JP2017005824A - インバータ駆動回路 - Google Patents

Abstract

【課題】インバータ駆動回路を小型にすることである。【解決手段】インバータ回路を駆動するインバータ駆動回路に設けられる制御部８と、インバータ回路の上アーム及び下アームに設けられるスイッチ素子Ｑｕ１、Ｑｄ１それぞれの温度情報のうち所定の温度情報を選択し、選択した所定の温度情報を制御部８へ送信する選択部７ａ（７ｂ）と、を備えるインバータ駆動回路である。【選択図】図１

Description

本発明はインバータ駆動回路に関する。

インバータ駆動回路にはスイッチ素子等の温度情報から保護動作させる機能を有するものがある。インバータ回路の上アーム及び下アームに用いられるスイッチ素子の温度に関する温度情報を、インバータ駆動回路に搭載されている制御部に送信する場合に、制御部の入力ポート（端子）の数には制限があるため、スイッチ素子それぞれの温度情報すべてに対して入力ポートを用意することができない場合がある。例えば、三相インバータ回路の場合、スイッチ素子の数は上下アームを合わせて六個あるので、温度情報を受信できる入力ポートを六個用意する必要がある。例え温度情報と同じ数の入力ポートを制御部に用意できたとしても、入力ポートの増加によりインバータ駆動回路が大きくなるという問題がある。更に、温度情報すべてを受信した制御部は、温度情報それぞれについて処理をしなくてはならないため、制御部の処理負荷が大きくなる。なお、関連する技術として特許文献１を参照。また、スイッチ素子を駆動する駆動部に使用される集積回路について、機能ごとに入出力ポート（端子）を設けているものがあり、インバータ駆動回路が大きくなるという問題がある。

特開２００５−１６８２６２号公報

本発明の一側面に係る目的はインバータ駆動回路を小型にすることである。

本発明に係る一つの形態であるインバータ駆動回路は制御部及び選択部を備える。
制御部は、インバータ回路を駆動するインバータ駆動回路に設けられる。
選択部は、インバータ回路の上アーム及び下アームに設けられるスイッチ素子それぞれの温度情報のうち所定の温度情報を選択し、選択した所定の温度情報を制御部へ送信する。

また、選択部は、インバータ回路の相ごとに設けられ、相ごとの上アーム及び下アームそれぞれのスイッチ素子の温度情報を選択する。
本発明に係る一つの形態であるインバータ駆動回路は、スイッチ素子を駆動させる駆動用スイッチ素子と、スイッチ素子を休止させる休止用スイッチ素子と、駆動用スイッチ素子の出力端子とスイッチ素子の制御端子との間に接続される駆動用抵抗と、休止用スイッチ素子の出力端子とスイッチ素子の制御端子との間に接続される休止用抵抗と、スイッチ素子の休止状態を保持する休止保持スイッチ素子と、制御電圧検出部と、を備える。

制御電圧検出部は、駆動用抵抗と接続された駆動用スイッチ素子の出力端子の電圧を検出し、検出した電圧に応じて休止保持スイッチ素子の駆動と休止を制御する。

インバータ駆動回路を小型にすることができる。

インバータ駆動回路の一実施例を示す図である。 インバータ駆動回路の他の一実施例を示す図である。 インバータ駆動回路が有する駆動回路の一実施例を示す図である。

以下図面に基づいて実施形態について詳細を説明する。
＜実施形態＞
図１は、インバータ駆動回路の一実施例を示す図である。図１に示すインバータ回路は、上アームのスイッチ素子Ｑｕ１と下アームのスイッチ素子Ｑｄ１とが示されている。スイッチ素子Ｑｕ１は駆動部６ａにより駆動され、スイッチ素子Ｑｄ１は駆動部６ｂにより駆動される。スイッチ素子Ｑｕ１、Ｑｄ１は、例えば、ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）、ＭＯＳＦＥＴ（Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor）などを用いることが考えられる。なお、図１の例では便宜上一つの上下アームについてのみ示したが、三相インバータ回路の場合、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相それぞれについて上下アームを有している。

