インバータ装置および空気調和機
【課題】発生する熱を効率よく放熱し、大容量化した場合のサイズやコスト増を抑えることができるインバータ装置を得ること。
【解決手段】直流電力を交流電力に変換するインバータ主回路２２を備えるインバータ装置であって、インバータ主回路２２に接続されるノーマリーオン形のＭＯＳＦＥＴ５と、ＭＯＳＦＥＴ５のドレイン−ソース間電圧に基づいてインバータ主回路２２に流れる電流を検出する電流検出回路９と、電流検出回路９により検出された電流に基づいてインバータ主回路２２を制御するインバータ制御部１１と、を備える。
【解決手段】直流電力を交流電力に変換するインバータ主回路２２を備えるインバータ装置であって、インバータ主回路２２に接続されるノーマリーオン形のＭＯＳＦＥＴ５と、ＭＯＳＦＥＴ５のドレイン−ソース間電圧に基づいてインバータ主回路２２に流れる電流を検出する電流検出回路９と、電流検出回路９により検出された電流に基づいてインバータ主回路２２を制御するインバータ制御部１１と、を備える。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、インバータ装置および空気調和機に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来の単相または三相の交流電源用のインバータ装置では、インバータ装置の保護や制御のために、自装置内を流れる電流を検出する。従来のインバータ装置は、この電流の検出のために、ひとつまたは複数の抵抗を備える構成をしている（例えば、下記特許文献１、２参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００６−２４６６４９号公報
【特許文献２】特開２００３−２８４３７４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、従来の単相または三相の交流電源用のインバータ装置は、インバータ装置を流れる電流の検出のために、ひとつまたは複数の抵抗を用いた構成をしており、一般的にこの抵抗としてセメント抵抗が用いられる。そのため、構造的に抵抗体の放熱性が悪いという問題があった。特に大容量のインバータ装置では発熱量が大きく、基板には実装できない大きな抵抗体が必要となり、サイズも大きくなりコストも高くなる。従って、セメント抵抗を用いる従来の単相または三相の交流電源用のインバータ装置は、大容量のインバータ装置には不向きであるという問題点があった。
【０００５】
本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、発生する熱を効率よく放熱し、大容量化した場合のサイズやコスト増を抑えることができるインバータ装置および空気調和機を得ることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明は、直流電力を交流電力に変換するインバータ主回路を備えるインバータ装置であって、前記インバータ主回路に接続されるノーマリーオン形のＭＯＳＦＥＴと、前記ＭＯＳＦＥＴのドレイン−ソース間電圧に基づいて前記インバータ主回路に流れる電流を検出する電流検出回路と、前記電流検出回路により検出された電流に基づいて前記インバータ主回路を制御するインバータ制御部と、を備えることを特徴とする。
【発明の効果】
【０００７】
本発明によれば、発生する熱を効率よく放熱し、大容量化した場合のサイズやコスト増を抑えることができるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】図１は、実施の形態１のインバータ装置の回路構成例を示す図である。
【図２】図２は、実施の形態２のインバータ装置の回路構成例を示す図である。
【図３】図３は、実施の形態３のインバータ装置の回路構成例を示す図である。
【図４】図４は、実施の形態４のインバータ装置の回路構成例を示す図である。
【図５】図５は、抵抗、ダイオードおよびツェナーダイオードを備えない場合のＭＯＳＦＥＴのドレイン−ソース間電圧の変化の様子の一例を示す図である。
【図６】図６は、抵抗、ダイオードおよびツェナーダイオードを備える場合のＭＯＳＦＥＴのドレイン−ソース間電圧の変化の様子の一例を示す図である。
【図７】図７は、インバータ装置の実施の形態５の実装例を示す概略図である。
【図８】図８は、実施の形態１〜４のインバータ装置を備える空気調和機の室外ユニットの構成例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
以下に、本発明にかかるインバータ装置および空気調和機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。
【００１０】
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の回路構成例を示す図である。図１に示すように、本実施の形態のインバータ装置は、交流電源１、ダイオード２−１〜２−４、リアクトル３、平滑コンデンサ４、ＭＯＳＦＥＴ（Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor）５、ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）６−１〜６−６、ダイオード７−１〜７−６、サーミスタ（温度検出素子）８、電流検出回路９、温度検出回路１０およびインバータ制御部１１を備える。
【００１１】
ダイオード２−１〜２−４は、交流電源１から供給される交流電力を直流電力に変換する整流回路２１を構成する。なお、整流回路２１の回路構成は図１の例に限定されない。リアクトル３は力率を改善するために整流回路２１に接続されている。また、平滑コンデンサ４は、リアクトル３を介して整流回路２１に並列に接続されている。
【００１２】
ＩＧＢＴ６−１〜６−６およびダイオード７−１〜７−６は、インバータ主回路２２を構成する。インバータ主回路２２は、スイッチングによりモータ（Ｍ）１２へ電流を供給するとともにモータ１２から入力される直流電力を交流電力へ変換する。インバータ主回路２２は、平滑コンデンサ４と並列に接続されており、インバータ主回路２２の３相の各出力は１つのモータ１２に接続されている。インバータ主回路２２に接続される負荷はモータ１２に限定されない。また、インバータ主回路２２の構成は、図１の例に限定されない。ＩＧＢＴ６−１，６−３，６−５は、上アームのスイッチング素子であり、ＩＧＢＴ６−２，６−４，６−６は、下アームのスイッチング素子である。
【００１３】
ＭＯＳＦＥＴ５はインバータ主回路２２のスイッチング素子（ＩＧＢＴ６−１〜６−６）を保護するために設けられている。ＭＯＳＦＥＴ５としてはノーマリーオン形の素子を用い、耐圧はインバータ主回路２２のＩＧＢＴ６−１〜６−６やダイオード７−１〜７−６よりも低い耐圧のものを使用する。電流検出回路９はＭＯＳＦＥＴ５の基準オン抵抗（所定の基準温度における規定値または測定値等）に基づいて（ＭＯＳＦＥＴ５のオン抵抗とＭＯＳＦＥＴ５のドレイン−ソース間電圧とに基づいて）電流値を検出する電流検出回路であり、検出された電流値をインバータ制御部１１に伝達する。インバータ制御部１１は、電流検出回路９で検出された電流値に基づいて所望のスイッチングパターンをＩＧＢＴ６−１〜６−６の駆動回路へ出力する。
【００１４】
サーミスタ８は、ＭＯＳＦＥＴ５の近傍に取り付けられており、温度検出回路１０はサーミスタ８により検出（測定）された温度情報をＭＯＳＦＥＴ５の温度情報としてインバータ制御部１１に伝達する。本実施の形態では、ＭＯＳＦＥＴ５の近傍にサーミスタ８を実装することにより、ＭＯＳＦＥＴ５のオン抵抗に基づいて検出された電流値を温度により補正することができる。
【００１５】
次に本実施の形態の動作について説明する。インバータ制御部１１がモータ１２を所望の速度で回転させる（駆動する）ためのスイッチングパターンをインバータ主回路２２へ入力すると、インバータ主回路２２のＩＧＢＴ６−１〜６−６がインバータ制御部１１からの入力に基づいてスイッチングすることにより、インバータ主回路２２の３相の出力からモータ１２に電流が流れ、モータ１２が所望の速度で回転する。
