JP2014075976A - 電動機駆動装置、及び冷凍空調装置 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】電流を導通及び遮断する複数のアーム4を備え、複数のアーム4のうち少なくとも1つは、寄生ダイオードを有し、互いに直列接続された複数のスイッチング素子と、複数のスイッチング素子と並列に接続された還流ダイオード9とを備えたものである。
【選択図】図1
Description
また、比較的簡易な構成により、エネルギー効率を向上させることができる電動機駆動装置、及び冷凍空調装置を得ることを目的とする。
<アーム4の構成>
図1は実施の形態1に係るインバータ回路のアームの構成を示す図である。
図1に示すように、アーム4は、上側スイッチング素子5、下側スイッチング素子6、及び還流ダイオード9を備えている。このアーム4は、電流を導通及び遮断するものである。
下側スイッチング素子6の寄生ダイオード8は、上側スイッチング素子5の寄生ダイオード7と比較して、逆回復時間が短いものである。
なお、下側スイッチング素子6は、高耐圧のものが必須ではなく、低耐圧のものを用いても良い。例えば、下側スイッチング素子6は、上側スイッチング素子5と比較して、耐圧が低いものを用いても良い。
例えば、nチャネルのMOSFETにより構成された上側スイッチング素子5と、pチャネルのMOSFETにより構成された下側スイッチング素子6とを直列接続する。
また例えば、pチャネルのMOSFETにより構成された上側スイッチング素子5と、nチャネルのMOSFETにより構成された下側スイッチング素子6とを直列接続する。
つまり、上側スイッチング素子5及び下側スイッチング素子6は、当該MOSFETのチャネルと異なるチャネルのMOSFETと直列接続される。
つまり、上側スイッチング素子5及び下側スイッチング素子6は、当該MOSFETのチャネルと同一チャネルのMOSFETと逆直列接続される。
この還流ダイオード9は、寄生ダイオード7及び寄生ダイオード8と比較して、逆回復時間が短いものである。
還流ダイオード9は、上側スイッチング素子5及び下側スイッチング素子6がオフ状態のときに、還流電流を流す働きをするものである。
図2は実施の形態1に係るインバータ回路の構成を示す図である。
図2に示すように、インバータ回路2は、6つのアーム4a〜4fを各々ブリッジ接続して構成される。
このインバータ回路2は、各アーム4a〜4fにより電流を導通及び遮断して、直流電圧源12からの直流電圧を、任意電圧、任意周波数の3相交流に変換して、負荷装置16へ供給するものである。
なお、インバータ装置は、電力変換装置とも称される。
アーム4d、4e、7fは、直流電圧源12の低圧側(N側)に一端が接続される。
そして、アーム4a及び4dの接続点、アーム4b及び4eの接続点、アーム4c及び4fの接続点が負荷装置16と接続される。
また、以下の説明において、アーム4d、4e、4fは、「下アーム」とも称する。
上側スイッチング素子5a〜5fは、寄生ダイオード7a〜7fを備えている。下側スイッチング素子6a〜6fは、寄生ダイオード8a〜8fを備えている。
次に、上側スイッチング素子5に用いるSJ構造のMOSFETの特徴と、SJ構造のMOSFETを用いた従来のインバータ回路の問題点について説明する。
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用途に使われてきた。現在、SiC(炭化ケイ素)、GaN(窒化ガリウム)等を用いたデバイス開発が様々な形で行われてきている。
一方、パワーMOSFETにおいても、SJ構造のものが出現してきており、従来の構造と比較してオン抵抗が低い(超低オン抵抗)のデバイスが実現されている。
図3に示すように、SJ構造のMOSFETは、ゲート21、ソース22、ドレイン23、基板(極性n+)24、p層25、及びn層26により構成される。
SJ構造のMOSFETは、p層25とn層26とのチャージをバランスさせることで、オン抵抗を低減することができ、耐圧を向上させることができるといったメリットを有する。
図4に示すように、従来のMOSFETでは、ドレイン−ソース間電圧が上昇するにつれて、オン抵抗が増大する。SJ構造のMOSFETでは、オン抵抗を低く抑えることが可能である。
