JP2006180606A - Controller for voltage driving element - Google Patents

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JP2006180606A JP2004370539A JP2004370539A JP2006180606A JP 2006180606 A JP2006180606 A JP 2006180606A JP 2004370539 A JP2004370539 A JP 2004370539A JP 2004370539 A JP2004370539 A JP 2004370539A JP 2006180606 A JP2006180606 A JP 2006180606A
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Kazuyuki Azuma
和幸 東
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To efficiently reduce the power loss of the entire system. <P>SOLUTION: In case that the output collector current of a voltage driving element is smaller than a specified current value and that the carrier frequency at the time of PWM-controlling the voltage driving element is lower than specified frequency, this controller judges that the amount of reduction of stationary loss being caused by increasing the gate voltage from first gate voltage to second gate voltage is larger than the increment of the driving power of the voltage driving element, and applies the second gate voltage to the gate terminal of the voltage driving element. <P>COPYRIGHT: (C)2006,JPO&NCIPI

Description

本発明は、電圧によってオン/オフ動作が制御される電圧駆動素子の制御装置に関する。   The present invention relates to a control device for a voltage driving element whose on / off operation is controlled by a voltage.

従来、IGBT等の電圧駆動素子の制御装置において、定常損失を低減するために、負荷電流の大きさに応じて、ゲート電圧を変更する技術が知られている(特許文献1参照)。   Conventionally, in a control device for a voltage driving element such as an IGBT, a technique for changing a gate voltage according to the magnitude of a load current is known in order to reduce steady loss (see Patent Document 1).

特開2004−15884号公報JP 2004-15884 A

しかしながら、定常損失は、負荷電流によって変化するだけでなく、電圧駆動素子を駆動制御する際の駆動周波数や温度によっても変化するので、負荷電流のみに基づいて、ゲート電圧を変更する従来の技術では、必ずしも電力損失を低減できないという問題があった。   However, the steady loss not only changes depending on the load current, but also changes depending on the driving frequency and temperature when driving the voltage driving element, so in the conventional technique of changing the gate voltage based only on the load current. However, there is a problem that power loss cannot always be reduced.

本発明による電圧駆動素子の制御装置は、ゲート電圧を第1のゲート電圧から第2のゲート電圧に増大することによる定常損失の低減量が電圧駆動素子の駆動電力増大量より大きい条件が成立したか否かを判定し、条件が成立したと判定すると、電圧駆動素子のゲート端子に第2のゲート電圧を印加することを特徴とする。   In the control device for a voltage driving element according to the present invention, the condition that the amount of reduction in steady loss by increasing the gate voltage from the first gate voltage to the second gate voltage is greater than the amount of increase in driving power of the voltage driving element is satisfied. If it is determined whether the condition is satisfied, a second gate voltage is applied to the gate terminal of the voltage driving element.

本発明による電圧駆動素子の制御装置によれば、ゲート電圧を第1のゲート電圧から第2のゲート電圧に増大することによる定常損失の低減量が電圧駆動素子の駆動電力増大量より大きい条件が成立した場合に、電圧駆動素子のゲート端子に第2のゲート電圧を印加するようにしたので、装置全体の損失を適格に低減することができる。   According to the voltage driving element control apparatus of the present invention, there is a condition that the reduction amount of the steady loss by increasing the gate voltage from the first gate voltage to the second gate voltage is larger than the driving power increase amount of the voltage driving element. When established, the second gate voltage is applied to the gate terminal of the voltage driving element, so that the loss of the entire apparatus can be reduced appropriately.

以下では、一実施の形態における電圧駆動素子の制御装置によって、電圧駆動素子であるIGBTを制御する例について説明する。図1は、IGBTを用いた3相交流インバータの1相分の回路を示している。この3相交流インバータは、例えば、電気自動車に搭載されて使用される。このインバータ回路では、基準電位Vsと負荷用電源VBとの間に、直列に2つのIGBT1a,1bが接続されており、PWM制御によって、IGBT1a,1bを交互にオン/オフすることにより、負荷L1に交流電流Ioを出力することができる。IGBT1a,1bには、それぞれダイオードD1,D2が逆並列に接続されている。   Below, the example which controls IGBT which is a voltage drive element with the control apparatus of the voltage drive element in one Embodiment is demonstrated. FIG. 1 shows a circuit for one phase of a three-phase AC inverter using an IGBT. This three-phase AC inverter is used mounted on an electric vehicle, for example. In this inverter circuit, two IGBTs 1a and 1b are connected in series between the reference potential Vs and the load power supply VB, and the load L1 is turned on / off alternately by PWM control. Can output an alternating current Io. Diodes D1, D2 are connected in antiparallel to the IGBTs 1a, 1b, respectively.

IGBT1a,1bのゲート端子は、それぞれ、ゲート抵抗R1,R2を介して、駆動回路101,102の出力端子に接続されている。駆動回路101は、NPNトランジスタ2aおよびPNPトランジスタ3aによるプッシュプル回路で構成されている。同様に、駆動回路102は、NPNトランジスタ2bおよびPNPトランジスタ3bによるプッシュプル回路で構成されている。駆動回路101,102の電源VN,VPは、それぞれ互いに絶縁されており、電源回路103によって供給される。また、駆動回路101,102には、制御装置110が出力する制御信号であるND,PDが、フォトカプラ108,109を介して、絶縁伝送される。   The gate terminals of the IGBTs 1a and 1b are connected to the output terminals of the drive circuits 101 and 102 via gate resistors R1 and R2, respectively. The drive circuit 101 includes a push-pull circuit including an NPN transistor 2a and a PNP transistor 3a. Similarly, the drive circuit 102 includes a push-pull circuit including an NPN transistor 2b and a PNP transistor 3b. The power supplies VN and VP of the drive circuits 101 and 102 are insulated from each other and are supplied by the power supply circuit 103. In addition, ND and PD, which are control signals output from the control device 110, are isolated and transmitted to the drive circuits 101 and 102 via the photocouplers 108 and 109.

