JP2006296007A

JP2006296007A - 電力変換器の駆動回路

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Publication number: JP2006296007A
Application number: JP2005109583A
Authority: JP
Inventors: Shizusato Tamura; ▲静▼里田村; Akinori Nishihiro; 昭徳西廣; Akira Imanaka; 晶今中; Masakatsu Ogami; 正勝大上
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2005-04-06
Filing date: 2005-04-06
Publication date: 2006-10-26
Anticipated expiration: 2025-04-06
Also published as: JP4765375B2

Abstract

【課題】部品点数、コストを増大させずに、ゲートを制御するための信号を複数伝達することができる電力変換器の駆動回路を得る。
【解決手段】制御部から出力される複数の制御指令を１つの指令に重畳した指令を入力し、電圧駆動型スイッチング素子を駆動するための信号を出力するドライバ部４と、このドライバ部から出力された信号を複数の制御信号に分離する分離回路５と、第1のゲート抵抗６ａと、一端をこの第1のゲート抵抗６ａと直列に接続され、他端は電圧駆動型スイッチング素子のゲート端子に接続される第２のゲート抵抗６ｂと、第1のゲート抵抗６ａと並列に接続されるゲート抵抗切換えスイッチ７と、で構成し、分離回路５から出力された制御信号に基づきゲート抵抗切換えスイッチ７を動作する。
【選択図】図１

Description

この発明は、例えば、ＩＧＢＴなどの電圧駆動型スイッチング素子を制御する電力変換器の駆動回路に関する。

従来の電圧制御形の自己消弧形半導体素子から構成されるＰＷＭ制御の電力変換装置において、自己消弧形半導体素子のターンオン時またはターンオフ時にスイッチングノイズが発生する。
従来の電力変換装置の駆動回路では、オン用抵抗とオフ用抵抗をそれぞれ１種類しか備えていないので、このスイッチングノイズにより漏電遮断器などの保護機器や他の設備機器が誤動作をするなどの不具合を引き起こす恐れのあるときには、ＰＷＭ制御のキャリア周波数を下げ、スイッチングノイズの発生する回数を減らすことにより対応していた。

しかしながら、キャリア周波数を下げるとＰＷＭ制御の電力変換装置の負荷である電動機からの電磁騒音が増加したり、電力変換装置の制御性能が悪化すると同時に、電力変換装置の出力電流のリプルが増加するために自己消弧形半導体素子の電流責務が増大するという問題点があった。
特許文献１は、上記問題点を解決するためになされたもので、電圧制御形の自己消弧形半導体素子などで構成される電力変換装置において、通常の運転状態では小さい値のオン用抵抗、オフ用抵抗、オン・オフ抵抗により自己消弧形半導体素子の駆動回路を形成して電力変換装置を運転し、この状態でスイッチングノイズが問題となるときには、通常の運転状態より大きな値のオン用抵抗、オフ用抵抗、オン・オフ抵抗により自己消弧形半導体素子の駆動回路を形成して電力変換装置を運転する電力変換装置の駆動回路が記載されている。

特開平０９−１０７６７３号公報

特許文献１に開示された電力変換装置の駆動回路は、ＰＷＭ制御のキャリア周波数を下げることなく、スイッチングノイズを低減することができる。
しかしながら、駆動回路、特に電圧駆動型スイッチング素子を複数直列に接続してオン・オフ制御するインバータ回路などの、電圧駆動型スイッチング素子の駆動回路において、電圧駆動型スイッチング素子と制御回路は絶縁する必要がある。このため、電圧駆動型スイッチング素子の制御定数を制御する必要がある場合（スイッチングノイズを低減するため等）、従来の駆動回路ではオン・オフ信号と、その他の信号(例えば、ゲート抵抗切替信号)が別々に入力されるので、信号を伝達する構成部品として絶縁回路が夫々に必要であった。これは部品点数とコストの増加という問題点があり、さらに応答速度が早い絶縁部品が必要な場合、コストがますます増大するという問題点があった。

この発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、部品点数、コストを増大させずに、ゲートを制御するための信号を複数伝達することができる電力変換器の駆動回路を得ることを目的とする。

この発明に係る電力変換器の駆動回路は、制御部から出力される、複数の制御指令を１つの指令に重畳した指令を入力し、電圧駆動型スイッチング素子を駆動するための信号を出力するドライバ部と、このドライバ部から出力された信号を複数の制御信号に分離する分離回路と、この分離回路から出力された分離された複数の制御信号で動作する動作処理回路と、を備えたものである。

