保護動作に移行し、短絡手段４をオフする場合に、保護動作のリセットを任意に行うためのラッチをかけるかどうかを判断するため、そのラッチのリセット信号の有無を判定する。リセット信号が無いと判断するとＳＴＥＰ４に進み、上述したように短絡手段４をオフとするように、保護動作のリセットを任意に行うためのラッチをかける。
【００６０】
ＳＴＥＰ４の後はＳＴＥＰ３に再び進み、ラッチのリセット信号の有無を判定する。リセット信号があれば、ＳＴＥＰ５に進み、短絡手段４の開閉制御が可能となるよう、保護動作をリセットし、再度ＳＴＥＰ１から保護動作の要否判定を行う。
【００６１】
また、通常の転流手段７を持たない通常のチョッパ回路においても使用されるような、母線電圧または母線電流または短絡手段４の電流が閾値を超えた場合にも、同様の処理を行いフローで保護動作の要否判定を行い、保護動作が必要な場合には短絡手段４のオフを行う。ここでは、ＳＴＥＰ１、ＳＴＥＰ２では短絡手段４に流れる電流の変化率とピーク値とがそれぞれの任意の閾値を超える場合に異常と判定する場合について説明したが、ＳＴＥＰ１、ＳＴＥＰ２と並列に、母線電圧または母線電流または短絡手段４の電流とそれぞれの任意の閾値との比較を行うようにしてもよい。このとき、ＳＴＥＰ３以降は共通化することができる。また、保護手段８０として遮断スイッチを設けている場合、遮断スイッチの動作の要否を、上記の手順で判定するようにしてもよい。また、ここでは、異常処理部２４による処理を行うようにしたが、例えばコンパレータやフリップフロップ回路を用いたハードウェアで構成して同じように行うようにしても同様の効果を得ることができる。
【００６２】
以上のように、実施の形態１の電力変換装置によれば、転流手段７を設けることにより、逆流防止素子５を流れる電流を別経路に転流させることができるので、負荷９側から電流が逆流する際、逆流防止素子５に発生するリカバリー電流を低減させることで、損失低減、雑音端子電圧レベル低減、ＥＭＣ対策等をはかり、システム全体として高効率化をはかることができる。そして、転流手段７を構成する素子等の要素に故障が発生して、異常検出手段１０６が転流手段７の異常を検出した場合に、スイッチング制御手段１０３の異常処理部２４が転流手段７及び短絡手段４の少なくとも一方に対して保護に係る動作制御を行うことで、信頼性の高い装置を得ることができる。場合によっては、短絡手段４の停止も行うようにしたので、回路保護等、信頼性の高い装置を得ることができる。ただ、転流手段７を停止させたとしても、短絡手段４の動作を停止させなければ電力変換装置としての動作を維持することができ、安全面を確保しながら、装置として必要な動作を行うことができる。
【００６３】
保護を行う際に、変圧器７１の１次側巻線、２次側巻線の少なくとも一方における電流経路を遮断できるように保護手段８０ａ、８０ｂを設けるようにしたので、転流手段７、電力変換装置を有効に保護することができる。また、報知手段１０７を設けることで、転流手段７の異常を報知することができる。
【００６４】
また、転流手段７を変圧器７１等で構成することで、変圧器７１により、交流電源１と負荷９との間の回路上にある逆流防止素子５、変圧器７１の２次側巻線及び転流用整流素子７２と、変圧器駆動回路７３、スイッチング制御手段１０３及び転流手段７への駆動信号との間を絶縁することができるため、転流手段７への駆動信号の送信を比較的簡易に行うことができる。そして、高い電圧が印加される手段と低い電圧で動作する手段とを電気的に分離させることができる。また、安全性、信頼性が高いシステムの構築を行うことができる。また、変圧器駆動回路７３の転流用電源７５を、平滑手段８の出力電圧と比較して十分小さい値となるよう設定しておくことで、小さい逆バイアス電圧にて逆流防止素子５を逆回復させることが可能となる。
【００６５】
さらに、転流用整流素子７２に炭化珪素、窒化ガリウム系材料またはダイヤモンドを材料とするワイドギャップバンド半導体を用いるようにしたので、低損失の電力変換装置を得ることができる。また、電力損失が小さいため、素子の高効率化をはかることができる。ワイドギャップバンド半導体は許容電流密度が高いため、素子の小型化をはかることができ、素子を組み込んだ手段も小型化することができる。ここで、転流用整流素子７２だけでなく、例えば転流用スイッチ７４等、システム全体として損失とならないような場合には、他の素子にワイドギャップバンド半導体を用いることもできる。
