JP2014138538A - Power conversion device - Google Patents

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a power conversion device having a simple configuration, capable of highly accurately detecting, via an insulating circuit, a current flowing through each of a plurality of semiconductor switching elements provided in a power semiconductor module.SOLUTION: The power conversion device is provided with a power semiconductor module and a control circuit therefor insulated and separated from each other via an insulating circuit. The power semiconductor module is provided with: a sample hold circuit which holds a voltage corresponding to a current detected by a current detection circuit for detecting a current flowing through a semiconductor switching element, for a fixed period of time and transmits the held voltage to the control circuit via the insulating circuit; and a sample signal generation circuit which generates a sample signal for driving the sample hold circuit on the basis of a gate driving signal transmitted from the control circuit via the insulating circuit.

Description

本発明は、複数の半導体スイッチング素子を備えたパワー半導体モジュールと、前記複数の半導体スイッチング素子をそれぞれスイッチング駆動する制御回路との間を絶縁分離した電力変換装置に関する。   The present invention relates to a power conversion device in which a power semiconductor module including a plurality of semiconductor switching elements and a control circuit for switching and driving each of the plurality of semiconductor switching elements are insulated and separated.

スイッチング駆動されるIGBT等の半導体スイッチング素子を備えて、インバータ装置やチョッパ回路等を構成する電力変換装置は、各種の用途に幅広く用いられる。図7は三相交流モータ(負荷)Mを駆動するインバータ装置(電力変換装置)の概略構成図である。このインバータ装置は、複数(6個)の半導体スイッチング素子(例えばIGBT)Q1,Q2〜Q6を備えてパッケージ化されたパワー半導体モジュール10と、前記各半導体スイッチング素子Q1,Q2〜Q6を互いに関連させてオン・オフ駆動する制御回路20とを備えて構成される。   BACKGROUND ART A power conversion device that includes a semiconductor switching element such as an IGBT that is driven for switching and constitutes an inverter device, a chopper circuit, or the like is widely used for various applications. FIG. 7 is a schematic configuration diagram of an inverter device (power converter) that drives a three-phase AC motor (load) M. This inverter device associates the power semiconductor module 10 packaged with a plurality (six) semiconductor switching elements (for example, IGBTs) Q1, Q2 to Q6 and the semiconductor switching elements Q1, Q2 to Q6. And a control circuit 20 that is turned on / off.

前記半導体スイッチング素子Q1,Q2〜Q6は、2個ずつ対をなして直列に接続されて3個のハーフブリッジ回路HBをそれぞれ形成している。また前記各半導体スイッチング素子Q1,Q2〜Q6には、複数(6個)のフリーホイリング・ダイオードD1,D2〜D6がそれぞれ逆並列に接続されている。これらの3個のハーフブリッジ回路HBは並列に設けられて前記負荷Mの駆動回路を構成する。   The semiconductor switching elements Q1, Q2 to Q6 are connected in series in pairs of two to form three half bridge circuits HB. A plurality (six) of freewheeling diodes D1, D2 to D6 are connected in antiparallel to each of the semiconductor switching elements Q1, Q2 to Q6. These three half-bridge circuits HB are provided in parallel to constitute a drive circuit for the load M.

前記各ハーフブリッジ回路HBは、該ハーフブリッジ回路HBをそれぞれ構成する前記半導体スイッチング素子Q1,Q4の直列接続点、前記半導体スイッチング素子Q2,Q5、および前記半導体スイッチング素子Q3,Q6の直列接続点から、位相を120°異にする3相(U相,V相,W相)の電流を前記負荷Mに供給する。従って前記3個の各ハーフブリッジ回路HBは、前記負荷Mを駆動する三相のフルブリッジ回路を形成する。   Each of the half bridge circuits HB includes a series connection point of the semiconductor switching elements Q1 and Q4, a series connection point of the semiconductor switching elements Q2 and Q5, and a series connection point of the semiconductor switching elements Q3 and Q6 that constitute the half bridge circuit HB. , Three-phase (U-phase, V-phase, W-phase) currents having phases different by 120 ° are supplied to the load M. Accordingly, the three half-bridge circuits HB form a three-phase full-bridge circuit that drives the load M.

一方、前記制御回路20は、例えばCPU等の演算装置21を含み、前記各ハーフブリッジ回路HBの出力電流に従って前記半導体スイッチング素子Q1,Q2〜Q6をそれぞれオン・オフ制御する制御信号を生成する制御部22を備える。また前記制御回路20には、該制御回路20に付随して前記制御部22が生成した前記各制御信号に従って前記各半導体スイッチング素子Q1,Q2〜Q6をそれぞれオン・オフ駆動するゲート駆動信号Vg1,Vg2〜Vg6を出力する駆動回路23が設けられる。   On the other hand, the control circuit 20 includes an arithmetic unit 21 such as a CPU, for example, and generates a control signal for controlling on / off of the semiconductor switching elements Q1, Q2 to Q6 according to the output current of each half bridge circuit HB. The unit 22 is provided. The control circuit 20 also includes gate drive signals Vg1, for driving the semiconductor switching elements Q1, Q2-Q6 on and off in accordance with the control signals generated by the control unit 22 accompanying the control circuit 20. A drive circuit 23 for outputting Vg2 to Vg6 is provided.

尚、前記制御部22による制御動作に必要な前記各半導体スイッチング素子Q1,Q2〜Q6の出力電流の情報は、例えば前記半導体スイッチング素子Qおよび前記フリーホイリング・ダイオードDが備える電流検出端子を利用して当該半導体スイッチング素子Qおよび/またはフリーホイリング・ダイオードDに流れる電流を検出して求められる(例えば特許文献1,2を参照)。   The information on the output current of each of the semiconductor switching elements Q1, Q2 to Q6 required for the control operation by the control unit 22 uses, for example, current detection terminals provided in the semiconductor switching element Q and the freewheeling diode D. Thus, the current flowing through the semiconductor switching element Q and / or the freewheeling diode D is detected (see, for example, Patent Documents 1 and 2).

具体的には前記半導体スイッチング素子Qにそれぞれ流れる電流は、例えば各半導体スイッチング素子Qが備える電流検出端子(補助エミッタ)にそれぞれ接続された電流検出回路11a,11b,11cを用いて検出される。これらの電流検出回路11a,11b,11cを用いて検出される電流は、前記半導体スイッチング素子Qのスイッチング動作周期に同期したパルス状の離散的な正弦波電流波形となる。   Specifically, the current flowing through each of the semiconductor switching elements Q is detected using, for example, current detection circuits 11a, 11b, and 11c connected to current detection terminals (auxiliary emitters) included in each semiconductor switching element Q, for example. The current detected using these current detection circuits 11a, 11b, and 11c becomes a pulse-like discrete sinusoidal current waveform synchronized with the switching operation cycle of the semiconductor switching element Q.

特開2000−134855号公報JP 2000-134855 A 特開2003−274667号公報JP 2003-274667 A

ところで前述したインバータ装置(電力変換装置)においては安全性の観点から、例えば大電流・高電圧が印加される前記パワー半導体モジュール10と、前記制御回路20との間を電気的に絶縁することが要求される。この電気的な絶縁は、例えば図7に示すように前記電流検出回路11(11a,11b,11c)と前記演算装置21との間に絶縁回路25(25a,25b,25c)を設けると共に、前記制御部22と前記駆動回路23との間に絶縁回路26を設けることによって実現される。これらの絶縁回路25,26は、例えば電圧信号を変調してトランスの一次側に印加し、該トランスの二次側から出力される信号を復調して前記電圧信号を復元する絶縁増幅器からなる。   By the way, in the inverter device (power conversion device) described above, from the viewpoint of safety, for example, the power semiconductor module 10 to which a large current / high voltage is applied and the control circuit 20 may be electrically insulated. Required. For this electrical insulation, for example, as shown in FIG. 7, an insulation circuit 25 (25a, 25b, 25c) is provided between the current detection circuit 11 (11a, 11b, 11c) and the arithmetic unit 21. This is realized by providing an insulating circuit 26 between the control unit 22 and the drive circuit 23. These insulation circuits 25 and 26 are composed of, for example, an insulation amplifier that modulates a voltage signal and applies it to the primary side of the transformer and demodulates a signal output from the secondary side of the transformer to restore the voltage signal.

ここで前記半導体スイッチング素子Q1,Q2〜Q6の駆動側に設けられる前記絶縁回路26は、各半導体スイッチング素子Q1,Q2〜Q6に対するオン・オフ制御信号(デジタル信号)を伝達するだけである。これに対してフィードバック系に設けられる前記絶縁回路25は、前述した離散的な正弦波電流波形からなる前記電流検出回路11の出力電圧(アナログ信号)を伝達することが必要である。これ故、前記絶縁回路25を介する信号伝達においては、以下に説明するような問題を含む。   Here, the insulation circuit 26 provided on the driving side of the semiconductor switching elements Q1, Q2 to Q6 only transmits an on / off control signal (digital signal) to each of the semiconductor switching elements Q1, Q2 to Q6. On the other hand, the insulation circuit 25 provided in the feedback system needs to transmit the output voltage (analog signal) of the current detection circuit 11 having the discrete sine wave current waveform described above. Therefore, the signal transmission through the insulating circuit 25 has the following problems.

