(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の直流電圧源の電圧印加方向に沿って直列に接続された上側および下側の各変換用スイッチング素子のそれぞれに還流ダイオードが逆並列に接続されたアームを複数有するインバータ駆動装置であって、
第２の直流電圧源により動作し、前記各還流ダイオードに流れる順方向電圧を転流させる転流回路を前記複数の各アーム毎に備え、
前記転流回路は、
一次側巻線および極性の異なる２つの二次側巻線を有する変圧器と、
前記各二次側巻線にそれぞれ直列に接続されて前記各還流ダイオードに並列に接続された補助ダイオードと、
前記第２の直流電圧源の電圧印加方向に沿って直列に接続された上側および下側の各変圧器駆動用スイッチング素子と、
前記第２の直流電圧源の電圧印加方向に沿って直列に接続された上側および下側の各コンデンサと、
を備え、
前記上側および下側の各コンデンサの中性点は、前記一次側巻線を介して前記上側および下側の各変圧器駆動用スイッチング素子の接続点に接続されると共に、前記複数の各アーム毎に備えられた前記各転流回路との間で相互接続されたことを特徴とするインバータ駆動装置。
【請求項２】
前記転流回路は、前記上側の変換用スイッチング素子がターンオフしてから前記下側の変換用スイッチング素子がターンオンするまでの所定期間、前記上側の変圧器駆動用スイッチング素子をオンさせて前記上側の変換用スイッチング素子の前記還流ダイオードに流れる順方向電流を前記補助ダイオードに転流させ、前記下側の変換用スイッチング素子がターンオフしてから前記上側の変換用スイッチング素子がターンオンするまでの所定期間、前記下側の変圧器駆動用スイッチング素子をオンさせて前記下側の変換用スイッチング素子の前記還流ダイオードに流れる順方向電流を前記補助ダイオードに転流させることを特徴とする請求項１に記載のインバータ駆動装置。
【請求項３】
前記第２の直流電圧源の電圧値は、前記第１の直流電圧源の電圧値よりも小さいことを特徴とする請求項１または２に記載のインバータ駆動装置。
【請求項４】
前記補助ダイオードは、前記還流ダイオードよりも逆回復特性が優れていることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載のインバータ駆動装置。
【請求項５】
前記補助ダイオードは、ショットキーバリアダイオードであることを特徴とする請求項４に記載のインバータ駆動装置。
【請求項６】
前記各二次側巻線は、それぞれ２つの出力端子を有し、前記各補助ダイオードは、前記各変換用スイッチング素子の正極側端子と前記各二次側巻線との間に設けられたことを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項に記載のインバータ駆動装置。
【請求項７】
前記転流回路を制御する制御部は、前記第２の直流電圧源により動作することを特徴とする請求項１〜６のいずれか一項に記載のインバータ駆動装置。
【請求項８】
請求項１〜７のいずれか一項に記載のインバータ駆動装置を備えたことを特徴とする冷凍空気調和装置。
【請求項９】
請求項１〜７のいずれか一項に記載のインバータ駆動装置を備えたことを特徴とする冷蔵庫。
【請求項１０】
請求項１〜７のいずれか一項に記載のインバータ駆動装置を備えたことを特徴とする冷凍機。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、インバータ駆動装置ならびに、それを備えた冷凍空気調和装置、冷蔵庫、および冷凍機に関する。
【背景技術】
【０００２】
ＩＧＢＴやＭＯＳＦＥＴ等のパワーデバイスは、民生機器から産業機器まで様々な分野に使用されており、素子の高耐圧化、スイッチングの高速化、高効率化、低ノイズ化といった観点から様々なデバイス改良・開発が行われてきている。ＳｉＣ（炭化ケイ素）、ＧａＮ（窒化ガリウム）、ＳＪ（Ｓｕｐｅｒ  Ｊｕｎｃｔｉｏｎ）構造のＭＯＳＦＥＴ等はその代表例である。
【０００３】
ＳＪ構造のＭＯＳＦＥＴは、その素子構造により低オン抵抗化、高耐圧化できるといったメリットを有する反面、素子に付随する寄生ダイオード（以下、「還流ダイオード」という）により、逆回復時間が遅いという特性を有している。
【０００４】
このような逆回復時間が長いＭＯＳＦＥＴをスイッチング素子としてインバータに適用する際、例えばアームの上側（あるいは下側）のスイッチング素子がターンオフし、アームの下側（あるいは上側）のスイッチング素子がターンオンする際、主回路側とのループ経路にて等価的な短絡電流が流れ、損失悪化を招くという問題がある（以下、本損失を「リカバリー損失」という）。
【０００５】
また、比較的高電圧がスイッチング素子に印加される場合には、スイッチング素子としてＩＧＢＴ等を用いた場合でも、還流ダイオードの特性等により、リカバリー損失の増加が顕著となる。
【０００６】
