JP2004248362A

JP2004248362A - インバータ装置及び冷凍装置

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Publication number: JP2004248362A
Application number: JP2003033331A
Authority: JP
Inventors: Kensho Yamada; 憲昭山田; Yoshiaki Kurita; 佳明栗田; Kuniaki Takatsuka; 邦明高塚; Tatsuo Ando; 達夫安藤; Satoshi Furusawa; 智古澤; Makoto Ito; 伊藤　　誠
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 2003-02-12
Filing date: 2003-02-12
Publication date: 2004-09-02
Anticipated expiration: 2023-02-12
Also published as: JP3829212B2

Abstract

【課題】パワー半導体の温度上昇を抑制する。
【解決手段】インバータ回路３３を形成する複数のパワー半導体３８と、この各パワー半導体３８のスイッチングを制御するマイクロコンピュータ３７とを備え、マイクロコンピュータ３７は、電動機１１を駆動させる直前に、設定時間Ｔだけいずれかのパワー半導体３８をオン動作に固定して電動機１１に直流電流を流して電動機１１のロータを初期位置に合わせる制御を行うとともに、この制御を行う度にオン動作に固定するパワー半導体３８を順番にローテーションさせることにより、電動機１１の発停が頻繁に行われても、通電が各パワー半導体３８に分散されて発熱が集中することを回避でき、いずれかのパワー半導体３８の温度が上がり過ぎることを抑えることができる。
【選択図】図６

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、インバータ装置及びインバータ装置を備えた冷凍装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
冷凍装置は、電動機によって駆動される圧縮機と、圧縮機で圧縮される冷媒ガスを冷やして凝縮する凝縮器と、凝縮器から排出される液冷媒を減圧する減圧弁と、減圧弁を介して導かれる液冷媒を蒸発させて冷媒ガスとし圧縮機に戻す蒸発器とで形成される冷凍サイクルを備え、誘導電動機の運転周波数などを可変速制御するインバータ装置を有して構成され、冷蔵、冷凍または空調などに用いられている。
【０００３】
インバータ装置は、例えば、コンバータ回路などによって交流の商用電源から変換された直流電力、もしくはバッテリーなどから供給される直流電力を、所望の周波数の交流電力に変換するものであり、パワー半導体（言い換えれば、スイッチング素子）が、例えば、三相ブリッジ結線されてなるインバータ回路と、このインバータ回路のスイッチング素子の通電を交番的にオンオフさせるスイッチングと呼ばれる制御を行う、例えば、マイクロコンピュータなどの制御回路とを備えて構成されている。
【０００４】
このようなインバータ装置の構成として、例えば、コンバータ回路とインバータ回路とを実装した第１の基板と、インバータ回路のスイッチング制御を行うマイクロコンピュータを実装した第２の基板と、端子台、突入抑制抵抗、平滑コンデンサが実装された第３の基板からなるインバータ基本部と、マイクロコンピュータ処理のうち入力／出力インタフェイスを管理するＩ／Ｏブロック部とに分離する構成とし、インバータ基本部を変更することなくＩ／Ｏブロック部の変更のみで仕様変更を容易にするものが提案されている（例えば、特許文献１参照）。
【０００５】
【特許文献１】
特開平１１−４１９４３号公報（第２−４頁、第１図）
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、インバータ装置に搭載されるパワー半導体は、通電により発熱し、その温度が高くなると寿命の短縮または破損などの不具合が生じる。このため、一般に、フィンなどを取り付けてパワー半導体の温度を使用に適した温度になるように放熱を促している。しかしながら、回路の集積化や、キャリア周波数の高周波数化によりパワー半導体の温度が比較的高くなるものは、温度が高くなった分だけ高い放熱性能のフィン、つまり、大きなフィンが必要になり、装置全体が大きくなるという問題がある。特に、複数の基板を積層して形成されるタイプのインバータ装置は、フィンが大きくなることで各基板の配置位置などが制限されるという問題がある。そこで、フィンを大きくしなくても済むように、各パワー半導体の温度をある程度の範囲に抑えることが望まれている。
