WO2015137143A1 - 電動圧縮機 - Google Patents

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WO2015137143A1
WO2015137143A1 PCT/JP2015/055722 JP2015055722W WO2015137143A1 WO 2015137143 A1 WO2015137143 A1 WO 2015137143A1 JP 2015055722 W JP2015055722 W JP 2015055722W WO 2015137143 A1 WO2015137143 A1 WO 2015137143A1
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inverter
boost converter
power
electric compressor
voltage
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PCT/JP2015/055722
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中野　浩児
中村　秀男
洋行 上谷
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三菱重工オートモーティブサーマルシステムズ株式会社
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Priority to CN201580005851.8A priority patent/CN106134062B/zh
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    • Y02T10/88—Optimized components or subsystems, e.g. lighting, actively controlled glasses

Definitions

  • the present invention relates to an electric compressor.
  • Electric vehicles (EV), hybrid vehicles (HEV), plug-in hybrid vehicles (PHEV), fuel cell vehicles (FCEV), and other vehicles are generally equipped with electric compressors for vehicles.
  • EV Electric vehicles
  • HEV hybrid vehicles
  • PHEV plug-in hybrid vehicles
  • FCEV fuel cell vehicles
  • other vehicles are generally equipped with electric compressors for vehicles.
  • Patent Document 1 includes a power converter (inverter) that converts a DC voltage applied from the outside into three-phase AC power, a motor that rotates the compressor with the three-phase AC power, and a compressor that compresses the refrigerant.
  • An electric compressor is disclosed.
  • the DC voltage as described in Patent Document 1 is supplied from a high voltage battery mounted on the vehicle or a DCDC converter connected to the high voltage battery.
  • the range of the DC voltage varies depending on the vehicle type, but the above-mentioned EV vehicle or the like has many high voltage 300V systems (150V to 450V) in general.
  • the current capacity of the 300V DC voltage is generally about 30 A at most. For this reason, the member to be energized does not increase from the relationship between current and temperature, and the electric compressor can be designed relatively compactly.
  • Patent Document 2 discloses an automotive electric compressor that includes a boost converter that boosts a DC voltage from a low-voltage DC power supply to a high voltage, and converts the boosted DC voltage into AC. Yes.
  • the design that newly installs the boost converter in the engine room of the automobile is a noise countermeasure of the boost converter, a new setting of the installation location of the boost converter, and a low voltage 12V system And two kinds of cables of 300V system, which is a high voltage.
  • the installation of the boost converter may increase the size of the device.
  • the present invention has been made in view of such circumstances, and it is an object of the present invention to provide an electric compressor capable of suppressing the enlargement of the apparatus even when a boost converter that boosts a low voltage from a DC power supply is installed. Objective.
  • the electric compressor of the present invention employs the following means.
  • An electric compressor includes a boost converter that boosts a voltage output from a DC power supply, an inverter that converts electric power boosted by the boost converter into AC power, and an output from the inverter.
  • a motor that rotates the compressor with AC power, and the step-up converter and the inverter are provided on the same substrate, and are cooled by the refrigerant that is accommodated in the same housing and flows into the compressor.
  • the voltage output from the DC power source is boosted by the boost converter, and the boosted power is converted into AC power by the inverter.
  • a motor rotates a compressor with the alternating current power output from an inverter.
  • a high-voltage (for example, 300V) DC power source is required for driving a motor via an inverter
  • a low-voltage (for example, 12V) DC power source is required for controlling the inverter.
  • the boost converter by providing the boost converter, a low voltage from the DC power supply can be boosted to a high voltage, so that one power supply system can be provided.
  • the boost converter and the inverter on the same board, it is possible to reduce the number of accessory parts such as connectors and communication parts as compared with the case where the boost converter and the inverter are different boards. Thereby, the enlargement of the apparatus structure by providing a boost converter can be suppressed.
  • the boost converter and the inverter are cooled by the refrigerant that is accommodated in the same casing and flows into the compressor. Thereby, it is not necessary to newly provide a fin or the like for cooling the boost converter. Moreover, by accommodating in the same housing
  • this configuration can suppress an increase in the size of the device even if a boost converter that boosts a low voltage from a DC power supply is installed.
  • the inverter is arranged upstream of the refrigerant flow of the compressor with respect to the boost converter.
  • the cooling effect can be further enhanced by disposing the inverter that generates a larger amount of heat than the boost converter on the upstream side of the refrigerant flow.
  • a semiconductor element formed of a wide gap semiconductor is used for the boost converter and the inverter.
  • This configuration makes it possible to increase the efficiency of the electric compressor, reduce the size of the apparatus, and the like.
  • each control signal for the boost converter and the inverter is generated by the same microcomputer.
  • the boost converter and the inverter are preferably subjected to PWM control, and the PWM frequency of the boost converter is preferably higher than the PWM frequency of the inverter.
  • the boost converter can respond to the power fluctuation request from the inverter by setting the PWM frequency of the boost converter higher than the inverter on the motor side that is the load. Can be made higher.
  • the power supply device 12 supplies power for driving the motor 14 that rotates the compressor by three-phase alternating current.
  • the electric compressor 10 is used for an air conditioner of a vehicle as an example.
  • the vehicle is an engine vehicle including a DC power supply 16 that outputs a low voltage of, for example, 12V (12V to 50V).
  • the DC power supply 16 not only supplies power to the power supply device 12 but also supplies power to various devices of the vehicle.
  • the motor 14 is, for example, a permanent magnet type synchronous motor.
  • the power supply device 12 converts the DC voltage V1 output from the DC power supply 16 to a boost converter 18 that is a DC / DC converter, and converts the DC voltage V2 boosted by the boost converter 18 into AC power and supplies it to the motor 14.
  • a microcomputer hereinafter referred to as “microcomputer” which is a control device for controlling the boost converter 18 and the inverter 20.
  • the microcomputer 22 performs PWM control on the boost converter 18 and the inverter 20.
  • Step-up converter 18 has one end connected to DC power supply 16 and the other end connected to inverter 20 to boost a 12V system voltage to a high voltage of 300V system ((150V to 450V) as an example, and output to inverter 20. .
