JP2010035389A - Inverter circuit - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、直流を交流に変換し、電動機（例えば多相モータ）等の負荷を駆動するインバータ回路に関するものである。 The present invention relates to an inverter circuit that converts direct current into alternating current and drives a load such as an electric motor (for example, a multiphase motor).
従来より、空気調和装置の圧縮機を駆動する電動機（例えば多相モータ）等の運転状態を制御するために、いわゆる多相インバータ回路が用いられる。この多相インバータ回路では、それぞれの相に対して、上アーム側用及び下アーム側用のスイッチング素子が設けられ、上アーム側のスイッチング素子が駆動されてオンになることによって、所定の高電圧が出力線に接続され、下アーム側のスイッチング素子が駆動されてオンになることによって出力線が接地される。このように各スイッチング素子を駆動するため、多相インバータ回路では、上アーム側のスイッチング素子を駆動する上アーム側ドライブ回路に対して電源電圧を供給する、いわゆるブートストラップ回路が用いられる（例えば特許文献１を参照）。このブートストラップ回路は、上アーム側ドライブ回路に電源電圧を供給するブートストラップキャパシタを備えており、下アーム側スイッチング素子がオンになった際にこのブートストラップキャパシタが充電され、このブートストラップキャパシタによって上アーム側スイッチング素子に電源電圧が供給される。 Conventionally, a so-called multiphase inverter circuit is used to control the operating state of an electric motor (for example, a multiphase motor) that drives a compressor of an air conditioner. In this multiphase inverter circuit, an upper arm side switching element and a lower arm side switching element are provided for each phase, and the upper arm side switching element is driven and turned on, whereby a predetermined high voltage is applied. Is connected to the output line, and the switching element on the lower arm side is driven and turned on to ground the output line. In order to drive each switching element in this way, a so-called bootstrap circuit that supplies a power supply voltage to an upper arm side drive circuit that drives an upper arm side switching element is used in a multiphase inverter circuit (for example, a patent) Reference 1). The bootstrap circuit includes a bootstrap capacitor that supplies a power supply voltage to the upper arm side drive circuit. When the lower arm side switching element is turned on, the bootstrap capacitor is charged. A power supply voltage is supplied to the upper arm side switching element.
ところで、このような多相インバータ回路では、ＭＯＳＦＥＴ（Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor）やＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）等のスイッチング素子が用いられるのが一般的である。また、近年ではＳｉＣ（Silicon Carbite）のような材料を用いたワイドバンドギャップ半導体が盛んに開発されており、低損失で耐熱性が高い等の特性から上記のスイッチング素子としての応用が期待されている。とりわけ、ＳｉＣを用いた半導体素子は、ＭＯＳＦＥＴ構造とするよりも接合型電界効果トランジスタ（以下、ＪＦＥＴと略記する。JFET：Junction Field Effect Transistor）構造とした方が損失を小さくしやすいため、接合型電界効果トランジスタとしての応用が期待されている。
しかしながら、ＪＦＥＴの中には、オンオフを制御する際に、正の電源電圧に加え負の電源電圧を必要とするものもあるが、従来のブートストラップ回路では正及び負の両方の電源電圧を供給することは考慮されてはいなかった。これに対しては例えば、従来のブートストラップ回路に加えて、それぞれのアームに対して負の電圧を供給する電源回路を設けることも考えられるが、これでは回路規模が大きくなり、延いてはインバータ回路のコストアップに繋がることになる。 However, some JFETs require a negative power supply voltage in addition to a positive power supply voltage to control on / off, but conventional bootstrap circuits supply both positive and negative power supply voltages. It was not considered to do. For this, for example, in addition to the conventional bootstrap circuit, it may be possible to provide a power supply circuit that supplies a negative voltage to each arm. This leads to an increase in circuit cost.
本発明は上記の問題に着目してなされたものであり、ブートストラップ回路によって正及び負の電源電圧を供給できるようにして、正及び負の電源電圧が必要なスイッチング素子を駆動できるようにすることを目的としている。 The present invention has been made paying attention to the above-described problem, and enables positive and negative power supply voltages to be supplied by a bootstrap circuit so that a switching element that requires positive and negative power supply voltages can be driven. The purpose is that.
上記の課題を解決するため、第１の発明は、
上アーム側スイッチング素子（10）を含んだ上アームと、下アーム側スイッチング素子（11）を含んだ下アームとからなるアームを複数備え、前記上アーム側スイッチング素子（10）が正側及び負側駆動電圧（Vuh,Vul,…）によって駆動されてスイッチングを行って、複数相の交流電力を出力するインバータ回路であって、
上アーム正側及び負側駆動電圧（Vuh,Vul）の何れかを、前記上アーム側スイッチング素子（10）のゲート電圧として印加する上アーム側ドライブ回路（20）と、
下アーム正側及び負側の駆動電圧（Vxh,Vxl）の何れかを、前記下アーム側スイッチング素子（11）にゲート電圧として印加する下アーム側ドライブ回路（21）と、
前記上アーム側ドライブ回路（20）に、前記上アーム側スイッチング素子（10）のソース端子を基準とした正の電圧を前記上アーム正側駆動電圧（Vuh）として供給する正側電圧用コンデンサ（C1）と、
前記上アーム側ドライブ回路（20）に、前記上アーム側スイッチング素子（10）のソース端子を基準とした負の電圧を前記上アーム負側駆動電圧（Vul）として供給する負側電圧用コンデンサ（C2）と、
を備えたことを特徴とする。
In order to solve the above problems, the first invention is
There are provided a plurality of arms composed of an upper arm including the upper arm side switching element (10) and a lower arm including the lower arm side switching element (11). The upper arm side switching element (10) is positive and negative. An inverter circuit that is driven by a side drive voltage (Vuh, Vul,...) And performs switching to output a plurality of phases of AC power.
An upper arm drive circuit (20) for applying either the upper arm positive side or negative side drive voltage (Vuh, Vul) as the gate voltage of the upper arm side switching element (10);
A lower arm side drive circuit (21) for applying either the lower arm positive side or negative side drive voltage (Vxh, Vxl) as a gate voltage to the lower arm side switching element (11);
A positive voltage capacitor for supplying a positive voltage based on the source terminal of the upper arm side switching element (10) as the upper arm positive side drive voltage (Vuh) to the upper arm side drive circuit (20) ( C1) and
Negative voltage capacitor for supplying the upper arm side drive circuit (20) with a negative voltage based on the source terminal of the upper arm side switching element (10) as the upper arm negative side drive voltage (Vul) ( C2)
It is provided with.
これにより、正及び負側電圧用コンデンサ（C1,C2）が、それぞれ充電されると、この正及び負側電圧用コンデンサ（C1,C2）が正及び負の電圧を上アーム側ドライブ回路（20）に供給する。そして、正側電圧用コンデンサ（C1）によって供給される正の電圧は、上アーム側スイッチング素子（10）をオンにする駆動電圧として使用でき、また、負側電圧用コンデンサ（C2）によって供給される負の電圧は、上アーム側スイッチング素子（10）をオフにする駆動電圧として使用できる。すなわち正及び負側電圧用コンデンサ（C1,C2）がいわゆるブートストラップキャパシタとして機能する。 As a result, when the positive and negative voltage capacitors (C1, C2) are charged, the positive and negative voltage capacitors (C1, C2) send positive and negative voltages to the upper arm side drive circuit (20 ). The positive voltage supplied by the positive voltage capacitor (C1) can be used as a drive voltage to turn on the upper arm side switching element (10), and is also supplied by the negative voltage capacitor (C2). The negative voltage can be used as a drive voltage for turning off the upper arm side switching element (10). That is, the positive and negative voltage capacitors (C1, C2) function as so-called bootstrap capacitors.
また、第２の発明は、
第１の発明のインバータ回路において、さらに、
前記下アーム側ドライブ回路（21）に対して前記下アーム側スイッチング素子（11）のソース端子を基準とした正の電圧を前記下アーム正側駆動電圧（Vxh）として供給するとともに、前記下アーム側スイッチング素子（11）を介して前記正側電圧用コンデンサ（C1）を充電する下アーム用正側直流電源（Vg1）と、
前記上アーム側スイッチング素子（10）を介して前記負側電圧用コンデンサ（C2）を充電する上アーム用負側直流電源（Vg3）と、
を備えたことを特徴とする。
In addition, the second invention,
In the inverter circuit of the first invention,
A positive voltage based on the source terminal of the lower arm switching element (11) is supplied as the lower arm positive drive voltage (Vxh) to the lower arm drive circuit (21), and the lower arm A lower arm positive DC power supply (Vg1) for charging the positive voltage capacitor (C1) via the side switching element (11);
An upper arm negative DC power supply (Vg3) for charging the negative voltage capacitor (C2) via the upper arm switching element (10);
It is provided with.
