JP5804763B2 - 空気調和装置用制御装置 - Google Patents

Description

この発明は、空気調和装置用制御装置に関する。

空気調和装置において、圧縮機やファンなどに使用しているモータを省エネのためインバータで駆動する方式が主流となっている。この方式によれば、交流をコンバータで一旦直流に変換し、直流をインバータで任意の電圧、周波数を持った交流に変換してモータを駆動することで、モータを高効率で運転することができる。

また、近年では、更なる省エネ性を追求して、インバータの入力側に昇圧回路を設け、コンバータの整流出力を昇圧回路で昇圧してインバータに入力するようにした空気調和装置が提案されている（例えば、特許文献１参照）。この種の昇圧回路を用いた空気調和装置用制御装置では、直流電圧を昇圧してインバータに入力させることで、インバータの出力電圧範囲を拡大させ、その電圧範囲に応じてモータ設計を最適化することで省エネを可能としている。

特許第３５４６７８６号公報（第４頁、第５図）

ところで、昇圧回路に設けられるスイッチング素子にはＩＧＢＴ素子を適用した構成が一般的である。しかしながら、昇圧回路にＩＧＢＴ素子を用いた場合、以下の問題がある。

例えば小容量のインバータであれば、小容量対応の昇圧回路とすればよいため昇圧回路での発熱による損失はさほど大きなものとならない。しかし、概ね１０ｋＷを超えるような大容量インバータに対応可能な昇圧回路では発熱による損失が大きくなる。このため、大容量インバータに対応可能な昇圧回路を備えた空気調和装置用制御装置を構成するにあたっては、インバータとは別のモジュールを用いて昇圧回路を別途構成し、更に放熱機構を設ける必要があり、高コスト化、大型化といった問題があった。

また、昇圧回路及びインバータはそれぞれ発熱素子であるスイッチング素子を備えているため、過熱保護の観点からそれぞれの温度を検出するための複数の温度検出素子が設けられており、この点からもコスト高となっていた。

この発明は、上記のような課題を解決するためになされたもので、小型化及び低コスト化が可能な空気調和装置用制御装置を得ることを目的とする。

この発明に係る空気調和装置用制御装置は、コンバータ、昇圧回路及びインバータが同一モジュール内に形成され、昇圧回路のスイッチング素子がワイドバンドギャップ半導体で構成され、インバータを構成する複数のスイッチング素子がＳｉで構成された、モータを駆動するためのパワーモジュールと、モジュール内の温度を検出する温度検出素子と、を備えたものである。

この発明によれば、空気調和装置の圧縮機のモータを駆動するためのコンバータ、昇圧回路及びインバータを同一モジュール内に形成すると共に昇圧回路のスイッチング素子をワイドバンドギャップ半導体で構成したパワーモジュールを備えたので、昇圧回路での発熱による損失を低減することができ、小型化及び低コスト化を図ることができる。また、インバータを構成する複数のスイッチング素子のうち、昇圧回路のスイッチング素子に最も近いスイッチング素子近傍に温度検出素子を配置し、いわば昇圧回路とインバータとで温度検出素子を共用してパワーモジュールの過熱保護用として用いるようにしたので、この点からも、小型化及び低コスト化を図ることができる。

この発明の一実施の形態における空気調和装置用制御装置の構成を示した図である。 図１のコンバータを示す図である。 図１のインバータを示す図である。 図１の温度検出素子を示す図である。 図１のパワーモジュール内における温度検出素子の複数の配置例を示すレイアウト図である。 この発明の一実施の形態における過熱保護の流れを示すフローチャートである。

図１は、この発明の一実施の形態における空気調和装置用制御装置の構成を示した図である。図２は、図１のコンバータを示す図である。図３は、図１のインバータを示す図である。図４は、図１の温度検出素子を示す図である。
図１の空気調和装置用制御装置は、３相交流電源１と、３相交流電源１の交流電圧を直流電圧に変換するコンバータ２と、昇圧回路３と、昇圧回路３の出力を平滑する平滑コンデンサ７と、インバータ８とを備えており、空気調和装置の圧縮機のモータ９に接続されている。

