(57)【要約】【課題】交流電圧を直接スイッチングしてモータ駆動を行うモータ駆動装置において、コンバータ部に備えられるスイッチング素子には様々な特性があり、またモータ駆動条件にも様々な条件があるため、スイッチング損失、導通損失、ドライブ損失などをこれらの条件に対応して抑制したモータ駆動を簡単に実現できないという課題を有していた。【解決手段】コンバータ部２に備えられるスイッチング素子の特性やコンバータ部２に印加される電圧を検出する電圧検出部５、交流電源位相を検出する位相検出部６、モータ電流を検出する電流検出部７、モータ回転数を検出する回転数検出部８、ＰＷＭキャリア周波数を可変させるキャリア周波数可変部９の少なくとも１つを備え、いずれかにより検出されるモータ駆動条件により信号出力部４からのＰＷＭ出力数を切り替える信号出力切替部１０を備えることにより、装置全体の高効率化を簡単に実現させる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
交流電源と、該交流電源出力を双方向に電流制御できるスイッチング素子を備え、直接双方向にスイッチングして得た可変電圧・可変周波数の交流出力によりモータを駆動させるコンバータ部と、前記コンバータ部のスイッチング素子をオン・オフさせる信号を出力する信号出力部を備えたモータ駆動装置において、
前記信号出力部から出力される信号としてキャリア比較により変調されたＰＷＭ信号と複数キャリア周期の間、オン・オフ状態を保持した出力固定信号とを切替える信号出力切替部を備えたことを特徴とするモータ駆動装置。
【請求項２】
前記コンバータ部に入力される交流電圧を検出する電圧検出部を備え、前記電圧検出部の検出結果により前記信号出力切替部によるＰＷＭ信号の出力数を切り替えることを特徴とする請求項１記載のモータ駆動装置。
【請求項３】
前記コンバータ部に入力される交流電圧の電圧位相を検出する位相検出部を備え、前記位相検出部の検出結果により前記信号出力切替部によるＰＷＭ信号の出力数を切り替えることを特徴とする請求項１記載のモータ駆動装置。
【請求項４】
前記モータ電流を検出する電流検出部を備え、前記電流検出部の検出結果により前記信号出力切替部によるＰＷＭ信号の出力数を切り替えることを特徴とする請求項１記載のモータ駆動装置。
【請求項５】
前記モータの駆動回転数を検出する回転数検出部を備え、前記回転数検出部による検出結果により前記信号出力切替部によるＰＷＭ信号の出力数を切り替えることを特徴とする請求項１記載のモータ駆動装置。
【請求項６】
前記信号出力部より出力されるＰＷＭを変調するキャリア周波数を可変させるキャリア周波数可変部を備え、該キャリア周波数により前記信号出力切替部によるＰＷＭ信号の出力数を切り替えることを特徴とする請求項１記載のモータ駆動装置。
【請求項７】
前記信号出力切替部は前記信号出力部からの信号により前記スイッチング素子が還流ダイオードモードとして動作する出力信号について切替えを行うことを特徴とする請求項１から６のいずれか１項に記載のモータ駆動装置。
【請求項８】
前記コンバータ部が備える双方向スイッチング素子はノーマリオフ型、ダブルゲート型の少なくとも１つの特徴を有するＧａＮで構成される請求項１から７のいずれか１項に記載のモータ駆動装置。
【請求項９】
請求項１から８のいずれか１項に記載のモータ駆動装置を具備した空気調和機。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、交流電源からの交流電圧を直接スイッチングして３相モータを可変速で駆動できるモータ駆動装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、この種のモータ駆動装置は電源短絡および負荷開放を防止するようにコンバータ部に備えられたスイッチング素子をオン・オフさせるキャリア比較により変調されたＰＷＭ信号によりモータ駆動を実現させる。この場合、スイッチング素子のオン・オフ信号を入力するゲート端子にゲート端子数と同数のＰＷＭ信号を入力する（非特許文献１、２参照）。
【０００３】
