(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
交流電源に接続された交流直流変換装置であって、
一端が前記交流電源に接続され、前記交流電源から出力される第一電圧が印加されるリアクタと、第一の上アーム素子と第一の下アーム素子とが直列に接続され、前記第一の上アーム素子と前記第一の下アーム素子との接続点が前記リアクタの他端に接続される第一のレグと、前記第一のレグと並列に接続され、第二の上アーム素子と第二の下アーム素子とが直列に接続され、前記第二の上アーム素子と前記第二の下アーム素子との接続点が前記交流電源に接続される第二のレグと、を有し、前記第一電圧を昇圧する昇圧回路と、
前記交流電源に接続され、前記第一電圧を検出する第一の電圧検出器と、
を備え、
前記第一電圧が正極性であるとき、前記第一電圧の周期である第一周期ごとに前記第一の下アーム素子及び前記第二の上アーム素子を交互に昇圧動作し、
前記第一電圧が負極性であるとき、前記第一周期ごとに前記第一の上アーム素子及び前記第二の下アーム素子を交互に昇圧動作する交流直流変換装置。
【請求項２】
前記第一の上アーム素子、前記第一の下アーム素子、前記第二の上アーム素子及び前記第二の下アーム素子の昇圧動作が、前記第一周期の２倍の期間に一度ずつ出現する
請求項１に記載の交流直流変換装置。
【請求項３】
前記第一電圧が正極性であり、且つ、前記第一周期が奇数周期であるとき、前記第一の下アーム素子を昇圧動作し、
前記第一電圧が正極性であり、且つ、前記第一周期が偶数周期であるとき、前記第二の上アーム素子を昇圧動作し、
前記第一電圧が負極性であり、且つ、前記第一周期が奇数周期であるとき、前記第一の上アーム素子を昇圧動作し、
前記第一電圧が負極性であり、且つ、前記第一周期が偶数周期であるとき、前記第二の下アーム素子を昇圧動作する
請求項２に記載の交流直流変換装置。
【請求項４】
前記第一電圧が正極性であり、且つ、前記第一周期が奇数周期であるとき、前記第二の上アーム素子が昇圧動作し、
前記第一電圧が正極性であり、且つ、前記第一周期が偶数周期であるとき、前記第一の下アーム素子が昇圧動作し、
前記第一電圧が負極性であり、且つ、前記第一周期が奇数周期であるとき、前記第二の下アーム素子が昇圧動作し、
前記第一電圧が負極性であり、且つ、前記第一周期が偶数周期であるとき、前記第一の上アーム素子が昇圧動作する
請求項２に記載の交流直流変換装置。
【請求項５】
前記第一の下アーム素子が昇圧動作するとき、前記第一の上アーム素子及び前記第二の下アーム素子が整流動作し、
前記第一の上アーム素子が昇圧動作するとき、前記第一の下アーム素子及び前記第二の上アーム素子が整流動作し、
前記第二の上アーム素子が昇圧動作するとき、前記第一の上アーム素子及び前記第二の下アーム素子が整流動作し、
前記第二の下アーム素子が昇圧動作するとき、前記第一の下アーム素子及び前記第二の上アーム素子が整流動作する
請求項１から４の何れか１項に記載の交流直流変換装置。
【請求項６】
交流電源に接続された交流直流変換装置であって、
一端が前記交流電源に接続され、前記交流電源から出力される第一電圧が印加されるリアクタと、第一の上アーム素子と第一の下アーム素子とが直列に接続され、前記第一の上アーム素子と前記第一の下アーム素子との接続点が前記リアクタの他端に接続される第一のレグと、前記第一のレグと並列に接続され、第二の上アーム素子と第二の下アーム素子とが直列に接続され、前記第二の上アーム素子と前記第二の下アーム素子との接続点が前記交流電源に接続される第二のレグと、を有し、前記第一電圧を昇圧する昇圧回路と、
前記交流電源に接続され、前記第一電圧を検出する第一の電圧検出器と、
を備え、
前記第一電圧が正極性であるとき、前記第一電圧の周期である第一周期よりも短い第二周期ごとに前記第一の下アーム素子及び前記第二の上アーム素子を交互に昇圧動作し、
前記第一電圧が負極性であるとき、前記第二周期ごとに前記第一の上アーム素子及び前記第二の下アーム素子を交互に昇圧動作する
交流直流変換装置。
【請求項７】
前記第一の下アーム素子又は前記第二の上アーム素子が昇圧動作するとき、前記第一の上アーム素子及び前記第二の下アーム素子を整流動作し、
前記第一の上アーム素子又は前記第二の下アーム素子が昇圧動作するとき、前記第一の下アーム素子及び前記第二の上アーム素子を整流動作する
請求項６に記載の交流直流変換装置。
【請求項８】
請求項１から７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
を備えるモータ駆動制御装置。
【請求項９】
請求項８に記載のモータ駆動制御装置を備える送風機。
【請求項１０】
請求項８に記載のモータ駆動制御装置を備える圧縮機。
【請求項１１】
請求項９に記載の送風機及び請求項１０に記載の圧縮機の少なくとも一方を備える空気調和機。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、交流電力を直流電力に変換する交流直流変換装置、当該交流直流変換装置を備えたモータ駆動制御装置、当該モータ駆動制御装置を備えた送風機及び圧縮機、並びに、当該送風機又は当該圧縮機を備えた空気調和機に関する。
【背景技術】
【０００２】
交流直流変換装置は、交流電力を直流電力に変換する電力変換装置である。交流直流変換装置は、動作の際に電流波形に歪みを生じさせる。このため、交流直流変換装置を電力系統に接続して動作させると、電力系統に高調波が流出する。高調波は障害の原因となるため、国際的に規制が設けられている。交流直流変換装置は、当該規制をクリアする必要がある。【０００３】
高調波規制をクリアする手法の一つに、交流直流変換装置に使用される整流素子をスイッチング素子とする構成がある。スイッチング素子の一例は、金属酸化膜半導体電界効果型トランジスタであるＭＯＳＦＥＴ（Ｍｅｔａｌ−Ｏｘｉｄｅ−Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ  Ｆｉｅｌｄ−Ｅｆｆｅｃｔ  Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）である。スイッチング素子を有する交流直流変換装置では、入力電力をチョッピングすることによって電源電流の歪みが低減される。その結果、高調波を減らすことができる。【０００４】
下記特許文献１には、整流素子の全てをスイッチング素子とした昇圧型の交流直流変換装置において、同期整流によって、損失を低減させる技術が開示されている。【０００５】
同期整流は，交流電源の電源電圧のゼロクロスに同期してスイッチングを行う制御である。従って半導体スイッチの両端に電位差が生じていない際のスイッチングとなるため、原理的にはスイッチング損失が発生しない。一方で、昇圧時のスイッチングは，半導体スイッチの両端に電位差がある状態でスイッチングを行う必要がある。このため、スイッチング損失が発生する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２０１１−２５９５６０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
特許文献１の技術では、フルブリッジ回路を構成する４つのスイッチング素子のうち、二つのスイッチング素子が昇圧用のスイッチング素子として動作する。このため、当該スイッチング素子に発熱が集中する。スイッチング素子を冷却するためのヒートシンクをスイッチング素子ごとに有する構成の場合、特定のスイッチング素子に発熱が集中すると、当該特定のスイッチング素子を冷却するためのヒートシンクが、他のものよりも大型化するという課題がある。複数のスイッチング素子の全体を一つのヒートシンクで冷却する構成の場合、当該特定のスイッチング素子に合わせてヒートシンクを設計する必要があり、ヒートシンクの大型化が避けられない。何れの構成の場合も、冷却のための風路の確保、及び熱に弱い部品との距離の確保といった対策も必要となる。このため、装置が大型化し、コストが増加するという課題がある。【０００８】
本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、特定のスイッチング素子に発熱が集中するのを回避して、装置の大型化及びコストの増加を抑制することができる交流直流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】
【０００９】