【０００７】
本発明の課題は、パワー半導体の温度上昇を抑制することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記課題を解決するために、インバータ回路を形成する複数のパワー半導体と、各パワー半導体のオンオフ動作を制御する制御回路とを備え、インバータ回路に供給される直流電力を交流電力に変換して電動機に供給するインバータ装置であって、制御回路は、電動機を駆動させる直前に、設定時間だけ、いずれかのパワー半導体をオン動作に固定し、電動機に直流電流を流して電動機のロータを初期位置に合わせる制御を行うとともに、当該制御を行う度にオン動作に固定すべきパワー半導体として異なるパワー半導体を選択することを特徴とする。
【０００９】
すなわち、本発明は、電動機の駆動開始時に、いずれかのパワー半導体に通電させて電動機のロータを初期位置に合わせる制御に着目し、当該制御において通電させるパワー半導体をローテーションさせるようにしたものである。これにより、電動機の発停が頻繁に行われても、通電が各パワー半導体に分散されて発熱が集中することを回避でき、いずれかのパワー半導体の温度が上がり過ぎることを抑えることができる。したがって、各パワー半導体の温度は、平均的になり、それぞれが比較的低い温度に抑えられるので、フィンは、その比較的低い温度を使用に適した温度まで冷却する性能があれば足り、小さくすることができる。ここで、電動機としては、例えば、三相の誘導電動機や回転子（ロータ）の鉄心にかご型の導体と永久磁石が設けられた永久磁石同期電動機を用いることができる。
【００１０】
また、制御回路は、電動機の駆動時において、いずれかの相の一方のパワー半導体をオン動作に、他方のパワー半導体をオフ動作に固定し、残りの相のパワー半導体のオンオフ動作を制御するとともに、オン動作及びオフ動作を固定すべきパワー半導体が属する相を順番に切り替えることができ、例えば、電動機が三相の誘導電動機である場合、いわゆる二相ＰＷＭ制御を行うことができる。これにより、スイッチング動作を固定したパワー半導体の発熱や損失を低減でき、さらに小型にできる。この二相ＰＷＭ制御において、例えば、スイッチングを行わない期間は１周期の１／３とする。
【００１１】
また、本発明のインバータ装置は、交流電源からの交流電力を直流電力にしてインバータ回路に供給するコンバータ回路と、インバータ回路を構成するパワー半導体とが実装され、実装面の反対面に放熱フィンが取り付けられる第１の基板と、制御回路と、電動機の電流を検出して制御回路に入力する電流検出機構と、電動機の端子台とが実装される第２の基板と、冷凍サイクルの各種温度あるいは圧力の信号が入力されるインタフェイス用コネクタと、インタフェイス用コネクタを介して入力された信号を制御回路へ光信号により伝達するホトカプラとが実装される第３の基板と、下から順に積層された第１の基板、第２の基板、第３の基板が格納され、第１の基板のパワー半導体の実装面までゲルが充填され、ゲル表面から第２の基板の上面まで樹脂が封入される箱型のケースとを備え、制御回路は、電流検出機構から入力される電流で電動機の状態を監視するとともに、インタフェイス用コネクタ及びホトカプラを介して入力される冷凍サイクルの各種温度あるいは圧力に基づいて電動機の可変速制御を行う構成にできる。
【００１２】
これにより、コンバータ回路と、インバータ回路とが同一基板（第１の基板）に実装され、インバータ回路のパワー半導体を制御する制御回路と、電動機の電流を検出する電流検出機構、電動機の端子台が実装された第２の基板とを重ねて近接できるから、ノイズ発生の可能性が大きい部分の配線長さを短くでき、ノイズ発生の要因を少なくできる。
【００１３】
さらに、例えば、大電流が必要とされる圧縮機の影響を受け易い冷凍サイクルの各種温度あるいは圧力の検出センサの信号が入力されるインタフェイス用コネクタは、第３の基板に実装されて最上部に配置され、かつ光信号により制御回路へ伝達されるのでノイズの混入を少なくできる。また、制御回路は、冷凍サイクルの各種温度あるいは圧力に基づいて電動機の可変速制御を行うことができ、例えば、外気温度、熱交換器、送風機及び圧縮機の状態により変化するインバータ制御装置の放熱特性に対応することができる。
【００１４】
