JP2024043382A - 電子回路、電力変換装置およびインバータ - Google Patents

電子回路、電力変換装置およびインバータ Download PDF

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Abstract

【課題】ノイズの発生を抑えながらスイッチング遅延を短くすることができる、電子回路を提供する。
【解決手段】実施の形態の電子回路は、スイッチング素子に駆動電流を出力する電流出力回路と、スイッチング素子の出力端子間の電圧変化の開始タイミングを検知する第1の検知回路と、スイッチング素子のスイッチング動作を指示する指令信号に応じて、電流出力回路に第1の駆動電流の出力を開始させる制御回路とを備えている。制御回路は、第1の検知回路によって検知される出力端子間の電圧変化の開始タイミングに基づいて、電流出力回路から出力される駆動電流を第1の駆動電流よりも小さい第2の駆動電流に切り替える。
【選択図】図2

Description

本実施の形態は、電子回路、電力変換装置およびインバータに関する。
パワーエレクトロニクスの分野では、MOSFET(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor)やIGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)等の半導体スイッチング素子が用いられている。
スイッチング素子のターンオン時には、ゲート電圧が上昇し始めてからドレイン電流が流れ始めるまでの間に遅延(スイッチング遅延)が存在する。スイッチング遅延を短くするために、ドレイン-ソース間の電圧が変化し始めるまでの間に供給される駆動電流を大きくすることが行われている。ただし、ドレイン-ソース間の電圧が変化し始めた後も駆動電流が大きいままだと、ドレイン-ソース間の電圧の急激な時間変化に起因して、ノイズが発生する原因となる。
"Rise and fall time regulation with current source MOSFET gate drivers", Infineon Application Note Z8F69449874, June 19, 2020
本実施の形態は、上記の課題を解決するためのものであり、ノイズの発生を抑えながらスイッチング遅延を短くすることができる、電子回路を提供することを目的とする。
上記の課題を解決するために、本実施の形態に係る電子回路は、スイッチング素子に駆動電流を出力する電流出力回路と、スイッチング素子の出力端子間の電圧変化の開始タイミングを検知する第1の検知回路と、スイッチング素子のスイッチング動作を指示する指令信号に応じて、電流出力回路に第1の駆動電流の出力を開始させる制御回路とを備え、制御回路は、第1の検知回路によって検知される出力端子間の電圧変化の開始タイミングに基づいて、電流出力回路から出力される駆動電流を第1の駆動電流よりも小さい第2の駆動電流に切り替える。
また、本実施の形態に係る電力変換装置は、アーム対を構成する2つのスイッチング素子と、2つのスイッチング素子にそれぞれ駆動電流を供給する2つの電子回路とを含む電力変換装置であって、電子回路のぞれぞれは、スイッチング素子に駆動電流を出力する電流出力回路と、スイッチング素子の出力端子間の電圧変化の開始タイミングを検知する第1の検知回路と、スイッチング素子のスイッチング動作を指示する指令信号に応じて、電流出力回路に第1の駆動電流の出力を開始させる制御回路とを備え、制御回路は、第1の検知回路によって検知される出力端子間の電圧変化の開始タイミングに基づいて、電流出力回路から出力される駆動電流を第1の駆動電流よりも小さい第2の駆動電流に切り替える。
また、本実施の形態に係るインバータは、モーターと、モーターに接続されるアーム対を構成する2つのスイッチング素子、および、当該2つのスイッチング素子にそれぞれ駆動電流を供給する2つの電子回路を3セット有する電力変換回路とを含むインバータであって、電子回路のぞれぞれは、スイッチング素子に駆動電流を出力する電流出力回路と、スイッチング素子の出力端子間の電圧変化の開始タイミングを検知する第1の検知回路と、スイッチング素子のスイッチング動作を指示する指令信号に応じて、電流出力回路に第1の駆動電流の出力を開始させる制御回路とを備え、制御回路は、第1の検知回路によって検知される出力端子間の電圧変化の開始タイミングに基づいて、電流出力回路から出力される駆動電流を第1の駆動電流よりも小さい第2の駆動電流に切り替える。
実施の形態1に係るモーター制御システムの構成を示す図。 実施の形態1に電子回路の内部の構成を示す図。 実施の形態1に係る電流出力回路から出力される駆動電流と、当該駆動電流によって駆動されるスイッチング素子の動作を説明するタイミングチャート。 アーム対を構成する2つのスイッチング素子が共にオフの状態おける負荷側から流れ込む電流の例を示す図。 実施の形態2に電子回路の内部の構成を示す図。 実施の形態2に係る電流出力回路から出力される駆動電流と、当該駆動電流によって駆動されるスイッチング素子の動作を説明するタイミングチャート。 実施の形態3に電子回路の内部の構成を示す図。
