(57)【要約】  電力変換装置１００は、交流電源１からの交流電力を直流電力に変換する整流回路３と、交流電源１と整流回路３との間に接続されたリアクタ２を介して交流電源１を短絡する短絡部３０と、短絡部３０のオンオフ動作を制御する複数の駆動パルスを出力する制御部２０と、を備え、制御部２０は、交流電源１の電源電圧の位相に応じて、複数の駆動パルスの各々のオンオフ時間を変化させることにより、負荷の運転領域全体に渡り高効率化を図りながら、高昇圧性能と高調波規格を満たすことができる。
2017085817.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
交流電源からの交流電力を直流電力に変換する整流回路と、
前記交流電源と前記整流回路との間に接続されたリアクタを介して前記交流電源を短絡する短絡部と、
前記短絡部のオンオフ動作を制御する駆動パルスを前記短絡部へ出力する制御部と、
を備え、
前記制御部は、前記電源電圧のゼロクロス点を０ラジアンとして、前記電源電圧の位相が０ラジアンからπ／２ラジアンまでの区間において、前記駆動パルスのオン時間が、前記電源電圧の位相が小さくなるほど長くなるように前記駆動パルスを出力する電力変換装置。
【請求項２】
交流電源からの交流電力を直流電力に変換する整流回路と、
前記交流電源と前記整流回路との間に接続されたリアクタを介して前記交流電源を短絡する短絡部と、
前記短絡部のオンオフ動作を制御する駆動パルスを前記短絡部へ出力する制御部と、
を備え、
前記制御部は、前記電源電圧のゼロクロス点を０ラジアンとして、前記電源電圧の位相がπ／２ラジアンからπラジアンまでの区間において、前記駆動パルスのオン時間が、前記電源電圧の位相が大きくなるほど長くなるように前記駆動パルスを出力する電力変換装置。
【請求項３】
交流電源からの交流電力を直流電力に変換する整流回路と、
前記交流電源と前記整流回路との間に接続されたリアクタを介して前記交流電源を短絡する短絡部と、
前記短絡部のオンオフ動作を制御する駆動パルスを前記短絡部へ出力する制御部と、
を備え、
前記制御部は、前記電源電圧のゼロクロス点を０ラジアンとして、前記電源電圧の位相が０ラジアンからπ／２ラジアンまでの区間において、前記駆動パルスのオン時間における電源電流の変化量が、前記電源電圧の位相が小さくなるほど大きくなるように前記駆動パルスを出力する電力変換装置。
【請求項４】
交流電源からの交流電力を直流電力に変換する整流回路と、
前記交流電源と前記整流回路との間に接続されたリアクタを介して前記交流電源を短絡する短絡部と、
前記短絡部のオンオフ動作を制御する駆動パルスを前記短絡部へ出力する制御部と、
を備え、
前記制御部は、前記電源電圧のゼロクロス点を０ラジアンとして、前記電源電圧の位相がπ／２ラジアンからπラジアンまでの区間において、前記駆動パルスのオン時間における電源電流の変化量が、前記電源電圧の位相が大きくなるほど大きくなるように前記駆動パルスを出力する電力変換装置。
【請求項５】
交流電源からの交流電力を直流電力に変換する整流回路と、
前記交流電源と前記整流回路との間に接続されたリアクタを介して前記交流電源を短絡する短絡部と、
前記短絡部のオンオフ動作を制御する駆動パルスを前記短絡部へ出力する制御部と、
を備え、
前記制御部は、前記電源電圧のゼロクロス点を０ラジアンとして、前記電源電圧の位相が０ラジアンからπ／２ラジアンまでの区間において、前記駆動パルスの数が、前記電源電圧の位相が小さくなるほど少なくなるように前記駆動パルスを出力する電力変換装置。
【請求項６】
交流電源からの交流電力を直流電力に変換する整流回路と、
前記交流電源と前記整流回路との間に接続されたリアクタを介して前記交流電源を短絡する短絡部と、
前記短絡部のオンオフ動作を制御する駆動パルスを前記短絡部へ出力する制御部と、
を備え、
前記制御部は、前記電源電圧のゼロクロス点を０ラジアンとして、前記電源電圧の位相がπ／２ラジアンからπラジアンまでの区間において、前記駆動パルスの数が、前記電源電圧の位相が大きくなるほど少なくなるように前記駆動パルスを出力する電力変換装置。
【請求項７】
交流電源からの交流電力を直流電力に変換する整流回路と、
前記交流電源と前記整流回路との間に接続されたリアクタを介して前記交流電源を短絡する短絡部と、
前記短絡部のオンオフ動作を制御する駆動パルスを前記短絡部へ出力する制御部と、
を備え、
前記制御部は、前記電源電圧のゼロクロス点を０ラジアンとして、前記交流電源の電源電流の値に基づいて、前記電源電圧の位相が０ラジアンからπ／２ラジアンまでの区間、または、前記電源電圧の位相がπ／２ラジアンからπラジアンまでの区間において、前記駆動パルスを出力する電力変換装置。
【請求項８】
交流電源からの交流電力を直流電力に変換する整流回路と、
前記交流電源と前記整流回路との間に接続されたリアクタを介して前記交流電源を短絡する短絡部と、
前記短絡部のオンオフ動作を制御する駆動パルスを前記短絡部へ出力する制御部と、
を備え、
前記制御部は、前記電源電圧のゼロクロス点を０ラジアンとして、前記電源電圧の位相が０ラジアンからπ／２ラジアンまでの区間内に前記駆動パルスの出力を禁止する領域を設け、または前記電源電圧の位相がπ／２ラジアンからπラジアンまでの区間に前記駆動パルスの出力を禁止する領域を設ける電力変換装置。
【請求項９】
前記電力変換装置の負荷側にインバータを接続した請求項１から請求項８の何れか一項に記載の電力変換装置。
【請求項１０】
家電機器、空気調和機、冷凍機器、掃除機、およびハンドドライヤーの何れか一つに搭載される請求項１から請求項９の何れか一項に記載の電力変換装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、交流電力を直流電力に変換する電力変換装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
下記特許文献１に示される従来技術では、電源力率を改善し入力電流に含まれる高調波成分を低減する力率改善回路が開示され、全波整流モードまたは倍電圧整流モードを選択すると共に、短絡素子の短絡開始時期と短絡時間をオープンループにて制御することで力率改善機能と昇圧機能を実現するものである。すなわち、下記特許文献１の従来技術は、整流回路切換用スイッチのオンオフにより整流回路を全波整流モードまたは倍電圧整流モードに制御し、力率改善回路の直流出力電圧を大きく２段階に分け、この２段階に分けた領域を更に短絡素子のオープンループでの短絡可変制御により、力率改善なしと力率改善ありの２段階に分けることにより、全体で４段階の直流出力電圧領域を構成し、これにより直流出力電圧の出力範囲を拡大しつつ、高負荷側での力率を改善することができる。【０００３】
また、下記特許文献２に示される従来技術は、負荷に対応して設定された電圧制御増幅器の出力と平滑コンデンサの直流負荷電圧Ｅとの差ΔＥに対応して直流電圧制御信号を出力する電圧制御増幅器を設け、また、直流電圧制御部からの制御信号と交流電源に同期した正弦波状の同期信号との積から電流基準信号を出力する掛算器を設ける。この電流基準信号と整流素子の交流側電流とを比較することでスイッチ素子を高周波でオンオフ制御し、交流入力電流を正弦波状に制御しながら直流出力電圧を所望の値に制御するものであり、電源力率を１とし、高調波の発生を抑制することができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開平１１−２０６１３０号公報
