JP2013511249A - インバータ用パワースイッチ装置 - Google Patents

Abstract

本発明はインバータ，特に駆動インバータ用のパワースイッチ装置（１）は，パワー半導体スイッチ（２）と，パワー半導体スイッチ（２）に配置され，かつパワー半導体スイッチ（２）に接続可能とした三相モータ（５）による電圧逆作用に対する保護機能を有する保護回路（３）とで構成されている。パワー半導体スイッチ（２）は，制御入力端（２ａ）と，入力端（２ｂ）及び出力端（２ｃ）とを含む。保護回路（３）は，入力端（２ｂ）と制御入力端（２ａ）との間に接続され，ツェナーダイオード（７）及び第１抵抗器（８）で構成される直列接続部と，制御入力端（２ａ）と出力端（２ｃ）との間に接続され，第２抵抗器（９）及びダイオード（１０）で構成される直列接続部とを含んでいる。
【選択図】図１

Description

本発明は，請求項１の上位概念部分に記載のインバータ用パワースイッチ装置に関するものである。

電気機械の制御には，特に変換装置が使用される。電気機械は，バッテリー等の直流電源により給電されるものであるが，駆動に際して単相又は多相の交流位相を必要とする。このような電気機械は，特に車両駆動技術の分野において，例えば，永久励起型同期モータや他励起型同期モータ等の三相モータとして構成されている。

変換装置は，例えばモータ側に配置されるインバータ又は駆動インバータを含み，例えば中間回路，特にコンデンサを含む中間回路における直流電圧を，所望の周波数を有する交流電圧に変換し，作動させるべき三相モータの回転方向及び回転数を制御するものである。このような駆動インバータは，例えば電気駆動式の車両に組み込まれるものであり，この場合に三相モータは車両駆動用モータとして構成されている。

このような車両駆動モータ，特に永久励起型同期モータは，原則的にモータの構造に依存する挙動を示す。すなわち，モータの駆動においては，その回転数の増大に伴って上昇する逆電圧又は内部電圧が誘導され（同期電圧），このような逆電圧又は内部電圧は極めて高い回転数に際し，特に（駆動）インバータ内の還流ダイオードを介して中間回路に印加され，又は逆流するものであり，変換装置又はインバータ，バッテリー及び他の素子に損傷をもたらす可能性がある。このことを防止しながらもモータを高回転状態で維持するため，従来技術においては定格回転数の超過に際して弱め界磁制御を行い，損傷を引き起こし得る電圧逆作用を防止する提案がなされている。しかしながら，弱め界磁制御を行ったとしても変換装置又は他の素子における損傷を完全に防止することは困難であり，この事実は特にモータが定格回転数を超過して駆動（弱め界磁駆動）され，例えば弱め界磁電流が維持できなくなる場合に該当するものである。弱め界磁電流が維持できなくなる原因には，例えば制御用電子部品における故障がある。

変換装置を，交流電流側（すなわちモータ側）における不所望の電圧上昇に伴い発生する損傷をもたらし得る電圧逆作用から保護するため，従来技術においては種々の保護回路が提案されている。このような保護回路の多くは，故障時に，変換装置のパワー半導体スイッチ又はモータ側のインバータを短絡させ，従ってこれらに接続した各モータ端子を短絡させるものである。ブリッジ回路を利用したこのような短絡により，例えば中間回路コンデンサ，バッテリー，パワースイッチ，引いては変換装置をロータの回転に基づいて誘導された電圧による損傷から保護することが可能となる。しかしながら，既知の装置における欠点は，短絡をインバータの制御用電子部品に基づいて能動的に生じさせなくてはならない点にある。制御用電子部品が故障した場合，同期モータ内又はモータ内で誘導される電圧がもたらす損傷に対する保護機構が機能しないことは言うまでもない。

