(57)【要約】  電力変換装置は、整流器と、整流器の出力端に接続されたリアクタと、リアクタに直列接続された逆流防止素子と、リアクタと逆流防止素子との間に接続されたスイッチング素子とを備え、整流器で整流された直流電圧を昇圧するコンバータ部と、平滑コンデンサと、リアクタに流れるリアクタ電流を検出するリアクタ電流検出部と、母線電圧を検出する母線電圧検出部と、スイッチング素子の温度を検出する温度検出部と、制御部と、を有し、制御部は、目標とする母線電圧である目標指令電圧、母線電圧検出部で検出された母線電圧、及びリアクタ電流検出部で検出されたリアクタ電流に基づいて、スイッチング素子を駆動するためのスイッチング指令値を算出するコンバータ制御手段と、コンバータ制御手段で算出されたスイッチング指令値に基づいて、温度検出部で検出されたスイッチング素子の温度を補正する温度補正手段と、を有する。
2015045076.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
交流電源から供給された入力電圧を整流する整流器と、
前記整流器の出力端に接続されたリアクタと、前記リアクタに直列接続された逆流防止素子と、前記リアクタと逆流防止素子との間に接続されたスイッチング素子とを備え、前記整流器で整流された直流電圧を昇圧するコンバータ部と、
前記コンバータ部から出力される母線電圧を平滑化する平滑コンデンサと、
前記リアクタに流れるリアクタ電流を検出するリアクタ電流検出部と、
前記母線電圧を検出する母線電圧検出部と、
前記スイッチング素子の温度を検出する温度検出部と、
制御部と、を有し、
前記制御部は、
目標とする前記母線電圧である目標指令電圧、前記母線電圧検出部で検出された母線電圧、及び前記リアクタ電流検出部で検出されたリアクタ電流に基づいて、前記スイッチング素子を駆動するためのスイッチング指令値を算出するコンバータ制御手段と、
前記コンバータ制御手段で算出されたスイッチング指令値に基づいて、前記温度検出部で検出された前記スイッチング素子の温度を補正する温度補正手段と、を有する
ことを特徴とする電力変換装置。
【請求項２】
前記制御部は、
前記スイッチング指令値と、前記温度補正手段で補正される温度の補正量との関係を示す補正テーブル又は補正関数を記憶する記憶手段を更に有し、
前記温度補正手段は、
前記スイッチング指令値として、実際の運転時に算出されるスイッチング指令値を用いて、このスイッチング指令値と、前記記憶手段に記憶された前記補正テーブル又は前記補正関数とに基づいて、前記温度検出部で検出された前記スイッチング素子の温度を補正する
ことを特徴とする請求項１記載の電力変換装置。
【請求項３】
前記整流器、前記スイッチング素子及び前記逆流防止素子は、モジュールに内蔵されており、
前記補正テーブル又は前記補正関数は、
前記モジュールの内部における前記スイッチング素子と前記温度検出部との距離に基づいて設定されている
ことを特徴とする請求項２記載の電力変換装置。
【請求項４】
前記コンバータ制御手段は、
前記交流電源の６倍の周期で脈動する前記スイッチング指令値を、平均化する
ことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の電力変換装置。
【請求項５】
前記制御部は、
前記温度補正手段で補正された温度に基づいて、各部品に対し故障を抑制する動作を指示する故障抑制制御手段を更に有する
ことを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の電力変換装置。
【請求項６】
前記制御部は、
前記温度補正手段で補正された温度が、予め設定された第１の閾値を超えたか否かを判定し、且つ前記温度補正手段で補正された温度が、予め設定された第２の閾値を超えたか否かを判定する閾値判定手段を更に有する
ことを特徴とする請求項５記載の電力変換装置。
【請求項７】
前記故障抑制制御手段は、
前記温度補正手段で補正された温度が、前記第１の閾値を超えたことが前記閾値判定手段で判定された場合、前記コンバータ制御手段に前記コンバータ部の出力の低下を指示する
ことを特徴とする請求項６記載の電力変換装置。
【請求項８】
前記平滑コンデンサで平滑化された前記母線電圧を交流電圧に変換するインバータ部と、
前記インバータ部の動作を制御するインバータ制御手段と、を更に有し、
前記故障抑制制御手段は、
前記温度補正手段で補正された温度が、前記第１の閾値を超えたことが前記閾値判定手段で判定された場合、前記インバータ制御手段に前記インバータ部の出力の低下を指示する
ことを特徴とする請求項６又は請求項７記載の電力変換装置。
【請求項９】
前記故障抑制制御手段は、
前記温度補正手段で補正された温度が、前記第２の閾値を超えたことが前記閾値判定手段で判定された場合、異常停止を指示する
ことを特徴とする請求項６〜８のいずれか１項に記載の電力変換装置。
【請求項１０】
前記第１の閾値は、前記第２の閾値よりも小さい
ことを特徴とする請求項６〜９のいずれか１項に記載の電力変換装置。
【請求項１１】
前記第２の閾値は、前記スイッチング素子の耐熱温度よりも低い温度に設定されている
ことを特徴とする請求項６〜１０のいずれか１項に記載の電力変換装置。
【請求項１２】
前記スイッチング素子及び前記逆流防止素子のうち、少なくとも一方は、ワイドバンドギャップ半導体で構成されている
