JP4938467B2

JP4938467B2 - モータ駆動用の電力変換装置、モータ駆動装置、モータおよびモータ駆動方法

Info

Publication number: JP4938467B2
Application number: JP2007004323A
Authority: JP
Inventors: 大根本; 健司桜井; 裕之長谷川; 大輔前田
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 2007-01-12
Filing date: 2007-01-12
Publication date: 2012-05-23
Anticipated expiration: 2027-01-12
Also published as: JP2008172944A

Description

本発明は、モータを駆動するインバータなどの電力変換装置、モータ駆動装置、駆動方法およびモータに係り、過電流検出時の保護に関するものである。

電気機器や産業用のモータにはインバータ制御された永久磁石同期モータや誘導モータが使用されている。直流電力を可変電圧・可変周波数の三相交流電力に変換するインバータ（電力変換器）を用いてモータを駆動する場合、保護機能の１つとして過電流検出機能を備えており、過電流が流れた際はインバータ回路を遮断し保護している。

こうした過電流検出は、直流電源からインバータ（電力変換器）に流入する直流電流径路に挿入した電流検出用抵抗と、この抵抗に掛かる電圧を検出する構成が広く採用されている。この電流検出値が設定値を越えると、インバータを構成する半導体スイッチング素子をオフ（遮断）し、インバータを停止させる。

この種の過電流によるインバータの保護に関する技術としては、例えば、特許文献１〜４などが知られている。

このような保護の後、一過性の過電流が収まる場合が多く、一旦、インバータを停止させた後、内部クロック信号の１周期毎などに、リセット動作を行うことが多い。

例えば、特許文献２には、保護回路の状態を観察し、一定条件を満たしたときに自動的にインバータを再起動して、負荷であるモータの停止を避ける技術が開示されている。

特開平１−３２１８７０号公報特開平３−２７０６７７号公報特開２００１−１４５３６７号公報特開２００４−１５９４６号公報

特許文献２などの前述した構成によれば、短時間の一過性の過電流を保護することはできるが、過電流が再現する場合などには、必ずしも十分なインバータの保護はできない。過電流を検出してインバータを一旦停止させた後、例えば、内部クロック信号の１周期毎に、インバータを復帰させると、復帰毎に、過電流が流れてしまう。このため、スイッチング素子は、連続して生じる過電流により異常加熱されて、破壊に至る。

本発明の目的は、電力変換器内のスイッチング素子の過電流破壊の惧れを軽減しつつ、過電流発生後の運転復帰の機会を与えることのできる電力変換装置、モータ駆動装置、駆動方法またはモータを提供することである。

本発明はその一面において、半導体スイッチング素子を含み直流電力を可変電圧・可変周波数の交流電力に変換する電力変換器と、前記半導体スイッチング素子にＰＷＭパルスを供給する駆動回路と、この駆動回路にＰＷＭ信号を出力するＰＷＭ変調部を含む制御装置と、前記電力変換器に流れる過電流を検出する過電流検出手段と、この過電流検出手段からの過電流信号を受けて前記半導体スイッチング素子を遮断状態とする保護装置とを備えた電力変換装置において、前記半導体スイッチング素子の前記遮断状態を第１の所定期間保持させる第１の遮断保持手段と、この第１の所定期間満了後の予定の期間内に前記過電流検出手段からの過電流信号が再発したとき、この再発に応じて遮断状態とした前記半導体スイッチング素子の遮断状態を、第１の所定期間よりも長い第２の所定期間保持させる第２の遮断保持手段を備えたことを特徴とする。

本発明の望ましい実施態様によれば、前記電力変換器の交流出力側にはモータを備え、モータ駆動装置を構成する。

本発明は他の一面において、前記電力変換器と、前記駆動回路と、前記制御装置と、前記過電流検出手段と、前記保護装置と前記第１，第２の遮断保持手段とをモータのケーシングに内蔵した電子回路基板上に搭載するとともに、前記電力変換器の交流出力を前記モータに供給して駆動するように配線したことを特徴とする。

本発明はさらに他の一面において、前記電力変換器に流れる過電流を出力短絡による過電流とその他の過電流とを区別して検出する過電流検出手段と、この過電流検出手段からの過電流信号を受けて前記半導体スイッチング素子を遮断状態とする保護装置とを備えたモータ駆動装置において、前記半導体スイッチング素子の前記遮断状態を第１の所定期間保持させる第１の遮断保持手段と、この第１の所定期間満了後の予定の監視期間内に前記過電流検出手段から前記出力短絡による過電流信号が発生したとき、この発生に応じて遮断状態とした前記半導体スイッチング素子の遮断状態を、第１の所定期間よりも長い第２の所定期間保持させる第２の遮断保持手段を備えたことを特徴とする。

本発明の望ましい実施態様によれば、電力変換器内のスイッチング素子の過電流破壊の惧れを軽減しつつ、過電流発生後の運転復帰の機会を与えることのできる電力変換装置、モータ駆動装置、駆動方法またはモータを提供することができる。

本発明のその他の目的や特徴は、以下に述べる実施形態の中で明らかにする。

以下に、図面を参照して、本発明の望ましい実施例について説明する。

図１は、本発明の実施例１によるモータ駆動装置の全体構成図である。図１の符号１は商用交流電源、２は電源回路であり、商用交流電源１からの交流電圧をもとに直流電圧ＶＤＣ、ＶＣＣに変換する。ＶＤＣは、例えば、約１４１Ｖ〜４５０Ｖの直流高圧であり、モータ駆動用の高圧電源として使用する。ＶＣＣは、例えば、１５Ｖの直流低圧であり、半導体装置（半導体モジュール）４に内蔵される駆動回路５の電源電圧として使用される。

