JP2011160659A - インバータ装置およびインバータ制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】装置を複雑化させず、ＩＧＢＴ等の電圧駆動型半導体スイッチング素子のスイッチングノイズを低減するインバータ装置やインバータ制御装置を提供する。
【解決手段】ゲート駆動回路２３１の電源電圧Ｖｇｓを、電圧指令装置（マイコン）２３４からの指令により制御可能とし、素子の温度情報に応じて変化させ、ＩＧＢＴ２１１のゲート電圧Ｖｇを調整する。すなわち、素子の冷却水の温度が低く、熱的に余裕がある場合、ゲート電圧を高く設定し、スイッチングノイズを低減する。
【選択図】図１

Description

本発明は、インバータ装置およびインバータ制御装置に関する。

インバータやコンバータ等の電力変換装置には、ＩＧＢＴに代表される電圧駆動型のパワー半導体スイッチング素子が採用される。このスイッチング素子は、ゲート駆動回路で生成された駆動電圧によってオン／オフ制御される。

一般的に、半導体スイッチング素子のターンオン／オフの際のスイッチング速度を高くすると、スイッチング損失が低減され、その通電電流を大きくすることができる反面、スイッチングノイズが大きくなるという問題がある。

特許文献１は、ＩＧＢＴ等の電圧駆動型半導体スイッチング素子のターンオフ損失を低減するゲート駆動回路を開示している。ここでは、電力変換装置の直流側電圧が基準値以下のとき、ＩＧＢＴのゲート抵抗の並列数を増やして抵抗値を下げるように切替えることによって、ＩＧＢＴのターンオフ損失を低減している。

特開２００２−１２５３６３号公報（全体）

しかしながら、特許文献１の方法では、電力変換装置の主回路の各アームにゲート抵抗可変構造を用意する必要があり、装置を複雑化させる問題があった。

また、半導体スイッチング素子のターンオフ時のみのスイッチング損失を低減するだけに止まっている。

本発明の目的は、構造を複雑化させずに、電圧駆動型半導体スイッチング素子のスイッチングノイズを低減できるインバータ装置やインバータ制御装置を提供することである。

本発明の望ましい実施態様においては、電圧駆動型半導体スイッチング素子を含むインバータ主回路と、前記電圧駆動型半導体スイッチング素子のゲートーエミッタ間にゲート電圧を印加し、前記電圧駆動型半導体スイッチング素子を制御するインバータ制御装置を備えたインバータ装置において、前記インバータ制御装置は、複数の前記電圧駆動型スイッチング素子のゲートにゲート電圧を出力するゲート駆動回路と、当該ゲート駆動回路を駆動するためのゲート電源電圧を出力する１つのゲート電源回路と、当該ゲート電源電圧を制御する１つのゲート電源電圧制御回路とを有し、前記ゲート電源電圧制御回路は、前記スイッチング素子の温度に関する情報を取得し、当該温度に関する情報が低い場合には、前記ゲート電源回路から前記ゲート駆動回路に出力するゲート電源電圧を高くするように前記ゲート電源回路を制御し、前記ゲート駆動回路は、前記ゲート電源電圧の制御に応じたゲート電圧を、複数の前記電圧駆動型半導体スイッチング素子に出力するように構成したことを特徴とする。

本発明の望ましい実施態様によれば、主回路装置を複雑化することなく、電圧駆動型半導体スイッチング素子のスイッチングノイズを低減することができるインバータ装置やインバータ制御装置を提供することができる。

電圧駆動型半導体スイッチング素子の駆動装置を適用した本発明の一実施例によるモータ駆動用インバータ装置の構成図。 電圧駆動型半導体スイッチング素子であるＩＧＢＴの駆動原理を説明する駆動回路構成図。 本発明の一実施例によるインバータ制御装置における電圧駆動型半導体スイッチング素子の駆動装置の回路構成図。 本発明の一実施例によるインバータ制御装置における電圧駆動型半導体スイッチング素子の駆動装置の動作を説明する電圧、電流及び損失の波形図。

