JP5228387B2 - インバータ装置 - Google Patents

Description

本発明は、直流電源からの直流電流の平均値、実効値を算出するインバータ装置に関するものである。

従来、直流電源からの直流電流の平均値を算出する方法として、直流電源からインバータ装置への電源ラインに電流センサを設け、この直流電流を検出して、抵抗とコンデンサにより積分する方法が知られている（例えば、特許文献１参照）。

図３３にインバータ装置とその周辺の電気回路を示す。インバータ装置２２の制御回路１４は、回転数指令信号（図示せず）等に基づき、インバータ回路１０を構成するスイッチング素子２を制御し、バッテリー１からの直流電圧をＰＷＭ変調でスイッチングすることにより、交流電流をモータ１１を構成する固定子巻線４へ出力する。スイッチング素子２について、上アームスイッチング素子をＵ，Ｖ，Ｗ、下アームスイッチング素子をＸ，Ｙ，Ｚと定義する。スイッチング素子２としては、トランジスタ、ＩＧＢＴ等が用いられる。インバータ回路１０を構成するダイオード３は、固定子巻線４に流れる電流の還流ルートとなる。

電流センサ６により検出される直流電流値は、オペアンプ１５及び抵抗１２とコンデンサ１３で平均値に変換され、制御回路１４へ伝達される。そして、バッテリー１の電圧との積から、インバータ装置２２の消費電力の算出に用いられる。消費電力算出は、直流電源であるバッテリー１の負荷即ちインバータ装置２２の消費電力のモニタ及び消費電力制限を行う上で不可欠である。

また、電流センサ６により検出される直流電流のピーク値は、オペアンプ１５を経由し、制御回路１４へ伝達される。そして、スイッチング素子２等を保護するための判断などに用いられる。
特開平７−６７２４８号公報（第５頁、第１図、第２図）

上記直流電源からの直流電流の平均値を算出する方法においては、電流センサとオペアンプ以外に、抵抗とコンデンサによる積分回路、制御回路内マイコンの平均電流入力用Ａ／Ｄポートが必要であり、小型化、信頼性向上の課題となる。また、抵抗の抵抗値、コンデンサの容量値のばらつき、温度変化が影響する。更には、抵抗とコンデンサによる積分値と実際の平均電流との相関も求めておく必要があり、精度向上の課題となる。また、実効値は検出できない。

インバータ回路と負荷（モータ）との間に、負荷電流（モータの相電流）を検出する電流センサを備えるインバータ装置においては、直流電源からの直流電流は測定できない。そのため、平均電流が求められず、直流電源の消費電力の算出ができない。相電流からモータへの交流電力を演算することはできるが、電流と電圧との位相差、ＰＷＭ電圧の演算などが必要であり、制御回路を構成するマイコンの演算負担が過大になる。また、交流電力を演算し直流電力の代用とした場合、インバータ装置の消費電力が含まれず不正確になる。

下アームスイッチング素子と直流電源（バッテリー）との間に、相電流を検出するためのシャント抵抗を備えるインバータ装置においては、直流電源からの直流電流は測定できない。そのため、上記と同様の課題が発生する。

本発明はこのような従来の課題を解決するものであり、高い精度で直流電流の平均値、実効値を算出できる、信頼性が高く小型である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、直流電源とインバータ回路間に電流検出器と、スイッチング素子を制御して交流電流をモータへ出力させ、電流センサにより電流を検出する制御回路とを備え、制御回路が、上アームスイッチング素子のうち一つのみにＯＮ信号を出力している時間と当該時間に電流検出器により検出される電流値との積、及び、上アームスイッチング素子のうち二つのみにＯＮ信号を出力している時間と当該時間に電流検出器により検出される電流値との積とに基づいて、直流電源との間に流れる直流電流の平均値、実効値を算出するに際し、ＯＮ信号を出力している時間は実際に出力している時間より所定値小さくして算出するものである。

上記構成により、抵抗とコンデンサによる積分回路、制御回路内マイコンの平均電流入力用Ａ／Ｄポートを設けるが必要なく、直流電流の平均値、更には実効値の算出が可能となる。従って、高い精度で直流電流の平均値、実効値を算出できる、信頼性が高く小型であ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、小型で信頼性が高く、高い精度で直流電流の平均値、実効値を算出できる。

第１の発明は、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、直流電源とインバータ回路間に電流検出器と、スイッチング素子を制御して交流電流をモータへ出力させ、電流センサにより電流を検出する制御回路とを備え、制御回路が、上アームスイッチング素子のうち一つのみにＯＮ信号を出力している時間と当該時間に電流検出器により検出される電流値との積、及び、上アームスイッチング素子のうち二つのみにＯＮ信号を出力している時間と当該時間に電流検出器により検出される電流値との積とに基づいて、直流電源との間に流れる直流電流の平均値を算出するに際し、ＯＮ信号を出力している時間は実際に出力している時間より所定値小さくして算出するものである。

上記構成により、抵抗とコンデンサによる積分回路、制御回路内マイコンの平均電流入力用Ａ／Ｄポートを設けるが必要なく、直流電流の平均値の算出が可能となる。従って、高い精度で直流電流の平均値を検出できる、信頼性が高く小型であるインバータ装置を実現できる。