しかし、SJ構造のMOSFETは、従来のMOSFETと比較して、寄生ダイオードの逆回復時間が長いという特性を有する。
上記のような特性を有するSJ構造のMOSFETを、インバータ回路に適用する際の問題点について説明する。
図19に示すように、従来のインバータ回路2は、SJ構造のMOSFETからなるスイッチング素子101a〜101fをブリッジ接続する。インバータ回路2は、例えば制御部11からのPWM信号に基づいて、スイッチング素子101a〜101fをスイッチング制御する。
これにより、直流電圧源12からの直流電圧を、任意電圧、任意周波数の3相交流に変換して、例えば電動機1に供給する。
このような回路構成で、PWMを用いた電動機駆動運転を行う場合、各スイッチング素子101a〜101fに付随する寄生ダイオード102a〜102fのリカバリー損失が無視できなくなる。
例えば、U相に着目する。今、U相上側のスイッチング素子101a及びU相下側のスイッチング素子101dが、共にオフ状態とする。そして、U相下側の寄生ダイオード102dに、負荷電流(還流電流)が流れているときに、U相上側のスイッチング素子101aをターンオンする場合について考察する。
この場合、寄生ダイオード102dに逆バイアスが与えられても、蓄積されたキャリア(電荷)によって、逆回復時間(リカバリー時間)の間、通電が可能な状態となる。
すなわち、寄生ダイオード102dは、一種のコンデンサとみなせるから、蓄えた電荷量を放出し終えるまで、すなわち、寄生ダイオード102dがオフするまでの間、導通状態となる。
このため、図20に示すように、U相上側のスイッチング素子101aをオンにすると、寄生ダイオード102dの逆回復時間の間、直流電圧源12を短絡する回路が形成される。つまり、この期間中において、U相上側のスイッチング素子101aと、U相下側の寄生ダイオード102dとが、等価的に短絡回路とみなせる。
このような等価的短絡回路を形成する時間は、MOSFETの寄生ダイオード102の逆回復時間に依存することになり、逆回復時間が長くなる程、リカバリー損失が大きくなる。
この例のように、従来のインバータ回路2においては、逆回復時間が長いSJ構造のMOSFETをスイッチング素子101に用いると、スイッチングの切替え時に寄生ダイオード102の存在により等価的短絡回路が形成される時間が長くなるため、リカバリー損失が大きかった。
図21においては、ターンオン時の等価的短絡回路による主回路側(直流電圧源12側)短絡電流を示している。
図21に示すように、任意のスイッチング素子101がターンオフし、逆側のスイッチング素子101がターンオンする際、寄生ダイオード102の電荷が放出し終わるまでの間、主回路側とのループ経路にて等価的な短絡電流が流れるため、損失悪化を招くことになる。
次に、上記のような短絡電流を防止して、リカバリー損失を低減するインバータ回路2の動作について説明する。
本実施の形態におけるアーム4の上側スイッチング素子5及び下側スイッチング素子6は、同一論理のゲート信号が供給される。つまり、同一のアーム4内における上側スイッチング素子5及び下側スイッチング素子6は、同一のタイミングでオン状態及びオフ状態に制御される。
このとき、下側スイッチング素子6dの寄生ダイオード8dは、還流ダイオード9dと逆極性となるように接続されているため、寄生ダイオード8dにより、負荷電流が上側スイッチング素子5へ流れる導通経路をブロックしている。このため、逆回復時間が長い寄生ダイオード7dには、負荷電流は流れない。
次に、U相上側のアーム4aがターンオンされた場合、寄生ダイオード7dに逆バイアスが与えられても、寄生ダイオード7dには負荷電流が流れていないため、リカバリー電流が流れることがない。
このため、負荷電流が上側スイッチング素子5及び下側スイッチング素子6に流れることが無く、スイッチング切替え時に、上側スイッチング素子5及び下側スイッチング素子6にリカバリー電流が流れることを抑制することができる。
よって、逆回復時間が長い寄生ダイオード7を有する上側スイッチング素子5を用いる場合であっても、リカバリー損失を低減させることができる。
