JP2001008492A - 故障保護回路を備えたモータコントローラ - Google Patents

故障保護回路を備えたモータコントローラ

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Abstract

(57)【要約】 【課題】 故障状態の発生時にモータ制御回路のスイッ
チングデバイスのソフトシャットダウンを実施し、付加
的なスイッチング動作およびミラー効果に起因する問題
を防ぐ。 【解決手段】 モータコントローラ用の故障保護回路
は、ソフトシャットダウン回路と短絡保護回路とを備え
る。モータコントローラインバータの全６個のスイッチ
ングデバイスのソフトシャットダウンが故障状態におい
て生じる。したがってさらにスイッチング動作を生じる
ことなく、さらなるスイッチング動作およびそれに関連
するミラー効果に起因する故障によりターンオンする問
題を避けられる。短絡保護回路は、ゲートドライバＩＣ
のＤＥＳＡＴ（脱飽和）回路を用いて、ＩＧＢＴ３６の
ＶCEを検知する。短絡の発生時に、ＩＧＢＴは、低オン
状態電圧から引き上げられ、出力特性が引き上げられ
る。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、故障保護回路を備
えたモータコントローラに関し、より詳細にはモータコ
ントローラの過電流状態（例えば短絡）に応答するソフ
トシャットダウン回路、およびモータコントローラ用の
脱飽和(ＤＥＳＡＴ：desaturation)短絡保護回路を備え
たモータコントローラに関する。
【０００２】
【従来の技術】図１を参照すると、従来技術のパルス幅
変調型モータコントローラインバータ回路２が示され
る。モータコントローラ回路２は、６個のＩＧＢＴまた
はＦＥＴスイッチングデバイス４，６，８，１０，１２
および１４を備える３相モータコントローラブリッジで
ある。スイッチングデバイスは、制御ブロック１６に含
まれるゲートドライブ回路により生成される適当なパル
ス幅変調（ＰＷＭ）波形により切り替えられる。各スイ
ッチ対（Ｕ：４および６、Ｖ：８および１０、Ｗ：１２
および１４）はそれぞれ高位側(high side)スイッチ
（４、８、１２）と低位側(low side)スイッチ（６、１
０、１４）とを備える。これらスイッチは、典型的に
は、高位側スイッチがオンする場合に、低位側スイッチ
がオフするように、またその逆も成り立つように制御さ
れる。
【０００３】インバータ回路２のための典型的な波形
が、図２の状態図に示される。Ｕ，Ｖ，Ｗ信号のハイ状
態は、対応する脚回路（レッグ）内で高位側スイッチが
オンし、低位側スイッチがオフすることを示し、各レッ
グ信号のロー状態は、対応するレッグの高位側スイッチ
がオフし、そのレッグの低位側スイッチがオンすること
を表している。
【０００４】図３は、図２においてＯＣを付した過電流
の状態の瞬間における、スイッチ４，６，８，１０，１
２および１４の状態を示す従来のインバータ回路２であ
る。一般的に従来の回路では、過電流状態が検出される
場合、閉じたあるいは導通したスイッチングデバイス
（４，１０および１４）のみが緩やかにターンオフし
て、弱いプルダウン状態になり、一方、他のスイッチ
（６，８および１２）はアクティブ状態のままであり、
到来するＰＷＭゲート入力信号に従う。
【０００５】したがって、Ｖ相の回路が、図２に示され
るＯＣ状態の後にローからハイに遷移する場合、スイッ
チ８と１０の間の点の電位は、スイッチ８がターンオン
する結果、ＤＣＢＵＳ（−）からＤＣＢＵＳ（＋）まで
高速に遷移することになる。このスイッチ８の高速切り
替えにより、スイッチ１０がターンオン状態に誘導さ
れ、スイッチ１０ゲート上に位置するソフトシャットダ
ウン高インピーダンスと組み合わされたミラー容量に起
