JP2016220376A - 電源装置、並びにそれを用いる空気調和機 - Google Patents

Abstract

【課題】
高効率で、かつ突入電流に対する信頼性が高い電源装置を提供する。
【解決手段】
電源装置１０は、整流ダイオード１１ａ，１１ｂの第１の直列接続回路と、スイッチング素子１３ａ，１３ｂの第２の直列接続回路とからなる整流回路部と、平滑コンデンサ１６とを備え、第１の直列接続回路の第１の直列接続点と、第２の直列接続回路の第２の直列接続点間にリアクタ１４を介して交流電力が入力され、スイッチング素子１３ａ，１３ｂにより交流電力を直流電力に変換し、整流回路部は、第２の直列接続回路に並列に接続される、整流ダイオード１２ａ，１２ｂの第３の直列接続回路と、第３の直列接続回路の第３の直列接続点と第２の直列接続点との間に接続されるコイル１５を備え、交流電源が第１の直列接続点および第３の直列接続点の間にリアクトル１４を介して接続される。
【選択図】図１

Description

本発明は、電源装置、並びにそれを用いる空気調和機に関する。

空気調和機などに用いられる電源装置は、交流電源から受電する交流電圧（電力）を直流電圧（電力）に整流して平滑する機能を備える。併せて、電源装置に対しては、力率改善の機能や、電源装置の電源投入時に発生する過大な突入電流に対処する機能などが求められる。

交流電圧（電力）を直流電圧（電力）に整流平滑する基本的な回路としては、ダイオードブリッジと平滑コンデンサとを備えた所謂コンデンサインプット整流平滑回路が知られている。

また、ダイオードブリッジにおける整流ダイオードの一部をスイッチング素子に置き換え、スイッチング素子と交流電源との間にリアクタを設けて、昇圧チョッパ動作により力率改善および損失低減を行う整流平滑回路が知られている。さらに、この整流平滑回路において、電源投入時に発生する過大な突入電流がスイッチング素子に流れて素子が故障することを防止する従来技術として、突入電流をバイパスさせる整流ダイオードを設けた整流平滑回路が知られている（例えば、特許文献１参照）。

特開２００４−７２８４６号公報（図３）

しかしながら、上記従来技術においては、突入電流によるスイッチング素子の故障は防止できるが、突入電流バイパス用の整流ダイオードを設けることにより、損失低減および力率改善に対して昇圧チョッパ回路が有効に機能することが難しくなる。これにより、電源装置やその応用機器の効率が低下するという問題がある。そして、この問題は、特に、入力電圧（電力）が小さな場合に顕著である。

そこで、本発明は、突入電流に対する信頼性が高く、かつ高効率な電源装置、並びに空気調和機を提供する。

上記課題を解決するために、本発明による電源装置は、第１の整流ダイオードおよび第２の整流ダイオードが直列に接続される第１の直列接続回路と、逆導通機能を有する第１のスイッチング素子および第２のスイッチング素子が直列に接続される第２の直列接続回路とが、正極および負極間に接続されると共に、並列に接続される回路部と、正極および負極間に接続される平滑コンデンサと、を備え、回路部は、第３の整流ダイオードおよび第４の整流ダイオードが直列に接続されると共に、第２の直列接続回路に並列に接続される第３の直列接続回路と、インダクタンス素子と、を有し、交流電源が第１の直列接続回路における第１の直列接続点に接続され、且つ、第３の直列接続回路における第３の直列接続点にリアクタを介して接続され、第３の直列接続点はインダクタンス素子を介して第２の直列接続回路における第２の直列接続点に接続される。

また、上記課題を解決するために、本発明による空気調和機は、交流電動機によって圧縮機が駆動される電動圧縮機と、電動圧縮機に電力を供給する電源装置と、を備え、電動圧縮機によって圧縮される冷媒が冷暖房サイクルにおいて循環するものであって、電源装置が、上記本発明による電源装置の正極および負極間に接続されるインバータを備え、インバータの出力する電力が電動圧縮機に供給される。

本発明によれば、効率を低下させずに、スイッチング素子に流れる突入電流を抑制することができる。このため、電源装置および空気調和機の信頼性および効率が共に向上する。

上記した以外の課題、構成および効果は、以下の実施形態の説明により明らかにされる。

本発明の実施例１である電源装置を示す回路図である。 本発明の実施例２である電動圧縮機駆動用の電源装置を示す回路図である。 比較例１であるコンデンサインプット整流平滑回路を示す。 比較例２である、昇圧チョッパ回路を備える整流平滑回路を示す。 コンデンサインプット整流平滑回路の入力側の電圧波形と電流波形を示す。 昇圧チョッパ回路を備える整流平滑回路の入力側の電圧波形と電流波形を示す。 比較例３である、突入電流バイパス用ダイオードを備える整流平滑回路を示す。 比較例４である、昇圧チョッパ回路を備える整流平滑回路を示す。 本発明の実施例４である電源装置を示す回路図である。 実施例４の空気調和機のサイクル構成図である。 実施例４の空気調和機の室外機の外観図である。

以下、本発明の実施形態について、図面を参照して説明する。各図において、参照番号が同一のものは同一の構成要件あるいは類似の機能を備えた構成要件を示している。

図１は、本発明の実施例１である電源装置を示す回路図である。

図１において、電源装置１０は、それぞれ第１〜４の整流ダイオードである整流ダイオード１１ａ，１１ｂ，１２ａ，１２ｂ、コイル１５、それぞれ第１〜２のスイッチング素子であるスイッチング素子１３ａ，１３ｂを含む整流回路部と、リアクタ１４と、平滑コンデンサ１６とを備えている。なお、スイッチング素子１３ａ，１３ｂとしては、ＭＯＳＦＥＴ（Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor）が適用されている。ＭＯＳＦＥＴは、素子に内蔵される寄生ダイオードによる逆導通機能を有している。このため、ＭＯＳＦＥＴは突入電流の経路となり得るが、本実施例によれば、後述するように、ＭＯＳＦＥＴに流れる突入電流が抑制される。