特許文献１（独国特許出願公開第１０２５１９７７号明細書）には，電子部品におけるパワー半導体スイッチを短絡させるための能動的な制御装置を備える同期モータが開示されている。この保護装置の欠点は，特に能動的デバイスを多数使用するため，コストが高いだけでなく構成が複雑になることにある。特許文献２（独国特許出願公開第１０２００５００９３４１号明細書）には，ロジック及び測定ユニットを備えるパワーアンプ用の保護装置が開示されている。この装置においても高価な能動的デバイスが使用され，やはりコストが高く構成が複雑になるという欠点がある。特許文献３（独国実用新案公開第２９８１３０８０号明細書）には，電気的駆動装置による電圧逆作用に対する別の保護装置が開示されている。この保護装置も複雑な電子部品に加えて，電気的駆動装置によるエネルギ供給を必要とする。特許文献４（独国特許出願公開第１９８３５５７６号明細書）には，永久的に励起される電動モータ用の制御システムが開示されている。この制御システムは駆動状態検出ユニットを備えることにより，必要が生じた際に短絡を生じさせるものである。この装置も上述した文献に開示されている装置同様，構成複雑かつ高価であるだけでなく，能動的デバイスの使用なしには機能し得ない。

独国特許出願公開第１０２５１９７７号明細書 独国特許出願公開第１０２００５００９３４１号明細書 独国実用新案公開第２９８１３０８０号明細書 独国特許出願公開第１９８３５５７６号明細書

従って本発明の課題は，上述した欠点を克服するインバータ用のパワースイッチ装置を提案することにある。本発明に係るパワースイッチ装置においては，能動的デバイスを付加的に使用することなく，三相モータによる電圧逆作用に対して必要な保護機能を簡単かつ安価に提供することが可能とされている。

この課題は，本発明によれば，請求項１に記載の特徴により解決することができる。

本発明はインバータ，特に駆動インバータ用のパワースイッチ装置に関するものである。本発明のパワースイッチ装置は，パワー半導体スイッチと，パワー半導体スイッチに配置され，かつパワー半導体スイッチに接続可能とした三相モータによる電圧逆作用に対する保護機能を有する保護回路とで構成され，パワー半導体スイッチは，制御入力端，入力端及び出力端を含む。保護回路は，入力端と制御入力端との間に接続され，ツェナーダイオード及び第１抵抗器で構成される直列接続部と，制御入力端と出力端との間に接続され，第２抵抗器及びダイオードで構成される直列接続部とを含んでいる。ツェナーダイオードはパワー半導体スイッチにおける入力端と出力端との間に逆方向に配置され，ダイオードはパワー半導体スイッチにおける入力端と出力端との間に順方向に配置される。

本発明に係るパワースイッチ装置の一実施形態において，保護回路は単一のツェナーダイオード及び／又は単一のダイオードと共に，単一の第１抵抗器及び／又は単一の第２抵抗器を含んでいる。

本発明に係るパワースイッチ装置の他の実施形態において，パワー半導体スイッチは絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ）として構成され，その入力端がコレクタ電極として，制御入力端がゲート電極として，出力端がエミッタ電極としてそれぞれ構成されている。

本発明に係るパワースイッチ装置の更に他の実施形態において，パワー半導体スイッチは電界効果トランジスタ（ＦＥＴ），特にモス電界効果トランジスタ（ＭＯＳＦＥＴ）として構成され，その入力端がドレイン電極として，制御入力端がゲート電極として，出力端がソース電極としてそれぞれ構成されている。

更に本発明は，三相モータ，特に車両駆動モータに電気エネルギを供給するためのインバータにも関するものである。本発明のインバータは，三相モータの巻線に接続するためのハーフブリッジを備え，このハーフブリッジは本発明に係るパワースイッチ装置を含むものである。

本発明の一実施形態によれば，インバータはハーフブリッジ毎にパワースイッチ装置を備えている。

更に本発明に係るインバータの実施形態において，ハーフブリッジは三相モータの巻線を接続するための電気的端子を含み，この三相モータの巻線はパワースイッチ装置におけるパワー半導体スイッチの入力端に電気的に接続されている。

本発明に係るインバータにおける別の実施形態において，各ハーフブリッジは２個のパワースイッチ装置を含んでいる。

更に本発明は，車両用の三相モータを有する駆動装置に関するものでもある。この三相モータには，インバータにより電気エネルギが供給され，インバータはこの電気エネルギを三相モータに供給するためにブリッジ回路を含んでいる。更にブリッジ回路は，本発明に係るパワースイッチ装置を含む。

