WO2018008333A1 - インバータ駆動装置 - Google Patents

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WO2018008333A1
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drive device
gate voltage
inverter drive
voltage
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聡 平沼
光一 八幡
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日立オートモティブシステムズ株式会社
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    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
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    • H02M7/42—Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal
    • H02M7/44—Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal by static converters
    • H02M7/48—Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode

Definitions

  • the present invention relates to an inverter drive device.
  • an inverter drive is used to drive the motor.
  • the inverter driving device is constituted by a switching element such as an IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor).
  • the inverter drive device connects a switching element called an upper arm and a switching element called a lower arm in series in the vertical direction, and connects the winding of the motor that becomes a load to the connection point of the vertical arm, and the upper and lower arms alternately It is turned on to control the current flowing through the winding.
  • Patent Document 1 includes a sense emitter terminal that divides a part of the collector current flowing from the collector and flows the current, and converts the current flowing through the sense resistor connected to the sense emitter terminal into a voltage. It is described that an overcurrent is detected by detecting this with an overcurrent detection unit.
  • Patent Document 1 cannot detect a false firing of the lower arm switching element due to a voltage change when the upper arm switching element switches from turn-off to turn-on.
  • An inverter driving apparatus includes a first switching element and a second switching element that constitute upper and lower arms of an inverter circuit, a detection unit that detects gate voltages of the first switching element and the second switching element, and the detection A determination control unit that determines a short circuit of the upper and lower arms due to erroneous firing of the second switching element based on a detection result of the unit.
  • the present invention it is possible to detect a false firing of the switching element of the lower arm due to a voltage change when the switching element of the upper arm is switched from turn-off to turn-on.
  • FIG. 1 is a circuit configuration diagram of an inverter driving apparatus according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 1 shows a configuration in which a switching element UTP called an upper arm and a switching element UTN called a lower arm are connected in a vertical series. Although the upper and lower arms of the U phase are shown in FIG. 1, the V phase and the W phase have the same configuration and are not shown.
  • the diode D1 is connected between the collector and emitter of the switching element UTP.
  • the diode D1 is connected so that the direction from the emitter to the collector of the switching element UTP is the forward direction, and the coil of the driving motor misses the back electromotive force generated when the current is interrupted to prevent the switching element UTP from being damaged. is doing.
  • the diodes D1 and D2 are not necessary when a MOSFET is used as a switching element.
  • a DC power supply (not shown) is connected to both ends of the upper and lower arms, and a capacitor C is further connected.
  • the capacitor C smoothes the applied voltage that fluctuates during power conversion.
  • a winding of a motor as a load is connected to the connection point of the upper and lower arms, and the motor is driven by controlling the current flowing in the winding by alternately turning on the upper and lower arms.
  • the control unit 1 performs current feedback control by feeding back a current value from a current sensor (not shown) that detects current supplied to the three-phase winding of the motor.
  • the control unit 1 also outputs PWM drive signals IN_P and IN_N to the drive units 21 and 22 in accordance with commands from a host controller (not shown).
  • the drive unit 21 supplies a voltage necessary for turning on the switching element UTP via the resistor Rg1.
  • the drive unit 22 supplies a voltage necessary for turning on the switching element UTN via the resistor Rg2.
  • the switching element UTP includes a sense emitter terminal that divides a part of the collector current Ic flowing from the collector and flows the current.
  • the current flowing through the sense resistor R1 connected to the sense emitter terminal is converted into a voltage.
  • the overcurrent detection unit 31 detects the collector current Ic flowing through the upper and lower arms based on the input voltage. When the input voltage is equal to or higher than the predetermined voltage, that is, when the collector current Ic is equal to or higher than the short-circuit current threshold Icx, this is detected as an overcurrent and output to the control unit 1.
  • the switching element UTN includes a sense emitter terminal that divides a part of the collector current Ic flowing from the collector and flows the current, and the current flowing through the sense resistor R2 connected to the sense emitter terminal is converted into a voltage. This is input to the overcurrent detection unit 32.
  • the overcurrent detection unit 32 detects the collector current Ic flowing through the upper and lower arms based on the input voltage. When the input voltage is equal to or higher than the predetermined voltage, that is, when the collector current Ic is equal to or higher than the short-circuit current threshold Icx, this is detected as an overcurrent and output to the control unit 1.
  • the control unit 1 activates the protection function of the switching element and switches to the mode for protecting the switching element.
  • the time during which the charge charged in the gate of the switching element is discharged is lengthened, and the change per hour of the collector current Ic is reduced. For this reason, the voltage generated when the switching element is turned off becomes lower than the withstand voltage, and the switching element is protected.
  • the gate voltage detector 33 receives the gate voltage Vge_P of the switching element UTP, that is, the gate-emitter voltage. The gate voltage detection unit 33 detects whether the gate voltage Vge_P is equal to or higher than a predetermined value, and outputs a detection signal to the determination unit 4 if it is equal to or higher than the predetermined value. Similarly, the gate voltage detection unit 34 receives the gate voltage Vge_N of the switching element UTN, that is, the voltage between the gate and the emitter. The gate voltage detection unit 34 detects whether the gate voltage Vge_N is equal to or higher than a predetermined value, and outputs a detection signal to the determination unit 4 if it is equal to or higher than the predetermined value.
