JP2007259529A - 過電圧保護機能を備えたインバータ - Google Patents

Abstract

【課題】入力回路部に電解コンデンサを有するインバータにおいて、回路部品の保護を図りながら広い温度範囲に渡って安定した動作を実現する。
【解決手段】インバータの入力部には、電解コンデンサ１３が設けられている。電解コンデンサ１３とスイッチング回路１２との間には検出／保護回路１４が設けられている。検出／保護回路１４は、抵抗Ｒ１〜Ｒ４およびコンデンサＣ１〜Ｃ３を含んで構成される。検出／保護回路１４は、マイコンがスイッチング回路１２の動作を制御するためのパラメータとして使用する入力電圧Ｖin-1、および停止回路がスイッチング回路１２を強制的に停止するか否かの判断のために使用する入力電圧Ｖin-2を検出する。入力電圧Ｖin-1を検出するフィルタの時定数は、入力電圧Ｖin-2を検出するフィルタの時定数よりも長い。
【選択図】図２

Description

本発明は、広い温度範囲に渡って動作する過電圧保護機能を備えたインバータに係わる。

直流電圧から交流を生成するインバータの入力回路部には、一般に、入力電圧の安定化のために容量の大きなコンデンサが設けられている。この用途においては、たとえば、フィルムコンデンサが使用される。しかし、フィルムコンデンサは、そのサイズが大きいので、入力回路部の小型化を図るためには好ましくない。また、フィルムコンデンサは、一般に、高価である。そこで、インバータの入力回路部の小型化およびインバータの低コスト化を図るために、電解コンデンサを使用する構成が考えられている。

ところで、インバータは汎用的な装置であるため、様々な環境化で使用され得る。このため、例えば、自動車等に搭載される場合は、広い温度範囲に渡って安定的に動作する必要がある。ところが、電解コンデンサは、低温領域において、電解液の粘度が上昇してイオンが動き難くなる等に理由により、等価直列抵抗（ＥＳＲ）が大きくなる。等価直列抵抗は、容量に対して直列的に生じる抵抗成分である。

電解コンデンサの等価直列抵抗が大きくなると、インバータのスイッチングに起因するリップル電流に応じたサージ電圧も大きくなってしまう。そして、このサージ電圧がインバータを構成する回路部品（特に、トランジスタ等のスイッチング素子、電解コンデンサ）の耐圧を超えると、それらの回路部品を破損してしまうおそれがある。このため、過電圧から回路部品を保護する過電圧保護機能が必要である。

なお、入力電圧が過電圧状態になったときに回路を保護する技術は、例えば、特許文献１に記載されている。特許文献１に記載の過電圧保護回路においては、入力電源の電圧が所定値以上になると、電流遮断回路がオフ状態となり、主回路、マイコン等が保護されるようになっている。
特開平１１−１８２８０号公報（図１、明細書の段落００２０〜００３１）

インバータに接続される負荷の用途によっては、その負荷の動作を可能な限り継続させたい場合がある。このようなケースにおいては、特許文献１の過電圧保護回路を設けることは好ましいとは言えない。

また、インバータの動作を制御するためのパラメータとして入力電圧値を使用する構成においては、上述のサージ電圧のような瞬時的な電圧変動によってインバータの動作を不適切に制御してしまうおそれもある。

