特開 2024-160789 コンバータ装置及びこれを備えたモータ駆動装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2024160789

(43)【公開日】2024-11-15

(54)【発明の名称】コンバータ装置及びこれを備えたモータ駆動装置

(51)【国際特許分類】

   H02M 7/06 20060101AFI20241108BHJP

【ＦＩ】

H02M7/06 H

【審査請求】有

【請求項の数】4

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2023076153

(22)【出願日】2023-05-02

(71)【出願人】

【識別番号】516299338

【氏名又は名称】三菱重工サーマルシステムズ株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100112737

【弁理士】

【氏名又は名称】藤田 考晴

(74)【代理人】

【識別番号】100136168

【弁理士】

【氏名又は名称】川上 美紀

(74)【代理人】

【識別番号】100172524

【弁理士】

【氏名又は名称】長田 大輔

(72)【発明者】

【氏名】久原 正和

(72)【発明者】

【氏名】芹澤 和彦

(72)【発明者】

【氏名】角藤 清隆

(72)【発明者】

【氏名】小宮 真一

【テーマコード（参考）】

5H006

【Ｆターム（参考）】

5H006BB05

5H006CA07

5H006CB01

5H006CC08

5H006DB01

5H006DC05

5H006FA02

(57)【要約】

【課題】スイッチング素子及びこれに接続される電気素子に流れるサージ電流を抑制することができるコンバータ装置及びこれを備えたモータ駆動装置を提供すること。
【解決手段】コンバータ装置は、交流電源から供給される電力を整流する複数の整流素子Ｄ１～Ｄ４を備えるブリッジ整流回路と、ブリッジ整流回路の出力側に並列接続され、互いに直列接続された複数のコンデンサＣ１，Ｃ２と、直列接続された複数の整流素子の間の中点Ｐ１に第１端子が接続され、複数のコンデンサの間の中点Ｐ２に第２端子が接続されたスイッチング素子ＳＷ１と、スイッチング素子の状態を制御して、全てのコンデンサに一方向から電流が供給される低圧制御と、交流電源の半周期毎に充電されるコンデンサが切り替えられる高圧制御とを切替える制御部２４とを備え、制御部は、スイッチング素子の両端の電圧の差が略ゼロとなる切替タイミングにおいて、スイッチング素子をオンする。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

交流電源から供給される交流電力を整流する複数の整流素子を備えるブリッジ整流回路と、
前記ブリッジ整流回路の出力側に並列接続されるとともに、互いに直列接続された複数のコンデンサと、
直列接続された複数の前記整流素子の間の中点に第１端子が接続され、複数の前記コンデンサの間の中点に第２端子が接続されたスイッチング素子と、
前記スイッチング素子のオン／オフを制御することにより、全ての前記コンデンサに一方向から電流が供給される低圧制御と、交流電源の半周期毎に充電される前記コンデンサが切り替えられる高圧制御とを切替える制御部と
を備え、
前記制御部は、前記スイッチング素子の両端の電圧の差が略ゼロとなる切替タイミングにおいて、前記スイッチング素子をオンするコンバータ装置。

【請求項2】

前記交流電源から供給される交流電力のゼロクロスタイミングを検出する検出部を備え、
前記制御部は、前記検出部によって検出された前記ゼロクロスタイミングから所定位相ずれたタイミングを前記切替タイミングとする請求項１に記載のコンバータ装置。

【請求項3】

前記所定位相は、事前に行われたシミュレーション結果又は事前に実施した試験結果に基づいて設定されている請求項２に記載のコンバータ装置。

【請求項4】

前記スイッチング素子の両端の電圧を検出する検出部を備え、
前記制御部は、前記検出部の検出結果に基づいて前記切替タイミングを設定する請求項１に記載のコンバータ装置。

【請求項5】

請求項１に記載のコンバータ装置と、
前記コンバータ装置から供給された直流電力を交流電力に変換して出力するインバータ装置と
を備えるモータ駆動装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本開示は、コンバータ装置及びこれを備えたモータ駆動装置に関するものである。

【背景技術】

【0002】

従来、パワートランジスタによって構成されたブリッジ回路を用いた整流制御及び昇圧制御が広く利用されている。

【0003】

例えば、特許文献１には、交流電源から電力を供給する、ダイオードやコンデンサからなるブリッジ回路を備えたインバータ装置の構成が開示されている。このインバータ装置は、交流電源から出力された交流電圧を直流電圧に変換するとともに、変換した直流電圧の周波数に応じて、ブリッジ回路の導通状態を切替えるリレーのオン／オフを制御し、ブリッジ整流モードと倍圧整流モードの２つの整流モードを切替えるものである。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【特許文献1】特開昭６１－１１２５７５号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

特許文献１に開示されているブリッジ回路は、ブリッジ回路の動作中にリレーのオン／オフを切替えると、リレーの接点の両端子間に電圧が存在する場合、リレーをオンにした時点でリレー及びリレーと接続された電気素子にサージ電流が流れてしまう。リレーと接続された電気素子に流れるサージ電流は、リレーの接点の両端子間の電圧の大きさに比例して大きくなる。さらに、サージ電流が過大な場合には、リレー及びリレーと接続された電気素子の耐久性や寿命を低下させてしまい、故障の原因を誘発してしまう。

【0006】

本開示は、スイッチング素子及びスイッチング素子に接続される電気素子に流れるサージ電流を抑制することができるコンバータ装置及びこれを備えたモータ駆動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】

【0007】

本開示の幾つかの実施形態におけるコンバータ装置は、交流電源から供給される交流電力を整流する複数の整流素子を備えるブリッジ整流回路と、前記ブリッジ整流回路の出力側に並列接続されるとともに、互いに直列接続された複数のコンデンサと、直列接続された複数の前記整流素子の間の中点に第１端子が接続され、複数の前記コンデンサの間の中点に第２端子が接続されたスイッチング素子と、前記スイッチング素子のオン／オフを制御することにより、全ての前記コンデンサに一方向から電流が供給される低圧制御と、交流電源の半周期毎に充電される前記コンデンサが切り替えられる高圧制御とを切替える制御部とを備え、前記制御部は、前記スイッチング素子の両端の電圧の差がゼロとなる切替タイミングにおいて、前記スイッチング素子をオンする。

