JP2009268169A - インバータ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】診断時間を設定することなく、運転前にスイッチング素子（ダイオード）の診断を行うことができるインバータ装置の提供を目的とする。
【解決手段】直流電源のプラス側に接続される上アームスイッチング素子とマイナス側に接続される下アームスイッチング素子とを備えたインバータ回路と、インバータ回路の出力電圧を検出する電圧検出器と、運転前においてインバータ回路からモータへ直流電流を出力させてモータの磁石回転子の位置決めを行う制御回路と、モータの電流を検出する電流検出器とを備えたインバータ装置において、制御回路は、磁石回転子の位置決め時、スイッチング素子乃至スイッチング素子に並列接続されるダイオードを診断するものである。
【選択図】図６

Description

本発明は、運転前においてスイッチング素子乃至スイッチング素子に並列接続されるダイオードの診断ができるインバータ装置に関するものである。

従来実施されているインバータ装置の回路、作動について以下説明する。図９に従来のインバータ装置１２０とその周辺の電気回路図を示す。運転前に、センサレスＤＣブラシレスモータ１１（以降モータと称す）を構成する磁石回転子５の位置決めが行われる。位置決めは、インバータ装置１２０からモータ１１を構成する固定子巻線４へ直流電流を出力することで行われる（例えば、特許文献１参照）。図１０（Ａ）は、４極の場合において、固定子巻線４のＵ相とＶ相をＳ極に、Ｗ相をＮ極にして、磁石回転子５を位置決めする場合を示している。固定子巻線４のＳ極には磁石回転子５のＮ極が、固定子巻線４のＮ極には磁石回転子５のＳ極が、それぞれ対向して停止することにより、位置決めされる。このとき、インバータ装置１２０の制御回路１０７は、図１０（Ｂ）に示す如く、固定子巻線４のＷ相からＵ相及びＶ相へ電流が流れるように、スイッチング素子２を制御する。また、制御回路１０７は、電流検出器１０６により、モータの相電流を即ち位置決め電流を検出する。

運転時においては、制御回路１０７が、インバータ回路を構成するスイッチング素子２（ＩＧＢＴ、ＦＥＴ，トランジスタ等が用いられる）を制御することにより、バッテリー１からの直流電圧がＰＷＭ変調でスイッチングされ、正弦波状の交流電流がモータ１１を構成する固定子巻線４へ出力される。これにより、モータ１１が駆動される。ダイオード３は、固定子巻線４に流れる電流の循環ルートとなる。電流検出器１０６の検出電流値は、制御回路１０７へ送られ、消費電力算出、スイッチング素子２保護などに用いられ、更には、磁石回転子５の位置推定に用いられる。バッテリー電圧検出器８は、回路部品の電圧保護、正確な位置決め電流出力などのために用いられる。バッテリー電圧検出器８は、抵抗によるバッテリー電圧の分圧により簡単に構成できる。
特開平１１−３５６０８８号公報（第７頁、第６図）

上記のように、インバータ装置においては、スイッチング素子乃至スイッチング素子に並列接続されるダイオードによりモータへ電流が出力される。そのため、運転前にスイッチング素子乃至スイッチング素子に並列接続されるダイオードの診断を行うことが望ましい。然しながら、別途診断時間を設定すると、運転始動に時間がかかってしまう。

本発明はこのような従来の課題を解決するものであり、診断時間を設定することなく、運転前にスイッチング素子乃至スイッチング素子に並列接続されるダイオードの診断を行うことができるインバータ装置の提供を目的とする。

上記課題を解決するために、本発明のインバータ装置は、直流電源のプラス側に接続される上アームスイッチング素子とマイナス側に接続される下アームスイッチング素子とを備えたインバータ回路と、インバータ回路の出力電圧を検出する電圧検出器と、運転前においてインバータ回路からモータへ直流電流を出力させてモータの磁石回転子の位置決めを行う制御回路と、モータの電流を検出する電流検出器とを備えたインバータ装置において、制御回路は、磁石回転子の位置決め時、スイッチング素子乃至スイッチング素子に並
列接続されるダイオードを診断するものである。

この位置決め電流は、一定の直流電流値に設定される。また、その値も比較的大きい。そのため、位置決め電流の流れるスイッチング素子乃至スイッチング素子に並列接続されるダイオードの電圧降下も大きく、当該電圧降下の測定は容易になる。この電圧降下の電圧値の大小によりスイッチング素子乃至スイッチング素子に並列接続されるダイオードを診断できる。そして、この診断は位置決め中に行うので、診断に別途時間を費やすことなく、運転始動が遅れることはない。また、運転前に常に行う磁石回転子の位置決めソフトを応用するのみであるため、当該機能追加はソフト面でも負担が小さい。

