JPH07194138A

JPH07194138A - インバータ装置

Info

Publication number: JPH07194138A
Application number: JP5337302A
Authority: JP
Inventors: Eiji Hiraki; 英治平木; Takeshi Sugihara; 毅杉原; Jiro Kondo; 二郎近藤; Seiji Tamura; 精二田村
Original assignee: Mazda Motor Corp
Current assignee: Mazda Motor Corp
Priority date: 1993-12-28
Filing date: 1993-12-28
Publication date: 1995-07-28

Abstract

(57)【要約】（修正有）【目的】簡単な構成で、一対のスイッチの切り替わりの
際のダイオードの逆回復電流を有効に防止して、インバ
ータ回路の短絡状態を解消することができるインバータ
回路を提供する。【構成】一方のスイッチをオンする場合には、スイッチ
ング信号がゲート駆動回路１４から出力されてトランジ
スタ６のベース端子６ａに、緩和回路１７を介して印加
される。このとき同時に、他方のスイッチ９のトランジ
スタ６には、ゲート駆動回路１４からオフ信号が入力さ
れる。一方のスイッチ８のオン動作は遅い立ち上がり特
性を有するのでそのオン動作は他方のスイッチ９のオフ
動作から僅かに遅れて生じる。そして、一方のスイッチ
８を構成するダイオード７は、逆回復の時間が必要であ
るため、当該他のスイッチ９へのオフ信号の入力があっ
てから僅かな時間の後、オフ状態となるため、逆回復電
流に伴う、スイッチング損失、電気機器、補機等へのノ
イズ等の弊害を有効に除去することができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、インバータ装置に関し
特に電気自動車の駆動に好適のインバータ装置に関す
る。

【０００２】

【従来の技術】電車、電気自動車等の電気を動力とする
車両を走行させるために３相交流モータを使用すること
はよく知られている。３相交流モータはインバータを用
いることにより回転速度制御が容易であるので加減速が
伴う車両の走行制御に好適である。ところで、電気自動
車の走行は、電車と異なり急激な加減速を伴うので、応
答性の高い３相交流モータの制御が要求されるとともに
正確な制御が必要となる。電気自動車の場合は、電力源
はバッテリーすなわち直流電源を使用することが前提と
なる。特開平３−２７７１０１号公報にはインバータ装
置を用いた電気自動車の制御装置が開示されている。こ
の場合、直流モータを使用すれば、バッテリーからの電
源をそのまま使用できるので便宜であるが、直流モータ
の場合には、整流子のブラシを設けることが不可欠とな
り、ブラシのメンテナンスの高回転化による小型化、大
出力化がし難いという問題がある。したがって、電気自
動車においては、駆動源として直流モータではなく、３
相交流モータを使用することが最近の傾向となってい
る。しかし、バッテリー電源を使用して３相交流モータ
を駆動するには、直流−交流インバータ使用することが
不可欠となる。

【０００３】この場合、上記のように電気自動車等の駆
動のためには３相交流モータの回転数、発生トルクを制
御する必要があるので、３相交流モータへの制御電流す
なわち、直流−交流インバータの出力電圧及び周波数を
可変制御する必要がある。インバータの電圧の制御に
は、ＰＡＭ方式とＰＷＭ方式とのとがよく知られている
が、迅速な電流変化に対応させるためには、ＰＷＭ方式
の方がＰＡＭ方式よりも適している。３相電圧形インバ
ータはトランジスタとそれに逆並列接続されたダイオー
ドを組として１個のスイッチが構成され、１相につき２
個のスイッチ、３相で６個のスイッチから成っている。
３相電圧形インバータでは、モータに印加する電圧を電
力変換回路内のトランジスタのデューティ比をを変える
ことにより平均的に変えることができる。つまり、デュ
ーティ比の変化率を大きくすると、、電圧の変化が早く
なる。また、オン・オフがなされる周期の連続する周期
のデューティ比を正弦波状に変えることにより等価的に
正弦波電圧を出力することができる。そして、正弦波の
周期を変化させるようにオン、オフ制御することによっ
てモータの回転数を変化させることができる。すなわ
ち、正弦波の周期が長くなるようにトランジスタのオ
ン、オフ制御を行なうとモータの回転は遅くなり、正弦
波の周期が短くなるようにトランジスタのオン、オフ制
御を行なうとモータの回転は速くなる。モータの回転と
電気自動車の速度とは対応するので、３相電圧形インバ
ータ装置における各スイッチを構成するトランジスタの
オン、オフ制御を行なうことによって、モータの回転速
度を制御でき、車速を制御することができるものであ
る。したがって、運転者がアクセルを踏んで加速要求を
した場合には、上記トランジスタのオン、オフのタイミ
ングを正弦波の周期を短くするように制御することよっ
て運転者の要求に応えることができる。