以下では、図面を参照しながら、本実施の形態について説明する。図面において、同一または対応する要素には同じ参照符号を付して、詳細な説明は適宜省略する。
(実施の形態1)
図1は、実施の形態1に係るモーター制御システム1の構成を示す図である。モーター制御システム1は、負荷としての三相交流モーター2と、直流電源3と、三相のインバータ回路10を構成するスイッチング素子11a~11fと、スイッチング素子11a~11fをそれぞれ駆動する電子回路100a~100fとを備えている。また、モーター制御システム1は、スイッチング素子11a~11fの動作状態を検知する検知回路4と、電子回路100a~100fにPWM信号を供給する信号供給回路5とを備えている。本実施形態では一例として負荷をモーターとしているが、交流電源で駆動する任意の電子装置、電気装置を負荷としてもよい。
スイッチング素子11aおよびスイッチング素子11bは、Nチャネル型のMOSFETである。スイッチング素子11aおよびスイッチング素子11bによって、インバータ回路10のU相のアーム対が構成される。電子回路100aは、スイッチング素子11aの駆動電流、すなわちゲート電流Igを制御することによって、スイッチング素子11aのスイッチング動作、すなわちターンオンおよびターンオフを制御する。電子回路100bは、スイッチング素子11bの駆動電流を制御することによって、スイッチング素子11bのスイッチング動作を制御する。
同様に、スイッチング素子11cおよびスイッチング素子11dは、Nチャネル型のMOSFETである。スイッチング素子11cおよびスイッチング素子11dによって、インバータ回路10のV相のアーム対が構成される。電子回路100cは、スイッチング素子11cの駆動電流を制御することによって、スイッチング素子11cのスイッチング動作を制御する。電子回路100dは、スイッチング素子11dの駆動電流を制御することによって、スイッチング素子11dのスイッチング動作を制御する。
同様に、スイッチング素子11eおよびスイッチング素子11fは、Nチャネル型のMOSFETである。スイッチング素子11eおよびスイッチング素子11fによって、インバータ回路10のW相のアーム対が構成される。電子回路100eは、スイッチング素子11eの駆動電流Igを制御することによって、スイッチング素子11eのスイッチング動作を制御する。電子回路100fは、スイッチング素子11fの駆動電流を制御することによって、スイッチング素子11fのスイッチング動作を制御する。
検知回路4は、モーター2のU相、V相、W相の電流値に基づいて、スイッチング素子11a~11fの動作状態を検知し、信号供給回路5に送信する。代替的には、検知回路4は、モーター2に内蔵されている図示しない温度センサーによって取得される温度情報に基づいて、スイッチング素子11a~11fの動作状態を検知してもよい。あるいは、検知回路4は、図示しない制御用のマイクロコンピュータから受信される信号に基づいて、スイッチング素子11a~11fの動作状態を検知してもよい。
信号供給回路5は、検知回路4から受信されるスイッチング素子11a~11fの動作状態に基づいて、電子回路100a~100fに対して、スイッチング素子11a~11fのスイッチング動作を指示する指令信号としてのPWM信号を供給する。なお、信号供給回路5および電子回路100a~100fは、図示しないシステムクロックに従って動作する。
図2は、電子回路100a~100fの内部の構成を示す図である。なお、電子回路100a~100fの構成はすべて同一であるので、これ以降、電子回路100と表記して説明する。同様に、スイッチング素子11a~11fについても、これ以降、スイッチング素子11と表記して説明する。
電子回路100は、スイッチング素子11に駆動電流を供給する回路であり、第1の検知回路110と、第2の検知回路120と、電流出力回路130と、制御回路140とを備えている。
第1の検知回路110は、スイッチング素子11の出力端子間の電圧変化の開始タイミング、すなわちターンオン時にドレイン-ソース間の電圧Vdsが変化し始めるタイミングを検知する。詳細には、第1の検知回路110は、スイッチング素子11のドレイン-ソース間の電圧Vdsが所定の第1の閾値電圧Vth1に等しくなるタイミングを検知することにより、スイッチング素子11の出力端子間の電圧変化の開始タイミングを検知する。本実施の形態1では、第1の閾値電圧Vth1は、一例として、スイッチング素子11の非導通時のドレイン-ソース間の電圧Vdsの90%~80%の範囲内の電圧に設定されている。
第1の検知回路110は、コンパレータ111と、第1の閾値電圧Vth1を出力する定電圧源112と、検知信号出力回路113とを含んでいる。コンパレータ111の正端子は、スイッチング素子11のドレイン端子に接続されている。コンパレータ111の負端子は、定電圧源112を介して、スイッチング素子11のソース端子に接続されている。検知信号出力回路113は、コンパレータ111の出力電圧が0になると、すなわちスイッチング素子11のドレイン-ソース間の電圧Vdsが第1の閾値電圧Vth1に等しくなると、検知信号を制御回路140に送信する。
