(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
直列接続した半導体スイッチング素子をオンオフ制御して直流電圧を任意電圧に変換出力するインバータ装置において、
前記下段側半導体スイッチング素子をオンオフ駆動する第１の駆動回路と、
前記上段側半導体スイッチング素子をオンオフ駆動する第２の駆動回路と、
前記上段側半導体スイッチング素子をオンオフするための指令信号を前記直流電圧の負極側から前記第２の駆動回路にエッジ信号により伝送する高耐圧伝送手段と、
前記第２の駆動回路のオン駆動ラッチ状態に際し、前記高耐圧伝送手段を介してオン指令、オフ指令の順に前記第２の駆動回路に信号伝送して前記ラッチ状態を解除する解除手段を備えたことを特徴とするインバータ装置。
【請求項２】
直列接続した半導体スイッチング素子をオンオフ制御して直流電圧を任意電圧に変換出力するインバータ装置において、
前記下段側半導体スイッチング素子をオンオフ駆動する第１の駆動回路と、
前記上段側半導体スイッチング素子をオンオフ駆動する第２の駆動回路と、
前記上段側半導体スイッチング素子をオンオフするための指令信号を前記直流電圧の負極側から前記第２の駆動回路にエッジ信号により伝送する高耐圧伝送手段と、
インバータ動作開始前に前記高耐圧伝送手段を介してオン指令、オフ指令の順に前記第２の駆動回路に信号伝送する初期指令発生手段を備えたことを特徴とするインバータ装置。
【請求項３】
直列接続した半導体スイッチング素子をオンオフ制御して直流電圧を任意電圧に変換出力するインバータ装置において、
前記上段側半導体スイッチング素子をオンオフ駆動する第２の駆動回路と、
前記上段側半導体スイッチング素子をオンオフするための指令信号を前記直流電圧の負極側から前記第２の駆動回路にエッジ信号により伝送する高耐圧伝送手段と、
前記第２の駆動回路用の電源コンデンサと、
前記下段側半導体スイッチング素子のオン動作により前記電源コンデンサへの充電を行うブートストラップ回路構成による充電手段と、
通常動作開始前に前記第１の駆動回路に繰り返し短時間オン指令を信号伝送して前記電源コンデンサを充電し、前記第１の駆動回路への各短時間オン指令前には前記高耐圧伝送手段を介してオン指令とオフ指令とをこの順に前記第２の駆動回路に信号伝送する第１の初期充電手段を備えたことを特徴とするインバータ装置。
【請求項４】
直列接続した半導体スイッチング素子をオンオフ制御して直流電圧を任意電圧に変換出力するインバータ装置において、
前記下段側半導体スイッチング素子をオンオフ駆動する第１の駆動回路と、
前記上段側半導体スイッチング素子をオンオフ駆動する第２の駆動回路と、
前記上段側半導体スイッチング素子をオンオフするための指令信号を前記直流電圧の負極側から前記第２の駆動回路にエッジ信号により伝送する高耐圧伝送手段と、
前記第２の駆動回路用の電源コンデンサと、
前記下段側半導体スイッチング素子のオン動作により前記電源コンデンサへの充電を行うブートストラップ回路構成による充電手段と、
通常動作開始前に前記第１の駆動回路にオン指令を信号伝送して前記電源コンデンサを充電し、前記第１の駆動回路へのオン指令前には前記高耐圧伝送手段を介してオン指令とオフ指令とをこの順に前記第２の駆動回路に信号伝送する第２の初期充電手段を備えたことを特徴とするインバータ装置。
【請求項５】
前記電源コンデンサの充電値が所定の電圧値よりも低い場合には前記上段側半導体スイッチング素子のオンを禁止する電圧監視手段を備え、
前記第１の初期充電手段は前記電源コンデンサの充電値が前記所定の電圧値を越えたあとも前記充電動作を継続することを特徴とする請求項３記載のインバータ装置。
【請求項６】
前記電源コンデンサの充電値が所定の電圧値よりも低い場合には前記上段側半導体スイッチング素子のオンを禁止する電圧監視手段を備え、