図１に示すように、整流ダイオード１１ａのアノードと整流ダイオード１１ｂのカソードとが接続されて、整流ダイオード１１ａ，１１ｂは直列接続される。整流ダイオード１１ａのカソードは、直流の正極側配線１０１に接続され、整流ダイオード１１ｂのアノードは、直流の負極側配線１０２に接続される。さらに、整流ダイオード１２ａのアノードと整流ダイオード１２ｂのカソードとが接続されて、整流ダイオード１２ａ，１２ｂは直列接続される。整流ダイオード１２ａのカソードは、直流の正極側配線１０１に接続され、整流ダイオード１２ｂのアノードは、直流の負極側配線１０２に接続される。

単相の交流電源２０１の第１の出力端子（図１中上側）は、リアクタ１４を介して、整流ダイオード１２ａと整流ダイオード１２ｂとの直列接続点Ｐ３に接続され、単相交流電源２０１の第２の出力端子（図１中下側）は直接、整流ダイオード１１ａと整流ダイオード１１ｂとの直列接続点Ｐ１に接続される。従って、整流ダイオード１１ａ，１１ｂ，１２ａ，１２ｂおよび平滑コンデンサ１６は、いわゆるコンデンサインプット整流平滑回路を構成している。このため、本実施例は、スイッチング素子１３ａ，１３ｂを含む昇圧チョッパ回路による同期整流動作を行わなくても、平滑化された直流電圧（電力）を出力することができる。すなわち、本実施例においては、単相交流電源２０１から入力される交流電圧（電力）が、整流ダイオード１１ａ，１１ｂ，１２ａ，１２ｂからなるダイオードブリッジ回路によって整流され、正極側配線１０１と負極側配線１０２に、整流された直流分を主体とする電圧（電力）が供給される。正極側配線１０１と負極側配線１０２に供給される直流分を主体とする電圧（電力）は、平滑コンデンサ１６の作用により平滑化された直流電圧に変換され、平滑化された直流電圧（電力）が負荷２０２に供給される。

ただし、入力される交流電圧が小さい領域では、電流が流れない区間が存在する。これは、整流ダイオードが、ＰＮ接合において拡散電位を有するために、順方向であっても電圧が小さいと（概ね０．７〜０．８Ｖ以下）、電流が流れないためである。このように電流が流れない区間があると、電流波形は正弦波形との差異が大きくなるので力率が低下する。

これに対し、本実施例では、リアクタ１４により、次のように力率が改善される。リアクタ１４には、電気エネルギーを蓄積・放出する作用がある。また、リアクタ１４には、電流が流れると逆起電力を発生する作用がある。これらリアクタ１４の作用により、電流の急峻な変化が抑制されると共に、入力電圧が減少する場合にも蓄積されていたエネルギーを放出することにより、入力電流の傾きおよび最大値が低減される。これにより、整流回路部に流れる電流の波形が比較的正弦波に近くなり、力率が改善される。なお、リアクタ１４による力率改善効果は、スイッチング素子１３ａ，１３ｂが、スイッチングされず、力率改善動作を行わない場合でも有効である。

本実施例では、さらに、スイッチング素子１３ａ，１３ｂと、リアクタ１４と、コイル１５と、整流ダイオード１１ａ，１１ｂが、昇圧チョッパ回路を構成する。より具体的には、スイッチング素子１３ａのソースとスイッチング素子１３ｂのドレインとが接続されて、スイッチング素子１３ａ，１３ｂは直列接続される。スイッチング素子１３ａのドレインは正極側配線１０１に接続され、スイッチング素子１３ｂのソースは負極側配線１０２に接続される。コイル１５は、スイッチング素子１３ａ，１３ｂの直列接続点Ｐ２と、整流ダイオード１２ａ，１２ｂの直列接続点Ｐ３との間に接続される。従って、スイッチング素子１３ａ，１３ｂの直列接続点Ｐ２は、コイル１５およびリアクタ１４を介して、交流電源２０１の第１の出力端子（図１中上側）に接続される。また、整流回路における整流ダイオード１１ａ，１１ｂの直列接続点Ｐ１は、上述したように、交流電源２０１の第２の交流出力端子（図１中下側）に接続される。

従って、本実施例においては、ダイオード１１ａ，１１ｂの直列接続点Ｐ１と、スイッチング素子１３ａ，１３ｂの直列接続点Ｐ２間において交流電源２０１から交流電力がリアクタ１４を介して昇圧チョッパ回路の整流回路部に入力される。このとき、交流電源２０１は、リアクタ１４を介して、ダイオード１１ａ，１１ｂの直列接続点Ｐ１とダイオード１２ａ，１２ｂの直列接続点Ｐ３間に接続され、さらにコイル１５を経由してスイッチング素子１３ａ，１３ｂの直列接続点Ｐ２に接続される。すなわち、本実施例では、リアクタ１４およびコイル１５を介して昇圧チョッパ回路の整流回路部に交流電力が入力される。

ここで、リアクタ１４とコイル１５が昇圧チョッパ回路におけるインダクタンス素子であるが、本実施例において、コイル１５のインダクタンスの値はリアクタ１４のインダクタンスの値よりも小さな値に設定される。例えば、コイル１５のインダクタンスおよびリアクタ１４のインダクタンスは、それぞれ、数１０μＨおよび数ｍＨに設定される。このため、リアクタ１４とコイル１５の内、実質、リアクタ１４のみが昇圧チョッパ回路における昇圧用インダクタンス素子として機能する。また、昇圧チョッパ回路において、コイル１５は、リアクタ１４をスイッチング素子１３ａ，１３ｂの直列接続点Ｐ２に接続するためのいわば導体として機能する。なお、本実施例の電源装置におけるコイル１５の他の機能については、後述する。

