JPWO2018073909A1 - インバータ装置及びインバータ装置の停止方法 - Google Patents

Abstract

インバータ装置（１０）は、平滑コンデンサ（３０）によって平滑化された電圧を受ける装置であって、直列に接続された第１スイッチング素子（１１ａ）と第２スイッチング素子（１２ａ）とを有し、第１スイッチング素子（１１ａ）と第２スイッチング素子（１２ａ）との開閉により、平滑化された電圧から交流電圧を生成するアーム部（１１）と、基板に形成されたコイルパターンを有し、第１スイッチング素子（１１ａ）又は第２スイッチング素子（１２ａ）と平滑コンデンサ（３０）とを接続する配線に流れる電流を検出する第１検出部（１０１）と、を備え、アーム部（１１）は、アーム部（１１）の短絡による電流が第１検出部（１０１）によって検出されると、交流電圧の生成を停止する。

Description

本発明は、インバータ装置及びインバータ装置の停止方法に関する。

稼働しているインバータの内部で予期しない短絡が生じた場合には、インバータが誤動作をしたり故障したりするおそれがある。このため、インバータを停止させるために、インバータの内部で発生した短絡を検出する技術が知られている（例えば、特許文献１を参照）。特許文献１には、インバータから交流電力の供給を受けるモータが停止しているか駆動されているかに関わらず、短絡を検出する技術について記載されている。

特開２０１０−０１６９８２号公報

特許文献１に記載の技術では、ＣＴ（Current Transfer）を用いることで短絡が検出された。しかしながら、ＣＴを用いるとコストが増加するとともにディスクリート部品が多くなってインバータの構成が複雑になる。そこで、インバータで発生した短絡を、ＣＴを用いることなく検出したいという要望があった。

本発明は、インバータで発生した短絡を、ＣＴを用いることなく検出することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明のインバータ装置は、平滑コンデンサによって平滑化された電圧を受けるインバータ装置であって、直列に接続された第１スイッチング素子と第２スイッチング素子とを有し、前記第１スイッチング素子と前記第２スイッチング素子との開閉により、前記平滑化された電圧から交流電圧を生成するアーム部と、基板に形成されたコイルパターンを有し、前記第１スイッチング素子又は前記第２スイッチング素子と前記平滑コンデンサとを接続する配線に流れる電流を検出する第１検出部と、を備え、前記アーム部は、前記アーム部の短絡による電流が前記第１検出部によって検出されると、交流電圧の生成を停止する。

本発明によれば、基板に形成されたコイルパターンを有する第１検出部が、アーム部の短絡による電流を検出する。このため、インバータで発生した短絡を、ＣＴを用いることなく検出することができる。

実施の形態１に係るインバータ装置の構成を示す図 第１検出部によって検出される電流を示す図 第１検出部の配置を説明するための図 第１検出部の形状を説明するための図 制御部によって実行される処理を示すフロー図 実施の形態２に係る第１検出部を示す図 コイルパターンの配置を説明するための図 実施の形態３に係る第１検出部を示す図 第１検出部の形状の例を示す第１の図 第１検出部の形状の例を示す第２の図 第１検出部の形状の例を示す第３の図

以下、本発明の実施の形態を、図面を参照しつつ詳細に説明する。

実施の形態１．
図１には、インバータ装置１０を含む電力変換装置１０００の構成が示されている。インバータ装置１０は、直流電力を交流電力に変換する装置であって、基板に形成されたコイル状のパターンを用いて、内蔵のアームに発生した短絡を検出する。

電力変換装置１０００は、電源６０及び負荷７０に接続され、電源６０から供給される交流電力を変換して、変換した交流電力を供給することで負荷７０を駆動する装置である。本実施の形態において、電源６０は、例えば１００Ｖ又は２００Ｖの三相交流電力を供給する商用電源であって、負荷７０は、家電機器を構成するモータである。また、本実施の形態に係る電力変換装置１０００は、電源６０から供給される交流電力の電圧及び周波数の少なくとも一方を変換する。ただし、図１では、電圧を変換するための構成要素が省略されている。

電力変換装置１０００は、上述のインバータ装置１０の他に、電源６０から供給された交流電力を整流して出力する整流装置２０と、整流装置２０から出力された電圧を平滑化する平滑コンデンサ３０と、を有している。

整流装置２０は、ブリッジ整流器である。整流装置２０は、全波整流回路であるダイオードブリッジを構成するダイオード２１ｄ，２２ｄ，２４ｄ，２５ｄ，２７ｄ，２８ｄと、配線２１ｗ，２２ｗと、を有している。以下では、ダイオード２１ｄ，２２ｄ，２４ｄ，２５ｄ，２７ｄ，２８ｄを総称してダイオード２１Ｄと表記する。本実施の形態に係るダイオード２１Ｄは、プリント基板上に配置されたディスクリート部品である。また、配線２１ｗ，２２ｗに限らず、本実施の形態において配線は、２点を電気的に接続する基板パターン、リード線、被覆線、又は銅バーである。配線によって接続された２点は、常時導通することとなる。３点が電気的に接続される場合には、少なくとも２本の配線が必要になる。