電源回路103は、制御用電源Vccから絶縁した電源VN,VPを生成する回路であり、本実施の形態においてはフライバックコンバータである。すなわち、電源回路103は、トランスL2の一次側巻線の通電時に蓄えたエネルギーを、遮断時に2次側に伝達する構成であり、トランスL2の他に、逆流防止ダイオードD3,D4、平滑コンデンサC1,C2、一次側巻線への通電をオン/オフするトランジスタQ3、トランジスタQ3をPWM駆動する電源制御回路104、および、出力電圧をモニタし電源制御回路104へ通知するためのフィードバック回路を有する。   The power supply circuit 103 is a circuit that generates power supplies VN and VP that are insulated from the control power supply Vcc, and is a flyback converter in the present embodiment. That is, the power supply circuit 103 is configured to transmit the energy stored when the primary winding of the transformer L2 is energized to the secondary side when the transformer L2 is cut off. In addition to the transformer L2, the backflow prevention diodes D3 and D4 and the smoothing capacitor C1 , C2, a transistor Q3 for turning on / off the energization of the primary side winding, a power supply control circuit 104 for PWM driving the transistor Q3, and a feedback circuit for monitoring the output voltage and notifying the power supply control circuit 104.

そのフィードバック回路は、出力電圧を分圧する抵抗R5〜R7、分圧した電圧が所定の電圧以上となると電流をシンクするシャントレギュレータ105、シャントレギュレータ105がシンクする電流によってオン/オフするフォトカプラ106、および、フォトカプラ106の通電電流を制限する制限抵抗R8を有する。制御装置110が出力する電流通知信号OCがハイレベル(Hiレベル)の時にはフォトカプラ107がオンし、抵抗R7の両端を短絡する構成となっている。抵抗R7が短絡されることによって電源制御回路104へ通知されるフィードバック電圧が可変され、電源VP,VNの電圧が小さくなる。一方、電流通知信号OCがローレベル(Loレベル)の時には、フォトカプラ107がオフするため、抵抗R7は短絡されない。抵抗R7が短絡されていない時の電源VP,VNの電圧は、抵抗R7が短絡されている場合に比べて小さくなる。   The feedback circuit includes resistors R5 to R7 that divide the output voltage, a shunt regulator 105 that sinks current when the divided voltage exceeds a predetermined voltage, a photocoupler 106 that is turned on / off by the current that the shunt regulator 105 sinks, In addition, a limiting resistor R8 that limits the energization current of the photocoupler 106 is provided. When the current notification signal OC output from the control device 110 is at a high level (Hi level), the photocoupler 107 is turned on, and both ends of the resistor R7 are short-circuited. When the resistor R7 is short-circuited, the feedback voltage notified to the power supply control circuit 104 is varied, and the voltages of the power supplies VP and VN are reduced. On the other hand, when the current notification signal OC is at a low level (Lo level), the photocoupler 107 is turned off, so that the resistor R7 is not short-circuited. The voltages of the power supplies VP and VN when the resistor R7 is not short-circuited are smaller than when the resistor R7 is short-circuited.

制御装置110は、後述するように、IGBT1a,1bの出力コレクタ電流の大きさ、および、IGBT1a,1bをPWM制御する際のキャリア周波数fcの大きさに基づいて、電流通知信号OCの信号レベルを切り換えて、IGBT1a,1bのゲート端子に印加するゲート電圧の大きさを変更する。ここでは、電流通知信号OCがローレベルの時のゲート電圧をVG1、電流通知信号OCがハイレベルの時のゲート電圧をVG2(>VG1)とする。   As described later, control device 110 determines the signal level of current notification signal OC based on the magnitude of output collector current of IGBTs 1a and 1b and the magnitude of carrier frequency fc when PWM controlling IGBTs 1a and 1b. By switching, the magnitude of the gate voltage applied to the gate terminals of the IGBTs 1a and 1b is changed. Here, the gate voltage when the current notification signal OC is at a low level is VG1, and the gate voltage when the current notification signal OC is at a high level is VG2 (> VG1).

ここで、PWM制御によってオン/オフされるIGBTの電力損失は、定常損失とスイッチング損失との和で表される。3相インバータの1つのIGBTあたりのスイッチング損失Pswおよび定常損失Psatは、それぞれ式(1),(2)で表される。
Psw=1/π×Esw×fc (1)
Psat=Icp×Vce×{1/8+(D×cosθ/3/π)} (2)
ただし、Eswは、スイッチング1パルスあたりの損失であり、fcは、PWM駆動周波数(キャリア周波数)である。また、Icpは、IGBTのコレクタ電流のピーク値を、Vceは、IGBTのコレクタ−エミッタ間電圧を、Dは変調率を、cosθは力率をそれぞれ示している。
Here, the power loss of the IGBT that is turned on / off by the PWM control is represented by the sum of the steady loss and the switching loss. The switching loss Psw and steady loss Psat per IGBT of the three-phase inverter are expressed by equations (1) and (2), respectively.
Psw = 1 / π × Esw × fc (1)
Psat = Icp × Vce × {1/8 + (D × cos θ / 3 / π)} (2)
Here, Esw is a loss per switching pulse, and fc is a PWM drive frequency (carrier frequency). Icp represents the peak value of the collector current of the IGBT, Vce represents the collector-emitter voltage of the IGBT, D represents the modulation factor, and cos θ represents the power factor.

