JP2006187101A - 電圧駆動素子の駆動方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】電動機の性能向上のため、所定の短時間のみ電動機側への電流すなわちインバータからの出力電流を大電流化するようなインバータ装置においても、短絡過電流に対してスイッチング素子を保護することができる電圧駆動素子の駆動方法を提供する。
【解決手段】少なくとも2つ以上の電圧駆動型スイッチング素子(Q1、Q2)を直列に接続したアームにおける電圧駆動素子の駆動方法において、インバータの出力電流要求値が所定の電流値以上となった場合に、通電に寄与しない電圧駆動型スイッチング素子のゲート電圧を、通電に寄与する電圧駆動型スイッチング素子のゲート電圧よりも低下させるとともに、通電に寄与しない電圧駆動型スイッチング素子の過電流検知レベルを、通電に寄与する電圧駆動型スイッチング素子の過電流検知レベルよりも低下させる(第1発明)。
【選択図】図1
【解決手段】少なくとも2つ以上の電圧駆動型スイッチング素子(Q1、Q2)を直列に接続したアームにおける電圧駆動素子の駆動方法において、インバータの出力電流要求値が所定の電流値以上となった場合に、通電に寄与しない電圧駆動型スイッチング素子のゲート電圧を、通電に寄与する電圧駆動型スイッチング素子のゲート電圧よりも低下させるとともに、通電に寄与しない電圧駆動型スイッチング素子の過電流検知レベルを、通電に寄与する電圧駆動型スイッチング素子の過電流検知レベルよりも低下させる(第1発明)。
【選択図】図1
Description
本発明は、少なくとも2つ以上の電圧駆動型スイッチング素子を直列に接続したアームにおける電圧駆動素子の駆動方法に関し、特に、インバータの出力電流要求値が所定の電流値以上となった場合の電圧駆動素子の駆動方法に関するものである。
電気自動車等の大電力を要する装置・機器のその電力の制御等に適用されるスイッチング回路及びインバータ回路には、電圧駆動型スイッチング素子のひとつであるIGBTが用いられることが多い。IGBTは、一定のゲート電圧をゲート端子へ印加することにより、そのオンオフを制御するスイッチング素子である。
図5はインバータ出力電流通常時のIGBTコレクタ電流とコレクタ・エミッタ間電圧との関係を示すグラフである。図5には、任意の動作状態にあるときのインバータ出力電流波形と、IGBTの基本特性であるコレクタ電流Ic−コレクタ・エミッタ間電圧特性とを対応させて示している。図5における過電流検知レベルは、インバータ出力電流値より大きい値の点線で示したしきい値Vth1となる。
このように、二つのIGBTを直列に接続した直列回路を複数並列に接続したインバータ等の、各IGBTに流れる電流値等を検出し、検出した電流値が所定のしきい値以上となった場合にIGBTをオフ動作させることによって、IGBTを過電流から保護する過電流保護機能を備えた電圧駆動素子の駆動回路が知られている(例えば、特許文献1参照)。
特開平5−3680号公報
一方、電気自動車向けのインバータの場合、インバータに接続される電動機の性能向上のため、所定の短時間のみ電動機側への電流すなわちインバータからの出力電流を大電流化することが考えられている。図6はインバータ出力電流増大時のIGBTコレクタ電流とコレクタ・エミッタ間電圧との関係を示すグラフである。図6では、所定の短時間のみインバータ出力電流を大電流化した時のインバータ出力電流波形と、IGBTの基本特性であるコレクタ電流Ic−コレクタ・エミッタ間電圧特性とを対応して示している。図6に示す例では、インバータ出力電流値が図5に示した動作状態に比べて大きくなるため、過電流検知レベルVth2は、Vth1に比べて大きくする必要がある。