即ち、前記電流検出回路11の出力電圧は、前記半導体スイッチング素子Qのスイッチングに同期して該半導体スイッチング素子Qにそれぞれ断続して流れる電流に相当したものであり、波高値(電圧)が変化するパルス状の波形からなる。このような前記電流検出回路11の出力電圧を前記絶縁回路25を介して伝達すると、該絶縁回路25の応答特性(応答遅延時間)に起因してその出力電圧が、その立ち上がりエッジで大きく歪むことが否めない。   That is, the output voltage of the current detection circuit 11 corresponds to a current that flows intermittently through the semiconductor switching element Q in synchronization with the switching of the semiconductor switching element Q, and the peak value (voltage) changes. It consists of a pulsed waveform. When the output voltage of the current detection circuit 11 is transmitted through the insulation circuit 25, the output voltage is greatly distorted at the rising edge due to the response characteristic (response delay time) of the insulation circuit 25. I can't deny it.

具体的には前記半導体スイッチング素子Qのスイッチング周期が100μ秒であって、前記ハーフブリッジ回路HBにおける下側アームの半導体スイッチング素子Qのオン幅を規定するデューティ比指令値が10%(10μ秒)であるとする。この場合、例えば応答遅延時間が10μ秒である前記絶縁回路25の出力電圧は略三角波状となる。すると前記絶縁回路25の出力電圧は、1サイクル平均で該絶縁回路25の入力電圧の略1/2に低下する。しかも前記デューティ比指令値が更に小さくなると、前記絶縁回路25の応答遅延時間の影響を受けることで該絶縁回路25の入出力電圧の誤差が益々大きくなる。   Specifically, the switching period of the semiconductor switching element Q is 100 μsec, and the duty ratio command value that defines the ON width of the semiconductor switching element Q of the lower arm in the half bridge circuit HB is 10% (10 μsec) Suppose that In this case, for example, the output voltage of the insulating circuit 25 having a response delay time of 10 μs is substantially triangular. Then, the output voltage of the insulating circuit 25 is reduced to about ½ of the input voltage of the insulating circuit 25 on an average for one cycle. In addition, when the duty ratio command value is further reduced, the error in the input / output voltage of the insulation circuit 25 becomes larger due to the influence of the response delay time of the insulation circuit 25.

尚、前記ハーフブリッジ回路HBを構成する下側アームの半導体スイッチング素子Qに並列接続したフリーホイリング・ダイオードDから、上側アームの半導体スイッチング素子Qに流れる電流を等価的に検出して前記制御回路20側に伝達する場合にも、同様な問題が生じる。これ故、前記絶縁回路25を介して伝達された信号は、前記電流検出回路11の出力電圧とは大幅に異なる大きな誤差を含むものとなる。すると前記制御回路20においては、前述した如く検出される電流に従って前記各半導体スイッチング素子Q1,Q2〜Q6をそれぞれ精度良くスイッチング制御することができないと言う問題が生じる。   The control circuit is configured to detect equivalently a current flowing through the upper arm semiconductor switching element Q from a freewheeling diode D connected in parallel to the lower arm semiconductor switching element Q constituting the half bridge circuit HB. The same problem occurs when transmitting to the 20 side. Therefore, the signal transmitted through the insulation circuit 25 includes a large error that is significantly different from the output voltage of the current detection circuit 11. Then, in the control circuit 20, there arises a problem that switching control of each of the semiconductor switching elements Q1, Q2 to Q6 cannot be performed with high accuracy according to the current detected as described above.

本発明はこのような事情を考慮してなされたもので、その目的は、パワー半導体モジュールにおける半導体スイッチング素子に流れる電流の検出情報を、絶縁回路を介して制御回路に精度良く伝達し、これによって前記半導体スイッチング素子を安定に、且つ精度良くスイッチング制御することのできる簡易な構成の電力変換装置を提供することにある。   The present invention has been made in view of such circumstances, and its purpose is to accurately transmit detection information of a current flowing through a semiconductor switching element in a power semiconductor module to a control circuit via an insulating circuit, thereby An object of the present invention is to provide a power converter having a simple configuration capable of stably and accurately controlling the semiconductor switching element.

本発明は、直列に接続されてハーフブリッジ回路を形成し、互いに関連してオン・オフ駆動される一対または複数対の半導体スイッチング素子(例えばIGBT)、および前記各半導体スイッチング素子にそれぞれ逆並列に設けられる複数のフリーホイリング・ダイオードを備えたパワー半導体モジュールと、絶縁回路を介して前記パワー半導体モジュールから絶縁分離して設けられて前記各半導体スイッチング素子をそれぞれオン・オフ駆動するゲート駆動信号を生成する制御回路とを備えた電力変換装置に係る。   The present invention relates to a pair of semiconductor switching elements (for example, IGBTs) connected in series to form a half-bridge circuit and driven to be turned on / off in relation to each other, and the semiconductor switching elements are anti-parallel to each other. A power semiconductor module having a plurality of freewheeling diodes provided, and a gate drive signal provided to be isolated from the power semiconductor module via an insulation circuit and driving each semiconductor switching element on and off. The present invention relates to a power conversion device including a control circuit to be generated.

特に本発明に係る電力変換装置は前述した目的を達成するべく、前記パワー半導体モジュールに、前記ハーフブリッジ回路に流れる電流を検出する電流検出回路にて検出された電流に相当する電圧を一定期間保持し、保持した電圧を前記絶縁回路を介して前記制御回路に伝達するサンプルホールド回路を設け、更に前記絶縁回路を介して前記制御回路から伝達された前記ゲート駆動信号に基づいて前記サンプルホールド回路を駆動するサンプル信号を生成するサンプル信号生成回路を設けたことを特徴としている。   In particular, the power conversion device according to the present invention holds the voltage corresponding to the current detected by the current detection circuit that detects the current flowing through the half-bridge circuit for a certain period in the power semiconductor module in order to achieve the above-described object. A sample-and-hold circuit that transmits the held voltage to the control circuit via the isolation circuit; and further, the sample-and-hold circuit based on the gate drive signal transmitted from the control circuit via the isolation circuit. A sample signal generation circuit for generating a sample signal to be driven is provided.

ちなみに前記電流検出回路は、例えば前記半導体スイッチング素子に流れる電流、および前記フリーホイリング・ダイオードに流れる電流をそれぞれ検出する第1および第2の電流検出器と、これらの第1および第2の電流検出回路の各出力を加算する加算器とにより構成される。また前記サンプルホールド回路については、前記半導体スイッチング素子のスイッチング周期に同期して前記電流検出回路の出力信号をサンプリングして、次のサンプリング・タイミングまで保持するように構成される。   Incidentally, the current detection circuit includes, for example, first and second current detectors for detecting a current flowing through the semiconductor switching element and a current flowing through the freewheeling diode, and the first and second currents. And an adder for adding the outputs of the detection circuit. The sample hold circuit is configured to sample the output signal of the current detection circuit in synchronization with the switching period of the semiconductor switching element and hold it until the next sampling timing.

好ましくは、前記サンプル信号生成回路は、例えば前記絶縁回路を介して前記制御回路から伝達された前記ゲート駆動信号を波形整形して当該ゲート駆動信号のパルス幅を検出するパルス幅計測回路と、波形整形した前記ゲート駆動信号の立ち上がりタイミングを基準として前記パルス幅計測手段が1周期前のゲート駆動信号から検出したパルス幅の1/2の時間が経過したタイミングで前記サンプル信号を生成するパルス生成回路とを備えて構成される。   Preferably, the sample signal generation circuit includes, for example, a pulse width measurement circuit that shapes a waveform of the gate drive signal transmitted from the control circuit via the isolation circuit and detects a pulse width of the gate drive signal, and a waveform A pulse generation circuit that generates the sample signal at a timing when ½ of the pulse width detected by the pulse width measuring unit from the gate drive signal of the previous cycle has elapsed with reference to the rising timing of the shaped gate drive signal And is configured.

また前記パワー半導体モジュールは、例えば三相交流電源の各相に対応する3組のハーフブリッジ回路を構成する6個の半導体スイッチング素子、および6個のフリーホイリング・ダイオードを備えて三相交流負荷に対するインバータ装置を形成したものである。この場合、前記制御回路は、前記ハーフブリッジ回路から出力される電流が正弦波となるように前記ゲート駆動信号のパルス幅を制御するように構成される。   In addition, the power semiconductor module includes, for example, six semiconductor switching elements constituting six pairs of half-bridge circuits corresponding to each phase of a three-phase AC power supply, and six freewheeling diodes. An inverter device is formed. In this case, the control circuit is configured to control the pulse width of the gate drive signal so that the current output from the half-bridge circuit is a sine wave.

或いは前記パワー半導体モジュールは、1組または2組のハーフブリッジ回路を構成する一対または二対の前記半導体スイッチング素子、および前記各半導体スイッチング素子にそれぞれ逆並列に接続される前記フリーホイリング・ダイオードをそれぞれ備え、
前記1組または2組のハーフブリッジ回路の出力端にインダクタンスを介して接続される出力回路と協働して、前記インダクタンスに流れる電流を制御して前記出力回路に所定の電圧を得るコンバータ装置を形成したものからなる。
Alternatively, the power semiconductor module includes one or two pairs of semiconductor switching elements constituting one or two pairs of half-bridge circuits, and the freewheeling diodes connected in antiparallel to the semiconductor switching elements, respectively. With each
A converter device for controlling a current flowing through the inductance to obtain a predetermined voltage in the output circuit in cooperation with an output circuit connected to an output terminal of the one or two sets of half-bridge circuits via an inductance. It consists of what was formed.

