JP4942967B2 - インバータ装置及び冷凍サイクル装置 - Google Patents

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Description

この発明は、負荷たとえばモータへの駆動電力を出力するインバータ装置及び冷凍サイクル装置に関する。
誘導成分を含む負荷たとえばモータを駆動するための電力を出力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有するスイッチング回路を備え、これら直列回路における各スイッチング素子の相互接続点が負荷たとえばブラシレスDCモータの各相巻線に接続される。
スイッチング素子としては、最近、IGBTやMOSFETが多く採用されるようになっている。
IGBTを用いたDC−DCコンバータの場合(例えば、特許文献1)、IGBTのオン時の両端間電圧が一定となるため、高電圧出力時のロスが小さく、トランジスタを用いる場合に比べて駆動回路が簡単となる。
MOSFETを用いたインバータ装置の場合(例えば、特許文献2)、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。
なお、MOSFETの場合、大きな負荷を駆動する際に、MOSFETに逆並列接続されている還流ダイオード(寄生ダイオード)に逆回復電流が流れて損失が発生するという問題がある。この損失を低減するために、逆電圧印加回路を設け、所定のタイミングで還流ダイオードに逆電圧を印加してダイオードの逆回復を引き起こし、これにより損失を低減するようにした電力変換装置が考えられている(例えば、特許文献3)。
一方、近年、MOSFETのオン抵抗特性をさらに改善した低損失パワーMOSFETが開発され、この素子を用いたインバータ装置も開発が進められている。
特開2004−254452号公報 特開平7−170752号公報 特開平10−327585号公報
上記のように、インバータ装置のスイッチング素子として様々な素子が用いられるが、空気調和機等の冷凍サイクル装置に搭載される圧縮機を駆動する場合には、その負荷特性に応じた最適なスイッチング素子を選定する必要がある。すなわち、空気調和機等の冷凍サイクル装置では圧縮機の高回転(高出力)は、運転開始時や特に空調・冷凍負荷が重いときに限られ、安定時や春・秋の負荷が軽い季節等では圧縮機は低回転(低出力)で長時間運転されることになる。
仮に、スイッチング素子としてIGBTが用いられた場合、IGBTのオン時の電圧が一定となるため、高出力の大電流時は損失が少なるものの、低出力の低電流時の損失低減効果が小さくなる。このため、空気調和機等の冷凍サイクル装置に搭載される圧縮機を駆動する場合、その低出力時の損失低減効果の小さい導通特性は好ましくない。一方、MOSFETを用いた場合は、抵抗特性の導通チャンネルのため、高電流時に電圧降下が増加し、高負荷時の損失が大きくなるという問題がある。
この発明は、上記の事情を考慮したもので、IGBTとMOSFETを適切に組合わせたスイッチング回路の採用により、高負荷から低負荷の広範囲にわたって損失の低減を図ることができ、これにより効率の向上が図れるインバータ装置及び冷凍サイクル装置を提供することを目的とする。
請求項1に係る発明のインバータ装置は、電圧の印加方向に沿って上流側となるIGBTおよび下流側となるMOSFET及び各IGBTと各MOSFETに対し逆並列に接続された還流ダイオードを備えた直列回路を複数有し、これら直列回路におけるIGBTとMOSFETの相互接続点が誘導成分を含む負荷に接続されるスイッチング回路と、高負荷から低負荷の範囲にわたって、上記各直列回路のうち少なくとも1つの直列回路のIGBTをオン,オフして別の少なくとも1つの直列回路のMOSFETをオンする複数相通電を順次に切換える制御手段と、を備えている。
この発明のインバータ装置及び冷凍サイクル装置によれば、高負荷から低負荷の広範囲にわたって損失の低減を図ることができ、これにより効率の向上が図れる。