因して新たなシュートスルー短絡状態(shoot-through s
hort circuit condition)が作り出される。
【０００６】図１に示されるような、典型的なモータコ
ントローラインバータ回路に関する別の問題は、絶縁破
壊の結果、地絡(earth-fault)が生じるようになること
である。これによりシャーシと接触して短絡が発生す
る。地絡状態では、負のＤＣバスレール内に短絡電流が
流れない。したがって、高位側スイッチのみが地絡に対
する保護を必要とする。
【０００７】図４には、地絡短絡の従来技術による等価
回路１７が示されている。地絡時には、電流の上昇速度
は、電圧源１８とパワートランジスタ１９との間の電流
パスのインダクタンスＬに依存する。しかしながら、電
流パスのインダクタンスＬは、実際の絶縁破壊の位置に
よるため、回路設計者が予測することはできない。
【０００８】図５を参照すると、地絡検知に対する従来
のアプローチは、正のＤＣバスレール上に配置された検
知抵抗２０を用いることである。光結合素子２２が、高
位側／低位側を分離し、故障情報を低位側に転送する。
正のＤＣバスレール電流が、故障検出回路のトリップレ
ベル(trip level)を超える場合、インバータが停止す
る。このトリップレベルは、故障状態の発生を正確に規
定するレベルに設定されなければならない。この実現は
比較的簡単に行える。
【０００９】図５に示した従来の地絡検出機構がもつ１
つの問題は、大きなインダクタンスが電流の上昇速度を
遅くし、その後トリップレベルまで高めるのに時間がか
かりすぎることである。図６を参照されたい。その結
果、高電流がＩＧＢＴトランジスタスイッチ内を流れ、
過剰に電力を浪費し、シリコンの限界値より高く温度が
上昇するようになる。したがって、ＩＧＢＴは、故障検
出を行う前に、損傷を受けるようになる。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】よって本発明の目的
は、上述の点に鑑み、故障状態の発生時にモータ制御回
路におけるスイッチングデバイスのソフトシャットダウ
ンを実施し、付加的なスイッチング動作およびミラー効
果に起因する誤動作を防止するようにした、故障保護回
路を備えたモータコントローラを提供することにある。
【００１１】
【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
めに、請求項１に係る本発明は、ゲート駆動信号として
パルス幅変調波形を生成するゲートドライバ回路により
切り替えられるパワートランジスタスイッチングデバイ
スと、前記モータコントローラの過電流状態に応答し
て、高インピーダンスの抵抗を前記パワートランジスタ
スイッチングデバイスの前記ゲート駆動信号のパスに切
り替えるソフトシャットダウン回路とを具備したモータ
コントローラである。
【００１２】請求項２に係る本発明は、さらに加えて、
前記パワートランジスタスイッチングデバイスのＶCEを
検知し、かつ短絡状態に応答して前記ゲートドライバ回
路のＤＥＳＡＴ回路を用いて故障信号を伝送するための
回路を備えたものである。
【００１３】より具体的には、本発明は、以下の構成を
有する。
【００１４】本発明を適用した回路は、故障状態の発生
時にモータコントローラ回路の全６個のスイッチングデ
バイスのソフトシャットダウンを実施し、全スイッチン
グ動作を終了することにより、上記のような従来技術が
もつ問題点を解決する。したがって、付加的なスイッチ
ング動作および関連するミラー効果に起因して誤動作に
よりオンする問題が生じる危険性はない。さらに本発明
は、ゲートドライバＩＣ内のＤＥＳＡＴ回路を用いて、
パワートランジスタスイッチングデバイスのＶ CEを検知
する短絡保護用回路を提供する。短絡の発生時に、パワ
