JPH1169838A

JPH1169838A - 共振形インバータ装置

Info

Publication number: JPH1169838A
Application number: JP9228356A
Authority: JP
Inventors: Riyuusuke Inoshita; 龍介井ノ下
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 1997-08-25
Filing date: 1997-08-25
Publication date: 1999-03-09

Abstract

(57)【要約】【課題】共振電圧をクランプするクランプ回路を備え
た共振形インバータ装置において、クランプ用コンデン
サの電圧を所望の値に安定させる。【解決手段】共振用リアクトル３および共振用コンデ
ンサ４からなる共振回路２が直流電圧源１に並列に接続
され、インバータ部５は、直流電圧源１の直流電圧を交
流電圧に変換して誘導電動機８を駆動する。共振用コン
デンサ４の共振電圧Ｖ_C1は、クランプ用コンデンサ１
０、ダイオード１１、スイッチング素子１２からなるク
ランプ回路９によって、クランプ電圧Ｖ_C2にクランプさ
れる。ここで、クランプ制御回路１６ａは、共振電圧Ｖ
_C1が、クランプ回路９によってクランプされていない電
圧レベルの基準電圧になったことを検出し、この検出時
を基準としてスイッチング素子１２をターンオン、ター
ンオフさせ、クランプ用コンデンサ１０の電圧を所望の
値に制御する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、３相の誘導電動機
などの負荷を駆動する共振形インバータ装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、誘導電動機を駆動する共振形イン
バータ装置として、図４に示すものが提案されている
（ＵＳＰ４，８６４，４８３号明細書、特開平７−１０
７７４８号公報参照）。この図４に示す共振形インバー
タ装置においては、直流電圧源１に、共振回路２が並列
に接続される。この共振回路２は、共振用リアクトル３
および共振用コンデンサ４から構成されており、共振用
インダクタ３と共振用コンデンサ４が共振することによ
って、共振用コンデンサ４の両端に共振電圧Ｖ_C1を発生
する。

【０００３】直流電圧源１の直流電圧は、インバータ部
５によって交流電圧に変換される。このインバータ部５
は、正母線と負母線との間に、主スイッチング素子６ａ
〜６ｆと逆並列ダイオード７ａ〜７ｆが３相ブリッジ結
線された構成となっている。この場合、主スイッチング
素子６ａ、６ｂ、主スイッチング素子６ｃ、６ｄ、主ス
イッチング素子６ｅ、６ｆは、図示しない回路によって
それぞれ１２０°位相をずらしてオンオフ制御され、３
相の誘導電動機８に交流電力を供給して誘導電動機８を
駆動する。

【０００４】また、共振用コンデンサ４の共振電圧Ｖ_C1
は、クランプ回路９によって所定電圧にクランプされ
る。これは、インバータ部５の全スイッチング素子６ａ
〜６ｆに、直流電圧源１の電圧の２倍以上の電圧が印加
されるため、全スイッチング素子６ａ〜６ｆを過電圧破
壊から防止するために設けられている。このクランプ回
路９は、直流電圧源１に直列接続されクランプ時に充放
電されるクランプ用コンデンサ１０と、ダイオード１１
およびスイッチング素子１２が並列接続された回路とか
ら構成されており、共振用コンデンサ４の共振電圧Ｖ_C1
を、全スイッチング素子６ａ〜６ｆの耐圧よりも低い電
圧にクランプする。このクランプによって、共振用コン
デンサ４の共振電圧Ｖ_C1は、直流電圧源１の電圧とクラ
ンプ用コンデンサ１０の電圧の和の電圧（以下、クラン
プ電圧という）Ｖ _C2で一定値にクランプされる。

【０００５】上記構成においてその作動を図５に示す波
形図を用いて説明する。共振形インバータ装置を始動さ
せる場合、主スイッチング素子６ａ〜６ｆのうち直列接
続された少なくとも２つの主スイッチング素子をオンす
る。そして、直流電圧源１から共振用リアクトル３およ
びオンしている主スイッチング素子を通して、共振リア
クトル３の電流Ｉ_Rが、負荷電流Ｉ_Lとブースト電流Ｉ
_Bの和に等しくなるまで短絡電流を流し、その後、オン
している主スイッチング素子をオフさせると、共振用リ
アクトル３および共振用コンデンサ４が共振動作を開始
する。