【００１６】
モータ１２の回転中にはＭＯＳＦＥＴ５に電流が流れる。ＩＧＢＴ６−１〜６−６等を過電流から保護するために、モータ１２の運転中は常にインバータ主回路２２内の電流を検出する必要があり、ＭＯＳＦＥＴ５はノーマリーオン形の素子を用いることが望ましいが、ノーマリーオフ形の素子を用いてもよい。ノーマリーオン形の素子を用いると、常にオンであるため部品の耐圧（例えば３０Ｖ以下）は高い必要がない。このため、ノーマリーオン形の素子を用いることで、部品定格が低く安価である、オン抵抗の低い（例えば、１０ｍΩ以下）ＭＯＳＦＥＴ５により電流検出を実現することができる。さらに、ゲート電圧を印加するのみの簡易的な回路でドレイン電流を流さないことができ、ノーマリーオン形のＭＯＳＦＥＴ５を遮断するための大掛かりな駆動回路が不要であるため、安価で構成できる。
【００１７】
温度検出回路１０は、ＭＯＳＦＥＴ５の近傍に取り付けられたサーミスタ８により測定された温度情報をＭＯＳＦＥＴ５の温度情報としてインバータ制御部１１に伝達する。インバータ制御部１１は、ＭＯＳＦＥＴ５のオン抵抗に基づいて検出した電流値を、温度検出回路１０から取得した温度情報に基づいて補正する。ＭＯＳＦＥＴ５のオン抵抗は、温度に依存して変化する。例えば、予めＭＯＳＦＥＴ５のオン抵抗の温度特性を取得し（または仕様値等を用い）、この温度特性に基づいて補正を行うための温度情報に対する補正係数のテーブル等をインバータ制御部１１が保持しておく。インバータ制御部１１は、温度情報に基づいて補正係数を用いて基準オン抵抗を用いて補正して電流値を求める。または、補正係数を電流に対する補正係数として求めておき、基準オン抵抗に基づいて求めた電流値を補正係数で補正してもよい。
【００１８】
インバータ制御部１１は、補正後の電流値をインバータ主回路２２のインバータ制御やインバータ主回路２２のスイッチング素子の保護のために用いる。
【００１９】
サーミスタ８は、ＭＯＳＦＥＴ５のパッケージに内蔵できるなど、その構造の性質上セメント抵抗よりもＭＯＳＦＥＴ５の近傍に実装できる。このため、温度の検出精度や応答性を高くすることができ、セメント抵抗を用いる場合より高精度なインバータ制御を実現できる。
【００２０】
また、ＭＯＳＦＥＴ５のパッケージは通常ヒートシンクなどの放熱部品への取り付けが容易であるため、放熱性を高めることができ、大容量のインバータ装置に適用した場合のサイズやコスト増を抑えることができる。
【００２１】
なお、ＭＯＳＦＥＴ５として、ワイドギャップ半導体を用いてもよい。ワイドバンドギャップ半導体としては、例えば、炭化珪素、窒化ガリウム系材料又はダイヤモンドがある。
【００２２】
このようなワイドバンドギャップ半導体によって形成されたＭＯＳＦＥＴ５は、耐電圧性が高く、許容電流密度も高いため、ＭＯＳＦＥＴ５の小型化が可能であり、これら小型化されたＭＯＳＦＥＴ５を用いることにより、これらの素子を組み込んだモジュールの小型化が可能となる。
【００２３】
またワイドバンドギャップ半導体は、耐熱性も高いため、ヒートシンクの放熱フィンの小型化や、水冷部の空冷化が可能であるので、モジュールの一層の小型化が可能になる。
【００２４】
更にワイドバンドギャップ半導体は、電力損失が低いため、ＭＯＳＦＥＴ５の高効率化が可能であり、延いてはモジュールの高効率化が可能になる。
【００２５】
また、ワイドギャップ半導体は温度による変化が少ないため、ＭＯＳＦＥＴ５にワイドバンドギャップ半導体を用いる場合にはサーミスタ８と温度検出回路１０を備える必要はない。
【００２６】
なお、本実施の形態では、交流電源１が単層であり、交直変換部（整流回路２１、リアクトル３、平滑コンデンサ４）が図１に示すような単層パッシブ型である場合を示しているが、交流電源１を多相（例えば三相）であり交直変換部が多相パッシブ型であってもよい。また、交直変換部の構成は、図１の構成に限らず、例えばＡＣチョッパー、ＤＣチョッパー等を適用した構成等どのような構成であってもよい。
【００２７】
また、本実施の形態では、ノーマリーオン形のＭＯＳＦＥＴ５を用いているが、ＭＯＳＦＥＴ５の変わりにノーマリーオン形のＦＥＴを用いてもよい。
【００２８】
以上のように、本実施の形態では、インバータ主回路２２の電流検出にノーマリーオン形のＭＯＳＦＥＴ５を用いるようにした。そのため、発生する熱を効率よく放熱し、大容量化した場合のサイズやコスト増を抑えることができる。
【００２９】
実施の形態２．
図２は、本発明にかかるインバータ装置の実施の形態２の回路構成例を示す図である。図２に示すように、本実施の形態のインバータ装置は、実施の形態１のＭＯＳＦＥＴ５およびサーミスタ８の代わりにＭＯＳＦＥＴ５−１〜５−３およびサーミスタ８−１〜８−３を備える以外は、実施の形態１のインバータ装置と同様である。実施の形態と同様の機能を有する構成要素は、実施の形態１と同一の符号を付して重複する説明を省略する。インバータ主回路部２２ａは、実施の形態１のＩＧＢＴ６−１〜６−６およびダイオード７−１〜７−６（インバータ主回路２２）とＭＯＳＦＥＴ５−１〜５−３で構成される。
【００３０】
実施の形態１では、インバータ主回路２２に流れる電流を１つのＭＯＳＦＥＴ５によって検出していたが、本実施の形態では、インバータ主回路２２にＭＯＳＦＥＴ５−１〜５−３を追加してインバータ主回路部２２ａとし、各相の下アームのＩＧＢＴ６−２，６−４，６−６のエミッタ電流を検出する。従って、電流検出回路９は、相ごとに電流値を取得し、取得した相ごとに電流値をインバータ制御部１１へ伝達する。ＭＯＳＦＥＴ５−１〜５−３としては、実施の形態１のＭＯＳＦＥＴ５と同様にノーマリーオン形の素子を用いる。
【００３１】
また、サーミスタ８−ｉ（ｉ＝１，２，３）はＭＯＳＦＥＴ５−ｉの近傍に取り付けられる。温度検出回路１０は、サーミスタ８−１〜８−３がそれぞれ測定した温度情報をＭＯＳＦＥＴ５−１〜５−３のそれぞれの温度情報として、インバータ制御部１１へ伝達する。
【００３２】
インバータ制御部１１は、ＭＯＳＦＥＴ５−１〜５−３ごとに実施の形態１と同様に温度情報を用いた補正を実施して補正後の電流値を求める。そして、インバータ制御部１１は、補正後の各相の電流値を用いてインバータ制御およびスイッチング素子の保護を実施する。
【００３３】
なお、ＭＯＳＦＥＴ５−１〜５−３として、実施の形態１と同様にワイドギャップ半導体を用いてもよい。この場合、サーミスタ８−１〜８−３および温度検出回路１０を備える必要はない。
【００３４】
なお、本実施の形態では、交流電源１が単層であり、交直変換部（整流回路２１、リアクトル３、平滑コンデンサ４）が図２に示すような単層パッシブ型である場合を示しているが、交流電源１を多相であり交直変換部が多相パッシブ型であってもよい。また、交直変換部の構成は、図２の構成に限らず、例えばＡＣチョッパー、ＤＣチョッパー等を適用した構成等どのような構成であってもよい。
【００３５】
以上のように、本実施の形態では、インバータ主回路２２の相ごとにＭＯＳＦＥＴ５−１〜５−３を用いて電流値を求めるようにした。そのため、相ごとの電流値を用いて制御を行うインバータ装置においても実施の形態１と同様の効果を得ることができる。
【００３６】
実施の形態３．
図３は、本発明にかかるインバータ装置の実施の形態３の回路構成例を示す図である。図３に示すように、本実施の形態のインバータ装置は、実施の形態１のインバータ装置に、遮断回路１３、抵抗１４およびダイオード１５およびツェナーダイオード１６を追加する以外は実施の形態１のインバータ装置と同様である。実施の形態と同様の機能を有する構成要素は、実施の形態１と同一の符号を付して重複する説明を省略する。
【００３７】