ダイオード２１ｄ，２２ｄは、接続点２３ｐを介して直列に接続され、ダイオード２４ｄ，２５ｄは、接続点２６ｐを介して直列に接続され、ダイオード２７ｄ，２８ｄは、接続点２９ｐを介して直列に接続される。また、接続点２３ｐ，２６ｐ，２９ｐはそれぞれ、電源６０のＲ相、Ｓ相及びＴ相の電圧が印加される配線に接続される。そして、ダイオード２１ｄ，２２ｄと、ダイオード２４ｄ，２５ｄと、ダイオード２７ｄ，２８ｄとは、並列に配線２１ｗ，２２ｗに接続される。

すなわち、配線２１ｗには、ダイオード２１ｄ，２４ｄ，２７ｄのカソード端子が接続され、配線２２ｗには、ダイオード２２ｄ，２５ｄ，２８ｄのアノード端子が接続される。また、接続点２３ｐには、ダイオード２１ｄのアノード端子とダイオード２２ｄのカソード端子とが接続され、接続点２６ｐには、ダイオード２４ｄのアノード端子とダイオード２５ｄのカソード端子とが接続され、接続点２９ｐには、ダイオード２７ｄのアノード端子とダイオード２８ｄのカソード端子とが接続される。

上述のようにダイオード２１Ｄが接続されることにより、配線２１ｗ，２２ｗには、脈流電圧が印加されることとなる。そして、この脈流電圧が整流装置２０から出力される。

平滑コンデンサ３０は、例えば、プリント基板上に搭載されたディスクリート部品、又は、プリント基板の内部に埋め込まれたチップコンデンサである。平滑コンデンサ３０を構成するためのプリント基板は、整流装置２０のダイオード２１Ｄが配置されたプリント基板と同一であってもよいし、異なっていてもよい。また、本実施の形態に係る平滑コンデンサ３０は、インバータ装置１０及び整流装置２０の外部に配置されたが、インバータ装置１０に含まれていてもよいし、整流装置２０に含まれていてもよい。

平滑コンデンサ３０の一端は、接続点３１ｐを介して配線２１ｗに接続され、平滑コンデンサ３０の他端は、接続点３２ｐを介して配線２２ｗに接続される。そして、平滑コンデンサ３０は、接続点３１ｐ，３２ｐから流れ込む電荷を蓄積し、蓄積した電荷を放電することで、整流装置２０から出力された脈流電圧を平滑化する。平滑化された脈流電圧は、直流電圧に等しいものとして扱われる。

インバータ装置１０は、いわゆる電圧形インバータである。インバータ装置１０は、平滑コンデンサ３０によって平滑化された電圧から三相交流電圧を生成して、生成した電圧を印加することで負荷７０を駆動する。インバータ装置１０は、平滑化された電圧が印加される入力端子１０ｉ，１０ｊと、生成した交流電圧が出力される出力端子１０ｒ，１０ｓ，１０ｔと、交流電圧を生成するアーム部１１，１４，１７と、入力端子１０ｉ，１０ｊそれぞれとアーム部１１とを接続する配線１１ｗ，１２ｗと、アーム部１１とアーム部１４とを接続する配線１４ｗ，１５ｗと、アーム部１４とアーム部１７とを接続する配線１７ｗ，１８ｗと、平滑コンデンサ３０とアーム部１１，１４，１７との間に流れる電流を検出する第１検出部１０１と、出力端子１０ｒ，１０ｓ，１０ｔそれぞれに流れる電流を検出する第２検出部１３ｘ，１６ｘ，１９ｘと、交流電力の生成の有無を制御する制御部１００と、を有している。本実施の形態に係るインバータ装置１０の構成要素は、プリント基板、又は当該プリント基板上に搭載された半導体基板に形成される。インバータ装置１０の構成要素が形成されるプリント基板は、平滑コンデンサ３０を構成するためのプリント基板と同一であってもよいし、異なっていてもよい。

入力端子１０ｉは、接続点３１ｐに接続され、入力端子１０ｊは、接続点３２ｐに接続される。

アーム部１１は、制御部１００の制御に従って開閉するスイッチング素子１１ａ，１２ａと、スイッチング素子１１ａ，１２ａそれぞれと並列に接続される還流ダイオード１１ｄ，１２ｄと、を有している。

スイッチング素子１１ａ，１２ａは、本実施の形態では、ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）である。ただし、ＭＯＳＦＥＴ（Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor）に代表される他のトランジスタをスイッチング素子１１ａ，１２ａとしてもよい。

