JP6312851B2 - 電動機駆動装置および空気調和機 - Google Patents

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Description

本発明は、スイッチング素子を備える電動機駆動装置および空気調和機に関する。
スイッチング素子を用いてＰＷＭ（Pulse Width Modulation）制御により電動機を駆動する技術が知られている。特許文献１には、ＰＷＭ制御の一例が開示されている。
スイッチング素子をチップとして実装する場合、チップ面積を大きくすると歩留りが悪化する。チップ面積を小さくすると、ウェハから取り出す際の歩留りを向上させることができるため、低価格化を実現できる。
特許第４６７５９０２号公報
従来の技術によれば、スイッチング素子がチップとして実装される場合、チップ面積を小さくすると、低価格化を実現できる。しかしながら、チップ面積を小さくすると電流容量が低下する。このため、スイッチング素子を用いた電動機駆動装置において、低価格化と大電流化を両立させることが難しいという問題があった。
本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、低価格化と大電流化を両立させることができる電動機駆動装置を得ることを目的とする。
上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明は、電動機を駆動する電動機駆動装置であって、電動機の相数と同数のインバータモジュールと、前記インバータモジュールをＰＷＭ駆動するためのＰＷＭ信号を生成する制御部と、前記インバータモジュールごとに、前記制御部により生成されたＰＷＭ信号に基づいて、前記インバータモジュールのスイッチング素子対分の個別ＰＷＭ信号を生成し、前記インバータモジュールに流れる電流を用いて前記個別ＰＷＭ信号のパルス幅を調整する駆動制御部と、を備え、前記インバータモジュールは、２つのスイッチング素子が直列に接続されたスイッチング素子対を複数備え、複数の前記スイッチング素子対は並列に接続される。
本発明にかかる電動機駆動装置は、低価格化と大電流化を両立させることができるという効果を奏する。
実施の形態１にかかる電動機駆動装置の構成例を示す図 実施の形態１のパルス幅を増減した後のスイッチング素子を駆動するためのＰＷＭ信号の一例を示す図 実施の形態１の３つのスイッチング素子のパルス幅を調整する場合に、パルス幅を増減した後のスイッチング素子を駆動するためのＰＷＭ信号の一例を示す図 実施の形態２の電流計測部の配置例を示す図 実施の形態３の電流計測部の配置例を示す図 実施の形態４の放熱部の配置例を示す図 実施の形態５の空気調和機の構成例を示す図
以下に、本発明の実施の形態にかかる電動機駆動装置および空気調和機を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施の形態によりこの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にかかる電動機駆動装置の構成例を示す図である。図１に示すように本実施の形態の電動機駆動装置１００は、交流電源１から入力される交流電流を直流電流に整流する整流器２と、リアクトル３と、コンデンサ４と、コンデンサ４の両端電圧を検出する電圧検出部１１と、直流電流を３相交流電流に変換して３相モータであるモータ８すなわち電動機を駆動するインバータ部１０１と、インバータ部１０１を制御するためのＰＷＭ信号を生成する制御部９と、電流計測部２１〜３８と、駆動制御部３９と、を備える。インバータ部１０１とモータ８の間には、モータ電流を計測する電流計測部１０ａ，１０ｂが設けられている。
本実施の形態の電動機駆動装置１００は、空気調和機、冷凍機、洗濯乾燥機、冷蔵庫、除湿器、ヒートポンプ式給湯機、ショーケース、掃除機、ファンモータ、換気扇、手乾燥機、誘導加熱電磁調理器といった機器において、モータを駆動する装置として用いることができる。
インバータ部１０１は、Ｕ相に対応するインバータモジュール５と、Ｖ相に対応するインバータモジュール６と、Ｗ相に対応するインバータモジュール７とを備える。インバータモジュール５，６，７は、各々がスイッチング素子５ａ，５ｂ，５ｃ，５ｄ，５ｅ，５ｆを備える。スイッチング素子５ａ，５ｃ，５ｅは上アームを構成し、スイッチング素子５ｂ，５ｄ，５ｆは下アームを構成する。本実施の形態では、スイッチング素子５ａ，５ｂ，５ｃ，５ｄ，５ｅ，５ｆの個々の電流容量が小さい場合でも、図１のように、相ごとにスイッチング素子を並列化することにより大電流容量を実現することができる。インバータモジュール６，７の構成は、インバータモジュール５と同様である。なお、簡略化のため、図１では、インバータモジュール６，７内の符号を省略している。
電流計測部２１，２２，２３は、インバータモジュール５の下アームのスイッチング素子５ｂ，５ｄ，５ｆを流れる電流を計測し、電流計測部２４，２５，２６は、インバータモジュール６の下アームのスイッチング素子５ｂ，５ｄ，５ｆを流れる電流を計測し、電流計測部２７，２８，２９は、インバータモジュール７の下アームのスイッチング素子５ｂ，５ｄ，５ｆを流れる電流を計測する。電流計測部３０，３１，３２は、インバータモジュール５の上アームのスイッチング素子５ａ，５ｃ，５ｅを流れる電流を計測し、電流計測部３３，３４，３５は、インバータモジュール６の上アームのスイッチング素子５ａ，５ｃ，５ｅを流れる電流を計測し、電流計測部３６，３７，３８は、インバータモジュール７の上アームのスイッチング素子５ａ，５ｃ，５ｅを流れる電流を計測する。
