JP2015216746A - Overvoltage protection circuit - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、過電圧保護回路に関する。 The present invention relates to an overvoltage protection circuit.
交流電圧を整流して直流電圧を得る機器においては、直流電圧は交流電圧に応じて変動する。特に、電源電圧の変動が起こり易い地域で使用される機器は、電圧上昇時の対策如何によっては、機器の故障を招く虞がある。それゆえ、特許文献1(特開2007−166815号公報)に開示されているような過電圧保護手段が設けられる。この過電圧保護手段は、入力変圧器を負荷時タップ切換器付き変圧器とし、インバータに閾値以上の電圧が所定時間を越えて入力されたときに、負荷時タップ切換器付き変圧器のタップを低圧側に切り換えている。 In a device that obtains a DC voltage by rectifying an AC voltage, the DC voltage varies according to the AC voltage. In particular, a device used in an area where the power supply voltage is likely to fluctuate may cause a failure of the device depending on a countermeasure against a voltage increase. Therefore, overvoltage protection means as disclosed in Patent Document 1 (Japanese Patent Laid-Open No. 2007-166815) is provided. In this overvoltage protection means, the input transformer is a transformer with a load tap changer, and when the voltage exceeding the threshold is input to the inverter over a predetermined time, the tap of the transformer with the load tap changer is lowered. Switched to the side.
しかしながら、上記のような負荷時タップ切換器付き変圧器は大規模な電気設備向けとしては適しているが、家電製品などのインバータ制御されるモータの駆動装置に適用することは容易ではない。 However, although the transformer with a load tap changer as described above is suitable for a large-scale electric facility, it is not easy to apply to an inverter-controlled motor drive device such as a home appliance.
また、電源電圧が過大となるのに要する時間は極めて短く、上記のようなタップ切換は時間がかかり過ぎるので、機器を確実に保護することは困難である。さらに、半導体素子のような、過電圧に耐えうる時間が短いものについては、リレーによる遮断では保護ができない。かといって瞬間的な過大電圧のためだけに半導体素子などの耐圧を高くすることは高コスト化、大型化を招来する。 In addition, the time required for the power supply voltage to become excessive is extremely short, and tap switching as described above takes too much time, so that it is difficult to reliably protect the device. Furthermore, a semiconductor element such as a semiconductor element that has a short time to withstand overvoltage cannot be protected by being interrupted by a relay. However, increasing the withstand voltage of a semiconductor element or the like only for an instantaneous excessive voltage leads to an increase in cost and size.
さらに、過大電圧はインバータの運転中に限らず待機時にも発生する可能性があるので、待機時の電力消費を低減するためにインバータの駆動回路への電源供給を停止しているときにでも、過大電圧を想定しておく必要がある。 Furthermore, since an excessive voltage may occur not only during operation of the inverter but also during standby, even when power supply to the inverter drive circuit is stopped to reduce power consumption during standby, It is necessary to assume an excessive voltage.
そこで、本発明の課題は、瞬間的な過大電圧から機器を保護し、待機時の電力消費も低減することができる小型・低コストの過電圧保護回路を提供することにある。 SUMMARY OF THE INVENTION An object of the present invention is to provide a small-sized and low-cost overvoltage protection circuit capable of protecting a device from a momentary excessive voltage and reducing power consumption during standby.
本発明の第1観点に係る過電圧保護回路は、複数の上下アームそれぞれが2つのスイッチング素子を直列に接続することによって構成され、それによって形成された接続点それぞれから対応する負荷へ電圧を出力する電力変換装置の過電圧保護回路であって、電圧検出部と、駆動回路部と、駆動回路電源と、第1スイッチと、制御部とを備えている。電圧検出部は、電源の電圧を検出する。駆動回路は、スイッチング素子をオンオフ動作させる電圧を生成する。駆動回路電源は、駆動回路に電源電圧を供給する。第1スイッチは、駆動回路電源と駆動回路とを結ぶ駆動電源ラインを開閉する。制御部は、駆動回路を介してスイッチング素子を制御する。また、制御部は、制御モードとして、過電圧時制御と、待機時制御とを含んでいる。過電圧時制御は、電圧検出部の検出値が所定の閾値を超えたとき、上下アームの両方のスイッチング素子をオフする制御である。待機時制御は、上下アームの両方のスイッチング素子がオフのときに第1スイッチを介して駆動電源ラインを電気的に切断する制御である。さらに制御部は、過電圧時制御を実行中は、待機時制御を行わない。 The overvoltage protection circuit according to the first aspect of the present invention is configured by each of a plurality of upper and lower arms connecting two switching elements in series, and outputs a voltage from each of the connection points formed thereby to a corresponding load. An overvoltage protection circuit for a power conversion device includes a voltage detection unit, a drive circuit unit, a drive circuit power supply, a first switch, and a control unit. The voltage detector detects the voltage of the power supply. The drive circuit generates a voltage for turning on and off the switching element. The drive circuit power supply supplies a power supply voltage to the drive circuit. The first switch opens and closes a drive power supply line connecting the drive circuit power supply and the drive circuit. The control unit controls the switching element via the drive circuit. Further, the control unit includes over-voltage control and standby control as control modes. The overvoltage control is control that turns off both switching elements of the upper and lower arms when the detection value of the voltage detection unit exceeds a predetermined threshold value. The standby control is a control for electrically disconnecting the drive power supply line via the first switch when both the switching elements of the upper and lower arms are off. Further, the control unit does not perform the standby control while executing the overvoltage control.
この過電圧保護回路では、過電圧時制御において、過大電圧発生時に上下アームの両方のスイッチング素子をオフすることによって、過大電圧は直列接続された2つのスイッチング素子それぞれの両端に分圧され、1つのスイッチング素子にかかる過大電圧はどちらか一方が動作していた時の半分に低減されるので、1つのスイッチング素子耐圧の2倍程度のDC電圧となるまで、スイッチング素子を破壊から保護することができる。 In this overvoltage protection circuit, in the overvoltage control, when the overvoltage occurs, both switching elements of the upper and lower arms are turned off so that the overvoltage is divided across the two switching elements connected in series. Since the overvoltage applied to the element is reduced to half that when either one is operating, the switching element can be protected from destruction until the DC voltage is about twice the breakdown voltage of one switching element.
一方、上記過電圧時制御中に待機時制御によって駆動回路の電源をオフしてしまうと、スイッチング素子を確実にオフ状態としておくことができなくなり、スイッチング素子を過電圧から保護できなくなるので、上記過電圧時制御を実行中は待機時制御を行わないことによって、スイッチング素子を過電圧から保護する。 On the other hand, if the power supply of the drive circuit is turned off during standby control during the overvoltage control, the switching element cannot be reliably turned off, and the switching element cannot be protected from overvoltage. While the control is being executed, the switching element is protected from overvoltage by not performing the standby control.
本発明の第2観点に係る過電圧保護回路は、第1観点に係る過電圧保護回路であって、第2スイッチをさらに備えている。第2スイッチは、電源と、上下アームが含まれる回路とを結ぶ主電源ラインを開閉する。制御部は、電圧検出部の検出値が所定の閾値を超えている時間が所定時間よりも長くなったとき、第2スイッチを介して主電源ラインを電気的に切断する。 An overvoltage protection circuit according to a second aspect of the present invention is the overvoltage protection circuit according to the first aspect, and further includes a second switch. The second switch opens and closes a main power line connecting the power source and a circuit including the upper and lower arms. The control unit electrically disconnects the main power supply line via the second switch when the time during which the detection value of the voltage detection unit exceeds the predetermined threshold becomes longer than the predetermined time.
この過電圧保護回路では、過電圧が長期化した場合には主電源ラインを電気的に切断することによって、主電源電圧がスイッチング素子に印加されないようにし、スイッチング素子を過電圧から確実に保護する。 In this overvoltage protection circuit, when the overvoltage is prolonged, the main power supply line is electrically disconnected so that the main power supply voltage is not applied to the switching element, and the switching element is reliably protected from the overvoltage.
本発明の第3観点に係る過電圧保護回路は、第1観点に係る過電圧保護回路であって、第2スイッチをさらに備えている。第2スイッチは、電源と、上下アームが含まれる回路とを結ぶ主電源ラインを開閉する。制御部は、電圧検出部の検出値が所定の第2閾値を超えたとき、第2スイッチを介して主電源ラインを電気的に切断する。 An overvoltage protection circuit according to a third aspect of the present invention is the overvoltage protection circuit according to the first aspect, and further includes a second switch. The second switch opens and closes a main power line connecting the power source and a circuit including the upper and lower arms. The control unit electrically disconnects the main power supply line via the second switch when the detection value of the voltage detection unit exceeds a predetermined second threshold value.
この過電圧保護回路では、過電圧値が増加した場合には主電源ラインを電気的に切断することによって、主電源電圧がスイッチング素子に印加されないようにし、スイッチング素子を過電圧から確実に保護する。 In this overvoltage protection circuit, when the overvoltage value increases, the main power supply line is electrically disconnected so that the main power supply voltage is not applied to the switching element, and the switching element is reliably protected from the overvoltage.