【００６６】
実施の形態２．
図１１は実施の形態２に係る電力変換装置の構成の一例を示す図である。図１１において、実施の形態１と同様の機器、素子等については同一符号を付す。図１１におけるチョッパ回路６は、リアクタ３ａ、短絡手段４ａ、逆流防止素子５ａで構成したチョッパ回路に、リアクタ３ｂ、短絡手段４ｂ、逆流防止素子５ｂからなるチョッパ回路を並列に接続した構成となっている。そして、逆流防止素子５ａ、５ｂには転流手段７を接続している。このため、本実施の形態においては、２つのチョッパ回路における転流手段７は共通としている。
【００６７】
スイッチング制御手段１０３は、例えば図３で示す構成とし、実施の形態１と同様に短絡手段４ａ、４ｂのオンデューティを演算する。ここで、短絡手段４ａ、４ｂのオンデューティは同一の値とする。その後、駆動信号生成部１０４では、スイッチング制御手段１０３からの出力信号をもとに、短絡手段４ａ、４ｂの動作を行わせるための駆動信号を生成するが、このときの短絡手段４ａ、４ｂに送る駆動信号は異なる位相とする。例えば、位相差等を特に限定するものではないが、１８０度の位相差をもたせるようにするとよい。
【００６８】
本実施の形態におけるチョッパ回路６は、リアクタ３、短絡手段４、逆流防止素子５からなる２つのチョッパ回路を並列に接続している。実施の形態１のようにチョッパ回路が１系統の場合と比べると、それぞれのチョッパ回路に流れ込む電流は分散するため、各部品の電流容量を低減することができ、素子数は増加するものの、トータルでのコスト、回路規模の低減を図ることが可能となる。
【００６９】
図１２は実施の形態２に係る電源電圧、電源電流（入力電流）および短絡手段４に送られる駆動信号の動作に係る波形（動作波形）等を示す図である。短絡手段４ａ、４ｂを異なる位相の駆動信号で動作させることで、図１２（ａ）、（ｂ）に示すように、各系統に流れる電流の総和となる電源電流はリプルが相殺されて小さくなる。ここで、図１２（ｂ）ではリアクタ電流がスイッチング毎に０とならない連続モードの例を挙げたが、スイッチング毎に０となる不連続モードや臨界モードとしてもよい。この場合、リアクタ３ａ、３ｂに必要なインダクタンス値が小さくなるため、コスト低減、小型化が可能となる。スイッチング毎に電流が０となることで、次のスイッチング時は電流０状態でのスイッチングであるソフトスイッチングとなる。このため、スイッチング損失の低減も図ることができる。また、電源電流のリプルが小さくなるため、ノイズフィルタの小型化、低コスト化も図ることができる。そして、電源電流のリプルが小さくなることを利用して、各系統でのスイッチング周波数を低減させるようにしてもよい。この場合、電源電流のリプル低減効果は少なくなるが、各系統でのスイッチング回数が減るため、スイッチング損失の低減が可能となる。
【００７０】
ここではリアクタ３、短絡手段４、逆流防止素子５からなるチョッパ回路を２並列とした場合についての例を挙げたが、３以上のチョッパ回路を並列に接続してチョッパ回路６を構成するようにしてもよい。このとき、各系統で異なる位相差とすることで、上記同様の効果が得られる。系統数が多いことで、素子数は増えるものの、電源電流のリプル、各系統に流れ込む電流はさらに低減できる。なお位相差は、ｎ系統のとき３６０度／ｎとすることでリプル相殺の効果は最大となる。
【００７１】
上記のような構成の電力変換装置での動作においても、短絡手段４ａオン時に逆流防止素子５ａ、短絡手段４ｂオン時に逆流防止素子５ｂで、実施の形態１と同様のメカニズムでリカバリー電流が発生する。したがって、リカバリー電流の発生タイミングが異なる。このため、本実施の形態における転流手段７においても、逆流防止素子５ａと接続された変圧器７１の２次側巻線と、逆流防止素子５ｂと接続された変圧器７１の２次側巻線とは、動作するタイミングを変える必要がある。
【００７２】
図１３は実施の形態２に係る転流手段７の構成の一例を示す図である。転流用整流素子７２ａと接続された変圧器７１の２次側巻線と、転流用整流素子７２ｂに接続された変圧器７１の２次側巻線とは、巻線の極性を逆極性とし、逆巻きとする。また、変圧器駆動回路７３は、転流用スイッチ７４ａ、７４ｂ、転流用電源７５、コンデンサ７６ａ、７６ｂで構成する。