遮断回路１３は、ＭＯＳＦＥＴ５をオフすることのできる遮断回路であり、ＭＯＳＦＥＴ５のドレイン−ソース間に接続されている。また、抵抗１４と、順方向に接続されたダイオード１５と逆方向に接続されたツェナーダイオード１６とが直列に接続されたものと、がＭＯＳＦＥＴ５に並列に接続されている。抵抗１４は高抵抗値（例えば、１００ｋΩ以上）の抵抗であり、ダイオード１５の定格電圧とツェナーダイオード１６の降伏電圧はＭＯＳＦＥＴ５を過電圧から保護するための電圧値に設定される。
【００３８】
次に本実施の形態の動作について説明する。本実施の形態では、ＭＯＳＦＥＴ５に遮断回路１３が接続されているので、電流検出回路９がインバータ装置の過電流を検出したときに直接的に、またはインバータ制御部１１を介して、遮断回路１３にＭＯＳＦＥＴ５のオフを指示する信号を出力する。遮断回路１３は、電流検出回路９またはインバータ制御部１１からＭＯＳＦＥＴ５のオフを指示する信号を受信すると、ＭＯＳＦＥＴ５のゲート−ソース間に電圧を与えてＭＯＳＦＥＴ５をオフにする。このように、遮断回路１３を備えることにより、ＭＯＳＦＥＴ５として定格電圧の低いＭＯＳＦＥＴを用いることができる。
【００３９】
また、抵抗１４とダイオード１５とツェナーダイオード１６を備えることにより、ＭＯＳＦＥＴ５のオフ時の跳ね上がり電圧からＭＯＳＦＥＴ５を保護することができる。なお、ＭＯＳＦＥＴ５のオフ時の跳ね上がり電圧からＭＯＳＦＥＴ５を保護するための回路（保護回路）の構成は、図３の例（抵抗１４とダイオード１５とツェナーダイオード１６）に限定されない。
【００４０】
また、ＭＯＳＦＥＴ５を駆動する直流電源と、インバータ主回路２２の下アームに使われるスイッチング素子を駆動する直流電源をひとつの直流電源で共用することが可能である。この場合、ＭＯＳＦＥＴ５のオフ時には、ＩＧＢＴ６−２，６−４，６−６のエミッタの電位が不定となりインバータ主回路２２の３相下アームのＩＧＢＴ６−２，６−４，６−６のゲート−エミッタ間に駆動電圧を保持することができないため、３相下アームがおのずとオフすることになる。このため、インバータ主回路２２の３相下アームのＩＧＢＴ６−２，６−４，６−６をオフするためにインバータ制御部１１からのモータ駆動のためのパターンを極めて短い時間で止める必要がなくなり、インバータ主回路２２の３相下アームのＩＧＢＴ６−２，６−４，６−６をオフするまでの時間も短縮することができる。以上述べた以外の本実施の形態の動作は実施の形態１と同様である。
【００４１】
なお、本実施の形態では、交流電源１が単層であり、交直変換部部（整流回路２１、リアクトル３、平滑コンデンサ４）が図３に示すような単層パッシブ型である場合を示しているが、交流電源１を多相であり交直変換部が多相パッシブ型であってもよい。また、交直変換部の構成は、図３の構成に限らず、例えばＡＣチョッパー、ＤＣチョッパー等を適用した構成等どのような構成であってもよい。
【００４２】
以上のように、本実施の形態では、ＭＯＳＦＥＴ５を遮断する遮断回路１３を備え、電流検出回路９がインバータ装置の過電流を検出した場合に、遮断回路１３がＭＯＳＦＥＴ５をオフするようにした。このため、実施の形態１と同様の効果が得られるとともに、電流検出のために安価な定格電圧の低いＭＯＳＦＥＴを採用しつつ簡単な保護機能で実施の形態１よりも信頼性の高いインバータ装置を得ることができる。
【００４３】
実施の形態４．
図４は、本発明にかかるインバータ装置の実施の形態４の回路構成例を示す図である。図４に示すように、本実施の形態のインバータ装置は、実施の形態２のインバータ装置に、遮断回路１３、抵抗１４−１〜１４−３、ダイオード１５−１〜１５−３およびツェナーダイオード１６−１〜１６−３を追加する以外は実施の形態２のインバータ装置と同様である。実施の形態と同様の機能を有する構成要素は、実施の形態２と同一の符号を付して重複する説明を省略する。インバータ主回路部２２ｂは、実施の形態１のＩＧＢＴ６−１〜６−６およびダイオード７−１〜７−６（インバータ主回路２２）と、ＭＯＳＦＥＴ５−１〜５−３と、抵抗１４−１〜１４−３と、ダイオード１５−１〜１５−３と、ツェナーダイオード１６−１〜１６−３と、で構成される。
【００４４】
本実施の形態では、実施の形態３と同様にＭＯＳＦＥＴ５−１〜５−３をオフするための遮断回路１３を備える。本実施の形態では、遮断回路１３は、電流検出回路９またはインバータ制御部１１が、相ごとに検出した電流値に基づいて過電流を検出した相に接続するＭＯＳＦＥＴ５−１〜５−３のオフを指示する信号を遮断回路１３へ出力する。遮断回路１３は、オフを指示する信号を受信すると、指示されたＭＯＳＦＥＴ５−１〜５−３のゲート−ソース間に電圧を与えてオフを指示されたＭＯＳＦＥＴ５−１〜５−３をオフにする。
【００４５】
また、抵抗１４−１〜１４−３とダイオード１５−１〜１５−３とツェナーダイオード１６−１〜１６−３とを、ＭＯＳＦＥＴ５−１〜５−３ごとに備えることにより、ＭＯＳＦＥＴ５−１〜５−３のオフ時の跳ね上がり電圧からＭＯＳＦＥＴ５−１〜５−３を保護することができる。
【００４６】
図５は、抵抗１４−１〜１４−３、ダイオード１５−１〜１５−３およびツェナーダイオード１６−１〜１６−３を備えない場合のＭＯＳＦＥＴ５−１〜５−３のドレイン−ソース間電圧の変化の様子の一例を示す図である。図６は、抵抗１４−１〜１４−３、ダイオード１５−１〜１５−３およびツェナーダイオード１６−１〜１６−３を備える場合のＭＯＳＦＥＴ５−１〜５−３のドレイン−ソース間電圧の変化の様子の一例を示す概念図である。
【００４７】
図５に示すように、抵抗１４−１〜１４−３、ダイオード１５−１〜１５−３およびツェナーダイオード１６−１〜１６−３を備えない場合には、ＭＯＳＦＥＴ５−１〜５−３のオフ時にドレイン−ソース間電圧の跳ね上がりが生じ、この電圧は最大で平滑コンデンザ４の両端電圧レベルまで上昇する。したがって、抵抗１４−１〜１４−３、ダイオード１５−１〜１５−３およびツェナーダイオード１６−１〜１６−３を備えない場合は、図５のようにＭＯＳＦＥＴ５−１〜５−３の耐圧レベルを超える可能性がある。
【００４８】
これに対し、抵抗１４−１〜１４−３、ダイオード１５−１〜１５−３およびツェナーダイオード１６−１〜１６−３を備える場合には、図６に示すように、ＭＯＳＦＥＴ５−１〜５−３のオフ時にドレイン−ソース間電圧の跳ね上がりを抑えることができる。このため、ＭＯＳＦＥＴ５−１〜５−３のオフ時にＭＯＳＦＥＴ５−１〜５−３を保護することができる。
【００４９】
なお、本実施の形態では、交流電源１が単層であり、交直変換部（整流回路２１、リアクトル３、平滑コンデンサ４）が図４に示すような単層パッシブ型である場合を示しているが、交流電源１を多相であり交直変換部が多相パッシブ型であってもよい。また、交直変換部の構成は、図４の構成に限らず、例えばＡＣチョッパー、ＤＣチョッパー等を適用した構成等どのような構成であってもよい。
【００５０】
以上のように、本実施の形態では、インバータ主回路２２の相ごとにＭＯＳＦＥＴ５−１〜５−３を備えて電流値を検出する場合に、ＭＯＳＦＥＴ５−１〜５−３を遮断する遮断回路１３を備え、電流検出回路９がインバータ装置の過電流を検出すると、遮断回路１３がＭＯＳＦＥＴ５−１〜５−３をオフするようにした。このため、実施の形態２と同様の効果が得られるとともに、電流検出のために安価な定格電圧の低いＭＯＳＦＥＴを採用しつつ簡単な保護機能で実施の形態２よりも信頼性の高いインバータ装置を得ることができる。
【００５１】
実施の形態５．
図７は、本発明にかかるインバータ装置の実施の形態５の実装例を示す概略図である。本実施の形態では、実施の形態１〜４で述べた回路構成のインバータ装置の実装例について説明する。
【００５２】
図７において、ＭＯＳＦＥＴモジュール３０は、実施の形態１，３で述べたＭＯＳＦＥＴ５を内蔵するパッケージであり、パワーモジュール３１には、スイッチング素子（ＩＧＢＴ６−１〜６−６）等を備えるインバータ主回路（インバータ主回路２２）が内蔵されている。または、実施の形態２，４のインバータ装置の場合、ＭＯＳＦＥＴモジュール３０は実施の形態２，４で述べたＭＯＳＦＥＴ５−１〜５−３である。また、実施の形態３，実施の形態４のインバータ装置の場合には、抵抗１４とダイオード１５とツェナーダイオード１６、または抵抗１４−１〜１４−３とダイオード１５−１〜１５−３とツェナーダイオード１６−１〜１６−３と、は、ＭＯＳＦＥＴモジュール３０に内蔵されていてもよいし、ＭＯＳＦＥＴモジュール３０と別のモジュールとして実装されていてもよい。