【０００４】米国特許第４、８７３、４７８号公報に
は、電気自動車を駆動するインバータ装置を使用するこ
とが開示されている。この開示された構成では、３相交
流を受け入れて適正な３相交流モータの制御特に、低速
および走行開始時の速度制御をスムーズに行なうための
制御回路を提供している。上記のようにこの公知技術で
は、３相交流を受け入れたのちの制御にかかるもので、
本発明が直面する直流−交流インバータ装置における問
題を有しないものである。

【０００５】

【解決しようとする課題】ところで、上記３相電圧形イ
ンバータに使用されるトランジスタのオン、オフ制御に
おいて、各相の２個のスイッチが同時にオン状態ならな
いように制御する必要がある。同時に両者がオン状態と
なると直流電源が短絡する結果となるからである。しか
し、トランジスタのオン状態がかさならないようにスイ
ッチを制御してもスイッチのオン、オフの切り替わりの
際には、以下のような問題が生じる。トランジスタと逆
並列関係で接続され、ある相の一方のスイッチを構成す
るダイオードが導通しているときに、その相の他方のス
イッチを構成するトランジスタがオンとなると、ダイオ
ードが逆回復するための電流、すなわち、逆回復電流が
流れる。この逆回復電流が流れる間、瞬時ではあるが、
当該一方のスイッチのダイオードを逆方向に流れるため
短絡回路が形成されることになる。この逆回復電流が大
きい場合には、スイッチチング損失が増大したり、破損
したりするおそれが生じる。また、大きくなくとも他の
車載の電子、電気機器、補機等ののノイズの原因にな
る。

【０００６】この逆回復電流を減少するためには、極め
て高価なダイオードを使用せざるを得ないという問題が
ある。したがって、本発明の目的は簡単な構成で、上記
のような一対のスイッチの切り替わりの際のダイオード
の逆回復電流を有効に防止して、インバータ装置の短絡
状態を解消することができるインバータ装置を提供する
ことを目的とする。さらに本発明の目的は、上記ダイオ
ードの逆回復電流を無くすことによって、迅速なインバ
ータ装置のスイッチング動作を支障なく行わせることが
でき、したがって、加速応答性の高い電気自動車に有効
に適用することができるインバータ装置を提供すること
である。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明は上記目的を達成
するために以下のように構成される。すなわち、本発明
は、スイッチングトランジスタのスイッチング制御端子
にパルス信号を出力し、直流−交流変換を行なうインバ
ータ装置において、前記スイッチングトランジスタの前
記スイッチング制御端子に印加される電圧パルスの立ち
上がり特性を急峻な特性から緩慢な特性に緩和する緩和
回路を備えたことを特徴とする。本発明の好ましい態様
では、上記緩和回路は第１の抵抗と、第２の抵抗とを前
記スイッチング制御端子に並列に接続するとともに、前
記第１の抵抗および第２の抵抗の内の一方の抵抗に前記
スイッチングトランジスタのスイッチング制御端子から
の逆流電流を許容するダイオードを直列に接続した構成
を有することを特徴とする。本発明の好ましい態様で
は、３相交流モータを制御するために、３相電圧形ＰＷ
Ｍインバータが使用され、該インバータは６つのスイッ
チから構成され、各スイッチは、トランジスタとこのト
ランジスタと逆並列に接続されたダイオードとを備えて
いる。