以下、図面を参照して本発明の実施例を説明する。

図１は、電圧駆動型半導体スイッチング素子の駆動装置を適用した本発明の一実施例によるモータ駆動用インバータ装置の構成図である。バッテリ１の直流電圧を、インバータ装置２によって可変電圧・可変周波数の３相交流電圧に変換し、交流モータ３に供給する。インバータ装置２は、インバータ主回路２１と、電圧平滑用キャパシタ２２、並びにインバータ制御装置２３とからなる。インバータ主回路２１は、ＩＧＢＴ（電圧駆動型半導体スイッチング素子）２１１を３相ブリッジ結線して構成され、各ＩＧＢＴ２１１は、逆並列ダイオード２１２を備えている。これにより、直流側端子Ｐ，Ｎ間の直流電圧を、交流端子Ｕ，Ｖ，Ｗ間に可変電圧・可変周波数の３相交流電圧に変換している。

このインバータ主回路２１は、インバータ制御装置２３からの指令に応じて、ＩＧＢＴ２１１がスイッチング制御され、バッテリ１の直流電圧源から、３相交流電圧を生成し、モータ３を駆動するための電流を通電する。

ここで、インバータ制御装置２３は、ＩＧＢＴ２１１にゲート電圧を与え、これらをオン／オフ駆動するゲート駆動回路２３１を備えている。この部分の詳細については、図２を参照して後述する。この実施例においては、ゲート駆動回路２３１の出力電圧を調整するために、電圧調整可能なゲート電源回路２３２を設けている。そしてその出力電圧は、ゲート電源電圧制御回路２３３によって制御される。このゲート電源電圧制御回路２３３には、電圧指令装置（マイコン）２３４から電圧指令が与えられる。この電圧指令装置（マイコン）２３４は、インバータ主回路２１の直流電圧を検出する電圧検出器２３５及びＩＧＢＴ２１１又はこれらＩＧＢＴを冷却する冷却水の温度を検出する温度検出器２３６の出力を入力し、前記電圧指令を決定する。

全体を制御するためのコントローラに設けられた電圧指令装置（マイコン）２３４は、直流電圧検出器２３５や、冷却水温度又はＩＧＢＴ２１１のチップ温度等の温度検出器２３６等の情報から、電力変換装置としての動作状況を把握し、電圧指令を作成する。例えば、インバータ主回路２１の直流側端子Ｐ，Ｎ間すなわち電圧平滑用キャパシタ２２の電圧を電圧検出器２３５で検出し、この直流電圧が高い場合には、スイッチング損失も大きくなるので、ゲート電圧を高くして、損失を低減することが望ましい。したがって、電圧指令装置（マイコン）２３４から、高い電圧指令をゲート電源電圧制御回路２３３に与える。これにより、電圧調整可能なゲート電源回路２３２の出力であるゲート電源電圧が高くなる。この結果、ゲート駆動回路２３１からＩＧＢＴ２１１のゲート−エミッタ間に印加されるゲート電圧が高くなる。

このようにして、直流側Ｐ，Ｎ間電圧が高い場合には、ＩＧＢＴ２１１のスイッチング損失も大きくなるので、ゲート電圧を高くして、損失を低減することができる。

また、ＩＧＢＴ２１１又はこれらＩＧＢＴを冷却する冷却水の温度を検出する温度検出器２３６の出力が低く、ＩＧＢＴ２１１の熱的損失に余裕がある場合には、ゲート電圧を高くして、素子のスイッチングノイズを低減することが望ましい。したがって、電圧指令装置（マイコン）２３４から、通常より低い電圧指令をゲート電源電圧制御回路２３３に与える。これにより、電圧調整可能なゲート電源回路２３２の出力であるゲート電源電圧が低くなる。この結果、ゲート駆動回路２３１からＩＧＢＴ２１１のゲート−エミッタ間に印加されるゲート電圧が低くなる。

このようにして、直流側Ｐ，Ｎ間電圧が高くなく、スイッチング素子に熱的余裕がある場合には、ＩＧＢＴ２１１に高いゲート電圧を印加し、スイッチングノイズを低減することができる。

