JP2007209166A - Inverter, and refrigeration cycle device - Google Patents
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Abstract
Description
この発明は、たとえば圧縮機を駆動するインバータ装置、およびそのようなインバータ装置を用いて圧縮機を駆動する冷凍サイクル装置に関する。 The present invention relates to an inverter device that drives a compressor, for example, and a refrigeration cycle device that drives a compressor using such an inverter device.
ブラシレスDCモータのような誘導性負荷を駆動するインバータ装置は、電圧の印加方向に沿って上流側および下流側となる2つのスイッチング素子の直列回路を複数備え、これら直列回路の上流側スイッチング素子と下流側スイッチング素子の相互接続点がブラシレスDCモータの各相巻線に接続される。各スイッチング素子は、還流ダイオード(寄生ダイオードともいう)を有している。 An inverter device for driving an inductive load such as a brushless DC motor includes a plurality of series circuits of two switching elements on the upstream side and the downstream side in the voltage application direction, and the upstream side switching elements of these series circuits and The interconnection point of the downstream switching element is connected to each phase winding of the brushless DC motor. Each switching element has a free wheel diode (also referred to as a parasitic diode).
スイッチング素子としては、最近、IGBTやMOSFETが多く採用されている。MOSFETを用いている場合、MOSFETのオン,オフ速度が速いため高周波スイッチングが可能というメリットがあり、また低電圧出力時のロスが小さいことからファンモータ等の出力の小さいモータを駆動する場合に多用される。 Recently, many IGBTs and MOSFETs have been adopted as switching elements. When a MOSFET is used, there is a merit that high-frequency switching is possible because the on / off speed of the MOSFET is fast, and it is frequently used when driving a motor with a small output such as a fan motor because the loss at low voltage output is small. Is done.
ただし、MOSFETでは、素子製造の過程において同じ素子上に作られる還流ダイオードの逆回復特性が悪いという問題がある。近年、オン時の抵抗が低くてスイッチング特性にすぐれたスーパージャンクションMOSFETが開発されているが、このスーパージャンクションMOSFETにおいては、素子上に形成される還流ダイオードの逆回復特性がますます悪いものとなっている。 However, in MOSFET, there is a problem that reverse recovery characteristics of a free-wheeling diode made on the same element in the process of manufacturing the element are poor. In recent years, super junction MOSFETs have been developed that have low on-state resistance and excellent switching characteristics. However, in this super junction MOSFET, the reverse recovery characteristics of the freewheeling diode formed on the device become worse. ing.
還流ダイオードの逆回復特性が悪いと、次の不具合を生じる。すなわち、MOSFETがオフしたとき、誘導性負荷に蓄えられたエネルギによってMOSFETの還流ダイオードに順方向電流(還流電流ともいう)が流れるが、その状態で、同じ直列回路の他方のスイッチング素子がオンしてMOSFETに直流電圧が加わると、還流ダイオードに蓄えられた電荷による大きな逆回復電流(スパイク電流ともいう)が還流ダイオードに流れる。この逆回復電流は、大きな電力損失となる。また、この電力損失の多くは、MOSFETと対となる他方のスイッチング素子のオン時の発熱となり、これが大きくなると他方のスイッチング素子がその熱によって破壊するという問題がある。 If the reverse recovery characteristic of the freewheeling diode is poor, the following problems occur. That is, when the MOSFET is turned off, the forward current (also called the reflux current) flows to the MOSFET's freewheeling diode due to the energy stored in the inductive load. In this state, the other switching element of the same series circuit is turned on. When a DC voltage is applied to the MOSFET, a large reverse recovery current (also referred to as a spike current) due to the charge stored in the freewheeling diode flows through the freewheeling diode. This reverse recovery current results in a large power loss. In addition, most of the power loss is generated when the other switching element paired with the MOSFET is turned on, and when this is increased, the other switching element is destroyed by the heat.
