(57)【要約】【課題】本発明の目的は、ターンオフサージ電圧及び逆回復損失を低減可能なインバータ回路を提供することである。【解決手段】本発明のインバータ回路によれば、上アームスイッチの高電位側の主電極は、高電位導体線を通じて直流電源及び/又は平滑キャパシタに接続される。この高電位導体線の一部又は全部と並列に還流導体線が接続される。この還流導体線は、サージ電流を通過させる還流ダイオードをもつ。インバータに内蔵されるトランジスタのスイッチングにより、高電位導体線のインダクタンスは、サージ電流を発生させる。このサージ電流は、高電位導体線及び還流導体線により形成される循環回路を循環する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
高電位の直流電圧が印加される高電位導体線を交流出力線に接続する上アームスイッチを有するハーフブリッジを備えるインバータ回路において、
前記高電位導体線の所定の２点を接続する第１の還流導体線と、この第１の還流導体線に流れる戻り電流の方向を一方向に制限する第１の還流ダイオードとを有し、
前記高電位導体線及び前記第１の還流導体線は、前記上アームスイッチ及び/又は前記下アームスイッチのスイッチングにより生じるサージ電流を循環させるための循環回路を構成することを特徴とするインバータ回路。
【請求項２】
前記上アームスイッチは、トランジスタ用の前記高電位導体線を前記交流出力線に接続する上アームのトランジスタと、ダイオード用の前記高電位導体線を前記交流出力線に接続する上アームのフリーホィーリングダイオードとを有し、
前記第１の還流ダイオードのアノードは、前記上アームのトランジスタの高電位側の主電極に接続され、
前記第１の還流ダイオードのカソードは、前記上アームのフリーホィーリングダイオードのカソードに接続される請求項１記載のインバータ回路。
【請求項３】
前記高電位導体線及び前記第１の還流導体線はそれぞれ、前記上アームスイッチの高電位側の主電極と平滑キャパシタの+端子とを接続する請求項１記載のインバータ回路。
【請求項４】
低電位直流電圧が印加される低電位導体線を前記交流出力線に接続する下アームスイッチと、前記低電位導体線の所定の２点を接続する第２の還流導体線と、この第２の還流導体線に流れる戻り電流の方向を一方向に制限する第２の還流ダイオードとを有し、
前記低電位導体線及び前記第２の還流導体線は、前記上アームスイッチ及び/又は前記下アームスイッチのスイッチングにより生じるサージ電流を循環させるための循環回路を構成する請求項１記載のインバータ回路。
【請求項５】
前記下アームスイッチは、トランジスタ用の前記低電位導体線を前記交流出力線に接続する下アームのトランジスタと、ダイオード用の前記低電位導体線を前記交流出力線に接続する下アームのフリーホィーリングダイオードとを有し、
前記第２の還流ダイオードのアノードは、前記下アームのフリーホィーリングダイオードのアノードに接続され、
前記第２の還流ダイオードのカソードは、前記下アームのトランジスタの低電位側の主電極に接続される請求項４記載のインバータ回路。
【請求項６】
前記低電位導体線及び前記第２の還流導体線はそれぞれ、前記下アームスイッチの低電位側の直流端子と平滑キャパシタの-端子とを接続する請求項４記載のインバータ回路。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はインバータ回路に関する。
【０００２】
特に、本発明は、還流回路を内蔵するインバータ回路に関する。
【背景技術】
【０００３】
一般に、インバータ回路は、並列接続された複数のハーフブリッジ（レグと呼ばれる）により構成される。インバータのスイッチングに伴うDCリンク電圧の変動を低減するために、平滑キャパシタが各レグと並列に接続される。
【０００４】
トランジスタのスイッチング損失は、インバータの主要な損失を構成する。このスイッチング損失は、トランジスタのオン抵抗が変動する遷移期間に発生する。したがって、スイッチング損失の低減のためにこの遷移期間の短縮が要求される。
【０００５】