上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明は、交流電源に接続された交流直流変換装置である。交流直流変換装置は、一端が交流電源に接続され、交流電源から出力される第一電圧が印加されるリアクタ、第一の上アーム素子と第一の下アーム素子とが直列に接続され、第一の上アーム素子と第一の下アーム素子との接続点がリアクタの他端に接続される第一のレグ、第一のレグと並列に接続され、第二の上アーム素子と第二の下アーム素子とが直列に接続され、第二の上アーム素子と第二の下アーム素子との接続点が交流電源に接続される第二のレグを有し、第一電圧を昇圧する昇圧回路、及び交流電源に接続され、第一電圧を検出する第一の電圧検出器を備える。交流直流変換装置は、第一電圧が正極性であるとき、第一電圧の周期である第一周期ごとに第一の下アーム素子及び第二の上アーム素子を交互に昇圧動作し、第一電圧が負極性であるとき、第一周期ごとに第一の上アーム素子及び第二の下アーム素子を交互に昇圧動作する。
【発明の効果】
【００１０】
本発明に係る交流直流変換装置は、特定のスイッチング素子に発熱が集中するのを回避して、装置の大型化及びコストの増加を抑制することができるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】実施の形態１に係る交流直流変換装置の構成を示す回路図
【図２】電源電圧が正極性のときのリアクタを介した交流電源の短絡経路を示す図
【図３】電源電圧が負極性のときのリアクタを介した交流電源の短絡経路を示す図
【図４】電源電圧が正極性のときの平滑コンデンサに対する充電経路を示す図
【図５】電源電圧が負極性のときの平滑コンデンサに対する充電経路を示す図
【図６】電源電圧が正極性のときの電源短絡モード時における図２とは異なる電流経路を示す図
【図７】電源電圧が負極性のときの電源短絡モード時における図３とは異なる電流経路を示す図
【図８】実施の形態１における駆動パルス生成部の動作説明に供するタイムチャート
【図９】実施の形態１における駆動パルス生成部の動作を示すフローチャート
【図１０】実施の形態２における駆動パルス生成部の動作説明に供する第一のタイムチャート
【図１１】実施の形態２における駆動パルス生成部の動作説明に供する第二のタイムチャート
【図１２】実施の形態２における駆動パルス生成部の動作説明に供する時間スパンを長くした第三のタイムチャート
【図１３】実施の形態２における駆動パルス生成部の動作を示すフローチャート
【図１４】一般的なスイッチング素子における電流−損失特性を模式的に示す図
【図１５】ＭＯＳＦＥＴの概略構造を示す模式的断面図
【図１６】電源電圧が正極性であり且つ同期整流を行うときの平滑コンデンサに対する充電経路を示す図
【図１７】電源電圧が負極性であり且つ同期整流を行うときの平滑コンデンサに対する充電経路を示す図
【図１８】電源電圧が正極性であり且つ同期整流を行うときのリアクタを介した交流電源の短絡経路を示す図
【図１９】電源電圧が負極性であり且つ同期整流を行うときのリアクタを介した交流電源の短絡経路を示す図
【図２０】実施の形態３における駆動パルス生成部の動作説明に供するタイムチャート
【図２１】実施の形態４における駆動パルス生成部の動作説明に供する第一のタイムチャート
【図２２】実施の形態４における駆動パルス生成部の動作説明に供する第二のタイムチャート
【図２３】実施の形態４における駆動パルス生成部の動作説明に供する時間スパンを長くした第三のタイムチャート
【図２４】実施の形態１から実施の形態４に示した交流直流変換装置をモータ駆動制御装置に適用した例を示す図
【図２５】図２４に示したモータ駆動制御装置を空気調和機に適用した例を示す図
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下に添付図面を参照し、本発明の実施の形態に係る交流直流変換装置、モータ駆動制御装置、送風機、圧縮機及び空気調和機につ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。また、以下では、電気的な接続を単に「接続」と称して説明する。
【００１３】
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構成を示す回路図である。実施の形態１に係る交流直流変換装置１００は、単相の交流電源１から供給される交流電力を直流電力に変換して負荷５００に供給する交流直流変換装置である。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１００は、昇圧回路３、平滑コンデンサ４、第一の電圧検出器５、第二の電圧検出器７、及び制御部１０を備える。負荷５００の例は、送風機、圧縮機又は空気調和機に内蔵される三相モータである。
【００１４】
昇圧回路３は、リアクタ２と、第一のレグ３１と、第二のレグ３２とを備える。第一のレグ３１と第二のレグ３２とは、並列に接続されている。第一のレグ３１では、第一の上アーム素子３１１と第一の下アーム素子３１２とが直列に接続されている。第二のレグ３２では、第二の上アーム素子３２１と第二の下アーム素子３２２とが直列に接続されている。リアクタ２の一端は、交流電源１に接続される。リアクタ２の他端は、第一のレグ３１における第一の上アーム素子３１１と第一の下アーム素子３１２との接続点３ａに接続されている。第二の上アーム素子３２１と第二の下アーム素子３２２との接続点３ｂは、交流電源１の他端に接続されている。昇圧回路３において、接続点３ａ，３ｂは、交流端子を成す。昇圧回路３は、交流電源１から出力される電圧を昇圧する。以下、交流電源１から出力される電圧を「電源電圧」と呼び、電源電圧の周期を「電源周期」と呼ぶ。また、電源電圧を「第一電圧」と呼び、電源周期を「第一周期」と呼ぶ場合がある。
【００１５】
第一の上アーム素子３１１は、スイッチング素子Ｓ１と、スイッチング素子Ｓ１に逆並列に接続されるダイオードＤ１とを含む。第一の下アーム素子３１２は、スイッチング素子Ｓ２と、スイッチング素子Ｓ２に逆並列に接続されるダイオードＤ２とを含む。第二の上アーム素子３２１は、スイッチング素子Ｓ３と、スイッチング素子Ｓ３に逆並列に接続されるダイオードＤ３とを含む。第二の下アーム素子３２２は、スイッチング素子Ｓ４と、スイッチング素子Ｓ４に逆並列に接続されるダイオードＤ４とを含む。
【００１６】
図１では、スイッチング素子Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３，Ｓ４のそれぞれにＭＯＳＦＥＴを例示しているが、ＭＯＳＦＥＴに限定されない。ＭＯＳＦＥＴは、ドレインとソースとの間で双方向に電流を流すことができるスイッチング素子である。ドレインに相当する第一端子とソースに相当する第二端子との間で双方向に電流を流すことができるスイッチング素子であれば、どのようなスイッチング素子でもよい。また、スイッチング素子Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３，Ｓ４の素材としては、シリコン（Ｓｉ）、炭化珪素（ＳｉＣ）、又は窒化ガリウム（ＧａＮ）が例示されるが、どのような素材であってもよく、これらに限定されない。
【００１７】
また、逆並列とは、ＭＯＳＦＥＴのドレインに相当する第一端子とダイオードのカソードとが接続され、ＭＯＳＦＥＴのソースに相当する第二端子とダイオードのアノードとが接続されることを意味する。なお、ダイオードは、ＭＯＳＦＥＴ自身が内部に有する寄生ダイオードを用いてもよい。寄生ダイオードは、ボディダイオードとも呼ばれる。
【００１８】
平滑コンデンサ４の一端は、高電位側の直流母線１２ａに接続されている。直流母線１２ａは、第一のレグ３１における第一の上アーム素子３１１と、第二のレグ３２における第二の上アーム素子３２１との接続点３ｃから引き出されている。平滑コンデンサ４の他端は、低電位側の直流母線１２ｂに接続されている。直流母線１２ｂは、第一のレグ３１における第一の下アーム素子３１２と、第二のレグ３２における第二の下アーム素子３２２との接続点３ｄから引き出されている。昇圧回路３において、接続点３ｃ，３ｄは、直流端子を成す。
【００１９】
昇圧回路３の出力電圧は、平滑コンデンサ４の両端に印加される。平滑コンデンサ４は、昇圧回路３の出力電圧を平滑する。平滑コンデンサ４は、直流母線１２ａ，１２ｂに接続されており、平滑コンデンサ４で平滑された電圧を「母線電圧」と呼ぶ。なお、母線電圧を「第二電圧」と呼ぶ場合がある。母線電圧は、負荷５００への印加電圧でもある。
【００２０】
第一の電圧検出器５は、交流電源１の両端に並列に接続される。第一の電圧検出器５は、電源電圧Ｖｓを検出して制御部１０に出力する。電源電圧Ｖｓは、交流電源１の瞬時電圧の絶対値である。
【００２１】