制御部９は、電圧検出部１１により検出された電圧と電流計測部１０ａ，１０ｂにより計測されたモータ電流とに基づいてインバータ部１０１を制御する。具体的には、相およびアームごとのスイッチング素子のオンオフ状態を制御するためのＰＷＭ信号Ｕｐ、Ｖｐ、Ｗｐ、Ｕｎ、Ｖｎ、Ｗｎを生成してインバータ部１０１へ出力する。Ｕｐ、Ｖｐ、Ｗｐは、Ｕ、Ｖ、Ｗ相の上アームのスイッチング素子のオンオフ状態を制御するためのＰＷＭ信号であり、Ｕｎ、Ｖｎ、Ｗｎは、Ｕ、Ｖ、Ｗ相の下アームのスイッチング素子のオンオフ状態を制御するためのＰＷＭ信号である。ＰＷＭ信号は、オンすなわち閉を示すＨｉｇｈと、オフすなわち開を示すＬｏｗとのいずれかの値をとるパルス状の信号である。パルスすなわちオンが連続する期間の幅をパルス幅と呼ぶ。制御部９は、同一相の同一アームが３つのスイッチング素子で構成されることから、３つのスイッチング素子がオンとなったときに流れる電流に基づいてパルス幅を決定する。すなわち３つのスイッチング素子を大きな電流容量の１つのスイッチング素子であるとみなしてＰＷＭ信号を生成する。
駆動制御部３９は、相ごとすなわちインバータモジュール５，６，７ごとに、制御部９により生成されたＰＷＭ信号に基づいてスイッチング素子５ａ，５ｂ，５ｃ，５ｄ，５ｅ，５ｆをＰＷＭ駆動するためのＰＷＭ信号を生成する。具体的には、駆動制御部３９は、Ｕｐ、Ｕｎを各々３つに複製し、複製した信号をＵ相に対応するインバータモジュール５に出力する。また、駆動制御部３９は、Ｖｐ、Ｖｎを各々３つに複製し、複製した信号をＶ相に対応するインバータモジュール６に出力する。駆動制御部３９は、Ｗｐ、Ｗｎを各々３つに複製し、複製した信号をＷ相に対応するインバータモジュール７に出力する。また、駆動制御部３９は、インバータモジュール５，６，７内の電流アンバランスを抑制する場合には、複製した信号に対して後述するパルス幅の調整を行い、パルス幅の調整後の信号をインバータモジュール５，６，７へ出力する。
スイッチング素子としては、どのような素子を用いてもよいが、ＧａＮ（窒化ガリウム）、ＳｉＣ（シリコンカーバイド：炭化珪素）、ダイヤモンドなどのワイドバンドギャップ半導体を用いることができる。ワイドバンドギャップ半導体を用いることで耐電圧性が高く、許容電流密度も高くなるため、モジュールの小型化が可能となる。ワイドバンドギャップ半導体は、耐熱性も高いため、放熱部の放熱フィンの小型化も可能になる。
ここで、比較例として３相モータを駆動する一般的なインバータについて説明する。一般に、インバータを用いて３相モータを駆動する場合、インバータは、相ごとに、直列に接続された上アームの１つのスイッチング素子と下アームの１つのスイッチング素子とで構成されるスイッチング素子対を備える。したがって、比較例のインバータは、３相分では合計３対すなわち６つのスイッチング素子を備える。一方、スイッチング素子をチップとして実装する場合、チップ面積を大きくすると歩留りが悪化する。チップ面積を小さくすると、ウェハから取り出す際の歩留りを向上させることができる。特に、スイッチング素子としてＳｉＣを用いる場合には、ウェハが高価であることから、低価格化のためにはチップ面積を小さくすることが望ましい。家庭用の空気調和機に使用される場合のように、電流容量が小さくてよい場合には、チップ面積の小さい６つのスイッチング素子で３相を制御するインバータモジュールを用いることで低価格化が実現できる。
しかしながら、チップ面積を小さくすると電流容量が小さくなる。このため、比較例のインバータモジュール、すなわち６つのスイッチング素子で３相モータを駆動するインバータモジュールでは、低価格化と大電流化の両立が難しい。これに対し、本実施の形態では、電流容量の小さいスイッチング素子を並列に用いることにより、低価格化と大電流化の両方を実現できる。また、図１に示すように、比較例で示した６つのスイッチング素子で構成される３相用の１つのインバータモジュールと、本実施の形態の６つのスイッチング素子で構成されるインバータモジュール５，６，７とで基本的な部分を共通化することができる。このため、インバータモジュール５，６，７として、６つのスイッチング素子で構成される３相用の１つのインバータモジュールをそのまま、または簡易な変更により用いることができる。言い換えると、３相用の１つのインバータモジュールと図１に示すインバータモジュール５，６，７とを同一または類似のモジュールとして製造することができる。したがって、大電流容量用のインバータモジュール５，６，７を安価に製造することができる。一例を挙げると、家庭用の空気調和機には６つのスイッチング素子で構成される３相用の１つのモジュールを用い、業務用の空気調和機には、図１に示すように、３つのモジュールを備えるインバータ部１０１を用いることができる。以下、本実施の形態のインバータ部１０１と区別するために、比較例のように相あたり１対のスイッチング素子を用いるインバータを単一対インバータと呼び、３相分のスイッチング素子すなわち３対のスイッチング素子を１つのモジュールとして実装したモジュールを単一インバータモジュールと呼ぶ。