しかし、遷移期間の短縮による急激な電流変化は、サージ電圧を増大させる。すなわち、スイッチング素子の主端子に接続される導体線のインダクタンスに流れる急激な電流変化は、大きなサージ電圧を発生する。したがって、トランジスタの遷移時間の短縮は、スイッチング素子の耐電圧により制限される。インバータの上アームトランジスタがオフされる時に誘導されるサージ電圧は、ターンオフサージ電圧と呼ばれる。このターンオフサージ電圧を低減できれば、遷移時間の短縮又はDCリンク電圧の増大によるインバータ損失の低減を実現することができる。
【０００６】
フリーホィーリングダイオードの逆回復損失は、インバータのもう１つの主要な損失を構成する。この逆回復損失は、フリーホィーリングダイオードのオフ状態への遷移が遅れることに起因する。結局、インバータ損失の多くが、トランジスタ及びダイオードの状態遷移中に発生していることが理解される。
【０００７】
したがって、車両駆動用の大型モータを駆動するための大型インバータは、強力に冷却される必要がある。もしインバータ損失を大幅に低減できれば、モータはインバータを内蔵することができる。その結果、モータとインバータとを接続するケーブルが短縮され、システムは大幅にコンパクトとなる。しかし、現在のインバータは、強力な冷却機構を必要とするので、大型モータ分野においてインバータの内蔵は困難である。
【０００８】
インバータのサージ電圧を低減するために、各種のスナバ回路が使用されている。本質的に高周波バイパスフィルタからなるスナバ回路は、サージ電力をバイパスする。特に、直列接続された抵抗器及びキャパシタからなるRCスナバ回路は、広く使用されている。しかし、スナバ回路の追加は、損失及び回路規模の増加を招く。
【０００９】
特許文献１は、インバータとモータとを接続するモータケーブルに生じるサージ電圧（モータサージ電圧と呼ばれる）を低減するサージ低減回路を提案している。このサージ低減回路は、直列接続された抵抗器及びキャパシタとを含むサブケーブルをもつ。このサブケーブルは、インバータとモータとを接続するメインケーブルと並列接続される。このサブケーブルは本質的に高周波バイパスフィルタを構成している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１０】
【特許文献１】U.S.P.No.７,７６４,０４２
【発明の概要】
【００１１】
本発明の１つの目的は、損失を低減可能なインバータ回路を提供することである。本発明のもう１つの目的は、サージ電圧及び/又は逆回復損失を低減可能なインバータ回路を提供することである。
【００１２】
本発明の１つの観点によれば、インバータ回路は、直列接続された上アームスイッチ及び下アームスイッチをもつ。上アームスイッチの高電位側の主電極は、高電位導体線を通じて直流電源及び/又は平滑キャパシタに接続される。この高電位導体線の一部又は全部と並列に第１の還流導体線が接続される。第１の還流導体線は、サージ電流を戻すための還流ダイオードをもつ。したがって、高電位導体線及び第１の還流導体線は、サージ電流が循環する循環回路を構成する。結局、サージ電流がこの循環回路を通じて循環するため、サージ電圧は大幅に低減される。
【００１３】
好適な態様において、トランジスタ用の高電位導体線に接続される上アームのトランジスタと、ダイオード用の高電位導体線に接続される上アームのフリーホィーリングダイオードとが、還流ダイオードにより接続される。
【００１４】
上アームのトランジスタがオフされる時、トランジスタ用の高電位導体線の電流が減少する。トランジスタ用の高電位導体線のインダクタンスは、トランジスタ用の高電位導体線から第１の還流導体線としてのダイオード用の高電位導体線へ、還流ダイオードを通じて電流を流す。これにより、ターンオフサージ電圧が軽減される。
【００１５】
上アームのフリーホィーリングダイオードがオフされる時、ダイオード用の高電位導体線の電流が減少する。ダイオード用の高電位導体線のインダクタンスは、第１の還流導体線としてのトランジスタ用の高電位導体線から、還流ダイオードを通じて電流を吸収する。これにより、フリーホィーリングダイオードの逆回復損失が低減される。
【００１６】