第2の検知回路120は、スイッチング素子11の出力端子間の電圧変化の完了タイミング、すなわちターンオン時にドレイン-ソース間の電圧Vdsが低下して所定値以下になるタイミングを検知する。詳細には、第2の検知回路120は、スイッチング素子11のドレイン-ソース間の電圧Vdsが所定の第2の閾値電圧Vth2に等しくなるタイミングを検知することにより、スイッチング素子11の出力端子間の電圧変化の完了タイミングを検知する。本実施の形態1では、第2の閾値電圧Vth2は、一例として、スイッチング素子11の非導通時のドレイン-ソース間の電圧Vdsの20%~10%の範囲内の電圧に設定されている。
第2の検知回路120は、コンパレータ121と、第2の閾値電圧Vth2を出力する定電圧源122と、検知信号出力回路123とを含んでいる。コンパレータ121の正端子は、スイッチング素子11のドレイン端子に接続されている。コンパレータ121の負端子は、定電圧源122を介して、スイッチング素子11のソース端子に接続されている。検知信号出力回路123は、コンパレータ121の出力電圧が0になると、すなわちスイッチング素子11のドレイン-ソース間の電圧Vdsが第2の閾値電圧Vth2に等しくなると、検知信号を制御回路140に送信する。
電流出力回路130は、スイッチング素子11に駆動電流を出力する。制御回路140は、信号供給回路5から供給されるPWM信号の立ち上がりエッジに応じて、電流出力回路130に第1の駆動電流Ig1の出力を開始させた後、第1の検知回路110によって検知されるスイッチング素子11の出力端子間の電圧変化の開始タイミングおよび第2の検知回路120によって検知されるスイッチング素子11の出力端子間の電圧変化の完了タイミングに基づいて、電流出力回路130から出力される駆動電流の大きさを制御する。
制御回路140は、少なくとも1つのプロセッサによって実現される。プロセッサは、例えば演算回路等を含み、アナログ信号処理を行う回路またはディジタル信号処理を行う回路等で実現される。プロセッサは、CPU(Central Processing Unit)、DSP(Digital Signal Processor)、汎用目的プロセッサ、マイクロプロセッサ、ASIC、FPGA、半導体チップ、ディスクリート部品、およびこれらの組み合わせであってもよい。
図3は、電流出力回路130から出力される駆動電流と、当該駆動電流によって駆動されるスイッチング素子11の動作を説明するタイミングチャートである。
時刻t1において、PWM信号の立ち上がりエッジが検知されると、制御回路140は、電流出力回路130に第1の駆動電流Ig1の出力を開始させ、スイッチング素子11のプリチャージを開始する(時刻t2)。ここで、時刻t1から時刻t2までの期間は、制御回路140がPWM信号の立ち上がりエッジを検知してから、電流出力回路130によって実際に第1の駆動電流Ig1が出力されるまでに要する遅延時間に相当する。
第1の駆動電流Ig1が大きいほど、スイッチング素子11のゲート電圧Vgが上昇し始めてからドレイン-ソース間の電圧Vdsが変化し始めるまでの時間、すなわちスイッチング遅延を短くすることができる。そのため、第1の駆動電流Ig1は、可能な限り大きく設定されることが好ましい。
また、第1の駆動電流Ig1を供給する期間が長いほど、スイッチング遅延を短くすることができる。ただし、ドレイン-ソース間の電圧Vdsが変化し始めた後も駆動電流が大きいままだと、ドレイン-ソース間の電圧Vdsの急激な時間変化に起因して、ノイズが発生する原因となる。そのため、第1の駆動電流Ig1は、ドレイン-ソース間の電圧Vdsが変化し始める直前、すなわちスイッチング素子11の出力端子間の電圧変化の開始直前まで供給されることが好ましい。
時刻t3において、スイッチング素子11の出力端子間の電圧変化の開始、すなわちスイッチング素子11のドレイン-ソース間の電圧Vdsが第1の閾値電圧Vth1に等しくなったことが第1の検知回路110によって検知される。制御回路140は、電流出力回路130から出力される駆動電流を第1の駆動電流Ig1から第2の駆動電流Ig2に切り替え、スイッチング素子11のチャージを開始する。
スイッチング素子11の出力端子間の電圧変化の開始から完了までに要する時間は、第2の駆動電流Ig2の大きさに依存する。具体的には、第2の駆動電流Ig2が大きいほど、電圧変化の開始から完了までに要する時間を短くすることができる。ただし、第2の駆動電流Ig2を大きくしすぎると、ドレイン-ソース間の電圧Vdsの急激な時間変化に起因して、ノイズが発生する原因となる。そのため、第2の駆動電流Ig2は、第1の駆動電流Ig1よりも小さく、かつノイズが発生しない範囲内で可能な限り大きく設定されることが好ましい。
時刻t4において、スイッチング素子11の出力端子間の電圧変化の完了、すなわちスイッチング素子11のドレイン-ソース間の電圧Vdsが第2の閾値電圧Vth2に等しくなったことが第2の検知回路120によって検知される。制御回路140は、電流出力回路130から出力される駆動電流を第2の駆動電流Ig2から第3の駆動電流Ig3に切り替え、スイッチング素子11のポストチャージを開始する。