スイッチング素子１１ａ，１２ａは、接続点１３ｐを介して直列に接続されている。詳細には、スイッチング素子１１ａのコレクタ端子が、接続点１１ｐを介して配線１１ｗに接続され、スイッチング素子１１ａのエミッタ端子が、接続点１３ｐに接続されている。また、スイッチング素子１２ａのコレクタ端子が、接続点１３ｐに接続され、スイッチング素子１２ａのエミッタ端子が、接続点１２ｐを介して配線１２ｗに接続されている。さらに、接続点１３ｐは、出力端子１０ｒに接続されている。

スイッチング素子１１ａ，１２ａのゲート端子には、制御部１００から送信された制御信号が印加される。スイッチング素子１１ａ，１２ａが適当なタイミングで開閉することにより、アーム部１１は、入力端子１０ｉ，１０ｊに印加される直流電圧から交流電圧を生成する。通常、交流電圧が生成される際には、スイッチング素子１１ａ，１２ａの双方が同時に閉状態になることはない。スイッチング素子１１ａ，１２ａの双方が同時に閉状態になると、アーム部１１が短絡することとなる。

還流ダイオード１１ｄのカソード端子は、スイッチング素子１１ａのコレクタ端子に接続され、還流ダイオード１１ｄのアノード端子は、スイッチング素子１１ａのエミッタ端子に接続されている。また、還流ダイオード１２ｄのカソード端子は、スイッチング素子１２ａのコレクタ端子に接続され、還流ダイオード１２ｄのアノード端子は、スイッチング素子１２ａのエミッタ端子に接続されている。

アーム部１４は、アーム部１１と同等に構成される。詳細には、アーム部１４は、アーム部１１のスイッチング素子１１ａ，１２ａに対応するスイッチング素子１４ａ，１５ａと、アーム部１１の還流ダイオード１１ｄ，１２ｄに対応する還流ダイオード１４ｄ，１５ｄと、を有している。

スイッチング素子１４ａ，１５ａは、接続点１６ｐを介して直列に接続され、接続点１６ｐは、出力端子１０ｓに接続されている。また、スイッチング素子１４ａのコレクタ端子は、接続点１４ｐを介して配線１４ｗに接続され、スイッチング素子１５ａのエミッタ端子は、接続点１５ｐを介して配線１５ｗに接続されている。なお、配線１４ｗは、接続点１１ｐに接続され、配線１５ｗは、接続点１２ｐに接続されている。

アーム部１７は、アーム部１１と同等に構成される。詳細には、アーム部１７は、アーム部１１のスイッチング素子１１ａ，１２ａに対応するスイッチング素子１７ａ，１８ａと、アーム部１１の還流ダイオード１１ｄ，１２ｄに対応する還流ダイオード１７ｄ，１８ｄと、を有している。

スイッチング素子１７ａ，１８ａは、接続点１９ｐを介して直列に接続され、接続点１９ｐは、出力端子１０ｔに接続されている。また、スイッチング素子１７ａのコレクタ端子は、配線１７ｗを介して接続点１４ｐに接続され、スイッチング素子１８ａのエミッタ端子は、配線１８ｗを介して接続点１５ｐに接続されている。

なお、スイッチング素子１１ａ，１４ａ，１７ａは、いわゆる上アームに対応し、スイッチング素子１２ａ，１５ａ，１８ａは、いわゆる下アームに対応する。

第１検出部１０１は、アーム部１１，１４，１７と平滑コンデンサ３０とを接続する配線１１ｗ，１２ｗ，１４ｗ，１５ｗ，１７ｗ，１８ｗ，３１ｗ，３２ｗのいずれかに流れる電流を検出するセンサである。詳細には、第１検出部１０１は、プリント基板に形成されたコイル状のパターンを有する。このパターンの近傍に配置された配線に流れる電流が変化して磁界が発生すると、このパターンに誘導起電力が生じる。第１検出部１０１は、この誘導起電力を、電流の検出結果として制御部１００に出力する。

第１検出部１０１の検出結果は、アーム部１１，１４，１７の短絡を検出するために用いられる。例えば、アーム部１１が短絡すると、平滑コンデンサ３０及びスイッチング素子１１ａ，１２ａを通る回路には、図２に示されるような高い周波数成分を含む大電流が流れる。第１検出部１０１が、スイッチング素子１１ａ，１２ａと平滑コンデンサ３０とを接続する配線１１ｗ，１２ｗ，３１ｗ，３２ｗに流れる電流を検出すれば、アーム部１１が短絡したときに、電流の検出結果から短絡の発生を検出することが可能になる。