本発明に係る駆動装置の一実施形態において，三相モータは同期モータ，特に車両駆動用モータとして構成されている。この場合，三相モータは永久励起型モータ又は他励起型同期モータとして構成することが可能である。

本発明に係る駆動装置の他の実施形態によれば，ブリッジ回路は，パワースイッチ装置が配置されているハーフブリッジを含んでいる。

本発明の更なる特徴及び利点は，以下に本発明の主要素を示す図面を参照して説明する実施形態から，そして特許請求の範囲から明らかにである。個別的な特徴は，本発明の実施形態において単独で又は任意の組み合わせで実現可能である。

以下，添付図面に基づいて本発明の好適な実施形態を詳述する。

本発明の実施形態に係るインバータが備えるブリッジ回路を，モータ側に配置すると共にパワー半導体スイッチを配置した状態で例示する回路図である。 本発明の実施形態に係るパワー半導体スイッチを例示する回路図である。

なお，以下の説明及び図面において，同一参照符号は同一機能又は類似機能を有する素子を示している。

図１は，特に三相モータによる電圧逆作用を防止する本発明に係るパワースイッチ装置１を示すものである。パワースイッチ装置１は，パワー半導体スイッチ２と，永久励起型同期モータ又は他励起型同期モータ用の（駆動）インバータが備えるブリッジ回路４に接続される保護回路３とで構成される。このような（駆動）インバータは，例えば車両用の駆動モータ５に使用される。また，インバータは変換装置の一部を構成するものである。

変換装置は，中間回路を給電する既知のコンバータユニット（図示せず）を含み，このような中間回路には例えば中間回路コンデンサが配置される。中間回路は，例えば中間回路電圧Ｕ_ＺＫを直流電圧として駆動インバータが備えるブリッジ回路４の入力端４´に供給し，これによりモータ駆動に必要な交流電圧を生成するものである。インバータは，電圧及び周波数が可変とされている出力電圧として交流電圧を生成することにより，インバータに接続された三相モータ５の回転方向及び回転数を制御する。

入力端子４´に中間回路電圧Ｕ_ＺＫが印加されるブリッジ回路４は，例えばハーフブリッジ４ａ〜４ｃを含み，これらハーフブリッジ４ａ〜４ｃは，例えばセンタータップを介して三相モータ５における各巻線５ａ〜５ｃに既知の方法で電気的に接続されるものである。本発明において三相モータ５として構成されるモータにおける３個の巻線は，それぞれ１個のハーフブリッジ４ａ〜４ｃを介して給電され，その際，電圧又は所定の極性を有する電位差が一定時間にわたって供給される。この供給は，ハーフブリッジ４ａ〜４ｃの各パワー半導体スイッチ２が，制御ロジック等の既知の方法により制御されることでなされる。

ハーフブリッジ４ａ〜４ｃ，例えば２個のパワー半導体スイッチ２を含み，これら両パワー半導体スイッチは，例えば絶縁されたゲート電極を有するバイポーラトランジスタ（絶縁ゲートバイポーラトランジスタＩＧＢＴ）として，又はモス電界効果トランジスタ（ＭＯＳＦＥＴ）等の電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）として構成されるものである。この場合，パワー半導体スイッチ２は特に変換装置又は駆動インバータ内に生ずる電圧に応じて設計される。なお，上述したタイプとは異なるパワー半導体スイッチを接続してもよい。

各パワー半導体スイッチ２（図２参照）は，制御入力端２ａを例えばゲート電極として，入力端２ｂを例えばコレクタ電極（ＩＧＢＴ）又はドレイン電極（ＭＯＳＦＥＴ）として，更に出力端２ｃを例えばエミッタ電極（ＩＧＢＴ）又はソース電極（ＭＯＳＦＥＴ）として有している。各入力端２ｂと出力端２ｃとの間には，例えば還流ダイオード６が既知の方法により並列接続されている。

パワー半導体スイッチ２は，各制御入力端２ａ又は制御端により既知の方法で制御されるものであり，この制御にあたっては例えば制御用電子部品（図示せず）が使用される。この場合，制御を通して入力端６ｂと出力端６ｃとの間で短絡を生じさせることが可能であり，このことはパワー半導体スイッチ２が通電されることを意味する。

