JPH07194184A - 永久磁石モータ駆動用インバータのスイッチング素子保護回路 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 永久磁石モータ駆動用インバータのスイッチ
ング素子を、小型かつ簡素な構成によって保護する。 【構成】 インバータを構成するトランジスタＴｒ１〜
Ｔｒ６のゲート側回路として保護回路１４を設ける。保
護回路１４は、ドライブ回路１６への正の電源＋Ｖの供
給が断たれると対応するトランジスタＴｒ１〜Ｔｒ６の
ゲート（Ｇ）エミッタ（Ｅ）間を短絡しあるいは逆バイ
アスする。ドライブ回路１６への正の電源＋Ｖの供給が
断たれている状態でもインバータを構成する各トランジ
スタＴｒ１〜Ｔｒ６のＧＥ間電圧が不定とならないた
め、インバータの制御対象たる永久磁石モータの逆起電
力等によってトランジスタＴｒ１〜Ｔｒ６に大電流が流
れることがない。また、保護回路１４は、各トランジス
タＴｒ１〜Ｔｒ６のゲート側回路であるため簡素かつ小
型な構成とすることができ顕著電力消費も生じない。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、永久磁石モータ駆動用
インバータを構成するスイッチング素子を保護する回路
に関する。

【０００２】

【従来の技術】インバータは、直流電源から交流負荷に
電力を供給する際に、直流から交流への電力変換を行う
と共に負荷に供給される交流電力を制御するために用い
られる回路である。例えば電気自動車においては、車両
駆動用の交流モータに対し車載のバッテリから電力供給
を行うと共に、当該モータの出力を制御するために、イ
ンバータが使用される。

【０００３】インバータは、通常、複数個のスイッチン
グ素子から構成される。例えば、駆動対象たる交流モー
タの各相巻線に対応して一対のスイッチング素子が用い
られる。各対のスイッチング素子は正負の直流配線間に
接続される。モータに対しては、対を成すスイッチング
素子の接続点から電流が供給される。インバータを構成
するスイッチング素子としては、例えば、ＩＧＢＴ（In
sulated Gate BipolarTransistor ）等の電力素子が使
用される。

【０００４】インバータを用いてモータを駆動する際に
は、通常、インバータを構成する各スイッチング素子を
駆動するためのドライブ回路を設ける。各ドライブ回路
に対しては、要求されるモータ出力に対応した値（例え
ばパルス幅）を有するドライブ信号が供給される。ドラ
イブ回路は、（電源が供給されている状態では）供給さ
れるドライブ信号に応じて対応するスイッチング素子を
オン／オフさせる。このようなモータ駆動系を電気自動
車の駆動系として用いる場合、イグニッションスイッチ
がオンされている場合にドライブ回路に電源が供給さ
れ、上述の制御が行われる。

【０００５】インバータによって駆動される交流モータ
としては、永久磁石モータが知られている。永久磁石モ
ータは、単位体積当たりの界磁起磁力が大きく、例えば
誘導モータ等に比べ、小形化が可能な交流モータであ
る。従って、電気自動車の駆動系のようにその駆動系の
小型軽量化が顕著に要求される技術分野においては、こ
の種のモータが用いられる。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】このような駆動系にお
いては、ドライブ回路への電源供給が断たれると対応す
るスイッチング素子の入力端子電圧（ＩＧＢＴの場合ゲ
ートエミッタ間電圧）が不定になる。一方、永久磁石モ
ータにおいては、外力で回転している状態でも逆起電力
による端子電圧が発生する。従って、インバータの駆動
対象が永久磁石モータである場合、ドライブ回路への電
源供給が断たれている状態で当該モータが外力によって
回転し、スイッチング素子の入力端子電圧が不定である
にもかかわらずモータに端子電圧が生じることがある。

【０００７】この端子電圧は、インバータとモータを接
続する配線を介して、スイッチング素子に加わる。この
状態で、ドライブ回路とスイッチング素子を接続する配
線に雑音が重畳すると、この雑音によりスイッチング素
子がオンする可能性が生じる。一旦スイッチング素子が
オンしてしまうと、モータの端子電圧等によってスイッ
チング素子に大電流が流れてしまい、スイッチング素子
の破壊が生じる可能性がある。