ポストチャージの期間の長さは、第3の駆動電流Ig3の大きさに依存する。具体的には、第3の駆動電流Ig3が大きいほど、ポストチャージの期間を短くすることができる。また、ポストチャージの期間中は、スイッチング素子11は既に導通状態であるため、ノイズの発生を考慮する必要はない。そのため、第3の駆動電流Ig3の大きさは、第2の駆動電流Ig2よりも大きく設定されることが好ましく、第1の駆動電流Igと同様に可能な限り大きく設定されることが好ましい。本実施の形態1では、一例として、第3の駆動電流Ig3は、第1の駆動電流Ig1と等しい大きさに設定されている。
以上説明したように、本実施の形態1に係る電子回路100の制御回路140は、PWM信号の立ち上がりエッジに応じて、電流出力回路130に第1の駆動電流Ig1の出力を開始させた後、第1の検知回路110によってスイッチング素子11の出力端子間の電圧変化の開始タイミングが検知されると、電流出力回路130から出力される駆動電流を第2の駆動電流Ig2に切り替える。
上記の特徴により、本実施の形態1に係る電子回路100では、スイッチング素子に駆動電流を供給する際に、ノイズの発生を抑えながらスイッチング遅延を短くすることができる。非引用文献1では、プリチャージの期間が固定されているため、スイッチング素子および電子回路の特性のばらつきを考慮して余裕を持たせるためには、プリチャージの期間をスイッチング素子の出力端子間の電圧変化の開始直前まで延ばすことができない。これに対して、本実施の形態1では、スイッチング素子の出力端子間の電圧変化の開始タイミングを検知することにより、プリチャージの期間をスイッチング素子の出力端子間の電圧変化の開始直前まで延ばすことができる。
また、図4に示されるように、アーム対を構成する2つのスイッチング素子が共にオフの状態では、負荷側から流れ込む電流はスイッチング素子の寄生ダイオードを流れることになる。この際、寄生ダイオードにおける導通損失が発生する。本実施の形態1では、スイッチング素子のスイッチング遅延が短縮されることにより、2つのスイッチング素子が共にオフの期間が短くなり、寄生ダイオードにおける導通損失が低減される。
また、スイッチング素子のスイッチング遅延が短縮されることにより、PWM信号のオン/オフの変化に対するスイッチング素子のオン/オフの追従性が向上する。これにより、モーター等の制御をより効率的に行うことができる。
また、本実施の形態1に係る電子回路100の制御回路140は、第2の駆動電流Ig2の出力中に、第1の検知回路110によってスイッチング素子11の出力端子間の電圧変化の完了タイミングが検知されると、電流出力回路130から出力される駆動電流を第2の駆動電流Ig2よりも大きい第3の駆動電流Ig3に切り替える。このような特徴により、本実施の形態1に係る電子回路100では、ポストチャージの期間を短くすることができる。
また、本実施の形態1に係る電子回路100の第1の検知回路110は、スイッチング素子11のドレイン-ソース間の電圧Vdsが所定の第1の閾値電圧Vth1に等しくなるタイミングを検知することにより、スイッチング素子11の出力端子間の電圧変化の開始タイミングを検知する。同様に、本実施の形態1に係る電子回路100の第2の検知回路120は、スイッチング素子11のドレイン-ソース間の電圧Vdsが所定の第2の閾値電圧Vth2に等しくなるタイミングを検知することにより、スイッチング素子11の出力端子間の電圧変化の完了タイミングを検知する。このような特徴により、本実施の形態1に係る電子回路100では、簡単かつ正確に、スイッチング素子11の出力端子間の電圧変化の開始および完了のタイミングを検知することができる。
(実施の形態2)
次に、実施の形態2に係る電子回路200について説明する。上記の実施の形態1に係る電子回路100では、スイッチング素子11の出力端子間の電圧変化の開始または完了が検知されたタイミングで、駆動電流の切り替えを行っていた。しかしながら、電子回路およびスイッチング素子の動作速度によっては、スイッチング素子の出力端子間の電圧変化の開始または完了のタイミングでの駆動電流の切り替えが間に合わない可能性がある。
本実施の形態2に係る電子回路200では、電子回路およびスイッチング素子の動作速度に依存することなく、スイッチング素子の出力端子間の電圧変化の開始または完了のタイミングでの駆動電流の切り替えを確実に行うことができる。
図5は、本実施の形態2に係る電子回路200の内部の構成を示す図である。電子回路200は、上記の実施の形態1に係る電子回路100の各構成要素に加えて、測定回路250と、第1の記憶回路251と、第2の記憶回路252とを備えている。また、電子回路200は、制御回路140に代えて、制御回路240を備えている。
測定回路250は、第1の検知回路110によってスイッチング素子11の出力端子間の電圧変化の開始タイミングが検知されてから、第2の検知回路1の20によってスイッチング素子11の出力端子間の電圧変化の完了タイミングが検知されるまでの第3の時間T3を測定する。詳細には、測定回路250は、第1の検知回路110によって出力端子間の電圧変化の開始タイミングが検知されてから、第2の検知回路120によって出力端子間の電圧変化の完了タイミングが検知されるまでの間に計数されるシステムクロックの数に基づいて、第3の時間T3を測定する。
