JP2008271687A - 電力変換装置およびこれを用いたモータ駆動用インバータ制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】インバータの直流母線電圧が大きく脈動しても、スイッチング制御電源部の安定動作を確保できる電力変換装置を提供する。
【解決手段】一端がインバータ１０の直流母線の一方と接続されたスイッチング制御電源部１４の１次側コンデンサ１３と、一端が１次側コンデンサ１３の他端と接続され他端がインバータ１０の直流母線の他方と接続された単方向整流手段１２と、単方向整流手段１２と並列に接続されたスイッチ手段１９と、１次側コンデンサ１３の電圧を検出する電圧検出手段１７と、電圧検出手段１７で検出した電圧が所定の電圧以上になったときスイッチ手段１９を開から閉にするスイッチ制御手段１８とを有している。
【選択図】図１

Description

本発明は、電力変換装置およびそれを用いたモータ駆動用インバータ制御装置に関するものである。

従来この種の電力変換装置は、小容量のリアクタと小容量のＤＣリンクコンデンサを用いることで小型・軽量・低コスト化を実現している。さらにスイッチング電源の１次側回路はインバータの母線電圧から単方向整流手段を介して１次側コンデンサを充電する構成とすることで、インバータの直流母線電圧が大きな脈動を有する場合でもスイッチング電源の安定動作が可能となり、制御および駆動のための電源を一定かつ安定的に供給できる（たとえば特許文献１）。図６は特許文献１に記載されている従来の電力変換装置を示すものである。

図６に示す従来の電力変換装置は、交流電源１と、交流電源からの交流を全波整流する４個のダイオード２〜５で形成されたダイオードブリッジ６と、ダイオードブリッジ６の交流入力側に挿入された小容量のリアクタ９と、ダイオードブリッジ６の直流側母線間に接続した極めて小容量のＤＣリンクコンデンサ７と、ダイオードブリッジ６の出力である直流電力から交流電力に変換するインバータ１０と、一端がインバータ１０の直流母線の一方と接続されスイッチング制御電源部１４の１次回路が電荷を蓄積する１次側コンデンサ１３と、一端が１次側コンデンサ１３の他端と接続され他端がインバータ１０の直流母線の他方と接続された単方向整流手段１２と、スイッチング制御電源部１４の出力が供給される制御手段１６とを備えたものである。

このような構成において、一端がインバータ１０の直流母線の一方と接続されたスイッチング制御電源部１４の１次側コンデンサ１３の他端と、インバータ１０の直流母線の他方との間にダイオード等の単方向整流手段１２を設けることで、インバータ１０の直流母線間電圧が１次側コンデンサ１３の電圧より高い場合のみ、１次側コンデンサ１３へ充電し、インバータ１０の直流母線間電圧が１次側コンデンサ１３より低くなった場合には１次側コンデンサ１３が放電しない構成となるため、インバータ１０の直流母線間電圧が大きく脈動しても、スイッチング制御電源部１４の入力電圧である１次側コンデンサ１３の両端電圧はゼロまで低下することなく、スイッチング制御電源部１４が安定した動作を行い、一定の制御電源および駆動電源を供給することができる。
特開２００５−２５３２８２号公報

しかしながら、上記従来技術では、インバータ１０がブラシレスＤＣモータ等のモータを駆動する場合、その急峻な速度変動等が発生した場合、モータからの回生が生じ、単方向整流手段１２を介し１次側コンデンサ１３をチャージする結果、１次側コンデンサ１３の電圧が上昇してしまい、１次側コンデンサ１３および、スイッチング制御電源部１４等の１次側コンデンサ１３に接続される部品の耐圧を超えてしまう可能性があるという課題を有していた。

本発明の目的は上記従来の課題を解決するものであり、小型・軽量・低コストの電力変換装置で、インバータの直流母線電圧が大きく脈動しても、スイッチング制御電源部の安定動作を確保でき電力変換装置の信頼性を向上させることで、従来技術にしめす電力変換装置の実用性をより高めるものである。

上記目的を達成するために、本発明の電力変換装置は、１次側コンデンサの電圧が所定の電圧以上になったときに閉じるスイッチ手段を単方向整流手段と並列に接続したのである。

これにより１次側コンデンサ電圧が、１次側コンデンサ自身の耐圧およびこれに接続されるスイッチング制御電源部等の部品の耐圧以上に上昇することを防ぐことができ、小型・軽量・低コストの電力変換装置で、インバータの直流母線電圧が大きく脈動しても、スイッチング制御電源部の安定動作を確保でき電力変換装置の信頼性を向上させて、従来技術にしめす電力変換装置の実用性をより高める。

