JP2006230180A - インバータ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】本発明は、直流電源との接続を遮断することなく過電圧保護を行い、過電圧による停止時間を短くできるインバータ装置の提供を目的とする。
【解決手段】直流電源（バッテリー１）の電圧が所定値Ｖｈより大きい場合には、インバータ回路９を停止し、開閉装置１０を開き、充電装置１１をコンデンサ６の電圧ＶＣを所定値Ｖｈにクランプする電圧制限回路として作動させ、直流電源１の電圧が低下して所定値Ｖｈに接近または一致した時、開閉装置１０を閉じ、インバータ回路９を作動させる。これにより、コンデンサ６は放電することがないので再度充電する時間は不要となり、インバータ装置７の停止時間を短くできる。
【選択図】図１

Description

本発明は、直流電源で電動コンプレッサなどを駆動するインバータ装置の高電圧保護に関する。

直流電源の直流電力で空調用の電動コンプレッサなどを駆動するインバータ装置においては、電動コンプレッサに大電流を供給するために、インバータ装置に直流電源の電流リップルを低減するためのコンデンサが設けられている。

また、自動車用空調装置の電動コンプレッサ駆動用インバータ装置に使用される直流電源の電圧は、走行用モータの電源として使用されるため、加速による電圧低下や減速時の回生による上昇などがあり変動が大きい。例えば、図５に示すように、バッテリー１は、走行用インバータ装置２００と電動コンプレッサ８を駆動するインバータ装置１０７に並列に接続される。自動車の加速時には、走行用モータ２１０へ大電流を供給するため、バッテリー１は電圧低下する。逆に、自動車の減速時には、走行用モータ２１０からの回生により、バッテリー１の電圧は上昇する。

そのため、電圧上昇時には過電圧から回路を保護することが必要であり、過電圧発生時に直流電源との接続を遮断する必要がある（例えば、特許文献１参照）。

図６に、インバータ装置と電動コンプレッサ、およびその周辺の電気回路図の一例を示す。インバータ装置１０７の制御回路（図示せず）は、電動コンプレッサ８の駆動源であるセンサレスＤＣブラシレスモータ（以降モータと称す）を構成する磁石回転子５による固定子巻線４の誘起電圧を演算し、磁石回転子５の位置検出を行う。そして、回転数指令信号（図示せず）等に基づき、インバータ回路９を構成するスイッチング素子２（ＩＧＢＴ等が用いられる）を制御し、バッテリー１からの直流電圧をＰＷＭ変調でスイッチングすることにより、正弦波状の交流電流をモータの固定子巻線４へ出力する。このとき、バッテリー１からスイッチング素子２へ供給される電流を、コンデンサ６で平滑し、直流電源の電流リップルを低減する。

インバータ回路９を構成するダイオード３は、固定子巻線４に流れる電流の還流ルートとなる。スイッチング素子２について、上アームスイッチング素子をＵ，Ｖ，Ｗ、下アームスイッチング素子をＸ，Ｙ，Ｚと定義する
インバータ装置１０７の起動時には、電圧検出器１００にてバッテリー１の電圧が検出される。その電圧が正常であれば、リレー１０１がＯＮされて充電回路１１１により、コンデンサ６が充電される。この充電が完了すると、リレー１０がＯＮされ、インバータ回路９が始動する。充電回路１１１は、定電流回路である。抵抗１３により、トランジスタ１２のベースに流れる電流は、増幅されて抵抗１５に流れ出力される。この電流の値は、ツェナーダイオード１４のツェナー電圧からトランジスタ１２のベースエミッタ間電圧を引いた電圧を、抵抗１５の抵抗値で除して求められる。

