JP2022165666A - Inverter device, control method for inverter device, and control program for inverter device - Google Patents

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将 笹川
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Abstract

To provide an inverter device that can effectively prevent ringing caused by a common mode resonance current.SOLUTION: An inverter device 100 comprises: an inverter circuit 3 that is provided with a plurality of switching elements, converts a DC voltage input thereto into an AC voltage, and outputs the voltage to a load; a target waveform generator 4 that generates a target waveform of the voltage output from the inverter circuit; and a switching controller 5 that controls opening and closing of the plurality of switching elements so that an output waveform of the voltage output from the inverter circuit becomes the target waveform. When the target waveform includes a transition section in which a first target voltage is reduced to a second target voltage, the target waveform generator generates the target waveform so that it is maintained at a maintenance voltage smaller than the first target voltage and larger than the second target voltage by a predetermined value VC in a period from a predetermined time point until the completion of transition to the second target voltage.SELECTED DRAWING: Figure 3

Description

本発明は、直流電圧を交流電圧に変換して負荷に対して出力するインバータ装置に関するものである。 The present invention relates to an inverter device that converts a DC voltage into an AC voltage and outputs the AC voltage to a load.

例えば空気調和装置の圧縮機を駆動するために用いられるインバータ装置は、商用交流電流を直流電流に変換するコンバータ回路及び直流を交流に変換するインバータ回路を備えている。このようなインバータ回路では、スイッチング素子のターンオン時に出力される電圧、電流の振動(リンギング)が生じることがある。 2. Description of the Related Art An inverter device used for driving a compressor of an air conditioner, for example, includes a converter circuit that converts commercial alternating current into direct current and an inverter circuit that converts direct current into alternating current. In such an inverter circuit, oscillation (ringing) of the output voltage and current may occur when the switching element is turned on.

特許文献1に記載の発明では、ターンオン時におけるdi/dtを抑制することで、逆回復電流によるピーク値を抑制している。この結果リンギングを低減しながらターンオン損失の増大も抑制している。 In the invention described in Patent Document 1, the peak value due to the reverse recovery current is suppressed by suppressing di/dt at turn-on. As a result, the increase in turn-on loss is suppressed while reducing ringing.

しかしながら、スイッチング素子に接続される負荷を通してアースに流れるコモンモード共振電流によるリンギングについては上記のような構成を採用しても十分に抑制することができない。 However, the ringing due to the common mode resonance current flowing to the ground through the load connected to the switching element cannot be sufficiently suppressed even if the above configuration is adopted.

特許5186095号公報Japanese Patent No. 5186095

そこで、本発明は上述したような問題に鑑みてなされたものであり、コモンモード共振電流によるリンギングを効果的に抑制できるインバータ装置を提供することを目的とする。 SUMMARY OF THE INVENTION Accordingly, it is an object of the present invention to provide an inverter device capable of effectively suppressing ringing due to common mode resonance current.

すなわち、本発明に係るインバータ装置は、複数のスイッチング素子を具備し、入力される直流電圧を交流電圧に変換して負荷に出力するインバータ回路と、前記インバータ回路から出力される電圧の目標波形を生成する目標波形生成器と、前記インバータ回路から出力される電圧の出力波形が前記目標波形となるように前記複数のスイッチ素子の開閉を制御するスイッチング制御器と、を備え、前記目標波形生成器が、前記目標波形が第1目標電圧から第2目標電圧に低下させる遷移区間を含む場合には、所定時点から前記第2目標電圧に遷移する遷移完了時点までの期間では前記第1目標電圧よりも小さく前記第2目標電圧よりも所定値VCだけ大きい維持電圧で維持されるように目標波形を生成するように構成されたことを特徴とする。 That is, an inverter device according to the present invention includes an inverter circuit that includes a plurality of switching elements, converts an input DC voltage into an AC voltage and outputs the voltage to a load, and a target waveform of the voltage that is output from the inverter circuit. and a switching controller for controlling opening and closing of the plurality of switch elements so that the output waveform of the voltage output from the inverter circuit becomes the target waveform, wherein the target waveform generator However, when the target waveform includes a transition interval in which the first target voltage is lowered to the second target voltage, the period from the predetermined time to the transition completion time of the transition to the second target voltage is lower than the first target voltage. The target waveform is generated so as to be maintained at a sustain voltage which is smaller than the second target voltage and which is higher than the second target voltage by a predetermined value VC.

また、本発明に係る制御方法は、複数のスイッチング素子を具備し、入力される直流電圧を交流電圧に変換して負荷に出力するインバータ回路を備えたインバータ装置の制御方法であって、前記インバータ回路から出力される電圧の目標波形を生成する目標波形生成ステップと、前記インバータ回路から出力される電圧の出力波形が前記目標波形となるように前記複数のスイッチ素子の開閉を制御するスイッチング制御ステップと、を備え、前記目標波形生成ステップにおいて、前記目標波形が第1目標電圧から第2目標電圧に低下させる遷移区間を含む場合には、所定時点から前記第2目標電圧に遷移する遷移完了時点までの期間では前記第1目標電圧よりも小さく前記第2目標電圧よりも所定値VCだけ大きい維持電圧で維持されるように目標波形を生成することを特徴とする。 A control method according to the present invention is a control method for an inverter device including an inverter circuit that includes a plurality of switching elements and converts an input DC voltage into an AC voltage for output to a load. A target waveform generation step of generating a target waveform of the voltage output from the circuit; and a switching control step of controlling opening and closing of the plurality of switch elements so that the output waveform of the voltage output from the inverter circuit becomes the target waveform. and, in the target waveform generation step, when the target waveform includes a transition interval in which the first target voltage is decreased to the second target voltage, a transition completion time at which the transition is made from a predetermined time point to the second target voltage. The target waveform is generated so as to maintain a sustain voltage that is lower than the first target voltage and higher than the second target voltage by a predetermined value VC during the period until.