ートランジスタスイッチは、その低オン状態電圧から引
き上げられ（プルアウトされ）、出力特性が引き上げら
れる。ＤＥＳＡＴ機能は各高位側ＩＧＢＴに与えられ
る。しかしながら、それはＩＧＢＴがオンしている場合
にのみ可能である。
【００１５】本発明の他の特徴および利点は、添付の図
面を参照しつつ、以下の発明に関する説明から明らかに
なるであろう。
【００１６】
【発明の実施の形態】図７は、本発明によるゲートドラ
イバ出力回路３０を示すブロック図。この回路３０は、
ＩＧＢＴスイッチ３６に接続されるドライブ回路ブロッ
ク３２を備える。ドライブ回路ブロック３２は、ゲート
ドライバＩＣにより生成されて前置ドライバ(pre-drive
r)４１により給送される信号にしたがって、高位側ドラ
イバプルアップ出力３８および低位側ドライバプルアッ
プ出力４０にパルス幅変調波形のスイッチングを与え
る。
【００１７】例えば、“Ｕ”相と“Ｖ”相（図１および
図２）の間の線間短絡状態のような過電流状態が発生す
る場合、最初に検出信号がＤＥＳＡＴ故障（DESAT faul
t：ＤＥＳＡＴ障害とも言う)論理回路４２に転送され
る。過電流検出は、スイッチ３６端子間の飽和電圧、も
しくは検知抵抗４４端子間の電圧、またはその両方によ
り行うことができる。ひとたび故障論理回路が過電流状
態を認識すれば、スイッチ３６に対する“ソフト”シャ
ットダウン動作が開始されることになる。
【００１８】このスイッチは、ゲートドライブ回路に接
続されている高インピーダンス直列抵抗４８により、ゆ
っくりターンオフされる。ゆっくり遷移してターンオフ
した後、各スイッチングデバイスのゲート入力が弱くプ
ルダウンされ、故障リセット信号が故障論理回路に加わ
るまで、この状態が保持される。したがって、図２にお
いて破線で示したように、活性化した保留状態の(activ
ated and pending)ＰＷＭ信号入力が生じたとしても、
シャットダウンモードにおいて付加的なスイッチング動
作(additional switching action)が生じることはな
い。その結果として、付加的なスイッチング動作および
それに関連するミラー効果に起因してターンオンする問
題が生じる危険性はない。したがって短絡が発生する場
合、ＩＧＢＴ３６は低オン状態電圧から引き上げられ
（プルアウトされ）、出力特性が引き上げられる。２μ
秒のブランキング期間(blanking time)５０（図７）に
より、ＩＧＢＴは完全にターンオンすることができる。
ＤＥＳＡＴ機能は各高位側ＩＧＢＴに与えられる。しか
しながら、それはＩＧＢＴがオンしている場合にのみ可
能である。
【００１９】検知抵抗４４がオプションとしてゲートド
ライバＩＣの外部回路に備えられる。この抵抗４４は、
検知抵抗４４を用いない回路に比べて、以下の２つの利
点を提供する。
【００２０】１．高速シャットオフ（停止）できる。特
に、電流の上昇が比較的遅い場合、有効である。
【００２１】２．ＤＥＳＡＴピン電圧は、ＩＧＢＴ飽和
電圧のみならず、短絡電流情報も含んでいる。短絡電流
の量は、ＶCE（ＳＡＴ）電圧に加えて、検知抵抗４４の
値およびＤＥＳＡＴピンに対する抵抗分割回路網により
確定することができる。
【００２２】回路の検出レベルは、ＩＧＢＴが飽和状態
から引き上げられる場合のＩＧＢＴの最大ＶCE（ＯＮ）
より高く設定されなければならない。
【００２３】図８は、インターナショナル・レクティフ
ァイア社(International Rectifier: El Segundo、Calif
ornia)により製造されたＩＲ２１３７ ３相ブリッジド
ライバＩＣによる実施態様のような、図７のドライバ出
力回路を利用したゲートドライバ集積回路４６を示す。
【００２４】本発明の実施の形態では、通常、抵抗４４
