JP2012249488A

JP2012249488A - インバータ制御回路及び電気掃除機

Info

Publication number: JP2012249488A
Application number: JP2011121375A
Authority: JP
Inventors: Shin Imai; 慎今井; Keizo Matsui; 敬三松井
Original assignee: Panasonic Corp
Current assignee: Panasonic Corp
Priority date: 2011-05-31
Filing date: 2011-05-31
Publication date: 2012-12-13

Abstract

【課題】冷却構成を簡素化したモータ駆動用のインバータ制御回路を提供する。
【解決手段】複数の上・下アーム１８ａ、１８ｂから構成されるインバータ回路１８をスイッチング動作させ、ブラシレスＤＣモータ２６（以下モータ２６という）を駆動する制御手段２５を備え、スイッチング素子２４を、スイッチング素子２３よりも高速スイッチングが可能なスイッチング素子で構成し、制御手段２５は、モータ２６に印加する３相電圧の各相電圧において、２π／３毎に順番にスイッチング素子２３をオンさせ、スイッチング素子２４をオフして各相電圧を周期的に固定させ、モータ２６を駆動するもので、下アーム１８ｂに、スイッチング速度が速いスイッチング素子２４を用いた場合でも、上アーム１８ａのスイッチング損失が下アーム１８ｂより少なくなるように制御でき、スイッチング素子毎の損失（発熱）のばらつきを低減して冷却構成を簡素化することができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、負荷例えばモータを駆動させるために、直流を交流に変換させるインバータ制御回路及びそれを用いた電気掃除機に関するものである。

従来、この種のインバータ制御回路では、コンプレッサ等の直流電動機を駆動するスイッチング回路を、上・下アーム計６相、６素子で構成しており、スイッチング素子としてはＩＧＢＴやＭＯＳＦＥＴが多く採用されている。また、それぞれのスイッチング素子を組み合わせて使用している場合もある（例えば、特許文献１参照）。

図３は、上記特許文献１に記載された従来の直流電動機駆動用のインバータ制御回路の回路図である。

図３において、従来のインバータ制御回路では、上アーム４のスイッチング素子をＩＧＢＴまたはＭＯＳＦＥＴにて構成し、下アーム５のスイッチング素子をバイポーラトランジスタにて構成することで、騒音の発生や大幅なコストアップを伴わないインバータ制御回路としている。

特開平７−３１１８２号公報

しかしながら、前記特許文献１に記載されたような従来のインバータ制御回路の構成では、上アームと下アームにそれぞれ特性の異なるスイッチング素子を用いることで、スイッチング時に発生する損失が上アームと下アームで異なり、スイッチング素子の発熱が上下で異なることとなり、冷却構成が複雑化するという課題があった。

本発明は、前記従来の課題を解決するもので、上下アームにそれぞれスイッチング特性の異なる素子を用いた場合でも上下の素子でスイッチング素子毎の損失（発熱）のばらつきを低減して冷却構成を簡素化したインバータ制御回路及びそれを用いた電気掃除機を提供することを目的とする。

前記従来の課題を解決するために、本発明のインバータ制御回路は、複数の上下アームから構成されるインバータ回路と、前記インバータ回路をスイッチング動作させ、モータを駆動する制御手段とを備え、前記インバータ回路の下アームのスイッチング素子を、前記上アームのスイッチング素子よりも高速スイッチングが可能なスイッチング素子で構成し、前記制御手段は、前記モータに印加する３相電圧の各相電圧において、２π／３毎に順番に前記上アームのスイッチング素子をオンさせ、前記下アームのスイッチング素子をオフして各相電圧を周期的に固定させ、前記モータを駆動するもので、下アームに、上アームよりスイッチング速度が速いスイッチング素子を用いた場合でも、上アームのスイッチング損失が下アームより少なくなるように制御することで、スイッチング素子毎の損失（発熱）のばらつきを低減して冷却構成を簡素化することができる。

また、本発明の電気掃除機は、ファンとそれを回転駆動するモータからなり、吸引力を
生成するファンモータと、請求項１又は２に記載されたインバータ制御回路を有し、前記モータを前記インバータ制御回路で駆動するもので、省エネで効率の良い電気掃除機を提供することが可能となる。