第二の電圧検出器７は、平滑コンデンサ４の両端に並列に接続される。第二の電圧検出器７は、母線電圧Ｖｄｃを検出して制御部１０に出力する。制御部１０は、駆動パルス生成部２４を備える。
【００２２】
駆動パルス生成部２４は、演算手段である演算器を用いて構成される。演算器の一例は、マイクロコンピュータであるが、これ以外にも、ＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ  Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ  Ｕｎｉｔ）、マイクロプロセッサ、又はＤＳＰ（Ｄｉｇｉｔａｌ  Ｓｉｇｎａｌ  Ｐｒｏｃｅｓｓｏｒ）といった呼び方をされる処理器、又は処理装置であってもよい。
【００２３】
駆動パルス生成部２４は、第一の電圧検出器５、及び第二の電圧検出器７の検出値を基に、昇圧回路３を構成する各アーム素子のスイッチング素子を駆動するための駆動パルスを生成する。
【００２４】
なお、以下、「各アーム素子のスイッチング素子を駆動する」ことを、便宜的に「各アーム素子を駆動する」と説明する。また、各アーム素子を駆動するための駆動パルスを識別するため、第一の上アーム素子３１１を駆動するための駆動パルスを「第一駆動パルス」と呼び、第一の下アーム素子３１２を駆動するための駆動パルスを「第二駆動パルス」と呼び、第二の上アーム素子３２１を駆動するための駆動パルスを「第三駆動パルス」と呼び、第二の下アーム素子３２２を駆動するための駆動パルスを「第四駆動パルス」と呼ぶ場合がある。第一駆動パルスは図示のＸａに対応し、第二駆動パルスは図示のＸｂに対応し、第三駆動パルスは図示のＹａに対応し、第四駆動パルスは図示のＹｂに対応する。
【００２５】
次に、実施の形態１に係る交流直流変換装置１００の基本的な回路動作について、図１から図７の図面を参照して説明する。
【００２６】
図２及び図３のそれぞれは、交流電源１の両端を、リアクタ２を介して短絡させるとき、すなわちリアクタ２を介した交流電源１の短絡経路を示す図である。両者の違いは、図２は電源電圧Ｖｓが正極性のときであり、図３は電源電圧Ｖｓが負極性のときである。また、図４及び図５のそれぞれは、平滑コンデンサ４を充電するときの電流経路、すなわち平滑コンデンサ４に対する充電経路を示す図である。両者の違いは、図４は電源電圧Ｖｓの極性が正すなわち電源電圧Ｖｓが正極性のときであり、図５は電源電圧Ｖｓの極性が負すなわち電源電圧Ｖｓが負極性のときである。なお、図２及び図４に示すように、交流電源１における上側の端子がプラス電位のときを電源電圧Ｖｓの極性が正であると定義し、図３及び図５に示すように、交流電源１における上側の端子がマイナス電位のときを電源電圧Ｖｓの極性が負であると定義する。
【００２７】
電源電圧Ｖｓが正極性のときに、第一の上アーム素子３１１及び第二の下アーム素子３２２をスイッチング動作させない場合、図４に示すように、交流電源１、リアクタ２、ダイオードＤ１、平滑コンデンサ４、ダイオードＤ４、交流電源１という経路で充電経路が形成される。また、電源電圧Ｖｓが負極性のときに、第一の下アーム素子３１２及び第二の上アーム素子３２１をスイッチング動作させない場合、図５に示すように、交流電源１、ダイオードＤ３、平滑コンデンサ４、ダイオードＤ２、リアクタ２、交流電源１という経路で充電経路が形成される。これらの充電経路が形成されるときの動作モードを「充電モード」と呼ぶ。
【００２８】
また、電源電圧Ｖｓが正極性のときに、第一の下アーム素子３１２をＯＮ動作させると、図２に示すように、交流電源１、リアクタ２、第一の下アーム素子３１２、第二の下アーム素子３２２、交流電源１という経路で短絡経路が形成される。電源電圧Ｖｓが負極性のときに、第一の上アーム素子３１１をＯＮ動作させると、図３に示すように、交流電源１、第二の上アーム素子３２１、第一の上アーム素子３１１、リアクタ２、交流電源１の経路で短絡経路が形成される。短絡経路を形成することを「電源短絡」と呼ぶ。電源短絡の制御を行う動作モードを「電源短絡モード」と呼ぶ。
【００２９】
実施の形態１に係る交流直流変換装置１００では、制御部１０の制御により、これらの動作モードを切替制御する。電源短絡モード時に、リアクタ２にエネルギーを蓄積し、蓄積したエネルギーを充電モード時に平滑コンデンサ４に移すことで、昇圧動作が可能となる。母線電圧Ｖｄｃの変更は、電源短絡モード時における各アーム素子のスイッチング回数、及び電源短絡モードの動作時間と充電モードの動作時間との比率のうちの少なくとも一つを変更することで行うことができる。
【００３０】
図６は、電源電圧が正極性のときの電源短絡モード時における図２とは異なる電流経路を示す図である。また、図７は、電源電圧が負極性のときの電源短絡モード時における図３とは異なる電流経路を示す図である。
【００３１】
電源電圧Ｖｓが正極性のときに、第二の上アーム素子３２１をＯＮ動作させると、図６に示すように、交流電源１、リアクタ２、第一の上アーム素子３１１、第二の上アーム素子３２１、交流電源１という経路で短絡経路が形成される。図６を図２と比較すると、ＯＮ動作するアーム素子は、第一の下アーム素子３１２から第二の上アーム素子３２１に変更されている。
【００３２】
また、電源電圧Ｖｓが負極性のときに、第二の下アーム素子３２２をＯＮ動作させると、図７に示すように、交流電源１、第二の下アーム素子３２２、第一の下アーム素子３１２、リアクタ２、交流電源１の経路で短絡経路が形成される。図７を図３と比較すると、ＯＮ動作するアーム素子は、第一の上アーム素子３１１から第二の下アーム素子３２２に変更されている。
【００３３】
次に、実施の形態１に係る交流直流変換装置の動作について説明する。図８は、実施の形態１における駆動パルス生成部の動作説明に供するタイムチャートである。
【００３４】
図８において、電源電圧Ｖｓの１周期目で、且つ、電源電圧Ｖｓが正極性のとき、第一の上アーム素子３１１、第二の上アーム素子３２１及び第二の下アーム素子３２２はＯＦＦに制御され、第一の下アーム素子３１２は昇圧動作となるように制御される。図８には第一の下アーム素子３１２の昇圧動作を示す、楕円で囲んだＫ１部の拡大波形が示されている。当該Ｋ１部に示されるように、第一の下アーム素子３１２は、ＯＮとＯＦＦの状態が繰り返される。ＯＮの状態は、図２に示した電源短絡モードの動作である。また、ＯＦＦの状態は、図４に示した充電モードの動作である。
【００３５】
電源電圧Ｖｓの１周期目で、且つ、電源電圧Ｖｓが負極性のとき、第一の下アーム素子３１２、第二の上アーム素子３２１及び第二の下アーム素子３２２はＯＦＦに制御され、第一の上アーム素子３１１は昇圧動作となるように制御される。第一の上アーム素子３１１の拡大波形は示していないが、Ｋ１部の拡大波形と同様な動作となる。すなわち、第一の上アーム素子３１１は、ＯＮとＯＦＦの状態が繰り返される。ＯＮの状態は、図３に示した電源短絡モードの動作である。また、ＯＦＦの状態は、図５に示した充電モードの動作である。
【００３６】
電源電圧Ｖｓの２周期目で、且つ、電源電圧Ｖｓが正極性のとき、第一の上アーム素子３１１、第一の下アーム素子３１２及び第二の下アーム素子３２２はＯＦＦに制御され、第二の上アーム素子３２１は昇圧動作となるように制御される。第二の上アーム素子３２１の拡大波形は示していないが、Ｋ１部の拡大波形と同様な動作となる。すなわち、第二の上アーム素子３２１は、ＯＮとＯＦＦの状態が繰り返される。ＯＮの状態は、図６に示した電源短絡モードの動作である。また、ＯＦＦの状態は、図４に示した充電モードの動作である。
【００３７】
電源電圧Ｖｓの２周期目で、且つ、電源電圧Ｖｓが負極性のとき、第一の上アーム素子３１１、第一の下アーム素子３１２及び第二の上アーム素子３２１はＯＦＦに制御され、第二の下アーム素子３２２は昇圧動作となるように制御される。第二の下アーム素子３２２の拡大波形は示していなが、Ｋ１部の拡大波形と同様な動作となる。すなわち、第二の下アーム素子３２２は、ＯＮとＯＦＦの状態が繰り返される。ＯＮの状態は、図７に示した電源短絡モードの動作である。また、ＯＦＦの状態は、図５に示した充電モードの動作である。
【００３８】
電源電圧Ｖｓの３周期目以降は、１周期目の駆動パルスと２周期目の駆動パルスとが交互に繰り返される。なお、図８のタイムチャートでは、電源電圧が正極性のとき、２周期目と３周期目において、第二の上アーム素子３２１を昇圧動作させ、１周期目と４周期目において、第一の下アーム素子３１２を昇圧動作させている。このような切り替えの仕方も、電源周期での切り替えに含まれる。
【００３９】
