JP2016012952A - 昇圧回路、モータ駆動モジュール及び冷凍機器 - Google Patents

Abstract

【課題】
一つの電流検出手段を用いて各パワー素子電流を検出し、各パワー素子のオン幅を調整することにより、各パワー素子電流を略均等する昇圧回路、モータ駆動用モジュール及び冷凍機器を提供する。
【解決手段】
交流電源に整流回路と、前記整流回路の正電位側に並列に接続される複数のリアクトルと、該複数のリアクトルとそれぞれ直列に接続され、電流のオン・オフを行う複数のパワー素子と、前記複数のパワー素子と前記整流回路の負電位側との間に接続される単一の抵抗と、前記単一の電流検出用抵抗を流れる電流が前記複数のパワー素子の何れを流れたものか判断したうえで、前記複数のパワー素子に流れる電流が略均等となるように前記複数のパワー素子を交互に制御する制御部と、を備える。
【選択図】 図１

Description

本発明は、交流を直流に変換する整流装置、昇圧回路、モータ駆動モジュール及び冷凍機器に関する。

交流電源を直流に変換する整流装置と、直流を交流に変換するインバータ回路から構成されるモータ駆動システムが家電製品や産業機器分野において広く普及している。エアコンなど冷凍機器は、通年エネルギー消費効率（ＡＰＦ）を向上するため、運転時間が多い中低速運転領域の効率向上が望まれている。そのため、近年、モータ誘起電圧（逆起電力）が大きく設計される傾向がある。

しかし、モータ誘起電圧（逆起電力）がモータ回転数と比例するため、高速運転時に、インバータの出力電圧は直流電圧に制限されて、モータの誘起電圧より低くなり、正常に駆動できないことがある。従来対策として、弱め界磁制御など手段があるが、図１０に示すようにモータの無効電流の増加に伴い、モータ損失とインバータ損失が増え、システム総合効率が低下してしまう。その代わりに、インバータ出力電圧が足りない場合、直流電圧を昇圧させて、インバータ出力電圧を高くすることは有効な手段である。

交流電圧を直流に変換して、さらに昇圧する回路構成の開発は古くから行われており、多数の方式が提案されている。例えば、６個の半導体パワー素子から構成される三相ＰＷＭコンバータを用いて、入力電流の高調波低減と出力直流電圧の昇圧制御ができるが、多くの半導体パワー素子と複雑な制御手段が必要なので、装置のコストが大幅に増加してしまう。エアコンや汎用インバータなど民生や産業用装置は、製品コストを重視するので、安価な昇圧手段が望まれている。

また、単純な昇圧手段として、例えば、〔特許文献１〕と〔特許文献２〕に記載しているように、ダイオード整流器の出力にリアクトル、半導体スイッチング素子とダイオードから構成される昇圧チョッパー回路が記載されている。

特許第４９３７２８１号公報 特開２０１０−２３３４３９号

〔特許文献１〕に記載の昇圧回路は、一つの昇圧チョッパーで直流電圧を調整できるが、一般的に三相受電装置の容量が大きいため、昇圧チョッパーを構成する部品（パワー素子とリアクトル）の大型化やコストアップを避けられない。

また、〔特許文献２〕に記載するように、複数の昇圧チョッパーを並列にして、インターリーブ動作させる方式がある。昇圧チョッパーの部品点数が多くなるが、各部品の容量が小さくなるため、安価な汎用部品の使用が可能である。但し、各昇圧チョッパーを制御するために、それぞれの電流検出手段と制御回路が必要となり、装置が複雑になる。

そこで、本発明は、一つの電流検出手段を用いて各パワー素子電流を検出し、各パワー素子のオン幅を調整することにより、各パワー素子電流を略均等する昇圧回路、モータ駆動用モジュール及び冷凍機器を提供することにある。

前記課題を解決するため、本発明は、交流電源に整流回路と、前記整流回路の正電位側に並列に接続される複数のリアクトルと、該複数のリアクトルとそれぞれ直列に接続され、電流のオン・オフを行う複数のパワー素子と、前記複数のパワー素子と前記整流回路の負電位側との間に接続される単一の抵抗と、前記複数のパワー素子に流れる電流が略均等となるように前記複数のパワー素子を交互に制御する制御部と、を備えたことが望ましい。