このようなことから、たとえば空気調和機のコンプレッサモータを駆動するような大きな電流が流れるインバータにMOSFETを採用することは、非常に難しい。 For this reason, it is very difficult to employ a MOSFET for an inverter through which a large current flows, for example, to drive a compressor motor of an air conditioner.
そこで、従来、上記他方のスイッチング素子のオンに先立ってMOSFETの還流ダイオードに逆電圧を印加する逆電圧印加回路を設け、この逆電圧の印加によって還流ダイオードに流れる逆回復電流を防止し、電力損失の低減を図るものがある(例えば、特許文献1)。
上記のような逆電圧印加回路を採用した場合、逆回復電流による電力損失が抑えられるため、コンプレッサモータ駆動用などの大出力モータにもスイッチング素子としてMOSFETの採用が可能となるが、万が一、逆電圧印加回路に破壊や特性劣化等で短絡する故障(短絡故障)が生じると、逆回復電流を防止するための正規のタイミング以外に、MOSFETのオン中に、逆電圧印加回路からMOSFETまたはモータ巻線に電流が流れ続ける。この結果、逆電圧印加回路中の回路素子の異常温度上昇を引き起こし、他の回路を破壊してしまうなどの不具合が発生するおそれがあった。 When the reverse voltage application circuit as described above is adopted, power loss due to reverse recovery current can be suppressed, so that a MOSFET can be adopted as a switching element for a large output motor for driving a compressor motor or the like. If a failure (short-circuit failure) occurs due to breakdown or deterioration of characteristics in the voltage application circuit, the reverse voltage application circuit may turn on the MOSFET or motor winding while the MOSFET is on, in addition to the normal timing for preventing reverse recovery current. Current continues to flow through the wire. As a result, there is a possibility that a malfunction such as an abnormal temperature rise of the circuit element in the reverse voltage application circuit and destruction of other circuits may occur.
この発明は、上記の事情を考慮したもので、逆電圧印加回路が短絡故障を起こした場合にその逆電圧印加回路の動作を停止して安全を確保することができるインバータ装置およびこのインバータ装置を用いた冷凍サイクル装置を提供することを目的とする。 In consideration of the above circumstances, the present invention provides an inverter device capable of stopping the operation of the reverse voltage application circuit and ensuring safety when the reverse voltage application circuit causes a short circuit failure, and the inverter device. It aims at providing the used refrigeration cycle apparatus.
請求項1に係る発明のインバータ装置は、還流ダイオードを有するMOSFETを少なくとも一方に用いた2つのスイッチング素子の直列回路を複数備え、これら直列回路の各スイッチング素子の相互接続点が負荷に接続されるスイッチング回路と、上記各スイッチング素子のオン,オフ動作を制御する制御手段と、上記MOSFETと同じ直列回路の他方のスイッチング素子のオンに先立ち、同MOSFETの還流ダイオードに逆電圧を印加する逆電圧印加回路と、上記MOSFETの駆動用および上記逆電圧印加回路の動作用の低電圧を出力する低電圧電源回路と、この低電圧電源回路の出力電圧を検出し、検出した電圧が所定値以下の場合に、上記低電圧電源回路の出力を停止する保護手段と、を備えている。
The inverter device of the invention according to
この発明のインバータ装置および冷凍サイクル装置によれば、逆電圧印加回路が短絡故障を起こした場合に、その逆電圧印加回路の動作を停止することができる。これにより、逆電圧印加回路中の回路素子の異常温度上昇を回避して、他の回路の破壊を防ぐことができ、十分な安全を確保することができる According to the inverter device and the refrigeration cycle device of the present invention, when the reverse voltage application circuit causes a short circuit failure, the operation of the reverse voltage application circuit can be stopped. Thereby, an abnormal temperature rise of the circuit element in the reverse voltage application circuit can be avoided, destruction of other circuits can be prevented, and sufficient safety can be ensured.
