JP2013158181A - 結露対策機能を備えているインバータ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】インバータが本来的に必要とする部品を活用して結露対策する技術を提供する。すなわち、結露対策にのみ利用される部品を付加しないで結露対策する技術を提供する。
【解決手段】インバータ回路と水冷式冷却器を備えており、インバータ回路は半導体スイッチング素子を含んでおり、インバータ回路と水冷式冷却器は隣接している。インバータ回路を水冷してインバータ回路の温度が周囲温度よりも低下すると、インバータに結露が発生する条件が整ってしまう。結露発生条件が検出されている間は、半導体スイッチング素子の単位時間あたりのスイッチング回数を増大させる制御装置を備えている。単位時間あたりのスイッチング回数を増大させれば発熱量が増大し、結露発生条件が解消する。本装置によると、インバータが本来的に必要とする半導体スイッチング素子を利用して結露に対策することができる。
【選択図】図１

Description

本明細書では、モータに電力を供給するインバータ装置であり、水冷機構と結露対策機能を備えているインバータ装置を開示する。

特許文献１に、水冷式インバータ装置の結露対策技術が開示されている。この技術では、冷却水とインバータ装置の温度差を検出する機構と、冷却水を加熱するヒータと、冷却水を冷却する放熱装置を用意し、検出された温度差に応じて、冷却水を加熱または冷却することによって結露を防止しながら水冷する。
特許文献２に、結露センサとヒータを備えており、結露センサで結露の発生が検出されたときにヒータに通電して水分を蒸発させる技術が開示されている。

特開平８−２６１６２１号公報 特開２００８−１０４２８１号公報

いずれの技術も、結露の発生を防止するためにヒータを用意しておく必要がある。そのヒータは、結露対策にのみ必要な部品であり、結露対策のために付加的な部品が必要となる。
本明細書は、インバータ装置が本来の機能のために必要とする部品を活用して結露対策する技術を提供する。すなわち、結露対策にのみ利用される部品を付加しないで結露対策する技術を提供する。

本明細書で開示するインバータ装置は、水冷式であり、インバータ回路と水冷式冷却器を備えている。インバータ回路は半導体スイッチング素子を含んでいる。インバータ回路と水冷式冷却器は隣接して配置されている。
インバータ回路を水冷してインバータ回路の温度が周囲温度よりも低下すると、インバータ回路の表面に結露が発生する条件が整ってしまう。本明細書で開示するインバータ装置は、結露発生条件が検出されている間は、半導体スイッチング素子の単位時間あたりのスイッチング回数を増大させる制御装置を備えている。

インバータ回路が内蔵している半導体スイッチング素子は、スイッチングの際にスイッチング損失が発生して発熱する。単位時間あたりのスイッチング回数を増大させれば発熱量が増大し、インバータ回路の温度が上昇し、結露発生条件が解消する。本明細書で開示するインバータ装置によると、インバータ回路がインバータ機能のために本来的に必要とする半導体スイッチング素子を利用して結露に対策することができる。結露対策のためにヒータ等を付設する必要がない。

インバータ回路がインバータ機能を達成するためのスイッチング動作と、結露対策のためのスイッチング動作が両立できなければ、インバータ機能のための半導体スイッチング素子を結露対策に流用することができない。しかしながら、インバータ機能のためのスイッチング動作と、結露対策のためのスイッチング動作を両立させることができる。

たとえばモータを停止させている場合、半導体スイッチング素子の単位時間あたりのスイッチング回数はゼロである。この場合、例えばu相用の上段スイッチング素子とu相用下段スイッチング素子（すなわちモータを介さずに直列接続されている一対の半導体スイッチング素子）の両者を同時にオンさせれば、モータには給電されず、モータを停止させておくことができる。モータを停止させたまま、半導体スイッチング素子をスイッチングして発熱させることができる。

モータに給電している場合、キャリア周波数を上昇させれば、単位時間あたりのスイッチング回数を増大させることができる。この場合、デューティ比を維持すれば、モータへの通電電力量に影響を与えることはない。モータの運転状態に影響しないようにしながらキャリア周波数を上昇させることができる。

本明細書に開示されているインバータ装置は、インバータ動作に本来的に必要な部品のみを使って結露対策する。結露対策のための専用部品を必要としない。無駄のないインバータ装置を実現することができる。

