JP4372812B2 - Drive control device for semiconductor switching element - Google Patents
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Description
この発明は、半導体スイッチング素子の駆動制御装置に関し、より特定的には、インバータやコンバータなどの半導体電力変換装置を構成する半導体スイッチング素子のターンオン時に発生する電圧変動(サージ電圧)を抑制する技術に関する。 The present invention relates to a drive control device for a semiconductor switching element, and more specifically to a technique for suppressing voltage fluctuation (surge voltage) generated when a semiconductor switching element constituting a semiconductor power conversion device such as an inverter or a converter is turned on. .
インバータやコンバータの高出力密度化対応策として、IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)やパワーMOS(Metal Oxide Semiconductor)トランジスタ等の半導体スイッチング素子のオンオフ時に適用されるアクティブゲートコントロールが知られている。アクティブゲートコントロールは、半導体スイッチング素子のターンオンあるいはターンオフの途中でゲート抵抗値をダイナミックに切換えて、ゲート(制御電極)の電圧駆動速度(スイッチング速度)を最適化する技術である。このような駆動速度の制御により、スイッチング速度の高低に対してトレードオフの関係にある、スイッチング損失低減およびサージ電圧抑制の両立が図られる。 As a countermeasure for increasing the output density of inverters and converters, active gate control applied when turning on / off semiconductor switching elements such as IGBTs (Insulated Gate Bipolar Transistors) and power MOS (Metal Oxide Semiconductor) transistors is known. Active gate control is a technique for optimizing the voltage drive speed (switching speed) of the gate (control electrode) by dynamically switching the gate resistance value during the turn-on or turn-off of the semiconductor switching element. By controlling the driving speed as described above, both switching loss reduction and surge voltage suppression, which are in a trade-off relationship with the switching speed, can be achieved.
たとえば、特開2002−125363号公報(特許文献1)、特開2006−222593号公報(特許文献2)、あるいは、米国特許6,208,185号公報(特許文献3)に、半導体スイッチング素子のターンオン時および/またはターンオフ時に、電流・電圧状態に応じてゲート抵抗値を変化させるアクティブゲートコントロールが開示されている。 For example, Japanese Patent Application Laid-Open No. 2002-125363 (Patent Document 1), Japanese Patent Application Laid-Open No. 2006-222593 (Patent Document 2), or US Pat. No. 6,208,185 (Patent Document 3) discloses a semiconductor switching element. An active gate control is disclosed in which a gate resistance value is changed according to a current / voltage state at turn-on and / or turn-off.
また、アクティブゲートコントロールを実現するゲート駆動回路の構成としては、ゲート抵抗値を切換える構成のみでなく、特開2005−39988号公報(特許文献4)のように、リアクトルを適用した回路構成も提案されている。 Further, as a configuration of a gate driving circuit for realizing active gate control, not only a configuration for switching a gate resistance value but also a circuit configuration to which a reactor is applied as in JP-A-2005-39988 (Patent Document 4) is proposed. Has been.
一方で、半導体スイッチング素子と並列にフリーホイールダイオードが接続されたIGBTモジュール等では、半導体スイッチング素子のターンオン時において、フリーホイールダイオードの動作挙動がサージ電圧に大きな影響を与えることが報告されている(非特許文献1参照)。特に、低電流状態でのターンオン時には、ダイオードのキャリアが少ない状態から逆バイアスが印加されるため、非常に短時間で空乏層が進展する結果、サージ電圧が大きくなることが記載されている。
特許文献1〜4に開示されるような一般的なアクティブゲートコントロールは、オンオフされる半導体スイッチング素子の電流あるいは電圧をモニタし、検出値あるいはその時間微分値に従ってスイッチング速度を変化させる制御構成となっている。
The general active gate control as disclosed in
このため、スイッチング周波数が高く、アクティブゲートコントロールが適用されるスイッチングの遷移時間が非常に短い用途では、電圧・電流のモニタおよびそれに応答したスイッチング速度の制御に非常に高い制御応答性が要求される。さらに、ゲート駆動回路や、モニタ回路あるいは半導体スイッチング素子特性のばらつきや、温度等の外的変動要因を考慮して制御する必要がある。 For this reason, in applications where the switching frequency is high and the switching transition time to which the active gate control is applied is very short, very high control responsiveness is required for voltage / current monitoring and control of the switching speed in response thereto. . Furthermore, it is necessary to perform control in consideration of variations in characteristics of the gate drive circuit, the monitor circuit or the semiconductor switching element, and external fluctuation factors such as temperature.
これらの要因から、モニタ結果のフィードバックに基づいたアクティブゲートコントロールの制御安定性を確保することは実際上困難であり、制御遅れ等の存在により制御が破綻した場合には、半導体スイッチング素子が故障に至る可能性もある。逆に言えば、このような制御の破綻を回避するためには、マージンを持たせた制御設計とせざるを得ず、スイッチング損失の低減効果が抑制される。また、半導体スイッチング素子の電圧・電流のモニタ回路を追加すること自体によって、コスト上昇や回路寸法増大を招いてしまう。 Because of these factors, it is practically difficult to ensure the control stability of active gate control based on feedback of monitoring results.If control fails due to the presence of a control delay, the semiconductor switching element will fail. There is also a possibility. In other words, in order to avoid such a control failure, the control design must have a margin, and the switching loss reduction effect is suppressed. Further, the addition of a voltage / current monitor circuit for the semiconductor switching element itself causes an increase in cost and circuit size.
この発明は、このような問題点を解決するためになされたものであって、この発明の目的は、半導体スイッチング素子の電圧および/または電流のモニタ結果のフィードバックを伴うことなく、ターンオン時におけるサージ電圧抑制およびスイッチング損失低減の両立を図るための安定的なスイッチング速度制御を実行することである。 The present invention has been made to solve such a problem, and an object of the present invention is to provide a surge at turn-on without accompanying feedback of a monitoring result of voltage and / or current of a semiconductor switching element. It is to perform stable switching speed control for achieving both voltage suppression and switching loss reduction.
この発明による駆動制御装置は、電流指令値に従って負荷への供給電流を制御するための半導体電力変換装置を構成する半導体スイッチング素子の駆動制御装置であって、電流推定手段と、スイッチング速度制御手段とを備える。そして、半導体スイッチング素子は、制御電極の電圧または電流に応答してオンまたはオフされる。電流推定手段は、ターンオン指令の発生時に、電流指令値に基づいて半導体スイッチング素子のオン時に流れる通電電流を推定する。スイッチング速度制御手段は、予め求められた、半導体スイッチング素子の通電電流と発生するサージ電圧の大きさとの関係を示す第1の電流特性に従って、電流推定手段による推定通電電流に基づいて、半導体スイッチング素子のターンオン時における制御電極の電圧または電流の駆動速度を変更する。 A drive control device according to the present invention is a drive control device for a semiconductor switching element that constitutes a semiconductor power conversion device for controlling a supply current to a load in accordance with a current command value, and includes a current estimation unit, a switching speed control unit, Is provided. The semiconductor switching element is turned on or off in response to the voltage or current of the control electrode. The current estimation means estimates an energization current that flows when the semiconductor switching element is turned on based on the current command value when the turn-on command is generated. The switching speed control means is configured to obtain the semiconductor switching element based on the estimated energization current obtained by the current estimation means in accordance with a first current characteristic indicating a relationship between the energization current of the semiconductor switching element and the magnitude of the generated surge voltage. The drive speed of the voltage or current of the control electrode at the time of turn-on is changed.
上記半導体スイッチング素子の駆動制御装置によれば、半導体電力変換装置への電流指令値に基づいて、ターンオン後に半導体スイッチング素子を流れる通電電流を推定するとともに、通電電流とサージ電圧挙動との関係を示す予め求めた特性に従って、ターンオン時における制御電極の駆動速度(すなわち、スイッチング速度)を変えることができる。すなわち、ターンオン指令時の電流指令値に基づいてスイッチング速度を変えることにより、電流および/または電圧のモニタ構成を設けることなく、かつ、フィードバック制御を伴わない安定的な制御構成によって、サージ電圧低減およびサージ電圧抑制を図ることが可能となる。 According to the drive control device for a semiconductor switching element, the energizing current flowing through the semiconductor switching element after turn-on is estimated based on the current command value to the semiconductor power conversion device, and the relationship between the energizing current and the surge voltage behavior is shown. The drive speed (that is, the switching speed) of the control electrode at the time of turn-on can be changed according to the characteristics obtained in advance. That is, by changing the switching speed based on the current command value at the time of turn-on command, the surge voltage can be reduced and reduced without providing a current and / or voltage monitor configuration and with a stable control configuration without feedback control. Surge voltage suppression can be achieved.
