(57)【要約】【課題】  逆電圧印加回路が短絡故障を起こした場合にその逆電圧印加回路の動作を停止して安全を確保することができるインバータ装置および冷凍サイクル装置を提供する。【解決手段】  インバータ装置１は、ＭＯＳＦＥＴ４ｕ，４ｖ，４ｗの駆動用および逆電圧印加回路６ｕ，６ｖ，６ｗの動作用の低電圧を出力する低電圧電源回路５０を備えている。この低電圧電源回路５０の出力電圧が保護部６３によって検出され、検出された電圧が所定値以下になると、保護部６３により低電圧電源回路５０の出力が停止される。【選択図】      図２
2007209166.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
還流ダイオードを有するＭＯＳＦＥＴを少なくとも一方に用いた２つのスイッチング素子の直列回路を複数備え、これら直列回路の各スイッチング素子の相互接続点が負荷に接続されるスイッチング回路と、
前記各スイッチング素子のオン，オフ動作を制御する制御手段と、
前記ＭＯＳＦＥＴと同じ直列回路の他方のスイッチング素子のオンに先立ち、同ＭＯＳＦＥＴの還流ダイオードに逆電圧を印加する逆電圧印加回路と、
前記ＭＯＳＦＥＴの駆動用および前記逆電圧印加回路の動作用の低電圧を出力する低電圧電源回路と、
前記低電圧電源回路の出力電圧を検出し、検出した電圧が所定値以下の場合に、前記低電圧電源回路の出力を停止する保護手段と、
を備えていることを特徴とするインバータ装置。
【請求項２】
還流ダイオードを有するＭＯＳＦＥＴを少なくとも一方に用いた２つのスイッチング素子の直列回路を複数備え、これら直列回路の各スイッチング素子の相互接続点が負荷に接続されるスイッチング回路と、
前記各スイッチング素子のオン，オフ動作を制御する制御手段と、
前記ＭＯＳＦＥＴと同じ直列回路の他方のスイッチング素子のオンに先立ち、同ＭＯＳＦＥＴの還流ダイオードに逆電圧を印加する逆電圧印加回路と、
前記制御手段および前記逆電圧印加回路の動作用の低電圧を出力する低電圧電源回路と、
前記低電圧電源回路の出力電圧を検出し、検出した電圧が所定値以下の場合に、前記低電圧電源回路の出力を停止する保護手段と、
を備えていることを特徴とするインバータ装置。
【請求項３】
請求項１または請求項２に記載のインバータ装置を圧縮機モータの電源として用いることを特徴とする冷凍サイクル装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、たとえば圧縮機を駆動するインバータ装置、およびそのようなインバータ装置を用いて圧縮機を駆動する冷凍サイクル装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
ブラシレスＤＣモータのような誘導性負荷を駆動するインバータ装置は、電圧の印加方向に沿って上流側および下流側となる２つのスイッチング素子の直列回路を複数備え、これら直列回路の上流側スイッチング素子と下流側スイッチング素子の相互接続点がブラシレスＤＣモータの各相巻線に接続される。各スイッチング素子は、還流ダイオード（寄生ダイオードともいう）を有している。
【０００３】
スイッチング素子としては、最近、ＩＧＢＴやＭＯＳＦＥＴが多く採用されている。ＭＯＳＦＥＴを用いている場合、ＭＯＳＦＥＴのオン，オフ速度が速いため高周波スイッチングが可能というメリットがあり、また低電圧出力時のロスが小さいことからファンモータ等の出力の小さいモータを駆動する場合に多用される。
【０００４】
ただし、ＭＯＳＦＥＴでは、素子製造の過程において同じ素子上に作られる還流ダイオードの逆回復特性が悪いという問題がある。近年、オン時の抵抗が低くてスイッチング特性にすぐれたスーパージャンクションＭＯＳＦＥＴが開発されているが、このスーパージャンクションＭＯＳＦＥＴにおいては、素子上に形成される還流ダイオードの逆回復特性がますます悪いものとなっている。
【０００５】
