CN104901576B - 逆变器装置以及空调机 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种逆变器装置以及空调机，该逆变器装置能与负载电流的大小相适应地使发生噪声与开关损失的折衷选择最佳。该逆变器装置具备：将交流电源变换为直流的整流电路；与整流电路的后级连接的平滑化部；经由改善交流电源的功率因数的电抗器而使交流电源短路的短路部；将来自平滑化部的直流变换为交流的逆变器部；以及控制逆变器部的控制部，逆变器部的开关元件的栅极端子分别连接有栅极驱动电路(14)，栅极驱动电路(14)具备第1栅极电压线(22)和电压值比第1栅极电压线(22)高的第2栅极电压线(23)，第1栅极电压线(22)的电压值在逆变器装置的动作中也是可变的。

Description

逆变器装置以及空调机
技术领域
本发明涉及逆变器装置以及空调机。
背景技术
以往的各种电气设备(例如空调机)搭载有逆变器装置。如果能改变逆变器装置所具有的开关元件的接通(tune-on)的速度，则能够与负载电流的大小相适应地使产生的噪声与开关损失之间的折衷选择最佳。
例如，专利文献1中公开了通过切换与开关元件的栅极端子连接的电阻来进行开关速度的切换的技术。
现有技术文献
专利文献1：日本特开2002-199700号公报
发明内容
但是，根据上述现有技术，需要由开关来切换栅极电路的连接。所以，存在如下问题：必须在使逆变器动作暂时停止、或者各开关元件断开的极短的时间内切换电路，所以很难实现。
本发明是鉴于上述问题而做出的，其目的在于得到一种逆变器装置，不使逆变器动作停止，就能改变开关的速度，能够与负载电流的大小相适应地使产生噪声与开关损失的折衷选择最佳。
为了解决上述问题、达成目的，本发明的特征在于，一种逆变器装置具备：将交流电源变换为直流电源的整流电路；与该整流电路的后级连接的平滑化部；经由改善所述交流电源的功率因数的电抗器而使所述交流电源短路的短路部；将来自所述平滑化部的直流变换为交流的逆变器部；以及控制该逆变器部的控制部，该逆变器装置的特征在于：对所述逆变器部的各开关元件的栅极端子分别连接有栅极驱动电路，所述栅极驱动电路具备第1栅极电压线和电压值比该第1栅极电压线高的第2栅极电压线，所述第1栅极电压线的电压值在所述逆变器装置的动作过程中也是可变的。
根据本发明实现以下效果：能得到不使逆变器动作停止就能改变开关的速度、能够与负载电流的大小相适应地使产生噪声与开关损失的折衷选择最佳的逆变器装置。
附图说明
图1是示出实施方式1的逆变器装置的结构的一个例子的电路图。
图2是示出实施方式1的逆变器装置中的栅极驱动电路的结构的电路图。
图3是示出实施方式1的逆变器装置中的晶体管的导通断开以及电压的变化的第1时序图。
图4是示出实施方式1的逆变器装置中的晶体管的导通断开以及电压的变化的第2时序图。
图5是示出实施方式1的逆变器装置中的晶体管的导通断开以及电压的变化的第3时序图。
图6是示出生成实施方式2的逆变器装置的第1栅极电压线(电压可变)的电压的电路图的一个例子的图。
图7是示出实施方式3的空调机的室外单元的概要的图。
具体实施方式
以下，根据附图详细说明本发明的逆变器装置的实施方式。另外，并不是通过这些实施方式来限定本发明。
实施方式1.