【０００８】

【作用】本発明によれば、３相交流モータの制御に好適
のインバータ装置が設けられ、このインバータ装置は、
スイッチングトランジスタのスイッチング動作の際にお
ける逆回復電流が生じないように構成される。この場
合、スイッチングトランジスタのスイッチング制御端子
すなわちゲート端子は、３相交流を作るために、パルス
幅が制御され、この結果３対の出力端子間に生じる電圧
が、それぞれ正弦特性となるように各スイッチのオン、
オフが行われるようになっている。このスイッチングト
ランジスタのオン、オフ制御の為に、スイッチング制御
信号を出力する制御回路が付随して設けられる。このス
イッチング制御回路は、上記のようにパルス幅を制御し
て、３相交流モータの各相の、電圧変化が正弦曲線とな
るように、かつその３相がそれぞれ１２０°ずつ位相ず
れが生じるようにオン、オフ制御するものである。この
場合、各相における一対のトランジスタは、一方がオン
からオフにスイッチングされる場合には、他方は必ず、
オフからオンになるように制御される。この一方のトラ
ンジスタのオフ動作と、他方のトランジスタのオン動作
とは、必ずこの順序で生じ、、両者がオン状態とならな
いように制御される。この場合、３相交流モータの回転
が速まる場合には、６つのスイッチのデューティ比の変
化率が大きくなり、３相交流の正弦波の周期が短くなる
ように制御される。

【０００９】この回路構造において、１相の一対のスイ
ッチングトランジスタの制御のオン状態が重ならないよ
うに制御するだけでは、上記したようにトランジスタと
逆並列に接続されたダイオードの逆回復電流に基づく支
障が生じる。この場合、一方のスイッチングトランジス
タがオフになった直後に、これと逆並列関係にあるダイ
オードが導通状態にあり、この導通状態にあるときに他
方のスイッチングトランジスタがオンになって上記の逆
回復電流が流れる。このことに鑑み、本発明では、スイ
ッチングトランジスタのスイッチング制御端子とスイッ
チング制御回路との間に緩和回路を設けている。この緩
和回路は、上記一方のスイッチングトランジスタがオフ
になっても逆並列状態にあるダイオードが導通状態にあ
るとき、他方のスイッチングトランジスタの電圧の立ち
上げを緩和して、逆回復電流が上記のダイオードに流通
しないように動作する。この緩和回路は、各パワートラ
ンジスタに対して設けられているが、上記のようにトラ
ンジスタをオンにする際の立ち上がり特性を緩和するよ
うに動作するだけであり、トランジスタのオフ動作はの
特性は急峻であり、これを緩和するようには作用しない
ように構成されている。

【００１０】この緩和回路は、たとえば、スイッチング
制御端子に電圧信号を入力する電圧駆動型のスイッチン
グトランジスタであり、トランジスタのスイッチング端
子とスイッチング制御回路との間に抵抗値を設け、この
抵抗値がトランジスタのオン動作の際には大きく、かつ
オフ動作の際には小さくなるように構成すればよい。た
とえば、一方の抵抗と並列にダイオードを設け、このダ
イオードを、オン信号が入力されたときには、実質的に
ダイオードがその抵抗からトランジスタへのながれを阻
止する方向に接続する。したがって、この場合には、ス
イッチング制御回路からの信号電流は他方の抵抗を介し
てのみ導入される。したがって、回路の抵抗は大きくな
り、電圧駆動型スイッチングトランジスタの有する入力
容量と回路抵抗とによる時定数が大きいためトランジス
タのスイッチングのオン動作は遅れる。これによって、
ある相の切り替わり状態において、上記他方のスイッチ
のトランジスタがオンする際には、立ち上がり動作が鈍
くなるので一方のスイッチのダイオードが逆回復するま
では、実質的にオンにならない。また、トランジスタが
オフする場合には、上記抵抗と直列に接続されたダイオ
ードは、トランジスタのゲート端子からの電流を通過さ
せるのでトランジスタからの電流は、並列に接続された
２つの抵抗を介して流れる。したがって、オフ動作にお
いては、回路の抵抗値は極めて小さくなるので、電圧駆
動型スイッチングトランジスタの有する入力容量と回路
抵抗とによる時定数は小さくなるためトランジスタの動
作は迅速である。このように、本発明のこの構成によ
り、トランジスタのオン動作の応答だけが遅くなること
となる。