  • the determination unit 4 If the detection signal is simultaneously input from the gate voltage detection units 33 and 34, the determination unit 4 outputs the signal ALM to the control unit 1 as an erroneous firing of the switching element.
  • False firing of the switching element is a phenomenon that occurs when switching the switching element.
  • An example of switching the upper arm will be described.
  • the switching element UTP of the upper arm is switched from turn-off to turn-on, the voltage applied between the collector and the emitter of the switching element UTP changes.
  • a current determined by the voltage change dV / dt and the feedback capacitance is injected into the gate of the switching element UTN of the lower arm through the feedback capacitance, leading to an increase in the gate voltage.
  • the gate voltage Vge_N of the switching element UTN reaches the turn-on threshold voltage of the switching element UTN, the switching element UTN is turned on and the upper and lower arms are short-circuited. This is a false firing of the switching element.
  • the collector current at the time of false firing is larger than the rated current, but smaller than the short-circuit current threshold Icx. Since the collector current at the time of false firing is smaller than the short-circuit current threshold Icx, the overcurrent detectors 31 and 32 cannot detect it, and therefore the controller 1 cannot operate the protection function of the switching element. Therefore, in this embodiment, the gate voltage detection parts 33 and 34 and the determination part 4 are provided, and the false ignition of a switching element is determined. The operation for determining false firing will be described later.
  • FIG. 2 is a circuit diagram showing the gate voltage detection units 33 and 34 and the determination unit 4.
  • the gate voltage detection unit 33 is connected to the comparator VC1 that compares the gate voltage Vge_P of the upper-arm switching element UTP with the reference voltage Vth, the photocoupler P1 connected to the output side of the comparator VC1, and the power supply side of the photocoupler P1.
  • the photocoupler P1 is composed of a light emitting element and a light receiving element, and realizes insulated signal transmission on the high power side S and the low power side W.
  • the gate voltage detection unit 34 compares the gate voltage Vge_N of the switching element UTN of the lower arm with the reference voltage Vth, the photocoupler P2 connected to the output side of the comparator VC2, and the power supply of the photocoupler P2. It consists of resistors R21 and R22 connected to the side.
  • the photocoupler P2 is composed of a light emitting element and a light receiving element, and realizes insulated signal transmission on the high power side S and the low power side W.
  • the determination unit 4 is composed of an OR circuit.
  • the gate voltage detection unit 33 when the gate voltage Vge_P becomes equal to or higher than the reference voltage Vth, the photocoupler P1 is operated by the output of the comparator VC1, and a signal of logic “0” is input from the photocoupler P1 to one of the OR circuits. Is done.
  • the gate voltage detection unit 34 when the gate voltage Vge_N becomes equal to or higher than the reference voltage Vth, the photocoupler P2 operates by the output of the comparator VC2, and a signal of logic “0” is output from the photocoupler P2 to the other side of the OR circuit. Is input.
  • the determination unit 4 determines that the period in which the gate-emitter voltage Vge_P of the switching element UTP exceeds the reference voltage Vth is the period in which the gate-emitter voltage Vge_N of the switching element UTN exceeds the reference voltage Vth. Determine if they overlap.
  • the gate voltage detection units 33 and 34 and the determination unit 4 illustrated in FIG. 2 are examples, and may be configured by other logic circuits or the like.
  • FIGS. 3A and 3B show driving waveforms during normal driving of the inverter driving apparatus
  • FIG. 3A is an upper arm gate voltage
  • FIG. 3B is a lower arm gate voltage
  • FIG. 3C is an upper arm collector-emitter voltage.
  • Voltage FIG. 3 (d) is the upper arm collector current.
  • the horizontal axis represents elapsed time.
  • the drive signal IN_P from the control unit 1 is supplied to the drive unit 21, and the drive unit 21 supplies the switching element UTP via the resistor Rg1 to the gate voltage Vge_P shown in FIG. Enter.
  • the switching element UTP is turned on.
  • the gate voltage Vge_N of the lower-arm switching element UTN is shown in FIG. 3B in response to a change in the voltage applied between the collector and emitter of the upper-arm switching element UTP. As shown in the figure, it rises slightly, but the switching element UTN of the lower arm cannot be turned on during normal driving.
  • the switching element UTP of the upper arm is turned on, the voltage between the upper arm collector and the emitter decreases as shown in FIG. 3C, and the upper arm collector current increases as shown in FIG. 3D. .
  • FIG. 4A and 4B show driving waveforms when the lower arm fails.
  • FIG. 4A shows the upper arm gate voltage
  • FIG. 4B shows the lower arm gate voltage
  • FIG. 4C shows the upper arm collector-emitter voltage
  • FIG. 4D shows the upper arm collector current.
  • the horizontal axis represents elapsed time.
  • FIG. 4B shows a state where the lower arm has failed and a voltage equal to or higher than the reference voltage Vth is applied to the gate voltage Vge_N of the switching element UTN of the lower arm.