【０００８】このような不具合を避ける方法としては、
例えば特開昭６０−１４１１８９号公報に示されている
ように、スイッチング素子の駆動・制御を断つ際に電力
配線に電流制限抵抗を挿入する方法を適用できる。この
方法を、上述のようなインバータ駆動に適用した場合、
スイッチング素子の破壊を好適に防止できる反面、構成
の大型化が生じてしまう。すなわち、電流制限抵抗とし
ては大電力仕様の抵抗を用いる必要があり、またこの抵
抗を回路に挿入するためのスイッチやリレーは大型のも
のになる。これは、製造コストの上昇につながる。

【０００９】本発明は、このような問題点を解決するこ
とを課題としてなされたものであり、スイッチング素子
の保護回路を大電力を取り扱わない回路として実現する
ことにより、構成の大型化や複雑化、ひいてはコスト上
昇を招くことなく、永久磁石駆動用インバータのスイッ
チング素子を保護可能にすることを目的とする。

【００１０】

【課題を解決するための手段】このような目的を達成す
るために、本発明の保護回路は、スイッチング素子を制
御するためのドライブ回路への電源供給が断たれたこと
を検出する手段と、ドライブ回路への電源供給が断たれ
たことが検出された場合にこれに応じてスイッチング素
子をオフ状態に制御する手段と、を備え、永久磁石モー
タ駆動用インバータを構成し制御電極への電圧印加によ
りオン／オフするスイッチング素子を、ドライブ回路へ
の電源供給が断たれたときに永久磁石モータの逆起電力
に起因した破壊から保護することを特徴とする。

【００１１】

【作用】本発明においては、ドライブ回路への電源供給
が断たれると、スイッチング素子がオフ状態に制御され
る。従って、ドライブ回路への電源供給が断たれたこと
によりスイッチング素子の入力端子電圧が不定になるこ
とがない。この結果、永久磁石モータの逆起電力に起因
した破壊から、スイッチング素子が保護される。また、
本発明の保護回路は、一般に大電力を取り扱わないスイ
ッチング素子の制御系統に設けられるため、構成の顕著
な複雑化、大型化、コスト上昇、電力消費等は生じるこ
とがない。さらに、動作の遅れも生じにくく、信頼性の
高い回路となる。

【００１２】

【実施例】以下、本発明の好適な実施例について図面に
基づき説明する。

【００１３】図１には、本発明の一実施例に係る装置の
構成が示されている。この図に示される装置は、インバ
ータ１０を用いてモータ１２を駆動制御する回路であ
る。図示しないが、モータ１２は、駆動時に逆起電力を
発生させる三相永久磁石モータである。インバータ１０
は、モータ１２の各相に対応して合計６個のトランジス
タＴｒ１〜Ｔｒ６を有している。このトランジスタＴｒ
１〜Ｔｒ６は図中はＩＧＢＴ等として書かれているが、
これは、他の種類のトランジスタであっても構わない。
なお、図中、各トランジスタＴｒ１〜Ｔｒ６のコレクタ
（Ｃ）エミッタ（Ｅ）間に逆方向接続されているダイオ
ードＤ１〜Ｄ６は、転流ダイオードである。

【００１４】各トランジスタＴｒ１〜Ｔｒ６のゲートに
は、保護回路１４を介してドライブ回路１６から電圧が
印加されている。このドライブ回路１６は、図示しない
回路からドライブ信号の供給を受け、これに応じて各ト
ランジスタＴｒ１〜Ｔｒ６のゲートを駆動する。この図
に示される装置は例えば電気自動車の駆動系として用い
る場合、ドライブ信号は、車両操縦者のアクセル操作や
ブレーや操作を示す信号として与えられ、これに応じて
ドライブ回路１６により各スイッチング素子Ｔｒ１〜Ｔ
ｒ６がオン／オフ制御される。この制御によって、図示
しないバッテリから供給される直流電力（図中のＤＣ
＋，ＤＣ−）が、車両操縦者のアクセル操作等に対応す
る値の交流電力に変換され、モータ１２がこの電力によ
って駆動される。

【００１５】図１に示される回路が特徴とするところ
は、ドライブ回路１６の後段に保護回路１４を設けたこ
とにある。すなわち、大電力が取り扱われる回路、例え
ばインバータ１０からモータ１２への電力供給に係る配
線にではなく各トランジスタＴｒ１〜Ｔｒ６のゲート側
に、保護回路１４を設けたことを特徴としている。さら
に、この保護回路１４は、簡素な構成で実現することが
できる。

