JPH0828981B2 - 空気調和機 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ この発明は空気調和機に関し、特にインバータ制御に
よる能力可変型の空気調和機の制御回路に関する。

［従来の技術］ 第４図は能力可変型の空気調和機の制御回路系の構成
を示す図である。第４図において、能力可変型の空気調
和機の制御回路系は、交流電源１からの入力を受けて整
流，平滑して出力するコンバータ２と、コンバータ２か
らの直流電圧を受けて３相交流に変換して電動圧縮機４
へ出力するインバータ３と、インバータ３の出力周波数
および出力電圧を制御する制御装置５とから構成され
る。コンバータ２は、交流電源１出力を受けて整流して
直流に変換する整流器21と、整流器21に含まれる交流成
分を除去する平滑用コンデンサ22とから構成される。

インバータ３は、コンバータ２からの直列出力を３相
交流に変換するために、６個のトランジスタ（図ではnp
nバイポーラトランジスタ）を通常含む。第１相出力
は、ベースドライブ信号Buに応答してオンオフ動作をす
るトランジスタQ1と、トランジスタQ1に直列に接続さ
れ、ベースドライブ信号Bxに応答してオンオフ動作する
トランジスタQ4とにより与えられる。第２相出力は、ベ
ースドライブ信号Bvに応答してオンオフ動作するトラン
ジスタQ2と、トランジスタQ2に直列に接続されベースド
ライブ信号Byに応答してオンオフ動作するトランジスタ
Q5とにより与えられる。第３相出力は、ベースドライブ
信号Bwに応答してオンオフ動作するトランジスタQ3と、
トランジスタQ3に直列に接続され、ベースドライブ信号
Bzに応答してオンオフ動作するトランジスタQ6とにより
与えられる。

制御装置５は、たとえば空気調和機が設置されている
室内温度などに応答して予め定められたルーチンに従っ
て制御信号（ベースドライブ信号）をインバータ３へ与
え、これによりインバータ３の出力周波数および出力電
圧を調整している。

インバータ３において、同相のトランジスタ（たとえ
ばトランジスタQ1およびQ4）の一方のみをオン状態とす
ることによりコンバータ２からの直流出力を３相交流出
力に変換するようにされている。

第５図はトランジスタのベース電流とコレクタ電流と
の関係を示す図であり、トランジスタの一般的なスイッ
チング特性を示す図である。通常第５図に示されるよう
にバイポーラトランジスタにおいては、第５図に示され
るように、ベース電流I_Bとコレクタ電流I_Cとの間には、
時間的な遅れが生じる。すなわち、ベース電流I_Bが立ち
下がってもコレクタ電流I_Cはすぐに立ち下がらず、トラ
ンジスタにおける蓄積電荷による蓄積時間Tstgと、下降
時間Tfとによるスイッチング動作の遅れが生じる。した
がって、トランジスタをオフ状態にするためにベース電
流I_Bを立ち下げても、コレクタ電流I_Cはしばらく流れる
ため、この間トランジスタはオン状態を保つ。したがっ
て、通常第４図に示されるインバータ３においては、同
相上下のトランジスタQ1およびQ4、Q2およびQ5、Q3およ
びQ6が同時に導通状態となってトランジスタが破壊しな
いように各相において同相のトランジスタが同時にオフ
状態となる休止時間と呼ばれる遅延時間が設けられてい
る。

第６図は同相のトランジスタにおける動作を示すタイ
ミング図である。すなわち、第６図の動作波形図から見
られるように、ベースドライブ信号Bxが立ち下がった
後、ベースドライブ信号Buは休止時間経過後に立ち上が
り、同様にしてベースドライブ信号Buが立ち下がった後
休止時間が経過した後にベースドライブ信号Bxが立ち上
がるようにされている。すなわち同相上下のトランジス
タにおいて、一方のトランジスタが確実にオフ状態に移
行してから他方のトランジスタが導通状態となるように
ベースドライブ信号が与えられるようにされている。こ
の休止時間の設定は一般に第７図に示されるようなハー
ドウェアにより設定する方法と、第８図に示されるよう
なソフトウェアで設定する方法との２通りの方法が行な
われている。

