JP7292401B2 - モータ駆動システムおよび空気調和機 - Google Patents

Description

この発明は、インバータが有するスイッチング素子を保護するモータ駆動システムおよび空気調和機に関するものである。

消費電力を抑制するモータ駆動システムとして、モータを無整流子電動機、つまり、ブラシレスＤＣ（Direct Current）モータとし、モータを駆動するモータ駆動部をインバータとするモータ駆動システムが知られている。無整流子電動機は、整流子が摩耗しないため、整流子電動機と比べて製品寿命が長い。また、無整流子電動機は、回転子に電流が流れないため、誘導電動機と比べて消費電力が小さい。このため、無整流子電動機は、消費電力を抑制することができるので、空気調和機をはじめとした幅広い製品に用いられている。

インバータが有するスイッチング素子の保護、インバータに接続されるモータの保護、およびインバータを接続する電源の保護を目的として、インバータには過電流を検知する過電流検知手段が備えられることが一般的である。

特許文献１は、インバータに大電流が流れたときにスイッチング素子を保護する保護手段と、大電流から電源を保護するための保護手段とを備えるモータ駆動システムを開示する。

インバータの保護の目的に応じて、モータ駆動システムには複数の過電流検知手段を設ける必要がある。インバータで発生する過電流のなかでも、インバータを構成するスイッチング素子が短絡することで発生する過電流は、大きな電流が短期間で流れる。このため、スイッチング素子が短絡することで過電流が発生した場合、最も迅速にインバータを停止させるべきである。また、複数の過電流検知手段を設ける場合は、この短絡への保護と、その他の電流からの保護を組み合わせるのがよいと考えられる。

特開２０１３－８１２８５号公報

従来の過電流からの保護においては、過電流検知手段を複数設けると、異常信号の出力線が複数必要となる。例えば、異常信号をスイッチング素子のゲート駆動信号生成回路に伝達する場合、複数の異常信号線を接続できない場合がある。また、異常信号をモータ駆動システムの制御部であるマイクロコンピュータに伝達する場合でも、マイクロコンピュータのポート数は限られるため、使用するポートを最小限に絞りたい場合がある。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、１つの異常信号出力線により、複数の過電流検知手段からの異常信号を伝達することができるモータ駆動システム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、本発明に係るモータ駆動システムは、モータを駆動させるインバータと、インバータに流れる電流の電流値である第１の信号を検出し、第１の信号を出力する電流検出部と、第１の信号からノイズ周波数成分を除去し、ノイズ周波数成分が除去された電流値である第２の信号を出力する第１の低域通過フィルタと、モータが有する永久磁石が減磁する電流値である減磁電流閾値と、第２の信号とを比較し、第２の信号が減磁電流閾値よりも大きい値をとる場合、インバータの短絡を検出するための閾値であって減磁電流閾値より大きな短絡閾値より大きな減磁保護信号を出力する減磁電流判定部と、第１の信号と減磁保護信号とを合わせた第３の信号を短絡閾値とを比較し、第３の信号が短絡閾値以上の値をとる場合、インバータを停止させる異常信号を出力する短絡判定部と、を備える。

本発明によれば、１つの異常信号出力線により、複数の過電流検知手段からの異常信号を伝達することができるモータ駆動システムを得ることができるという効果を奏する。

本発明の実施の形態１にかかるモータ駆動システムを示す第１の図 本発明の実施の形態１にかかる制御回路の構成例を示す図 本発明の実施の形態１にかかるスイッチング素子の短絡電流値と、モータの過電流値との関係を示す図 本発明の実施の形態１にかかるモータ駆動システムを示す第２の図 本発明の実施の形態１にかかるモータ駆動システムを示す第３の図 本発明の実施の形態２にかかるモータ駆動システムを示す図 本発明の実施の形態２にかかるインバータの短絡電流、モータの減磁電流、およびモジュール過電流の値の大小関係と、インバータを停止させるべき時間の関係を示す図 本発明の実施の形態２にかかる電流値が短絡閾値よりも大きくなった場合のインバータの電流値を示す図 本発明の実施の形態２にかかる電流値が減磁電流閾値よりも大きくなった場合のインバータの電流値を示す図 本発明の実施の形態２にかかる電流値が過電流閾値よりも大きくなった場合のインバータの電流値を示す図