従って、インバータ回路2の効率を向上させることができる。
また、還流ダイオード9の逆回復時間は、上側スイッチング素子5の寄生ダイオード7より短い。このため、アーム4のスイッチング時に等価的短絡回路を形成する時間を短くすることができ、リカバリー損失を低減することができる。
本実施の形態では、上記実施の形態1のインバータ回路2を備えた電動機駆動装置につついて説明する。
図5は実施の形態2に係る電動機駆動装置の構成を示す図である。
図5に示すように、電動機駆動装置は、インバータ回路2、電流検出手段3a、電流検出手段3b、電圧検出手段10、制御部11、直流電圧源12を備える。
この電動機駆動装置は、電動機1を駆動運転するものである。
また、制御部11は、電圧検出手段10から入力された電圧を、内蔵されるA/D変換器等により、電圧値に応じた数値データに変換し、直流母線電圧のデータ(情報)に換算する。なお、母線電圧の検出はこれに限定されるものではない。
次に、本実施の形態における電動機駆動装置の動作を説明する。
ここでは、PWM(Pulse Width Modulation:パルス幅変調)を用いた電動機駆動運転について説明する。
本実施の形態では、磁極位置センサを付加せず、巻線に流れる電流のデータ(情報)等に基づいて、電動機1を駆動運転させる場合について説明する。
以下、図6の各ステップに基づいて、動作を説明する。
制御部11は、電流検出手段3a及び3bの検出に基づいて得られた2相電流(Iu,Iw)から、「3相電流の総和が0になる」といった3相平衡インバータの特徴等を利用し、UVW各相に流れる電流を算出する。
次に、制御部11が有する、励磁電流とトルク電流を求める手段により、各相電流値を座標変換し、励磁電流成分(γ軸電流)Iγとトルク電流成分(δ軸電流)Iδを算出する。具体的には、次式(1)に示すような変換行列[C1]に電動機電流Iu〜Iwを代入し、変換することにより励磁電流Iγ及びトルク電流Iδを算出することで行う。ただし、(1)式中のθはインバータ回転角で、回転方向が時計回りの場合を示す。
一方、パルスエンコーダ等の回転子位置を検出するセンサを用いない場合は、制御部11でdq軸座標を正確に捉えることができず、実際にはdq座標系と位相差Δθだけずれてインバータ回路が回転している。このような場合を想定して、一般的にはインバータ回路の出力電圧と同一周波数で回転する座標系をγδ座標系と称し、回転座標系とは区別して扱うこととしている。本実施の形態は、センサを用いない場合の例を示しているので、この慣例を踏襲してγ及びδを添え字としている。
次に、制御部11が有するγ軸電圧・δ軸電圧指令演算手段により、励磁電流Iγ、トルク電流Iδ及び周波数指令f*から速度制御を含む各種ベクトル制御を行い、次回のγ軸電圧指令Vγ *及びδ軸電圧指令Vδ *を求める。
次に、制御部11が有する各相電圧指令演算手段により、(1)式の逆行列[C1]-1である次式(2)を用いて各相電圧指令Vu*〜Vv*を求める。
次に、制御部11が有するPWM信号デューティ作成手段により、インバータ回路2の各相電圧指令Vu*〜Vv*と、電圧検出手段10から得られた母線電圧Vdcとの比率(Vdcに対する各相電圧指令の比率)に基づいて、各アーム4内のスイッチング素子のON時間(あるいはOFF時間)Tup〜Twnを演算する。
上述した通り、本実施の形態においては、各アーム4内のスイッチング素子は、上側スイッチング素子5及び下側スイッチング素子6の各2個で構成されているが、アーム4内の2素子のゲート信号論理は同一とする。すなわち、アーム4内の2素子に対するゲート信号を同一として処理することで、従来機種との互換性が保て、簡易な制御方法で実現可能となる。
次に、制御部11が有するPWM信号発生手段により、1キャリア周期中のスイッチング時間を換算したPWM信号を、PWM信号Up〜Wnとしてインバータ回路2に発信する。
インバータ回路2は、制御部11からのPWM信号Up〜Wnに基づき、各アーム4内の上側スイッチング素子5及び下側スイッチング素子6が、同一ゲート信号で動作し、動作に対応するパルス電圧を電動機1に印加し、電動機1を駆動運転する。一例として、図7にスイッチング素子のPWM信号の論理を示す。