図１に示すように、インバータモジュール５は、３対のスイッチング素子を備える。単一対インバータでは、同一相の上アームのスイッチング素子は１つであり、同一相の下アームのスイッチング素子は１つである。これに対し、本実施の形態では、同一相の上アームのスイッチング素子は３つであり、同一相の下アームのスイッチング素子は３つである。したがって、実装されたスイッチング素子の電流容量をＡｍとすると、３つのスイッチング素子が並列に接続されたインバータモジュールの電流容量は理想的には３×Ａｍとなる。
なお、図１では、制御部９により生成されたＰＷＭ信号に基づいてスイッチング素子５ａ，５ｂ，５ｃ，５ｄ，５ｅ，５ｆをＰＷＭ駆動するための個別のＰＷＭ信号を生成する機能を駆動制御部３９が有する例を示したが、制御部９が個別のＰＷＭ信号を生成する機能を有していてもよい。また、インバータモジュール５，６，７の内部に個別のＰＷＭ信号を生成する機能を有する駆動制御部を設けてもよい。なお、インバータモジュール５，６，７の内部に個別のＰＷＭ信号を生成する機能を有する駆動制御部を設けて電流アンバランスを抑制するパルス幅の調整を行う場合は、電流計測部２１〜３８により計測した電流値を対応するインバータモジュール５，６，７へ入力する、または電流計測部２１〜３８を対応するインバータモジュール５，６，７の内部に備える。インバータモジュール５，６，７の内部に駆動制御部を備えると、基板面積を削減することができる。
本実施の形態では、同一相の同一アームの３つのスイッチング素子が、単一インバータモジュールの１つのスイッチング素子と同様の動作を実施する。すなわち、同一相の同一アームの３つのスイッチング素子は、同一の動作を実施する。したがって、同一相の同一アームの３つのスイッチング素子に流れる電流は、概略同じである。しかしながら、実際には温度等の条件の差により、同一相の同一アームの３つのスイッチング素子が同一の動作を行っていたとしても、３つのスイッチング素子に流れる電流には差異が生じる。すなわち、同一相の同一アームの３つのスイッチング素子に電流アンバランスが生じる。
特に、ＳｉＣにより形成されたスイッチング素子のように、電流が流れて温度が上昇するとオン抵抗が低下しさらに電流が流れやすくなる特性すなわち温度負特性を有するスイッチング素子を使用する場合、電流アンバランスが生じると、電流が多く流れている素子の温度が上昇しさらにより多くの電流が流れることになってしまう。ＳｉＣにより形成されたスイッチング素子以外にも、Ｓｉで形成されたＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）といった温度負特性を有するスイッチング素子を用いる場合も同様である。電流アンバランスが生じた場合でも各スイッチング素子が電流容量を超えないようにするためには、インバータモジュール全体の電流容量を、上述した理想的な３×Ａｍからマージンを減じた値として設定しておく必要がある。しかしながら、インバータモジュールの電流容量を大きくするためには、上記のマージンの値は小さい方が望ましい。このため、本実施の形態では、電流アンバランスを抑制するために、スイッチング素子の電流を計測し、電流に基づいてパルス幅を制御する。なお、温度負特性を有しないスイッチング素子を用いる場合に、本実施の形態のスイッチング素子の電流に基づくパルス幅の制御を行ってもよい。
次に、パルス幅の調整の例として、Ｕ相の下アームのスイッチング素子５ｂ，５ｄ，５ｆのパルス幅の調整について説明する。駆動制御部３９は、スイッチング素子５ｂ，５ｄ，５ｆを流れる電流値すなわち電流計測部２１，２２，２３の検出結果に基づいて、電流値が大きいスイッチング素子のＰＷＭ信号のパルス幅を狭くし電流値が小さいスイッチング素子のＰＷＭ信号のパルス幅を広くする。パルス幅の具体的な調整方法は、電流値が大きいスイッチング素子のＰＷＭ信号のパルス幅を狭くし電流値が小さいスイッチング素子のＰＷＭ信号のパルス幅を広くする方法であればどのような手順で行ってもよいが、以下に２例を挙げる。
一例目は、電流計測部２１，２２，２３の検出結果すなわちスイッチング素子５ｂ，５ｄ，５ｆを流れる電流値のうち、最も大きいものと最も小さいものとのパルス幅を調整する方法である。駆動制御部３９は、電流計測部２１，２２，２３の検出結果のうち最も大きいものと最も小さいものとの電流差ΔＩを求める。なお、電流差ΔＩは電流値の差の絶対値とする。そして、駆動制御部３９は、求めた電流差ΔＩの１／２に相当するパルス幅の増減量ｐαを求める。駆動制御部３９は、パルス幅と電流の関係をあらかじめ保持しておき、この関係を用いて電流差ΔＩの１／２に相当するパルス幅の増減量ｐαを求めてもよいし、ΔＩとパルス幅の増減量をテーブルとして保持しておき、テーブルを参照してパルス幅の増減量を求めてもよい。駆動制御部３９は、制御部９から出力されたＰＷＭ信号Ｕｎを複製して３つのＰＷＭ信号を生成し、３つのＰＷＭ信号のパルス幅をパルス幅の増減量ｐαを用いて増減させる。
図２は、パルス幅を増減した後のスイッチング素子５ｂ，５ｄ，５ｆを駆動するためのＰＷＭ信号の一例を示す図である。パルス幅の増減前のスイッチング素子５ｂ，５ｄ，５ｆを駆動するためのＰＷＭ信号、すなわち制御部９から出力されたＰＷＭ信号のパルス幅をｐ０とする。図２の例では、スイッチング素子５ｂ，５ｄ，５ｆのうち、スイッチング素子５ｂが最も電流値が大きく、スイッチング素子５ｄが次に電流値が大きく、スイッチング素子５ｆが最も電流値が小さかったとする。すなわち、電流計測部２１，２２，２３の検出結果のうち、電流計測部２１の検出結果が最も大きく、電流計測部２２の検出結果が次に大きく、電流計測部２３の検出結果が最も小さかったとする。駆動制御部３９は、電流計測部２１の検出結果と電流計測部２３の検出結果との電流差ΔＩを求める。そして、駆動制御部３９は、電流差ΔＩに対応するパルス幅の増減量ｐαを求め、スイッチング素子５ｆのパルス幅を増減量ｐαだけ広げ、スイッチング素子５ｂのパルス幅を増減量ｐαだけ狭くする。
