(57)【要約】  本発明にかかる電動機駆動装置（１００）は、複数のスイッチング素子を有するインバータモジュール（５，６，７）と、モータ（８）の相数の２倍である６つのＰＷＭ信号をそれぞれ６本の信号線に出力する制御部（９）と、制御部（９）とインバータモジュール（５，６，７）に各々挿入される駆動制御部（１０ａ，１０ｂ，１０ｃ）と、を備え、駆動制御部（１０ａ，１０ｂ，１０ｃ）のそれぞれは、制御部（９）からのＰＷＭ信号を伝送する信号線のうち２本に接続され、ＰＷＭ信号をそれぞれ３つずつに複製して、６つの個別ＰＷＭ信号を６つの信号線により、対応するインバータモジュール（５，６，７）へ出力する。
2017187532.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
３相の電動機を駆動する電動機駆動装置であって、
４つ以上のスイッチング素子を各々が有する３つのインバータモジュールと、
第１のＰＷＭ信号を出力し、第２のＰＷＭ信号を出力する制御部と、
前記制御部と前記３つのインバータモジュールの間に各々挿入される３つの駆動制御部と、
を備え、
前記３つの駆動制御部のうちの１つと前記制御部とは、第１および第２の信号線により接続され、
前記制御部は、前記第１のＰＷＭ信号および前記第２のＰＷＭ信号をそれぞれ前記第１の信号線および前記第２の信号線に出力し、
前記３つの駆動制御部のうちの１つと前記３つのインバータモジュールのうちの１つとは、３つの第３の信号線および３つの第４の信号線により接続され、
前記３つの駆動制御部のうちの１つは、各々が前記第１のＰＷＭ信号と同一の信号である３つの第１の個別ＰＷＭ信号を３つの第３の信号線にそれぞれ出力し、
前記３つの駆動制御部のうちの１つは、各々が前記第２のＰＷＭ信号と同一の信号である３つの第２の個別ＰＷＭ信号を３つの第４の信号線にそれぞれ出力する電動機駆動装置。
【請求項２】
前記３つのインバータモジュールのうちの少なくとも２つに対して、前記４つ以上のスイッチング素子のうち直列に接続された上側および下側の２つのスイッチング素子であるスイッチング素子対ごとの電流計測部を備え、
前記駆動制御部は、スイッチング素子対ごとの前記電流計測部から出力される電流の計測結果を加算して、前記インバータモジュールごとに１つの合成電流として前記制御部へ出力する請求項１に記載の電動機駆動装置。
【請求項３】
前記駆動制御部は、
前記合成電流が閾値を超えた場合、前記第１および第２の個別ＰＷＭ信号の出力を停止させる請求項２に記載の電動機駆動装置。
【請求項４】
前記４つ以上のスイッチング素子は、ワイドバンドギャップ半導体によって形成されている請求項１から３のいずれか１つに記載の電動機駆動装置。
【請求項５】
前記ワイドバンドギャップ半導体は、炭化珪素である請求項４に記載の電動機駆動装置。
【請求項６】
第１の数の端子を有する電動機を駆動し、前記第１の数は２以上の整数であり、前記第１の数の端子は、それぞれ異なる相に対応する電動機駆動装置であって、
第２の数を前記第１の数と同数とするとき、第３の数のスイッチング素子を各々が有し、前記第３の数は前記第１の数より大きい、前記第２の数のインバータモジュールと、
第１のＰＷＭ信号を出力し、第２のＰＷＭ信号を出力する制御部と、
前記制御部と前記第２の数のインバータモジュールの間に各々挿入される前記第１の数と同数の第５の数の駆動制御部と、
を備え、
前記第５の数の駆動制御部のうちの１つと前記制御部とは、前記第１および第２の信号線により接続され、
前記制御部は、前記第１のＰＷＭ信号および前記第２のＰＷＭ信号をそれぞれ前記第１の信号線および前記第２の信号線に出力し、
前記第５の数の駆動制御部のうちの１つと前記第２の数のインバータモジュールのうちの１つとは、第６の数の第３の信号線および第７の数の第４の信号線により接続され、前記第６の数および前記第７の数は前記第４の数と同数であり、
前記第５の数の駆動制御部のうちの１つは、各々が前記第１のＰＷＭ信号と同一の信号である第８の数の第１の個別ＰＷＭ信号を前記第６の数の第３の信号線にそれぞれ出力し、前記第８の数は前記第４の数と同数であり、
前記第５の数の駆動制御部のうちの１つは、各々が前記第２のＰＷＭ信号と同一の信号である第９の数の第２の個別ＰＷＭ信号を前記第７の数の第４の信号線にそれぞれ出力し、前記第９の数は前記第４の数と同数である電動機駆動装置。
【請求項７】
請求項１から６のいずれか１つに記載の電動機駆動装置と、
前記電動機駆動装置により駆動される電動機を有する圧縮機と、
を備える空気調和機。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、スイッチング素子を備える電動機駆動装置および空気調和機に関する。
【背景技術】
【０００２】
スイッチング素子を用いてＰＷＭ（Pulse  Width  Modulation）制御により電動機を駆動する技術が知られている。特許文献１には、ＰＷＭ制御の一例が開示されている。【０００３】
スイッチング素子をチップとして実装する場合、チップ面積を大きくすると歩留りが悪化する。チップ面積を小さくすると、ウェハから取り出す際の歩留まりを向上させることができるため、低価格化を実現できる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特許第４６７５９０２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