ことを特徴とする請求項１〜１１のいずれか１項に記載の電力変換装置。
【請求項１３】
請求項１〜１２のいずれか１項に記載の電力変換装置と、
この電力変換装置で駆動されるモータと、を有する
ことを特徴とする空気調和装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、昇圧機能を備えた電力変換装置及びその電力変換装置を用いた空気調和装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
空気調和装置において、省エネを目的として、圧縮機及びファン等に使用されているモータを、インバータで駆動する方式が主流となっている。この方式によれば、先ず、交流をコンバータによって一旦直流に変換し、この直流をインバータによって任意の電圧及び周波数を有する交流に変換する。そして、この任意の電圧及び周波数を有する交流を用いてモータを駆動することによって、モータを高効率で運転させることができる。近年、更なる省エネ性を追求して、インバータの入力側に昇圧回路を設け、この昇圧回路を用いてコンバータが整流した整流出力を昇圧し、この昇圧した整流出力をインバータに入力するようにした空気調和装置が提案されている。【０００３】
一般的に、コンバータにおいては、サーミスタといった温度検出部を、スイッチング素子として用いられる半導体素子の近傍に設置し、この温度検出部における検出結果を監視して、半導体素子の異常過熱を抑制している。更に、温度検出部における検出結果に加えて、運転パターン等の情報を監視し半導体素子の異常過熱を抑制しようとする技術も提案されている。【０００４】
特許文献１には、コンバータ回路の入力電圧を検出する電圧検出回路と、コンバータ回路の近傍の温度を検出する温度検出器とを備えたインバータ装置が開示されている。この特許文献１は、電圧検出回路で検出された入力電圧と、温度検出器で検出された温度との関係に基づいて、インバータ回路を制御して、コンバータ回路のスイッチング素子の温度上昇を抑制しようとするものである。【０００５】
また、特許文献２には、インバータの動作状況に関する情報に基づいて、インバータの温度を推定する温度推定部を備える制御装置が開示されている。この特許文献２は、温度推定部によって推定されたインバータの温度に基づいて、インバータの動作電圧に上限を設け、インバータのスイッチング素子の耐圧を超える電圧が、インバータに印加されることを抑制しようとするものである。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００４−１８０４６６号公報（請求項１、第５頁）
【特許文献２】特許第４６７８３７４号公報（第１１頁〜第１４頁）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、特許文献１に開示されたインバータ装置は、入力電圧を検出する電圧検出回路が必要となるため、その分コストがかかる。また、この電圧検出回路を実装する場所を確保する必要もあるため、更にコストアップにつながる。更に、コンバータの発熱は、入力電圧だけではなく、コンバータ部における昇圧量にも依存する。このため、入力電圧に基づいたインバータ回路の制御では、コンバータ部のスイッチング素子における温度上昇の抑制には不十分である。また、特許文献２に開示された制御装置は、インバータ部の動作状況に基づいてインバータ部の温度を推定するものであり、コンバータ部については何ら配慮されていない。【０００８】
コンバータ部は、インバータ部よりも高速でスイッチングさせる必要があるため、コンバータ部の発熱量は、インバータ部の発熱量よりも大きい。このため、コンバータ部の温度を適切に把握する必要がある。ここで、コンバータ部の温度を正確に検出するためには、温度検出部をコンバータ部にできるだけ近づけて設置すればよい。しかし、整流器、コンバータ部及びインバータ部が１個のパッケージに収納されたモジュールに、温度検出部を設置しようとすると、モジュール内部の実装密度が高く、コンバータ部に近づけて温度検出部を配置することが困難になる場合がある。その上、仮にコンバータ部に近づけて温度検出部を配置することができたとしても、コンバータ部のスイッチング素子は高速でスイッチングしているため、このスイッチングによるノイズ等の影響を受けやすく、その結果、誤検出する虞がある。【０００９】
本発明は、上記のような課題を背景としてなされたもので、コンバータ部のスイッチング素子から離れた位置に温度検出部が設置されても、コンバータ部のスイッチング素子の温度を適切に把握し、信頼性が向上する電力変換装置及びその電力変換装置を用いた空気調和装置を提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明に係る電力変換装置は、交流電源から供給された入力電圧を整流する整流器と、整流器の出力端に接続されたリアクタと、リアクタに直列接続された逆流防止素子と、リアクタと逆流防止素子との間に接続されたスイッチング素子とを備え、整流器で整流された直流電圧を昇圧するコンバータ部と、コンバータ部から出力される母線電圧を平滑化する平滑コンデンサと、リアクタに流れるリアクタ電流を検出するリアクタ電流検出部と、母線電圧を検出する母線電圧検出部と、スイッチング素子の温度を検出する温度検出部と、制御部と、を有し、制御部は、目標とする母線電圧である目標指令電圧、母線電圧検出部で検出された母線電圧、及びリアクタ電流検出部で検出されたリアクタ電流に基づいて、スイッチング素子を駆動するためのスイッチング指令値を算出するコンバータ制御手段と、コンバータ制御手段で算出されたスイッチング指令値に基づいて、温度検出部で検出されたスイッチング素子の温度を補正する温度補正手段と、を有することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、コンバータ制御手段で算出されたスイッチング指令値に基づいて、温度補正手段が、温度検出部で検出されたコンバータ部のスイッチング素子の温度を補正する。