JP2020065415A

JP2020065415A - インバータ駆動装置

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Publication number: JP2020065415A
Application number: JP2018197341A
Authority: JP
Inventors: 寿志小田; Hisashi Oda; 伸次酒井; Shinji Sakai
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2018-10-19
Filing date: 2018-10-19
Publication date: 2020-04-23
Anticipated expiration: 2038-10-19
Also published as: JP7059891B2; CN111082643A; US10547301B1; DE102019215544A1

Abstract

【課題】過電流の検出精度を維持しつつ製造コストを低減することができるインバータ駆動装置を得る。【解決手段】駆動回路７は、スイッチング素子２を駆動する。電流検出部Ｒｓｈｕｎｔは、スイッチング素子２に流れる電流に応じた電圧信号を発生させる。ノイズフィルタ５は電圧信号に重畳されたノイズを除去する。過電流検出回路６は、ノイズフィルタ５を介して入力した電圧信号が第１のしきい値を超えると過電流検出信号を出力する。短絡検出回路１３は、過電流検出信号を入力するか、又は、ノイズフィルタ５を介さずに入力した電圧信号が第２のしきい値を超えるとエラー信号を出力する。【選択図】図１

Description

本発明は、スイッチング素子を駆動するインバータ駆動装置に関する。

インバータ駆動装置において、スイッチング素子に流れる電流に応じた電圧信号を電流検出回路に入力する。電流検出回路は、過電流を検出するコンパレータと、短絡を検出するコンパレータとを備えている（例えば、特許文献１参照）。

特開２０１７−２１２８７０号公報

スイッチング素子を高速駆動させる場合に電圧信号にノイズが重畳されて短絡又は過電流を誤検出する場合がある。高速に駆動するほどノイズによる誤検出のリスクが高まる。このため、ノイズフィルタを介して電圧信号を電流検出回路に入力する必要がある。しかし、フィルタを用いることで検出に一定の遅れ時間が生じるため、短絡耐量が低いスイッチング素子は短絡を検知し保護をかける前に熱破壊される。従って、スイッチング素子の短絡耐量を高く設計する必要があるため、製造コストがかかる。

本発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、その目的は過電流の検出精度を維持しつつ製造コストを低減することができるインバータ駆動装置を得るものである。

本発明に係るインバータ駆動装置は、スイッチング素子と、前記スイッチング素子を駆動する駆動回路と、前記スイッチング素子に流れる電流に応じた電圧信号を発生させる電流検出部と、前記電圧信号に重畳されたノイズを除去するノイズフィルタと、前記ノイズフィルタを介して入力した前記電圧信号が第１のしきい値を超えると過電流検出信号を出力する過電流検出回路と、前記過電流検出信号を入力するか、又は、前記ノイズフィルタを介さずに入力した前記電圧信号が第２のしきい値を超えるとエラー信号を出力する短絡検出回路とを備えることを特徴とする。

本発明では、過電流検出回路がノイズフィルタを介して入力した電圧信号に基づいて過電流を検出するため、過電流の検出精度を維持できる。従って、高速スイッチング仕様のインバータ駆動装置でもスイッチング時に発生するノイズによる誤動作を防ぐことができる。また、短絡検出回路はノイズフィルタを介さずに入力した電圧信号に基づいて短絡を検出し保護をかける。このため、短絡時に高速にスイッチング素子の駆動を停止できる。これにより、スイッチング素子の短絡耐量を短く設計することができるため、製造コストを低減することができる。

実施の形態１に係るインバータ駆動装置を示す図である。実施の形態１に係るインバータ駆動装置の通常動作時のシーケンスを示す図である。実施の形態１に係るインバータ駆動装置の短絡動作時のシーケンスを示す図である。実施の形態１に係るインバータ駆動装置の変形例を示す図である。実施の形態２に係るインバータ駆動装置を示す図である。実施の形態３に係るインバータ駆動装置を示す図である。

