JP2005045912A - マトリクスコンバータ回路およびモータ駆動装置 - Google Patents

Abstract

【課題】単相直流電源に接続されてモータを駆動する双方向スイッチ回路を制御する制御部がない。
【解決手段】直流電源に接続されてモータを駆動するインバータ回路を制御する直流電源用制御部に、単相交流電源の電圧の正負を検出する電圧検出部と、直流電源用制御部の６つの出力信号とから１２個の双方向スイッチ回路用制御信号を出力する制御信号再生成部を追加する。
【選択図】図２

Description

本発明は、双方向スイッチを複数用いて構成したマトリクスコンバータ回路、および、単相交流電源を入力とし、当該マトリクスコンバータ回路を用いてモータを駆動するためのモータ駆動装置に関するものである。

図７は第１の従来技術に係る、単方向スイッチを用いたインバータ回路を使用したモータ駆動装置である。１０１は単相交流電源、１０２は４つのダイオード１２１〜１２４からなるダイオードブリッジとコンデンサ１２５からなる整流回路、１０３はインバータ回路、１０４はモータ、１０５は直流電源用制御部である。整流回路１０２では、単相交流電源１０１の発生する交流電圧をダイオードブリッジ（１２１〜１２４）にて整流した後、コンデンサ１２５で平滑して直流電圧となり、この直流電圧がインバータ回路１０３に入力される。

インバータ回路１０３は、複数の単方向スイッチ１０３ａ〜１０３ｆから構成されており、各々の単方向スイッチは、逆並列ダイオード１３７〜１４２を備えた一般的なトランジスタ１３１〜１３６にて構成される。整流回路１０２から出力された直流電圧は、インバータ回路１０３の各単方向スイッチ１０３ａ〜１０３ｆにてＰＷＭ駆動することによって、負荷となるモータ１０４に適切な電圧が印加され、モータ１０４が駆動する。

直流電源用制御部１０５は、モータの電流あるいはインバータ回路１０３に入力される直流電圧などからモータの駆動状態を把握してインバータ回路１０３を駆動するＰＷＭ信号を出力するものや、モータ電流や直流電圧を検出せずにインバータ回路１０３を駆動するＰＷＭ信号を出力するものがあるが、いずれにせよ、直流電源用制御部１０５は、モータ１０４を駆動するようにインバータ回路１０３を制御するための制御信号を出力する。各単方向スイッチで構成されたインバータ回路１０３へ出力される制御信号は、単方向スイッチの数が必要であり、この場合６本である。

また、第２の従来技術として、最近は単方向スイッチではなく双方向スイッチを用いたマトリクスコンバータ回路が提案されている（例えば特許文献１）。図８はそれを示したものであり、基本構成としては、直流電源１０６、高周波インバータ回路１０７、マトリクスコンバータ回路１０８から構成されている。さらに、高周波インバータ回路１０７は、単方向スイッチ１６０〜１６３からなり、各々は逆並列ダイオード１５５〜１５８を備えた一般的なトランジスタ１５１〜１５４にて構成される。マトリクスコンバータ回路１０８は、６つの双方向スイッチ１４０〜１４５にて構成される。１７０〜１８１はトランジスタ、１９０〜２０１はダイオードであり、双方向へ電流路形成が可能なように図８の如く結線されている。直流電源１０６にて印加された直流電圧は高周波インバータ回路１０７にて周波数の高い交流電圧に変換され、当該交流電圧はマトリクスコンバータ回路１０８に入力される。マトリクスコンバータ回路１０８は、高周波インバータ回路１０７から入力された高周波の交流電圧から、より低い周波数の３相交流電圧を出力する。

また、第３の従来技術として、図９に示すように整流回路１０２ａをダイオードブリッジ（１２１〜１２４）のみの構成としたモータ駆動装置が提案されている（例えば特許文献２）。この技術は、上述した第１の従来技術（図７）と比較すると、コンデンサ１２５を省略したものである。整流回路１０２ａはダイオードブリッジ（１２１〜１２４）によって単相交流電源１０１から印加される交流電圧を整流するのみで平滑しないため、インバータ回路１０３への入力電圧Ｖｐｎは単相交流電源１０１の印加電圧の周波数の２倍に同期し、電圧値は図１０に示すように０Ｖまで低下しかつ脈動をもった波形となる。第３の従来技術は、このような脈動する直流電圧（以下、脈動直流と呼ぶ）がインバータ回路１０３に入力されても、負荷となるモータ１０４を脈動直流の周波数よりも高い周波数においても駆動可能とするように単方向スイッチで構成されたインバータ回路を制御する脈動直流用制御部１０５ａを用いている。
特開平８−８００６２号公報（第２図） 特開平９−１１７１８３号公報（第１図および第２図）

