JP2008079445A - インバータ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】電源電圧が変動しても所望の出力電圧を常時安定して精度良く得ることができるとともに、その制御を簡素な回路構成にて容易にかつ確実に行うことができるインバータ装置を提供する。
【解決手段】複数対のスイッチング素子を用い、直流電圧を、パルス列状の複数相の疑似交流電圧に変換して出力するインバータ回路を構成し、該インバータ回路の各相の疑似交流電圧をＰＷＭ発生器によるパルス変調により制御して電力供給先（例えば、モータ）に印加するインバータ装置において、電力供給先への出力電圧の各相の平均電圧を、インバータ回路と電力供給先との間に設けた電圧検出回路における各相を接続した共通点での電圧を検出することにより、電力供給先における中性点電圧に対応する仮想中性点電圧として検出し、検出した仮想中性点電圧を、ＰＷＭ発生器による各相の出力デューティの制御にフィードバックすることにより、インバータ回路からの各相の出力電圧が目標出力電圧となるように制御することを特徴とするインバータ装置。
【選択図】図１

Description

本発明は、インバータ装置に関し、とくに、自動車用の直流電源の直流電圧を複数のスイッチング素子を用いてパルス列状の疑似交流電圧に変換するに際し、電源電圧が変動しても出力電圧が変動しないようにインバータ回路からの出力を安定させるようにしたインバータ装置に関する。

たとえば自動車には直流電源（バッテリー）が搭載され、該直流電源の直流電圧が各種動力や制御用に使用される。そして、この直流電源の直流電圧は、複数のスイッチング素子を有するインバータ回路を用いて、パルス列状の疑似交流電圧に変換され、たとえば、車両用空調装置における圧縮機駆動用モータ（たとえば、電動圧縮機のブラシレスモータ等）や、他のモータ（たとえば、リラクタンスモータや誘導モータ）あるいは変圧器等への出力電圧としても使用される。

車両用空調装置に使用される圧縮機（冷媒圧縮機）には、エンジンの回転力のみをその駆動動力源とするものもあるが、電動圧縮機やハイブリッド圧縮機においては、通常、ブラシレスモータ内蔵の圧縮機が用いられている。このブラシレスモータは、インバータ回路により変換されたパルス列状の疑似交流電圧によって駆動され、その回転速度は、上記疑似交流電圧のデューティ比を変えて供給実効電圧を変化させる方法、すなわちＰＷＭ（パルス幅変調）により制御されている。

ところが、車両に搭載されたバッテリー等の直流電源は、電気的負荷との関係において電圧変動を生じやすく、たとえば、走行用モータを備えた電気自動車やハイブリッドカー等の車両では、加速時に走行用モータに大きな負荷電流が流れるため直流電源電圧が急激に下降し、逆に減速時には走行用モータからの回生電流によって直流電源電圧が急激に上昇する現象を生じる。また、通常のエンジン駆動の車両においても、直流電源の電力が多量に消費されると、直流電源電圧が急激に下降することもある。

このような直流電源電圧の変動が生じると、それに比例して出力電圧が変動する。たとえば上記のようなブラシレスモータを駆動する場合、この電圧変動に伴って、モータ回転数が急加速や急減速してしまうことがある。また、減速時等に過電流が流れるなどして、最悪の場合には保護回路が働いてモータが停止してしまう。

このような問題に対処するために、特許文献１には、直流電源電圧を検出し、その検出電圧値に応じてデューティを変化させる技術が開示されている。また、特許文献２には、インバータ回路からモータへの出力電圧を検出し、検出した電圧値によってデューティを変化させる技術が開示されている。
特許３０８４９４１号公報 特開２００５−５７９７４号公報

