(57)【要約】【課題】部品点数を少なくして基板実装面の制約を少なくし、フローティング電源を不要として、電源電流の高調波を抑制しつつ所定の直流電圧を得ること。【解決手段】整流素子をブリッジ構成した第一の整流回路５及び平滑回路７からなるコンバータ回路と、インバータ回路８と、交流電源１と第一の整流回路５との間に設けられたリアクトル２、リアクトルの後流側交流ラインにカソードコモンで接続された整流素子からなる第二の整流回路３、交流電源をリアクトルと第二の整流回路を通して短絡させるスイッチング素子４、スイッチング素子を制御する制御手段１４、からなる力率改善回路と、を備えた回転機駆動用装置であって、第二の整流回路３は２個の整流素子から構成され、スイッチング素子４はカソードコモン２０に一端を接続され且つコンバータ回路の低電位側２１に他端を接続されること。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
交流電源に接続された整流素子４個をブリッジ構成した第一の整流回路、前記第一の整流回路の出力を平滑化する平滑回路、からなるコンバータ回路と、
前記コンバータ回路の出力を交流に変換して回転機に供給するインバータ回路と、
前記交流電源と前記第一の整流回路との間に設けられたリアクトル、前記リアクトルの後流側交流ラインにカソードコモンで接続された整流素子からなる第二の整流回路、前記交流電源を前記リアクトルと前記第二の整流回路を通して短絡させるスイッチング素子、前記スイッチング素子を制御する制御手段、からなる力率改善回路と、を備えた回転機駆動用装置であって、
前記第二の整流回路は、カソードコモンで接続される２個の整流素子から構成され、
前記スイッチング素子は、前記カソードコモンに一端を接続され且つ前記コンバータ回路の低電位側に他端を接続される
ことを特徴とする力率改善回路付き回転駆動用装置。
【請求項２】
請求項１において、
前記制御手段で前記スイッチング素子をオンすることによって、前記交流電源は、前記リアクトル、前記第二の整流回路の内の１つの整流素子、前記スイッチング素子、前記第一の整流回路における４個の整流素子の内の一の整流素子、を通る短絡回路を形成する
ことを特徴とする力率改善回路付き回転駆動用装置。
【請求項３】
交流電源に接続された整流素子４個をブリッジ構成した第一の整流回路、前記第一の整流回路の出力を平滑化する平滑回路、からなるコンバータ回路と、
前記コンバータ回路の出力を交流に変換して回転機に供給するインバータ回路と、
前記交流電源と前記第一の整流回路との間に設けられたリアクトル、前記リアクトルの後流側交流ラインにカソードコモンで接続された整流素子からなる第二の整流回路、前記カソードコモンに一端を接続され且つ前記コンバータ回路の低電位側に他端を接続されたスイッチング素子、前記スイッチング素子を制御する制御手段、からなる力率改善回路と、を備えた回転機駆動用装置であって、
前記スイッチング素子へ駆動電力を供給する駆動電源のグランド電位は、前記スイッチング素子を制御する前記制御手段の電源である制御電源のグランド電位と同電位とする
ことを特徴とする力率改善回路付き回転駆動用装置。
【請求項４】
交流電源に接続された整流素子４個をブリッジ構成した第一の整流回路、前記第一の整流回路の出力を平滑化する平滑回路、からなるコンバータ回路と、
前記コンバータ回路の出力を交流に変換して回転機に供給するインバータ回路と、
前記交流電源と前記第一の整流回路との間に設けられたリアクトル、前記リアクトルの後流側交流ラインにカソードコモンで接続された整流素子からなる第二の整流回路、前記交流電源を前記リアクトルと前記第二の整流回路を通して短絡させるスイッチング素子、前記スイッチング素子を制御する制御手段、からなる力率改善回路と、を備えた回転機駆動用装置であって、
前記第二の整流回路は、カソードコモンで接続される２個の整流素子から構成され、