これにより、下アーム側スイッチング素子（11）がオンの場合に、正側電圧用コンデンサ（C1）を下アーム用正側直流電源（Vg1）に接続する経路が形成されて、正側電圧用コンデンサ（C1）が充電される。また、上アーム側スイッチング素子（10）がオンの場合に、負側電圧用コンデンサ（C2）を直流電源（Vg3）に接続する経路が形成されて、負側電圧用コンデンサ（C2）が充電される。そして、この正側電圧用コンデンサ（C1）は上アーム側ドライブ回路（20）に対して正の電源電圧を供給し、負側電圧用コンデンサ（C2）は上アーム側ドライブ回路（20）に対して負の電源電圧を供給する。 This forms a path to connect the positive voltage capacitor (C1) to the lower arm positive DC power supply (Vg1) when the lower arm switching element (11) is on, and the positive voltage capacitor (C1) is charged. When the upper arm switching element (10) is on, a path is formed to connect the negative voltage capacitor (C2) to the DC power supply (Vg3), and the negative voltage capacitor (C2) is charged. The The positive voltage capacitor (C1) supplies a positive power supply voltage to the upper arm drive circuit (20), and the negative voltage capacitor (C2) is supplied to the upper arm drive circuit (20). Supply a negative power supply voltage.
また、第３の発明は、
第２の発明のインバータ回路において、
前記下アーム側ドライブ回路（21）を制御して前記下アーム側スイッチング素子（11）をオンにさせて前記正側電圧用コンデンサ（C1）を充電させた後に、前記上アーム側ドライブ回路（20）を制御して、充電された前記正側電圧用コンデンサ（C1）によって前記上アーム側スイッチング素子（10）をオンにさせて前記負側電圧用コンデンサ（C2）を充電させる制御回路（30）をさらに備えていることを特徴とする。
In addition, the third invention,
In the inverter circuit of the second invention,
After controlling the lower arm side drive circuit (21) to turn on the lower arm side switching element (11) and charging the positive side voltage capacitor (C1), the upper arm side drive circuit (20 ), The control circuit (30) for charging the negative voltage capacitor (C2) by turning on the upper arm switching element (10) by the charged positive voltage capacitor (C1) Is further provided.
これにより、制御回路（30）の制御によって、下アーム側スイッチング素子（11）がオンになって正側電圧用コンデンサ（C1）が充電される。そしてその後、この充電された正側電圧用コンデンサ（C1）によって上アーム側スイッチング素子（10）がオンにされ、負側電圧用コンデンサ（C2）が充電される。すなわち、正側電圧用コンデンサ（C1）、負側電圧用コンデンサ（C2）の順で、片方ずつ充電される。 As a result, under the control of the control circuit (30), the lower arm side switching element (11) is turned on and the positive side voltage capacitor (C1) is charged. Thereafter, the upper-side switching element (10) is turned on by the charged positive-side voltage capacitor (C1), and the negative-side voltage capacitor (C2) is charged. That is, the positive voltage capacitor (C1) and the negative voltage capacitor (C2) are charged one by one in this order.
また、第４の発明は、
第２の発明のインバータ回路において、
前記下アーム側ドライブ回路（21）を制御して前記下アーム側スイッチング素子（11）をオンにさせて前記正側電圧用コンデンサ（C1）を所定期間だけ充電させる第１のモードと、前記上アーム側ドライブ回路（20）を制御して、充電された前記正側電圧用コンデンサ（C1）によって前記上アーム側スイッチング素子（10）をオンにさせて前記負側電圧用コンデンサ（C2）を所定期間だけ充電させる第２のモードとを交互に実行する制御回路（30）をさらに備えていることを特徴とする。
In addition, the fourth invention is
In the inverter circuit of the second invention,
A first mode for controlling the lower arm side drive circuit (21) to turn on the lower arm side switching element (11) to charge the positive voltage capacitor (C1) for a predetermined period; The arm-side drive circuit (20) is controlled to turn on the upper arm-side switching element (10) by the charged positive-side voltage capacitor (C1) and to set the negative-side voltage capacitor (C2) to a predetermined value. A control circuit (30) that alternately executes the second mode in which charging is performed only for a period is further provided.
これにより、第１のモードで正側電圧用コンデンサ（C1）が所定期間だけ充電され、それに続く第２のモードで負側電圧用コンデンサ（C2）が所定期間だけ充電される。そして、この第１のモード及び第２のモードが交互に繰り返される。すなわち、正側電圧用コンデンサ（C1）と負側電圧用コンデンサ（C2）とが、所定期間ずつ交互に充電される。その結果、正側電圧用コンデンサ（C1）と負側電圧用コンデンサ（C2）の双方の電圧が徐々に上昇する。 As a result, the positive voltage capacitor (C1) is charged for a predetermined period in the first mode, and the negative voltage capacitor (C2) is charged for a predetermined period in the subsequent second mode. Then, the first mode and the second mode are alternately repeated. That is, the positive voltage capacitor (C1) and the negative voltage capacitor (C2) are alternately charged for a predetermined period. As a result, the voltages of both the positive voltage capacitor (C1) and the negative voltage capacitor (C2) gradually increase.
また、第５の発明は、
第２の発明のインバータ回路において、
前記上アーム側ドライブ回路（20）を制御して、前記上アーム側スイッチング素子（10）をオンにさせて前記負側電圧用コンデンサ（C2）を充電させた後に、前記下アーム側ドライブ回路（21）を制御して前記下アーム側スイッチング素子（11）をオンにさせて前記正側電圧用コンデンサ（C1）を充電させる制御回路（30）をさらに備えていることを特徴とする。
In addition, the fifth invention,
In the inverter circuit of the second invention,
After controlling the upper arm side drive circuit (20) to turn on the upper arm side switching element (10) and charge the negative side voltage capacitor (C2), the lower arm side drive circuit ( 21), further comprising a control circuit (30) for turning on the lower arm side switching element (11) to charge the positive side voltage capacitor (C1).
これにより、上アーム側スイッチング素子（10）がオンになって負側電圧用コンデンサ（C2）が充電され、そして上アーム側スイッチング素子（10）がオフになった後に、下アーム側スイッチング素子（11）がオンになって正側電圧用コンデンサ（C1）が充電される。例えば、第２の発明のインバータ回路では、正側電圧用コンデンサ（C1）に充電するには下アーム側スイッチング素子（11）をオン、且つ上アーム側スイッチング素子（10）をオフにする必要がある。しかし、上アーム側スイッチング素子（10）、下アーム側スイッチング素子（11）として、いわゆるノーマリオンタイプのスイッチング素子を採用すると、運転開始時には負側電圧用コンデンサ（C2）が充電されていない状態なので、上アーム側スイッチング素子（10）をオフにできず、正側電圧用コンデンサ（C1）には充電できない。これに対して、第５の発明では、まず、制御回路（30）の制御によって、上アーム側スイッチング素子（10）を介して負側電圧用コンデンサ（C2）が先に充電されるので、ノーマリオンタイプのスイッチング素子を採用した場合の充電シーケンスを容易に制御できる。 As a result, the upper arm side switching element (10) is turned on, the negative voltage capacitor (C2) is charged, and the upper arm side switching element (10) is turned off. 11) turns on and the positive voltage capacitor (C1) is charged. For example, in the inverter circuit of the second invention, to charge the positive voltage capacitor (C1), it is necessary to turn on the lower arm side switching element (11) and turn off the upper arm side switching element (10). is there. However, if a so-called normally-on type switching element is used as the upper arm side switching element (10) and lower arm side switching element (11), the negative side voltage capacitor (C2) is not charged at the start of operation. The upper arm side switching element (10) cannot be turned off and the positive voltage capacitor (C1) cannot be charged. In contrast, in the fifth aspect of the invention, the negative voltage capacitor (C2) is first charged through the upper arm side switching element (10) under the control of the control circuit (30). It is possible to easily control the charging sequence when a mullion type switching element is employed.
また、第６の発明は、
第１の発明のインバータ回路において、さらに、
前記下アーム側ドライブ回路（21）に対して前記下アーム側スイッチング素子（11）のソース端子を基準とした正の電圧を前記下アーム正側駆動電圧（Vxh）として供給するとともに、前記正側電圧用コンデンサ（C1）の正側に接続されて該正側電圧用コンデンサ（C1）を充電する下アーム用正側直流電源（Vg1）と、
前記下アーム側スイッチング素子（11）に対して、該下アーム側スイッチング素子（11）のソース端子を基準とした負の電圧である下アーム負側駆動電圧（Vxl）を供給する下アーム用負側直流電源（Vg2）と、
前記負側電圧用コンデンサ（C2）の負側と前記下アーム用負側直流電源（Vg2）との間に設けられた充電用スイッチング素子（40）と、
を備えていることを特徴とする。
In addition, the sixth invention,
In the inverter circuit of the first invention,
A positive voltage based on the source terminal of the lower arm switching element (11) is supplied to the lower arm drive circuit (21) as the lower arm positive drive voltage (Vxh), and the positive side A positive DC power supply for the lower arm (Vg1) connected to the positive side of the voltage capacitor (C1) and charging the positive voltage capacitor (C1);
A lower arm negative supply voltage (Vxl) that is a negative voltage based on the source terminal of the lower arm switching element (11) is supplied to the lower arm switching element (11). Side DC power supply (Vg2),
A charging switching element (40) provided between the negative side of the negative voltage capacitor (C2) and the lower arm negative side DC power supply (Vg2);
It is characterized by having.