【0008】

本開示の幾つかの実施形態におけるモータ駆動装置は、上記コンバータ装置を備える。

【発明の効果】

【0009】

本開示によれば、スイッチング素子及びスイッチング素子に接続される電気素子に流れるサージ電流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】

【0010】

【図1】本開示の一実施形態によるモータ駆動装置の構成を示す図である。

【図2】本開示の一実施形態に係る制御部の構成を示す図である。

【図3】コンバータ装置における各制御時の電流及び電圧の推移を示す波形の例図である。

【図4】リレーの接続状態を切替えるタイミングと切替時に発生するサージ電流と関係を示す比較図である。

【図5】図１のコンバータ装置において、フィルタとしての抵抗とコンデンサが設けられたコンバータ装置の例図である。

【図6】図５のコンバータ装置において、インダクタンスを１ｍＨかつ静電容量を２０００μＦとした場合の入力電圧及びリレーの両端の電圧の差のシミュレーション結果を表した図である。

【図7】図５のコンバータ装置において、インダクタンスを１０ｍＨかつ静電容量を２０００μＦとした場合の入力電圧及びリレーの両端の電圧の差のシミュレーション結果を表した図である。

【図8】図５のコンバータ装置において、インダクタンスを１ｍＨかつ静電容量を３０００μＦとした場合の入力電圧及びリレーの両端の電圧の差のシミュレーション結果を表した図である。

【図9】図１のコンバータ装置において、リレーの両端子の各電圧を検出する検出抵抗が設けられたコンバータ装置の例図である。

【図10】図１のコンバータ装置において、リレーの両端の電圧の差を検出する検出抵抗が設けられたコンバータ装置の例図である。

【発明を実施するための形態】

【0011】

〔第１実施形態〕
以下、本開示の一実施形態に係るコンバータ装置について、図面を参照して説明する。
図１は、本開示の一実施形態によるモータ駆動装置の構成を示す図である。モータ駆動装置１は、図１に示すように、交流電源２と、コンバータ装置１０と、インバータ装置４０と、モータ５０とを備える。また、コンバータ装置１０は、リアクトルＬ１と、ブリッジ接続されたダイオード（整流素子）Ｄ１～Ｄ４と、コンデンサＣ１，Ｃ２と，リレー（スイッチング素子）ＳＷ１と、リレー駆動用電源装置３と、入力電圧検出部２２と、ゼロクロス検出部２３と、制御部２４とを備える。

【0012】

コンバータ装置１０は、交流電源２から供給される交流電力を直流電力に変換する装置である。コンバータ装置１０によって生成された直流電力は、例えば、インバータ装置４０によって三相交流電力に変換され、モータ５０を駆動するために用いられる。なお、モータ５０は、インバータ装置４０から供給される三相交流電力に応じて駆動し、例えば、空気調和機に用いられる圧縮機モータである。

【0013】

交流電源２は、例えば、単相の交流電源であり、入力電圧及び入力電流をコンバータ装置１０に供給する。

【0014】

コンバータ装置１０が備えるブリッジ整流回路５は、交流電源２から供給される交流電力を整流する複数のダイオードＤ１～Ｄ４を備える。また、ダイオードＤ１～Ｄ４は、ブリッジ接続されており、交流電源２の極性に応じて、交流電源２から供給される交流電力がいずれのダイオードによって整流されるかが異なる。

【0015】

例えば、交流電源２の交流電力が正極から供給される場合、交流電源２から供給される交流電力は、ダイオードＤ１及びダイオードＤ４を通過して整流される。また、交流電源２の交流電力が負極から供給される場合、交流電源２から供給される交流電力は、ダイオードＤ３及びダイオードＤ２を通過して整流される。

【0016】

リアクトルＬ１は、交流電源２とブリッジ整流回路５との間に設けられている。リアクトルＬ１は、交流電源２から供給される電力をエネルギとして蓄え、更にこのエネルギを放出することで昇圧を行う。コンデンサＣ１は、ダイオードＤ１又はダイオードＤ３のそれぞれを通って整流化された電圧を平滑化して、直流電圧を生成する。

【0017】

複数のコンデンサＣ１，Ｃ２は、ブリッジ整流回路５の出力側に並列接続されるとともに、互いに直列接続されている。なお、コンデンサＣ１は、正極側がダイオードＤ１及びダイオードＤ３のカソードに接続され、負極側がコンデンサＣ２の正極側に接続されている。また、コンデンサＣ２は、正極側がコンデンサＣ１の負極側に接続され、負極側がダイオードＤ２及びダイオードＤ４のアノードに接続されている。
ここで、コンデンサＣ１及びコンデンサＣ２は、ブリッジ整流回路５の出力する直流電力を平滑化するコンデンサである。コンデンサＣ１及びコンデンサＣ２によって、直流電圧の電圧値の変動を抑制する。コンデンサＣ１及びコンデンサＣ２は、例えば、電解コンデンサである。

【0018】

リレーＳＷ１は、直列接続されたダイオードＤ３及びダイオードＤ４の間の中点Ｐ１に第１端子が接続され、コンデンサＣ１及びコンデンサＣ２の間の中点Ｐ２に第２端子が接続されている。また、リレーＳＷ１は、リレー駆動用電源装置３からの電力供給によってオン／オフが切り替えられる。また、リレー駆動用電源装置３は、制御部２４からの指令に基づいてリレーＳＷ１へ電力を供給するか否かが制御される。

【0019】

コンバータ装置１０は、後述するように、制御部２４によってリレーＳＷ１のオン／オフが制御されることにより、全てのコンデンサＣ１及びＣ２に一方向から電流が供給される低圧制御と、交流電圧の半周期毎に、充電されるコンデンサが切り替えられる高圧制御とを切替える。

【0020】

制御部２４によってリレーＳＷ１がオフに制御された場合、低圧制御が実行される。低圧制御において、交流電源２の正極側から電力が供給される際には、ダイオードＤ１で整流された電流がコンデンサＣ１、Ｃ２に流れることにより、Ｃ１、Ｃ２が充電され、他方、交流電源２の負極側から電力が供給される際には、ダイオードＤ３で整流された電流がコンデンサＣ１、Ｃ２に流れることにより、コンデンサＣ１，Ｃ２が充電される。