従来のインバータ装置であればコモンモードの共振電流は遷移区間の終了時点で共振回路として自由振動を開始してしまう。これに対して本発明であれば、遷移区間の終了前に第2目標電圧よりも所定値VCだけ高い維持電圧で維持されるので、共振電流のエネルギーを十分に消費した上で、遷移区間を終了することができる。したがって、自由共振開始時点の共振エネルギーを小さくして、コモンモード電流によるリンギングのピーク値を低減できる。また、前記インバータ回路におけるスイッチングスピードを低下させる必要がなくなるため、スイッチングによる損失も抑えることができる。 In the case of a conventional inverter device, the common-mode resonant current starts free oscillation as a resonant circuit at the end of the transition section. On the other hand, according to the present invention, the sustain voltage is maintained at a level higher than the second target voltage by the predetermined value VC before the end of the transition interval. can be terminated. Therefore, the resonance energy at the start of free resonance can be reduced to reduce the peak value of ringing due to the common mode current. Moreover, since it is not necessary to lower the switching speed in the inverter circuit, the loss due to switching can be suppressed.

本発明のリンギング抑制効果が好適に発揮される具体的な態様としては、共振のコモンモードに寄生的に挿入されるLC共振が、前記インバータ回路と前記負荷との間を接続する配線の寄生インダクタンスと、前記負荷の寄生容量によって生じるものが挙げられる。 As a specific aspect in which the ringing suppression effect of the present invention is preferably exhibited, the LC resonance parasitically inserted into the common mode of resonance is caused by the parasitic inductance of the wiring connecting between the inverter circuit and the load. and those caused by the parasitic capacitance of the load.

前記目標波形生成器が、前記目標波形が第1目標電圧から第2目標電圧に遷移する遷移区間を含む場合には、前記第2目標電圧に遷移する遷移完了時点でのコモンモードに寄生的に挿入されるLC共振による共振電流がゼロとなるように前記遷移完了時点と前記共振電流の位相を合わせるように構成されたものであれば、遷移区間終了時点における共振電流のエネルギーをさらに低減できる。 When the target waveform includes a transition section in which the target waveform transitions from a first target voltage to a second target voltage, the target waveform generator parasiticly performs a common mode at the completion of the transition to the second target voltage. If the phase of the resonance current is matched with the phase of the transition completion time so that the resonance current due to the LC resonance to be inserted becomes zero, the energy of the resonance current at the end of the transition section can be further reduced.

遷移区間の終了時点における共振電流の振幅がほぼゼロとなるようにするには、前記目標波形生成器が、前記遷移区間の時間長さが前記LC共振の共振周期の整数倍と実質的に一致するように前記目標波形を生成するものであればよい。 In order for the amplitude of the resonance current at the end of the transition interval to be substantially zero, the target waveform generator controls the time length of the transition interval to substantially match an integer multiple of the resonance period of the LC resonance. What is necessary is just to generate the said target waveform so that it may carry out.

前記インバータ回路の出力電圧の変化によって寄生インダンクタンス及び寄生容量で構成されるLC共振回路に共振電流を発生させにくくするには、前記目標波形生成器が、前記目標波形又は前記出力波形をフーリエ変換した場合に、前記LC共振の共振周波数付近のフーリエ係数が他のフーリエ係数に対して相対的にゼロとみなせる値となるように前記遷移区間の波形を生成するものであればよい。 In order to make it difficult for the LC resonant circuit composed of parasitic inductance and parasitic capacitance to generate a resonant current due to changes in the output voltage of the inverter circuit, the target waveform generator converts the target waveform or the output waveform into a Fourier waveform. What is necessary is just to generate the waveform in the transition section so that when transformed, the Fourier coefficients near the resonance frequency of the LC resonance are relatively zero with respect to other Fourier coefficients.

LC共振回路に共振電流が発生しないようにするための具体的な態様としては、前記目標波形生成器が、前記目標波形又は前記出力波形をフーリエ変換した場合に、所定次数よりも高次のフーリエ係数が他のフーリエ係数に対して相対的にゼロとみなせる値となるように前記遷移区間の波形を生成するものが挙げられる。 As a specific mode for preventing a resonance current from being generated in the LC resonance circuit, when the target waveform generator Fourier-transforms the target waveform or the output waveform, a Fourier transform of a higher order than a predetermined order is obtained. One example is to generate the waveform of the transition interval so that the coefficient has a value that can be regarded as zero relative to other Fourier coefficients.

前記複数のスイッチング素子が、ハイサイドスイッチング素子とローサイドスイッチング素子を含む構成では、ハイサイドスイッチング素子に電流が流れている期間ではインバータ回路の出力がローインピーダンスとなり、ローサイドスイッチング素子での制御が困難となる場合がある。このような問題が生じないようにするには、前記目標波形生成器が、前記ハイサイドスイッチング素子と前記ローサイドスイッチング素子に個別の目標波形を生成するように構成されており、前記ローサイドスイッチング素子に対する前記目標波形の前記遷移区間が、前記ハイサイドスイッチング素子のストレージチャージ完了時刻から開始されるように設定されればよい。 In a configuration in which the plurality of switching elements includes a high-side switching element and a low-side switching element, the output of the inverter circuit becomes low impedance during a period when current flows through the high-side switching element, making it difficult to control with the low-side switching element. may become. In order to avoid such a problem, the target waveform generator is configured to generate separate target waveforms for the high-side switching element and the low-side switching element. The transition section of the target waveform may be set to start from the storage charge completion time of the high-side switching element.

前記スイッチング制御器の具体的な構成例としては、前記インバータ回路の出力する電圧と、対応する時刻における前記目標波形の電圧との偏差を算出する電圧比較器と、前記電圧比較器で算出される偏差が小さくなるように前記複数のスイッチング素子の各ゲートを制御するゲート駆動パルス生成器と、を備えたものが挙げられる。 A specific configuration example of the switching controller includes a voltage comparator that calculates a deviation between the voltage output from the inverter circuit and the voltage of the target waveform at a corresponding time, and and a gate drive pulse generator that controls each gate of the plurality of switching elements so that the deviation becomes small.

共振電流の発生時点と前記遷移区間の開始時点を揃えられるようにして、前記遷移区間の時間長さを共振周期の整数倍に設定しやすくするには、コモン電流を検出するコモン電流検出器をさらに備え、前記目標波形生成器が、前記コモン電流に基づいて前記遷移区間の開始時点を設定するように構成されたものであればよい。 A common current detector for detecting the common current is provided in order to make it possible to align the time of occurrence of the resonance current with the start time of the transition section, and to easily set the time length of the transition section to an integral multiple of the resonance period. In addition, the target waveform generator may be configured to set the start point of the transition section based on the common current.