第２の発明は、第１の発明のインバータ装置において、所定値は、制御回路がスイッチング素子にＯＮ信号を出力した後、当該スイッチング素子のＯＮが完了するまでの遅延時間とするものである。これにより、実際の電流の挙動に則しての平均電流算出ができる。

第３の発明は、第２の発明のインバータ装置において、中間通電相の電流の向きがモータから流れ出る方向の場合、上アームスイッチング素子１つのみにＯＮ信号を出力している時間を前記遅延時間小さくして算出し、中間通電相の電流の向きがモータへ流れ込む方向の場合、上アームスイッチング素子２つのみにＯＮ信号を出力している時間を前記遅延時間小さくして算出するものである。これにより、実際の電流の挙動に則して、更に正確な平均電流算出ができる。

第４の発明は、第１乃至第３の発明のインバータ装置において、上アームスイッチング素子のうち１つのみがＯＮしている時間を下アームスイッチング素子のうち２つのみがＯＮしている時間に、上アームスイッチング素子のうち２つのみがＯＮしている時間を下アームスイッチング素子のうち１つのみがＯＮしている時間に、それぞれ置き換えるものである。これにより、適宜参照が容易な時間を選択することができるので、直流電流の平均値算出が容易になる。

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、直流電源とインバータ回路間の電流検出器に代わり、下アームスイッチング素子と直列に電流検出器が備えられるものである。これにより、電流検出方式の異なるインバータ装置にも、直流電流の平均値算出を適用できる。

第６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、直流電源とインバータ回路間の電流検出器に代わり、インバータ回路とモータとの間に電流検出器が備えられるものである。これにより、電流検出方式の異なるインバータ装置にも、直流電流の平均値算出を適用できる。

第７の発明は、第１乃至第６の発明のインバータ装置において、直流電流の平均値に代わり実効値を算出するものである。これにより、直流電源の内部抵抗、直流電源ラインの素子による消費電力、発熱などを算出することができる。

第８の発明は、第１乃至第７の発明のインバータ装置において、電動圧縮機のモータを駆動するものである。直流電源からの消費電力を正確に算出できるので、空調の省エネ運転に寄与することができる。

第９の発明は、第８の発明のインバータ装置において、電動圧縮機に搭載されるものである。電動圧縮機に搭載されるインバータ装置は、取付スペースに制約があり小型化が必要で、モータからの振動に対して耐振性が必要である。そのため、抵抗、コンデンサ、マイコンのＡ／Ｄポート等は不要であり、小型軽量化信頼性向上に寄与することができる本インバータ装置は有用である。

第１０の発明は、第１乃至第９の発明のインバータ装置において、車両に搭載するものである。車両用においては、搭載スペースに制約があり小型化が必要で、走行による振動に対する耐振性も必要である。そのため、抵抗、コンデンサ、マイコンのＡ／Ｄポート等は不要であり、小型軽量化信頼性向上に寄与することができる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。インバータ装置２０の制御回路７は、電源ラインに設けられた電流センサ６からの電圧により電流を検出する。この電流値から相電流値を求める。そして、センサレスＤＣブラシレスモータ１１（以降モータ１１と称す）を構成する磁石回転子５による固定子巻線４の誘起電圧を演算し、磁石回転子５の位置検出を行う。この位置検出、回転数指令信号（図示せず）等に基づき、インバータ回路１０を構成するスイッチング素子２を制御し、バッテリー１からの直流電圧をＰＷＭ変調でスイッチングすることにより、正弦波状の交流電流をモータ１１を構成する固定子巻線４へ出力する。

インバータ回路１０を構成するダイオード３は、固定子巻線４に流れる電流の循環ルートとなる。スイッチング素子２について、上アームスイッチング素子をＵ、Ｖ、Ｗ、下アームスイッチング素子をＸ、Ｙ、Ｚと定義し、また、各スイッチング素子Ｕ、Ｖ、Ｗ、Ｘ、Ｙ、Ｚに対応するダイオードを、３Ｕ、３Ｖ、３Ｗ、３Ｘ、３Ｙ、３Ｚと定義する。

電流センサ６は、ホール素子を用いた電流センサ、シャント抵抗など、瞬時ピーク電流が検出できるものであれば良い。また、電源ラインのプラス側に設けても良い。シャント抵抗ならば、小型化耐振性向上が実現し易い。制御回路７は、上アームスイッチング素子Ｕ、Ｖ、Ｗ、下アームスイッチング素子Ｘ、Ｙ、Ｚと、ドライブ回路などを介して接続線１８により接続されており、各スイッチング素子を制御している。スイッチング素子２がＩＧＢＴ、パワーＭＯＳＦＥＴの場合はゲート電圧を、パワートランジスタの場合はベース電流を制御する。

以降、電流センサ６に流れる電流とスイッチング素子のＯＮＯＦＦのタイミング関係を調べ、電流の平均値演算について考察する。図２に、最大変調５０％の３相変調の波形を、Ｕ相端子電圧４１、Ｖ相端子電圧４２、Ｗ相端子電圧４３、中性点電圧２９に関し示す。これら端子電圧即ち印加電圧の位相と相電流の位相とは、ほぼ等しいと仮定する。図２において−表示した位相においては、Ｖ相の電流は、モータ１１から流れ出る。モータ１１から流れ出る電流の向きを−方向と定義する。＋表示した位相においては、Ｖ相の電流は、モータ１１へ流れこむ。モータ１１へ流れこむ電流の向きを＋方向と定義する。−表示した位相、＋表示した位相双方において、Ｕ相は＋電流、Ｗ相は−電流である。

