JP4811674B2 - 単相用出力インバータ装置とその出力電流検出方法 - Google Patents

単相用出力インバータ装置とその出力電流検出方法 Download PDF

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Description

本発明は、単相用出力インバータ装置に関し、特に電流検出器を備えた単相用出力インバータ装置とその出力電流検出方法に関する。
（従来例１）
従来、一つのアームに直流電源正極側に接続した並列接続体に流れる電流と負極側に接続した並列接続体に流れる電流の両方を検出し、出力電流を検出する方法が開示されている（例えば特許文献１参照）。
図４は、第１従来技術におけるインバータ装置の電流検出回路の構成図である。
図において、６１〜６６は半導体スイッチング素子１１〜１６と、この半導体スイッチング素子とそれぞれ逆方向に並列接続したダイオード２１〜２６から構成される並列接続体、３１〜３４は電流検出抵抗、４１〜４４は前記電流検出抵抗の端子間電圧をそれぞれ増幅する増幅器、５０は各アームの出力端子Ｕ、Ｖ、Ｗに接続された電気負荷、Ｐはインバータ装置の直流母線の正極、Ｎは負極である。
また、６７はＵアーム、６８はＶアーム、６９はＷアームで、それぞれのアームは並列接続体を２個直列に接続した構成になっており、さらに、Ｕアーム６７は正極Ｐと並列接続体間６１及び負極Ｎと並列接続体６２間にそれぞれ電流検出器３１及び電流検出器３２を備え、Ｗアーム６９は正極Ｐと並列接続体６５間及び負極Ｎと並列接続体間６６にそれぞれ電流検出器３３及び電流検出器３４を備えている。
次に動作について説明する。
図５は本従来技術の電流検出動作を説明するタイムチャートである。
図において、ａ）はＵ相の出力電流、ｂ）は電流検出抵抗３１の端子間の電圧、ｃ）は電流検出抵抗３２の端子間の電圧である。
電流検出抵抗３１及び３２の電圧をそれぞれ増幅器４１及び４２で増幅し、図示しない増幅器で加算すれば、図５ｄ）に示すようなＵ相の電流検出信号が得られる。
すなわち、Ｕ相の出力電流をＵアームに接続した２個の電流検出抵抗で検出し、Ｗ相の出力電流をＷアームに接続した２個の電流検出抵抗で検出している。
（従来例２）
また、従来、三相インバータの各アームに直流電源負極Ｎ側に接続された並列接続体に流れる電流を検出する電流検出器を備え、ＰＷＭ制御におけるオフ時間がより短い２相の負極側の並列接続導体の電流を同時に検出しインバータの出力電流とする方法が開示されている（例えば特許文献２参照）。
図６は、第２従来技術をおけるインバータ装置の電流検出回路の構成図である。
図において、６１〜６６は並列接続体、３５〜３７は各アームの直流電源負極Ｎ側に接続した並列接続体に流れる電流を検出する電流検出器、５０は出力に接続する電気負荷、７１は、検出相を選択する検出相選択部、７２は、選択部から得られた電流検出値をサンプリングする電流検出部である。
次に動作について説明する。
図７は、本従来技術の動作を示す動作波形図である。
搬送波と、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相電圧指令がそれぞれ比較され、Ｕアーム、Ｖアーム、Ｗアームドライブ信号が生成される。図６に示すＵアーム６７、Ｖアーム６８、Ｗアーム６９の負極Ｎ側に接続した並列接続体６２、６４、６６に流れる電流を電流検出器３５、３６、３７でそれぞれ検出し検出相選択部７１へ入力する。検出相選択部７１は直流電源負極Ｎ側に接続した半導体スイッチング素子のオン時間が長い２相を選択し、電流検出部７２に入力する。電流検出部７１は選択された２相の通電電流をサンプルタイミング信号に基づいて同時にサンプリングし、選択された相の出力電流としている。
特開２０００−１６６２４７号公報 特開２００３−７９１５７号公報
第１従来技術に示した三相インバータ装置の３つのアームの内の２つのアームを用いて単相用インバータ装置の構成できるが、仮に、ＵアームとＶアームで構成すると、Ｖアームは電流検出器が無いため、半導体スイッチング素子の誤動作による上下アーム短絡電流の検出はできないという問題があり、ＵアームとＷアームで構成すると、電流検出器が合計４個も必要となり、コスト高となるという問題があった。
第２従来技術に示した三相インバータ装置の電流検出回路を単相用出力インバータ装置に応用すると、並列接続体と直流電源負極Ｎ側を介して還流する第２還流モードの電流しか検出できないので検出精度としては低いという問題があった。