  • the gate voltage Vge_P shown in FIG. 4A is input, and the switching element UTP is turned on.
  • the upper arm collector current increases.
  • the upper arm collector-emitter voltage shown in FIG. 4C is also raised. In this case, the upper and lower arms are short-circuited, and the upper arm collector current exceeds the short-circuit current threshold Icx as shown in FIG.
  • the overcurrent detection unit 31 detects this as an overcurrent.
  • the control unit 1 operates the protection function of the switching element and switches to a protection mode for protecting the switching element.
  • the upper arm gate voltage is gradually lowered as shown in FIG.
  • the upper arm collector-emitter voltage is lowered so that the upper arm collector-emitter voltage does not exceed the breakdown voltage.
  • FIG. 5 shows driving waveforms when the lower arm is falsely fired.
  • FIG. 5A shows the upper arm gate voltage
  • FIG. 5B shows the lower arm gate voltage
  • FIG. 5C shows the upper arm collector-emitter.
  • FIG. 5 (d) shows the upper arm collector current.
  • the horizontal axis represents elapsed time.
  • the gate voltage Vge_P shown in FIG. 5A is input by the drive signal IN_P from the control unit 1, and the switching element UTP is turned on.
  • the gate voltage Vge_N of the lower-arm switching element UTN is shown in FIG. 5B in response to a change in the voltage applied between the collector and emitter of the upper-arm switching element UTP. Ascend as shown.
  • the gate voltage Vge_N reaches the reference voltage Vth, the switching element UTN is turned on, causing a short circuit between the upper and lower arms. This is a false firing.
  • the false ignition is charged to the gate of the lower arm when the voltage applied between the collector and emitter of the switching element UTP of the upper arm is large or when the switching speed of the switching element UTP of the upper arm is fast.
  • the amount of charge generated increases.
  • a large upper arm collector current temporarily flows due to erroneous firing, but this current is smaller than the short-circuit current threshold Icx.
  • the charge applied as the gate voltage Vge_N to the lower arm switching element UTN is discharged, as shown in FIG. 5 (d), the upper arm collector current decreases, and then the upper arm switching element UTP is turned on. Gradually increase.
  • the gate voltage detector 33 compares whether the gate voltage Vge_P exceeds the reference voltage Vth by the comparator VC1, and if it exceeds, the signal is sent to the photocoupler P1 connected to the output side of the comparator VC1. To transmit. As a result, a signal of logic “0” is input from the photocoupler P1 to one of the OR circuits.
  • the gate voltage detection unit 34 compares the comparator VC2 to determine whether the gate voltage Vge_N exceeds the reference voltage Vth, and if it exceeds, transmits a signal to the photocoupler P2 connected to the output side of the comparator VC2.
  • a signal of logic “0” is input from the photocoupler P2 to the other side of the OR circuit.
  • a signal of logic “0” is input to one and the other of the OR circuit, a signal of logic “0” is output from the OR circuit as an erroneous firing detection signal ALM and input to the control unit 1.
  • the operation of the control unit 1 after the erroneous firing detection signal ALM is input will be described later.
  • FIG. 6 is a diagram showing the characteristics of the saturation current of the switching element.
  • the vertical axis represents the collector current Ic
  • the horizontal axis represents the collector-emitter voltage Vce.
  • the graphs in the figure show the cases where the gate voltages are 7V, 8V, 9V, 10V, 12V, 15V, and 20V with solid lines, respectively.
  • the collector current Ic increases as the gate voltage increases.
  • the magnitude of the upper arm collector current shown in FIG. 4 (d) is determined by the upper arm gate voltage shown in FIG. 4 (a) and the lower arm gate voltage shown in FIG. 4 (b). The voltage is 15V. Referring to FIG.
  • the collector current Ic is very large when the magnitude of the collector-emitter voltage Vce exceeds a certain level (about 2V). Therefore, it can be seen that the short-circuit current threshold Icx for detecting a short circuit between the upper and lower arms due to the failure of the switching element is set high.
  • the lower arm gate voltage shown in FIG. 5B determines the magnitude of the upper arm collector current shown in FIG. 5D.
  • this voltage is 7V.
  • the collector current Ic becomes constant when the collector-emitter voltage Vce exceeds a certain level (about 1.5V), and the gate voltage is 15V. It can be seen that it is very small compared to. Therefore, it can be seen that the collector current Ic due to the short circuit of the upper and lower arms due to erroneous firing of the switching element is smaller than the short circuit current threshold Icx and cannot be detected using the short circuit current threshold Icx.
  • FIG. 7 is a flowchart showing the operation of the control unit 1.
  • the control unit 1 determines whether the signal ALM is input. When the signal ALM is input, the process proceeds to step S2, where it is determined whether the signal ALM continues for t seconds or more. If it does not continue for t seconds or more, the process returns to step S2.
  • the t second is a predetermined time for suppressing erroneous detection due to noise mixed in the gate voltage Vge_P, the gate voltage Vge_N, and the like, and is shorter than the time for the gate voltage Vge_P to rise from zero to the turn-on voltage of the switching element UTP.
