(57)【要約】【課題】負荷電流の大きさに合わせて発生ノイズとスイッチング損失のトレードオフを最適にすることが可能なインバータ装置を得ること。【解決手段】交流電源を直流に変換する整流回路、整流回路の後段に接続された平滑化部、交流電源の力率を改善するリアクトルを介して交流電源を短絡する短絡部、平滑化部からの直流を交流に変換するインバータ部及びインバータ部を制御する制御部を備えたインバータ装置であって、インバータ部のスイッチング素子のゲート端子にはゲート駆動回路１４がそれぞれ接続されており、ゲート駆動回路１４は第１のゲート電圧線２２と第１のゲート電圧線２２より電圧値の高い第２のゲート電圧線２３を備え、第１のゲート電圧線２２の電圧値はインバータ装置の動作中にも可変である。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
交流電源を直流電源に変換する整流回路、該整流回路の後段に接続された平滑化部、前記交流電源の力率を改善するリアクトルを介して前記交流電源を短絡する短絡部、前記平滑化部からの直流を交流に変換するインバータ部及び該インバータ部を制御する制御部を備えたインバータ装置であって、
前記インバータ部の各スイッチング素子のゲート端子にはゲート駆動回路がそれぞれ接続されており、
前記ゲート駆動回路は第１のゲート電圧線と該第１のゲート電圧線より電圧値の高い第２のゲート電圧線を備え、
前記第１のゲート電圧線の電圧値は前記インバータ装置の動作中にも可変であることを特徴とするインバータ装置。
【請求項２】
前記第１のゲート電圧線は負荷電流に応じて制御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】
前記第１のゲート電圧線の電圧は前記第２のゲート電圧線から生成されることを特徴とする請求項１または２に記載のインバータ装置。
【請求項４】
請求項１から３のいずれか一項に記載のインバータ装置を備え、
前記インバータ装置がモータを回転駆動させることを特徴とする空気調和機。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、インバータ装置及び空気調和機に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来の様々な電気機器（例えば空気調和機）にインバータ装置が搭載されている。インバータ装置が有するスイッチング素子のターンオンのスピードを変えることができれば、負荷電流の大きさに合わせて発生するノイズとスイッチング損失のトレードオフを最適にすることが可能である。
【０００３】
例えば、特許文献１には、スイッチングスピードの切替をスイッチング素子のゲート端子に接続する抵抗を切り替えることによって行う技術が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００２−１９９７００号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、上記従来の技術によれば、ゲート回路の接続をスイッチにより切り替える必要がある。そのため、インバータ動作を一旦停止し、または、各スイッチング素子がオフする極めて短い時間に回路を切り替えなければならないため実現が難しい、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、インバータ動作を停止することなく、スイッチングのスピードを変えることができ、負荷電流の大きさに合わせて発生ノイズとスイッチング損失のトレードオフを最適にすることが可能なインバータ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、本発明は、交流電源を直流電源に変換する整流回路、該整流回路の後段に接続された平滑化部、前記交流電源の力率を改善するリアクトルを介して前記交流電源を短絡する短絡部、前記平滑化部からの直流を交流に変換するインバータ部及び該インバータ部を制御する制御部を備えたインバータ装置であって、前記インバータ部の各スイッチング素子のゲート端子にはゲート駆動回路がそれぞれ接続されており、前記ゲート駆動回路は第１のゲート電圧線と該第１のゲート電圧線より電圧値の高い第２のゲート電圧線を備え、前記第１のゲート電圧線の電圧値は前記インバータ装置の動作中にも可変であることを特徴とする。