JP2005525777A - 電気機器用のインバータ - Google Patents

Abstract

電気機器に対するインバータであって、複数の、例えば６つのスイッチングエレメントを有しており、これらスイッチングエレメントはブリッジ回路に配置されておりかつ電気機器とバッテリーとの間の接続を形成する、そういう形式のインバータが提案される。インバータのローサイドアームに組み込まれるスイッチングエレメントは、制御電圧が加わっていないときに導通しているようなスイッチ、すなわちノーマリーオンスイッチングエレメントである。従って、給電電圧が欠けておりかつ電気機器が回転している場合に電気機器の巻線が短絡されかつ過電圧が発生する可能性がないことが保証される。通常作動時にはインバータは従来のインバータのようにタイミング制御されるドライブ制御によって作動されるが、制御電極の反対方向のドライブ制御、すなわち導通フェーズに対しては制御電圧をなしに、阻止する時間フェーズに対しては制御電圧を用いて作動される。

Description

本発明は、請求項１の上位概念に記載の電気機器用のインバータから出発しておりかつ殊に、バッテリーレス作動においてももしくはバッテリーに欠陥があるまたはバッテリーが放電している場合にも機能するようになっている、自動車におけるスタータ・ゼネレータ用のインバータに関する。

従来の技術
３相交流機器をパルス幅変調インバータを用いて作動することは公知である。その際３相交流機器はパルス幅変調インバータを介してバッテリーに接続可能である。パルス幅変調インバータは電力スイッチを有しており、これは通例、６つの自己阻止形スイッチを備えているブリッジコンフィギュレーションとして実現されている。例えば、この種の自己阻止形電力スイッチは電力ＭＯＳＦＥＴであるが、ＩＧＢＴのような別の半導体スイッチまたはサイリスタ形式のスイッチ、例えばＭＣＴ、ＥＳＴ、ＧＴＯまたは類似のものを使用することも公知である。従来の電力バイポーラトランジスタを用いた解決法も公知である。

これらのスイッチすべては、制御電極における電圧が参照電極、例えばソース電極またはカソードに対して所定の正の値を上回るときにしか、スイッチオンすることができない。制御電圧なしでは公知のシステムに使用されるスイッチは阻止状態にある。スイッチのドライブ制御、すなわち制御電極への電圧の供給は通例、例えば車載電源網制御装置または電圧調整器の構成部分である制御装置を用いて行われる。

３相交流機器が永久磁石励磁される同期機器であるならば、障害発生時には、機器の相巻線を短絡または低抵抗に接続できることが保証されなければならない。というのは、そうでなければ、同期機器の回転数が相応に高い場合には過電圧が発生する可能性があるからである。それ故に例えばＤＥ１９８３５５７６Ａ１に記載されているように、永久磁石励磁される同期機器として構成されている、パルス幅変調インバータを備えた３相交流機器において特殊なケースにおいて障害発生に依存して、個別または複数の電力スイッチの意図したスイッチオンによって機器の相巻線を短絡しかつこうして過電圧を回避することが公知である。

しかし電力スイッチのドライブ制御は公知の解決法では、スイッチ、ドライブ制御システムおよびバッテリーの申し分ない機能が保証されているときにしか可能ではない。パルス幅変調インバータの個々のスイッチが閉成されるべきであるのに、同時に給電電圧が消失しているときには、ドライブ制御、ひいてはこのスイッチのスイッチオンはもはや可能ではない。

本発明の課題は、パルス幅変調インバータが配属されている３相交流機器を備えているシステムにおいて、障害が発生して過電圧発生が予測されるときに、例えばバッテリーが消失している、バッテリーに欠陥があるまたはバッテリーが放電状態であるというような不都合な縁条件に無関係に、前以て決めることができる電力スイッチの短絡または低抵抗の接続が確実に可能であることが保証されるようにすることである。この課題は請求項１の特徴部分に記載の構成を有するインバータによって解決される。

