JP2007074771A - Voltage driving type switching circuit, multiphase inverter device, and method of voltage driving type switching control - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、電圧駆動型スイッチング回路、多相インバータ装置、および、電圧駆動型スイッチング制御方法に関する。 The present invention relates to a voltage-driven switching circuit, a multiphase inverter device, and a voltage-driven switching control method.
並列接続した複数の電圧駆動型素子を2つ直列に接続した直列回路を、相数に応じて、相数分、さらに並列に接続した構成を有する多相インバータ装置が一般に知られている。このような多相インバータ装置においては、並列接続した複数の電圧駆動型素子の配線インピーダンスにばらつきがあると、最小のインピーダンスになっている特定の電圧駆動型素子に電流が集中し、並列接続した複数の電圧駆動型素子のうちの特定の電圧駆動型素子が発熱して、熱破壊が生じる恐れがあった。 A multi-phase inverter device having a configuration in which a series circuit in which two voltage-driven elements connected in parallel are connected in series is connected in parallel for the number of phases according to the number of phases is generally known. In such a multi-phase inverter device, if there are variations in the wiring impedance of a plurality of voltage-driven elements connected in parallel, the current is concentrated on a specific voltage-driven element having the minimum impedance, and connected in parallel. There is a possibility that a specific voltage driven element among the plurality of voltage driven elements generates heat and may be thermally destroyed.
このため、特許文献1に示す特開平7−7958号公報「電力変換装置」に記載されているように、並列接続した複数の電圧駆動型素子それぞれの電流経路のインピーダンスを均等にした半導体モジュールとして形成することにより、特定の電圧駆動型素子が熱破壊してしまう問題を回避するという手法が提案されている。すなわち、電流経路となる配線パターンを同一の形状とすることにより電圧駆動型素子それぞれに流れる電流を均一にして、電圧駆動型素子に発生する定常損失を均一に分散するようにして、電圧駆動型素子の定常損失を低減することを可能とし、もって、電圧駆動型素子の熱破壊を防止することにしている。
For this reason, as described in Japanese Patent Laid-Open No. 7-7958 “Power Conversion Device” disclosed in
この場合、半導体モジュールとして並列接続した複数の電圧駆動型素子すべてを制御周期ごとに同時にオン/オフするようにし、該半導体モジュールを一つの電圧駆動型のスイッチング素子として動作させて、多相インバータ装置として動作するようにしている。
しかしながら、前記特許文献1の技術では、次のような問題が存在している。
However, the technique disclosed in
複数の電圧駆動型素子が並列接続された半導体モジュールにおいて、各電圧駆動型素子間の回路上のインピーダンスを同一の値とすることにより、定常損失を低減し、電圧駆動型素子の熱破壊を防止するという手法が採用されているものの、定常損失のみに着目しているため、電圧駆動型素子の電力損失のもう一つの要因であるスイッチング損失についての配慮が全くなされていなく、熱破壊の防止が不完全であるという問題がある。 In a semiconductor module in which multiple voltage-driven elements are connected in parallel, the impedance on the circuit between the voltage-driven elements is set to the same value, thereby reducing steady loss and preventing thermal destruction of the voltage-driven elements. However, since attention is paid only to steady-state loss, no consideration has been given to switching loss, which is another cause of power loss of voltage-driven elements, and thermal destruction can be prevented. There is a problem of being incomplete.
すなわち、電圧駆動型素子のオン/オフ時におけるゲート閾値については、通常、半導体素子間のばらつき等によって異なってしまうものであり、ゲートのオン/オフ時におけるスイッチング損失を均一化させることが困難である。したがって、すべての電圧駆動型素子を同時にオンさせた場合、ゲート閾値が低い電圧駆動型素子に電流が集中して流れることになり、当該電圧駆動型素子のスイッチング損失が並列接続された他の素子よりも増大して、熱破壊を引き起こす可能性が依然として存在してしまう。 In other words, the gate threshold value at the time of turning on / off the voltage-driven element usually varies depending on variations between semiconductor elements, etc., and it is difficult to make the switching loss uniform at the time of turning on / off the gate. is there. Therefore, when all the voltage driven elements are turned on at the same time, the current flows in a voltage driven element having a low gate threshold, and the switching loss of the voltage driven element is another element connected in parallel. There is still the possibility of causing thermal destruction.
本発明は、かかる事情に鑑みてなされたものであり、電圧駆動型素子の熱破壊を容易に回避可能な電圧駆動型スイッチング回路、多相インバータ装置、および、電圧駆動型スイッチング制御方法を実現することを目的としている。 The present invention has been made in view of such circumstances, and realizes a voltage-driven switching circuit, a multiphase inverter device, and a voltage-driven switching control method that can easily avoid thermal destruction of a voltage-driven element. The purpose is that.
本発明は、前述の課題を解決するために、並列接続した複数の電圧駆動型素子それぞれに対応した複数のゲート駆動部を備えることにより、スイッチング動作を制御する制御部の指示に基づいて、あらかじめ定めた制御周期ごとに、複数の前記ゲート駆動部のうちいずれか任意に選択された1乃至複数のゲート駆動部に対してPWM信号が入力されることにより、並列接続した複数の電圧駆動型素子のうち対応する1乃至複数の電圧駆動型素子が駆動されるようにしている。 In order to solve the above-described problem, the present invention includes a plurality of gate driving units corresponding to a plurality of voltage-driven elements connected in parallel, and based on instructions from a control unit that controls a switching operation in advance. A plurality of voltage-driven elements connected in parallel by inputting a PWM signal to one or more gate driving units arbitrarily selected from among the plurality of gate driving units for each predetermined control period The corresponding one or more voltage-driven elements are driven.
本発明の電圧駆動型スイッチング回路、多相インバータ装置、および、電圧駆動型スイッチング制御方法によれば、並列接続した複数の電圧駆動型素子それぞれに対応した複数のゲート駆動部を備え、複数のゲート駆動部を独立に駆動することができるので、選択したいずれか1乃至複数の電圧駆動型素子ずつあらかじめ定めた制御周期ごとに順次切り替えて駆動する交互駆動を可能とし、もって、電圧駆動型素子の熱破壊を容易に回避可能な、信頼性が高いスイッチング動作を行わせることができる。 According to the voltage-driven switching circuit, the multiphase inverter device, and the voltage-driven switching control method of the present invention, a plurality of gate drive units each corresponding to a plurality of voltage-driven elements connected in parallel are provided, and a plurality of gates are provided. Since the driving unit can be driven independently, it is possible to perform alternate driving in which any one or a plurality of selected voltage-driven elements are sequentially switched and driven at predetermined control periods. A highly reliable switching operation that can easily avoid thermal destruction can be performed.
以下に、本発明による電圧駆動型スイッチング回路、多相インバータ装置、および、電圧駆動型スイッチング制御方法の最良の実施形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。 DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS Embodiments of a voltage-driven switching circuit, a multiphase inverter device, and a voltage-driven switching control method according to the present invention will be described below in detail with reference to the drawings.
(第1の実施形態)
まず、本発明による電圧駆動型スイッチング回路の第1の実施形態について説明する。
(First embodiment)
First, a first embodiment of a voltage driven switching circuit according to the present invention will be described.
(本実施形態の構成)
最初に、図1を用いて、本発明による電圧駆動型スイッチング回路の構成の一例を説明する。図1は、本発明による電圧駆動型スイッチング回路の構成例として第1の実施形態の構成を示す回路図であり、電圧駆動型素子の一つであるIGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor:絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ)を複数用いた半導体モジュール10とIGBTのゲート駆動回路11とからなる回路構成を示している。なお、本実施形態では、電圧駆動型素子として、IGBTを用いる場合を示しているが、本発明は、かかる場合のみに限るものではなく、例えば、MOS型パワートランジスタを用いて構成しても良い。
(Configuration of this embodiment)
First, an example of the configuration of the voltage-driven switching circuit according to the present invention will be described with reference to FIG. FIG. 1 is a circuit diagram showing the configuration of the first embodiment as a configuration example of a voltage-driven switching circuit according to the present invention, and is an IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor) that is one of voltage-driven elements. A circuit configuration including a
半導体モジュール10は、電圧駆動型素子として複数(図1の例では、3個)のIGBT(Q1)〜(Q3)が並列接続されて構成されており、各IGBT(Q1)〜(Q3)それぞれのゲート端子(G1)〜(G3)は、ゲート駆動回路11に接続されている。
The
ゲート駆動回路11は、複数の電圧駆動型素子IGBT(Q1)〜(Q3)それぞれに対応して複数のゲート駆動部を備え、電圧駆動型素子IGBT(Q1)に対するゲート駆動部として、プッシュプル構成のPchMOSFET(Q4)とNchMOSFET(Q5)が、電圧駆動型素子IGBT(Q2)に対するゲート駆動部として、プッシュプル構成のPchMOSFET(Q6)とNchMOSFET(Q7)が、電圧駆動型素子IGBT(Q3)に対するゲート駆動部として、プッシュプル構成のPchMOSFET(Q8)とNchMOSFET(Q9)が、それぞれ配置されている。
The
図1に示す当該電圧駆動型スイッチング回路のスイッチング動作を制御する制御部からの指示に基づいて、複数のゲート駆動部すなわちプッシュプル構成のPchMOSFET(Q4)、(Q6)、(Q8)とNchMOSFET(Q5)、(Q7)、(Q9)のうち、いずれか任意に選択された1乃至複数のゲート駆動部すなわちプッシュプル構成のPchMOSFETとNchMOSFETとに対してPWM信号が入力されることにより、並列接続した複数の電圧駆動型素子IGBT(Q1)〜(Q3)のうち対応する1乃至複数の電圧駆動型素子IGBTが駆動される。 A plurality of gate drive units, that is, push-pull PchMOSFETs (Q4), (Q6), (Q8) and NchMOSFETs (in accordance with instructions from a control unit that controls the switching operation of the voltage-driven switching circuit shown in FIG. Q5), (Q7), and (Q9) are connected in parallel by inputting a PWM signal to one or more arbitrarily selected gate drive units, that is, push-pull PchMOSFETs and NchMOSFETs. Among the plurality of voltage driven elements IGBTs (Q1) to (Q3), the corresponding one or more voltage driven elements IGBT are driven.