本発明の第4観点に係る過電圧保護回路は、複数の上下アームそれぞれが2つのスイッチング素子を直列に接続することによって構成され、それによって形成された接続点それぞれから対応する負荷へ電圧を出力する電力変換装置の過電圧保護回路であって、電圧検出部と、駆動回路と、駆動回路電源と、第1スイッチと、第2スイッチと、制御部とを備えている。電圧検出部は、電源の電圧を検出する。駆動回路は、スイッチング素子をオンオフ動作させる電圧を生成する。駆動回路電源は、駆動回路に電源電圧を供給する。第1スイッチは、駆動回路電源と駆動回路とを結ぶ駆動電源ラインを開閉する。第2スイッチは、電源と、上下アームが含まれる回路とを結ぶ主電源ラインを開閉する。制御部は、駆動回路を介してスイッチング素子を制御する。また、制御部は、制御モードとして、過電圧時制御と、待機時制御とを含んでいる。過電圧時制御は、電圧検出部の検出値が所定の閾値を超えたとき、上下アームの両方のスイッチング素子をオフする制御である。待機時制御は、上下アームの両方のスイッチング素子がオフのときに第1スイッチを介して駆動電源ラインを電気的に切断する制御である。さらに制御部は、過電圧時制御を実行中に待機時制御を行うとき、第2スイッチを介して主電源ラインを電気的に切断する。 An overvoltage protection circuit according to a fourth aspect of the present invention is configured by each of a plurality of upper and lower arms connecting two switching elements in series, and outputs a voltage from each of the connection points formed thereby to a corresponding load. An overvoltage protection circuit for a power conversion device includes a voltage detection unit, a drive circuit, a drive circuit power supply, a first switch, a second switch, and a control unit. The voltage detector detects the voltage of the power supply. The drive circuit generates a voltage for turning on and off the switching element. The drive circuit power supply supplies a power supply voltage to the drive circuit. The first switch opens and closes a drive power supply line connecting the drive circuit power supply and the drive circuit. The second switch opens and closes a main power line connecting the power source and a circuit including the upper and lower arms. The control unit controls the switching element via the drive circuit. Further, the control unit includes over-voltage control and standby control as control modes. The overvoltage control is control that turns off both switching elements of the upper and lower arms when the detection value of the voltage detection unit exceeds a predetermined threshold value. The standby control is a control for electrically disconnecting the drive power supply line via the first switch when both the switching elements of the upper and lower arms are off. Further, the control unit electrically disconnects the main power supply line via the second switch when performing the standby control while executing the overvoltage control.
この過電圧保護回路では、過電圧時制御において、過大電圧発生時に上下アームの両方のスイッチング素子をオフすることによって、過大電圧は直列接続された2つのスイッチング素子それぞれの両端に分圧され、1つのスイッチング素子にかかる過大電圧はどちらか一方が動作していた時の半分に低減されるので、1つのスイッチング素子耐圧の2倍程度のDC電圧となるまで、スイッチング素子を破壊から保護することができる。 In this overvoltage protection circuit, in the overvoltage control, when the overvoltage occurs, both switching elements of the upper and lower arms are turned off so that the overvoltage is divided across the two switching elements connected in series. Since the overvoltage applied to the element is reduced to half that when either one is operating, the switching element can be protected from destruction until the DC voltage is about twice the breakdown voltage of one switching element.
一方、上記過電圧時制御中に待機時制御によって駆動回路の電源をオフしてしまうと、スイッチング素子を確実にオフ状態としておくことができなくなり、スイッチング素子を過電圧から保護できなくなるので、上記過電圧時制御を実行中に待機時制御を行うときには、主電源ラインを電気的に切断することによって、主電源電圧がスイッチング素子に印加されないようにし、スイッチング素子を過電圧から保護する。 On the other hand, if the power supply of the drive circuit is turned off during standby control during the overvoltage control, the switching element cannot be reliably turned off, and the switching element cannot be protected from overvoltage. When performing standby control during execution of control, the main power supply line is electrically disconnected to prevent the main power supply voltage from being applied to the switching element, thereby protecting the switching element from overvoltage.
本発明の第5観点に係る過電圧保護回路は、第4観点に係る過電圧保護回路であって、制御部が、主電源ラインを切断した後、駆動電源ラインを切断する。 An overvoltage protection circuit according to a fifth aspect of the present invention is the overvoltage protection circuit according to the fourth aspect, wherein the control unit disconnects the drive power supply line after disconnecting the main power supply line.
この過電圧保護回路では、例えば、駆動電源ラインを先に切断し、スイッチング素子のオフ状態が不安定になった直後に主電源電圧が過電圧となった場合、「上下アームの両方のスイッチング素子をオフすることによって、過大電圧を直列接続された2つのスイッチング素子それぞれの両端に分圧する」という作用が発揮されない虞がある。それゆえ、先に主電源ラインを切断することによって、スイッチング素子を過電圧から確実に保護する。 In this overvoltage protection circuit, for example, when the main power supply voltage becomes overvoltage immediately after the drive power supply line is cut first and the OFF state of the switching element becomes unstable, both the upper and lower arm switching elements are turned off. By doing so, there is a possibility that the action of “dividing the excessive voltage across each of the two switching elements connected in series” may not be exhibited. Therefore, the switching element is reliably protected from overvoltage by cutting the main power supply line first.
本発明の第6観点に係る過電圧保護回路は、第1観点から第5観点のいずれか1つに係る過電圧保護回路であって、電源がDC電源である。 An overvoltage protection circuit according to a sixth aspect of the present invention is the overvoltage protection circuit according to any one of the first to fifth aspects, wherein the power supply is a DC power supply.
この過電圧保護回路では、例えば回路遮断用として半導体スイッチを使用する場合には、交流を入り切りするスイッチは双方向性を必要とするが、DC電源の下流側に配置されるスイッチは片方向スイッチでよいので、スイッチの低コスト化を図ることができる。 In this overvoltage protection circuit, for example, when a semiconductor switch is used for circuit interruption, the switch for turning on and off the alternating current needs bidirectionality, but the switch arranged on the downstream side of the DC power source is a one-way switch. Therefore, the cost of the switch can be reduced.
本発明の第7観点に係る過電圧保護回路は、第1観点から第5観点のいずれか1つに係る過電圧保護回路であって、電源がAC電源である。 An overvoltage protection circuit according to a seventh aspect of the present invention is the overvoltage protection circuit according to any one of the first to fifth aspects, and the power source is an AC power source.
この過電圧保護回路では、AC電源からの供給電圧が過大電圧であっても、過電圧時制御によって、短時間でインバータのスイッチング素子を保護することができる。それゆえ、短時間の過大電圧からの保護だけのために機器の電圧定格を高く設計する必要がなく、合理的である In this overvoltage protection circuit, even if the supply voltage from the AC power supply is an excessive voltage, the inverter switching element can be protected in a short time by the overvoltage control. Therefore, it is not necessary to design the equipment with a high voltage rating only for protection from excessive voltage for a short time, and it is reasonable
本発明の第1観点に係る過電圧保護回路では、過電圧時制御において、過大電圧発生時に上下アームの両方のスイッチング素子をオフすることによって、過大電圧は直列接続された2つのスイッチング素子それぞれの両端に分圧され、1つのスイッチング素子にかかる過大電圧はどちらか一方が動作していた時の半分に低減されるので、1つのスイッチング素子耐圧の2倍程度のDC電圧となるまで、スイッチング素子を破壊から保護することができる。 In the overvoltage protection circuit according to the first aspect of the present invention, in the overvoltage control, the overvoltage is applied to both ends of each of the two switching elements connected in series by turning off both switching elements of the upper and lower arms when an overvoltage occurs. The overvoltage applied to one switching element is reduced to half that when either one was operating, so the switching element is destroyed until the DC voltage is about twice the breakdown voltage of one switching element. Can be protected from.
一方、上記過電圧時制御中に待機時制御によって駆動回路の電源をオフしてしまうと、スイッチング素子を確実にオフ状態としておくことができなくなり、スイッチング素子を過電圧から保護できなくなるので、上記過電圧時制御を実行中は待機時制御を行わないことによって、スイッチング素子を過電圧から保護する。 On the other hand, if the power supply of the drive circuit is turned off during standby control during the overvoltage control, the switching element cannot be reliably turned off, and the switching element cannot be protected from overvoltage. While the control is being executed, the switching element is protected from overvoltage by not performing the standby control.
本発明の第2観点に係る過電圧保護回路では、過電圧が長期化した場合には主電源ラインを電気的に切断することによって、主電源電圧がスイッチング素子に印加されないようにし、スイッチング素子を過電圧から確実に保護する。 In the overvoltage protection circuit according to the second aspect of the present invention, when the overvoltage is prolonged, the main power supply line is electrically disconnected so that the main power supply voltage is not applied to the switching element, and the switching element is protected from the overvoltage. Secure protection.
本発明の第3観点に係る過電圧保護回路では、過電圧値が増加した場合には主電源ラインを電気的に切断することによって、主電源電圧がスイッチング素子に印加されないようにし、スイッチング素子を過電圧から確実に保護する。 In the overvoltage protection circuit according to the third aspect of the present invention, when the overvoltage value increases, the main power supply line is electrically disconnected so that the main power supply voltage is not applied to the switching element, and the switching element is protected from the overvoltage. Secure protection.
本発明の第4観点に係る過電圧保護回路では、過電圧時制御において、過大電圧発生時に上下アームの両方のスイッチング素子をオフすることによって、過大電圧は直列接続された2つのスイッチング素子それぞれの両端に分圧され、1つのスイッチング素子にかかる過大電圧はどちらか一方が動作していた時の半分に低減されるので、1つのスイッチング素子耐圧の2倍程度のDC電圧となるまで、スイッチング素子を破壊から保護することができる。 In the overvoltage protection circuit according to the fourth aspect of the present invention, in the overvoltage control, the overvoltage is applied to both ends of each of the two switching elements connected in series by turning off both the switching elements of the upper and lower arms when the overvoltage occurs. The overvoltage applied to one switching element is reduced to half that when either one was operating, so the switching element is destroyed until the DC voltage is about twice the breakdown voltage of one switching element. Can be protected from.