【００５３】
サーミスタ８（またはサーミスタ８−１〜８−３）は、ＭＯＳＦＥＴモジュール３０の近傍に実装されるかＭＯＳＦＥＴモジュール３０内に実装される。ＭＯＳＦＥＴモジュール３０とパワーモジュール３１は同一のプリント基板３２に搭載され、ヒートシンク３３の同一平面状にネジ３４により実装される。
【００５４】
以上のように、ＭＯＳＦＥＴモジュール３０をヒートシンク３３に実装することによりＭＯＳＦＥＴ５（またはＭＯＳＦＥＴ５−１〜５−３）により発生する熱を良好な放熱方式で放熱することができる。このため、大電流のインバータ装置を提供することができる。またＭＯＳＦＥＴモジュール３０をパワーモジュール３１と同一のヒートシンク３３に実装することにより、放熱部品を共用することができる。
【００５５】
なお、実施の形態２，４のインバータ装置の場合、ＭＯＳＦＥＴモジュール３０を設けずに、ＭＯＳＦＥＴ５−１〜５−３（実施の形態４の場合は抵抗１４−１〜１４−３とダイオード１５−１〜１５−３とツェナーダイオード１６−１〜１６−３についても）をパワーモジュール３１のパッケージ内に内蔵するようにしてもよい。また、実施の形態１，３のインバータ装置の場合にも、ＭＯＳＦＥＴモジュール３０を設けずに、ＭＯＳＦＥＴ５（実施の形態３の場合は抵抗１４とダイオード１５とツェナーダイオード１６についても）をパワーモジュール３１のパッケージ内に内蔵するようにしてもよい。このように、ＭＯＳＦＥＴ５（またはＭＯＳＦＥＴ５−１〜５−３）とサーミスタ８（またはサーミスタ８−１〜８−３）等をパワーモジュール３１に内蔵することにより、さらに小型で、実装制約の少ないインバータ装置を提供することができる。
【００５６】
実施の形態６．
図８は、本発明にかかるインバータ装置を備える空気調和機の室外ユニット４０の実施の形態６の構成例を示す図である。図８に示すように、室外ユニット４０は、ファン４１、インバータ装置４２と、冷媒を圧縮する圧縮機４３と、を備え、図示しない室内ユニット等とともに空気調和機を構成する。
【００５７】
インバータ装置４２は、実施の形態１〜実施の形態５で説明したインバータ装置であり、室外ユニット４０内の例えば上部に取り付けられ、圧縮機４３や圧縮機４３内のモータ、また室内ユニットの送風用ファン等を制御する。なお、図６では、概観の概念を示しているため、配線等を図示していないが、インバータ装置４２は、圧縮機４３や送風ファン等と配線等により接続されている。インバータ装置４２の構成および動作は、実施の形態１〜実施の形態４で説明した電源変換装置と同様である。
【００５８】
したがって、本実施の形態によれば、実施の形態１〜実施の形態５のインバータ装置を空気調和機に適用することができ、発生する熱を効率よく放熱し、大容量化した場合のサイズやコスト増を抑え、安価で信頼性の高い空気調和機を得ることができる。
【符号の説明】
【００５９】
１ 交流電源
２，１５，１５−１〜１５−３ ダイオード
３ リアクトル
４ 平滑コンデンサ
５，５−１〜５−３ ＭＯＳＦＥＴ
６−１〜６−６ ＩＧＢＴ
７−１〜７−６ ダイオード
８，８−１〜８−３ サーミスタ
９ 電流検出回路
１０ 温度検出回路
１１ インバータ制御部
１２ モータ
１３ 遮断回路
１４，１４−１〜１４−３ 抵抗
１６−１〜１６−３ ツェナーダイオード
２１ 整流回路
２２ インバータ主回路
３０ ＭＯＳＦＥＴモジュール
３１ パワーモジュール
３２ プリント基板
３３ ヒートシンク
３４ ネジ
４０ 室外ユニット
４１ ファン
４２ インバータ装置
４３ 圧縮機
【技術分野】
【０００１】
本発明は、インバータ装置および空気調和機に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来の単相または三相の交流電源用のインバータ装置では、インバータ装置の保護や制御のために、自装置内を流れる電流を検出する。従来のインバータ装置は、この電流の検出のために、ひとつまたは複数の抵抗を備える構成をしている（例えば、下記特許文献１、２参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００６−２４６６４９号公報
【特許文献２】特開２００３−２８４３７４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、従来の単相または三相の交流電源用のインバータ装置は、インバータ装置を流れる電流の検出のために、ひとつまたは複数の抵抗を用いた構成をしており、一般的にこの抵抗としてセメント抵抗が用いられる。そのため、構造的に抵抗体の放熱性が悪いという問題があった。特に大容量のインバータ装置では発熱量が大きく、基板には実装できない大きな抵抗体が必要となり、サイズも大きくなりコストも高くなる。従って、セメント抵抗を用いる従来の単相または三相の交流電源用のインバータ装置は、大容量のインバータ装置には不向きであるという問題点があった。
【０００５】
本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、発生する熱を効率よく放熱し、大容量化した場合のサイズやコスト増を抑えることができるインバータ装置および空気調和機を得ることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明は、直流電力を交流電力に変換するインバータ主回路を備えるインバータ装置であって、前記インバータ主回路に接続されるノーマリーオン形のＭＯＳＦＥＴと、前記ＭＯＳＦＥＴのドレイン−ソース間電圧に基づいて前記インバータ主回路に流れる電流を検出する電流検出回路と、前記電流検出回路により検出された電流に基づいて前記インバータ主回路を制御するインバータ制御部と、を備えることを特徴とする。
【発明の効果】
【０００７】
本発明によれば、発生する熱を効率よく放熱し、大容量化した場合のサイズやコスト増を抑えることができるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】図１は、実施の形態１のインバータ装置の回路構成例を示す図である。
【図２】図２は、実施の形態２のインバータ装置の回路構成例を示す図である。
【図３】図３は、実施の形態３のインバータ装置の回路構成例を示す図である。
【図４】図４は、実施の形態４のインバータ装置の回路構成例を示す図である。
【図５】図５は、抵抗、ダイオードおよびツェナーダイオードを備えない場合のＭＯＳＦＥＴのドレイン−ソース間電圧の変化の様子の一例を示す図である。
【図６】図６は、抵抗、ダイオードおよびツェナーダイオードを備える場合のＭＯＳＦＥＴのドレイン−ソース間電圧の変化の様子の一例を示す図である。
【図７】図７は、インバータ装置の実施の形態５の実装例を示す概略図である。
【図８】図８は、実施の形態１〜４のインバータ装置を備える空気調和機の室外ユニットの構成例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
以下に、本発明にかかるインバータ装置および空気調和機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。
【００１０】
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の回路構成例を示す図である。図１に示すように、本実施の形態のインバータ装置は、交流電源１、ダイオード２−１〜２−４、リアクトル３、平滑コンデンサ４、ＭＯＳＦＥＴ（Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor）５、ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）６−１〜６−６、ダイオード７−１〜７−６、サーミスタ（温度検出素子）８、電流検出回路９、温度検出回路１０およびインバータ制御部１１を備える。
