JP2014050165A

JP2014050165A - インバータ制御回路およびそれを用いた冷凍サイクル装置

Info

Publication number: JP2014050165A
Application number: JP2012189484A
Authority: JP
Inventors: Shin Imai; 慎今井
Original assignee: Panasonic Corp
Current assignee: Panasonic Corp
Priority date: 2012-08-30
Filing date: 2012-08-30
Publication date: 2014-03-17

Abstract

【課題】ダイオードの逆回復電流に起因する過電流検出の無用の動作を防ぐ。
【解決手段】モータ２６を駆動するインバータ回路２５と、インバータ回路２５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２８と、インバータ部の直流入力電流を検知する直流電流検知手段３１と、直流電流検知手段３１で検知した電流値が閾値を超えた場合に、スイッチング素子のスイッチング信号を停止させる過電流検知部２９とを備え、スイッチング素子を停止させる閾値をスイッチング素子のスイッチング切り換え時に可変させる構成としている。これにより、スイッチング素子と逆並列に接続したダイオード、あるいはスイッチング素子に形成された寄生のダイオードを利用し、モータを駆動する場合において、ダイオードの逆回復電流が発生する場合に、スイッチング素子を停止させる閾値を可変して、過電流検出の無用の動作を防ぐことが可能となる。
【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およびそれを用いた冷凍サイクル装置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、インバータの直流入力電圧に応じて過電流検出回路の検出レベルを変化させ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は直流電源１の電圧Ｅを検出する直流電圧検出器２と、インバータの直流電流を検出し、過電流検出レベルを超えた場合に、インバータへの駆動信号を遮断する制御回路３とを有し、そのインバータへの駆動信号を遮断する過電流検出レベルは直流電圧検出器に応じて可変する構成としている。

特開昭６０−８４９７２号公報

しかしながら、上記従来の構成では、インバータのスイッチング素子と逆並列に接続したダイオード、あるいはスイッチング素子に形成された寄生のダイオードを利用しモータを駆動する場合、ダイオードの逆回復特性によって、インバータの回路に短絡が発生するため、短絡電流によって過電流を検出してインバータへの駆動信号を遮断するという状態が生じていた。そのため前記従来の構成によって、直流電源の電圧を検出して、当該検出した電圧に応じて過電流検出レベルを可変しても、ダイオードの逆回復電流によって、インバータの回路に短絡が発生した場合は、過電流と判定し、インバータへの駆動信号を遮断する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、ダイオードの逆回復特性によって、インバータの回路に短絡が発生した場合にはインバータへの駆動信号を遮断することなく、また異常が発生した場合での過電流においては、スイッチング素子を破壊することなく、インバータへの駆動信号を遮断するインバータ制御回路およびそれを用いた冷凍サイクル装置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、インバータ部により駆動されるモータと、インバータ部の直流入力電流を検知する直流電流検知手段と、直流電流検知手段で検知した電流値が閾値を超えた場合に、スイッチング素子のスイッチング信号を停止させる過電流検知部とを備え、スイッチング素子を停止させる閾値をスイッチング素子のスイッチング切り換え時に可変させる構成とした。

これにより、ダイオードの逆回復電流によって、インバータの回路に短絡が発生した場合はインバータへの駆動信号を遮断することなく、また異常が発生した場合での過電流に
おいては、スイッチング素子を破壊することなく、インバータへの駆動信号を遮断することが可能となる。

本発明は、ダイオードの逆回復電流に起因する過電流検出の無用の動作を防ぐと共に、異常が発生した場合の過電流を速やかに検知することが可能なインバータ制御回路およびそれを用いた冷凍サイクル装置を提供することができる。

本発明の実施の形態１におけるインバータ制御回路の回路構成図（ａ）同実施の形態１におけるスイッチング素子のダイオードの逆回復特性を説明する回路図、（ｂ）、（ｃ）同電流波形図（ａ）（ｂ）同実施の形態１における直流電流検出手段で検出する電流値と過電流を検出する閾値を示した電流波形図同実施の形態４における冷凍サイクル装置の構成図従来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、インバータ部により駆動されるモータと、インバータ部の直流入力電流を検知する直流電流検知手段と、直流電流検知手段で検知した電流値が閾値を超えた場合に、スイッチング素子のスイッチング信号を停止させる過電流検知部とを備え、スイッチング素子を停止させる閾値をスイッチング素子のスイッチング切り換え時に可変させる構成としてある。