上記構成の電力変換装置によれば、前記半導体スイッチング素子に流れるパルス状の離散的な正弦波電流を検出する前記電流検出回路の出力電圧を、前記半導体スイッチング素子のスイッチング動作周期に同期して前記サンプルホールド回路に保持する。そしてこのサンプルホールド回路に保持した電圧を前記絶縁回路を介して制御回路に伝達する。従って前記絶縁回路を介して伝達される電圧に、該絶縁回路の応答特性(応答遅延時間)の起因する歪が生じることがなく、前記制御回路は前記半導体スイッチング素子に流れる電流の情報を精度良く取得することができる。   According to the power conversion device having the above configuration, the output voltage of the current detection circuit that detects a pulse-like discrete sine wave current flowing in the semiconductor switching element is synchronized with the switching operation cycle of the semiconductor switching element. Hold in the sample hold circuit. Then, the voltage held in the sample and hold circuit is transmitted to the control circuit via the insulating circuit. Therefore, the voltage transmitted through the insulating circuit is not distorted due to the response characteristic (response delay time) of the insulating circuit, and the control circuit accurately obtains information on the current flowing through the semiconductor switching element. Can be acquired.

また前記サンプルホールド回路を駆動するサンプル信号を、前記絶縁回路を介して前記制御回路から伝達されたゲート駆動信号に基づいて生成するので、前記スイッチング素子の動作周期に同期させて前記電流検出回路の出力電圧を簡易にして精度良くサンプルし、これを前記スイッチング素子の1動作周期に亘って保持することができる。これ故、前記半導体スイッチング素子に流れる電流の前記制御回路における検出精度を十分に高めて該半導体スイッチング素子に対する制御精度を高くすることができる。   Further, since the sample signal for driving the sample hold circuit is generated based on the gate drive signal transmitted from the control circuit via the isolation circuit, the current detection circuit of the current detection circuit is synchronized with the operation cycle of the switching element. The output voltage can be simplified and sampled accurately, and this can be held for one operation cycle of the switching element. Therefore, the detection accuracy in the control circuit of the current flowing through the semiconductor switching element can be sufficiently increased, and the control accuracy for the semiconductor switching element can be increased.

しかも前述した如く前記絶縁回路を介して前記制御回路から伝達されたゲート駆動信号に基づいて前記サンプル信号を生成するので、例えばゲート駆動信号の生成に用いられるキャリアクロック信号を、別途、絶縁回路を介して伝達する必要がない。従って前記パワー半導体モジュール側と前記制御回路側とを簡易にして効果的に絶縁分離することが可能となる。これ故、前記パワー半導体モジュールおよび前記制御回路のプリント回路基板への実装の容易化を図ると共に、プリント回路基板に対する部品配置等の実装上の制約を緩和して、電力変換装置全体のコンパクト化を図ることができる等の効果が奏せられる。   In addition, as described above, since the sample signal is generated based on the gate drive signal transmitted from the control circuit via the isolation circuit, for example, a carrier clock signal used for generation of the gate drive signal is separately supplied from the isolation circuit. No need to communicate through. Therefore, the power semiconductor module side and the control circuit side can be simplified and effectively insulated and separated. Therefore, the power semiconductor module and the control circuit can be easily mounted on a printed circuit board, and restrictions on mounting such as component placement on the printed circuit board can be eased to make the entire power converter compact. An effect such as being able to be achieved is exhibited.

本発明の一実施形態に係る電力変換装置の要部概略構成図。The principal part schematic block diagram of the power converter device which concerns on one Embodiment of this invention. 図1に示す電力変換装置における電流検出回路の構成例を示す図。The figure which shows the structural example of the current detection circuit in the power converter device shown in FIG. 図1に示す電力変換装置におけるサンプルホールド回路の構成例を示す図。The figure which shows the structural example of the sample hold circuit in the power converter device shown in FIG. 図1に示す電力変換装置におけるサンプル信号生成回路の構成例を示す図。The figure which shows the structural example of the sample signal generation circuit in the power converter device shown in FIG. サンプル信号の生成と電流検出動作を示す信号波形図。FIG. 6 is a signal waveform diagram showing sample signal generation and current detection operation. 本発明の別の実施形態に係る電力変換装置の要部概略構成図。The principal part schematic block diagram of the power converter device which concerns on another embodiment of this invention. パワー半導体モジュールとその制御回路とを絶縁分離した従来の電力変換装置の概略構成図。The schematic block diagram of the conventional power converter device which insulated and separated the power semiconductor module and its control circuit.

以下、図面を参照して本発明の一実施形態に係る電力変換装置について説明する。   Hereinafter, a power converter according to an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings.

図1は本発明の一実施形態に係る電力変換装置の要部概略構成図であり、この電力変換装置(インバータ装置)は、大略的にはパワー半導体モジュール10とその制御回路20とを絶縁回路25,26を介して絶縁分離した構成を有する。尚、図7に示す従来装置と同一部分には同一符号を付して示してある。   FIG. 1 is a schematic configuration diagram of a main part of a power conversion device according to an embodiment of the present invention. This power conversion device (inverter device) is generally an insulating circuit between a power semiconductor module 10 and its control circuit 20. 25 and 26 are used for insulation isolation. The same parts as those in the conventional apparatus shown in FIG. 7 are denoted by the same reference numerals.

この実施形態に係る電力変換装置が特徴とするところは、前記半導体スイッチング素子Qのスイッチング周期に同期して前記各電流検出回路11(11a,11b,11c)の出力電圧を保持するサンプルホールド(SH)回路14(14a,14b,14c)をそれぞれ設ける。そしてこれらのサンプルホールド回路14(14a,14b,14c)にそれぞれ保持した出力電圧を、前記各絶縁回路25(25a,25b,25c)をそれぞれ介して前記制御回路20に伝達するように構成した点にある。   The power converter according to this embodiment is characterized by a sample hold (SH) that holds the output voltage of each of the current detection circuits 11 (11a, 11b, 11c) in synchronization with the switching cycle of the semiconductor switching element Q. ) Circuits 14 (14a, 14b, 14c) are provided, respectively. The output voltage held in each of the sample and hold circuits 14 (14a, 14b, 14c) is transmitted to the control circuit 20 through each of the insulating circuits 25 (25a, 25b, 25c). It is in.

また前記各サンプルホールド回路14(14a,14b,14c)をそれぞれ駆動するサンプル信号SHを生成するサンプル信号生成回路15を、前記駆動回路23から出力されて前記スイッチング素子Q1,Q2〜Q6をそれぞれオン・オフ駆動するゲート駆動信号Vg1,Vg2〜Vg6に基づいて生成するようにしたことを特徴としている。具体的には前記サンプル信号生成回路15は、前記ハーフブリッジ回路HBにおける下側アームの、例えば前記半導体スイッチング素子Q6に対するゲート駆動信号Vg6に基づいて前記サンプル信号SHを生成するように設けられる。尚、前記ハーフブリッジ回路HBにおける上側アームの半導体スイッチング素子Qに対するゲート駆動信号Vgに基づいて前記サンプル信号SHを生成しても良いが、この場合には前記ゲート駆動信号Vgをレベル変換することが必要である。   A sample signal generation circuit 15 for generating a sample signal SH for driving each of the sample hold circuits 14 (14a, 14b, 14c) is output from the drive circuit 23 and the switching elements Q1, Q2-Q6 are turned on. It is characterized in that it is generated based on gate drive signals Vg1, Vg2 to Vg6 for driving off. Specifically, the sample signal generation circuit 15 is provided so as to generate the sample signal SH based on the gate drive signal Vg6 of the lower arm in the half bridge circuit HB, for example, for the semiconductor switching element Q6. The sample signal SH may be generated based on the gate drive signal Vg for the semiconductor switching element Q of the upper arm in the half bridge circuit HB. In this case, the level of the gate drive signal Vg may be converted. is necessary.

前記サンプル信号生成回路15は、概略的には前記ゲート駆動信号Vg6を検出するゲート信号検出回路15aと、このゲート信号検出回路15aが検出したゲート駆動信号Vg6のパルス幅(半導体スイッチング素子Q6のオン幅Ton)を検出するパルス幅計測回路15bとを備える。更に前記サンプル信号生成回路15は、前記パルス幅計測回路15bが検出したパルス幅の1/2のパルス幅(Ton/2)を求めるパルス幅演算回路15cと、このパルス幅演算回路15cが求めたパルス幅だけ前記ゲート駆動信号Vg6の立ち上がりから遅れたタイミングで前記サンプル信号SHを生成するパルス生成回路15dとを備える。   The sample signal generation circuit 15 roughly includes a gate signal detection circuit 15a for detecting the gate drive signal Vg6, and a pulse width of the gate drive signal Vg6 detected by the gate signal detection circuit 15a (ON of the semiconductor switching element Q6). And a pulse width measuring circuit 15b for detecting the width Ton). Further, the sample signal generation circuit 15 obtains a pulse width calculation circuit 15c that calculates a pulse width (Ton / 2) that is ½ of the pulse width detected by the pulse width measurement circuit 15b, and the pulse width calculation circuit 15c calculates the pulse width calculation circuit 15c. A pulse generation circuit 15d for generating the sample signal SH at a timing delayed from the rising edge of the gate drive signal Vg6 by a pulse width.