  • Boost converter 18 includes inductor L1, diode D1, and power transistor U7.
  • Inductor L ⁇ b> 1 is connected to the positive electrode side of DC power supply 16.
  • the power transistor U7 is a switching element that has one end connected to the connection point between the inductor L1 and the diode D1, the other end connected to the negative side of the DC power supply 16 and the inverter 20, and intermittently shorts the output end of the inductor L1. is there.
  • a smoothing capacitor C1 is provided on the inverter 20 side of the boost converter 18, and a smoothing capacitor C2 is provided on the DC power supply 16 side of the boost converter 18.
  • the inverter 20 converts the DC power output from the boost converter 18 into three-phase AC power and supplies it to the motor 14.
  • the inverter 20 includes power transistors U1 to U6 that are switching elements.
  • the power transistors U1 and U2 are connected in series, and the emitter of the power transistor U1 and the collector of the power transistor U2 are connected to the motor 14, and a motor current Iu flows through the motor 14.
  • the power transistors U3 and U4 are connected in series, and the emitter of the power transistor U3 and the collector of the power transistor U4 are connected to the motor 14, and a motor current Iv flows through the motor 14.
  • the power transistors U5 and U6 are connected in series, and the emitter of the power transistor U5 and the collector of the power transistor U6 are connected to the motor 14, and a motor current Iw flows through the motor 14.
  • the power transistors U1 to U7 and the diode D1 which are semiconductor elements, are formed of a wide gap semiconductor.
  • the wide gap semiconductor is, for example, SiC (silicon carbide), GaN (gallium nitride), or the like.
  • Wide gap semiconductors such as SiC and GaN can increase the switching speed of the power transistor. For this reason, by using a wide gap semiconductor, switching loss can be suppressed and steady loss is also low, so that the electric compressor 10 can be made highly efficient. With the increase in switching speed due to the use of wide gap semiconductors as the power transistors U1 to U7, higher-frequency operation is possible than with conventional Si-based power transistors. For this reason, by raising the PWM frequency of the boost converter 18 and the inverter 20, the capacitance of the inductor L1 and the smoothing capacitors C1 and C2 can be reduced, and the size of the apparatus can be reduced.
  • the boost converter 18 and the inverter 20 can be operated at a high frequency, the boost converter 18 and the inverter 20 can operate at a frequency higher than a human hearing frequency. For this reason, human discomfort due to the sound of the PWM frequency components of the boost converter 18 and the inverter 20 is suppressed.
  • the ripple component of the input voltage and input current of the boost converter 18 is lowered, so that it is possible to reduce radiated electromagnetic noise and power loss due to the ripple component.
  • a stable voltage is output to the inverter 20 by increasing the PWM frequency of the boost converter 18.
  • boost converter 18 and inverter 20 are provided on the same substrate 56 and housed in the same casing (hereinafter referred to as “inverter case 50”) and flow into compressor 54. Cooled by the refrigerant (see FIGS. 4 and 5).
  • a high-voltage (300V) DC power supply 104 and an inverter 102 such as a microcomputer 105 are used for driving the motor 103 via the inverter 102.
  • a low voltage (12 V) DC power supply 108 is required for control.
  • the boost converter 18 as in the present embodiment, the low voltage from the low-voltage DC power supply 16 can be boosted to a high voltage, so that one power supply system can be provided.
  • the boost converter 18 and the inverter 20 on the same board 56, it is possible to reduce the number of accessory parts such as connectors and communication parts as compared with the case where the boost converter 18 and the inverter 20 are different boards. Thereby, the enlargement of the apparatus structure by newly providing the boost converter 18 can be suppressed.
  • the boost converter 18 and the inverter 20 are accommodated in an inverter case 50 that is the same casing, and are cooled by the refrigerant flowing into the compressor 54. Thereby, it is not necessary to newly provide a fin or the like for cooling boost converter 18. Further, by accommodating the boost converter 18 and the inverter 20 in the same inverter case 50, it is possible to take countermeasures against electromagnetic noise by providing the boost converter 18 in the same casing. Therefore, the electric compressor 10 according to the present embodiment can suppress the increase in size of the apparatus even if the boost converter 18 that boosts the low voltage from the DC power supply 16 is installed.
  • the microcomputer 22 generates a control signal for controlling on / off of the power transistor U7 included in the boost converter 18 and the power transistors U1 to U6 included in the inverter 20.
  • the microcomputer 22 includes a computer-readable recording medium such as a CPU (Central Processing Unit), a RAM (Random Access Memory), and a ROM (Read Only Memory).
  • CPU Central Processing Unit
  • RAM Random Access Memory
  • ROM Read Only Memory
  • the program is preinstalled in a ROM or other storage medium, provided in a state stored in a computer-readable storage medium, or distributed via wired or wireless communication means. Etc. may be applied.
  • the computer-readable recording medium is a magnetic disk, a magneto-optical disk, a CD-ROM, a DVD-ROM, a semiconductor memory, or the like.
  • the microcomputer 22 is connected to a boost converter control unit 30, an inverter control unit 32, a communication unit 34, a current detection unit 36, a voltage detection unit 38, and a temperature detection unit 40.
  • the boost converter control unit 30 receives a control signal for the power transistor U7 from the microcomputer 22, and controls on / off of the power transistor U7 based on the control signal.
  • the inverter control unit 32 receives the control signals of the power transistors U1 to U6 from the microcomputer 22, and controls on / off of the power transistors U1 to U6 based on this control signal.
  • the communication unit 34 is connected to the vehicle-side communication network 42 and uses a vehicle communication protocol such as CAN (Controller Area Network) or LIN (Local Interconnect Network) to generate a rotation speed command of the motor 14 generated by the vehicle-side microcomputer.
  • vehicle communication protocol such as CAN (Controller Area Network) or LIN (Local Interconnect Network)
  • Various control signals hereinafter referred to as “motor rotational speed command”
  • motor rotational speed command are output to the microcomputer 22.