本発明のモータ駆動装置は、ＤＣリンクコンデンサを極めて小容量のものにして、インバータの直流母線電圧が大きく脈動してもスイッチング制御電源部の安定した動作を実現できると共に、モータの急激な速度変動に伴う回生電圧からスイッチング制御電源部を保護することで、装置の信頼性を著しく向上するものである。

本発明の請求項１に記載の電力変換装置の発明は、交流電源を入力としダイオードブリッジと前記ダイオードブリッジの交流入力側または直流出力側に接続されるリアクタとで構成される整流回路と、前記整流回路の出力である直流電力から交流電力に変換するインバータと、前記インバータの直流母線間に設けたＤＣリンクコンデンサと、一端が前記インバータの直流母線の一方と接続されたスイッチング制御電源部の１次側コンデンサと、一端が前記１次側コンデンサの他端と接続され他端が前記インバータの直流母線の他方と接続された単方向整流手段と、前記単方向整流手段と並列に接続され前記１次側コンデンサの電圧が所定の電圧以上になったときに閉じるスイッチ手段とを有するものであり、１次側コンデンサに蓄積された電荷を負荷側に供給出来る様にしている。これにより回生等によって、１次側コンデンサに通常時より高いに電荷が蓄積されたとき、負荷の駆動にこの電荷を使用し１次側コンデンサ電圧を低下するので、装置の信頼性を向上することができる。

また、請求項２に記載の電力変換装置の発明は、請求項１に記載の発明に加えて、前記１次側コンデンサの電圧を検出する電圧検出手段と、前記電圧検出手段で検出した電圧が所定の電圧以上になったとき前記スイッチ手段を開から閉にするスイッチ制御手段とを有するものであり、１次側コンデンサ電圧が所定の電位まで上昇したときスイッチ手段をオンするので、１次側コンデンサ電圧の上昇を的確に検出し、電圧の上昇を確実に防止することができ、さらに信頼性を向上することができる。

また、請求項３に記載の電力変換装置の発明は、請求項１または請求項２に記載の発明において、前記単方向整流手段と前記スイッチ手段を、一つのパッケージに入れられた単一の部品としたものであり、部品点数の削減による製造工数ダウンと信頼性の向上が可能となる。

また、請求項４に記載の電力変換装置の発明は、請求項１に記載の発明において、前記スイッチ手段が、１次側コンデンサ電圧があらかじめ設定された電圧となったとき、自身で導通状態となるようにしたものである。これにより１次側コンデンサの電圧検出手段及び、スイッチのオン・オフを制御するためのスイッチ制御手段が不要になり、アルゴリズムの簡素化および部品点数の削減による更なる小型・低コスト化が実現できる。

また、請求項５に記載のモータ駆動用インバータ制御装置の発明は、請求項１から請求項４のいずれか一項に記載の電力変換装置を有するものであり、小型・軽量・低コスト・高信頼性を実現することができる。

また、請求項６に記載のモータ駆動用インバータ制御装置の発明は、請求項５に記載のモータ駆動用インバータが、冷凍空調サイクルの圧縮機のモータを駆動するものであり、上記効果を有する圧縮機モータを駆動するインバータ制御装置を提供できる。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明するが、従来例または先に説明した実施の形態と同一構成については、その詳細な説明は省略する。尚、この実施の形態により、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における電力変換装置のブロック図である。

本実施の形態の電力変換装置は、交流電源１と、交流電源からの交流を全波整流する４個のダイオード２〜５で形成されたダイオードブリッジ６と、ダイオードブリッジ６の交流入力側に挿入された小容量のリアクタ９と、ダイオードブリッジ６の直流側母線間に接続した極めて小容量のＤＣリンクコンデンサ７と、ダイオードブリッジ６の出力である直流電力から交流電力に変換するインバータ１０と、一端がインバータ１０の直流母線の一方と接続されスイッチング制御電源部１４の１次回路が電荷を蓄積する１次側コンデンサ１３と、一端が１次側コンデンサ１３の他端と接続され他端がインバータ１０の直流母線の他方と接続された単方向整流手段１２と、スイッチング制御電源部１４の出力が供給される制御手段１６と、単方向整流手段１２と並列に接続され１次側コンデンサ１３の電圧が所定の電圧以上になったときに閉じるスイッチ手段１９と、１次側コンデンサ１３の電圧を検出する電圧検出手段１７と、電圧検出手段１７で検出した電圧が所定の電圧以上になったときスイッチ手段１９を開から閉にするスイッチ制御手段１８とを有している。