好適な態様において、上アームスイッチの高電位側の主電極は、高電位導体線及び第１の還流導体線を通じて平滑キャパシタの+端子に接続される。この第１の還流導体線は、サージ電流を通過させる還流ダイオードをもつ。したがって、高電位導体線及び第１の還流導体線は、サージ電流が循環する循環回路を構成する。これにより、いわゆるターンオフサージ電圧が抑制される。
【００１７】
好適な態様において、下アームスイッチの低電位側の主電極は、低電位導体線を通じて直流電源及び/又は平滑キャパシタに接続される。この低電位導体線の一部又は全部と並列
に第２の還流導体線が接続される。この第２の還流導体線は、サージ電流を通過させる還流ダイオードをもつ。したがって、低電位導体線及び第２の還流導体線は、サージ電流が循環する循環回路を構成する。結局、サージ電流がこの循環回路を通じて循環するため、サージ電圧は大幅に低減される。
【００１８】
好適な態様において、トランジスタ用の低電位導体線に接続される下アームのトランジスタと、ダイオード用の低電位導体線に接続される下アームのフリーホィーリングダイオードとが、還流ダイオードにより接続される。
【００１９】
下アームのトランジスタがオフされる時、トランジスタ用の低電位導体線の電流が減少する。トランジスタ用の低電位導体線のインダクタンスは、第２の還流導体線としてのダイオード用の低電位導体線から還流ダイオードを通じてトランジスタ用の低電位導体線へ電流を流す。これにより、ターンオフサージ電圧が軽減される。
【００２０】
下アームのフリーホィーリングダイオードがオフされる時、ダイオード用の低電位導体線の電流が減少する。ダイオード用の低電位導体線のインダクタンスは、ダイオード用の低電位導体線から還流ダイオードを通じて第２の還流導体線としてのトランジスタ用の低電位導体線へ電流を流す。これにより、フリーホィーリングダイオードの逆回復損失が低減される。
【００２１】
好適な態様において、下アームスイッチの低電位側の主電極は、低電位導体線及び第２の還流導体線を通じて平滑キャパシタの-端子に接続される。この第２の還流導体線は、サージ電流を通過させる還流ダイオードをもつ。したがって、低電位導体線及び第２の還流導体線は、サージ電流が循環する循環回路を構成する。これにより、サージ電圧が抑制される。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】図１は、第１実施例のハーフブリッジを示す配線図である。
【図２】図２は、第１実施例のハーフブリッジを示す配線図である。
【図３】図３は、第１実施例のハーフブリッジを示す配線図である。
【図４】図４は、第１実施例のハーフブリッジを示す配線図である。
【図５】図５は、第１実施例のハーフブリッジを示す配線図である。
【図６】図６は、第１実施例のハーフブリッジを示す配線図である。
【図７】図７は、第２実施例のハーフブリッジを示す配線図である。
【図８】図８は、第２実施例のハーフブリッジを示す配線図である。
【図９】図９は、第２実施例のハーフブリッジを示す配線図である。
【図１０】図１０は、第２実施例のハーフブリッジを示す配線図である。
【図１１】図１１は、第２実施例のハーフブリッジを示す配線図である。
【図１２】図１２は、第２実施例のハーフブリッジを示す配線図である。
【図１３】図１３は、第２実施例のハーフブリッジを示す配線図である。
【図１４】図１４は、第２実施例のハーフブリッジを示す配線図である。
【図１５】図１５は、第３実施例の平滑回路を示す配線図である。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
第１実施例
本発明の第１実施例が、図１-図６を参照して説明される。図１は、モータ制御用の３相インバータのU相レグを構成するハーフブリッジを示す。
【００２４】
図１に示されるハーフブリッジは、直列接続された上アームスイッチ１及び下アームスイッチ２により構成されている。上アームスイッチ１は、トランジスタ１１、フリーホィーリングダイオード１２及び還流ダイオード１３からなる。下アームスイッチ２は、IGBTからなるトランジスタ２１、フリーホィーリングダイオード２２及び還流ダイオード２３からなる。トランジスタ１１及び２１は、IGBTにより構成されている。