  • the current detection unit 36 includes an input current of the inverter 20 (hereinafter referred to as “inverter input current”), an input current of the boost converter 18 (hereinafter referred to as “converter input current”), and a current flowing through the motor 14 (hereinafter referred to as “motor current”). ) Is detected.
  • the voltage detection unit 38 receives a DC voltage output from the DC power supply 16, an input voltage of the inverter 20 (hereinafter referred to as “inverter input voltage”), or an output voltage of the boost converter 18 (hereinafter referred to as “converter output voltage”). To detect.
  • the temperature detector 40 detects the temperature of the power transistors U1 to U7 and the diode D1, or the ambient temperature.
  • the voltage conversion unit 44 is provided in parallel to the power supply device 12.
  • the voltage conversion unit 44 converts the voltage of the DC power source 16 into, for example, 5V or 15V, and supplies the converted voltage to the microcomputer 22, the boost converter control unit 30, the inverter control unit 32, the communication unit 34, and various detection circuits.
  • FIG. 3 is a functional block diagram of the microcomputer 22.
  • the microcomputer 22 includes an inverter control calculation unit 46 and a converter control calculation unit 48.
  • a motor rotation speed command is input to the inverter control calculation unit 46 from the vehicle-side communication network 42 via the communication unit 34. Then, the inverter control calculation unit 46 performs a calculation for generating a control signal for controlling on / off of the power transistors U1 to U6 in accordance with the motor rotation speed command. The inverter control calculation unit 46 performs feedback control for correcting the control signal using the detected inverter input current, motor current, and inverter input voltage (or converter output voltage) as necessary. The control signal generated by the inverter control calculation unit 46 is output to the inverter control unit 32.
  • the converter control calculation unit 48 calculates the inverter input current, the inverter input voltage (or converter output voltage), and the calculation result of the actual motor rotation number calculated by the inverter control calculation unit 46 based on the motor rotation number command value. Is used to calculate the load (power, current, voltage) of the boost converter 18. Then, converter control calculation unit 48 performs a calculation for generating a control signal for controlling on / off of power transistor U7 included in boost converter 18 based on the load calculation result. The control signal generated by converter control calculation unit 48 is output to boost converter control unit 30.
  • the boost converter 18 and the control signal of the inverter 20 are calculated in the same microcomputer 22, the boost converter 18 can be controlled by using the calculation result for the inverter 20, and therefore follow the load fluctuation. Sex can be made higher. Accordingly, since the boost converter 18 and the inverter 20 can be quickly controlled in accordance with the load fluctuation of the electric compressor 10 and the change in the motor rotation speed command from the vehicle side, stable and efficient motor control is possible. Further, the microcomputer 22 may adjust the control signal according to the temperature detected by the temperature detection unit 40, and may perform a temperature protection operation in consideration of derating based on the temperatures of the power transistors U1 to U7 and the diode D1.
  • the PWM frequency of the boost converter 18 is 100 kHz or more, and the PWM frequency of the inverter 20 is 40 kHz or more.
  • the PWM frequency of boost converter 18 is set higher than the PWM frequency of inverter 20. This is because the boost converter 18 can respond to the power fluctuation request from the inverter 20 by making the PWM frequency of the boost converter 18 higher than the inverter 20 on the motor 14 side which is a load. As a result, the followability with respect to load fluctuations can be further increased.
  • the PWM frequency of the boost converter 18 may be varied according to the operation state of the inverter 20. For example, when the fluctuation of the motor rotation speed is small, the PWM frequency of the boost converter 18 is decreased, and when the fluctuation of the motor rotation speed is large, the PWM frequency of the boost converter 18 is increased.
  • the boost converter 18 and the inverter 20 are provided on the same substrate 56 and controlled by the same microcomputer 22, so that a loss in the control process is suppressed and an appropriate value according to the operating state of the electric compressor 10 is obtained.
  • a high-voltage DC voltage V2 can be generated.
  • the electric compressor 100 is electrically connected to the external 300V system and the 12V system.
  • the inverter 102 uses the insulating device 110 such as an insulating transformer or isolator to connect the ground line between the 300V system and the 12V system.
  • the electric compressor 10 since the high voltage system is only inside the electric compressor 10, there is no need for insulation as in the conventional case, and the number of parts required for insulation is reduced and the circuit configuration is reduced. Simplification is possible.
  • FIG. 4 is a schematic diagram showing the arrangement position of the inverter case 50.
  • the inverter case 50 is disposed in parallel with the side surface of the motor case 52 that houses the motor 14, that is, in the axial direction of the motor 14.
  • the motor case 52 is provided with a refrigerant flow path through which the refrigerant flowing into the compressor 54 flows.
  • the refrigerant is sucked from the right side of the motor case 52 and flows to the left side.
  • Boost converter 18 and inverter 20 are cooled by the refrigerant through inverter case 50.
  • the power transistors U1 to U7 and the diode D1 included in the boost converter 18 and the inverter 20 are directly attached to the motor case 52 or attached to the motor case 52 via a heat dissipation block such as a metal block.
  • a heat dissipation block such as a metal block.
  • thermal conductivity such as an insulating heat dissipation sheet or heat dissipation grease is provided between the contact surface of the power transistors U1 to U7 and the diode D1 and the motor case 52 or the heat dissipation block. Is appropriately provided, the heat dissipation of the power transistors U1 to U7 and the diode D1 is enhanced.
  • Inverter 20 is arranged upstream of the refrigerant flow of compressor 54 with respect to boost converter 18.
  • the number of power transistors U1 to U6 provided in the inverter 20 is larger than the number of power transistors U7 and diodes D1 provided in the boost converter 18. For this reason, the inverter 20 has a larger heat loss and a larger amount of heat generation than the boost converter 18. Then, the cooling effect with respect to the inverter 20 is heightened more by arrange
  • the inverter 20 is arranged on the right side of the drawing close to the refrigerant suction side, and the boost converter 18 is arranged on the left side thereof.
  • the boost converter 18 is arranged on the left side thereof.
  • FIG. 5 is a schematic diagram showing an arrangement position of the inverter case 50 according to another embodiment.
  • the inverter case 50 is disposed so as to intersect the bottom surface of the motor case 52, that is, the axial direction of the motor 14.
