JP2013135525A - Inverter driver, and air conditioner, refrigerator, and chiller with inverter driver - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、インバータ駆動装置ならびに、それを備えた冷凍空気調和装置、冷蔵庫、および冷凍機に関する。 The present invention relates to an inverter drive device and a refrigeration air conditioner, a refrigerator, and a refrigerator equipped with the inverter drive device.
IGBTやMOSFET等のパワーデバイスは、民生機器から産業機器まで様々な分野に使用されており、素子の高耐圧化、スイッチングの高速化、高効率化、低ノイズ化といった観点から様々なデバイス改良・開発が行われてきている。SiC(炭化ケイ素)、GaN(窒化ガリウム)、SJ(Super Junction)構造のMOSFET等はその代表例である。 Power devices such as IGBTs and MOSFETs are used in a variety of fields from consumer equipment to industrial equipment. Various device improvements and improvements are made from the standpoints of higher device breakdown voltage, higher switching speed, higher efficiency, and lower noise. Development has been underway. Typical examples are SiC (silicon carbide), GaN (gallium nitride), SJ (Super Junction) MOSFETs, and the like.
SJ構造のMOSFETは、その素子構造により低オン抵抗化、高耐圧化できるといったメリットを有する反面、素子に付随する寄生ダイオード(以下、「還流ダイオード」という)により、逆回復時間が遅いという特性を有している。 SJ-structured MOSFETs have the advantage of low on-resistance and high breakdown voltage due to their element structure, but have a characteristic that reverse recovery time is slow due to parasitic diodes (hereinafter referred to as “freewheeling diodes”) associated with the elements. Have.
このような逆回復時間が長いMOSFETをスイッチング素子としてインバータに適用する際、例えばアームの上側(あるいは下側)のスイッチング素子がターンオフし、アームの下側(あるいは上側)のスイッチング素子がターンオンする際、主回路側とのループ経路にて等価的な短絡電流が流れ、損失悪化を招くという問題がある(以下、本損失を「リカバリー損失」という)。 When such a MOSFET having a long reverse recovery time is applied to an inverter as a switching element, for example, the switching element on the upper side (or lower side) of the arm is turned off and the switching element on the lower side (or upper side) of the arm is turned on. There is a problem that an equivalent short-circuit current flows in the loop path with the main circuit side, leading to loss deterioration (hereinafter, this loss is referred to as “recovery loss”).
また、比較的高電圧がスイッチング素子に印加される場合には、スイッチング素子としてIGBT等を用いた場合でも、還流ダイオードの特性等により、リカバリー損失の増加が顕著となる。 In addition, when a relatively high voltage is applied to the switching element, even when an IGBT or the like is used as the switching element, the increase in recovery loss becomes significant due to the characteristics of the return diode.
従来、このリカバリー損失の低減を図る技術として、例えば、変圧器と変圧器駆動回路とにより、変圧器駆動回路から制御しながら変圧器の一次側巻線に電流供給を行うようにし、二次側巻線から、スーパージャンクション構造のMOSFETである変換用スイッチング素子、還流手段側に電流を流すことにより、逆回復の際に発生する電流を抑制し、リカバリー損失を低減する技術が開示されている(例えば、特許文献1)。 Conventionally, as a technique for reducing the recovery loss, for example, a transformer and a transformer drive circuit are used to supply current to the primary winding of the transformer while controlling from the transformer drive circuit. A technique is disclosed in which a current generated during reverse recovery is suppressed by flowing a current from a winding to a switching element for conversion, which is a MOSFET having a super junction structure, to the reflux means side, thereby reducing recovery loss ( For example, Patent Document 1).
上記従来技術における変圧器駆動装置は、インバータ装置の電源とは異なる電圧源から電力が供給されて動作し、その電圧源の電圧印加方向に沿って直列に接続された上側および下側の各スイッチング素子の接続点と、電圧源の電圧印加方向に沿って直列に接続された上側および下側の各コンデンサの中性点との間に変圧器の一次側巻線が接続され構成される。上記従来技術では、この変圧器駆動装置を各相毎に設けており、変圧器の一次側巻線の駆動に必要な励磁電流を考慮すると、相当量のリップル電流が発生する。このため、変圧器駆動装置を構成する上側および下側の各コンデンサは、各相毎に、上側および下側の各スイッチング素子のスイッチングによるリップル電流に耐え得るように、容量値やリップル耐量を大きくする必要があり、コストが高くなる、という問題があった。 The transformer driving device in the above prior art operates with power supplied from a voltage source different from the power source of the inverter device, and the upper and lower switching units connected in series along the voltage application direction of the voltage source. The primary winding of the transformer is connected between the connection point of the element and the neutral point of each of the upper and lower capacitors connected in series along the voltage application direction of the voltage source. In the above prior art, this transformer driving device is provided for each phase, and a considerable amount of ripple current is generated in consideration of the excitation current required for driving the primary winding of the transformer. For this reason, each of the upper and lower capacitors constituting the transformer drive device has a large capacitance value and ripple resistance so that it can withstand the ripple current due to switching of the upper and lower switching elements for each phase. There is a problem that the cost is high.
本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、コストの上昇を抑制しつつ、リカバリー損失の低減を図ることができるインバータ駆動装置ならびに、それを備えた冷凍空気調和装置、冷蔵庫、および冷凍機を提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of the above, and an inverter drive device capable of reducing recovery loss while suppressing an increase in cost, and a refrigeration air conditioner, a refrigerator, and a refrigeration device including the inverter drive device The purpose is to provide a machine.