【0021】

制御部２４によってリレーＳＷ１がオンに制御された場合、高圧制御が実行される。高圧制御において、交流電源２の正極側から電力が供給される半周期においてはダイオードＤ１を流れる電流によりコンデンサＣ１が充電され、交流電源２の負極側から電力が供給される半周期においては、ダイオードＤ２を流れる電流によりコンデンサＣ２が充電される。これにより、コンデンサＣ１及びコンデンサＣ２の端子間には、交流電圧の入力値Ｖａの２倍の直流電圧が発生することとなり、この出力電力がインバータ装置へ供給される。

【0022】

また、コンバータ装置１０は、交流電圧を入力電圧として検出する入力電圧検出部２２を備えている。また、この他に、交流電源２とブリッジ整流回路５との間の電流を検出するための電流センサ（不図示）が設けられていてもよい。

【0023】

入力電圧検出部２２は、交流電源２からブリッジ整流回路５へ供給される入力電圧の電圧値を、交流電源２が出力する交流電圧の周期よりも充分に短い周期毎に検出する。例えば、入力電圧検出部２２は、交流電源２とブリッジ整流回路５との間に設けられた電圧センサを含み、その電圧センサの読み取った入力電圧の電圧値（入力電圧に係る物理量の一例）を検出する。
入力電圧検出部２２は、検出した入力電圧の電圧値をゼロクロス検出部２３に出力する。

【0024】

ゼロクロス検出部（検出部）２３は、入力電圧検出部２２によって検出される交流電源２の電圧の値に関して、その正負が切り替わったか否か（ゼロクロス点に達したか否か）を判定する機能を有する。また、ゼロクロス検出部２３は、交流電源２の電圧の位相を検出する機能を有する。ゼロクロス検出部２３は、交流電源２の電圧の極性を検出する極性検出部であり、ゼロクロス信号を制御部２４に出力する。例えば、ゼロクロス検出部２３は、交流電源２の電圧が正の期間中には制御部２４に「１」の信号を出力し、交流電源２の電圧が負の期間中には制御部２４に「０」の信号を出力する。

【0025】

ゼロクロス検出部２３は、交流電源２の電圧に係るゼロクロス点以外の位相を検出し、位相検出信号を制御部２４に出力することとしてもよい。この場合、ゼロクロス検出部２３は、例えば、検出した位相と予め設定された位相の基準値に基づいて、制御部２４に「１」又は「０」の信号を出力する。また、コンバータ装置１０は、このような機能を有する位相検出部をゼロクロス検出部２３と独立して備えることとしてもよい。
以下の実施形態の説明において、ゼロクロス検出部２３は、ゼロクロス信号を制御部２４に出力する場合を例に説明する。

【0026】

制御部２４は、例えば、ＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ）、ＲＡＭ（Ｒａｎｄｏｍ Ａｃｃｅｓｓ Ｍｅｍｏｒｙ）、ＲＯＭ（Ｒｅａｄ Ｏｎｌｙ Ｍｅｍｏｒｙ）、及びコンピュータ読み取り可能な記憶媒体等から構成されている。そして、各種機能を実現するための一連の処理は、一例として、プログラムの形式で記憶媒体等に記憶されており、このプログラムをＣＰＵがＲＡＭ等に読み出して、情報の加工・演算処理を実行することにより、各種機能が実現される。なお、プログラムは、ＲＯＭやその他の記憶媒体に予めインストールしておく形態や、コンピュータ読み取り可能な記憶媒体に記憶された状態で提供される形態、有線又は無線による通信手段を介して配信される形態等が適用されてもよい。コンピュータ読み取り可能な記憶媒体とは、磁気ディスク、光磁気ディスク、ＣＤ－ＲＯＭ、ＤＶＤ－ＲＯＭ、半導体メモリ等である。

【0027】

制御部２４は、モータ５０の回転数であるモータ回転数に基づいて、リレーＳＷ１のオンオフを切り替えることにより、低圧制御と高圧制御とを切り替える。例えば、制御部２４は、モータ回転数が所定の閾値以下である場合に、リレーＳＷ１をオフ状態として低圧制御を行うとともに、モータ回転数が所定の閾値を超えた場合に、リレーＳＷ１をオン状態として高圧制御を行う。そして、リレーＳＷ１の切り替えにおいて、制御部２４は、リレーＳＷ１の両端の電圧の差が略ゼロとなるタイミングでリレーＳＷ１をオフ状態からオン状態に切替える。
本実施形態では、リレーＳＷ１の両端の電圧の差が略ゼロとなるタイミングとして、ゼロクロスタイミング（ゼロクロス点）を採用する。すなわち、制御部２４は、ゼロクロス検出部２３から信号を受取り、入力電圧がゼロとなるゼロクロスタイミングにリレーＳＷ１をオンに切替える。

【0028】

図２は、本開示の一実施形態に係る制御部２４が備える機能の一例を示した機能構成図である。制御部２４は、図２に示すように、タイミング特定部２４１、制御信号生成部２４３、記憶部２４４を備える。

【0029】

タイミング特定部２４１は、切替タイミングを特定する。具体的には、タイミング特定部２４１は、ゼロクロス検出部２３からゼロクロス信号を取得し、取得したゼロクロス信号に基づいてリレーＳＷ１を切り替える切り替えタイミングを特定する。本実施形態では、タイミング特定部２４１は、ゼロクロス信号に基づいてゼロクロスタイミングを特定し、特定したゼロクロスタイミングを切替タイミングとして制御信号生成部２４３に出力する。

【0030】

制御信号生成部２４３は、タイミング特定部２４１から取得した切替タイミングで、リレーＳＷ１のオン／オフを切替えるための制御信号を生成し、生成した制御信号をリレー駆動用電源装置３に出力する。これにより、リレー駆動用電源装置３が制御信号に基づいて駆動することにより、リレーＳＷ１の接点が閉じ、オンに切替わる。

【0031】

このように、制御部２４は、ゼロクロス検出部の出力信号に基づいて、ゼロクロスタイミングにおいてリレーＳＷ１をオンに切替える。これにより、リレーＳＷ１の両端にサージ電流の発生を抑制することができる。