前記スイッチング素子は、前記カソードコモンに一端を接続され且つ前記コンバータ回路の低電位側に他端を接続され、
前記スイッチング素子へ駆動電力を供給する駆動電源のグランド電位は、前記スイッチング素子を制御する前記制御手段の電源である制御電源のグランド電位と同電位とする
ことを特徴とする力率改善回路付き回転駆動用装置。
【請求項５】
交流電源に接続された整流素子４個をブリッジ構成した第一の整流回路、前記第一の整流回路の出力を平滑化する平滑回路、前記平滑回路の出力を交流に変換して回転機に供給するインバータ回路、を備えた回転機駆動用装置における力率改善回路であって、
前記力率改善回路は、前記交流電源と前記第一の整流回路との間に設けられたリアクトル、前記リアクトルの後流側交流ラインにカソードコモンで接続された整流素子からなる第二の整流回路、前記カソードコモンに一端を接続され且つ前記コンバータ回路の低電位側に他端を接続されたスイッチング素子、前記スイッチング素子を制御する制御手段、から構成され、
前記カソードコモンで接続される２個の整流素子と前記スイッチング素子とを１つのパッケージに収納する
ことを特徴とする力率改善回路。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、回転機駆動用装置における力率改善回路に係り、特に単相交流電源の力率を改善して直流電圧を出力するための整流回路及びスイッチング素子等を備える力率改善回路及びこれを用いた回転機駆動用装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、単相交流電源を整流して直流電圧に変換する整流回路を備えた電源装置において、力率改善回路を備えて、電源電流の高調波を抑制しつつ所定の直流電圧を出力する電源装置が、例えば、特許文献１に記載されている。
【０００３】
図３は、特許文献１に示されるように、従来技術における力率改善回路を備えた電源装置を空気調和機用モータに適用した構成を示す図である。図３に示す回転機駆動用装置は、単相交流電源１に接続された整流素子４個を組んでダイオードブリッジを構成した第一の整流回路５、コンデンサ７を有する平滑回路からなるコンバータと、インバータ回路８と、リアクトル２、スイッチング素子４、整流素子４個を組んでダイオードブリッジを構成した第二の整流回路３、インバータ・力率改善回路制御手段１４からなる力率改善回路と、を備えている。インバータ回路８を通して空気調和機用モータを一例とする回転機９が接続されている。また、力率改善回路によって力率を改善した結果、平滑回路の出力電圧が昇圧することとなり、力率改善回路は昇圧機能を果たしている。
【０００４】
また、回転機駆動用装置を制御する電源としては、図３に示すように、インバータ・力率改善回路制御手段１４を駆動する制御電源１５と、インバータ回路８を駆動する駆動電源１９と、スイッチング素子４を駆動するフローティング電源である駆動電源１６と、を持っている。
【０００５】
図４には、図３に示す従来技術の回転機駆動用装置に用いられる電源類（インバータ回路用駆動電源、スイッチング素子用駆動電源、インバータ・力率改善回路用制御電源）の具体的構成を示す。図４において、インバータ回路８とインバータ・力率改善回路制御手段１４への駆動電源１９と制御電源１５は、制御ＧＮＤ１５ａを共通端子としているが、スイッチング素子４を駆動する駆動電源１６は駆動電源１９と絶縁していてフローティング電源となっている（交流電源１の両端がフローティングしているのでスイッチング素子４のベース−エミッタへの駆動電源は制御ＧＮＤ１５ａと共通化できない）。
【０００６】
また、インバータ・力率改善回路制御手段１４は、図３に図示するような直流検出回路１２、直流電圧検出回路１３及びゼロクロス検出回路１１からの検出信号に基づいて、スイッチング素子４及びインバータ回路８の駆動回路を制御し、この制御により交流電源電流を略正弦波として交流電源の力率を改善し、且つインバータ回路に所定の直流電圧を供給している。