【０００６】ここで、共振用コンデンサ４の共振電圧Ｖ
_C1がクランプ電圧Ｖ_C2を超えると、ダイオード１１を介
してクランプ用コンデンサ１０に充電電流が流れる。ク
ランプ用コンデンサ１０は、大きな容量を有しており、
充電電流に対して端子電圧の変動が少なくなるようにな
っている。なお、この充電電流が流れている期間におい
て、スイッチング素子１２をターンオンしておく。

【０００７】その後、共振リアクトル３の電流Ｉ_Rが減
少し、負荷電流Ｉ_Lより小さくなると、クランプ用コン
デンサ１０からスイッチング素子１２を介して放電電流
が流れる。この放電電流が、充電開始時の充電電流と同
じ大きさ（逆極性）になったとき、すなわちクランプ用
コンデンサ１０の充放電量が等しくなったとき、スイッ
チング素子１２をターンオフさせる。

【０００８】このような作動を繰り返すことによって、
共振電圧Ｖ_C1、クランプ電圧Ｖ_C2、共振リアクトル３の
電流Ｉ_Rは、図５に示すように変化し、共振用コンデン
サ４の共振電圧Ｖ_C1がクランプされる。また、共振電圧
Ｖ_C1は、図５に示すように所定の区間で電圧が０Ｖにな
っており、その区間においてインバータ部５の全スイッ
チング素子６ａ〜６ｆのスイッチングを行うことによっ
て、零電圧スイッチングが実行でき、全スイッチング素
子６ａ〜６ｆでのスイッチング損失をゼロにすることが
できる。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】上記した共振形インバ
ータ装置において、共振用コンデンサ２の共振電圧Ｖ_C1
を直流電圧源１の電圧の２倍の電圧よりも低い電圧でク
ランプするためには、クランプ電圧Ｖ_C2を、直流電圧源
１の電圧Ｖ_Sに対し、常にＫ・Ｖ_S（１＜Ｋ＜２）に一
定値に制御する必要がある。

【００１０】この場合、クランプ用コンデンサ１０の充
放電量が等しくなったクランプ終了時に、スイッチング
素子１２をターンオフさせれば、クランプ電圧Ｖ_C2を一
定値にすることができる。クランプ電圧Ｖ_C2を一定値に
制御する場合、クランプ電圧Ｖ_C2を、一定値Ｋ・Ｖ_Sと
コンパレータで比較して、スイッチング素子１２をター
ンオフさせればよいが、この方法では、クランプ時に共
振用コンデンサ２の電圧波形がクランプ回路９の寄生振
動の影響でＫ・Ｖ_Sを中心に振動してしまい、クランプ
終了に合わせた正確なタイミングでスイッチング素子１
２をターンオフさせることができないという問題があ
る。

【００１１】また、ＵＳＰ４，８６４，４８３号明細書
のＦｉｇ．２１には、上記した方法に対し、コンパレー
タ出力をＰＩ（比例積分）制御してスイッチング素子１
２をターンオフさせるものが開示されている。しかしな
がら、この方法では、クランプ回路９の寄生振動の影響
を受けないが、積分項（Ｉ項）が信号遅延成分となるた
め、スイッチング素子１２をターンオフさせるタイミン
グが遅れてしまうという問題がある。

【００１２】また、特開平７−１０７７４８号公報に
は、クランプ回路９に流れる電流を検出して、スイッチ
ング素子１２をターンオフさせるものが開示されてい
る。しかしながら、そのような電流検出では検出自体に
遅れが生じ、また、検出を行ってからスイッチング素子
１２をターンオフさせるタイミングを決定しているた
め、その回路処理に時間がかかってしまい、結果とし
て、正確にスイッチング素子１２をターンオフさせるこ
とができないという問題がある。

【００１３】このように、正確にスイッチング素子１２
をターンオフさせることができないと、クランプ用コン
デンサ１０の電圧を所望の値に安定させることができ
ず、零電圧スイッチングができなくなったり、あるいは
主スイッチング素子が過電圧破壊するという問題が生じ
る。本発明は上記問題に鑑みたもので、クランプ用コン
デンサの電圧を所望の値に安定させることを目的とす
る。