好ましくは、スイッチング速度制御手段は、判定手段と、スイッチング速度指示手段とを含む。判定手段は、第1の電流特性に従って、推定通電電流が、サージ電圧が許容値を超える第1の電流領域およびサージ電圧が許容値以下である第2の電流領域のいずれに属するかを判定する。スイッチング速度指示手段は、ターンオン開始時における駆動速度を、推定通電電流が第1の電流領域内であるときには、推定通電電流が第2の電流領域内であるときよりも遅くする。 Preferably, the switching speed control means includes a determination means and a switching speed instruction means. The determination means determines whether the estimated energization current belongs to the first current region where the surge voltage exceeds the allowable value or the second current region where the surge voltage is equal to or lower than the allowable value according to the first current characteristic. . The switching speed instruction means makes the drive speed at the start of turn-on slower when the estimated energization current is in the first current region than when the estimated energization current is in the second current region.
このような構成とすることにより、サージ電圧が大きくなることが予想される電流領域(第1の電流領域)では相対的に低いスイッチング速度によりターンオンを開始することによりサージ電圧抑制を図ることができる。その一方で、サージ電圧が小さいことが予測される電流領域(第2の電流領域)では、相対的に高いスイッチング速度によりターンオンを開始することにより、スイッチング損失低減を図ることができる。 With this configuration, the surge voltage can be suppressed by starting turn-on at a relatively low switching speed in the current region (first current region) where the surge voltage is expected to increase. . On the other hand, in the current region (second current region) where the surge voltage is expected to be small, the switching loss can be reduced by starting the turn-on at a relatively high switching speed.
さらに好ましくは、スイッチング速度制御手段は、推定通電電流が第1の電流領域内であるときに、ターンオン開始時における駆動速度を第1の速度に設定するとともに、制御電圧の駆動を開始してからの経過時間に応じて、駆動速度を第1の速度よりも上昇させる。特にこのような構成では、スイッチング速度制御手段は、切換タイミング設定手段をさらに含む。切換タイミング設定手段は、予め求められた、半導体スイッチング素子の通電電流と、制御電圧の駆動を開始してからサージ電圧が発生するまでの時間との関係を示す第2の電流特性に従って、電流推定手段による推定通電電流に基づいて駆動速度を上昇させる切換タイミングを設定する。さらに、スイッチング速度指示手段は、経過時間に基づいて、切換タイミングへの到達時に駆動速度を第1の速度から第2の速度へ上昇させる。 More preferably, the switching speed control means sets the driving speed at the start of turn-on to the first speed and starts driving the control voltage when the estimated energization current is in the first current region. The driving speed is increased from the first speed in accordance with the elapsed time. Particularly in such a configuration, the switching speed control means further includes a switching timing setting means. The switching timing setting means estimates the current in accordance with a second current characteristic that is obtained in advance and indicates the relationship between the energization current of the semiconductor switching element and the time from the start of driving the control voltage until the surge voltage is generated. A switching timing for increasing the driving speed is set based on the estimated energization current by the means. Furthermore, the switching speed instruction means increases the driving speed from the first speed to the second speed when the switching timing is reached based on the elapsed time.
このような構成とすることにより、サージ電圧が大きくなる電流領域(第1の電流領域)では、ターンオン開始時のスイッチング速度を低くすることによってサージ電圧を抑制する一方で、サージ電圧の発生がピークを超える時間以降では、スイッチング速度を上昇させてスイッチング損失低減を図ることができる。特に、スイッチング速度の上昇タイミングは、通電電流とサージ電圧挙動(発生時間遅れ)との関係を示す予め求めた特性に従って、フィードバックを伴わずに適切に設定することができる。 With such a configuration, in the current region where the surge voltage increases (first current region), the surge voltage is suppressed by reducing the switching speed at the start of turn-on, while the surge voltage is peaked. After the time exceeding, switching speed can be increased to reduce switching loss. In particular, the increase timing of the switching speed can be appropriately set without feedback according to a previously obtained characteristic indicating the relationship between the energization current and the surge voltage behavior (generation time delay).
あるいは、さらに好ましくは、スイッチング速度指示手段は、推定通電電流が第1の電流領域内であるときに、ターンオン開始時における駆動速度を第1の速度に設定する一方で、推定通電電流が第2の電流領域内であるときには、ターンオン開始時における駆動速度を第1の速度よりも高い第2の速度に設定するとともに、ターンオン期間を通じて駆動速度を第2の速度に固定する。 Alternatively, more preferably, the switching speed instruction means sets the driving speed at the start of turn-on to the first speed when the estimated energization current is in the first current region, while the estimated energization current is the second speed. In the current region, the drive speed at the start of turn-on is set to a second speed higher than the first speed, and the drive speed is fixed to the second speed throughout the turn-on period.
このような構成とすることにより、サージ電圧が過大となる可能性の低い電流領域(第2の電流領域)では、ターンオン開始からオン期間を通じてスイッチング速度を相対的に高速に設定することにより、スイッチング損失の低減を最大限に図ることができる。 By adopting such a configuration, in the current region (second current region) where the surge voltage is unlikely to be excessive, the switching speed is set to be relatively high throughout the on period from the start of turn-on. Loss can be reduced as much as possible.
さらに好ましくは、スイッチング速度指示手段は、推定通電電流が第1の電流領域内であるときに、制御電圧の駆動を開始してからの経過時間に応じて、駆動速度を第1の速度から第2の速度へ切換える。 More preferably, the switching speed instruction means changes the driving speed from the first speed to the first speed according to the elapsed time from the start of driving the control voltage when the estimated energization current is in the first current region. Switch to 2 speed.
このような構成とすることにより、スイッチング速度を2段階に変化させる構成により、上述のスイッチング速度制御を実行できるので、駆動制御装置の回路構成を簡易化することができる。 By adopting such a configuration, the above-described switching speed control can be executed by a configuration in which the switching speed is changed in two stages, so that the circuit configuration of the drive control device can be simplified.
好ましくは、駆動制御装置は、半導体スイッチング素子の制御電極の容量値をトリミングによって調整するための容量値調整回路をさらに備える。 Preferably, the drive control device further includes a capacitance value adjustment circuit for adjusting the capacitance value of the control electrode of the semiconductor switching element by trimming.
このような構成とすることにより、半導体スイッチング素子の制御電極の容量値の製造ばらつきに対応させて、上述のスイッチング速度制御の効果を高めることができる。 By adopting such a configuration, it is possible to enhance the effect of the switching speed control described above corresponding to the manufacturing variation of the capacitance value of the control electrode of the semiconductor switching element.
また、さらに好ましくは、駆動制御装置は、学習制御手段をさらに備える。学習制御手段は、半導体電力変換装置の起動時に負荷が無効電力を主に消費するような電流指令値が生成される学習期間を設定するとともに、学習期間における半導体スイッチング素子のサージ電圧の実測値に基づいて、第1および第2の電流領域の境界を示す判定値を修正する。あるいは、学習制御手段は、学習期間における半導体スイッチング素子のサージ電圧の実測値に基づいて、切換タイミングを修正する。 More preferably, the drive control device further includes learning control means. The learning control means sets a learning period in which a current command value is generated so that the load mainly consumes reactive power when the semiconductor power converter is started up, and sets the measured value of the surge voltage of the semiconductor switching element during the learning period. Based on this, the determination value indicating the boundary between the first and second current regions is corrected. Alternatively, the learning control means corrects the switching timing based on the measured value of the surge voltage of the semiconductor switching element during the learning period.