本発明はこのような問題点に鑑みてなされたものであり、部品点数が少なく、安価で、かつ高精度な電流検出ができ、さらに、ノイズ等によりアーム短絡が発生しても短絡電流を検出できる信頼性の高い単相用出力インバータ装置とその出力電流検出方法を提供することを目的とする。
上記問題を解決するため、本発明は、次のようにしたものである。
請求項１に記載の発明は、半導体スイッチング素子と、この半導体スイッチング素子と逆向きに並列接続したダイオードの並列接続体を２個直列接続し、接続部を相出力端子とした直列接続体を１相分のアームとし、前記アームを直流電源の正極と負極間に２個並列接続した単相用出力インバータ装置において、前記アームの一方のアームである第１アームには、この第１アームの直流電源正極側に接続した並列接続体に流れる電流を検出する第１電流検出器を、前記直流電源正極と前記並列接続体の間に備え、前記アームのもう一方のアームである第２アームには、この第２アームの直流電源負極側に接続した並列接続体に流れる電流を検出する第２電流検出器を、前記直流電源負極と前記並列接続体の間に備え、 前記第１電流検出器は、この第１アームの直流電源正極側に接続した並列接続体を介して還流する第１還流モードの電流および第１アーム短絡による過電流を検出し、前記第２電流検出器は、この第２アームの直流電源負極側に接続した並列接続体を介して還流する第２還流モードの電流および第２アーム短絡による過電流を検出し、前記第１電流検出器の検出する前記第１還流モードの電流と前記第２電流検出器の検出する前記第２還流モードの電流とに基づき、出力電流を検出することを特徴としている。
また、請求項２に記載の発明は、半導体スイッチング素子と、この半導体スイッチング
素子と逆向きに並列接続したダイオードの並列接続体を２個直列接続し、接続部を相出力
端子とした直列接続体を１相分のアームとし、前記アームを直流電源の正極と負極間に２
個並列接続し、前記アームの一方のアームである第１アームには、この第１アームの直流
電源正極側に接続した並列接続体に流れる電流を検出する第１電流検出器を、前記直流電
源正極と前記並列接続体の間に備え、前記アームのもう一方のアームである第２アームに
は、この第２アームの直流電源負極側に接続した並列接続体に流れる電流を検出する第２
電流検出器を、前記直流電源負極と前記並列接続体の間に備えた単相用出力インバータ装
置の電流検出方法において、前記正極に接続された並列接続体を介して還流する第１還流
モードの電流および第１アーム短絡による過電流を前記第１電流検出器で検出し、前記負極に接続された並列接続体を介して還流する第２還流モードの電流および第２アーム短絡による過電流を前記第２電流検出器で検出し、前記第１還流モードの電流および第２還流モードの電流とから出力電流を検出することを特徴としている。
また、請求項３に記載の発明は、前記第１アームの電圧を指令する第１出力電圧指令とＰＷＭ信号を生成する搬送波とを比較して第１アームの半導体スイッチング素子を駆動する第１アームドライブ信号を生成し、前記第２アームの電圧を指令する第２出力電圧指令と前記搬送波とを比較して第２アームの半導体スイッチング素子を駆動する第２アームドライブ信号を生成し、前記搬送波の最下点で前記第１還流モードの電流をサンプリングし、前記搬送波の最上点で前記第２還流モードの電流をサンプリングすることを特徴としている。
請求項１に記載の発明によると、アーム毎に一つの電流検出器を備える構成であるため、従来技術より部品点数が少なく安価な構成である。また、各アームに電流検出器を備え、上下アーム短絡電流及び地絡電流をも検出できるので信頼性の高い単相用出力インバータ装置が実現できる。
請求項２に記載の発明によると、搬送波１周期中に２回電流検出を行うタイミングがあるため、検出周期が短く高精度の電流検出が可能となる。
本発明の実施例を示す単相用出力インバータ装置の回路構成図 本実施例における電流の流れを示す回路図 本実施例における電流検出の原理を示すタイムチャート 第１従来技術におけるインバータ装置の電流検出回路の構成図 第１従来技術の電流検出動作を説明するタイムチャート 第２従来技術をおけるインバータ装置の電流検出回路の構成図 第２従来技術の動作を示す動作波形図
符号の説明
１〜４ 並列接続体
１１〜１４ 半導体スイッチング素子
１５、１６ 半導体スイッチング素子
２１〜２４ ダイオード
２５、２６ ダイオード
３１〜３４ 電流検出抵抗
３５〜３７ 電流検出器
４１〜４４ 増幅器
５、５０ 電気負荷
６ 第１電流検出器
７ 第２電流検出器
６１〜６６ 並列接続体
６７ Ｕアーム
６８ Ｖアーム
６９ Ｗアーム
７１ 検出相選択部
７２ 電流検出部