【００７３】
図１３の転流手段において、転流用スイッチ７４ａをオン、転流用スイッチ７４ｂをオフとすると、コンデンサ７６ａが放電し、変圧器７１の１次側巻線に励磁電流が流れる。このとき、変圧器７１の２次側巻線では、巻線が同極性の、転流用整流素子７２ａ側の巻線に電流が流れ、転流用整流素子７２ａが転流動作を開始する。一方、転流用スイッチ７４ａをオフ、転流用スイッチ７４ｂをオンとすると、コンデンサ７６ｂが放電し、変圧器７１の１次側巻線に、転流用スイッチ７４ａをオン、転流用スイッチ７４ｂをオフしたときとは逆向きの励磁電流が流れる。このとき、変圧器７１の２次側巻線では、巻線が逆極性の、転流用整流素子７２ｂ側の巻線に電流が流れ、転流用整流素子７２ｂが転流動作を開始する。ここで、変圧器駆動回路７３は転流用スイッチ７４ａ、７４ｂによるハーフブリッジ構成の例を挙げたが、スイッチの個数を増やしてフルブリッジ構成としても、同様に動作し、同様の効果が得られる。
【００７４】
本実施の形態によれば、異なるタイミングでの転流動作を必要とする逆流防止素子５ａ、５ｂのそれぞれに転流手段７を設置する場合においても、変圧器７１の１次側巻線において構成する変圧器駆動回路７３を共通とすることができる。このため、実施の形態１と同様にリカバリー電流の低減によるノイズ・損失の低減を図りながらも、回路の部品点数を減らすことができ、回路面積の低減やコストアップの抑制を実現することができる。ここでは、タイミングを異ならせているが、例えば転流動作を行う時間を調整するようにしてもよい。
【００７５】
次に上記のような動作を行う転流手段７の故障モードとそのときの保護について説明する。変圧器７１の１次側巻線および２次側巻線、転流用整流素子７２ａ、７２ｂ、転流用スイッチ７４ａ、７４ｂの故障については、実施の形態１と同様であるため、実施の形態１の図８〜図１０に関して説明した場合と同様の保護を行うことができる。
【００７６】
コンデンサ７６ａが短絡故障した場合、転流用スイッチ７４ａをオンしたときに変圧器７１の１次側巻線には励磁電流が流れないため、転流用整流素子７２ａ側の転流動作が不可能となる。一方、コンデンサ７６ｂは通常時の２倍である転流用電源７５の電圧がそのまま印加されて充電される。このため、転流用スイッチ７４ｂをオンしたときには、変圧器７１の１次側巻線には励磁電流が流れ、転流用整流素子７２ｂ側の転流動作は可能である。ただし、このとき変圧器７１に印加される電圧は前述の通り通常の２倍となる。そこで、転流用スイッチ７４ｂをオンするタイミングを遅らせたり、駆動信号のパルス幅を減らしたりするよう調整することで、変圧器７１の１次側巻線に流れる電流を通常時と同レベルに抑制し、変圧器７１にかかるストレスを抑制できる。
【００７７】
また、コンデンサ７６ｂが短絡故障した場合も、コンデンサ７６ａが短絡故障した場合と同様の現象となる。このとき、転流用スイッチ７４ｂをオンしたときには、変圧器７１の１次側巻線には励磁電流が流れないため、転流用整流素子７２ｂ側の転流動作が不可能となる。一方、コンデンサ７６ａは通常時の２倍である転流用電源７５の電圧がそのまま印加されて充電される。このため、転流用スイッチ７４ａをオンしたときには、変圧器７１の１次側巻線には励磁電流が流れ、転流用整流素子７２ｂ側の転流動作は可能である。ただし、このとき変圧器７１に印加される電圧は前述の通り通常の２倍となるため、転流用スイッチ７４ａのオンタイミングを遅らせたり、駆動信号のパルス幅を減らしたりするよう調整することで、変圧器７１の１次側巻線に流れる電流を通常時と同レベルに抑制し、変圧器７１にかかるストレスを抑制できる。
【００７８】
コンデンサ７６ａが開放故障した場合、コンデンサ７６ｂは転流用スイッチ７４ａがオンしている間に充電されていく。コンデンサ７６ｂが十分に充電されるまでの期間は、転流用スイッチ７４ｂをオンしても変圧器７１の１次側巻線には励磁電流が十分流れないため、転流用整流素子７２ｂ側の転流動作が不可能となる。このような状態の場合、報知手段１０７等により異常である旨ををユーザー等に報知するようにして、電力変換装置の停止や修理を促し、その間は運転し続けるよう制御してもよい。ここで、報知手段等においては、上記の場合に限定することなく、他の原因等により転流手段７等に故障が発生した場合においても報知するようにしてもよい。