同様に、第１検出部１０１が、スイッチング素子１４ａ，１５ａと平滑コンデンサ３０とを接続する配線１１ｗ，１２ｗ，１４ｗ，１５ｗ，３１ｗ，３２ｗに流れる電流を検出すれば、アーム部１４が短絡したときに、電流の検出結果から短絡の発生を検出することが可能になる。また、第１検出部１０１が、スイッチング素子１７ａ，１８ａと平滑コンデンサ３０とを接続する配線１１ｗ，１２ｗ，１４ｗ，１５ｗ，１７ｗ，１８ｗ，３１ｗ，３２ｗに流れる電流を検出すれば、アーム部１７が短絡したときに、電流の検出結果から短絡の発生を検出することができる。

図３には、第１検出部１０１の配置の例が示されている。第１検出部１０１は、配線１１ｗに近接する位置１０１ａ，１０１ｂ、配線１２ｗに近接する位置１０１ｃ，１０１ｄ、配線３１ｗに近接する位置１０１ｅ、及び配線３２ｗに近接する位置１０１ｆのいずれかに配置されれば、アーム部１１，１４，１７の短絡時に生じた電流を検出することができる。ただし、図３に示されるように、配線１１ｗの一部と、配線１１ｗとは逆向きの電流が流れる配線１２ｗの一部とが近接して平行に形成されている場合には、配線１１ｗ，１２ｗそれぞれを流れる電流により生じる磁界が相殺されるため、このような配線１１ｗ，１２ｗの一部に近接する位置１０１ｘには、第１検出部１０１を配置しない。

図４には、第１検出部１０１の形状が示されている。図４に示されるように、第１検出部１０１は、基板に形成されたコイルパターン１０２と、検出した電流に対応する誘導起電力を制御部１００に出力するための配線パターン１０３と、を有している。なお、図４において、第１検出部１０１を構成する実線は、基板の第１面に形成されたパターンを示し、破線は、第１面とは反対側の第２面に形成されたパターンを示す。ただし、これには限られず、破線で示されるパターン及び実線で示されるパターンの少なくとも一方が、多層基板の内層に形成されてもよい。

コイルパターン１０２は、空芯コイルである。本実施の形態に係るコイルパターン１０２の巻数は２である。また、コイルパターン１０２は、正方形の形状を有し、その辺の長さＤ１，Ｄ２はいずれも５ｍｍ以下である。ただし、コイルパターン１０２の形状は、正方形に限らず任意であり、長方形でもよいし円形でもよい。

また、図４では、第１検出部１０１による検出の対象である電流が流れる配線パターンとして、配線３１ｗが示されている。この配線３１ｗと第１検出部１０１との距離Ｄ３は、短い方が望ましく、例えば５ｃｍ以下である。

第２検出部１３ｘ，１６ｘ，１９ｘはそれぞれ、ＣＴであって、出力端子１０ｒ，１０ｓ，１０ｔに流れる電流を検出する。詳細には、第２検出部１３ｘは、出力端子１０ｒを通る配線の近傍に配置され、この配線にインバータ装置１０から流出する方向又はインバータ装置１０に流入する方向に流れる電流が変化して磁界が発生すると、第２検出部１３ｘには誘導起電力が生じる。第２検出部１３ｘは、この誘導起電力を、電流の検出結果として出力する。また、第２検出部１６ｘは、出力端子１０ｓを通る配線に流れる電流を、第２検出部１３ｘと同様に検出し、第２検出部１９ｘは、出力端子１０ｔを通る配線に流れる電流を、第２検出部１３ｘと同様に検出する。そして、第２検出部１３ｘ，１６ｘ，１９ｘの検出結果は、制御部１００に出力される。

第２検出部１３ｘ，１６ｘ，１９ｘは、負荷７０を制御するために用いられ、出力端子１０ｒ，１０ｓ，１０ｔの短絡を検出するために用いられる。例えば、負荷７０に短絡が生じることにより、出力端子１０ｒと出力端子１０ｓとが導通する場合が考えられる。この場合、出力端子１０ｒ，１０ｓには大電流が流れるため、第２検出部１３ｘ，１６ｘの検出結果から出力側の短絡の発生を検出することができる。以下では、第２検出部１３ｘ，１６ｘ，１９ｘを総称して第２検出部１３Ｘと表記する。

制御部１００は、マイクロプロセッサ、ＡＳＩＣ（Application Specific Integrated Circuit）、ＦＰＧＡ（field-programmable gate array）等の集積回路を含んで構成される。制御部１００は、第２検出部１３Ｘの検出結果に基づいてアーム部１１，１４，１７を制御する。また、制御部１００は、第１検出部１０１及び第２検出部１３Ｘの検出結果を取得して、短絡が生じたと判断すると、アーム部１１，１４，１７による交流電圧の生成を停止させる。