二例目は、スイッチング素子５ｂ，５ｄ，５ｆの電流のうち、電流値の最も大きいスイッチング素子のＰＷＭ信号のパルス幅を狭くし、残りの２つのスイッチング素子のＰＷＭ信号のパルス幅を広げる方法である。すなわち、３つのスイッチング素子のパルス幅を調整する方法である。まず、一例目と同様に、駆動制御部３９は、電流計測部２１，２２，２３の検出結果のうち最も大きいものと最も小さいものとの電流差ΔＩを求める。そして、駆動制御部３９は、電流差ΔＩに対応するパルス幅の増減量ｐαを求める。駆動制御部３９は、電流値の最も高いスイッチング素子のＰＷＭ信号のパルス幅をｐα分狭くする。そして、駆動制御部３９は、電流値の最も大きいスイッチング素子以外の２つのスイッチング素子については、ＰＷＭ信号のパルス幅を広げる。この際、駆動制御部３９は、２番目に電流値の大きいスイッチング素子のパルス幅を広げる量をｐβ１とし、一番電流値の小さいスイッチング素子のパルス幅を広げる量をｐβ２とすると、ｐα＝ｐβ１＋ｐβ２となるように、ｐβ１およびｐβ２を決定する。ｐβ１とｐβ２の比率は、どのように決定してもよいが、一例として、電流値の最も大きいスイッチング素子との電流値の差の比に基づいて決定することができる。
図３は、３つのスイッチング素子のパルス幅を調整する場合に、パルス幅を増減した後のスイッチング素子５ｂ，５ｄ，５ｆを駆動するためのＰＷＭ信号の一例を示す図である。図３では、図２の例と同様に、スイッチング素子５ｂ，５ｄ，５ｆのうち、スイッチング素子５ｂが最も電流値が大きく、スイッチング素子５ｄが次に電流値が大きく、スイッチング素子５ｆが最も電流値が小さかった例を示している。駆動制御部３９は、電流計測部２１，２２，２３の検出結果のうち最も大きいものと最も小さいものとの電流差ΔＩを求め、電流差ΔＩに対応するパルス幅の増減量ｐαを求める。また、ｐα＝ｐβ１＋ｐβ２となるように、ｐβ１およびｐβ２を決定する。ここでは、ｐβ１とｐβ２の比を電流値の差の比で決定することとすると、スイッチング素子５ｄとスイッチング素子５ｂの電流値の差の絶対値をΔＩ１とし、スイッチング素子５ｆとスイッチング素子５ｄの電流値の差の絶対値をΔＩ２としたとき、以下の式（１）、（２）からｐβ１、ｐβ２を決定することができる。
ｐβ１：ｐβ２＝ΔＩ１：ΔＩ２ すなわちｐβ１＝ｐα×ΔＩ１／ΔＩ …（１）
ｐα＝ｐβ１＋ｐβ２ …（２）
駆動制御部３９は、スイッチング素子５ｂのパルス幅を増減量ｐαだけ狭くし、スイッチング素子５ｄのパルス幅を増減量ｐβ１だけ広げ、スイッチング素子５ｆのパルス幅を増減量ｐβ２だけ広げる。
以上述べたパルス幅の増減方法は例であり、上記の例以外にも、電流値の差ではなくスイッチング素子を流れる電流値自体を用いて、スイッチング素子を流れる電流値が閾値以上となった場合に、該スイッチング素子のパルス幅を一定値分減少させ、他のスイッチング素子のパルス幅を一定値分増加させる方法等を用いてもよい。
駆動制御部３９は、以上述べたパルス幅の調整を、一定時間ごとに実施する。この一定時間は、キャリア周期であってもよいしキャリア周期より長くてもよい。例えば、１分ごとにパルス幅の調整を１０秒間行い、残りの５０秒間はパルス幅の調整をしないすなわち制御部９から出力されたＰＷＭ信号のままとする、というような制御を実施してもよい。また、処理を単純化するために、ΔＩがしきい値未満の場合には調整を行わず、ΔＩがしきい値を超えたときに、最も電流の多いスイッチング素子のパルス幅を固定値分狭め、最も電流の少ないスイッチング素子のパルス幅を固定値分広げるという調整を行ってもよい。
なお、図１の例では、インバータモジュール５外の駆動制御部３９がパルス幅の調整すなわちパルス幅の増減を行うようにしたが、インバータモジュール５の内部でパルス幅の調整を行ってもよい。この場合、インバータモジュール５へ電流計測部２１，２２，２３の検出結果を示す信号を入力する。この場合、電流計測部２１，２２，２３の検出結果自体を入力する替わりに、電流計測部２１，２２，２３の検出結果に基づいて、スイッチング素子５ｂ，５ｄ，５ｆのうち最も電流値の大きいスイッチング素子を示す信号、または最も電流値の大きいスイッチング素子および電流値の差ΔＩを示す信号を外部へ出力してもよい。一例として、最も電流値の大きいスイッチング素子を示す信号の値を、最も電流値の大きいスイッチング素子がスイッチング素子５ｂの時は４．５Ｖとし、最も電流値の大きいスイッチング素子がスイッチング素子５ｄの時は２．５Ｖとし、最も電流値の大きいスイッチング素子がスイッチング素子５ｆの時は０．５Ｖとするような構成としても良い。また、この信号により、さらに電流値の差を示す場合、０．５Ｖと２．５Ｖの間、２．５Ｖと４．５Ｖの間、４．５Ｖ以上を複数段階に分け、０．５Ｖ、２．５Ｖ、４．５Ｖとの電圧差により電流値の差を示すようにしてもよい。
以上、上アームのスイッチング素子５ａ，５ｃ，５ｅのパルス幅の調整方法も、下アームのスイッチング素子５ｂ，５ｄ，５ｆのパルス幅の調整方法と同様である。また、Ｖ相、Ｗ相のパルス幅の調整方法は、Ｕ相のパルス幅の調整方法と同様である。