符号３は、マイクロコンピュータ等の制御装置であり、磁極位置検出器９からの磁極位置信号を受け、半導体装置４へ、制御信号ＶＵＴ、ＶＵＢ、ＶＶＴ、ＶＶＢ、ＶＷＴ、ＶＷＢを出力する。この６つの制御信号は、半導体装置４に内蔵される半導体スイッチング素子６を制御するための信号である。

磁極位置検出器９は、ホールＩＣであり、図示しないモータ回転子の位置を示す位置信号を出力する。また、磁極位置検出器９はホール素子であってもよく、その場合はアンプを用いてホール素子の出力信号を増幅し、増幅した信号を制御装置３に入力してもよい。

半導体装置４は、駆動回路５とスイッチング素子６と過電流検出手段７を内蔵する。駆動回路５は、制御装置３からの制御信号を受け、スイッチング素子６を駆動する。スイッチング素子６は、図示しない６個のトランジスタとダイオードよりなる３相フルブリッジインバータ（電力変換器）を構成し、可変電圧・可変周波数（ＶＶＶＦ）の３相交流を、モータコイル１１に出力し、モータ１２を駆動する。

電流検出器８は、スイッチング素子６の下アームトランジスタの負電位側端子に接続され、インバータに流入する直流電流を検出するシャント抵抗である。過電流検出手段７は、電流検出器８に接続され、電流検出器８の電圧ＶＲＳが予定レベルを越えた場合に過電流と見なし、過電流に基く遮断指令信号Ａを駆動回路５に出力し、同時に、制御装置３には、過電流検出信号ＶＦを出力する。

なお、本実施例の電流検出器８は、シャント抵抗であるが電流センサ等を用いてもよく、また、半導体装置４に外付けされているが、半導体装置４に内蔵してもよい。

モータ１２には、その筐体（ケーシング）内に電子回路基板１０を内蔵しており、その上には、制御装置３、半導体装置４、電流検出器８、および磁極位置検出器９を搭載している。モータ１２としては、３相永久磁石同期モータや３相誘導モータなどがある。

次に、半導体装置４の詳細について説明する。

図２は、本発明の実施例１における半導体装置４の詳細図である。Ｉ１〜Ｉ６は３相モータ１２を駆動するための６個のスイッチング素子であり、本実施例ではＩＧＢＴを用いているが、ＭＯＳＦＥＴやバイポーラトランジスタであってもよく、また組み合わせて使用してもよい。Ｆ１〜Ｆ６は、Ｉ１〜Ｉ６それぞれに逆並列に接続されたダイオードである。ＭＵはＵ相の出力端子、ＭＶはＶ相の出力端子、ＭＷはＷ相の出力端子であり、モータのコイル１１に接続される。上アームＩＧＢＴのＩ１〜Ｉ３のコレクタ端子は直流高圧電源ＶＤＣの正電位端子側ＶＳ１、ＶＳ２にそれぞれ接続され、エミッタ端子は出力端子ＭＵ、ＭＶ、ＭＷに接続される。下アームＩＧＢＴのＩ４〜Ｉ６のコレクタ端子は、出力端子ＭＵ、ＭＶ、ＭＷに接続され、エミッタ端子はＧＨ１、ＧＨ２端子側に接続され、電流検出器８を介してＧＮＤに接続される。

ＶＵＴはＵ相上アーム制御信号であり、Ｕ相上アーム制御信号入力端子ＵＴから入力され、論理回路ＲＣから上アーム駆動回路ＵＣへ伝達され、Ｕ相上アームＩＧＢＴのＩ１を駆動する。ＶＶＴはＶ相上アーム制御信号であり、Ｖ相上アーム制御信号入力端子ＶＴから入力され、論理回路ＲＣから上アーム駆動回路ＵＣへ伝達され、Ｖ相上アームＩＧＢＴのＩ２を駆動する。ＶＷＴはＷ相上アーム制御信号であり、Ｗ相上アーム制御信号入力端子ＷＴから入力され、論理回路ＲＣから上アーム駆動回路ＵＣへ伝達され、Ｗ相上アームＩＧＢＴのＩ３を駆動する。ＶＵＢはＵ相下アーム制御信号であり、Ｕ相下アーム制御信号入力端子ＵＢから入力され、論理回路ＲＣから下アーム駆動回路ＢＣへ伝達され、Ｕ相下アームＩＧＢＴのＩ４を駆動する。ＶＶＢはＶ相下アーム制御信号であり、Ｖ相下アーム制御信号入力端子ＶＢから入力され、論理回路ＲＣから下アーム駆動回路ＢＣへ伝達され、Ｖ相下アームＩＧＢＴのＩ５を駆動する。ＶＷＢはＷ相下アーム制御信号であり、Ｗ相下アーム制御信号入力端子ＷＢから入力され、論理回路ＲＣから下アーム駆動回路ＢＣへ伝達され、Ｗ相下アームＩＧＢＴのＩ６を駆動する。なお、本実施例では、制御信号ＶＵＴ、ＶＵＢ、ＶＶＴ、ＶＶＢ、ＶＷＴ、ＶＷＢは、オン信号がＨレベル（活性状態）、オフ信号がＬレベル（非活性状態）である。

