JP2013013220A - 電力変換装置 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】FET1a、FET1bとFET1a、FET1bに逆並列接続された還流ダイオードD1a、D1bとにより半導体スイッチS1a、S1bを構成し、スイッチング動作を行う2個1組の半導体スイッチS1a、S1bと、平滑コンデンサC1とを有し、半導体スイッチS1a、S1bのFET1a、FET1bの相補的スイッチング動作により電力変換を行う電力変換装置10において、半導体スイッチS1a、S1bに流れる電流の向きを検出する電流センサCS1と、半導体スイッチS1a、S1bに流れる電流の向きが負であるときに、半導体スイッチS1a、S1bのPWMゲート信号のオン信号を間引くゲート生成部11を備えた。
【選択図】図1
Description
図1は、この発明の実施の形態1に係る電力変換装置の主回路と制御部の構成を示す電気回路図である。
実施の形態1に係る電力変換装置10は、電圧端子VHと電圧端子VL間の直流電圧V1を、一組の半導体スイッチS1a、S1bの相補的スイッチング動作により、矩形波状の電圧にして電圧端子VM1に出力する機能を備える電圧形の電力変換装置である。
半導体スイッチS1aを構成するFET1aのソース端子は平滑コンデンサC1の低電圧側端子VLに、そのドレイン端子は電圧端子VM1に接続されている。また、半導体スイッチS1bを構成するFET1bのソース端子は電圧端子VM1に、そのドレイン端子は平滑コンデンサC1の高電圧側端子VHに接続されている。そして、半導体スイッチS1a、S1bと電圧源として機能する平滑コンデンサC1により電圧形の電力変換装置10が構成されている。
図2において、コンデンサC1の高電圧側端子VHにはコンデンサCHの高電圧側端子が、コンデンサC1の低電圧側端子VLにはコンデンサCLの低電圧側端子が接続され、コンデンサCHの低電圧側端子とコンデンサCLの高電圧側端子が電圧端子VN1に接続されている。コンデンサCH、CLはコンデンサC1の電圧V1を分割し平滑化する平滑用コンデンサである。
図7は、相補スイッチングモードのときの動作波形図である。つまり、図7は、電流IM1の実効値が閾値IM1th未満の小さいときの動作波形図である。図8は、間引きスイッチングモードのときの波形図である。つまり、図8は、電流IM1の実効値が閾値IM1th以上の大きいときの動作波形図である。
PWM生成部110では、入力された正弦波状の電圧指令値VM1*に基づいて、相補PWM信号G1a’、G1b’が出力される。
電流IM1の実効値が閾値IM1th未満で小さいため、モード選択部111において、モード信号Mode=相補スイッチングモードを出力する。ゲート間引き部112に、モード信号=相補スイッチングモードが入力されるため、ゲート信号G1a、G1bはG1a=G1a’、G1b=G1b’となり、デッドタイム以外の期間において相補的に動作する信号が出力される。
ゲート信号G1aがオン信号のときには半導体スイッチS1aのFET1aが導通し、ゲート信号G1bがオン信号のときには半導体スイッチS1bのFET1bが導通する。また、ゲート信号G1a、G1bがともにオフ信号(デッドタイム)のときには、電流IM1が正であれば還流ダイオードDa1が導通し、電流IM1が負であれば還流ダイオードDb1が導通する。
PWM生成部110では、相補スイッチングモードのときと同様に、入力された正弦波状の電圧指令値VM1*に基づいて、相補PWM信号G1a’、G1b’が出力される。
電流IM1の実効値が閾値IM1th以上で大きいため、モード選択部111で、モード信号Mode=間引きスイッチングモードを出力する。ゲート間引き部112にモード信号=間引きスイッチングモードが入力されるため、ゲート信号G1a、G1bはゲート信号G1a’、G1b’に対して、半導体スイッチS1a、S1bの電流が負であるときに、オン信号を間引いた間引きゲート信号となる。
電流IM1が正であり(半導体スイッチS1aの通電電流が負であり)、電流IM1が閾値Ip(0以上の閾値)以上のときには、ゲート信号S1aのオン信号が間引かれ、オフ信号となる。このとき、半導体スイッチS1aの電流は、FET1aを流れず還流ダイオードD1aを流れる。また、電流IM1が正であり、閾値Ip未満のときには、ゲート信号S1a、S1bは相補信号であり、半導体スイッチS1aの電流は、デッドタイムの期間以外は、FET1aを流れる。このため、閾値Ipの値を調整することにより、FET1aとDa1の通電の時間比率を変更することができる。
次に、この発明の実施の形態2に係る電力変換装置について説明する。図11は、実施の形態2に係る電力変換装置の主回路と制御部の構成を示す電気回路図である。
