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TECHNISCHES GEBIET
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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Wechselrichter-Ansteuervorrichtung.
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HINTERGRUNDGEBIET
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IGBTs werden als Halbleiter-Leistungselemente eingesetzt, die in Hochspannungswechselrichtern von Hybridelektrofahrzeugen (HEVs) und Elektrofahrzeugen (EVs) verwendet werden. Bei IGBTs besteht die Neigung, dass die Kurzschlusstoleranz im Vergleich zu MOSFETs niedrig ist, so dass es erforderlich ist, über den Entwurf einer Kurzschluss- und Überstromschutzschaltung nachzudenken.
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Bei dem Entwurf eines Wechselrichters ist es zur Gewährleistung der Sicherheit möglich, IGBTs zu verwenden, deren Kurzschlusstoleranz hoch ist, doch dies beinhaltet viele Nachteile wie etwa eine Erhöhung der Kosten, die Zunahme von Dauerverlusten usw. Darüber hinaus gibt es auch ein Verfahren, den Kurzschlussstrom eines IGBT niedrig zu halten, indem die Gate-Spannung mit einer Zenerdiode geklemmt wird, wenn ein Kurzschluss erfolgt, mit dem Ziel, die Energie während eines Kurzschlusses zu verringern, es besteht jedoch die Gefahr, dass die Gate-Spannung abhängig vom Typ des IGBT oszilliert.
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Im Patentdokument Nr. 1 wird offenbart, einen Überstrom durch Klemmen der Gate-Spannung eines IGBT unter Verwendung einer Zenerdiode zu unterdrücken, wenn ein Überstrom erfasst wird. Bei diesem Verfahren besteht jedoch die Gefahr, dass die Gate-Spannung wegen einer Wiederholung eines Zener-Klemmvorgangs und eines Zener-Klemm-Aufhebevorgangs oszilliert. Dieses Phänomen kann eine Ursache für eine Erhöhung der Überspannung sein, und dies ist nicht erwünscht.
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ENTGEGENHALTUNGSLISTE
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PATENTLITERATUR
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- Patentdokument Nr. 1: Japanische Offenlegungsschrift 2008-236907
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ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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TECHNISCHES PROBLEM
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Bei dem Verfahren des Standes der Technik, die Gate-Spannung eines IGBT durch Verwendung einer Zenerdiode zu klemmen, besteht die Möglichkeit, dass die Gate-Spannung oszillieren kann.
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LÖSUNG DES TECHNISCHEN PROBLEMS
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Zum Lösen des zuvor beschriebenen Problems enthält eine Wechselrichter-Ansteuervorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung Folgendes: einen Ansteuerschaltkreis, der eine Gate-Spannung eines Halbleiter-Leistungselements auf der Basis eines PWM-Signals ausgibt; einen Überstrom-Schutzschaltkreis, der eine Spannung auf der Emitterelektrodenseite des Halbleiter-Leistungselements erfasst und der, falls die Spannung höher ist als ein erster zuvor festgelegter Spannungswert, der im Voraus ermittelt wurde, ein Fehlersignal an den Ansteuerschaltkreis ausgibt, um die Ausgabe der Gate-Spannung zu stoppen, nachdem ein erstes zuvor festgelegtes Zeitintervall seit der Erfassung der Spannung auf der Emitterelektrodenseite verstrichen ist; und einen Zener-Klemmschutzschaltkreis, der die Spannung auf der Emitterelektrodenseite des Halbleiter-Leistungselements erfasst, und der, falls diese Spannung höher ist als ein zweiter zuvor festgelegter Spannungswert, der im Voraus ermittelt wurde, das Gate-Spannungssignal der Ansteuerschaltung klemmt, nachdem ein zweites zuvor festgelegtes Zeitintervall seit der Erfassung der Spannung auf der Emitterelektrodenseite verstrichen ist, wobei der Zener-Klemmschutzschaltkreis einen Verriegelungsschaltkreis enthält, der, nachdem die Spannung auf der Emitterelektrodenseite erfasst wurde, das Klemmen der Gate-Spannung durch den Zener-Klemmschutzschaltkreis während eines zuvor festgelegten Zeitintervalls fortsetzt.