また、図１の例では駆動制御部３９がＰＷＭ信号の複製とパルス幅の調整を行うようにしたが、制御部９が、ＰＷＭ信号Ｕｐ、Ｖｐ、Ｗｐ、Ｕｎ、Ｖｎ、Ｗｎの各々を３つのＰＷＭ信号に複製し、ＰＷＭ信号のパルス幅を調整してもよい。また、図１の例では駆動制御部３９が３相分のＰＷＭ信号の複製とパルス幅の調整を行うようにしたが、相ごとに駆動制御部を備え、各駆動制御部が、各々対応する相のＰＷＭ信号の複製およびパルス幅の調整を行ってもよい。
また、電流計測部２１〜３８により検出された電流のうち少なくとも１つが許容値を超えた場合に、電動機駆動装置の動作を停止するようにしてもよい。応答速度の速い電流検出に基づいて動作を停止させることができるため、異常時に速やかに停止でき、素子の破壊を防止できる。またこれに伴う発煙および発火を防止できる。また、電流計測部２１〜３８により検出された電流のうち少なくとも１つが許容値を超えた場合に、対応する相のインバータモジュールのみの動作を停止させ、残りの相により運転を継続させてもよい。これにより、機器としての動作を停止せず、ユーザに不便を感じさせることなく、機器の安全性を確保することができる。
以上のように、本実施の形態の電動機駆動装置は、上下アーム各々１つのスイッチング素子で構成される対を、複数並列に接続したインバータモジュールを相ごとに備えるようにした。このため、価格を抑えて大電流化を実現することができる。また、スイッチング素子を流れる電流を計測して電流のアンバランスを抑制するようにした。これにより、インバータモジュールとしての電流容量を決定する際に、電流アンバランスの分を考慮しなくてよく、各スイッチング素子の電流容量を有効に活用することができる。
なお、図１の例では、１相分のインバータモジュールが３対のスイッチング素子で構成される例を示したが、図１の例に限定されず、複数対のスイッチング素子で１相分のインバータモジュールを構成すればよい。一例として、２対の４つのスイッチング素子で構成される１つのインバータモジュールを１相分のインバータモジュールとして用いてもよい。この場合、インバータモジュールを、２相用の４つのスイッチング素子で構成される低電流容量のインバータモジュールと共用することができる。また、図１の構成例では、モータ８が３相モータの例を示したが、３相モータに限定されず、相の数分のインバータモジュールを用いることで図１の例と同様に低価格化と大電流化を実現できる。
また、図１の構成例では、１相あたり１つのインバータモジュールを用いる例を示したが、１相あたり複数のインバータモジュールを備えてもよい。一例として、１相あたり２個のインバータモジュールを並列に接続して用いて、相数×２個のインバータモジュールを用いてもよい。また、図１では、交流電源１からの交流電流を整流器２により整流する構成例を示しているが、図１の構成例に限定されず、インバータモジュール５，６，７へ直流電流が入力されればよく、直流電源からインバータモジュール５，６，７へ直流電流が入力される構成としてもよい。
実施の形態２．
次に、本発明の実施の形態２にかかる電動機駆動装置について説明する。実施の形態１では、スイッチング素子ごとに電流を計測する電流計測部を備える例を説明したが、本実施の形態では、アームごとに電流計測部を備える例について説明する。
図４は、本実施の形態の電流計測部４０の配置例を示す図である。電流計測部４０は、Ｕ相に対応するインバータモジュール５の下アームのスイッチング素子５ｂ，５ｄ，５ｆの接続線の合流点で電流を計測する。図示は省略しているが、インバータモジュール５の上アーム側にも、上アームのスイッチング素子５ａ，５ｃ，５ｅの接続線の合流点で電流を計測する電流計測部を備える。インバータモジュール６，７についても、インバータモジュール５と同様に、下アームのスイッチング素子５ｂ，５ｄ，５ｆの接続線の合流点で電流を計測する電流計測部と、上アームのスイッチング素子５ａ，５ｃ，５ｅの接続線の合流点で電流を計測する電流計測部とを備える。すなわち、各相についてアームごとに電流計測部を備える。
本実施の形態の電動機駆動装置は、実施の形態１の電動機駆動装置の電流計測部２１〜３８の替わりにアームごとの電流計測部を備え、駆動制御部３９の替わりに駆動制御部３９ａを備える以外は、実施の形態１の電動機駆動装置と同様である。
図４に示した電流計測部４０は、スイッチング素子５ｂ，５ｄ，５ｆの全てが、電流の流れる状態すなわちオンとなっている場合には、スイッチング素子５ｂ，５ｄ，５ｆを流れる電流の和を検出することができる。一方、スイッチング素子５ｂ，５ｄ，５ｆの全てが電流の流れる状態では、電流計測部４０は、スイッチング素子５ｂ，５ｄ，５ｆの各々を流れる電流を個別に検出することはできない。
このため、本実施の形態では、モータ８を通常運転させていない期間で、スイッチング素子５ｂ，５ｄ，５ｆの開閉の組み合わせを変更して電流を流すことにより、スイッチング素子５ｂ，５ｄ，５ｆの素子特性すなわちオン抵抗のばらつきを求める。具体的には、駆動制御部３９ａは、スイッチング素子５ｂをオンとしかつスイッチング素子５ｄ，５ｆをオフとするよう制御する。この状態で、駆動制御部３９ａは、電流計測部４０により検出された電流値、すなわちスイッチング素子５ｂに流れる電流値を取得して記憶する。また、駆動制御部３９ａは、同様に、スイッチング素子５ｄをオンとしかつスイッチング素子５ｂ，５ｆをオフとして、スイッチング素子５ｄに流れる電流値を取得して保持し、スイッチング素子５ｆをオンとしかつスイッチング素子５ｂ，５ｄをオフとして、スイッチング素子５ｆに流れる電流値を取得して保持する。駆動制御部３９ａは、これらの電流の検出により、スイッチング素子５ｂ，５ｄ，５ｆのオン抵抗の比率すなわちスイッチング素子５ｂ，５ｄ，５ｆの特性のばらつきを求めることができる。駆動制御部３９ａは、スイッチング素子５ｂ，５ｄ，５ｆのオン抵抗の比率Ｒ5b：Ｒ5d：Ｒ5fを算出して保持する。
