JP2019154205A - インバータ装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】コストアップを抑制しつつ、電力損失の少ないインバータ装置を提供する。【解決手段】インバータ装置1は、第1の電源ライン91と第2の電源ライン92との間に設けられ、第1の端子が第1の電源ライン91に接続されると共に第2の端子がモータMに接続されるハイサイド側のスイッチング素子HSWと、第1の端子がハイサイド側のスイッチング素子HSWの第2の端子に接続されると共に第2の端子が第2の電源ライン92に接続されるローサイド側のスイッチング素子LSWとからなるアーム部11を複数有するアーム部ユニット10と、ハイサイド側のスイッチング素子HSW及びローサイド側のスイッチング素子LSWの夫々の第1の端子と第2の端子との間に設けられるコンデンサ20と、を備える。【選択図】図1
Description
本発明は、スイッチング素子が有する3つの端子のうち、制御端子とは異なる第1の端子と第2の端子との間にダイオードを有しないスイッチング素子を用いて構成されたインバータ装置に関する。
従来、モータを駆動するために、複数のスイッチング素子を備えたインバータ装置が用いられてきた。モータをインバータ装置で駆動した場合、モータからインバータに対して回生電流が流れるが、スイッチング素子と並列にダイオードを設けたり(例えば特許文献1)、スイッチング素子のボディダイオード(寄生ダイオード)を利用したりして回生電流が流れる経路を確保していた。
特許文献1には、インバータ主スイッチ素子と、当該インバータ主スイッチ素子に並列接続した還流用ダイオード(「回生用ダイオード」に相当)とをそれぞれ備えた上アーム及び下アームを一対以上有するインバータ装置が記載されている。このインバータ装置は、還流用ダイオードに直列接続され、還流用ダイオードに流す電流を制御する駆動回路が備えられている。この駆動回路は、2次側巻線が還流用ダイオードに直列に接続されるトランスと、トランスの1次側巻線への直流供給を行う直流電源と、トランスの1次側巻線への電流供給を制御するトランス駆動用スイッチ素子とを有して構成され、直流電源は、上アーム及び下アームの全ての対に共通に1つだけ備えられる。
特許文献1に記載の技術は、還流用ダイオード、トランス、トランス駆動用スイッチ、直流電源を備えていることから、部品点数が多くなり、部材費や製造費のコストアップの要因となる。また、還流用ダイオードに回生電流が流れるので、当該還流用ダイオードが熱を発し、電力損失の要因となる。
そこで、コストアップを抑制しつつ、電力損失の少ないインバータ装置が求められる。
本発明に係るインバータ装置の特徴構成は、スイッチング素子が有する3つの端子のうち、制御端子とは異なる第1の端子と第2の端子との間にダイオードを有しないスイッチング素子を用いて構成されたインバータ装置であって、第1の電源ラインと前記第1の電源ラインの電位よりも低い電位に接続される第2の電源ラインとの間に設けられ、前記第1の端子が前記第1の電源ラインに接続されると共に前記第2の端子がモータに接続されるハイサイド側の前記スイッチング素子と、前記第1の端子が前記ハイサイド側のスイッチング素子の前記第2の端子に接続されると共に前記第2の端子が前記第2の電源ラインに接続されるローサイド側の前記スイッチング素子とからなるアーム部を複数有するアーム部ユニットと、前記ハイサイド側のスイッチング素子及び前記ローサイド側のスイッチング素子の夫々の前記第1の端子と前記第2の端子との間に設けられるコンデンサと、を備えている点にある。
このような特徴構成とすれば、インバータ装置を、制御端子とは異なる第1の端子と第2の端子との間にダイオードを有しないスイッチング素子を用いて構成し、スイッチング素子と並列にコンデンサを設けることができる。このため、コンデンサを介してモータからの回生電流を回生することができる。したがって、回生電流がダイオードを流れることがないので、電力損失や発熱を低減することが可能となる。また、回生用のダイオードを設ける必要もないので、低コストでインバータ装置を実現することができる。このように本構成であれば、高効率、且つ、低コストでインバータ装置を構成することが可能となる。