上述した第１の従来技術においては、単相交流電源１０１と整流回路１０２によって得られた直流電圧をインバータ回路１０３に入力するため、整流回路１０２による回路損失が発生する。また、整流回路１０２が有するコンデンサは大容量の電解コンデンサが用いられるため、装置が大型化、高価格化するといった課題があった。

第３の従来技術は、第１の従来技術に比べると、大型部品である電解コンデンサを取り除いたため、装置が小型化、低価格化するという利点はあるものの、整流回路１０２ａによる回路損失は第１の従来技術と同等に発生するという課題があった。

また、第２の従来技術を用いて、直流電源１０６と高周波インバータ回路１０７とによる構成に代えて単相交流電源１０１を用いたとすると、第１および第３の従来技術に比べて整流回路が不要になるため、回路損失を少なくできるという利点がある。しかし、マトリクスコンバータ回路の出力周波数は、入力される単相交流の周波数よりも低い。なぜならば、従来使われるマトリクスコンバータ回路は電力の変換を目的とする回路であって、出力電圧はひずみの小さい波形が要求される。ところでマトリクスコンバータ回路の動作は入力電圧波形をつぎはぎして出力電圧を得るので、出力周波数を高めようとすると出力電圧が歪むなどの問題が発生するため、出力電圧の周波数は入力電圧の周波数よりも低くならざるを得ない。したがって、仮に入力される単相交流を５０Ｈｚの商用電源とすると、出力可能な３相交流の周波数は最大でも５０Ｈｚであり、したがってこの第２の従来技術をモータ駆動装置に適用した場合、モータの駆動周波数は最大でも５０Ｈｚにしかならず、回転数可変範囲が小さいという課題があった。すなわち、モータ駆動装置として、単に単相交流電源と従来のマトリクスコンバータ回路とを接続した装置では、単相交流電源の周波数よりも高い周波数でモータを回転することはできなかった。したがって、入力となる単相交流の周波数よりも高い周波数を出力できるマトリクスコンバータ回路が求められていた。

本発明の目的は、従来の、整流回路によって整流された直流あるいは脈動直流を入力としてモータを駆動するモータ駆動装置よりも回路損失を低減し、かつ、大型の電解コンデンサを用いたモータ駆動装置に比べて小型で安価なモータ駆動装置を提供することである。すなわち、単相交流電源を入力とし、マトリクスコンバータ回路を用いてモータを駆動するモータ駆動装置において、モータの回転数を単相交流電源の周波数よりも高めることが可能なモータ駆動装置を提供することである。また、直流電源を入力としてモータを駆動する単方向スイッチを用いたインバータ回路を制御するための直流電源用制御部あるいは脈動直流用制御部に、簡単な回路を追加するのみで、上述の如く、モータの回転数を単相交流電源の周波数よりも高めることが可能なマトリクスコンバータ回路を実現することである。

本発明の他の目的は、マトリクスコンバータ回路における回路損失を低減し、さらに高効率なモータ駆動装置を提供することである。

上記目的を達成するために、本発明は、第１の双方向スイッチと第２の双方向スイッチとを直列接続した第１の双方向スイッチ直列回路と、第３の双方向スイッチと第４の双方向スイッチとを直列接続した第２の双方向スイッチ直列回路と、第５の双方向スイッチと第６の双方向スイッチとを直列接続した第３の双方向スイッチ直列回路とを相互に並列接続したマトリクスコンバータ回路において、前記第１乃至第６の双方向スイッチは、それぞれが独立に、順方向と逆方向のどちらの方向の導通もオフ、順方向または逆方向の導通をオン、順方向と逆方向いずれの方向の導通もオン、とする４つの動作状態を可能とすることを特徴とするマトリクスコンバータ回路である。

また、前記マトリクスコンバータ回路と、前記マトリクスコンバータ回路を構成する第１乃至第６の双方向スイッチを制御するための制御信号を出力する制御部とを有し、前記第１の双方向スイッチ直列回路の中間接続点と前記第２の双方向スイッチ直列回路の中間接続点と前記第３の双方向スイッチ直列回路の中間接続点に３相モータが接続され、前記３相モータを駆動するための電源として、前記第１乃至第３の双方向スイッチ直列回路の前記並列接続点に単相交流電源を接続したことを特徴とするモータ駆動装置である。

このような構成にすることで、単相交流電源にダイオードブリッジなどを経由せずに直接接続されたマトリクスコンバータ回路を用いて３相モータを駆動可能とするモータ駆動装置を提供することができる。

また、前記制御部は、前記単相交流電源の出力電圧に基づいて前記第１乃至第６の双方向スイッチのそれぞれの導通動作を決定し、当該決定に基づいた制御信号を出力するようにしたものである。以上により、本モータ駆動装置のマトリクスコンバータ回路のスイッチ動作を決めることによって、３相モータを駆動可能とし、マトリクスコンバータ回路を制御可能としている。

