JP2011072075A - Power semiconductor drive - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、インバータやコンバータを構成する電力用半導体を駆動する電力用半導体駆動装置に関する。 The present invention relates to a power semiconductor drive device for driving a power semiconductor constituting an inverter or a converter.
IGBTなどの電力用半導体素子を上アーム及び下アームとして直列接続し、交互にオンとなるように駆動するインバータにおいて、上下アームが同時にオンして短絡電流が流れることを防止するため、上下アームの素子が同時にオフとなる時間であるデッドタイムを設けている。 In an inverter in which power semiconductor elements such as IGBTs are connected in series as an upper arm and a lower arm and are driven so as to be alternately turned on, the upper and lower arms are simultaneously turned on to prevent short circuit current from flowing. A dead time which is a time when the elements are simultaneously turned off is provided.
このデッドタイムは、電力用半導体素子やその駆動回路の遅延時間等を考慮して、電力用半導体素子入力部でのデッドタイムが下記の式(1)を満たすようスイッチング信号を出力する制御部により予め設定される。 This dead time is determined by a control unit that outputs a switching signal so that the dead time at the power semiconductor element input unit satisfies the following formula (1) in consideration of the delay time of the power semiconductor element and its drive circuit. It is set in advance.
Tdead' =Tdead+Td-on−Td-off > 0 …(1)
Tdead :制御部にて生成されるデッドタイム
Tdead' :電力用半導体素子入力部でのデッドタイム
Td-on :オン遅延時間
Td-off :オフ遅延時間
(Td-on,Td-offには、信号の上昇時間Tr や下降時間Tf を含む)
また従来のインバータにおいて、電力用半導体を駆動するためのPWM信号は、高電圧部から低電圧部へのノイズを防止したり安全性を確保するために、フォトカプラを介して駆動回路に供給される。
Tdead '= Tdead + Td-on-Td-off> 0 (1)
Tdead: Dead time generated by the control unit Tdead ': Dead time at the power semiconductor element input unit Td-on: On delay time Td-off: Off delay time (Td-on, Td-off includes a signal Including rise time Tr and fall time Tf)
In the conventional inverter, the PWM signal for driving the power semiconductor is supplied to the drive circuit via the photocoupler in order to prevent noise from the high voltage part to the low voltage part and to ensure safety. The
フォトカプラは、入力電流により発光ダイオードが発光し、この光をフォトトランジスタで出力電流に変換している。しかしフォトトランジスタのベースキャリアのライフタイムの影響と、コレクタからベースへ負帰還がかかるミラー積分効果により、フォトトランジスタがオフからオンに変化するために要するオン遅延時間よりも、オンからオフに変化するために要するオフ遅延時間の方が大幅に長くなる(非特許文献1)。 In the photocoupler, a light emitting diode emits light by an input current, and this light is converted into an output current by a phototransistor. However, because of the influence of the lifetime of the base carrier of the phototransistor and the Miller integration effect that negative feedback from the collector to the base changes from the on delay time required for the phototransistor to change from off to on, it changes from on to off. The off-delay time required for is significantly longer (Non-patent Document 1).
従って、フォトトランジスタ分の遅延時間がTd-on−Td-off <0であるため、式(1)において、Tdead' として正の値を確保するためには、デッドタイムTdeadとして大きな値を設ける必要があった。 Accordingly, since the delay time for the phototransistor is Td-on-Td-off <0, in order to secure a positive value as Tdead 'in the equation (1), it is necessary to provide a large value as the dead time Tdead. was there.
この問題に対して、特許文献1に記載の技術では、インバータの駆動回路において、駆動信号の立ち上がり時間または立下り時間に遅延を与える位相調整回路を設けている。これにより、駆動回路全体としての立ち上がり遅延時間と立下り遅延時間を等しくすることで、インバータ回路の駆動に必要なデッドタイムを低減し、インバータの出力特性向上を図っている。 To solve this problem, the technique described in Patent Document 1 includes a phase adjustment circuit that delays the rise time or fall time of the drive signal in the drive circuit of the inverter. Thus, the dead time required for driving the inverter circuit is reduced by making the rise delay time and the fall delay time as the whole drive circuit equal, thereby improving the output characteristics of the inverter.
しかしながら上記従来の駆動回路は、駆動信号の立ち上がりまたは立ち下がりに遅延時間を付加する位相調整回路を新たに設けることにより、駆動回路全体としての立ち上がり遅延時間と立ち下がり遅延時間を合わせるという構成になっていたため、駆動回路を構成する部品点数が増大し、それに伴いインバータのサイズ・コストの増大を招くという問題点があった。 However, the conventional driving circuit has a configuration in which the rising delay time and the falling delay time of the entire driving circuit are matched by newly providing a phase adjustment circuit that adds a delay time to the rising or falling edge of the driving signal. Therefore, there is a problem that the number of parts constituting the drive circuit is increased, and accordingly, the size and cost of the inverter are increased.