【００１６】図２には、本発明の第１実施例に係る保護
回路の構成が示されている。この図では、図示の簡易化
のためドライブ回路１６及び保護回路１４の１素子分の
構成を示しているが、実際には、図２の回路はトランジ
スタＴｒ１〜Ｔｒ６それぞれに対応して設けられてい
る。この図においては、ＮＰＮトランジスタＴｒ７のエ
ミッタとＰＮＰトランジスタＴｒ８のエミッタが接続さ
れており、トランジスタＴｒ７のコレクタには正の電源
＋Ｖが、トランジスタＴｒ８のコレクタには負の電源−
Ｖが、それぞれ印加されている。トランジスタＴｒ７及
びＴｒ８のベースには、図示しない回路から、対応する
トランジスタ（Ｔｒ１〜Ｔｒ６のいずれか）に係るドラ
イブ信号が供給されている。トランジスタＴｒ７及びＴ
ｒ８のエミッタは、抵抗Ｒを介して対応するトランジス
タ（Ｔｒ１〜Ｔｒ６のいずれか）のゲート（Ｇ）に接続
されている。また、ドライブ回路１６の接地ラインＧｓ
は、対応するトランジスタのエミッタ（Ｅ）と共通であ
る。この接地ラインＧｓと正負の電源＋Ｖ及び−Ｖの間
にはそれぞれコンデンサＣ１又はＣ２が接続されてい
る。

【００１７】この図の構成において、ドライブ信号がＬ
値となると、トランジスタＴｒ７がオンしトランジスタ
Ｔｒ８がオフする。この状態では、対応するトランジス
タのゲート（Ｇ）に正の電源＋Ｖが印加されることとな
り、当該トランジスタはオンする。逆に、ドライブ信号
がＨ値となると、トランジスタＴｒ７がオフしトランジ
スタＴｒ８がオンする。すると、対応するトランジスタ
のゲート（Ｇ）には負の電源−Ｖが印加されることとな
り、当該トランジスタはオフする。従って、ドライブ信
号のパルス幅の制御等により、トランジスタ（Ｔｒ１〜
Ｔｒ６）のオン／オフを制御することができる。

【００１８】この図に示される構成は、更に、保護回路
１４を有している。保護回路１４は、正の電源＋Ｖがド
ライブ回路１６に印加されている状態ではオフし、正の
電源＋Ｖの印加が断たれるとオンするリレーとして構成
されている。すなわち、保護回路１４の励磁巻線１８は
正の電源＋Ｖと接地ラインＧｓの間に配設されており、
また接点２０は共通トランジスタのゲート（Ｇ）エミッ
タ（Ｅ）間に配設されている。この接点２０は、正の電
源＋Ｖによって励磁巻線１８が通電している状態ではオ
フし、逆にこの通電が断たれるとオンする。従って、ド
ライブ回路１６に対し正の電源＋Ｖが供給されている状
態では、保護回路１４がないのとちょうど同じ状態であ
る。

【００１９】ここで、ドライブ回路１６に対する正の電
源＋Ｖの供給が断たれると、励磁巻線１８への通電が断
たれるため、保護回路１４の接点２０が閉じ、対応する
トランジスタのゲート（Ｇ）エミッタ（Ｅ）間が短絡さ
れる。例えば図１に示される回路を電気自動車の駆動系
として使用する場合、車両操縦者がイグニッションスイ
ッチをオフするとドライブ回路１６に対する電源供給が
断たれる。あるいは正の電源＋Ｖに係る配線が断線した
場合にも、同様にドライブ回路１６に対する電源供給が
断たれる。この状態では、保護回路１４の接点２０が閉
じ、対応するトランジスタの入力端子電圧（ＧＥ間電
圧）が０に保持される。従って、この状態でモータ１２
が外力によって回転し逆起電力が発生していたとして
も、トランジスタＴｒ１〜Ｔｒ６がオンし大電流が流れ
るといった事態が生じない。

【００２０】このように、本実施例によれば、インバー
タ１０を構成するトランジスタＴｒ１〜Ｔｒ６の破壊を
好適に防止することができる。加えて、本実施例に係る
回路は、トランジスタＴｒ１〜Ｔｒ６のゲート側の回路
として設けられているため、電流制限抵抗を電力配線上
に設ける構成と異なり、装置構成が簡素化され、小型化
され、更に製造コストも低減されることになる。また、
電力損失も防止される。

