(57)【要約】【課題】  電力変換回路における各半導体素子の損失を低減しつつ、電力変換装置により制御される機器の高効率化を可能とする電力変換装置およびこれを用いたシステムを提供する。【解決手段】  直流電源と、それぞれ上側素子及び下側素子を有する第１の上下アーム及び第２の上下アームと、有するフルブリッジ回路と、を備え、第１の上下アーム及び第２の上下アームが、機器に電気的に接続可能な電力変換装置であって、第１の上下アームの上側素子及び第２の上下アームの下側素子のＯＮ抵抗は、第１上下アームの下側素子及び第２上下アームの上側素子のＯＮ抵抗よりも小さい。【選択図】  図３
2018064341.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
直流電源と、
それぞれ上側素子及び下側素子を有する第１の上下アーム及び第２の上下アームと、を有するフルブリッジ回路と、を備え、
前記第１の上下アーム及び前記第２の上下アームが、機器に電気的に接続可能な電力変換装置であって、
前記第１の上下アームの上側素子及び前記第２の上下アームの下側素子のＯＮ抵抗は、前記第１の上下アームの下側素子及び前記第２の上下アームの上側素子のＯＮ抵抗よりも小さいことを特徴とする電力変換装置。
【請求項２】
前記第１の上下アームの下側素子及び前記第２の上下アームの上側素子のスイッチング損失は、前記第１の上下アームの上側素子及び前記第２の上下アームの下側素子のスイッチング損失よりも小さいことを特徴とする請求項１に記載の電力変換装置。
【請求項３】
前記第１の上下アームの上側素子及び前記第２の上下アームの下側素子は、ＭＯＳ型素子であり、
前記第１の上下アームの下側素子及び前記第２の上下アームの上側素子は、ダイオードによる順方向電圧により導通損失が生ずる素子であることを特徴とする請求項１又は２に記載の電力変換装置。
【請求項４】
請求項１乃至３何れか一項に記載の電力変換装置と、該電力変換装置に接続した機器と、を備えるシステムであって、
前記機器は、
前記第１の上下アームの上側素子及び前記第２の上下アームの下側素子がＯＮの状態では、第１の負荷で応答し、
前記第１の上下アームの下側素子及び前記第２の上下アームの上側素子がＯＮの状態では、前記第１の負荷よりも小さい第２の負荷で応答することを特徴とするシステム。
【請求項５】
前記機器は、
往復動により流体を圧縮及び膨張させるピストンと、
前記電力変換装置に電気的に接続した巻線と、を有する圧縮機であることを特徴とする請求項４に記載のシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電力変換装置およびこれを用いたシステムに関する。
【背景技術】
【０００２】
電力変換装置を用いて圧縮機を制御する方法が知られている。電力変換装置は、半導体素子を複数有し得るが、２種以上の素子を用いることで電力変換装置の高効率化を図る構成が提案されている。  
特許文献１には、２組の上下アームのうち、１つの組では高速スイッチング素子を２個直列接続し、別の組では低速スイッチング素子を２個直列接続する構成を備えるインバータの主回路が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開昭６３−２６２０６２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、特許文献１は、各半導体素子の抵抗特性について、電力変換装置が制御する機器の負荷特性を考慮して好適にすることで、各半導体素子で発生する損失を低減することについて何ら考慮されていない。  
そこで、本発明は、電力変換回路における各半導体素子の損失を低減しつつ、電力変換装置により制御される機器の高効率化を可能とする電力変換装置およびこれを用いたシステムを提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
上記課題を解決するため、本発明の電力変換装置は、直流電源と、それぞれ上側素子及び下側素子を有する第１の上下アーム及び第２の上下アームを有するフルブリッジ回路と、を備え、前記第１の上下アーム及び前記第２の上下アームが、機器に電気的に接続可能な電力変換装置であって、前記第１の上下アームの上側素子及び前記第２の上下アームの下側素子のＯＮ抵抗は、前記第１の上下アームの下側素子及び前記第２の上下アームの上側素子のＯＮ抵抗よりも小さいことを特徴とする。  