  • step S2 If it is determined in step S2 that the signal ALM has continued for t seconds or more, the process proceeds to step S3, where it is determined whether the signal ALM has been detected X times or more (X is an integer of 2 or more) within a predetermined period. If not detected X times or more, the process returns to step S1. The X times is for surely detecting false firing and is the number of times that the switching element UTN or the like is not destroyed. If the signal ALM is detected X times or more in step S3, the process proceeds to step S4.
  • step S4 the control unit 1 determines that a false firing has occurred, and controls the drive signals of the switching element UTP of the upper arm and the switching element UTN of the lower arm, thereby limiting the value of the current flowing through the switching element UTP and the switching element UTN. To do.
  • control part 1 will give priority to this, if there is a detection signal from the overcurrent detection part 31, operates the protection function of a switching element, Switch to protection mode to protect.
  • the inverter driving device includes a first switching element UTP and a second switching element UTN that constitute upper and lower arms of the inverter circuit, and gates for detecting gate voltages Vge_P and Vge_N of the first switching element UTP and the second switching element UTN. Based on the detection results of the voltage detection units 33 and 34, the gate voltage detection units 33 and 34, the determination unit 4 that determines whether the upper and lower arms are short-circuited due to erroneous firing of the second switching element UTN, and the control unit 1 are provided. As a result, it is possible to detect a false firing caused by a voltage change when the switching element of the upper arm is switched from turn-off to turn-on.
  • the present invention is not limited to the above-described embodiment, and other forms conceivable within the scope of the technical idea of the present invention are also included in the scope of the present invention as long as the characteristics of the present invention are not impaired. .

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Abstract

上アームのスイッチング素子がターンオフからターンオンに切り替わる際の電圧変化に起因する下アームのスイッチング素子の誤点弧を検出することができなかった。　ゲート電圧検出部３３において、コンパレータVC1でゲート電圧Vge_Pが基準電圧Vthを超えた場合はフォトカプラーP1へ信号を伝送し、フォトカプラーP1から論理" ０"の信号がＯＲ回路の一方へ入力される。ゲート電圧検出部３４において、コンパレータVC2でゲート電圧Vge_Nが基準電圧Vthを超えた場合はコンパレータVC2の出力側に接続されたフォトカプラーP2へ信号を伝送し、フォトカプラーP2から論理"０"の信号がＯＲ回路の他方へ入力される。ＯＲ回路は、一方および他方へ論理"０"の信号が入力された場合に、論理"０"の信号を誤点弧検知信号ALMとして制御部１へ出力する。