従来、このリカバリー損失の低減を図る技術として、例えば、変圧器と変圧器駆動回路とにより、変圧器駆動回路から制御しながら変圧器の一次側巻線に電流供給を行うようにし、二次側巻線から、スーパージャンクション構造のＭＯＳＦＥＴである変換用スイッチング素子、還流手段側に電流を流すことにより、逆回復の際に発生する電流を抑制し、リカバリー損失を低減する技術が開示されている（例えば、特許文献１）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２０１１−０３６０７９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
上記従来技術における変圧器駆動装置は、インバータ装置の電源とは異なる電圧源から電力が供給されて動作し、その電圧源の電圧印加方向に沿って直列に接続された上側および下側の各スイッチング素子の接続点と、電圧源の電圧印加方向に沿って直列に接続された上側および下側の各コンデンサの中性点との間に変圧器の一次側巻線が接続され構成される。上記従来技術では、この変圧器駆動装置を各相毎に設けており、変圧器の一次側巻線の駆動に必要な励磁電流を考慮すると、相当量のリップル電流が発生する。このため、変圧器駆動装置を構成する上側および下側の各コンデンサは、各相毎に、上側および下側の各スイッチング素子のスイッチングによるリップル電流に耐え得るように、容量値やリップル耐量を大きくする必要があり、コストが高くなる、という問題があった。
【０００９】
本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、コストの上昇を抑制しつつ、リカバリー損失の低減を図ることができるインバータ駆動装置ならびに、それを備えた冷凍空気調和装置、冷蔵庫、および冷凍機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】
【００１０】
上述した課題を解決し、目的を達成するため、本発明にかかるインバータ駆動装置は、第１の直流電圧源の電圧印加方向に沿って直列に接続された上側および下側の各変換用スイッチング素子のそれぞれに還流ダイオードが逆並列に接続されたアームを複数有するインバータ駆動装置であって、第２の直流電圧源により動作し、前記各還流ダイオードに流れる順方向電圧を転流させる転流回路を前記複数の各アーム毎に備え、前記転流回路は、一次側巻線および極性の異なる２つの二次側巻線を有する変圧器と、前記各二次側巻線にそれぞれ直列に接続されて前記各還流ダイオードに並列に接続された補助ダイオードと、前記第２の直流電圧源の電圧印加方向に沿って直列に接続された上側および下側の各変圧器駆動用スイッチング素子と、前記第２の直流電圧源の電圧印加方向に沿って直列に接続された上側および下側の各コンデンサと、を備え、前記上側および下側の各コンデンサの中性点は、前記一次側巻線を介して前記上側および下側の各変圧器駆動用スイッチング素子の接続点に接続されると共に、前記複数の各アーム毎に備えられた前記各転流回路との間で相互接続されたことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、コストの上昇を抑制しつつ、リカバリー損失の低減を図ることができる、という効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】図１は、実施の形態１にかかるインバータ駆動装置の一構成例を示す図である。
【図２】図２は、図１に示すインバータ駆動装置の１相分の構成を示す図である。
【図３】図３は、実施の形態１にかかるインバータ駆動装置のＵ相のＰＷＭ信号、変圧器駆動信号、および変圧器の一次側巻線電圧のタイミングチャートである。
【図４】図４は、実施の形態１にかかるインバータ駆動装置における還流ダイオードに流れる順方向電流の転流動作を示す図である。
【図５】図５は、還流ダイオードに流れる順方向電流を転流させない場合の変換用スイッチング素子のドレイン−ソース間電流Ｉｄｓを示す図である。
【図６】図６は、還流ダイオードに流れる順方向電流を転流させた場合の変換用スイッチング素子のドレイン−ソース間電流Ｉｄｓを示す図である。
【図７】図７は、二次側巻線の中間タップを共通とした例を示す図である。
【図８】図８は、各転流回路の上側のコンデンサおよび下側のコンデンサの中性点を各相間で相互接続しない場合のインバータ駆動装置の構成例を示す図である。
【図９】図９は、実施の形態２にかかる冷凍空気調和装置の一構成例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下に添付図面を参照し、本発明の実施の形態にかかるインバータ駆動装置ならびに、それを備えた冷凍空気調和装置、冷蔵庫、および冷凍機について説明する。なお、以下に示す実施の形態により本発明が限定されるものではない。
【００１４】
実施の形態１．