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VORTEILE DER ERFINDUNG
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Gemäß der vorliegenden Erfindung ist es möglich, die Sicherheit eines Wechselrichtersystems zu verbessern.
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KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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1 ist ein Schaltkreis-Blockdiagramm eines typischen Wechselrichters für ein HEV;
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2 ist ein Schaltkreisdiagramm, das in anschaulicher Form den Aufbau eines Halbleiter-Leistungselements und eines Überstrom-Erfassungsschaltkreises zeigt, die in einem Wechselrichter-Schaltkreis des Standes der Technik verwendet werden;
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3 ist ein Schaltkreisdiagramm, das in anschaulicher Form den Aufbau eines Halbleiter-Leistungselements, eines Überstrom-Erfassungsschaltkreises und eines Zener-Klemmschutzschaltkreises zeigt, die in einem Wechselrichter-Schaltkreis des Standes der Technik verwendet werden;
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4 ist ein Schaltkreisdiagramm, das in anschaulicher Form den Aufbau eines Halbleiter-Leistungselements, eines Überstrom-Erfassungsschaltkreises und eines Zener-Klemmschutzschaltkreises gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt;
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5 ist ein Beispiel eines Ablaufdiagramms für eine Spannungsform während eines Schaltvorgangs des Halbleiter-Leistungselements des Schaltkreises des Standes der Technik von 2;
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6 ist ein Beispiel eines Ablaufdiagramms für eine Spannungsform während eines Schaltvorgangs des Halbleiter-Leistungselements des Schaltkreises des Standes der Technik von 3;
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7 ist ein Beispiel eines Ablaufdiagramms einer Spannungsform während eines Schaltvorgangs des Halbleiter-Leistungselements der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung von 4;
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8 ist ein Beispiel eines Ablaufdiagramms für eine Spannungsform in der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung (7), wenn der Zener-Klemmvorgang während eines kurzen Zeitintervalls aufgehoben wurde;
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9 ist ein Beispiel eines Ablaufdiagramms für eine Spannungsform in der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung (7), wenn der Zener-Klemmvorgang während einer Fehlerausgabe aufgehoben wurde;
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10 ist ein Schaltkreisdiagramm eines Wechselrichters, bei dem gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ein Überstromerfassungs-Zeitintervall und ein Zener-Klemmvorgang-Zeitintervall getrennt bereitgestellt werden können; und
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11 ist ein Schaltkreisdiagramm eines Wechselrichters, bei dem gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung eine Überstrom-Erfassungshöhe und eine Zener-Klemm-Erfassungshöhe getrennt eingestellt werden können.
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BESCHREIBUNG VON AUSFÜHRUNGSFORMEN
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Im Folgenden werden Ausführungsformen der Wechselrichter-Ansteuervorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung anhand 1 bis 11 erklärt.
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1 ist ein Schaltkreis-Blockdiagramm eines typischen Wechselrichtersystems für ein HEV. Dieses Wechselrichtersystem enthält Folgendes: Halbleiter-Leistungselemente 104 bis 109, die die Gleichspannung einer Batterie 100 in eine Wechselspannung umsetzen; einen Motor 102; einen Stromsensor 103, der die Ströme von den Halbleiter-Leistungselementen 104 bis 109 erfasst; einen PWM-Schaltkreis 101, der in sich eine CPU, einen Zählschaltkreis, Eingangs- und Ausgangsschaltkreise usw. beinhaltet; und Gate-Ansteuerschaltkreise 110 bis 115, um die Halbleiter-Leistungselemente 104 bis 109 anzutreiben. Zener-Klemmschaltkreise sind in den zuvor beschriebenen Gate-Ansteuerschaltkreisen enthalten. Hier ist ein Gate-Ansteuerschaltkreis für jeden Zweig vorgesehen. Selbstverständlich sind in dieser Ausführungsform die Halbleiter-Leistungselemente üblicherweise IGBTs.
