(57)【要約】【課題】昇圧回路の電力損失を低減できる熱源装置を提供する。【解決手段】昇圧回路における逆流阻止用のダイオードと並列に第２スイッチを並列接続する。そして、前記モータの動作状態に応じて昇圧回路の昇圧動作と非昇圧動作を切り替えるとともに、昇圧回路における第１スイッチのオン,オフによる昇圧動作時にその第１スイッチのオン,オフとは反対の位相で前記第２スイッチをオン,オフし、前記第１スイッチのオフによる非昇圧動作時に前記第２スイッチをオンする。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
入力電圧を第１スイッチのオン,オフにより昇圧し逆流阻止用のダイオードを通して出力する昇圧回路と、
前記昇圧回路の出力を交流変換しモータへの駆動電力として出力するインバータと、
を備えた熱源装置において、
前記ダイオードに並列接続された第２スイッチと、
前記モータの動作状態に応じて、昇圧回路の昇圧動作と非昇圧動作を切り替えるとともに、前記第１スイッチのオン,オフによる昇圧動作時にその第１スイッチのオン,オフとは反対の位相で前記第２スイッチをオン,オフし、前記第１スイッチのオフによる非昇圧動作時に前記第２スイッチをオンする制御手段と、
を備えることを特徴とする熱源装置。
【請求項２】
前記第２スイッチは、オン時の抵抗値が前記ダイオードの順方向の抵抗値より小さい双方向性のスイッチ素子である
ことを特徴とする請求項１記載の熱源装置。
【請求項３】
前記昇圧回路は、前記ダイオードを経た電圧をコンデンサに印加し、そのコンデンサの電圧を出力する
ことを特徴とする請求項１記載の熱源装置。
【請求項４】
前記制御手段は、前記昇圧回路の出力電圧が目標値となるように前記第１スイッチのオン，オフデューティを制御する
ことを特徴とする請求項１記載の熱源装置。
【請求項５】
前記制御手段は、前記第１スイッチがオフからオンに切換わるタイミングと前記第２スイッチがオンからオフに切換わるタイミングとの間に両スイッチが共にオフ状態となるデッドタイムを確保するとともに、前記第１スイッチがオンからオフに切換わるタイミングと前記第２スイッチがオフからオンに切換わるタイミングとの間に両スイッチが共にオフ状態となるデッドタイムを確保する
ことを特徴とする請求項１記載の熱源装置。
【請求項６】
前記インバータは、前記昇圧回路の出力をスイッチングにより交流変換し前記モータへの駆動電力として出力する、
前記制御手段は、前記モータの速度が目標速度となるように前記インバータのスイッチングのオン,オフデューティを制御し、このオン,オフデューティが所定値以上の場合に前記第１スイッチをオン,オフし、所定値未満の場合に前記第１スイッチを継続的にオフする、
ことを特徴とする請求項１記載の熱源装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の実施形態は、昇圧回路を備えた熱源装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
空気調和機等の熱源装置においては、圧縮機モータをインバータによって可変速駆動して、加熱または冷却能力を可変する。大能力を得るためには圧縮機モータの回転速度を高くする必要がある。そこで、より大きな回転数を得るために昇圧回路を設け、インバータに供給する直流電圧を高めることが行われている。
【０００３】