制御部１００は、その機能として、アーム部１１，１４，１７の短絡を検出するアーム短絡検出モジュール１１０と、出力側の短絡を検出する出力短絡検出モジュール１２０と、短絡が発生したときにインバータ装置１０を保護する保護モジュール１３０と、アーム部１１，１４，１７を制御する制御モジュール１４０と、を有している。

アーム短絡検出モジュール１１０は、第１検出部１０１の検出結果を取得して、取得した検出結果に基づいてアーム部１１，１４，１７の短絡の有無を判断する。そして、アーム短絡検出モジュール１１０は、短絡を検出したと判断すると、短絡検出信号を保護モジュール１３０に送信する。

詳細には、アーム短絡検出モジュール１１０は、積分回路１１１と、比較器１１２と、を有している。積分回路１１１は、第１検出部１０１の検出結果として、誘導起電力により生じた電圧又は電流を取得する。そして、積分回路１１１は、取得した電圧又は電流を積分することで、検出対象である現在の電流量を計算する。比較器１１２は、積分回路１１１によって算出された現在の電流量と、予め定められてアーム短絡検出モジュール１１０が保持している閾値と、を比較するコンパレータである。比較器１１２による比較の結果、現在の電流量が閾値を超えると、アーム短絡検出モジュール１１０は、短絡検出信号を保護モジュール１３０に送信する。

出力短絡検出モジュール１２０は、第２検出部１３Ｘの検出結果を取得して、取得した検出結果に基づいて負荷７０における短絡の有無を判断する。そして、出力短絡検出モジュール１２０は、短絡が検出されたと判断すると、短絡検出信号を保護モジュール１３０に送信する。

詳細には、出力短絡検出モジュール１２０は、比較器１２１を有している。比較器１２１は、第２検出部１３Ｘの検出結果として、誘導起電力により生じた電圧又は電流を取得して、この電圧又は電流と、予め定められて出力短絡検出モジュール１２０が保持している閾値と、を比較するコンパレータである。比較器１２１による比較の結果、取得した電圧又は電流が閾値を超えると、出力短絡検出モジュール１２０は、短絡検出信号を保護モジュール１３０に送信する。

保護モジュール１３０は、アーム短絡検出モジュール１１０又は出力短絡検出モジュール１２０から短絡検出信号を受信すると、アーム短絡又は出力側の短絡に応じた停止処理を実行するように制御モジュール１４０に指示する。この停止処理は、通常、アーム部１１，１４，１７による交流電圧の生成を停止する処理である。

制御モジュール１４０は、アーム部１１，１４，１７を構成するスイッチング素子１１ａ，１２ａ，１４ａ，１５ａ，１７ａ，１８ａのゲート端子に電圧を印加して、これらの素子を開状態と閉状態とを切り替えることで、アーム部１１，１４，１７を制御する。

制御モジュール１４０は、インバータ装置１０の通常稼働時においては、第２検出部１３Ｘの検出結果を取得して、取得した検出結果に基づいて、アーム部１１，１４，１７によって生成される交流電圧の周波数が目標値に近付くようにフィードバック制御を実行する。このフィードバック制御では、負荷７０としてのモータの現在の回転速度を算出し、この回転速度を目標値に近付けてもよい。また、制御モジュール１４０は、保護モジュール１３０の指示に従って、停止処理を実行する。この停止処理が実行されると、スイッチング素子１１ａ，１２ａ，１４ａ、１５ａ，１７ａ，１８ａすべてが開状態となる。

続いて、制御部１００によって実行される処理について、図５を用いて説明する。図５に示される一連の処理は、インバータ装置１０に電源が投入されることで開始する。

まず、第１検出部１０１及び第２検出部１３Ｘが、配線に流れる電流を検出する（ステップＳ１）。次に、アーム短絡検出モジュール１１０は、第１検出部１０１によって検出された電流が閾値を超えるか否かを判定する（ステップＳ２）。

第１検出部１０１によって検出された電流が閾値を超えると判定した場合（ステップＳ２；Ｙｅｓ）、アーム短絡検出モジュール１１０は、アーム短絡を検出したと判断する（ステップＳ３）。その後、ステップＳ７に処理が移行する。

一方、第１検出部１０１によって検出された電流が閾値を超えないと判定された場合（ステップＳ２；Ｎｏ）、出力短絡検出モジュール１２０は、第２検出部１３Ｘによって検出された電流のいずれかが閾値を超えるか否かを判定する（ステップＳ４）。

第２検出部１３Ｘによって検出された電流がいずれも閾値を超えないと判定された場合（ステップＳ４；Ｎｏ）、制御モジュール１４０は、アーム部１１，１４，１７による交流電圧の生成を継続する（ステップＳ５）。そして、ステップＳ１以降の処理が繰り返される。

一方、第２検出部１３Ｘによって検出された電流のいずれかが閾値を超えたと判定した場合（ステップＳ４；Ｙｅｓ）、出力短絡検出モジュール１２０は、出力側の短絡を検出したと判断する（ステップＳ６）。

