JP5750799B2 - インバータ装置 - Google Patents

Description

本発明は、インバータ回路の直列接続された第１及び第２のスイッチング素子のうち、下アームの第２のスイッチング素子をオンオフ駆動してブートストラップコンデンサを初期充電するインバータ装置に関し、特にブートストラップコンデンサの初期充電中の過電流保護動作を確実に実行しようとするインバータ装置に係るものである。

従来のこの種のインバータ装置は、相補的にオンオフ駆動される上アームの第１のスイッチング素子と下アームの第２のスイッチング素子とを直列に接続して有するインバータ回路と、第１のスイッチング素子を駆動する第１の駆動回路と、第２のスイッチング素子を駆動する第２の駆動回路と、第２のスイッチング素子がオン動作中に、外部の直流電源によって充電される電力を電源電圧として第１の駆動回路に供給するブートストラップコンデンサと、このブートストラップコンデンサと上記直流電源との間に設けられ、ブートストラップコンデンサへの充電電流を制限する電流制限抵抗と、を備え、第２の駆動回路から出力されるオンオフ信号により、第２のスイッチング素子を駆動してブートストラップコンデンサの初期充電を行うようになっていた（例えば、特許文献１参照）。

特開２０００−２３４８４号公報

しかし、このような従来のインバータ装置においては、ブートストラップコンデンサの初期充電時に第２のスイッチング素子を駆動する信号のオンオフデューティは５０％に設定されているものの、オン時間については何ら設定されていなかった。したがって、このオン時間が、第２のスイッチング素子がオン動作中に第２のスイッチング素子とグランド（接地）との間に設けられたシャント抵抗を流れる電流を検出し、これを制御手段で処理して過電流であることを判定してから第２のスイッチング素子をオフ駆動させるまでに要する時間よりも短いときには、過電流保護動作を実施することができない。したがって、インバータ回路に過電流が流れ続け、発煙発火等の異常をきたすおそれがあった。

そこで、本発明は、このような問題点に対処し、ブートストラップコンデンサの初期充電中の過電流保護動作を確実に実行しようとするインバータ装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明によるインバータ装置は、相補的にオンオフ駆動される上アームの第１のスイッチング素子と下アームの第２のスイッチング素子とを直列に接続して有するインバータ回路と、前記第１のスイッチング素子を駆動する第１の駆動回路と、前記第２のスイッチング素子を駆動する第２の駆動回路と、前記第２のスイッチング素子がオン動作中に外部の直流電源から充電される電力を電源電圧として前記第１の駆動回路に供給するブートストラップコンデンサと、前記ブートストラップコンデンサと前記直流電源との間に設けられ、前記ブートストラップコンデンサへの充電電流を制限する電流制限抵抗と、前記第１及び第２の駆動回路に前記第１及び第２のスイッチング素子を駆動する制御信号を出力する制御手段と、を備え、前記第２の駆動回路から出力されるオンオフ信号により、前記第２のスイッチング素子を駆動して前記ブートストラップコンデンサの初期充電を行うインバータ装置であって、前記オンオフ信号のオン時間は、前記第２のスイッチング素子がオン動作してから、これを流れる電流の電流情報が前記制御手段まで伝搬される伝搬時間、前記制御手段が過電流であることを判定する処理時間及び前記第２の駆動回路における遅延時間の総和に、各時間のばらつきを考慮した余裕時間を加算した時間に等しいものである。

このような構成により、ブートストラップコンデンサへの初期充電時には、第２の駆動回路から出力するオンオフ信号によりインバータ回路の下アームの第２のスイッチング素子を駆動し、外部の直流電源から電流制限抵抗を介してブートストラップコンデンサに充電電流を供給する。その際、上記オンオフ信号のオン時間を、第２のスイッチング素子がオン動作してから、これを流れる電流の電流情報が制御手段まで伝搬される伝搬時間、制御手段が過電流であることを判定する処理時間及び第２の駆動回路における遅延時間の総和に、各時間のばらつきを考慮した余裕時間を加算した時間に等しく設定しておく。