さらに、第１の基板のパワー半導体面はゲルが充填され、さらにゲル表面から第２の基板の上面まで樹脂が封入されるので、パワーモジュールＩＳＰＭ自体の信頼性を向上することができる。さらに、冷凍サイクルの構成、冷凍装置及びそれに用いられるインバータ装置、あるいは空気調和機の能力、店舗用、ビル用マルチなどの機種、に応じて制御回路であるマイクロコンピュータのソフトウエアや入力／出力インタフェイスのハードウエアを変更するとき、最上部の第３の基板を分離すれば容易に対応ができる。そして、このときにおいてもケースの底面から電流値が大きい順に配置されるので、配線本数を少なくできる。また、この場合において、第１の基板に電源力率を改善するアクティブ回路を実装し、第２の基板にアクティブ回路を制御する機構を実装することができる。
【００１５】
上記のインバータ装置は、電動機によって駆動される圧縮機と、この圧縮機で圧縮される冷媒ガスを冷やして凝縮する凝縮器と、この凝縮器から排出される液冷媒を減圧する減圧弁と、この減圧弁を介して導かれる液冷媒を蒸発させて冷媒ガスとし圧縮機に戻す蒸発器とで形成される冷凍サイクルとを備えた冷凍装置に搭載することができる。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を適用してなる冷凍装置及びインバータ装置の一実施形態について、図１〜図１０を用いて説明する。図１は、本発明を適用してなる冷凍装置を用いた空気調和装置の概略構成図である。図２は、本発明を適用してなるインバータ装置の一実施形態の概略構成を示した回路図である。図３は、本実施形態のインバータ装置の組立て構成を説明する斜視図である。図４は、本実施形態のインバータ装置の斜視図である。図５は、本実施形態のインバータ装置の概略構成を示した断面図である。図６は、本実施形態のインバータ装置のマイクロコンピュータの制御を示したフローチャートである。図７は、搬送波ｅＳ、電圧指令ｅｏＵ及びスイッチング素子３８ＵＰ、３８ＵＮへの制御信号を示し、ＰＷＭ制御を説明するグラフである。図８は、各相の電圧指令ｅｏＵ、ｅｏＶ、ｅｏＷ、及びスイッチング素子３８ＵＰ、３８ＵＮ、３８ＶＰ、３８ＶＮ、３８ＷＰ、３８ＷＮへの制御信号を示し、二相ＰＷＭ制御を説明するグラフである。図９は、ドライバ回路４１及びインバータ回路３３の詳細構成を説明する回路図である。図１０は、本実施形態の変形例を示した回路図である。
【００１７】
本実施形態の空気調和機は、図１に示すように、冷媒を圧縮する圧縮機１と、冷媒が通流する室内熱交換器３及び室外熱交換器７と、冷媒を減圧する膨張弁５とを備えて構成されている。圧縮機１、室内熱交換器３、膨張弁５、及び室外熱交換器７は、冷媒配管９により順次環状に連結され、冷媒が循環する冷凍サイクルを形成している。圧縮機１は、冷凍サイクルに必要とされる能力に関連して運転周波数を可変制御される誘電型の電動機１１により駆動され、電動機１１の運転周波数、すなわち圧縮機１の回転数はインバータ装置１３により制御されるようになっている。
【００１８】
圧縮機１は、冷媒を吐出する吐出口と冷媒を吸引する吸引口を備え、吐出口は、四方弁１５を介して冷媒配管９に連結され、吸引口は、アキュムレータ１７及び四方弁１５を介して冷媒配管９に連結されている。四方弁１５は、例えば、冷房運転時、圧縮機１により圧縮されたガス冷媒が室外熱交換器７に導かれ（図中実線時）、暖房運転時、圧縮機１によりアキュムレータ９を介して室外熱交換器７内の冷媒が吸引される（図中点線時）ように切り替え可能に構成されている。また、室内熱交換器３及び室外熱交換器７には、それぞれ周囲の雰囲気を通風させる送風機１９、２１が設けられている。
【００１９】
このような空気調和機において、圧縮機１の回転数や四方弁１５の切替の他に、冷媒流量を調整する膨脹弁５、あるいは室外機に設けられた図示していない膨脹弁の開度、送風機１９、２１の回転数などが制御装置２３により制御されるようになっている。制御装置２３は、制御を行うための情報として、例えば、運転モード、温度設定などを行うリモコンによる操作指令信号、圧縮機の吐出ガス温度、吸入温度、熱交換器温度、及び圧力を検出した信号などが入力されるようになっている。また、制御装置２３は、図１において図示していないインターフェイス用コネクタ５１を介してインバータ装置１３に接続されており、制御装置２３とインバータ装置１３との間で、例えば、圧縮機の吸入圧力、圧縮機の吐出圧力、圧縮機の温度、膨張弁の開度、圧縮機の電流値、圧縮機の周波数、外気温度、蒸発器となる熱交換器の温度、室内外機の吸込温度、室内外機からの吹出温度、凍結温度、圧縮機に要求される周波数、冷媒配管の温度、設定温度などの情報（以下、運転情報と総称する）がやり取りされ連携して制御されるようになっている。
【００２０】