本実施例１における昇圧チョッパ回路は、次に説明するように、昇圧機能と、同期整流機能と、力率を改善する機能とを併せ持っている。

本実施例においては、昇圧動作、同期整流動作、および力率改善動作する場合、スイッチング素子１３ａ，１３ｂは、相補的に、短絡開放すなわちオン・オフを繰り返す（これを相補対称動作という）。このオン・オフの繰り返しにより、リアクタ１４において電気エネルギーが蓄積開放される。

単相交流電源２０１の正の半サイクルにおいて、スイッチング素子１３ｂがオンすると、単相交流電源２０１の第１の出力端子（図１中上側）、リアクタ１４、スイッチング素子１３ｂ、ダイオード１１ｂ、単相交流電源２０１の第２の出力端子（図１中下側）の経路で電流が流れ、リアクタ１４に電気エネルギーが蓄積される。このとき、リアクタ１４には、リアクタ１４のインダクタンスと単相交流電源２０１の電圧による電流が流れる。この電流は、経路に平滑コンデンサ１６が含まれないので、交流電源２０１の電圧が平滑コンデンサ１６の電圧より低い区間においても流れる。このため、電流波形が略正弦波状になるため、力率が改善される。

次に、スイッチング素子１３ｂがオフして、スイッチング素子１３ａがオンすると、リアクタ１４に蓄積された電気エネルギーが、リアクタ１４、コイル１５、スイッチング素子１３ａ、平滑コンデンサ１６、整流ダイオード１１ｂの経路で開放され、この経路に電流が流れる。これにより、平滑コンデンサ１６は、電源電圧よりも高い電圧に充電される。すなわち、本実施例１の電源装置において、昇圧動作が行われる。ここで、整流ダイオード１２ａを含む電流経路も考えられるが、スイッチング素子１３ａのオン抵抗は整流ダイオード１２ａよりも小さく、かつ上述したように、コイル１５のインダクタンスがリアクタ１４よりも小さいため、整流ダイオード１２ａには電流が流れ難い。すなわち、整流ダイオード１２ａは整流回路においてあまり機能せず、その代わりにスイッチング素子１３ａがいわゆる同期整流動作を行う。このため、整流回路部の電力損失を低減することができる。特に、入力される交流電圧（電力）が小さく、出力する直流電圧（電力）が小さな場合には、同期整流動作による電力損失低減効果が大きい。

また、単相交流電源２０１の負の半サイクルにおいて、スイッチング素子１３ａがオンすると、単相交流電源２０１の第２の出力端子、ダイオード１１ａ、スイッチング素子１３ａ、リアクタ１４、単相交流電源２０１第１の出力端子の経路で電流が流れ、リアクタ１４に電気エネルギーが蓄積される。このとき、単相交流電源２０１の正の半サイクルと同様に、電流波形が略正弦波状になるため、力率が改善される。

次に、スイッチング素子１３ａがオフして、スイッチング素子１３ｂがオンすると、リアクタ１４に蓄積された電気エネルギーが、整流ダイオード１１ａ、平滑コンデンサ１６、スイッチング素子１３ｂ、リアクタ１４の経路で開放され、この経路に電流が流れる。これにより、単相交流電源２０１の正の半サイクルと同様に、昇圧動作が行われる。また、スイッチング素子１３ｂのオン抵抗は整流ダイオード１２ａよりも小さく、コイル１５のインダクタンスがリアクタ１４よりも小さいため、整流ダイオード１２ｂには電流が流れ難い。すなわち、整流ダイオード１２ｂは整流回路においてあまり機能せず、その代わりにスイッチング素子１３ｂがいわゆる同期整流動作を行う。このため、整流回路部の電力損失を低減することができる。

なお、本実施例においては、スイッチング素子１３ａ，１３ｂとして、ＭＯＳＦＥＴを用いているが、ＭＯＳＦＥＴがオンしている時、ＭＯＳＦＥＴの素子内におけるチャネルを含む電流経路には、ダイオードのようなＰＮ接合は含まれないので、ダイオード１２ａ，１２ｂよりもオン抵抗を十分低くできる。このため、同期整流動作において、ダイオード１２ａ，１２ｂに電流を流さず、全電流をスイッチング素子１３ａ，１３ｂに流すことができ、整流動作における電力損失を低減することができる。

また、ＭＯＳＦＥＴとして、よりオン抵抗が低いスーパージャンクションＭＯＳＦＥＴを適用することにより、電源装置の電力損失を低減することができる。

なお、図１において、スイッチング素子１３ａ，１３ｂには逆並列にダイオードが接続されているが、これはＭＯＳＦＥＴ内部に形成される寄生ダイオードである。ＭＯＳＦＥＴのオン状態においては、電流は、抵抗が低いチャネルを含む領域に流れ、ダイオード１２ａ，１２ｂと同様に寄生ダイオードにおいても電流はほとんど流れない。

また、同期整流動作が十分機能するためには、本実施例のように、コイル１５のインダクタンスは、リアクタ１４のインダクタンスよりも小さくすることが好ましい。例えば、リアクタ１４のインダクタンスは１ｍＨ以上かつ１０ｍＨ未満、コイル１５のインダクタンスは、１０μＨ以上かつ１００μＨ未満に設定することが好ましい。これにより、通常運転時、すなわち昇圧チョッパ回路が通常動作を行う場合、整流ダイオード１２ａのインピーダンスがスイッチング素子１３ａとコイル１５の直列インピーダンスよりも大きくなり、また、整流ダイオード１２ｂのインピーダンスがスイッチング素子１３ｂとコイル１５の直列インピーダンスよりも大きくなる。すなわち、通常運転時の同じ電流に対して、整流ダイオード１２ａの電圧降下がスイッチング素子１３ａとコイル１５の直列接続の電圧降下よりも大きくなり、また、整流ダイオード１２ｂの電圧降下がスイッチング素子１３ｂとコイル１５の直列接続の電圧降下よりも大きくなる。このため、通常運転時において、確実に、スイッチング素子１３ａ，１３ｂに電流を流すことができる。

