(57)【要約】【課題】スイッチング素子の温度が基準温度を超えたことによりキャリア周波数を低下させる場合において、キャリア周波数の低下量を制限し、安定的に電動機の制御を行うことができるインバータ装置を提供することを目的としている。【解決手段】スイッチング素子であるパワートランジスタ２３ａ〜２３ｆの温度を温度検出回路２７で検出して、温度比較回路２８で基準温度Ｔ１およびＴ２（Ｔ１＞Ｔ２）と比較し、基準温度Ｔ１を超えたときに、周波数制御回路２９が電流検出回路２５の検出電流と温度検出回路２７の検出温度に応じて算出される量だけキャリア周波数を低下させる。その後、パワートランジスタ２３ａ〜２３ｆの温度が基準温度Ｔ２を下回ったときに、周波数制御回路２９はキャリア周波数を予め設定された初期値のキャリア周波数に戻す。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
キャリア周波数によりインバータ主回路のスイッチング素子を駆動するパルス幅変調信号を発生させる信号発生装置と、
前記スイッチング素子の温度を検出する温度検出装置と、
前記インバータ主回路が出力する電流を検出する電流検出装置と、
前記温度検出装置により検出された温度と、第１の基準温度及び前記第１の基準温度より低く設定された第２の基準温度とを比較する温度比較装置と、
前記温度比較装置の比較結果に基づき前記キャリア周波数を制御する周波数制御装置と、を備え、
前記検出された温度が前記第１の基準温度以上の場合には、所定時間毎に前記キャリア周波数は前記検出された電流に応じて算出される量だけ下げられ、前記第２の基準温度以下の場合には、前記キャリア周波数は予め設定されたキャリア周波数に調整されることを特徴とするインバータ装置。
【請求項２】
前記所定時間は、前記検出された温度もしくは前記検出された電流に応じて可変にされることを特徴とする請求項１に記載のインバータ装置。
【請求項３】
電動機の回転数を検出する回転数検出装置を備え、
前記検出された回転数から前記キャリア周波数の最小値を算出し、前記下げられたキャリア周波数と前記キャリア周波数の最小値とを比較し、前記下げられたキャリア周波数が前記キャリア周波数の最小値よりも高い場合には、前記下げられたキャリア周波数を前記キャリア周波数とし、前記下げられたキャリア周波数が前記キャリア周波数の最小値よりも低い場合には、前記キャリア周波数の最小値を前記キャリア周波数とすることを特徴とする請求項１または請求項２に記載のインバータ装置。
【請求項４】
前記キャリア周波数の低下量は、前記検出された電流に応じて可変にされることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれかに記載のインバータ装置。
【請求項５】
前記温度検出装置は、前記複数のスイッチング素子の温度を検出し、これら検出された温度の中から最も高い温度を前記検出された温度とすることを特徴とする請求項１から請求項４のいずれかに記載のインバータ装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ＰＷＭ制御によるインバータ主回路のスイッチング素子のオンオフ制御を行うインバータ装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
パルス幅変調（ＰＷＭ）制御形インバータ装置は、交流電源の出力を整流回路及び平滑用コンデンサにより直流出力に変換し、さらにインバータ主回路により所定周波数の交流出力に変換して出力するものである。インバータ主回路は、例えば、６個のトランジスタを三相出力に対応させて２個ずつ対にしてブリッジ接続することにより構成されたもので、これらのトランジスタは信号発生回路から与えられるパルス幅変調信号（以下、ＰＷＭ信号と称する）によりオンオフのスイッチング制御が行われる。ＰＷＭ制御を行うインバータ装置においては、ＰＷＭ信号のキャリア周波数をできるだけ高くすることが望ましい。その理由は、キャリア周波数が低くなる程、出力電流は制御信号の正弦波形からかけはなれた波形となり、電動機を駆動する場合に騒音が発生してしまうという不具合がある。
【０００３】
