(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
直流電源の正側に接続される上アームスイッチング素子と負側に接続される下アームスイッチング素子とを直列接続した回路を２相以上備え、前記上アームスイッチング素子と前記下アームスイッチング素子との接続点を負荷に接続し、前記直流電源の直流電圧をスイッチングすることにより交流電流を前記負荷へ出力するインバータ回路と、前記直流電源と前記インバータ回路との間に電流検出器と、複数の上アームスイッチング素子のうち一つのみがＯＮしている時間と当該時間に前記電流検出器により検出される電流値を２乗した値との積、及び、複数の下アームスイッチング素子のうち一つのみがＯＮしている時間と当該時間に前記電流検出器により検出される電流値を２乗した値との積とを演算する制御装置とを備えたことを特徴とするインバータ装置。
【請求項２】
制御装置は、上アームスイッチング素子のうち一つのみがＯＮしている時間と当該時間に電流検出器により検出される電流値を２乗した値との積、及び、下アームスイッチング素子のうち一つのみがＯＮしている時間と当該時間に前記電流検出器により検出される電流値を２乗した値との積との演算結果に基づいて、さらに直流電源との間に流れる直流電流の実効値を演算する請求項１に記載のインバータ装置。
【請求項３】
位相幅１２０度に渡り演算を実行する請求項１または請求項２に記載のインバータ装置。
【請求項４】
負荷がモータの場合において、モータの１回転に渡り演算を実行する請求項１から請求項３のうちいずれか一項に記載のインバータ装置。
【請求項５】
電流検出器はシャント抵抗である請求項１から請求項４のうちいずれか一項に記載のインバータ装置。
【請求項６】
車両に搭載される請求項１から請求項５のうちいずれか一項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、直流電源からの直流電流の実効値もしくはその実効値と相関のある値を検出するインバータ装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、直流電源からの直流電流の検出に関しては、直流電源からインバータ装置への電源ラインに電流センサを設け、直流電流のピーク値を、また、抵抗とコンデンサの積分により平均値を検出する方法が知られている（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
図１１は、従来のインバータ装置とその周辺の電気回路図である。インバータ装置１２１の制御回路１０８は、回転数指令信号（図示せず）等に基づき、インバータ回路３７を構成するスイッチング素子２を制御し、バッテリー１からの直流電圧をＰＷＭ変調でスイッチングすることにより、交流電流をモータ３０を構成する固定子巻線２８へ出力する。そして、回転子２９が駆動される。バッテリー１とインバータ回路３７との間には電流センサ６が設けられている。
【０００４】
スイッチング素子２について、上アームスイッチング素子をＵ，Ｖ，Ｗ、下アームスイッチング素子をＸ，Ｙ，Ｚと定義する。スイッチング素子２としては、トランジスタ、ＩＧＢＴ等が用いられる。また、インバータ回路３７を構成するダイオード３は、固定子巻線２８に流れる電流の還流ルートとなる。
【０００５】
電流センサ６により検出される直流電流の瞬時値は、オペアンプ、抵抗とコンデンサによる積分回路などで構成される平均電流検出回路１１により平均電流に変換されて、制御回路１０８へ伝達される。そして、バッテリー１の電圧と平均電流との積から、インバータ装置１２１の消費電力が算出される。消費電力算出は、直流電源であるバッテリー１の許容値を超えないように、インバータ装置１２１の消費電力制限を行う上で不可欠である。
【０００６】
また、電流センサ６により検出される直流電流の瞬時値は、オペアンプなどで構成されるピーク電流検出回路１２により許容値を超えた場合には、ローレベルとなる信号に変換されて制御回路１０８へ伝達される。そして、信号がローレベルとなった場合、スイッチング素子２の動作を停止させて、スイッチング素子２の破損が防止される。
【特許文献１】特開平７−６７２４８号公報（第５頁、第１図、第２図）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