従来の技術によれば、スイッチング素子がチップとして実装される場合、チップ面積を小さくすると、低価格化を実現できる。しかしながら、チップ面積を小さくすると電流容量が低下するため、チップを複数用いて並列接続することになる。このため、チップごとの特性のバラツキにより均等に電流が流れずに特定のチップにだけ電流が集中してしまう。並列接続による大電流化には、このチップの特性のバラツキの抑制が課題となる。また、大電流化するためにチップを複数用いて並列接続した場合、理想的には単一のチップの電流容量の並列数倍の電流容量となるが、上記のバラツキを考慮すると電流を抑制することになり、並列化しても、電流容量を理想的な値まで増加させることができないという課題があった。このため、スイッチング素子を用いた電動機駆動装置において、低価格化と大電流化を両立させることが難しいという問題があった。【０００６】
本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、低価格化と大電流化を両立させることができる電動機駆動装置を得ることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明にかかる電動機駆動装置は、第１の数の相を有する電動機を駆動し、第１の数は２以上の整数である電動機駆動装置であって、第２の数を第１の数と同数とするとき、第３の数のスイッチング素子を各々が有し、第２の数のインバータモジュールを備える。第３の数は２以上の整数である第４の数の２倍の数である。また、この電動機駆動装置は、第１のＰＷＭ信号を出力し、第２のＰＷＭ信号を出力する制御部と、制御部と第２の数のインバータモジュールの間に各々挿入される第１の数と同数の第５の数の駆動制御部と、を備える。第５の数の駆動制御部のうちの１つと制御部とは、第１および第２の信号線により接続され、制御部は、第１のＰＷＭ信号および第２のＰＷＭ信号をそれぞれ第１の信号線および第２の信号線に出力する。第５の数の駆動制御部のうちの１つと第２の数のインバータモジュールのうちの１つとは、第６の数の第３の信号線および第７の数の第４の信号線により接続され、第６の数および第７の数は第４の数と同数である。第５の数の駆動制御部のうちの１つは、各々が第１のＰＷＭ信号と同一の信号である第８の数の第１の個別ＰＷＭ信号を第６の数の第３の信号線にそれぞれ出力し、第８の数は第４の数と同数である。第５の数の駆動制御部のうちの１つは、各々が第２のＰＷＭ信号と同一の信号である第９の数の第２の個別ＰＷＭ信号を第７の数の第４の信号線にそれぞれ出力し、第９の数は第４の数と同数である。
【発明の効果】
【０００８】
本発明にかかる電動機駆動装置は、低価格化と大電流化を両立させることができるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】実施の形態１にかかる電動機駆動装置の構成例を示す図
【図２】実施の形態１の駆動制御部の構成例を示す図
【図３】実施の形態１の制御回路の構成例を示す図
【図４】実施の形態１の各汎用インバータモジュールと主回路コンデンサとの間にそれぞれシャント抵抗を備える電力変換装置の構成例を示す図
【図５】実施の形態２の空気調和機の構成例を示す図
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下に、本発明の実施の形態にかかる電動機駆動装置および空気調和機を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。
【００１１】
実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１にかかる電動機駆動装置の構成例を示す図である。図１に示すように本実施の形態の電動機駆動装置１００は、交流電源１から入力される交流電流を直流電流に整流する整流器２と、整流器２に並列に接続されるコンデンサ４と、整流器２とコンデンサ４の間に接続されるリアクトル３と、駆動制御部１０ａ，１０ｂ，１０ｃと、コンデンサ４の両端電圧を検出する電圧検出部１１と、整流器２に並列に接続され、直流電流を３相交流電流に変換して３相モータであるモータ８すなわち電動機を駆動するインバータ部１０１と、インバータ部１０１を制御するためのＰＷＭ信号を生成する制御部９と、を備える。インバータ部１０１にはモータ８に流れるモータ電流を計測する電流計測部１２ａ〜１２ｃ，１３ａ〜１３ｃ，１４ａ〜１４ｃが設けられている。
【００１２】
本実施の形態の電動機駆動装置１００は、空気調和機、冷凍機、洗濯乾燥機、冷蔵庫、除湿器、ヒートポンプ式給湯機、ショーケース、掃除機、ファンモータ、換気扇、手乾燥機、誘導加熱電磁調理器などにおいて、モータを駆動する装置として用いることができる。
【００１３】
インバータ部１０１は、Ｕ相に対応するインバータモジュール５と、Ｖ相に対応するインバータモジュール６と、Ｗ相に対応するインバータモジュール７とを備える。インバータモジュール５、インバータモジュール６およびインバータモジュール７は並列に接続される。インバータモジュール５，６，７は、各々がスイッチング素子５ａ，５ｂ，５ｃ，５ｄ，５ｅ，５ｆを備える。本実施の形態では、スイッチング素子５ａ，５ｃ，５ｅは上アームを構成し、スイッチング素子５ｂ，５ｄ，５ｆは下アームを構成する。スイッチング素子５ａ，５ｂ，５ｃ，５ｄ，５ｅ，５ｆのそれぞれの電流容量が小さい場合でも、図１のように、スイッチング素子を並列化することにより大電流容量を実現することができる。スイッチング素子５ａおよびスイッチング素子５ｂ、スイッチング素子５ｃおよびスイッチング素子５ｄ、スイッチング素子５ｅおよびスイッチング素子５ｆは、それぞれ直列に接続されるスイッチング素子対をなす。各スイッチング対は並列に接続される。インバータモジュール６，７の構成は、インバータモジュール５と同様である。なお、簡略化のため、図１では、インバータモジュール６，７内のスイッチング素子５ａ，５ｂ，５ｃ，５ｄ，５ｅ，５ｆの符号を省略している。