【0032】

図３は、ゼロクロスタイミングでリレーＳＷ１をオフ状態からオン状態に切り替えた場合の電流波形及び電圧波形を示した図である。図３において、横軸は時間を示しており、縦軸は上図において電流を示し、下図において電圧を示している。また、実線は、図１におけるコンデンサＣ１を流れる電流Ｉ１を示し、破線は、図１におけるコンデンサＣ２を流れる電流Ｉ２を示している。一点鎖線は、図１における電圧Ｖａｃを、二点鎖線は、図１における電圧Ｖｎ１を示している。また、上下図を横断する点線は、ゼロクロスタイミングＺＣを示している。

【0033】

図３に示すように、ゼロクロスタイミングＺＣ時点までは、リレーＳＷ１の接続状態がオフであり、コンバータ装置１０は低圧制御を実行している。そして、電圧ＶａｃがゼロとなるゼロクロスタイミングＺＣ時点にリレーＳＷ１の接続状態がオンに切替えられることにより、ゼロクロスタイミングＺＣ以降において、コンバータ装置１０は高圧制御を実行する。また、図３より、高圧制御が実行されることにより、電流Ｉ１、電流Ｉ２及び電圧Ｖｎ１の各値は、高圧制御の実行前（ゼロクロスタイミングＺＣ以前）よりも増加していることが理解できる。このように、図１に示すコンバータ装置１０は、リレーＳＷ１の接続状態を切替えることにより、低圧制御及び高圧制御の両制御を実行することができる。

【0034】

〔第２実施形態〕
次に、本開示の第２実施形態に係るリレーＳＷ１の切替タイミングの特定について説明する。
上述した第１実施形態では、リレーＳＷ１の両端の電圧の差がゼロとなるタイミングとして、ゼロクロスタイミングを採用していた。しかしながら、実際に発明者らが試験やシミュレーションを行ったところ、入力電圧のゼロクロスタイミングと、実際にリレーＳＷ１の両端の電圧の差がゼロになるタイミングとに時間のずれが発生しており、これに起因して、多少のサージ電流が発生することがわかった。この結果から、リレーＳＷ１を切り替える切替タイミングとして、より最適なタイミングがあるとの知見を得た。そこで、本実施形態では、事前にシミュレーション又は試験を行い、サージ電流が所定値以下となるゼロクロス点からの位相ずれ量の範囲を特定し、特定した位相ずれ量の範囲内でリレーＳＷ１の切替タイミングを決定するための位相ずれ量θを決定する。

【0035】

図４は、リレーの接続状態を切替えるタイミングと切替時に発生するサージ電流との関係を示した比較図である。図４（ａ）～図４（ｅ）の各図は、図３における範囲Ｒに相当する範囲を示しており、リレーＳＷ１の切替タイミングが異なる。図４において、実線は、図１におけるコンデンサＣ１を流れる電流Ｉ１の推移を示す。破線は、図１におけるコンデンサＣ２を流れる電流Ｉ２の推移を示す。また、各図において縦軸と平行な実線は、サージ電流が発生していることを表す。

【0036】

まず、図４（ｃ）は、ゼロクロスタイミングにおいてリレーＳＷ１の接続状態をオンに切替えた場合のサージ電流を示している。図４（ｃ）からわかるように、ゼロクロスタイミングにおいてリレーＳＷ１をオフからオンに切替えた場合においても、サージ電流が発生している。すなわち、ゼロクロスタイミングにおけるリレーＳＷ１の両端の電圧の差は必ずしもゼロではないことが理解できる。この原因は、コンバータ装置１０が備えるリアクトルＬ１やコンデンサＣ１，Ｃ２の寄生容量や、ダイオードＤ１～Ｄ４のＶｆの不感帯の影響により、電圧に共振が発生してしまうためである。

【0037】

また、図４（ａ）及び図４（ｂ）の例は、ゼロクロスタイミングよりもリレーＳＷ１の切替えタイミングを早めた場合のサージ電流の有無を示している。また、図４（ｄ）及び図４（ｅ）の例は、ゼロクロスタイミングよりもリレーＳＷ１の切替えタイミングを遅らせた場合のサージ電流の有無を示している。
各図を比較すると、リレーＳＷ１の切替えタイミングを早めた図４（ａ）の例では、図４（ｃ）の例よりも大きいサージ電流が発生している。同様に、リレーＳＷ１の切替えタイミングを遅らせた図４（ｄ）及び図４（ｅ）の例も、図４（ｃ）の例よりも大きいサージ電流が発生している。一方、リレーＳＷ１の切替えタイミングを早めた図４（ｂ）の例では、サージ電流が発生していない。これより、リレーＳＷ１の切替えタイミングをゼロクロスタイミングから所定の位相、早めたタイミングにおいて、リレーＳＷ１の両端の電圧の差がゼロになることが推測される。

【0038】

（事前に行われたシミュレーション結果に基づく切替タイミングの設定について）
以下に、事前行われたシミュレーション結果に基づいて、リレーＳＷ１の両端の電圧の差が略ゼロとなるリレーＳＷ１の切替タイミングを設定する手法を説明する。

【0039】

本実施形態において、記憶部２４４には、事前に行われたシミュレーション結果又は試験結果によって得られた位相ずれ量θが記憶されている。そして、タイミング特定部２４１は、入力電圧のゼロクロスタイミングと、記憶部２４４に記憶されている位相ずれ量θとに基づいて、リレーＳＷ１の両端の電圧の差がゼロになるタイミングである切替タイミングを特定する。

【0040】

本実施形態において、制御部２４には圧縮機が備えるモータ５０の回転数変更指令が入力され、回転数変更指令の回転数が高い場合に、制御部２４は、低圧制御から高圧制御へ切り替えるための処理が必要であると判断する。

【0041】

次に、低圧制御から高圧制御へ切替えると判断されると、タイミング特定部２４１は、入力されたゼロクロス信号と、記憶部２４４に記憶されている位相ずれ量θとに基づいて、切替タイミングを特定する。

【0042】

そして、制御信号生成部２４３は、タイミング特定部２４１によって特定された切替タイミングにおいて、リレーＳＷ１を切替える制御信号を出力し、リレーＳＷ１をオフからオンへ切り替える。

