JPH06141402A - インバータ制御装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 重負荷時の発熱量を抑制し、装置全体の小型
化を可能とする。 【構成】 この発明のインバータ制御装置は、負荷状態
が大きい場合には、スイッチング周波数指令を低い値に
可変設定し、逆に負荷状態が小さい場合には、スイッチ
ング周波数指令を可聴範囲を超えた高い値に可変設定
し、これらのスイッチング周波数指令に応じてインバー
タのスイッチング素子のスイッチング制御を行なうこと
により、負荷が大きい場合には、インバータにおける熱
的損失が小さくなるように低いスイッチング周波数でス
イッチング素子を動作させ、負荷が小さくなれば、高い
スイッチング周波数に切り替えてスイッチング素子を動
作させ、全体として負荷の大小によらず、発熱量をほぼ
一定に保つようにし、大型の放熱器を用いなくても十分
な放熱処理ができ、装置全体の小型化を可能とし、静音
性も維持する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、例えば車両用電力変
換装置に用いられるようなインバータを制御するインバ
ータ制御装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、車両用電力変換装置に用いられる
ような半導体スイッチング素子によって電力変換を行な
うインバータでは、そのスイッチング素子のスイッチン
グ周波数として、装置の目的、半導体スイッチング素子
の特性、外形的な制約などに基づいて適切な周波数が選
ばれ、スイッチングゲート制御装置によって一定周波数
でスイッチング制御を行なうようにしている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】ところが、このような
従来のインバータ制御装置では、次のような問題点があ
った。

【０００４】一般に、半導体スイッチング素子によるス
イッチングは、その周波数が高くなるほど変換後の電力
特性が優れたものとなり、可聴範囲を超えた周波数では
人間が動作音を聞き取れないので、静粛な動作が得られ
る。また、変換後の電力出力を平滑するリアクトルやコ
ンデンサについても、高周波数スイッチングによって容
量を下げることができ、装置の小型化が可能となる。

【０００５】しかしながら、スイッチング周波数を上げ
ることによって、半導体スイッチング素子のスイッチン
グによる電気的損失により熱が発生しやすく、高周波数
スイッチングで大容量の電力変換を行なうためには、半
導体スイッチング素子を冷却するために大型の放熱器が
必要となってくるため、装置全体としては大型化が避け
られず、このことを考慮するならば、スイッチング周波
数を無制限に高くすることができないという制約があっ
た。

【０００６】そこで、半導体スイッチング素子のスイッ
チング周波数を上げて、インバータ装置の小型化、静音
性、高性能化を図るためには、スイッチングによる半導
体スイッチング素子の熱的損失の処理を考慮しなければ
ならない。この熱的損失の処理手段としては、放熱器に
より半導体スイッチング素子から発生する熱を放熱する
方式が一般的であり、構造的にも容易である。

【０００７】ところで、この放熱器は、容量にともない
大型化されるので、無制限に容量を大きくすることは装
置全体を大型化することになるため、限られた容量内で
有効に放熱することが望まれている。

【０００８】一方、負荷が軽い場合には、半導体スイッ
チング素子に流れる電流が少ないために、高周波数スイ
ッチングにおいても発熱は大きくならないが、負荷が大
きくなれば、電流も大きくなり、負荷による発熱と共に
スイッチングによる発熱によって放熱器への負担が大き
くなり、放熱器の容量を超えてしまいかねない。

【０００９】そのために、低周波数でスイッチングさせ
ることも考えられるが、低周波数でのスイッチングによ
る熱的損失は小さいが、可聴範囲内でのスイッチング動
作となるためにトランス、リアクトルなどの機器から発
生する騒音が大きくなり、静音性が保てなくなる。

【００１０】以上のことから、従来、インバータ装置の
小型化、静音性、高性能化を図るために、スイッチング
周波数から半導体スイッチング素子の発熱を考慮し、比
較的小形の放熱器を有効に利用しながら、高性能化を図
ることが課題となっていた。

【００１１】この発明は、このような従来の技術的課題
に鑑みてなされたもので、負荷の大きさに応じてスイッ
チング周波数を可変制御することにより、装置全体の小
型化と静音性、高性能化を可能とするインバータ制御装
置を提供することを目的とする。

