JP6469251B2 - インバータ装置および空気調和機 - Google Patents

Description

本発明は、交流電源からの印加電圧（以下、適宜「電源電圧」と称する）を整流した直流電圧を任意の電圧に変換するインバータ装置および当該インバータ装置を備えた空気調和機に関する。

従来のインバータ装置は、負荷電流の容量を上げるために、スイッチング素子を並列に接続して使用している（例えば、下記特許文献１参照）。

特開２０１３−０３８８２８号公報（第１図）

上記特許文献１に示されるインバータ装置（以下「従来のインバータ装置」と称する）は、スイッチング素子のゲート回路の不動作やスイッチング素子のオープン故障を、スイッチング素子の温度差により判定しているため、各スイッチング素子近傍に絶縁された温度検出素子が必要であり、また、温度の時間追従性が遅く、故障をすぐに検出できないという問題点があった。

また、従来のインバータ装置は、故障と判定したときは機器を停止するため、機器の修理、または部品の交換が完了するまで、使用者が機器を使用できないという問題点があった。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、故障と判定されても機器を停止することなく運転することができ、また、運転中に機器の故障を外部に通知して、部品の交換を促すことができるインバータ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、本発明に係るインバータ装置は、単相または三相の交流電源からの電源電圧を直流電圧に変換する第１の変換回路、第１の変換回路からの直流電圧を交流電圧に変換する第２の変換回路および第２の変換回路を制御する制御回路を備える。第２の変換回路は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回路を複数組有する。複数組のスイッチング回路は、並列に接続されて構成され、かつスイッチング素子のそれぞれには、それぞれのスイッチング素子に直列に接続される電流検出回路が設けられる。電流検出回路に電流が流れなくなることを検出することで、当該電流検出回路に直列に接続される個々のスイッチング素子のオープン故障が検出され、オープン故障したスイッチング素子数によって運転電流の制限が行われる。

本発明によれば、故障と判定されても機器を停止することなく運転することができ、また、運転中に機器の故障を外部に通知して部品の交換を促すことができる、という効果を奏する。

実施の形態１におけるインバータ装置の構成例を示す回路図 実施の形態１におけるインバータ装置の１アーム分の構成を示す部分回路図 実施の形態１に係るインバータ装置の適用例として示される空気調和機における室外ユニットの概略図

以下に添付図面を参照し、本発明の実施の形態に係るインバータ装置および空気調和機について説明する。なお、以下に示す実施の形態により本発明が限定されるものではない。

実施の形態１．
図１は、実施の形態１におけるインバータ装置の構成例を示す回路図である。図１に示すように、実施の形態１のインバータ装置１００は、交流電源１から印加される交流電圧を直流電圧に変換する整流器２と、力率を改善するリアクトル３と、整流器２が変換した直流電圧を平滑する平滑回路としてのコンデンサ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、直流電圧を３相交流電圧に変換して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回路９と、電流検出回路２１〜３８と、を備える。インバータ部１０１とモータ８との間には、モータ電流を計測する電流計測器１０ａ、１０ｂが設けられている。これらの構成部のうち、整流器２は、交流電源からの印加される交流電圧すなわち電源電圧を直流電圧に変換する第１の変換回路を構成し、インバータ部１０１は、第１の変換回路からの直流電圧を交流電圧に変換する第２の変換回路を構成する。なお、図１では、交流電源１として三相電源を例示しているが、単相電源であってもよい。

実施の形態１のインバータ装置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６つのスイッチング素子５ａ，５ｂ，５ｃ，５ｄ，５ｅ，５ｆを備える。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。

上アームのスイッチング素子５ａと下アームのスイッチング素子５ｂとは直列に接続され、スイッチング素子５ａ，５ｂ、すなわち直列接続されたスイッチング素子対は１組のスイッチング回路を構成する。スイッチング素子５ｃ，５ｄおよびスイッチング素子５ｅ，５ｆについても同様である。なお、図１では２つのスイッチング素子が直列接続される構成を開示しているが、２つ以上のスイッチング素子が直列接続される構成であってもよい。

１組のスイッチング回路は並列に接続されてインバータ部１０１を構成する。図１では、スイッチング素子５ａ，５ｂによるスイッチング回路、スイッチング素子５ｃ，５ｄによるスイッチング回路およびスイッチング素子５ｅ，５ｆによるスイッチング回路が並列に接続されて構成されている。

