JP3614064B2

JP3614064B2 - Inverter device

Info

Publication number: JP3614064B2
Application number: JP35925799A
Authority: JP
Inventors: 善一千石谷; 達男前谷; 保行横内
Original assignee: Panasonic Corp; Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Corp; Panasonic Holdings Corp
Priority date: 1999-12-17
Filing date: 1999-12-17
Publication date: 2005-01-26
Anticipated expiration: 2019-12-17
Also published as: JP2001178147A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、擬似交流波形出力を発生するスイッチング素子の駆動回路にチャージポンプ方式を用いたインバータ装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年、インバータ装置はチャージポンプ方式の提案によって、スイッチング素子の駆動回路用電源の小型化が可能になった。
【０００３】
従来のチャージポンプ方式を用いたインバータ装置について以下説明する。
【０００４】
図３において、１は直流電圧源、２ａ〜２ｆはスイッチング素子、３ａ〜３ｃは直流電圧源１のプラス側に接続された（以下、上アームという）スイッチング素子を駆動する駆動回路であり、突入電流抑制抵抗器５ａおよびダイオード４ａを経て駆動回路３ａの電源となるコンデンサ６ａに所定の電圧が充電される。コンデンサ６ｂ、６ｃも同様に突入電流抑制抵抗器５ｂ、５ｃおよびダイオード４ｂ、４ｃを介して充電される。この時、コンデンサ６ａへの充電電流は突入電流抑制抵抗器５ａにて抑制される。３ｄは直流電圧源１のマイナス側に接続された（以下、下アームという）スイッチング素子２ｄを駆動する駆動回路である。７は駆動回路３ａのマイナス側電源ラインであり、８は駆動回路用電源、９は駆動回路用電源平滑コンデンサである。
【０００５】
なお、突入電流抑制抵抗器は、図示はしないがその機能を一つにまとめている場合もある。
【０００６】
上記のように構成されたインバータ装置は、スイッチング素子２ａ、２ｄを直流電圧源１に対してブリッジ状に接続し、直流電圧源１から出力される直流電圧を適宜スイッチングすることにより所定の擬似交流波形を出力する。
【０００７】
また、この上アームのスイッチング素子２ａを駆動する駆動回路３ａは突入電流抑制抵抗器５ａ、ダイオード４ａおよびコンデンサ６ａと共にチャージポンプ回路を構成している。すなわち駆動回路用電源８から所定の電圧が突入電流抑制抵抗器５ａおよびダイオード４ａを経てコンデンサ６ａに供給され、コンデンサ６ａを充電する。このコンデンサ６ａを電源として駆動回路３ａが駆動する。
【０００８】
なお下アームのスイッチング素子２ｄを駆動する駆動回路３ｄには駆動回路用電源８から直流電源が供給されるのでダイオードおよびコンデンサは備えていない。
【０００９】
次に、このインバータ装置の動作について説明をする。
【００１０】
制御回路からの所定の信号により、まず下アームのスイッチング素子２ｄがＯＮ状態になると、上アームの駆動回路３ａのマイナス側電源ライン７は、直流電圧源１のマイナス側電位とほぼ同じ電位にまで降下する。この時、上アーム用の駆動回路３ａのコンデンサ６ａは駆動回路用電源８から突入電流抑制抵抗器５ａおよびダイオード４ａを経て駆動回路用電源８とほぼ同電位にまで充電される。
【００１１】
次に、下アームのスイッチング素子２ｄがＯＦＦ状態になり、上アームのスイッチング素子２ａがＯＮ状態になると、上アームの駆動回路３ａのマイナス側電源ライン７の電位は、今度は直流電圧源１のプラス側電位とほぼ同じ電位にまで上昇する。この状態において、ダイオード４ａは逆流阻止状態となり、コンデンサ６ａの電荷は保たれ、コンデンサ６ａから駆動回路３ａに電源が供給され続ける。このように通常の波形出力時には、上アームおよび下アームのＰＷＭスイッチングにより自動的にコンデンサ６ａが充電される。
