JP5126005B2 - インバータ装置 - Google Patents

Description

本発明は、インバータ装置に備えられる平滑コンデンサの充電に関するものである。

従来、インバータ装置に備えられる平滑コンデンサの充電は、充電用抵抗器を用いて行われている（例えば、特許文献１参照）。図６により説明する。運転前に、直流電源であるバッテリー１から、インバータ装置１２０の抵抗器１２、リレー９の接点ａ側を経由し、平滑コンデンサ８が充電される。充電完了後、リレー９は接点ｂ側に設定され、インバータ回路１０に電力供給が可能となる。

運転時においては制御回路１０７が、インバータ回路１０を構成するスイッチング素子２（ＩＧＢＴ、ＦＥＴ，トランジスタ等が用いられる）を、接続線１８を介して制御することにより、バッテリー１からの直流電圧がＰＷＭ変調でスイッチングされ、交流電流がモータ１１を構成する固定子巻線４へ出力される。これにより、モータ１１の回転子５が駆動される。ダイオード３は、固定子巻線４に流れる電流の循環ルートとなる。制御回路１０７は、磁石回転子５の位置推定、スイッチング素子２保護、消費電力算出、運転回転数等を指令するコントローラとの通信なども行う。
特開２００７−０９７２８７号公報（第６頁、第１図）

上記のように、平滑コンデンサの充電は、充電用抵抗器を用いて行われている。そのため、充電のための抵抗器が必要となる。この充電用抵抗器は、消費電力が大きいため、サイズの大きい電力抵抗が用いられる。そのため、大きい設置スペースが必要となり、配線、発熱への対策なども必要となる。これにより、インバータ装置が大型化し、信頼性も課題となる。

本発明はこのような従来の課題を解決するものであり、充電用抵抗器を使用しない小型軽量で信頼性が高いインバータ装置の提供を目的とする。

上記課題を解決するために、本発明のインバータ装置は、直流電源のプラス側に接続される上アームスイッチング素子とマイナス側に接続される下アームスイッチング素子とを備えたインバータ回路と、平滑コンデンサと、インバータ回路に交流電流をモータへ出力させる制御回路とを備え、平滑コンデンサの一端は直流電源のプラス側もしくはマイナス側に接続され、平滑コンデンサの他端は開閉器を介して、任意の相における上アームスイッチング素子と下アームスイッチング素子との接続点に接続され、制御回路が任意の相以外のスイッチング素子をＯＮさせることにより、平滑コンデンサを充電するものである。

これにより、モータのコイルに存在するインダクタンスと平滑コンデンサの静電容量とにより共振電流が流れはじめる。但し、平滑コンデンサが充電されると、インダクタンスに蓄えられたエネルギーによる電流は、任意の相におけるダイオードを流れる。これにより、インダクタンスに蓄えられたエネルギーは、コイルの抵抗、ダイオード、スイッチング素子に消費されるため、共振電流は停止する。そのため、充電用抵抗器を用いず、部品を追加することなく、平滑コンデンサを充電できる。

また、平滑コンデンサの充電完了直後に、充電するためにＯＮさせたスイッチング素子
をＯＦＦさせることにより、インダクタンスに蓄えられたエネルギーは、コイルの抵抗、ダイオード等に消費されることなく、直流電源に回収される。

従って、小型軽量で信頼性が高く充電電力の削減ができるインバータ装置を実現できる。

本発明のインバータ装置は、平滑コンデンサの充電用抵抗器が不要であり小型軽量で信頼性が高く、充電電力の削減ができる。

第１の発明のインバータ装置は、直流電源のプラス側に接続される上アームスイッチング素子とマイナス側に接続される下アームスイッチング素子とを備えたインバータ回路と、平滑コンデンサと、インバータ回路に交流電流をモータへ出力させる制御回路とを備え、平滑コンデンサの一端は直流電源のプラス側もしくはマイナス側に接続され、平滑コンデンサの他端は開閉器を介して、任意の相における上アームスイッチング素子と下アームスイッチング素子との接続点に接続され、制御回路が任意の相以外のスイッチング素子をＯＮさせることにより、平滑コンデンサを充電するものである。

これにより、モータのコイルに存在するインダクタンスと平滑コンデンサの静電容量とにより共振電流が流れはじめる。但し、平滑コンデンサが充電されると、インダクタンスに蓄えられたエネルギーによる電流は、任意の相におけるダイオードを流れる。これにより、インダクタンスに蓄えられたエネルギーは、コイルの抵抗、ダイオードに消費されるため、共振電流は停止する。そのため、充電用抵抗器を用いず、部品を追加することなく、平滑コンデンサを充電できる。即ち、し小型軽量で信頼性を高くできる。