【００１４】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、請求項１乃至６に記載の発明においては、共振電圧
が、クランプ回路によってクランプされていない電圧レ
ベルの基準電圧になったことを検出し、この検出時を基
準としてスイッチング素子をターンオン、ターンオフさ
せるようにしたことを特徴としている。

【００１５】共振電圧が基準電圧になったときには、ク
ランプ回路の寄生振動に影響されないため、正確にその
時点を検出することができ、この検出時を基準としてス
イッチング素子をターンオン、ターンオフさせることに
よって、スイッチング素子をターンオフさせるタイミン
グを正確にすることができる。従って、クランプ用コン
デンサの電圧を所望の値に安定させることができる。

【００１６】この場合、請求項５、６に記載の発明のよ
うに、クランプ回路によってクランプされていない電圧
レベルの基準電圧になった時の、直流電圧源の電圧とク
ランプ用コンデンサの電圧の和の電圧に基づいてスイッ
チング素子をターンオフさせるタイミングを調整するよ
うにすれば、クランプ用コンデンサの電圧を所望の値
に、より安定させることができる。

【００１７】

【発明の実施の形態】以下、本発明を図に示す実施形態
について説明する。図１に、本発明の一実施形態を示す
共振形インバータ装置の構成を示す。この図１に示す共
振形インバータ装置においては、図４に示す従来のもの
と同様、共振用リアクトル３および共振用コンデンサ４
からなる共振回路２が直流電圧源１に並列に接続され
る。共振用コンデンサ４の両端に発生した共振電圧Ｖ_C1
は、インバータ部５によって交流電圧に変換され、３相
の誘導電動機８を駆動するのに用いられる。また、共振
用コンデンサ４の共振電圧Ｖ_C1は、クランプ回路９によ
って所定電圧にクランプされる。

【００１８】インバータ部５における主スイッチング素
子６ａ〜６ｆおよびクランプ回路９におけるスイッチン
グ素子１２は、駆動回路１４によって駆動される。この
駆動回路１４は、検出回路１５と、制御回路１６と、ド
ライブ回路１７によって構成されている。検出回路１５
は、負荷電流Ｉ_L、共振リアクトル３の電流Ｉ_R、共振
用コンデンサ４の共振電圧Ｖ_C1、クランプ電圧Ｖ_C2を検
出する。制御回路１６は、クランプ制御回路１６ａと、
インバータ制御回路１６ｂからなり、クランプ制御回路
１６ａは、クランプ回路９におけるスイッチング素子１
２をオンオフ制御し、インバータ制御回路１６ｂは、イ
ンバータ部５の各主スイッチング素子６ａ〜６ｆをオン
オフ制御する。ドライブ回路１７は、主スイッチング素
子６ａ〜６ｆおよびスイッチング素子１２の各ゲートを
駆動する。

【００１９】また、本実施形態では、インバータ始動時
に共振回路２を開ループにして共振動作を開始させる始
動用スイッチ１３が設けられている。この始動用スイッ
チ１３は、マニュアルで操作されるスイッチとする他、
例えば、電気自動車用に用いる場合、キースイッチと連
動するスイッチとすることができる。上記構成において
その作動を説明する。

【００２０】共振形インバータ装置の始動前に、インバ
ータ部５における主スイッチング素子６ａ〜６ｆのうち
直列接続された少なくとも２つの主スイッチング素子を
オンしておく。この状態で、始動用スイッチ１３をオン
すると、直流電圧源１から共振用リアクトル３およびイ
ンバータ部５のオンしている主スイッチング素子を通し
て、共振リアクトル３の電流Ｉ_Rが、負荷電流Ｉ_Lとブ
ースト電流Ｉ_Bの和に等しくなるまで短絡電流が流れ
る。この後、インバータ部５のオンしている主スイッチ
ング素子をオフさせると、共振用リアクトル３および共
振用コンデンサ４が共振動作を開始する。その後、共振
形インバータ装置は、定常動作状態となる。