本実施例では、特に、コイル１５の逆起電力が小さな低電流領域において、同期整流動作による電力損失低減効果が高い。電流が大きくなり、コイル１５の逆起電力が大きくなると、同期整流動作が十分ではなくなる可能性が生じる。これに対し、本実施例では、昇圧チョッパ回路の整流回路部における整流ダイオード１１ａ，１１ｂと同期整流動作には寄与しない整流ダイオード１２ａ，１２ｂとを含むダイオードブリッジ回路からなる整流回路によって、整流動作が確保される。この時、スイッチング素子の電圧降下が電流に比例して大きくなるのに対し、整流ダイオードにおける電流・電圧特性の非線形性により、整流ダイオードの電圧降下の増大が抑えられるので、高電流領域における電力損失の増大が抑えられる。

上述のように、本実施例１における昇圧チョッパ回路は、スイッチング素子１３ａ，１３ｂの相補的なオン・オフ制御により、昇圧機能に加え、同期整流機能と力率改善機能を備える。スイッチング素子１３ａ，１３ｂは、図１には図示されない制御回路によってスイッチング素子の制御端子（ゲート端子）に制御信号を与えることによって、オン・オフ制御される。制御回路は、例えば、パルス幅変調（ＰＷＭ）方式によって制御信号を作成する。この場合、本実施例１は、制御信号のパルスの幅およびタイミングに応じて、昇圧動作、同期整流動作および力率改善動作を行う。なお、昇圧チョッパ回路においては、パルスのオン期間とオフ期間を調整することにより、出力される直流電圧の大きさを変えることができる。

次に、コイル１５の突入電流抑制機能について説明する。なお、リアクタ１４およびコイル１５は共にインダクタンス素子であるが、両者はインダクタンス値および主たる機能（リアクタ１４は昇圧および力率改善、コイル１５は突入電流抑制）に差異があるので、そのような差異があることを明示するために、便宜上、別の名称を用いている。

図１の回路においては、電源投入時において、交流電源２０１から整流ダイオード１１ａ，１１ｂ，１２ａ，１２ｂを介して、平滑コンデンサ１６に突入電流が流れる。例えば、正の半サイクルの電圧が投入されると、リアクタ１４、整流ダイオード１２ａ、平滑コンデンサ１６、整流ダイオード１１ｂからなる経路に突入電流が流れる。ここで、スイッチング素子１３ａ，１３ｂの内蔵ダイオードの順方向が突入電流の流れる方向であるため、スイッチング素子１３ａ，１３ｂがオフ状態であっても、スイッチング素子１３ａ，１３ｂにも突入電流が流れる可能性が有る。

そこで、本実施例では、コイル１５すなわちインダクタンス素子が、スイッチング素子１３ａまたは１３ｂを介する突入電流経路に挿入される。コイル１５のインダクタンスにより突入電流の急峻な変化に対して逆起電力が発生するので、スイッチング素子１３ａ，１３ｂに流れる突入電流が抑制される。

さらに、突入電流の経路において、スイッチング素子１３ａ，１３ｂは、コイル１５を介して、それぞれ、整流ダイオード１２ａ，１２ｂと並列に接続されているので、突入電流は、スイッチング素子と、ダイオード１２ａ，１２ｂからなる整流回路とに分流される。すなわち、突入電流は、ダイオード１２ａ，１２ｂによってバイパスされる。これにより、スイッチング素子１３ａ，１３ｂおよび整流回路に過大な突入電流が流れることが抑制される。

このように、コイル１５によるスイッチング素子１３ａ，１３ｂに流れる突入電流の抑制、並びにスイッチング素子と整流回路による突入電流の分流によって、スイッチング素子１３ａ，１３ｂ、並びに整流回路に流れる突入電流が抑制されるので、スイッチング素子および整流ダイオードの故障を防止することができる。

なお、コイル１５のインダクタンスは、１０μＨ以上かつ１００μＨ未満に設定することが好ましい。これにより、突入電流に対して、整流ダイオード１２ａのインピーダンスがスイッチング素子１３ａとコイル１５の直列インピーダンスよりも小さくなり、また、整流ダイオード１２ｂのインピーダンスがスイッチング素子１３ｂとコイル１５の直列インピーダンスよりも小さくなる。すなわち、同じ突入電流に対して、整流ダイオード１２ａの電圧降下がスイッチング素子１３ａとコイル１５の直列接続の電圧降下よりも小さくなり、また、整流ダイオード１２ｂの電圧降下がスイッチング素子１３ｂとコイル１５の直列接続の電圧降下よりも小さくなる。このため、確実に、突入電流を整流ダイオード１２ａ，１２ｂにバイパスすることができる。

上述のように、本実施例１によれば、突入電流のバイパスとなる整流ダイオード１２ａ，１２ｂを設けると共に、整流ダイオード１２ａ，１２ｂの接続点Ｐ３とスイッチング素子１３ａ，１３ｂの接続点Ｐ２との間にインダクタンスの小さなコイル１５を接続することにより、スイッチング素子１３ａ，１３ｂに流れる突入電流が抑制される。これにより、突入電流によるスイッチング素子１３ａ，１３ｂの故障が防止できる。さらに、通常運転時は、スイッチング素子１３ａ，１３ｂを含む電流経路で電流が流れる。これにより、整流ダイオード１２ａ，１２ｂを設けても、昇圧チョッパ動作におけるスイッチング素子１３ａ，１３ｂのオン・オフ動作に伴う同期整流動作や力率改善動作が、整流ダイオード１２ａ，１２ｂによって阻害されることなく有効となる。従って、電源装置は、突入電流に対して故障しにくくなって信頼性が向上するとともに、損失が低減されて効率が向上する。