図８を参照すると、第一の上アーム素子３１１、第一の下アーム素子３１２、第二の上アーム素子３２１及び第二の下アーム素子３２２の昇圧動作は、電源周期の２倍の期間で一度ずつ出現している。すなわち、第一の上アーム素子３１１、第一の下アーム素子３１２、第二の上アーム素子３２１及び第二の下アーム素子３２２は、均等に、偏りなく動作している。その結果、各アーム素子の発熱は均一化し、特定のスイッチング素子に発熱が集中するという状況は、回避される。このため、ヒートシンクが大型化するという課題は解決される。また、冷却のための風路の確保、及び熱に弱い部品との距離の確保といった対策も不要となる。これにより、装置が大型化し、コストが増加するという課題も解決される。
【００４０】
次に、実施の形態１に係る交流直流変換装置の制御の流れについて説明する。図９は、実施の形態１における駆動パルス生成部２４の動作を示すフローチャートである。
【００４１】
ステップＳＴ１１では、電源周期が奇数周期であるか否かが判定される。電源周期の１周期目は奇数周期であり、電源周期の２周期目は偶数周期である。以下、奇数周期及び偶数周期は、交互に繰り返される。
【００４２】
電源周期が奇数周期である場合（ステップＳＴ１１，Ｙｅｓ）、ステップＳＴ１２に移行し、電源電圧が正極性であるか否かが判定される。電源電圧が正極性である場合（ステップＳＴ１２，Ｙｅｓ）、ステップＳＴ１３に進む。ステップＳＴ１３において、第一の上アーム素子３１１、第二の上アーム素子３２１及び第二の下アーム素子３２２はＯＦＦに制御される。一方、第一の下アーム素子３１２は、昇圧動作となるように制御される。ステップＳＴ１３の処理が終わるとステップＳＴ１１に戻る。
【００４３】
また、上記のステップＳＴ１２において、電源電圧が負極性である場合（ステップＳＴ１２，Ｎｏ）、ステップＳＴ１４に進む。ステップＳＴ１４において、第一の下アーム素子３１２、第二の上アーム素子３２１及び第二の下アーム素子３２２はＯＦＦに制御される。一方、第一の上アーム素子３１１は、昇圧動作となるように制御される。ステップＳＴ１４の処理が終わるとステップＳＴ１１に戻る。
【００４４】
ステップＳＴ１１において、電源周期が偶数周期である場合（ステップＳＴ１１，Ｎｏ）、ステップＳＴ１５に移行し、電源電圧が正極性であるか否かが判定される。電源電圧が正極性である場合（ステップＳＴ１５，Ｙｅｓ）、ステップＳＴ１６に進む。ステップＳＴ１６において、第一の上アーム素子３１１、第一の下アーム素子３１２及び第二の下アーム素子３２２はＯＦＦに制御される。一方、第二の上アーム素子３２１は、昇圧動作となるように制御される。ステップＳＴ１６の処理が終わるとステップＳＴ１１に戻る。
【００４５】
また、上記のステップＳＴ１５において、電源電圧が負極性である場合（ステップＳＴ１５，Ｎｏ）、ステップＳＴ１７に進む。ステップＳＴ１７において、第一の上アーム素子３１１、第一の下アーム素子３１２及び第二の上アーム素子３２１はＯＦＦに制御される。一方、第二の下アーム素子３２２は、昇圧動作となるように制御される。ステップＳＴ１７の処理が終わるとステップＳＴ１１に戻る。以降、上述したステップＳＴ１１からステップＳＴ１７までの処理が繰り返される。
【００４６】
なお、上記の説明では、電源電圧が正極性、且つ、電源周期が奇数周期のときに、第一の上アーム素子３１１、第二の上アーム素子３２１及び第二の下アーム素子３２２をＯＦＦに制御し、第一の下アーム素子３１２が昇圧動作となるように制御しているが、これに限定されない。電源電圧が正極性、且つ、電源周期が奇数周期のときに、第一の上アーム素子３１１、第一の下アーム素子３１２及び第二の下アーム素子３２２をＯＦＦに制御し、第二の上アーム素子３２１が昇圧動作となるように制御してもよい。
【００４７】
また、電源電圧が負極性、且つ、電源周期が奇数周期のときに、第一の下アーム素子３１２、第二の上アーム素子３２１及び第二の下アーム素子３２２をＯＦＦに制御し、第一の上アーム素子３１１が昇圧動作となるように制御しているが、これに限定されない。電源電圧が負極性、且つ、電源周期が奇数周期のときに、第一の上アーム素子３１１、第一の下アーム素子３１２及び第二の上アーム素子３２１をＯＦＦに制御し、第二の下アーム素子３２２が昇圧動作となるように制御してもよい。
【００４８】
また、電源電圧が正極性、且つ、電源周期が偶数周期のときに、第一の上アーム素子３１１、第一の下アーム素子３１２及び第二の下アーム素子３２２をＯＦＦに制御し、第二の上アーム素子３２１が昇圧動作となるように制御しているが、これに限定されない。電源電圧が正極性、且つ、電源周期が偶数周期のときに、第一の上アーム素子３１１、第二の上アーム素子３２１及び第二の下アーム素子３２２をＯＦＦに制御し、第一の下アーム素子３１２が昇圧動作となるように制御してもよい。
【００４９】
また、電源電圧が負極性、且つ、電源周期が偶数周期のときに、第一の上アーム素子３１１、第一の下アーム素子３１２及び第二の上アーム素子３２１をＯＦＦに制御し、第二の下アーム素子３２２が昇圧動作となるように制御しているが、これに限定されない。電源電圧が負極性、且つ、電源周期が偶数周期のときに、第一の下アーム素子３１２、第二の上アーム素子３２１及び第二の下アーム素子３２２をＯＦＦに制御し、第一の上アーム素子３１１が昇圧動作となるように制御してもよい。
【００５０】
上記のように、実施の形態１では、電源電圧が正極性のときは、回路図上で対角位置にある第一の下アーム素子３１２及び第二の上アーム素子３２１が交互に昇圧動作となるように切り替えている。
【００５１】
また、上記のように、実施の形態１では、電源電圧が負極性のときは、回路図上で対角位置にある第一の上アーム素子３１１及び第二の下アーム素子３２２が交互に昇圧動作となるように切り替えている。
【００５２】
以上の動作により、実施の形態１に係る交流直流変換装置では、昇圧回路３を構成する全てのアーム素子である第一の上アーム素子３１１、第一の下アーム素子３１２、第二の上アーム素子３２１及び第二の下アーム素子３２２が均等に動作するので、特定のアーム素子に発熱が集中するのを回避することができる。これにより、装置の大型化及びコストの増加を抑制することが可能となる。
【００５３】
実施の形態２．
実施の形態１では、昇圧動作させるアーム素子を電源周期で切り替えていた。これに対し、実施の形態２では、昇圧動作させるアーム素子をキャリア周期で切り替える実施の形態である。なお、キャリア周期を「第二周期」と呼ぶ場合がある。キャリア周期は、電源周期よりも短い。
【００５４】
次に、実施の形態２に係る交流直流変換装置の動作について説明する。なお、実施の形態２に係る交流直流変換装置の構成は、図１と同一である。
【００５５】
図１０は、実施の形態２における駆動パルス生成部２４の動作説明に供する第一のタイムチャートである。図１１は、実施の形態２における駆動パルス生成部２４の動作説明に供する第二のタイムチャートである。図１２は、実施の形態２における駆動パルス生成部２４の動作説明に供する時間スパンを長くした第三のタイムチャートである。
【００５６】
図１０は、電源電圧Ｖｓが正極性のときの波形を示している。上部側から順に、第一の下アーム素子３１２を駆動するための第二駆動パルスＸｂ、第二の上アーム素子３２１を駆動するための第三駆動パルスＹａ、キャリア及び電源電圧Ｖｓの波形を示している。
【００５７】
図１１は、電源電圧Ｖｓが負極性のときの波形を示している。上部側から順に、第一の上アーム素子３１１を駆動するための第一駆動パルスＸａ、第二の下アーム素子３２２を駆動するための第四駆動パルスＹｂ、キャリア及び電源電圧Ｖｓの波形を示している。
【００５８】
図１０及び図１１では、キャリアが三角波である場合の例を示している。キャリア周期をＴ、キャリア周波数をｆとすると、キャリア周波数ｆの一例は、１０ｋＨｚである。キャリア周波数ｆが１０ｋＨｚである場合、キャリア周期Ｔは、１００μｓである。
【００５９】
図１０において、キャリア周期の１周期目では、第二の上アーム素子３２１はＯＦＦに制御され、第一の下アーム素子３１２は昇圧動作となるように制御される。昇圧動作では、ＯＮの状態とＯＦＦの状態が２度繰り返される。なお、第一の上アーム素子３１１及び第二の下アーム素子３２２は常時ＯＦＦに制御される。このため、これらのアーム素子の駆動パルスは、図１０には示していない。
【００６０】
図１０において、第二駆動パルスＸｂの第一パルスａ１は、キャリアの谷を基準に生成することができる。第一パルスａ１の幅すなわち第一パルスａ１のＯＮ時間は、キャリア周期の半周期よりも短い任意の時間を設定することができる。第二駆動パルスＸｂの第二パルスａ２は、第一パルスａ１が立ち下がった後の経過時間により生成することができる。第二駆動パルスＸｂのＯＮ又はＯＦＦから、第三駆動パルスＹａへの切り替えも、キャリアの谷を基準に行うことができる。以下に説明する他の駆動パルスも、第二駆動パルスＸｂと同様な手法により、生成することができる。
