JP5225921B2 - インバータ保護回路 - Google Patents

Description

この発明は、インテリジェントパワーモジュールを用いたインバータの保護回路に関するものである。

インテリジェントパワーモジュール（Intelligent Power module、以下「ＩＰＭ」と称する。）は、電力制御用のパワーＭＯＳＦＥＴや絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ） などのパワーデバイスの駆動回路や自己保護回路を組み込んだパワーモジュールであり、装置の小型化・軽量化、開発コストの低減、開発期間の短縮などに役立つものとして広く用いられている。
従来、このＩＰＭには短絡保護回路と過負荷保護回路とが内蔵され、短絡時にはＩＰＭの電源を緊急停止し、過負荷時にはＩＰＭを動作させながら過負荷を解消するように制御するものが存在していた。
特開２００３−８８０９３号公報

しかしながら、近年、ＩＰＭはその用途に応じて機能を特化したものが開発されるようになり、さらなる小型化・軽量化が求められている。また、ＩＰＭは同一基板上に複数の回路を構成するため、各種保護回路も簡素化される傾向があり、最近では、内蔵される保護回路は短絡保護あるいは過負荷保護の何れかのみに限定されたものも存在する。

この場合、ＩＰＭでは短絡保護か過負荷保護か何れかの機能しか得られないので、必要に応じて不足する機能を補う必要があり、例えば、ＩＰＭに内蔵された短絡保護回路の設定値を下げて過負荷時にもこの保護回路が機能するようにしたり、あるいは、過負荷保護回路を別途ＩＰＭ外部に設けるなどしている。

しかしながら、ＩＰＭに内蔵された短絡保護回路の設定値を下げて過負荷時にもこの保護回路が機能するようにした場合、負荷による過渡的な過電流といったＩＰＭ破損にまでは至らない一時的な過負荷に対しても保護回路が機能して短絡時と同じ動作（電源ＯＦＦ或いは出力ＯＦＦ）を行ってしまい、インバータを安定して動作させることができない。他方、この保護回路の機能を過負荷保護（ＩＰＭを動作させながら過負荷を解消するように制御）とした場合には、負荷が短絡した場合でも過負荷保護動作に入ってしまうのでＩＰＭを緊急停止することができず、ＩＰＭを破損してしまうこととなる。

過負荷保護回路を別途ＩＰＭ外部に設けるものとしては、例えば、図３のように、ＩＰＭの入力側にカレントトランスとシャント抵抗を介在させ、カレントトランスを過負荷検出センサー、シャント抵抗を短絡検出センサーとして用いたり、図４のように、コンバータとＩＰＭ入力側の間に２つのシャント抵抗を直列に接続し、一方の抵抗を過負荷検出センサー、２つのシャント抵抗の合成抵抗を短絡検出センサーとして用いるものが一般的である。

これらの保護回路によれば、ＩＰＭ内蔵の保護回路による短絡保護と、ＩＰＭ外部に設けられた過負荷保護回路による過負荷保護とが可能となる。
しかしながら、これらの保護回路では、カレントトランスや複数のシャント抵抗を用いることによって回路が大型化することから、ＩＰＭを小型化・軽量化した効果が減殺されてしまうだけでなく、発熱の問題も生じてしまう。

この発明は、短絡保護回路のみを内蔵したＩＰＭの外部に設けられた過負荷保護回路において、回路を大型化することなくＩＰＭの短絡保護及び過負荷保護を可能とするインバータ保護回路を得ることを課題とするものである。

この発明のインバータ保護回路は、短絡保護回路を内蔵したインテリジェントパワーモジュールの外部に過負荷保護回路を設けたインバータ保護回路において、前記インテリジェントパワーモジュールの入力側に電流検出手段を接続し、前記電流検出手段に、前記インテリジェントパワーモジュールに内蔵され短絡判別用のしきい値が設定された短絡保護回路と、前記インテリジェントパワーモジュールの制御手段に接続され前記短絡判別用しきい値よりも低い値の過負荷判別用のしきい値が設定された比較手段を有する過負荷保護回路とを分岐して接続し、前記電流検出手段の検出値と前記各しきい値とを比較して短絡状態又は過負荷状態を判別し、短絡時には前記短絡保護回路が短絡信号を出力し、過負荷時には比較手段が過負荷信号を出力するように構成されている。

短絡保護回路には、短絡状態を判別するためのしきい値が設定された周知の短絡保護回路を用いることができ、短絡判別用のしきい値はＩＰＭの耐電流性能に応じて予めＩＰＭに設定されている。短絡保護回路は、電流検出手段で検出された検出値が短絡判別用のしきい値よりも大きい場合に短絡信号をＩＰＭ内の駆動回路に出力する。
電流検出手段としては回路の電流を検出するためのシャント抵抗を用いる。
過負荷検出の比較手段としては公知の手段を適宜利用することができ、例えば、比較演算回路や比較器を用いることができる。また、ＩＰＭの制御回路であるＰＷＭ生成用ワンチップマイコン内の機能を利用することもできる。この比較手段には過負荷状態を判別するためのしきい値が予め設定されている。この過負荷判別用のしきい値は、ＩＰＭの性能に応じて短絡判別用しきい値より低い値を任意に設定することができる。比較手段は、電流検出手段で検出された検出値が過負荷判別用のしきい値よりも大きい場合に過負荷信号を制御手段に出力する。また、この比較手段にはトランジスタを用いることもでき、この場合には、トランジスタの動作点をしきい値として利用する。
制御手段はＩＰＭ内のパワーデバイスのＯＮ／ＯＦＦを制御するための制御回路であり、例えばＰＷＭ生成用ワンチップマイコン等を用いることができる。

