JP2012249343A - Switching circuit - Google Patents

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Fumihiro Okazaki
文洋 岡▲崎▼
Mitsuo Hara
光雄 原
Toru Aoki
亨 青木
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a switching circuit capable of suppressing unevenness of switching time with a simple and low-cost circuit.SOLUTION: The switching circuit includes: an upper arm A1 and a lower arm A2 having switching elements S1, S2 for power, respectively, and an output capacity charging promotion circuit that charges the output capacity of the switching elements S1, S2 for power by operating additional switching elements M2, M1 installed on the arms A2, A1, respectively, on the opposite side to the arms A1, A2 having the switching elements S1, S2 for power according to the switching operations of the switching elements S1, S2 for power.

Description

本発明は、電気モータ等の負荷を駆動するインバータ等に用いるスイッチング回路に関する。   The present invention relates to a switching circuit used for an inverter or the like for driving a load such as an electric motor.

インバータでは、スイッチング素子(電力用半導体素子)にてモータ負荷へ印加する電圧を切り替えるが、この電圧の立ち上がり時間や波形は、スイッチング素子のゲート端子に印加するゲート電圧により制御している。
ところが、スイッチング素子のターン・オフにより負荷電圧が変化する場合、負荷電圧のスイッチング時間はそのスイッチング素子の出力容量の充電時間に依存する。すなわち、たとえば、180度通電方式のインバータ回路では、ターン・オフ時のスイッチング時間は、負荷電流値に影響を受ける。この結果、スイッチング時間は負荷電流値により、ばらついてしまう。このばらつきは結構大きく、たとえば負荷電流値がゼロに近い低電流値の場合などには、スイッチング時間がきわめて遅くなり、通常のスイッチング時間の10倍以上にもなってしまう場合もある。このように、スイッチング時間がばらついてしまうと、上下アーム短絡を防止するため、デッド・タイムを長く設定せざるを得ず、スイッチング損失が増えることになる。
そこで、このような低電流時にもスイッチング時間が長くならないようにして、上下アームの短絡が生じないようにしたものが知られている。
In the inverter, the voltage applied to the motor load is switched by a switching element (power semiconductor element), and the rise time and waveform of this voltage are controlled by the gate voltage applied to the gate terminal of the switching element.
However, when the load voltage changes due to turn-off of the switching element, the switching time of the load voltage depends on the charging time of the output capacity of the switching element. That is, for example, in a 180-degree energization type inverter circuit, the switching time during turn-off is affected by the load current value. As a result, the switching time varies depending on the load current value. This variation is quite large. For example, when the load current value is a low current value close to zero, the switching time becomes extremely slow, which may be 10 times or more of the normal switching time. Thus, if the switching time varies, in order to prevent the upper and lower arms from being short-circuited, the dead time must be set longer, and the switching loss increases.
In view of this, there has been known one in which the upper and lower arms are not short-circuited by preventing the switching time from becoming long even at such a low current.

このようなスイッチング回路を有するインバータとしては、特許文献1に記載されたものがある。このインバータでは、電力用半導体素子をスイッチング素子として用い、これら電力用半導体の各々に対し、コンデンサと双方向性スイッチ素子との直列回路を並列に接続し、この双方向性スイッチ素子により、電力用半導体素子のターン・オフ信号に同期させてコンデンサを充電させるようにして、低電流時でも電力用半導体素子のターン・オフ時間が長引かないようにしている。   An inverter having such a switching circuit is described in Patent Document 1. In this inverter, a power semiconductor element is used as a switching element, and a series circuit of a capacitor and a bidirectional switch element is connected in parallel to each of these power semiconductors. The capacitor is charged in synchronization with the turn-off signal of the semiconductor element so that the turn-off time of the power semiconductor element is not prolonged even at a low current.

特開2002−369551号公報JP 2002-369551 A

しかしながら、上記従来のインバータにあっては、上下アームに、それぞれ双方向性スイッチ素子を2個ずつ必要とするため、その回路構成が複雑で高価なものとなってしまうといった問題点があった。   However, the above conventional inverter has a problem that the circuit configuration becomes complicated and expensive because two upper and lower arms each require two bidirectional switch elements.

本発明は、上記問題に着目してなされたもので、その目的とするところは、スイッチング時間のばらつきを簡単かつ安価な回路にて抑制できるようにしたスイッチング回路を提供することにある。   The present invention has been made paying attention to the above problems, and an object of the present invention is to provide a switching circuit in which variation in switching time can be suppressed with a simple and inexpensive circuit.

この目的のため、請求項1に記載の本発明によるスイッチング回路は、
電力用スイッチング素子をそれぞれ有する上アームおよび下アームと、
電力用スイッチング素子のスイッチング動作に応じてこの電力用スイッチング素子を有するアームとは反対側のアームにそれぞれ設けられた追加スイッチング素子を動作させることで、電力用スイッチング素子の出力容量を充電する出力容量充電促進回路と、
を備えたことを特徴とする。
For this purpose, the switching circuit according to the invention as claimed in claim 1 comprises:
An upper arm and a lower arm each having a power switching element;
Output capacity for charging the output capacity of the power switching element by operating the additional switching element provided on the arm opposite to the arm having the power switching element according to the switching operation of the power switching element A charge acceleration circuit;
It is provided with.