本発明により、一つの電流検出手段を用いて各パワー素子電流を検出し、各パワー素子のオン幅を調整することにより、各パワー素子電流を略均等にすることができる。したがって、電流検出回路及び制御の簡略化が図れるため、低コスト高効率の昇圧回路、モータ駆動モジュール及び冷凍機器を提供できる。本発明のその他の構成、作用、効果は以下に示す実施例において説明する。

本発明の一実施形態である昇圧回路の構成図である。 本発明の一実施形態である昇圧回路の制御部の機能ブロック構成図である。 本発明の一実施形態である昇圧回路の制御部の脈動補償制御器の構成図である。 本発明の一実施形態である昇圧回路の制御部のＡ／Ｄ＆電流分離器の構成図である。 本発明の一実施形態である昇圧回路の制御部の変調率調整器の構成図である。 本発明の一実施形態である昇圧回路の電流検出方法の説明図である。 本発明の一実施形態である昇圧回路の電流均等制御効果の説明図である。 本発明の一実施形態である昇圧回路の電流均等制御効果の説明図である。 本発明の一実施形態であるモータ駆動モジュールの回路構成図である。 本発明の一実施形態であるモータ駆動モジュールの昇圧効果の説明図である。 本発明の一実施形態であるモータ駆動モジュールの外観図である。 本発明の一実施形態である冷凍機器の構成図である。

以下、本発明の実施例について図面を用いて説明する。

（装置構成）
図１は、本発明の実施例１の昇圧回路の構成図である。この昇圧回路は、交流電源１に接続されるダイオード整流器２と、ダイオード整流器２の直流側に設けられ、ダイオード整流器２の出力端子の一端に接続されることで力率改善を行う力率改善用リアクトル３とを備える。このリアクトル３は交流電源からの入力力率を改善するものであり、ダイオード整流器２（整流回路）の正電位側に並列に複数、接続される。リアクトル力率改善用リアクトル３の他端とダイオード整流器２の出力端子の他端との間には昇圧チョッパー回路により発生する高周波ノイズを抑制するための高周波ノイズ抑制用コンデンサ４が配置される。すなわち、ローパスフィルタ（ＬＰＦ）を構成する。交流側のノイズフィルタが簡単なコモンモードフィルタだけを設置しても良い。

そして本実施例の昇圧回路では力率改善用リアクトル３の他端に昇圧用リアクトル５ａ、５ｂが２つ並列に設けられる。またこれらの昇圧用リアクトル５ａ、５ｂのそれぞれに流れる電流のオン・オフを行うパワー素子６ａ、６ｂ（スイッチング素子）が昇圧用リアクトル５ａ、５ｂのそれぞれと直列に設けられる。

昇圧用リアクトル５ａ、５ｂの力率改善用リアクトル３と反対側にはファストリカバリを行うためのファストリカバリダイオード（ＦＲＤ）７ａ、７ｂが配置される。昇圧用リアクトル５ａ、５ｂとパワー素子６ａ、６ｂとを備えて構成される昇圧チョッパー回路の入力側と出力側との間には昇圧チョッパー回路をバイパスする電流バイパス用ダイオード８が設けられる。

昇圧回路の動作停止時に、汎用整流ダイオードの電流バイパスダイオード８を通じて、昇圧用リアクトル５ａ、５ｂとファストリカバリダイオード（ＦＲＤ）７ａ、７ｂの電流をバイパスできるため、昇圧動作停止時の通流損失を低減することが可能である。

本実施例においては、オン・オフを行うパワー素子６ａ、６ｂ（スイッチング素子）とダイオード整流器２の他端との間に一つの電流検出手段９を備える。つまり、各パワー素子６ａ、６ｂのエミッタ端子もしくはソース端子と入力電圧の負電位端子の間に一つの電流検出手段９を設けるものである。電流検出手段９は、コスト削減のため、図１に示すように、電流サンプリング抵抗と増幅回路９aを採用する。電流サンプリング抵抗の代わりに、ホール素子から構成される電流センサなど電流検出手段にしても構わない。