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、インバータ動作を停止することなく、スイッチングのスピードを変えることができ、負荷電流の大きさに合わせて発生ノイズとスイッチング損失のトレードオフを最適にすることが可能なインバータ装置を得ることができる、という効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】図１は、実施の形態１にかかるインバータ装置の構成の一例を示す回路図である。
【図２】図２は、実施の形態１にかかるインバータ装置におけるゲート駆動回路の構成を示す回路図である。
【図３】図３は、実施の形態１にかかるインバータ装置におけるトランジスタのオンオフ及び電圧の変化を示す第１のタイムチャートである。
【図４】図４は、実施の形態１にかかるインバータ装置におけるトランジスタのオンオフ及び電圧の変化を示す第２のタイムチャートである。
【図５】図５は、実施の形態１にかかるインバータ装置におけるトランジスタのオンオフ及び電圧の変化を示す第３のタイムチャートである。
【図６】図６は、実施の形態２にかかるインバータ装置の第１のゲート電圧線（電圧可変）の電圧を生成する回路図の一例を示す図である。
【図７】図７は、実施の形態３にかかる空気調和機の室外ユニットの概略を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下に、本発明にかかるインバータ装置の実施の形態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、本発明にかかるインバータ装置の実施の形態１の構成の一例を示す回路図である。図１に示すインバータ装置は、商用電源が供給されて所望の電圧及び周波数を出力するインバータ装置の一例であるが、本発明のインバータ装置はこれに限定されるものではない。
【００１２】
図１に示すインバータ装置は、交流電源１を単相交流電源とし、力率を改善するリアクトル２を介して交流電源１を短絡する短絡部３と、直列に接続された２つのコンデンサ５ａ，５ｂにより構成された平滑化部５と、短絡部３と平滑化部５との間に設けられた整流回路４と、を備える。
【００１３】
整流回路４は、ダイオード４ａ〜４ｄを有し、交流電源１を直流に変換する。短絡部３は、ダイオード１７ａ〜１７ｄをブリッジ接続した短絡用の整流回路部及び電源を短絡するＩＧＢＴ１６を有する。交流電源１を短絡する場合には、位相によって短絡部３に流れる電流の向きが異なる。平滑化部５は、直列に接続されたコンデンサ５ａ，５ｂを有する。スイッチ７は、全波整流と倍電圧整流とを切り替えるスイッチであり、交流電源１の出力の一方と、コンデンサ５ａ，５ｂの間（中位点）と、に接続されている。
【００１４】
平滑化部５は、２つのコンデンサ５ａ，５ｂにより構成されており、リアクトル２が接続されている端子のほうが高電位である場合、短絡用スイッチがオフしていると、コンデンサ５ａが充電される。リアクトル２が接続されている端子のほうが低電位である場合、コンデンサ５ｂが充電され、インバータ部６に印加される電圧は全波整流のときの２倍となる。そして、短絡部３に設けられたスイッチ７がオンすると、短絡部３に電流が流れる。このように、図１に示すインバータ装置は、全波整流と倍電圧整流の切り替えを行うことができる。そして、平滑化部５は、インバータ部６（３相のインバータ回路）に接続され、インバータ部６の３相出力はモータ８に接続されている。
【００１５】
電流検出部９は、抵抗１５の電流値を検出することで、図１に示すインバータ装置に流れる母線電流を検出する。電圧検出部１０は、直列に接続されたコンデンサ５ａ，５ｂの両端の電圧を検出する。電流検出部９及び電圧検出部１０は、検出値をそれぞれ制御部１１へ出力する。制御部１１は、インバータ部６内の６つのスイッチング素子１２ａ〜１２ｆのオンオフを制御して、所望の電圧を供給する。
