(57)【要約】【課題】交流電力を直流電力に変換して負荷に供給する場合に、昇圧と高調波抑制を担保しながら、効率的な電源供給を実現できる電源装置を提供する。【解決手段】電源装置１は、交流電力を直流電力に変換して負荷に供給するものであって、入力電圧波形の全範囲においてスイッチング素子を高周波スイッチングすることにより波形改善を行う第１のフィルタ機能、及び、入力電圧波形の一部においてスイッチング素子をスイッチングすることにより波形改善を行う第２のフィルタ機能の双方を併せ持ち、入力電流値に基づいて第１のフィルタ機能と第２のフィルタ機能を選択的に動作させる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
交流電力を直流電力に変換して負荷に供給するための電源装置において、
入力電圧波形の全範囲においてスイッチング素子を高周波スイッチングすることにより波形改善を行う第１のフィルタ機能、及び、前記入力電圧波形の一部においてスイッチング素子をスイッチングすることにより波形改善を行う第２のフィルタ機能の双方を併せ持ち、入力電流値に基づいて前記第１のフィルタ機能と前記第２のフィルタ機能を選択的に動作させることを特徴とする電源装置。
【請求項２】
前記入力電流値が所定の値より高い場合は前記第１のフィルタ機能を動作させ、低い場合には前記第２のフィルタ機能を動作させることを特徴とする請求項１に記載の電源装置。
【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して負荷に供給するための電源装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年空気調和機等においては、インバータを用いて圧縮機駆動用の電動機の回転数を可変制御する方式が一般的になっている。このようなインバータは所謂ＰＷＭ制御によって電動機に印加される電力の周波数を制御するものであるが、インバータに入力される電力は直流電力である必要があるため、商用電源を使用する場合には、交流電力を直流電力に変換する電源装置が必要となる。
【０００３】
ここで、交流電力を直流電力に変換するためには、コンデンサインプット型の整流回路を使用するため、電力系統のインピーダンスに左右されて入力電流が大きく歪む。この歪みが発生すると高調波電流が増大してコンデンサや他の回路素子を発熱させ、劣化や誤動作を生じさせる問題がある。
【０００４】
そこで、このような電源装置においては係る高調波電流を抑制するためのフィルタが設けられる。このフィルタには受動素子で構成されるパッシブフィルタと、スイッチング素子のスイッチング動作によって波形改善を行うアクティブフィルタとがあるが、前者のパッシブフィルタでは主回路構成が変わるとそれに対応した受動素子に変更する必要が生じ、設計に要する時間と費用面で有利ではない。
【０００５】
一方、後者のアクティブフィルタは入力に合わせた素子を選定するだけの略同一構成で済むため手軽であると共に、アナログ制御による高周波スイッチングで入力電流の波形改善を行うため、略完全な高調波の除去が可能となる。特に、近年ではＤＣモータの普及から、電動機の小型化／高出力化が求められ、その実現のためにはインバータに入力の高電圧化が必要となる。アクティブフィルタは高調波の抑制と同時に昇圧もできるため、インバータを使用した電動機制御機器には非常に好適である（例えば、特許文献１、特許文献２参照）。
【特許文献１】特開平６−１０５５６３号公報
【特許文献２】特開２０００−２２４８５８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ここで、電動機の小型化や高出力化が必要でなく、昇圧の要求が無い場合には、アクティブフィルタは波形改善による高調波の抑制（力率改善）に特化して使用されることになる。一方で、整流回路から出力される入力電圧波形の全範囲でスイッチング素子を高周波でスイッチングすると（前記特許文献１）、スイッチング損失（スイッチングすること自体の損失及びスイッチング素子の電力消費が大きくなる。