前記第２の初期充電手段は前記電源コンデンサの充電値が前記所定の電圧値の前後にある際は、前記第１の駆動回路に繰り返し短時間オン指令を信号伝送して前記電源コンデンサを充電し、前記第１の駆動回路への短時間オン指令前には前記高耐圧伝送手段を介してオン指令とオフ指令とをこの順に前記第２の駆動回路に信号伝送することを特徴とする請求項４記載のインバータ装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、インバータ装置の駆動方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
図３は従来のインバータ装置の駆動回路を示すものであって、この回路は、第１の直流電源１の正極側に接続された半導体スイッチング素子２をオン・オフ駆動する第２の駆動回路４に、駆動電圧を供給する蓄電器７において、この蓄電器７に電荷を充電するものである。この構成回路は一般にブートストラップ回路と言われている。第１の直流電源１の負極側に接続された半導体スイッチング素子３のオン期間中、図３の出力端子の電圧が第１の直流電源１の負極側の電圧とほぼ等しくなることから、負極側に接続された半導体スイッチング素子３をオン・オフ駆動する第１の駆動回路５の駆動電源である第２の直流電源６から蓄電器７に電荷を充電供給する回路が、図３中の破線部分で示すルートで構成される。
この回路により蓄電器７に充電される最終充電電圧は第２の直流電源６の電圧とほぼ等しくなることから、そのままこの蓄電器７は正極側に接続された半導体スイッチング素子２をオン・オフする第２の駆動回路４の駆動電源として使用できることになる。
【０００３】
次に上記の構成における従来技術例として図４を示す。
図４中の蓄電器７の両端子間電圧を監視する電圧監視回路９を設け、蓄電器７の電圧が低い場合には正極側に接続された半導体スイッチング素子２のオンを禁止して、この半導体スイッチング素子２を保護する動作機能も備えており、半導体スイッチング素子２が駆動電圧の低い状態でオンし熱破壊することを防止したものである（特開平３−１５００７５号公報）。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
ところで図４中の蓄電器７の充電電圧が電圧監視回路９で設定した電圧値よりも低くなることは通常動作中では発生しえず、唯一、インバータ装置のインバータ動作開始時における蓄電器７への初期充電時のみにおいて発生する。
上記のような特徴のもと、さらにインバータ装置において上アーム側半導体スイッチング素子のオン・オフ駆動回路へオン・オフドライブ信号を伝送する手段について、従来採用してきた電気絶縁手段であるフォトカプラのオン・オフによる連続信号伝送ではなく、図５に示すように、高耐圧ＩＣ１１を使用した上アーム側半導体スイッチング素子用駆動信号伝送部１２によるオン・オフ信号のエッジ伝送・ラッチ方式にした場合、以下のような問題が発生する。
インバータ装置のインバータ動作開始時、該蓄電器への初期充電期間中は、通常、充電スピードを上げるために、下アーム側半導体スイッチング素子を長時間連続オン状態に保つ。一方、上アーム側半導体スイッチング素子のオン・オフ信号伝送がエッジ伝送・ラッチ方式のため、この初期充電期間中に上アーム側半導体スイッチング素子用駆動信号伝送部１２の誤動作や外来侵入ノイズによりオン信号のラッチが発生した場合、上下アーム両半導体スイッチング素子がオンとなるため、上下短絡状態になる。このとき、蓄電器７の電圧は初期充電途中で電圧が低いため、この蓄電器７を駆動用電源とする上アーム側スイッチング素子は駆動電圧不足でオンし、不飽和状態での動作となるので損失熱が集中して破損する。また本来、上下短絡保護として備えた過電流検出回路１４は上記の場合、不飽和状態での動作で電流が抑制されているため、機能できない。
【０００５】
このような問題に対する対策として、従来技術である蓄電器の充電電圧監視回路により初期充電期間中の蓄電器電圧が低い間は上アーム側半導体スイッチング素子のオンを禁止し、オン信号のラッチを防止することが考えられるが、この電圧監視回路の設定電圧値は製造上のバラつきを考慮すると少し低い設定電圧となることもあり得る。このような場合は、図６に示すように蓄電器充電電圧が電圧監視回路の設定電圧値Ｖｒを超えた直後に上アーム側半導体スイッチング素子のオン信号のラッチが発生し、上下両アームの半導体スイッチング素子がオンし、上下短絡した時、まだ過電流検出回路が機能しないレベルに電流が抑制されており、従って上アーム側半導体スイッチング素子を保護できないという問題があった。図６中、Ｖｏは過電流検出回路が機能できる電圧、Ｖｃは蓄電器の最終充電電圧値である。（Ａ）は電圧監視回路で確実に保護できる区間、すなわち過電流検出回路では保護できない区間、（Ｂ）は電圧監視回路で確実な保護はできない区間、すなわち過電流検出回路では保護できない区間、（Ｃ）は過電流回路で確実に保護できる区間、すなわち電圧監視回路で確実な保護はできない区間、（Ｄ）は過電流検出回路で確実に保護できる区間、すなわち電圧監視回路では保護できない区間である。
そこで本発明が解決しようとする課題は、蓄電器の初期充電期間中に、上アーム側半導体スイッチング素子のオン信号・ラッチが発生しても、その半導体スイッチング素子を破損することなく、蓄電器の初期充電を完了することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、本発明のインバータ装置は、直列接続した半導体スイッチング素子をオンオフ制御して直流電圧を任意電圧に変換出力するインバータ装置において、前記下段側半導体スイッチング素子をオンオフ駆動する第１の駆動回路と、前記上段側半導体スイッチング素子をオンオフ駆動する第２の駆動回路と、前記上段側半導体スイッチング素子をオンオフするための指令信号を前記直流電圧の負極側から前記第２の駆動回路にエッジ信号により伝送する高耐圧伝送手段と、前記第２の駆動回路のオン駆動ラッチ状態に際し、前記高耐圧伝送手段を介してオン指令、オフ指令の順に前記第２の駆動回路に信号伝送して前記ラッチ状態を解除する解除手段を備えたことを特徴としている。
また直列接続した半導体スイッチング素子をオンオフ制御して直流電圧を任意電圧に変換出力するインバータ装置において、前記下段側半導体スイッチング素子をオンオフ駆動する第１の駆動回路と、前記上段側半導体スイッチング素子をオンオフ駆動する第２の駆動回路と、前記上段側半導体スイッチング素子をオンオフするための指令信号を前記直流電圧の負極側から前記第２の駆動回路にエッジ信号により伝送する高耐圧伝送手段と、インバータ動作開始前に前記高耐圧伝送手段を介してオン指令、オフ指令の順に前記第２の駆動回路に信号伝送する初期指令発生手段を備えたことを特徴としている。
さらには、直列接続した半導体スイッチング素子をオンオフ制御して直流電圧を任意電圧に変換出力するインバータ装置において、前記下段側半導体スイッチング素子をオンオフ駆動する第１の駆動回路と、前記上段側半導体スイッチング素子をオンオフ駆動する第２の駆動回路と、前記上段側半導体スイッチング素子をオンオフするための指令信号を前記直流電圧の負極側から前記第２の駆動回路にエッジ信号により伝送する高耐圧伝送手段と、前記第２の駆動回路用の電源コンデンサと、前記下段側半導体スイッチング素子のオン動作により前記電源コンデンサへの充電を行うブートストラップ回路構成による充電手段と、通常動作開始前に前記第１の駆動回路に繰り返し短時間オン指令を信号伝送して前記電源コンデンサを充電し、前記第１の駆動回路への各短時間オン指令前には前記高耐圧伝送手段を介してオン指令とオフ指令とをこの順に前記第２の駆動回路に信号伝送する第１の初期充電手段を備えたことを特徴としている。