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Bei dem in 1 gezeigten Schaltkreisaufbau führt der PWM-Schaltkreis 101 eine PWM-Berechnung (Pulsbreitenmodulationsberechnung) durch, um so die Abweichungen zwischen den durch die Halbleiter-Leistungselemente 104 bis 109 ausgegebenen Stromwerten, die durch den Stromsensor 103 erfasst werden, und den eingestellten Werten auf Null zu verringern. PWM-Signale (Pulssignale), in denen EIN-Signale und AUS-Signale für die Halbleiter-Leistungselemente 104 bis 109 abwechselnd wiederholt werden, werden von diesem PWM-Schaltkreis 101 an die Gate-Ansteuerschaltungen 110 bis 115 ausgegeben.
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2 ist ein Schaltkreis-Strukturdiagramm, das eine Gate-Ansteuerschaltung 110a des Standes der Technik zum Ansteuern des Halbleiter-Leistungselements 104 zeigt. Wie es in 2 gezeigt ist, erfasst durch Auslesen der Spannung über einem Spiegelemitter-Erfassungswiderstand 202, der mit einem Spiegelemitteranschluss des Halbleiter-Leistungselements 104 verbunden ist, ein Überstromschutzschaltkreis 204 eines Gate-Ansteuerschaltkreises 110a, wie er allgemein verwendet wird, eine Überstrom-Anomalie des Halbleiter-Leistungselements 104 und stoppt den Betrieb des Halbleiter-Leistungselements 104. Falls die durch den Spiegelemitter-Erfassungswiderstand 202 ausgelesene Spiegelspannung, die über einen Austastfilter 207 zur Beseitigung von Wiederherstellungs-Überspannungsrauschen empfangen wird, höher ist als eine Überstromerfassungs-Referenzspannung Va, die durch einen Überstromerfassungskomparator 205 eingestellt wird, dann entscheidet dieser Überstrom-Schutzschaltkreis 204, dass eine Überstrom-Anomalie vorliegt und gibt ein Fehlersignal zum Stoppen des Ausgangssignals des Halbleiter-Leistungselements 104 von einer Fehlersignal-Ausgabeeinheit 206 aus.
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Selbstverständlich sind PWM-Steuersignale auch in dem PWM-Signal von 2 enthalten, wobei dies Steuersignale sind, um die PWM-Steuerung EIN und AUS zu schalten. Darüber hinaus ist zur Erklärung ein AUS-Signal der PWM-Steuerung zum Ausschalten der PWM-Steuerung in 8 gezeigt.
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Ein Ablaufdiagramm für einen Überstrom-Schutzvorgang für den in 2 gezeigten Gate-Ansteuerschaltkreis 110a ist in 5 gezeigt. Die Gate-Spannung, die Kollektor-Spannung und die Spiegelspannung (d. h. der Kollektorstrom), die längs der vertikalen Achse gezeigt sind, sind Spannungswerte des Halbleiter-Leistungselements 104. Und Va ist die Überstromerfassungs-Referenzspannung Va, die anhand 2 erklärt wird.
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Mit diesem Gate-Ansteuerschaltkreis des Standes der Technik wird, wenn eine Überstrombedingung eintritt, wie etwa der Zweigkurzschluss zwischen dem in 1 gezeigten Halbleiter-Leistungselement 104 und dem Halbleiter-Leistungselement 105, da der Betrieb des Halbleiter-Leistungselements 104 während des Austast-Zeitintervalls Ta des Austastfilters 207 nicht gestoppt wird, entsprechend ein Kurzschlussbetrieb in der Steuerspannung des Ansteuerschaltkreises 200 fortgesetzt, bis der Betrieb des Halbleiter-Leistungselements 104 durch die Überstromschutz-Anomalie gestoppt wird, und dies ist nicht erwünscht.
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Wenn ein IGBT oder dergleichen, dessen Kurzschlusstoleranz gering ist, als das Halbleiter-Leistungselement 104 eingesetzt wird, dann besteht deswegen die Befürchtung, dass es nicht möglich ist, eine ausreichende Betriebsspanne für die Sicherheit zu gewährleisten, da es nicht möglich ist, dass Austast-Zeitintervall Ta frei einzustellen.