上述した従来の電圧駆動素子の駆動回路では、検出した電流値が所定のしきい値以上となった場合にIGBTをオフ動作させるという構成になっていた。そのため、電動機の性能向上のため、所定の短時間のみ電動機側への電流すなわちインバータからの出力電流を大電流化するようなインバータ装置において、大電流を供給する場合には、IGBTに代表される電圧駆動型スイッチング素子のゲート・エミッタ間電圧を所定の時間のみ増大させて大電流を供給する必要があり、所定時間の間過電流しきい値も増大させなければ過電流保護機能が動作してしまう。ところが、過電流しきい値を増大させると、二つの直列接続されたIGBTの誤動作による短絡過電流に対してスイッチング素子を保護することが困難になるという問題があった。
本発明の目的は上述した問題点を解消して、電動機の性能向上のため、所定の短時間のみ電動機側への電流すなわちインバータからの出力電流を大電流化するようなインバータ装置においても、短絡過電流に対してスイッチング素子を保護することができる電圧駆動素子の駆動方法を提供しようとするものである。
本発明の第1発明に係る電圧駆動素子の駆動方法は、少なくとも2つ以上の電圧駆動型スイッチング素子を直列に接続したアームにおける電圧駆動素子の駆動方法において、インバータの出力電流要求値が所定の電流値以上となった場合に、通電に寄与しない電圧駆動型スイッチング素子のゲート電圧を、通電に寄与する電圧駆動型スイッチング素子のゲート電圧よりも低下させるとともに、通電に寄与しない電圧駆動型スイッチング素子の過電流検知レベルを、通電に寄与する電圧駆動型スイッチング素子の過電流検知レベルよりも低下させることを特徴とするものである。
また、本発明の第2発明に係る電圧駆動素子の駆動方法は、少なくとも2つ以上の電圧駆動型スイッチング素子を直列に接続したアームにおける電圧駆動素子の駆動方法において、インバータの出力電流要求値が所定の電流値以上となった場合に、通電に寄与する電圧駆動型スイッチング素子ゲート電圧を、通電に寄与しない電圧駆動型スイッチング素子のゲート電圧よりも増大させるとともに、通電に寄与する電圧駆動型スイッチング素子の過電流検知レベルを、通電に寄与しない電圧駆動型スイッチング素子の過電流レベルよりも増大させることを特徴とするものである。
さらに、本発明の第3発明に係る電圧駆動素子の駆動方法は、少なくとも2つ以上の電圧駆動型スイッチング素子を直列に接続したアームにおける電圧駆動素子の駆動方法において、インバータの出力電流要求値が所定の電流値以上となった場合に、通電に寄与する電圧駆動型スイッチング素子のゲート電圧を増大するとともに、通電に寄与しない電圧駆動型スイッチング素子のゲート電圧を低下させ、さらに、通電に寄与する電圧駆動型スイッチング素子の過電流検知レベルを増大させるとともに、通電に寄与しない電圧駆動型スイッチング素子の過電流検知レベルを低下させることを特徴とするものである。
本発明の第1発明では、通電に寄与しない電圧駆動型スイッチング素子のゲート電圧を低下させるとともに過電流検知レベルを低下させることで、インバータの短絡保護動作時に短絡電流を抑制することが可能となる。本発明の第1発明は、耐電流値の大きな電圧駆動素子を用いた場合に好適に利用することができる。
また、本発明の第2発明では、通電に寄与しない電圧駆動型スイッチング素子のゲート電圧と過電流検知レベルは変化させず、通電に寄与する電圧駆動型スイッチング素子のみのゲート電圧を増大するとともに過電流検知レベルを増大することで、インバータの出力電流値を大きくすることができると同時に、短絡保護動作時に短絡電流を抑制することが可能となる。本発明の第2発明は、耐電流値の小さな電圧駆動素子を用いた場合に好適に利用することができる。
さらに、本発明の第3発明では、通電に寄与しない電圧駆動型スイッチング素子のゲート電圧と過電流検知レベルを減少させ、通電に寄与する電圧駆動型スイッチング素子のみのゲート電圧を増大するとともに過電流検知レベルを増大することで、インバータの出力電流値を大きくすることができ、短絡保護動作時に短絡電流をより小さく抑制することが可能となる。本発明の第3発明は、耐電流値の大きな電圧駆動素子及び耐電流値の小さな電圧駆動素子のいずれの場合においても、好適に利用することができる。