この発明の電力変換器の駆動回路は、制御部から出力される、複数の制御指令を１つの指令に重畳した指令を入力し、複数の制御指令に分離して処理するようにしたので、部品点数、コストを増大させずに、ゲートを制御するための信号を複数伝達することができる。

実施の形態１．
図１はこの発明の実施の形態１に係る電力変換器の駆動回路の構成を示す図である。図１において、１はＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor：絶縁ゲートバイポーラトランジスタ）などの電圧駆動型スイッチング素子１ａとＩＧＢＴ１ａに逆並列接続されたＦＷＤ（flywheel Diode：還流ダイオード）１ｂとからなるスイッチング素子、２は駆動回路、３はマイコンあるいはＡＳＩＣ（application specific integrated circuit：特定用途向け集積回路）などで構成され電圧駆動型スイッチング素子１ａの制御指令を計算する制御部である。

駆動回路２は、ドライバ４、分離回路５、第１のゲート抵抗６ａ、第２のゲート抵抗６ｂ、ゲート抵抗切換えスイッチ７から構成される。ドライバ４はＨＶＩＣ（High Voltage IC）やフォトカプラ等の絶縁された部品である。
ゲート抵抗切換えスイッチ７は第１のゲート抵抗６ａと並列に接続される。更にゲート抵抗切換えスイッチ７と第１のゲート抵抗６ａの並列回路には直列に第２のゲート抵抗６ｂが接続され、第２のゲート抵抗６ｂの他端はＩＧＢＴ１ａのゲート端子に接続される。ゲート抵抗切換えスイッチ７は機械的なスイッチ部品から半導体スイッチング素子などが使用できる。

駆動回路２において、ドライバ４は制御部３からの信号を入力し、絶縁された信号を分離回路５に出力する。
分離回路５はＰＷＭ変調のオン・オフ指令とゲート抵抗切換えスイッチ７用のゲート抵抗切換え指令の二つを出力する。ＰＷＭ変調のオン・オフ指令は第１のゲート抵抗６ａとゲート抵抗切換えスイッチ７の一方に接続され、ゲート抵抗切換え指令はゲート抵抗切換えスイッチ７の制御端子に接続される。
上述の構成とすることで、PWM変調のオン・オフ指令とゲート抵抗切換え指令は１つの絶縁回路で絶縁される。

ところで、上述のように、インバータ回路などで電圧駆動型スイッチング素子をＰＷＭ変調オン・オフ制御する際、スイッチングノイズが発生する。ＩＧＢＴの場合、ゲート抵抗を大きくする、ゲート・エミッタ間容量を増やすなどしてゲート・エミッタ間の電圧上昇を緩くすること、あるいはドライバから出力する信号の電圧値を調整するなどゲート定数の調整によって、スイッチング時のコレクタ・エミッタ間ｄｖ／ｄｔ、ｄｉ／ｄｔを小さくすることができ、スイッチングノイズを減少できる。しかし、一方でスイッチングロスが増大し、放熱などに不都合が生じる。ここで説明するのは、この対策としてゲート抵抗を大きくする手段を用いながらスイッチングロスの増加も最小限に抑えるようにゲート抵抗を制御するものである。

図２はこの発明の実施の形態１に係る電力変換器の駆動回路において、制御部３から出力されるＰＷＭ変調のオン・オフ指令とゲート抵抗切換え指令が重畳された指令信号を示す図である。
この発明の実施の形態１に係る電力変換器の駆動回路において、制御部３はキャリア周波数1周期Ｔ中のオン信号に一定期間オフ指令を与える。このオフ指令はオン信号の立ち上がりから、電力変換器に設定された最高周波数より高い周波数の周期Ｔ１の半分、Ｔ１／２周期以内に与える。

また、図３はこの発明の実施の形態１に係る電力変換器の駆動回路において分離回路５における動作のフローチャートを示す図である。

図１、図２および図３により、この発明の実施の形態１に係る電力変換器の駆動回路におけるＰＷＭオン・オフ信号とゲート抵抗切換え信号の伝達について説明する。
制御部３から、ＰＷＭ変調のオン・オフ指令とゲート抵抗切換え指令が重畳された指令が１つの信号線で駆動回路２に送られる。
駆動回路２において、重畳された指令はドライバ４に入力され、絶縁された信号が分離回路５に入力される。分離回路５は入力された信号を基に、ＰＷＭ変調オン・オフ信号と、ゲート抵抗切換え信号に分離し、ＰＷＭ変調オン・オフ信号はゲート抵抗６ａへ、ゲート抵抗切換え信号はゲート抵抗切換えスイッチ７の制御端子にそれぞれの信号として出力する。