図１は、実施の形態１にかかるインバータ駆動装置の一構成例を示す図である。図１に示すように、実施の形態１にかかるインバータ駆動装置は、第１の直流電圧源８０により動作し、負荷である電動機１を駆動するインバータ２を備えている。インバータ２は、電動機１のＵ相、Ｖ相、Ｗ相の各相毎に、第１の直流電圧源８０の電圧印加方向に沿って直列に接続された上側の変換用スイッチング素子４および下側の変換用スイッチング素子６と、上側の各変換用スイッチング素子４に逆並列に接続された還流ダイオード５と、下側の変換用スイッチング素子６に逆並列に接続された還流ダイオード７とを備えた各アームを具備している。なお、本実施の形態では、電動機１が三相交流電動機であり、インバータ２は、各相毎にアームを有する構成としている。
【００１５】
また、インバータ駆動装置は、各相毎に、第２の直流電圧源１７より動作し、各還流ダイオード５，７に流れる順方向電流を転流させる転流回路６２を備えている。
【００１６】
各転流回路６２は、一次側巻線および極性の異なる２つの二次側巻線を有する変圧器８と、各二次側巻線にそれぞれ直列に接続されて各還流ダイオード５，７にそれぞれ並列に接続された各補助ダイオード９，１０と、変圧器駆動回路６１とを備えている。
【００１７】
各変圧器駆動回路６１は、第２の直流電圧源１７の電圧印加方向に沿って直列に接続された上側の変圧器駆動用スイッチング素子１１および下側の変圧器駆動用スイッチング素子１３と、上側の変圧器駆動用スイッチング素子１１に逆並列に接続された還流ダイオード１２と、下側の変圧器駆動用スイッチング素子１３に逆並列に接続された還流ダイオード１４と、第２の直流電圧源１７の電圧印加方向に沿って直列に接続された上側のコンデンサ１５および下側のコンデンサ１６とを備えている。本実施の形態では、上側のコンデンサ１５および下側のコンデンサ１６の容量値は同一としている。
【００１８】
そして、各転流回路６２は、上側の変圧器駆動用スイッチング素子１１および下側の変圧器駆動用スイッチング素子１３の接続点と上側のコンデンサ１５および下側のコンデンサ１６の中性点との間に、変圧器８の一次側巻線が接続され、ハーフブリッジ回路が構成される。
【００１９】
また、各転流回路６２の上側のコンデンサ１５および下側のコンデンサ１６の中性点が各相間で相互接続され、リカバリー電流転流部６０が構成されている。
【００２０】
また、インバータ駆動装置は、電流検出素子３ａ，３ｂおよび電流検出回路３１ａ，３１ｂからなる電流検出手段３と、電圧検出回路２１からなる電圧検出手段２０と、インバータ２およびリカバリー電流転流部６０の各スイッチング素子を駆動制御する制御部７０とを備えている。また、制御部７０は、例えばＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ  Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ  Ｕｎｉｔ）やＡ／Ｄ変換器等により構成される制御回路７１と、インバータ２の各相の各変換用スイッチング素子４，６を駆動するための各ゲート駆動信号を生成する各インバータ用ゲート駆動回路４１〜４６と、リカバリー電流転流部６０の各相の上側および下側の各変圧器駆動用スイッチング素子１１，１３を駆動するための各ゲート駆動信号を生成する各転流回路用ゲート駆動回路５１〜５６とを備えている。
【００２１】
電流検出素子３ａ，３ｂは、それぞれ電動機１のＵ相、Ｗ相に供給される電流を検出するための素子である。電流検出素子３ａ，３ｂにより検出された電流信号（Ｉｕ，Ｉｗ）は、電流検出回路３１ａ，３１ｂを介して制御回路７１に入力される。制御回路７１は、電流信号（Ｉｕ，Ｉｗ）に基づいて電流値に換算し、データとして用いる。本実施の形態では、電流検出素子３ａ，３ｂとしてカレントトランス等を用いて電動機１に供給される電流を検出することとするが、この検出手法を電動機１に供給される電流を検出する手法として限定するものではない。例えば、直流母線経路に挿入した抵抗に流れる直流電流を用いて電動機１に供給される電流を検出する手法や（１シャント電流検出方式）、下側の各変換用スイッチング素子６と第１の直流電圧源８０の負極側との間に抵抗を挿入して、その抵抗に流れる電流を検出して、電動機１に流れる電流を検出する手法（３シャント電流検出方式）等を用いるようにしてもよい。
【００２２】
また、本実施の形態における電圧検出手段２０は、抵抗、コンデンサ等から成る分圧回路、増幅器等により構成される。電圧検出手段２０により検出された電圧信号（Ｖｄｃ）は、制御回路７１に入力される。制御回路７１は、電圧信号（Ｖｄｃ）に基づいて直流母線電圧値に換算し、データとして用いる。
【００２３】
制御回路７１は、得られた電流値データおよび電圧値データに基づいて、各種ベクトル制御演算を行って、各相の各変換用スイッチング素子４，６を駆動するための各ＰＷＭ（Ｐｕｌｓｅ  Ｗｉｄｔｈ  Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ：パルス幅変調）デューティ信号（以下、「ＰＷＭ信号」という）Ｕｐ，Ｖｐ，Ｗｐ，Ｕｎ，Ｖｎ，Ｗｎの元となる信号を生成する。