以下に、この発明の実施の形態を、図面に基づき詳細に説明する。
図1は本発明の電圧駆動素子の制御方法の第一実施例における回路構成を示す図である。図1に示す例は、電流検出用センス端子付きの電圧駆動型パワー半導体素子の一つであるIGBTを用いた3相交流インバータの1相分のインバータ回路100の一例の構成を示している。インバータ回路100においては、基準電位VSと負荷用電源VBの間に直列に2つのIGBT:Q1、Q2及びダイオードD1、D2が接続されている。これらIGBT:Q1、Q2が交互にオン/オフすることにより、負荷L1へ交流出力電流Ioを出力する。
図1は本発明の電圧駆動素子の制御方法の第一実施例における回路構成を示す図である。図1に示す例は、電流検出用センス端子付きの電圧駆動型パワー半導体素子の一つであるIGBTを用いた3相交流インバータの1相分のインバータ回路100の一例の構成を示している。インバータ回路100においては、基準電位VSと負荷用電源VBの間に直列に2つのIGBT:Q1、Q2及びダイオードD1、D2が接続されている。これらIGBT:Q1、Q2が交互にオン/オフすることにより、負荷L1へ交流出力電流Ioを出力する。
駆動部112、113において、IGBT:Q1、Q2のゲートはそれぞれ、駆動回路101、102を介して接続されている。ここでは、駆動回路の一例として、NPNトランジスタ及びPNPトランジスタのプッシュプル構成が考えられる。駆動回路101、102の電源は、電源回路103によって供給される互いに絶縁された電源VGU、VGLに接続されており、また、駆動回路101、102への入力信号IN_P、IN_Nは、制御装置115が出力する制御信号を絶縁伝送できるように構成されている。
IGBT:Q1、Q2の電流検出用センス端子は、抵抗R13、R14を介してIGBTのエミッタ電位VS、V0に接続されると同時に、コンパレータIC116、117の入力端子に接続される。コンパレータIC116、117は過電流検出用であり、一方の入力端子には比較のための基準電圧が入力される。この基準電圧は電源VGU、VGLをそれぞれ抵抗R18:R19、R15:R16で分圧することで生成される。IGBTに通電した際に抵抗R13、R14に流れ込むセンス端子電流によって発生する電圧Vsens1、Vsens2と基準電圧の大小により、コンパレータ出力された過電流信号ERR_N、ERR_Pは制御装置115へ絶縁伝送されるよう構成する。
駆動回路101、102への供給電源VGL、VGUの出力間(VGL−VS間)及び(VGU−V0間)には、電圧降下用のツェナーダイオード110、111と抵抗R1、R3とスイッチ素子の一つであるNchMOSFET:Q4、Q5が直列接続されている。NchMOSFET:Q4、Q5のゲートは抵抗R2、R4によって電源VGL、VGUにプルアップされる。同時に、制御装置115からの各駆動部112、113のIGBTゲート・エミッタ間に印加する電圧を可変出来るようにするための電圧可変信号Vvarを、フォトカプラ出力108、109により絶縁伝送できるように接続する。
なお、下側の駆動部112の可変要求信号120は、NOT論理IC114を介することで、上側の駆動部113の可変要求信号121と、同一の論理となることがないように構成されている。これらの可変要求信号120、121は、それぞれ電圧可変用に設けられたNchMOSFET:Q4、Q5のゲートに接続されると同時に、過電流検知レベルを可変するためのNchMOSFET:Q6、Q7へのゲートに接続される。NchMOSFET:Q6、Q7は、抵抗R17、R20をそれぞれ介して、分圧抵抗R16、R19に並列接続される。このNchMOSFET:Q6、Q7がオン動作することでコンパレータ基準電圧を生成している分圧比が可変し、基準電圧Vsens1、Vsens2が小さくなる。また、NchMOSFET:Q6、Q7がオフ動作するとコンパレータ基準電圧Vsens1、Vsens2が大きくなる。