これにより、正側電圧用コンデンサ（C1）と負側電圧用コンデンサ（C2）とが直列接続の状態で、直列接続状態の下アーム用正側直流電源（Vg1）と下アーム用負側直流電源（Vg2）から、これらの両電源の電圧を合わせた電圧が印加される。すなわち、この下アーム用正側直流電源（Vg1）と下アーム用負側直流電源（Vg2）とによって、正側電圧用コンデンサ（C1）と負側電圧用コンデンサ（C2）とが同時に充電される。 As a result, when the positive voltage capacitor (C1) and the negative voltage capacitor (C2) are connected in series, the lower arm positive DC power supply (Vg1) and the lower arm negative DC power supply are connected in series. From (Vg2), the combined voltage of both power supplies is applied. That is, the positive voltage capacitor (C1) and the negative voltage capacitor (C2) are simultaneously charged by the lower arm positive DC power supply (Vg1) and the lower arm negative DC power supply (Vg2). .
また、第７の発明は、
第６の発明のインバータ回路において、
前記上アーム側スイッチング素子（10）がオフの場合に、所定期間だけ前記充電用スイッチング素子（40）をオンに制御する制御回路（30）をさらに備えていることを特徴とする。
In addition, the seventh invention,
In the inverter circuit of the sixth invention,
It further includes a control circuit (30) for controlling the charging switching element (40) to be turned on only for a predetermined period when the upper arm side switching element (10) is off.
これにより、上アーム側スイッチング素子（10）がオフの場合にのみ、正側電圧用コンデンサ（C1）と負側電圧用コンデンサ（C2）の充電が行われる。
また、第８の発明は、
第１の発明から第７の発明の何れかの１つのインバータ回路において、
前記スイッチング素子（10,11）は、ワイドバンドギャップ半導体を用いたことを特徴とする。
As a result, the positive voltage capacitor (C1) and the negative voltage capacitor (C2) are charged only when the upper arm side switching element (10) is off.
Further, the eighth invention is
In one inverter circuit of any one of the first to seventh inventions,
The switching elements (10, 11) are characterized by using a wide band gap semiconductor.
これにより、ワイドバンドギャップ半導体で構成された上アーム側スイッチング素子（10）がスイッチング動作を行う。 Thereby, the upper arm side switching element (10) made of a wide band gap semiconductor performs a switching operation.
第１の発明によれば、正及び負側電圧用コンデンサ（C1,C2）によってそれぞれ正及び負の電圧を上アーム側スイッチング素子（10）に供給できるので、正及び負の両方の電圧を供給するブートストラップ回路を実現でき、このブートストラップ回路により、正及び負の電源電圧によって駆動されるスイッチング素子を駆動することができる。 According to the first invention, positive and negative voltages can be supplied to the upper arm side switching element (10) by the positive and negative voltage capacitors (C1, C2), respectively, so that both positive and negative voltages are supplied. This bootstrap circuit can drive a switching element driven by positive and negative power supply voltages.
また、第２の発明によれば、正及び負側電圧用コンデンサ（C1,C2）を容易に充電することができる。 In addition, according to the second invention, the positive and negative voltage capacitors (C1, C2) can be easily charged.
また、第３の発明によれば、正側電圧用コンデンサ（C1）、負側電圧用コンデンサ（C2）の順で片方ずつこれらのコンデンサが充電されるので、いわゆるノーマリオフタイプのスイッチング素子を採用して、上アーム側スイッチング素子（10）がオフ状態から運転開始時されるインバータ回路において、正側電圧用コンデンサ（C1）及び負側電圧用コンデンサ（C2）を容易に充電できる。 According to the third aspect of the invention, since these capacitors are charged one by one in the order of the positive voltage capacitor (C1) and the negative voltage capacitor (C2), a so-called normally-off type switching element is employed. Thus, the positive voltage capacitor (C1) and the negative voltage capacitor (C2) can be easily charged in the inverter circuit in which the upper arm side switching element (10) starts operation from the off state.
また、第４の発明によれば、充電時に正側電圧用コンデンサ（C1）と負側電圧用コンデンサ（C2）の双方の電圧が徐々に上昇するので、上アーム側スイッチング素子（10）に対していわゆるノーマリオフタイプのスイッチング素子を採用した場合に、該上アーム側スイッチング素子（10）が誤ってオンになる危険性を低減できる。 Further, according to the fourth aspect of the present invention, since the voltages of both the positive side voltage capacitor (C1) and the negative side voltage capacitor (C2) gradually increase during charging, the upper arm side switching element (10) Thus, when a so-called normally-off type switching element is employed, the risk that the upper arm side switching element (10) is erroneously turned on can be reduced.
また、第５の発明によれば、負側電圧用コンデンサ（C2）が充電された後に、正側電圧用コンデンサ（C1）が充電されるので、いわゆるノーマリオンタイプの素子を上アーム側スイッチング素子（10）に採用して、上アーム側スイッチング素子（10）がオン状態から運転開始されるインバータ回路において、正側電圧用コンデンサ（C1）及び負側電圧用コンデンサ（C2）を容易に充電できる。 According to the fifth aspect of the invention, since the positive voltage capacitor (C1) is charged after the negative voltage capacitor (C2) is charged, the so-called normally-on type element is replaced with the upper arm side switching element. Adopted in (10), in the inverter circuit where the upper arm side switching element (10) starts operation from the ON state, the positive voltage capacitor (C1) and the negative voltage capacitor (C2) can be easily charged. .
また、第６の発明、第７の発明によればそれぞれ、下側のアーム用に設けられている、下アーム用正側直流電源（Vg1）と下アーム用負側直流電源（Vg2）とによって、正側電圧用コンデンサ（C1）と負側電圧用コンデンサ（C2）とがそれぞれ充電されるので、上アーム用の電源を新たに設けることなく上アームを駆動できる。 According to the sixth and seventh inventions, the lower arm positive DC power supply (Vg1) and the lower arm negative DC power supply (Vg2) are provided for the lower arm, respectively. Since the positive voltage capacitor (C1) and the negative voltage capacitor (C2) are charged, the upper arm can be driven without providing a new power supply for the upper arm.
また、第８の発明によれば、スイッチング素子（10,11）を低損失且つ高耐熱性にすることが可能になる。 Further, according to the eighth aspect, the switching elements (10, 11) can be made low loss and high heat resistance.
以下、本発明の実施形態について図面を参照しながら説明する。なお、以下の実施形態は、本質的に好ましい例示であって、本発明、その適用物、あるいはその用途の範囲を制限することを意図するものではない。また、以下の各実施形態の説明において、一度説明した構成要素と同様の機能を有する構成要素については、同一の符号を付して説明を省略する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. The following embodiments are essentially preferable examples, and are not intended to limit the scope of the present invention, its application, or its use. In the following description of each embodiment, constituent elements having the same functions as those described once will be assigned the same reference numerals and description thereof will be omitted.
《発明の実施形態１》
本発明の実施形態に係るインバータ回路は、例えば、空気調和装置の圧縮機を回転駆動する電動機（多相モータ）等の負荷を駆動するために用いられる。
The inverter circuit which concerns on embodiment of this invention is used in order to drive loads, such as an electric motor (multiphase motor) which rotationally drives the compressor of an air conditioning apparatus, for example.
図１は、本発明の実施形態１に係るインバータ回路（1）の主要部分を抜粋した回路図である。このインバータ回路（1）は、端子（T1,T2）に接続されたコンバータ回路（図示省略）から直流電力が供給され、複数の相（例えば三相交流のＵ相、Ｖ相、Ｗ相）の交流電力を出力端子（図１では１相分の端子（T3）のみを記載してある）に接続された多相モータ（図示省略）などの負荷に対して出力する。
FIG. 1 is a circuit diagram in which main parts of an inverter circuit (1) according to
−インバータ回路（1）の構成−
インバータ回路（1）は、三相交流の各相に対応した電力を出力する３組のアームを備え、それぞれのアームは、上アーム側スイッチング素子（10）を含んだ上アームと、下アーム側スイッチング素子（11）を含んだ下アームとからなる。なお、図１では、１つのアームに関連する回路のみを代表で図示してある。
-Configuration of inverter circuit (1)-
The inverter circuit (1) includes three sets of arms that output electric power corresponding to each phase of the three-phase AC, and each arm includes an upper arm including an upper arm side switching element (10) and a lower arm side. The lower arm including the switching element (11). In FIG. 1, only a circuit related to one arm is shown as a representative.
このインバータ回路（1）は、具体的には図１に示すように、上アーム側スイッチング素子（10）、下アーム側スイッチング素子（11）、上アーム側ドライブ回路（20）、下アーム側ドライブ回路（21）、正側電圧用コンデンサ（C1）、負側電圧用コンデンサ（C2）、直流電源（Vg1,Vg2,Vg3）、ダイオード（D1〜D4）、抵抗（R1〜R4）、コンデンサ（C3〜C5）を備えている。これらのうち、直流電源（Vg1,Vg2,Vg3）及びコンデンサ（C5）以外は、アーム毎に設けられている。 Specifically, as shown in FIG. 1, the inverter circuit (1) includes an upper arm side switching element (10), a lower arm side switching element (11), an upper arm side drive circuit (20), and a lower arm side drive. Circuit (21), positive voltage capacitor (C1), negative voltage capacitor (C2), DC power supply (Vg1, Vg2, Vg3), diode (D1 to D4), resistor (R1 to R4), capacitor (C3 ~ C5). Among these, except for the DC power supply (Vg1, Vg2, Vg3) and the capacitor (C5), they are provided for each arm.
