(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
インバータ出力段の各相の対をなす電力素子のうち、下段側の各相の前記電力素子のコレクタ側にダイオードを介して共通接続する第１の共通接続線と、
前記第１の共通接続線に定電圧素子と抵抗素子からなる直列回路を介して直流電源の負電圧側に接続され、該直列回路の中点がトランジスタのベースに接続され、該トランジスタのエミッタが前記直流電源の負電圧側に接続された監視保護回路と、
前記トランジスタのコレクタに接続されるとともに前記下段側の各相の電力素子のゲートに接続された第２の共通接続線とを備え、
前記電力素子のコレクタ・エミッタ電圧が前記定電圧素子とトランジスタのベース・エミッタ電圧の和よりも大きくなったときに、前記トランジスタがオン状態となり、前記第２の共通接続線の電位を下げて、前記各相の電力素子を一括遮断することを特徴とするインバータの保護回路。
【請求項２】
前記電力素子がＩＧＢＴであることを特徴とする請求項１記載のインバータの保護回路。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は周波数・電圧を変換するインバータの保護回路に係り、特に出力電力素子としてＩＧＢＴ（INSULATE GATE BIPOLAR TRANSISTOR）を用いたインバータの過電流、短絡電流の検知保護回路に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、ポンプあるいはファン等の風水力機械の省エネルギ運転等のために、周波数および電圧を任意に調整可能なインバータが広く普及している。インバータの出力回路には種々の形式があるが、数十Ａ程度の電流容量のものとしては、出力電力素子として、ＩＧＢＴを採用したものが、制御性が良好であり電流容量が大きく取れるため、広く採用されている。
【０００３】
このようなＩＧＢＴを用いたインバータの出力回路は、出力段の各相に対をなすＩＧＢＴが接続されている。そのゲートにはゲート駆動回路が接続され、そのゲート駆動回路は、パルス幅変調（ＰＷＭ）回路で生成されたパルス信号をＩＧＢＴを駆動するのに適した電圧に増幅する。パルス幅変調回路では、インバータの出力電圧および出力周波数に相当するパルス幅変調信号が生成される。
【０００４】
そして、このゲート駆動回路は、ＩＧＢＴ駆動用ハイブリッドＩＣとして市販されている。この市販のＩＧＢＴ駆動用ハイブリッドＩＣには、インバータ出力段のＩＧＢＴに流れる過電流を検出して、ゲート電圧を閾値以下に下げることにより、ＩＧＢＴの出力電流を遮断する過電流保護機能を有している。この過電流保護機能により、インバータ出力段のＩＧＢＴに流れる過電流、短絡電流を検知して、ＩＧＢＴを遮断することにより、ＩＧＢＴの焼損を防止することができる。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、このＩＧＢＴ駆動用ハイブリッドＩＣは、各相毎のＩＧＢＴの対の駆動に必要であり、三相インバータの場合には、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相に対応してそれぞれの出力段のＩＧＢＴの対に対応して接続する必要がある。そして、このＩＧＢＴ駆動用ハイブリッドＩＣは市販品であるため、例えば定格電流容量が５０Ａまでのインバータに対して、遮断電流は２５０Ａと一律的に決まっており、多種多様なインバータの出力容量に応じて任意に遮断電流を設定することができなかった。
【０００６】