図１の上アーム用回路は、低圧回路１ａ、高圧回路２ａ、絶縁部３ａ、温度検出部４ａ、温度計測部５ａから構成され、図１の下アーム用回路は、低圧回路１ｂ、高圧回路２ｂ、絶縁部３ｂ、温度検出部４ｂ、温度計測部５ｂ、選択部７ａから構成されている。なお、図１の例では、上アームのスイッチ素子Ｑｕ１及び下アームのスイッチ素子Ｑｄ１に関する回路のみを示したが、三相インバータ回路の場合には、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相の上下アームそれぞれにスイッチ素子が設けられる。そのため、三相インバータ回路の場合には、六個のスイッチ素子に対して上記回路が六個設けられる。

低圧回路１ａ、１ｂは低電圧で駆動する回路で、例えば、制御部８の入力ポートに信号を送信する回路などを有する。
高圧回路２ａ、２ｂは高電圧で駆動する回路で、例えば、インバータ回路に接続される回路などを有する。絶縁部３ａ、及び、絶縁部３ｂは、低圧回路１ａと高圧回路２ａとを絶縁する回路、及び、低圧回路１ｂと高圧回路２ｂとを絶縁する回路、である。なお、図１において駆動部６ａ、６ｂは高圧回路２ａ、２ｂに含まれていないが、高圧回路２ａに駆動部６ａを設け、高圧回路２ｂに駆動部６ｂを設けてもよい。

温度検出部４ａは、温度計測部５ａが計測した値を高圧回路２ａの端子ｐ２を介して受信し、受信した値に基づいて温度情報を生成し、生成した温度情報を絶縁部３ａを介して、低圧回路１ａに出力する。また、温度検出部４ｂは、温度計測部５ｂが計測した値を高圧回路２ｂの端子ｐ５を介して受信し、受信した値に基づいて温度情報を生成し、生成した温度情報を絶縁部３ｂを介して、低圧回路１ｂに出力する。温度計測部５ａ、５ｂは、それぞれスイッチ素子Ｑｕ１、Ｑｄ１に関する温度を直接または間接的に計測するもので、例えば、スイッチ素子Ｑｕ１、Ｑｄ１に接続されているダイオードの順方向電圧を計測する計測回路でもよいし、あるいは、サーミスタや熱電対などでもよい。

選択部７ａは低圧回路１ａあるいは１ｂに設けられる。図１の例では、低圧回路１ｂに設けられている。選択部７ａには、温度検出部４ａから送信された温度情報を受信する入力端子と、温度検出部４ｂから送信された温度情報を受信する入力端子と、を備える。温度検出部４ａから送信された温度情報は、低圧回路１ａの端子ｐ１と低圧回路１ｂの端子ｐ３を結ぶ配線を介して、選択部７ａに受信される。温度検出部４ｂから送信された温度情報は絶縁部３ｂを介して選択部７ａに受信される。

続いて、選択部７ａは、温度検出部４ａ及び温度検出部４ｂから温度情報それぞれを受信すると、高温を示す温度情報（温度が高い方の温度情報）を選択して、低圧回路１ｂの端子ｐ４を介して制御部８に、選択された高温を示す温度情報を送信する。すなわち、従来であれば制御部８が実行していた処理を選択部７ａに割り振ることができる。

制御部８はインバータ駆動回路に設けられ、インバータ駆動回路を制御する回路である。例えば、ＣＰＵ（Central Processing Unit）、マルチコアＣＰＵ、プログラマブルなデバイス（ＦＰＧＡ（Field Programmable Gate Array）やＰＬＤ（Programmable Logic Device）など）などを用いて構成される。

なお、図１の例では上下アームを一組として選択部７ａを設けたが、その理由は同じ相の上下アームのスイッチ素子Ｑｕ１、Ｑｄ１には同じ電流が流れるためである。従って、三相インバータ回路の場合には、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相それぞれの上下アームごとに選択部７ａを設けることが望ましい。すなわち、相ごとに選択部７ａを設けることが望ましい。

以上のように選択部７ａを設けることにより、従来であれば制御部８にスイッチ素子の数と同じだけ用意していた入力ポートの数を従来より少なくできるので、インバータ駆動回路を小型にすることができる。例えば三相インバータ回路のインバータ駆動回路の場合、従来は六個の入力ポートを必要としたが、実施形態では制御部８に三個の入力ポートを用意するだけでよい。

