JP6312852B2 - 電動機駆動装置および空気調和機 - Google Patents

Description

本発明は、スイッチング素子を備える電動機駆動装置および空気調和機に関する。

スイッチング素子を用いてＰＷＭ（Pulse Width Modulation）制御により電動機を駆動する技術が知られている。特許文献１には、ＰＷＭ制御の一例が開示されている。

スイッチング素子をチップとして実装する場合、チップ面積を大きくすると歩留りが悪化する。チップ面積を小さくすると、ウェハから取り出す際の歩留りを向上させることができるため、低価格化を実現できる。

特許第４６７５９０２号公報

従来の技術によれば、スイッチング素子がチップとして実装される場合、チップ面積を小さくすると、低価格化を実現できる。しかしながら、チップ面積を小さくすると電流容量が低下する。このため、スイッチング素子を用いた電動機駆動装置において、低価格化と大電流化を両立させることが難しいという問題があった。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、低価格化と大電流化を両立させることができる電動機駆動装置を得ることを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明は、電動機を駆動する電動機駆動装置であって、電動機の相数と同数のインバータモジュールと、前記インバータモジュールをＰＷＭ駆動するためのＰＷＭ信号を生成する制御部と、前記インバータモジュールごとに、前記制御部により生成されたＰＷＭ信号に基づいて、前記インバータモジュールのスイッチング素子対分の個別ＰＷＭ信号を生成し、前記インバータモジュールの温度を用いて前記個別ＰＷＭ信号のパルス幅を調整する駆動制御部と、を備え、前記インバータモジュールは、２つのスイッチング素子が直列に接続されたスイッチング素子対を複数備え、複数の前記スイッチング素子対は並列に接続される。

本発明にかかる電動機駆動装置は、低価格化と大電流化を両立させることができるという効果を奏する。

実施の形態１にかかる電動機駆動装置の構成例を示す図 実施の形態１のインバータモジュールの内部構成の一例を示す図 実施の形態１の温度差とパルス幅の増減量との対応を示すテーブルの一例を示す図 実施の形態１のパルス幅を増減した後のスイッチング素子を駆動するためのＰＷＭ信号の一例を示す図 実施の形態１の３つのスイッチング素子のパルス幅を調整する場合に、パルス幅を増減した後のスイッチング素子を駆動するためのＰＷＭ信号の一例を示す図 実施の形態２のインバータモジュールの構成例を示す図 実施の形態２の電流差とパルス幅の増減量の対応を示すテーブルの一例を示す図 実施の形態３の放熱フィンを有する放熱部の配置例を示す図 実施の形態３の補助部材の配置の一例を示す図 実施の形態３のコンデンサの配置例を示す図 実施の形態３のコンデンサの配置例を示す図 実施の形態４の空気調和機の構成例を示す図

以下に、本発明の実施の形態にかかる電動機駆動装置および空気調和機を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。

実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１にかかる電動機駆動装置の構成例を示す図である。図１に示すように本実施の形態の電動機駆動装置１００は、交流電源１から入力される交流電流を直流電流に整流する整流器２と、リアクトル３と、コンデンサ４と、コンデンサ４の両端電圧を検出する電圧検出部１１と、直流電力を３相交流電力に変換して３相モータであるモータ８すなわち電動機を駆動するインバータ部１０１と、インバータ部１０１を制御するためのＰＷＭ信号を生成する制御部９と、を備える。インバータ部１０１とモータ８の間には、モータ電流を検出する電流検出部１０ａ，１０ｂが設けられている。

本実施の形態の電動機駆動装置１００は、空気調和機、冷凍機、洗濯乾燥機、冷蔵庫、除湿器、ヒートポンプ式給湯機、ショーケース、掃除機、ファンモータ、換気扇、手乾燥機、誘導加熱電磁調理器といった機器において、モータを駆動する装置として用いることができる。

インバータ部１０１は、Ｕ相に対応するインバータモジュール５と、Ｖ相に対応するインバータモジュール６と、Ｗ相に対応するインバータモジュール７とを備える。インバータモジュール５，６，７は、各々がスイッチング素子５ａ，５ｂ，５ｃ，５ｄ，５ｅ，５ｆと、上アームのスイッチング素子を制御する駆動制御部２４と、下アームのスイッチング素子を制御する駆動制御部２５とを備える。本実施の形態では、スイッチング素子５ａ，５ｃ，５ｅは上アームを構成し、スイッチング素子５ｂ，５ｄ，５ｆは下アームを構成する。スイッチング素子５ａ，５ｂ，５ｃ，５ｄ，５ｅ，５ｆの個々の電流容量が小さい場合でも、図１のように、スイッチング素子を並列化することにより大電流容量を実現することができる。インバータモジュール６，７の構成は、インバータモジュール５と同様である。なお、簡略化のため、図１では、インバータモジュール６，７内のスイッチング素子５ａ，５ｂ，５ｃ，５ｄ，５ｅ，５ｆの符号を省略している。

制御部９は、電圧検出部１１により検出された電圧と電流検出部１０ａ，１０ｂにより検出されたモータ電流とに基づいてインバータ部１０１を制御する。具体的には、相およびアームごとのスイッチング素子のオンオフ状態を制御するためのＰＷＭ信号Ｕｐ、Ｖｐ、Ｗｐ、Ｕｎ、Ｖｎ、Ｗｎを生成してインバータ部１０１へ出力する。Ｕｐ、Ｖｐ、Ｗｐは、Ｕ、Ｖ、Ｗ相の上アームのスイッチング素子のオンオフ状態を制御するためのＰＷＭ信号であり、Ｕｎ、Ｖｎ、Ｗｎは、Ｕ、Ｖ、Ｗ相の下アームのスイッチング素子のオンオフ状態を制御するためのＰＷＭ信号である。ＰＷＭ信号は、オンを示すＨｉｇｈと、オフを示すＬｏｗとのいずれかの値をとるパルス状の信号である。パルスすなわちオンが連続する期間の幅をパルス幅と呼ぶ。制御部９は、同一相の同一アームが３つのスイッチング素子で構成されることから、３つのスイッチング素子がオンとなったときに流れる電流に基づいてパルス幅を決定する。すなわち３つのスイッチング素子を大きな電流容量の１つのスイッチング素子であるとみなしてＰＷＭ信号を生成する。