【００１６】
スイッチング素子１２ａ〜１２ｆは、ＩＧＢＴ（Ｉｎｓｕｌａｔｅｄ  Ｇａｔｅ  Ｂｉｐｏｌａｒ  Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）またはＭＯＳＦＥＴ（Ｍｅｔａｌ  Ｏｘｉｄｅ  Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ  Ｆｉｅｌｄ  Ｅｆｆｅｃｔ  Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）等の電圧駆動型スイッチング素子である。回生用のダイオード１３ａ〜１３ｆは、スイッチング素子１２ａ〜１２ｆと逆並列に接続されている。スイッチング素子１２ａ〜１２ｆのゲート端子には、ゲート駆動回路１４ａ〜１４ｆが接続されている。
【００１７】
図２は、本発明にかかるインバータ装置におけるゲート駆動回路の実施の形態１の構成を示す回路図である。すなわち、図１に示すゲート駆動回路１４ａ〜１４ｆ（代表してゲート駆動回路１４と記載）を示す回路図である。図２には、制御回路２０、スイッチング素子１２、ダイオード１３及びゲート駆動回路１４が示されている。なお、スイッチング素子１２は、図１に示すスイッチング素子１２ａ〜１２ｆのいずれかであり、ダイオード１３は、図１に示すダイオード１３ａ〜１３ｆのいずれかである。
【００１８】
制御回路２０は、インバータ装置を駆動するためのＰＷＭ（Ｐｕｌｓｅ  Ｗｉｄｔｈ  Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ）信号を出力する制御回路であり、例えばマイコンである。また、図２には、直流電源線２１、第１のゲート電圧線２２及び第２のゲート電圧線２３が示されている。
【００１９】
直流電源線２１は、制御回路２０を動作させる直流電源を供給する電源線である。第１のゲート電圧線２２は、スイッチング素子１２のゲートを駆動するゲート電圧線である。第２のゲート電圧線２３は、スイッチング素子１２のゲートを駆動するゲート電圧線である。なお、第２のゲート電圧線２３の電圧Ｖｃｃ２は、第１のゲート電圧線２２の電圧Ｖｃｃ１よりも高くする。
【００２０】
ゲート駆動回路１４は、トランジスタ２４，２５，２６，３４（Ｔｒ１，Ｔｒ２，Ｔｒ３，Ｔｒ４）と、抵抗２７，２８，２９，３５，３６と、コンデンサ３０と、ダイオード３３と、を備える。抵抗２７の抵抗値Ｒ１及び抵抗２８の抵抗値Ｒ２は、それぞれゲート駆動回路１４が動作可能な値に設定されている。トランジスタ３４は、ｎＭＯＳトランジスタである。コンデンサ３０は、抵抗２８の抵抗値Ｒ２とコンデンサ３０の容量値Ｃ１の積が適切な所定の時定数（主スイッチング素子のターン音時間の１〜１０倍）となるように容量値Ｃ１を設定する。ゲート抵抗である抵抗２９（抵抗値ＲＧ）は、スイッチング素子１２のゲート端子にノード３２により接続されており、抵抗値ＲＧは、抵抗３６の抵抗値の２〜１０倍とする。なお、ゲート駆動回路１４は、スイッチング素子１２の１つを駆動する。
【００２１】
次に、本実施の形態のインバータ装置の動作について説明する。図１に示すインバータ装置では、制御回路２０がオン信号（ハイレベル）を出力すると、トランジスタ２４がターンオンし、第１のゲート電圧線２２によって、ゲート抵抗２９を介してスイッチング素子１２のゲート端子を充電する。
【００２２】
ゲート電圧がしきい値電圧以上になるとスイッチング素子１２はターンオンするが、このスピードはゲート電圧によって決まる。よって、第１のゲート電圧線２２の電圧を制御することによりトランジスタ２４がターンオンするスピードを所望のスピードにすることができる。
【００２３】