本発明の目的は、入力回路部に電解コンデンサを有するインバータにおいて、回路部品の保護を図りながら広い温度範囲に渡って安定動作を実現することである。

本発明のインバータは、過電圧保護機能を備えており、スイッチング回路、電解コンデンサ、電圧検出回路、制御手段、停止手段を含んで構成される。スイッチング回路は、負荷に供給すべき電流を制御する。電解コンデンサは、スイッチング回路の入力側に設けられる。電圧検出回路は、電解コンデンサとスイッチング回路との間に設けられ、複数の抵抗および複数のコンデンサを備え、それら複数の抵抗および複数のコンデンサの異なる接続点において第１の入力電圧値および第２の入力電圧値を検出する。制御手段は、第１の入力電圧値を利用してスイッチング回路の動作を制御する。停止手段は、第２の電圧検出値が所定の閾値電圧を超えたときにスイッチング回路の動作を停止させる。第１の入力電圧値は、前記複数の抵抗および複数のコンデンサの少なくとも一部を利用して電解コンデンサの両端電圧の変動を吸収する第１のフィルタを介して検出される。また、第２の入力電圧値は、前記複数の抵抗および複数のコンデンサの少なくとも一部を利用して電解コンデンサの両端電圧の変動を吸収する第２のフィルタを介して検出される。そして、第１のフィルタの時定数は、第２のフィルタの時定数よりも長く設定される。

第１のフィルタの時定数は比較的長いので、サージ電圧はその第１のフィルタにより吸収される。よって、第１のフィルタを介して検出される第１の入力電圧値は、サージ電圧の影響を受けることはないので、マイコンは、誤差の小さい入力電圧値に基づいてスイッチング回路を制御できる。

上記インバータにおいて、前記複数の抵抗の各抵抗値および前記複数のコンデンサの各容量は、前記電解コンデンサの等価直列抵抗によりサージ電圧が発生したときの前記第２の入力電圧値が、前記閾値電圧よりも小さくなるように決定されるようにしてもよい。このようにして抵抗値および容量を決定すれば、電解コンデンサの等価直列抵抗によりサージ電圧によって停止手段がスイッチング回路を強制的に停止することはない。

また、上記インバータにおいて、前記複数の抵抗の各抵抗値および前記複数のコンデンサの各容量は、前記電解コンデンサの等価直列抵抗により発生するサージ電圧に起因する前記第１の入力電圧値の変動が当該インバータに電力を供給する直流電源の出力電圧に対して所定の範囲内となるように決定されるようにしてもよい。このようにして抵抗値および容量を決定すれば、マイコンは、誤差の小さい入力電圧値に基づいてスイッチング回路を制御できる。

さらに、上記インバータにおいて、前記複数の抵抗の各抵抗値および前記複数のコンデンサの各容量は、前記第２の入力電圧値の検出遅延時間が所定時間内となるように決定されるようにしてもよい。このようにして抵抗値および容量を決定すれば、入力電圧が定常的に変化した場合には、所定時間内に第２の入力電圧値が上昇し、停止手段がスイッチング回路を停止することができる。

本発明によれば、入力回路部に電解コンデンサを有するインバータにおいて、回路部品の保護を図りながら広い温度範囲に渡って安定動作を実現できる。

図１は、本発明の実施形態に係るインバータの構成を示す図である。ここでは、３相交流を生成するインバータ１を示す。
図１において、直流電源１１は、例えばバッテリであり、直流電圧を生成する。スイッチング回路１２は、直流電源１１からの直流電圧が与えられ、マイコン１５からの指示に従って交流を生成する。スイッチング回路１２は、３相交流を生成するために、互いに並列に接続された３組のブリッジ回路を備える。各ブリッジ回路は、それぞれ、互いに直列に接続された１組のスイッチング素子（例えば、トランジスタ）を備える、なお、各スイッチング素子には、それぞれダイオードが接続されている。そして、スイッチング回路１２の出力は、負荷（たとえば、モータ）に供給される。すなわち、スイッチング回路１２は、負荷に供給すべき電流を制御する。

電解コンデンサ１３は、スイッチング回路１２の入力側に設けられ、入出電圧を安定させる。以下では、電解コンデンサ１３により安定化された電圧を入力電圧Ｖinと呼ぶことがある。電解コンデンサ１３は、複数の電解コンデンサを接続することにより構成されてもよい。図１に示す例では、２個の電解コンデンサが設けられている。なお、電解コンデンサは、一般に、低温領域では等価直列抵抗（ＥＳＲ）が大きくなる。よって、電解コンデンサ１３は、常温領域では入力電圧を安定させるが、低温領域では、スイッチング回路１２のスイッチング動作に起因するリップル電流がその等価直列抵抗を介して流れ、サージ電圧を発生させることになる。なお、等価直列抵抗により発生するサージ電圧は、出力電流にもよるが、入力電圧が数１００Ｖのときに、数１０Ｖに達することがある。