【特許文献１】特開平１１−２０６１３０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、図３及び図４に示すような従来技術の力率改善回路では、第二の整流回路３用に４個のダイオードが使用されて基板実装面で制約が多い。さらに、スイッチング素子４が第一の整流回路５とは別個の第二の整流回路３に接続されていることから、スイッチング素子４の駆動には、第一の整流回路５と同一のグランド電位で電源を供給する駆動電源１９、制御電源１５とは絶縁された駆動電源１６、即ちフローティング電源が必要になるという課題がある。
【０００８】
本発明の目的は、部品点数を少なくして基板実装面の制約を少なくし、フローティング電源を不要として、電源電流の高調波を抑制しつつ所定の直流電圧を得ることのできる力率改善回路付き回転機駆動用装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
前記課題を解決するために、本発明は主として次のような構成を採用する。  
交流電源に接続された整流素子４個をブリッジ構成した第一の整流回路、前記第一の整流回路の出力を平滑化する平滑回路、からなるコンバータ回路と、
前記コンバータ回路の出力を交流に変換して回転機に供給するインバータ回路と、
前記交流電源と前記第一の整流回路との間に設けられたリアクトル、前記リアクトルの後流側交流ラインにカソードコモンで接続された整流素子からなる第二の整流回路、前記交流電源を前記リアクトルと前記第二の整流回路を通して短絡させるスイッチング素子、前記スイッチング素子を制御する制御手段、からなる力率改善回路と、を備えた回転機駆動用装置であって、
前記第二の整流回路は、カソードコモンで接続される２個の整流素子から構成され、
前記スイッチング素子は、前記カソードコモンに一端を接続され且つ前記コンバータ回路の低電位側に他端を接続される構成とする。
【００１０】
また、交流電源に接続された整流素子４個をブリッジ構成した第一の整流回路、前記第一の整流回路の出力を平滑化する平滑回路、からなるコンバータ回路と、
前記コンバータ回路の出力を交流に変換して回転機に供給するインバータ回路と、
前記交流電源と前記第一の整流回路との間に設けられたリアクトル、前記リアクトルの後流側交流ラインにカソードコモンで接続された整流素子からなる第二の整流回路、前記カソードコモンに一端を接続され且つ前記コンバータ回路の低電位側に他端を接続されたスイッチング素子、前記スイッチング素子を制御する制御手段、からなる力率改善回路と、を備えた回転機駆動用装置であって、
前記スイッチング素子へ駆動電力を供給する駆動電源のグランド電位は、前記スイッチング素子を制御する前記制御手段の電源である制御電源のグランド電位と同電位とする構成とする。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、基板実装面の制約を少なくし、フローティング電源を不要として、電源電流の高調波を抑制しつつ所定の直流電圧を得ることができる。
【００１２】
また、整流機能とスイッチング機能を１パッケージに実装できて、部品点数と実装面積の削減ができ、コスト低減を図ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
本発明の力率改善回路付き回転機駆動用装置に係る実施の形態について、実施例を挙げて図面を参照しながら以下詳細に説明する。図１は本発明の力率改善回路付き回転機駆動用装置に係る実施例を空気調和機用モータに適用した構成を示す図である。図２は本発明の力率改善回路付き回転機駆動用装置に用いられる電源類（インバータ回路用駆動電源、スイッチング素子用駆動電源、インバータ・力率改善回路用制御電源）の具体的構成を示す図である。
【００１４】
