(57)【要約】【課題】  ローサイドのスイッチ素子を駆動しない時間が長い場合があっても、コンデンサ容量を小さくできるインバータ装置を提供すること。【解決手段】  ハイサイドのスイッチ駆動回路３１〜３３の駆動電源を供給するブートストラップコンデンサ４１〜４３と、スイッチ駆動回路３１〜３３を制御する制御部２と、制御部２に設けられ、インバータ装置１の出力信号の周波数を算出する出力周波数算出部２１と、制御部２に設けられ、インバータ装置１の出力信号の周波数に基づいて、PWM周波数を低い周波数に変更するPWM周波数テーブル部２２及び駆動パルス演算部２３を備えた。【選択図】        図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ハイサイドとローサイドによるブリッジ構成により、少なくともハイサイドでPWMスイッチング動作を行い、負荷を駆動するインバータ装置において、
ハイサイドとローサイドのブリッジ回路を構成するよう設けられたスイッチ素子と、
スイッチ素子を駆動するスイッチ駆動手段と、
ローサイドのスイッチ動作により充電され、ハイサイドのスイッチ駆動手段の駆動電源を供給するブートストラップコンデンサと、
前記スイッチ駆動手段を制御する制御手段と、
制御部に設けられ、前記インバータ装置の出力信号の周波数を算出する出力周波数算出手段と、
制御手段に設けられ、前記インバータ装置の出力信号の周波数に基づいて、PWM周波数を低い周波数に変更する周波数変更手段と、
を備えた、
ことを特徴とするインバータ装置。
【請求項２】
請求項１に記載のインバータ装置において、
前記周波数変更手段は、
前記出力信号の周波数と比例し、且つ上限値で一定となるPWM周波数のテーブルデータを参照し、前記インバータ装置の出力信号の周波数に基づいて、PWM周波数を下げるように算出するPWM周波数テーブル手段を備えた、
ことを特徴とするインバータ装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、インバータ装置の技術分野に属する。
【背景技術】
【０００２】
従来では、交流モータを駆動するようインバータ装置に設けられて駆動されるスイッチ素子に対して、ハイサイドにブートストラップコンデンサを設け、ローサイドの通電時に、このブートストラップコンデンサを充電し、ハイサイドのスイッチ素子の駆動回路をこの充電電圧により駆動している（例えば、特許文献１参照。）。
【特許文献１】特開２００３−３４８８８０号公報（第２−５頁、全図）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかしながら、従来にあっては、ローサイドのスイッチ素子を駆動しない時間が長くなると、ハイサイドのスイッチ素子の駆動電圧が低下するため、コンデンサ容量が大容量化しなければならなかった。
【０００４】
本発明は、上記問題点に着目してなされたもので、その目的とするところは、ローサイドのスイッチ素子を駆動しない時間が長い場合があっても、コンデンサ容量を小さくできるインバータ装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
上記目的を達成するため、本発明では、ハイサイドとローサイドによるブリッジ構成により、少なくともハイサイドでPWMスイッチング動作を行い、負荷を駆動するインバータ装置において、ハイサイドとローサイドのブリッジ回路を構成するよう設けられたスイッチ素子と、スイッチ素子を駆動するスイッチ駆動手段と、ローサイドのスイッチ動作により充電され、ハイサイドのスイッチ駆動手段の駆動電源を供給するブートストラップコンデンサと、前記スイッチ駆動手段を制御する制御手段と、制御部に設けられ、前記インバータ装置の出力信号の周波数を算出する出力周波数算出手段と、制御手段に設けられ、前記インバータ装置の出力信号の周波数に基づいて、PWM周波数を低い周波数に変更する周波数変更手段と、を備えた、ことを特徴とする。