検出／保護回路（電圧検出回路）１４は、後で詳しく説明するが、入力電圧Ｖを検出すると共に、発生したサージ電圧を吸収する。ここで、検出／保護回路１４は、入力電圧Ｖを検出する検出点を２つ有する。以下の説明では、各検出点において検出された入力電圧を「Ｖin-1（第１の入力電圧値）」および「Ｖin-2（第２の入力電圧値）」と呼ぶことにする。

マイコン（制御手段）１５は、検出／保護回路１４により得られる入力電圧Ｖin-1および所定の出力パラメータに基づいて、スイッチング回路１２を制御するための制御信号を生成する。出力パラメータは、例えば、出力電流Ｉout および／または出力電圧Ｖout である。そして、マイコン１５は、入力電圧Ｖin-1を参照しながら、出力パラメータを目標値に一致させるようにスイッチング回路１２の動作（各スイッチング素子のオン／オフ動作）を制御する。駆動回路１６は、マイコン１５からの制御信号に従って、スイッチング回路１２を構成する各スイッチング素子を駆動する駆動信号を生成する。なお、駆動信号は、例えば、ＰＷＭ信号である。

停止回路（停止手段）１７は、検出／保護回路１４により得られる入力電圧Ｖin-2が所定の閾値電圧を超えると、スイッチング回路１２の動作を強制的に停止させる。スイッチング回路１２を停止する制御は、特に限定されるものではないが、例えば、駆動回路１６により生成される駆動信号を遮断する構成により実現可能である。この場合、例えば、ゲート回路等のハードウェア回路で駆動信号を遮断することができる。あるいは、マイコン１５から駆動回路１６への制御信号を遮断するようにしてもよい。

図２は、検出／保護回路１４の実施例である。検出／保護回路１４は、抵抗Ｒ１〜Ｒ４およびコンデンサＣ１〜Ｃ３を備える。電解コンデンサ１３の正側端子には、抵抗Ｒ１の一方の端子が接続されている。抵抗Ｒ１の他方の端子は、抵抗Ｒ２の一方の端子、抵抗Ｒ４の一方の端子、およびコンデンサＣ２の一方の端子が接続されている。抵抗Ｒ２の他方の端子は、スイッチング回路１２、抵抗Ｒ３の一方の端子、およびコンデンサＣ３の一方の端子に接続されている。抵抗Ｒ４の他方の端子は、コンデンサＣ１の一方の端子に接続されている。そして、電解コンデンサの負側端子は、スイッチング回路１２に接続されると共に、コンデンサＣ１の他方の端子、コンデンサＣ２の他方の端子、コンデンサＣ３の他方の端子、および抵抗Ｒ３の他方の端子に接続されている。

検出／保護回路１４は、上述したように、２つの電圧検出点（Ａ点、Ｂ点）を有する。Ａ点において検出される入力電圧Ｖin-1は、マイコン１５に通知される。そして、マイコン１５は、この入力電圧Ｖin-1を参照しながらスイッチング回路１２を制御する制御信号を生成する。一方、Ｂ点において検出される入力電圧Ｖin-2は、停止回路１７に通知される。そして、停止回路１７は、入力電圧Ｖin-2に応じてスイッチング回路１２の動作を停止するか否かを決定する。

上記構成の検出／保護回路１４において、抵抗Ｒ４およびコンデンサＣ１は、入力電圧の変動を吸収（すなわち、平滑化／平均化）するフィルタ（第１のフィルタ）として作用する。よって、電解コンデンサ１３の等価直列抵抗においてサージ電圧が発生しても、Ａ点において検出される入力電圧Ｖin-1の変動は小さい。このフィルタの時定数（ローパスフィルタのカットオフ周波数）を適切に設定すれば、マイコン１５が入力電圧Ｖin-1に応じてスイッチング回路１２を制御する際に、サージ電圧の影響を受けることはなく、スイッチング回路１２を適切に制御できる。なお、このフィルタの時定数は、抵抗Ｒ４の抵抗値およびコンデンサＣ１の容量のみによって決まるものではなく、抵抗Ｒ１〜Ｒ３およびコンデンサＣ２、Ｃ３の影響も受けるが、主に、抵抗Ｒ４の抵抗値およびコンデンサＣ１の容量によって決まる。

