JP2005160177A

JP2005160177A - インバータ装置

Info

Publication number: JP2005160177A
Application number: JP2003393327A
Authority: JP
Inventors: Jun Fumiya; 潤文屋; Koichi Kinoshita; 広一木下
Original assignee: Mitsubishi Electric Home Appliance Co Ltd; Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Home Appliance Co Ltd; Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2003-11-25
Filing date: 2003-11-25
Publication date: 2005-06-16
Anticipated expiration: 2023-11-25
Also published as: JP4153408B2

Abstract

【課題】インバータ装置におけるスイッチング素子を駆動する駆動装置の故障を防止することを目的とする。
【解決手段】互いに直列に接続され、かつ、逆並列にそれぞれダイオードを接続した第１及び第２のスイッチング素子と、前記第１及び第２のスイッチング素子を交互にオンオフ駆動する駆動装置と、前記第１及び第２のスイッチング素子の中点に接続される負荷回路と、前記第２のスイッチング素子と並列に接続されるコンデンサとを備えたインバータ装置であって、前記第２のスイッチング素子と並列に、該第２のスイッチング素子側の前記ダイオードよりも順方向導通時間が速く、かつ順方向電圧が小さいダイオードと正特性のサーミスタからなる直列回路を接続したものである。
【選択図】図１

Description

この発明は、ハーフブリッジ構成のインバータ装置に関するものである。

図３は従来のインバータ装置を示す図である。
図において、駆動装置１の電源電圧端子（Ｖｃｃ）とブートストラップ端子（ＶＢ）間には、ブートストラップダイオード２が、ブートストラップ端子（ＶＢ）と中点端子（ＶＳ）間にはブートストラップコンデンサ３が設けられ、逆並列にダイオード４ｂが接続された第１のスイッチング素子４ａの駆動電源を生成している。前記第１のスイッチング素子４ａと直列接続され、逆並列にダイオード５ｂが接続された第２のスイッチング素子５ａとの中点と、前記駆動装置１の中点端子（ＶＳ）との間に抵抗６が設けられ、前記駆動装置１の（ＨＯ）及び（ＬＯ）端子と前記第１、第２スイッチング素子４ａ、５ａのゲート間には、夫々ゲート抵抗７ａ、７ｂが設けられている。また、前記第２のスイッチング素子５ｂと並列にコンデンサ１１及び負荷回路１０が接続され、前記第１、第２のスイッチング素子４ａ、５ａの駆動により交流電流が供給される（例えば、非特許文献１参照）。

上記構成によるインバータ装置の動作について、前記図３及び図４の動作説明図を用いて説明する。
駆動装置１により、図４（ａ）、（ｂ）に示すように前記第１のスイッチング素子４ａと第２のスイッチング素子５ａにオン／オフ駆動信号を出力し交互にスイッチング動作させる際、同時オン状態を回避する目的で、第１と第２のスイッチング素子４ａ、５ａに同時にオフ信号を供給する期間（デッドタイム）を設ける。図３の回路構成においては、デッドタイム中に負荷回路１０から前記第２のスイッチング素子５ａの前記ダイオード５ｂを介して負荷電流が流れる。負荷電流がダイオード５ｂを流れると、第１、第２スイッチング素子４ａ、５ａの中点の電位は、ダイオード５ｂの順方向電圧Ｖ_Ｆと、配線のインダクタンスＬによる逆電圧Ｌ×ｄｉ／ｄｔの発生により−(Ｖ_Ｆ＋Ｌ×ｄｉ／ｄｔ)の電位となる。

しかしながら、前記ダイオード５ｂの順方向導通時間（順方向電圧Ｖ_Ｆとなってから導通するまでの時間）が遅い場合、該ダイオード５ｂが導通するまでの間はコンデンサ１１に負荷電流が流れ、この間は図４の１５に示すように、第１、第２スイッチング素子４ａ、５ａの中点の電位が大きな負電位（アンダーシュート）となる。そして、前記駆動装置１の電圧ＶＢＳ（＝ＶＢ−ＶＳ）に対し、前記大きな負電位（アンダーシュート）が−ＶＢＳ以下となると、駆動装置１の接地端子（ＧＮＤ）とブートストラップ端子（ＶＢ）間に存在する図３の点線にて示す寄生ダイオードに順方向バイアスが印加され、駆動装置１が故障してしまう。

したがって、第１、第２のスイッチング素子４ａ、５ａの中点と駆動装置１の中点端子（ＶＳ）との間に抵抗６を設けると、等価的にゲート抵抗７ａの値を大きくすることとなり、ｄｉ／ｄｔが小さくなることから前記アンダーシュートは抑制され(Ｌ×ｄｉ／ｄｔによる振動が小さくなる)、また、前記中点端子（ＶＳ）へ流れ込む電流が制限されるため駆動装置１の故障を防止することが可能となる。