更に、従来制御部８が実行していた処理を、選択部７ａに分散させることができるため、制御部８の処理負荷を軽減させることができる。
また、実施形態では、上下アームを一組として選択部７ａを設けたが、次のような方法を用いてもよい。
（１）スイッチ素子すべてに対して一つの選択部７ａを設ける方法。例えば三相インバータ回路の場合、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相それぞれの上下アームのスイッチ素子六個に対して一つの選択部７ａを設ける。この場合には選択部７ａへの入力は六個となり、六個の中から最も高温を示す温度情報を選択し、選択した温度情報を送信する。従って、制御部８は一個の入力ポートを用意することになる。
（２）上アームのスイッチ素子すべてに対して一つの選択部７ａと、下アームのスイッチ素子すべてに対して一つの選択部７ａと、を設ける方法。例えば三相インバータ回路の場合、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相それぞれの上アームのスイッチ素子三個に対して一つの選択部７ａと、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相それぞれの下アームのスイッチ素子三個に対して一つの選択部７ａと、を設ける。この場合には、上アームの選択部７ａへの入力は三個となり、三個の中から最も高温を示す温度情報を選択し、選択した温度情報を送信する。また、下アームの選択部７ａへの入力も三個となり、三個の中から最も高温を示す温度情報を選択し、選択した温度情報を送信する。従って、制御部８は二個の入力ポートを用意することになる。

実施形態の変形例について説明する。
図２は、インバータ駆動回路の他の一実施例を示す図である。図２に示すインバータ回路と、図１の実施形態で説明したインバータ駆動回路と、の違いは、図２の選択部７ｂと制御部８である。

図２の選択部７ｂは、制御部８から送信される切替信号を低圧回路１ｂの端子ｐ６を介して受信し、切替信号に基づいて温度情報を選択し、選択した温度情報を制御部８に送信する。すなわち、図１の実施形態では高温を示す温度情報のみを選択していたのに対し、変形例では高温を示す温度情報だけでなく、他の温度情報も制御部８に送信することができる。

図２の制御部８は、複数の温度情報から一つを選択するための切替信号を生成して選択部７ｂに出力する。選択部７ｂは切替信号を受信すると、切替信号に基づいて温度情報を選択する。ここで、切替信号には複数の温度情報のうちいずれか一つを選択するための情報が含まれている。図２の例では、上アームのスイッチ素子Ｑｕ１の温度情報、あるいは、下アームのスイッチ素子Ｑｄ１の温度情報、のいずれかを選択するための情報が含まれている。続いて、選択部７ｂから選択した温度情報が送信され、制御部８はその選択した温度情報を受信する。

以上のように選択部７ｂを設けることにより、従来より少ない入力ポートを用いることで、制御部８の処理負荷を軽減させることができる。例えば三相インバータ回路のインバータ駆動回路の場合、従来は六個の入力ポートを必要としたが、変形例では制御部８に三個の入力ポート及び一個の出力ポートを用意するだけで済むので、インバータ駆動回路を小型にすることができる。

また、高温を示す温度情報だけでなく他の温度情報も受信できるため、インバータ駆動回路の制御をより向上させることができる。
次に駆動部６ａ（６ｂ）について説明する。

図３は、インバータ駆動回路が有する駆動部の一実施例を示す図である。図３に示す駆動部６ａは、スイッチ素子Ｑｕ１の駆動と休止を制御（オン／オフ制御）するゲート駆動部と、制御端子の電圧を検出する制御電圧検出部３０４（一点鎖線）と、を有する集積回路３０１、及び、スイッチ素子Ｑｕ１の誤動作を防止する防止部、を有している。

機能ごとに集積回路に入出力ポートを設ける場合、制御電圧検出部３０４及び防止部を設けると、従来は図３に示すような配線３００（破線）、抵抗Ｒ１、入力端子ｐ１２などが必要になるため、駆動部６ａが大きくなってしまう。そこで、図３に示す駆動部６ａでは、配線３００（破線）及び抵抗Ｒ１を集積回路３０１内に移設し、図３に示す配線３０３及び抵抗Ｒ１として、図３に示す入力端子ｐ１２を集積回路３０１からなくす。その結果、図１、２の駆動部６a、６ｂそれぞれを小型にすることができるため、インバータ駆動回路も小型にすることができる。

ゲート駆動部について説明する。
ゲート駆動部は、論理回路３０２、駆動用スイッチ素子Ｓ１、休止用スイッチ素子Ｓ２、コンデンサＣ１、抵抗Ｒ１からＲ４などを有する。論理回路３０２は、制御部８から送信された制御信号（例えばＰＷＭ（Pulse Width Modulation）信号）を端子ｐ７を介して受信し、制御信号に基づいて、駆動用スイッチ素子Ｓ１及び休止用スイッチ素子Ｓ２の駆動と休止を制御（オン／オフ制御）する信号を生成し、出力する。

