JPH09312555A - スイッチング回路用制御装置及びインバータ装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 【課題】情報信号を早期検出・利用してスイッチング素
子の瞬時破壊を回避するインバータ装置を提供する。 【解決手段】ＰＷＭ回路１と、ゲート回路２と、ゲート
信号に基づいてON・OFF動作を繰り返すスイッチング素子
を含むスイッチング回路３とを備えるインバータ装置50
は、ゲート回路２のON・OFF動作時点を検出し、該ON・OFF
動作時点から起算して設定したマスク期間の間はスイッ
チング回路３から検出した情報信号にマスクを掛けるマ
スク回路６と、マスク期間を除く期間にマスクが外され
て出力される情報信号に基づいて、ゲート回路２にゲー
ト信号を制御するためのゲート制御信号を出力する比較
回路５とからなる制御回路60を備える。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、スイッチング回路
を用いた制御装置に係り、特にインバータ装置，充電
器，電源用電力変換器などの、スイッチング素子の温度
や電流を早期検出する必要がある信号検出回路あるいは
信号伝達回路に関する。

【０００２】

【従来の技術】インバータ装置は、高密度に実装されて
小形化されてきており、スイッチング素子としての半導
体の温度変化が増大する方向にあるので、半導体に対す
る温度対策が重要である。そして、半導体の温度変化を
軽減する方法として、特開平５−２６７５１０号公報
に、半導体モジュールの中に温度検出手段と発熱手段を
設け、温度変化量を少なくし信頼性を向上する方法が開
示されている。一方、温度検出時のノイズ廻り込み対策
に時定数の大きなフィルタを取入れている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】上記従来技術は、比較
的ゆっくりした負荷変動には有効であるが、過負荷時の
ような急激な変動に対しては温度検出が遅れるという問
題を有している。すなわち、スイッチング素子のオン・
オフ時に出るノイズ対応として時定数の大きなフィルタ
を採用し、遅れを伴った各種情報信号(制御信号や診断
信号など)を検出しているので、特に過温度診断し瞬時
破壊を回避するには間に合わないという問題がある。従
って、周辺の冷却装置を大きくして対応するなど小型化
の隘路となっている。また、電流検出についても同様に
ノイズ低減のために大きなフィルタを入れているため、
過電流診断も高速にできないという問題がある。

【０００４】従って、本発明の目的は、スイッチング素
子などの情報信号の早期検出ができるスイッチング回路
用制御装置を提供するにある。また、他の目的は、情報
信号を早期検出しスイッチング素子の瞬時破壊を回避す
るインバータ装置を提供するにある。

【０００５】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するスイ
ッチング回路用制御装置の特徴は、スイッチング回路を
用いた制御装置を制御するための制御信号を生成するに
必要な当該制御装置の状態量を表わす情報信号に、ON・O
FF動作を繰り返す前記スイッチング回路からスイッチン
グノイズが発せられている間だけ、マスクを掛けるマス
ク手段を備えるにある。

【０００６】また、他の特徴は、ON・OFF動作を繰り返す
スイッチング回路のON・OFF動作時点を検出し、該ON・OFF
動作時点から起算して設定したマスク期間の間は前記ス
イッチング回路を介して検出した情報信号の出力を停止
する信号停止手段と、前記マスク期間を除く期間に出力
された前記情報信号を正規の前記情報信号として利用す
る信号利用手段とを備えることにある。

【０００７】さらに、他の特徴とするインバータ装置
は、ＰＷＭ信号を出力するＰＷＭ回路と、該ＰＷＭ信号
に基づいてゲート信号を出力するゲート回路と、該ゲー
ト信号に基づいてON・OFF動作を繰り返すスイッチング素
子を含むスイッチング回路とを備えるインバータ装置に
おいて、前記スイッチング回路から情報信号を検出する
信号検出手段と、前記スイッチング回路のON・OFF動作時
点を検出し、該ON・OFF動作時点から起算して設定したマ
スク期間の間は前記情報信号にマスクを掛けるマスク手
段と、前記マスク期間を除く期間にマスクが外されて出
力される前記情報信号に基づいて、前記ゲート回路に前
記ゲート信号を制御するためのゲート制御信号を出力す
る信号出力手段とを設ける点にある。