【００１２】
しかしながら、電源投入直後はコンデンサ６ａは十分に充電されておらず、また、その充電電流は突入電流抑制抵抗器５ａにより制限されるので、波形出力前に駆動回路３ａの電源となるコンデンサ６ａを充電するのに十分な時間、必ず下アームをＯＮする必要があった。
【００１３】
【発明が解決しようとする課題】
上記従来のインバータ装置では、波形出力前にできるだけ短時間で上アーム用の駆動回路の電源たるチャージポンプ回路のコンデンサを充電するため下アームを連続してＯＮするが、コンデンサの充電電流を抑制するための突入電流抑制抵抗器が必要であった。
【００１４】
また、図４に示すようにコンデンサ６ａへの充電を開始すると同時に駆動回路用電源電圧が変動し、最悪の場合にはスイッチング素子のゲート駆動電圧レベル以下となりインバータの機能がストップするという問題があった。
【００１５】
このため、電圧変動を抑えるために駆動回路用電源平滑コンデンサ９は、比較的大きな容量を必要としていた。
【００１６】
すなわち、突入電流抑制抵抗器や大きな駆動回路用電源平滑コンデンサを配置するスペースが必要であり、小型化や価格の面で問題があった。
【００１７】
本発明は上記従来の問題点を解決するもので、安価で小型化を実現するインバータ装置を提供することを目的とする。
【００１８】
【課題を解決するための手段】
上記の課題を解決するために本発明は、商用電源から作られる直流電圧のプラス側およびマイナス側との間にそれぞれ接続されたプラス側のスイッチング素子とマイナス側のスイッチング素子による対構成の複数対のスイッチング手段と、前記スイッチング素子を駆動する駆動回路と、直流電圧のプラス側に接続されたスイッチング素子の駆動回路の電源であるチャージポンプ回路のコンデンサと、前記コンデンサを充電するための駆動回路用電源および駆動回路用電源平滑コンデンサと、商用電源投入直後の擬似交流波形出力時に、マイナス側のスイッチング素子のＯＮ、ＯＦＦ状態のデューティと周期を任意に変化させチャージポンプ回路のコンデンサを突入電流抑制抵抗器を用いずに抑制充電する制御手段を備えたものである。
【００１９】
【発明の実施の形態】
上記の課題を解決するために本発明は、商用電源から作られる直流電圧のプラス側およびマイナス側との間にそれぞれ接続されたプラス側のスイッチング素子とマイナス側のスイッチング素子による対構成の複数対のスイッチング手段と、前記スイッチング素子を駆動する駆動回路と、直流電圧のプラス側に接続されたスイッチング素子の駆動回路の電源であるチャージポンプ回路のコンデンサと、前記コンデンサを充電するための駆動回路用電源および駆動回路用電源平滑コンデンサと、商用電源投入直後の擬似交流波形出力時に、マイナス側のスイッチング素子のＯＮ、ＯＦＦ状態のデューティと周期を任意に変化させチャージポンプ回路のコンデンサを突入電流抑制抵抗器を用いずに抑制充電する制御手段とを備えたインバータ装置である。
【００２０】
また、スイッチング素子がＭＯＳ−ＦＥＴ、ＩＧＢＴなどの絶縁ゲート入力を持つ電力スイッチング素子である請求項１記載のインバータ装置である。
【００２１】
このように、商用電源投入直後の擬似交流波形出力時に、マイナス側のスイッチング素子のＯＮ、ＯＦＦ状態のデューティと周期を任意に変化させることで駆動回路用電源平滑コンデンサの容量を小さくすることができ、突入電流抑制抵抗器を不要にできる。
【００２２】
また、絶縁ゲート入力を持つ電力スイッチング素子に用いれば、特に小型化が可能になる。
【００２３】
【実施例】
以下、本発明の一実施例を図面を参照しながら説明する。
【００２４】
図１において、１は商用交流電源を整流した直流電圧源、２ａ〜２ｆは絶縁ゲート入力のスイッチング素子でＩＧＢＴ、３ａ〜３ｃは上アームのスイッチング素子を駆動する駆動回路で、ダイオード４ａを介して駆動回路３ａの電源となるコンデンサ６ａに所定の電圧が充電される。コンデンサ６ｂ、６ｃも同様にダイオード４ｂ、４ｃを介して充電され、チャージポンプ回路を構成している。７は駆動回路３ａのマイナス側電源ラインである。３ｄ〜３ｆは下アームのスイッチング素子２ｄ〜２ｆを駆動する駆動回路、８は駆動回路用電源、１０は制御手段のＰＷＭ信号発生手段のマイコンであり、駆動回路３ａ〜３ｆを介してスイッチング素子２ａ〜２ｆをＯＮ、ＯＦＦさせる信号を発生する。