  • the inverter 20 is disposed on the lower right side of the drawing near the refrigerant suction side, and the boost converter 18 is disposed on the upper side thereof.
  • FIG. 6 is a schematic diagram showing the arrangement positions of the power transistors U1 to U6 of the inverter 20 and the power transistor U7 of the boost converter 18 and the diode D1 on the substrate 56.
  • FIG. 7 is a circuit diagram showing the positive electrode line 60 and the negative electrode line 62 of the power supply system.
  • the boost converter 18 and the inverter 20 are divided into a positive line 60 and a negative line 62 as a power supply system as shown in FIG. 7, and the diode D1 and the power transistors U1, U3, U5 are on the positive line 60 side, and the power transistors U7, U2 , U4, U6 are electrically connected to the negative electrode line 62 side. Therefore, considering this, the power transistors U1 to U7 and the diode D1 are preferably arranged as shown in FIG. 6 in order to reduce the size of the substrate 56 electrically. Further, the arrangement shown in FIG. 6 coincides with the arrangement along the refrigerant flow, and is effective for cooling by the refrigerant.
  • the power transistors U1 to U7 and the diode D1 may be arranged in an upright state. As a result, the substrate 56 can be further reduced in size.
  • the electric compressor 10 includes the boost converter 18 that boosts the voltage output from the DC power supply 16, and the inverter 20 that converts the power boosted by the boost converter 18 into AC power. , And a motor 14 that rotates the electric compressor 10 by AC power output from the inverter 20.
  • Boost converter 18 and inverter 20 are provided on the same substrate 56 and are cooled by the refrigerant that is accommodated in the same inverter case 50 and flows into electric compressor 10. Therefore, even if the electric compressor 10 is provided with the boost converter 18 that boosts the low voltage from the DC power supply 16, it is possible to suppress an increase in the size of the apparatus.

Abstract

電動圧縮機（１０）は、直流電源（１６）から出力される電圧を昇圧する昇圧コンバータ（１８）と、昇圧コンバータ（１８）によって昇圧された電力を交流電力に変換するインバータ（２０）と、インバータ（２０）から出力される交流電力によって電動圧縮機（１０）を回転させるモータ（１４）と、を備える。そして、昇圧コンバータ（１８）及びインバータ（２０）は、同一の基板に設けられ、かつ同一のインバータケースに収容されて電動圧縮機（１０）に流入する冷媒によって冷却される。これにより電動圧縮機（１０）は、直流電源（１６）からの低電圧を昇圧する昇圧コンバータ（１８）を設置しても装置の大型化を抑制することができる。

Description

電動圧縮機
　本発明は、電動圧縮機に関するものである。
　電気自動車（ＥＶ）、ハイブリッド車（ＨＥＶ）、プラグインハイブリッド車（ＰＨＥＶ）、及び燃料電池車（ＦＣＥＶ）等の車両には、一般的に車両用の電動圧縮機が搭載される。
　特許文献１には、外部から印加される直流電圧を三相交流電力に変換する電力変換機（インバータ）、三相交流電力により圧縮機を回転させるモータ、及び冷媒を圧縮する圧縮機で構成された電動圧縮機が開示されている。
　特許文献１に記載されているような直流電圧は、上記車両に搭載されている高電圧バッテリ、又は高電圧バッテリに接続されたＤＣＤＣコンバータから供給される。
　この直流電圧の範囲は、車種により様々であるが、上記ＥＶ車等では、一般的に高電圧である３００Ｖ系(１５０Ｖ～４５０Ｖ)のものが多い。この３００Ｖ系の直流電圧の電流容量は、一般的に多くても３０Ａ程度である。このため、通電される部材も電流と温度の関係から大きくならず、電動圧縮機は、比較的コンパクトに設計可能である。