このように構成された前記サンプル信号生成回路15は、後述するように前記制御回路20が前記ゲート駆動信号Vg1,Vg2〜Vg6を生成する上で用いるキャリアクロック信号Fcに同期させて、前記サンプル信号SHを生成する役割を担う。ちなみに上記キャリアクロック信号Fcは、前記半導体スイッチング素子Q(Q1,Q2〜Q6)のスイッチング周波数fcを規定するデューティ比が50%のパルス信号である。   The sample signal generation circuit 15 configured in this way is synchronized with a carrier clock signal Fc used by the control circuit 20 to generate the gate drive signals Vg1, Vg2 to Vg6, as will be described later. Plays the role of generating SH. Incidentally, the carrier clock signal Fc is a pulse signal having a duty ratio of 50% that defines the switching frequency fc of the semiconductor switching element Q (Q1, Q2 to Q6).

ここで前記制御回路20について簡単に説明すると、該制御回路20は上記パルス信号(キャリアクロック信号Fc)の立上り・立下りタイミングに同期して三角波を生成し、該三角波と前記パワー半導体モジュール10側から帰還されるフィードバック信号とを比較する。上記フィードバック信号は、前記電流検出回路11(11a,11b,11c)にて検出され、前記絶縁回路25a,25b,25cを介して求められる前記スイッチング素子Q(Q1,Q2〜Q6)にそれぞれ流れる電流の情報からなる。   Here, the control circuit 20 will be briefly described. The control circuit 20 generates a triangular wave in synchronization with the rising and falling timings of the pulse signal (carrier clock signal Fc), and the triangular wave and the power semiconductor module 10 side. The feedback signal fed back from is compared. The feedback signal is detected by the current detection circuit 11 (11a, 11b, 11c), and the current flowing through the switching element Q (Q1, Q2-Q6) obtained through the insulation circuits 25a, 25b, 25c, respectively. It consists of information.

そして前記制御回路20は、例えば前記三角波のレベルが前記フィードバック信号のレベルを上回る期間を前記各半導体スイッチング素子Q(Q1,Q2〜Q6)のオン期間として求め、前記キャリアクロック信号Fcにより規定される前記スイッチング周波数fcの下で前記各半導体スイッチング素子Q(Q1,Q2〜Q6)をそれぞれスイッチング制御(オン・オフ制御)する前記オン・オフ制御信号を生成する。このオン・オフ制御信号が前記絶縁回路26を介して前記駆動回路23に伝達されて前記ゲート駆動信号Vg1,Vg2〜Vg6が生成される。   For example, the control circuit 20 obtains a period in which the level of the triangular wave exceeds the level of the feedback signal as an on period of each of the semiconductor switching elements Q (Q1, Q2 to Q6), and is defined by the carrier clock signal Fc. The on / off control signal for switching control (on / off control) of each of the semiconductor switching elements Q (Q1, Q2 to Q6) is generated under the switching frequency fc. The on / off control signal is transmitted to the driving circuit 23 through the insulating circuit 26, and the gate driving signals Vg1, Vg2 to Vg6 are generated.

一方、前記各電流検出回路11(11a,11b,11c)は、例えば図2に示すように演算増幅器OPの出力端子と反転入力端子との間に帰還抵抗Rfを設けた反転増幅器からなる。そして前記電流検出回路11は、前記半導体スイッチング素子Qの電流検出端子(補助エミッタ)から出力される電流Isを前記演算増幅器OPに入力し、該演算増幅器OPの出力として該入力電流Isに相当する出力電圧Vsを得るように構成される。尚、前記電流検出端子から出力される電流Isは、前記半導体スイッチング素子Qに流れる主電流Imに比例するもので、一般的には該主電流Imの数千分の一程度に設定されていることは今更説明するまでもない。   On the other hand, each of the current detection circuits 11 (11a, 11b, 11c) includes, for example, an inverting amplifier provided with a feedback resistor Rf between the output terminal and the inverting input terminal of the operational amplifier OP as shown in FIG. The current detection circuit 11 inputs the current Is output from the current detection terminal (auxiliary emitter) of the semiconductor switching element Q to the operational amplifier OP and corresponds to the input current Is as an output of the operational amplifier OP. The output voltage Vs is configured to be obtained. The current Is output from the current detection terminal is proportional to the main current Im flowing through the semiconductor switching element Q, and is generally set to about one thousandth of the main current Im. There is no need to explain that now.

また前記サンプルホールド回路14(14a,14b,14c)は、例えば図3に示すように演算増幅器OP1により構成された入力バッファと、演算増幅器OP2により構成された出力バッファとを備える。そして前記入力バッファ(演算増幅器OP1)の出力電圧をスイッチ素子SWを介してサンプリングしてコンデンサCに保持し、このコンデンサCに保持した電圧を前記出力バッファ(演算増幅器OP2)に与えるように構成される。   The sample hold circuit 14 (14a, 14b, 14c) includes, for example, an input buffer constituted by an operational amplifier OP1 and an output buffer constituted by an operational amplifier OP2 as shown in FIG. Then, the output voltage of the input buffer (operational amplifier OP1) is sampled through the switch element SW and held in the capacitor C, and the voltage held in the capacitor C is applied to the output buffer (operational amplifier OP2). The

また前記サンプル信号生成回路15は、具体的には図4に示すように前記ゲート駆動信号Vg6をレベル変換すると共に波形整形するレベル変換器15eを備える。ちなみに前記制御回路20から絶縁回路26を介して伝達されるオン・オフ制御信号は、ノイズ低減を目的としてその立ち上がり・立下りを緩やかに設定した[+15V/−7V]の2値の電圧信号である。前記レベル変換器15eは、このようなオン・オフ制御信号を信号処理が容易な、例えば[+5V/0V]からなる正の2値信号に変換すると共に、波形整形することで前記ゲート駆動信号Vg6を復元する役割を担う。   Specifically, the sample signal generation circuit 15 includes a level converter 15e that performs level conversion and waveform shaping on the gate drive signal Vg6 as shown in FIG. Incidentally, the on / off control signal transmitted from the control circuit 20 through the insulation circuit 26 is a binary voltage signal of [+ 15V / −7V] whose rise and fall are gently set for the purpose of noise reduction. is there. The level converter 15e converts such an on / off control signal into a positive binary signal composed of, for example, [+ 5V / 0V] that is easy to process, and shapes the waveform to shape the gate drive signal Vg6. Play a role in restoring.

このようにして復元された前記ゲート駆動信号Vg6は、比較器(ゲート信号検出回路)15aに入力されて基準電圧Vrefと比較される。この比較器15aは、前記ゲート駆動信号Vg6の立ち上がりを検出した時点から該ゲート駆動信号Vg6の立ち下がりが検出されるまでの期間に亘ってアップカウンタ(パルス幅計測回路)15bをイネーブルにする。この結果、前記アップカウンタ15bは、前記イネーブル期間に亘って高速クロックCKを計数(アップカウント)し、その計数値として前記ゲート駆動信号Vg6のパルス幅(半導体スイッチング素子Qのオン幅Ton)を計測する。   The gate drive signal Vg6 restored in this way is input to the comparator (gate signal detection circuit) 15a and compared with the reference voltage Vref. The comparator 15a enables the up counter (pulse width measuring circuit) 15b over a period from when the rising edge of the gate driving signal Vg6 is detected to when the falling edge of the gate driving signal Vg6 is detected. As a result, the up counter 15b counts (up counts) the high-speed clock CK over the enable period, and measures the pulse width of the gate drive signal Vg6 (on width Ton of the semiconductor switching element Q) as the count value. To do.

また前記比較器15aは、前記ゲート駆動信号Vg6の立ち下がりを検出したとき、インバータ回路15fを介してラッチ回路(パルス幅演算回路)15cをトリガして前記カウンタ15bによる計数値をラッチさせる。同時に前記インバータ回路15fの出力は、遅延回路15gを介して前記アップカウンタ(パルス幅計測回路)15bに与えられ、該カウンタ15bをリセットする。   When the comparator 15a detects the falling edge of the gate drive signal Vg6, the comparator 15a triggers a latch circuit (pulse width calculation circuit) 15c via the inverter circuit 15f to latch the count value by the counter 15b. At the same time, the output of the inverter circuit 15f is given to the up counter (pulse width measuring circuit) 15b via the delay circuit 15g, and the counter 15b is reset.

ここで前記ラッチ回路(パルス幅演算回路)15cは、上述した如くラッチした前記カウンタ15bによるバイナリnビットの計数値の最小ビットを除外して出力することで、換言すればそのラッチデータ(計数値)を右1ビットシフトすることで前記ゲート駆動信号Vg6のパルス幅の1/2に相当する制御値(Ton/2)を得るものである。この制御値は、ダウンカウンタ15hにプリセットされて前記サンプル信号SHの生成タイミングの制御に用いられる。   Here, the latch circuit (pulse width arithmetic circuit) 15c excludes and outputs the minimum bit of the binary n-bit count value by the counter 15b latched as described above, in other words, the latch data (count value). ) Is shifted by 1 bit to the right to obtain a control value (Ton / 2) corresponding to ½ of the pulse width of the gate drive signal Vg6. This control value is preset in the down counter 15h and used for controlling the generation timing of the sample signal SH.