以下、この発明の一実施形態について図面を参照して説明する。
図1において、Mは冷凍サイクル装置の一種である空気調和機のコンプレッサモータとして使用されるブラシレスDCモータ(負荷)で、星形結線された3つの相巻線Lu,Lv,Lwを有するステータ、および永久磁石を有するロータにより構成されている。相巻線Lu,Lv,Lwに電流が流れることにより生じる磁界と永久磁石が作る磁界との相互作用により、ロータが回転する。
Hereinafter, an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings.
In FIG. 1, M is a brushless DC motor (load) used as a compressor motor of an air conditioner that is a kind of refrigeration cycle apparatus, and has a stator having three phase windings Lu, Lv, Lw connected in a star shape, And a rotor having permanent magnets. The rotor rotates due to the interaction between the magnetic field generated by the current flowing through the phase windings Lu, Lv, and Lw and the magnetic field generated by the permanent magnet.
このブラシレスDCモータMが動力源として圧縮機20に収容されている。冷房時、この圧縮機20から吐出される冷媒が実線矢印で示すように四方弁21を介して室外熱交換器22に流れ、その室外熱交換器22を経た冷媒が膨張弁23を介して室内熱交換器24に流れる。そして、室内熱交換器24を経た冷媒が、上記四方弁21を介して圧縮機20に吸込まれる。これにより、室外熱交換器22が凝縮器、室内熱交換器24が蒸発器として機能する。暖房時は、四方弁21が切換わることにより、破線矢印で示す方向に冷媒が流れ、室内熱交換器24が凝縮器、室外熱交換器22が蒸発器として機能する。
The brushless DC motor M is accommodated in the
上記ブラシレスDCモータMに、インバータ装置1が接続されている。このインバータ装置1は、商用交流電源30の電圧を整流する整流回路31、この整流回路31の出力端に接続された平滑コンデンサ32、この平滑コンデンサ32の両端に接続された端子P,N、この端子P,N間の直流電圧(例えば直流280V)Vdを受けて上記相巻線Lu,Lv,Lwに対する通電およびその通電切換を行うスイッチング回路2、このスイッチング回路2を駆動制御する制御部10、端子P,N間の直流電圧Vdからスイッチング回路2や制御部10の動作に必要な低電圧を出力する低電圧電源回路50などにより、構成されている。
An
スイッチング回路2は、直流電圧の印加方向に沿って上流側のスイッチング素子にはMOSFET以外のスイッチング素子、たとえばIGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)を、下流側のスイッチング素子として低損失パワーMOSFET(スーパージャンクションMOSFET等)の直列回路をU,V,Wの三相分有するもので、U相の上流側にIGBT3u、U相の下流側にMOSFET4u、V相の上流側にIGBT32v、V相の下流側にMOSFET4v、W相の上流側にIGBT3w、W相の下流側にMOSFET4wを備えている。そして、IGBT3u,3v,3wに対し、還流ダイオードDu+,Dv+,Dw+がそれぞれ逆並列接続されている。MOSFET4u,4v,4wに対し、還流ダイオードDu−,Dv−,Dw−がそれぞれ逆並列接続されている。これら還流ダイオードは、寄生ダイオードとしてそれぞれ対応するIGBTおよびMOSFETの素子本体に内蔵される。
The switching circuit 2 includes a switching element other than a MOSFET, such as an IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor) as an upstream switching element along a DC voltage application direction, and a low-loss power MOSFET (super junction MOSFET) as a downstream switching element. Etc.) is provided for three phases U, V, and W. The