【００２５】
トランジスタ１１のエミッタ及びダイオード１２のアノードは、U相のモータケーブル３に接続されている。トランジスタ１１のコレクタは、導体線５を通じて平滑キャパシタ４の正極端子４１に接続されている。ダイオード１２のカソードは、導体線６を通じて平滑キャパシタ４の正極端子４１に接続されている。還流ダイオード１３のアノードはトランジスタ１１のコレクタに接続されている。還流ダイオード１３のカソードはダイオード１２のカソードに接続されている。
【００２６】
トランジスタ２１のコレクタ及びダイオード２２のカソードは、U相モータケーブル３に接続されている。トランジスタ２１のエミッタは、導体線７を通じて平滑キャパシタ４の負極端子４２に接続されている。ダイオード２２のアノードは、導体線８を通じて平滑キャパシタ４の負極端子４２に接続されている。還流ダイオード２３のカソードはトランジスタ２１のエミッタに接続されている。還流ダイオード２３のアノードはダイオード２２のアノードに接続されている。
【００２７】
平滑キャパシタ４は、+DCリンク線９及び-DCリンク線１０を通じて直流電源（図示せず）に接続されている。導体線５はインダクタンスL５をもち、導体線６はインダクタンスL６をもつ。導体線７はインダクタンスL７をもち、導体線８はインダクタンスL８をもつ。このハーフブリッジのスイッチングによるU相電流の流れが図１-図６を参照して説明される。図１-図３は、U相電流IUがハーフブリッジからケーブル３へ流れるモードを示す。図４-図６は、U相電流IUがケーブル３からハーフブリッジへ流れるモードを示す。
【００２８】
図１は、トランジスタ１１がオンされた直後を示す。電流IUがトランジスタ１１を通じてケーブル３へ流れる。後述される循環電流I２fがダイオード２３を通じて流れている。その後、トランジスタ１１がオフされてデッドタイム状態が開始される（図２参照）。モータのインダクタンスによりモータケーブル３の電位が低下するので、フリーホィーリング電流であるダイオード電流IUがダイオード２２を通じてモータケーブル３へ流れる。さらに、インダクタンスL５に蓄積された磁気エネルギーは、導体線５、ダイオード１３、導体線６により構成される経路に循環電流I１fを流す。
【００２９】
ダイオード１３が電流I１fを吸収するため、トランジスタ１１のコレクタ電位の上昇が抑制される。言い換えれば、トランジスタ１１のターンオフサージ電圧が低減される。ただし、インダクタンスL６は、循環電流I１fの増加を抑制する。しかし、この循環電流I１fが、トランジスタ１１のコレクタ電位を低下させることは確かである。
【００３０】
その後、トランジスタ１１が再びオンされる（図３参照）。トランジスタ１１は電流IUの一部をケーブル３に流す。ケーブル３の電位上昇により、ダイオード２２に流れていた電流IUが減少する。インダクタンスL８に蓄積された磁気エネルギーは、導体線８、ダイオード２３、導体線７により構成される循環経路に循環電流I２fを流す。
【００３１】
これにより、ダイオード２２のアノード電位が低下し、ダイオード２２のオフが促進される。これは、ダイオード２２のリカバリ損失を低減する。その後、ダイオード２２は完全にオフし、図１に示される状態に戻る。ただし、インダクタンスL７は、循環電流I２fの増加を抑制する。しかし、この循環電流I２fが、ダイオード２２のアノード電位を低下させて、その遮断を促進することは確かである。
【００３２】
図４は、トランジスタ１１がオンされた直後を示す。トランジスタ２１がケーブル３から電流IUを吸収する。その後、トランジスタ２１がオフされる（図５参照）。モータのインダクタンスによりモータケーブル３の電位が上昇するので、フリーホィーリング電流であるダイオード電流IUがダイオード１２を通じて+DCリンク線９へ流れる。さらに、インダクタンスL７に蓄積された磁気エネルギーは、導体線８、ダイオード２３、導体線７により構成される経路に循環電流I２fを流す。
【００３３】