図１と図２において、１は交流電源、２はリアクトル、３は整流素子３ａと３ｂからなる第二の整流回路、４はスイッチング素子、５は整流素子５ａ〜５ｄからなる第一の整流回路、７は平滑コンデンサ、８はインバータ回路、９は圧縮機用モータ、１０は直流電流検出用抵抗、１１はゼロクロス検出回路、１２は電流検出回路、１３は直流電圧検出回路、１４はインバータ・力率改善回路制御手段（インバータや力率改善回路以外の他の構成要素、例えば、アンプやコンパレータ等を含む）（この制御手段は例えばマイコンからなるもの）、１５はインバータ・力率改善回路制御手段１４の制御電源、１９はスイッチング素子４とインバータ回路８の駆動電源である。
【００１５】
ここで、力率改善回路は、リアクトル２、第二の整流回路３（ダイオード３ａと３ｂからなるもの）、スイッチング素子４、インバータ・力率改善回路制御手段（マイコン）１４、から構成されている。また、スイッチング素子４はそのコレクタ端子を第二の整流回路３のカソードコモン２０に接続され、エミッタ端子を第一の整流回路５のアノードコモン２１に接続されている。
【００１６】
制御電源１５と駆動電源１９は、図２に示すように、平滑コンデンサ７の両端からスイッチング素子１７とトランス１８を使用し、第一の整流回路５と同一のグランド電位で駆動電源１９としてインバータ回路８及びスイッチング素子４に、制御電源（マイコン駆動用装置）１５としてインバータ・力率改善回路制御手段１４に、それぞれ電源を供給する。なお、電源１５と電源１９から点線で示したラインは、いわゆる制御のためのＶｃｃであって例えば５Ｖと１６Ｖであってよい。また、インバータ・力率改善回路制御手段１４からの実線のラインは制御信号であり、例えば５Ｖであってよい。さらに、平滑コンデンサ７の出力電圧は例えば２５０Ｖであってよい。
【００１７】
コンバータ回路は第一の整流回路５と平滑コンデンサ７とから構成される。交流電源１はリアクトル２と第一の整流回路５と平滑コンデンサ７に接続され、全波整流電力が平滑コンデンサ７に充電される。平滑コンデンサ７に充電された直流電力はインバータ回路８に送られ、制御された交流電力が圧縮機用モータに供給される。ここで、インバータ・力率改善回路制御手段１４は、ゼロクロス回路１１と直流電圧回路１３からの検出信号により力率改善回路のスイッチング素子４を制御し、電流検出回路１２（抵抗１０の両端電圧から電流を検出してもよい）からの検出信号によりインバータ回路８を制御することによって、各相電流への変換とモータ電流正弦波（１８０度通電）駆動のためのドライブ信号作成が行われ、その信号をインバータ回路８に印加することで圧縮機用モータ９を正弦波駆動する。このように、力率改善と平滑回路出力の直流電圧の調整とを最適に制御するため、インバータ・力率改善回路制御手段１４には、直流電圧検出回路１３により直流電圧を検出し、かつ、ゼロクロス検出回路１１（短絡電流を流すタイミングをとるためのもの）により交流電源１の電圧波形を検出した情報を入力している。
【００１８】
ところで、力率改善回路を構成するリアクトル２、第二の整流回路３、スイッチング素子４が仮に無いとすれば、交流電源１の電圧が平滑コンデンサ７の電圧よりも高い電圧にならなければ交流電源１から平滑コンデンサ７への充電電流は流れず、特にインバータ回路８での消費電力が少なく平滑コンデンサ７の充電電力の消費が少なければ尚更、交流電源電流の通電区間は小さくなり、無通電区間が広がることで波形も歪むため（高調波成分が大きくなる）、交流電源１の力率が低下する。
【００１９】