ファストリカバリダイオード（ＦＲＤ）７ａ、７ｂの出力側とダイオード整流器２の他端との間には電圧検出を行うための電圧検出用分圧抵抗１０を備え、電圧検出用分圧抵抗１０と並列に出力電圧の平滑コンデンサ１１が設けられる。昇圧回路の制御器１２は、アナログ回路、マイコン（マイクロコンピュータ）もしくはＤＳＰ（デジタルシグナルプロセッサ）等の半導体演算素子で構成され、分圧抵抗１０の電圧検出手段からの直流電圧信号と昇圧目標電圧を処理する。そして各パワー素子６ａ、６ｂのオン・オフ制御信号を発生する。ここで、コスト削減のため、安価な分圧抵抗１０で電圧信号を検出するが、分圧抵抗の代わりに、直流電圧センサなど手段にしても構わない。

本実施例では二つの昇圧用リアクトル５ａ、５ｂにより昇圧チョッパー回路を並列に接続しているが、昇圧電圧や出力容量によって、二つ以上の昇圧用リアクトルを並列に配置することで昇圧チョッパー回路を構成するようにしても良い。

このように本実施例では、複数の昇圧用リアクトル５ａ、５ｂを並列に設けたため、部品数が増えるものの、電流が均等に分散されたので、一つの昇圧チョッパー回路に流す電流を低減することができる。したがって、パワー素子６ａ、６ｂと力率改善用リアクトル３に安価な汎用品を使用できる。特に力率改善用リアクトル３は大きな部品であり、そのコストも高いものであるため、大きなコスト低減効果を図ることが可能である。

また、各昇圧チョッパーのインターリーブ動作により、全体入力電流のリップル成分の等価周波数が数倍になるため、ノイズフィルタの設計が容易になる。なお、複数の昇圧チョッパー回路に電流を均等に分散するため、それぞれの電流を検出して、各パワー素子６ａ、６ｂの制御信号を調整しなければならない。以下においてはこのための制御器１２による制御について説明する。

図２は、制御器１２の機能ブロック構成図である。

（電圧制御）
具体的には、直流電圧制御器２１では、分圧抵抗１０からの直流電圧信号に基づき検出した直流電圧と昇圧目標電圧の差分を用いて、電流指令を算出する。更に、脈動補償制御器２５では、バンドパスフィルタ（ＢＰＦ）など手段で直流電圧の脈動成分を抽出して、その脈動を抑制するように、打ち消し制御量を作成し電流指令に加算する。

図３は、脈動補償制御器２５の内部構成を示す。ここで、バンドパスフィルタ３１の中心周波数は、単相電源の場合、電源周波数の２倍；三相電源の場合、電源周波数の６倍である。前記バンドパスフィルタ３１の出力には電圧脈動成分だけ残る。電圧脈動成分を無くなるように、ＰＩ制御器３２を用いて脈動抑制制御信号を作成する。

電流制御器２２では、直流電圧制御器２１と脈動補償制御器２５からの電流指令と、電流演算器２７からの電流信号を用いて制御変調率を算出する。この制御変調率は、ＰＷＭ制御器２４ａでキャリア波と比較してＰＷＭ制御信号を生成するための制御量である。

（電流検出）
電流検出手段９からの電流信号は、Ａ／Ｄ＆電流分離器２６にてＡ／Ｄ変換後に、インターリーブの切替信号を用いて、それぞれのパワー素子６ａ、６ｂに流れた電流として分けられる。

図４はＡ／Ｄ＆電流分離器２６の処理構成を示す。また、Ａ／Ｄ変換器の起動タイミングは、図６に示すように、各パワー素子６ａ、６ｂのオン区間に対応して設定される。ここで、各パワー素子６ａ、６ｂがインターリーブ動作なので、オン区間が相互に現れるため、一つのサンプリング＆ホールド回路付きの電流検出手段もしくはＡ／Ｄ変換器でも、それぞれのパワー素子６ａ、６ｂに流れる電流を検出できる。電流演算２７では、Ａ／Ｄ＆電流分離器２６で検出した二つの電流の和と差を演算する。

（電流均等制御）
図５は、各昇圧チョッパーの電流を均等に制御するための変調率調整器２３の機能ブロック図である。電流演算２７で算出した電流差分はＰＩなど制御器５１を通じて、調整ゲインを算出する。更に、調整ゲインと１との加算及び減算処理で、乗算器５２を用いて、それぞれの変調率を調整する。