インバータ１０を制御する制御手段１６はスイッチング制御電源部１４より電力が供給され、スイッチング制御電源部１４は１次コンデンサ１３の両端に接続されている。また１次コンデンサ１３は単方向整流手段１２と直列に接続され、その１次コンデンサ１３と単方向整流手段１２とを直列に接続したものがダイオードブリッジ６に並列に接続されている。

電圧検出手段１７はスイッチング制御電源部１４の１次側コンデンサ１３の両端電圧を検出するものであり、スイッチ制御手段１８は単方向整流手段１２と並列に接続されたスイッチ手段１９のオン／オフを制御するものである。

本実施の形態においては、インバータ１０（電力変換機）の出力はモータ２０を駆動するものであり、モータ２０は３相スター結線された巻線の固定子と、永久磁石を持った回転子を有するブラシレスＤＣモータとしている。

なお、固定子巻き線の巻き方は集中巻であっても、分布巻であっても構わない。また回転子の永久磁石の配置方法は表面磁石型（ＳＰＭ）でも磁石埋め込み型（ＩＰＭ）であっても構わず、フェライト系磁石でも希土類系磁石であっても特に構わない。

なお、永久磁石に希土類系磁石を用いることで、マグネット使用重量をフェライト系磁石と同重量使用する場合、モータ効率を向上することができ、またフェライト系磁石を用いたモータと同等性能のモータとする場合は、マグネット重量を低減することが出きるためモータ重量を軽量化する事ができる。

さらに本実施の形態においてモータ２０は冷凍空調システムの圧縮機２２を駆動するものとし、圧縮要素２１はモータ２０の回転子の軸に接続され、冷媒ガスを吸入し圧縮して吐出する。このモータ２０と圧縮要素２１とを同一の密閉容器に収納し、圧縮機２２を構成する。

圧縮機２２で圧縮された吐出ガスは、凝縮器２３、減圧器２４、蒸発器２５を通って圧縮機２２の吸い込みに戻るような冷凍空調システムを構成し、凝縮器２３では放熱、蒸発器２５では吸熱を行うので、冷却や加熱を行うことができる。尚、必要に応じて凝縮器２３や蒸発器２５に送風機などを使い、熱交換をさらに促進することもある。

なお、本実施の形態においてインバータ１０を構成する素子としてＦＥＴを使用しているが、ＩＧＢＴであってもバイポーラトランジスタであっても特に構わない。

上述のように構成された電力変換装置について、その動作を図１、図２および図３を用いてその動作を説明する。

図２は同実施の形態におけるスイッチ手段の動作を示すタイミングチャートであり、同図（ア）の線は１次側コンデンサの両端電圧の状態を示し、同図（イ）の線はスイッチ手段のオン・オフの状態を示している。また図３は同実施の形態における動作フローチャートを示している。

図３において、Ｓｔｅｐ１０１において、電圧検出手段１７はリアルタイムに１次側コンデンサ１３の電圧レベルを検出し、所定の電位（たとえば２００Ｖ）より高いか低いかを確認している。通常の状態（区間ａ）においては、１次側コンデンサ１３両端の電位は商用電源のピーク値（ＡＣ１００Ｖの場合は１４０Ｖ）程度の電位であるため、Ｓｔｅｐ１０１でスイッチ制御手段１８により、スイッチ手段１９はオフ状態に保たれ、以降この動作を繰り返す。

次にモータ２０の速度変動が生じた場合（区間ｂ）について説明する。モータ２０の速度変動により回生が発生したことでインバータ母線電圧の上昇に伴い、１次側コンデンサ１３の電圧も上昇し始める。ここで１次側両端コンデンサ１３の電圧が所定の電位（たとえば２００Ｖ）に達したとき、Ｓｔｅｐ１０３に進み、スイッチ制御手段１８はスイッチ手段１９をオン状態として、１次側両端コンデンサ１３の電位が所定の電位まで低下するまで本動作を繰り返す。

これによりインバータ１０側への１次側コンデンサ１３の電荷の流出を単方向整流手段１２により遮断していたが、インバータ１０の直流母線と１次側コンデンサ１３の正極側とが短絡状態となり、１次側コンデンサの蓄積電荷はインバータによる負荷の駆動によって消費され、１次側コンデンサ１３の電位は低下する。

