JP2009124915A - Inverter device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、擬似交流波形出力を発生するスイッチング素子の駆動回路にチャージポンプ方式を用いたインバータ装置に関するものである。 The present invention relates to an inverter device using a charge pump system in a drive circuit of a switching element that generates a pseudo AC waveform output.
この種のインバータ装置にはマイナス側のスイッチング素子のON、OFF状態のデューティと周期を任意に変化させ抑制充電する方法が提案されている(例えば、特許文献1参照)。 For this type of inverter device, there has been proposed a method of suppressing charging by arbitrarily changing the duty and cycle of the negative side switching element in the ON and OFF states (see, for example, Patent Document 1).
図6は前記文献に記載Iされた従来のチャージポンプ方式を用いたインバータ装置である。 FIG. 6 shows an inverter device using the conventional charge pump system described in I.
図6において、1は直流電圧源、2a〜2fはスイッチング素子、3a〜3cは直流電圧源1のプラス側に接続された(以下、上アームという)スイッチング素子を駆動する駆動回路であり、ダイオード4aを経て駆動回路3aの電源となるコンデンサ5aに所定の電圧が充電される。コンデンサ5b、5cも同様にダイオード4b、4cを介して充電される。この時、コンデンサ5aへの充電電流は所定のデューティで抑制される。3dは直流電圧源1のマイナス側に接続された(以下、下アームという)スイッチング素子2dを駆動する駆動回路である。7は駆動回路3aのマイナス側電源ラインであり、8は駆動回路用電源、9は駆動回路用電源平滑コンデンサである。 In FIG. 6, 1 is a DC voltage source, 2a to 2f are switching elements, 3a to 3c are drive circuits for driving switching elements (hereinafter referred to as upper arms) connected to the positive side of the DC voltage source 1, and diodes A predetermined voltage is charged to the capacitor 5a serving as the power source of the drive circuit 3a via 4a. The capacitors 5b and 5c are similarly charged via the diodes 4b and 4c. At this time, the charging current to the capacitor 5a is suppressed with a predetermined duty. Reference numeral 3d denotes a drive circuit for driving a switching element 2d connected to the negative side of the DC voltage source 1 (hereinafter referred to as a lower arm). Reference numeral 7 denotes a minus side power supply line of the drive circuit 3a, 8 denotes a drive circuit power supply, and 9 denotes a drive circuit power supply smoothing capacitor.
上記のように構成されたインバータ装置は、スイッチング素子2a、2dを直流電圧源1に対してブリッジ状に接続し、直流電圧源1から出力される直流電圧を適宜スイッチングすることにより所定の擬似交流波形を出力する。 In the inverter device configured as described above, the switching elements 2a and 2d are connected to the DC voltage source 1 in a bridge shape, and the DC voltage output from the DC voltage source 1 is appropriately switched to thereby change the predetermined pseudo AC. Output the waveform.
また、この上アームのスイッチング素子2aを駆動する駆動回路3aはダイオード4aおよびコンデンサ5aと共にチャージポンプ回路を構成している。すなわち駆動回路用電源8から所定の電圧がダイオード4aを経てコンデンサ5aに供給され、コンデンサ5aを充電する。このコンデンサ5aを電源として駆動回路3aが駆動する。 The drive circuit 3a for driving the switching element 2a of the upper arm constitutes a charge pump circuit together with the diode 4a and the capacitor 5a. That is, a predetermined voltage is supplied from the drive circuit power supply 8 through the diode 4a to the capacitor 5a, and the capacitor 5a is charged. The drive circuit 3a is driven by using the capacitor 5a as a power source.
なお下アームのスイッチング素子2dを駆動する駆動回路3dには駆動回路用電源8から直流電源が供給されるのでダイオードおよびコンデンサは備えていない。 The drive circuit 3d that drives the switching element 2d of the lower arm is not provided with a diode and a capacitor because direct current power is supplied from the drive circuit power supply 8.