最後に、ＰＷＭ制御器２４ａと２４ｂで、各変調率とキャリア波発生器２８からのキャリア波（三角波もしくはのこぎり波）との比較により、ＰＷＭ（Ｐｕｌｓｅ Ｗｉｄｔｈ Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ）制御信号を生成し、カウンタ２９からの切替信号に従って、各パワー素子のオン・オフ制御信号を出力する。

図６は、各パワー素子の電流及び制御信号、電流検出用抵抗９の電流と検出電流の波形である。Ａ／Ｄ起動のタイミングは、各パワー素子のオン区間に設定している。つまり、各パワー素子６ａ、６ｂのオン区間のサンプリング処理により、単一の電流検出用抵抗９を流れる電流が複数のパワー素子６ａ、６ｂの何れを流れたものか判断したうえで各パワー素子６ａ、６ｂに流す電流を検出し、各パワー素子電流を略均等とするように各パワー素子のオン幅を調整する。

図７と図８は、電流均等制御がオフとオン時のパワー素子電流、昇圧用リアクトルと均等制御ゲイン波形である。図８に示すように、以上に示す本実施例の昇圧回路の制御によれば、電流均等制御により、均等制御ゲインを自動調整され、各パワー素子の電流がほぼ同様に制御することが可能となる。したがって、電流検出回路及び制御の簡略化が図れるため、低コスト高効率の昇圧回路、モータ駆動モジュール及び冷凍機器を提供できる。

図９は、本発明の第２実施例のモータ駆動装置の構成である。交流から直流を変換する整流と昇圧回路部分は、図１に示すものと同じである。昇圧回路の直流出力側に、インバータ１６を用いて、モータ１７を駆動する。制御器１２ａでは、昇圧回路とインバータのＰＷＭ制御信号を発生して、直流電圧とモータを制御する。モータの回転数や電流及びインバータの出力電圧もしくはインバータの変調率（出力電圧と直流電圧の比）など情報を用いて、最適な昇圧目標電圧を算出し、直流電圧を制御する。昇圧回路の制御は、第１実施例で説明した図２の制御構成を用いて制御する。

図１０に、モータ駆動装置において昇圧回路を使って直流電圧を調整するイメージを示す。モータが中低速運転領域で、昇圧回路の動作を停止し、インバータのＰＷＭ制御のみでモータを制御する。高速運転領域で、昇圧回路を動作させることにより直流電圧を調整して、昇圧制御とインバータのＰＷＭ制御により、モータ電流を低減する。また、昇圧電圧目標値は、システム全体効率向上及びモータ電流低減するように調整する。調整方法は、例えば、事前に設定した昇圧電圧目標値と回転数との関係テーブルを用意することにより実現する。

故に、本実施例のモータ駆動装置を使用すれば、昇圧回路が無い場合に比べて、高い誘起電圧を設計したモータを採用できるので、中低速領域でモータ電流低減とインバータの損失低減ができる。高速領域で昇圧動作により、インバータの電流も低減できので、より低定格の半導体スイッチング素子を採用できる。

図１１は、本発明の第３実施例のモータ駆動モジュール２００の外観図であり、最終製品の一形態を示す。モジュール２００は、基板２０１に半導体スイッチング素子２０２が搭載されたモータ駆動モジュールであり、基板２０１には、前述の図１０に記載の昇圧回路、電圧電流検出回路、制御器、インバータ回路などが実装される。モジュール化によって、小型化が達成され、装置コストの低減が図れる。なお、モジュールとは「規格化された構成単位」という意味であり、分離可能なハードウエア／ソフトウエアの部品から構成されているものである。また、製造上、同一基板上で構成されていることが好ましいが、同一基板に限定はされない。これより、同一筐体に内蔵された複数の回路基板上に構成されてもよい。

この実施例によれば、製品全体コストの削減と体積の低減ができるので、本実施例のモジュールを使用するモータ駆動システムの汎用性と便利性を向上できる。

図１２は、本発明の第４実施例の前記モータ駆動モジュールを用いて、圧縮機モータを駆動した空気調和機や冷凍機などの冷凍機器の構成図である。冷凍機器３００は、温度を調和する装置であり、熱交換器３０１と３０２と、これらの熱交換器に送風を行うためのファン３０３と３０４と、冷媒を圧縮して循環させる圧縮機３０５と、冷媒が流れる配管３０６と、モータ駆動装置３０７から構成されている。なお、圧縮機用モータ３０８は永久磁石同期モータもしくは三相誘導モータを用いて、圧縮機３０５の内部に配置されている。モータ駆動装置３０７は、交流電源を直流に変換して、モータ駆動用インバータに提供し、モータを駆動する。