Chris Chey、John Parry著「制御ＩＣによって駆動されるパワー段の過渡時の注意点」International Rectifier社DESIGN TIPS（DT97-3J）

しかしながら、前記第１、第２のスイッチング素子４ａ、５ａの中点と駆動装置１の中点端子（ＶＳ）との間に抵抗６を設けると、前記第２のスイッチング素子５ａがオンした時に、ブートストラップダイオード２を介してブートストラップコンデンサ３を充電する経路に抵抗６が挿入されることになるため、該ブートストラップコンデンサ３の充電時間が長くなり、前記第１のスイッチング素子４ａの駆動電源となる前記ブートストラップコンデンサ３の両端電圧が低下することになる。また、抵抗６はゲート抵抗７ａと直列に挿入されることと等価となり、第１のスイッチング素子４ａのスイッチング特性に影響を及ぼすという問題点があった。

この発明は上記のような問題点に鑑みてなされたもので、第１のスイッチング素子の駆動電源となるブートストラップコンデンサ３の両端電圧を低下させることなく、また、第１のスイッチング素子４ａのスイッチング特性に影響を及ぼすことなく駆動装置１の故障を防止することのできるインバータ装置を得ることを目的とする。

この発明は、互いに直列に接続され、かつ、逆並列にそれぞれダイオードを接続した第１及び第２のスイッチング素子と、前記第１及び第２のスイッチング素子を交互にオンオフ駆動する駆動装置と、前記第１及び第２のスイッチング素子の中点に接続される負荷回路と、前記第２のスイッチング素子と並列に接続されるコンデンサとを備えたインバータ装置であって、前記第２のスイッチング素子と並列に、該第２のスイッチング素子側の前記ダイオードよりも順方向導通時間が速く、かつ順方向電圧が小さいダイオードと正特性のサーミスタからなる直列回路を接続したことを特徴とするものである。

この発明のインバータ装置は、互いに直列に接続され、かつ、逆並列にそれぞれダイオードを接続した第１及び第２のスイッチング素子と、前記第１及び第２のスイッチング素子を交互にオンオフ駆動する駆動装置と、前記第１及び第２のスイッチング素子の中点に接続される負荷回路と、前記第２のスイッチング素子と並列に接続されるコンデンサとを備えたインバータ装置であって、前記第２のスイッチング素子と並列に、該第２のスイッチング素子側の前記ダイオードよりも順方向導通時間が速く、かつ順方向電圧が小さいダイオードと正特性のサーミスタからなる直列回路を接続したので、駆動装置の中点端子（ＶＳ）に大きな負電位（アンダーシュート）が印加される前に、該アンダーシュートを回避することが可能となり、第１のスイッチング素子の駆動電源となるブートストラップコンデンサの両端電圧を低下させることなく、また第１のスイッチング素子のスイッチング特性に影響を及ぼさずに駆動装置の故障を防止することができる。

実施の形態１．
図１はこの発明の実施の形態１におけるインバータ装置の回路構成図を示すものである。尚、図１において、上記従来技術の図３と同一または相当部分には同一符号を付し説明を省略する。
前記図１の回路構成において、上記従来技術の図３と異なる点は、前記第１、第２のスイッチング素子４ａ、５ａの中点と、前記駆動装置１の中点端子（ＶＳ）との間に設けられた抵抗６をなくし、前記第２のスイッチング素子５ａと並列に、該第２のスイッチング素子５ａに逆並列に接続されたダイオード５ｂの順方向導通時間よりも速く、かつ順方向電圧の小さいダイオード８と、発熱による温度上昇により抵抗値が増加する例えば正特性をもつサーミスタの抵抗９との直列回路を設けた点である。

上記のように構成された本実施の形態のインバータ装置の動作について説明する。
前記第２のスイッチング素子５ａが前記駆動装置１によりオンした時、前記ブートストラップダイオード２を介してブートストラップコンデンサ３が充電され、前記第１のスイッチング素子４ａの駆動電源を生成する。これにより前記第１のスイッチング素子４ａが駆動可能となり、第１、第２のスイッチング素子４ａ、５ａは交互に駆動を始める。尚、第２のスイッチング素子５ａに並列に設けられた前記コンデンサ１１は、該第２のスイッチング素子５ａがオフした時のスイッチング損失やノイズを低減するためのスナバコンデンサとして動作する。

