(57)【要約】  交流直流変換装置は、交流電源の電圧を整流する整流器、交流電源と整流器との間に挿入されたリアクトル、整流器からの出力電圧を平滑する平滑部、及び開閉動作によって整流器の入力端子間を短絡又は開放する双方向スイッチを備える。双方向スイッチの内部には双方向スイッチに流れる電流が閾値以上であるか否かを検出する過電流検出部３７１，３７２が設けられる。
2017183202.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
交流電源の電圧を整流する整流器と、
前記交流電源と前記整流器との間に挿入されたリアクトルと、
前記整流器からの出力電圧を平滑する平滑部と、
開閉動作によって前記整流器の入力端子間を短絡又は開放する双方向スイッチと、
を備え、
前記双方向スイッチの内部に前記双方向スイッチに流れる電流を検出する過電流検出部を備えた交流直流変換装置。
【請求項２】
前記過電流検出部によって前記双方向スイッチに流れる電流が閾値以上であると判定された場合に、前記電流を通電させているスイッチング素子に対するゲート出力を禁止する
請求項１に記載の交流直流変換装置。
【請求項３】
前記双方向スイッチは、前記整流器の一方の入力端子と前記整流器の他方の入力端子との間に電気的に接続されている請求項１又は２に記載の交流直流変換装置。
【請求項４】
前記双方向スイッチは、
一方の極性の電流を通電させる第１スイッチング素子と、他方の極性の電流を通電させる第２スイッチング素子と、が直列に接続されて構成され、
前記第１スイッチング素子は、前記一方の極性の電流を阻止する寄生ダイオードを有し、
前記第２スイッチング素子は、前記他方の極性の電流を阻止する寄生ダイオードを有する
請求項３に記載の交流直流変換装置。
【請求項５】
前記平滑部は、直列に接続された第１及び第２の平滑コンデンサを有してなり、
前記双方向スイッチは、
前記整流器の一方の入力端子と前記第１及び第２の平滑コンデンサの接続点との間に電気的に接続された第１の双方向スイッチと、
前記整流器の他方の入力端子と前記接続点との間に電気的に接続された第２の双方向スイッチと、
を備えた請求項１又は２に記載の交流直流変換装置。
【請求項６】
前記双方向スイッチは、
前記整流器の一方の入力端子と前記整流器の他方の入力端子との間に電気的に接続された第１の双方向スイッチと、
前記一方の入力端子と前記他方の入力端子との間に電気的に接続された第２の双方向スイッチと、
を備えた請求項１又は２に記載の交流直流変換装置。
【請求項７】
前記第１及び第２の双方向スイッチは、
一方の極性の電流を通電させる第１スイッチング素子と、他方の極性の電流を阻止する第１整流素子とが直列に接続されて構成された第１スイッチと、
前記他方の極性の電流を通電させる第２スイッチング素子と、前記一方の極性の電流を阻止する第２整流素子とが直列に接続されて構成された第２スイッチと、
を有してなり、
前記第１スイッチと前記第２スイッチとが並列に接続されて構成されている請求項５又は６に記載の交流直流変換装置。
【請求項８】
前記第１整流素子として前記第１スイッチング素子の寄生ダイオードを利用し、
前記第２整流素子として前記第２スイッチング素子の寄生ダイオードを利用する
請求項７に記載の交流直流変換装置。
【請求項９】
前記第１及び第２のスイッチング素子としてＭＯＳＦＥＴを用いた請求項４、７及び８のうちの何れか１項に記載の交流直流変換装置。
【請求項１０】
前記第１及び第２のスイッチング素子は、ワイドバンドギャップ半導体を素材とするスイッチング素子である請求項４及び請求項７から９のうちの何れか１項に記載の交流直流変換装置。
【請求項１１】
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又はダイヤモンドである請求項１０に記載の交流直流変換装置。
【請求項１２】
請求項１から１１のうちの何れか１項に記載の交流直流変換装置と、
前記交流直流変換装置から出力される直流電力を交流電力に変換するインバータと、
前記インバータにより駆動される電動機を具備する圧縮機と、
を備えた空気調和機。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、交流電源から供給される交流電力を直流電力に変換する交流直流変換装置及び当該交流直流変換装置を備えた空気調和機に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来の交流直流変換装置として、例えば下記特許文献１には、交流電源にリアクトルを介して接続される整流器と、整流器の出力端子間に直列に接続された２つのコンデンサと、一端が整流器の一方の入力端子に接続され、他端が２つのコンデンサの接続点に接続された第１の双方向スイッチと、一端が整流器の他方の入力端子に接続され、他端が第１の双方向スイッチの他端に接続された第２の双方向スイッチと、を備え、交流電源の半周期間中に第１及び第２の双方向スイッチを動作させる構成が開示されている。【０００３】
特許文献１の交流直流変換装置では、第１及び第２の双方向スイッチに具備されるスイッチング素子のそれぞれを低周波でパルス幅変調（Ｐｕｌｓｅ  Ｗｉｄｔｈ  Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ：以下「ＰＷＭ」と表記）動作させ、電源電流を正弦波に近づけて高調波電流を抑制すると共に、直流電圧をフィードバック制御して電源力率の改善を図っている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】国際公開第２００９／０２８０５３号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上記特許文献１のように双方向スイッチを用いて交流直流変換装置を構成する場合、当該双方向スイッチに具備されるスイッチング素子を過電流から保護することが要請される。このような過電流保護において、例えば交流側に双方向スイッチを用いる場合、直流側の電流を検出して保護を行う方法が知られている。【０００６】