又、三相のうちのある相のＩＧＢＴが遮断電流に達した場合には、その相に接続されたＩＧＢＴ駆動用ハイブリッドＩＣの保護回路が動作して、その相のみを遮断する。しかしながら、その他の二つの相は生きており、一相のみを遮断すると、他の相に短絡電流のまわり込みが生じる。これらを遮断するためには、遮断相のＩＧＢＴ駆動用ハイブリッドＩＣから、外部信号を中央処理装置（ＣＰＵ）に送り、中央処理装置からの遮断信号を再び２つの健全相のＩＧＢＴ駆動用ハイブリッドＩＣに送り、それぞれ遮断する必要があった。このように外部信号によりＣＰＵ経由で他の二相を遮断するのには、一般に１０μｓ程度の時間がかかり、この間にまわり込み電流により他の健全相のＩＧＢＴが過電流を発生してしまう問題があった。このような問題から、一相に過電流が検知されると、全相を一括して規格内の時間で高速に遮断できるＩＧＢＴの保護回路が要請されていた。
【０００７】
本発明は上述した事情に鑑みて為されたもので、インバータ出力段の一相に生じた過電流或いは短絡電流で、高速に全相を一括して遮断することができると共に、インバータの定格電流に応じて任意に動作点を設定することができるインバータの保護回路を提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明のインバータの保護回路は、インバータ出力段の各相の対をなす電力素子のうち、下段側の各相の前記電力素子のコレクタ側にダイオードを介して共通接続する第１の共通接続線と、前記第１の共通接続線に定電圧素子と抵抗素子からなる直列回路を介して直流電源の負電圧側に接続され、該直列回路の中点がトランジスタのベースに接続され、該トランジスタのエミッタが前記直流電源の負電圧側に接続された監視保護回路と、前記トランジスタのコレクタに接続されるとともに前記下段側の各相の電力素子のゲートに接続された第２の共通接続線とを備え、前記電力素子のコレクタ・エミッタ電圧が前記定電圧素子とトランジスタのベース・エミッタ電圧の和よりも大きくなったときに、前記トランジスタがオン状態となり、前記第２の共通接続線の電位を下げて、前記各相の電力素子を一括遮断することを特徴とする。
【０００９】
又、前記電力素子がＩＧＢＴであることを特徴とする。
【００１０】
上述した本発明のインバータの保護回路によれば、第１の共通接続線がインバータ出力段の各相の電力素子のコレクタ側に共通に接続されているので、いずれかの相に過電流が生じた場合には、監視保護回路で過電流が有ることが判断され、監視保護回路のトランジスタがオン状態となる。そして、監視保護回路のトランジスタの出力側は、インバータの各相の電力素子のゲート側に共通に接続されているので、一括して三相全部の電力素子を遮断することができる。そして、過電流を一相で検出して三相の一括遮断に至るまでの時間は、主としてトランジスタのオン時間と電力素子のオフ時間であるので、極めて短時間であり、電力素子の保護を完全なものとすることができる。
【００１１】
又、監視保護回路の定電圧素子（ツェナダイオード）の降伏電圧は、任意に選択可能であるので、電力素子のコレクタ・エミッタ電流間の大きさを判断して一括遮断する、監視保護回路の動作点の設定を任意に行うことができる。これにより、インバータ出力段の電力素子の遮断電流を任意に設定可能である。従って、インバータの定格容量および用途等に対応したきめ細かな遮断電流の設定が可能である。
【００１２】
【実施例】
以下、本発明の一実施例について添付図面を参照しながら説明する。
【００１３】