発明の利点
請求項１の特徴部分に記載の構成を有する本発明のインバータは、障害発生時に電気機器の前以て決めることができる相巻線が短絡されるまたは低抵抗に接続される、もしくは当該のスイッチが導電状態にあり、その結果回転している電気機器において発生する可能性のある過電圧が妨げられるという利点を有している。これらの利点は、パルス幅変調インバータの前以て決めることができる電力スイッチ、例えばローサイドアームに接続されている３つの電力スイッチを、制御電圧が加わっていないときに導通しかつ制御電圧が加わると阻止されるように選択することによって得られる。この種の自己導通形の電力スイッチは有利にはノーマリーオンＭＯＳＦＥＴとして実現されている。短絡が識別されると、スイッチの当該する制御電極に加わる制御電圧は遮断されかつこれによりスイッチは導通状態に移行される。

本発明の別の利点は従属請求項に記載の手段によって得られる。その際有利な実施形態は、従来の半導体スイッチに対して機械的なブレーク接点の並列回路が使用されるように構成されている。その際有利には、投入信号によって釈放することができるリレー接点が設けられる。有利にも、ノーマリーオンスイッチとノーマリーオフスイッチとの前以て決めることができる組み合わせを有する混合形および純然たるハーフブリッジの組み合わせが使用される。スイッチのドライブ制御は有利には、制御装置を用いて行われるが、その場合制御装置はそれ自体閉成されているスイッチを前以て決めることができる時間開放するようなドライブ制御信号を送出する。

通常作動において本発明のインバータすべては従来のインバータのようにタイミング制御されるドライブ制御によって作動することができるが、制御電極の反対向きのドライブ制御、すなわち導通フェーズにする制御電圧を用いずに、阻止する時間フェーズの間の制御電圧によって作動させることができる。

図面
本発明の実施例は図面に示されておりかつ以下の説明において詳細に説明する。詳細には
図１は本発明の第１実施例を示し、
図２は６つのＭＯＳＦＥＴを備えているパルス幅変調インバータの例を示しかつ
図３は複数の並列接続されているブリッジ半部を備えている本発明の１形態を示している。

説明
図１には、電気機器１０に対する電圧供給回路が図示されている。ここでは直流電圧がスイッチング可能なブリッジないしインバータ１１を介して電気機器１０に供給される。その際インバータ１１は３つのハイサイドスイッチングエレメント１２，１３，１４と３つのローサイドスイッチングエレメント１５，１６，１７とを有している。ハイサイドスイッチングエレメント１２，１３，１４は例えば、そのゲート電極に、参照電極（ソースまたはドレイン）に比して所定の正の値を上回る制御電圧が加わるときにだけ導通する従来の電界効果トランジスタである。その際制御電圧の値は構造形式によって決まってくる。これに対してローサイドスイッチングエレメント１５，１６，１７は制御電圧が加わっていない時に導通状態にありかつ制御電圧が加わると阻止状態に移行するスイッチングエレメントである。この種の電界効果トランジスタは例えばノーマリー・オン電界効果トランジスタである。

電気機器１０は通例の仕方でインバータ１１に接続されている。電気機器１０の巻線は図ではＵ，Ｖ，Ｗで示されている。インバータのスイッチングエレメントのドライブ制御は制御電子部１８を用いて行われる。これはスイッチングエレメントのそれぞれのゲート電極に最適な作動のために必要な制御電圧を供給する。制御電子部１８に対する電圧供給は通常作動時にはバッテリー１９から、場合によっては適当な電圧変換器２０を介して行われる。電圧を平滑化ないし電荷を一時的に蓄積するために、一時回路コンデンサ２１が用いられる。

通常作動時では図１に図示のインバータは後の図に図示のインバータと同様に従来のインバータのようにタイミング制御されるドライブ制御部によって作動されるが、制御電極の反対方向のドライブ制御によって、すなわち阻止している時間フェーズに制御電圧を供給することによってかつ導通している時間フェーズにおいて制御電圧を遮断することによって作動される。

ローサイドアームに挿入されているノーマリーオン半導体スイッチに代わって、本発明の実施形態において、従来の電界効果トランジスタを使用することもでき、この場合これらには機械的なブレーク接点の並列回路が配属される。その場合この種のリレー接点は投入信号によって明示的に釈放される。すべての実施例において重要なのは、ローサイドアームに使用される素子がドライブ制御信号なしにその都度導通され、ひいては短絡が行われるようにすることである。これにより、機器が回転していてかつ給電電圧が消失した場合に過電圧が発生する可能性はないことが保証される。