本発明のインバータ装置は、別途診断時間を必要とすることなく、運転前にスイッチング素子乃至スイッチング素子に並列接続されるダイオードの診断を行うことができる。

第１の発明のインバータ装置は、直流電源のプラス側に接続される上アームスイッチング素子とマイナス側に接続される下アームスイッチング素子とを備えたインバータ回路と、インバータ回路の出力電圧を検出する電圧検出器と、運転前においてインバータ回路からモータへ直流電流を出力させてモータの磁石回転子の位置決めを行う制御回路と、モータの電流を検出する電流検出器とを備えたインバータ装置において、制御回路は、磁石回転子の位置決め時、スイッチング素子乃至スイッチング素子に並列接続されるダイオードを診断するものである。

この位置決め電流は、一定の直流電流値に設定される。また、その値も比較的大きい。そのため、位置決め電流の流れるスイッチング素子乃至スイッチング素子に並列接続されるダイオードの電圧降下も大きく、当該電圧降下の測定は容易になる。この電圧降下の電圧値の大小によりスイッチング素子乃至スイッチング素子に並列接続されるダイオードを診断できる。そして、この診断は位置決め中に行うので、診断に別途時間を費やすことなく、運転始動が遅れることはない。また、運転前に常に行う磁石回転子の位置決めソフトを応用するのみであるため、当該機能追加はソフト面でも負担が小さい。

第２の発明は、第１の発明のインバータ装置において、電動圧縮機に搭載され当該電動圧縮機のモータを駆動するものである。インバータ装置は電動圧縮機に搭載されるため、当該電動圧縮機のモータからの振動を受ける。そのため、振動によるスイッチング素子乃至スイッチング素子に並列接続されるダイオードの故障有無を、運転前に診断できる本インバータ装置は有用である。

第３の発明は、第１または第２の発明のインバータ装置において、車両に搭載されるものである。車両に搭載されるインバータ装置は、振動など環境が厳しい。そのため、振動によるスイッチング素子乃至スイッチング素子に並列接続されるダイオードの故障有無を、運転前に診断できる本インバータ装置は有用である。

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。尚、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に係るインバータ装置２０とその周辺の電気回路である。運転前における磁石回転子５の位置決め通電について以下説明する。図２（Ａ）は、４極の場合において、固定子巻線４のＵ相とＶ相をＳ極に、Ｗ相をＮ極にして、磁石回転子５を位置決めする場合を示している。固定子巻線４のＳ極には磁石回転子５のＮ極が、固定子巻線４のＮ極には磁石回転子５のＳ極が、それぞれ対向して停止することにより、位置決めされる。このとき、インバータ装置２０の制御回路７は、図２（Ｂ）に示す如く、固定子巻線４のＷ相からＵ相及びＶ相へ電流が流れるように、スイッチング素子２を制御する。また、制御回路７は、シャント抵抗６からの電圧により、モータの相電流を検出する。

図３に、上記スイッチングに関し、位置決めにおける上アームスイッチング素子のキャリア周期内でのＯＮ期間例を示す。細線はＵ相、中線はＶ相、太線はＷ相である。所定の一定電流が流れるように、通電期間を設定している。例として、バッテリー１の直流電圧をＤＣ３００Ｖ、図４に示す固定子巻線４の各相の抵抗値Ｒを１Ω、キャリア周波数１０ｋＨｚ（キャリア周期１００μＳ）とする。ここで、位置決めにおけるＷ相の相電流値を２０Ａとするためには、固定子巻線４の等価抵抗値が１．５Ωとなるので、ＤＣ３０Ｖ相当を印加する必要がある。ＤＣ３０Ｖは、ＤＣ３００Ｖの１０％である。従って、通電期間のヂューティ即ちΔｔと表示した前半と後半の期間合計を１０％（１０μＳ）にすればよい。おおよそ１００ｍＳ（キャリア周期１０００回）実行される。図５に、Ｗ相の相電流の時間経過を示す。電流が上昇し上記所定の一定直流電流が流れることにより、磁石回転子５が位置決めされる。

運転時について以下説明する。制御回路７は、モータ１１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の位置推定を行う。そして、この位置推定、回転数指令信号（図示せず）等に基づき、インバータ回路１０を構成するスイッチング素子２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１１の固定子巻線４へ出力する。制御回路７は、上アームスイッチング素子Ｕ、Ｖ、Ｗ、下アームスイッチング素子Ｘ、Ｙ、Ｚと、ドライブ回路などを介して接続線１８により接続されており、各スイッチング素子を制御している。スイッチング素子２がＩＧＢＴ、パワーＭＯＳＦＥＴの場合はゲート電圧を、パワートランジスタの場合はベース電流を制御する。また、各スイッチング素子Ｕ、Ｖ、Ｗ、Ｘ、Ｙ、Ｚに対応するダイオード３を、３Ｕ、３Ｖ、３Ｗ、３Ｘ、３Ｙ、３Ｚと定義する。