【００１４】
制御部９は、駆動制御部１０ａ，１０ｂ，１０ｃとそれぞれ３本の信号線で接続されるとともに、電圧検出部１１に接続される。駆動制御部１０ａ，１０ｂ，１０ｃは、それぞれ制御部９と３本の信号線で接続される。また、駆動制御部１０ａ，１０ｂ，１０ｃは、それぞれインバータモジュール５，６，７と６本の信号線により接続される。さらに、インバータモジュール５は、電流計測部１２ａ，１２ｂ，１２ｃと各々１本の信号線で接続され、、インバータモジュール６は、電流計測部１３ａ，１３ｂ，１３ｃと各々１本の信号線で接続され、インバータモジュール７は、電流計測部１４ａ，１４ｂ，１４ｃと各々１本の信号線で接続される。
【００１５】
制御部９は、電圧検出部１１により検出された電圧と電流計測部１２ａ〜１２ｃ，１３ａ〜１３ｃ，１４ａ〜１４ｃにより計測されたモータ電流とに基づいてインバータ部１０１を制御する。電流計測部１２ａ〜１２ｃ，１３ａ〜１３ｃ，１４ａ〜１４ｃは、シャント抵抗を用いた電流計測器である。具体的には、制御部９は、相およびアームごとのスイッチング素子のオンオフ状態を制御するためのＰＷＭ信号Ｕｐ，Ｖｐ，Ｗｐ，Ｕｎ，Ｖｎ，Ｗｎを生成し、駆動制御部１０ａ〜１０ｃを介してインバータ部１０１へ出力する。Ｕｐ，Ｖｐ，Ｗｐは、Ｕ，Ｖ，Ｗ相の上アームのスイッチング素子のオンオフ状態を制御するためのＰＷＭ信号であり、Ｕｎ，Ｖｎ，Ｗｎは、Ｕ，Ｖ，Ｗ相の下アームのスイッチング素子のオンオフ状態を制御するためのＰＷＭ信号である。ＰＷＭ信号は、オンを示すＨｉｇｈと、オフを示すＬｏｗとのいずれかの値をとるパルス状の信号である。パルスすなわちオンが連続する期間の幅をパルス幅と呼ぶ。制御部９は、同一相の同一アームが３つのスイッチング素子で構成されることから、３つのスイッチング素子がオンとなったときに流れる電流に基づいてパルス幅を決定する。すなわち３つのスイッチング素子を大きな電流容量の１つのスイッチング素子であるとみなしてＰＷＭ信号を生成する。
【００１６】
駆動制御部１０ａは、制御部９により生成されたＵｐおよびＵｎのＰＷＭ信号に基づいてスイッチング素子５ａ，５ｃ，５ｅおよび５ｂ，５ｄ，５ｆをＰＷＭ駆動するためのＰＷＭ信号を生成する。具体的には、Ｕ相に対応するインバータモジュール５の場合、制御部９からは、Ｕ相に対応するＰＷＭ信号であるＵｐとＵｎの２つの信号が駆動制御部１０ａへ出力され、駆動制御部１０ａにてＵｐを３つに複製し、複製した信号をＰＷＭ信号としてスイッチング素子５ａ，５ｃ，５ｅに各々出力し、Ｕｎを３つに複製し、複製した信号をＰＷＭ信号としてスイッチング素子５ｂ，５ｄ，５ｆに各々出力する。Ｖ相のインバータモジュール６、Ｗ相のインバータモジュール７においても、同様に、駆動制御部１０ｂおよび駆動制御部１０ｃは、制御部９により生成されたＰＷＭ信号に基づいてスイッチング素子をＰＷＭ駆動するためのＰＷＭ信号を複製して出力する。
【００１７】
なお、図１では、モータ８が３相の場合を示しているが、モータの相数は図１の例に限定されない。モータ８が３相でない場合にも、インバータモジュールを相数分用いることで、本実施の形態の構成および動作を適用できる。
【００１８】
以上のように、本実施の形態の電動機駆動装置１００は、第１の数の相を有する電動機であるモータ８を駆動し、第１の数は２以上の整数であり図１の例では第１の数は３である。また、第２の数を第１の数と同数とするとき、本実施の形態の電動機駆動装置１００は、２以上の整数である第４の数の２倍の数である第３の数のスイッチング素子を各々が有する第２の数のインバータモジュールと、第１のＰＷＭ信号を第１の信号線に出力し、第２のＰＷＭ信号を第２の信号線に出力する制御部９と、制御部９と第２の数のインバータモジュールの間に各々挿入される第１の数と同数の第５の数の駆動制御部である駆動制御部５，６，７と、を備える。第４の数は、図１の例では３である。
【００１９】
スイッチング素子５ａ，５ｂ，５ｃ，５ｄ，５ｅ，５ｆとしては、どのような素子を用いてもよいが、ＧａＮ（窒化ガリウム）、ＳｉＣ（シリコンカーバイド：炭化珪素）、ダイヤモンドなどのワイドバンドギャップ半導体を用いることができる。ワイドバンドギャップ半導体を用いることで耐電圧性が高く、許容電流密度も高くなるため、モジュールの小型化が可能となる。ワイドバンドギャップ半導体は、耐熱性も高いため、放熱部の放熱フィンの小型化も可能になる。
【００２０】
ここで、比較例として３相モータを駆動する一般的なインバータについて説明する。一般に、インバータを用いて３相モータを駆動する場合、インバータは、相ごとに、直列に接続された上アームの１つのスイッチング素子と下アームの１つのスイッチング素子とで構成されるスイッチング素子対を備える。したがって、比較例のインバータは、３相分では合計３対すなわち６つのスイッチング素子を備える。一方、スイッチング素子をチップとして実装する場合、チップ面積を大きくすると歩留りが悪化する。チップ面積を小さくすると、ウェハから取り出す際の歩留まりを向上させることができる。特に、スイッチング素子としてＳｉＣを用いる場合には、ウェハが高価であることから、低価格化のためにはチップ面積を小さくすることが望ましい。家庭用の空気調和機に使用される場合のように、電流容量が小さくてよい場合には、チップ面積の小さい６つのスイッチング素子で３相を制御するインバータモジュールを用いることで低価格化が実現できる。
【００２１】