第1の記憶回路251には、電流出力回路130によって第1の駆動電流Ig1が供給される第1の時間T1が記憶されている。第2の記憶回路252には、電流出力回路130によって第2の駆動電流Ig2が供給される第2の時間T2が記憶されている。本実施の形態2では、第2の時間T2は、予め決定される固定値である。
制御回路240は、PWM信号の立ち上がりエッジに応じて、電流出力回路130に第1の駆動電流Ig1の出力を開始させた後、第1の記憶回路251に記憶されている第1の時間T1および第2の記憶回路252に記憶されている第2の時間T2に基づいて、電流出力回路130から出力される駆動電流の大きさを制御する。また、制御回路240は、PWM信号の周期とは異なる所定の周期、例えば1ms毎に、測定回路250によって測定される第3の時間T3に基づいて、第1の記憶回路251に記憶されている第1の時間T1の値を修正する。
図6は、電流出力回路130から出力される駆動電流と、当該駆動電流によって駆動されるスイッチング素子11の動作を説明するタイミングチャートである。
PWM信号の或る周期において、PWM信号の立ち上がりエッジが検知されると(時刻t1)、制御回路240は、電流出力回路130に第1の駆動電流Ig1の出力を開始させる(時刻t2)。
電流出力回路130によって第1の駆動電流Ig1の出力が開始されてから、第1の記憶回路251に記憶されている第1の時間T1が経過すると、制御回路240は、電流出力回路130から出力される駆動電流を、第1の駆動電流Ig1から第2の駆動電流Ig2に切り替える(時刻t3)。
電流出力回路130によって第1の駆動電流Ig2の出力が開始されてから、第2の記憶回路252に記憶されている第2の時間T2が経過すると、制御回路240は、電流出力回路130から出力される駆動電流を、第2の駆動電流Ig2から第3の駆動電流Ig3に切り替える(時刻t4)。
また、PWM信号の周期とは異なる所定の周期、例えば1ms毎に、測定回路250は、第1の検知回路110によってスイッチング素子11の出力端子間の電圧変化の開始タイミングが検知されてから、第2の検知回路120によってスイッチング素子11の出力端子間の電圧変化の完了タイミングが検知されるまでの第3の時間T3を測定する。制御回路240は、測定回路250によって測定された第3の時間T3に基づいて、第1の記憶回路251に記憶されている第1の時間T1の値を修正する。
詳細には、第2の時間T2と第3の時間T3との差が0よりも大きい場合、すなわちT2-T3>0の場合には、第1の駆動電流Ig1が供給される第1の時間T1が短すぎることにより、第1の駆動電流Ig1から第2の駆動電流Ig2への切り替えのタイミングが出力端子間の電圧変化の開始タイミングよりも早いことになる。この場合、制御回路240は、第1の記憶回路251に記憶されている第1の時間T1を所定の時間ΔTだけ増加させる。例えば、所定の時間ΔTは、測定回路250の時間分解能の最小値に設定される。
一方、第2の時間T2と第3の時間T3との差が0以下の場合、すなわちT2-T3≦0の場合には、第1の駆動電流Ig1が供給される第1の時間T1が長すぎることにより、第1の駆動電流Ig1から第2の駆動電流Ig2への切り替えのタイミングが出力端子間の電圧変化の開始タイミングよりも遅いことになる。この場合、制御回路240は、第1の記憶回路251に記憶されている第1の時間T1を所定の時間ΔTだけ減少させる。
以降、PWM信号の周期とは異なる所定の周期、例えば1ms毎に、制御回路240は、測定回路250によって測定される第3の時間T3に基づいて、第1の記憶回路251に記憶されている第1の時間T1の値を修正する。これにより、第1の駆動電流g1が出力される第1の時間T1が適切な値に収束していき、第1の駆動電流Ig1から第2の駆動電流Ig2への切り替えのタイミングが出力端子間の電圧変化の開始タイミングと等しくなる。
以上説明したように、本実施の形態2に係る電子回路200の制御回路240は、電流出力回路130によって第1の駆動電流Ig1の出力が開始されてから第1の時間T1が経過すると、電流出力回路130から出力される駆動電流を第1の駆動電流Ig1から第2の駆動電流Ig2に切り替え、当該第2の駆動電流Ig2を第2の時間T2にわたって出力させる。
また、PWM信号の周期とは異なる所定の周期、例えば1ms毎に、制御回路240は、測定回路250によって測定される第3の時間T3に基づいて、第1の記憶回路251に記憶されている第1の時間T1の値を修正する。これにより、電子回路およびスイッチング素子の動作速度に依存することなく、スイッチング素子の出力端子間の電圧変化の開始タイミングにおける駆動電流の切り替えを確実に行うことができる。
(実施の形態3)
次に、実施の形態3に係る電子回路300について説明する。本実施の形態3に係る電子回路300では、スイッチング素子11の出力端子間の電圧変化の開始から完了までに要する第3の時間T3に基づいて、第2の駆動電流Ig2の値を修正する。