図３は、１キャリア内（キャリア周期）での上アームスイッチング素子Ｕ、Ｖ、Ｗ、下アームスイッチング素子Ｘ、Ｙ、Ｚの通電の一例であり、制御回路７から各スイッチング素子を制御するＯＮＯＦＦ信号を示す。これは、一般的に、マイコンのタイマ機能により具現化される。この場合、図２において−（マイナス）表示した位相、＋表示した位相近辺１２０度前後での通電である。キャリア周期内で、通電期間が最大の相を最大通電相（図３の場合Ｕ相）、中間の相を中間通電相（図３の場合Ｖ相）、最小の相を最小通電相（図３の場合Ｗ相）と定義する。通電期間として、（ａ）、（ｂ）、（ｃ）、（ｄ）の４種類がある。

最初に、図２において−表示した位相において考察する。中間通電相Ｖ相の電流は、−方向である。Ｕ相の電流ｉＵが最大電流になる。通電期間（ａ）においては、上アームスイッチング素子Ｕ、Ｖ、Ｗ全てがＯＦＦ、下アームスイッチング素子Ｘ、Ｙ、Ｚ全てがＯＮである。図４に、このときの電流の流れを示す。Ｕ相電流ｉＵは、下アームスイッチング素子Ｘと並列のダイオードから固定子巻線４へ流れ、Ｖ相電流ｉＶ及びＷ相電流ｉＷがそれぞれ、固定子巻線４から下アームスイッチング素子Ｙ及びＺへ流れ出ている。よって、電流センサ６に電流は流れない。

通電期間（ｂ）においては、上アームスイッチング素子ＵがＯＮ、下アームスイッチング素子Ｙ、ＺがＯＮである。図５に、このときの電流の流れを示す。Ｕ相電流ｉＵは、上アームスイッチング素子Ｕから固定子巻線４へ流れ、Ｖ相電流ｉＶ及びＷ相電流ｉＷがそれぞれ、固定子巻線４から下アームスイッチング素子Ｙ及びＺへ流れ出ている。よって、電流センサ６には、Ｕ相の電流ｉＵが流れ検出される。

通電期間（ｃ）においては、上アームスイッチング素子Ｕ、ＶがＯＮ、下アームスイッチング素子ＺがＯＮである。図６に、このときの電流の流れを示す。Ｕ相電流ｉＵは上アームスイッチング素子Ｕから固定子巻線４へ流れ、Ｖ相電流ｉＶは固定子巻線４から上アームスイッチング素子Ｖと並列のダイオードへ流れ出ている。Ｗ相電流ｉＷは固定子巻線４から下アームスイッチング素子Ｚへ流れ出ている。よって、電流センサ６には、Ｗ相の電流ｉＷが流れ検出される。

通電期間（ｄ）においては、上アームスイッチング素子Ｕ、Ｖ、Ｗ全てがＯＮ、下アームスイッチング素子Ｘ、Ｙ、Ｚ全てがＯＦＦである。図７に、このときの電流の流れを示す。Ｕ相電流ｉＵは上アームスイッチング素子Ｕから固定子巻線４へ流れ、Ｖ相電流ｉＶ、Ｗ相電流ｉＷはそれぞれ、固定子巻線４から上アームスイッチング素子Ｖ、Ｗと並列のダイオードに流れ出ている。よって、電流センサ６に電流は流れない。

図８に、上記図４〜図７に基づき、図２上−表示した位相における直流電流の変化を示す。通電期間（ｂ）においては最大電流であるＵ相の電流ｉＵが、通電期間（ｃ）においては、Ｗ相の電流ｉＷが電流センサ６に流れる。

次に、図２において＋表示した位相において考察する。中間通電相Ｖ相の電流は、＋方向である。Ｗ相の電流ｉＷが最大電流になる。通電期間（ａ）においては、上アームスイッチング素子Ｕ、Ｖ、Ｗ全てがＯＦＦ、下アームスイッチング素子Ｘ、Ｙ、Ｚ全てがＯＮである。図９に、このときの電流の流れを示す。Ｕ相電流ｉＵ、Ｖ相電流ｉＶがそれぞれ、下アームスイッチング素子Ｘ、Ｙと並列のダイオードから固定子巻線４へ流れ、Ｗ相電流ｉＷは固定子巻線４から下アームスイッチング素子Ｚへ流れ出ている。よって、電流センサ６に電流は流れない。

通電期間（ｂ）においては、上アームスイッチング素子ＵがＯＮ、下アームスイッチング素子Ｙ、ＺがＯＮである。図１０に、このときの電流の流れを示す。Ｕ相電流ｉＵは、上アームスイッチング素子Ｕから固定子巻線４へ流れ、Ｖ相電流ｉＶは下アームスイッチング素子Ｙと並列のダイオードから固定子巻線４へ流れ、Ｗ相電流ｉＷは固定子巻線４から下アームスイッチング素子Ｚへ流れ出ている。よって、電流センサ６には、Ｕ相の電流ｉＵが流れる。

