JP2003274667A - 三相インバータ用パワーモジュールおよび三相モータ駆動システム - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】三相モータの巻線電流の情報を低い電力損失、
高い精度で検出し得る巻線電流検出回路を備えた三相イ
ンバータ用パワーモジュールを実現する。 【解決手段】正弦波駆動用のＰＷＭ信号により駆動され
る三相インバータ用のパワーモジュールにおいて、三相
フルブリッジ回路の下アームにセンス付きＩＧＢＴ114
〜116 を用い、その主エミッタを接地端子13に接続し、
センスエミッタと接地端子との間に低抵抗のシャント抵
抗14を接続し、コレクタ・主エミッタ間およびコレクタ
・センスエミッタ間に対応して所定の分流比で電流を分
流可能にアノードが２分割された２つのダイオードD2、
D3を並列に接続し、シャント抵抗に生じた電圧を増幅器
16、分流比補償器17で処理して三相モータ20の巻線電流
を検出する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、三相インバータ用
パワーモジュールおよび三相モータ駆動システムに係
り、特に三相モータの巻線電流を検出する回路に関する
もので、ＰＷＭ信号による正弦波駆動方式により駆動さ
れる三相モータの巻線電流の総和が一定になるようにベ
クトル制御を行うインテリジェントパワーモジュールに
使用されるものである。

【０００２】

【従来の技術】三相インバータのＤＣブラシレスモータ
の駆動方式は、省エネおよび静音化の観点から、矩形波
駆動方式から正弦波駆動方式に移行しつつある。このよ
うな正弦波駆動方式では、モータ巻線の駆動電流を正弦
波とするために全期間にわたって通電している。

【０００３】上記ＤＣブラシレスモータは同期モータで
あるので、ロータの位置を検出して駆動相の切り替えを
行う必要がある。正弦波駆動方式を採用した三相モータ
のロータの位置の検出にセンサー（例えばホール素子）
を用いる方式では、例えば洗濯機用の三相モータに適用
した場合に、トルク変動が大きい時とか高速回転の時に
ロータ位置を推定して正弦波波形を生成している関係で
正弦波が歪む問題があり、これが振動、音の発生を引き
起こしていた。

【０００４】正弦波駆動方式を採用した三相モータのロ
ータ位置の検出にセンサーを用いない方式として、巻線
に流れる電流を検出し、巻線電流の総和が一定になるよ
うに（モータのトルクが一定になるように）制御するベ
クトル制御が用いられる。

【０００５】ベクトル制御では、巻線電流をリアルタイ
ムに高精度で検出する必要があり、検出結果を高速演算
回路、例えばＤＳＰ（デジタルシグナルプロセッサ）に
より処理して正弦波駆動用ＰＷＭ信号を生成している。

【０００６】三相モータの巻線電流をリアルタイムに高
精度で検出するために、三相フルブリッジ接続されたパ
ワー素子の各アームに流れる電流を検出することで、巻
線電流を検出することができる。

【０００７】従来は、三相フルブリッジ接続されたパワ
ー素子と三相モータとの間に流れる電流をカレントトラ
ンスにより検出することが多かった。しかし、このカレ
ントトランスは、磁気飽和に伴う補正回路を必要とし、
高価であり、システム価格が上昇するという問題があっ
た。

【０００８】最近では、三相フルブリッジ接続されたパ
ワー素子の下アームの主電流経路に低抵抗を挿入し、こ
の抵抗（シャント抵抗）の電圧を正弦波駆動用ＰＷＭ信
号に同期して読み取って巻線電流の情報として使用する
回路が実用化されている。

【０００９】図６および図７は、それぞれ従来の三相モ
ータ駆動システムを示す。

【００１０】図６の回路は、三相フルブリッジ接続され
たパワー素子41〜46の下アームの主電流経路に共通に低
抵抗のシャント抵抗47を挿入している。図５の回路は、
三相フルブリッジ接続されたパワー素子51〜56の下アー
ムの主電流ラインに個別に低抵抗のシャント抵抗57〜59
を挿入している。