既存のインバータ装置においてプログラムを更新することで本発明に係るインバータ回路とほぼ同じ効果を発揮できるようにするには、複数のスイッチング素子を具備し、入力される直流電圧を交流電圧に変換して負荷に出力するインバータ回路を備えたインバータ装置用の制御プログラムであって、前記インバータ回路から出力される電圧の目標波形を生成する目標波形生成器と、前記インバータ回路から出力される電圧の出力波形が前記目標波形となるように前記複数のスイッチ素子の開閉を制御するスイッチング制御器としての機能をコンピュータに発揮させるものであり、前記目標波形生成器が、前記目標波形が第1目標電圧から第2目標電圧に遷移する遷移区間を含む場合には、前記第2目標電圧に遷移する遷移完了時点でのコモンモードに寄生的に挿入されるLC共振による共振電流がゼロとなるように前記遷移完了時点と前記共振電流の位相を合わせるように構成されたことを特徴とするインバータ装置用の制御プログラムを用いれば良い。 In order to achieve substantially the same effect as the inverter circuit according to the present invention by updating the program in the existing inverter device, a plurality of switching elements are provided and the input DC voltage is converted to AC voltage. A control program for an inverter device having an inverter circuit that outputs to a load, comprising a target waveform generator that generates a target waveform of a voltage that is output from the inverter circuit, and an output waveform of the voltage that is output from the inverter circuit. The computer functions as a switching controller that controls opening and closing of the plurality of switch elements so that the target waveform is obtained by the target waveform generator, wherein the target waveform is changed from the first target voltage to the first target voltage. When a transition section transitioning to two target voltages is included, the transition is completed so that the resonance current due to the LC resonance parasitically inserted in the common mode at the time of completion of the transition to the second target voltage becomes zero. A control program for an inverter device, which is characterized in that it is configured to match the time and the phase of the resonance current, may be used.

なお、制御プログラムは電子的に配信されるものであってもよいし、CD、DVD、フラッシュメモリ等のプログラム記録媒体に記録されたものであってもよい。 Note that the control program may be electronically distributed, or may be recorded on a program recording medium such as a CD, DVD, or flash memory.

このように本発明に係るインバータ回路であれば、前記遷移区間の終了時点においてコモンモード電流によるLC共振回路の共振電流のエネルギーを十分に消費することができる。したがって、従来は十分に抑制できなかったコモンモード電流によるリンギングを抑制できる。また、インバータ回路におけるスイッチング損失も抑制できる。 As described above, the inverter circuit according to the present invention can sufficiently consume the energy of the resonance current of the LC resonance circuit due to the common mode current at the end of the transition section. Therefore, it is possible to suppress ringing due to common mode current, which could not be sufficiently suppressed in the past. Also, switching loss in the inverter circuit can be suppressed.

本発明の第1実施形態におけるインバータ装置の構成を示す模式図。1 is a schematic diagram showing the configuration of an inverter device according to a first embodiment of the present invention; FIG. 従来のインバータ装置における出力特性を示すグラフ。The graph which shows the output characteristic in the conventional inverter apparatus. 第1実施形態におけるインバータ装置の制御機構の詳細を示す模式図。FIG. 3 is a schematic diagram showing the details of the control mechanism of the inverter device in the first embodiment; 遷移区間の時間長さとLC共振の共振周期との関係を示すグラフ。4 is a graph showing the relationship between the time length of the transition section and the resonance period of the LC resonance; 遷移区間の時間長さが共振周期のN倍である場合のVout、VC、VL、iLを示すグラフ及び関係式。Graphs and relationships showing V out , VC, VL and i L when the time length of the transition section is N times the resonance period. 本発明の第2実施形態におけるインバータ装置を示す模式図。The schematic diagram which shows the inverter apparatus in 2nd Embodiment of this invention. 本発明の第3実施形態におけるインバータ装置を示す模式図。The schematic diagram which shows the inverter apparatus in 3rd Embodiment of this invention. 本発明の第3実施形態の変形例におけるインバータ装置を示す模式図。The schematic diagram which shows the inverter apparatus in the modification of 3rd Embodiment of this invention. 本発明の第4実施形態におけるインバータ装置を示す模式図。The schematic diagram which shows the inverter apparatus in 4th Embodiment of this invention. 本発明の第5実施形態におけるインバータ装置を示す模式図。The schematic diagram which shows the inverter apparatus in 5th Embodiment of this invention. 第5実施形態におけるインバータ装置の効果を示すグラフ。The graph which shows the effect of the inverter apparatus in 5th Embodiment.

本発明の第1実施形態におけるインバータ装置100について各図を参照しながら説明する。このインバータ装置100は、例えば空気調和装置の圧縮機の三相モータを動作させるために用いられるものである。すなわち、図1に示すようにインバータ装置100の入力端は商用の三相交流電源1に接続され、インバータ装置100の出力端と負荷である圧縮器との間はケーブルで接続される。そして、インバータ装置100は商用の三相交流電圧を直流電圧に変換した後、再び所望の交流電圧へと変換して圧縮機の三相モータへと供給する。また、インバータ装置100と圧縮機を接続するケーブルに存在する寄生インダクタンスSIと、圧縮機に存在する寄生容量SCによって、インバータ装置100の出力が遷移する場合には、コモンモードに寄生的に挿入されるLC共振による共振電流が発生することになる。 An inverter device 100 according to a first embodiment of the present invention will be described with reference to each drawing. This inverter device 100 is used, for example, to operate a three-phase motor of a compressor of an air conditioner. That is, as shown in FIG. 1, the input end of the inverter device 100 is connected to the commercial three-phase AC power supply 1, and the output end of the inverter device 100 and the load compressor are connected by cables. After converting the commercial three-phase AC voltage into DC voltage, the inverter device 100 converts it again into a desired AC voltage and supplies it to the three-phase motor of the compressor. Further, when the output of the inverter device 100 transitions due to the parasitic inductance SI present in the cable connecting the inverter device 100 and the compressor and the parasitic capacitance SC present in the compressor, parasitic insertion into the common mode A resonance current is generated due to the LC resonance.

次にインバータ装置100の詳細について説明する。 Next, details of the inverter device 100 will be described.