【０００７】
そこで、入力電圧波形のゼロクロス付近のみスイッチング素子を部分的にスイッチングする方法が開発されている（前記特許文献２）。係る部分スイッチングによれば、高調波電流の規制値内に収まる波形改善を行いながら、上述した如き全範囲での高周波スイッチングに比べてスイッチング回数を削減し、スイッチング損失を低減することができる。また、昇圧を行わないため、リアクトルやスイッチング素子の低容量化が図れる。特に、特許文献２では或る程度の昇圧もできるようにしているが、どうしても少ないスイッチングでは電動機を高出力で運転する場合に波形改善が困難となる問題があった。
【０００８】
本発明は、係る従来の技術的課題を解決するために成されたものであり、交流電力を直流電力に変換して負荷に供給する場合に、昇圧と高調波抑制を担保しながら、効率的な電源供給を実現できる電源装置を提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明の電源装置は、交流電力を直流電力に変換して負荷に供給するものであって、入力電圧波形の全範囲においてスイッチング素子を高周波スイッチングすることにより波形改善を行う第１のフィルタ機能、及び、入力電圧波形の一部においてスイッチング素子をスイッチングすることにより波形改善を行う第２のフィルタ機能の双方を併せ持ち、入力電流値に基づいて第１のフィルタ機能と第２のフィルタ機能を選択的に動作させることを特徴とする。
【００１０】
請求項２の発明の電源装置は、上記において入力電流値が所定の値より高い場合は第１のフィルタ機能を動作させ、低い場合には第２のフィルタ機能を動作させることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、交流電力を直流電力に変換して負荷に供給する電源装置において、入力電圧波形の全範囲においてスイッチング素子を高周波スイッチングすることにより波形改善を行う第１のフィルタ機能、及び、入力電圧波形の一部においてスイッチング素子をスイッチングすることにより波形改善を行う第２のフィルタ機能の双方を併せ持ち、入力電流値に基づいて第１のフィルタ機能と第２のフィルタ機能を選択的に動作させるようにしたので、例えば請求項２の発明の如く入力電流値が所定の値より高い場合は第１のフィルタ機能を動作させ、低い場合には第２のフィルタ機能を動作させることにより、第２のフィルタ機能で賄える範囲では第２のフィルタ機能を動作させ、効率的なスイッチングで高調波の抑制と或る程度の昇圧を行い、第２のフィルタでは対応できない出力範囲となった場合は、第１のフィルタ機能を動作させて必要な昇圧と確実な高調波抑制を行うことができる。
【００１２】
これにより、昇圧と高調波抑制機能を担保しながら、効率的な電源供給を実現することができるようになるものである。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
以下、図面に基づき本発明の実施形態を詳述する。
【実施例１】
【００１４】
図１は本発明の一実施例の電源装置１を適用した電動機駆動装置２の電気回路図を示している。実施例の電動機駆動装置２は、図示しない空気調和機の冷媒回路を構成する圧縮機に内蔵された圧縮機駆動用電動機３を駆動する。実施例の電動機３はＤＣブラシレスモータから構成されている。そして、電動機駆動装置２は、本発明の電源装置１とインバータ回路４から構成される。
【００１５】
電源装置１は、整流部６と平滑部７を備えており、交流電源８から供給される交流電力を所定電圧の直流電力に変換し、インバータ回路４に出力して供給する。このインバータ回路４は複数のスイッチング素子から構成されており、マイクロコンピュータ９（制御手段）から出力されるスイッチング信号によってスイッチング素子がＯＮ／ＯＦＦされることにより、スイッチング信号に応じた電力を電動機３に出力し、この電力に応じた回転数で電動機３を運転する。