【００１１】図６および図７の回路は、接地基準に構成
することができ、シャント抵抗47、57〜59はカレントト
ランスに比べて価格が安く、電流検出回路のコストを低
減できる。しかし、この回路構成は、シャント抵抗47、
57〜59に主電流を流す必要があるので電力損失が大きく
なる。

【００１２】

【発明が解決しようとする課題】上記したように従来の
三相インバータ用パワーモジュールにおいて三相フルブ
リッジ接続されたパワー素子の下アームの主電流経路に
挿入したシャント抵抗の電圧を読み取って巻線電流の情
報として使用する回路は、電力損失が大きいという問題
があった。

【００１３】上記電力損失を軽減するために、三相フル
ブリッジ接続されたパワー素子の下アームにセンス端子
付きＩＧＢＴ（絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ）
を使うことが考えられる。この場合、このセンスＩＧＢ
Ｔに並列接続されるダイオードの回生電流を検出できな
いと、シャント抵抗の電圧から検出した巻線電流は、正
弦波駆動用ＰＷＭ信号の特定期間のみの電流を検出した
ことになり、カレントトランスにより検出した巻線電流
と比べて情報が不足し、ベクトル制御を行う上で必要十
分な電流情報が欠落することになる。

【００１４】本発明は上記の問題点を解決すべくなされ
たもので、三相モータの巻線電流の情報を低い電力損
失、高い精度で検出し得る巻線電流検出回路を備えた三
相インバータ用パワーモジュールを提供することを目的
とする。

【００１５】

【課題を解決するための手段】本発明の三相インバータ
用パワーモジュールは、正弦波駆動用のＰＷＭ信号によ
り駆動されるパワースイッチ素子からなる三相フルブリ
ッジ回路の上アームを構成する３個のパワーＩＧＢＴ
と、前記三相フルブリッジ回路の下アームを構成し、そ
れぞれ所定の分流比で電流を分流可能にエミッタが主エ
ミッタとセンスエミッタに２分割された３個のセンス付
きＩＧＢＴと、前記上アームを構成するＩＧＢＴの各コ
レクタに共通に接続された電源端子と、前記下アームを
構成するセンス付きＩＧＢＴの各主エミッタに共通に接
続された接地端子と、前記三相フルブリッジ回路の三相
出力を三相モータの巻線に接続するための３個の出力端
子と、前記上アームを構成するＩＧＢＴのコレクタ・エ
ミッタ間に並列に接続され、回生電流を流すための第１
のダイオードと、所定の分流比で電流を分流可能にアノ
ードが２分割され、前記センス付きＩＧＢＴのコレクタ
・主エミッタ間に並列に接続された第２のダイオードお
よびコレクタ・センスエミッタ間に並列に接続された第
３のダイオードと、前記下アームを構成するセンス付き
ＩＧＢＴのセンスエミッタと前記接地端子との間に接続
された電流／電圧変換用のシャント抵抗とを具備するこ
とを特徴とする。