一方、上記過電圧時制御中に待機時制御によって駆動回路の電源をオフしてしまうと、スイッチング素子を確実にオフ状態としておくことができなくなり、スイッチング素子を過電圧から保護できなくなるので、上記過電圧時制御を実行中に待機時制御を行うときには、主電源ラインを電気的に切断することによって、主電源電圧がスイッチング素子に印加されないようにし、スイッチング素子を過電圧から保護する。 On the other hand, if the power supply of the drive circuit is turned off during standby control during the overvoltage control, the switching element cannot be reliably turned off, and the switching element cannot be protected from overvoltage. When performing standby control during execution of control, the main power supply line is electrically disconnected to prevent the main power supply voltage from being applied to the switching element, thereby protecting the switching element from overvoltage.
本発明の第5観点に係る過電圧保護回路では、例えば、駆動電源ラインを先に切断し、スイッチング素子のオフ状態が不安定になった直後に主電源が過電圧となった場合、「上下アームの両方のスイッチング素子をオフすることによって、過大電圧を直列接続された2つのスイッチング素子それぞれの両端に分圧する」という作用が発揮されない虞がある。それゆえ、先に主電源ラインを切断することによって、スイッチング素子を過電圧から確実に保護する。 In the overvoltage protection circuit according to the fifth aspect of the present invention, for example, when the drive power supply line is cut first, and the main power supply becomes overvoltage immediately after the switching element becomes unstable, By turning off both switching elements, there is a possibility that the action of “dividing an excessive voltage across each of the two switching elements connected in series” may not be exhibited. Therefore, the switching element is reliably protected from overvoltage by cutting the main power supply line first.
本発明の第6観点に係る過電圧保護回路では、例えば回路遮断用として半導体スイッチを使用する場合には、交流を入り切りするスイッチは双方向性を必要とするが、DC電源の下流側に配置されるスイッチは片方向スイッチでよいので、スイッチの低コスト化を図ることができる。 In the overvoltage protection circuit according to the sixth aspect of the present invention, for example, when a semiconductor switch is used for circuit interruption, the switch for turning on and off the alternating current requires bidirectionality, but is disposed downstream of the DC power supply. The switch can be a one-way switch, so that the cost of the switch can be reduced.
本発明の第7観点に係る過電圧保護回路では、AC電源からの供給電圧が過大電圧であっても、過電圧時制御によって、短時間でインバータのスイッチング素子を保護することができる。それゆえ、短時間の過大電圧からの保護だけのために機器の電圧定格を高く設計する必要がなく、合理的である In the overvoltage protection circuit according to the seventh aspect of the present invention, even when the supply voltage from the AC power supply is an excessive voltage, the switching element of the inverter can be protected in a short time by the overvoltage control. Therefore, it is not necessary to design the equipment with a high voltage rating only for protection from excessive voltage for a short time, and it is reasonable
以下、図面を参照しながら、本発明の実施形態について説明する。なお、以下の実施形態は、本発明の具体例であって、本発明の技術的範囲を限定するものではない。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. The following embodiments are specific examples of the present invention and do not limit the technical scope of the present invention.
<第1実施形態>
(1)概要
図1は、本発明の第1実施形態に係る過電圧保護回路50が採用されているシステム100の全体構成と、そのシステム100を利用するモータ駆動装置10の内部構成とを示すブロック図である。図1において、システム100は、モータ駆動装置10とモータ51とで構成されている。また、過電圧保護回路50は、電圧検出部23、第1スイッチ11、及び制御部40によって構成されている。
<First Embodiment>
(1) Overview FIG. 1 is a block diagram showing an overall configuration of a
(1−1)モータ51
モータ51は、3相のブラシレスDCモータであって、ステータ52と、ロータ53とを備えている。ステータ52は、スター結線されたU相、V相及びW相の駆動コイルLu,Lv,Lwを含む。各駆動コイルLu,Lv,Lwの一方端は、それぞれインバータ25から延びるU相、V相及びW相の各配線の駆動コイル端子TU,TV,TWに接続されている。各駆動コイルLu,Lv,Lwの他方端は、互いに端子TNとして接続されている。これら3相の駆動コイルLu,Lv,Lwは、ロータ53が回転することによりその回転速度とロータ53の位置に応じた誘起電圧を発生させる。
(1-1)
The
ロータ53は、N極及びS極からなる複数極の永久磁石を含み、ステータ52に対し回転軸を中心として回転する。
The
なお、モータ51は、例えばヒートポンプ式空気調和機の圧縮機モータ、ファンモータである。
The
(1−2)モータ駆動装置10
モータ駆動装置10は、図1に示すように、整流部21と、平滑コンデンサ22と、電圧検出部23と、電流検出部24と、インバータ25(電力変換装置)と、ゲート駆動回路26と、制御部40とを備えている。これらは、例えば1枚のプリント基板上に実装されてもよい。
(1-2)
As shown in FIG. 1, the
(2)モータ駆動装置10の詳細構成
(2−1)整流部21
整流部21は、4つのダイオードD1a,D1b,D2a,D2bによってブリッジ状に構成されている。具体的には、ダイオードD1aとD1b、D2aとD2bは、それぞれ互いに直列に接続されている。ダイオードD1a,D2aの各カソード端子は、共に平滑コンデンサ22のプラス側端子に接続されており、整流部21の正側出力端子として機能する。ダイオードD1b,D2bの各アノード端子は、共に平滑コンデンサ22のマイナス側端子に接続されており、整流部21の負側出力端子として機能する。
(2) Detailed configuration of motor drive device (2-1)
The rectifying
ダイオードD1a及びダイオードD1bの接続点は、商用電源91の一方の極に接続されている。ダイオードD2a及びダイオードD2bの接続点は、商用電源91の他方の極に接続されている。整流部21は、商用電源91から出力される交流電圧を整流して直流電源を生成し、これを平滑コンデンサ22へ供給する。
A connection point between the diode D1a and the diode D1b is connected to one pole of the
(2−2)平滑コンデンサ22
平滑コンデンサ22は、一端が整流部21の正側出力端子に接続され、他端が整流部21の負側出力端子に接続されている。平滑コンデンサ22は、整流部21によって整流された電圧を平滑する。以下、説明の便宜上、平滑コンデンサ22による平滑後の電圧を直流電圧Vdcという。
(2-2) Smoothing
The smoothing
直流電圧Vdcは、平滑コンデンサ22の出力側に接続されるインバータ25へ印加される。つまり、整流部21及び平滑コンデンサ22は、インバータ25に対する電源供給部20を構成している。
The DC voltage Vdc is applied to the
なお、コンデンサの種類としては、電解コンデンサやフィルムコンデンサ、タンタルコンデンサ等が挙げられるが、本実施形態においては、平滑コンデンサ22としてフィルムコンデンサが採用される。
In addition, as a kind of capacitor | condenser, although an electrolytic capacitor, a film capacitor, a tantalum capacitor etc. are mentioned, a film capacitor is employ | adopted as the smoothing
(2−3)電圧検出部23
電圧検出部23は、平滑コンデンサ22の出力側に接続されており、平滑コンデンサ22の両端電圧、即ち直流電圧Vdcの値を検出するためのものである。電圧検出部23は、例えば、互いに直列に接続された2つの抵抗が平滑コンデンサ22に並列接続され、直流電圧Vdcが分圧されるように構成される。それら2つの抵抗同士の接続点の電圧値は、制御部40に入力される。
(2-3)
The
(2−4)電流検出部24
電流検出部24は、平滑コンデンサ22及びインバータ25の間であって、かつ平滑コンデンサ22の負側出力端子側に接続されている。電流検出部24は、モータ51の起動後、モータ51に流れるモータ電流Imを三相分の電流の合計値として検出する。
(2-4)
The
電流検出部24は、例えば、シャント抵抗及び該抵抗の両端の電圧を増幅させるオペアンプを用いた増幅回路で構成されてもよい。電流検出部24によって検出されたモータ電流は、制御部40に入力される。
The
(2−5)インバータ25
インバータ25は、モータ51のU相、V相及びW相の駆動コイルLu,Lv,Lwそれぞれに対応する3つの上下アームが互いに並列に、且つ平滑コンデンサ22の出力側に接続されている。
(2-5)
In the
図1において、インバータ25は、複数のIGBT(絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ、以下、単にトランジスタという)Q3a,Q3b,Q4a,Q4b,Q5a,Q5b及び複数の還流用のダイオードD3a,D3b,D4a,D4b,D5a,D5bを含む。
In FIG. 1, an
トランジスタQ3aとQ3b、Q4aとQ4b、Q5aとQ5bは、それぞれ互いに直列に接続されることによって各上下アームを構成しており、それによって形成された接続点NU,NV,NWそれぞれから対応する相の駆動コイルLu,Lv,Lwに向かって出力線が延びている。 Transistors Q3a and Q3b, Q4a and Q4b, Q5a and Q5b are connected to each other in series to form each upper and lower arm, and the corresponding phase from each of connection points NU, NV, and NW formed thereby. Output lines extend toward the drive coils Lu, Lv, and Lw.