図７、８は代表的なスイッチング素子の構成と各ゲート端子に入力するＰＷＭ信号を示したものである。
【０００４】
図８に示すように電源短絡および負荷開放が発生しないようにキャリア比較により変調されたＰＷＭ信号が各スイッチング素子のゲート端子に入力される。
【０００５】
また、より簡単な転流方法として転流時にスイッチング素子がオンでもオフでも良い状態では常時オンの信号をスイッチング素子のゲート端子に入力する方法もある（特許文献１参照）。この方法ではデッドタイムに相当する転流期間の簡略化により電圧利用率の向上、出力電圧誤差の低減等の効果が期待できる。
【０００６】
図９は、各ゲート端子に入力される代表的な信号を示したものであり、還流ダイオードモードとなるスイッチング素子のゲート端子へ常時オンの信号を入力することで転流パターンの簡略化を図っている。
【特許文献１】特開２００５−２１０８０５号公報
【非特許文献１】櫻井、竹下：「マトリックスコンバータの３ステップ転流法」、平成１９年電気学会産業応用部門全国大会、１−１４、ｐｐ．２１９−２２２（２００７）
【非特許文献２】直接形交流電力変換回路の実用化と応用技術調査専門委員会編：「マトリックスコンバータの技術動向と応用」、電気学会技術報告、第１１１１号、２００８年３月、ｐｐ．１７
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
一般的に、この種のコンバータ部に備えられるスイッチング素子には様々な種類のデバイス（例えばＩＧＢＴ、ＲＢ−ＩＧＢＴ等の単方向素子の組み合わせやＳｉＣ、ＧａＮなどの双方向素子など）が使用され、またモータ駆動条件も様々な条件があり、これらの条件に合わせてモータ駆動時に損失となるコンバータ部におけるスイッチング素子のスイッチング損失、導通損失や信号出力部を駆動させるドライブ損失などを抑制したモータ駆動を簡単に実現できないという課題を有していた。
【０００８】
本発明は、前記従来の課題を解決するもので、コンバータ部に備えられるスイッチング素子の特性やモータ駆動条件によりＰＷＭ出力数を切り替えることでモータ駆動時の損失を簡単に抑制することができるモータ駆動装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
前記従来の課題を解決するために、本発明のモータ駆動装置は、交流電源と、該交流電
源出力を双方向に電流制御できるスイッチング素子を備え、直接双方向にスイッチングして得た可変電圧・可変周波数の交流出力によりモータを駆動させるコンバータ部と、前記コンバータ部のスイッチング素子をオン・オフさせる信号を出力する信号出力部を備えたモータ駆動装置において、前記信号出力部から出力される信号としてキャリア比較により変調されたＰＷＭ信号と複数キャリア周期の間、オン・オフ状態を保持した出力固定信号とを切替える信号出力切替部を備えたものである。
【００１０】
これによりコンバータ部に備えられるスイッチング素子の特性やモータ駆動条件によりＰＷＭ出力数を切り替えることでモータ駆動時の損失を簡単に抑制することができる。
【発明の効果】
【００１１】
本発明のモータ駆動装置は、状況に応じたＰＷＭ出力パターンでのモータ駆動を行うことで、モータ駆動時の損失を簡単に抑制することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
第１の発明は、交流電源と、該交流電源出力を双方向に電流制御できるスイッチング素子を備え、直接双方向にスイッチングして得た可変電圧・可変周波数の交流出力によりモータを駆動させるコンバータ部と、前記コンバータ部のスイッチング素子をオン・オフさせる信号を出力する信号出力部を備えたモータ駆動装置において、
前記信号出力部から出力される信号としてキャリア比較により変調されたＰＷＭ信号と複数キャリア周期の間、オン・オフ状態を保持した出力固定信号とを切替える信号出力切替部を備えることにより、前記コンバータ部に用いられるスイッチング素子の特性に応じたＰＷＭパターン出力を可能にし、モータ駆動時の損失（特にドライブ損失）を抑制することができる。