【００２１】図２に、検出回路１５の一部と、クランプ
制御回路１６ａの具体的な回路構成を示す。この図２に
示す回路に従って、共振形インバータ装置の定常動作を
図３の波形図を参照しつつ説明する。検出回路１５は、
共振電圧Ｖ_C1を検出するＶ_C1検出回路２０と、クランプ
電圧Ｖ_C2を検出するＶ_C2検出回路２１を有しており、Ｖ
_C1検出回路２０は、共振電圧Ｖ_C1を抵抗２０ａおよび可
変抵抗２０ｂで分圧した電圧を出力し、Ｖ_C2検出回路２
１は、クランプ電圧Ｖ_C2を抵抗２１ａおよび可変抵抗２
１ｂで分圧した電圧を出力する。

【００２２】クランプ制御回路１６ａでは、Ｖ_C1検出回
路２０からの出力電圧をバッファ２２を介して取り込
み、その電圧を比較回路２３にて参照電圧１（第１の参
照電圧）と比較する。この参照電圧１は、共振電圧Ｖ_C1
がクランプ回路９によってクランプされていないときの
電圧であって直流電圧源１の電圧Ｖ_Sより低く設定され
た基準電圧Ｖ_A（図３参照）に対応した値になってい
る。

【００２３】そして、Ｖ_C1検出回路２０からの出力電圧
が参照電圧１より低くなっている期間（図３のｔａ時点
〜ｔｂ時点）、比較回路２３からサンプリング信号が出
力される。このサンプリング信号を受けて、サンプルホ
ールド回路２５は、Ｖ_C2検出回路２１の出力電圧をサン
プリングし、サンプリング電圧をコンデンサ２６に保持
する。

【００２４】比較回路２７は、サンプルホールド回路２
５からのサンプリング電圧を、Ｋ・Ｖ_Sの電圧に対応し
た値に設定された参照電圧２（第２の参照電圧）と比較
する。そして、サンプリング電圧が参照電圧２より高い
とき、すなわちクランプ電圧Ｖ_C2がＫ・Ｖ_Sより高いと
き、比較回路２７からハイレベルの信号が出力され、サ
ンプリング電圧が参照電圧２より低いとき、すなわちク
ランプ電圧Ｖ_C2がＫ・Ｖ_Sより低いとき、比較回路２７
からローレベルの信号が出力される。この比較回路２７
の出力は、後述するように、スイッチング素子１２をタ
ーンオフさせるタイミングを調整するために用いられ
る。

【００２５】また、Ｖ_C1検出回路２０からの出力電圧が
参照電圧１まで上昇すると（図３のｔｂ時点）、比較回
路２３からの出力信号がハイレベルに立ち上がる。第１
の遅延回路２８は、比較回路２３からの出力信号の立ち
上がりエッジにて、図３に示すｔ₁時間の遅延を行い、
ハイレベル信号を出力する。このハイレベル信号の立ち
上がりエッジにより、ラッチ回路２９は、ハイレベル信
号をドライブ回路１７に出力し、スイッチング素子１２
をターンオンさせる。

【００２６】また、第２の遅延回路３０は、第１の遅延
回路２８からの出力信号の立ち上がりエッジにて、図３
に示すｔ₂時間ローレベル信号を出力する。第１、第２
のカウンタ回路３１、３２は、第２の遅延回路３０から
ローレベル信号がＬＯＡＤ端子に入力されると、設定回
路３３に設定された８ビットの設定値にプリセットされ
る。この場合、設定回路３３に設定された８ビットの設
定値は、上位７ビットが７個のスイッチのオンオフによ
り予め設定されており、最下位の１ビットが比較回路２
７からの出力信号によって設定される。このプリセット
により、第１、第２のカウンタ回路３１、３２は、クロ
ック発生回路３４からのクロックを用いてダウンカウン
トを行う。

【００２７】そして、図３に示すｔ₃時間が経過し、第
１、第２のカウンタ回路３１、３２が８ビットの設定値
だけカウントを行うと、第１のカウンタ回路３１は、Ｂ
ＯＲＲＯＷ端子からローレベル信号を出力する。このロ
ーレベル信号がラッチ回路２９のＣＬＲ端子に入力され
ると、ラッチ回路２９は、ローレベル信号をドライブ回
路１７に出力し、スイッチング素子１２をターンオフさ
せる。