第２の発明は、第１の発明のインバータ装置において、平滑コンデンサの充電完了直後に、ＯＮさせたスイッチング素子をＯＦＦさせるものである。これにより、インダクタンスに蓄えられたエネルギーが、コイルの抵抗、ダイオードに消費されることなく、直流電源に回収される。即ち、充電電力の削減ができる。

第３の発明は、第２の発明のインバータ装置において、記充電完了は、時間により判定するものである。充電完了時間は、モータのコイルに存在するインダクタンスと平滑コンデンサの静電容量とによる共振電流の周期から判定できる。従って、部品などを追加することなく、充電完了を判定できる。

第４の発明は、第２の発明のインバータ装置において、充電完了は、直流電源とインバータ回路との間の電流により判定するものである。充電が完了すると、直流電源からの電流が流れなくなる。直流電源とインバータ回路との間の電流は、一般的にインバータ装置の制御のために検出される。従って、部品などを追加することなく、充電完了を判定できる。

第５の発明は、第１乃至第４の発明のインバータ装置において、車両に搭載されるものである。車両においては、バッテリー（直流電源）が電源となるため、平滑コンデンサの充電回路は必須になる。また、小型軽量で信頼性が高いことが求められる。そのため、本インバータ装置は有用である。

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。尚、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、本発明の実施の形態１に係るインバータ装置２０とその周辺の電気回路である。Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相それぞれの上アームスイッチング素子２をＵ，Ｖ，Ｗ、下アームスイッチング素子２をＸ，Ｙ，Ｚとする。また、それらに対応するダイオード３を、３Ｕ，３Ｖ，３Ｗ、３Ｘ，３Ｙ，３Ｚとする。バッテリー１のプラス側に平滑コンデンサ８の一端が接続されている。平滑コンデンサ８の他端はリレー９の接点ａを介して、Ｕ相の上アームスイッチング素子Ｕと下アームスイッチング素子Ｘとの接続点に接続されている。リレー９の接点ｂは、バッテリー１のマイナス側に接続される。運転時の作動については、背景技術と同様であり割愛する。平滑コンデンサ８の充電について以下説明する。

図２に、平滑コンデンサ８の充電電流の流れを示す。スイッチング素子ＹをＯＮにすると、バッテリー１のプラス側、平滑コンデンサ８、リレー９の接点ａ、固定子巻線４のＵ相、固定子巻線４のＶ相、スイッチング素子Ｙ、バッテリー１のマイナス側へと充電電流が流れる。これは、固定子巻線４のコイルに存在するインダクタンスと平滑コンデンサ８の静電容量とによる共振電流であるため、正弦波電流が流れる。そして、平滑コンデンサ８の充電完了は、スイッチング素ＹをＯＮにしてから、当該共振電流周期のほぼ１／４となる。この経過時間により充電完了と判定できる。

また、当該インダクタンスに蓄えられたエネルギーにより、平滑コンデンサ８の充電電圧がバッテリー１の電圧に達して（充電完了）からも流れようとする。そして、平滑コンデンサ８の他端が若干マイナス電圧になると、ダイオード３Ｘが導通する。このとき、スイッチング素子Ｙからバッテリー１のマイナス側への電流は流れなくなる。これにより充電完了と判定することもできる。バッテリー１とインバータ回路１０との間の電流は、一般的にインバータ装置２０の制御のために必要であり、電流検出器が設けられる。従って、電流検出器などの部品を追加することなく、充電完了を判定できる。

ダイオード３Ｘが導通することにより、図３に示すように、ダイオード３Ｘ、固定子巻線４のＵ相、固定子巻線４のＶ相、スイッチング素子Ｙ、バッテリー１のマイナス側、ダイオード３Ｘへと、インダクタンスに蓄えられたエネルギーによる電流が流れる。これを低速循環電流とする。そして、インダクタンスに蓄えられたエネルギーは、ダイオード３Ｘ、固定子巻線４のコイルの抵抗、スイッチング素子Ｙに消費され、共振電流は停止する。ダイオード３Ｘ、固定子巻線４のコイルの抵抗、スイッチング素子Ｙは、設計上電力消費が大きいことが配慮されているので、このときの電力消費程度は問題ない。