また、請求項2に記載の本発明によるスイッチング回路は、
請求項1に記載のスイッチング回路において、
出力容量充電促進回路が、追加スイッチング素子にコンデンサが直列接続された直列接続回路であり、
この直列接続回路が、電力用スイッチング素子に並列に接続されている、
ことを特徴とする。
A switching circuit according to the present invention as set forth in claim 2 comprises:
The switching circuit according to claim 1,
The output capacity charging promotion circuit is a series connection circuit in which a capacitor is connected in series to the additional switching element,
This series connection circuit is connected in parallel to the power switching element,
It is characterized by that.

また、請求項3に記載の本発明によるスイッチング回路は、
請求項1に記載のスイッチング回路において、
出力容量充電促進回路が、追加スイッチング素子に抵抗が直列接続された直列接続回路であり、
この直列接続回路が、電力用スイッチング素子に並列に接続されている、
ことを特徴とする。
A switching circuit according to the present invention as set forth in claim 3 is:
The switching circuit according to claim 1,
The output capacity charging promotion circuit is a series connection circuit in which a resistor is connected in series to the additional switching element,
This series connection circuit is connected in parallel to the power switching element,
It is characterized by that.

請求項1に記載の本発明のスイッチング回路にあっては、スイッチング時間のばらつきを簡単かつ安価な回路にて抑制できるようにしたスイッチング回路を得ることができる。   In the switching circuit according to the first aspect of the present invention, it is possible to obtain a switching circuit that can suppress variations in switching time with a simple and inexpensive circuit.

請求項2に記載の本発明のスイッチング回路にあっては、上記請求項1の効果に加えて、コンデンサを用いることにより、電力用スイッチング素子の出力容量を速く充電することができる。   In the switching circuit according to the second aspect of the present invention, in addition to the effect of the first aspect, the output capacitance of the power switching element can be quickly charged by using a capacitor.

請求項3に記載の本発明のスイッチング回路にあっては、上記請求項1の効果に加えて、抵抗を用いることにより、簡単な回路構成でスイッチング時間を調整することで、電力用スイッチング素子の出力容量を必要な量だけ充電することができる。   In the switching circuit according to the third aspect of the present invention, in addition to the effect of the first aspect, by using a resistor, the switching time can be adjusted with a simple circuit configuration. The required amount of output capacity can be charged.

本発明に係る実施例1のスイッチング回路の構成を示す回路図である。It is a circuit diagram which shows the structure of the switching circuit of Example 1 which concerns on this invention. 図1のスイッチング回路における正方向への負荷電流が流れるときのスイッチング素子等の動作状態および電流の流れを説明する図である。FIG. 2 is a diagram for explaining an operating state of a switching element or the like and a current flow when a load current in a positive direction flows in the switching circuit of FIG. 1. 図2での動作における、電力用スイッチング素子、この反対側のアームの付加スイッチング素子およびコンデンサの状態をタイム・チャートで示した図である。FIG. 3 is a time chart showing states of a power switching element, an additional switching element of an arm on the opposite side, and a capacitor in the operation in FIG. 2. 図1のスイッチング回路における負方向への負荷電流が流れるときのスイッチング素子等の動作状態および電流の流れを説明する図である。FIG. 2 is a diagram for explaining an operating state of a switching element or the like and a current flow when a load current in the negative direction flows in the switching circuit of FIG. 1. 図4での動作における、電力用スイッチング素子、この反対側のアームの付加スイッチング素子およびコンデンサの状態をタイム・チャートで示した図である。FIG. 5 is a time chart showing states of a power switching element, an additional switching element of an arm on the opposite side, and a capacitor in the operation in FIG. 4. 図1のスイッチング回路と等価なシミュレーション用回路の構成を示す図である。It is a figure which shows the structure of the circuit for simulation equivalent to the switching circuit of FIG. 図6のシミュレーション回路におけるシミュレーション結果を示す図である。It is a figure which shows the simulation result in the simulation circuit of FIG. シミュレーションによりコンデンサの容量を変えたときにおける負荷電圧の時間変化の結果を示す図である。It is a figure which shows the result of the time change of the load voltage when changing the capacity | capacitance of a capacitor | condenser by simulation. 本発明に係る実施例2のスイッチング回路の構成を示す回路図である。It is a circuit diagram which shows the structure of the switching circuit of Example 2 which concerns on this invention. 図9のスイッチング回路と等価なシミュレーション用回路の構成を示す図である。It is a figure which shows the structure of the circuit for simulation equivalent to the switching circuit of FIG. 図10のシミュレーション回路におけるシミュレーション結果を示す図である。It is a figure which shows the simulation result in the simulation circuit of FIG. 本発明実施例とシミュレーションで比較するための、スイッチング素子を有しないスイッチング回路の構成を示す図である。It is a figure which shows the structure of the switching circuit which does not have a switching element for comparing with an Example of this invention by simulation. 図12のシミュレーション回路におけるシミュレーション結果を示す図である。It is a figure which shows the simulation result in the simulation circuit of FIG.