還流ダイオードの逆回復特性が悪いと、次の不具合を生じる。すなわち、ＭＯＳＦＥＴがオフしたとき、誘導性負荷に蓄えられたエネルギによってＭＯＳＦＥＴの還流ダイオードに順方向電流（還流電流ともいう）が流れるが、その状態で、同じ直列回路の他方のスイッチング素子がオンしてＭＯＳＦＥＴに直流電圧が加わると、還流ダイオードに蓄えられた電荷による大きな逆回復電流（スパイク電流ともいう）が還流ダイオードに流れる。この逆回復電流は、大きな電力損失となる。また、この電力損失の多くは、ＭＯＳＦＥＴと対となる他方のスイッチング素子のオン時の発熱となり、これが大きくなると他方のスイッチング素子がその熱によって破壊するという問題がある。
【０００６】
このようなことから、たとえば空気調和機のコンプレッサモータを駆動するような大きな電流が流れるインバータにＭＯＳＦＥＴを採用することは、非常に難しい。
【０００７】
そこで、従来、上記他方のスイッチング素子のオンに先立ってＭＯＳＦＥＴの還流ダイオードに逆電圧を印加する逆電圧印加回路を設け、この逆電圧の印加によって還流ダイオードに流れる逆回復電流を防止し、電力損失の低減を図るものがある（例えば、特許文献１）。
【特許文献１】特開平１０−３２７５８５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
上記のような逆電圧印加回路を採用した場合、逆回復電流による電力損失が抑えられるため、コンプレッサモータ駆動用などの大出力モータにもスイッチング素子としてＭＯＳＦＥＴの採用が可能となるが、万が一、逆電圧印加回路に破壊や特性劣化等で短絡する故障（短絡故障）が生じると、逆回復電流を防止するための正規のタイミング以外に、ＭＯＳＦＥＴのオン中に、逆電圧印加回路からＭＯＳＦＥＴまたはモータ巻線に電流が流れ続ける。この結果、逆電圧印加回路中の回路素子の異常温度上昇を引き起こし、他の回路を破壊してしまうなどの不具合が発生するおそれがあった。
【０００９】
この発明は、上記の事情を考慮したもので、逆電圧印加回路が短絡故障を起こした場合にその逆電圧印加回路の動作を停止して安全を確保することができるインバータ装置およびこのインバータ装置を用いた冷凍サイクル装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
請求項１に係る発明のインバータ装置は、還流ダイオードを有するＭＯＳＦＥＴを少なくとも一方に用いた２つのスイッチング素子の直列回路を複数備え、これら直列回路の各スイッチング素子の相互接続点が負荷に接続されるスイッチング回路と、上記各スイッチング素子のオン，オフ動作を制御する制御手段と、上記ＭＯＳＦＥＴと同じ直列回路の他方のスイッチング素子のオンに先立ち、同ＭＯＳＦＥＴの還流ダイオードに逆電圧を印加する逆電圧印加回路と、上記ＭＯＳＦＥＴの駆動用および上記逆電圧印加回路の動作用の低電圧を出力する低電圧電源回路と、この低電圧電源回路の出力電圧を検出し、検出した電圧が所定値以下の場合に、上記低電圧電源回路の出力を停止する保護手段と、を備えている。
【発明の効果】
【００１１】
この発明のインバータ装置および冷凍サイクル装置によれば、逆電圧印加回路が短絡故障を起こした場合に、その逆電圧印加回路の動作を停止することができる。これにより、逆電圧印加回路中の回路素子の異常温度上昇を回避して、他の回路の破壊を防ぐことができ、十分な安全を確保することができる
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
以下、この発明の一実施形態について図面を参照して説明する。  
図１において、Ｍは冷凍サイクル装置の一種である空気調和機のコンプレッサモータとして使用されるブラシレスＤＣモータ（負荷）で、星形結線された３つの相巻線Ｌｕ，Ｌｖ，Ｌｗを有するステータ、および永久磁石を有するロータにより構成されている。相巻線Ｌｕ，Ｌｖ，Ｌｗに電流が流れることにより生じる磁界と永久磁石が作る磁界との相互作用により、ロータが回転する。
【００１３】