通電期間（ｃ）においては、上アームスイッチング素子Ｕ、ＶがＯＮ、下アームスイッチング素子ＺがＯＮである。図１１に、このときの電流の流れを示す。Ｕ相電流ｉＵ、Ｖ相電流ｉＶは、それぞれ、上アームスイッチング素子Ｕ、Ｖから固定子巻線４へ流れ、Ｗ相電流ｉＷは固定子巻線４から下アームスイッチング素子Ｚへ流れ出ている。よって、電流センサ６には、Ｗ相の電流ｉＷが流れる。

通電期間（ｄ）においては、上アームスイッチング素子Ｕ、Ｖ、Ｗ全てがＯＮ、下アームスイッチング素子Ｘ、Ｙ、Ｚ全てがＯＦＦである。図１２に、このときの電流の流れを示す。Ｕ相電流ｉＵ、Ｖ相電流ｉＶは、それぞれ、上アームスイッチング素子Ｕ、Ｖから固定子巻線４へ流れ、Ｗ相電流ｉＷは固定子巻線４から上アームスイッチング素子Ｗと並列のダイオードに流れ出ている。よって、電流センサ６に電流は流れない。

図１３に、上記図９〜図１２に基づき、図２上＋表示した位相における直流電流の変化を示す。通電期間（ｂ）においてはＵ相の電流ｉＵが、通電期間（ｃ）においては、最大電流であるＷ相の電流ｉＷが電流センサ６に流れる。通電期間（ｂ）においてはＵ相の電流ｉＵ、通電期間（ｃ）においてはＷ相の電流ｉＷが流れることは、図８と同じである。

上記図４〜図１３の考察により、上アームスイッチング素子Ｕ、Ｖ、ＷのＯＮ、ＯＦＦ状態で電流センサ６に流れる相電流が特定されることが分かる。即ち、１相のみＯＮ時はその相の電流、２相ＯＮ時は残りの相の電流が流れる。３相ＯＮ時及び３相ＯＦＦ時は流れない。

従って、制御回路７からの各スイッチング素子を制御するＯＮＯＦＦ信号と各スイッチング素子のＯＮＯＦＦは、進み遅れなく一致している場合、制御回路７は、電流センサ６からの電流信号と、各スイッチング素子を制御するＯＮＯＦＦ信号に基づく当該電流の流れる時間とから、電流の平均値を演算できることが分かる。

然しながら、実際には、制御回路７からの各スイッチング素子を制御するＯＮＯＦＦ信号と各スイッチング素子のＯＮＯＦＦは、回路特性などにより、一致しない。また、素子の立上り、立下り特性、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間のデッドタイムなどがある。そのため、これらを考慮する必要がある。

以下、これらについて詳細に考察する。図３の通電タイミングチャートにデッドタイムを盛り込んだものを、図１４に示す。このタイミングチャートにスイッチング素子のＯＮ時間ｔｎ、ＯＦＦ時間ｔｆも考慮し、図８、図１３に示す直流電流の変化を以下に示す。

最初に、図２において−（マイナス）表示した位相において即ち図８に示す直流電流について考察する。中間通電相Ｖ相の電流ｉＶは、−方向である。図１５に、Ｕ相電流ｉＵの下アームから上アームへの移行を示す。上側にスイッチングの時間関係を、下側にその時間関係における回路素子に流れる電流を示す。下アームスイッチング素子ＸへのＯＦＦ信号以前において、電流は図４の状態にある。下アームスイッチング素子ＸへＯＦＦ信号が出された時点で、Ｕ相電流ｉＵは下アームスイッチング素子Ｘと並列のダイオード３Ｘから固定子巻線４へ流れている。回路図において、上アーム側は機能していないので、省略している。下アームスイッチング素子ＸのＯＦＦ時間ｔｆ後においても、上アームスイッチング素子ＵはＯＦＦであるため、Ｕ相電流ｉＵはダイオード３Ｘから固定子巻線４へ流れている。回路図において、下アームスイッチング素子Ｘは機能していないので、省略している。

下アームスイッチング素子ＸへのＯＦＦ信号から、デッドタイムｔｄ後に、上アームスイッチング素子ＵへＯＮ信号が出される。ダイオード３Ｘに流れるＵ相電流ｉＵは、上アームスイッチング素子Ｕへ移行を始め、上アームスイッチング素子ＵのＯＮ時間ｔｎ後に移行完了する。この時点において、電流は図５の状態となる。

図１６に、Ｖ相電流ｉＶの下アームから上アームへの移行を示す。下アームスイッチング素子ＹへＯＦＦ信号が出された時点で、Ｖ相電流ｉＶは、固定子巻線４から下アームスイッチング素子Ｙへ流れている。Ｖ相電流ｉＶは、上アームスイッチング素子Ｖと並列のダイオード３Ｖへ移行を始め、下アームスイッチング素子ＹのＯＦＦ時間ｔｆ後に移行完了する。この時点において、電流は図６の状態となる。デッドタイムｔｄは短絡防止のため、ＯＦＦ時間ｔｆより長く設定される。そのため、下アームスイッチング素子ＹへのＯＦＦ信号からデッドタイムｔｄ後には移行完了している。