次に、アーム短絡検出モジュール１１０又は出力短絡検出モジュール１２０は、短絡検出信号を保護モジュール１３０へ送信する（ステップＳ７）。具体的には、ステップＳ３に続くステップＳ７では、アーム短絡検出モジュール１１０が短絡検出信号を保護モジュール１３０へ送信し、ステップＳ６に続くステップＳ７では、出力短絡検出モジュール１２０が短絡検出信号を保護モジュール１３０へ送信する。

次に、保護モジュール１３０は、短絡の発生を示す短絡信号を制御モジュール１４０へ送信して、制御モジュール１４０に停止処理の実行を指示する（ステップＳ８）。

次に、制御モジュール１４０は、保護モジュール１３０の指示に従って、交流電圧の生成を停止させる（ステップＳ９）。その後、制御部１００による処理が終了する。

以上、説明したように、本実施の形態に係るインバータ装置１０では、基板に形成されたコイルパターン１０２を有する第１検出部１０１が、アーム部１１，１４，１７の短絡による電流を検出する。このため、インバータ装置１０で発生した短絡を、ディスクリート部品であるＣＴを用いることなく検出することができる。また、アーム部１１，１４，１７の短絡を検出するために基板にリード線を介してＣＴを接続する必要はない。したがって、インバータ装置１０の機械的な構成を簡素なものとするとともに、基板設計の自由度を向上させることができる。さらに、比較的高価なＣＴを用いる必要がないため、インバータ装置１０を安価に製造することができる。

また、インバータ装置１０は、通常稼働時においてフィードバック制御に用いられる第２検出部１３Ｘを用いて、出力側の短絡を検出した。これにより、出力側の短絡を検出するための別個の部品を用いる必要がないため、インバータ装置１０を簡素に構成することができる。

また、アーム短絡は瞬間的に起こり、高い周波数成分を有する電流が流れるが、出力側の短絡は比較的ゆっくりと起こり、相対的に低い周波数成分を有する電流が流れる。空芯コイルであるコイルパターン１０２は、高い周波数成分を有する電流の検出に適しているため、出力側の短絡の検出に用いることは適当でない。そこで、ＣＴである第２検出部１３Ｘを用いて出力側の短絡を検出することで、アーム短絡及び出力側の短絡のいずれも検出することができる。さらに、短絡が発生した原因を、アーム短絡と出力側の短絡に切り分けて、短絡発生時の処理を原因に応じたものとすることができる。

また、インバータ装置１０は、空芯コイルであるコイルパターン１０２を用いてアーム短絡を検出し、ＣＴを用いて出力側の短絡を検出した。ここで、アーム短絡では、高い周波数成分を含む瞬間的な大電流が生じる。空芯コイルは、このような電流を比較的検出しやすいことから、アーム短絡用のセンサとしてＣＴより適している。発明者によって実施されたシミュレーションにより、コイルパターン１０２の直径が１０ｍｍ以下で、巻数が１０であれば、電圧が１００Ｖで５０Ａの短絡電流を検知可能であることが確認されている。さらに、シミュレーションにより、コイルパターン１０２の直径が５ｍｍで、巻数が２であっても、電圧が１００Ｖで５０Ａの短絡電流を検知可能であることが確認されている。

また、ボビン巻きの空芯コイルを第１検出部１０１に採用すると、インバータ装置１０の製造にあたり、ＣＴを採用する場合よりは軽減されるもののある程度のコストがかかる。これに対して、本実施の形態では、コイルパターンを第１検出部１０１に採用したため、よりコストを抑えることができる。

また、アーム短絡検出モジュール１１０は、積分回路１１１を有している。アーム部１１，１４，１７の短絡を検出する際には、短絡電流のうち低周波成分は不要であるため、積分回路１１１を用いてアーム短絡検出モジュール１１０を構成し、比較的低コストのオペアンプを活用することができる。

実施の形態２．
続いて、実施の形態２について、上述の実施の形態１との相違点を中心に説明する。なお、上記実施の形態１と同一又は同等の構成については、同等の符号を用いるとともに、その説明を省略又は簡略する。本実施の形態に係る第１検出部１０１は、図６に示されるように、２つのコイルパターン１０２，１０４を含んで構成される点で、実施の形態１に係るものと異なっている。

第１検出部１０１は、基板に形成されたコイルパターン１０２，１０４と、検出した電流に対応する誘導起電力を制御部１００に出力するための配線パターン１０３，１０５と、を有している。コイルパターン１０２，１０４の間には、検出対象の電流が流れる配線３１ｗが配置され、コイルパターン１０２，１０４は同一の形状を有し、配線３１ｗを挟んで対象に配置される。