このような昇圧回路としては、入力電圧をスイッチ素子を介してリアクタに印加し、そのスイッチ素子のオン，オフスイッチングにより上記入力電圧を昇圧し、昇圧した電圧を逆流阻止用のダイオードを通して出力する昇圧回路が知られている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１４−２１２５８８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上記昇圧回路に搭載されている逆流阻止用のダイオードは、順方向に流れる電流に対して抵抗値を有する。この抵抗値の存在は、昇圧回路の電力損失につながり、省エネルギー性の面で無視できない。
【０００６】
また、昇圧回路の昇圧動作時は、スイッチ素子が駆動されるため、その分のロスが発生する。
【０００７】
本発明の実施形態の目的は、昇圧回路を設けた場合の電力損失を低減できる熱源装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
請求項１の熱源装置は、入力電圧を第１スイッチのオン,オフにより昇圧し逆流阻止用のダイオードを通して出力する昇圧回路と、この昇圧回路の出力を交流変換しモータへの駆動電力として出力するインバータとを備えたものであって、前記ダイオードに並列接続された第２スイッチと、前記モータの動作状態に応じて、昇圧回路の昇圧動作と非昇圧動作を切り替えるとともに、前記第１スイッチのオン,オフによる昇圧動作時にその第１スイッチのオン,オフとは反対の位相で前記第２スイッチをオン,オフし、前記第１スイッチのオフによる非昇圧動作時に前記第２スイッチをオンする制御手段と、を備える。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】一実施形態の構成を示すブロック図。
【図２】一実施形態の制御を示すフローチャート。
【図３】一実施形態における昇圧回路の昇圧動作を示すタイムチャート。
【図４】一実施形態の変形例の構成を示すブロック図。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下、一実施形態として、空気調和機等の熱源装置に搭載される冷凍サイクル装置を例に説明する。  
図１に示すように、交流電源１にダイオードブリッジの全波整流回路２が接続され、その全波整流回路２の出力端に平滑コンデンサ３が接続される。そして、平滑コンデンサ３の両端に昇圧回路１０が接続される。
【００１１】
昇圧回路１０は、昇圧用のリアクタ１１、スイッチ素子（第１スイッチ）ＳＷ１、逆流阻止用のダイオード１２、および平滑用のコンデンサ（電解コンデンサ）１３を含み、スイッチ素子ＳＷ１のオン,オフとそのオン,オフに伴うリアクタ１１の電荷のチャージ（charge）とディスチャージ（discharge）の繰り返しにより入力電圧（全波整流回路２の出力電圧）を昇圧し、昇圧した電圧をダイオード１２を通してコンデンサ１３に印加し、そのコンデンサ１３に生じる電圧を出力する。また、昇圧回路１０は、スイッチ素子ＳＷ１の継続的なオフにより、入力電圧をリアクタ１１およびダイオード１２に通してそのまま昇圧することなくコンデンサ１３に印加し、そのコンデンサ１３に生じる電圧を出力する。スイッチ素子ＳＷ１として、例えばＭＯＳＦＥＴを用いる。
【００１２】
この昇圧回路１０のダイオード１２に対し、スイッチ素子（第２スイッチ）ＳＷ２が並列接続される。スイッチ素子ＳＷ２は、オン時にエミッタ・コレクタ間の双方向に電流が流れる双方向性を有し且つオン時の抵抗値がダイオード１２の順方向の抵抗値より小さいスイッチ素子たとえばＭＯＳＦＥＴである。
【００１３】
昇圧回路１０の出力端に、インバータ２０が接続される。インバータ２０は、昇圧回路１０の出力電圧をスイッチングにより交流変換しモータ４０Ｍへの駆動電力として出力する。モータ４０Ｍは、冷凍装置に搭載される圧縮機４０の駆動用モータ（例えばブラシレスＤＣモータ）である。