上記従来の直流電源からの直流電流を検出する方法においては、平均電流及びピーク電流が検出される。然しながら、実効値電流もしくは実効値と相関のある電流は検出していない。そのため、直流電源の内部抵抗による電力損失、発熱は検出することができない。また、電流センサをシャント抵抗で構成した場合の、シャント抵抗の電力損失、発熱も検出することができない。さらに、直流電流の瞬時値を実効値に変換できる電気回路を追加すると、インバータ装置が大型化してしまう。
【０００８】
本発明はこのような従来の課題を解決するものであり、小型で、直流電流の実効値もしくは実効値と相関のある値を検出できるインバータ装置の提供を目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記課題を解決するために、本発明のインバータ装置は、直流電源との間に電流検出器を備え、上アームスイッチング素子一つのみがＯＮしている時間と当該時間に電流検出器により検出される電流値を２乗した値との積、及び、下アームスイッチング素子一つのみがＯＮしている時間と当該時間に電流検出器により検出される電流値を２乗した値との積とを演算する制御装置を備えたものである。
【００１０】
上記構成により、電気回路を追加することなく、制御ソフトのみで実効値電流と相関のある値の算出が可能となる。そして、更には、平方根演算を行うことにより、実効値そのものを算出できる。従って、小型で、直流電流の実効値もしくは実効値と相関のある値を検出できるインバータ装置を実現できる。
【発明の効果】
【００１１】
本発明のインバータ装置は、特段の回路を追加することなく小型で、直流電流の実効値もしくは実効値と相関のある値を検出できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
第１の発明は、直流電源の正側に接続される上アームスイッチング素子と負側に接続される下アームスイッチング素子とを直列接続した回路を２相以上備え、上アームスイッチング素子と下アームスイッチング素子との接続点を負荷に接続し、直流電源の直流電圧をスイッチングすることにより交流電流を負荷へ出力するインバータ回路と、直流電源とインバータ回路との間に電流検出器と、複数の上アームスイッチング素子のうち一つのみがＯＮしている時間と当該時間に電流検出器により検出される電流値を２乗した値との積、及び、複数の下アームスイッチング素子のうち一つのみがＯＮしている時間と当該時間に電流検出器により検出される電流値を２乗した値との積とを演算する制御装置を備えたものである。
【００１３】
上記構成により、電気回路を追加することなく、制御ソフトのみで実効値電流と相関のある値の算出が可能となり、小型で、直流電流の実効値と相関のある値を検出できるインバータ装置を実現できる。
【００１４】
第２の発明は、第１の発明のインバータ装置において、上アームスイッチング素子のうち一つのみがＯＮしている時間と当該時間に電流検出器により検出される電流値を２乗した値との積、及び、下アームスイッチング素子のうち一つのみがＯＮしている時間と当該時間に電流検出器により検出される電流値を２乗した値との積との演算結果に基づいて、さらに直流電源との間に流れる直流電流の実効値を演算する制御装置を備えたものである。これにより、小型で、直流電流の実効値を検出できるインバータ装置を実現できる。
【００１５】
第３の発明は、第１または２の発明のインバータ装置において、位相幅１２０度に渡り演算を実行する。位相幅１２０度において、トルク変動等に起因して位相により異なる電流変化の位相幅３６０度一巡の傾向を凡そ把握できるため、これにより、迅速に演算を実行できる。
【００１６】
第４の発明は、第１から３の発明のインバータ装置において、モータの１回転に渡り演算を実行する。これにより、モータの１回転に渡るトルク変動等による電流変動も含めた正確な演算結果を得られる。
【００１７】
第５の発明は、第１から４の発明のインバータ装置において、電流検出器を、シャント抵抗とする。これにより、ピークの高い矩形波状で実効値の大きい電流が流れるシャント抵抗の電力損失、発熱を検出することができるようになり、信頼性向上に寄与することができる。
【００１８】
第６の発明は、第１から５の発明のインバータ装置において、車両に搭載されるものである。これにより、小型で、直流電流の実効値もしくは実効値と相関のある値を検出できるため、車両搭載機器として重要な小型軽量化に寄与することができる。