本発明に係るインバータ装置は、回生電流による電力損失が低減できるように構成される。以下、本実施形態のインバータ装置1について説明する。
図1は本実施形態のインバータ装置1の構成を模式的に示したブロック図である。また、図1には、インバータ装置1と共に、通電制御部2及び三相モータMも示される。図1に示されるように、インバータ装置1は、アーム部ユニット10と、コンデンサ20とを備えて構成される。
インバータ装置1は、通電制御部2から伝達される制御信号に基づき、三相モータMが有するコイルLに流れる電流を制御して当該三相モータMを駆動する。三相モータMを駆動するとは、三相モータMから回転力を出力させることをいう。
アーム部ユニット10は、第1の電源ライン91と第1の電源ライン91の電位よりも低い電位に接続される第2の電源ライン92との間に設けられる。本実施形態では、第1の電源ライン91は所定の電位からなる直流電圧を出力する電圧源99に接続される。したがって、第2の電源ライン92とは、電圧源99の出力電圧よりも低い電位が印加される。本実施形態では、第2の電源ライン92は接地される。
アーム部ユニット10は、複数のアーム部11を有する。本実施形態では、3組のアーム部11を備えて構成される。3組のアーム部11の夫々は、ハイサイド側のスイッチング素子HSW(以下「スイッチング素子HSW」)とローサイド側のスイッチング素子LSW(以下「スイッチング素子LSW」)とを有する。
スイッチング素子HSW及びスイッチング素子LSWは、夫々、3つの端子を有する。この3つの端子は、制御端子と、当該制御端子とは異なる第1の端子及び第2の端子とにあたる。ここで、スイッチング素子HSW及びスイッチング素子LSWは、第1の端子と第2の端子との間にダイオードを有しないスイッチング素子を用いて構成される。このようなスイッチング素子としては、ボディダイオードがない例えば窒化ガリウムを用いた電界効果トランジスタや酸化ガリウムを用いた電界効果トランジスタがある。本実施形態では、スイッチング素子HSW及びスイッチング素子LSWは、Nチャネル型の窒化ガリウムを用いた電界効果トランジスタを用いて構成される。したがって、上述した制御端子はゲート端子、第1の端子はドレーン端子、第2の端子はソース端子が相当する。以下では、理解を容易にするために、制御端子をゲート端子として説明し、第1の端子をドレーン端子として説明し、第2の端子をソース端子として説明する。
スイッチング素子HSWは、ドレーン端子が第1の電源ライン91に接続され、ソース端子が三相モータMに接続される。スイッチング素子LSWは、ドレーン端子がスイッチング素子HSWのソース端子に接続され、ソース端子が第2の電源ライン92に接続される。したがって、1組のアーム部11に着目した場合、第1の電源ライン91と第2の電源ライン92との間において、スイッチング素子HSWとスイッチング素子LSWとが直列に接続されていることになり、アーム部ユニット10は、このような3組のアーム部11が並列に接続されていることになる。なお、各アーム部11のスイッチング素子HSWのソース端子は、夫々、三相モータMが有する3つの端子に1対1対応で接続される。すなわち、図1に示されるように、各アーム部11のスイッチング素子HSWのソース端子は、夫々、三相モータMが有する3つの端子(「U相端子U1」、「V相端子V1」、「W相端子W1」)の夫々と接続される。スイッチング素子HSWのゲート端子及びスイッチング素子LSWのゲート端子は、夫々、通電制御部2と接続される。