また、前記制御部は、前記３相モータに流れる電流の向きに基づいて前記第１乃至第６の双方向スイッチのそれぞれの導通動作を決定し、当該決定に基づいた制御信号を出力するようにしたものである。以上により、前記制御部の動作としては、上述した制御部の動作とは異なる動作を可能とし、スイッチをオンオフする個数を少なくする（１２個→６個）ことが可能となるため、制御電源の消費電流が減少し、より高効率なモータ駆動装置を提供することができる。

また、前記制御部は、前記３相モータの回転数が連続的に変化するように前記第１乃至第６の双方向スイッチのそれぞれの導通動作を決定し、当該決定に基づいた制御信号を出力するものである。以上により、前記３相モータに接続された３相交流電源の出力周波数を０から連続的に変化できるので、３相モータの回転数を０から連続的に変えることができ、より滑らかに回転するモータ駆動装置を提供することができる。また、従来、３相交流電源の出力周波数が不連続であれば、３相モータとしては誘導電動機しか駆動することができなかったが、本発明によって、３相モータがブラシレスモータなどのように、印加された電圧の周波数に同期して回転する同期機の場合においても駆動可能なモータ駆動装置を提供することができる。

また、本発明において、前記第１乃至第６の双方向スイッチの素材にＳｉＣ（シリコンカーバイド）を用いて、マトリクスコンバータ回路やモータ駆動回路を構成すれば、ＳｉＣなどの高耐圧かつ低損失な素材を用いることによって、従来のＳｉを素材として使用するマトリクスコンバータ回路やインバータ回路に比べて高効率なモータ駆動装置を提供することができる。

本発明によれば、単相交流電源から双方向スイッチ回路を用いて直接モータを駆動するモータ駆動装置を提供することができる。すなわち、従来用いられている、直流電源から単方向スイッチを用いてモータを駆動するモータ駆動装置の直流電源用制御部に簡単な回路を付加する、あるいは、制御部がマイクロコンピュータなどの場合は同機能のプログラムを付加した制御部を用いることで、単相交流電源から双方向スイッチ回路を用いてモータを駆動するモータ駆動装置を提供できる。これにより、従来用いられている直流電源用制御部から若干の変更のみで、双方向スイッチ回路を用いたモータ駆動装置を提供することができる。従来は直流電源を作成するために、交流電源をダイオードブリッジを用いて整流した後、大型の電解コンデンサを用いて直流電源を作成する必要があったのに対し、本発明によって、単相交流電源から直接モータを駆動できるモータ駆動装置を提供することができるので、整流回路による回路損失が低減でき、更に大型の電解コンデンサが不要となるので、従来のインバータ回路に比べて高効率で小型でかつ安価なモータ駆動装置を提供することができる。

また、整流回路に大型の電解コンデンサを使用しない、脈動直流を入力とするモータ駆動装置における脈動直流制御部に簡単な回路を追加する、あるいは、制御部がマイクロコンピュータなどの場合は同機能のプログラムを付加した制御部を用いることで、単相交流電源の周波数よりも高い周波数を出力できるマトリクスコンバータ回路を実現できるので、回路損失が少なく、小型で安価な上に、更に回転数可変範囲の広いモータ駆動装置を提供することができる。

また、双方向スイッチ回路およびマトリクスコンバータ回路の素材をＳｉＣとすることで、さらに回路損失を低減できる。

また、本発明を各製品分野に適用した際の効果を示す。本発明によれば、整流回路を用いずに構成できるため、単相交流電源にモータの運動エネルギーを回生することも可能となる。民生用のモータ駆動装置においては、特に洗濯機や乾燥機などの場合は、運動エネルギーが大きい。したがって、これらの用途のモータ駆動装置に適用することで運動エネルギーを単相交流電源に回生できるので、さらに省エネルギーが促進できるという効果がある。また、冷蔵庫の場合はモータ駆動装置が小型化になることで庫内容積を大きくでき、省スペースでも大容量の冷蔵庫を実現できるという効果がある。また、エアコンなどの空気調和機の場合は、モータ駆動装置を小型化できると、室外機の冷凍サイクル装置における熱交換面積が拡大するため、冷凍サイクル効率が向上し、さらに省エネルギーが促進できるという効果がある。また、交流電源で駆動する電気車の場合、通常はコンバータ回路、大容量電解コンデンサ、インバータ回路を用いてモータを駆動する構成であるが、本発明によって、コンバータ回路と大容量電解コンデンサを使用しないモータ駆動装置が提供できるので、小型化でき、寿命が長く、信頼性を高めたモータ駆動装置を提供することができる。