以上、説明したように、本実施の形態に係る第１検出部１０１は、配線を間に挟む２つのコイルパターン１０２，１０４を有している。アーム短絡検出モジュール１１０は、コイルパターン１０２，１０４それぞれに生じた誘導起電力の差分を算出することで外部ノイズを除去し、正確な電流量を得ることができる。ひいては、アーム短絡の検出精度が向上する。

なお、コイルパターン１０２，１０４の間の距離が短いほど外来ノイズがコイルパターン１０２，１０４に均一に生じるため、ノイズ耐性が増す。そのため、コイルパターン１０２，１０４の間の距離は、検出対称の短絡電流に含まれる最大周波数成分の波長の１／４とすることが考えられる。例えば、最大周波数成分が１ＧＨｚの成分であれば、波長が３０ｃｍとなるため、コイルパターン１０２，１０４間の距離は７．５ｃｍ以下とすることが望ましい。ただし、コイルパターン１０２，１０４間の距離が１０ｃｍ以下であれば、コイルパターン１０２，１０４同士が十分に近接し、短絡電流を検出することができる。

発明者によって実施されたシミュレーションでは、コイルパターン１０２，１０４の直径が５ｍｍ、巻数が２であれば、電圧が２００Ｖで、電流が１００Ａで周波数が１ＭＨｚの成分を有する短絡電流を十分に検出可能であることが確認されている。

また、コイルパターン１０２，１０４は、図７に示されるように、Ｕ字型の配線３１の近傍に配置されてもよい。このような配置であっても、アーム短絡検出モジュール１１０は、外部ノイズを除去して正確な電流量を得ることができる。

また、配線パターン１０３，１０５は、検出精度の観点から、検出対象の電流が流れる配線３１ｗを挟んで対称に配置されることが望ましい。しかしながら、配線パターン１０３，１０５は、非対称に配置されてもよい。

実施の形態３．
続いて、実施の形態３について、上述の実施の形態１との相違点を中心に説明する。なお、上記実施の形態１と同一又は同等の構成については、同等の符号を用いるとともに、その説明を省略又は簡略する。本実施の形態に係る第１検出部１０１は、図８に示されるように、コイルパターン１０２が、基板に形成された第１コイルパターン１０２ａと、第１コイルパターン１０２ａの表面側又は裏面側に形成された第２コイルパターン１０２ｂと、を有している点で、実施の形態１に係るものと異なっている。

図８に示される第１コイルパターン１０２ａ及び第２コイルパターン１０２ｂの巻数はいずれも、４である。また、第２コイルパターン１０２ｂは、第１コイルパターン１０２ａの直上に形成される。すなわち、基板上のパターンが形成される面に垂直な方向に第１コイルパターン１０２ａを投影すると、第２コイルパターン１０２ｂと少なくとも一部が重なる。

以上、説明したように、第１検出部１０１のコイルの巻数は、実施の形態１に比較して多い。これにより、電流の検出精度が向上する。

以上、本発明の実施の形態について説明したが、本発明は上記実施の形態によって限定されるものではない。

例えば、制御部１００の機能は、任意に変更可能である。例えば、保護モジュール１３０の機能を制御モジュール１４０が有していてもよいし、アーム短絡検出モジュール１１０及び出力短絡検出モジュール１２０の機能を保護モジュール１３０が有していてもよい。

また、第１検出部１０１は、図９に示されるように、巻数を４以上として、基板の裏面に配線を通す形状を有していてもよい。

また、想定される短絡電流の周波数と電流量により、短絡の検知が可能となるコイルパターン１０２の大きさ及び巻数を決定することが望ましい。巻数を３と決定した場合には、図１０に示されるように、基板の表面に形成される第１コイルパターン１０２ａの巻数を２として、裏面に形成される第２コイルパターン１０２ｂの巻数を１とし、コイルパターン１０２の最大径から順に巻き始めることが望ましい。また、表面での巻数を２として、裏面での巻数を２とした例を図１１に示す。

また、コイルパターン１０２の一端と他端は、基板の同一の面上に配置してもよい。

本発明は、本発明の広義の精神と範囲を逸脱することなく、様々な実施の形態及び変形が可能とされるものである。また、上述した実施の形態は、本発明を説明するためのものであり、本発明の範囲を限定するものではない。つまり、本発明の範囲は、実施の形態ではなく、請求の範囲によって示される。そして、請求の範囲内及びそれと同等の発明の意義の範囲内で施される様々な変形が、本発明の範囲内とみなされる。