同様に、駆動制御部３９ａは、上アームのスイッチング素子５ａ，５ｃ，５ｅについても、スイッチング素子５ａ，５ｃ，５ｅの開閉の組み合わせを変更して電流を流すことにより、スイッチング素子５ａ，５ｃ，５ｅのオン抵抗の比率Ｒ5a：Ｒ5c：Ｒ5eを算出して保持する。インバータモジュール６，７についても、同様に、アームごとにスイッチング素子のオン抵抗の比率を求めることができる。
そして、モータ８を通常運転させる期間では、インバータモジュール５の駆動制御部３９ａは、上アームの電流計測部により検出された電流と、保持しているオン抵抗の比率Ｒ5a：Ｒ5c：Ｒ5eとに基づいて、スイッチング素子５ａ，５ｃ，５ｅの各々に流れる電流すなわち分流を算出する。そして、インバータモジュール５の駆動制御部３９ａは、制御部９から入力されるＰＷＭ信号Ｕｐを３つに複製し、算出したスイッチング素子５ａ，５ｃ，５ｅを流れる電流に基づいて、３つの信号のパルス幅を調整し、パルス幅調整後のＰＷＭ信号を対応するスイッチング素子へ出力する。スイッチング素子５ａ，５ｃ，５ｅの各々に流れる電流に基づくパルス幅の調整方法は、実施の形態１と同様である。
インバータモジュール５の駆動制御部３９ａは、同様に、下アームの電流計測部４０により検出された電流と、保持しているオン抵抗の比率Ｒ5b：Ｒ5d：Ｒ5fとに基づいて、スイッチング素子５ｂ，５ｄ，５ｆの各々に流れる電流すなわち分流を算出する。そして、インバータモジュール５の駆動制御部３９ａは、制御部９から入力されるＰＷＭ信号Ｕｎを３つに複製し、算出したスイッチング素子５ｂ，５ｄ，５ｆを流れる電流に基づいて、３つの信号のパルス幅を調整し、パルス幅調整後のＰＷＭ信号を対応するスイッチング素子へ出力する。スイッチング素子５ｂ，５ｄ，５ｆの各々に流れる電流に基づくパルス幅の調整方法は、実施の形態１と同様である。
インバータモジュール６，７は、インバータモジュール５と同様に、Ｖ相、Ｗ相についてアームごとに、制御部９から入力されるＰＷＭ信号の複製、および電流に応じたパルス幅の調整を実施する。
なお、上記の例では、モータ８を通常運転させていない期間で、スイッチング素子の開閉の組み合わせを変更して電流を流すことにより、オン抵抗の比率を算出したが、これに限らず、あらかじめオン抵抗の比率を測定しておき、オン抵抗の比率をテーブルとして保持してもよい。
また、インバータモジュール内またはインバータモジュール外で各スイッチング素子の温度と等価な温度を計測し、スイッチング素子ごとのオン抵抗の比率を温度の計測結果に基づいて求めてもよい。
また、上記の例では、上アームと下アームの両方を、アームごとに電流計測部を備えるようにしたが、上アームはアームごとに電流計測部を備え、下アームは実施の形態１で述べたようにスイッチング素子ごとに電流計測部を備える、または、下アームはアームごとに電流計測部を備え、上アームは実施の形態１で述べたようにスイッチング素子ごとに電流計測部を備えるというように、実施の形態１と本実施の形態を組み合わせてもよい。
また、実施の形態１で述べたように、駆動制御部３９ａを相ごとの機能に分割して、インバータモジュール内に備えるようにしてもよいし、駆動制御部３９ａを制御部９と一体化させてもよい。
また、本実施の形態ではオン抵抗比率を算出する例を挙げたが、その他電流アンバランスを生じる要因となるスイッチングタイミング差異に応じてパルスを調整してもよい。例えば素子の閾値電圧がばらついている場合、スイッチングタイミングに差異が生じるため、ターンオン時には閾値電圧が低く先にオンする素子に、またターンオフ時には閾値電圧が高く最後にオフする素子に電流が集中する。駆動信号の立ち上りから所定時間経過後の電流値を計測することでスイッチングタイミングの差異を判断でき、これをもとにパルスを調整することでオン抵抗比率を算出する例と同様の効果を得ることができる。
以上のように、本実施の形態では、各インバータモジュールのアームごとに電流計測部を備え、アームごとに計測した電流と、同一アーム内のスイッチング素子間のオン抵抗の比率とに基づいて、スイッチング素子に出力するＰＷＭ信号のパルス幅を調整するようにした。このため、実施の形態１と同様に電流のアンバランスを抑制することができ、実施の形態１に比べ電流計測部の数を低減させることができ、低コストと小型化を実現できる。
実施の形態３．
次に、本発明の実施の形態３にかかる電動機駆動装置について説明する。実施の形態２では、アームごとに電流を計測する電流計測部を備える例を説明したが、本実施の形態では、電動機駆動装置が１つの電流計測部を備える例について説明する。
図５は、本実施の形態の電流計測部４１の配置例を示す図である。電流計測部４１は、負側の直流母線の電流を計測する。図５では、負側の直流母線に電流計測部４１を設けているが、この替わりに正側の直流母線に電流計測部を設けてもよい。
本実施の形態の電動機駆動装置は、実施の形態２の電動機駆動装置のアームごとの電流計測部の替わりに電流計測部４１を備え、駆動制御部３９ａの替わりに駆動制御部３９ｂを備える以外は、実施の形態２の電動機駆動装置と同様である。なお、駆動制御部３９ｂを制御部９と一体化させてもよい。