【００６１】
図示のように、第一の下アーム素子３１２は、ＯＮとＯＦＦの状態が繰り返される。ＯＮの状態は、図２に示した電源短絡モードの動作である。また、ＯＦＦの状態は、図４に示した充電モードの動作である。
【００６２】
キャリアの２周期目では、第一の下アーム素子３１２はＯＦＦに制御され、第二の上アーム素子３２１は昇圧動作となるように制御される。図示のように、第二の上アーム素子３２１は、ＯＮとＯＦＦの状態が繰り返される。ＯＮの状態は、図６に示した電源短絡モードの動作である。また、ＯＦＦの状態は、図４に示した充電モードの動作である。
【００６３】
キャリアの３周期目は、キャリアの１周期目と同じ動作となる。図示していないが、キャリアの４周期目は、キャリアの２周期目と同じ動作となる。
【００６４】
また、図１１において、キャリア周期の１周期目では、第二の下アーム素子３２２はＯＦＦに制御され、第一の上アーム素子３１１は昇圧動作となるように制御される。昇圧動作では、ＯＮの状態とＯＦＦの状態が２度繰り返される。なお、第一の下アーム素子３１２及び第二の上アーム素子３２１は常時ＯＦＦに制御される。このため、これらのアーム素子の駆動パルスは、図１１には示していない。
【００６５】
図示のように、第一の上アーム素子３１１は、ＯＮとＯＦＦの状態が繰り返される。ＯＮの状態は、図３に示した電源短絡モードの動作である。また、ＯＦＦの状態は、図５に示した充電モードの動作である。
【００６６】
キャリアの２周期目では、第一の上アーム素子３１１はＯＦＦに制御され、第二の下アーム素子３２２は昇圧動作となるように制御される。図示のように、第二の下アーム素子３２２は、ＯＮとＯＦＦの状態が繰り返される。ＯＮの状態は、図７に示した電源短絡モードの動作である。また、ＯＦＦの状態は、図５に示した充電モードの動作である。
【００６７】
キャリアの３周期目は、キャリアの１周期目と同じ動作となる。図示していないが、キャリアの４周期目は、キャリアの２周期目と同じ動作となる。
【００６８】
図１２には、図１０及び図１１よりも時間スパンを長くした電源周期の４周期分の波形が示されている。上部側から順に、第一の下アーム素子３１２を駆動するための第二駆動パルスＸｂ、第二の上アーム素子３２１を駆動するための第三駆動パルスＹａ、第一の上アーム素子３１１を駆動するための第一駆動パルスＸａ、第二の下アーム素子３２２を駆動するための第四駆動パルスＹｂ、及び電源電圧Ｖｓの波形が示されている。
【００６９】
図１２において、楕円で囲んだＫ２部を拡大すると、図１０のタイムチャートに示した第二駆動パルスＸｂ及び第三駆動パルスＹａの波形が現れる。また、楕円で囲んだＫ３部の波形を拡大すると、図１１のタイムチャートに示した第一駆動パルスＸａ及び第四駆動パルスＹｂの波形が現れる。
【００７０】
図１０、図１１及び図１２から明らかなように、第一の上アーム素子３１１、第一の下アーム素子３１２、第二の上アーム素子３２１及び第二の下アーム素子３２２は、均等に、偏りなく動作している。その結果、各アーム素子の発熱は均一化し、特定のスイッチング素子に発熱が集中するという状況は、回避される。このため、特定のスイッチング素子を冷却するためのヒートシンクが大型化するという課題は解決される。また、冷却のための風路の確保、及び熱に弱い部品との距離の確保といった対策も不要となる。これにより、装置が大型化し、コストが増加するという課題も解決される。
【００７１】
なお、図１０及び図１１では、一つのキャリア周期でＯＮの駆動パルスを二つ生成しているが、二つに限定されない。ＯＮの駆動パルスは一つでもよいし、三つ以上でもよい。
【００７２】
次に、実施の形態２に係る交流直流変換装置の制御の流れについて説明する。図１３は、実施の形態２における駆動パルス生成部２４の動作を示すフローチャートである。
【００７３】
ステップＳＴ２１では、電源電圧が正極性であるか否かが判定される。電源電圧が正極性である場合（ステップＳＴ２１，Ｙｅｓ）、ステップＳＴ２２に進む。
【００７４】
ステップＳＴ２２において、第一の上アーム素子３１１、第二の上アーム素子３２１及び第二の下アーム素子３２２はＯＦＦに制御される。一方、第一の下アーム素子３１２は、昇圧動作となるように制御される。ステップＳＴ２２の処理が終わるとステップＳＴ２３に進む。
【００７５】
ステップＳＴ２３では、キャリアが次の周期に移行したか否かが判定される。キャリアが次の周期に移行したか否かは、キャリア波形の変化を検知することで検出可能である。
【００７６】
ステップＳＴ２３において、キャリアが次の周期に移行していなければ（ステップＳＴ２３，Ｎｏ）、ステップＳＴ２２の処理を繰り返す。一方、キャリアが次の周期に移行していれば（ステップＳＴ２３，Ｙｅｓ）、ステップＳＴ２４に進む。
【００７７】
ステップＳＴ２４において、第一の上アーム素子３１１、第一の下アーム素子３１２及び第二の下アーム素子３２２はＯＦＦに制御される。一方、第二の上アーム素子３２１は、昇圧動作となるように制御される。ステップＳＴ２４の処理が終わるとステップＳＴ２５に進む。
【００７８】
ステップＳＴ２５では、キャリアが次の周期に移行したか否かが判定される。ステップＳＴ２５において、キャリアが次の周期に移行していなければ（ステップＳＴ２５，Ｎｏ）、ステップＳＴ２４の処理を繰り返す。一方、キャリアが次の周期に移行していれば（ステップＳＴ２５，Ｙｅｓ）、ステップＳＴ２１に戻る。
【００７９】
ステップＳＴ２１において、電源電圧が負極性である場合（ステップＳＴ２１，Ｎｏ）、ステップＳＴ２６に進む。ステップＳＴ２６において、第一の下アーム素子３１２、第二の上アーム素子３２１及び第二の下アーム素子３２２はＯＦＦに制御される。一方、第一の上アーム素子３１１は、昇圧動作となるように制御される。ステップＳＴ２６の処理が終わるとステップＳＴ２７に進む。
【００８０】
ステップＳＴ２７では、キャリアが次の周期に移行したか否かが判定される。ステップＳＴ２７において、キャリアが次の周期に移行していなければ（ステップＳＴ２７，Ｎｏ）、ステップＳＴ２６の処理を繰り返す。一方、キャリアが次の周期に移行していれば（ステップＳＴ２７，Ｙｅｓ）、ステップＳＴ２８に進む。
【００８１】
ステップＳＴ２８において、第一の上アーム素子３１１、第一の下アーム素子３１２及び第二の上アーム素子３２１はＯＦＦに制御される。一方、第二の下アーム素子３２２は、昇圧動作となるように制御される。ステップＳＴ２８の処理が終わるとステップＳＴ２９に進む。
【００８２】
ステップＳＴ２９では、キャリアが次の周期に移行したか否かが判定される。ステップＳＴ２９において、キャリアが次の周期に移行していなければ（ステップＳＴ２９，Ｎｏ）、ステップＳＴ２８の処理を繰り返す。一方、キャリアが次の周期に移行していれば（ステップＳＴ２９，Ｙｅｓ）、ステップＳＴ２１に戻る。以降、上述したステップＳＴ２１からステップＳＴ２９までの処理が繰り返される。
【００８３】
上記のように、実施の形態２では、電源電圧が正極性のときは、回路図上で対角位置にある第一の下アーム素子３１２及び第二の上アーム素子３２１が交互に昇圧動作となるように切り替えている。
【００８４】
また、上記のように、実施の形態２では、電源電圧が負極性のときは、回路図上で対角位置にある第一の上アーム素子３１１及び第二の下アーム素子３２２が交互に昇圧動作となるように切り替えている。
【００８５】
以上の動作により、実施の形態２に係る交流直流変換装置では、昇圧回路３を構成する全てのアーム素子である第一の上アーム素子３１１、第一の下アーム素子３１２、第二の上アーム素子３２１及び第二の下アーム素子３２２が均等に動作するので、特定のアーム素子に発熱が集中するのを回避することができる。これにより、装置の大型化及びコストの増加を抑制することが可能となる。
【００８６】
また、実施の形態２に係る交流直流変換装置では、昇圧動作させるアーム素子を、電源周期よりも短いキャリア周期で切り替えるので、スイッチング素子の発熱を均等化する効果は実施の形態１よりも大きい。
【００８７】
実施の形態３．
実施の形態３では、実施の形態１に係る交流直流変換装置に同期整流を適用した実施の形態について説明する。同期整流とは、整流作用のあるダイオードに電流が流れるときに、逆並列に接続されるスイッチング素子をＯＮにする制御である。
【００８８】
まず、実施の形態３における同期整流動作について、図１４から図１９の図面を参照して説明する。なお、実施の形態３に係る交流直流変換装置の構成は、図１と同一である。
【００８９】