本発明は、電力の変換に適している。

１０００ 電力変換装置、 １０ インバータ装置、 １０ｉ，１０ｊ 入力端子、 １０ｒ，１０ｓ，１０ｔ 出力端子、 １１，１４，１７ アーム部、 １１ａ，１２ａ，１４ａ，１５ａ，１７ａ，１８ａ スイッチング素子、 １１ｄ，１２ｄ，１４ｄ，１５ｄ，１７ｄ，１８ｄ 還流ダイオード、 １１ｐ，１２ｐ，１３ｐ，１４ｐ，１５ｐ，１６ｐ，１９ｐ 接続点、 １１ｗ，１２ｗ，１４ｗ，１５ｗ，１７ｗ，１８ｗ 配線、 １３ｘ，１６ｘ，１９ｘ 第２検出部、 １００ 制御部、 １０１ 第１検出部、 １０１ａ，１０１ｂ，１０１ｃ，１０１ｄ，１０１ｅ，１０１ｆ，１０１ｘ 位置、 １０２，１０４ コイルパターン、 １０２ａ 第１コイルパターン、 １０２ｂ 第２コイルパターン、 １０３，１０５ 配線パターン、 １１０ アーム短絡検出モジュール、 １１１ 積分回路、 １１２，１２１ 比較器、 １２０ 出力短絡検出モジュール、 １３０ 保護モジュール、 １４０ 制御モジュール、 ２０ 整流装置、 ２１ｄ，２２ｄ，２４ｄ，２５ｄ，２７ｄ，２８ｄ ダイオード、 ２１ｗ，２２ｗ 配線、 ２３ｐ，２６ｐ，２９ｐ 接続点、 ３０ 平滑コンデンサ、 ３１ｐ，３２ｐ 接続点、 ３１ｗ，３２ｗ 配線、 ６０ 電源、 ７０ 負荷。

上記目的を達成するため、本発明のインバータ装置は、平滑コンデンサによって平滑化された電圧を受けるインバータ装置であって、直列に接続された第１スイッチング素子と第２スイッチング素子とを有し、前記第１スイッチング素子と前記第２スイッチング素子との開閉により、前記平滑化された電圧から交流電圧を生成するアーム部と、基板に形成された空芯コイルであるコイルパターンを有し、前記第１スイッチング素子又は前記第２スイッチング素子と前記平滑コンデンサとを接続する配線に流れる電流を検出する第１検出部と、を備え、前記アーム部は、前記アーム部の短絡による電流が前記第１検出部によって検出されると、交流電圧の生成を停止する。

Claims (7)

1. 平滑コンデンサによって平滑化された電圧を受けるインバータ装置であって、
   直列に接続された第１スイッチング素子と第２スイッチング素子とを有し、前記第１スイッチング素子と前記第２スイッチング素子との開閉により、前記平滑化された電圧から交流電圧を生成するアーム部と、
   基板に形成されたコイルパターンを有し、前記第１スイッチング素子又は前記第２スイッチング素子と前記平滑コンデンサとを接続する配線に流れる電流を検出する第１検出部と、を備え、
   前記アーム部は、前記アーム部の短絡による電流が前記第１検出部によって検出されると、交流電圧の生成を停止する、インバータ装置。
2. 前記第１検出部は、２つのコイルパターンを有し、
   前記配線は、前記２つのコイルパターンの間に配置される、
   請求項１に記載のインバータ装置。
3. 前記２つのコイルパターンの間の距離は、１０ｃｍ以下である、
   請求項２に記載のインバータ装置。
4. 前記基板は、第１面と、前記第１面とは反対側の第２面と、を有し、
   前記第１検出部は、前記基板に形成された第１コイルパターンと、前記第１コイルパターンの前記第１面側又は前記第２面側に形成された第２コイルパターンと、を有する、
   請求項１から３のいずれか一項に記載のインバータ装置。
5. 前記アーム部によって生成された交流電圧が出力される２つの出力端子と、
   前記２つの出力端子の少なくとも一方に流れる電流を検出する第２検出部と、をさらに備え、
   前記アーム部は、前記２つの出力端子を介してインバータ装置に接続された負荷で生じた短絡による電流が前記第２検出部によって検出されると、交流電圧の生成を停止する、
   請求項１から４のいずれか一項に記載のインバータ装置。
6. 前記第１検出部によって検出された電流が閾値を超えたときに、前記第１スイッチング素子及び前記第２スイッチング素子の少なくとも一方を制御して、前記アーム部による交流電圧の生成を停止させる制御部をさらに備える、
   請求項１から５のいずれか一項に記載のインバータ装置。
7. 平滑コンデンサによって平滑化された電圧から交流電圧を生成するインバータ装置の停止方法であって、
   直列に接続されてアーム部を構成する第１スイッチング素子及び第２スイッチング素子のいずれか一方と前記平滑コンデンサとを接続する配線に流れる電流を、基板に形成されたコイルパターンで検出し、
   前記第１スイッチング素子及び前記第２スイッチング素子の短絡による電流が検出されると、交流電圧の生成を停止する、
   インバータ装置の停止方法。

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