【特許文献２】特許第２１４０１０３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、上記特許文献１，２の従来技術によれば短絡素子の制御パターンが限定される。すなわちこれらの従来技術では、全負荷領域において電流をフィードバックする高周波スイッチングモードと、電流オープンループ制御の部分スイッチングモードとの何れかに短絡素子の制御パターンが限定される。従って、これらの従来技術は低負荷領域において直流出力電圧が昇圧し過ぎるのを避けるために短絡素子を動作させず、力率改善が行われない。そのため、低負荷領域では入力電流の波形歪みが大きく、高調波成分を多く含む電流がリアクトルを流れてしまい、リアクトル鉄損が増大し、これにより力率改善回路の交直変換効率が低下してしまう。【０００６】
また、上記特許文献１の従来技術において力率改善を行う際の短絡素子の短絡制御は、短絡開始時期および短絡時間をオープンループにて制御し、電源周期に対し一定区間だけ短絡動作を行う部分スイッチング方式であるため、力率改善および直流出力電圧の昇圧ができるものの、高調波発生量が多くなる高負荷側では効果が小さい。そのため、今後の高調波規制強化に伴い、従来技術にて充分な力率改善効果すなわち高調波抑制能力を得るためには、大きなインダクタンス値を有するリアクトルを必要とし、そのため、交直変換効率の低下、回路の大型化およびコストの増加を招くという問題が生じる。また、高調波発生量を一定レベルに抑制しつつ直流出力電圧を昇圧する場合、昇圧能力に限界があるため、高負荷側での運転が不安定になり、あるいは高負荷側での安定運転を考えると負荷の選択幅が狭くなってしまう。【０００７】
本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、負荷の運転領域全体に渡り高効率化を図りながら、高昇圧性能と高調波規格を満たすことができる電力変換装置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に、本発明に係る電力変換装置は、交流電源からの交流電力を直流電力に変換する整流回路と、前記交流電源と前記整流回路との間に接続されたリアクタを介して前記交流電源を短絡する短絡部と、前記短絡部のオンオフ動作を制御する駆動パルスを前記短絡部へ出力する制御部と、を備え、前記制御部は、前記電源電圧のゼロクロス点を０ラジアンとして、前記電源電圧の位相が０ラジアンからπ／２ラジアンまでの区間において、前記駆動パルスのオン時間が、前記電源電圧の位相が小さくなるほど長くなるように前記駆動パルスを出力する。
【発明の効果】
【０００９】
本発明に係る電力変換装置は、負荷の運転領域全体に渡り高効率化を図りながら、高昇圧性能と高調波規格を満たすことができる、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に係る電力変換装置の構成を示す図
【図２】パルス制御用基準電圧生成回路の第１の構成図
【図３】パルス制御用基準電圧生成回路の第２の構成図
【図４】第２のパルス配置部の構成例を示す図
【図５】リアクタ、短絡部、整流回路、および平滑コンデンサから成る簡易回路を示す図
【図６】部分スイッチングパルスモードで交流電源の正極側半周期に短絡素子を１回スイッチングさせたときの電源電流の波形を示す図
【図７】負荷が軽負荷である場合の電源電圧の位相に対する電源電流の絶対値の波形を示す図
【図８】負荷が過負荷である場合の電源電圧の位相に対する電源電流の絶対値の波形を示す図
【図９】実施の形態２に係る電力変換装置の構成を示す図
【図１０】実施の形態２に係る電力変換装置の動作を説明するための図
【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電力変換装置を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施の形態によりこの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に係る電力変換装置の構成を示す図である。電力変換装置１００は、交流電源１からの交流電力を直流電力に変換する整流回路３と、交流電源１と整流回路３との間に接続されたリアクタ２と、交流電源１の電源電流Ｉｓを検出する電流検出手段９と、整流回路３の出力端間に接続され整流回路３から出力される全波整流波形の電圧を平滑化する平滑コンデンサ４と、平滑コンデンサ４の両端電圧である直流出力電圧Ｖｄｃを検出する直流電圧検出部５と、交流電源１の電源電圧Ｖｓを検出する電源電圧検出部６と、リアクタ２を介して交流電源１を短絡する短絡部３０と、短絡部３０のオンオフ動作を制御する複数の駆動パルスＳａ２を出力する制御部２０とを有する。制御部２０は、交流電源１の電圧位相に応じて複数の駆動パルスＳａ２の各々のオンオフ時間を変化させる。
【００１３】
リアクタ２は、短絡部３０よりも交流電源１側に接続され、整流回路３の一方の入力端と交流電源１との間に挿入されている。整流回路３は４つのダイオードを組み合わせたダイオードブリッジで構成されている。直流電圧検出部５は、増幅器あるいはレベルシフト回路で実現され、平滑コンデンサ４の両端電圧を検出し、検出した電圧を制御部２０が取り扱い可能な低圧範囲内の電圧検出値である直流出力電圧Ｖｄｃに変換して出力する。電流検出手段９は、電流検出素子８と電流検出部７で構成される。電流検出素子８は、リアクタ２と整流回路３の間に接続され、リアクタ２と整流回路３との間に流れる電流の値を検出する。電流検出素子８には一例としてカレントトランスまたはシャント抵抗が用いられる。電流検出部７は、増幅器あるいはレベルシフト回路で実現され、電流検出素子８で検出された電流に正比例した電圧を、制御部２０が取り扱い可能な低圧範囲内の電流検出電圧Ｖｉｓに変換して出力する。
【００１４】
制御部２０は、マイクロコンピュータで構成され、直流出力電圧Ｖｄｃおよび電源電圧Ｖｓに基づいて短絡部３０の短絡素子３２を制御するためのスイッチングパルスである駆動パルスＳａと基準電圧Ｖｒｅｆとを生成する駆動パルス生成部２１と、駆動パルス生成部２１で生成された駆動パルスＳａのオン期間中に、１または複数のスイッチングパルスである駆動パルスＳａ１を配置して出力するパルス配置部２３と、パルス配置部２３から出力された駆動パルスＳａ１を１または複数の駆動パルスＳａ２に変換して短絡部３０へ伝達するパルス伝達部２２とを有する。
【００１５】
基準電圧Ｖｒｅｆは、電源電流Ｉｓの値を制限する閾値であるヒステリシス基準電圧である。基準電圧Ｖｒｅｆには正極側基準電圧ＶｒｅｆＨと負極側基準電圧ＶｒｅｆＬとがある。基準電圧Ｖｒｅｆを生成する回路は後述する。
【００１６】