Description

インバータ駆動装置
　本発明は、インバータ駆動装置に関する。
　ハイブリッド自動車（Hybrid Vehicle）や電気自動車（Electric Vehicle）では、モータを駆動するためにインバータ駆動装置が用いられている。インバータ駆動装置は、ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）などのスイッチング素子により構成される。
　インバータ駆動装置は、上アームと呼ばれるスイッチング素子と、下アームと呼ばれるスイッチング素子とを上下直列に接続して、上下アームの接続点に負荷となるモータの巻き線を接続し、上下アームを交互にＯＮさせて巻き線に流す電流を制御している。
　しかし、上下アームのいずれかがスイッチングＯＮのときに、他方のアームが短絡故障を起こした場合、上下アームを介して電源が短絡されてしまうため、過電流が流れてスイッチング素子を損傷させてしまう。これを防ぐため、特許文献１には、コレクタから流入するコレクタ電流の一部を分流させて電流を流すセンスエミッタ端子を備え、センスエミッタ端子に接続されたセンス抵抗に流れる電流を電圧に変換し、これを過電流検知部により検出することで過電流を検知することが記載されている。
特開２０１４－１８７５４３号公報
　上述した、特許文献１に記載の技術では、上アームのスイッチング素子がターンオフからターンオンに切り替わる際の電圧変化に起因する下アームのスイッチング素子の誤点弧を検出することができなかった。
　本発明によるインバータ駆動装置は、インバータ回路の上下アームを構成する第１スイッチング素子および第２スイッチング素子と、前記第１スイッチング素子および前記第２スイッチング素子のゲート電圧を検出する検出部と、前記検出部の検出結果に基づいて、前記第２スイッチング素子の誤点弧による前記上下アームの短絡を判定する判定制御部とを備える。
　本発明によれば、上アームのスイッチング素子がターンオフからターンオンに切り替わる際の電圧変化に起因する下アームのスイッチング素子の誤点弧を検出することができる。
インバータ駆動装置の回路構成図である。 ゲート電圧検出部、判定部を示す回路図である。 インバータ駆動装置の駆動波形を示す図である。 故障時の駆動波形を示す図である。 誤点弧時の駆動波形を示す図である。 スイッチング素子の飽和電流の特性を示す図である。 制御部の動作を示すフローチャートである。
　図１は、本発明の一実施形態であるインバータ駆動装置の回路構成図である。この図１では、上アームと呼ばれるスイッチング素子UTPと、下アームと呼ばれるスイッチング素子UTNとを上下直列に接続した構成を示す。図１では、Ｕ相の上下アームを示すが、Ｖ相、Ｗ相も同様の構成であり、図示を省略する。
　スイッチング素子UTPのコレクタとエミッタ間にはダイオードＤ１が接続されている。ダイオードＤ１は、スイッチング素子UTPのエミッタからコレクタに向かう方向が順方向となるように接続されており、駆動するモータのコイルが電流遮断時に発生する逆起電力を逃してスイッチング素子UTPの破損を防止している。スイッチング素子UTNのコレクタとエミッタ間に接続されたダイオードＤ２も同様である。なお、ダイオードＤ１、Ｄ２は、スイッチング素子としてＭＯＳＦＥＴを使用した場合は不要である。
　上下アームの両端には、図示省略した直流電源が接続され、更にコンデンサＣが接続される。コンデンサＣは電力変換時に変動する印加電圧を平滑化する。上下アームの接続点には、図示省略するが負荷となるモータの巻き線が接続され、上下アームを交互にＯＮさせて巻き線に流す電流を制御してモータを駆動する。
　制御部１は、モータの三相の巻き線に供給される電流を検出する電流センサー（図示省略）からの電流値がフィードバックされ、電流フィードバック制御を行う。制御部１は、また、図示省略した上位のコントローラの指令に応じて、駆動部２１、２２へＰＷＭの駆動信号IN_P、IN_Nを出力する。駆動部２１は、抵抗Rg1を介してスイッチング素子UTPをターンオンさせるのに必要な電圧を供給する。駆動部２２は、抵抗Rg2を介してスイッチング素子UTNをターンオンさせるのに必要な電圧を供給する。
　スイッチング素子UTPは、コレクタから流入するコレクタ電流Ｉｃの一部を分流させて電流を流すセンスエミッタ端子を備えており、センスエミッタ端子に接続されたセンス抵抗Ｒ１に流れる電流が電圧に変換され、これを過電流検知部３１に入力する。過電流検知部３１は、入力された電圧に基づいて上下アームに流れるコレクタ電流Ｉｃを検出する。そして、入力された電圧が所定電圧以上、すなわちコレクタ電流Ｉｃが短絡電流閾値Icx以上であった場合にこれを過電流として検出し、制御部１へ出力する。
　同様に、スイッチング素子UTNは、コレクタから流入するコレクタ電流Ｉｃの一部を分流させて電流を流すセンスエミッタ端子を備えており、センスエミッタ端子に接続されたセンス抵抗Ｒ２に流れる電流が電圧に変換され、これを過電流検知部３２に入力する。過電流検知部３２は、入力された電圧に基づいて上下アームに流れるコレクタ電流Ｉｃを検出する。そして、入力された電圧が所定電圧以上、すなわちコレクタ電流Ｉｃが短絡電流閾値Icx以上であった場合にこれを過電流として検出し、制御部１へ出力する。