なお、図１では、モータ８として三相モータを例示しているが単相モータであってもよい。モータ８が単相モータの場合、インバータ部１０１を構成するインバータモジュールは２つでよい。

実施の形態１では、スイッチング素子５ａ，５ｂ，５ｃ，５ｄ，５ｅ，５ｆのそれぞれの電流容量が小さい場合でも、図１のように、相ごと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内の符号を省略している。

電流検出回路２１，２２，２３は、インバータモジュール５の下アームのスイッチング素子５ｂ，５ｄ，５ｆを流れる電流を検出し、電流検出回路２４，２５，２６は、インバータモジュール６の下アームのスイッチング素子５ｂ，５ｄ，５ｆを流れる電流を検出し、電流検出回路２７，２８，２９は、インバータモジュール７の下アームのスイッチング素子５ｂ，５ｄ，５ｆを流れる電流を検出する。電流検出回路３０，３１，３２は、インバータモジュール５の上アームのスイッチング素子５ａ，５ｃ，５ｅを流れる電流を検出し、電流検出回路３３，３４，３５は、インバータモジュール６の上アームのスイッチング素子５ａ，５ｃ，５ｅを流れる電流を検出し、電流検出回路３６，３７，３８は、インバータモジュール７の上アームのスイッチング素子５ａ，５ｃ，５ｅを流れる電流を検出する。

制御回路９は、電圧検出部１１により検出された電圧と電流検出回路１０ａ，１０ｂにより計測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、オンすなわち閉を示すＨｉｇｈと、オフすなわち開を示すＬｏｗとのいずれかの値をとり、オンとオフとが繰り返され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。制御回路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。

スイッチング素子としては、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ま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、比較例で示した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。

実際のスイッチング素子には性能バラツキがあるため、並列回路で構成した場合に性能バラツキによる電流アンバランスが起こる。よって通常はスイッチング素子の性能バラツキを加味したうえで、各スイッチング素子に流れる電流が各スイッチング素子の電流容量Ａｍを超えないように、並列に構成するスイッチング素子の数を調整する。例えば、３０［Ａ］の電流容量のインバータ装置を構成するのに、電流容量１５［Ａ］のスイッチング素子でインバータ装置を構成する場合、並列数を“２”ではなく“３”にするなどして、インバータモジュールの電流容量を増やすことにより電流アンバランスによるスイッチング素子１個あたりの電流定格を超えないようにする。

しかしながら並列回路に構成されているスイッチング素子のいずれか１つがオープン故障した場合には、当該並列回路の他のスイッチング素子で電流定格を超えて運転し続けるといった現象が起こる。スイッチング素子の故障としては、チップが熱破壊などでショートとなる場合と、スイッチング素子のチップ、チップ接続する回路、スイッチング素子を駆動する回路が経年劣化で故障するなどして機能上オープンになる場合と、がある。

並列回路の１つのスイッチング素子がショート故障の場合は、インバータ装置への過電流により容易に検出できるが、並列回路の１つのスイッチング素子がオープン故障の場合はインバータ装置全体では、特に機能上の問題は生じないため、個別にスイッチング素子のチップのオープンを検出する必要がある。

一方、並列回路の１つのスイッチング素子がオープン故障になった場合、インバータ装置の負荷電流が大きいときにスイッチング素子に流れる電流が電流定格をオーバーして運転し続ける問題を除けば、インバータの機能（例えばモータを運転する機能）としては損なわれているわけではない。特に空気調和機などのモータにインバータ装置を適用する場合、温度調節したい空間の温度が目標温度に近づけば定格よりも小さい負荷で運転し続けるため、全体のうちの定格付近で運転する時間は短く、定格よりも小さい負荷で運転しつづける時間が長い。そのため目標温度に到達する時間は長くなるものの、小さい負荷で運転し続けることのほうが機器を停止するよりも使用者にとって快適性が損なわれず、メリットが大きい。