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3 ist ein Schaltkreis-Strukturdiagramm eines Gate-Ansteuerschaltkreises 110b, in dem ein Zener-Klemmschutzschaltkreis 300 dem Gate-Ansteuerschaltkreis 110a von 2 hinzugefügt wurde. Dieser Zener-Klemmschutzschaltkreis 300 umfasst eine Zenerdiode 301 zum Klemmen der Gate-Spannung des Halbleiter-Leistungselements 104, einen MOSFET 302 zum Zener-Klemmen, um diese Zener-Diode 301 leitfähig zu machen, und einen Austastfilter 307 zum Zener-Klemmerfassungsschutz. In diesem Schaltkreisaufbau ist ein Spiegelemitter-Erfassungswiderstand 202 mit dem Gate-Anschluss des MOSFET 302 verbunden, ähnlich wie in dem Fall des Überstrom-Schutzschaltkreises 204, und das Zener-Klemmen funktioniert durch die Spiegelspannung, die die Schwellwertspannung des MOSFET 302 überschreitet, über einen Austastfilter 307. Durch den Gate-Ansteuerschaltkreis 110b von 3, der den Zener-Klemmvorgang ausführt, wird die Gate-Spannung des Halbleiter-Leistungselements 104 während des Intervalls geklemmt, bis die Kurzschlussanomalie stoppt, so dass es möglich ist, die Kurzschlussenergie zu verringern.
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Abhängig von den Eigenschaften des eingesetzten Leistungshalbleiters 104 kann jedoch die Eingangsspannung des Halbleiter-Leistungselements 104 wegen der wiederholten Vorgänge eines Zenerklemmens und einer Aufhebung desselben oszillieren, und es besteht die Befürchtung, dass die Ausgangsspannung und der Ausgangsstrom instabil werden, und dies ist unerwünscht. 6 ist eine Darstellung, die ein Ablaufdiagramm für einen derartigen instabilen Betrieb zeigt.
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Die Gate-Spannung, die Kollektorspannung und die Spiegelspannung (d. h. der Kollektorstrom), die längs der vertikalen Achse gezeigt sind, sind Spannungswerte des Halbleiter-Leistungselements 104. Und das Zener-Klemmen zeigt die Schaltzeitgebung des MOSFET 302 auf der vertikalen Achse. Darüber hinaus ist Vb eine Erfassungs-Referenzspannung eines Zener-Klemm-Erfassungskomparators des in 3 gezeigten Zener-Klemmschutzschaltkreises 300. Und Tb ist das Austast-Zeitintervall des Austastfilters 307.
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4 ist ein Schaltkreis-Strukturdiagramm für einen Gate-Ansteuerschaltkreis 110 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. In 4 erfasst ein Zener-Klemmschutzschaltkreis 310 die Spannung über dem Spiegelemitter-Erfassungswiderstand 202 ähnlich wie in dem Fall mit dem Überstrom-Schutzschaltkreis 204 und führt einen Zener-Klemmvorgang durch, wenn die Spannung, die über einen Austastfilter 307 zur Zener-Klemmschutzerfassung zur Beseitigung von Überspannungsrauschen einer stetigen Wiederherstellung höher ist als eine zuvor festgelegte Zener-Klemmerfassungs-Referenzspannung Vb, die durch einen Komparator 305 zur Zener-Klemmerfassung eingestellt wurde.
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Mit anderen Worten, der Überstrom-Schutzschaltkreis 204 erfasst die Spannung an der Emitterelektrodenseite des Halbleiter-Leistungselements 104, vergleicht diesen Spannungswert mit einer Überstromerfassungs-Referenzspannung Va (ein erster zuvor festgelegter Spannungswert) und gibt auf der Basis des Ergebnisses dieses Vergleichs ein Fehlersignal von der Fehlersignal-Ausgabeeinheit 206 zum Stoppen der Ausgabe des Gate-Spannungssignals an den Ansteuerschaltkreis 200 aus. Andererseits erfasst der Zener-Klemmschutzschaltkreis 310 die Spannung an der Emitterelektrodenseite des Halbleiter-Leistungselements 104, vergleicht diesen Spannungswert mit der Erfassungs-Referenzspannung Vb (ein zweiter zuvor festgelegter Spannungswert) und klemmt das Gate-Spannungssignal des Ansteuerschaltkreises 200 auf der Basis des Ergebnisses dieses Vergleichs. Mit der Ausgabe dieses Zener-Klemmsignals ist es darüber hinaus möglich, den negativen Effekt zu beseitigen, dass die Eingangsspannung des Halbleiter-Leistungselements 104 oszilliert oder dergleichen, indem der Verriegelungsschaltkreis 303 verwendet wird, da der Zener-Klemmvorgang für ein feststehendes Zeitintervall unabhängig von dem Verhalten der Spiegelspannung nach dem Zener-Klemmvorgang fortgesetzt wird.