前記ダウンカウンタ15hは、前記比較器15aにより前記ゲート駆動信号Vg6の立ち上がりが検出されたときにイネーブルに設定され、上述した如くプリセットされた制御値を前記高速クロックCKに従ってダウンカウントする。但し、前記ダウンカウンタ15hによりダウンカウントされる前記制御値は、1スイッチング周期前の前記ゲート駆動信号Vg6のパルス幅から上述した如く求められたものである。そして前記ダウンカウンタ15hの計数値が[0]に達したとき、該ダウンカウンタ15hはその出力にて1ショット回路(パルス発生回路)15dを付勢する。この結果、前記1ショット回路15dは所定のパルス幅の前記サンプル信号SHを生成し、このサンプル信号SHにて前記サンプルホールド回路14(14a,14b,14c)を一括して駆動する。   The down counter 15h is enabled when the comparator 15a detects the rising edge of the gate drive signal Vg6, and counts down the preset control value according to the high-speed clock CK as described above. However, the control value counted down by the down counter 15h is obtained as described above from the pulse width of the gate drive signal Vg6 one switching period before. When the count value of the down counter 15h reaches [0], the down counter 15h energizes the one-shot circuit (pulse generation circuit) 15d with its output. As a result, the one-shot circuit 15d generates the sample signal SH having a predetermined pulse width, and the sample hold circuit 14 (14a, 14b, 14c) is collectively driven by the sample signal SH.

尚、前記ダウンカウンタ15hへの前記制御値のプリセットは、遅延回路15iを介してタイミング調整した前記サンプル信号SHを用いて、次に検出される前記ゲート駆動信号Vg6の立ち上がりに先立って行われる。また前記高速クロックCKとしては、前記ゲート駆動信号Vg6のパルス幅を所定の精度で計測することの可能な、該ゲート駆動信号Vg6の入力周期(スイッチング周波数fc)に比較して十分に周波数が高いものが用いられことは言うまでもない。   The presetting of the control value to the down counter 15h is performed prior to the rise of the gate drive signal Vg6 detected next by using the sample signal SH whose timing is adjusted via the delay circuit 15i. The high-speed clock CK has a sufficiently high frequency compared with the input period (switching frequency fc) of the gate drive signal Vg6, which can measure the pulse width of the gate drive signal Vg6 with a predetermined accuracy. It goes without saying that things are used.

このようなサンプル信号SHにて駆動される前記サンプルホールド回路14(14a,14b,14c)によれば、図5に示すように前記各電流検出回路11(11a,11b,11c)の出力電圧が前記半導体スイッチング素子Qのスイッチング周期に同期してサンプリングされて保持される。具体的には前記サンプルホールド回路14は、前記半導体スイッチング素子Qの各オン期間における真ん中のタイミング(Ton/2)で前記電流検出回路11の出力電圧をサンプリングする。そして前記サンプルホールド回路14は、次のゲート駆動信号Vgが検出されて新たなサンプル信号SHが生成されるまでの期間(1スイッチング周期)に亘って、上述した如くサンプリングした出力電圧を保持する。この結果、前記半導体スイッチング素子Qのオン期間毎にパルス的に検出され、該半導体スイッチング素子Qのオン期間に電圧変化する前記電流検出回路11の出力電圧の平均値が、前記各サンプルホールド回路14の階段状に変化する出力電圧として得られる。   According to the sample hold circuit 14 (14a, 14b, 14c) driven by such a sample signal SH, the output voltage of each of the current detection circuits 11 (11a, 11b, 11c) is as shown in FIG. It is sampled and held in synchronization with the switching period of the semiconductor switching element Q. Specifically, the sample hold circuit 14 samples the output voltage of the current detection circuit 11 at the middle timing (Ton / 2) in each ON period of the semiconductor switching element Q. The sample hold circuit 14 holds the output voltage sampled as described above over a period (one switching cycle) from when the next gate drive signal Vg is detected until a new sample signal SH is generated. As a result, the average value of the output voltage of the current detection circuit 11 that is detected in a pulse manner every ON period of the semiconductor switching element Q and changes in voltage during the ON period of the semiconductor switching element Q is the sample hold circuit 14. It is obtained as an output voltage that changes stepwise.

即ち、前記ゲート駆動信号Vgは、前記各半導体スイッチング素子Q1,Q2〜Q6をそれぞれスイッチング制御する上での前述した三角波からなるキャリアクロック信号Fcとフィードバック信号とを比較することで、図5に示すように該キャリアクロック信号Fcのピーク(山)を中心にしてパルス幅制御された信号として生成される。そして前記比較器15aは、前記ゲート駆動信号Vgの立ち上がりと立下りとを検出して前記アップカウンタ15bをイネーブルにする。この結果、前記アップカウンタ15bは該ゲート駆動信号Vgの立ち上がりと立下りのタイミングに亘って前記高速クロックCKを計数することで、前記ゲート駆動信号Vgのパルス幅Tonを計測する。   That is, the gate drive signal Vg is shown in FIG. 5 by comparing the carrier clock signal Fc composed of the above-described triangular wave and the feedback signal in switching control of each of the semiconductor switching elements Q1, Q2 to Q6. Thus, the signal is generated as a signal whose pulse width is controlled around the peak (mountain) of the carrier clock signal Fc. The comparator 15a detects the rising and falling edges of the gate drive signal Vg and enables the up counter 15b. As a result, the up counter 15b measures the pulse width Ton of the gate drive signal Vg by counting the high-speed clock CK over the rising and falling timings of the gate drive signal Vg.

このようにして計測されたパルス幅Tonが前記ラッチ回路15cにラッチされ、該パルス幅Tonの1/2の制御値が前記ダウンカウンタ15hにプリセットされる。そして前記ダウンカウンタ15hは、前記ゲート駆動信号Vgの次の入力タイミングで上記制御値のダウンカウントを開始し、その値が[0]となったときに前記1ショット回路15dを付勢する。そして前記1ショット回路15dは、前記サンプルホールド回路14を駆動する前記サンプル信号SHを生成する。この結果、前記サンプル信号SHは、前記スイッチング周期に同期して生成される。   The pulse width Ton thus measured is latched in the latch circuit 15c, and a control value that is 1/2 of the pulse width Ton is preset in the down counter 15h. The down counter 15h starts down-counting of the control value at the next input timing of the gate drive signal Vg, and activates the one-shot circuit 15d when the value becomes [0]. The one-shot circuit 15d generates the sample signal SH that drives the sample-and-hold circuit 14. As a result, the sample signal SH is generated in synchronization with the switching period.

ところで前記サンプルホールド回路14が前記電流検出回路11の出力電圧をサンプリングするタイミングは、前記スイッチング素子Qが1周期前にオンとなったときの前記ゲート駆動信号Vgのパルス幅に基づくものである。故に、厳密には前記サンプル・タイミングは、現周期において前記スイッチング素子Qがオンとなる時間幅(Ton)を基準として求められたものではない。この為、前記スイッチング素子Qがオンとなって期間の1/2のタイミングと、前記サンプルホールド回路14によるサンプリング・タイミングとの間に若干のずれが生じることが否めない。具体的には前記スイッチング素子Qがオン幅Tonの変化分の1/2だけ、サンプリング・タイミングがずれる。   Incidentally, the timing at which the sample hold circuit 14 samples the output voltage of the current detection circuit 11 is based on the pulse width of the gate drive signal Vg when the switching element Q is turned on one cycle before. Therefore, strictly speaking, the sample timing is not obtained on the basis of the time width (Ton) during which the switching element Q is turned on in the current period. For this reason, it cannot be denied that there is a slight difference between the half of the period when the switching element Q is turned on and the sampling timing by the sample and hold circuit 14. Specifically, the sampling timing is shifted by 1/2 of the change of the ON width Ton of the switching element Q.

しかしながら前記制御回路20による前記パワー半導体モジュール10のインバータ制御においては、定常時には前記ハーフブリッジ回路HBのパルス的に出力される電流が滑らかに変化する離散的な正弦波電流波形となるように、前記ゲート駆動信号Vgのパルス幅を緩やかに変化させている。従って上述した如くタイミング制御されるサンプル信号SHに前記ゲート駆動信号Vgの1周期のずれに起因する誤差があっても、その誤差は殆ど無視できる程度である。   However, in the inverter control of the power semiconductor module 10 by the control circuit 20, the pulsed current output from the half-bridge circuit HB in a steady state has a discrete sinusoidal current waveform that smoothly changes. The pulse width of the gate drive signal Vg is gradually changed. Therefore, even if there is an error in the sample signal SH whose timing is controlled as described above due to a shift of one period of the gate drive signal Vg, the error is almost negligible.

故に前記サンプルホールド回路14は、実質的に前記スイッチング素子Qのオン期間における略1/2のタイミングで当該スイッチング素子Qに流れる電流を、つまり前記スイッチング素子Qのオン期間に流れる電流の平均値をサンプリングすることができる。そして前記サンプルホールド回路14は、サンプリングした前記電流検出回路11の出力電圧(前記スイッチング素子Qのオン期間に流れる電流の平均値)を、前記キャリアクロック信号Fcの1周期に亘って保持することになる。   Therefore, the sample-and-hold circuit 14 substantially determines the current flowing through the switching element Q at approximately half the timing during the ON period of the switching element Q, that is, the average value of the current flowing during the ON period of the switching element Q. Sampling is possible. The sample hold circuit 14 holds the sampled output voltage of the current detection circuit 11 (average value of the current flowing during the ON period of the switching element Q) over one cycle of the carrier clock signal Fc. Become.