【００１１】
ダイオード２−１〜２−４は、交流電源１から供給される交流電力を直流電力に変換する整流回路２１を構成する。なお、整流回路２１の回路構成は図１の例に限定されない。リアクトル３は力率を改善するために整流回路２１に接続されている。また、平滑コンデンサ４は、リアクトル３を介して整流回路２１に並列に接続されている。
【００１２】
ＩＧＢＴ６−１〜６−６およびダイオード７−１〜７−６は、インバータ主回路２２を構成する。インバータ主回路２２は、スイッチングによりモータ（Ｍ）１２へ電流を供給するとともにモータ１２から入力される直流電力を交流電力へ変換する。インバータ主回路２２は、平滑コンデンサ４と並列に接続されており、インバータ主回路２２の３相の各出力は１つのモータ１２に接続されている。インバータ主回路２２に接続される負荷はモータ１２に限定されない。また、インバータ主回路２２の構成は、図１の例に限定されない。ＩＧＢＴ６−１，６−３，６−５は、上アームのスイッチング素子であり、ＩＧＢＴ６−２，６−４，６−６は、下アームのスイッチング素子である。
【００１３】
ＭＯＳＦＥＴ５はインバータ主回路２２のスイッチング素子（ＩＧＢＴ６−１〜６−６）を保護するために設けられている。ＭＯＳＦＥＴ５としてはノーマリーオン形の素子を用い、耐圧はインバータ主回路２２のＩＧＢＴ６−１〜６−６やダイオード７−１〜７−６よりも低い耐圧のものを使用する。電流検出回路９はＭＯＳＦＥＴ５の基準オン抵抗（所定の基準温度における規定値または測定値等）に基づいて（ＭＯＳＦＥＴ５のオン抵抗とＭＯＳＦＥＴ５のドレイン−ソース間電圧とに基づいて）電流値を検出する電流検出回路であり、検出された電流値をインバータ制御部１１に伝達する。インバータ制御部１１は、電流検出回路９で検出された電流値に基づいて所望のスイッチングパターンをＩＧＢＴ６−１〜６−６の駆動回路へ出力する。
【００１４】
サーミスタ８は、ＭＯＳＦＥＴ５の近傍に取り付けられており、温度検出回路１０はサーミスタ８により検出（測定）された温度情報をＭＯＳＦＥＴ５の温度情報としてインバータ制御部１１に伝達する。本実施の形態では、ＭＯＳＦＥＴ５の近傍にサーミスタ８を実装することにより、ＭＯＳＦＥＴ５のオン抵抗に基づいて検出された電流値を温度により補正することができる。
【００１５】
次に本実施の形態の動作について説明する。インバータ制御部１１がモータ１２を所望の速度で回転させる（駆動する）ためのスイッチングパターンをインバータ主回路２２へ入力すると、インバータ主回路２２のＩＧＢＴ６−１〜６−６がインバータ制御部１１からの入力に基づいてスイッチングすることにより、インバータ主回路２２の３相の出力からモータ１２に電流が流れ、モータ１２が所望の速度で回転する。
【００１６】
モータ１２の回転中にはＭＯＳＦＥＴ５に電流が流れる。ＩＧＢＴ６−１〜６−６等を過電流から保護するために、モータ１２の運転中は常にインバータ主回路２２内の電流を検出する必要があり、ＭＯＳＦＥＴ５はノーマリーオン形の素子を用いることが望ましいが、ノーマリーオフ形の素子を用いてもよい。ノーマリーオン形の素子を用いると、常にオンであるため部品の耐圧（例えば３０Ｖ以下）は高い必要がない。このため、ノーマリーオン形の素子を用いることで、部品定格が低く安価である、オン抵抗の低い（例えば、１０ｍΩ以下）ＭＯＳＦＥＴ５により電流検出を実現することができる。さらに、ゲート電圧を印加するのみの簡易的な回路でドレイン電流を流さないことができ、ノーマリーオン形のＭＯＳＦＥＴ５を遮断するための大掛かりな駆動回路が不要であるため、安価で構成できる。
【００１７】
温度検出回路１０は、ＭＯＳＦＥＴ５の近傍に取り付けられたサーミスタ８により測定された温度情報をＭＯＳＦＥＴ５の温度情報としてインバータ制御部１１に伝達する。インバータ制御部１１は、ＭＯＳＦＥＴ５のオン抵抗に基づいて検出した電流値を、温度検出回路１０から取得した温度情報に基づいて補正する。ＭＯＳＦＥＴ５のオン抵抗は、温度に依存して変化する。例えば、予めＭＯＳＦＥＴ５のオン抵抗の温度特性を取得し（または仕様値等を用い）、この温度特性に基づいて補正を行うための温度情報に対する補正係数のテーブル等をインバータ制御部１１が保持しておく。インバータ制御部１１は、温度情報に基づいて補正係数を用いて基準オン抵抗を用いて補正して電流値を求める。または、補正係数を電流に対する補正係数として求めておき、基準オン抵抗に基づいて求めた電流値を補正係数で補正してもよい。
【００１８】
インバータ制御部１１は、補正後の電流値をインバータ主回路２２のインバータ制御やインバータ主回路２２のスイッチング素子の保護のために用いる。
【００１９】
サーミスタ８は、ＭＯＳＦＥＴ５のパッケージに内蔵できるなど、その構造の性質上セメント抵抗よりもＭＯＳＦＥＴ５の近傍に実装できる。このため、温度の検出精度や応答性を高くすることができ、セメント抵抗を用いる場合より高精度なインバータ制御を実現できる。
【００２０】
また、ＭＯＳＦＥＴ５のパッケージは通常ヒートシンクなどの放熱部品への取り付けが容易であるため、放熱性を高めることができ、大容量のインバータ装置に適用した場合のサイズやコスト増を抑えることができる。
【００２１】
なお、ＭＯＳＦＥＴ５として、ワイドギャップ半導体を用いてもよい。ワイドバンドギャップ半導体としては、例えば、炭化珪素、窒化ガリウム系材料又はダイヤモンドがある。
【００２２】
このようなワイドバンドギャップ半導体によって形成されたＭＯＳＦＥＴ５は、耐電圧性が高く、許容電流密度も高いため、ＭＯＳＦＥＴ５の小型化が可能であり、これら小型化されたＭＯＳＦＥＴ５を用いることにより、これらの素子を組み込んだモジュールの小型化が可能となる。
【００２３】
またワイドバンドギャップ半導体は、耐熱性も高いため、ヒートシンクの放熱フィンの小型化や、水冷部の空冷化が可能であるので、モジュールの一層の小型化が可能になる。
【００２４】
更にワイドバンドギャップ半導体は、電力損失が低いため、ＭＯＳＦＥＴ５の高効率化が可能であり、延いてはモジュールの高効率化が可能になる。
【００２５】
また、ワイドギャップ半導体は温度による変化が少ないため、ＭＯＳＦＥＴ５にワイドバンドギャップ半導体を用いる場合にはサーミスタ８と温度検出回路１０を備える必要はない。
【００２６】
なお、本実施の形態では、交流電源１が単層であり、交直変換部（整流回路２１、リアクトル３、平滑コンデンサ４）が図１に示すような単層パッシブ型である場合を示しているが、交流電源１を多相（例えば三相）であり交直変換部が多相パッシブ型であってもよい。また、交直変換部の構成は、図１の構成に限らず、例えばＡＣチョッパー、ＤＣチョッパー等を適用した構成等どのような構成であってもよい。
【００２７】
また、本実施の形態では、ノーマリーオン形のＭＯＳＦＥＴ５を用いているが、ＭＯＳＦＥＴ５の変わりにノーマリーオン形のＦＥＴを用いてもよい。
【００２８】
以上のように、本実施の形態では、インバータ主回路２２の電流検出にノーマリーオン形のＭＯＳＦＥＴ５を用いるようにした。そのため、発生する熱を効率よく放熱し、大容量化した場合のサイズやコスト増を抑えることができる。
【００２９】
実施の形態２．
図２は、本発明にかかるインバータ装置の実施の形態２の回路構成例を示す図である。図２に示すように、本実施の形態のインバータ装置は、実施の形態１のＭＯＳＦＥＴ５およびサーミスタ８の代わりにＭＯＳＦＥＴ５−１〜５−３およびサーミスタ８−１〜８−３を備える以外は、実施の形態１のインバータ装置と同様である。実施の形態と同様の機能を有する構成要素は、実施の形態１と同一の符号を付して重複する説明を省略する。インバータ主回路部２２ａは、実施の形態１のＩＧＢＴ６−１〜６−６およびダイオード７−１〜７−６（インバータ主回路２２）とＭＯＳＦＥＴ５−１〜５−３で構成される。
【００３０】
