JP4650396B2 - 過電流検出装置およびそれを備えた空気調和機、冷蔵庫、洗濯機 - Google Patents

Description

本発明は、空気調和機、冷蔵庫、洗濯機などに用いるインバータや力率改善回路の半導体スイッチなどのための過電流検出装置に関する。

インバータ駆動されるモータ負荷を有する空気調和機などの機器において、異常時など、整流後の直流ラインや半導体スイッチを流れる電流が過電流状態となった場合に、これを検出し、インバータ回路を停止させる必要がある。

一般に、インバータ回路の駆動制御を行うマイコンは、インバータ回路の電流検出部とは、フォトカプラなどで絶縁されており、ＧＮＤ電位が異なることが多い。

従来、このようにマイコンから絶縁された回路における過電流状態を検知する最も安価な方法として、電流を検出したいラインに直列に電流検出用の抵抗を挿入し、挿入した抵抗の両端に発生する電圧によってフォトカプラを駆動する方式がよく知られている（例えば、特許文献１参照）。

図５は、特許文献１に記載された過電流検出装置における一次側回路の構成を示すものである。図５に示すように、従来の過電流検出装置は、整流部４１の直流出力端子からモータ４３をインバータ駆動するパワートランジスタ回路４２などの負荷へ流れる電流を検出するために負荷に直列に電流検出抵抗３が挿入されており、過電流発生時に、電流検出抵抗３の両端に生じた電圧を用いて、フォトカプラ４６ａ、４６ｂを直接オンすることによって、簡易な回路構成にて絶縁された２次側に配置されたマイコン（記載せず）へ過電流の発生状態を伝達することができる。
特公平７−５５０７８号公報

しかしながら、上記従来の過電流検出装置は、電流検出抵抗の両端電圧を利用してフォトカプラを直接駆動するために、過電流検出抵抗の抵抗値と検出したい電流値との積が、ばらつきや経年変化を考慮した上で、フォトカプラの一次側フォトダイオードの順方向電圧ＶＦよりも大きくなるように設定しなければならないという制約を有する。

そのため、特に過電流の検出設定値が小さくなると、電流検出抵抗の抵抗値を大きくしなければならず、その結果、回路の損失が大きくなり、それに伴って電流検出抵抗の温度上昇も大きくなるという課題を有していた。

本発明は、上記従来の課題を解決するもので、簡単な構成で、抵抗値の小さな過電流検出抵抗を用いることができ、装置の回路損失を低減することができる過電流検出装置を提供することを目的とする。

前記従来の課題を解決するために、本発明の過電流検出装置は、第１の直流電源と、前記第１の直流電源から半導体スイッチを介して流れる電流を検出するための電流検出抵抗と、前記電流検出抵抗の高電位側にカソードが接続され、前記電流検出抵抗で検出する電流と同一方向のバイアス電流を前記電流検出抵抗に供給するためのダイオードと、前記ダイオードのアノード側に接続され、前記電流検出抵抗にバイアス電流を供給する第２の直流電源と、前記ダイオードと前記電流検出抵抗とは並列に接続され、前記第２の直流電源からの電流の少なくとも一部が１次側のフォトダイオードを流れるフォトカプラとを備え、前記半導体スイッチは、第２の直流電源から電圧を供給されるスイッチ駆動回路により駆動され、かつ、前記バイアス電流は、前記第２の直流電源から前記スイッチ駆動回路の出力を経由して、半導体スイッチがオンの期間にのみ、供給されるとしたものである。

本発明の過電流検出装置は、従来よりも小さな抵抗値を有する過電流検出抵抗を用いて電流を検出することができるので、回路損失を低減することができる。

第１の発明の過電流検出装置は、第１の直流電源と、前記第１の直流電源から半導体スイッチを介して流れる電流を検出するための電流検出抵抗と、前記電流検出抵抗の高電位側にカソードが接続され、前記電流検出抵抗で検出する電流と同一方向のバイアス電流を前記電流検出抵抗に供給するためのダイオードと、前記ダイオードのアノード側に接続され、前記電流検出抵抗にバイアス電流を供給する第２の直流電源と、前記ダイオードと前記電流検出抵抗とは並列に接続され、前記第２の直流電源からの電流の少なくとも一部が１次側のフォトダイオードを流れるフォトカプラとを備え、前記半導体スイッチは、第２の直流電源から電圧を供給されるスイッチ駆動回路により駆動され、かつ、前記バイアス電流は、前記第２の直流電源から前記スイッチ駆動回路の出力を経由して、半導体スイッチがオンの期間にのみ、供給されるとしたものである。