電流検出器８は、シャント抵抗であり、端子ＧＨ１、ＧＨ２を介し下アームＩＧＢＴのＩ４〜Ｉ６に接続される。また、７は比較機能を内蔵した過電流検出手段であり、遮断指令信号Ａを前記論理回路ＲＣに出力し、また、過電流検出信号ＶＦを過電流検出信号出力端子Ｆに出力する。この過電流検出手段７は、前記電流検出器８の電圧ＶＲＳが、前記過電流検出手段７に設定された電圧を越えた場合、前記論理回路ＲＣにＨレベルの遮断指令信号Ａを出力すると共に、前記過電流検出信号出力端子ＦからＨレベルの過電流検出信号ＶＦを出力する。前記論理回路ＲＣは、Ｈレベルの遮断指令信号Ａが入力されるとＩＧＢＴのＩ１〜Ｉ６をオフする信号を出力する。前記過電流検出信号出力端子Ｆは、前記制御装置３に接続され、前記過電流検出信号ＶＦが前記制御装置３に入力される。前記制御装置３は、Ｈレベルの過電流検出信号ＶＦが入力されると全て制御信号ＶＵＴ、ＶＵＢ、ＶＶＴ、ＶＶＢ、ＶＷＴ、ＶＷＢをＬレベルとする。

さらに、前記電流検出器８の電圧ＶＲＳが前記過電流検出手段７に設定されたしきい値を下回った場合、前記過電流検出手段７は、前記論理回路ＲＣにＬレベルの遮断信号Ａを出力し、さらにＬレベルの過電流検出信号ＶＦを出力する。なお、本実施例では、前記過電流検出手段７から出力される遮断指令信号Ａと過電流検出信号ＶＦは、非活性状態がＬレベルであり、活性状態がＨレベルである。

ＣＣはチャージポンプ回路であり、上アーム駆動回路用の電源電圧を生成する回路である。ダイオードＤ１とＤ２及びコンデンサＣ１とＣ２はチャージポンプ回路の外付け部品であるが、半導体装置４に内蔵してもよい。チャージポンプ回路を動作させるための図２に図示しないクロック信号は、例えば図１の制御装置３が出力してもよい。ＣＢＣは内部電源回路であり、駆動回路用電源電圧ＶＣＣを基に論理回路ＲＣ及び図１の制御装置３の電源電圧ＣＢを生成する。電源電圧ＣＢは本実施例では約５Ｖである。

次に、制御装置３の制御について説明する。

図３は、本発明の実施例１における制御装置３のＰＷＭパルス信号の演算方式例を示すタイミングチャートである。図３において、ＶＣＡはキャリア信号、ＶＵはＵ相変調信号、ＶＶはＶ相変調信号、ＶＷはＷ相変調信号である。また、ＶＵＴはＵ相上アーム制御信号、ＶＵＢはＵ相下アーム制御信号、ＶＶＴはＶ相上アーム制御信号、ＶＶＢはＶ相下アーム制御信号、ＶＷＴはＷ相上アーム制御信号、ＶＷＢはＷ相下アーム制御信号を示す。ＰＷＭパルスの演算は、キャリア信号ＶＣＡと各変調信号ＶＵ、ＶＶ、ＶＷとを比較し、各変調信号が大きい範囲では上アーム制御信号をＨレベルとし、キャリア信号が大きい範囲では下アーム制御信号をＨレベルとする信号を出力する。この６つの信号ＶＵＴ、ＶＵＢ、ＶＶＴ、ＶＶＢ、ＶＷＴ、ＶＷＢを半導体装置４に出力しモータ１２を駆動する。

次に、過電流検出機能の詳細について、図４と図５に基づいて説明する。

図４は、本発明の実施例１における過電流発生時の径路を示している。図４において、例えば出力端子ＭＵとＭＶの出力配線が短絡している場合、Ｕ相上アームＩＧＢＴのＩ１とＶ相下アームＩＧＢＴのＩ５が同時にオンすると、径路Ａで電流が流れる。この電流はモータのコイル１１を通過しないため急峻な電流となる。一方、モータが過負荷の場合の過電流は、例えばＵ相上アームＩＧＢＴのＩ１→モータコイル１１→Ｖ相下アームＩＧＢＴのＩ５の図４径路Ｂで電流が流れる。この電流は、モータコイル１１のインダクタンスの特性により急激な電流は流れず、ある傾き（増加率）をもって流れる。

図５は、本発明の実施例１における過電流検出タイミングチャートである。図５（Ａ）は、短絡による過電流を検出するタイミングチャートであり、図５（Ｂ）は、過負荷による過電流を検出するタイミングチャートである。Ｕ相上アーム制御信号ＶＵＴ、Ｖ相下アーム制御信号ＶＶＢ、電流検出器８の電圧ＶＲＳ、遮断指令信号Ａ、過電流検出信号ＶＦのタイミングチャートを説明したものである。

図５（Ａ）を参照して、出力端子ＭＵとＭＶが短絡している場合の検出動作について説明する。制御装置３は、Ｔ０時、制御信号ＶＵＴ、ＶＵＢ、ＶＶＴ、ＶＶＢ、ＶＷＴ、ＶＷＢを出力し、半導体装置４の駆動を開始する。図５（Ａ）の例では、Ｔ０のタイミングでＵ相上アームの制御信号ＶＵＴがＨレベルとなる。

Ｔ１時、Ｖ相下アーム制御信号ＶＶＢがＨレベルとなる。Ｔ２時、Ｕ相上アームＩＧＢＴのＩ１とＶ相下アームＩＧＢＴのＩ５が同時にオンとなり、図４の径路Ａで電流検出器８に過電流が流れ、過電流検出手段７にＶＲＳが出力される。この時、ＶＲＳが前記過電流検出手段７の比較機能のしきい値を越える。