実施の形態に係るインバータ駆動装置について図面を参照して説明する。同じ又は対応する構成要素には同じ符号を付し、説明の繰り返しを省略する場合がある。

実施の形態１．
図１は、実施の形態１に係るインバータ駆動装置を示す図である。半導体モジュール１の内部にスイッチング素子２、フリーホールダイオード３、制御回路４が設けられている。半導体モジュール１の外部にシャント抵抗Ｒｓｈｕｎｔ、ノイズフィルタ５、過電流検出回路６、ダイオードＤ１が設けられている。制御回路４は、駆動回路７、コンパレータ８、フィルタ回路９、ＳＲラッチ回路１０を有する。

駆動回路７は、外部から端子１１を介して半導体モジュール１に入力された入力電圧Ｖｉｎに応じてスイッチング素子２を駆動する。スイッチング素子２としてＩＧＢＴを用いている。フリーホイールダイオード３はスイッチング素子２のオフ時に電流を還流する。

スイッチング素子２のエミッタＥとＧＮＤとの間にシャント抵抗Ｒｓｈｕｎｔが接続されているシャント抵抗Ｒｓｈｕｎｔは、スイッチング素子２に流れる電流に応じた電圧信号Ｖｅを発生させる電流検出部である。なお、電流検出部として、シャント抵抗Ｒｓｈｕｎｔの代わりに、ホール素子又はカレントトランスなど他の電流検出手段を用いてもよい。また、電流センス素子を備えたスイッチング素子２の場合は、センス電流を電流検出用抵抗に流して電流を検出してもよい。

ノイズフィルタ５は、抵抗Ｒ１とコンデンサＣ１を有するＲＣフィルタである。ノイズフィルタ５は、電圧信号Ｖｅに重畳されたノイズを除去する。

過電流検出回路６は、コンパレータ１２とダイオードＤ２を有する。コンパレータ１２の＋端子にノイズフィルタ５の出力電圧Ｖｏｃが入力される。コンパレータ１２の−端子に第１のしきい値Ｖｒｅｆ１が入力される。コンパレータ１２からダイオードＤ２を介して出力される電圧が過電流検出信号である。即ち、過電流検出回路６は、ノイズフィルタ５から入力した電圧信号Ｖｏｃが第１のしきい値Ｖｒｅｆ１を超えると、過電流が発生したと判定して過電流検出信号を出力する。

短絡検出回路１３は、コンパレータ８、フィルタ回路９及びＳＲラッチ回路１０を有する。電圧信号ＶｅがダイオードＤ１及び端子１４を介してコンパレータ８の＋端子に入力される。過電流検出信号も端子１４を介してコンパレータ８の＋端子に入力される。コンパレータ８の−端子に第２のしきい値Ｖｒｅｆ２が入力される。第２のしきい値Ｖｒｅｆ２は、第１のしきい値Ｖｒｅｆ１よりも高い値に設定されている。また、過電流が検出された場合に過電流検出回路６から出力される過電流検出信号の電圧値は第２のしきい値Ｖｒｅｆ２よりも大きい。コンパレータ８の出力電圧Ａはフィルタ回路９に入力される。フィルタ回路９の出力電圧ＢはＳＲラッチ回路１０のＳ端子に入力され、Ｑ端子からエラー信号Ｆｏが出力される。従って、短絡検出回路１３は、過電流検出回路６から過電流検出信号を入力するか、又は、ノイズフィルタ５を介さずに入力した電圧信号Ｖｅが第２のしきい値Ｖｒｅｆ２を超えるとエラー信号Ｆｏを出力する。なお、過電流検出信号をコンパレータ８を介さずにフィルタ回路９又はＳＲラッチ回路１０に直接的に入力することもできる。その場合、過電流検出信号を半導体モジュール１の外部から内部に入力するための端子を追加する必要がある。

