(57)【要約】【課題】高速性と大電流容量性との両立が可能なインバータ回路を提供する。【解決手段】本発明の一実施形態に係るインバータ回路１では、複数のスイッチング部それぞれが同一の構成であり、例えばスイッチング部２０は、制御電圧が供給される第１のＭＯＳＦＥＴ２１と、直列に接続された第２及び第３のＭＯＳＦＥＴ２２，２３であって、第２及び第３のＭＯＳＦＥＴ２２，２３の直列回路は第１のＭＯＳＦＥＴ２１に並列に接続されており、第２のＭＯＳＦＥＴ２２には制御電圧が供給される、当該第２及び第３のＭＯＳＦＥＴ２２，２３と、第１のＭＯＳＦＥＴ２１に流れる電流を検出する電流センサ２４とを有し、電流センサ２４によって第１のＭＯＳＦＥＴ２１に所定の電流値以上の電流が流れたことを検出したときに、第３のＭＯＳＦＥＴ２３がオン状態となることを特徴とする。【選択図】図２
2014057409.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数のスイッチング部を備えるインバータ回路であって、
前記複数のスイッチング部それぞれは、
制御電圧が供給される第１のＭＯＳＦＥＴと、
直列に接続された第２及び第３のＭＯＳＦＥＴであって、前記第２及び第３のＭＯＳＦＥＴの直列回路は前記第１のＭＯＳＦＥＴに並列に接続されており、前記第２のＭＯＳＦＥＴには前記制御電圧が供給される、当該第２及び第３のＭＯＳＦＥＴと、
前記第１のＭＯＳＦＥＴに流れる電流を検出する電流センサと、
を有し、
前記電流センサによって前記第１のＭＯＳＦＥＴに所定の電流値以上の電流が流れたことを検出したときに、前記第３のＭＯＳＦＥＴがオン状態となることを特徴とする、
インバータ回路。
【請求項２】
前記第２のＭＯＳＦＥＴの電流容量は、前記第１のＭＯＳＦＥＴの電流容量以上であり、
前記第３のＭＯＳＦＥＴの電流容量は、前記第２のＭＯＳＦＥＴの電流容量以上である、
請求項１に記載のインバータ回路。
【請求項３】
前記第２のＭＯＳＦＥＴの耐圧は、前記第１のＭＯＳＦＥＴの耐圧以上であり、
前記第３のＭＯＳＦＥＴの耐圧は、前記第１のＭＯＳＦＥＴの耐圧より低い、
請求項１又は２に記載のインバータ回路。
【請求項４】
前記第１〜第３のＭＯＳＦＥＴは、ワイドバンドギャップ半導体からなる、
請求項１〜３の何れか１項に記載のインバータ回路。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、誘導モータ等を駆動するためのインバータ回路に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、誘導モータ等を駆動するためのインバータ回路のスイッチング素子として、絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ（Insulated Gate Bipolar Transistor：ＩＧＢＴ）を用いることが広く知られている（特許文献１参照）。
【０００３】
ＩＧＢＴは、比較的に動作速度が遅い反面、耐圧を高めること、及び、電流容量（電流定格）を大きくすることが比較的に容易であることから、大きな駆動電圧及び電流を要する誘導モータ等を駆動するためのインバータ回路に好適である。特に、この種のインバータ回路では、例えば、誘導モータの駆動開始時（過負荷駆動時）に、定常駆動時と比較して大きな電流を誘導モータに供給する必要があり、大きな電流容量を有するスイッチング素子が必要である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特許第３３１１４９８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
近年、誘導モータ等を駆動するためのインバータ回路では、インバータ効率の向上を目的として、誘導モータの定常駆動時のスイッチング周波数を高めることが要望されている。また、近年、比較的に高速性を有するＭＯＳＦＥＴ（Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor）の耐圧性を高めることが実現されている。これより、本願発明者らは、この種のインバータ回路のスイッチング素子として、ＭＯＳＦＥＴを用いることを考案している。