次に、本実施形態の特徴部であるインバータ装置の構成について図２を参照して説明する。インバータ装置１３は、図２に示すように、主として交流電源２５からの電力を電動機１１に供給する回路が実装された第１の基板２７と、第１の基板２７を制御する回路が実装された第２の基板２８と、第２の基板２８と制御装置２３との間で運転情報を伝送する回路が実装された第３の基板２９とを備えて構成されている。
【００２１】
第１の基板２７は、単相交流電源２５が接続され、単相交流電源２５からの交流電力を直流にするコンバータ回路３１と、直流／交流変換器であるインバータ回路３３と、電源力率を改善するアクティブ回路３５が実装され、インバータ回路３３の実装面の反対側に図示していない放熱フィンが密着させて設けられている。平滑コンデンサ５１は、アクティブ回路３５とインバータ回路３３との間に配設され、第１の基板２７に外付けされている。コンバータ回路３１は、ダイオードなどの整流素子３２が複数（本実施形態では４個）ブリッジ結線されて形成され、冷凍装置を運転又は停止するマグネットスイッチ３０、力率用リアクトル３４を介してアクティブ回路３５に接続されている。アクティブ回路３５は、スイッチング素子３６が、リアクトル３４の二次側（＋）ラインとコンバ−タ３１の出力側（−）ラインとの間に配置された構成になっている。インバータ回路３３は、トランジスタなどのパワー半導体である複数のスイッチング素子３８がブリッジ結線されたものであり、本実施形態では、スイッチング素子３８ＵＰ、３８ＵＮ、３８ＶＰ、３８ＶＮ、３８ＷＰ及び３８ＷＮが三相ブリッジ結線され、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相を有する三相交流型の電動機１１に接続されている。各スイッチング素子３８には、スイッチング時に電動機１１から流れ込む逆起電力を回生するフライホイール素子３９が併設されている。
【００２２】
第２の基板２８は、制御回路であるマイクロコンピュータ（図中にマイコンと表示）３７と、マイクロコンピュータ３７からの信号に基づいてインバータ回路３３のスイッチングを制御するドライバ回路４１と、電動機１１の電流を検出する電流検出機構４２と、コンバータ回路３１電源から供給される高電圧を例えば５Ｖ程度に調整してマイクロコンピュータ３７、ドライバ回路４１、電流検出機構４２に供給する電源回路４３と、アクティブ回路３５を駆動する力率改善制御機構４５と、電動機１１の端子台４７とが設けられている。
【００２３】
第３の基板２９は、電動機１１への突入電流を抑制するためにマグネットスイッチ３０に併設された突入抑制抵抗器４９と、制御装置２３からの信号が入力されるインタフェイス用コネクタ５１と、入力された信号をマイクロコンピュータ３７へ光信号により伝達するホトカプラ５３とが実装されている。また、第１の基板上に設けられたアクティブ回路３５は、第２の基板に配置した力率改善制御機構４５にて駆動制御されるが、アクティブ回路３５が第１の基板外に設けられても対応できるようにするため、インタ−フェイス用コネクタ５５を第２の基板に配設する構成になっている。
【００２４】
これらの基板２７、２８、２９は、図３及び図４に示すように、上側が開口した箱型のケース５７内に、ケース５７の底から第１、第２、第３の順で積層されている。ケース５７の一方の側面には、切り欠け状の段部５９が形成されており、段部５９に対応する第２の基板２８の部位には端子台４７が配置されている。また、端子台４７の直下に位置する第１の基板の部位には、コンバータ回路３１と、インバータ回路３３とが配置されている。
【００２５】
また、図５の断面図に示すように、第１の基板２７のスイッチング素子３８の実装面を覆うように、略一点鎖線Ａまでゲル６１が充填され、コンバータ回路３１、インバータ回路３３、及びアクティブ回路３１を構成するダイオードやＩＧＢＴなどの素子を保護するようになっている。ゲル６１の表面から略二点鎖線Ｂ、第２の基板２０の上面まで保護、絶縁のために樹脂６３封入されてパワーモジュールとしてまとめられている。また、ケース５７の底面に位置する第１の基板２７の実装の裏面には、コンバータ回路３１、インバータ回路３３、及びアクティブ回路３１の熱を放熱する放熱フィン６５が熱的に接続されている。なお、ケース５７の側面側の内には、第１の基板２７と第２の基板２８とを接続する第１のリードピン６７と、同じく第１の基板２７と第３の基板２９とを接続する第２のリードピン６９とが設けられている。第２の基板２８と第３の基板２９とは第２の基板２８上面に設けられた第３のリードピン７１で接続されるとともに、第３の基板２９は第２の基板２８上面に設けられた基板支持スペーサ７３にて支持されるようになっている。