エラー信号Ｆｏは、ＳＲラッチ回路１０のＲ端子及び駆動回路７に入力され、端子１５を介して半導体モジュール１の外部に出力される。従って、インバータ駆動装置は、過電流又は短絡を判定するとエラー信号Ｆｏを半導体モジュール１の外部に出力する。また、駆動回路７は、エラー信号Ｆｏを入力するとスイッチング素子２のゲート信号Ｖｇを遮断し、スイッチング素子２の駆動を停止する。

図２は、実施の形態１に係るインバータ駆動装置の通常動作時のシーケンスを示す図である。制御信号Ｖｉｎが入力されスイッチング素子２がオンするとシャント抵抗Ｒｓｈｕｎｔに電流が流れ電圧信号Ｖｅが発生する。駆動回路７が高速にスイッチングを行うほど電流の立ち上がり直後に発生する電圧信号Ｖｅに重畳されたノイズが大きくなり、短絡又は過電流を誤検出するリスクが高くなる。ノイズフィルタ５の出力電圧Ｖｏｃをコンパレータ１２に入力する。発生するノイズに応じてノイズフィルタ５の時定数を設定することで、過電流の誤検出を回避することができる。

第２のしきい値Ｖｒｅｆ２はノイズのピーク値よりも高い値に設定されている。これにより、ノイズによる短絡の誤検出を回避することができる。また、高速スイッチング時にピーク値が高く周期の短いノイズが発生する場合がある。そこで、コンパレータ８の出力電圧Ａを次段のフィルタ回路９に入力し短絡判定を無効とする期間を設定する。これにより、ピーク値が高く周期の短いノイズによる短絡の誤検出を回避することができる。

図３は、実施の形態１に係るインバータ駆動装置の短絡動作時のシーケンスを示す図である。インバータ駆動装置の異常動作などによりスイッチング素子２に大電流が流れた場合でも、通常動作時と同様に電流が流れた直後に電圧信号Ｖｅにノイズが発生する。その後、電流波形に追従するように電圧信号Ｖｅが増加する。ノイズフィルタ５の応答性が低いため、電圧信号Ｖｏｃが第１のしきい値Ｖｒｅｆ１に到達する時間が遅れる。一方、短絡検出回路１３はノイズフィルタ５を介さずに入力した電圧信号Ｖｅに基づいて短絡を検出するため、過電流検出回路６に比べ応答性が優れており、迅速に短絡を検出することができる。なお、図中の短絡遮断時間は、短絡が発生してから短絡を検出してスイッチング素子２のゲート信号Ｖｇを遮断するまでの時間である。

本実施の形態では、過電流検出回路６がノイズフィルタ５を介して入力した電圧信号に基づいて過電流を検出するため、過電流の検出精度を維持できる。従って、高速スイッチング仕様のインバータ駆動装置でもスイッチング時に発生するノイズによる誤動作を防ぐことができる。また、短絡検出回路１３はノイズフィルタ５を介さずに入力した電圧信号Ｖｅに基づいて短絡を検出し保護をかける。このため、短絡時に高速にスイッチング素子２の駆動を停止できる。これにより、スイッチング素子２の短絡耐量を短く設計することができるため、製造コストを低減することができる。また、スイッチング素子２のオン抵抗を低くでき、チップサイズを縮小することもできる。また、一般的に短絡電流は過電流に比べて大きな電流が流れる傾向があるため、短絡電流を検出するための第２のしきい値Ｖｒｅｆ２を、過電流を検出するための第１のしきい値Ｖｒｅｆ１よりも高い値に設定する必要がある。

図４は、実施の形態１に係るインバータ駆動装置の変形例を示す図である。スイッチング素子２としてＩＧＢＴの代わりにＭＯＳＦＥＴを用いている。ＭＯＳＦＥＴは寄生ダイオードを備えており、これをフリーホイールダイオードとして使用することもできる。従って、フリーホイールダイオード３を省略することができる。

実施の形態２．
図５は、実施の形態２に係るインバータ駆動装置を示す図である。半導体モジュール１の内部に設けられたコンパレータ８の−端子と半導体モジュール１の外部に設けられた設定回路１６とを接続する端子１７が設けられている。設定回路１６により、スイッチング時に発生するノイズのピーク値に合わせて半導体モジュール１の外部で第２のしきい値Ｖｒｅｆ２を設定する。これにより、短絡の誤検出を更に低減することができる。