図１７に、Ｗ相電流ｉＷの下アームから上アームへの移行を示す。図１６のＶ相電流ｉＶの場合と同様であり、Ｗ相電流ｉＷは、上アームスイッチング素子Ｗと並列のダイオード３Ｗへ移行を始め、下アームスイッチング素子ＺのＯＦＦ時間ｔｆ後に移行完了する。この時点において、電流は図７の状態となる。

図１８に、Ｗ相電流ｉＷの上アームから下アームへの移行を示す。上アームスイッチング素子ＷへのＯＦＦ信号以前、電流は図７の状態にある。上アームスイッチング素子ＷへＯＦＦ信号が出された時点で、Ｗ相電流ｉＷは固定子巻線４から上アームスイッチング素子Ｗと並列のダイオード３Ｗへ流れ出ている。回路図において、下アーム側は機能していないので、省略している。上アームスイッチング素子ＷのＯＦＦ時間ｔｆ後においても、下アームスイッチング素子ＺはＯＦＦであるため、Ｗ相電流ｉＷは固定子巻線４からダイオード３Ｗへ流れ出ている。回路図において、上アームスイッチング素子Ｗは機能していないので、省略している。

上アームスイッチング素子ＷへのＯＦＦ信号から、デッドタイムｔｄ後に、下アームスイッチング素子ＺへＯＮ信号が出される。ダイオード３Ｗに流れるＷ相電流ｉＷは、下アームスイッチング素子Ｚへ移行を始め、下アームスイッチング素子ＺのＯＮ時間ｔｎ後に移行完了する。この時点において、電流は図６の状態となる。

図１９に、Ｖ相電流ｉＶの上アームから下アームへの移行を示す。図１８のＷ相電流ｉＷの場合と同様であり、下アームスイッチング素子ＹのＯＮ時間ｔｎ後に移行完了する。この時点において、電流は図５の状態となる。

図２０に、Ｕ相電流ｉＵの上アームから下アームへの移行を示す。上アームスイッチング素子ＵへＯＦＦ信号が出された時点で、Ｕ相電流ｉＵは、上アームスイッチング素子Ｕから固定子巻線４へ流れている。Ｕ相電流ｉＵは、下アームスイッチング素子Ｘと並列のダイオード３Ｘへ移行を始め、上アームスイッチング素子ＵのＯＦＦ時間ｔｆ後に移行完了する。この時点において、電流は図４の状態となる。

次に、図２において＋表示した位相において即ち図１３に示す直流電流について考察する。中間通電相Ｖ相の電流ｉＶは、＋方向である。図２１に、Ｕ相電流ｉＵの下アームから上アームへの移行を示す。図１５と比較し、Ｕ相電流ｉＵの電流の大きさは異なるが、電流の向きは同じであるため、タイミング関係は図１５と同じである。下アームスイッチング素子ＸへのＯＦＦ信号以前、電流は図９の状態にある。また、上アームスイッチング素子ＵのＯＮ時間ｔｎ後に移行完了する。この時点において、電流は図１０の状態となる。

図２２に、Ｖ相電流ｉＶの下アームから上アームへの移行を示す。この場合、図１６と比較し、Ｖ相電流ｉＶの向きが逆になるため、図１６とはタイミング関係が異なる。タイミング関係は、相及び電流の大きさは異なるが、電流の向きが同じであるため、図１５、図２１と同じである。下アームスイッチング素子ＹへＯＦＦ信号が出された時点で、Ｖ相電流ｉＶは下アームスイッチング素子Ｙと並列のダイオード３Ｙから固定子巻線４へ流れている。回路図において、上アーム側は機能していないので、省略している。下アームスイッチング素子ＹのＯＦＦ時間ｔｆ後においても、上アームスイッチング素子ＶはＯＦＦであるため、Ｖ相電流ｉＶはダイオード３Ｙから固定子巻線４へ流れている。回路図において、下アームスイッチング素子Ｙは機能していないので、省略している。

下アームスイッチング素子ＹへのＯＦＦ信号から、デッドタイムｔｄ後に、上アームスイッチング素子ＶへＯＮ信号が出される。ダイオード３Ｙに流れるＶ相電流ｉＶは、上アームスイッチング素子Ｖへ移行を始め、上アームスイッチング素子ＶのＯＮ時間ｔｎ後に移行完了する。この時点において、電流は図１１の状態となる。

図２３に、Ｗ相電流ｉＷの下アームから上アームへの移行を示す。電流の大きさは異なるが、電流の向きが同じであるため、タイミング関係は図１７と同じである。Ｗ相電流ｉＷは、上アームスイッチング素子Ｗと並列のダイオード３Ｗへ移行を始め、下アームスイッチング素子ＺのＯＦＦ時間ｔｆ後に移行完了する。この時点において、電流は図１２の状態となる。

図２４に、Ｗ相電流ｉＷの上アームから下アームへの移行を示す。電流の大きさは異なるが、電流の向きが同じであるため、タイミング関係は図１８と同じである。下アームスイッチング素子ＺのＯＮ時間ｔｎ後に移行完了する。この時点において図１１の状態となる。