駆動制御部２４は、制御部９により生成されたＰＷＭ信号に基づいてスイッチング素子５ａ，５ｃ，５ｅをＰＷＭ駆動するためのＰＷＭ信号を生成する。駆動制御部２５は、制御部９により生成されたＰＷＭ信号に基づいてスイッチング素子５ｂ，５ｄ，５ｆをＰＷＭ駆動するためのＰＷＭ信号を生成する。具体的には、Ｕ相に対応するインバータモジュール５の場合、駆動制御部２４は、Ｕｐを３つに複製し、複製した信号をＰＷＭ信号としてスイッチング素子５ａ，５ｃ，５ｅに各々出力し、駆動制御部２５は、Ｕｎを３つに複製し、複製した信号をＰＷＭ信号としてスイッチング素子５ｂ，５ｄ，５ｆに各々出力する。Ｖ相のインバータモジュール６、Ｗ相のインバータモジュール７においても、同様に、駆動制御部２４および駆動制御部２５は、制御部９により生成されたＰＷＭ信号に基づいてスイッチング素子５ａ，５ｂ，５ｃ，５ｄ，５ｅ，５ｆをＰＷＭ駆動するためのＰＷＭ信号を生成する。また、インバータモジュール内の電流アンバランスを抑制する場合には、駆動制御部２５、または駆動制御部２４および駆動制御部２５は、後述するようにスイッチング素子５ａ，５ｂ，５ｃ，５ｄ，５ｅ，５ｆの温度に基づくパルス幅の調整を行う。

スイッチング素子５ａ，５ｂ，５ｃ，５ｄ，５ｅ，５ｆとしては、どのような素子を用いてもよいが、ＧａＮ（窒化ガリウム）、ＳｉＣ（シリコンカーバイド：炭化珪素）、ダイヤモンドなどのワイドバンドギャップ半導体を用いることができる。ワイドバンドギャップ半導体を用いることで耐電圧性が高く、許容電流密度も高くなるため、モジュールの小型化が可能となる。ワイドバンドギャップ半導体は、耐熱性も高いため、放熱部の放熱フィンの小型化も可能になる。

ここで、比較例として３相モータを駆動する一般的なインバータについて説明する。一般に、インバータを用いて３相モータを駆動する場合、インバータは、相ごとに、直列に接続された上アームの１つのスイッチング素子と下アームの１つのスイッチング素子とで構成されるスイッチング素子対を備える。したがって、比較例のインバータは、３相分では合計３対すなわち６つのスイッチング素子を備える。一方、スイッチング素子をチップとして実装する場合、チップ面積を大きくすると歩留りが悪化する。チップ面積を小さくすると、ウェハから取り出す際の歩留りを向上させることができる。特に、スイッチング素子としてＳｉＣを用いる場合には、ウェハが高価であり、結晶欠陥がＳｉよりも多く存在することから、低価格化のためにはチップ面積を小さくすることが望ましい。家庭用の空気調和機に使用される場合のように、電流容量が小さくてよい場合には、チップ面積の小さい６つのスイッチング素子で３相を制御するインバータモジュールを用いることで低価格化が実現できる。

しかしながら、チップ面積を小さくすると電流容量が小さくなる。このため、比較例のインバータモジュール、すなわち６つのスイッチング素子で３相モータを駆動するインバータモジュールでは、低価格化と大電流化の両立が難しい。これに対し、本実施の形態では、電流容量の小さいスイッチング素子を並列に用いることにより、低価格化と大電流化の両方を実現できる。また、図１に示すように、６つのスイッチング素子で構成される３相用の１つのインバータモジュールと、本実施の形態の６つのスイッチング素子で構成されるインバータモジュール５，６，７とで基本的な部分を共通化することができる。このため、インバータモジュール５，６，７として、６つのスイッチング素子で構成される３相用の１つのインバータモジュールをそのまま、または簡易な変更により用いることができる。言い換えると、３相用の１つのインバータモジュールと図１に示すインバータモジュール５，６，７とを同一または類似のモジュールとして製造することができる。したがって、大電流容量用のインバータモジュール５，６，７を安価に製造することができる。一例を挙げると、家庭用の空気調和機には６つのスイッチング素子で構成される３相用の１つのモジュールを用い、業務用の空気調和機には、図１に示すように、３つのモジュールを備えるインバータ部１０１を用いることができる。以下、本実施の形態のインバータ部１０１と区別するために、比較例のように相あたり１対のスイッチング素子を用いるインバータを単一対インバータと呼び、３相分のスイッチング素子すなわち３対のスイッチング素子を１つのモジュールとして実装したモジュールを単一インバータモジュールと呼ぶ。

図１に示すように、インバータモジュール５は、３対のスイッチング素子を備える。単一対インバータでは、同一相の上アームのスイッチング素子は１つであり、同一相の下アームのスイッチング素子は１つである。これに対し、本実施の形態では、同一相の上アームのスイッチング素子は３つであり、同一相の下アームのスイッチング素子は３つである。したがって、実装されたスイッチング素子の電流容量をＡｍとすると、３つのスイッチング素子が並列に接続されたインバータモジュールの電流容量は理想的には３×Ａｍとなる。

なお、図１では、制御部９により生成されたＰＷＭ信号に基づいてスイッチング素子５ａ，５ｂ，５ｃ，５ｄ，５ｅ，５ｆをＰＷＭ駆動するための個別のＰＷＭ信号を生成する機能をインバータモジュール内の駆動制御部２４および駆動制御部２５が有する例を示したが、インバータモジュール外に、上記の個別のＰＷＭ信号を生成する機能を実現する駆動制御部を設けてもよい。インバータモジュール外に上記の機能を実現する駆動制御部を設けると、駆動制御部２４および駆動制御部２５を単一インバータモジュールと共通化することができ、モジュール製造において共通化できる部分を増やすことができる。また、上記の個別のＰＷＭ信号を生成する機能を制御部９が有するようにしてもよい。