以下に、本発明の実施の形態にかかるモータ駆動システム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にかかるモータ駆動システム１００を示す第１の図である。モータ駆動システム１００は、整流回路１と、インバータ２と、電流検出部３と、第１の低域通過フィルタ４と、減磁電流判定部５と、減磁電流閾値保持部６と、短絡判定部７と、短絡閾値保持部８と、を備える。

整流回路１は、ブリッジ接続される４つのダイオード１１～１４とコンデンサ１５とを有する。整流回路１は、ダイオード１１～１４とコンデンサ１５と用いて交流電源６０から出力される交流電圧を直流電圧に整流し、整流後の直流電圧をインバータ２に印加する。インバータ２は、６つのスイッチング素子２１～２６を備え、直流電圧を交流電圧に変換し、交流電圧をモータ３０に印加する。スイッチング素子２１～２６のそれぞれを区別せずに示すときはスイッチング素子２０と称する。

スイッチング素子２１～２６は、シリコン系材料により形成されたＭＯＳＦＥＴ（Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor）として例示するが、スイッチング素子２１～２６は、ＭＯＳＦＥＴに限定されず、炭化珪素（ＳｉＣ）、窒化ガリウム（ＧａＮ）、酸化ガリウム（Ｇａ２Ｏ３）または、ダイヤモンドといったワイドバンドギャップ（Wide Band Gap：ＷＢＧ）半導体により形成されたＭＯＳＦＥＴでもよい。一般的にワイドバンドギャップ半導体は、シリコン半導体に比べて耐電圧および耐熱性が高い。このため、スイッチング素子２１～２６のうちの少なくとも１つにワイドバンドギャップ半導体を用いることにより、スイッチング素子の耐電圧性及び許容電流密度が高くなり、スイッチング素子を組み込んだ半導体モジュールを小型化することができる。

電流検出部３は、インバータ２と接続し、インバータ２に流れる電流値を検出する。また、電流検出部３は、検出した電流値の情報を、第１の低域通過フィルタ４を介して減磁電流判定部５に出力する。また、電流検出部３は、電流値の情報を、ダイオード１６を介して短絡判定部７に出力する。

第１の低域通過フィルタ４は、電流値の情報からノイズ周波数成分を除去し、ノイズ周波数成分を除去後の電流値の情報を減磁電流判定部５に出力する。減磁電流判定部５は、減磁電流閾値と電流値の情報とを用いて、電流値の情報が減磁電流閾値よりも大きい値である場合、減磁保護信号を、ダイオード１７を介して、短絡判定部７に出力する。減磁電流閾値保持部６は、減磁電流閾値を保持する。減磁電流閾値とは、モータ３０が有する永久磁石が減磁してしまうときの、モータ３０に流れる電流値である。

短絡判定部７は、電流値の情報と短絡閾値とを用いて、電流値の情報が短絡閾値以上である場合、図示しない駆動信号生成部、またはモータ駆動システム１００を制御する図示しない制御部に異常信号を出力する。異常信号とは、インバータ２が有するスイッチング素子２１～２６の動作を制御する信号であり、短絡判定部７が異常信号を出力することで、モータ駆動システム１００の異常時にインバータ２の動作を停止させることができる。短絡閾値保持部８は、短絡閾値を保持する。短絡閾値とは、インバータ２が短絡したときに流れる電流の電流値以下の値である。

本発明の実施の形態にかかる電流検出部３、減磁電流判定部５、減磁電流閾値保持部６、短絡判定部７、および短絡閾値保持部８のハードウェア構成について説明する。減磁電流判定部５、および短絡判定部７は、抵抗器、コンデンサ、ダイオード、コンパレータまたはこれらの組み合わせによって実現される。短絡閾値保持部８および減磁電流閾値保持部６は、各処理を行う電子回路である処理回路により実現される。

