JP2010246313A - インバータ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】ブートストラップ回路を用いたインバータ装置において、スイッチング素子の駆動ＩＣの誤動作を防止するインバータ装置を提供する。
【解決手段】インバータ装置１では、上アーム側のＩＧＢＴ２１，２２，２３の低電位側と駆動ＩＣ５の端子Ｖｓとを結ぶ第１ラインと、下アーム側ＩＧＢＴ３１，３２，３３の低電位側と駆動ＩＣ５の端子ＣＯＭとを結ぶ第２ラインと、の間にダイオード９１，９２，９３が設けられている。第１ラインにダイオード９１，９２，９３のカソードが接続され、第２ラインにダイオード９１，９２，９３のアノードが接続されている。
【選択図】図２

Description

本発明はインバータ装置に関し、特に、ブートストラップ回路を用いた３相モータ駆動用のインバータ装置に関する。

従来、三相モータを駆動するインバータ装置では、例えば特許文献１（特開２００２−８４７６２号公報）に示すように、上アーム側スイッチング素子を駆動するために、ブートストラップ回路を用いてスイッチング素子の動作電圧を得ている。

しかしながら、近年のスイッチング素子の高速化および大電流化が進むに従い、スイッチング素子を駆動させる駆動ＩＣがノイズによって誤動作を起す可能性が高まってきた。

本発明は、ブートストラップ回路を用いたインバータ装置において、スイッチング素子の駆動ＩＣの誤動作を防止したインバータ装置を提供することにある。

第１発明に係るインバータ装置は、インバータ回路とブートストラップ回路と駆動ＩＣとを備えた三相モータ駆動用のインバータ装置であって、駆動ＩＣが第１端子と第２端子を有している。インバータ回路は、上アーム側スイッチング素子と下アーム側スイッチング素子とで形成されている。ブートストラップ回路は、上アーム側スイッチング素子の低電位側よりも高い電位を生成する。駆動ＩＣは、ブートストラップ回路からその高い電位を取り入れて上アーム側スイッチング素子をオンオフさせる。駆動ＩＣの第１端子は、上アーム側スイッチング素子の低電位側に繋がっている。駆動ＩＣの第２端子は、下アーム側スイッチング素子の低電位側に繋がっている。上アーム側スイッチング素子の低電位側と第１端子とを結ぶ第１ラインと、下アーム側スイッチング素子の低電位側と第２端子とを結ぶ第２ラインと、の間にダイオードが設けられている。第１ラインにダイオードのカソードが接続され、第２ラインにダイオードのアノードが接続されている。

このインバータ装置では、１つの相の第２ラインの電位が、他の相のスイッチング素子が動作することによって変動した場合でも、ノイズがダイオードを介して第１ラインへ抜けるので、駆動ＩＣの第２端子の電位変動が抑制され駆動ＩＣの誤動作が防止される。

第２発明に係るインバータ装置は、第１発明に係るインバータ装置であって、ダイオードが、駆動ＩＣの第１端子および第２端子の近傍に設けられている。ダイオードは駆動ＩＣに近いほど、ダイードと駆動ＩＣとの間の配線（プリント基板ではパターン配線）の距離が短くなるので、その分、インバータ装置はノイズの影響を受け難くなる。

第３発明に係る冷凍装置は、第１発明または第２発明に係るインバータ装置を備えた冷凍装置である。この冷凍装置は、ノイズに強いインバータ装置を備えているので動作の信頼性が高い。

第１発明に係るインバータ装置では、１つの相の第２ラインの電位が、他の相のスイッチング素子が動作することによって変動した場合でも、ノイズがダイオードを介して第１ラインへ抜けるので、駆動ＩＣの第２端子の電位変動が抑制され駆動ＩＣの誤動作が防止される。