Ｔ３時、過電流検出手段７は、論理回路ＲＣにＨレベルの遮断指令信号Ａを出力し、同時に制御装置３にＨレベルの過電流検出信号ＶＦを出力する。前記論理回路ＲＣは、Ｈレベルの遮断指令信号Ａが入力されると、全てのＩＧＢＴのＩ１〜Ｉ６をオフする信号を出力する。

制御装置３は、Ｈレベルの過電流検出信号ＶＦを受け、Ｔ４時、Ｌレベルの制御信号ＶＵＴ、ＶＵＢ、ＶＶＴ、ＶＶＢ、ＶＷＴ、ＶＷＢを出力する。

前記論理回路ＲＣが遮断指令信号Ａを受け、ＩＧＢＴのＩ１〜Ｉ６をオフする信号を出力したため、Ｔ５時、Ｕ相上アームＩＧＢＴのＩ１とＶ相下アームＩＧＢＴのＩ５がオフされる。この時、電流検出器８の電圧ＶＲＳは、過電流検出手段７の比較機能のしきい値を下回る。このため、Ｔ６時、遮断指令信号Ａと過電流検出信号ＶＦはＬレベルとなる。

図５（Ｂ）を参照して、モータが過負荷の場合の検出動作について説明する。制御装置３は、Ｔ０'時、制御信号ＶＵＴ、ＶＵＢ、ＶＶＴ、ＶＶＢ、ＶＷＴ、ＶＷＢを出力し半導体装置４の駆動を開始する。図５（Ｂ）の例では、Ｔ０'のタイミングでＵ相上アームの制御信号ＶＵＴがＨレベルとなる。

Ｔ１'時、Ｖ相下アーム制御信号ＶＶＢがＨレベルとなる。Ｔ１''時、Ｕ相上アームＩＧＢＴのＩ１とＶ相下アームＩＧＢＴのＩ５がオンし、図４の径路Ｂで電流検出器８に電流が流れる。この時、モータコイル１１を通して電流が流れるため、直流電流はある傾きをもって徐々に流れ始め、電圧ＶＲＳはそれに従い徐々に上昇し始める。Ｔ２'時、電圧ＶＲＳが前記過電流検出手段７に内蔵される比較機能のしきい値を越える。

Ｔ３'時、過電流検出手段７は、論理回路ＲＣにＨレベルの遮断指令信号Ａを出力し、同時に制御装置３にＨレベルの過電流検出信号ＶＦを出力する。前記論理回路ＲＣは、Ｈレベルの遮断指令信号Ａが入力されると、全てのＩＧＢＴのＩ１〜Ｉ６をオフする信号を出力する。

制御装置３は、Ｈレベルの過電流検出信号ＶＦを受け、Ｔ４'時、Ｌレベルの制御信号ＶＵＴ、ＶＵＢ、ＶＶＴ、ＶＶＢ、ＶＷＴ、ＶＷＢを出力する。

前記論理回路ＲＣが遮断指令信号Ａを受け、ＩＧＢＴのＩ１〜Ｉ６をオフする信号出力したため、Ｔ５'時、Ｕ相上アームＩＧＢＴのＩ１とＶ相下アームＩＧＢＴのＩ５がオフされる。この時、電流検出器８の電圧ＶＲＳは、過電流検出手段７の比較機能のしきい値を下回る。このため、Ｔ６'時、遮断指令信号Ａと過電流検出信号ＶＦはＬレベルとなる。

図５に沿って、短絡による過電流と過負荷による過電流を検出する方法を説明したが、短絡による過電流を検出するまでの時間は、制御装置３が半導体装置４の駆動を開始したＴ０から、Ｈレベルの過電流検出信号ＶＦが入力されるＴ３までである。一方、過負荷による過電流を検出するまでの時間は、制御装置３が半導体装置４の駆動を開始したＴ０'から、Ｈレベルの過電流検出信号ＶＦが入力されるＴ３'までであり、短絡による過電流を検出する時間より遅れて過電流を検出する。

本発明の実施例１においては、これ以降に説明するように、過負荷による過電流と短絡による過電流とを区別せずに保護を行う。しかし、上記のように、過負荷による過電流と短絡による過電流とを区別して検出する機能を持っているため、必要に応じて、保護においても区別した制御を採ることもできる。この点については、随時、補足説明することとする。

さて、過電流検出機能は、制御装置３が半導体装置４の駆動を開始したＴ０から、所定時間までにＨレベルの過電流検出信号ＶＦが入力された場合を短絡と判別する。一方、所定時間後にＨレベルの過電流検出信号ＶＦが入力された場合を過負荷と判別する。所定時間とは、Ｔ３からＴ３’までの間に設定すればよく、コイルのインダクタンスや直流高圧電源の電圧等を基に設定すればよい。これにより、短絡による過電流と過負荷による過電流を判別して検出できる。

さらに、制御装置３は、過電流を検出して半導体スイッチング素子６を遮断後、その遮断状態を継続する遮断保持機能を備えている。半導体スイッチング素子６を起動後に短絡による過電流を検出した場合は、遮断状態を保持し続けるか、または過負荷による過電流を検出した場合よりも遮断保持期間を広げる機能をもたせることもできる。これにより、短絡による過電流と、過負荷による過電流を判別し、さらに、その後の制御によって、半導体装置４に内蔵されるスイッチング素子の十分な保護が可能となる。

図４では、短絡の例として出力配線間の短絡を示した。しかし、同一相の上下アームが同時にオンする上下アーム短絡や、１つのアームのコレクタ−エミッタ間（ＭＯＳＦＥＴの場合はドレイン−ソース間）がショートするアーム短絡の場合においても、短絡による過電流と過負荷による過電流を判別できる。そして、その後の制御によって半導体装置４に内蔵されるスイッチング素子を保護することが可能である。