【0043】

以下に、入力電圧のゼロクロスタイミングを補正する位相ずれ量θを求めるシミュレーション例を説明する。
図５は、事前に行われたシミュレーションの回路モデルである。なお、図５の回路モデルは図１の回路に対して抵抗Ｒ２，Ｒ３とコンデンサＣ３，Ｃ４を追加している。また、図６は、図５の回路モデルを用いて、インダクタンスを１ｍＨかつ静電容量を２０００μＦとした場合の入力電圧及びリレーＳＷ１の両端の電圧の差のシミュレーション結果を表した図である。また、図６において、上図は入力電圧の波形を示し、下図はリレーの両端の電圧の差の波形を示す。

【0044】

図６の上図及び下図を比較すると、両図において電圧がゼロになるタイミングは一致していない。これは、コンバータ装置１０が備えるリアクトルＬ１のインダクタンス、コンデンサＣ１，Ｃ２の寄生容量、ダイオードＤ１～Ｄ４のＶｆの不感帯等の影響により、リレーの両端の電圧の差に共振が発生してしまうためである。そのため、コンバータ装置１３の制御切替を実行するためにリレーＳＷ１をオンに切替えるタイミングについては、入力電圧のゼロクロスタイミングと、リレーＳＷ１の両端の電圧の差のゼロクロスタイミングとの時間差（又は位相差）を考慮する必要がある。

【0045】

ここで、図６に示すように、インダクタンスを１ｍＨかつ静電容量を２０００μＦとした場合のシミュレーション結果によれば、リレーＳＷ１の両端の電圧の差が略ゼロになるタイミングは、入力電圧のゼロクロスタイミングよりも約１ｍｓｅｃ早いことが確認された。また、本シミュレーション結果を位相に換算すると約２７ｄｅｇである。制御信号生成部２４３は、本シミュレーション結果に基づいて、リレーＳＷ１の切替タイミングを、入力電圧のゼロクロスタイミングよりも約１ｍｓｅｃ（約２７ｄｅｇ）早めたタイミングとする。そして、制御信号生成部２４３は、切替タイミングに基づいて、リレーＳＷ１の接続状態をオンに切替える制御信号をリレー駆動用電源装置３へ出力する。

【0046】

このように、制御部２４は、記憶部２４４に記憶された現在の制御条件と同条件のシミュレーション結果に基づいて、切替タイミングを設定し、切替タイミングに基づいてリレーＳＷ１の接続状態を切替える。これにより、サージ電流の発生を回避することができる。

【0047】

また、図７は、図５のコンバータ装置において、インダクタンスを１０ｍＨかつ静電容量を２０００μＦとした場合の入力電圧及びリレーの両端の電圧の差のシミュレーション結果を表した図である。また、図７において、上図は入力電圧の波形を示し、下図はリレーＳＷ１の両端の電圧の差の波形を示す。なお、本形態は、インダクタンスの値を除いて図６に示す例と同様である。

【0048】

図７に示すように、インダクタンスを１０ｍＨかつ静電容量を２０００μＦとした場合のシミュレーション結果によれば、リレーＳＷ１の両端の電圧の差が略ゼロになるタイミングは、入力電圧のゼロクロスタイミングよりも約１ｍｓｅｃ早いことが確認された。また、本シミュレーション結果を位相に換算すると約２７ｄｅｇである。制御信号生成部２４３は、本シミュレーション結果に基づいて、実際にリレーＳＷ１の切替タイミングを、入力電圧のゼロクロスタイミングよりも約１ｍｓｅｃ（約２７ｄｅｇ）早めたタイミングとする。

【0049】

なお、本シミュレーション結果を図６の条件に基づくシミュレーション結果と比較すると、インダクタンスの増加は、入力電圧のゼロクロスタイミングとリレーＳＷ１の両端の電圧の差が略ゼロである切替タイミングとの時間差に対して大きな影響を与えないことが理解される。

【0050】

図８は、図５のコンバータ装置において、インダクタンスを１ｍＨかつ静電容量を３０００μＦとした場合の入力電圧及びリレーの両端の電圧の差のシミュレーション結果を表した図である。また、図８において、上図は入力電圧の波形を示し、下図はリレーＳＷ１の両端の電圧の差の波形を示す。なお、本形態は、静電容量の値を除いて図９に示す例と同様である。

【0051】

図８に示すように、インダクタンスを１０ｍＨかつ静電容量を３０００μＦとした場合のシミュレーション結果によれば、リレーＳＷ１の両端の電圧の差が略ゼロになるタイミングは、入力電圧のゼロクロスタイミングよりも約１.５ｍｓｅｃ早いことが確認された。また、本結果を位相に換算すると約４０ｄｅｇである。制御信号生成部２４３は、本シミュレーション結果に基づいて、実際にリレーＳＷ１の接続状態を切替えるタイミングである切替タイミングを、入力電圧のゼロクロスタイミングよりも約１．５ｍｓｅｃ（約４０ｄｅｇ）早めたタイミングとする。

【0052】

なお、本シミュレーション結果を図６の条件に基づくシミュレーション結果と比較すると、静電容量の増加は、入力電圧のゼロクロスタイミングとリレーＳＷ１の両端の電圧の差が略ゼロである切替タイミングとの時間差に対して影響を与えることが理解される。

【0053】

以上の各シミュレーション結果に基づいて、各コンバータ装置が備える電気素子の影響を考慮して、ゼロクロスタイミングを位相ずれ量θずらしたタイミングを切替タイミングに設定することにより、リレーＳＷ１の切替時において、より確実にサージ電流の発生を回避することができる。

【0054】

また、図６～図８に例示したシミュレーション結果によれば、切替タイミングは、マージンを含めて、例えば、入力電圧のゼロクロスタイミングに対して１０～５０ｄｅｇ程度の位相を進めたタイミングであり、より好ましくは入力電圧のゼロクロスタイミングに対して２７～４０ｄｅｇ程度の位相を進めたタイミングである。なお、これらの範囲は、本シミュレーションによる一例であり、コンバータ装置の電気的特性に対応して適宜変更されるものである。