第２発明に係るインバータ装置では、ダイードと駆動ＩＣとの間の配線距離が短くなるので、その分、インバータ装置はノイズの影響を受け難くなる。

第３発明に係る冷凍装置は、ノイズに強いインバータ装置を備えているので動作の信頼性が高い。

本発明の一実施形態に係るインバータ装置を搭載するモータ駆動装置と三相モータとの接続を示す回路図。 図１におけるインバータ装置と三相モータとの接続を示す回路図。

以下図面を参照しながら、本発明の実施形態について説明する。なお、以下の実施形態は、本発明の具体例であって、本発明の技術的範囲を限定するものではない。

＜モータ駆動装置１５０＞
図１は、本発明の一実施形態に係るインバータ装置を搭載したモータ駆動装置と三相モータとの接続を示す回路図である。図１において、三相モータ２００は、冷凍装置の送風機や圧縮機等を回転させるブラシレスモータであり、駆動コイルを内蔵する固定子と、固定子に対向するマグネットを有する回転子とから成る。なお、このモータ駆動装置１５０では、シャント抵抗１６に発生する電圧波形により三相モータ２００の回転子の回転数を検出することができる。

モータ駆動装置１５０は、三相モータ２００の回転数を制御するために、電源回路１０、マイコン４およびインバータ装置１を備えている。電源回路１０は、ダイオードから成るブリッジ回路１１及び電解コンデンサ１２を有し、商用電源１００から直流のモータ用電源Ｖｐｐを生成する。モータ用電源Ｖｐｐは、三相モータ２００に電圧を供給する。

また、電源回路１０では、変圧器１３を介して駆動用電源Ｖｂ及びロジック用電源Ｖｃが生成される。駆動用電源Ｖｂはインバータ装置１に駆動電圧を供給し、ロジック用電源Ｖｃはマイコン４へ制御電圧を供給する。

マイコン４は、ＣＰＵとメモリを内蔵し、三相モータ２００が所定の回転数になるようにパルス幅変調（ＰＷＭ）方式で回転数を変更する。ＰＷＭ方式は、三相モータ２００へ入力する電圧のオン時間とオフ時間との比率（以後、デューティ比とよぶ）を変更して回転数を変更する方式であり、マイコン４から駆動ＩＣ５にデューティ比を制御する制御信号（以後、デューティ比制御信号とよぶ）が入力される。

＜インバータ装置１＞
（インバータ回路２０）
図２は、本発明の一実施形態に係るインバータ装置と三相モータとの接続を示す回路図である。図１において、インバータ回路２０は６つのスイッチング素子で構成されたブリッジ回路であり、このスイッチング素子にはＩＧＢＴ（絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ）２１，２２，２３，３１，３２，３３が採用されている。

インバータ回路２０は、三相モータ２００のＵ相に接続される出力線８１、Ｖ相に接続される出力線８２、及びＷ相に接続される出力線８３を有している。インバータ回路２０の上アームは、ＩＧＢＴ２１、ＩＧＢＴ２２及びＩＧＢＴ２３によって構成され、ＩＧＢＴ２１のエミッタは出力線８１に、ＩＧＢＴ２２のエミッタは出力線８２、ＩＧＢＴ２３のエミッタは出力線８３に接続されている。

また、ＩＧＢＴ２１のコレクタとエミッタ間にダイオードＤｕが並列に接続され、ＩＧＢＴ２２のコレクタとエミッタ間にダイオードＤｖが並列に接続され、ＩＧＢＴ２３のコレクタとエミッタ間にダイオードＤｗが並列に接続されている。これらダイオードＤｕ，Ｄｖ，Ｄｗが流す電流の方向と、ＩＧＢＴ２１，２２，２３が電流を流す方向とは逆方向である。

インバータ回路２０の下アームは、ＩＧＢＴ３１、ＩＧＢＴ３２及びＩＧＢＴ３３によって構成され、ＩＧＢＴ３１のコレクタは出力線８１に、ＩＧＢＴ３２のコレクタは出力線８２、ＩＧＢＴ３３のコレクタは出力線８３に接続されている。

また、ＩＧＢＴ３１のコレクタとエミッタ間にダイオードＤｘが並列に接続され、ＩＧＢＴ３２のコレクタとエミッタ間にダイオードＤｙが並列に接続され、ＩＧＢＴ３３のコレクタとエミッタ間にダイオードＤｚが並列に接続されている。これらダイオードＤｘ，Ｄｙ，Ｄｚが流す電流の方向と、ＩＧＢＴ３１，３２，３３が電流を流す方向とは逆方向である。