このため、スイッチング素子から離れた位置に温度検出部が設置されても、スイッチング素子の温度を適確に把握することができる。また、電圧検出部が不要であるため、コストアップを抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】実施の形態１に係る電力変換装置１を示す回路図である。
【図２】実施の形態１におけるコンバータ制御手段２２を示すブロック図である。
【図３】実施の形態１におけるスイッチング指令値を示すグラフ図である。
【図４】実施の形態１における温度検出部１３の設置位置を示す模式図である。
【図５】実施の形態１におけるスイッチング指令値と温度との関係を示すグラフ図である。
【図６】実施の形態１における温度補正手段２５で補正される温度の補正量を示すグラフ図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下、本発明に係る電力変換装置及びその電力変換装置を用いた空気調和装置の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。なお、以下に説明する実施の形態によって本発明が限定されるものではない。また、図１を含め、以下の図面では各構成部材の大きさの関係が実際のものとは異なる場合がある。
【００１４】
実施の形態１．
図１は、実施の形態１に係る電力変換装置１を示す回路図である。この図１に基づいて、電力変換装置１について説明する。図１に示すように、電力変換装置１は、整流器３と、コンバータ部４と、平滑コンデンサ５と、インバータ部６と、リアクタ電流検出部１１と、母線電圧検出部１２と、温度検出部１３と、制御部２１とを備えている。
【００１５】
（整流器３）
整流器３は、交流電源２、例えば三相交流電源から供給された入力電圧である交流電圧を、直流電圧に変換するものである。そして、この整流器３は、例えば６個のダイオードがブリッジ接続された三相全波整流器であり、交流電源２から供給される交流電圧は、例えばＡＣ２００Ｖとすることができる。
【００１６】
（コンバータ部４）
コンバータ部４は、整流器３で整流された直流電圧をチョッピングして可変するものであり、例えば、直流電圧を昇圧する昇圧コンバータ回路（昇圧チョッパ回路）である。このコンバータ部４は、整流器３で整流された直流電圧を、例えばＤＣ３６５Ｖ等の任意の電圧に昇圧することができる。また、コンバータ部４は、昇圧用のリアクタ４ａ、スイッチング素子４ｂ、及び逆流防止素子４ｃを備えており、このうち、逆流防止素子４ｃは、例えば逆流防止ダイオードとすることができる。リアクタ４ａは、整流器３の出力端に接続されており、逆流防止素子４ｃは、リアクタ４ａに直列接続されている。そして、スイッチング素子４ｂは、リアクタ４ａと逆流防止素子４ｃとの間に接続されている。
【００１７】
スイッチング素子４ｂは、予め設定されたデューティ比の駆動信号が入力されるものであり、そのスイッチング動作は、制御部２１に備わるコンバータ制御手段２２によって制御されている。なお、スイッチング素子４ｂは、例えばＭＯＳＦＥＴ又はＩＧＢＴ等の半導体素子を用いることができるが、例えば、シリコン（Ｓｉ）素子よりもバンドギャップが大きい炭化ケイ素（ＳｉＣ）素子、窒化ガリウム（ＧａＮ）素子又はダイヤモンド素子等のワイドバンドギャップ半導体で構成することも可能である。
【００１８】
このスイッチング素子４ｂがオン状態である場合、整流器３によって整流された直流電圧はリアクタ４ａに印加され、また、逆流防止素子４ｃへの導通が阻止される。一方、スイッチング素子４ｂがオフ状態である場合、逆流防止素子４ｃは導通し、リアクタ４ａには、スイッチング素子４ｂがオン状態である場合に印加される電圧と逆向きの電圧が誘導される。そして、スイッチング素子４ｂがオン状態であったときにリアクタ４ａに蓄積されたエネルギが、スイッチング素子４ｂがオフされたときに、平滑コンデンサ５に移送される。このとき、スイッチング素子４ｂのオンデューティ（ＯＮとＯＦＦとの比率）を制御することによって、コンバータ部４から出力される母線電圧を制御することができる。
【００１９】
（平滑コンデンサ５）
平滑コンデンサ５は、コンバータ部４から出力される母線電圧、即ち、コンバータ部４によって昇圧された母線電圧を平滑化するものである。
【００２０】
（インバータ部６）
インバータ部６は、平滑コンデンサ５で平滑化されると共に平滑コンデンサ５に充電された母線電圧を交流電圧に変換するものであり、例えば、複数のインバータ用スイッチング素子６ａで構成されている。インバータ部６は、例えば、空気調和装置の圧縮機に使用されるモータ７等の負荷に接続されており、負荷に対して、所定の周波数の交流電流を供給する。インバータ部６の動作は、制御部２１に備わるインバータ制御手段２３によって制御されている。なお、負荷であるモータ７には、回転速度を検出するためのモータ電流検出部１４が、入力側と出力側とに夫々１個設けられている。