しかしながら、上記の従来方法では、装置が簡素化できるというメリットはあるものの、過電流検出の応答速度を上げられないという課題があった。【０００７】
本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、双方向スイッチに具備されるスイッチング素子を過電流から保護する場合において、過電流検出の応答速度を高めることができる交流直流変換装置及び空気調和機を得ることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上述した課題を解決し、目的を達成するため、本発明に係る交流直流変換装置は、交流電源の電圧を整流する整流器、交流電源と整流器との間に挿入されたリアクトル、整流器からの出力電圧を平滑する平滑部、及び開閉動作によって整流器の入力端子間を短絡又は開放する双方向スイッチを備える。双方向スイッチの内部には双方向スイッチに流れる電流を検出する過電流検出部が設けられる。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、双方向スイッチに具備されるスイッチング素子を過電流から保護する場合において、過電流検出の応答速度を高めることができるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】実施の形態１に係る交流直流変換装置の一構成例を示す回路図
【図２】図１に示す第１の双方向スイッチの詳細構成を示すブロック図
【図３】実施の形態１に係る交流直流変換装置の動作原理を説明するための理想状態における等価回路を示す図
【図４】実施の形態１に係る交流直流変換装置の制御部における制御ブロック例を示す図
【図５】実施の形態１に係る交流直流変換装置の制御部における他の制御ブロック例を示す図
【図６】第１の双方向スイッチに流れる電流Ｉａの波形例を示す図
【図７】第１の双方向スイッチの第１スイッチに流れる電流Ｉｂの波形例を示す図
【図８】第１の双方向スイッチの第２スイッチに流れる電流Ｉｃの波形例を示す図
【図９】電流検出部の内部の構成例を示すブロック図
【図１０】過電流検出部の内部の構成例を示すブロック図
【図１１】図２に示した第１及び第２スイッチにおける各整流素子をスイッチング素子に置き換えた構成を示すブロック図
【図１２】実施の形態３に係る交流直流変換装置の一構成例を示す回路図
【図１３】実施の形態４に係る交流直流変換装置の一構成例を示す回路図
【図１４】図１３の通電部を構成する双方向スイッチの詳細構成を示すブロック図
【図１５】実施の形態５に係る空気調和機の一構成例を示す図
【図１６】実施の形態１〜５で説明した制御部及び駆動制御部に係るハードウェア構成の一例を示すブロック図
【図１７】実施の形態１〜５で説明した制御部及び駆動制御部に係るハードウェア構成の他の例を示すブロック図
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下に、本発明の実施の形態に係る交流直流変換装置及び空気調和機を図面に基づいて詳細に説明する。なお、以下の実施の形態により、本発明が限定されるものではない。
【００１２】
実施の形態１．
図１は、実施の形態１に係る交流直流変換装置の一構成例を示す回路図である。図１に示すように、実施の形態１に係る交流直流変換装置は、交流電源１から供給される交流電力を直流電力に変換して直流負荷８に供給するように構成されている。実施の形態１に係る交流直流変換装置は、交流電源１の電圧を整流する整流器２と、直列に接続された第１及び第２の平滑コンデンサ（６ａ，６ｂ）により構成され、整流器２からの出力電圧を平滑する平滑部７と、整流器２の一方の入力端子と第１及び第２の平滑コンデンサ（６ａ，６ｂ）同士の接続点との間に挿入された第１のスイッチ手段である第１の双方向スイッチ３ａと、整流器２の他方の入力端子と平滑コンデンサ６ａ，６ｂの接続点との間に挿入された第２のスイッチ手段である第２の双方向スイッチ３ｂと、交流電源１と整流器２の一方の入力端子との間に挿入されたリアクトル５と、を備えている。
【００１３】
リアクトル５は、交流電源１が出力するピーク電圧よりも高い電圧を整流器２に印加するために設けられている。すなわち、リアクトル５は、交流直流変換装置における昇圧機能を具現する構成要素である。なお、リアクトル５は、交流電源１と整流器２の他方の入力端子との間に挿入されていてもよいし、交流電源１と整流器２の一方及び他方の入力端子との間のそれぞれに挿入されていてもよい。
【００１４】
整流器２は、４個の整流ダイオード２ａ〜２ｄをブリッジ接続して構成される。第１の双方向スイッチ３ａ及び第２の双方向スイッチ３ｂは、通電部３を構成する。
【００１５】
通電部３において、第１の双方向スイッチ３ａの一方の端子３ａ３は整流器２の一方の入力端子２ｅ１に電気的に接続され、他方の端子３ａ４は平滑コンデンサ６ａ，６ｂの接続点に電気的に接続されている。また、第２の双方向スイッチ３ｂの一方の端子３ｂ３は整流器２の他方の入力端子２ｅ２に電気的に接続され、第２の双方向スイッチ３ｂの他方の端子３ｂ４は平滑コンデンサ６ａ，６ｂの接続点に電気的に接続されている。
【００１６】