以下、本発明の好適な実施の形態のマトリクスコンバータ回路およびモータ駆動装置について、図１から図６を用いて説明する。

《実施の形態１》
図１は本発明の実施の形態１に係る、双方向スイッチを用いたモータ駆動装置の構成を示す回路図である。図１において、１は単相交流電源、２はマトリクスコンバータ回路、３はモータ、４は制御部である。マトリクスコンバータ回路２は、６個の双方向スイッチ回路１０〜１５を使用した構成である。ここで、６個の双方向スイッチ回路１０〜１５は各々、図１の如く半導体スイッチ素子２ａ〜２ｃ、２ｇ〜２ｉとダイオード２ｄ’〜２ｆ’、２ｊ’、２ｋ’、２ｍ’とを逆並列接続して構成したスイッチ回路に、半導体スイッチ素子２ｄ〜２ｆ、２ｊ、２ｋ、２ｍとダイオード２ａ’〜２ｃ’、２ｇ’〜２ｉ’とを逆並列接続して構成したスイッチ回路を逆直列接続したものである。これらの双方向スイッチ回路は、双方向スイッチ回路１０、１２、１４が上側アーム、双方向スイッチ回路１１、１３、１５が下側アームとして、図１の如く接続され、双方向スイッチ回路１０と双方向スイッチ回路１１とが、そして双方向スイッチ回路１２と双方向スイッチ回路１３とが、そして双方向スイッチ回路１４と双方向スイッチ回路１５とが、直列接続され、これらが３並列接続されて３相ブリッジ回路を構成している。

すなわち、モータ３のＵ相に接続された、上アーム側の双方向スイッチ回路１０における部位Ａから部位Ｂへの導通を許可するＵ相上アーム上スイッチ素子を２ａと２ａ’、部位Ｂから部位Ａへの導通を許可するＵ相上アーム下スイッチ素子を２ｄと２ｄ’、下アーム側の双方向スイッチ回路１１における部位Ｂから部位Ｃへの導通を許可するＵ相下アーム上スイッチ素子を２ｇと２ｇ’、部位Ｃから部位Ｂへの導通を許可するＵ相下アーム下スイッチ素子を２ｊと２ｊ’としてある。同様に、モータ３のＶ相に接続された、上アーム側の双方向スイッチ回路１２における部位Ｄから部位Ｅへの導通を許可するＶ相上アーム上スイッチ素子を２ｂと２ｂ’、部位Ｅから部位Ｄへの導通を許可するＶ相上アーム下スイッチ素子を２ｅと２ｅ’、下アーム側の双方向スイッチ回路１３における部位Ｅから部位Ｆへの導通を許可するＶ相下アーム上スイッチ素子を２ｈと２ｈ’、部位Ｆから部位Ｅへの導通を許可するＶ相下アーム下スイッチ素子を２ｋと２ｋ’としてある。さらに、モータ３のＷ相に接続された、上アーム側の双方向スイッチ回路１４における部位Ｇから部位Ｈへの導通を許可するＷ相上アーム上スイッチ素子を２ｃと２ｃ’、部位Ｈから部位Ｇへの導通を許可するＷ相上アーム下スイッチ素子を２ｆと２ｆ’、下アーム側の双方向スイッチ回路１５における部位Ｈから部位Ｉへの導通を許可するＷ相下アーム上スイッチ素子を２ｉと２ｉ’、部位Ｉから部位Ｈへの導通を許可するＷ相下アーム下スイッチ素子を２ｍと２ｍ’としてある。

以下、本実施形態に係るモータ駆動装置の動作を、単方向スイッチ回路１０３ａ〜１０３ｆを６個使用した、従来のインバータ回路を用いたモータ駆動装置（図７）の動作と対比してその利点を説明する。

図７において、１０１は単相交流電源、１０２は４つのダイオード１２１〜１２４からなるダイオードブリッジとコンデンサ１２５からなる整流回路、１０３はインバータ回路であり、１０３ａ〜１０３ｆはそれぞれ上側から下側へ電流を流すトランジスタ１３１〜１３６とダイオード１３７〜１４２を逆並列に接続した単方向スイッチ回路、１０４はモータ、１０５は直流電源用制御部である。直流電源用制御部１０５はモータ１０４の駆動状態をインバータ回路１０３に入力される電圧あるいはモータ１０４に流れる電流を検出して把握し、所望の駆動状態となるべく６個の単方向スイッチ回路１０３ａ〜１０３ｆをＰＷＭ制御するための制御信号を６本出力する。この６本の制御信号においては、モータ１０４の相をＵ相、Ｖ相、Ｗ相とすると、それぞれの相が接続されている端子に対して上アーム側の単方向スイッチ回路におけるスイッチ素子と下アーム側の単方向スイッチ回路におけるスイッチ素子を制御する２本の制御信号が各相において存在する。例えば、Ｕ相を制御するためには、Ｕ相上アームスイッチ素子１０３ａと、Ｕ相下アームスイッチ素子１０３ｄとを制御する。Ｖ相を制御するためには、Ｖ相上アームスイッチ素子１０３ｂと、Ｖ相下アームスイッチ素子１０３ｅとを制御する。Ｗ相も同様に、Ｗ相上アームスイッチ素子１０３ｃとＷ相下アームスイッチ素子１０３ｆがある。