【００２４】
また、本実施の形態では、制御回路７１は、所定のタイミングで変圧器８の一次側巻線に電力を供給する各相の上側および下側の各変圧器駆動用スイッチング素子１１，１３を駆動するための各変圧器駆動信号Ｕｐａ，Ｖｐａ，Ｗｐａ，Ｕｎａ，Ｖｎａ，Ｗｎａの元となる信号を生成する。
【００２５】
各インバータ用ゲート駆動回路４１〜４６は、制御回路７１から出力される信号に基づいて、各相の各変換用スイッチング素子４，６の各ゲート駆動信号である各ＰＷＭ信号Ｕｐ，Ｖｐ，Ｗｐ，Ｕｎ，Ｖｎ，Ｗｎを生成する。
【００２６】
各転流回路用ゲート駆動回路５１〜５６は、制御回路７１から出力される信号に基づいて、各相の上側および下側の各変圧器駆動用スイッチング素子１１，１３の各ゲート駆動信号である各変圧器駆動信号Ｕｐａ，Ｖｐａ，Ｗｐａ，Ｕｎａ，Ｖｎａ，Ｗｎａを生成する。ここで、例えば、各ＰＷＭ信号Ｕｐ，Ｖｐ，Ｗｐ，Ｕｎ，Ｖｎ，Ｗｎを用いてロジックを構成し、ロジック回路を用いて所望の区間に各変圧器駆動信号Ｕｐａ，Ｖｐａ，Ｗｐａ，Ｕｎａ，Ｖｎａ，Ｗｎａを出力するようにしてもよい。
【００２７】
なお、本実施の形態では、変換用スイッチング素子４，６としては、例えば、ＳＪ（Ｓｕｐｅｒ  Ｊｕｎｃｔｉｏｎ）構造のＭＯＳＦＥＴを用いることとする。ＳＪ構造のＭＯＳＦＥＴは、低オン抵抗、高耐圧というメリットを有しているが、その反面、寄生ダイオードである還流ダイオード５，７の逆回復時間（リカバリー時間）が長いという特性を有している。したがって、本実施の形態では、補助ダイオード９，１０として、例えばショットキーバリアダイオード等のように還流ダイオード５，７よりも高速且つ逆回復特性が優れたダイオードを用いて、還流ダイオード５，７に流れる順方向電流を補助ダイオード９，１０に転流させることにより、リカバリー損失の低減を図っている。
【００２８】
また、本実施の形態では、第２の直流電圧源の電圧値は、第１の直流電圧源の電圧値に対して数十分の１程度の電圧値とする。例えば、第１の直流電圧源の電圧値は、一般に２３０Ｖ程度の高電圧であるが、第２の直流電圧源の電圧値は、例えば１５Ｖ程度の低電圧値とする。このとき、第２の直流電圧源１７の電圧値が各インバータ用ゲート駆動回路４１〜４６および各転流回路用ゲート駆動回路５１〜５６の電源電圧値、あるいは、制御回路７１の電源電圧値と同じ電圧値となるように構成すれば、新たに電源を追加することなく、リカバリー損失の低減を実現することができる。
【００２９】
つぎに、本実施の形態にかかるインバータ駆動装置の還流ダイオード５，７に流れる順方向電流の転流動作について、図２〜図５を参照して説明する。図２は、図１に示すインバータ駆動装置の１相分の構成を示す図である。また、図３は、実施の形態１にかかるインバータ駆動装置のＵ相のＰＷＭ信号、変圧器駆動信号、および変圧器の一次側巻線電圧のタイミングチャートである。また、図４は、実施の形態１にかかるインバータ駆動装置における還流ダイオードに流れる順方向電流の転流動作を示す図である。図４において、破線矢印で示す線は、負荷電流の流れる経路を示し、実線矢印で示す線は変圧器８の一次側巻線を流れる電流の向きを示している。なお、図４に示す例では、図３に示すＡ区間における動作例を示している。また、図５は、還流ダイオードに流れる順方向電流を転流させない場合の変換用スイッチング素子のドレイン−ソース間電流Ｉｄｓを示す図である。また、図６は、還流ダイオードに流れる順方向電流を転流させた場合の変換用スイッチング素子のドレイン−ソース間電流Ｉｄｓを示す図である。なお、ここでは、Ｕ相における転流動作について説明するが、Ｖ相、Ｗ相についても同様の転流動作を実施するものとする。
【００３０】
上述したように、上側のコンデンサ１５および下側のコンデンサ１６の容量値は同一であるので、図２に示すように、第２の直流電圧源１７により印加される直流電圧Ｖｃｃ２により、上側のコンデンサ１５の両端電圧Ｖ１５および下側のコンデンサ１６の両端電圧Ｖ１６は、それぞれＶｃｃ２／２となる。
【００３１】
また、本実施の形態では、変圧器８の一次側巻線および上側の二次側巻線の極性に対し、下側の二次側巻線の極性を逆にしている。これにより、上側の変圧器駆動用スイッチング素子１１をオンに制御したときには、変圧器８の一次側巻線にＶａ＝Ｖｃｃ２／２が印加され、上側の二次側巻線に一次側巻線と上側の二次側巻線との巻線比に応じた逆電圧が印加される。また、下側の変圧器駆動用スイッチング素子１３をオンに制御したときには、変圧器８の一次側巻線にＶａ＝−Ｖｃｃ２／２が印加され、下側の二次側巻線に一次側巻線と上側の二次側巻線との巻線比に応じた逆電圧が印加される。
【００３２】
