JPS60125177A - トランジスタインバ−タの保護回路 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔発明の技術分野〕 この発明はトランジスタインバータの保護回路にかかシ
、特にブリッジの負荷側短絡事故等によってブリッジを
構成するトランジスタに過大電流が流れて、これが破壊
することを防止する保護回路に関する。

〔発明の技術的背景〕

従来のトランジスタインバータのトランジスタ保護回路
の一例を第１図に示す。まずこの回路の構成圧ついて説
明すると、交流電源ｌを整流器２を介して直流に変換し
、コンデンサ３によって平滑化した直流電源を得る。ト
ランジスタブリッジ４は直流電源からの直流を交流に変
換し、負荷（たとえば交流電動機）５に供給する。トラ
ンジスタブリッジ４はトランジスタ４１　、４２　、４
３　、４４　。

４５　、４６とこれらのトランジスタにそれぞれ逆並列
に接続されたダイオード５１　、５２　、５３　、５４
　、５５　、５６とから構成され、三相のブリッジとな
っている。

一方、インバータの出力周波数を決定する周波数設定器
６の出力はランプ関数発生器７を通して変化率を制限し
、電圧パターン回路８によシインバータ出力電圧を、電
圧周波数変換器９によシインパータ出力周波数をそれぞ
れ決定し、ＰＷＭ信号発生回路１０によ）パルス幅変調
信号とな多出力される。ＰＷＭ信号発生回路１０に接続
されたロジック回路１１は、直列に接続されたブリッジ
４内のトランジスタが同時にオンしないようにデッドタ
イムを設ける機能を有し、同時に過電流検出回路１４か
ら過電流を示す信号が出力された場合にはインバータ４
内のすべてのトランジスタをオフするような信号を出力
する。駆動回路１２はロジック回路１１０指令信号に基
づきブリッジ４内のすべてのトランジスタを駆動するた
めの信号を増幅すると同時に絶縁している。インバータ
ブリッジ４の直流側には電流検出器１３が設は佼れてお
シ、これに接続された過電流検出回路１４によシ、電流
検出器１３の出力レベルが設定値以上になった時は過電
流と判断し、すみやかにブリッジ４内のトランジスタの
オン信号をすべてオフすることにより、ブリッジ４の負
荷側短絡や直列接続した２つのトランジスタの一方の側
の短絡事故の場合に正常なトランジスタの劣化や破壊を
防いでいる。

交流電源ｌが２２０■の場合、トランジスタのコレクタ
・エミッタ間電圧ＶＣＥＴ）は４５０　Ｖ〜５５０　Ｖ
の電圧定格のものが使用される。この電圧定格のトラン
ジスタのＦＢＳＯＡ（Ｆｏｒｗｏｒｄ　Ｂｉａｓ　５ａ
ｆｅ　０ｐｅ−ｒａｔｉｏｎ　Ａｒｅａ　）、すなわち
ベース電流を流した筬態で負荷を短絡して安全な動作範
囲は４００　Ｖ程度でほぼその電圧定格に等しい。すな
わち第２図に示すような試験回路においてトランジスタ
４７のコレクターエミッタ間に直流電源３１を印加し、
コレクタ・エミッタ間電圧ＶＣＥを４００Ｖに保ち、ベ
ースに艶μＳからωμｓ　の間オン信号■Ｂを加えた後
、このオン信号工３をオフにしてコレクタ電流■ｃをし
ゃ断してもトランジスタは正常に動作する。

第３図は第２図の試験回路においてトランジスタ４７に
印加されるオン信号ＩＢとコレクタ電流ＩＣとの関係を
示す波形図である。このように直流電源か４００■以下
、すなわち交流電源が２２０■定格の場合には第１図に
示すような回路を用いてブリッジ４内のトランジスタの
過電流事故を保護することができる。

〔背景技術の問題点〕

さて交流電圧が４４０■の場合には、ブリッジ４内で駆
動されるトランジスタの電圧定格ＶＣＥＯは９００■〜
１００ＯＶ程度となる。しかしこの定格範囲のものはＦ
ＢＳＯＡがベースに印加されるオン信号（３）μＳの場
合、コレクタ・エミッタ間電圧■。Ｆ。