尚、前記サンプル信号SHのパルス幅を短くして前記各サンプルホールド回路14における前記スイッチ素子SWのオン時間Δtaを短くすると前記コンデンサCを十分に充電することができず、前記電流検出回路11の出力電圧を確実に保持することができなくなる。逆に前記サンプル信号SHのパルス幅を長くして前記スイッチ素子SWのオン時間Δtaを長くすると、キャリア周期中における前記電流検出回路11の出力電圧の平均値に対する誤差が大きくなる。従って、例えばキャリア周期が100μ秒である場合、前記スイッチ素子SWのオン時間Δtaを1μ秒程度に設定し、また前記コンデンサCの容量を1nF程度に設定して、そのサンプリング誤差が大きくならないように工夫することが好ましい。但し、これらの各値については、電流検出条件や許容検出誤差等の仕様に応じて設定すれば良いことは勿論のことである。   Note that if the pulse width of the sample signal SH is shortened to shorten the ON time Δta of the switch element SW in each sample and hold circuit 14, the capacitor C cannot be sufficiently charged, and the current detection circuit 11 The output voltage cannot be reliably held. Conversely, if the pulse width of the sample signal SH is increased to increase the ON time Δta of the switch element SW, an error with respect to the average value of the output voltage of the current detection circuit 11 during the carrier period increases. Therefore, for example, when the carrier cycle is 100 μs, the ON time Δta of the switch element SW is set to about 1 μs, and the capacitance of the capacitor C is set to about 1 nF so that the sampling error does not increase. It is preferable to devise. However, it goes without saying that these values may be set according to specifications such as current detection conditions and allowable detection errors.

ここで前記絶縁回路25(25a,25b,25c)として、その入力電圧を精度良く伝達する入出力特性に優れたものを用いた場合、一般的にその応答遅延時間が長いことが否めない。例えば零電圧(0V)からその最大電圧までの立ち上がり時間が10μ秒の絶縁回路25(25a,25b,25c)を用いると仮定する。そして前記ハーフブリッジ回路HBの出力電流の周波数が100Hzであり、その振幅が許容最大電流の正弦波であり、これを10kHzのキャリア周波数でスイッチング制御していると仮定する。   Here, when the insulation circuit 25 (25a, 25b, 25c) having excellent input / output characteristics for accurately transmitting the input voltage is used, it cannot be denied that the response delay time is generally long. For example, it is assumed that the insulating circuit 25 (25a, 25b, 25c) whose rise time from zero voltage (0V) to the maximum voltage is 10 μsec is used. It is assumed that the frequency of the output current of the half-bridge circuit HB is 100 Hz, the amplitude thereof is a sine wave of the maximum allowable current, and this is subjected to switching control with a carrier frequency of 10 kHz.

すると前記ハーフブリッジ回路HBの出力電流が零からその最大値に到達するまで(1/4サイクル)、25回スイッチングされることになる。従って1キャリア周期での電圧変化量は、最大出力電圧範囲の[1/25]となる。従ってこの場合、単純計算で前記絶縁回路25(25a,25b,25c)は、400ナノ秒で入力電圧波形に追従してその出力電圧を得ることになる。従って前記絶縁回路25(25a,25b,25c)は、前述した電流検出回路11(11a,11b,11c)の出力電圧を、十分に余裕を持って精度良く伝達し得ることになる。   Then, switching is performed 25 times until the output current of the half-bridge circuit HB reaches the maximum value from zero (1/4 cycle). Therefore, the amount of voltage change in one carrier cycle is [1/25] of the maximum output voltage range. Therefore, in this case, by simple calculation, the insulating circuit 25 (25a, 25b, 25c) follows the input voltage waveform in 400 nanoseconds to obtain its output voltage. Therefore, the insulation circuit 25 (25a, 25b, 25c) can accurately transmit the output voltage of the current detection circuit 11 (11a, 11b, 11c) with sufficient margin.

一方、前記演算装置21は、前記サンプルホールド回路14から絶縁回路25を介して取得した情報に基づいて演算器21bにより前記半導体スイッチング素子Qおよび前記フリーホイリング・ダイオードDにそれぞれ流れた電流を算出し、その算出結果に応じて前記各半導体スイッチング素子Q(Q1,Q2〜Q6)のスイッチング制御に必要な信号(フィードバック信号)を生成する。そして、例えばPWM変調器21cは、前記演算器21bが求めた信号(フィードバック信号)に従って前記各半導体スイッチング素子Q(Q1,Q2〜Q6)をオン・オフ駆動する為のパルス幅変調したオン・オフ制御信号をそれぞれ生成する。このようにして生成されたオン・オフ制御信号が、前述したように前記絶縁回路26を介して前記駆動回路23に伝達される。そして前記オン・オフ制御信号に基づいて前記ゲート駆動信号Vg1,Vg2〜Vg6が生成されて前記各半導体スイッチング素子Q(Q1,Q2〜Q6)が互いに関連したタイミングでそれぞれスイッチング駆動される。   On the other hand, the arithmetic unit 21 calculates the currents flowing through the semiconductor switching element Q and the freewheeling diode D by the arithmetic unit 21b based on the information acquired from the sample and hold circuit 14 through the insulating circuit 25. Then, a signal (feedback signal) necessary for switching control of each of the semiconductor switching elements Q (Q1, Q2 to Q6) is generated according to the calculation result. For example, the PWM modulator 21c is turned on / off by pulse width modulation for driving the semiconductor switching elements Q (Q1, Q2 to Q6) on / off according to the signal (feedback signal) obtained by the arithmetic unit 21b. Each control signal is generated. The on / off control signal generated in this way is transmitted to the drive circuit 23 via the insulating circuit 26 as described above. The gate drive signals Vg1, Vg2 to Vg6 are generated based on the on / off control signal, and the semiconductor switching elements Q (Q1, Q2 to Q6) are driven to be switched at timings related to each other.

このように本発明に係る電力変換装置においては、前記電流検出回路11(11a,11b,11c)の出力電圧を、前記半導体スイッチング素子Qのスイッチング周期に同期させて前記サンプルホールド回路14(14a,14b,14c)にてサンプル保持し、このサンプルホールド回路14(14a,14b,14c)の出力電圧を前記絶縁回路25(25a,25b,25c)を介して伝達すると言う構成を採用している。この結果、前記絶縁回路25(25a,25b,25c)の応答遅延時間の影響を殆ど受けることなく、前記電流検出回路11(11a,11b,11c)の出力電圧が示す情報を前記制御回路20側に精度良く伝達することができる。   As described above, in the power conversion device according to the present invention, the output voltage of the current detection circuit 11 (11a, 11b, 11c) is synchronized with the switching period of the semiconductor switching element Q in the sample hold circuit 14 (14a, 14b, 14c) is used to hold the sample, and the output voltage of the sample hold circuit 14 (14a, 14b, 14c) is transmitted via the insulating circuit 25 (25a, 25b, 25c). As a result, the information indicated by the output voltage of the current detection circuit 11 (11a, 11b, 11c) is not affected by the response delay time of the insulating circuit 25 (25a, 25b, 25c). Can be accurately transmitted.

またこの電力変換装置においては、前記制御回路20側から前記絶縁回路26を介して伝達された前記ゲート駆動信号Vgから、前記サンプルホールド回路14(14a,14b,14c)の動作を制御するサンプル信号SHを生成している。しかも前記ゲート駆動信号Vgのパルス幅を計測し、計測したパルス幅の1/2の時間だけ前記ゲート駆動信号Vgの立ち上がりタイミングから遅れたタイミングで前記サンプル信号SHを生成している。従って前記制御回路20側から、敢えて絶縁回路を介して前記キャリアクロック信号を前記パワー半導体モジュール10側に伝達しなくても、前記サンプル信号SHを前記キャリアクロック信号に同期させて得ることができる。しかも前記スイッチング素子Qのオン期間における略1/2のタイミングで前記サンプル信号SHを得ることができる。   In this power converter, the sample signal for controlling the operation of the sample hold circuit 14 (14a, 14b, 14c) from the gate drive signal Vg transmitted from the control circuit 20 side through the insulating circuit 26. SH is generated. In addition, the pulse width of the gate drive signal Vg is measured, and the sample signal SH is generated at a timing delayed from the rising timing of the gate drive signal Vg by a time ½ of the measured pulse width. Therefore, the sample signal SH can be obtained in synchronism with the carrier clock signal without having to transmit the carrier clock signal from the control circuit 20 side to the power semiconductor module 10 side through an insulating circuit. In addition, the sample signal SH can be obtained at approximately half the timing during the ON period of the switching element Q.

従って上記構成の電力変換装置によれば、前記絶縁回路25(25a,25b,25c)を介して前記パワー半導体モジュール10側と前記制御回路20側とを絶縁分離する場合であっても、前記電流検出回路11(11a,11b,11c)にて検出され、前記絶縁回路25(25a,25b,25c)を介して伝達する電圧信号の変化を少なくすることができる。従って前記絶縁回路25(25a,25b,25c)の伝達特性に起因して発生する誤差自体も少なくすることができ、前記各ハーフブリッジ回路HBの出力電流に応じて前記各半導体スイッチング素子Q(Q1,Q2〜Q6)をそれぞれ適切なタイミングでスイッチング制御することが可能となる。故に高精度なスイッチング制御を実現することが可能である。   Therefore, according to the power conversion device having the above configuration, even when the power semiconductor module 10 side and the control circuit 20 side are insulated and separated through the insulation circuit 25 (25a, 25b, 25c), the current The change in the voltage signal detected by the detection circuit 11 (11a, 11b, 11c) and transmitted through the insulating circuit 25 (25a, 25b, 25c) can be reduced. Accordingly, errors themselves caused by the transfer characteristics of the insulating circuits 25 (25a, 25b, 25c) can be reduced, and the semiconductor switching elements Q (Q1) can be reduced according to the output current of the half-bridge circuits HB. , Q2 to Q6) can be switched at appropriate timings. Therefore, it is possible to realize highly accurate switching control.

