JP3581809B2 - インバータ - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、インバータに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来のインバータは、正及び負の電圧母線からなる直流電圧中間回路と、直流電圧中間回路の正及び負の電圧母線に関連した補助電圧を発生する補助電圧源とを含む。このインバータは、各位相に対して、上部及び下部電力半導体を含み、これらは、正及び負の電圧母線の間に直列に接続され、これら半導体の間の点は、インバータの位相出力を形成し、上部及び下部ゲートドライバを含み、これらの出力は、夫々の上部及び下部電力半導体の制御電極に接続され、これら上部及び下部ゲートドライバは、正及び負の補助電圧入力及び零電位点を含み、この零電位点は、制御されるべき電力半導体の出力電極に接続され、インバータは、各位相に対して、第１のダイオードを含み、そのアノードは、負の電圧母線に関連した正の補助電圧に接続され、カソードは、上部ゲートドライバの正の補助電圧入力に接続され、上部ゲートドライバの正の補助電圧入力と零電位点との間に接続される第１のコンデンサを含む。
【０００３】
インバータの主回路は、典型的には直流電圧中間回路と、それに接続される半導体スイッチからなり、これらスイッチは、通常、ＦＥＴ又はＩＧＢＴスイッチである。この半導体対は、中間回路の正及び負の電圧母線の間に直列に接続されインバータの位相出力を形成する。インバータにおけるこの様な対の数は、出力位相の数に依存し、即ち、各出力位相に対して別個の出力がある。半導体スイッチは、正又は負の電圧母線のいずれかの電圧をインバータの出力に接続された負荷に接続するために使用出来る。電圧パルスを出力に接続することにより、負荷には与えられた時に要求される電圧が提供されることが出来、その振幅と周波数は、可変である。
【０００４】
インバータの半導体は、半導体スイッチの制御電極に接続されるゲートドライバの手段により制御される。コンポーネントに依存して、制御電極は、例えばゲート又はベースと呼ばれる。ゲートドライバは、スイッチの制御電極のための必要な電流又は電圧パルスを発生し、従ってスイッチは、確実に導電状態へ切り替わることが出来る。ゲートドライバが必要とする補助電圧を費用に対して効率的に発生することは困難であり、その理由は、特に正の電圧母線に接続される電力半導体（この明細書では上部半導体コンポーネントを指す）の出力電極の電位は、他の電力半導体の状態が変化すると著しく変わるからである。出力電極は、例えば、エミッタ又はソースと呼ばれ、名前は、コンポーネントの形式に従い変化する。上部半導体コンポーネントの正のターンオン電圧は、ブートストラップ方法として知られる方法を用いて発生出来、ここで正のターンオン電圧は、負の電圧母線に関連する正の電圧から発生し、換言すれば中間回路の負の電圧母線に関するある大きさの電圧から発生する。ブートストラップ方法においては、上部ゲートドライバは、負の電圧母線に接続された電力半導体が導電状態にある時、ゲートドライバに接続されたダイオードを介して正の補助電圧を受け取る。この方法では、ゲートドライバにより要求され、スイッチングコンポーネントの点火のために使用される正の補助電圧を発生することが可能である。低電流電力半導体においては、スイッチングコンポーネントは、ゲートをベース抵抗を介してエミッタ電位に接続することにより典型的にはターンオフされている。
【０００５】