ここで、IGBT(Q1)のゲート端子(G1)は、PchMOSFET(Q4)と抵抗R1とを介して電源電圧Vccに接続され、かつ、NchMOSFET(Q5)と抵抗R1とを介して基準電位Veeに接続されており、さらに、PchMOSFET(Q4)とNchMOSFET(Q5)とはプッシュプル構成とされている。同様に、IGBT(Q2)、IGBT(Q3)のそれぞれのゲート端子(G2)、ゲート端子(G3)は、PchMOSFET(Q6)と抵抗R2、PchMOSFET(Q8)と抵抗R3とをそれぞれ介して電源電圧Vccに接続され、かつ、NchMOSFET(Q7)と抵抗R2、NchMOSFET(Q9)と抵抗R3とをそれぞれ介して基準電位Veeに接続されており、さらに、PchMOSFET(Q6)とNchMOSFET(Q7)、PchMOSFET(Q8)とNchMOSFET(Q9)とは、それぞれプッシュプル構成とされている。 Here, the gate terminal (G1) of the IGBT (Q1) is connected to the power supply voltage Vcc via the PchMOSFET (Q4) and the resistor R1, and to the reference potential Vee via the NchMOSFET (Q5) and the resistor R1. In addition, the Pch MOSFET (Q4) and the Nch MOSFET (Q5) have a push-pull configuration. Similarly, the gate terminal (G2) and the gate terminal (G3) of the IGBT (Q2) and IGBT (Q3) are supplied via the PchMOSFET (Q6) and the resistor R2, and the PchMOSFET (Q8) and the resistor R3, respectively. It is connected to Vcc, and is connected to a reference potential Vee through an Nch MOSFET (Q7) and a resistor R2, an Nch MOSFET (Q9) and a resistor R3, respectively. Further, a Pch MOSFET (Q6), an Nch MOSFET (Q7), and a PchMOSFET ( Q8) and the Nch MOSFET (Q9) each have a push-pull configuration.
なお、基準電位Veeは、IGBT(Q1)〜(Q3)から取り出して共通接続したエミッタ端子(E)と同電位であり、ゲート駆動回路11の基準電位となっている。
The reference potential Vee is the same potential as the emitter terminal (E) taken out from the IGBTs (Q1) to (Q3) and commonly connected thereto, and is the reference potential of the
さらに、PchMOSFET(Q4)のゲート端子は、パルス幅変調(PWM:Pulse Width Modulation)されたPWM信号を絶縁伝送するフォトカプラIC(I1)の出力端子に接続される。ここで、フォトカプラIC(I1)の出力端子は、抵抗R4を介して、電源Vccヘプルアップ接続されている。同様に、PchMOSFET(Q6)、PchMOSFET(Q8)のそれぞれのゲート端子は、フォトカプラIC(I2)、フォトカプラIC(I3)のそれぞれの出力端子に接続され、フォトカプラIC(I2)、フォトカプラIC(I3)のそれぞれの出力端子は、抵抗R5、抵抗R6をそれぞれ介して、電源Vccヘプルアップ接続されている。 Furthermore, the gate terminal of the Pch MOSFET (Q4) is connected to the output terminal of a photocoupler IC (I1) that performs insulation transmission of a PWM signal that has been subjected to pulse width modulation (PWM). Here, the output terminal of the photocoupler IC (I1) is pull-up connected to the power source Vcc via the resistor R4. Similarly, the gate terminals of PchMOSFET (Q6) and PchMOSFET (Q8) are connected to the output terminals of photocoupler IC (I2) and photocoupler IC (I3), respectively, and photocoupler IC (I2) and photocoupler. Each output terminal of the IC (I3) is pulled up to the power source Vcc via a resistor R5 and a resistor R6.
プッシュプル構成とされたPchMOSFET(Q4)とNchMOSFET(Q5)とのゲート端子は、フォトカプラIC(I1)を介して、入力信号端子1に接続され、PWM入力信号PWM1により、PchMOSFET(Q4)とNchMOSFET(Q5)とをオン/オフできるように構成されている。
The gate terminals of the push-pull PchMOSFET (Q4) and NchMOSFET (Q5) are connected to the
同様に、プッシュプル構成とされたPchMOSFET(Q6)とNchMOSFET(Q7)とのゲート端子、プッシュプル構成とされたPchMOSFET(Q8)とNchMOSFET(Q9)とのゲート端子は、それぞれ、フォトカプラIC(I2)、フォトカプラIC(I3)を介して、入力信号端子2、入力信号端子3にそれぞれ接続され、PWM入力信号PWM2、PWM入力信号PWM3により、PchMOSFET(Q6)とNchMOSFET(Q7)、PchMOSFET(Q8)とNchMOSFET(Q9)とをそれぞれオン/オフできるように構成されている。
Similarly, the gate terminals of the Pch MOSFET (Q6) and the Nch MOSFET (Q7) having the push-pull configuration and the gate terminals of the Pch MOSFET (Q8) and the Nch MOSFET (Q9) having the push-pull configuration are respectively connected to the photocoupler IC ( I2) and photocoupler IC (I3) are connected to
すなわち、図1に示す電圧駆動型スイッチング回路の構成例においては、あらかじめ定めた制御周期ごとに、並列接続した複数の電圧駆動素子のIGBT(Q1)〜(Q3)のうちいずれかを順次オン/オフさせるために、ゲート駆動回路11に対して外部から入力される入力信号PWM1〜PWM3を用いたPWM駆動により、ゲート駆動回路11のPchMOSFET(Q4)、(Q6)、(Q8)とNchMOSFET(Q5)、(Q7)、(Q9)とのプッシュプル回路のうちいずれかを順次オン/オフさせて、半導体モジュール10を形成している電圧駆動素子のIGBT(Q1)〜(Q3)のいずれかを順次切り替えてオン/オフさせるように構成している。
In other words, in the configuration example of the voltage-driven switching circuit shown in FIG. 1, any one of the IGBTs (Q1) to (Q3) of the plurality of voltage-driven elements connected in parallel is sequentially turned on / off for each predetermined control cycle. In order to turn off, PchMOSFETs (Q4), (Q6), (Q8) and NchMOSFETs (Q5) of the
ここで、ゲート駆動回路11に対して外部に設置したPWM生成回路12から入力される入力信号PWM1〜PWM3は、詳細は後述するが、あらかじめ定めた制御周期ごとに、電圧駆動素子のIGBT(Q1)〜(Q3)のいずれか1つを順番に切り替えて駆動する交互駆動用の信号である。
Here, the input signals PWM1 to PWM3 input from the
(本実施形態の動作)
次に、図1の電圧駆動型スイッチング回路の構成例における動作について説明する。
(Operation of this embodiment)
Next, the operation in the configuration example of the voltage-driven switching circuit in FIG. 1 will be described.