【００１９】
以下、本発明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、この実施の形態によって本発明が限定されるものではない。
【００２０】
（実施の形態１）
図１に、本発明の実施の形態１に係るインバータ装置の電気回路図を示す。従来のインバータ装置の電気回路図である図１１との違いは、平均電流検出回路１１、ピーク電流検出回路１２が削除され、制御回路１０８が制御回路７に、インバータ装置１２１がインバータ装置２１となっている点である。また、電流センサ６が電流検出器としてのシャント抵抗１０に置き換わり、直流電流の瞬時値が、制御回路７に直接入力される。他の同一箇所には、同一符号を用いている。
【００２１】
また、上アームスイッチング素子Ｕ，Ｖ，Ｗ、下アームスイッチング素子Ｘ，Ｙ，Ｚと並列に接続されている各ダイオードを、それぞれ、３Ｕ，３Ｖ，３Ｗ及び３Ｘ，３Ｙ，３Ｚと定義する。
【００２２】
インバータ装置２１の制御回路７は、回転数指令信号（図示せず）等に基づいてインバータ回路３７を構成するスイッチング素子２を制御し、バッテリー１からの直流電圧をＰＷＭ変調でスイッチングすることにより、交流電流をモータ３０を構成する固定子巻線２８へ出力する。すなわち、制御回路７は、上アームスイッチング素子Ｕ，Ｖ，Ｗ、下アームスイッチング素子Ｘ，Ｙ，Ｚと、接続線１８により接続されており、各スイッチング素子を制御している。スイッチング素子がＩＧＢＴ、パワーＭＯＳＦＥＴの場合はゲート電圧を、パワートランジスタの場合はベース電流を制御する。
【００２３】
シャント抵抗１０により検出される直流電流の瞬時値は、制御回路７へ伝達され、スイッチング素子２等を保護するための判断に用いられる。また、制御回路７は、上記スイッチング及び直流電流の瞬時値に基づいて、バッテリー１とインバータ装置２１との間に流れる直流電流の実効値もしくはその実効値と相関のある値を算出する。
【００２４】
これについて、正弦波状の交流電流を出力する場合を例に以下説明する。図２は、正弦波駆動用インバータ装置の各相出力のＤｕｔｙ特性図の一例であり、３相変調の場合を示している。この特性図で、Ｕ相端子電圧４１、Ｖ相端子電圧４２、Ｗ相端子電圧４３を示している。これらの端子電圧はＰＷＭ変調にて縦軸に示すＤｕｔｙ（％）で実現される。
【００２５】
図３は、３相変調のキャリア周期内でのスイッチングのタイミングチャートであり、キャリア周期内での上アームスイッチング素子Ｕ，Ｖ，Ｗ、下アームスイッチング素子Ｘ，Ｙ，ＺのＯＮ／ＯＦＦの一例を示している。これは、一般的に、三角波とマイコンのタイマ機能により具現化される。但し、表示を簡明にするために、上アームスイッチング素子と下アームスイッチング素子との短絡防止用デッドタイムは割愛している。
【００２６】
図３の場合、図２において点α付近でのタイミングチャートである。図３に示す如く、各スイッチング素子のスイッチングには、（ａ），（ｂ），（ｃ），（ｄ）の４モードの期間があり、各期間における電流経路説明の電気回路図を図４から図７に示す。
【００２７】
図４に示す期間（ａ）においては、上アームスイッチング素子Ｕ，Ｖ，Ｗ全てがＯＦＦ、下アームスイッチング素子Ｘ，Ｙ，Ｚ全てがＯＮである。Ｕ相電流、Ｖ相電流がそれぞ
れ、下アームスイッチング素子Ｘ，Ｙと並列のダイオード３Ｘ，３Ｙから固定子巻線２８へ流れ、Ｗ相電流は固定子巻線２８から下アームスイッチング素子Ｚへ流れ出ている。すなわち、下アームとモータ３０間で電流が循環している。このため、バッテリー１からインバータ回路３７へは電力供給されない非通電の状態にある。
【００２８】
図５に示す期間（ｂ）においては、上アームスイッチング素子ＵがＯＮ、下アームスイッチング素子Ｙ，ＺがＯＮである。Ｕ相電流は、上アームスイッチング素子Ｕから固定子巻線２８へ流れ、Ｖ相電流は下アームスイッチング素子Ｙと並列のダイオード３Ｙから固定子巻線２８へ流れ、Ｗ相電流は固定子巻線２８から下アームスイッチング素子Ｚへ流れ出ている。このため、バッテリー１からインバータ回路３７へ電力供給される通電状態にある。このとき、電源ラインには、Ｕ相の相電流が流れる。
【００２９】