各ダイオードD3a〜D5bは、各トランジスタQ3a〜Q5bに、トランジスタのコレクタ端子とダイオードのカソード端子が、また、トランジスタのエミッタ端子とダイオードのアノード端子が接続されるよう、並列接続されている。このそれぞれ並列接続されたトランジスタとダイオードにより、スイッチング素子が構成される。 The diodes D3a to D5b are connected in parallel to the transistors Q3a to Q5b so that the collector terminal of the transistor and the cathode terminal of the diode are connected, and the emitter terminal of the transistor and the anode terminal of the diode are connected. Each of these transistors and diodes connected in parallel constitutes a switching element.
インバータ25は、平滑コンデンサ22からの直流電圧Vdcが印加され、かつゲート駆動回路26により指示されたタイミングで各トランジスタQ3a〜Q5bがオン及びオフを行うことによって、モータ51を駆動する駆動電圧SU,SV,SWを生成する。この駆動電圧SU,SV,SWは、各トランジスタQ3aとQ3b、Q4aとQ4b、Q5aとQ5bの各接続点NU,NV,NWからモータ51の駆動コイルLu,Lv,Lwに出力される。
The
なお、本実施形態のインバータ25は、電圧形インバータであるが、それに限定されるものではなく、電流形インバータでもよい。
In addition, although the
(2−6)ゲート駆動回路26
ゲート駆動回路26は、制御部40からの指令電圧Vpwmに基づき、インバータ25の各トランジスタQ3a〜Q5bのオン及びオフの状態を変化させる。具体的には、ゲート駆動回路26は、制御部40によって決定されたデューティを有するパルス状の駆動電圧SU,SV,SWがインバータ25からモータ51に出力されるように、各トランジスタQ3a〜Q5bのゲートに印加するゲート制御電圧Gu,Gx,Gv,Gy,Gw,Gzを生成する。生成されたゲート制御電圧Gu,Gx,Gv,Gy,Gw,Gzは、それぞれのトランジスタQ3a〜Q5bのゲート端子に印加される。
(2-6)
The
(2−7)制御部40
制御部40は、電圧検出部23、電流検出部24、及びゲート駆動回路26と接続されている。本実施形態では、制御部40は、モータ51をロータ位置センサレス方式にて駆動させている。なお、ロータ位置センサレス方式に限定されるものではないので、センサ方式で行なってもよい。
(2-7)
The
ロータ位置センサレス方式とは、モータ51の特性を示す各種パラメータ、モータ51起動後の電圧検出部23の検出結果、電流検出部24の検出結果、及びモータ51の制御に関する所定の数式モデル等を用いて、ロータ位置及び回転数の推定、回転数に対するPI制御、モータ電流に対するPI制御等を行い駆動する方式である。モータ51の特性を示す各種パラメータとしては、使用されるモータ51の巻線抵抗、インダクタンス成分、誘起電圧、極数などが挙げられる。なお、ロータ位置センサレス制御については多くの特許文献が存在するので、詳細はそれらを参照されたい(例えば、特開2013−17289号公報)。
The rotor position sensorless method uses various parameters indicating the characteristics of the
また、制御部40は、電圧検出部23の検出値を監視し、電圧検出部23の検出値が所定の閾値を超えたとき、トランジスタQ3a〜Q5bをオフにする保護制御も行っている。
The
(2−8)第1スイッチ11
第1スイッチ11は、駆動回路電源Vcとゲート駆動回路26とを結ぶ駆動電源ライン803を開閉する。ここで、駆動電源ライン803を開閉するとは、駆動電源ライン803を導通又は遮断して非導通にすることである。
(2-8) First switch 11
The first switch 11 opens and closes a drive
第1スイッチ11は、通常時において待機時制御をしていないときは駆動電源ライン803を閉、つまり導通状態にしておく。他方、待機時制御中は、第1スイッチ11がオフして駆動電源ライン803を遮断している。
The first switch 11 closes the drive
第1スイッチ11が駆動電源ライン803を遮断して、ゲート駆動回路26への電圧供給を停止することによって、無駄な電力消費を解消する。第1スイッチ11は、高速性は求められないので、リレー回路が採用されている。
The first switch 11 cuts off the drive
図1に示すように、第1スイッチ11は、駆動電源ライン803を開閉するリレー接点11aと、リレー接点11aを動作させるリレーコイル11bと、リレーコイル11bへの通電と非通電とを行うトランジスタ11cとを含んでいる。リレーコイル11bの一端は、電源Vbの正極に接続され、他端はトランジスタ11cのコレクタ側に接続されている。制御部40は、トランジスタ11cのベース電流の有無を切り換えて、コレクタとエミッタ間をオンオフし、リレーコイル11bへの通電と非通電を行う。
As shown in FIG. 1, the first switch 11 includes a
(3)モータ駆動装置10の動作
以下、モータ駆動装置10の動作について説明する。図1において、制御部40は、ゲート駆動回路26への波形出力を行なうと共に、その波形出力状態を制御して、モータ51を所定回転数で駆動する。
(3) Operation of
図2Aはモータ駆動装置10の運転時における上下アームへの電圧のかかり方を示す図であり、図2Bはモータ駆動装置10の停止時における上下アームへの電圧のかかり方を示す図である。
FIG. 2A is a diagram illustrating how voltage is applied to the upper and lower arms during operation of the
図2Aに示すように、運転中、駆動コイルLuに対応する上アームのトランジスタQ3a、駆動コイルLvに対応する下アームのトランジスタQ4b、及び駆動コイルLwに対応する下アームのトランジスタQ5bがオン動作している間は、直流電圧Vdcは各上下アームのオフしているスイッチング素子(トランジスタQ3b、Q4a、Q5a、ダイオードD3b、D4a、D5a)にかかっている。 As shown in FIG. 2A, during operation, the upper arm transistor Q3a corresponding to the drive coil Lu, the lower arm transistor Q4b corresponding to the drive coil Lv, and the lower arm transistor Q5b corresponding to the drive coil Lw are turned on. The DC voltage Vdc is applied to the switching elements (transistors Q3b, Q4a, Q5a, diodes D3b, D4a, D5a) in which the upper and lower arms are off.
このとき、直流電圧Vdcが過大電圧になった場合、オフしているスイッチング素子のトランジスタとダイオードにその過大電圧がかかる。一つのスイッチング素子(トランジスタQ3a〜Q5b、及びダイオードD3a〜D5b)の素子耐圧をVrとすると、直流電圧Vdc>素子耐圧Vrとなったときにスイッチング素子のトランジスタQ3a〜Q5bもしくはダイオードD3a〜D5bが破壊される可能性が高い。 At this time, when the DC voltage Vdc becomes an excessive voltage, the excessive voltage is applied to the transistor and the diode of the switching element that is turned off. When the element breakdown voltage of one switching element (transistors Q3a to Q5b and diodes D3a to D5b) is Vr, the transistors Q3a to Q5b or the diodes D3a to D5b of the switching element are destroyed when the DC voltage Vdc> the element breakdown voltage Vr. There is a high possibility of being.
そこで、制御部40は、電圧検出部23の検出値が所定の閾値を超えたと判断したとき、上下アームの両方のトランジスタQ3a、Q3b,Q4a、Q4b,Q5a、Q5bをオフする、過電圧時制御を行う。
Therefore, when the
(3−1)過電圧時制御
図3は、第1実施形態における過電圧時制御の制御フローである。図3において、制御部40は、ステップS1で電源が印加されていることを確認し、ステップS2へ進む。次に、制御部40は、ステップS2において、電圧検出部23を介して直流電圧Vdcの検出を行う。
(3-1) Overvoltage Control FIG. 3 is a control flow of overvoltage control in the first embodiment. In FIG. 3, the
次に、制御部40は、ステップS3において、直流電圧Vdcがインバータ25に印加できる上限電圧であるVdcmaxに達したか否かを判定し、Vdc≧VdcmaxのときはステップS4へ進み、Vdc≧VdcmaxではないときはステップS2へ戻る。
Next, in step S3, the
次に、制御部40は、ステップS4において、全上下アームの両方のトランジスタQ3a、Q3b,Q4a、Q4b,Q5a、Q5bをオフする。これによって、図2Bに示すように、過大電圧は直列接続された2つのスイッチング素子(トランジスタQ3a、Q3b,Q4a、Q4b,Q5a、Q5b、ダイオードD3a,D3b,D4a,D4b,D5a,D5b)それぞれの両端に分圧される。
Next, in step S4, the
例えば、上アームのスイッチング素子(トランジスタQ3a、Q4a、Q5a、ダイオードD3a,D4a,D5a)の両端には分圧値V1がかかり、下アームのスイッチング素子(トランジスタQ3b、Q4b、Q5b、ダイオードD3b,D4b,D5b)の両端には分圧値V2がかかる。理想的には各スイッチング素子のインピーダンスが等しければV1=V2となるので、1つのスイッチング素子にかかる過大電圧はどちらか一方が動作していた時の半分にまで低減され、各スイッチング素子を破壊から保護することができる。 For example, the divided voltage value V1 is applied to both ends of the upper arm switching elements (transistors Q3a, Q4a, Q5a, diodes D3a, D4a, D5a), and the lower arm switching elements (transistors Q3b, Q4b, Q5b, diodes D3b, D4b). , D5b) is applied with a partial pressure value V2. Ideally, V1 = V2 if the impedance of each switching element is equal, so that the overvoltage applied to one switching element is reduced to half that when either one is operating, and each switching element is destroyed. Can be protected.
