JP2013143796A - インバータ制御回路およびそれを用いた空気調和機 - Google Patents

Abstract

【課題】スイッチング素子を駆動させる際の消費電力の低減を図ると共に、スイッチング素子の損失増加も改善させるインバータ制御回路を提供することを目的とする。
【解決手段】インバータ回路２５のスイッチング素子に供給するスイッチング信号の駆動電流を可変させる駆動電流可変手段２９とを備え、電流検出部２７で検知した電力が所定の電力以上であれば、インバータ回路２５のスイッチング素子に供給するスイッチング信号を定格駆動電流でスイッチング素子を制御し、電流検出部２７で検知した電力が所定の電力未満であれば、インバータ回路２５のスイッチング素子に供給するスイッチング信号を定格駆動電流以下で制御する構成とすることで、インバータの出力または入力電力に応じて、スイッチング素子の駆動電流を可変させることが可能となる。
【選択図】図１

Description

本発明は、直流を交流に変換するインバータを制御するインバータ制御回路に関するものである。

従来、この種のインバータ制御回路として、スイッチング素子を駆動する駆動回路とスイッチング素子のゲート端子との間に接続するゲート抵抗を可変抵抗とするインバータ制御回路が知られている（例えば、特許文献１参照）。

図５は特許文献１に記載されたインバータ制御回路の図である。図５は抵抗８を可変抵抗８ａとすることで、スイッチングにおけるｄｖ／ｄｔを任意に決定することで、スイッチング時に発生するノイズを低減したインバータ制御回路としている。

特開平７−２３６２６６号公報

しかしながら、前記従来の構成では、ゲート抵抗を可変できる構成とすることで、スイッチング速度を調整し、ノイズの低減を図っているがスイッチング時の損失が増大するという課題があった。また、スイッチング素子を駆動するための制御回路の消費電力については記載がなく、消費電力を抑える方法として、駆動電圧や駆動電流を低下させることで、消費電力を抑えることも可能であるが、スイッチング素子のスイッチング速度の低下やスイッチング素子のオン抵抗の増大、スイッチング素子が流せる最大電流が低減してしまうという課題を有していた。

本発明は、前記従来の課題を解決するもので、スイッチング素子を駆動させる際の消費電力の低減を図ると共に、スイッチング素子の損失増加も改善させるインバータ制御回路を提供することを目的とする。

前記従来の課題を解決するために、本発明のインバータ制御回路は、直流電圧を任意の電圧と周波数の電力に変換し、負荷に高周波電流を供給するインバータ部と、インバータ部のスイッチング素子にスイッチング信号を供給する駆動回路と、インバータ部の出力電力を検知する電力検知手段と、電力検知手段で検知した電力に応じて、インバータ部のスイッチング素子に供給するスイッチング信号の駆動電流を可変させる駆動電流可変手段とを備える構成とした。また、駆動電流可変手段は、スイッチング素子がオンまたはオフする際のスイッチング時の駆動電流と、スイッチング素子がオンした状態での駆動電流を可変させる構成とした。

これにより、インバータの出力電力やスイッチング素子のスイッチング状況に応じて、駆動電流を可変させることで、スイッチング素子を駆動させる際の消費電力の低減を図ると共に、スイッチング素子の損失増加も改善させることが可能となる。

本発明のインバータ制御回路は、スイッチング素子を駆動させる際の消費電力の低減を
図ると共に、スイッチング素子の損失増加も改善させることが可能となるため、スイッチング素子を用いたインバータ制御回路の消費電力を低減させることで効率の良いインバータ制御回路を提供することができる。

本実施の形態１におけるインバータ制御回路の回路構成図 本実施の形態１におけるスイッチング素子のＩ−Ｖ特性図 （ａ）本実施の形態１におけるスイッチング素子の駆動電流とスイッチング特性の関係を示した図、（ｂ）本実施の形態１におけるスイッチング素子の駆動電流とスイッチング特性の関係を示した図、（ｃ）本実施の形態１におけるスイッチング素子の駆動電流とスイッチング特性の関係を示した図 本実施の形態１における冷凍サイクル装置の構成図 従来の他のインバータ制御装置の構成図