第７図はベースドライブ信号の発生タイミングをハー
ドウェアで設定する構成を示す図である。第７図におい
て、マイクロコンピュータからなる制御部50は、電動圧
縮機４の動作周波数等に応じた制御信号を発生する。こ
の制御信号は抵抗ＲおよびコンデンサＣからなる遅延回
路によりその立ち上がりが緩かにされバッファ回路51へ
与えられる。バッファ回路51は与えられた信号を波形整
形して方形波に変換してベースドライブ信号を出力す
る。この構成においては、同相のトランジスタに対して
設けられる休止時間は抵抗ＲおよびコンデンサＣによる
遅延時間により設定される。

第８図はトランジスタ動作に対する休止時間をソフト
ウェアで制御する場合の動作ステップを示す図である。
第８図において、まず電動圧縮機４の動作周波数等に応
じたルーチンが選択され（S1）、この選択された出力ル
ーチンに応じたベースドライブ信号が制御装置５より出
力される（S2）。次に次回のベースドライブ信号の出力
パターンとそのときのベースドライブ信号出力パターン
とのAND（またはOR）がとられ、その論理結果が出力さ
れる（S3）。これは、次回の出力パターンに応じて動作
が変化するトランジスタを一旦中間状態（状態が変化す
る同相のトランジスタにおいて両方ともオフ状態にす
る）にするために行なわれる。次に、予め定められた待
ち時間の間信号出力が停止され（S4）、この予め定めら
れた待ち時間が経過後に次回のベースドライブ信号出力
パターンが出力される（S5）。次回の出力パターンを出
力したのち、ステップS1へ戻るリターン動作が行なわれ
る（S6）。

以上のようにして３相交流出力時において同相のトラ
ンジスタが同時にオン状態となってトランジスタが破壊
することを防止するために、ソフトウェア制御により予
め定められた休止時間が設けられる構成となっている。
ここで、ソフトウェア制御における休止時間は第８図に
おいてステップS3とステップS4からなる時間が休止時間
に対応する。

［発明が解決しようとする問題点］ 休止時間の期間においては、同相のトランジスタが共
にオフ状態にあるため、電動圧縮機４に流れる電流に脈
流成分が含まれ、電動圧縮機４にトルク変動が生じる。
したがって、休止時間をできる限り小さくすることが、
電動圧縮機の電気的特性に対して良好な結果をもたらす
ことになる。しかし、従来のインバータ制御回路におい
ては、動作条件等によりトランジスタのスイッチング特
性が変化し、休止時間を小さくすることが可能な場合が
存在するにもかかわらず、一義的に休止時間の期間が決
定されていたため、電動圧縮機への配慮があまりなされ
ていないという問題点があった。

それゆえ、この発明の目的は上述の問題点を除去し、
休止時間の期間を必要最小限に抑制し、それにより休止
時間による電動圧縮機の悪影響をできる限り小さくする
ことのできる空気調和機を提供することである。

［問題点を解決するための手段］ この発明における空気調和機は、電動圧縮機の動作周
波数またはインバータに含まれるトランジスタの動作温
度に応じて休止時間を調整するようにしたものである。

［作用］ 通常、トランジスタの遅延時間（蓄積時間と下降時間
との和）は温度により変化し、温度が上昇すると遅延時
間が長くなり、温度が下降するとその遅延時間も短くな
る。

また、トランジスタの動作温度は、トランジスタのス
イッチング損失に関係しており、そのスイッチング損失
が大きいと素子温度は上昇する。このスイッチング損失
はスイッチング時の過渡時に発生する損失とオン状態時
における飽和電圧V_CE（sat）による損失とが存在する。
前者はトランジスタのスイッチング回数に比例し、後者
はコレクタ電流に比例する。一方、スイッチング回数は
電動圧縮機の動作周波数に応じて一義的に決定され、か
つコレクタ電流は周波数が高くなると大きくなることに
より、電動圧縮機の動作周波数とトランジスタのスイッ
チング損失の関係には比例関係があり、かつトランジス
タのスイッチング損失と素子温度（トランジスタの動作
温度）とは比例関係にある。これによりトランジスタの
スイッチング損失と素子温度との間に比例関係が存在す
ることになり、各動作周波数から素子温度の上昇を推定
することが可能となる。