駆動用スイッチ素子Ｓ１はスイッチ素子Ｑｕ１を駆動させる信号を出力する。駆動用スイッチ素子Ｓ１の制御端子（ゲート）は論理回路３０２の駆動用の出力端子に接続され、駆動用スイッチ素子Ｓ１の一方の端子（ソース）は電源端子ｐ８を介して電源ＶＣＣに接続され、駆動用スイッチ素子Ｓ１の他方の端子（ドレイン）は出力端子ｐ９と接続される。駆動用抵抗Ｒ２、Ｒ３は、駆動用スイッチ素子Ｓ１の他方の端子とスイッチ素子Ｑｕ１の制御端子（ゲート）との間に接続されている。

休止用スイッチ素子Ｓ２はスイッチ素子Ｑｕ１を休止させる信号を出力する。休止用スイッチ素子Ｓ２の制御端子（ゲート）は論理回路３０２の休止用の出力端子に接続され、休止用スイッチ素子Ｓ２の一方の端子（ドレイン）は出力端子ｐ１０と接続される。休止用スイッチ素子Ｓ２の他方の端子（ソース）は接地端子ｐ１１を介してグランドに接続されている。休止用抵抗Ｒ４、Ｒ３は、休止用スイッチ素子Ｓ２の一方の端子とスイッチ素子Ｑｕ１の制御端子との間に接続されている。

なお、図３に示した駆動部６ａでは、駆動用スイッチ素子Ｓ１の他方の端子に接続される出力端子ｐ９と、休止用スイッチ素子Ｓ２の一方の端子に接続される出力端子ｐ１０と、が別々に設けられている。そのため駆動用スイッチ素子Ｓ１が休止状態のとき出力端子ｐ９は不定状態（オープン）となり、休止用スイッチ素子Ｓ２が休止状態のとき出力端子ｐ１０は不定状態（オープン）となる。従って、駆動用スイッチ素子Ｓ１が休止状態のときには出力端子ｐ９において、スイッチ素子Ｑｕ１の制御端子の電圧と同様の変化を計測することができる。つまり休止用スイッチ素子Ｓ２の出力端子ｐ１０ではなく、駆動用スイッチ素子Ｓ１の出力端子ｐ９に配線３０３を接続することで、休止へ移行する際のスイッチ素子Ｑｕ１や周辺回路の抵抗や容量などにより徐々に変化してグランド電圧に近づいていく変化を計測することができる。また、駆動用スイッチ素子Ｓ１及び休止用スイッチ素子Ｓ２としてＭＯＳＦＥＴ、ＩＧＢＴなどを用いることが考えられる。

制御電圧検出部３０４は、スイッチ素子Ｑｕ１の制御端子の電圧を検出し、検出した電圧に応じて後述する休止保持スイッチ素子Ｓ３の駆動と休止を制御する。図３の例では、制御電圧検出部３０４は、コンパレータＯＰ１、基準電源ＲＥＦ、抵抗Ｒ１、配線３０３を有している。コンパレータＯＰ１のマイナス端子（−端子）は、抵抗Ｒ１及び配線３０３を介して、駆動用スイッチ素子Ｓ１の出力端子に接続され、プラス端子（＋端子）は基準電源ＲＥＦの正極に接続されている。コンパレータＯＰ１のマイナス端子では、上記説明したように従来と同様、スイッチ素子Ｑｕ１や周辺回路の抵抗や容量などにより徐々に変化してグランド電圧に近づいていくスイッチ素子Ｑｕ１の制御端子の変化を計測することができる。従って、コンパレータＯＰ１は、出力端子ｐ９の電圧が基準電源ＲＥＦの予め決められた基準電圧以下になると論理回路３０２を介して防止部に、休止保持スイッチ素子Ｓ３を駆動する信号（オン制御）を出力する。