あるいは、直列接続した半導体スイッチング素子をオンオフ制御して直流電圧を任意電圧に変換出力するインバータ装置において、前記下段側半導体スイッチング素子をオンオフ駆動する第１の駆動回路と、前記上段側半導体スイッチング素子をオンオフ駆動する第２の駆動回路と、前記上段側半導体スイッチング素子をオンオフするための指令信号を前記直流電圧の負極側から前記第２の駆動回路にエッジ信号により伝送する高耐圧伝送手段と、前記第２の駆動回路用の電源コンデンサと、前記下段側半導体スイッチング素子のオン動作により前記電源コンデンサへの充電を行うブートストラップ回路構成による充電手段と、通常動作開始前に前記第１の駆動回路にオン指令を信号伝送して前記電源コンデンサを充電し、前記第１の駆動回路へのオン指令前には前記高耐圧伝送手段を介してオン指令とオフ指令とをこの順に前記第２の駆動回路に信号伝送する第２の初期充電手段を備えたことを特徴としている。
さらには、前記において前記電源コンデンサの充電値が所定の電圧値よりも低い場合には前記上段側半導体スイッチング素子のオンを禁止する電圧監視手段を備え、前記初期充電手段は前記電源コンデンサの充電値が前記所定の電圧値を越えたあとも前記充電動作を継続し、あるいは前記電源コンデンサの充電値が前記所定の電圧値の前後にある際は前記充電動作を行うことを特徴としている。
【０００７】
【発明の実施の形態】
本発明において、上アーム側半導体スイッチング素子がオン信号ラッチ状態となった場合、これを解除するためには、上アーム側半導体スイッチング素子用駆動回路にオフ信号を伝送することが必要となる。このオフ信号の伝送は、エッジ伝送のため図５中のオン・オフ信号発生部１５から一度、上アーム側半導体スイッチング素子へのドライブ信号としてオン→オフの順で図５中のオン・オフ信号処理回路１６へ伝送すればよい。信号がオンからオフに変化するときエッジ伝送が実行され、図５中の上アーム側半導体スイッチング素子用駆動信号伝送部１２へオフ信号が送られ、オン信号のラッチ状態が解除される。
【０００８】
本発明は、上記動作を短時間の周期で繰り返し実行しながら上アーム側半導体スイッチング素子駆動用電源となる蓄電器７への初期充電を行うことで、上アーム側半導体スイッチング素子のオン信号ラッチにより蓄電器７への充電のための下アーム側半導体スイッチング素子のオン期間中に起きる上下短絡も、このオン期間が短いので上アーム側半導体スイッチング素子が破損する前に、下アーム側半導体スイッチング素子がオフして上下短絡を停止でき、次に上アーム側半導体スイッチング素子への短時間のオン→オフ信号が伝送されることで、前記のようにオン信号ラッチを解除でき、その後再び充電のための下アーム側半導体スイッチング素子がオンするが、このときにはすでにオン信号ラッチが解除しているため、上下短絡は発生せず、従って上アーム半導体スイッチング素子を破損することなく、蓄電器への充電を続行できる。
このように本発明によれば蓄電器への初期充電途中のいかなる時にオン信号ラッチが発生しても、上アーム側半導体スイッチング素子を破損することなく、蓄電器への初期充電を続行し、完了できる。
【０００９】
【実施例】
以下、本発明の第１の実施例を図１に基づいて説明する。
図５の構成によるインバータ装置の駆動装置において、インバータ動作開始指令時、演算装置を備えたオン・オフ信号発生部１５により、上アーム側半導体スイッチング素子の駆動用電源となる蓄電器７の初期充電のため前もって設定した期間中のみ図１（ａ）に示すように上下アーム両半導体スイッチング素子を交互に短時間、オン・オフさせるための信号を発生させる。このオン・オフ信号は、下アーム側半導体スイッチング素子にはオン・オフ信号処理回路１６を介して伝送され、上アーム側半導体スイッチング素子にはオン・オフ信号処理回路１６と上アーム側半導体スイッチング素子用駆動信号伝送部１２を介して伝送される。ここで蓄電器７の充電は図１（ａ）中に示す下アーム側半導体スイッチング素子がオン（オン・オフ信号発生部１５に前もって設定したオン時間Ｔ：数μ〜３０μＳ）する短時間のみに実行される。