【００１６】
マイクロコンピュータ９はインバータ回路４を用い、ＰＷＭ制御で電動機３の回転数を制御する。電動機３は入力電圧の変化に応じて回転数が変化する。従って、マイクロコンピュータ９からのスイッチング信号のデューティー比に応じた電圧がインバータ回路４から電動機３に出力されることにより、電動機３はこの電圧に応じた回転数で回転する。
【００１７】
ここで、インバータ回路４でのスイッチング信号のデューティー比を一定としたとき、インバータ回路４から出力される電圧は当該インバータ回路４への入力電圧、即ち、電源装置１の平滑部７の出力電圧Ｖｏに応じて変化する。従って、インバータ回路４への出力電圧Ｖｏによっても電動機３の回転数は変更可能である。マイクロコンピュータ９は電源装置１のＰＡＭ制御によっても電動機３の回転数を制御可能とされている。
【００１８】
一方、整流部６にはダイオード１１をブリッジ状に接続した全波整流回路１２が設けられており、この整流回路１２の入力にリレー１３とコンデンサ１４を介して交流電源８（商用交流１００Ｖ電源）が接続される。整流回路１２の出力にはリアクトル１６が接続されており、このリアクトル１６の後段にダイオード１７を介して平滑部７を構成するコンデンサ１８が接続されている。また、リアクトル１６とダイオード１７の接続点とアース間にはスイッチング素子１９が接続されている。更に、リアクトル１６とコンデンサ１８との間には、ダイオード１７と並列にもう一つのダイオード２１が接続され、このダイオード２１とリアクトル１６の接続点とアース間にはもう一つのスイッチング素子２２が接続されている。
【００１９】
平滑部７のコンデンサ１８はダイオード１７又は２１を経た電流の脈流を平滑化する。スイッチング素子１９及び２１はＩＧＢＴ等により構成されており、スイッチング信号によってＯＮされることにより、リアクトル８に短絡電流を流す。スイッチング素子１７又は２１がＯＮされると、リアクトル１６の出力側の電路が短絡されてリアクトル１６に直流電流が流れる。これにより、エネルギーがリアクトル１６に蓄えられる。リアクトル１６に蓄えられたエネルギーは、その後当該スイッチング素子１７（又は２１）がＯＦＦされることで入力直流電圧に加算され、コンデンサ１８に充電される。これにより、整流回路１２から出力された直流電圧が昇圧される（ＰＡＭ制御）ことになる。また、スイッチング素子１７又は２１のＯＮとＯＦＦのデューティー比（時間比、通流率）を制御することにより、入力電流を正弦波状に制御することができる。これにより、力率の改善と高調波の抑制が行われる。
【００２０】
２３はＰＡＭ波形生成／駆動回路、２４は整流回路１２とアース間に接続されたシャント抵抗である。スイッチング素子１９のゲートはＰＡＭ波形生成／駆動回路２３に接続されている。このＰＡＭ波形生成／駆動回路２３には抵抗２４の端子電圧から入力電流が入力され、更に整流回路１２後段の入力電圧とダイオード１７後段の出力電圧も入力される。そして、このＰＡＭ波形生成／駆動回路２３はアナログ制御により入力電圧波形の全範囲において、例えば３０ｋＨｚの高周波で上記スイッチング素子１９をスイッチングするスイッチング信号を生成している。これにより、インバータ回路４に出力する直流電圧を広範囲で昇圧できると共に、高度な力率改善と高調波抑制が行われる。この実施例ではこれらＰＡＭ波形生成／駆動回路２３、抵抗２４、スイッチング素子１９及びダイオード１７がパッケージされた一般的なＰＡＭ制御用のＩＣを使用している。そして、この実施例ではこのＩＣが本発明における第１のフィルタ機能（後述するフルＰＡＭ制御）を奏する。
【００２１】
一方、２６は駆動回路であり、スイッチング素子２２のゲートをスイッチングする。この駆動回路２６と前記ＰＡＭ波形生成／駆動回路２３はマイクロコンピュータ９により制御される。また、２７は電流検出回路であり、抵抗２４の端子電圧から入力電流を検出してマイクロコンピュータ９に入力する。また、２８、２９は電圧検出回路であり、電圧検出回路２８は整流回路１２後段の入力電圧をマイクロコンピュータ９に入力し、電圧検出回路２９はダイオード１７後段の出力電圧をマイクロコンピュータ９に入力するものである。