パルス配置部２３は、データ記憶部２３ａと、データ記憶部２３ａに格納されたデータに基づいて生成される１または複数のスイッチングパルスである駆動パルスＳａ１を、駆動パルス生成部２１で生成された駆動パルスＳａのオン期間中に配置する第１のパルス配置部２３ｂと、駆動パルス生成部２１で生成された正極側基準電圧ＶｒｅｆＨ、負極側基準電圧ＶｒｅｆＬおよび電流検出電圧Ｖｉｓに基づいて生成される１または複数のスイッチングパルスである駆動パルスＳａ１を、駆動パルスＳａのオン期間中に配置する第２のパルス配置部２３ｃと、第１のパルス配置部２３ｂから出力された駆動パルスＳａ１または第２のパルス配置部２３ｃから出力された駆動パルスＳａ１を選択してパルス伝達部２２に出力する選択部であるセレクタ２３ｄとを有する。第１のパルス配置部２３ｂおよび第２のパルス配置部２３ｃの詳細は後述する。
【００１７】
セレクタ２３ｄの入力側には２つの端子があり、内部接点がＸ側端子に接続されているとき、第１のパルス配置部２３ｂから出力された駆動パルスＳａ１がパルス伝達部２２に伝達され、内部接点がＹ側端子に接続されているときは、第２のパルス配置部２３ｃから出力された駆動パルスＳａ１がパルス伝達部２２に伝達される。
【００１８】
パルス伝達部２２は、レベルシフト回路で構成され、ゲート駆動が行えるよう電圧レベルシフトを行い、パルス配置部２３から出力された駆動パルスＳａ１をゲート駆動パルスである駆動パルスＳａ２に変換し短絡部３０に出力する。
【００１９】
双方向スイッチである短絡部３０は、リアクタ２を介して交流電源１に並列に接続されたダイオードブリッジ３１と、ダイオードブリッジ３１の両出力端に接続された短絡素子３２とで構成される。短絡素子３２が金属酸化膜半導体電界効果トランジスタである場合、短絡素子３２のゲートはパルス伝達部２２に接続され、パルス伝達部２２からの駆動パルスＳａ２によって短絡素子３２がオンオフする構成である。短絡素子３２がオンされたとき、リアクタ２およびダイオードブリッジ３１を介して交流電源１が短絡する。
【００２０】
なお実施の形態１ではパルス伝達部２２から出力される駆動パルスＳａ２により短絡素子３２がオンオフする構成例を示しているが、パルス伝達部２２の機能をパルス配置部２３に持たせて、パルス配置部２３から出力される駆動パルスＳａ１で短絡素子３２が駆動される構成としてもよい。以下では短絡素子３２の駆動パルスが駆動パルスＳａ１であるものとして説明する。
【００２１】
次に、第１のパルス配置部２３ｂと第２のパルス配置部２３ｃに関して説明する。
【００２２】
第２のパルス配置部２３ｃは主に事前の試験により電源電流Ｉｓの値と複数の駆動パルスＳａ１との関連付けを行うために用いられ、ハードウェア、例えば後述するヒステリシスコンパレータで構成される。電源電流Ｉｓの値と複数の駆動パルスＳａ１とが関連付けられたデータはデータ記憶部２３ａに記憶される。具体的に説明すると、セレクタ２３ｄの内部接点をＹ側入力端子に切り換え、駆動パルス生成部２１で生成される駆動パルスＳａと第２のパルス配置部２３ｃから出力される複数の駆動パルスＳａ１を収集する。データ収集は解析または実機で行う。収集したデータを用いて、例えば、駆動パルスＳａのオン時間、複数の駆動パルスＳａ１の各々のオン時間、複数の駆動パルスＳａ１の各々のオフ時間、複数の駆動パルスＳａ１の各々のパルス番号を対応付けたデータをデータ記憶部２３ａに格納する。
【００２３】
第１のパルス配置部２３ｂは、データ記憶部２３ａに格納されたデータに基づき、駆動パルス生成部２１で生成された駆動パルスＳａのオン期間中に、１または複数のスイッチングパルスである駆動パルスＳａ１を配置して出力する。低コスト化が強く求められるアプリケーションでは第１のパルス配置部２３ｂを用い、低コスト化の要求がそれほど高くはないが様々な使用環境に用いるために波形生成の精度を高めたい場合には第２のパルス配置部２３ｃを用いるとよい。また、使用環境下に応じて波形生成の精度を高めつつ、特定の運転条件においては騒音対策のために電源電流Ｉｓに依らず特定のパルスパターンを出力する場合には、第１のパルス配置部２３ｂと第２のパルス配置部２３ｃを併用し、運転条件に応じてセレクタ２３ｄを切り替えて、第１のパルス配置部２３ｂまたは第２のパルス配置部２３ｃから出力された駆動パルスＳａ１をパルス伝達部２２に伝達する構成でもよい。なお実施の形態１では、駆動パルスＳａ１を出力するため電源電圧Ｖｓ、電源電流Ｉｓ、および直流出力電圧Ｖｄｃを検出しているが、データ記憶部２３ａに格納したデータで第１のパルス配置部２３ｂを動作させる際には電源電流Ｉｓの検出は必ずしも必要ではなく、電源電流検出の要否は、構築するシステム仕様によって選択すれば良い。
【００２４】
図２はパルス制御用基準電圧生成回路の第１の構成図である。図２の回路は、駆動パルス生成部２１のポート出力Ｓｂであるパルス幅変調信号を、ローパスフィルタにより直流値に変換することで基準電圧Ｖｒｅｆを生成する。この場合、パルス幅変調信号のデューティ比を制御することで基準電圧Ｖｒｅｆの値をシームレスに可変することができる。
【００２５】
図３はパルス制御用基準電圧生成回路の第２の構成図である。図３の回路は、駆動パルス生成部２１のポート出力Ｓｂで開閉器ＴＲを駆動することにより、抵抗Ｒｂ，Ｒｃの分圧比で基準電圧Ｖｒｅｆの値を段階的に可変する。なお、基準電圧Ｖｒｅｆを生成する回路は図２，３に示す回路に限定されるものではなく、図２，３に示す回路以外の既知の回路で生成してもよいし、制御部２０の外部で生成されたこれらの基準電圧Ｖｒｅｆを用いてもよい。
【００２６】
図４は第２のパルス配置部の構成例を示す図である。電源半周期に複数回のスイッチングを行う電力変換装置１００ではスイッチング回数の増加に伴い制御パラメータが大幅に増加する。そのため設計が煩雑で難しく、信頼性検証や評価にかかる時間が大幅に増加する課題がある。このようなスイッチング回数増加に伴う設計の困難さを解消するため、実施の形態１の第２のパルス配置部２３ｃでは図４に示すヒステリシスコンパレータが用いられる。
【００２７】
第２のパルス配置部２３ｃは、（１）式で算出される正極側上限閾値ＶＴＨＨ（Ｈ）と（２）式で算出される正極側下限閾値ＶＴＨＨ（Ｌ）と正極側基準電圧ＶｒｅｆＨとの関係により、正極側の電流制御範囲に対応するヒステリシスを決めて電流検出電圧Ｖｉｓの波形を制御する正極側ヒステリシスコンパレータＨＣＨと、（１）式で算出される負極側上限閾値ＶＴＨＬ（Ｈ）と（２）式で算出される負極側下限閾値ＶＴＨＬ（Ｌ）と負極側基準電圧ＶｒｅｆＬとの関係により、負極側の電流制御範囲に対応するヒステリシスを決めて電流検出電圧Ｖｉｓの波形を制御する負極側ヒステリシスコンパレータＨＣＬとを有する。電流制御範囲とは、交流電源１の電源電流Ｉｓの目標制御範囲であり、上限閾値とは、短絡部３０がオンとなったときに流れる短絡電流の上限を規制する閾値であり、下限閾値とは、上限閾値より小さい値に設定された閾値である。なお、（１）式のＶｄは低圧系電源を表し、（２）式のＶＯＬはオペアンプの出力飽和電圧を表す。
【００２８】
【数１】
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【００２９】
【数２】
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【００３０】