【００２６】
このように構成された空気調和機の基本的な動作について説明する。まず、空気調和機の運転が開始され、マグネットスイッチ３０がオンにされる。単相交流電源２５からの交流電圧は、コンバータ回路３１で整流され、マグネットスイッチ３０、力率用リアクトル３４、アクティブ回路３５のスイッチング素子３６、ファ−ストリカバリ−素子３７を介して電源力率が改善され、平滑用コンデンサ５１に至る。このように生成された直流の一部は、電源回路４３でインバータ回路３３で使用される高電圧から５Ｖ程度に調整されてマイクロコンピュータ３７、ドライバ回路４１、電流検出機構４２に供給され、残りの直流はインバータ回路３３を介して電動機１１に供給される。なお、電流検出機構４２にて検出された電流は、マイクロコンピュータ３７に取り込まれて監視される。
【００２７】
マイクロコンピュータ３７は、起動開始から設定時間Ｔ、例えば、１〜１０秒の間、インバータ回路３３のスイッチングを行わずに電動機１１に直流電流を流して、電動機１１の図示していないロータの位置を初期位置にするとともに、起動開始から設定時間Ｔ経過後、インバータ回路３３のスイッチング制御を開始する。これにより、電動機１１に三相交流電力が供給され、冷凍サイクルの圧縮機１が作動を開始する。制御装置２３は、冷凍サイクルの各部分の温度や圧力、外部から要求される運転モードや設定温度などに基づいて、圧縮機１に要求する周波数を設定する。設定した圧縮機１の周波数は、他の運転情報と共にマイクロコンピュータ３７に送られ、マイクロコンピュータ３７は、圧縮機１の周波数が設定周波数になるようにスイッチングを行い電動機１１に供給する交流の周波数を適宜調整する。
【００２８】
また、マイクロコンピュータ３７と制御装置２３との間では、冷凍サイクルの各位置における温度あるいは圧力、室内機の膨脹弁５あるいは図示していない室外機の膨脹弁の開度、送風機１９、２１の回転数、冷房／暖房の運転モードを切り換える四方弁１５の状態制御信号、インバータ電流、インバータ周波数、インバータ自身の異常、正常の状態信号などがホトカプラ５１を介して電気的隔離が得られた状態で送受信され、適宜連携させて制御する。特に、インターフェイス用コネクタ５１及びホトカプラ５３を介してインバータの運転周波数を出力して、冷凍サイクルの運転状態の把握、停止した場合の要因分析、さらには故障分析などを行う。
【００２９】
次に、本実施形態の特徴部であるインバータ装置１３の制御動作について図６から８を参照して詳細に説明する。インバータ装置１３は、前述するように電動機１１が起動されるたびに設定時間だけ電動機１１に直流電流を流してロータの位置を初期位置に戻した後、スイッチング制御を開始する。具体的には、図６に示すように、電動機１１の起動されると、マイクロコンピュータ３７は、マイクロコンピュータ３７内部の図示していない記憶部に記憶されたカウント数Ｎを判断し（ステップＳ１）、Ｎ≦６のときカウント数Ｎに１を加えて（ステップＳ２）ステップＳ４に進み、Ｎ＞６のときカウント数Ｎを１にリセットして（ステップＳ３）ステップＳ４に進む。
【００３０】
ステップＳ４において、記憶部から現在のカウント数Ｎに対応する起動スイッチングパターンを取り込む（ステップＳ４）。そして、マイクロコンピュータ３７は、取り込んだ起動スイッチングパターンに基づいてドライバ回路４１に信号を出力し（ステップＳ５）、設定時間Ｔが経過するまで直流電流を流す（ステップＳ６）。
【００３１】
なお、この起動スイッチングパターンは、スイッチング素子３８の数に相当するパターン（本実施形態では６パターン）用意されている。例えば、第１のパターンは、スイッチング素子３８ＵＰをオン、３８ＵＮをオフに固定し、３８ＶＮ、３８ＷＮの少なくとも一方のスイッチング制御する。第２のパターンは、スイッチング素子３８ＵＰをオフ、３８ＵＮをオンに固定し、３８ＶＮ、３８ＷＮの少なくとも一方のスイッチング制御する。第３のパターンは、スイッチング素子３８ＶＰをオン、３８ＶＮをオフに固定し、３８ＵＮ、３８ＷＮの少なくとも一方のスイッチング制御する。第４のパターンは、スイッチング素子３８ＶＰをオフ、３８ＶＮをオンに固定し、３８ＵＮ、３８ＷＮの少なくとも一方のスイッチング制御する。第５のパターンは、スイッチング素子３８ＷＰをオン、３８ＷＮをオフに固定し、３８ＵＮ、３８ＶＮの少なくとも一方のスイッチング制御する。第６のパターンは、スイッチング素子３８ＷＰをオフ、３８ＷＮをオンに固定し、３８ＵＮ、３８ＶＮの少なくとも一方のスイッチング制御する。
【００３２】