図1に示すようにインバータ装置100は、三相交流電圧を直流電圧に変換するコンバータ回路2と、直流電圧を交流電圧に変換するインバータ回路3と、少なくともインバータ回路3の制御を司る制御機構と、を備えている。 As shown in FIG. 1, the inverter device 100 includes a converter circuit 2 that converts a three-phase AC voltage into a DC voltage, an inverter circuit 3 that converts the DC voltage into an AC voltage, and a control mechanism that controls at least the inverter circuit 3. , is equipped with

コンバータ回路2は、三相交流電圧を整流する三相フルブリッジダイオード回路と、三相フルブリッジダイオード回路の出力側である直流端子間に接続された平滑コンデンサと、を備えている。 The converter circuit 2 includes a three-phase full-bridge diode circuit that rectifies a three-phase AC voltage, and a smoothing capacitor connected between DC terminals on the output side of the three-phase full-bridge diode circuit.

インバータ回路3は、3つのスイッチング素子を具備する上アームと、3つのスイッチング素子を具備する下アームとを備える。各スイッチング素子は、三相ブリッジ接続され、コンバータ回路2から入力された直流電力を三相交流電力に変換し、負荷である圧縮機に出力する。スイッチング素子は、典型的には、電力スイッチング素子IGBT(絶縁ゲートバイポーラトランジスタ)であるが、これには限定されず任意の適切な半導体スイッチング素子であり得る。各スイッチング素子には、それぞれフライホイールダイオードが逆並列に接続されている。 The inverter circuit 3 has an upper arm with three switching elements and a lower arm with three switching elements. Each switching element is three-phase bridge-connected, converts the DC power input from the converter circuit 2 into three-phase AC power, and outputs the three-phase AC power to the compressor, which is the load. The switching elements are typically power switching elements IGBTs (Insulated Gate Bipolar Transistors), but are not limited to and can be any suitable semiconductor switching elements. A flywheel diode is connected in anti-parallel to each switching element.

さらに、インバータ回路3と圧縮器を接続するケーブルにはコモン電流を検出するコモン電流検出器6が設けられている。 Further, a common current detector 6 for detecting a common current is provided on a cable connecting the inverter circuit 3 and the compressor.

このようなインバータ装置100は、図2に示すような特性を有している。すなわち、スイッチング素子のスイッチングスピードが速い場合にはインバータ回路3の出力電圧が遷移する際に発生するスイッチング素子による損失は小さくなるのに対して、寄生インダクタンスSI及び寄生容量SCに起因するLC共振は大きくなる。一方、スイッチングスピードが遅い場合にはインバータ回路3の出力電圧が遷移する際に発生するスイッチング素子による損失は大きくなるのに対して、LC共振は小さくなる。この実施形態のインバータ回路3は、出力電圧の遷移におけるスイッチング制御によって、スイッチング素子における損失は低減しつつ、共振によるリンギングを抑制できるように構成されている。 Such an inverter device 100 has characteristics as shown in FIG. That is, when the switching speed of the switching element is fast, the loss due to the switching element generated when the output voltage of the inverter circuit 3 transitions is small, whereas the LC resonance caused by the parasitic inductance SI and the parasitic capacitance SC is growing. On the other hand, when the switching speed is slow, the loss due to the switching element generated when the output voltage of the inverter circuit 3 transitions increases, but the LC resonance decreases. The inverter circuit 3 of this embodiment is configured to suppress ringing due to resonance while reducing losses in the switching elements by switching control in the transition of the output voltage.

具体的には制御機構は例えばCPU、メモリ、A/Dコンバータ、D/Aコンバータ、各種入出力手段を備えたいわゆるコンピュータであって、メモリに格納されているインバータ装置100用の制御プログラムが実行されて、各機器が協業することにより、少なくとも図3に示すように目標波形生成器4、スイッチング制御器5としての機能を発揮する。 Specifically, the control mechanism is, for example, a computer having a CPU, a memory, an A/D converter, a D/A converter, and various input/output means, and a control program for the inverter device 100 stored in the memory is executed. As a result, each device cooperates to exhibit the functions of at least the target waveform generator 4 and the switching controller 5 as shown in FIG.

目標波形生成器4は、インバータ回路3から出力される電圧の目標波形を生成し、スイッチング制御器5に対して出力する。スイッチング制御器5は、インバータ回路3から出力される電圧の出力波形が目標波形となるように各スイッチング素子の開閉を制御する。具体的にはスイッチング制御器5は、出力波形の示す電圧と目標波形の示す電圧の偏差を算出する電圧比較器51と、算出された偏差が小さくなるように各スイッチング素子のゲード駆動パルスを生成するゲート駆動パルス生成器52とを備えている。 The target waveform generator 4 generates a target waveform of the voltage output from the inverter circuit 3 and outputs it to the switching controller 5 . The switching controller 5 controls opening and closing of each switching element so that the output waveform of the voltage output from the inverter circuit 3 becomes a target waveform. Specifically, the switching controller 5 includes a voltage comparator 51 that calculates the deviation between the voltage indicated by the output waveform and the voltage indicated by the target waveform, and generates a gate drive pulse for each switching element so that the calculated deviation becomes small. and a gate drive pulse generator 52 for

次に目標波形生成器4の詳細について説明する。目標波形生成器4は、目標波形が第1目標電圧から第2目標電圧に遷移する遷移区間を含む場合には、第2目標電圧に遷移する遷移完了時点でのコモンモードに寄生的に挿入されるLC共振による共振電流がゼロとなるように前記遷移完了時点と前記共振電流の位相を合わせるように構成されている。本実施形態では第1目標電圧よりも第2目標電圧は低い電圧であり、第2目標電圧はゼロである。また、遷移区間では例えば第1目標電圧から第2目標電圧に向かってランプ状に電圧が降下する。 Next, details of the target waveform generator 4 will be described. The target waveform generator 4 is parasitically inserted into the common mode at the completion of the transition to the second target voltage when the target waveform includes a transition section in which the first target voltage transitions to the second target voltage. The transition completion point and the phase of the resonance current are matched so that the resonance current due to the LC resonance is zero. In this embodiment, the second target voltage is a voltage lower than the first target voltage, and the second target voltage is zero. Also, in the transition section, the voltage drops in a ramp shape from the first target voltage toward the second target voltage, for example.