【００２１】
（モジュール８）
以上説明した構成のうち、整流器３、コンバータ部４のスイッチング素子４ｂ及び逆流防止素子４ｃ、及びインバータ部６は、例えば、１個のモジュール８に内蔵されている。
【００２２】
（リアクタ電流検出部１１）
リアクタ電流検出部１１は、例えばリアクタ４ａに対し直列に接続されており、リアクタ４ａに流れるリアクタ電流を検出するものである。
【００２３】
（母線電圧検出部１２）
母線電圧検出部１２は、例えば平滑コンデンサ５に対し並列に接続されており、平滑コンデンサ５間の母線電圧を検出するものである。
【００２４】
（温度検出部１３）
温度検出部１３は、例えばモジュール８の任意の位置に設置することができ、モジュール８の内部、特にスイッチング素子４ｂの温度を検出するものである。この温度検出部１３から出力された信号を温度検出回路１３ａが受信し、スイッチング素子４ｂの温度に関する信号を、制御部２１におけるコンバータ制御手段２２に送信する。
【００２５】
（制御部２１）
制御部２１は、例えばマイコンで構成されており、コンバータ制御手段２２、温度補正手段２５、記憶手段２４、閾値判定手段２６、故障抑制制御手段２７及びインバータ制御手段２３を備えている。
【００２６】
（コンバータ制御手段２２）
コンバータ制御手段２２は、前述の如く、コンバータ部４のスイッチング素子４ｂのスイッチング動作を制御するものである。図２は、実施の形態１におけるコンバータ制御手段２２を示すブロック図である。図２に示すように、コンバータ制御手段２２は、電圧指令値演算手段２２ａ及び電流指令値演算手段２２ｂを備えており、目標とする母線電圧である目標指令電圧、母線電圧検出部１２で検出された母線電圧、及びリアクタ電流検出部１１で検出されたリアクタ電流に基づいて、スイッチング素子４ｂを駆動するためのスイッチング指令値（オンデューティ指令値）を算出する。
【００２７】
具体的には、先ず、目標指令電圧と、母線電圧用フィルタ１２ａでノイズが除去された母線電圧とに基づいて、電圧指令値演算手段２２ａが電圧指令値を演算する。この電圧指令値演算手段２２ａは、比例制御又は積分制御等を用いることができる。次に、この電圧指令値と、リアクタ電流用フィルタ１１ａでノイズが除去されたリアクタ電流とに基づいて、電流指令値演算手段２２ｂがスイッチング指令値を演算する。この電流指令値演算手段２２ｂは、比例制御、積分制御又は微分制御等を用いることができる。
【００２８】
図３は、実施の形態１におけるスイッチング指令値を示すグラフ図である。コンバータ制御手段２２は、電流指令値演算手段２２ｂによって求められたスイッチング指令値によって、スイッチング素子４ｂを駆動する。具体的には、所定の周波数の三角波に対し、算出されたスイッチング指令値を適用することによって、三角波において、スイッチング指令値よりも大きい期間がスイッチング素子駆動信号のオン状態、スイッチング指令値よりも小さい期間がスイッチング素子駆動信号のオフ状態となる。このスイッチング指令値が変動することによって、スイッチング素子駆動信号のオンオフの時間が変わり、オンデューティ比が変動する。そして、コンバータ制御手段２２は、スイッチング指令値から得られたスイッチング素子駆動信号によって、スイッチング素子４ｂを駆動する。
【００２９】
一般的に、コンバータ部４で直流電圧を昇圧する場合、整流器３によって整流された昇圧前の直流電圧をＥｄとし、目標指令電圧をＥｏとすると、スイッチング指令値Ｄは、下記式（１）から求められる。
【００３０】
［数１］
Ｄ＝（Ｅｏ−Ｅｄ）／Ｅｏ・・・・・（１）
【００３１】
また、整流器３によって整流された直流電圧Ｅｄは、交流電源２の電圧をＶｓとすると、その最大値Ｅｄｍａｘは、下記式（２）のようになる。
【００３２】
［数２］
Ｅｄｍａｘ＝２１／２・Ｖｓ・・・・・（２）
【００３３】
また、直流電圧Ｅｄの最小値Ｅｄｍｉｎは、下記式（３）のようになる。
【００３４】
［数３］
Ｅｄｍｉｎ＝（６１／２・Ｖｓ）／２・・・・・（３）
【００３５】
即ち、交流電源２の電圧及び目標指令電圧が決まれば、スイッチング指令値の最大値及び最小値が決定し、この最大値と最小値との和の半分が平均値となる。なお、スイッチング指令値は、交流電源２の周波数の６倍の周期で脈動する。このため、このスイッチング指令値を、充分大きなフィルタを用いてフィルタリングして平均化し、交流電源２の周波数の６倍の周期で脈動することを抑制するようにしてもよい。
【００３６】
（温度補正手段２５）
温度補正手段２５は、コンバータ制御手段２２で算出されたスイッチング指令値に基づいて、温度検出部１３で検出されたスイッチング素子４ｂの温度を補正するものである。スイッチング指令値は、コンバータ部４が行った仕事量に相当するものであり、コンバータ部４が行った仕事量が多ければ多いほど、スイッチング素子４ｂの温度は上昇する。なお、温度補正手段２５は、温度検出部１３から出力された信号を受信した温度検出回路１３ａから、スイッチング素子４ｂの温度に関する信号を受信する。
【００３７】