図２５に、Ｖ相電流ｉＶの上アームから下アームへの移行を示す。Ｖ相電流ｉＶの向きが逆になるため、図１９とはタイミング関係が異なる。タイミング関係は、相及び電流の大きさは異なるが、電流の向きが同じであるため、図２０と同じである。上アームスイッチング素子ＶへＯＦＦ信号が出された時点で、Ｖ相電流ｉＶは、上アームスイッチング素子Ｖから固定子巻線４へ流れている。Ｖ相電流ｉＶは、下アームスイッチング素子Ｙと並列のダイオード３Ｙへ移行を始め、上アームスイッチング素子ＶのＯＦＦ時間ｔｆ後に移行完了する。この時点において、電流は図１０の状態となる。デッドタイムｔｄは短絡防止のため、ＯＦＦ時間ｔｆより長く設定される。そのため、上アームスイッチング素子ＶへのＯＦＦ信号からデッドタイムｔｄ後には移行完了している。

図２６に、Ｕ相電流ｉＵの上アームから下アームへの移行を示す。電流の大きさは異なるが、電流の向きが同じであるため、タイミング関係は図２０と同じである。上アームスイッチング素子ＵのＯＦＦ時間ｔｆ後に移行完了する。この時点において、電流は図９の状態となる。

図２７に、上記図１５、図１６、図１７により、図８（中間通電相Ｖ相の電流ｉＶは−方向）におけるキャリア周期内での直流電流変化の左側（前半）詳細を示す。制御回路７の各スイッチング素子を制御するＯＮＯＦＦ信号と直流電流の関係である。上アームスイッチング素子ＵへのＯＮ信号から暫くの間、直流電流（Ｕ相電流ｉＵ）に変化がないが、これは制御回路７からスイッチング素子Ｕまでのフィルタ回路、ドライブ回路などによる遅延に起因している。下アームスイッチング素子Ｙ、ＺへのＯＦＦ信号から暫くの間、直流電流に変化がないのも同様である。この遅延時間にスイッチング素子の立ち上がり時間を含め、スイッチング素子のＯＮ時間ｔｎとしている。前述のＯＦＦ時間ｔｆも同様である。

図２８に、図１８、図１９、図２０により、図８におけるキャリア周期内直流電流変化の右側（後半）詳細を示す。図２９に、図２１、図２２、図２３により、図１３（中間通電相Ｖ相の電流ｉＶは＋方向）におけるキャリア周期内直流電流変化の左側詳細を示す。図３０に、図２４、図２５、図２６により、図１３におけるキャリア周期内直流電流変化の右側詳細を示す。

上記図２７〜図３０に示されるように、制御回路７が、上アームスイッチング素子Ｕ１つのみにＯＮ信号を出力する時間とＵ相電流ｉＵとの積と、上アームスイッチング素子Ｕ及びＶ２つのみにＯＮ信号を出力する時間とＷ相電流ｉＷとの積との和を、所定時間（キャリア周期の半分など）で割ることにより平均値を算出できる。

しかしながら、制御回路７が、上アームスイッチング素子Ｕ１つのみにＯＮ信号を出力する時間と上アームスイッチング素子Ｕ及びＶ２つのみにＯＮ信号を出力する時間との合計時間は、Ｕ相電流ｉＵの流れる時間とＷ相電流ｉＷの流れる時間との合計時間より長くなっている。これは、上記ＯＮ時間ｔｎ、ＯＦＦ時間ｔｆに起因している。また、電流値の検出は、ＯＮ時間ｔｎ、ＯＦＦ時間ｔｆが経過し、電流値が安定してから行う必要がある。

従って、平均値の算出においては、制御回路７が、上アームスイッチング素子Ｕ１つのみにＯＮ信号を出力する時間と上アームスイッチング素子Ｕ及びＶ２つのみにＯＮ信号を出力する時間との合計時間を所定値削減する必要がある。これにより、精度を向上できる。

（実施の形態２）
上記所定値としては、図２７〜図３０において、凡そＯＮ時間ｔｎ（ＯＦＦ時間ｔｆ）が適当である。図２７、図２９においては、上アームスイッチング素子のＯＮを基準に、両端が立上り及び立ち下がりになっており、左端右端でそれぞれ、ＯＮ時間ｔｎ（ＯＦＦ時間ｔｆ）の１／２を削減すると、電流の流れる時間として適切になる。図２８、図３０においては、上アームスイッチング素子のＯＦＦに代わり下アームスイッチング素子のＯＮを基準にすると、両端が立上り及び立ち下がりになっており、左端右端でそれぞれ、ＯＮ時間ｔｎ（ＯＦＦ時間ｔｆ）の１／２を削減すると、電流の流れる時間として適切になる。上アームスイッチング素子のＯＦＦと下アームスイッチング素子のＯＮとはデッドタイムｔｄシフトしているだけである。

（実施の形態３）
中間通電相Ｖ相の電流の向きが−方向の場合である図２７、図２８においては、図から分かるように、上アームスイッチング素子Ｕ及びＶ２つのみにＯＮ信号を出力する時間はそのままで、上アームスイッチング素子Ｕ１つのみにＯＮ信号を出力する時間を、ＯＮ時間ｔｎ（ＯＦＦ時間ｔｆ）削減すると、電流の流れる時間として適切になる。一方、中間通電相Ｖ相の電流の向きが−方向の場合である図２９、図３０においては、図から分かるように、上アームスイッチング素子Ｕ１つのみにＯＮ信号を出力する時間はそのままで、上アームスイッチング素子Ｕ及びＶ２つのみにＯＮ信号を出力する時間を、ＯＮ時間ｔｎ（ＯＦＦ時間ｔｆ）削減すると、電流の流れる時間として適切になる。