図１は、本発明の一実施例のインバータの出力段の回路構成を示す。本実施例のインバータの出力回路部分は、ＰＷＭ信号発生回路とゲート駆動回路１１に、各相の対をなすＩＧＢＴが接続されて構成されている。即ち、出力回路１０は、ＩＧＢＴの対（Ｕ，Ｘ）がＵ相の出力回路を構成し、ＩＧＢＴの対（Ｖ，Ｙ）がＶ相の出力回路を構成し、ＩＧＢＴの対（Ｗ，Ｚ）がＷ相の出力回路を構成する。それぞれのＩＧＢＴの対の中点から、Ｕ相出力線、Ｖ相出力線，Ｗ相出力線が負荷１２に接続される。負荷１２は、インバータで駆動される三相の可変速ポンプあるいはファン等である。
【００１４】
ゲート駆動回路１１のゲート駆動信号線ＧU，ＧV，ＧW，ＧX，ＧY，ＧZは、ゲート駆動抵抗ＲU，ＲV，ＲW，ＲX，ＲY，ＲZを介して、ＩＧＢＴ（Ｕ，Ｖ，Ｗ，Ｘ，Ｙ，Ｚ）の各ゲートにパルス幅変調され且つ増幅されたパルスを供給する。このゲートに供給されたパルスでＩＧＢＴのコレクタ・エミッタ間はオン又はオフ状態となり、直流電圧Ｐ，Ｎがパルス状に負荷１２に供給される。
【００１５】
図中、符号１４は、本発明の一実施例のインバータの各ＩＧＢＴの過電流を検出し、全相を一括遮断する監視保護回路である。又、符号１３は監視保護回路１４とＩＧＢＴ（Ｘ，Ｙ，Ｚ）のコレクタ側及びゲート側との接続回路部分である。第１の共通接続線１５は、ダイオードＤX，ＤY，ＤZのカソード側を共通に接続する接続線である。第２の共通接続線１６は、ダイオードＤGX，ＧGY，ＤGZのカソード側を共通に接続する接続線である。
【００１６】
監視保護回路１４は、ツェナーダイオード（定電圧素子）１７と抵抗Ｒの直列回路からなり、その中点がトランジスタ（Ｔｒ）のベースに接続されている。トランジスタ（Ｔｒ）のエミッタ側は直流電源Ｎに接続されている。トランジスタ（Ｔｒ）のコレクタ側は第２の共通接続線１６に接続され、更にそれぞれのＩＧＢＴ（Ｘ，Ｙ，Ｚ）のゲートにダイオードＤGX，ＤGY，ＤGZを介して個別に接続されている。
【００１７】
ＩＧＢＴ（Ｘ，Ｙ，Ｚ）を駆動するゲート駆動線ＧX，ＧY，ＧZは、それぞれ駆動抵抗ＲX，ＲY，ＲZを介してＩＧＢＴ（Ｘ，Ｙ，Ｚ）のゲートに接続すると共に、抵抗ＲCX，ＲCY，ＲCZを介して二方に分岐している。即ち、一方はダイオードＤCX，ＤCY，ＤCZを介してＩＧＢＴ（Ｘ，Ｙ，Ｚ）のコレクタ側に接続し、他方はダイオードＤX，ＤY，ＤZを介して監視保護回路１４の入力側である第１の共通接続線１５に接続する。
【００１８】
次にこの共通接続線１５，１６及び監視保護回路１４の動作について説明する。今、ＩＧＢＴ（Ｘ）に過電流又は短絡電流が生じたものと仮定する。ＩＧＢＴのコレクタ電流ＩCとコレクタ・エミッタ間飽和電圧ＶCEとの関係は、一例として図２に示すようになる。従って、このＩＧＢＴの定格コレクタ電流ＩCを５０Ａとすると、そのコレクタ・エミッタ間電圧ＶCEは２．８Ｖであり、定格の３倍のコレクタ電流ＩCが１５０Ａの時にはコレクタ・エミッタ間電圧ＶCEは４Ｖ程度となる。
【００１９】
一方で、ツェナーダイオード１７の降伏電圧をＶDとすると、トランジスタ（Ｔｒ）がオン状態の時のベース・エミッタ間電圧は０．６Ｖ程度であり、第１の共通接続線と直流電源Ｎ間の合計電圧は
ＶD＋０．６Ｖ
となる。そしてダイオードＤXとダイオードＤCXの順方向電圧はそれぞれ等しい。
【００２０】
ゲード駆動信号線ＧXの抵抗ＲCXから、二股に分岐した回路に流れる電流は、ＩＧＢＴ（Ｘ）がオン状態である時には、ＩＧＢＴのコレクタ・エミッタ間電圧ＶCEの大きさにより左右される。即ち、ＩＧＢＴ（Ｘ）に過電流が生じるとＩＧＢＴ（Ｘ）のコレクタ・エミッタ間電圧ＶCEは
ＶCE＞ＶD＋０．６
となる。抵抗ＲCXを通った電流はダイオードＤX，ツェナーダイオード１７、トランジスタ（Ｔｒ）のベース・エミッタ間の経路に流れる。するとトランジスタ（Ｔｒ）はオン状態となり第２の共通接続線１６の電位がトランジスタ（Ｔｒ）の飽和電圧に低下する。これにより、ＩＧＢＴ（Ｘ，Ｙ，Ｚ）のゲート電位が共通接続線１６により閾値以下に下がり、ＩＧＢＴ（Ｘ，Ｙ，Ｚ）が一括して遮断状態となる。