次に、このインバータ装置の動作について説明をする。 Next, the operation of this inverter device will be described.
制御回路からの所定の信号により、まず下アームのスイッチング素子2dがON状態になると、上アームの駆動回路3aのマイナス側電源ライン7は、直流電圧源1のマイナス側電位とほぼ同じ電位にまで降下する。この時、上アーム用の駆動回路3aのコンデンサ5aは駆動回路用電源8からダイオード4aを経て駆動回路用電源8とほぼ同電位にまで充電される。 When the switching element 2d of the lower arm is first turned on by a predetermined signal from the control circuit, the minus side power supply line 7 of the upper arm drive circuit 3a reaches almost the same potential as the minus side potential of the DC voltage source 1. Descent. At this time, the capacitor 5a of the drive circuit 3a for the upper arm is charged from the drive circuit power supply 8 through the diode 4a to almost the same potential as the drive circuit power supply 8.
次に、下アームのスイッチング素子2dがOFF状態になり、上アームのスイッチング素子2aがON状態になると、上アームの駆動回路3aのマイナス側電源ライン7の電位は、今度は直流電圧源1のプラス側電位とほぼ同じ電位にまで上昇する。この状態において、ダイオード4aは逆流阻止状態となり、コンデンサ5aの電荷は保たれ、コンデンサ5aから駆動回路3aに電源が供給され続ける。このように通常の波形出力時には、上アームおよび下アームのPWMスイッチングにより自動的にコンデンサ5aが充電される。
しかしながら、電源投入直後はコンデンサ5a、5b、5cは十分に充電されておらず、すべての下アームのスイッチング素子2d、2e、2fを所定のデューティ比によって抑制充電されるが、駆動回路用電源平滑コンデンサ9の容量が小さい場合は電源電圧が低下することがあった。 However, immediately after the power is turned on, the capacitors 5a, 5b, and 5c are not sufficiently charged, and the switching elements 2d, 2e, and 2f of the lower arms are suppressed and charged with a predetermined duty ratio. When the capacitance of the capacitor 9 is small, the power supply voltage may decrease.
上記従来のインバータ装置では、上アーム用の駆動回路の電源たるチャージポンプ回路のコンデンサに充電するために、すべての下アームを所定のデューティ比でONしてコンデンサ5a、5b、5cへ充電を開始すると、駆動電源用コンデンサ9の容量が小さい場合は駆動回路用電源電圧が変動し、最悪の場合には、スイッチング素子のゲート駆動電圧レベル以下となりインバータの機能がストップするという問題があった。このため、電圧変動を抑えるために駆動回路用電源平滑コンデンサ9は、比較的大きな容量を必要としていた。 In the above conventional inverter device, in order to charge the capacitor of the charge pump circuit which is the power source of the upper arm drive circuit, all the lower arms are turned on at a predetermined duty ratio and charging to the capacitors 5a, 5b and 5c is started. Then, when the capacity of the drive power supply capacitor 9 is small, the drive circuit power supply voltage fluctuates, and in the worst case, there is a problem that the function of the inverter is stopped because it becomes lower than the gate drive voltage level of the switching element. For this reason, the drive circuit power supply smoothing capacitor 9 requires a relatively large capacity in order to suppress voltage fluctuation.
本発明は上記従来の課題を解決するもので、駆動回路用電源平滑コンデンサの容量を大きくすることなく、サイズ、コスト、信頼性を向上させたインバータ装置を提供することを目的とする。 SUMMARY OF THE INVENTION The present invention solves the above-described conventional problems, and an object thereof is to provide an inverter device that is improved in size, cost, and reliability without increasing the capacity of a power supply smoothing capacitor for a drive circuit.