実施の形態１では、インバータ主回路２２に流れる電流を１つのＭＯＳＦＥＴ５によって検出していたが、本実施の形態では、インバータ主回路２２にＭＯＳＦＥＴ５−１〜５−３を追加してインバータ主回路部２２ａとし、各相の下アームのＩＧＢＴ６−２，６−４，６−６のエミッタ電流を検出する。従って、電流検出回路９は、相ごとに電流値を取得し、取得した相ごとに電流値をインバータ制御部１１へ伝達する。ＭＯＳＦＥＴ５−１〜５−３としては、実施の形態１のＭＯＳＦＥＴ５と同様にノーマリーオン形の素子を用いる。
【００３１】
また、サーミスタ８−ｉ（ｉ＝１，２，３）はＭＯＳＦＥＴ５−ｉの近傍に取り付けられる。温度検出回路１０は、サーミスタ８−１〜８−３がそれぞれ測定した温度情報をＭＯＳＦＥＴ５−１〜５−３のそれぞれの温度情報として、インバータ制御部１１へ伝達する。
【００３２】
インバータ制御部１１は、ＭＯＳＦＥＴ５−１〜５−３ごとに実施の形態１と同様に温度情報を用いた補正を実施して補正後の電流値を求める。そして、インバータ制御部１１は、補正後の各相の電流値を用いてインバータ制御およびスイッチング素子の保護を実施する。
【００３３】
なお、ＭＯＳＦＥＴ５−１〜５−３として、実施の形態１と同様にワイドギャップ半導体を用いてもよい。この場合、サーミスタ８−１〜８−３および温度検出回路１０を備える必要はない。
【００３４】
なお、本実施の形態では、交流電源１が単層であり、交直変換部（整流回路２１、リアクトル３、平滑コンデンサ４）が図２に示すような単層パッシブ型である場合を示しているが、交流電源１を多相であり交直変換部が多相パッシブ型であってもよい。また、交直変換部の構成は、図２の構成に限らず、例えばＡＣチョッパー、ＤＣチョッパー等を適用した構成等どのような構成であってもよい。
【００３５】
以上のように、本実施の形態では、インバータ主回路２２の相ごとにＭＯＳＦＥＴ５−１〜５−３を用いて電流値を求めるようにした。そのため、相ごとの電流値を用いて制御を行うインバータ装置においても実施の形態１と同様の効果を得ることができる。
【００３６】
実施の形態３．
図３は、本発明にかかるインバータ装置の実施の形態３の回路構成例を示す図である。図３に示すように、本実施の形態のインバータ装置は、実施の形態１のインバータ装置に、遮断回路１３、抵抗１４およびダイオード１５およびツェナーダイオード１６を追加する以外は実施の形態１のインバータ装置と同様である。実施の形態と同様の機能を有する構成要素は、実施の形態１と同一の符号を付して重複する説明を省略する。
【００３７】
遮断回路１３は、ＭＯＳＦＥＴ５をオフすることのできる遮断回路であり、ＭＯＳＦＥＴ５のドレイン−ソース間に接続されている。また、抵抗１４と、順方向に接続されたダイオード１５と逆方向に接続されたツェナーダイオード１６とが直列に接続されたものと、がＭＯＳＦＥＴ５に並列に接続されている。抵抗１４は高抵抗値（例えば、１００ｋΩ以上）の抵抗であり、ダイオード１５の定格電圧とツェナーダイオード１６の降伏電圧はＭＯＳＦＥＴ５を過電圧から保護するための電圧値に設定される。
【００３８】
次に本実施の形態の動作について説明する。本実施の形態では、ＭＯＳＦＥＴ５に遮断回路１３が接続されているので、電流検出回路９がインバータ装置の過電流を検出したときに直接的に、またはインバータ制御部１１を介して、遮断回路１３にＭＯＳＦＥＴ５のオフを指示する信号を出力する。遮断回路１３は、電流検出回路９またはインバータ制御部１１からＭＯＳＦＥＴ５のオフを指示する信号を受信すると、ＭＯＳＦＥＴ５のゲート−ソース間に電圧を与えてＭＯＳＦＥＴ５をオフにする。このように、遮断回路１３を備えることにより、ＭＯＳＦＥＴ５として定格電圧の低いＭＯＳＦＥＴを用いることができる。
【００３９】
また、抵抗１４とダイオード１５とツェナーダイオード１６を備えることにより、ＭＯＳＦＥＴ５のオフ時の跳ね上がり電圧からＭＯＳＦＥＴ５を保護することができる。なお、ＭＯＳＦＥＴ５のオフ時の跳ね上がり電圧からＭＯＳＦＥＴ５を保護するための回路（保護回路）の構成は、図３の例（抵抗１４とダイオード１５とツェナーダイオード１６）に限定されない。
【００４０】
また、ＭＯＳＦＥＴ５を駆動する直流電源と、インバータ主回路２２の下アームに使われるスイッチング素子を駆動する直流電源をひとつの直流電源で共用することが可能である。この場合、ＭＯＳＦＥＴ５のオフ時には、ＩＧＢＴ６−２，６−４，６−６のエミッタの電位が不定となりインバータ主回路２２の３相下アームのＩＧＢＴ６−２，６−４，６−６のゲート−エミッタ間に駆動電圧を保持することができないため、３相下アームがおのずとオフすることになる。このため、インバータ主回路２２の３相下アームのＩＧＢＴ６−２，６−４，６−６をオフするためにインバータ制御部１１からのモータ駆動のためのパターンを極めて短い時間で止める必要がなくなり、インバータ主回路２２の３相下アームのＩＧＢＴ６−２，６−４，６−６をオフするまでの時間も短縮することができる。以上述べた以外の本実施の形態の動作は実施の形態１と同様である。
【００４１】
なお、本実施の形態では、交流電源１が単層であり、交直変換部部（整流回路２１、リアクトル３、平滑コンデンサ４）が図３に示すような単層パッシブ型である場合を示しているが、交流電源１を多相であり交直変換部が多相パッシブ型であってもよい。また、交直変換部の構成は、図３の構成に限らず、例えばＡＣチョッパー、ＤＣチョッパー等を適用した構成等どのような構成であってもよい。
【００４２】
以上のように、本実施の形態では、ＭＯＳＦＥＴ５を遮断する遮断回路１３を備え、電流検出回路９がインバータ装置の過電流を検出した場合に、遮断回路１３がＭＯＳＦＥＴ５をオフするようにした。このため、実施の形態１と同様の効果が得られるとともに、電流検出のために安価な定格電圧の低いＭＯＳＦＥＴを採用しつつ簡単な保護機能で実施の形態１よりも信頼性の高いインバータ装置を得ることができる。
【００４３】
実施の形態４．
図４は、本発明にかかるインバータ装置の実施の形態４の回路構成例を示す図である。図４に示すように、本実施の形態のインバータ装置は、実施の形態２のインバータ装置に、遮断回路１３、抵抗１４−１〜１４−３、ダイオード１５−１〜１５−３およびツェナーダイオード１６−１〜１６−３を追加する以外は実施の形態２のインバータ装置と同様である。実施の形態と同様の機能を有する構成要素は、実施の形態２と同一の符号を付して重複する説明を省略する。インバータ主回路部２２ｂは、実施の形態１のＩＧＢＴ６−１〜６−６およびダイオード７−１〜７−６（インバータ主回路２２）と、ＭＯＳＦＥＴ５−１〜５−３と、抵抗１４−１〜１４−３と、ダイオード１５−１〜１５−３と、ツェナーダイオード１６−１〜１６−３と、で構成される。
【００４４】
本実施の形態では、実施の形態３と同様にＭＯＳＦＥＴ５−１〜５−３をオフするための遮断回路１３を備える。本実施の形態では、遮断回路１３は、電流検出回路９またはインバータ制御部１１が、相ごとに検出した電流値に基づいて過電流を検出した相に接続するＭＯＳＦＥＴ５−１〜５−３のオフを指示する信号を遮断回路１３へ出力する。遮断回路１３は、オフを指示する信号を受信すると、指示されたＭＯＳＦＥＴ５−１〜５−３のゲート−ソース間に電圧を与えてオフを指示されたＭＯＳＦＥＴ５−１〜５−３をオフにする。
【００４５】
また、抵抗１４−１〜１４−３とダイオード１５−１〜１５−３とツェナーダイオード１６−１〜１６−３とを、ＭＯＳＦＥＴ５−１〜５−３ごとに備えることにより、ＭＯＳＦＥＴ５−１〜５−３のオフ時の跳ね上がり電圧からＭＯＳＦＥＴ５−１〜５−３を保護することができる。
【００４６】
図５は、抵抗１４−１〜１４−３、ダイオード１５−１〜１５−３およびツェナーダイオード１６−１〜１６−３を備えない場合のＭＯＳＦＥＴ５−１〜５−３のドレイン−ソース間電圧の変化の様子の一例を示す図である。図６は、抵抗１４−１〜１４−３、ダイオード１５−１〜１５−３およびツェナーダイオード１６−１〜１６−３を備える場合のＭＯＳＦＥＴ５−１〜５−３のドレイン−ソース間電圧の変化の様子の一例を示す概念図である。