【００２１】さらには、この実施例においては、ドライ
ブ回路１６に対する正の電源＋Ｖの供給が断たれるとこ
れに応じてトランジスタＴｒ１〜Ｔｒ６のＧＥ間電圧が
０となる。従って、動作遅れが生じにくく、より確実に
トランジスタＴｒ１〜Ｔｒ６の破壊を防止することがで
きる。また、図２に示される構成では、保護回路１４を
正の電源＋Ｖと接地ラインＧｓの間に設けているが、こ
れは負の電源−Ｖの側にも設けるようにするとより効果
的である。

【００２２】図３には、本発明の第２実施例に係る回路
の構成が示されている。この図に示される回路において
は、保護回路１４がノーマリオンのトランジスタＴｒ９
によって構成されている。トランジスタＴｒ９として
は、例えばＳＩＴ（Static Induction Transistor ）等
のトランジスタを用いることができる。むろん、ＳＩＴ
以外であっても、正の電源＋Ｖが制御電極に印加されて
いる状態でオン状態となる素子であれば、どのような素
子であっても使用することができる。

【００２３】図４には、本発明の第３実施例に係る回路
の構成が示されている。この実施例においては、正の電
源＋Ｖが断たれた時に対応するトランジスタのゲート
（Ｇ）エミッタ（Ｅ）間が短絡されるのではなく逆バイ
アスされる。すなわち、正の電源＋Ｖがドライブ回路１
６に印加されている状態では、保護回路１４の励磁巻線
１８の作用によって接点２０が図中左側に倒され、負の
電源−Ｖによって保護回路１４内の電池２２が充電され
る。こののち、正の電源＋Ｖが断たれると、励磁巻線１
８の励磁が断たれるため接点２０が途中右側に倒れ、電
池２２がゲート（Ｇ）エミッタ（Ｅ）間に挿入される。
この時、電池２２の正側はエミッタ（Ｅ）側に、負側は
ゲート（Ｇ）側にそれぞれ接続されることとなるから、
対応するトランジスタは電池２２によって逆バイアスさ
れる。このようにしても、トランジスタＴｒ１〜Ｔｒ６
をオフ状態に保つことができる。なお、電池２２はコン
デンサによって置き換えることもできる。

【００２４】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
ドライブ回路の電源供給が断たれるのに応じてスイッチ
ング素子をオフ状態に制御するようにしたため、スイッ
チング素子の入力端子電圧が不定となることを避けるこ
とができ、当該スイッチング素子を、永久磁石モータの
逆起電力に起因した破壊から好適に保護することができ
る。また、この保護回路は、スイッチング素子の制御回
路上に設けられるため、装置構成を簡素化し、小型化
し、製造コストを低減し、そして電力消費を低減するこ
とができる。加えて、動作遅れを排除することができる
ため、破壊を確実に防止できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例に係る回路の構成を示す回路
図である。

【図２】本発明の第１実施例に係る保護回路の構成を示
す回路図である。

【図３】本発明の第２実施例に係る保護回路の構成を示
す回路図である。

【図４】本発明の第３実施例に係る保護回路の構成を示
す回路図である。

【符号の説明】

１０ インバータ １２ モータ １４ 保護回路 １６ ドライブ回路 １８ 励磁巻線 ２０ 接点 ２２ 電池 Ｔｒ１〜Ｔｒ６ インバータを構成するトランジスタ
（ＩＧＢＴ） Ｔｒ７，Ｔｒ８ ドライブ回路を構成するトランジスタ Ｔｒ９ 保護回路を構成するトランジスタ（ＳＩＴ）

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 スイッチング素子を制御するためのドラ
   イブ回路への電源供給が断たれたことを検出する手段
   と、 ドライブ回路への電源供給が断たれたことが検出された
   場合にこれに応じてスイッチング素子をオフ状態に制御
   する手段と、 を備え、 永久磁石モータ駆動用インバータを構成し制御電極への
   電圧印加によりオン／オフするスイッチング素子を、ド
   ライブ回路への電源供給が断たれたときに永久磁石モー
   タの逆起電力に起因した破壊から保護することを特徴と
   する永久磁石モータ駆動用インバータのスイッチング素
   子保護回路。