８ 第１アーム
９ 第２アーム
以下、本発明について図を用いて説明する。
図１は本発明の実施例を示す単相用出力インバータ装置の回路構成図である。
図１において、Ｐは直流電源の正極側を示し、Ｎは直流電源の負極側を示し、１〜４は半導体スイッチング素子１１〜１４とダイオード２１〜２４がそれぞれ逆方向に並列接続された並列接続体、５は出力端子Ａと出力端子Ｂ間に接続された電気負荷、６は第１電流検出器、７は第２電流検出器である。また、８は並列接続体１と２で構成された第１アーム、９は並列接続体３と４で構成された第２アームである。
次に動作について説明する。
先ず、各動作モードにおける電流の流れについて説明する。
図２は本実施例における単相用出力インバータ装置の電流の流れを示す回路図、図３は本実施例における単相用出力インバータ装置の電流検出の原理を示すタイムチャートである。出力端子Ａから電流を流し出し電気負荷５を介し出力端子Ｂから電流を吸い込む場合を例として説明する。
図３においてＡ相出力電圧指令及びＢ相出力電圧指令は出力端子Ａ及び出力端子Ｂの電圧を指令する電圧指令で、Ａ相出力電圧指令は搬送波と比較され第１アームドライブ信号を生成し、Ｂ相出力電圧指令は搬送波と比較され第２アームドライブ信号を生成する。
電圧指令が搬送波より大きい場合は正極側スイッチング素子がオンで負極側スイッチング素子がオフとなり、電圧指令が搬送波の電圧より小さい場合は正極側スイッチング素子がオフで負極側スイッチング素子がオンとなる。
図３において、区間ｔ０−ｔ１は、Ａ相出力電圧指令は搬送波より大きくＢ相出力電圧指令は搬送波より小さい区間で、この場合、第１アームドライブ信号は正極側の半導体スイッチング素子をオン、負極側の半導体スイッチング素子をオフするＨｉモードとなり、第２アームドライブ信号は正極側の半導体スイッチング素子をオフ、負極側の半導体スイッチング素子をオンするＬｏモードとなる。
従って、この区間は、第１アームの並列接続体１の半導体スイッチング素子１１と第２アームの並列接続体４の半導体スイッチング素子１４がオンし、直流電源正極Ｐから並列接続体１を介し出力端子Ａから電気負荷５へ電流を流し、電気負荷５から出力端子Ｂへ電流を吸い込み並列接続体４を介し直流電源負極Ｎへ電流が流れる。
このように本区間は直流電源から電気負荷へ電力が供給されるトランジスタモード（Ｔｒモード）である。
ｔ１−ｔ２間は、第１アーム及び第２アームのドライブ信号が共にＬｏモードの区間で、半導体スイッチング素子１１がオフ、半導体スイッチング素子１２がオンに変わり、出力電流は、出力端子Ａから電気負荷５を介し出力端子Ｂに流れ込み、半導体スイッチング素子１４からＮラインを介し並列接続体２のダイオード２２の順方向を経由して出力端子Ａに戻る。
このように本区間は電気負荷に流れていた電流が負極側の並列接続導体と直流電源負極Ｎを介して還流する第２還流モードであり、第２電流検出器７で電機負荷に流れる電流を検出する。
ｔ２−ｔ３間は、ｔ０−ｔ１間と同一のドライブモードで、半導体スイッチング素子１２がオフし、半導体スイッチング素子１１がオンするため、Ｔｒモードとなる。
ｔ３−ｔ４間は、第１アーム及び第２アームドライブ信号が共にＨｉモードの区間で、半導体スイッチング素子１４がオフ、半導体スイッチング素子１３がオンに変わり、出力電流は、出力端子Ａから電気負荷５を介し出力端子Ｂに流れ込み、並列接続体３のダイオード２３の順方向及び正極側のＰラインを介し並列接続体１の半導体スイッチング素子１１を通して出力端子Ａに戻る。
このように本区間は電気負荷に流れていた電流が正極側の並列接続導体と直流電源正極Ｐを介して還流する第１還流モードであり、第１電流検出器６で電機負荷に流れる電流を検出する。
以上の動作説明では、出力電流が出力端子ＡからＢに電流が流れる場合を例として説明したが、出力端子ＢからＡに電流が流れる場合、Ｔｒモードは、直流電源正極Ｐから並列接続体３の半導体スイッチング素子１３を介し出力端子Ｂへ電流を流し、電気負荷５を介して出力端子Ａから並列接続体２の半導体スイッチング素子１２を介し直流電源負極Ｎへ電流が流れる。
また、第１及び第２還流モードでは、出力端子ＡからＢへ電流が流れる場合とはそれぞれ反対向きに電流が流れることになる。しかし、出力端子ＡからＢへ電流が流れる場合及び出力端子ＢからＡに流れる場合の双方とも第１還流モードは、並列接続体１と３に電流が流れ、第２還流モードは、並列接続体２と４に電流が流れる。したがって、並列接続体１と４、または並列接続体２と３の電流を検出すれば第１還流モード及び第２還流モードの双方の電流を検出することができる。本実施例では、並列接続体１と４の電流を検出した。