このフィルタの時定数が短すぎると、サージ電圧は十分に吸収されない。ここで、マイコン１５は、入力電圧Ｖinにそのサージ電圧が加わった電圧値に応じてスイッチング回路１２を制御する。このため、負荷の動作を適切に制御できなくなるおそれがある。例えば、負荷としてモータが接続されている場合には、その回転数を適切に制御できず、最悪の場合には脱調が発生することもある。一方、このフィルタの時定数が短すぎると、入力電圧が定常的に変化した場合に、マイコン１５の応答が遅くなってしまう。

同様に、抵抗Ｒ２およびコンデンサＣ３も、入力電圧の変動を吸収するフィルタ（第２のフィルタ）として作用する。よって、このフィルタの時定数サージ電圧は抑制され、スイッチング回路１２を構成する素子および電解コンデンサ１３を保護することができる。なお、このフィルタの時定数は、抵抗Ｒ２の抵抗値およびコンデンサＣ３の容量のみによって決まるものではなく、抵抗Ｒ１、Ｒ３、Ｒ４およびコンデンサＣ１、Ｃ２の影響も受けるが、主に、抵抗Ｒ２の抵抗値およびコンデンサＣ３の容量（あるいは、抵抗Ｒ２の抵抗値およびコンデンサＣ２、Ｃ３の容量）によって決まる。

このフィルタの時定数が短すぎると、比較的小さなサージであっても、停止回路１７がスイッチング回路１２を停止してしまい、負荷の連続運転が過剰に妨げられるおそれがある。一方、このフィルタの時定数が長すぎると、故障等により入力電圧が定常的に変化して異常電圧を引き起こした場合には、停止回路１７がスイッチング回路１２を停止する前にその異常電圧がスイッチング回路１２を構成する素子に印加されるおそれがある。

したがって、検出／保護回路１４を構成する抵抗の抵抗値およびコンデンサの容量は、適切に選択する必要がある。そして、実施形態のインバータ１においては、下記の設計思想に基づいてこれらの抵抗値および容量が選択される。
１．サージ電圧が所定値以下のとき（例えば、電解コンデンサ１３の等価直列抵抗において発生するサージ電圧が、インバータ１の構成／仕様を考慮して予測される範囲内のサージ電圧があったとき）は、停止回路１７はスイッチング回路１２を停止しない
２．サージ電圧が無かったと仮定した場合における入力電圧とマイコン１５に通知される入力電圧Ｖin-1との間の誤差を所定値以下にする
３．実際の入力電圧（サージ電圧が発生しているときは、そのサージ電圧が加えられた入力電圧）の変化が入力電圧Ｖin-2の変化として検出されるまでの検出遅延時間を所定値以下にする
設計思想１は、抵抗Ｒ２およびコンデンサＣ３を含んで構成されるフィルタの時定数の最小値を規定する。ただし、このとき定数を長くし過ぎると、設計思想３を実現できなくなる。よって、この時定数は比較的短い値になる。一方、設計思想２は、抵抗Ｒ４およびコンデンサＣ１を含んで構成されるフィルタの時定数の最小値を規定する。そして、サージ電圧を含んだ入力電圧を十分に平滑化するためには、この時定数を比較的長くする必要がある。したがって、抵抗Ｒ４およびコンデンサＣ１を含んで構成されるフィルタの時定数は、少なくとも、抵抗Ｒ２およびコンデンサＣ３を含んで構成されるフィルタの時定数よりも長く設定する必要がある。