しかしながら、上記特許文献１に記載の方法で制御する場合、所望の出力を常時安定して精度良く得ることが困難になることがある。すなわち、上記制御では、直流電源電圧の変動を認識してからデューティを補正するまでに制御装置の処理速度等に依存する時間遅れが生じ、そのためデューティを迅速かつ適切に補正できない場合が生じて、結果的にブラシレスモータに回転数変動、過電流、トルク不足等の不具合が生じるおそれがある。また、検出する電源電圧はモータ端子に印加できる電圧ではないことから、インバータ回路におけるスイッチング素子の電圧降下分を考慮できず、その影響で、３相Ｌｏ時の電圧がどの程度印加されているか分からないという問題とともに、制御精度が悪化するという問題もある。

また、上記特許文献２に記載の方法で制御する場合、モータへの出力側で１相の電圧しか検出しない場合には、残り２相にどの程度の電圧が検出されているか分からなず、その分制御精度が悪化するおそれがある。また、３相分の電圧全てを検出しようとすると、検出処理を３相分行わなければならず、電圧の検出の処理量が増大してしまうという問題がある。また、そのための回路、制御ともに複雑化するという問題もある。

そこで本発明の課題は、複数のスイッチング素子を備えたインバータ回路を用いて直流電源電圧をパルス列状の疑似交流電圧に変換するに際し、電源電圧が変動しても所望の出力電圧を常時安定して精度良く得ることができるようにするとともに、その制御を簡素な回路構成にて容易にかつ確実に行うことができるようにしたインバータ装置を提供することにある。

上記課題を解決するために、本発明に係るインバータ装置は、一対のスイッチング素子を直列に接続した素子組を、直流電源に対し、複数組並列に接続して、前記直流電源の直流電圧を、パルス列状の複数相の疑似交流電圧に変換して出力するインバータ回路を構成し、該インバータ回路に、各相の前記疑似交流電圧をパルス変調により調整可能なＰＷＭ発生器を含む出力制御回路を接続し、前記インバータ回路からの出力電圧を、電力供給先に印加するインバータ装置において、前記電力供給先への出力電圧の各相の平均電圧を、インバータ回路と電力供給先との間に設けた電圧検出回路における各相を接続した共通点での電圧を検出することにより、前記電力供給先における中性点電圧に対応する仮想中性点電圧として検出し、検出した仮想中性点電圧を、前記ＰＷＭ発生器による各相の出力デューティの制御にフィードバックすることにより、前記インバータ回路からの各相の出力電圧が目標出力電圧となるように制御することを特徴とするものからなる。

すなわち、本発明に係るインバータ装置では、電源電圧ではなく、インバータ回路から実際に出力されている電圧が検出されるが、各相毎に検出されるのではなく、各相の平均出力電圧として検出され、それが、電力供給先における中性点電圧に対応する仮想中性点電圧として検出される。したがって、電源電圧を検出していた前述の特許文献１における制御精度悪化等の問題が解消されると同時に、制御精度を上げるためには各相毎に出力電圧を検出する必要にあった前述の特許文献２における回路、制御の複雑化等の問題も解消され、簡単な構成でありながら、精度のよい制御が可能になり、かつ迅速なフィードバック制御が可能になる。

この本発明に係るインバータ装置においては、インバータ回路からの出力が各相すべてがＨｉの期間中に仮想中性点電圧（Ｈｉ）を検出することが好ましい。それによって、次のタイミングのＨｉ時に極めて迅速に検出結果をフィードバックでき、制御精度が向上される。各相の出力デューティは次式に基づく演算により可変制御すればよい。
出力デューティ＝目標出力電圧／検出仮想中性点電圧（Ｈｉ）
ここで、出力Ｈｉの状態とは前記パルス列状の疑似交流電圧が最高電圧値を示している状態である。

また、より制御精度を上げるためには、Ｌｏ時の出力も検出することが好ましい。すなわち、さらに、インバータ回路からの出力が各相すべてがＬｏの期間中に仮想中性点電圧（Ｌｏ）を検出し、各相の出力デューティを次式に基づく演算により可変制御するようにすることが好ましい。
出力デューティ＝目標出力電圧／（検出仮想中性点電圧（Ｈｉ）−検出仮想中性点電圧（Ｌｏ））
ここで、出力Ｌｏの状態とは前記パルス列状の疑似交流電圧が最低電圧値を示している状態である。