上述した課題を解決し、目的を達成するため、本発明にかかるインバータ駆動装置は、第1の直流電圧源の電圧印加方向に沿って直列に接続された上側および下側の各変換用スイッチング素子のそれぞれに還流ダイオードが逆並列に接続されたアームを複数有するインバータ駆動装置であって、第2の直流電圧源により動作し、前記各還流ダイオードに流れる順方向電圧を転流させる転流回路を前記複数の各アーム毎に備え、前記転流回路は、一次側巻線および極性の異なる2つの二次側巻線を有する変圧器と、前記各二次側巻線にそれぞれ直列に接続されて前記各還流ダイオードに並列に接続された補助ダイオードと、前記第2の直流電圧源の電圧印加方向に沿って直列に接続された上側および下側の各変圧器駆動用スイッチング素子と、前記第2の直流電圧源の電圧印加方向に沿って直列に接続された上側および下側の各コンデンサと、を備え、前記上側および下側の各コンデンサの中性点は、前記一次側巻線を介して前記上側および下側の各変圧器駆動用スイッチング素子の接続点に接続されると共に、前記複数の各アーム毎に備えられた前記各転流回路との間で相互接続されたことを特徴とする。 In order to solve the above-described problems and achieve the object, an inverter drive device according to the present invention includes an upper conversion switching element and a lower conversion switching element connected in series along a voltage application direction of a first DC voltage source. Each of which has a plurality of arms each having a free-wheeling diode connected in antiparallel, and a commutation circuit that operates by a second DC voltage source and commutates a forward voltage flowing through each of the free-wheeling diodes. The commutation circuit includes a transformer having a primary side winding and two secondary side windings having different polarities, and is connected in series to each of the secondary side windings. An auxiliary diode connected in parallel to each of the freewheeling diodes, and upper and lower transformer driving switching elements connected in series along the voltage application direction of the second DC voltage source; Each of the upper and lower capacitors connected in series along the voltage application direction of the second DC voltage source, and the neutral point of each of the upper and lower capacitors is the primary winding. And connected to the connection point of each of the upper and lower transformer driving switching elements and interconnected with each of the commutation circuits provided for each of the plurality of arms. Features.
本発明によれば、コストの上昇を抑制しつつ、リカバリー損失の低減を図ることができる、という効果を奏する。 According to the present invention, there is an effect that recovery loss can be reduced while suppressing an increase in cost.
以下に添付図面を参照し、本発明の実施の形態にかかるインバータ駆動装置ならびに、それを備えた冷凍空気調和装置、冷蔵庫、および冷凍機について説明する。なお、以下に示す実施の形態により本発明が限定されるものではない。 DESCRIPTION OF EMBODIMENTS Hereinafter, an inverter driving device according to an embodiment of the present invention, a refrigeration air conditioner, a refrigerator, and a refrigerator provided with the same will be described with reference to the accompanying drawings. In addition, this invention is not limited by embodiment shown below.
実施の形態1.
図1は、実施の形態1にかかるインバータ駆動装置の一構成例を示す図である。図1に示すように、実施の形態1にかかるインバータ駆動装置は、第1の直流電圧源80により動作し、負荷である電動機1を駆動するインバータ2を備えている。インバータ2は、電動機1のU相、V相、W相の各相毎に、第1の直流電圧源80の電圧印加方向に沿って直列に接続された上側の変換用スイッチング素子4および下側の変換用スイッチング素子6と、上側の各変換用スイッチング素子4に逆並列に接続された還流ダイオード5と、下側の変換用スイッチング素子6に逆並列に接続された還流ダイオード7とを備えた各アームを具備している。なお、本実施の形態では、電動機1が三相交流電動機であり、インバータ2は、各相毎にアームを有する構成としている。
Embodiment 1 FIG.
FIG. 1 is a diagram of a configuration example of the inverter drive device according to the first embodiment. As shown in FIG. 1, the inverter drive apparatus according to the first embodiment includes an
また、インバータ駆動装置は、各相毎に、第2の直流電圧源17より動作し、各還流ダイオード5,7に流れる順方向電流を転流させる転流回路62を備えている。
In addition, the inverter drive device includes a
各転流回路62は、一次側巻線および極性の異なる2つの二次側巻線を有する変圧器8と、各二次側巻線にそれぞれ直列に接続されて各還流ダイオード5,7にそれぞれ並列に接続された各補助ダイオード9,10と、変圧器駆動回路61とを備えている。
Each
各変圧器駆動回路61は、第2の直流電圧源17の電圧印加方向に沿って直列に接続された上側の変圧器駆動用スイッチング素子11および下側の変圧器駆動用スイッチング素子13と、上側の変圧器駆動用スイッチング素子11に逆並列に接続された還流ダイオード12と、下側の変圧器駆動用スイッチング素子13に逆並列に接続された還流ダイオード14と、第2の直流電圧源17の電圧印加方向に沿って直列に接続された上側のコンデンサ15および下側のコンデンサ16とを備えている。本実施の形態では、上側のコンデンサ15および下側のコンデンサ16の容量値は同一としている。
Each
そして、各転流回路62は、上側の変圧器駆動用スイッチング素子11および下側の変圧器駆動用スイッチング素子13の接続点と上側のコンデンサ15および下側のコンデンサ16の中性点との間に、変圧器8の一次側巻線が接続され、ハーフブリッジ回路が構成される。
Each