【００１１】なお、トランジスタのオン動作の立ち上が
り特性をどの程度、緩和するかについては抵抗値を調整
することによって自由に調整することができる。

【００１２】

【実施例】以下、図面を参照して本発明の実施例につき
説明する。図１を参照すると、本発明の１実施例にかか
るインバータ装置１の回路図が示されている。本実施例
にかかるインバータ装置１は、電気自動車に適用された
例を示すものであって、バッテリー電源２によって、３
相交流モータ３を駆動し、自動車の走行させるようにし
たものである。図１において、インバータ装置１は一方
において、直流電源であるバッテリに２接続されてい
る。インバータ装置１の出力側は、３相交流モータ３に
接続されており３相交流モータ３によって回転動力に変
換される。３相交流モータ３の出力軸４の動力は、動力
伝達系列（図示せず）を介して各車輪５に伝達されるよ
うになっている。本例のインバータ１は３相電圧形ＰＷ
Ｍインバータであって、３相電圧形インバータはスイッ
チングトランジスタ６（本実施例ではパワートランジス
タを用いる）とそれに逆並列接続されたダイオードを組
として１個のスイッチ７が構成され、１相につき２個の
スイッチ８、９、３相で６個のスイッチ８、９、１０、
１１、１２および１３から成っている。３相電圧形イン
バータでは、モータに印加する電圧を電力変換回路内の
トランジスタ６のオン、オフの時間比率を変えることに
より平均的に変えることができるようになっている。

【００１３】インバータ装置６の各トランジスタのスイ
ッチング制御端子すなわちベース電極端子６ａは、各ス
イッチのスイッチングタイミングを制御するスイッチン
グ信号を出力するゲート駆動回路１４に接続されてい
る。ゲート駆動回路１４は、さらにＣＰＵ１５に接続さ
れており、ＣＰＵ１５はスイッチングの生じるタイミン
グを制御する。ＣＰＵ１５はアクセル１６に接続されて
おり、アクセルの踏み込み度合いなわち、運転者が発す
る加速要求度合いに応じて、スイッチングのタイミング
を制御するようになっている。ゲート駆動回路１４はこ
のＣＰＵ１５によって設定されたスイッチングのタイミ
ングに応じてスイッチング制御信号をトランジスタ６の
ゲート端子６ａに出力する。なお、本例の装置では、図
２に示すようにトランジスタのゲート端子とゲート駆動
回路１４との間にトランジスタのオン動作の立ち上がり
特性を緩和させる緩和回路１７が接続されている。この
緩和回路は、互いに並列に接続された第１抵抗１８と第
２抵抗１９およびそのうちの第１抵抗と直列に接続され
たダイオード２０とから構成されている。ダイオード２
０はトランジスタ６のゲート端子６ａからゲート駆動回
路１４への電流のみを許容する向きに配置されている。