本発明において、前記電力供給先はとくに限定されず、インバータ回路からの出力を使用する電気機器でありさえすればよいが、とくに、電力供給先が回転数制御が要求されるモータである場合に、出力電圧の高精度制御により回転数を高精度に制御できることから、本発明はとくに好適なものである。

中でも、上記モータが圧縮機駆動用モータである場合、とくに車両用空調装置の冷媒回路中に設けられる圧縮機の駆動用モータである場合に、本発明はとくに好適なものである。このような圧縮機の駆動用モータにおいては、モータが圧縮機内に組み込まれて、モータが冷媒に曝されることになる場合が多く、モータ自体の中性点電圧を検出できないことが多い。しかし、本発明のように仮想中性点電圧を検出することにより、その仮想中性点電圧を実際の平均出力電圧として検出することが可能になり、各相すべての出力電圧を検出することなく、制御に必要な実際の出力電圧を簡便にかつ精度よく検出できるようになって、それを各相の出力デューティ制御に用いることができるようになる。

このように本発明に係るインバータ装置によれば、実際に出力している電圧が仮想中性点電圧として検出され、それに基づいて各相の出力デューティが演算され、その演算された出力デューティとなるように、ＰＷＭ制御が行われる。したがって、パワー素子の電圧降下や電源電圧の変動によらず、目標とする所望の出力電圧が常に安定して得られることになる。

以下に、本発明の望ましい実施の形態を、図面を参照しながら説明する。
図１は、本発明の一実施態様に係るインバータ装置を示しており、とくに電力供給先としての３相モータ（たとえば、車両用空調装置における圧縮機に内蔵される３相ブラシレスモータ）へパルス列状の疑似交流電圧を出力するモータ駆動電源回路として構成した場合を示している。図１において、１はインバータ装置を示しており、該インバータ装置１には、一対のスイッチング素子（２ａおよび２ｂ、２ｃおよび２ｄ、２ｅおよび２ｆ）を直列に接続した素子組を、直流電源３（たとえば、バッテリー）に対し、複数組（本実施態様では、３組）並列に接続して、直流電源３の直流電圧をパルス列状の疑似交流電圧に変換して出力するインバータ回路４が構成されている。インバータ回路４には、上記疑似交流電圧をパルス変調により調整可能なＰＷＭ発生器５を含む出力制御回路としてのモータ３相出力制御回路６が接続されている。インバータ回路４からの３相の各出力相Ｕ、Ｖ、Ｗは、モータ７（たとえば３相ブラシレスモータ、ただし、疑似交流電圧印加により駆動できる他のあらゆるモータも可能である。）の対応する極へと接続され、所定の電圧が印加されてモータ７が所定の回転数で駆動されるようになっている。モータ７へは、パルス列状の疑似交流電圧が出力され、このパルス列状の疑似交流電圧の平均電圧が、モータ７に印加される実効電圧となり、モータ７は、その実効電圧に対応する回転数で回転駆動される。

インバータ回路４とモータ７との間には、モータ７への出力電圧の各相の平均電圧を検出する電圧検出回路８が設けられている。この電圧検出回路８は、抵抗分割により電圧が検出可能に構成されているが、接地に至る前に、各相から引き出した回路が一つにまとめられて接続された共通点に形成され、この共通点が、モータ７内における中性点に対応する仮想中性点９とされて、そこで、モータ７における中性点電圧に対応する仮想中性点電圧が検出できるように構成されている。この仮想中性点９で検出された仮想中性点電圧が、後述の演算を行う演算装置１０に送られ、演算された値が、ＰＷＭ発生器６による各相の出力デューティの制御にフィードバックされるようになっている。このフィードバックにより、インバータ回路４からの各相の出力電圧が目標出力電圧となるように制御される。