もし電力半導体が高電流を予定していれば、ゲートドライバは、半導体のエミッタに関して負であるターンオフ電圧を発生出来なければならない。負のターンオフ電圧が使用される時、コンポーネントは、通過する電流を迅速に遮断するようにされる。更に、ゲートをエミッタに関して負の電位に保つことにより、コンポーネントに掛かる電圧の高い変化率により生じることのあるコンポーネントの意図しないターンオンを防止することが可能である。コンポーネントに掛かる電圧の変化は、他の電力半導体の状態変化の結果として生じる。ＩＧＢＴの場合、電圧変化により生じるターンオンは、ミラーコンデンサの影響に起因する内部ゲート電荷の急激な変化の結果である。この様な意図しないターンオンは、数十ナノ秒しか持続せず、この間は、高い電流ピークがコンポーネントを通り通過し、これにより電力スイッチにおける電力損失が増加する。この現象を防止するため、コンポーネントのゲートは、コンポーネントがオフの時、エミッタに関して少なくとも約５ボルトの負の電位に保たれなければならない。
【０００６】
高電流電力半導体においては、上部ゲートドライバの負の補助電圧は、インバータの各位相に対して別個の変圧器又は変圧器コイルを使用して、そのゲートドライバに対して発生させる。この様な変圧器は、それらの一次及び二次コイルの間の電圧の高い変化率にも耐えるべきである。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の目的は、上述の不利益点が除去され、出力電圧をより簡単な構造で、より少ない電力損失で発生できるインバータを提供することである。
【０００８】
この目的は、本発明のインバータにより達成され、その特徴は、このインバータも各位相に対して別のダイオードを含み、そのアノードは、上部ゲートドライバの負の補助電圧入力に接続され、カソードは、正の母線に関連した負の補助電圧に接続され、上部ゲートドライバの負の補助電圧入力と零電位点の間に接続された別のコンデンサを含む。
【０００９】
本発明によるインバータは、負の補助電圧が、中間回路の正の電圧母線に接続された電力半導体のゲートドライバのために、正の電流母線に関連した負の電圧を使用してブートストラップ方法により発生され、ダイオードがその負の電圧に接続されるという思想に基づいている。本発明により上部電力半導体は、スイッチオフされることが出来、エミッタに関して負であるゲート電圧を使用することによりスイッチオフに保たれる。本発明は、先行技術の解決策に較べてコンポーネントの費用を減少させるが、その理由は、中間回路の正の電圧母線に関して負の直流電圧を発生するために１個だけの変圧器が必要であり、インバータの各出力位相当たり１個のダイオードである。
【００１０】
【発明の実施の形態】
図１に示される本発明のインバータは、正Ｕｄｃ＋及び負Ｕｄｃ−の母線からなる電圧中間回路を含む。電圧は、母線において、例えば電源回路網の交流電圧を整流することにより発生する。図１は、インバータの可能な出力位相の１つだけを示す。全部の出力位相は、相互に同様であり、最も典型的な場合は３つの出力位相があり、従ってインバータは、三相出力電圧を発生するため使用出来、その振幅と周波数は、要求により変更出来る。出力電圧は、ＩＧＢＴの様な電力半導体２、３の手段により、正の電圧母線の電圧と負の電圧母線の電圧とを相互に直列に接続されたスイッチコンポーネント２、３を用いて位相出力に交互に接続することにより発生する。この明細書では、ＩＧＢＴスイッチは、半導体コンポーネント２、３の例として使用され、従ってスイッチの制御電極Ｇは、ゲートと呼ばれ、出力電極Ｅは、エミッタと呼ばれる。出力電圧Ｕｏｕｔは、交互に正の電圧母線の電圧の高さと負の電圧母線の電圧の高さになる。
【００１１】