また、本発明の電力変換装置を用いたシステムは、直流電源と、それぞれ上側素子及び下側素子を有する第１の上下アーム及び第２の上下アームを有するフルブリッジ回路と、を備え、前記第１の上下アームの上側素子及び前記第２の上下アームの下側素子のＯＮ抵抗は、前記第１の上下アームの下側素子及び前記第２の上下アームの上側素子のＯＮ抵抗よりも小さい電力変換装置と、前記電力変換装置の前記第１の上下アーム及び前記第２の上下アームに電気的に接続される機器と、を備えるシステムであって、前記機器は、前記第１の上下アームの上側素子及び前記第２の上下アームの下側素子がＯＮの状態では、第１の負荷で応答し、前記第１の上下アームの下側素子及び前記第２の上下アームの上側素子がＯＮの状態では、前記第１の負荷よりも小さい第２の負荷で応答することを特徴とする。
【発明の効果】
【０００６】
本発明によれば、電力変換回路における各半導体素子の損失を低減しつつ、電力変換装置により制御される機器の高効率化を可能とする電力変換装置およびこれを用いたシステムを提供することが可能となる。  
上記した以外の課題、構成及び効果は、以下の実施形態の説明により明らかにされる。
【図面の簡単な説明】
【０００７】
【図１】本発明の一実施例に係る実施例１の電力変換装置及び圧縮機よりなるシステムの全体概略構成図である。
【図２】図１に示すシステムを構成する電力変換装置及び圧縮機を流れる電流と、作動流体の圧縮に伴う圧縮機の負荷との関係を説明する概略図である。
【図３】ＭＯＳ型素子のスイッチング損失と導通損失の電流に対する概略特性を示す図である。
【図４】ＭＯＳ型素子の総合損失の電流に対する概略特性を示す図である。
【図５】本発明の他の実施例に係る実施例２の電力変換装置及び圧縮機よりなるシステムの全体概略構成図である。
【図６】ＭＯＳ型素子とＩＧＢＴ素子のスイッチング損失と導通損失の電流に対する概略特性を示す図である。
【図７】ＭＯＳ型素子とＩＧＢT素子の電流に対する概略特性を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【０００８】
以下、添付の図面を適宜参照しつつ、本発明の実施例を詳細に説明する。同様の構成要素には同様の符号を付し、重複する説明を省略する。  
また、以下では、システムを構成する、電力変換装置に電気的に接続される機器として、圧縮機を一例に説明する。
【実施例１】
【０００９】
［電力変換装置１及び圧縮機３］  
図１は、本発明の一実施例に係る実施例１の電力変換装置１及び圧縮機３よりなるシステムの全体概略構成図である。図１に示すように、圧縮機３は、リニアモータを駆動源とする機器である。リニアモータ及び圧縮機３はそれぞれ電力変換装置１に電気的に接続しており、電力変換装置１を用いたシステムの一例である。  
電力変換装置１は、電力変換回路１１、制御部１２、及び直流電源１３を有する。  
圧縮機３は、有底筒状のシリンダ３１、シリンダ３１の内側側面を摺動して、シリンダ３１とシリンダ３１の底面に対向する自身の面（先端面）にて囲まれる内容積を変動させることが可能なピストン３２、磁性体に捲回された巻線３３、及び、ピストン３２に一端が接続される可動子３４を有する。なお、磁性体に捲回された巻線３３、及び、ピストン３２に一端が接続される可動子３４にてリニアモータが構成され、可動子３４には永久磁石（図示せず）が設けられている。
【００１０】
電力変換回路１１は、直流電源１３から供給される直流電力を交流電力に変換して、圧縮機３に出力する。電力変換回路１１は単相であり、２つの半導体素子が直列に接続した上下アームを２組有している。より具体的には、半導体素子１１１及び半導体素子１１２が直列に接続した第１の上下アームと、半導体素子１１３及び半導体素子１１４が直列に接続した第２の上下アームとが並列に接続することでフルブリッジ回路を形成している。また、半導体素子１１１及び半導体素子１１３は、直流電源１３の正側に接続しており、半導体素子１１２及び半導体素子１１４は、直流電源１３の負側に接続している。半導体素子１１１と半導体素子１１２を接続する配線（半導体素子１１１と半導体素子１１２の間）には圧縮機３の巻線３３の一端が接続しており、半導体素子１１３と半導体素子１１４を接続する配線（半導体素子１１３と半導体素子１１４の間）には圧縮機３の巻線３３の他端が接続している。なお、直流電源１３の正側に接続している半導体素子を上側素子と、負側に接続している半導体素子を下側素子とも呼称する。