上記課題を解決するために本発明は、上側アームの電力用半導体素子及び下側アームの電力用半導体素子を駆動するそれぞれの駆動パルス信号をそれぞれ電圧指令値に基づいて生成するPWM制御部と、上側アームの電力用半導体素子及び下側アームの電力用半導体素子を駆動する駆動回路と、前記駆動パルス信号を電気的に絶縁してPWM制御部から駆動回路に伝える絶縁伝達回路と、を備えた電力用半導体駆動装置において、前記絶縁伝達回路による上側アーム用駆動パルス信号の伝達極性と下側アーム用駆動パルス信号の伝達極性とを互いに異ならせたことを要旨とする。 In order to solve the above problems, the present invention includes a PWM control unit that generates drive pulse signals for driving the power semiconductor elements of the upper arm and the power semiconductor elements of the lower arm based on the voltage command values, A drive circuit that drives the power semiconductor element of the upper arm and the power semiconductor element of the lower arm, and an insulation transmission circuit that electrically insulates the drive pulse signal and transmits the drive pulse signal from the PWM control unit to the drive circuit. The power semiconductor drive device is characterized in that the transmission polarity of the upper arm drive pulse signal and the transmission polarity of the lower arm drive pulse signal by the insulation transmission circuit are different from each other.
本発明によれば、インバータのサイズ・コストの増大を招くことなく、絶縁伝達回路に起因するオン・オフ遅延差に相当するデッドタイムを低減することが可能となり、電圧使用率を向上させることができるという効果がある。 According to the present invention, it is possible to reduce the dead time corresponding to the ON / OFF delay difference caused by the insulated transmission circuit without increasing the size and cost of the inverter, and to improve the voltage usage rate. There is an effect that can be done.
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
図1は、本発明に係る電力用半導体駆動回路の実施例1を用いたモータ・インバータシステムの構成を示す構成図である。図1において、インバータ回路30は、DC電源31と、コンデンサ32と、電力用半導体素子33up〜33wnにより構成され、モータジェネレータ(以下、MGと略す)50を駆動するための3相交流電圧を出力する。DC電源31とコンデンサ32は、安定したDC電源を供給し、電力用半導体素子33up〜33wnは、例えばIGBTやMOS−FET、ダイオードにより構成され、ゲートに与えられる駆動信号に基づいてスイッチング動作を行う。 FIG. 1 is a configuration diagram showing a configuration of a motor / inverter system using a first embodiment of a power semiconductor drive circuit according to the present invention. In FIG. 1, an inverter circuit 30 includes a DC power source 31, a capacitor 32, and power semiconductor elements 33up to 33wn, and outputs a three-phase AC voltage for driving a motor generator (hereinafter abbreviated as MG) 50. To do. The DC power supply 31 and the capacitor 32 supply a stable DC power supply, and the power semiconductor elements 33up to 33wn are constituted by, for example, IGBTs, MOS-FETs, and diodes, and perform a switching operation based on a drive signal applied to the gate. .
電流センサ40は、インバータ回路30から出力される3相交流電流Iu,Iv,Iwを検出する。位置センサ60は、MG50における回転子の位置を検出する。
Current sensor 40 detects three-phase alternating currents Iu, Iv, and Iw output from inverter circuit 30. The
PWM制御部10は、電流センサ40及び位置センサ60が検出した情報に基づき制御演算を行い、電力用半導体素子33up〜33wnをスイッチングさせるためのPWM信号を生成する。
The
