JP3548497B2 - 故障保護回路を備えたモータコントローラ - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、故障保護回路を備えたモータコントローラに関し、より詳細にはモータコントローラの過電流状態（例えば短絡）に応答するソフトシャットダウン回路、およびモータコントローラ用の脱飽和（ＤＥＳＡＴ：ｄｅｓａｔｕｒａｔｉｏｎ）短絡保護回路を備えたモータコントローラに関する。
【０００２】
【従来の技術】
図１を参照すると、従来技術のパルス幅変調型モータコントローラインバータ回路２が示される。モータコントローラ回路２は、６個のＩＧＢＴまたはＦＥＴスイッチングデバイス４，６，８，１０，１２および１４を備える３相モータコントローラブリッジである。スイッチングデバイスは、制御ブロック１６に含まれるゲートドライブ回路により生成される適当なパルス幅変調（ＰＷＭ）波形により切り替えられる。各スイッチ対（Ｕ：４および６、Ｖ：８および１０、Ｗ：１２および１４）はそれぞれ高位側（ｈｉｇｈ ｓｉｄｅ）スイッチ（４、８、１２）と低位側（ｌｏｗ ｓｉｄｅ）スイッチ（６、１０、１４）とを備える。これらスイッチは、典型的には、高位側スイッチがオンする場合に、低位側スイッチがオフするように、またその逆も成り立つように制御される。
【０００３】
インバータ回路２のための典型的な波形が、図２の状態図に示される。Ｕ，Ｖ，Ｗ信号のハイ状態は、対応する脚回路（レッグ）内で高位側スイッチがオンし、低位側スイッチがオフすることを示し、各レッグ信号のロー状態は、対応するレッグの高位側スイッチがオフし、そのレッグの低位側スイッチがオンすることを表している。
【０００４】
図３は、図２においてＯＣを付した過電流の状態の瞬間における、スイッチ４，６，８，１０，１２および１４の状態を示す従来のインバータ回路２である。一般的に従来の回路では、過電流状態が検出される場合、閉じたあるいは導通したスイッチングデバイス（４，１０および１４）のみが緩やかにターンオフして、弱いプルダウン状態になり、一方、他のスイッチ（６，８および１２）はアクティブ状態のままであり、到来するＰＷＭゲート入力信号に従う。
【０００５】
したがって、Ｖ相の回路が、図２に示されるＯＣ状態の後にローからハイに遷移する場合、スイッチ８と１０の間の点の電位は、スイッチ８がターンオンする結果、ＤＣＢＵＳ（−）からＤＣＢＵＳ（＋）まで高速に遷移することになる。このスイッチ８の高速切り替えにより、スイッチ１０がターンオン状態に誘導され、スイッチ１０ゲート上に位置するソフトシャットダウン高インピーダンスと組み合わされたミラー容量に起因して新たなシュートスルー短絡状態（ｓｈｏｏｔ−ｔｈｒｏｕｇｈ ｓｈｏｒｔ ｃｉｒｃｕｉｔ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎ）が作り出される。
【０００６】
図１に示されるような、典型的なモータコントローラインバータ回路に関する別の問題は、絶縁破壊の結果、地絡（ｅａｒｔｈ−ｆａｕｌｔ）が生じるようになることである。これによりシャーシと接触して短絡が発生する。地絡状態では、負のＤＣバスレール内に短絡電流が流れない。したがって、高位側スイッチのみが地絡に対する保護を必要とする。
【０００７】
図４には、地絡短絡の従来技術による等価回路１７が示されている。地絡時には、電流の上昇速度は、電圧源１８とパワートランジスタ１９との間の電流パスのインダクタンスＬに依存する。しかしながら、電流パスのインダクタンスＬは、実際の絶縁破壊の位置によるため、回路設計者が予測することはできない。
【０００８】
図５を参照すると、地絡検知に対する従来のアプローチは、正のＤＣバスレール上に配置された検知抵抗２０を用いることである。光結合素子２２が、高位側／低位側を分離し、故障情報を低位側に転送する。正のＤＣバスレール電流が、故障検出回路のトリップレベル（ｔｒｉｐ ｌｅｖｅｌ）を超える場合、インバータが停止する。このトリップレベルは、故障状態の発生を正確に規定するレベルに設定されなければならない。この実現は比較的簡単に行える。
【０００９】
図５に示した従来の地絡検出機構がもつ１つの問題は、大きなインダクタンスが電流の上昇速度を遅くし、その後トリップレベルまで高めるのに時間がかかりすぎることである。図６を参照されたい。その結果、高電流がＩＧＢＴトランジスタスイッチ内を流れ、過剰に電力を浪費し、シリコンの限界値より高く温度が上昇するようになる。したがって、ＩＧＢＴは、故障検出を行う前に、損傷を受けるようになる。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