このような構成とすることにより、負荷の運転開始時に電力変換装置が起動されるのに伴い、実際に負荷が運転されるまでの期間を利用して、第1および第2の電流領域の判定値、あるいはスイッチング速度の切換タイミングを、当該学習期間でのサージ電圧の実績に基づいて更新する学習制御を実現することが可能となる。これにより、学習制御実行後の実動作時において、半導体スイッチング素子のターンオン時におけるスイッチング速度制御をさらに適切に実行できるので、サージ電圧抑制およびスイッチング損失低減の両立をさらに効果的に図ることができる。 With such a configuration, the first and second current regions are determined using the period until the load is actually operated as the power converter is started at the start of the load operation. It is possible to realize learning control in which the value or switching speed switching timing is updated based on the actual surge voltage during the learning period. Thereby, in actual operation after execution of learning control, switching speed control when the semiconductor switching element is turned on can be more appropriately executed, so that both suppression of surge voltage and reduction of switching loss can be achieved more effectively.
好ましくは、負荷は、パルス幅変調制御により供給電流を制御される交流モータであり、電流推定手段は、交流モータの回転角度と、ベクトル制御による電流指令値とを用いて推定通電電流を算出する。 Preferably, the load is an AC motor whose supply current is controlled by pulse width modulation control, and the current estimation means calculates an estimated energization current using a rotation angle of the AC motor and a current command value by vector control. .
このような構成とすることにより、交流モータを負荷とする半導体電力装置を構成する半導体スイッチング素子の駆動制御装置において、交流モータの回転角度とベクトル制御に従う交流モータの電流指令値(d軸,q軸電流指令値)から、半導体スイッチング素子のターンオン後のオン電流を簡易かつ高精度に推定することが可能となる。 With such a configuration, in the drive control device for a semiconductor switching element constituting a semiconductor power device having an AC motor as a load, the current command value (d axis, q) of the AC motor according to the rotation angle and vector control of the AC motor. From the axial current command value), it becomes possible to easily and accurately estimate the on-current after the semiconductor switching element is turned on.
この発明によれば、半導体スイッチング素子の電圧および/または電流のモニタ結果のフィードバックを伴うことなく、ターンオン時におけるサージ電圧抑制およびスイッチング損失低減の両立を図るための安定的なスイッチング速度制御を実行できる。 According to the present invention, stable switching speed control for achieving both suppression of surge voltage and reduction of switching loss at the time of turn-on can be executed without accompanying feedback of the monitoring result of the voltage and / or current of the semiconductor switching element. .
以下において、本発明の実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。なお以下では図中の同一または相当部分には同一符号を付して原則的にその説明は繰返さないものとする。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. In the following description, the same or corresponding parts in the drawings are denoted by the same reference numerals, and the description thereof will not be repeated in principle.
図1は、本発明に従う半導体スイッチング素子の駆動制御装置が適用されるモータ駆動システムの全体構成図である。 FIG. 1 is an overall configuration diagram of a motor drive system to which a drive control device for a semiconductor switching element according to the present invention is applied.
図1を参照して、本発明の実施の形態に従うモータ駆動システム100は、直流電源10と、電圧センサ13と、平滑コンデンサC0と、インバータ20と、制御装置30と、負荷である交流モータMGとを備える。
Referring to FIG. 1,
交流モータMGは、たとえば、ハイブリッド自動車または電気自動車の駆動輪を駆動するためのトルクを発生するための駆動用電動機である。あるいは、この交流モータMGは、エンジンにて駆動される発電機の機能を持つように構成されてもよく、電動機および発電機の機能を併せ持つように構成されてもよい。さらに、交流モータMGは、エンジンに対して電動機として動作し、たとえば、エンジン始動を行ない得るようなものとしてハイブリッド自動車に組み込まれるようにしてもよい。 AC motor MG is, for example, a drive motor for generating torque for driving drive wheels of a hybrid vehicle or an electric vehicle. Alternatively, AC motor MG may be configured to have a function of a generator driven by an engine, or may be configured to have both functions of an electric motor and a generator. Furthermore, AC motor MG may operate as an electric motor for the engine, and may be incorporated in a hybrid vehicle so that the engine can be started, for example.
直流電源10は、電源線7およびアース線5の間に直流電圧を出力する。また、直流電源10は、電源線7およびアース線5の間の直流電圧により充電可能である。直流電源10は、代表的には、ニッケル水素またはリチウムイオン等の二次電池や電気二重層キャパシタの蓄電装置により構成される。なお、蓄電装置の出力電圧(直流)の電圧レベルを変化するためのコンバータを設けて、直流電源10の出力電圧、すなわち、電源線7およびアース線5の間の電圧を可変に制御する構成としてもよい。
平滑コンデンサC0は、電源線7およびアース線5の間に接続される。インバータ20の直流側電圧に相当する、平滑コンデンサC0の端子間電圧は、電圧センサ13により検出され、その検出値は、電子制御ユニット(ECU)により構成される制御装置30へ送出される。
Smoothing capacitor C 0 is connected between
インバータ20は、電源線7およびアース線5の間に並列に設けられる、U相回路15と、V相回路16と、W相回路17とから成る。各相回路は、電源線7およびアース線5の間に直列接続された電力用半導体スイッチング素子を含む。電力用半導体スイッチング素子(以下、単に「半導体スイッチング素子」と称する)としては、IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)が代表的に適用される。
U相回路15は、上アーム素子である半導体スイッチング素子Q1および下アーム素子である半導体スイッチング素子Q2から成り、V相回路16は、上アーム素子である半導体スイッチング素子Q3および下アーム素子である半導体スイッチング素子Q4から成り、W相回路17は、上アーム素子である半導体スイッチング素子Q5および下アーム素子である半導体スイッチング素子Q6から成る。また、各半導体スイッチング素子Q1〜Q6に対して、各半導体スイッチング素子とは反対方向に電流を流すためのフリーホイールダイオードD1〜D6がそれぞれ接続されている。半導体スイッチング素子Q1〜Q6のオンオフは、制御装置30からのスイッチング制御信号S1〜S6によって制御される。
The
交流モータMGは、代表的には3相の永久磁石モータであり、U,V,W相の3つのコイルの一方端が中性点に共通接続される。また、U,V,W相コイルの他端は、インバータ20のU,V,W相での上アーム素子および下アーム素子の接続点と接続されている。
AC motor MG is typically a three-phase permanent magnet motor, and one end of three coils of U, V, and W phases is commonly connected to a neutral point. The other end of the U, V, W phase coil is connected to the connection point of the upper arm element and the lower arm element in the U, V, W phase of
インバータ20は、交流モータMGのトルク指令値が正(Tqcom>0)の場合には、平滑コンデンサC0からの直流電圧を、制御装置30からのスイッチング制御信号S1〜S6に応答した、半導体スイッチング素子Q1〜Q6のスイッチング動作によって交流電圧に変換して正のトルクを出力するように交流モータMGを駆動する。
When the torque command value of AC motor MG is positive (Tqcom> 0),
また、インバータ20は、交流モータMGのトルク指令値が零の場合(Tqcom=0)には、スイッチング制御信号S1〜S6に応答したスイッチング動作により、直流電圧を交流電圧に変換してトルクが零になるように交流モータMGを駆動する。これにより、交流モータMGは、トルク指令値Tqcomによって指定された零または正のトルクを発生するように駆動される。
Further, when the torque command value of AC motor MG is zero (Tqcom = 0),
さらに、モータ駆動システム100が搭載されたハイブリッド自動車または電気自動車の回生制動時には、交流モータMGのトルク指令値Tqcomは負に設定される(Tqcom<0)。この場合には、インバータ20は、スイッチング制御信号S1〜S6に応答したスイッチング動作により、交流モータMGが発電した交流電圧を直流電圧に変換し、その変換した直流電圧(システム電圧)を平滑コンデンサC0を介して直流電源10の充電に用いることができる。なお、ここで言う回生制動とは、ハイブリッド自動車または電気自動車を運転するドライバーによるフットブレーキ操作があった場合の回生発電を伴う制動や、フットブレーキを操作しないものの、走行中にアクセルペダルをオフすることで回生発電をさせながら車両を減速(または加速の中止)させることを含む。
Further, during regenerative braking of a hybrid vehicle or electric vehicle equipped with
電流センサ24は、ホールセンサ等で構成され、インバータ20から交流モータMGへ供給されるモータ電流を検出し、検出値を制御装置30へ出力する。なお、三相電流iu,iv,iwの瞬時値の和は零であるので、図1に示すように電流センサ24は2相分のモータ電流(たとえば、V相電流ivおよびW相電流iw)を検出するように配置すれば足りる。
The
回転角センサ(代表的には、レゾルバ)25は、交流モータMGの回転角θを検出し、その検出した回転角θを制御装置30へ送出する。制御装置30では、回転角θに基づき交流モータMGの回転数(回転速度)についても算出する。
A rotation angle sensor (typically, a resolver) 25 detects the rotation angle θ of AC motor MG, and sends the detected rotation angle θ to control
制御装置30は、負荷である交流モータMGの出力トルクを指示するトルク指令値Tqcom、電圧センサ13によって検出された直流電圧Vdc、電流センサ24からのモータ電流iv,iw、回転角センサ25からの回転角θに基づいて、交流モータMGがトルク指令値Tqcomに従ったトルクを出力するように、インバータ20の動作を制御する。代表的には、トルク指令値Tqcomに対応させてインバータ20から交流モータMGへ供給される電流(モータ電流)の指令値を決定するとともに、指令値に従ったモータ電流が発生されるように半導体スイッチング素子Q1〜Q6をオンオフさせるためのスイッチング制御信号S1〜S6を生成して、インバータ20へ出力する。
The
次に、制御装置30によって制御される、インバータ20における電力変換について詳細に説明する。図1に示したモータ駆動システムによるモータ制御には種々の方式が適用できる。
Next, power conversion in the
代表的には、一般的なPWM制御として用いられる正弦波パルス幅変調(PWM)制御に従って半導体スイッチング素子Q1〜Q6をオンオフ制御することにより、直流電圧を交流電圧へ変換して、交流のモータ電流を発生することができる。あるいは、交流モータの高速域での出力を確保するために、矩形波電圧制御も適用される。 Typically, on / off control of the semiconductor switching elements Q1 to Q6 is performed according to sinusoidal pulse width modulation (PWM) control used as a general PWM control, thereby converting a DC voltage into an AC voltage and an AC motor current. Can be generated. Alternatively, rectangular wave voltage control is also applied to ensure the output of the AC motor in the high speed range.