また第２のパルス配置部２３ｃは、正極側ヒステリシスコンパレータＨＣＨの出力と駆動パルスＳａとのＡＮＤをとり正極側駆動パルスＳａＨを出力するＡＮＤ論理ＩＣ２’と、負極側ヒステリシスコンパレータＨＣＬの出力を反転して出力するＮＯＴ論理ＩＣ３と、ＮＯＴ論理ＩＣ３の出力と駆動パルスＳａとのＡＮＤ論理をとり負極側駆動パルスＳａＬを出力するＡＮＤ論理ＩＣ２と、ＡＮＤ論理ＩＣ２’から出力された正極側駆動パルスＳａＨとＡＮＤ論理ＩＣ２から出力された負極側駆動パルスＳａＬとのＡＮＤ論理をとりＡＮＤ論理の結果である駆動パルスＳａ１を出力するＡＮＤ論理ＩＣ４とを有する。
【００３１】
なお図１に示す電流検出部７は、電流検出素子８の出力段に設けられたレベルシフト回路および増幅器を有し、低圧系電源Ｖｄの半分の値を０アンペア相当とし、電流検出素子８で検出された交流の電流波形を正側のみの電流波形に変換して出力する。これにより、正極側ヒステリシスコンパレータＨＣＨと負極側ヒステリシスコンパレータＨＣＬを有する第２のパルス配置部２３ｃでは、電流極性によらず駆動パルスＳａ１を出力することが可能となり、駆動パルスＳａ１で電源電流Ｉｓ、すなわち電流検出電圧Ｖｉｓの波形を制御することにより、短絡部３０がオンとなったときに流れる短絡電流のピーク値を抑制しつつ、直流出力電圧Ｖｄｃを昇圧することが可能となる。
【００３２】
またヒステリシスコンパレータは、抵抗Ｒ１，Ｒ１’，Ｒ２，Ｒ２’，Ｒ３，Ｒ３’の抵抗値を変化させることにより、ヒステリシスの幅を変更することができる。例えば抵抗Ｒ２または抵抗Ｒ２’に、スイッチと抵抗との直列回路を並列接続し、スイッチを開閉させることにより合成抵抗値を切替えることができる。制御部２０における処理の一部をヒステリシスコンパレータで行うことにより、制御部２０における演算負荷が軽減され、安価なセントラルプロセッシングユニットで電力変換装置１００を製作することが可能である。
【００３３】
図５から図８を用いて短絡部３０の短絡動作を説明する。
【００３４】
図５はリアクタ、短絡部、整流回路、および平滑コンデンサから成る簡易回路を示す図であり、図５には短絡部３０のオンオフ時における電流経路が示されている。図６は部分スイッチングパルスモードで交流電源１の正極側半周期に短絡素子を１回スイッチングさせたときの電源電流Ｉｓの波形を示す図である。図６には、部分スイッチングパルスモードにおける動作の一例として、電源半周期中に短絡部３０を１回スイッチングさせたときのシングルパルスである駆動パルスＳａが示されている。Ｔｄｌは電源電圧Ｖｓの立ち上がりゼロクロス点から一定時間が経過するまでの時間である。Ｔは駆動パルスＳａのオン時間である。部分スイッチングパルスモードとは、電流オープンループ制御において、電源電圧半周期に、短絡部３０を１回または複数回オンオフ、すなわち短絡動作を１回または複数回行うモードである。部分スイッチングパルスモードでは、短絡部３０の短絡開始時間と短絡継続時間を制御することで、リアクタ２に蓄積されるエネルギーを制御でき、直流出力電圧Ｖｄｃを無段階で昇圧させることができる。
【００３５】
短絡部３０がオンされたとき、交流電源１、リアクタ２、および短絡部３０により閉回路が形成され、交流電源１がリアクタ２を介して短絡される。そのため閉回路に電源電流Ｉｓが流れ、リアクタ２には、電源電流Ｉｓの値Ｉを二乗した値にリアクタ２のインダクタンスＬを乗じて２で除して求められる磁気エネルギーが蓄積される。蓄積エネルギーは、短絡部３０がオフされると同時に負荷１０側に放出され、整流回路３で整流され、平滑コンデンサ４に転送される。この一連の動作により、図５の電流経路には電源電流Ｉｓが流れる。これにより、力率改善無しのパッシブモードよりも電源電流Ｉｓの通電角を広げることができ、力率を改善できる。ただし短絡部３０の短絡時間を長くした場合、リアクタ２にはより多くのエネルギーを蓄積することができるものの、電源電流Ｉｓのピークが大きくなるため、電源電圧Ｖｓの値がピーク付近となる領域では、短絡素子３２の開閉動作に伴う短絡素子の両端電圧の電位変動が大きくなる。そのため発生ノイズが無視できなくなる場合がある。
【００３６】
実施の形態１に係る電力変換装置１００では、交流電源の電圧位相に応じて短絡部３０のオンオフ時間を変化させることにより、このようなノイズの発生を抑制する。図７，８を用いて短絡部３０のオンオフ時間を変化させる動作を説明する。
【００３７】
図７は負荷が軽負荷である場合の電源電圧の位相に対する電源電流の絶対値の波形を示す図である。軽負荷とは電力変換装置１００の出力が小さい状態を示す。
【００３８】
θは電源電圧の位相を表し、Ｖｓは電源電圧を表し、｜Ｉｓ｜は電源電流の絶対値を表し、Ｓａは駆動パルス生成部２１から出力される駆動パルスを表し、Ｓａ１はパルス配置部で配置される駆動パルスを表す。図７では電源電圧Ｖｓの立ち下がりゼロクロス点の位相を０（ラジアン）とする。
【００３９】
ＶＴＨＨ（Ｈ）は正極側上限閾値であり、ＶＴＨＨ（Ｌ）は正極側下限閾値であり、ＶＴＨＬ（Ｈ）は負極側上限閾値であり、ＶＴＨＬ（Ｌ）は負極側下限閾値である。正極側上限閾値は例えば正極側下限閾値に対するオフセット量を位相θの値に従い連続的に変化させることで得られる。また負極側上限閾値は例えば負極側下限閾値に対するオフセット量を、位相θの値に従い連続的に変化させることで得られる。オフセット量とは上限閾値と下限閾値との間のヒステリシス幅である。
【００４０】
Ｔｄｌは電源電圧Ｖｓの立ち上がりゼロクロス点から一定時間が経過するまでの時間である。Ｓａ１１，Ｓａ１２，Ｓａ１３は、電源電圧Ｖｓが正極性の場合において、位相が０（ラジアン）からπ／２（ラジアン）までの区間で出力される駆動パルス群である。
【００４１】
Ａは駆動パルスＳａ１１がオンされるタイミングの位相であり、Ｂは駆動パルスＳａ１１がオフされるタイミングの位相であり、Ｃは駆動パルスＳａ１２がオンされるタイミングの位相であり、Ｄは駆動パルスＳａ１２がオフされるタイミングの位相であり、Ｅは駆動パルスＳａ１３がオンされるタイミングの位相であり、Ｆは駆動パルスＳａ１３がオフされるタイミングの位相である。ただし位相ＡからＦは０＜Ａ＜Ｂ＜Ｃ＜Ｄ＜Ｅ＜Ｆ＜π／２（ラジアン）の関係性を持つ。
【００４２】
電源電圧Ｖｓの立ち上がりゼロクロス点付近においては電源電流の絶対値｜Ｉｓ｜が小さいため、波形生成は比較的容易である。従ってパルス配置部２３は、ヒステリシス幅を拡げて疎な制御を行うことで、短絡素子３２のスイッチング回数を抑制する。
【００４３】
一方、電源電圧Ｖｓのピーク付近においては電源電流の絶対値｜Ｉｓ｜が大きいため、平滑コンデンサ４の充放電も考慮する必要がある。従って、パルス配置部２３は、ヒステリシス幅を狭めて密な制御を行うことで、高調波含有量を抑制する。
【００４４】
パルス配置部２３における駆動パルスＳａ１の配置例を具体的に説明する。
【００４５】
電源電圧Ｖｓの立ち上がりゼロクロス点から一定時間Ｔｄｌが経過した時点で、駆動パルスＳａと１番目の駆動パルスＳａ１１がオンになる。駆動パルスＳａ１１がオンになることで電源電流の絶対値｜Ｉｓ｜が上昇し、電源電流の絶対値｜Ｉｓ｜が正極側上限閾値ＶＴＨＨ（Ｈ）を超えたとき、駆動パルスＳａ１１がオフになる。これにより電源電流の絶対値｜Ｉｓ｜が下降する。電源電流の絶対値｜Ｉｓ｜が正極側下限閾値ＶＴＨＨ（Ｌ）を下回ったとき、駆動パルスＳａ１２がオンになる。駆動パルスＳａ１２がオンになることで電源電流の絶対値｜Ｉｓ｜が上昇し、電源電流の絶対値｜Ｉｓ｜が正極側上限閾値ＶＴＨＨ（Ｈ）を超えたとき、駆動パルスＳａ１２がオフになる。これにより電源電流の絶対値｜Ｉｓ｜が下降する。電源電流の絶対値｜Ｉｓ｜が正極側下限閾値ＶＴＨＨ（Ｌ）を下回ったとき、駆動パルスＳａ１３がオンになる。駆動パルスＳａ１３がオンになることで電源電流の絶対値｜Ｉｓ｜が上昇し、電源電流の絶対値｜Ｉｓ｜が正極側上限閾値ＶＴＨＨ（Ｈ）を超えたとき、駆動パルスＳａ１３がオフになる。