さらに、前記オンオフ信号のオン時間は、前記ブートストラップコンデンサの充電中に発生する前記直流電源の電圧変動が許容値内に制限し得る時間内に設定するとよい。

また、前記電流制限抵抗に対して並列に、前記ブートストラップコンデンサの初期充電が完了すると前記電流制限抵抗の両端を短絡させる第３のスイッチング素子をさらに備えてもよい。

請求項１に係る発明によれば、例えばインバータ回路の上アームの第１のスイッチング素子が短絡故障している場合に、下アームの第２のスイッチング素子のオン時間として、過電流保護機能を発揮させるのに最低必要な時間を確保することができる。したがって、ブートストラップコンデンサの初期充電中の過電流保護動作を確実に実行することができ、インバータ回路の発煙発火等の異常発生を回避することができる。

また、請求項２に係る発明によれば、ブートストラップコンデンサの充電中に、外部の直流電源が電圧変動するのを抑制することができる。したがって、この直流電源の電圧変動により、周辺回路が異常動作をするのを防止することができる。

そして、請求項３に係る発明によれば、電流制限抵抗をより大きくしてブートストラップコンデンサの初期充電時に発生する突入電流をより低減することができる。さらに、初期充電が完了して通常運転に移行した後は、外部の直流電源から電流制限抵抗を介さず、直接充電することができ、第１の駆動回路の電源電圧変動が抑制され、装置の安定動作を維持することができる。

本発明によるインバータ装置の第１の実施形態の概略構成を示す回路図である。 上記第１の実施形態の動作を示す説明図である。 本発明によるインバータ装置の第２の実施形態の要部を示す回路図である。 上記第２の実施形態の動作を示す説明図である。 上記第２の実施形態の別の動作を示す説明図である。 本発明によるインバータ装置の第３の実施形態の要部を示す回路図である。

以下、本発明の実施形態を添付図面に基づいて詳細に説明する。図１は本発明によるインバータ装置の第１の実施形態の概略構成を示す回路図である。このインバータ装置１は、インバータ回路の直列接続された第１及び第２のスイッチング素子のうち、下アームの第２のスイッチング素子をオンオフ駆動してブートストラップコンデンサを初期充電するもので、インバータ回路２と、第１の駆動回路３と、第２の駆動回路４と、ブートストラップコンデンサ５と、電流制限抵抗６と、制御手段７と、を備えて構成されている。

上記インバータ回路２は、直流電圧から交流電圧を生成して電動機、例えばコンプレッサを駆動するものであり、相補的にオンオフ駆動される上アームの第１のスイッチング素子（ＩＧＢＴ）８と下アームの第２のスイッチング素子（ＩＧＢＴ）９とを直列に接続して有している。なお、図１は、ｎ相のインバータ回路２の１例としてハーフブリッジの場合を示している。

上記インバータ回路２の第１のスイッチング素子８に接続して、第１の駆動回路３が設けられている。この第１の駆動回路３は、第１のスイッチング素子８をパルス幅変調（以下「ＰＷＭ」という）信号によりオンオフ駆動するもので、外部の直流電源である第１の直流電源１０により後述のブートストラップコンデンサ５に充電された電力を電源電圧として使用するようになっている。

上記インバータ回路２の第２のスイッチング素子９に接続して、第２の駆動回路４が設けられている。この第２の駆動回路４は、第２のスイッチング素子９をＰＷＭ信号によりオンオフ駆動するもので、第１の直流電源１０を電源として使用するようになっている。そして、ブートストラップコンデンサ５の初期充電時には、図２に示すようにオン時間ｔ、周期Ｔのオンオフ信号を一定時間だけ出力して第２のスイッチング素子９をオフオフ駆動させるように動作する。