これにより、電流検出抵抗に所定値以上の電流が流れた際に、直流電源からフォトカプラ側への電流が増加することで、フォトカプラの２次側へ過電流状態を伝達することができ、従来よりも小さな抵抗値を有する電流検出抵抗を用いて電流検出を行うことができるので、装置の回路損失を小さくすることが可能となる。また、過電流状態となる恐れのない半導体スイッチのオフ期間は、バイアス電流をオフすることができ、さらに回路損失を低減することができる。

また、ふたつのダイオードが、それぞれの順方向電圧ＶＦに関する温度特性を打ち消しあうように動作するため、温度変化による影響を抑制することができる。

第２の発明の過電流検出装置は、第１の直流電源として動作する整流回路と、前記整流回路の出力から半導体スイッチを介して流れる電流を検出するための電流検出抵抗と、前記電流検出抵抗の高電位側にカソードが接続され、前記電流検出抵抗で検出する電流と同一方向のバイアス電流を前記電流検出抵抗に供給するためのダイオードと、前記ダイオードのアノード側に接続され、前記電流検出抵抗にバイアス電流を供給する第２の直流電源と、前記ダイオードと前記電流検出抵抗とは並列に接続され、前記第２の直流電源からの電流の少なくとも一部が１次側のフォトダイオードを流れるフォトカプラとを備え、前記半導体スイッチは、第２の直流電源から電圧を供給されるスイッチ駆動回路により駆動され、かつ、前記バイアス電流は、前記第２の直流電源から前記スイッチ駆動回路の出力を経由して、半導体スイッチがオンの期間にのみ、供給されることを特徴とする。これにより、過電流状態となる恐れのない半導体スイッチのオフ期間は、バイアス電流をオフすることができ、さらに回路損失を低減することができる。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。なお、この実施の形態によって本発明が限定されるものではない。

（実施の形態１）
図１は、本発明の第１の実施の形態における過電流検出装置の構成を示すものである。図１に示すように、インバータ駆動されるモータなどの負荷２に直列に接続された電流検出抵抗３と、電流検出抵抗３にカソードが接続されたダイオード４と、第２の直流電源として動作する直流電源５と、バイアス調整用抵抗６とからバイアス回路１００が構成される。

このバイアス回路１００は、整流回路などの第１の直流電源として動作する直流電源１から負荷２に流れる電流を検出するためのバイアス電流を電流検出抵抗３に供給する。

電流検出抵抗３に流れるバイアス電流は、電流検出抵抗３に流れる電流が増加するにつれてフォトカプラ７側に多く流れるようになることから、過電流検出時にフォトカプラ７を十分オンすることができるだけの電流がフォトカプラ７に流れるように設定されておればよく、負荷２に電流が流れていない場合においてｍＡオーダーの微小な電流値に設定される。

また、電流検出抵抗３の抵抗値ＲｓもｍΩオーダーと小さいことから、バイアス電流による電流検出抵抗３での回路損失は極めて小さい。

さらに本実施の形態の過電流検出装置は、図１に示すように、直流電源５からバイアス電流調整用抵抗６とダイオード４との接続箇所（Ａ点）において分岐した電流がフォトカプラ７の１次側フォトダイオード７ａに流れるように、電流検出抵抗３とダイオード４の直列回路に並列に、抵抗８およびフォトダイオード７ａが接続される。さらに、フォトダイオード７ａに流れる電流を調整するために、抵抗９が接続され、ノイズ除去対策のために、コンデンサ１０が接続される。

抵抗８と抵抗９は、いずれもフォトカプラ７がオンする閾値を調整するものであり、抵抗８が大きく、抵抗９が小さくなるほど、過電流として検出される電流レベルを高く設定することができる。

フォトカプラ７の２次側には、絶縁されたＧＮＤを基準電位とする電源Ｖｃｃ２と抵抗１１などからなる回路が接続されて、フォトカプラ７のオン・オフ信号をマイコンへと伝達する（詳細の記載は省略する）。