すなわち、本発明に係るインバータ装置１では、電源電圧ではなく、インバータ回路４から実際に出力されている電圧が検出され、かつ、各相毎に検出されるのではなく、各相の平均出力電圧として検出され、それが、モータ７における中性点電圧に対応する仮想中性点電圧として検出される。電源側の電圧ではなく実際に出力されている電圧が検出されるので制御精度が向上され、各相毎に出力電圧を検出する必要がないので回路構成、制御ともに簡素である。各相すべての平均電圧としての仮想中性点電圧を用いて出力デューティの演算、制御が行われ、それを介してモータ７の実効電圧を精度良く制御することが可能になって、その回転数制御の精度も向上される。

上記仮想中性点電圧は、例えば、図２に示すようなタイミングで検出される。
図２においては、仮想中性点電圧（Ｈｉ）が、インバータ回路４からの３相のＵ、Ｖ、Ｗ出力相すべてがＨｉの期間中に検出されるようになっている。また、図示例では、仮想中性点電圧（Ｌｏ）が、インバータ回路４からの３相のＵ、Ｖ、Ｗ出力相すべてがＬｏの期間中に検出されるようになっている。このようなタイミングで検出すると、次の（直後の）タイミングでの出力デューティの制御にフィードバックすることが可能になり、迅速かつ高精度の制御が可能になる。

ここで、本発明における具体的な動作を動作原理について説明する。
３相がＨｉの状態における出力時には、各相の出力電圧Vu、Vv、Vwは、
Vu=Vcc-Vu'(IGBT, Di)、
Vv=Vcc-Vv'(IGBT, Di)、
Vw=Vcc-Vw'(IGBT, Di)、
で表され、３相がＬｏの状態における出力時には、各相の出力電圧Vu、Vv、Vwは、
Vu=-Vu'(IGBT，Di) 、
Vv=-Vv'(IGBT，Di) 、
Vw=-Vw'(IGBT, Di) 、 で表される。ここで、
Vu' 、Vv' 、Vw' はスイッチング素子のダイオードやパワートランジスタの電圧降下成分を表しており、IGBTはパワートランジスタのドロップ電圧、Diはダイオードのドロップ電圧を表している。
３相Ｈｉ運転時に本発明における出力回路上に出力される電圧値は、
Vhi ＝1/3(Vu+Vv+Vw)
＝Vcc-1/3[Vu'(IGBT, Di) +Vu'(IGBT, Di) +Vu'(IGBT, Di)]
となり、
３相Ｌｏ出力時に本発明における出力回路上に出力される電圧値は、
Vlo ＝1/3(Vu+Vv+Vw)
＝-1/3[Vu'(IGBT, Di) +Vu'(IGBT, Di) +Vu'(IGBT, Di)]
となる。
そして、本発明における電圧検出回路８で仮想中性点電圧を検出することにより、パワートランジスタをオンさせたとき、オフさせたときのスイッチング素子による電圧降下を考慮した、モータ７に印加できる平均の電位差を求めることができるようになり、簡単な方法で、出力電圧を検出することができるようになる。

Vcc=Vhi-Vloとして、上記のように計算される結果より、
Ｕ相DUTY値＝Vu(U相の印加したい電圧値)/Vcc 、
Ｖ相DUTY値＝Vv(V相の印加したい電圧値)/Vcc 、
Ｗ相DUTY値＝Vw(W相の印加したい電圧値)/Vcc 、
により、各相のDUTYを計算し、出力すれば、印加したい電圧を矩形パルス列にして、モータ７に目標の電圧を印加することができるようになる。