【００４６】
このように複数の駆動パルスＳａ１のオンオフが繰り返される結果、電源電流の絶対値｜Ｉｓ｜は上限閾値と下限閾値との間に収まる。また複数の駆動パルスＳａ１の各々のオン時間を変化させるには、上限閾値と下限閾値との間のヒステリシス幅を変化させればよい。
【００４７】
ヒステリシス幅を位相θの値に従い変化させることにより、位相Ａから位相Ｂまでの区間で出力される駆動パルスＳａ１１のオン時間は、位相Ｃから位相Ｄまでの区間で出力される駆動パルスＳａ１２のオン時間よりも長くなる。また位相Ｃから位相Ｄまでの区間で出力される駆動パルスＳａ１２のオン時間は、位相Ｅから位相Ｆまでの区間で出力される駆動パルスＳａ１３のオン時間よりも長くなる。すなわち制御部２０は、電源電圧Ｖｓのゼロクロス点を０（ラジアン）として、電源電圧Ｖｓの位相が０（ラジアン）からπ／２（ラジアン）までの区間で出力される複数の駆動パルスＳａ１の各々のオン時間が、電源電圧Ｖｓの位相が小さくなるほど長くなるように複数の駆動パルスＳａ１を配置する。
【００４８】
また駆動パルスＳａ１１のオン時間における電源電流の変化量は、駆動パルスＳａ１２のオン時間における電源電流の変化量よりも大きくなる。また駆動パルスＳａ１２のオン時間における電源電流の変化量は、駆動パルスＳａ１３のオン時間における電源電流の変化量よりも大きくなる。すなわち制御部２０は、電源電圧Ｖｓのゼロクロス点を０（ラジアン）として、電源電圧Ｖｓの位相が０（ラジアン）からπ／２（ラジアン）までの区間で出力される複数の駆動パルスＳａ１の各々のオン時間における電源電流の変化量が、電源電圧Ｖｓの位相が小さくなるほど大きくなるように複数の駆動パルスＳａ１を配置する。
【００４９】
また、電源電圧Ｖｓの位相が０（ラジアン）からπ／２（ラジアン）までの区間で出力される複数の駆動パルスＳａ１の数は、電源電圧Ｖｓの位相が小さくなるほど少なくなる。すなわち制御部２０は、電源電圧Ｖｓのゼロクロス点を０（ラジアン）として、電源電圧Ｖｓの位相が０（ラジアン）からπ／２（ラジアン）までの区間で出力される複数の駆動パルスＳａ１の数が、電源電圧Ｖｓの位相が小さくなるほど少なくなるように複数の駆動パルスＳａ１を配置する。
【００５０】
このようにヒステリシス幅を位相θの値に従い連続的に変化させることで、短絡素子３２の開閉時間を連続的に変化させることができ、正弦波状の電流波形を得ることができ、発生ノイズを抑制できる。
【００５１】
なお図７に示すパルス配置動作は電源電圧Ｖｓが負極性である場合も同様である。すなわち、制御部２０は、電源電圧Ｖｓの立ち下がりゼロクロス点を０（ラジアン）として、電源電圧Ｖｓの位相が０（ラジアン）からπ／２（ラジアン）までの区間で出力される複数の駆動パルスＳａ１の各々のオン時間が、電源電圧Ｖｓの位相が小さくなるほど長くなるように複数の駆動パルスＳａ１を配置する。また、制御部２０は、電源電圧Ｖｓの立ち下がりゼロクロス点を０（ラジアン）として、電源電圧Ｖｓの位相が０（ラジアン）からπ／２（ラジアン）までの区間で出力される複数の駆動パルスＳａ１の各々のオン時間における電源電流の変化量が、電源電圧Ｖｓの位相が小さくなるほど大きくなるように複数の駆動パルスＳａ１を配置する。また、制御部２０は、電源電圧Ｖｓの立ち下がりゼロクロス点を０（ラジアン）として、電源電圧Ｖｓの位相が０（ラジアン）からπ／２（ラジアン）までの区間で出力される複数の駆動パルスＳａ１の数が、電源電圧Ｖｓの位相が小さくなるほど少なくなるように複数の駆動パルスＳａ１を配置する。
【００５２】
図８は負荷が過負荷である場合の電源電圧の位相に対する電源電流の絶対値の波形を示す図である。過負荷とは電力変換装置１００の出力が大きい状態を示す。図７と同一部分には同一符号を付してその説明を省略し、ここでは異なる部分についてのみ述べる。
【００５３】
駆動パルスＳａ１１，Ｓａ１２，Ｓａ１３は、電源電圧Ｖｓが正極性の場合において、電源電圧Ｖｓの位相が０（ラジアン）からπ／２（ラジアン）までの区間で出力される駆動パルス群である。駆動パルスＳａ１４，Ｓａ１５，Ｓａ１６は、電源電圧Ｖｓが正極性の場合において、電源電圧Ｖｓの位相がπ／２（ラジアン）からπ（ラジアン）までの区間で出力される駆動パルス群である。
【００５４】
Ｇは駆動パルスＳａ１４がオンされるタイミングの位相であり、Ｈは駆動パルスＳａ１４がオフされるタイミングの位相であり、Ｉは駆動パルスＳａ１５がオンされるタイミングの位相であり、Ｊは駆動パルスＳａ１５がオフされるタイミングの位相であり、Ｋは駆動パルスＳａ１６がオンされるタイミングの位相であり、Ｌは駆動パルスＳａ１６がオフされるタイミングの位相である。ただし位相ＧからＬと電源電圧Ｖｓの周期はπ／２＜Ｇ＜Ｈ＜Ｉ＜Ｊ＜Ｋ＜Ｌ＜π（ラジアン）の関係性を持つ。図７の例と同様に、上限閾値は下限閾値に対するオフセット量を、位相θの値に従い連続的に変化させることで得られる。
【００５５】
電源電圧Ｖｓの立ち上がりゼロクロス点付近においては電源電流の絶対値｜Ｉｓ｜が小さいため、波形生成は比較的容易である。従って、パルス配置部２３は、ヒステリシス幅を拡げて疎な制御を行うことで、短絡素子３２のスイッチング回数を抑制する。
【００５６】
一方、電源電圧Ｖｓのピーク付近においては、電源電流の絶対値｜Ｉｓ｜が大きいため、平滑コンデンサ４の充放電も考慮する必要がある。従って、パルス配置部２３は、ヒステリシス幅を狭めて密な制御を行うことで、高調波含有量を抑制する。
【００５７】
電源電圧Ｖｓの立ち上がりゼロクロス点から一定時間Ｔｄｌが経過した時点で、駆動パルスＳａと１番目の駆動パルスＳａ１１が共にオンになる。駆動パルスＳａ１１がオンになることで電源電流の絶対値｜Ｉｓ｜が上昇し、電源電流の絶対値｜Ｉｓ｜が正極側上限閾値ＶＴＨＨ（Ｈ）を超えたとき、駆動パルスＳａ１１がオフになる。これにより電源電流の絶対値｜Ｉｓ｜が下降する。電源電流の絶対値｜Ｉｓ｜が正極側下限閾値ＶＴＨＨ（Ｌ）を下回ったとき、駆動パルスＳａ１２がオンになる。駆動パルスＳａ１２がオンになることで電源電流の絶対値｜Ｉｓ｜が上昇し、電源電流の絶対値｜Ｉｓ｜が正極側上限閾値ＶＴＨＨ（Ｈ）を超えたとき、駆動パルスＳａ１２がオフになる。これにより電源電流の絶対値｜Ｉｓ｜が下降する。電源電流の絶対値｜Ｉｓ｜が正極側下限閾値ＶＴＨＨ（Ｌ）を下回ったとき、駆動パルスＳａ１３がオンになる。駆動パルスＳａ１３がオンになることで電源電流の絶対値｜Ｉｓ｜が上昇し、電源電流の絶対値｜Ｉｓ｜が正極側上限閾値ＶＴＨＨ（Ｈ）を超えたとき、駆動パルスＳａ１３がオフになる。電源電圧Ｖｓの位相がπ／２（ラジアン）からπ（ラジアン）までの区間においても同様に駆動パルスＳａ１４から駆動パルスＳａ１６が配置され、電源電流の絶対値｜Ｉｓ｜が正極側上限閾値ＶＴＨＨ（Ｈ）と正極側下限閾値ＶＴＨＨ（Ｌ）の間に収まる。