このように、起動スイッチングパターンを６種類用意し、通電させるスイッチング素子３８をローテーションさせることで、各スイッチング素子には電動機１１の起動の６回に１回だけ通電されるようになるので、ある特定のスイッチング素子３８の通電回数が突出して増えることを回避でき、特定のスイッチング素子３８の温度が上がり過ぎることを抑えることができる。したがって、各スイッチング素子３８の温度は、平均的になり、それぞれが比較的低い温度に抑えられるので、フィンは、その比較的低い温度を使用に適した温度まで冷却する性能があれば足り、小さくすることができる。なお、発熱が特定のスイッチング素子３８に集中しなければよいので、第１から第６のパターンの繰り返す順番は任意に設定できる。
【００３３】
次に、マイクロコンピュータ３７の設定時間Ｔ経過後の制御について説明する。図６に示すステップＳ６において設定時間Ｔが経過すると、マイクロコンピュータ３７は、制御装置２３から入力される電動機１１の周波数に基づいて、電動機１１を回転させるために、マイクロコンピュータ３７でインバータ回路３３から出力させる三相交流電圧指令を計算させる。計算させた三相交流電圧指令は、図８に示すように、Ｕ相相電圧指令ｅｏＵ、Ｖ相相電圧指令ｅｏＶ、Ｗ相相電圧指令ｅｏＷの３種類になる（ステップＳ７）。各相の相電圧指令ｅｏＵ、ｅｏＶ、ｅｏＷは、図８に示すように振幅が同じ正弦波で１周期は３６０度であり、互いの位相差は１２０度である。
【００３４】
ステップＳ８、９において、各相の電圧指令ｅｏＵ、ｅｏＶ、ｅｏＷのそれぞれの値と、上限値ｅＨ及び下限値ｅＬとを比較する（ステップＳ８、９）。比較の結果、電圧指令≧上限値ｅＨのとき、その相の上アームをオン、下アームをオフにする信号をドライバ回路４１に出力し（ステップＳ１０）、電圧指令＜下限値ｅＬのとき、その相の上アームをオフ、下アームをオンにする信号をドライバ回路４１に出力し（ステップＳ１１）、ステップＳ１２に進む。ステップＳ１２において、圧縮機１の運転終了しているかを判断し（ステップＳ１２）、終了していないならステップＳ８に戻る。
【００３５】
ここで、各相の電圧指令ｅｏＵ、ｅｏＶ、ｅｏＷが正弦波であることから、上限値ｅＨを電圧指令値の波高値ｅＭａｘの（３／２）^１／２倍の値とし、下限値ｅＬを電圧指令値の波高値ｅＭａｘの（３／２）^１／２倍の絶対値をマイナスとした値とすることで、図８の下段に示すように、それぞれ１／３周期づつ各相のスイッチングが停止されることになる。このように、スイッチング素子３８のスイッチングを行わない期間を設けることで、スイッチングによる発熱や損失を低減でき、放熱を促すフィンを小さくすることができる。また、各相の電圧指令ｅｏＵ、ｅｏＶ、ｅｏＷの位相は互いに１２０°づつずれていることから、１つの相のスイッチングが停止しているとき、残りの２つの相によりスイッチングすることができる。
【００３６】
このスイッチング動作は、ステップＳ８、９において、下限値ｅＬ≦電圧指令＜上限値ｅＨのときに行われる。すなわち、電圧指令値と、マイクロコンピュータ３７の内部で発生する三角波等の所定の波形を有する搬送波ｅＳとを比較し（ステップＳ１３）、例えば、Ｕ相の場合、図７に示すように、電圧指令ｅｏＵ＞搬送波ｅＳのとき、上アームであるスイッチング素子３８ＵＰをオン、下アームであるスイッチング素子３８ＵＮをオフにする信号を出力し（ステップＳ１０）、電圧指令ｅｏＵ≦搬送波ｅＳのとき、スイッチング素子３８ＵＰをオフ、スイッチング素子３８ＵＮをオンにする信号を出力し（ステップＳ１１）、ステップＳ１２に進む。なお、電圧指令と搬送波ｅＳとの比較は、Ｖ相、Ｗ相においても同様に行われる。
【００３７】
ところで、本実施形態のインバータ装置において、上アームと称されるスイッチング素子３８ＵＰ、３８ＶＰ及び３８ＷＰと、下アームと称されるスイッチング素子３８ＵＮ、３８ＶＮ及び３８ＷＮとの間にはそれぞれ電源のＧＮＤ（グランド）に電位差があり、それぞれのスイッチング素子３８を駆動させるために必要な例えば１５Ｖの電圧を同じように供給するには、電圧の異なる２種類の電源が必要になる。この電源を１種類で済ますために、図９に示すように、上アームの駆動電源の供給側にそれぞれコンデンサ８０を設け、スイッチング素子３８ＵＮ、３８ＶＮ及び３８ＷＮがオンすることによりに各コンデンサ８０に充電して電源を供給することが考えられる。
【００３８】
このような構成では、上アームのスイッチング素子３８を駆動させるために、コンデンサ８０に一定の電荷が充電されていなければならない。しかし、コンデンサ８０が設けられた上アームの回路は、下アームの回路から分岐して並列に設けられているので、下アームがオフになると充電できなくなる。そこで、本実施形態では、ステップＳ４において、下アームがオフになる第１、第３及び第５のパターンのとき、コンデンサ８０に充電できるだけの微小時間、例えば、キャリア周波数の１周期の数％の時間だけ下アームをオンにする制御を行う構成とすることができる。これにより、コンデンサ８０に充電を行うことができるから、２種類の電源を設ける必要がない。