したがって、インバータの制御において設けられる休
止時間を、動作周波数または素子温度に応じて調整する
ことにより、休止時間を必要最小限の時間に設定するこ
とが可能となる。

［発明の実施例］ まずこの発明の実施例について説明する前に、この発
明を支える理論的背景について説明する。通常、バイポ
ーラトランジスタのスイッチング特性における蓄積時間
Tstgと下降時間Tfは温度により変化し、温度が上昇する
と蓄積時間Tstg,下降時間Tfともに長くなり、一方温度
が低下すると共に短くなる。したがって素子の温度に応
じて休止時間の長さを変える必要がある。一方におい
て、トランジスタの動作温度は、そのスイッチング損失
に関係しており、スイッチング損失が大きいとトランジ
スタの動作温度は上昇する。一般に、トランジスタのス
イッチング損失は大きく分けて、スイッチオン動作の
過渡時に発生する損失、オン状態の飽和電圧V_CE（sa
t）による損失、スイッチオフ動作の過渡時に発生す
る損失の３種類がある。このうち、およびのスイッ
チング動作の過渡時に発生する損失はトランジスタのス
イッチング回数に比例し、一方の飽和電圧による損失
はコレクタ電流Icに比例する。

第2A図は、電動圧縮機の動作周波数とインバータに含
まれるトランジスタのスイッチング回数との関係を示す
図である。第2A図に示されるように、トランジスタのス
イッチング回数は電動圧縮機の動作周波数に対して一義
的に決定されるものであり、一方トランジスタを流れる
コレクタ電流Icはその周波数が高くなると大きくなるこ
とにより、電動圧縮機の動作周波数とトランジスタのス
イッチング損失の関係が求められる。ここで、第2A図に
おいて動作周波数が増大するにつれてスイッチング回数
が低減しているが、動作周波数が増大するにつれて、ト
ランジスタに与えられるベースドライブ信号のパルス間
隔が短くなり、複数個のベースドライブ信号に対して１
回トランジスタがスイッチング動作するようになること
に対応する。

第2B図はトランジスタのスイッチング損失と電動圧縮
機の動作周波数との関係を示す図である。第2A図から求
められるスイッチング回数と動作周波数との関係を介し
て動作周波数とトランジスタにおけるスイッチング損失
との関係を求めることができ、その関係は第2B図に示さ
れるようになる。一方において、トランジスタのスイッ
チング損失とトランジスタの動作温度とは比例関係にあ
ることにより、この第2B図におけるスイッチング損失
（縦軸）はトランジスタの動作温度と考えても差支えが
ない。したがって、各動作周波数データ（電動圧縮機に
対する）からトランジスタの温度上昇を推定することが
可能となる。本発明は上述の理論に基づいて行なわれる
ものであり、以下に本発明の一実施例について説明す
る。

まず、第2B図に示される関係から、電動圧縮機の各周
波数データに対して対応するトランジスタの動作温度を
推定する。このトランジスタの推定温度から、それに対
する蓄積時間Tstgおよび下降時間Tfの温度による変化を
求め、これに基づいてインバータ３に含まれるトランジ
スタの休止時間の期間を予め決定しておき、これを記憶
させておく。

第１図はこの発明の一実施例である空気調和機の制御
回路の動作を示すフロー図である。以下、第１図を参照
してこの発明の一実施例である空気調和機の制御動作に
ついて説明する。