【００７９】
コンデンサ７６ｂが開放故障した場合も、コンデンサ７６ａが開放故障した場合と同様の現象となる。このとき、コンデンサ７６ａは転流用スイッチ７４ｂをオンしている間に充電されていく。コンデンサ７６ａが十分に充電されるまでの期間は、転流用スイッチ７４ａをオンしても変圧器７１の１次側巻線には励磁電流が十分流れないため、転流用整流素子７２ａ側の転流動作が不可能となる。このような状態の場合にも、報知手段等（図示せず）により報知するようにして、その間は運転し続けるよう制御してもよい。
【００８０】
図１４は実施の形態２に係る電力変換装置の構成の他の一例を示す図である。例えば、構成要素が故障して逆流防止素子５ａ側もしくは５ｂ側のいずれか一方の転流手段７が動作不可となった場合について説明する。各系統での転流手段７の動作可否は、例えば図１０に示すフローチャートと同様の処理に基づき、短絡手段４ａ、４ｂ、逆流防止素子５ａ、５ｂの電流ピーク値または電流変化率のいずれか、もしくはそのうちの複数項目を組み合わせて判断するようにしてもよい。そして、その判断結果に基づいて短絡手段４ａ、４ｂの動作を停止するようにしてもよい。このとき、図１４に示すように、逆流防止素子５ａ、５ｂの後段（逆流防止素子５ａ、５ｂと平滑手段８との間の経路）に、例えばリレーのような遮断スイッチ１０６ａ、１０６ｂを設け、経路を遮断できるようにしてもよい。
【００８１】
図１５は転流手段７の動作可否と負荷との関係を示す図である。例えば、図１５に示すように、転流手段７の動作可否と、負荷の組合せで、短絡手段４ａ、４ｂの動作／停止を行うかどうかを判定するようにしてもよい。ここでは、負荷としてインバータ回路にてモータを駆動する場合を想定する。また、逆流防止素子５ａ、５ｂに対して、それぞれ独立した転流手段７を接続しているものとする。
【００８２】
例えば負荷が小さい場合には、母線電圧の昇圧が不要となるため、負荷が小さい場合の短絡手段４ａ、４ｂは停止とする。この場合、チョッパ回路６は動作しないため、コンデンサインプット形のコンバータと同様の挙動をする。負荷が小さいため、遮断スイッチ１０６ａ、１０６ｂのいずれかを遮断しても、各素子の電流容量を超えない。このため、破壊の危険はなく、それに加えて、電力変換の際に通過する素子を減らすことができ、損失低減が可能となる。
【００８３】
一方、負荷が大きい場合には、母線電圧を昇圧してモータの動作領域を拡大したり、モータを高巻数化して効率改善を図るため、短絡手段４ａ、４ｂはできるだけ動作させた方がよい。このとき、転流手段７ａ、７ｂが動作不可能な場合には、転流手段７の動作不可能な側の短絡手段４の動作を停止し、その上で遮断スイッチ１０６ａ、１０６ｂにて経路を遮断する。このとき、上記同様、電力変換の際に通過する素子を減らすことができるため、損失低減が可能となる。ただし、遮断しない側の各素子には通常分散していた電流が集中するため、電流容量を超える場合には、短絡手段４の動作を停止し、コンデンサインプット形のコンバータとして動作させるのが望ましい。
【００８４】
以上のように、実施の形態２の電力変換装置によれば、例えば逆流防止素子５ａ、５ｂのそれぞれに異なるタイミングで転流動作を行う場合においても、変圧器７１の２次側巻線、転流用整流素子７２ａ、７２ｂを、実施の形態１と同様に逆流防止素子５ａ、５ｂにそれぞれ並列接続し、一方で、変圧器７１の１次側巻線に電力供給を制御する変圧器駆動回路７３を共通とすることができるため、実施の形態１と同様の、リカバリー電流の低減によるノイズ・損失の低減を図りながらも、回路の部品点数を減らすことができ、回路面積の低減やコストアップの抑制を実現することができる。
【００８５】
また、コンデンサ７６の一方が短絡故障等した場合に、転流用スイッチ７４のオンタイミングを遅らせたり、駆動信号のパルス幅（オン時間、デューティ）を減らしたりするよう調整することで、変圧器７１の１次側巻線に流れる電流を通常時と同レベルに抑制し、変圧器７１にかかるストレスを抑制することができる。
【００８６】
実施の形態３．