【００１４】
圧縮機４０は、冷媒を吸込んで圧縮し吐出する。この圧縮機４０の冷媒吐出口に四方弁４１を介して室外熱交換器４２の一端が接続され、その室外熱交換器４２の他端が膨張弁４３を介して室内熱交換器４４の一端に接続される。室内熱交換器４４の他端は、四方弁４１を介して圧縮機４０の冷媒吸込口に接続される。これら圧縮機４０、四方弁４１、室外熱交換器４２、膨張弁４３、室内熱交換器４４により、空気調和機用の冷凍サイクルが構成される。
【００１５】
昇圧回路１０において、リアクタ１１とダイオード１２との間の接続ラインに、かつスイッチ素子ＳＷ１の接続点よりリアクタ１１側の位置に、電流センサ１４が配置される。電流センサ１４は、リアクタ１１に流れる電流を検知する。また、昇圧回路１０におけるコンデンサ１３の両端に、電圧検出部１５が接続される。電圧検出部１５は、昇圧回路１０の出力電圧（コンデンサ１３の電圧）Ｖｄｃを検出する。さらに、インバータ２０とモータ４０Ｍとの間の接続ラインに、モータ４０Ｍに流れる電流（相巻線電流）を検知する電流センサ１６，１７，１８が配置される。これら電流センサ１４、電圧検出部１５、電流センサ１６〜１８が制御部３０に接続される。また、運転条件設定用の操作部３１が制御部３０に接続される。
【００１６】
制御部３０は、昇圧回路１０およびインバータ２０を制御するもので、主要な機能として、次の（１）〜（５）の手段を有する。  
（１）モータ４０Ｍの速度が圧縮機４０の負荷（＝冷温熱の要求負荷）に応じた目標速度となるように、インバータ２０のスイッチングのオン,オフデューティを制御する第１制御手段。
【００１７】
（２）上記第１制御手段の制御によるオン,オフデューティが所定値Ａ％以上の場合に昇圧回路１０のスイッチ素子ＳＷ１をオン,オフして昇圧回路１０を昇圧動作させ、上記第１制御手段の制御によるオン,オフデューティが所定値Ｂ％（＜Ａ％）未満の場合に昇圧回路１０のスイッチ素子ＳＷ１をオフ（継続的にオフ）して昇圧回路１０を非昇圧動作させる第２制御手段。
【００１８】
もともと、昇圧は、圧縮機４０の回転数を高める場合に必要となり、低回転数で運転する場合には不要である。一方、昇圧回路１０を動作させると、スイッチ素子ＳＷ１のオン，オフ動作によって、ロスが発生する、そこで、圧縮機４０の回転数が低い場合には、昇圧回路１０を停止（非昇圧）とすることで、圧縮機４０の低回転数時の効率を向上させる。ここでは、モータの動作状態を示すパラメータとして第１制御手段の制御によるオン,オフデューティの値を用いたが、他にモータの動作状態を示すものとしては、モータの回転数、モータの目標回転数、モータ電流等を用いても良い。
【００１９】
（３）昇圧回路１０の昇圧動作時、昇圧回路１０の出力電圧Ｖｄｃが予め定めた目標値となるようにスイッチ素子ＳＷ１のオン，オフデューティを制御するとともに、スイッチ素子ＳＷ１のオン,オフとは反対の位相でスイッチ素子ＳＷ２をオン,オフする第３制御手段。
【００２０】
（４）昇圧回路１０の非昇圧動作時、スイッチ素子ＳＷ２をオン（継続的にオン）する第４制御手段。
【００２１】
（５）スイッチ素子ＳＷ２のオン,オフに際し、スイッチ素子ＳＷ１がオフからオンに切換わる前にスイッチ素子ＳＷ２をオンからオフに切換え、これによりスイッチ素子ＳＷ１がオフからオンに切換わるタイミングとスイッチ素子ＳＷ２がオンからオフに切換わるタイミングとの間に両スイッチ素子ＳＷ１，ＳＷ２が共にオフ状態となるデッドタイムｔ１を確保するとともに、スイッチ素子ＳＷ１がオンからオフに切換わった後でスイッチ素子ＳＷ２をオフからオンに切換え、これによりスイッチ素子ＳＷ１がオンからオフに切換わるタイミングとスイッチ素子ＳＷ２がオフからオンに切換わるタイミングとの間に両スイッチ素子ＳＷ１、ＳＷ２が共にオフ状態となるデッドタイムｔ２を確保する第５制御手段。