この時にモータ１０４の駆動状態を検知してどのような制御信号を出力するかは、モータ１０４の種類やモータ１０４をどのように駆動させたいかなどの目的によって異なる。例えば、モータ１０４がエアコンや冷蔵庫などの圧縮機に用いられている誘導電動機であれば、圧縮機の回転数制御を行うのが一般的である。したがって、モータ１０４の回転数が所望の値となるように、６本のＰＷＭ信号を出力する。このときは、モータ１０４の電流を検知してきめ細かく制御を行う、いわゆるベクトル制御を行ってＰＷＭ信号を出力してもよいし、あらかじめ決められたＶ／Ｆパターンに基づいて所望の回転数に応じた印加電圧をモータ１０４に供給する、いわゆるＶ／Ｆ制御に基づいてＰＷＭ信号を出力してもよい。また、モータ１０４がエアコンや冷蔵庫などの圧縮機に用いられているブラシレスモータであれば、圧縮機の回転数制御を行うと同時に、ホールＩＣなどの位置検出素子を使用しないでモータ電流あるいはモータ１０４の端子電圧などから位置検出を行う位置センサレス制御も行う。モータ電流を用いて行う位置センサレス制御であれば、モータ１０４に流れる電流を検出して、従来から知られている位置推定アルゴリズムを用いてモータ１０４のロータ回転角度情報を推定し、その結果に応じてＰＷＭ信号を出力する。また、モータの端子電圧を用いて行う位置センサレス制御であれば、モータ１０４の端子電圧を検出して、その電圧からモータ１０４のロータ磁極位置を検出することで、モータ１０４のロータ回転角度情報を推定し、その結果に応じてＰＷＭ信号を出力する。このように、モータ１０４が所望の駆動状態となるように、従来は直流電圧を用いて、６個のスイッチ素子をＰＷＭ駆動することで、モータ１０４を駆動している。

これに対して、本発明のマトリクスコンバータ回路に係る双方向スイッチ回路を用いた場合は、図１のマトリクスコンバータ回路２の構成からも明らかなように、スイッチ素子とダイオードとを１組（１個）として計１２個のスイッチ素子をオンオフする必要がある。その１２個のオンオフ制御信号を出力するための制御部４の動作を説明する。

図１における単相交流電源１の電圧を図１に示すようにＶｓとすると、Ｖｓが正の値と負の値をとる時とで、制御部４から出力される１２個のオンオフ制御信号の出力を変化させる。図２は、図１に示す制御部４から出力される信号の生成方法を説明するための詳細なブロック図である。図２において、５は単相交流電源１からの供給される電圧値Ｖｓを検出する電圧検出部、６ａ、６ｂ、６ｃは電圧検出部５からの出力に基づいて１２個のオンオフ制御信号を生成する制御信号再生成部であり、それぞれ６ａはモータ３のＵ相用、６ｂはＶ相用、６ｃはＷ相用である。

直流電源用制御部１０５は図７で示した直流電源用制御部と同様であり、直流電源用制御部１０５からは、図２の如く６本の制御信号が出力されている。６個の双方向スイッチ回路１０〜１５を用いる場合には１２本の制御信号が必要となるため、本発明においては、単相交流電源１の電圧Ｖｓを用いて、制御信号再生成部６ａ、６ｂ、６ｃを追加することで、６本の制御信号から１２本の制御信号を生成し、マトリクスコンバータ回路２を用いたモータ駆動装置を提供することができる。

まず、Ｕ相用の制御信号再生成部６ａの動作について説明する。Ｖ相用制御信号再生成部６ｂ、ならびにＷ相用制御信号再生成部６ｃの動作についてはＵ相用制御信号再生成部６ａの動作と同様なので、説明は省略する。電圧検出部５は単相交流電源１の電圧Ｖｓを検出し、正ならば１、負ならば０の論理信号を出力する。その論理信号と、直流電源用制御部１０５からのＵ相上アームスイッチ素子１０３ａの制御信号と、Ｕ相下アームスイッチ素子１０３ｄの制御信号を入力とし、図２に示した４つのＡＮＤ回路２０１〜２０４並びに４つのＯＲ回路２０５〜２０８によって得られた４つの出力信号をそれぞれ、Ｕ相上アーム上スイッチ素子２ａのオンオフ制御信号、Ｕ相下アーム下スイッチ素子２ｊのオンオフ制御信号、Ｕ相下アーム上スイッチ素子２ｇのオンオフ制御信号、Ｕ相上アーム下スイッチ素子２ｄのオンオフ制御信号として出力し、これら４つの信号をモータ３のＵ相に接続される図１の各スイッチ素子（２ａ、２ｊ、２ｇ、２ｄ）へ出力することで、Ｕ相の双方向スイッチ１０と１１の直列回路を制御することが可能となる。以上のような制御は、Ｖ相ならびにＷ相の双方向スイッチ直列回路へも同様な制御が適用され、それぞれＶ相用制御信号再生成部６ｂおよびＷ相用制御信号再生成部６ｃからの各々４つの出力信号を図１の双方向スイッチ１２〜１５を構成する各々の２つの直列回路へ出力すればよい。このようにして、従来のモータ駆動装置における直流電源用制御部１０５に、新たに電圧検出部５と各相の制御信号再生成部６ａ、６ｂおよび６ｃを設けた制御部４を構成することによって、単相交流電源１とマトリクスコンバータ回路２を使ったモータ駆動装置を提供することができる。