図１６〜３０は本発明の実施の形態３に係る電力変換装置の構成の一例を示す図である。同様の動作を行う手段、素子等については、実施の形態１等で説明した図面と同一符号を付している。上述した実施の形態１、２では、単相の交流電源に接続され、電源を整流した後段で短絡手段を設けた電力変換装置について述べた。この他、例えば図１６〜３０に示すような、単相交流電源に対応した電力変換装置についても、転流手段７を設け転流制御を行うことで上記同様の効果が得られ、この転流手段７に故障が起きた場合でも装置を保護し、信頼性を向上する効果を得ることができる。このとき、例えば図１６のように、整流素子２ａ等を逆流防止素子として転流手段７を設けるようにしてもよい。
また、図１７は短絡手段４の構成の一例を示す図である。例えば図１７（ａ）では、整流素子４１ａ〜４１ｄをブリッジ接続した短絡用整流回路４１と、短絡用スイッチ４２とで短絡手段４を構成している。図１７（ａ）は短絡用スイッチ４２として例えばＩＧＢＴのような双方向に電流を流せない素子を１つ用いる場合における一般的な構成を示している。他にも、図１７（ｂ）に示すように、例えばＩＧＢＴ（絶縁ゲートバイポーラトランジスタ）、ＭＯＳＦＥＴ（電界効果トランジスタ）等を複数個用いて構成する双方向スイッチ等で短絡手段４を構成してもよく、同様の効果を得ることができる。
【００８７】
実施の形態４．
図３１〜図４０は本発明の実施の形態３に係る電力変換装置の構成の一例を示す図である。同様の動作を行う手段、素子等については、実施の形態１等で説明した図面と同一符号を付している。上述した実施の形態１〜３では、単相の交流電源に対応した電力変換装置について述べてきた。この他、例えば、図３１〜図４０に示すような、三相交流電源対応の同様の方式の電力変換装置についても、転流手段７を設け転流制御を行うことで上記同様の効果が得られ、この転流手段７に故障が起きた場合でも装置を保護し、信頼性を向上する効果を得ることができる。
【００８８】
実施の形態５．
図４１は本発明の実施の形態５に係るモータ駆動装置の構成の一例を示す図である。本実施の形態では、上述した電力変換装置を介した電力供給を行う負荷として、図４１に示すようなインバータ回路９０とモータ９１とを接続する。また、インバータ回路９０の動作を制御するインバータ制御手段９２を有する。本発明に係る電力変換装置を適用することで、高効率、高信頼性であり、さらにこれらに設けた転流手段７に故障が起きた場合でも装置を保護し、信頼性を向上する効果を得ることができる。ここで、本実施の形態のようなモータ駆動装置において、前段の電力変換装置において転流手段７の異常を検出した場合には、インバータ制御手段９２は、モータ９１での負荷が小さくなるようにインバータ回路９０の動作を調整するようにしてもよい。
【００８９】
実施の形態６．
図４２は本発明の実施の形態６に係る冷凍空気調和装置の構成の一例を示す図である。本実施の形態では、上述した実施の形態５におけるモータ駆動装置を、空気調和装置の圧縮機、送風機の一方または双方に適用する場合について説明する。
【００９０】
図４２の冷凍空気調和装置は、熱源側ユニット（室外機）３００と負荷側ユニット（室内機）４００とを備え、これらが冷媒配管で連結され、主となる冷媒回路（以下、主冷媒回路と称す）を構成して冷媒を循環させている。冷媒配管のうち、気体の冷媒（ガス冷媒）が流れる配管をガス配管５００とし、液体の冷媒（液冷媒。気液二相冷媒の場合もある）が流れる配管を液配管６００とする。
【００９１】
熱源側ユニット３００は、本実施の形態においては、圧縮機３０１、油分離器３０２、四方弁３０３、熱源側熱交換器３０４、熱源側ファン３０５、アキュムレータ３０６、熱源側絞り装置（膨張弁）３０７、冷媒間熱交換器３０８、バイパス絞り装置３０９および熱源側制御装置３１０の各装置（手段）で構成する。
【００９２】
圧縮機３０１は、吸入した冷媒を圧縮して吐出する。ここで、圧縮機３０１は、運転周波数を任意に変化させることにより、圧縮機３０１の容量（単位時間あたりの冷媒を送り出す量）を細かく変化させることができるものとする。ここで、上述した各実施の形態における電力変換装置が、圧縮機３０１（モータ）を駆動させる電力を供給する交流電源１と負荷９となる圧縮機３０１等との間に取り付けられている。
【００９３】