【００４７】
図５に示すように、抵抗１４−１〜１４−３、ダイオード１５−１〜１５−３およびツェナーダイオード１６−１〜１６−３を備えない場合には、ＭＯＳＦＥＴ５−１〜５−３のオフ時にドレイン−ソース間電圧の跳ね上がりが生じ、この電圧は最大で平滑コンデンザ４の両端電圧レベルまで上昇する。したがって、抵抗１４−１〜１４−３、ダイオード１５−１〜１５−３およびツェナーダイオード１６−１〜１６−３を備えない場合は、図５のようにＭＯＳＦＥＴ５−１〜５−３の耐圧レベルを超える可能性がある。
【００４８】
これに対し、抵抗１４−１〜１４−３、ダイオード１５−１〜１５−３およびツェナーダイオード１６−１〜１６−３を備える場合には、図６に示すように、ＭＯＳＦＥＴ５−１〜５−３のオフ時にドレイン−ソース間電圧の跳ね上がりを抑えることができる。このため、ＭＯＳＦＥＴ５−１〜５−３のオフ時にＭＯＳＦＥＴ５−１〜５−３を保護することができる。
【００４９】
なお、本実施の形態では、交流電源１が単層であり、交直変換部（整流回路２１、リアクトル３、平滑コンデンサ４）が図４に示すような単層パッシブ型である場合を示しているが、交流電源１を多相であり交直変換部が多相パッシブ型であってもよい。また、交直変換部の構成は、図４の構成に限らず、例えばＡＣチョッパー、ＤＣチョッパー等を適用した構成等どのような構成であってもよい。
【００５０】
以上のように、本実施の形態では、インバータ主回路２２の相ごとにＭＯＳＦＥＴ５−１〜５−３を備えて電流値を検出する場合に、ＭＯＳＦＥＴ５−１〜５−３を遮断する遮断回路１３を備え、電流検出回路９がインバータ装置の過電流を検出すると、遮断回路１３がＭＯＳＦＥＴ５−１〜５−３をオフするようにした。このため、実施の形態２と同様の効果が得られるとともに、電流検出のために安価な定格電圧の低いＭＯＳＦＥＴを採用しつつ簡単な保護機能で実施の形態２よりも信頼性の高いインバータ装置を得ることができる。
【００５１】
実施の形態５．
図７は、本発明にかかるインバータ装置の実施の形態５の実装例を示す概略図である。本実施の形態では、実施の形態１〜４で述べた回路構成のインバータ装置の実装例について説明する。
【００５２】
図７において、ＭＯＳＦＥＴモジュール３０は、実施の形態１，３で述べたＭＯＳＦＥＴ５を内蔵するパッケージであり、パワーモジュール３１には、スイッチング素子（ＩＧＢＴ６−１〜６−６）等を備えるインバータ主回路（インバータ主回路２２）が内蔵されている。または、実施の形態２，４のインバータ装置の場合、ＭＯＳＦＥＴモジュール３０は実施の形態２，４で述べたＭＯＳＦＥＴ５−１〜５−３である。また、実施の形態３，実施の形態４のインバータ装置の場合には、抵抗１４とダイオード１５とツェナーダイオード１６、または抵抗１４−１〜１４−３とダイオード１５−１〜１５−３とツェナーダイオード１６−１〜１６−３と、は、ＭＯＳＦＥＴモジュール３０に内蔵されていてもよいし、ＭＯＳＦＥＴモジュール３０と別のモジュールとして実装されていてもよい。
【００５３】
サーミスタ８（またはサーミスタ８−１〜８−３）は、ＭＯＳＦＥＴモジュール３０の近傍に実装されるかＭＯＳＦＥＴモジュール３０内に実装される。ＭＯＳＦＥＴモジュール３０とパワーモジュール３１は同一のプリント基板３２に搭載され、ヒートシンク３３の同一平面状にネジ３４により実装される。
【００５４】
以上のように、ＭＯＳＦＥＴモジュール３０をヒートシンク３３に実装することによりＭＯＳＦＥＴ５（またはＭＯＳＦＥＴ５−１〜５−３）により発生する熱を良好な放熱方式で放熱することができる。このため、大電流のインバータ装置を提供することができる。またＭＯＳＦＥＴモジュール３０をパワーモジュール３１と同一のヒートシンク３３に実装することにより、放熱部品を共用することができる。
【００５５】
なお、実施の形態２，４のインバータ装置の場合、ＭＯＳＦＥＴモジュール３０を設けずに、ＭＯＳＦＥＴ５−１〜５−３（実施の形態４の場合は抵抗１４−１〜１４−３とダイオード１５−１〜１５−３とツェナーダイオード１６−１〜１６−３についても）をパワーモジュール３１のパッケージ内に内蔵するようにしてもよい。また、実施の形態１，３のインバータ装置の場合にも、ＭＯＳＦＥＴモジュール３０を設けずに、ＭＯＳＦＥＴ５（実施の形態３の場合は抵抗１４とダイオード１５とツェナーダイオード１６についても）をパワーモジュール３１のパッケージ内に内蔵するようにしてもよい。このように、ＭＯＳＦＥＴ５（またはＭＯＳＦＥＴ５−１〜５−３）とサーミスタ８（またはサーミスタ８−１〜８−３）等をパワーモジュール３１に内蔵することにより、さらに小型で、実装制約の少ないインバータ装置を提供することができる。
【００５６】
実施の形態６．
図８は、本発明にかかるインバータ装置を備える空気調和機の室外ユニット４０の実施の形態６の構成例を示す図である。図８に示すように、室外ユニット４０は、ファン４１、インバータ装置４２と、冷媒を圧縮する圧縮機４３と、を備え、図示しない室内ユニット等とともに空気調和機を構成する。
【００５７】
インバータ装置４２は、実施の形態１〜実施の形態５で説明したインバータ装置であり、室外ユニット４０内の例えば上部に取り付けられ、圧縮機４３や圧縮機４３内のモータ、また室内ユニットの送風用ファン等を制御する。なお、図６では、概観の概念を示しているため、配線等を図示していないが、インバータ装置４２は、圧縮機４３や送風ファン等と配線等により接続されている。インバータ装置４２の構成および動作は、実施の形態１〜実施の形態４で説明した電源変換装置と同様である。
【００５８】
したがって、本実施の形態によれば、実施の形態１〜実施の形態５のインバータ装置を空気調和機に適用することができ、発生する熱を効率よく放熱し、大容量化した場合のサイズやコスト増を抑え、安価で信頼性の高い空気調和機を得ることができる。
【符号の説明】
【００５９】
１ 交流電源
２，１５，１５−１〜１５−３ ダイオード
３ リアクトル
４ 平滑コンデンサ
５，５−１〜５−３ ＭＯＳＦＥＴ
６−１〜６−６ ＩＧＢＴ
７−１〜７−６ ダイオード
８，８−１〜８−３ サーミスタ
９ 電流検出回路
１０ 温度検出回路
１１ インバータ制御部
１２ モータ
１３ 遮断回路
１４，１４−１〜１４−３ 抵抗
１６−１〜１６−３ ツェナーダイオード
２１ 整流回路
２２ インバータ主回路
３０ ＭＯＳＦＥＴモジュール
３１ パワーモジュール
３２ プリント基板
３３ ヒートシンク
３４ ネジ
４０ 室外ユニット
４１ ファン
４２ インバータ装置
４３ 圧縮機
【特許請求の範囲】
【請求項１】
直流電力を交流電力に変換するインバータ主回路を備えるインバータ装置であって、
前記インバータ主回路に接続されるノーマリーオン形のＦＥＴと、
前記ＦＥＴのドレイン−ソース間電圧に基づいて前記インバータ主回路に流れる電流を検出する電流検出回路と、
前記電流検出回路により検出された電流に基づいて前記インバータ主回路を制御するインバータ制御部と、
を備えることを特徴とするインバータ装置。
【請求項２】
前記ＦＥＴをＭＯＳＦＥＴとする、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ＭＯＳＦＥＴは、前記インバータ主回路に使用されるスイッチング素子の耐圧より低い耐圧を有する、ことを特徴とする請求項２に記載のインバータ装置。
【請求項４】
前記ＭＯＳＦＥＴの近傍に配置された温度検出素子と、
前記温度検出素子が検出した温度を温度情報として前記インバータ装置へ出力する温度検出回路と、
をさらに備え、
前記インバータ制御部は、前記温度情報に基づいて前記電流検出回路が検出した電流を補正する、ことを特徴とする請求項２または３に記載のインバータ装置。
【請求項５】
交流電力を直流電力に変換する整流回路、
をさらに備え、
前記ＭＯＳＦＥＴは、前記インバータ主回路と前記整流回路とを接続する母線に接続される、ことを特徴とする請求項２、３または４に記載のインバータ装置。
【請求項６】
