(57)【要約】【課題】小型・軽量・低コストな電力変換装置を提供する。【解決手段】小容量リアクタ９および小容量ＤＣリンクコンデンサ７を用いることで小型・軽量・低コストな電力変換装置を実現でき、またスイッチング制御電源部１４の1次回路に１次側コンデンサ１３と、１次側コンデンサ１３とインバータ１０の直流母線間に単方向整流手段１２を設けることで、インバータの直流母線間電圧が大きく脈動しても、安定したスイッチング制御電源部の動作を実現でき、一定な制御電源および駆動電源を供給できる。【選択図】図１
2005253282.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
交流電源を入力とし、ダイオードブリッジと、前記ダイオードブリッジの交流入力側または直流出力側に接続される小容量のリアクタで構成される整流回路と、前記整流回路の出力である直流電力から交流電力に変換するインバータと、前記インバータの直流母線間には、極めて小容量のＤＣリンクコンデンサとを備え、スイッチング制御電源部の１次側コンデンサと前記インバータの直流母線間に単方向整流手段を設けることを特徴とする電力変換装置。
【請求項２】
小容量ＤＣリンクコンデンサの容量値とスイッチング制御電源部の１次側コンデンサ容量値は互いに独立し、前記小容量ＤＣリンクコンデンサと前記小容量リアクタとの共振周波数を交流電源周波数の４０倍よりも大きく、かつ前記１次側コンデンサ容量を前記スイッチング制御電源部が停止しないだけ投入することを特徴とする請求項１記載の電力変換装置。
【請求項３】
小容量ＤＣリンクコンデンサおよび１次側コンデンサがフィルムコンデンサ、もしくはセラミックコンデンサであることを特徴とする請求項1もしくは２に記載の電力変換装置。
【請求項４】
交流電源を入力とし、ダイオードブリッジと、前記ダイオードブリッジの交流入力側または直流出力側に接続される小容量のリアクタで構成される整流回路と、前記整流回路の出力である直流電力から交流電力に変換するインバータと、前記インバータの直流母線間には、極めて小容量のＤＣリンクコンデンサとを備え、ファンモータに接続されるコンデンサと前記インバータの直流母線間に単方向整流手段を設けることを特徴とする電力変換装置。
【請求項５】
交流電源を入力とし、ダイオードブリッジと、前記ダイオードブリッジの交流入力側または直流出力側に接続される小容量のリアクタで構成される整流回路と、前記整流回路の出力である直流電力から交流電力に変換するインバータと、前記インバータの直流母線間には、極めて小容量のＤＣリンクコンデンサとを備え、誘導性負荷に接続されるコンデンサと前記インバータの直流母線間に単方向整流手段を設けることを特徴とする電力変換装置。
【請求項６】
請求項１〜５のいずれか１項に記載の電力変換装置を有するモータ駆動用インバータ制御装置。
【請求項７】
請求項６記載のモータ駆動用インバータ制御装置を有する空気調和機。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電力変換装置におよびそれを用いたモータ駆動用インバータ制御装置及び空気調和機に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、電力変換装置における制御電源とゲート駆動回路が提案されている（例えば、非特許文献１参照）。
【０００３】
図４は、前記非特許文献１に記載された従来の制御電源とゲート駆動回路の構成を示すブロック図である。図４に示すように、交流電源を入力とし、ダイオードブリッジ６で構成される整流回路と、整流回路の出力である直流電力から交流電力に変換するインバータ１０を備えている。インバータ１０の直流母線間には、平滑回路としてのＤＣリンクコンデンサ２１が接続されている。このＤＣリンクコンデンサ２１が入力側に接続されたスイッチング制御電源部１４は、トランス２３およびトランジスタ２２などのスイッチング素子で構成され、インバータ１０の駆動電源２４およびマイコン２６などの制御手段を動作させるための制御電源２５を供給するものである。上記構成において、一般的にスイッチング制御電源部１４の入力側のＤＣリンクコンデンサ２１は大容量であるので、スイッチング制御電源部１４の入力電圧は一定であるので、スイッチング制御電源部１４は安定した動作を行うことができ、一定の制御電源２５および駆動電源２４を供給することができる。
【非特許文献１】Ｄｏｗｎｓｉｚｉｎｇ  Ｔｅｃｈｏｎｏｌｏｇｙ  ｆｏｒ  Ｇｅｎｅｒａｌ−Ｐｕｒｐｏｓｅ  Ｉｎｖｅｒｔｅｒｓ  ｖｏｌ．４４  Ｎｏ．３  ＦＵＪＩ  ＥＬＥＣＴＲＩＣ  ＲＥＶＩＥＷ  ８５〜８９頁