式(2)より、IGBTの定常損失は、IGBTのコレクタ電流Icおよびコレクタ−エミッタ間電圧Vceの値に依存することが分かる。図2は、コレクタ電流Icと、コレクタ−エミッタ間電圧Vceとの関係を示す図であり、常温のIGBTにゲート電圧VG1およびVG2をそれぞれ印加した時の関係を示している。図2に示すように、同じ出力コレクタ電流Icで比較した場合、ゲート電圧が大きい方がコレクタ−エミッタ間電圧Vceは小さくなる。従って、式(2)より、ゲート電圧が大きいほど定常損失Psatは小さくなる。また、コレクタ電流Icが大きくなるほど、ゲート電圧VG1とVG2との間の定常損失差は大きくなる。   From equation (2), it can be seen that the steady loss of the IGBT depends on the values of the collector current Ic and the collector-emitter voltage Vce of the IGBT. FIG. 2 is a diagram showing the relationship between the collector current Ic and the collector-emitter voltage Vce, and shows the relationship when the gate voltages VG1 and VG2 are applied to the normal temperature IGBT, respectively. As shown in FIG. 2, when the comparison is made with the same output collector current Ic, the collector-emitter voltage Vce decreases as the gate voltage increases. Therefore, from equation (2), the steady loss Psat decreases as the gate voltage increases. Further, as the collector current Ic increases, the steady loss difference between the gate voltages VG1 and VG2 increases.

図3は、ゲート電圧がVG2である場合に、IGBTの温度が異なる場合のIc−Vce特性を示す図である。図3の点線はIGBTの温度が低い場合のIc−Vce特性を示しており、実線は、IGBTの温度が高い場合のIc−Vce特性を示している。図3より、コレクタ電流IcがIc1以下の場合には、同一のコレクタ電流で比較した場合、温度が高い方がコレクタ−エミッタ間電圧Vceは小さくなることが分かる。   FIG. 3 is a diagram showing Ic-Vce characteristics when the IGBT voltage is different when the gate voltage is VG2. The dotted line in FIG. 3 shows the Ic-Vce characteristic when the temperature of the IGBT is low, and the solid line shows the Ic-Vce characteristic when the temperature of the IGBT is high. From FIG. 3, it can be seen that when the collector current Ic is equal to or less than Ic1, the collector-emitter voltage Vce decreases as the temperature rises when compared with the same collector current.

図4は、IGBTの温度が高温の場合に、ゲート電圧が異なる場合のIc−Vce特性を示す図である。図4に示すように、コレクタ電流IcがIc1以下の場合には、ゲート電圧VG1とVG2との間でのコレクタ−エミッタ間電圧Vceの差は小さくなる。   FIG. 4 is a diagram showing Ic-Vce characteristics when the gate voltage is different when the temperature of the IGBT is high. As shown in FIG. 4, when the collector current Ic is equal to or less than Ic1, the difference in the collector-emitter voltage Vce between the gate voltages VG1 and VG2 becomes small.

以上より、コレクタ電流Icが所定の電流値Ic1以下の場合には、IGBTが高温になると、コレクタ−エミッタ間電圧Vceは小さくなり、ゲート電圧に依存する割合も小さくなる。   From the above, when the collector current Ic is equal to or less than the predetermined current value Ic1, the collector-emitter voltage Vce decreases and the ratio depending on the gate voltage decreases when the IGBT becomes high temperature.

図5は、3相インバータのキャリア周波数に対するIGBTのスイッチング損失および定常損失を示している。コレクタ電流Icは、図2〜図4で示した所定の電流値Ic1以下とする。図5より、キャリア周波数fcが低くなると、スイッチング損失Pswは小さくなるのに対し、定常損失Psatは大きくなることが分かる。、キャリア周波数fcが低くなると、定常損失Psatが大きくなる理由について説明する。キャリア周波数fcが高い領域、すなわち、IGBTのスイッチング損失Pswが大きい領域では、IGBTの電力損失の合計が大きくなるので、IGBTの温度が上昇する。このため、図3を用いて説明したように、IGBTが高温であるときのコレクタ−エミッタ間電圧Vceが常温(低温)に比べて小さくなるため、定常損失Psatは小さくなる。   FIG. 5 shows the switching loss and steady-state loss of the IGBT with respect to the carrier frequency of the three-phase inverter. The collector current Ic is not more than the predetermined current value Ic1 shown in FIGS. FIG. 5 shows that when the carrier frequency fc is lowered, the switching loss Psw is reduced, whereas the steady loss Psat is increased. The reason why the steady loss Psat increases as the carrier frequency fc decreases will be described. In the region where the carrier frequency fc is high, that is, in the region where the IGBT switching loss Psw is large, the total power loss of the IGBT becomes large, so that the temperature of the IGBT rises. For this reason, as described with reference to FIG. 3, the collector-emitter voltage Vce when the IGBT is at a high temperature is smaller than that at room temperature (low temperature), so that the steady loss Psat is small.