【００２８】従って、スイッチング素子１２は、共振電
圧Ｖ_C1が基準電圧Ｖ_Aに上昇した時点からｔ₁時間経過
後にターンオンされ、その後、（ｔ₂＋ｔ₃）時間が経
過するとターンオフされる。このように、本実施形態に
おいては、共振電圧Ｖ_C1が、クランプ回路９によってク
ランプされていない電圧レベルの基準電圧Ｖ_Aに上昇し
た時点を検出し、この検出時を基準として、スイッチン
グ素子１２をターンオン、ターンオフさせるタイミング
を決定している。共振電圧Ｖ_C1が基準電圧Ｖ_Aに上昇し
た時点は、クランプ回路９の寄生振動に影響されないた
め、正確にその時点を検出することができる。また、こ
の検出時から一定時間、すなわち（ｔ₁＋ｔ₂＋ｔ₃）
時間経過後に、スイッチング素子１２をターンオフさせ
るようにしているから、スイッチング素子１２をターン
オフさせるタイミングを正確にすることができる。

【００２９】また、比較回路２７の比較結果に基づき、
サンプリング電圧が参照電圧２より高いとき、すなわち
クランプ電圧Ｖ_C2がＫ・Ｖ_Sより高いとき、設定回路３
３の最下位の１ビットが１に設定され、また、サンプリ
ング電圧が参照電圧２より低いとき、すなわちクランプ
電圧Ｖ_C2がＫ・Ｖ_Sより低いとき、設定回路３３の最下
位の１ビットが０に設定される。

【００３０】従って、クランプ電圧Ｖ_C2がＫ・Ｖ_Sより
高いときには、スイッチング素子１２をターンオフさせ
るタイミングが遅くなるため、クランプ電圧Ｖ_C2が低下
する。また、クランプ電圧Ｖ_C2がＫ・Ｖ_Sより低いとき
には、スイッチング素子１２をターンオフさせるタイミ
ングが早くなるため、クランプ電圧Ｖ_C2が上昇する。こ
のように、クランプ回路９がクランプを行っていないと
きのクランプ電圧Ｖ_C2を検出し、この検出した電圧に基
づいてスイッチング素子１２をターンオフさせるタイミ
ングを調整するようにしているから、クランプ電圧Ｖ_C2
を所望の電圧に安定させることができる。

【００３１】なお、上記実施形態においては、共振電圧
Ｖ_C1が基準電圧Ｖ_Aに上昇した時点を基準として、スイ
ッチング素子１２をターンオン、ターンオフさせるタイ
ミングを決定するものを示したが、共振電圧Ｖ_C1が基準
電圧Ｖ_Aに下降した時点を基準として、スイッチング素
子１２をターンオン、ターンオフさせるタイミングを決
定するようにしてもよい。

【００３２】また、上記実施形態においては、第１の遅
延回路２８からの出力信号に基づいて、第１、第２のカ
ウンタ回路３１、３２がｔ₃時間の計測を行うものを示
したが、比較回路２３からの出力信号の立ち上がりエッ
ジを検出して、第１、第２のカウンタ回路３１、３２が
（ｔ₁＋ｔ₂＋ｔ₃）時間を計測するようにしてもよ
い。

【００３３】また、上記実施形態では負荷として３相の
誘導電動機について説明したが、負荷はこれに限るもの
ではなく、同期電動機など他の交流電動機であってもよ
い。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施形態を示す共振形インバータ装
置の回路構成を示す図である。