これにより、トランジスタ２１のオフが促進される。その後、トランジスタ２１が再びオンされる（図６参照）。トランジスタ２１は、電流IUを流す。ケーブル３の電位低下により、ダイオード１２に流れるフリーホィーリング電流である電流IUが減少する。インダクタンスL５に蓄積された磁気エネルギーは、導体線５、ダイオード１３、導体線６により構成される経路に循環電流I１fを流す。
【００３４】
これにより、ダイオード１２のオフが促進される。したがって、ダイオード１２のリカバリ損失が低減される。その後、ダイオード１２が完全にオフし、図４に示される状態に戻る。ただし、インダクタンスL６は、循環電流I１fの増加を抑制する。しかし、この循環電流I１fが、ダイオード１２のカソード電位を上昇させて、その遮断を促進することは確かである。循環電流I１ｆ及びI２ｆが流れる期間が非常に短いため、小型のダイオード１３及び２３でも、その温度上昇に耐えることができる。ダイオード１３及び２３のどちらかだけを使用することも可能である。
【００３５】
第２実施例
本発明の第２実施例が、図７-図１４を参照して説明される。この第２実施例は、トランジスタ１１及び２１がMOSトランジスタにより構成されている点を除いて、本質的に第１実施例と同じである。トランジスタ１１及び２１は、フリーホィーリング電流を流すことにより、フリーホィーリングダイオード１２及び２２の負担を減らすことができる。
【００３６】
この実施例によれば、トランジスタ２１及びフリーホィーリングダイオード１２は+DCリンク線９に接続され、トランジスタ２１及びフリーホィーリングダイオード２２は-DCリンク線１０に接続されている。図７-図１０は、モータからハーフブリッジにU相電流が流れている状態を示す。図１１-図１４は、ハーフブリッジからモータにU相電流が流れている状態を示す。
【００３７】
図７は、トランジスタ１１がオフした直後のデッドタイム状態を示す。U相電流IUが、フリーホィーリングダイオード１２を通じて+DCリンク線９へ流れる。次に、トランジスタ２１がオンされる（図８参照）。U相電流IUは、トランジスタ２１を通じて-DCリンク線１０へ流れる。インダクタンスL６に蓄積された磁気エネルギーにより、環流電流I１fが、インダクタンスL６、+DCリンク線９、インダクタンスL５及びダイオード１３を通じて循環する。ダイオード１２のカソード電位の低下が抑制されるので、ダイオード１２の逆回復損失が低減される。
【００３８】
次に、トランジスタ２１がオフされ、デッドタイム状態を開始される（図９参照）。U相電流IUは、ダイオード１２を通じて+DCリンク線９へ流れる。インダクタンスL７に蓄積された磁気エネルギーにより、環流電流I２fが、インダクタンスL７、-DCリンク線１０、インダクタンスL８及びダイオード２３を通じて循環する。これにより、トランジスタ２１のソース電位の低下が抑制される。次に、トランジスタ１１がオンされる（図１０参照）。U相電流IUは、トランジスタ１１及びダイオード１２を通じて+DCリンク線９に流れる。次に、トランジスタ１１がオフされる（図７参照）。
【００３９】
図１１は、トランジスタ２１がオフした直後のデッドタイム状態を示す。U相電流IUが、フリーホィーリングダイオード２２を通じてモータケーブル３へ流れる。次に、トランジスタ１１がオンされる（図１２参照）。U相電流IUが、トランジスタ１１を通じてモータケーブル３へ流れる。インダクタンスL８に蓄積された磁気エネルギーにより、環流電流I２fが、インダクタンスL８、ダイオード２３、インダクタンスL７及び-DCリンク線１０を通じて循環する。これにより、ダイオード２２のアノード電位が低下し、ダイオード２２の遮断が促進される。したがって、ダイオード２２の逆回復損失が低減される。
【００４０】
次に、トランジスタ１１がオフされ、デッドタイム状態を開始される（図１３参照）。U相電流IUは、ダイオード２２を通じてモータケーブル３へ流れる。インダクタンスL５に蓄積された磁気エネルギーにより、環流電流I１fが、インダクタンスL５、ダイオード１３、インダクタンスL６及び+DCリンク線９を通じて循環する。これにより、トランジスタ１１に印加されるターンオフサージ電圧が抑制される。次に、トランジスタ２１がオンされる（図１４参照）。U相電流IUは、トランジスタ２１及びダイオード２２を通じてモータケーブル３へ流れる。結局、第２実施例によれば、フリーホィーリングダイオード１２及び２２の逆回復損失が低減され、上アームのトランジスタ１１に印加されるターンオフサージ電圧が低減される。