上記MOSFET4u,4v,4wの駆動用として、駆動回路34u,34v,34wが設けられている。これら駆動回路34u,34v,34wは、低電圧電源回路50の出力電圧により動作し、制御部10からの指令に応じてMOSFET4u,4v,4wをオン,オフ駆動する。同様に、IGBT3u,3v,3w駆動用の駆動回路33u,3v,3wにも低電圧電源回路50の出力が供給され、これらも制御部10からの指令に応じてIGBT3u,3v,3wをオン,オフ駆動する。
IGBT3uとMOSFET4uの相互接続点、IGBT3vとMOSFET4vの相互接続点、IGBT3wとMOSFET4wの相互接続点に、上記相巻線Lu,Lv,Lwのそれぞれ非結線端が接続されている。
The non-connected ends of the phase windings Lu, Lv, and Lw are connected to an interconnection point between the
また、スイッチング回路1は、誘導性負荷である相巻線Lu,Lv,Lwに蓄えられたエネルギによって還流ダイオードDu−,Dv−,Dw−に順方向電流(還流電流)が流れた場合に、上流側のIGBT3u,3v,3wのオンに伴って還流ダイオードDu−,Dv−,Dw−に流れる逆回復電流Irrを抑制するため、IGBT3u,3v,3wのそれぞれオンに先立ってMOSFET4u,4v,4wの還流ダイオードDu−,Dv−,Dw−に逆電圧を印加する逆電圧印加回路6u,6v,6wを備えている。
In addition, the
逆電圧印加回路6uは、低電圧電源回路50の出力電圧を抵抗41を介して逆電圧印加用コンデンサ42に印加し、その逆電圧印加用コンデンサ42の電圧を逆電圧印加用MOSFET43のドレイン・ソース間、およびダイオード44を介して、MOSFET4uの還流ダイオードDu−に逆電圧として印加する。また、逆電圧印加回路6uは、逆電圧印加用MOSFET43の駆動用として、ゲート駆動回路46を有している。ゲート駆動回路46は、低電圧電源回路50の出力電圧により動作し、制御部10からの指令に応じて逆電圧印加用のパルス信号を生成して出力する。この出力が逆電圧印加用MOSFET43のゲートに供給される。
他の逆電圧印加回路6v,6wも、逆電圧印加回路6uと同じ構成である。よって、その説明は省略する。
The reverse
The other reverse
また、IGBTとMOSFETの直列回路におけるMOSFETの下流側に、それぞれ電流検出用の抵抗7u,7v,7wが挿接されている。MOSFET4u,4v,4wを通して流れる電流に応じたレベルの電圧が、これら抵抗7u,7v,7wに生じる。そして、抵抗7u,7v,7wに生じる電圧が、制御部10に供給される。
In addition,
制御部10は、抵抗7u,7v,7wに生じる電圧からブラシレスDCモータMの各相巻線に流れる電流を検出し、検出した電流からブラシレスDCモータMのロータの回転を検出し、検出した回転に基づく所定のタイミングでスイッチング回路1の各IGBT、各MOSFET、および各逆電圧印加回路を駆動するもので、スイッチング回路1における各直列回路のうち、少なくとも1つの直列回路の上流側のIGBTのオン,オフ動作、および別の少なくとも1つの直列回路の下流側のMOSFETのオン,オフ動作による各相巻線への通電を順次に切換える制御手段を有している。
The
上記低電圧電源回路50の具体的な構成を図2に示している。
すなわち、トランス51の一次巻線52aがスイッチング素子たとえばFET54のドレイン・ソース間を介して直流電源の端子P,N間に接続され、そのFET54のゲートが発振制御部61に接続されている。この発振制御部61の発振出力信号によりFET54がオン,オフ動作して、トランス51の二次巻線53a,53bに、端子P,N間の直流電圧Vdよりも低いレベルの交流電圧が生じる。そして、二次巻線53aに生じる交流電圧がダイオード55および平滑コンデンサ56で整流され、整流後の直流電圧、たとえば直流5V程度の出力が制御部(マイクロコンピュータを含む電子回路)10に動作用として供給される。さらに、二次巻線53bに生じる交流電圧がダイオード57および平滑コンデンサ58で整流され、整流後の直流電圧、たとえば直流17V程度の出力が端子Qから上記駆動回路33u,33v,33w,34u,34v,34wおよび各ゲート駆動回路46にそれぞれ駆動用として供給される。
A specific configuration of the low-voltage
That is, the primary winding 52 a of the
トランス51は検出用の一次巻線(補助巻線)52bを有しており、その一次巻線52bに生じる交流電圧が上記発振制御部61および保護部63に供給される。発振制御部61は、一次巻線52bに生じる交流電圧が予め定められている設定値一定となるよう、発振出力のオン,オフデューティを調節するもので、例えばトランス51の二次側消費電力が増大して一次巻線52bの電圧が低下すると、それを補うために発振出力のオン,オフデューティを増やし、トランス51の二次側消費電力が減少して一次巻線52bの電圧が上昇すると、発振出力のオン,オフデューティを減らす制御を行う。なお、低電圧電源回路50の動作開始時は一次巻線52bに電圧が生じないため、起動部62から供給される出力設定信号に応じて発振制御部61の発振出力のオン,オフデューティが設定される。起動部62は、制御部10から供給されるオン指令に応じて動作する。