まず、図1の構成例に示す電圧駆動型素子IGBT(Q1)〜(Q3)群(すなわち、電圧駆動型スイッチング回路として、ゲート駆動回路11を介したPWM駆動によりオン/オフスイッチングさせる並列接続のIGBT(Q1)〜(Q3)を有する半導体モジュール10)を、2個直列接続した直列回路を形成し、さらに、該直列回路を相数分並列接続した並列回路を少なくとも備えた多相インバータ装置によって電動機を運転した場合のIGBTにおける電力損失について説明する。 First, voltage-driven element IGBTs (Q1) to (Q3) shown in the configuration example of FIG. 1 (that is, a voltage-driven switching circuit having a parallel connection that is switched on / off by PWM driving via a gate driving circuit 11). A multi-phase inverter device including at least a parallel circuit in which two semiconductor modules 10) having IGBTs (Q1) to (Q3) are connected in series to form a series circuit and the series circuits are connected in parallel for the number of phases. The power loss in the IGBT when the electric motor is operated will be described.
一般に、IGBTのトータルの電力損失は、前述したように、定常損失のみではなく、スイッチング損失と定常損失との和で表される。ここで、多相インバータ装置の相数として3相の場合の3相インバータ装置において、1素子当たりのスイッチング損失(Psw)ならびに定常損失(Psat)は、それぞれ、次に示すような式(1)ならびに式(2)で表される。なお、ここでは、3相インバータ装置を構成する各IGBTが1素子ずつで構成されている場合を示している。 In general, the total power loss of the IGBT is represented not only by the steady loss but also by the sum of the switching loss and the steady loss as described above. Here, in the three-phase inverter device when the number of phases of the multiphase inverter device is three, the switching loss (Psw) and the steady loss (Psat) per element are expressed by the following equations (1): As well as the formula (2). Here, the case where each IGBT which comprises a three-phase inverter apparatus is comprised by one element is shown.
Psw =(1/π)×Esw×fc …(1)
Psat=Icp×Vce×{1/8+(D×cosθ/3/π)}…(2)
ここで、各パラメータの意味するところは、次の通りである。
Psw = (1 / π) × Esw × fc (1)
Psat = Icp × Vce × {1/8 + (D × cos θ / 3 / π)} (2)
Here, the meaning of each parameter is as follows.
Esw :スイッチング1パルス当たりの損失
fc :PWM駆動周波数(キャリア周波数)
Icp :IGBTコレクタ電流ピーク値
Vce :IGBTコレクタ電圧
Vce=Vce1(Vce at Icp)×sinx (x:位相)
D :変調率
cosθ:力率
式(1)、式(2)に示すように、スイッチング損失(Psw)は、PWM駆動周波数fc(以下、キャリア周波数と称することもある)に比例し、一方、定常損失(Psat)は、コレクタ電流値(コレクタ電流ピーク値Icp)に比例している。
Esw: Loss per switching pulse fc: PWM drive frequency (carrier frequency)
Icp: IGBT collector current peak value Vce: IGBT collector voltage Vce = Vce1 (Vce at Icp) × sinx (x: phase)
D: Modulation rate cos θ: Power factor As shown in equations (1) and (2), the switching loss (Psw) is proportional to the PWM drive frequency fc (hereinafter also referred to as carrier frequency), The steady loss (Psat) is proportional to the collector current value (collector current peak value Icp).
図2は、本発明の第1の実施形態における動作の一例を示すタイムチャートであり、図1の電圧駆動型スイッチング回路すなわち半導体モジュール10とゲート駆動回路11との構成例において、入力信号PWM1〜PWM3をあらかじめ定めた制御周期ごとに順番にオン/オフさせた場合の電圧駆動型素子IGBT(Q1)〜(Q3)のコレクタ電流波形を示している。
FIG. 2 is a time chart showing an example of the operation in the first embodiment of the present invention. In the configuration example of the voltage-driven switching circuit, that is, the
図2に示すように、あらかじめ定めた制御周期ごとに、入力信号PWM1〜PWM3をあらかじめ定めた順番にオンさせる交互駆動をすることにより、対応するIGBT(Q1)〜(Q3)が順次オンにスイッチングされていき、オンに切り替わったIGBTにのみコレクタ電流が流れる。すなわち、図1の半導体モジュール10へ流れ込むコレクタ電流Icは、並列接続されたIGBT(Q1)〜(Q3)のうち、各制御周期内で順番に切り替わってオンになっていくいずれか1つのIGBTのみにすべて通電されることになる。
As shown in FIG. 2, the corresponding IGBTs (Q1) to (Q3) are sequentially switched on by alternately driving the input signals PWM1 to PWM3 in a predetermined order at predetermined control cycles. Accordingly, the collector current flows only to the IGBT that is switched on. In other words, the collector current Ic flowing into the
而して、制御周期に応じて順番にスイッチングされるIGBTが切り替わることにより、並列接続されたIGBT(Q1)〜(Q3)のそれぞれに均等にスイッチング損失が分配されることになり、いずれか特定のIGBTにのみスイッチング損失が増大して熱破壊を引き起こすような事態を防止することができる。 Thus, by switching the IGBTs that are sequentially switched according to the control cycle, the switching loss is equally distributed to each of the IGBTs (Q1) to (Q3) connected in parallel. It is possible to prevent a situation in which switching loss increases and causes thermal destruction only in the IGBT.
これに対して、従来の技術のように、IGBT(Q1)〜(Q3)すなわち半導体モジュール10の発熱を抑制するために、並列接続したIGBT(Q1)〜(Q3)すべてを同時にオン/オフし、コレクタ電流IcをIGBT(Q1)〜(Q3)それぞれに均等に電流負担するように動作させている場合は、前述したように、IGBT(Q1)〜(Q3)のゲート閾値のばらつき等の原因によって、特定のIGBTのみに電流負担が増加して、その結果、特定IGBTのスイッチング損失が増大してしまって、熱破壊を引き起こしてしまう危険性がある。
On the other hand, in order to suppress the heat generation of the IGBTs (Q1) to (Q3), that is, the
一方、本実施形態の場合、前述のように、制御周期ごとに順番にオンになるPWM1〜PWM3により交互駆動してIGBT(Q1)〜(Q3)を順次切り替えてオンにスイッチングしていくことにより、特定のIGBTにのみスイッチング損失が増大して熱破壊を引き起こすような事態を確実に防止することができる。 On the other hand, in the case of the present embodiment, as described above, the IGBTs (Q1) to (Q3) are sequentially switched on by alternately driving with the PWM1 to PWM3 that are sequentially turned on every control cycle. Thus, it is possible to reliably prevent a situation in which switching loss increases only in a specific IGBT and causes thermal destruction.
しかしながら、図2のように半導体モジュール10へ流れ込むコレクタ電流Icを制御周期ごとに1つのIGBTにすべて通電するようにしているため、通電されるIGBTのコレクタ電流は、制御周期ごとに複数のIGBTすべてを同時にオン/オフさせた場合に比べて、大きくなり、その結果、式(2)に示すように、定常損失(Psat)が大きくなってしまう。
However, since the collector current Ic flowing into the
このため、図2のように、制御周期ごとにIGBT(Q1)〜(Q3)を交互にスイッチングさせていく場合の条件を特定することも重要である。 For this reason, as shown in FIG. 2, it is also important to specify conditions for switching IGBTs (Q1) to (Q3) alternately for each control period.
たとえば、IGBTの電力損失において、定常損失(Psat)に比しスイッチング損失(Psw)が支配的になっている場合であって、かつ、IGBTの電力損失が増大して、熱破壊を引き起こすような条件が成立する場合にのみ、前述したように、制御周期ごとにIGBT(Q1)〜(Q3)を交互にスイッチングさせて順番にオンさせる交互駆動を行うようにしてもよい。一方、かかる条件が成立しないそれ以外の条件の場合においては、制御周期ごとにIGBT(Q1)〜(Q3)すべてを同時にスイッチングさせてオン/オフさせる同時駆動を行うように動作させる。このような制御を行うことにより、IGBTの総合的な電力損失を抑制し、多相インバータ装置の安定的な運用を可能とし得る。 For example, in the case of IGBT power loss, the switching loss (Psw) is dominant as compared to the steady loss (Psat), and the power loss of the IGBT increases to cause thermal destruction. Only when the condition is satisfied, as described above, the IGBTs (Q1) to (Q3) may be alternately switched for each control cycle and alternately driven to turn on in turn. On the other hand, in the case of other conditions in which such a condition is not satisfied, the IGBTs (Q1) to (Q3) are all switched at the same time for each control cycle so as to perform simultaneous driving to turn on / off. By performing such control, it is possible to suppress the total power loss of the IGBT and enable stable operation of the multiphase inverter device.