【００１２】

【課題を解決するための手段】この発明は、半導体スイ
ッチング素子のスイッチングにより直流電力を交流電力
に変換して負荷に供給するインバータを制御するインバ
ータ制御装置において、このインバータに接続される負
荷の状態を検出する負荷状態検出手段と、この負荷状態
検出手段により検出された負荷状態が大きい場合には、
インバータのスイッチング周波数指令を低い値に可変設
定するスイッチング周波数制御手段と、このスイッチン
グ周波数制御手段が出力するスイッチング周波数指令に
応じた周波数のスイッチングゲート信号をインバータの
各スイッチング素子に与えるゲート信号発生手段とを備
えたものである。

【００１３】

【作用】この発明のインバータ制御装置では、負荷状態
検出手段によって負荷状態を検出し、負荷状態が大きい
場合には、スイッチング周波数指令を低い値に可変設定
し、逆に負荷状態が小さい場合には、スイッチング周波
数指令を可聴範囲を超えた高い値に可変設定し、これら
のスイッチング周波数指令に応じてインバータのスイッ
チング素子のスイッチング制御を行なう。

【００１４】こうして、負荷が大きい場合には、インバ
ータにおける熱的損失が小さくなるように低いスイッチ
ング周波数でスイッチング素子をスイッチングさせ、負
荷が小さくなれば、高いスイッチング周波数に切り替え
てスイッチング素子をスイッチングさせ、全体として負
荷の大小によらず、発熱量をほぼ一定に保つことによ
り、大型の放熱器を用いなくても十分な放熱処理がで
き、かつ静音性も維持できるようにする。

【００１５】

【実施例】以下、この発明の実施例を図に基づいて詳説
する。

【００１６】図１はこの発明の一実施例の回路ブロック
図を示している。この実施例のインバータ制御装置は、
ＰＷＭ変調方式による三相出力インバータに対して、負
荷状態に応じてスイッチング周波数の可変制御をなすも
のであり、架線直流電力に対するＰＷＭ変調方式によっ
て半導体スイッチング素子Ｇをスイッチング動作させる
インバータ１と、負荷状態を検出する手段として用いら
れるインバータ１の出力電流に対する電流検出器２と、
インバータ１の出力を平滑して正弦波に整形するフィル
タ３と、負荷４とを備えている。なお、この負荷４の消
費電力はひんぱんに変化するものである。

【００１７】この実施例のインバータ制御装置は、さら
に、半導体スイッチング素子Ｇのスイッチング制御を行
なうスイッチングゲート制御装置５に、電流検出器２の
検出信号から負荷電流を演算する出力電流演算部６と、
この出力電流演算部６の出力する電流値に対して、図２
に示す特性曲線に基づいて出力電流が大きい場合には小
さいスイッチング周波数を与え、出力電流が小さい場合
には大きいスイッチング周波数を与えるスイッチング周
波数制御部７と、このスイッチング周波数制御部７が出
力するスイッチング周波数指令に対応してスイッチング
ゲート信号を発生し、インバータ１の各半導体スイッチ
ング素子Ｇに与えてスイッチング動作を制御するゲート
信号発生回路８とを備えている。

【００１８】前述のスイッチング周波数制御部７は、負
荷４への出力電力が大きくなれば、負荷電流も大きくな
るので、その負荷電流の大きさに応じてスイッチング周
波数を可変制御するためのものであって、図２の特性曲
線に示すように、負荷電流（出力電流）が大きい重負荷
の場合には、スイッチング周波数を可聴周波数の低い周
波数を出力し、負荷電流が小さい軽負荷の場合には、ス
イッチング周波数を可聴周波数を超える高い周波数を出
力する特性を備えている。

【００１９】次に、上記構成のインバータ制御装置の動
作について説明する。

【００２０】インバータ１は、半導体スイッチング素子
Ｇのスイッチング動作によって直流電力を交流電力に変
換し、フィルタ３を通して平滑すると共に正弦波になる
ように整形して負荷４に供給する。

【００２１】そこで、電流検出器２は負荷状態を知るた
めに、インバータ１の出力電流を検出し、その検出信号
をスイッチングゲート制御装置５の出力電流演算部６に
入力する。出力電流演算部６では、入力される電流検出
信号から出力電流値を演算し、これをスイッチング周波
数制御部７に与える。

【００２２】スイッチング周波数制御部７では、出力電
流値の大きさによって負荷状態の軽重を判断し、図２に
示す特性曲線に基づき、重負荷時には可聴範囲に入るよ
うな低いスイッチング周波数指令を出力し、逆に軽負荷
時には可聴範囲を超える高いスイッチング周波数指令を
出力する。