しかしながら、上記の不具合を解消すべく、ＰＷＭ信号のキャリア周波数を高めてトランジスタを高速でスイッチング動作させる場合には次のような別の不具合が生じる。一般にトランジスタはスイッチング動作を行う際に熱損失が発生し、特にスイッチング周期が短いと素子自体の温度が上昇して破壊に至ることがあるからである。このような不具合を解決するために、トランジスタの温度上昇を抑制するために冷却装置の冷却効率を上げたり、予めキャリア周波数を低く設定したＰＷＭ使用したりする等の方法がある。しかし、これにより冷却装置の大型化や複雑化を招き、また、大容量のトランジスタを使用する必要性が生じる。
【０００４】
この対策として、図７に示す特許文献１に記載されているインバータ装置においては、スイッチング素子の温度を検出する温度検出手段、及びこの温度検出手段による検出温度と基準温度とを比較する比較手段、並びにこの比較手段からの出力信号を基にＰＷＭ信号のキャリア周波数を補正する補正手段を設けている。
【０００５】
具体的には、インバータ主回路４の６個のスイッチング素子を三相出力に対応させて２個ずつ対にしてブリッジ接続されたトランジスタ５ａ〜５ｆは、信号発生回路６から与えられたＰＷＭ信号によりオンオフのスイッチング制御が行われる。信号発生回路６は、インバータ主回路４の出力周波数および出力電圧に対応した周波数指令ｆ＊および電圧指令Ｖ＊が指令回路から与えられ、図２に示すように、これらの指令値ｆ＊、Ｖ＊から決定されている正弦波の制御信号と周波数制御回路１１から与えられたキャリア周波数の三角波信号との大小比較して各トランジスタ５ａ〜５ｆに対応させてオンオフを行わせるＰＷＭ信号を生成する。これにより、各トランジスタは駆動回路７を介してオンオフ制御され、上記制御信号に対応する三相の交流電流を出力し、負荷としての電動機８を回転させる。
【０００６】
温度検出回路９は、トランジスタ５ａ〜５ｆの温度を検出し、温度比較回路１０はトランジスタ５ａ〜５ｆの温度を基準温度Ｔ１およびＴ２（Ｔ１＞Ｔ２）と比較し、基準温度Ｔ１よりも高いときは周波数低下指令を出力し、基準温度Ｔ２よりも低いときは周波数復帰指令を出力する。周波数制御回路１１は、信号発生回路６に初期値Ｆ０に設定されたキャリア周波数の三角波信号を出力するが、温度比較回路１０から周波数低下指令が与えられると、キャリア周波数を一定の値ΔＦだけ低下させてその値をＦ１に補正して出力する。周波数制御回路１１は周波数低下指令が与えられる度に三角波信号のキャリア周波数をΔＦだけ低下させてゆくが、周波数復帰指令が与えられたときには、再び初期化として設
定されたキャリア周波数Ｆ０の三角波信号を出力する。
【０００７】
この補正手段により信号発生回路で生成されるＰＷＭ信号のキャリア周波数が補正される。これにより、スイッチング素子のオンオフ回数が減少し、その熱損失は低減され、スイッチング素子の温度上昇が自動的に抑制され、温度上昇を最大限まで許容した状態でＰＷＭ信号のキャリア周波数を極力高めることができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開平３−１７８５６５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかしながら、上記特許文献１のインバータ装置においては、周波数低下指令が与えられた場合のキャリア周波数の低下量が一定の値ΔＦであるため、インバータの出力が大きく、トランジスタの発熱が大きい場合、スイッチング素子の温度が基準温度Ｔ２に下がるまでの時間が長くなり、したがってキャリア周波数を低下させる期間も長くなるため、電動機の制御性安定性が悪化する期間が長くなるといった問題があった。
【００１０】
本発明は、上記のような問題を解決するためになされたものであり、スイッチング素子の温度が基準温度を超えたことによりキャリア周波数を低下させる場合において、キャリア周波数の低下量を制限し、安定的に電動機の制御を行うことができるインバータ装置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】
【００１１】
上記課題を解決するために、本発明のインバータ定装置は、キャリア周波数によりインバータ主回路のスイッチング素子を駆動するパルス幅変調信号を発生させる信号発生装置と、前記スイッチング素子の温度を検出する温度検出装置と、前記インバータ主回路が出力する電流を検出する電流検出装置と、前記温度検出装置により検出された温度と、第１の基準温度及び前記第１の基準温度より低く設定された第２の基準温度とを比較する温度比較装置と、前記温度比較装置の比較結果に基づき前記キャリア周波数を制御する周波数制御装置と、を備え、前記検出された温度が前記第１の基準温度以上の場合には、所定時間毎に前記キャリア周波数は前記検出された電流に応じて算出される量だけ下げられ、前記第２の基準温度以下の場合には、前記キャリア周波数は予め設定されたキャリア周波数に調整されることを特徴とするものである。