次に、図６に沿って制御装置３が備える連続過電流監視機能について説明する。

図６は、本発明の実施例１による制御装置３の連続過電流監視機能を説明するタイミングチャートである。制御信号は、ＶＵＴ、ＶＵＢ、ＶＶＴ、ＶＶＢ、ＶＷＴ、ＶＷＢであり、ＶＲＳは電流検出器８の電圧であり、Ａは過電流検出手段７が論理回路ＲＣに出力する遮断指令信号である。ＶＦは過電流検出手段７が制御装置３に出力する過電流検出信号であって、Ｒ１とＲ２とＲ３は、制御装置３が半導体装置４にオフ信号を出力する遮断保持期間である。Ｔ７、Ｔ９、Ｔ１１、Ｔ１３は、制御装置３が半導体装置４の駆動を開始するタイミングである。Ｔ８、Ｔ１０、Ｔ１２は、制御装置３がＨレベルの過電流検出信号ＶＦを受けて、Ｌレベルの制御信号ＶＵＴ、ＶＵＢ、ＶＶＴ、ＶＶＢ、ＶＷＴ、ＶＷＢを出力するタイミングである。ＴＫは、制御装置３が備える連続過電流監視期間である。

この図６の例は、過電流を検出後、遮断保持期間Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３を経て、連続的に３回の過電流を検出した場合を示している。

制御装置３は、Ｔ７時、半導体装置４の駆動を開始する。その後、過電流によって、制御装置３はＨレベルの過電流検出信号ＶＦを検出し、Ｔ８時、Ｌレベルの制御信号を出力する。制御装置３は、遮断保持期間Ｒ１を経て、Ｔ９時、再び半導体装置４の駆動を開始する。この時、制御装置３は、連続過電流監視期間ＴＫを設け、再び過電流によって、Ｈレベルの過電流検出信号ＶＦが入力されるか否かを監視する。

その後、制御装置３には、再び過電流によって、再びＨレベルの過電流検出信号ＶＦが入力され、Ｔ１０時、Ｌレベルの制御信号を出力する。ここで、連続過電流監視期間ＴＫ以内に過電流検出信号ＶＦが入力されたため、遮断保持期間Ｒ２は、遮断保持期間Ｒ１の２倍の期間（Ｒ２＝２Ｒ１）を設ける。

制御装置３は、遮断保持期間Ｒ２を経て、Ｔ１１時、再び半導体装置４の駆動を開始する。この時、制御装置３は、再び、連続過電流監視期間ＴＫを設ける。

その後、制御装置３には、過電流によって、再び、Ｈレベルの過電流検出信号ＶＦが入力され、Ｔ１２時、Ｌレベルの制御信号を出力する。ここで、連続過電流監視期間ＴＫ以内に過電流検出信号ＶＦが入力されたため、遮断保持期間Ｒ３は、遮断保持期間Ｒ１の４倍の期間（Ｒ３＝２Ｒ２＝４Ｒ１）を設ける。

このように、制御装置３は、連続過電流監視期間ＴＫ以内に、再び過電流検出信号ＶＦが入力されるか否かを監視する連続過電流監視機能を備えている。したがって、連続過電流監視期間ＴＫ以内に過電流検出信号ＶＦが入力された場合は、遮断保持期間を広げる機能を有する。これにより、連続的な過電流によるスイッチング素子の破壊や異常過熱を防止することが出来る。

なお、この本発明の実施例１では、連続的な過電流の例として、その種別（過負荷と短絡）にこだわらない過電流について、順次、遮断保持期間を延長するものとした。しかしながら、前述したように、過負荷と短絡による過電流を区別して検出し、過負荷による過電流発生時よりも、短絡による過電流発生時には、最初から遮断保持期間を長く設定したり、短絡による過電流発生時のみに、遮断保持期間を延長することもできる。このようにすれば、より細かく、連続的な短絡による過電流の場合のスイッチング素子の保護を行うことができる。

次に、図６の保護動作を実現する制御装置３の処理フローについて説明する。

図７および図８は、本発明の実施例１による制御装置３の処理フロー図その１およびその２である。ステップ７０１で駆動を開始し、ステップ７０２では、過電流検出信号ＶＦの発生の有無をチェックする。過電流検出信号ＶＦが発生しておれば、ステップ７０３に進んで、全ての制御信号ＶＵＴ、ＶＵＢ、ＶＶＴ、ＶＶＢ、ＶＷＴ、ＶＷＢをＬレベルとし、全スイッチング素子をオフさせる。そして、ステップ７０４で、この状態を０．１ｍｓだけ継続する遮断保持期間Ｒ１＝０．１ｍｓに入る。この期間Ｒ１の満了後、ステップ７０５にて、リトライによる駆動を開始してステップ７０６による過電流検出信号を監視する。

なお、前述ステップ７０２において、過電流検出信号ＶＦを検出しなければ、ステップ７０７に進んで、スイッチング素子の駆動を継続し、モータの駆動も継続される。

さて、ステップ７１２においては、連続過電流監視期間ＴＫ内に、過電流検出信号ＶＦを検出したか否かをチェックする。ここで、この監視期間ＴＫ内に、過電流検出信号ＶＦを検出しなければ、リトライ成功であり、ステップ７０７に進んで、スイッチング素子の駆動を継続し、モータの駆動も継続できる。