以下に本発明の過電流保護装置における動作の詳細について説明する。初めに、負荷２に電流が流れていない場合、直流電源５よりバイアス電流調整抵抗６とダイオード４とを介してバイアス電流Ｉｂｉａｓが流れるため、図１におけるＡ点の電位ＶＡは、ダイオード４の順方向電圧ＶＦに電流検出抵抗３の両端電圧（Ｒｓ×Ｉｂｉａｓ）を加えた電圧となる。

ＶＡ ＝ ＶＦ０＋Ｒｓ×Ｉｂｉａｓ ・・・（式１）
ただし、ＶＦ０＝ＶＦ（ＩＦ＝Ｉｂｉａｓ）
ここで、ＶＦ０は、負荷２に電流が流れていない場合にダイオード４にかかる電圧、ＩＦは、ダイオード４に流れる電流である。

このとき、電位ＶＡが抵抗８（Ｒ１）と抵抗９（Ｒ２）とによって分圧されることから、フォトカプラ７の１次側フォトダイオード７ａの両端にかかる電圧Ｖは式２で表される。

Ｖ ＝ ＶＡ×Ｒ２／（Ｒ１＋Ｒ２）
＝ （ＶＦ０＋Ｒｓ×Ｉｂｉａｓ）×Ｒ２／（Ｒ１＋Ｒ２） ・・・（式２）
本発明の過電流検出装置において、式２で表されるフォトカプラ７の１次側フォトダイオード７ａの両端にかかる電圧は、１次側フォトダイオード７ａのオン時の順方向電圧ＶＦよりも低く設定されているため、フォトカプラ７はオフ状態となる。

次に、負荷２に電流Ｉが流れている場合を考える。電流Ｉは、バイアス電流Ｉｂｉａｓに比べて十分に大きいと見なせるので、電位ＶＡは、負荷２に電流Ｉが流れている場合にダイオード４にかかる電圧をＶＦ１、ダイオード４に流れる電流をＩ１とすると、式３で表される。

ＶＡ ＝ ＶＦ１＋Ｒｓ×Ｉ ・・・（式３）
ただし、ＶＦ１＝ＶＦ（ＩＦ＝Ｉ１）
この時、電流Ｉによって電位ＶＡが上昇するため、電流Ｉ１は、無負荷時のバイアス電流Ｉｂｉａｓに比べて少なくなる。その結果、バイアス電流調整抵抗６を流れる電流の内、フォトダイオード７ａ側へ流れる電流が増加する。

フォトカプラ７がオンして２次側へ過電流検出信号を伝達するのに必要な１次側フォトダイオード７ａの電流閾値をＩＦ（ＯＮ）とし、そのときのＶＦをＶＦ（ＯＮ）、フォトカプラ７をオンするのに必要な、負荷２に流れる電流をＩとすると、式４が成立する。

ＶＡ ＝ ＶＦ１＋Ｒｓ×Ｉ
＝ ＶＦ（ＯＮ）＋Ｒ１×｛ＶＦ（ＯＮ）／Ｒ２＋ＩＦ（ＯＮ）｝ （式４）
ただし、ＶＦ１＝ＶＦ （ＩＦ＝Ｉ１ ＜ Ｉｂｉａｓ）
よって、上式を満たすＩ以上の電流がラインに流れると、フォトカプラ７がオン状態となって、絶縁された２次側にあるマイコンへ過電流状態であることを示す過電流検出信号を伝達することができる。

なお、このとき、負荷２に流れる電流は、ダイオード４によってブロックされているため、フォトカプラ７側へ流れることはない。

次に、図５に示す特公平７−５５０７８号公報に記載されているような従来の過電流検出装置を考える。従来の過電流検出装置において、抵抗４４ａの抵抗値をＲ１、抵抗４５ａの抵抗値をＲ２、抵抗３の抵抗値をＲ３、過電流として検出されるレベルの電流をＩ’（ＯＮ）とするとき、直列接続された２つの抵抗４ａ、４５ａの両端電圧ＶＢは、同様にして式５で表される。