次に、位置決め時におけるスイッチング素子２（ダイオード３）の診断について以下説明する。図６は、インバータ装置２０の当該作動例を示すフローチャートである。ステップ１０において、上述の位置決めを行う。この時、図３にΔｔと表示した前半と後半の期間において、位置決め電流（上記実施例では２０Ａ）がバッテリー１の直流電源ラインに流れる。この電流値（２０Ａ）は、ステップ２０において、シャント抵抗６からの電圧により検出される。この時、スイッチング素子Ｗ、Ｘ、ＹがＯＮしている。

ステップ３０において、インバータ出力電圧検出器９により、スイッチング素子Ｘの電圧降下が検出される。 そして、ステップ４０において、スイッチング素子Ｘが診断される。シャント抵抗６により検出された電流値は、スイッチング素子Ｘとスイッチング素子Ｙに分流している。そのため、シャント抵抗６により検出された電流値の半分において、インバータ出力電圧検出器９により検出されたスイッチング素子Ｘの電圧降下が正常かどうかを診断する。

ここで、スイッチング素子Ｘの電圧降下が正常であれば、ステップ６０に移り通常運転を行う。スイッチング素子Ｘの電圧降下が正常でなければ（Ｎ）、ステップ５０に移り、スイッチング素子Ｘ（もしくはドライブ回路）が故障であることをコントローラ（図示せず）などへ情報送信する。これによりユーザなどが認識できるようにする。そして、運転せずに終了する。

図３にΔｔと表示した前半と後半の間の期間においては、スイッチング素子Ｕ、Ｖ、Ｗ
がＯＮしている。そのため、Ｕ相の電流はダイオード３Ｕに流れる。このとき、バッテリー電圧検出器８に検出されるバッテリー１の電圧とインバータ出力電圧検出器９により検出されるダイオード３Ｕの電圧との差は、ダイオード３Ｕの電圧降下となる。そのため、このダイオード３Ｕの診断も行うことができる。

これらにより、運転前にスイッチング素子Ｘ（ダイオード３Ｕ）の診断を行うことができる。そして、この診断は位置決め中に行うので、診断に別途時間を費やすことなく、運転始動が遅れることはない。また、運転前に常に行う磁石回転子５の位置決めソフトを応用するのみ（ステップ３０〜５０追加）であるため、当該機能追加はソフト面でも負担が小さい。

インバータ出力電圧検出器９をＶ相にも設ければ、同様にスイッチング素子Ｙ（ダイオード３Ｖ）の診断を行うことができる。また、Ｗ相にも設け、図３においてスイッチング素子Ｕ、Ｖ、ＷがＯＦＦしている期間にも検出すれば、スイッチング素子Ｗ（ダイオード３Ｚ）の診断を行うことができる。図２における通電を変更すれば、他のスイッチング素子（ダイオード）の診断も行うことができる。

尚、上記実施の形態において、固定子巻線４のＵ相とＶ相をＳ極に、Ｗ相をＮ極にして、４極の磁石回転子５を位置決めする場合を示したが、これに限るものではなく、固定子巻線４のＳ極Ｎ極の相は任意であり、２極、６極等にも、また、固定子巻線４の２相のみに電流を流す場合にも適用できる。シャント抵抗６は、電源ラインのプラス側に設けても良い。また、下アームスイッチング素子と電源ラインのマイナス側に設けても良い。電流検出器としては、シャント抵抗に限らず、ホール素子を用いた電流検出器など瞬時ピーク電流が検出できるものであれば良い。インバータ回路１０とモータ１１との間に設け、直接モータ電流（相電流）を検出しても良い。起動運転の期間は図５の例に限らず時間など任意で良い。Ｗ相電流について示したが、Ｕ相、Ｖ相に関しても位相が異なるのみで同様な挙動をする。インバータ出力電圧検出器９は、バッテリー電圧検出器８と同様に、抵抗による分圧により簡単に構成できる。

（実施の形態２）
図７に、電動圧縮機４０の右側にインバータ装置２０を密着させて取り付けた図を示す。金属製筐体３２の中に圧縮機構部２８、モータ１１等が設置されている。冷媒は、吸入口３３から吸入され、圧縮機構部２８（この例ではスクロール）がモータ１１で駆動されることにより、圧縮される。この圧縮された冷媒は、モータ１１を通過する際にモータ１１を冷却し、吐出口３４より吐出される。