【００２５】
従来例と構成上で異なるのは、チャージポンプ回路に突入電流抑制抵抗器を備えていない点と、制御手段１０の制御内容である。
【００２６】
本実施例のインバータ装置は、通常、スイッチング素子２ａ〜２ｆを直流電圧源１に対してブリッジ状に接続し、直流電圧源１から出力される直流電圧を適宜スイッチングすることにより所定の擬似交流波形を出力するが、従来例と同様に商用電源を投入した直後は、コンデンサ６ａが十分に充電されておらず、波形出力前にコンデンサ６ａを充電するのに十分な時間、必ず下アームをＯＮする必要がある。
【００２７】
このとき、図２に示すように、最初の波形出力をするまではコンデンサ６ａを十分に充電すると共に、駆動回路用電源８の電圧変動がゲート駆動電圧レベルに対し十分余裕を保つように下アームのＯＮ状態、ＯＦＦ状態のデューティを制御している。
【００２８】
つまり、最初の波形出力までは、下アームのＯＮ、ＯＦＦ状態のデューティ比を変えたり、デューティの周期を変えることで駆動回路用電源電圧がゲート駆動電圧レベル以下にならないように制御する。
【００２９】
これにより、従来例に比べて充電時間は実用範囲内で少し長くなるが、駆動回路用電源平滑コンデンサの容量を小さくでき、突入電流抑制抵抗器を用いなくてもチャージポンプ回路のコンデンサの充電電流を抑制することができる。
【００３０】
このように、突入電流抑制抵抗器が不要かつ駆動回路用電源平滑コンデンサの容量を小さくできるので、小型で安価なインバータ装置の提供が可能である。
【００３１】
なお、本実施例では三相ブリッジ構成のインバータについて説明したが、スイッチング素子を４個用いた単相インバータにも適用することができ、同様の効果を得ることができる。
【００３２】
また、バイポーラトランジスタにも実施できるが、絶縁ゲート入力のスイッチング素子であるＩＧＢＴやＭＯＳ−ＦＥＴなどで実施した方が小型化の効果は大きい。
【００３３】
【発明の効果】
上記の実施例から明らかなように本発明によれば、商用電源を投入した直後の最初の波形出力まで下アームのスイッチング素子のＯＮ、ＯＦＦ状態のデューティを制御することで、駆動回路用電源平滑コンデンサの容量を小さくでき、突入電流抑制抵抗器を使用することなくチャージポンプ回路のコンデンサを実用範囲内の時間で充電できる。
【００３４】
このように、突入電流抑制抵抗器が不要かつ駆動回路用電源平滑コンデンサの容量を小さくできるので、小型で安価なインバータ装置を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施例におけるインバータ装置の回路構成図
【図２】本発明のチャージポンプ回路のコンデンサ充電時の動作波形図
【図３】従来のインバータ装置の回路構成図
【図４】従来のチャージポンプ回路のコンデンサ充電時の動作波形図
【符号の説明】
１直流電圧源
２ａ〜２ｆスイッチング素子
３ａ〜３ｆ駆動回路
６ａ〜６ｃコンデンサ
８駆動回路用電源
９駆動回路用電源平滑コンデンサ
１０制御手段（ＰＷＭ信号発生器）[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to an inverter device using a charge pump system in a drive circuit of a switching element that generates a pseudo AC waveform output.
[0002]
[Prior art]
In recent years, it has become possible to reduce the size of a power supply for a driving circuit of a switching element by proposing a charge pump system for an inverter device.