図６に示す期間（ｃ）においては、上アームスイッチング素子Ｕ，ＶがＯＮ、下アームスイッチング素子ＺがＯＮである。Ｕ相電流、Ｖ相電流は、それぞれ、上アームスイッチング素子Ｕ，Ｖから固定子巻線２８へ流れ、Ｗ相電流は固定子巻線２８から下アームスイッチング素子Ｚへ流れ出ている。このため、バッテリー１からインバータ回路３７へ電力供給される通電状態にある。そして、電源ラインには、Ｗ相の相電流が流れる。
【００３０】
図７に示す期間（ｄ）においては、上アームスイッチング素子Ｕ，Ｖ，Ｗ全てがＯＮ、下アームスイッチング素子Ｘ，Ｙ，Ｚ全てがＯＦＦである。Ｕ相電流、Ｖ相電流は、それぞれ、上アームスイッチング素子Ｕ，Ｖから固定子巻線２８へ流れ、Ｗ相電流は固定子巻線２８から上アームスイッチング素子Ｗと並列のダイオード３Ｗへ流れ込んでいる。すなわち、上アームとモータ３０間で電流が循環している。このため、バッテリー１からインバータ回路３７へは電力供給されない非通電の状態にある。
【００３１】
図８に、上記に係るキャリア周期内における直流電流の例を示す。期間（ａ）及び期間（ｄ）では流れず、期間（ｂ）ではＵ相の相電流ｉＵが流れ、期間（ｃ）ではＷ相の相電流ｉＷが流れている。ピーク値が大きい矩形波状の電流であるため、実効値が大きく、シャント抵抗１０の電力損失、発熱は大きい。
【００３２】
図３から図７で示したように、上アームスイッチング素子Ｕ，Ｖ，ＷのＯＮ、ＯＦＦの状態で電源ライン電流、すなわち直流電流の有無、そして、その通電時間を知ることができる。上アームスイッチング素子のＯＮする相が無い時は流れず（非通電）、１相のみＯＮ時はその相の電流が流れ（通電）、２相ＯＮ時は残りの相の電流が流れ（通電）、３相全てＯＮ時は流れない（非通電）。
【００３３】
ここで、上アームスイッチング素子２相がＯＮ時は、残りの相の下アームスイッチング素子がＯＮしているので、次のように言い換えることができる。すなわち、複数相に備えた上アームスイッチング素子のうち１相のみＯＮ時は（当該相の）電流が流れ、複数相に備えた下アームスイッチング素子のうち１相のみＯＮ時は（当該相の）電流が流れる。
【００３４】
図９に、図８の時間軸を拡大した図を示す。ここで、τ１＊ｉＵ２＋τ２＊ｉＷ２を、キャリア周期内の前半と後半で行い、その和をキャリア周期の時間で割ることにより、当該キャリア周期での、直流電流の実効値と相関のある値を求めることができる。キャリア周期内の前半もしくは後半のみで演算し、その値をキャリア周期の半分の時間で割っても良い。ここで、上記実効値と相関のある値とは、実効値を二乗した値である。そのため、この値を、この電流の流れる抵抗の抵抗値に掛けることにより、この抵抗の消費電力を演算できる。
【００３５】
ｉＵ、ｉＷはシャント抵抗１０により検出できるが、ｔ１〜ｔ２の時間τ１、ｔ２〜ｔ
３の時間τ２、ｔ４〜ｔ５の時間τ２、ｔ５〜ｔ６の時間τ１を測定するとなれば、別途電気回路が必要になる。然しながら、制御回路７は、インバータ回路３７を構成するスイッチング素子２を制御しているので、上アームスイッチング素子、下アームスイッチング素子のＯＮ／ＯＦＦ状況、ＯＮ時間は把握済である。また、キャリア周期も把握済である。すなわち、上アームスイッチング素子ＵのＯＮ時間τ１、下アームスイッチング素子ＺのＯＮ時間τ２、キャリア周期τを把握済である。そのため、制御回路７は、ｔ１〜ｔ２の時間τ１、ｔ２〜ｔ３の時間τ２、ｔ４〜ｔ５の時間τ２、ｔ５〜ｔ６の時間τ１、キャリア周期τを測定する必要はない。
【００３６】
従って、制御回路７は、上アームスイッチング素子のうち一つのみがＯＮしている時間と当該時間にシャント抵抗１０により検出される電流値の二乗との積、及び、下アームスイッチング素子のうち一つのみがＯＮしている時間と当該時間にシャント抵抗１０により検出される電流値の二乗との積を、電気回路を追加することなく、容易に演算できる。
【００３７】
そして、直流電流の実効値もしくはその実効値と相関のある値を演算すべき期間に渡り、上記演算を行い、それらの和を求め、当該期間の時間で割ることにより、実効値を二乗した値、すなわ実効値と相関のある値を得られる。また、上記演算値の平方根を求めることにより、実効値そのものを得られる。
【００３８】
従って、小型で、直流電流の実効値もしくは実効値と相関のある値を検出できるインバータ装置が得られる。また、これらの直流電流の実効値もしくは実効値と相関のある値を用いて、出力制限、停止など出力調節を行い、信頼性の向上を図ることができる。対象としては、バッテリー１の内部抵抗による電力損失、発熱、また、シャント抵抗１０の電力損失、発熱抑制、保護がある。バッテリー１と並列に電流平滑コンデンサを設けた場合には、当該平滑コンデンサの発熱抑制、保護がある。