【０００６】
しかしながら、高耐圧ＭＯＳＦＥＴでは、誘導モータの過負荷駆動時のために、電流容量を大きくすることが困難であった。詳説すれば、電流容量を大きくするためにはトランジスタサイズを大きくする必要があるが、高耐圧ＭＯＳＦＥＴでは、サイズを大きくすると寄生容量が増大し、高速性が低下してしまう。これより、誘導モータ等を駆動するためのインバータ回路では、定常駆動時の高速性と過負荷駆動時の大電流容量性との両立が困難であった。
【０００７】
そこで、本発明は、高速性と大電流容量性との両立が可能なインバータ回路を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明のインバータ回路は、複数のスイッチング部を備えるインバータ回路であって、複数のスイッチング部それぞれは、制御電圧が供給される第１のＭＯＳＦＥＴと、直列に接続された第２及び第３のＭＯＳＦＥＴであって、第２及び第３のＭＯＳＦＥＴの直列回路は第１のＭＯＳＦＥＴに並列に接続されており、第２のＭＯＳＦＥＴには制御電圧が供給される、当該第２及び第３のＭＯＳＦＥＴと、第１のＭＯＳＦＥＴに流れる電流を検出する電流センサとを有し、電流センサによって第１のＭＯＳＦＥＴに所定の電流値以上の電流が流れたことを検出したときに、第３のＭＯＳＦＥＴがオン状態となることを特徴とする。
【０００９】
このインバータ回路によれば、例えば、所定の電流値未満の電流を誘導モータに供給する定常駆動時には、第１のＭＯＳＦＥＴのみによって電流供給を行うので、第１のＭＯＳＦＥＴに高速性を有するトランジスタを適用することにより、インバータ回路の定常駆動時の高速性を高めることができる。
【００１０】
一方、例えば、所定の電流値以上の電流を誘導モータに供給する駆動開始時（過負荷駆動時）には、第３のＭＯＳＦＥＴがオン状態となり、第１のＭＯＳＦＥＴに加えて第２のＭＯＳＦＥＴによっても電流供給を行うので、インバータ回路の駆動開始時（過負荷駆動時）の電流容量を大きくすることができる。
【００１１】
上記した第２のＭＯＳＦＥＴの電流容量は、第１のＭＯＳＦＥＴの電流容量以上であり、上記した第３のＭＯＳＦＥＴの電流容量は、第２のＭＯＳＦＥＴの電流容量以上である形態であってもよい。
【００１２】
これによれば、駆動開始時に定常駆動時の数倍もの電流を誘導モータに供給する必要がある誘導モータのインバータ回路として好適である。
【００１３】
また、上記した第２のＭＯＳＦＥＴの耐圧は、第１のＭＯＳＦＥＴの耐圧以上であり、上記した第３のＭＯＳＦＥＴの耐圧は、第１のＭＯＳＦＥＴの耐圧より低い形態であってもよい。
【００１４】
このように、第１のＭＯＳＦＥＴと共同でスイッチング制御を行う第２のＭＯＳＦＥＴの耐圧が高いので、第２のＭＯＳＦＥＴに直列に接続される第３のＭＯＳＦＥＴの耐圧は低くてもよい。
【００１５】
また、上記した第１〜第３のＭＯＳＦＥＴは、ワイドバンドギャップ半導体からなる形態であってもよい。
【００１６】
これによれば、耐圧を高めることができる。また、オン抵抗を小さくすることができ、その結果、損失を小さくし、発熱を小さくすることができる。すなわち、インバータ回路では、比較的に高温動作が可能となる。
【発明の効果】
【００１７】
本発明によれば、誘導モータ等を駆動するためのインバータ回路において、定常駆動時の高速性と過負荷駆動時の大電流容量性との両立が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】本発明の実施形態に係るインバータ回路を示す回路図である。
【図２】図１において、第１〜第６のスイッチング部を詳細に示すインバータ回路を示す図である。
【図３】図１において、第２及び第３のスイッチング部の組をオン状態とする場合のインバータ回路の等価回路を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
以下、図面を参照して本発明の好適な実施形態について詳細に説明する。なお、各図面において同一又は相当の部分に対しては同一の符号を附すこととする。
