JP2008206247A - インバータ制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】インバータの上下アームの短絡防止のための休止時間を短くすること。
【解決手段】直流電源から、多相ブリッジ回路に対してパルス幅変調手段を用いて任意の周波数と電圧の擬似交流へと変換して、負荷を駆動する電源で、ブリッジ回路の各相に対して、上下の各スイッチ素子が同時に導通しないように双方のスイッチへの駆動指令に休止時間を設けたインバータ回路であって、直流部分にて過電流を検出して駆動を停止させる手段を有し、各相に対して、略同一の電圧が出力されるように出力をさせ、前記休止時間を徐々に狭めていき、前記過電流検出手段にて過電流が検出されたときの休止時間を求め、求めた休止時間に対して一定量を加えた値をもって、実際に負荷を駆動するときの休止時間とする。これにより、各相の出力端子での休止時間を小さい値にでき、出力波形の精度を向上でき、負荷の安定駆動やシステムの効率改善が可能となる。
【選択図】図２

Description

本発明は直流電源から高速半導体スイッチング技術を用いて交流電力へと変換するインバータ回路の制御に関するものである。

高速半導体スイッチング技術を用いてインバータ回路を構成する方法として、トランジスタやＩＧＢＴあるいはＭＯＳ−ＦＥＴによるものが一般的に採用されている（例えば、非特許文献１参照）。

トランジスタではＮＰＮトランジスタを上下アームとしてそれぞれ用い、ＩＧＢＴやＭＯＳ−ＦＥＴでは、Ｎチャンネル型が用いられている。これらの素子をＯＮさせるには、エミッタもしくはドレインに対してベースから電流を流し込むか、ゲートに一定の電圧を印加することにより実現する。

図６は一般的なインバータの回路構成を示したものである。図６に示す例では、ＩＧＢＴとダイオードをペアに接続したものを上下２段に３列設けたものであり、上側のＩＧＢＴをＯＮさせると出力相は直流電源のプラス側に接続され、下側のＩＧＢＴをＯＮさせると出力相は直流電圧のマイナス側に接続される。

このプラス側およびマイナス側への接続を高速で時分割にて行うことにより、出力相の電圧の平均値をその中間の任意の電圧にすることができ、交流電源を構成することができる。

ところが、ＩＧＢＴのＯＮからＯＦＦおよびＯＦＦからＯＮへの切り替わり時間（以下、それぞれＯＦＦ遅れ時間、ＯＮ遅れ時間と称する）は同じではなく、一般にはＯＦＦに切り替わる時間が遅い。すなわちＯＦＦ遅れ時間が大きい。

このため、上下アームに交互にＯＮする指令を出した場合には、直流電源が短絡されることになり、ＩＧＢＴなどの破壊を招くおそれがある。このため、上アームと下アームへのＯＮの指令が切り替わるときに双方のアームへのＯＮ指令を休止する期間「デッドタイム」を設けている。

図７は上アームおよび下アームへの制御回路からの指令と実際のＩＧＢＴの出力との時間関係を示すタイミング図である。時刻ＴＵ１にて上アームへ制御回路よりＯＮ指令が出力されても、ＩＧＢＴがＯＮするのは時刻ＴＵ２になってからである。時刻ＴＵ３にて上アームへのＯＦＦ指令が出力されても、ＩＧＢＴがＯＦＦするのは時刻ＴＵ４になってからである。

そしてこのタイミングで下アームのＩＧＢＴがＯＮとなるように駆動する必要があるが、時刻ＴＵ４よりも手前で下アームＩＧＢＴがＯＮになると、上下アームで短絡となるので、時刻ＴＵ４よりも少し遅れて下アームのＩＧＢＴがＯＮするようにする。図７では下アームのＩＧＢＴがＯＮする時刻をＴＬ２とし、制御回路より下アームへのＯＮ指令が出力される時刻をＴＬ１としている。