上記の構成に加え、実施の形態１に係る交流直流変換装置は、電流をセンシングする電流検出素子２２と、電流検出素子２２がセンシングした電流に基づいて電源電流を検出する電流検出部２４と、平滑部７が直流負荷８に印加する直流電圧を検出する直流電圧検出部２１と、電源電圧を検出する電源電圧検出部２３と、直流電圧検出部２１、電源電圧検出部２３及び電流検出部２４によって検出された各検出値に基づいて駆動信号Ｓ１，Ｓ２を生成して通電部３を制御する制御部２０と、を備えている。
【００１７】
図２は、通電部３を構成する第１の双方向スイッチ３ａの詳細構成を示すブロック図である。第１の双方向スイッチ３ａは、図２に示すように、整流素子３４１、スイッチング素子３３１、電流検出素子３５１、電流検出部３６１、過電流検出部３７１及びゲート信号出力部３２１を含む第１スイッチ３ａ１と、整流素子３４２、スイッチング素子３３２、電流検出素子３５２、電流検出部３６２、過電流検出部３７２及びゲート信号出力部３２２を含む第２スイッチ３ａ２と、を備えている。
【００１８】
ここで図中のＩａに示す矢印方向に流れる電流を一方の極性の電流とし、矢印とは反対方向に流れる電流を他方の極性の電流として定義する。このように定義した極性を用いて、第１及び第２スイッチ（３ａ１，３ａ２）におけるスイッチング素子の接続を説明すると以下の通りである。
【００１９】
第１スイッチ３ａ１は、一方の極性の電流を通電させるスイッチング素子３３１と、一方の極性の電流を通過させる整流素子３４１と、が直列に接続されて構成され、第２スイッチ３ａ２は、他方の極性の電流を通電させるスイッチング素子３３２と、他方の極性の電流を通過させる整流素子３４２と、が直列に接続されて構成されている。なお、表現を換え、第１スイッチ３ａ１は、一方の極性の電流を通電させるスイッチング素子３３１と、他方の極性の電流を阻止する整流素子３４１と、が直列に接続されて構成され、第２スイッチ３ａ２は、他方の極性の電流を通電させるスイッチング素子３３２と、一方の極性の電流を阻止する整流素子３４２と、が直列に接続されて構成されている、と言い換えてもよい。
【００２０】
なお、図２では、スイッチング素子３３１，３３２としてＭＯＳＦＥＴを例示しているが、ＩＧＢＴを含む他のスイッチング素子でもよい。スイッチング素子の選定は、耐圧及び効率を考慮しつつ、目的に応じて行うのがよい。効率を重視する場合は、使用する電流領域において選定するのがよい。
【００２１】
ＭＯＳＦＥＴは、ＩＧＢＴと比較すると、低電流領域においてオン抵抗が小さいため、効率面で優位である。なお、ＭＯＳＦＥＴを用いれば、高速スイッチングが可能となり、導通損失を抑制することができる。逆に、高電流領域で使用する場合、ＭＯＳＦＥＴよりもＩＧＢＴの方が効率面で優位となる場合もある。
【００２２】
まず、第１スイッチ３ａ１について説明する。電流検出素子３５１は、スイッチング素子３３１に流れる電流をセンシングする。電流検出素子３５１としては、カレントトランス又はシャント抵抗が例示される。
【００２３】
電流検出部３６１は、電流検出素子３５１の出力Ｖｓｈ１１を過電流検出部３７１の処理に適した電流値Ｖｓｈ２１に変換する。電流検出部３６１としては、増幅器が例示される。
【００２４】
過電流検出部３７１は、電流検出部３６１により得られた電流値Ｖｓｈ２１を受領し、電流値Ｖｓｈ２１を閾値と比較する。過電流検出部３７１は、電流値Ｖｓｈ２１のレベル判定を行い、判定結果Ｖｊｕｄ１を出力する。すなわち、過電流検出部３７１は、スイッチング素子３３１に流れる電流を検出し、当該電流が過電流か否かを検出する。過電流検出部３７１としては、比較器が例示される。
【００２５】
ゲート信号出力部３２１は、過電流検出部３７１による判定結果Ｖｊｕｄ１を受領する。判定結果Ｖｊｕｄ１は、スイッチング素子３３１へのゲート出力を許可あるいは禁止する信号である。ゲート信号出力部３２１は、判定結果Ｖｊｕｄ１が許可を意味する旨の信号であればスイッチング素子３３１へのゲート出力、すなわちスイッチング素子３３１への駆動信号Ｓ１の出力を許可する。一方、判定結果Ｖｊｕｄ１が禁止を意味する旨の信号であれば、ゲート信号出力部３２１は、スイッチング素子３３１へのゲート出力、すなわちスイッチング素子３３１への駆動信号Ｓ１の出力を禁止する。
【００２６】
第２スイッチ３ａ２も同様の構成である。電流検出素子３５２は、スイッチング素子３３２に流れる電流をセンシングする。電流検出部３６２は、電流検出素子３５２の出力Ｖｓｈ１２を過電流検出部３７２の処理に適した電流値Ｖｓｈ２２に変換する。過電流検出部３７２は、電流検出部３６２により得られた電流値Ｖｓｈ２２を受領し、電流値Ｖｓｈ２２を閾値又は判定値と比較する。過電流検出部３７２は、電流値Ｖｓｈ２２のレベル判定を行い、判定結果Ｖｊｕｄ２を出力する。すなわち、過電流検出部３７２は、スイッチング素子３３２に流れる電流が過電流か否かを検出する。ゲート信号出力部３２２は、過電流検出部３７２による判定結果Ｖｊｕｄ２を受領する。判定結果Ｖｊｕｄ２は、スイッチング素子３３２へのゲート出力を許可あるいは禁止する信号である。ゲート信号出力部３２２は、判定結果Ｖｊｕｄ２が許可を意味する旨の信号であればスイッチング素子３３２へのゲート出力を許可し、禁止を意味する旨の信号であればスイッチング素子３３２へのゲート出力を禁止する。
【００２７】
なお、通電部３の内部に、電流検出素子３５１，３５２を設ける構成は、炭化珪素（ＳｉＣ）、窒化ガリウム（ＧａＮ）又はダイヤモンドに代表されるワイドバンドギャップ半導体を素材とするスイッチング素子（以下「ＷＢＧスイッチング素子」と称する）に用いて好適である。ＷＢＧスイッチング素子を用いると、珪素（Ｓｉ）を素材とする従来素子に比してスイッチング時間を非常に短くすることができるので、高速且つ低損失なスイッチング動作が可能となる。