【００２０】
図１は、本発明の実施形態に係るインバータ回路を示す回路図である。このインバータ回路１は、直流電源２からの直流電力を３相交流電力に変換し、３相誘導モータ３を駆動するものである。インバータ回路１は、直流電源２の高電位側端子２ａと低電位側端子２ｂとの間に接続された容量素子４と、６個のスイッチング部１０，２０，３０，４０，５０，６０と、制御部７０とを備える。
【００２１】
第１及び第２のスイッチング部１０，２０は、直流電源２の高電位側端子２ａと低電位側端子２ｂとの間に順に直列に接続されている。具体的には、第１のスイッチング部１０の一端は直流電源２の高電位側端子２ａに接続されており、第１のスイッチング部１０の他端は第２のスイッチング部２０の一端に接続されている。第２のスイッチング部２０の他端は直流電源２の低電位側端子２ｂに接続されている。
【００２２】
また、第３及び第４のスイッチング部３０，４０は、直流電源２の高電位側端子２ａと低電位側端子２ｂとの間に順に直列に接続されている。具体的には、第３のスイッチング部３０の一端は直流電源２の高電位側端子２ａに接続されており、第３のスイッチング部３０の他端は第４のスイッチング部４０の一端に接続されている。第４のスイッチング部４０の他端は直流電源２の低電位側端子２ｂに接続されている。
【００２３】
また、第５及び第６のスイッチング部５０，６０は、直流電源２の高電位側端子２ａと低電位側端子２ｂとの間に順に直列に接続されている。具体的には、第５のスイッチング部５０の一端は直流電源２の高電位側端子２ａに接続されており、第５のスイッチング部５０の他端は第６のスイッチング部６０の一端に接続されている。第６のスイッチング部６０の他端は直流電源２の低電位側端子２ｂに接続されている。
【００２４】
そして、第１及び第２のスイッチング部１０，２０の中間ノードと第３及び第４のスイッチング部３０，４０の中間ノードとの間には３相誘導モータ３のＵ相インダクタが接続されており、第３及び第４のスイッチング部３０，４０の中間ノードと第５及び第６のスイッチング部５０，６０の中間ノードとの間には３相誘導モータ３のＶ相インダクタが接続されている。また、第５及び第６のスイッチング部５０，６０の中間ノードと第１及び第２のスイッチング部１０，２０の中間ノードとの間には３相誘導モータ３のＷ相インダクタが接続されている。また、第１〜第６のスイッチング部１０〜６０各々の制御端子は制御部７０に接続されている。
【００２５】
制御部７０は、第１〜第６のスイッチング部１０〜６０のスイッチング制御を行う。例えば、制御部７０は、第２及び第３のスイッチング部２０，３０の組と、第４及び第５のスイッチング部４０，５０の組と、第６及び第１のスイッチング部６０，１０の組とを１／３周期ずつずらしてオン状態とすることによって、直流電源２からの直流電力を３相交流電力に変換し、この３相誘導モータ３へ供給する。
【００２６】
次に、第１〜第６のスイッチング部１０〜６０について詳細に説明する。図２は、図１において、第１〜第６のスイッチング部を詳細に示すインバータ回路を示す図である。なお、代表して第２のスイッチング部２０について説明するが、第１及び第３〜第６のスイッチング部１０，３０，４０，５０，６０の構成は第２のスイッチング部２０の構成と同一である。
【００２７】
すなわち、第１のスイッチング部１０における第１〜第３のＭＯＳＦＥＴ１１，１２，１３、第１〜第３のダイオード１１ｄ，１２ｄ，１３ｄ、電流センサ１４、抵抗素子１５ａ，１５ｂは、それぞれ、第２のスイッチング部２０における第１〜第３のＭＯＳＦＥＴ２１，２２，２３、第１〜第３のダイオード２１ｄ，２２ｄ，２３ｄ、電流センサ２４、抵抗素子２５ａ，２５ｂと同一であり、第３のスイッチング部３０における第１〜第３のＭＯＳＦＥＴ３１，３２，３３、第１〜第３のダイオード３１ｄ，３２ｄ，３３ｄ、電流センサ３４、抵抗素子３５ａ，３５ｂは、それぞれ、第２のスイッチング部２０における第１〜第３のＭＯＳＦＥＴ２１，２２，２３、第１〜第３のダイオード２１ｄ，２２ｄ，２３ｄ、電流センサ２４、抵抗素子２５ａ，２５ｂと同一であり、第４のスイッチング部４０における第１〜第３のＭＯＳＦＥＴ４１，４２，４３、第１〜第３のダイオード４１ｄ，４２ｄ，４３ｄ、電流センサ４４、抵抗素子４５ａ，４５ｂは、それぞれ、第２のスイッチング部２０における第１〜第３のＭＯＳＦＥＴ２１，２２，２３、第１〜第３のダイオード２１ｄ，２２ｄ，２３ｄ、電流センサ２４、抵抗素子２５ａ，２５ｂと同一であり、第５のスイッチング部５０における第１〜第３のＭＯＳＦＥＴ５１，５２，５３、第１〜第３のダイオード５１ｄ，５２ｄ，５３ｄ、電流センサ５４、抵抗素子５５ａ，５５ｂは、それぞれ、第２のスイッチング部２０における第１〜第３のＭＯＳＦＥＴ２１，２２，２３、第１〜第３のダイオード２１ｄ，２２ｄ，２３ｄ、電流センサ２４、抵抗素子２５ａ，２５ｂと同一であり、第６のスイッチング部６０における第１〜第３のＭＯＳＦＥＴ６１，６２，６３、第１〜第３のダイオード６１ｄ，６２ｄ，６３ｄ、電流センサ６４、抵抗素子６５ａ，６５ｂは、それぞれ、第２のスイッチング部２０における第１〜第３のＭＯＳＦＥＴ２１，２２，２３、第１〜第３のダイオード２１ｄ，２２ｄ，２３ｄ、電流センサ２４、抵抗素子２５ａ，２５ｂと同一である。
【００２８】
また、図３は、図１において、第２及び第３のスイッチング部２０，３０の組をオン状態とする場合のインバータ回路１の等価回路を示す図である。図３では、第２のスイッチング部２０に着目し、オン状態である第３のスイッチング部３０を短絡状態として示すと共に、オフ状態である第１のスイッチング部１０における第１〜第３のダイオード１１ｄ，１２ｄ，１３ｄを１つのダイオードとして示している。
【００２９】
図２及び図３に示す第２のスイッチング部２０は、第１〜第３のＭＯＳＦＥＴ２１，２２，２３と、第１〜第３のダイオード２１ｄ，２２ｄ，２３ｄと、電流センサ２４と、抵抗素子２５ａ，２５ｂとを備える。
【００３０】
第１のＭＯＳＦＥＴ２１のドレインは、電流センサ２４を介して上記スイッチング部２０の一端に接続されており、第１のＭＯＳＦＥＴ２１のソースは、上記スイッチング部２０の他端に接続されている。第１のＭＯＳＦＥＴ２１のゲートには、抵抗素子２５ａを介して上記制御部７０からの制御電圧が供給される。第１のＭＯＳＦＥＴ２１には、第２及び第３のＭＯＳＦＥＴ２２，２３の直列回路が並列に接続されている。
【００３１】
第２のＭＯＳＦＥＴ２２のドレインは、第３のＭＯＳＦＥＴ２３のソースに接続されており、第２のＭＯＳＦＥＴ２２のソースは、上記スイッチング部２０の他端に接続されている。第３のＭＯＳＦＥＴ２３のドレインは、上記スイッチング部２０の一端に接続されている。第２のＭＯＳＦＥＴ２２のゲートには、抵抗素子２５ｂを介して上記制御部７０からの制御電圧が供給される。一方、第３のＭＯＳＦＥＴ２３のゲートは、電流センサ２４の上記スイッチング部２０の一端側とは反対側の端子に接続されている。
【００３２】
また、第１〜第３のダイオード２１ｄ，２２ｄ，２３ｄのアノードは、それぞれ第１〜第３のＭＯＳＦＥＴ２１，２２，２３のソースに接続されており、第１〜第３のダイオード２１ｄ，２２ｄ，２３ｄのカソードは、それぞれ第１〜第３のＭＯＳＦＥＴ２１，２２，２３のドレインに接続されている。
【００３３】
電流センサ２４は、第１のＭＯＳＦＥＴ２１に流れる電流を検出する。電流センサ２４は、例えば抵抗素子であり、第１のＭＯＳＦＥＴ２１に流れる電流の大きさに応じた電圧を両端電圧として生成する。これにより、第３のＭＯＳＦＥＴ２３は、電流センサ２４の両端電圧が所定値以上になるときに、すなわち、電流センサ２４によって第１のＭＯＳＦＥＴ２１に所定の電流値以上の電流が流れたことを検出したときに、オン状態となることとなる。
【００３４】
ここで、第１のＭＯＳＦＥＴ２１は、高耐圧性を有する。また、第１のＭＯＳＦＥＴ２１は、トランジスタサイズが比較的に小さく、高速性を有する反面、電流容量が比較的に小さい。
【００３５】
一方、第２のＭＯＳＦＥＴ２２は、第１のＭＯＳＦＥＴ１１と同等以上の高耐圧性を有する。また、第２のＭＯＳＦＥＴ２２は、第１のＭＯＳＦＥＴ２１と同等以上のトランジスタサイズであり、高速性が第１のＭＯＳＦＥＴ２１と同等か又は劣る反面、電流容量が第１のＭＯＳＦＥＴ２１と同等か又は大きい。