【００１１】
制御部１２は、巻線３３を流れるモータ電流に基づいて電力変換回路１１を制御する。電力変換回路１１は、巻線３３に交流電力を出力する。  
可動子３４は、少なくとも１つ以上の永久磁石を有しており、電力変換回路１１の出力を受けて巻線３３が発する交流磁束に応じて往復動する。可動子３４の往復動に伴ってピストン３２が往復動し、シリンダ３１の内容積が増減する。シリンダ３１は、内容積部分に流体（作動流体）を出し入れ可能な弁（図示せず）を有している。シリンダ３１、ピストン３２、及び弁（図示せず）については、種々公知の物を用いることができる。以下では、流体（作動流体）として気体の冷媒を用いる場合を一例として説明する。
【００１２】
図２は、図１に示すシステムを構成する電力変換装置１及び圧縮機３を流れる電流と、流体（作動流体）の圧縮に伴う圧縮機３の負荷との関係を説明する概略図である。圧縮機３を駆動すると、ピストン３２の往復動に伴って流体（作動流体）である気体冷媒が圧縮又は膨張する。このような流体（作動流体）である気体冷媒の圧縮又は膨張にそれぞれ必要な仕事量（負荷）は異なり、一般に、圧縮負荷（第１の負荷）が膨張（吸込）負荷（第２の負荷）より大きい。すなわち、圧縮に要するリニアモータの推力の方が膨張（吸込）に要するリニアモータの推力より大きいため、圧縮時のモータ電流を膨張（吸込）時のモータ電流より大きくすることが好ましい。以下では、圧縮時のリニアモータの推力を得る際に流れる電流の向きを正方向、膨張（吸込）時のリニアモータの推力を得る際に流れる電流の向きを負方向と呼称する。なお、第１の負荷（圧縮負荷）及び第２の負荷（膨張負荷）はそれぞれ、これらの負荷の発生の全時間を通じて一定である必要はなく、例えば、１周期の時間平均値として、第１の負荷（圧縮負荷）が第２の負荷（膨張負荷）より大きければよい。
【００１３】
単相である電力変換回路１１（フルブリッジ回路）では、斜向かいの（相互に対角線上に位置する）半導体素子のＯＮ／ＯＦＦを切り替えることで、磁性体に捲回された巻線３３を流れる電流の向きを切り替えることができる。本実施例では、電力変換回路１１の半導体素子１１１〜１１４のうち、斜向かいの（相互に対角線上に位置する）２つの半導体素子１１１（第１の上下アームの上側素子）及び半導体素子１１４（第２の上下アームの下側素子）をＯＮにし、残りの半導体素子１１２（第１の上下アームの下側素子）及び半導体素子１１３（第２の上下アームの上側素子）をＯＦＦにすることで巻線３３を流れる電流が正方向であるとする。また、斜向かいの（相互に対角線上に位置する）２つの半導体素子１１２（第１の上下アームの下側素子）及び半導体素子１１３（第２の上下アームの上側素子）をＯＮにし、残りの半導体素子１１１（第１の上下アームの上側素子）及び半導体素子１１４（第２の上下アームの下側素子）をＯＦＦにすることで巻線３３を流れる電流が負方向であるとする。
【００１４】
圧縮負荷（第１の負荷）が膨張負荷（第２の負荷）より大きいことに着目すると、半導体素子１１１（第１の上下アームの上側素子）及び半導体素子１１４（第２の上下アームの下側素子）のＯＮ時間比を、半導体素子１１２（第１の上下アームの下側素子）及び半導体素子１１３（第２の上下アームの上側素子）のＯＮ時間比より高くすることで、半導体素子１１１（第１の上下アームの上側素子）及び半導体素子１１４（第２の上下アームの下側素子）に流れるモータ電流を、半導体素子１１２（第１の上下アームの下側素子）及び半導体素子１１３（第２の上下アームの上側素子）に流れるモータ電流より大きくすることが好ましい。このようにすると、半導体素子１１１（第１の上下アームの上側素子）及び半導体素子１１４（第２の上下アームの下側素子）に電流が集中し、半導体素子１１２（第１の上下アームの下側素子）及び半導体素子１１３（第２の上下アームの上側素子）に流れる電流量は小さい値となる（図２では、モータ電流の大きさを白抜き矢印の大きさで示している）。このように本実施例では、正方向及び負方向それぞれに好適な電流量が異なる機器に接続された単相の電力変換回路１１を備える電力変換装置１について、斜向かいの（相互に対角線上に位置する）半導体素子に電流が集中することになる。
【００１５】
［半導体素子の特性］  