【０００８】本発明によれば、最小限のノイズ発生期間
を除いて直ちに情報信号を検出することができ、スイッ
チング素子の瞬時破壊などを回避することができる。

【０００９】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態につい
て、図面を参照し説明する。図１は本発明による一実施
例のスイッチング回路用制御装置を示す図である。スイ
ッチング回路用制御装置の実施の形態をインバータ装置
の例で示している。図において、本実施例のスイッチン
グ回路用制御装置は、比較回路５とマスク回路６とから
成る制御回路60と、ＰＷＭ回路１とゲート回路２とスイ
ッチング回路３とから成り、直流電源７を交流に変換し
交流モータ４に供給するインバータ装置50とから構成さ
れる。

【００１０】動作は次の通りである。交流モータ４を制
御するインバータ装置50において、ＰＷＭ回路１からの
ＰＷＭ信号に基づいてゲート回路２がゲート信号を出力
し、該ゲート信号に基づいてON・OFF動作を繰り返すスイ
ッチング素子を含むスイッチング回路３が制御されてい
る。別途、制御回路60において、スイッチング回路３の
内部において検出される温度信号や電流信号などの情報
信号は、ゲート回路２にて検出したON・OFF動作時点を起
点に設定した所定時間(後述するマスク期間)の間は、マ
スク回路６によりマスクされる。従って本実施例では、
マスク回路６が、スイッチング回路を用いた制御装置を
制御するための制御信号を生成するに必要な当該制御装
置の状態量を表わす情報信号に、ON・OFF動作を繰り返す
スイッチング回路からスイッチングノイズが発せられて
いる間だけ、マスクを掛けるマスク手段である。

【００１１】そして、比較回路５がマスク回路６のマス
クが外された情報信号と予め記憶されている基準値とを
比較し、例えば、温度が異常であると診断されると、ゲ
ート回路２にスイッチング停止指令またはスイッチング
低減指令などのゲート制御信号(以下、ＳＨＴ信号と呼
称する)を出力し、適切に且つ素早く異常の有無を診断
するものである。

【００１２】なお、温度信号や電流信号などの情報信号
は、スイッチング回路３の内部においてのみ検出される
と限定されるものではなく、スイッチングノイズが影響
するスイッチング回路３の隣接電気回路を含み検出され
るものである。また、ON・OFF動作時点の検出はスイッチ
ング回路３から行っても可である。上記構成によって、
インバータ装置のスイッチング素子のノイズ影響を回避
し誤判定せずに高速に情報信号の検出ができる。以下、
これについて詳説する。

【００１３】図２は、図１のスイッチング回路用制御装
置のＰＷＭ信号とゲート信号の関係を説明する図であ
る。図３は、図１のスイッチング回路用制御装置の情報
信号検出タイムチャートを示す図である。図２，図３を
参照し、スイッチング素子やスイッチング回路を有する
インバータ装置などを保護するための、例えば、信号停
止手段及び信号利用手段としての制御回路60の動作につ
いて説明する。

【００１４】図２のＰＷＭ信号とゲート信号の関係の説
明は、一般に知られている内容であり、割愛する。図３
に示すように、ＵＧ，ＶＧ，ＷＧの３相のゲート信号に
同期して、Ｕ相，Ｖ相，Ｗ相のオフ信号またはオン信号
の時刻 (すなわち、ON・OFF動作時点)を検出し、かつ、
３相分のON・OFF動作時点の論理和を得る。 そして、異
常診断するための情報信号を適切にかつ早期に検出する
ように、３相分のすべてのON・OFF動作時点の論理和の検
出時刻を起点として所定時間Ｔ１を計測し、時間Ｔ１が
経過した時点を出力開始点とする非マスク期間の間だ
け、マスクが外されて情報信号としての反転信号が出力
される。そして、次のオン信号またはオフ信号が発せら
れた時刻を出力終了点とし、反転信号の出力は停止され
る。

【００１５】換言すれば、信号停止手段は、ON・OFF動作
を繰り返すスイッチング回路のON・OFF動作時点を検出
し、該ON・OFF動作時点から起算して設定したマスク期間
の間はスイッチング回路を介して検出した情報信号の出
力を停止する手段であり、信号停止手段としてのマスク
回路６にリレーのような手段を用いた場合に相当する。
従って、マスク回路６は信号停止手段とも解せる。な
お、異常診断のみでなく、制御したいものを制御するた
めの情報信号であっても可である。