第１の発明は、直流電圧を任意の電圧と周波数の電力に変換し、負荷に高周波電流を供給するインバータ部と、インバータ部のスイッチング素子にスイッチング信号を供給する駆動回路と、インバータ部の出力電力を検知する電力検知手段と、電力検知手段で検知した電力に応じて、インバータ部のスイッチング素子に供給するスイッチング信号の駆動電流を可変させる駆動電流可変手段とを備え、電力検知手段で検知した電力が所定の電力以上であれば、インバータ部のスイッチング素子に供給するスイッチング信号を定格駆動電流でスイッチング素子を制御し、電力検知手段で検知した電力が所定の電力未満であれば、インバータ部のスイッチング素子に供給するスイッチング信号を定格駆動電流以下で制御することを特徴としている。これにより、インバータ部の出力電力に応じた制御が容易になり、駆動回路の消費電力を低減させることができる。

第２の発明は、駆動電流可変手段は、スイッチング素子がオンまたはオフする際のスイッチング時の駆動電流に対して、スイッチング素子がオンした状態での駆動電流とを可変させることを特徴としている。これにより、スイッチング素子のスイッチング速度を低下させることなく、駆動させることができる。

第３の発明は、インバータ部のスイッチング素子は、ダイヤモンド、ＧａＮ、ＳｉＣ等のワイドギャップ半導体であることを特徴としている。これにより、スイッチング素子がスイッチングする際のスイッチング損失や、スイッチング素子が導通している際の導通損失を低減でき、インバータ制御回路の省エネを図ることができる。

第４の発明は、空気調和機のインバータ制御回路が上述の発明によるインバータ制御回路で構成されたことを特徴としている。これにより、省エネで効率の良い空気調和機を提供することが可能となる。

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、モータ駆動用インバータ制御回路を例とした本実施の形態１の主要回路構成を示すもので、モータ駆動用インバータ制御回路は、特に、空気調和機に搭載するインバータ制御回路として、圧縮機のモータをインバータ駆動するためのものである。このインバータ制御回路は、空気調和機の室外ユニットに搭載される。

この発明によるインバータ制御回路は、交流電源２１より整流回路・力率改善回路など
を包含するフィルタ回路部２２、平滑回路２３のコンバータ回路２４を介して、所定のタイミングで、オン・オフするスイッチング素子２５ａ〜ｆにより所定の周波数の高周波電力を発生させるインバータ回路２５と、スイッチング素子を駆動させるための駆動信号を供給する駆動回路２８と、モータ２６に流れる電力を検出する電流検出部２７と、電流検出部２７の電流値に応じてスイッチング素子を駆動するための駆動信号の電流値を可変させる駆動電流可変手段２９とを含む制御回路３０とを有している。

以上のように構成されたインバータ制御回路において、以下その動作、作用を説明する。

交流電源２１から入力された電源は、フィルタ回路部２２により整流された後、平滑回路２３のコンデンサを通して平滑化された直流電力として、インバータ回路２５により、所望の交流に変換される。

インバータ回路２５のスイッチング素子２５ａ〜ｆは、ＭＯＳＦＥＴ、ＩＧＢＴなどのトランジスタとダイオードにより構成され、スイッチング素子２５ａ〜ｆは、制御回路３０からの駆動信号によって直流電圧をＰＷＭ制御方式などで、基本波電圧を高周波数のキャリア周波数にて変調し、任意の周波数および交流電圧に変換してモータ２６を可変速駆動する。

モータ２６がＤＣブラシレスモータの場合には、制御回路３０にてＤＣブラシレスモータの誘起電圧よりロータの磁極位置の算出、通電タイミングの設定を行い、インバータ回路２５のスイッチング素子２５ａ〜ｆをオン・オフ制御してモータ２６の目標回転数に一致するように回転数制御を行う。次にモータ２６に流れる電流を電流検出部２７で検出し、検出した電流が所定の電流値以上であれば、スイッチング素子２５ａ〜ｆを駆動させる駆動電流を駆動電流可変手段２９により定格駆動電流に変更して駆動を行い、所定の電流値未満であれば、定格駆動電流以下の電流でスイッチング素子２５ａ〜ｆを駆動させる。