本実施の形態では、同一相の同一アームの３つのスイッチング素子が、単一インバータモジュールの１つのスイッチング素子と同様の動作を実施する。すなわち、同一相の同一アームの３つのスイッチング素子は、同一の動作を実施する。したがって、同一相の同一アームの３つのスイッチング素子に流れる電流は、概略同じである。しかしながら、実際には温度等の条件の差により、同一相の同一アームの３つのスイッチング素子が同一の動作を行っていたとしても、３つのスイッチング素子に流れる電流には差異が生じる。すなわち、同一相の同一アームの３つのスイッチング素子に電流アンバランスが生じる。

特に、ＳｉＣにより形成されたスイッチング素子のように、電流が流れて温度が上昇するとオン抵抗が低下しさらに電流が流れやすくなる特性すなわち温度負特性を有するスイッチング素子を使用する場合、電流アンバランスが生じると、電流が多く流れている素子の温度が上昇しさらにより多くの電流が流れることになってしまう。ＳｉＣにより形成されたスイッチング素子以外にも、Ｓｉで形成されたＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）といった温度負特性を有するスイッチング素子を用いる場合も同様である。電流アンバランスが生じた場合でも各スイッチング素子が電流容量を超えないようにするためには、インバータモジュール全体の電流容量を、上述した理想的な３×Ａｍからマージンを減じた値として設定しておく必要がある。しかしながら、インバータモジュールの電流容量を大きくするためには、上記のマージンの値は小さい方が望ましい。このため、本実施の形態では、電流アンバランスを抑制するために、スイッチング素子の温度を計測し、温度に基づいてパルス幅を制御する。なお、温度負特性を有しないスイッチング素子を用いる場合に、本実施の形態のスイッチング素子の温度に基づくパルス幅の制御を行ってもよい。

図２は、インバータモジュール５の内部構成の一例を示す図である。インバータモジュール６，７の内部構成もインバータモジュール５と同様である。図２は、インバータモジュール５に実装される主要部分の配置を模式的に示した図であり、実際の寸法を示すものではない。また、図２では主要部分以外の配線の図示を省略している。インバータモジュール５は、図１で示したように、スイッチング素子５ａ，５ｂ，５ｃ，５ｄ，５ｅ，５ｆを備え、端子３０〜３８を有する。スイッチング素子５ａ，５ｂ，５ｃ，５ｄ，５ｅ，５ｆは、各々が１つのチップとして実装されている。上アームのスイッチング素子５ａ，５ｃ，５ｅは、導体２０上に実装される。スイッチング素子５ｂは、導体２１上に実装され、スイッチング素子５ｄは、導体２２上に実装され、スイッチング素子５ｆは、導体２３上に実装される。

一般的にモータ駆動用のインバータモジュールでは、下アームのＮラインをモジュールの外部で接続し、接続点と下アームのスイッチング素子との間に抵抗を挿入して電流を検出する３シャント電流検出方式を採用することがある。このため、図２では、上アームのスイッチング素子５ａ，５ｃ，５ｅが同一の導体上に実装され、下アームのスイッチング素子５ｂ，５ｄ，５ｆが個別の導体上に実装される例を示している。しかしながら、図２の例に限定されず、上アームのスイッチング素子５ａ，５ｃ，５ｅについても、個別の導体上に配置されてもよい。

図２に示すように、インバータモジュール５は、導体２１の温度を計測する温度計測部２６と、導体２２の温度を計測する温度計測部２７と、導体２３の温度を計測する温度計測部２８と、導体２０の温度を計測する温度計測部２９とを備える。これにより、下アームのスイッチング素子５ｂ，５ｄ，５ｆの温度を個別に計測することができる。

次に、下アームのスイッチング素子５ｂ，５ｄ，５ｆの温度に基づくパルス幅の制御について説明する。スイッチング素子５ｂ，５ｄ，５ｆの温度に基づくパルス幅の制御は、温度が高いスイッチング素子のＰＷＭ信号のパルス幅を狭くし温度の低いスイッチング素子のＰＷＭ信号のパルス幅を広くする方法であれば具体的にはどのような手順で行ってもよいが、以下に２例を挙げる。

一例目は、温度計測部２６，２７，２８が計測した温度のうちすなわちスイッチング素子５ｂ，５ｄ，５ｆの温度のうち、温度の最も高いものと温度の最も低いものとのパルス幅を調整する方法である。温度差とパルス幅の増減量をあらかじめテーブルで保持しておく。図３は、温度差とパルス幅の増減量との対応を示すテーブルの一例を示す図である。駆動制御部２５は、温度計測部２６，２７，２８が計測した温度のうち最も高いものと温度の最も低いものと温度差ΔＴを求める。なお、温度差ΔＴは温度差の絶対値とする。そして、駆動制御部２５は、求めた温度差に対応するパルス幅の増減量ｐαを、テーブルを参照して求める。例えば、ΔＴが０以上Ｔ１未満の場合、ｐα＝α１である。駆動制御部２５は、制御部９から出力されたＰＷＭ信号を複製して３つのＰＷＭ信号を生成し、３つのＰＷＭ信号のパルス幅をパルス幅の増減量ｐαを用いて増減させる。

図４は、パルス幅を増減した後のスイッチング素子５ｂ，５ｄ，５ｆを駆動するためのＰＷＭ信号の一例を示す図である。パルス幅の増減前のスイッチング素子５ｂ，５ｄ，５ｆを駆動するためのＰＷＭ信号、すなわち制御部９から出力されたＰＷＭ信号のパルス幅をｐ０とする。図４の例では、スイッチング素子５ｂ，５ｄ，５ｆのうち、スイッチング素子５ｂが最も温度が高く、スイッチング素子５ｄが次に温度が高く、スイッチング素子５ｆが最も温度が低かったとする。すなわち、温度計測部２６の計測した温度が最も高く、温度計測部２７の計測した温度が次に高く、温度計測部２８の計測した温度が最も低かったとする。駆動制御部２５は、温度計測部２６が計測した温度と温度計測部２８が計測した温度との温度差ΔＴを求める。そして、駆動制御部２５は、温度差に対応するパルス幅の増減量ｐαを、テーブルを参照して求め、スイッチング素子５ｆのパルス幅を増減量ｐαだけ広げ、スイッチング素子５ｂのパルス幅を増減量ｐαだけ狭くする。