前記従来の課題を解決するために、本発明のインバータ装置は、直流電圧のプラス側およびマイナス側との間にそれぞれ接続されたプラス側のスイッチング素子とマイナス側のスイッチング素子による対構成の複数対のスイッチング手段と、前記スイッチング素子を駆動する駆動回路と、直流電圧のプラス側に接続されたスイッチング素子の駆動回路の電源であるチャージポンプ回路のコンデンサと、前記コンデンサを充電するための駆動回路用電源および駆動回路用電源平滑コンデンサと、交流波形出力前に、前記スイッチング手段のスイッチング周期において、マイナス側の複数のスイッチング素子のうち、いずれかひとつのスイッチング素子に対してデューティ比を制御し、その他のスイッチング素子はOFF状態として抑制充電する制御手段を設けたものである。 In order to solve the above-described conventional problems, an inverter device according to the present invention includes a plurality of pairs in a pair configuration of a positive side switching element and a negative side switching element respectively connected between a positive side and a negative side of a DC voltage. Switching means, a drive circuit for driving the switching element, a capacitor of a charge pump circuit that is a power source of the drive circuit for the switching element connected to the positive side of the DC voltage, and a drive circuit for charging the capacitor The power supply smoothing capacitor for the power supply and the drive circuit, and before the AC waveform output, the duty cycle is controlled for any one of the negative switching elements in the switching period of the switching means, and the others. The switching element in the OFF state is charged with suppression It is provided with a control means.
この制御手段によって駆動回路用電源平滑コンデンサの電源変動を抑えることができる。 This control means can suppress fluctuations in the power supply of the power supply smoothing capacitor for the drive circuit.
本発明のインバータ装置は、直流電源を投入した直後の擬似交流波形出力する前に少なくともひとつのスイッチング素子に対してデューティ比を制御し、その他のスイッチング素子はOFF状態として抑制充電することで駆動回路用電源平滑コンデンサの容量を大きくすることなく、駆動回路用電源平滑コンデンサの電源変動を抑えるとともに、チャージポンプ回路のコンデンサを実用範囲内の時間で充電出来る。 The inverter device of the present invention controls the duty ratio for at least one switching element before outputting the pseudo AC waveform immediately after the DC power is turned on, and the other switching elements are in the OFF state to suppress and charge the drive circuit. Without increasing the capacity of the power supply smoothing capacitor, it is possible to suppress fluctuations in the power supply of the power supply smoothing capacitor for the drive circuit and to charge the capacitor of the charge pump circuit in a time within the practical range.
第一の発明はマイナス側の複数のスイッチング素子のうち、いずれかひとつのスイッチング素子に対してデューティ比を制御し、その他のスイッチング素子はOFF状態として抑制充電する制御手段を備えたことにより、駆動回路用電源平滑コンデンサからデューティ比を制御している上アームのコンデンサのみに充電電流が流れるので、駆動回路用電源平滑コンデンサの電源変動が抑えることが出来る。 The first invention is provided with a control means for controlling the duty ratio for any one of a plurality of switching elements on the negative side, and the other switching elements being controlled to be charged while being in an OFF state. Since the charging current flows only from the circuit power supply smoothing capacitor to the capacitor of the upper arm whose duty ratio is controlled, fluctuations in the power supply of the drive circuit power supply smoothing capacitor can be suppressed.
第二の発明は更にスイッチング周期毎にデューティ比を制御するスイッチング素子を順次切り替えて抑制充電する制御手段を備えたことにより、駆動回路用電源平滑コンデンサからデューティ比を制御している上アームのコンデンサのみに充電電流が流し、且つ複数のチャージポンプ回路のコンデンサへ充電を流すことができるので、駆動回路用電源平滑コンデンサの電源変動が抑えることが出来る。 The second aspect of the invention further includes a control means for controlling the duty ratio from the power supply smoothing capacitor for the drive circuit by providing a control means for sequentially switching and controlling the switching elements for controlling the duty ratio for each switching cycle, thereby controlling the duty ratio from the power supply smoothing capacitor for the drive circuit. Only the charging current flows and charging can flow to the capacitors of the plurality of charge pump circuits, so that the power supply fluctuation of the power supply smoothing capacitor for the drive circuit can be suppressed.