【発明の効果】
【０００６】
よって、本発明にあっては、ローサイドのスイッチ素子を駆動しない時間が長い場合があっても、コンデンサ容量を小さくできる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００７】
以下、本発明のインバータ装置を実現する実施の形態を、請求項１，２に係る発明に対応する実施例１に基づいて説明する。
【実施例１】
【０００８】
まず、構成を説明する。
図１は実施例１のインバータ装置の回路構成を示す図である。
実施例１のインバータ装置１は、制御部２、スイッチ駆動回路３１〜３６、スイッチ素子Ｑu1〜Ｑw2、ダイオードＤu1〜Ｄw2、ブートストラップコンデンサ４１〜４３、コンデンサ６、ダイオード７１〜７３、コンデンサ８、電源９、抵抗１０〜１２を備え、モータ５を駆動制御している。
【０００９】
制御部２は、入力端子をローサイドでのスイッチ素子Ｑu2,Ｑv2,Ｑw2のエミッタ（又はドレイン）と抵抗１０〜１２の間に接続し、電流検出ラインＣu,Ｃv,Ｃwを形成し、各相の電流を検出する。そして、各相の電流に基づいて、ハイサイドとローサイドのスイッチ駆動回路３１〜３６へのPWM駆動パルス指令値を演算し、出力する。制御部２の出力端子は、スイッチ駆動回路３１〜３６へ接続されている。
【００１０】
スイッチ駆動回路３１〜３６は、入力端子を制御部２からの出力に接続し、出力端子をスイッチ素子Ｑu1〜Ｑw2のベース（又はゲート）に接続する。さらに、電源入力となるプラス端子及びマイナス端子は、ハイサイドのスイッチ駆動回路３１〜３３では、ブートストラップコンデンサ４１〜４３の上下流に接続し、ローサイドのスイッチ駆動回路３４〜３６では、コンデンサ６の上下流に接続する。そして、制御部２からのPWM駆動パルス指令値に従って、PWM駆動パルスまたは駆動パルスを成形し、スイッチ素子Ｑu1〜Ｑw2へ出力する。
スイッチ駆動回路３１〜３６の具体例として、制御部２からのPWMパルス信号又はパルス信号のレベルシフトを行うシフト回路とバッファの組合せたものを挙げておく。
【００１１】
スイッチ素子Ｑu1〜Ｑw2は、ハイサイドのスイッチ素子Ｑu1,Ｑv1,Ｑw1のコレクタ（又はソース）をコンデンサ８のプラス端子に接続し、エミッタ（又はドレイン）をローサイドのスイッチ素子Ｑu2,Ｑv2,Ｑw2のそれぞれのコレクタ（又はソース）へ接続する。ローサイドのスイッチ素子Ｑu2,Ｑv2,Ｑw2のエミッタ（又はドレイン）は、それぞれ抵抗１０〜１２を介してコンデンサ８のマイナス端子へ接続する。これにより、ハーフブリッジを構成する。そして、それぞれハイサイドとローサイドの間をモータ５の各相へ接続する。また、スイッチ素子Ｑu1〜Ｑw2の各ベース（又はゲート）は、それぞれスイッチ駆動回路３１〜３６の出力に接続する回路構成である。そして、スイッチ素子Ｑu1〜Ｑw2は、PWM駆動パルスによりモータ５を駆動する。
ダイオードＤu1〜Ｄw2は、ダイオードＤu1,Ｄv1,Ｄw1,Ｄu2,Ｄv2,Ｄw2からなり、それぞれカソードを各スイッチ素子Ｑu1〜Ｑw2のコレクタ（又はソース）に接続し、アノードをエミッタ（又はドレイン）に接続する。そして、スイッチ素子Ｑu1〜Ｑw2のコレクタ（又はソース）・エミッタ（又はドレイン）間の電流を還流するフライホイールダイオードとして機能する。
【００１２】
ブートストラップコンデンサ４１〜４３は、ハイサイドのスイッチ素子Ｑu1,Ｑv1,Ｑw1に対応して設けられ、そのプラス端子をダイオード７１〜７３のそれぞれのカソードに接続する。また、プラス端子は、それぞれスイッチ駆動回路３１〜３３のプラス端子にも接続される。そして、マイナス端子は、スイッチ素子Ｑu1,Ｑv1,Ｑw1のエミッタ（又はドレイン）に接続する。また、マイナス端子はスイッチ駆動回路３１〜３３のマイナス端子にも接続する。そして、ブートストラップコンデンサ４１〜４３は、ハイサイドのスイッチ駆動回路３１〜３３の電源供給を行う。
【００１３】