なお、上記の例では、温度差に対応するパルス幅の増減量をテーブルとして保持したが、温度差に対応するパルス幅の増減比ｐｒをテーブルとして保持してもよい。増減比ｐｒは、上記のパルス幅の増減量をパルス幅の増減前のＰＷＭ信号のパルス幅で割った値に相当する。したがって、駆動制御部２５は、温度差に対応するパルス幅の増減比ｐｒをテーブルを参照して求め、温度の最も高いスイッチング素子のパルス幅ｐ０にｐｒを乗じた値ｐ０×ｐｒを増減量として上記の例と同様にパルス幅を増減させる。また、図示していないが、図４では立下り側からパルスを増減しているが、パルスの中央を基準にして、立上り側と立下り側をｐα／２ずつ増減するよう構成しても同等の効果を有する。

二例目は、スイッチング素子５ｂ，５ｄ，５ｆの温度のうち、温度の最も高いもののＰＷＭ信号のパルス幅を狭め、残りの２つのスイッチング素子のＰＷＭ信号のパルス幅を広くする方法である。すなわち、３つのスイッチング素子のパルス幅を調整する方法である。まず、一例目と同様に、駆動制御部２５は、温度差とパルス幅の増減量をあらかじめテーブルで保持する。駆動制御部２５は、温度計測部２６，２７，２８が計測した温度のうち最も高いものと温度の最も低いものとの温度差ΔＴを求める。そして、駆動制御部２５は、温度差に対応するパルス幅の増減量ｐαを、テーブルを参照して求める。駆動制御部２５は、温度のうち最も高いスイッチング素子のＰＷＭ信号のパルス幅をｐα分狭くする。そして、駆動制御部２５は、温度のうち最も高いもの以外の２つのスイッチング素子については、ＰＷＭ信号のパルス幅を広げる。この際、駆動制御部２５は、２番目に温度の高いスイッチング素子のパルス幅を広げる量をｐβ１とし、一番温度の低いパルス幅を広げた量をｐβ２とすると、ｐα＝ｐβ１＋ｐβ２となるように、ｐβ１およびｐβ２を決定する。ｐβ１とｐβ２の比率は、どのように決定してもよいが、一例として、温度のうち最も高いスイッチング素子との温度差の比に基づいて決定することができる。

図５は、３つのスイッチング素子のパルス幅を調整する場合に、パルス幅を増減した後のスイッチング素子５ｂ，５ｄ，５ｆを駆動するためのＰＷＭ信号の一例を示す図である。図５では、図４の例と同様に、スイッチング素子５ｂ，５ｄ，５ｆのうち、スイッチング素子５ｂが最も温度が高く、スイッチング素子５ｄが次に温度が高く、スイッチング素子５ｆが最も温度が低い例を示している。駆動制御部２５は、温度計測部２６，２７，２８が計測した温度のうち最も高いものと温度の最も低いものとの温度差ΔＴを求め、テーブルを参照してΔＴに対応するｐαを求める。また、ｐα＝ｐβ１＋ｐβ２となるように、ｐβ１およびｐβ２を決定する。ｐβ１とｐβ２の比を温度差の比で決定することとすると、スイッチング素子５ｄとスイッチング素子５ｂの温度差の絶対値をΔＴ１とし、スイッチング素子５ｆとスイッチング素子５ｄの温度差の絶対値をΔＴ２としたとき、以下の式（１）、（２）からｐβ１、ｐβ２を決定することができる。
ｐβ１：ｐβ２＝ΔＴ１：ΔＴ２ すなわちｐβ１＝ｐα×ΔＴ１／ΔＴ …（１）
ｐα＝ｐβ１＋ｐβ２ …（２）

駆動制御部２５は、スイッチング素子５ｂのパルス幅を増減量ｐαだけ狭くし、スイッチング素子５ｄのパルス幅を増減量ｐβ１だけ広げ、スイッチング素子５ｆのパルス幅を増減量ｐβ２だけ広げる。なお、図４の例と同様に、図３のテーブルの替わりに、温度差に対応するパルス幅の増減比ｐｒをテーブルとして保持してもよい。以上述べたパルス幅の増減方法は例であり、上記の例以外にも、温度差ではなくスイッチング素子の温度自体を用いて、スイッチング素子の温度が閾値以上となった場合に、該スイッチング素子のパルス幅を一定値分減少させ、他のスイッチング素子のパルス幅を一定値分増加させる方法等を用いてもよい。または、図３で示したテーブルを温度ごとに保持し、最も高い温度のスイッチング素子の温度に基づいてテーブルを選択し、選択したテーブルを用いて上記の温度差に基づいたパルス幅の調整を行ってもよい。例えば、温度Ｔａ１未満用のテーブル＃１、Ｔａ１以上Ｔａ２未満用のテーブル＃２、…というように温度範囲ごとにテーブルを保持しておく。そして、最も高い温度のスイッチング素子の温度に基づいて使用するテーブルを選択する。

駆動制御部２５は、以上述べたパルス幅の調整を、一定時間ごとに実施する。この一定時間は、キャリア周期であってもよいしキャリア周期より長くてもよい。例えば、１分ごとにパルス幅の調整を１０秒間行い、残りの５０秒間はパルス幅の調整をしないすなわち制御部９から出力されたＰＷＭ信号のままとする、というような制御を実施してもよい。また、処理を単純化するために、テーブルを用いずに、ΔＴがしきい値未満の場合には調整を行わず、ΔＴがしきい値を超えたときに、最も温度の高いスイッチング素子のパルス幅を固定値分狭め、最も温度の低いスイッチング素子のパルス幅を固定値分広げてもよい。

なお、図２の例では、インバータモジュール５内の駆動制御部２５がパルス幅の調整すなわちパルス幅の増減を行うようにしたが、インバータモジュール５の外部でパルス幅の調整を行ってもよい。この場合、インバータモジュール５から温度計測部２６，２７，２８が計測した温度を示す信号を外部へ出力する。この場合、電圧の低いすなわち低圧系の信号の端子群３８の端子に空きがあれば、温度計測部２６，２７，２８が計測した温度を示す信号を端子から直接モジュール外部に出力してもよい。空き端子が少ない場合には、温度計測部２６，２７，２８が計測した温度のうち最も高いスイッチング素子を示す信号、または最も高いスイッチング素子および温度差ΔＴを示す信号を外部へ出力してもよい。一例として、温度のうち最も高いスイッチング素子を示す信号の値を、最も温度の高いスイッチング素子がスイッチング素子５ｂの時は４．５Ｖとし、最も温度の高いスイッチング素子がスイッチング素子５ｄの時は２．５Ｖとし、最も温度の高いスイッチング素子がスイッチング素子５ｆの時は０．５Ｖとするような構成としてもよい。また、この信号により、さらに温度差を示す場合、０．５Ｖと２．５Ｖの間、２．５Ｖと４．５Ｖの間、４．５Ｖ以上を複数段階に分け、０．５Ｖ、２．５Ｖ、４．５Ｖとの電圧差により温度差を示すようにしてもよい。