一般的に知られるように、PWM制御は、一定周期ごとに方形波出力電圧のパルス幅を変化させることによって、周期ごとの出力電圧平均値を変化させる制御方式である。一般的には、一定周期を搬送波の周期に対応する複数のスイッチング周期に分割し、スイッチング周期ごとに半導体スイッチング素子のオンオフ制御を行なうことにより、パルス幅変調制御が行なわれる。 As is generally known, PWM control is a control method in which the average value of the output voltage for each period is changed by changing the pulse width of the square wave output voltage for each fixed period. In general, pulse width modulation control is performed by dividing a certain period into a plurality of switching periods corresponding to the period of the carrier wave and performing on / off control of the semiconductor switching element for each switching period.
正弦波PWM制御では、トルク指令値Tqcomに対応して設定された電流指令値と、モータ電流の検出値との電流偏差に応じて、モータ電流を制御する電流フィードバック制御が行われる。具体的には、上記電流偏差を解消するようにインバータ20の各相での正弦波状の電圧指令値が設定され、さらに、高周波の搬送波(代表的には三角波)と、電圧指令値(正弦波)との電圧比較に基づき、各相の上アーム素子および下アーム素子のオンオフが制御される。
In the sine wave PWM control, current feedback control for controlling the motor current is performed according to the current deviation between the current command value set corresponding to the torque command value Tqcom and the detected value of the motor current. Specifically, a sinusoidal voltage command value for each phase of the
この結果、モータ電流の交流1周期が搬送波周期により複数のスイッチング区間に分割されて、スイッチング期間毎に半導体スイッチング素子のオンオフが制御されることとなる。すなわち、このオンオフ制御に対応したパルス状電圧の集合によって、交流モータMGの1回転(電気角720°)の期間内でその基本波成分が正弦波となるような交流電圧(変調率=0.61)が発生される。このように、正弦波PWM制御では、各半導体スイッチング素子は、搬送波周波数に従ってオンオフを繰り返すように制御される。 As a result, the alternating current cycle of the motor current is divided into a plurality of switching sections by the carrier wave cycle, and on / off of the semiconductor switching element is controlled for each switching period. That is, an AC voltage (modulation rate = 0..0) such that the fundamental wave component becomes a sine wave within the period of one rotation of the AC motor MG (electrical angle 720 °) by the set of pulsed voltages corresponding to the on / off control. 61) is generated. As described above, in the sine wave PWM control, each semiconductor switching element is controlled to be repeatedly turned on and off according to the carrier frequency.
ここで、PWM制御によるモータ制御構成について、図2を用いて詳細に説明する。
図2を参照して、PWM制御ブロック200は、電流指令生成部210と、座標変換部220,250と、PI演算部240と、PWM信号生成部260とを含む。なお、PWM制御ブロック200は、制御装置30に予め記憶されたプログラムを所定周期で実行することにより実現される機能ブロックを示すものである。
Here, the motor control configuration by PWM control will be described in detail with reference to FIG.
Referring to FIG. 2,
電流指令生成部210は、予め作成されたマップ等に従って、交流モータMGのトルク指令値Tqcomに応じて、電流指令値Idcom(d軸)およびIqcom(q軸)を生成する。
Current
座標変換部220は、交流モータMGに設けられた回転角センサ25によって検出される回転角θを用いた座標変換(3相→2相)により、電流センサ24によって検出されたモータ電流(iv,iw,iu=−(iv+iw))を基に、d軸電流idおよびq軸電流iqを算出する。
The coordinate
PI演算部240には、d軸電流の指令値に対する偏差ΔId(ΔId=Idcom−id)およびq軸電流の指令値に対する偏差ΔIq(ΔIq=Iqcom−iq)が入力される。PI演算部240は、d軸電流偏差ΔIdおよびq軸電流偏差ΔIqのそれぞれについて、所定ゲインによるPI演算を行なって制御偏差を求め、この制御偏差に応じたd軸電圧指令値Vd♯およびq軸電圧指令値Vq♯を生成する。
A deviation ΔId (ΔId = Idcom-id) with respect to the command value of the d-axis current and a deviation ΔIq (ΔIq = Iqcom-iq) with respect to the command value of the q-axis current are input to the
座標変換部250は、交流モータMGの回転角θを用いた座標変換(2相→3相)によって、d軸電圧指令値Vd♯およびq軸電圧指令値Vq♯をU相、V相、W相の各相電圧指令値Vu,Vv,Vwに変換する。
The coordinate
PWM信号生成部260は、各相における電圧指令値Vu,Vv,Vwと所定の搬送波との比較に基づいて、図1に示した、インバータ20のスイッチング制御信号S1〜S6を生成する。
The PWM
インバータ20が、PWM制御ブロック200によって生成されたスイッチング制御信号S1〜S6に従ってスイッチング制御されることにより、交流モータMGへは、トルク指令値Tqcomに従ったトルクを出力するためのモータ電流が供給される。
The
一方、矩形波制御では、基本波成分を高めるために、交流モータMGの回転速度に同期した周波数の矩形波電圧が印加される。これにより、交流電圧の変調率が0.78に高められる。なお、矩形波制御では、トルク指令値とトルク実績値との偏差に従って、矩形波電圧の電圧位相が制御される。 On the other hand, in the rectangular wave control, a rectangular wave voltage having a frequency synchronized with the rotation speed of the AC motor MG is applied to increase the fundamental wave component. As a result, the modulation rate of the AC voltage is increased to 0.78. In the rectangular wave control, the voltage phase of the rectangular wave voltage is controlled according to the deviation between the torque command value and the actual torque value.