コンデンサ６は、プラス端子をダイオード７１〜７３のアノードへ接続し、マイナス端子をコンデンサ８のマイナス端子へ接続する。なお、プラス端子及びマイナス端子は、ローサイドのスイッチ駆動回路３４〜３６のプラス端子及びマイナス端子にも接続される。そして、コンデンサ６は、ローサイドのスイッチ駆動回路３４〜３６の電源供給を行う。
ダイオード７１〜７３は、カソードをブートストラップコンデンサ４１〜４３のプラス端子及びハイサイドのスイッチ駆動回路３１〜３３のプラス端子へ接続し、アノードをコンデンサ６のプラス端子及びローサイドのスイッチ駆動回路３４〜３６のプラス端子へ接続する。そして、コンデンサ６からブートストラップコンデンサ４１〜４３のプラス端子及びハイサイドのスイッチ駆動回路３１〜３３のプラス端子へ電流の流れを整流する。
【００１４】
コンデンサ８はプラス端子を電源９のプラス端子及びハイサイドのスイッチ素子Ｑu1,Ｑv1,Ｑw1のコレクタ（又はソース）へ接続し、マイナス端子を電源９のマイナス端子及び抵抗１０〜１２を介してローサイドのスイッチ素子Ｑu2,Ｑv2,Ｑw2のエミッタ（又はドレイン）へ接続する。そして、コンデンサ８は電源９により充電され、スイッチ素子Ｑu1〜Ｑw2へのコレクタ・エミッタ間（又はソース・ドレイン間）への電圧供給を行う。
電源９は、プラス端子をコンデンサ８のプラス端子へ接続し、マイナス端子をコンデンサ８のマイナス端子へ接続し、コンデンサ８を充電する電源供給を行う。
また、実施例１において、インバータ装置１が駆動するモータ５は、コイル５ｕ，５ｖ，５ｗをスター結線した３相交流ブラシレスモータである。
【００１５】
次に実施例１のインバータ装置１が備える制御部２のPWM周波数制御に関する一部について説明する。
図２は実施例１のインバータ装置１の制御部２の一部のブロック構成を示す説明図である。
制御部２は、出力周波数算出部２１、PWM周波数テーブル部２２、駆動パルス演算部２３を備えている。
【００１６】
出力周波数算出部２１は、電流検出ラインＣu,Ｃv,Ｃwから検出する電流検出信号からインバータ装置１の出力するパルス信号の周波数成分を抽出し、出力周波数を算出する。
PWM周波数テーブル部２２は、インバータ装置１の出力周波数とPWM周波数の関係のテーブルデータを備え、出力周波数算出部２１からの出力周波数に基づいて、テーブルデータを参照して、PWM周波数を算出し、駆動パルス演算部２３へ出力する。
【００１７】
図３は実施例１のインバータ装置におけるPWM周波数テーブル部２２のテーブルデータの説明図である。
PWM周波数テーブル部２２が備えるテーブルデータは図３に示すように、出力周波数とPWM周波数の関係を示すものである。このテーブルデータは、所定の出力周波数より、高い出力周波数の場合は、PWM周波数は高い一定値となる。そして、所定の出力周波数より低い周波数の場合は、出力周波数が低くなるのに比例してPWM周波数が低くなる。
【００１８】
なお、PWM周波数テーブル部２２のテーブルデータで、高い出力周波数に対応するPWM周波数の高い一定値は、これを上限値とする。この上限値は通常の動作を行う際のPWM周波数であり、制御部２の処理能力、スイッチ素子Ｑu1〜Ｑw2の発熱、EMC（電磁適合性）の要求などで決められる。また、出力周波数に比例する低い周波数は、これを下限値とする。この下限値はインバータ装置１の出力制御の劣化が許容される最低の周波数、例えばモータ５が停止しない範囲により決められる。
駆動パルス演算部２３は、PWM周波数テーブル部２２からのPWM周波数に基づいた駆動周波数で、制御部２の制御に従って、駆動パルスの指令値を演算し、スイッチ駆動回路３１〜３６へ出力する。
【００１９】
作用を説明する。
[PWM周波数変更処理]
図４に示すのは、実施例１のインバータ装置１の制御部２で実行するPWM周波数変更処理の流れを示すフローチャートで、以下各ステップについて説明する。
【００２０】
ステップＳ１では、出力周波数算出部２１が、電流検出信号を入力する。
【００２１】