通電制御部2は、スイッチング素子HSW及びスイッチング素子LSWの夫々をPWM(Pulse Width Modulation)制御で駆動する。PWM制御は公知であるので、ここでは説明を省略する。本実施形態では、通電制御部2がPWM制御を行うために、制御信号を出力する。この制御信号が、上述したスイッチング素子HSWのゲート端子及びスイッチング素子LSWのゲート端子に入力されるが、当該制御信号のドライブ能力を高めるために、通電制御部2と各ゲート端子との間に公知のドライバを設けても良い。
スイッチング素子HSW及びスイッチング素子LSWの夫々のドレーン端子とソース端子との間にはコンデンサ20が設けられる。図1に示されるように、スイッチング素子HSW及びスイッチング素子LSWは合計6つ設けられる。したがって、インバータ装置1には、6つのコンデンサ20が設けられる。
また、スイッチング素子LSWのドレーン端子とソース端子との間に設けられた3つのコンデンサ20のうち、少なくとも1つのコンデンサ20の一対の端子間には抵抗器Rが設けられる。この抵抗器Rは、インバータ装置1の通電が終了した際や、全てのスイッチング素子HSW及びスイッチング素子LSWが開状態である時に、スイッチング素子LSWのドレーン端子を接地するために設けられ、コンデンサ20に蓄えられた電荷を放電する放電抵抗として機能する。これにより、インバータ装置1への通電が停止された場合であっても、次回の起動時までにコンデンサ20の残留電荷を適切に放電し、次回起動時の誤動作を防止することが可能となる。なお、コンデンサ20の中には、抵抗器Rの一対の端子間に設けられていないコンデンサ20もあるが、これらはコイルL及び当該抵抗器Rを介して接地されることになるので、抵抗器Rは3つのコンデンサ20のうち、少なくとも1つのコンデンサ20の一対の端子間に設けるだけで良い。抵抗器Rは、低消費電力化の観点から定常時(三相モータMの駆動時)に当該抵抗器Rに流れる電流を微小なものとすべく、抵抗値が大きいもの(例えば数百kオーム)を用いると良い。このように、インバータ装置1は構成される。
次に、インバータ装置1の通電制御について説明する。上述したようにインバータ装置1はスイッチング素子HSW及びスイッチング素子LSWが設けられる。これらは、通電制御部2により通電制御される。
ここでは、理解を容易にするために、インバータ装置1のアーム部ユニット10が有する3つのアーム部11のうち、2つのアーム部11を用いて説明する。図2にはこのような2つのアーム部11と三相モータMのコイルLとを含む等価回路が示される。
図2に示される2つのアーム部11のうち、一方のアーム部11のスイッチング素子HSWをスイッチング素子SW1とし、他方のアーム部11のスイッチング素子HSWをスイッチング素子SW2とする。また、一方のアーム部11のスイッチング素子LSWをスイッチング素子SW3とし、他方のアーム部11のスイッチング素子LSWをスイッチング素子SW4とする。スイッチング素子SW1のソース端子とドレーン端子との間に設けられたコンデンサ20をコンデンサC5とし、スイッチング素子SW3のソース端子とドレーン端子との間に設けられたコンデンサ20をコンデンサC6とする。スイッチング素子SW2のソース端子とドレーン端子との間に設けられたコンデンサ20をコンデンサC7とし、スイッチング素子SW4のソース端子とドレーン端子との間に設けられたコンデンサ20をコンデンサC8とする。
図3には、インバータ装置1のスイッチング素子HSW及びスイッチング素子LSWに通電した際のシミュレーション結果が示される。具体的には、図3では、コイルL側からコンデンサC5、コンデンサC6、コンデンサC7、及びコンデンサC8の夫々に向かって流れる電流I5、電流I6、電流I7、及び電流I8の波形を示している(図2参照)。また、コンデンサC5及びコンデンサC6のノードからコンデンサC7及びコンデンサC8のノードに向かってコイルLに流れる電流ILの波形も示している(図2参照)。更に、上述したコンデンサC5及びコンデンサC6のノードの電圧Vの波形を示している(図2参照)。更に、夫々、スイッチング素子SW1−SW4のゲート端子に入力される制御信号が示される。なお、図3では、理解を容易にするために、三相モータMの回転数を一定にして運転した際の各部の波形を示している。図3に示される2つのアーム部11に対する通電制御は、図4−図11の夫々に対応するフェーズ1−フェーズ8の8つの通電形態からなる。