　過電流検知部３１、３２でコレクタ電流Ｉｃが短絡電流閾値Icx以上であると検知される場合は、スイッチング素子UTP、若しくはスイッチング素子UTNの故障により上下アームが短絡した場合である。この場合、過電流検知部３１、３２からの検知信号に応答して、制御部１はスイッチング素子の保護機能を動作させ、スイッチング素子を保護するモードに切り替わる。保護モードでは、スイッチング素子のゲートに充電されている電荷が放電される時間を長くして、コレクタ電流Ｉｃの時間当たりの変化分を小さくする。このためスイッチング素子のターンオフ時に発生する電圧は耐圧以下となりスイッチング素子は保護される。
　ゲート電圧検出部３３には、スイッチング素子UTPのゲート電圧Vge_P、すなわちゲート－エミッタ間の電圧が入力される。ゲート電圧検出部３３は、ゲート電圧Vge_Pが所定値以上であるかを検出し、所定値以上であれば検出信号を判定部４へ出力する。同様に、ゲート電圧検出部３４には、スイッチング素子UTNのゲート電圧Vge_N、すなわちゲート－エミッタ間の電圧が入力される。ゲート電圧検出部３４は、ゲート電圧Vge_Nが所定値以上であるかを検出し、所定値以上であれば検出信号を判定部４へ出力する。
　判定部４は、ゲート電圧検出部３３、３４から同時に検出信号が入力されていれば、スイッチング素子の誤点弧であるとして、信号ALMを制御部１へ出力する。
　スイッチング素子の誤点弧はスイッチング素子のスイッチング時に発生する現象である。上アームのスイッチング時を例にあげて説明する。上アームのスイッチング素子UTPがターンオフからターンオンに切り替わる際、スイッチング素子UTPのコレクタ－エミッタ間に印加されている電圧は変化する。そして、この電圧変化dV/dtと帰還容量によって決まる電流が、帰還容量を通って下アームのスイッチング素子UTNのゲートに注入され、ゲートの電圧上昇を招く。その結果、スイッチング素子UTNのゲート電圧Vge_Nがスイッチング素子UTNのターンオンしきい値電圧に到達するとスイッチング素子UTNがオンし、上下アームを短絡状態にする。これがスイッチング素子の誤点弧である。
　誤点弧時のコレクタ電流は定格電流よりも大きいが、短絡電流閾値Icxよりは小さい。誤点弧時のコレクタ電流が短絡電流閾値Icxより小さいため、過電流検知部３１、３２では検知することはできず、したがって、制御部１はスイッチング素子の保護機能を動作させることができない。そのため、本実施形態では、ゲート電圧検出部３３、３４、判定部４を設けて、スイッチング素子の誤点弧を判定している。誤点弧の判定の動作については後述する。
　図２は、ゲート電圧検出部３３、３４、判定部４を示す回路図である。ゲート電圧検出部３３は、上アームのスイッチング素子UTPのゲート電圧Vge_Pを基準電圧Vthと比較するコンパレータVC1と、コンパレータVC1の出力側に接続されたフォトカプラーP1と、フォトカプラーP1の電源側に接続された抵抗R11、R12とよりなる。フォトカプラーP1は発光素子と受光素子より構成され、強電側Ｓと弱電側Ｗで絶縁型の信号伝送を実現している。
　同様に、ゲート電圧検出部３４は、下アームのスイッチング素子UTNのゲート電圧Vge_Nを基準電圧Vthと比較するコンパレータVC2と、コンパレータVC2の出力側に接続されたフォトカプラーP2と、フォトカプラーP2の電源側に接続された抵抗R21、R22とよりなる。フォトカプラーP2は発光素子と受光素子より構成され、強電側Ｓと弱電側Ｗで絶縁型の信号伝送を実現している。
　判定部４はＯＲ回路で構成される。ゲート電圧検出部３３では、ゲート電圧Vge_Pが基準電圧Vth以上になった場合に、コンパレータVC1の出力によってフォトカプラーP1が動作し、フォトカプラーP1から論理“０”の信号がＯＲ回路の一方へ入力される。また、ゲート電圧検出部３４では、ゲート電圧Vge_Nが基準電圧Vth以上になった場合に、コンパレータVC2の出力によってフォトカプラーP2が動作し、フォトカプラーP2から論理“０”の信号がＯＲ回路の他方へ入力される。ＯＲ回路の一方および他方へ論理“０”の信号が入力された場合に、ＯＲ回路から論理“０”の信号が誤点弧検知信号ALMとして出力され、制御部１へ入力される。すなわち、判定部４は、スイッチング素子UTPのゲート－エミッタ間の電圧Vge_Pが基準電圧Vthを越えている期間が、スイッチング素子UTNのゲート－エミッタ間の電圧Vge_Nが基準電圧Vthを越えている期間と重なったかを判定する。なお、図２で示すゲート電圧検出部３３、３４、判定部４は一例であり、その他の論理回路等で構成してもよい。
　次に、インバータ駆動装置の動作について、図３～図５の駆動波形を参照して説明する。
　図３はインバータ駆動装置の通常駆動時の駆動波形であり、図３（ａ）は上アームゲート電圧、図３（ｂ）は下アームゲート電圧、図３（ｃ）は上アームコレクタ－エミッタ間電圧、図３（ｄ）は上アームコレクタ電流である。各図において横軸は経過時間である。