電源回路103は、制御用電源Vccから絶縁したVGL、VGUを生成する回路であり、本実施例ではフライバックコンバータである。フライバックコンバータは、トランスL2の他に、逆流防止用ダイオードD3、D4、平滑コンデンサC1、C2、トランスL2へ通電をオンオフするトランジスタQ3、と欄ジスとQ3をPWM駆動する電源制御回路104、及び、出力電圧をモニタし電源制御回路104へ通知するためのフィードバック回路を有する。
このフィードバック回路は、出力電圧を分圧する抵抗R5、R6、R7、分圧した電圧が所定の電圧以下となると、電流をシンクするシャントレギュレータ105、シャントレギュレータがシンクする電流によってオンオフするフォトカプラ106、フォトカプラ通電電流を制限する抵抗R8を有する。制御装置115が出力する電流通知信号OCがHiレベルのときには、フォトカプラ107がオンし、抵抗R7の両端を短絡する構成となっている。この抵抗R7を短絡することで電源制御回路104へ通知されるフィードバック電圧が可変され、電源VGU、VGLの電圧が大きくなる。一方、抵抗R7が短絡されないと、電源VGU、VGLの電圧が小さくなる。
図2は本発明の第一実施例における動作を説明するための図である。図2において、インバータに接続された電動機が安定動作するように、制御装置にて負荷L1に出力される電流がIoになるよう制御信号IN_P、IN_NをPWM駆動しているときにの各部動作波形を示している。
図2に示す例において、まず、インバータからの出力電流Ioが通常動作している時間t1からt3までについて説明する。インバータ出力電流Ioが、図5に示したような通常動作において、制御装置115によって電流制御されているとき、ゲート電源103の出力電圧VGU、VFLは、図5に示すようなゲート電圧レベルVG1と同等のレベルとなっている。さらに出力電流Ioが(+)側の時間t1からt2、すなわち、インバータから吐き出し電流が出力されている状態では、駆動部113のIGBT:Q2がスイッチングすること電流Ioが生成されている。
通電を制御している対象が上側の駆動部113であるため、上側の駆動部113の過電流検知レベルIth_U(Vth_U)は図5で示した検知レベルIth1(センス抵抗R14に流れる電流を電圧変換したVth1と等価)となっている。このときの下側の駆動部112のIGBT:Q1は出力電流Ioに寄与していないため、短絡誤動作時の破損を最小限に抑えるため、下側の駆動部112の過電流検知レベルIth_L(Vth_L)を上側の検知レベルIth1(Vth1)よりも低く設定する。
各素子の動作として説明すると、ゲート用電源103の可変要求信号OCはHiレベルとなるため、IGBT:Q2のゲート・エミッタ間に印加する電圧が上側駆動部113で降圧できるように設けたツェナダイオード111と直列に接続したNchMOSFET:Q5のゲートには、電圧可変要求信号121によりLoレベルが入力される。よって電源103の出力電圧レベルはそのまま駆動部113へ入力される。
また、過電流検知を行うコンパレータ117は、比較基準電圧Vsens2を生成する分圧抵抗に接続したNchMOSFET:Q7のゲートにもLoレベル入力されるため、検知レベルは変化しない。しかし、IGBTのゲート・エミッタ間に印加する電圧が下側駆動部112で降圧できるように設けたツェナダイオード110と直列に接続したNchMOSFET:Q7のゲートには、可変要求信号120がHiレベル入力される。よって電源103の出力電圧VGLは降圧されて駆動部112へ入力される。また、過電流検知を行うコンパレータ116では、比較基準電圧を生成する分圧抵抗に接続したNchMOSFET:Q7のゲートにHiレベル入力されるため、検知レベルが低く変化する。