インバータ装置２０は電動圧縮機４０に取り付けられるように、ケース３０を使用している。発熱源となるインバータ回路部１０は、低圧配管３８を介して低圧冷媒で冷却される。電動圧縮機４０の内部でモータ１１の固定子巻線４に接続されているターミナル３９は、インバータ回路部１０の出力部に接続される。保持部３５でインバータ装置２０に固定される接続線３６には、バッテリー１への電源線と回転数信号を送信するエアコンコントローラ（図示せず）との信号線がある。

インバータ装置２０は電動圧縮機４０に搭載されるため、当該電動圧縮機４０のモータ１１からの振動を受ける。そのため、振動によるスイッチング素子（ダイオード）の故障有無を、運転前に診断できる本インバータ装置２０は有用である。

尚、上記実施の形態において、電動圧縮機の圧縮機構部をスクロールとしたが、これに限るものではない。また、圧縮された冷媒がモータを冷却する高圧型について示したが、低圧型でもよい。

（実施の形態３）
図８は、本発明のインバータ装置を圧縮機に一体に構成（実施の形態２）し、空調装置に適用して車両６０に搭載した一例を示す。インバータ装置一体型電動圧縮機６１及び室外熱交換器６３、室外ファン６２が、車両６０の前方のエンジンルーム（乃至モータルーム）に搭載される。一方、車両室内には室内送風ファン６５、室内熱交換器６７、エアコンコントローラ６４が配置されている。空気導入口６６から車外空気を吸込み、室内熱交換器６７で熱交換した空気を車室内に送風する。

車両に搭載されるインバータ装置一体型電動圧縮機６１は、車室外にあるため更に振動など環境が厳しい。そのため、振動によるスイッチング素子（ダイオード）の故障有無を、運転前に診断できる本インバータ装置２０は有用である。

尚、上記各実施の形態において、直流電源をバッテリーとしたが、これに限るものではなく、商用交流電源を整流した直流電源などでもよい。モータをセンサレスＤＣブラシレスモータとしたが、リラクタンスモータ等位置決め必要なモータに適用できる。正弦波駆動に限らず位置決め時に相電流の検出が必要となる駆動方式に適用できる。また、ＰＷＭ２相変調においても適用できる。

以上のように、本発明にかかるインバータ装置は、運転前にスイッチング素子（ダイオード）の診断を行うことができる。そして、この診断は位置決め中に行うので、診断に別途時間を費やすことなく、運転始動が遅れることはない。また、運転前に常に行う磁石回転子の位置決めソフトを応用するのみであるため、当該機能追加はソフト面でも負担が小さい。そのため、各種民生用製品、各種産業用機器に適用できる。

本発明の実施の形態１に係るインバータ装置とその周辺の電気回路図 同（Ａ）位置決め時における固定子巻線と磁石回転子の位置関係図（Ｂ）同位置決め時における固定子巻線の電流説明図 同位置決め時における通電例を示す説明図 同固定子巻線のインピーダンスを示す説明図 同位置決めから運転に渡るＷ相の相電流説明図 同インバータ装置の作動例を示すフローチャート 本発明の実施の形態２に係るインバータ装置一体型電動圧縮機の断面図 本発明の実施の形態３に係るインバータ装置を搭載した車両の模式図 従来のインバータ装置とその周辺の電気回路図 （Ａ）位置決め時における固定子巻線と磁石回転子の位置関係図（Ｂ）同位置決め時における固定子巻線の電流説明図

符号の説明

１ バッテリー
２ スイッチング素子
４ 固定子巻線
５ 磁石回転子
６ シャント抵抗（電流検出器）
７ 制御回路
９ インバータ出力電圧検出器
１０ インバータ回路
１１ センサレスＤＣブラシレスモータ
２０ インバータ装置
４０ 電動圧縮機
６０ 車両

Claims (3)

1. 直流電源のプラス側に接続される上アームスイッチング素子とマイナス側に接続される下アームスイッチング素子とを備えたインバータ回路と、前記インバータ回路の出力電圧を検出する電圧検出器と、運転前において前記インバータ回路からモータへ直流電流を出力させて前記モータの磁石回転子の位置決めを行う制御回路と、前記モータの電流を検出する電流検出器とを備えたインバータ装置において、前記制御回路は、前記磁石回転子の位置決め時、前記スイッチング素子乃至スイッチング素子に並列接続されるダイオードを診断するインバータ装置。
2. 電動圧縮機に搭載され当該電動圧縮機のモータを駆動する請求項１に記載のインバータ装置。
3. 車両に搭載される請求項１または請求項２に記載のインバータ装置。