図１４は、一般的なスイッチング素子における電流−損失特性を模式的に示す図である。図１４には、寄生ダイオードの損失特性と、スイッチング素子のオン時の損失特性とが示されている。図１４において、寄生ダイオードの損失特性における損失値と、スイッチング素子の損失特性における損失値とが逆転するときの電流値を第一電流値とする。第一電流値よりも電流値が小さいときは、スイッチング素子の損失特性の方が小さく、この領域を「低電流領域Ａ」とする。また、第一電流値よりも電流値が大きいときは、寄生ダイオードの損失特性の方が小さく、この領域を「高電流領域Ｂ」とする。なお、第一電流値は、演算器の内部に保持されるか、もしくは演算器が読み取り可能なメモリに保持される。
【００９０】
上述の通り、一般的なスイッチング素子の寄生ダイオードは、図１４に示すように、低電流領域Ａでは損失が多く、スイッチング素子ＯＮ時の損失の方が小さいことが知られている。なお、図１４の特性は、寄生ダイオードをダイオードに置き換えた場合でも成り立つ。
【００９１】
スイッチング素子がＭＯＳＦＥＴである場合、スイッチング特性を利用した同期整流技術を用いることができる。ここで言うスイッチング特性とは、ＭＯＳＦＥＴのゲートにオン指令を与えたとき、ドレインからソースに向かう方向、及びソースからドレインに向かう方向の何れに対しても、オン状態となる特性、すなわちスイッチング素子の双方向に電流を流すことができる特性である。
【００９２】
この特性は、バイポーラトランジスタ、ＩＧＢＴといったスイッチング素子では一方向しか電流を導通させることができない点と異なる特性である。この特性を利用する場合、図１４に示す低電流領域Ａでは、ダイオード又は寄生ダイオードを使わず、スイッチング素子に電流を導通させることで、ダイオード又は寄生ダイオードを用いるより高効率化を図ることができる。
【００９３】
図１５は、ＭＯＳＦＥＴの概略構造を示す模式的断面図である。図１５では、ｎ型ＭＯＳＦＥＴを例示している。
【００９４】
ｎ型ＭＯＳＦＥＴの場合、図１５に示すように、ｐ型の半導体基板６０が用いられる。ｐ型領域６１を有する半導体基板６０には、ソース電極６２、ドレイン電極６３及びゲート電極６４が形成される。ソース電極６２及びドレイン電極６３と接する部位には、高濃度の不純物がイオン注入されてｎ型領域６５が形成される。また、ｐ型の半導体基板６０において、ｎ型領域６５が形成されない部位とゲート電極６４との間には、酸化絶縁膜６６が形成される。すなわち、ゲート電極６４と、半導体基板６０におけるｐ型領域６１との間には、酸化絶縁膜６６が介在している。
【００９５】
ゲート電極６４に正電圧が印加されると、半導体基板６０におけるｐ型領域６１と酸化絶縁膜６６との間の境界面に電子が引き寄せられ、負に帯電する。電子が集まった所は、電子の密度がホールよりも多くなりｎ型化する。このｎ型化した部分は電流の通り道となりチャネルと呼ばれる。図１５の例は、ｎ型チャネル６７が形成される場合の例である。ｐ型ＭＯＳＦＥＴの場合には、ｐ型チャネルが形成される。
【００９６】
同期整流を行う場合、ＭＯＳＦＥＴをオンに制御するので、通流する電流は、ダイオード側又は寄生ダイオード側よりもチャネル側の方に多く流れるようになる。
【００９７】
図１６及び図１７は、同期整流を行うときの平滑コンデンサ４に対する充電経路を示す図である。両者の違いは、図１６は電源電圧が正極性のときであり、図１７は電源電圧が負極性のときである。また、図１８及び図１９は、同期整流を行うときのリアクタ２を介した交流電源１の短絡経路を示す図である。両者の違いは、図１８は電源電圧が正極性のときであり、図１９は電源電圧が負極性のときである。
【００９８】
図２及び図３では、同期整流を行わないときのリアクタ２を介した交流電源１の短絡経路を示した。リアクタ２を介して電源電圧を短絡させるとき、図２では、第二の下アーム素子３２２をＯＮに制御せずにＯＦＦのままとしているので、ダイオードＤ４を通じて短絡電流が流れている。
【００９９】
これに対して、図１６では、リアクタ２を介して電源電圧を短絡させるとき、第二の下アーム素子３２２をＯＮに制御しているので、第二の下アーム素子３２２のスイッチング素子Ｓ４のチャネルを通して電流が流れる。電源短絡モードにおいて、短絡経路にはリアクタ２があるため、短絡経路に流れる短絡電流の大きさは、リアクタ２によって抑えられる。このため、第二の下アーム素子３２２のスイッチング素子Ｓ４をＯＮに制御してチャネル側に電流を流す図１６の方が、第二の下アーム素子３２２のダイオードＤ４に電流を流す図２よりも低損失となる。
【０１００】
同様に、図３では、第二の上アーム素子３２１をＯＮに制御せずにＯＦＦのままとしているので、ダイオードＤ３を通じて短絡電流が流れている。これに対して、図１７では、リアクタ２を介して電源電圧を短絡させるとき、第二の上アーム素子３２１をＯＮに制御しているので、第二の上アーム素子３２１のスイッチング素子Ｓ３のチャネルを通して電流が流れる。電源短絡モードにおいて、短絡経路にはリアクタ２があるため、短絡経路に流れる短絡電流の大きさは、リアクタ２によって抑えられる。このため、第二の上アーム素子３２１のスイッチング素子Ｓ３をＯＮに制御してチャネル側に電流を流す図１７の方が、第二の上アーム素子３２１のダイオードＤ３に電流を流す図３よりも低損失となる。
【０１０１】
図４及び図５では、同期整流を行わないときの平滑コンデンサ４に対する充電経路を示した。平滑コンデンサ４を充電するとき、図４では、第一の上アーム素子３１１と第二の下アーム素子３２２とをＯＮに制御せずにＯＦＦのままとしている。その結果、第一の上アーム素子３１１のダイオードＤ１及び第二の下アーム素子３２２のダイオードＤ４を通じて充電電流が流れている。
【０１０２】
これに対して、図１８では、平滑コンデンサ４を充電するとき、第一の上アーム素子３１１と第二の下アーム素子３２２とをＯＮに制御しているので、第一の上アーム素子３１１のスイッチング素子Ｓ１及び第二の下アーム素子３２２のスイッチング素子Ｓ４の各チャネルを通して電流が流れる。初期充電を除き、充電電流はあまり大きくならない。このため、第一の上アーム素子３１１のスイッチング素子Ｓ１及び第二の下アーム素子３２２のスイッチング素子Ｓ４をＯＮに制御して各チャネルに電流を流す図１８の方が、第一の上アーム素子３１１のダイオードＤ１及び第二の下アーム素子３２２のダイオードＤ４に電流を流す図４よりも低損失となる。
【０１０３】
同様に、図５では、第一の下アーム素子３１２と第二の上アーム素子３２１とをＯＮに制御せずにＯＦＦのままとしている。その結果、第一の下アーム素子３１２のダイオードＤ２及び第二の上アーム素子３２１のダイオードＤ３を通じて充電電流が流れている。
【０１０４】
これに対して、図１９では、平滑コンデンサ４を充電するとき、第一の下アーム素子３１２と第二の上アーム素子３２１とをＯＮに制御しているので、第一の下アーム素子３１２のスイッチング素子Ｓ２及び第二の上アーム素子３２１のスイッチング素子Ｓ３の各チャネルを通して電流が流れる。初期充電を除き、充電電流はあまり大きくならない。このため、第一の下アーム素子３１２のスイッチング素子Ｓ２及び第二の上アーム素子３２１のスイッチング素子Ｓ３をＯＮに制御して各チャネルに電流を流す図１９の方が、第一の下アーム素子３１２のダイオードＤ２及び第二の上アーム素子３２１のダイオードＤ３に電流を流す図５よりも低損失となる。
【０１０５】
以上に説明した同期整流の適用により、交流直流変換装置１００を低損失で駆動することが可能となる。同期整流は、制御部１０の機能により実現することができる。
【０１０６】
次に、実施の形態３に係る交流直流変換装置の動作について説明する。図２０は、実施の形態３における駆動パルス生成部の動作説明に供するタイムチャートである。
【０１０７】
図２０において、電源電圧Ｖｓの１周期目で、且つ、電源電圧Ｖｓが正極性のとき、第二の上アーム素子３２１はＯＦＦに制御され、第一の下アーム素子３１２は昇圧動作となるように制御され、第一の上アーム素子３１１は同期整流のためにスイッチング制御され、第二の下アーム素子３２２は同期整流のために常時ＯＮに制御される。図２０には、楕円で囲んだＫ４部の拡大波形が示されている。当該Ｋ４部の波形において、第一の下アーム素子３１２がＯＮの状態は、図１６に示した電源短絡モードの動作である。また、第一の下アーム素子３１２がＯＦＦの状態は、図１８に示した充電モードの動作である。
【０１０８】