そして、制御部９が、ＰＷＭ信号Ｕｐ、Ｖｐ、Ｗｐ、Ｕｎ、Ｖｎ、Ｗｎの各々を３つのＰＷＭ信号に複製し、インバータモジュール５から出力された温度に基づいて、ＰＷＭ信号のパルス幅を調整してもよい。また、制御部９以外の別の駆動制御部をインバータモジュール５外に設け、この駆動制御部が、ＰＷＭ信号Ｕｐ、Ｖｐ、Ｗｐ、Ｕｎ、Ｖｎ、Ｗｎの各々を３つのＰＷＭ信号に複製し、インバータモジュール５から出力された温度に基づいて、ＰＷＭ信号のパルス幅を調整してもよい。

また、図２の構成例では、導体ごとに温度を計測したが、温度の計測点は、図２の例に限定されない。インバータモジュール５，６，７内の別の場所を測定することにより、各スイッチング素子の温度を推定してもよいし、インバータモジュール５，６，７の外部の各スイッチング素子に近い箇所で温度を計測してもよい。インバータモジュール５，６，７の外部で温度を計測し、インバータモジュール５，６，７の外部でパルス幅を調整するようにすると、インバータモジュール５，６，７と単一インバータモジュールとで共通化できる部分が増え、インバータモジュール５，６，７をより安価に製造することができる。

図２の構成例では、上アームのスイッチング素子５ａ，５ｃ，５ｅは、同一の導体上に配置されるため、スイッチング素子５ａ，５ｃ，５ｅは温度が平衡しやすく、スイッチング素子５ａ，５ｃ，５ｅの温度差は少ない。このため、上アームのスイッチング素子５ａ，５ｃ，５ｅについては、電流アンバランスを抑制する制御を行わなくてもよい。図２の構成例では、上アームのスイッチング素子５ａ，５ｃ，５ｅの実装される導体２０の温度を計測しているが、導体２０の温度はスイッチング素子５ａ，５ｃ，５ｅの温度が上限値を超えるか否かを判断するために用いることができる。また、上アームのスイッチング素子５ａ，５ｃ，５ｅが、個別の導体上に配置される場合には、下アームと同様に、導体ごとに温度計測部を設けて、下アームと同様にパルス幅の制御を行ってもよい。また、上アームと下アームとでパルス幅を調整する際、異なる結果になる可能性もあるが、絶対温度の高い方に従ってパルス幅を調整するように構成する、または、予め設定していた温度まで到達していなければ、予め設定しておいた方に従うなど、予め決めておくようにしておけば問題は無い。本願では３×Ａｍに近づくよう電流アンバランスを抑制することを目的としている。

なお、上アームのスイッチング素子５ａ，５ｃ，５ｅについて、チップ間すなわちスイッチング素子間のオン抵抗の温度依存性のばらつきを補正する制御を行ってもよい。温度による電流変化に比べれば、電流アンバランスの量は少ないが、同一温度であったとしてもスイッチング素子間でオン抵抗にばらつきが生じる可能性がある。したがって、スイッチング素子ごとの温度と流れる電流との関係を示す特性を、測定などによりあらかじめ把握しておき、この特性を用いて温度に応じてパルス幅を制御することもできる。一例として、温度ごとにスイッチング素子５ａ，５ｃ，５ｅに流れる電流の比Ｒ１：Ｒ２：Ｒ３を求め、この電流の比に基づいて、温度ごとにスイッチング素子５ａ，５ｃ，５ｅごとにパルス幅を増減させる量を決定しておく。駆動制御部２４が、温度とスイッチング素子５ａ，５ｃ，５ｅごとにパルス幅を増減量とをテーブルとして保持し、温度計測部２９により計測された温度に対応するパルス幅の増減量を、テーブルを参照して求める。そして、駆動制御部２４は、制御部９により生成されたＰＷＭ信号に基づいてスイッチング素子５ａ，５ｃ，５ｅの個別のＰＷＭ信号を生成する際に、パルス幅を増減させる。

なお、下アームのスイッチング素子５ｂ，５ｄ，５ｆについても、スイッチング素子ごとの特性に基づく補正を行ってもよい。

以上述べたように、本実施の形態のインバータモジュール５，６，７と、単一インバータモジュールとを共通化する場合、これらの見分けがつかなくなる場合がある。したがって、外観上、端子の数を変える等により差異をつけるようにしてもよい。または、端子数などの外見は同一とし、図２の端子３７にダミー端子を用意し、内部で接続されたものと接続されていないものとを設けることで、区別できるように構成してもよい。一例として、本実施の形態のインバータモジュール５，６，７では、隣の端子３０とモジュール内部で接続し、単一インバータモジュールでは端子３７と端子３０を接続しないように構成することで、端子３０と端子３７の導通試験にて、両者のモジュールを区別することが可能となる。このように構成しておくことで、組立時に実装ミスを簡便に識別できる。

以上のように、本実施の形態の電動機駆動装置は、上下アーム各々１つのスイッチング素子で構成される対を、複数並列に接続したインバータモジュールを相ごとに備えるようにした。このため、価格を抑えて大電流化を実現することができる。また、温度を計測して電流のアンバランスを調整するようにした。これにより、インバータモジュールとしての電流容量を決定する際に、電流アンバランスの分を考慮しなくてよく、各スイッチング素子の電流容量を有効に活用することができる。