ＩＧＢＴ２１，２２，２３の各コレクタには、三相モータ２００に電圧を供給するためにモータ用電源Ｖｐｐの正極が接続されている。出力線８１は、ＩＧＢＴ２１のエミッタとＩＧＢＴ３１のコレクタとの接続点を通っているので、ＩＧＢＴ２１がオンしたとき、モータ用電源Ｖｐｐと出力線８１とが導通し、三相モータ２００のＵ相に出力電流が流れる。

同様に、出力線８２は、ＩＧＢＴ２２のエミッタとＩＧＢＴ３２のコレクタとの接続点を通っているので、ＩＧＢＴ２２がオンしたとき、モータ用電源Ｖｐｐと出力線８２とが導通し、三相モータ２００のＶ相に出力電流が流れる。

同様に、出力線８３は、ＩＧＢＴ２３のエミッタとＩＧＢＴ３３のコレクタとの接続点を通っているので、ＩＧＢＴ２３がオンしたとき、モータ用電源Ｖｐｐと出力線８３とが導通し、三相モータ２００のＷ相に出力電流が流れる。

ＩＧＢＴ３１，３２，３３の各エミッタは共通の接続点Ａに接続されており、接続点Ａは電圧検出用のシャント抵抗１６に繋がっている。ＩＧＢＴ３１，３２，３３がオンすることによって、出力線８１，８２，８３がシャント抵抗１６を介して接地Ｇと導通する。

（駆動ＩＣ５）
駆動ＩＣ５は、内部に、上アーム側のＩＧＢＴ２１，２２，２３を駆動する上アーム側駆動回路５ａと、下アーム側のＩＧＢＴ３１，３２，３３を駆動する下アーム側駆動回路５ｂとを有し、外部にはＶｃｃ、Ｖｄｄ、Ｈｉｎ、Ｌｉｎ、Ｖｓｓ、Ｖｂｏ、Ｈｏ、Ｖｓ、ＬｏおよびＣＯＭの１０個の端子を有している。

マイコン４は、３つの駆動ＩＣ５を介してインバータ回路２０を制御しており、第１駆動ＩＣ５１がＩＧＢＴ２１およびＩＧＢＴ３１を動作させ、第２駆動ＩＣ５２がＩＧＢＴ２２およびＩＧＢＴ３２を動作させ、第３駆動ＩＣ５３がＩＧＢＴ２３およびＩＧＢＴ３３を動作させる。以後、第１駆動ＩＣ５１、第２駆動ＩＣ５２および第３駆動ＩＣ５３に共通の内容が説明されるときは、駆動ＩＣ５という表現が使用される。

駆動ＩＣ５では、ＩＧＢＴを駆動する駆動用電源Ｖｂの正極が端子Ｖｃｃに接続され、ロジック用電源の正極が端子Ｖｄｄに接続されている。マイコン４からの信号線は端子Ｈｉｎ、端子Ｌｉｎに接続され、駆動用電源Ｖｂおよびロジック用電源Ｖｃの負極は端子Ｖｓｓに接続されている。

また、ブートストラップ回路６のコンデンサの高電位側の極から分岐したラインは端子Ｖｂｏと接続され、ＩＧＢＴ２１，２２，２３の各エミッタが端子Ｖｓに接続され、ＩＧＢＴ３１，３２，３３の各エミッタが端子ＣＯＭに接続されている。さらに、ＩＧＢＴ２１，２２，２３のゲートは端子Ｈｏに接続され、ＩＧＢＴ３１，３２，３３のゲートは端子Ｌｏに接続されている。

ＩＧＢＴ２１，２２，２３，３１，３２，３３のオン／オフは、駆動ＩＣ５が端子Ｈｏおよび端子Ｌｏを介してゲート電位を制御することによって行われる。駆動ＩＣ５の動作は、マイコン４から端子Ｈｉｎおよび端子Ｌｉｎに入力されるデューティ比制御信号に基づいて制御される。