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、前記従来の構成では、容量の大きなＤＣリンクコンデンサ２１を有しており、装置の大型化やコストＵＰを招いている。装置の小型・軽量・低コスト化を実現するために、ＤＣリンクコンデンサ２１を小容量にすることが考えられるが、ＤＣリンクコンデンサ２１が小容量であると、インバータ１０の出力に接続されている負荷が大きい場合、図３に示すように、インバータ１０の直流母線間電圧は交流電源周波数の２倍の周波数で大きく脈動し、ゼロとなる場合がある。インバータ１０の直流母線間電圧がゼロとなると、ＤＣリンクコンデンサ２１に接続されているスイッチング制御電源部１４が動作しなくなり、制御電源２５および駆動電源２４が出力されず、マイコン２６などの制御手段が動作せず、システム全体が停止してしまうという課題があった。
【０００５】
本発明の電力変換装置は、上記従来の問題を解決するものであり、小型・軽量・低コストで、インバータの直流母線間電圧が大きく脈動しても安定したスイッチング制御電源部の動作を実現でき、一定の制御電源および駆動電源を供給できる電力変換装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
前記従来の課題を解決するために、本発明の電力変換装置は、交流電源を入力とし、ダイオードブリッジと、ダイオードブリッジの交流入力側または直流出力側に接続される小容量のリアクタで構成される整流回路と、前記整流回路の出力である直流電力から交流電力に変換するインバータとを備え、インバータの直流母線間には、小容量のＤＣリンクコンデンサを備え、またスイッチング制御電源部の1次回路が電荷を蓄積する１次側コンデ
ンサで構成され、スイッチング制御電源部の出力を制御手段に供給するもので、前記１次
側コンデンサと前記インバータの直流母線間に単方向整流手段を備えたものである。
【０００７】
上記の構成によって、小容量ＤＣリンクコンデンサおよび小容量リアクタを用いることにより、小型・軽量・低コストな電力変換装置を実現でき、またインバータの直流母線間電圧が大きく脈動しても安定したスイッチング制御電源部の動作を実現でき、一定な制御電源および駆動電源を出力できる。
【発明の効果】
【０００８】
本発明の電力変換装置によれば、インバータの直流母線間電圧が大きく脈動しても、安定したスイッチング制御電源部の動作を実現でき、一定な制御電源および駆動電源を供給できる。また、それを用いたモータ駆動用インバータ制御装置及び空気調和機を提供できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
第１の発明は、スイッチング制御電源部の1次回路に1次側コンデンサと、前記1次側コンデンサとインバータの直流母線間に単方向整流手段を設けることで、インバータの直流母線間電圧が大きく脈動しても、安定したスイッチング制御電源部の動作を実現でき、一定な制御電源および駆動電源を供給できる。
【００１０】
第２の発明は、小容量ＤＣリンクコンデンサと小容量リアクタとの共振周波数（ＬＣ共振周波数）を交流電源周波数の４０倍よりも大きくなるようにすることで、交流電源電流の高調波成分を抑制してＩＥＣ規格をクリアすることができる。また、１次側コンデンサ容量を、スイッチング制御電源部が停止しないだけ投入することで、スイッチング制御電源部を安定に動作させることができる。
【００１１】
第３の発明は、小容量ＤＣリンクコンデンサおよび１次側コンデンサをフィルムコンデンサもしくはセラミックコンデンサにすることである。そうすることで、インバータの直流母線間電圧が大きく脈動しても、また１次側コンデンサにリプルが発生しても、問題なく使用することができる。
【００１２】
第４の発明は、交流電源を入力とし、ダイオードブリッジと、前記ダイオードブリッジの交流入力側または直流出力側に接続される小容量のリアクタで構成される整流回路と、前記整流回路の出力である直流電力から交流電力に変換するインバータと、前記インバータの直流母線間には、極めて小容量のＤＣリンクコンデンサとを備え、ファンモータに接続されるコンデンサと前記インバータの直流母線間に単方向整流手段を設けることを特徴とするもので、この構成によれば、小型・軽量・低コストな電力変換装置を実現でき、ファンモータに接続されるコンデンサとインバータの直流母線間に単方向整流手段を設けることで、インバータの直流母線間電圧が大きく脈動しても、問題なく使用することができる。