しかしながら、チップ面積を小さくすると電流容量が小さくなる。このため、比較例のインバータモジュール、すなわち６つのスイッチング素子で３相モータを駆動するインバータモジュールでは、低価格化と大電流化の両立が難しい。これに対し、本実施の形態では、電流容量の小さいスイッチング素子を並列に用いることにより、低価格化と大電流化の両方を実現できる。また、図１に示すように、６つのスイッチング素子で構成される３相用の１つのインバータモジュールと、本実施の形態の６つのスイッチング素子で構成されるインバータモジュール５，６，７とで基本的な部分を共通化することができる。このため、インバータモジュール５，６，７として、６つのスイッチング素子で構成される３相用の１つのインバータモジュールをそのまま、または簡易な変更により用いることができる。
【００２２】
言い換えると、３相用の１つのインバータモジュールと図１に示すインバータモジュール５，６，７とを同一のモジュールとして製造することができる。したがって、大電流容量用のインバータモジュール５，６，７を安価に製造することができる。一例を挙げると、家庭用の空気調和機には６つのスイッチング素子で構成される３相用の１つのモジュールを用い、業務用の空気調和機には、図１に示すように、３つのモジュールを備えるインバータ部１０１を用いることができる。以下、本実施の形態のインバータ部１０１と区別するために、比較例のように相あたり１対のスイッチング素子を用いるインバータを単一対インバータと呼び、３相分のスイッチング素子すなわち３対のスイッチング素子を１つのモジュールとして実装したモジュールを単一インバータモジュールと呼ぶ。
【００２３】
図１に示すように、インバータモジュール５は、３対のスイッチング素子を備える。単一対インバータでは、同一相の上アームのスイッチング素子は１つであり、同一相の下アームのスイッチング素子は１つである。これに対し、本実施の形態では、同一相の上アームのスイッチング素子は３つであり、同一相の下アームのスイッチング素子は３つである。したがって、実装されたスイッチング素子の電流容量をＡｍとすると、３つのスイッチング素子が並列に接続されたインバータモジュールの電流容量は理想的には３×Ａｍとなる。
【００２４】
なお、図１の構成例では、制御部９により生成されたＰＷＭ信号をスイッチング素子５ａ，５ｂ，５ｃ，５ｄ，５ｅ，５ｆの個別のＰＷＭ信号を生成する機能を駆動制御部１０ａが有している。これにより、本実施の形態のインバータモジュール５，６，７を、モジュール製造において単一インバータモジュールと共通化することができる。
【００２５】
一般的にモータ駆動用のインバータモジュールでは、下アームのＮラインをモジュールの外部で接続し、接続点と下アームのスイッチング素子との間に抵抗を挿入して電流を検出する、すなわちスイッチング素子対ごとに電流計測部を設けている３シャント電流検出方式を採用することが多い。図１では、下アームに３シャント電流検出方式を用いる構成例を図示しているが、下アームもモジュール内部で接続する１シャント電流検出方式であってもよい。
【００２６】
次に、駆動制御部１０ａについて説明する。図２は、本実施の形態の駆動制御部１０ａの構成例を示す図である。本実施の形態では、インバータモジュールだけでなく、制御部９についても、なるべく単一対インバータの場合と共通化できるように、駆動制御部１０ａを設けている。すなわち、本実施の形態の電動機駆動装置１００では、制御部９に接続されるＰＷＭ信号を出力するための信号線は、一般的な単一対インバータと同様に６本である。
【００２７】
図２に示すように、駆動制御部１０ａは、加算部２１と保護部２２を備える。加算部２１は、３シャント方式により検出された３つのモータ電流、すなわち電流計測部１２ａ〜１２ｃにより計測された３つのモータ電流を加算して合成電流として制御部９へ出力する。保護部２２は、制御部９から出力されたＰＷＭ信号のうちインバータモジュール５に対応する２つの信号であるＵｐおよびＵｎを、それぞれ３つずつに複製し、合計６本のＰＷＭ信号を出力する。Ｕｐから複製された３つの信号は、インバータモジュール５の上アームのスイッチング素子である５ａ，５ｃ，５ｅに入力される。Ｕｎから複製された３つの信号は、インバータモジュール５の下側のスイッチング素子である５ｂ，５ｄ，５ｆに入力される。駆動制御部１０ｂ，１０ｃも駆動制御部１０ａと同様の構成を有する。
【００２８】
駆動制御部１０ａを以上のように構成することで、制御部９に接続されるＰＷＭ信号を出力するための信号線は、一般的な単一対インバータと同様に６本のままとすることができる。
【００２９】
すなわち、本実施の形態の電動機駆動装置１００は、第５の数の駆動制御部のうちの１つ、すなわち駆動制御部１０ａ，１０ｂ，１０ｃのうちの１つと制御部９とは、第１および第２の信号線により接続される。また、第５の数の駆動制御部のうちの１つとインバータモジュール５，６，７のうちの１つは、第６の数の第３の信号線および第７の数の第４の信号線で接続される。第５の数の駆動制御部のうちの１つは、第１のＰＷＭ信号と同一の信号である、すなわち第１のＰＷＭ信号が複製された信号である第８の数の第１の個別ＰＷＭ信号を第６の数の第３の信号線にそれぞれ出力し、第２のＰＷＭ信号と同一の信号である、すなわち第２のＰＷＭ信号が複製された信号である第９の数の第２の個別ＰＷＭ信号を第７の数の第４の信号線にそれぞれ出力する。第６の数、第７の数、第８の数および第９の数は第４の数と同数である。第５の数の駆動制御部のうちの１つが駆動制御部１０ａである場合、第１および第２の信号は、ＵｐおよびＵｎであり、第５の数の駆動制御部のうちの１つが駆動制御部１０ｂである場合、第１および第２の信号は、ＶｐおよびＶｎであり、第５の数の駆動制御部のうちの１つが駆動制御部１０ｃである場合、第１および第２の信号は、ＷｐおよびＷｎである。
【００３０】