【００１６】即ち、図中の所定時間Ｔ１の間がマスク期
間であり、 該マスク期間は「スイッチング素子などから
検出した情報信号の出力を停止する、すなわち情報信号
が発信されない期間」として設定される。 換言すれば、
マスク期間を除く非マスク期間の間に、 情報信号が正
規の情報信号(スイッチングノイズを含まない信頼性の
ある信号)として出力されると言える。また、マスク期
間の所定時間Ｔ１の間、マスク信号が出力されていて、
ノイズを含んだ情報信号としての温度信号 (以下、Ｔem
p信号と呼称する)がマスクされているとも言える。

【００１７】そして、反転信号が出力されている非マス
ク期間(マスク期間を除く期間)において、比較回路５に
よって、出力された正規の情報信号としての温度信号
と、スイッチング素子 (例えば、ＩＧＢＴ)の過大温度
であると予め設定された基準値(Ｌevel)との比較判定が
実行可能になり、基準値を越えたと判定された時点で、
ＳＨＴ信号が出力される。換言すれば、比較回路５は出
力された正規の情報信号を利用する信号利用手段であ
り、該比較回路５による比較判定は常時行われている
が、情報信号の出力が停止されているあるいは情報信号
がマスクされている時は、情報信号が利用されないので
異常診断などの判定ができず、ＳＨＴ信号は出力されな
いということである。

【００１８】そして、ゲート信号を制御するためのゲー
ト制御信号としてのＳＨＴ信号は、ゲート回路２に伝達
されゲート回路２の内部において、スイッチング素子の
スイッチング停止またはスイッチング・デューティ軽減
の制御に用いられる。 このゲート回路２におけるゲー
ト制御により、換言すれば、制御装置の状態量を表わす
情報信号を用いて当該制御装置を制御するための制御信
号を生成して、スイッチング素子の過温度上昇(あるい
は過電流状態など)を回避し、スイッチング素子やイン
バータ装置などを保護するものである。

【００１９】図４は、図１のスイッチング回路用制御装
置の回路構成を示す図である。すなわち、インバータ装
置50のスイッチング回路３と、温度検出及び電流検出の
制御回路60の詳細回路を示している。図１で説明した構
成と同一の構成は説明を省略し、追加部分について主に
説明する。 インバータ装置50のスイッチング回路３
の３相ブリッジ回路は、ＩＧＢＴ９，11,14,16,18,20
と、ダイオード10,12,15,17,19,21とにより構成され
る。そして例えば、温度検出用素子のダイオード35は、
ＩＧＢＴチップ８が載っている金属ベース上にマウント
されている。尚、ダイオード35は、ダイオードチップま
たはＩＧＢＴチップなどの半導体チップ上、 または半
導体チップ中の半導体素子(ダイオード)の少なくとも１
つを兼用しても良い。

【００２０】本実施例の場合の電流センサ31は、Ｕ，
Ｖ，Ｗ相の合計電流検出用である。そして、それぞれの
温度信号と電流信号は、増幅回路32，33により増幅され
る。オペアンプ22，23、抵抗24,25,26,27,28,29は、そ
れぞれ増幅回路32，33の構成部品である。

【００２１】上記構成において、ゲート回路２からＩＧ
ＢＴ９，11などのON・OFF動作時点を検出し、該ON・OFF動
作時点から起算して設定したマスク期間の間は、マスク
回路６ａ，６ｂにより、ダイオード35または電流センサ
31を介してスイッチング回路３から検出した「スイッチ
ングノイズが含まれた情報信号」としての温度信号や電
流信号に、マスクが掛けられているために、比較回路５
ａ，５ｂからは、万一、異常状態になっていても比較回
路５における比較判定が成立しないので、ＳＨＴ信号は
出力されない。従って、論理和回路34からも出力されな
い。