このため、電動機1からの負荷電流(還流電流)が上側スイッチング素子5及び下側スイッチング素子6に流れることが無く、スイッチング切替え時に、上側スイッチング素子5にリカバリー電流が流れることを抑制することができる。
よって、逆回復時間が長い寄生ダイオード7を有する上側スイッチング素子5を用いる場合であっても、リカバリー損失を低減させることができる。
従って、インバータ回路2の効率を向上させることができ、電動機駆動装置のエネルギー効率を向上させることができる。
図8は実施の形態3に係る電動機駆動装置の構成を示す図である。
図8に示すように、本実施の形態における電動機駆動装置は、インバータ回路2の下アームの構成が、上記実施の形態2と異なる。なお、その他の構成は上記実施の形態2と同様であり同一部分には同一の符号を付する。
なお、インバータ回路2の上アーム(アーム4a〜4c)の構成は、上記実施の形態2と同様である。
なお、本実施の形態における還流ダイオード9d〜9fは、本発明における「第2の還流ダイオード」に相当する。
図10はPWMインバータのインバータ回転角と電圧指令ベクトルとの関係を示す図である。
まず、インバータ回路2の上アーム論理、及びインバータ回転角と電圧指令ベクトルとの関係を説明する。
本実施の形態においても、アーム4a〜4c内の2つのスイッチング素子のゲート信号論理を同一とする。これにより、各アーム4a〜4fに供給されるゲート信号の論理は、直流母線の正側に接続された上アームがオンするか、負側に接続された下アームがオンするかのどちらかである。これが3相分あるから、全部で8種類(23=8)の上アームの論理状態が存在する。すなわち、出力状態(以下「電圧ベクトル」という。)が、8種類存在する。ここで、各アーム4のスイッチングの状態表記として、上アームの論理がON状態を「1」、OFF状態を「0」とし、ベクトル長を持つ各スイッチングモードの電圧ベクトル(以下、「基本電圧ベクトル」という。)を次のように定義する。
また、ベクトル長を持たない電圧ベクトル(以下「ゼロベクトル」という。)を次のように称する。すなわち、直流母線の(W相上アーム論理状態、V相上アーム論理状態、U相上アーム論理状態)=(0,0,0)の場合をベクトルV0、(1,1,1)の場合をベクトルV7と称する。
図10は、ベクトルV1方向(U相方向)を基準としたインバータ回転角θと電圧指令ベクトルV*の関係を示している。
図11においては、下張付き2相変調時の上アームのゲート信号パターンの一例を示している。
本実施の形態の制御部11は、図11に示すように、上述した電圧ベクトルを組み合わせて、下張付き2相変調を行う。
このような動作により、本実施の形態においては、上述したインバータ回路2の構成と併せて、PWMパターンの工夫で、素子数を増加させずに高効率化を図ることができる。
これにより、電動機駆動装置の効率の向上を図ることが可能である。
また、下アームは1つのスイッチング素子13により構成しているので、素子数増加を極力抑えることにより、コスト低減や地球環境負荷軽減を図ることができる。
図12に示すように、電動機駆動装置は、インバータ回路2の上アームの構成が、上記実施の形態2と異なる。なお、その他の構成は上記実施の形態2と同様であり同一部分には同一の符号を付する。
なお、インバータ回路2の下アーム(アーム4d〜4f)の構成は、上記実施の形態2と同様である。
なお、本実施の形態における還流ダイオード9a〜9cは、本発明における「第2の還流ダイオード」に相当する。
図13においては、上張付き2相変調時の上アームのゲート信号パターンの一例を示している。
制御部11は、図13に示すように、上述した電圧ベクトルを組み合わせて、上張付き2相変調を行う。
このような動作により、本実施の形態においては、上述したインバータ回路2の構成と併せて、PWMパターンの工夫で、素子数を増加させずに高効率化を図ることができる。
これにより、電動機駆動装置の効率の向上を図ることが可能である。
また、上アームは1つのスイッチング素子13により構成しているので、素子数増加を極力抑えることにより、コスト低減や地球環境負荷軽減を図ることができる。
図14は実施の形態4に係る電動機駆動装置の構成を示す図である。