【００１６】本発明の三相モータ駆動システムは、正弦
波駆動用のＰＷＭ信号により駆動されるパワースイッチ
素子からなる三相フルブリッジ回路の上アームを構成す
る３個のＩＧＢＴと、前記三相フルブリッジ回路の下ア
ームを構成し、それぞれ所定の分流比で電流を分流可能
にエミッタが主エミッタとセンスエミッタに２分割され
た３個のセンス付きＩＧＢＴと、前記上アームを構成す
るＩＧＢＴの各コレクタに共通に接続された電源端子
と、前記下アームを構成するセンス付きＩＧＢＴの各主
エミッタに共通に接続された接地端子と、前記三相フル
ブリッジ回路の三相出力を三相モータの巻線に接続する
ための３個の出力端子と、前記上アームを構成するＩＧ
ＢＴのコレクタ・エミッタ間に並列に接続され、回生電
流を流すための第１のダイオードと、所定の分流比で電
流を分流可能にアノードが２分割され、前記センス付き
ＩＧＢＴのコレクタ・主エミッタ間に並列に接続された
第２のダイオードおよびコレクタ・センスエミッタ間に
並列に接続された第３のダイオードと、前記下アームを
構成するセンス付きＩＧＢＴのセンスエミッタと前記接
地端子との間に接続された電流／電圧変換用のシャント
抵抗と、前記シャント抵抗に発生した電圧を増幅する増
幅器と、前記正弦波駆動用のＰＷＭ信号のタイミングに
依存して前記シャント抵抗および前記第３のダイオード
に回生電流が流れる期間に、前記第２のダイオードに接
続されているＩＧＢＴの主電流を前記増幅器の出力電圧
から検出するために、前記増幅器の出力電圧に対して前
記第３のダイオードと第２のダイオードとの分流比に見
合う補償を行う分流比補償手段と、前記分流比補償手段
により補償された出力電圧に基づいて前記三相モータの
巻線の電流情報を検出し、前記正弦波駆動用のＰＷＭ信
号に変換し、前記三相モータをベクトル制御する演算回
路を具備することを特徴とする。

【００１７】

【発明の実施の形態】以下、図面を参照して本発明の実
施の形態を詳細に説明する。

【００１８】＜第１の実施形態＞図１は、本発明の第１
の実施形態に係る三相インバータ用パワーモジュールお
よびそれを用いた三相モータ駆動システムの一例を示し
ている。

【００１９】図１において、10は三相インバータ用のパ
ワーモジュール、20は三相モータ、21は高速演算回路
（例えばＤＳＰ）である。

【００２０】パワーモジュール10において、三相フルブ
リッジ接続されたパワースイッチ素子としてそれぞれＩ
ＧＢＴ111 〜116 が用いられている。この場合、三相フ
ルブリッジ回路の上アーム（高電位側スイッチ素子）を
構成するＩＧＢＴ111 〜113のコレクタは電源電圧VDが
印加される電源端子12に接続されている。

【００２１】また、三相フルブリッジ回路の下アーム
（低電位側スイッチ素子）を構成するＩＧＢＴとしてセ
ンス端子付きのＩＧＢＴ（センスＩＧＢＴ）114 〜116
が用いられている。この場合、各センスＩＧＢＴの主エ
ミッタに流れる主電流とセンスエミッタに流れるセンス
電流の比（分流比）は例えば１０００：１になるように
サイズが設定されている。これは、マルチセル構成のＩ
ＧＢＴの構成セル数を異ならせることにより、容易に実
現可能である。

【００２２】そして、センスＩＧＢＴ114 〜116 の主エ
ミッタは接地端子13に接続されており、センスエミッタ
と接地端子13との間に電流／電圧変換用の抵抗値が低い
シャント抵抗14が接続されている。また、三相フルブリ
ッジ回路の上アームと下アームの接続ノードから三相出
力を三相モータ20の巻線に供給するための３個の出力端
子15が接続されている。

【００２３】さらに、前記上アームを構成するＩＧＢＴ
111 〜113 のエミッタ・コレクタ間には、回生電流を流
すための第１のダイオードD1のアノード・カソード間が
並列に接続されている。

【００２４】また、下アームを構成するセンスＩＧＢＴ
114 〜116 の主エミッタとコレクタとの間には回生電流
の大部分を流すための第２のダイオードD2が並列に接続
され、センスエミッタとコレクタとの間には回生電流の
一部を流すための第３のダイオードD3が並列に接続され
ている。

【００２５】第２のダイオードD2および第３のダイオー
ドD3は所定の比率（例えば１０：１）で電流を流すよう
に接合面積の比率が設定されている。本例では、第２の
ダイオードD2および第３のダイオードD3は、それぞれの
構成セル数が異なるマルチセル構成であり、所定の分流
比（例えば１０：１）で電流を分流可能にアノードが２
分割されており、カソードが共通である。