以下、本発明の実施の形態を、図面に示す実施例に基づき詳細に説明する。なお、各実施例において同じ構成のものについては、同じ番号を付し、それらの説明を省略する。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail based on examples shown in the drawings. In addition, about the thing of the same structure in each Example, the same number is attached | subjected and those description is abbreviate | omitted.

実施例1のスイッチング回路は、たとえば電気自動車を駆動する三相交流モータのインバータ回路に用いられる。図1には、三相交流モータのu相、v相、w相のうちの1相のコイルに接続される部分のみの回路を示すが、他の2相も同様に構成して周知のごとくブリッジ回路を組む。   The switching circuit of the first embodiment is used, for example, in an inverter circuit of a three-phase AC motor that drives an electric vehicle. FIG. 1 shows a circuit of only a portion connected to one-phase coil of the u-phase, v-phase, and w-phase of a three-phase AC motor, but the other two phases are configured in a similar manner as is well known. Build a bridge circuit.

この実施例1のスイッチング回路では、図1に示すように、上アームA1は、電力用スイッチング素子S1にダイオード(いわゆる帰還ダイオード)D1と、コンデンサC1および付加スイッチング素子M1の直列接続回路(本発明の出力容量充電促進回路に相当)と、が並列に接続されて構成される。
同様に、下アームA2も、電力用スイッチング素子S2にダイオード(いわゆる帰還ダイオード)D2と、コンデンサC2およびスイッチング素子M2の直列接続回路と、が並列に接続されて構成される。
上アームA1の電力用スイッチング素子S1のエミッタと下アームA2の電力用スイッチング素子S2のコレクタとは互いに接続されるとともに、これらの接続点は電気モータのコイルの一つに接続される。なお、電力用スイッチング素子S1、S2としては、絶縁ゲートバイポーラ型トランジスタ(Insulated Gate Bipolar Transistor: IGBT)を用いるのが望ましい。
In the switching circuit of the first embodiment, as shown in FIG. 1, the upper arm A1 includes a power switching element S1, a diode (so-called feedback diode) D1, a capacitor C1 and an additional switching element M1 connected in series (the present invention). Are connected in parallel to each other.
Similarly, the lower arm A2 is configured by connecting a power switching element S2 to a diode (so-called feedback diode) D2 and a series connection circuit of a capacitor C2 and a switching element M2 in parallel.
The emitter of the power switching element S1 of the upper arm A1 and the collector of the power switching element S2 of the lower arm A2 are connected to each other, and their connection point is connected to one of the coils of the electric motor. As the power switching elements S1 and S2, it is desirable to use insulated gate bipolar transistors (IGBTs).

ここで、上下アームA1、A2のコンデンサC1、C2は、これらを有する各アームが持つ出力容量以上の容量値を有するように設定する。
また、付加スイッチング素子M1、M2は相対するアームの電力用スイッチング素子、すなわち下アームA2の電力用スイッチング素子S2、上アームA1 の電力用スイッチング素子S1のターン・オフ動作にそれぞれ同期して以下のように作動するようにしてある。
Here, the capacitors C1 and C2 of the upper and lower arms A1 and A2 are set so as to have a capacitance value greater than or equal to the output capacitance of each arm having them.
The additional switching elements M1 and M2 are synchronized with the power switching elements of the opposite arm, that is, the power switching element S2 of the lower arm A2 and the power switching element S1 of the upper arm A1, and It is made to operate as follows.

上記スイッチング回路の動作につき、図2〜図4を用いて説明する。
まず、上アームA1の電力用スイッチング素子S1がオンで、かつ下アームA2の電力用スイッチング素子S2がオフの場合には、正方向の負荷電流となり、図2の太線の矢印で示す経路に沿って電流が流れる。
すなわち、図2(a)および図3の第1段目のタイム・チャートに示すように、電力用スイッチング素子S1のゲート端子にゲート電圧が印加されると、この素子がオン(図3中の時刻t1)となって、コレクタからエミッタに電流が流れ始め、モータのコイルへ電流が供給される。なお、このとき下アームA2の電力用スイッチング素子S2、および両付加スイッチング素子M1、M2はオフの状態にされている。
The operation of the switching circuit will be described with reference to FIGS.
First, when the power switching element S1 of the upper arm A1 is on and the power switching element S2 of the lower arm A2 is off, the load current is in the positive direction, and follows the path indicated by the thick arrow in FIG. Current flows.
That is, as shown in FIG. 2A and the first stage time chart of FIG. 3, when a gate voltage is applied to the gate terminal of the power switching element S1, this element is turned on (in FIG. 3). At time t1), current starts to flow from the collector to the emitter, and current is supplied to the motor coil. At this time, the power switching element S2 and the additional switching elements M1 and M2 of the lower arm A2 are turned off.

このとき、電力用スイッチング素子S1の出力容量(図2中に点線でコンデンサとして表示)での電荷はゼロであり、また付加スイッチング素子M1がオフにされているので、これと直列接続されたコンデンサC1も電荷ゼロの状態を保つ(図3の第3、4段目のタイム・チャートを参照)。   At this time, the electric charge in the output capacitance of the power switching element S1 (shown as a capacitor by a dotted line in FIG. 2) is zero, and the additional switching element M1 is turned off, so that the capacitor connected in series with this C1 also maintains zero charge (see the third and fourth stage time charts in FIG. 3).