まず、空気調和機が設置されている室内温度などに応
答して電動圧縮機４へ与えられる動作周波数に対応する
ベースドライブ信号を発生するためのルーチンが選択さ
れる（S10）。このとき、既にベースドライブ出力ルー
チン内には、電動圧縮機４の動作周波数に対応した待ち
時間が設定されている。次に選択されたベースドライブ
出力ルーチンに従って、制御装置５からベースドライブ
信号がインバータ３のトランジスタQ1〜Q6のそれぞれの
ベースへ与えられる。トランジスタQ1〜Q6は与えられた
ベースドライブ信号に応答してオンまたはオフ状態とな
り、インバータ３からそれに応じた３相交流出力が電動
圧縮機４へ与えられる。ベースドライブ信号が出力され
た後予め定められた期間（このパルス期間も出力ルーチ
ン内に設定されている）経過後、次回に出力されるべき
ベースドライブ信号のパターンと現在出力されているベ
ースドライブ信号パターンとのAND（またはOR）がとら
れ、その論理結果が出力され、これによりインバータ３
に含まれるトランジスタQ1〜Q6は、現在の状態から次回
の状態に移行する前の中間状態に移行する。これによ
り、同相のトランジスタが同時にオン状態となることが
防止され、トランジスタの破壊が防止される（S12）。A
ND（またはOR）出力が出力された後、そのときのベース
ドライブ信号を含む出力ルーチン内で既に設定されてい
る待ち時間が出力され、ベースドライブ信号の発生が停
止される（S13）。この待ち時間が経過した後、次のベ
ースドライブ信号出力パターンがインバータ３へ与えら
れる（S14）。この後ステップ15を介してステップ10へ
戻り上述の動作を繰返す。ここで、ステップS12におい
て、次回のベースドライブ信号出力パターンとのAND
（またはOR）がとられるのは、インバータ３に含まれる
トランジスタの極性に応じて変化するものであり、その
いずれか一方の論理結果のみが出力される。以上のよう
に、ソフトウェアでインバータ３に含まれるトランジス
タの休止時間を設ける方法において、休止時間に含まれ
る待ち時間を各電動圧縮機の各動作周波数に対応して決
定して、電動圧縮機の各動作周波数ごとに選択されるベ
ースドライブ出力ルーチンのそれぞれに対応して設定し
ておくことにより、電動圧縮機の動作周波数が変化して
もそれに応じた休止時間を設定することが可能となる。

なお、上記実施例においては、休止時間の設定を、電
動圧縮機の動作周波数データに対応して予め待ち時間を
決定して記憶させ、この記憶された待ち時間を用いて休
止時間がソフトウェアを用いて決定されるようにしてい
る。しかし、この休止時間に含まれる待ち時間は、イン
バータに含まれるトランジスタの動作温度と密接に関係
があるものであり、直接にトランジスタの温度を測定
し、この測定温度に応じて待ち時間を変化させるように
してもよい。

すなわち、上述のように、トランジスタのスイッチン
グ動作の遅れ、すなわち遅延時間Tstgおよび下降時間Tf
は温度とともに変化し、この関係は容易に求めることが
可能である。したがって、このトランジスタの蓄積時間
および下降時間の変化に応じて待ち時間を設定すること
により、素子温度に対応した待ち時間を設定することが
可能となる。すなわち、この実施例においては、休止時
間がソフトウェアを用いて設けられる方法の利点、すな
わち休止時間の長さをプログラムにより設定できるとい
う点を利用して、トランジスタの動作温度に応じた休止
時間の長さを設定しようとするものである。

第３図はこの発明の他の実施例である制御回路の動作
を示すフロー図である。以下、第３図を参照してこの発
明の他の実施例である制御動作について説明する。

まず、素子温度（トランジスタの動作温度）とそれに
対応する休止時間に含まれる待ち時間とを予め求めて制
御装置５に記憶しておく。ここで、トランジスタの動作
温度を正確に測定する必要があるが、通常インバータ３
を構成する６個のトランジスタは１個のパッケージにモ
ジュール化されているため、このパッケージ内に温度セ
ンサを組込むか、またはパッケージ近傍に温度センサを
装着することにより素子温度を正確に検知することが可
能である。空気調和機が設置されている室内温度等の条
件に応じて、電動圧縮機４の必要とされる動作周波数に
応じたベースドライブ出力ルーチンが選択される（S2
0）。次に、たとえば温度センサである温度検出器によ
り素子温度を測定し、前回にベースドライブ信号を出力
したときよりトランジスタの温度が上昇したか否かが判
別される（S21）。このときのトランジスタの温度が上
昇すれば、それに対応する待ち時間が選択され、待ち時
間が長くされる（S22）。もしトランジスタの温度が上
昇していない場合には、前回のベースドライブ信号出力
時よりトランジスタ温度が低下したか否かが判別される
（S23）。もし前回よりも素子温度が低下している場合
には、その低下温度に対応する待ち時間が選択され、待
ち時間が短縮される（S24）。ここでトランジスタの温
度が前回のベースドライブ信号出力時と同一であれば、
待ち時間は何ら変化されず前回と同様の待ち時間が選択
される。待ち時間の設定が終了すると、選択されたベー
スドライブ出力ルーチンに応じてベースドライブ信号が
インバータ３へ出力される（S25）。ベースドライブ信
号が出力されて所定の時間（ベースドライブ信号のパル
ス幅期間）が経過すると、次に次回に出力されるべきベ
ースドライブ信号パターンと現在のベースドライブ信号
パターンとのAND（またはOR）がとられ、その論理結果
が所定の時間期間出力される（S26）。この論理結果の
出力が終了すると、選択された待ち時間が出力され、ド
ライブ信号の出力が停止される（S27）。この待ち時間
が経過すると次回のベースドライブ信号の出力パターン
がインバータ３へ与えられる（S28）。次回のベースド
ライブ信号出力終了後ステップS29へ移ってリターン動
作が行なわれステップ20へ移行し同様の動作が行なわれ
る。上述のように、トランジスタの動作温度を検出し、
それに応じて待ち時間も調整することにより、トランジ
スタの遅延時間（蓄積時間と下降時間との和）の変化に
対応して必要最小限の休止時間を設定することが可能と
なる。