【００２２】そして、仮に過電流時であってマスク期間
を1.5(μｓ)とすると、1.5(μｓ)経過後に、電流センサ
31が検出した電流信号が過電流基準値を越えたと判定さ
れた時点で、比較回路５ｂからＳＨＴ信号が出力され
る。そして、ＳＨＴ信号がゲート回路２に伝達されて、
スイッチング回路３は停止・軽減等の制御を実行する。
従って、検出された電流信号がマスク期間中に過電流基
準値を越えていれば、マスク期間から非マスク期間に移
行した後に、直ちにＳＨＴ信号が出力されることにな
る。すなわち、最小限のノイズ発生期間を除いて直ちに
情報信号を検出することができることに結び付いてい
る。

【００２３】なお、インバータ装置が用いられているシ
ステムの制御を滑らかに行うためにＩＧＢＴのゲート電
圧は電流をソフトに遮断するようにスイッチング制御す
ることが望ましいと言える。温度検出の場合も同様にソ
フト遮断する。そして、インバータ装置としての本実施
例の場合の信号検出手段は、ダイオード35及び電流セン
サ31、増幅回路32，33に該当し、マスク手段は、マスク
回路６ａ，６ｂに該当する。また、信号出力手段は、比
較回路５ａ，５ｂならびに論理和回路34に該当すること
になる。

【００２４】さらに、過電流検出構成について、図５を
参照して説明する。図５は、本発明による一実施例の過
電流信号検出タイムチャートを示す図である。図５にお
いて、ゲート信号は、ＵP，ＵN信号を基準とし、通常動
作時の上下ＩＧＢＴのコレクタ電圧ＶCEUP，ＶCEUNとコ
レクタ電流ＩUP，ＩUNは、図５の実線で示すようにな
る。 また、図示のようにマスク期間中は、電流検出信
号Ｉsigにノイズが重畳しており、ON・OFF時点を起点と
してマスクすることにより、マスク期間中に検出した場
合の誤検出の防止ができる。 そして、電流検出信号Ｉs
igが過電流であると判定された時点で、ＳＨＴ信号が出
力される。

【００２５】一方、一点鎖線で示すように、ＵP信号と
ＵN信号が同時にオン，オフしたような場合の異常時に
は、 ＩUP，ＩUNは、予め設定した過電流基準値のレベ
ル(ＯＶＣレベル)以上の過電流を示し、 比較回路５ｂ
の比較判定によりＳＨＴ信号が出力される。 そして、
ゲート電圧がソフト遮断される。 この場合、マスク期
間の1.5(μｓ)を経過した後で、過電流検出が行われる
ことになるので、 主回路電流の立上り時間、すなわ
ち、ＩＧＢＴなどのスイッチング素子を採用したスイッ
チング回路３の短絡時の許容電流到達時間を、 マスク
期間の1.5(μｓ)より後に来るように設計すれば、ＩＧ
ＢＴのアーム短絡保護が確実に行われれるという利点が
ある。

【００２６】ところで、マスク期間の時間Ｔ１について
であるが、マスク期間を長くするとスイッチング素子を
破損する虞れがあるので短いほどよいが、ＩＧＢＴの定
常状態に達するを待ってからゲート電圧を低減した方が
信頼性が高くなるので、ＩＧＢＴのスイッチング動作す
なわちターンオン・ターンオフ動作時間である「0.5〜1.
0μｓ」を少し越えた値とすることが、適切で望ましいと
言える。 したがって、スイッチング素子を採用したス
イッチング回路３では、マスク期間は、該スイッチング
素子のスイッチング動作時間とスイッチング回路の短絡
時の許容電流到達時間との間に設定されていることが望
ましいと言える。特に、高速動作するＩＧＢＴのアーム
短絡保護に効果がある。

【００２７】また、電流センサ31を用いずに安価に保護
する構成として、所謂、コレクタ電圧(Ｖce)検出方式を
用いる構成があり、この構成でも同様の思想でＩＧＢＴ
の保護が可能である。このＶce検出方式の例では、ゲー
ト電圧遮断前に確実に異常状態を把握(記憶し利用)する
ことができるので、例えば、ゲート信号(ＵG2)をオン保
持しゲート電圧を低減しながらオフする構成とし、電圧
の跳上りを小さくできるという効果を得ることもでき
る。