なお、図１の例では、１相分のインバータモジュールが３対のスイッチング素子で構成される例を示したが、図１の例に限定されず、複数対のスイッチング素子で１相分のインバータモジュールを構成すればよい。そして、スイッチング素子のうち少なくとも２つのスイッチング素子の温度と等価な温度を計測して、計測した温度に基づいてパルス幅の調整を行えばよい。一例として、２対の４つのスイッチング素子で構成される１つのインバータモジュールを１相分のインバータモジュールとして用いてもよい。この場合、インバータモジュールを、２相用の４個のスイッチング素子で構成される低電流容量のインバータモジュールと共用することができる。また、図１の構成例では、モータ８が３相モータの例を示したが、３相モータに限定されず、相の数分のインバータモジュールを用いることで図１の例と同様に低価格化と大電流化を実現できる。

また、図１の構成例では、１相あたり１つのインバータモジュールを用いる例を示したが、１相あたり複数のインバータモジュールを備えてもよい。一例として、１相あたり２つのインバータモジュールを並列に接続して用いて、相数×２個のインバータモジュールを用いてもよい。また、図１では、交流電源１からの交流電流を整流器２により整流する構成例を示しているが、図１の構成例に限定されず、インバータモジュール５，６，７へ直流電流が入力されればよく、直流電源からインバータモジュール５，６，７へ直流電流が入力される構成としてもよい。

実施の形態２．
次に、本発明の実施の形態２にかかる電動機駆動装置について説明する。実施の形態１では、スイッチング素子の温度を計測し、温度に基づいてパルス幅を調整する例を説明したが、本実施の形態では、温度に加え、スイッチング素子の電流を検出する。

図６は、本実施の形態のインバータモジュール５０の構成例を示す図である。実施の形態１と同様の機能を有する構成要素は、実施の形態１と同一の符号を付し、重複する説明を省略する。図６に示すように、本実施の形態のインバータモジュール５０は、実施の形態１で示したインバータモジュール５と、抵抗４１，４２，４３と、インバータモジュール５のスイッチング素子の駆動を制御する駆動制御部４０を備える。本実施の形態の電動機駆動装置は、図１の電動機駆動装置のインバータモジュール５，６，７の替わりに、相ごとのインバータモジュール５０すなわち合計３つのインバータモジュール５０を備える。

本実施の形態では、図２のインバータモジュール５内の駆動制御部２５は、ＰＷＭ信号の複製およびパルス幅の調整は行わず、インバータモジュール５の外部に駆動制御部４０を設け、駆動制御部４０が、ＰＷＭ信号の複製およびパルス幅の調整を行う。抵抗４１を用いて下アームのスイッチング素子５ｂを用いて電流を検出し、抵抗４２を用いて下アームのスイッチング素子５ｄを用いて電流を検出し、抵抗４３を用いて下アームのスイッチング素子５ｆを用いて電流を検出する。また、温度計測部２６，２７，２８が計測した温度は、駆動制御部４０へ入力される。また、駆動制御部４０を相ごとに備えるのではなく、１つの駆動制御部４０が３相分の処理を行うようにしてもよい。

駆動制御部４０は、電流および温度を用いてパルス幅を調整する。電流および温度を用いたパルス幅の調整方法は、電流が多い場合にパルス幅を狭くし温度の高い場合にパルス幅を狭くする方法であればどのような方法を用いてもよいが、以下にパルス幅の調整方法の例を示す。

駆動制御部４０は、スイッチング素子の温度ごとに、電流差とパルス幅の増減量の対応を示すテーブルを保持する。図７は、電流差とパルス幅の増減量の対応を示すテーブルの一例を示す図である。例えば、温度Ｔａ１未満用のテーブル＃１、Ｔａ１以上Ｔａ２未満用のテーブル＃２、…というように、温度ごとにテーブルを保持する。そして、駆動制御部４０は、スイッチング素子の温度に基づいて、テーブルを選択する。そして、スイッチング素子に流れる電流の測定値と、選択したテーブルとに基づいてパルス幅の調整を行う。

テーブルを選択した後の電流差を用いたパルス幅の調整方法について説明する。そして、駆動制御部４０は、検出されたスイッチング素子５ｂ，５ｅ，５ｆを流れる電流のうち最も電流の多いものと最も電流の少ないものとの電流差ΔＩを求める。なお、電流差ΔＩは電流差の絶対値とする。そして、駆動制御部４０は、求めた電流差に対応するパルス幅の増減量ｐαを、テーブルを参照して求める。駆動制御部４０は、制御部９から出力されたＰＷＭ信号を複製して３つのＰＷＭ信号を生成し、３つのＰＷＭ信号のパルス幅をパルス幅の増減量ｐαを用いて増減させる。上述した温度を用いたパルス幅の調整と同様に、最も電流の多いスイッチング素子のパルス幅をｐα分減少させ、最も電流の少ないスイッチング素子のパルス幅をｐα分増加させる。または、最も電流の多いスイッチング素子のパルス幅をｐα分減少させ、他の２つのスイッチング素子のパルス幅を合計でｐα分増加させてもよい。パルス幅の調整方法は、温度差に基づく調整方法と同様にこれら以外の方法を用いることができる。

また、上述のように温度に応じてテーブルを切り替える方法ではなく、電流差とパルス幅の対応を示すテーブルと、温度差とパルス幅の対応を示すテーブルとを１つずつ保持しておき、温度差を用いたパルス幅の調整と電流差を用いたパルス幅の調整とを何らかの条件に応じて切り替えるようにしてもよい。例えば、電流差ΔＩが閾値以上の場合に、電流差を用いたパルス幅の調整を行い、電流差ΔＩが閾値未満の場合に温度差を用いたパルス幅の調整を行うようにしてもよい。また、パルス幅の調整方法を切り替える条件は上記の例に限定されない。また、電流差ΔＩに応じて温度差のテーブルを切り替えるよう構成しても良いし、温度差ΔＴに応じて電流差のテーブルを切り替えるように構成しても良い。

なお、駆動制御部４０ではなく、インバータモジュール５内の駆動制御部２５が、温度および電流を用いてパルス幅を調整してもよいが、この場合検出した電流をインバータモジュール５内に入力する。

以上のように、本実施の形態では、上下アーム各々１つのスイッチング素子で構成される対を、複数並列に接続したインバータモジュールを相ごとに備え、温度に加え、電流に基づいてパルス幅を調整するようにした。このため、実施の形態１の効果が得られるとともに、さらに高精度に電流アンバランスを低減することができる。