前記制御手段は、短絡信号が出力された場合にはＩＰＭ内の短絡保護回路が動作して電源をＯＦＦし、過負荷信号が出力された場合には制御手段がＩＰＭに入力される電力を低減させるように前記ＩＰＭを制御するものとするのが好ましい（請求項２）。

この発明によれば、短絡保護回路を内蔵したＩＰＭの入力側に電流検出手段を接続し、この電流検出手段に、前記インテリジェントパワーモジュールに内蔵され短絡判別用のしきい値が設定された短絡保護回路と、前記インテリジェントパワーモジュールの制御手段に接続され前記短絡判別用しきい値よりも低い値の過負荷判別用のしきい値が設定された比較手段を有する過負荷保護回路とを分岐して接続し、前記電流検出手段の検出値と前記各しきい値とを比較して短絡状態又は過負荷状態を判別し、短絡時には短絡信号を前記短絡保護回路に出力し、過負荷時には過負荷信号を前記制御手段に出力するようにしたので、短絡保護回路しか内蔵していないＩＰＭの外部に過負荷保護回路を設ける場合において、短絡保護回路用に備えられた電流検出手段で得られる検出値を用いることにより、回路を大型化せずに短絡状態、過負荷状態の何れも判別することができる。
そして、短絡信号が出力された場合には短絡保護回路が動作してインバータ出力をＯＦＦし、過負荷信号が出力された場合にはＩＰＭに入力される電力を低減するようにＩＰＭを制御するようにすれば、短絡状態又は過負荷状態に応じた適切なＩＰＭの保護を行い、ＩＰＭの安定した動作を実現することができる。

図１は、この発明の概要を示す構成図である。
ＩＰＭ１の入力側と整流器２との間には電流検出手段であるシャント抵抗３が接続されている。
ＩＰＭ１には、負荷に供給する電力制御を行うスイッチング素子１１、スイッチング素子１１を駆動させるための駆動回路１２、短絡時に停止信号を駆動回路１２に出力する短絡保護回路１３が内蔵され、シャント抵抗３の両端に発生する電圧Ｖｃが短絡保護回路１３に入力されるように構成されている。短絡保護回路１３には短絡状態を判別するためのしきい値ＶｓがＩＰＭの耐電流性能に応じて予め設定されている。
ＩＰＭ１の駆動回路１２にはＰＷＭ制御回路４が接続されており、ＩＰＭ１をＰＷＭ制御している。このＰＷＭ制御回路４とシャント抵抗３との間には比較手段である比較回路５が介在させてあり、シャント抵抗３両端に発生する電圧Ｖｃは短絡保護回路１３と分岐して比較回路５にも入力されるようになっている。比較回路５には過負荷状態を判別するためのしきい値ＶｏがＩＰＭの性能に応じて予め設定されている。このしきい値Ｖｏは短絡保護回路１３に設定されている短絡状態判別用のしきい値Ｖｓよりも小さい値となっている。

ＩＰＭ１の動作中、シャント抵抗３は電流検出センサーとして機能し、その両端に発生する電圧Ｖｃが短絡保護回路１３及び比較回路５に出力される。この電圧Ｖｃは短絡保護回路１３で短絡判別用しきい値Ｖｓと、比較回路５で過負荷判別用しきい値Ｖｏとそれぞれ比較され、Ｖｃ＞Ｖｓの時には短絡状態であると判断されて短絡信号Ｓｓが駆動回路１２に出力され、Ｖｓ≧Ｖｃ＞Ｖｏの時に過負荷状態であると判断されて過負荷信号ＳｏがＰＷＭ制御回路４に出力される。
短絡信号Ｓｓが駆動回路１２に出力されるとインバータの出力がＯＦＦされてＩＰＭ１の動作が緊急停止され、ＩＰＭ１は短絡による破損から保護される。他方、過負荷信号ＳｏがＰＷＭ制御回路４に出力されると、ＰＷＭ制御回路４はＰＷＭのデューティー比を小さくした制御信号を駆動回路１２に出力して過負荷が解消するようにＩＰＭを制御する。
したがって、短絡保護回路しか内蔵していないＩＰＭの外部に過負荷保護回路を設ける場合において、短絡保護回路用に備えられた電流検出手段で得られる検出値を用いて回路を大型化することなく短絡状態及び過負荷状態の何れも判別することができ、その状態に応じた適切なＩＰＭの保護を行うことができる。