また、各転流回路62の上側のコンデンサ15および下側のコンデンサ16の中性点が各相間で相互接続され、リカバリー電流転流部60が構成されている。
Further, the neutral points of the
また、インバータ駆動装置は、電流検出素子3a,3bおよび電流検出回路31a,31bからなる電流検出手段3と、電圧検出回路21からなる電圧検出手段20と、インバータ2およびリカバリー電流転流部60の各スイッチング素子を駆動制御する制御部70とを備えている。また、制御部70は、例えばCPU(Central Processing Unit)やA/D変換器等により構成される制御回路71と、インバータ2の各相の各変換用スイッチング素子4,6を駆動するための各ゲート駆動信号を生成する各インバータ用ゲート駆動回路41〜46と、リカバリー電流転流部60の各相の上側および下側の各変圧器駆動用スイッチング素子11,13を駆動するための各ゲート駆動信号を生成する各転流回路用ゲート駆動回路51〜56とを備えている。
Further, the inverter driving device includes a current detection unit 3 including
電流検出素子3a,3bは、それぞれ電動機1のU相、W相に供給される電流を検出するための素子である。電流検出素子3a,3bにより検出された電流信号(Iu,Iw)は、電流検出回路31a,31bを介して制御回路71に入力される。制御回路71は、電流信号(Iu,Iw)に基づいて電流値に換算し、データとして用いる。本実施の形態では、電流検出素子3a,3bとしてカレントトランス等を用いて電動機1に供給される電流を検出することとするが、この検出手法を電動機1に供給される電流を検出する手法として限定するものではない。例えば、直流母線経路に挿入した抵抗に流れる直流電流を用いて電動機1に供給される電流を検出する手法や(1シャント電流検出方式)、下側の各変換用スイッチング素子6と第1の直流電圧源80の負極側との間に抵抗を挿入して、その抵抗に流れる電流を検出して、電動機1に流れる電流を検出する手法(3シャント電流検出方式)等を用いるようにしてもよい。
The
また、本実施の形態における電圧検出手段20は、抵抗、コンデンサ等から成る分圧回路、増幅器等により構成される。電圧検出手段20により検出された電圧信号(Vdc)は、制御回路71に入力される。制御回路71は、電圧信号(Vdc)に基づいて直流母線電圧値に換算し、データとして用いる。
Further, the voltage detection means 20 in the present embodiment is configured by a voltage dividing circuit composed of a resistor, a capacitor and the like, an amplifier and the like. The voltage signal (Vdc) detected by the voltage detection means 20 is input to the
制御回路71は、得られた電流値データおよび電圧値データに基づいて、各種ベクトル制御演算を行って、各相の各変換用スイッチング素子4,6を駆動するための各PWM(Pulse Width Modulation:パルス幅変調)デューティ信号(以下、「PWM信号」という)Up,Vp,Wp,Un,Vn,Wnの元となる信号を生成する。
The
また、本実施の形態では、制御回路71は、所定のタイミングで変圧器8の一次側巻線に電力を供給する各相の上側および下側の各変圧器駆動用スイッチング素子11,13を駆動するための各変圧器駆動信号Upa,Vpa,Wpa,Una,Vna,Wnaの元となる信号を生成する。
Further, in the present embodiment, the
各インバータ用ゲート駆動回路41〜46は、制御回路71から出力される信号に基づいて、各相の各変換用スイッチング素子4,6の各ゲート駆動信号である各PWM信号Up,Vp,Wp,Un,Vn,Wnを生成する。
Each of the inverter
各転流回路用ゲート駆動回路51〜56は、制御回路71から出力される信号に基づいて、各相の上側および下側の各変圧器駆動用スイッチング素子11,13の各ゲート駆動信号である各変圧器駆動信号Upa,Vpa,Wpa,Una,Vna,Wnaを生成する。ここで、例えば、各PWM信号Up,Vp,Wp,Un,Vn,Wnを用いてロジックを構成し、ロジック回路を用いて所望の区間に各変圧器駆動信号Upa,Vpa,Wpa,Una,Vna,Wnaを出力するようにしてもよい。
Each of the commutation circuit
なお、本実施の形態では、変換用スイッチング素子4,6としては、例えば、SJ(Super Junction)構造のMOSFETを用いることとする。SJ構造のMOSFETは、低オン抵抗、高耐圧というメリットを有しているが、その反面、寄生ダイオードである還流ダイオード5,7の逆回復時間(リカバリー時間)が長いという特性を有している。したがって、本実施の形態では、補助ダイオード9,10として、例えばショットキーバリアダイオード等のように還流ダイオード5,7よりも高速且つ逆回復特性が優れたダイオードを用いて、還流ダイオード5,7に流れる順方向電流を補助ダイオード9,10に転流させることにより、リカバリー損失の低減を図っている。
In the present embodiment, for example, MOSFETs having a SJ (Super Junction) structure are used as the
また、本実施の形態では、第2の直流電圧源の電圧値は、第1の直流電圧源の電圧値に対して数十分の1程度の電圧値とする。例えば、第1の直流電圧源の電圧値は、一般に230V程度の高電圧であるが、第2の直流電圧源の電圧値は、例えば15V程度の低電圧値とする。このとき、第2の直流電圧源17の電圧値が各インバータ用ゲート駆動回路41〜46および各転流回路用ゲート駆動回路51〜56の電源電圧値、あるいは、制御回路71の電源電圧値と同じ電圧値となるように構成すれば、新たに電源を追加することなく、リカバリー損失の低減を実現することができる。
In the present embodiment, the voltage value of the second DC voltage source is set to a voltage value of about several tenths of the voltage value of the first DC voltage source. For example, the voltage value of the first DC voltage source is generally a high voltage of about 230V, but the voltage value of the second DC voltage source is a low voltage value of about 15V, for example. At this time, the voltage value of the second
つぎに、本実施の形態にかかるインバータ駆動装置の還流ダイオード5,7に流れる順方向電流の転流動作について、図2〜図5を参照して説明する。図2は、図1に示すインバータ駆動装置の1相分の構成を示す図である。また、図3は、実施の形態1にかかるインバータ駆動装置のU相のPWM信号、変圧器駆動信号、および変圧器の一次側巻線電圧のタイミングチャートである。また、図4は、実施の形態1にかかるインバータ駆動装置における還流ダイオードに流れる順方向電流の転流動作を示す図である。図4において、破線矢印で示す線は、負荷電流の流れる経路を示し、実線矢印で示す線は変圧器8の一次側巻線を流れる電流の向きを示している。なお、図4に示す例では、図3に示すA区間における動作例を示している。また、図5は、還流ダイオードに流れる順方向電流を転流させない場合の変換用スイッチング素子のドレイン−ソース間電流Idsを示す図である。また、図6は、還流ダイオードに流れる順方向電流を転流させた場合の変換用スイッチング素子のドレイン−ソース間電流Idsを示す図である。なお、ここでは、U相における転流動作について説明するが、V相、W相についても同様の転流動作を実施するものとする。
Next, the commutation operation of the forward current flowing through the free-wheeling