【００２２】
マイクロコンピュータ９は駆動回路２６により、入力電圧波形のゼロクロス付近のみでスイッチング素子２２をスイッチングする。実施例でマイクロコンピュータ９は、少なくとも１５ｋＨｚ以上の可聴領域外の周波数（前記第１のフィルタ機能よりも低い周波数）を周期とした所定のデューティー比でスイッチング素子２２をスイッチングする。また、このスイッチングは入力電圧波形の位相角が例えば０°〜３５°（１８０°〜２１５°）、３５°〜７０°（２１５°〜２５０°）、１５０°〜１８０°（３３０°〜０°）の三つの範囲で行い、それ以外の範囲では停止（ＯＦＦ）する。また、０°〜３５°（１８０°〜２１５°）及び１５０°〜１８０°（３３０°〜０°）の範囲ではスイッチング素子２２をＯＮするデューティー比を例えば３０％とし、３５°〜７０°（２１５°〜２５０°）の範囲では６０％とする。これにより本発明における第２のフィルタ機能（特許文献２同様の後述する簡易ＰＡＭ制御）を奏する。これにより、上述したＰＡＭ波形生成／駆動回路２３のような広範囲では無いものの、或る程度の昇圧を行いながら、ゼロクロス付近の電流波形を滑らかにし、高調波電流規制値内に納められるだけの高調波の低減と力率改善を行う。特に、この場合のスイッチング素子２２における損失は、上述したＰＡＭ波形生成／駆動回路２３により行われるスイッチングに比して著しく低減される。
【００２３】
次に、図２のフローチャートを参照しながら、マイクロコンピュータ９による上記第１のフィルタ機能と第２のフィルタ機能の切替制御について説明する。図２はマイクロコンピュータ９の制御フローチャートを示している。マイクロコンピュータ９はステップＳ１でリレー１３がＯＮされ、圧縮機駆動用電動機３に交流電源８が印加されると、ステップＳ２でインバータ回路４の各スイッチング素子をスイッチングして電動機３のインバータ運転を開始する。
【００２４】
次に、先ずステップＳ３でマイクロコンピュータ９は簡易ＰＡＭ制御とフルＰＡＭ制御をＯＦＦする。この簡易ＰＡＭ制御はマイクロコンピュータ９により駆動回路２６を介してスイッチング素子２２をスイッチングする上述した第２のフィルタ機能であり、フルＰＡＭ制御はＰＡＭ波形生成／駆動回路２３により生成されたスイッチング信号をスイッチング素子１９に加えてスイッチングする上述した第１のフィルタ機能である。マイクロコンピュータ９はステップＳ３でスイッチング素子２２へのスイッチング信号の印加をＯＦＦすると共に、ＰＡＭ波形生成／駆動回路２３に指令を送ってそのスイッチング信号がスイッチング素子１９に印加されないように制御する。これにより、負荷が軽い始動時には、インバータ回路４に電源装置１において昇圧されていない直流電力が印加され、電動機３はこの昇圧前の電圧で回転し始める。
【００２５】
次に、マイクロコンピュータ９はステップＳ４で電流検出回路２７から入力される入力電流値が所定のＰＡＭ制御開始電流値Ｉｓｔａｒｔ以上か否か判断し、入力電流値がＰＡＭ制御開始電流値Ｉｓｔａｒｔ以上に上昇したら、ステップＳ５に進んで簡易ＰＡＭ制御をＯＮし、フルＰＡＭ制御をＯＦＦする。即ち、マイクロコンピュータ９はステップＳ５で駆動回路２６により、スイッチング素子２２へスイッチング信号を印加して前述したゼロクロス付近でのスイッチングを行い、第２のフィルタ機能を奏する。一方、ＰＡＭ波形生成／駆動回路２３に指令を送ってそのスイッチング信号がスイッチング素子１９に印加されないように制御する。これにより、スイッチング素子１９はＯＦＦしたままとなり、インバータ回路４にはスイッチング素子２２によって部分スイッチングされた電力が印加されることになる。
【００２６】
次に、マイクロコンピュータ９はステップＳ６で入力電流値が所定のＰＡＭ制御終了電流値Ｉｓｔｏｐ（Ｉｓｔａｒｔより低い値）に低下したか否か判断し、電動機３の負荷が低下して入力電流値がＰＡＭ制御終了電流値Ｉｓｔｏｐより低くなったらステップＳ３に戻って簡易ＰＡＭ制御とフルＰＡＭ制御の双方をＯＦＦする。