が５５０Ｖ〜６００　Ｖ程度が限度であシ、コレクタ・
エミッタ間電圧■。。をさらに上昇させるとオン信号か
数μｓ以内にトランジスタが劣化して短絡状態となって
しまう。

第４図はトランジスタの劣化の様子を説明するための図
である。パルス幅を刃μＳにした場合のコレクタ・エミ
ッタ間電圧■。Ｅとコレクタ電流ＩＣとの関係を示した
ものである。コレクタ・エミッタ間電圧■。Ｅがある電
圧点■。（５００〜５５０Ｖ）に近づくにつれ、短絡時
のコレクタ電流工。がＩ。０へと急増し、電圧Ｖ。の点
に達すると数μｓ以内にトランジスタは短絡状態となる
。これはトランジスタを構成しているシリコン等の結晶
の一部にホットスポットが発生するためといわれている
。

電圧■。の点をさらに高くすることは可能であるが、ト
ランジスタのスイッチング特性が悪くなったシ定格電流
か減少する等の特性悪化があるので電圧■ｏの点を高く
することはトランジスタ特性上好ましくプよい。そこで
スイッチング特性は良　−いがＦＢＳＯＡはやや低いト
ランジスタを使用して、しかも短絡事故等に対して十分
保護できるようなトランジスタインバータの保護回路が
望まれていた。トランジスタの保護回路としてはたとえ
ば特願昭５４−１３７３２９の過電流検出保強回路に示
されるようにコレクタ・エミッタ間電圧ｖｃｇを監視し
、コレクタ・エミッタ間が非飽和になったことを検出し
てトランジスタの過′磁流を検出し、そのトランジスタ
を保護するというような方法もある。しかしこの方法も
ＶＣＥＩ）　が９００Ｖ〜１，０ＯＯＶクラスのトラン
ジスタでは、スイッチングスピードも遅く、トランジス
タのコレクタ・エミッタ間電圧■ｃＥが飽和するまでの
時間も長（・ため、保護回路はこの期間内は動作しない
という欠点かある。

第５図はトランジスタのオン特性を示したものである。

ベース電流ＩＢを加えて、コレクタ・・エミッタ間電圧
ＶＣＥか９０％に１よるまでの時間をデッドタイムｔ、
、９０％から１０％まで低下する時間をフォールタイム
１ｆ　と定義している力）、コレクタ・エミッタ間電圧
ＶＣＦ、が１０％からさらに１％（すプエわち直流電圧
は６００■の場合は約６Ｖ）になるまでの時間をさらに
フォールタイム１（０２〜３倍の時間が必要であシ、コ
レクタ・エミッタ間電圧ＶＣＨの飽和、非飽和を３〜５
■のレベルで検出するにはかなりの時間を必要とする。

ｊなわちベースにオン信号■Ｂを加えてから５０〜６０
μｓ　Ｏ）デッドタイムが必要となる。したかつてその
方法で数μｓで劣化するトランジスタの保護をすること
は高圧トランジスタを用いるインノく一タブリッジの場
合には不可能である。

〔発明の目的〕

この発明の目的は、コレクターエミッタ間電圧が数百７
以上になった状態で負荷の異常を早期に検出し、トラン
ジスタにホットスポットができるような電流、電圧にな
る以前にトランジスタをオフすることによシ、トランジ
スタの破壊を早期に防止することのできるトランジスタ
インバータの保護回路を提供するにある。

〔発明の概要〕

この発明では上記目的を達成するために、トランジスタ
ブリッジを構成するトランジスタのコレクタ・エミッタ
間電圧の上昇を検出して前記トランジスタに印加された
オン信号を遮断し前記トランジスタの破壊を防止するト
ランジスタインバータの保護回路において、前記トラン
ジスタブリッジへの直流電源供給回路内にあって前記ト
ランジスタブリッジの電流変化率を抑制するりアクドル
と、前記直流電源を少なくとも１つの分圧点を持つよう
に分圧する手段と、前記トランジスタブリッジの出力点
゛と前記分圧点との間の電圧差カー所望の値を越えた時
検出信号を出力する検出手段と、前記トランジスタに前
記オン信号が印加されて（・る期間に前記検出信号が出
力されると前記オン信号をオフするよう動作する手段と
を具備することを特徴としている。