以下、上述した本発明の実施例１の効果をより明確にするため、比較例およびその課題について説明する。なお、以下に説明する課題は、上述したように、本実施例１により解決されるものである。

図３は、比較例１として、交流電源を受電して直流電圧（電力）を生成するコンデンサインプット整流平滑回路を示す。また、図５は、図３に示すコンデンサインプット整流平滑回路の入力側の電圧波形と電流波形を示す。

図３に示すように、本比較例１においては、整流ダイオード１１ａ，１１ｂ，１２ａ，１２ｂを備えるダイオードブリッジから整流回路が構成される。交流電源２０１は、整流回路の一対の交流入力端子へ交流電圧（電力）を供給する。整流回路（整流ダイオード１１ａ，１１ｂ，１２ａ，１２ｂ）は、交流電圧を整流して直流分を主体とする電圧（電力）を正極側配線１０１と負極側配線１０２を介して平滑コンデンサ１６に供給する。平滑コンデンサ１６で平滑化された電圧（電力）は、負荷２０２に供給される。

本比較例１については、図５に示すように、一対の交流入力端子に印加される電圧１００１が平滑コンデンサ１６の電圧より低い区間では電流１００２が流れない。このため、電流波形は正弦波との差異が大きくなり、力率が低下する。

図４は、比較例２として、昇圧チョッパ回路を備える整流平滑回路を示す。また、図６は、本比較例２の整流平滑回路の入力側の電圧波形と電流波形を示す。

図４に示すように、本比較例２においては、比較例１（図３）における整流回路の一部すなわち整流ダイオード１２ａ，１２ｂをスイッチング素子１３ａ，１３ｂに置き換え、スイッチング素子１３ａ，１３ｂと交流電源２０１との間にリアクタ１４が設けられる。これにより、本比較例２は、昇圧チョッパ動作を行うと共に、昇圧チョッパ動作に伴って力率改善動作も行う。

リアクタ１４においては、インダクタンスと入力される電源電圧による電流が流れる。この電流は、昇圧チョッパ動作に伴い、平滑コンデンサ１６の電圧の大きさにかかわらず流れる。これにより、図６に示すように、交流電源２０１の電圧１００１が平滑コンデンサ１６の電圧より低い区間においても電流１００３を流すことができる。すなわち、リアクタ１４における電気エネルギーを蓄積開放することにより、交流電源２０１の入力電圧が小さい区間においても電流が流れる。このため、電流１００３の波形を正弦波状にすることができるので、力率が改善される。

比較例２では、電源投入時において、平滑コンデンサ１６が充電されていないため、電源投入時に突入電流が流れる。そこで、整流ダイオード１１ａ，１１ｂとして、この突入電流に耐えられる非繰り返しサージ耐量を有するダイオードが用いられる。しかしながら、スイッチング素子１３ａ，１３ｂは、整流ダイオードよりもサージ耐量が低いため、過大な突入電流が流れると故障する怖れがある。

図７は、比較例３として、突入電流バイパス用ダイオードを備える整流平滑回路を示す。

図７に示すように、本比較例３においては、スイッチング素子１３ａ，１３ｂに流れる突入電流を抑制するために、突入電流のバイパスとなる整流ダイオード１１ｃ，１１ｄが設けられる。

しかし、本比較例３では、リアクタ１４に発生する逆起電力のために、通常動作においても、電源電流が、整流ダイオード１１ｃ，１１ｄに流れる。このため、スイッチング素子１３ａ，１３ｂを用いても、十分に電源装置の電力損失を低減することが難しい。

図８は、比較例４として、昇圧チョッパ回路を備える整流平滑回路を示す。

本比較例４においては、図８に示すように、整流ダイオード１１ａ〜１１ｄからなる整流回路は、交流電圧を整流して、直流分を主体とする電圧を正極側配線１１１および負極側配線１０２に出力する。整流回路の後段に設けられる、リアクタ２４、スイッチング素子２６、逆阻止ダイオード２５からなる昇圧チョッパ回路は、昇圧動作により平滑コンデンサ１６に直流電圧（電力）を出力するとともに、力率改善動作を行う。そして平滑コンデンサ１６の両端の正極側配線１２１と負極側配線１０２とから負荷２０２に電圧（電力）が供給される。

ここで、昇圧チョッパ回路および逆阻止ダイオード５の動作について説明する。

図８に示すように、全波整流電圧を出力する整流回路の出力端子間を、スイッチング素子２６を介してリアクタ２４で短絡すると、電圧とリアクタ２４のインダクタンスに依る電流が流れる。この電流は、リアクタ２４とスイッチング素子２６との接続点と、平滑コンデンサ１６の高電位側との間に接続される逆阻止ダイオード２５により、平滑コンデンサ１６の電圧に係わらず流れる。このため、交流電源２０１の電圧が平滑コンデンサ１６の電圧より低い期間においても電流を流すことができ、図６に示すような電流波形とすることが可能となる。

スイッチング素子２６をオフすると、スイッチング素子２６に電流は流れなくなるが、リアクタ２４の電流は、インダクタンスの作用により急峻には変化（この場合は減少）することできない。そのため、リアクタ２４は、電流を流れ続けさせるために逆起電力を発生させて、逆阻止ダイオード２５を介して平滑コンデンサ１６を充電する電流を流す。この動作を繰り返すことにより電流波形を正弦波状にすることできる。

本比較例４は、スイッチング素子への突入電流抑制について考慮すべき回路構成ではないが、交流電源電圧が整流ダイオードのみによって整流され、また、逆阻止ダイオード２５が必要なため、電力損失を大幅に低減することが難しい。