上述したように、上側のコンデンサ15および下側のコンデンサ16の容量値は同一であるので、図2に示すように、第2の直流電圧源17により印加される直流電圧Vcc2により、上側のコンデンサ15の両端電圧V15および下側のコンデンサ16の両端電圧V16は、それぞれVcc2/2となる。
As described above, since the capacitance values of the
また、本実施の形態では、変圧器8の一次側巻線および上側の二次側巻線の極性に対し、下側の二次側巻線の極性を逆にしている。これにより、上側の変圧器駆動用スイッチング素子11をオンに制御したときには、変圧器8の一次側巻線にVa=Vcc2/2が印加され、上側の二次側巻線に一次側巻線と上側の二次側巻線との巻線比に応じた逆電圧が印加される。また、下側の変圧器駆動用スイッチング素子13をオンに制御したときには、変圧器8の一次側巻線にVa=−Vcc2/2が印加され、下側の二次側巻線に一次側巻線と上側の二次側巻線との巻線比に応じた逆電圧が印加される。
In the present embodiment, the polarity of the lower secondary winding is reversed with respect to the polarity of the primary winding and the upper secondary winding of the
本実施の形態では、上側の変換用スイッチング素子4がターンオフしてから下側の変換用スイッチング素子6がターンオンするまでの所定期間、上側の変圧器駆動用スイッチング素子11をオンに制御して上側の変換用スイッチング素子11の還流ダイオード5に流れる順方向電流を補助ダイオード9に転流させ、下側の変換用スイッチング素子6がターンオフしてから上側の変換用スイッチング素子4がターンオンするまでの所定期間、下側の変圧器駆動用スイッチング素子13をオンに制御して下側の変換用スイッチング素子6の還流ダイオード7に流れる順方向電流を補助ダイオード10に転流させる。
In the present embodiment, the upper transformer drive switching element 11 is controlled to be turned on for a predetermined period from when the upper conversion switching element 4 is turned off to when the lower
つまり、例えば、図3に示すように、PWM信号Upをオン(H)からオフ(L)に制御するタイミングに合わせて、変圧器駆動信号Upaをオフ(L)からオン(H)に制御し、PWM信号Unをオフ(L)からオン(H)に制御するタイミングに合わせて、変圧器駆動信号Upaをオン(H)からオフ(L)に制御する。また、例えば、PWM信号Unをオン(H)からオフ(L)に制御するタイミングに合わせて、変圧器駆動信号Unaをオフ(L)からオン(H)に制御し、PWM信号Upをオフ(L)からオン(H)に制御するタイミングに合わせて、変圧器駆動信号Unaをオン(H)からオフ(L)に制御する。 That is, for example, as shown in FIG. 3, the transformer drive signal Upa is controlled from off (L) to on (H) in accordance with the timing at which the PWM signal Up is controlled from on (H) to off (L). The transformer drive signal Upa is controlled from on (H) to off (L) in accordance with the timing at which the PWM signal Un is controlled from off (L) to on (H). Also, for example, the transformer drive signal Una is controlled from off (L) to on (H) in accordance with the timing for controlling the PWM signal Un from on (H) to off (L), and the PWM signal Up is turned off ( The transformer drive signal Una is controlled from on (H) to off (L) in accordance with the timing of control from L) to on (H).
まず、本実施の形態にかかる転流動作を実施しない場合の動作について説明する。本実施の形態にかかる転流動作を実施しない場合、図3に示すA区間では、図4(a)に示すように、電動機1から還流ダイオード5を介して負荷電流(順方向電流)が流れる。
First, an operation when the commutation operation according to the present embodiment is not performed will be described. When the commutation operation according to the present embodiment is not performed, a load current (forward current) flows from the electric motor 1 via the
このとき、下側の変換用スイッチング素子6をオンに制御すると、還流ダイオード5に第1の直流電圧源80により大きな電圧が印加され、変換用スイッチング素子6のドレイン−ソース間電流Idsには、図5に示すように、還流ダイオード5による大きなリカバリー電流が生じることとなる。つまり、大きなリカバリー損失が発生し、スイッチング損失が増大することとなる。
At this time, when the lower
つぎに、本実施の形態にかかる転流動作を実施した場合の動作について説明する。ここでは、下側の変換用スイッチング素子6のオンタイミングにおける転流動作について説明する。
Next, an operation when the commutation operation according to the present embodiment is performed will be described. Here, the commutation operation at the ON timing of the lower
上側の変換用スイッチング素子4をオフに制御すると共に、上側の変圧器駆動用スイッチング素子11をオンに制御すると、図4(b)に示すように、変圧器8の一次側巻線に図中の実線矢印の方向に励磁電流が流れ、一次側巻線の両端にVa=Vcc2/2が印加される。このとき、変圧器8の上側の二次側巻線に、一次側巻線と当該二次側巻線との巻数比に応じた逆電圧が生じ、上側の二次側巻線および補助ダイオード9に電流が流れ始めると共に、還流ダイオード5が逆回復動作へと移行し、還流ダイオード5に流れる順方向電流が減少していく。このとき、還流ダイオード5は、変圧器8の二次側巻線に生じる低電圧により逆回復動作を行うこととなるため、還流ダイオード5によるリカバリー損失を抑制することができる。
When the upper conversion switching element 4 is controlled to be turned off and the upper transformer driving switching element 11 is controlled to be turned on, as shown in FIG. An exciting current flows in the direction of the solid line arrow, and Va = Vcc2 / 2 is applied to both ends of the primary winding. At this time, a reverse voltage corresponding to the turn ratio between the primary side winding and the secondary side winding is generated in the upper secondary side winding of the