本発明によれば，ブリッジ回路４のパワー半導体スイッチ２は，これに配置され又は接続された本発明に係る保護回路３を有することにより，本発明に係るパワースイッチ装置１を構成するものである。このパワースイッチ装置１は，ブリッジ回路４における他のパワースイッチ装置１と共にインバータ及び／又は変換装置を，三相モータ５によるサージ電圧又は電圧逆作用の発生に伴う損傷から保護する。

本発明に係るパワースイッチ装置１を構成するにあたっては，パワー半導体スイッチ２が保護回路３に接続されるか又は保護回路３がパワー半導体スイッチ２に配置される。保護回路３は原則的にツェナーダイオード７，第１抵抗器８及び第２抵抗器９，並びにダイオード１０による直列接続部として構成される。この直列接続部における第１端部であるツェナーダイオード７の電気的端子７ａは，パワー半導体スイッチ２における入力端２ｂに対する導電的な接続を確立するために設けるものであり，第２端部である第２ダイオード１０の電気的端子１０ａは，パワー半導体スイッチ２における出力端２ｃに対する導電的な接続を確立するために設けるものである。分圧器として機能する第１抵抗器８と第２抵抗器９との間において，パワー半導体スイッチ２の制御入力端２ａに対する接続は電気的端子又は接続端子により確立される。第１抵抗器８及び／又は第２抵抗器９の代替として，例えば複数個の抵抗器で構成される並列接続部又は直列接続部としてもよい。

本発明に係るパワースイッチ装置１を構成するため，保護回路３をパワー半導体スイッチに配置又は接続するにあたっては，降伏電圧に達するに伴い導電性を示すツェナーダイオード７が，入力端２ｂと制御入力端２ａとの間に上述した第１の配列（図２参照）で抵抗器８に直列接続される。すなわち，（保護回路３に接続されているパワー半導体スイッチ２）の入力端２ｂを起点とし，まずツェナーダイオード７が入力端２ｂに電気的に接続された後，第１抵抗器８が制御入力端２ａに対して直列接続される。換言すれば，第１抵抗器８はツェナーダイオード７と制御入力端２ａとの間に配置され，これらに電気的に接続されるものである。ツェナーダイオード７はこの場合，特に逆方向に配置される。ここに逆方向とは，電圧値がツェナーダイオード７の降伏電圧に達するまで，入力端２ｂから制御入力端２ａに電流（正電流）が流れない方向のことを指す。

更に本発明によれば，パワー半導体スイッチ２における制御入力端２ａと出力端２ｃとの間に，第２抵抗器９及びダイオード１０で構成される直列接続部が上述した第２の配列（図２参照）で接続される。すなわち，（保護回路３に接続されているパワー半導体スイッチ２）の制御入力端２ａを起点とし，まず第２抵抗器９が制御入力端２ａに接続された後，ダイオード１０が直列接続される。換言すれば，ダイオード１０は第２抵抗器９と出力端２ｃとの間に配置され，これらに電気的に接続されるものである。ダイオード１０はこの場合，特に順方向に配置される。ここにダイオードとの関連における順方向とは，制御入力端２ａから出力端２ｃにのみ電流が流れる方向のことを指す。

更にこのようにして構成されたパワースイッチ装置１において，パワー半導体スイッチ２の入力端２ｂ及び出力端２ｃに対して，還流ダイオード６が既知の方法により並列接続されている。