［発明の効果］ 以上のように、この発明によれば、インバータに含ま
れるトランジスタの休止時間をトランジスタの動作温度
や電動圧縮機に与えられる動作周波数に応答してソフト
ウェアを用いて調整するように構成しているので、イン
バータに含まれるトランジスタの遅延時間（蓄積時間と
下降時間との和）に応じて必要最小限の休止時間を設定
することが可能となり、同相のトランジスタが同時にオ
フ状態になる期間をできるだけ小さくすることが可能と
なり、電動圧縮機のトルク変動や線電流に脈流が発生す
るという電動圧縮機への悪影響を小さくすることが可能
となる。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の一実施例である空気調和機の制御動
作を示すフロー図である。第２図は電動圧縮機の動作周
波数とトランジスタの動作温度およびスイッチング回数
との関係を示す図であり、第2A図は電動圧縮機の周波数
とインバータに含まれるトランジスタのスイッチング回
数との関係を示し、第2B図は電動圧縮機の動作周波数と
トランジスタにおけるスイッチング損失を介しての素子
温度との関係を示す図である。第３図はこの発明の他の
実施例である空気調和機における制御動作を示すフロー
図である。第４図は従来およびこの発明が適用される空
気調和機の制御回路の概略構成を示す図である。第５図
はインバータに用いられるトランジスタのベース電流と
コレクタ電流との関係を示す図であり、トランジスタの
オン・オフ動作特性を示す図である。第６図はインバー
タに含まれるトランジスタの動作を示すタイミングチャ
ート図である。第７図はインバータに含まれるトランジ
スタに対して与えられる休止時間をハードウェアを用い
て設定する場合の構成を示す図である。第８図はインバ
ータに含まれるトランジスタに対して休止時間をソフト
ウェアを用いて設定する際の制御回路の動作を示すフロ
ー図である。 図において、１は交流電源、２はコンバータ、３はイン
バータ、４は電動圧縮機、５は制御装置、Q1〜Q6はトラ
ンジスタである。 なお、図中、同一符号は同一または相当部分を示す。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】交流電源からの交流出力を受けて直流電力
   に交換して出力するコンバータと、前記コンバータから
   の直流電力を受けて３相交流電圧に交換して電動圧縮機
   に出力するインバータと、前記インバータの３相出力の
   各相に対して設けられる直列接続されたトランジスタの
   動作を制御して前記インバータの出力周波数および出力
   電圧を制御する制御装置とを有する空気調和機であっ
   て、前記３相出力の各相において、同相に設けられてい
   るトランジスタが同時に導通状態とならないようにトラ
   ンジスタの動作に対して休止時間が設けられているもの
   において、 前記休止時間を前記電動圧縮機の動作周波数に応じて変
   化させるようにしたことを特徴する空気調和機。
2. 【請求項２】前記休止時間の調整手段は、 前記電動圧縮機の動作周波数に応じた休止時間を予め記
   憶する手段と、 前記電動圧縮機のそのときの動作周波数に応じて前記記
   憶手段から対応する休止時間を読出す手段とを備える、
   特許請求の範囲第１項記載の空気調和機。