上アーム側スイッチング素子（10）及び下アーム側スイッチング素子（11）は、正及び負の電源電圧によって駆動されるスイッチング素子であり、例えばゲート電圧が３Ｖでオンになり、−１５Ｖでオフになる。本実施形態では、上アーム側スイッチング素子（10）及び下アーム側スイッチング素子（11）にはＳｉＣのようなワイドバンドギャップ半導体を用いてＪＦＥＴ構造を採用している。ＪＦＥＴは、ＭＯＳＦＥＴのように寄生ダイオードがないので、帰還用のダイオードとして、上アーム側スイッチング素子（10）及び下アーム側スイッチング素子（11）には、それぞれダイオード（D3,D4）をそれぞれのドレイン・ソース端子間に設けている。なお、それぞれのスイッチング素子（10,11）として採用したＪＦＥＴは例示であり、その他にも例えば、静電誘導トランジスタ（SIT:Static induction transistor）、金属半導体電界効果型トランジスタ（MESFET:Metal-Semiconductor Field-Effect-Transistor）、ヘテロ接合電界効果トランジスタ（HFET：Hetero junction Field Effect Transistor）、高電子移動度トランジスタ（HEMT:High Electron Mobility Transistor）等を採用することも可能である。 The upper arm side switching element (10) and the lower arm side switching element (11) are switching elements driven by positive and negative power supply voltages. For example, the gate voltage is turned on at 3V and turned off at −15V. . In this embodiment, the upper arm side switching element (10) and the lower arm side switching element (11) adopt a JFET structure using a wide band gap semiconductor such as SiC. Since JFET has no parasitic diode like MOSFET, diodes (D3, D4) are connected to the upper arm side switching element (10) and the lower arm side switching element (11), respectively, as feedback diodes. • Provided between source terminals. The JFETs employed as the respective switching elements (10, 11) are only examples, and other examples include, for example, a static induction transistor (SIT), a metal semiconductor field effect transistor (MESFET: Metal-Semiconductor Field). -Effect-Transistor, heterojunction field effect transistor (HFET), high electron mobility transistor (HEMT), etc. can also be employed.
上アーム側スイッチング素子（10）と下アーム側スイッチング素子（11）とは直列接続、すなわち上アーム側スイッチング素子（10）のソース端子と下アーム側スイッチング素子（11）のドレイン端子とが接続されている。また、上アーム側スイッチング素子（10）のドレインは端子（T1）に接続され、下アーム側スイッチング素子（11）のソース端子は、ＧＮＤラインに接続されている。このＧＮＤラインは端子（T2）に接続されている。また、上アーム側スイッチング素子（10）のソース端子は端子（T3）に接続されている。すなわち、上アーム側スイッチング素子（10）がオンの場合に端子（T1）と端子（T3）とが導通し、下アーム側スイッチング素子（11）がオンの場合に端子（T3）が接地する。なお、端子（T1）と端子（T2）との間には、平滑用コンデンサとしてコンデンサ（C5）が接続されている。 The upper arm side switching element (10) and the lower arm side switching element (11) are connected in series, that is, the source terminal of the upper arm side switching element (10) and the drain terminal of the lower arm side switching element (11) are connected. ing. The drain of the upper arm side switching element (10) is connected to the terminal (T1), and the source terminal of the lower arm side switching element (11) is connected to the GND line. This GND line is connected to the terminal (T2). The source terminal of the upper arm side switching element (10) is connected to the terminal (T3). That is, the terminal (T1) and the terminal (T3) conduct when the upper arm side switching element (10) is on, and the terminal (T3) is grounded when the lower arm side switching element (11) is on. A capacitor (C5) is connected as a smoothing capacitor between the terminal (T1) and the terminal (T2).
上アーム側ドライブ回路（20）は、上アーム側スイッチング素子（10）に抵抗（R3）を介して所定の電圧をゲート端子に印加する。具体的には、上アーム側ドライブ回路（20）は、後に詳述するように、上アーム正側駆動電圧（Vuh）（例えば３Ｖ）と上アーム負側駆動電圧（Vul）（例えば-１５Ｖ）が入力され、制御回路（30）から入力された制御信号に応じて、入力された何れかの電源電圧を選択して上アーム側スイッチング素子（10）のゲート端子に印加する。 The upper arm drive circuit (20) applies a predetermined voltage to the gate terminal via the resistor (R3) to the upper arm switching element (10). Specifically, as will be described in detail later, the upper arm side drive circuit (20) includes an upper arm positive side drive voltage (Vuh) (for example, 3V) and an upper arm negative side drive voltage (Vul) (for example, -15V). Is selected in accordance with the control signal input from the control circuit (30), and one of the input power supply voltages is selected and applied to the gate terminal of the upper arm side switching element (10).
同様に、下アーム側ドライブ回路（21）は、下アーム側スイッチング素子（11）に抵抗（R4）を介して所定の電圧をゲート端子に印加する。具体的には、下アーム側ドライブ回路（21）は、後に詳述するように、下アーム正側駆動電圧（Vxh）（例えば３Ｖ）と下アーム負側駆動電圧（Vxl）（例えば−１５Ｖ）が入力され、制御回路（30）の制御に応じて、入力された何れかの電圧を選択して下アーム側スイッチング素子（11）のゲート端子に印加する。 Similarly, the lower arm side drive circuit (21) applies a predetermined voltage to the gate terminal via the resistor (R4) to the lower arm side switching element (11). Specifically, as will be described in detail later, the lower arm side drive circuit (21) has a lower arm positive side drive voltage (Vxh) (for example, 3V) and a lower arm negative side drive voltage (Vxl) (for example, -15V). Is selected and one of the input voltages is selected and applied to the gate terminal of the lower arm side switching element (11) according to the control of the control circuit (30).
正側電圧用コンデンサ（C1）は、上アーム側ドライブ回路（20）に対して上アーム正側駆動電圧（Vuh）を供給するためのコンデンサである。この例では、正側電圧用コンデンサ（C1）の一端が上アーム側ドライブ回路（20）に接続されて、他端は上アーム側スイッチング素子（10）のソース端子に接続されている。 The positive voltage capacitor (C1) is a capacitor for supplying the upper arm positive drive voltage (Vuh) to the upper arm drive circuit (20). In this example, one end of the positive side voltage capacitor (C1) is connected to the upper arm side drive circuit (20), and the other end is connected to the source terminal of the upper arm side switching element (10).
また、負側電圧用コンデンサ（C2）は、上アーム側ドライブ回路（20）に対して下アーム負側駆動電圧（Vxl）を供給するためのコンデンサである。この負側電圧用コンデンサ（C2）は、その一端が上アーム側ドライブ回路（20）に接続され、他端は上アーム側スイッチング素子（10）のソース端子に接続されている。 The negative voltage capacitor (C2) is a capacitor for supplying the lower arm negative drive voltage (Vxl) to the upper arm drive circuit (20). One end of the negative voltage capacitor (C2) is connected to the upper arm side drive circuit (20), and the other end is connected to the source terminal of the upper arm side switching element (10).
直流電源（Vg1）は、下アーム側ドライブ回路（21）に下アーム正側駆動電圧（Vxh）を供給する直流電源である。詳しくは、直流電源（Vg1）は、正側が下アーム側ドライブ回路（21）に接続され、負側がＧＮＤラインと接続されて接地されている。また、この直流電源（Vg1）には平滑用としてコンデンサ（C3）が並列に接続されている。 The DC power supply (Vg1) is a DC power supply that supplies the lower arm positive drive voltage (Vxh) to the lower arm drive circuit (21). Specifically, the DC power source (Vg1) is connected to the lower arm side drive circuit (21) on the positive side and connected to the GND line on the negative side and is grounded. A capacitor (C3) is connected in parallel to the DC power supply (Vg1) for smoothing.
また、この直流電源（Vg1）は、その正側が抵抗（R1）及びダイオード（D1）を介して正側電圧用コンデンサ（C1）の一端側（上アーム側ドライブ回路（20）と接続された側））に接続されている。これは、直流電源（Vg1）によって、正側電圧用コンデンサ（C1）を充電するためである。すなわち、下アーム側スイッチング素子（11）がオンになると、図１において実線矢印で示した経路が形成され、正側電圧用コンデンサ（C1）に対して充電される。なお、ダイオード（D1）は、正側電圧用コンデンサ（C1）に逆方向の電圧が印加されるのを防止するために設けてある（上アーム側スイッチング素子（10）がオンすると、正側電圧用コンデンサ（C1）、抵抗（R1）、直流電源（Vg1）に、高電圧（端子T1-T2間電圧）が印加される）。 Also, this DC power supply (Vg1) has its positive side connected to one end of the positive voltage capacitor (C1) via the resistor (R1) and diode (D1) (the side connected to the upper arm drive circuit (20)) ))It is connected to the. This is because the positive voltage capacitor (C1) is charged by the DC power supply (Vg1). That is, when the lower arm side switching element (11) is turned on, a path indicated by a solid line arrow in FIG. 1 is formed, and the positive side voltage capacitor (C1) is charged. The diode (D1) is provided to prevent the reverse voltage from being applied to the positive voltage capacitor (C1) (when the upper arm switching element (10) is turned on, the positive voltage High voltage (voltage between terminals T1 and T2) is applied to capacitor (C1), resistor (R1), and DC power supply (Vg1).