图1是示出本发明的逆变器装置的实施方式1的结构的一个例子的电路图。图1所示的逆变器装置是提供商用电源、输出期望的电压以及频率的逆变器装置的一个例子，但本发明的逆变器装置不限于此。
图1所示的逆变器装置，将交流电源1作为单相交流电源，具备：短路部3，经由改善功率因数的电抗器2使交流电源1短路；平滑化部5，由串联连接的两个电容器5a、5b构成；整流电路4，被设于短路部3与平滑化部5之间。
整流电路4具有二极管4a～4d，将交流电源1变换为直流。短路部3具有将二极管17a～17d桥连接的短路用的整流电路部以及将电源短路的IGBT16。在将交流电源1短路的情况下，根据相位的不同而流向短路部3的电流的朝向也不同。平滑化部5具有串联连接的电容器5a、5b。开关7是切换全波整流与倍压整流的开关，连接在交流电源1的输出的一侧和电容器5a、5b之间(中位点)。
平滑化部5由两个电容器5a、5b构成，在连接有电抗器2的端子为高电位的情况下，如果短路用开关断开，则电容器5a被充电。在连接有电抗器2的端子为低电位的情况下，则电容器5b被充电，施加于逆变器部6的电压变为全波整流时的两倍。此外，如果开关7导通，则电流流向短路部3。这样，图1所示的逆变器装置能够进行全波整流与倍压整流的切换。此外，平滑化部5与逆变器部6(3相的逆变器电路)连接，逆变器部6的3相输出与电机8连接。
电流检测部9通过检测电阻15的电流值，检测流向图1所示的逆变器装置的母线电流。电压检测部10检测串联连接的电容器5a、5b的两端的电压。电流检测部9以及电压检测部10将检测值分别向控制部11输出。控制部11控制逆变器部6内的6个开关元件12a～12f的导通断开，提供期望的电压。
开关元件12a～12f是IGBT(Insulated Gate BipolarTransistor，绝缘栅双极型晶体管)或者MOSFET(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor，金属氧化物半导体场效应晶体管)等的电压驱动型开关元件。再生用的二极管13a～13f与开关元件12a～12f逆并联连接。开关元件12a～12f的栅极端子连接有栅极驱动电路14a～14f。
图2是示出本发明的逆变器装置中的栅极驱动电路的实施方式1的结构的电路图。即，是示出图1所示的栅极驱动电路14a～14f(作为代表，记为栅极驱动电路14)的电路图。图2示出控制电路20、开关元件12、二极管13以及栅极驱动电路14。另外，开关元件12是图1所示的开关元件12a～12f的任意一个，二极管13是图1所示的二极管13a～13f的任意一个。
控制电路20是输出用于驱动逆变器装置的PWM(Pulse Width Modulation，脉宽调制)信号的控制电路，例如、微计算机。此外，图2示出直流电源线21、第1栅极电压线22以及第2栅极电压线23。
直流电源线21是提供使控制电路20动作的直流电源的电源线。第1栅极电压线22是驱动开关元件12的栅极的栅极电压线。第2栅极电压线23是驱动开关元件12的栅极的栅极电压线。另外，使第2栅极电压线23的电压Vcc2比第1栅极电压线22的电压Vcc1高。
栅极驱动电路14具备：晶体管24、25、26、34(Tr1、Tr2、Tr3、Tr4)、电阻27、28、29、35、36、电容器30和二极管33。电阻27的电阻值R1以及电阻28的电阻值R2分别被设定为能使栅极驱动电路14动作的值。晶体管34是nMOS晶体管。关于电容器30，以使电阻28的电阻值R2与电容器30的电容值C1之积成为恰当的规定的时间常数(主开关元件的接通时间的1～10倍)的方式设定电容值C1。作为栅极电阻的电阻29(电阻值RG)通过节点32与开关元件12的栅极端子连接，电阻值RG设为电阻36的电阻值的2～10倍。另外，栅极驱动电路14驱动开关元件12的一个。