図1に示すように、複数の電圧駆動型素子IGBT(Q1)〜(Q3)それぞれに対応して複数のゲート駆動部すなわちプッシュプル構成のPchMOSFET(Q4)、(Q6)、(Q8)とNchMOSFET(Q5)、(Q7)、(Q9)を備えた電圧駆動型スイッチング回路において、当該電圧駆動型スイッチング回路のスイッチング動作を制御する制御部は、複数のゲート駆動部すなわちプッシュプル構成のPchMOSFET(Q4)、(Q6)、(Q8)とNchMOSFET(Q5)、(Q7)、(Q9)のうちいずれか任意に選択した1乃至複数のゲート駆動部に対してPWM信号を入力するように指示することにより、並列接続した複数の電圧駆動型素子IGBT(Q1)〜(Q3)のうち対応する任意の1乃至複数の電圧駆動型素子IGBTを駆動することができる。 As shown in FIG. 1, a plurality of gate drive units, that is, push-pull PchMOSFETs (Q4), (Q6), (Q8) and NchMOSFETs corresponding to the plurality of voltage driven elements IGBTs (Q1) to (Q3), respectively. In the voltage-driven switching circuit including (Q5), (Q7), and (Q9), the control unit that controls the switching operation of the voltage-driven switching circuit includes a plurality of gate drive units, that is, push-pull PchMOSFETs (Q4 ), (Q6), (Q8) and NchMOSFETs (Q5), (Q7), (Q9) are instructed to input a PWM signal to one or more arbitrarily selected gate drive units. Thus, any one to a plurality of voltage-driven elements I corresponding among the plurality of voltage-driven elements IGBTs (Q1) to (Q3) connected in parallel. It is possible to drive the BT.
かくのごとく、当該電圧駆動型スイッチング回路のスイッチング動作を制御する制御部は、並列接続した複数の電圧駆動型素子IGBT(Q1)〜(Q3)のうちいずれか1乃至複数を選択して駆動することができるので、前述したような特定の条件を設定することによって、電圧駆動型スイッチング回路の交互動作と同時動作との動作を制御することも可能であり、以下に、該制御部が、特定の条件としてあらかじめ設定された条件に基づいて、交互駆動と同時駆動とを切り替えて制御する場合の動作の一例を、図3および図4の動作フローチャートを用いて以下に説明する。 As described above, the control unit that controls the switching operation of the voltage-driven switching circuit selects and drives one or more of the plurality of voltage-driven elements IGBT (Q1) to (Q3) connected in parallel. Therefore, it is also possible to control the operation of the voltage-driven switching circuit between the alternating operation and the simultaneous operation by setting the specific condition as described above. An example of an operation in the case of controlling by switching between alternating drive and simultaneous drive based on a condition set in advance as the condition will be described below with reference to operation flowcharts of FIGS. 3 and 4.
図3は、本発明の第1の実施形態における動作の一例を説明するための動作フローチャートであり、電動機を所望した任意の動作状態に制御するために、前述したような特定の条件として、スイッチング損失(Psw)と定常損失(Psat)とを比較することにより、多相インバータ装置を構成する電圧駆動型素子すなわちIGBTの駆動方法を制御し、IGBTからの出力電流を制御している一例を示している。 FIG. 3 is an operation flowchart for explaining an example of the operation in the first embodiment of the present invention. In order to control the electric motor to an arbitrary operation state desired, the switching is performed as a specific condition as described above. An example of controlling the voltage-driven element constituting the multiphase inverter device, that is, the driving method of the IGBT, and controlling the output current from the IGBT by comparing the loss (Psw) and the steady loss (Psat) is shown. ing.
図3において、任意の時点で、多相インバータ装置に対して所望した所定の出力電流すなわち電圧駆動型素子IGBT(Q1)〜(Q3)からの出力電流となるように、制御指令として、電流指令値(Ia)が入力された場合、スイッチング制御を司る制御部は、まず、入力された該電流指令値(Ia)における電圧駆動型素子IGBT(Q1)〜(Q3)のスイッチング損失(Psw)と定常損失(Psat)とを比較する(ステップS1)。 In FIG. 3, a current command is used as a control command so that a predetermined output current desired for the multiphase inverter device, that is, an output current from the voltage-driven elements IGBT (Q1) to (Q3), is obtained at an arbitrary time. When the value (Ia) is input, the control unit that controls the switching control first includes the switching loss (Psw) of the voltage-driven elements IGBT (Q1) to (Q3) at the input current command value (Ia). The steady loss (Psat) is compared (step S1).
スイッチング損失(Psw)が定常損失(Psat)よりも大きければ(ステップS1のYES)、ステップS2へ分岐して、IGBT(Q1)〜(Q3)間のスイッチング損失(Psw)の不均衡が発生しないように、制御周期ごとに一つのIGBTのみを順番に駆動させていくようなIGBT交互駆動を行う(ステップS2)。 If the switching loss (Psw) is larger than the steady loss (Psat) (YES in step S1), the process branches to step S2, and the switching loss (Psw) between IGBTs (Q1) to (Q3) does not occur. As described above, the IGBT alternate driving is performed so that only one IGBT is sequentially driven every control cycle (step S2).
一方、スイッチング損失(Psw)が定常損失(Psat)よりも大きくない場合には(ステップS1のNO)、ステップS3へ分岐して、IGBT(Q1)〜(Q3)間のスイッチング損失(Psw)の不均衡を防止することよりも、IGBT(Q1)〜(Q3)間にコレクタ電流を均等に分配することにより、IGBT(Q1)〜(Q3)の定常損失(Psat)の負担を低減させ、もって、IGBT(Q1)〜(Q3)の総合的な電力損失を低滅するために、IGBT(Q1)〜(Q3)すべてを制御周期ごとに同時に駆動させるIGBT同時駆動を行う(ステップS3)。 On the other hand, when the switching loss (Psw) is not larger than the steady loss (Psat) (NO in step S1), the process branches to step S3, and the switching loss (Psw) between the IGBTs (Q1) to (Q3) is increased. Rather than preventing imbalance, by distributing the collector current evenly between the IGBTs (Q1) to (Q3), the burden of the steady loss (Psat) of the IGBTs (Q1) to (Q3) is reduced. In order to reduce the total power loss of the IGBTs (Q1) to (Q3), the IGBT simultaneous driving for simultaneously driving all the IGBTs (Q1) to (Q3) every control period is performed (step S3).
かかる動作を行うことにより、電圧駆動型スイッチング回路として、電圧駆動型素子IGBT(Q1)〜(Q3)のトータルの電力損失を低減し、熱破壊を引き起こすことなく、安定した動作を行わせることができる。 By performing such an operation, the voltage-driven switching circuit can reduce the total power loss of the voltage-driven elements IGBT (Q1) to (Q3), and can perform a stable operation without causing thermal destruction. it can.
次に、図4の動作フローチャートについて説明する。 Next, the operation flowchart of FIG. 4 will be described.
図4も、また、図3と同様に、電動機を所望した任意の動作状態に制御するために、前述したような特定の条件によって多相インバータ装置を構成する電圧駆動型素子すなわちIGBTの駆動方法を制御し、IGBTからの出力電流を制御している例を示しているフローチャートであるが、前述の図3とは異なる例を説明している。 Also in FIG. 4, as in FIG. 3, in order to control the electric motor to a desired arbitrary operation state, a voltage-driven element, that is, an IGBT driving method that constitutes the multiphase inverter device under the specific conditions as described above. Is a flowchart showing an example in which the output current from the IGBT is controlled, but an example different from the above-described FIG. 3 is described.
図4において、任意の時点で、所望した所定のインバータ出力電流すなわち電圧駆動型素子IGBT(Q1)〜(Q3)からの出力電流となるように、制御指令として、電流指令値(Ia)が入力された場合、スイッチング制御を司る制御部は、まず、入力された電流指令値(Ia)と、IGBT(Q1)〜(Q3)間のスイッチング損失(Psw)の不均衡が顕著となるコレクタ電流値(Ic1)に対応する電流指令値としてあらかじめ設定されている所定電流指令値(Ia1)すなわち不均衡発生電流値と、を比較する(ステップS11)。 In FIG. 4, a current command value (Ia) is input as a control command so that a desired predetermined inverter output current, that is, an output current from the voltage-driven elements IGBT (Q1) to (Q3), is input at an arbitrary time. In this case, the control unit that controls the switching control firstly collects the input current command value (Ia) and the collector current value at which the switching loss (Psw) between the IGBTs (Q1) to (Q3) becomes significant. A predetermined current command value (Ia1) preset as a current command value corresponding to (Ic1), that is, an unbalanced generated current value is compared (step S11).