一方、キャリア周波数fcが低い領域、すなわち、IGBTのスイッチング損失Pswが小さい領域では、IGBTの電力損失の合計が小さくなるので、IGBTの温度上昇が比較的小さくなる。図3を用いて説明したように、IGBTの温度が低い場合には、高温時に比べてコレクタ−エミッタ間電圧Vceが大きくなるので、定常損失Psatは大きくなる。   On the other hand, in the region where the carrier frequency fc is low, that is, in the region where the switching loss Psw of the IGBT is small, the total power loss of the IGBT is small, so that the temperature rise of the IGBT is relatively small. As described with reference to FIG. 3, when the temperature of the IGBT is low, the collector-emitter voltage Vce is larger than when the temperature is high, and the steady loss Psat is larger.

また、キャリア周波数fcが低い場合(IGBTの温度が低い場合)には、エミッタ−コレクタ間電圧Vceのゲート電圧に対する影響度が大きくなるので、図5に示すように、ゲート電圧が高い方(VG2)が、ゲート電圧が低い(VG1)場合に比べて、定常損失Psatは小さくなる。   Further, when the carrier frequency fc is low (when the temperature of the IGBT is low), the influence of the emitter-collector voltage Vce on the gate voltage increases, so that the higher gate voltage (VG2) as shown in FIG. However, the steady loss Psat is smaller than that in the case where the gate voltage is low (VG1).

制御装置110は、インバータに接続された電動機(3相交流モータ)が安定動作するように、制御信号ND,PDをPWM駆動して、負荷L1に電流を流している。負荷L1に流れる電流Ioを制御する際、キャリア周波数が高い方が分解能を高くすることができるので、電動機を安定動作させることができる。定常的には、キャリア周波数を高い状態に保持している場合が多い。   The control device 110 drives the control signals ND and PD by PWM so that the electric motor (three-phase AC motor) connected to the inverter operates stably, and supplies a current to the load L1. When controlling the current Io flowing through the load L1, the higher the carrier frequency, the higher the resolution, so that the motor can be stably operated. In a steady state, the carrier frequency is often kept high.

しかし、インバータを電気自動車に搭載して使用する場合には、電動機が極低回転になる場合もある。電動機が極低回転または停止状態で電流Ioを流した場合、各相のIGBTで通電している時間が長くなるため、IGBTの電力損失が増大し、IGBTの温度が上昇してしまう。このため、電動機の回転数が低くなると、キャリア周波数を小さくしてIGBTのスイッチング損失を低減させ(図6参照)、IGBTの温度上昇を抑制する必要がある。   However, when the inverter is mounted on an electric vehicle and used, the electric motor may become extremely low. When the current Io is passed while the motor is rotating at an extremely low speed or stopped, the time during which the current is passed through the IGBT of each phase becomes longer, so that the power loss of the IGBT increases and the temperature of the IGBT rises. For this reason, when the rotation speed of the motor is lowered, it is necessary to reduce the carrier frequency to reduce the switching loss of the IGBT (see FIG. 6) and to suppress the temperature rise of the IGBT.

図5を用いて説明したように、キャリア周波数fcが高い(fc1)場合に比べて、低い(fc2)時の方が、定常損失Psatの大小に関わるゲート電圧の影響度は大きい。従って、キャリア周波数低い場合には、ゲート電圧をVG1からVG2に増大させることにより、定常損失Psatを低減することができる。   As described with reference to FIG. 5, the influence of the gate voltage related to the magnitude of the steady loss Psat is greater when the carrier frequency fc is higher (fc1) than when the carrier frequency fc is higher (fc1). Therefore, when the carrier frequency is low, the steady loss Psat can be reduced by increasing the gate voltage from VG1 to VG2.

一方、ゲート電圧をVG1からVG2に増大させると、IGBTを駆動するための電源回路103の消費電力(駆動電力)も増大する。図6は、インバータ動作時のキャリア周波数fcに対する駆動電力Pdrvのゲート電圧依存性を示している。図6に示すように、キャリア周波数fcが高くなるほど、ゲート電圧をVG1に設定した時の駆動電力Pdrvと、VG2に設定した時の駆動電力Pdrvの差ΔPdrvが大きくなる。   On the other hand, when the gate voltage is increased from VG1 to VG2, the power consumption (drive power) of the power supply circuit 103 for driving the IGBT also increases. FIG. 6 shows the gate voltage dependence of the driving power Pdrv with respect to the carrier frequency fc during inverter operation. As shown in FIG. 6, as the carrier frequency fc increases, the difference ΔPdrv between the driving power Pdrv when the gate voltage is set to VG1 and the driving power Pdrv when the gate voltage is set to VG2 increases.

すなわち、ゲート電圧をVG1からVG2に増大すると、定常損失Psatは低減するが、駆動電力Pdrvは大きくなる。この場合、インバータから負荷L1に供給される電流Ioと、キャリア周波数fcとの組み合わせによって、定常損失Psatの差分ΔPsatと、IGBTの駆動電力の差分ΔPdrvとの間で、大小関係が変化する。従って、一実施の形態における電圧駆動素子の制御装置では、キャリア周波数fc、および、負荷L1に電流Ioを流すための電流指令値Iaに基づいて、IGBTのゲート端子に印加するゲート電圧を変更する。   That is, when the gate voltage is increased from VG1 to VG2, the steady loss Psat is reduced, but the drive power Pdrv is increased. In this case, the magnitude relationship changes between the difference ΔPsat of the steady loss Psat and the difference ΔPdrv of the driving power of the IGBT depending on the combination of the current Io supplied from the inverter to the load L1 and the carrier frequency fc. Therefore, in the voltage drive element control device according to the embodiment, the gate voltage applied to the gate terminal of the IGBT is changed based on the carrier frequency fc and the current command value Ia for flowing the current Io to the load L1. .