また、本実施の形態の電動機駆動装置１００は、３シャント方式により検出された３つのモータ電流を１つの合成電流として出力することができる。これにより、制御部９へモータ電流の計測結果を入力するための信号線を１つのインバータモジュールあたり１本、すなわち合計３本とすることができる。
【００３１】
また、駆動制御部１０ａを以上のように構成することで、単一対インバータとインバータ部１０１は制御部９から見れば、全く同じインバータ構成として扱うことができ、制御部９の構成を単一対インバータの場合と共通化することができる。例えば、制御部９にマイコン（マイクロコンピュータ）を使用するとし、仮に制御部９が全スイッチング素子に対するＰＷＭ信号を生成して出力するとした場合、ＰＷＭ信号だけで１８本の信号線が必要となる。マイコンは汎用性が高く、１８本もの信号線を必要とするアプリケーションはまれであるため、通常は、出力端子は１８本より少ない。したがって、汎用のマイコンをそのまま使用することができず、何らかの機能を削減するなどの制約が入るか、または、設計者による手作りプログラムを作成してマイコンに搭載する機能が必要となる。本実施の形態では、上述した駆動制御部１０ａを用いるため、制御部９の出力端子数を削減することができ、かつ単一対インバータに使用される制御部と本実施の形態の制御部９を共通化することができる。
【００３２】
ここで、本実施の形態の制御部９のハードウェア構成について説明する。制御部９は、処理回路により実現される。この処理回路は、専用のハードウェアである処理回路であってもよいし、プロセッサを備える制御回路であってもよい。専用のハードウェアである場合、処理回路は、例えば、単一回路、複合回路、プログラム化したプロセッサ、並列プログラム化したプロセッサ、ＡＳＩＣ（Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ  Ｓｐｅｃｉｆｉｃ  Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ  Ｃｉｒｃｕｉｔ）、ＦＰＧＡ（Ｆｉｅｌｄ  Ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ  Ｇａｔｅ  Ａｒｒａｙ）、またはこれらを組み合わせたものである。
【００３３】
制御部９を実現する処理回路がプロセッサを備える制御回路で実現される場合、この制御回路は例えば図３に示す構成の制御回路２００である。図３は、本実施の形態の制御回路２００の構成例を示す図である。制御回路２００は、プロセッサ２０１とメモリ２０２を備える。プロセッサは、ＣＰＵ（Central  Processing  Unit、中央処理装置、処理装置、演算装置、マイクロプロセッサ、マイクロコンピュータ、プロセッサ、ＤＳＰ（Digital  Signal  Processor）ともいう）等である。メモリは、例えば、ＲＡＭ（Random  Access  Memory）、ＲＯＭ（Read  Only  Memory）、フラッシュメモリー、ＥＰＲＯＭ（Erasable  Programmable  Read  Only  Memory）、ＥＥＰＲＯＭ（Electrically  Erasable  Programmable  Read  Only  Memory）等の、不揮発性または揮発性の半導体メモリ、磁気ディスク、フレキシブルディスク、光ディスク、コンパクトディスク、ミニディスク、ＤＶＤ（Digital  Versatile  Disk）等が該当する。
【００３４】
制御部９を実現する処理回路がプロセッサを備える制御回路２００である場合、プロセッサ２０１が、メモリ２０２に記憶された制御部９の処理が記述されたプログラムを読み出して実行することにより実現される。また、メモリ２０２は、プロセッサ２０１が実施する各処理における一時メモリとしても使用される。
【００３５】
なお、図１および図２では、モータ電流を相ごとに計測する例を示しているが、モータ電流は相ごとに計測されなくてもよく、モータ８の三相平衡を条件として２つの相のモータ電流を計測するようにしてもよい。この場合、電流計測部は、モータ８の相数より１少ない２つの相に設ければよく、制御部９には、２つの合成電流が入力される。モータ８の相数より１少ない電流検出としても三相分の電流が検出できることは公知であり、制御部９は、公知の技術と同様に、２つのモータ電流を用いて、ＰＷＭ信号を生成することができる。
【００３６】
次に、本実施の形態のモータ電流の計測について説明する。３シャント電流検出方式の場合、インバータモジュール５〜７は下アームのスイッチング素子とＮラインが接続されておらず、シャント抵抗が９個挿入されることになる。上述したように、下アームのスイッチング素子を一括化してＮラインに１つのインバータモジュールあたり１つの電流計測部を設けるようにしてもよい、すなわち１シャント方式を用いてもよいが、本実施の形態では、スイッチング素子１つ１つを短絡から保護できるよう一括化せずに、９個のシャント抵抗すなわち９個の電流計測部を用いる例を説明する。
【００３７】
シャント抵抗を備える電流計測部１２ａ〜１２ｃ，１３ａ〜１３ｃ，１４ａ〜１４ｃはモータ８を駆動するための制御に用いられるモータ電流を検出するとともに、シャント抵抗によりスイッチング素子に過剰な電流が流れないよう保護する機能も有する。スイッチング素子５ａ，５ｃ，５ｅに特性のバラツキがなく、スイッチング素子５ｂ，５ｄ，５ｆに特性のバラツキがないとすると、インバータモジュール５には理想的に３×Ａｍの電流が流れ、各スイッチング素子に均等に流れる。このため、インバータモジュール５全体を流れる電流を計測していれば各スイッチング素子に過剰な電流が流れているか否かを判断することができる。すなわち、電流計測部１２ａ〜１２ｃの替わりに１つの電流計測部を用いても、スイッチング素子を過剰な電流から保護することが可能である。