駆動部20up〜20wnは、PWM制御部10からのPWM信号を入力とし、電力用半導体素子33up〜33wnに対する駆動信号を出力する。インバータ回路30は、高電圧のDC電源31で作動するため、駆動部20up〜20wnの内部には、低電圧部であるPWM制御部と高電圧部との絶縁を行う絶縁伝達回路が設けられて、高電圧部から低電圧部へのノイズによる誤動作防止や人体などの安全性を確保している。
The drive units 20up to 20wn receive the PWM signal from the
図2は、実施例1のPWM制御部10及びU相の1アーム分の電力用半導体素子33up、33unと、その駆動部20up、20unを抽出したブロック図である。尚、図示しないがV相、W相も同様である。
FIG. 2 is a block diagram in which the
PWM制御部10は、制御演算部11、PWM信号生成部12、及びPWM出力部13から構成される。制御演算部11は、指令値と電流センサ40及び位置センサ60が検出した情報に基づきMG50を制御するためのU相指令値、V相指令値、W相指令値を演算して出力する。PWM信号生成部12は、制御演算部11が出力した各相の指令値とキャリア(例えば三角波)との比較により、電力用半導体素子33up〜33wnをオン/オフするためのPWM信号を生成して、PWM出力部13へ出力する。
The
PWM出力部13は、上側アームのPWM信号を極性反転すること無く、絶縁伝達回路21aを駆動するために電流増幅して出力する増幅器13aと、下側アームのPWM信号を極性反転した電流増幅して絶縁伝達回路21bを駆動する反転増幅器13bとを備えている。
The PWM output unit 13 does not invert the polarity of the PWM signal of the upper arm, and amplifies the current by amplifying and outputting the current to drive the
駆動部20upは、絶縁伝達回路21aと、増幅器22aから構成される。駆動部20unは、絶縁伝達回路21bと、反転増幅器22bから構成される。
The drive unit 20up includes an
絶縁伝達回路21a、21bは、内部構成が等しく、例えば図8に示すような絶縁伝達回路21である。絶縁縁伝達回路21a,21bは、フォトカプラなどの絶縁伝達素子を用いて構成され、PWM制御部10より出力されたPWM信号を電気的に絶縁して、高電圧部である増幅器22a、反転増幅器22bに伝達する。
The
図8において、フォトカプラ71は、発光ダイオード71aとフォトトランジスタ71bから構成される。発光ダイオード71aのカソードは入力端子Inに接続され、発光ダイオード71aのアノードは、抵抗72を介して低電圧装置(PWM制御部10)の電源(例えば、+5V)に接続されている。フォトトランジスタ71bのエミッタは高電圧装置(インバータ回路30)の接地に接続され、フォトトランジスタ71bのコレクタは、抵抗73を介して高電圧装置の制御用電源に接続されている。
In FIG. 8, the
上記構成の絶縁伝達回路21において、入力端子Inが高レベルのとき、発光ダイオード71aには電流が流れず、発光ダイオード71は発光しない。従って、フォトトランジスタ71bには、光が入射せず、コレクタ電流も流れないために、出力端子Outは、抵抗73でプルアップされた高レベルとなる。入力端子Inが低レベルのとき、抵抗72を介して発光ダイオード71aに電流が流れて、発光ダイオード71が発光する。従って、フォトトランジスタ71bには、光が入射してコレクタ電流が流れ、出力端子Outは、低レベルとなる。従って、絶縁伝達回路21は、正論理の入力を正論理の出力(または負論理の入力を負論理の出力)に伝達する回路となっている。
In the
増幅器22aは、絶縁伝達回路21から入力された正論理のPWM信号を電流増幅し、電力用半導体素子33upのゲートに出力する。反転増幅器22bは、絶縁伝達回路21から入力された負論理のPWM信号を電流増幅するとともに極性反転して、電力用半導体素子33unのゲートに出力する。
The
本実施例では、PWM出力部13から駆動部20upへ出力する上アーム側のPWM信号(点up2)を正論理とし、PWM出力部13から駆動部20unへ出力する下アーム側のPWM信号(点un2)を負論理とする具体例にて説明した。これを上下アーム逆に構成することも可能であり、どちらも同様の効果が得られる。 In the present embodiment, the upper arm side PWM signal (point up2) output from the PWM output unit 13 to the drive unit 20up is positive logic, and the lower arm side PWM signal (point is output from the PWM output unit 13 to the drive unit 20un). This has been described with a specific example in which un2) is negative logic. It is also possible to configure this upside down, and the same effect can be obtained in both cases.
従来は、PWM出力部13から駆動部20up、20unへ出力する上下アームの駆動信号は同じ極性でPWM信号を出力していた。しかしながら、フォトカプラを用いた絶縁伝達回路21a、21bは、Td-on よりもTd-offが遅いために、電力用半導体素子33up,33unのゲート端子でのデッドタイムTdead' はTd-on とTd-offのオン・オフ遅延差に相当する時間の分、減少するため、あらかじめこの分を考慮してPWM制御部10にてデッドタイムを生成しなければならなかった。
Conventionally, the upper and lower arm drive signals output from the PWM output unit 13 to the drive units 20up and 20un output PWM signals with the same polarity. However, since the