また、交流モータの運転状態に応じて、正弦波PWM制御および矩形波制御を切換える制御構成では、両者の切換領域での出力を滑らかに制御するために、正弦波PWM制御と矩形波制御の中間的な変調率を得るために過変調PWM制御が適用されることもある。過変調PWM制御では、正弦波PWM制御と同様の電流制御の下で、電圧指令振幅を増大側に歪ませることにより、基本波成分を歪ませることができ、変調率を0.61〜0.78の範囲まで高めることができる。 Further, in the control configuration in which the sine wave PWM control and the rectangular wave control are switched in accordance with the operation state of the AC motor, in order to smoothly control the output in both switching regions, the intermediate between the sine wave PWM control and the rectangular wave control. In some cases, overmodulation PWM control is applied to obtain a typical modulation rate. In the overmodulation PWM control, the fundamental wave component can be distorted by distorting the voltage command amplitude to the increasing side under the current control similar to the sine wave PWM control, and the modulation factor is 0.61 to .0. It can be increased up to 78.
上述のように、インバータ20による電力変換は、矩形波制御およびPWM制御(正弦波PWM制御および過変調PWM制御を包括的に表記するもの)に大別される。ただし、矩形波制御では、半導体スイッチング素子のオンオフ回数が極めて少なくなるため、スイッチング損失が本来低く、本発明に従う半導体スイッチング素子の駆動制御装置によるスイッチング速度制御は一般的に不要である。
As described above, the power conversion by the
これに対してPWM制御では、搬送波周波数が数kHz〜数十kHz程度に設定されることが一般的であるため、各半導体スイッチング素子は、比較的高周波でオンオフを繰り返すように制御される。このため、サージ電圧抑制のためにスイッチング速度を低下させるとスイッチング損失の増加が問題となる一方で、スイッチング損失低減のためにスイッチング速度を高くするとサージ電圧が大きくなってしまう。このため、PWM制御では、スイッチング損失低減およびサージ電圧抑制の両面からスイッチング速度を設定する必要がある。 On the other hand, in the PWM control, the carrier frequency is generally set to about several kHz to several tens of kHz, so that each semiconductor switching element is controlled to be repeatedly turned on and off at a relatively high frequency. For this reason, if the switching speed is lowered to suppress the surge voltage, an increase in switching loss becomes a problem. On the other hand, if the switching speed is increased to reduce the switching loss, the surge voltage becomes large. For this reason, in PWM control, it is necessary to set the switching speed from both aspects of switching loss reduction and surge voltage suppression.
[スイッチング速度制御]
本発明の実施の形態による半導体スイッチング素子の駆動装置では、スイッチング損失低減およびサージ電圧抑制の両立を図るために、以下に説明するようなスイッチング速度制御を実行する。
[Switching speed control]
In the semiconductor switching element driving device according to the embodiment of the present invention, switching speed control as described below is executed in order to achieve both switching loss reduction and surge voltage suppression.
図3は、本発明の実施の形態による半導体スイッチング素子の駆動制御装置の構成を説明するブロック図である。図3には、インバータ20の一相分の構成が示される。
FIG. 3 is a block diagram illustrating the configuration of the drive control device for the semiconductor switching element according to the embodiment of the present invention. FIG. 3 shows the configuration of one phase of the
図3を参照して、アース線5および電源線7の間に、負荷と接続される中間ノードNiを介して直列に接続された2個の半導体スイッチング素子QaおよびQbが接続されている。なお、半導体スイッチング素子Qaは、図1の半導体スイッチング素子Q2,Q4,Q6を総括的に表記するものであり、半導体スイッチング素子Qbは、図1の半導体スイッチング素子Q1,Q3,Q5を総括的に表記するものである。半導体スイッチング素子Qaには、逆並列ダイオードとしてのフリーホイールダイオードDaが並列に接続されている。同様に、半導体スイッチング素子Qbに対しても、フリーホイールダイオードDbが並列に接続されている。
Referring to FIG. 3, two semiconductor switching elements Qa and Qb connected in series are connected between ground line 5 and
以下では、代表的に下アーム素子である半導体スイッチング素子Qaのゲート(制御電極)の電圧駆動制御のための構成について説明するが、上アーム素子である半導体スイッチング素子Qbについても、同様の構成によりゲート電圧駆動が制御されるものとする。 In the following, a configuration for voltage drive control of the gate (control electrode) of the semiconductor switching element Qa, which is typically the lower arm element, will be described, but the semiconductor switching element Qb, which is the upper arm element, has the same configuration. Assume that gate voltage drive is controlled.
まず、半導体スイッチング素子Qaのターンオン時の電圧・電流挙動について、図4を用いて説明する。 First, the voltage / current behavior when the semiconductor switching element Qa is turned on will be described with reference to FIG.
図4を参照して、時刻t0において、半導体スイッチング素子Qa,Qbのオンオフを切換えるようにスイッチング制御信号が生成されて、半導体スイッチング素子Qaのターンオンが開始される。この時点において、半導体スイッチング素子Qaを流れるトランジスタ電流Ic=0である。一方、上アームでは、半導体スイッチング素子Qbがターンオフされるのに伴い、フリーホイールダイオードDbによって、負荷L(交流モータMGのL成分に相当)への当該相の供給電流(モータ電流)が還流されている(ダイオード電流If≠0)。この状態から、半導体スイッチング素子Qaのターンオンに応答して、モータ電流が半導体スイッチング素子Qaにより流されるように、トランジスタ電流Icおよびダイオード電流Ifが変化を始める。 Referring to FIG. 4, at time t0, a switching control signal is generated so as to switch on / off of semiconductor switching elements Qa, Qb, and turn-on of semiconductor switching element Qa is started. At this time, the transistor current Ic flowing through the semiconductor switching element Qa = 0. On the other hand, in the upper arm, as the semiconductor switching element Qb is turned off, the supply current (motor current) of the phase to the load L (corresponding to the L component of the AC motor MG) is circulated by the free wheel diode Db. (Diode current If ≠ 0). From this state, in response to the turn-on of the semiconductor switching element Qa, the transistor current Ic and the diode current If begin to change so that the motor current flows through the semiconductor switching element Qa.
時刻t0から、半導体スイッチング素子Qaのゲート電圧Vgeは、所定のオフ電圧から所定のオン電圧へ向けて駆動される。ゲート電圧Vgeが上昇するのに伴って、トランジスタ電流Icが流れ始める一方で、コレクタエミッタ間電圧Vceがそれに伴い低下する。 From time t0, the gate voltage Vge of the semiconductor switching element Qa is driven from a predetermined off voltage to a predetermined on voltage. As the gate voltage Vge increases, the transistor current Ic begins to flow, while the collector-emitter voltage Vce decreases accordingly.
一方で、ゲート電圧Vgeの上昇に伴い、フリーホイールダイオードDbのダイオード電流Ifは、徐々に0に近づく。そして、ダイオード電流If=0となった時点から、ダイオード電圧Vakが上昇を始める。 On the other hand, the diode current If of the freewheel diode Db gradually approaches 0 as the gate voltage Vge increases. Then, the diode voltage Vak starts increasing from the time when the diode current If = 0.
ここで、ターンオン指令が発生される時刻t0から、ダイオード電流If=0となってダイオード電圧Vakが立上がるまでの時間遅れtd、およびその後のダイオード電圧Vakのピーク値、すなわちサージ電圧は、半導体スイッチング素子Qaのターンオン開始時におけるモータ電流(対応相)に依存する。 Here, the time delay td from the time t0 when the turn-on command is generated to the diode current If = 0 and the diode voltage Vak rises, and the subsequent peak value of the diode voltage Vak, that is, the surge voltage, is the semiconductor switching. It depends on the motor current (corresponding phase) at the start of turn-on of the element Qa.
上述のように、PWM制御では、半導体スイッチング素子Qaのターンオンに応答して、反対アームの半導体スイッチング素子Qbのターンオン期間に流されていた当該相のモータ電流が、半導体スイッチング素子Qaに流されることとなる。したがって、半導体スイッチング素子Qaのターンオン開始時におけるモータ電流は、半導体スイッチング素子Qaのターンオン後における通電電流(トランジスタ電流Ic)とほぼ同等である。 As described above, in the PWM control, in response to the turn-on of the semiconductor switching element Qa, the motor current of the phase that was passed during the turn-on period of the semiconductor switching element Qb of the opposite arm is passed to the semiconductor switching element Qa. It becomes. Therefore, the motor current at the start of turn-on of the semiconductor switching element Qa is substantially equal to the energization current (transistor current Ic) after the semiconductor switching element Qa is turned on.