ＴＵ３，ＴＵ４、ＴＬ１、ＴＬ２についての順序は、まず、自明のものとして、ＯＦＦ遅れ時間に相当する「ＴＵ３→ＴＵ４」、ＯＮ遅れ時間に相当する「ＴＬ１→ＴＬ２」、があり、上下アームの短絡防止から、「ＴＵ４→ＴＬ２」、となるようにする必要がある
。

しかも、ＴＵ４からＴＬ２の期間は上下どちらのＩＧＢＴもＯＦＦとなっている。同様に上アームがＯＮに切り替わる場合も、自明のものとして、ＯＦＦ遅れ時間に相当する「ＴＬ３→ＴＬ４」、ＯＮ遅れ時間に相当する「ＴＵ５→ＴＵ６」、があり、上下アームの短絡防止から、「ＴＬ４→ＴＵ６」、となるようにする必要がある。しかも、ＴＬ４からＴＵ６の期間は上下どちらのＩＧＢＴもＯＦＦとなっている。
インバータドライブハンドブック編集委員会編「インバータドライブハンドブック」日刊工業新聞社出版、１９９５年初版

しかしながら、ＩＧＢＴなどのパワーデバイスのＯＮ遅れ時間、ＯＦＦ遅れ時間はバラツキがあり、図１のように三相ブリッジ回路１を構成した場合などは、６個のＩＧＢＴがあるため、それぞれのバラツキを考慮してデッドタイムを設定しなければいけない。実際には、使用するＩＧＢＴのバラツキスペックとして、ＯＮ時間の最小値とＯＦＦ時間の最大値との差の時間を制御回路で与えるデッドタイムに設定する方法がとられている。

この場合、ＩＧＢＴスペックより求められる最大値を用いているので、実際の回路で必要な最大値に対しては非常に大きいマージンを有していることになり、出力端子でも大きなデッドタイムが残ってしまうことが多い。

出力端子でデッドタイムが多く残っていると、端子の電圧が電流極性により変化する不安定な状態の期間が長くなるため、モータなどの負荷の駆動が不安定になりやすいなどの問題を生じることや、負荷に供給する電圧波形の精度が低下し、システムの効率が低下するなどの課題がある。

本発明は、上記従来の課題を解決するもので、簡易な方法で、使用しているブリッジ回路の実際に必要なデッドタイムを検知することができ、負荷の安定駆動や出力波形の精度向上が可能なインバータ制御装置を提供することを目的とする。

上記従来の課題を解決するために、本発明のインバータ制御装置は、直流部分にて過電流を検出してインバータを停止させる手段を設け、インバータの各相より略同一の電圧が出力されるようにインバータを駆動させ、所定の相におけるデッドタイム値を徐々に少なくしていき、インバータ停止手段が動作したときをその相のデッドタイムの限界値とするものである。

これによって、各相のデッドタイムの限界値を知ることができ、出力端子でのデッドタイムを小さい値にできる。

本発明のインバータ制御装置は、出力端子でのデッドタイムを小さい値にできるので、出力波形の精度を向上でき、結果として、モータなどの負荷の安定駆動やシステムの効率改善が可能である。

第１の発明は、直流電源もしくは、交流電源を整流平滑して得た擬似直流電源から、多相のブリッジ回路に対してパルス幅変調手段を用いて任意の周波数と電圧の擬似交流へと変換して、負荷へ供給する電源を構成し、ブリッジ回路の一つの相に対して、上アームの
スイッチ素子と下アームのスイッチ素子とが同時に導通しないように双方のスイッチへの駆動指令に休止時間を設けたインバータ回路であって直流部分にて過電流を検出して駆動を停止させる手段を有し、各相に対して、略同一の電圧が出力されるように出力をさせ、前記休止時間を徐々に狭めていき、前記過電流検出手段にて過電流が検出されたときの休止時間を求め、求めた休止時間に対して一定量を加えた値をもって、実際に負荷を駆動するときの休止時間とする。

これにより、各相のデッドタイムの限界値を知ることができ、出力端子でのデッドタイムを小さい値にでき、出力波形の精度を向上でき、結果として、モータなどの負荷の安定駆動やシステムの効率改善が可能となる。