本発明のインバータは、インバータの正及び負の電圧母線に関連した補助電圧Ｕ１、Ｕ２、Ｕ３を発生する補助電圧源１を含む。補助電圧Ｕ１、Ｕ２は、負の電圧母線Ｕｄｃ−に関連し、それで第１の補助電圧Ｕ１は、それに関して負である。換言すれば、負の電圧母線の電位は、第１の補助電圧の電位よりも高い。第１の補助電圧と負の電圧母線の間の電圧は、例えば、−８．５ボルトである。第２の補助電圧Ｕ２も負の電圧母線Ｕｄｃ−に関連し、ところが、この補助電圧は、母線に関して正である。補助電圧Ｕ２と電圧母線との間の電位の差は、例えば、＋１７．５ボルトである。第３の補助電圧Ｕ３は、代わりに中間電圧回路の正の電圧母線Ｕｄｃ＋に関連する。補助電圧Ｕ３は、母線Ｕｄｃ＋に関して負であり、電位における差は、例えば、−８．５ボルトである。
【００１２】
補助電圧Ｕ１、Ｕ２、Ｕ３の目的は、半導体コンポーネント２、３が確実に制御出来る様にゲートドライバにより必要とされる補助電圧を発生することである。図１に示されるゲートドライバ４、５は、オプトアイソレーションを備え、ゲートドライバの内部で低レベル制御信号は、光信号に変換され、それは次にスイッチを制御する高レベル電圧出力に変換され、補助電圧は、これらスイッチのために必要である。ゲートドライバ５は、下部スイッチ、即ち、電力スイッチ３を制御するため備えられ、電力スイッチ３のエミッタは、中間電圧回路の負の電圧母線に接続され、ゲートドライバ５は、その補助電圧入力を負の電圧母線に関連する補助電圧Ｕ１、Ｕ２から直接受け取る。半導体スイッチ２、３が導電状態にされる時、スイッチのゲートは、そのスイッチのエミッタに関して正の電位にあるべきである。
【００１３】
この理由により、スイッチ２、３のエミッタの補助エミッタ結合ＡＥがこれらゲートドライバの零電位Ｃｏｍに接続される。これら補助エミッタは、これらコンポーネントの実際のエミッタと同一点に結合される。このことは、半導体スイッチ３をゲートドライバ５の手段により確実に制御可能にし、そのためスイッチ３が導電状態にされる時、ゲートドライバの正の補助電圧がゲートドライバの出力９に供給される。出力９は、制御されるべきスイッチのゲートに接続されるので、そのスイッチのゲートＧとエミッタＥとの間の電圧は、正の補助電圧Ｕ２と同じくらい高い。これに対応して、スイッチ３が非導電状態にされる時、ゲートドライバの補助電圧Ｕ１がゲートドライバの出力に供給されるが、スイッチ３のゲートの電圧は、エミッタＥに関して負であり、この結果、スイッチは、確実にターンオフされる。上述の方法では、下部スイッチコンポーネンｔ３の機能は、スイッチのエミッタが安定して且つ連続して負の電圧母線Ｕｄｃ−の電位にあるので単純である。
【００１４】
図１によれば、第１のダイオードＤ１は、補助電圧Ｕ２とゲートドライバ４、即ち上部ゲートドライバの正の補助電圧入力６との間に接続される。ダイオードＤ１の目的は、下部半導体スイッチ３が導電状態にある時に、ゲートドライバ４のために正の補助電圧を発生することである。半導体スイッチ３が導電状態にある時、位相出力Ｕｏｕｔ及びスイッチ２のエミッタの両方は、負の電圧母線の電位にある。この場合、補助電圧Ｕ２は、エミッタ又はスイッチ２の補助エミッタよりも高い電位をもち、電流がダイオードＤ１を通り通過することが出来、従って正の補助電圧入力６とゲートドライバの零電位Ｃｏｍとの間に接続されたコンデンサＣ１を充電し、上部ゲートドライバ４のための正の補助電圧を発生する。この正の補助電圧は、上述の方法においてスイッチのゲートＧとエミッタＥの間に正の電圧を発生するために使用出来る。この様な以前から知られた、負の電圧母線に関連する補助電圧から補助電圧を発生することは、ブートストラップ方法と呼ばれる。
【００１５】