コンバータ２は、図２に示すように３相交流電源１の交流電圧を整流する３相全波整流器で６個のダイオードをブリッジ接続した構成を有している。

昇圧回路３は、３相交流電源１からの交流電圧（例えばＡＣ２００Ｖ）をコンバータ２で変換した直流電圧を昇圧（例えばＤＣ３５０Ｖ）してインバータ８に入力する回路であり、昇圧用のリアクター４と高温でも動作可能なワイドバンドギャップ半導体で構成したスイッチング素子５と逆流防止ダイオード６とを備えている。なお、ワイドバンドギャップ半導体とは、シリコン（Ｓｉ）素子と比較して、バンドギャップが大きい半導体素子の総称であり、炭化ケイ素（ＳｉＣ）素子の他、例えば、窒化ガリウム（ＧａＮ）、ダイヤモンド素子等が挙げられる。

インバータ８は、平滑コンデンサ７によって平滑された直流電源を交流電源に変換するものであり、図３に示すようにＳｉ製の例えばＩＧＢＴのような複数のスイッチング素子８ａ〜８ｆで構成される。空気調和装置の圧縮機駆動のインバータにおいて、圧縮機を構成しているモータのコイルは冷媒や油の中に存在しており、漏洩電流を抑制するためにキャリア周波数を高く設定できない。このため、高速スイッチングが可能でキャリア周波数を高く設定できるワイドバンドギャップ半導体を使用する必要はなく、低コスト化のためインバータ８のスイッチング素子にはＳｉ製を使用する。

空気調和装置用制御装置は更に、昇圧回路３の入力電流を検出する電流検出手段１１と、昇圧回路３の出力電圧を検出する電圧検出手段１２と、インバータ８から出力される交流電流を検出する電流検出手段１３ａ、１３ｂと、温度検出素子１４ａと、温度検出手段１４と、制御装置全体を制御する制御部であるマイコン２０とを備えている。

温度検出手段１４は、例えばサーミスタで構成された温度検出素子１４ａにより後述のパワーモジュール３０内の温度を検出する。

マイコン２０は、昇圧回路３のスイッチング制御手段２１と、インバータ駆動手段２２と、過熱保護制御手段２３とを備えている。スイッチング制御手段２１は、昇圧回路３のスイッチング素子５を動作させる駆動パルスを生成する。スイッチング制御手段２１は、過熱保護制御手段２３からの信号に応じて、電流検出手段１１で検出された昇圧回路３の入力電流と、電圧検出手段１２で検出された昇圧回路３の出力電圧とに基づき所望の昇圧が得られるようにパルス幅を変調した駆動パルスを生成してスイッチング素子５を動作させる。

インバータ駆動手段２２は、各スイッチング素子８ａ〜８ｆのそれぞれを動作させる駆動パルスを生成する。インバータ駆動手段２２は、過熱保護制御手段２３からの信号に応じて、電圧検出手段１２で検出された昇圧回路３の出力電圧と、電流検出手段１３ａ、１３ｂで検出されたインバータ８の出力電流とに基づき所望の出力電圧周波数が得られるようにパルス幅を変調した駆動パルスを生成してスイッチング素子８ａ〜８ｆをそれぞれ動作させる。

過熱保護制御手段２３は、温度検出素子１４ａによる温度検出手段１４の検出温度に基づいてパワーモジュール３０内の過熱状態を判断し、過熱段階に応じてスイッチング制御手段２１及びインバータ駆動手段２２を制御する。この過熱保護制御手段２３による過熱制御については後述の図６のフローチャートで説明する。