【００１３】
第２の発明は、第１の発明のモータ駆動装置において、前記コンバータ部に入力される交流電圧を検出する電圧検出部を備え、前記電圧検出部の検出結果により前記信号出力切替部によるＰＷＭ信号の出力数を切り替えることにより、コンバータに印加される電圧に応じたＰＷＭ出力パターンによりモータ駆動時の損失（特にスイッチング損失）を抑制することができる。
【００１４】
第３の発明は、第１の発明のモータ駆動装置において、前記コンバータ部に入力される交流電圧の電圧位相を検出する位相検出部を備え、前記位相検出部の検出結果により前記信号出力切替部によるＰＷＭ信号の出力数を切り替えることにより、コンバータに印加される交流電源位相に応じたＰＷＭ出力によりモータ駆動時の損失（特にスイッチング損失）を抑制することができる。
【００１５】
第４の発明は、第１の発明のモータ駆動装置において、前記モータ電流を検出する電流検出部を備え、前記電流検出部の検出結果により前記信号出力切替部によるＰＷＭ信号の出力数を切り替えることにより、コンバータを流れるモータ電流に応じたＰＷＭ出力によりモータ駆動時の損失（特にスイッチング損失）を抑制することができる。
【００１６】
第５の発明は、第１の発明のモータ駆動装置において、前記モータの駆動回転数を検出する回転数検出部を備え、前記回転数検出部による検出結果により前記信号出力切替部によるＰＷＭ信号の出力数を切り替えることにより、モータ駆動時の損失低減とモータ駆動に必要な制御性能との両立を実現できる。
【００１７】
第６の発明は、第１の発明のモータ駆動装置において、前記信号出力部より出力されるＰＷＭを変調するキャリア周波数を可変させるキャリア周波数可変部を備え、該キャリア周波数により前記信号出力切替部によるＰＷＭ信号の出力数を切り替えることにより、キ
ャリア周波数に応じたＰＷＭ出力によりモータ駆動時の損失（特にスイッチング損失）を抑制することができる。
【００１８】
第７の発明は、第１から第６のいずれかの発明のモータ駆動装置において、前記信号出力切替部は前記信号出力部からの信号により前記スイッチング素子が還流ダイオードモードとして動作する出力信号について切替えを行うことにより、モータ駆動時の損失（特にドライブ損失）を抑制することができる。
【００１９】
第８の発明は、第１から第７のいずれかの発明のモータ駆動装置において、前記コンバータ部が備える双方向スイッチング素子はノーマリオフ型、ダブルゲート型の少なくとも１つの特徴を有するＧａＮで構成されることにより、前記コンバータにおける導通損失低減、高速スイッチングによるスイッチング損失低減による高効率化、装置の信頼性向上を図ることができる。
【００２０】
第９の発明は、第１から第８のいずれかの発明のモータ駆動装置を空気調和機に具備することにより交流電圧を直接スイッチングしてモータ駆動を行う装置において、装置全体の高効率化を実現することができる。
【００２１】
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。なお、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。
【００２２】
（実施の形態１）
図１、２は、本発明の実施の形態におけるモータ駆動装置の構成図を示したものである。
【００２３】
図１、２のモータ駆動装置は、交流電源１より電力供給され、供給された交流電圧をコンバータ部２で所望の可変電圧・可変周波数の交流出力に直接変換しモータ３の駆動を行う。前記コンバータ部２は電流を双方向にスイッチング制御可能なスイッチング素子（三相交流電源入力の場合ＱＲＵからＱＴＷ、単相交流電源入力の場合ＱＲＵからＱＳＷ）を備え、該スイッチング素子はゲート端子（三相交流電源入力の場合ＲＵ１、ＲＵ２からＴＷ１、ＴＷ２、単相交流電源入力の場合ＲＵ１、ＲＵ２、ＳＷ１、ＳＷ２）に対する信号出力部４からの信号によりオン・オフを制御される。更に前記交流電源１の電圧値を検出する電圧検出部５と、前記交流電源１の電圧位相を検出する位相検出部６と、前記モータ３に流れるモータ電流を検出する電流検出部７と、前記モータ３の駆動回転数を検出する回転数検出部８と、前記信号出力部４より出力されるＰＷＭ信号のキャリア周波数を可変するキャリア周波数可変部９の少なくとも１つを備え、これらの検出値により前記信号出力部４からのＰＷＭ信号出力を切り替える信号出力切替部１０を有している。