本発明の実施例では、力率改善回路を構成するリアクトル２、第二の整流回路３、スイッチング素子４を備えることにより、無通電区間に、リアクトル２と、第二の整流回路３と、スイッチング素子４と、第一の整流回路５の下段の整流素子５ｃ，５ｄと、からなる循環回路において、スイッチング素子４をオンすることで交流電源１をリアクトル２を介して短絡させ、通電幅を広げて交流電源１の高調波を抑制し、力率を改善することができる。また、その際にリアクトル２に貯えられたエネルギーをスイッチング素子４のオフ時に平滑コンデンサ７に貯えることで直流電圧を昇圧し、所定の直流電圧を得ることができる。ここで、ダイオードが２つ（３ａ，３ｂ）からなる第二の整流回路３を含む力率改善回路における交流電源１の循環経路に、コンバータを構成する第一の整流回路のダイオード５ｃ，５ｄを併置させることも本発明の特徴の１つである。即ち、第一の整流回路のダイオード５ｃ，５ｄは本来のコンバータの機能の外に、力率改善回路の交流電源の循環経路機能をも果たしている。
【００２０】
以上のように、本発明の実施例では、交流電源１をリアクトル２を介して短絡させる回路を構成する第二の整流回路３は、整流素子３ａ，３ｂの２個で構成されている。これに対して、図３に示すような従来技術では、交流電源１をリアクトル２を介して短絡させる回路を構成する第二の整流回路３は、整流素子３ａ〜３ｄの４個でダイオードブリッジに構成されている。本発明の実施例では、交流電源電圧の整流に用いる第一の整流回路５の整流素子４個のうち５ｃ，５ｄの２個について、交流電源１をリアクトル２を介して短絡させる回路に使用する整流素子としても兼用している。
【００２１】
従って、本発明は、交流電源１をリアクトル２を介して短絡させる回路を構成する第二の整流回路３の整流素子は２個となり、従来技術に比べて、交流電源１をリアクトル２を介して短絡させる回路に使用する第二の整流回路３の整流素子の使用数を半減することができる。このため、ダイオードスタックなどの１パッケージで４素子のブリッジ構成の整流素子以外でもディスクリート構成で整流素子２個を用いるなどの基板実装上の自由度が上がり、またディスクリート構成の整流素子を使用する場合はブリッジ構成の整流素子よりも多品種のものが市場にあり、整流素子の選択の自由度も上がるなど、基板実装面積の削減やコスト低減に有効となる。
【００２２】
また、一般的に用いられる１パッケージで４整流素子のダイオードブリッジの外部接続端子の数は４個であり、このパッケージの大きさ中に、整流素子３ａ、３ｂの２個とスイッチング素子４、及び４個の外部接続端子（ダイオード３のアノード２端子、スイッチング素子４のベース端子及びエミッタ端子）を収納し、同一のパッケージに入れることが可能となるため、一般的な整流素子（ダイオードブリッジからなる４個の整流素子）の実装面積と同一の広さで、第二の整流回路３に加え、スイッチング素子４も実装でき、部品点数と実装面積の削減ができ、コスト低減に有効となる。本発明におけるダイオードとスイッチング素子のパッケージも本発明の特徴の１つである。
【００２３】
また、本発明の実施例によれば、スイッチング素子４のエミッタ端子は、交流電源１の整流用の第一の整流回路５の低電位側に接続されるため、制御電源１５のグランド電位１５ａと同電位で用いることができ、図２に示すように、制御電源１５と同一巻線から供給する電圧を利用することが可能となる。
【００２４】
これに対して、図３に示すような従来技術では、交流電源１をリアクトル２を介して短絡させる回路に使用するスイッチング素子４は、第二の整流回路３の直流側を短絡するように接続されるため、スイッチング素子４の駆動電源１６は、第一の整流回路５と同一のグランド電位で電源を供給するインバータ回路８の駆動電源１９、インバータ・力率改善回路制御手段の制御電源１５とは絶縁された、スイッチング素子４専用の電源とする必要がある。このため、制御電源１５、インバータ回路用駆動電源１９とは絶縁された、スイッチング素子４の駆動電源１６の巻線が別に１系統増えて、３系統の電源が必要となる。
【００２５】
本発明の実施例では、制御電源１５と、インバータ回路８及びスイッチング素子４の駆動電源１９の２系統の電源で済み、フローティング電源が不要となるので、フローティング電源用の巻線を減らす効果がる。即ち、本実施例ではスイッチング素子４のための電源が、図３及び図４に示すような別の電源であって且つフローティング電源ということではなくて、インバータ８用の駆動電源１９を利用することができるものである。このように、駆動電源を縮小できるため、コスト低減に有効である。
