(57)【要約】【課題】ワイドバンドギャップ半導体を用いた電力変換装置を備えることで、モータ駆動時に発生する騒音を低減し、さらには小型化を図ることを可能とした送風機を提供することを目的としている。【解決手段】ファンを回転させるモータと、モータを駆動するために直流電圧を交流電圧に変換する電力変換装置と、を備えた送風機であって、電力変換装置は、複数のパワー素子がブリッジ接続され、ハイサイドおよびローサイドを形成しているスイッチング回路を有し、スイッチング回路のハイサイドおよびローサイドの少なくともどちらか一方が、ワイドバンドギャップ半導体で形成されているものである。【選択図】図３
2014007856.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ファンを回転させるモータと、
前記モータを駆動するために直流電圧を交流電圧に変換する電力変換装置と、を備えた送風機であって、
前記電力変換装置は、
複数のパワー素子がブリッジ接続され、ハイサイドおよびローサイドを形成しているスイッチング回路を有し、
前記スイッチング回路のハイサイドおよびローサイドの少なくともどちらか一方が、ワイドバンドギャップ半導体で形成されていることを特徴とする送風機。
【請求項２】
前記スイッチング回路は、
前記ハイサイドおよび前記ローサイドのどちらもワイドバンドギャップ半導体で形成されていることを特徴とする請求項１に記載の送風機。
【請求項３】
前記ワイドバンドギャップ半導体の材料として、
炭化珪素、窒化ガリウム系材料またはダイヤモンドが用いられている
ことを特徴とする請求項１または２に記載の送風機。
【請求項４】
前記ハイサイドと前記ローサイドの前記パワー素子を両方ともオフにする
デッドタイムを３．０μ秒以下にした
ことを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の送風機。
【請求項５】
送風機の定常動作開始前の初期設定処理において、
前記ハイサイドと前記ローサイドを形成している前記パワー素子を所定の前記デッドタイムで動作開始し、前記デッドタイムを所定値から徐々に短縮していき、前記パワー素子間の貫通電流が発生した時のデッドタイムに一定時間加えた値を正規のデッドタイムに設定した後で前記定常動作を開始する
ことを特徴とする請求項４に記載の送風機。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、スイッチング回路の少なくとも一部にワイドバンドギャップ半導体を用いた電力変換装置を備えた送風機に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
インバータ回路や電源回路など、複数のパワー素子をスイッチングして構成される回路において、パワー素子間の貫通電流を防止するため、スイッチング動作の過程においてハイサイドとローサイドのパワー素子を両方ともオフにするデッドタイムを設定している。デッドタイムが短すぎるとパワー素子間のスイッチングスピードのばらつきにより貫通電流が流れてしまい、逆にデッドタイムが長いほど交流電流波形（または、電圧波形）が劣化してしまい、モータ駆動時に騒音が発生してしまう。また、出力電圧が低下して所定の電圧が確保できないといった問題が生じる。以上より、デッドタイムは貫通電流が流れない程度に極力短く設定することが望ましい。そのための技術として、トランジスタのベース抵抗またはゲート抵抗と並列に、ダイオードまたはコンデンサを接続し、スイッチング動作の遅延時間を短縮する技術が一般的であり、パワー素子の応答速度を速くし、負荷に供給される交流電流波形（または、電圧波形）の劣化を防ぐ技術が提案されている（例えば特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１０−４５９２４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上記この種の従来の技術において、スイッチング特性はパワー素子の性能が支配的であり、シリコン（以下、Ｓｉと記載）半導体はスイッチング特性の温度依存性が大きい。そのため、デッドタイムは使用温度範囲に応じてマージンを持って設定する必要があることから長くなりがちであり、スピードアップコンデンサやスピードアップダイオードを付加してもデッドタイムの大幅な短縮は期待できない。このデッドタイムが長いことによりモータに供給される交流電流波形（または、電圧波形）が劣化してしまい、モータ駆動時に騒音が発生しやすく、特に居室空間で使用される換気扇や空調機においては騒音が問題となることが多い。