一方、出力電流Ioが(−)側のt2からt3、すなわち、インバータから吸い込み電流が出力されている状態では、駆動部112のIGBTがスイッチングすることで電流Ioが生成されている。通電を制御している対象が下側の駆動部112であるため、下側の駆動部112の過電流検知レベルIth_L(Vth_L)は、前述と同様に図5で示した検知レベルIth1(Vth1)となっている。このとき、上側の駆動部113のIGBT:Q2は出力電流Ioに寄与していないため、短絡誤動作時の破損を最小限に抑えるため、上側駆動部113の過電流検知レベルIth_U(Vth_U)の下側検知レベルIth1(Vth1)よりも低く設定する。これらの各部素子の動作は、前述した様子を置き換えた関係であり全く同様となる。
次に、インバータからの出力電流Ioが一時的に大きい出力電流を要求されたときを示す時間t3からt5について説明する。インバータ出力電流Ioが、図5に示したような所定値以上となるように、制御装置115によって電流制御されているとき、ゲート103の出力電圧VGU、VGLは、図5に示すゲート電圧レベルVG2のような大きいレベルへ変化する。さらに出力電流Ioが(+)側の時間t3からt4、すなわち、インバータから吐き出し電流が出力されている状態では、駆動部113のIGBT:Q2がスイッチングすることで電流Ioが生成されている。通電を制御している対象が上側の駆動113であるため、上側の駆動部113の過電流検知レベルIth_U(Vth_U)は、図5で示した検知レベルIth2(Vth2)に可変される。このとき下側の駆動部112のIGBT:Q1は出力電流Ioに寄与していないため、短絡誤動作時の破損を最小限に抑えるため、下側の駆動部112の過電流検知レベルIth_L(Vth_L)を上側の検知レベルIth2よりも低く設定する。
これらの各部素子の動作として説明すると、ゲート用電源103の可変要求信号OCは、時間t3においてLoレベルからHiレベルへ遷移するため、電源制御回路104へ通知されるフィードバック電圧が可変され、電源VGU、VGLの電圧が大きくなる。IGBTのゲート・エミッタ間に印加する電圧が上側駆動部113で降圧できるように設けたツェナダイオード111と直列に接続したNchMOSFET:Q5のゲートには、可変要求信号121へLoレベル入力される。よって電源103の出力電圧VGUは可変されることなく駆動部113へ入力される。また、過電流検知を行うコンパレータ117では、比較基準電圧を生成する分圧抵抗に接続したNchMOSFET:Q7のゲートにもLoレベル入力されるため、分圧比は変化しない。
しかしながら電源電圧VGUが上昇しているため、検知レベルは可変することとなる。このとき、下側駆動部112では、降圧できるように設けたツェナダイオード110と直列に接続したNchMOSFET:Q4のゲートには、可変要求信号VvarがHiレベル入力される。また、過電流検知を行うコンパレータ116では、比較基準電圧を生成する分圧抵抗に接続したNchMOSFET:Q6のゲートにHiレベル入力されるため、検知レベルが低く変化する。
さらに、出力電流Ioが(−)側の時間t4からt5、すなわち、インバータから吸い込み電流が出力されている状態では、駆動部112のIGBT:Q1がスイッチングすることでIoが生成されている。通電を制御している対象が下側の駆動部112であるため、下側の駆動部112の過電流検知レベルIth_L(Vth_L)は、前述と同様に図5で示した検知レベルIth2となっている。このときの上側の駆動部113のIGBT:Q2は出力電流Ioに寄与していないため、短絡誤動作時の破損を最小限に抑えるため、上型の駆動部113の過電流検知レベルIth_U(Vth_U)よりも低く設定する。これらの各部素子の動作は、前述した様子を入れ換えた関係であり全く同様となる。
次に、本発明の第2の実施例について説明する。図3は本発明の第二実施例を説明するための図であり、図1の駆動部112について他の実施例を表すものである。図3に示す例においては、IGBT:Q1の電流検出用センス素子からの出力を利用して、IGBT:Q1が制御対象にあるかどうかを制御装置15からの信号なしに自分で識別できるようにしたものである。