本発明のインバータ制御回路は、上アームと下アームにそれぞれスイッチング特性の異なる素子を用いた場合でも下の素子でスイッチング素子毎の損失（発熱）のばらつきを低減して冷却構成を簡素化したインバータ装置を提供することができる。また、本発明の電気掃除機は、省エネで効率の良いものである。

本発明の実施の形態１におけるインバータ制御回路の回路図同インバータ制御回路の各相間電圧、各変調信号の波形を示す図従来のインバータ制御回路の回路図

第１の発明は、複数の上下アームから構成されるインバータ回路と、前記インバータ回路をスイッチング動作させ、モータを駆動する制御手段とを備え、前記インバータ回路の下アームのスイッチング素子を、前記上アームのスイッチング素子よりも高速スイッチングが可能なスイッチング素子で構成し、前記制御手段は、前記モータに印加する３相電圧の各相電圧において、２π／３毎に順番に前記上アームのスイッチング素子をオンさせ、前記下アームのスイッチング素子をオフして各相電圧を周期的に固定させ、前記モータを駆動するもので、下アームに、上アームよりスイッチング速度が速いスイッチング素子を用いた場合でも、上アームのスイッチング損失が下アームより少なくなるように制御することで、スイッチング素子毎の損失（発熱）のばらつきを低減して冷却構成を簡素化することができる。

第２の発明は、特に、第１の発明の下アームのスイッチング素子は、ダイヤモンド、ＧａＮ、ＳｉＣ等のワイドギャップ半導体であるもので、スイッチングする際のスイッチング損失や、スイッチング素子が導通している際の導通損失を低減でき、インバータ制御回路の省エネを図ることができる。

第３の発明に係る電気掃除機は、ファンとそれを回転駆動するモータからなり、吸引力を生成するファンモータと、請求項１又は２に記載されたインバータ制御回路を有し、前記モータを前記インバータ制御回路で駆動するもので、省エネで効率の良い電気掃除機を提供することが可能となる。

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。

（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１におけるインバータ制御回路の回路構成図、図２は、同インバータ制御回路の各相間電圧、各変調信号の波形を示す図である。

本実施の形態におけるインバータ制御回路は、１００Ｖ商用電源２０より、整流回路・力率改善回路などを包含するフィルタ回路部２１、平滑回路２２とのコンバータ回路を介して、所定のタイミングでオン・オフするスイッチング素子２３、２４により所定の周波数の高周波電力を発生させるインバータ回路１８と、スイッチング素子２３、２４を駆動するための駆動信号を供給する駆動回路を含む制御手段２５と、ブラシレスＤＣモータ２６と、ブラシレスＤＣモータ２６に取り付けられたファン２７で構成されている。

本実施の形態では、ブラシレスＤＣモータ２６とファン２７とで、吸引力を生成するファンモータ１９を構成している。

また、本実施の形態では、上アーム１８ａのスイッチング素子２３をＩＧＢＴで構成し、下アーム１８ｂのスイッチング素子２４をスイッチング素子２３よりも高速スイッチングが可能な素子として窒化ガリウム（ＧａＮ）を用いたスイッチング素子で構成している。

現在、スイッチング素子としては、シリコンを半導体材料とする半導体デバイスが主流となっている。これらの半導体デバイスを用途に応じて適切に選択し使用している。例えば、ＭＯＳＦＥＴ（金属／酸化膜／半導体電界効果トランジスタ）やＩＧＢＴ（絶縁ゲートバイポーラトランジスタ）、サイリスタなどが主に使用されている。しかしながら近年、ダイヤモンド、炭化珪素（ＳｉＣ）、窒化ガリウム（ＧａＮ）などのワイドギャップ半導体材料が、シリコンよりも高耐圧かつ低損失、高出力で高周波動作などの優れたパワー半導体デバイスを実現可能な半導体材料として注目されており、実用レベルに到達しているものも存在してきている。

スイッチング速度においては、シリコン系パワー半導体の３倍以上の高速スイッチングも可能である。またブラシレスＤＣモータ２６は、中性点を中心に結線された３つの相巻線を有する固定子（図示せず）、および永久磁石を有する回転子（図示せず）で構成され、相巻線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、回転子が回転するようになっている。

また、制御手段２５は、主な機能として位相角が異なる複数の変調信号を生成し、各変調信号と一定周波数の三角波信号との電圧比較により、スイッチング素子２３、２４を駆動させる駆動信号を発生させる。