図3は、本実施例の動作を示すタイミング図であり、図2における各点の電圧波形を示している。図3(a)は、点up1の信号(=点up2の信号)であり、PWM信号生成部12及びPWM出力部13が出力する上側アーム駆動信号である。図3(b)は、点up3の信号であり、(a)の信号で駆動される絶縁伝達回路21a(フォトカプラ)出力のオン/オフ状態を示す。図3(c)は、点up4の信号であり、上側アームである電力用半導体素子33upのゲート電圧である。図3(d)は、点un1の信号であり、PWM信号生成部12が出力する下側アーム駆動信号である。図3(e)は、点un2の信号であり、PWM出力部13が出力する下側アーム駆動信号であり、(d)の信号の極性を反転した信号となる。図3(f)は、点un3の信号であり、(e)の信号で駆動される絶縁伝達回路21bのフォトカプラのオン/オフ状態を示す。図3(g)は、点un4の信号であり、下側アームである電力用半導体素子33unのゲート電圧である。
FIG. 3 is a timing chart showing the operation of this embodiment, and shows voltage waveforms at respective points in FIG. FIG. 3A shows a signal at point up 1 (= signal at point up 2), which is an upper arm drive signal output from the PWM
図3(a)、(d)から明らかなように、PWM信号生成部12は、上側アーム駆動信号と下側アーム駆動信号とが共にオフとなるデッドタイムTdeadを立ち上がり時及び立ち下がり時に等しく設けている。
As apparent from FIGS. 3A and 3D, the
そして図3(a)の点up1の電圧が立ち下がると、絶縁伝達回路21aのフォトカプラがオフからオンへ遷移し、Td-off-up遅れて、電力用半導体素子33upがオンからオフへ遷移する。次いで、図3(a)の点up1の電圧が立ち下がりからTdead経過後に、図3(d)の点un1の電圧が立ち上がり、図3(e)の点un2の電圧が立ち下がる。これにより、図3(f)に示すように、絶縁伝達回路21bのフォトカプラがオフからオンへ遷移する。そして、図3(d)の点un1の電圧の立ち上がりからTd-on-un遅れて、電力用半導体素子33unがオフからオンへ遷移する。従って、上側アームの電力用半導体素子33upがオフしてから、下側アームの電力用半導体素子33unがオンするまでの時間をTdead' とすると、式(2)となる。
When the voltage at the point up1 in FIG. 3A falls, the photocoupler of the
Tdead' =Tdead+Td-on-un−Td-off-up …(2)
ここで、絶縁伝達回路21aのオフからオンへの遅延時間Td-off-upと、絶縁伝達回路21bのオフからオンへの遅延時間Td-on-un とは、素子のばらつきの範囲内でほぼ等しく、Td-on-un ≒Td-off-upなので、式(3)が成立する。
Tdead' ≒Tdead …(3)
Tdead '= Tdead + Td-on-un-Td-off-up (2)
Here, the delay time Td-off-up from off to on of the
Tdead '≒ Tdead (3)
また、図3(d)の点un1の電圧が立ち下がると、図3(e)の点un2の電圧が立ち上がり、絶縁伝達回路21bのフォトカプラがオンからオフへ遷移する。しかし、背景技術で説明したように、フォトカプラのオンからオフへの遷移は、オフからオンへの遷移に比べて時間が掛かる。図3(d)の点un1の電圧の立ち下がりから、Td-off-un遅れて、点un4の電圧が立ち下がり、下側アームの電力用半導体素子33unがオンからオフへ遷移する。
When the voltage at the point un1 in FIG. 3D falls, the voltage at the point un2 in FIG. 3E rises, and the photocoupler of the
一方、図3(e)の点un1の電圧の立ち下がりからTdead遅れて、図3(a)の点up1の電圧が立ち上がる。点up1の電圧の立ち上がりにより絶縁伝達回路21baフォトカプラがオンからオフへ遷移する。しかし、上述のように、フォトカプラのオンからオフへの遷移は、オフからオンへの遷移に比べて時間が掛かる。図3(a)の点up1の電圧の立ち上がりから、Td-on-up 遅れて、点up4の電圧が立ち下がり、上側アームの電力用半導体素子33upがオフからオンへ遷移する。従って、下側アームの電力用半導体素子33unがオフしてから、上側アームの電力用半導体素子33upがオンするまでの時間をTdead' とすると、式(4)となる。 On the other hand, the voltage at the point up1 in FIG. 3A rises with a delay of Tdead from the fall of the voltage at the point un1 in FIG. The insulation transfer circuit 21ba photocoupler transitions from on to off by the rise of the voltage at the point up1. However, as described above, the transition from on to off of the photocoupler takes more time than the transition from off to on. The voltage at the point up4 falls with a delay of Td-on-up from the rise of the voltage at the point up1 in FIG. 3A, and the power semiconductor element 33up of the upper arm changes from off to on. Therefore, if the time from when the lower-arm power semiconductor element 33un is turned off to when the upper-arm power semiconductor element 33up is turned on is Tdead ', Expression (4) is obtained.