（ブートストラップ回路６）
駆動ＩＣ５は、上アーム側のＩＧＢＴ２１，２２，２３に適切にゲート電位を入力するために、端子Ｖｃｃに接続された駆動用電源Ｖｂの正極と、ＩＧＢＴ２１，２２，２３の各エミッタとの間に、ブートストラップ回路６が設けられている。第１駆動ＩＣ５１に対応する第１ブートストラップ回路６１はコンデンサ６１１、抵抗６１２及びダイオード６１３で構成されている。第２駆動ＩＣ５２に対応する第２ブートストラップ回路６２はコンデンサ６２１、抵抗６２２及びダイオード６２３で構成されている。第３駆動ＩＣ５３に対応する第３ブートストラップ回路６３はコンデンサ６３１、抵抗６３２及びダイオード６３３で構成されている。以後、第１ブートストラップ回路６１、第２ブートストラップ回路６２及び第３ブートストラップ回路６３に共通の内容が説明されるときは、ブートストラップ回路６という表現が使用される。

図１に示すように、コンデンサ６１１，６２１，６３１の一端は、上アーム側のＩＧＢＴ２１，２２，２３のエミッタと下アーム側のＩＧＢＴ３１，３２，３３のコレクタとの接続点に繋がっている。コンデンサ６１１，６２１，６３１の他端は、抵抗６１２，６２２，６３２とダイオード６１３，６２３，６３３を介して駆動用電源Ｖｂの正極と繋がっている。

抵抗６１２，６２２，６３２はコンデンサ６１１，６２１，６３１の充電電流を制限するために設けられ、ダイオード６１３，６２３，６３３は抵抗６１２，６２２，６３３を介してコンデンサ６１１，６２１，６３１が放電されないよう、その順方向を駆動電源Ｖｂの正極側からコンデンサ６１１，６２１，６３１側へと向けている。

駆動ＩＣ５内部の上アーム側駆動回路５ａは、ＩＧＢＴ２１，２２，２３のオンオフを制御するため、コンデンサ６１１，６１２，６１３から高電位を取り入れる。なお、駆動ＩＣ５内部の下アーム側駆動回路５ｂは、ＩＧＢＴ３１，３２，３３のオンオフを制御するが、ＩＧＢＴ３１，３２，３３のエミッタ側が接地されているので、端子Ｖｃｃに接続された駆動電源Ｖｂの正極の電位だけで制御することができる。

（インバータ装置１の動作とダイオード９１，９２，９３との関係）
マイコン４の制御により、ある相に対応する一方のアームのＩＧＢＴがオンしているとき、他方のアームのＩＧＢＴはオフしている。例えば、Ｕ相に対応する上アーム側のＩＧＢＴ２１と下アーム側のＩＧＢＴ３１が同時にオンすることはなく、ＩＧＢＴ２１がオンしているときＩＧＢＴ３１はオフしている。図２において、例えば、Ｖ相に対応するＩＧＢＴ２２がオフしＩＧＢＴ３１がオンすることによって、モータ用電源Ｖｐｐの正極から、ＩＧＢＴ２１のコレクタ、ＩＧＢＴ２１のエミッタ、出力線８１、三相モータ２００、出力線８２、ＩＧＢＴ３２のコレクタ、ＩＧＢＴ３２のエミッタ、接続点Ａ、シャント抵抗１６およびモータ用電源Ｖｐｐの負極、という順で電流が流れる。なお、接続点Ａの電位は、駆動ＩＣ５の端子ＣＯＭに入力されている。このように、各相に対応するＩＧＢＴが所定の組合せでオン／オフする。

オンした各ＩＧＢＴには大電流が流れ、且つオン／オフが高速で切り換わるので、接続点Ａの電位は激しく変動する。この電位変動が、直接駆動ＩＣ５の端子ＣＯＭに入ると、誤動作を引き起こす可能性が高い。このため、本実施形態では、駆動ＩＣ５の端子Ｖｓと駆動ＩＣの端子ＣＯＭとの間にダイオード９１，９２，９３が接続されている。具体的には、上アーム側のＩＧＢＴ２１，２２，２３の各エミッタと駆動ＩＣ５の端子Ｖｓとを結ぶラインにダイオード９１，９２，９１のカソードが接続され、下アーム側のＩＧＢＴ３１，３２，３３の各エミッタと駆動ＩＣ５の端子ＣＯＭとを結ぶラインにダイオード９１，９２，９３のアノードが接続されている。その結果、Ａ点の電位が激しく変動しても、ダイオード９１，９２，９３が存在することによってノイズが端子Ｖｓ側へ抜けるので、端子ＣＯＭに入るノイズが抑制され、駆動ＩＣ５の誤動作が防止される。