図３は、半導体素子の一種であるＭＯＳ（Ｍｅｔａｌ―Ｏｘｉｄｅ―Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）型素子のスイッチング損失と導通損失それぞれの、電流に対する概略特性を示す図である。実線で示されるスイッチング損失（ＳＷ損）は半導体素子のスイッチングにより発生する損失であり、モータ電流に対して略線形の関係となる。一点鎖線で示される導通損失（導通損）は半導体素子の通電時の抵抗（ＯＮ抵抗）により発生する損失であり、モータ電流の二乗に比例する関係となる。
【００１６】
ＭＯＳ型素子では、スイッチング損失（ＳＷ損）の低減と導通損失（導通損）の低減とがトレードオフの関係にあることが知られている。ＭＯＳ型素子のＯＮ抵抗を小さくする（電流の二乗に乗ずる係数を小さくする）には、例えばチップサイズを大きくすることが求められるが、こうするとＭＯＳ型素子に流れる電荷の量が増えるため、スイッチング損失（ＳＷ損）が増加するためである。
【００１７】
図４は、ＭＯＳ型素子のスイッチング損失（ＳＷ損）と導通損失（導通損）とを合計した総合損失の電流に対する概略特性を示す図である。図４には、ＭＯＳ型素子のうち、低ＳＷ損の半導体素子を実線で、低導通損の半導体素子を一点鎖線で示している。電流が小さい領域（第２の負荷（膨張負荷）に対応するモータ電流の存在領域）では低ＳＷ損の半導体素子の総合損失が小さく、電流が大きな領域（第１の負荷（圧縮負荷）に対応するモータ電流の存在領域）では低導通損の半導体素子の総合損失が小さい。なお、図４に例示するグラフ形状は、素子のＯＮ／ＯＦＦ比を変更しても、通常、定性的には保たれる。  
このため、電流の集中が発生する半導体素子１１１（第１の上下アームの上側素子）及び半導体素子１１４（第２の上下アームの下側素子）には、半導体素子１１２（第１の上下アームの下側素子）及び半導体素子１１３（第２の上下アームの上側素子）よりも低導通損（低ＯＮ抵抗）となる種類の半導体素子を適用し、電流の集中が発生しない半導体素子１１２（第１の上下アームの下側素子）及び半導体素子１１３（第２の上下アームの上側素子）には、半導体素子１１１（第１の上下アームの上側素子）及び半導体素子１１４（第２の上下アームの下側素子）よりも低ＳＷ損失となる半導体素子を適用することで、電力変換回路１１全体の総合損失の低減を図ることが可能となる。なお、半導体素子のＯＮ抵抗値やＳＷ損失値は、半導体素子の厚さやチップ面積にも依存する。
【００１８】
より具体的には、半導体素子１１１（第１の上下アームの上側素子）及び半導体素子１１４（第２の上下アームの下側素子）の総合損失が、第１の負荷（圧縮負荷）に対応するリニアモータの推力の発生に要する電流量においては半導体素子１１２（第１の上下アームの下側素子）及び半導体素子１１３（第２の上下アームの上側素子）よりも小さく、第２の負荷（膨張負荷）に対応するリニアモータの推力の発生に要する電流量においては半導体素子１１１（第１の上下アームの上側素子）及び半導体素子１１４（第２の上下アームの下側素子）よりも大きくなるような半導体素子の種類の組合せを選択することが好ましい。
【００１９】
なお、圧縮機３については、第１の負荷（圧縮負荷）及び第２の負荷（膨張負荷）それぞれを、定常状態における圧縮負荷及び膨張負荷と考えてもよい。ここで定常状態とは、例えば、圧縮室内に出入りする気体冷媒の流量が５秒間以上略一定に維持された状態をいう。
【００２０】
以上のとおり、本実施例によれば、電力変換回路における各半導体素子の損失を低減しつつ、電力変換装置により制御される機器の高効率化を可能とする電力変換装置およびこれを用いたシステムを提供することが可能となる。  
また、具体的には、本実施例の電力変換装置１を用いることで各半導体素子の損失を抑え、単相駆動する圧縮機３を高効率に駆動することが可能となる。
【実施例２】
【００２１】
実施例２の構成は、下記の点を除き実施例１と同様である。本実施例は、ＭＯＳ型素子とＩＧＢＴ（Ｉｎｓｕｌａｔｅｄ  Ｇａｔｅ  Ｂｉｐｏｌａｒ  Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）型素子とを電力変換装置１が有する。より具体的には、正方向の電流を流す際にＯＮとなるＭＯＳ型の半導体素子１１１（第１の上下アームの上側素子）及び半導体素子１１４（第２の上下アームの下側素子）に代えて、ＩＧＢＴ型の半導体素子１１５（第１の上下アームの上側素子）及びＩＧＢＴ型の半導体素子１１６（第２の上下アームの下側素子）を使用している。
【００２２】