なお、本実施形態では論理回路を用いて制御信号を生成し出力するものとして説明したが、同様の機能をマイクロコンピュータなどを用いてプログラムにより実現してもよいことは言うまでもない。すなわち、制御信号再生成部６ａ、６ｂ、６ｃの論理をプログラムによって実現し、マイクロコンピュータにて１２個の制御信号を生成し出力してもよい。従来の直流電源用制御部１０５がマイクロコンピュータで実現されている場合は、図２に示すような論理回路を付加して１２個の制御信号を作成してもよい。

《実施の形態２》
次に、本発明の実施の形態２に係るモータ駆動装置について説明する。本実施形態は、全体構成としては、実施の形態１と同様に図１に示した回路構成にて実現されるが、制御部４において、実施の形態１とは異なる回路構成、動作を行うものである。図３は本実施形態に係る制御部４の動作を説明するための制御部４の詳細ブロック図である。本実施形態における制御部４は、実施の形態１において用いた６個の制御信号に加えて、モータ電流の正負すなわち、マトリクスコンバータ回路２からモータへ流れる場合を正、モータからマトリクスコンバータ回路２に流れる場合を負とした場合、モータ電流の正負の情報を更に用いることによって、１２個の制御信号を出力するものである。Ｕ相用制御信号再生成部６ｄは、電圧検出部５からの信号と、Ｕ相のモータ電流の正負を出力する信号（Ｕ相電流）と、Ｕ相上アームスイッチ素子１０３ａの制御信号ならびにＵ相下アームスイッチ素子１０３ｄの制御信号とを用いて、図３に示す論理回路にしたがって、Ｕ相に接続された双方向スイッチ直列回路１０、１１を駆動する制御信号を出力する。Ｖ相用制御信号再生成部６ｅおよびＷ相用制御信号再生成部６ｆについても、上述したＵ相用制御信号再生成部６ｄと同様の論理回路構成にて実現することが可能であるが、同様の構成であるためその内部ブロック図、および説明は省略する。

以上のようにして、マトリクスコンバータ回路２を制御するための１２個のオンオフ制御信号を出力する制御部４が実現でき、これにより単相交流電源１とマトリクスコンバータ回路２を使ったモータ駆動装置を提供することができる。

なお、本実施形態は論理回路を用いて制御信号を生成し出力するものとして説明したが、同様の機能をマイクロコンピュータなどを用いてプログラムにより実現することも可能である。そのときの入力信号と出力信号を対応させる真理値表は（表１）あるいは（表２）のようになる。

例えば、モータ電流Ｉが正のときは（表１）を参照する。まず、単相交流電源１の電圧Ｖｓが正か負かを判定する。さらに、上アームスイッチ素子の制御信号がオンかオフかを判定して、各４つのスイッチ素子のオンオフ状態を決定するようにマイクロコンピュータで実現することができる。なお、（表１）においてオンともオフとも書かれていない「−」とはオンかオフのいずれでもよいことを意味している。したがって、この場合はどちらの出力を行ってもよい。また、モータ電流Ｉが負のときは（表２）を参照する。まず、単相交流電源１の電圧Ｖｓが正か負かを判定する。さらに、下アームスイッチ素子の制御信号がオンかオフかを判定して、各４つのスイッチ素子のオンオフ状態を決定するようにマイクロコンピュータで実現することができる。このような真理値表を用意することで、１２個の必要なオンオフ制御信号を作成することができる。なお、モータ電流Ｉが正の時は、Ｕ相下アーム（１０３ｄ）指令は使わない。同様に、モータ電流Ｉが負の時は、Ｕ相上アーム（１０３ａ）指令は使わない。