【００２８】
ただし、保護対象であるＷＢＧスイッチング素子が高速なスイッチング動作を行うが故に、従来のように保護対象に流れる電流を直接的に検出せずに過電流保護を行うことでは、保護対象のスイッチング素子を充分に保護することができない可能性があった。本願発明者らは、このような知見に基づき、保護対象であるスイッチング素子３３１，３３２に流れる電流を直接的に検出するための電流検出素子３５１，３５２を設けると共に、スイッチング素子３３１，３３２に流れる電流が過電流か否かを検出する過電流検出部３７１，３７２を第１及び第２の双方向スイッチ（３ａ，３ｂ）の内部に設けることにした。
【００２９】
なお、第１の双方向スイッチ３ａの内部に電流検出素子３５１及び過電流検出部３７１を設ける構成、並びに、第２の双方向スイッチ３ｂの内部に電流検出素子３５２及び過電流検出部３７２を設ける構成がＷＢＧスイッチング素子に有用であることは上述の通りであるが、従来素子を用いる場合でも、高周波でＰＷＭ動作させる用途において、本手法の適用が有用であることは言うまでもない。
【００３０】
次に、実施の形態１に係る交流直流変換装置の動作原理について、図３を参照して説明する。図３は、実施の形態１に係る交流直流変換装置の動作原理を説明するための理想状態における等価回路を示す図である。なお、交流電源１及びリアクトル５は図１に示すものと同様であり、図１中のａ−ｂから直流負荷８側を見た構成を仮想交流電源９とする。また、交流電源１の両端電圧をＶｓ、仮想交流電源９の両端電圧、すなわち図１中のａ−ｂ間の電圧をＶｃ、リアクトル５に流れる電流をＩとする点も図１と同様である。実施の形態１に係る交流直流変換装置は、図２に示すような仮想交流電源９として表されるように、第１及び第２の双方向スイッチ（３ａ，３ｂ）をスイッチ動作させることで実現する。
【００３１】
交流電源１と仮想交流電源９との差電圧によって、リアクトル５に流れる電流Ｉが決まる。仮想交流電源９より出力される電圧Ｖｃが正弦波状であれば、リアクトル５に流れる電流Ｉ、すなわち仮想交流電源９の入力電流も正弦波化された電流が流れ、高調波電流が抑制される。また、電流Ｉと交流電源１との位相差が零となると、電源力率は１００％となることから、仮想交流電源９における振幅|Ｖｃ|、及び、交流電源１の電圧Ｖｓと仮想交流電源９の電圧Ｖｃとの位相差φを適切に制御して正弦波電圧を出力すれば、電流Ｉの高調波を抑制し、電源力率の向上を実現できる。
【００３２】
次に、実施の形態１に係る交流直流変換装置の制御手段について、図４を参照して説明する。図４は、実施の形態１に係る交流直流変換装置の制御部２０における制御ブロック例を示す図である。
【００３３】
ＰＩ制御器３０には、直流電圧指令値Ｖｄｃ*と直流電圧検出部２１により検出された直流電圧検出値Ｖｄｃとの差分が入力される。ＰＩ制御器３０は、入力された直流電圧指令値Ｖｄｃ＊と予め設定された直流電圧検出値Ｖｄｃとの差分が零となるような電流指令値Ｉｐ*を出力する。
【００３４】
一方、ＰＱ変換器３１には、電流検出部２４により検出された入力電流の瞬時値（以下単に「入力電流」と称する）Ｉｓと電源電圧検出部２３により検出された電源電圧の位相角（以下「電源位相」と称する）θとが入力される。ＰＱ変換器３１は、入力電流Ｉｓの有効電力成分であるＰ軸成分と入力電流Ｉｓの無効電力成分であるＱ軸成分とに分離する。
【００３５】
ＰＩ制御器３３には、電流指令値Ｉｐ*とローパスフィルタ（Ｌｏｗ  Ｐａｓｓ  Ｆｉｌｔｅｒ：以下「ＬＰＦ」と表記）３２ａによりフィルタ処理された入力電流ＩｓのＰ軸成分Ｉｐとの差分が入力される。ＰＩ制御器３３は、電流指令値Ｉｐ*と入力電流ＩｓのＰ軸成分Ｉｐとの差分が零となるような両端電圧指令値のＰ軸成分Ｖｐ*を演算する。
【００３６】
ＰＩ制御器３４には、零とＬＰＦ３２ｂによりフィルタ処理された入力電流ＩｓのＱ軸成分Ｉｑとの差分が入力される。ＰＩ制御器３４は、零と入力電流ＩｓのＱ軸成分Ｉｑとの差分が零、つまり、入力電流ＩｓのＱ軸成分Ｉｑが零となるような両端電圧指令値のＱ軸成分Ｖｑ*を演算する。
【００３７】
逆ＰＱ変換器３５には、両端電圧指令値のＰ軸成分Ｖｐ*と両端電圧指令値のＱ軸成分Ｖｑ*と電源電圧の電源位相θとが入力される。逆ＰＱ変換器３５は、両端電圧指令値のＰ軸成分Ｖｐ*と両端電圧指令値のＱ軸成分Ｖｑ*とを逆変換して、仮想交流電源９の電圧をＶｃとするための両端電圧指令値Ｖｃ*を出力する。
【００３８】
上記のように制御することにより、電源力率が１００％、すなわち電流の無効電力成分が零となり、直流負荷８に印加する直流電圧が直流電圧指令値Ｖｄｃ*となるように制御することが可能となる。
【００３９】
図５は、実施の形態１に係る交流直流変換装置の制御部２０における他の制御ブロック例を示す図である。図５では、図４に示す制御ブロックの例に代えて、電源力率＝１００％のときに電圧電流のベクトル関係が直交する性質を利用した構成である。なお、図５に示す制御ブロックの構成は公知であり（例えば、特許文献１）、ここでの詳細な説明は省略する。
【００４０】
上述した図４及び図５に示すような制御ブロックの構成により、第１の双方向スイッチ３ａ及び第２の双方向スイッチ３ｂをＰＷＭスイッチング動作させることにより、高調波電流を抑制しつつ、電源力率の改善を図ることができる。
【００４１】
図６は、第１の双方向スイッチ３ａに流れる電流Ｉａの波形例を示す図である。電流Ｉａの極性は、図２において、矢印で示す方向を正としている。電流Ｉａは分流前の波形であり、電流Ｉａの電流極性は、図６に示すように、正負両側に振れる形となる。