【００３９】
尚、上記実施の形態において、モータを特定していないが、誘導モータ、センサレスＤＣブラシレスモータ等いずれでもよい。ＰＷＭ変調は３相変調について説明したが、２相変調でも同様に適用できる。また、正弦波状の交流電流を出力する場合について説明したが、１２０度通電方式、ＰＡＭ変調等にも適用できる。シャント抵抗１０からの直流電流の瞬時値が、直接制御回路７に入力される例を示したが、シャント抵抗１０と制御回路７の間に、信号増幅、電圧シフトなどを行うオペアンプを設けても良い。また、シャント抵抗に限らず、他の電流センサでも良い。
【００４０】
（実施の形態２）
図１０に、位相とＵ相の相電流（ｉＵ）５１、Ｖ相の相電流（ｉＶ）５２、Ｗ相の相電流（ｉＷ）５３との関連を示す。位相による電流変化が位相幅３６０度で一巡する。また、これらの相電流は、図８に示す如く、直流電流に現れる。そのため、位相幅３６０度毎に直流電流の実効値もしくは実効値と相関のある値を演算することにより、トルク変動等に起因する位相に関連する実効値変化を一巡させて、正確な平均値を得られる。
【００４１】
一方、位相幅１２０度は電流変化傾向の一つの区切りとして、位相幅３６０度において３回繰り返されている。トルク変動等に起因して位相により異なる電流変化の位相幅３６０度一巡の傾向を凡そ把握できる。そのため、位相幅１２０度毎に直流電流の実効値もしくは実効値と相関のある値を演算することにより、迅速に演算を実行することができる。
【００４２】
センサレスＤＣブラシレスモータ等磁石回転子を有するモータにおいては、位相幅３６０度と磁石回転子の１回転とは、磁石回転子の極数により、必ずしも一致しない。そのため、磁石回転子すなわちモータの１回転に渡り直流電流の実効値もしくは実効値と相関のある値を演算することにより、モータの１回転に渡るトルク変動等による電流変動も含め
た正確な直流電流の実効値もしくは実効値と相関のある値を得られる。
【００４３】
尚、図１０における各相の相電流は、図２における各相の端子電圧と、位相が一致しているが、これは一例であり、一致するとは限らない。
【００４４】
（実施の形態３）
車両に搭載されるインバータ装置においては、小型軽量を求められる。また、駆動源として、バッテリーが用いられる。そして、高温の環境にさらされることもある。そのため、本発明のインバータ装置を車両に搭載して適用することは有効に作用する。
【産業上の利用可能性】
【００４５】
以上のように、本発明にかかるインバータ装置は、小型で、直流電流の実効値もしくは実効値と相関のある値を検出できるので、各種民生用製品、各種産業用機器、各種移動体用機器に適用できる。負荷としてモータ以外の交流機器にも適用可能である。
【図面の簡単な説明】
【００４６】
【図１】本発明の実施の形態１に係るインバータ装置の電気回路図
【図２】正弦波駆動用インバータ装置の各相出力のＤｕｔｙ特性図
【図３】キャリア周期内におけるスイッチングのタイミングチャート
【図４】期間（ａ）における電流経路を示す電気回路図
【図５】期間（ｂ）における電流経路を示す電気回路図
【図６】期間（ｃ）における電流経路を示す電気回路図
【図７】期間（ｄ）における電流経路を示す電気回路図
【図８】正弦波駆動用インバータ装置のキャリア周期内における直流電流特性図
【図９】本発明の実施の形態１に係る電流演算の説明図
【図１０】本発明の実施の形態２に係る位相と各相電流波形の特性説明図
【図１１】従来の直流電流検出器を備えたインバータ装置の電気回路図
【符号の説明】
【００４７】
１  バッテリー
２  スイッチング素子
３  ダイオード
７  制御回路
１０  シャント抵抗
２１  インバータ装置
３０  モータ
３７  インバータ回路
Ｕ，Ｖ，Ｗ  上アームスイッチング素子
Ｘ，Ｙ，Ｚ  下アームスイッチング素子
【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】
0004631575.tif 000008
【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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