防止部は、スイッチ素子Ｑｕ１の休止を保持する休止保持スイッチ素子Ｓ３、抵抗Ｒ５、Ｒ６を有する。
休止保持スイッチ素子Ｓ３は、休止用スイッチ素子Ｓ２がスイッチ素子Ｑｕ１を休止させる信号を出力してから出力端子ｐ９の電圧が基準電源ＲＥＦの予め決められた基準電圧以下になるまでの期間、サージなどによりスイッチ素子Ｑｕ１が駆動しないように、スイッチ素子Ｑｕ１を制御する。休止保持スイッチ素子Ｓ３の制御端子（ゲート）は、抵抗Ｒ５、出力端子ｐ１３を介して、休止保持スイッチ素子Ｓ３を制御する信号を出力する論理回路３０２の出力端子に接続されている。また、休止保持スイッチ素子Ｓ３の一方の端子（ドレイン）はスイッチ素子Ｑｕ１の制御端子に接続され、休止保持スイッチ素子Ｓ３の他方の端子（ソース）はグランドに接続されている。休止保持スイッチ素子Ｓ３としてＭＯＳＦＥＴ、ＩＧＢＴなどを用いることが考えられる。

なお、図３の例では、制御電圧検出部３０４が論理回路３０２を介して防止部に信号を出力しているが、論理回路３０２を介さずに出力してもよい。また、抵抗Ｒ１は設けなくてもよく、出力端子ｐ９とコンパレータＯＰ１のマイナス端子とを直接接続してもよい。または配線３０３上の抵抗Ｒ１の値を配線３００上の抵抗Ｒ１（破線）より小さくしてもよい。これは抵抗Ｒ２がコンパレータＯＰ１のマイナス端子に接続するための抵抗値としての抵抗Ｒ１の抵抗値の少なくとも一部を担うことができるからである。

実施形態によれば、駆動用スイッチ素子Ｓ１の他方の端子に接続される出力端子ｐ９を、コンパレータＯＰ１のマイナス端子（−端子）に接続することで、集積回路３０１の入力端子を減らすことができる。その結果駆動部６ａを小型にすることができる。また、図１、２の駆動部６a、６ｂそれぞれを小型にすることができるため、インバータ駆動回路も小型にできる。

また、本発明は、以上の実施の形態に限定されるものでなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内で種々の改良、変更が可能である。
なお、選択部７a、７ｂを備えず、図３に示す駆動部６a（６ｂ）のみを備えたインバータ駆動回路でもよい。その場合も、集積回路３０１が小型化できるため、インバータ駆動回路として小型化できる。

１ａ、１ｂ 低圧回路
２ａ、２ｂ 高圧回路
３ａ、３ｂ 絶縁部
４ａ、４ｂ 温度検出部
５ａ、５ｂ 温度計測部
６ａ、６ｂ 駆動部
７ａ、７ｂ 選択部
８ 制御部
ＯＰ１ コンパレータ
ｐ１からｐ１３ 端子
Ｑｕ１、Ｑｄ１ スイッチ素子
Ｒ１からＲ６ 抵抗
ＲＥＦ 基準電源
Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３ スイッチ素子
３００、３０３ 配線
３０１ 集積回路
３０２ 論理回路
３０４ 制御電圧検出部

Claims (3)

1. インバータ回路を駆動するインバータ駆動回路に設けられる制御部と、
   前記インバータ回路の上アーム及び下アームに設けられるスイッチ素子それぞれの温度情報のうち所定の温度情報を選択し、選択した前記所定の温度情報を前記制御部へ送信する選択部と、
   を備えることを特徴とするインバータ駆動回路。
2. 請求項１に記載のインバータ駆動回路であって、
   前記選択部は、
   前記インバータ回路の相ごとに設けられ、前記相ごとの上アーム及び下アームそれぞれのスイッチ素子の前記温度情報を選択する、
   ことを特徴とするインバータ駆動回路。
3. 請求項１に記載のインバータ駆動回路であって、
   前記スイッチ素子を駆動させる駆動用スイッチ素子と、
   前記スイッチ素子を休止させる休止用スイッチ素子と、
   前記駆動用スイッチ素子の出力端子と前記スイッチ素子の制御端子との間に接続される駆動用抵抗と、
   前記休止用スイッチ素子の出力端子と前記スイッチ素子の前記制御端子との間に接続される休止用抵抗と、
   前記スイッチ素子の休止状態を保持する休止保持スイッチ素子と、
   前記駆動用抵抗と接続された前記駆動用スイッチ素子の出力端子の電圧を検出し、検出した電圧に応じて前記休止保持スイッチ素子の駆動と休止を制御する制御電圧検出部と、
   を備えることを特徴とするインバータ駆動回路。
   

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