本実施の形態では、上側の変換用スイッチング素子４がターンオフしてから下側の変換用スイッチング素子６がターンオンするまでの所定期間、上側の変圧器駆動用スイッチング素子１１をオンに制御して上側の変換用スイッチング素子１１の還流ダイオード５に流れる順方向電流を補助ダイオード９に転流させ、下側の変換用スイッチング素子６がターンオフしてから上側の変換用スイッチング素子４がターンオンするまでの所定期間、下側の変圧器駆動用スイッチング素子１３をオンに制御して下側の変換用スイッチング素子６の還流ダイオード７に流れる順方向電流を補助ダイオード１０に転流させる。
【００３３】
つまり、例えば、図３に示すように、ＰＷＭ信号Ｕｐをオン（Ｈ）からオフ（Ｌ）に制御するタイミングに合わせて、変圧器駆動信号Ｕｐａをオフ（Ｌ）からオン（Ｈ）に制御し、ＰＷＭ信号Ｕｎをオフ（Ｌ）からオン（Ｈ）に制御するタイミングに合わせて、変圧器駆動信号Ｕｐａをオン（Ｈ）からオフ（Ｌ）に制御する。また、例えば、ＰＷＭ信号Ｕｎをオン（Ｈ）からオフ（Ｌ）に制御するタイミングに合わせて、変圧器駆動信号Ｕｎａをオフ（Ｌ）からオン（Ｈ）に制御し、ＰＷＭ信号Ｕｐをオフ（Ｌ）からオン（Ｈ）に制御するタイミングに合わせて、変圧器駆動信号Ｕｎａをオン（Ｈ）からオフ（Ｌ）に制御する。
【００３４】
まず、本実施の形態にかかる転流動作を実施しない場合の動作について説明する。本実施の形態にかかる転流動作を実施しない場合、図３に示すＡ区間では、図４（ａ）に示すように、電動機１から還流ダイオード５を介して負荷電流（順方向電流）が流れる。
【００３５】
このとき、下側の変換用スイッチング素子６をオンに制御すると、還流ダイオード５に第１の直流電圧源８０により大きな電圧が印加され、変換用スイッチング素子６のドレイン−ソース間電流Ｉｄｓには、図５に示すように、還流ダイオード５による大きなリカバリー電流が生じることとなる。つまり、大きなリカバリー損失が発生し、スイッチング損失が増大することとなる。
【００３６】
つぎに、本実施の形態にかかる転流動作を実施した場合の動作について説明する。ここでは、下側の変換用スイッチング素子６のオンタイミングにおける転流動作について説明する。
【００３７】
上側の変換用スイッチング素子４をオフに制御すると共に、上側の変圧器駆動用スイッチング素子１１をオンに制御すると、図４（ｂ）に示すように、変圧器８の一次側巻線に図中の実線矢印の方向に励磁電流が流れ、一次側巻線の両端にＶａ＝Ｖｃｃ２／２が印加される。このとき、変圧器８の上側の二次側巻線に、一次側巻線と当該二次側巻線との巻数比に応じた逆電圧が生じ、上側の二次側巻線および補助ダイオード９に電流が流れ始めると共に、還流ダイオード５が逆回復動作へと移行し、還流ダイオード５に流れる順方向電流が減少していく。このとき、還流ダイオード５は、変圧器８の二次側巻線に生じる低電圧により逆回復動作を行うこととなるため、還流ダイオード５によるリカバリー損失を抑制することができる。
【００３８】
変圧器８の上側の二次側巻線に逆電圧が生じた状態が所定時間維持されることにより、ダイオード５が逆回復動作を完了し、負荷電流は、図４（ｃ）に示すように、上側の二次側巻線および補助ダイオード９を流れるようになる。つまり、還流ダイオード５に流れる負荷電流（順方向電流）が補助ダイオード９に転流される。
【００３９】
そして、所定時間経過後に下側の変換用スイッチング素子６をオンに制御すると共に上側の変圧器駆動用スイッチング素子１１をオフに制御すると、補助ダイオード９が逆回復動作に移行し、図４（ｄ）に示すように、補助ダイオード９によるリカバリー電流が発生する。上述したように、本実施の形態では、補助ダイオード９，１０として、例えばショットキーバリアダイオード等のように還流ダイオード５，７よりも高速且つ逆回復特性が優れたダイオードを用いているため、変換用スイッチング素子６のドレイン−ソース間電流Ｉｄｓに生じるリカバリー電流は、図６に示すように、還流ダイオード５によるリカバリー電流（図５参照）よりも小さくなる。
【００４０】
その後、補助ダイオード９の逆回復動作の完了に伴い、負荷電流は、図４（ｅ）に示すように、下側の変換用スイッチング素子６を流れるようになる。
【００４１】
このように、下側の変換用スイッチング素子６のオンタイミングにおける転流動作では、還流ダイオード５に流れる順方向電流を補助ダイオード９に転流させることにより、リカバリー損失を低減することができる。
【００４２】
なお、上側の変換用スイッチング素子４のオンタイミングにおける転流動作では、図３に示す変圧器駆動信号Ｕｎａを下側の変圧器駆動用スイッチング素子１３に与え、上述した下側の変換用スイッチング素子６のオンタイミングにおける転流動作と同様に、還流ダイオード７に流れる順方向電流を補助ダイオード１０に転流させることにより、リカバリー損失を低減することができる。
【００４３】