直流電源（Vg2）は、下アーム側ドライブ回路（21）に下アーム負側駆動電圧（Vxl）を供給する。詳しくは、直流電源（Vg2）は、正側がＧＮＤラインと接続されて接地され、負側が下アーム側ドライブ回路（21）に接続されている。また、この直流電源（Vg2）には平滑用としてコンデンサ（C4）が並列に接続されている。 The DC power supply (Vg2) supplies the lower arm negative drive voltage (Vxl) to the lower arm drive circuit (21). Specifically, the DC power supply (Vg2) has a positive side connected to the GND line and grounded, and a negative side connected to the lower arm side drive circuit (21). A capacitor (C4) is connected in parallel to the DC power supply (Vg2) for smoothing.
直流電源（Vg3）は、負側電圧用コンデンサ（C2）を充電するための負側用直流電源である。具体的には、この直流電源（Vg3）は、その正側が上アーム側スイッチング素子（10）のドレイン端子に接続され、負側が抵抗（R2）とダイオード（D2）とを介して負側電圧用コンデンサ（C2）の一端側（上アーム側ドライブ回路（20）と接続された側）に接続されている。なお、ダイオード（D2）は、負側電圧用コンデンサ（C2）に逆方向の電圧が印加されるのを防止するために設けてある（下アーム側スイッチング素子（11）がオンすると、直流電源（Vg3）、抵抗（R2）、正側電圧用コンデンサ（C1）、高電圧（端子T1-T2間電圧）が印加される）。これにより、上アーム側スイッチング素子（10）がオンになった場合に、図１において破線で示す経路が形成され、負側電圧用コンデンサ（C2）が充電される。なお、この直流電源（Vg3）は、各アームで共用すればよい。 The DC power supply (Vg3) is a negative DC power supply for charging the negative voltage capacitor (C2). Specifically, this DC power supply (Vg3) has its positive side connected to the drain terminal of the upper arm side switching element (10) and its negative side for negative voltage via a resistor (R2) and a diode (D2). It is connected to one end of the capacitor (C2) (the side connected to the upper arm drive circuit (20)). The diode (D2) is provided to prevent a reverse voltage from being applied to the negative voltage capacitor (C2) (when the lower arm switching element (11) is turned on, the DC power supply ( Vg3), resistor (R2), positive voltage capacitor (C1), high voltage (voltage between terminals T1 and T2) is applied). Thus, when the upper arm side switching element (10) is turned on, a path indicated by a broken line in FIG. 1 is formed, and the negative voltage capacitor (C2) is charged. This DC power supply (Vg3) may be shared by each arm.
制御回路（30）は、それぞれのドライブ回路（20,21）を制御するための回路である。詳しくは、この制御回路（30）はマイクロコンピュータなどにより形成できる。この制御回路（30）は、それぞれのスイッチング素子（10,11）をオンにする場合には、正の電源電圧をドライブ回路（20,21）に出力させ、オフにする場合には、負の電源電圧をドライブ回路（20,21）に出力させる。より具体的には、この制御回路（30）は、それぞれのスイッチング素子（10,11）をオンにする場合にＨレベルの制御信号を出力し、オフにする場合にＬレベルの制御信号を出力する。そして、例えば上アーム側ドライブ回路（20）は、Ｈレベルの制御信号が入力されると、上アーム正側駆動電圧（Vuh）（例えば３Ｖ）を選択して上アーム側スイッチング素子（10）のゲート端子に出力して上アーム側スイッチング素子（10）をオンにし、Ｌレベルの制御信号が入力されると、上アーム負側駆動電圧（Vul）（例えば-１５Ｖ）を選択して上アーム側スイッチング素子（10）のゲート端子に出力し、上アーム側スイッチング素子（10）をオフにする。同様に、下アーム側ドライブ回路（21）は、Ｈレベルの制御信号が入力されると、下アーム負側駆動電圧（Vxl）（例えば３Ｖ）を選択して下アーム側スイッチング素子（11）のゲート端子に出力して下アーム側スイッチング素子（11）をオンにし、Ｌレベルの制御信号が入力されると、下アーム負側駆動電圧（Vxl）（例えば-１５Ｖ）を選択して下アーム側スイッチング素子（11）のゲート端子に出力し、下アーム側スイッチング素子（11）をオフにする。なお、制御回路（30）が上アーム側ドライブ回路（20）に対して出力する制御信号を上アーム駆動信号（Gu）と呼び、下アーム側ドライブ回路（21）に対して出力する制御信号を下アーム駆動信号（Gx）と呼ぶことにする。 The control circuit (30) is a circuit for controlling each drive circuit (20, 21). Specifically, the control circuit (30) can be formed by a microcomputer or the like. The control circuit (30) outputs a positive power supply voltage to the drive circuit (20, 21) when turning on the respective switching elements (10, 11), and negative when turning off the switching elements (10, 11). The power supply voltage is output to the drive circuit (20, 21). More specifically, the control circuit (30) outputs an H level control signal when the switching elements (10, 11) are turned on, and outputs an L level control signal when the switching elements (10, 11) are turned off. To do. For example, when an H level control signal is input, the upper arm side drive circuit (20) selects the upper arm positive side drive voltage (Vuh) (for example, 3V) to select the upper arm side switching element (10). When the upper arm side switching element (10) is turned on by outputting to the gate terminal and the L level control signal is inputted, the upper arm negative side drive voltage (Vul) (for example, -15V) is selected and the upper arm side is selected. Output to the gate terminal of the switching element (10) to turn off the upper arm side switching element (10). Similarly, when the H-level control signal is input, the lower arm side drive circuit (21) selects the lower arm negative side drive voltage (Vxl) (for example, 3V) to select the lower arm side switching element (11). When the lower arm side switching element (11) is turned on by outputting to the gate terminal and the L level control signal is inputted, the lower arm side drive voltage (Vxl) (for example, -15V) is selected and the lower arm side is selected. Output to the gate terminal of the switching element (11) to turn off the lower arm side switching element (11). The control signal that the control circuit (30) outputs to the upper arm drive circuit (20) is called the upper arm drive signal (Gu), and the control signal that is output to the lower arm drive circuit (21) This will be referred to as the lower arm drive signal (Gx).
−インバータ回路（1）におけるスイッチング素子の駆動動作−
本実施形態では、制御回路（30）によって、種々の手順で正及び負側電圧用コンデンサ（C1,C2）を充電してスイッチング素子を駆動することができる。以下に充電の手順の具体例を説明する。
-Switching element drive operation in inverter circuit (1)-
In the present embodiment, the switching element can be driven by charging the positive and negative voltage capacitors (C1, C2) by various procedures by the control circuit (30). A specific example of the charging procedure will be described below.
＜第１の充電手順例＞
図２は、この第１の充電手順例に係る正及び負側電圧用コンデンサ（C1,C2）の充電のタイムチャートである。
<First charging procedure example>
FIG. 2 is a time chart for charging the positive and negative voltage capacitors (C1, C2) according to the first charging procedure example.
この例では、電動機の運転を開始させる運転指令信号（図２を参照）がアクティブ状態（この例ではＨレベル）になると、まず、制御回路（30）が下アーム側ドライブ回路（21）を制御して下アーム側スイッチング素子（11）をオンにさせる。詳しくは、図２に示すように、制御回路（30）は、ｔ１〜ｔ２の期間に、下アーム駆動信号（Gx）として複数のパルス信号を出力し、下アーム駆動信号（Gx）がＨレベルの期間に、直流電源（Vg1）から供給された正側の電源電圧を下アーム側ドライブ回路（21）に選択させて、その正の電圧を下アーム側スイッチング素子（11）のゲート端子に印加させる。これにより、下アーム駆動信号（Gx）がＨレベルの期間に、図１において実線矢印で示した経路が形成され、その結果、正側電圧用コンデンサ（C1）が充電されて、上アーム正側駆動電圧（Vuh）が徐々に上昇する。 In this example, when the operation command signal for starting the operation of the motor (see FIG. 2) becomes active (in this example, H level), the control circuit (30) first controls the lower arm drive circuit (21). Then, the lower arm side switching element (11) is turned on. Specifically, as shown in FIG. 2, the control circuit (30) outputs a plurality of pulse signals as the lower arm drive signal (Gx) during the period from t1 to t2, and the lower arm drive signal (Gx) is at the H level. During this period, let the lower arm drive circuit (21) select the positive power supply voltage supplied from the DC power supply (Vg1), and apply that positive voltage to the gate terminal of the lower arm switching element (11). Let As a result, during the period when the lower arm drive signal (Gx) is at the H level, the path indicated by the solid line arrow in FIG. 1 is formed. As a result, the positive side voltage capacitor (C1) is charged and the upper arm positive side The drive voltage (Vuh) gradually increases.