実施の形態１に係る電力変換器の駆動回路における分離回路５の処理について、図３により説明する。
ＰＷＭ変調のオン・オフ信号はキャリア周波数１周期Ｔ中で１回ずつオン・オフするものであるから、Ｔ／２周期に立ち上がりは１度であるが、前述のゲート抵抗切換え指令を重畳させた信号はＴ／２周期に立ち上がりが２度ある。この２度の立ち上がりを検出した場合にゲート抵抗切換えを行う。

分離回路５において、ステップＳ１で、オン・オフ信号とゲート抵抗切換え信号が重畳された信号の立ち上がりを検出する。次に、ステップＳ２で立ち上がりの間隔ΔＴを計算し、ステップＳ３でΔＴがキャリア周波数の１周期Ｔの半分Ｔ／２以下であるかどうかを判断する。
ステップＳ３で間隔ΔＴがＴ／２以下でないと判断した場合には、ゲート抵抗切換え信号は重畳されていないので、ゲート抵抗切換え信号は前の状態を維持する。
ステップＳ３で間隔ΔＴがＴ／２以下であると判断した場合には、ステップＳ４でゲート抵抗切換え信号の状態を反転させ出力し、ステップＳ５でＰＷＭ変調オン・オフ信号には影響を与えないようにΔＴ間のオフ信号は無視して、ＰＷＭ変調オン・オフ信号を出力する。

上述のように、この発明の実施の形態１に係る電力変換器の駆動回路は、制御部３から、ＰＷＭ変調のオン・オフ指令とゲート抵抗切換え指令が重畳された指令が１つの信号線で駆動回路２に送られ、分離回路で夫々に分離した信号で電力変換器のゲート抵抗切換え機能を持つようにしたので、絶縁回路をドライバ１個で構成できる。また、ゲート駆動回路に用いられるドライバは高速であるので、オン・オフ信号とゲート抵抗切換え信号を遅れなく、低コストで伝達することができる。

ところで、上記ではオン信号中のオフ信号でゲート抵抗切換え信号とした例を説明したが、オフ信号中のオン信号をゲート抵抗切換えタイミング信号としてもよい。

実施の形態２．
図４はこの発明の実施の形態２に係る電力変換器の駆動回路において、制御部３から出力されるＰＷＭ変調のオン・オフ指令とゲート抵抗切換え指令が重畳された指令信号を示す図である。実施の形態２においては、電力変換器で設定される最高キャリア周波数より高いキャリア周波数ｆ１を一定期間出力することによって、ゲート抵抗切換え指令とする。ｆ１の周期をＴ１とする。
また、図５はこの発明の実施の形態２に係る電力変換器の駆動回路において分離回路５における動作のフローチャートを示す図である。

実施の形態１では、ゲート抵抗切換え指令はＴ／２周期内の立ち上がりの回数を増やす（Ｔ１／２周期に２度の立ち上がり）ようにした例を示したが、実施の形態２は、ゲート抵抗切換え指令はＰＷＭ変調オン・オフ指令のキャリア周波数を変更するようにしたものである。

実施の形態２に係る電力変換器の駆動回路における分離回路５の処理について、図４および図５により説明する。
実施の形態２に係る電力変換器の駆動回路における分離回路５は、ＰＷＭ変調のオン・オフ指令とゲート抵抗切換え指令が重畳された指令信号に対して常にキャリア周波数の周期を監視する。
ステップＳ１１で重畳された指令信号のキャリア周波数を検出し、ステップＳ１２で、検出したキャリア周波数がキャリア周波数ｆ１であるか判断する。ステップＳ１２で、検出したキャリア周波数がキャリア周波数ｆ１でないと判断した場合には、指令信号にゲート抵抗切換え信号が重畳されていないものとしてゲート抵抗切換え信号は前の状態を保持する。
また、ステップＳ１２で、検出したキャリア周波数がキャリア周波数ｆ１であると判断した場合には、指令信号にゲート抵抗切換え信号が重畳されているものとして、ステップＳ１３でゲート抵抗切換え信号を反転させる。この場合、キャリア周波数が高くなるのみでＰＷＭ変調には不都合を与えないので、重畳信号をそのままＰＷＭ変調オン・オフ信号としてゲート抵抗６ａに出力する。