【００２６】前記シャント抵抗14は抵抗値が低く、電流
が流れることにより発生する電圧降下は微小であるの
で、これを増幅する増幅器(A)16 が各シャント抵抗14に
対応して設けられている。

【００２７】出力端子15→センスＩＧＢＴ→シャント抵
抗14→接地端子13の経路にモータ駆動電流が流れる期間
（駆動電流期間）と、接地端子13→第２のダイオードD2
→出力端子15の経路および接地端子13→シャント抵抗14
→第３のダイオードD3→出力端子15の経路に回生電流が
流れる期間（回生電流期間）はＰＷＭ信号のタイミング
に依存し、上記２つの期間ではシャント抵抗14の電圧降
下の極性が逆になる。

【００２８】したがって、駆動電流期間にシャント抵抗
14の電圧降下を増幅して検出することにより、駆動電流
の一部を検出することが可能であり、センス電流と主電
流との比から主電流の大きさを求めることが可能にな
る。また、回生電流期間にシャント抵抗14の電圧降下を
増幅して検出することにより、回生電流の一部を検出
し、第３のダイオードD3と第２のダイオードD2の分流比
から回生電流の大きさを求めることが可能になる。

【００２９】この場合、第３のダイオードD3のアノード
は接地端子13との間にシャント抵抗14が接続されている
が、第２のダイオードD2のアノードは接地端子13に直接
に接続されている。

【００３０】したがって、第３のダイオードD3は第２の
ダイオードD2と比べて電圧対電流特性が異なる。図２
は、第２のダイオードD2の電圧対電流特性と第３のダイ
オードD3の順方向電圧(VF)対電流(I) 特性の一例を対比
して示している。

【００３１】そこで、本実施形態では、回生電流の一部
から回生電流を求める際に第３のダイオードD3と第２の
ダイオードD2の分流比を補償するものであり、そのため
の分流比補償手段として分流比補償器17が各増幅器16に
対応して設けられている。

【００３２】この分流比補償器17は、シャント抵抗14の
電圧降下の極性に基づいて判明する回生電流期間（回生
電流が流れる期間）に、増幅器16からの入力電圧に対し
て予め判明している補正特性にしたがって補正を行うよ
うに構成されている。

【００３３】なお、第２のダイオードD2に対する第３の
ダイオードD3の分流比が小さ過ぎると、電圧対電流特性
の違いが大きくなり過ぎ、補償が困難になるので、本例
では、第２のダイオードD2に対する第３のダイオードD3
の分流比（例えば１／１０）は、センス付きＩＧＢＴの
コレクタ・主エミッタ間に対するコレクタ・センスエミ
ッタ間の分流比（例えば１／１０００）よりも大きく設
定されている。

【００３４】前記高速演算回路（例えばＤＳＰ）21は、
前記分流比補償器17の出力を受け、巻線に流れる電流を
高精度で検出するように信号処理し、三相モータ20の特
性も考慮した上で巻線電流の総和が一定になるようにベ
クトル制御するための正弦波駆動用ＰＷＭ信号を例えば
５０μｓの周期で生成する。この正弦波駆動用ＰＷＭ信
号は駆動回路18を介して三相フルブリッジ回路の各アー
ムを構成する６個のＩＧＢＴ111 〜116 に供給される。

【００３５】図３は、図１の三相モータ駆動システムの
動作を示す波形図である。

【００３６】パワーモジュールを正弦波駆動するための
ＰＷＭ信号の波形に対して、駆動電流期間におけるシャ
ント抵抗14の電圧降下の波形は同相、回生電流期間にお
けるシャント抵抗14の電圧降下の波形は逆相になる。シ
ャント抵抗14の両端間の電圧波形は、上記２つの波形が
合成されたものである。