実施例３のモータ駆動モジュールを使用することにより、直流電圧の昇圧制御ができ、より高効率広範囲モータ駆動ができるので、冷凍機器の効率向上とコスト削減を図れる。

１ 交流電源
２ ダイオード整流器
３ 直流リアクトル
４ コンデンサ
５ａ、５ｂ リアクトル
６ａ、６ｂ パワー素子
７ａ、７ｂ ファストリカバリダイオード
８ ダイオード
９ 電流検出手段
１０ 分圧抵抗
１１ 平滑コンデンサ
１２、１２ａ 制御器
１３ 負荷
１４ 抵抗
１５ 増幅器
１６ インバータ
１７ モータ
１８ 直流電圧グラフ
１９ モータ電流グラフ
２１ 直流電圧制御器
２２ 電流制御器
２３ 変調率調整器
２４ａ、２４ｂ ＰＷＭ制御器
２５ 脈動補償制御器
２６ Ａ／Ｄ＆電流分離器
２７ 電流演算器
２８ キャリア発生器
２９ カウンタ
３０ スイッチ
３１ バンドパスフィルタ
３２ ＰＩ制御器
４１ Ａ／Ｄ
４２ 電流分配器
５１ ＰＩ制御器
５２ 乗算器
２００ モータ駆動モジュール
２０１ 基板
２０２ 半導体スイッチング素子（パワーモジュール）
２０３ マイコン
３００ 冷凍機器
３０１、３０２ 熱交換器
３０３、３０４ ファン
３０５ 圧縮機
３０６ 配管
３０７ モータ駆動装置
３０８ 圧縮機用モータ

Claims (6)

1. 交流電源に整流回路と、
   前記整流回路の正電位側に並列に接続される複数のリアクトルと、
   該複数のリアクトルとそれぞれ直列に接続され、電流のオン・オフを行う複数のパワー素子と、
   前記複数のパワー素子と前記整流回路の負電位側との間に接続される単一の抵抗と、
   前記単一の電流検出用抵抗を流れる電流が前記複数のパワー素子の何れを流れたものか判断したうえで、前記複数のパワー素子に流れる電流が略均等となるように前記複数のパワー素子を交互に制御する制御部と、を備えることを特徴とする昇圧回路。
2. 請求項１に記載の昇圧回路において、
   前記各パワー素子の電流検出は、サンプリング＆ホールド回路とＡ／Ｄ変換器など検出手段を用いて、各パワー素子のオン区間のサンプリング処理により検出することを特徴とする昇圧回路。
3. 請求項１に記載の昇圧回路において、
   前記各パワー素子電流を略均等するように、各パワー素子の電流検出値の差分を算出し、前記電流検出値の差分をフィードバック制御器に入力して各パワー素子のオン幅を調整することを特徴とする昇圧回路。
4. 請求項１または請求項２に記載の昇圧回路において、
   前記昇圧回路の出力電圧を検出して、バンドパスフィルタなど手段を用いて脈動成分を分離してパワー素子のオン・オフ制御信号の調整により、出力電圧の脈動成分を抑制することを特徴とする昇圧回路。
5. 直流電圧を制御することでモータを駆動するインバータを備えたモータ駆動モジュールにおいて、
   前記インバータの入力側には請求項１に記載の昇圧回路が設けられ、
   前記制御部は、前記インバータの出力電圧、出力電力、制御変調率（出力電圧と直流電圧の比）、モータ回転周波数、モータ電流の少なくとも一つの情報を用いて、前記昇圧回路の起動停止の判断と出力電圧の調整を行うことを特徴とするモータ駆動モジュール。
6. 熱交換器と、該熱交換器に送風を行うためのファンと、冷媒を圧縮して循環させる圧縮機と、圧縮機用モータを駆動するインバータと、を備えた冷凍機器において、
   前記インバータの入力側には請求項１に記載の昇圧回路が設けられることを特徴とする冷凍機器。