図２は、本発明の実施例２である電動圧縮機駆動用の電源装置を示す回路図である。以下、主に、実施例１と異なる点について説明し、実施例１と同様の構成部分については説明を省略する。

図２における電源装置２０においては、図１に示した実施例１の電源装置１０の直流出力に、インバータ１７の直流入力側が接続される。これにより、平滑コンデンサ１６の両端に出力される直流電圧（電力）が、インバータ１７によって、周波数および電圧が可変の交流電圧（電力）に変換される。すなわち、実施例１の電源装置１０（図１）は、交流電源から交流電圧（電力）を入力して、直流電圧（電力）を出力する電源装置であるのに対し、実施例２の電源装置２０は、商用交流電源などから交流電圧（電力）を入力して、交流電圧（電力）を出力する電源装置である。

図２において、インバータ１７は、ＭＯＳＦＥＴからなるスイッチング素子１８ａ，１８ｂ，１８ｃ，１８ｄ，１８ｅ，１８ｆを備えて構成されている。上アームとなるスイッチング素子１８ａと、下アームとなるスイッチング素子１８ｂとによって、Ｕ相のスイッチングレッグが構成されている。また、上アームとなるスイッチング素子１８ｃと、下アームとなるスイッチング素子１８ｄとによって、Ｖ相のスイッチングレッグが構成されている。さらに、上アームとなるスイッチング素子１８ｅと、下アームとなるスイッチング素子１８ｆとによって、Ｗ相のスイッチングレッグが構成されている。

これらＵ相、Ｖ相およびＷ相のスイッチングレッグの高電位側および低電位側は、それぞれ、平滑コンデンサ１６が接続される正極側配線１０１および負極側配線１０２と接続される。これにより、インバータ１７には、実施例１の電源装置１０（図１）を直流電源として、直流電圧（電力）が供給される。

スイッチング素子１８ａ，１８ｂ，１８ｃ，１８ｄ，１８ｅ，１８ｆは、図示していない制御回路から、これらスイッチング素子１８ａ，１８ｂ，１８ｃ，１８ｄ，１８ｅ，１８ｆの制御端子（ゲート端子）に所定の制御信号を与えることにより、オン・オフ制御される。これにより、Ｕ相、Ｖ相およびＷ相のスイッチングレッグから、それぞれ出力されるＵ相交流出力１０３Ｕ、Ｖ相交流出力１０３ＶおよびＷ相交流出力１０３Ｗによって、三相交流電圧（電力）が出力される。

なお、インバータ１７から出力される三相交流電圧（電力）は、制御回路によってスイッチング素子１８ａ，１８ｂ，１８ｃ，１８ｄ，１８ｅ，１８ｆのオン・オフ制御のタイミングなどを変えることにより、可変周波数となる。また、昇圧チョッパ回路のスイッチング素子１３ａ，１３ｂのオン・オフ制御のタイミングなどを変えることにより、平滑コンデンサ１６の両端の直流電圧の大きさが可変となる。これにより、インバータ１７から出力される三相交流電圧（電力）の電圧振幅が可変となる。

インバータ１７から出力される三相交流電圧（電圧）は、圧縮機が三相交流電動機によって駆動される電動圧縮機２０３に供給される。三相交流電動機としては、例えば、永久磁石同期電動機が適用される。

インバータ１７の制御回路としては、例えば、ＰＷＭ方式の制御回路が適用される。また、インバータ１７の制御回路と、直流電源側のスイッチング素子１３ａ，１３ｂのスイッチングを制御する制御回路とは、一体化した制御回路であることが好ましい。これにより、電源装置２０の制御回路全体として、制御回路を小型化できたり、制御精度が向上したりする。

上述のように、本実施例２によれば、インバータ１７の直流電源を実施例１による電源装置によって構成するので、可変電圧かつ可変周波数の三相交流を出力する電源装置が、突入電流に対して故障しにくくなって信頼性が向上するとともに、損失が低減されて効率が向上する。

なお、インバータ１７を構成するスイッチング素子は、ＭＯＳＦＥＴに限らず、ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）やスーパージャンクションＭＯＳＦＥＴなどでもよい。

図９は、本発明による実施例３である電源装置の回路図を示す。以下、主に、実施例１と異なる点について説明し、実施例１と同様の構成部分については説明を省略する。

本実施例３の電源装置は、実施例１（図１）と異なり、交流電源が三相交流電源３０１である。このため、電源装置１０は、二個の整流ダイオード（図１では１１ａ，１１ｂ）、二個のスイッチング素子（図１では１３ａ，１３ｂ）と、突入電流のバイパス用である二個の整流ダイオード（図１では１２ａ，１２ｂ）と、スイッチング素子に流れる突入電流を抑制するコイル（図１では１５）とからなる整流回路部を、交流電源の相数に応じて３個備えている。これら３個の整流回路部には、３個のリアクタ１４ａ，１４ｂ，１４ｃを介して、三相交流電源３０１から三相交流電圧（電力）が入力される。

すなわち、本実施例３は、図９に示すように、整流ダイオード１１ａ，１１ｂと、スイッチング素子１３ａ，１３ｂと、突入電流のバイパス用である整流ダイオード１２ａ，１２ｂと、スイッチング素子１３ａ，１３ｂに流れる突入電流を抑制するコイル１５ａとからなる第１の整流回路部と、整流ダイオード１１ｃ，１１ｄと、スイッチング素子１３ｃ，１３ｄと、突入電流のバイパス用である整流ダイオード１２ｃ，１２ｄと、スイッチング素子１３ｃ，１３ｄに流れる突入電流を抑制するコイル１５ｂとからなる第２の整流回路部と、整流ダイオード１１ｅ，１１ｆと、スイッチング素子１３ｅ，１３ｆと、突入電流のバイパス用である整流ダイオード１２ｅ，１２ｆと、スイッチング素子１３ｅ，１３ｆに流れる突入電流を抑制するコイル１５ｃとからなる第３の整流回路部と、を備えている。

