JP2013128356A

JP2013128356A - モータインバータ装置

Info

Publication number: JP2013128356A
Application number: JP2011276786A
Authority: JP
Inventors: Takashi Fukue; 貴史福榮
Original assignee: Panasonic Corp
Current assignee: Panasonic Corp
Priority date: 2011-12-19
Filing date: 2011-12-19
Publication date: 2013-06-27

Abstract

【課題】従来のモータインバータ装置は、過電流抑制のために部品点数が増加し、過電流検出から電流抑制までの遅延が発生し、過電流を防止できないので、簡単な構成で遅延なく過電流を抑制し、モータの減磁を防止できる。
【解決手段】電流駆動型半導体スイッチ８で構成されるインバータ部と、前記インバータ部により駆動されるモータ１と、前記電流駆動型半導体スイッチ８をドライブさせるための電源Ｅｃと、前記電源Ｅｃと前記電流駆動型半導体スイッチ８のゲート端子の間に接続され温度により抵抗値が変化する可変抵抗９を備え、前記可変抵抗９は、モータ温度と略等しくなるように配置され、前記電流駆動型半導体スイッチ８に流せる最大電流が前記モータ１の減磁電流より小さくなるようにゲート電流が調整される温度特性を有する。
【選択図】図１

Description

本発明は、電流駆動型半導体スイッチを用いたモータインバータ装置に関するものである。

従来のモータインバータ装置を図１２に示す。従来のモータインバータ装置は、駆動源として設けられた直流ブラシレスモータ１に流れる負荷電流が予め設定された過電流上限値を越えたときにその負荷電流を制限する保護手段２を備えた密閉型圧縮機３の保護装置において、前記直流ブラシレスモータ１の温度を検知する温度センサ４と、この温度センサ４による検知温度及び前記直流ブラシレスモータ１の回転子を構成する永久磁石の減磁特性に基づいて前記過電流上限値を補正する補正手段５を備える。

このように、使用するモータ１の永久磁石の特性に合わせて過電流上限値を補正する。即ち、例えば、前記永久磁石が、温度上昇に伴い保磁力が大きくなるという減磁特性を備えたものであった場合には、補正手段５は、前記過電流上限値を温度センサ４が検知する直流ブラシレスモータ１の温度が高い状態時ほど高くなるように補正し（図１０）、永久磁石が温度低下に伴い保磁力が大きくなるという減磁特性を備えたものであった場合には、補正手段５は、過電流上限値を温度センサ４が検知する直流ブラシレスモータ１の温度が低い状態時ほど高くなるように補正する（図１１）（特許文献１参照）。

このような補正が行われる結果、前記過電流上限値を、永久磁石に対し減磁作用による悪影響が及ばない範囲内で最大限に高め得るようになって、直流ブラシレスモータ１に供給可能な負荷電流のレベル、ひいては当該直流ブラシレスモータ１の最大トルクを、そのときの永久磁石の温度に応じて最大限に引き上げ得るようになるから、密閉型圧縮機３の運転可能範囲の拡大を実現できるようになる。

特開平７−３３７０７２号公報

従来技術のモータインバータ装置では、電流検出回路６で検出された電流値と直流ブラシレスモータ１の温度により補正された過電流上限値を比較して、モータ電流遮断やデューティ制御によるモータ電流抑制などの過電流抑制の保護動作を行う。

このため電流検出回路６、補正手段５、保護手段２が必要となり構成が複雑で部品点数が増加し、これらを動作させる消費電力も必要となる。更にデューティ制御によるモータ電流抑制では電流検出回路６における過電流検出からモータ電流抑制が行われるまでの遅延が発生することが課題であった。

本発明は部品点数の少ない簡単な構成でモータ１の減磁特性に応じて電流駆動型半導体スイッチ８に流れる最大ドレイン電流を遅延なく制限できるモータインバータ装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、電流駆動型半導体スイッチ８で構成されるインバータ部７
と、前記インバータ部７により駆動されるモータ１と、前記電流駆動型半導体スイッチ８をドライブさせるための電源と、前記電源と前記電流駆動型半導体スイッチ８のゲート端子の間に接続され温度により抵抗値が変化する可変抵抗９を備え、前記可変抵抗９は、モータ温度と略等しくなるように配置され、前記電流駆動型半導体スイッチ８に流せる最大電流が前記モータ１の減磁電流より小さくなるようにゲート電流が調整される温度特性を有するようにしたものである。

これにより簡単な構成で、使用するモータ１の減磁特性に応じて電流駆動型半導体スイッチ８に流れる最大ドレイン電流を遅延なく制限することができ、更に、モータ特性に応じたドライブ電力を供給するため、電流駆動型半導体スイッチ８を駆動させるための不要なドライブ電力削減を実現するモータインバータ装置を提供する。