このブラシレスＤＣモータＭが動力源として圧縮機２０に収容されている。冷房時、この圧縮機２０から吐出される冷媒が実線矢印で示すように四方弁２１を介して室外熱交換器２２に流れ、その室外熱交換器２２を経た冷媒が膨張弁２３を介して室内熱交換器２４に流れる。そして、室内熱交換器２４を経た冷媒が、上記四方弁２１を介して圧縮機２０に吸込まれる。これにより、室外熱交換器２２が凝縮器、室内熱交換器２４が蒸発器として機能する。暖房時は、四方弁２１が切換わることにより、破線矢印で示す方向に冷媒が流れ、室内熱交換器２４が凝縮器、室外熱交換器２２が蒸発器として機能する。
【００１４】
上記ブラシレスＤＣモータＭに、インバータ装置１が接続されている。このインバータ装置１は、商用交流電源３０の電圧を整流する整流回路３１、この整流回路３１の出力端に接続された平滑コンデンサ３２、この平滑コンデンサ３２の両端に接続された端子Ｐ，Ｎ、この端子Ｐ，Ｎ間の直流電圧（例えば直流２８０Ｖ）Ｖｄを受けて上記相巻線Ｌｕ，Ｌｖ，Ｌｗに対する通電およびその通電切換を行うスイッチング回路２、このスイッチング回路２を駆動制御する制御部１０、端子Ｐ，Ｎ間の直流電圧Ｖｄからスイッチング回路２や制御部１０の動作に必要な低電圧を出力する低電圧電源回路５０などにより、構成されている。
【００１５】
スイッチング回路２は、直流電圧の印加方向に沿って上流側のスイッチング素子にはＭＯＳＦＥＴ以外のスイッチング素子、たとえばＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）を、下流側のスイッチング素子として低損失パワーＭＯＳＦＥＴ（スーパージャンクションＭＯＳＦＥＴ等）の直列回路をＵ，Ｖ，Ｗの三相分有するもので、Ｕ相の上流側にＩＧＢＴ３ｕ、Ｕ相の下流側にＭＯＳＦＥＴ４ｕ、Ｖ相の上流側にＩＧＢＴ３２ｖ、Ｖ相の下流側にＭＯＳＦＥＴ４ｖ、Ｗ相の上流側にＩＧＢＴ３ｗ、Ｗ相の下流側にＭＯＳＦＥＴ４ｗを備えている。そして、ＩＧＢＴ３ｕ，３ｖ，３ｗに対し、還流ダイオードＤｕ＋，Ｄｖ＋，Ｄｗ＋がそれぞれ逆並列接続されている。ＭＯＳＦＥＴ４ｕ，４ｖ，４ｗに対し、還流ダイオードＤｕ−，Ｄｖ−，Ｄｗ−がそれぞれ逆並列接続されている。これら還流ダイオードは、寄生ダイオードとしてそれぞれ対応するＩＧＢＴおよびＭＯＳＦＥＴの素子本体に内蔵される。
【００１６】
上記ＭＯＳＦＥＴ４ｕ，４ｖ，４ｗの駆動用として、駆動回路３４ｕ，３４ｖ，３４ｗが設けられている。これら駆動回路３４ｕ，３４ｖ，３４ｗは、低電圧電源回路５０の出力電圧により動作し、制御部１０からの指令に応じてＭＯＳＦＥＴ４ｕ，４ｖ，４ｗをオン，オフ駆動する。同様に、ＩＧＢＴ３ｕ，３ｖ，３ｗ駆動用の駆動回路３３ｕ，３ｖ，３ｗにも低電圧電源回路５０の出力が供給され、これらも制御部１０からの指令に応じてＩＧＢＴ３ｕ，３ｖ，３ｗをオン，オフ駆動する。
【００１７】
ＩＧＢＴ３ｕとＭＯＳＦＥＴ４ｕの相互接続点、ＩＧＢＴ３ｖとＭＯＳＦＥＴ４ｖの相互接続点、ＩＧＢＴ３ｗとＭＯＳＦＥＴ４ｗの相互接続点に、上記相巻線Ｌｕ，Ｌｖ，Ｌｗのそれぞれ非結線端が接続されている。
【００１８】
また、スイッチング回路１は、誘導性負荷である相巻線Ｌｕ，Ｌｖ，Ｌｗに蓄えられたエネルギによって還流ダイオードＤｕ−，Ｄｖ−，Ｄｗ−に順方向電流（還流電流）が流れた場合に、上流側のＩＧＢＴ３ｕ，３ｖ，３ｗのオンに伴って還流ダイオードＤｕ−，Ｄｖ−，Ｄｗ−に流れる逆回復電流Ｉｒｒを抑制するため、ＩＧＢＴ３ｕ，３ｖ，３ｗのそれぞれオンに先立ってＭＯＳＦＥＴ４ｕ，４ｖ，４ｗの還流ダイオードＤｕ−，Ｄｖ−，Ｄｗ−に逆電圧を印加する逆電圧印加回路６ｕ，６ｖ，６ｗを備えている。
【００１９】
逆電圧印加回路６ｕは、低電圧電源回路５０の出力電圧を抵抗４１を介して逆電圧印加用コンデンサ４２に印加し、その逆電圧印加用コンデンサ４２の電圧を逆電圧印加用ＭＯＳＦＥＴ４３のドレイン・ソース間、およびダイオード４４を介して、ＭＯＳＦＥＴ４ｕの還流ダイオードＤｕ−に逆電圧として印加する。また、逆電圧印加回路６ｕは、逆電圧印加用ＭＯＳＦＥＴ４３の駆動用として、ゲート駆動回路４６を有している。ゲート駆動回路４６は、低電圧電源回路５０の出力電圧により動作し、制御部１０からの指令に応じて逆電圧印加用のパルス信号を生成して出力する。この出力が逆電圧印加用ＭＯＳＦＥＴ４３のゲートに供給される。  