正側電圧用コンデンサ（C1）が充電されると、次に制御回路（30）は、ｔ２〜ｔ３の期間、上アーム側スイッチング素子（10）及び上アーム側ドライブ回路（20）の双方をオフにする。この期間ｔ２〜ｔ３は、上アーム側スイッチング素子（10）、下アーム側スイッチング素子（11）のそれぞれがオンになる期間が重複しないようにするために設けてある。 When the positive side voltage capacitor (C1) is charged, the control circuit (30) turns off both the upper arm side switching element (10) and the upper arm side drive circuit (20) during the period from t2 to t3. To. The periods t2 to t3 are provided so that periods during which the upper arm side switching element (10) and the lower arm side switching element (11) are turned on do not overlap.
次に制御回路（30）は、上アーム側ドライブ回路（20）を制御して上アーム側スイッチング素子（10）をオンにさせる。詳しくは、図２に示すように、制御回路（30）は、ｔ３〜ｔ４の期間に、上アーム駆動信号（Gu）として複数のパルス信号を出力し、上アーム駆動信号（Gu）がＨレベルの期間に、正側電圧用コンデンサ（C1）から供給された正側の電源電圧を上アーム側ドライブ回路（20）に選択させて、その正の電圧を上アーム側スイッチング素子（10）のゲート端子に印加させる。これにより、図１において破線で示す経路が形成され、その結果、負側電圧用コンデンサ（C2）が充電されて、上アーム負側駆動電圧（Vul）の電圧が徐々に上昇する。 Next, the control circuit (30) controls the upper arm side drive circuit (20) to turn on the upper arm side switching element (10). Specifically, as shown in FIG. 2, the control circuit (30) outputs a plurality of pulse signals as the upper arm drive signal (Gu) during the period from t3 to t4, and the upper arm drive signal (Gu) is at the H level. During this period, the upper-side drive circuit (20) selects the positive-side power supply voltage supplied from the positive-side voltage capacitor (C1), and the positive voltage is supplied to the gate of the upper-arm side switching element (10). Apply to terminal. As a result, a path indicated by a broken line in FIG. 1 is formed. As a result, the negative voltage capacitor (C2) is charged, and the upper arm negative drive voltage (Vul) gradually increases.
以上の制御回路（30）の制御により、正及び負側電圧用コンデンサ（C1,C2）が充電される。そして、制御回路（30）が、図２に示したｔ４以降にそれぞれのドライブ回路（20,21）を制御して、端子（T3）に繋がれた電動機（負荷）を駆動するための駆動波形を出力させると、電動機がその電力に応じて駆動する。 The positive and negative voltage capacitors (C1, C2) are charged by the control of the control circuit (30). Then, the control circuit (30) controls the drive circuits (20, 21) after t4 shown in FIG. 2 to drive the motor (load) connected to the terminal (T3). Is output, the electric motor is driven according to the electric power.
＜第２の充電手順例＞
図３は、第２の充電手順例に係る正及び負側電圧用コンデンサ（C1,C2）の充電のタイムチャートである。
<Second charging procedure example>
FIG. 3 is a time chart for charging the positive and negative voltage capacitors (C1, C2) according to the second charging procedure example.
この例では、制御回路（30）が下アーム側スイッチング素子（11）をオンにさせて正側電圧用コンデンサ（C1）を所定期間だけ充電させる第１のモードと、充電された前記正側電圧用コンデンサ（C1）によって上アーム側スイッチング素子（10）をオンにさせて負側電圧用コンデンサ（C2）を所定期間だけ充電させる第２のモードとを交互に実行させる。 In this example, the control circuit (30) turns on the lower arm switching element (11) to charge the positive voltage capacitor (C1) for a predetermined period, and the charged positive voltage The second mode in which the upper arm switching element (10) is turned on by the capacitor (C1) and the negative voltage capacitor (C2) is charged for a predetermined period is alternately executed.
図３の例では、制御回路（30）は、ｔ１〜ｔ２の期間に、互いに位相が１８０度異なるパルス信号として、上アーム駆動信号（Gu）及び下アーム駆動信号（Gx）を出力する。これにより、正及び負側電圧用コンデンサ（C1,C2）の両方がｔ１〜ｔ２の期間に交互に充電され、上アーム正側駆動電圧（Vuh）及び上アーム負側駆動電圧（Vul）の双方が徐々に上昇する。 In the example of FIG. 3, the control circuit (30) outputs the upper arm drive signal (Gu) and the lower arm drive signal (Gx) as pulse signals whose phases are different from each other by 180 degrees during the period from t1 to t2. As a result, both the positive and negative voltage capacitors (C1, C2) are alternately charged during the period from t1 to t2, and both the upper arm positive drive voltage (Vuh) and the upper arm negative drive voltage (Vul) are both charged. Gradually rises.
上記の制御回路（30）の制御により、正及び負側電圧用コンデンサ（C1,C2）が充電される。そして、制御回路（30）が、図２に示したｔ２以降にそれぞれのドライブ回路（20,21）を制御して、端子（T3）に繋がれた電動機（負荷）を駆動するための駆動波形を出力させると、電動機がその電力に応じて駆動する。 The positive and negative voltage capacitors (C1, C2) are charged by the control of the control circuit (30). The control circuit (30) controls each drive circuit (20, 21) after t2 shown in FIG. 2 to drive the motor (load) connected to the terminal (T3). Is output, the electric motor is driven according to the electric power.
上記のように正及び負側電圧用コンデンサ（C1,C2）を交互に充電する形態は次のような効果がある。すなわち、下アーム側スイッチング素子（11）を駆動している間に、負側電圧用コンデンサ（C2）が全く充電されていないとすれば、上アーム側スイッチング素子（10）の特性如何によっては、上アーム側スイッチング素子（10）が誤ってオンになる可能性がある。しかしながら、上記のように、正側電圧用コンデンサ（C1）、負側電圧用コンデンサ（C2）の双方を交互に充電することで、下アーム側スイッチング素子（11）を駆動している期間には、負側電圧用コンデンサ（C2）は満充電の状態ではないもののある程度の電圧を出力でき、その結果、上アーム側スイッチング素子（10）が誤ってオンになる危険性を低減できる。 The form of alternately charging the positive and negative voltage capacitors (C1, C2) as described above has the following effects. That is, if the negative side voltage capacitor (C2) is not charged at all while driving the lower arm side switching element (11), depending on the characteristics of the upper arm side switching element (10), The upper arm side switching element (10) may be turned on by mistake. However, as described above, by alternately charging both the positive side voltage capacitor (C1) and the negative side voltage capacitor (C2), the lower arm side switching element (11) is driven during the period. Although the negative voltage capacitor (C2) is not fully charged, it can output a certain amount of voltage. As a result, the risk of the upper arm side switching element (10) being turned on by mistake can be reduced.
＜第３の充電手順例＞
図４は、第３の充電手順例に係る正及び負側電圧用コンデンサ（C1,C2）の充電のタイムチャートである。この例は、ゲート端子に電圧を印加していない状態でオンになる、いわゆるノーマリオンタイプのスイッチング素子を上アーム側スイッチング素子（10）等に使用するのに適している。
<Third charging procedure example>
FIG. 4 is a time chart for charging the positive and negative voltage capacitors (C1, C2) according to the third charging procedure example. This example is suitable for using a so-called normally-on type switching element, which is turned on when no voltage is applied to the gate terminal, for the upper arm side switching element (10) or the like.
具体的には、この例では負側電圧用コンデンサ（C2）を充電した後に、正側電圧用コンデンサ（C1）を充電する。すなわち、まず、図４に示すように、制御回路（30）は、ｔ１〜ｔ２の期間に、上アーム駆動信号（Gu）として複数のパルス信号を出力し、上アーム駆動信号（Gu）がＨレベルの期間に、直流電源（Vg3）から供給された負側の電源電圧を上アーム側ドライブ回路（20）に選択させて、その電圧を下アーム側スイッチング素子（11）のゲート端子に印加させる。これにより、下アーム駆動信号（Gx）がＨレベルの期間に、図５において実線矢印で示した経路を電流が流れ、その結果、負側電圧用コンデンサ（C2）が充電されて、下アーム負側駆動電圧（Vxl）が上昇する。 Specifically, in this example, after charging the negative voltage capacitor (C2), the positive voltage capacitor (C1) is charged. That is, first, as shown in FIG. 4, the control circuit (30) outputs a plurality of pulse signals as the upper arm drive signal (Gu) during the period from t1 to t2, and the upper arm drive signal (Gu) is H. During the level period, the upper arm drive circuit (20) selects the negative power supply voltage supplied from the DC power supply (Vg3) and applies the voltage to the gate terminal of the lower arm switching element (11). . As a result, during the period when the lower arm drive signal (Gx) is at the H level, a current flows through the path indicated by the solid arrow in FIG. 5, and as a result, the negative side voltage capacitor (C2) is charged and the lower arm negative signal is The side drive voltage (Vxl) increases.