本実施の形態では、モータ８を通常運転させていない期間で、インバータモジュール５，６，７のスイッチング素子の開閉の組み合わせを変更して電流を流すことにより、インバータモジュール５，６，７ごとに各スイッチング素子の素子特性すなわちオン抵抗のばらつきを求める。具体的には、Ｕ相すなわちインバータモジュール５の上アームのスイッチング素子ごとのオン抵抗のばらつきを計測する場合には、駆動制御部３９ｂが、インバータモジュール６，７のスイッチング素子をオフとし、インバータモジュール５内で下アームのスイッチング素子をオフとするよう制御する。この状態で、インバータモジュール５の上アームのスイッチング素子の開閉の組み合わせを変えることにより、実施の形態２と同様に、インバータモジュール５の上アームのスイッチング素子のオン抵抗の比率を求めることができる。同様にインバータモジュール５の下アームのスイッチング素子のオン抵抗の比率を求めることができる。同様に、インバータモジュール６，７についても上アームおよび下アームのスイッチング素子のオン抵抗の比率を求めることができる。駆動制御部３９ｂは、実施の形態２と同様に、オン抵抗の比率を保持する。
そして、モータ８を通常運転させる期間では、駆動制御部３９ｂは、電流計測部４１により検出された電流と、保持しているオン抵抗の比率とに基づいて、スイッチング素子５ａ，５ｃ，５ｅの各々に流れる電流すなわち分流を算出する。駆動制御部３９ｂは、制御部９から入力されたＰＷＭ信号を複製し、複製したＰＷＭ信号のパルス幅を調整して、調整後のＰＷＭ信号をスイッチング素子に出力する。なお、モータ８の通常運転中は、１つの相の１つのアームのスイッチング素子がオンとなる期間があるため、駆動制御部３９ｂは、相およびアームごとにオンとなる期間の電流を計測することにより、アームごとの電流を計測することができる。したがって、駆動制御部３９ｂは、電流計測部４１により検出されたアームごとの電流に基づいて、実施の形態２と同様にパルス幅を調整することができる。
なお、上記の例では、モータ８を通常運転させていない期間で、スイッチング素子の開閉の組み合わせを変更して電流を流すことにより、オン抵抗の比率を算出したが、これに限らず、あらかじめオン抵抗の比率を測定しておき、オン抵抗の比率をテーブルとして保持してもよい。
以上のように、本実施の形態では、電動機駆動装置に１つの電流計測部を備え、電流計測部により計測した電流と、同一アームのスイッチング素子間のオン抵抗の比率に基づいて、スイッチング素子に出力するＰＷＭ信号のパルス幅を調整するようにした。このため、実施の形態１と同様に電流のアンバランスを抑制することができ、実施の形態１に比べ電流計測部の数を低減させることができ、低コストと小型化を実現できる。
実施の形態４．
次に、本発明の実施の形態４にかかる電動機駆動装置について説明する。本実施の形態の電動機駆動装置は、実施の形態１、２または３で述べたインバータモジュール５，６，７を３つ備える。
本実施の形態では、実施の形態１、２または３で述べたインバータモジュール５，６，７を備える場合のモジュールの配置例および放熱方法について述べる。単一インバータモジュールでは３相分を１つのモジュールできるが、実施の形態１または実施の形態２では、インバータモジュールの数が３個となることから１個のモジュールを用いる場合に比べ放熱フィン数が増加する。
図６は、放熱フィンを有する放熱部６０の配置例を示す図である。図６は、インバータモジュール５，６，７が基板６１に実装された状態を示している。なお、図６は、スルーホールにより実装される例を示しているが、面実装であってもよい。放熱部６０を３個のインバータモジュールに渡って設置する際に、インバータモジュールごとの高さに差があると、放熱部６０との間に隙間ができ、放熱効率が低下する。このため、図６に示すように、高さの差を吸収できるように突起部６２，６３，６４を設けておく。または、インバータモジュール５，６，７と基板６１の間に高さ合わせ用の補助部材を設けることで、３個のインバータモジュールの高さを揃えるようにしてもよい。補助部材を設ける場合、１モジュールあたり１個でも良いが、補助部材３個を数珠状に繋がるように構成しても何ら問題は無い。ただし、基板６１に実装されるほかの部品に干渉しないように、放熱フィンの高さより少し低い高さでインバータモジュール５，６，７と放熱部６０が接続する方が望ましい。なお、高さあわせの方法は、上記の例に限定されず、押圧部を設けて高さを揃える方法としてもよい。
また、図６に示すように、放熱フィンの長手方向が、インバータモジュールの並ぶ方向に対して直交し、かつ空気、水等の冷却媒体の流路の方向がインバータモジュールの並ぶ方向に対して直交するように配置されることが望ましい。これにより、温度ムラが低減され、パルス幅を増減させる量を低減させることができ、インバータモジュールに流すことができる電流量をさらに限界近くまで実現することができる。また、インバータモジュール間の温度差を低減することができる。また、空気、水等の冷却媒体の流路の方向がインバータモジュールの並ぶ方向と平行になる場合には、放熱フィンのピッチを、流路の上手側で広くし流路の下手側で狭くすることで、温度ムラを低減するようにしてもよい。
また、実施の形態１、２または３で述べたように、相ごとに１つのインバータモジュールを用いると、並列構成はモジュール内部で実施することができ、並列化しても配線のインダクタンスが大きくならず、ノイズを抑制することができ、電圧サージを抑制することができる。