上記インダクタンスに蓄えられたエネルギーをバッテリー１へ回収し、電力消費を低減する方法を、図４に示す。平滑コンデンサ８の充電が完了した時点で、スイッチング素子ＹをＯＦＦにする。これにより、ダイオード３Ｘ、固定子巻線４のＵ相、固定子巻線４のＶ相、ダイオード３Ｖ、バッテリー１のプラス側、バッテリー１のマイナス側、ダイオード３Ｘへと、インダクタンスに蓄えられたエネルギーによる電流が流れる。これを高速循環電流とする。これにより、インダクタンスに蓄えられたエネルギーは瞬時にバッテリー１に回収され、ダイオード３Ｘ、固定子巻線４のコイルの抵抗、ダイオード３Ｖに消費される量は少ない。即ち、充電電力の削減ができる。また、インダクタンスに蓄えられたエネルギーは、バッテリー１の電圧に電力変換されるため、図３の電流が低い電圧であるダイオード３Ｘ、スイッチング素子Ｙ等により消費される場合に比較し、電流の流れは短時間で終了する。

平滑コンデンサ８の充電が完了した時点で、平滑コンデンサ８の電圧はバッテリー１の電圧にほぼ等しいので、図５の如くリレー９は接点ｂに設定される。これにより平滑コンデンサ８は、インバータ回路１０の作動による電流を平滑できる。図３における低速循環電流の流れる場合、図４における高速循環電流の流れる場合においても、リレー９は接点
ｂに設定されていても良い。

尚、スイッチング素子ＹをＯＮにすることで充電電流を流す場合を示したが、スイッチング素子ＺをＯＮにしても良い。また、その両方をＯＮにしても良い。バッテリー１のプラス側に平滑コンデンサ８の一端を接続する場合を示したが、バッテリー１のマイナス側に接続しても良い。この場合、スイッチング素子Ｙに代わりスイッチング素子Ｖ、またはスイッチング素子Ｗ、またはその両方をＯＮして充電電流を流すことになる。

平滑コンデンサ８の他端はリレー９の接点ａを介して、Ｕ相の上アームスイッチング素子Ｕと下アームスイッチング素子Ｘとの接続点に接続される場合を示したが、Ｖ相の上アームスイッチング素子Ｖと下アームスイッチング素子Ｙとの接続点、Ｗ相の上アームスイッチング素子Ｗと下アームスイッチング素子Ｚとの接続点でも良い。

以上のように、本発明にかかるインバータ装置は、平滑コンデンサの充電用抵抗器が不要であり、小型軽量で信頼性が高く、充電電力の削減ができる。そのため、各種民生用製品、各種産業用機器に適用できる。

本発明の実施の形態１に係るインバータ装置とその周辺の電気回路図 同充電電流の流れを示す電気回路図 同インダクタンスによる低速循環電流を示す電気回路図 同インダクタンスによる高速循環電流を示す電気回路図 同充電完了後の回路を示す電気回路図 従来のインバータ装置とその周辺の電気回路図

符号の説明

１ バッテリー
２ スイッチング素子
３ ダイオード
４ 固定子巻線
５ 磁石回転子
７ 制御回路
８ 平滑コンデンサ
９ リレー
１０ インバータ回路
１１ モータ
２０ インバータ装置

Claims (5)

1. 直流電源のプラス側に接続される上アームスイッチング素子とマイナス側に接続される下アームスイッチング素子とを備えたインバータ回路と、平滑コンデンサと、前記インバータ回路に交流電流をモータへ出力させる制御回路とを備え、前記平滑コンデンサの一端は前記直流電源のプラス側もしくはマイナス側に接続され、前記平滑コンデンサの他端は開閉器を介して、任意の相における上アームスイッチング素子と下アームスイッチング素子との接続点に接続され、前記制御回路が前記任意の相以外のスイッチング素子をＯＮさせることにより、前記平滑コンデンサを充電するインバータ装置。
2. 前記平滑コンデンサの充電完了直後に、前記ＯＮさせたスイッチング素子をＯＦＦさせる請求項１に記載のインバータ装置。
3. 前記充電完了は、時間により判定する請求項２に記載のインバータ装置。
4. 前記充電完了は、前記直流電源と前記インバータ回路との間の電流により判定する請求項２に記載のインバータ装置。
5. 車両に搭載される請求項１から請求項４のうちいずれか１項に記載のインバータ装置。