半導体スイッチS2aのFET2aのソース端子は平滑コンデンサC11の低電圧側端子に、そのドレイン端子は電圧端子VM1に接続されている。半導体スイッチS2bのFET2bのソース端子は電圧端子VM1に、そのドレイン端子は平滑コンデンサC11の高電圧側端子に接続されている。半導体スイッチS3aのFET3aのソース端子は平滑コンデンサC1の低電圧側端子VLに、そのドレイン端子はコンデンサC11の低電圧側端子に接続されている。半導体スイチS3bのFET3bのソース端子はコンデンサC11の高電圧側端子に、そのドレイン端子は平滑コンデンサC1の高電圧側端子VHに接続されている。
半導体スイッチS2aおよびS2b、S3aおよびS3bはスイッチング動作により一方のみが導通するため、実施の形態1と同様に、電流センサCS1は、電圧端子VM1−VMM1間の電流だけでなく、半導体スイッチS2aおよびS2b、S3aおよびS3bの電流を検出する役割も有する。
11、12、13 ゲート生成部
60、62 半田
61 ヒートスプレッダ
63 絶縁シート
64 銅箔、
65 グリス
66 ヒートシンク
101a、101b、102a、102b、103a、103b ゲート駆動回路
110 PWM生成部
111 モード選択部
112 ゲート間引き部
C1、C2、C11、CH、CL コンデンサ
S1a、S1b、S2a、S2b、S3a、S3b 半導体スイッチング素子
FET1a、FET1b、FET2a、FET2b、FET3a、FET3b FET
D1a、D1b、D2a、D2b、D3a、D3b 還流ダイオード
CS1 電流センサ
VH、VL、VH-U、VH-V、VH-W、VL-U、VL-V、VL-W、VM1、VMM1、VMM1-U、VMM1-V、VMM1-W、VN1 電圧端子
G1a、G1b、G2a、G2b、G3a、G3b、G1a’、G1b’ ゲート信号
Mode モード信号
Vs1 バッテリ
L インダクタ、MG 電動発電機、
Load、Loaddc 負荷
Claims (9)
- FETと前記FETに逆並列接続された還流ダイオードとにより半導体スイッチを構成し、スイッチング動作を行う2個1組の半導体スイッチと、平滑コンデンサと、を有し、前記2個1組の半導体スイッチの一方のみが通電し、スイッチング動作により電力変換を行う電圧形の電力変換装置において、
前記半導体スイッチに流れる電流の向きを検出する手段と、
前記半導体スイッチに流れる電流の向きが負であるときに、前記半導体スイッチのPWMゲート信号を、相補のゲート信号に対して、オン信号の一部またはすべてを間引いたゲート信号とする制御部と、を備えたことを特徴とする電力変換装置。 - 前記2個1組の半導体スイッチをn組、前記平滑コンデンサをn個としたとき、n=1であることを特徴とする請求項1に記載の電力変換装置。
- 前記2個1組の半導体スイッチをn組、前記平滑コンデンサをn個としたとき、n=2であることを特徴とする請求項1に記載の電力変換装置。
- 前記半導体スイッチに流れる電流の大きさを検出する手段を備え、
前記制御部は、
前記半導体スイッチに流れる電流の大きさが所定の閾値以上で大きく、前記半導体スイッチの電流の向きが負であるときには、前記PWMゲート信号を、相補のゲート信号に対してオン信号の一部またはすべてを間引いたゲート信号とし、
前記半導体スイッチに流れる電流が前記所定の閾値未満で小さいときには、相補のゲート信号として出力することを特徴とする請求項1〜3の何れか一項に記載の電力変換装置。 - 前記半導体スイッチの温度を検出する手段を備え、
前記制御部は、
前記半導体スイッチが所定の温度以上の高温であり前記半導体スイッチに流れる電流の向きが負であるときに前記PWMゲート信号を、相補のゲート信号に対してオン信号の一部またはすべてを間引いたゲート信号とし、
前記半導体スイッチが前記所定の温度未満の低温のときに相補のゲート信号を出力することを特徴とする請求項1〜3の何れか一項に記載の電力変換装置。 - 前記半導体スイッチを冷却するヒートシンクの温度を検出する手段を備え、
前記制御部は、
前記ヒートシンクが所定の温度以上の高温であり前記半導体スイッチに流れる電流の向きが負であるときに前記PWMゲート信号を、相補のゲート信号に対してオン信号の一部またはすべてを間引いたゲート信号とし、
前記ヒートシンクが前記所定の温度未満の低温のときに相補のゲート信号を出力することを特徴とする請求項1〜3の何れか一項に記載の電力変換装置。 - 前記半導体スイッチを冷却するヒートシンクの冷媒の温度を検出する手段を備え、
前記制御部は、
前記冷媒が所定の温度以上の高温であり前記半導体スイッチに流れる電流の向きが負であるときに前記PWMゲート信号を、相補のゲート信号に対してオン信号の一部またはすべてを間引いたゲート信号とし、
前記冷媒が前記所定の温度未満の低温のときに相補のゲート信号を出力することを特徴とする請求項1〜3の何れか一項に記載の電力変換装置。 - 前記FETが、SiCやGaNなどのワイドバンドギャップ半導体であることを特徴とする請求項1〜7の何れか一項に記載の電力変換装置。
- 前記還流ダイオードが、SiCやGaNなどのワイドバンドギャップ半導体を用いたショットキーバリアダイオードであることを特徴とする請求項1〜8の何れか一項に記載の電力変換装置。
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