【0055】

以上の各シミュレーション結果より、ゼロクロスタイミングに与える位相ずれ量θは数値範囲を有している。すなわち、位相ずれ量θは、サージ電流の発生を回避できる数値範囲内の値であればよい。そこで、制御部２４は、設定可能な位相ずれ量θの数値範囲を設定することとしてもよい。
また、位相ずれ量θを含む所定の数値範囲において段階的に減縮された複数の許容範囲を設定することしてもよい。このように、位相ずれ量θについて許容可能な範囲が段階的に設けられることにより、コンバータ装置の制御条件に対応して、位相ずれ量θを柔軟に設定することができる。

【0056】

（事前に実施した試験結果に基づく切替タイミングの設定について）
また、上述の手法では、事前に行われたシミュレーション結果に基づいて、位相ずれ量θを求め、切替タイミングを設定したが、制御部２４は、シミュレーション結果に代わって、事前に実施した試験結果に基づいて、位相ずれ量θを求め、切替タイミングを設定してもよい。この場合、記憶部２４４には、事前に実施した試験結果によって求められた位相ずれ量θが記憶されており、タイミング特定部２４１は、記憶部に記憶された位相ずれ量θに基づいて切替タイミングを特定する。なお、制御部２４が行うその他の処理については、シミュレーション結果を使用する場合と同様である。

【0057】

〔第３実施形態〕
（電圧監視による切替タイミングの設定について）
上述の実施形態では、入力電圧のゼロクロスタイミングの位相をずらすことにより、切替タイミングを特定する手法を説明したが、その他の手法としてリレーＳＷ１の両端の電圧の差を監視して切替タイミングを決定してもよい。
以下に、リレーＳＷ１の両端子の電圧を監視することにより、リレーＳＷ１の接続状態を切替える切替タイミングを設定する手法を説明する。
図９は、図１のコンバータ装置において、リレーの両端子の各電圧を検出する検出抵抗が設けられたコンバータ装置の例図である。
図９の構成において、リレーＳＷ１の両端子には、電圧を検出するため検出抵抗であって、それぞれ複数の抵抗を備える分圧抵抗群（検出部）Ｒｄ１，Ｒｄ２がそれぞれ接続されている。また、分圧抵抗群Ｒｄ１の中点Ｐ３における電圧と分圧抵抗群Ｒｄ２の中点Ｐ４における電圧との両電圧は、制御部２４へ入力される。なお、制御部２４は、マイコンＡＤポートを備え、入力された電圧量をＡ／Ｄ変換できることとしてもよい。

【0058】

ここで、例えば、図９のコンバータ装置１１が空気調和装置に搭載されて利用される場合、制御部２４には圧縮機が備えるモータ５０の回転数変更指令が入力され、回転数変更指令の回転数が高い場合に、制御部２４はコンバータ装置１１の制御を低圧制御から高圧制御へ切替える。この場合において、まず、制御部２４は、入力された分圧抵抗群Ｒｄ１の中点Ｐ３における電圧と分圧抵抗群Ｒｄ２の中点Ｐ４における電圧との両電圧に基づいて、低圧制御から高圧制御へ切替可能か否かを判断する。

【0059】

次に、制御部２４が低圧制御から高圧制御へ切替可能であると判断した場合、制御部２４が備える制御信号生成部２４３は、中点Ｐ３における電圧と中点Ｐ４における電圧とが一致するタイミング、すなわち、リレーＳＷ１の両端の電圧の差がゼロであるタイミングを切替タイミングとする。そして、制御信号生成部２４３は、切替タイミングに基づいて、リレーＳＷ１の接続状態をオンに切替える制御信号をリレー駆動用電源装置３へ出力する。

【0060】

このように、制御部２４が、リレーＳＷ１の両端子の各電圧に基づいて切替タイミングを設定し、切替タイミングに基づいてリレーＳＷ１の接続状態をオンに切替えることにより、コンバータ装置１１におけるサージ電流の発生を回避することができる。

【0061】

図１０は、図１のコンバータ装置において、リレーの両端の電圧の差を検出する検出抵抗が設けられたコンバータ装置の例図である。
図１０の構成において、リレーＳＷ１の両端子には、電圧を検出するため検出抵抗であって、複数の抵抗を備える分圧抵抗群（検出部）Ｒｄ３が、リレーＳＷ１と並列に接続されている。また、分圧抵抗群Ｒｄ３の中点Ｐ５における電圧は、制御部２４へ入力される。なお、制御部２４は、マイコンＡＤポートを備え、入力された電圧量をＡ／Ｄ変換できることとしてもよい。

【0062】

ここで、例えば、図１０のコンバータ装置１２が空気調和装置に搭載されて利用される場合、制御部２４には圧縮機が備えるモータ５０の回転数変更指令が入力され、回転数変更指令の回転数が高い場合に、制御部２４はコンバータ装置１２の制御を低圧制御から高圧制御へ切替える。この場合において、まず、制御部２４は、入力された分圧抵抗群Ｒｄ３の中点Ｐ５における電圧に基づいて、低圧制御から高圧制御へ切替可能かを判断する。具体的には、制御部２４は、リレーＳＷ１をオンに切替えた際にサージ電流が流れないか否かを判断する。

【0063】

次に、制御部２４が低圧制御から高圧制御への変更が可能であると判断した場合、制御部２４が備える制御信号生成部２４３は、中点Ｐ５における電圧がゼロであるタイミング、すなわち、リレーＳＷ１の両端の電圧の差がゼロであるタイミングを切替タイミングとする。そして、制御信号生成部２４３は、切替タイミングに基づいて、リレーＳＷ１の接続状態をオンに切替える制御信号をリレー駆動用電源装置３へ出力する。

【0064】

このように、制御部２４が、リレーＳＷ１の両端子間の中点Ｐ５の電圧に基づいて切替タイミングを設定し、切替タイミングに基づいてリレーＳＷ１の接続状態をオンに切替えることにより、コンバータ装置１２におけるサージ電流の発生を回避することができる。

【0065】

なお、上述の例では検出抵抗を用いた電圧検出を例示したが、この例に限らず、例えば、電圧計や電圧センサを用いてリレーＳＷ１の両端の電圧の差を検出することとしてもよく、その他の手法を適宜用いることとしてもよい。