その後、図2(b)および図3の第1、2段目のタイム・チャートに示すように、時刻t2にゲート信号がゼロにされると、これに連動して下アームA2の付加スイッチング素子M2のゲート電圧にオン信号が同時に印加される。この結果、付加スイッチング素子M2がオンになって通電可能となる。   Thereafter, as shown in the time charts of the first and second stages in FIG. 2B and FIG. 3, when the gate signal becomes zero at time t2, the additional switching element of the lower arm A2 is interlocked with this. An ON signal is simultaneously applied to the gate voltage of M2. As a result, the additional switching element M2 is turned on and can be energized.

時刻t2に下アームA2の付加スイッチング素子M2がオンになると、下アームA2のコンデンサC2が付加スイッチング素子M2を介して接地された状態となるので、図2(b)に示すように、電流が、コンデンサC2へ流れ込み、その電流がスイッチング素子S1の出力容量にも流れる。その結果、図3のタイム・チャートに示すように、その電流がコンデンサC2とスイッチング素子S1の出力容量を充電し、したがってその電荷が急激に上昇していく。
このコンデンサC2が充電されていく分、上アームA1の電力用スイッチング素子S1の出力容量を充電する電流は増えるので、この電流値がゼロに近い場合に比べ、この電力用スイッチング素子S1の出力容量への充電が早まることになる。
When the additional switching element M2 of the lower arm A2 is turned on at the time t2, the capacitor C2 of the lower arm A2 is grounded via the additional switching element M2, so that the current flows as shown in FIG. Flows into the capacitor C2, and the current also flows through the output capacitance of the switching element S1. As a result, as shown in the time chart of FIG. 3, the current charges the output capacitance of the capacitor C2 and the switching element S1, and thus the charge rapidly increases.
As the capacitor C2 is charged, the current charging the output capacity of the power switching element S1 of the upper arm A1 increases. Therefore, the output capacity of the power switching element S1 is larger than when the current value is close to zero. Will be charged sooner.

この後、スイッチング素子S1の出力容量の電圧とコンデンサC2の電圧を合わせた電圧が電源電圧に達したとき(時刻t3)、図3の第3、4段目のタイム・チャートに示すように、下アームA2のコンデンサC2の電荷の上昇は止まる。この場合の立ち上がりの変化は、出力容量値および追加容量値によって決まる。なお、詳細は、シミュレーション結果にて後で説明する。   Thereafter, when the voltage obtained by combining the voltage of the output capacitance of the switching element S1 and the voltage of the capacitor C2 reaches the power supply voltage (time t3), as shown in the third and fourth stage time charts of FIG. The rise in the charge of the capacitor C2 of the lower arm A2 stops. The rise change in this case is determined by the output capacitance value and the additional capacitance value. Details will be described later in the simulation results.

その後、図2(c)に示すように、少ない出力電流によって、スイッチング素子S1の出力容量はさらに充電され、コンデンサC2は放電していく。     Thereafter, as shown in FIG. 2C, the output capacitance of the switching element S1 is further charged by a small output current, and the capacitor C2 is discharged.

時刻t4以降は、下アームのダイオードD2を介して出力電流が流れ続けて、図3に示すように、電力用スイッチング素子S1の出力容量はオフ状態で満充電の状態を保ち、またコンデンサC2の電荷はゼロを保つ。
したがって、上アームA1の電力用スイッチング素子S1の出力容量は、下アームA2のコンデンサC2の充電分だけ速く充電され、この結果、オフ時のスイッチング時間を早めることとなってスイッチング時間のばらつきが抑えられることとなる。
After time t4, the output current continues to flow through the lower arm diode D2, and as shown in FIG. 3, the output capacitance of the power switching element S1 is kept off and fully charged, and the capacitor C2 The charge remains at zero.
Therefore, the output capacitance of the power switching element S1 of the upper arm A1 is charged faster by the charge of the capacitor C2 of the lower arm A2, and as a result, the switching time at the OFF time is shortened, and the variation in switching time is suppressed. Will be.

次に、負方向の負荷電流を流すには、図5の第1段目のタイム・チャートに示すように、時刻t5に上アームA1の電力用スイッチング素子S1がオフの状態で、下アームA2の電力用スイッチング素子S2をオンにすると、図4(a)の太線の矢印で示す経路に沿って電流が流れる。
すなわち、モータのコイルから流れ出た電流は、下アームA2の電力用スイッチング素子S2を通って流れ出る。このとき、図5の第3、4段目のタイム・チャートに示すように、電力用スイッチング素子S2の出力容量の電荷はゼロ、また上アームA1のコンデンサC1の電荷もゼロとなっている。
Next, in order to flow the load current in the negative direction, as shown in the first stage time chart of FIG. 5, the power switching element S1 of the upper arm A1 is turned off at the time t5, and the lower arm A2 When the power switching element S2 is turned on, a current flows along a path indicated by a thick arrow in FIG.
That is, the current flowing out of the motor coil flows out through the power switching element S2 of the lower arm A2. At this time, as shown in the time charts of the third and fourth stages in FIG. 5, the charge of the output capacitance of the power switching element S2 is zero, and the charge of the capacitor C1 of the upper arm A1 is also zero.