第１、第２および第３の整流回路部が、それぞれ、三相交流電源３０１のＵ相端子にリアクタ１４ａを介して、Ｖ相端子にリアクタ１４ｂを介して、Ｗ相端子にリアクタ１４ｃを介して接続され、三相交流電圧（電力）が入力される。そして、各整流回路部が実施例１と同様に動作することにより、本実施例３の電源装置１０は、三相交流電源から入力した三相交流電圧（電力）を直流電圧（電力）に変換して出力する。出力された直流電圧（電力）が負荷２０２に供給される。

なお、本実施例３については、三相交流電源３０１のＵ相端子とＶ相端子間の線間電圧、Ｖ相端子とＷ相端子間の線間電圧、およびＷ相端子およびＵ相端子間の線間電圧が、電源装置１０内において、それぞれ、第１の整流回路部、第２の整流回路部、および第３の整流回路部に入力される。

本実施例３の電源装置によれば、実施例１と同様に、突入電流のバイパスとなる整流ダイオード１２ａ〜１２ｆを設けると共に、インダクタンスの小さなコイル１５ａ〜１５ｃにより、スイッチング素子１３ａ〜１３ｆに流れる突入電流が抑制される。これにより、突入電流によるスイッチング素子１３ａ〜１３ｆの故障が防止できる。また、通常動作時は、スイッチング素子１３ａ〜１３ｆを含む電流経路で電流が流れる。これにより、昇圧チョッパ動作におけるスイッチング素子１３ａ〜１３ｆのオン・オフ動作に伴う同期整流動作や力率改善動作が、突入電流バイパス用の整流ダイオード１２ａ〜１２ｆによって阻害されることなく有効となる。従って、交流電源を三相交流電源として直流電圧（電力）を出力する電源装置は、突入電流に対する信頼性が向上するとともに、損失が低減されて効率が向上する。

次に、本発明の実施例４である空気調和機について説明する。

本実施例４の空気調和機は、圧縮機が三相交流電動機によって駆動される電動圧縮機、およびこの電動圧縮機に三相交流電圧（電力）を供給する電源装置として、図２に示す実施例２の電源装置２０を備えている。なお、本実施例４の空気調和機が備える電動圧縮機は、図２における電動圧縮機２０３に相当する。

以下、本実施例４の空気調和機について、図１０および図１１を用いて、さらに説明する。

図１０は本実施例４の空気調和機の冷暖房サイクル構成図である。空気調和機は、室内熱交換器５１、室外熱交換器５２、圧縮機５３、膨張弁５４、四方弁５５、室内送風ファン５６および室外送風ファン５７を備えている。圧縮機５３と室外熱交換器５２と室外送風ファン（プロペラファン）５７と膨張弁５４は室外機（図１１参照）に配置され、室内熱交換器５１と室内送風ファン５６は室内機（図示せず）に配置されている。

冷房運転時、圧縮機５３より吐出された高温且つ高圧の冷媒は、四方弁５５を介して室外熱交換器５２に流入する。室外熱交換器５２に流入した冷媒は、室外送風ファン５７によって送られる室外の空気と熱交換することで、凝縮されて液冷媒となる。液冷媒は、膨張弁５４を通過することで低温低圧の二相冷媒になり、室内熱交換器５１に流入する。室内熱交換器５１に流入した低温低圧の二相冷媒は、室内送風ファン５６によって送られる室内の空気と熱交換する。このとき、室内熱交換器５１に送られた室内の空気は、室内熱交換器５１に流入した低温低圧の二相冷媒によって冷却され、吹出口（図示せず）から室内に吐出される。吹出口（図示せず）から室内に吐出される空気は、吸込口（図示せず）における空気の温度よりも低いため、室内の温度を下げることができる。室内熱交換器５１で熱交換された冷媒は四方弁５５を介して再び圧縮機５３に戻る。

暖房運転時、圧縮機５３より吐出された高温且つ高圧の冷媒は、四方弁５５を介して室内熱交換器５１に流入する。そして、四方弁５５、室外熱交換器５２を通過して、四方弁５５を介して圧縮機５３に戻る。

図１１は本実施例４の空気調和機の室外機の外観図である。室外機内の空間は、仕切り板７０を挟んで、圧縮機５３が設置される圧縮機室Ａと、室外送風ファン５７が設置される送風機室Ｂに分割されている。圧縮機５３を駆動する電源装置などの電装品７９は、電装箱内に収納された状態で、圧縮機５３と上蓋８０の間であって、圧縮機室Ａと送風機室Ｂとに跨る位置に設置されている。また、電装品７９は、仕切り板７０の上方に位置し、仕切り板７０によって支持されている。

室外の空気は、室外送風ファン５７によって、室外機の背面側から吸い込まれ、室外熱交換器５２を通過した後、室外機の前面側（前面パネル８１）から吹き出される。

圧縮機５３すなわち電動圧縮機が備える三相交流電動機に、実施例２の電源装置２０によって可変電圧、可変周波数の三相交流電圧（電力）が供給され、三相交流電動機が回転すると、三相交流電動機によって圧縮機５３が駆動される。これにより、空気調和機は、上述したように冷房および暖房動作を行う。

本実施例４の空気調和機によれば、圧縮機の電源装置に突入電流が発生しても故障しにくくなり、信頼性が向上する。また、損失が低減されて効率が向上するので、空気調和機の省エネルギー化が可能になる。

なお、本発明は前述した実施形態に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば、前述した実施形態は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、各実施形態の構成の一部について、他の構成の追加・削除・置き換えをすることが可能である。