ステップＳ２では、出力周波数算出部２１が、電流検出信号からインバータ装置１の出力周波数を算出する。
【００２２】
ステップＳ３では、PWM周波数テーブル部２２が、出力周波数に基づいて、図３に示すテーブルデータを参照して、PWM周波数を算出する。
【００２３】
ステップＳ４では、駆動パルス演算部２３が、ステップＳ３で算出したPWM周波数で、駆動パルスの指令値を演算し、出力する。
【００２４】
[コンデンサ容量を抑制する作用]
図５は実施例１のインバータ装置の通電パターンを説明する図である。
インバータ装置１では、図５に示すように、ハイサイドのスイッチ素子Ｑu1,Ｑv1,Ｑw1をPWMパルス駆動し、ローサイドのスイッチ素子Ｑu2,Ｑv2,Ｑw2をパルス駆動する。
例えば、Ｕ相のハイサイドをPWMパルス駆動すると、やや遅れてＷ相のローサイドをパルス駆動し、コイル５ｕ，５ｗに通電する状態にし、次にＶ相のハイサイドをパルス駆動し、これにやや遅れてＵ相のローサイドをパルス駆動し、コイル５ｖ，５ｕに通電する状態にする。このように通電パターンを１２０度毎に切り替えるようにして、モータ５を駆動する。
【００２５】
次にブートストラップコンデンサ４１〜４３への充電状態について説明する。
図６は実施例１のインバータ装置の一部の回路構成を示す説明図である。
Ｕ相を例に説明する。実施例１のインバータ装置では、上記のような通電パターンの際に、Ｕ相のローサイドのスイッチ素子Ｑu2がオンとなった際に、図６に符号１００で示す電流経路により、ブートストラップコンデンサ４１への充電を行う。つまり、コンデンサ６からダイオード７１、ブートストラップコンデンサ４１、スイッチ素子Ｑu2、抵抗１０を流れる経路である。
そして、ローサイドのスイッチ素子Ｑu2がオフになると、ブートストラップコンデンサ４１電圧が降下し始める。これはスイッチ駆動回路３１の静止電流によるものである。
【００２６】
通電パターンの切り替えによりハイサイドのスイッチ素子Ｑu1をオンにし、PWM駆動する際には、ブートストラップコンデンサ４１に蓄えた電荷が消費されることになる。ハイサイドのスイッチ素子Ｑu1がオン、オフする際に消費される電荷量をq1とすると、ｎ回のスイッチングにより放電する電荷量はｎ×q1となる。このｎはPWM変調周波数に比例するので、消費する電荷量もPWM変調周波数に比例することになる。この際の消費電流は、静止電流より十分に大きいものである。そのため、図５(c)に示すブートストラップコンデンサ４１の電圧低下に寄与するのは、ほとんどスイッチング時の消費電流によるものである。また、Ｖ相、Ｗ相のハイサイドについても同様にスイッチ動作に伴い、ブートストラップコンデンサ４２，４３の電圧が低下する。
ブートストラップコンデンサ４１〜４３では、このように充電と放電が繰り返されることになる。
【００２７】
実施例１において、ローサイドのスイッチ素子Ｑu2,Ｑv2,Ｑw2がオフとなっている期間は次の２つである。それは、第１にハイサイドのみがPWM動作を行っている期間であり、第２にモータ５の巻線電圧検出のためにハイサイドとローサイドを共にオフにする期間である。
図７は実施例１のインバータ装置におけるＵ相でのハイサイド及びローサイドの駆動信号とブートストラップコンデンサの電圧のタイムチャートである。
【００２８】
インバータ装置１の出力周波数は、図７(a)に示すように制御部２の制御内容によって定められる。例えば、実施例１では、この出力周波数の制御によりモータ５の回転速度を制御することになる。そのため、図７(a)に示すようにモータ５の回転速度を速くする場合には、電気角１回転の周期は短くなり、これに伴って、ハイサイドのスイッチ素子Ｑu1,Ｑv1,Ｑw1の動作期間も短くなる。よって、ローサイドのスイッチ素子Ｑu2,Ｑv2,Ｑw2がオフとなっている期間も短くなる。そのため、ブートストラップコンデンサ４１〜４３の電圧の低下量は小さくなる。
【００２９】