Tdead' =Tdead+Td-on-up−Td-off-un …(4)
ここで、絶縁伝達回路21bのオンからオフへの遅延時間Td-off-unと、絶縁伝達回路21aのオンからオフへの遅延時間Td-on-up とは、素子のばらつきの範囲内でほぼ等しく、Td-off-un≒Td-on-upなので、式(5)が成立する。
Tdead' ≒Tdead …(5)
Tdead '= Tdead + Td-on-up-Td-off-un (4)
Here, the delay time Td-off-un from on to off of the
Tdead '≒ Tdead (5)
このように、本実施例では、PWM出力部31は、上側アーム駆動信号を正論理で、下側アーム駆動信号を負論理で出力しているために、上側アーム駆動信号の絶縁伝達回路21aがオンからオフに変わる場合には、下側アーム駆動信号の絶縁伝達回路21bがオンからオフに変わり、上側アーム駆動信号の絶縁伝達回路21aがオフからオンに遷移する場合には、下側アーム駆動信号の絶縁伝達回路21bがオフからオンに遷移するというように、同じ方向へ絶縁伝達回路21a,21bが切り替わる。
As described above, in this embodiment, the PWM output unit 31 outputs the upper arm drive signal with positive logic and the lower arm drive signal with negative logic. When switching from on to off, the lower arm drive signal
従って、式(3),(5)で示したように、Td-on-un ≒Td-off-up、またTd-off-un≒Td-on-up となるため、Tdead≒Tdead' となり、PWM制御部10で生成したデッドタイムがそのまま電力用半導体素子のゲートに与えられることになる。従って、Tdeadを設定するうえで考慮していた絶縁伝達回路21に起因するオン・オフ遅延差に相当するデッドタイムを低減することが可能となる。
Therefore, as shown in the equations (3) and (5), Td-on-un≈Td-off-up and Td-off-un≈Td-on-up, so that Tdead≈Tdead ′ The dead time generated by the
以上説明したように本実施例によれば、インバータのサイズ・コストの増大を招くことなく、デッドタイムを低減することが可能となり、PWM制御におけるパルスの利用率が向上し、出力特性のよいインバータを提供することができるという効果がある。 As described above, according to this embodiment, the dead time can be reduced without increasing the size and cost of the inverter, the pulse utilization rate in PWM control is improved, and the inverter has good output characteristics. There is an effect that can be provided.
次に、本発明に係る電力用半導体駆動回路の実施例2を説明する。実施例2の全体システム構成は図1と同じである。図4は、実施例2のPWM制御部10及びU相の1アーム分の電力用半導体素子33up、33unと、その駆動部20up、20unを抽出したブロック図である。図2に対し、指令値補正部14を追加している。V相、W相も同様な指令値補正部14を備える。その他の構成は、図2と同様であるので、同じ構成要素には、同じ符号を付与して重複する説明を省略する。
Next, a second embodiment of the power semiconductor drive circuit according to the present invention will be described. The overall system configuration of the second embodiment is the same as that shown in FIG. FIG. 4 is a block diagram in which the
指令値補正部14は、制御演算部11から受けた電圧指令値に対し、所定の値だけ高電圧側にオフセットしてPWM信号生成部12に出力する機能を有する。
The command
実施例1の動作タイミング図である図3の(a)の点UP1の電圧波形において、PWM信号生成部12が生成した上アーム側のPWM信号の高レベル区間をTh-upとおき、図3(c)の点up4におけるPWM信号の高レベル区間をTh-up' とおく。
In the voltage waveform at point UP1 in FIG. 3A which is an operation timing chart of the first embodiment, the high-level section of the upper arm side PWM signal generated by the PWM
このとき、Th-up' =Th-up+(Td-off-up−Td-on-up )の関係にあり、図3の例では絶縁伝達回路21aのオン/オフ遅延差の影響により、Td-off-up<Td-on-upであるため、電力用半導体素子33upのゲートに達するPWM信号は、PWM制御部10が生成したPWMパルス幅よりも|Td-off-up−Td-on-up|ほど短くなる。同様に、図3(d)に示す下アーム側の点un1におけるPWM信号の高レベル区間をTh-unとおき、図3(g)の点un4におけるPWM信号の高レベル区間をTh-un' とおく。
At this time, there is a relationship Th-up '= Th-up + (Td-off-up-Td-on-up). In the example of FIG. 3, Td- is caused by the influence of the on / off delay difference of the insulating
このとき、Th-un' =Th-un+(Td-off-un−Td-on-un )の関係にあり、図3の例では絶縁伝達回路21bのオン/オフ遅延差の影響によりTd-off-un>Td-on-un であるため、電力用半導体素子33unのゲートに達するPWM信号はPWM制御部10が生成したPWMパルス幅よりも|Td-off-un−Td-on-un|程度長くなる。
At this time, the relationship is Th-un '= Th-un + (Td-off-un-Td-on-un). In the example of FIG. 3, Td-off is affected by the on / off delay difference of the insulating
指令値補正部14は、制御演算部11の制御演算結果である電圧指令値に対し、所定の値だけ高電圧側にオフセットしてPWM信号生成部12へ出力させる。これにより、上述した上アーム側電力用半導体33upへ出力される駆動信号と下アーム側電力用半導体33unへ出力される駆動信号のパルス幅の不均衡およびそれに伴うインバータ出力電圧の低電圧側へのオフセットがキャンセルされ、インバータ出力における電圧利用率が向上するという効果がある。
The command
本実施例では、上アーム側の駆動部20upを正論理とし、下アーム側の駆動部20unを負論理とする具体例にて説明した。これを上下アーム逆に構成し、上アーム側の駆動部20upに入力されるPWM信号を負論理とし、下アーム側の駆動部20unに入力されるPWM信号を正論理とした場合には、指令値補正部14は制御演算部11から受けた電圧指令値に対し、所定の値だけ低電圧側にオフセットしてPWM信号生成部12に出力することにより、上記同様の効果を得ることができる。
The present embodiment has been described with a specific example in which the upper arm side drive unit 20up is positive logic and the lower arm side drive unit 20un is negative logic. When this is configured in the opposite direction of the upper and lower arms, the PWM signal input to the upper arm side drive unit 20up is negative logic, and the PWM signal input to the lower arm side drive unit 20un is positive logic, The
以上説明したように本実施例によれば、インバータのサイズ・コストの増大を招くことなく、デッドタイムを低減することが可能となり、PWM制御におけるパルスの利用率が向上し、出力特性のよいインバータを提供することができるという効果がある。 As described above, according to this embodiment, the dead time can be reduced without increasing the size and cost of the inverter, the pulse utilization rate in PWM control is improved, and the inverter has good output characteristics. There is an effect that can be provided.