【００４２】
図７は、第１の双方向スイッチ３ａの第１スイッチ３ａ１に流れる電流Ｉｂの波形例を示す図である。電流Ｉｂは、スイッチング素子３３１がオン状態となるときに流れる電流である。図７において、電流Ｉｂは分流後の波形であり、電流Ｉｂの極性を電流Ｉａと同方向に定義すれば、正側のみに振れる形となる。
【００４３】
図８は、第１の双方向スイッチ３ａの第２スイッチ３ａ２に流れる電流Ｉｃの波形例を示す図である。電流Ｉｃは、スイッチング素子３３２がオン状態となるときに流れる電流である。図８において、電流Ｉｃは分流後の波形であり、電流Ｉｃの極性を電流Ｉａと同方向に定義すれば、負側のみに振れる形となる。
【００４４】
図９は、電流検出部３６１の内部の構成例を示すブロック図である。電流検出部３６１は、加算部４１１ａ及び増幅部４２１ａで構成される。加算部４１１ａは、電流検出素子３５１で得られた出力Ｖｓｈ１１にオフセットＶｏｆｓ１１を加算する。増幅部４２１ａは、加算部４１１ａの出力を増幅する。これにより、増幅部４２１ａの出力は、加算部４１１ａの出力に所望のゲインが乗じられ、後段の過電流検出部３７１で処理できる範囲の値に調整される。
【００４５】
なお、電流検出素子３５１の仕様又は使用電流範囲によっては、加算部４１１ａ及び増幅部４２１ａによる処理が不要となる場合もある。このような場合には、加算部４１１ａ及び増幅部４２１ａを適宜省略してもよい。
【００４６】
また、図９では、加算部４１１ａの後段に増幅部４２１ａを配置しているが、これらの接続順序を逆にしてもよい。なお、図示は省略するが、電流検出部３６２も同様な構成部を有し、且つ、同様な処理を行う。
【００４７】
図１０は、過電流検出部３７１の内部の構成例を示すブロック図である。過電流検出部３７１は、比較部４４１で構成される。比較部４４１としては、比較器が例示される。
【００４８】
比較部４４１には、図示のように、電流検出部３６１の出力である電流値Ｖｓｈ２１と、比較のための判定値である閾値Ｖｒｅｆ２１とが入力される。電流検出部３６１の出力Ｖｓｈ２１が閾値Ｖｒｅｆ２１を超えた場合、比較部４４１の出力Ｖｊｕｄ１が“Ｈｉｇｈ”の状態から“Ｌｏｗ”の状態に切り替わるように設定しておく。ゲート信号出力部３２１は、Ｖｊｕｄ１が“Ｌｏｗ”状態の場合、強制的にスイッチング素子３３１へのゲート出力を停止する。
【００４９】
なお、上記では、電流検出部３６１の出力Ｖｓｈ２１が閾値Ｖｒｅｆ２１の値を超えた場合に、比較部４４１の出力Ｖｊｕｄ１が切り替わるように設定されている例を説明したが、電流検出部３６１の出力Ｖｓｈ２１が閾値Ｖｒｅｆ２１以上の場合に、比較部４４１の出力Ｖｊｕｄ１が切り替わるように設定されていてもよい。
【００５０】
また、上記では、電流検出部３６１の出力Ｖｓｈ２１が閾値Ｖｒｅｆ２１を超えた場合、比較部４４１の出力Ｖｊｕｄ１が“Ｈｉｇｈ”の状態から“Ｌｏｗ”の状態に切り替わるように設定されている例を説明したが、比較部４４１の出力Ｖｊｕｄ１が“Ｌｏｗ”の状態から“Ｈｉｇｈ”の状態に切り替わるように設定され、Ｖｊｕｄ１が“Ｈｉｇｈ”状態の場合に、ゲート信号出力部３２１が、強制的にスイッチング素子３３１へのゲート出力を停止するように動作してもよい。
【００５１】
なお、図示は省略するが、第２スイッチ３ａ２も図９及び図１０と同様な構成部を有し、且つ、同様な処理を行う。ただし、過電流検出部３７１における閾値Ｖｒｅｆ２１と、過電流検出部３７２における閾値Ｖｒｅｆ２１とは、同じ値ではなく異なっていてもよい。双方向スイッチに具備される一方のスイッチング素子と、他方のスイッチング素子とでは、素子の特性が異なる場合がある。このような場合に、過電流検出部３７１における閾値Ｖｒｅｆ２１と、過電流検出部３７２における閾値Ｖｒｅｆ２１と異ならせることにより、電流方向に応じた過電流停止レベルの設定処理、別言すれば素子の特性に応じた過電流停止レベルの設定処理が可能となる。
【００５２】
以上説明したように、実施の形態１に係る交流直流変換装置によれば、通電部を構成する双方向スイッチの内部に双方向スイッチに流れる閾値以上の電流を検出する過電流検出部を備えているので、双方向スイッチに流れる閾値以上の電流、すなわち双方向スイッチに流れる過電流を直接的に検出することができ、双方向スイッチに流れる過電流の検出応答速度の向上が可能となる。過電流検出部で過電流を検出した場合、整流器の入力端子間が開放された状態となるので、過電流検出時には昇圧動作を即時に停止することが可能となる。
【００５３】
実施の形態２．
実施の形態１の構成において、第１の双方向スイッチ３ａの第１スイッチ３ａ１における整流素子３４１及び第２スイッチ３ａ２における整流素子３４２については、ＭＯＳＦＥＴのような寄生ダイオードが形成されるスイッチング素子に置き換えてもよい。図１１は、図２に示した第１スイッチ３ａ１における整流素子３４１をスイッチング素子３８１に置き換え、第２スイッチ３ａ２における整流素子３４２をスイッチング素子３８２に置き換えた構成を示すブロック図である。
【００５４】
図１１に示す第１スイッチ３ａ１において、駆動信号Ｓ１がスイッチング素子３３１のゲートに印加された場合でも、スイッチング素子３３１がオフとなるタイミングにおいては、スイッチング素子３８１の寄生ダイオードによってスイッチング素子３３１，３８１に流れる電流が阻止されるため、図２に示す第１スイッチ３ａ１と同じ回路動作となる。また、図１１に示す第２スイッチ３ａ２において、駆動信号Ｓ１がスイッチング素子３３２のゲートに印加された場合でも、スイッチング素子３３２がオフとなるタイミングにおいては、スイッチング素子３８２の寄生ダイオードによってスイッチング素子３３２，３８２に流れる電流が阻止されるため、図２に示す第２スイッチ３ａ２と同じ回路動作となる。このため、図１１に示す第１スイッチ３ａ１及び第２スイッチ３ａ２を含む第１の双方向スイッチ３ａ、並びに、同様に構成される第２の双方向スイッチ３ｂを適用して構成しても実施の形態１と同様の効果が得られる。