油分離器３０２は、冷媒に混じって圧縮機３０１から吐出された潤滑油を分離させるものである。分離された潤滑油は圧縮機３０１に戻される。四方弁３０３は、熱源側制御装置３１０からの指示に基づいて冷房運転時と暖房運転時とによって冷媒の流れを切り換える。また、熱源側熱交換器３０４は、冷媒と空気（室外の空気）との熱交換を行う。例えば、暖房運転時においては蒸発器として機能し、熱源側絞り装置３０７を介して流入した低圧の冷媒と空気との熱交換を行い、冷媒を蒸発させ、気化させる。また、冷房運転時においては凝縮器として機能し、四方弁３０３側から流入した圧縮機３０１において圧縮された冷媒と空気との熱交換を行い、冷媒を凝縮して液化させる。熱源側熱交換器３０４には、冷媒と空気との熱交換を効率よく行うため、熱源側ファン３０５が設けられている。熱源側ファン３０５についても、上述の各実施の形態に記載した電力変換装置を介して電力供給を行い、例えば負荷９となるインバータ装置においてファンモータの運転周波数を任意に変化させてファンの回転速度を細かく変化させるようにしてもよい。
【００９４】
冷媒間熱交換器３０８は、冷媒回路の主となる流路を流れる冷媒と、その流路から分岐してバイパス絞り装置３０９（膨張弁）により流量調整された冷媒との間で熱交換を行う。特に冷房運転時において冷媒を過冷却する必要がある場合に、冷媒を過冷却して負荷側ユニット４００に供給するものである。バイパス絞り装置３０９を介して流れる液体は、バイパス配管を介してアキュムレータ３０６に戻される。アキュムレータ３０６は例えば液体の余剰冷媒を溜めておく手段である。熱源側制御装置３１０は、例えばマイクロコンピュータ等からなる。負荷側制御装置４０４と有線または無線通信することができ、例えば、冷凍空気調和装置内の各種検知手段（センサ）の検知に係るデータに基づいて、インバータ回路制御による圧縮機３０１の運転周波数制御等、冷凍空気調和装置に係る各手段を制御して冷凍空気調和装置全体の動作制御を行う。また、上述の実施の形態において説明したスイッチング制御手段１０３等が行う処理を熱源側制御装置３１０が行うようにしてもよい。
【００９５】
一方、負荷側ユニット４００は、負荷側熱交換器４０１、負荷側絞り装置（膨張弁）４０２、負荷側ファン４０３および負荷側制御装置４０４で構成される。負荷側熱交換器４０１は冷媒と空気との熱交換を行う。例えば、暖房運転時においては凝縮器として機能し、ガス配管５００から流入した冷媒と空気との熱交換を行い、冷媒を凝縮させて液化（または気液二相化）させ、液配管６００側に流出させる。一方、冷房運転時においては蒸発器として機能し、負荷側絞り装置４０２により低圧状態にされた冷媒と空気との熱交換を行い、冷媒に空気の熱を奪わせて蒸発させて気化させ、ガス配管５００側に流出させる。また、負荷側ユニット４００には、熱交換を行う空気の流れを調整するための負荷側ファン４０３が設けられている。この負荷側ファン４０３の運転速度は、例えば利用者の設定により決定される。負荷側絞り装置４０２は、開度を変化させることで、負荷側熱交換器４０１内における冷媒の圧力を調整するために設ける。
【００９６】
また、負荷側制御装置４０４もマイクロコンピュータ等からなり、例えば熱源側制御装置３１０と有線または無線通信することができる。熱源側制御装置３１０からの指示、居住者等からの指示に基づいて、例えば室内が所定の温度となるように、負荷側ユニット４００の各装置（手段）を制御する。また、負荷側ユニット４００に設けられた検知手段の検知に係るデータを含む信号を送信する。
【００９７】
以上のように実施の形態６の冷凍空気調和装置では、上述した実施の形態における電力変換装置を用いて圧縮機３０１、熱源側ファン３０５等への電力供給を行うようにしたので、高効率、高信頼性の冷凍空気調和システムを得ることができる。また、電力変換装置における転流手段７が、故障等によって障害が起きた場合でも装置、システムを保護し、信頼性を向上する効果を得ることができる。
【産業上の利用可能性】
【００９８】
前述した実施の形態６では、本発明に係る電力変換装置を冷凍空気調和装置に適用する場合について説明したが、これに限定するものではない。ヒートポンプ装置、冷蔵庫等の冷凍サイクル（ヒートポンプサイクル）を利用する装置、エレベータ等の搬送機器等、照明器具（システム）にも適用することができ、同様の効果を奏することができる。
【符号の説明】
【００９９】