この場合、ブートストラップコンデンサ５の初期充電時に第２の駆動回路４から出力されるオンオフ信号のオン時間ｔは、少なくとも、第２のスイッチング素子９がオン動作してから、第２のスイッチング素子９とグランド（接地）との間に設けられたシャント抵抗１１を流れる電流の電流情報に基づいて後述の制御手段７内で処理して過電流であることを判定し、第２のスイッチング素子９をオフ駆動させるまでに要する時間に略等しくなるように設定される。

より詳細には、上記オン時間ｔは、シャント抵抗１１による検出電流の制御手段７までの伝播時間、制御手段７内での処理時間、及び第２の駆動回路４における遅延時間の総和に、各時間のばらつきを考慮し所望の余裕時間を加算して設定される。

好ましくは、上記オン時間ｔは、上記総遅延時間以上であって、ブートストラップコンデンサ５の充電中に発生する上記第１の直流電源１０の電圧変動が許容値内に制限し得る時間内に設定するとよい。

なお、本実施形態においては、本発明のインバータ装置１の最悪駆動条件として、設計値の許容ばらつき範囲内で上記第１の直流電源１０に並列に接続される平滑コンデンサ１２の静電容量を最小にし、後述の電流制限抵抗６を最小にし、ブートストラップコンデンサ５の静電容量を最大にして実験を行い、オン時間をｔ＝５μｓｅｃ、周期をＴ＝１００μｓｅｃに設定した。また、同条件の下でブートストラップコンデンサ５を十分に充電し得る時間、即ちブートストラップコンデンサ５の充電電圧が第１の直流電源１０の電圧と略等しくなるまでの初期充電時間を１４ｍｓｅｃに設定した。

上記第１のスイッチング素子８と第２のスイッチング素子９との接続部ａに一端部を接続し、他端部を上記第１の駆動回路３の電源端子部ｂに接続して、ブートストラップコンデンサ５が設けられている。このブートストラップコンデンサ５は、第２のスイッチング素子９がオン動作中に、第１の直流電源１０から充電される電力を電源電圧として第１の駆動回路３に供給するもので、耐震性の大きい小型のセラッミクコンデンサである。

上記ブートストラップコンデンサ５と第１の直流電源１０との間には、電流制限抵抗６が設けられている。この電流制限抵抗６は、ブートストラップコンデンサ５への充電電流を制限するもので、一端部をブートストラップコンデンサ５の上記他端部（第１の駆動回路３の電源端子部ｂ）に接続し、他端部を第１の直流電源１０の出力側に設けられたダイオード１３のカソードに接続している。

上記第１の駆動回路３及び第２の駆動回路４に接続して、制御手段７が設けられている。この制御手段７は、第１及び第２の駆動回路３，４に制御信号を出力して、第１及び第２のスイッチング素子８，９を相補的にオンオフ駆動させるものであり、マイクロコンピュータである。そして、インバータ回路２の下アームの複数のスイッチング素子に接続されたシャント抵抗を流れる電流の電流情報をフィードバックしてこれを処理し、インバータ回路２を構成する複数のスイッチング素子の各駆動回路から出力するＰＷＭ信号のデューティー比を制御して電動機の適切な駆動状態を維持できるようになっている。

なお、図１において符号１４は、外部に設けた第２の直流電源であり、インバータ回路２の電源となるものである。

次に、このように構成されたインバータ装置１の動作について説明する。
先ず、図示省略の運転スイッチが投入されると、制御手段７から制御信号が第２の駆動回路４に出力され、第２の駆動回路４から第２のスイッチング素子９に対して図２に示すようなオン時間がｔ＝５μｓｅｃ、周期がＴ＝１００μｓｅｃのＰＷＭ信号が出力されて第２のスイッチング素子９がオンオフ駆動される。このとき、ブートストラップコンデンサ５は未充電状態にあるため、ブートストラップコンデンサ５の充電電力を電源電圧とする第１の駆動回路３は駆動しておらず、第１のスイッチング素子８もオフしたままである。