【００２８】以上を纏めれば、次のように言える。
本発明によるスイッチング回路用制御装置の特徴は、
スイッチング回路を用いた制御装置、例えば、３相イン
バータ装置の場合、各相のスイッチング素子のオン・オ
フ時の所定のスイッチング動作時間の間だけスイッチン
グノイズが発生するので、各相の該オン・オフ動作時点
(タイミング)を把握し、該複数のオン・オフ時点の論理
和に基づいて、情報信号の非検出期間とするマスク期
間、あるいは情報信号を発信しないマスク期間を必要最
低限の期間として設定し、マスク期間を除く非マスク期
間内の情報信号を利用することにより、素早く高精度に
各種情報信号を得るようにした点にある。

【００２９】具体的には、スイッチング回路のON・OFF動
作時点を検出し、該ON・OFF動作時点から起算して設定し
たマスク期間の間はスイッチングノイズを含み検出した
情報信号にマスクを掛ける手段(本実施例ではマスク回
路６)と、非マスク期間にマスクが外されて出力される
情報信号を利用する手段(本実施例では比較回路５)とを
設けるものである。

【００３０】また、他の特徴として、ソフトウエアでパ
ルス幅を制御するインバータ装置では、３相のパルスが
同時にオン・オフしないようにし、情報信号を検出する
時間ずらして、他相のパルスを出すようにしたソフト手
段を用いても良い。さらに、温度検出方法として、イン
バータ装置を構成するＩＧＢＴやダイオードの半導体チ
ップ近傍に温度検出用素子を並設し、あるいは該半導体
チップの中の少なくとも１つの半導体素子を温度検出用
素子に兼用して、主回路電位と共通になったノイズの重
畳された信号をマスクするようにすれば、温度について
の情報信号の早期検出に対応できると共に、小型化に効
果がある。

【００３１】電流検出方法についても、電流センサをイ
ンバータ装置のスイッチング素子アームの集合電流が計
れる位置に設置し、この電流センサからの集合電流信号
が、ＰＷＭ信号のオン・オフと同期してノイズを拾うた
め、該集合電流信号をマスクし、マスク期間以外で検出
するようにしても可である。これによって、前述のＩＧ
ＢＴのアーム短絡保護を確実に行うという利点に結び付
けることができる。

【００３２】いずれにしても、マスク手段が、ON・OFF信
号を検出しノイズ発生期間としての「スイッチングノイ
ズが発信されている期間」を「必要最低限の時間」に設定
し、この「必要最低限の時間」の間、信号検出手段が検出
する情報信号にマスク手段がマスクを掛け、「必要最低
限の時間」が経過しマスクが外れた情報信号から、信号
出力手段が素早く異常等を検出することによって、ノイ
ズフィルタを用いる従来技術の場合よりも異常を早く検
出することができる。

【００３３】特に、ＩＧＢＴなど高速スイッチング素子
を用いた場合、マスク時間を適切に設定すれば、例え
ば、1.5(μｓ)にすれば、ＩＧＢＴのターンオン・ターン
オフ動作時間(0.5〜1.0μｓ)を避けた半導体が定常状態
になってから情報検出手段が作動するので、信頼性よく
過電流などの早期検出が可能となる。本実施例ではＴ１
＝1.5(μｓ)とし早期検出を図った。 因みに、従来技術
のノイズフィルタ回路では５(μｓ)以上の遅れがあっ
た。 そして、この3.5(μｓ)の差が過負荷時の半導体瞬
時破壊を防止するのに有効であることが判明している。
尚、この場合、スイッチング回路の短絡時の許容電流到
達時間として、たとえば、2.0(μｓ)に設定した。

【００３４】また、ソフトウエアでパルスを出力するタ
イプのインバータ装置では、ソフトプログラムで一相の
パルスを出力する処理と他相のパルスを出力する処理と
のタイミングをずらすことにより、１定周期ごとに情報
信号を検出することが可能である。上記構成の場合であ
れば、インバータ装置内部の温度,電流,その他の伝達情
報などの情報信号を正確にかつ迅速に検出できるので、
過温度保護や過電流保護などが精度良く行われ、その結
果、時定数は小さくでき、周辺冷却部品や機器を小さく
できる効果がある。