【００１４】以上の回路の動作を説明する。バッテリ電
源２は直流であるので、インバータ装置１は、ゲート駆
動回路１４からの信号に応じて３相交流を作るように６
つのスイッチのスイッチング動作を行い、各相の電圧変
化が正弦特性となるように変化させる。このため、ゲー
ト駆動回路１４はインバータ装置１のスイッチング動作
において、オンとオフからなる１周期のオン・オフのデ
ューティ比を変化させるように制御する。この場合、各
スイッチのオンとオフからなるデューティ比の変化率を
大きくすると、電圧の変化が速くなり、逆に、デューテ
ィ比の変化率を小さくすると電圧の変化は緩慢となる。
そして、デューティ比を正弦波状に対応させて変化させ
ることにより正弦波電圧を出力することができる。すな
わち、図３（ａ）に示すようにオン、オフ制御を電圧の
パルス幅が漸減、および漸増するように制御する。これ
によって、３相交流モータの２つの端子間に生じる電圧
すなわち、ある１つの相の変化は図３（ｂ）に示すよう
に変化する。これによって両端子間の電流も図３（ｃ）
に示すように電圧と位相は異なるが対応する周期の正弦
波状に変化する交流としてモータ３に付加される。

【００１５】そして、正弦波の周期を変化させるように
オン、オフ制御することによってモータ３の回転数を変
化させることができる。すなわち、正弦波の周期が長く
なるようにトランジスタのオン、オフ制御を行なうとモ
ータ３の回転は遅くなり、正弦波の周期が短くなるよう
にトランジスタ６のオン、オフ制御を行なうとモータ３
の回転は速くなる。モータ３の回転と電気自動車の速度
とは対応するので、３相電圧形インバータ装置１におけ
る各スイッチを構成するトランジスタ６のオン、オフ制
御を行なうことによって、モータ３の回転速度を制御で
き、車速を制御することができるものである。したがっ
て、運転者がアクセル１６を踏んで加速要求をした場合
には、上記トランジスタのオン、オフのタイミングを速
くすることよって正弦波の周期を短くするように制御す
ることよって運転者の要求に応えることができる。つぎ
に、ある相のスイッチング動作について説明すると、上
記のように、ゲート駆動回路１４とゲート端子に電圧信
号を入力するＭＯＳ・ＦＥＴ、ＩＧＢＴ等の電圧駆動型
パワートランジスタであるトランジスタ６のゲート端子
６ａとの間には、緩和回路１７が設けられている。この
回路１７には、第１抵抗とこれと直列に配置され、トラ
ンジスタのゲート端子からゲート駆動回路１４へ向かう
電流のみを許容するダイオードと、この第１抵抗１８お
よびダイオード１９に並列に接続された、第２抵抗２５
とから構成されている。

【００１６】したがって、ゲート駆動回路１４からトラ
ンジスタ６のゲート端子６ａに電流が流れる場合には、
第１抵抗１８を通過する電流は阻止され、第２抵抗１９
だけを通って電流はトランジスタ６のゲート端子６ａに
与えられる。電圧駆動型パワートランジスタは、入力容
量を有しており、この入力容量Ｃと第２抵抗１９の抵抗
値Ｒ₂からなる時定数ＣＲ₂によりトランジスタ６の立
ち上がりは遅くなり、スイッチングオン動作が遅れるこ
ととなる。また、トランジスタ６がオフとなる場合に
は、トランジスタ６のゲート端子６ａからゲート駆動回
路１４への電流はダイオード２０、第１抵抗１８、およ
びこれと並列に接続された第２抵抗１９の両方を通って
流れるので、回路抵抗は、トランジスタ６をオン動作さ
せる場合に比して極めて小さくなる。よって、上記パワ
ートランジスタの入力容量Ｃと第１抵抗の抵抗値Ｒ₁及
び第２抵抗の抵抗値Ｒ₂の合成抵抗Ｒ₁・Ｒ₂／（Ｒ₁
＋Ｒ ₂）による時定数Ｃ・Ｒ₁・Ｒ₂／（Ｒ₁＋Ｒ₂）
によって、トランジスタ６のオン特性よりも急峻にな
る。したがって、緩和回路１７をゲート駆動回路１４と
トランジスタ６のゲート端子６ａとの間に設けることに
よって、トランジスタ６のオン特性は緩和されるが、オ
フ特性は緩和されない。したがって、ゲート駆動回路１
４とトランジスタとの間を直接接続すると、ゲート駆動
回路１４で生じる電圧パルスは図４で示すようにオン、
オフの特性が共に急峻な変化を示すが、図３に示すよう
な緩和回路１７を設けると図５に示すように立ち上がり
特性は、緩慢になるが、オフ特性は急峻な特性のまま維
持されることになる。