次いで、上記状態から、時刻t6に下アームA2の電力用スイッチング素子S2へオフ信号を入力する(ゲート電圧をゼロにする)と同時に、上アームA2の付加スイッチング素子M1をオンにする。
すると、付加スイッチング素子M1を介して電流が流れることができるようになり、図5の第3、4段目のタイム・チャートに示すように、上アームA1のコンデンサC1が充電され始め、この充電電流により下アームA2の電力用スイッチング素子S2の出力容量も充電され始める。
Next, from the above state, at time t6, an off signal is input to the power switching element S2 of the lower arm A2 (the gate voltage is made zero), and at the same time, the additional switching element M1 of the upper arm A2 is turned on.
Then, a current can flow through the additional switching element M1, and the capacitor C1 of the upper arm A1 starts to be charged as shown in the third and fourth stage time charts of FIG. The output capacity of the power switching element S2 of the lower arm A2 starts to be charged by the current.

この場合も、負荷電流が正方向の場合と同様に、コンデンサC1の充電中、上アームA1の付加スイッチング素子M1はオン状態を保たれ、コンデンサC1の電荷は上昇していく。この負方向の負荷電流の流れによって、まだ完全にオフ状態となっていない下アームA2の電力用スイッチング素子S2の出力容量へも、電流が流れて行き、電力用スイッチング素子S2の主力容量の充電を速める。   In this case, as in the case where the load current is in the positive direction, the additional switching element M1 of the upper arm A1 is kept on while the capacitor C1 is being charged, and the charge of the capacitor C1 increases. Due to this negative load current flow, the current also flows to the output capacity of the power switching element S2 of the lower arm A2, which has not been completely turned off, and the main capacity of the power switching element S2 is charged. Speed up.

この後、スイッチング素子S2の出力容量の電圧とコンデンサC1の電圧を合わせた電圧が電源電圧に達したとき(時刻t7)、図5の第3、4段目のタイム・チャートに示すように、上アームA1のコンデンサC1の電荷の上昇は止まる。この場合の立ち上がりの変化は、出力容量値および追加容量値によって決まる。 Thereafter, when the voltage obtained by adding the voltage of the output capacitance of the switching element S2 and the voltage of the capacitor C1 reaches the power supply voltage (time t7), as shown in the third and fourth stage time charts of FIG. The rise in the charge of the capacitor C1 of the upper arm A1 stops. The rise change in this case is determined by the output capacitance value and the additional capacitance value.

その後、図4(c)に示すように、その後、少ない出力電流によって、スイッチング素子S2の出力容量はさらに充電され、コンデンサC1は放電していく。   Thereafter, as shown in FIG. 4C, the output capacity of the switching element S2 is further charged and the capacitor C1 is discharged by a small output current.

時刻t8以降は、下アームのダイオードD2を介して出力電流が流れ続けて、図5に示すように、電力用スイッチング素子S2の出力容量はオフ状態で満充電の状態を保ち、またコンデンサC1の電荷はゼロを保つ。
したがって、下アームA1の電力用スイッチング素子S2の出力容量は、上アームA1のコンデンサC1の充電分だけ速く充電され、この結果、オフ時のスイッチング時間を早めることとなってスイッチング時間のばらつきが抑えられることとなる。
After time t8, the output current continues to flow through the lower arm diode D2, and as shown in FIG. 5, the output capacitance of the power switching element S2 is kept in the off state and fully charged, and the capacitor C1 The charge remains at zero.
Therefore, the output capacitance of the power switching element S2 of the lower arm A1 is charged faster by the charge of the capacitor C1 of the upper arm A1, and as a result, the switching time at the OFF time is shortened, and the variation in switching time is suppressed. Will be.

次に、上記図1の構成に等価な回路を用いて得たシミュレーション結果につき、出力容量充電促進回路を有しない回路(図12に示す。同図においてC3、C4はスイッチング素子S1、S2の出力容量である)での結果と比較して、以下に説明する。   Next, a simulation result obtained by using a circuit equivalent to the configuration of FIG. 1 described above is a circuit that does not have an output capacity charging acceleration circuit (shown in FIG. 12, in which C3 and C4 are the outputs of the switching elements S1 and S2). This will be described below in comparison with the result of (capacity).

まず、図12において、等価な部分には図1と同じ番号を付してある。ここで、この出力容量充電促進回路を有しない回路では、電力用スイッチング素子S1、S2としては、半導体素子の代わりにそれぞれ方形の電圧(ゲート電圧に相当)を供給可能な電圧源V1、また方形の電圧(ゲート電圧に相当)を供給可能な電源V2の大小に応じてオン・オフするスイッチを用いてシミュレーションしたが、本質的には変わらない。   First, in FIG. 12, the equivalent parts are given the same numbers as in FIG. Here, in the circuit that does not have the output capacity charging promotion circuit, as the power switching elements S1 and S2, a voltage source V1 that can supply a square voltage (corresponding to a gate voltage) instead of a semiconductor element, and a square Although a simulation was performed using a switch that turns on / off according to the magnitude of the power supply V2 that can supply the voltage (corresponding to the gate voltage), there is essentially no change.