本発明の実施の形態にかかる処理回路は、専用のハードウェアであっても、メモリおよびメモリに格納されるプログラムを実行するＣＰＵ（Central Processing Unit、中央演算装置）を備える制御回路であってもよい。ここでメモリとは、例えば、ＲＡＭ（Random Access Memory）、ＲＯＭ（Read Only Memory）、フラッシュメモリなどの、不揮発性または揮発性の半導体メモリなどが該当する。図２は、本発明の実施の形態１にかかる制御回路５００の構成例を示す図である。処理回路が、専用のハードウェアである場合、処理回路は、例えば、ＡＳＩＣ（Application Specific Integrated Circuit）、ＦＰＧＡ（Field Programmable Gate Array）、またはこれらを組み合わせたものである。

図２に示すように、制御回路５００は、ＣＰＵであるプロセッサ５００ａと、メモリ５００ｂとを備える。図２に示す制御回路５００により減磁電流判定部５、減磁電流閾値保持部６、短絡判定部７、および短絡閾値保持部８が実現される場合、プロセッサ５００ａがメモリ５００ｂに記憶された、各処理に対応するプログラムを読みだして実行することにより実現される。また、メモリ５００ｂは、プロセッサ５００ａが実施する各処理における一時メモリとしても使用される。なお、減磁電流判定部５、および短絡判定部７は制御回路５００によって実現されてもよい。電流検出部３は、例えば電流センサである。

短絡判定の動作について説明する。スイッチング素子２１～２６のいずれかが短絡したとき、例えば、スイッチング素子２１とスイッチング素子２２が誤動作により両方同時にオンの状態となったとき、整流回路１が印加する直流電圧が短絡することになる。このため、インバータ２に流れる電流は高速で増加していく。短絡判定部７に電流値の情報を伝送する経路は、第１の低域通過フィルタ４を経由する経路と、逆流防止のダイオード１６を経由する経路と、の２つの経路がある。第１の低域通過フィルタ４を経由する経路では、第１の低域通過フィルタ４による遅延が発生する。このため、短絡判定部７は、遅延が発生しないダイオード１６を経由する経路から受け取る電流の情報を基に短絡判定を行う。

短絡判定部７は、電流値の情報と短絡閾値とを比較し、電流値の情報が短絡閾値以上である場合、異常信号を駆動信号生成部または制御部に出力することで、インバータ２のスイッチング素子２１～２６を全てオフの状態にし、インバータ２の動作を急停止させる。なお、短絡閾値は、スイッチング素子が故障しないことが保証されている範囲内、いわゆる短絡ＳＯＡ（Safe Operating Area）の範囲内の値に設けられる。この動作により、意図せぬ短絡が発生したときにスイッチング素子２０が破壊されることを防ぐことができる。

次に、減磁電流判定部５の動作を説明する。モータ３０はインダクタンスを有するため、モータ３０に流れる電流の増加速度は、スイッチング素子２１～２６の短絡時に流れる電流の増加速度よりも遅い。したがって、電流検出部３が出力する電流値の情報を第１の低域通過フィルタ４に通過させることで、電流値の情報のノイズによる誤検出を抑制する。

図３は、本発明の実施の形態１にかかるスイッチング素子２０の短絡電流値と、モータ３０の過電流値との関係を示す図である。図３において、縦軸は電流値、横軸は時間を示す。図３が示すように、スイッチング素子２０が短絡することで発生するインバータ短絡電流のほうが、モータ３０に流れるモータ過電流の電流値よりも増加する速度が速いことがわかる。また、短絡閾値のほうが減磁電流閾値よりも大きいことがわかる。

第１の低域通過フィルタ４を通過した電流値の情報が、減磁電流閾値より大きい場合、減磁電流判定部５は、減磁保護信号を、ダイオード１７を経由して短絡判定部７に出力する。ここで、減磁保護信号は、短絡閾値よりも大きい値として出力されて、短絡判定部７に入力される。このため、短絡判定部７は、異常信号を出力し、インバータ２が有するスイッチング素子２１～２６を全てオフの状態にし、インバータ２の動作を急停止させる。なお、減磁電流閾値は、モータ３０の減磁電流値以下に設定される。この動作により、モータ３０が有する永久磁石を意図せぬ減磁から守ることができる。