ここで、非特許文献1にも開示されるように、通電電流が低い状態(以下、低電流状態)で半導体スイッチング素子Qaがターンオンされる場合には、フリーホイールダイオードDbではキャリアが少ない状態から逆バイアス電圧が印加されるために、非常に短時間で空乏層が進展することになる。この結果、フリーホイールダイオードDbでは過大なダイオード電圧Vakが発生し易くなり、サージ電圧が上昇する。
Here, as disclosed in
なお、図4の例では、サージ電圧が低いレベルでの動作波形例が示されているが、半導体スイッチング素子がより低電流状態、すなわち、時刻t0時点におけるダイオード電流Ifの絶対値がより小さい状態でターンオンされた場合には、ダイオード電圧Vakの波形が振動して、大きなサージ電圧が発生するようになる。 In the example of FIG. 4, an example of an operation waveform at a low surge voltage level is shown. However, the semiconductor switching element is in a lower current state, that is, a state where the absolute value of the diode current If at time t0 is smaller. Is turned on, the waveform of the diode voltage Vak oscillates and a large surge voltage is generated.
図5は、半導体スイッチング素子のサージ電圧Vsgおよびサージ電圧発生までの遅れ時間tdの通電電流に対する依存性を示す概念図である。 FIG. 5 is a conceptual diagram showing the dependence of the surge voltage Vsg of the semiconductor switching element and the delay time td until the surge voltage is generated on the energization current.
上述のように、サージ電圧Vsgは、ダイオード電圧Vakに依存するので、半導体スイッチング素子の通電電流(トランジスタ電流)Icが低電流であるときに相対的に大きく、高電流になるに従って低下していく特性を有する。このようなIc−Vsgの特性は、半導体スイッチング素子の動作実験を予め実行することにより把握できる。 As described above, since the surge voltage Vsg depends on the diode voltage Vak, it is relatively large when the conduction current (transistor current) Ic of the semiconductor switching element is low, and decreases as the current increases. Has characteristics. Such a characteristic of Ic-Vsg can be grasped by executing an operation experiment of the semiconductor switching element in advance.
一方、図4にも示したように、通電電流Icが大きい領域では、ターンオン開始時におけるダイオード電流Ifの絶対値も大きいので、ダイオード電流Ifが0に復帰してダイオード電圧Vakが立上がるまでの遅れ時間(以下、サージ発生時間遅れ)tdも大きくなる。このため、図5に示すように、サージ発生時間遅れtdは、通電電流Icが高電流になるに従って長くなる特性を示している。 On the other hand, as shown in FIG. 4, in the region where the energization current Ic is large, the absolute value of the diode current If at the start of turn-on is also large, so that the diode current If returns to 0 and the diode voltage Vak rises. The delay time (hereinafter, surge occurrence time delay) td also increases. For this reason, as shown in FIG. 5, the surge occurrence time delay td shows a characteristic that becomes longer as the energization current Ic becomes higher.
図5に示すようなIc−Vsg特性に基づいて、半導体スイッチング素子の定格耐圧に対応して決定されるサージ電圧Vsgの許容上限値Vsmaxが決定されると、サージ電圧VsgがVsmaxを超える境界電流Itを求めることができる。そして、Ic−Vsg特性と、境界電流Itとから、サージ電圧Vsgが許容上限値Vsmaxを超える電流領域400と、サージ電圧Vsgが許容上限値Vsmax以下に収まる電流領域410とが定義できる。
When the allowable upper limit value Vsmax of the surge voltage Vsg determined according to the rated withstand voltage of the semiconductor switching element is determined based on the Ic-Vsg characteristic as shown in FIG. 5, the boundary current at which the surge voltage Vsg exceeds Vsmax It can be obtained. From the Ic-Vsg characteristic and the boundary current It, a
図5に示すようなIc−Vsg特性では、Ic≦Itの電流領域400では、許容上限値Vsmaxを超えるサージ電圧Vsgの発生が予想される一方で、Ic>Itの電流領域410では、サージ電圧Vsgが許容上限値Vsmax以下に収まるものと予想される。以下では、電流領域400を高サージ領域400とも称し、電流領域410を低サージ領域410とも称することとする。すなわち、電流領域400は本発明での「第1の電流領域」に対応し、電流領域410は本発明での「第2の電流領域」に対応する。
In the Ic-Vsg characteristic as shown in FIG. 5, the surge voltage Vsg exceeding the allowable upper limit value Vsmax is expected to be generated in the
なお、Ic−Vsg特性およびIc−td特性は、素子温度に依存して変化する。したがって、素子温度の変化に対する境界電流Itの変化を予め実験等により求めておくことにより、実動作時には、素子温度の検出値に基づいて、温度依存性を反映して境界電流Itを設定することができる。 The Ic-Vsg characteristic and the Ic-td characteristic change depending on the element temperature. Therefore, the boundary current It is set to reflect the temperature dependence based on the detected value of the element temperature in actual operation by obtaining the change of the boundary current It with respect to the change of the element temperature in advance by experiments or the like. Can do.
同様に、直流電源10の出力電圧Vdcが可変制御される構成では、半導体スイッチング素子への印加電圧(Vce)が変化するので、Ic−Vsg特性およびIc−td特性も電圧に応じて変化する。したがって、印加電圧の変化に対する境界電流Itの変化を予め実験等により求めておくことにより、実動作時には、電圧センサ13の検出値(直流電圧Vdc)に基づいて、電圧依存性を反映して境界電流Itを設定することができる。
Similarly, in the configuration in which the output voltage Vdc of the
以下に詳細に説明するように、本発明の実施の形態による半導体スイッチング素子の駆動制御装置では、このような通電電流に対するサージ電圧Vsgおよびサージ発生時間遅れtdの特性に従って、フィードフォワード的に半導体スイッチング素子のゲート電圧駆動速度、すなわちスイッチング速度を可変に制御する。 As described in detail below, in the semiconductor switching element drive control apparatus according to the embodiment of the present invention, semiconductor switching is performed in a feed-forward manner in accordance with the characteristics of the surge voltage Vsg and the surge generation time delay td with respect to the energized current. The gate voltage driving speed of the element, that is, the switching speed is variably controlled.
再び図3を参照して、各半導体スイッチング素子に対して、駆動制御回路50と、ドライバ120,125と、ゲート抵抗130,135が設けられる。
Referring to FIG. 3 again, a
ドライバ120は、駆動制御回路50からの制御信号SD1のオン時に、ゲート抵抗130(抵抗値R1)を介して、ゲートGをオフ電圧VLからオン電圧VHへ駆動する。一方、ドライバ125は、駆動制御回路50からの制御信号SD2のオン時に、ゲート抵抗135(抵抗値R2)を介して、ゲートGをオフ電圧VLからオン電圧VHへ駆動する。ドライバ120およびゲート抵抗130と、ドライバ125およびゲート抵抗135とは、ゲートGに対して並列に設けられている。なお、オン電圧VHは、半導体スイッチング素子をターンオンさせるためのゲート電圧に相当し、オフ電圧VLは、半導体スイッチング素子をターンオフさせるためのゲート電圧に相当する。
The
ここで、ゲート抵抗135の抵抗値R2はゲート抵抗130の抵抗値R1よりも小さいものとする。したがって、ドライバ120によってゲート電圧を駆動する場合には相対的に低速スイッチングが行なわれる。一方、ドライバ125により、あるいは、ドライバ120,125の両方によってゲート電圧を駆動する場合には、相対的に高速スイッチングが実行されることとなる。
Here, it is assumed that the resistance value R2 of the
駆動制御回路50は、対応の半導体スイッチング素子Qbのオン期間を指示するオン指令信号SWonと、インバータ20から交流モータMGへ供給されるモータ電流制御の指令値Icomとに基づいて、ドライバ120,125の制御信号SD1,SD2を生成することによって、半導体スイッチング素子Qbのターンオン時におけるスイッチング速度を制御する。
The
以下、本実施の形態では、駆動制御回路50は、ターンオン時のスイッチング速度を2段階に制御するものとする。具体的には、制御信号SD1のみをオンすることにより、ドライバ120のみによってゲート電圧を相対的に低速で駆動する「低速スイッチング」と、制御信号SD1,SD2の両方をオンすることにより、ドライバ120,125によってゲート電圧を相対的に高速で駆動する「高速スイッチング」とが選択的に行われるものとする。
Hereinafter, in the present embodiment, the
なお、スイッチング速度の切換を実現するための回路構成については、図3に例示した構成に限定されるものではなく、周知の回路構成のいずれをも適用できる点について確認的に記載する。たとえば、ゲート抵抗値の切換ではなく、L,C成分を含むインピーダンス値を変化させることによりスイッチング速度を変化させてもよい。あるいは、単一のドライバによりゲート電圧を駆動する構成とした上で、ゲート抵抗値やインピーダンス値を切換えることによってスイッチング速度を変化させてもよい。 Note that the circuit configuration for realizing switching of the switching speed is not limited to the configuration illustrated in FIG. 3, and a point that any known circuit configuration can be applied will be described for confirmation. For example, instead of switching the gate resistance value, the switching speed may be changed by changing the impedance value including the L and C components. Alternatively, the gate voltage may be driven by a single driver, and the switching speed may be changed by switching the gate resistance value or the impedance value.