ＶＢ ＝ Ｒ３×Ｉ’（ＯＮ）
＝ ＶＦ（ＯＮ）＋Ｒ１×｛ＶＦ（ＯＮ）／Ｒ２＋ＩＦ（ＯＮ）｝ （式５）
式４、式５の右辺は同じなので式６を得る。

ＶＦ１＋Ｒｓ×Ｉ ＝ Ｒ３×Ｉ’（ＯＮ） ・・・（式６）
ここで、過電流として検出される電流レベルが同じ場合、すなわち、Ｉ＝Ｉ’（ＯＮ）である場合、ダイオード４が存在するために、本発明の電流検出抵抗３の値Ｒｓは、従来例の電流検出抵抗３の値Ｒ３より小さくなる。

以上のように、本発明の過電流検出装置は、電流検出抵抗３における回路損失を低減することができ、ひいては回路の小型化などに貢献することも可能である。

また、本実施の形態においては、フォトダイオード７ａに加えてダイオード４を備えており、ふたつのダイオードが、それぞれの順方向電圧ＶＦに関する温度特性を打ち消しあうように動作する。その結果、温度変化による影響を抑制することができる。

なお、本実施の形態においては、整流作用を持つ素子としてダイオード４を用いたが、トランジスタのベース−エミッタ間接合など、同様の作用が得られる素子を用いて回路を構成しても同様の効果が得られることは言うまでもない。

（実施の形態２）
図２は、本発明の第２の実施の形態における過電流検出装置の構成を示すものである。本実施の形態による過電流検出装置は、例えば、特開２００５−１９２２６６号公報に記載された空気調和機のアクティブフィルタなどのコンバータで用いられる、交流電源をリアクタを介して強制的に短絡する半導体スイッチに適用されるものである（詳細な説明は省略する）。

図２に示すように、半導体スイッチ２２の低電位側端子（図２ではエミッタ端子）に直列に接続された電流検出抵抗３と、電流検出抵抗３に接続されたダイオード４と、第２の直流電源として動作する直流電源５およびバイアス調整用抵抗６とから、バイアス回路１００が構成される。

このバイアス回路１００は、第１の直流電源として動作する整流回路２１の直流出力端子間に接続されたＩＧＢＴなどの半導体スイッチ２２に流れる電流を検出するためのバイアス電流を電流検出抵抗３に供給する。

また、ＰＮＰトランジスタ２３ａとＮＰＮトランジスタ２３ｂと抵抗２３ｃと抵抗２３ｄとから構成される、半導体スイッチ２２のスイッチ駆動回路２３は、フォトカプラ２４によって２次側にあるマイコン（記載せず）から絶縁されている。

したがって、本実施の形態における過電流検出装置は、実施の形態１と同様に、電流検出抵抗３の抵抗値を、従来よりも小さな値に設定することができるため、回路の損失を低減することができ、また電流検出抵抗３の発熱量を低く抑えることができる。

さらに、本実施の形態の過電流検出装置は、図２に示すように、直流電源５を、スイッチ駆動回路２３の電源と共用することができるため、別の電源を必要としない、小型かつ安価な回路にて過電流検出装置を構成することができる。

なお、本実施の形態においては、半導体スイッチとしてＩＧＢＴを用いたが、ＩＧＢＴの代わりにパワートランジスタを用いても同様の効果が得られる。

（実施の形態３）
図３に実施の形態３における過電流検出装置の構成を示す。図３に示すように、本実施の形態による過電流検出装置において、図２と同様、ＰＮＰトランジスタ２３ａとＮＰＮトランジスタ２３ｂと抵抗２３ｃと抵抗２３ｄとから構成される、半導体スイッチ２２のスイッチ駆動回路２３は、フォトカプラ２４によって２次側にあるマイコン（記載せず）から絶縁されている。

また、半導体スイッチ２２の低電位側端子（図３ではエミッタ端子）に直列に接続された電流検出抵抗３と、電流検出抵抗３に接続されたダイオード４と、直流電源５と、バイアス調整用抵抗６と、半導体スイッチ２２のスイッチ駆動回路２３とから、直流電源５から半導体スイッチ２２を経由して電流検出抵抗３にバイアス電流を流すバイアス回路１０１が構成され、整流回路２１の直流出力端子間に接続されたＩＧＢＴなどの半導体スイッチ２２に流れる電流を検出する。