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、中性点Cを中心に星形結線された3つの相巻線Lu,Lv,Lwを有する固定子、および永久磁石を有する回転子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、回転子が回転する。このブラシレスDCモータMに、本発明のインバータ装置1が接続されている。
インバータ装置1は、直流電圧Vdが印加される入力端子P,N、この入力端子P,N間の直流電圧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を備えている。
上記スイッチング回路2は、直流電圧Vdの印加方向に沿って上流側となるIGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)および下流側となる低損失パワーMOSFET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、下流側にMOSFET4uを備え、V相の上流側にIGBT3v、下流側にMOSFET4vを備え、W相の上流側にIGBT3w、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、MOSFET4u,4v,4wに対し還流(寄生)ダイオードDu−,Dv−,Dw−がそれぞれ逆並列接続されている。
IGBT3uとMOSFET4uの相互接続点が出力端子Quとなり、IGBT3vとMOSFET4vの相互接続点が出力端子Qvとなり、IGBT3wとMOSFET4wの相互接続点が出力端子Qwとなる。そして、出力端子Quに上記相巻線Luの非結線端が接続され、出力端子Qvに上記相巻線Lvの非結線端が接続され、出力端子Qwに上記相巻線Lwの非結線端が接続されている。
また、スイッチング回路2は、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−に順方向電流が流れた場合に、IGBT3u,3v,3wのそれぞれのオンに伴って還流ダイオードDu−,Dv−,Dw−に逆方向電流が流れないよう、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(リカバリーアシスト回路ともいう)5u,5v,5wを備えている。この逆電圧印加回路5u,5v,5wについては、特開平10−327585号公報に示されているものと同じであり、その説明は省略する。
上記制御部10は、主要な機能として、次の(1)〜(3)を有している。
(1)所定期間がスイッチング休止期間として一定レベルに固定される電圧波形を有し且つ互いに位相角が異なる複数の変調信号を発する変調信号発生手段。
(2)上記各変調信号と三角波信号との電圧比較により、上記スイッチング休止期間に相当する期間の電位が零レベルで、残りの期間の電位が高レベルと零レベルを繰返す波形の複数の駆動信号を作成する駆動信号作成手段。
(3)上記各駆動信号に応じてスイッチング回路2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IGBTがオン,オフして別の少なくとも1つの直列回路のMOSFETがオンする複数相通電を、順次に切換える制御手段。
つぎに、上記の構成の作用を説明する。
図2に示すように、互いに位相角が120度ずれた三相正弦波電圧Eu,Ev,Ewが用意されている。この三相正弦波電圧Eu,Ev,Ewは、ブラシレスDCモータMの速度に比例して周波数が変化する。そして、この三相正弦波電圧波形Eu,Ev,Ewが波形整形されることにより、三相正弦波電圧Eu,Ev,Ewの周期(=2π)の1/3(=2π/3)に相当する期間がスイッチング休止期間として負の一定レベルに固定される電圧波形を有し、かつ互いに位相角が120度ずれた複数の変調信号Eu´,Ev´,Ew´が、生成される。
この変調信号Eu´,Ev´,Ew´と三角波信号Eoとが電圧比較されることにより、上記スイッチング休止期間に相当する期間の電位が零レベル(下ベタ)で、残りの期間の電位が高レベルと零レベルを繰返す下ベタ通電波形の駆動信号(パルス幅変調信号;PWM信号)Vu,Vv,Vwが作成される。この駆動信号Vu,Vv,Vwに応じてスイッチング回路2における少なくとも1つの直列回路のIGBTがオン,オフして別の少なくとも1つの直列回路のMOSFETがオンする複数相通電が、順次に切換えられる。IGBT3u,3v,3wおよびMOSFET4u,4v,4wの動作パターンを図3に示している。○がオン,オフ、△がオン、×がオフを示している。