この実施の形態は、コンバータ２と昇圧回路３とインバータ８とを同一モジュール内に形成すると共に、その昇圧回路３のスイッチング素子５をワイドバンドギャップ半導体で構成したことを一つの特徴とするものであり、この点について以下に説明する。なお、以下ではコンバータ２と昇圧回路３とインバータ８とを同一モジュール内に構成したモジュール自体をパワーモジュール３０という。

モータ９の省エネ化を追求するにあたり、インバータ８の入力側に昇圧回路３を設けることが有効なことは上述した通りである。そして、昇圧回路３のスイッチング素子５に用いたワイドバンドギャップ半導体は、上述したように、非常に高温（例えば、２００℃以上）でも動作が可能であるといった特徴を有している。このため、インバータ８が例えば１０ｋＷを超えるような大容量インバータ８であっても、昇圧回路３の発熱による損失の問題は発生せず、同一モジュール内にコンバータ２と昇圧回路３とインバータ８とを備えて１パッケージ化することが可能である。このように、昇圧回路３のスイッチング素子５にワイドバンドギャップ半導体を用いることにより、Ｓｉ製のスイッチング素子を用いた場合に必要となる昇圧回路の別体化や昇圧回路専用の放熱構造が不要であり、小型化及び低コスト化が可能となる。

ところで、昇圧回路のスイッチング素子をＳｉ製のＩＧＢＴ等で構成した従来構造では、昇圧回路とインバータとにそれぞれ個別に過熱検出用（半導体保護用）の温度検出素子を設けていた。この実施の形態では、昇圧回路３のスイッチング素子５に高温での動作が可能なワイドバンドギャップ半導体を用いているため、過熱保護のために温度検出素子を設ける必要性は極めて低い。しかし、インバータ８にはＳｉ製のスイッチング素子を用いているため、温度検出素子による温度検出は必須である。また、小型化の観点から温度検出素子１４ａの数は少ない方が好ましい。以上を踏まえ、この実施の形態では、パワーモジュール３０に昇圧回路３とインバータ８とで共用の温度検出素子１４ａを一つ設け、また、その温度検出素子１４ａの配置場所を工夫した点にもう一つの特徴がある。以下、この配置場所について説明する。

図５は、図１のパワーモジュールにおける温度検出素子の複数の配置例を示すレイアウト図である。ここでは（ａ）〜（ｃ）の３パターンを示している。
温度検出素子１４ａは、Ｓｉで構成されたスイッチング素子８ａ〜８ｆ（図３参照）の過熱保護を主目的として設けられるものであり、何れのレイアウトにおいてもインバータ８の近傍であって、且つインバータ８のスイッチング素子８ａ〜８ｆ（図３参照）のうち、昇圧回路３のスイッチング素子５に最も近いスイッチング素子の近傍に配置する。この配置とすることにより、昇圧回路３とインバータ８とで別々に温度検出素子１４ａを設けなくとも、一つの温度検出素子１４ａにより昇圧回路３のスイッチング素子５からの熱も加味してＳｉ製のスイッチング素子の温度検出が可能となる。

次に、この発明の一実施の形態における過熱保護の処理の流れについて説明する。
図６は、この発明の一実施の形態における過熱保護の流れを示すフローチャートである。なお、図６における所定値Ａ、所定値Ｂ、所定値Ｃは、過熱保護の段階に応じて予め設定された温度であり、Ａ＜Ｂ＜Ｃの関係にあるものとする。
温度検出手段１４は、温度検出素子１４ａによりパワーモジュール３０の温度Ｔｃを検出する（Ｓ１００）。このステップＳ１００は定期的に実行され、温度検出手段１４の検出温度Ｔｃは過熱保護制御手段２３に出力され、過熱保護制御手段２３は温度検出手段１４からの検出温度Ｔｃに基づいてステップＳ１０１、Ｓ１０２、Ｓ１０４の温度判断を行い、判断結果に応じてスイッチング制御手段２１又はインバータ駆動手段２２に指示して過熱保護処理を行わせる。