これに対して、図７(b)に示すようにモータ５の回転速度を遅くする場合は、電気角１回転の周期は長くなり、これに伴って、ハイサイドのスイッチ素子Ｑu1,Ｑv1,Ｑw1の動作期間は長くなる。よって、ローサイドのスイッチ素子Ｑu2,Ｑv2,Ｑw2がオフとなっている期間も長くなる。そのため、ブートストラップコンデンサ４１〜４３の電圧の低下量は大きくなる。
【００３０】
実施例１では、出力周波数算出部２１のステップＳ２の処理により、電流検出ラインＣu,Ｃv,Ｃwで検出する電流検出信号から出力周波数を算出する。
そして、PWM周波数テーブル部２２のステップＳ３の処理により、出力周波数からテーブルデータを参照して、PWM周波数を算出する。
そして、駆動パルス演算部２３のステップＳ４の処理により、このPWM周波数で、ハイサイドのスイッチ駆動回路３１〜３３へ駆動パルスの指令値が出力され、スイッチ駆動回路３１〜３３の駆動によりハイサイドのスイッチ素子Ｑu1,Ｑv1,Ｑw1がスイッチ動作を行う。
【００３１】
ここで、出力周波数算出部２１で算出された出力周波数が、図３に示すテーブルデータで、出力周波数とPWM周波数の比例する部分に該当する場合には、PWM周波数テーブル部２２で、低下した出力周波数に応じて周波数を低くしたPWM周波数が算出されることになる。すると、図７(c)に示すように、出力周波数が低く、電気角１回転の期間が長い場合に、スイッチの動作期間は変わらないもののスイッチのオンオフする回数が減少することになる（図７に符号１０１で示す部分参照）。これによって、ハイサイドのスイッチ駆動回路３１〜３３の消費するブートストラップコンデンサ４１〜４３の電圧幅が小さくなる（図７に符号１０２で示す部分参照）。
【００３２】
そのため、ブートストラップコンデンサ４１〜４３を大容量化しなくても、ローサイドのスイッチオフ期間が長い場合に対応でき、コストを抑制する。また、インバータ装置１の出力周波数が低い場合は、高い場合に比較して、１周期あたりのPWMパルス数が多いため、PWM周波数を下げても制御の精度が低下しにくい。実施例１では、インバータ装置１の出力周波数が低いときにPWM周波数を低減するため、制御精度の低下を抑制しつつ、ブートストラップコンデンサ４１〜４３のコンデンサ容量を小さくする。言い換えると、インバータ装置１の出力周波数が高い時はブートストラップコンデンサ４１〜４３のコンデンサ容量が小さくてよいため、PWM周波数を低くしない。そして、インバータ装置１の出力の１周期あたりのPWMパルス数が多いことにより、PWM周波数を低くしても制御精度が低下しにくいインバータ装置１の出力周波数が低い時にPWM周波数を低減する。また、このようなPWM周波数の変更によりスイッチ駆動回路３１〜３３の確実な動作を確保する機能は、インバータ装置１の正常な動作の確保に有用である。
【００３３】
実施例１の作用を明確にするために、以下に説明を加える。
ブートストラップコンデンサによりハイサイドの駆動電源を供給する場合には、ハイサイドの動作に伴って、この駆動電源電圧が低下する。そして、上記説明したようなローサイドのスイッチオフ期間が長い場合にも、ハイサイドのスイッチングができなくなることを避けるためには、ブートストラップコンデンサの容量を大きくする構成にすることが考えられる。しかしながら、このような大容量化は、コストの増加、回路の大型化を生じることになる。
これに対して実施例１では、ブートストラップコンデンサの容量を大きくせずに、ローサイドのスイッチオフ期間が長い場合に対応し、コスト低減、回路小型化、信頼性向上を行う点が有利である。
【００３４】
次に、効果を説明する。
実施例１のインバータ装置にあっては、下記に列挙する効果を得ることができる。
【００３５】