【００３５】

【発明の効果】本発明によれば、インバータ装置のノイ
ズ発生期間を避けて情報信号を検出し利用するので、精
度よくかつ高速に異常診断ができ、信頼性の高いインバ
ータ装置，充電器，電源用電力変換器などが提供される
という効果がある。

【００３６】また、大きなノイズフィルタが不要とな
り、さらに、チップ近くの温度検出が確実に行なえモジ
ュールを小形にすることができ、スイッチング回路やイ
ンバータ装置等の小型化が図られる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による一実施例のスイッチング回路用制
御装置を示す図である。

【図２】図１のスイッチング回路用制御装置のＰＷＭ信
号とゲート信号の関係を説明する図である。

【図３】図１のスイッチング回路用制御装置の情報信号
検出タイムチャートを示す図である。

【図４】図１のスイッチング回路用制御装置の回路構成
を示す図である。

【図５】本発明による一実施例の過電流信号検出タイム
チャートを示す図である。

【符号の説明】

１…ＰＷＭ回路、２…ゲート回路、３…スイッチング回
路、４…交流モータ、５，５ａ，５ｂ…比較回路、６，
６ａ，６ｂ…マスク回路、７…直流電源、８…ＩＧＢＴ
チップ、９，１１，１４，１６，１８，２０…ＩＧＢ
Ｔ、１０，１２，１５，１７,１９,２１…ダイオード、
２２，２３…オペアンプ、２４，２５，２６，２７，２
８，２９…抵抗、３１…電流センサ、３２，３３…増幅
回路、３５…温度検出用のダイオード、５０…インバー
タ装置 ６０…制御回路

Claims (7)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】スイッチング回路を用いた制御装置を制御
   するための制御信号を生成するに必要な当該制御装置の
   状態量を表わす情報信号に、ON・OFF動作を繰り返す前記
   スイッチング回路からスイッチングノイズが発せられて
   いる間だけ、マスクを掛けるマスク手段を備えたことを
   特徴とするスイッチング回路用制御装置。
2. 【請求項２】ON・OFF動作を繰り返すスイッチング回路の
   ON・OFF動作時点を検出し、該ON・OFF動作時点から起算し
   て設定したマスク期間の間は前記スイッチング回路を介
   して検出した情報信号の出力を停止する信号停止手段
   と、 前記マスク期間を除く期間に出力された前記情報信号を
   正規の前記情報信号として利用する信号利用手段とを備
   えたことを特徴とするスイッチング回路用制御装置。
3. 【請求項３】請求項１または請求項２において、前記情
   報信号は、前記スイッチング回路の半導体チップの中の
   半導体素子を兼用して検出した温度信号であることを特
   徴とするスイッチング回路用制御装置。
4. 【請求項４】請求項１または請求項２において、前記情
   報信号は、前記スイッチング回路に流れるスイッチング
   素子アームの集合電流信号であることを特徴とするスイ
   ッチング回路用制御装置。
5. 【請求項５】ＰＷＭ信号を出力するＰＷＭ回路と、該Ｐ
   ＷＭ信号に基づいてゲート信号を出力するゲート回路
   と、該ゲート信号に基づいてON・OFF動作を繰り返すスイ
   ッチング素子を含むスイッチング回路とを備えるインバ
   ータ装置において、 前記スイッチング回路から情報信号を検出する信号検出
   手段と、 前記スイッチング回路のON・OFF動作時点を検出し、該ON
   ・OFF動作時点から起算して設定したマスク期間の間は前
   記情報信号にマスクを掛けるマスク手段と、前記マスク
   期間を除く期間にマスクが外されて出力される前記情報
   信号に基づいて、前記ゲート回路に前記ゲート信号を制
   御するためのゲート制御信号を出力する信号出力手段と
   を設けたことを特徴とするインバータ装置。
6. 【請求項６】請求項５において、前記マスク期間は、す
   べての前記ON・OFF動作時点の論理和から起算して設定す
   ることを特徴とするインバータ装置。
7. 【請求項７】請求項５において、前記マスク期間は、前
   記スイッチング素子のスイッチング動作時間と前記スイ
   ッチング回路の短絡時の許容電流到達時間との間に設定
   されていることを特徴とするインバータ装置。