図6は、図3に示した駆動制御回路50の構成を詳細に説明するブロック図である。
図6を参照して、駆動制御回路50は、スイッチング速度制御部55と、電流レベル推定部60とを含む。スイッチング速度制御部55は、判定部70と、切換タイミング設定部80と、低速スイッチング指示部90と、高速スイッチング指示部95とを含む。
FIG. 6 is a block diagram for explaining in detail the configuration of the
Referring to FIG. 6,
電流レベル推定部60は、半導体スイッチング素子のターンオン指令時における電流指令値Icomに基づいて、当該オン期間における半導体スイッチング素子の通電電流推定値Ic♯を算出する。 Based on the current command value Icom at the turn-on command of the semiconductor switching element, the current level estimation unit 60 calculates the energization current estimated value Ic # of the semiconductor switching device in the on period.
なお、インバータ20から負荷である交流モータMGへ供給されるモータ電流は、交流モータの回転周期に対応した交流電流であるが、PWM制御での搬送波の各周期に対応して設けられる各半導体スイッチング素子の各オン期間での通電電流は、上記交流電流の時間軸上での1点での瞬時値に対応することとなる。
The motor current supplied from the
電流指令値Icomは、PWM制御においては、図2に示したd軸電流指令値Idcomおよびq軸電流指令値Iqcomに対応する。すなわち、直流値であるd軸電流指令値Idcomおよびq軸電流指令値Iqcomを、回転角センサ25により検出された回転角θを用いて、一般的に用いられる2相(d,q相)→3相(U,V,W相)変換することにより、今回のターンオン後における半導体スイッチング素子の通電電流推定値Ic♯を算出することができる。
The current command value Icom corresponds to the d-axis current command value Idcom and the q-axis current command value Iqcom shown in FIG. 2 in PWM control. That is, the d-axis current command value Idcom and the q-axis current command value Iqcom, which are direct current values, are generally used in two phases (d and q phases) using the rotation angle θ detected by the
判定部70は、電流レベル推定部60によって推定された通電電流推定値Ic♯に基づいて、図5に示したIc−Vsg特性に従って、今回のターンオンが、高サージ領域(低電流領域)400および低サージ領域(高電流領域)410のいずれで行われるものであるかを判定する。具体的には、通電電流推定値Ic♯と、境界電流It(図5)との比較に基づき、上記判定が実行される。
Based on the energized current estimated value Ic # estimated by the current level estimating unit 60, the determining
なお、境界電流Itについては、上述したような、境界電流Itの温度依存性および/または電圧依存性を反映して設定することが好ましい。たとえば、素子温度,印加電圧に対する境界電流Itの設定マップ(図示せず)を実験データ等に基づいて予め作成するととともに、実動作時には、半導体スイッチング素子の各々あるいは、その配置領域に設けられた温度センサ(図示せず)の検出値および/または電圧センサ13の検出値(直流電圧Vdc)を用いて当該マップを参照することによって、境界電流Itを適切に設定できる。
The boundary current It is preferably set to reflect the temperature dependency and / or voltage dependency of the boundary current It as described above. For example, a setting map (not shown) of the boundary current It with respect to the element temperature and applied voltage is created in advance based on experimental data and the like, and in actual operation, each semiconductor switching element or the temperature provided in the arrangement region thereof The boundary current It can be appropriately set by referring to the map using the detection value of a sensor (not shown) and / or the detection value (DC voltage Vdc) of the
判定部70は、通電電流推定値Ic♯が高サージ領域400である場合には、ターンオン開始時において、低速スイッチングを指示するための制御信号Islをオンする。一方、判定部70は、通電電流推定値Ic♯が低サージ領域410である場合には、ターンオン開始時において、制御信号Islをオフする。このように、制御信号Islは、低速スイッチングの選択時にオンされる一方で、高速スイッチングの選択時にオフ化される。
When energized current estimated value Ic # is in
低速スイッチング指示部90は、オン指令信号SWonのオン期間に、制御信号Islのオン時に動作する。低速スイッチング指示部90は、動作時には、制御信号SD1をオンする一方で制御信号SD2をオフする。一方、高速スイッチング指示部95は、オン指令信号SWonのオン期間に、制御信号Islのオフ時に動作する。高速スイッチング指示部95は、動作時には、制御信号SD1,SD2の両方をオンする。なお、オン指令信号SWonのオフ期間には、制御信号SD1,SD2の両方がオフされる。すなわち、低速スイッチング指示部90および高速スイッチング指示部95は、本発明による「スイッチング速度指示手段」に対応する。
The low speed switching
このようにして、判定部70により生成される制御信号Islに基づいて、低速スイッチングおよび高速スイッチングが選択的に実行される。具体的には、通電電流推定値Ic♯が高サージ領域400であるときには、低速スイッチングによりターンオンが開始されて、ゲート電圧はオフ電圧VLからオン電圧VHへ向けて緩やかに駆動される。このため、電流・電圧変化も緩やかなものとなって、サージ電圧が抑制される。
In this way, low speed switching and high speed switching are selectively performed based on the control signal Isl generated by the
一方、通電電流推定値Ic♯が低サージ領域410であるときには、サージ電圧を心配する必要がないため、ターンオン開始時から高速スイッチングが選択される。これにより、電圧および電流を速やかに変化させてスイッチング損失の低減を図ることができる。
On the other hand, when the energized current estimated value Ic # is in the
さらに、通電電流推定値Ic♯が高サージ領域400であるときには、低速スイッチングでターンオンを開始した場合にも、サージ電圧がピークを超えた後では、高速スイッチングの適用によってスイッチング損失を低減することが望ましい。そして、このようなサージ電圧のピークタイミングは、図5に示したサージ発生時間遅れtdから予測することができる。
Further, when the energized current estimated value Ic # is in the
したがって、切換タイミング設定部80は、通電電流推定値Ic♯に基づいて、切換タイミングを指定する判定時間tcを設定する。たとえば、図5に示したIc−td特性に基づいて、通電電流推定値Ic♯に対する判定時間tcの設定マップ(図示せず)を予め作成できる。
Therefore, switching
そして、切換タイミング設定部80は、内蔵するタイマ85によってターンオン開始時点からの経過時間を計測するとともに、経過時間が判定時間tcを超えると、低速スイッチングから高速スイッチングへの切換を指示する。これに応答して、判定部70は、制御信号Islをオフする。
Then, the switching
これにより、サージ電圧抑制のために低速スイッチングによりターンオンを開始した場合にも、サージ電圧が収まった切換タイミング以降では、低速スイッチングから高速スイッチングへの切換が実行されて、以降でのスイッチング損失の低減が図られる。 As a result, even when turn-on is started by low-speed switching to suppress surge voltage, switching from low-speed switching to high-speed switching is executed after the switching timing when the surge voltage is settled, and switching loss is reduced thereafter. Is planned.