【００２２】
上記全波整流回路２、昇圧回路１０、インバータ２０、電流センサ１４，１６〜１７、電圧検出部１５、および制御部３０などにより、本実施形態の熱源装置が構成される。
【００２３】
つぎに、制御部３０が実行する制御を図２のフローチャートおよび図３のタイムチャートを参照しながら説明する。図３において、Ｉsw1はスイッチ素子ＳＷ１に流れる電流、Ｉdiはダイオード１２に流れる電流、Ｉsw2はスイッチ素子ＳＷ２に流れる電流を示す。
【００２４】
操作部３１で運転開始操作があった場合（ステップＳ１のＹＥＳ）、制御部３０は、昇圧回路１０のスイッチ素子ＳＷ１をオフ（継続的にオフ）して昇圧回路１０を非昇圧動作させ、この状態でインバータ２０の運転を開始して圧縮機４０を起動する（ステップＳ２）。
【００２５】
この起動に伴い、制御部３０は、電流センサ１６〜１８の検知電流からモータ４０Ｍの速度を検出し、検出した速度が圧縮機４０の負荷（空調負荷）に応じた目標速度となるようにインバータ２０のスイッチングのオン,オフデューティ（通電率ともいう）を制御する（ステップＳ３）。
【００２６】
この時点で、制御部３０は、昇圧回路１０をまだ昇圧動作させていないので（ステップＳ４のＮＯ）、インバータ２０のスイッチングのオン，オフデューティが所定値Ａ％（例えば最大値１００％）に達しているか否かを判定する（ステップＳ５）。インバータ２０のスイッチングのオン，オフデューティが所定値Ａ％に達していない場合（ステップＳ５のＮＯ）、制御部３０は、操作部３１の運転停止操作を監視する（ステップＳ９）。運転停止操作がない場合（ステップＳ９のＮＯ）、制御部３０は、ステップＳ３のインバータ出力制御に戻る。
【００２７】
インバータ２０のスイッチングのオン，オフデューティが最大値１００％に達する状態というのは、インバータ２０の出力電圧をそれ以上高めることができない状態のことであり、インバータ２０の出力電圧をさらに高める必要がある場合には昇圧回路１０の昇圧動作が必要となる。
【００２８】
インバータ２０のスイッチングのオン，オフデューティが所定値Ａ％に達した場合（ステップＳ５のＹＥＳ）、制御部３０は、昇圧回路１０のスイッチ素子ＳＷ１をオン,オフして昇圧回路１０を昇圧動作させる（ステップＳ６）。具体的には、制御部３０は、所定周波数のキャリア信号（三角波信号）を電流センサ１４の検知電流（リアクタ電流）のレベルに基づいてＰＷＭ変調することによりスイッチ素子ＳＷ１に対する駆動信号（ＰＷＭ信号）を生成し、その駆動信号のオン，オフデューティを電圧検出部１５の検出電圧（昇圧回路１０の出力電圧）Ｖｄｃが予め定めた目標値となるように制御する。さらに、制御部３０は、スイッチ素子ＳＷ１のオン,オフとは反対の位相でスイッチ素子ＳＷ２をオン,オフする。
【００２９】
スイッチ素子ＳＷ１のオン時、リアクタ１１に対する通電路がスイッチ素子ＳＷ１を介して形成され、リアクタ１１に電荷(エネルギー)がチャージされる。このとき、スイッチ素子ＳＷ２がオフしているので、しかもダイオード１２の逆流阻止作用により、コンデンサ１３の電圧がスイッチ素子ＳＷ１を通して放電することはない。
【００３０】