実施の形態３．
次に、本発明の実施の形態３にかかる電動機駆動装置について説明する。本実施の形態の電動機駆動装置は、実施の形態１で述べたインバータモジュール５，６，７または実施の形態２で述べたインバータモジュール５０を３つ備える。以下では、実施の形態１で述べたインバータモジュール５，６，７を備える例について説明するが、実施の形態２で述べたインバータモジュール５０を３つ備える場合も同様である。

本実施の形態では、実施の形態１で述べたインバータモジュール５，６，７または実施の形態２で述べたインバータモジュール５０を３つ備える場合のモジュールの配置例および放熱方法について述べる。単一インバータモジュールでは３相分を１つのモジュールとして実装しているが、実施の形態１または実施の形態２では、インバータモジュールの数が３つとなることから単一インバータモジュールを用いる場合に比べ放熱フィン数が増加する。

図８は、放熱フィンを有する放熱部６０の配置例を示す図である。図８は、インバータモジュール５，６，７が基板６１に実装された状態を示している。なお、図８は、スルーホールにより実装される例を示しているが、面実装であってもよい。放熱部６０を３個のインバータモジュールに渡って設置する際に、インバータモジュールごとの高さに差があると、放熱部６０との間に隙間ができ、放熱効率が低下する。このため、図８に示すように、高さの差を吸収できるように突起部６２，６３，６４を設けておく。または、高さ合わせ用の補助部材６５を設けることで、３個のインバータモジュールの高さを揃えるようにしてもよい。図９は、補助部材６５の配置の一例を示す図である。補助部材６５を設ける場合、１モジュールあたり１個でもよいが、補助部材３個を数珠状に繋がるように構成しても何ら問題は無い。ただし、基板６１に実装されるほかの部品に干渉しないように、放熱フィンの高さより少し低い高さでインバータモジュール５，６，７と放熱部６０が接続する方が望ましい。なお、高さあわせの方法は、上記の例に限定されず、押圧部を設けて高さを揃える方法としてもよい。

また、図８に示すように、放熱フィンの長手方向が、インバータモジュールの並ぶ方向に対して直交し、かつ空気、水等の冷却媒体の流路の方向がインバータモジュールの並ぶ方向に対して直交するように配置されることが望ましい。これにより、温度ムラが低減され、パルス幅を増減させる量を低減させることができ、インバータモジュールに流すことができる電流量をさらに限界近くまで実現することができる。また、インバータモジュール間の温度差を低減することができる。また、空気、水といった冷却媒体の流路の方向がインバータモジュールの並ぶ方向と平行になる場合には、放熱フィンのピッチを、流路の上手側で広くし流路の下手側で狭くすることで、温度ムラを低減するようにしてもよい。

また、実施の形態１または実施の形態２で述べたように、相ごとに１つのインバータモジュールを用いると、並列構成はモジュール内部で実施することができ、並列化しても配線のインダクタンスが大きくならず、ノイズを抑制することができ、電圧サージを抑制することができる。

また、電圧サージを吸収するためのサージ吸収部であるコンデンサを設ける場合、コンデンサを、インバータモジュールごとに配置する。図１０、１１は、コンデンサの配置例を示す図である。図１０、１１のインバータモジュール５，６，７の端子３７は、空き端子であり、端子３０はＰ端子である。

図１０の例では、インバータモジュールあたりＰ側と各Ｎ端子間に３つコンデンサを設けている。また、コンデンサをインバータモジュール５，６，７および放熱部６０と干渉しない位置に配置している。すなわち、コンデンサ７０ａ，７０ｂ，７０ｃを、図示しない基板６１上の、インバータモジュール５と隣接し、かつ放熱部６０の基板６１への投影面外に配置する。また、同様に、コンデンサ７１ａ，７１ｂ，７１ｃを、図示しない基板６１上の、インバータモジュール６と隣接し、かつ放熱部６０の基板６１への投影面外に配置し、コンデンサ７２ａ，７２ｂ，７２ｃを、図示しない基板６１上の、インバータモジュール７と隣接し、かつ放熱部６０の基板６１への投影面外に配置する。

図１１の例では、Ｎライン側に接続された３つの電流検出用の抵抗の合成電位点と接続するようコンデンサを配置している。なお、抵抗４１〜４３は、図６に示した抵抗４１〜４３と同様である。抵抗４４〜４６，４７〜４９も、抵抗４１〜４３と同様に、インバータモジュール６，７における電流検出用の抵抗である。また、コンデンサをインバータモジュール５，６，７および放熱部６０と干渉しない位置に配置している。すなわち、コンデンサ７４を、図示しない基板６１上の、インバータモジュール５と隣接し、かつ放熱部６０の基板６１への投影面外に配置する。コンデンサ７５を、図示しない基板６１上の、インバータモジュール６と隣接し、かつ放熱部６０の基板６１への投影面外に配置する。コンデンサ７６を、図示しない基板６１上の、インバータモジュール７と隣接し、かつ放熱部６０の基板６１への投影面外に配置する。

図１１のように構成すると、電流検出抵抗が電圧サージの減衰抵抗として役立つので、サージ抑制にさらに有効となる。また、図示しないが図１０の構成で、Ｐ側端子から各コンデンサに戻る配線上に抵抗を挿入しても同様の効果を得ることができる。

また、実施の形態１で述べたように、Ｐ側に空端子がある場合、空端子をダミー端子として用い、ダミー端子を隣接する端子と接続してもよい。図１０、１１では、ダミー端子である端子３７をＰ端子である端子３０と接続している。このように接続すると、モジュールの分別が可能となるとともに、電流を２端子に分流させることにより端子での発熱を抑制することができる。

なお、図１０、１１では、基板６１上において、インバータモジュール５，６，７の端子が並ぶ方向と直交する方向に、インバータモジュール５，６，７を並べる例を示したが、インバータモジュール５，６，７の向きを図１０、１１の例と９０度回転させて、３つのインバータモジュール５，６，７の端子が一列に並ぶように実装してもよい。