電源電圧Ｖｓの１周期目で、且つ、電源電圧Ｖｓが負極性のとき、第二の下アーム素子３２２はＯＦＦに制御され、第一の上アーム素子３１１は昇圧動作となるように制御され、第一の下アーム素子３１２は同期整流のためにスイッチング制御され、第二の上アーム素子３２１は同期整流のために常時ＯＮに制御される。拡大波形は示していないが、電源電圧Ｖｓの１周期目で、且つ、電源電圧Ｖｓが正極性のときの波形に対して、第一の上アーム素子３１１と第一の下アーム素子３１２とを入れ替え、第二の上アーム素子３２１と第二の下アーム素子３２２とを入れ替えた波形となる。第一の上アーム素子３１１がＯＮの状態は、図１７に示した電源短絡モードの動作である。また、第一の上アーム素子３１１がＯＦＦの状態は、図１９に示した充電モードの動作である。
【０１０９】
電源電圧Ｖｓの２周期目で、且つ、電源電圧Ｖｓが正極性のとき、第一の下アーム素子３１２はＯＦＦに制御され、第二の上アーム素子３２１は昇圧動作となるように制御され、第二の下アーム素子３２２は同期整流のためにスイッチング制御され、第一の上アーム素子３１１は同期整流のために常時ＯＮに制御される。拡大波形は示していないが、電源電圧Ｖｓの１周期目で、且つ、電源電圧Ｖｓが正極性のときの波形に対して、第一の上アーム素子３１１と第二の下アーム素子３２２とを入れ替え、第一の下アーム素子３１２と第二の上アーム素子３２１とを入れ替えた波形となる。図示は省略するが、第二の上アーム素子３２１がＯＮの状態は電源短絡モードの動作であり、第二の上アーム素子３２１がＯＦＦの状態は充電モードの動作である。
【０１１０】
電源電圧Ｖｓの２周期目で、且つ、電源電圧Ｖｓが負極性のとき、第一の上アーム素子３１１はＯＦＦに制御され、第二の下アーム素子３２２は昇圧動作となるように制御され、第二の上アーム素子３２１は同期整流のためにスイッチング制御され、第一の下アーム素子３１２は同期整流のために常時ＯＮに制御される。拡大波形は示していないが、電源電圧Ｖｓの１周期目で、且つ、電源電圧Ｖｓが負極性のときの波形に対して、第一の上アーム素子３１１と第二の下アーム素子３２２とを入れ替え、第一の下アーム素子３１２と第二の上アーム素子３２１とを入れ替えた波形となる。図示は省略するが、第二の下アーム素子３２２がＯＮの状態は電源短絡モードの動作であり、第二の下アーム素子３２２がＯＦＦの状態は充電モードの動作である。
【０１１１】
電源電圧Ｖｓの３周期目以降は、１周期目の駆動パルス及び２周期目の駆動パルスのうちの何れか一つが一つずつ繰り返される。図２０では、電源電圧Ｖｓが正極性のとき、３周期目では２周期目の駆動パルスを選択し、４周期目では１周期目の駆動パルスを選択している。また、電源電圧Ｖｓが負極性のとき、３周期目では１周期目の駆動パルスを選択し、４周期目では２周期目の駆動パルスを選択している。図２０の例に代えて、電源電圧Ｖｓが正極性のとき、３周期目では１周期目の駆動パルスを選択し、４周期目では２周期目の駆動パルスを選択してもよい。また、電源電圧Ｖｓが負極性のとき、３周期目では２周期目の駆動パルスを選択し、４周期目では１周期目の駆動パルスを選択してもよい。すなわち、電源電圧Ｖｓの一周期の２倍の期間に、各駆動パルスが一度ずつ出現するように選択すればよい。
【０１１２】
制御フローについては、図９に示すフローチャートを用いることができる。この際、ステップＳＴ１３，ＳＴ１４，ＳＴ１６，ＳＴ１７の処理については、上述した駆動パルスを生成する処理に変更すればよい。
【０１１３】
図２０から明らかなように、第一の上アーム素子３１１、第一の下アーム素子３１２、第二の上アーム素子３２１及び第二の下アーム素子３２２は、均等に、偏りなく動作している。その結果、各アーム素子の発熱は均一化し、特定のスイッチング素子に発熱が集中するという状況は、回避される。このため、特定のスイッチング素子を冷却するためのヒートシンクが大型化するという課題は解決される。また、冷却のための風路の確保、及び熱に弱い部品との距離の確保といった対策も不要となる。これにより、装置が大型化し、コストが増加するという課題も解決される。
【０１１４】
以上説明したように、実施の形態３に係る交流直流変換装置では、昇圧回路３を構成する全てのアーム素子である第一の上アーム素子３１１、第一の下アーム素子３１２、第二の上アーム素子３２１及び第二の下アーム素子３２２が均等に動作するので、特定のアーム素子に発熱が集中するのを回避することができる。これにより、装置の大型化及びコストの増加を抑制することが可能となる。
【０１１５】
また、実施の形態３に係る交流直流変換装置では、同期整流を適用しているので、交流直流変換装置を低損失で駆動することが可能となる。
【０１１６】
実施の形態４．
実施の形態４では、実施の形態２に係る交流直流変換装置に同期整流を適用した実施の形態について説明する。なお、実施の形態４に係る交流直流変換装置の構成は、図１と同一である。
【０１１７】
図２１は、実施の形態４における駆動パルス生成部２４の動作説明に供する第一のタイムチャートである。図２２は、実施の形態４における駆動パルス生成部２４の動作説明に供する第二のタイムチャートである。図２３は、実施の形態４における駆動パルス生成部２４の動作説明に供する時間スパンを長くした第三のタイムチャートである。
【０１１８】
図２１は、電源電圧Ｖｓが正極性のときの波形を示している。上部側から順に、第一の下アーム素子３１２を駆動するための第二駆動パルスＸｂ、第二の上アーム素子３２１を駆動するための第三駆動パルスＹａ、第一の上アーム素子３１１を駆動するための第一駆動パルスＸａ、第二の下アーム素子３２２を駆動するための第四駆動パルスＹｂ、キャリア及び電源電圧Ｖｓの波形を示している。
【０１１９】
図２２は、電源電圧Ｖｓが負極性のときの波形を示している。上部側から順に、第一の上アーム素子３１１を駆動するための第一駆動パルスＸａ、第二の下アーム素子３２２を駆動するための第四駆動パルスＹｂ、第一の下アーム素子３１２を駆動するための第二駆動パルスＸｂ、第二の上アーム素子３２１を駆動するための第三駆動パルスＹａ、キャリア及び電源電圧Ｖｓの波形を示している。
【０１２０】
図２１及び図２２では、キャリアが三角波である場合の例を示している。キャリア周期をＴ、キャリア周波数をｆとすると、キャリア周波数ｆの一例は、１０ｋＨｚである。キャリア周波数ｆが１０ｋＨｚである場合、キャリア周期Ｔは、１００μｓである。
【０１２１】
図２１において、キャリア周期の１周期目では、第二の上アーム素子３２１はＯＦＦに制御され、第一の下アーム素子３１２は昇圧動作となるように制御される。昇圧動作では、ＯＮの状態とＯＦＦの状態が２度繰り返される。第一の上アーム素子３１１は、同期整流のためにスイッチング制御され、第二の下アーム素子３２２は、同期整流のために常時ＯＮに制御される。第一の上アーム素子３１１は、第一の上アーム素子３１１と第一の下アーム素子３１２とが同時にＯＮとならないように、第一の下アーム素子３１２のＯＦＦ期間にＯＮとなる。
【０１２２】
図示のように、第一の下アーム素子３１２は、ＯＮとＯＦＦの状態が繰り返される。ＯＮの状態は、図１６に示した電源短絡モードの動作である。また、ＯＦＦの状態は、図１８に示した充電モードの動作である。
【０１２３】
キャリアの２周期目では、第一の下アーム素子３１２はＯＦＦに制御され、第二の上アーム素子３２１は昇圧動作となるように制御される。昇圧動作では、ＯＮの状態とＯＦＦの状態が２度繰り返される。第二の下アーム素子３２２は、同期整流のためにスイッチング制御され、第一の上アーム素子３１１は、同期整流のために常時ＯＮに制御される。第二の下アーム素子３２２は、第二の下アーム素子３２２と第二の上アーム素子３２１とが同時にＯＮとならないように、第二の上アーム素子３２１のＯＦＦ期間にＯＮとなる。
【０１２４】
図示のように、第二の上アーム素子３２１は、ＯＮとＯＦＦの状態が繰り返される。図示は省略しているが、ＯＮの状態は、電源短絡モードの動作である。また、ＯＦＦの状態は、図１８に示した充電モードの動作である。
【０１２５】
キャリアの３周期目は、キャリアの１周期目と同じ動作となる。図示していないが、キャリアの４周期目は、キャリアの２周期目と同じ動作となる。
【０１２６】
また、図２２において、キャリア周期の１周期目では、第二の下アーム素子３２２はＯＦＦに制御され、第一の上アーム素子３１１は昇圧動作となるように制御される。昇圧動作では、ＯＮの状態とＯＦＦの状態が２度繰り返される。第一の下アーム素子３１２は、同期整流のためにスイッチング制御され、第二の上アーム素子３２１は、同期整流のために常時ＯＮに制御される。第一の下アーム素子３１２は、第一の上アーム素子３１１と第一の下アーム素子３１２とが同時にＯＮとならないように、第一の上アーム素子３１１のＯＦＦ期間にＯＮとなる。
【０１２７】
図示のように、第一の上アーム素子３１１は、ＯＮとＯＦＦの状態が繰り返される。ＯＮの状態は、図１７に示した電源短絡モードの動作である。また、ＯＦＦの状態は、図１９に示した充電モードの動作である。
【０１２８】