《実施の形態３》
次に、本発明の実施の形態３に係るモータ駆動装置について説明する。本実施形態は、全体構成としては、実施の形態１と同様に図１に示した回路構成にて実現される。図４は本発明の実施の形態３のモータ駆動装置における制御部４のブロック図である。図４において、１０５ａは脈動直流用制御部であり、第３の従来技術である図９の脈動直流用制御部１０５ａと同様である。すなわち、本実施の形態３は、既に述べた実施の形態１の構成（図１、図２）において、直流電源用制御部１０５を脈動直流用制御部１０５ａに置き換え、その他は実施の形態１（図２）と同様の回路構成あるいは論理構成とすることで、モータ３を所望の回転数で駆動することができる。脈動直流用制御部１０５ａは、図９において、単方向スイッチ回路で構成したインバータ回路１０３の入力電圧が脈動直流である場合において、脈動直流の周波数よりも高い周波数をモータ１０４に出力できるため、モータ１０４の回転数が脈動直流の周波数で制限されない従来技術である。図９において脈動直流用制御部１０５ａによって制御されたインバータ回路１０３のスイッチ動作は、図４に示した制御部４を用いた図１におけるモータ制御装置と等価のスイッチ動作を行う。すなわち、制御信号再生成部６ａ〜６ｃの働きは、各相の上アーム上スイッチ、上アーム下スイッチ、下アーム上スイッチ、下アーム下スイッチの動作は、交流Ｖｓが正の場合と負の場合とに分けて決まるため、従来のインバータ回路１０３（図９）における動作と等価になるように構成してある。したがって、上述した構成でモータ３の回転数が単相交流電源１の周波数を上限とせず、所望の回転数で駆動可能となることは明らかである。

なお、図４は実施の形態１（図２）に基づいた回路構成または論理構成としたが、実施の形態２（図３）に基づいた回路構成または論理構成としてもよい。すなわち、図３における直流電源用制御部１０５を脈動直流用制御部１０５ａに置き換えた制御部としてもよい。

《実施の形態４》
次に、本発明の実施の形態４に係るモータ駆動装置について説明する。本実施形態は、実施の形態１〜実施の形態３に示した構成において、従来のＳｉを素材とする双方向スイッチ回路２ａ〜２ｋ、２ｍに代えて、素材としてＳｉＣ（シリコンカーバイド）を使用した半導体スイッチ素子２１〜２６を用いてマトリクスコンバータ回路２０を構成したモータ駆動装置の例である。その構成図を図５に示す。

従来のＳｉを素材とした半導体スイッチ素子に比べて、ＳｉＣを素材とする半導体スイッチ素子は、逆電圧を印加したときに素子が破壊する限界電圧（逆耐圧）が高いので、トランジスタ構成としても逆耐圧が高くなる。従来のＳｉを素材とした半導体スイッチ素子は逆バイアスが素子に印加された際の素子破壊を防ぐため、図６（ｂ）のように半導体スイッチ素子３１、３２に逆並列にダイオード４１、４２を接続しなければならなかった。しかしながら、ＳｉＣを素材とする半導体スイッチ素子は逆並列にダイオードを接続する必要がないため、図６（ａ）に示す回路にて双方向スイッチ回路２７が実現できる。したがって、半導体スイッチの素材をＳｉＣとすることで、図５に示すような構成でマトリクスコンバータ回路２０が実現できる。この構成によればダイオードが不要となるので、従来のＳｉを素材とする双方向スイッチ回路に比べて回路損失が低減できることは明らかである。

以上、実施の形態１から実施の形態４について説明したが、本発明を各種製品分野に適用すれば、有用な効果が発揮される。本発明のマトリクスコンバータ回路およびそれを用いたモータ駆動装置は、整流回路を用いずに構成できるため、単相交流電源にモータの運動エネルギーを回生することも可能となる。民生用のモータ駆動装置においては、特に洗濯機や乾燥機などの場合は、運動エネルギーが大きい。したがって、これらの用途のモータ駆動装置に本発明を適用すれば運動エネルギーを単相交流電源に回生できるので、さらに省エネルギーが促進できるという効果がある。また、本発明を冷蔵庫に適用した際には、モータ駆動装置が小型化になることで庫内容積を大きくでき、省スペースでも大容量の冷蔵庫を実現できるという効果がある。また、本発明をエアコンなどの空気調和機に適用した際には、モータ駆動装置を小型化できると、室外機の冷凍サイクル装置における熱交換面積が拡大するため、冷凍サイクル効率が向上し、さらに省エネルギーが促進できるという効果がある。また、交流電源で駆動する電気車の場合、通常はコンバータ回路、大容量電解コンデンサ、インバータ回路を用いてモータを駆動する構成であるが、本発明を適用することによって、コンバータ回路と大容量電解コンデンサを使用しないモータ駆動装置が提供できるので、小型化でき、寿命が長く、信頼性を高めたモータ駆動装置を提供することができる。