更には前述した如く絶縁回路26を介して前記パワー半導体モジュール10側に伝達されたゲート駆動信号Vgから前記サンプル信号SHを生成するので、前記キャリアクロック信号Fcを伝達する為の絶縁回路が不要である。従って絶縁回路を介する信号(情報)伝達の数を減らし得る分、つまり前記キャリアクロック信号Fcを伝達する必要がない分、全体的な回路構成の簡素化を図ることが可能である。また前記半導体モジュール10側と前記制御回路20側とを簡易にして効果的に絶縁分離することが可能となるので、前記パワー半導体モジュール10および前記制御回路20のプリント回路基板への実装の容易化を図り得る。更にはプリント回路基板に対する部品配置等の実装上の制約を緩和することででき、以て電力変換装置全体のコンパクト化を図ることができる等の効果が奏せられる。   Further, as described above, the sample signal SH is generated from the gate drive signal Vg transmitted to the power semiconductor module 10 via the insulation circuit 26, so that an insulation circuit for transmitting the carrier clock signal Fc is not necessary. is there. Therefore, it is possible to simplify the overall circuit configuration by the amount that can reduce the number of signals (information) transmitted through the insulating circuit, that is, the amount that the carrier clock signal Fc need not be transmitted. Further, since the semiconductor module 10 side and the control circuit 20 side can be simplified and effectively insulated and separated, the power semiconductor module 10 and the control circuit 20 can be easily mounted on a printed circuit board. Can be planned. Furthermore, it is possible to relax restrictions on mounting such as component placement on the printed circuit board, thereby achieving an effect that the entire power conversion device can be made compact.

図6は本発明の別の実施形態に係る電力変換装置の要部概略構成を示している。この電力変換装置は、前記電流検出回路11a,11b,11cを用いて下側アームを構成する前記半導体スイッチング素子Q4,Q5,Q6に流れる電流を検出することに加えて、電流検出回路12a,12b,12cを用いて前記半導体スイッチング素子Q4,Q5,Q6にそれぞれ逆並列に接続されたフリーホイリング・ダイオードD4,D5,D6に流れる電流を検出するように構成したものである。これらのフリーホイリング・ダイオードD4,D5,D6にそれぞれ流れる電流は、上側アームを構成する前記半導体スイッチング素子Q1,Q2,Q3に流れる電流に相当する。従って前記電流検出回路12a,12b,12cは、前記フリーホイリング・ダイオードD4,D5,D6に流れる電流から、前記半導体スイッチング素子Q1,Q2,Q3に流れる電流を等価的に検出する役割を担う。   FIG. 6 shows a schematic configuration of a main part of a power conversion device according to another embodiment of the present invention. In addition to detecting the current flowing through the semiconductor switching elements Q4, Q5, and Q6 constituting the lower arm using the current detection circuits 11a, 11b, and 11c, the power conversion device includes current detection circuits 12a and 12b. , 12c are used to detect the currents flowing in the freewheeling diodes D4, D5, D6 connected in antiparallel to the semiconductor switching elements Q4, Q5, Q6, respectively. The currents flowing through these freewheeling diodes D4, D5, D6 correspond to the currents flowing through the semiconductor switching elements Q1, Q2, Q3 constituting the upper arm. Therefore, the current detection circuits 12a, 12b, and 12c play a role of equivalently detecting the currents flowing through the semiconductor switching elements Q1, Q2, and Q3 from the currents flowing through the freewheeling diodes D4, D5, and D6.

また前記フリーホイリング・ダイオードD4,D5,D6(半導体スイッチング素子Q1,Q2,Q3)に流れる電流は、前記半導体スイッチング素子Q4,Q5,Q6に流れる電流と位相が180°異なるものである。しかも前記ハーフブリッジ回路HBの上側アームと下側アームには、半周期毎に交互に電流が流れる。これ故、前記電流検出回路11a,11b,11cと前記電流検出回路12a,12b,12cとは、半周期毎に交互に電流を検出する。従って前記電流検出回路11a,11b,11cの出力電圧と、前記電流検出回路12a,12b,12cの出力電圧とを加算する加算器13a,13b,13cは、前記各ハーフブリッジ回路HBに流れる電流を、1周期に亘って合成して出力することになる。   The currents flowing through the freewheeling diodes D4, D5, D6 (semiconductor switching elements Q1, Q2, Q3) are 180 degrees out of phase with the currents flowing through the semiconductor switching elements Q4, Q5, Q6. In addition, current flows alternately in the upper and lower arms of the half bridge circuit HB every half cycle. Therefore, the current detection circuits 11a, 11b, and 11c and the current detection circuits 12a, 12b, and 12c detect the current alternately every half cycle. Accordingly, the adders 13a, 13b, 13c for adding the output voltages of the current detection circuits 11a, 11b, 11c and the output voltages of the current detection circuits 12a, 12b, 12c In this case, they are combined and output over one period.

この実施形態では上述した如く1周期に亘って前記各ハーフブリッジ回路HBに流れる電流を求めた前記加算器13a,13b,13cの出力電圧を、前記サンプルホールド回路14a,14b,14cにてサンプリングし、これを保持する。そして前記サンプルホールド回路14a,14b,14cに保持された電圧を、前記絶縁回路25a,25b,25cを介して前記制御回路20側に伝達するように構成される。   In this embodiment, as described above, the output voltages of the adders 13a, 13b and 13c obtained from the currents flowing through the half-bridge circuits HB over one period are sampled by the sample and hold circuits 14a, 14b and 14c. Hold this. The voltage held in the sample and hold circuits 14a, 14b, and 14c is transmitted to the control circuit 20 side via the insulating circuits 25a, 25b, and 25c.

ここで前記AD変換器21aの前段に設けられた電圧調整回路16a,16b,16cは、前記サンプルホールド回路14a,14b,14cから前記絶縁回路25a,25b,25cを介して伝達された電圧信号を、前記AD変換器21aのダイナミックレンジに合わせて電圧調整する役割を担う。また同時に前記電圧調整回路16a,16b,16cは、利得調整とオフセット調整とによって前記電圧信号を補正する役割も担う。   Here, the voltage adjustment circuits 16a, 16b and 16c provided in the previous stage of the AD converter 21a receive the voltage signals transmitted from the sample and hold circuits 14a, 14b and 14c through the insulation circuits 25a, 25b and 25c. , And plays the role of adjusting the voltage according to the dynamic range of the AD converter 21a. At the same time, the voltage adjustment circuits 16a, 16b, and 16c also play a role of correcting the voltage signal by gain adjustment and offset adjustment.

即ち、前述した半導体スイッチング素子Qおよびフリーホイリング・ダイオードDの各電流検出端子を介して検出されるセンス電流Isは、理想的には該半導体スイッチング素子Qおよびフリーホイリング・ダイオードDにそれぞれ流れる主電流に比例したものであり、その電流比は当該素子のメイン領域とセンス領域の面積比に応じて決定される。しかしながら各素子のデバイス構造や、レイアウトの違いによって上記電流比に誤差が生じることが否めない。このような誤差に対して前記電圧調整回路16a,16b,16cは、前述した利得調整とオフセット調整とによって前記電圧信号を補正することで、前記半導体スイッチング素子Qおよび前記フリーホイリング・ダイオードDにそれぞれ流れる電流の検出精度を高める。   That is, the sense currents Is detected through the current detection terminals of the semiconductor switching element Q and the freewheeling diode D described above ideally flow through the semiconductor switching element Q and the freewheeling diode D, respectively. The current ratio is proportional to the main current, and the current ratio is determined according to the area ratio between the main region and the sense region of the element. However, it cannot be denied that an error occurs in the current ratio due to the device structure and layout of each element. The voltage adjusting circuits 16a, 16b, and 16c correct the voltage signal by the above-described gain adjustment and offset adjustment for such an error, thereby causing the semiconductor switching element Q and the freewheeling diode D to be corrected. Increase the detection accuracy of each flowing current.

この結果、前記演算装置21においては、前記半導体スイッチング素子Qおよび前記フリーホイリング・ダイオードDを介してパルス的に流れる電流から、前記半導体スイッチング素子Qおよび前記フリーホイリング・ダイオードDが形成したハーフブリッジ回路HBから出力される電流に相当する電流情報をフィードバック信号として高精度に得ることが可能となる。そして前記半導体スイッチング素子Qをスイッチング制御する為の制御信号を精度良く生成することが可能となる。   As a result, in the arithmetic unit 21, the half formed by the semiconductor switching element Q and the freewheeling diode D from the current flowing in a pulsed manner through the semiconductor switching element Q and the freewheeling diode D. Current information corresponding to the current output from the bridge circuit HB can be obtained with high accuracy as a feedback signal. A control signal for switching control of the semiconductor switching element Q can be accurately generated.

尚、本発明は上述した実施形態に限定されるものではない。ここでは6個の半導体スイッチング素子Q1,Q2〜Q6を備えて3組のハーフブリッジ回路を構成したパワー半導体モジュール10を例に説明したが、2組のハーフブリッジ回路を備えたパワー半導体モジュール10に対しても同様に適用可能である。また1組のハーフブリッジ回路を構成する半導体モジュール10に対しても同様に適用可能なことは言うまでもない。   The present invention is not limited to the embodiment described above. Here, the power semiconductor module 10 including six semiconductor switching elements Q1, Q2 to Q6 and configuring three sets of half-bridge circuits has been described as an example, but the power semiconductor module 10 including two sets of half-bridge circuits is described as an example. The same applies to the same. Needless to say, the present invention can be similarly applied to the semiconductor module 10 constituting one set of half-bridge circuits.