中間通電相が＋電流かどうかの判定は、ひとつ前のキャリア周期における中間通電相の電流から推定できる。また、制御回路７はキャリア周期単位で相電流を検出しているため、演算によりその位相を把握できている。そのため、相電流を検出すべきキャリア周期における中間通電相の電流が＋電流かどうか推定できる。電流の位相に代わり、印加電圧の位相でほぼ近似できるとして代用も可能である。例えば、図２において、位相１２０度を境に、＋電流と−電流が反転する。電流がスイッチング素子に流れているか、並列のダイオードに流れているかにより判定することもできる。

（実施の形態４）
図２７〜図３０において、上アームスイッチング素子Ｕ１つのみがＯＮしている時間は、下アームスイッチング素子Ｙ及びＺ２つのみがＯＮしている時間に等しい。上アームスイッチング素子Ｕ及びＶ２つのみがＯＮしている時間は、下アームスイッチング素子Ｚ１つのみがＯＮしている時間に等しい。従って、それぞれ置き換えることができる。

（実施の形態５）
図３１に本実施の形態におけるインバータ装置とその周辺の回路を示す。Ｕ相下アームスイッチング素子Ｘとアース間にシャント抵抗２５、Ｖ相下アームスイッチング素子Ｙとアース間にシャント抵抗２６、Ｗ相下アームスイッチング素子Ｚとアース間にシャント抵抗２７がそれぞれ設けられている。インバータ装置２１の制御回路２４は、これら各シャント抵抗からの電圧により、各相の相電流を検出する。

直流電源ラインの電流の平均値を演算するにおいて、図２７〜図３０における電流値は、上記各シャント抵抗により検出することになる。Ｕ相の相電流ｉＵはシャント抵抗２５により、Ｗ相の相電流ｉＷはシャント抵抗２７により、それぞれ検出される。Ｕ相の相電流ｉＵがシャント抵抗２５により検出できない場合、例えば図５の場合、Ｖ相の相電流ｉＶ（シャント抵抗２６）とＷ相の相電流ｉＷ（シャント抵抗２７）との和により求められる。

（実施の形態６）
インバータ回路１０とモータ１１との間に電流センサを２個設ける場合（図示せず）についても、実施の形態５と同様である。例えばＵ相とＶ相に設ける場合、図２７〜図３０における電流値は、Ｕ相の相電流ｉＵは当該電流センサにより検出される。そして、Ｗ相の相電流ｉＷは、Ｕ相の相電流ｉＵとＶ相の相電流ｉＶ（当該電流センサにより検出される）との和により求められる。

（実施の形態７）
実効値の演算については、電流値を２乗することなど異なるが平均値と同様に算出できる。図２７〜図３０の例においては、上アームスイッチング素子Ｕ１つのみにＯＮ信号を出力する時間とＵ相電流ｉＵの２乗との積と、上アームスイッチング素子Ｕ及びＶ２つのみにＯＮ信号を出力する時間とＷ相電流ｉＷの２乗との積との和を、所定時間（キャリア周期の半分など）で割り、１／２乗することにより実効値を算出できる。

（実施の形態８）
図３２に、電動圧縮機４０の右側にインバータ装置２０を密着させて取り付けた図を示す。金属製筐体３２の中に圧縮機構部２８、モータ１１等が設置されている。冷媒は、吸入口３３から吸入され、圧縮機構部２８（この例ではスクロール）がモータ１１で駆動されることにより、圧縮される。この圧縮された冷媒は、モータ１１を通過する際にモータ１１を冷却し、吐出口３４より吐出される。

インバータ装置２０は電動圧縮機４０に取り付けられるように、ケース３０を使用している。発熱源となるインバータ回路部１０は、低圧配管３８を介して低圧冷媒で冷却される。電動圧縮機４０の内部でモータ１１の巻き線に接続されているターミナル３９は、インバータ回路部１０の出力部に接続される。保持部３５でインバータ装置２３に固定される接続線３６には、バッテリー１への電源線と回転数信号を送信するエアコンコントローラ（図示せず）との信号線がある。

このようなインバータ装置一体型電動圧縮機では、インバータ装置２０が小さいこと、信頼性が高いことが必要になる。そのため、本発明の実施の形態として好適である。また、直流電源からの消費電力を正確に算出できるので、空調の省エネ運転に寄与することができる。

尚、上記各実施の形態において、図２における位相１２０度前後の場合について考察したが、他の場合についても同様に考察できる。平均値、実効値の演算期間をキャリア周期の半分としたが、１周期その他でも良い。直流電源をバッテリーとしたが、これに限るものではなく、商用交流電源を整流した直流電源などでもよい。負荷としてモータの例を示したが、交流電源を用いる各種機器、トランスなどにも適用できる。モータ１１をセンサレスＤＣブラシレスモータとしたが、リラクタンスモータ、誘導モータ等にも適用できる。正弦波駆動以外にも適用できる。また、２相変調においても適用できる。