＜特徴＞
（１）
インバータ装置１では、上アーム側のＩＧＢＴ２１，２２，２３の低電位側と駆動ＩＣ５の端子Ｖｓとを結ぶ第１ラインと、下アーム側のＩＧＢＴ３１，３２，３３の低電位側と駆動ＩＣ５の端子ＣＯＭとを結ぶ第２ラインと、の間にダイオード９１，９２，９３が設けられている。第１ラインにダイオード９１，９２，９３のカソードが接続され、第２ラインにダイオード９１，９２，９３のアノードが接続されている。その結果、１つの相の第２ラインの電位が他の相のＩＧＢＴが動作することによって変動した場合でも、ノイズがダイオード９１，９２，９３を介して第１ラインへ抜け、駆動ＩＣ５の端子ＣＯＭに入る電位の変動が抑制され、駆動ＩＣ５の誤動作が防止される。

（２）
ダイオード９１，９２，９３が、駆動ＩＣ５の端子Ｖｓおよび端子ＣＯＭの近傍に設けられているので、ダイオード９１，９２，９３と駆動ＩＣ５との間の配線距離が短くなり、その分、インバータ装置１はノイズの影響を受け難くなる。

以上のように、駆動ＩＣ５は、ＩＧＢＴの動作によって発生するノイズの影響を受け難くいので、インバータ装置１の動作信頼性が高まる。それゆえ、インバータ圧縮機を搭載した冷凍装置等に有用である。

例えば、ビル用のマルチタイプの空気調和装置では、冷媒が流通できるように冷媒回路が形成されており、制御装置が冷媒回路に接続されている圧縮機の起動、停止を行なっている。圧縮機には、インバータによる回転数制御を行う容量可変のインバータ圧縮機が採用されている。したがって、空気調和装置の制御装置に、本願発明のインバータ装置１を搭載することによって、ノイズに強い空気調和装置が実現する。

１ インバータ装置
２０ インバータ回路
２１，２２，２３ 上アーム側のＩＧＢＴ
３１，３２，３３ 下アーム側のＩＧＢＴ
５１ 第１駆動ＩＣ
５２ 第２駆動ＩＣ
５３ 第３駆動ＩＣ
６１ 第１ブートストラップ回路
６２ 第２ブートストラップ回路
６３ 第３ブートストラップ回路
９１，９２，９３ ダイオード

特開２００２−８４７６２号公報

Claims (3)

1. 上アーム側スイッチング素子（２１，２２，２３）と下アーム側スイッチング素子（３１，３２，３３）とで形成されたインバータ回路（２０）と、
   前記上アーム側スイッチング素子（２１，２２，２３）の低電位側よりも高い電位を生成するブートストラップ回路（６１，６２，６３）と、
   前記ブートストラップ回路（６１，６２，６３）から前記高い電位を取り入れて前記上アーム側スイッチング素子（２１，２２，２３）をオンオフさせる駆動ＩＣ（５１，５２，５３）と、
   を備えた三相モータ駆動用のインバータ装置であって、
   前記駆動ＩＣ（５１，５２，５３）が、
   前記上アーム側スイッチング素子（２１，２２，２３）の低電位側に繋がる第１端子（Ｖｓ）と、
   前記下アーム側スイッチング素子（３１，３２，３３）の低電位側に繋がる第２端子（ＣＯＭ）と、
   を有し、
   前記上アーム側スイッチング素子（２１，２２，２３）の低電位側と前記第１端子（Ｖｓ）とを結ぶ第１ラインと、前記下アーム側スイッチング素子（３１，３２，３３）の低電位側と前記第２端子（ＣＯＭ）とを結ぶ第２ラインと、の間にダイオード（９１，９２，９３）が設けられており、
   前記第１ラインに前記ダイオード（９１，９２，９３）のカソードが接続され、前記第２ラインに前記ダイオード（９１，９２，９３）のアノードが接続されている、
   インバータ装置（１）。
2. 前記ダイオード（９１，９２，９３）は、前記駆動ＩＣ（５１，５２，５３）の前記第１端子（Ｖｓ）および前記第２端子（ＣＯＭ）の近傍に設けられている、
   請求項１に記載のインバータ装置（１）。
3. 請求項１又は請求項２に記載のインバータ装置（１）を備えた、
   冷凍装置。

Images