さらに１次側コンデンサ１３の電圧が所定の電位に戻ったとき、Ｓｔｅｐ１０１からＳｔｅｐ１０２に進み、スイッチ手段１９をオフ状態にして以降、この動作を繰り返す（区間ｄ）。

このように１次側コンデンサ１３の電位を監視し、電位が所定のレベルまで上昇したとき、スイッチ手段１９をオンすることで、１次側コンデンサ１３に蓄積された通常より高い電荷を負荷の駆動に利用して消費することで、１次側コンデンサ１３の異常な電圧上昇を防ぎ、常に１次側コンデンサ１３自身および１次側コンデンサ１３に接続された部品の耐圧以下とすることで、部品の故障を防止し装置の信頼性を向上している。

さらにモータ２０の電流が大きい用途や、モータ２０を高速駆動する場合、さらにはモータ２０の回転子に磁力の強い希土類系磁石を有している場合は、モータ２０の回生エネルギーが大きくなるため従来技術では、この回生エネルギーを部品の耐圧以下に抑えるために１次側コンデンサ１３の容量アップに伴う回路の大型化が伴うが、本実施の形態では必要最小限のコンデンサ容量でよく、回路の大型化を抑制できる。

以上のように、本実施の形態の電力変換装置は、交流電源１を入力としダイオードブリッジ６とダイオードブリッジ６の交流入力側に接続されるリアクタ９とで構成される整流回路と、この整流回路の出力である直流電力から交流電力に変換するインバータ１０と、インバータ１０の直流母線間に設けたＤＣリンクコンデンサ７と、一端がインバータ１０の直流母線の一方と接続されたスイッチング制御電源部１４の１次側コンデンサ１３と、一端が１次側コンデンサ１３の他端と接続され他端がインバータ１０の直流母線の他方と接続された単方向整流手段１２と、単方向整流手段１２と並列に接続され１次側コンデンサ１３の電圧が所定の電圧以上になったときに閉じるスイッチ手段１９とを有し、１次側コンデンサ１３に蓄積された電荷を負荷側に供給することを可能とすることで、回生等によって、１次側コンデンサ１３に通常時より高いに電荷が蓄積され１次側コンデンサ１３の電圧が異常に上昇したとき、負荷の駆動にこの電荷を使用し１次側コンデンサ１３の電圧を下げることが出来るので、装置の信頼性を向上できるとともに、１次側コンデンサ１３の電圧を必要最小限の容量と出来るので装置の小型・低コスト化が実現できる。

また、１次側コンデンサ１３の電圧を検出する電圧検出手段１７と、電圧検出手段１７で検出した電圧が所定の電圧以上になったときスイッチ手段１９を開から閉にするスイッチ制御手段１８とを有し、電圧検出手段１７が１次側コンデンサ１３の電圧を検出し、１次側コンデンサ１３の電圧が所定の電位まで上昇したときスイッチ手段１９をオンするので、１次側コンデンサ１３の電圧の上昇を的確に検出し、電圧の上昇を確実に防止することができ、さらに信頼性を向上することができる。

また、本実施の形態では、本実施の形態の電力変換装置で、モータ駆動用インバータ制御装置を構成するので、モータ駆動用インバータ制御装置の小型・軽量・低コスト・高信頼性を実現することができる。

また、本実施の形態のモータ駆動用インバータは、冷凍空調サイクルの圧縮機のモータを駆動するもので、上記効果を有する圧縮機モータを駆動するインバータ制御装置を提供できる。

（実施の形態２）
図４は本発明の実施の形態２における電力変換装置のブロック図である。図４において整流・スイッチ手段２６は、実施の形態１における単方向整流手段１２とスイッチ手段１９の両方の役割を担う複合機能を有した素子であり一つのパッケージに納められている。本実施の形態においてはＦＥＴを使用しており、ドレインとソース間の寄生ダイオードが単方向整流部としての役割を担う。

このように本実施の形態２によって、単方向整流部とスイッチ手段とが一つのパッケージに納められた部品（整流・スイッチ手段２６）とすることで、電力変換装置のさらなる小型化が実現できると共に、部品実装の工数削減によるコストダウンと信頼性を向上できる。