　また、エンジン車に対してもアイドリングストップ等を行うことによる環境配慮がさらに重要となる。このため、高電圧バッテリを搭載していないエンジン車においても、電動圧縮機に対する要求が高まる。
　しかし、エンジン車に搭載されているバッテリは、主に制御装置を駆動させることを目的としており、１２Ｖや２４Ｖの低電圧である。なお、搭載される電装品が増えることにより５０Ｖ程度までバッテリの電圧が高くなる可能性はあるが、ＥＶ車等のように３００Ｖ系まで高電圧化される車種は少ないと考えられる。
　そして、低電圧である１２Ｖ系（１２Ｖ～５０Ｖ）で、３００Ｖ系と同等能力を持つ電動圧縮機を駆動させると、３００Ｖ系で駆動させる場合に比べて、通電電流が約１桁高い３００Ａ程度まで増えることになる。これを考慮して電動圧縮機のインバータを構成する場合、電流増加に伴い温度が上昇するため、通電される部材の断面積を従来に比べて約１０倍に増やす必要がある。この結果、電動圧縮機のインバータが大型化し、インバータを車両のエンジンルーム等に搭載することが難しくなる。また、１２Ｖ系用として電動圧縮機を新たに設計すると、３００Ｖ系の電動圧縮機の設計資源が使えず、コストアップを招く。
　そこで、特許文献２には、低電圧の直流電源からの直流電圧を高電圧に昇圧する昇圧コンバータを有し、昇圧された直流電圧を交流に変換して用いる自動車用電動圧縮機が開示されている。
特開２００５－１５５３６５号公報 特開２００３－２５８３４号公報
　しかしながら、特許文献２に開示されているように、自動車のエンジンルームに昇圧コンバータを新たに設置する設計は、昇圧コンバータのノイズ対策、昇圧コンバータの設置場所の新たな設定、低電圧である１２Ｖ系と高電圧である３００Ｖ系の２種類のケーブル等を必要とする。また、昇圧コンバータを冷却するためのフィン等を新たに備える必要が生じる。このように、昇圧コンバータを設置することにより、装置が大型化する可能性がある。
　本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであって、直流電源からの低電圧を昇圧する昇圧コンバータを設置しても装置の大型化を抑制できる、電動圧縮機を提供することを目的とする。
　上記課題を解決するために、本発明の電動圧縮機は以下の手段を採用する。
　本発明の第一態様に係る電動圧縮機は、直流電源から出力される電圧を昇圧する昇圧コンバータと、前記昇圧コンバータによって昇圧された電力を交流電力に変換するインバータと、前記インバータから出力される交流電力によって圧縮機を回転させるモータと、を備え、前記昇圧コンバータ及び前記インバータは同一の基板に設けられ、かつ同一の筐体に収容されて前記圧縮機に流入する冷媒によって冷却される。
　本構成によれば、昇圧コンバータによって直流電源から出力される電圧が昇圧され、昇圧された電力がインバータによって交流電力に変換される。そして、インバータから出力される交流電力によってモータが圧縮機を回転させる。
　従来では、インバータを介してモータの駆動用に高電圧系（例えば３００Ｖ系）の直流電源と、インバータの制御用に低電圧系（例えば１２Ｖ系）の直流電源を必要としていた。一方、本構成では昇圧コンバータを備えることで、直流電源からの低電圧を高電圧に昇圧できるため、電源系統を一つにすることができる。さらに、昇圧コンバータ及びインバータを同一の基板に設けることで、昇圧コンバータとインバータとを異なる基板とした場合に比べて、コネクタ類や通信部品等の付属部品を少なくできる。これにより、昇圧コンバータを設けることによる装置構成の大型化を抑制できる。
　また、昇圧コンバータ及びインバータは、同一の筐体に収容されて圧縮機に流入する冷媒によって冷却される。これにより、昇圧コンバータを冷却するためのフィン等を新たに設ける必要がない。また、同一の筐体に収容することで、昇圧コンバータを設けることによる電磁ノイズ対策を同一の筐体内で可能となる。
　従って、本構成は、直流電源からの低電圧を昇圧する昇圧コンバータを設置しても装置の大型化を抑制できる。
　上記第一態様では、前記インバータが、前記昇圧コンバータに対して前記圧縮機の冷媒流れの上流側に配置されることが好ましい。
　本構成によれば、昇圧コンバータよりも発熱量の大きいインバータを冷媒流れの上流側に配置することで、より冷却効果を高めることができる。
　上記第一態様では、前記昇圧コンバータ及び前記インバータに、ワイドギャップ半導体で形成される半導体素子が用いられることが好ましい。
　本構成によれば、電動圧縮機の高効率化、装置の小型化等が可能となる。
　上記第一態様では、同一のマイクロコンピュータによって、前記昇圧コンバータ及び前記インバータに対する各々の制御信号が生成されることが好ましい。
　本構成によれば、インバータに対するフィードバック制御を行いつつ、インバータに対する演算結果を用いて昇圧コンバータを制御することができるので、負荷変動に対する追従性をより高くすることができる。
　上記第一態様では、前記昇圧コンバータ及び前記インバータは、ＰＷＭ制御が行われ、前記昇圧コンバータのＰＷＭ周波数は、前記インバータのＰＷＭ周波数よりも高いことが好ましい。
　本構成によれば、負荷であるモータ側のインバータよりも昇圧コンバータのＰＷＭ周波数を高くすることで、インバータからの電力変動の要求に昇圧コンバータが応じることができ、その結果、負荷変動に対する追従性をより高くすることができる。
　本発明によれば、直流電源からの低電圧を昇圧する昇圧コンバータを設置しても装置の大型化を抑制できる、という優れた効果を有する。
本発明の実施形態に係る電源装置の構成図である。 従来の電源装置の電気的構成図である。 本発明の実施形態に係るマイコンの機能ブロック図である。 本発明の実施形態に係るインバータケースの配置位置を示す模式図である。 本発明の他の実施形態に係るインバータケースの配置位置を示す模式図である。 本発明の実施形態に係る基板上におけるインバータのパワートランジスタ、及び昇圧コンバータのパワートランジスタとダイオードの配置位置を示す模式図である。 本発明の実施形態に係る電源系統の正極ラインと負極ラインを示す回路図である。