ここで、温度検出部１３で検出されるスイッチング素子４ｂの温度と、温度検出部１３の設置位置との関係について説明する。図４は、実施の形態１における温度検出部１３の設置位置を示す模式図である。図４に示すように、モジュール８は、例えばヒートシンク９に接着されており、モジュール８のうち、コンバータ部４におけるスイッチング素子４ｂがもっとも発熱する部品の１つであるため、このスイッチング素子４ｂがヒートシンク９に直接接触されている。
【００３８】
この図４においては、温度検出部１３が位置α、位置β又は位置γに設置されている例を示している。スイッチング素子４ｂと温度検出部１３との距離は、位置α＜位置β＜位置γとなっている。
【００３９】
ここで、熱抵抗率をρ、熱が伝わる距離をＬ、熱が伝わる面積をＳとすると、熱抵抗Ｒは、下記式（４）から求められる。
【００４０】
［数４］
Ｒ＝ρ×Ｌ／Ｓ・・・・・・・・・（４）
【００４１】
更に、熱流をＱとすると、熱を授受する物体間の温度差ΔＴは、下記式（５）から求められる。
【００４２】
［数５］
ΔＴ＝Ｒ×Ｑ＝（ρ×Ｌ／Ｓ）×Ｑ・・（５）
【００４３】
この式（５）からわかるとおり、同一の物質（熱抵抗率ρ）内において、熱が伝わる距離Ｌが大きいほど、物体間の温度差ΔＴが大きくなる。即ち、スイッチング素子４ｂと温度検出部１３との間の距離が離れているほど、両者の温度差ΔＴが大きくなる。
【００４４】
図５は、実施の形態１におけるスイッチング指令値と温度との関係を示すグラフ図である。図５において、横軸は、コンバータ部４の仕事量（スイッチング指令値）であり、縦軸は、温度である。図５に示すように、スイッチング素子４ｂの温度は、前述の如く、コンバータ部４が行った仕事量（スイッチング指令値）が多ければ多いほど、上昇する。
【００４５】
そして、位置αのように、温度検出部１３とスイッチング素子４ｂとの間の距離が近くなるほど、温度検出部１３で検出されたスイッチング素子４ｂの温度は、実際のスイッチング素子４ｂの温度（実線）とほぼ同等の値を示す。即ち、温度検出部１３が位置αに配置されれば、スイッチング素子４ｂの温度を正確に計測することができる。それとは逆に、位置β、位置γのように、温度検出部１３とスイッチング素子４ｂとの間の距離が遠くなるほど、温度検出部１３で検出されたスイッチング素子４ｂの温度は、実際のスイッチング素子４ｂの温度よりも低い値を示す。
【００４６】
このように、位置β又は位置γに温度検出部１３が配置されている場合、スイッチング素子４ｂと温度検出部１３との間には、位置αにおける熱抵抗Ｒαよりも大きい熱抵抗Ｒβ又は熱抵抗Ｒγが存在（Ｒα＜Ｒβ＜Ｒγ）する。このため、スイッチング素子４ｂで発生した熱は、その一部だけしか温度検出部１３に伝達されない。従って、温度検出部１３で検出された温度と、実際のスイッチング素子４ｂの温度とに差異が生じる。
【００４７】
なお、一般的に、コンバータ部４は、インバータ部６が運転を開始した後に動作する。即ち、コンバータ部４が停止していても、インバータ部６は動作しているため、モジュール８内の温度は高い状態にある。図５に示すように、コンバータ部４が停止し、コンバータ部４の仕事量が零となる各グラフの切片においても、グラフの最下部は通過しない。
【００４８】
次に、温度補正手段２５で補正される温度の補正量について説明する。図６は、実施の形態１における温度補正手段２５で補正される温度の補正量を示すグラフ図である。図６に示すように、温度検出部１３で検出されたスイッチング素子４ｂの温度をＴｄ、スイッチング指令値をＳ、比例係数をＫとすると、実際のスイッチング素子４ｂの温度Ｔａは、下記式（６）から求められる。
【００４９】
［数６］
Ｔａ＝Ｔｄ＋Ｓ×Ｋ・・・・・・・・（６）
【００５０】
式（６）において、Ｋは、熱抵抗Ｒ等から決定されるものであり、熱抵抗Ｒの算出に必要な熱抵抗率ρは、モジュール８の構成が決定された時点で定まるものである。なお、モジュール８の構成が複雑であるため、熱抵抗Ｒを解析して算出することができないこともある。この場合、実際のスイッチング素子４ｂの温度と、温度検出部１３で検出される温度とを、実機を使用して実測し、これらの実測値を用いて温度を補正してもよい。
【００５１】
（記憶手段２４）
記憶手段２４は、スイッチング指令値と、温度補正手段２５で補正される温度の補正量との関係を記憶するものである。具体的には、先ず、図５に示すような温度とコンバータ部４の仕事量（スイッチング指令値）との関数を予め求めておく。そして、補正量、即ち実際のスイッチング素子４ｂの温度と温度検出部１３で検出される温度との差分を、スイッチング指令値毎にテーブル化、又は関数化してまとめておき、記憶手段２４がこれを記憶する。
【００５２】
即ち、記憶手段２４は、スイッチング指令値と、温度補正手段２５で補正される温度の補正量との関係を示す補正テーブル又は補正関数を記憶するものである。このうち、補正テーブルは、上記式（６）におけるＳ×Ｋに相当し、補正関数は、上記式（６）そのものである。そして、温度補正手段２５は、この記憶手段２４に記憶された補正テーブル又は補正関数と、スイッチング指令値とに基づいて、温度検出部１３で検出されたスイッチング素子４ｂの温度を補正する。なお、その際、スイッチング指令値として、実際の運転時に算出されるスイッチング指令値が用いられる。
【００５３】
（閾値判定手段２６）
閾値判定手段２６は、温度補正手段２５で補正された温度が、予め設定された第１の閾値を超えたか否かを判定し、且つ、温度補正手段２５で補正された温度が、予め設定された第２の閾値を超えたか否かを判定するものである。このうち、第１の閾値は、電力変換装置１の出力を弱めれば、電力変換装置１又は電力変換装置１を備える空気調和装置を停止せずに済む程度の温度に設定される。