また前記フリーホイリング・ダイオードDのセンス電流Isの検出に代えて、前記ハーフブリッジ回路を構成する一対のスイッチング素子Qのそれぞれのセンス電流Isを検出するように構成することも勿論可能である。また前記ゲート駆動信号Vg6に代えて前記ゲート駆動信号Vg4,Vg5から、或いは前記ゲート駆動信号Vg1,Vg2,Vg3から前記サンプル信号SHを生成することも勿論可能である。   Of course, instead of detecting the sense current Is of the freewheeling diode D, it is possible to detect each sense current Is of the pair of switching elements Q constituting the half-bridge circuit. It is of course possible to generate the sample signal SH from the gate drive signals Vg4, Vg5 instead of the gate drive signal Vg6 or from the gate drive signals Vg1, Vg2, Vg3.

更には前記絶縁回路25a,25b,25cの具体的な構成についても、その伝達特性の直線性や遅延応答特性を考慮し、電力変換装置の仕様を満たすようなものであれば適宜採用可能である。また前記サンプルホールド回路14a,14b,14cについても、電力変換装置の仕様を満たす特性を有するものとして実現すれば十分である。また前述した三相交流用のインバータ装置以外の種々方式のコンバータ装置、即ち、従来より種々提唱されている各種方式の電力変換装置に本発明を同様に適用可能なことは言うまでもない。その他、本発明はその要旨を逸脱しない範囲で種々変形して実施することができる。   Further, the specific configurations of the insulating circuits 25a, 25b, and 25c can be appropriately adopted as long as they satisfy the specifications of the power conversion device in consideration of the linearity and delay response characteristics of the transfer characteristics. . It is sufficient to realize the sample hold circuits 14a, 14b, and 14c as having characteristics satisfying the specifications of the power converter. Further, it goes without saying that the present invention can be similarly applied to various types of converter devices other than the above-described three-phase AC inverter devices, that is, various types of power converter devices that have been proposed in the past. In addition, the present invention can be variously modified and implemented without departing from the scope of the invention.

10 半導体モジュール
11(11a,11b,11c) 電流検出回路
12(12a,12b,12c) 電流検出回路
13(13a,13b,13c) 加算器
14(14a,14b,14c) サンプルホールド(SH)回路
15 サンプル信号生成回路
15a ゲート信号検出回路(比較器)
15b パルス幅計測回路(アップカウンタ)
15c パルス幅演算回路(ラッチ回路)
15d パルス生成回路(1ショット回路)
15e レベル変換回路
15h ダウンカウンタ
16(16a,16b,16c) 電圧調整回路
20 制御回路
21 演算装置
21a AD変換器
21b 演算部
21c PWM変調器
22 制御部
23 駆動回路
25(25a,25b,25c) 絶縁回路
26 絶縁回路
DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 Semiconductor module 11 (11a, 11b, 11c) Current detection circuit 12 (12a, 12b, 12c) Current detection circuit 13 (13a, 13b, 13c) Adder 14 (14a, 14b, 14c) Sample hold (SH) circuit 15 Sample signal generation circuit 15a Gate signal detection circuit (comparator)
15b Pulse width measurement circuit (up counter)
15c Pulse width arithmetic circuit (latch circuit)
15d Pulse generation circuit (1 shot circuit)
15e level conversion circuit 15h down counter 16 (16a, 16b, 16c) voltage adjustment circuit 20 control circuit 21 arithmetic unit 21a AD converter 21b arithmetic unit 21c PWM modulator 22 control unit 23 drive circuit 25 (25a, 25b, 25c) insulation Circuit 26 Insulation circuit

Claims (7)

直列に接続されてハーフブリッジ回路を形成し、互いに関連してオン・オフ駆動される一対または複数対の半導体スイッチング素子、および前記各半導体スイッチング素子にそれぞれ逆並列に設けられる複数のフリーホイリング・ダイオードを備えたパワー半導体モジュールと、
絶縁回路を介して前記パワー半導体モジュールから絶縁分離して設けられて前記各半導体スイッチング素子をそれぞれオン・オフ駆動するゲート駆動信号を生成する制御回路とを備えた電力変換装置であって、
前記パワー半導体モジュールは、前記ハーフブリッジ回路に流れる電流を検出する電流検出回路と、
この電流検出回路にて検出された電流に相当する電圧を一定期間保持し、保持した電圧を前記絶縁回路を介して前記制御回路に伝達するサンプルホールド回路と、
前記絶縁回路を介して前記制御回路から伝達された前記ゲート駆動信号に基づいて前記サンプルホールド回路を駆動するサンプル信号を生成するサンプル信号生成回路と
を具備したことを特徴とする電力変換装置。
A pair or a plurality of pairs of semiconductor switching elements connected in series to form a half-bridge circuit and driven to be turned on / off in relation to each other, and a plurality of freewheeling provided in antiparallel to each of the semiconductor switching elements A power semiconductor module with a diode;
A power conversion device including a control circuit that is provided so as to be isolated from the power semiconductor module via an insulation circuit and generates a gate drive signal for driving each semiconductor switching element on and off,
The power semiconductor module includes a current detection circuit that detects a current flowing through the half-bridge circuit;
A sample and hold circuit that holds a voltage corresponding to the current detected by the current detection circuit for a certain period, and transmits the held voltage to the control circuit via the insulation circuit;
A power conversion apparatus comprising: a sample signal generation circuit that generates a sample signal for driving the sample hold circuit based on the gate drive signal transmitted from the control circuit via the isolation circuit.
前記電流検出回路は、前記半導体スイッチング素子に流れる電流、および前記フリーホイリング・ダイオードに流れる電流をそれぞれ検出する第1および第2の電流検出器と、これらの第1および第2の電流検出回路の各出力を加算する加算器とからなる請求項1に記載の電力変換装置。   The current detection circuit includes first and second current detectors for detecting a current flowing through the semiconductor switching element and a current flowing through the freewheeling diode, and the first and second current detection circuits. The power conversion device according to claim 1, further comprising an adder that adds the outputs. 前記サンプルホールド回路は、前記半導体スイッチング素子のスイッチング周期に同期して前記電流検出回路の出力信号をサンプリングして、次のサンプリング・タイミングまで保持するものである請求項1に記載の電力変換装置。   2. The power conversion device according to claim 1, wherein the sample and hold circuit samples the output signal of the current detection circuit in synchronization with a switching period of the semiconductor switching element and holds it until the next sampling timing. 前記サンプル信号生成回路は、前記絶縁回路を介して前記制御回路から伝達された前記ゲート駆動信号を波形整形して当該ゲート駆動信号のパルス幅を検出するパルス幅計測回路と、波形整形した前記ゲート駆動信号の立ち上がりタイミングを基準として前記パルス幅計測手段が1周期前のゲート駆動信号から検出したパルス幅の1/2の時間が経過したタイミングで前記サンプル信号を生成するパルス生成回路とを備える請求項1に記載の電力変換装置。   The sample signal generating circuit includes: a pulse width measuring circuit that shapes a waveform of the gate drive signal transmitted from the control circuit via the isolation circuit and detects a pulse width of the gate drive signal; and the gate that has been waveform shaped And a pulse generation circuit that generates the sample signal at a timing when a half of a pulse width detected from the gate drive signal of the previous cycle by the pulse width measuring unit has elapsed with reference to a rising timing of the drive signal. Item 4. The power conversion device according to Item 1. 前記パワー半導体モジュールは、三相交流電源の各相に対応する3組のハーフブリッジ回路を構成する6個の半導体スイッチング素子、および6個のフリーホイリング・ダイオードを備えて三相交流負荷に対するインバータ装置を形成したものである請求項1に記載の電力変換装置。   The power semiconductor module includes six semiconductor switching elements constituting six pairs of half-bridge circuits corresponding to each phase of a three-phase AC power source, and six freewheeling diodes, and an inverter for a three-phase AC load The power conversion device according to claim 1, wherein the device is formed. 前記制御回路は、前記ハーフブリッジ回路から出力される電流が正弦波となるように前記ゲート駆動信号のパルス幅を制御するものである請求項5に記載の電力変換装置。   The power converter according to claim 5, wherein the control circuit controls a pulse width of the gate drive signal so that a current output from the half-bridge circuit becomes a sine wave. 前記パワー半導体モジュールは、1組または2組のハーフブリッジ回路を構成する一対または二対の前記半導体スイッチング素子、および前記各半導体スイッチング素子にそれぞれ逆並列に接続される前記フリーホイリング・ダイオードをそれぞれ備え、
前記1組または2組のハーフブリッジ回路の出力端にインダクタンスを介して接続される出力回路と協働して、前記インダクタンスに流れる電流を制御して前記出力回路に所定の電圧を得るコンバータ装置を形成するものである請求項1に記載の電力変換装置。
The power semiconductor module includes one or two pairs of semiconductor switching elements constituting one or two pairs of half-bridge circuits, and the freewheeling diodes connected in antiparallel to the semiconductor switching elements, respectively. Prepared,
A converter device for controlling a current flowing through the inductance to obtain a predetermined voltage in the output circuit in cooperation with an output circuit connected to an output terminal of the one or two sets of half-bridge circuits via an inductance. The power conversion device according to claim 1, which is formed.
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