フェーズ1では、スイッチング素子SW1及びスイッチング素子SW4が閉状態とされ、スイッチング素子SW2及びスイッチング素子SW3は開状態とされる。これにより、図4において矢印で示されるように、スイッチング素子SW1、コイルL、スイッチング素子SW4を介して電圧源99から電流が流れる。この時、コイルLに電気エネルギーが蓄えられる。
フェーズ2では、スイッチング素子SW1が閉状態とされ、スイッチング素子SW2、スイッチング素子SW3、及びスイッチング素子SW4は開状態とされる。この期間は、所謂デッドタイム期間となり、コイルLに自己誘導起電力が生じる。これにより、図5において矢印で示されるように、スイッチング素子SW1及びコイルLに電流が流れ、コンデンサC7及びコンデンサC8の夫々に電流(電流I7及び電流I8)が流れ込む。これにより、コンデンサC7及びコンデンサC8に電荷が蓄えられる。
フェーズ3では、スイッチング素子SW1及びスイッチング素子SW2が閉状態とされ、スイッチング素子SW3及びスイッチング素子SW4は開状態とされる。この時、図6において矢印で示されるように、コイルLの自己誘導起電力に応じて、スイッチング素子SW1、コイルL、及びスイッチング素子SW2に電流が流れる。
フェーズ4では、スイッチング素子SW2が閉状態とされ、スイッチング素子SW1、スイッチング素子SW3、及びスイッチング素子SW4は開状態とされる。これにより、図7において矢印で示されるように、コンデンサC5及びコンデンサC6からコイルL及びスイッチング素子SW2に電流が流れる。ここで、図2で示したように、電流I5及び電流I6は、夫々、コンデンサC5及びコンデンサC6に流れ込む方向を正としているので、図3のフェーズ4では電流I5及び電流I6は負の電流となっている。なお、図7では、コンデンサC5及びコンデンサC6から電流が流れ出るように示しているが、これは後述するフェーズ6(図9参照)においてコンデンサC5及びコンデンサC6が充電されていることによるものである。
フェーズ5では、スイッチング素子SW2及びスイッチング素子SW3が閉状態とされ、スイッチング素子SW1及びスイッチング素子SW4が開状態とされる。これにより、図8において矢印で示されるように、スイッチング素子SW2、コイルL、スイッチング素子SW3を介して電圧源99から電流が流れる。この時、コイルLに電気エネルギーが蓄えられる。
フェーズ6では、スイッチング素子SW2が閉状態とされ、スイッチング素子SW1、スイッチング素子SW3、及びスイッチング素子SW4が閉状態とされる。この期間は、所謂デッドタイム期間となり、コイルLに自己誘導起電力が生じる。これにより、図9において矢印で示されるように、スイッチング素子SW2及びコイルLに電流が流れ、コンデンサC5及びコンデンサC6の夫々に電流(電流I5及び電流I6)が流れ込む。これにより、コンデンサC5及びコンデンサC6に電荷が蓄えられる。
フェーズ7では、スイッチング素子SW1及びスイッチング素子SW2が閉状態とされ、スイッチング素子SW3及びスイッチング素子SW4が開状態とされる。この時、図10において矢印で示されるように、コイルLの自己誘導起電力に応じて、スイッチング素子SW2、コイルL、及びスイッチング素子SW1に電流が流れる。
フェーズ8では、スイッチング素子SW1が閉状態とされ、スイッチング素子SW2、スイッチング素子SW3、及びスイッチング素子SW4は開状態とされる。これにより、図11において矢印で示されるように、コンデンサC7及びコンデンサC8からコイルL及びスイッチング素子SW1に電流が流れる。ここで、図2で示したように、電流I7及び電流I8は、夫々、コンデンサC7及びコンデンサC8に流れ込む方向を正としているので、図3のフェーズ8では電流I7及び電流I8は負の電流となっている。