図１に示すように，損傷をもたらす電圧逆作用に対する保護機能を有する本発明に係るインバータを構成する際，（駆動）インバータの各ハーフブリッジ４ａ〜４ｃに本発明に係るパワースイッチ装置１を配置する。これにより，何らかの故障に際して，三相駆動されるモータ５における例えば３本の巻線５ａ〜５ｃの何れをも短絡させることが可能とされている。この場合，本発明に係る各パワースイッチ装置１は，その構成要素であるパワー半導体スイッチ２の入力端２ｂを介してモータ５の巻線５ａ〜５ｃに電気的に接続されると共に，各ハーフブリッジ４ａ〜４ｃにおける他の出力端２ｃにも電気的に接続される。この場合，パワースイッチ装置１におけるパワー半導体スイッチ２の出力端２ｃは，例えば既知の方法により中間回路の端子又は電位に接続され，制御入力端２ａは例えば既知の方法により制御用電子部品に接続される。本発明においては，例えばパワー半導体スイッチ２を代替するものとして，インバータに設けるパワースイッチ装置１を他の配置としてもよい。これに関連し，本発明に係るパワースイッチ装置１を構成するため，保護回路３はインバータ内に事前配置したパワー半導体スイッチ２に対して後発的に例えばアドオンとして配置することもできる。更に，ブリッジ回路４の下列及び上列（図１参照）の一方におけるパワー半導体スイッチ２のみをパワースイッチ装置１として構成するか，又は一方のパワー半導体スイッチ２のみに保護回路３を配置してもよい。保護回路３は，例えばＩＧＢＴ又はＭＯＳＦＥＴとして構成されるパワー半導体スイッチ２に直接接続することができ（ＩＣ），これらＩＧＢＴ又はＭＯＳＦＥＴは集積回路素子として構成されるものである。

本発明によれば，損傷を引き起こし得る電圧逆作用の発生に際して同期モータ等の駆動モータにより誘導された電圧がツェナーダイオード７の逆電圧を超過すると，パワースイッチ装置１の保護回路３を構成する全ての素子，すなわちツェナーダイオード７，第１抵抗器８及び第２抵抗器９，並びにダイオード１０に電流が流れる。その際，第１抵抗器８及び第２抵抗器９は分圧回路又は分圧器として機能し，これら分圧回路又は分圧器は制御入力端２ａに基づいてパワー半導体スイッチ２の制御を司る。パワー半導体スイッチ２は短絡され，これにより電圧がツェナーダイオード７の逆電圧を下回るものである。従って，パワー半導体スイッチ２に印加される最大電圧は，ツェナーダイオード７の逆電圧を恒久的に下回る値に維持される。従って，ツェナーダイオード７はその設定上の降伏電圧に応じて，三相モータ５から逆流する電圧を一定値に制限する。この本発明に係る受動的な電圧制御機構を実現する上で，能動的デバイスだけでなく制御電子部品による能動的な制御，及び付加的な供給電圧も同様に不要とされている。更に，本発明に係るパワースイッチ装置１は，変換装置の直流側（例えばコンバータユニット及び／又は中間回路），特にブロックコンデンサ又はバリスタからのサージ電圧に対する保護としても機能するものである。

１ パワースイッチ装置
２ パワー半導体スイッチ
２ａ 制御入力端
２ｂ 入力端
３ 保護回路
４ ブリッジ回路
４´ 入力端子
４ａ，４ｂ，４ｃ ハーフブリッジ
５ 三相モータ
５ａ，５ｂ，５ｃ 巻線
６ 還流ダイオード
７ ツェナーダイオード
７ａ ツェナーダイオードの電気的端子（保護回路の第１端部）
８ 第１抵抗器
９ 第２抵抗器
１０ ダイオード
１０ａ ダイオードの電気的端子（保護回路の第２端部）

Claims (15)