【００５８】
このように複数の駆動パルスＳａ１のオンオフが繰り返される結果、電源電流の絶対値｜Ｉｓ｜は、上限閾値と下限閾値との間に収まる。また複数の駆動パルスＳａ１の各々のオン時間、すなわち短絡素子３２のオフ時間を変化させるには、上限閾値と下限閾値との間のヒステリシス幅を変化させればよい。
【００５９】
図８のようにヒステリシス幅を位相θの値に従い変化させることにより、位相Ｉから位相Ｊまでの区間で出力される駆動パルスＳａ１５のオン時間は、位相Ｇから位相Ｈまでの区間で出力される駆動パルスＳａ１４のオン時間よりも長くなる。すなわち制御部２０は、電源電圧Ｖｓのゼロクロス点を０（ラジアン）として、電源電圧Ｖｓの位相がπ／２（ラジアン）からπ（ラジアン）までの区間で出力される複数の駆動パルスＳａ１の各々のオン時間が、電源電圧Ｖｓの位相が大きくなるほど長くなるように複数の駆動パルスＳａ１を配置する。
【００６０】
また、電源電圧Ｖｓの位相がπ／２（ラジアン）からπ（ラジアン）までの区間で出力される複数の駆動パルスＳａ１の各々のオン時間における電源電流の変化量を比べると、位相Ｉから位相Ｊまでの区間における電源電流の変化量は、位相Ｇから位相Ｈまでの区間における電源電流の変化量よりも大きくなる。すなわち制御部２０は、電源電圧Ｖｓのゼロクロス点を０（ラジアン）として、電源電圧Ｖｓの位相がπ／２（ラジアン）からπ（ラジアン）までの区間で出力される複数の駆動パルスＳａ１の各々のオン時間における電源電流の変化量が、電源電圧Ｖｓの位相が大きくなるほど大きくなるように複数の駆動パルスＳａ１を配置する。なお位相Ｋから位相Ｌまでの区間で出力される駆動パルスＳａ１６のオン時間は、駆動パルスＳａの立ち下がりの位置により定まり、位相Ｇから位相Ｈまでの区間における電源電流の変化量は、駆動パルスＳａの立ち下がりの位置により定まる。従って、複数の駆動パルスＳａ１の各々のオン時間は位相が大きくなるほど長くなり、複数の駆動パルスＳａ１の各々のオン時間における電源電流の変化量は、位相が大きくなるほど大きくなるという関係が成り立つのは、電源電圧Ｖｓの位相がπ／２（ラジアン）からπ（ラジアン）までの区間で出力される駆動パルスＳａ１４から駆動パルスＳａ１６の内、駆動パルスＳａ１５までである。
【００６１】
また、電源電圧Ｖｓの位相がπ／２（ラジアン）からπ（ラジアン）までの区間で出力される複数の駆動パルスＳａ１の内、π（ラジアン）付近で出力される駆動パルスＳａ１の数は、π／２（ラジアン）付近で出力される駆動パルスＳａ１の数よりも少なくなる。すなわち制御部２０は、電源電圧Ｖｓのゼロクロス点を０（ラジアン）として、電源電圧Ｖｓの位相がπ／２（ラジアン）からπ（ラジアン）までの区間で出力される複数の駆動パルスＳａ１の数が、電源電圧Ｖｓの位相が大きくなるほど少なくなるように複数の駆動パルスＳａ１を配置する。
【００６２】
なお図８に示すパルス配置動作は、電源電圧Ｖｓの立ち下がりゼロクロス点を０（ラジアン）とした場合も同様である。すなわち、制御部２０は、電源電圧Ｖｓの立ち下がりゼロクロス点を０（ラジアン）として、電源電圧Ｖｓの位相がπ／２（ラジアン）からπ（ラジアン）までの区間で出力される複数の駆動パルスＳａ１の各々のオン時間が、電源電圧Ｖｓの位相が大きくなるほど長くなるように複数の駆動パルスＳａ１を配置する。また制御部２０は、電源電圧Ｖｓの立ち下がりゼロクロス点を０（ラジアン）として、電源電圧Ｖｓの位相がπ／２（ラジアン）からπ（ラジアン）までの区間で出力される複数の駆動パルスＳａ１の各々のオン時間における電源電流の変化量が、電源電圧Ｖｓの位相が大きくなるほど大きくなるように複数の駆動パルスＳａ１を配置する。また制御部２０は、電源電圧Ｖｓの立ち下がりゼロクロス点を０（ラジアン）として、電源電圧Ｖｓの位相がπ／２（ラジアン）からπ（ラジアン）までの区間で出力される複数の駆動パルスＳａ１の数が、電源電圧Ｖｓの位相が大きくなるほど少なくなるように複数の駆動パルスＳａ１を配置する。
【００６３】
このようにヒステリシス幅を位相θの値に従い変化させることにより、短絡素子３２の開閉時間を連続的に変化させることができ、必要最低限の短絡素子３２のオンオフ動作で正弦波状の電流波形を得ることができ、発生ノイズを抑制できる。
【００６４】
なお、負荷が軽負荷であるか過負荷であるかの判定は例えば駆動パルス生成部２１で行われる。具体的には、電力変換装置１００の出力電力が供給される負荷の運転状態を表す運転状態情報を駆動パルス生成部２１に入力し、駆動パルス生成部２１は、運転状態情報に基づいて負荷が軽負荷であるか過負荷であるかを判定する。そして、負荷が軽負荷である場合には、駆動パルス生成部２１は、過負荷時に生成する駆動パルスＳａのオン時間よりも短いオン時間の駆動パルスＳａを生成する。これにより軽負荷時における直流出力電圧Ｖｄｃが昇圧し過ぎることを防ぐことができると共に、軽負荷における電源電流Ｉｓに含まれる高調波成分が抑制され、リアクタ２の鉄損が抑制されるため力率も改善される。一方、負荷が過負荷であると判定した場合、駆動パルス生成部２１は、軽負荷時に生成する駆動パルスＳａのオン時間よりも長いオン時間の駆動パルスＳａを生成する。これにより過負荷時における電源電流Ｉｓのピーク値を抑えながら直流出力電圧Ｖｄｃの昇圧が可能である。なお、運転状態情報は、例えば電力変換装置１００の直流出力電圧Ｖｄｃを交流電圧に変換して負荷へ供給するインバータ装置の制御回路から出力される変調率、モータ速度情報である。
【００６５】
実施の形態２．
図９は実施の形態２に係る電力変換装置の構成を示す図である。実施の形態２の電力変換装置１００Ａでは、第１のパルス配置部２３ｂとセレクタ２３ｄとの間にパルス出力判断部２３ｅを有する。パルス出力判断部２３ｅは第１のパルス配置部２３ｂから出力された駆動パルスのセレクタ２３ｄへの伝達を許可または禁止する。負荷が過負荷の場合であって、リアクタ２を流れる電流が大きくなり、かつ、平滑コンデンサ４への充電と放電のバランスを図る必要があるため、電源電圧Ｖｓのピーク付近においてスイッチングを停止したい場合がある。その場合には実施の形態２の電力変換装置１００Ａが用いられる。以下、実施の形態１と同一部分には同一符号を付してその説明を省略し、ここでは異なる部分についてのみ述べる。
【００６６】
図１０は実施の形態２に係る電力変換装置の動作を説明するための図である。図１０には図８と同様に、電源電圧Ｖｓの位相θ、電源電圧Ｖｓ、電源電流の絶対値｜Ｉｓ｜、駆動パルス生成部２１から出力される駆動パルスＳａ、パルス配置部２３で配置される駆動パルスＳａ１が示される。図１０では、図８と同様に、負荷が過負荷である場合の電源電圧Ｖｓの位相に対する電源電流の絶対値の波形が示される。
【００６７】
駆動パルスＳａ１１，Ｓａ１２，Ｓａ１３は、電源電圧Ｖｓが正極性の場合において、電源電圧Ｖｓの位相が０（ラジアン）からπ／２（ラジアン）までの区間で出力される駆動パルス群である。
【００６８】
駆動パルスＳａ１４は、電源電圧Ｖｓが正極性の場合において、電源電圧Ｖｓの位相がπ／２（ラジアン）からπ（ラジアン）までの区間で出力される駆動パルス群である。
【００６９】