以下、図２に示す検出／保護回路１４を構成する素子の抵抗値／容量を決定する実施例を説明する。なお、ここでは、下記のモデルを想定する。
（１）電解コンデンサ１３の等価直列抵抗に起因するサージ電圧は、６０Ｖであり、その立ち上がり速度は２００ｋＨｚに相当する
（２）直流電源１１の電圧は、２００〜４２０Ｖ
（３）抵抗Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３は、それぞれ、８００ｋΩ、１．５ｋΩ、４．３ｋΩ
（４）停止回路１７がスイッチ回路１２を停止するか否かを判断するための閾値である過電圧保護閾値電圧は、諸条件に応じて４４７〜４９０Ｖの間で変動し得る
（５）電解コンデンサ１３およびスイッチング回路１２を構成するスイッチング素子（例えば、ＩＧＢＴ）の耐圧は、６００Ｖ
（６）異常発生時の電圧上昇速度は、２Ｖ／マイクロ秒
下記の条件１〜３は、上述した設計思想１〜３を実現するための具体的な値を示している。

条件１．サージ電圧が発生しても、Ｂ点の電圧（すなわち、入力電圧Ｖin-2）が過電圧保護閾値電圧の最小値である４４７Ｖを超えないようにする。この条件１を満たすためには、直流電源１１の電圧の最大値は４２０Ｖなので、サージ電圧に起因する入力電圧Ｖin-2の上昇分を２７Ｖ以下に抑える必要がある。なお、条件１は、６０Ｖのサージ電圧が発生しても、過電圧保護動作（すなわち、停止回路１７がスイッチング回路１２を停止する動作）が実行されないことを保障するものである。

条件２．サージ電圧に起因するＡ点の電圧（すなわち、入力電圧Ｖin-1）の変動分を３Ｖ以下とする。ここで、直流電源１１の電圧は２００〜４２０Ｖなので、その中心電圧は概ね３００Ｖである。すなわち、条件２は、マイコン１５に通知される入力電圧値の誤差を１パーセント以下にすることを保障するものである。

条件３．Ｃ点とＢ点との間の電圧変化の遅延時間（すなわち、検出遅延時間）を９マイクロ秒以下にする。ここで、電解コンデンサ１３およびスイッチング素子の耐圧を考慮して、Ｃ点の電圧を５１０Ｖに抑えるものとする。また、過電圧保護閾値電圧の最大値は４９０Ｖであり、異常発生時の電圧上昇速度は２Ｖ／マイクロ秒である。そうすると、Ｃ点の電圧が５１０Ｖに達する前にＢ点の電圧が４９０Ｖに達して過電圧保護動作を働かせるためには、Ｃ点とＢ点との間の電圧変化の遅延時間を１０マイクロ秒以下にする必要がある。そして、条件３では、１マイクロ秒のマージンを持たせている。なお、条件３は、電圧に換算すると、１８Ｖ（マージン：２Ｖ）に相当する。

図３は、条件１〜３に基づいて抵抗値およびコンデンサ容量の組合せについて評価した結果を示す図である。ここでは、抵抗Ｒ１〜Ｒ３の抵抗値を固定した状態で、抵抗Ｒ４の抵抗値およびコンデンサＣ１〜Ｃ３を変えた場合のシミュレーション結果を示す。

条件１は、コンデンサＣ３の容量が０．２２ｎＦ以上であれば、常に満たされている。また、コンデンサＣ３の容量が０．１５ｎＦのときは、コンデンサＣ２の容量が０．１５ｎＦ以上になると条件１が満たされる。すなわち、抵抗Ｒ１〜Ｒ４の抵抗値を考慮しないものとすると、条件１を満たすためには、コンデンサＣ３の容量を所定値よりも大きくするか、或いは、コンデンサＣ２、Ｃ３の容量の和を所定値よりも大きくする必要があるものと推定される。

条件２は、ケース１に示すように、抵抗Ｒ４の抵抗値が大きく且つコンデンサＣ１の容量（または、Ｃ１〜Ｃ３の容量の和）が大きいときに満たされない。また、ケース１６に示すように、抵抗Ｒ４の抵抗値が小さく且つコンデンサＣ１の容量（または、Ｃ１〜Ｃ３の容量の和）が小さいときにも条件２は満たされない。

