JP2004173347A - Ｐｗｍインバータの過負荷検出方法 - Google Patents

Abstract

【課題】ＰＷＭインバータの直流電源部電圧値やスイッチング周波数は、用途によっては動作中に大きく変化するものであり、スイッチングロスが出力電流の絶対値・入力直流電圧・スイッチング周波数にそれぞれ比例するため、入力電圧・スイッチング周波数が変化したら高精度な過負荷検出を行うことができず、過負荷検出が早すぎて過保護になったり、遅すぎてスイッチング素子を壊す等のおそれがある。
【解決手段】出力電流の２乗にある係数をかけた値と、出力電流の絶対値に入力電圧とスイッチング周波数ともう１つのある係数をかけた値との和を求め、その和をＰＷＭインバータのインバータ部半導体スイッチングロスの近似値として使用する。
【選択図】 図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
ＰＷＭ制御を使用した、インバータドライブ・サーボモータドライブなどのＰＷＭインバータの過負荷検出方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
図２はＰＷＭインバータの回路構成図である。直流電源に上下に直列につながるスイッチング素子（図２ではトランジスタとダイオードのペア）の間からモータにつながりこの電圧を制御してモータ制御を行う。この例では三相モータのためスイッチング素子のアームが３つであるがこれはモータや回路の構成で１つ以上いくつでも構成可能である。また通常、インバータドライブやサーボモータドライブ用途でのＰＷＭインバータは、交流電源を整流して直流にする回路が付属するが図２では省略している。
従来、このインバータ部の過負荷検出を直接温度検出せずに計算で行おうとする場合、まずモータの過負荷検出と同じようにロスが出力電流の２乗に比例するとしてロスの近似値を計算する。そしてロスの近似値をローパスフィルタの入力とし、ローパスフィルタの出力値が過負荷検出値を超えたら過負荷とする、またはロスの近似値からある定数を引いた値を求め、その値を積算し、積算値がマイナスになったら０とし、積算値が過負荷検出値を超えたら過負荷とするなどしていた。
あるいはまた、出力電流と、ＰＷＭインバータの冷却フィンに装着した温度検出器とにより、半導体スイッチング素子のジャンクション温度を推定し、その保護動作を行うものもあった（例えば、特許文献１参照。）。
【０００３】
【特許文献１】
特開平０５−６８３３１号公報
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、ＰＷＭインバータの直流電源部電圧値やスイッチング周波数は、用途によっては動作中に大きく変化するものであり、インバータ部のＤＣロスは出力電流の２乗に比例で近似できるが、スイッチングロスは出力電流の絶対値・入力電圧（いいかえれば直流電圧）・スイッチング周波数にそれぞれ比例するため、正確な検出ができず、入力電圧・スイッチング周波数が変化したら過負荷検出が早すぎて過保護になったり、遅すぎてスイッチング素子を壊す等のおそれがあった。
そこで、本発明はこのような課題を解決し、ＰＷＭインバータの過負荷状態を高精度に検出し、正確な過負荷検出保護動作の可能なＰＷＭインバータの提供を行うことを目的とするものである。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明では、出力電流の２乗にある係数をかけた値と、出力電流の絶対値に入力電圧とスイッチング周波数ともう１つのある係数をかけた値との和を求め、その和をＰＷＭインバータのインバータ部半導体スイッチングロスの近似値として使用する。このためロスの計算の精度がよく、また入力電圧・スイッチング周波数が変化しても過負荷検出を精度よくできる。
【０００６】
【発明の実施形態】
図２のＵ相のアームの過負荷検出の例で説明する。出力電流をｉｕ，ＤＣロス計算のための係数（スイッチング素子のオン抵抗）をＲｏｎ，入力電圧をＶｐｎ，スイッチング周波数をｆｓｗ，スイッチングロス計算のための係数をＫ，とする。
Ｋはスイッチング素子の特性であるスイッチング時の電圧・電流波形等により決定する。
このときロスの近似値は、
（ｉｕ）^２×Ｒｏｎ＋｜ｉｕ｜×Ｖｐｎ×ｆｓｗ×Ｋ
で計算する。
この計算したロス近似値を表したのが図１の（ａ）である。この近似計算値を使用すれば、電源部直流電圧等が大きく変動した場合でも、インバータ部トランジスタの過負荷検出を精度良く行うことが可能となる。
また前記検出値が予め設定した所定値を超えれば、過負荷検出を行う方式を採ることも可能となる。これによって、簡易な保護検出が可能となる。
またロスの近似値を、ローパスフィルタとしての例えば１次フィルタへの入力とし、図１（ｂ）に示す１次フィルタの出力値により、インバータ部トランジスタの過負荷検出を行う方式を採ることで、熱時定数等を模擬した検出を行うことも可能になる。
さらにはフィルタの出力値が、予め設定した所定値を越えた場合に過負荷とする方式を採る事も前記同様に可能である。
本発明の第２の実施例では、ロスの近似値からある定数を引いた値を求め、その値を積算し、積算値がマイナスになったら０とし、積算値が予め設定した過負荷検出値を超えたら過負荷とする。このような方式とすることで、変動する過負荷状態においてさえも、簡易かつ確実な検出を行うことが可能となる。この積算値を示したのが図１（ｃ）である。ある定数は、許容連続ロス値から過渡的なマージンを引いて決定している。
積算値には、図１（ｂ）に示すロス近似値のフィルタ値からある定数を引いた値を求め、その値を積算したものを用いることも可能である。
ところで、３相モータ用のＰＷＭインバータなどでは、出力電流は１２０度ずつ位相のずれた正弦波になる。例えば ｉｕ＝ｉ×ｓｉｎ（Θ） などとなる。Θは位相である。このときある程度の速度以上で位相が回れば、平均的にはどの相も同じロスになり、このとき出力電流の２乗の平均値を１／２×ｉ^２，出力電流の平均値を（２／π）×ｉとしてロスの近似値を計算すれば、各相ごとに計算しなくてよく、計算量を減らすことができる。
【０００７】
【発明の効果】
本発明により、入力電圧やスイッチング周波数が変化したときでも常に、ＰＷＭインバータの過負荷状態を高精度で検出できるので、半導体スイッチング素子を耐量ぎりぎりで使用することが可能となり、ＰＷＭインバータの小形、低価格化にも貢献でき、半導体スイッチング素子を破壊する恐れなく安全確実に過負荷検出による保護動作を行うことができるという効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の過負荷検出方法における過負荷の検出例を示したものである。
【図２】本発明を実施するＰＷＭインバータの回路構成図を示したものである。
【符号の説明】
１〜６ トランジスタ
７〜１２ ダイオード
１３ ３相モータ
１４ インバータ部