また、本実施の形態では、モータ２６に流れる電流を検出して駆動電圧を可変させているが、交流電源２１からの入力部に設置された電力検出手段３１の電力値や電流値に応じて、駆動電流を可変しても良い。

図２は、スイッチング素子の駆動電流により、スイッチング素子に流せる電流を示した電流・電圧特性図である。電流駆動タイプのスイッチング素子の場合、図２に示すようにスイッチング素子を動作させる駆動電流によって、スイッチング素子に流せる電流（Ｉｄ）が異なってくる。

そのため、スイッチング素子に流す電流を多くするためには、駆動電流を増やす必要があるが、スイッチング素子をオンしている間、常時駆動電流を流さなければならないため、駆動電流が多くなると、駆動回路の消費電力が増大してしまう。そこで上述したように、モータ２６に流れる電流を電流検出部２７で検出し、検出した電流が所定の電流値未満（小電力動作点）であれば、駆動電流を１００ｍＡで駆動することで、駆動回路の消費電力を抑えてモータ２６を駆動させることができる。

また、モータ２６に流れる電流を電流検出部２７で検出し、検出した電流が所定の電流値以上（大電力動作点）と判定した場合、スイッチング素子２５ａ〜ｆを駆動させる駆動電流を駆動電流可変手段２９により３００ｍＡで駆動することで、スイッチング素子に流せる電流を多くして、モータ２６を安定して駆動させることができる。

大電力動作点でスイッチング素子の駆動電流を１００ｍＡで駆動させた場合は、スイッ
チング素子に流せる電流が飽和した状態での使用となるため、スイッチング素子のオン抵抗が駆動電流３００ｍＡの時に比べ、非常に大きくなるため損失が増大してしまうが、小電力動作点であれば、駆動電流１００ｍＡでも駆動電流３００ｍＡと同じオン抵抗となるため、損失が増大することはない。

これにより、モータに流れる電流に応じて、スイッチング素子の駆動電流を可変させることで、特に小電力動作点での駆動回路の消費電力の低減を実現することができる。

また図３は、スイッチング素子の駆動電流毎のオフ→オン→オフのスイッチング動作を示したものである。図３（ａ）は駆動電流１００ｍＡで駆動させた時のスイッチング動作であり、まずオフの状態でスイッチング素子には電流（Ｉｄ）が流れておらず、スイッチング素子の両端に電圧（Ｖｄｓ）がかかっている状態である。

その状態から駆動電流を流していくと、スイッチング素子には電流（Ｉｄ）が流れ始める。そして所定時間後、オン状態となり、一定の電流（Ｉｄ）が流れる状態となる。その後オフ状態にするために、駆動電流を逆向きに引き抜きスイッチング素子をオフ状態にしている。図３（ｂ）は駆動電流３００ｍＡで駆動させた時のスイッチング動作であり、駆動電流１００ｍＡの時とのスイッチング素子の動作の違いは、オフ→オン（ターンオン）、オン→オフ（ターンオフ）のスイッチング速度が速くなる点である。

そのため、スイッチング素子がスイッチング時に発生する損失を低減させることが可能となる。しかしながら、駆動電流を３００ｍＡとしているために、オンの状態での駆動回路の消費電力は大きくなってしまう。そこで図３（ｃ）のように、オフ→オン（ターンオン）、オン→オフ（ターンオフ）にする際の駆動電流は３００ｍＡとし、オンした状態では駆動電流を１００ｍＡとすることで、スイッチング素子がオンした状態での駆動回路の消費電力を抑えて、スイッチング速度は高速で行うことで、損失を低減させることができる。

これにより、特に電流駆動タイプのスイッチング素子の場合、スイッチング素子を駆動させる際の消費電力の低減を図ると共に、スイッチング素子の損失増加も改善させることが可能となる。