また本実施例によれば、PWM信号生成部へ出力する電圧指令値を所定値だけ正または負にオフセットさせる指令値補正部を設けたので、上アーム側電力用半導体へ出力される駆動信号と下アーム側電力用半導体へ出力される駆動信号のパルス幅の不均衡およびそれに伴うインバータ出力電圧のオフセットがキャンセルされ、インバータ出力における電圧利用率が向上するという効果がある。 In addition, according to the present embodiment, the command value correction unit for offsetting the voltage command value output to the PWM signal generation unit by a predetermined value positively or negatively is provided, so that the drive signal output to the upper arm side power semiconductor and There is an effect that the imbalance of the pulse width of the drive signal output to the lower arm side power semiconductor and the accompanying offset of the inverter output voltage are canceled, and the voltage utilization rate at the inverter output is improved.
次に、本発明に係る電力用半導体駆動回路の実施例3を説明する。実施例3の全体システム構成は図1と同じである。図5は、PWM制御部10及び3アーム分の電力用半導体素子33up,33un,33vp,33vn,33wp,33wnとその駆動部20up,20un,20vp,20vn,20wp,20wnを抽出した本実施例の構成を示すブロック図である。
Next, a third embodiment of the power semiconductor drive circuit according to the present invention will be described. The overall system configuration of the third embodiment is the same as that shown in FIG. FIG. 5 shows the
PWM制御部10が動作停止するような故障が発生し、PWM信号の入力が停止すると、絶縁伝達回路21a,21bは、その信号伝達が遮断するため、出力は高レベルとなる。例えば実施例1に従い、U相上アーム側の駆動部20upを正論理、U相下アーム側の駆動部20unを負論理、V相上アーム側の駆動部20vpを負論理、V相下アーム側の駆動部20vnに正論理の回路を配置してインバータを構成した場合、PWM制御部10全体が動作停止するような故障が発生すると、U相上アーム側の駆動部20upとV相下アーム側の駆動部20vnは、対応する電力用半導体素子33up,33vnのゲートに高レベルの信号を出力し続け、これらをオンさせてしまう。その結果、MG50のU相巻線とV相巻線に強電電圧が印加され続けることになり、過電流に至ってしまう。
When a failure that stops the operation of the
本実施例は、図5のように、インバータを構成する3相の各上アーム同士、下アーム同士それぞれで、電力用半導体素子の駆動回路のオン、オフを同一極性の論理にて構成することにより、絶縁伝達回路21a,21bへの入力信号が遮断されるような故障が発生した場合であっても、上アームの電力用半導体素子と下アームの電力用半導体素子が同時にオンすることはない。従って、絶縁伝達回路21a,21bの入力が遮断されるようなPWM制御部10の故障時において、上下アーム間を貫通する過電流の発生を未然に防ぐことが可能となる。
In this embodiment, as shown in FIG. 5, the three-phase upper arms and the lower arms constituting the inverter are configured to turn on and off the power semiconductor element drive circuit with the same polarity logic. Thus, even when a failure occurs that interrupts the input signals to the insulating
また実施例2にて説明した、上アームのPWM信号の極性と下アームのPWM信号の極性とを異ならせて絶縁伝達回路21a,21bにより伝達する構成により発生するインバータ出力電圧オフセットについては、本構成をとることにより3相ともに同一方向にオフセットすることになるため、線間電圧においてキャンセルされるという効果がある。
Further, the inverter output voltage offset generated by the configuration in which the polarity of the PWM signal of the upper arm and the polarity of the PWM signal of the lower arm, which are described in the second embodiment, are transmitted by the insulating
図5では3相の各上アーム同士を正論理、3相の各下アーム同士を負論理にて構成したが、逆に各上アーム同士を負論理、各下アーム同士を正論理にて構成することでも同様の効果を得ることができる。 In FIG. 5, the upper arms of the three phases are configured with positive logic, and the lower arms of the three phases are configured with negative logic. Conversely, the upper arms are configured with negative logic and the lower arms are configured with positive logic. By doing so, the same effect can be obtained.