【０００５】
本発明は、以上のような課題を解決するためになされたもので、ワイドバンドギャップ半導体を用いた電力変換装置を備えることで、モータ駆動時に発生する騒音を低減し、さらには小型化を図ることを可能とした送風機を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明に係る送風機は、ファンを回転させるモータと、モータを駆動するために直流電圧を交流電圧に変換する電力変換装置と、を備えた送風機であって、電力変換装置は、複数のパワー素子がブリッジ接続され、ハイサイドおよびローサイドを形成しているスイッチング回路を有し、スイッチング回路のハイサイドおよびローサイドの少なくともどちらか一方が、ワイドバンドギャップ半導体で形成されているものである。
【発明の効果】
【０００７】
本発明に係る送風機によれば、デッドタイムを短く設定してモータに供給される交流電流波形（または、電圧波形）の劣化を抑制し、モータ駆動時に発生する騒音の低減、さらには電力変換装置の効率改善による小型化を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】本発明の実施の形態に係る送風機を用いた換気扇の縦断面図である。
【図２】本発明の実施の形態に係る送風機を用いた空気調和装置の構成図である。
【図３】本発明の実施の形態に係る送風機の電気的な概略構成を示すブロック図である。
【図４】本発明の実施の形態に係る送風機の電力変換装置のパワー素子Ｑ１〜Ｑ６に入力される制御信号の状態を示すタイムチャートである。
【図５】本発明の実施の形態に係る送風機の動作を示すフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。なお、この実施の形態により本発明が限定されるものではない。
【００１０】
実施の形態．
図１は、本発明の実施の形態に係る送風機を用いた換気扇Ａの縦断面図である。換気扇Ａは、モータ６の軸にファン２２が固定されており、換気扇本体２５が天井板２４に固定されている。モータ６の動力でファン２２が回転し、室内空気が吸い込み口２３を通ってダクト接続枠２１に接続されたダクトを介して室外に排気される。換気扇Ａには室内の汚染空気を室外に排気する排気型と、室外の空気を室内に取り入れる給気型がある。本実施の形態に係る送風機は、図１に示す換気扇Ａのファンとして利用される。
【００１１】
図２は、本発明の実施の形態に係る送風機を用いた空気調和装置Ｂの構成図である。室外熱交換ユニットである室外機３１と室内熱交換ユニットである室内機３０は、冷媒が流れる冷媒配管や情報伝達用の電線を内包した内外接続配管３２で接続されている。使用者は室内に設けられたリモコンを操作して室内空間の温度、湿度、風量、運転時間などを設定する。リモコンは使用者によって設定された運転条件を室外機３１と室内機３０に伝達する。本実施の形態に係る送風機は、図２に示す空気調和装置Ｂの室外ファンや室内ファンとしても利用される。
【００１２】
図３は、本発明の実施の形態に係る送風機の電気的な概略構成を示すブロック図である。本実施の形態に係る送風機は、直流電圧を交流電圧に変換して、ファンを回転させるモータを駆動する電力変換装置Ｃを備えている。電力変換装置Ｃは、トランジスタであるパワー素子Ｑ１〜Ｑ６がブリッジ接続され、Ｑ１、Ｑ３、Ｑ５でハイサイド、Ｑ２、Ｑ４、Ｑ６でローサイドを形成しているスイッチング回路４と、パワー素子Ｑ１〜Ｑ６を駆動するためのゲートドライブ回路３と、ゲートドライブ回路３を駆動するための制御信号を出力する制御部２とで構成され、直流電圧１を交流電圧に変換し、その交流電圧をモータ６に印加して駆動させる。なお、ここでは入力電源として直流電圧１を記載したが、交流電圧を入力してＡＣ−ＤＣコンバータで直流電圧に変換する場合も考えられる。
【００１３】