【００３８】
しかしながら、スイッチング素子の特性のバラツキがある場合、各スイッチング素子に流れる電流は均等でなくなり、電流容量Ａｍより多く電流が流れるスイッチング素子が発生する。スイッチング素子の特性のバラツキは、主にオン抵抗およびオンタイミングのバラツキである。各スイッチング素子が破壊されないように保護機能が働く電流レベルすなわち過電流の保護レベルは、一般にインバータモジュール内で統一化される。過電流の保護レベルはすべて一定値であるが、スイッチング素子の特性のバラツキにより、インバータモジュール内の各スイッチング素子を流れる電流はスイッチング素子ごとに異なるため、各スイッチング素子を保護するためには、各スイッチング素子を流れる電流を個別に把握する必要がある。
【００３９】
１シャント方式の場合、スイッチング素子の特性のバラツキに備えて、スイッチング素子に流れる電流が均等に３等分されないことを想定し、過電流の保護レベルに余裕度を与えることになる。すなわち、スイッチング素子の特性のバラツキが無い理想的な場合より、過電流の保護レベルを下げることになる。この結果、理想的には、３×Ａｍの電流が流れるはずであるのに対し、余裕度を与えた過電流保護レベル以下での動作となる。本発明では、小さなチップで大電流化を図るにもかかわらず、１シャント方式を用いると、過電流の保護レベルに余裕度を持たせるために、スイッチング素子の並列化による理想的に流せる最大電流である３×Ａｍまで電流を流せないという課題が生じる。
【００４０】
３シャント電流検出方式の場合、スイッチング素子対ごとに電流計測部を設けているためスイッチング素子を流れる電流をスイッチング素子の特性のバラツキを考慮せずに検出可能なため、スイッチング素子の持つ過電流保護レベルを設定でき、理想的に流せる３倍の電流に近づけることが出来る分、１シャント方式より好適であると言える。
【００４１】
一方、３シャント電流検出方式は、過電流保護の観点では好適であるが、電流計測部が９個になる。１シャント方式であれば電流計測部から出力される計測結果を伝送するための信号線が３本でよいが、３シャント電流検出方式では、電流計測部から出力される計測結果を伝送するための信号線が９本必要となる。制御部９に接続される信号線は少ない方が望ましい。特に上述したように制御部９としてマイコンを用いる場合には信号線の数に制約があることが考えられる。上述した通り、過電流保護の観点からはスイッチング素子ごとに電流計測部を有することが望ましいが、モータ８を制御する上では、各相１つの合計３つ、または三相平衡との前提条件では２つの相のモータ電流が計測できればよい。したがって、本実施の形態の駆動制御部１０ａは、加算部２１を有し、加算部２１により、１つのインバータモジュールあたり３つのモータ電流の計測結果を１つの合成電流として、制御部９へ出力する。
【００４２】
なお、インバータモジュールを流れる電流が均等に三等分されていれば、電流計測部１２ａにより計測されたモータ電流の３倍の電流がモータ８のＵ相の電流として検出される電流となる。このため、電流計測部１２ａにより計測されたモータ電流を制御部９に出力することも考えられるが、本実施の形態では電流計測部１２ａ〜１２ｃの３つ計測結果が存在するため、これらを加算した方が、各相のモータ電流を精度良く検出することができるため、本実施の形態では、電流計測部１２ａ〜１２ｃの計測結果を加算する。これにより、制御部９における制御方法は、１シャント電流検出方式の場合の制御方法を用いることができる。
【００４３】
また駆動制御部１０ａに加算部２１を設けたことにより、スイッチング素子を個別に保護するだけでなく、３つの合成電流を求めることができ、合成電流用いた保護を実施することもできるため、電流による破損の恐れが極めて小さくなる。スイッチング素子の特性のバラツキによりスイッチング素子に電流が集中した場合を例にすると、電流が集中していた特定のスイッチング素子が保護で停止した場合、残りの２つの素子に、停止したスイッチング素子の電流も分流する。このとき、元々電流が流れていたスイッチング素子にさらに過電流で停止した素子に流れていた電流分まで流れると一瞬にして流れる電流が増加する。この結果、電流が集中していた特定のスイッチング素子は保護できるが、過電流保護の作動時間より電流増加が早いため、特定のスイッチング素子の停止の影響で電流が増加したスイッチング素子を保護できないと言うことになる。本発明により加算部で生成した合成電流で全てのスイッチング素子を保護できるので、流れる電流が過電流の保護レベルに達していなかったスイッチング素子も保護することができる。
【００４４】
また加算部２１により生成される合成電流で過電流から保護できるので、モータの脱調検出および減磁電流遮断にも流用可能となる。このように、加算部２１により生成される合成電流を用いることで、保護する対象を増加させることができ、より安全性を高めることができる。
【００４５】
さらに、上述したように、過電流からの保護機能を有する電流計測部による計測結果を用いて、制御部９はモータ８の駆動を制御するので、モータ８に流れる電流を直接検出する電流センサを削減して、安価に電動機駆動装置１００を実現することができる。
【００４６】