の端子間電圧ＶＲSENSEは１．０Ｖであり、ＶCE（ＳＡ
Ｔ）は１．８Ｖである。もし接地事故（完全短絡）が生
じた場合、ＶＲSENSEは３．０Ｖ、ＶCE（ＳＡＴ）は
５．０Ｖになる。ＤＥＳＡＴピンに８．０Ｖの電圧がか
かると、ゲートシャットダウン回路がトリップ（作動）
し、ゲート駆動をターンオフすることができる。ソフト
シャットダウンが上記のように開始され、ゲート駆動回
路により制御される各パワートランジスタに対してゲー
ト駆動回路に高インピーダンス抵抗３６を挿入すること
が好ましい。図８に示されるようなパワートランジスタ
対の構成では、ソフトシャットダウン信号により、ゲー
ト駆動回路が、高インピーダンス抵抗５２を高位側スイ
ッチ５４のゲートに、また高インピーダンス抵抗５６を
低位側スイッチ５８のゲートにそれぞれ挿入できる。
【００２５】本発明は特定の実施形態に関して記載され
てきたが、多くの他の変形例および変更例並びに他の使
用例は、当業者には明らかになろう。
【図面の簡単な説明】
【図１】典型的な従来のパルス幅変調型３相交流モータ
コントローラインバータ回路を示す図である。
【図２】モータコントローラ回路の波形図である。
【図３】図２において「ＯＣ」として示されている過電
流状態の瞬間における、図１の回路のスイッチの状態を
示す図である。
【図４】図１に示したモータコントローラが地絡短絡し
たときの等価回路図である。
【図５】高位側バス上の検知抵抗および光結合素子を用
いる従来の地絡検出アプローチを示す模式図である。
【図６】電流上昇の速度を不利に遅くする短絡パスの高
インダクタンスの影響を示すグラフである。
【図７】本発明によるドライバ出力回路のブロック図で
ある。
【図８】本発明の脱飽和短絡回路保護アプローチを示す
回路図である。
【符号の説明】
２ パルス幅変調型モータコントローラインバータ回路 ４，６，８，１０，２，１４ ＩＧＢＴあるいはＦＥＴ
スイッチングデバイス １６ ゲート駆動および故障論理回路 １７ 等価回路 １８ 電圧源 １９ パワートランジスタ ２０ 検知抵抗 ２２ 光結合素子 ３０ ゲートドライバ出力回路 ３２ ドライブ回路ブロック ３６ ＩＧＢＴスイッチ ３８ 高位側ドライバプルアップ出力 ４０ 低位側ドライバプルアップ出力 ４１ 前置ドライバ ４４ 検知抵抗 ４６ ゲートドライバ集積回路 ４８ 高インピーダンス直列抵抗 ５２ 高インピーダンス抵抗 ５４ 高位側スイッチ ５６ 高インピーダンス抵抗 ５８ 低位側スイッチ
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.7 識別記号 ＦＩ テーマコート゛(参考） Ｈ０２Ｐ 7/63 ３０２ Ｈ０２Ｐ 7/63 ３０２Ｓ

Claims (2)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 ゲート駆動信号としてパルス幅変調波形
    を生成するゲートドライバ回路により切り替えられるパ
    ワートランジスタスイッチングデバイスと、 前記モータコントローラの過電流状態に応答して、高イ
    ンピーダンスの抵抗を前記パワートランジスタスイッチ
    ングデバイスの前記ゲート駆動信号のパスに切り替える
    ソフトシャットダウン回路とを具備したことを特徴とす
    るモータコントローラ。
  2. 【請求項２】 請求項１に記載のモータコントローラに
    おいて、さらに加えて、 前記パワートランジスタスイッチングデバイスのＶCEを
    検知し、かつ短絡状態に応答して前記ゲートドライバ回
    路のＤＥＳＡＴ回路を用いて故障信号を伝送するための
    回路を備えたことを特徴とするモータコントローラ。
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