続いて、スイッチ素子ＳＷ１がオフすると、リアクタ１１から電荷がディスチャージされ、スイッチ素子ＳＷ１の両端に生じる電圧が上昇方向に変化する。このとき、スイッチ素子ＳＷ２がオンしているので、スイッチ素子ＳＷ１の両端に生じる電圧がダイオード１２よりも抵抗値の小さいスイッチ素子ＳＷ２を介してコンデンサ１３に印加される。つまり、コンデンサ１３に向かう電流はダイオード１２よりも抵抗値の小さいスイッチ素子ＳＷ２を通る。スイッチ素子ＳＷ２に電流が流れることによる電力損失は、ダイオード１２に電流が流れる場合の電力損失よりも、小さい。
【００３１】
両スイッチ素子ＳＷ１，ＳＷ２が同時にオンすると、コンデンサ１３が短絡されてしまう。これを防止するためにスイッチ素子ＳＷ１がオフからオンに切換わるタイミングとスイッチ素子ＳＷ２がオンからオフに切換わるタイミングとの間に、両スイッチ素子ＳＷ１，ＳＷ２が共にオフ状態となるデッドタイムｔ１が確保される。さらに、スイッチ素子ＳＷ１がオンからオフに切換わるタイミングとスイッチ素子ＳＷ２がオフからオンに切換わるタイミングとの間に、両スイッチ素子ＳＷ１、ＳＷ２が共にオフ状態となるデッドタイムｔ２が確保される。これらデッドタイムｔ１，ｔ２の確保により、コンデンサ１３の電圧がスイッチ素子ＳＷ１を通して放電する不具合は生じない。デッドタイムｔ１，ｔ２は、互いに同じ時間であっても、互いに異なる時間であってもよく、それぞれ最適な時間が設定される。
【００３２】
なお、両スイッチ素子ＳＷ１，ＳＷ２が共にオフ状態となるデッドタイムｔ１，ｔ２の期間は、入力電圧がリアクタ１１およびダイオード１２を介してコンデンサ１３に印加されるので、ダイオード１２に電流が流れるが、デッドタイムｔ１，ｔ２は極めて短いので、ダイオード１２での電力損失は小さい。
【００３３】
この昇圧動作の開始に伴い、制御部３０は、操作部３１の運転停止操作を監視する（ステップＳ９）。運転停止操作がない場合（ステップＳ９のＮＯ）、制御部３０は、ステップＳ３のインバータ出力制御に戻る。
【００３４】
昇圧動作中（ステップＳ４のＹＥＳ）、制御部３０は、インバータ２０のスイッチングのオン，オフデューティが所定値Ｂ％（例えば９０％）未満であるか否かを判定する（ステップＳ７）。インバータ２０のスイッチングのオン，オフデューティが所定値Ｂ％未満でない場合（ステップＳ７のＮＯ）、制御部３０は、操作部３１の運転停止操作を監視する（ステップＳ９）。運転停止操作がない場合（ステップＳ９のＮＯ）、制御部３０は、ステップＳ３のインバータ出力制御に戻る。
【００３５】
インバータ２０のスイッチングのオン，オフデューティが所定値Ｂ％未満に低下した場合（ステップＳ７のＹＥＳ）、制御部３０は、スイッチ素子ＳＷ１をオフ（継続的にオフ）して昇圧回路１０を非昇圧動作させる（ステップＳ８）。この場合、昇圧回路１０への入力電圧がリアクタ１１およびスイッチ素子ＳＷ２を介してそのまま昇圧されることなくコンデンサ１３に印加され、そのコンデンサ１３に生じる電圧が出力される。
【００３６】
この非昇圧時も、ダイオード１２より抵抗値の小さい方のスイッチ素子ＳＷ２を通して電流が流れるので、昇圧回路１０における電力損失は小さい。
【００３７】
非昇圧時、制御部３０は、スイッチ素子ＳＷ１がオンからオフに切換わった後でスイッチ素子ＳＷ２をオフからオンに切換える。これにより、スイッチ素子ＳＷ１がオンからオフに切換わるタイミングとスイッチ素子ＳＷ２がオフからオンに切換わるタイミングとの間に、両スイッチ素子ＳＷ１、ＳＷ２が共にオフ状態となるデッドタイムが確保される。よって、コンデンサ１３の電圧がスイッチ素子ＳＷ１を通して放電することはない。
【００３８】