そのシミュレーション結果を図13に示す。同図上段のタイム・チャートに示すように、下アームのゲート電圧をオン状態からオフ状態にし、デッド・タイムの後、上アームのゲート電圧をオフ状態からオン状態にすると、上アームと下アームとの接続点における出力電圧は、同図中段のタイム・チャートに示すように低電圧レベルであったものが、下側ゲート電圧が0になる時刻から徐々に立ち上がり2μs(デッド・タイムより短い)後により高レベルの一定値となる。また、上記2μs間での出力電圧の立ち上がり区間で、下側アーム側の出力容量C4を流れる電流は一時的に増大し、上側アームの出力容量C3を流れる電流は一時的に低減することが分かった。なお、この増減は、各鎖線や実線で示すように、負荷電流値によりばらつきを示す。   The simulation result is shown in FIG. As shown in the time chart at the top of the figure, when the gate voltage of the lower arm is changed from the on state to the off state, and the gate voltage of the upper arm is changed from the off state to the on state after the dead time, the upper arm and the lower arm As shown in the time chart in the middle of the figure, the output voltage at the connection point to the low voltage level gradually rises from the time when the lower gate voltage becomes 0 (shorter than the dead time). It becomes a constant value of higher level later. In addition, it can be seen that the current flowing through the output capacitor C4 on the lower arm side temporarily increases and the current flowing through the output capacitor C3 on the upper arm temporarily decreases during the rise period of the output voltage between 2 μs. It was. In addition, this increase / decrease shows dispersion | variation by load current value, as shown by each chain line or a solid line.

図6は、実施例1の回路と等価なシミュレーション回路である。なお、電源V3、電源V4は、方形の電圧をそれぞれ上アームの付加スイッチング素子M1、および下アームの付加スイッチング素子M2へ印加するゲート電圧源である。   FIG. 6 is a simulation circuit equivalent to the circuit of the first embodiment. The power supply V3 and the power supply V4 are gate voltage sources that apply a square voltage to the additional switching element M1 in the upper arm and the additional switching element M2 in the lower arm, respectively.

図7は、図6のシミュレーション回路でのシミュレーション結果を示すものである。同図1段目のタイム・チャートは電力用スイッチング素子S2でのコレクタ電流の変化を示し、同図第4段目の時間変化の結果を示す図に示すように、下アームのスイッチング素子M1のゲート電圧がオフになったとき、瞬時に減少・増加した後、変化前の値に戻る。   FIG. 7 shows a simulation result in the simulation circuit of FIG. The first stage time chart shows the change in the collector current in the power switching element S2, and as shown in the figure showing the result of the fourth stage time change, the lower arm switching element M1 When the gate voltage is turned off, it decreases and increases instantaneously and then returns to the value before the change.

同図2段目の時間変化の結果を示す図は、下側アームのコンデンサC2の電流、および上側アームのコンデンサC1の変化を示し、上記オフ時に、下側アームのコンデンサC2の電流は瞬時に増加して変化前の値に戻り、上側アームのコンデンサC1は瞬時に減少して変化前の値に戻る。   The figure showing the results of the time change in the second stage of the figure shows the current of the capacitor C2 of the lower arm and the change of the capacitor C1 of the upper arm. It increases and returns to the value before the change, and the upper arm capacitor C1 decreases instantaneously and returns to the value before the change.

同図第3段目の時間変化の結果を示す図は出力電圧の立ち上がりを示すが、この立ち上がり時間は0.1μsとなり、上記図12の回路における2μsと比べて非常に短くなり、コンデンサC1、C2と付加スイッチング素子M1、M2を追加したことにより、スイッチング時間の大幅な短縮が図れ、したがってそのばらつきが抑えられたことが分かる。   The figure showing the result of the time change in the third stage of the figure shows the rise of the output voltage, but this rise time is 0.1 μs, which is much shorter than 2 μs in the circuit of FIG. It can be seen that the addition of C2 and the additional switching elements M1 and M2 can greatly reduce the switching time, and thus the variation thereof is suppressed.

なお、シミュレーションにより、追加するコンデンサC1、C2の容量により、出力電圧の立ち上がり、立下りは変化する。図8にその容量を変化させたときの負荷電圧の波形の時間的変化の結果を示す。
同図から分かるように、一定値まで落ち着く時間は同じだが、容量が増えるほど、最初の瞬時の立ち上がり大きさが大きく、20nFでは、電力用スイッチング素子S1、S2に大電流が流れたときと同程度まで瞬時に立ち上がる。
Note that the rise and fall of the output voltage vary depending on the capacities of the added capacitors C1 and C2 by simulation. FIG. 8 shows the result of temporal change in the waveform of the load voltage when the capacitance is changed.
As can be seen from the figure, the time to settle down to a certain value is the same, but the larger the capacity, the larger the initial instantaneous rise, and at 20 nF, the same as when a large current flows through the power switching elements S1, S2. Stand up instantly to the extent.