遷移区間の遷移時間(時間長さ)は、図3におけるグラフに示すようにLC共振の共振周期の整数倍と実質的に一致するように設定される。図4のグラフに示すように遷移区間の時間長さがLC共振の共振周期の整数倍となる場合には、遷移区間終了後には共振による電圧振動がほとんど存在しないようにできる。このような効果は、インバータ回路3の出力電圧をVout、コモンモードの寄生インダクタンスSIをL、コモンモードの寄生容量SCをC、LC共振の各周波数をω=1/(LC)^(1/2)、寄生容量SCに印加される電圧をVC(t)、寄生インダクタンスSIに両端電圧をVL(t)、寄生インダクタンスSIに流れる電流をiL(t)、Voutの遷移時間をt、任意の整数をNとした場合に、各電圧及び電流は図5に示すグラフ及び式で表すことができる。Vout、VC(t)、iL(t)のそれぞれにt=N・2π/ωを代入すると、それぞれゼロになることが分かる。したがって、t=t以降、すなわち、遷移区間が終了した後には共振が発生しないことになる。 The transition time (length of time) of the transition interval is set to substantially match an integral multiple of the resonance period of the LC resonance, as shown in the graph of FIG. As shown in the graph of FIG. 4, when the time length of the transition interval is an integral multiple of the resonance cycle of the LC resonance, voltage oscillation due to resonance can be almost eliminated after the transition interval ends. Such an effect is obtained by setting the output voltage of the inverter circuit 3 to V out , the common mode parasitic inductance SI to L, the common mode parasitic capacitance SC to C, and each frequency of LC resonance to ω n =1/(LC)^( 1/2), the voltage applied to the parasitic capacitance SC is V C (t), the voltage across the parasitic inductance SI is V L (t), the current flowing through the parasitic inductance SI is i L (t), and the transition of V out When the time is tf and an arbitrary integer is N, each voltage and current can be represented by the graph and formula shown in FIG. Substituting t f =N·2π/ω n into V out , V C (t), and i L (t), it is found that each becomes zero. Therefore, after t= tf , that is, after the transition interval ends, no resonance occurs.

このように構成された第1実施形態のインバータ装置100であれば、インバータ回路3から出力される電圧の遷移区間において、その遷移時間が各寄生要素に起因するLC共振の共振周期の整数倍となるように設定されているので、遷移期間終了後には共振が発生しないようにできる。したがって、従来のようにスイッチング素子のスイッチングスピードを遅くして共振が発生しないようにする必要がなく、スイッチングスピードは速くしたままにできる。このため、スイッチングによる損失を低減しつつ、出力電圧が遷移しても寄生要素に起因するリンギングが発生するのを抑制することができる。また、EMI対策が難しい低域の共振周波数のノイズ成分を抑制でき、共振を直接抑制できるので、フェライトコア等のノイズ対策部品も削減可能となる。加えて、従来と同様に逆回復電流によるピークについても抑制できる。 In the inverter device 100 of the first embodiment configured as described above, in the transition section of the voltage output from the inverter circuit 3, the transition time is an integral multiple of the resonance period of the LC resonance caused by each parasitic element. , so that resonance can be prevented from occurring after the transition period ends. Therefore, it is not necessary to slow down the switching speed of the switching element to prevent resonance as in the conventional art, and the switching speed can be kept high. Therefore, it is possible to suppress the occurrence of ringing due to parasitic elements even when the output voltage transitions, while reducing loss due to switching. In addition, since it is possible to suppress the noise component of the low resonance frequency, which is difficult to deal with EMI, and directly suppress the resonance, it is possible to reduce the number of noise countermeasure parts such as ferrite cores. In addition, the peak due to the reverse recovery current can be suppressed as in the conventional case.

次に第2実施形態のインバータ装置100について、図6を参照しながら説明する。なお、第1実施形態において説明した各部と対応する部分については同じ符号を付すこととする。 Next, the inverter device 100 of 2nd Embodiment is demonstrated, referring FIG. In addition, suppose that the same code|symbol is attached|subjected about the part corresponding to each part demonstrated in 1st Embodiment.

第2実施形態のインバータ装置100は、コモン電流検出器6としてインバータ回路3の出力端と圧縮機との間を接続するケーブルにロゴスキーコイル61が設けてある。具体的にはロゴスキーコイル61で圧縮機に接続される3本のケーブルを束ねてある。ロゴスキーコイル61で得られるのはコモン電流の微分波形であるため、この微分波形を積分器に通すことでコモン電流波形に変換する。得られたコモン電流波形に基づいて1又は複数の検出器によってコモン電流の振幅、位相情報が抽出される。検出器は例えば振幅と位相情報を得るためのA/Dコンバータを用いることができる。また、検出器は位相情報を得るコンパレータ回路と,振幅情報を得るピークホールド回路であってもかまわない。ロゴスキーコイル61で得られるコモン電流の位相及び振幅の情報に基づいて目標波形生成器4は、遷移区間の開始タイミングと遷移時間を決定する。すなわち、遷移期間の開始タイミングはLC共振の発生タイミングとほぼ一致するように設定される。 In the inverter device 100 of the second embodiment, a Rogowski coil 61 is provided as the common current detector 6 on the cable connecting between the output terminal of the inverter circuit 3 and the compressor. Specifically, a Rogowski coil 61 bundles three cables connected to the compressor. Since the differential waveform of the common current is obtained by the Rogowski coil 61, the differential waveform is passed through an integrator to be converted into a common current waveform. Based on the obtained common current waveform, one or more detectors extract common current amplitude and phase information. The detector can use, for example, an A/D converter to obtain amplitude and phase information. Further, the detector may be a comparator circuit for obtaining phase information and a peak hold circuit for obtaining amplitude information. Based on information on the phase and amplitude of the common current obtained by the Rogowski coil 61, the target waveform generator 4 determines the start timing and transition time of the transition interval. That is, the start timing of the transition period is set so as to substantially coincide with the generation timing of the LC resonance.

このように第2実施形態のインバータ装置100であれば、LC共振の発生タイミングやその共振周期をコモン電流検出器6であるロゴスキーコイル61によって得られるので、目標波形における遷移区間の遷移時間を正確に共振周期の整数倍に設定するとともに、遷移区間の開始タイミングとLC共振の発生タイミングを揃えることができる。このため、遷移区間終了時点において、共振電流がゼロとなるようにできるので、以降には共振がほとんど発生しないようできる。 As described above, with the inverter device 100 of the second embodiment, the timing of occurrence of LC resonance and its resonance period can be obtained by the Rogowski coil 61, which is the common current detector 6. It is possible to accurately set the period to an integral multiple of the resonance period, and to align the start timing of the transition section and the generation timing of the LC resonance. For this reason, the resonance current can be made zero at the end of the transition section, so that the resonance can be prevented from occurring after that.