　以下に、本発明に係る電動圧縮機の一実施形態について、図面を参照して説明する。
　図１を参照して、電動圧縮機１０の電源装置１２の電気的構成について説明する。
　電源装置１２は、三相交流により圧縮機を回転させるモータ１４を駆動させる電力を供給するものである。電動圧縮機１０は、一例として、車両の空気調和器に用いられる。車両は、例えば１２Ｖ系（１２Ｖ～５０Ｖ）の低電圧を出力する直流電源１６を備えたエンジン車である。
　なお、直流電源１６は、電源装置１２へ電力を供給するのみならず、車両の各種機器にも電力を供給する。
　モータ１４は、例えば、永久磁石型同期モータである。
　電源装置１２は、直流電源１６から出力される直流電圧Ｖ１を昇圧させるＤＣ／ＤＣコンバータである昇圧コンバータ１８と、昇圧コンバータ１８によって昇圧された直流電圧Ｖ２を交流電力に変換してモータ１４へ供給するインバータ２０と、昇圧コンバータ１８及びインバータ２０を制御する制御装置であるマイクロコンピュータ（以下「マイコン」という。）２２を備える。
　なお、マイコン２２は、昇圧コンバータ１８及びインバータ２０に対して、ＰＷＭ制御を行う。
　昇圧コンバータ１８は、一端が直流電源１６に接続され、他端がインバータ２０に接続され１２Ｖ系の電圧を一例として高電圧である３００Ｖ系（(１５０Ｖ～４５０Ｖ)に昇圧し、インバータ２０へ出力する。
　昇圧コンバータ１８は、インダクタＬ１、ダイオードＤ１、及びパワートランジスタＵ７を備える。
　インダクタＬ１は、直流電源１６の正極側に接続される。
　ダイオードＤ１は、インダクタＬ１とアノードが接続され、インバータ２０とカソードが接続されている。
　パワートランジスタＵ７は、一端がインダクタＬ１とダイオードＤ１との接続点に接続され、他端が直流電源１６の負極側及びインバータ２０に接続され、インダクタＬ１の出力端を断続的に短絡させるスイッチング素子である。
　また、直流電圧を平滑化するために、昇圧コンバータ１８のインバータ２０側には、平滑コンデンサＣ１が設けられ、昇圧コンバータ１８の直流電源１６側には、平滑コンデンサＣ２が備えられる。
　インバータ２０は、昇圧コンバータ１８から出力される直流電力を三相交流電力に変換して、モータ１４へ供給する。
　インバータ２０は、スイッチング素子であるパワートランジスタＵ１～Ｕ６を備える。
　パワートランジスタＵ１，Ｕ２は、直列接続されると共に、パワートランジスタＵ１のエミッタとパワートランジスタＵ２のコレクタがモータ１４に接続され、モータ１４にモータ電流Ｉｕを流す。パワートランジスタＵ３，Ｕ４は、直列接続されると共に、パワートランジスタＵ３のエミッタとパワートランジスタＵ４のコレクタがモータ１４に接続され、モータ１４にモータ電流Ｉｖを流す。パワートランジスタＵ５，Ｕ６は、直列接続されると共に、パワートランジスタＵ５のエミッタとパワートランジスタＵ６のコレクタがモータ１４に接続され、モータ１４にモータ電流Ｉｗを流す。
　半導体素子であるパワートランジスタＵ１～Ｕ７やダイオードＤ１は、ワイドギャップ半導体で形成される。ワイドギャップ半導体は、一例として、ＳｉＣ（炭化ケイ素）やＧａＮ（窒化ガリウム）等である。
　ＳｉＣやＧａＮ等のワイドギャップ半導体は、パワートランジスタのスイッチング速度を高速化できる。このため、ワイドギャップ半導体を用いることで、スイッチング損失を抑制でき、また、定常損失も低いため、電動圧縮機１０を高効率化できる。
　そして、パワートランジスタＵ１～Ｕ７としてワイドギャップ半導体が用いられることによるスイッチング速度の高速化に伴い、従来のＳｉ系のパワートランジスタよりも高周波動作が可能となる。このため、昇圧コンバータ１８とインバータ２０のＰＷＭ周波数を高くすることで、インダクタＬ１と平滑コンデンサＣ１，Ｃ２の容量を下げることができ、装置の小型化が可能となる。
　また、昇圧コンバータ１８とインバータ２０の高周波動作が可能となることにより、人の聴感周波数以上での昇圧コンバータ１８とインバータ２０の動作が可能となる。このため、昇圧コンバータ１８とインバータ２０のＰＷＭ周波数成分の音による人の不快感が抑制される。
　また、インバータ２０のＰＷＭ周波数を高くすることで、昇圧コンバータ１８の入力電圧及び入力電流のリップル成分が低くなるので、放射電磁ノイズの低減、リップル成分による電力損失の低減が可能となる。また、昇圧コンバータ１８のＰＷＭ周波数を高くすることで、インバータ２０に安定した電圧が出力される。
　また、昇圧コンバータ１８及びインバータ２０は、詳細を後述するように、同一の基板５６に設けられ、かつ同一の筐体（以下「インバータケース５０」という。）に収容されて圧縮機５４に流入する冷媒によって冷却される（図４，５参照）。
　ここで、従来の電動圧縮機１００では、図２に示されるように、インバータ１０２を介してモータ１０３の駆動用に高電圧系（３００Ｖ系）の直流電源１０４、及びマイコン１０５等のインバータ１０２の制御用に低電圧系（１２Ｖ系）の直流電源１０８を必要としていた。
　一方、本実施形態のように、昇圧コンバータ１８を備えることで、低電圧系の直流電源１６からの低電圧を高電圧に昇圧できるため、電源系統を一つにすることができる。さらに、昇圧コンバータ１８及びインバータ２０を同一の基板５６に設けることで、昇圧コンバータ１８とインバータ２０とを異なる基板とした場合に比べて、コネクタ類や通信部品等の付属部品を少なくできる。これにより、昇圧コンバータ１８を新たに設けることによる装置構成の大型化を抑制できる。
　また、昇圧コンバータ１８及びインバータ２０は、同一の筐体であるインバータケース５０に収容され、圧縮機５４に流入する冷媒によって冷却される。これにより、昇圧コンバータ１８を冷却するためのフィン等を新たに設ける必要がない。また、昇圧コンバータ１８及びインバータ２０が、同一のインバータケース５０に収容されることで、昇圧コンバータ１８を設けることによる電磁ノイズ対策を同一の筐体内で可能となる。
　従って、本実施形態に係る電動圧縮機１０は、直流電源１６からの低電圧を昇圧する昇圧コンバータ１８を設置しても装置の大型化を抑制できる。
　次に、電源装置１２の制御系統について説明する。
　マイコン２２は、昇圧コンバータ１８が備えるパワートランジスタＵ７及びインバータ２０が備えるパワートランジスタＵ１～Ｕ６のオン、オフを制御するための制御信号を生成する。