また、図１の構成例にさらに電流保護部を設けて、あるインバータモジュールの保護動作から他のインバータモジュールを保護するように構成してもよい。図４は、電流保護部２３を設けた電動機駆動装置１００ａの構成例を示す図である。図４では、電動機駆動装置１００ａのうち、制御部９と駆動制御部１０ａ，１０ｂ，１０ｃとその間の部分のみを図示しており、インバータモジュール５，６，７等を省略している。電動機駆動装置１００ａでは、制御部９と駆動制御部１０ａ，１０ｂ，１０ｃとの間に設けられた電流保護部２３は、駆動制御部１０ａ〜１０ｃで生成された３つの合成電流をさらに合成して、１つの総合成電流を生成する。電流保護部２３は、この１つの総合成電流が閾値より大きい場合に、制御部９へ総合成電流を通知するとともに、駆動制御部１０ａ〜１０ｃへ異常を伝達することで駆動制御部１０ａ〜１０ｃ内にある保護部にて全てのスイッチング素子を同時に停止させる。これにより、９つの電流計測部の計測結果のうち１つでも過電流の保護レベルを超えていた場合に、全てのスイッチング素子、換言すれば、３つのインバータモジュールに含まれるすべてのスイッチング素子を同時にかつ瞬時に保護することが出来る。
【００４７】
また、図４では電流保護として、１つの総合成電流を生成することを記載したが、この総合成電流を保護のためだけでなく、制御部９におけるモータ８の駆動の制御に使用しても何ら構わない。また、制御部９が、モータ８の回転数に応じて、各駆動制御部から出力される合計３つの合成電流を使用するか、１つの総合成電流を使用するかを変更するようにしてもよい。なお、回転数の高い領域では電流検出の難易度が低下するため、回転数の高い領域では総合成電流を用い、回転数の低い領域では各駆動制御部から出力される合計３つの合成電流を使用するようにしてもよい。これにより、常時、総合成電流を用いる場合に比べ、モータ８の駆動安定性を改善することができる。
【００４８】
以上のように、本実施の形態では、駆動制御部が、制御部９により生成されたＰＷＭ信号を複製して各インバータモジュールへ出力するとともに、電流計測部による計測結果を加算して制御部９へ出力するようにした。このため、各スイッチング素子を過電流から保護しつつ、かつ、単一対インバータに用いられる制御部と同様の制御部９を用いることができる。
【００４９】
実施の形態２．
図５は、本発明の実施の形態２の空気調和機の構成例を示す図である。本実施の形態の空気調和機は、実施の形態１で述べた電動機駆動装置１００または電動機駆動装置１００ａを備える。図５では、実施の形態１の電動機駆動装置１００を備える例を示しているが、実施の形態１の電動機駆動装置１００の替わりに電動機駆動装置１００ａを備えてもよい。本実施の形態の空気調和機は、実施の形態１のモータ８を内蔵した圧縮機８１、四方弁８２、室外熱交換器８３、膨張弁８４、室内熱交換器８５が冷媒配管８６を介して取り付けられた冷凍サイクルすなわち冷凍サイクル装置を有して、セパレート形空気調和機を構成している。
【００５０】
圧縮機８１内部には冷媒を圧縮する圧縮機構８７とこれを動作させるモータ８が設けられ、圧縮機８１から室外熱交換器８３と室内熱交換器８５間を冷媒が循環することで冷暖房などを行う冷凍サイクルが構成されている。なお、図５に示した構成は、空気調和機だけでなく、冷蔵庫、冷凍庫等の冷凍サイクルを備える機器に適用可能である。
【００５１】
本実施の形態の空気調和機では、実施の形態１で述べた電動機駆動装置を備えているため、低価格で大電流化を実現することができる。
【００５２】
また、各相についてスイッチング素子を複数対有しているため、スイッチング素子が故障しても他のスイッチング素子を用いて運転の継続が可能である。スイッチング素子が故障している場合には、通常より低い能力で運転を継続してユーザへアラームを出す等の動作が可能となる。
【００５３】
以上の実施の形態に示した構成は、本発明の内容の一例を示すものであり、別の公知の技術と組み合わせることも可能であるし、本発明の要旨を逸脱しない範囲で、構成の一部を省略、変更することも可能である。
【符号の説明】
【００５４】
１  交流電源、２  整流器、３  リアクトル、４  コンデンサ、５，６，７  インバータモジュール、５ａ，５ｂ，５ｃ，５ｄ，５ｅ，５ｆ  スイッチング素子、８  モータ、９  制御部、１０ａ，１０ｂ，１０ｃ  駆動制御部、１１  電圧検出部、１２ａ，１２ｂ，１２ｃ，１３ａ，１３ｂ，１３ｃ，１４ａ，１４ｂ，１４ｃ  電流計測部、２３  電流保護部、８１  圧縮機、８２  四方弁、８３  室外熱交換器、８４  膨張弁、８５  室内熱交換器、８６  冷媒配管、８７  圧縮機構、１００，１００ａ  電動機駆動装置、１０１  インバータ部。
【図１】
2017187532.tif 000003
【図２】
2017187532.tif 000004
【図３】
2017187532.tif 000005
【図４】
2017187532.tif 000006
【図５】
2017187532.tif 000007
【手続補正書】
【提出日】平成30年5月17日(2018.5.17)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
３相の電動機を駆動する電動機駆動装置であって、
４つ以上のスイッチング素子を各々が有する３つのインバータモジュールと、
第１のＰＷＭ信号を出力し、第２のＰＷＭ信号を出力する制御部と、
前記制御部と前記３つのインバータモジュールの間に各々挿入される３つの駆動制御部と、
前記３つのインバータモジュールのうちの少なくとも２つに対して、前記４つ以上のスイッチング素子のうち直列に接続された上側および下側の２つのスイッチング素子であるスイッチング素子対ごとの電流を計測する電流計測部と、
を備え、
前記３つの駆動制御部のうちの１つと前記制御部とは、第１および第２の信号線により接続され、
前記制御部は、前記第１のＰＷＭ信号および前記第２のＰＷＭ信号をそれぞれ前記第１の信号線および前記第２の信号線に出力し、
前記３つの駆動制御部のうちの１つと前記３つのインバータモジュールのうちの１つとは、３つの第３の信号線および３つの第４の信号線により接続され、