図４は、本発明の実施の形態１にかかるモータ駆動システム１００ａを示す第２の図である。モータ駆動システム１００ａでは、減磁電流判定部５と、減磁電流閾値保持部６と、短絡判定部７と、短絡閾値保持部８とが、インバータ２を備えるインバータモジュール４０に備えられる。また、減磁電流判定部５は、減磁保護信号を短絡判定部７に出力するのではなく、駆動信号生成部４１に異常信号を出力する。図５は、本発明の実施の形態１にかかるモータ駆動システム１００ｂを示す第３の図である。モータ駆動システム１００ｂでは、短絡判定部７と、短絡閾値保持部８とがインバータモジュール４０に備えられる。このように、実施の形態１では、図４、図５に示されるように、短絡判定部７、減磁電流判定部５の両方、もしくはどちらか一方が、インバータモジュール４０に備えられてもよい。なお、図４および図５では、短絡判定部７は、駆動信号生成部４１に異常信号を出力する構成としている。駆動信号生成部４１は、制御部４２の制御によって駆動信号を生成する。

以上説明したように、本発明の実施の形態１では、モータ駆動システム１００は、モータ３０を駆動させるインバータ２と、インバータ２に流れる電流の電流値である第１の信号を検出し、第１の信号を出力する電流検出部３と、第１の信号からノイズ周波数成分を除去し、ノイズ周波数成分が除去された電流値である第２の信号を出力する第１の低域通過フィルタ４と、モータ３０が有する永久磁石が減磁する電流値である減磁電流閾値と、第２の信号とを比較し、第２の信号が減磁電流閾値よりも大きい値をとる場合、減磁保護信号を出力する減磁電流判定部５と、第１の信号と減磁保護信号とを合わせた第３の信号をインバータが短絡したときに流れる電流の電流値以下である短絡閾値とを比較し、第３の信号が短絡閾値以上の値をとる場合、インバータ２を停止させる異常信号を出力する短絡判定部７と、を備える。このため、モータ駆動システム１００は、短絡発生時のスイッチング素子２０の保護と、モータ３０を減磁から保護することを、１つの異常信号を出力することで実現することができる。

実施の形態２．
実施の形態１では、モータ駆動システム１００を短絡電流および減磁電流から保護していたが、実施の形態２では、これらに加えて、モータ駆動システム１００ｃは、インバータ２を備えるインバータモジュールを過電流から保護する。なお、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て、重複する説明を省略する。

図６は、本発明の実施の形態２にかかるモータ駆動システム１００ｃを示す図である。モータ駆動システム１００ｃは実施の形態１の構成に加えて、第２の低域通過フィルタ３１、モジュール過電流判定部３２、およびモジュール過電流閾値保持部３３を備える。モジュール過電流判定部３２は、電流値の情報と、モジュール過電流閾値とを用いて、電流値の情報がモジュール過電流閾値よりも大きい場合、インバータモジュールに過電流が流れていると判定し、ダイオード１８を経由して過電流信号を短絡判定部７に出力する。モジュール過電流閾値とは、インバータモジュール４０に過電流が流れていると判定するための電流値である。モジュール過電流閾値保持部３３は、モジュール過電流閾値を保持する。第２の低域通過フィルタ３１は、モジュール過電流判定部３２の前段に接続される。また、第２の低域通過フィルタ３１の時定数は、第１の低域通過フィルタ４の時定数より大きい。

モジュール過電流判定部３２の動作について説明する。インバータモジュールには、動作が保証される電流の上限値である定格電流値が定められており、基本的にはこの定格電流値以下の電流をインバータモジュールに流す必要がある。ただし、瞬時的には定格電流値を超えてもインバータモジュールは持ちこたえることができる。このため、インバータモジュールの定格電流値は、減磁電流値より小さい。電流が急上昇して減磁電流値まで達するとき、モジュールの定格電流を超過する期間が発生するが、この期間が短ければ、インバータモジュールとしては持ちこたえることができる。しかし、モジュールの定格電流を超過する期間が、あらかじめ定められた期間よりも長くなる場合は、インバータ２の通電を停止させる必要がある。