図７に、バッテリー１の電圧上昇時の対応をタイムチャートで示す。バッテリー１の電圧ＶＢが通常の電圧Ｖｎから上昇し、時間Ｔｈで過電圧Ｖｈに達すると、インバータ装置１０７、電動コンプレッサ８を保護するために、インバータ回路９を停止し、リレー１０を開く。そして、リレー１０１を開き、充電回路１１１をＯＦＦにする。これにより、コンデンサ６は放電を始め、コンデンサ６の電圧ＶＣは低下してゆき、時間Ｔｓで０となる。バッテリー１の電圧ＶＢは、時間Ｔｐで最大Ｖｐに達し、以降低下してゆく。そして、
Ｖｈまで低下した時点Ｔｋで、リレー１０１がＯＮされ充電回路１１１が作動し、コンデンサ６の充電が開始される。定電流で充電されるため、コンデンサ６の電圧ＶＣは直線的に上昇する。時間Ｔｅで充電が完了し、リレー１０がＯＮされ、インバータ回路９が始動する。
特開平７−１４３６０１号公報（第１頁、請求項１）

上記従来の場合、直流電源であるバッテリーの電圧が過電圧に達する場合、バッテリーの電圧が低下する時間に加え、放電したコンデンサを再度充電する時間の間、インバータ装置が停止することとなる。直流電源の電圧が過電圧に達する場合は、上記自動車用に限らず各種モータ駆動時の回生、定格を外れた電源電圧の印加なども考えられる。このような場合、空調装置においては電動コンプレッサの停止により空調が停止してしまう。特に、自動車用空調装置の場合、日射や窓からの輻射、および外気導入などにより空調負荷が大きいため、空調の短い停止においても室温が大きく変化して快適性を損なってしまう。そのため、空調の停止は極力短くしなければならない。

本発明は、直流電源との接続を遮断することなく過電圧保護を行い、過電圧に起因する停止時間を短くできるインバータ装置の提供を目的とするものである。

前記従来の課題を解決するために、本発明のインバータ装置は、直流電源から所定値を越えた電圧が印加された場合、開閉装置が開の状態において充電装置を電圧制限回路として作動させて、コンデンサもしくはインバータ回路の電圧が当該許容耐圧を越えない電圧に制限する。これにより、コンデンサ、インバータ回路は過電圧から保護されるとともに、コンデンサを放電させないので、放電したコンデンサを再度充電する時間は不要となり、インバータ装置が停止する時間を短くできる。

本発明のインバータ装置は、直流電源との接続を遮断することなく過電圧保護を行うことができ、電源電圧上昇時などにおける過電圧による停止時間を短くでき、空調においては快適性を損なうことを抑制することができる。

第１の発明は、直流電源から所定値を越えた電圧が印加された場合、開閉装置が開の状態において充電装置を電圧制限回路として作動させて、コンデンサもしくはインバータ回路の電圧が当該許容耐圧を越えないように制限するものである。これにより、コンデンサとインバータ回路は過電圧から保護されるとともに、コンデンサを放電させないので放電したコンデンサを再度充電する時間は不要となり、インバータ装置が停止する時間を短くできる。また、再度充電する必要がなくなるので、インバータ装置の作動が簡単になる。

第２の発明は、第１の発明において、インバータ回路が作動中の場合、インバータ回路の作動を停止した後、開閉装置を開として充電装置を電圧制限回路として作動させて、コンデンサもしくはインバータ回路の電圧が当該許容耐圧を越えないように制限するものである。これにより、インバータ回路が作動中においても、コンデンサとインバータ回路は過電圧から保護されるとともに、コンデンサを放電させないので放電したコンデンサを再度充電する時間は不要となり、インバータ装置が停止する時間を短くできる。

第３の発明は、第１又は第２の発明において、直流電源の電圧が低下して充電装置が電圧制限回路として作動せずとも、コンデンサもしくはインバータ回路の電圧が当該許容耐
圧を越えない電圧となる時点で開閉装置を閉じるものである。これにより、開閉装置に接点間電位差に起因する突入電流が流れることはない。また、インバータ回路を、以降いつでも作動可能なスタンバイ状態にすることができる。