他の逆電圧印加回路６ｖ，６ｗも、逆電圧印加回路６ｕと同じ構成である。よって、その説明は省略する。
【００２０】
また、ＩＧＢＴとＭＯＳＦＥＴの直列回路におけるＭＯＳＦＥＴの下流側に、それぞれ電流検出用の抵抗７ｕ，７ｖ，７ｗが挿接されている。ＭＯＳＦＥＴ４ｕ，４ｖ，４ｗを通して流れる電流に応じたレベルの電圧が、これら抵抗７ｕ，７ｖ，７ｗに生じる。そして、抵抗７ｕ，７ｖ，７ｗに生じる電圧が、制御部１０に供給される。
【００２１】
制御部１０は、抵抗７ｕ，７ｖ，７ｗに生じる電圧からブラシレスＤＣモータＭの各相巻線に流れる電流を検出し、検出した電流からブラシレスＤＣモータＭのロータの回転を検出し、検出した回転に基づく所定のタイミングでスイッチング回路１の各ＩＧＢＴ、各ＭＯＳＦＥＴ、および各逆電圧印加回路を駆動するもので、スイッチング回路１における各直列回路のうち、少なくとも１つの直列回路の上流側のＩＧＢＴのオン，オフ動作、および別の少なくとも１つの直列回路の下流側のＭＯＳＦＥＴのオン，オフ動作による各相巻線への通電を順次に切換える制御手段を有している。
【００２２】
上記低電圧電源回路５０の具体的な構成を図２に示している。  
すなわち、トランス５１の一次巻線５２ａがスイッチング素子たとえばＦＥＴ５４のドレイン・ソース間を介して直流電源の端子Ｐ，Ｎ間に接続され、そのＦＥＴ５４のゲートが発振制御部６１に接続されている。この発振制御部６１の発振出力信号によりＦＥＴ５４がオン，オフ動作して、トランス５１の二次巻線５３ａ，５３ｂに、端子Ｐ，Ｎ間の直流電圧Ｖｄよりも低いレベルの交流電圧が生じる。そして、二次巻線５３ａに生じる交流電圧がダイオード５５および平滑コンデンサ５６で整流され、整流後の直流電圧、たとえば直流５Ｖ程度の出力が制御部（マイクロコンピュータを含む電子回路）１０に動作用として供給される。さらに、二次巻線５３ｂに生じる交流電圧がダイオード５７および平滑コンデンサ５８で整流され、整流後の直流電圧、たとえば直流１７Ｖ程度の出力が端子Ｑから上記駆動回路３３ｕ，３３ｖ，３３ｗ，３４ｕ，３４ｖ，３４ｗおよび各ゲート駆動回路４６にそれぞれ駆動用として供給される。
【００２３】
トランス５１は検出用の一次巻線（補助巻線）５２ｂを有しており、その一次巻線５２ｂに生じる交流電圧が上記発振制御部６１および保護部６３に供給される。発振制御部６１は、一次巻線５２ｂに生じる交流電圧が予め定められている設定値一定となるよう、発振出力のオン，オフデューティを調節するもので、例えばトランス５１の二次側消費電力が増大して一次巻線５２ｂの電圧が低下すると、それを補うために発振出力のオン，オフデューティを増やし、トランス５１の二次側消費電力が減少して一次巻線５２ｂの電圧が上昇すると、発振出力のオン，オフデューティを減らす制御を行う。なお、低電圧電源回路５０の動作開始時は一次巻線５２ｂに電圧が生じないため、起動部６２から供給される出力設定信号に応じて発振制御部６１の発振出力のオン，オフデューティが設定される。起動部６２は、制御部１０から供給されるオン指令に応じて動作する。
【００２４】
上記保護部６３は、一次巻線５２ｂに生じる交流電圧に基づいて当該低電圧電源回路５０の出力電圧を検出し、検出した電圧が予め定められた所定値ＶＳ２以下の場合に、発振制御部６１の発振を停止して、当該低電圧電源回路５０の出力を停止する。
【００２５】
次に、図３を参照しながら、作用について説明する。  
低電圧電源回路５０の容量は、それほど大きくない。通常は、低電圧電源回路５０の発振制御部６１は、トランス５１の二次側消費電力が増大して一次巻線５２ｂの電圧が低下した場合、つまり当該低電圧電源回路５０の出力電圧が低下した場合、それを補うために発振出力のオン，オフデューティを増やす制御を実行する。