また、本実施の形態では、各二次側巻線の中間タップを共通とせず、各二次側巻線にそれぞれ独立した２つの出力端子を設け、各補助ダイオード９，１０を各変換用スイッチング素子４，６の正極側端子と各二次側巻線との間に設けるようにしている。図７は、二次側巻線の中間タップを共通とした例を示す図である。図７に示すように、二次側巻線の中間タップを共通とした場合、下側の変換用スイッチング素子６の負極側端子と二次側巻線との間に補助ダイオード１０を設けることとなる。このような構成としても、通常の使用条件であれば問題はないが、使用条件や環境条件によっては、図７に示すように、二次側巻線に生じる浮遊容量が無視できない大きさとなる場合がある。この場合には、上側の変換用スイッチング素子４をオフからオンに制御した瞬間に過大な電圧が印加され、図中に破線矢印で示した大電流が流れることとなるため、巻線の高耐圧化や絶縁強化が必要となる。
【００４４】
本実施の形態では、変換用スイッチング素子６の正極側端子と二次側巻線との間に設けた補助ダイオード１０により、図２に示す電流経路が遮断されるため、耐圧・絶縁が確保され、巻線の高耐圧化や絶縁強化が不要となると共に、信頼性の強化を図ることができる。
【００４５】
つぎに、各転流回路６２の上側のコンデンサ１５および下側のコンデンサ１６の中性点を各相間で相互接続する意図について、図１および図８を参照して説明する。図８は、各転流回路の上側のコンデンサおよび下側のコンデンサの中性点を各相間で相互接続しない場合のインバータ駆動装置の構成例を示す図である。なお、各構成部については、図１に示す実施の形態１にかかるインバータ駆動装置と同一であるので、ここでは説明を省略する。
【００４６】
本実施の形態にかかるインバータ駆動装置の転流回路６２においては、上側および下側の各変圧器駆動用スイッチング素子１１，１３のスイッチングにより、上側および下側の各コンデンサ１５，１６の充放電が頻繁に行われる。このとき、変圧器８の一次側巻線の駆動に必要な励磁電流を考慮すると、相当量のリップル電流が発生する。
【００４７】
図８に示すように、各転流回路６２の上側のコンデンサおよび下側のコンデンサ１５，１６の中性点を各相間で相互接続しない場合、上側および下側の各変圧器駆動用スイッチング素子１１，１３のスイッチングによるリップル電流に耐え得るように、各相毎に、上側のコンデンサおよび下側のコンデンサ１５，１６の容量やリップル耐量を大きくする必要があり、コストが高くなる。
【００４８】
本実施の形態にかかるインバータ駆動装置では、図１に示すように、各転流回路６２の上側のコンデンサ１５および下側のコンデンサ１６の中性点を各相間で相互接続するようにしているので、上側および下側の各コンデンサ１５，１６の充放電頻度は増すものの、１回のスイッチングによるリップル電流が各相の上側のコンデンサ１５および下側のコンデンサ１６に分担され、１相あたりの上側のコンデンサ１５および下側のコンデンサ１６にかかるリップル電流のピーク値を抑制することができる。また、容量値については、３相分の上側のコンデンサ１５および下側のコンデンサ１６の並列容量となるので、リップル耐量および寿命に対しても有利となる。
【００４９】
したがって、図８に示すように各転流回路６２の上側のコンデンサおよび下側のコンデンサ１５，１６の中性点を各相間で相互接続しない場合よりも上側のコンデンサおよび下側のコンデンサ１５，１６の容量やリップル耐量を小さくすることができ、コストの上昇を抑制することができる。
【００５０】
以上説明したように、実施の形態１のインバータ駆動装置によれば、電圧印加方向に沿って直列に接続した上側および下側の各変圧器駆動用スイッチング素子の接続点と電圧印加方向に沿って直列に接続した上側および下側の各コンデンサの中性点との間に変圧器の一次側巻線を接続してハーフブリッジ回路を構成し、変圧器の互いに極性が異なる二次側巻線にそれぞれ高速且つ逆回復特性が優れた補助ダイオードを直列に接続して、変換用スイッチング素子に逆並列に接続された還流ダイオードに並列に接続した転流回路を各相毎に設けると共に、上側および下側の各コンデンサの中性点を各相間で相互接続することにより、１回のスイッチングによるリップル電流が各相の上側および下側のコンデンサに分担され、１相あたりの上側および下側のコンデンサにかかるリップル電流のピーク値を抑制することができるので、上側および下側のコンデンサの容量やリップル耐量を小さくすることができ、コストの上昇を抑制しつつ、リカバリー損失の低減を図ることができる。
【００５１】
また、変圧器駆動回路の電源である第２の直流電圧源の電圧値は、インバータの直流母線電圧である第１の直流電圧源の電圧値に対して数十分の１程度の低電圧値とすることにより、転流動作時において、還流ダイオードは、変圧器の二次側巻線に生じる低電圧により逆回復動作を行うこととなるため、還流ダイオードによるリカバリー損失を抑制することができる。
【００５２】