〔発明の実施例〕

第６図はこの発明の第１の実施例を示す回路図である。

なお以下の図面においては第１図に示したと同一部分に
は同一符号を付し、その説明は省略する。また紀６図で
はトランジスタブリッジ４およびその制御信号回路をそ
の１相分につ（・てのみ記して他は省略しである。

この回路では、整流器２とコンデンサ３とから構成され
る直流電源と、トランジスタブリッジ４との間にリアク
トル１５とこれに並列に接続されたダイオード１６とを
挿入し、ブリッジ４内のトランジスタの事故電流の変化
率を制限する。一方、ブリッジ４の直流側端子間を抵抗
１７　、１８によ部分圧し、その中点とブリッジ４０交
流側端子Ｕとの間に抵抗１９と逆並列接続“されたホト
カブラ加、２１とを直列に接続して挿入する。これによ
シトランジスタ４１　、４４の両端電圧がトランジスタ
ブリッジ４の直流側電圧の約）を越えたことを検出する
。トランジスタ４１を駆動するＰＷＭ信号■４□はディ
レィ回路ｎを通ってアンド回路列に入力される。また、
フォトカプラ２１の受光素子２１　ａには抵抗おが直列
接続されておシ、この抵抗おの端子電圧を検出すること
によシ、フォトカプラ２１の出力を検出することができ
る。そしてこの検出された出力はアンド回路２４に入力
される。このアンド回路列の出力によシトランジスタ４
１をオンしてもトランジスタのコレクタＱエミッタ間電
圧■ｃＦ、が直流側端予電圧の７以上になったことを検
出し、故障検出回路列によって他のトランジスタの異常
や過電流検出器１４　／”、　ｉ；・刀を検出して、ロ
ジック回路１１によシトランジスタ駆動信号をオフする
よう動作してトランジスタを保護する。

トランジスタ４４を駆動するＰＷＭ信号ｖ４□も上記し
たと同様に、ディレィ回路６を介してアンド回路２７の
一方の入力に接続されておシ、他方の入力にはフォトカ
ブラ加の受光素子２０ａの出力・信号が抵抗２６の端子
電圧としで検出されて入力されている。アンド回路２７
のｍ力も故障検出回路あへ入力されている。

次に保強動作の詳細について第７図および第８図に基づ
いて説明する。今、第６図に示すブ１ノツジ４内のトラ
ンジスタ４１が短絡故障になった状態を第７図に示すよ
うにスイッチ４１　ａが閉じたことで表わす。この状態
でトランジスタ４４にオン信号か加わった時、トランジ
スタ４４を劣化させることなく保護する様子を纂８図に
示す。

時刻ｔ１　において、トランジスタ４４のＰＷＭ信号■
４□が１１１１すなシ、駆動回路によシ信号Ｖ４４かト
ランジスタ４４０ベースに加わった場合、トランジスタ
４４はオンディレィ時間後の時刻ｔよ′においてオンを
開始し、コレクタ・エミッタ間電圧ＶＣＥは下かシ始め
る。トランジスタ４４のコレクタ電流Ｉ。はコレクタ・
エミッタ間電圧ＶＣＥか低Ｔするにしたかつて急速に上
昇し、リアクトル１５とダイオード１６とで構成される
回路内を循還していた電蝉■１に達した後は、リアクト
ル１５によシ制限される変化率に低下する。