【００２４】
ここで前記信号出力切替部１０は、前記交流電源１の電圧値を検出する電圧検出部５と、前記交流電源１の電圧位相を検出する位相検出部６と、前記モータ３に流れるモータ電流を検出する電流検出部７と、前記モータ３の駆動回転数を検出する回転数検出部８と、前記信号出力部４より出力されるＰＷＭ信号のキャリア周波数を可変するキャリア周波数可変部９の少なくとも１つを備え、いずれかの検出値により前記信号出力部４からのＰＷＭ信号出力を切り替える。
【００２５】
以上のように構成されたモータ駆動装置について、以下にその動作、作用を説明する。
【００２６】
まず信号出力部４によるコンバータ部２のスイッチング素子の動作について説明する。
【００２７】
図３はコンバータ部２に備えられる代表的な双方スイッチング素子の構成を示したもの
である。図３（ａ）、（ｂ）、（ｃ）はそれぞれ単方向スイッチング素子であるＩＧＢＴを２つ組み合わせたもの、逆阻止型のＩＧＢＴを２つ組み合わせたもの、ダブルゲート型のＧａＮをモデルにしたものを示しており、各ゲート端子Ｇ１、Ｇ２によるスイッチング制御は等価である。
【００２８】
図４はダブルゲート型のＧａＮスイッチング素子Ｑの等価回路であり、表１に各モードにおける動作状態を示す。
【００２９】
【表１】
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【００３０】
表１において「１」はオン、「０」オフを表し、最下段にスイッチング素子Ｑの動作状態を示す。Ｇ１、Ｇ２ともにオフ信号が入力された場合は両方向ともに電流は流れない。Ｇ１、Ｇ２ともにオン信号が入力された場合は両方向ともに電流を流すことができる。Ｇ１へオン信号、Ｇ２へオフ信号が入力された場合は下方向にのみ電流を流すことができ、Ｇ１へオフ信号、Ｇ２へオン信号が入力された場合は上方向にのみ電流を流すことができる。
【００３１】
このようなスイッチング素子のゲート信号、スイッチング素子に印加される電圧、スイッチング素子を流れる電流の関係を図５に示す。図中のＴｐ、Ｔｏｎ、Ｔｄｏｎ、Ｔｄｏｆｆはそれぞれスイッチング素子のゲート端子に入力されるＰＷＭ信号のキャリア周期、スイッチング素子のゲート端子へ入力するオン期間、スイッチング素子がオフからオンするまでの遅延時間、スイッチング素子がオンからオフするまでの遅延時間を示す。このようにスイッチング素子のオン・オフ時には斜線部に示されるような損失が生じる。
【００３２】
また、スイッチング素子に関連する損失にはオン抵抗による導通損失の他、スイッチング素子にＧａＮを用いた場合などは、スイッチング素子をオン状態で保持している期間、信号出力部４を駆動させるためのドライブ損失が発生する。
【００３３】
次に信号出力切替部１０による信号出力部４からのスイッチング素子駆動信号の切替について説明を行う。
【００３４】
ここでスイッチング素子のゲート端子数と同数のキャリア比較により変調されたＰＷＭ信号を出力するパターンをＡ、複数キャリア周期の間、オン・オフ状態を保持した出力固定信号を含む信号を出力するパターンをＢとする。
【００３５】
まず、電圧検出部５の検出結果による切替について説明する。電圧検出部５により所定の電圧値Ｖ１以上では出力電圧変化により発生するサージ電圧抑制のためＰＷＭ出力パターンＢ、Ｖ１未満ではＰＷＭのオン期間増加に伴うドライブ損失抑制のためＰＷＭ出力パターンＡと電圧検出部５による検出結果によりＰＷＭ出力パターンを切替えることでモータ駆動時の性能の確保と損失低減を図る。
【００３６】
また、位相検出部６の検出結果による切替は、交流電源１のゼロクロス間（電源半周期）の位相を０＜θ＜πとした場合、所定の位相θ１、θ２（０＜θ１＜θ２＜π）により以下のようにＰＷＭ出力パターンを切替える。まず、図６は交流電源１が単相交流電源の場合のコンバータ部２への入力電圧波形とモータ電流波形を示したものである。図６に示