次に出力電流の検出方法について説明する。
図３において、ｉ１はｔ１−ｔ２間の搬送波が最上点になった時の第２還流モードにおける電流、ｉ２はｔ３−ｔ４間の搬送波が最下点になった時の第１還流モードにおける電流である。電流検出器７及び電流検出器６から得られる第２還流モード及び第１還流モードにおける検出信号を、図示しないサンプリング回路で、搬送波が最上点になった時のタイミングと搬送波が最下点になった時のタイミングで順次サンプリングする。
このように、本発明では単相用出力インバータ装置の２つのアームの一方のアームが直流電源正極と並列接続体の間に電流検出器を備え、もう一方のアームが直流電源負極と並列接続体の間に電流検出器を備えているので、搬送波１周期にそれぞれ１回発生する第１還流モードの電流と第２還流モードの電流を検出できる。すなわち、搬送波１周期に２回出力電流を検出できるので検出周期が短く高精度の検出ができる。
また、各アームに対してそれぞれ１つの電流検出器を設ければ良いので、構成が簡単で安価である。さらに、各アームが電流検出器を備えているので、ノイズ等によってアーム短絡が発生しても、このアーム短絡による過電流を検出できる。
本発明は、工作機械、ロボット、一般産業機械などに使用されるサーボドライブ装置に適用できる。

Claims (3)

  1. 半導体スイッチング素子と、この半導体スイッチング素子と逆向きに並列接続したダイオードの並列接続体を２個直列接続し、接続部を相出力端子とした直列接続体を１相分のアームとし、前記アームを直流電源の正極と負極間に２個並列接続した単相用出力インバータ装置において、
    前記アームの一方のアームである第１アームには、この第１アームの直流電源正極側に接続した並列接続体に流れる電流を検出する第１電流検出器を、前記直流電源正極と前記並列接続体の間に備え、
    前記アームのもう一方のアームである第２アームには、この第２アームの直流電源負極側に接続した並列接続体に流れる電流を検出する第２電流検出器を、前記直流電源負極と前記並列接続体の間に備え、
    前記第１電流検出器は、この第１アームの直流電源正極側に接続した並列接続体を介して還流する第１還流モードの電流および第１アーム短絡による過電流を検出し、
    前記第２電流検出器は、この第２アームの直流電源負極側に接続した並列接続体を介して還流する第２還流モードの電流および第２アーム短絡による過電流を検出し、
    前記第１電流検出器の検出する前記第１還流モードの電流と前記第２電流検出器の検出する前記第２還流モードの電流とに基づき、出力電流を検出することを特徴とする単相用出力インバータ装置。
  2. 半導体スイッチング素子と、この半導体スイッチング素子と逆向きに並列接続したダイオードの並列接続体を２個直列接続し、接続部を相出力端子とした直列接続体を１相分のアームとし、前記アームを直流電源の正極と負極間に２個並列接続し、
    前記アームの一方のアームである第１アームには、この第１アームの直流電源正極側に接続した並列接続体に流れる電流を検出する第１電流検出器を、前記直流電源正極と前記並列接続体の間に備え、
    前記アームのもう一方のアームである第２アームには、この第２アームの直流電源負極側に接続した並列接続体に流れる電流を検出する第２電流検出器を、前記直流電源負極と前記並列接続体の間に備えた単相用出力インバータ装置の電流検出方法において、
    前記正極に接続された並列接続体を介して還流する第１還流モードの電流および第１アーム短絡による過電流を前記第１電流検出器で検出し、
    前記負極に接続された並列接続体を介して還流する第２還流モードの電流および第２アーム短絡による過電流を前記第２電流検出器で検出し、
    前記第１還流モードの電流および第２還流モードの電流とから出力電流を検出することを特徴とする単相用出力インバータ装置の出力電流検出方法。
  3. 前記第１アームの電圧を指令する第１出力電圧指令とＰＷＭ信号を生成する搬送波とを比較して第１アームの半導体スイッチング素子を駆動する第１アームドライブ信号を生成し、前記第２アームの電圧を指令する第２出力電圧指令と前記搬送波とを比較して第２アームの半導体スイッチング素子を駆動する第２アームドライブ信号を生成し、
    前記搬送波の最下点で前記第１還流モードの電流をサンプリングし、前記搬送波の最上点で前記第２還流モードの電流をサンプリングすることを特徴とする請求項２に記載の電流検出方法。
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