【００２７】
ここではＰＡＭ制御終了電流値Ｉｓｔｏｐまで低下していないものとすると、マイクロコンピュータ９はステップＳ６からステップＳ７に進んで今度は入力電流値が所定のフルＰＡＭ制御開始電流値Ｉｆｓｔａｒｔ（Ｉｓｔａｒｔより高い値）以上に上昇したか否か判断する。このフルＰＡＭ制御開始電流値Ｉｆｓｔａｒｔとは、事前に把握しているインバータ回路４による全運転状態における必要な昇圧・高調波抑制のための波形改善度合いから簡易ＰＡＭ制御とフルＰＡＭ制御を切り換えるポイントとして予め設定された入力電流値である。ステップＳ７で入力電流値がＩｆｓｔａｒｔまで上昇していなければステップＳ５に戻って以後これを繰り返す。
【００２８】
電動機３の負荷が増大して高い出力が必要となり、入力電流値がフルＰＡＭ制御開始電流値Ｉｆｓｔａｒｔ以上となった場合、マイクロコンピュータ９はステップＳ７からステップＳ８に進んでフルＰＡＭ制御をＯＮし、簡易ＰＡＭ制御をＯＦＦする。即ち、マイクロコンピュータ９はステップＳ８で駆動回路２６によるスイッチング素子２２へスイッチング信号の印加を停止し、第２のフィルタ機能を停止する。これにより、スイッチング素子２２はＯＦＦしたままとなる。
【００２９】
一方、マイクロコンピュータ９はＰＡＭ波形生成／駆動回路２３に指令を送ってそのスイッチング信号がスイッチング素子１９に印加されるように制御する。これにより、スイッチング素子２２により充分に昇圧され、且つ、高度に波形成形された電力がインバータ回路４に印加されることになる。
【００３０】
以後これを繰り返し、その後電動機３の負荷が低下して入力電流値が所定のフルＰＡＭ制御終了電流値Ｉｆｓｔｏｐ（Ｉｆｓｔａｒｔより低く、Ｉｓｔａｒｔより高い値）まで低下したら、マイクロコンピュータ９はステップＳ９からステップＳ５に戻り、前述した簡易ＰＡＭ制御（第２のフィルタ機能）に戻る。
【００３１】
このように、マイクロコンピュータ９は第１のフィルタ機能と第２のフィルタ機能を選択的に切り換える。この場合、入力電流値が高い場合は第１のフィルタ機能を動作させ、低い場合には第２のフィルタ機能を動作させるので、第２のフィルタ機能で賄える範囲では第２のフィルタ機能を動作させ、効率的なスイッチングで高調波の抑制と或る程度の昇圧を行い、第２のフィルタでは対応できない出力範囲となった場合は、第１のフィルタ機能を動作させて必要な昇圧と確実な高調波抑制を行うことができる。これにより、昇圧と高調波抑制機能を担保しながら、スイッチング素子１９、２２におけるスイッチング損失を抑え、効率的な電源供給を実現することができるようになる。
【００３２】
特に、この実施例の場合には一般的なＰＡＭ制御用のＩＣを利用して実現できるメリットがある。
【実施例２】
【００３３】
次に、図３は本発明の他の実施例を示している。尚、この図において図１と同一符号で示すものは同一若しくは同様の機能を奏するものとする。この場合のＰＡＭ波形生成回路２３Ａは前記実施例のＰＡＭ波形生成／駆動回路２３の波形生成機能のみを備え、入力電圧波形の全範囲における高周波スイッチング信号を常時生成している。また、３１は切替／駆動回路であり、ＰＡＭ波形生成回路２３Ａの出力とマイクロコンピュータ９の制御出力が接続される。また、スイッチング素子２２及びダイオード２１は削除されている。
【００３４】
この場合、マイクロコンピュータ９は前記実施例同様に切替／駆動回路３１を制御してスイッチング素子１９をスイッチングし、前述した簡易ＰＡＭ制御を実行して第２のフィルタ機能を奏する。また、マイクロコンピュータ９は係る簡易ＰＡＭ制御を自ら停止し、切替／駆動回路３１を切り換えてＰＡＭ波形生成回路２３Ａからのスイッチング信号がスイッチング素子１９に印加されるようにする。これによって、前述したフルＰＡＭ制御を実行し、第１のフィルタ機能を奏する。
【００３５】