【００４１】
第３実施例
本発明の第３実施例が、図１５を参照して説明される。この第３実施例によれば、３相インバータ１００の直流端子と平滑キャパシタ４とを接続する主導体線４１及び４２のインダクタンスの悪影響を軽減するために、還流ダイオード４５をもつ細い副導体線４３と、還流ダイオード４６をもつ細い副導体線４４とが採用される。各導体線４１-４４はそれぞれインダクタンスL０をもつことが仮定される。３相インバータ１００の+直流端子１０１は+DCリンク線９に接続され、３相インバータ１００の-直流端子１０２は-DCリンク線１０に接続されている。３相インバータ１００は、３つの交流端子U、V及びWをもつ。
【００４２】
３相インバータ１００の+直流端子１０１は、並列に接続された主導体線４１及び副導体線４３を通じて平滑キャパシタ４の+端子に接続されている。副導体線４３と直列に接続された小型のダイオード４５は、電流が+直流端子１０１から平滑キャパシタ４へ流れることを許す。３相インバータ１００の-直流端子１０２は、並列に接続された主導体線４２及び副導体線４４を通じて平滑キャパシタ４の-端子に接続されている。副導体線４４と直列に接続された小型のダイオード４６は、電流が平滑キャパシタ４から-直流端子１０２へ流れることを許す。
【００４３】
図１５によれば、平滑キャパシタ４は、主導体線４１を通じて３相インバータ１００の+直流端子１０１に電流ICを供給している。+DCリンク線９は、３相インバータ１００の+直流端子１０１に電流Idを供給している。３相インバータ１００の内部のスイッチング状態の変化により、３相インバータ１００が吸収する電流（IC+Id）が急減した時、DCリンク線９のインダクタンス及び主導体線４１のインダクタンスL０は、+直流端子１０１の電位を上昇させる。
【００４４】
しかし、+直流端子１０１の電位が上昇すると、ダイオード４５及び４６がオンするので、戻り電流Ifが平滑キャパシタ４を通じて流れる。これにより、+直流端子１０１の電位の上昇、すなわちターンオフサージ電圧が抑制される。
【００４５】
すなわち、ダイオード４５、主導体線４１、副導体線４３からなる第１の循環電流経路が形成され、さらに、ダイオード４６、主導体線４２、副導体線４４からなる第２の循環電流経路が形成されたと考えることができる。ただし、副導体線４３及び４４のインダクタンスL０は、この戻り電流Ifの増加を抑制する。しかし、戻り電流Ifにより、+直流端子１０１の電位の上昇が抑制されることも確かである。
【００４６】
第１、第２実施例によれば、導体線５が本発明で言う高電位導体線を構成する時、導体線６は本発明で言う第１の還流導体線を構成する。導体線５が本発明で言う第１の還流導体線を構成する時、導体線６は、高電位導体線を構成する。ダイオード１３は、第１の還流ダイオードを構成する。同様に、導体線７が本発明で言う低電位導体線を構成する時、導体線８は本発明で言う第２の還流導体線を構成する。導体線７が本発明で言う第２の還流導体線を構成する時、導体線８は低電位導体線を構成する。ダイオード２３は第２の還流ダイオードを構成する。
【００４７】
第３実施例によれば、導体線４１は本発明で言う高電位導体線を構成し、導体線４５は本発明で言う第１の還流導体線を構成する。ダイオード４５は、第１の還流ダイオードを構成する。同様に、導体線４２は本発明で言う低電位導体線を構成し、導体線４４は本発明で言う第２の還流導体線を構成する。ダイオード４６は第２の還流ダイオードを構成する。
【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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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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