前記３つの駆動制御部のうちの１つは、各々が前記第１のＰＷＭ信号と同一の信号である３つの第１の個別ＰＷＭ信号を３つの第３の信号線にそれぞれ出力し、
前記３つの駆動制御部のうちの１つは、各々が前記第２のＰＷＭ信号と同一の信号である３つの第２の個別ＰＷＭ信号を３つの第４の信号線にそれぞれ出力し、
前記駆動制御部は、スイッチング素子対ごとの前記電流計測部から出力される電流の計測結果を加算して、前記インバータモジュールごとに１つの合成電流として前記制御部へ出力し、前記合成電流が閾値を超えた場合、前記第１および第２の個別ＰＷＭ信号の出力を停止させる電動機駆動装置。
【請求項２】
前記４つ以上のスイッチング素子は、ワイドバンドギャップ半導体によって形成されている請求項１に記載の電動機駆動装置。
【請求項３】
前記ワイドバンドギャップ半導体は、炭化珪素である請求項２に記載の電動機駆動装置。
【請求項４】
第１の数の端子を有する電動機を駆動し、前記第１の数は２以上の整数であり、前記第１の数の端子は、それぞれ異なる相に対応する電動機駆動装置であって、
第２の数を前記第１の数と同数とするとき、第３の数のスイッチング素子を各々が有し、前記第３の数は前記第１の数より大きい、前記第２の数のインバータモジュールと、
第１のＰＷＭ信号を出力し、第２のＰＷＭ信号を出力する制御部と、
前記制御部と前記第２の数のインバータモジュールの間に各々挿入される前記第１の数と同数の第４の数の駆動制御部と、
前記第２の数のインバータモジュールのうちの少なくとも２つに対して、前記第３の数のスイッチング素子のうち直列に接続された上側および下側の２つのスイッチング素子であるスイッチング素子対ごとの電流を計測する電流計測部と、
を備え、
前記第４の数の駆動制御部のうちの１つと前記制御部とは、第１および第２の信号線により接続され、
前記制御部は、前記第１のＰＷＭ信号および前記第２のＰＷＭ信号をそれぞれ前記第１の信号線および前記第２の信号線に出力し、
前記第４の数の駆動制御部のうちの１つと前記第２の数のインバータモジュールのうちの１つとは、第５の数の第３の信号線および第６の数の第４の信号線により接続され、前記第５の数および前記第６の数は前記第４の数と同数であり、
前記第４の数の駆動制御部のうちの１つは、各々が前記第１のＰＷＭ信号と同一の信号である第７の数の第１の個別ＰＷＭ信号を前記第５の数の第３の信号線にそれぞれ出力し、前記第７の数は前記第４の数と同数であり、
前記第４の数の駆動制御部のうちの１つは、各々が前記第２のＰＷＭ信号と同一の信号である第８の数の第２の個別ＰＷＭ信号を前記第６の数の第４の信号線にそれぞれ出力し、前記第８の数は前記第４の数と同数であり、
前記駆動制御部は、スイッチング素子対ごとの前記電流計測部から出力される電流の計測結果を加算して、前記インバータモジュールごとに１つの合成電流として前記制御部へ出力し、前記合成電流が閾値を超えた場合、前記第１および第２の個別ＰＷＭ信号の出力を停止させる電動機駆動装置。
【請求項５】
請求項１から４のいずれか１つに記載の電動機駆動装置と、
前記電動機駆動装置により駆動される電動機を有する圧縮機と、
を備える空気調和機。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００７
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００７】
上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明にかかる電動機駆動装置は、第１の数の相を有する電動機を駆動し、第１の数は２以上の整数である電動機駆動装置であって、第２の数を第１の数と同数とするとき、第３の数のスイッチング素子を各々が有し、第２の数のインバータモジュールを備える。第３の数は２以上の整数である第４の数の２倍の数である。また、この電動機駆動装置は、第１のＰＷＭ信号を出力し、第２のＰＷＭ信号を出力する制御部と、制御部と第２の数のインバータモジュールの間に各々挿入される第１の数と同数の第５の数の駆動制御部と、３つのインバータモジュールのうちの少なくとも２つに対して、４つ以上のスイッチング素子のうち直列に接続された上側および下側の２つのスイッチング素子であるスイッチング素子対ごとの電流を計測する電流計測部とを備える。第５の数の駆動制御部のうちの１つと制御部とは、第１および第２の信号線により接続され、制御部は、第１のＰＷＭ信号および第２のＰＷＭ信号をそれぞれ第１の信号線および第２の信号線に出力する。第５の数の駆動制御部のうちの１つと第２の数のインバータモジュールのうちの１つとは、第６の数の第３の信号線および第７の数の第４の信号線により接続され、第６の数および第７の数は第４の数と同数である。第５の数の駆動制御部のうちの１つは、各々が第１のＰＷＭ信号と同一の信号である第８の数の第１の個別ＰＷＭ信号を第６の数の第３の信号線にそれぞれ出力し、第８の数は第４の数と同数である。第５の数の駆動制御部のうちの１つは、各々が第２のＰＷＭ信号と同一の信号である第９の数の第２の個別ＰＷＭ信号を第７の数の第４の信号線にそれぞれ出力し、第９の数は第４の数と同数である。駆動制御部は、スイッチング素子対ごとの電流計測部から出力される電流の計測結果を加算して、インバータモジュールごとに１つの合成電流として制御部へ出力し、合成電流が閾値を超えた場合、第１および第２の個別ＰＷＭ信号の出力を停止させる。
【国際調査報告】
2017187532.tif 000008
2017187532.tif 000009
2017187532.tif 000010
2017187532.tif 000011