変圧器8の上側の二次側巻線に逆電圧が生じた状態が所定時間維持されることにより、ダイオード5が逆回復動作を完了し、負荷電流は、図4(c)に示すように、上側の二次側巻線および補助ダイオード9を流れるようになる。つまり、還流ダイオード5に流れる負荷電流(順方向電流)が補助ダイオード9に転流される。
The state where the reverse voltage is generated in the upper secondary winding of the
そして、所定時間経過後に下側の変換用スイッチング素子6をオンに制御すると共に上側の変圧器駆動用スイッチング素子11をオフに制御すると、補助ダイオード9が逆回復動作に移行し、図4(d)に示すように、補助ダイオード9によるリカバリー電流が発生する。上述したように、本実施の形態では、補助ダイオード9,10として、例えばショットキーバリアダイオード等のように還流ダイオード5,7よりも高速且つ逆回復特性が優れたダイオードを用いているため、変換用スイッチング素子6のドレイン−ソース間電流Idsに生じるリカバリー電流は、図6に示すように、還流ダイオード5によるリカバリー電流(図5参照)よりも小さくなる。
When the lower
その後、補助ダイオード9の逆回復動作の完了に伴い、負荷電流は、図4(e)に示すように、下側の変換用スイッチング素子6を流れるようになる。
Thereafter, as the reverse recovery operation of the
このように、下側の変換用スイッチング素子6のオンタイミングにおける転流動作では、還流ダイオード5に流れる順方向電流を補助ダイオード9に転流させることにより、リカバリー損失を低減することができる。
Thus, in the commutation operation at the on timing of the lower
なお、上側の変換用スイッチング素子4のオンタイミングにおける転流動作では、図3に示す変圧器駆動信号Unaを下側の変圧器駆動用スイッチング素子13に与え、上述した下側の変換用スイッチング素子6のオンタイミングにおける転流動作と同様に、還流ダイオード7に流れる順方向電流を補助ダイオード10に転流させることにより、リカバリー損失を低減することができる。
In the commutation operation at the ON timing of the upper conversion switching element 4, the transformer drive signal Una shown in FIG. 3 is applied to the lower transformer
また、本実施の形態では、各二次側巻線の中間タップを共通とせず、各二次側巻線にそれぞれ独立した2つの出力端子を設け、各補助ダイオード9,10を各変換用スイッチング素子4,6の正極側端子と各二次側巻線との間に設けるようにしている。図7は、二次側巻線の中間タップを共通とした例を示す図である。図7に示すように、二次側巻線の中間タップを共通とした場合、下側の変換用スイッチング素子6の負極側端子と二次側巻線との間に補助ダイオード10を設けることとなる。このような構成としても、通常の使用条件であれば問題はないが、使用条件や環境条件によっては、図7に示すように、二次側巻線に生じる浮遊容量が無視できない大きさとなる場合がある。この場合には、上側の変換用スイッチング素子4をオフからオンに制御した瞬間に過大な電圧が印加され、図中に破線矢印で示した大電流が流れることとなるため、巻線の高耐圧化や絶縁強化が必要となる。
Further, in the present embodiment, the intermediate taps of the secondary side windings are not made common, but two independent output terminals are provided for the secondary side windings, and the
本実施の形態では、変換用スイッチング素子6の正極側端子と二次側巻線との間に設けた補助ダイオード10により、図2に示す電流経路が遮断されるため、耐圧・絶縁が確保され、巻線の高耐圧化や絶縁強化が不要となると共に、信頼性の強化を図ることができる。
In the present embodiment, the
つぎに、各転流回路62の上側のコンデンサ15および下側のコンデンサ16の中性点を各相間で相互接続する意図について、図1および図8を参照して説明する。図8は、各転流回路の上側のコンデンサおよび下側のコンデンサの中性点を各相間で相互接続しない場合のインバータ駆動装置の構成例を示す図である。なお、各構成部については、図1に示す実施の形態1にかかるインバータ駆動装置と同一であるので、ここでは説明を省略する。
Next, the intention of interconnecting the neutral points of the
本実施の形態にかかるインバータ駆動装置の転流回路62においては、上側および下側の各変圧器駆動用スイッチング素子11,13のスイッチングにより、上側および下側の各コンデンサ15,16の充放電が頻繁に行われる。このとき、変圧器8の一次側巻線の駆動に必要な励磁電流を考慮すると、相当量のリップル電流が発生する。
In the
図8に示すように、各転流回路62の上側のコンデンサおよび下側のコンデンサ15,16の中性点を各相間で相互接続しない場合、上側および下側の各変圧器駆動用スイッチング素子11,13のスイッチングによるリップル電流に耐え得るように、各相毎に、上側のコンデンサおよび下側のコンデンサ15,16の容量やリップル耐量を大きくする必要があり、コストが高くなる。
As shown in FIG. 8, when the neutral points of the upper capacitors and the
本実施の形態にかかるインバータ駆動装置では、図1に示すように、各転流回路62の上側のコンデンサ15および下側のコンデンサ16の中性点を各相間で相互接続するようにしているので、上側および下側の各コンデンサ15,16の充放電頻度は増すものの、1回のスイッチングによるリップル電流が各相の上側のコンデンサ15および下側のコンデンサ16に分担され、1相あたりの上側のコンデンサ15および下側のコンデンサ16にかかるリップル電流のピーク値を抑制することができる。また、容量値については、3相分の上側のコンデンサ15および下側のコンデンサ16の並列容量となるので、リップル耐量および寿命に対しても有利となる。
In the inverter driving apparatus according to the present embodiment, as shown in FIG. 1, the neutral points of the
したがって、図8に示すように各転流回路62の上側のコンデンサおよび下側のコンデンサ15,16の中性点を各相間で相互接続しない場合よりも上側のコンデンサおよび下側のコンデンサ15,16の容量やリップル耐量を小さくすることができ、コストの上昇を抑制することができる。
Therefore, as shown in FIG. 8, the upper capacitors and the