しかし、この監視期間ＴＫ内に、再び、過電流検出信号ＶＦを検出すると、ステップ７１３に進んで、全ての制御信号ＶＵＴ、ＶＵＢ、ＶＶＴ、ＶＶＢ、ＶＷＴ、ＶＷＢをＬレベルとし、再び、全スイッチング素子をオフさせる。そして、ステップ７１４で、この状態を今度は、０．２ｍｓ継続する遮断保持期間Ｒ２＝２Ｒ１＝０．２ｍｓに入る。この期間Ｒ２の満了後、ステップ７１５にて、再度のリトライによる駆動を開始してステップ７１６による過電流検出信号を監視する。

以下、同様にして、連続的に過電流が発生する限り、遮断保持期間を２倍づつ延長し、ステップ７７４において、遮断保持期間Ｒ８が、１２．８ｍｓに達すると、以降は、ステップ７６５に戻し、遮断保持期間Ｒ８の一定値に固定している。

このように、本発明の実施例１によれば、電力変換器内のスイッチング素子６の過電流破壊の惧れを軽減しつつ、過電流発生後の運転回復の機会を与えることのできる電力変換装置、モータ駆動装置、またはモータを提供することができる。

図９は、本発明の実施例２によるモータ駆動装置の全体構成図である。図９は、実施例１の図１に相当するブロック図であり、相当物には同一符号を付けて、重複説明は避ける。本実施例２では、実施例１の半導体装置４を、駆動回路５と過電流検出手段７を備えたプリドライバー半導体装置１９とし、スイッチング素子６Ａと分けて、モータ内蔵基板１０に配置したものである。

図１０は、本発明の実施例２におけるプリドライバー半導体装置１９とスイッチング素子６Ａの詳細図である。スイッチング素子６Ａは、１つのパッケージに内蔵されているが、複数のパッケージで構成する場合もある。プリドライバー半導体装置１９は、論理回路ＲＣと上アーム駆動回路ＵＣ、下アーム駆動回路ＢＣ、過電流検出手段ＯＣを１つのパッケージに内蔵しているが、複数のパッケージにて構成することも出来る。その他は、実施例１と同様であるため説明を省略する。

図１１は、本発明の実施例３によるモータ駆動装置の全体構成図である。この図も図１に相当するブロック図であり、同一機能要素には同一符号を付けて、重複説明は避ける。本実施例３では、図１の半導体装置４を、駆動回路５とスイッチング素子６を備えた半導体装置４Ａとし、過電流検出手段７Ａと分けて、モータ内蔵の電子回路基板１０に配置したものである。

図１２は、本発明の実施例４によるモータ駆動装置の全体構成図である。図１２は、実施例１の図１に相当するブロック図であり、相当物には同一符号を付けて、重複説明は避ける。本実施例４では、実施例１の制御装置３が、実施例１の半導体装置４に内蔵されていた過電流検出手段７を内蔵したものである。すなわち、過電流検出手段７Ｂは、マイコンで構成される制御装置３Ａのソフトにより、その機能を達成するように構成することが望ましい。本実施例４では、電流検出器８の電圧ＶＲＳが、過電流検出手段７Ｂの比較機能のしきい値を越えた場合、制御装置３Ａの制御信号ＶＵＴ、ＶＵＢ、ＶＶＴ、ＶＶＢ、ＶＷＴ、ＶＷＢをＬレベルとして、主ＩＧＢＴＩ１〜Ｉ６をオフし、過電流保護を行う。このようにして、実施例１における遮断信号Ａを受ける回路が削除され、回路規模を縮小できる効果がある。

図１３は、本発明の実施例５によるモータ駆動装置を内蔵するモータの分解斜視図である。本実施例５では、モータ１２の構造と、内蔵されたモータ駆動装置の構成例を示している。実施例１の制御装置３と、半導体装置４と、電流検出器８と、磁極位置検出器９Ａ、９Ｂとを、モータケーシング内に内蔵した電子回路基板１０上に搭載した構成である。半導体装置４は、モータ筐体（ケーシング）下部に密着するように配置され、そのため、モータ筐体下部１８は、半導体装置４の放熱手段としての役割を果たすことができる。密着させる場合は、シリコーングリースを使ってもよい。

磁極位置検出器９Ａ、９Ｂは、永久磁石回転子１６の磁極位置検出精度を高めるため、モータ内蔵基板１０上では、永久磁石回転子１６側の面に配置する。制御装置３や電流検出器８は、永久磁石回転子１６側の面であっても、モータ筐体下部１８側の面であってもよい。図示しないコイル１１は、モータ筐体上部１３にはめ込まれ、永久磁石回転子１６は、シャフト１５と一体化している。このシャフト１５の永久磁石回転子１６より上の部分に軸受１４Ａが固定され、また、シャフト１５の下端部にも軸受１４Ｂが固定される。永久磁石回転子１６と軸受１４Ｂとの間には、モータ内蔵基板１０が配置される。引き出し配線１７は、ＶＤＣ用配線、ＶＣＣ用配線、ＧＮＤ用配線の電源用配線等である。

本実施例５では、鋼板モータとしたが、その限りではなく、例えばモールドされたモータの構成でもよい。その他は、実施例１と同様であるため説明を省略する。

本発明は、上記説明および図面に記載した実施例に限定されるものではなく、インダクタンスを用いたコンバータ等へも応用が可能である。

本発明の実施例１によるモータ駆動装置の全体構成図。本発明の実施例１における半導体装置４の詳細図。本発明の実施例１における制御装置３のＰＷＭパルス信号の演算方式例を示すタイミングチャート。本発明の実施例１における過電流発生時の電流径路説明図。本発明の実施例１における短絡と過負荷を見分ける過電流検出機能を示すタイミングチャート。本発明の実施例１による制御装置３の連続過電流監視機能を説明するタイミングチャート。本発明の実施例１による制御装置３の処理フロー図その１。本発明の実施例１による制御装置３の処理フロー図その２。本発明の実施例２によるモータ駆動装置の全体構成図。本発明の実施例２におけるプリドライバー半導体装置１９とスイッチング素子６Ａの詳細図。本発明の実施例３によるモータ駆動装置の全体構成図。本発明の実施例４によるモータ駆動装置の全体構成図。本発明の実施例５によるモータ駆動装置を内蔵するモータの分解斜視図。