図４は、本発明の実施の形態に係る送風機の電力変換装置のパワー素子Ｑ１〜Ｑ６に入力される制御信号の状態を示すタイムチャートである。ハイサイド側のパワー素子Ｑ１およびローサイド側のパワー素子Ｑ２の駆動信号を示しており、ゲートドライブ回路３の出力、すなわちＱ１およびＱ２のゲートに入力される信号を示している。ここで、全てのパワー素子がオフする休止期間Ｔｄがデッドタイムである。デッドタイムが長いほどモータ６に供給される交流電流波形（または、電圧波形）が劣化してしまい、モータ駆動時の騒音が大きくなる。また、デッドタイムが短すぎるとパワー素子のスイッチングスピードのばらつきにより、ハイサイド側とローサイド側の素子が同時にオンして貫通電流が流れ、素子破壊やヒューズ溶断などの不具合につながる。
【００１４】
スイッチング回路４を構成するＭＯＳ−ＦＥＴやＩＧＢＴ、還流ダイオードは、一般的にＳｉ系半導体によって形成されるが、Ｓｉ系半導体と比較してより大きなエネルギーバンド幅を持つ、ワイドバンドギャップ（以下、ＷＢＧと記載）半導体によって形成されていることが好ましい。このＷＢＧ半導体としては、炭化珪素（以下、ＳｉＣと記載）や窒化ガリウム系材料、あるいはダイヤモンド等が材料として用いられている。
例えば、このようなＷＢＧ半導体によって形成されたパワー素子やダイオード素子は、スイッチングスピードが速く、耐熱性、耐電圧性に優れ、かつ許容電流密度も高いため、それらの小型高効率化が可能となる。また、Ｓｉ系半導体はスイッチング特性の温度依存性が大きく、デッドタイムの設定は温度特性を考慮し、使用温度範囲においてハイサイド側およびローサイド側の素子が同時にオンすることのないようマージンを持ってデッドタイムを設定する必要があるが、ＷＢＧ半導体は温度による電気的特性の変化が少ないため、スイッチング性能のばらつきが小さいことからデッドタイムを短く設定することができる。
【００１５】
そこで、本実施の形態に係る送風機ではスイッチング回路４のハイサイドおよびローサイドのどちらか一方、あるいはハイサイドおよびローサイドの両方のパワー素子をＷＢＧ半導体で形成するようにしている。そうすればデッドタイムを短く設定することができるので、モータに供給される交流電流波形（または、電圧波形）の劣化を抑制でき、モータ駆動時に発生する騒音の低減を図ることができる。そのため、図１に示した換気扇や、図２に示した空気調和装置内の室内機３０および室外機３１等、送風機に本スイッチング回路を内蔵した電力変換装置を備えることにより、静粛性を実現した送風機を得ることができる。さらには電力変換装置に内蔵されている還流ダイオードに電流が流れる時間を短縮できるため、電力変換装置の効率改善が図れるため、送風機を小型化することも可能となる。
【００１６】
図５は、本発明の実施の形態に係る送風機の動作を示すフローチャートである。Ｓ１で送風機に電源が投入され、Ｓ２でＴｄの初期設定値を例えば３．０μ秒に設定する。スイッチング回路４のハイサイドおよびローサイドの少なくともどちらか一方のパワー素子をＷＢＧ半導体で形成した場合のＴｄは３．０μ秒以下であることが実測等により分かっているので、このような値の初期値を設定する。次にＳ３でハイサイド側およびローサイド側の素子をスイッチングするための駆動信号を出力し、Ｓ４でＴｄを例えば０．１μ秒ずつ短縮していく。Ｓ５で貫通電流の監視を行い、検出しなければＳ４に戻ったあと再度Ｓ５へ移行し、検出するまでそれを繰り返す。検出したらＳ６に移行し、Ｓ６では貫通電流を検出したＴｄに温度ばらつき等を考慮した係数αを加算した時間を正規のデッドタイムに設定し、Ｓ７で定常動作を開始する。本実施例で示す送風機は、瞬時のアーム短絡に耐えるパワー素子を用い、貫通電流で溶断しない電流ヒューズを選定している。
【００１７】
以上より、本発明の実施の形態によれば、使用する素子に合わせて極力短い最適なデッドタイムに自動設定することができるため、送風機のさらなる騒音の低減および小型化を実現することができる。
【符号の説明】
【００１８】
１  直流電圧、２  制御部、３  ゲートドライブ回路、４  スイッチング回路、４ａ  ハイサイドパワー素子、４ｂ  ローサイドパワー素子、５  電流検出抵抗、６  モータ、２１  ダクト接続枠、２２  ファン、２３  吸い込み口、２４  天井板、２５  本体、３０  室内機、３１  室外機、３２  内外接続配管、Ａ  換気扇、Ｂ  空気調和装置、Ｃ  電力変換装置。
【図１】
2014007856.tif 000003
【図２】
2014007856.tif 000004
【図３】
2014007856.tif 000005
【図４】
2014007856.tif 000006
【図５】
2014007856.tif 000007