以上のように構成された本実施の形態におけるインバータ制御回路の動作、作用を以下に説明する。

交流電源２０から入力された電源は、フィルタ回路部２１により整流された後、平滑回路２２を通して平滑化された直流電力として、制御手段２５によりスイッチング素子２３、２４を所定のタイミングでオン・オフさせることにより所望の交流に変換され、ファン２７を負荷とするブラシレスＤＣモータ２６を回転駆動する。

次に、図２に、上アーム１８ａのスイッチング素子２３を２π／３ずつ固定して制御する二相変調方式での各部電圧波形を示す。

Ｅｕ、Ｅｖ、Ｅｗは、互いに位相角が２π／３ずれた三相正弦波電圧であるが、これはブラシレスＤＣモータ２６の回転速度等から算出可能であるがここでは算出方法についての詳細な説明は省略する。三相正弦波電圧Ｅｕ、Ｅｖ、Ｅｗは、ブラシレスＤＣモータ２６の回転速度に比例して周波数が変化する。

そして、この三相正弦波電圧波形Ｅｕ、Ｅｖ、Ｅｗが波形整形されることにより、三相正弦波電圧Ｅｕ、Ｅｖ、Ｅｗの周期の１／３に相当する期間が、スイッチング休止期間として負の一定レベルに固定される電圧波形を有し、かつ互いに位相角が２π／３ずれた複数の変調信号Ｅｕ_２、Ｅｖ_２、Ｅｗ_２が生成される。この変調信号Ｅｕ_２、Ｅｖ_２、Ｅｗ_２と三角波信号（ここではＥｕ_２にのみ図示）とを電圧比較することにより、スイッチング素子２３、２４を駆動する駆動信号（パルス幅変調信号）が生成される。これにより、
下アーム１８ｂに対して上アーム１８ａのスイッチング回数が低減し、上アーム１８ａのスイッチング損失が下アーム１８ｂより少なくなるように制御することが可能となる。

これにより、スイッチング特性が異なる素子を上アーム１８ａ、下アーム１８ｂに用いてもスイッチング素子毎の損失（発熱）のばらつきを低減することができ、冷却構成を上アーム１８ａ、下アーム１８ｂ毎に変えたりする必要がなくなり、簡単に冷却設計を行なうことができる。

また、本実施の形態１の下アーム１８ｂで使用した、ダイヤモンドや窒化ガリウム（ＧａＮ）を用いたスイッチング素子や炭化珪素（ＳｉＣ）を用いたスイッチング素子はスイッチングや抵抗に関して優れた特性を有しているが、シリコン系パワー半導体に比べて非常に高価であるため、下アーム１８ｂにだけ使用することでコストダウンも可能である。

また、上記実施の形態で述べたインバータ制御回路と、ファンモータ１９とを電気掃除機（図示せず）に搭載し、前記インバータ制御回路で、ファンモータ１９のブラシレスＤＣモータ２６を駆動制御するようにすれば、省エネで効率の良い電気掃除機を提供することが可能となる。

以上のように、本発明にかかるインバータ制御回路は、インバータ回路で駆動するような応用に用いることができ、低コスト化、高効率の特徴が必要なインバータ制御回路や電気掃除機について有用である。

１８インバータ回路
１８ａ上アーム
１８ｂ下アーム
１９ファンモータ
２３、２４スイッチング素子
２５制御手段
２６ブラシレスＤＣモータ（モータ）
２７ファン

Claims

複数の上下アームから構成されるインバータ回路と、前記インバータ回路をスイッチング動作させ、モータを駆動する制御手段とを備え、前記インバータ回路の下アームのスイッチング素子を、前記上アームのスイッチング素子よりも高速スイッチングが可能なスイッチング素子で構成し、前記制御手段は、前記モータに印加する３相電圧の各相電圧において、２π／３毎に順番に前記上アームのスイッチング素子をオンさせ、前記下アームのスイッチング素子をオフして各相電圧を周期的に固定させ、前記モータを駆動することを特徴とするインバータ制御回路。
下アームのスイッチング素子は、ダイヤモンド、ＧａＮ、ＳｉＣ等のワイドギャップ半導体であることを特徴とする請求項１に記載のインバータ制御回路。
ファンとそれを回転駆動するモータからなり、吸引力を生成するファンモータと、請求項１又は２に記載されたインバータ制御回路を有し、前記モータを前記インバータ制御回路で駆動することを特徴とする電気掃除機。