IGBTのセンス端子は抵抗R200を介して、基準電位となるIGBT:Q1のエミッタ電位VSへ接続される。IGBT:Q1に電流が流れた際に抵抗R200に発生する電圧は二つの異なるフィルタLF1、LF2を介してそれぞれ処理される。フィルタLF1の出力は、過電流検知を行うコンパレータ203へ接続され、第一の実施例と同様に抵抗R201、R202によって分圧された基準電圧を比較できるように構成する。一方、フィルタLF1の時定数よりも大きく設定したフィルタLF2の出力は、コンパレータ204の入力へ接続され、コンパレータ204によって、IGBT:Q1が通電状態かどうか判定できる。このコンパレータ204の出力はゲート電圧を降圧するために設けたツェナダイオードをオンオフさせるNchMOSFETのゲート端子に接続する。
図4は本発明の第二実施例における動作を説明するための図である。図4に示す例では、前述した実施例1で説明したインバータ動作状態を実施例2で構成した場合の各部動作波形を表している。なお、図4に示す例では、下側の駆動部112のみの各部挙動を示している。図4において、下側の駆動部112が動作する時間t2からt3、または、t4からt5において、電流センス端子の後段に接続したフィルタLF2の出力により、コンパレータ204の出力が可変している様子がわかる。これにより、実施例1と同様の動きとなることがわかる。
以上の第一実施例、第二実施例に基づいて、本発明の第1発明〜第3発明の制御を行うことで、具体的には、通電に寄与する駆動部毎にゲート電圧の可変と、過電流検知レベル変更を行うことで、インバータの出力電流を大きくすることに対応できるだけでなく、短絡時の保護動作における影響を最小限に抑制することが可能となる。
本発明の電圧駆動素子の駆動方法によれば、電動機の性能向上のため、所定の短時間のみ電動機側への電流すなわちインバータからの出力電流を大電流化するようなインバータ装置において、短絡過電流に対してスイッチング素子を保護することができる電圧駆動素子の駆動方法を得ることができる。
100 インバータ回路
101、102 駆動回路
103 電源回路
112、113 駆動部
115 制御装置
Q1、Q2 IGBT
101、102 駆動回路
103 電源回路
112、113 駆動部
115 制御装置
Q1、Q2 IGBT
Claims (3)
- 少なくとも2つ以上の電圧駆動型スイッチング素子を直列に接続したアームにおける電圧駆動素子の駆動方法において、インバータの出力電流要求値が所定の電流値以上となった場合に、通電に寄与しない電圧駆動型スイッチング素子のゲート電圧を、通電に寄与する電圧駆動型スイッチング素子のゲート電圧よりも低下させるとともに、通電に寄与しない電圧駆動型スイッチング素子の過電流検知レベルを、通電に寄与する電圧駆動型スイッチング素子の過電流検知レベルよりも低下させることを特徴とする電圧駆動素子の駆動方法。
- 少なくとも2つ以上の電圧駆動型スイッチング素子を直列に接続したアームにおける電圧駆動素子の駆動方法において、インバータの出力電流要求値が所定の電流値以上となった場合に、通電に寄与する電圧駆動型スイッチング素子ゲート電圧を、通電に寄与しない電圧駆動型スイッチング素子のゲート電圧よりも増大させるとともに、通電に寄与する電圧駆動型スイッチング素子の過電流検知レベルを、通電に寄与しない電圧駆動型スイッチング素子の過電流レベルよりも増大させることを特徴とする電圧駆動素子の駆動方法。
- 少なくとも2つ以上の電圧駆動型スイッチング素子を直列に接続したアームにおける電圧駆動素子の駆動方法において、インバータの出力電流要求値が所定の電流値以上となった場合に、通電に寄与する電圧駆動型スイッチング素子のゲート電圧を増大するとともに、通電に寄与しない電圧駆動型スイッチング素子のゲート電圧を低下させ、さらに、通電に寄与する電圧駆動型スイッチング素子の過電流検知レベルを増大させるとともに、通電に寄与しない電圧駆動型スイッチング素子の過電流検知レベルを低下させることを特徴とする電圧駆動素子の駆動方法。
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