図３に示すように、本実施の形態による過電流装置においては、実施の形態２と異なって、バイアス調整用抵抗６が半導体スイッチ２２のゲート端子と接続されている。

このように、本実施の形態の過電流検出装置は、半導体スイッチ２２がオンの期間のみ、電流検出抵抗３にバイアス電流が流れるので、半導体スイッチ２２に過電流状態となる恐れのないオフ期間は、バイアス電流をオフすることができる。したがって、実施の形態２の過電流検出装置に比べて、さらに回路損失を低減することが可能である。

なお、本実施の形態において、バイアス電流調整用抵抗６は、半導体スイッチ２２のゲート端子に接続されているものとしたが、半導体スイッチ２２をオンするために必要な電圧を、スイッチ駆動回路２３を構成するすべて部品または一部の部品を経由して供給しさえすればよく、図４のように、ＰＮＰトランジスタ２３ａと抵抗２３ｃとの間よりバイアス電流を得るようにしても同様の効果が得られる。

以上のように、本発明にかかる過電流検知装置は、従来よりも小さな抵抗値の電流検出抵抗で精度よく電流検出ができ、その結果、回路損失を低減することが可能なため、洗濯機・空気調和機・冷蔵庫などの電化製品におけるインバータ、力率改善回路の半導体スイッチなどの過電流保護や、ＤＣラインの電流検知などに適用できる。

本発明の実施の形態１における過電流検出装置の回路構成図 本発明の実施の形態２における過電流検出装置の回路構成図 本発明の実施の形態３における過電流検出装置の回路構成図（その１） 本発明の実施の形態３における過電流検出装置の回路構成図（その２） 従来の過電流検出装置の回路構成図

符号の説明

１ 直流電源
２ 負荷
３ 電流検出抵抗
４ ダイオード
５ 直流電源
６ バイアス電流調整用抵抗
７ フォトカプラ
７ａ フォトダイオード
２１ 整流回路
２２ 半導体スイッチ
２３ スイッチ駆動回路
１００、１０１ バイアス回路

Claims (5)

1. 第１の直流電源と、前記第１の直流電源から半導体スイッチを介して流れる電流を検出するための電流検出抵抗と、前記電流検出抵抗の高電位側にカソードが接続され、前記電流検出抵抗で検出する電流と同一方向のバイアス電流を前記電流検出抵抗に供給するためのダイオードと、前記ダイオードのアノード側に接続され、前記電流検出抵抗にバイアス電流を供給する第２の直流電源と、前記ダイオードと前記電流検出抵抗とは並列に接続され、前記第２の直流電源からの電流の少なくとも一部が１次側のフォトダイオードを流れるフォトカプラとを備え、
   前記半導体スイッチは、第２の直流電源から電圧を供給されるスイッチ駆動回路により駆動され、かつ、前記バイアス電流は、前記第２の直流電源から前記スイッチ駆動回路の出力を経由して、半導体スイッチがオンの期間にのみ、供給されることを特徴とする過電流検出装置。
2. 第１の直流電源として動作する整流回路と、前記整流回路の出力から半導体スイッチを介して流れる電流を検出するための電流検出抵抗と、前記電流検出抵抗の高電位側にカソードが接続され、前記電流検出抵抗で検出する電流と同一方向のバイアス電流を前記電流検出抵抗に供給するためのダイオードと、前記ダイオードのアノード側に接続され、前記電流検出抵抗にバイアス電流を供給する第２の直流電源と、前記ダイオードと前記電流検出抵抗とは並列に接続され、前記第２の直流電源からの電流の少なくとも一部が１次側のフォトダイオードを流れるフォトカプラとを備え、
   前記半導体スイッチは、第２の直流電源から電圧を供給されるスイッチ駆動回路により駆動され、かつ、前記バイアス電流は、前記第２の直流電源から前記スイッチ駆動回路の出力を経由して、半導体スイッチがオンの期間にのみ、供給されることを特徴とする過電流検出装置。
3. 請求項１又は２に記載の過電流検出装置を備えた空気調和機。
4. 請求項１又は２に記載の過電流検出装置を備えた冷蔵庫。
5. 請求項１又は２に記載の過電流検出装置を備えた洗濯機。

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