実施例の水冷式インバータ装置の全体構成を示す。 インバータ装置によって実現される電気回路を示す。 実施例１の制御手順を示す。 キャリア周波数を上昇させたときの電流波形を示す。 モータの静止状態を維持しながらスイッチング素子に通電して発熱させる際の電流波形を示す。

下記に示す実施例の主要な特徴を列記する。
（特徴１）水冷式冷却器の冷却水温度が第１所定温度以下（あるいは未満）であり、かつインバータ回路の温度が第３所定温度以下（あるいは未満）である場合に、結露発生条件が検出されたとする。
（特徴２）水冷式冷却器の冷却水温度が第２所定温度以下（あるいは未満）であり、かつインバータ回路の温度が第３所定温度以下（あるいは未満）である期間は、結露発生条件が持続しているとする。
（特徴３）インバータ回路の近傍に、液体の水の存在量によって出力を変える結露センサが配置されており、その出力によって、結露発生条件が検出されるのか検出されないのかを判別する。
（特徴４）半導体スイッチング素子の単位時間あたりのスイッチング回数がゼロの期間に結露発生条件が検出された場合には、直接に直列接続されている一方の半導体スイッチング素子を連続的にオンさせ、他方の半導体スイッチング素子を断続的にオン・オフさせて単位時間あたりのスイッチング回数を増加させる。モータには通電しない。
（特徴５） インバータ回路は、１対の半導体スイッチング素子が直列に接続されている直列回路の複数個を備えており、それらの直列回路が並列に接続されている。同時にオンする半導体スイッチング素子の組を経過時間に伴って切換えていくことで、交流を生成する。同時にオンする半導体スイッチング素子の組を維持している期間内で、半導体スイッチング素子を断続的にオン・オフしてデューティ制御する。デューティ比を調整することでモータに給電する電力量を調整する。
（特徴６） 半導体スイッチング素子の単位時間あたりのスイッチング回数がゼロ以外の期間に結露発生条件が検出された場合には、繰り返しオン・オフさせる際のキャリア周波数を上げて単位時間あたりのスイッチング回数を増加させる。キャリア周波数の変化の前後を通してモータへの単位時間あたりの給電電力量を一定に維持する。キャリア周波数の変化の前後を通してモータ出力は一定に維持される。
（特徴７）水冷式冷却器に、不凍液を混合した水を循環させる。

図１は、実施例の水冷式インバータ装置の全体構成を示す。参照番号２は、インバータ装置本体を示し、インバータ回路４と冷却器８と制御装置１２を内蔵している。インバータ回路４と冷却器８は隣接して配置されており、インバータ回路４が動作すると発熱するのを冷却器８で冷却し、インバータ回路４が過熱されるのを防止する。インバータ回路４に隣接してインバータ回路４の温度を検出する温度センサ６が配置されており、冷却器８には冷却器８を通過する冷却液の温度を検出する温度センサ１０が配置されている。

インバータ回路４は、図２に示すように、ｕ相用上段半導体スイッチング素子ｕ１とｕ相用下段半導体スイッチング素子ｕ２を接続した直列回路と、ｖ相用上段半導体スイッチング素子ｖ１とｖ相用下段半導体スイッチング素子ｖ２を接続した直列回路と、ｗ相用上段半導体スイッチング素子ｗ１とｗ相用下段半導体スイッチング素子ｗ２を接続した直列回路を備えており、これらの直列回路を並列に接続した回路を備えている。
インバータ回路４は、バッテリ２０から供給される直流を３相交流に変換して３相モータ２２に給電する。またインバータ回路４は、３相モータ２２に給電する電流をデューティ比制御して、３相モータ２２に給電する電力量を制御する。図示のＣは、直流電圧の平滑用コンデンサである。

図１では、インバータ回路４が一つのブロックで示されているが、インバータ回路４が複数のブロックで構成されていてもよい。この場合、それぞれのブロックが冷却器８に隣接する位置関係で用いる。冷却器８を複数のブロックに分割してもよい。例えば、第１冷却ブロック、第１インバータブロック、第２冷却ブロック、第２インバータブロック、第３冷却ブロック、第３インバータブロックの順で積層してもよい。

インバータ回路４が動作して３相交流に変換する際には、半導体スイッチング素子ｕ１、ｕ２、ｖ１、ｖ２、ｗ１、ｗ２が断続的にオン・オフする。半導体スイッチング素子にはオン・オフの際にスイッチング損失が生じ、その分が発熱する。また半導体スイッチング素子にはオン抵抗が存在し、ジュール熱が発生する。そのために、インバータ回路４が過熱されることがありえる。図１の水冷式インバータ装置では、ラジエータ１８を通過することで冷却された冷却水が冷却器８に導入され、冷却された冷却水でインバータ回路４を冷却する。冷却器を通過した冷却液はリザーブタンク１４に戻り、ポンプ１６によって再びラジエータ１８を経て冷却器８に戻される。