次に、トランジスタ２６がターンオンすると、第２のゲート電圧線２３によって、スイッチング素子１２のゲート端子が充電される。このとき、Ｒ，Ｃの回路定数は、ミラー効果が終わった後にトランジスタ２６がオンするように設定する。そして、上記したように、第２のゲート電圧線２３の電圧は第１のゲート電圧線２２の電圧よりも高く設定されている（例えば、１５Ｖ）ため、ターンオンしたスイッチング素子１２は、オン直後のわずかな時間には活性化領域で動作するが、すぐに飽和領域に移行するため発生損失を抑えることができる（図３を参照）。図３は、本実施の形態にかかるインバータ装置におけるトランジスタのオンオフ及び電圧の変化を示す第１のタイムチャートである。図３にはトランジスタ２４（Ｔｒ１）及びトランジスタ２６（Ｔｒ３）がオンするタイミングと、ノード３１（Ｎ１）の電圧ＶＮ１の変化と、ノード３２（Ｎ２）の電圧ＶＮ２の変化と、トランジスタ１２のコレクタ−エミッタ間電圧ＶＣＥの変化と、が示されている。なお、図４，５も同様である。
【００２４】
ところで、スイッチング素子１２のターンオンのスピードを遅くしたいときには、第１のゲート電圧線２２の電圧を低く設定すればよい（例えば、８Ｖ）。これにより、スイッチング素子１２のゲート端子に充電を開始してからスイッチング素子１２のしきい値電圧に達するまでの時間を遅くすることができ、ミラー効果の時間が長くなり、ターンオンのスピードを遅くすることができる（図４を参照）。図４は、本実施の形態にかかるインバータ装置におけるトランジスタのオンオフ及び電圧の変化を示す第２のタイムチャートである。このようにスイッチングのスピード（ターンオンのスピード）を遅くすると、その間にインバータ装置が発生する総スイッチングロスは大きくなるが、インバータ装置が発生する高周波ノイズを小さくすることができる。
【００２５】
逆に、ターンオンのスピードを速くしたいときには第１のゲート電圧線２２の電圧を高く設定すればよい（例えば、１２Ｖ）。これにより、スイッチング素子１２のゲート端子に充電を開始してからスイッチング素子１２のしきい値電圧に達するまでの時間を速くすることができ、ミラー効果の時間が短くなり、ターンオンのスピードを速くすることができる（図５を参照）。図５は、本実施の形態にかかるインバータ装置におけるトランジスタのオンオフ及び電圧の変化を示す第３のタイムチャートである。このようにスイッチングのスピード（ターンオンのスピード）を速くすると、その間にインバータ装置が発生する高周波ノイズは大きくなるが、インバータ装置が発生する総スイッチングロスを小さくすることができる。
【００２６】
また、スイッチング素子１２は、オフ状態からターンオンする短い時間を除けば、第２のゲート電圧線２３によって飽和領域でターンオンしており、インバータ動作中に第１のゲート電圧線２２の電圧を変化させてもスイッチング時間が変わるだけであり、スイッチング素子１２の駆動能力には影響しない。そのため、インバータ動作を停止しなくても第１のゲート電圧線２２の電圧を所望の電圧値に変化させることができ、スイッチングスピード（ターンオンのスピード）をインバータ装置の動作中に変化させることができる。
【００２７】
以上説明したように、第１のゲート電圧線２２の電圧を可変として、インバータ装置の動作を停止させることなくスイッチング素子のスイッチングのスピードを変化させることができるため、インバータ装置を備える電気機器を停止させることなく、運転状態に応じて発生ノイズと損失のトレードオフを最適にしつつインバータ駆動を行うことができる。そのため、電気機器の使用の快適性を損なわずに最適なインバータ駆動を行うことができる。
【００２８】
すなわち、発生ノイズ量が大きいとき（インバータ運転電流（負荷電流）が大きい）ときには、電圧可変の第１のゲート電圧線２２の電圧が低くなるように制御してスイッチングのスピードを遅くすると、発生する最大ノイズ量を抑えることができる。そして、インバータ運転電流（負荷電流）が小さいときには、電圧可変の第１のゲート電圧線２２の電圧が高くなるように制御してスイッチングのスピードを速くすると、総スイッチングロスを抑えることができる。
【００２９】
本実施の形態によれば、インバータ動作を停止することなく、スイッチングのスピードを変えることができ、負荷電流の大きさに合わせて発生ノイズとスイッチング損失のトレードオフを最適にすることが可能なインバータ装置を得ることができる。
【００３０】