第三の発明は更に操作するデューティ比を徐々に増加させて抑制充電する制御手段を備えたことにより、更に効果的に駆動回路用電源平滑コンデンサの電源変動が抑えることが出来る。 The third aspect of the invention further includes control means for suppressing charging by gradually increasing the duty ratio to be operated, so that the power supply fluctuation of the power supply smoothing capacitor for the drive circuit can be more effectively suppressed.
第四の発明は圧縮機一体型用インバータに搭載されるインバータ装置であり、インバータの占有容積が厳しい条件においては、駆動回路用電源平滑コンデンサの容量を小さく抑えることが出来、インバータ部分の小型化に効果がある。 The fourth invention is an inverter device mounted on an inverter for a compressor integrated type. Under conditions where the inverter occupying volume is severe, the capacity of the power supply smoothing capacitor for the drive circuit can be kept small, and the inverter part can be downsized. Is effective.
第五の発明は車両に搭載されるインバータ装置であり、車両内に搭載可能なスペースには限りがあり、駆動回路用電源平滑コンデンサの容量を小さく抑えることが出来、インバータ部分の小型化に効果がある。 The fifth invention is an inverter device mounted on a vehicle, the space that can be mounted in the vehicle is limited, the capacity of the power supply smoothing capacitor for the drive circuit can be kept small, and the size of the inverter part is reduced. There is.
(実施の形態1)
図1、2は、本発明の第一の実施の形態におけるインバータのチャージポンプ制御回路のブロック図と制御タイミングチャートを示すものである。図1において、1は車両用直流電圧源、2a〜2fは絶縁ゲート入力のスイッチング素子でIGBT、3a〜3cは上アームのスイッチング素子を駆動する駆動回路で、ダイオード4aを介して駆動回路3aの電源となるコンデンサ5aに所定の電圧が充電される。コンデンサ5b、5cも同様にダイオード4b、4cを介して充電され、それぞれがチャージポンプ回路を構成している。7は駆動回路3aのマイナス側電源ラインである。3d〜3fは下アームのスイッチング素子2d〜2fを駆動する駆動回路、8は駆動回路用電源、10は制御手段のPWM信号発生手段のマイコンであり、駆動回路3a〜3fを介してスイッチング素子2a〜2fをON、OFFさせる信号を発生する。従来例と構成上で異なるのは、制御手段10の制御内容である。
(Embodiment 1)
1 and 2 show a block diagram and a control timing chart of the charge pump control circuit of the inverter according to the first embodiment of the present invention. In FIG. 1, reference numeral 1 denotes a vehicle DC voltage source, 2a to 2f are insulated gate input switching elements, and IGBTs 3a to 3c are drive circuits for driving the upper arm switching elements. The drive circuit 3a is connected via a diode 4a. A predetermined voltage is charged in the capacitor 5a serving as a power source. The capacitors 5b and 5c are similarly charged through the diodes 4b and 4c, and each constitutes a charge pump circuit. Reference numeral 7 denotes a minus side power supply line of the drive circuit 3a. 3d to 3f are drive circuits for driving the switching elements 2d to 2f of the lower arm, 8 is a power supply for the drive circuit, 10 is a microcomputer of the PWM signal generating means of the control means, and the switching elements 2a through the drive circuits 3a to 3f Generates a signal to turn on and off 2f. What differs from the conventional example in the configuration is the control content of the control means 10.