このように、インバータ装置２の状況に応じて、臨機応変に、電圧駆動型半導体スイッチング素子であるＩＧＢＴ２１１のゲート電圧を調整することができる。

図２は、電圧駆動型半導体スイッチング素子であるＩＧＢＴの駆動原理を説明する駆動回路構成図である。図では、図１におけるインバータ主回路２１のＷ相Ｐ側の１アームのＩＧＢＴ２１１と逆並列ダイオード２１２のみを抜き出し、このＩＧＢＴ２１１に対するゲート駆動回路２３１からのゲート電圧の与え方を説明するものである。ＩＧＢＴ２１１は、そのゲートＧとエミッタＥ間のゲート電圧によって、コレクタＣとエミッタＥ間をオン／オフ制御できる。２１３は、ゲートＧとエミッタＥ間の浮遊容量を示している。

ゲート駆動回路２３１は、制御用ＩＣ２３１１からのオン／オフ指令によって相補的にオン／オフするターンオン用のＮＰＮバッファトランジスタ２３１２とターンオフ用のＰＮＰバッファトランジスタ２３１３と、ゲート抵抗２３１４を備えている。ＩＧＢＴ２１１をターンオンさせる場合は、制御用ＩＣ２３１１から、正の電圧を出力し、ターンオン用のＮＰＮトランジスタ９をオンさせ、ターンオフ用のＰＮＰトランジスタ２３１３をオフさせる。これによって、充電電流Iｏｎにより浮遊容量２１３を充電して、ＩＧＢＴ２１１のゲートＧとエミッタＥ間に正の電圧を印加する。一方、ＩＧＢＴ２１１をターンオフさせるときは、制御用ＩＣ２３１１から、ゼロ電圧を出力し、逆に、ターンオフ用のＰＮＰトランジスタ１０をオンさせ、ターンオン用のＮＰＮトランジスタ９をオフさせる。これにより、放電電流Iｏｆｆにより浮遊容量２１３の電荷を放電させて、ＩＧＢＴ２１１のゲートＧとエミッタＥ間電圧をゼロ［Ｖ］とする。

このとき、前述したように、ターンオン用のゲートＧとエミッタＥ間のゲート電圧Ｖｇが高いと、ＩＧＢＴ２１１のスイッチング損失は小さくなり、スイッチングノイズは大きくなる。また、逆に、ゲート電圧Ｖｇが低いと、ＩＧＢＴ２１１のスイッチング損失は大きくなるが、スイッチングノイズは小さくなる。

このゲート電圧Ｖｇの大きさは、ゲート電源回路２３２（図１）から与えられるゲート駆動回路２３１の電源電圧Ｖｇｓによって調整することができる。

図３は、本発明の一実施例によるインバータ制御装置における電圧駆動型半導体スイッチング素子の駆動装置の回路構成図である。この図では、３相インバータ主回路２１のＷ相アームのＩＧＢＴのみに対するインバータ制御装置２３の一部を示しており、他の２相分は省略している。図３において、インバータ主回路２１の構成素子であるＩＧＢＴ２１１は、インバータ制御装置２３によってオン／オフ制御される。インバータ制御装置２３は、図１で説明したように、ゲート駆動回路２３１、ゲート電源回路２３２、ゲート電源電圧制御回路２３３、並びに電圧指令装置（マイコン）２３４を備えている。電圧指令装置（マイコン）２３４は、インバータ主回路２１の直流電圧を検出する電圧検出器２３５の出力Ｖｐと、ＩＧＢＴ２１１又はこれらＩＧＢＴを冷却する冷却水の温度を検出する温度検出器２３６の出力Ｔｓを入力し、電圧指令を決定する。その決定の基本的内容は、図１で説明したように、直流電圧Ｖｐが高い場合には、スイッチング損失も大きくなるので、ゲート電圧を高くして、損失を低減する。一方、ＩＧＢＴ２１１又はこれらＩＧＢＴを冷却する冷却水の温度を検出する温度検出器２３６の出力Ｔｓが低く、ＩＧＢＴ２１１の熱的損失に余裕がある場合には、ゲート電圧を高くして、素子のスイッチングノイズを低減することである。しかし、そのほかの判断要素を加味して、電力変換装置あるいは交流モータ制御装置としての動作状況に応じて、損失やノイズを考慮しつつ、制御することができる。