以上説明したように本実施例によれば、インバータのサイズ・コストの増大を招くことなく、デッドタイムを低減することが可能となり、PWM制御におけるパルスの利用率が向上し、出力特性のよいインバータを提供することができるという効果がある。 As described above, according to this embodiment, the dead time can be reduced without increasing the size and cost of the inverter, the pulse utilization rate in PWM control is improved, and the inverter has good output characteristics. There is an effect that can be provided.
また、本実施例によれば、インバータを構成する3相の各上アーム同士、下アーム同士それぞれで、電力用半導体素子の駆動回路のオン、オフを同一極性の論理にて構成することにより、絶縁伝達回路21a,21bの入力が遮断されるようなPWM制御部10の故障時において、上下アーム間を貫通する過電流の発生を未然に防ぐことができるという効果がある。
In addition, according to the present embodiment, the upper and lower arms of the three phases constituting the inverter are configured to turn on and off the drive circuit of the power semiconductor element with the same polarity logic. There is an effect that it is possible to prevent the occurrence of overcurrent penetrating between the upper and lower arms in the event of a failure of the
次に、本発明に係る電力用半導体駆動回路の実施例4を説明する。実施例4の全体システム構成は図1と同じである。図6は、PWM制御部10及び3アーム分の電力用半導体素子33up,33un,33vp,33vn,33wp,33wnとその駆動部20up,20un,20vp,20vn,20wp,20wnを抽出した本実施例の構成を示すブロック図である。図5に対し、U相、V相、W相のそれぞれのPWM信号を監視するPWM監視回路23を3つ追加している。PWM監視回路23は、絶縁伝達回路21aから受けたPWM信号を監視し、高レベル状態が一定時間(例えば、PWMのキャリア周期)以上継続したら、電力用半導体素子33up,33vp,33wpへ出力するゲート駆動信号を強制的に低レベルにするシャットダウン動作を行う。
Next, a power semiconductor drive circuit according to a fourth embodiment of the present invention will be described. The overall system configuration of the fourth embodiment is the same as that shown in FIG. FIG. 6 shows the present embodiment in which the
実施例3の図5の構成において、PWM制御部10が動作停止するような故障が発生して、PWM信号の入力が停止すると、絶縁伝達回路21aは、その信号伝達がオフするため、出力は高レベルとなる。従って、電力用半導体素子33up,33vp,33wpのゲートに高レベルの信号を出力し続けることになり、これら全てを同時にオンさせてしまう。これは3相短絡の状態であるため、MG50の回転中にこの状態が継続すると誘起電圧により過電流に至る。
In the configuration of FIG. 5 of the third embodiment, when a failure that stops the operation of the
本実施例においては、PWM制御部10が動作停止するような故障が発生すると、PWM監視回路23がこの故障を検出し、電力用半導体素子33up,33vp,33wpへ出力するゲート駆動信号を強制的に低レベルにするシャットダウン動作を行う。これにより、電力用半導体素子33up,33vp,33wpが共にオフとなり、MG50に過電流が流れることはない。
In this embodiment, when a failure that causes the
以上説明したように本実施例によれば、インバータのサイズ・コストの増大を招くことなく、デッドタイムを低減することが可能となり、PWM制御におけるパルスの利用率が向上し、出力特性のよいインバータを提供することができるという効果がある。 As described above, according to this embodiment, the dead time can be reduced without increasing the size and cost of the inverter, the pulse utilization rate in PWM control is improved, and the inverter has good output characteristics. There is an effect that can be provided.