実施の形態３．
図６は、実施の形態３に係るインバータ駆動装置を示す図である。半導体モジュール１の内部においてコンパレータ８の−端子と端子１７に定電流回路１８が接続されている。定電流回路１８は定電流Ｉｓｃｒｅｆを出力する。半導体モジュール１の外部において端子１７とＧＮＤとの間に抵抗Ｒｓｃｒｅｆが接続されている。この半導体モジュール１の外部の抵抗Ｒｓｃｒｅｆの抵抗値のみで第２のしきい値Ｖｒｅｆ２を設定する。これにより、実施の形態２の効果に加えて、インバータ駆動装置を小型化できる。

なお、スイッチング素子２は、珪素によって形成されたものに限らず、珪素に比べてバンドギャップが大きいワイドバンドギャップ半導体によって形成されたものでもよい。ワイドバンドギャップ半導体は、例えば、炭化珪素、窒化ガリウム系材料、又はダイヤモンドである。ワイドバンドギャップ半導体によって形成されたスイッチング素子２は高速スイッチング動作が可能であり、ノイズによる誤検出のリスクが高いため、実施の形態１−３の構成が特に有効である。また、ワイドバンドギャップ半導体によって形成されたスイッチング素子２は、耐電圧性や許容電流密度が高いため、小型化できる。この小型化されたスイッチング素子２を用いることで、このスイッチング素子２を組み込んだインバータ駆動装置も小型化・高集積化できる。また、スイッチング素子２の耐熱性が高いため、ヒートシンクの放熱フィンを小型化でき、水冷部を空冷化できるので、インバータ駆動装置を更に小型化できる。また、スイッチング素子２の電力損失が低く高効率であるため、インバータ駆動装置を高効率化できる。

１半導体モジュール、２スイッチング素子、５ノイズフィルタ、６過電流検出回路、７駆動回路、１３短絡検出回路、１６設定回路、Ｒｓｃｒｅｆ抵抗、Ｒｓｈｕｎｔシャント抵抗（電流検出部）

Claims

スイッチング素子と、
前記スイッチング素子を駆動する駆動回路と、
前記スイッチング素子に流れる電流に応じた電圧信号を発生させる電流検出部と、
前記電圧信号に重畳されたノイズを除去するノイズフィルタと、
前記ノイズフィルタを介して入力した前記電圧信号が第１のしきい値を超えると過電流検出信号を出力する過電流検出回路と、
前記過電流検出信号を入力するか、又は、前記ノイズフィルタを介さずに入力した前記電圧信号が第２のしきい値を超えるとエラー信号を出力する短絡検出回路とを備えることを特徴とするインバータ駆動装置。
前記第２のしきい値は前記第１のしきい値よりも高い値に設定されていることを特徴とする請求項１に記載のインバータ駆動装置。
前記第２のしきい値は前記ノイズのピーク値よりも高い値に設定されていることを特徴とする請求項２に記載のインバータ駆動装置。
前記駆動回路は前記エラー信号を入力すると前記スイッチング素子の駆動を停止することを特徴とする請求項１〜３の何れか１項に記載のインバータ駆動装置。
前記第２のしきい値を設定する設定回路を更に備え、
前記スイッチング素子、前記駆動回路、前記短絡検出回路は半導体モジュールの内部に設けられ、
前記設定回路は前記半導体モジュールの外部に設けられていることを特徴とする請求項１〜４の何れか１項に記載のインバータ駆動装置。
前記設定回路は、前記半導体モジュールの外部の抵抗の抵抗値のみで前記第２のしきい値を設定することを特徴とする請求項５に記載のインバータ駆動装置。
前記スイッチング素子はワイドバンドギャップ半導体によって形成されていることを特徴とする請求項１〜６の何れか１項に記載のインバータ駆動装置。