次に、制御部40は、ステップS5において、直流電圧Vdcが過電圧時制御を解除してもよい電圧Vdcretを下回ったか否かを判定し、Vdc<VdcretのときはステップS6へ進み、Vdc<Vdcretではないときは判定を継続する。
Next, in step S5, the
そして、制御部40は、Vdc<Vdcretの受け、ステップS6において、過電圧時制御を解除する。
Then, the
(3−2)待機時制御
図4は、第1実施形態における待機時制御の制御フローである。図4において、制御部40は、ステップS11で待機時制御指令が有るか否かを判定し、待機時制御指令が有るときはステップS12へ進む。
(3-2) Standby Control FIG. 4 is a control flow of standby control in the first embodiment. In FIG. 4, the
次に、制御部40は、ステップS12において、過電圧時制御を実行中か否かを判定し、過電圧時制御を実行中のときはステップS13へ進み、過電圧時制御を実行中ではないときはステップS15へ飛ぶ。
Next, in step S12, the
次に、制御部40は、ステップS13において、待機時制御の実行を拒否する。具体的には、第1スイッチ11のオンを維持する。仮に、過電圧時制御中に第1スイッチ11をオフすると、トランジスタQ3a、Q3b,Q4a、Q4b,Q5a、Q5bをオフさせておくために最低限必要な電圧が0となり、オフしていた上下アームの一方のトランジスタが動作不安定によりオンしてしまい、オフしている他方のトランジスタに過電圧がかかるおそれがある。
Next, the
そうなると、折角、上下アームの両方のトランジスタをオフすることによって、過大電圧を直列接続された2つのスイッチング素子(トランジスタQ3a、Q3b,Q4a、Q4b,Q5a、Q5b、ダイオードD3a,D3b,D4a,D4b,D5a,D5b)それぞれの両端に分圧し、1つのスイッチング素子にかかる過大電圧を半減するという、過電圧時制御の目的が達成できなくなる。それゆえ、第1スイッチ11のオンを維持することとしている。 Then, two switching elements (transistors Q3a, Q3b, Q4a, Q4b, Q5a, Q5b, diodes D3a, D3b, D4a, D4b, D5a and D5b) cannot achieve the purpose of overvoltage control, which divides the voltage at both ends and halves the overvoltage applied to one switching element. Therefore, the first switch 11 is kept on.
次に、制御部40は、ステップS14において、過電圧時制御が解除されたか否かを判定し、過電圧時制御が解除されたときはステップS15へ進み、電圧時制御が解除されていないときは、判定を継続する。
Next, in step S14, the
次に、制御部40は、過電圧時制御解除の判定をうけて、ステップS15において第1スイッチ11をオフする。過電圧時制御が解除されているので、第1スイッチ11をオフしてゲート駆動回路26での待機電力消費を抑制することが可能になったからである。なお、ステップS12において過電圧時制御を実行中ではないと判定されたときも、このステップS15において第1スイッチ11をオフし、待機電力消費を抑制する。
Next, the
そして、制御部40は、ステップS16において待機時制御解除指令が有るか否かの判定し、待機時制御解除指令が有ったときは待機時制御を終了する。
Then, in step S16, the
上記のように、本実施形態では、電圧検出部23、第1スイッチ11、及び制御部40によって過電圧保護回路50が構成されている。
As described above, in the present embodiment, the
(4)第1実施形態の特徴
(4−1)
過電圧保護回路50では、制御部40が、過大電圧発生時に上下アームの両方のトランジスタQ3a〜Q5bをオフすることによって、過大電圧は直列接続された2つのスイッチング素子それぞれの両端に分圧され、1つのスイッチング素子(トランジスタQ3a〜Q5b、ダイオードD3a〜D5b)にかかる過大電圧はどちらか一方が動作していた時の半分に低減されるので、スイッチング素子を破壊から保護することができる。
(4) Features of the first embodiment (4-1)
In the
(4−2)
また、過電圧時制御中に待機時制御を実行すると、駆動回路電源Vcからの電圧供給が停止され、スイッチング素子を確実にオフ状態としておくことができなくなり、スイッチング素子を過電圧から保護できなくなる。それゆえ、上記過電圧時制御を実行中は待機時制御を行わないことによって、即ち、第1スイッチ11をオフしないことによって、スイッチング素子を過電圧から保護する。
(4-2)
Further, if standby control is executed during overvoltage control, voltage supply from the drive circuit power supply Vc is stopped, the switching element cannot be reliably turned off, and the switching element cannot be protected from overvoltage. Therefore, the switching element is protected from overvoltage by not performing standby control during execution of the overvoltage control, that is, by not turning off the first switch 11.
(5)変形例
図5は、第1実施形態の変形例に係る過電圧保護回路50が採用されているシステム100の全体構成と、そのシステム100を利用するモータ駆動装置10の内部構成とを示すブロック図である。図5において、インバータ25は、電源供給部20から一対の電源ライン801,802を介して電力供給されている。過電圧保護回路50の一部は商用電源91と電源供給部20との間に接続され、他の部分は電源供給部20とインバータ25との間に接続されている。
(5) Modified Example FIG. 5 shows an overall configuration of a
過電圧保護回路50は、電圧検出部33、第1スイッチ11及び制御部40によって構成されている。
The
変形例における過電圧保護回路50と、既に説明した第1実施形態における過電圧保護回路とが異なる点は、過電圧保護回路50の構成要素である電圧検出部が商用電源91と電源供給部20との間に設けられていることである。
The difference between the
電圧検出部が直流仕様から交流仕様に置き換えられることに鑑みて、第1実施形態の電圧検出部23に替えて電圧検出部33が採用されている。したがって、ここでは電圧検出部33についてのみを説明する。
In view of the fact that the voltage detection unit is replaced from the direct current specification to the alternating current specification, a
(5−1)電圧検出部33
電圧検出部33は、交流電圧検出回路によって構成されている。交流電圧検出回路は、多様であり、使用条件によって適宜採用される。例えば、図6は一般的な電圧検出部33の回路図である。図6において、電圧検出部33は、変圧回路331、コンバータ回路332とで構成されている。
(5-1)
The
変圧回路331は、入力側に位置し、一次側巻線331aと二次側巻線331bとからなる。
The
コンバータ回路332は、整流ダイオードで構成される整流部332aと、平滑コンデンサ332bとが並列接続された回路である。
The
電圧検出部33では、変圧回路331に交流電圧が印加されると、交流電圧は変圧回路331によって変圧される。そして、二次側巻線331bの両端電圧がコンバータ回路332に入力される。
In the
コンバータ回路332に入力された変圧後の交流電圧は、整流部332aで直流電圧に変換され、平滑コンデンサ332bで平滑化される。この平滑化された直流電圧が制御部40に入力される。すなわち、一次側巻線331aに印加される電圧に応じた直流電圧が、制御部40に入力されることになる。
The transformed AC voltage input to the
(5−2)モータ駆動装置10の動作
変形例では、過電圧制御時の制御フローは、図3に記載した過電圧時制御の制御フローの直流電圧Vdcを商用電源91の交流電圧Vacへ置き換え、ステップS2のVdcmaxに替えて交流電圧Vacがインバータ25を含む機器に印加できる上限電圧であるVacmaxを設定し、さらにステップS5のVdcretに替えて過電圧時制御を解除してもよい交流電圧Vacretを設定することによって、第1実施形態と同等の過電圧時制御、待機時制御を実現することができる。
(5-2) Operation of
<第2実施形態>
(1)概要
図7は、本発明の第2実施形態に係る過電圧保護回路50が採用されているシステム100の全体構成と、そのシステム100を利用するモータ駆動装置10の内部構成とを示すブロック図である。
Second Embodiment
(1) Overview FIG. 7 is a block diagram showing an overall configuration of a
図7おいて、第2実施形態に係る過電圧保護回路50は、図1で示された第1実施形態における過電圧保護回路50に第2スイッチ12が追加された構成である。したがって、ここでは第2スイッチ12について説明し、それ以外の要素は第1実施形態と同様であるので、同じ名称及び符号を付して詳細な説明を省略する。
In FIG. 7, the
(2)モータ駆動装置10の詳細構成
(2−1)第2スイッチ12
第2スイッチ12は、電源ライン801を開閉する。ここで、電源ライン801を開閉するとは、電源ライン801を導通又は遮断して非導通にすることである。
(2) Detailed configuration of motor drive device (2-1)
The
第2スイッチ12は、通常時は電源ライン801を閉、つまり導通状態にしておく。他方、待機時の電力消費を抑制するためゲート駆動回路26への電源供給を停止した場合、トランジスタQ3a〜Q5bを確実にオフ状態としておくことができなくなる。このようなときに過電圧が発生した場合、スイッチング素子を過電圧から保護できなくなる。
The
第2スイッチ12の役割は、電源ライン801を遮断して、主電源電圧(直流電圧Vdc)が上下アームの各スイッチング素子に印加されないようにすることである。これによって、スイッチング素子を過電圧から保護することができる。
The role of the
第2スイッチ12は、高速性が求められるため、本実施形態では半導体スイッチが採用されている。
Since the
図7に示すように、第1スイッチ12は、フォトカプラ12aと、駆動回路12bと、還流ダイオード付きのトランジスタ12cとで構成されている。フォトカプラ12aは、発光ダイオード121とフォトトランジスタ122を内蔵している。
As shown in FIG. 7, the
第1スイッチ12の入力側(A1−A2間)にはフォトカプラ12aの発光ダイオード121が接続されている。発光ダイオード121のアノードA1は抵抗R1を介して電源Vbに接続されている。発光ダイオード121のカソードA2は信号線を介して制御部40に接続されている。また、フォトトランジスタ122は駆動回路11bと駆動回路GNDとの間に接続されている。
The
第1スイッチ12の出力側(B1−B2間)にトランジスタ12cが設けられている。トランジスタ12cのエミッタB1はインバータ25の高電位側に接続されている。また、トランジスタ12cのコレクタB2は平滑コンデンサ22の高電位側に接続されている。
A
制御部40の制御信号は、フォトカプラ12aを介して駆動回路12bに入力される。駆動回路12bには、駆動用電源(図示せず)が接続されており、制御部40が発光ダイオード121の信号ラインをオンさせると、発光ダイオード121が発光しフォトトランジスタ122が導通する。このフォトトランジスタ122が導通している間、駆動回路12bからトランジスタ12cのベースに駆動信号が出力され、トランジスタ12cのコレクタB2−エミッタB1間が導通する。
The control signal of the
逆に、制御部40が発光ダイオード121の信号ラインをオフさせると、発光ダイオード121が発光しないので、フォトトランジスタ122は導通しない。このフォトトランジスタ122が導通していない間、トランジスタ12cのコレクタB2−エミッタB1間も導通しない。
Conversely, when the
(3)モータ駆動装置10の動作
(3−1)過電圧時制御
第2実施形態における過電圧時制御は、第1実施形態における過電圧時制御を採用しているので、ここでは説明を省略する。
(3) Operation of Motor Drive Device (3-1) Overvoltage Control Since the overvoltage control in the second embodiment employs the overvoltage control in the first embodiment, description thereof is omitted here.