次に第3実施形態のインバータ装置100について、図7及び図8を参照しながら説明する。 Next, the inverter device 100 of 3rd Embodiment is demonstrated, referring FIG.7 and FIG.8.

第3実施形態では目標波形生成器4は、図7に示すように目標波形又は出力波形をフーリエ変換した場合に、LC共振の共振周波数付近のフーリエ係数が他のフーリエ係数に対して相対的にゼロとみなせる値となるように遷移区間の波形を生成するように構成されている。ここで、相対的にゼロとみなすことができるとは、フーリエ変換後のスペクトラムにおいて源信号成分の振幅に対して、30~40dB以下であることをいう。 In the third embodiment, when the target waveform or the output waveform is Fourier-transformed as shown in FIG. 7, the target waveform generator 4 has a Fourier coefficient near the resonance frequency of the LC resonance relative to the other Fourier coefficients. It is configured to generate a waveform in the transition section so that it has a value that can be considered zero. Here, to be regarded as relatively zero means that the amplitude of the spectrum after Fourier transform is 30 to 40 dB or less with respect to the amplitude of the source signal component.

このような第3実施形態のインバータ装置100であれば、LC共振回路に共振電流をほとんど発生させないようにできるので、遷移期間終了後のリンギングをさらに抑制することができる。 With the inverter device 100 of the third embodiment as described above, it is possible to prevent the LC resonance circuit from generating a resonance current, so that ringing after the end of the transition period can be further suppressed.

第3実施形態の変形例について説明する。図8に示すように目標波形生成器4は目標波形又は出力波形をフーリエ変換した場合に、所定次数よりも高次のフーリエ係数が他のフーリエ係数に対して相対的にゼロとみなせる値となるように遷移区間の波形を生成してもよい。 A modification of the third embodiment will be described. As shown in FIG. 8, when the target waveform generator 4 Fourier-transforms the target waveform or the output waveform, Fourier coefficients higher than a predetermined order become values that can be regarded as zero relative to other Fourier coefficients. A waveform in the transition section may be generated as follows.

次に第4実施形態のインバータ装置100について、図9を参照しながら説明する。 Next, the inverter device 100 of 4th Embodiment is demonstrated, referring FIG.

第4実施形態はインバータ回路3におけるハイサイドスイッチング素子とローサイドスイッチング素子のスイッチング制御に特徴がある。すなわち、目標波形生成器4が、ハイサイドスイッチング素子とローサイドスイッチング素子に個別の目標波形を生成するように構成されており、図9のグラフに示すようにローサイドスイッチング素子に対する目標波形の遷移区間が、ハイサイドスイッチング素子のストレージチャージ完了時刻から開始されるように設定される。 The fourth embodiment is characterized by switching control of the high-side switching element and the low-side switching element in the inverter circuit 3 . That is, the target waveform generator 4 is configured to generate separate target waveforms for the high-side switching element and the low-side switching element, and as shown in the graph of FIG. , is set to start from the storage charge completion time of the high-side switching element.

このような第4実施形態のインバータ装置100であれば、ハイサイドスイッチング素子に電流が流れていてVoutが低インピーダンスとなることでローサイドスイッチング素子の制御が困難になる状態では、ローサイドスイッチング素子の制御が行われない。すなわち、ハイサイドスイッチング素子の電流がゼロになるタイミングでローサイドスイッチング素子の制御が開始されるので、安定的な制御を実現できる。 In the inverter device 100 of the fourth embodiment, in a state where the current flows through the high-side switching element and the impedance of Vout becomes low, the control of the low-side switching element becomes difficult. No control. That is, since the control of the low-side switching element is started at the timing when the current of the high-side switching element becomes zero, stable control can be realized.

第4実施形態の変形例について説明する。第4実施形態における制御をより正確に行えるようにするには、ハイサイド電流を検出するための電流検出器を設けておき、この電流検出器で検出される電流がゼロとなるタイミングでローサイドスイッチング素子の目標電圧波形が遷移区間に入るように構成してもよい。また、ハイサイドスイッチング素子の制御を開始するタイミングは、ローサイドスイッチング素子に流れる電流がゼロとなった時点であればよい。すなわち、前述した第4実施形態においてハイサイドとローサイドを読み替えた構成で実現できる。 A modification of the fourth embodiment will be described. In order to perform the control in the fourth embodiment more accurately, a current detector for detecting the high side current is provided, and the low side switching is performed at the timing when the current detected by this current detector becomes zero. The device target voltage waveform may be configured to fall into the transition interval. Moreover, the timing of starting control of the high-side switching element may be the time when the current flowing through the low-side switching element becomes zero. That is, it can be realized by a configuration in which the high side and the low side are read interchangeably in the above-described fourth embodiment.

次に第5実施形態のインバータ装置100について、図10及び図11を参照しながら説明する。 Next, the inverter device 100 of 5th Embodiment is demonstrated, referring FIG.10 and FIG.11.

第5実施形態では図10のグラフに示すように目標波形生成器4が、目標波形が第1目標電圧から第2目標電圧に低下させる遷移区間を含む場合には、所定時点から前記第2目標電圧に遷移する遷移完了時点までの期間では前記第1目標電圧よりも小さく前記第2目標電圧よりも所定値VCだけ大きい維持電圧で維持されるように目標波形を生成するように構成されている。 In the fifth embodiment, as shown in the graph of FIG. 10, when the target waveform includes a transition section in which the target voltage is lowered from the first target voltage to the second target voltage, the target waveform generator 4 generates the second target voltage from a predetermined time point. The target waveform is configured to be maintained at a sustain voltage that is lower than the first target voltage and higher than the second target voltage by a predetermined value VC in a period until the transition to the voltage is completed. .