以上説明したように、実施の形態1のインバータ駆動装置によれば、電圧印加方向に沿って直列に接続した上側および下側の各変圧器駆動用スイッチング素子の接続点と電圧印加方向に沿って直列に接続した上側および下側の各コンデンサの中性点との間に変圧器の一次側巻線を接続してハーフブリッジ回路を構成し、変圧器の互いに極性が異なる二次側巻線にそれぞれ高速且つ逆回復特性が優れた補助ダイオードを直列に接続して、変換用スイッチング素子に逆並列に接続された還流ダイオードに並列に接続した転流回路を各相毎に設けると共に、上側および下側の各コンデンサの中性点を各相間で相互接続することにより、1回のスイッチングによるリップル電流が各相の上側および下側のコンデンサに分担され、1相あたりの上側および下側のコンデンサにかかるリップル電流のピーク値を抑制することができるので、上側および下側のコンデンサの容量やリップル耐量を小さくすることができ、コストの上昇を抑制しつつ、リカバリー損失の低減を図ることができる。 As described above, according to the inverter driving apparatus of the first embodiment, the connection points of the upper and lower transformer driving switching elements connected in series along the voltage application direction and the voltage application direction. A half-bridge circuit is configured by connecting the primary winding of the transformer between the neutral points of the upper and lower capacitors connected in series. Each phase is provided with a commutation circuit in which auxiliary diodes each having high speed and excellent reverse recovery characteristics are connected in series and connected in parallel to a free-wheeling diode connected in reverse parallel to the conversion switching element. By connecting the neutral point of each capacitor on each side between each phase, the ripple current due to one switching is shared by the upper and lower capacitors of each phase, and the upper and lower Since the peak value of the ripple current applied to the lower capacitor can be suppressed, the capacity and ripple tolerance of the upper and lower capacitors can be reduced, reducing the recovery loss while suppressing the increase in cost. Can be planned.
また、変圧器駆動回路の電源である第2の直流電圧源の電圧値は、インバータの直流母線電圧である第1の直流電圧源の電圧値に対して数十分の1程度の低電圧値とすることにより、転流動作時において、還流ダイオードは、変圧器の二次側巻線に生じる低電圧により逆回復動作を行うこととなるため、還流ダイオードによるリカバリー損失を抑制することができる。 The voltage value of the second DC voltage source that is the power source of the transformer drive circuit is a low voltage value of about several tenths of the voltage value of the first DC voltage source that is the DC bus voltage of the inverter. Thus, during the commutation operation, the freewheeling diode performs a reverse recovery operation due to the low voltage generated in the secondary winding of the transformer, so that recovery loss due to the freewheeling diode can be suppressed.
また、第2の直流電圧源の電圧値が各インバータ用ゲート駆動回路および各転流回路用ゲート駆動回路の電源電圧値、あるいは、制御回路の電源電圧値と同じ電圧値となるように構成することにより、新たに電源を追加することなく、リカバリー損失の低減を実現することができる。 Further, the voltage value of the second DC voltage source is configured to be the same as the power supply voltage value of each inverter gate drive circuit and each commutation circuit gate drive circuit or the power supply voltage value of the control circuit. This makes it possible to reduce recovery loss without adding a new power supply.
また、変圧器の各二次側巻線の中間タップを共通とせず、各二次側巻線にそれぞれ独立した2つの出力端子を設け、各補助ダイオードを各変換用スイッチング素子の正極側端子と各二次側巻線との間に設けることにより、上側の変換用スイッチング素子をオフからオンに制御した瞬間に浮遊容量を介して下側の二次側巻線に過大な電圧が印加され大電流が流れる経路が遮断されるため、耐圧・絶縁が確保され、巻線の高耐圧化や絶縁強化が不要となると共に、信頼性の強化を図ることができる。 Moreover, the intermediate tap of each secondary side winding of the transformer is not made common, but two independent output terminals are provided for each secondary side winding, and each auxiliary diode is connected to the positive side terminal of each switching element for conversion. By providing it between each secondary winding, an excessive voltage is applied to the lower secondary winding via the stray capacitance at the moment when the upper switching element is controlled from OFF to ON. Since the path through which the current flows is cut off, the withstand voltage and the insulation are ensured, and it is not necessary to increase the withstand voltage of the windings and the insulation reinforcement, and the reliability can be enhanced.
なお、上述した実施の形態1では、電動機が三相交流電動機であり、各相毎にアームを設ける例について説明したが、これに限定するものではなく、例えば、電動機が単相交流電動機である場合に、アームを2本有する構成であってもよいし、あるいは、アームを4本以上有する構成であってもよい。 In Embodiment 1 described above, the motor is a three-phase AC motor, and an example in which an arm is provided for each phase has been described. However, the present invention is not limited to this, and for example, the motor is a single-phase AC motor. In some cases, a configuration having two arms may be used, or a configuration having four or more arms may be used.