所定電流指令値(Ia1)よりも入力された電流指令値(Ia)が大きければ(ステップS11のYES)、ステップS12へ分岐して、次に、IGBT(Q1)〜(Q3)間のスイッチング損失(Psw)の不均衡が顕著になっている場合において、IGBT(Q1)〜(Q3)間のスイッチング損失(Psw)が定常損失(Psat)に比べて支配的であるか否かを判定するために、スイッチング損失(Psw)と比例的な関係が成立するキャリア周波数(PWM駆動周波数:fc)を、所定キャリア周波数(fc1)、すなわち、スイッチング損失(Psw)が定常損失(Psat)に比べて支配的となる周波数としてあらかじめ設定されている閾値周波数と比較する(ステップS12)。 If the input current command value (Ia) is larger than the predetermined current command value (Ia1) (YES in step S11), the process branches to step S12, and then the switching loss between IGBTs (Q1) to (Q3). In order to determine whether or not the switching loss (Psw) between the IGBTs (Q1) to (Q3) is more dominant than the steady loss (Psat) when the (Psw) imbalance is significant. In addition, the carrier frequency (PWM drive frequency: fc) that is proportional to the switching loss (Psw) is controlled by a predetermined carrier frequency (fc1), that is, the switching loss (Psw) is more dominant than the steady loss (Psat). A threshold frequency set in advance as a target frequency is compared (step S12).
ここに、所定キャリア周波数(fc1)とは、前述のごとく、スイッチング損失(Psw)と比例的な関係にあるキャリア周波数(fc)を用いて、電圧駆動型素子IGBT(Q1)〜(Q3)のスイッチング損失(Psw)が電圧駆動型素子IGBT(Q1)〜(Q3)の電力損失として支配的になる最低限のキャリア周波数(PWM駆動周波数)の値を、閾値周波数としてあらかじめ設定されているものである。 Here, as described above, the predetermined carrier frequency (fc1) uses the carrier frequency (fc) that is proportional to the switching loss (Psw) and uses the carrier frequency (fc) of the voltage-driven elements IGBT (Q1) to (Q3). The minimum carrier frequency (PWM drive frequency) value at which the switching loss (Psw) is dominant as the power loss of the voltage-driven elements IGBT (Q1) to (Q3) is preset as the threshold frequency. is there.
キャリア周波数fcが、所定キャリア周波数(fc1)よりも大きければ(ステップS12のYES)、ステップS13に分岐して、IGBT(Q1)〜(Q3)のスイッチング損失(Psw)が定常損失(Psat)に比べて支配的になっている状態において、IGBT(Q1)〜(Q3)間のスイッチング損失(Psw)の不均衡がさらに顕著にならないように、制御周期ごとに一つのIGBTのみを順番に駆動させていくようなIGBT交互駆動を行う(ステップS13)。 If the carrier frequency fc is larger than the predetermined carrier frequency (fc1) (YES in step S12), the process branches to step S13, and the switching loss (Psw) of the IGBTs (Q1) to (Q3) becomes the steady loss (Psat). In order to prevent the switching loss (Psw) imbalance between the IGBTs (Q1) to (Q3) from becoming more prominent in a state that is dominant, only one IGBT is driven in order for each control period. IGBT alternate drive is performed (step S13).
一方、入力された電流指令値(Ia)が所定電流指令値(Ia1)よりも大きくない場合(ステップS11のNO)、あるいは、キャリア周波数fcが所定キャリア周波数(fc1)よりも大きくない場合には(ステップS12のNO)、ステップS14へ分岐して、IGBT(Q1)〜(Q3)間のスイッチング損失(Psw)の不均衡を防止することよりも、IGBT(Q1)〜(Q3)間にコレクタ電流を均等に分配することにより、IGBT(Q1)〜(Q3)の定常損失(Psat)の負担を低減させ、もって、IGBT(Q1)〜(Q3)の総合的な電力損失を低滅するために、IGBT(Q1)〜(Q3)すべてを制御周期ごとに同時に駆動させるIGBT同時駆動を行う(ステップS14)。 On the other hand, when the input current command value (Ia) is not larger than the predetermined current command value (Ia1) (NO in step S11), or when the carrier frequency fc is not larger than the predetermined carrier frequency (fc1). (NO in step S12), branching to step S14, the collector between IGBT (Q1) and (Q3) is prevented rather than preventing the imbalance of the switching loss (Psw) between IGBT (Q1) and (Q3). In order to reduce the total power loss of IGBT (Q1) to (Q3) by reducing the burden of steady loss (Psat) of IGBT (Q1) to (Q3) by distributing current evenly , IGBTs (Q1) to (Q3) are all driven at the same time for each control period, and IGBT simultaneous driving is performed (step S14).
図3や図4の動作フローチャートに示すような特定の条件を用いて、IGBT交互駆動とIGBT同時駆動とを切り替えることにより、IGBTの電力損失の不均衡による熱破壊等を回避しながら、多相インバータ装置の安定的な運用が可能となる。 By switching between IGBT alternate drive and IGBT simultaneous drive using specific conditions as shown in the operation flowcharts of FIGS. 3 and 4, while avoiding thermal breakdown due to an imbalance of IGBT power loss, etc. Stable operation of the inverter device becomes possible.
次に、電圧駆動型スイッチング素子のスイッチング動作を制御する制御部において、IGBT交互駆動とIGBT同時駆動とを切り替えて選択するための特定の条件として、図3と図4との場合と異なり、IGBT固有の特性を用いて選択する方法について説明する。図5は、IGBT固有の特性として、IGBTのコレクタ電流(Ic)とコレクタ・エミッタ間電圧(Vce)との関係を示したI−V特性図である。図5において、実線は、IGBT温度が常温の場合のI−V特性を示す曲線であり、破線は、IGBT温度が常温よりも高い場合のI−V特性を示す曲線である。 Next, in the control unit that controls the switching operation of the voltage-driven switching element, the specific conditions for switching and selecting the IGBT alternate drive and the IGBT simultaneous drive are different from those in FIG. 3 and FIG. A method of selecting using unique characteristics will be described. FIG. 5 is an IV characteristic diagram showing the relationship between the collector current (Ic) of the IGBT and the collector-emitter voltage (Vce) as a characteristic unique to the IGBT. In FIG. 5, the solid line is a curve showing the IV characteristics when the IGBT temperature is normal temperature, and the broken line is a curve showing the IV characteristics when the IGBT temperature is higher than normal temperature.
図5に示すように、IGBT固有の温度特性として、IGBT温度が常温時におけるI−V特性曲線と常温よりも高い高温時におけるI−V特性曲線とが互いにクロスする点Aが存在している。 As shown in FIG. 5, as the temperature characteristic peculiar to the IGBT, there is a point A where the IV characteristic curve when the IGBT temperature is normal temperature and the IV characteristic curve when the IGBT temperature is higher than normal temperature cross each other. .
以下、図1に示すように複数並列接続したIGBT(Q1)〜(Q3)を例に、図5中のクロス点Aを境にして、IGBTの電力損失が異なる様相を示す状況について説明する。ここで、クロス点Aにおけるコレクタ電流の値をクロス点コレクタ電流値(IcA)と表現することにする。さらに言えば、常温時と該常温よりも高い高温時とで、同一のコレクタ・エミッタ間電圧(Vce)において同一値のコレクタ電流が流れる場合におけるコレクタ電流値(IcA)を閾値電流として定義する。 Hereinafter, a situation in which the power loss of the IGBT is different from the cross point A in FIG. 5 will be described using the IGBTs (Q1) to (Q3) connected in parallel as shown in FIG. 1 as an example. Here, the value of the collector current at the cross point A is expressed as a cross point collector current value (IcA). Furthermore, the collector current value (IcA) when the collector current of the same value flows at the same collector-emitter voltage (Vce) at the normal temperature and at a higher temperature than the normal temperature is defined as the threshold current.
すなわち、コレクタ電流(Ic)が閾値電流として定義したクロス点コレクタ電流値(IcA)未満の場合、同一のコレクタ電流(Ic)が流れる場合のコレクタ・エミッタ間電圧(Vce)が、常温時よりも高温時の方が小さい値となり、逆に、コレクタ電流(Ic)が閾値電流として定義したクロス点コレクタ電流値(IcA)以上の場合、同一のコレクタ電流(Ic)が流れる場合のコレクタ・エミッタ間電圧(Vce)が、常温時よりも高温時の方が大きい値となる。 That is, when the collector current (Ic) is less than the cross-point collector current value (IcA) defined as the threshold current, the collector-emitter voltage (Vce) when the same collector current (Ic) flows is higher than that at room temperature. If the collector current (Ic) is equal to or greater than the cross-point collector current value (IcA) defined as the threshold current, the collector-emitter current flows when the same collector current (Ic) flows. The voltage (Vce) is larger at a higher temperature than at a normal temperature.
次に、図1に示すような複数並列接続したIGBT(Q1)〜(Q3)すべてを同時に駆動する同時駆動の場合について考える。 Next, consider the case of simultaneous driving in which a plurality of IGBTs (Q1) to (Q3) connected in parallel as shown in FIG. 1 are simultaneously driven.