図7は、制御装置110によって行われるゲート電圧変更処理の手順を示すフローチャートである。ステップS10では、負荷L1に通電する電流をIoとするための電流指令値Iaが、所定の判定電流Ia1より小さいか否かを判定する。この判定電流Ia1は、図2〜図4で示した所定のコレクタ電流Ic1(参照)と同レベルである。電流指令値Iaが判定電流Ia1より小さいと判定するとステップS20に進み、判定電流1a1以上であると判定すると、ステップS30に進む。   FIG. 7 is a flowchart showing the procedure of the gate voltage changing process performed by the control device 110. In step S10, it is determined whether or not the current command value Ia for setting the current supplied to the load L1 to Io is smaller than a predetermined determination current Ia1. This determination current Ia1 is at the same level as the predetermined collector current Ic1 (reference) shown in FIGS. If it determines with the electric current command value Ia being smaller than the determination electric current Ia1, it will progress to step S20, and if it determines with it being more than the determination electric current 1a1, it will progress to step S30.

ステップ20では、キャリア周波数fcが所定周波数fc1より低いか否かを判定する。所定周波数fc1は、ゲート電圧増大時の駆動電力増大分ΔPdrvと、ゲート電圧増大時のIGBTの定常損失の低減分ΔPsatとが等しくなるときのキャリア周波数である。キャリア周波数fcが所定周波数fc1より低いと判定するとステップS30に進み、所定周波数fc1以上であると判定すると、ステップS40に進む。   In step 20, it is determined whether the carrier frequency fc is lower than a predetermined frequency fc1. The predetermined frequency fc1 is a carrier frequency when the drive power increase ΔPdrv when the gate voltage increases and the steady loss reduction ΔPsat of the IGBT when the gate voltage increases are equal. If it is determined that the carrier frequency fc is lower than the predetermined frequency fc1, the process proceeds to step S30. If it is determined that the carrier frequency fc is equal to or higher than the predetermined frequency fc1, the process proceeds to step S40.

ステップS30では、ゲート電圧をVG2に設定するため、ハイ(Hi)レベルの電流通知信号OCを出力する。一方、ステップS40では、ゲート電圧をVG1に設定するため、ロー(Low)レベルの電流通知信号OCを出力する。   In step S30, in order to set the gate voltage to VG2, a high (Hi) level current notification signal OC is output. On the other hand, in step S40, in order to set the gate voltage to VG1, a low level current notification signal OC is output.

一実施の形態における電圧駆動素子の制御装置が行う処理内容についてまとめておく。
(1)IGBTへの制御電流指令値Iaが所定の判定電流Ia1以上の場合、すなわち、IGBTの出力コレクタ電流が所定電流Ic1以上の場合には、定常損失を低減するために、IGBTのゲート端子に印加するゲート電圧をVG1からVG2に増大させる(図2参照)。
(2)IGBTへの制御電流指令値Iaが所定の判定電流Ia1より小さい場合、すなわち、IGBTのコレクタ電流が所定電流Ic1より小さい場合には、ゲート電圧を増大させることによる定常損失低減の効果は小さく、また、ゲート電圧を増大させることにより、駆動回路の消費電力が大きくなるため、ゲート電圧を増大させない方が好ましい。しかし、IGBTをPWM制御する際のキャリア周波数によっては、ゲート電圧を増大させることによる定常損失低減量ΔPsatがIGBTの駆動電力増大量ΔPdrvより大きくなるため、キャリア周波数に応じて、ゲート電圧を増大させる。すなわち、キャリア周波数fcが所定周波数fc1より低い場合には、定常損失の低減量ΔPsatがIGBTの駆動電力増大量ΔPdrvより大きくなるため、ゲート電圧をVG1からVG2に増大させる。一方、キャリア周波数fcが所定周波数fc1以上の場合には、ゲート電圧を増大させることによるIGBTの駆動電力増大量ΔPdrvが定常損失低減量ΔPsatより大きくなるので、ゲート電圧をVG1とする。
The contents of processing performed by the voltage driving element control device according to the embodiment will be summarized.
(1) When the control current command value Ia to the IGBT is equal to or greater than the predetermined determination current Ia1, that is, when the output collector current of the IGBT is equal to or greater than the predetermined current Ic1, in order to reduce the steady loss, the gate terminal of the IGBT Is increased from VG1 to VG2 (see FIG. 2).
(2) When the control current command value Ia to the IGBT is smaller than the predetermined determination current Ia1, that is, when the collector current of the IGBT is smaller than the predetermined current Ic1, the effect of reducing the steady loss by increasing the gate voltage is Since the power consumption of the drive circuit is increased by increasing the gate voltage, it is preferable not to increase the gate voltage. However, depending on the carrier frequency at the time of PWM control of the IGBT, the steady loss reduction amount ΔPsat by increasing the gate voltage becomes larger than the IGBT driving power increase amount ΔPdrv, so the gate voltage is increased according to the carrier frequency. . That is, when the carrier frequency fc is lower than the predetermined frequency fc1, the steady loss reduction amount ΔPsat becomes larger than the IGBT drive power increase amount ΔPdrv, and thus the gate voltage is increased from VG1 to VG2. On the other hand, when the carrier frequency fc is equal to or higher than the predetermined frequency fc1, the IGBT drive power increase amount ΔPdrv by increasing the gate voltage is larger than the steady loss reduction amount ΔPsat, so the gate voltage is set to VG1.