【００３６】
また、第３のＭＯＳＦＥＴ２３は、第２のＭＯＳＦＥＴ２２と直列に接続されるので、低耐圧性のものでよく、電流容量が第２のＭＯＳＦＥＴ２２と同等以上のものが好ましい。また、第３のＭＯＳＦＥＴ２３は、第２のＭＯＳＦＥＴ２２がスイッチング動作中にオン状態となればよいので、動作速度が低いものでよい。
【００３７】
これらの第１〜第３のＭＯＳＦＥＴ２１，２２，２３は、例えば、ＳｉＣやＧａＮ等のワイドバンドギャップ半導体からなることが好ましい。これによれば、耐圧を高めることができる。また、オン抵抗を小さくすることができ、その結果、損失を小さくし、発熱を小さくすることができる。すなわち、インバータ回路では、比較的に高温動作が可能となる。
【００３８】
以上説明したように、本実施形態のインバータ回路１によれば、例えば、所定の電流値未満の電流を誘導モータ３に供給する定常駆動時には、高速性を有する第１のＭＯＳＦＥＴ２１のみによって電流供給を行うので、インバータ回路の定常駆動時の高速性を高めることができる。その結果、このインバータ回路１によれば、スイッチング周波数を上げることができ、定常駆動時のインバータ効率を向上させることができる。
【００３９】
一方、例えば、所定の電流値以上の電流を誘導モータ３に供給する駆動開始時（過負荷駆動時）には、第３のＭＯＳＦＥＴ２３がオン状態となり、第１のＭＯＳＦＥＴ２１に加えて第２のＭＯＳＦＥＴ２２によっても電流供給を行うので、インバータ回路の駆動開始時（過負荷駆動時）の電流容量を大きくすることができる。
【００４０】
このように、本実施形態のインバータ回路１によれば、誘導モータ３の定常駆動時の高速性と過負荷駆動時の大電流容量性との両立が可能となる。
【００４１】
なお、本実施形態のインバータ回路１によれば、第２のＭＯＳＦＥＴ２２の電流容量を大きくするだけで、定常駆動時の高速性を損なうことなく、過負荷駆動時の電流容量を大きくすることができるので、駆動開始時に定常駆動時の数倍もの電流を誘導モータに供給する必要がある誘導モータのインバータ回路として好適である。
【００４２】
なお、本発明は上記した本実施形態に限定されることなく種々の変形が可能である。例えば、本実施形態では、誘導モータを駆動するためのインバータ回路を例示したが、本発明の特徴は、誘導モータのみならず、比較的に高耐圧性を必要とし、更に、定常駆動時の高速性と過負荷駆動時の大電流容量性とを必要とするインバータ回路全般に適用可能である。
【００４３】
また、本実施形態では、６個のスイッチング部を備える三相インバータ回路を例示したが、本発明の特徴は、４個のスイッチング部を備えるフルブリッジ型のインバータ回路や、２個のスイッチング部を備えるハーフブリッジ型のインバータ回路等にも適用可能である。
【００４４】
また、本実施形態では、ＳｉＣやＧａＮ等のワイドバンドギャップ半導体からなる第１〜第３のＭＯＳＦＥＴを例示したが、第１〜第３のＭＯＳＦＥＴの半導体材料はこれに限定されない。
【符号の説明】
【００４５】
１…インバータ回路、２…直流電源、２ａ…高電位側端子、２ｂ…低電位側端子、３…誘導モータ、４…容量素子、１０，２０，３０，４０，５０，６０…スイッチング部、１１，２１，３１，４１，５１，６１…第１のＭＯＳＦＥＴ、１２，２２，３２，４２，５２，６２…第２のＭＯＳＦＥＴ、１３，２３，３３，４３，５３，６３…第３のＭＯＳＦＥＴ、１１ｄ，２１ｄ，３１ｄ，４１ｄ，５１ｄ，６１ｄ…第１のダイオード、１２ｄ，２２ｄ，３２ｄ，４２ｄ，５２ｄ，６２ｄ…第２のダイオード、１３ｄ，２３ｄ，３３ｄ，４３ｄ，５３ｄ，６３ｄ…第３のダイオード、１４，２４，３４，４４，５４，６４…電流センサ、１５ａ，１５ｂ，２５ａ，２５ｂ，３５ａ，３５ｂ，４５ａ，４５ｂ，５５ａ，５５ｂ，６５ａ，６５ｂ…抵抗素子、７０…    制御部。
【図１】
2014057409.tif 000003
【図２】
2014057409.tif 000004
【図３】
2014057409.tif 000005