これにより、スイッチング素子と逆並列に接続したダイオード、あるいはスイッチング素子に形成された寄生のダイオードを利用し、モータを駆動する場合において、ダイオードの逆回復電流が発生する場合にだけ、スイッチング素子を停止させる閾値を可変することが可能となる。よって、ダイオードの逆回復電流に起因する過電流検出の無用の動作を防ぐと共に、異常が発生した場合の過電流を速やかに検知することが可能となる。

第２の発明は、モータの相電流を検知するモータ電流検知手段を備え、モータ電流検知手段で検知した相電流に応じてスイッチング素子を停止させる閾値を可変させる構成としてある。

これにより、ダイオードの逆回復電流の値が、モータの相電流に応じて変わる場合には、スイッチング素子を停止させる閾値を最適な値に設定することが可能となり、ダイオードの逆回復電流に起因する過電流検出の無用の動作をより確実に防ぐことが可能となる。

第３の発明は、スイッチング素子を停止させる閾値をインバータ部のスイッチング素子のスイッチング速度に応じて可変させる構成としてある。

これにより、ダイオードの逆回復電流の値が、スイッチング素子のスイッチング速度に応じて変わる場合には、スイッチング素子を停止させる閾値を最適な値に設定することが可能となり、ダイオードの逆回復電流に起因する過電流検出の無用の動作をより確実に防ぐことが可能となる。
第４の発明は、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冷凍サイクル装置である。

これにより、ダイオードの逆回復電流によって、インバータの回路に短絡が発生した場合でもインバータへの駆動信号を遮断することなく、また異常が発生した場合での過電流においては、スイッチング素子を破壊することなく、インバータへの駆動信号を遮断する安全な冷凍サイクル装置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〜２５ｆ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２５ａ〜２５ｆ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に流れる電流を検出するモータ電流検知手段２７と、インバータ回路２５の直流入力電流を検知する直流電流検知手段３１と、直流電流検知手段３１で検知した電流値が閾値を超えた場合に、スイッチング素子のスイッチング信号を停止させる信号を駆動回路２８に送る過電流検知部２９を含む制御回路３０とを有している。なお、図１ではスイッチング素子２５ａと制御回路３０との関係を代表的に図示しているが、スイッチング素子２５ｂ〜２５ｆと制御回路３０ともスイッチング素子２５ａと同様の回路構成となっている。

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〜２５ｆ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〜２５ｆ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〜２５ｆ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、スイッチング素子２５ａ〜２５ｆをオン・オフする場合において、スイッチング素子２５ａ〜２５ｆのダイオードの逆回復特性に起因する課題対応について説明する。

例えば図２に示すようにスイッチング素子２５ａがオフしており、スイッチング素子２５ｄをオンさせる期間中、モータ２６が誘導性負荷のため電流が母線Ｗ２→スイッチング素子２５ｄのダイオード→母線Ｗ１の経路で流れるものとなる。この期間に、スイッチング素子２５ｄをオフして、スイッチング素子２５ａをオンすると、それまでスイッチング素子２５ｄのダイオードに流れていた電流はスイッチング素子２５ａのトランジスタに移り、この時一時的に電源２１（コンバータ回路２４の電解コンデンサ）→母線Ｗ１→スイッチング素子２５ａのトランジスタ→スイッチング素子２５ｄのダイオード→母線Ｗ２→直流電流検知手段３１→電源２１（コンバータ回路２４の電解コンデンサ）に至る短絡回
路が生じるものとなる。これは、スイッチング素子２５ｄのダイオードが導通状態から逆阻止状態に移行するときに、逆回復時間を要するためであり、このときのスイッチング素子２５ａのトランジスタとスイッチング素子２５ｄのダイオード波形の一例を図２（ｂ）、（ｃ）に示している。

ダイオードが導通状態から逆阻止状態に移行する場合に、スイッチング素子２５ａのトランジスタとスイッチング素子２５ｄのダイオードを通して短絡電流が発生してしまう。そのためこのタイミングにおいては、直流電流検知手段３１に大電流が流れてしまうため、図３（ｂ）で示すように、直流電流検知手段３１で検知する電流が短絡電流のため大きくなり、直流電流検知手段３１で検知した電流値が閾値を超えてしまい、過電流検知部２９がスイッチング素子のスイッチング信号を停止させる信号を駆動回路２８に送信して、モータ駆動を停止させてしまう。そのためこの発明では、図３（ｃ）で示すように、逆回復電流によりモータを停止させないためにスイッチング素子のスイッチング切り換え時（ターンオン）の場合においては、閾値を可変させる領域をもたせ、この領域内で電流を検知した場合は、過電流検知部２９がスイッチング素子のスイッチング信号を停止させる信号を駆動回路２８に送信しないように閾値を変更する構成としてある。