図２には、本発明の別の実施例が示されている。この実施例は実質的に公知の解決法に相応するが、公知の解決法とは違って、ローサイドアームにノーマリーオンスイッチングエレメント、すなわち制御電圧が加わっていなければ導通しているスイッチングエレメントを有している。その際実施例において、ＪＦＥＴ，ＳＩＴまたは種々のＳＩＣ素子のような類似の特性を有している自己導通形のＭＯＳＦＥＴを備えているインバータの実現が示されている。図２の実施例においても、ノーマリーオフスイッチに対して機械的なブレーク接点の並列接続を使用することも可能である。例えば、投入信号によって明示的に釈放することができるリレー接点が可能である。

詳細には図２において、電気機器、例えば永久磁石励磁される同期機器は２２で示されている。インバータ２３はハイサイドアームおよびローサイドアームを有し、全部で６つのスイッチ２４ないし２９を備えている。電荷蓄積のために一時コンデンサ３０が用いられる。半導体スイッチのドライブ制御はドライブ制御電子部３１を用いて行われる。公知のシステムにおいて、制御電極１，１１における電圧が参照電極（ソース、カソード）に比して所定の正の値を上回るときにしかスイッチオンされない半導体スイッチが使用されるが、本発明によれば、参照電極（ソース、カソード）に比して所定の正の値を上回っていないときにまさに導通している半導体スイッチが使用される。これにより、この実施例においても、障害発生時ないしは過電圧発生時においてバッテリーがかけているまたはバッテリーに欠陥がある場合にもローサイドスイッチが導通しかつ電気機器の相が短絡することが保証されている。

図３において、混合形のハーフブリッジと純然たるハーフブリッジとが組み合わされている本発明の別の実施例が示されている。永久磁石励磁される同期機器はこの実施例において３１で示されている。インバータ３２は全部で１２個のスイッチングエレメント３３ないし４４並びに１つの一時回路コンデンサ４５を有している。スイッチングエレメント３３ないし４４はドライブ制御部４６を用いてドライブ制御される。付加的に更に初期化電圧供給部４７が存在している。これにより、ハーフブリッジの主要部がローサイドアームにノーマリーオンスイッチを備えておりかつ１つのハーフブリッジが従来のノーマリーオフスイッチを備えているような多相の実施形態を構成可能であり、この場合にはここで生成される、制限された電圧はその他のハーフブリッジの遮断のために使用することができる。この組み合わせは中央の制御装置の初期化および始動のためにも使用可能である。

本発明の第１実施例の略線図 ６つのＭＯＳＦＥＴを備えているパルス幅変調インバータの例の略線図 複数の並列接続されているブリッジ半部を備えている本発明の１形態の略線図

Claims (7)

1. 電気機器に対するインバータであって、該電気機器の相巻線が該インバータに接続されておりかつ該インバータは前以て決めることができる数の制御されるスイッチを有しており、該スイッチは、ハイサイドアームとローサイドアームとを備えているブリッジ回路を形成している形式のものにおいて、
   ローサイドアームのスイッチングエレメントの少なくとも１つが、制御電圧が加わっていないときに導通状態にあるように実現されている
   ことを特徴とするインバータ。
2. ローサイドアームのすべてのスイッチングエレメントは、制御電圧が加わっていないときに導通するように実現されている
   請求項１記載のインバータ。
3. 電圧が加わっていないときに導通するスイッチングエレメントはノーマリーオントランジスタ、例えば電界効果トランジスタである
   請求項１または２記載のインバータ。
4. ドライブ制御されなければ導通しているスイッチングエレメントは、ローサイドトランジスタの個所に挿入されるかまたはこれに対して並列に存在しているリレーである
   請求項１または２記載のインバータ。
5. 複数のスイッチングエレメントが例えばｎ相の形態に対して混合されたブリッジ形態において存在しており、ここでハーフブリッジの少なくとも１つがノーマリーオフスイッチングエレメントによって構成されている
   請求項１から４までのいずれか１項記載のインバータ。
6. 通常作動時におけるスイッチングエレメントのドライブ制御は制御電子回路を用いて行われる
   請求項１から５までのいずれか１項記載のインバータ。
7. 付加的に、制御装置の初期化および／または始動のために使用される初期化電圧供給部が存在している
   請求項１から６までのいずれか１項記載のインバータ。

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