前記第１のスイッチング素子４ａがオフしてから前記第２のスイッチング素子５ａがオンするまでの期間（デッドタイム）において、前記負荷回路１０からの負荷電流は、最初瞬間的に前記コンデンサ１１に流れるが、直ぐに第２のスイッチング素子５ａに逆並列に接続されたダイオード５ｂより順方向導通時間が速く、かつ順方向電圧の小さい前記ダイオード８と抵抗９との直列回路に流れる。この負荷電流が流れることで前記抵抗９が自己発熱し、この発熱による温度上昇により抵抗値が増加し抵抗９の両端電圧が上昇する。そして、前記ダイオード８の順方向電圧と抵抗９の両端電圧の合計、すなわち、ダイオード８と抵抗９との直列回路の両端電圧が、前記第２のスイッチング素子５ａに逆並列に接続されたダイオード５ｂの順方向電圧以上になると、ダイオード８と抵抗９の直列回路に負荷電流は流れなくなる。そして、負荷電流は、この時点で順方向導通を開始している前記第２のスイッチング素子側の前記ダイオード５ｂに流れるようになる。

このように、負荷電流を第２のスイッチング素子５ａに逆並列に接続されたダイオード５ｂより順方向導通時間が速く、かつ順方向電圧の小さいダイオード８と抵抗９の直列回路に流し、次いで第２のスイッチング素子５ａの前記ダイオード５ｂに流すようにした相乗作用により、従来のようなダイオード５ｂが導通するまでの間コンデンサ１１に負荷電流が流れ、第１、第２のスイッチング素子４ａ、５ａの中点の電位が、図４の１５に示す大きな負電位（アンダーシュート）（前述の−ＶＢＳ以下の電位）となることはない。

以上のように、第２のスイッチング素子５ａに逆並列に接続されたダイオード５ｂよりも順方向導通時間が速く、かつ順方向電圧の小さいダイオード８と正特性サーミスタの抵抗９の直列回路を前記第２のスイッチング素子５ａと並列に接続するようにしたので、従来のようなダイオード５ｂの順方向導通時間が遅い場合、ダイオード５ｂが導通するまでの間コンデンサ１１に負荷電流が流れ、第１、第２スイッチング素子４ａ、５ａの中点の電位が、図４の１５に示すような大きな負電位（アンダーシュート）になることがなくなり、したがって、第１のスイッチング素子４ａの駆動電源となるブートストラップコンデンサ３の両端電圧を低下させることなく、また、第１のスイッチング素子４ａのスイッチング特性に影響を及ぼさずに駆動装置１の故障を防止することができる。

また、抵抗９により前記ダイオード８に負荷電流が流れ続けることがないため、定格が小さく安価なダイオードの使用で確実に駆動装置１の故障防止を実現することができる。

実施の形態２．
上記実施の形態１では、第２のスイッチング素子に並列に、該第２のスイッチング素子に逆並列に接続されたダイオードよりも順方向導通時間が速く、かつ順方向電圧の小さいダイオードと正特性サーミスタの抵抗との直列回路を接続するようにしたものであるが、本実施の形態では、前記第２のスイッチング素子に並列に、該第２のスイッチング素子に逆並列に接続されたダイオードよりも順方向導通時間が速く、かつ順方向電圧の小さいダイオードとコンデンサとの直列回路を接続するようにしたものである。
図２に本実施の形態におけるインバータ装置の回路構成図を示す。尚、図２において、上記実施の形態１の図１と同一または相当部分には同一符号を付し説明を省略する。
図２において、第２のスイッチング素子５ａと並列に、該第２のスイッチング素子５ａに逆並列に接続されたダイオードよりも順方向導通時間が速く、かつ順方向電圧の小さいダイオード８と第２のコンデンサ１２の直列回路が設けられている。

上記のように構成された本実施の形態のインバータ装置の動作について説明する。
前記第２のスイッチング素子５ａが前記駆動装置１によりオンした時、前記ブートストラップダイオード２を介してブートストラップコンデンサ３が充電され、前記第１のスイッチング素子４ａの駆動電源を生成する。これにより前記第１のスイッチング素子４ａが駆動可能となり、第１、第２のスイッチング素子４ａ、５ａは交互に駆動を始める。尚、第２のスイッチング素子５ａに並列に設けられた第１のコンデンサ１１は、該第２のスイッチング素子５ａがオフした時のスイッチング損失やノイズを低減するためのスナバコンデンサとして動作する。