[0003]
An inverter device using a conventional charge pump system will be described below.
[0004]
In FIG. 3, 1 is a DC voltage source, 2a to 2f are switching elements, and 3a to 3c are driving circuits for driving switching elements connected to the positive side of the DC voltage source 1 (hereinafter referred to as upper arms). A predetermined voltage is charged in the capacitor 6a serving as the power source of the drive circuit 3a through the current suppressing resistor 5a and the diode 4a. The capacitors 6b and 6c are similarly charged through the inrush current suppression resistors 5b and 5c and the diodes 4b and 4c. At this time, the charging current to the capacitor 6a is suppressed by the inrush current suppression resistor 5a. Reference numeral 3d denotes a drive circuit for driving a switching element 2d connected to the negative side of the DC voltage source 1 (hereinafter referred to as a lower arm). Reference numeral 7 denotes a minus side power supply line of the drive circuit 3a, 8 denotes a drive circuit power supply, and 9 denotes a drive circuit power supply smoothing capacitor.
[0005]
Note that the inrush current suppression resistor may have a single function, although not shown.
[0006]
In the inverter device configured as described above, the switching elements 2a and 2d are connected to the DC voltage source 1 in a bridge shape, and the DC voltage output from the DC voltage source 1 is appropriately switched to thereby change the predetermined pseudo AC. Output the waveform.
[0007]
The drive circuit 3a for driving the switching element 2a of the upper arm constitutes a charge pump circuit together with the inrush current suppressing resistor 5a, the diode 4a and the capacitor 6a. That is, a predetermined voltage is supplied from the drive circuit power supply 8 to the capacitor 6a through the inrush current suppression resistor 5a and the diode 4a, and the capacitor 6a is charged. The drive circuit 3a is driven by using the capacitor 6a as a power source.
[0008]
The drive circuit 3d that drives the switching element 2d of the lower arm is not provided with a diode and a capacitor because direct current power is supplied from the drive circuit power supply 8.
[0009]
Next, the operation of this inverter device will be described.
[0010]
When the switching element 2d of the lower arm is first turned on by a predetermined signal from the control circuit, the minus side power supply line 7 of the upper arm drive circuit 3a reaches almost the same potential as the minus side potential of the DC voltage source 1. Descent. At this time, the capacitor 6a of the drive circuit 3a for the upper arm is charged from the drive circuit power supply 8 through the inrush current suppression resistor 5a and the diode 4a to almost the same potential as the drive circuit power supply 8.
[0011]
Next, when the switching element 2d of the lower arm is turned off and the switching element 2a of the upper arm is turned on, the potential of the negative side power supply line 7 of the driving circuit 3a of the upper arm is changed to that of the DC voltage source 1 this time. It rises to almost the same potential as the plus side potential. In this state, the diode 4a is in a backflow blocking state, the charge of the capacitor 6a is maintained, and power is continuously supplied from the capacitor 6a to the drive circuit 3a. Thus, during normal waveform output, the capacitor 6a is automatically charged by PWM switching of the upper arm and the lower arm.
[0012]
However, immediately after the power is turned on, the capacitor 6a is not sufficiently charged, and the charging current is limited by the inrush current suppression resistor 5a. Therefore, the capacitor 6a serving as the power source for the drive circuit 3a is charged before the waveform is output. It was necessary to turn on the lower arm for a sufficient time to do.
[0013]
[Problems to be solved by the invention]
In the above conventional inverter device, the lower arm is continuously turned on to charge the capacitor of the charge pump circuit, which is the power source of the upper arm drive circuit, in the shortest possible time before the waveform is output, but the capacitor charging current is suppressed. An inrush current suppression resistor was required.
[0014]
Further, as shown in FIG. 4, simultaneously with the start of charging of the capacitor 6a, the drive circuit power supply voltage fluctuates, and in the worst case, it becomes below the gate drive voltage level of the switching element and the function of the inverter stops. It was.
[0015]
For this reason, the drive circuit power supply smoothing capacitor 9 requires a relatively large capacity in order to suppress voltage fluctuation.