この複数相通電の切換えにより、IGBTのオン,オフデューティに対応するレベルの相間電圧Vuv,Vvw,Vwuが出力端子Qu,Qv,Qwの相互間に生じ、その相間電圧Vuv,Vvw,Vwuが相巻線Lu,Lv,Lwに印加される。これにより、Lu,Lv,Lwに正弦波状の電流が流れ、ブラシレスDCモータMが動作する。
相間電圧Vuv,Vvw,Vwuと相巻線電流との関係を図4に示している。すなわち、空調負荷が大きくてIGBTのオン,オフデューティが大きく設定される運転条件では(オン期間が長くてオフ期間が短い)、相間電圧Vuv,Vvw,Vwuのレベルおよび周波数が高くなって、相巻線電流が増大する。IGBTのオン,オフデューティは、変調信号Eu´,Ev´,Ew´のレベル調節により可変設定することができる。
以上のように、スイッチング回路2における各直列回路の上流側スイッチング素子としてIGBT3u,3v,3wを用いるとともに、各直列回路の下流側スイッチング素子としてMOSFET4u,4v,4wを用い、少なくとも1つの直列回路のIGBTをパルス幅変調によりオン,オフして別の少なくとも1つの直列回路のMOSFETをオンする複数相通電を順次に切換えることにより、空調負荷が小さくてブラシレスDCモータMの回転数が低くてよい低負荷時において、MOSFETのオン期間が長くなり、IGBTのオン期間が短くなる。したがって、損失についてはMOSFETの損失が支配的になり、IGBTの損失の影響を小さくできる。このため、空気調和機等のもっとも運転時間の比率の高い低能力運転においてMOSFETの低損失な運転を活用できる。
高負荷時(高電流時)には、MOSFETの損失が増加するが、上流側IGBTのオン時間比率も長くなるため、全てのスイッチング素子をMOSFETとする場合よりも、少なくとも上流側スイッチング素子としてIGBTを使用した分だけ、損失が低減できる。
一方、MOSFETを使用すると、運転状態によって一対のスイッチング素子の一方がオンするときに、対となっているMOSFETの還流ダイオードに大きな逆回復電流が流れ、損失が増大してしまう。これを抑制するために、逆電圧印加回路5u,5v,5wにより、対となるスイッチング素子のオン前後にわたって還流ダイオードに対して逆電圧が印加される。この結果、MOSFETの還流(寄生)ダイオードにおいて生じる大きな逆回復電流が抑制され、逆回復電流によるロスを大幅に低減できる。とくに、MOSFETの使用は下流側のみであり、この下流側のMOSFET4u,4v,4wに対してのみ逆電圧印加回路5u,5v,5wを設ければよいので、回路の簡素化およびコストダウンが図れる。
このように、IGBTとMOSFETを適切に組合わせたスイッチング回路2の採用により、高負荷から低負荷の広範囲にわたって損失の低減を図ることができ、これによりインバータ装置1の効率の向上が図れる。
ところで、図2に示している変調信号Eu´,Ev´,Ew´と三角波信号Eoの電圧比較では、比較結果が分かりやすいよう、実際よりも低い周波数の三角波信号Eoを採用している。実際の三角波信号Eoは、周波数がもっと高い。この実際の三角波信号Eoと変調信号Eu´,Ev´,Ew´との関係を位相の60°区間において時間的に拡大して示したのが図5である。
図5において、相巻線の電流経路として60°区間の前半ではT1で示す、高電位の変調信号Eu´と下ベタ電位(零電位)の変調信号Ev´との電位差に基づく通電経路と、T2で示す、中電位の変調信号Ew´と下ベタ電位(零電位)の変調信号Ev´との電位差に基づく通電経路が生じる。60°区間の後半では、T3に示す、高電位の変調信号Eu´と中電位の変調信号Ew´との電位差に基づく通電経路とT4に示す高電位の変調信号Eu´と下ベタ電位(零電位)の変調信号Ev´との電位差に基づく通電経路が生じる。これら通電経路におけるIGBTのオン,オフ動作、オン,オフデューティ、相巻線電流、インバータ装置1の電流経路の関係を図6にまとめて示している。なお、中電位の変調信号Ew´のレベルは、前半のT2では正電圧、後半のT3では負電圧となっており、電流の方向及び経路が変化する。