上述のように、この発明の実施の形態２に係る電力変換器の駆動回路は、制御部３から、ＰＷＭ変調のオン・オフ指令とゲート抵抗切換え指令が重畳された指令が１つの信号線で駆動回路２に送られ、分離回路で夫々に分離した信号で電力変換器のゲート抵抗切換え機能を持つようにしたので、絶縁回路をドライバ１個で構成できる。また、ゲート駆動回路に用いられるドライバは高速であるので、オン・オフ信号とゲート抵抗切換え信号を遅れなく、低コストで伝達することができる。

また、実施の形態１、２ではゲート定数としてゲート抵抗を取り上げ説明したが、ゲート・エミッタ間容量、ドライバから出力する信号の電圧値の制御においても用いることができる。

以上のように、この発明の電力変換器の駆動回路は、制御部から出力される複数の制御指令を１つの指令に重畳した指令を入力し、複数の制御指令に分離して処理するようにしたので、部品点数、コストを増大させずに、ゲートを制御するための信号を複数伝達することができる。

この発明の実施の形態１に係る電力変換器の駆動回路の構成を示す図である。この発明の実施の形態１に係る電力変換器の駆動回路において、制御部３から出力されるＰＷＭ変調のオン・オフ指令とゲート抵抗切換え指令が重畳された指令信号を示す図である。この発明の実施の形態１に係る電力変換器の駆動回路において分離回路５における動作のフローチャートを示す図である。この発明の実施の形態２に係る電力変換器の駆動回路において、制御部３から出力されるＰＷＭ変調のオン・オフ指令とゲート抵抗切換え指令が重畳された指令信号を示す図である。この発明の実施の形態２に係る電力変換器の駆動回路において分離回路５における動作のフローチャートを示す図である。

符号の説明

１スイッチング素子、１ａ電圧駆動型スイッチング素子、１ｂＦＷＤ（flywheel Diode：還流ダイオード）、２駆動回路、３制御部、４ドライバ、５分離回路、６ａ第１のゲート抵抗、６ｂ第２のゲート抵抗、７ゲート抵抗切換えスイッチ。

Claims

制御部から出力される複数の制御指令を１つの指令に重畳した指令を入力し、電圧駆動型スイッチング素子を駆動するための信号を出力するドライバ部と、
このドライバ部から出力された信号を複数の制御信号に分離する分離回路と、
この分離回路から出力された分離された複数の制御信号で動作する動作回路と、を備えた電力変換器の駆動回路。
前記制御部から出力される複数の制御指令を１つの指令に重畳した指令は、電圧駆動型スイッチング素子のＰＷＭ変調オン・オフ制御するＰＷＭ変調オン・オフ信号に、駆動条件その他条件を変化させる制御を行うための信号を重畳させた構成としたことを特徴とする請求項１に記載の電力変換器の駆動回路。
前記駆動条件その他条件を変化させる制御を行うための信号は、前記ＰＷＭ変調オン・オフ信号に、キャリア周波数１周期内の立ち上がりの回数を増やすことにより重畳したことを特徴とする請求項２に記載の電力変換器の駆動回路。
前記駆動条件その他条件を変化させる制御を行うための信号は、前記ＰＷＭ変調オン・オフ信号に、キャリア周波数の異なるオン・オフ信号を重畳したことを特徴とする請求項２に記載の電力変換器の駆動回路。
前記複数の制御信号を、電圧駆動型スイッチング素子のＰＷＭ変調オン・オフ制御するＰＷＭ変調オン・オフ信号と、この電圧駆動型スイッチング素子のゲート定数を制御する信号とで構成することを特徴とする請求項１ないし請求項４のいずれかに記載の電力変換器の駆動回路。
前記複数の制御信号を、電圧駆動型スイッチング素子のＰＷＭ変調オン・オフ制御するＰＷＭ変調オン・オフ信号と、この電圧駆動型スイッチング素子のゲート定数を制御する信号とで構成するとともに、
前記動作回路を第1のゲート抵抗と、一端をこの第1のゲート抵抗と直列に接続され、他端は電圧駆動型スイッチング素子のゲート端子に接続される第２のゲート抵抗と、前記第1のゲート抵抗と並列に接続されるゲート抵抗切換えスイッチとで構成し、前記分離回路から出力された前記電圧駆動型スイッチング素子のゲート定数を制御する信号に基づき前記ゲート抵抗切換えスイッチを動作するようにしたことを特徴とする請求項１ないし請求項５のいずれかに記載の電力変換器の駆動回路。