The
上記保護部63は、一次巻線52bに生じる交流電圧に基づいて当該低電圧電源回路50の出力電圧を検出し、検出した電圧が予め定められた所定値VS2以下の場合に、発振制御部61の発振を停止して、当該低電圧電源回路50の出力を停止する。
The
次に、図3を参照しながら、作用について説明する。
低電圧電源回路50の容量は、それほど大きくない。通常は、低電圧電源回路50の発振制御部61は、トランス51の二次側消費電力が増大して一次巻線52bの電圧が低下した場合、つまり当該低電圧電源回路50の出力電圧が低下した場合、それを補うために発振出力のオン,オフデューティを増やす制御を実行する。
Next, the operation will be described with reference to FIG.
The capacity of the low voltage
ただし、本実施形態の低電圧電源回路50の容量は、それほど大きく設定されていない。具体的には、逆電圧印加回路6u,6v,6wのいずれかに短絡電流が生じ、逆電圧印加回路6u,6v,6wからMOSFET4u,4v,4w側に電流が流れ続けた場合には出力電流を供給し続けることができない容量、すなわち、その出力電圧が低下する容量に設定されている。
However, the capacity of the low voltage
このため、逆電圧印加回路6u,6v,6wのいずれかに破壊や特性劣化等による短絡故障が生じると、発振制御部61のオン,オフデューティの増大制御にもかかわらず、低電圧電源回路50の出力電圧が大きく低下する。
For this reason, if a short circuit failure occurs due to destruction, characteristic deterioration, or the like in any of the reverse
低電圧電源回路50の保護部63は、一次巻線52bを介して当該低電圧電源回路50の出力電圧を検出しており、その検出電圧が通常よりかなり低い所定値VS2以下に低下すると、直ちに、発振制御部61の発振を停止して、当該低電圧電源回路50の出力を停止する。この停止により、短絡故障した逆電圧印加回路からMOSFETに電流が流れ続けるなどの不具合が解消される。ひいては、短絡故障した逆電圧印加回路中の回路素子の異常温度上昇を防ぐことができ、他の回路の破壊を回避できるなど、十分な安全を確保することができる。
The
また、低電圧電源回路50の容量を小さく設定し、低電圧電源回路50をMOSFETの駆動電源と兼用しているため、万が一、保護部63が動作しない場合でも、低電圧電源回路50の出力電圧が大きく低下すれば、駆動回路34によるMOSFETの駆動を継続させることができなくなり、停止に至る。MOSFETがオンしなければ、逆電圧印加回路が短絡しても逆電圧印加回路から電流は流れないため、逆電圧印加回路部分が過熱したり、他の回路を破壊する等の悪影響を及ぼすことはない。
Further, since the capacity of the low voltage
さらに、制御部10の動作用電源も低電圧電源回路50の出力を用いている。このため、万が一、保護部63が動作しない場合でも、低電圧電源回路50の出力電圧が大きく低下すれば、制御部10の動作が停止し、IGBT、MOSFETへのオン指令が出なくなり、停止に至り、逆電圧印加回路から流れる電流が停止する。要するに、逆電圧印加回路の電源である低電圧電源回路50の容量を適切に設定し、MOSFETの動作電源または制御部10の動作電源と兼用することで、保護部63を設けなくとも逆電圧印加回路の短絡故障時にはインバータ装置1を停止させて逆電圧印加回路から電流が流れなくすることができる。
Furthermore, the operation power supply of the
なお、上記実施形態では、保護部63を低電圧電源回路50内に設ける構成としたが、低電圧電源回路50の外に保護部63を設ける構成としてもよい。また、上記実施形態では、スイッチング素子としてIGBTとMOSFETの両方を用いた例で説明したが、すべての素子をMOSFETで構成してもよい。その他、この発明は、上記実施形態に限定されるものではなく、要旨を変えない範囲で種々変形実施可能である。
In the above embodiment, the
1…インバータ装置、2…スイッチング回路、3u,3v,3w…IGBT(上流側のスイッチング素子)、4u,4v,4w…MOSFET(下流側のスイッチング素子)、6u,6v,6w…逆電圧印加回路、Du+,Dv+,Dw+,Du−,Dv−,Dw−…還流ダイオード、10…制御部、42…逆電圧印加用コンデンサ、43…逆電圧印加用MOSFET、50…低電圧電源回路、51…トランス、54…FET、61…発振制御部、63…保護部
DESCRIPTION OF
Claims (3)
前記各スイッチング素子のオン,オフ動作を制御する制御手段と、
前記MOSFETと同じ直列回路の他方のスイッチング素子のオンに先立ち、同MOSFETの還流ダイオードに逆電圧を印加する逆電圧印加回路と、