第２の発明は、第１の発明において、負荷駆動前もしくは、負荷の駆動を停止した直後に行うものである。これにより、異なる温度におけるデッドタイムの限界値を知ることができ、使用する温度変化に応じて変化する要因も含めて出力端子でのデッドタイムを小さい値にでき、出力波形の精度を向上でき、結果として、モータなどの負荷の安定駆動やシステムの効率改善が可能となる。

第３の発明は、第１または第２の発明において、ブリッジ回路の温度を検出する手段を設け、検出した温度と複数の前記休止時間との関係を求め、使用する温度範囲における最大休止時間を推定し、推定した最大休止時間値に一定量を加えた値をもって、実際に負荷を駆動するときの休止時間とするものである。これにより、少ないマージンで休止時間を設定することができる。

第４の発明は、第１または第２の発明において、ブリッジ回路の温度を検出する手段を設け、検出した温度と複数の前記休止時間との関係を求め、実際に運転する温度における休止時間を推定し、推定した休止時間値に一定量を加えた値をもって、実際に負荷を駆動するときの休止時間とするものである。これにより、少ないマージンで休止時間を設定することができる。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。なお、この実施の形態によって本発明が限定されるものではない。

（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１におけるインバータ制御装置の回路構成図を示すものである。

図１において、直流電源８を三相ブリッジ回路１を経由してモータ３に接続することにより、モータ３を可変速駆動する。三相ブリッジ回路１の制御は制御回路５からパルス幅変調による駆動指令を発生せしめ、ゲート駆動回路４を経由して三相ブリッジ回路１におけるＩＧＢＴをＯＮ／ＯＦＦせしめる。

三相ブリッジ回路１のマイナス側は電流検出抵抗２を経由して直流電源８のマイナス側に接続されており、電流検出抵抗２の両端に生じる電圧が高くなると、比較回路７を経由してフリップフロップ６をセットし、フリップフロップ６の出力（Ｑ）により、ゲート駆動回路４にてゲート駆動を禁止するとともに、制御回路５に割込み信号を送信し、異常が発生していることを制御回路５に通知する。

図１における制御回路５での処理を表すフローチャートを図２に示す。この処理は負荷駆動前もしくは駆動した後に停止したときに実施されるものとする。ステップ３０１において、制御回路５より出力されるデッドタイム値を初期化する。初期値としては十分なマ
ージンを持った値を用いる。

次に、ステップ３０２で所定相（図１では最初は相１からとしていることに対応）のデッドタイム値をセットし、それ以外の相のデッドタイムは初期値を用いるように設定する。次にステップ３０３で３つの相から出力される電圧がほぼ同じ電圧となるようにしてＰＷＭ出力を開始する。

判断３０４にて一定時間が経過したかどうかを調べ、時間が経過していたらステップ３０５へと進み、所定相のデッドタイム値を少し短くし、再び、ステップ３０３に戻り、ＰＷＭ出力を再開する。判断３０４で時間が経過していない場合には、判断３０６へと進み、過電流による割り込みが発生しているかどうかを調べる。

割り込みが発生している場合は、ステップ３０７へと進み、ＰＷＭ出力を停止させ、割込み要因であるフリップフロップ（図１の６）をクリアし、ステップ３０８へと進み、所定相のデッドタイム値を制御回路５の記憶領域に格納する。

次に、ステップ３０９で所定相の番号をインクリメントし、判断３１０で３番目を超過したかどうかを調べ、超過した場合は処理を終了し、超過していない場合には、ステップ３０１へと戻り、別の相で同じ処理を行う。この処理を行うことにより、各相で、上下短絡が発生するときのデッドタイム指令値を知ることができる。

また、三相ブリッジ回路１からＰＷＭ出力が出ているが、３つの相から出力される平均電圧がほぼ等しいので、負荷であるモータ３には殆ど電流が流れることもない。

以上のように、本実施の形態によれば、インバータ１の上下アームの休止時間を非常に小さく設定できるので、負荷駆動の安定性向上、駆動効率の改善などの効果が得られる。

（実施の形態２）
図３は、本発明の実施の形態２におけるインバータ制御装置の回路構成図を示すものである。図３において、図１と同じ機能を持つ箇所には同じ符号を付し、説明を省略する。