このように、逆回復電流が発生する場合に、閾値を可変させることで、モータを停止させないようにすることが可能となる。また、閾値を可変させた領域を直流電流検知手段３１で検知した電流がオーバーした場合は、異常と判断しモータを停止することで、逆回復電流が発生するタイミングにおいてもスイッチング素子を破壊することがなくなる。また、閾値を可変させた領域の上限をスイッチング素子短絡時の安全動作領域内に設定しておくことで、スイッチング素子を破壊することがなくなる。また、逆回復電流が発生しない期間においては、閾値を可変しないことで、安全にモータ駆動を行うことが可能となる。

（実施の形態２）
この実施の形態は、更にモータ２６の相電流を検知して逆回復電流が発生する場合の閾値を変更する構成としたものである。すなわち、図２に示したようなダイオードの逆回復特性による短絡電流の電流ピーク値はモータの相電流によっても変化する。そのため、この実施の形態では、モータ２６の相電流を検知するモータ電流検知手段２７で検知した電流の実効値に応じて、閾値を変化させたものである。

例えば、モータ電流の実効値が大きい場合は、逆回復電流も大きくなり、小さくなれば、逆回復電流も小さくなるため、逆回復電流が発生する場合の閾値を可変させる領域を動作状態に応じて可変させることで、最適な閾値の領域を設定することが可能となる。

（実施の形態３）
この実施の形態は、更にスイッチング素子のスイッチング速度に応じて、閾値を変更する構成としたものである。すなわちダイオードの逆回復特性による短絡電流の電流ピーク値は、スイッチング素子のスイッチング速度によっても変化するため、スイッチング素子のスイッチング速度に応じて、閾値を変化させたものである。

例えば、スイッチング速度が高速の場合は逆回復電流も大きくなり、スイッチング速度が低速になれば、逆回復電流も小さくなるため、逆回復電流が発生する場合の閾値を可変させる領域をスイッチング素子のスイッチング特性に応じて可変させることで、最適な閾値の領域を設定することが可能となる。

（実施の形態４）
この実施の形態は、上記各実施の形態で説明したインバータ制御回路が適用される冷凍サイクル装置である。図４はこ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を切り替え動作させることにより、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、本各実施の形態では、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、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、上記各実施の形態は、スイッチング素子と逆並列に接続したダイオード、あるいはスイッチング素子に形成された寄生のダイオードを利用し、モータを駆動する場合において、ダイオードの逆回復電流によって、インバータの回路に短絡が発生した場合にはインバータへの駆動信号を遮断することなく、また異常が発生した場合での過電流においては、スイッチング素子を破壊することなく、インバータへの駆動信号を遮断することが可能となるため、ダイオードの逆回復電流に起因する過電流検出の無用の動作を防ぐと共に、異常が発生した場合の過電流を速やかに検知することが可能となる。

以上のように、本発明は、ダイオードの逆回復電流に起因する過電流検出の無用の動作を防ぐと共に、異常が発生した場合の過電流を速やかに検知することが可能であり、インバータ回路でモータを駆動するようなインバータ装置及びこのインバータ装置を搭載した空気調和機、ヒートポンプ給湯器、洗濯機、ショーケース等各種の冷凍サイクル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モータ電流検知手段
２８駆動回路
２９過電流検知部
３０制御回路
３１直流電流検知手段

Claims

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、前記インバータ部により駆動されるモータと、前記インバータ部の直流入力電流を検知する直流電流検知手段と、前記直流電流検知手段で検知した電流値が閾値を超えた場合に、前記スイッチング素子のスイッチング信号を停止させる過電流検知部とを備え、前記スイッチング素子を停止させる閾値を前記スイッチング素子のスイッチング切り換え時に可変させることを特徴とするインバータ制御回路。
モータの相電流を検知するモータ電流検知手段を備え、モータ電流検知手段で検知した相電流に応じてスイッチング素子を停止させる閾値を可変させることを特徴とする請求項１記載のインバータ制御回路。
スイッチング素子を停止させる閾値を前記インバータ部のスイッチング素子のスイッチング速度に応じて可変させ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。
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冷凍サイクル装置。