ここで、所定値VCによる電圧制御によって、LC共振直列のQ値を0.5~3程度の範囲になるようにしている。なお、Q=1/R*(L/C)^(1/2)、R=VC/IPであって、IPは共振電流のピーク値、Lは寄生インダクタンスSIの値、Cは寄生容量SCの値である。 Here, the Q value of the LC resonant series is set within the range of about 0.5 to 3 by voltage control with a predetermined value VC. Q=1/R*(L/C)^(1/2), R=VC/IP, where IP is the peak value of the resonant current, L is the value of the parasitic inductance SI, and C is the parasitic capacitance SC is the value of

このような第5実施形態のインバータ装置100であれば、図11のグラフに示すように遷移区間において電圧がゼロとなる前に所定期間、ゼロから所定値VCだけ大きい維持電圧で維持することによって共振電流のエネルギーを消費することができる。このような維持電圧を設ける補正を遷移区間に行わない場合には、遷移区間終了後にも共振電流の大きな振幅が残存するのに対して、第5実施形態であれば遷移区間終了後は共振電流の振幅を抑制できる。また、従来のようにスイッチングスピードを落として共振電流を抑制する場合と比較すると、スイッチングにおける損失も低減できていることが分かる。言い換えると、第5実施形態のインバータ装置100であれば、遷移区間における電圧勾配は急峻にしてスイッチング損失を低減しつつ、遷移区間が終了してからはリンギングを十分に抑制できる。 In the inverter device 100 of the fifth embodiment, as shown in the graph of FIG. 11, before the voltage becomes zero in the transition section, the voltage is maintained at a sustain voltage greater than zero by a prescribed value VC for a prescribed period of time. The energy of the resonance current can be consumed. In the case where such a correction to provide a sustain voltage is not performed in the transition interval, a large amplitude of the resonance current remains even after the transition interval ends. can suppress the amplitude of In addition, it can be seen that the switching loss can be reduced as compared with the conventional case where the switching speed is lowered to suppress the resonance current. In other words, with the inverter device 100 of the fifth embodiment, the voltage gradient in the transition section is steep to reduce the switching loss, and ringing can be sufficiently suppressed after the transition section ends.

第5実施形態の変形例について説明する。 A modification of the fifth embodiment will be described.

その他の実施形態について説明する。VCの電圧を高くして、Q値を1以下にすることで、さらに共振エネルギーの減衰を速く収束させることができるが、インバータ回路3のスイッチング素子における損失が増大するトレードオフが存在する。このため、双方を許容できる範囲内において、VCの値を設定すればよい。 Other embodiments will be described. By increasing the voltage of VC and setting the Q value to 1 or less, the attenuation of the resonance energy can be converged more quickly, but there is a trade-off that loss in the switching elements of the inverter circuit 3 increases. Therefore, the value of VC should be set within a range that allows both.

その他の実施形態について説明する。 Other embodiments will be described.

本発明に係るインバータ装置は圧縮機に適用されるものに限られず、様々な負荷に接続して用いてもよい。すなわち、負荷は交流機であればよい。 The inverter device according to the present invention is not limited to being applied to compressors, and may be used by being connected to various loads. That is, the load may be an alternator.

また、本発明の趣旨に反しない限りにおいて、各実施形態の一部同士の組み合わせを行ったり、各実施形態の一部を変形したりしても構わない。 Moreover, as long as it does not violate the gist of the present invention, it is possible to combine parts of each embodiment with each other, or to modify a part of each embodiment.

1 :三相交流電源
2 :コンバータ回路
3 :インバータ回路
4 :目標波形生成器
5 :スイッチング制御器
6 :コモン電流検出器
51 :電圧比較器
52 :ゲート駆動パルス生成器
61 :ロゴスキーコイル
100 :インバータ装置
SC :寄生容量
SI :寄生インダクタンス


1: Three-phase AC power supply 2: Converter circuit 3: Inverter circuit 4: Target waveform generator 5: Switching controller 6: Common current detector 51: Voltage comparator 52: Gate drive pulse generator 61: Rogowski coil 100: Inverter device SC: parasitic capacitance SI: parasitic inductance


Claims (11)