以上、一実施の形態における電圧駆動素子の制御装置によれば、IGBTのゲート電圧を第1のゲート電圧VG1から第2のゲート電圧VG2に増大することによる定常損失の低減量が、ゲート電圧を増大することによるIGBTの駆動電力増大量より大きくなる条件が成立したか否かを判定し、条件が成立した場合には、IGBTのゲート端子に第2のゲート電圧VG2を印加し、条件が成立していないと判定されると、第1のゲート電圧VG1を印加する。特に、IGBTの出力コレクタ電流の大きさ、および、IGBTをPWM制御する際のキャリア周波数の大きさに基づいて、条件が成立したか否かを判定するので、ゲート電圧を増大することによる定常損失の低減量がIGBTの駆動電力増大量より大きいか否かを適格に判断することができ、システム全体の損失を適格に低減することができる。   As described above, according to the control device for a voltage driving element in one embodiment, the amount of reduction in steady loss caused by increasing the gate voltage of the IGBT from the first gate voltage VG1 to the second gate voltage VG2 It is determined whether or not a condition for increasing the driving power increase amount of the IGBT due to the increase is satisfied. If the condition is satisfied, the second gate voltage VG2 is applied to the gate terminal of the IGBT and the condition is satisfied. If it is determined that it is not, the first gate voltage VG1 is applied. In particular, since it is determined whether the condition is satisfied based on the magnitude of the output collector current of the IGBT and the magnitude of the carrier frequency when the IGBT is PWM-controlled, the steady loss caused by increasing the gate voltage Therefore, it is possible to properly determine whether or not the reduction amount is larger than the drive power increase amount of the IGBT, and the loss of the entire system can be appropriately reduced.

IGBTの出力コレクタ電流のみに基づいて、ゲート電圧を変更する従来の装置では、出力コレクタ電流が所定電流Ic1より小さく、かつ、キャリア周波数fcが所定周波数fc1より低い場合でも、ゲート電圧を変更する制御は行われなかったが、一実施の形態における電圧駆動素子の制御装置によれば、出力コレクタ電流が所定電流Ic1より小さく、かつ、キャリア周波数fcが所定周波数fc1より低い場合には、ゲート電圧をVG2に増大させることにより、システム全体の損失を低減することができる。   In the conventional apparatus that changes the gate voltage based only on the output collector current of the IGBT, the gate voltage is changed even when the output collector current is smaller than the predetermined current Ic1 and the carrier frequency fc is lower than the predetermined frequency fc1. However, according to the control device for a voltage driving element in one embodiment, when the output collector current is smaller than the predetermined current Ic1 and the carrier frequency fc is lower than the predetermined frequency fc1, the gate voltage is reduced. By increasing to VG2, the loss of the entire system can be reduced.

本発明は、上述した一実施の形態に限定されることはない。例えば、IGBTのゲート電圧を増大することによる定常損失の低減量がIGBTの駆動電力増大量より大きくなる条件が成立したか否かを、IGBTの出力コレクタ電流の大きさと、キャリア周波数fcの大きさとに基づいて判定した。上述したように、キャリア周波数が高い場合には、IGBTの温度が高くなり、キャリア周波数が低い場合には、IGBTの温度が低くなる。従って、上記条件を、IGBTの出力コレクタ電流の大きさと、IGBTの温度とに基づいて判定することもできる。図8は、IGBTの出力コレクタ電流の大きさと、IGBTの温度とに基づいて、IGBTのゲート電圧を変更する制御内容を示すフローチャートである。図8に示すフローチャートと異なるのは、ステップS100の処理である。すなわち、ステップS100では、IGBTの温度が所定温度より低いか否かを判定する。IGBTの温度が所定温度より低いと判定するとステップS30に進み、IGBTのゲート端子に印加するゲート電圧をVT2に増大させる。一方、IGBTの温度が所定温度以上であると判定するとステップS40に進み、IGBTのゲート端子にゲート電圧VG1を印加する。なお、IGBTの温度は、温度センサ(不図示)を設けて検出するようにすればよい。   The present invention is not limited to the embodiment described above. For example, whether or not the condition that the steady loss reduction amount by increasing the IGBT gate voltage is larger than the IGBT drive power increase amount is satisfied is determined by the magnitude of the output collector current of the IGBT and the magnitude of the carrier frequency fc. Judgment based on. As described above, when the carrier frequency is high, the temperature of the IGBT is high, and when the carrier frequency is low, the temperature of the IGBT is low. Therefore, the above condition can be determined based on the magnitude of the output collector current of the IGBT and the temperature of the IGBT. FIG. 8 is a flowchart showing the contents of control for changing the gate voltage of the IGBT based on the magnitude of the output collector current of the IGBT and the temperature of the IGBT. The difference from the flowchart shown in FIG. 8 is the processing in step S100. That is, in step S100, it is determined whether or not the temperature of the IGBT is lower than a predetermined temperature. When it is determined that the temperature of the IGBT is lower than the predetermined temperature, the process proceeds to step S30, and the gate voltage applied to the gate terminal of the IGBT is increased to VT2. On the other hand, if it is determined that the temperature of the IGBT is equal to or higher than the predetermined temperature, the process proceeds to step S40, and the gate voltage VG1 is applied to the gate terminal of the IGBT. The temperature of the IGBT may be detected by providing a temperature sensor (not shown).