(1)ハイサイドとローサイドによるブリッジ構成により、少なくともハイサイドでPWMスイッチング動作を行い、負荷を駆動するインバータ装置１において、ハイサイドとローサイドのブリッジ回路を構成するよう設けられたスイッチ素子Ｑu1〜Ｑw2と、スイッチ素子Ｑu1〜Ｑw2を駆動するスイッチ駆動回路３１〜３６と、ローサイドのスイッチ動作により充電され、ハイサイドのスイッチ駆動回路３１〜３３の駆動電源を供給するブートストラップコンデンサ４１〜４３と、スイッチ駆動回路３１〜３６を制御する制御部２と、制御部２に設けられ、インバータ装置１の出力信号の周波数を算出する出力周波数算出部２１と、制御部２に設けられ、インバータ装置１の出力信号の周波数に基づいて、PWM周波数を低い周波数に変更するPWM周波数テーブル部２２及び駆動パルス演算部２３を備えたため、ローサイドのスイッチ素子を駆動しない時間が長い場合であっても、ブートストラップコンデンサ４１〜４３のコンデンサ容量を小さくすることができる。
【００３６】
(2)上記(1)において、周波数を変更する手段は、出力信号の周波数と比例し、且つ上限値で一定となるPWM周波数のテーブルデータを参照し、インバータ装置１の出力信号の周波数に基づいて、PWM周波数を下げるように算出するPWM周波数テーブル部２２を備えたため、インバータ装置１の出力周波数に応じて、その出力周波数に対するブートストラップコンデンサ４１〜４３のコンデンサ電圧の下限値を設定し、より最適なPWM周波数でスイッチ駆動回路３１〜３３がハイサイドのスイッチ素子Ｑu1〜Ｑw1を駆動し、PWMが粗くなることにより制御に影響しないようにしつつ、ローサイドのスイッチ素子を駆動しない時間が長い場合であっても、ブートストラップコンデンサ４１〜４３のコンデンサ容量を小さくすることができる。
【００３７】
以上、本発明のインバータ装置を実施例１に基づき説明してきたが、具体的な構成については、これらの実施例に限られるものではなく、特許請求の範囲の各請求項に係る発明の要旨を逸脱しない限り、設計の変更や追加等は許容される。
【００３８】
例えば、実施例１では、負荷としてモータを説明したが、例えばLED照明などであってもよい。
また、例えば実施例１では、図３のテーブルデータを備えたPWM周波数テーブル部２２を設けたが、図３のテーブルデータの内容を計算式により算出する算出部を設けるようにしてもよい。その際には、コンデンサ電圧低下量ΔＶcは電気角１回転あたりのスイッチ数n_1eに比例し、n_1eはインバータ出力周波数foutに反比例し、n_1eはPWM周波数fpwmに比例する。ΔＶcが一定になるように定めるので、ΔＶc＝一定＝fpwm/foutとなる。従ってPWM周波数はインバータ出力周波数に比例の関係となるように定めるようにする。
【図面の簡単な説明】
【００３９】
【図１】実施例１のインバータ装置の回路構成を示す図である。
【図２】実施例１のインバータ装置の制御部の一部のブロック構成を示す説明図である。
【図３】実施例１のインバータ装置におけるPWM周波数テーブル部のテーブルデータの説明図である。
【図４】実施例１のインバータ装置の制御部で実行するPWM周波数変更処理の流れを示すフローチャートである。
【図５】実施例１のインバータ装置の通電パターンを説明する図である。
【図６】実施例１のインバータ装置の一部の回路構成を示す説明図である。
【図７】実施例１のインバータ装置におけるＵ相でのハイサイド及びローサイドの駆動信号とブートストラップコンデンサの電圧のタイムチャートである。
【符号の説明】
【００４０】
１    インバータ装置
２    制御部
２１    出力周波数算出部
２２    PWM周波数テーブル部
２３    駆動パルス演算部
３１〜３６    スイッチ駆動回路
４１〜４３    ブートストラップコンデンサ
５    モータ
５ｕ，５ｖ，５ｗ    コイル
６    コンデンサ
７１〜７３    ダイオード
８    コンデンサ
９    電源
１０〜１２    抵抗
Ｄu1〜Ｄw2    ダイオード
Ｑu1〜Ｑw2    スイッチ素子
Ｃu,Ｃv,Ｃw    電流検出ライン
【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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