図14に示すように、本実施の形態における電動機駆動装置は、直流電圧源12、インバータ回路2a(マスター側)及びインバータ回路2b(スレーブ側)、電動機1、電動機1に流れる電動機電流を検出する電流検出手段3a及び3b、電圧検出手段10、インバータ回路2a及び2bをPWM制御し、電動機1を駆動するための、例えば制御部11を備える。
スレーブ側のインバータ回路2bは、アーム15a〜15fがブリッジ接続して構成される。
スレーブ側のインバータ回路2bでは、マスター側のインバータ回路2aの各相出力電圧指令の極性に応じて、出力をP側電位一定とする運転(以下「P側に貼り付ける」ともいう。)、又は出力をN側電位一定とする運転(以下「N側に貼り付ける」ともいう。)を行う。
例えば、U相については、マスター側のインバータ回路2aの指令電圧が正の時、スレーブ側のインバータ回路2bの上アームを常時OFFする(N側に貼り付ける)。また、マスター側のインバータ回路2aの指令電圧が負の時、スレーブ側のインバータ回路2bの上アームを常時ONする(P側に貼り付ける)。
また、スレーブ側のインバータ回路2bにおいては、各アーム15は1つのスイッチング素子14により構成される。このため、インバータ回路2bの部品点数を削減することができ、コストの低減を図ることができる。
図16は実施の形態5に係る電動機駆動装置の構成を示す図である。
図16に示すように、本実施の形態におけ電動機駆動装置は、直流電圧源12、インバータ回路2、負荷装置16、負荷装置16に流れる負荷電流を検出する電流検出手段3、電圧検出手段10、インバータ回路2をPWM制御し負荷装置16を制御する制御部11を備える。
なお、上記実施の形態1〜4と同様の構成には同一の符号を付する。
よって、本実施の形態における電動機駆動装置においても、エネルギー効率の向上を図ることができる。
本実施の形態においては、発電システムの一例として、太陽電池により発電した電力を商用電力系統へ連係して電力供給を行う系統連系型太陽光発電システムの一例について説明する。
図17に示すように、系統連系型太陽光発電システムは、複数の太陽電池モジュールから構成される太陽電池アレイ51と、太陽電池アレイ51が発生する直流電力を交流電力へ変換し、単相商用電力系統52へ連系して電力供給を行う系統連系インバータ装置53とを備える。
昇圧回路61は、入力された直流電圧を昇圧する。インバータ回路2は、直流電圧を高周波交流電圧へ変換する。フィルタ回路62は、インバータ回路2の出力電圧に含まれる高周波スイッチング成分を減衰させる。連系リレー63は、フィルタ回路62の出力電圧を単相商用電力系統52へ接続、切り離しを行う。電流検出手段3aは、インバータ回路2の出力電流を検出する。電流検出手段3cは、フィルタ回路62の出力電流を検出する。演算処理装置64は、電流検出手段3a、3bの情報を元にインバータ回路2を駆動するためのPWM信号を出力する。
アーム4内の上側スイッチング素子5a〜5dには、SJ構造のMOSFETを用いる。アーム4内の下側スイッチング素子6a〜6dには低耐圧のMOSFETを用いる。還流ダイオード9a〜9fには、逆回復時間が短い高速タイプのものを用いる。
また、太陽光発電システムにおいては、インバータ回路2における電力変換効率の増加は、発電電力量の増加につながる。よって、電力変換効率の増加により、使用者はより多くの発電電力量を得ることができる。
また、本実施の形態では、電力変換時の損失を低減できることから、インバータ回路2における発熱が抑えられ、放熱装置の小型化、温度上昇の低減による構成部品の信頼性向上などの利点がある。
図18は実施の形態7に係る冷凍空調装置の構成を示す図である。
図18において、本実施の形態における冷凍空調装置は、室外機201、室内機204を備え、室外機201には図示しない冷媒回路に接続され冷凍サイクルを構成する冷媒圧縮機202、図示しない熱交換器に送風する室外機用の送風機203を備えている。
そして、この冷媒圧縮機202、送風機203は、上述した実施の形態2〜5の何れかの電動機駆動制御装置により制御される電動機1により回転駆動される。
このような構成により電動機1を運転させても、上記実施の形態1〜5と同様の効果が得られることはいうまでもない。
Claims (12)
- 電動機を駆動する電動機駆動装置であって、