よって本発明の目的は、上述の点に鑑み、故障状態の発生時にモータ制御回路におけるスイッチングデバイスのソフトシャットダウンを実施し、付加的なスイッチング動作およびミラー効果に起因する誤動作を防止するようにした、故障保護回路を備えたモータコントローラを提供することにある。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するために、本発明は、モータコントローラであって、ゲート駆動信号としてパルス幅変調波を生成するゲートドライバ回路により、スイッチングがなされるパワートランジスタスイッチングデバイスと、前記パワートランジスタスイッチングデバイスのコレクタ・エミッタ間電圧Ｖ _CE を検知し、検知した該Ｖ _CE が、前記モータコントローラに過電流状態が生じていることを表しているときには、前記ゲートドライバ回路をシャットダウンさせるための故障信号を送出する回路と、前記故障信号が送出されたとき、前記パワートランジスタスイッチングデバイスのゲート駆動信号入力端子に高インピーダンスの抵抗を接続することにより、前記パワートランジスタスイッチングデバイスをゆるやかにシャットダウンさせる回路と、を具備したものである。
【００１３】
より具体的には、本発明は、以下の構成を有する。
【００１４】
本発明を適用した回路は、故障状態の発生時にモータコントローラ回路の全６個のスイッチングデバイスのソフトシャットダウンを実施し、全スイッチング動作を終了することにより、上記のような従来技術がもつ問題点を解決する。したがって、付加的なスイッチング動作および関連するミラー効果に起因して誤動作によりオンする問題が生じる危険性はない。さらに本発明は、ゲートドライバＩＣ内のＤＥＳＡＴ回路を用いて、パワートランジスタスイッチングデバイスのＶ_ＣＥを検知する短絡保護用回路を提供する。短絡の発生時に、パワートランジスタスイッチは、その低オン状態電圧から引き上げられ（プルアウトされ）、出力特性が引き上げられる。ＤＥＳＡＴ機能は各高位側ＩＧＢＴに与えられる。しかしながら、それはＩＧＢＴがオンしている場合にのみ可能である。
【００１５】
本発明の他の特徴および利点は、添付の図面を参照しつつ、以下の発明に関する説明から明らかになるであろう。
【００１６】
【発明の実施の形態】
図７は、本発明によるゲートドライバ出力回路４６を示すブロック図である。この回路４６は、ＩＧＢＴスイッチ５４に接続されるドライブ回路ブロック３２を備える。ドライブ回路ブロック３２は、ゲートドライバＩＣにより生成されて前置ドライバ(ｐｒｅ−ｄｒｉｖｅｒ)４１により給送される信号にしたがって、高位側ドライバプルアップ出力３８および高位側ドライバプルダウン出力４０にパルス幅変調波形のスイッチングを与える。
【００１７】
例えば、“Ｕ”相と“Ｖ”相（図１および図２）の間の線間短絡状態のような過電流状態が発生した場合、最初に検出信号（すなわち、抵抗７４と抵抗７６の共通接続点７０に生じる電圧）がＤＥＳＡＴ故障（ＤＥＳＡＴ ｆａｕｌｔ：ＤＥＳＡＴ障害とも言う)論理回路４２に転送される。過電流検出は、スイッチ３６端子間の飽和電圧、もしくは検知抵抗４４端子間の電圧、またはその両方により行うことができる。そして、ひとたび故障論理回路４２が過電流状態を認識すると（すなわち、故障論理回路４２から故障検知信号が出力されると）、スイッチ５４に対する“ソフト”シャットダウン動作が開始されることになる。
【００１８】
このスイッチ５４は、ゲートドライブ回路に接続されている高インピーダンス直列抵抗５２により、ゆっくりターンオフされる。ゆっくり遷移してターンオフした後、各スイッチングデバイスのゲート入力が弱くプルダウンされ、故障リセット信号が故障論理回路４２に加わるまで、この状態が保持される。したがって、図２において破線で示したように、活性化した保留状態の(ａｃｔｉｖａｔｅｄ ａｎｄ ｐｅｎｄｉｎｇ)ＰＷＭ信号入力が生じたとしても、シャットダウンモードにおいて付加的なスイッチング動作(ａｄｄｉｔｉｏｎａｌ ｓｗｉｔｃｈｉｎｇ ａｃｔｉｏｎ)が生じることはない。その結果として、付加的なスイッチング動作およびそれに関連するミラー効果に起因してターンオンする問題が生じる危険性はない。したがって短絡が発生する場合、ＩＧＢＴ３６は低オン状態電圧から引き上げられ（プルアウトされ）、出力特性が引き上げられる。２μ秒のブランキング期間(ｂｌａｎｋｉｎｇ ｔｉｍｅ)４８（図７）により、ＩＧＢＴは完全にターンオンすることができる。ＤＥＳＡＴ機能は各高位側ＩＧＢＴに与えられる。しかしながら、それはＩＧＢＴがオンしている場合にのみ可能である。
【００１９】