(3−2)待機時制御
図8は、第2実施形態における待機時制御の制御フローである。図8において、制御部40は、ステップS21で待機時制御指令が有るか否かを判定し、待機時制御指令が有るときはステップS22へ進む。
(3-2) Standby Control FIG. 8 is a control flow of standby control in the second embodiment. In FIG. 8, the
次に、制御部40は、ステップS22において、過電圧時制御を実行中か否かを判定し、過電圧時制御を実行中のときはステップS23へ進み、過電圧時制御を実行中ではないときはステップS24へ飛ぶ。
Next, in step S22, the
次に、制御部40は、ステップS23において、第2スイッチ12をオフして電源ライン801を遮断し、主電源電圧(直流電圧Vdc)がインバータ25に印加されないようにする。仮に過電圧時制御中、先に第1スイッチ11をオフすると、トランジスタQ3a、Q3b,Q4a、Q4b,Q5a、Q5bをオフさせておくために最低限必要な電圧を確保できず、オフしていた上下アームの一方のトランジスタが動作不安定によりオンしてしまい、オフしている他方のトランジスタに過電圧がかかることとなるからである。
Next, in step S <b> 23, the
次に、制御部40は、ステップS24において、第1スイッチ11をオフする。インバータ25に直流電圧Vdcが印加されなくなったことにより、第1スイッチ11をオフしてゲート駆動回路26での待機電力消費を抑制することが可能になったからである。なお、ステップS22において過電圧時制御を実行中ではないと判定されたときも、このステップS24において第1スイッチ11をオフし、待機電力消費を抑制する。
Next, the
そして、制御部40は、ステップS25において待機時制御解除指令が有るか否かの判定し、待機時制御解除指令が有ったときは待機時制御を終了する。
Then, in step S25, the
上記のように、本実施形態では、電圧検出部23、第1スイッチ11、第2スイッチ12、及び制御部40によって過電圧保護回路50が構成されている。
As described above, in this embodiment, the
(4)第2実施形態の特徴
(4−1)
過電圧保護回路50では、制御部40が、過大電圧発生時に上下アームの両方のトランジスタQ3a〜Q5bをオフすることによって、過大電圧は直列接続された2つのスイッチング素子それぞれの両端に分圧され、1つのスイッチング素子(トランジスタQ3a〜Q5b、ダイオードD3a〜D5b)にかかる過大電圧はどちらか一方が動作していた時の半分に低減されるので、スイッチング素子を破壊から保護することができる。
(4) Features of the second embodiment (4-1)
In the
(4−2)
また、制御部40は、過電圧時制御中、第1スイッチ11を介して電源ライン801を電気的に切断し、直流電圧Vdcが上下アームの各スイッチング素子に印加されないようにして、スイッチング素子を過電圧から保護する。
(4-2)
In addition, during overvoltage control, the
(4−3)
また、制御部40は、第2スイッチ12を介して駆動電源ライン803を遮断することによって、ゲート駆動回路26での電力消費の無駄を解消することができる。
(4-3)
Further, the
(4−4)
さらに、制御部40は、先に電源ライン801を切断し、その後、駆動電源ライン803を遮断することによって、スイッチング素子を過電圧から確実に保護している。仮に、駆動電源ライン803を先に切断すると、オフ状態が不安定になったスイッチング素子の両端に主電源電圧(直流電圧Vdc)の過電圧が印過されるので、「上下アームの両方のスイッチング素子をオフすることによって、過大電圧を直列接続された2つのスイッチング素子それぞれの両端に分圧する」という作用が発揮されない虞があり、これを防止する上で、先に電源ライン801を切断する。
(4-4)
Further, the
(5)変形例
第2実施形態では、制御部40は待機時制御指令を受けた時点が過電圧時制御中である場合には、直ぐに第2スイッチ12をオフしてインバータ25への電圧印加を停止し、第1スイッチ11をオフにしている。しかし、第2スイッチ12をオフするタイミングを、過電圧の大きさ、又は過電圧が作用している時間で決定してもよい。
(5−1)第1変形例
図9は、第2実施形態の第1変形例における待機時制御の制御フローである。図9において、制御部40は、ステップS31で待機時制御指令が有るか否かを判定し、待機時制御指令が有るときはステップS32へ進む。
(5) Modified Example In the second embodiment, the
(5-1) First Modification FIG. 9 is a control flow of standby control in a first modification of the second embodiment. In FIG. 9, the
次に、制御部40は、ステップS32において、過電圧時制御を実行中か否かを判定し、過電圧時制御を実行中のときはステップS33へ進み、過電圧時制御を実行中ではないときはステップS35へ飛ぶ。
Next, in step S32, the
次に、制御部40は、ステップS33において、過電圧時制御開始からの経過時間tが所定時間tsに達したか否かを判定し、t≧tsのときはステップS34へ進み、t≧tsでないときは、当該判定を継続する。
Next, in step S33, the
過電圧時制御の開始は、直流電圧Vdcがインバータ25に印加できる上限電圧であるVdcmaxに達したときに開始するので、その時点からVdc≧Vdcmaxの状態が所定時間tsを超えて継続することは、インバータ25及びその他の機器に対して悪影響が生じるので、連続してVdc≧Vdcmaxである状態の時間(ts)を監視する必要がある。
Since the overvoltage control starts when the DC voltage Vdc reaches Vdcmax, which is the upper limit voltage that can be applied to the
次に、制御部40は、ステップS34において、第2スイッチ12をオフして電源ライン801を遮断し、主電源電圧(直流電圧Vdc)がインバータ25に印加されないようにする。仮に過電圧時制御中、先に第1スイッチ11をオフすると、トランジスタQ3a、Q3b,Q4a、Q4b,Q5a、Q5bをオフさせておくために最低限必要な電圧を確保できず、オフしていた上下アームの一方のトランジスタが動作不安定によりオンしてしまい、オフしている他方のトランジスタに過電圧がかかることとなるからである。
Next, in step S <b> 34, the
次に、制御部40は、ステップS35において、第1スイッチ11をオフする。インバータ25に直流電圧Vdcが印加されなくなったことにより、第1スイッチ11をオフしてゲート駆動回路26での待機電力消費を抑制することが可能になったからである。なお、ステップS32において過電圧時制御を実行中ではないと判定されたときも、このステップS35において第1スイッチ11をオフし、待機電力消費を抑制する。
Next, the
そして、制御部40は、ステップS36において待機時制御解除指令が有るか否かの判定し、待機時制御解除指令が有ったときは待機時制御を終了する。
Then, in step S36, the
上記のように、過電圧状態が長期化した場合には電源ライン801を電気的に切断することによって、過電圧となった直流電圧Vdcがスイッチング素子に印加されないようにして、スイッチング素子を過電圧から確実に保護するとともに、第1スイッチ11をオフして待機電力消費を抑制することができる。
(5−2)第2変形例
図10は、第2実施形態の第2変形例における待機時制御の制御フローである。図10において、制御部40は、ステップS41で待機時制御指令が有るか否かを判定し、待機時制御指令が有るときはステップS42へ進む。
As described above, when the overvoltage state is prolonged, the
(5-2) Second Modification FIG. 10 is a control flow of standby control in a second modification of the second embodiment. In FIG. 10, the
次に、制御部40は、ステップS42において、過電圧時制御を実行中か否かを判定し、過電圧時制御を実行中のときはステップS43へ進み、過電圧時制御を実行中ではないときはステップS45へ飛ぶ。
Next, in step S42, the
次に、制御部40は、ステップS43において、直流電圧Vdcが第2閾値Vdclimに達したか否かを判定し、Vdc≧VdclimのときはステップS44へ進み、Vdc≧Vdclimでないときは、当該判定を継続する。
Next, in step S43, the
過電圧時制御の開始は、直流電圧Vdcがインバータ25に印加できる上限電圧であるVdcmaxに達したときに開始するものの、電圧上昇が急激な場合、重大な損害を被るので、破壊を回避できる限界の電圧Vdclimを設定した上で、Vdc≧Vdclimであるか否かを監視する必要がある。
The over-voltage control starts when the DC voltage Vdc reaches Vdcmax, which is the upper limit voltage that can be applied to the
次に、制御部40は、ステップS44において、第2スイッチ12をオフして電源ライン801を遮断し、主電源電圧(直流電圧Vdc)がインバータ25に印加されないようにする。仮に過電圧時制御中、先に第1スイッチ11をオフすると、トランジスタQ3a、Q3b,Q4a、Q4b,Q5a、Q5bをオフさせておくために最低限必要な電圧を確保できず、オフしていた上下アームの一方のトランジスタが動作不安定によりオンしてしまい、オフしている他方のトランジスタに過電圧がかかることとなるからである。
Next, in step S44, the
次に、制御部40は、ステップS45において、第1スイッチ11をオフする。インバータ25に直流電圧Vdcが印加されなくなったことにより、第1スイッチ11をオフしてゲート駆動回路26での待機電力消費を抑制することが可能になったからである。なお、ステップS42において過電圧時制御を実行中ではないと判定されたときも、このステップS45において第1スイッチ11をオフし、待機電力消費を抑制する。
Next, the
そして、制御部40は、ステップS46において待機時制御解除指令が有るか否かの判定し、待機時制御解除指令が有ったときは待機時制御を終了する。
Then, the
上記のように、本実施形態では、電圧検出部23、第1スイッチ11、第2スイッチ12、及び制御部40によって過電圧保護回路50が構成されている。