このように、インバータ装置1は通電制御され、他のアーム部10においても所定の2つのアーム部10が上記のように通電制御される。このようにインバータ装置1が通電制御されることで、コイルLに蓄えられた電気エネルギーをコンデンサ20を介して回生することが可能となる。ここで、コンデンサ20はダイオードよりも安価なセラミックコンデンサを用いることができるので、インバータ装置1のコストアップを抑制することができる。また、コンデンサ20はダイオードに対して著しく電力損失が小さいので、電力損失の少ないインバータ装置1を実現することが可能となる。
〔その他の実施形態〕
上記実施形態では、スイッチング素子LSWのドレーン端子とソース端子との間に設けられた3つのコンデンサ20のうち、少なくとも1つのコンデンサ20の一対の端子間には抵抗器Rが設けられるとして説明した。抵抗器Rは、スイッチング素子LSWのドレーン端子とソース端子との間に設けられた3つのコンデンサ20の一対の端子間に設けても良い。また、抵抗器Rに代えて、例えばスイッチング素子を用いた放電回路を設けても良い。
上記実施形態では、スイッチング素子LSWのドレーン端子とソース端子との間に設けられた3つのコンデンサ20のうち、少なくとも1つのコンデンサ20の一対の端子間には抵抗器Rが設けられるとして説明した。抵抗器Rは、スイッチング素子LSWのドレーン端子とソース端子との間に設けられた3つのコンデンサ20の一対の端子間に設けても良い。また、抵抗器Rに代えて、例えばスイッチング素子を用いた放電回路を設けても良い。
上記実施形態では、図3−図11を用いてインバータ装置1の動作を説明したが、インバータ装置1は図3とは異なる制御信号で動作させることも可能である。図12には、インバータ装置1のスイッチング素子HSW及びスイッチング素子LSWに通電した際の他のシミュレーション結果が示される。なお、図12に示される各波形の説明は図3のシミュレーション結果と同様である。図12の例にあっても通電制御は、図13−図20の夫々に対応するフェーズ1−フェーズ8の8つの通電形態からなる。
フェーズ1では、スイッチング素子SW1及びスイッチング素子SW4が閉状態とされ、スイッチング素子SW2及びスイッチング素子SW3は開状態とされる。これにより、図13において矢印で示されるように、スイッチング素子SW1、コイルL、スイッチング素子SW4を介して電圧源99から電流が流れる。この時、コイルLに電気エネルギーが蓄えられる。
フェーズ2では、スイッチング素子SW4が閉状態とされ、スイッチング素子SW1、スイッチング素子SW2、及びスイッチング素子SW3は開状態とされる。この期間は、所謂デッドタイム期間となり、コイルLに自己誘導起電力が生じる。これにより、図14において矢印で示されるように、コンデンサC5及びコンデンサC6の夫々から電流(電流I5及び電流I6)が流れ出、コイルL及びスイッチング素子SW4に流れる。なお、コンデンサC5及びコンデンサC6から流れ出る電流は、後述するフェーズ8(図20参照)においてコンデンサC5及びコンデンサC6が充電されていることによるものである。なお、図14で示したように、電流I5及び電流I6は、夫々、コンデンサC5及びコンデンサC6に流れ込む方向を正としているので、図12のフェーズ2では電流I5及び電流I6は負の電流となっている。
フェーズ3では、スイッチング素子SW3及びスイッチング素子SW4が閉状態とされ、スイッチング素子SW1及びスイッチング素子SW2は開状態とされる。この時、図15において矢印で示されるように、コイルLの自己誘導起電力に応じて、スイッチング素子SW3、コイルL、及びスイッチング素子SW4に電流が流れる。