インバータ回路４を水冷した結果、インバータ回路４が周囲の温度よりも低温となってインバータ回路４の表面に結露することがある。例えば、インバータ回路４が自動車のエンジンルームに収容されている場合、インバータ回路４の周囲温度がエンジンの熱で加温されているのに対し、ラジエータ１８の近傍の温度がそれよりも低温であることがある。この場合、水冷されたインバータ回路４の表面に結露することがありえる。インバータ回路４の表面から導電体が延びており、インバータ回路の表面に結露すると、導電体を被覆している絶縁層を劣化したり、漏電等の原因となることがある。

本実施例のインバータ装置では、インバータ回路４の表面に結露する条件が発生した場合には、半導体スイッチング素子ｕ１、ｕ２、ｖ１、ｖ２、ｗ１、ｗ２を断続的にオン・オフさせて発熱させ、結露発生条件を解消する。ただし、モータ２２の運転状態に影響を与えないようにしながら半導体スイッチング素子ｕ１、ｕ２、ｖ１、ｖ２、ｗ１、ｗ２を断続的にオン・オフする。

図２に示すように、制御装置１２には、インバータ回路４の温度を検出するセンサ６と、冷却水温度センサ１０の検出値が入力され、半導体スイッチング素子ｕ１、ｕ２、ｖ１、ｖ２、ｗ１、ｗ２のゲートに印加する電圧を制御する。制御装置１２には、半導体スイッチング素子ｕ１、ｕ２、ｖ１、ｖ２、ｗ１、ｗ２のオン・オフを制御する
図３は、制御装置１２で実施する結露対策手順を示している。ステップＳ２では、結露発生条件となっているか否かを判別する。すなわち、冷却水温センサ１０で検出される冷却水温度Ｔｗが第１閾値Ｔ1以下であり、かつ、インバータ回路の温度センサ６で検出されるインバータ回路４の温度INVTが第３閾値Ｔｊ以下であるときに、結露発生条件が成立したと判別する。ここで、第１閾値Ｔ1は、制御装置１２に予め記憶されている温度であってもよいし、周囲温度から計算される温度であってもよい。同様に、第３閾値Ｔｊは、制御装置１２に予め記憶されている温度であってもよいし、周囲温度から計算される温度であってもよい。
結露発生条件が成立していなければ、ステップＳ２の判定結果がＮOとなり、今回の処理を終了する。所定時間後に、再びステップＳ２を実施する。

結露発生条件が成立していると、ステップＳ４でモータ２２が回転しているか否かを判断する。モータ２２が回転しているか否によって、モータ２２の運転に影響しないようにしながら、結露発生条件を解消させるために半導体スイッチング素子ｕ１、ｕ２、ｖ１、ｖ２、ｗ１、ｗ２を発熱させる運転形態が相違するからである。

モータ２２が回転している場合、キャリア周波数を上昇させる（ステップＳ６）。モータ２２が回転している場合、図４の（１）に示すように、例えばｕ相通電中に、半導体スイッチング素子ｕ１，ｖ２，ｗ２を断続的にオン・オフして通電電力量を調整している。半導体スイッチング素子ｕ１，ｖ２，ｗ２を断続的にオン・オフする際の周期を、ここではキャリア周波数という。図４の（１）の場合、周期をｔ１とするキャリア周波数でデューティ制御している。この状態で、結露発生条件が成立すると、（２）に示すように、キャリア周波数を上昇させて周期をｔ２に縮める。ただし、デューティは変えない。キャリア周波数を上昇させると、単位時間あたりの半導体スイッチング素子ｕ１，ｖ２，ｗ２のオン・オフ回数が増大し、スイッチング損失に伴う発熱量が増大する。インバータ回路４の温度が上昇して結露発生条件が解消すると期待される。キャリア周波数を上昇させてもデューティ比は変えないことから、モータ２２のトルクは変化しない。
インバータ回路４は、通電相を切換えていく。ｕ相通電中は、半導体スイッチング素子ｕ１，ｖ２，ｗ２を断続的にオン・オフする際のキャリア周波数をあげ、ｖ相通電中は、半導体スイッチング素子ｖ１，ｗ２，ｕ２を断続的にオン・オフする際のキャリア周波数をあげ、ｗ相通電中は、半導体スイッチング素子ｗ１，ｕ２，ｖ２を断続的にオン・オフする際のキャリア周波数をあげる。しかしながら、通電相の切換えタイミングは変えない。モータ２２の回転数は変化しない。
キャリア周波数を上昇させると，モータ２２の運転状態に影響を与えないようにしながら、インバータ回路４の発熱量を増大させることができる。