なお、瞬時に負荷電圧が立ち上がってから一定値になるまでの期間は、負荷の微小電流に影響を受ける。この間は、負荷電流で充電、放電が進むためである。
追加したコンデンサC1、C2の容量による充電電流の部分は、これら追加した容量と上下アームの出力容量とによって立ち上がりの変化が決まる。
It should be noted that the period from the moment when the load voltage rises to a certain value is affected by the minute current of the load. This is because charging and discharging proceed with the load current during this period.
The rise of the charging current portion due to the added capacitors C1 and C2 is determined by the added capacitance and the output capacities of the upper and lower arms.

たとえば、出力容量を0.5nFとすると、同じ容量を追加した場合、追加容量÷(追加容量+上下アームの出力容量)=スイッチングの速い割合となることから、0.5nF÷(0.5nF+1nF)=0.33 となり、電圧変化量が33%速いことが分かる。
このように、実施例では、付加スイッチ素子S1、S2がONした直後に、出力容量×2(上下アームA1、A2の両方)とコンデンサC1、C2の容量との比で決まる電圧まで一気に変化することになる。
For example, assuming that the output capacity is 0.5 nF, when the same capacity is added, additional capacity / (additional capacity + output capacity of upper and lower arms) = fast switching rate, so 0.5 nF / (0.5 nF + 1 nF) = 0.33 and it can be seen that the voltage change amount is 33% faster.
As described above, in the embodiment, immediately after the additional switch elements S1 and S2 are turned ON, the voltage changes to a voltage determined by the ratio between the output capacitance × 2 (both upper and lower arms A1 and A2) and the capacitance of the capacitors C1 and C2. It will be.

以上からわかるように、実施例1のスイッチング回路にあっては、電力用スイッチング素子S1、S2をそれぞれ用いた上下アームにおいて、付加スイッチング回路M1、M2およびコンデンサC1、C2の直列回路を、電力用スイッチング素子S1、S2に並列に接続し、上記直列回路を動作させてこれと反対側のアームの電力用スイッチング素子S1、S2の出力容量の充電を促進させるようにした。これにより、簡単・安価な回路構成で、スイッチング時間のばらつきを抑えることが可能となる。
また、実施例1のスイッチング回路にあっては、コンデンサC1、C2を用いるので、短時間で充電できる。
As can be seen from the above, in the switching circuit of the first embodiment, in the upper and lower arms using the power switching elements S1 and S2, the series circuit of the additional switching circuits M1 and M2 and the capacitors C1 and C2 is used for power. The switching elements S1 and S2 are connected in parallel, and the series circuit is operated to promote the charging of the output capacities of the power switching elements S1 and S2 on the opposite side of the arm. This makes it possible to suppress variations in switching time with a simple and inexpensive circuit configuration.
Further, in the switching circuit of the first embodiment, since the capacitors C1 and C2 are used, charging can be performed in a short time.

次に、本発明に係る実施例2のスイッチング回路につき、説明する。実施例2では、実施例のスイッチング回路において、コンデンサC1、C2の代わりに抵抗を用いた点が異なり、他の構成は実施例1と同じである。   Next, a switching circuit according to a second embodiment of the present invention will be described. The second embodiment is different from the first embodiment in that a resistor is used instead of the capacitors C1 and C2 in the switching circuit of the second embodiment, and the other configuration is the same as that of the first embodiment.

すなわち、図9に示すように、実施例2のスイッチング回路では、 上アームA1は、電力用スイッチング素子S1にダイオード(いわゆる帰還ダイオード)D1と、抵抗1および付加スイッチング素子M1の直列接続回路(本発明の出力容量充電促進回路に相当)と、が並列に接続されて構成される。
同様に、下アームA2も、電力用スイッチング素子S2にダイオード(いわゆる帰還ダイオード)D2と、抵抗R2および付加スイッチング素子M2の直列接続回路と、が並列に接続されて構成される。上アームA1の電力用スイッチング素子S1のエミッタとした下アームA2の電力用スイッチング素子S2のコレクタとは接続されるとともに、これらの接続点は電気モータのコイルの一つに接続される。
In other words, as shown in FIG. 9, in the switching circuit of the second embodiment, the upper arm A1 includes a power switching element S1 and a diode (so-called feedback diode) D1, a resistor 1 and an additional switching element M1 connected in series. Equivalent to the output capacity charging promotion circuit of the invention) and connected in parallel.
Similarly, the lower arm A2 is configured by connecting a power switching element S2 to a diode (so-called feedback diode) D2 and a series connection circuit of a resistor R2 and an additional switching element M2 in parallel. The collector of the power switching element S2 of the lower arm A2 as the emitter of the power switching element S1 of the upper arm A1 is connected, and these connection points are connected to one of the coils of the electric motor.