また、第２の直流電圧源の電圧値が各インバータ用ゲート駆動回路および各転流回路用ゲート駆動回路の電源電圧値、あるいは、制御回路の電源電圧値と同じ電圧値となるように構成することにより、新たに電源を追加することなく、リカバリー損失の低減を実現することができる。
【００５３】
また、変圧器の各二次側巻線の中間タップを共通とせず、各二次側巻線にそれぞれ独立した２つの出力端子を設け、各補助ダイオードを各変換用スイッチング素子の正極側端子と各二次側巻線との間に設けることにより、上側の変換用スイッチング素子をオフからオンに制御した瞬間に浮遊容量を介して下側の二次側巻線に過大な電圧が印加され大電流が流れる経路が遮断されるため、耐圧・絶縁が確保され、巻線の高耐圧化や絶縁強化が不要となると共に、信頼性の強化を図ることができる。
【００５４】
なお、上述した実施の形態１では、電動機が三相交流電動機であり、各相毎にアームを設ける例について説明したが、これに限定するものではなく、例えば、電動機が単相交流電動機である場合に、アームを２本有する構成であってもよいし、あるいは、アームを４本以上有する構成であってもよい。
【００５５】
また、上述した実施の形態１では、各変圧器駆動回路を構成する上側および下側の変圧器駆動用スイッチング素子、上側および下側のコンデンサをそれぞれ１つずつ備える構成について説明したが、必要な電流容量やリップル耐量に応じて、それぞれ複数個並列に接続する構成としてもよい。
【００５６】
実施の形態２．
本実施の形態では、実施の形態１において説明したインバータ駆動装置を冷凍空気調和装置に適用する例について説明する。図９は、実施の形態２にかかる冷凍空気調和装置の一構成例を示す図である。実施の形態２にかかる冷凍空気調和装置は、図９に示すように、熱源側ユニット（室外機）１００と負荷側ユニット（室内機）２００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」という）を構成して冷媒を循環させている。なお、図９に示す例では、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３００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４００としている。
【００５７】
熱源側ユニット１００は、本実施の形態においては、圧縮機１０１、油分離器１０２、四方弁１０３、熱源側熱交換機１０４、熱源側ファン１０５、アキュムレータ（気液分離器）１０６、熱源側絞り装置（膨張弁）１０７、冷媒間熱交換器１０８、バイパス絞り装置１０９、および熱源側制御装置１１０を備え構成される。
【００５８】
圧縮機１０１の構造としては、実施の形態１に記載した電動機１を圧縮機用として用いている。一方、運転制御については、実施の形態１にかかるインバータ駆動装置等を備え、運転周波数を任意に変化させることにより、圧縮機１０１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。
【００５９】
また、油分離器１０２は、圧縮機１０１から吐出された冷媒に混入し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１０１内部に戻される。四方弁１０３は、熱源側制御装置１１０からの指示に基づいて冷房運転時と暖房運転時とで冷媒の流れを切り換える。また、熱源側熱交換器１０４は、冷媒と外気（室外の空気）との間で熱交換を行う。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１０７を介して流入した低圧の冷媒と外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１０３側から流入した圧縮機１０１において圧縮された冷媒と外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１０４には、冷媒と外気との熱交換を効率よく行うため、熱源側ファン１０５が設けられている。熱源側ファン１０５も、実施の形態１にかかるインバータ駆動装置を有し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する。
【００６０】
冷媒間熱交換器１０８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１０９（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２００に供給するものである。バイパス絞り装置１０９を介して流れる液体は、バイパス配管１０７を介してアキュムレータ１０６に戻される。アキュムレータ１０６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１１０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２０４と有線あるいは無線により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）により検知したデータに基づいて、インバータ回路制御による圧縮機１０１の運転周波数制御等、冷凍空気調和装置に備えられた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。