図７は、本発明の実施の形態２にかかるインバータ２の短絡電流、モータ３０の減磁電流、およびモジュール過電流の値の大小関係と、インバータ２を停止させるべき時間の関係を示す図である。図７が示すように、モジュール過電流のほうが、モータ過電流の電流値よりも増加する速度が遅いことがわかる。また、過電流閾値のほうが減磁電流閾値よりも小さいことがわかる。

図８は、本発明の実施の形態２にかかる電流値が短絡閾値よりも大きくなった場合のインバータ２の電流値を示す図である。図９は、本発明の実施の形態２にかかる電流値が減磁電流閾値よりも大きくなった場合のインバータ２の電流値を示す図である。図１０は、本発明の実施の形態２にかかる電流値が過電流閾値よりも大きくなった場合のインバータ２の電流値を示す図である。図８～１０は、それぞれ縦軸を電流値、横軸を時間として示す。図８に示すように、短絡した場合は、インバータ２の電流値は急激に増加し、早期に短絡閾値と同じ値になる。図９に示すように、電流値が減磁電流閾値を超える場合、インバータ２の電流値は、短絡した場合よりも緩慢に増加しながら、減磁電流閾値を超過する。図１０に示すように、電流値が過電流閾値を超える場合、インバータ２の電流値は、緩慢に増加しながら過電流閾値を超過する。

第２の低域通過フィルタ３１について説明する。第２の低域通過フィルタ３１の時定数は、第１の低域通過フィルタ４の時定数よりも長い。こうすることで、モジュール過電流判定部３２は、インバータ２に流れる電流が短時間、モジュール過電流閾値を超過する場合には、異常信号を出力しないが、モジュール過電流閾値を超過する時間が長くなった場合は、短絡判定部７は異常信号を出力する。

モジュール過電流判定部３２が出力する過電流信号は、短絡判定部７の閾値よりも大きいため、過電流信号の入力があると短絡判定部７は異常信号を出力し、インバータ２のスイッチング素子２０を全てオフの状態にし、動作を急停止させる。短絡保護および減磁保護に加えて、モジュールを過電流から保護することができる。

以上説明したように、本発明の実施の形態２にかかるモータ駆動システム１００ｃは、モータ駆動システム１００の構成に加えて、第１の信号からノイズ周波数成分を除去し、ノイズ周波数成分が除去された電流値である第４の信号を出力する第１の低域通過フィルタ４よりも時定数が長い第２の低域通過フィルタ３１と、第４の信号と、インバータ２を備えるインバータモジュール４０の動作が保証される電流の上限値であるモジュール過電流閾値とを比較し、第４の信号がモジュール過電流閾値よりも大きい値をとる場合、過電流信号を出力するモジュール過電流判定部３２と、を備え、短絡判定部７は、過電流信号を用いてインバータ２を停止させる異常信号を出力する。

なお、実施の形態１および２において、モジュール過電流判定部３２、減磁電流判定部５、および短絡判定部７は、電子基板上に回路として構成してもよい。また、モジュール過電流判定部３２、減磁電流判定部５、および短絡判定部７、もしくはこれらのうち少なくとも１つの判定部を、制御部４２であるマイクロコンピュータ内、またはインバータモジュール４０内に構成してもよい。モジュール過電流判定部３２、減磁電流判定部５、および短絡判定部７、もしくはこれらのうち少なくとも１つの判定部を、インバータモジュール４０内に構成することで、回路面積を削除することができる。また、モジュール過電流判定部３２、減磁電流判定部５、および短絡判定部７、もしくはこれらのうち少なくとも１つの判定部を、インバータモジュール４０内に構成することで、インバータモジュール４０の外部からのノイズの影響を抑制することができ、耐ノイズ性を向上させることができる。