Claims (6)

1. 直流電源の正負両端子間に直列接続された半導体スイッチング素子を所定のスイッチング周波数でオン、オフ制御し、任意電圧を出力して電動機を駆動するＰＷＭインバータにおいて、
   前記電動機への出力電流値を検出し、
   前記直流電源の電源電圧値を検出し、
   前記出力電流値を２乗し、
   前記２乗値に第１の所定値を乗じて、これをＤＣ損失とし、
   前記出力電流値の絶対値と前記スイッチング周波数と前記電源電圧値との積に第２の所定値を乗じて、これをＳＷ損失とし、
   前記ＤＣ損失と前記ＳＷ損失とを加算して、これを合計損失とし、
   前記合計損失により、前記半導体スイッチング素子の過負荷検出を行うことを特徴とするＰＷＭインバータの過負荷検出方法。
2. 前記合計損失が第３の所定値を越えると、前記半導体スイッチング素子の過負荷とすることを特徴とする請求項１記載のＰＷＭインバータの過負荷検出方法。
3. 前記合計損失をローパスフィルタに通し、
   前記ローパスフィルタ通過後の値により、前記半導体スイッチング素子の過負荷検出を行うことを特徴とする請求項１記載のＰＷＭインバータの過負荷検出方法。
4. 前記ローパスフィルタ通過後の値が第４の所定値を越えると、前記半導体スイッチング素子の過負荷とすることを特徴とする請求項３記載のＰＷＭインバータの過負荷検出方法。
5. 前記合計損失から第５の所定値を減算し、
   前記減算により得た値を積算し、
   前記積算値がマイナスになると、前記積算値を零にし、
   前記積算値が第６の所定値を越えると、前記半導体スイッチング素子の過負荷とすることを特徴とする請求項１記載のＰＷＭインバータの過負荷検出方法。
6. 前記ローパスフィルタ通過後の値から前記第７の所定値を減算し、
   前記減算により得た値を積算し、
   前記積算値がマイナスになると、前記積算値を零にし、
   前記積算値が前記第８の所定値を越えると、前記半導体スイッチング素子の過負荷とすることを特徴とする請求項３記載のＰＷＭインバータの過負荷検出方法。

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