第４の発明は、第３の発明において、開閉装置を閉じた直後にインバータ回路を作動させるものである。これにより、停止時間を最小にできる。

第５の発明は、第１乃至第４の発明において、充電装置をトランジスタにより充電電流を制御する回路とし、トランジスタのベース電圧をクランプすることで電圧制限回路として作動させるものである。これにより、トランジスタのベースにベース電圧をクランプする回路を接続しておくだけで、充電装置を充電回路から電圧制限回路へ切替えることができ、インバータ装置の構成、作動が簡単になる。

第６の発明は、第５の発明において、トランジスタのベース電圧をクランプするための制御電流の有無で所定値電圧を判定するものである。これにより、直流電源の電圧上昇時、また低下時に所定値電圧に達したことを、電流の有無でデジタル的に判定できる。また、電圧検出器が不要となる。そのため、インバータ装置の構成が簡単になる。

第７の発明は、第５又は第６の発明において、充電電流を一定値として、充電装置を定電流回路とするもので、回路構成が簡素であり、第５又は第６の発明の実施が容易である。

第８の発明は、第１乃至第７の発明において、電動コンプレッサを駆動するもので、空調の停止時間を短縮し、快適性を損なうことを抑制することができる。

第９の発明は、第８の発明において、自動車用空調装置の電動コンプレッサを駆動するもので、減速時の回生に起因する過電圧停止に対して、復帰を迅速に行うことができる。

以下本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。なお、この実施の形態によって本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におけるインバータ装置及びその周辺の電気回路図で、過電圧対応回路を示す。図７の従来のインバータ装置及びその周辺の電気回路図との同一部分は同一符号を用いている。図１においては、図７に比べ、電圧検出器１００、トランジスタ１２のＯｎＯｆｆ用リレー１０１が削除され、トランジスタのベース電圧を保持するためのツェナーダイオード１６および制御電流の有無を判定するための電流センサ１７が追加されている。また、定電流充電回路１１の動作は、図７のリレー１０１がＯｎしている時の定電流充電回路１１１の動作と同じである。

ツェナーダイオード１６は、過電圧発生時において、定電流充電回路１１を構成するトランジスタ１２のベース電圧をクランプし、結果として定電流充電回路１１の出力電圧もクランプされ、コンデンサ６に印加される電圧を制限するためのものである。これにより、コンデンサ６とインバータ回路９に過電圧が印加されることを防止できる。また、従来の定電流充電回路１１１におけるトランジスタ１２のＯｎＯｆｆ用のリレー１０１を削除することができる。

電流センサ１７は、過電圧発生時において、抵抗１３乃至ツェナーダイオード１４の順方向経由で、ツェナーダイオード１６に流れ込む電流を検出するもので、当該電流が流れることにより過電圧の発生を判定することができる。従って、従来のインバータ装置１０
７における電圧検出器１００を削除することができる。電流センサ１７を用いる場合、デジタル値である電流発生の有または無を検出すれば良い。一方、電圧検出器１００においては、アナログ値である過電圧値を検出する必要がある。よって、本実施の形態によればインバータ装置の構成を簡単にできる。

以下、本発明の実施の形態１における作動について説明する。図２は、通常充電時でのインバータ装置の動作説明図で、過電圧がない場合の充電回路１１、リレー１０、及びインバータ回路９の動作をタイムチャートで示す。

バッテリー１の電圧ＶＢが印加されると充電回路１１が定電流でコンデンサ６を充電し、コンデンサ６の電圧ＶＣは直線状に上昇する。そして、時間Ｔｎでコンデンサ６の電圧ＶＣが通常の電圧Ｖｎであるバッテリー１の電圧ＶＢに一致すると充電電流が停止する。図示していないが、この充電電流が停止することを検出する電流センサにより充電電完了と判定する。他の判定方法として、コンデンサ６の電圧ＶＣ、バッテリー１の電圧ＶＢ双方を検出して、一致することで判定できる。充電電完了と判定されると、リレー１０がＯＮされて、インバータ回路９がいつでも始動できるスタンバイ状態になる。