第２のスイッチング素子９がオン駆動している５μｓｅｃの間、図１に破線の矢印で示す経路を経て充電電流が流れ、ブートストラップコンデンサ５が電流制限抵抗６を通して漸次充電される。以後、第２のスイッチング素子９がオン時間ｔ＝５μｓｅｃ、周期Ｔ＝１００μｓｅｃで繰り返しオンオフ駆動され、ブートストラップコンデンサ５の充電が予め設定された初期充電時間としての１４ｍｓｅｃの間、断続的に続く。これにより、ブートストラップコンデンサ５の充電電圧は漸増し、最終的に第１の直流電源１０の電圧に略等しくなって初期充電が終了する。

この場合、ブートストラップコンデンサ５への充電電流が電流制限抵抗６により制限されると共に、充電時間が第２のスイッチング素子９のオン時間ｔにより制限されるため、ブートストラップコンデンサ５の初期充電時に大きな突入電流が流れて第１の直流電源１０の許容出力電力を超えてしまい、第１の直流電源１０の出力電圧が低下して制御手段７の動作が停止するという異常動作の発生を回避することができる。

ここで、本発明のインバータ装置１においては、初期充電時における第２のスイッチング素子９のオン時間ｔを、第２のスイッチング素子９がオン動作してから、シャント抵抗１１を流れる電流の電流情報に基づいて過電流であることが判定され、第２のスイッチング素子９がオフ駆動されるまでに要する時間に略等しい５μｓｅｃに設定しているため、例えば第１のスイッチング素子８が短絡故障して過電流が流れた場合に、それを検出して過電流保護動作を確実に実行することができる。したがって、過電流が流れ続けることによる装置の発煙発火の問題の発生を回避することができる。また、過電流が長時間流れ続けることによる第１の直流電源１０の電圧変動も抑制することができる。

図３は本発明によるインバータ装置１の第２の実施形態の要部を示す回路図である。ここでは、第１の実施形態と異なる部分について説明する。
この第２の実施形態は、ダイオード１３のアノードに接続して設けた電流制限抵抗６に対して並列にＭＯＳＦＥＴから成る第３のスイッチング素子１５を設け、該第３のスイッチング素子１５をオンオフ駆動する第３の駆動回路１６を備えたものである。なお、同図において、ダイオード１３とブートストラップコンデンサ５との間に設けた抵抗１７は、電流制限抵抗６と協働してブートストラップコンデンサ５の充電電流を制限するものであるが、省略してもよい。

このような構成により、第２の実施形態においては、ブートストラップコンデンサ５への初期充電時には、図４に示すように第３の駆動回路１６から第３のスイッチング素子１５のオフ信号を出力し、第３のスイッチング素子１５をオフ駆動させると共に、第２の駆動回路４により第２のスイッチング素子９をオンオフ駆動する。これにより、ブートストラップコンデンサ５には、第１の直流電源１０から電流制限抵抗６を介して充電電流が供給され、ブートストラップコンデンサ５が充電される。

また、充電開始から一定の初期充電時間が経過し、ブートストラップコンデンサ５が十分に充電されと、第３の駆動回路１６からオン信号が第３のスイッチング素子１５に出力され、第３のスイッチング素子１５がオン駆動されて電流制限抵抗６の両端が短絡される。また、第２の駆動回路４のオフ信号により第２のスイッチング素子９がオフ駆動される。以降、第３の駆動回路１６により第３のスイッチング素子１５がオン駆動された状態で第１及び第２のスイッチング素子８，９がそれぞれ所定のＰＷＭ信号により駆動されて、装置が通常運転を行う。したがって、装置の通常運転時には、ブートストラップコンデンサ５は、充電電流が電流制限抵抗６を経ずに第１の直流電源１０から第３のスイッチング素子１５を介して充電されることになる。

この場合、第３のスイッチング素子１５の内部抵抗は、電流制限抵抗６に比べて極めて小さく略短絡状態と等価であるため、電動機の運転によりブートストラップコンデンサ５の充電電力が放電して充電量が低下しても、第１の直流電源１０から直ちに充電が行われる。したがって、通常運転時における第１の駆動回路３の電源電圧変動が抑制され、装置の安定動作が維持される。