１  交流電源、２  整流器、２ａ〜２ｆ  整流素子、３，３ａ〜３ｃ  リアクタ、４，４ａ，４ｂ  短絡手段、５，５ａ，５ｂ  逆流防止素子、６  チョッパ回路、７，７ａ〜７ｄ  転流手段、８，８ａ，８ｂ  平滑手段、９  負荷、２１  母線電流指令実効値演算部、２２  正弦波生成部、２３  オンデューティ演算部、２４  異常処理部、４１  整流器、４１ａ〜４１ｄ  整流素子、４２  短絡スイッチ、４２ａ，４２ｂ  短絡スイッチ、７１  変圧器、７２，７２ａ，７２ｂ  整流素子、７３  変圧器駆動回路、７４，７４ａ，７４ｂ  転流用スイッチ、７５  転流用電源、７６，７６ａ，７６ｂ  コンデンサ、８０，８０ａ，８０ｂ  保護手段、９０  インバータ回路、９１  モータ、９２  インバータ制御手段、１００  入力電圧ゼロクロス検出部、１０１  母線電圧検出手段、１０２  母線電流検出手段、１０３  スイッチング制御手段、１０４  駆動信号生成部、１０５  異常検出手段、１０６  遮断スイッチ、１０７  報知手段、３００  熱源側ユニット、３０１  圧縮機、３０２  油分離器、３０３  四方弁、３０４  熱源側熱交換器、３０５  熱源側ファン、３０６  アキュムレータ、３０７  熱源側絞り装置、３０８  冷媒間熱交換器、３０９  バイパス絞り装置、３１０  熱源側制御装置、４００  負荷側ユニット、４０１  負荷側熱交換器、４０２  負荷側絞り装置、４０３  負荷側ファン、４０４  負荷側制御装置、５００  ガス配管、６００  液配管。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
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【図２８】
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【図２９】
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【図３０】
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【図３１】
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【図３２】
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【図３３】
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【図３４】
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【図３５】
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【図３６】
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【図３７】
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【図３８】
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【図３９】
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【図４０】
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【図４１】
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【図４２】
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【手続補正書】
【提出日】平成25年9月9日(2013.9.9)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００７
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００７】
本発明に係る電力変換装置は、負荷側から電源側への電流の逆流を防止する１または複数の逆流防止素子と、逆流防止素子と並列接続した別経路に電流を流す転流動作を行うための転流手段と、転流手段の異常を検出するための異常検出手段と、異常検出手段の検出に基づいて転流手段の保護に係る動作制御を行う制御手段とを備えるものである。