【0066】

本実施形態によれば、以下の効果を奏する。
本開示のコンバータ装置１０，１１，１２，１３において、制御部２４は、リレーＳＷ１の両端の電圧の差が略ゼロとなる切替タイミングにおいて、リレーＳＷ１を切替えることにより、低圧制御と高圧制御とを切替えることとしてもよい。すなわち、制御部２４は、リレーＳＷ１の両端の電圧の差が略ゼロとなる切替タイミングにおいて、リレーＳＷ１をオンする。これにより、リレーＳＷ１及びリレーＳＷ１に接続される電気素子、例えば、ダイオードＤ１～Ｄ４やコンデンサＣ１，Ｃ２に流れるサージ電流を抑制することができる。また、各電気素子への被害を軽減することができる。

【0067】

本開示のコンバータ装置１１，１２において、交流電源から供給される交流電力のゼロクロスタイミングを検出するゼロクロス検出部２３が備えられ、制御部２４は、ゼロクロス検出部２３によって検出されたゼロクロスタイミングから所定位相量ずれたタイミングを切替タイミングしてもよい。なお、本所定位相量は、事前に行われたシミュレーション結果又は事前に実施した試験結果に基づいて特定される。これにより、リレーＳＷ１の両端の電圧の差が略ゼロとなるタイミングである切替タイミングをより正確に設定することができ、サージ電流をより確実に抑制することができる。

【0068】

また、所定位相量は、シミュレーション結果に基づく所定の数値範囲において段階的に減縮された複数の許容範囲から選択されるものであってもよい。このように、所定量について許容可能な範囲が設けられることにより、コンバータ装置の制御条件に対応して、所定位相量を柔軟に設定することができる。

【0069】

本開示のコンバータ装置１１，１２において、リレーＳＷ１の両端の電圧を検出する分圧抵抗群Ｒｄ１，Ｒｄ２，Ｒｄ３が備えられ、制御部２４は、分圧抵抗群Ｒｄ１，Ｒｄ２，Ｒｄ３のいずれかによって検出された検出結果に基づいて切替タイミングを設定することとしてもよい。これにより、直接検出したリレーＳＷ１の両端の電圧の差が略ゼロとなるタイミングを切替タイミングとすることができる。そして、サージ電流をより確実に抑制することができる。

【0070】

以上、本開示について実施形態を用いて説明したが、本開示の技術的範囲は上記実施形態に記載の範囲には限定されない。本開示の要旨を逸脱しない範囲で上記実施形態に多様な変更又は改良を加えることができ、該変更又は改良を加えた形態も本開示の技術的範囲に含まれる。また、上記実施形態を適宜組み合わせてもよい。

【0071】

例えば、本開示においては、リレーＳＷ１の両端に電圧の差がゼロであるタイミングを切替タイミングとしたが、マージンを考慮して、リレーＳＷ１の両端に電圧の差が略ゼロのタイミングが切替タイミングとして特定されてもよい。この場合、略ゼロの範囲は、コンバータ装置が備える電気素子の特性に応じて決定されてもよい。また、設計者が指定する範囲であってもよい。

【0072】

また、本開示においては、リレーＳＷ１の両端の電圧の差が略ゼロであるタイミングを切替タイミングとして、切替タイミングにおいてリレーＳＷ１をオンにすることにより、サージ電流の発生を回避する例を説明したが、これに限らず、その他のスイッチング素子に適用してもよい。また、コンバータ装置が備える整流素子の回路構成についても、本実施形態の例に限らず、ブリッジ整流回路、横型ブリッジレス回路、フルブリッジレス整流回路のいずれであってもよい。

【0073】

（付記事項）
上述した実施形態に記載の制御システム、本制御システムを備えた切替回路、本切替回路を備えた室外機は、例えば以下のように把握される。
上述した実施形態に記載のコンバータ装置、これを備えたモータ駆動装置は、例えば以下のように把握される。
本開示の第１態様に係るコンバータ装置は、交流電源から供給される交流電力を整流する複数の整流素子（Ｄ１～Ｄ４）を備えるブリッジ整流回路と、ブリッジ整流回路の出力側に並列接続されるとともに、互いに直列接続された複数のコンデンサ（Ｃ１，Ｃ２）と、直列接続された複数の整流素子の間の中点（Ｐ１）に第１端子が接続され、複数のコンデンサの間の中点（Ｐ２）に第２端子が接続されたスイッチング素子（ＳＷ１）と、前記スイッチング素子のオン／オフを制御することにより、全ての前記コンデンサに一方向から電流が供給される低圧制御と、交流電源の半周期毎に充電される前記コンデンサが切り替えられる高圧制御とを切替える制御部（２４）とを備え、制御部は、スイッチング素子の両端の電圧の差が略ゼロとなる切替タイミングにおいて、スイッチング素子をオンする。

【0074】

本開示のコンバータ装置によれば、制御部は、スイッチング素子の両端の電圧の差が略ゼロとなる切替タイミングにおいて、スイッチング素子を切替えることにより、低圧制御と高圧制御とを切替える。例えば、スイッチング素子の両端の電圧の差が略ゼロではないタイミングに、スイッチング素子がオフからオンへ切替わるとスイッチング素子及びスイッチング素子に接続される電気素子にサージ電流が流れてしまう。また、スイッチング素子の両端の電圧の差が大きい場合、サージ電流も大きくなり、スイッチング素子及びスイッチング素子に接続される電気素子を破損させる可能性がある。そこで、制御部は、スイッチング素子の両端の電圧の差が略ゼロとなる切替タイミングにおいて、スイッチング素子をオンする。これにより、スイッチング素子及びスイッチング素子に接続される電気素子に流れるサージ電流を抑制することができる。また、各電気素子への被害を軽減することができる。

【0075】

本開示の第２態様に係るコンバータ装置は、前記第１態様において、交流電源から供給される交流電力のゼロクロスタイミングを検出する検出部（２３）を備え、制御部は、検出部によって検出されたゼロクロスタイミングから所定量ずれたタイミングを切替タイミングに設定する。

【0076】

本開示のコンバータ装置によれば、交流電源から供給される交流電力のゼロクロスタイミングを検出する検出部を備え、制御部は、検出部によって検出されたゼロクロスタイミングから所定量ずれたタイミングを切替タイミングとする。これにより、交流電源から供給される交流電力のゼロクロスタイミングにスイッチング素子をオンにするとサージ電流が発生する場合においても、スイッチング素子の両端の電圧の差が略ゼロとなるタイミングを切替タイミングに設定することができる。そして、スイッチング素子の切替タイミング適宜変更することができ、より確実にサージ電流の発生を抑制することができる。