As described above, in this embodiment, the
上記のように、直流電圧Vdcが急激に上昇した場合には電源ライン801を電気的に切断することによって、過電圧となった直流電圧Vdcがスイッチング素子に印加されないようにして、スイッチング素子を過電圧から確実に保護するとともに、第1スイッチ11をオフして待機電力消費を抑制することができる。
As described above, when the DC voltage Vdc suddenly rises, the
(5−3)第3変形例
図11は、第2実施形態の第3変形例に係る過電圧保護回路50が採用されているシステム100の全体構成と、そのシステム100を利用するモータ駆動装置10の内部構成とを示すブロック図である。図11において、インバータ25は、電源供給部20から一対の電源ライン801,802を介して電力供給されている。過電圧保護回路50の一部は商用電源91と電源供給部20との間に接続され、他の部分は電源供給部20とインバータ25との間に接続されている。
(5-3) Third Modified Example FIG. 11 shows an overall configuration of a
過電圧保護回路50は、電圧検出部33、第1スイッチ11、第2スイッチ13及び制御部40によって構成されている。
The
第3変形例における過電圧保護回路50と、既に説明した第2実施形態、その第1変形例及び第2変形例における過電圧保護回路との相違点は、過電圧保護回路50の構成要素である電圧検出部と第2スイッチとが商用電源91と電源供給部20との間に設けられていることである。
The difference between the
電圧検出器及び第2スイッチが直流仕様から交流仕様に置き換えられることに鑑みて、第2実施形態の電圧検出部23及び第2スイッチ12に替えて電圧検出部33及び第2スイッチ13が採用されている。なお、電圧検出部33は第1実施形態の変形例で採用したものと同じであるので説明を省略し、ここでは第2スイッチ13についてのみを説明する。
In view of the replacement of the voltage detector and the second switch from the DC specification to the AC specification, the
(5−3−1)第2スイッチ13
第2スイッチ13は、電源ライン901を開閉する。ここで、電源ライン901を開閉するとは、電源ライン901を導通又は遮断して非導通にすることである。
(5-3-1)
The
第2スイッチ13は、通常時は電源ライン901を閉、つまり導通状態にしておく。他方、待機時の電力消費を抑制するためゲート駆動回路26への電源供給を停止した場合、トランジスタQ3a〜Q5bを確実にオフ状態としておくことができなくなる。このようなときに過電圧が発生した場合、トランジスタQ3a〜Q5b及びダイオードD3a〜D5b(以下、総称してスイッチング素子という。)を過電圧から保護できなくなる。
The
第2スイッチ13の役割は、電源ライン901を遮断して、主電源電圧(直流電圧Vdc)が上下アームの各スイッチング素子に印加されないようにすることである。これによって、スイッチング素子を過電圧から保護することができる。
The role of the
第2スイッチ13は、高速性が求められるため、本実施形態では半導体スイッチが採用されている。具体的なスイッチとしては、トライアック、双方向に導通させるように接続したMOSFET、SSR(ソリッドステートリレー)などが採用される。本実施形態では、SSRが採用されている。
Since the
図11に示すように、第2スイッチ13をSSRとした場合の例を示す。SSRは、発光ダイオード13a、フォトトライアック13b、トリガ回路13c、トライアック13dから構成される。第2スイッチ13は入力側(E1−E2間)に発光ダイオード13aが設けられ、出力側(F1−F2間)にトライアック13dが設けられている。フォトトライアック13bの等価回路は、2つのフォトサイリスタ131,132を互いに逆方向に並列接続した構成である。また、同様にトライアック13dの等価回路は、2つのフォトサイリスタを互いに逆方向に並列接続した構成である。
As shown in FIG. 11, an example in which the
発光ダイオード13aのアノードE1は抵抗R1を介して電源Vbに接続されている。また、発光ダイオード13aのカソードE2は信号線を介して制御部40に接続されている。
The anode E1 of the
フォトトライアック13bの第1アノードF1は、電源ライン902のうちの整流部21側に接続されている。また、フォトトライアック13bの第2アノードF2は電源ライン902にうちの商用電源90側に接続されている。
The first anode F1 of the phototriac 13b is connected to the rectifying
発光ダイオード13aは電流が流れると発光する。フォトトライアック13bは、第1アノードF1の電位が第2アノードF2の電位より大きい状態で発光ダイオード13aからの光を受けるとフォトサイリスタ131がオン状態になる。他方、第1アノードF1の電位が第2アノードF2の電位より小さい状態で発光ダイオード13aからの光を受けるとフォトサイリスタ132がオン状態になる。フォトトライアック13bがオン状態となることにより、トリガ回路13cが動作し、トライアック13dがオン状態となる。
The
このように、SSRは双方向の印加電圧に対して動作する双方向素子であり、しかも高速で動作するので、双方向の高速スイッチとして利用される。 As described above, the SSR is a bidirectional element that operates with respect to a bidirectional applied voltage, and operates at a high speed, so that it is used as a bidirectional high-speed switch.
なお、双方向の高速スイッチとしては、SSRだけに限定されるものではないが、別の形態の高速スイッチを用いる場合には、そのスイッチの形態に応じた駆動回路が適宜使用される。 Note that the bidirectional high-speed switch is not limited to the SSR alone, but when a high-speed switch of another form is used, a drive circuit corresponding to the form of the switch is appropriately used.
また、第2スイッチ13の動作制御、つまり発光ダイオード13aへの通電制御は制御部40が行う。
The
(5−3−2)モータ駆動装置10の動作
第3変形例では、過電圧時制御の制御フローは、図3に記載した過電圧時制御の制御フローの直流電圧Vdcを商用電源91の交流電圧Vacへ置き換えたものとなる。また、ステップS2のVdcmaxに替えて、交流電圧Vacがインバータ25を含む機器に印加できる上限電圧であるVacmaxを設定している。さらに、ステップS5のVdcretに替えて、過電圧時制御を解除してもよい交流電圧Vacretを設定している。
(5-3-2) Operation of
以上の設定によって、第1実施形態と同等の過電圧時制御を実現することができる。 With the above settings, overvoltage control equivalent to that of the first embodiment can be realized.
待機時制御の制御フローは、図4、図8、図9に記載した待機時制御フローを採用することができる。図10に記載した待機時制御フローについては、ステップS43の直流電圧Vdcを商用電源91の交流電圧Vacへ置き換え、Vdclimに替えて破壊を回避できる限界の交流電圧Vaclimを設定することによって利用することができる。
As the control flow of the standby control, the standby control flow described in FIGS. 4, 8, and 9 can be adopted. The standby control flow described in FIG. 10 is used by replacing the DC voltage Vdc in step S43 with the AC voltage Vac of the
<その他実施形態>
(A)
第2実施形態の第3変形例は、第2実施形態から、電圧検出部と第1スイッチとを、商用電源91と電源供給部20との間に設けるように変更したものであるが、電圧検出部のみを商用電源91と電源供給部20との間に設けるようにしてもよい。
<Other embodiments>
(A)
The third modification of the second embodiment is a modification of the second embodiment in that the voltage detection unit and the first switch are provided between the
(B)
第1実施形態及び第2実施形態における第1スイッチ11、又は第2実施形態における第2スイッチ12及び第3変形例における第2スイッチ13は、半導体スイッチを採用してもよい。
(B)
The first switch 11 in the first embodiment and the second embodiment, or the
但し、第2実施形態の第3変形例における第2スイッチ13は交流を入り切りするので、半導体スイッチは双方向性を必要とする。これに対し、第1実施形態及び第2実施形態における第1スイッチ11、第2実施形態における第2スイッチ12は、DC電源の下流側に配置されるので、半導体スイッチは片方向スイッチでよい。
However, since the
コストの観点では、第1実施形態及び第2実施形態における第1スイッチ11、第2実施形態における第2スイッチ12は、片方向スイッチを採用できるので、スイッチの低コスト化を図ることができる。
From the viewpoint of cost, the first switch 11 in the first embodiment and the second embodiment and the
本願発明は、上下アームの各トランジスタを過電圧から保護することができるので、モータ駆動装置だけに限らす、インバータを用いた他の駆動装置に有用である。 Since the present invention can protect each transistor of the upper and lower arms from overvoltage, it is useful not only for motor drive devices but also for other drive devices using inverters.