ここで、各IGBT(Q1)〜(Q3)のゲート閾値が異なっているような場合、前述のように、スイッチングの際の電流に不均衡が生じるため、特定のIGBTのスイッチング損失(Psw)のみが増大することになる。この結果、IGBTのスイッチング損失(Psw)の不均衡が顕著となったIGBTは、スイッチング損失による発熱量が多くなる。 Here, when the gate threshold values of the respective IGBTs (Q1) to (Q3) are different, as described above, an imbalance occurs in the current at the time of switching. Therefore, only the switching loss (Psw) of the specific IGBT is generated. Will increase. As a result, the amount of heat generated by the switching loss is increased in the IGBT in which the imbalance in the switching loss (Psw) of the IGBT becomes significant.
而して、IGBTのコレクタ電流(Ic)が、図5のクロス点Aにおけるクロス点コレクタ電流値(IcA)未満であった場合には、IGBTのI−V温度特性上、発熱量が大きく、常温よりも高温になったIGBTのコレクタ・エミッタ間電圧(Vce)は、小さくなる方向にシフトしようとする(図5参照)。 Thus, when the IGBT collector current (Ic) is less than the cross-point collector current value (IcA) at the cross-point A in FIG. The collector-emitter voltage (Vce) of the IGBT that has become higher than the normal temperature tends to shift in a decreasing direction (see FIG. 5).
このため、発熱量が大きいIGBTへの通電電流が一層大きくなるので、定常損失(Psat)が増大し、IGBT間の損失の不均衡をますます増大させる方向になってしまう。したがって、IGBTのコレクタ電流(Ic)が、クロス点コレクタ電流値(IcA)未満になっている場合には、図1のような複数並列接続したIGBT(Q1)〜(Q3)の回路では、複数のIGBT(Q1)〜(Q3)を制御周期ごとに順番にスイッチングさせるIGBT交互駆動を採用して、スイッチング損失(Psw)の不均衡を低減させることが有効となる。 For this reason, since the energization current to the IGBT having a large heat generation amount is further increased, the steady loss (Psat) is increased, and the loss imbalance between the IGBTs is further increased. Therefore, when the IGBT collector current (Ic) is less than the cross-point collector current value (IcA), the plurality of IGBTs (Q1) to (Q3) connected in parallel as shown in FIG. It is effective to reduce the switching loss (Psw) imbalance by adopting the IGBT alternate driving in which the IGBTs (Q1) to (Q3) are sequentially switched every control period.
一方、IGBTのコレクタ電流が、図5のクロス点Aにおけるクロス点コレクタ電流値(IcA)以上であった場合には、IGBTのI−V温度特性上、スイッチング損失(Psw)が増大して発熱量が多くなり、常温よりも高温になったIGBTのコレクタ・エミッタ間電圧(Vce)は、大きくなる方向にシフトしようとする(図5参照)。 On the other hand, when the collector current of the IGBT is equal to or greater than the cross-point collector current value (IcA) at the cross-point A in FIG. 5, the switching loss (Psw) increases due to the IV temperature characteristics of the IGBT and heat is generated. As the amount increases, the collector-emitter voltage (Vce) of the IGBT that has become higher than normal temperature tends to increase (see FIG. 5).
このため、発熱量が大きいIGBTへの通電電流は小さくなるので、定常損失(Psat)を低減させて、IGBT間の損失の不均衡を減少させる方向になる。したがって、IGBTのコレクタ電流(Ic)が、クロス点コレクタ電流値(IcA)以上になっている場合には、図1のような複数並列接続したIGBT(Q1)〜(Q3)の回路では、複数のIGBT(Q1)〜(Q3)を制御周期ごとに同時に動作させるIGBT同時駆動を採用することにより、スイッチング損失(Psw)の不均衡を低減させることはできないものの、定常損失(Psat)を低減するように振舞うことが可能になる。特に、定常損失(Psat)がスイッチング損失(Psw)に比して支配的になっている状態の場合に効果的である。 For this reason, since the energization current to the IGBT having a large calorific value is reduced, the steady loss (Psat) is reduced and the loss imbalance between the IGBTs is reduced. Accordingly, when the IGBT collector current (Ic) is equal to or greater than the cross-point collector current value (IcA), the plurality of IGBTs (Q1) to (Q3) connected in parallel as shown in FIG. By adopting the IGBT simultaneous drive that simultaneously operates the IGBTs (Q1) to (Q3) in each control cycle, the switching loss (Psw) imbalance cannot be reduced, but the steady loss (Psat) is reduced. Can behave like this. This is particularly effective when the steady loss (Psat) is more dominant than the switching loss (Psw).
以上、図5に基づいて説明したように、スイッチング制御を司る制御部は、IGBTのI−V温度特性上、I−V特性曲線が常温時と高温時とで交差するというIGBT固有の特性を用いて、所望の指定したIGBTのコレクタ電流(Ic)として、コレクタ・エミッタ間電圧(Vce)が交差するクロス点コレクタ電流値(IcA)未満で動作しているか否かに基づいて、IGBT交互駆動を行うか、IGBT同時駆動を行うかを選択することが有効である。 As described above with reference to FIG. 5, the control unit responsible for switching control has an IGBT-specific characteristic that the IV characteristic curve intersects at normal temperature and high temperature due to the IV temperature characteristic of the IGBT. Using the specified IGBT's collector current (Ic), the IGBT alternate drive based on whether or not the collector-emitter voltage (Vce) is operating below the crossing point collector current value (IcA) It is effective to select whether to perform simultaneous driving or IGBT.
以上の第1の実施形態の説明においては、並列接続した複数のIGBT(Q1)〜(Q3)として3個の場合について交互駆動を行う場合について説明したが、並列接続した電力駆動型素子たとえばIGBTが2個以上の任意の個数からなる複数個で構成されていてもかまわないし、また、前記交互駆動を行う場合として、制御周期ごとに順番に駆動するIGBTの個数を1個にした場合に限って説明したが、並列接続した複数の電圧駆動型素子を1乃至複数個ずつにグループ化して、1乃至複数個のいずれかの電圧駆動型素子のグループを制御周期ごとに順番に選択して駆動するようにしてもよい。
(第2の実施形態)
次に、本発明による電圧駆動型スイッチング回路の第2の実施形態について説明する。
In the above description of the first embodiment, a case has been described in which alternating driving is performed for three IGBTs (Q1) to (Q3) connected in parallel. However, power-driven elements connected in parallel, for example, IGBTs May be composed of two or more arbitrary numbers, and the alternate drive is performed only when the number of IGBTs to be driven in turn in each control cycle is one. As described above, a plurality of voltage-driven elements connected in parallel are grouped into one or more, and one or more voltage-driven elements are selected and driven in order for each control period. You may make it do.
(Second Embodiment)
Next, a second embodiment of the voltage driven switching circuit according to the present invention will be described.
(本実施形態の構成)
まず、図6を用いて、本発明による電圧駆動型スイッチング回路の構成の図1とは異なる例を説明する。図6は、本発明による電圧駆動型スイッチング回路の構成例として第2の実施形態の構成を示す回路図であり、図1と同様、電圧駆動型素子の一つであるIGBTを複数用いた半導体モジュール20とIGBTのゲート駆動回路21との2つのブロックからなっている。しかし、図6の構成は、図1の場合とは異なり、ゲート駆動回路21に入力された1つのPWM信号から、第1の実施形態として図1や図2で説明したような交互駆動用のPWM信号(PWM_A,PWM_B,PWM_C)を生成することを特徴としている。
(Configuration of this embodiment)
First, an example different from FIG. 1 of the configuration of the voltage-driven switching circuit according to the present invention will be described with reference to FIG. FIG. 6 is a circuit diagram showing the configuration of the second embodiment as a configuration example of a voltage-driven switching circuit according to the present invention. Like FIG. 1, a semiconductor using a plurality of IGBTs which are one of voltage-driven elements. It consists of two blocks, a
半導体モジュール20は、複数(図6の例では、図1と同様、3個)のIGBT(Q11)〜(Q13)が並列接続されて構成されており、各IGBT(Q11)〜(Q13)それぞれのゲート端子(G11)〜(G13)は、ゲート駆動回路21に接続されている。
The
IGBT(Q11)のゲート端子(G11)は、図1と同様、PchMOSFET(Q14)と抵抗R11とを介して電源電圧Vccに接続され、かつ、NchMOSFET(Q15)と抵抗R11とを介して基準電位Veeに接続されており、さらに、PchMOSFET(Q14)とNchMOSFET(Q15)とはプッシュプル構成とされている。同様に、IGBT(Q12)、IGBT(Q13)のそれぞれのゲート端子(G12)、ゲート端子(G13)は、PchMOSFET(Q16)と抵抗R12、PchMOSFET(Q18)と抵抗R13とをそれぞれ介して電源電圧Vccに接続され、かつ、NchMOSFET(Q17)と抵抗R12、NchMOSFET(Q19)と抵抗R13とをそれぞれ介して基準電位Veeに接続されており、さらに、PchMOSFET(Q16)とNchMOSFET(Q17)、PchMOSFET(Q18)とNchMOSFET(Q19)とは、それぞれプッシュプル構成とされている。 As in FIG. 1, the gate terminal (G11) of the IGBT (Q11) is connected to the power supply voltage Vcc via the PchMOSFET (Q14) and the resistor R11, and is connected to the reference potential via the NchMOSFET (Q15) and the resistor R11. The PchMOSFET (Q14) and the NchMOSFET (Q15) are in a push-pull configuration. Similarly, the gate terminal (G12) and the gate terminal (G13) of the IGBT (Q12) and IGBT (Q13) are supplied via the PchMOSFET (Q16) and the resistor R12, and the PchMOSFET (Q18) and the resistor R13, respectively. And connected to the reference potential Vee via the NchMOSFET (Q17) and the resistor R12, the NchMOSFET (Q19) and the resistor R13, respectively. Further, the PchMOSFET (Q16), the NchMOSFET (Q17), and the PchMOSFET ( Q18) and the Nch MOSFET (Q19) each have a push-pull configuration.