負側電圧用コンデンサ（C2）が充電されると次に制御回路（30）は、ｔ２〜ｔ３の期間、上アーム側スイッチング素子（10）及び上アーム側ドライブ回路（20）の双方をオフにする。 When the negative side voltage capacitor (C2) is charged, the control circuit (30) turns off both the upper arm side switching element (10) and the upper arm side drive circuit (20) during the period from t2 to t3. To do.
次に制御回路（30）は下アーム側ドライブ回路（21）を制御して下アーム側スイッチング素子（11）をオンにさせる。詳しくは、図４に示すように、制御回路（30）は、ｔ３〜ｔ４の期間に、下アーム駆動信号（Gx）として複数のパルス信号を出力し、下アーム駆動信号（Gx）がＨレベルの期間に、直流電源（Vg1）から供給された正側の電源電圧を下アーム側ドライブ回路（21）に選択させて、その電圧を下アーム側スイッチング素子（11）のゲート端子に印加させる。これにより、図５において破線で示す経路に電流が流れ、その結果、正側電圧用コンデンサ（C1）が充電されて、上アーム正側駆動電圧（Vuh）の電圧が上昇する。 Next, the control circuit (30) controls the lower arm side drive circuit (21) to turn on the lower arm side switching element (11). Specifically, as shown in FIG. 4, the control circuit (30) outputs a plurality of pulse signals as the lower arm drive signal (Gx) during the period from t3 to t4, and the lower arm drive signal (Gx) is at the H level. During this period, the power supply voltage on the positive side supplied from the DC power supply (Vg1) is selected by the lower arm side drive circuit (21), and the voltage is applied to the gate terminal of the lower arm side switching element (11). As a result, a current flows through a path indicated by a broken line in FIG. 5, and as a result, the positive voltage capacitor (C1) is charged, and the voltage of the upper arm positive drive voltage (Vuh) increases.
以上の制御回路（30）の制御により、正及び負側電圧用コンデンサ（C1,C2）が充電される。そして、制御回路（30）は、図４に示したｔ４以降に、それぞれのドライブ回路（20,21）を制御して、端子（T3）に繋がれた負荷を駆動するための駆動波形を出力させる。 The positive and negative voltage capacitors (C1, C2) are charged by the control of the control circuit (30). Then, after t4 shown in FIG. 4, the control circuit (30) controls each drive circuit (20, 21) and outputs a drive waveform for driving the load connected to the terminal (T3). Let
以上のように、本実施形態では、各アームに対して負側用のコンデンサを設けて制御回路（30）が上記の何れかの充電手順でそれぞれのドライブ回路（20,21）を制御することでこれらを各アームで共用する直流電源（Vg3）によって充電するようにした。そして、この動作は図１に示したアーム以外のアームにおいても同様に行われ、インバータ回路（1）に繋いだ負荷（多相モータなど）の運転状態が制御される。すなわち、本実施形態によれば、アーム毎に電源回路を設けることなくブートストラップ回路によって正及び負の電源電圧を供給してスイッチング素子を駆動できる。 As described above, in this embodiment, a negative-side capacitor is provided for each arm, and the control circuit (30) controls each drive circuit (20, 21) by any one of the charging procedures described above. These were charged by a DC power supply (Vg3) shared by each arm. This operation is similarly performed in arms other than the arm shown in FIG. 1, and the operating state of a load (such as a multiphase motor) connected to the inverter circuit (1) is controlled. That is, according to this embodiment, the switching element can be driven by supplying positive and negative power supply voltages by the bootstrap circuit without providing a power supply circuit for each arm.
《発明の実施形態２》
図６は、本発明の実施形態２に係るインバータ回路（2）の主要部分を抜粋した回路図である。この例では、正及び負側電圧用コンデンサ（C1,C2）の充電用に下アーム側の直流電源（Vg1）と直流電源（Vg2）とを用いる。すなわち、インバータ回路（2）は、直流電源（Vg3）（実施形態１を参照）が不要である。このインバータ回路（2）は、具体的には、直流電源（Vg3）の代わりに、充電用スイッチング素子（40）と充電用スイッチング素子駆動回路（41）とを備えている。
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FIG. 6 is a circuit diagram in which main parts of the inverter circuit (2) according to the second embodiment of the present invention are extracted. In this example, a DC power supply (Vg1) and a DC power supply (Vg2) on the lower arm side are used for charging the positive and negative voltage capacitors (C1, C2). That is, the inverter circuit (2) does not require a DC power supply (Vg3) (see Embodiment 1). Specifically, the inverter circuit (2) includes a charging switching element (40) and a charging switching element drive circuit (41) instead of the DC power supply (Vg3).
充電用スイッチング素子（40）は、ソース端子が直流電源（Vg2）の負側と接続され、ドレイン端子が抵抗（R5）を介して負側電圧用コンデンサ（C2）の一端（上アーム側ドライブ回路（20）に接続された側）に接続されている。また、充電用スイッチング素子（40）のゲート端子は、充電用スイッチング素子駆動回路（41）が接続されている。 The charging switching element (40) has a source terminal connected to the negative side of the DC power supply (Vg2) and a drain terminal connected to one end of the negative voltage capacitor (C2) via the resistor (R5) (upper arm drive circuit) (The side connected to (20)). The charging switching element drive circuit (41) is connected to the gate terminal of the charging switching element (40).
この充電用スイッチング素子駆動回路（41）は、充電用スイッチング素子駆動回路（41）のゲート端子に対して充電用スイッチング素子駆動信号（G1）を所定のタイミングで出力して充電用スイッチング素子（40）のオンオフを制御する。充電用スイッチング素子（40）がオンになると図６に実線矢印で示した経路が形成される。すなわち、直列状態の正及び負側電圧用コンデンサ（C1,C2）に対して、直列接続状態の直流電源（Vg1）と直流電源（Vg2）が接続され、正及び負側電圧用コンデンサ（C1,C2）が同時に充電される。 The charging switching element driving circuit (41) outputs a charging switching element driving signal (G1) at a predetermined timing to the gate terminal of the charging switching element driving circuit (41) to output the charging switching element (40 ) On / off. When the charging switching element (40) is turned on, a path indicated by a solid line arrow in FIG. 6 is formed. That is, the DC power supply (Vg1) and the DC power supply (Vg2) connected in series are connected to the positive and negative voltage capacitors (C1, C2) in series, and the positive and negative voltage capacitors (C1, C2) are connected. C2) is charged at the same time.
この充電は、上アーム側スイッチング素子（10）がオフの場合（帰還用ダイオードがある場合はダイオード（D3）もオフの場合）にのみ充電用スイッチング素子（40）がオンになるようにして行う。より具体的には、以下のように充電用スイッチング素子駆動回路（41）で、充電用スイッチング素子（40）のオンオフを制御することが考えられる。 This charging is performed so that the charging switching element (40) is turned on only when the upper arm side switching element (10) is off (when there is a feedback diode, the diode (D3) is also off). . More specifically, it is conceivable to control on / off of the charging switching element (40) by the charging switching element drive circuit (41) as follows.
具体的には、例えば、充電用スイッチング素子（40）に対して下アーム側ドライブ回路（21）と同じ制御信号を、充電用スイッチング素子（40）のゲート端子に入力することが考えられる。図７は、この場合の正及び負側電圧用コンデンサ（C1,C2）の充電のタイムチャートである。この例では、ｔ１〜ｔ２の期間に、充電用スイッチング素子駆動回路（41）は、充電用スイッチング素子駆動信号（G1）として下アーム駆動信号（Gx）と同じパルス信号を、充電用スイッチング素子（40）のゲート端子に出力している。すなわち、このようにすることで、下アーム側ドライブ回路（21）等の制御に使用する制御回路（30）を、充電用スイッチング素子駆動回路（41）として利用できる。 Specifically, for example, the same control signal as that of the lower arm drive circuit (21) may be input to the gate terminal of the charging switching element (40) for the charging switching element (40). FIG. 7 is a time chart for charging the positive and negative voltage capacitors (C1, C2) in this case. In this example, during the period from t1 to t2, the charging switching element driving circuit (41) outputs the same pulse signal as the lower arm driving signal (Gx) as the charging switching element driving signal (G1). 40) is output to the gate terminal. That is, by doing in this way, the control circuit (30) used for control of a lower arm side drive circuit (21) etc. can be utilized as a charging switching element drive circuit (41).
また、より好ましくは、充電用スイッチング素子（40）のオンの期間は、下アーム側スイッチング素子（11）がオンの期間よりもが短くなるようにするのがよい。これにより、確実に、上アーム側スイッチング素子（10）がオフの場合にのみ、充電用スイッチング素子（40）がオンになるようにできる。 More preferably, the on period of the charging switching element (40) should be shorter than the on period of the lower arm switching element (11). This ensures that the charging switching element (40) is turned on only when the upper arm side switching element (10) is off.
また、下アーム側スイッチング素子（11）がオン状態であることを検出して、充電用スイッチング素子（40）をオンにするように充電用スイッチング素子駆動回路（41）で制御してもよい。 Further, the charging switching element drive circuit (41) may be controlled to detect that the lower arm side switching element (11) is in an ON state and to turn on the charging switching element (40).