（過熱保護：段階１）
過熱保護制御手段２３は、温度検出手段１４の検出温度Ｔｃが所定値Ａを超え且つ所定値Ｂ以下の場合（Ｓ１０２）、昇圧回路３の昇圧目標値（目標電圧制御値）を低下させ（Ｓ１０３）、昇圧回路３での発生損失を低減しながら運転を継続する。なお、検出温度Ｔｃが所定値Ａ以下の場合（Ｓ１０１）には過熱状態ではなく正常状態であるため、過熱保護の処理は行わない。

（過熱保護：段階２）
過熱保護制御手段２３は、温度検出手段１４の検出温度Ｔｃが所定値Ｂを超え且つ所定値Ｃ以下の場合（Ｓ１０４）、スイッチング制御手段２１に指示して昇圧回路３を停止させ（Ｓ１０５）、更にインバータ駆動手段２２に指示してインバータ周波数（圧縮機の周波数）を低下させる制御を行う（Ｓ１０６）。

（過熱保護：段階３）
過熱保護制御手段２３は、温度検出手段１４の検出温度Ｔｃが所定値Ｃを超えた場合（Ｓ１０４）、スイッチング制御手段２１に指示して昇圧回路３を停止（Ｓ１０７）すると共に、インバータ駆動手段２２に指示してインバータ８の運転を停止させる（Ｓ１０８）。

空気調和装置用制御装置では検出温度Ｔｃに応じて以上の処理を行うように構成されているため、パワーモジュール３０において放熱面あるいは発熱面で何らかのトラブルが生じてパワーモジュール３０の温度が高くなった場合、まずは昇圧目標値を低下させる制御（Ｓ１０３）に入り、昇圧回路３での発生損失を低減しながら運転を継続する。

それでも検出温度Ｔｃが上昇して所定値Ｂを超えた場合は、昇圧回路３を停止させ（Ｓ１０５）、圧縮機の運転周波数を低下させる（Ｓ１０６）。これにより冷媒の高圧圧力が低下しインバータ８の出力電流が減少してインバータ８での発生損失を低減しながら運転を継続する。

ステップＳ１０５及びＳ１０６の処理をしても検出温度Ｔｃが上昇して所定値Ｃを超えた場合は、モジュール保護を優先し昇圧回路３及びインバータ８の両方を停止させる（Ｓ１０７、Ｓ１０８）。

以上のように、この実施の形態では、同一モジュール内にコンバータ２、昇圧回路３及びインバータ８を備え、昇圧回路３のスイッチング素子５をワイドバンドギャップ半導体を用いて構成したので、昇圧回路３での発熱による損失を低減することができ、パワーモジュール３０ひいては空気調和装置用制御装置の小型化及び低コスト化が可能となる。

また、昇圧回路３のスイッチング素子５をワイドバンドギャップ半導体で構成したことにより、昇圧回路３に対する過熱保護用の温度検出素子の必要性を低減することができる。このため、パワーモジュール３０の過熱保護用としては、Ｓｉ製のスイッチング素子８ａ〜８ｆで構成されたインバータ８に対して温度検出素子１４ａを一つ設ける構成とすれば足り、小型化及びコスト低減が可能である。また、一つの温度検出素子１４ａをパワーモジュール３０内に配置するにあたり、インバータ８の複数のＳｉ製のスイッチング素子８ａ〜８ｆのうち、昇圧回路３のスイッチング素子５に最も近いスイッチング素子の近傍に配置するようにしたので、昇圧回路３のスイッチング素子５からの熱も加味してインバータ８の過熱保護が可能で、信頼性の高いパワーモジュール３０を得ることができる。

また温度検出素子１４ａの検出温度が過熱保護対象の温度帯に入った場合（つまり所定値Ａを超えた場合）、直ちに昇圧回路とインバータを停止させるのではなく、昇圧目標値低下制御、インバータ周波数低下制御といったように段階的に停止の方向に制御を移すようにした。これにより、空気調和装置として致命的な異常停止状態をできるだけ回避し、空気調和装置としての運転を可能な限り継続させることができる。