【図２】図１中の検出回路１５の一部とクランプ制御回
路１６ａの具体的な回路構成を示す図である。

【図３】図１、図２に示す各部の信号波形を示す図であ
る。

【図４】従来の共振形インバータ装置の回路構成を示す
図である。

【図５】図４に示す回路における、共振電圧Ｖ_C1、クラ
ンプ電圧Ｖ_C2、共振リアクトル３の電流Ｉ_Rの波形を示
す図である。

【符号の説明】

１…直流電圧源、２…共振回路、３…共振用リアクト
ル、４…共振用コンデンサ、５…インバータ部、８…誘
導電動機、９…クランプ回路、１０…クランプ用コンデ
ンサ、１１…ダイオード、１２…スイッチング素子、１
３…始動用スイッチ、１４…駆動回路、１５…検出回
路、１６…制御回路、１６ａ…クランプ制御回路、１６
ｂ…インバータ制御回路、１７…ドライブ回路。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】直流電圧源（１）に並列に接続され、共
振用リアクトル（３）および共振用コンデンサ（４）か
ら構成されて、前記共振用コンデンサの両端に共振電圧
を発生する共振回路（２）と、前記直流電圧源の直流電圧を交流電圧に変換して負荷
（８）を駆動するインバータ部（５）と、前記共振電圧を所定電圧にクランプするものであって、
前記直流電圧源に直列接続され前記クランプ時に充放電
されるクランプ用コンデンサ（１０）と、このクランプ
用コンデンサの放電動作を終了させるスイッチング素子
（１２）とを有するクランプ回路（９）と、前記共振電圧が、前記クランプ回路によってクランプさ
れていない電圧レベルの基準電圧になったことを検出
し、この検出時を基準として前記スイッチング素子をタ
ーンオン、ターンオフさせる制御手段（１４）と備えた
ことを特徴とする共振形インバータ装置。
【請求項２】前記制御手段は、前記共振電圧を検出する第１の電圧検出手段（２０）
と、この第１の電圧検出手段によって検出された電圧と前記
基準電圧に対応する第１の参照電圧とを比較する第１の
比較手段（２３）と、前記第１の電圧検出手段によって検出された電圧が前記
第１の参照電圧になったときに前記第１の比較手段から
出力される信号に基づいて、前記スイッチング素子をタ
ーンオン、ターンオフさせる信号を発生する信号発生手
段（２８〜３４）とを有することを特徴とする請求項１
に記載の共振形インバータ装置。
【請求項３】前記信号発生手段は、前記第１の比較手
段から出力される信号を遅延して、前記スイッチング素
子をターンオンさせるための信号を出力する遅延手段
（２８）を有することを特徴とする請求項２に記載の共
振形インバータ装置。
【請求項４】前記信号発生手段は、時間計測を行って
前記スイッチング素子をターンオフさせるタイミングを
決定する時間計測手段（３０〜３４）を有することを特
徴とする請求項２又は３に記載の共振形インバータ装
置。
【請求項５】前記制御手段は、前記第１の比較手段から前記信号が出力されたときの前
記直流電圧源の電圧と前記クランプ用コンデンサの電圧
の和の電圧を検出する第２の電圧検出手段（２１）と、この第２の電圧検出手段によって検出された電圧を第２
の参照電圧と比較し、前記スイッチング素子をターンオ
フさせるタイミングを調整するために、前記時間計測手
段の時間計測値を変化させる第２の比較手段（２７）と
を有することを特徴とする請求項４に記載の共振形イン
バータ装置。
【請求項６】直流電圧源（１）に並列に接続され、共
振用リアクトル（３）および共振用コンデンサ（４）か
ら構成されて、前記共振用コンデンサの両端に共振電圧
を発生する共振回路（２）と、前記直流電圧源の直流電圧を交流電圧に変換して負荷
（８）を駆動するインバータ部（５）と、前記共振電圧を所定電圧にクランプするものであって、
前記直流電圧源に直列接続され前記クランプ時に充放電
されるクランプ用コンデンサ（１０）と、このクランプ
用コンデンサの放電動作を終了させるスイッチング素子
（１２）とを有するクランプ回路（９）と、前記共振電圧が、前記クランプ回路によってクランプさ
れていない電圧レベルの基準電圧になったことを検出
し、この検出時を基準として前記スイッチング素子をタ
ーンオン、ターンオフする制御手段（１４）とを備え、前記制御手段は、前記検出時における前記直流電圧源の
電圧と前記クランプ用コンデンサの電圧の和の電圧を検
出し、この検出した電圧に基づいて前記スイッチング素
子をターンオフさせるタイミングを調整するように構成
されていることを特徴とする共振形インバータ装置。