フェーズ4では、スイッチング素子SW3が閉状態とされ、スイッチング素子SW1、スイッチング素子SW2、及びスイッチング素子SW4は開状態とされる。これにより、図16において矢印で示されるように、スイッチング素子SW3及びコイルLを介して、コンデンサC7及びコンデンサC8に電流(電流I7及び電流I8)が流れ込み、コンデンサC7及びコンデンサC8が充電される。
フェーズ5では、スイッチング素子SW2及びスイッチング素子SW3が閉状態とされ、スイッチング素子SW1及びスイッチング素子SW4が開状態とされる。これにより、図17において矢印で示されるように、電圧源99からスイッチング素子SW2、コイルL、及びスイッチング素子SW3を介して電流が流れる。この時、コイルLに電気エネルギーが蓄えられる。
フェーズ6では、スイッチング素子SW3が閉状態とされ、スイッチング素子SW1、スイッチング素子SW2、及びスイッチング素子SW4が閉状態とされる。この期間は、所謂デッドタイム期間となり、コイルLに自己誘導起電力が生じる。これにより、図18において矢印で示されるように、コンデンサC7及びコンデンサC8の夫々から電流(電流I7及び電流I8)が流れ出、コイルL及びスイッチング素子SW3に流れる。なお、図18で示したように、電流I7及び電流I8は、夫々、コンデンサC7及びコンデンサC8に流れ込む方向を正としているので、図12のフェーズ6では電流I7及び電流I8は負の電流となっている。
フェーズ7では、スイッチング素子SW3及びスイッチング素子SW4が閉状態とされ、スイッチング素子SW1及びスイッチング素子SW2が開状態とされる。この時、図19において矢印で示されるように、コイルLの自己誘導起電力に応じて、スイッチング素子SW4、コイルL、及びスイッチング素子SW3に電流が流れる。
フェーズ8では、スイッチング素子SW4が閉状態とされ、スイッチング素子SW1、スイッチング素子SW2、及びスイッチング素子SW3は開状態とされる。これにより、図20において矢印で示されるように、スイッチング素子SW4及びコイルLを介して、コンデンサC5及びコンデンサC6に電流が流れ込み、コンデンサC5及びコンデンサC6が充電される。
このような通電制御であっても、コイルLに蓄えられた電気エネルギーをコンデンサ20を介して回生することが可能であり、コストアップを抑制しつつ、電力損失の少ないインバータ装置1を実現することが可能である。
本発明は、スイッチング素子が有する3つの端子のうち、制御端子とは異なる第1の端子と第2の端子との間にダイオードを有しないスイッチング素子を用いて構成されたインバータ装置に用いることが可能である。
1:インバータ装置
10:アーム部ユニット
11:アーム部
20:コンデンサ
91:第1の電源ライン
92:第2の電源ライン
HSW:スイッチング素子
LSW:スイッチング素子
M:三相モータ(モータ)
10:アーム部ユニット
11:アーム部
20:コンデンサ
91:第1の電源ライン
92:第2の電源ライン
HSW:スイッチング素子
LSW:スイッチング素子
M:三相モータ(モータ)
Claims (1)
- スイッチング素子が有する3つの端子のうち、制御端子とは異なる第1の端子と第2の端子との間にダイオードを有しないスイッチング素子を用いて構成されたインバータ装置であって、
第1の電源ラインと前記第1の電源ラインの電位よりも低い電位に接続される第2の電源ラインとの間に設けられ、前記第1の端子が前記第1の電源ラインに接続されると共に前記第2の端子がモータに接続されるハイサイド側の前記スイッチング素子と、前記第1の端子が前記ハイサイド側のスイッチング素子の前記第2の端子に接続されると共に前記第2の端子が前記第2の電源ラインに接続されるローサイド側の前記スイッチング素子とからなるアーム部を複数有するアーム部ユニットと、
前記ハイサイド側のスイッチング素子及び前記ローサイド側のスイッチング素子の夫々の前記第1の端子と前記第2の端子との間に設けられるコンデンサと、
を備えたインバータ装置。
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