図４は、この発明によるインバータ制御回路が適用される空気調和機などの冷凍サイクル装置を示している。冷凍サイクル装置は、圧縮機４０、室外熱交換器４１、室内熱交換器４２、絞り用の細管４３、アキュムレータ４４、四方弁４５、これらを接続する冷媒配管４６を有しており、圧縮機４０は、モータ２６によって駆動される。

次に空気調和機などの冷凍サイクル装置の動作について、冷房時の冷凍サイクル装置の動作を説明する。冷媒は、圧縮機４０によって圧縮されて高温・高圧のガス状冷媒となり、四方弁４５を通って、室外熱交換器４１に導かれ、室外熱交換器４１にて室外の熱交換を行い、外気により冷却されて高圧の液冷媒に変換されている。

室外熱交換機４１によって変換された高圧の液冷媒は、細管４３を通過して低圧の液冷媒となり、冷房時に冷却器として動作する室内熱交換器４２に導かれ、室内空気と熱交換して室内を冷却する。これにより、冷媒液が加熱され、低圧ガスに近い二相冷媒となり、この二相冷媒は四方弁４５を通ってアキュムレータ４４に流入する。

ここで、圧縮機４０に内蔵されたモータ２６の回転数に比例して冷凍サイクルの能力を可変にすることが可能となる。ここでは、冷房時について説明したが、四方弁４５を切り替え動作さえることにより、暖房運転が行える。従って、空気調和機の運転指令が制御回
路３０に入力されると、空気調和機に必要なアクチュエータおよび冷媒回路の動作と共に、所定の回転数となるようにモータ２６が制御される。

尚、本実施の形態では、インバータ回路は、三相モータ駆動用のインバータを用いているが、その他の方式のインバータを適用することができるのは言うまでもない。

また、本実施の形態では、駆動電流を可変させる閾値を１つしか設けていないが、２つ以上に分けて駆動させても良い。

また、本実施の形態では、オフ→オン（ターンオン）、オン→オフ（ターンオフ）にする際の駆動電流は同じにしているが、それぞれ異なる駆動電流でスイッチング素子を駆動させても良い。

また、スイッチング素子の素材として、ＳｉＣ、ＧａＮなどを使用しても良い。このように、スイッチング素子を駆動させる際の消費電力の低減を図ると共に、スイッチング素子の損失増加も改善させることが可能となるため、効率の良いモータ駆動を実現することが可能となる。

以上のように、本発明にかかるインバータ制御回路は、インバータ回路で駆動するような応用に用いることができ、高効率、高寿命の特徴が必要なインバータ装置について有用である。

２４ コンバータ回路
２５ インバータ回路（スイッチング素子含）
２６ モータ
２７ 電流検出部
２８ 駆動回路
２９ 駆動電流可変手段
３０ 制御回路
３１ 電力検出手段

Claims (4)

1. 直流電圧を任意の電圧と周波数の電力に変換し、負荷に高周波電流を供給するインバータ部と、前記インバータ部のスイッチング素子にスイッチング信号を供給する駆動回路と、前記インバータ部の出力電力を検知する電力検知手段と、前記電力検知手段で検知した電力に応じて、前記インバータ部のスイッチング素子に供給するスイッチング信号の駆動電流を可変させる駆動電流可変手段とを備え、前記電力検知手段で検知した電力が所定の電力以上であれば、前記インバータ部のスイッチング素子に供給するスイッチング信号を定格駆動電流でスイッチング素子を制御し、前記電力検知手段で検知した電力が所定の電力未満であれば、前記インバータ部のスイッチング素子に供給するスイッチング信号を定格駆動電流以下で制御することを特徴とするインバータ制御回路。
2. 駆動電流可変手段は、スイッチング素子がオンまたはオフする際のスイッチング時の駆動電流に対して、前記スイッチング素子がオンした状態での駆動電流とを可変させることを特徴とするインバータ制御回路。
3. インバータ部のスイッチング素子は、ダイヤモンド、ＧａＮ、ＳｉＣ等のワイドギャップ半導体であることを特徴とする請求項１または２記載のインバータ制御回路。
4. モータを駆動する制御回路が請求項１から３のいずれか１項記載のインバータ制御回路により構成されたことを特徴とする空気調和機。