　マイコン２２は、ＣＰＵ（Central　Processing　Unit）、ＲＡＭ（Random　Access　Memory）、ＲＯＭ（Read　Only　Memory）等のコンピュータ読み取り可能な記録媒体等から構成される。そして、各種機能を実現するための一連の処理は、一例として、プログラムの形式で記録媒体等に記録されており、このプログラムをＣＰＵがＲＡＭ等に読み出して、情報の加工・演算処理を実行することにより、各種機能が実現される。なお、プログラムは、ＲＯＭやその他の記憶媒体に予めインストールしておく形態や、コンピュータ読み取り可能な記憶媒体に記憶された状態で提供される形態、有線又は無線による通信手段を介して配信される形態等が適用されてもよい。コンピュータ読み取り可能な記録媒体とは、磁気ディスク、光磁気ディスク、ＣＤ－ＲＯＭ、ＤＶＤ－ＲＯＭ、半導体メモリ等である。
　マイコン２２は、昇圧コンバータ制御部３０、インバータ制御部３２、通信部３４、電流検出部３６、電圧検出部３８、及び温度検出部４０が接続されている。
　昇圧コンバータ制御部３０は、マイコン２２からパワートランジスタＵ７の制御信号が入力され、この制御信号に基づいてパワートランジスタＵ７のオン、オフを制御する。
　インバータ制御部３２は、マイコン２２からパワートランジスタＵ１～Ｕ６の制御信号が入力され、この制御信号に基づいてパワートランジスタＵ１～Ｕ６のオン、オフを制御する。
　通信部３４は、車両側通信網４２に接続され、ＣＡＮ（Controller　Area　Network）やＬＩＮ（Local　Interconnect　Network）等の車両通信プロトコルを用いて、車両側のマイコンで生成されたモータ１４の回転数指令（以下「モータ回転数指令」という。）等の各種制御信号を、マイコン２２へ出力する。
　電流検出部３６は、インバータ２０の入力電流（以下「インバータ入力電流」という。）、昇圧コンバータ１８の入力電流（以下「コンバータ入力電流」という。）やモータ１４に流れる電流（以下「モータ電流」という。）を検出する。
　電圧検出部３８は、直流電源１６から出力される直流電圧や、インバータ２０の入力電圧（以下「インバータ入力電圧」という。）又は昇圧コンバータ１８の出力電圧（以下「コンバータ出力電圧」という。）を検出する。
　温度検出部４０は、パワートランジスタＵ１～Ｕ７やダイオードＤ１の温度、又はその周辺温度を検出する。
　また、電圧変換部４４が、電源装置１２に対して並列に設けられている。電圧変換部４４は、直流電源１６の電圧を例えば５Ｖや１５Ｖに変換し、マイコン２２、昇圧コンバータ制御部３０、インバータ制御部３２、通信部３４、及び各種検出回路等に供給する。
　図３は、マイコン２２の機能ブロック図である。
　マイコン２２は、インバータ用制御演算部４６及びコンバータ用制御演算部４８を備える。
　インバータ用制御演算部４６には、車両側通信網４２から通信部３４を経てモータ回転数指令が入力される。そして、インバータ用制御演算部４６は、モータ回転数指令に応じてパワートランジスタＵ１～Ｕ６のオン、オフを制御するための制御信号を生成するための演算を行う。なお、インバータ用制御演算部４６は、検出されたインバータ入力電流、モータ電流、インバータ入力電圧（又はコンバータ出力電圧）を必要に応じて用いて制御信号を補正するフィードバック制御を行う。
　インバータ用制御演算部４６によって生成された制御信号は、インバータ制御部３２へ出力される。
　コンバータ用制御演算部４８は、インバータ入力電流、インバータ入力電圧（又はコンバータ出力電圧）、及びインバータ用制御演算部４６によってモータ回転数指令値に基づいて演算された実際のモータ回転数等の演算結果を用いて、昇圧コンバータ１８の負荷（電力、電流、電圧）を演算する。そして、コンバータ用制御演算部４８は、負荷の演算結果に基づいて、昇圧コンバータ１８が備えるパワートランジスタＵ７のオン、オフを制御するための制御信号を生成するための演算を行う。
　コンバータ用制御演算部４８によって生成された制御信号は、昇圧コンバータ制御部３０へ出力される。
　このように、昇圧コンバータ１８及びインバータ２０の制御信号が同一のマイコン２２内で演算されることで、インバータ２０に対する演算結果を用いて、昇圧コンバータ１８を制御することができるので、負荷変動に対する追従性をより高くすることができる。
　従って、電動圧縮機１０の負荷変動や車両側からのモータ回転数指令の変更に応じた昇圧コンバータ１８及びインバータ２０の制御が迅速に行えるため、安定して効率的なモータ制御が可能となる。また、マイコン２２は、温度検出部４０によって検出された温度によっても制御信号を調整可能とし、パワートランジスタＵ１～Ｕ７やダイオードＤ１の温度に基づくディレーティングを考慮した温度保護動作を行ってもよい。
　また、ワイドギャップ半導体で形成されるパワートランジスタＵ１～Ｕ７が用いられることで、本実施形態では、昇圧コンバータ１８のＰＷＭ周波数は１００ｋＨｚ以上、インバータ２０のＰＷＭ周波数は４０ｋＨｚ以上とされる。
　このように、昇圧コンバータ１８のＰＷＭ周波数は、インバータ２０のＰＷＭ周波数よりも高くされる。
　この理由は、負荷であるモータ１４側のインバータ２０よりも昇圧コンバータ１８のＰＷＭ周波数を高くすることで、インバータ２０からの電力変動の要求に昇圧コンバータ１８が応じることができるためである。その結果、負荷変動に対する追従性をより高くすることができる。
　また、インバータ２０の運転状態に応じて昇圧コンバータ１８のＰＷＭ周波数を変動させてもよい。例えば、モータ回転数の変動が小さい場合は、昇圧コンバータ１８のＰＷＭ周波数を低くし、モータ回転数の変動が大きい場合は、昇圧コンバータ１８のＰＷＭ周波数を高くする。
　このように、昇圧コンバータ１８とインバータ２０とが同一の基板５６に設けられ、同一のマイコン２２によって制御されるため、制御処理におけるロスが抑制され、電動圧縮機１０の運転状態に応じた適切な高電圧の直流電圧Ｖ２を生成することができる。
　さらに、図２に示される従来例では、インバータ１０２の駆動用に３００Ｖ系の直流電源１０４から電力供給を受け、インバータ１０２のマイコン１０５の制御用に１２Ｖ系の直流電源１０８から電力供給を受けている。このように、電動圧縮機１００は、外部の３００Ｖ系統と１２Ｖ系統に電気的に接続されている。