キャリアの２周期目では、第一の上アーム素子３１１はＯＦＦに制御され、第二の下アーム素子３２２は昇圧動作となるように制御される。昇圧動作では、ＯＮの状態とＯＦＦの状態が２度繰り返される。第二の上アーム素子３２１は、同期整流のためにスイッチング制御され、第一の下アーム素子３１２は、同期整流のために常時ＯＮに制御される。第二の上アーム素子３２１は、第二の上アーム素子３２１と第二の下アーム素子３２２とが同時にＯＮとならないように、第二の下アーム素子３２２のＯＦＦ期間にＯＮとなる。
【０１２９】
図示のように、第二の下アーム素子３２２は、ＯＮとＯＦＦの状態が繰り返される。図示は省略しているが、ＯＮの状態は、電源短絡モードの動作である。また、ＯＦＦの状態は、図１９に示した充電モードの動作である。
【０１３０】
キャリアの３周期目は、キャリアの１周期目と同じ動作となる。図示していないが、キャリアの４周期目は、キャリアの２周期目と同じ動作となる。
【０１３１】
図２３には、図２１及び図２２よりも時間スパンを長くした電源周期の４周期分の波形が示されている。上部側から順に、第一の下アーム素子３１２を駆動するための第二駆動パルスＸｂ、第二の上アーム素子３２１を駆動するための第三駆動パルスＹａ、第一の上アーム素子３１１を駆動するための第一駆動パルスＸａ、第二の下アーム素子３２２を駆動するための第四駆動パルスＹｂ、及び電源電圧Ｖｓの波形が示されている。
【０１３２】
図２３において、楕円で囲んだＫ５部を拡大すると、図２１のタイムチャートに示した第一駆動パルスＸａ、第二駆動パルスＸｂ、第三駆動パルスＹａ及び第四駆動パルスＹｂの波形が現れる。また、楕円で囲んだＫ６部の波形を拡大すると、図２２のタイムチャートに示した第一駆動パルスＸａ、第二駆動パルスＸｂ、第三駆動パルスＹａ及び第四駆動パルスＹｂの波形が現れる。
【０１３３】
制御フローについては、図１３に示すフローチャートを用いることができる。この際、ステップＳＴ２２，ＳＴ２４，ＳＴ２６，ＳＴ２８の処理については、上述した駆動パルスを生成する処理に変更すればよい。
【０１３４】
図２１、図２２及び図２３から明らかなように、第一の上アーム素子３１１、第一の下アーム素子３１２、第二の上アーム素子３２１及び第二の下アーム素子３２２は、均等に、偏りなく動作している。その結果、各アーム素子の発熱は均一化し、特定のスイッチング素子に発熱が集中するという状況は、回避される。このため、特定のスイッチング素子を冷却するためのヒートシンクが大型化するという課題は解決される。また、冷却のための風路の確保、及び熱に弱い部品との距離の確保といった対策も不要となる。これにより、装置が大型化し、コストが増加するという課題も解決される。
【０１３５】
なお、図２１及び図２２では、一つのキャリア周期でＯＮの駆動パルスを二つ生成しているが、二つに限定されない。ＯＮの駆動パルスは一つでもよいし、三つ以上でもよい。
【０１３６】
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では、昇圧回路３を構成する全てのアーム素子である第一の上アーム素子３１１、第一の下アーム素子３１２、第二の上アーム素子３２１及び第二の下アーム素子３２２が均等に動作するので、特定のアーム素子に発熱が集中するのを回避することができる。これにより、装置の大型化及びコストの増加を抑制することが可能となる。
【０１３７】
また、実施の形態４に係る交流直流変換装置では、同期整流を適用しているので、交流直流変換装置を低損失で駆動することが可能となる。
【０１３８】
また、実施の形態４に係る交流直流変換装置では、昇圧動作させるアーム素子を、電源周期よりも速いキャリア周期で切り替えるので、発熱を均等化する効果は実施の形態３よりも大きい。
【０１３９】
実施の形態５．
実施の形態１から実施の形態４で説明した交流直流変換装置は、インバータに直流電力を供給するモータ駆動制御装置に適用することができる。以下、実施の形態１から実施の形態４で説明した交流直流変換装置１００のモータ駆動制御装置への適用例を説明する。
【０１４０】
図２４は、実施の形態１から実施の形態４に示した交流直流変換装置をモータ駆動制御装置に適用した例を示す図である。図２４に示す実施の形態５に係るモータ駆動制御装置１０１は、実施の形態１に係る交流直流変換装置１００と、インバータ５００ａとを有する。上述したように、交流直流変換装置１００は、交流電力を直流電力に変換する装置である。インバータ５００ａは、交流直流変換装置１００から出力される直流電力を交流電力に変換する装置である。
【０１４１】
インバータ５００ａの出力側には、モータ５００ｂが接続されている。インバータ５００ａは、変換した交流電力をモータ５００ｂに供給することでモータ５００ｂを駆動する。
【０１４２】
図２４に示すモータ駆動制御装置１０１は、送風機、圧縮機及び空気調和機といった製品に適用することが可能である。
【０１４３】
図２５は、図２４に示したモータ駆動制御装置１０１を空気調和機に適用した例を示す図である。モータ駆動制御装置１０１の出力側にはモータ５００ｂが接続されており、モータ５００ｂは、圧縮要素５０４に連結されている。圧縮機５０５は、モータ５００ｂと圧縮要素５０４とを備える。冷凍サイクル部５０６は、四方弁５０６ａ、室内熱交換器５０６ｂ、膨張弁５０６ｃ及び室外熱交換器５０６ｄを含む態様で構成されている。
【０１４４】
空気調和機の内部を循環する冷媒の流路は、圧縮要素５０４から、四方弁５０６ａ、室内熱交換器５０６ｂ、膨張弁５０６ｃ、室外熱交換器５０６ｄを経由し、再び四方弁５０６ａを経由して、圧縮要素５０４へ戻る態様で構成されている。モータ駆動制御装置１０１は、交流電源１より交流電力の供給を受け、モータ５００ｂを回転させる。圧縮要素５０４は、モータ５００ｂが回転することによって、冷媒の圧縮動作を実行し、冷媒を冷凍サイクル部５０６の内部で循環させる。
【０１４５】
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】
【０１４６】
１  交流電源、２  リアクタ、３  昇圧回路、３ａ，３ｂ，３ｃ，３ｄ  接続点、４  平滑コンデンサ、５  第一の電圧検出器、７  第二の電圧検出器、１０  制御部、１２ａ，１２ｂ  直流母線、２４  駆動パルス生成部、３１  第一のレグ、３２  第二のレグ、６０  半導体基板、６１  ｐ型領域、６２  ソース電極、６３  ドレイン電極、６４  ゲート電極、６５  ｎ型領域、６６  酸化絶縁膜、６７  ｎ型チャネル、１００  交流直流変換装置、１０１  モータ駆動制御装置、３１１  第一の上アーム素子、３１２  第一の下アーム素子、３２１  第二の上アーム素子、３２２  第二の下アーム素子、５００  負荷、５００ａ  インバータ、５００ｂ  モータ、５０４  圧縮要素、５０５  圧縮機、５０６  冷凍サイクル部、５０６ａ  四方弁、５０６ｂ  室内熱交換器、５０６ｃ  膨張弁、５０６ｄ  室外熱交換器、Ｄ１，Ｄ２，Ｄ３，Ｄ４  ダイオード、Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３，Ｓ４  スイッチング素子。
【図１】
0006678825.tif 000002
【図２】
0006678825.tif 000003
【図３】
0006678825.tif 000004
【図４】
0006678825.tif 000005
【図５】
0006678825.tif 000006
【図６】
0006678825.tif 000007
【図７】
0006678825.tif 000008
【図８】
0006678825.tif 000009
【図９】
0006678825.tif 000010
【図１０】
0006678825.tif 000011
【図１１】
0006678825.tif 000012
【図１２】
0006678825.tif 000013
【図１３】
0006678825.tif 000014
【図１４】
0006678825.tif 000015
【図１５】
0006678825.tif 000016
【図１６】
0006678825.tif 000017
【図１７】
0006678825.tif 000018
【図１８】
0006678825.tif 000019
【図１９】
0006678825.tif 000020
【図２０】
0006678825.tif 000021
【図２１】
0006678825.tif 000022
【図２２】
0006678825.tif 000023
【図２３】
0006678825.tif 000024
【図２４】
0006678825.tif 000025
【図２５】
0006678825.tif 000026