複数のスイッチング素子を具備し、入力される直流電圧を交流電圧に変換して負荷に出力するインバータ回路と、
前記インバータ回路から出力される電圧の目標波形を生成する目標波形生成器と、
前記インバータ回路から出力される電圧の出力波形が前記目標波形となるように前記複数のスイッチ素子の開閉を制御するスイッチング制御器と、を備え、
前記目標波形生成器が、前記目標波形が第1目標電圧から第2目標電圧に低下させる遷移区間を含む場合には、所定時点から前記第2目標電圧に遷移する遷移完了時点までの期間では前記第1目標電圧よりも小さく前記第2目標電圧よりも所定値VCだけ大きい維持電圧で維持されるように目標波形を生成するように構成されたことを特徴とするインバータ装置。
an inverter circuit that includes a plurality of switching elements, converts an input DC voltage into an AC voltage, and outputs the AC voltage to a load;
a target waveform generator for generating a target waveform of the voltage output from the inverter circuit;
a switching controller that controls opening and closing of the plurality of switch elements so that the output waveform of the voltage output from the inverter circuit becomes the target waveform;
In the case where the target waveform generator includes a transition section in which the target waveform is lowered from the first target voltage to the second target voltage, the period from a predetermined point to the transition completion point of transition to the second target voltage is the An inverter device configured to generate a target waveform so as to maintain a sustain voltage that is lower than a first target voltage and higher than the second target voltage by a predetermined value VC.
コモンモードに寄生的に挿入されるLC共振が、前記インバータ回路と前記負荷との間を接続する配線の寄生インダクタンスと、前記負荷の寄生容量によって生じるものである請求項1記載のインバータ装置。 2. The inverter device according to claim 1, wherein the LC resonance that is parasitically inserted into the common mode is caused by the parasitic inductance of the wiring connecting the inverter circuit and the load and the parasitic capacitance of the load. 前記目標波形生成器が、前記目標波形が第1目標電圧から第2目標電圧に遷移する遷移区間を含む場合には、前記第2目標電圧に遷移する遷移完了時点でのコモンモードに寄生的に挿入されるLC共振による共振電流がゼロとなるように前記遷移完了時点と前記共振電流の位相を合わせるように構成された請求項1又は2記載のインバータ装置。 When the target waveform includes a transition section in which the target waveform transitions from a first target voltage to a second target voltage, the target waveform generator parasiticly performs a common mode at the completion of the transition to the second target voltage. 3. The inverter device according to claim 1 or 2, wherein said transition completion point and said resonance current are in phase so that a resonance current due to LC resonance to be inserted becomes zero. 前記目標波形生成器が、前記遷移区間の時間長さが前記LC共振の共振周期の整数倍と実質的に一致するように前記目標波形を生成する請求項1乃至3いずれかに記載のインバータ装置。 4. The inverter device according to any one of claims 1 to 3, wherein said target waveform generator generates said target waveform such that the time length of said transition interval substantially matches an integral multiple of a resonance period of said LC resonance. . 前記目標波形生成器が、前記目標波形又は前記出力波形をフーリエ変換した場合に、前記LC共振の共振周波数付近のフーリエ係数が他のフーリエ係数に対して相対的にゼロとみなせる値となるように前記遷移区間の波形を生成する請求項1乃至4いずれかに記載のインバータ装置。 When the target waveform generator Fourier-transforms the target waveform or the output waveform, the Fourier coefficient near the resonance frequency of the LC resonance is a value that can be regarded as zero relative to other Fourier coefficients. 5. The inverter device according to any one of claims 1 to 4, wherein the waveform of the transition section is generated. 前記目標波形生成器が、前記目標波形又は前記出力波形をフーリエ変換した場合に、所定次数よりも高次のフーリエ係数が他のフーリエ係数に対して相対的にゼロとみなせる値となるように前記遷移区間の波形を生成する請求項5記載のインバータ装置。 When the target waveform generator Fourier-transforms the target waveform or the output waveform, the Fourier coefficients higher than a predetermined order are set to a value that can be regarded as zero relative to other Fourier coefficients. 6. The inverter device according to claim 5, wherein the waveform of the transition section is generated. 前記複数のスイッチング素子が、ハイサイドスイッチング素子とローサイドスイッチング素子を含み、
前記目標波形生成器が、前記ハイサイドスイッチング素子と前記ローサイドスイッチング素子に個別の目標波形を生成するように構成されており、
前記ローサイドスイッチング素子に対する前記目標波形の前記遷移区間が、前記ハイサイドスイッチング素子のストレージチャージ完了時刻から開始されるように設定される請求項1乃至6いずれかに記載のインバータ装置。
the plurality of switching elements includes a high-side switching element and a low-side switching element;
wherein the target waveform generator is configured to generate separate target waveforms for the high side switching device and the low side switching device;
7. The inverter device according to claim 1, wherein said transition section of said target waveform for said low-side switching element is set to start from a storage charge completion time of said high-side switching element.
前記スイッチング制御器が、
前記インバータ回路の出力する電圧と、対応する時刻における前記目標波形の電圧との偏差を算出する電圧比較器と、
前記電圧比較器で算出される偏差が小さくなるように前記複数のスイッチング素子の各ゲートを制御するゲート駆動パルス生成器と、を備えた請求項1乃至7いずれかに記載のインバータ装置。
The switching controller is
a voltage comparator that calculates the deviation between the voltage output from the inverter circuit and the voltage of the target waveform at the corresponding time;
8. The inverter device according to claim 1, further comprising a gate drive pulse generator that controls each gate of said plurality of switching elements so that the deviation calculated by said voltage comparator becomes small.
コモン電流を検出するコモン電流検出器をさらに備え、
前記目標波形生成器が、前記コモン電流に基づいて前記遷移区間の開始時点を設定するように構成された請求項1乃至8いずれかに記載のインバータ装置。
further comprising a common current detector for detecting the common current,
9. The inverter device according to any one of claims 1 to 8, wherein said target waveform generator is configured to set the start time of said transition interval based on said common current.
複数のスイッチング素子を具備し、入力される直流電圧を交流電圧に変換して負荷に出力するインバータ回路を備えたインバータ装置の制御方法であって、
前記インバータ回路から出力される電圧の目標波形を生成する目標波形生成ステップと、
前記インバータ回路から出力される電圧の出力波形が前記目標波形となるように前記複数のスイッチ素子の開閉を制御するスイッチング制御ステップと、を備え、
前記目標波形生成ステップにおいて、前記目標波形が第1目標電圧から第2目標電圧に低下させる遷移区間を含む場合には、所定時点から前記第2目標電圧に遷移する遷移完了時点までの期間では前記第1目標電圧よりも小さく前記第2目標電圧よりも所定値VCだけ大きい維持電圧で維持されるように目標波形を生成することを特徴とするインバータ装置の制御方法。
A control method for an inverter device including an inverter circuit that includes a plurality of switching elements and converts an input DC voltage into an AC voltage and outputs the AC voltage to a load,
a target waveform generating step of generating a target waveform of the voltage output from the inverter circuit;
a switching control step of controlling opening and closing of the plurality of switch elements so that the output waveform of the voltage output from the inverter circuit becomes the target waveform;
In the target waveform generating step, if the target waveform includes a transition section in which the first target voltage is decreased to the second target voltage, the period from a predetermined time point to the transition completion time point of transition to the second target voltage is the A control method for an inverter device, wherein a target waveform is generated so as to maintain a sustain voltage that is lower than a first target voltage and higher than the second target voltage by a predetermined value VC.
複数のスイッチング素子を具備し、入力される直流電圧を交流電圧に変換して負荷に出力するインバータ回路を備えたインバータ装置用の制御プログラムであって、
前記インバータ回路から出力される電圧の目標波形を生成する目標波形生成器と、
前記インバータ回路から出力される電圧の出力波形が前記目標波形となるように前記複数のスイッチ素子の開閉を制御するスイッチング制御器としての機能をコンピュータに発揮させるものであり、
前記目標波形生成器が、前記目標波形が第1目標電圧から第2目標電圧に低下させる遷移区間を含む場合には、所定時点から前記第2目標電圧に遷移する遷移完了時点までの期間では前記第1目標電圧よりも小さく前記第2目標電圧よりも所定値VCだけ大きい維持電圧で維持されるように目標波形を生成するように構成されたことを特徴とするインバータ装置用の制御プログラム。


A control program for an inverter device including an inverter circuit that includes a plurality of switching elements and converts an input DC voltage into an AC voltage and outputs the AC voltage to a load,
a target waveform generator for generating a target waveform of the voltage output from the inverter circuit;
causing a computer to exhibit a function as a switching controller that controls opening and closing of the plurality of switch elements so that the output waveform of the voltage output from the inverter circuit becomes the target waveform,
In the case where the target waveform generator includes a transition section in which the target waveform is lowered from the first target voltage to the second target voltage, the period from a predetermined point to the transition completion point of transition to the second target voltage is the A control program for an inverter device, characterized in that it is configured to generate a target waveform so as to maintain a sustain voltage that is lower than a first target voltage and higher than the second target voltage by a predetermined value VC.


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