なお、上記第１及び第２の実施形態においては、第２のスイッチング素子９をＰＷＭ駆動して初期充電する場合について説明したが、図５に示すように、ブートストラップコンデンサ５の充電が完了するまで、第２のスイッチング素子９を常時オン駆動させてもよい。この場合、電流制限抵抗６としては、充電時に大きな突入電流が発生しないように、より大きな抵抗値のものを使用するとよい。

図６は本発明によるインバータ装置１の第３の実施形態の概略構成を示す回路図である。ここでは、第２の実施形態と異なる部分について説明する。
この第３の実施形態は、上記第２の実施形態の電流制限抵抗６を取除いたものであり、ダイオード１３のアノードに直列にＭＯＳＦＥＴから成る第３のスイッチング素子１５を接続した構成を成している。

このような構成により、第３の実施形態は、初期充電時に第２のスイッチング素子９をオン駆動すると共に、第３の駆動回路１６により上記第３のスイッチング素子１５を一定のパルス幅及び周期でＰＷＭ駆動してブートストラップコンデンサ５への充電を行う。そして、ブートストラップコンデンサ５への充電が完了すると、常時オン駆動させる。

これにより、初期充電時に大きな突入電流が流れるのを防止すると共に、第２のスイッチング素子９を過電流が流れた際に、装置を確実に停止させて過電流保護機能を発揮させることができる。また、第３のスイッチング素子１５としては、大電力のＩＧＢＴよりも省電力で応答速度の速いＭＯＳＦＥＴを使用することができ、省電力及びレスポンス等の制御性の向上を図ることができる。

１…インバータ装置
２…インバータ回路
３…第１の駆動回路
４…第２の駆動回路
５…ブートストラップコンデンサ
６…電流制限抵抗（抵抗）
７…制御手段
８…第１のスイッチング素子
９…第２のスイッチング素子
１０…第１の直流電源（外部の直流電源）
１５…第３のスイッチング素子
１６…第３の駆動回路

Claims (3)

1. 相補的にオンオフ駆動される上アームの第１のスイッチング素子と下アームの第２のスイッチング素子とを直列に接続して有するインバータ回路と、
   前記第１のスイッチング素子を駆動する第１の駆動回路と、
   前記第２のスイッチング素子を駆動する第２の駆動回路と、
   前記第２のスイッチング素子がオン動作中に外部の直流電源から充電される電力を電源電圧として前記第１の駆動回路に供給するブートストラップコンデンサと、
   前記ブートストラップコンデンサと前記直流電源との間に設けられ、前記ブートストラップコンデンサへの充電電流を制限する電流制限抵抗と、
   前記第１及び第２の駆動回路に前記第１及び第２のスイッチング素子を駆動する制御信号を出力する制御手段と、
   を備え、前記第２の駆動回路から出力されるオンオフ信号により、前記第２のスイッチング素子を駆動して前記ブートストラップコンデンサの初期充電を行うインバータ装置であって、
   前記オンオフ信号のオン時間は、前記第２のスイッチング素子がオン動作してから、これを流れる電流の電流情報が前記制御手段まで伝搬される伝搬時間、前記制御手段が過電流であることを判定する処理時間及び前記第２の駆動回路における遅延時間の総和に、各時間のばらつきを考慮した余裕時間を加算した時間に等しいことを特徴とするインバータ装置。
2. 前記オンオフ信号のオン時間は、前記ブートストラップコンデンサの充電中に発生する前記直流電源の電圧変動が許容値内に制限し得る時間内に設定されたことを特徴とする請求項１に記載のインバータ装置。
3. 前記電流制限抵抗に対して並列に、前記ブートストラップコンデンサの初期充電が完了すると前記電流制限抵抗の両端を短絡させる第３のスイッチング素子をさらに備えたことを特徴とする請求項１又は２に記載のインバータ装置。