条件３は、概して、コンデンサＣ３の容量が大きいときに満たされない傾向にある。また、コンデンサＣ２、Ｃ３の容量の和が大きいときも条件３が満たされない傾向がある。
なお、抵抗Ｒ１〜Ｒ４の抵抗値およびコンデンサＣ１〜Ｃ３の容量は、上記条件１〜３が満たされる組合せの中で、コスト等を考慮して判断されることが好ましい。

図４は、入力電圧の周波数特性についてのシミュレーション結果である。なお、抵抗Ｒ１〜Ｒ４、コンデンサＣ１〜Ｃ３の組合せは、図３に示すケース６に従っている。また、点Ａ〜Ｄは、図２に示したものである。

サージ電圧の立ち上がり速度に相当する周波数を２００ｋＨｚとすると、Ａ点の検出電圧（Ｖin-1）は、Ｃ点の電圧（Ｖin）に対して３１．６ｄＢ低下している。ここで、サージ電圧を６０Ｖとすると、Ａ点にける変動量は約１．６Ｖである。よって、条件２は満たされる。また、Ｂ点の検出電圧（Ｖin-2）は、Ｃ点の電圧（Ｖin）に対して１０ｄＢ低下している。ここで、入力電圧Ｖinを４２０Ｖ、サージ電圧を６０Ｖとすると、Ｂ点の電圧は約４３９Ｖである。よって、条件１は満たされる。

本発明の実施形態に係るインバータの構成を示す図である。 検出／保護回路の実施例である。 検出／保護回路を構成する抵抗および容量の組合せについての評価結果を示す図である。 入力電圧の周波数特性についてのシミュレーション結果である。

符号の説明

１ インバータ
１１ 直流電源
１２ スイッチング回路
１３ 電解コンデンサ
１４ 検出／保護回路
１５ マイコン
１６ 駆動回路
１７ 停止回路

Claims (4)

1. 負荷に供給すべき電流を制御するスイッチング回路と、
   前記スイッチング回路の入力側に設けられる電解コンデンサと、
   前記電解コンデンサと前記スイッチング回路との間に設けられ、複数の抵抗および複数のコンデンサを備え、それら複数の抵抗および複数のコンデンサの異なる接続点において第１の入力電圧値および第２の入力電圧値を検出する電圧検出回路と、
   前記第１の入力電圧値を利用して前記スイッチング回路の動作を制御する制御手段と、
   前記第２の電圧検出値が所定の閾値電圧を超えたときに前記スイッチング回路の動作を停止させる停止手段、を有し、
   前記第１の入力電圧値は、前記複数の抵抗および複数のコンデンサの少なくとも一部を利用して前記電解コンデンサの両端電圧の変動を吸収する第１のフィルタを介して検出され、
   前記第２の入力電圧値は、前記複数の抵抗および複数のコンデンサの少なくとも一部を利用して前記電解コンデンサの両端電圧の変動を吸収する第２のフィルタを介して検出され、
   前記第１のフィルタの時定数は、前記第２のフィルタの時定数よりも長い
   ことを特徴とする過電圧保護機能を備えたインバータ。
2. 前記複数の抵抗の各抵抗値および前記複数のコンデンサの各容量は、前記電解コンデンサの等価直列抵抗によりサージ電圧が発生したときの前記第２の入力電圧値が、前記閾値電圧よりも小さくなるように決定される
   ことを特徴とする請求項１に記載の過電圧保護機能を備えたインバータ。
3. 前記複数の抵抗の各抵抗値および前記複数のコンデンサの各容量は、前記電解コンデンサの等価直列抵抗により発生するサージ電圧に起因する前記第１の入力電圧値の変動が当該インバータに電力を供給する直流電源の出力電圧に対して所定の範囲内となるように決定される
   ことを特徴とする請求項１に記載の過電圧保護機能を備えたインバータ。
4. 前記複数の抵抗の各抵抗値および前記複数のコンデンサの各容量は、前記第２の入力電圧値の検出遅延時間が所定時間内となるように決定される
   ことを特徴とする請求項１に記載の過電圧保護機能を備えたインバータ。

Images