以上のように、本発明にかかるインバータ装置は、積分回路（抵抗とコンデンサ）、Ａ／Ｄポート（制御回路内マイコンの平均電流入力用）を設けることなく、高い精度で直流電流の平均値を算出できる。また、小型で信頼性が高いので、各種民生用製品、各種産業用機器、各種移動体用機器に適用できる。負荷としてモータ以外の交流機器にも適用可能である。

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 ３相変調の最大変調５０％における各相の変調を示す波形図 キャリア周期における通電タイミングチャート 中間通電相が−電流の場合における通電期間（ａ）の電流経路を示す電気回路図 同通電期間（ｂ）の電流経路を示す電気回路図 同通電期間（ｃ）の電流経路を示す電気回路図 同通電期間（ｄ）の電流経路を示す電気回路図 同キャリア周期内で検出される直流電流波形図 中間通電相が＋電流の場合における通電期間（ａ）の電流経路を示す電気回路図 同通電期間（ｂ）の電流経路を示す電気回路図 同通電期間（ｃ）の電流経路を示す電気回路図 同通電期間（ｄ）の電流経路を示す電気回路図 同キャリア周期内で検出される直流電流波形図 デッドタイムを含む通電タイミングチャート 中間通電相が−電流の場合におけるＵ相電流の下アームから上アームへの移行状態図 同Ｖ相電流の下アームから上アームへの移行状態図 同Ｗ相電流の下アームから上アームへの移行状態図 同Ｗ相電流の上アームから下アームへの移行状態図 同Ｖ相電流の上アームから下アームへの移行状態図 同Ｕ相電流の上アームから下アームへの移行状態図 中間通電相が＋電流の場合におけるＵ相電流の下アームから上アームへの移行状態図 同Ｖ相電流の下アームから上アームへの移行状態図 同Ｗ相電流の下アームから上アームへの移行状態図 同Ｗ相電流の上アームから下アームへの移行状態図 同Ｖ相電流の上アームから下アームへの移行状態図 同Ｕ相電流の上アームから下アームへの移行状態図 中間通電相が−電流の場合におけるキャリア周期内左側直流電流の詳細波形図 同キャリア周期内右側直流電流の詳細波形図 中間通電相が＋電流の場合におけるキャリア周期内左側直流電流の詳細波形図 同キャリア周期内右側直流電流の詳細波形図 本発明の実施の形態５に係るインバータ装置とその周辺の電気回路図 本発明の実施の形態８に係るインバータ装置一体型電動圧縮機の断面図 従来の直流電流の平均値を検出するインバータ装置の電気回路図

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
６ 電流センサ
７ 制御回路（インバータ装置２０）
１０ インバータ回路
１１ センサレスＤＣブラシレスモータ
２０ インバータ装置（直流電源ラインに電流センサ）
２１ インバータ装置（下アームに電流検出用シャント抵抗）
２４ 制御回路（インバータ装置２１）
２５ 電流検出用下アームシャント抵抗（Ｕ相）
２６ 電流検出用下アームシャント抵抗（Ｖ相）
２７ 電流検出用下アームシャント抵抗（Ｗ相）
４０ 電動圧縮機

Claims (8)

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、前記直流電源と前記インバータ回路間に電流検出器と、前記スイッチング素子を制御して交流電流をモータへ出力させ、前記電流検出器により電流を検出する制御回路とを備えたインバータ装置において、前記制御回路が、上アームスイッチング素子のうち一つのみにＯＮ信号を出力している時間と当該時間に前記電流検出器により検出される電流値との積、及び、上アームスイッチング素子のうち二つのみにＯＮ信号を出力している時間と当該時間に前記電流検出器により検出される電流値との積とに基づいて、前記直流電源との間に流れる直流電流の平均値を算出するように構成し、当該平均値の算出に用いる前記ＯＮ信号を出力している時間は、実際に出力している時間に対し、前記制御回路がスイッチング素子にＯＮ信号を出力した後、当該スイッチング素子のＯＮが完了するまでの遅延時間小さくし、当該小さく設定する時間は、中間通電相の電流の向きがモータから流れ出る方向の場合、上アームスイッチング素子１つのみにＯＮ信号を出力している時間とし、中間通電相の電流の向きがモータへ流れ込む方向の場合、上アームスイッチング素子２つのみにＯＮ信号を出力している時間としたインバータ装置。
2. 上アームスイッチング素子のうち１つのみがＯＮしている時間を下アームスイッチング素子のうち２つのみがＯＮしている時間に、上アームスイッチング素子のうち２つのみがＯＮしている時間を下アームスイッチング素子のうち１つのみがＯＮしている時間に、それぞれ置き換えた請求項１に記載のインバータ装置。
3. 前記電流検出器に代わり、下アームスイッチング素子と直列に電流検出器が備えられる請求項１または２に記載のインバータ装置。
4. 前記電流検出器に代わり、インバータ回路とモータとの間に電流検出器が備えられる請求項１または２に記載のインバータ装置。
5. 直流電流の平均値に代わり実効値を算出する請求項１から請求項４のうちいずれか一項に記載のインバータ装置。
6. 電動圧縮機のモータを駆動する請求項１から請求項５のうちいずれか一項に記載のインバータ装置。
7. 前記電動圧縮機に搭載される請求項６に記載のインバータ装置。
8. 車両に搭載される請求項１から請求項７のうちいずれか一項に記載のインバータ装置。

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