また、上述した実施の形態1では、各変圧器駆動回路を構成する上側および下側の変圧器駆動用スイッチング素子、上側および下側のコンデンサをそれぞれ1つずつ備える構成について説明したが、必要な電流容量やリップル耐量に応じて、それぞれ複数個並列に接続する構成としてもよい。 Further, in the first embodiment described above, a configuration has been described in which each of the upper and lower transformer driving switching elements and the upper and lower capacitors constituting each transformer drive circuit is provided. Depending on the current capacity and the ripple tolerance, a plurality may be connected in parallel.
実施の形態2.
本実施の形態では、実施の形態1において説明したインバータ駆動装置を冷凍空気調和装置に適用する例について説明する。図9は、実施の形態2にかかる冷凍空気調和装置の一構成例を示す図である。実施の形態2にかかる冷凍空気調和装置は、図9に示すように、熱源側ユニット(室外機)100と負荷側ユニット(室内機)200とを備え、これらが冷媒配管で連結され、主となる冷媒回路(以下、「主冷媒回路」という)を構成して冷媒を循環させている。なお、図9に示す例では、冷媒配管のうち、気体の冷媒(ガス冷媒)が流れる配管をガス配管300とし、液体の冷媒(液冷媒。気液二相冷媒の場合もある)が流れる配管を液配管400としている。
In the present embodiment, an example in which the inverter driving device described in the first embodiment is applied to a refrigeration air conditioner will be described. FIG. 9 is a diagram of a configuration example of the refrigeration air conditioning apparatus according to the second embodiment. As shown in FIG. 9, the refrigeration air conditioner according to the second embodiment includes a heat source side unit (outdoor unit) 100 and a load side unit (indoor unit) 200, which are connected by a refrigerant pipe, The refrigerant circuit (hereinafter referred to as “main refrigerant circuit”) is configured to circulate the refrigerant. In the example shown in FIG. 9, among the refrigerant pipes, a pipe through which a gaseous refrigerant (gas refrigerant) flows is referred to as a
熱源側ユニット100は、本実施の形態においては、圧縮機101、油分離器102、四方弁103、熱源側熱交換機104、熱源側ファン105、アキュムレータ(気液分離器)106、熱源側絞り装置(膨張弁)107、冷媒間熱交換器108、バイパス絞り装置109、および熱源側制御装置110を備え構成される。
In the present embodiment, the heat
圧縮機101の構造としては、実施の形態1に記載した電動機1を圧縮機用として用いている。一方、運転制御については、実施の形態1にかかるインバータ駆動装置等を備え、運転周波数を任意に変化させることにより、圧縮機101の容量(単位時間あたりの冷媒を送り出す量)を細かく変化させることができるものとする。
As the structure of the
また、油分離器102は、圧縮機101から吐出された冷媒に混入した潤滑油を分離させるものである。分離された潤滑油は圧縮機101内部に戻される。四方弁103は、熱源側制御装置110からの指示に基づいて冷房運転時と暖房運転時とで冷媒の流れを切り換える。また、熱源側熱交換器104は、冷媒と外気(室外の空気)との間で熱交換を行う。例えば、暖房運転時においては蒸発器として機能し、熱源側絞り装置107を介して流入した低圧の冷媒と外気との熱交換を行い、冷媒を蒸発させ、気化させる。また、冷房運転時においては凝縮器として機能し、四方弁103側から流入した圧縮機101において圧縮された冷媒と外気との熱交換を行い、冷媒を凝縮して液化させる。熱源側熱交換器104には、冷媒と外気との熱交換を効率よく行うため、熱源側ファン105が設けられている。熱源側ファン105も、実施の形態1にかかるインバータ駆動装置を有してファンモータの運転周波数を任意に変化させてファンの回転速度を細かく変化させるようにする。
The
冷媒間熱交換器108は、冷媒回路の主となる流路を流れる冷媒と、その流路から分岐してバイパス絞り装置109(膨張弁)により流量調整された冷媒との間で熱交換を行う。特に冷房運転時において冷媒を過冷却する必要がある場合に、冷媒を過冷却して負荷側ユニット200に供給するものである。バイパス絞り装置109を介して流れる液体は、バイパス配管107を介してアキュムレータ106に戻される。アキュムレータ106は例えば液体の余剰冷媒を溜めておく手段である。熱源側制御装置110は、例えばマイクロコンピュータ等からなる。負荷側制御装置204と有線あるいは無線により通信することができ、例えば、冷凍空気調和装置内の各種検知手段(センサ)により検知したデータに基づいて、インバータ回路制御による圧縮機101の運転周波数制御等、冷凍空気調和装置に備えられた各手段を制御して冷凍空気調和装置全体の動作制御を行う。
The
一方、負荷側ユニット200は、負荷側熱交換器201、負荷側絞り装置(膨張弁)202、負荷側ファン203及び負荷側制御装置204を備え構成される。負荷側熱交換器201は冷媒と外気との熱交換を行う。例えば、暖房運転時においては凝縮器として機能し、ガス配管300から流入した冷媒と外気との熱交換を行い、冷媒を凝縮させて液化(あるいは気液二相化)させ、液配管400側に流出させる。一方、冷房運転時においては蒸発器として機能し、負荷側絞り装置202により低圧状態にされた冷媒と外気との熱交換を行い、冷媒に空気の熱を奪わせて蒸発させて気化させ、ガス配管300側に流出させる。また、負荷側ユニット200には、熱交換を行う空気の流れを調整するための負荷側ファン203が設けられている。この負荷側ファン203の運転速度は、例えば利用者の設定により決定される。負荷側絞り装置202は、開度を変化させることで、負荷側熱交換器201内における冷媒の圧力を調整するために設ける。
On the other hand, the
また、負荷側制御装置204もマイクロコンピュータ等からなり、例えば熱源側制御装置110と有線あるいは無線により通信することができる。熱源側制御装置110からの指示、居住者等からの指示に基づいて、例えば室内が所定の温度となるように、負荷側ユニット200に備えられた各手段を制御する。また、負荷側ユニット200に設けられた検知手段により検知したデータを含む信号を送信する。
The load-
以上説明したように、実施の形態2の冷凍空気調和装置によれば、インバータ駆動装置におけるリカバリー損失の低減とコストの低減とを実現できるため、高効率で、電力消費を抑えることができ、且つ、低コストな冷凍空気調和装置を得ることができる。また、冷凍空気調和装置を構成する構成要素の中で特に重要な圧縮機の電動機を駆動するインバータ駆動装置において高い信頼性を得ることができるので、冷凍空気調和装置全体としても高い信頼性を得ることができる。 As described above, according to the refrigeration air conditioning apparatus of the second embodiment, it is possible to achieve a reduction in recovery loss and a reduction in cost in the inverter drive apparatus, so that the power consumption can be suppressed with high efficiency, and A low-cost refrigerated air conditioner can be obtained. Moreover, since high reliability can be obtained in the inverter drive device that drives the motor of the compressor that is particularly important among the components constituting the refrigeration air conditioner, high reliability is also obtained as a whole refrigeration air conditioner. be able to.