図３に示されるように、温度検出手段９が三相ブリッジ回路１の中に設けられ、制御回路１０が三相ブリッジ回路１の温度を知ることができるようにしている。これにより、過負荷などで三相ブリッジ回路１の温度が上昇した場合、制御回路１０により負荷の駆動を停止させる、あるいは負荷の駆動能力を下げるなどの処置がとれるようにする。

また、負荷を駆動する前は、三相ブリッジ回路１の温度は比較的低く、負荷を駆動した直後は、三相ブリッジ回路１の温度は比較的高い状態にある。このため、それぞれの条件で、必要休止時間を測定することができ、温度による変化を調べることが可能である。

図４は温度条件ＴＨ１とＴＨ２で必要休止時間Ｔｄ１、Ｔｄ２を測定し、実際の使用される温度での最長休止時間Ｔｄｍａｘを求める方法を図示している。すなわち、２つの温度より必要な休止時間をもとめ、運転する温度範囲における最長の休止時間を算出し、一定値のマージンを追加することにより、少ないマージンで休止時間を設定することができるものである。

同様に図５では、温度変化に対する別の実施方法を示したもので、実際に運転している温度において、その温度における最小の休止時間を求め、求めた最小の休止時間に対して、一定値のマージンを追加することにより、少ないマージンで休止時間を設定することができるものである。

以上のように、本発明にかかるインバータ制御装置は、空気調和機や冷蔵庫などのインバータ駆動の機器に適用可能なものであり、インバータの上下アームの休止時間を非常に小さく設定できるので、負荷駆動の安定性向上、駆動効率の改善などの効果が得られる。

本発明の実施の形態１におけるインバータ制御装置の回路構成図 本発明の実施の形態１における制御回路の処理を示すフローチャート 本発明の実施の形態２におけるインバータ制御装置の回路構成図 本発明の実施の形態２における制御方法を説明するためのグラフ 本発明の実施の形態２における制御方法を説明するためのグラフ 従来のインバータ制御装置の回路構成図 上下アーム休止時間（デッドタイム）を説明するためのタイミング図

符号の説明

１ 三相ブリッジ回路
２ 検出抵抗
３ モータ
５、１０、１１ 制御装置
８ 直流電源
９ 温度検出手段

Claims (4)

1. 直流電源もしくは、交流電源を整流平滑して得た擬似直流電源から、多相のブリッジ回路に対してパルス幅変調手段を用いて任意の周波数と電圧の擬似交流へと変換して、負荷へ供給する電源を構成し、ブリッジ回路の一つの相に対して、上アームのスイッチ素子と下アームのスイッチ素子とが同時に導通しないように双方のスイッチへの駆動指令に休止時間を設けたインバータ回路であって、
   直流部分にて過電流を検出して駆動を停止させる過電流検出手段を有し、各相に対して、略同一の電圧が出力されるように出力をさせ、前記過電流検出手段による休止時間を徐々に狭めていき、前記過電流検出手段にて過電流が検出されたときの休止時間を求め、求めた休止時間に対して一定量を加えた値をもって、実際に負荷を駆動するときの休止時間とすることを特徴とするインバータ制御装置。
2. 前記休止時間の調整動作を負荷の駆動前もしくは、負荷駆動を停止した直後に実行することを特徴とする請求項１に記載のインバータ制御装置。
3. ブリッジ回路の温度を検出する手段を設け、検出した温度と複数の前記休止時間との関係を求め、使用する温度範囲における最大休止時間を推定し、推定した最大休止時間値に一定量を加えた値をもって、実際に負荷を駆動するときの休止時間とすることを特徴とする請求項１または２に記載のインバータ制御装置。
4. ブリッジ回路の温度を検出する手段を設け、検出した温度と複数の前記休止時間との関係を求め、実際に運転する温度における休止時間を推定し、推定した休止時間値に一定量を加えた値をもって、実際に負荷を駆動するときの休止時間とすることを特徴とする請求項１または２に記載のインバータ制御装置。

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