モータ２２が静止している場合、インバータ回路４をハーフオンさせる（ステップＳ８）。すなわち図５に示すように、直接に（モータ２２を介することなく）接続されている一対の半導体スイッチング素子（例えばｕ１とｕ２）の一方（例えばｕ２）を連続的にオンさせ、他方（例えばｕ１）を断続的にオン・オフさせる。モータ２２を介することなく接続されている一対の半導体スイッチング素子を同時にオンさせても、モータ２２には通電されず、モータ２２が回転することはない。モータ２２は静止し続ける。しかしながら、インバータ回路４では、内蔵している半導体スイッチング素子が断続的にオン・オフし、これに伴って発熱する。モータ２２の運転状態に影響を与えないようにしながら、インバータ回路４の発熱量を増大させることができる。
この場合も、半導体スイッチング素子の単位時間あたりのオン・オフ回数を増大させるということができる。単位時間あたりのオン・オフ回数を“ゼロ”から増大させるということができる。

ステップＳ８では、モータ２２を介することなく接続されている一対の半導体スイッチング素子の両者を同時に断続的にオン・オフさせてもよい。これでも、単位時間あたりのオン・オフ回数を“ゼロ”から増大させることができる。
また、同時にオンさせる半導体スイッチング素子の相を時間によって切換えてもよい。ｕ相の上下半導体スイッチング素子を断続的にオン・オフさせる期間→ｖ相の上下半導体スイッチング素子を断続的にオン・オフさせる期間→ｗ相の上下半導体スイッチング素子を断続的にオン・オフさせる期間のように切換えてもよい。インバータ回路４の特定箇所で集中発熱が生じることがなく、発熱箇所を切換えていくことができる。

ステップＳ１０では、結露発生条件が解消したか否かを判別する。そのために、冷却水温センサ１０で検出される冷却水温度Ｔｗが第２閾値Ｔ２以上に上昇したか、あるいは、インバータ回路温度センサ６で検出されるインバータ回路４の温度INVTが第３閾値Ｔｊ以上に上昇したかを判別する。第２閾値Ｔ２は第１閾値Ｔ１以上である。第２閾値Ｔ２は制御装置１２に予め記憶されている温度であってもよいし、周囲温度から計算される温度であってもよい。
結露発生条件が解消すれば、ステップＳ６またはＳ８の結露対策処理の実行を終了する。結露発生条件が持続していれば、ステップＳ６またはＳ８の結露対策処理の実行を継続する。

ステップＳ２で実行する結露条件の発生監視、あるいは、ステップＳ１０で実行する結露条件の解消監視に代えて、特許文献２に記載されている結露センサで検出される水分量を検出してもよい。結露センサで検出される液体の水の量が第１所定値以上であれば結露条件が発生したとし、結露センサで検出される液体の水の量が第２所定値以下に減少すれば結露条件が解消したとする。第１所定量＞第２所定量以下に設定しておけば、結露対策制御が短時間で繰り返し開始・終了されることを防止することができる。

以上、本発明の具体例を詳細に説明したが、これらは例示にすぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。
また、本明細書または図面に説明した技術要素は、単独であるいは各種の組合せによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時請求項記載の組合せに限定されるものではない。また、本明細書または図面に例示した技術は複数目的を同時に達成するものであり、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つものである。

２：インバータ装置
４：インバータ回路
６：インバータ回路の温度センサ
８：冷却器
１０：冷却水温センサ
１２：制御装置
１４：リザーブタンク
１６：ポンプ
１８：ラジエータ
２０：バッテリ
２２：モータ（ＧＭ）

Claims (1)

1. 半導体スイッチング素子を含むインバータ回路と、
   インバータ回路に隣接して配置されている水冷式冷却器と、
   結露発生条件が検出されている間、モータの運転状態に影響しない範囲で、半導体スイッチング素子の単位時間あたりのスイッチング回数を増大させる制御装置と、
   を備えているインバータ装置。

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