図３は、本発明の実施の形態１におけるインバータ回路作動過電圧時でのインバータ装置の動作説明図で、過電圧発生時の充電回路、リレー、及びインバータの対応動作をタイムチャートで示す。

インバータ回路が作動中において、例えば自動車の減速時の回生などにより、バッテリー１の電圧ＶＢは、Ｖｎから上昇し、時間Ｔｈにおいて過電圧となる所定の電圧Ｖｈに達する。この時、抵抗１３乃至ツェナーダイオード１４の順方向経由で、ツェナーダイオード１６に電流が流れ込む。この電流は電流センサ１７で検出され、これにより、バッテリー１の電圧ＶＢが過電圧となる所定の電圧Ｖｈに達したと判定される。

ここで、コンデンサ６およびインバータ回路９を保護するために、インバータ回路９を停止し、リレー１０を開く。バッテリー１の電圧はさらに上昇してゆくが、ツェナーダイオード１６により、トランジスタ１２のベース電圧がツェナーダイオード１６のツェナー電圧にクランプされる。これにより、トランジスタ１２のエミッタ電圧もクランプされて、その結果、コンデンサ６の電圧ＶＣはクランプ即ち制限される。この定電流充電回路１１が電圧制限回路として作動する期間は、図３において破線で示している。

なお、クランプとは、バッテリー１の電圧が上昇しても特定の値に固定しておき、バッテリー１の電圧が下降してくれば特定の値への固定を解除することを意味している。そのため、制限の意味もあり、特定の値への固定中は保持の意味もある。

バッテリー１の電圧は、時間Ｔｐで最大Ｖｐに達し、以降低下してゆく。そして、所定の電圧Ｖｈまで低下し時間Ｔｋを過ぎると、ツェナーダイオード１６に電流は流れ込まなくなる。この電流停止は、電流センサ１７で検出され、これにより、バッテリー１の電圧ＶＢは所定の電圧Ｖｈより低下したと判定される。そして、時間Ｔｋの段階でリレー１０がＯＮされてインバータ回路９が始動する。従って、図７における従来の過電圧発生時の対応に比べ、図３における本実施の形態の過電圧発生時の対応は、時間Ｔｋから時間Ｔｅまでのコンデンサ６を再充電する時間が不要となり、インバータ装置７の停止時間を短くできる。また、電動コンプレッサが停止することによる空調の停止時間を短くできる。そして、再度充電する必要がなくなるので、インバータ装置の作動が簡単になる。

図４は、本発明の実施の形態１におけるインバータ回路非作動過電圧時でのインバータ装置の動作説明図で、インバータ回路が作動していない場合における、過電圧発生時の充
電回路、リレー、及びインバータの対応動作をタイムチャートで示す。図３とは、インバータ回路９がＯｆｆのままである点のみ異なる。バッテリー１の電圧ＶＢが過電圧となる所定の電圧Ｖｈに達したと判定されると、上記と同様に、リレー１０を開くことによりコンデンサ６およびインバータ回路９が保護される。

具体的数値例としては、コンデンサ６およびインバータ回路９の許容耐圧が３００Ｖであれば、ツェナーダイオード１６のツェナー電圧を２９９Ｖとすれば良い。即ち、バッテリー１の電圧ＶＢが３００Ｖになると、ツェナーダイオード１４の順方向電圧約１Ｖ低下した電圧２９９Ｖになり、ツェナー電圧が２９９Ｖのツェナーダイオード１６に電流が流れ込む。この電流が、電流センサ１７で検出される。コンデンサ６およびインバータ回路９のクランプ即ち制限される電圧は、ツェナーダイオード１６のツェナー電圧２９９Ｖから、トランジスタ１２のベースエミッタ間電圧約２Ｖを引いた電圧２９７Ｖとなる。