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Ein Ablaufdiagramm für den Überstrom-Schutzschaltkreis 204 und den Zener-Klemmschutzschaltkreis 310 von 4 ist in 7 gezeigt. Hier wird das Austast-Zeitintervall des Austastfilters 207 zur Überstromerfassung mit Ta bezeichnet, die Erfassungs-Referenzspannung des Komparators 205 zur Überstromerfassung wird mit Va bezeichnet, das Austast-Zeitintervall des Austastfilters 307 zur Zener-Klemmerfassung wird mit Tb bezeichnet, und die Erfassungs-Referenzspannung des Komparators 305 zur Zener-Klemmerfassung wird mit Vb bezeichnet.
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Als charakterisierende Eigenschaften der Wechselrichter-Ansteuervorrichtung dieser Ausführungsform wird das Austast-Zeitintervall Tb zur Zener-Klemmerfassung so eingestellt, dass es so kurz wie möglich ist, da es erforderlich ist, mit hoher Geschwindigkeit zu reagieren, wenn ein Kurzschluss des Wechselrichter-Schaltkreises erfolgt. Es sollte jedoch so eingestellt sein, dass es länger ist als die Breite des Wiederherstellungsrauschens, das während eines stabilen Betriebs erzeugt wird.
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Durch Einstellen der Erfassungs-Referenzspannung Vb, die der Schwellwert für ein Zener-Klemmen ist, derart, dass sie höher ist als die Erfassungs-Referenzspannung Va, die der Schwellwert für einen Überstromschutz ist, wird das Zener-Klemmen so eingerichtet, dass es funktioniert, wenn eine Anomalie erfolgt, bei der der Stromwert hoch und außerdem die Frequenz niedrig ist, wie etwa bei einem Zweig-Kurzschluss. Dadurch kann verhindert werden, dass das Zener-Klemmen ausgelöst wird, wenn ein Überstrom-Zustand eintritt, der nicht so hoch ist wie der Strom während eines Kurzschlusses des Wechselrichter-Schaltkreises, so dass verhindert wird, dass der Ausgangsstrom des Halbleiter-Leistungselements 104 unerwünscht begrenzt wird.
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Das Zeitintervall Tzcp zur Ausgabe des Zener-Klemmens ist so eingestellt, dass es länger ist als das Austast-Zeitintervall Ta. Dadurch wird verhindert, dass das Zener-Klemmen während des Intervalls endet, nachdem ein Überstrom erfasst wurde und das Austast-Zeitintervall bis zum Stopp vergeht, da in diesem Fall der Kurzschlussstrom ein zweites Mal ansteigen würde.
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Genauer wird das Zeitintervall Tzcp zur Ausgabe des Zener-Klemmens so eingestellt, dass es in der gleichen Größenordnung liegt wie das Kurzschlusstoleranz-Zeitintervall des Halbleiter-Leistungselements 104, um dafür zu sorgen, dass der Überstromschutz, der Va verwendet, innerhalb des Kurzschlusstoleranz-Zeitintervalls des IGBT beendet wird.
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Deswegen wird es möglich, die Eingangsspannung des Halbleiter-Leistungselements 104 stabil zu klemmen, so dass es möglich wird, die Kurzschlussenergie zu verringern.
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8 ist ein erstes Ablaufdiagramm, das den Ausgabezeitpunkt des Reset-Signals des Verriegelungsschaltkreises 303 zeigt. Der Reset-Signal-Trigger für den Verriegelungsschaltkreis 303, der das Zener-Klemm-Zeitintervall (d. h. dass Verriegelungs-Aufhebesignal in 4) erzeugt, wird synchron mit dem PWM-Steuersignal eingegeben, das dem Ansteuerschaltkreis 200 eingegeben wird, um auf AUS zu gehen. Selbstverständlich ist in 8 der Synchronisationsschaltkreis weggelassen.