【００５４】
また、第２の閾値は、電力変換装置１の出力を弱めても、モジュール８の過熱により、電力変換装置１又は電力変換装置１を備える空気調和装置が故障する程度の温度に設定される。そして、第２の閾値は、第１の閾値よりも大きい。このため、第２の閾値は、第１の閾値よりもモジュール８が故障するリスクが高い。なお、第２の閾値は、モジュール８の故障に直結する温度に対しマージンを取った値に設定することによって、モジュール８の故障を適切に抑止することができる。この第２の閾値は、例えば、スイッチング素子４ｂの耐熱温度よりも低い温度に設定されている
【００５５】
（故障抑制制御手段２７）
故障抑制制御手段２７は、温度補正手段２５で補正された温度に基づいて、各部品に対し故障を抑制する動作を指示するものである。具体的には、温度補正手段２５で補正された温度が、第１の閾値を超えたことが閾値判定手段２６で判定された場合、コンバータ部４の出力（即ち、昇圧量）の低下をコンバータ制御手段２２に指示する。又は、温度補正手段２５で補正された温度が、第１の閾値を超えたことが閾値判定手段２６で判定された場合、インバータ部６の出力（即ち、周波数）の低下をインバータ制御手段２３に指示する。更に、温度補正手段２５で補正された温度が、第２の閾値を超えたことが閾値判定手段２６で判定された場合、コンバータ部４及びインバータ部６等の異常停止を指示する。
【００５６】
（インバータ制御手段２３）
インバータ制御手段２３は、前述の如く、インバータ部６のインバータ用スイッチング素子６ａのスイッチング動作を制御するものである。また、そのほかに、故障抑制制御手段２７からインバータ部６の出力の低下又は異常停止を指示する信号を受信したときにも、その指示に従ってインバータ部６を制御する。
【００５７】
次に、本実施の形態１に係る電力変換装置１の動作について説明する。先ず、交流電源２から供給された入力電圧が、整流器３によって直流電圧に変換される。次に、この整流器３で整流された直流電圧が、コンバータ部４によって昇圧される。そして、コンバータ部４によって昇圧された母線電圧が、平滑コンデンサ５によって平滑化されて、その後、インバータ部６によって交流電圧に変換される。このインバータ部６によって変換された交流電圧を用いて、モータ７等の負荷の運転が行われる。
【００５８】
次に、この電力変換装置１を制御する制御部２１の動作について説明する。制御部２１に備わるコンバータ制御手段２２は、電力変換装置１の運転中に、目標指令電圧、母線電圧検出部１２で検出された母線電圧、及びリアクタ電流検出部１１で検出されたリアクタ電流に基づいて、スイッチング指令値を算出する。そして、コンバータ制御手段２２は、この算出されたスイッチング指令値を、温度補正手段２５に出力する。
【００５９】
一方、温度補正手段２５は、温度検出部１３から出力された信号を受信した温度検出回路１３ａから、スイッチング素子４ｂの温度に関する信号を受信し、且つ、記憶手段２４に記憶された補正テーブル又は補正関数を読み出す。そして、温度補正手段２５は、コンバータ制御手段２２から受信したスイッチング指令値と、温度検出部１３で検出されたスイッチング素子４ｂの温度と、補正テーブル又は補正関数とから、温度の補正量を決定する。温度補正手段２５は、この温度の補正量を、温度検出部１３で検出されたスイッチング素子４ｂの温度に加算することによって、温度検出部１３で検出されたスイッチング素子４ｂの温度を補正する。
【００６０】
その後、この温度補正手段２５で補正されたスイッチング素子４ｂの温度が、第１の閾値を超えたか否かを閾値判定手段２６が判定する。第１の閾値は、電力変換装置１の出力を弱めれば、電力変換装置１又は電力変換装置１を備える空気調和装置を停止せずに済む程度の温度に設定されている。閾値判定手段２６によって、スイッチング素子４ｂの温度が第１の閾値以下であると判定されれば、電力変換装置１の運転は継続される。一方、閾値判定手段２６によって、スイッチング素子４ｂの温度が第１の閾値を超えていると判定されれば、故障抑制制御手段２７が、コンバータ部４の出力、即ち昇圧量の低下をコンバータ制御手段２２に指示するか、又は、インバータ部６の出力、即ち周波数の低下をインバータ制御手段２３に指示する。
【００６１】
そして、更に、温度補正手段２５で補正されたスイッチング素子４ｂの温度が、第２の閾値を超えたか否かを閾値判定手段２６が判定する。第２の閾値は、電力変換装置１の出力を弱めても、モジュール８の過熱により、電力変換装置１又は電力変換装置１を備える空気調和装置が故障する程度の温度に設定されている。その際、これらの処理が行われても、スイッチング素子４ｂの温度が低下せず、更に上昇し、閾値判定手段２６によって、スイッチング素子４ｂの温度が第２の閾値を超えていると判定されると、故障抑制制御手段２７が、コンバータ部４及びインバータ部６等の異常停止を、コンバータ制御手段２２及びインバータ制御手段２３等に指示する。
【００６２】
