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インバータ装置 - 松下電器産業株式会社
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発明の名称 インバータ装置
発行国 日本国特許庁(JP)
公報種別 公開特許公報(A)
公開番号 特開2007−28836(P2007−28836A)
公開日 平成19年2月1日(2007.2.1)
出願番号 特願2005−209739(P2005−209739)
出願日 平成17年7月20日(2005.7.20)
代理人 【識別番号】100097445
【弁理士】
【氏名又は名称】岩橋 文雄
発明者 後藤 尚美 / 倉橋 康文
要約 課題
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したものである。

解決手段
直流電源(バッテリー1)との間に電流検出器(シャント抵抗10)を備え、上アームスイッチング素子(U,V,W)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(X,Y,Z)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回路7を設ける。これにより、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。
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*iU+τ2*iW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





 

 


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