【００１３】
第５の発明は、交流電源を入力とし、ダイオードブリッジと、前記ダイオードブリッジの交流入力側または直流出力側に接続される小容量のリアクタで構成される整流回路と、前記整流回路の出力である直流電力から交流電力に変換するインバータと、前記インバータの直流母線間には、極めて小容量のＤＣリンクコンデンサとを備え、誘導性負荷に接続されるコンデンサと前記インバータの直流母線間に単方向整流手段を設けることを特徴とするもので、インバータの直流母線間電圧が大きく脈動しても、問題なく使用することができる。
【００１４】
第６の発明は、請求項１〜５のいずれか１項に記載の電力変換装置を有するモータ駆動
用インバータ制御装置で、上記効果を有する電力変換装置を用いたモータ駆動用インバータ制御装置を提供できる。
【００１５】
第７の発明は、請求項６記載のモータ駆動用インバータ制御装置を有する空気調和機で、上記効果を有する電力変換装置を用いた空気調和機を提供できる。
【００１６】
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して説明する。なお、本実施の形態によって本発明が限定されるものではない。
【００１７】
（実施の形態１）
図１は、本発明の第１の実施形態である電力変換装置のシステム構成を示すものである。図１の装置は、交流電源１と、交流電源からの交流を全波整流する４つのダイオード２〜５で形成されたブリッジ整流回路６と、ブリッジ整流回路６の交流入力側に挿入された小容量のリアクタ９と、ブリッジ整流回路６の直流側母線間に接続した極めて小容量のＤＣリンクコンデンサ７と、ブリッジ整流回路６の出力である直流電力から交流電力に変換するインバータ１０とを備えるもので、またスイッチング制御電源部１４の1次回路が電荷を蓄積する１次側コンデンサ１３で構成され、スイッチング制御電源部１４の出力を制御手段１６に供給するもので、前記１次側コンデンサ１３と前記インバータ１０の直流母線間に単方向整流手段１２を備えたものである。尚、小容量リアクタ９の設置箇所はブリッジ整流回路６の直流出力端と小容量ＤＣリンクコンデンサ７との間でも構わない。
【００１８】
本発明の実施の形態１である電力変換装置において、スイッチング制御電源部１４の１次側コンデンサ１３と、インバータ１０の直流母線間との間にダイオード等の単方向整流手段１２を設けることで、インバータ１０の直流母線間電圧が１次側コンデンサ１３の電圧より高い場合のみ、１次側コンデンサ１３へ充電し、インバータ１０の直流母線間電圧が１次側コンデンサ１３より低くなった場合には１次側コンデンサ１３が放電しない構成となるため、図２に示す通り、インバータ１０の直流母線間電圧が交流電源周波数の２倍の周波数で大きく脈動しても、スイッチング制御電源部１４の入力電圧である１次側コンデンサ１３の両端電圧はゼロまで低下することなく、スイッチング制御電源部１４が安定した動作を行い、一定の制御電源および駆動電源を供給することができる。図２は図１の小容量ＤＣリンクコンデンサ７と１次側コンデンサ１３の両端の電圧波形図である。なお、インバータ１０の出力は負荷モータなど負荷が大きいものであるので、負荷が大きいと図２に示す通り、インバータの直流母線間電圧が大きく脈動するが、スイッチング制御電源部１４の出力はマイコンなどの制御手段１６であるため、負荷が小さく１次側コンデンサ１３が小容量であっても、インバータの直流母線間と１次側コンデンサ１３との間に単方向整流手段１２を設けているので、インバータの直流母線間電圧のように、大きく脈動することはない。
【００１９】
（実施の形態２）
本発明の第２の実施の形態である電力変換装置について、以下に説明する。詳しくは、前記実施の形態１の小容量ＤＣリンクコンデンサ７および小容量リアクタ９の仕様決定に関する具体的な方法、また前記実施の形態１の１次側コンデンサ１３の容量決定方法について以下に説明する。
【００２０】
本発明の実施の形態２の電力変換装置では、交流電源電流の高調波成分を抑制してＩＥＣ規格をクリアするために、小容量ＤＣリンクコンデンサ７と小容量リアクタ９との共振周波数ｆLC（ＬＣ共振周波数）を交流電源周波数ｆSの４０倍よりも大きくなるようにす
る。
【００２１】
ここで、小容量ＤＣリンクコンデンサ７の容量をＣ［Ｆ］、小容量リアクタ９のインダ
クタンス値をＬ［Ｈ］とすると、ＬＣ共振周波数ｆLCは式（１）のように表される。
【００２２】
【数１】
2005253282.tif 000003