【００２１】
ＩＧＢＴ（Ｘ，Ｙ，Ｚ）の負荷電流が、定格電流以下の定常状態においては、ＩＧＢＴ（Ｘ，Ｙ，Ｚ）のそれぞれのオン電圧ＶCEはツェナーダイオード１７の降伏電圧よりも十分に小さい。このためゲート駆動回路ＧX，ＧY，ＧZから抵抗ＲCX，ＲCY，ＲCZを通る電流経路はダイオードＤCX，ＤCY，ＤCZを通り、ＩＧＢＴ（Ｘ，Ｙ，Ｚ）のコレクタ・エミッタ間を通る。従って、監視保護回路１４においては、トランジスタ（Ｔｒ）にはベース電流が流れずオフ状態である。
【００２２】
尚、過電流又は短絡電流の検出から、三相の一括遮断に要する時間は、トランジスタ（Ｔｒ）のオン時間とＩＧＢＴのオフ時間の合計で決まってくる。従って、１μｓ以下の極めて短時間にＩＧＢＴの保護動作を完了することができる。これは、ＩＧＢＴの過電流の規格を十分に満足するものであり、ＩＧＢＴの保護を完全なものとすることができる。
【００２３】
次に、監視保護回路におけるＩＧＢＴの負荷電流の大きさにより全相を遮断する動作点の設定について説明する。前述したようにこの動作点は、ＩＧＢＴのコレクタ電流ＩCが増大して、そのコレクタ・エミッタ間電圧ＶCEとツェナダイオード１７の降伏電圧ＶDとの関係が、
ＶCE＞ＶD＋０．６
となる点である。ここで、ツェナーダイオード１７の降伏電圧ＶDは０．１Ｖ単位で設定できる。従って、例えば図２に示す例では、定格電流の３倍の１５０Ａ程度を遮断電流とする時には、降伏電圧ＶDが３．４Ｖのツェナーダイオードを選択すればよい。このようにインバータの定格出力電流に対応させて、ＩＧＢＴのコレクタ電流ＩCとコレクタ・エミッタ間電圧ＶCEの特性曲線から、かなり細かく遮断電流を設定することができる。尚、定電圧素子としてはツェナーダイオードのみならず、三端子レギュレータ等の定電圧素子を用いても勿論良い。
【００２４】
尚、上述した実施例ではインバータの出力電力素子としてＩＧＢＴを用いた例について説明したが、パワートランジスタ、パワーＭＯＳＦＥＴ等の素子を用いても、本発明の趣旨を同様に適用できることは勿論のことである。
【００２５】
【発明の効果】
以上に説明したように、本発明のインバータの保護回路によれば、インバータ出力回路の三相を一括して監視し、いずれか一相に過電流又は短絡電流が生じた時には直ちに一括して全相を高速に遮断することができる。又、定電圧素子(ツェナーダイオード)の降伏電圧を細かく選択することができるので、動作点を任意に設定できる。従って、遮断電流をインバータの容量、用途等に対応させて細かく設定することができる。総じて本発明によれば、インバータ容量に対応した最適な遮断電流で、且つ高速に全相を一括して遮断することができるので、ＩＧＢＴ等のインバータの出力電力素子の保護を完全にすることができ、インバータの信頼性、保守性を高めることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施例のインバータ出力回路の回路図。
【図２】ＩＧＢＴのコレクタ電流ＩCとコレクタ・エミッタ間電圧ＶCEとの関係を示す線図。
【符号の説明】
１１        ＰＷＭ発生回路とゲート駆動回路
１２        負荷
１３        監視保護回路の接続部
１４        監視保護回路
１５        第１の共通接続線
１６        第２の共通接続線
１７        ツェナーダイオード（定電圧素子）
Ｕ,Ｖ,Ｗ,Ｘ,Ｙ,Ｚ     ＩＧＢＴ（素子）
【図１】
0003638380.tif 000002
【図２】
0003638380.tif 000003