【００３９】
また、本実施形態によれば、コンバータ回路３１、インバータ回路３３、アクティブ回路３５とが同一基板に実装されること、スイッチング素子３８を制御するマイクロコンピュータ３７、電動機１１の電流を検出する電流検出機構４２、電動機の端子台４７が実装された第２の基板２８とを階層状に近接してコンパクトに配置されるので、ノイズ発生の可能性が大きい部分の配線長を短くできるので、ノイズ発生の要因を少なくできる。
【００４０】
また、本実施形態によれば、電磁ノイズの影響の大きい、例えば大電流が必要とされる圧縮機１からの影響が大きい比較的微弱な信号である冷凍サイクルの各種温度あるいは圧力の検出センサの信号が入力されるインタフェイス用コネクタ５１が実装された第３の基板２９が最上部に配置され、かつ光信号によりマイクロコンピュータ３７のへ伝達されるので、ノイズの混入による誤動作を無くして冷凍サイクルの信頼性を向上できる。さらに、第１の基板２７のパワー半導体面はゲル６１が充填され、さらにゲル６１表面から第２の基板２８の上面まで樹脂６３封入されているので、パワーモジュールＩＳＰＭ自体の信頼性を向上できる。
【００４１】
さらに、本実施形態によれば、冷凍サイクルの構成、冷凍装置及びそれに用いられるインバータ装置、あるいは空気調和機の能力、店舗用、ビル用マルチなどの機種、に応じてマイクロコンピュータ３７のソフトウエアや入力／出力インタフェイスのハードウエアを変更するとき、最上部の第３の基板２９を分離すれば容易に対応ができる。そして、このときにおいてもケース５７の底面から電流値が大きい順に配置されるので、配線本数を少なくできるなど比較的自由に対応できる。
【００４２】
また、本実施形態では、電源を単相交流電源２５としたが、これに代えて、図１０に示すように、三相交流電源８２を電源とすることができる。この場合、ダイオードなどの整流素子３２が複数（本実施形態では６個）ブリッジ結線されて形成され、三相交流電源８２からの交流電圧を直流にするコンバータ回路８４を設け、アクティブ回路３５及び力率改善機構４５を設けない構成とすることができる。
【００４３】
また、本実施形態では、電動機１１の運転周波数を可変するのに必要とされるマイクロコンピュータ３７は高速なものが必要とされるが、冷凍サイクルの能力制御、冷暖房のモード切換えなどは低速なもので良く、このマイクロコンピュータ３７で冷凍サイクルの例えば、室外機の膨脹弁、送風機２１、冷房／暖房の運転モードを切り換える四方弁などの制御を共用することができる。特に、第１の基板２７に室外機の膨脹弁の駆動回路を設け、圧縮機１の吐出ガス温度を検出した信号をインタフェイス用コネクタ５１を介してマイクロコンピュータ３７へ入力すれば、圧縮機１の能力と冷媒流量をマイクロコンピュータ３７で吐出ガススーパーヒートを最適に制御でき、冷凍サイクル全体としての制御回路を簡略化して配線等を減らし、装置全体を小型にできる。
【００４４】
また、本実施形態において、ケース５７はアルミダイキャストなどで金属製としても良いが、樹脂製とすれば低価格で複雑な形状が可能であるので、端子台４７を段差５９に適合するように配置でき、端子台４７はケース５７の上面よりも突き出すことがない。よって、インバータ装置を例えば空気調和機の室外機に実装するうえでも無駄なスペースを無くすことができ、電磁ノイズの抑制からも望ましい。
【００４５】
このように本実施形態では、スイッチング素子３８などのパワー半導体を有する基板２７を最下部とし、その上部にマイクロコンピュータ３７が実装された基板２８を有し、インタフェイス用コネクタ５１が実装された基板２９が最上部になるように階層的にコンパクトに配置され、インタフェイス用コネクタ５１から冷凍サイクルの各種温度あるいは圧力の検出センサの信号が光信号によりマイクロコンピュータ３７へ伝達されるので、ノイズ発生の要因を少なくし、冷凍サイクルの信頼性を向上できる。また、パワー半導体の損失を減らすことにより発熱量を減らし、インバータ装置１３の放熱特性を向上させ冷凍装置及びそれに用いるインバータ装置１３の使用可能な温度範囲を広範囲及び寿命を拡大することができる。また、本実施形態では、電動機として三相の誘導電動機を用いたが、これに限らず、任意の複数相の誘導電動機を用いることができる。また、ロータの鉄心にかご型の導体と永久磁石が設けられた永久磁石同期電動機を用いることもできる。