【0077】

本開示の第３態様に係るコンバータ装置は、前記第２態様において、所定量は、事前に行われたシミュレーション結果又は事前に実施した試験結果に基づいて設定されている。

【0078】

本開示のコンバータ装置によれば、所定量は、事前に行われたシミュレーション結果又は事前に実施した試験結果に基づいて設定されている。これにより、スイッチング素子の両端の電圧の差が略ゼロとなるタイミングである切替タイミングをより正確に設定することができ、サージ電流をより確実に抑制することができる。

【0079】

本開示の第４態様に係るコンバータ装置は、前記第１態様において、スイッチング素子の両端の電圧を検出する検出部（Ｒｄ１，Ｒｄ２，Ｒｄ３）を備え、制御部は、検出部の検出結果に基づいて切替タイミングを設定する。

【0080】

本開示のコンバータ装置によれば、スイッチング素子の両端の電圧を検出する検出部を備え、制御部は、検出部によって検出された検出結果に基づいて切替タイミングを設定する。これにより、直接検出したスイッチング素子の両端の電圧の差が略ゼロとなるタイミングを切替タイミングとすることができる。そして、サージ電流をより確実に抑制することができる。

【0081】

本開示の第１態様に係るモータ駆動装置は、前記第１態様から前記第４態様のいずれかのコンバータ装置（１０，１１，１２，１３）を備える。

【符号の説明】

【0082】

１ モータ駆動装置
２ 交流電源
３ リレー駆動用電源装置
５ ブリッジ整流回路
１０、１１、１２、１３ コンバータ装置
２２ 入力電圧検出部
２３ ゼロクロス検出部
２４ 制御部
４０ インバータ装置
５０ モータ
２４１ タイミング特定部
２４３ 制御信号生成部
２４４ 記憶部
Ｃ１、Ｃ２ コンデンサ
Ｄ１～Ｄ４ ダイオード
Ｉ１、Ｉ２ 電流
Ｌ１ リアクトル
Ｒｄ１、Ｒｄ２、Ｒｄ３ 分圧抵抗群
ＳＷ１ リレー
ＺＣ ゼロクロスタイミング

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【手続補正書】

【提出日】2024-06-28

【手続補正1】

【補正対象書類名】特許請求の範囲

【補正対象項目名】全文

【補正方法】変更

【補正の内容】

【特許請求の範囲】

【請求項1】

交流電源から供給される交流電力を整流する複数の整流素子を備えるブリッジ整流回路と、
前記ブリッジ整流回路の出力側に並列接続されるとともに、互いに直列接続された複数のコンデンサと、
直列接続された複数の前記整流素子の間の中点に第１端子が接続され、複数の前記コンデンサの間の中点に第２端子が接続されたスイッチング素子と、
前記スイッチング素子のオン／オフを制御することにより、全ての前記コンデンサに一方向から電流が供給される低圧制御と、交流電源の半周期毎に充電される前記コンデンサが切り替えられる高圧制御とを切替える制御部と、
前記スイッチング素子の両端の電圧を検出する第１検出部と
を備え、
前記制御部は、前記第１検出部の検出結果に基づいて前記スイッチング素子の両端の電圧の差が略ゼロとなる切替タイミングにおいて、前記スイッチング素子をオンするコンバータ装置。

【請求項2】

前記交流電源から供給される交流電力のゼロクロスタイミングを検出する第２検出部を備え、
前記制御部は、前記第２検出部よって検出された前記ゼロクロスタイミングから所定位相ずれた切替タイミングにおいて、前記スイッチング素子をオンする請求項１に記載のコンバータ装置。

【請求項3】

前記所定位相は、事前に行われたシミュレーション結果又は事前に実施した試験結果に基づいて設定されている請求項２に記載のコンバータ装置。

【請求項4】

請求項１に記載のコンバータ装置と、
前記コンバータ装置から供給された直流電力を交流電力に変換して出力するインバータ装置と
を備えるモータ駆動装置。

【手続補正2】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】００２４

【補正方法】変更

【補正の内容】

【0024】

ゼロクロス検出部（第２検出部）２３は、入力電圧検出部２２によって検出される交流電源２の電圧の値に関して、その正負が切り替わったか否か（ゼロクロス点に達したか否か）を判定する機能を有する。また、ゼロクロス検出部２３は、交流電源２の電圧の位相を検出する機能を有する。ゼロクロス検出部２３は、交流電源２の電圧の極性を検出する極性検出部であり、ゼロクロス信号を制御部２４に出力する。例えば、ゼロクロス検出部２３は、交流電源２の電圧が正の期間中には制御部２４に「１」の信号を出力し、交流電源２の電圧が負の期間中には制御部２４に「０」の信号を出力する。

【手続補正3】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】００５７

【補正方法】変更

【補正の内容】

【0057】

〔第３実施形態〕
（電圧監視による切替タイミングの設定について）
上述の実施形態では、入力電圧のゼロクロスタイミングの位相をずらすことにより、切替タイミングを特定する手法を説明したが、その他の手法としてリレーＳＷ１の両端の電圧の差を監視して切替タイミングを決定してもよい。
以下に、リレーＳＷ１の両端子の電圧を監視することにより、リレーＳＷ１の接続状態を切替える切替タイミングを設定する手法を説明する。
図９は、図１のコンバータ装置において、リレーの両端子の各電圧を検出する検出抵抗が設けられたコンバータ装置の例図である。
図９の構成において、リレーＳＷ１の両端子には、電圧を検出するため検出抵抗であって、それぞれ複数の抵抗を備える分圧抵抗群（第１検出部）Ｒｄ１，Ｒｄ２がそれぞれ接続されている。また、分圧抵抗群Ｒｄ１の中点Ｐ３における電圧と分圧抵抗群Ｒｄ２の中点Ｐ４における電圧との両電圧は、制御部２４へ入力される。なお、制御部２４は、マイコンＡＤポートを備え、入力された電圧量をＡ／Ｄ変換できることとしてもよい。