【００１２】
また、請求項３による本発明のインバータ定装置は、電動機の回転数を検出する回転数検出装置を備え、前記検出された回転数から前記キャリア周波数の最小値を算出し、前記下げられるキャリア周波数と前記キャリア周波数の最小値とを比較し、前記下げられるキャリア周波数が前記キャリア周波数の最小値よりも高い場合には、前記下げられるキャリア周波数を前記キャリア周波数とし、前記下げられるキャリア周波数が前記キャリア周波数の最小値よりも低い場合には、前記キャリア周波数の最小値を前記キャリア周波数とすることを特徴とするものである。
【発明の効果】
【００１３】
本発明に係るインバータ装置によれば、スイッチング素子の熱損失を低減し、その温度を迅速に低下させることにより、熱破壊が防止できるとともに、キャリア周波数を低下させる場合においても、安定的に電動機を駆動制御することができる効果がある。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】実施の形態１におけるインバータ装置の構成を示す構成図である。
【図２】ＰＷＭ信号の波形を示す図である。
【図３】実施の形態１におけるインバータ装置のキャリア周波数を低下させる所定時間マップを示す図である。
【図４】実施の形態１におけるインバータ装置のキャリア周波数の低下量マップを示す図である。
【図５】実施の形態１におけるインバータ装置のキャリア周波数の最小値マップを示す図である。
【図６】実施の形態１におけるインバータ装置の動作を説明する説明図である。
【図７】従来のインバータ装置の構成を示す構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下、本発明の実施の形態に係るインバータ装置について図１〜図６に基づいて説明する。
【００１６】
実施の形態１．
図１は、実施の形態１におけるインバータ装置の構成を示す構成図である。
【００１７】
図１において、インバータ装置は、直流電源２０と、直流電源２０に接続された平滑用コンデンサ２１と、平滑用コンデンサ２１に接続されたインバータ主回路２２、インバータ主回路２２を構成するブリッジ接続されたスイッチング素子であるパワートランジスタ２３ａ〜２３ｆと、インバータ主回路２２の出力側に接続された電動機２４と、電動機２４の回転数Ｒを検出する回転数検出回路２６と、電動機２４に流れる電流を検出する電流検出回路２５と、パワートランジスタ２３ａ〜２３ｆの温度Ｔを検出する温度検出回路２７と、検出された温度を基準温度と比較する温度比較回路２８と、検出電流Ｉ、回転数Ｒ、検出温度Ｔ及び温度比較回路２８からの出力信号によりキャリア周波数Ｆを決定する周波数制御回路２９と、インバータ主回路２２が出力すべき周波数および電圧に対応した正弦波の制御信号を出力する指令回路３０と、周波数制御回路２９から出されるキャリア周波数の三角波信号ｂと指令回路３０から出力される制御信号ａによりＰＷＭ信号を出力する信号発生回路３１と、信号発生回路３１によりパワートランジスタ２３ａ〜２３ｆのベースにＰＷＭ信号を与える駆動回路３２と、により構成されている。
【００１８】
次に、実施の形態１におけるインバータ装置の各構成回路のそれぞれの機能、動作の詳細について、図１から図５を参照して説明する。
【００１９】
信号発生回路３１は、指令回路３０から与えられたインバータ主回路２２が出力すべき周波数および電圧に対応した正弦波の制御信号ａと後述するキャリア周波数の三角波信号ｂとを比較してＰＷＭ信号を発生させ、駆動回路３２を介してパワートランジスタ２３ａ〜２３ｆに対応して出力する（図２）。
【００２０】
電流検出回路２５は、インバータ主回路２２から電動機２４に流れる電流を検出して検出電流信号を出力し、回転数検出回路２６は、電動機２４の回転数Ｒを検出して検出信号を出力する。温度検出回路２７は、パワートランジスタ２３ａ〜２３ｆの温度Ｔを検出して検出温度信号として出力する。
【００２１】