本発明のモータインバータ装置は、部品点数の少ない簡単な構成で遅延なく過電流を抑制し、モータ１の減磁を防止することができる。

本発明の電流駆動型半導体スイッチの駆動回路を示す図本発明の電流駆動型半導体スイッチを用いたインバータ部を示す図本発明の実施例における電流駆動型半導体スイッチの電機特性を示す図本発明の実施例におけるモータの減磁特性を示す図本発明の実施例における可変抵抗の温度特性を示す図本発明の実施例におけるモータの減磁特性を示す図本発明の実施例における可変抵抗の温度特性を示す図本発明の実施例における電流駆動型半導体スイッチの駆動特性を示す図本発明の実施例における電流駆動型半導体スイッチの駆動特性を示す図従来技術におけるモータ減磁特性を示す図従来技術におけるモータ減磁特性を示す図従来技術におけるモータインバータ装置を示す図

第１の発明は、電流駆動型半導体スイッチで構成されるインバータ部と、前記インバータ部により駆動されるモータと、前記電流駆動型半導体スイッチをドライブさせるための電源と、前記電源と前記電流駆動型半導体スイッチのゲート端子の間に接続され温度により抵抗値が変化する可変抵抗を備え、前記可変抵抗は、モータ温度と略等しくなるように配置され、前記電流駆動型半導体スイッチに流せる最大電流が前記モータの減磁電流より小さくなるようにゲート電流が調整される温度特性を有することで部品点数の少ない簡単な構成で遅延なく過電流を抑制し、モータの減磁を防止できる。更に、モータ特性に応じたドライブ電力を供給するため、不要なドライブ電力を削減できる。

第２の発明は、前記モータがフェライト磁石で構成される場合、前記可変抵抗は負の温度特性を有することにより、モータ特性に合わせた過電流抑制によりモータの減磁を防止できる。更に、モータ特性に応じたドライブ電力供給により、不要なドライブ電力を削減できる。

第３の発明は、前記モータがネオジウム磁石で構成される場合、前記可変抵抗は正の温度特性を有することにより、モータ特性に合わせた過電流抑制によりモータの減磁を防止できる。更に、モータ特性に応じたドライブ電力供給により、不要なドライブ電力を削減できる。

第４の発明は、前記モータは密閉型圧縮機に内蔵され、前記可変抵抗は前記密閉型圧縮機の外郭を構成する圧縮機の外面に配置されることにより、密閉型圧縮機駆動用モータの温度を容易に計測できる。

第５の発明は、運転範囲が広いためにモータに流れる電流変化幅が大きく、また寒冷地から熱帯地域と使用される環境温度の範囲が非常に広い空気調和機に適用することにより、状況とモータ特性に合わせた過電流抑制によりモータの減磁を防止できる。更に、モータ特性に応じたドライブ電力供給より、不要なドライブ電力を削減できる。

第６の発明は、前記電流駆動型半導体スイッチにＧａＮ（窒化ガリウム）を用いることで、導通損失およびスイッチング損失の削減によりインバータ損失を低減できる。

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。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は本発明における実施の形態における電流駆動型半導体スイッチ８の駆動回路、図２は電流駆動型半導体スイッチ８で構成されるインバータ部７を示す。

電流駆動型半導体スイッチ８で構成されるインバータ部７と、前記インバータ部７により駆動される密閉型圧縮機３に内蔵されたモータ１と、前記電流駆動型半導体スイッチ８をドライブさせるための電源Ｅｃと、前記電源Ｅｃと前記電流駆動型半導体スイッチ８のゲート端子の間に接続され温度により抵抗値が変化する可変抵抗９を備え、前記可変抵抗９は、モータ温度Ｔｍと略等しくなるように密閉型圧縮機３の外郭に配置され、負荷への供給電源ＥＬから前記電流駆動型半導体スイッチ８に流せる最大電流が前記モータ１の減磁電流より小さくなるようにゲート電流Ｉｇが調整される温度特性を有する。

以上のように構成されたモータインバータ装置において、以下にその動作と、作用を説明する。

まず、電流駆動型半導体スイッチ８にワイドバンドギャップ型の化合物半導体であるＧａＮ（窒化ガリウム）を用いた場合、ゲート電流Ｉｇとドレイン電流Ｉｄ、ドレイン・ソース電圧Ｖｄｓには図３に示すような電気特性を有する。