　インバータ駆動装置の通常駆動時には、制御部１からの駆動信号IN_Pは駆動部２１へ与えられ、駆動部２１は、抵抗Rg1を介してスイッチング素子UTPへ、図３（ａ）に示す、ゲート電圧Vge_Pを入力する。ゲート電圧Vge_Pが基準電圧Vthに達するとスイッチング素子UTPはターンオンする。スイッチング素子UTPがターンオフからターンオンに切り替わる際、上アームのスイッチング素子UTPのコレクタ－エミッタ間に印加される電圧の変化を受けて、下アームのスイッチング素子UTNのゲート電圧Vge_Nが図３（ｂ）に示すように若干上昇するが、通常駆動時には下アームのスイッチング素子UTNをターンオンするには至らない。上アームのスイッチング素子UTPのターンオンに伴って、図３（ｃ）に示すように、上アームコレクタ－エミッタ間電圧が低下し、図３（ｄ）に示すように、上アームコレクタ電流が増加する。
　図４は下アームが故障した場合の駆動波形であり、図４（ａ）は上アームゲート電圧、図４（ｂ）は下アームゲート電圧、図４（ｃ）は上アームコレクタ－エミッタ間電圧、図４（ｄ）は上アームコレクタ電流である。各図において横軸は経過時間である。
　図４（ｂ）は、下アームが故障し、下アームのスイッチング素子UTNのゲート電圧Vge_Nに基準電圧Vth以上の電圧が印加されている状態を示す。制御部１からの駆動信号IN_Pにより、図４（ａ）に示す、ゲート電圧Vge_Pが入力され、スイッチング素子UTPがターンオンする。これに応答して、図４（ｄ）に示すように、上アームコレクタ電流が増加する。コレクタ電流が増加すると図４（ｃ）に示す上アームコレクタ－エミッタ間電圧も引き上げられる。この場合、上下アームは短絡状態になっており、図４（ｄ）に示すように、上アームコレクタ電流が短絡電流閾値Icxを超えてしまう。
　上アームコレクタ電流が短絡電流閾値Icxを超えると、過電流検知部３１でこれが過電流として検知される。過電流検知部３１からの検知信号に応答して、制御部１はスイッチング素子の保護機能を動作させ、スイッチング素子を保護する保護モードに切り替わる。保護モードでは、図４（ａ）に示すように、上アームゲート電圧を徐々に低下させる。これにより、図４（ｃ）に示すように、上アームコレクタ－エミッタ間電圧を低下させて、上アームコレクタ－エミッタ間電圧が耐圧を超えないようにする。
　図５は下アームが誤点弧した場合の駆動波形であり、図５（ａ）は上アームゲート電圧、図５（ｂ）は下アームゲート電圧、図５（ｃ）は上アームコレクタ－エミッタ間電圧、図５（ｄ）は上アームコレクタ電流である。各図において横軸は経過時間である。
　制御部１からの駆動信号IN_Pにより、図５（ａ）に示す、ゲート電圧Vge_Pが入力され、スイッチング素子UTPがターンオンする。スイッチング素子UTPがターンオフからターンオンに切り替わる際、上アームのスイッチング素子UTPのコレクタ－エミッタ間に印加される電圧の変化を受けて、下アームのスイッチング素子UTNのゲート電圧Vge_Nが図５（ｂ）に示すように上昇する。その結果、ゲート電圧Vge_Nが基準電圧Vthに達するとスイッチング素子UTNはターンオンし、上下アームの短絡を発生させる。これが誤点弧である。誤点弧は、上アームのスイッチング素子UTPのコレクタ－エミッタ間に印加される電圧の変化が大きいときや、上アームのスイッチング素子UTPのターンオンするスピードが速いときに、下アームのゲートに充電される電荷量が多くなって発生する。誤点弧により、図５（ｄ）に示すように、一時的に大きな上アームコレクタ電流が流れるが、この電流は短絡電流閾値Icxより小さい。下アームのスイッチング素子UTNにゲート電圧Vge_Nとして印加されていた電荷が放電すると、図５（ｄ）に示すように、上アームコレクタ電流は小さくなった後、上アームのスイッチング素子UTPのターンオンに伴って徐々に増加する。
　誤点弧では、図５（ａ）、図５（ｂ）に示すように、上アームゲート電圧と下アームゲート電圧がともに基準電圧Vthに達する重複期間が存在する。ゲート電圧検出部３３、３４、判定部４はこれを検出する。
　誤点弧の検出について図２を参照して説明する。図２に示すように、ゲート電圧検出部３３は、コンパレータVC1でゲート電圧Vge_Pが基準電圧Vthを超えたかを比較し、超えた場合はコンパレータVC1の出力側に接続されたフォトカプラーP1へ信号を伝送する。これにより、フォトカプラーP1から論理“０”の信号がＯＲ回路の一方へ入力される。ゲート電圧検出部３４は、コンパレータVC2でゲート電圧Vge_Nが基準電圧Vthを超えたかを比較し、超えた場合はコンパレータVC2の出力側に接続されたフォトカプラーP2へ信号を伝送する。これにより、フォトカプラーP2から論理“０”の信号がＯＲ回路の他方へ入力される。ＯＲ回路の一方および他方へ論理“０”の信号が入力された場合に、ＯＲ回路から論理“０”の信号が誤点弧検知信号ALMとして出力され、制御部１へ入力される。誤点弧検知信号ALMが入力された後の制御部１の動作については後述する。
　図６はスイッチング素子の飽和電流の特性を示す図である。縦軸はコレクタ電流Icを、横軸はコレクタ－エミッタ間電圧Vceを示す。図中のグラフはゲート電圧が７Ｖ、８Ｖ、９Ｖ、１０Ｖ、１２Ｖ、１５Ｖ、２０Ｖの場合をそれぞれ実線で表している。このグラフから分かるように、ゲート電圧が高いほどコレクタ電流Icは多くなる。図４（ｄ）に示す上アームコレクタ電流の大きさを決めているのは、図４（ａ）に示す上アームゲート電圧、および図４（ｂ）に示す下アームゲート電圧であり、例えばこの電圧は１５Ｖである。図６を参照すると、ゲート電圧が１５Ｖの場合は、コレクタ－エミッタ間電圧Vceの大きさがある程度（約２Ｖ）以上になると、コレクタ電流Icは非常に大きいことがわかる。したがって、スイッチング素子の故障による上下アームの短絡を検知する短絡電流閾値Icxが高く設定されていることが分かる。