【００５５】
なお、スイッチング素子３８１，３８２の各寄生ダイオードによって通流する期間においては、該当するスイッチング素子をオンするように制御してもよい。このような制御は同期整流と称されている。スイッチング素子３３１，３３２に流れる電流が低電流の期間では、寄生ダイオードに通流させるよりもスイッチング素子３８１，３８２の導通路を利用した方が損失が小さくなる。このため、スイッチング素子３８１，３８２に対して同期整流の制御を行えば、効率を高めることが可能となる。
【００５６】
実施の形態３．
図１２は、実施の形態３に係る交流直流変換装置の一構成例を示す回路図である。実施の形態３に係る交流直流変換装置において、図１に示す実施の形態１に係る交流直流変換装置との相違点は、平滑部７の構成と、第１及び第２の双方向スイッチ（３ａ，３ｂ）の接続構成である。以下、相違点について説明する。
【００５７】
まず、図１に示す平滑部７は、直列に接続された第１及び第２の平滑コンデンサ（６ａ，６ｂ）により構成されていたが、図１２の構成では、一つの平滑コンデンサ６のみで構成されている。また、図１において、第１の双方向スイッチ３ａの一方の端子３ａ３は整流器２の一方の入力端子２ｅ１に電気的に接続され、第１の双方向スイッチ３ａの他方の端子３ａ４は平滑コンデンサ６ａ，６ｂの接続点に電気的に接続されていたが、図１２では、第１の双方向スイッチ３ａの他方の端子３ａ４が整流器２の他方の入力端子２ｅ２に電気的に接続されるように変更されている。また、図１において、第２の双方向スイッチ３ｂの一方の端子３ｂ３は整流器２の他方の入力端子２ｅ２に電気的に接続され、第２の双方向スイッチ３ｂの他方の端子３ｂ４は平滑コンデンサ６ａ，６ｂの接続点に電気的に接続されていたが、図１２では、第２の双方向スイッチ３ｂの他方の端子３ｂ４が整流器２の一方の入力端子２ｅ１に電気的に接続されるように変更されている。なお、その他の構成は、図１に示すものと同一又は同等であり、同一又は同等の構成部については同一の符号を付し、詳細な説明は省略する。
【００５８】
第１及び第２の双方向スイッチ（３ａ，３ｂ）は、何れも正極性及び負極性の両極性に対応可能であるため、両極性の電圧を印加する交流電源１に用いることができる。なお、第１及び第２の双方向スイッチ（３ａ，３ｂ）としては、図２に示す実施の形態１の構成、図１１に示す実施の形態２の構成の何れのものを用いてもよい。また、図１，１２共に、交流電源１は単相電源を例示しているが、三相電源にも適用可能である。第１及び第２の双方向スイッチ（３ａ，３ｂ）の動作は、実施の形態１，２のときと同様であり、実施の形態１，２の場合と同様の効果が得られる。
【００５９】
実施の形態４．
図１３は、実施の形態４に係る交流直流変換装置の一構成例を示す回路図である。図１３に示す構成では、図１２に示す実施の形態３に係る交流直流変換装置において、第１及び第２の双方向スイッチ（３ａ，３ｂ）を有する通電部３を、双方向スイッチ３ａｂを有する通電部３に置き換えたものである。
【００６０】
通電部３において、双方向スイッチ３ａｂの一方の端子３ａｂ１は整流器２の一方の入力端子２ｅ１に電気的に接続され、双方向スイッチ３ａｂの他方の端子３ａｂ２は整流器２の他方の入力端子２ｅ２に電気的に接続されている。なお、その他の構成は、図１２に示すものと同一又は同等であり、同一又は同等の構成部については同一の符号を付し、詳細な説明は省略する。
【００６１】
図１４は、図１３の通電部３を構成する双方向スイッチ３ａｂの詳細構成を示すブロック図である。双方向スイッチ３ａｂは、図１４に示すように、スイッチング素子３３１，３３２、電流検出素子３５１、電流検出部３６１，３６２、過電流検出部３７１，３７２及びゲート信号出力部３２１，３２２を含む構成である。図１４と図１１とを比較すると、電流検出素子３５２及びスイッチング素子３８１，３８２が不要となっている。
【００６２】
図１４において、スイッチング素子３３１，３３２として例示したＭＯＳＦＥＴは、正極性及び負極性の両極性に対応可能なスイッチング素子であるため、両極性の電圧を印加する交流電源１の両端に接続することが可能である。
【００６３】
以上説明したように、実施の形態４に係る交流直流変換装置によれば、開閉動作によって整流器の入力端子間を短絡又は開放する双方向スイッチ備え、双方向スイッチの内部に双方向スイッチに流れる電流が閾値以上であるか否かを検出する過電流検出部を備えているので、双方向スイッチに具備されるスイッチング素子を過電流から保護する場合において、過電流検出の応答速度を高めることが可能となる。
【００６４】
また、実施の形態４に係る双方向スイッチによれば、双方向スイッチの構成を簡素化することができるので、装置サイズ及び装置コストの抑制に効果的である。
【００６５】
実施の形態５．
実施の形態５では、実施の形態１〜４において説明した交流直流変換装置を備えた空気調和機について説明する。
【００６６】
図１５は、実施の形態５に係る空気調和機の一構成例を示す図である。実施の形態５に係る空気調和機は、図１５に示すように、実施の形態１〜４において説明した交流直流変換装置４０と、交流直流変換装置４０から供給される直流電力を交流電力に変換するインバータ４１と、インバータ４１から供給される交流電力により駆動される電動機５８と、電動機５８に流れる電流を検出する電流検出部４２ａ，４２ｂと、電流検出部４２ａ，４２ｂおよび電圧検出部４４により検出された各検出値に基づいて、電動機５８を駆動制御する駆動制御部４３と、電動機５８を内蔵した圧縮機５１、四方弁５２、室外熱交換器５３、膨張弁５４及び室内熱交換器５５を備えると共に、圧縮機５１、四方弁５２、室外熱交換器５３、膨張弁５４及び室内熱交換器５５が冷媒配管５６を介して順次接続されて構成されている。