ここで、ゲート電流Ｉｇ＿ａ、Ｉｇ＿ｂの大小関係をＩｇ＿ａ＞Ｉｇ＿ｂとすると、電流駆動型半導体スイッチ８（ＧａＮ）に流すことのできる最大ドレイン電流Ｉｄｍａｘは、ゲート電流ＩｇをＩｇ＿ａに設定したときに流すことのできる最大ドレイン電流Ｉｄｍａｘ（Ｉｇ＝Ｉｇ＿ａ）の方がゲート電流ＩｇをＩｇ＿ｂに設定したときに流すことのできる最大ドレイン電流Ｉｄｍａｘ（Ｉｇ＝Ｉｇ＿ｂ）より大きくなる。つまり最大ドレイン電流Ｉｄｍａｘをゲート電流Ｉｇにより制限することができる。

ここでまず、モータ１に用いられる永久磁石がフェライト磁石である場合について説明する。モータ１の温度をＴｍ、モータ１の減磁電流をＩｍとすると、図４に示すようにモータ温度Ｔｍの上昇に伴い減磁電流Ｉｍが大きくなるような関係を有する。

例えばモータ１の温度Ｔｍ＝２０℃での減磁電流をＩｍ（２０℃）、モータ１の温度Ｔｍ＝８０℃での減磁電流をＩｍ（８０℃）とすると、その大小関係はＩｍ（２０℃）＜Ｉｍ（８０℃）となりモータ１の温度Ｔｍが高いほどモータ１に流すことのできる最大電流が高くなる。

また、電流駆動型半導体スイッチ８（ＧａＮ）のゲート駆動用電源電圧をＥｃ、温度により抵抗値が変化する可変抵抗９であるゲート抵抗値をＲｇとすると、ゲート抵抗は密閉型圧縮機３の外郭に配置されるが、モータ温度Ｔｍと相関関係があるため密閉型圧縮機３の外郭温度によりモータ温度Ｔｍを概ね検知でき、モータ温度Ｔｍ＝２０℃のゲート抵抗値Ｒｇ（２０℃）、モータ温度Ｔｍ＝８０℃のゲート抵抗値Ｒｇ（８０℃）とし、更にゲート抵抗値Ｒｇ（２０℃）、Ｒｇ（８０℃）における電流駆動型半導体スイッチ８（ＧａＮ）の最大ドレイン電流ＩｄｍａｘをそれぞれＩｄｍａｘ（Ｉｇ＝Ｅｃ／Ｒｇ（２０℃））、Ｉｄｍａｘ（Ｉｇ＝Ｅｃ／Ｒｇ（８０℃））とすると、下記の関係式を満たす図５に示すような温度の上昇により抵抗値が減少する温度特性を有する可変抵抗９をゲート抵抗Ｒｇとして用いることにより、過電流を抑制しモータ１の減磁を防止することができる。

Ｉｍ（２０℃）＞Ｉｄｍａｘ（Ｉｇ＝Ｅｃ／Ｒｇ（２０℃））
Ｉｍ（８０℃）＞Ｉｄｍａｘ（Ｉｇ＝Ｅｃ／Ｒｇ（８０℃））
Ｒｇ（２０℃）＞Ｒｇ（８０℃）
次に、モータ１に用いられる永久磁石がネオジウム磁石である場合について説明する。モータ１の温度をＴｍ、モータ１の減磁電流をＩｍとすると、図６に示すようにモータ温度Ｔｍの上昇に伴い減磁電流Ｉｍが小さくなるような関係を有する。

例えばモータ１の温度Ｔｍ＝２０℃での減磁電流をＩｍ（２０℃）、モータ１の温度Ｔｍ＝８０℃での減磁電流をＩｍ（８０℃）とすると、その大小関係はＩｍ（２０℃）＞Ｉｍ（８０℃）となりモータ１の温度Ｔｍが高いほどモータ１に流すことのできる最大電流が低くなる。

また、モータ温度Ｔｍ＝２０℃のゲート抵抗値Ｒｇ（２０℃）、モータ温度Ｔｍ＝８０℃のゲート抵抗値Ｒｇ（８０℃）とし、更にゲート抵抗値Ｒｇ（２０℃）、Ｒｇ（８０℃）における電流駆動型半導体スイッチ８（ＧａＮ）の最大ドレイン電流ＩｄｍａｘをそれぞれＩｄｍａｘ（Ｉｇ＝Ｅｃ／Ｒｇ（２０℃））、Ｉｄｍａｘ（Ｉｇ＝Ｅｃ／Ｒｇ（８０℃））とすると、下記の関係式を満たす図７に示すような温度の上昇により抵抗値が増加する温度特性を有する可変抵抗９をゲート抵抗Ｒｇとして用いることにより、過電流を抑制しモータ１の減磁を防止することができる。