【００２６】
ただし、本実施形態の低電圧電源回路５０の容量は、それほど大きく設定されていない。具体的には、逆電圧印加回路６ｕ，６ｖ，６ｗのいずれかに短絡電流が生じ、逆電圧印加回路６ｕ，６ｖ，６ｗからＭＯＳＦＥＴ４ｕ，４ｖ，４ｗ側に電流が流れ続けた場合には出力電流を供給し続けることができない容量、すなわち、その出力電圧が低下する容量に設定されている。
【００２７】
このため、逆電圧印加回路６ｕ，６ｖ，６ｗのいずれかに破壊や特性劣化等による短絡故障が生じると、発振制御部６１のオン，オフデューティの増大制御にもかかわらず、低電圧電源回路５０の出力電圧が大きく低下する。
【００２８】
低電圧電源回路５０の保護部６３は、一次巻線５２ｂを介して当該低電圧電源回路５０の出力電圧を検出しており、その検出電圧が通常よりかなり低い所定値ＶＳ２以下に低下すると、直ちに、発振制御部６１の発振を停止して、当該低電圧電源回路５０の出力を停止する。この停止により、短絡故障した逆電圧印加回路からＭＯＳＦＥＴに電流が流れ続けるなどの不具合が解消される。ひいては、短絡故障した逆電圧印加回路中の回路素子の異常温度上昇を防ぐことができ、他の回路の破壊を回避できるなど、十分な安全を確保することができる。
【００２９】
また、低電圧電源回路５０の容量を小さく設定し、低電圧電源回路５０をＭＯＳＦＥＴの駆動電源と兼用しているため、万が一、保護部６３が動作しない場合でも、低電圧電源回路５０の出力電圧が大きく低下すれば、駆動回路３４によるＭＯＳＦＥＴの駆動を継続させることができなくなり、停止に至る。ＭＯＳＦＥＴがオンしなければ、逆電圧印加回路が短絡しても逆電圧印加回路から電流は流れないため、逆電圧印加回路部分が過熱したり、他の回路を破壊する等の悪影響を及ぼすことはない。
【００３０】
さらに、制御部１０の動作用電源も低電圧電源回路５０の出力を用いている。このため、万が一、保護部６３が動作しない場合でも、低電圧電源回路５０の出力電圧が大きく低下すれば、制御部１０の動作が停止し、ＩＧＢＴ、ＭＯＳＦＥＴへのオン指令が出なくなり、停止に至り、逆電圧印加回路から流れる電流が停止する。要するに、逆電圧印加回路の電源である低電圧電源回路５０の容量を適切に設定し、ＭＯＳＦＥＴの動作電源または制御部１０の動作電源と兼用することで、保護部６３を設けなくとも逆電圧印加回路の短絡故障時にはインバータ装置１を停止させて逆電圧印加回路から電流が流れなくすることができる。
【００３１】
なお、上記実施形態では、保護部６３を低電圧電源回路５０内に設ける構成としたが、低電圧電源回路５０の外に保護部６３を設ける構成としてもよい。また、上記実施形態では、スイッチング素子としてＩＧＢＴとＭＯＳＦＥＴの両方を用いた例で説明したが、すべての素子をＭＯＳＦＥＴで構成してもよい。その他、この発明は、上記実施形態に限定されるものではなく、要旨を変えない範囲で種々変形実施可能である。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１】この発明の一実施形態の構成を示すブロック図。
【図２】同実施形態における低電圧電源回路の具体的な構成を示すブロック図。
【図３】同実施形態の作用を説明するための図。
【符号の説明】
【００３３】
１…インバータ装置、２…スイッチング回路、３ｕ，３ｖ，３ｗ…ＩＧＢＴ（上流側のスイッチング素子）、４ｕ，４ｖ，４ｗ…ＭＯＳＦＥＴ（下流側のスイッチング素子）、６ｕ，６ｖ，６ｗ…逆電圧印加回路、Ｄｕ＋，Ｄｖ＋，Ｄｗ＋，Ｄｕ−，Ｄｖ−，Ｄｗ−…還流ダイオード、１０…制御部、４２…逆電圧印加用コンデンサ、４３…逆電圧印加用ＭＯＳＦＥＴ、５０…低電圧電源回路、５１…トランス、５４…ＦＥＴ、６１…発振制御部、６３…保護部
【図１】
2007209166.tif 000003
【図２】
2007209166.tif 000004
【図３】
2007209166.tif 000005