【００４６】
【発明の効果】
以上述べたように、本発明によれば、パワー半導体の温度上昇を抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明を適用してなる冷凍装置を用いた空気調和装置の概略構成図である。
【図２】本発明を適用してなるインバータ装置の一実施形態の概略構成を示した回路図である。
【図３】本発明を適用してなるインバータ装置の一実施形態の組立て構成を説明する斜視図である。
【図４】本発明を適用してなるインバータ装置の一実施形態の斜視図である。
【図５】本発明を適用してなるインバータ装置の一実施形態の概略構成を示した断面図である。
【図６】本発明を適用してなるインバータ装置の一実施形態のマイクロコンピュータの制御を示したフローチャートである。
【図７】本発明を適用してなるインバータ装置の一実施形態における搬送波ｅＳ、電圧指令ｅｏＵ及びスイッチング素子３８ＵＰ、３８ＵＮへの制御信号を示し、ＰＷＭ制御を説明するグラフである。
【図８】本発明を適用してなるインバータ装置の一実施形態における各相の電圧指令ｅｏＵ、ｅｏＶ、ｅｏＷ、及びスイッチング素子３８ＵＰ、３８ＵＮ、３８ＶＰ、３８ＶＮ、３８ＷＰ、３８ＷＮへの制御信号を示し、二相ＰＷＭ制御を説明するグラフである。
【図９】本発明を適用してなるインバータ装置の一実施形態のドライバ回路４１及びインバータ回路３３の詳細構成を説明する回路図である。
【図１０】本発明を適用してなるインバータ装置の一実施形態の変形例を示した回路図である。
【符号の説明】
１圧縮機
１１電動機
１３インバータ装置
２３制御装置
２５単相交流電源
２７第１の基板
２８第２の基板
２９第３の基板
３１コンバータ回路
３３インバータ回路
３５アクティブ回路
３７マイクロコンピュータ
４１ドライバ回路
４３電源回路

Claims

インバータ回路を形成する複数のパワー半導体と、該各パワー半導体のオンオフ動作を制御する制御回路とを備え、前記インバータ回路に供給される直流電力を交流電力に変換して電動機に供給するインバータ装置であって、
前記制御回路は、前記電動機を駆動させる直前に、設定時間だけ、いずれかの前記パワー半導体をオン動作に固定し、前記電動機に直流電流を流して前記電動機のロータを初期位置に合わせる制御を行うとともに、当該制御を行う度に前記オン動作に固定すべきパワー半導体として異なるパワー半導体を選択することを特徴とするインバータ装置。
請求項１に記載のインバータ装置において、前記制御回路は、前記電動機の駆動時に、いずれかの相の一方のパワー半導体をオン動作に、他方のパワー半導体をオフ動作に固定し、残りの相のパワー半導体のオンオフ動作を制御するとともに、前記オン動作及びオフ動作を固定すべきパワー半導体が属する相を順番に切り替えることを特徴とするインバータ装置。
請求項１または２に記載のインバータ装置において、交流電源からの交流電力を直流電力にして前記インバータ回路に供給するコンバータ回路と、前記インバータ回路を構成するパワー半導体とが実装され、実装面の反対面に放熱フィンが取り付けられる第１の基板と、
前記制御回路と、前記電動機の電流を検出して前記制御回路に入力する電流検出機構と、前記電動機の端子台とが実装される第２の基板と、
前記冷凍サイクルの各種温度あるいは圧力の信号が入力されるインタフェイス用コネクタと、該インタフェイス用コネクタを介して入力された信号を前記制御回路へ光信号により伝達するホトカプラとが実装される第３の基板と
下から順に積層された前記第１の基板、第２の基板、第３の基板が格納され、前記第１の基板のパワー半導体の実装面までゲルが充填され、前記ゲル表面から第２の基板の上面まで樹脂が封入される箱型のケースとを備え、
前記制御回路は、前記電流検出機構から入力される電流で前記電動機の状態を監視するとともに、前記インタフェイス用コネクタ及び前記ホトカプラを介して入力される前記冷凍サイクルの各種温度あるいは圧力に基づいて前記電動機の可変速制御を行うことを特徴とするインバータ装置。
請求項３に記載のインバータ装置において、前記第１の基板に電源力率を改善するアクティブ回路を実装し、前記第２の基板に前記アクティブ回路を制御する機構を実装したことを特徴とするインバータ装置。
前記電動機によって駆動される圧縮機と、該圧縮機で圧縮される冷媒ガスを冷やして凝縮する凝縮器と、該凝縮器から排出される液冷媒を減圧する減圧弁と、該減圧弁を介して導かれる液冷媒を蒸発させて冷媒ガスとし前記圧縮機に戻す蒸発器とで形成される冷凍サイクルと、前記電動機を制御する請求項１乃至４のいずれか１項に記載のインバータ装置とを備えてなる冷凍装置。