上記具体的数値例において、３００Ｖは充電装置を電圧制限回路として作動させる時の直流電源の所定値に、２９７Ｖは当該許容耐圧を越えない電圧に相当する。充電装置の回路構成により、これらの数値は異なってくる。また、図３と図４においては、簡明にするために上記３００Ｖと２９７Ｖを同一のＶｈで示している。

尚、上記各実施の形態において、充電装置として定電流充電回路について示したが、これに限るものではなく、充電電流を漸増させる回路などでも良いし、抵抗のみによる充電回路において、充放電によりコンデンサ６およびインバータ回路９に加わる電圧を制限しても良い。また、電圧検出器を用いても良い。また、正弦波電流を出力する場合について説明したが、１２０度通電などに関しても同様である。電流センサ１７としては、ツェナーダイオード１６と直列にホトカプラのＬＥＤを接続する方法がある。

本発明は、自動車用インバータ装置と電動圧縮機の例を用いて説明したが、これに限らず、自動車用や電動圧縮機以外の、ルームエアコン、他の移動体用空調装置、更にはモータ駆動装置などにも適用可能である。

本発明の実施の形態１におけるインバータ装置及びその周辺の電気回路図 同通常充電時でのインバータ装置の動作説明図 同インバータ回路作動過電圧時でのインバータ装置の動作説明図 同インバータ回路非作動過電圧時でのインバータ装置の動作説明図 走行用インバータ装置と電動コンプレッサ用インバータ装置の電気回路図 従来のインバータ装置及びその周辺の電気回路図 従来のインバータ装置の過電圧対応動作説明図

符号の説明

１ バッテリー
６ 直流電源の電流リップル平滑用コンデンサ
８ 電動コンプレッサ
９ インバータ回路
１０ 電力供給用リレー
１１ 定電流充電回路
１２ トランジスタ
１６ ツェナーダイオード
１７ 電流センサ

Claims (9)

1. 直流電源によりコンデンサを充電する充電装置と、前記直流電源から開閉装置を介して電力を供給され、交流電流を出力するインバータ回路とを備え、前記充電装置を作動させ前記コンデンサを充電した後、前記開閉装置を閉じ、その後、前記インバータ回路を作動させるインバータ装置であって、前記直流電源から所定値を越えた電圧が印加された場合、前記開閉装置が開の状態において前記充電装置を電圧制限回路として作動させて、前記コンデンサもしくは前記インバータ回路の電圧が当該許容耐圧を越えないように制限することを特徴とするインバータ装置。
2. 前記インバータ回路が作動中の場合、前記インバータ回路の作動を停止した後、前記開閉装置を開として、前記充電装置を電圧制限回路として作動させて、前記コンデンサもしくは前記インバータ回路の電圧が当該許容耐圧を越えないように制限することを特徴とする請求項１記載のインバータ装置。
3. 前記直流電源の電圧が低下して前記充電装置が前記電圧制限回路として作動せずとも、前記コンデンサもしくは前記インバータ回路の電圧が当該許容耐圧を越えない電圧となる時点で前記開閉装置を閉じることを特徴とする請求項１又は請求項２記載のインバータ装置。
4. 前記開閉装置を閉じた直後に前記インバータ回路を作動させる請求項３記載のインバータ装置。
5. 前記充電装置を、トランジスタにより充電電流を制御する回路とし、前記トランジスタのベース電圧をクランプすることで電圧制限回路として作動させる請求項１から請求項４のうちいずれか一項記載のインバータ装置。
6. 前記トランジスタのベース電圧をクランプするための制御電流の有無で前記所定値の電圧を判定する請求項５記載のインバータ装置。
7. 前記充電電流を一定値とする請求項５又は請求項６記載のインバータ装置。
8. 電動コンプレッサを駆動する請求項１から請求項７のうちいずれか一項記載のインバータ装置。
9. 自動車用空調装置の電動コンプレッサを駆動する請求項８記載のインバータ装置。