T1の通電経路は、IGBT3uのオン(オン,オフデューティの代表値をA)により、図7の実線のように、入力端子P、IGBT3u、相巻線Lu,Lv、MOSFET4v、入力端子Nの経路で電流が流れる。IGBT3uがオフすると、図7の破線のように、相巻線Lu,Lvに蓄えられたエネルギに基づく電流が、相巻線Lu,LvからMOSFET4vを経てMOSFET4u側の還流ダイオードDu−を順方向に流れる。
T2の通電経路では、IGBT3wのオン(オン,オフデューティの代表値をB)により、図8の実線のように、入力端子P、IGBT3w、相巻線Lw,Lv、MOSFET4v、入力端子Nの経路で電流が流れる。IGBT3wがオフすると、図8の破線のように、相巻線Lw,Lvに蓄えられたエネルギに基づく電流が、相巻線Lw,LvからMOSFET4vを経てMOSFET4w側の還流ダイオードDw−を順方向に流れる。
T3の通電経路では、IGBT3u,3wのオン時(オン,オフデューティの代表値をC)、図9の実線のように、相巻線Lw,Lvに蓄えられたエネルギに基づく電流が、相巻線Lu,LwからIGBT3wの還流ダイオードDw+、IGBT3uの経路で電流が流れる。IGBT3uがオンしてIGBT3wがオフすると(オン,オフデューティの代表値がA−C)、図9の破線のように、入力端子PからIGBT3uおよび相巻線Lu,Lwを経た電流が、MOSFET4wを経て入力端子N側に流れる。そして、IGBT3u,3wがオフすると、図9の一点鎖線のように、IGBT3uおよび相巻線Lu,Lwを経た電流が、MOSFET4wを経てMOSFET4u側の還流ダイオードDu−を順方向に流れる。
T4の通電経路では、IGBT3uのオンにより、図10の実線のように、入力端子P、IGBT3u、相巻線Lu,Lv、MOSFET4v、入力端子Nの経路で電流が流れる。IGBT3uがオフすると、図10の破線のように、相巻線Lu,Lvに蓄えられたエネルギに基づく電流が、相巻線Lu,LvからMOSFET4vを経てMOSFET4u側の還流ダイオードDu−を順方向に流れる。
この60°区間のT1,T2,T3,T4の4つの通電経路の電流について、IGBTのオン,オフ動作に応じた電流経路と損失を解析することで、その解析結果を360°の全区間に展開することができる。
すなわち、T1,T2,T3,T4の4つの通電経路において、電流に伴って変化する損失要因を無視し、IGBTおよびMOSFETの各々の順方向電流・逆方向電流の損失を等しいと仮定してIGBTの損失をIR、MOSFETの損失をMRで表し、かつ変調率をaとして通電時間を加味して60°区間の損失を算出する。
T1では、IGBT3uのオン時はA・a・(IR+MR)、IGBT3uのオフ時は(1−A)・a・(MR+MR)=2・(1−A)・a・MRとなる。続いてT2では、IGBT3wのオン時はB・a・(IR+MR)、IGBT3wのオフ時は2(1−B)・a・MRとなる。T3ではIGBT3uオン,3wオン時に2・C・a・IR、IGBT3uオン,3wのオフ時は(A−C)・a・(IR+MR)、IGBT3u,3w共にオフ時は2・(1−A)・a・MRとなる。最後にT4ではT1と同じで、A・a・(IR+MR)と2・(1−A)・a・MRとなる。
これらを合算すると、下式が得られる。
3・A・aIR+B・IR+C・IR+(8−3A−B−C)MR
ここで、オン,オフデューティの代表値として用いたA(0°から30°区間)、B(30°から60°区間)、C(60°から90°区間)を平均値として各区間の中間角での値を用いるとAは15°におけるデューティ(オン時間)、Bは45°におけるデューティ、Cは75°におけるデューティとなる。こうすると、A+B=Cとなるため、これを代入すると、以下の式となる。
4・A・a・IR+(8−4・A・a)・MR
=4・MR+4・[A・a・IR+(1−A・a)・MR]