接下来，说明本实施方式的逆变器装置的动作。在图1所示的逆变器装置中，如果控制电路20输出导通信号(高电平)，则晶体管24接通，由第1栅极电压线22，经由栅极电阻29对开关元件12的栅极端子进行充电。
若栅极电压变为阈值电压以上，则开关元件12接通，但其速度由栅极电压决定。因而，通过控制第1栅极电压线22的电压，能够使晶体管24接通的速度成为期望的速度。
接下来，如果晶体管26接通，则开关元件12的栅极端子通过第2栅极电压线23被充电。这时，关于R、C的电路常数，以密勒效应结束后晶体管26导通的方式进行设定。而且，如以上所述，第2栅极电压线23的电压被设定得比第1栅极电压线22的电压高(例如，15V)，所以接通了的开关元件12在紧接导通后的短暂的时间里在激活区域进行动作，但马上移至饱和区域，所以能够抑制发生损耗(参照图3)。图3是示出本实施方式的逆变器装置中的晶体管的导通断开以及电压的变化的第1时序图。图3示出了晶体管24(Tr1)以及晶体管26(Tr3)导通的定时、节点31(N1)的电压VN1的变化、节点32(N2)的电压VN2的变化、开关元件12的集电极-发射极间电压VCE的变化。另外，图4、5也同样。
而在希望开关元件12的接通的速度变慢时，将第1栅极电压线22的电压设定得低即可(例如，8V)。由此，能够使从向开关元件12的栅极端子充电开始后到达到开关元件12的阈值电压为止的时间变慢，密勒效应的时间变长，能使接通的速度变慢(参照图4)。图4是示出本实施方式的逆变器装置中的晶体管的导通断开以及电压的变化的第2时序图。这样，如果使开关的速度(接通的速度)变慢，则在此期间逆变器装置发生的总开关损耗(switchingloss)变大，但能使逆变器装置发生的高频噪声变小。
相反地，在想使接通的速度变快时，将第1栅极电压线22的电压设定得高即可(例如，12V)。由此，能够使从向开关元件12的栅极端子充电开始后到达到开关元件12的阈值电压为止的时间变快，密勒效应的时间变短，能使接通的速度变快(参照图5)。图5是示出本实施方式的逆变器装置中的晶体管的导通断开以及电压的变化的第3时序图。这样，如果开关的速度(接通的速度)变快，则在此期间逆变器装置发生的高频噪声变大，但能使逆变器装置发生的总开关损耗变小。
此外，关于开关元件12，如果去掉从断开状态进行接通的很短的时间，则由于第2栅极电压线23而在饱和区域内接通，在逆变器动作的过程中，即使使第1栅极电压线22的电压变化，也只是开关时间发生变化，对开关元件12的驱动能力没有影响。所以，即使不停止逆变器动作，也能使第1栅极电压线22的电压变化为期望的电压值，能使开关速度(接通的速度)在逆变器装置的动作过程中变化。
如上所述，将第1栅极电压线22的电压设为可变，不使逆变器装置的动作停止，就能使开关元件的开关的速度变化，所以不使具备逆变器装置的电气设备停止，就能与运转状态相应地使发生噪声与损失的折衷选择最佳的同时进行逆变器驱动。所以，不损害电气设备的使用的便利性就能进行最佳的逆变器驱动。
即，在发生噪声量大(逆变器运转电流(负载电流)大)的时候，如果以使电压可变的第1栅极电压线22的电压变低的方式进行控制而使开关的速度变慢，则能够抑制所发生的最大噪声量。而且，在逆变器运转电流(负载电流)小的时候，如果以使电压可变的第1栅极电压线22的电压变高的方式进行控制而使开关的速度变快，则能够抑制总开关损耗。
根据本实施方式，能够得到如下逆变器装置：不使逆变器动作停止就能改变开关的速度，能与负载电流的大小相适应地使发生噪声与开关损失间的折衷选择最佳。
这样，通过使第1栅极电压线22的电压可变来根据运转状态进行控制，能在例如空调机那样以轻负载进行着运转的时间的比例相对整体的运转时间较大的电气设备中，抑制年总功耗量，并且能够减少组装在设备中的噪声应对部件，所以能够抑制制造成本。
实施方式2.