前記MOSFETの駆動用および前記逆電圧印加回路の動作用の低電圧を出力する低電圧電源回路と、
前記低電圧電源回路の出力電圧を検出し、検出した電圧が所定値以下の場合に、前記低電圧電源回路の出力を停止する保護手段と、
を備えていることを特徴とするインバータ装置。 A switching circuit in which a plurality of series circuits of two switching elements each using a MOSFET having a free-wheeling diode are used, and an interconnection point of each switching element of these series circuits is connected to a load;
Control means for controlling the on / off operation of each switching element;
Prior to turning on the other switching element of the same series circuit as the MOSFET, a reverse voltage application circuit for applying a reverse voltage to the free wheel diode of the MOSFET,
A low voltage power supply circuit that outputs a low voltage for driving the MOSFET and for operating the reverse voltage application circuit;
Protecting means for detecting the output voltage of the low-voltage power supply circuit and stopping the output of the low-voltage power supply circuit when the detected voltage is a predetermined value or less;
An inverter device comprising:
前記各スイッチング素子のオン,オフ動作を制御する制御手段と、
前記MOSFETと同じ直列回路の他方のスイッチング素子のオンに先立ち、同MOSFETの還流ダイオードに逆電圧を印加する逆電圧印加回路と、
前記制御手段および前記逆電圧印加回路の動作用の低電圧を出力する低電圧電源回路と、
前記低電圧電源回路の出力電圧を検出し、検出した電圧が所定値以下の場合に、前記低電圧電源回路の出力を停止する保護手段と、
を備えていることを特徴とするインバータ装置。 A switching circuit in which a plurality of series circuits of two switching elements each using a MOSFET having a free-wheeling diode are used, and an interconnection point of each switching element of these series circuits is connected to a load;
Control means for controlling the on / off operation of each switching element;
Prior to turning on the other switching element of the same series circuit as the MOSFET, a reverse voltage application circuit for applying a reverse voltage to the free wheel diode of the MOSFET,
A low voltage power supply circuit that outputs a low voltage for operation of the control means and the reverse voltage application circuit;
Protecting means for detecting the output voltage of the low-voltage power supply circuit and stopping the output of the low-voltage power supply circuit when the detected voltage is a predetermined value or less;
An inverter device comprising:
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