例えば、実施例２における直流電源部を、実施例３の電源装置に置き換えても良い。また、実施例２の電源装置は、電動圧縮機駆動用に限らず、電動機によって駆動される種々の機器に適用することができる。また、実施例１および実施例３の電源装置は、インバータに限らず、直流電力を用いる種々の機器に対して直流電圧（電力）を供給することができる。さらに、実施例１および実施例３の電源装置は、空気調和機に限らず、種々の機器の直流電源部として適用することができる。また、昇圧チョッパ回路のスイッチング素子１３ａ，１３ｂは、ＭＯＳＦＥＴに限らず、逆導通機能を有するＩＧＢＴなどでも良い。

１０，２０ 電源装置
１１ａ，１１ｂ，１１ｃ，１１ｄ，１１ｅ，１１ｆ 整流ダイオード
１２ａ，１２ｂ，１２ｃ，１２ｄ，１２ｅ，１２ｆ 整流ダイオード
１３ａ，１３ｂ，１３ｃ，１３ｄ，１３ｅ，１３ｆ スイッチング素子
１４，１４ａ，１４ｂ，１４ｃ リアクタ
１５，１５ａ，１５ｂ，１５ｃ コイル
１６ 平滑コンデンサ
１７ インバータ
１８ａ，１８ｂ，１８ｃ，１８ｄ，１８ｅ，１８ｆ スイッチング素子
５１ 室内熱交換器
５２ 室外熱交換器
５３ 圧縮機
５４ 膨張弁
５５ 四方弁
５６ 室内送風ファン
５７ 室外送風ファン
７０ 仕切り板
７９ 電装品
８０ 上蓋
８１ 前面パネル
１０１ 正極側配線
１０２ 負極側配線
２０１ 交流電源
２０２ 負荷
２０３ 電動圧縮機
３０１ 三相交流電源

Claims (10)

1. 第１の整流ダイオードおよび第２の整流ダイオードが直列に接続される第１の直列接続回路と、逆導通機能を有する第１のスイッチング素子および第２のスイッチング素子が直列に接続される第２の直列接続回路とが、正極および負極間に接続されると共に、並列に接続される回路部と、
   前記正極および負極間に接続される平滑コンデンサと、
   を備え、
   前記回路部は、
   第３の整流ダイオードおよび第４の整流ダイオードが直列に接続されると共に、前記第２の直列接続回路に並列に接続される第３の直列接続回路と、
   インダクタンス素子と、
   を有し、
   交流電源が前記第１の直列接続回路における第１の直列接続点に接続され、且つ、前記第３の直列接続回路における第３の直列接続点にリアクタを介して接続され、
   前記第３の直列接続点は前記インダクタンス素子を介して前記第２の直列接続回路における第２の直列接続点に接続されることを特徴とする電源装置。
2. 請求項１に記載される電源装置において、
   前記インダクタンス素子のインダクタンスの値が前記リアクタのインダクタンスの値よりも小さいことを特徴とする電源装置。
3. 請求項２に記載される電源装置において、
   前記インダクタンス素子のインダクタンスの値は１０μＨ以上かつ１００μＨ未満であり、前記リアクタのインダクタンスの値は１ｍＨ以上かつ１０ｍＨ未満であることを特徴とする電源装置。
4. 請求項１に記載される電源装置において、
   同じ突入電流に対して、前記第３の整流ダイオードの電圧降下が、前記第１のスイッチング素子および前記インダクタンス素子による電圧降下よりも小さく、
   かつ、通常運転時の同じ電流に対して、前記第３の整流ダイオードの電圧降下が、前記第１のスイッチング素子および前記インダクタンス素子による電圧降下よりも大きいことを特徴とする電源装置。
5. 請求項１に記載される電源装置において、前記第１のスイッチング素子および前記第２のスイッチング素子は相補的にオン・オフされるようにスイッチング制御されることを特徴とする電源装置。
6. 請求項１に記載される電源装置において、
   前記交流電力が単相であり、前記回路部を一個のみ備えることを特徴とする電源装置。
7. 請求項１に記載される電源装置において、
   前記回路部を、前記交流電力の相数に等しい複数個備えることを特徴とする電源装置。
8. 請求項１に記載される電源装置において、
   さらに、前記正極および負極間に接続されるインバータを備えることを特徴とする電源装置。
9. 請求項１において、前記第１のスイッチング素子および前記第２のスイッチング素子がＭＯＳＦＥＴであることを特徴とする電源装置。
10. 交流電動機によって圧縮機が駆動される電動圧縮機と、
    電動圧縮機に電力を供給する電源装置と、
    を備え、
    前記電動圧縮機によって圧縮される冷媒が冷暖房サイクルにおいて循環する空気調和機において、
    前記電源装置が、
    第１の整流ダイオードおよび第２の整流ダイオードが直列に接続される第１の直列接続回路と、逆導通機能を有する第１のスイッチング素子および第２のスイッチング素子が直列に接続される第２の直列接続回路とが、正極および負極間に接続されると共に、並列に接続される回路部と、
    前記正極および負極間に接続される平滑コンデンサと、
    を備え、
    前記回路部は、
    第３の整流ダイオードおよび第４の整流ダイオードが直列に接続されると共に、前記第２の直列接続回路に並列に接続される第３の直列接続回路と、
    インダクタンス素子と、
    を有し、
    交流電源が前記第１の直列接続回路における第１の直列接続点に接続され、且つ、前記第３の直列接続回路における第３の直列接続点にリアクタを介して接続され、
    前記第３の直列接続点は前記インダクタンス素子を介して前記第２の直列接続回路における第２の直列接続点に接続され、
    さらに、前記正極および負極間に接続されるインバータを備え、
    前記インバータの出力する電力が前記電動圧縮機に供給される
    ことを特徴とする空気調和機。

Images