1. インバータ，特に駆動インバータ用のパワースイッチ装置（１）であって，該パワースイッチ装置（１）は，パワー半導体スイッチ（２）と，該パワー半導体スイッチ（２）に配置され，かつ前記パワー半導体スイッチ（２）に接続可能とした三相モータ（５）による電圧逆作用に対する保護機能を有する保護回路（３）とで構成され，前記パワー半導体スイッチ（２）は，制御入力端（２ａ），入力端（２ｂ）及び出力端（２ｃ）を備えるパワースイッチ装置（１）において，
   前記保護回路（３）は，前記入力端（２ｂ）と前記制御入力端（２ａ）との間に接続され，ツェナーダイオード（７）及び第１抵抗器（８）で構成される直列接続部と，前記制御入力端（２ａ）と前記出力端（２ｃ）との間に接続され，第２抵抗器（９）及びダイオード（１０）で構成される直列接続部とを含んでいることを特徴とするパワースイッチ装置。
2. 請求項１に記載のパワースイッチ装置であって，前記ツェナーダイオード（７）は，前記パワー半導体スイッチ（２）の前記入力端（２ｂ）と前記出力端（２ｃ）との間に逆方向に配置されていることを特徴とするパワースイッチ装置。
3. 請求項１又は２に記載のパワースイッチ装置であって，前記ダイオード（１０）は，前記パワー半導体スイッチ（２）の前記制御入力端（２ａ）と出力端（２ｃ）との間に順方向に配置されていることを特徴とするパワースイッチ装置。
4. 請求項１〜３の何れか一項に記載のパワースイッチ装置であって，前記保護回路（３）は，単一のツェナーダイオード及び／又は単一のダイオード（１０）を含んでいることを特徴とするパワースイッチ装置。
5. 請求項１〜４の何れか一項に記載のパワースイッチ装置であって，前記保護回路（３）は，単一の第１抵抗器（８）及び／又は単一の第２抵抗器を含んでいることを特徴とするパワースイッチ装置。
6. 請求項１〜５の何れか一項に記載のパワースイッチ装置であって，前記パワー半導体スイッチ（２）は絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ）として構成され，その入力端（２ｂ）がコレクタ電極として，制御入力端（２ａ）がゲート電極として，出力端（２ｃ）がエミッタ電極としてそれぞれ構成されていることを特徴とするパワースイッチ装置。
7. 請求項１〜６のいずれか一項に記載のパワースイッチ装置であって，前記パワー半導体スイッチ（２）は電界効果トランジスタ（ＦＥＴ），特にモス電界効果トランジスタ（ＭＯＳＦＥＴ）として構成され，その入力端（２ｂ）がドレイン電極として，制御入力端（２ａ）がゲート電極として，出力端（２ｃ）がソース電極としてそれぞれ構成されていることを特徴とするパワースイッチ装置。
8. 三相モータ（５），特に車両駆動用モータに電気エネルギを供給するためのインバータであって，前記三相モータ（５）の巻線（５ａ〜５ｃ）に接続されるハーフブリッジ（４ａ〜４ｃ）を備えるインバータにおいて，
   前記ハーフブリッジ（４ａ〜４ｃ）は，請求項１〜７の何れか一項に記載のパワースイッチ装置（１）を含んでいることを特徴とするインバータ。
9. 請求項８に記載のインバータであって，該インバータは，前記ハーフブリッジ（４ａ〜４ｃ）毎に１個の前記パワースイッチ装置（１）を備えていることを特徴とするインバータ。
10. 請求項８又は９に記載のインバータであって，前記ハーフブリッジ（４ａ〜４ｃ）は，前記三相モータ（５）における前記巻線（５ａ〜５ｃ）を接続するための電気的端子を含み，前記巻線（５ａ〜５ｃ）は，前記パワースイッチ装置（１）のパワー半導体スイッチ（２）における前記入力端（２ｂ）に電気的に接続されていることを特徴とするインバータ。
11. 請求項８〜１０の何れか一項に記載のインバータであって，それぞれの前記ハーフブリッジ（４ａ〜４ｃ）は，２個の前記パワースイッチ装置（１）を含んでいることを特徴とするインバータ。
12. 三相モータ（５）を備える車両駆動装置であって，該三相モータ（５）はインバータにより電気エネルギを供給され，前記インバータは前記三相モータ（５）に電気エネルギを供給するためのハーフブリッジを含む駆動装置において，
    前記ハーフブリッジ（４ａ〜４ｃ）は，請求項１〜７の何れか一項に記載のパワースイッチ装置（１）を含んでいることを特徴とする駆動装置。
13. 請求項１２に記載の駆動装置であって，前記三相モータ（５）が同期モータ，特に車両駆動モータとして構成されていることを特徴とする駆動装置。
14. 請求項１２又は１３に記載の駆動装置であって，前記三相モータ（５）が永久励起型モータ，又は他励起型モータとして構成されていることを特徴とする駆動装置。
15. 請求項１２〜１４の何れか一項に記載の駆動装置であって，ブリッジ回路（４）は，前記パワースイッチ装置（１）が配置されている前記ハーフブリッジ（４ａ〜４ｃ）を含んでいることを特徴とする駆動装置。

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