【００３７】上記した三相インバータ用パワーモジュー
ルおよびそれを用いた三相モータ駆動システムは、ダイ
オードに流れる回生電流を分流させるようにし、アノー
ドが分割されたダイオードD2、D3、電流電圧変換用のシ
ャント抵抗14、微小電圧増幅用の増幅器16、分流比補償
用の分流比補償器17を用いている。これにより、シャン
ト抵抗14による電力損失を小さくし、ダイオードD2、D3
の回生電流も低損失で検出することができ、直流カレン
トトランス方式を用いた巻線電流検出と同量の電流情報
を安価に低損失で得ることができる。

【００３８】なお、前記シャント抵抗14に発生した電圧
から三相フルブリッジ回路の過電流時を検出し、過電流
保護を行うように実施することも可能である。

【００３９】図４は、本発明の第２の実施形態に係る三
相インバータ用パワーモジュールおよびそれを用いた三
相モータ駆動システムの一例を示している。

【００４０】第２の実施形態は、第１の実施形態と比べ
て、分流比補償器（図１中の17）を省略し、その機能を
高速演算回路（例えばＤＳＰ）21ａに持たせた、つま
り、高速演算回路21ａに分流比補償処理をソフトウェア
的に行う分流比補償手段を持たせた点が異なり、その他
は同じであるので、図４において図１中と同一部分には
同一符号を付してその説明は省略する。

【００４１】図５は、図４中の高速演算回路21ａにおけ
る分流比補償手段により分流比補償処理をソフトウェア
的に行う場合の一例を簡単に示すフローチャートであ
る。

【００４２】処理を開始（スタート）すると、まず、回
生電流期間判定ステップにおいて、ＰＷＭ信号がオフ周
期（回生電流期間）であるか否かを判定し、判定結果が
YES（回生電流期間）の場合には増幅器16の出力データ
を読み込んでシャント抵抗14の電圧降下を検出する。そ
して、分流比補償の演算処理を行い、その結果をベクト
ル制御用のＰＷＭ信号を生成するための演算処理データ
として供給する。

【００４３】そして、システムが運転中であるか否かを
判定し、判定結果がYES（運転中）の場合には回生電流
期間判定ステップに戻る。なお、回生電流期間判定ステ
ップにおいて、判定結果がNO（駆動電流期間）の場合に
は再び回生電流期間判定処理に戻る。また、システムが
運転中であるか否かの判定結果がNO（非運転中）の場合
には処理を終了（エンド）する。

【００４４】この第２の実施の形態においても、第１の
実施の形態と同様の効果を得ることができる。

【００４５】

【発明の効果】上述したように本発明によれば、三相モ
ータの巻線電流の情報を低い電力損失、高い精度で検出
し得る巻線電流検出回路を備えた三相インバータ用パワ
ーモジュールおよびそれを用いた三相モータ駆動システ
ムを実現することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施形態に係る三相インバータ
用パワーモジュールおよびそれを用いた三相モータ駆動
システムの一例を示す回路図。

【図２】第２のダイオードD2の電圧対電流特性と第３の
ダイオードD3の電圧対電流特性を対比して示す特性図。

【図３】図１の三相モータ駆動システムの動作を示す波
形図。

【図４】本発明の第２の実施形態に係る三相インバータ
用パワーモジュールおよびそれを用いた三相モータ駆動
システムの一例を示す回路図。

【図５】図４中の高速演算回路において分流比補償処理
をソフトウェア的に行う場合の一例を簡単に示すフロー
チャート。

【図６】従来の三相モータ駆動システムの一例を示す構
成説明図。

【図７】従来の三相モータ駆動システムの他の例を示す
構成説明図。

【符号の説明】

10…三相インバータ用のパワーモジュール、 20…三相モータ、 21、21ａ…高速演算回路（例えばＤＳＰ）、 111 〜113 …ＩＧＢＴ（上アーム）、 114 〜116 …センスＩＧＢＴ（下アーム）、 12…電源端子、 13…接地端子、 14…シャント抵抗、 15…出力端子、 D1…第１のダイオード、 D2…第２のダイオード、 D3…第３のダイオード、 16…増幅器、 17…分流比補償器、 18…駆動回路。