この式から分かるように、変調率aの低い低出力電圧領域(低電流領域)では大部分の電流がMOSFETを流れ、損失の大きさはMOSFETの損失に支配される。したがって、上側スイッチング素子にIGBTを使用していても、この領域では全てのスイッチング素子がMOSFETの場合に近い損失低減効果が得られる。
また、図4で説明したように、負荷が大きくてIGBTのオン,オフデューティが大きく設定される運転条件では、相間電圧Vuv,Vvw,Vwuのレベルおよび周波数が高くなって相巻線電流が増大するが、この場合にはIGBTの損失割合が大きくなり、この領域では全てのスイッチング素子がMOSFETの場合に比べ、損失が低減できる。実使用条件では、冷凍サイクル装置の運転時間の大半は低電流の安定運転条件であり、この安定運転条件での損失低減効果は大きい。逆に、MOSFETは導通が抵抗特性のため電流が大きくなるとIGBTより損失が増加するがこのような場合には、電流経路の片側がIGBTとなっているため、その悪影響を軽減できる。
すなわち、スイッチング回路として上側にIGBTを下側にMOSFETを用い、下ベタ通電(2相変調)を行なうことで高負荷から低負荷の広範囲にわたって損失の低減を図ることができ、これにより効率の向上が図れる。また、逆電圧印加回路を設けることで、MOSFETを使用しても還流(寄生)ダイオードにおいて生じる大きな逆回復電流が抑制され、ロスを大幅に低減できる
なお、この発明は、上記実施形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。また、上記実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合わせにより種々の発明を形成できる。例えば、実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよい。
この発明の一実施形態の構成を示すブロック図。 一実施形態における各変調信号、各駆動信号、各相間電圧の波形を示す図。 一実施形態における各IGBTおよび各MOSFETの動作パターンを示す図。 一実施形態における各相間電圧と相巻線電流との関係を示す図。 一実施形態における三角波信号と各変調信号との関係を時間的に拡大して示す図。 一実施形態の各通電パターンにおけるIGBTのオン,オフ動作、オン,オフデューティ、相巻線電流、電流経路の関係をまとめて示す図。 図6における電流経路を具体的に示す図。 図6における他の電流経路を具体的に示す図。 図6における別の電流経路を具体的に示す図。 図6におけるさらに別の電流経路を具体的に示す図。
符号の説明
1…インバータ装置、2…スイッチング回路、3u,3v,3w…IGBT、4u,4v,4w…MOSFET、5u,5v,5w…逆電圧印加回路、Du,Dv,Dw…還流ダイオード、P,N…入力端子、Qu,Qv,Qw…出力端子、10…制御部、M…ブラシレスDCモータ、Lu,Lv,Lw…相巻線

Claims (3)

  1. 電圧の印加方向に沿って上流側となるIGBTおよび下流側となるMOSFET及び各IGBTと各MOSFETに対し逆並列に接続された還流ダイオードを備えた直列回路を複数有し、これら直列回路におけるIGBTとMOSFETの相互接続点が誘導成分を含む負荷に接続されるスイッチング回路と、
    高負荷から低負荷の範囲にわたって、前記各直列回路のうち少なくとも1つの直列回路のIGBTをオン,オフして別の少なくとも1つの直列回路のMOSFETをオンする複数相通電を順次に切換える制御手段と、
    を備えていることを特徴とするインバータ装置。
  2. 前記負荷に蓄えられたエネルギにより前記各MOSFETの還流ダイオードに順方向電流が流れた場合に、前記各IGBTのオンに伴って発生する前記各還流ダイオードの逆方向電流を抑制するよう、前記各IGBTのオンに先立って前記各還流ダイオードに逆電圧を印加する逆電圧印加回路と、
    をさらに備えていることを特徴とする請求項1に記載のインバータ装置。
  3. 冷媒を圧縮する圧縮機を有し、請求項1または2のいずれかに記載したインバータ装置によって前記圧縮機を駆動したことを特徴とする冷凍サイクル装置。
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