図５は本実施例の電力変換装置１及び圧縮機３よりなるシステムの全体概略構成図、図６はＭＯＳ型素子とＩＧＢＴ型素子のスイッチング損失と導通損失の電流に対する概略特性を示す図である。  
図６に示すように、実線で示されるＭＯＳ型素子は上述のように、モータ電流に対して略線形の関係となるスイッチング損失（ＳＷ損）、モータ電流の二乗に比例する関係を有する導通損失（導通損）となる。一点鎖線で示されるＩＧＢＴ型素子は、スイッチング損失（ＳＷ損）についてはＭＯＳ型素子と同様の原理で生ずるため、モータ電流に対して略線形の関係となる。しかし、導通損失（導通損）についてはダイオードによる順方向電圧により発生する損失のため、ＭＯＳ型素子の場合と異なり、モータ電流に対して略線形の関係となる。
【００２３】
図７は、ＭＯＳ型素子及びＩＧＢＴ型素子それぞれのスイッチング損失（ＳＷ損）と導通損失（導通損）を合計した総合損失の電流に対する概略特性を示す図である。図７に示すように、電流が小さい領域（第２の負荷（膨張負荷）に対応するモータ電流の存在領域）では、実線で示したＭＯＳ型素子の総合損失は一点鎖線で示したＩＧＢＴ型素子の総合損失より小さい。一方、電流が大きな領域（第１の負荷（圧縮負荷）に対応するモータ電流の存在領域）では、一点鎖線で示したＩＧＢＴ型素子の総合損失は、実線で示したＭＯＳ型素子の総合損失より小さい。  
このため、本実施例では、図５に示すように、電力変換回路１１の半導体素子として、電流の集中が発生する半導体素子１１５（第１の上下アームの上側素子）及び半導体素子１１６（第２の上下アームの下側素子）にはＩＧＢＴ型素子を適用し、電流の集中が発生しない半導体素子１１２（第１の上下アームの下側素子）及び半導体素子１１３（第２の上下アームの上側素子）にはＭＯＳ型素子を適用している。こうすることで総合損失の低減を図ることが可能となる。なお、ＩＧＢＴ型素子に代えて、ダイオードによる順方向電圧により導通損失が生ずる他の素子にしてもよい。
【００２４】
以上のとおり、本実施例によれば、電力変換回路における各半導体素子の損失を低減しつつ、電力変換装置により制御される機器の高効率化を可能とする電力変換装置およびこれを用いたシステムを提供することが可能となる。  
また、具体的には、本実施例の電力変換装置１を用いることで各半導体素子の損失を抑え、単相駆動する圧縮機３を高効率に駆動することが可能となる。
【００２５】
なお、上述の実施例１又は実施例２の電力変換装置１及び圧縮機３よりなるシステムは、凝縮器又は蒸発器として機能する熱交換器を備える空気調和器において、冷媒を圧送するための圧縮機に適用できる。  
また、実施例１又は実施例２の電力変換装置１及び圧縮機３よりなるシステムは、エアサスペンションにおいて車高を調整するために作動流体を圧縮する圧縮機に適用できる。
【００２６】
更にまた、施例１又は実施例２の電力変換装置１及び圧縮機３よりなるシステムは、凝縮器及び蒸発器を有する冷蔵庫において、液冷媒を圧送する圧縮機にも適用可能である。
【００２７】
なお、上述の実施例１及び実施例２では、システムを構成する、電力変換装置１に電気的に接続される機器として、圧縮機３を一例として説明したが、これに限られるものでは無い。上述の実施例１及び実施例２に示した電力変換装置１に電気的に接続される機器として、運転状態又は稼働状態において負荷が変動するような機器、特に、気相、液相、又は気液混合相、粘性を有する流体等を制御する機器等においても同様に適用可能である。  
なお、本発明は上記した実施例に限定されるものではなく、本願の技術的思想に反しない範囲で様々な変形を施すことができる。たとえば、上記した実施例は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、実施例の構成の一部について、公知の構成の追加・削除・置換をすることが可能である。
【符号の説明】
【００２８】
１・・・電力変換装置
１１・・・電力変換回路（フルブリッジ回路）
１１１〜１１６・・・半導体素子
１２ ・・・制御部
１３・・・直流電源
３ ・・・圧縮機
３１・・・シリンダ
３２・・・ピストン
３３・・・巻線
３４・・・可動子
【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】
2018064341.tif 000008
【図７】
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