また本実施例によれば、絶縁伝達回路21a,21bの入力が遮断されるようなPWM制御部10の故障時において、上下アーム間を貫通する過電流の発生を未然に防ぐことが可能となるという効果がある。
Further, according to the present embodiment, it is possible to prevent the occurrence of an overcurrent that passes between the upper and lower arms when the
また本実施例によれば、PWM制御部10が動作停止するような故障が発生し、PWM信号の入力が停止しても、絶縁伝達回路21の高レベル出力状態が一定時間経過した後は、上側アームの電力用半導体素子33up,33vp,33wpをオフさせるため、PWM制御部10の故障時に3相短絡による過電流を防ぐことができるという効果がある。
Further, according to the present embodiment, even when a failure that causes the
次に、本発明に係る電力用半導体駆動回路の実施例5を説明する。実施例5の全体システム構成は図1と同じである。図7は、PWM制御部10及び3アーム分の電力用半導体素子33up,33un,33vp,33vn,33wp,33wnとその駆動部20up,20un,20vp,20vn,20wp,20wnを抽出した本実施例の構成を示すブロック図である。図5に対し、PWM相互監視回路24a,24b,24cを各相の駆動部20up,20vp,20wpに追加している。
Next, a fifth embodiment of the power semiconductor drive circuit according to the present invention will be described. The overall system configuration of the fifth embodiment is the same as that shown in FIG. FIG. 7 shows the present embodiment in which the
PWM相互監視回路24a,24b,24cは、それぞれが属する相の絶縁伝達回路21aの出力の論理値及び他の2相の絶縁伝達回路21aの出力の論理値を入力し、これら3入力の論理値を相互に監視し合う。そして、PWM相互監視回路24a,24b,24cのいずれか1回路でも3つの論理値が互いに等しい状態が一定時間(例えば、PWMのキャリア周期)以上継続する状態を検出したら、残りのPWM相互監視回路へ異常検出信号を出力する。これにより、PWM制御部10が動作停止するような故障が発生した場合、それぞれの相の上側アームの電力用半導体素子33up,33vp,33wpを共にオフさせる機能を有する。
The PWM
以上説明したように本実施例によれば、インバータのサイズ・コストの増大を招くことなく、デッドタイムを低減することが可能となり、PWM制御におけるパルスの利用率が向上し、出力特性のよいインバータを提供することができるという効果がある。 As described above, according to this embodiment, the dead time can be reduced without increasing the size and cost of the inverter, the pulse utilization rate in PWM control is improved, and the inverter has good output characteristics. There is an effect that can be provided.
また本実施例によれば、絶縁伝達回路21a,21bの入力が遮断されるようなPWM制御部10の故障時において、上下アーム間を短絡する過電流の発生を未然に防ぐことが可能となるという効果がある。
Further, according to this embodiment, it is possible to prevent the occurrence of an overcurrent that short-circuits the upper and lower arms when the
さらに本実施例によれば、PWM制御部10が動作停止するような故障が発生し、PWM信号の入力が停止しても、上側アームの電力用半導体素子33up,33vp,33wpをオフさせるため、PWM制御部10の故障時に3相短絡による過電流を防ぐことができるという効果がある。
Furthermore, according to the present embodiment, even if a failure that causes the
10:PWM制御部
11:制御演算部
12:PWM信号生成部
13:PWM出力部
13a:増幅器
13b:反転増幅器
14:指令値補正部
20up,20un,20vp,20vn,20wp,20wn:駆動部
21a,21b:絶縁伝達回路
22a:増幅器
22b:反転増幅器
23:PWM監視回路
24a,24b,24c:PWM相互監視回路
30:インバータ回路
31:DC電源
32:コンデンサ
33up,33un,33vp,33vn,33wp,33wn:電力用半導体素子
40:電流センサ
50:モータ・ジェネレータ(MG)
60:位置センサ
71:フォトカプラ
71a:発光ダイオード
71b:フォトトランジスタ
72,73:抵抗
10: PWM control unit 11: control calculation unit 12: PWM signal generation unit 13:
60: Position sensor 71:
Claims (5)
上側アームの電力用半導体素子を駆動する第1の駆動回路と、
下側アームの電力用半導体素子を駆動する第2の駆動回路と、
第1の駆動パルス信号を電気的に絶縁して第1の駆動回路に伝える第1の絶縁伝達回路と、
第2の駆動パルス信号を電気的に絶縁して第2の駆動回路に伝える第2の絶縁伝達回路と、
を備えた電力用半導体駆動装置において、
第1の絶縁伝達回路による伝達極性と第2の絶縁伝達回路による伝達極性とを互いに異ならせたことを特徴とする電力用半導体駆動装置。 A PWM controller that generates a first drive pulse signal for driving the power semiconductor element of the upper arm and a second drive pulse signal for driving the power semiconductor element of the lower arm based on the voltage command values, respectively;
A first drive circuit for driving the power semiconductor element of the upper arm;
A second drive circuit for driving the power semiconductor element of the lower arm;
A first insulation transmission circuit that electrically insulates and transmits a first drive pulse signal to the first drive circuit;
A second insulation transmission circuit that electrically insulates and transmits a second drive pulse signal to the second drive circuit;
In a power semiconductor drive device comprising:
A power semiconductor drive device, wherein a transmission polarity by a first insulation transmission circuit and a transmission polarity by a second insulation transmission circuit are different from each other.
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- 2009-09-24 JP JP2009219062A patent/JP2011072075A/en active Pending
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