以上説明したように、本実施の形態１に係る電力変換装置１は、温度補正手段２５によって、スイッチング指令値に基づいて、温度検出部１３で検出されたスイッチング素子４ｂの温度を補正している。このため、補正された後のスイッチング素子４ｂの温度は、実際のスイッチング素子４ｂの温度に極めて近い。例えば、図５に示す位置αに温度検出部１３が配置されれば、温度検出部１３で検出されたスイッチング素子４ｂの温度は、実際のスイッチング素子４ｂの温度に近くなる。しかし、この場合、温度検出部１３をスイッチング素子４ｂに近づけて配置する必要があるため、モジュール８の設計が困難になる虞があり、また、仮に、温度検出部１３をスイッチング素子４ｂに近接して配置すると、スイッチングによるノイズ等の影響を受けやすく、温度検出部１３で検出される温度にノイズが発生する虞がある。
【００６３】
これに対し、本実施の形態１に係る電力変換装置１は、温度補正手段２５によって、スイッチング素子４ｂの温度を補正している。このため、例えば、図５に示す位置β又は位置γといったスイッチング素子４ｂから離れた位置に温度検出部１３が配置されても、実際のスイッチング素子４ｂの温度に近い値を把握することができる。従って、モジュール８内のスイッチング素子４ｂの配置規制が緩和され、モジュール８を設計する際の自由度が増す。また、ノイズ源となるスイッチング素子４ｂから離れた位置に温度検出部１３を配置することができ、従って、温度検出部１３で検出される温度がノイズの影響を受け難くすることもできる。
【００６４】
また、実際のスイッチング素子４ｂの温度と、温度検出部１３で検出されたスイッチング素子４ｂの温度との間の検出誤差が大きく、これが補正されずにそのままである場合、故障を抑制する動作を行うために設定される温度の閾値を、検出誤差の分だけ低めに設定して、より安全性を高める必要がある。この場合、閾値を検出誤差の分だけ低めに設定していることによって、電力変換装置１の動作範囲が狭まる。
【００６５】
これに対し、本実施の形態１に係る電力変換装置１は、コンバータ部４の発熱に影響を及ぼすスイッチング指令値を用いて、検出誤差を補正している。このため、故障を抑制する動作を行うために設定される温度の閾値を、低めに設定する必要はなく、最適な閾値に設定することができる。従って、モジュール８の発熱における保護信頼性が向上し、また、この電力変換装置１が、モータ駆動システムに適用される場合、そのモータ駆動システムの能力を最大限発揮することができる。
【００６６】
また、スイッチング素子４ｂとしてＳｉＣを用いる場合、ＳｉＣ自体は高温での動作が可能ではあるが、その周囲の部品がＳｉＣよりも許容温度が低く、その結果、ＳｉＣの能力を充分に発揮できない虞がある。しかしながら、本実施の形態１に係る電力変換装置１においては、温度検出部１３等の部品を、スイッチング素子４ｂから遠ざけることができる。このため、ＳｉＣの能力を最大限に発揮することができる。
【００６７】
なお、以上の説明においては、温度の補正量を求め、これを用いて、温度検出部１３で検出されたスイッチング素子４ｂの温度を、実際のスイッチング素子４ｂの温度に近づける場合を例示したが、そのほかに、例えば、温度の補正量を求めた後、これを用いて、第１の閾値又は第２の閾値を変更してもよい。この場合も、スイッチング素子４ｂの温度を補正する場合と同様に、モジュール８の故障抑制における信頼性を向上させることができるという効果を奏する。また、記憶手段２４は、温度の補正量を記憶しているが、補正済の温度を記憶するようにしてもよい。
【００６８】
なお、空気調和装置は、本発明の電力変換装置１に加えて、この電力変換装置１によって駆動されているモータ７を備えているように構成することができる。このモータ７は、コンバータ部４のスイッチング素子４ｂの温度を適切に把握することができる電力変換装置１によって駆動されている。このため、このモータ７を備えた空気調和装置は、耐熱性における信頼性が極めて高い。
【符号の説明】
【００６９】
１  電力変換装置、２  交流電源、３  整流器、４  コンバータ部、４ａ  リアクタ、４ｂ  スイッチング素子、４ｃ  逆流防止素子、５  平滑コンデンサ、６  インバータ部、６ａ  インバータ用スイッチング素子、７  モータ、８  モジュール、９  ヒートシンク、１１  リアクタ電流検出部、１１ａ  リアクタ電流用フィルタ、１２  母線電圧検出部、１２ａ  母線電圧用フィルタ、１３  温度検出部、１３ａ  温度検出回路、１４  モータ電流検出部、２１  制御部、２２  コンバータ制御手段、２２ａ  電圧指令値演算手段、２２ｂ  電流指令値演算手段、２３  インバータ制御手段、２４  記憶手段、２５  温度補正手段、２６  閾値判定手段、２７  故障抑制制御手段。
【図１】
2015045076.tif 000003
【図２】
2015045076.tif 000004
【図３】
2015045076.tif 000005
【図４】
2015045076.tif 000006
【図５】
2015045076.tif 000007
【図６】
2015045076.tif 000008
【手続補正書】
【提出日】平成27年9月4日(2015.9.4)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１０
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１０】