Ｉｍ（２０℃）＞Ｉｄｍａｘ（Ｉｇ＝Ｅｃ／Ｒｇ（２０℃））
Ｉｍ（８０℃）＞Ｉｄｍａｘ（Ｉｇ＝Ｅｃ／Ｒｇ（８０℃））
Ｒｇ（２０℃）＜Ｒｇ（８０℃）
このようにゲート電流Ｉｇによる最大ドレイン電流Ｉｄｍａｘの制限はモータ電流を検出して予め設定された基準値と比較し、過電流を抑制するといった動作的な遅延がない。このため図１０、図１１に示されるモータ１の減磁電流と設定する過電流上限値の差ΔＩを図４、図６に示すように小さく設定でき（ΔＩ＞ΔＩ１）、結果として運転動作範囲を広げることが出来る。

また、電流駆動型半導体スイッチ８（ＧａＮ）のドライブ損失に関して、最大ドレイン電流Ｉｄｍａｘ１、Ｉｄｍａｘ２の大小関係をＩｄｍａｘ１＞Ｉｄｍａｘ２とした場合、それぞれの最大ドレイン電流Ｉｄｍａｘ１、Ｉｄｍａｘ２を流すために必要なゲート電流ＩｇをＩｇ１、Ｉｇ２とするとその大小関係はＩｇ１＞Ｉｇ２となる。よってモータ温度Ｔｍにより最大ドレイン電流が変動する場合、図８、図９に示すようにモータ温度Ｔｍにより最大ドレイン電流を制限するゲート電流Ｉｇを調整する。これによりドライブ損失の大小関係も（Ｅｃ＊Ｉｇ１）＞（Ｅｃ＊Ｉｇ２）となり最大ドレイン電流の値によってドライブ損失が増減する。

このためエアコンをはじめとする冷蔵庫、洗濯機、掃除機等のようにインバータ部７が
設置される環境温度、雰囲気温度（つまりモータ温度Ｔｍ）が季節（夏冬）や時間帯（昼夜）、地域・場所により大きく変動し、更にインバータ運転によりインバータ動作電流が大きく変動する場合において、常時最大ドレイン電流値や最もドレイン電流を流しにくい条件（温度）を想定してゲート電流を設定する必要がなく、ドレイン電流や温度により必要となる電流値に調整されたゲート電流を供給することで駆動回路における動作損失を抑制することができる。

なお、従来の過電流抑制手法と併用した場合、動作的な遅延に対する自由度が高まる。よって例えば電流検出回路６の高速化・高精度化が不要となるためより安価で信頼性の高い電流制限、過電流抑制を行えるモータインバータ装置を提供できる。

以上のようにモータの温度Ｔｍにより抵抗値が変化する可変抵抗９を用いて、電流駆動型半導体スイッチ８のゲート電流調整による最大ドレイン電流を制限することで、モータ温度Ｔｍによって変化するモータ減磁特性に応じたモータ電流の過電流抑制を行うことができる。

以上のように、本発明は従来のモータインバータ装置と比較して、簡単な構成でモータ１の特性に応じて遅延なく過電流抑制を実現できるため、エアコンや冷蔵庫、洗濯機をはじめ様々なモータインバータ装置への応用が可能である。

１モータ
２保護手段（制御回路）
３密閉型圧縮機
４温度センサ
５補正手段（電流制限回路）
６電流検出回路
７インバータ部
８電流駆動型半導体スイッチ
９可変抵抗

Claims

電流駆動型半導体スイッチで構成されるインバータ部と、前記インバータ部により駆動されるモータと、前記電流駆動型半導体スイッチをドライブさせるための電源と、前記電源と前記電流駆動型半導体スイッチのゲート端子の間に接続され温度により抵抗値が変化する可変抵抗を備え、前記可変抵抗は、モータ温度と略等しくなるように配置され、前記電流駆動型半導体スイッチに流せる最大電流が前記モータの減磁電流より小さくなるようにゲート電流が調整される温度特性を有することを特徴とするモータインバータ装置。
前記モータがフェライト磁石で構成される場合、前記可変抵抗は負の温度特性を有することを特徴とする請求項１記載のモータインバータ装置。
前記モータがネオジウム磁石で構成される場合、前記可変抵抗は正の温度特性を有することを特徴とする請求項１記載のモータインバータ装置。
前記モータは密閉型圧縮機に内蔵され、前記可変抵抗は前記密閉型圧縮機の外郭を構成する圧縮機の外面に配置されることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載のモータインバータ装置。
出力可変型の空気調和機に適用したことを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載のモータインバータ装置。
前記電流駆動型半導体スイッチにＧａＮ（窒化ガリウム）を用いたことを特徴とする請求項１から５のいずれかに記載のモータインバータ装置。