本発明によれば、図１に示す様にダイオードＤ２が補助電圧Ｕ３とゲートドライバ４の負の補助電圧入力７との間に接続される。このダイオードの目的は、半導体スイッチ２が導電状態にある時、ゲートドライバ４のために負の補助電圧を発生することである。スイッチ２が導電すると、位相出力Ｕｏｕｔの電位は、殆ど正の電圧母線Ｕｄｃ＋の電位に等しく、従ってスイッチ２のエミッタＥ及び補助エミッタＡＥの電位は、補助電圧Ｕ３の電位より高い。電位における差の御陰で、ダイオードＤ２は、導電状態へ切り替わることが出来、ゲートドライバ４の零電位Ｃｏｍと負の補助電圧入力７との間に接続されるコンデンサＣ２は、充電され、同時にゲートドライバは、負の補助電圧を受け取る。ゲートドライバは、上述の様にスイッチ２をターンオフし、それをターンオフに保つために負の電圧を必要とする。スイッチのゲートＧをエミッタＥに関して負の電圧に誘導することによりスイッチは確実にターンオフする。
【００１６】
当業者にとっては、技術が発達するにつれて、本発明の思想は、種々の方法で実行できることは自明である。本発明及びその実施例は、従って上述の例に限定されるものではなく、特許請求の範囲内において変化できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明によるインバータの１つの出力位相の概略図。
【符号の説明】
１ 補助電圧源
２ 上部電力半導体（スイッチ）
３ 下部電力半導体（スイッチ）
４ 上部ゲートドライブ
５ 下部ゲートドライブ
６ 正の補助電圧入力
７ 負の補助電圧入力
Ｄ１ 第１のダイオード
Ｄ２ 別のダイオード
Ｃ１ 第１のコンデンサ
Ｃ２ 別のコンデンサ
Ｕｄｃ＋、Ｕｄｃ− 正及び負の電圧母線
Ｕ１、Ｕ２、Ｕ３ 補助電圧

Claims (1)

1. インバータであつて、
   正（Ｕｄｃ＋）及び負（Ｕｄｃ−）の電圧母線からなる直流電圧中間回路と、
   直流電圧中間回路の正（Ｕｄｃ＋）及び負（Ｕｄｃ−）の電圧母線に関連する補助電圧（Ｕ１、Ｕ２、Ｕ３）を発生する補助電圧源（１）とを包含し、
   前記インバータは、各位相に対して、
   上部（２）及び下部（３）電力半導体であつて、これらは正及び負の電圧母線の間に直列に接続され、これら半導体の間の点は、インバータの位相出力（Ｕｏｕｔ）を形成する上部及び下部電力半導体と、
   上部（４）及び下部（５）ゲートドライバであつて、これらの出力（８、９）は、夫々の上部（２）及び下部（３）電力半導体の制御電極（Ｇ）に接続され、これら上部及び下部ゲートドライバは、正（６）及び負（７）の補助電圧入力及び零電位点（Ｃｏｍ）を含み、零電位点は、制御されるべき電力半導体の出力電極（Ｅ）に接続される上部及び下部ゲートドライバと、
   第１のダイオード（Ｄ１）であつて、そのアノードは、負（Ｕｄｃ−）の電圧母線に関連する正の補助電圧（Ｕ２）に接続され、カソードは、上部ゲートドライバ（４）の正の補助電圧入力（６）に接続される第１のダイオードと、
   上部ゲートドライバ（４）の正の補助電圧入力（６）と零電位点（Ｃｏｍ）との間に接続される第１のコンデンサ（Ｃ１）とを包含するインバータにおいて、
   前記インバータは、各位相に対して、
   別のダイオード（Ｄ２）であつて、そのアノードは、上部ゲートドライバの負の補助電圧入力（７）に接続され、カソードは、正（Ｕｄｃ＋）の電圧母線に関連する負の補助電圧（Ｕ３）に接続される別のダイオードと、
   上部ゲートドライバ（４）の負の補助電圧入力（７）と零電位点（Ｃｏｍ）の間に接続される別のコンデンサ（Ｃ２）とを包含することを特徴とするインバータ。

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