この実施例2のスイッチング回路にあっても、実施例1のスイッチング回路と同様に動作するが、コンデンサC1、C2が抵抗R1、R2に代わっているので、電力用スイッチング素子S1、S2へのオフ信号入力と同時に、これらと反対側のアームの付加スイッチング素子M2、M1をオンにすることで、電力用スイッチング素子S1、S2から抵抗R2、R1へ電流を流すことで、電力用スイッチング素子S1、S2の出力容量への充電を促進する。この結果、低電流時における電力用スイッチング素子S1、S2のスイッチング時間は短くでき、またスイッチング時間のばらつきも抑えることが可能となる。   The switching circuit according to the second embodiment operates in the same manner as the switching circuit according to the first embodiment. However, since the capacitors C1 and C2 are replaced by the resistors R1 and R2, the power switching elements S1 and S2 are turned off. Simultaneously with the signal input, by turning on the additional switching elements M2 and M1 of the arm on the opposite side of these, the current switching elements S1 and Facilitates charging to the output capacity of S2. As a result, the switching time of the power switching elements S1 and S2 at a low current can be shortened, and variations in switching time can be suppressed.

以上から、分かるように、実施例2のスイッチング回路にあっては、電力用スイッチング素子S1、S2をそれぞれ用いた上下アームにおいて、付加スイッチング回路M1、M2および抵抗R1、R2の直列回路を、電力用スイッチング素子S1、S2に並列に接続し、上記直列回路を動作させてこれと反対側のアームの電力用スイッチング素子S1、S2の出力容量の充電を促進させるようにした。これにより、簡単・安価な回路構成で、スイッチング時間のばらつきを抑えることが可能となる。
また、実施例2のスイッチング回路にあっては、抵抗R1、R2を用いるので、回路構成がより簡単となり、スイッチング時間を調整するだけで必要なだけ充電を行うことができる。
As can be seen from the above, in the switching circuit of the second embodiment, in the upper and lower arms using the power switching elements S1 and S2, the series circuit of the additional switching circuits M1 and M2 and the resistors R1 and R2, respectively, The switching circuits S1 and S2 are connected in parallel, and the series circuit is operated to promote charging of the output capacitances of the power switching elements S1 and S2 on the opposite side of the arm. This makes it possible to suppress variations in switching time with a simple and inexpensive circuit configuration.
In addition, since the resistors R1 and R2 are used in the switching circuit according to the second embodiment, the circuit configuration becomes simpler, and charging can be performed as necessary only by adjusting the switching time.

以上、本発明を上記各実施例に基づき説明してきたが、本発明はこれらの実施例に限られず、本発明の要旨を逸脱しない範囲で設計変更等があった場合でも、本発明に含まれる。   The present invention has been described based on the above embodiments. However, the present invention is not limited to these embodiments, and is included in the present invention even when there is a design change or the like without departing from the gist of the present invention. .

たとえば、電力用スイッチング素子S1、S2および付加スイッチング素子M1、M2には、適当な種々の半導体スイッチング素子を用いることができる。     For example, various suitable semiconductor switching elements can be used for the power switching elements S1 and S2 and the additional switching elements M1 and M2.

また、本発明のスイッチング回路は、電気自動車の電気モータ駆動回路に限られず、その他の負荷回路に用いるようにしてもよい。
また、モータに用いる場合には、三相交流モータに限られない。
The switching circuit of the present invention is not limited to an electric motor drive circuit of an electric vehicle, and may be used for other load circuits.
Moreover, when using for a motor, it is not restricted to a three-phase alternating current motor.

A1 上アーム
A2 下アーム
C1、C2 コンデンサ
C3、C4 出力容量
D1、D2 ダイオード
M1、M2 付加スイッチング素子
S1、S2 電力用スイッチング素子
A1 Upper arm
A2 Lower arm
C1, C2 capacitors
C3, C4 output capacity
D1, D2 diode
M1, M2 additional switching element
S1, S2 Power switching elements

Claims (3)

電力用スイッチング素子をそれぞれ有する上アームおよび下アームと、
前記電力用スイッチング素子のスイッチング動作に応じて該電力用スイッチング素子を有するアームとは反対側のアームにそれぞれ設けられた追加スイッチング素子を動作させることで電力用スイッチング素子の出力容量を充電する出力容量充電促進回路と、
を備えたことを特徴とするスイッチング回路。
An upper arm and a lower arm each having a power switching element;
An output capacity for charging the output capacity of the power switching element by operating an additional switching element provided on an arm opposite to the arm having the power switching element according to the switching operation of the power switching element. A charge acceleration circuit;
A switching circuit comprising:
請求項1に記載のスイッチング回路において、
前記出力容量充電促進回路は、前記追加スイッチング素子にコンデンサが直列接続された直列接続回路であり、
該直列接続回路は、前記電力用スイッチング素子に並列に接続されている、
ことを特徴とするスイッチング回路。
The switching circuit according to claim 1,
The output capacity charging promotion circuit is a series connection circuit in which a capacitor is connected in series to the additional switching element,
The series connection circuit is connected in parallel to the power switching element.
A switching circuit characterized by that.
請求項1に記載のスイッチング回路において、
前記出力容量充電促進回路は、前記追加スイッチング素子に抵抗が直列接続された直列接続回路であり、
該直列接続回路は、前記電力用スイッチング素子に並列に接続されている、
ことを特徴とするスイッチング回路。
The switching circuit according to claim 1,
The output capacity charging promotion circuit is a series connection circuit in which a resistor is connected in series to the additional switching element,
The series connection circuit is connected in parallel to the power switching element.
A switching circuit characterized by that.
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