本発明は、単相交流電源にダイオードブリッジなどを経由せずに直接接続されたマトリクスコンバータ回路を用いて３相モータを駆動可能とするモータ駆動装置を提供することができ、小型化、省消費電力、等が求められるモータ駆動装置を搭載する洗濯機、乾燥機、冷蔵庫、空気調和機、電気車、等に用いて好適である。

本発明に係る実施の形態１の双方向スイッチ回路を用いたモータ駆動装置の構成を示す回路図 本発明に係る実施の形態１の制御部の詳細を示すブロック図 本発明に係る実施の形態２の制御部の詳細を示すブロック図 本発明に係る実施の形態３の制御部の詳細を示すブロック図 本発明に係る実施の形態４のモータ駆動装置を示すブロック図 （ａ）は本発明に係る実施の形態４の双方向スイッチ回路図（ｂ）は従来の単方向スイッチを組み合わせた双方向スイッチ回路図 単相交流電源からの出力を全波整流して直流を作成し、単方向スイッチ回路を用いてモータを駆動する第１の従来技術のモータ駆動装置の構成を示すブロック図 高周波インバータ回路と双方向スイッチ回路を接続した第２の従来技術の３相サイクロコンバータ回路の構成図 単相交流電源からの出力を全波整流して脈動する直流を作成し、単方向スイッチ回路を用いてモータを駆動する第３の従来技術のモータ駆動装置の構成を示すブロック図 第３の従来技術のモータ駆動装置における、インバータ回路の入力電圧の波形図

符号の説明

１ 単相交流電源
２，２０ マトリクスコンバータ回路
２ａ，２ｂ，２ｃ，２ｄ，２ｅ，２ｆ，２ｇ，２ｈ，２ｉ，２ｊ，２ｋ，２ｍ 単方向スイッチ
３ モータ
４ 制御部
５ 電圧検出部
６ａ，６ｂ，６ｃ，６ｄ，６ｅ，６ｆ 制御信号再生成部
１０１ 単相交流電源
１０２，１０２ａ 整流回路
１０３ インバータ回路
１０３ａ，１０３ｂ，１０３ｃ，１０３ｊ，１０３ｋ，１０３ｍ 単方向スイッチ
１０４ モータ
１０５ 直流電源用制御部
１０５ａ 脈動直流用制御部
１０６ 直流電源
１０７ 高周波インバータ回路
１０８ マトリクスコンバータ回路

Claims (7)

1. 第１の双方向スイッチと第２の双方向スイッチとを直列接続した第１の双方向スイッチ直列回路と、
   第３の双方向スイッチと第４の双方向スイッチとを直列接続した第２の双方向スイッチ直列回路と、
   第５の双方向スイッチと第６の双方向スイッチとを直列接続した第３の双方向スイッチ直列回路と
   を相互に並列接続したマトリクスコンバータ回路において、
   前記第１乃至第６の双方向スイッチは、それぞれが独立に、順方向と逆方向のどちらの方向の導通もオフ、順方向または逆方向の導通をオン、順方向と逆方向いずれの方向の導通もオン、とする４つの動作状態を可能とすることを特徴とするマトリクスコンバータ回路。
2. 請求項１記載のマトリクスコンバータ回路と、
   前記マトリクスコンバータ回路を構成する第１乃至第６の双方向スイッチを制御するための制御信号を出力する制御部とを有し、
   前記第１の双方向スイッチ直列回路の中間接続点と前記第２の双方向スイッチ直列回路の中間接続点と前記第３の双方向スイッチ直列回路の中間接続点に３相モータが接続され、
   前記３相モータを駆動するための電源として、前記第１乃至第３の双方向スイッチ直列回路の前記並列接続点に単相交流電源を接続したことを特徴とするモータ駆動装置。
3. 前記制御部は、前記単相交流電源の出力電圧に基づいて前記第１乃至第６の双方向スイッチのそれぞれの導通動作を決定し、当該決定に基づいた制御信号を出力することを特徴とする請求項２記載のモータ駆動装置。
4. 前記制御部は、前記３相モータに流れる電流の向きに基づいて前記第１乃至第６の双方向スイッチのそれぞれの導通動作を決定し、当該決定に基づいた制御信号を出力することを特徴とする請求項２または３に記載のモータ駆動装置。
5. 前記制御部は、前記３相モータの回転数が連続的に変化するように前記第１乃至第６の双方向スイッチのそれぞれの導通動作を決定し、当該決定に基づいた制御信号を出力することを特徴とする請求項２から４のいずれか一項に記載のモータ駆動装置。
6. 前記第１乃至第６の双方向スイッチの素材にＳｉＣ（シリコンカーバイド）を用いたことを特徴とする請求項１に記載のマトリクスコンバータ回路。
7. 前記第１乃至第６の双方向スイッチの素材にＳｉＣ（シリコンカーバイド）を用いたことを特徴とする請求項２から５のいずれか一項に記載のモータ駆動装置。

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