本実施例のインバータ装置は、通常、スイッチング素子2a〜2fを直流電圧源1に対してブリッジ状に接続し、直流電圧源1から出力される直流電圧を適宜スイッチングすることにより所定の擬似交流波形を出力するが、従来例と同様に直流電源を投入した直後は、コンデンサ5aが十分に充電されておらず、波形出力前にコンデンサ5aを充電するのに十分な時間、必ず下アームをONする必要がある。 In the inverter device of this embodiment, the switching elements 2a to 2f are normally connected to the DC voltage source 1 in a bridge shape, and the DC voltage output from the DC voltage source 1 is appropriately switched to appropriately change the predetermined pseudo AC waveform. However, immediately after the DC power supply is turned on as in the conventional example, the capacitor 5a is not sufficiently charged, and the lower arm is always turned on for a sufficient time to charge the capacitor 5a before waveform output. There is a need.
このとき、図2に示すように、最初の波形出力をするまではコンデンサ5aを十分に充電すると共に、駆動回路用電源8の電圧変動がゲート駆動電圧レベルに対し十分余裕を保つように下アーム2dのON状態、OFF状態のデューティを制御している。このときコンデンサ5bおよび5cへの充電は停止するため下アーム2e、2fはOFFさせている。 At this time, as shown in FIG. 2, the capacitor 5a is sufficiently charged until the first waveform is output, and the lower arm so that the voltage fluctuation of the drive circuit power supply 8 has a sufficient margin with respect to the gate drive voltage level. The duty of ON state of 2d and OFF state is controlled. At this time, charging of the capacitors 5b and 5c is stopped, so that the lower arms 2e and 2f are turned off.
つぎに、コンデンサ5aへの充電が終了後、コンデンサ5bを十分に充電すると共に、駆動回路用電源8の電圧変動がゲート駆動電圧レベルに対し十分余裕を保つように下アーム2eのON状態、OFF状態のデューティを制御している。このときコンデンサ5aおよび5cへの充電は停止するため下アーム2d、2fはOFFさせている。 Next, after the charging of the capacitor 5a is completed, the capacitor 5b is fully charged, and the lower arm 2e is turned on and off so that the voltage fluctuation of the driving circuit power supply 8 has a sufficient margin with respect to the gate driving voltage level. The duty of the state is controlled. At this time, charging of the capacitors 5a and 5c is stopped, so that the lower arms 2d and 2f are turned off.
つぎに、コンデンサ5bへの充電が終了後、コンデンサ5cを十分に充電すると共に、駆動回路用電源8の電圧変動がゲート駆動電圧レベルに対し十分余裕を保つように下アーム2fのON状態、OFF状態のデューティを制御している。このときコンデンサ5aおよび5bへの充電は停止するため下アーム2d、2eはOFFさせている。 Next, after the charging of the capacitor 5b is completed, the capacitor 5c is fully charged, and the lower arm 2f is turned on and off so that the voltage fluctuation of the drive circuit power supply 8 has a sufficient margin with respect to the gate drive voltage level. The duty of the state is controlled. At this time, charging of the capacitors 5a and 5b is stopped, so that the lower arms 2d and 2e are turned off.
以上のように、駆動回路用電源8および駆動回路用電源平滑コンデンサ9からコンデンサ5a、5b、5cへは同時に充電することはないので、駆動回路用電源平滑コンデンサの負担は少なくなり電源電圧の低下を抑えることが出来る。 As described above, since the capacitors 5a, 5b, and 5c are not charged simultaneously from the drive circuit power supply 8 and the drive circuit power supply smoothing capacitor 9, the burden on the drive circuit power supply smoothing capacitor is reduced and the power supply voltage is lowered. Can be suppressed.
(実施の形態2)
図3は、本発明の第二の実施の形態におけるインバータのチャージポンプ制御回路の制御タイミングチャートを示すものである。本実施の形態では、スイッチング周期毎に、デューティ制御するスイッチング素子を順次切り替えている。
(Embodiment 2)
FIG. 3 shows a control timing chart of the charge pump control circuit of the inverter according to the second embodiment of the present invention. In this embodiment, the switching elements for duty control are sequentially switched for each switching period.