【００６７】
圧縮機５１の内部には冷媒を圧縮する圧縮機構５７と、これを動作させる電動機５８とが設けられ、圧縮機５１から室外熱交換器５３と室内熱交換器５５との間を冷媒が循環することで冷暖房、冷凍を行う冷凍サイクルが構成される。
【００６８】
実施の形態１〜４において説明した交流直流変換装置は、双方向スイッチに具備されるスイッチング素子を過電流から保護することができる。このため、実施の形態１〜４に係る交流直流変換装置を空気調和機に適用すれば、信頼性の高い空気調和機を提供することが可能となる。
【００６９】
最後に、実施の形態１〜５で説明した制御部２０及び駆動制御部４３における一部の機能（以下単に「制御部の機能」と略す）をソフトウェアで実現する際のハードウェア構成について、図１６を参照して説明する。制御部の機能をソフトウェアで実現する場合には、図１６に示すように、演算を行うＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ  Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ  Ｕｎｉｔ：中央処理装置）２００、ＣＰＵ２００によって読みとられるプログラムが保存されるメモリ２０２及び信号の入出力を行うインタフェース２０４を含む構成とすることができる。なお、ＣＰＵ２００は、演算装置、マイクロプロセッサ、マイクロコンピュータ、プロセッサ、又はＤＳＰ（Ｄｉｇｉｔａｌ  Ｓｉｇｎａｌ  Ｐｒｏｃｅｓｓｏｒ）などと称されるものであってもよい。また、メモリ２０２とは、例えば、ＲＡＭ（Ｒａｎｄｏｍ  Ａｃｃｅｓｓ  Ｍｅｍｏｒｙ）、ＲＯＭ（Ｒｅａｄ  Ｏｎｌｙ  Ｍｅｍｏｒｙ）、フラッシュメモリ、ＥＰＲＯＭ（Ｅｒａｓａｂｌｅ  Ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ  ＲＯＭ）、ＥＥＰＲＯＭ（Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌｌｙ  ＥＰＲＯＭ）などの、不揮発性又は揮発性の半導体メモリなどが該当する。
【００７０】
具体的に、メモリ２０２には、制御部の機能を実行するプログラムが格納されている。ＣＰＵ２００は、インタフェース２０４を介して、必要な情報の授受を行うことにより、実施の形態１〜５で説明された各種の演算処理を実行する。
【００７１】
なお、図１６に示すＣＰＵ２００及びメモリ２０２は、図１７のように処理回路２０３に置き換えてもよい。処理回路２０３は、例えば、単一回路、複合回路、プログラム化したプロセッサ、並列プログラム化したプロセッサ、ＡＳＩＣ（Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ  Ｓｐｅｃｉｆｉｃ  Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ  Ｃｉｒｃｕｉｔ）、ＦＰＧＡ（Ｆｉｅｌｄ−Ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ  Ｇａｔｅ  Ａｒｒａｙ）、又は、これらを組み合わせたものが該当する。
【００７２】
なお、以上の実施の形態に示した構成は、本発明の内容の一例を示すものであり、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、構成の一部を省略、変更することも可能である。
【符号の説明】
【００７３】
１  交流電源、２  整流器、２ａ〜２ｄ  整流ダイオード、２ｅ１  一方の入力端子、２ｅ２  他方の入力端子、３  通電部、３ａ  第１の双方向スイッチ、３ｂ  第２の双方向スイッチ、３ａｂ  双方向スイッチ、３ａ１  第１スイッチ、３ａ２  第２スイッチ、３ａ３  第１の双方向スイッチの一方の端子、３ａ４  第１の双方向スイッチの他方の端子、３ｂ３  第２の双方向スイッチの一方の端子、３ｂ４  第２の双方向スイッチの他方の端子、５  リアクトル、６，６ａ，６ｂ  平滑コンデンサ、７  平滑部、８  直流負荷、９  仮想交流電源、２０  制御部、２１  直流電圧検出部、２２  電流検出素子、２３  電源電圧検出部、２４  電流検出部、３０  ＰＩ制御器、３１  ＰＱ変換器、３３  ＰＩ制御器、３４  ＰＩ制御器、３５  逆ＰＱ変換器、４０  交流直流変換装置、４１  インバータ、４２ａ，４２ｂ  電流検出部、４３  駆動制御部、４４  電圧検出部、５１  圧縮機、５２  四方弁、５３  室外熱交換器、５４  膨張弁、５５  室内熱交換器、５６  冷媒配管、５７  圧縮機構、５８  電動機、２００  ＣＰＵ、２０２  メモリ、２０３  処理回路、２０４  インタフェース、３２１，３２２  ゲート信号出力部、３３１，３３２，３８１，３８２  スイッチング素子、３４１，３４２  整流素子、３５１，３５２  電流検出素子、３６１，３６２  電流検出部、３７１，３７２  過電流検出部、４１１ａ  加算部、４２１ａ  増幅部、４４１  比較部。
【図１】
2017183202.tif 000003
【図２】
2017183202.tif 000004
【図３】
2017183202.tif 000005