検知抵抗４４がオプションとしてゲートドライバＩＣの外部回路に備えられる。この抵抗４４は、検知抵抗４４を用いない回路に比べて、以下の２つの利点を提供する。
【００２０】
１．高速シャットオフ（停止）できる。特に、電流の上昇が比較的遅い場合、有効である。
【００２１】
２．ＤＥＳＡＴピン電圧は、ＩＧＢＴ飽和電圧のみならず、短絡電流情報も含んでいる。短絡電流の量は、Ｖ_ＣＥ（ＳＡＴ）電圧に加えて、検知抵抗４４の値およびＤＥＳＡＴピンに対する抵抗分割回路網により確定することができる。
【００２２】
回路の検出レベルは、ＩＧＢＴが飽和状態から引き上げられる場合のＩＧＢＴの最大Ｖ_ＣＥ（ＯＮ）より高く設定されなければならない。
【００２３】
図８は、インターナショナル・レクティファイア社(Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｒｅｃｔｉｆｉｅｒ： Ｅｌ Ｓｅｇｕｎｄｏ、Ｃａｌｉｆｏｒｎｉａ)により製造されたＩＲ２１３７ ３相ブリッジドライバＩＣのような、図７のドライバ出力回路を利用したゲートドライバ集積回路４６を示す。
【００２４】
本発明の実施の形態では、通常、抵抗４４の端子間電圧ＶＲ_SENSEは１．０Ｖであり、Ｖ_CE（ＳＡＴ）は１．８Ｖである。もし接地事故（完全短絡：デッドショート）が生じた場合、ＶＲ_SENSEは３．０Ｖ、Ｖ_CE（ＳＡＴ）は５．０Ｖになる。ＤＥＳＡＴピンに８．０Ｖの電圧がかかると、ゲートシャットダウン回路がトリップ（作動）し、ゲート駆動をターンオフすることができる。ソフトシャットダウンが上記のように開始されるためには、ゲート駆動回路により制御される各パワートランジスタに対してゲート駆動回路に高インピーダンス抵抗５２を挿入することが好ましい。図８に示されるようなパワートランジスタ対の構成では、ソフトシャットダウン信号（図７の８０参照）により、ゲート駆動回路は、高インピーダンス抵抗５２を高位側スイッチ５４のゲートに、また高インピーダンス抵抗５６を低位側スイッチ５８のゲートにそれぞれ挿入する。
【００２５】
本発明は特定の実施形態に関して記載されてきたが、多くの他の変形例および変更例並びに他の使用例は、当業者には明らかになろう。
【図面の簡単な説明】
【図１】典型的な従来のパルス幅変調型３相交流モータコントローラインバータ回路を示す図である。
【図２】モータコントローラ回路の波形図である。
【図３】図２において「ＯＣ」として示されている過電流状態の瞬間における、図１の回路のスイッチの状態を示す図である。
【図４】図１に示したモータコントローラが地絡短絡したときの等価回路図である。
【図５】高位側バス上の検知抵抗および光結合素子を用いる従来の地絡検出アプローチを示す模式図である。
【図６】電流上昇の速度を不利に遅くする短絡パスの高インダクタンスの影響を示すグラフである。
【図７】本発明によるドライバ出力回路のブロック図である。
【図８】本発明の脱飽和短絡回路保護アプローチを示す回路図である。
【符号の説明】
２ パルス幅変調型モータコントローラインバータ回路
４，６，８，１０，２，１４ ＩＧＢＴあるいはＦＥＴスイッチングデバイス
１６ ゲート駆動および故障論理回路
１７ 等価回路
１８ 電圧源
１９ パワートランジスタ
２０ 検知抵抗
２２ 光結合素子
３０ ゲートドライバ出力回路
３２ ドライブ回路ブロック
３６ ＩＧＢＴスイッチ
３８ 高位側ドライバプルアップ出力
４０ 低位側ドライバプルアップ出力
４１ 前置ドライバ
４４ 検知抵抗
４６ ゲートドライバ集積回路
４８ 高インピーダンス直列抵抗
５２ 高インピーダンス抵抗
５４ 高位側スイッチ
５６ 高インピーダンス抵抗
５８ 低位側スイッチ

Claims (1)

1. モータコントローラであって、
   ゲート駆動信号としてパルス幅変調波を生成するゲートドライバ回路により、スイッチングがなされるパワートランジスタスイッチングデバイスと、
   前記パワートランジスタスイッチングデバイスのコレクタ・エミッタ間電圧Ｖ _CE を検知し、検知した該Ｖ _CE が、前記モータコントローラに過電流状態が生じていることを表しているときには、前記ゲートドライバ回路をシャットダウンさせるための故障信号を送出する回路と、
   前記故障信号が送出されたとき、前記パワートランジスタスイッチングデバイスのゲート駆動信号入力端子に高インピーダンスの抵抗を接続することにより、前記パワートランジスタスイッチングデバイスをゆるやかにシャットダウンさせる回路と、
   を具備したことを特徴とするモータコントローラ。

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