また、昇圧回路３のスイッチング素子５が高温でも動作可能なワイドバンドギャップ半導体で構成されているため、Ｓｉ製のスイッチング素子を用いる場合に比べて昇圧回路３のキャリア周波数を上げることができる。その結果、リアクター４の小型化が可能になりコスト低減できるだけでなく、負荷の変動に対して追従性が改善され制御性が向上する。

また、一般にケミコンレス回路では、インバータの過変調領域になると入力電流に脈動が発生し高調波が発生する問題があった。しかし、昇圧回路３を用いて母線電圧を昇圧すれば、過変調領域で運転する必要はなくなる。よって、図１の回路をケミコンレス（平滑化コンデンサレス）で構成してもよいし、また、平滑化コンデンサとして用いられる電解コンデンサを小型化（例えば３３００μＦ→１０μＦ）してもよく、何れにしてもコスト低減及び小型化が図れる。

なお、この実施の形態では昇圧回路３のうち、スイッチング素子５をワイドバンドギャップ半導体で構成するとしたが、スイッチング素子５だけでなく逆流防止ダイオード６もワイドバンドギャップ半導体で構成してもよい。

１ ３相交流電源、２ コンバータ、３ 昇圧回路、４ リアクター、５ スイッチング素子、６ 逆流防止ダイオード、７ 平滑コンデンサ、８ インバータ、８ａ〜８ｆ スイッチング素子、９ モータ、１１ 電流検出手段、１２ 電圧検出手段、１３ａ 電流検出手段、１４ 温度検出手段、１４ａ 温度検出素子、２０ マイコン、２１ スイッチング制御手段、２２ インバータ駆動手段、２３ 過熱保護制御手段、３０ パワーモジュール。

Claims (8)

1. コンバータ、昇圧回路及びインバータが同一モジュール内に形成され、前記昇圧回路のスイッチング素子がワイドバンドギャップ半導体で構成され、前記インバータを構成する複数のスイッチング素子がＳｉで構成された、モータを駆動するためのパワーモジュールと、
   前記モジュール内の温度を検出する温度検出素子と、を備えたことを特徴とする空気調和装置用制御装置。
2. 前記温度検出素子は、前記モジュール内の前記昇圧回路及び前記インバータの近傍かつ前記インバータ寄りに配置されたことを特徴とする請求項１記載の空気調和装置用制御装置。
3. 前記温度検出素子の検出温度に基づき前記パワーモジュールの過熱保護を行う制御部を備えたことを特徴とする請求項１または２に記載の空気調和装置用制御装置。
4. 前記制御部は、前記温度検出素子の検出温度が、過熱保護を必要とする第１所定値よりも高い温度範囲を複数に分割した温度範囲の何れかに属することを検知すると、前記検出温度が属する温度範囲に応じた過熱保護を行うことを特徴とする請求項３記載の空気調和装置用制御装置。
5. 前記制御部は、前記温度検出素子の検出温度が、前記複数の温度範囲のうち最も低い温度範囲内のとき、前記昇圧回路の目標電圧制御値を下げることを特徴とする請求項４記載の空気調和装置用制御装置。
6. 前記制御部は、前記温度検出素子の検出温度が、前記複数の温度範囲のうち最も高い温度範囲内のとき、前記昇圧回路を停止させると共に、圧縮機の周波数を低下させることを特徴とする請求項４又は請求項５記載の空気調和装置用制御装置。
7. 前記制御部は、前記温度検出素子の検出温度が前記複数の温度範囲のうち最も高い温度範囲内を超えた場合、前記昇圧回路及び前記インバータを停止させることを特徴とする請求項４乃至請求項６の何れか１項に記載の空気調和装置用制御装置。
8. 前記ワイドバンドギャップ半導体は、ＳｉＣ、ＧａＮ又はダイヤモンドの何れかであることを特徴とする請求項１乃至請求項７の何れか１項に記載の空気調和装置用制御装置。

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