上アーム側半導体スイッチング素子用駆動信号伝送部１２の誤動作によるオン信号ラッチが発生した場合には蓄電器７の充電のための下アーム側半導体スイッチング素子のオン期間中において上下短絡が発生するがこのオン期間は短いので上アーム側半導体スイッチング素子は破損しない。さらに次の上アーム側半導体スイッチング素子用駆動信号伝送部１２へのオン・オフ信号伝送により図１（ａ）に示すオフ開始時の信号エッジａでオン信号ラッチが解除される。
よってオン・オフ信号発生部１５により、前もって設定した期間中のみ上下アーム両半導体スイッチング素子を交互に短時間、オン・オフさせるための信号を発生して蓄電器７の初期充電を無事終了し、この設定期間終了後、オン・オフ信号発生部１５は通常のインバータ動作に戻る。
また半導体スイッチング素子は、バイポーラトランジスタ、ＩＧＢＴ、パワーＭＯＳ−ＦＥＴなどいずれの場合にも当てはまる。
【００１０】
また第２の実施例は、図２に示すように蓄電器７の充電電圧監視回路で確実に保護できる区間は、図５の構成によるインバータ装置の駆動装置においてインバータで動作開始指令時、演算装置を備えたオン・オフ信号発生部１５により、前もって設定した期間Ｔ１中のみ図２（ａ）に示すように下アーム半導体スイッチング素子を連続オン状態とする。さらに次の前もって設定した期間Ｔ２中は第１の実施例と同様とし、この両期間Ｔ１、Ｔ２終了後、オン・オフ信号発生部１５は通常のインバータ動作に戻る。図２（ｂ）中、ＴＰは電圧監視回路９で確実に保護できる区間である。
【００１１】
【発明の効果】
以上述べたように、本発明によれば、上アーム側半導体スイッチング素子の駆動用電源となる蓄電器への初期充電中に、上アーム側半導体スイッチング素子の駆動回路への高耐圧ＩＣによるオン・オフ信号伝送部の誤動作または外来侵入ノイズによりその伝送部においてオン信号ラッチが発生した場合も、上アーム側半導体スイッチング素子を破損することなく蓄電器への初期充電を完了できるという効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】  （ａ）は本発明の第１実施例を示す上下アーム側半導体スイッチング素子のオン信号波形図、（ｂ）はそのときの蓄電器の初期充電電圧波形図である。
【図２】  （ａ）は本発明の第２実施例を示す上下アーム側半導体スイッチング素子のオン信号波形図、（ｂ）はそのときの蓄電器の初期充電電圧波形図である。
【図３】  ブートストラップ回路による上アーム側半導体スイッチング素子の駆動用電源となる蓄電器への充電方法を示す回路図である。
【図４】  従来技術としてブートストラップ回路に蓄電器の充電電圧監視回路を備えた例を示す回路図である。
【図５】  ブートストラップ回路でかつ上アーム側半導体スイッチング素子へのオン・オフ信号伝送を高耐圧ＩＣによる信号伝送で実施した場合のブロック図である。
【図６】  図５の回路方式で発生する問題点を説明するための説明図である。
【符号の説明】
１  第１の直流電源、２  上アーム半導体スイッチング素子（ＩＧＢＴ）、３  下アーム半導体スイッチング素子（ＩＧＢＴ）、４  第２の駆動回路、５  第１の駆動回路、６  第２の直流電源、７  蓄電器（コンデンサ）、８  ダイオード、９  電圧監視回路、１１  高耐圧ＩＣ、１２  上アームＩＧＢＴ用駆動信号伝送部、１３  電流検出器、１４  過電流検出回路、１５  オン・オフ信号発生部、１６  オン・オフ信号処理回路
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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