また、下アーム側スイッチング素子（11）、及び上アーム側のスイッチング素子（10）の双方がオフの期間に充電用スイッチング素子（40）をオンにしてもよい。 The charging switching element (40) may be turned on while both the lower arm side switching element (11) and the upper arm side switching element (10) are off.
本発明に係るインバータ回路は、直流を交流に変換し、電動機（例えば多相モータ）等の負荷を駆動するインバータ回路として有用である。 The inverter circuit according to the present invention is useful as an inverter circuit that converts a direct current into an alternating current and drives a load such as an electric motor (for example, a multiphase motor).
１，２ インバータ回路
１０ 上アーム側スイッチング素子
１１ 下アーム側スイッチング素子
２０ 上アーム側ドライブ回路
２１ 下アーム側ドライブ回路
３０ 制御回路
４０ 充電用スイッチング素子
Ｖｇ１ 直流電源（下アーム用正側直流電源）
Ｖｇ２ 直流電源（下アーム用負側直流電源）
Ｖｇ３ 直流電源（上アーム用負側直流電源）
Ｃ１ 正側電圧用コンデンサ
Ｃ２ 負側電圧用コンデンサ
DESCRIPTION OF
Vg2 DC power supply (lower arm DC power supply for lower arm)
Vg3 DC power supply (upper arm negative DC power supply)
C1 Positive voltage capacitor C2 Negative voltage capacitor
Claims (8)
上アーム正側及び負側駆動電圧（Vuh,Vul）の何れかを、前記上アーム側スイッチング素子（10）のゲート電圧として印加する上アーム側ドライブ回路（20）と、
下アーム正側及び負側の駆動電圧（Vxh,Vxl）の何れかを、前記下アーム側スイッチング素子（11）にゲート電圧として印加する下アーム側ドライブ回路（21）と、
前記上アーム側ドライブ回路（20）に、前記上アーム側スイッチング素子（10）のソース端子を基準とした正の電圧を前記上アーム正側駆動電圧（Vuh）として供給する正側電圧用コンデンサ（C1）と、
前記上アーム側ドライブ回路（20）に、前記上アーム側スイッチング素子（10）のソース端子を基準とした負の電圧を前記上アーム負側駆動電圧（Vul）として供給する負側電圧用コンデンサ（C2）と、
を備えたことを特徴とするインバータ回路。 A plurality of arms consisting of an upper arm including the upper arm side switching element (10) and a lower arm including the lower arm side switching element (11) are provided, and each switching element (10, 11) is positive and negative. An inverter circuit that is driven by a side drive voltage (Vuh, Vul,...) And performs switching to output a plurality of phases of AC power.
An upper arm drive circuit (20) for applying either the upper arm positive side or negative side drive voltage (Vuh, Vul) as the gate voltage of the upper arm side switching element (10);
A lower arm side drive circuit (21) for applying either the lower arm positive side or negative side drive voltage (Vxh, Vxl) as a gate voltage to the lower arm side switching element (11);
A positive voltage capacitor for supplying a positive voltage based on the source terminal of the upper arm side switching element (10) as the upper arm positive side drive voltage (Vuh) to the upper arm side drive circuit (20) ( C1) and
Negative voltage capacitor for supplying the upper arm side drive circuit (20) with a negative voltage based on the source terminal of the upper arm side switching element (10) as the upper arm negative side drive voltage (Vul) ( C2) and
An inverter circuit comprising:
前記下アーム側ドライブ回路（21）に対して前記下アーム側スイッチング素子（11）のソース端子を基準とした正の電圧を前記下アーム正側駆動電圧（Vxh）として供給するとともに、前記下アーム側スイッチング素子（11）を介して前記正側電圧用コンデンサ（C1）を充電する下アーム用正側直流電源（Vg1）と、
前記上アーム側スイッチング素子（10）を介して前記負側電圧用コンデンサ（C2）を充電する上アーム用負側直流電源（Vg3）と、
を備えたことを特徴とするインバータ回路。 The inverter circuit of claim 1, further comprising:
A positive voltage based on the source terminal of the lower arm switching element (11) is supplied as the lower arm positive drive voltage (Vxh) to the lower arm drive circuit (21), and the lower arm A lower arm positive DC power supply (Vg1) for charging the positive voltage capacitor (C1) via the side switching element (11);
An upper arm negative DC power supply (Vg3) for charging the negative voltage capacitor (C2) via the upper arm switching element (10);
An inverter circuit comprising:
前記下アーム側ドライブ回路（21）を制御して前記下アーム側スイッチング素子（11）をオンにさせて前記正側電圧用コンデンサ（C1）を充電させた後に、前記上アーム側ドライブ回路（20）を制御して、充電された前記正側電圧用コンデンサ（C1）によって前記上アーム側スイッチング素子（10）をオンにさせて前記負側電圧用コンデンサ（C2）を充電させる制御回路（30）をさらに備えていることを特徴とするインバータ回路。 The inverter circuit according to claim 2,
After controlling the lower arm side drive circuit (21) to turn on the lower arm side switching element (11) and charging the positive side voltage capacitor (C1), the upper arm side drive circuit (20 ), The control circuit (30) for charging the negative voltage capacitor (C2) by turning on the upper arm switching element (10) by the charged positive voltage capacitor (C1) An inverter circuit characterized by further comprising:
前記下アーム側ドライブ回路（21）を制御して前記下アーム側スイッチング素子（11）をオンにさせて前記正側電圧用コンデンサ（C1）を所定期間だけ充電させる第１のモードと、前記上アーム側ドライブ回路（20）を制御して、充電された前記正側電圧用コンデンサ（C1）によって前記上アーム側スイッチング素子（10）をオンにさせて前記負側電圧用コンデンサ（C2）を所定期間だけ充電させる第２のモードとを交互に実行する制御回路（30）をさらに備えていることを特徴とするインバータ回路。 The inverter circuit according to claim 2,
A first mode for controlling the lower arm side drive circuit (21) to turn on the lower arm side switching element (11) to charge the positive voltage capacitor (C1) for a predetermined period; The arm-side drive circuit (20) is controlled to turn on the upper arm-side switching element (10) by the charged positive-side voltage capacitor (C1) and to set the negative-side voltage capacitor (C2) to a predetermined value. An inverter circuit, further comprising a control circuit (30) for alternately executing a second mode for charging only for a period.
前記上アーム側ドライブ回路（20）を制御して、前記上アーム側スイッチング素子（10）をオンにさせて前記負側電圧用コンデンサ（C2）を充電させた後に、前記下アーム側ドライブ回路（21）を制御して前記下アーム側スイッチング素子（11）をオンにさせて前記正側電圧用コンデンサ（C1）を充電させる制御回路（30）をさらに備えていることを特徴とするインバータ回路。 The inverter circuit according to claim 2,
After controlling the upper arm side drive circuit (20) to turn on the upper arm side switching element (10) and charge the negative side voltage capacitor (C2), the lower arm side drive circuit ( 21. The inverter circuit further comprising: a control circuit (30) that controls 21) to turn on the lower arm side switching element (11) to charge the positive voltage capacitor (C1).
前記下アーム側ドライブ回路（21）に対して前記下アーム側スイッチング素子（11）のソース端子を基準とした正の電圧を前記下アーム正側駆動電圧（Vxh）として供給するとともに、前記正側電圧用コンデンサ（C1）の正側に接続されて該正側電圧用コンデンサ（C1）を充電する下アーム用正側直流電源（Vg1）と、
前記下アーム側スイッチング素子（11）に対して、該下アーム側スイッチング素子（11）のソース端子を基準とした負の電圧である下アーム負側駆動電圧（Vxl）を供給する下アーム用負側直流電源（Vg2）と、
前記負側電圧用コンデンサ（C2）の負側と前記下アーム用負側直流電源（Vg2）との間に設けられた充電用スイッチング素子（40）と、
を備えていることを特徴とするインバータ回路。 The inverter circuit of claim 1, further comprising:
A positive voltage based on the source terminal of the lower arm switching element (11) is supplied to the lower arm drive circuit (21) as the lower arm positive drive voltage (Vxh), and the positive side A positive DC power supply for the lower arm (Vg1) connected to the positive side of the voltage capacitor (C1) and charging the positive voltage capacitor (C1);
A lower arm negative supply voltage (Vxl) that is a negative voltage based on the source terminal of the lower arm switching element (11) is supplied to the lower arm switching element (11). Side DC power supply (Vg2),
A charging switching element (40) provided between the negative side of the negative voltage capacitor (C2) and the lower arm negative side DC power supply (Vg2);
An inverter circuit comprising:
前記上アーム側スイッチング素子（10）がオフの場合に、所定期間だけ前記充電用スイッチング素子（40）をオンに制御する制御回路（30）をさらに備えていることを特徴とするインバータ回路。 The inverter circuit according to claim 6,
An inverter circuit, further comprising a control circuit (30) for controlling the charging switching element (40) to be turned on for a predetermined period when the upper arm side switching element (10) is off.
前記スイッチング素子（10,11）は、ワイドバンドギャップ半導体を用いたことを特徴とするインバータ回路。 In one inverter circuit in any one of Claims 1-7,
The switching device (10, 11) is an inverter circuit using a wide band gap semiconductor.
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