各アーム用のドライバＩＣ２３１１の各電源電圧Ｖｇｓは、フライバック型のゲート電源回路２３２により、同じ電圧になるように制御されている。その電源電圧値Ｖｇｓは、全体を制御するコントローラの電圧指令装置（マイコン）２３４からの電源電圧指令に応じて、ゲート電源電圧制御回路２３３内の電源制御ＩＣが制御する構成としている。

ゲート電源電圧制御回路２３３は、上記のようにして得られた電圧指令と電圧帰還値とが一致するように電源制御用ＩＣによって電圧制御系（ＡＶＲ）を構成している。ゲート電源電圧制御回路２３３は、前記電圧指令に応じた電圧を、フライバック型のゲート電源回路２３２を介して、その後段のゲート駆動回路２３１の電源電圧Ｖｇｓとして供給する。

ゲート駆動回路２３１は、図２を参照して詳細に説明した通りであり、出力するゲート電圧Ｖｇの大きさは、ゲート電源回路２３２から与えられる電源電圧Ｖｇｓによって調整することができる。すなわち、電圧指令装置（マイコン）２３４にプログラムされたアルゴリズムに従って、ゲート駆動回路２３１の電源電圧Ｖｇｓが変化するので、ＩＧＢＴ２１１のゲート−エミッタ間に印加されるゲート電圧Ｖｇを変化させることができる。

なお、ドライバＩＣ２３１１は、ＩＧＢＴ２１１の短絡保護機能をも備えている。

図４は、本発明の一実施例によるインバータ制御装置における電圧駆動型半導体スイッチング素子の駆動装置の動作を説明する電圧、電流及び損失等の波形図である。時点ｔ１において、ＩＧＢＴ２１１に対するオン／オフ指令がオンになると、ゲート電圧Ｖｇがゼロから所定値まで立上がる。このとき、インバータ主回路２１の直流側電圧Ｖｐが高い場合には、ゲート駆動回路２３１の電源電圧Ｖｇｓが高いため、ゲート電圧Ｖｇ１も時点ｔ２までに素早く、かつ、高い電圧まで立上がる。したがって、ＩＧＢＴ２１１のコレクタ電流Ｉｃ１も素早く立上がり、コレクタ電圧Ｖｃ１は素早く、かつ、より小さい値まで低下する。したがって、ＩＧＢＴ２１１のターンオン時のスイッチング損失Ｌ１は短い時間（ｔ１〜ｔ２）内で小さく抑えられる。しかも、その後の導通中のゲート電圧Ｖｇ１を、図示するように、そのまま高く保持されておれば、導通中の損失Ｌ１も小さく抑制することができる。

一方、インバータ主回路２１の構成素子であるＩＧＢＴ２１１の冷却水温が低く、熱的に余裕がある場合には、ゲート駆動回路２３１の電源電圧Ｖｇｓを低く指令する。このため、ゲート電圧Ｖｇ３は、時点ｔ４までにゆっくり、かつ、低く抑制された電圧まで立上がる。したがって、ＩＧＢＴ２１１のコレクタ電流Ｉｃ３もゆっくり立上がり、コレクタ電圧Ｖｃ３はゆっくり、かつ、より大きな値までしか低下しない。したがって、ＩＧＢＴ２１１のターンオン時のノイズを小さく抑制することができる。但し、スイッチング損失Ｌ３は、比較的長い時間（ｔ１〜ｔ４）に大きく発生する。しかも、その後の導通中のゲート電圧Ｖｇ３を、図示するように、そのまま低く保持した場合には、導通中の損失Ｌ３も大きくなる。したがって、ノイズを小さく抑制したい場合でも、導通中のゲート電圧は十分に大きく保つことが望ましい。

図４におけるゲート電圧Ｖｇ２、コレクタ電流Ｉｃ２、コレクタ電圧Ｖｃ２及び素子損失Ｌ２は、前述した２例の中間の値を示す標準値である。

この実施例によれば、インバータやコンバータ等の電力変換装置の状況に応じて、臨機応変に電圧駆動型半導体スイッチング素子のゲート電圧を調整することができる。したがって、例えば、冷却水温が低く、熱的に余裕がある場合などには、ノイズを低減するため、ゲート電圧を低く設定し、他方、電力変換装置の直流側電圧が高い場合などには、ゲート電圧を高くして、スイッチング損失を低減することができる。