なお整流・スイッチ手段２６としてＩＧＢＴ（この場合、単方向整流手段としてコレクタ・エミッタ間にダイオードが必要となるが、パワー回路用ＩＧＢＴのコレクタ・エミッタ間にはＦＲＤが一般的に挿入された上で一つのパッケージに封入されている場合が多く、ＦＥＴの場合と同様に一つの部品として使用できる）を用いても構わない。

以上の様に、本実施の形態２では、単方向整流手段とスイッチ手段は一つのパッケージに入れられた単一の部品（整流・スイッチ手段２６）で構成することで、電力変換装置のさらなる小型化が実現できると共に、部品実装の工数削減によるコストダウンと信頼性を向上できる。

（実施の形態３）
図５は本発明の実施の形態３における電力変換装置のブロック図である。本実施の形態では、スイッチ手段２７として、整流ダイオードとツェナダイオードの両アノード側を直列接続したものを用いて、１次側コンデンサ１３の電圧があらかじめ設定された電圧となったとき、自身で導通状態となるようにしている。

これによってツェナダイオードに選定によって導通状態となる１次側コンデンサ電圧を設定でき、自身でオン・オフタイミングを制御するので、実施の形態１における１次側コンデンサ１３の電圧検出手段１７およびスイッチ制御手段１８は不要となり、制御アルゴリズムの簡素化と、部品点数の削減に伴う電力変換装置の更なる小型化・低コスト化を実現できる。

これによって、コンデンサの電圧上昇があった際に導通状態となることで同コンデンサの異常な電圧上昇を回避できる。

本発明の電力変換装置は、１次側コンデンサ電圧が、１次側コンデンサ自身の耐圧およびこれに接続されるスイッチング制御電源部等の部品の耐圧以上に上昇することを防ぐことができ、小型・軽量・低コストの電力変換装置で、インバータの直流母線電圧が大きく脈動しても、スイッチング制御電源部の安定動作を確保でき電力変換装置の信頼性を向上させ、製品の設計自由度が向上し、低価格な製品を提供することができるので、エアーコンディショナー、冷蔵庫、洗濯機、食器洗浄機、掃除機、送風機などインバータ回路を使用してモータを駆動するモータ駆動用インバータ制御装置に適用できる。

本発明の実施の形態１における電力変換装置のブロック図 本発明の実施の形態１におけるスイッチ手段の動作を示すタイミングチャート 本発明の実施の形態１における動作を示すフローチャート 本発明の実施の形態２における電力変換装置のブロック図 本発明の実施の形態３における電力変換装置のブロック図 従来の電力変換装置のブロック図

符号の説明

１ 交流電源
６ ダイオードブリッジ
７ ＤＣリンクコンデンサ
９ リアクタ
１０ インバータ
１２ 単方向整流手段
１３ １次側コンデンサ
１４ スイッチング制御電源部
１７ 電圧検出手段
１８ スイッチ制御手段
１９ スイッチ手段
２２ 圧縮機
２６ 整流・スイッチ手段
２７ スイッチ手段

Claims (6)

1. 交流電源を入力としダイオードブリッジと前記ダイオードブリッジの交流入力側または直流出力側に接続されるリアクタとで構成される整流回路と、前記整流回路の出力である直流電力から交流電力に変換するインバータと、前記インバータの直流母線間に設けたＤＣリンクコンデンサと、一端が前記インバータの直流母線の一方と接続されたスイッチング制御電源部の１次側コンデンサと、一端が前記１次側コンデンサの他端と接続され他端が前記インバータの直流母線の他方と接続された単方向整流手段と、前記単方向整流手段と並列に接続され前記１次側コンデンサの電圧が所定の電圧以上になったときに閉じるスイッチ手段とを有することを特徴とする電力変換装置。
2. 前記１次側コンデンサの電圧を検出する電圧検出手段と、前記電圧検出手段で検出した電圧が所定の電圧以上になったとき前記スイッチ手段を開から閉にするスイッチ制御手段とを有する請求項１に記載の電力変換装置。
3. 前記単方向整流手段と前記スイッチ手段は一つのパッケージに入れられた単一の部品である請求項１または請求項２に記載の電力変換装置。
4. 前記スイッチ手段は、１次側コンデンサ電圧があらかじめ設定された電圧となったとき、自身で導通状態となる請求項１に記載の電力変換装置。
5. 請求項１から請求項４のいずれか一項に記載の電力変換装置を用いたモータ駆動用インバータ制御装置。
6. 冷凍空調サイクルの圧縮機を駆動する請求項５に記載のモータ駆動用インバータ制御装置。

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