符号の説明

１…商用交流電源、２…電源回路、３，３Ａ…制御装置、４，４Ａ…半導体装置（半導体モジュール）、５…駆動回路、６，６Ａ…スイッチング素子、７，７Ａ，７Ｂ…過電流検出手段、８…電流検出器、９，９Ａ，９Ｂ…磁極位置検出器、１０…モータ内蔵（電子回路）基板、１１…モータコイル、１２…モータ、１３…モータ筐体上部、１４Ａ、１４Ｂ…軸受、１５…シャフト、１６…永久磁石回転子、１７…引き出し配線、１８…モータ筐体下部、ＶＤＣ…直流高圧電源、ＶＣＣ…直流低圧電源、ＶＵＴ，ＶＵＢ，ＶＶＴ，ＶＶＢ，ＶＷＴ，ＶＷＢ…Ｕ〜Ｗ相上下アームへの各制御信号、ＶＦ…過電流検出信号、Ｆ…過電流検出信号出力端子、ＶＲＳ…電流検出器８の電圧、Ａ…遮断指令信号、Ｉ１〜Ｉ６…Ｕ〜Ｗ相上下アームの各スイッチング素子。

Claims

半導体スイッチング素子を含み直流電力を可変電圧・可変周波数の交流電力に変換する電力変換器と、前記半導体スイッチング素子にＰＷＭパルスを供給する駆動回路と、この駆動回路にＰＷＭ信号を出力するＰＷＭ変調部を含む制御装置と、前記電力変換器の交流出力を供給されて駆動されるモータと、前記電力変換器に流れる過電流を検出する過電流検出手段と、この過電流検出手段からの過電流信号を受けて前記半導体スイッチング素子を遮断状態とする保護装置とを備えたモータ駆動用の電力変換装置において、前記半導体スイッチング素子の前記遮断状態を第１の所定期間保持させる第１の遮断保持手段と、この第１の所定期間満了後の予定の期間内に前記過電流検出手段からの過電流信号が再発したとき、この再発に応じて遮断状態とした前記半導体スイッチング素子の遮断状態を、第１の所定期間よりも長い第２の所定期間保持させる第２の遮断保持手段と、前記第２の所定期間満了後の予定の期間内に前記過電流検出手段からの過電流信号が再発したとき、この再発に応じて遮断状態とした前記半導体スイッチング素子の遮断状態を、第２の所定期間よりも長い第３の所定期間保持させる第３の遮断保持手段を備えたことを特徴とするモータ駆動用の電力変換装置。
請求項１において、前記遮断保持の期間の延長は、前回のほぼ２倍の期間にそれぞれ延長するように構成したことを特徴とするモータ駆動用の電力変換装置。
請求項１または２において、所定回数延長後は、実質的に一定の遮断保持期間を繰り返すように構成したことを特徴とするモータ駆動用の電力変換装置。
請求項１〜３のいずれかにおいて、前記過電流検出手段は、前記電力変換器に流入する直流電流を検出する直流電流検出器と、この直流電流検出器の出力が所定レベルに達したとき前記過電流信号を出力する手段を備えたことを特徴とするモータ駆動用の電力変換装置。
半導体スイッチング素子を含み直流電力を可変電圧・可変周波数の交流電力に変換する電力変換器と、前記半導体スイッチング素子にＰＷＭパルスを供給する駆動回路と、この駆動回路にＰＷＭ信号を出力するＰＷＭ変調部を含む制御装置と、前記電力変換器の交流出力を供給されて駆動されるモータと、前記電力変換器に流れる過電流を検出する過電流検出手段と、この過電流検出手段からの過電流信号を受けて前記半導体スイッチング素子を遮断状態とする保護装置とを備えたモータ駆動装置において、前記半導体スイッチング素子の前記遮断状態を第１の所定期間保持させる第１の遮断保持手段と、この第１の所定期間満了後の予定の監視期間内に前記過電流検出手段からの過電流信号が再発したとき、この再発に応じて遮断状態とした前記半導体スイッチング素子の遮断状態を、第１の所定期間よりも長い第２の所定期間保持させる第２の遮断保持手段と、前記第２の所定期間満了後の予定の期間内に前記過電流検出手段からの過電流信号が再発したとき、この再発に応じて遮断状態とした前記半導体スイッチング素子の遮断状態を、第２の所定期間よりも長い第３の所定期間保持させる第３の遮断保持手段を備えたことを特徴とするモータ駆動装置。
請求項５において、前記遮断保持の期間の延長は、前回のほぼ２倍の期間に延長するように構成したことを特徴とするモータ駆動装置。
請求項５または６において、所定回数延長後は、実質的に一定の遮断保持期間を繰り返すように構成したことを特徴とするモータ駆動装置。
請求項５〜７のいずれかにおいて、前記過電流検出手段は、前記電力変換器に流入する直流電流を検出する直流電流検出器と、この直流電流検出器の出力が所定レベルに達したとき前記過電流信号を出力する手段を備え、前記半導体スイッチング素子と前記駆動回路および前記過電流検出手段を一体化した半導体モジュールとしたことを特徴とするモータ駆動装置。
請求項５〜８のいずれかにおいて、前記過電流検出手段は、前記電力変換器に流入する直流電流を検出する直流電流検出器と、この直流電流検出器の出力が所定レベルに達したとき前記過電流信号を出力する手段を備え、前記半導体スイッチング素子と前記駆動回路を一体化した半導体モジュールとするとともに、前記過電流検出手段を前記制御装置内に形成したことを特徴とするモータ駆動装置。