图6是示出本发明的逆变器装置的实施方式2中的生成第1栅极电压线22的电压的电路图的一个例子的图。
第2栅极电压线23的电压Vcc2被设定得比第1栅极电压线22的电压Vcc1高。电容器40中蓄积有第2栅极电压线23的电压Vcc2的电荷。第2栅极电压线23的电压Vcc2和第1栅极电压线22的电压Vcc1的基准电位GND是共同的，通过压降变换器等简单的电路，生成第1栅极电压线22的电压Vcc1。另外，第2栅极电压线23的电压Vcc2只要与第1栅极电压线22的电压Vcc1相比是高电压即可，也可以不是电压Vcc2。
在图6中，电阻43、44、45各自的电阻值R3、R4、R5被设定为适当的值。通过晶体管41、42的导通断开，生成第1栅极电压线22的电压Vcc1以及第2栅极电压线23的电压Vcc2。
在本实施方式的逆变器装置中，控制电路20通过监视流向逆变器电路的电流而生成电流信息，根据该电流信息，使向晶体管41的脉冲信号的占空比变化，从而能够控制第1栅极电压线22的电压。如在本实施方式所说明的那样，能够通过简单的结构的电路控制开关的速度。
实施方式3.
图7是示出本实施方式的空调机的室外单元的概要的图。图7中示出了室外单元50、风扇51、压缩机52以及逆变器装置53。逆变器装置53是实施方式1中说明的逆变器装置，被安装于室外单元50内的上部，能够控制压缩机52内的电机(图1中的电机8)。
如图7所示，实施方式1的逆变器装置能适用于空调机，能够通过适用实施方式1的逆变器装置，得到便宜且高性能的空调机。
本发明的逆变器装置，设定两个相同基准电位的电压值不同的栅极电压，通过在开关元件12的接通时以期望的定时顺序地向栅极施加电压，从而不使逆变器动作停止就能控制开关元件12的接通的速度。
如上所述，本发明的逆变器装置对于以轻负载进行运转的时间的比例相对整体的运转时间较大的电气设备是有用的，特别是适于空调机。
符号说明
1：交流电源，2：电抗器，3：短路部，4：整流电路，4a～4d，13、13a～13f、17a～17d、33：二极管，5：平滑化部，5a、5b、30、40：电容器，6：逆变器部，7：开关，8：电机，9：电流检测部，10：电压检测部，11：控制部，12、12a～12f：开关元件，14、14a～14f：栅极驱动电路，15、27、28、35、36、43、44、45：电阻，16：IGBT，20：控制电路，21：直流电源线，22：第1栅极电压线，23：第2栅极电压线，24、25、26、34、41、42：晶体管，29：栅极电阻，31、32：节点，50：室外单元，51：风扇，52：压缩机，53：逆变器装置。

Claims (4)

1.一种逆变器装置，具备：将交流电源变换为直流电源的整流电路；与该整流电路的后级连接的由两个电容器构成的平滑化部；与所述整流电路和所述两个电容器的中位点连接，切换全波整流与倍压整流的开关；经由改善所述交流电源的功率因数的电抗器而使所述交流电源短路的短路部；将来自所述平滑化部的直流变换为交流的逆变器部；以及包含控制该逆变器部的控制电路的控制部，
该逆变器装置的特征在于：
所述逆变器部具有多个开关元件，所述多个开关元件的各开关元件的栅极端子分别连接有栅极驱动电路，
所述栅极驱动电路具备：
多个晶体管；
多个电阻，包括第1电阻和第2电阻；
电容器；
第1栅极电压线，对所述各开关元件的栅极进行驱动；以及
第2栅极电压线，电压值被设定得比该第1栅极电压线高，对所述各开关元件的栅极进行驱动，
所述第1栅极电压线的电压值在所述逆变器装置的动作过程中也是可变的，
所述第1电阻的电阻值和所述第2电阻的电阻值分别被设定为能够使所述栅极驱动电路动作的值。
2.根据权利要求1所述的逆变器装置，其特征在于：
所述第1栅极电压线根据负载电流被控制。
3.根据权利要求1或2所述的逆变器装置，其特征在于：
所述第1栅极电压线的电压从所述第2栅极电压线生成。
4.一种空调机，其特征在于：
具备权利要求1或2所述的逆变器装置，
其中，所述逆变器装置对电机进行旋转驱动。
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