【００２３】
即ち、ｆＬＣ＞４０ｆＳを満たすように小容量ＤＣリンクコンデンサ７と小容量リアクタ９の組み合わせを決定するものである。（ＩＥＣ規格では交流電源電流の高調波成分において第４０次高調波まで規定されているため）
以上により、小容量ＤＣリンクコンデンサ７および小容量リアクタ９の組み合わせを決定することで、交流電源電流の高調波成分を抑制して、ＩＥＣ規格をクリアすることが可能となる。
【００２４】
次に、実施の形態１に示してある通り、インバータの直流母線間に接続されているＤＣリンクコンデンサ７が小容量であると、インバータの直流母線間電圧は電源周波数の２倍の周波数で大きく脈動してしまう。これを、インバータの直流母線間とスイッチング制御電源部１４の１次側コンデンサ１３との間に単方向整流手段１２を設けることで、小容量ＤＣリンクコンデンサ７の容量に影響されることなくスイッチング制御電源部１４に入力
電圧を供給することができる。スイッチング制御電源部１４が停止しないだけ１次側コンデンサ１３を投入することで、スイッチング制御電源部１４の安定した動作が望め、一定の制御電源および駆動電源を供給することができる。なお、スイッチング制御電源部１４の出力側はマイコンなどの制御手段１６に接続されており、負荷が小さいので、スイッチング制御電源部１４の入力側に接続された１次側コンデンサ１３は小容量で済むことから、装置の小型・軽量化も図れる。このときの諸元としては、小容量リアクタ６のインダクタンス値は０．５ｍＨ、小容量ＤＣリンクコンデンサ７の容量は１０μＦ、交流電源は２２０Ｖ（５０Ｈｚ）、また１次側コンデンサの容量１３は１０μFである。
【００２５】
（実施の形態３）
本発明の第３の実施の形態である電力変換装置について、以下に説明する。
【００２６】
本発明の実施の形態３の電力変換装置は、前記実施の形態１の小容量ＤＣリンクコンデンサ７および前記実施の形態１の１次側コンデンサ１３をフィルムコンデンサもしくはセラミックコンデンサにすることである。インバータの直流母線間電圧は電源周波数の２倍の周期で大きく脈動するため、リプル電流も大きく、リプル許容電流が小さい電解コンデンサは使用できない。そこで、リプル電流を気にすることなく使用することができるフィルムコンデンサを用いる。なお、前記小容量コンデンサ７は容量が小さいためフィルムコンデンサを用いることができる。次に、スイッチング制御電源部１４の１次側コンデンサ１３の容量は、実施の形態２に示した通り、スイッチング制御電源部１４が停止しないだけ投入することから、１次側コンデンサ１３も小容量であるため、リプル電流が大きくなる傾向にある。従って、上記小容量コンデンサ７と同じく、１次側コンデンサ１３にもフィルムコンデンサを用いることで、スイッチング制御電源部１４の入力電圧にリプルが発生しても問題ない。また、１次側コンデンサ１３が大容量タイプのセラミックコンデンサであっても同様の効果を得ることができる。
【００２７】
なお、前記スイッチング電源部１４がファンモータであっても構わず、この時ファンモ
ータが安定して動作するだけ１次側コンデンサ１３を投入すれば良い。また、前記スイッチング電源部１４が誘導性負荷であっても構わない。
【産業上の利用可能性】
【００２８】
本発明の電力変換装置は、インバータ回路を使用してモータを駆動するモータ駆動用インバータ制御装置に適用できる。例えば、インバータ回路を搭載した空気調和機、冷蔵庫、電気洗濯機、電気乾燥機、電気掃除機、送風機、ヒートポンプ給湯器等である。いずれの製品についても、モータ駆動用インバータ制御装置を小型化、軽量化することで、製品の設計の自由度が向上し、安価な製品を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】本発明の実施の形態１における電力変換装置の構成を示すブロック図
【図２】同電力変換装置の電圧波形図
【図３】従来の電力変換装置における電圧波形図
【図４】同制御電源とゲート駆動回路の構成を示すブロック図
【符号の説明】
【００３０】
１  交流電源
６  ブリッジ整流回路
７  小容量ＤＣリンクコンデンサ
９  小容量リアクタ
１０  インバータ
１２  単方向整流手段
１３  １次側コンデンサ
１４  スイッチング制御電源部
【図１】
2005253282.tif 000004
【図２】
2005253282.tif 000005
【図３】
2005253282.tif 000006
【図４】
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