なお、上述した実施の形態2では、冷凍空気調和装置にインバータ駆動装置を適用する例について説明したが、例えば、冷凍機や冷蔵庫等に利用する冷却装置、ヒートポンプ装置等にも利用することができる。また、電動機を使用する他の機器にも利用することができるし、照明機器等にも利用することができる。
In addition, in
また、以上の実施の形態に示した構成は、本発明の構成の一例であり、別の公知の技術と組み合わせることも可能であるし、本発明の要旨を逸脱しない範囲で、一部を省略する等、変更して構成することも可能であることは言うまでもない。 The configurations described in the above embodiments are examples of the configurations of the present invention, and can be combined with other known techniques, and a part of the configurations is omitted without departing from the gist of the present invention. Needless to say, it is possible to change the configuration.
1 電動機
2 インバータ
3 電流検出手段
3a,3b 電流検出素子
4 変換用スイッチング素子(上側)
5 還流ダイオード(上側)
6 変換用スイッチング素子(下側)
7 還流ダイオード(下側)
8 変圧器
9 補助ダイオード(上側)
10 補助ダイオード(下側)
11 変圧器駆動用スイッチング素子(上側)
12 還流ダイオード(上側)
13 変圧器駆動用スイッチング素子(下側)
14 還流ダイオード(下側)
15 コンデンサ(上側)
16 コンデンサ(下側)
17 第2の直流電圧源(変圧器駆動用)
18 転流回路
20 電圧検出手段
21 電圧検出回路
31a〜31b 電流検出回路
41〜46 インバータ用ゲート駆動回路
51〜56 転流回路用ゲート駆動回路
60 リカバリー電流転流部
61 変圧器駆動回路
62 転流回路
70 制御部
71 制御回路
80 第1の直流電圧源(インバータ用)
100 熱源側ユニット
101 圧縮機
102 油分離器
103 四方弁
104 熱源側熱交換機
105 熱源側ファン
106 アキュムレータ
107 熱源側絞り装置
108 冷媒間熱交換器
109 バイパス絞り装置
110 熱源側制御装置
200 負荷側ユニット
201 負荷側熱交換器
202 負荷側絞り装置
203 負荷側ファン
204 負荷側制御装置
300 ガス配管
400 液配管
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1
5 Freewheeling diode (upper side)
6 Switching element for conversion (lower side)
7 Freewheeling diode (lower side)
8
10 Auxiliary diode (lower side)
11 Switching element for transformer drive (upper side)
12 Reflux diode (upper side)
13 Switching element for transformer drive (lower side)
14 Reflux diode (lower side)
15 Capacitor (upper side)
16 Capacitor (lower side)
17 Second DC voltage source (for transformer drive)
DESCRIPTION OF SYMBOLS 18
DESCRIPTION OF
Claims (10)
第2の直流電圧源により動作し、前記各還流ダイオードに流れる順方向電圧を転流させる転流回路を前記複数の各アーム毎に備え、
前記転流回路は、
一次側巻線および極性の異なる2つの二次側巻線を有する変圧器と、
前記各二次側巻線にそれぞれ直列に接続されて前記各還流ダイオードに並列に接続された補助ダイオードと、
前記第2の直流電圧源の電圧印加方向に沿って直列に接続された上側および下側の各変圧器駆動用スイッチング素子と、
前記第2の直流電圧源の電圧印加方向に沿って直列に接続された上側および下側の各コンデンサと、
を備え、
前記上側および下側の各コンデンサの中性点は、前記一次側巻線を介して前記上側および下側の各変圧器駆動用スイッチング素子の接続点に接続されると共に、前記複数の各アーム毎に備えられた前記各転流回路との間で相互接続されたことを特徴とするインバータ駆動装置。 An inverter driving device having a plurality of arms each having a freewheeling diode connected in antiparallel to each of the upper and lower conversion switching elements connected in series along the voltage application direction of the first DC voltage source. ,
Each of the plurality of arms includes a commutation circuit that operates by a second DC voltage source and commutates a forward voltage flowing through each of the return diodes.
The commutation circuit is
A transformer having a primary winding and two secondary windings of different polarities;
An auxiliary diode connected in series with each secondary winding and connected in parallel with each freewheeling diode;
Switching elements for driving the upper and lower transformers connected in series along the voltage application direction of the second DC voltage source;
Upper and lower capacitors connected in series along the voltage application direction of the second DC voltage source;
With
A neutral point of each of the upper and lower capacitors is connected to a connection point of each of the upper and lower transformer driving switching elements via the primary side winding, and for each of the plurality of arms. An inverter driving device interconnected with each of the commutation circuits provided in the circuit.
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