【００２６】
なお、本実施例では、インバータ回路の負荷として、空気調和機の圧縮用モータを例示し、力率改善回路及びその力率改善回路を用いた空気調和機への実施例について説明を行ったが、交流電源を整流し所定の直流電圧を出力する電源及び交流電源の力率を改善する電源を必要とする、回転数制御モータを有する全ての電機機器に本発明を適用しても何ら支障無く使用でき、同様の効果を得ることができるのは言うまでも無い。
【００２７】
以上説明したように、本発明の特徴は、次のような構成を備えるとともに機能又は作用を奏するものを含むものである。即ち、交流を直流に変換するコンバータ回路の交流側にリアクトル、リアクトルより直流側の交流ラインにカソードコモンで２個の整流素子を接続し、スイッチング素子のコレクタをカソードコモンに、エミッタをコンバータ回路の直流低電位側に接続し、スイッチング素子の駆動電源のグランド電位をインバータ・力率改善回路制御手段を駆動する直流電源の内の一つのグランド電位と同電位とすることにある。
【００２８】
また、交流を直流に変換するダイオードブリッジからなる第一の整流回路と、交流をリアクトルを介して短絡し、リアクトルを利用して直流の電圧の増減と入力電流の波形制御を行うスイッチング素子と、短絡時の電流を整流するカソードコモンを有する第二の整流回路と、第一の整流回路の出力整流電圧を平滑する平滑回路と、スイッチング素子のスイッチング動作を用いて交流の入力電流波形を制御するインバータ・力率改善回路制御手段とを備え、スイッチング素子が第二の整流回路のカソードコモンと第一の整流回路のアノードコモンに接続され、スイッチング素子の駆動電力を供給する電源のグランド電位を制御電源のグランド電位と同電位とすることにある。
【００２９】
また、力率改善回路にスイッチング素子と第二の整流回路を１パッケージ化した昇圧パッケージを使用することにある。また、電気機器において力率改善回路と、平滑回路より直流が入力されるインバータ回路と、インバータ回路を制御するインバータ・力率改善回路制御手段と、インバータ回路により回転数制御されるモータとを備えることにある。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】本発明の力率改善回路付き回転機駆動用装置に係る実施例を空気調和機用モータに適用した構成を示す図である。
【図２】本発明の力率改善回路付き回転機駆動用装置に用いられる電源類（インバータ回路用駆動電源、スイッチング素子用駆動電源、インバータ・力率改善回路用制御電源）の具体的構成を示す図である。
【図３】従来技術における力率改善回路を備えた回転機駆動用装置を空気調和機用モータに適用した構成を示す図である。
【図４】従来技術の回転機駆動用装置に用いられる電源類（インバータ回路用駆動電源、スイッチング素子用駆動電源、インバータ・力率改善回路用制御電源）の具体的構成を示す図である。
【符号の説明】
【００３１】
１  単相交流電源
２  リアクトル
３  第二の整流回路
４  スイッチング素子
５  第一の整流回路
７  平滑コンデンサ
８  インバータ回路
９  圧縮機用モータ
１０  抵抗
１１  ゼロクロス検出回路
１２  電流検出回路
１３  直流電圧検出回路
１４  インバータ・力率改善回路制御手段
１５  制御電源
１６  フローティング電源
１７  スイッチング素子
１８  トランス
１９  駆動電源
２０  第二の整流回路のカソードコモン
２１  第一の整流回路のアノードコモン
【図１】
2005312260.tif 000003
【図２】
2005312260.tif 000004
【図３】
2005312260.tif 000005
【図４】
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