【手続補正２】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
負荷側から電源側への電流の逆流を防止する１または複数の逆流防止素子と、
該逆流防止素子と並列接続した別経路に電流を流す転流動作を行うための転流手段と、
前記転流手段の異常を検出するための異常検出手段と、
前記異常検出手段の検出に基づいて前記転流手段の保護に係る動作制御を行う制御手段と
を備える電力変換装置。
【請求項２】
前記電源に係る整流を行う整流回路を構成する整流素子の少なくとも１つを前記逆流防止素子とする請求項１記載の電力変換装置。
【請求項３】
前記転流手段は、
前記別経路を流れる電流を整流する転流用整流素子と、
１次側巻線に係る電圧に基づく電圧を前記別経路上の２次側巻線に印加させ、前記転流動作を行う変圧器と、
前記変圧器の１次側巻線への電圧印加による励磁電流を制御する変圧器駆動装置と
を有する請求項１または２に記載の電力変換装置。
【請求項４】
複数の前記逆流防止素子に、それぞれ前記転流用整流素子及び前記変圧器の２次側巻線を並列接続し、
前記変圧器の前記１次側巻線を共通とする請求項３に記載の電力変換装置。
【請求項５】
各逆流防止素子に対応した転流動作のタイミングを異ならせるために、各２次側巻線を逆巻きとする請求項４に記載の電力変換装置。
【請求項６】
前記変圧器駆動装置は、転流用電源と転流用スイッチとを有して前記変圧器の１次側巻線と接続し、
前記転流用スイッチの開閉により、前記転流用電源から前記変圧器の１次側巻線に流れる前記励磁電流を制御する請求項２に記載の電力変換装置。
【請求項７】
前記転流手段は、前記変圧器の１次側巻線もしくは２次側巻線の少なくとも一方を含む電流経路を遮断するための遮断スイッチを有し、
前記制御手段は、前記異常検出手段の出力に応じて、前記遮断スイッチに前記電流経路を遮断させる請求項３〜６のいずれかに記載の電力変換装置。
【請求項８】
前記制御手段は、前記異常検出手段の出力に応じて、前記転流手段が転流動作を行うタイミングを調整する請求項３〜６のいずれかに記載の電力変換装置。
【請求項９】
前記制御手段は、前記異常検出手段の出力に応じて、前記転流手段が転流動作を行う時間を調整する請求項３〜６のいずれかに記載の電力変換装置。
【請求項１０】
前記制御手段は、前記異常検出手段の出力に応じて、前記短絡手段の動作を停止する請求項３〜６のいずれかに記載の電力変換装置。
【請求項１１】
報知を行うための報知手段をさらに備え、
前記制御手段は、前記異常検出手段の出力に応じて前記報知手段に異常の旨を報知させる請求項１〜１０のいずれかに記載の電力変換装置。
【請求項１２】
前記転流手段は、前記変圧器の１次側巻線もしくは２次側巻線の少なくとも一方を含む電流経路に電流抑制素子または電流遮断素子を設ける請求項１〜１１のいずれかに記載の電力変換装置。
【請求項１３】
前記転流用整流素子にワイドバンドギャップ半導体を用いる請求項３〜１２のいずれかに記載の電力変換装置。
【請求項１４】
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またはダイヤモンドを材料とする請求項１３に記載の電力変換装置。
【請求項１５】
前記電源の電圧を整流する整流回路と、
前記整流回路からの出力電圧を平滑する平滑手段と、
該平滑手段より前記電源側に配置され、前記電源を短絡させて電流または電圧の少なくとも一方の制御を行う短絡手段と、
前記短絡手段より前記電源側に配置されたリアクトルと
をさらに備える請求項１〜１４のいずれかに記載の電力変換装置。
【請求項１６】
請求項１〜１５のいずれかに記載した電力変換装置の出力を交流電力に変換するインバータ装置と、
該インバータ装置を制御するインバータ制御手段と、
前記インバータ装置が変換した交流電力にて駆動するモータと
を備えるモータ駆動装置。
【請求項１７】
前記電力変換装置の異常検出手段が異常を検出すると、
前記インバータ制御手段は前記モータの駆動を制限する請求項１６に記載のモータ駆動装置。
【請求項１８】
請求項１６または１７に記載のモータ駆動装置を、圧縮機または送風機の少なくとも一方を駆動するために備える冷凍空気調和装置。
【国際調査報告】
2012137258.tif 000045
2012137258.tif 000046