[0016]
That is, a space for arranging an inrush current suppression resistor and a large driving circuit power supply smoothing capacitor is necessary, which causes problems in terms of downsizing and cost.
[0017]
The present invention solves the above-mentioned conventional problems, and an object thereof is to provide an inverter device that is inexpensive and realizes downsizing.
[0018]
[Means for Solving the Problems]
In order to solve the above-described problems, the present invention provides a plurality of pairs having a pair configuration of a plus-side switching element and a minus-side switching element respectively connected between a plus side and a minus side of a DC voltage generated from a commercial power supply. Switching means, a drive circuit for driving the switching element, a capacitor of a charge pump circuit that is a power source of the drive circuit for the switching element connected to the positive side of the DC voltage, and a drive circuit for charging the capacitor Power supply smoothing capacitor for power supply and drive circuit, and the duty and period of the ON / OFF state of the negative side switching element are arbitrarily changed at the time of pseudo-AC waveform output immediately after the commercial power is turned on, and the charge pump circuit capacitor is inrush current suppression resistor The control means which carries out the suppression charge without using a battery is provided.
[0019]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
In order to solve the above-described problems, the present invention provides a plurality of pairs having a pair configuration of a plus-side switching element and a minus-side switching element respectively connected between a plus side and a minus side of a DC voltage generated from a commercial power supply. Switching means, a drive circuit for driving the switching element, a capacitor of a charge pump circuit that is a power source of the drive circuit for the switching element connected to the positive side of the DC voltage, and a drive circuit for charging the capacitor Power supply smoothing capacitor for power supply and drive circuit, and the duty and period of the ON / OFF state of the negative side switching element are arbitrarily changed at the time of pseudo-AC waveform output immediately after the commercial power is turned on, and the charge pump circuit capacitor is inrush current suppression resistor Inverter device equipped with control means for suppressing charging without using a charger That.
[0020]
2. The inverter device according to claim 1, wherein the switching element is a power switching element having an insulated gate input such as a MOS-FET or an IGBT.
[0021]
In this way, the capacity of the drive circuit power supply smoothing capacitor can be reduced by arbitrarily changing the duty and cycle of the ON / OFF state of the negative side switching element during pseudo-AC waveform output immediately after commercial power is turned on. The inrush current suppression resistor can be eliminated.
[0022]
Further, if it is used for a power switching element having an insulated gate input, the size can be particularly reduced.
[0023]
【Example】
Hereinafter, an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings.
[0024]
In FIG. 1, 1 is a DC voltage source obtained by rectifying a commercial AC power source, 2a to 2f are insulated gate input switching elements, and IGBTs 3a to 3c are drive circuits for driving upper arm switching elements through a diode 4a. A predetermined voltage is charged in the capacitor 6a serving as a power source for the drive circuit 3a. Similarly, the capacitors 6b and 6c are charged through the diodes 4b and 4c to constitute a charge pump circuit. Reference numeral 7 denotes a minus side power supply line of the drive circuit 3a. 3d to 3f are drive circuits for driving the switching elements 2d to 2f of the lower arm, 8 is a power supply for the drive circuit, 10 is a microcomputer of the PWM signal generating means of the control means, and the switching elements 2a through the drive circuits 3a to 3f Generates a signal to turn on and off 2f.
[0025]
The configuration differs from the conventional example in that the charge pump circuit is not provided with an inrush current suppression resistor and the control content of the control means 10.
[0026]
In the inverter device of this embodiment, the switching elements 2a to 2f are normally connected to the DC voltage source 1 in a bridge shape, and the DC voltage output from the DC voltage source 1 is appropriately switched to appropriately change the predetermined pseudo AC waveform. However, immediately after turning on the commercial power as in the conventional example, the capacitor 6a is not sufficiently charged, and the lower arm is always turned on for a sufficient time to charge the capacitor 6a before outputting the waveform. There is a need.
[0027]
At this time, as shown in FIG. 2, the capacitor 6a is sufficiently charged until the first waveform is output, and the lower arm so that the voltage fluctuation of the drive circuit power supply 8 has a sufficient margin with respect to the gate drive voltage level. The duty of ON state and OFF state is controlled.