ディレィ回路５の出力信号ｖ２５がＩＩ　Ｉ　ＩＩとな
る時刻ｔ２　はトランジスタ４４がオンする時間にほぼ
あわせであるので、時刻ｔ２　ではフォトカブラ加に電
流は流れず、フォトカプラ出力Ｖ２０ａ　はＩＩ　ＯＩ
Ｉとなっているので、アンド回路γの出力■２７も＊　
□　ＩＩとなシ故障検出回路あの出力もＩＩ　ＯＩＩと
なる。そこでトランジスタ４４は正常に動作していると
判断され、駆動信号ｖ４４は出力されたままとなる。さ
らにコレクタ電流ＩｃｆＪ′−増加を続は時刻ｔ３にな
ると、トランジスタ４４け不飽和状態となり、コレクタ
ーエミッタ間電圧ＶＣＥが上昇し、トランジスタブリッ
ジ直流側電圧Ａｒｄ　を抵抗１７　、１８で分圧した電
圧よりフォトカプラの順方向電圧分だけ高くなると、フ
ォトカプラ加に電流が流れ始め、時刻ｔ３　において、
フォトカプラ加の出力■２ｏａはＩＩ　Ｉ　Ｉｆとなる
。

なおリアクトル１５の効果で、トランジスタブリッジ直
流側電圧ｖｄは直流電源器の電圧値よシかな′り低い状
態となっている。アンド回路ｎの出力■２７はＩＩ　Ｉ
　ＩＩとなシ故障検出回路列はその出力をＩｆ　Ｉ　Ｉ
Ｉとして保持し、トランジスタ４４の駆動信号はｌ・ラ
ンジスタのベースに負の信号を加えるように出力されこ
の結果トランジスタ４４は速やかにオーツされる。時刻
ｔ４　でトランジスタ４４は完全にオフとなシコレクタ
電流ＩＣはＩｔ　□　１１となり、トランジスタ４４は
事故電流を完全に遮断することができる。すなわち事故
電流をリアクトル１５によシその上昇率を制限して定格
コレクタ電流■。よシやや高い時点でしかもコレクタ・
エミッタ間電圧ＶＣＥがまだ低い状態で事故を見つけて
遮断するので、事故時にトランジスタに消費される電力
（ＶＣＥＸＩＣ）　が過大にならないうちに完全に保護
することが可能となる。

このようにこの発明はりアクドルによシミ流度化率を制
限し、ベース電流が供給されているにもかかわらずイン
バータブリッジの直阜電圧の約２以上の電圧がトランジ
スタに印加されていることを検出し速やかにトランジス
タをオフすることにより、トランジスタを保護すること
が可能であり、直流電源が可変な回路にも応用できる特
徴がある。

さらに第５図で説明したようにターンオン時のコレクタ
ーエミッタ電圧ＶＣＥの電圧低下カーブの中点で検出を
おこなうように構成しているので、早い検出と同時に安
定な検出か可能である。

第９図はこの発明の他の実施例を示す回路図である。こ
の実施例ではりアクドル１５ａとダイオード１６ａとを
並列接続して直流母線の一方に、リアクトル１５ｂとダ
イオード１６ｂとを並列にして直流母線の他方に接続す
ることにより回路を対称化させている。このようにする
とフォトカプラ２０　、２１は直流電源２３ａと２３ｂ
との中点に接続することが可能となる。

第１０図はこの発明のさらに他の実施例を示す回路図で
、接地に対する保護を目的としている。交流電源１と整
流器２との間にリアクトル３Ｇを接続している。なおこ
のリアクトル３６として電源のインピーダンスを利用す
るようにしても同様である。

この場合フォトカプラ加、２１はコンデンサ３ａと３ｂ
との中点に接続される。なおこの場合にはトランジスタ
ブリッジ４の出力の一相が接地した場合、図中に矢印で
示した方向に電流が流れるが、第８図で説明したと同様
にトランジスタを完全に保護することが可能となる。

第１１図もこの発明の一実施例を示したものであるか、
直流゛電源の分圧点を２つ設けた場合の例である。この
ように抵抗３１　、３２　、３３で分圧した電圧と、ト
ランジスタ４１　、４４のコレクタ・エミッタ間電圧■
。８とを抵抗１９ａ、フォトカプラ２１、および抵抗１
９ｂ、フォトカプラ加によシ比較することによシ検出電
圧を変えることが可能となる。ここでフォトカプラ加お
よび２１に並列接続されたダイオードア、３５はフォト
カプラの逆方向電圧をクランプするための保護用に用い
たものである。

なお第６図に示す実施例ではＰＷＭ信号■４□がティレ
イ回路２２を介してアンド回路２４に伝達されるように
構成されているが、第１２図に示すようにアンド回路Ｕ
とデづレイ回路２２との接続を変更することも可能で、
同様の動作をはかることができる。