実施の形態１および２において、インバータ２に接続されるモータ３０は空気調和機の圧縮機あるいはファンを動作させるものであってもよい。

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 整流回路、２ インバータ、３ 電流検出部、４ 第１の低域通過フィルタ、５ 減磁電流判定部、６ 減磁電流閾値保持部、７ 短絡判定部、８ 短絡閾値保持部、１１～１４，１６～１８ ダイオード、１５ コンデンサ、２０～２６ スイッチング素子、３０ モータ、３１ 第２の低域通過フィルタ、３２ モジュール過電流判定部、３３ モジュール過電流閾値保持部、４０ インバータモジュール、４１ 駆動信号生成部、４２ 制御部、６０ 交流電源、１００，１００ａ，１００ｂ，１００ｃ モータ駆動システム、５００ 制御回路、５００ａ プロセッサ、５００ｂ メモリ。

Claims (10)

1. モータを駆動させるインバータと、
   前記インバータに流れる電流の電流値である第１の信号を検出し、前記第１の信号を出力する電流検出部と、
   前記第１の信号からノイズ周波数成分を除去し、前記ノイズ周波数成分が除去された電流値である第２の信号を出力する第１の低域通過フィルタと、
   前記モータが有する永久磁石が減磁する電流値である減磁電流閾値と、前記第２の信号とを比較し、前記第２の信号が前記減磁電流閾値よりも大きい値をとる場合、前記インバータの短絡を検出するための閾値であって前記減磁電流閾値より大きな短絡閾値より大きな減磁保護信号を出力する減磁電流判定部と、
   前記第１の信号と前記減磁保護信号とを合わせた第３の信号を前記短絡閾値とを比較し、前記第３の信号が前記短絡閾値以上の値をとる場合、前記インバータを停止させる異常信号を出力する短絡判定部と、
   を備えるモータ駆動システム。
2. 前記減磁保護信号がアノードに入力される第１のダイオードと、前記第１の信号がアノードに入力される第２のダイオードとを更に備え、前記第３の信号は、前記第１のダイオードのカソードの出力と前記第２のダイオードのカソードの出力とを合わせた信号であることを特徴とする請求項１に記載のモータ駆動システム。
3. 前記第１の信号からノイズ周波数成分を除去し、前記ノイズ周波数成分が除去された電流値である第４の信号を出力する前記第１の低域通過フィルタよりも時定数が長い第２の低域通過フィルタと、
   前記第４の信号と、前記インバータを備えるインバータモジュールの動作が保証される電流の上限値であって前記減磁電流閾値より小さなモジュール過電流閾値とを比較し、前記第４の信号がモジュール過電流閾値よりも大きい値をとる場合、前記短絡閾値より大きな過電流信号を出力するモジュール過電流判定部と、
   を備え、
   前記短絡判定部は、
   前記第３の信号と前記過電流信号とを合わせた第５の信号を用いて前記異常信号を出力する請求項２に記載のモータ駆動システム。
4. 前記過電流信号がアノードに入力される第３のダイオードを更に備え、前記第５の信号は、第１のダイオードのカソードの出力と前記第２のダイオードのカソードの出力と前記第３のダイオードのカソードの出力とを合わせた信号であることを特徴とする請求項３に記載のモータ駆動システム。
5. 前記モータ駆動システムは、
   前記インバータが備える複数のスイッチング素子を制御する駆動信号を生成する駆動信号生成部を備え、
   前記駆動信号生成部は、前記異常信号が入力されると前記インバータの動作を停止させる請求項１から４のいずれか１つに記載のモータ駆動システム。
6. 前記モータ駆動システムは、
   前記駆動信号生成部を制御する制御部を備え、
   前記制御部は、前記異常信号が入力されると前記インバータの動作を停止させる請求項５に記載のモータ駆動システム。
7. 前記減磁電流判定部は、
   前記インバータのインバータモジュールに備えられる請求項１から６のいずれか１つに記載のモータ駆動システム。
8. 前記短絡判定部は、
   前記インバータのインバータモジュールに備えられる請求項１から７のいずれか１つに記載のモータ駆動システム。
9. 前記インバータが備える複数のスイッチング素子は、
   ワイドバンドギャップ半導体である請求項１から８のいずれか１つに記載のモータ駆動システム。
10. 請求項１から９のいずれか１つに記載のモータ駆動システムを備える空気調和機。

Images