電圧検出後との制御フローとしては、例えば図３に示すフローを用いることができる。図３にはＵ相について示してあるが、Ｖ相、Ｗ相についても同様である。
まず、図２に示したタイミングで仮想中性点電圧を検出するために、３相ともＨｉ出力か否かが判断され、そうである場合には仮想中性点電圧を検出して仮想中性点電圧（Ｈｉ）を取得し、そうでない場合には仮想中性点電圧を検出して仮想中性点電圧（Ｌｏ）を取得する。そして、モータ電圧としての平均電圧値を、（仮想中性点電圧（Ｈｉ）−仮想中性点電圧（Ｌｏ））によって求め、そのモータ電圧を用いて、出力デューティ（Ｕ相）を目標印加電圧（Ｕ相）／モータ電圧で計算する。計算された出力デューティ（Ｕ相）をＰＷＭ発生器に出力し、Ｕ相の出力電圧が目標印加電圧となるように制御される。同様にＶ相とＷ相の出力電圧が目標印加電圧となるように制御され、モータ７への出力電圧（実効電圧）が目標値になるように精度よく制御される。このフローによる検出、演算が、実質的に常時繰り返し行われる。

上記実施態様は、主として３相ブラシレスモータの電圧印加回路に本発明を適用した場合について説明したが、本発明は、直流電源からの直流電圧をパルス列状の疑似交流電圧に変換するあらゆるインバータ装置に適用でき、とくに、直流電源電圧に変動が生じやすい車両用空調装置における圧縮機駆動用モータへの電圧印加回路に適用して最適なものである。

本発明の一実施態様に係るインバータ装置の概略構成図である。 図１のインバータ装置における電圧検出のタイミング例を示すタイムチャートである。 図１のインバータ装置における制御の一例を示すフロー図である。

符号の説明

１ インバータ装置
２ａ、２ｂ、２ｃ、２ｄ、２ｅ、２ｆ スイッチング素子
３ 直流電源
４ インバータ回路
５ ＰＷＭ発生器
６ モータ３相出力制御回路
７ 電力供給先としてのモータ
８ 電圧検出回路
９ 仮想中性点
１０ 演算装置

Claims (6)

1. 一対のスイッチング素子を直列に接続した素子組を、直流電源に対し、複数組並列に接続して、前記直流電源の直流電圧を、パルス列状の複数相の疑似交流電圧に変換して出力するインバータ回路を構成し、該インバータ回路に、各相の前記疑似交流電圧をパルス変調により調整可能なＰＷＭ発生器を含む出力制御回路を接続し、前記インバータ回路からの出力電圧を、電力供給先に印加するインバータ装置において、前記電力供給先への出力電圧の各相の平均電圧を、インバータ回路と電力供給先との間に設けた電圧検出回路における各相を接続した共通点での電圧を検出することにより、前記電力供給先における中性点電圧に対応する仮想中性点電圧として検出し、検出した仮想中性点電圧を、前記ＰＷＭ発生器による各相の出力デューティの制御にフィードバックすることにより、前記インバータ回路からの各相の出力電圧が目標出力電圧となるように制御することを特徴とするインバータ装置。
2. インバータ回路からの出力が各相すべてがＨｉの期間中に仮想中性点電圧（Ｈｉ）を検出し、各相の出力デューティを次式に基づく演算により可変制御する、請求項１に記載のインバータ装置。
   出力デューティ＝目標出力電圧／検出仮想中性点電圧（Ｈｉ）
   ここで、出力Ｈｉの状態とは前記パルス列状の疑似交流電圧が最高電圧値を示している状態である。
3. さらに、インバータ回路からの出力が各相すべてがＬｏの期間中に仮想中性点電圧（Ｌｏ）を検出し、各相の出力デューティを次式に基づく演算により可変制御する、請求項２に記載のインバータ装置。
   出力デューティ＝目標出力電圧／（検出仮想中性点電圧（Ｈｉ）−検出仮想中性点電圧（Ｌｏ））
   ここで、出力Ｌｏの状態とは前記パルス列状の疑似交流電圧が最低電圧値を示している状態である。
4. 前記電力供給先がモータである、請求項１〜３のいずれかに記載のインバータ装置。
5. 前記モータが圧縮機駆動用モータである、請求項４に記載のインバータ装置。
6. 前記モータが、車両用空調装置の冷媒回路中に設けられる圧縮機の駆動用モータである、請求項５に記載のインバータ装置。

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