請求項５〜９のいずれかにおいて、前記モータに内蔵した電子回路基板を備え、この電子回路基板上に、前記半導体スイッチング素子と、前記駆動回路と、前記過電流検出手段と、前記制御装置とを搭載したことを特徴とするモータ駆動装置。
半導体スイッチング素子を含み直流電力を可変電圧・可変周波数の交流電力に変換する電力変換器と、前記半導体スイッチング素子にＰＷＭパルスを供給する駆動回路と、この駆動回路にＰＷＭ信号を出力するＰＷＭ変調部を含む制御装置と、前記電力変換器の交流出力を供給されて駆動されるモータと、前記電力変換器に流れる過電流を出力短絡による過電流とその他の過電流とを区別して検出する過電流検出手段と、この過電流検出手段からの過電流信号を受けて前記半導体スイッチング素子を遮断状態とする保護装置とを備えたモータ駆動装置において、前記半導体スイッチング素子の前記遮断状態を第１の所定期間保持させる第１の遮断保持手段と、この第１の所定期間満了後の予定の監視期間内に前記過電流検出手段から前記出力短絡による過電流信号が発生したとき、この発生に応じて遮断状態とした前記半導体スイッチング素子の遮断状態を、第１の所定期間よりも長い第２の所定期間保持させる第２の遮断保持手段と、前記第２の所定期間満了後の予定の期間内に前記過電流検出手段から前記出力短絡による過電流信号が再発したとき、この再発に応じて遮断状態とした前記半導体スイッチング素子の遮断状態を、第２の所定期間よりも長い第３の所定期間保持させる第３の遮断保持手段を備えたことを特徴とするモータ駆動装置。
請求項１１において、前記第１の遮断保持手段は、前記出力短絡による過電流信号に基く遮断保持期間をその他の過電流信号に基く遮断保持期間よりも長く設定したことを特徴とするモータ駆動装置。
請求項１１または１２において、前記遮断保持の期間の延長は、前回のほぼ２倍の期間に延長するように構成したことを特徴とするモータ駆動装置。
請求項１１〜１３のいずれかにおいて、所定回数延長後は、実質的に一定の遮断保持期間を繰り返すように構成したことを特徴とするモータ駆動装置。
半導体スイッチング素子を含み直流電力を可変電圧・可変周波数の交流電力に変換する電力変換器と、前記半導体スイッチング素子にＰＷＭパルスを供給する駆動回路と、この駆動回路にＰＷＭ信号を出力するＰＷＭ変調部を含む制御装置と、前記電力変換器に流れる過電流を検出する過電流検出手段と、この過電流検出手段からの過電流信号を受けて前記半導体スイッチング素子を遮断状態とする保護装置と、前記半導体スイッチング素子の前記遮断状態を第１の所定期間保持させる第１の遮断保持手段と、この第１の所定期間満了後の予定の監視期間内に前記過電流検出手段からの過電流信号が再発したとき、この再発に応じて遮断状態とした前記半導体スイッチング素子の遮断状態を、第１の所定期間よりも長い第２の所定期間保持させる第２の遮断保持手段と、前記第２の所定期間満了後の予定の期間内に前記過電流検出手段から前記出力短絡による過電流信号が再発したとき、この再発に応じて遮断状態とした前記半導体スイッチング素子の遮断状態を、第２の所定期間よりも長い第３の所定期間保持させる第３の遮断保持手段とを、モータの筐体に内蔵した電子回路基板上に搭載するとともに、前記電力変換器の交流出力を供給されて駆動されるように配線したことを特徴とするモータ。
半導体スイッチング素子を含み直流電力を可変電圧・可変周波数の交流電力に変換する電力変換器と、前記半導体スイッチング素子にＰＷＭパルスを供給する駆動回路と、この駆動回路にＰＷＭ信号を出力するＰＷＭ変調部を含む制御装置と、前記電力変換器の交流出力を供給されて駆動されるモータと、前記電力変換器に流れる過電流を検出する過電流検出手段と、この過電流検出手段からの過電流信号を受けて前記半導体スイッチング素子を遮断状態とする保護装置とを備えたモータ駆動方法において、前記半導体スイッチング素子の前記遮断状態を第１の所定期間保持させる第１の遮断保持ステップと、この第１の所定期間満了後の予定の監視期間内に前記過電流検出手段からの過電流信号が再発したとき、この再発に応じて遮断状態とした前記半導体スイッチング素子の遮断状態を、第１の所定期間よりも長い第２の所定期間保持させる第２の遮断保持ステップと、前記第２の所定期間満了後の予定の期間内に前記過電流検出手段からの過電流信号が再発したとき、この再発に応じて遮断状態とした前記半導体スイッチング素子の遮断状態を、第２の所定期間よりも長い第３の所定期間保持させる第３の遮断保持ステップを備えたことを特徴とするモータ駆動方法。
請求項１６において、前記遮断保持の期間の延長に際し、前回のほぼ２倍の期間にそれぞれ延長するステップを備えたことを特徴とするモータ駆動方法。