ここで、基準電位Veeは、IGBT(Q11)〜(Q13)から取り出して共通接続したエミッタ端子(E)と同電位であり、ゲート駆動回路21の基準電位となっている。
Here, the reference potential Vee is the same potential as the emitter terminal (E) taken out from the IGBTs (Q11) to (Q13) and commonly connected thereto, and is the reference potential of the
以上の構成までは、図1の場合と全く同様であるが、以降に説明する回路構成は、入力された1つのPWM信号からIGBT交互駆動用のPWM_A,PWM_B,PWM_Cの3つのPWM信号を生成する回路ブロックであり、図1の場合とは異なる構成からなっている。まず、PchMOSFET(Q14)のゲート端子は、スリーステートNOT素子(I13)の出力端子に接続されている。また、同様に、PchMOSFET(Q16)、PchMOSFET(Q18)のゲート端子は、それぞれ、スリーステートNOT素子(I14)、スリーステートNOT素子(I15)の出力端子に接続されている。 The above configuration is exactly the same as in FIG. 1, but the circuit configuration described below generates three PWM signals of PWM_A, PWM_B, and PWM_C for IGBT alternate driving from one input PWM signal. The circuit block has a configuration different from that shown in FIG. First, the gate terminal of the Pch MOSFET (Q14) is connected to the output terminal of the three-state NOT element (I13). Similarly, the gate terminals of the Pch MOSFET (Q16) and the Pch MOSFET (Q18) are connected to the output terminals of the three-state NOT element (I14) and the three-state NOT element (I15), respectively.
ここで、スリーステートNOT素子(I13)の制御端子(S1)、スリーステートNOT素子(I14)の制御端子(S2)、スリーステートNOT素子(I15)の制御端子(S3)には、いずれも、NOT素子(I30)を介したフォトカプラ(I12)の出力端子が接続されている。制御端子(S1)、制御端子(S2)、制御端子(S3)へのそれぞれの入力がHiレベルの場合には、スリーステートNOT素子(I13)、スリーステートNOT素子(I14)、スリーステートNOT素子(I15)の出力がそれぞれ許可され、逆に、Loレベルの場合は、出力禁止すなわちハイインピーダンス(HiZ)の状態になる。 Here, the control terminal (S1) of the three-state NOT element (I13), the control terminal (S2) of the three-state NOT element (I14), and the control terminal (S3) of the three-state NOT element (I15) are all The output terminal of the photocoupler (I12) via the NOT element (I30) is connected. When the inputs to the control terminal (S1), the control terminal (S2), and the control terminal (S3) are at the Hi level, the three-state NOT element (I13), the three-state NOT element (I14), and the three-state NOT element The output of (I15) is permitted, and conversely, when it is at the Lo level, the output is inhibited, that is, the state is in a high impedance (HiZ) state.
ここで、スリーステートNOT素子(I13)、スリーステートNOT素子(I14)、スリーステートNOT素子(I15)の出力が許可された場合、それぞれ、スリーステートNOT素子(I13)、スリーステートNOT素子(I14)、スリーステートNOT素子(I15)へ入力された信号レベルが反転されて出力される。 Here, when the output of the three-state NOT element (I13), the three-state NOT element (I14), and the three-state NOT element (I15) is permitted, the three-state NOT element (I13) and the three-state NOT element (I14), respectively. ), The signal level input to the three-state NOT element (I15) is inverted and output.
なお、スリーステートNOT素子(I13)の制御端子(S1)、スリーステートNOT素子(I14)の制御端子(S2)、スリーステートNOT素子(I15)の制御端子(S3)のそれぞれに、NOT素子(I30)を介して出力するフォトカプラ(I12)には、SELECT信号として、IGBT(Q11)〜(Q13)のそれぞれを交互駆動するか、または、同時駆動するかのいずれかを選択する制御信号が入力される。また、フォトカプラ(I12)の出力端子は抵抗R14を介して電源Vccヘプルアップ接続されている。 Note that the control element (S1) of the three-state NOT element (I13), the control terminal (S2) of the three-state NOT element (I14), and the control terminal (S3) of the three-state NOT element (I15) are respectively connected to the NOT element ( The photocoupler (I12) that is output via I30) has a control signal for selecting whether to drive each of the IGBTs (Q11) to (Q13) alternately or simultaneously as a SELECT signal. Entered. The output terminal of the photocoupler (I12) is connected to the power supply Vcc via a resistor R14.
また、1つの入力信号としてPWM信号を入力するための信号入力端子は、フォトカプラ(I11)およびスリーステートNOT素子(I29)を介して、それぞれ、プッシュプル構成されたPchMOSFET(Q14)とNchMOSFET(Q15)、PchMOSFET(Q16)とNchMOSFET(Q17)、PchMOSFET(Q18)とNchMOSFET(Q19)の各ゲート端子へそれぞれ接続される。 Also, signal input terminals for inputting a PWM signal as one input signal are a push-pull PchMOSFET (Q14) and NchMOSFET (through an optocoupler (I11) and a three-state NOT element (I29), respectively. Q15), PchMOSFET (Q16) and NchMOSFET (Q17), and PchMOSFET (Q18) and NchMOSFET (Q19) are connected to the respective gate terminals.
かかる回路構成とすることにより、フォトカプラ(I11)に入力されるPWM信号のオン/オフに応じて、PchMOSFET(Q14)とNchMOSFET(Q15)、PchMOSFET(Q16)とNchMOSFET(Q17)、PchMOSFET(Q18)とNchMOSFET(Q19)をそれぞれオン/オフできるように構成されている。 With this circuit configuration, the PchMOSFET (Q14) and NchMOSFET (Q15), the PchMOSFET (Q16) and NchMOSFET (Q17), and the PchMOSFET (Q18) are turned on / off according to on / off of the PWM signal input to the photocoupler (I11). ) And the Nch MOSFET (Q19) can be turned on / off, respectively.
ここで、スリーステートNOT素子(I29)の制御端子(S4)には、SELECT信号として入力されたフォトカプラ(I12)から出力されてくる制御信号が入力される。 Here, the control signal output from the photocoupler (I12) input as the SELECT signal is input to the control terminal (S4) of the three-state NOT element (I29).
次に、フォトカプラ(I11)に入力された1つのPWM信号から、IGBT(Q11)〜(Q13)を交互駆動するために必要な3つの駆動信号(PWM_A,PWM_B,PWM_C)を生成するためのPWM生成回路22について説明する。
Next, three drive signals (PWM_A, PWM_B, PWM_C) necessary for alternately driving the IGBTs (Q11) to (Q13) are generated from one PWM signal input to the photocoupler (I11). The
PWM生成回路22は、フォトカプラ(I11)に入力されたPWM信号をクロック信号(CLK)としてカウントするカウンタ部23と、論理生成部24とから構成される。
The
カウンタ部23は、2つのフリップフロップ(I16)、(I17)が直列に接続されてなる。PWM信号が入力されるフォトカプラ(I11)の出力端子は、フリップフロップ(I16)、(I17)それぞれにクロック信号(CLK)として入力されるPWM信号の間に時間差が生じるように、フリップフロップ(I17)のクロック端子には、フォトカプラ(I11)の出力端子が直接接続され、一方、フリップフロップ(I16)のクロック端子には、フォトカプラ(I11)の出力端子が遅延素子として機能するNOT素子(I18)、(I19)を介して接続される。
The
フリップフロップ(I16)、(I17)のそれぞれの出力端子(DOUT1)、(DOUT2)は、NOR素子(I20)の入力端子へ接続され、NOR素子(I20)の出力端子は、フリップフロップ(I16)の入力端子(DIN1)へ接続される。 The output terminals (DOUT1) and (DOUT2) of the flip-flops (I16) and (I17) are connected to the input terminal of the NOR element (I20), and the output terminal of the NOR element (I20) is the flip-flop (I16). To the input terminal (DIN1).