　このため、従来では、感電防止のために３００Ｖ系統と１２Ｖ系統とを絶縁させる必要があり、インバータ１０２において絶縁型トランスやアイソレータ等の絶縁デバイス１１０を用いて、３００Ｖ系統と１２Ｖ系統とのグランドラインを分けていた。
　一方、本実施形態に係る電動圧縮機１０では、高電圧系統が電動圧縮機１０の内部のみであるため、従来のように絶縁を行う必要がなく、絶縁に要する部品点数の削減及び回路構成の簡略化が可能となる。
　次に、昇圧コンバータ１８及びインバータ２０の冷却について説明する。
　図４は、インバータケース５０の配置位置を示す模式図である。
　図４に示されるように、インバータケース５０は、モータ１４を収容したモータケース５２の側面、すなわちモータ１４の軸方向と並行に配置される。
　モータケース５２には、圧縮機５４に流入する冷媒が流れる冷媒流路が備えられており、図４の例では、冷媒がモータケース５２の右側から吸入され、左側に流れる。そして、昇圧コンバータ１８及びインバータ２０は、インバータケース５０を介して冷媒によって冷却される。
　なお、昇圧コンバータ１８及びインバータ２０が備えるパワートランジスタＵ１～Ｕ７及びダイオードＤ１は、直接モータケース５２に取り付けられる、又は金属ブロック等の放熱ブロックを介してモータケース５２に取り付けられる。
　放熱ブロックを介してモータケース５２に取り付けられる場合は、パワートランジスタＵ１～Ｕ７及びダイオードＤ１の接触面とモータケース５２又は放熱ブロックとの間には、絶縁性放熱シートや放熱グリス等の熱伝導性を高める構成が適宜設けられることで、パワートランジスタＵ１～Ｕ７及びダイオードＤ１の放熱性が高められる。
　また、インバータ２０は、昇圧コンバータ１８に対して圧縮機５４の冷媒流れの上流側に配置される。
　インバータ２０が備えるパワートランジスタＵ１～Ｕ６の数は、昇圧コンバータ１８が備えるパワートランジスタＵ７及びダイオードＤ１の数に比べて多い。このため、インバータ２０は、昇圧コンバータ１８に比べて熱損失が大きく、より発熱量が大きい。そこで、インバータ２０を冷媒流れの上流側である冷媒吸入側に配置することで、インバータ２０に対する冷却効果がより高められる。
　図４の例では、インバータ２０は冷媒吸入側に近い図の右側に配置され、昇圧コンバータ１８はその左側に配置される。これにより、発熱の大きいインバータ２０及び昇圧コンバータ１８をバランス良く冷却することが可能となる。
　図５は、他の実施形態に係るインバータケース５０の配置位置を示す模式図である。
　図５の例では、インバータケース５０は、モータケース５２の底面、すなわちモータ１４の軸方向に交差するように配置される。
　図５の例では、インバータ２０は冷媒吸入側に近い図の右下側に配置され、昇圧コンバータ１８はその上側に配置される。
　図６は、基板５６上におけるインバータ２０のパワートランジスタＵ１～Ｕ６、及び昇圧コンバータ１８のパワートランジスタＵ７とダイオードＤ１の配置位置を示す模式図である。また、図７は、電源系統の正極ライン６０と負極ライン６２を示す回路図である。
　昇圧コンバータ１８及びインバータ２０は、図７に示されるように電源系統として正極ライン６０と負極ライン６２に分けられ、ダイオードＤ１、パワートランジスタＵ１，Ｕ３，Ｕ５は正極ライン６０側、パワートランジスタＵ７，Ｕ２，Ｕ４，Ｕ６は負極ライン６２側に電気的に接続されている。そのため、これを考慮してパワートランジスタＵ１～Ｕ７及びダイオードＤ１は、図６に示されるように配置されることが電気的にも基板５６を小型化するためにも好ましい。
　また、図６に示される配置は、冷媒流れに沿った配置と一致し、冷媒による冷却に対しても効果的である。
　さらに、パワートランジスタＵ１～Ｕ７及びダイオードＤ１は、立てた状態で配置されてもよい。これにより、基板５６のさらなる小型化が可能となる。
　以上説明したように、本実施形態に係る電動圧縮機１０は、直流電源１６から出力される電圧を昇圧する昇圧コンバータ１８と、昇圧コンバータ１８によって昇圧された電力を交流電力に変換するインバータ２０と、インバータ２０から出力される交流電力によって電動圧縮機１０を回転させるモータ１４と、を備える。そして、昇圧コンバータ１８及びインバータ２０は、同一の基板５６に設けられ、かつ同一のインバータケース５０に収容されて電動圧縮機１０に流入する冷媒によって冷却される。
　従って、電動圧縮機１０は、直流電源１６からの低電圧を昇圧する昇圧コンバータ１８を設置しても装置の大型化を抑制できる。
　以上、本発明を、上記実施形態を用いて説明したが、本発明の技術的範囲は上記実施形態に記載の範囲には限定されない。発明の要旨を逸脱しない範囲で上記実施形態に多様な変更又は改良を加えることができ、該変更又は改良を加えた形態も本発明の技術的範囲に含まれる。
　１０　　電動圧縮機
　１４　　モータ
　１８　　昇圧コンバータ
　２０　　インバータ
　５０　　インバータケース
　５４　　圧縮機
　５６　　基板

Claims (5)

  1. 　直流電源から出力される電圧を昇圧する昇圧コンバータと、
    　前記昇圧コンバータによって昇圧された電力を交流電力に変換するインバータと、
    　前記インバータから出力される交流電力によって圧縮機を回転させるモータと、
    を備え、
    　前記昇圧コンバータ及び前記インバータは同一の基板に設けられ、かつ同一の筐体に収容されて前記圧縮機に流入する冷媒によって冷却される電動圧縮機。
  2. 　前記インバータは、前記昇圧コンバータに対して前記圧縮機の冷媒流れの上流側に配置される請求項１記載の電動圧縮機。
  3. 　前記昇圧コンバータ及び前記インバータは、ワイドギャップ半導体で形成される半導体素子が用いられる請求項１又は請求項２記載の電動圧縮機。
  4. 　同一のマイクロコンピュータによって、前記昇圧コンバータ及び前記インバータに対する各々の制御信号が生成される請求項１から請求項３の何れか１項記載の電動圧縮機。
  5. 　前記昇圧コンバータ及び前記インバータは、ＰＷＭ制御が行われ、前記昇圧コンバータのＰＷＭ周波数は、前記インバータのＰＷＭ周波数よりも高い請求項１から請求項４の何れか１項記載の電動圧縮機。
     
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