図7は、本実施の形態3に係る電子回路300の内部の構成を示す図である。電子回路300は、上記の実施の形態2に係る電子回路200の各構成要素に加えて、第3の記憶回路353を備えている。第3の記憶回路353には、電流出力回路130によって出力される第2の駆動電流Ig2の値が記憶されている。また、電子回路300は、制御回路240に代えて、制御回路340を備えている。
上記の実施の形態2と同様に、PWM信号の周期とは異なる所定の周期、例えば1ms毎に、測定回路250は、第1の検知回路110によってスイッチング素子11の出力端子間の電圧変化の開始タイミングが検知されてから、第2の検知回路120によってスイッチング素子11の出力端子間の電圧変化の完了タイミングが検知されるまでの第3の時間T3を測定する。制御回路340は、測定回路250によって測定された第3の時間T3に基づいて、記憶回路353に記憶されている第2の駆動電流Ig2の値を修正する。
詳細には、第3の時間T3が所定の目標時間Ttgよりも短い場合には、制御回路340は、第2の駆動電流Ig2を小さくする。一方、第3の時間T3が目標時間Ttgよりも長い場合には、制御回路340は、第2の駆動電流Ig2を大きくする。
先述したように、スイッチング素子11の出力端子間の電圧変化の開始から完了までに要する第3の時間T3は、第2の駆動電流Ig2の値に依存する。具体的には、第2の駆動電流Ig2が大きいほど、出力端子間の電圧変化の開始から完了までに要する第3の時間T3を短くすることができる。ただし、第2の駆動電流Ig2を大きくしすぎると、ドレイン-ソース間の電圧Vdsの急激な時間変化に起因して、ノイズが発生する原因となる。そのため、第3の時間T3は、ノイズが発生しない範囲内で可能な限り短いことが好ましい。
本実施の形態3では、ノイズが発生しない範囲内で最も短い所定の目標時間Ttgを予め実験的または理論的に決定しておくことにより、ノイズが発生しない範囲内で第3の時間T3を可能な限り短くすることができる。したがって、スイッチング素子の出力端子間の電圧変化の開始から完了までに要する時間を、ノイズが発生しない範囲内で可能な限り短くすることができる。
(変形例)
上記の実施の形態1~3では、スイッチング素子11a~11fによって三相のインバータ回路10を構成していた。これに代えて、例えば、スイッチング素子およびダイオードによって、コンバータ回路を構成してもよい。
また、スイッチング素子11a~11fは、MOSFETに限定されるものではない。例えば、スイッチング素子11a~11fは、IGBTであってもよい。あるいは、スイッチング素子11a~11fは、BJT(Bipolar Junction Transistor)であってもよい。
また、スイッチング素子11a~11fを構成する半導体としては、Si(Silicon)、SiC(Silicon Carbide)またはGaN(Gallium Nitride)等の様々な材料を用いることができる。
幾つかの実施の形態を説明したが、これらの実施の形態は例として提示したものであり、実施の形態の範囲を限定することは意図していない、これらの実施の形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、実施の形態の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更、組み合わせを行うことができる。これら実施の形態やその変形は、実施の形態の範囲や要旨に含まれると同様に、特許請求の範囲とその均等の範囲に含まれるものである。
なお、本実施の形態は、以下のような構成を取ることもできる。
[項目1](実1、実2、実3)
スイッチング素子に駆動電流を出力する電流出力回路と、
前記スイッチング素子の出力端子間の電圧変化の開始タイミングを検知する第1の検知回路と、
前記スイッチング素子のスイッチング動作を指示する指令信号に応じて、前記電流出力回路に第1の駆動電流の出力を開始させる制御回路と
を備え、
前記制御回路は、前記第1の検知回路によって検知される前記出力端子間の電圧変化の開始タイミングに基づいて、前記電流出力回路から出力される駆動電流を前記第1の駆動電流よりも小さい第2の駆動電流に切り替える、電子回路。
[項目2](実1)
前記第1の検知回路によって前記出力端子間の電圧変化の開始タイミングが検知されると、前記制御回路は、前記電流出力回路から出力される駆動電流を前記第2の駆動電流に切り替える、項目1に記載の電子回路。
[項目3](実1)
前記第1の検知回路は、前記スイッチング素子の前記出力端子間の電圧が所定の第1の閾値電圧に等しくなるタイミングを検知することにより、前記出力端子間の電圧変化の開始タイミングを検知する、項目1または2に記載の電子回路。
[項目4](実1)
前記第1の閾値電圧は、前記スイッチング素子の非導通時の前記出力端子間の電圧の90%~80%の範囲内の電圧に設定される、項目3に記載の電子回路。
[項目5](実1)
前記スイッチング素子の前記出力端子間の電圧変化の完了タイミングを検知する第2の検知回路をさらに備え、