この実施例において、比較回路５はＰＷＭ制御回路４の外部に接続してあるが、ＰＷＭ制御回路４としてワンチップマイコンを用いた場合には、このマイコン内の比較演算機能を利用して比較回路と制御回路とを一体的に構成することも可能である。
また、比較手段として比較回路５の代わりにトランジスタを用いることもできる。この場合、トランジスタの動作点をしきい値として利用する。すなわち、シャント抵抗３で検出された電流をベース電流として利用し、トランジスタのｈｆｅ（電流増幅率）に基づき、過負荷時にコレクタ−エミッタ間がＯＮとなるベース電流が得られるようにこの検出電流を抵抗などで調節しておくで、トランジスタを比較手段として動作させることができる。

また、シャント抵抗のような発熱体の使用を可及的に抑え、カレントトランスのような大型部品を使用せずに済むため、コンクリート打設現場等で使用するコンクリートバイブレータ用電源として、コンクリートバイブレータのスイッチケースに内蔵できるように小型化することが可能となる。

この発明の比較手段は、図２に示すように、複数用いることも可能である。
ＰＷＭ制御回路４とシャント抵抗３との間には３つの比較回路５１，５２，５３が並列に介在させてあり、シャント抵抗３の両端に発生する電圧Ｖｃが短絡保護回路１３と分岐してこれら比較回路５１，５２，５３にも入力されるようになっている。各比較回路には過負荷状態を判別するためのしきい値がＩＰＭの性能に応じて予め設定されている。このしきい値は、比較回路ごとに異なった値となっており、比較回路５１にはしきい値Ｖｏ１が、比較回路５２にはしきい値Ｖｏ２が、比較回路５３にはしきい値Ｖｏ３が設定されている。各しきい値の大小はＶｏ１＜Ｖｏ２＜Ｖｏ３の関係にあり、さらにＶｏ３は短絡保護回路１３に設定されている短絡状態判別用のしきい値Ｖｓよりも小さい値となっている。その他の構成は比較手段を一つのみ用いた場合と同様である。
この実施例においては、過負荷状態を判別するためのしきい値が３パターン設けられているので、過負荷状態に応じてきめ細かな出力調整が可能となる。すなわち、シャント抵抗３の両端に発生する電圧Ｖｃが比較回路５１，５２，５３で過負荷判別用しきい値Ｖｏ１，Ｖｏ２，Ｖｏ３とそれぞれ比較され、Ｖｏ１＜Ｖｃ≦Ｖｏ２の時には比較回路５１から過負荷信号Ｓｏ１が、Ｖｏ２＜Ｖｃ≦Ｖｏ３の時には比較回路５２から過負荷信号Ｓｏ２が、Ｖｏ３＜Ｖｃ≦Ｖｓの時には比較回路５３から過負荷信号Ｓｏ３が、ＰＷＭ制御回路４に出力される。ＰＷＭ制御回路４は過負荷信号Ｓｏ１ないしＳｏ３に応じて適切に過負荷状態を解消させる制御信号を駆動回路に出力して、インバータを制御する。これにより過負荷状態のレベルに応じたきめ細かなインバータ出力制御が可能となる。その他の動作は比較手段を一つのみ用いた場合と同様である。

この発明は、インテリジェントパワーモジュールを用いたインバータの保護回路に関するものであり、産業上の利用可能性を有するものである。

この発明の実施例の概要を示す構成図 比較手段を複数用いた実施例の概要を示す構成図 過負荷保護回路をＩＰＭ外部に設ける場合の従来の構成例 同じく別の態様の従来の構成例

１ インテリジェントパワーモジュール（ＩＰＭ）
１１ スイッチング素子
１２ 駆動回路
１３ 短絡保護回路
２ 整流器
３ シャント抵抗
４ 制御回路
５ 比較回路
５１，５２，５３ 比較回路

Claims (2)

1. 短絡保護回路を内蔵したインテリジェントパワーモジュールの外部に過負荷保護回路を設けたインバータ保護回路において、
   前記インテリジェントパワーモジュールの入力側に電流検出手段が接続され、
   前記電流検出手段には、
   前記インテリジェントパワーモジュールに内蔵され短絡判別用のしきい値が設定された短絡保護回路と、
   前記インテリジェントパワーモジュールの制御手段に接続され前記短絡判別用しきい値よりも低い値の過負荷判別用のしきい値が設定された比較手段を有する過負荷保護回路と、
   が分岐して接続され、
   前記電流検出手段の検出値と前記各しきい値とが比較されて短絡状態又は過負荷状態が判別され、
   短絡時には前記短絡保護回路が短絡信号を出力し、過負荷時には前記比較手段が過負荷信号を出力するようにした、
   インバータ保護回路。
2. 制御手段は、短絡信号が出力された場合には短絡保護回路が動作して出力をＯＦＦし、過負荷信号が出力された場合には制御手段がインテリジェントパワーモジュールに入力される電力を低減させるように前記インテリジェントパワーモジュールを制御するものとしたことを特徴とする請求項１記載のインバータ保護回路。
   

Images