温度比較回路２８は、温度検出回路２７により検出されたパワートランジスタ２３ａ〜２３ｆの検出温度Ｔと、予め決められた第１の基準温度Ｔ１及び第２の基準温度Ｔ２（Ｔ１＞Ｔ２）とを比較し、検出温度Ｔが第１の基準温度Ｔ１以上となった場合に周波数低下指令Ｓｄを出力し、第２の基準温度Ｔ以下となった場合に周波数低下指令Ｓｄの出力を停止して、周波数復帰指令Ｓｕを周波数制御回路２９に出力する。ここで、第１の基準温度
Ｔ１は、パワートランジスタの使用状況における上限温度に対応する温度であり、第２の基準温度Ｔ２は、パワートランジスタの動作上、冷却された状態に対応する温度である。
【００２２】
周波数制御回路２９は、信号発生回路３１に三角波信号ｂを出力するもので、そのキャリア周波数Ｆは初期値としてＦ０に設定されているが、温度比較回路２８から周波数低下指令Ｓｄが与えられると、電流検出回路２５の検出電流Ｉと温度検出回路２７の検出温度Ｔに応じて、図３に示すマップに基づき算出される所定時間ｔごとに、図４に示すマップに基づきキャリア周波数の低下量ΔＦを算出し、キャリア周波数をΔＦだけ下げて出力する。
【００２３】
ここで、パワートランジスタ２３ａ〜２３ｆは流れる電流が大きいほど発熱が大きく、その温度上昇は早くなり、また検出温度Ｔが高いほどパワートランジスタ２３ａ〜２３ｆが熱破壊に至る温度との差が小さく温度余裕が小さくなる。このためこの図３に示すマップは、検出電流Ｉもしくは検出温度Ｔが大きいほど、キャリア周波数を迅速に低下させてスイッチングによる熱損失を迅速に低減できるように、キャリア周波数を低下させる所定時間が小さく設定されており、また図４に示すマップは、検出電流Ｉもしくは検出温度Ｔが大きいほど、スイッチングによる熱損失を大きく低減できるように、キャリア周波数の低下量が大きく設定されている。
【００２４】
なお、周波数制御回路２９は、周波数低下指令Ｓｄが与えられると三角波信号ｂのキャリア周波数Ｆを低下させるが、電動機２４の検出回転数Ｒに応じて図５に示すマップに基づき算出されたキャリア周波数Ｆの最小値Ｌと下げられたキャリア周波数Ｆとを比較し、下げられたキャリア周波数Ｆが、この最小値Ｌを下回ったときは、この最小値Ｌを三角波信号ｂのキャリア周波数Ｆとして出力する。また、周波数制御回路２９は、周波数復復帰指令Ｓｕが与えられたときには、再び、初期値として設定されたキャリア周波数Ｆ０の三角波信号ｂを出力する。
【００２５】
この図５に示すマップは、電動機２４の安定した制御に必要な最小のキャリア周波数Ｆを検出回転数Ｒに応じて示したものであり、検出回転数Ｒが大きいほどキャリア周波数Ｆの最小値Ｌが大きく、検出回転数Ｒが小さいほどキャリア周波数Ｆの最小値Ｌが小さくなるように設定されている。
【００２６】
次に、実施の形態１におけるインバータ装置の動作について、図６を参照して説明する。
【００２７】
インバータ主回路２２が、初期値のキャリア周波数Ｆ０で動作しているときに、パワートランジスタ２３ａ〜２３ｆの温度Ｔが上昇し、温度検出回路２７の出力が第１の基準温度Ｔ１以上となった場合に、温度比較回路２８から周波数低下指令Ｓｄが出力される。これにより、周波数制御回路２９は、検出電流Ｉと検出温度Ｔに応じて図４に示すマップに基づきキャリア周波数の低下量ΔＦａを算出し、キャリア周波数Ｆ０をキャリア周波数の低下量ΔＦａだけ下げられたキャリア周波数Ｆ１とする三角波信号ｂを出力する。
【００２８】
このとき、周波数制御回路２９は、検出回転数Ｒに応じて図５に示すマップに基づき、キャリア周波数Ｆ１の最小値Ｌ１を算出し、下げられたキャリア周波数Ｆ１が、この最小値Ｌ１以下である場合には、この最小値Ｌ１をキャリア周波数Ｆ１として三角波信号ｂを出力する。これにより、下げられたキャリア周波数Ｆ１は、この最小値Ｌ１を下回ることはなく、キャリア周波数Ｆが、低くなり過ぎて電動機２４の制御が不安定になることを防止できる。
【００２９】
信号発生回路３１は、周波数制御回路２９の出力に応じて、キャリア周波数Ｆ１のＰＷ
Ｍ信号を出力するようになり、インバータ主回路２２の各々のパワートランジスタ２３ａ〜２３ｆは、前述の場合に比べてスイッチング回数の少ない状態でオンオフの制御が行われ、この結果、スイッチングによる熱損失が低減される。
【００３０】
この後、電流検出回路２５の検出電流Ｉと温度検出回路２７の検出温度Ｔに応じて、図３に示すマップに基づき所定時間ｔ１を算出し、この所定時間ｔ１を経過してもなお検出温度Ｔが第２の基準温度Ｔ２以上である場合には、周波数制御回路２９は、さらに、検出電流Ｉと検出温度Ｔに応じて、キャリア周波数の低下量ΔＦｂと、検出回転数Ｒに応じてキャリア周波数Ｆ２の最小値Ｌ２を算出し、キャリア周波数Ｆ１をΔＦｂだけ下げられたキャリア周波数Ｆ２とこの最小値Ｌ２を比較して、下げられたキャリア周波数Ｆ２が、この最小値Ｌ２以上である場合には、下げられたキャリア周波数Ｆ２を、下げられたキャリア周波数Ｆ２がこの最小値Ｌ２以下である場合には、この最小値Ｌ２をキャリア周波数Ｆ２とする。