前記第2の検知回路によって前記出力端子間の電圧変化の完了タイミングが検知されると、前記制御回路は、前記電流出力回路から出力される駆動電流を前記第2の駆動電流よりも大きい第3の駆動電流に切り替える、項目2~4のいずれかに記載の電子回路。
[項目6](実1)
前記第2の検知回路は、前記スイッチング素子の前記出力端子間の電圧が所定の第2の閾値電圧に等しくなるタイミングを検知することにより、前記出力端子間の電圧変化の完了タイミングを検知する、項目5に記載の電子回路。
[項目7](実1)
前記第2の閾値電圧は、前記スイッチング素子の非導通時の前記出力端子間の電圧の20%~10%の範囲内の電圧に設定される、項目6に記載の電子回路。
[項目8](実2、実3)
前記スイッチング素子の前記出力端子間の電圧変化の完了タイミングを検知する第2の検知回路と、
前記第1の検知回路によって前記出力端子間の電圧変化の開始タイミングが検知されてから、前記第2の検知回路によって前記出力端子間の電圧変化の完了タイミングが検知されるまでの第3の時間を測定する測定回路と
をさらに備え、
前記制御回路は、前記電流出力回路によって前記第1の駆動電流の出力が開始されてから第1の時間が経過すると、前記電流出力回路から出力される駆動電流を前記第1の駆動電流から前記第2の駆動電流に切り替え、該第2の駆動電流を第2の時間にわたって出力させ、前記測定回路によって測定される前記第3の時間に基づいて、前記第1の時間T1の値を修正する、項目1に記載の電子回路。
[項目9](実2、実3)
前記制御回路は、前記第2の時間と前記第3の時間との差が0より大きい場合には、前記第1の時間を所定の時間だけ増加させ、前記第2の時間と前記第3の時間との差が0以下の場合には、前記第1の時間を前記所定の時間だけ減少させる、項目8に記載の電子回路。
[項目10](実3)
前記制御回路は、前記第3の時間に基づいて、前記第2の駆動電流の値を修正する、項目8または9に記載の電子回路。
[項目11](実3)
前記制御回路は、前記第3の時間が所定の目標時間よりも短い場合には、前記第2の駆動電流を小さくし、前記第3の時間が前記目標時間よりも長い場合には、前記第2の駆動電流を大きくする、項目10に記載の電子回路。
[項目12]
アーム対を構成する2つのスイッチング素子と、
前記2つのスイッチング素子にそれぞれ駆動電流を供給する2つの電子回路と
を含む電力変換装置であって、
前記電子回路のぞれぞれは、
前記スイッチング素子に駆動電流を出力する電流出力回路と、
前記スイッチング素子の出力端子間の電圧変化の開始タイミングを検知する第1の検知回路と、
前記スイッチング素子のスイッチング動作を指示する指令信号に応じて、前記電流出力回路に第1の駆動電流の出力を開始させる制御回路と
を備え、
前記制御回路は、前記第1の検知回路によって検知される前記出力端子間の電圧変化の開始タイミングに基づいて、前記電流出力回路から出力される駆動電流を前記第1の駆動電流よりも小さい第2の駆動電流に切り替える、電力変換装置。
[項目13]
負荷に接続されるアーム対を構成する2つのスイッチング素子、および、該2つのスイッチング素子にそれぞれ駆動電流を供給する2つの電子回路を3セット有する電力変換回路と
を含むインバータであって、
前記電子回路のぞれぞれは、
前記スイッチング素子に駆動電流を出力する電流出力回路と、
前記スイッチング素子の出力端子間の電圧変化の開始タイミングを検知する第1の検知回路と、
前記スイッチング素子のスイッチング動作を指示する指令信号に応じて、前記電流出力回路に第1の駆動電流の出力を開始させる制御回路と
を備え、
前記制御回路は、前記第1の検知回路によって検知される前記出力端子間の電圧変化の開始タイミングに基づいて、前記電流出力回路から出力される駆動電流を前記第1の駆動電流よりも小さい第2の駆動電流に切り替える、インバータ。
1 モーター制御システム
2 モーター(負荷)
3 直流電源
4 検知回路
5 信号供給回路
10 インバータ回路
11 スイッチング素子
100 電子回路
110 第1の検知回路
111 コンパレータ
112 電圧源
113 検知信号出力回路
120 第2の検知回路
121 コンパレータ
122 電圧源
123 検知信号出力回路
130 電流出力回路
140 制御回路
200 電子回路
240 制御回路
250 測定回路
251 第1の記憶回路
252 第2の記憶回路
300 電子回路
340 制御回路
353 第3の記憶回路
T1 第1の時間
T2 第2の時間
T3 第3の時間
Ttg 目標時間
Id ドレイン電流
Ig1 第1の駆動電流
Ig2 第2の駆動電流
Ig3 第3の駆動電流
Vds ドレイン-ソース間の電圧(出力端子間の電圧)
Vg ゲート電圧
Vth1 第1の閾値電圧
Vth2 第2の閾値電圧

Claims (13)

  1. スイッチング素子に駆動電流を出力する電流出力回路と、
    前記スイッチング素子の出力端子間の電圧変化の開始タイミングを検知する第1の検知回路と、
    前記スイッチング素子のスイッチング動作を指示する指令信号に応じて、前記電流出力回路に第1の駆動電流の出力を開始させる制御回路と