[0028]
That is, until the first waveform output, control is performed so that the power supply voltage for the drive circuit does not become lower than the gate drive voltage level by changing the duty ratio of the ON / OFF state of the lower arm or changing the duty cycle.
[0029]
As a result, the charging time is slightly longer within the practical range than the conventional example, but the capacity of the power supply smoothing capacitor for the drive circuit can be reduced, and the charging current of the capacitor of the charge pump circuit can be reduced without using an inrush current suppression resistor. Can be suppressed.
[0030]
Thus, since an inrush current suppression resistor is not required and the capacity of the power supply smoothing capacitor for the drive circuit can be reduced, a small and inexpensive inverter device can be provided.
[0031]
In this embodiment, the inverter having a three-phase bridge configuration has been described. However, the present invention can be applied to a single-phase inverter using four switching elements, and the same effect can be obtained.
[0032]
Although it can also be applied to a bipolar transistor, the effect of miniaturization is greater when implemented with an IGBT or a MOS-FET which is a switching element with an insulated gate input.
[0033]
【The invention's effect】
As is clear from the above embodiments, according to the present invention, the power supply smoothing for the drive circuit is controlled by controlling the duty of the ON / OFF state of the switching element of the lower arm until the first waveform output immediately after the commercial power supply is turned on. The capacity of the capacitor can be reduced, and the capacitor of the charge pump circuit can be charged within a practical range without using an inrush current suppression resistor.
[0034]
Thus, since an inrush current suppression resistor is unnecessary and the capacity of the drive circuit power supply smoothing capacitor can be reduced, a small and inexpensive inverter device can be provided.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a circuit configuration diagram of an inverter device according to an embodiment of the present invention. FIG. 2 is an operation waveform diagram of a charge pump circuit of the present invention during capacitor charging. FIG. 3 is a circuit configuration diagram of a conventional inverter device. ] Waveform diagram during capacitor charging of a conventional charge pump circuit [Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 DC voltage source 2a-2f Switching element 3a-3f Drive circuit 6a-6c Capacitor 8 Power supply for drive circuits 9 Power supply smoothing capacitor 10 for drive circuits Control means (PWM signal generator)

Claims

商用電源から作られる直流電圧のプラス側およびマイナス側との間にそれぞれ接続されたプラス側のスイッチング素子とマイナス側のスイッチング素子による対構成の複数対のスイッチング手段と、前記スイッチング素子を駆動する駆動回路と、直流電圧のプラス側に接続されたスイッチング素子の駆動回路の電源であるチャージポンプ回路のコンデンサと、前記コンデンサを充電するための駆動回路用電源および駆動回路用電源平滑コンデンサと、前記チャージポンプ回路のコンデンサを抑制充電する制御手段とを備え、前記制御手段は、商用電源投入直後の擬似交流波形出力時に、マイナス側のスイッチング素子のＯＮ、ＯＦＦ状態のデューティと周期を任意に変化させ、突入電流抑制抵抗器を用いずに抑制充電することを特徴とするインバータ装置。A plurality of pairs of switching means composed of a positive side switching element and a negative side switching element respectively connected between a positive side and a negative side of a DC voltage generated from a commercial power supply, and a drive for driving the switching element A circuit, a capacitor of a charge pump circuit that is a power source of a driving circuit of a switching element connected to a positive side of a DC voltage, a power source for a driving circuit for charging the capacitor, a power source smoothing capacitor for a driving circuit, and the charge Control means for suppressing and charging the capacitor of the pump circuit, the control means arbitrarily changes the duty and period of the ON / OFF state of the negative side switching element at the time of the pseudo AC waveform output immediately after the commercial power is turned on , Lee, characterized in that to suppress charging without using the inrush current suppression resistor Converter equipment.

スイッチング素子がＭＯＳ−ＦＥＴ、ＩＧＢＴなどの絶縁ゲート入力を持つ電力スイッチング素子である請求項１記載のインバータ装置。2. The inverter device according to claim 1, wherein the switching element is a power switching element having an insulated gate input such as a MOS-FET or an IGBT.