【００１７】この結果、ある１つの相をなす一対のスイ
ッチにおいて、切り替わり動作を説明すると、一方のス
イッチをオンする場合には、スイッチング信号がゲート
駆動回路１４から出力されてトランジスタ６のゲート端
子６ａに、緩和回路１７を介して印加される。このとき
同時に、他方のスイッチ９のトランジスタ６には、ゲー
ト駆動回路１４からオフ信号が入力される。一方のスイ
ッチ８のオン動作は上記のように遅い立ち上がり特性を
有するのでそのオン動作は他方のスイッチ９のオフ動作
から僅かに遅れて生じる。そして、一方のスイッチ８を
構成するダイオード７は、逆回復の時間が必要であるた
め、当該他のスイッチ９へのオフ信号の入力があってか
ら僅かな時間の後、事実上オフ状態となる。本例では、
上記したようにこのゲート駆動回路１４からのオフ信号
が上記他のスイッチ９に入力されて、そのダイオード７
の導通状態が完全に停止するまでの僅かな遅れにたい
し、一方のスイッチ８のトランジスタに対しては緩和回
路によって意図的に立ち上がりが緩和されるように構成
してある。したがって、ダイオードの逆回復が完全に行
われたのち、一方のスイッチ８がオン状態となるので、
逆回復電流に伴う、スイッチング損失、電気機器、補機
等へのノイズ等の弊害を有効に除去することができる。

【００１８】本発明によれば、この逆回復電流の問題を
ゲート駆動回路の制御を変更することなく行なうことが
できる点で極めて簡単である。

【００１９】

【効果】本発明によれば、上記したように簡単な構成に
よって、インバータ装置のトランジスタの並列的に設け
られたダイオードの逆回復時間を考慮して、スイッチン
グを行わせることができるので、逆回復電流の発生を防
止することができ、これに伴う弊害を防止することがで
きる。したがって、高速スイッチングの制御を行わせる
ことができ、性能の高い３相交流モータの制御すなわ
ち、電気自動車の走行制御を行なうことができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の１実施例に係るインバータ装置の回路
図、

【図２】緩和回路の回路図、

【図３】スイッチング制御による特性図、

【図４】スイッチング制御における緩和回路を設けない
場合のトランジスタに付加されるパルス特性図、

【図５】緩和回路を設けた場合の図４と同様の図、

【符号の説明】

１インバータ装置、２バッテリ、３３相交流モー
タ、４出力軸、５車輪、６トランジスタ、７ダ
イオード、８、９、１０、１１、１２スイッチ、、１
４ゲート駆動回路、１５ＣＰＵ。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者田村精二広島県安芸郡府中町新地３番１号マツダ株式会社内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】スイッチングトランジスタのスイッチング
制御端子にパルス信号を出力し、直流−交流変換を行な
うインバータ装置において、前記スイッチングトランジ
スタの前記スイッチング制御端子に印加される電圧パル
スの立ち上がり特性を急峻な特性から緩慢な特性に緩和
する緩和回路を備えたことを特徴とするインバータ装
置。
【請求項２】請求項１において、上記スイッチングトラ
ンジスタは、スイッチング制御端子に電圧信号を入力す
る電圧駆動型のスイッチングトランジスタであって、上
記緩和回路は第１の抵抗と、第２の抵抗とを前記スイッ
チング制御端子に並列に接続するとともに、前記第１の
抵抗および第２の抵抗の内の一方の抵抗に前記スイッチ
ングトランジスタのスイッチング制御端子からの逆流電
流を許容するダイオードを直列に接続した構成を有する
ことを特徴とするインバータ装置。