【００３１】
さらに、検出電流Ｉと検出温度Ｔに応じて、図３に示すマップに基づき、所定時間ｔ２を算出し、この所定時間ｔ２を経過してもなお検出温度が第２の基準温度Ｔ２以上である場合には、周波数制御回路２９は、検出電流Ｉと検出温度Ｔに応じてキャリア周波数の低下量ΔＦｃと、検出回転数Ｒに応じてキャリア周波数Ｆ３の最小値Ｌ３を算出し、キャリア周波数Ｆ２をΔＦｃだけ下げられたキャリア周波数Ｆ３とこの最小値Ｌ３を比較して、下げられたキャリア周波数Ｆ３がこの最小値Ｌ３以上である場合には、下げられたキャリア周波数Ｆ３を、下げられたキャリア周波数Ｆ３がこの最小値Ｌ３以下の場合には、この最小値Ｌ３をキャリア周波数Ｆ３とする。
【００３２】
このように、検出温度Ｔが、第２の基準温度Ｔ２に達するまで、キャリア周波数Ｆは検出電流Ｉと検出温度Ｔに応じた最適な低下量で徐々に低下され、上述同様に、スイッチングによる熱損失は、さらに低減され、パワートランジスタ２３ａ〜２３ｆの温度が低下していく。
【００３３】
なお、パワートランジスタ２３ａ〜２３ｆは、流れる電流が大きいほど、発熱が大きくその温度上昇は早くなるが、キャリア周波数の低下量を検出電流に応じて可変にすることにより、電流が大きい場合には、キャリア周波数の低下量を大きくして、スイッチングによる熱損失を大きく低減することで、パワートランジスタ２３ａ〜２３ｆの温度上昇を抑制し、その温度を迅速に低下させることができる。また、キャリア周波数の低下量を検出電流のみならず検出温度にも応じて可変にすることにより、高温時にキャリア周波数の低下量を大きくして、スイッチングによる熱損失をより低減させ、確実に温度上昇を抑制することができ、パワートランジスタ２３ａ〜２３ｆを熱破壊から保護することができる。
【００３４】
また、検出電流と検出温度に応じてキャリア周波数を低下させる所定時間を可変にすることにより、パワートランジスタ２３ａ〜２３ｆに流れる電流が大きくまたはその温度が高い場合に、所定時間を短くして早くキャリア周波数を低下させ、パワートランジスタ２３ａ〜２３ｆの温度上昇を抑制し、その温度を迅速に低下させることができる。
【００３５】
また、上記の実施の形態１における温度検出回路２７は、パワートランジスタ２３ａ〜２３ｆの複数のパワートランジスタの温度Ｔを検出し、そのなかで最も高い温度Ｔｍａｘを検出温度として出力しても良い。この方が、パワートランジスタ２３ａ〜２３ｆの各々の温度Ｔが異なる場合、そのなかで最も高い温度Ｔｍａｘに応じてキャリア周波数Ｆを低下させるので、確実にパワートランジスタ２３ａ〜２３ｆを熱破壊から保護することができる。
【００３６】
このように、実施の形態１におけるインバータ装置では、インバータ主回路のスイッチ
ング素子であるパワートランジスタの温度を検出して、基準温度Ｔ１およびＴ２（Ｔ１＞Ｔ２）と比較し、基準温度Ｔ１以上である場合には、検出電流と検出温度に応じて算出される量だけキャリア周波数を下げ、パワートランジスタの温度が基準温度Ｔ２以下である場合には、キャリア周波数を初期値のキャリア周波数に戻すことにより、スイッチング素子の熱損失を低減し、その温度を迅速に低下させることにより、熱破壊が防止できるとともに、キャリア周波数を低下させる場合においても、安定的に電動機を駆動制御できるという顕著な効果がある。
【００３７】
なお、実施の形態１では、電源として、直流電源によるものについて説明したが、交流電源の出力を整流回路及び平滑用コンデンサにより直流出力に変換するものであってもよい。
【符号の説明】
【００３８】
２０  直流電源
２１  平滑用コンデンサ
２２  インバータ主回路
２３ａ〜２３ｆ  パワートランジスタ
２４  電動機
２５  電流検出回路
２７  温度検出回路
２８  温度比較回路
２９  周波数制御回路
３０  指令回路
３１  信号発生回路
３２  駆動回路
【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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