これにより駆動回路用電源8および駆動回路用電源平滑コンデンサ9からコンデンサ5a、5b、5cへは同時に充電することはないので、駆動回路用電源平滑コンデンサの負担は少なくなり電源電圧の低下を抑えることが出来る。 Thereby, the capacitors 5a, 5b, and 5c are not charged simultaneously from the drive circuit power supply 8 and the drive circuit power supply smoothing capacitor 9, thereby reducing the burden on the drive circuit power supply smoothing capacitor and suppressing the drop in the power supply voltage. I can do it.
(実施の形態3)
図4は、本発明の第三の実施の形態におけるインバータのチャージポンプ制御回路の制御タイミングチャートを示すものである。本実施の形態ではスイッチング周期毎に、デューティ制御するスイッチング素子を順次切り替えるとともに、図4に示すようにデューティを徐々に増加するようにしている。これにより更に確実に駆動回路用電源平滑コンデンサの負担は少なくなり電源電圧の低下を抑えることが出来る。
(Embodiment 3)
FIG. 4 shows a control timing chart of the charge pump control circuit of the inverter according to the third embodiment of the present invention. In the present embodiment, the switching elements for duty control are sequentially switched for each switching period, and the duty is gradually increased as shown in FIG. As a result, the burden on the power supply smoothing capacitor for the drive circuit can be further reduced, and the decrease in the power supply voltage can be suppressed.
(実施の形態4)
圧縮機一体型用インバータに搭載されるインバータ装置に本発明を適用するものであり、駆動回路用電源平滑コンデンサの負担は少なくなる分コンデンサ容量を小さくすることが可能であり、この結果コンデンサを小型化することが出来、インバータ装置の小型化の向上をすることが出来る。
(Embodiment 4)
The present invention is applied to an inverter device mounted on a compressor-integrated inverter, and the capacitor capacity can be reduced as much as the burden on the power supply smoothing capacitor for the drive circuit is reduced. As a result, the capacitor is reduced in size. Thus, the downsizing of the inverter device can be improved.
(実施の形態5)
車両に搭載されるインバータ装置に本発明を適用するものであり、駆動回路用電源平滑コンデンサの負担は少なくなる分コンデンサ容量を小さくすることが可能であり、この結果コンデンサを小型化することが出来、インバータ装置の小型化の向上により、車両への搭載性向上を図ることが出来る。
(Embodiment 5)
The present invention is applied to an inverter device mounted on a vehicle, and the capacitor capacity can be reduced as much as the burden on the power supply smoothing capacitor for the drive circuit is reduced. As a result, the capacitor can be reduced in size. By improving the downsizing of the inverter device, it is possible to improve the mountability to the vehicle.
本発明のインバータ装置は、駆動回路用電源平滑コンデンサの負担が少なくすることが出来、コンデンサ容量を小さくすることが可能であり、この結果コンデンサを小型化することが出来、インバータ装置の小型化を図ることが出来るので、モータ駆動用のインバータ全ての用途に適用できる。 The inverter device of the present invention can reduce the load on the power supply smoothing capacitor for the drive circuit and can reduce the capacitor capacity. As a result, the capacitor can be reduced in size, and the inverter device can be reduced in size. Therefore, it can be applied to all inverters for driving a motor.
1 直流電圧源
2a〜2f スイッチング素子
3a〜3f 駆動回路
5a〜5c コンデンサ
8 駆動回路用電源
9 駆動回路用電源平滑コンデンサ
10 制御手段(PWM信号発生器)
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 DC voltage source 2a-2f Switching element 3a-3f Drive circuit 5a-5c Capacitor 8 Power supply for drive circuits 9 Power supply smoothing capacitor for drive circuits 10 Control means (PWM signal generator)
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JP2007299014A JP2009124915A (en) | 2007-11-19 | 2007-11-19 | Inverter device |
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Cited By (1)
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JP2012110072A (en) * | 2010-11-15 | 2012-06-07 | Denso Corp | Information processor, motor drive device using same, and information processing method |
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