前記電動機を駆動するインバータ装置と、
前記電動機を駆動する第2のインバータ装置を備え、
前記電動機の巻線に流れる電流を検出する電流検出手段と、
前記インバータ装置及び前記第2のインバータ装置を制御する制御手段と
を備え、
前記インバータ装置は、
電流を導通及び遮断する6つのアームがブリッジ接続して3相インバータを構成し、
前記6つのアームのうち、当該インバータ装置に供給される直流電圧の高圧側若しくは低圧側に接続された3つのアームは、
寄生ダイオードを有し、互いに直列接続された複数のスイッチング素子と、
前記複数のスイッチング素子と並列に接続された還流ダイオードとを備え、
前記スイッチング素子は、当該スイッチング素子の寄生ダイオードの極性が、隣接する他のスイッチング素子の寄生ダイオードの極性と逆になるように接続され、前記複数のスイッチング素子のうち、前記寄生ダイオードの極性が前記還流ダイオードと逆極性のスイッチング素子は、他のスイッチング素子と比較して、前記寄生ダイオードの逆回復時間が短いものであり、
それ以外の3つのアームは、
1つの第2のスイッチング素子と、
前記第2のスイッチング素子と並列に接続された第2の還流ダイオードとを備えるものであり、
前記第2のインバータ装置は、
1つのスイッチング素子及び1つの還流ダイオードを有するアームを少なくとも1つ備え、
前記制御手段は、
前記電流検出手段が検出した電流に基づき、前記インバータ装置を、
電圧指令ベクトルを生成する基本電圧ベクトルの組み合わせが同じであるインバータ回転角の区間において、
3相のうちスイッチング動作を行わない相の、前記高圧側に接続された前記アームのスイッチング素子をオン状態に維持する上張付2相変調、若しくは、
3相のうちスイッチング動作を行わない相の、前記低圧側に接続された前記アームのスイッチング素子をオン状態に維持する下張付2相変調により、PWM制御して、前記電動機を駆動させ、
前記電流検出手段が検出した電流に基づき、各相電圧指令値を求め、
前記各相電圧指令値に基づいて前記インバータ装置をPWM制御し、
前記各相電圧指令値の電圧極性に基づいて前記第2のインバータ装置を制御する
ことを特徴とする電動機駆動装置。 - 前記スイッチング素子は、MOSFETである
ことを特徴とする請求項1記載の電動機駆動装置。 - 前記MOSFETは、
当該MOSFETのチャネルと異なるチャネルのMOSFETと直列接続された
ことを特徴とする請求項2記載の電動機駆動装置。 - 前記MOSFETは、
当該MOSFETのチャネルと同一チャネルのMOSFETと逆直列接続された
ことを特徴とする請求項2記載の電動機駆動装置。 - 前記複数のMOSFETのうち少なくとも1つは、スーパージャンクション構造のMOSFETである
ことを特徴とする請求項2〜4の何れか一項に記載の電動機駆動装置。 - 前記複数のMOSFETのうち、前記寄生ダイオードの極性が前記還流ダイオードと同極性のMOSFETは、
スーパージャンクション構造のMOSFETである
ことを特徴とする請求項2〜4の何れか一項に記載の電動機駆動装置。 - 前記複数のMOSFETのうち、前記寄生ダイオードの極性が前記還流ダイオードと逆極性のMOSFETは、
他のMOSFETと比較して、耐圧が低いMOSFETである
ことを特徴とする請求項2〜6の何れか一項に記載の電動機駆動装置。 - 前記還流ダイオードは、前記寄生ダイオードと比較して、逆回復時間が短い
ことを特徴とする請求項1〜7の何れか一項に記載の電動機駆動装置。 - 前記第2のスイッチング素子は、IGBT又はMOSFETである
ことを特徴とする請求項1〜8の何れか一項に記載の電動機駆動装置。 - 前記複数のアームのうち少なくとも1つをモジュール化した
ことを特徴とする請求項1〜9の何れか一項に記載の電動機駆動装置。 - 前記インバータ装置及び前記第2のインバータ装置の少なくとも一方をモジュール化した
ことを特徴とする請求項1〜10の何れか一項に記載の電動機駆動装置。 - 請求項1〜11の何れかに記載の電動機駆動装置と、
前記電動機駆動装置により駆動される電動機と
を備えたことを特徴とする冷凍空調装置。
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