前記第１のスイッチング素子４ａがオフしてから前記第２のスイッチング素子５ａがオンするまでの期間（デットタイム）において、前記負荷回路１０からの負荷電流は、まず最初瞬間的に前記第１のコンデンサ１１に流れるが、直ぐに第２のスイッチング素子５ａに逆並列に接続されたダイオード５ｂより順方向導通時間が速く、かつ順方向電圧の小さい前記ダイオード８と第２のコンデンサ１２との直列回路に流れる。この負荷電流が流れることで前記第２のコンデンサ１２は充電され、前記ダイオード８の順方向電圧と前記第２のコンデンサ１２の両端電圧の合計、すなわち、ダイオード８と第２のコンデンサ１２との直列回路の両端電圧が、前記第２のスイッチング素子５ａに逆並列に接続されたダイオード５ｂの順方向電圧以上になると、ダイオード８と第２のコンデンサ１２の直列回路に負荷電流は流れなくなる。そして、負荷電流は、この時点で順方向導通を開始している前記ダイオード５ｂに流れるようになる。

このように、負荷電流を第２のスイッチング素子５ａに逆並列に接続されたダイオード５ｂより順方向導通時間が速く、かつ順方向電圧の小さいダイオード８と第２のコンデンサ１２の直列回路に流し、次いで第２のスイッチング素子５ａの前記ダイオード５ｂに流すようにした相乗作用により、上記実施の形態１同様に前記第１、第２のスイッチング素子４ａ、５ａの中点の電位が、図４の１５に示す大きな負電位（アンダーシュート）（前述の−ＶＢＳ以下の電位）となることはない。

以上のように、第２のスイッチング素子５ａに逆並列に接続されたダイオード５ｂよりも順方向導通時間が速く、かつ順方向電圧の小さいダイオード８と第２のコンデンサ１２の直列回路を前記第２のスイッチング素子５ａと並列に接続するようにしたので、上記実施の形態１同様、第１、第２スイッチング素子４ａ、５ａの中点の電位が、図４の１５に示すような大きな負電位（アンダーシュート）になることがなくなり、実施の形態１同様に第１のスイッチング素子４ａの駆動電源となるブートストラップコンデンサ３の両端電圧を低下させることなく、また、第１のスイッチング素子４ａのスイッチング特性に影響を及ぼさずに駆動装置１の故障を防止することができる。

また、第２のスイッチング素子５ａに並列に接続するダイオードとの直列回路にコンデンサを用いたので、上記実施の形態１の直列回路で用いた抵抗による発熱をなくすことができ、信頼性の高いインバータ装置が得られる。

本発明は、例えばハーフブリッジ構成のインバータ装置を高耐圧駆動ＩＣ（ＨＶＩＣ）にて動作させる場合などに活用できるものである。

この発明の実施の形態１におけるインバータ装置の回路構成図である。この発明の実施の形態２におけるインバータ装置の回路構成図である。従来のインバータ装置の回路構成図である。図３のスイッチング素子の駆動信号及び中点端子（ＶＳ）電位の波形である。

符号の説明

１駆動装置、２ブートストラップダイオード、３ブートストラップコンデンサ、４ａ第１のスイッチング素子、４ｂ第１のスイッチング素子に逆並列に接続されたダイオード、５ａ第２のスイッチング素子、５ｂ第２のスイッチング素子に逆並列に接続されたダイオード、７ａ第１のスイッチング素子のゲート抵抗、７ｂ第２のスイッチング素子のゲート抵抗、８ダイオード、９抵抗、１０負荷回路、１１コンデンサ、１２コンデンサ。

Claims

互いに直列に接続され、かつ、逆並列にそれぞれダイオードを接続した第１及び第２のスイッチング素子と、前記第１及び第２のスイッチング素子を交互にオンオフ駆動する駆動装置と、前記第１及び第２のスイッチング素子の中点に接続される負荷回路と、前記第２のスイッチング素子と並列に接続されるコンデンサとを備えたインバータ装置であって、
前記第２のスイッチング素子と並列に、該第２のスイッチング素子側の前記ダイオードよりも順方向導通時間が速く、かつ順方向電圧が小さいダイオードと正特性のサーミスタからなる直列回路を接続したことを特徴とするインバータ装置。
互いに直列に接続され、かつ、逆並列にそれぞれダイオードを接続した第１及び第２のスイッチング素子と、前記第１及び第２のスイッチング素子を交互にオンオフ駆動する駆動装置と、前記第１及び第２のスイッチング素子の中点に接続される負荷回路と、前記第２のスイッチング素子と並列に接続される第１のコンデンサとを備えたインバータ装置であって、
前記第２のスイッチング素子と並列に、該第２のスイッチング素子側の前記ダイオードよりも順方向導通時間が速く、かつ順方向電圧が小さいダイオードと第２のコンデンサからなる直列回路を接続したことを特徴とするインバータ装置。