また、IGBTの出力コレクタ電流の大きさ、および、キャリア周波数fcの大きさ(IGBTの温度)以外の要素に基づいて、上記条件を判定するようにしてもよい。図9は、ゲート電圧を増大させることによる定常損失低減量ΔPsatと、駆動電力増大量ΔPdとに基づいて、ゲート電圧を変更する制御内容を示すフローチャートである。既に説明しているように、定常損失低減量ΔPsatが駆動電力増大量ΔPdより大きい場合には、ゲート電圧をVG1より大きいVG2とし、定常損失低減量ΔPsatが駆動電力増大量ΔPd以下の場合には、ゲート電圧をVG1とする。   Further, the above condition may be determined based on factors other than the magnitude of the output collector current of the IGBT and the magnitude of the carrier frequency fc (the temperature of the IGBT). FIG. 9 is a flowchart showing the control contents for changing the gate voltage based on the steady loss reduction amount ΔPsat and the drive power increase amount ΔPd by increasing the gate voltage. As already described, when the steady loss reduction amount ΔPsat is larger than the driving power increase amount ΔPd, the gate voltage is set to VG2 larger than VG1, and when the steady loss reduction amount ΔPsat is equal to or less than the driving power increase amount ΔPd. The gate voltage is VG1.

電圧駆動素子としてIGBTを挙げて説明したが、MOS−FETなどの他の電圧駆動素子にも適用することができる。   Although the IGBT has been described as the voltage driving element, the present invention can also be applied to other voltage driving elements such as a MOS-FET.

特許請求の範囲の構成要素と一実施の形態の構成要素との対応関係は次の通りである。すなわち、制御装置110が判定手段および制御手段をそれぞれ構成する。なお、以上の説明はあくまで一例であり、発明を解釈する上で、上記の実施形態の構成要素と本発明の構成要素との対応関係に何ら限定されるものではない。   The correspondence between the constituent elements of the claims and the constituent elements of the embodiment is as follows. That is, the control device 110 constitutes a determination unit and a control unit. In addition, the above description is an example to the last, and when interpreting invention, it is not limited to the correspondence of the component of said embodiment and the component of this invention at all.

IGBTを用いた3相交流インバータの1相分の回路を示す図The figure which shows the circuit for 1 phase of the 3-phase alternating current inverter using IGBT IGBTに印加されるゲート電圧が異なる場合に、常温時のコレクタ電流Icと、コレクタ−エミッタ間電圧Vceとの関係を示す図The figure which shows the relationship between the collector current Ic at the time of normal temperature, and the collector-emitter voltage Vce when the gate voltage applied to IGBT is different. ゲート電圧がVG2である場合に、IGBTの温度が異なる場合のIc−Vce特性を示す図The figure which shows Ic-Vce characteristic when the temperature of IGBT differs when gate voltage is VG2. IGBTの温度が高温の場合に、ゲート電圧が異なる場合のIc−Vce特性を示す図The figure which shows the Ic-Vce characteristic when the gate voltage differs when the temperature of the IGBT is high. 3相インバータのキャリア周波数に対するIGBTのスイッチング損失および定常損失を示す図The figure which shows the switching loss and stationary loss of IGBT with respect to the carrier frequency of a three-phase inverter インバータ動作時のキャリア周波数fcに対する駆動電力Pdrvのゲート電圧依存性を示す図The figure which shows the gate voltage dependence of the drive electric power Pdrv with respect to the carrier frequency fc at the time of inverter operation | movement. 制御装置によって行われるゲート電圧変更処理の手順を示すフローチャートThe flowchart which shows the procedure of the gate voltage change process performed by a control apparatus. IGBTの出力コレクタ電流の大きさと、IGBTの温度とに基づいて、IGBTのゲート電圧を変更する制御内容を示すフローチャートThe flowchart which shows the control content which changes the gate voltage of IGBT based on the magnitude | size of the output collector current of IGBT, and the temperature of IGBT. ゲート電圧を増大させることによる定常損失低減量ΔPsatと、駆動電力増大量ΔPdとに基づいて、ゲート電圧を変更する制御内容を示すフローチャートA flowchart showing control contents for changing the gate voltage based on the steady loss reduction amount ΔPsat by increasing the gate voltage and the drive power increase amount ΔPd.

符号の説明Explanation of symbols

100…インバータ回路
1a,1b…IBDT
D1〜D4…ダイオード
R1〜R12…抵抗
L1…負荷
L2…トランス
C1、C2…平滑コンデンサ
101,102…駆動回路
103…電源回路
104…電源制御回路
105…シャントレギュレータ
106〜109…フォトカプラ
110…制御装置
100: Inverter circuits 1a, 1b ... IBDT
D1-D4 ... Diodes R1-R12 ... Resistor L1 ... Load L2 ... Transformer C1, C2 ... Smoothing capacitors 101, 102 ... Drive circuit 103 ... Power supply circuit 104 ... Power supply control circuit 105 ... Shunt regulators 106-109 ... Photocoupler 110 ... Control apparatus

Claims (9)