図２は、実施の形態１におけるインバータ装置の１アーム分の構成を示す部分回路図であり、図２ではＵ相下アームを構成するスイッチング素子５ｂ，５ｄ，５ｆを抜粋して示している。いま、図１に示した制御回路９よりＵ相下アームのスイッチング素子５ｂ，５ｄ，５ｆへオン信号が入力され、スイッチング素子５ｂ，５ｄ，５ｆが同時にオンしている状態となる。このとき、スイッチング素子５ｂ，５ｄ，５ｆに流れる電流を、それぞれＩ１，Ｉ２，Ｉ３とする。なお、これらの電流Ｉ１，Ｉ２，Ｉ３には、各スイッチング素子の特性差によりバラツキがあるが、ほぼ同じ電流が流れていると考えてよい。

ここで、１つのスイッチング素子がオープン故障となり、電流を流すことができなくなったとする。このとき、電流を流せるスイッチング素子は２つになるため、今まで３分流していた電流が２分流となり、１つあたりのスイッチング素子に流れる電流が増えるため、モータの運転状態によっては電流定格を超過する懸念が生じる。

例えば、各スイッチング素子５ｂ，５ｄ，５ｆに電流定格が１５［Ａ］の素子を用いていて、モータ８に流れる電流である負荷電流が３３［Ａ］で運転していたとする。このとき、１つのスイッチング素子あたりに流れる電流は約１１（＝３３／３）［Ａ］である。１つのスイッチング素子が故障すると、１つのスイッチング素子あたりに流れる電流は約１６．５（＝３３／２）［Ａ］に増え、電流定格１５［Ａ］に対して定格を超える電流が定常的に流れることになる。

次に、実施の形態１におけるインバータ装置１００の要部動作について、図１および図２の図面を参照して説明する。

まず、上記のように構成されたインバータ装置１００において、図２に示す３並列のスイッチング素子５ｂ，５ｄ，５ｆのうち、いずれか１つ（例えば５ｆ）がオープン故障したとする。するとスイッチング素子５ｆと電流検出回路２３には電流Ｉ３が流れなくなる。演算部１２は、電流検出回路２３からの電流信号がなくなることを検知すると、Ｕ相下アームを構成する３つのスイッチング素子が２つのスイッチング素子（本例であればスイッチング素子５ｂ，５ｄ）で動作していることを把握し、制御回路９に制限信号を送出する。制御回路９は、制限信号を受けると、１つのスイッチング素子に当該素子の定格電流以上の電流が流れないように、モータ８に流す電流（以下、適宜「モータ運転電流」もしくは単に「運転電流」と称する）に制限をかける。

例えば前述のスイッチング素子に電流定格が１５Ａの素子を使用していた場合は、モータ運転電流の最大値（以下、適宜「モータ最大運転電流」と称する）が３０［Ａ］を超えないようにモータ運転電流に制限をかける。このとき、スイッチング素子の性能バラツキを鑑みてマージンを設定し、モータ運転電流が３０［Ａ］以下の第１の電流値（例えば２６［Ａ］程度）を超えないように、あるいは第１の電流値以下となるようにモータ運転電流に制限をかけてもよい。

制御回路９は、モータ運転電流に制限をかけると共に、表示部１３（図１参照）に信号を送信する。表示部１３は信号を受信すると、使用者にインバータ装置１００の交換を促すサインを表示する。なお、交換を促すサインは、表示部１３に設けられたＬＥＤを点滅させるような手法でもよいし、液晶パネルへの文字表示でもよい。すなわち、使用者にインバータ装置１００の交換が必要であることを示せる手段もしくは手法（以下、総称して「仕組み」と称する）であれば、どのような仕組みを用いてもよい。

また、表示部１３の代わりに、音を発生する装置でもよく、使用者が装置の電源をオンさせたり、動作を開始したりするなど装置へ近づいて操作する際に、エラー音を出して知らせる仕組みでもよい。

以上説明したように、実施の形態１に係るインバータ装置によれば、複数組のスイッチング回路が並列に接続され、スイッチング素子のそれぞれには電流検出回路が設けられ、電流検出回路の検出結果を用いてスイッチング素子のオープン故障を検出して外部に通知するように構成されているので、故障したスイッチング素子数によって運転電流を制限することができ、インバータ装置を停止することなく、スイッチング素子の故障を使用者に通知することが可能となる。

また、実施の形態１に係るインバータ装置によれば、使用者は、インバータ装置の異常を把握した上で当該インバータ装置の使用を継続できるので、インバータ装置による電力変換機能を喪失する事態を回避することができ、また、部品交換または修理のための時間を確保することが可能となる。