このように、第１のゲート電圧線２２の電圧を可変として運転状態に応じて制御することで、例えば、空気調和機のように軽負荷で運転している時間の割合が全体の運転時間に対して大きい電気機器では年間の総消費電力量を抑えることができ、且つ機器に組み込むノイズ対策部品を削減することができるので、製造コストを抑えることができる。
【００３１】
実施の形態２．
図６は、本発明にかかるインバータ装置の実施の形態２における第１のゲート電圧線２２の電圧を生成する回路図の一例を示す図である。
【００３２】
第２のゲート電圧線２３の電圧Ｖｃｃ２は第１のゲート電圧線２２の電圧Ｖｃｃ１よりも高く設定されている。コンデンサ４０には、第２のゲート電圧線２３の電圧Ｖｃｃ２の電荷が蓄積されている。第２のゲート電圧線２３の電圧Ｖｃｃ２と第１のゲート電圧線２２の電圧Ｖｃｃ１は基準電位ＧＮＤが共通であり、降圧コンバータ等の簡易的な回路により第１のゲート電圧線２２の電圧Ｖｃｃ１が生成される。なお、第２のゲート電圧線２３の電圧Ｖｃｃ２は、第１のゲート電圧線２２の電圧Ｖｃｃ１よりも高電圧であればよく、第２のゲート電圧線でなくてもよい。
【００３３】
図６において、抵抗４３，４４，４５のそれぞれの抵抗値Ｒ３，Ｒ４，Ｒ５は適当な値に設定されている。トランジスタ４１，４２がオンオフすることにより、第１のゲート電圧線２２の電圧Ｖｃｃ１及び第２のゲート電圧線２３の電圧Ｖｃｃ２が生成される。
【００３４】
本実施の形態のインバータ装置では、制御回路２０が、インバータ回路に流れる電流を監視して電流情報を生成し、この電流情報に基づいてトランジスタ４１へのパルス信号のデューティ比を変化させることで、第１のゲート電圧線２２の電圧を制御することができる。本実施の形態にて説明したように、簡単な構成の回路でスイッチングのスピードを制御することができる。
【００３５】
実施の形態３．
図７は、本実施の形態にかかる空気調和機の室外ユニットの概略を示す図である。図７には、室外ユニット５０、ファン５１、圧縮機５２及びインバータ装置５３が示されている。インバータ装置５３は、実施の形態１にて説明したインバータ装置であり、室外ユニット５０内の上部に取り付けられており、圧縮機５２内のモータ（図１におけるモータ８）を制御することができる。
【００３６】
図７に示すように、実施の形態１のインバータ装置は空気調和機に適用することができ、実施の形態１のインバータ装置を適用することで、安価で高性能な空気調和機を得ることができる。
【００３７】
本発明に係るインバータ装置は、同じ基準電位の電圧値の違うゲート電圧が２つ設定され、スイッチング素子１２のターンオンのときに所望のタイミングで順番にゲートに電圧を印加することで、インバータ動作を停止することなくスイッチング素子１２のターンオンのスピードを制御することができる。
【産業上の利用可能性】
【００３８】
以上のように、本発明にかかるインバータ装置は、軽負荷で運転している時間の割合が全体の運転時間に対して大きい電気機器に有用であり、特に、空気調和機に適している。
【符号の説明】
【００３９】
１  交流電源、２  リアクトル、３  短絡部、４  整流回路、４ａ〜４ｄ，１３，１３ａ〜１３ｆ，１７ａ〜１７ｄ，３３  ダイオード、５  平滑化部、５ａ，５ｂ，３０，４０  コンデンサ、６  インバータ部、７  スイッチ、８  モータ、９  電流検出部、１０  電圧検出部、１１  制御部、１２，１２ａ〜１２ｆ  スイッチング素子、１４，１４ａ〜１４ｆ  ゲート駆動回路、１５，２７，２８，３５，３６，４３，４４，４５  抵抗、１６  ＩＧＢＴ、２０  制御回路、２１  直流電源線、２２  第１のゲート電圧線、２３  第２のゲート電圧線、２４，２５，２６，３４，４１，４２  トランジスタ、２９  ゲート抵抗、３１，３２  ノード、５０  室外ユニット、５１  ファン、５２  圧縮機、５３  インバータ装置。
【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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