この実施例においても前述同様に第２のフィルタ機能と第１のフィルタ機能を切り替えて昇圧と高調波抑制機能を担保しながら、スイッチング素子１９におけるスイッチング損失を抑え、効率的な電源供給を実現することができるようになる。特に、この場合にはスイッチング素子１９とダイオード１７を簡易ＰＡＭ制御とフルＰＡＭ制御とで兼用することができるメリットがある。
【実施例３】
【００３６】
また、図４は図３の更に他の実施例を示している。この図において図１、図３と同一符号で示すものは同一若しくは同様の機能を奏するものとする。この場合は、入力電流と入力電圧の検出を整流回路１２の交流側に移行している。それに伴い、電流検出回路２７は抵抗２４の代わりにカレントトランス３２によって入力電流を取り込んでいる。これによっても図３と同様の効果を奏する。
【実施例４】
【００３７】
また、図５は図３の更に他の実施例を示している。この図において図１、図３と同一符号で示すものは同一若しくは同様の機能を奏するものとする。この場合は、マイクロコンピュータ９により前述したＰＡＭ波形生成回路２３Ａの機能を実現する。マイクロコンピュータ９として高速度のものを使用すれば、３０ＫＨｚの高周波スイッチング信号の計算と出力は可能である。従って、この場合にはマイクロコンピュータ９は駆動回路２６に前述した簡易ＰＡＭ制御（第２のフィルタ機能）のスイッチング信号と、フルＰＡＭ制御（第１のフィルタ機能）のスイッチング信号を切り換えて出力し、スイッチング素子１９をスイッチングすることになる。
【００３８】
係る構成によれば、スイッチング信号の生成をマイクロコンピュータ９に集約でき、回路構成は著しく簡素化されるメリットがある。
【実施例５】
【００３９】
また、図６は図５の他の実施例を示している。この図において図１、図３、図４、図５と同一符号で示すものは同一若しくは同様の機能を奏するものとする。これは図５の入力電流と入力電圧の検出を整流回路１２の交流側に移行したものである。それに伴い、電流検出回路２７は抵抗２４の代わりにカレントトランス３２によって入力電流を取り込んでいる。これによっても図５と同様の効果を奏する。
【００４０】
尚、上記各実施例で示した数値等はそれに限られるものでは無く、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々変更可能であることは云うまでもない。
【図面の簡単な説明】
【００４１】
【図１】本発明の一実施例の電源装置を適用した電動機駆動装置の電気回路図を示している（実施例１）。
【図２】図１のマイクロコンピュータの動作を説明するフローチャートである。
【図３】本発明の他の実施例の電源装置を適用した電動機駆動装置の電気回路図を示している（実施例２）。
【図４】本発明の更に他の実施例の電源装置を適用した電動機駆動装置の電気回路図を示している（実施例３）。
【図５】本発明の更に他の実施例の電源装置を適用した電動機駆動装置の電気回路図を示している（実施例４）。
【図６】本発明の更に他の実施例の電源装置を適用した電動機駆動装置の電気回路図を示している（実施例５）。
【符号の説明】
【００４２】
１  電源装置
２  電動機駆動装置
３  電動機
４  インバータ回路
６  整流部
７  平滑部
８  交流電源
９  マイクロコンピュータ
１２  整流回路
１６  リアクトル
１７、２１  ダイオード
１９、２２  スイッチング素子
２３  ＰＡＭ波形生成／駆動回路
２６  駆動回路
２７  電流検出回路
２８、２９  電圧検出回路
【図１】
2008086155.tif 000003
【図２】
2008086155.tif 000004
【図３】
2008086155.tif 000005
【図４】
2008086155.tif 000006
【図５】
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【図６】
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