なお、実施の形態１では、１アームのスイッチング素子、すなわち１組のスイッチング回路の並列数を３で説明したが、並列数は２や４以上で構成してもよい。ただし、汎用のモータ駆動用のインバータモジュールの多くは３相であり、並列数３であればそのモジュールを３個並列接続することにより、スイッチング素子３並列の３相モータ用インバータ装置が汎用品で容易に構成できるという利点がある。したがって、１アームのスイッチング素子の並列数が３であるインバータ装置の場合、コストの面および調達性の面で大きなメリットがある。

実施の形態２．
図３は、実施の形態１に係るインバータ装置１００の適用例として示される空気調和機における室外ユニット４０の概略図である。図３において、室外ユニット４０の内部には、図示を省略した熱交換器に対向して配置されるファン４１と、実施の形態１に係るインバータ装置１００の駆動対象である圧縮機４２と、実施の形態１に係るインバータ装置１００の機能を有するように構成されたインバータ装置４３とが図示されている。インバータ装置４３は、室外ユニット４０内に取り付けられ、圧縮機４２に設けられている図示しないモータを制御するように電気配線が施されて構成される。なお、インバータ装置１００の駆動対象は、圧縮機４２のモータだけでなく、図示しない送風用ファンを駆動するモータであってもよいし、また、室内ユニットに設けられる送風用ファンを回転駆動するモータであってもよい。

したがって、実施の形態２に係る空気調和機によれば、空気調和機に搭載されているインバータ装置が故障し、もしくは劣化した場合でも、空気調和機の運転を継続できるので、使用者の快適性を損なうような事態を回避することが可能となる。

また、実施の形態２に係る空気調和機によれば、使用者が空気調和機に搭載されているインバータ装置の故障または劣化を把握することができるので、部品交換または修理のための時間的猶予を使用者に付与することが可能となる。

また、実施の形態２によれば、汎用的な三相モータ用のインバータモジュールを使用できるので、高性能な空気調和機をより安価に構成することが可能となる。

なお、以上の実施の形態に示した構成は、本発明の構成の一例であり、別の公知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、一部を省略する等、変更して構成することも可能であることは言うまでもない。

１ 交流電源、２ 整流器（第１の変換回路）、３ リアクトル、４ コンデンサ、５〜７ インバータモジュール、５ａ〜５ｆ スイッチング素子、８ モータ、９ 制御回路、１０ａ，１０ｂ 電流計測器、１１ 電圧検出部、１２ 演算部、１３ 表示部、２１〜３８ 電流検出回路、４０ 室外ユニット、４１ ファン、４２ 圧縮機、４３，１００ インバータ装置、１０１ インバータ部（第２の変換回路）。

Claims (6)

1. 単相または三相の交流電源からの電源電圧を直流電圧に変換する第１の変換回路と、前記第１の変換回路からの直流電圧を交流電圧に変換する第２の変換回路と、前記第２の変換回路を制御する制御回路とを備えたインバータ装置において、
   前記第２の変換回路は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回路を複数組有し、
   複数組の前記スイッチング回路は並列に接続されて構成され、かつ前記スイッチング素子のそれぞれには、それぞれのスイッチング素子に直列に接続される電流検出回路が設けられ、
   前記電流検出回路に電流が流れなくなることを検出することで、当該電流検出回路に直列に接続される個々の前記スイッチング素子のオープン故障を検出し、オープン故障したスイッチング素子数によって運転電流を制限することを特徴とするインバータ装置。
2. オープン故障した前記スイッチング素子の情報を外部に通知す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. 前記スイッチング素子は、ワイドバンドギャップ半導体を用いて形成されたスイッチング素子であることを特徴とする請求項１または２に記載のインバータ装置。
4. 複数の前記スイッチング素子は前記交流電圧に対応する相毎にモジュール化されてインバータモジュールを構成していることを特徴とする請求項１から３の何れか１項に記載のインバータ装置。
5. 前記インバータモジュールは、三相モータ用のインバータモジュールであることを特徴とする請求項４に記載のインバータ装置。
6. 請求項１から５の何れか１項に記載のインバータ装置が搭載される空気調和機であって、
   前記インバータ装置は、前記空気調和機に搭載される送風用ファンのモータ、または圧縮機用のモータを回転駆動させる
   ことを特徴とする空気調和機。

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