駆動パルスＳａ１５，Ｓａ１６，Ｓａ１７は、電源電圧Ｖｓが負極性の場合において、電源電圧Ｖｓの位相がπ（ラジアン）から３／２π（ラジアン）までの区間で出力される駆動パルス群である。
【００７０】
駆動パルスＳａ１８は、電源電圧Ｖｓが負極性の場合において、電源電圧Ｖｓの位相が３／２π（ラジアン）から２π（ラジアン）までの区間で出力される駆動パルス群である。
【００７１】
Ａは駆動パルスＳａ１３がオフされるタイミングの位相であり、Ｂは駆動パルスＳａ１４がオンされるタイミングの位相であり、Ｃは電源電圧Ｖｓの立ち下がりゼロクロス点付近の位相であり、Ｄは電源電圧Ｖｓの立ち下がりゼロクロス点における位相である。
【００７２】
Ｅは駆動パルスＳａ１７がオフされるタイミングの位相であり、Ｆは駆動パルスＳａ１８がオンされるタイミングの位相であり、Ｇは電源電圧Ｖｓの立ち上がりゼロクロス点付近の位相であり、Ｈは電源電圧Ｖｓの立ち上がりゼロクロス点における位相である。位相ＡからＨは０＜Ａ＜Ｂ＜Ｃ＜Ｄ＜Ｅ＜Ｆ＜Ｇ＜Ｈ＜２π（ラジアン）の関係性を持つ。
【００７３】
図１０に示すように、パルス出力判断部２３ｅは、電源電圧Ｖｓのゼロクロス点を０（ラジアン）として、正極性の電源電圧Ｖｓのピーク付近における位相Ａから位相Ｂまでの区間では、第２のパルス配置部２３ｃから出力された駆動パルスＳａ１をセレクタ２３ｄへ伝達することを禁止する。また、パルス出力判断部２３ｅは、負極性の電源電圧Ｖｓのピーク付近における位相Ｅから位相Ｆまでの区間では、第２のパルス配置部２３ｃから出力された駆動パルスＳａ１のセレクタ２３ｄへの伝達を禁止する。このように実施の形態２に係る電力変換装置１００Ａの制御部２０は、電源電圧Ｖｓのゼロクロス点を０ラジアンとして、位相Ａから位相Ｂまでの区間と位相Ｅから位相Ｆまでの区間を短絡素子３２のスイッチング禁止領域として、これらのスイッチング禁止領域では駆動パルスＳａ１のセレクタ２３ｄへの伝達を禁止する。
【００７４】
負荷が過負荷の場合であって平滑コンデンサ４の充放電バランスを図りたい場合、上記のスイッチング禁止領域を設けることで充放電バランスが取れ、高調波電流を低減することができる。
【００７５】
さらに駆動パルスＳａのパルス幅が広い場合、電源電流がテールを引き、電源電圧Ｖｓのゼロクロス点を超える場合がある。さらに昇圧要求が高い場合には、駆動パルスＳａが電源電圧Ｖｓのゼロクロス点付近まで延びる場合がある。この場合、テール電流の影響で短絡素子３２を故障させる虞があるため、図１０に示すように、電源電圧Ｖｓのゼロクロス点付近にスイッチング禁止領域を設けても良い。図１０では、位相Ｃから位相Ｄまでの区間と、位相Ｇから位相Ｈまでの区間をスイッチング禁止領域としている。
【００７６】
このように実施の形態２の制御部２０は、電源電圧Ｖｓの立ち上がりゼロクロス点を０ラジアンとして、電源電圧Ｖｓの位相が０ラジアンからπ／２ラジアンまでの区間内に複数の駆動パルスＳａ１の配置を禁止する領域を設け、または電源電圧Ｖｓの位相がπ／２ラジアンからπラジアンまでの区間に複数の駆動パルスＳａ１の配置を禁止する領域を設ける。これにより、電源電圧Ｖｓの１周期中において短絡素子３２に対するスイッチングパルスを出力しない領域が設けられ、信頼性が高く、またノイズ発生量と高調波発生量を抑制した波形生成が簡易に行うことができる。
【００７７】
なお図１０に示すパルス配置動作は、電源電圧Ｖｓの立ち下がりゼロクロス点を０（ラジアン）とした場合も同様である。この場合、実施の形態２の制御部２０は、電源電圧Ｖｓの立ち下がりゼロクロス点を０ラジアンとして、電源電圧Ｖｓの位相が０ラジアンからπ／２ラジアンまでの区間内に複数の駆動パルスＳａ１の配置を禁止する領域を設け、または電源電圧Ｖｓの位相がπ／２ラジアンからπラジアンまでの区間に複数の駆動パルスＳａ１の配置を禁止する領域を設ける。
【００７８】
なお実施の形態１，２に係る電力変換装置１００，１００Ａは、電力変換装置１００，１００Ａの負荷側にインバータを接続して用いることができ、さらに家電機器、空気調和機、冷凍機器、掃除機、およびハンドドライヤーといった種々の機器の何れか一つに用いることができる。また、実施の形態１，２では、リアクタ２が交流電源１と整流回路３との間に挿入され、整流回路３がリアクタ２を介して交流電源１に接続されているが、電力変換装置１００，１００Ａはリアクタ２を介して電源の短絡と開放を行うことができればよいため、整流回路３、リアクタ２、および短絡部３０の位置関係は図示例の構成に限定されるものではない。すなわち、電力変換装置１００，１００Ａは、短絡時に交流電源１、リアクタ２、短絡部３０、交流電源１の順で電源電流Ｉｓが流れる構成であればよく、例えば交流電源１とリアクタ２との間に整流回路３が挿入され、リアクタ２が整流回路３を介して交流電源１に接続される構成でもよい。また実施の形態１，２では、制御部から出力された。
【００７９】
以上に説明したように実施の形態１，２に係る電力変換装置は、交流電源からの交流電力を直流電力に変換する整流回路と、交流電源と整流回路との間に接続されたリアクタを介して交流電源を短絡する短絡部と、短絡部のオンオフ動作を制御する複数の駆動パルスを出力する制御部と、を備え、制御部は、交流電源の電源電圧の位相に応じて、複数の駆動パルスの各々のオンオフ時間を変化させる。この構成により、電源電圧のピーク付近となる領域で発生するノイズを抑制し、負荷の運転領域全体に渡り高効率化を図りながら、高昇圧性能と高調波規格を満たすことができる。また短絡部のオンオフ時間を変化させることにより電力変換装置の大幅な変更を加えることなく電流高調波を抑制することができ、電流高調波を抑制可能とする電力変換装置の設計、電力変換装置の信頼性の検証、および電力変換装置の評価といった各工程における負荷を軽減することができ、大幅なコストアップを伴うことなく信頼性を高めることができる。
【００８０】
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】
【００８１】
１  交流電源、２  リアクタ、３  整流回路、４  平滑コンデンサ、５  直流電圧検出部、６  電源電圧検出部、７  電流検出部、８  電流検出素子、９  電流検出手段、１０  負荷、２０  制御部、２１  駆動パルス生成部、２２  パルス伝達部、２３  パルス配置部、２３ａ  データ記憶部、２３ｂ  第１のパルス配置部、２３ｃ  第２のパルス配置部、２３ｄ  セレクタ、２３ｅ  パルス出力判断部、３０  短絡部、３１  ダイオードブリッジ、３２  短絡素子、１００，１００Ａ  電力変換装置。
【図１】
2017085817.tif 000005
【図２】
2017085817.tif 000006
【図３】
2017085817.tif 000007
【図４】
2017085817.tif 000008
【図５】
2017085817.tif 000009
【図６】
2017085817.tif 000010
【図７】
2017085817.tif 000011
【図８】
2017085817.tif 000012
【図９】
2017085817.tif 000013
【図１０】
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【手続補正書】
【提出日】平成29年12月6日(2017.12.6)