フロントページの続き Ｆターム(参考） 5H007 AA06 AA12 AA17 BB06 CA01 CB05 CC23 DA05 DB12 DC02 EA02 FA20 5H576 BB04 DD02 EE01 EE11 GG04 HA04 HB01 JJ03 KK06 LL14 LL22 5H740 AA08 BA11 BA15 BB05 BB09 BB10 BC06 JA28 MM03 MM11

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 正弦波駆動用のＰＷＭ信号により駆動さ
   れるパワースイッチ素子からなる三相フルブリッジ回路
   の上アームを構成する３個のＩＧＢＴと、 前記三相フルブリッジ回路の下アームを構成し、それぞ
   れ所定の分流比で電流を分流可能にエミッタが主エミッ
   タとセンスエミッタに２分割された３個のセンス付きＩ
   ＧＢＴと、 前記上アームを構成するＩＧＢＴの各コレクタに共通に
   接続された電源端子と、 前記下アームを構成するセンス付きＩＧＢＴの各主エミ
   ッタに共通に接続された接地端子と、 前記三相フルブリッジ回路の三相出力を三相モータの巻
   線に接続するための３個の出力端子と、 前記上アームを構成するＩＧＢＴのコレクタ・エミッタ
   間に並列に接続され、回生電流を流すための第１のダイ
   オードと、 前記センス付きＩＧＢＴのコレクタ・主エミッタ間に並
   列に接続された第２のダイオードと、 前記第２のダイオードに対して所定の分流比を有し、前
   記センス付きＩＧＢＴのコレクタ・センスエミッタ間に
   並列に接続された第３のダイオードと、 前記下アームを構成するセンス付きＩＧＢＴのセンスエ
   ミッタと前記接地端子との間に接続された電流／電圧変
   換用のシャント抵抗とを具備することを特徴とする三相
   インバータ用パワーモジュール。
2. 【請求項２】 前記シャント抵抗に発生した電圧を増幅
   する増幅器と、 前記シャント抵抗および前記第３のダイオードに回生電
   流が流れる期間に、前記第２のダイオードに接続されて
   いるＩＧＢＴに流れる主電流を検出するために、前記増
   幅器からの入力電圧に対して前記第３のダイオードと第
   ２のダイオードとの分流比に見合う補償を行う分流比補
   償手段をさらに具備することを特徴とする請求項１記載
   の三相インバータ用パワーモジュール。
3. 【請求項３】 前記分流比補償手段は、前記シャント抵
   抗の電圧降下の極性に基づいて判明する回生電流期間に
   入力電圧に対する補正を行うことを特徴とする請求項３
   記載の三相インバータ用パワーモジュール。
4. 【請求項４】 前記第２のダイオードおよび第３のダイ
   オードは、それぞれの構成セル数が異なるマルチセル構
   成であり、所定の分流比で電流を分流可能にアノードが
   ２分割されていることを特徴とする請求項１乃至３のい
   ずれか１項に記載の三相インバータ用パワーモジュー
   ル。
5. 【請求項５】 前記第２のダイオードに対する第３のダ
   イオードの分流比は、前記センス付きＩＧＢＴのコレク
   タ・主エミッタ間に対するコレクタ・センスエミッタ間
   の分流比と比べて大きいことを特徴とする請求項１乃至
   ４のいずれか１項に記載の三相インバータ用パワーモジ
   ュール。
6. 【請求項６】 請求項２記載の三相インバータ用パワー
   モジュールと、 前記分流比補償手段により補償された出力電圧に基づい
   て前記三相モータの巻線の電流情報を検出し、前記正弦
   波駆動用のＰＷＭ信号に変換し、前記三相モータをベク
   トル制御する演算回路をさらに具備することを特徴とす
   る三相モータ駆動システム。