11 第1スイッチ
12,13 第2スイッチ
23,33 電圧検出部
26 ゲート駆動回路(駆動回路)
40 制御部
50 過電圧保護回路
Q3a トランジスタ(スイッチング素子)
Q3b トランジスタ(スイッチング素子)
Q4a トランジスタ(スイッチング素子)
Q4b トランジスタ(スイッチング素子)
Q5a トランジスタ(スイッチング素子)
Q5b トランジスタ(スイッチング素子)
D3a ダイオード(スイッチング素子)
D3b ダイオード(スイッチング素子)
D4a ダイオード(スイッチング素子)
D4b ダイオード(スイッチング素子)
D5a ダイオード(スイッチング素子)
D5b ダイオード(スイッチング素子)
NU 接続点
NV 接続点
NW 接続点
Vc 駆動回路電源
Vdc 直流電圧
11
40
Q3b transistor (switching element)
Q4a transistor (switching element)
Q4b transistor (switching element)
Q5a transistor (switching element)
Q5b Transistor (switching element)
D3a Diode (switching element)
D3b Diode (switching element)
D4a Diode (switching element)
D4b Diode (switching element)
D5a Diode (switching element)
D5b Diode (switching element)
NU Connection point NV Connection point NW Connection point Vc Drive circuit power supply Vdc DC voltage
Claims (7)
前記電源の電圧を検出する電圧検出部(23)と、
前記スイッチング素子(Q3a、Q3b,Q4a、Q4b,Q5a、Q5b)をオンオフ動作させる電圧を生成する駆動回路(26)と、
前記駆動回路(26)に電源電圧を供給する駆動回路電源(Vc)と、
前記駆動回路電源(Vc)と前記駆動回路(26)とを結ぶ駆動電源ラインを開閉する第1スイッチ(11)と、
前記駆動回路(26)を介して前記スイッチング素子(Q3a、Q3b,Q4a、Q4b,Q5a、Q5b)を制御する制御部(40)と、
を備え、
前記制御部(40)は、制御モードとして、
前記電圧検出部(23)の検出値が所定の閾値を超えたとき、前記上下アームの両方の前記スイッチング素子(Q3a、Q3b,Q4a、Q4b,Q5a、Q5b)をオフする過電圧時制御と、
前記上下アームの両方の前記スイッチング素子(Q3a、Q3b,Q4a、Q4b,Q5a、Q5b)がオフのときに前記第1スイッチ(11)を介して前記駆動電源ラインを電気的に切断する待機時制御と、
を含み、
さらに前記制御部(40)は、前記過電圧時制御を実行中は、前記待機時制御を行わない、
過電圧保護回路(50)。 Each of the plurality of upper and lower arms is formed by connecting two switching elements (Q3a, Q3b, Q4a, Q4b, Q5a, Q5b, D3a, D3b, D4a, D4b, D5a, D5b) in series. An overvoltage protection circuit for a power converter that outputs a voltage from each connection point (NU, NV, NW) to a corresponding load,
A voltage detector (23) for detecting the voltage of the power source;
A drive circuit (26) for generating a voltage for turning on and off the switching elements (Q3a, Q3b, Q4a, Q4b, Q5a, Q5b);
A drive circuit power supply (Vc) for supplying a power supply voltage to the drive circuit (26);
A first switch (11) for opening and closing a drive power supply line connecting the drive circuit power supply (Vc) and the drive circuit (26);
A control unit (40) for controlling the switching elements (Q3a, Q3b, Q4a, Q4b, Q5a, Q5b) via the drive circuit (26);
With
The control unit (40) is configured as a control mode.
Overvoltage control for turning off the switching elements (Q3a, Q3b, Q4a, Q4b, Q5a, Q5b) of both the upper and lower arms when the detection value of the voltage detection unit (23) exceeds a predetermined threshold;
Standby control for electrically disconnecting the drive power line via the first switch (11) when the switching elements (Q3a, Q3b, Q4a, Q4b, Q5a, Q5b) of both the upper and lower arms are off When,
Including
Further, the control unit (40) does not perform the standby control during the overvoltage control.
Overvoltage protection circuit (50).
前記制御部(40)は、前記電圧検出部(23)の検出値が前記所定の閾値を超えている時間が所定時間よりも長くなったとき、前記第2スイッチ(12)を介して前記主電源ラインを電気的に切断する、
請求項1に記載の過電圧保護回路(50)。 A second switch (12) for opening and closing a main power line connecting the power source and a circuit including the upper and lower arms;
When the time when the detection value of the voltage detection unit (23) exceeds the predetermined threshold becomes longer than a predetermined time, the control unit (40) passes the main switch via the second switch (12). Electrically disconnect the power line,
The overvoltage protection circuit (50) according to claim 1.
前記制御部(40)は、前記電圧検出部(23)の検出値が所定の第2閾値を超えたとき、前記第2スイッチ(12)を介して前記主電源ラインを電気的に切断する、
請求項1に記載の過電圧保護回路(50)。 A second switch (12) for opening and closing a main power line connecting the power source and a circuit including the upper and lower arms;
The control unit (40) electrically disconnects the main power line via the second switch (12) when a detection value of the voltage detection unit (23) exceeds a predetermined second threshold value.
The overvoltage protection circuit (50) according to claim 1.
前記電源の電圧を検出する電圧検出部(23)と、
前記スイッチング素子(Q3a、Q3b,Q4a、Q4b,Q5a、Q5b)をオンオフ動作させる電圧を生成する駆動回路(26)と、
前記駆動回路(26)に電源電圧を供給する駆動回路電源(Vc)と、
前記駆動回路電源(Vc)と前記駆動回路(26)とを結ぶ駆動電源ラインを開閉する第1スイッチ(11)と、
前記電源と、前記上下アームが含まれる回路とを結ぶ主電源ラインを開閉する第2スイッチ(12)と、
前記駆動回路(26)を介して前記スイッチング素子(Q3a、Q3b,Q4a、Q4b,Q5a、Q5b)を制御する制御部(40)と、
を備え、
前記制御部(40)は、制御モードとして、
前記電圧検出部(23)の検出値が所定の閾値を超えたとき、前記上下アームの両方の前記スイッチング素子(Q3a、Q3b,Q4a、Q4b,Q5a、Q5b)をオフする過電圧時制御と、
前記上下アームの両方の前記スイッチング素子(Q3a、Q3b,Q4a、Q4b,Q5a、Q5b)がオフのときに前記第1スイッチ(11)を介して前記駆動電源ラインを電気的に切断する待機時制御と、
を含み、
さらに前記制御部(40)は、前記過電圧時制御を実行中に前記待機時制御を行うとき、前記第2スイッチ(12)を介して前記主電源ラインを電気的に切断する、
過電圧保護回路(50)。 Each of the plurality of upper and lower arms is formed by connecting two switching elements (Q3a, Q3b, Q4a, Q4b, Q5a, Q5b, D3a, D3b, D4a, D4b, D5a, D5b) in series. An overvoltage protection circuit for a power converter that outputs a voltage from each connection point (NU, NV, NW) to a corresponding load,
A voltage detector (23) for detecting the voltage of the power source;
A drive circuit (26) for generating a voltage for turning on and off the switching elements (Q3a, Q3b, Q4a, Q4b, Q5a, Q5b);
A drive circuit power supply (Vc) for supplying a power supply voltage to the drive circuit (26);
A first switch (11) for opening and closing a drive power supply line connecting the drive circuit power supply (Vc) and the drive circuit (26);
A second switch (12) for opening and closing a main power line connecting the power source and a circuit including the upper and lower arms;
A control unit (40) for controlling the switching elements (Q3a, Q3b, Q4a, Q4b, Q5a, Q5b) via the drive circuit (26);
With
The control unit (40) is configured as a control mode.
Overvoltage control for turning off the switching elements (Q3a, Q3b, Q4a, Q4b, Q5a, Q5b) of both the upper and lower arms when the detection value of the voltage detection unit (23) exceeds a predetermined threshold;
Standby control for electrically disconnecting the drive power line via the first switch (11) when the switching elements (Q3a, Q3b, Q4a, Q4b, Q5a, Q5b) of both the upper and lower arms are off When,
Including
Further, the control unit (40) electrically disconnects the main power supply line via the second switch (12) when performing the standby control during execution of the overvoltage control.
Overvoltage protection circuit (50).
請求項4に記載の過電圧保護回路(50)。 The controller (40) disconnects the drive power supply line after disconnecting the main power supply line.
The overvoltage protection circuit (50) according to claim 4.
請求項1から請求項5のいずれか1項に記載の過電圧保護回路(50)。 The power source is a DC power source;
The overvoltage protection circuit (50) according to any one of claims 1 to 5.
請求項1から請求項5のいずれか1項に記載の過電圧保護回路(50)。 The power source is an AC power source;
The overvoltage protection circuit (50) according to any one of claims 1 to 5.
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