なお、図６では、基板６１上において、インバータモジュール５，６，７の端子が並ぶ方向と直交する方向に、インバータモジュール５，６，７を並べる例を示したが、インバータモジュール５，６，７の向きを図６の例と９０度回転させて、３つのインバータモジュール５，６，７の端子が一列に並ぶように実装しても良い。
実施の形態５．
図７は、本発明の実施の形態５の空気調和機の構成例を示す図である。本実施の形態の空気調和機は、実施の形態１、２または３で述べた電動機駆動装置を備える。図７では、実施の形態１の電動機駆動装置１００を備える例を示しているが、実施の形態１の電動機駆動装置１００の替わりに実施の形態２、３または４の電動機駆動装置を備えてもよい。本実施の形態の空気調和機は、実施の形態１のモータ８を内蔵した圧縮機８１、四方弁８２、室外熱交換器８３、膨張弁８４、室内熱交換器８５が冷媒配管８６を介して取り付けられた冷凍サイクルを有して、セパレート形空気調和機を構成している。
圧縮機８１内部には冷媒を圧縮する圧縮機構８７とこれを動作させるモータ８が設けられ、圧縮機８１から室外熱交換器８３と室内熱交換器８５間を冷媒が循環することで冷暖房などを行う冷凍サイクルが構成されている。なお、図７に示した構成は、空気調和機だけでなく、冷蔵庫、冷凍庫等の冷凍サイクルを備える機器に適用可能である。
本実施の形態の空気調和機では、実施の形態１〜４で述べた電動機駆動装置を備えているため、低価格で大電流化を実現することができる。
また、各相についてスイッチング素子を複数対有しているため、スイッチング素子が故障しても他のスイッチング素子を用いて運転の継続が可能である。スイッチング素子が故障している場合には、通常より低い能力で運転を継続してユーザへアラームを出す等の動作が可能となる。
以上の実施の形態に示した構成は、本発明の内容の一例を示すものであり、別の公知の技術と組み合わせることも可能であるし、本発明の要旨を逸脱しない範囲で、構成の一部を省略、変更することも可能である。
１ 交流電源、２ 整流器、３ リアクトル、４ コンデンサ、５，６，７ インバータモジュール、５ａ，５ｂ，５ｃ，５ｄ，５ｅ，５ｆ スイッチング素子、８ モータ、９ 制御部、１０ａ，１０ｂ 電流計測部、１１ 電圧検出部、２１〜３８ 電流計測部、３９，３９ａ，３９ｂ 駆動制御部、６０ 放熱部、６１ 基板、６２〜６４ 突起部、８１ 圧縮機、８２ 四方弁、８３ 室外熱交換器、８４ 膨張弁、８５ 室内熱交換器、８６ 冷媒配管、８７ 圧縮機構、１００ 電動機駆動装置、１０１ インバータ部。

Claims (12)

  1. 電動機を駆動する電動機駆動装置であって、
    電動機の相数と同数のインバータモジュールと、
    前記インバータモジュールをＰＷＭ駆動するためのＰＷＭ信号を生成する制御部と、
    前記インバータモジュールごとに、前記制御部により生成されたＰＷＭ信号に基づいて、前記インバータモジュールのスイッチング素子対分の個別ＰＷＭ信号を生成し、前記インバータモジュールに流れる電流を用いて前記個別ＰＷＭ信号のパルス幅を調整する駆動制御部と、
    を備え、
    前記インバータモジュールは、２つのスイッチング素子が直列に接続されたスイッチング素子対を複数備え、複数の前記スイッチング素子対は並列に接続される電動機駆動装置。
  2. 前記スイッチング素子を流れる電流を前記インバータモジュールに流れる電流として計測する電流計測部、
    を備える請求項１に記載の電動機駆動装置。
  3. 前記電流計測部をスイッチング素子ごとに備える請求項２に記載の電動機駆動装置。
  4. 前記電流計測部をアームごとに備える請求項２に記載の電動機駆動装置。
  5. １つの前記電流計測部を備える請求項２に記載の電動機駆動装置。
  6. 前記駆動制御部は、前記電動機が運転されていない状態で、スイッチング素子ごとに電流を計測することにより、スイッチング素子ごとの特性を取得し、前記電動機の運転中は、電流計測部が計測した電流および前記特性を用いて前記個別ＰＷＭ信号のパルス幅を調整する請求項４または５に記載の電動機駆動装置。
  7. 放熱フィンを有する放熱部を備え、
    前記放熱部は、前記電動機の相数と同数の前記インバータモジュールと接続するための突起部を有する請求項１から６のいずれか１つに記載の電動機駆動装置。
  8. 放熱フィンを有する放熱部と、
    前記放熱部と、前記電動機の相数と同数の前記インバータモジュールとを同一の高さで接続するための補助部材と、
    を備える請求項１から６のいずれか１つに記載の電動機駆動装置。
  9. 前記放熱フィンにより放熱を行うための冷却媒体の流路は、前記インバータモジュールが並ぶ方向と直交する請求項７または８に記載の電動機駆動装置。
  10. 前記スイッチング素子は、ワイドバンドギャップ半導体によって形成されている請求項１から９のいずれか１つに記載の電動機駆動装置。
  11. 前記ワイドバンドギャップ半導体は、炭化珪素である請求項１０に記載の電動機駆動装置。
  12. 請求項１から１１のいずれか１つに記載の電動機駆動装置と、
    前記電動機駆動装置により駆動される電動機を有する圧縮機と、
    を備える空気調和機。
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