そして、制御部３０は、操作部３１の運転停止操作を監視する（ステップＳ９）。運転停止操作がない場合（ステップＳ９のＮＯ）、制御部３０は、ステップＳ３のインバータ出力制御に戻る。運転停止操作があった場合には（ステップＳ９のＹＥＳ）、制御部３０は、全ての運転を終了する（ステップＳ１０）。
【００３９】
以上のように、昇圧回路１０における逆流阻止用のダイオード１２と並列にスイッチ素子ＳＷ２を並列接続し、スイッチ素子ＳＷ１をオン，オフする昇圧時はスイッチ素子ＳＷ２をスイッチ素子ＳＷ１のオン，オフとは反対の位相でオン，オフし、スイッチ素子ＳＷ１をオフする非昇圧時はスイッチ素子ＳＷ２をオンすることにより、昇圧回路１０の電力損失を低減できる。省エネルギー効果の向上が図れる。
【００４０】
なお、上記実施形態では、１つのダイオード１２を有する昇圧回路１０を例に説明したが、図４に示すように、複数たとえば３つのダイオード１２ａ，１２ｂ，１２ｃを互いに並列接続し、これらダイオード１２ａ，１２ｂ，１２ｃごとにスイッチ素子（第２スイッチ素子）ＳＷ２ａ，ＳＷ２ｂ，ＳＷ２ｃを並列接続する構成の昇圧回路１０を採用してもよい。スイッチ素子ＳＷ２ａ，ＳＷ２ｂ，ＳＷ２ｃは、互いに同期する状態でオンし、互いに同期する状態でオフする。
【００４１】
スイッチ素子ＳＷ２ａ，ＳＷ２ｂ，ＳＷ２ｃのオン時は、リアクタ１１側からコンデンサ１３に向かって流れる電流がスイッチ素子ＳＷ２ａ，ＳＷ２ｂ，ＳＷ２ｃに分流して流れる。デッドタイムにおいてスイッチ素子ＳＷ１とスイッチ素子ＳＷ２ａ，ＳＷ２ｂ，ＳＷ２ｃが共にオフするタイミングでは、リアクタ１１側からコンデンサ１３に向かって流れる電流がダイオード１２ａ，１２ｂ，１２ｃに分流して流れる。分流によりダイオード１２ａ，１２ｂ，１２ｃの個々の温度上昇およびその温度上昇に伴うダイオード１２ａ，１２ｂ，１２ｃの個々の抵抗値増大を抑えることができる。これにより、ダイオード１２ａ，１２ｂ，１２ｃに電流が流れる場合の電力損失を極力抑えることができる。
【００４２】
上記実施形態では、スイッチ素子ＳＷ２としてＭＯＳＦＥＴを用いたが、オン時に双方向に電流が流れる双方向性を有し且つオン時の抵抗値がダイオード１２の順方向の抵抗値より小さいスイッチ素子であれば、ＭＯＳＦＥＴ以外のスイッチ素子を用いてもよい。
【００４３】
その他、上記実施形態および変形例は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。この新規な実施形態および変形例は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、書き換え、変更を行うことができる。これら実施形態や変形は、発明の範囲は要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。
【符号の説明】
【００４４】
１…交流電源、２…全波整流回路、１０…昇圧回路、１１…昇圧用のリアクタ、１２…逆流阻止用のダイオード、１３…コンデンサ、ＳＷ１…スイッチ素子（第１スイッチ素子）、ＳＷ２…スイッチ素子（第２スイッチ素子）、１４…電流センサ、１５…電圧検出部、１６〜１８…電流センサ、２０…インバータ、３０…制御部、３１…操作部、４０…圧縮機、４０Ｍ…モータ、４１…四方弁、４２…室外熱交換器、４３…膨張弁、４４…室内熱交換器
【図１】
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【図２】
2018121373.tif 000004
【図３】
2018121373.tif 000005
【図４】
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