電圧駆動素子のゲート電圧を第1のゲート電圧から第2のゲート電圧に増大することによる定常損失の低減量が、ゲート電圧を前記第1のゲート電圧から前記第2のゲート電圧に増大することによる電圧駆動素子の駆動電力増大量より大きくなる条件が成立したか否かを判定する判定手段と、
前記判定手段によって、ゲート電圧を前記第1のゲート電圧から前記第2のゲート電圧に増大することによる前記定常損失の低減量が前記電圧駆動素子の駆動電力増大量より大きい条件が成立したと判定されると、電圧駆動素子のゲート端子に前記第2のゲート電圧を印加し、前記条件が成立していないと判定されると、前記第1のゲート電圧を印加する制御手段を備えることを特徴とする電圧駆動素子の制御装置。
The amount of steady loss reduction by increasing the gate voltage of the voltage driving element from the first gate voltage to the second gate voltage increases the gate voltage from the first gate voltage to the second gate voltage. Determining means for determining whether or not a condition that is greater than the amount of increase in driving power of the voltage driving element is satisfied;
It is determined by the determination means that a condition is satisfied that a reduction amount of the steady loss by increasing a gate voltage from the first gate voltage to the second gate voltage is greater than an increase amount of driving power of the voltage driving element. And a control means for applying the second gate voltage to the gate terminal of the voltage driving element and applying the first gate voltage when it is determined that the condition is not satisfied. A control device for a voltage driving element.
請求項1に記載の電圧駆動素子の制御装置において、
前記判定手段は、電圧駆動素子の出力コレクタ電流の大きさ、および、電圧駆動素子をPWM制御する際のキャリア周波数の大きさに基づいて、前記条件が成立したか否かを判定することを特徴とする電圧駆動素子の制御装置。
In the control apparatus of the voltage drive element of Claim 1,
The determination means determines whether the condition is satisfied based on the magnitude of the output collector current of the voltage driving element and the magnitude of the carrier frequency when the voltage driving element is PWM-controlled. A control device for a voltage driving element.
請求項2に記載の電圧駆動素子の制御装置において、
前記判定手段は、電圧駆動素子の出力コレクタ電流が所定の電流値より小さく、かつ、前記キャリア周波数が所定周波数より小さい場合に、前記条件が成立したと判定することを特徴とする電圧駆動素子の制御装置。
In the control apparatus of the voltage drive element according to claim 2,
The determination means determines that the condition is satisfied when the output collector current of the voltage driving element is smaller than a predetermined current value and the carrier frequency is smaller than the predetermined frequency. Control device.
請求項2または3に記載の電圧駆動素子の制御装置において、
前記判定手段は、電圧駆動素子の出力コレクタ電流が所定の電流値より小さく、かつ、前記キャリア周波数が所定周波数以上の場合に、前記条件が成立していないと判定することを特徴とする電圧駆動素子の制御装置。
In the control apparatus of the voltage drive element of Claim 2 or 3,
The determination means determines that the condition is not satisfied when the output collector current of the voltage driving element is smaller than a predetermined current value and the carrier frequency is equal to or higher than the predetermined frequency. Device control device.
請求項1に記載の電圧駆動素子の制御装置において、
前記判定手段は、電圧駆動素子の出力コレクタ電流の大きさ、および、電圧駆動素子の温度に基づいて、前記条件が成立したか否かを判定することを特徴とする電圧駆動素子の制御装置。
In the control apparatus of the voltage drive element of Claim 1,
The determination device determines whether or not the condition is satisfied based on the magnitude of the output collector current of the voltage driving element and the temperature of the voltage driving element.
請求項5に記載の電圧駆動素子の制御装置において、
前記判定手段は、電圧駆動素子の出力コレクタ電流が所定の電流値より小さく、かつ、前記電圧駆動素子の温度が所定温度より低い場合に、前記条件が成立したと判定することを特徴とする電圧駆動素子の制御装置。
In the control apparatus of the voltage drive element of Claim 5,
The determination unit determines that the condition is satisfied when an output collector current of the voltage driving element is smaller than a predetermined current value and a temperature of the voltage driving element is lower than a predetermined temperature. Drive device control device.
請求項5または6に記載の電圧駆動素子の制御装置において、
前記判定手段は、電圧駆動素子の出力コレクタ電流が所定の電流値より小さく、かつ、前記電圧駆動素子の温度が所定温度以上の場合に、前記条件が成立していないと判定することを特徴とする電圧駆動素子の制御装置。
In the control apparatus of the voltage drive element of Claim 5 or 6,
The determination means determines that the condition is not satisfied when the output collector current of the voltage driving element is smaller than a predetermined current value and the temperature of the voltage driving element is equal to or higher than a predetermined temperature. Control device for voltage driving element.
請求項1〜7のいずれかに記載の電圧駆動素子の制御装置において、
前記判定手段は、電圧駆動素子の出力コレクタ電流が所定の電流値以上の場合に、前記条件が成立したと判定することを特徴とする電圧駆動素子の制御装置。
In the control apparatus of the voltage drive element in any one of Claims 1-7,
The control device for a voltage driving element, wherein the determination means determines that the condition is satisfied when an output collector current of the voltage driving element is equal to or greater than a predetermined current value.
請求項1〜8のいずれかに記載の電圧駆動素子の制御装置において、
前記電圧駆動素子は、IGBTであることを特徴とする電圧駆動素子の制御装置。
In the control apparatus of the voltage drive element in any one of Claims 1-8,
The voltage drive element control device according to claim 1, wherein the voltage drive element is an IGBT.
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