　一方、図５（ｄ）に示す上アームコレクタ電流の大きさを決めているのは、図５（ｂ）に示す下アームゲート電圧であり、例えばこの電圧は７Ｖである。図６を参照すると、ゲート電圧が７Ｖの場合は、コレクタ－エミッタ間電圧Vceの大きさがある程度（約１．５Ｖ）以上になると、コレクタ電流Icは一定となり、その大きさはゲート電圧が１５Ｖの場合と比べて非常に小さいことがわかる。したがって、スイッチング素子の誤点弧による上下アームの短絡によるコレクタ電流Icは短絡電流閾値Icxより小さく、短絡電流閾値Icxを用いて検知できないことが分かる。
　図７は、制御部１の動作を示すフローチャートである。
　図７のステップＳ１で、制御部１は信号ALMが入力されたかを判別している。信号ALMが入力されるとステップＳ２へ移り、信号ALMがｔ秒以上継続しているかを判定し、ｔ秒以上継続していなければステップＳ２へ戻る。ｔ秒は、ゲート電圧Vge_P、ゲート電圧Vge_N等に混入したノイズによる誤検知を抑制するための所定時間であり、ゲート電圧Vge_Pがゼロからスイッチング素子UTPのターンオン電圧まで上昇する時間よりも小さい。ステップＳ２で、信号ALMがｔ秒以上継続していることが判定されると、ステップＳ３へ移り、信号ALMが所定期間内にＸ回以上（Ｘは２以上の整数）検出されたかを判定し、Ｘ回以上検出されていなければステップＳ１へ戻る。Ｘ回は、誤点弧の検出を確実に行なうためであり、スイッチング素子UTN等が破壊されることがない回数である。ステップＳ３で、信号ALMがＸ回以上検出されると、ステップＳ４へ移る。ステップＳ４で、制御部１は誤点弧と判断し、上アームのスイッチング素子UTPおよび下アームのスイッチング素子UTNの駆動信号を制御することにより、スイッチング素子UTPおよびスイッチング素子UTNに流れる電流値を制限する。
　なお、制御部１は、誤点弧を判定した場合であっても、過電流検知部３１からの検知信号が有ればこれを優先して、スイッチング素子の保護機能を動作させ、スイッチング素子を保護する保護モードに切り替わる。
　以上説明した実施形態によれば、次の作用効果が得られる。
（１）インバータ駆動装置は、インバータ回路の上下アームを構成する第１スイッチング素子UTP及び第２スイッチング素子UTNと、第１スイッチング素子UTP及び第２スイッチング素子UTNのゲート電圧Vge_P、Vge_Nを検出するゲート電圧検出部３３、３４と、ゲート電圧検出部３３、３４の検出結果に基づいて、第２スイッチング素子UTNの誤点弧による上下アームの短絡を判定する判定部４、制御部１とを備える。これにより、上アームのスイッチング素子がターンオフからターンオンに切り替わる際の電圧変化に起因する誤点弧を検出することができる。
　本発明は、上記の実施形態に限定されるものではなく、本発明の特徴を損なわない限り、本発明の技術思想の範囲内で考えられるその他の形態についても、本発明の範囲内に含まれる。
１　制御部
２１、２２　駆動部
UTP、UTN　スイッチング素子
３１、３２　過電流検知部
３３、３４　ゲート電圧検出部
４　判定部
VC1、VC2　コンパレータ
P1、P2　フォトカプラー

Claims (8)

  1. 　インバータ回路の上下アームを構成する第１スイッチング素子および第２スイッチング素子と、
    　前記第１スイッチング素子および前記第２スイッチング素子のゲート電圧を検出する検出部と、
    　前記検出部の検出結果に基づいて、前記第２スイッチング素子の誤点弧による前記上下アームの短絡を判定する判定制御部とを備えたインバータ駆動装置。
  2. 　請求項１に記載のインバータ駆動装置において、
    　前記上下アームに流れる電流を検出し、前記電流の検出結果に基づいて過電流を検知する過電流検知部を備えるインバータ駆動装置。
  3. 　請求項２に記載のインバータ駆動装置において、
    　前記過電流検知部は、前記電流が所定の短絡電流閾値以上である場合に前記過電流を検知し、
    　前記誤点弧による前記上下アームの短絡時に流れる前記電流の大きさは、前記短絡電流閾値よりも小さいインバータ駆動装置。
  4. 　請求項１から請求項３のいずれか一項に記載のインバータ駆動装置において、
    　前記判定制御部は、前記誤点弧を判定した場合に、前記上下アームに流れる電流を制限するように前記第１スイッチング素子および前記第２スイッチング素子の駆動を制御するインバータ駆動装置。
  5. 　請求項４に記載のインバータ駆動装置において、
    　前記判定制御部は、前記第１スイッチング素子のゲート電圧が所定電圧を越えている期間が、前記第２スイッチング素子のゲート電圧が当該所定電圧を越えている期間と重なった場合に、前記誤点弧であると判定するインバータ駆動装置。
  6. 　請求項４または請求項５に記載のインバータ駆動装置において、
    　前記判定制御部は、前記誤点弧の判定を所定時間以上継続して行った場合に、前記電流を制限する制御に移行するインバータ駆動装置。
  7. 　請求項６に記載のインバータ駆動装置において、
    　前記所定時間は、前記第１スイッチング素子の前記ゲート電圧がゼロから前記第１スイッチング素子のターンオン電圧まで上昇する時間よりも小さいインバータ駆動装置。
  8. 　請求項６または請求項７に記載のインバータ駆動装置において、
    　前記判定制御部は、所定期間の間に前記誤点弧の判定を所定の複数回数以上行った場合に、前記電流を制限する制御に移行するインバータ駆動装置。
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