実施の形態４．
図１２は、本発明の実施の形態４の空気調和機の構成例を示す図である。本実施の形態の空気調和機は、実施の形態１、２または３で述べた電動機駆動装置を備える。図１２では、実施の形態１の電動機駆動装置１００を備える例を示しているが、実施の形態１の電動機駆動装置１００の替わりに実施の形態２または３の電動機駆動装置を備えてもよい。本実施の形態の空気調和機は、実施の形態１のモータ８を内蔵した圧縮機８１、四方弁８２、室外熱交換器８３、膨張弁８４、室内熱交換器８５が冷媒配管８６を介して取り付けられた冷凍サイクルを有して、セパレート形空気調和機を構成している。

圧縮機８１内部には冷媒を圧縮する圧縮機構８７とこれを動作させるモータ８が設けられ、圧縮機８１から室外熱交換器８３と室内熱交換器８５間を冷媒が循環することで冷暖房などを行う冷凍サイクルが構成されている。なお、図１２に示した構成は、空気調和機だけでなく、冷蔵庫、冷凍庫等の冷凍サイクルを備える機器に適用可能である。

本実施の形態の空気調和機では、実施の形態１、２または３で述べた電動機駆動装置を備えているため、低価格で大電流化を実現することができる。

また、各相についてスイッチング素子を複数対有しているため、スイッチング素子が故障しても他のスイッチング素子を用いて運転の継続が可能である。スイッチング素子が故障している場合には、通常より低い能力で運転を継続してユーザへアラームを出す等の動作が可能となる。

以上の実施の形態に示した構成は、本発明の内容の一例を示すものであり、別の公知の技術と組み合わせることも可能であるし、本発明の要旨を逸脱しない範囲で、構成の一部を省略、変更することも可能である。

１ 交流電源、２ 整流器、３ リアクトル、４，７０ａ，７０ｂ，７０ｃ，７１ａ，７１ｂ，７１ｃ，７２ａ，７２ｂ，７２ｃ，７４，７５，７６ コンデンサ、５，６，７，５０ インバータモジュール、５ａ，５ｂ，５ｃ，５ｄ，５ｅ，５ｆ スイッチング素子、８ モータ、９ 制御部、１０ａ，１０ｂ 電流検出部、１１ 電圧検出部、２１，２２，２３ 導体、２４，２５ 駆動制御部、２６，２７，２８，２９ 温度計測部、３０〜３７ 端子、３８ 端子群、４１〜４９ 抵抗、６０ 放熱部、６１ 基板、６２〜６４ 突起部、６５ 補助部材、８１ 圧縮機、８２ 四方弁、８３ 室外熱交換器、８４ 膨張弁、８５ 室内熱交換器、８６ 冷媒配管、８７ 圧縮機構、１００ 電動機駆動装置、１０１ インバータ部。

Claims (17)

1. 電動機を駆動する電動機駆動装置であって、
   電動機の相数と同数のインバータモジュールと、
   前記インバータモジュールをＰＷＭ駆動するためのＰＷＭ信号を生成する制御部と、
   前記インバータモジュールごとに、前記制御部により生成されたＰＷＭ信号に基づいて、前記インバータモジュールのスイッチング素子対分の個別ＰＷＭ信号を生成し、前記インバータモジュールの温度を用いて前記個別ＰＷＭ信号のパルス幅を調整する駆動制御部と、
   を備え、
   前記インバータモジュールは、２つのスイッチング素子が直列に接続されたスイッチング素子対を複数備え、複数の前記スイッチング素子対は並列に接続される電動機駆動装置。
2. 前記インバータモジュール内の温度を前記インバータモジュールの温度として計測する温度計測部、
   を備える請求項１に記載の電動機駆動装置。
3. 前記温度計測部は、同一の前記インバータモジュール内の同一アームのスイッチング素子のうち少なくとも２つの温度と等価な温度を計測する請求項２に記載の電動機駆動装置。
4. 前記駆動制御部を前記インバータモジュール内に備える請求項３に記載の電動機駆動装置。
5. 前記駆動制御部を前記インバータモジュール外に備える請求項３に記載の電動機駆動装置。
6. 前記温度計測部は、前記インバータモジュールの下アームのスイッチング素子の温度と等価な温度を計測する請求項３、４または５に記載の電動機駆動装置。
7. 前記駆動制御部は、さらに前記インバータモジュールの下アームのスイッチング素子を流れる電流の計測値に基づいて個別ＰＷＭ信号のパルス幅を調整する請求項３から６のいずれか１つに記載の電動機駆動装置。
8. 前記インバータモジュールは、前記インバータモジュールと前記電動機の相数と同数のスイッチング素子対を備えるモジュールである単一モジュールとの判別が電気的な導通試験により可能なように構成される請求項１から７のいずれか１つに記載の電動機駆動装置。
9. 前記インバータモジュールは、前記単一モジュールが有する端子の数と同一数の端子を有し、前記端子のうちの空き端子を前記端子のうちの他の端子と接続する請求項８に記載の電動機駆動装置。
10. 放熱フィンを有する放熱部を備え、
    前記放熱部は、前記電動機の相数と同数の前記インバータモジュールと接続するための突起部を有する請求項１から９のいずれか１つに記載の電動機駆動装置。
11. 放熱フィンを有する放熱部と、
    前記放熱部と、前記電動機の相数と同数の前記インバータモジュールとを同一の高さで接続するための補助部材と、
    を備える請求項１から９のいずれか１つに記載の電動機駆動装置。
12. 前記放熱フィンにより放熱を行うための冷却媒体の流路は、前記インバータモジュールが並ぶ方向と直交する請求項１０または１１に記載の電動機駆動装置。
13. サージ吸収部を前記インバータモジュールごとに備える請求項１から１０のいずれか１つに記載の電動機駆動装置。
14. サージ吸収部を前記インバータモジュールごとに備え、
    前記サージ吸収部は、前記インバータモジュールが実装される基板において、前記インバータモジュールに隣接し、前記放熱部に干渉しない位置に配置される請求項１０、１１または１２に記載の電動機駆動装置。
15. 前記スイッチング素子は、ワイドバンドギャップ半導体によって形成されている請求項１から１４のいずれか１つに記載の電動機駆動装置。
16. 前記ワイドバンドギャップ半導体は、炭化珪素である請求項１５に記載の電動機駆動装置。
17. 請求項１から１６のいずれか１つに記載の電動機駆動装置と、
    前記電動機駆動装置により駆動される電動機を有する圧縮機と、
    を備える空気調和機。

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