【００２３】ゲート信号発生回路８では、このスイッチ
ング周波数制御部７からのスイッチング周波数指令を受
けて、その周波数に応じたゲート信号を生成し、インバ
ータ１の各半導体スイッチング素子Ｇにこのゲート信号
を出力し、各半導体スイッチング素子Ｇをスイッチング
周波数指令に対応する周期でスイッチングさせる。

【００２４】これにより、インバータ１は負荷状態の軽
重に対応して可変周波数制御され、重負荷の時には低い
スイッチング周波数でスイッチング動作し、軽負荷の時
には高いスイッチング周波数でスイッチング動作するこ
とになる。

【００２５】この結果、軽負荷時には可聴領域を超えた
高周波数スイッチングにより無音化を実現すると共に、
低歪率の出力波形を出力することができるようになる。
なお、高周波数スイッチングにより半導体スイッチング
素子のスイッチングロスは増加するが、軽負荷の場合に
は負荷電流が小さいために発熱量が少なく、放熱器への
負担が少ないため、放熱器を大型化する必要はない。

【００２６】逆に、重負荷時にはスイッチング周波数を
下げることによって半導体スイッチング素子のスイッチ
ングロスを低減させ、負荷電流による半導体スイッチン
グ素子の発熱に重畳しないようにして発熱量を抑えるこ
とができ、放熱器への負担を軽減することができる。な
お、スイッチング周波数を低周波数とすると、可聴領域
の騒音が発生するが、特に電気車両の場合には、重負荷
となるのはコンプレッサや空調機などの比較的大きな騒
音を出す機械的な負荷が多いために、インバータから出
る騒音はそれによって打ち消され、乗客に不快感を与え
る恐れは少ない。

【００２７】なお、この発明は上記の実施例に限定され
ることはなく、特にインバータの構成は他の種類のもの
であってもよく、また負荷状態の検出も電流検出に限ら
ない。さらに、スイッチング周波数制御部の特性曲線も
実施例のものに限定されることはなく、曲率を変えた
り、直線特性としてもよく、さらに、実験的に最適なも
のに決定するようにしてもよい。

【００２８】

【発明の効果】以上のようにこの発明によれば、負荷状
態が大きい場合には、スイッチング周波数指令を低い値
に可変設定し、逆に負荷状態が小さい場合には、スイッ
チング周波数指令を可聴範囲を超えた高い値に可変設定
し、これらのスイッチング周波数指令に応じてインバー
タのスイッチング素子のスイッチング制御を行なうよう
にしているので、負荷が大きい場合には、インバータに
おける熱的損失が小さくなるように低いスイッチング周
波数でスイッチング素子を動作させ、負荷が小さくなれ
ば、高いスイッチング周波数に切り替えてスイッチング
素子を動作させ、全体として負荷の大小によらず、発熱
量をほぼ一定に保つことができ、この結果、大型の放熱
器を用いなくても十分な放熱処理ができ、装置全体の小
型化が可能であり、静音性も維持できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の一実施例の回路ブロック図。

【図２】上記実施例におけるスイッチング周波数制御部
の備えているスイッチング周波数指令−出力電流特性を
示すグラフ。

【符号の説明】

１ インバータ ２ 電流検出器 ３ フィルタ ４ 負荷 ５ スイッチングゲート制御装置 ６ 出力電流演算部 ７ スイッチング周波数制御部 ８ ゲート信号発生回路

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 氏家 昭彦 東京都府中市東芝町１番地 株式会社東芝 府中工場内

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 半導体スイッチング素子のスイッチング
   により直流電力を交流電力に変換して負荷に供給するイ
   ンバータを制御するインバータ制御装置において、 前記インバータに接続される負荷の状態を検出する負荷
   状態検出手段と、 前記負荷状態検出手段により検出された負荷状態が大き
   い場合には、前記インバータのスイッチング周波数指令
   を低い値に可変設定するスイッチング周波数制御手段
   と、 前記スイッチング周波数制御手段が出力するスイッチン
   グ周波数指令に応じた周波数のスイッチングゲート信号
   を前記インバータの各スイッチング素子に与えるゲート
   信号発生手段とを備えて成ることを特徴とするインバー
   タ制御装置。