【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
2017183202.tif 000009
【図８】
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【図９】
2017183202.tif 000011
【図１０】
2017183202.tif 000012
【図１１】
2017183202.tif 000013
【図１２】
2017183202.tif 000014
【図１３】
2017183202.tif 000015
【図１４】
2017183202.tif 000016
【図１５】
2017183202.tif 000017
【図１６】
2017183202.tif 000018
【図１７】
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【手続補正書】
【提出日】平成30年6月27日(2018.6.27)
【手続補正１】
【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】
交流電源の電圧を整流する整流器と、
前記交流電源と前記整流器との間に挿入されたリアクトルと、
前記整流器からの出力電圧を平滑する平滑部と、
開閉動作によって前記整流器の入力端子間を短絡又は開放する双方向スイッチと、
を備え、
前記双方向スイッチの内部に前記双方向スイッチに流れている電流が過電流であるか否かを検出する過電流検出部を備えた交流直流変換装置。
【請求項２】
前記過電流検出部によって前記双方向スイッチに流れている電流が閾値以上であると判定された場合に、前記電流を通電させているスイッチング素子に対するゲート出力を禁止する
請求項１に記載の交流直流変換装置。
【請求項３】
前記双方向スイッチは、前記整流器の一方の入力端子と前記整流器の他方の入力端子との間に電気的に接続されている請求項１又は２に記載の交流直流変換装置。
【請求項４】
前記双方向スイッチは、
一方の極性の電流を通電させる第１スイッチング素子と、他方の極性の電流を通電させる第２スイッチング素子と、が直列に接続されて構成され、
前記第１スイッチング素子は、前記一方の極性の電流を阻止する寄生ダイオードを有し、
前記第２スイッチング素子は、前記他方の極性の電流を阻止する寄生ダイオードを有する
請求項３に記載の交流直流変換装置。
【請求項５】
前記平滑部は、直列に接続された第１及び第２の平滑コンデンサを有してなり、
前記双方向スイッチは、
前記整流器の一方の入力端子と前記第１及び第２の平滑コンデンサの接続点との間に電気的に接続された第１の双方向スイッチと、
前記整流器の他方の入力端子と前記接続点との間に電気的に接続された第２の双方向スイッチと、
を備えた請求項１又は２に記載の交流直流変換装置。
【請求項６】
前記双方向スイッチは、
前記整流器の一方の入力端子と前記整流器の他方の入力端子との間に電気的に接続された第１の双方向スイッチと、
前記一方の入力端子と前記他方の入力端子との間に電気的に接続された第２の双方向スイッチと、
を備えた請求項１又は２に記載の交流直流変換装置。
【請求項７】
前記第１及び第２の双方向スイッチは、
一方の極性の電流を通電させる第１スイッチング素子と、他方の極性の電流を阻止する第１整流素子とが直列に接続されて構成された第１スイッチと、
前記他方の極性の電流を通電させる第２スイッチング素子と、前記一方の極性の電流を阻止する第２整流素子とが直列に接続されて構成された第２スイッチと、
を有してなり、
前記第１スイッチと前記第２スイッチとが並列に接続されて構成されている請求項５又は６に記載の交流直流変換装置。
【請求項８】
前記第１整流素子として前記第１スイッチング素子の寄生ダイオードを利用し、
前記第２整流素子として前記第２スイッチング素子の寄生ダイオードを利用する
請求項７に記載の交流直流変換装置。
【請求項９】
前記第１及び第２のスイッチング素子としてＭＯＳＦＥＴを用いた請求項４、７及び８のうちの何れか１項に記載の交流直流変換装置。
【請求項１０】
前記第１及び第２のスイッチング素子は、ワイドバンドギャップ半導体を素材とするスイッチング素子である請求項４及び請求項７から９のうちの何れか１項に記載の交流直流変換装置。
【請求項１１】
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又はダイヤモンドである請求項１０に記載の交流直流変換装置。
【請求項１２】
請求項１から１１のうちの何れか１項に記載の交流直流変換装置と、
前記交流直流変換装置から出力される直流電力を交流電力に変換するインバータと、
前記インバータにより駆動される電動機を具備する圧縮機と、
を備えた空気調和機。      
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００８
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００８】
上述した課題を解決し、目的を達成するため、本発明に係る交流直流変換装置は、交流電源の電圧を整流する整流器、交流電源と整流器との間に挿入されたリアクトル、整流器からの出力電圧を平滑する平滑部、及び開閉動作によって整流器の入力端子間を短絡又は開放する双方向スイッチを備える。双方向スイッチの内部には、双方向スイッチに流れている電流が過電流であるか否かを検出する過電流検出部が設けられる。
【国際調査報告】
2017183202.tif 000020
2017183202.tif 000021
2017183202.tif 000022
2017183202.tif 000023