【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】
交流電源からの交流電力を直流電力に変換する整流回路と、
前記交流電源と前記整流回路との間に接続されたリアクタを介して前記交流電源を短絡する短絡部と、
前記短絡部のオンオフ動作を制御する駆動パルスを前記短絡部へ出力する制御部と、
を備え、
前記制御部は、前記交流電源の電源電流の目標制御範囲である電流制御範囲に前記電源電流の値を収めるように前記駆動パルスを出力すると共に、前記交流電源の電源電圧のゼロクロス点を０ラジアンとして、前記電源電圧の位相が０ラジアンからπ／２ラジアンまでの区間において、前記駆動パルスのオン時間が、前記電源電圧の位相が小さくなるほど長くなるように前記駆動パルスを出力する電力変換装置。
【請求項２】
交流電源からの交流電力を直流電力に変換する整流回路と、
前記交流電源と前記整流回路との間に接続されたリアクタを介して前記交流電源を短絡する短絡部と、
前記短絡部のオンオフ動作を制御する駆動パルスを前記短絡部へ出力する制御部と、
を備え、
前記制御部は、前記交流電源の電源電流の目標制御範囲である電流制御範囲に前記電源電流の値を収めるように前記駆動パルスを出力すると共に、前記交流電源の電源電圧のゼロクロス点を０ラジアンとして、前記電源電圧の位相がπ／２ラジアンからπラジアンまでの区間において、前記駆動パルスのオン時間が、前記電源電圧の位相が大きくなるほど長くなるように前記駆動パルスを出力する電力変換装置。
【請求項３】
交流電源からの交流電力を直流電力に変換する整流回路と、
前記交流電源と前記整流回路との間に接続されたリアクタを介して前記交流電源を短絡する短絡部と、
前記短絡部のオンオフ動作を制御する駆動パルスを前記短絡部へ出力する制御部と、
を備え、
前記制御部は、前記交流電源の電源電流の目標制御範囲である電流制御範囲に前記電源電流の値を収めるように前記駆動パルスを出力すると共に、前記交流電源の電源電圧のゼロクロス点を０ラジアンとして、前記電源電圧の位相が０ラジアンからπ／２ラジアンまでの区間において、前記駆動パルスのオン時間における電源電流の変化量が、前記電源電圧の位相が小さくなるほど大きくなるように前記駆動パルスを出力する電力変換装置。
【請求項４】
交流電源からの交流電力を直流電力に変換する整流回路と、
前記交流電源と前記整流回路との間に接続されたリアクタを介して前記交流電源を短絡する短絡部と、
前記短絡部のオンオフ動作を制御する駆動パルスを前記短絡部へ出力する制御部と、
を備え、
前記制御部は、前記交流電源の電源電流の目標制御範囲である電流制御範囲に前記電源電流の値を収めるように前記駆動パルスを出力すると共に、前記交流電源の電源電圧のゼロクロス点を０ラジアンとして、前記電源電圧の位相がπ／２ラジアンからπラジアンまでの区間において、前記駆動パルスのオン時間における電源電流の変化量が、前記電源電圧の位相が大きくなるほど大きくなるように前記駆動パルスを出力する電力変換装置。
【請求項５】
交流電源からの交流電力を直流電力に変換する整流回路と、
前記交流電源と前記整流回路との間に接続されたリアクタを介して前記交流電源を短絡する短絡部と、
前記短絡部のオンオフ動作を制御する駆動パルスを前記短絡部へ出力する制御部と、
を備え、
前記制御部は、前記交流電源の電源電流の目標制御範囲である電流制御範囲に前記電源電流の値を収めるように前記駆動パルスを出力すると共に、前記交流電源の電源電圧のゼロクロス点を０ラジアンとして、前記電源電圧の位相が０ラジアンからπ／２ラジアンまでの区間において、前記駆動パルスの数が、前記電源電圧の位相が小さくなるほど少なくなるように前記駆動パルスを出力する電力変換装置。
【請求項６】
交流電源からの交流電力を直流電力に変換する整流回路と、
前記交流電源と前記整流回路との間に接続されたリアクタを介して前記交流電源を短絡する短絡部と、
前記短絡部のオンオフ動作を制御する駆動パルスを前記短絡部へ出力する制御部と、
を備え、
前記制御部は、前記交流電源の電源電流の目標制御範囲である電流制御範囲に前記電源電流の値を収めるように前記駆動パルスを出力すると共に、前記交流電源の電源電圧のゼロクロス点を０ラジアンとして、前記電源電圧の位相がπ／２ラジアンからπラジアンまでの区間において、前記駆動パルスの数が、前記電源電圧の位相が大きくなるほど少なくなるように前記駆動パルスを出力する電力変換装置。
【請求項７】
交流電源からの交流電力を直流電力に変換する整流回路と、
前記交流電源と前記整流回路との間に接続されたリアクタを介して前記交流電源を短絡する短絡部と、
前記短絡部のオンオフ動作を制御する駆動パルスを前記短絡部へ出力する制御部と、
を備え、
前記制御部は、前記交流電源の電源電流の目標制御範囲である電流制御範囲に前記電源電流の値を収めるように前記駆動パルスを出力すると共に、前記交流電源の電源電圧のゼロクロス点を０ラジアンとして、前記交流電源の電源電流の値に基づいて、前記電源電圧の位相が０ラジアンからπ／２ラジアンまでの区間、または、前記電源電圧の位相がπ／２ラジアンからπラジアンまでの区間において、前記駆動パルスを出力する電力変換装置。
【請求項８】
交流電源からの交流電力を直流電力に変換する整流回路と、
前記交流電源と前記整流回路との間に接続されたリアクタを介して前記交流電源を短絡する短絡部と、
前記短絡部のオンオフ動作を制御する駆動パルスを前記短絡部へ出力する制御部と、
を備え、
前記制御部は、前記交流電源の電源電流の目標制御範囲である電流制御範囲に前記電源電流の値を収めるように前記駆動パルスを出力すると共に、前記交流電源の電源電圧のゼロクロス点を０ラジアンとして、前記電源電圧の位相が０ラジアンからπ／２ラジアンまでの区間内に前記駆動パルスの出力を禁止する領域を設け、または前記電源電圧の位相がπ／２ラジアンからπラジアンまでの区間に前記駆動パルスの出力を禁止する領域を設ける電力変換装置。
【請求項９】
前記電力変換装置の負荷側にインバータを接続した請求項１から請求項８の何れか一項に記載の電力変換装置。
【請求項１０】
家電機器、空気調和機、冷凍機器、掃除機、およびハンドドライヤーの何れか一つに搭載される請求項１から請求項９の何れか一項に記載の電力変換装置。
【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に、本発明に係る電力変換装置は、交流電源からの交流電力を直流電力に変換する整流回路と、前記交流電源と前記整流回路との間に接続されたリアクタを介して前記交流電源を短絡する短絡部と、前記短絡部のオンオフ動作を制御する駆動パルスを前記短絡部へ出力する制御部と、を備え、前記制御部は、前記交流電源の電源電流の目標制御範囲である電流制御範囲に前記電源電流の値を収めるように前記駆動パルスを出力すると共に、前記交流電源の電源電圧のゼロクロス点を０ラジアンとして、前記電源電圧の位相が０ラジアンからπ／２ラジアンまでの区間において、前記駆動パルスのオン時間が、前記電源電圧の位相が小さくなるほど長くなるように前記駆動パルスを出力する。
【国際調査報告】
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