前記インバータ主回路は、相ごとに上アームおよび下アームのスイッチング素子を備え、
前記ＭＯＳＦＥＴを相ごとに備え、
前記ＭＯＳＦＥＴは、相ごとの下アームのスイッチング素子にそれぞれ接続される、ことを特徴とする請求項２、３または４に記載のインバータ装置。
【請求項７】
前記電流検出回路が過電流を検出した場合に、前記ＭＯＳＦＥＴをオフする遮断回路、
をさらに備える、ことを特徴とする請求項２〜６のいずれか１つに記載のインバータ装置。
【請求項８】
前記ＭＯＳＦＥＴに並列に接続された抵抗と、
前記ＭＯＳＦＥＴに並列に接続されたダイオードおよびツェナーダイオードと、
を備え、
順方向に接続された前記ダイオードと逆方向に接続された前記ツェナーダイオードとが直列に接続される、ことを特徴とする請求項７に記載のインバータ装置。
【請求項９】
前記ＭＯＳＦＥＴを駆動する直流電源と、前記インバータ主回路の下アームの前記スイッチング素子を駆動する直流電源と、を同一の直流電源とする、ことを特徴とする請求項２〜８のいずれか１つに記載のインバータ装置。
【請求項１０】
ヒートシンク、
をさらに備え、
前記ＭＯＳＦＥＴと前記インバータ主回路とを前記ヒートシンクの同一の平面上に実装する、ことを特徴とする請求項２〜９のいずれか１つに記載のインバータ装置。
【請求項１１】
前記ＭＯＳＦＥＴと前記インバータ主回路とを同一パッケージ内に実装する、ことを特徴とする請求項２〜１０のいずれか１つに記載のインバータ装置。
【請求項１２】
前記ＭＯＳＦＥＴはワイドバンドギャップ半導体により形成されていることを特徴とする請求項２〜１１のいずれか１つに記載のインバータ装置。
【請求項１３】
前記ワイドバンドギャップ半導体は、炭化珪素、窒化ガリウム系材料またはダイヤモンドであることを特徴とする請求項１２に記載のインバータ装置。
【請求項１４】
交流電力を直流電力に変換する交直変換部、を備え、
前記インバータ主回路は、前記交直変換部により変換された直流電力を交流電力に変換する、ことを特徴とする請求項１〜１２のいずれか１つに記載のインバータ装置。
【請求項１５】
前記交直変換部に入力される交流電力を単相交流電力とする、ことを特徴とする請求項１４に記載のインバータ装置。
【請求項１６】
前記交直変換部に入力される交流電力を多相交流電力とする、ことを特徴とする請求項１４に記載のインバータ装置。
【請求項１７】
前記交直変換部は、直流チョッパー回路を備える、ことを特徴とする請求項１４、１５または１６に記載のインバータ装置。
【請求項１８】
前記交直変換部は、交流チョッパー回路を備える、ことを特徴とする請求項１４、１５または１６に記載のインバータ装置。
【請求項１９】
請求項１〜１８のいずれか１つに記載のインバータ装置、
を備えることを特徴とする空気調和機。
【請求項１】
直流電力を交流電力に変換するインバータ主回路を備えるインバータ装置であって、
前記インバータ主回路に接続されるノーマリーオン形のＦＥＴと、
前記ＦＥＴのドレイン−ソース間電圧に基づいて前記インバータ主回路に流れる電流を検出する電流検出回路と、
前記電流検出回路により検出された電流に基づいて前記インバータ主回路を制御するインバータ制御部と、
を備えることを特徴とするインバータ装置。
【請求項２】
前記ＦＥＴをＭＯＳＦＥＴとする、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ＭＯＳＦＥＴは、前記インバータ主回路に使用されるスイッチング素子の耐圧より低い耐圧を有する、ことを特徴とする請求項２に記載のインバータ装置。
【請求項４】
前記ＭＯＳＦＥＴの近傍に配置された温度検出素子と、
前記温度検出素子が検出した温度を温度情報として前記インバータ装置へ出力する温度検出回路と、
をさらに備え、
前記インバータ制御部は、前記温度情報に基づいて前記電流検出回路が検出した電流を補正する、ことを特徴とする請求項２または３に記載のインバータ装置。
【請求項５】
交流電力を直流電力に変換する整流回路、
をさらに備え、
前記ＭＯＳＦＥＴは、前記インバータ主回路と前記整流回路とを接続する母線に接続される、ことを特徴とする請求項２、３または４に記載のインバータ装置。
【請求項６】
前記インバータ主回路は、相ごとに上アームおよび下アームのスイッチング素子を備え、
前記ＭＯＳＦＥＴを相ごとに備え、
前記ＭＯＳＦＥＴは、相ごとの下アームのスイッチング素子にそれぞれ接続される、ことを特徴とする請求項２、３または４に記載のインバータ装置。
【請求項７】
前記電流検出回路が過電流を検出した場合に、前記ＭＯＳＦＥＴをオフする遮断回路、
をさらに備える、ことを特徴とする請求項２〜６のいずれか１つに記載のインバータ装置。
【請求項８】
前記ＭＯＳＦＥＴに並列に接続された抵抗と、
前記ＭＯＳＦＥＴに並列に接続されたダイオードおよびツェナーダイオードと、
を備え、
順方向に接続された前記ダイオードと逆方向に接続された前記ツェナーダイオードとが直列に接続される、ことを特徴とする請求項７に記載のインバータ装置。
【請求項９】
前記ＭＯＳＦＥＴを駆動する直流電源と、前記インバータ主回路の下アームの前記スイッチング素子を駆動する直流電源と、を同一の直流電源とする、ことを特徴とする請求項２〜８のいずれか１つに記載のインバータ装置。
【請求項１０】
ヒートシンク、
をさらに備え、
前記ＭＯＳＦＥＴと前記インバータ主回路とを前記ヒートシンクの同一の平面上に実装する、ことを特徴とする請求項２〜９のいずれか１つに記載のインバータ装置。
【請求項１１】
前記ＭＯＳＦＥＴと前記インバータ主回路とを同一パッケージ内に実装する、ことを特徴とする請求項２〜１０のいずれか１つに記載のインバータ装置。
【請求項１２】
前記ＭＯＳＦＥＴはワイドバンドギャップ半導体により形成されていることを特徴とする請求項２〜１１のいずれか１つに記載のインバータ装置。
【請求項１３】
前記ワイドバンドギャップ半導体は、炭化珪素、窒化ガリウム系材料またはダイヤモンドであることを特徴とする請求項１２に記載のインバータ装置。
【請求項１４】
交流電力を直流電力に変換する交直変換部、を備え、
前記インバータ主回路は、前記交直変換部により変換された直流電力を交流電力に変換する、ことを特徴とする請求項１〜１２のいずれか１つに記載のインバータ装置。
【請求項１５】
前記交直変換部に入力される交流電力を単相交流電力とする、ことを特徴とする請求項１４に記載のインバータ装置。
【請求項１６】
前記交直変換部に入力される交流電力を多相交流電力とする、ことを特徴とする請求項１４に記載のインバータ装置。
【請求項１７】
前記交直変換部は、直流チョッパー回路を備える、ことを特徴とする請求項１４、１５または１６に記載のインバータ装置。
【請求項１８】
前記交直変換部は、交流チョッパー回路を備える、ことを特徴とする請求項１４、１５または１６に記載のインバータ装置。
【請求項１９】
請求項１〜１８のいずれか１つに記載のインバータ装置、
を備えることを特徴とする空気調和機。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【公開番号】特開２０１２−１８２９２１（Ｐ２０１２−１８２９２１Ａ）
【公開日】平成２４年９月２０日（２０１２．９．２０）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−４４６８７（Ｐ２０１１−４４６８７）
【出願日】平成２３年３月２日（２０１１．３．２）
【出願人】（０００００６０１３）三菱電機株式会社 (33,312)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年９月２０日（２０１２．９．２０）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年３月２日（２０１１．３．２）
【出願人】（０００００６０１３）三菱電機株式会社 (33,312)
【Ｆターム（参考）】
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