すように位相範囲がθ１≦θ≦θ２ではスイッチング素子に印加される電圧、流れる電流が大きくなる。つまり図５における斜線部分の面積が大きくなりスイッチング損失が増加するためＰＷＭ出力パターンＢに切替えることでスイッチング損失抑制、および出力電圧変化により発生するサージ電圧抑制を図る。またθ＜θ１、θ＞θ２ではＰＷＭのオン期間増加に伴うドライブ損失抑制のためＰＷＭ出力パターンＡに切替える。
【００３７】
次に、電流検出部７の検出結果による切替は、電流検出部７により所定の電流値Ｉ１以上ではＰＷＭ出力におけるオン期間のドライブ損失抑制のためＰＷＭ出力パターンＡに切替え、Ｉ１未満ではスイッチング時のスイッチング損失抑制のためＰＷＭ出力パターンＢに切替える。
【００３８】
次に、回転数検出部８の検出結果による切替は、モータ回転数ｒｐｓに対して所定の回転数ｒｐｓ１、ｒｐｓ２（０＜ｒｐｓ１＜ｒｐｓ２）により以下のようにＰＷＭ出力パターンを切替える。まずモータ停止状態からの起動時、また高速回転時にはより高いトルクが必要となるため回転数ｒｐｓ＜ｒｐｓ１、ｒｐｓ＞ｒｐｓ２では電圧利用率が高くより高いトルク出力が可能なＰＷＭパターンＢにて駆動させ、回転数ｒｐｓ１≦ｒｐｓ≦ｒｐｓ２ではドライブ損失を抑制した高効率駆動を実現させるためＰＷＭ出力パターンＡへ切替える。
【００３９】
次に、キャリア周波数による切替は、キャリア周波数可変部９により可変されるキャリア周波数ｆｃに対して所定のキャリア周波数ｆｃ１以上では単位時間における図５の斜線部分の面積合計が大きくなりスイッチング損失が増加するためＰＷＭパターンＢに切替えてスイッチング損失を抑制し、キャリア周波数ｆｃ１未満ではドライブ損失を抑制した高効率駆動を実現させるためＰＷＭ出力パターンＡへ切替える。
【００４０】
また、スイッチング素子（デバイス）の特性による切替として、ドライブ損失よりもスイッチング速度や動作抵抗による損失（スイッチング損失、導通損失）の影響が大きいＩＧＢＴ、ＲＢ−ＩＧＢＴなどをスイッチング素子として用いる場合はＰＷＭ出力パターンＢを設定し、逆にスイッチング速度が速く、動作抵抗も低いＧａＮなどをスイッチング素子として用いる場合はＰＷＭ出力パターンＡを設定することにより使用するスイッチング素子の特性に合わせた低損失モータ駆動を実現できる。
【００４１】
以上のように本実施の形態においては、コンバータ部２に備えられるスイッチング素子の特性やモータ駆動条件により信号出力部４からのＰＷＭ出力数を切り替える信号出力切替部１０を備えることにより、装置全体の高効率化を簡単に実現することができる。
【産業上の利用可能性】
【００４２】
以上のように、本発明にかかるモータ駆動装置は、使用するスイッチング素子の特性や様々なモータ駆動条件に対応したＰＷＭ出力を行うことができるため、空気調和機など圧縮機（モータ）を備えたあらゆる機器への適用が可能である。
【図面の簡単な説明】
【００４３】
【図１】本発明の実施の形態におけるモータ駆動装置のブロック構成図
【図２】本発明の実施の形態におけるモータ駆動装置のブロック構成図
【図３】交流スイッチング素子のモデル図
【図４】交流スイッチング素子の等価回路図
【図５】スイッチング素子における各部波形図
【図６】本発明の実施の形態における各部波形図
【図７】交流スイッチング素子の接続図
【図８】従来のモータ駆動装置におけるモータ起動の流れを表す概略図
【図９】従来のモータ駆動装置におけるモータ起動の流れを表す概略図
【符号の説明】
【００４４】
１  交流電源
２  コンバータ部
３  モータ
４  信号出力部
５  電圧検出部
６  位相検出部
７  電流検出部
８  回転数検出部
９  キャリア周波数可変部
１０  信号切替部
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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