１…バッテリ（直流電源）、２…インバータ装置、３…交流モータ、２１…インバータ主回路、２１１…電圧駆動型半導体スイッチング素子（ＩＧＢＴ）、２２…電圧平滑用キャパシタ、２３…インバータ制御装置、２３１…ゲート駆動回路、２３２…ゲート電源回路、２３３…ゲート電源電圧制御回路、２３４…電圧指令装置（マイコン）、２３５…電圧検出器、２３６…温度検出器。

Claims (6)

1. 電圧駆動型半導体スイッチング素子を含むインバータ主回路と、前記電圧駆動型半導体スイッチング素子のゲートーエミッタ間にゲート電圧を印加し、前記電圧駆動型半導体スイッチング素子を制御するインバータ制御装置を備えたインバータ装置において、
   前記インバータ制御装置は、複数の前記電圧駆動型スイッチング素子のゲートにゲート電圧を出力するゲート駆動回路と、当該ゲート駆動回路を駆動するためのゲート電源電圧を出力する１つのゲート電源回路と、当該ゲート電源電圧を制御する１つのゲート電源電圧制御回路とを有し、
   前記ゲート電源電圧制御回路は、前記スイッチング素子の温度に関する情報を取得し、当該温度に関する情報が低い場合には、前記ゲート電源回路から前記ゲート駆動回路に出力するゲート電源電圧を高くするように前記ゲート電源回路を制御し、
   前記ゲート駆動回路は、前記ゲート電源電圧の制御に応じたゲート電圧を、複数の前記電圧駆動型半導体スイッチング素子に出力するように構成したことを特徴とするインバータ装置。
2. 請求項１に記載のインバータ装置であって、
   複数の前記電圧駆動型半導体スイッチング素子は、前記インバータ主回路の上アーム及び下アームを構成し、
   前記ゲート駆動回路は、前記上アームを駆動させるための第一バッファ回路と、前記下アームを駆動させるための第二バッファ回路から構成され、
   前記ゲート電源回路は、前記第一バッファ回路と前記第二バッファ回路に、共通のゲート電源電圧を出力する回路から構成されることを特徴とするインバータ装置。
3. 請求項１または２に記載のインバータ装置であって、
   前記ゲート電源回路は、フライバック型ゲート電源回路であることを特徴とするインバータ装置。
4. インバータ主回路を構成する複数の電圧駆動型半導体スイッチング素子を制御するインバータ制御装置において、
   複数の前記電圧駆動型半導体スイッチング素子のゲートにゲート電圧を出力するゲート駆動回路と、前記ゲート駆動回路にゲート電源電圧を出力する１つのゲート電源回路と、前記ゲート電源回路を制御する１つのゲート電源電圧制御回路とを有し、
   前記ゲート電源電圧制御回路は、前記スイッチング素子の温度に関する情報を取得し、当該温度に関する情報が低い場合には、前記ゲート電源回路から前記ゲート駆動回路に出力するゲート電源電圧を高くするように前記ゲート電源回路を制御し、
   前記ゲート駆動回路は、前記ゲート電源電圧の制御に応じたゲート電圧を、複数の前記電圧駆動型半導体スイッチング素子に出力するように構成したことを特徴とするインバータ制御装置。
5. 請求項４に記載のインバータ制御装置であって、
   複数の前記電圧駆動型半導体スイッチング素子は、前記インバータ主回路の上アーム及び下アームを構成し、
   前記ゲート駆動回路は、前記上アームを駆動させるための第一バッファ回路と、前記下アームを駆動させるための第二バッファ回路から構成され、
   前記ゲート電源回路は、前記第一バッファ回路と前記第二バッファ回路に、共通のゲート電源電圧を出力する回路から構成されることを特徴とするインバータ制御装置。
6. 請求項４または５に記載のインバータ制御装置であって、
   前記ゲート電源回路は、フライバック型ゲート電源回路であることを特徴とするインバータ制御装置。

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