第１３図はさらにこの発明の他の実施例を示−″３−回
路図で、第１１図に示した分圧用の抵抗３１　、３３に
かわり、チェナダイオード１３１．１３３を用いたもの
である。このように一定電圧を越えると急に電流か流れ
るような素子を用いることによシ同等な作用をおこなわ
せることも可能である。

なお以上の説明はいずれも３相インノ（−夕を前提とし
て説明したが、この発明は相数には無関係で、負荷も直
流電動機に限定されるものではなく他の負荷であっても
よい。またブリッジ内のトランジスタに印加される制御
信号はＰＷＭ信号に限定されるものではなく、直流電源
電圧を可変するＰ　Ａ　Ｍ　（Ｐｕ１ｓｅ　Ａｍｐｌｉ
ｔｕｄｅ　Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ　）制御方式のインバ
ータ回路であっても適用可能である。

〔発明の効果〕

以上実施例に基づいて詳細に説明したように、この発明
では事故電流の通路にリアクトルを挿入し、このリアク
トルによシ事故電流の立ち上か少を押えると同時にトラ
ンジスタのコレクタ・エミッタ間電圧をインバータ直流
電圧の分岐点電圧と比較して駆動電流を供給されている
トランジスタのターンオンすべき時間後に異常を検出さ
れたトランジスタを速やかにオフするように構成してい
るので、トランジスタの瞬時電力積か制限されホットス
ポットができる以前に電流を遮断することか可能となる
。したがって高電圧ノぐワトランジスタを劣化させるこ
となく保護することのできるトランジスタインバータの
保護回路が実現できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来のトランジスタインノ（−夕の保護回路の
一例を示す回路図、第２図はトランジスタの試験回路の
一例を示す図、第３図は第２図の回路におけるベースオ
ン電流とコレクタ電流との関係を示す波形図、第４図は
高圧トランジスタの劣化限界を示す特性図、竿５図はト
ランジスタのオン特性を示す波形図、第６図はこの発明
の一実施例を示す回路図、第７図は泥６図の事故時の動
作を説明するための回路図、第８図は第６図および第７
図の各点における動作波形図、第９図、第１０図、第１
１図、第１２図および第１３図はそれぞれこの発明の他
の実施例を示す回路図である。 １・・・交流電源、２・・・整流器、３・・・コンデン
サ、４・ｆ・トランジスタブリッジ、５・・・負荷、１
０・・・ＰＷＭ発生器、１１・・・ロジック回路、１２
・・・駆動回路、１３・・・電流検出器、１４・・・過
電流検出器、１５・・・リアクトル、１６・・・ダイオ
ード、１７　、１８　、１９・・・抵抗、加、２１・・
・フォトカプラ、ｎ、２５・・・ディレィ回路、路、２
６・・・抵抗、２４　、２７・・・アンド回路、加・・
・故障検出回路、４１　、４２　、４３　、４４　、４
５、−４６・・・トランジスタ、あ・・・リアクトル。 出願人代理人　猪　股　清 范２図　も３図 第５図 范６図 児７図 ４６ ％δ区 鬼９図 范１０図 第１１図 ／６ 箆１２図 范１３図 ／６

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. トランジスタブリッジを構成するトランジスタのコレク
   タ・エミッタ間電圧の上昇を検出して前記トランジスタ
   に印加されたオン信号を遮断し前記トランジスタの破壊
   を防止するトランジスタインバータの保護回路において
   、前記トランジスタブリッジへの直流電源供給回路内に
   あって前記トランジスタブリッジの電流変化率を抑制す
   るりアク）／ｌ／と、前記直流電源を少なくとも１つの
   分圧点を持つように分圧する手段と、前記トランジスタ
   ブリッジの出力点と前記分圧点との間の電圧差が所望の
   値を越えた時検出信号を出力する検出手段と、前記トラ
   ンジスタに前記オン信号が印加されている期間に前記検
   出信号が出力されると前記オン信号をオフするよう動作
   する手段とを具備したことを特徴とするトランジスタイ
   ンバータの保護回路。