本発明に係る電力変換装置は、交流電源から供給された入力電圧を整流する整流器と、整流器の出力端に接続されたリアクタと、リアクタに直列接続された逆流防止素子と、リアクタと逆流防止素子との間に接続されたスイッチング素子とを備え、整流器で整流された直流電圧を昇圧するコンバータ部と、コンバータ部から出力される母線電圧を平滑化する平滑コンデンサと、リアクタに流れるリアクタ電流を検出するリアクタ電流検出部と、母線電圧を検出する母線電圧検出部と、スイッチング素子の温度を検出する温度検出部と、目標とする母線電圧である目標指令電圧、母線電圧検出部で検出された母線電圧、及びリアクタ電流検出部で検出されたリアクタ電流に基づいて、スイッチング素子を駆動するためのスイッチング指令値を算出するコンバータ制御手段と、コンバータ制御手段で算出されたスイッチング指令値に基づいて、温度検出部で検出されたスイッチング素子の温度を補正する温度補正手段と、を有する。
【手続補正２】
【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】
交流電源から供給された入力電圧を整流する整流器と、
前記整流器の出力端に接続されたリアクタと、前記リアクタに直列接続された逆流防止素子と、前記リアクタと逆流防止素子との間に接続されたスイッチング素子とを備え、前記整流器で整流された直流電圧を昇圧するコンバータ部と、
前記コンバータ部から出力される母線電圧を平滑化する平滑コンデンサと、
前記リアクタに流れるリアクタ電流を検出するリアクタ電流検出部と、
前記母線電圧を検出する母線電圧検出部と、
前記スイッチング素子の温度を検出する温度検出部と、
目標とする前記母線電圧である目標指令電圧、前記母線電圧検出部で検出された母線電圧、及び前記リアクタ電流検出部で検出されたリアクタ電流に基づいて、前記スイッチング素子を駆動するためのスイッチング指令値を算出するコンバータ制御手段と、
前記コンバータ制御手段で算出されたスイッチング指令値に基づいて、前記温度検出部で検出された前記スイッチング素子の温度を補正する温度補正手段と、を有する
ことを特徴とする電力変換装置。
【請求項２】
前記スイッチング指令値と、前記温度補正手段で補正される温度の補正量との関係を示す補正テーブル又は補正関数を記憶する記憶手段を更に有し、
前記温度補正手段は、
前記スイッチング指令値として、実際の運転時に算出されるスイッチング指令値を用いて、このスイッチング指令値と、前記記憶手段に記憶された前記補正テーブル又は前記補正関数とに基づいて、前記温度検出部で検出された前記スイッチング素子の温度を補正する
ことを特徴とする請求項１記載の電力変換装置。
【請求項３】
前記整流器、前記スイッチング素子及び前記逆流防止素子は、モジュールに内蔵されており、
前記補正テーブル又は前記補正関数は、
前記モジュールの内部における前記スイッチング素子と前記温度検出部との距離に基づいて設定されている
ことを特徴とする請求項２記載の電力変換装置。
【請求項４】
前記コンバータ制御手段は、
前記交流電源の６倍の周期で脈動する前記スイッチング指令値を、平均化する
ことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の電力変換装置。
【請求項５】
前記温度補正手段で補正された温度に基づいて、各部品に対し故障を抑制する動作を指示する故障抑制制御手段を更に有する
ことを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の電力変換装置。
【請求項６】
前記温度補正手段で補正された温度が、予め設定された第１の閾値を超えたか否かを判定し、且つ前記温度補正手段で補正された温度が、予め設定された第２の閾値を超えたか否かを判定する閾値判定手段を更に有する
ことを特徴とする請求項５記載の電力変換装置。
【請求項７】
前記故障抑制制御手段は、
前記温度補正手段で補正された温度が、前記第１の閾値を超えたことが前記閾値判定手段で判定された場合、前記コンバータ制御手段に前記コンバータ部の出力の低下を指示する
ことを特徴とする請求項６記載の電力変換装置。
【請求項８】
前記平滑コンデンサで平滑化された前記母線電圧を交流電圧に変換するインバータ部と、
前記インバータ部の動作を制御するインバータ制御手段と、を更に有し、
前記故障抑制制御手段は、
前記温度補正手段で補正された温度が、前記第１の閾値を超えたことが前記閾値判定手段で判定された場合、前記インバータ制御手段に前記インバータ部の出力の低下を指示する
ことを特徴とする請求項６又は請求項７記載の電力変換装置。
【請求項９】
前記故障抑制制御手段は、
前記温度補正手段で補正された温度が、前記第２の閾値を超えたことが前記閾値判定手段で判定された場合、異常停止を指示する
ことを特徴とする請求項６〜８のいずれか１項に記載の電力変換装置。
【請求項１０】
前記第１の閾値は、前記第２の閾値よりも小さい
ことを特徴とする請求項６〜９のいずれか１項に記載の電力変換装置。
【請求項１１】
前記第２の閾値は、前記スイッチング素子の耐熱温度よりも低い温度に設定されている
ことを特徴とする請求項６〜１０のいずれか１項に記載の電力変換装置。
【請求項１２】
前記スイッチング素子及び前記逆流防止素子のうち、少なくとも一方は、ワイドバンドギャップ半導体で構成されている
ことを特徴とする請求項１〜１１のいずれか１項に記載の電力変換装置。
【請求項１３】
請求項１〜１２のいずれか１項に記載の電力変換装置と、
この電力変換装置で駆動されるモータと、を有する
ことを特徴とする空気調和装置。
【国際調査報告】
2015045076.tif 000009
2015045076.tif 000010