【００６１】
一方、負荷側ユニット２００は、負荷側熱交換器２０１、負荷側絞り装置（膨張弁）２０２、負荷側ファン２０３及び負荷側制御装置２０４を備え構成される。負荷側熱交換器２０１は冷媒と外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３００から流入した冷媒と外気との熱交換を行い、冷媒を凝縮させて液化（あるいは気液二相化）させ、液配管４００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２０２により低圧状態にされた冷媒と外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３００側に流出させる。また、負荷側ユニット２００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２０３が設けられている。この負荷側ファン２０３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２０２は、開度を変化させることで、負荷側熱交換器２０１内における冷媒の圧力を調整するために設ける。
【００６２】
また、負荷側制御装置２０４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１１０と有線あるいは無線により通信することができる。熱源側制御装置１１０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２００に備えられた各手段を制御する。また、負荷側ユニット２００に設けられた検知手段により検知したデータを含む信号を送信する。
【００６３】
以上説明したように、実施の形態２の冷凍空気調和装置によれば、インバータ駆動装置におけるリカバリー損失の低減とコストの低減とを実現できるため、高効率で、電力消費を抑えることができ、且つ、低コストな冷凍空気調和装置を得ることができる。また、冷凍空気調和装置を構成する構成要素の中で特に重要な圧縮機の電動機を駆動するインバータ駆動装置において高い信頼性を得ることができるので、冷凍空気調和装置全体としても高い信頼性を得ることができる。
【００６４】
なお、上述した実施の形態２では、冷凍空気調和装置にインバータ駆動装置を適用する例について説明したが、例えば、冷凍機や冷蔵庫等に利用する冷却装置、ヒートポンプ装置等にも利用することができる。また、電動機を使用する他の機器にも利用することができるし、照明機器等にも利用することができる。
【００６５】
また、以上の実施の形態に示した構成は、本発明の構成の一例であり、別の公知の技術と組み合わせることも可能であるし、本発明の要旨を逸脱しない範囲で、一部を省略する等、変更して構成することも可能であることは言うまでもない。
【符号の説明】
【００６６】
１  電動機
２  インバータ
３  電流検出手段
３ａ，３ｂ  電流検出素子
４  変換用スイッチング素子（上側）
５  還流ダイオード（上側）
６  変換用スイッチング素子（下側）
７  還流ダイオード（下側）
８  変圧器
９  補助ダイオード（上側）
１０  補助ダイオード（下側）
１１  変圧器駆動用スイッチング素子（上側）
１２  還流ダイオード（上側）
１３  変圧器駆動用スイッチング素子（下側）
１４  還流ダイオード（下側）
１５  コンデンサ（上側）
１６  コンデンサ（下側）
１７  第２の直流電圧源（変圧器駆動用）
１８  転流回路
２０  電圧検出手段
２１  電圧検出回路
３１ａ〜３１ｂ  電流検出回路
４１〜４６  インバータ用ゲート駆動回路
５１〜５６  転流回路用ゲート駆動回路
６０  リカバリー電流転流部
６１  変圧器駆動回路
６２  転流回路
７０  制御部
７１  制御回路
８０  第１の直流電圧源（インバータ用）
１００  熱源側ユニット
１０１  圧縮機
１０２  油分離器
１０３  四方弁
１０４  熱源側熱交換機
１０５  熱源側ファン
１０６  アキュムレータ
１０７  熱源側絞り装置
１０８  冷媒間熱交換器
１０９  バイパス絞り装置
１１０  熱源側制御装置
２００  負荷側ユニット
２０１  負荷側熱交換器
２０２  負荷側絞り装置
２０３  負荷側ファン
２０４  負荷側制御装置
３００  ガス配管
４００  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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