一方、論理生成部24は、カウンタ部23のフリップフロップ(I16)、(I17)からの出力信号と、フォトカプラ(I11)を介して出力されるPWM信号とを用いて、あらかじめ定めた制御周期に、順番にオンになる3つのPWM信号(PWM_A,PWM_B,PWM_C)を生成する。
On the other hand, the
すなわち、論理生成部24において、カウンタ部23のフリップフロップ(I16)、(I17)のそれぞれの出力端子(DOUTl)、(DOUT2)は、NAND素子(I22)とNOT素子(I25)とAND素子(I27)との入力端子、NAND素子(I22)とAND素子(I24)とNOT素子(I28)との入力端子へそれぞれ接続される。NOT素子(I25)、NOT素子(I28)のそれぞれの出力端子は、AND素子(I24)、AND素子(I27)の入力端子へ接続される。
That is, in the
また、NAND素子(I22)、AND素子(I24)、AND素子(I27)のそれぞれの出力端子は、AND素子(I21)、AND素子(I23)、AND素子(I26)の入力端子へ接続される。AND素子(I21)、AND素子(I23)、AND素子(I26)のもう一方の入力端子には、PWM信号が入力されるフォトカプラ(I11)の出力端子が接続される。 The output terminals of the NAND element (I22), the AND element (I24), and the AND element (I27) are connected to the input terminals of the AND element (I21), the AND element (I23), and the AND element (I26). . The output terminal of the photocoupler (I11) to which the PWM signal is input is connected to the other input terminals of the AND element (I21), the AND element (I23), and the AND element (I26).
AND素子(I21)、AND素子(I23)、AND素子(I26)の出力端子は、スリーステートNOT素子(I13)、スリーステートNOT素子(I14)、スリーステートNOT素子(I15)の入力端子へ接続される。 The output terminals of the AND element (I21), the AND element (I23), and the AND element (I26) are connected to the input terminals of the three-state NOT element (I13), the three-state NOT element (I14), and the three-state NOT element (I15). Is done.
この結果、AND素子(I21)、AND素子(I23)、AND素子(I26)の出力端子からそれぞれ出力された、交互駆動用の3つのPWM信号(PWM_A,PWM_B,PWM_C)が、それぞれスリーステートNOT素子(I13)、スリーステートNOT素子(I14)、スリーステートNOT素子(I15)に入力されることになる。 As a result, the three PWM signals (PWM_A, PWM_B, and PWM_C) for alternate driving respectively output from the output terminals of the AND element (I21), the AND element (I23), and the AND element (I26) are three-state NOT. It is input to the element (I13), the three-state NOT element (I14), and the three-state NOT element (I15).
(本実施形態の動作)
次に、図6の電圧駆動型スイッチング回路すなわち電圧駆動型素子のゲート駆動回路の構成例における動作の一例について図7を用いて説明する。
(Operation of this embodiment)
Next, an example of the operation in the configuration example of the voltage-driven switching circuit of FIG. 6, that is, the gate drive circuit of the voltage-driven element will be described with reference to FIG.
図7は、本発明の第2の実施形態における動作の一例を示すタイムチャートであり、図6の構成例におけるIGBT交互駆動動作およびIGBT同時駆動動作を示すものである。図7に示すように、SELECT信号がHiレベルにある限り、論理生成部24において、カウンタ部23の2つのフリップフロップ(I16)、(I17)によってカウントされたカウンタ値である(DOUTl)、(DOUT2)の出力を用いて、入力された1つのPWM信号から順次切り替わって出力される交互駆動用の3つのPWM信号(PWM_A,PWM_B,PWM_C)が生成されて、制御周期ごとに、IGBT(Q11)〜(Q13)のうち、いずれか1つのIGBTが順番にオン状態にスイッチングされる。この結果、オン状態のIGBTのみに半導体モジュール20のコレクタ電流が集中して流れるというIGBT交互駆動動作が行われ、スイッチング損失(Psw)の不均衡を回避する動作が有効になる。
FIG. 7 is a time chart showing an example of the operation in the second embodiment of the present invention, and shows the IGBT alternate drive operation and the IGBT simultaneous drive operation in the configuration example of FIG. As shown in FIG. 7, as long as the SELECT signal is at the Hi level, the
一方、SELECT信号の電圧レベルがHiレベルからLoレベルに切り替わると、論理生成部24において、IGBT交互駆動からIGBT同時駆動動作に切り替わり、論理生成部24において、制御周期ごとに、入力された1つのPWM信号から同時駆動用の3つのPWM信号(PWM_A,PWM_B,PWM_C)がすべて同時に生成されて、IGBT(Q11)〜(Q13)すべてが同時にオンにスイッチングされるようになる。この結果、半導体モジュール20のコレクタ電流がIGBT(Q11)〜(Q13)の3つに均等に分散されて流れるというIGBT同時駆動動作に切り替わり、IGBT(Q11)〜(Q13)の定常損失(Psat)を低減することができる。
On the other hand, when the voltage level of the SELECT signal is switched from the Hi level to the Lo level, the
かくのごとき動作を利用した本電圧駆動型スイッチング回路の作用効果については、第1の実施形態で説明した内容と全く同じであるので、ここでのこれ以上の説明は省略する。
以上、第1の実施形態や第2の実施形態として詳細に説明したように、本発明においては、熱破壊を回避可能な安定した動作を行う、電圧駆動型スイッチング回路(すなわち、並列接続した複数の電圧駆動型素子群を有する半導体モジュールおよびそれぞれの電圧駆動型素子を駆動するためのゲート駆動回路)を実現することができる。
Since the operation and effect of the voltage-driven switching circuit using the operation as described above is exactly the same as that described in the first embodiment, further description thereof is omitted here.
As described above in detail as the first embodiment and the second embodiment, in the present invention, a voltage-driven switching circuit (that is, a plurality of parallel-connected circuits) that performs a stable operation capable of avoiding thermal destruction. The semiconductor module having the voltage-driven element group and the gate drive circuit for driving each voltage-driven element can be realized.
さらに、第1の実施形態や第2の実施形態において説明したような電圧駆動型スイッチング回路を多相インバータ装置に適用することにより、信頼性が高い安定なインバータ装置を実現することができ、車載電動機用の多相インバータ装置としても、十分利用することができる。 Furthermore, by applying the voltage-driven switching circuit as described in the first embodiment or the second embodiment to the multiphase inverter device, a highly reliable and stable inverter device can be realized, and the vehicle can be mounted. It can also be used sufficiently as a multiphase inverter device for an electric motor.
すなわち、多相インバータ装置として、並列接続した複数の電圧駆動型素子と複数の前記電圧駆動型素子それぞれをPWM駆動する複数のゲート駆動回路とを備えた電圧駆動型スイッチング回路を、2個直列接続して直列回路を形成し、さらに、前記直列回路を、相数に応じて、相数分並列接続した並列回路を少なくとも備えて構成する場合、多相インバータ装置に適用する前記電圧駆動型スイッチング回路を、第1の実施形態や第2の実施形態において説明したいずれかの電圧駆動型スイッチング回路によって構成することにより、熱破壊を回避可能な安定した多相インバータ装置を実現することができる。 That is, as a multi-phase inverter device, two voltage-driven switching circuits each having a plurality of voltage-driven elements connected in parallel and a plurality of gate-drive circuits that drive each of the plurality of voltage-driven elements are connected in series. The voltage-driven switching circuit applied to a multi-phase inverter device when the series circuit is further configured to include at least a parallel circuit connected in parallel by the number of phases according to the number of phases. Is constituted by any of the voltage-driven switching circuits described in the first and second embodiments, a stable multiphase inverter device capable of avoiding thermal destruction can be realized.
10,20…半導体モジュール、11,21…ゲート駆動回路、12,22…PWM生成回路、23…カウンタ部、24…論理生成部、G1,G2,G3,G11,G12,G13…ゲート端子(IGBT)、I1,I2,I3,I11,I12…フォトカプラIC、I13,I14,I15…スリーステートNOT素子、I16,I17…フリップフロップ、I18,I19…NOT素子、I20…NOR素子、I21…AND素子、I22…NAND素子、I23…AND素子、I25…NOT素子、I26,I27…AND素子、I28…NOT素子、I29…スリーステートNOT素子、I30…NOT素子、Q1,Q2,Q3…IGBT、Q4,Q6,Q8…PchMOSFET、Q5,Q7,Q9…NchMOSFET、Q11,Q12,Q13…IGBT、Q14,Q16,Q18…PchMOSFET、Q15,Q17,Q19…NchMOSFET、Vcc…電源電圧、Vee…基準電位。
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