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Diese Art der Steuerung wird durchgeführt, um eine Situation zu vermeiden, in der ein Zener-Klemmen fortgesetzt arbeitet, wenn als nächstes das PWM-Steuersignal auf AN geht, wenn das Zener-Klemm-Ausgangszeitintervall Tzcp größer ist als die minimale AUS-Breite des PWM-Signals, das in den Ansteuerschaltkreis 200 eingegeben wurde.
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9 ist ein zweites Ablaufdiagramm, das den Ausgabezeitpunkt des Reset-Signals des Verriegelungsschaltkreises 303 zeigt. Der Ende-Zeitpunkt des Ausgangs-Zeitintervalls Tzcp, mit anderen Worten der Reset-Signal-Trigger für den Verriegelungsschaltkreis 303, der das Zener-Klemm-Zeitintervall erzeugt, wird synchron mit dem Zeitpunkt eingegeben, zu dem das Fehlersignal, das von der Fehlersignal-Ausgabeeinheit 206 ausgegeben wird, auf EIN gesetzt wird. Alternativ wäre es auch akzeptabel, dass der Ende-Zeitpunkt des Ausgangs-Zeitintervalls Tzcp mit einem Signal synchronisiert wird, das festlegt, dass eine weitere Anomalie des Wechselrichter-Schaltkreises erfasst wurde.
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Wenn ein anomaler Zustand des Wechselrichter-Schaltkreises erfasst wurde, senkt der Ansteuerschaltkreis 200 die Gate-Spannung in einen weichen Auffangzustand (nach dem Zeitpunkt A in 9) für ein längeres Zeitintervall als das Zeitintervall ab, in dem die Gate-Spannung während einer normalen Steuerung der Gate-Spannung auf AUS geschaltet ist. Da in diesem Fall keine Anforderung für ein Zener-Klemmen besteht, wird entsprechend der Verriegelungsvorgang zum Zener-Klemmen beendet.
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10 ist ein erstes Schaltkreis-Strukturdiagramm, das einen Fall zeigt, wenn die Wechselrichter-Ansteuervorrichtung dieser Ausführungsform lediglich teilweise aus ICs aufgebaut ist. Da der Zener-Klemmstrom zu der Zenerdiode 301 und dem MOSFET 302 für ein längeres Zeitintervall fließt, wird entsprechend Wärme erzeugt. Folglich sind der Überstrom-Schutzschaltkreis 204 und der Zener-Klemmschutzschaltkreis 310 als ICs gebaut, wobei sie die Zenerdiode 301 und den MOSFET 302 nicht darin enthalten. Darüber hinaus ist es auch möglich, eine zusätzliche individuelle Anpassung vorzusehen, da ein Filter Tb' 401 und ein Filter Ta' 402 außerhalb der IC-Schaltkreise vorgesehen sind.
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11 ist ein zweites Schaltkreis-Strukturdiagramm, das einen Fall zeigt, wenn die Wechselrichter-Ansteuervorrichtung dieser Ausführungsform lediglich teilweise aus ICs aufgebaut ist. Bei diesem Aufbau, bei dem der Spiegelemitter-Erfassungswiderstand 202 und der Spiegelemitter-Erfassungswiderstand 203 getrennt vorgesehen sind, ist es möglich, die Spannungen für die Überstromerfassungshöhe und die Zener-Klemmerfassungshöhe, die in diese eingegeben werden, einzeln anzupassen. Die Überstromerfassungshöhe sollte jedoch niedriger als die Zener-Klemmerfassungshöhe eingestellt werden.
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Selbstverständlich soll die vorliegende Erfindung nicht als auf die zuvor beschriebenen Ausführungsformen und Ausführungsformvarianten beschränkt angesehen werden, vorausgesetzt, dass ihre wesentlichen Eigenschaften beibehalten werden.
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Der Inhalt der Offenbarung der folgenden Prioritätsanmeldung ist hier durch Bezugnahme vollständig mit aufgenommen:
Japanische Patentanmeldung 2011-121215 (eingereicht am 31. Mai 2011)