    を備え、
    前記制御回路は、前記第1の検知回路によって検知される前記出力端子間の電圧変化の開始タイミングに基づいて、前記電流出力回路から出力される駆動電流を前記第1の駆動電流よりも小さい第2の駆動電流に切り替える、電子回路。
  2. 前記第1の検知回路によって前記出力端子間の電圧変化の開始タイミングが検知されると、前記制御回路は、前記電流出力回路から出力される駆動電流を前記第2の駆動電流に切り替える、請求項1に記載の電子回路。
  3. 前記第1の検知回路は、前記スイッチング素子の前記出力端子間の電圧が所定の第1の閾値電圧に等しくなるタイミングを検知することにより、前記出力端子間の電圧変化の開始タイミングを検知する、請求項1に記載の電子回路。
  4. 前記第1の閾値電圧は、前記スイッチング素子の非導通時の前記出力端子間の電圧の90%~80%の範囲内の電圧に設定される、請求項3に記載の電子回路。
  5. 前記スイッチング素子の前記出力端子間の電圧変化の完了タイミングを検知する第2の検知回路をさらに備え、
    前記第2の検知回路によって前記出力端子間の電圧変化の完了タイミングが検知されると、前記制御回路は、前記電流出力回路から出力される駆動電流を前記第2の駆動電流よりも大きい第3の駆動電流に切り替える、請求項2に記載の電子回路。
  6. 前記第2の検知回路は、前記スイッチング素子の前記出力端子間の電圧が所定の第2の閾値電圧に等しくなるタイミングを検知することにより、前記出力端子間の電圧変化の完了タイミングを検知する、請求項5に記載の電子回路。
  7. 前記第2の閾値電圧は、前記スイッチング素子の非導通時の前記出力端子間の電圧の20%~10%の範囲内の電圧に設定される、請求項6に記載の電子回路。
  8. 前記スイッチング素子の前記出力端子間の電圧変化の完了タイミングを検知する第2の検知回路と、
    前記第1の検知回路によって前記出力端子間の電圧変化の開始タイミングが検知されてから、前記第2の検知回路によって前記出力端子間の電圧変化の完了タイミングが検知されるまでの第3の時間を測定する測定回路と
    をさらに備え、
    前記制御回路は、前記電流出力回路によって前記第1の駆動電流の出力が開始されてから第1の時間が経過すると、前記電流出力回路から出力される駆動電流を前記第1の駆動電流から前記第2の駆動電流に切り替え、該第2の駆動電流を第2の時間にわたって出力させ、
    前記制御回路は、前記測定回路によって測定される前記第3の時間に基づいて、前記第1の時間T1の値を修正する、請求項1に記載の電子回路。
  9. 前記制御回路は、前記第2の時間と前記第3の時間との差が0より大きい場合には、前記第1の時間を所定の時間だけ増加させ、前記第2の時間と前記第3の時間との差が0以下の場合には、前記第1の時間を前記所定の時間だけ減少させる、請求項8に記載の電子回路。
  10. 前記制御回路は、前記第3の時間に基づいて、前記第2の駆動電流の値を修正する、請求項8に記載の電子回路。
  11. 前記制御回路は、前記第3の時間が所定の目標時間よりも短い場合には、前記第2の駆動電流を小さくし、前記第3の時間が前記目標時間よりも長い場合には、前記第2の駆動電流を大きくする、請求項10に記載の電子回路。
  12. アーム対を構成する2つのスイッチング素子と、
    前記2つのスイッチング素子にそれぞれ駆動電流を供給する2つの電子回路と
    を含む電力変換装置であって、
    前記電子回路のぞれぞれは、
    前記スイッチング素子に駆動電流を出力する電流出力回路と、
    前記スイッチング素子の出力端子間の電圧変化の開始タイミングを検知する第1の検知回路と、
    前記スイッチング素子のスイッチング動作を指示する指令信号に応じて、前記電流出力回路に第1の駆動電流の出力を開始させる制御回路と
    を備え、
    前記制御回路は、前記第1の検知回路によって検知される前記出力端子間の電圧変化の開始タイミングに基づいて、前記電流出力回路から出力される駆動電流を前記第1の駆動電流よりも小さい第2の駆動電流に切り替える、電力変換装置。
  13. 負荷に接続されるアーム対を構成する2つのスイッチング素子、および、該2つのスイッチング素子にそれぞれ駆動電流を供給する2つの電子回路を3セット有する電力変換回路と
    を含むインバータであって、
    前記電子回路のぞれぞれは、
    前記スイッチング素子に駆動電流を出力する電流出力回路と、
    前記スイッチング素子の出力端子間の電圧変化の開始タイミングを検知する第1の検知回路と、
    前記スイッチング素子のスイッチング動作を指示する指令信号に応じて、前記電流出力回路に第1の駆動電流の出力を開始させる制御回路と
    を備え、
    前記制御回路は、前記第1の検知回路によって検知される前記出力端子間の電圧変化の開始タイミングに基づいて、前記電流出力回路から出力される駆動電流を前記第1の駆動電流よりも小さい第2の駆動電流に切り替える、インバータ。
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