一方、通電電流推定値Ic♯が低サージ領域410である場合には、判定時間tc=0に設定することによって、上述のようにターンオン開始時点から高速スイッチングが適用される。したがって、上記のようなスイッチング速度の切換は実行されず、判定部70は、制御信号Islのオフを維持する。
On the other hand, when energized current estimated value Ic # is in
なお、上述のように、Ic−td特性についても、温度依存性および電圧依存性を有するので、判定時間tcについても、素子温度および/または印加電圧をさらに反映して設定することが好ましい。たとえば、通電電流と、素子温度および/または印加電圧とに対する判定時間tcの設定マップを作成することにより、上述の温度センサ(図示せず)の検出値および/または電圧センサ13の検出値(直流電圧Vdc)を用いて当該マップを参照することによって、判定時間tcをさらに適切に設定できる。 As described above, since the Ic-td characteristic also has temperature dependency and voltage dependency, the determination time tc is preferably set to further reflect the element temperature and / or the applied voltage. For example, the detection value of the temperature sensor (not shown) and / or the detection value of the voltage sensor 13 (DC) is created by creating a setting map of the determination time tc for the energization current, the element temperature, and / or the applied voltage. The determination time tc can be set more appropriately by referring to the map using the voltage Vdc).
図7には、本発明の実施の形態による半導体スイッチング素子の駆動制御装置によるスイッチング速度制御の動作例が示される。 FIG. 7 shows an operation example of switching speed control by the drive control device for a semiconductor switching element according to the embodiment of the present invention.
図7(a)に示されるように、時刻t0においてターンオン指令が発生されるの応答して、ゲート電圧Vgeが上昇を始める。これに伴い、通電電流Icが低い場合には、比較的早くダイオード電圧Vakが立上がり、かつ、サージ電圧のピークが大きくなる。 As shown in FIG. 7A, the gate voltage Vge starts to rise in response to the turn-on command being generated at time t0. Accordingly, when the energization current Ic is low, the diode voltage Vak rises relatively quickly and the surge voltage peak increases.
したがって、図7(b)に示すように、通電電流Icが低電流、すなわち高サージ領域400である場合には、ターンオン開始時には、制御信号SD1がオンされる一方で、制御信号SD2がオフされて、低速スイッチングが適用される。
Therefore, as shown in FIG. 7B, when the energization current Ic is a low current, that is, the
その後、ターンオン開始から判定時間tcが経過した時刻t1では、切換タイミング設定部80(図6)によって、低速スイッチングから高速スイッチングへの切換が指示される。上述のように、切換タイミング(時刻t1)は、通電電流推定値Ic♯に基づいて判定時間tcを設定することにより、サージ電圧がピークを超えたタイミングに対応して設定される。 Thereafter, at time t1 when the determination time tc has elapsed from the start of turn-on, the switching timing setting unit 80 (FIG. 6) instructs switching from low speed switching to high speed switching. As described above, the switching timing (time t1) is set corresponding to the timing at which the surge voltage exceeds the peak by setting the determination time tc based on the energization current estimated value Ic #.
これにより、サージ電圧のピーク発生後では、制御信号SD1,SD2の両方がオンされて、ゲート電圧がオン電圧VHへ向けて高速に駆動されるようになり、スイッチング損失が低減される。 As a result, after the surge voltage peak occurs, both the control signals SD1 and SD2 are turned on, and the gate voltage is driven at high speed toward the on voltage VH, thereby reducing the switching loss.
再び、図7(a)を参照して、通電電流Icが高電流、すなわち低サージ領域410である場合には、ダイオード電圧Vakの立ち上がりタイミング、すなわちサージ電圧の発生タイミングは遅くなり、かつそのピーク値も低くなる。したがって、低サージ領域410では、図7(c)に示されるように、ターンオン開始時点から制御信号SD1,SD2の両方がオンされて、継続的に高速スイッチングが適用される。これにより、電圧・電流を速やかに変化させることによって、スイッチング損失が低減される。
Referring again to FIG. 7A, when the energization current Ic is a high current, that is, the
以上説明したように、本発明の実施の形態による半導体スイッチング素子の駆動制御装置では、通電電流とサージ電圧挙動との関係に着目して、インバータ20への指令値に基づいてターンオン時のスイッチング速度を制御することができる。したがって、半導体スイッチング素子の電流および/または電圧のモニタ構成を設けることなく、かつ、フィードバック制御を伴わない安定的なスイッチング速度制御によって、サージ電圧低減およびサージ電圧抑制の両立を図ることが可能となる。
As described above, in the semiconductor switching element drive control device according to the embodiment of the present invention, focusing on the relationship between the energization current and the surge voltage behavior, the switching speed at the turn-on time based on the command value to the
[変形例1]
図8には、本発明の実施の形態の変形例に従うゲート容量値調整回路300の構成が示される。
[Modification 1]
FIG. 8 shows a configuration of gate capacitance
図8を参照して、ゲート容量値調整回路300は、半導体スイッチング素子Q(Q1〜Q6を包括的に表記するもの)のゲートGに対して並列に複数個設けられた容量値調整ユニット310を有する。
Referring to FIG. 8, gate capacitance
容量値調整ユニット310は、ゲートGに対して直列に接続された、調整容量320およびリンク素子325を有する。各容量値調整ユニット310において、リンク素子325が非切断状態であり、電気的に導通している状態では、調整容量320の容量値がゲート容量値に加えられる。一方、リンク素子325が外部からのレーザ入力等により切断され非導通状態とされると、調整容量320の容量値は、ゲート容量値に加えられない。
The capacitance
したがって、リンク素子325を外部からレーザにより適宜切断することにより、いわゆるトリミングを実行して、半導体スイッチング素子の製造ばらつきに対応したゲート容量値を調整することができる。
Therefore, by appropriately cutting the
このようなゲート容量値調整回路300を設けることより、半導体スイッチング素子において、図5に示したIc−Vsg,tdの特性が正確に発現するように調整できる。
By providing such a gate capacitance
特に、ターンオン指令の発生からサージ電圧が発生するまでのサージ発生時間遅れtdはゲート容量値に大きく依存するため、本変形例に従うゲート容量値調整機構を設けることにより、上述した、スイッチング速度制御のばらつきを抑制して制御精度を向上させることが可能となる。 In particular, since the surge generation time delay td from the generation of the turn-on command to the generation of the surge voltage greatly depends on the gate capacitance value, by providing the gate capacitance value adjusting mechanism according to this modification, the switching speed control described above can be performed. It becomes possible to suppress the variation and improve the control accuracy.
[変形例2]
図9は、本発明の実施の形態に従う半導体スイッチング素子の駆動制御装置における学習制御構成を示すブロック図である。
[Modification 2]
FIG. 9 is a block diagram showing a learning control configuration in the drive control apparatus for a semiconductor switching element according to the embodiment of the present invention.
図9を参照して、駆動制御回路50は、図6に示した構成に加えて、学習制御部110をさらに有する。さらに、各フリーホイールダイオードに対しては、ダイオード電圧Vakを分圧するための分圧回路27が設けられる。分圧回路27による分圧電圧Vak♯は、学習制御部110により検知される。
Referring to FIG. 9,
学習制御部110は、所定の学習期間において、半導体スイッチング素子Qa,Qbのスイッチング動作を実行するとともに、そのときの分圧電圧Vak♯に基づいてサージ電圧の実績を把握する。そして、学習期間でのサージ電圧の実績に基づいて、上述の境界電流Itや判定時間tcを修正(更新)する学習制御を実行する。
The
たとえば、学習期間は、モータ駆動システム100の起動時等に、交流モータMGが主に無効電力を消費してトルクを発生しない駆動形態となるように電流指令指令値(たとえば、図2のIdcom,Iqcom)を発生することによって実現できる。このようにすると、負荷である交流モータMGに出力を生じさせることなく、インバータ20を構成する各半導体スイッチング素子をオンオフさせて、ターンオン時のサージ電圧挙動をサンプリングすることができる。一例として、各半導体スイッチング素子のスイッチング周波数が10kHzである場合には、学習期間を1秒確保することにより、10000回のターンオンタイミングのサンプリングが実行できる。すなわち、モータ駆動システム100の起動時に学習期間を設けることは十分に可能である。
For example, during the learning period, when the
図10は、学習制御部110による学習制御動作を説明するフローチャートである。
図10を参照して、学習制御部110は、ステップS100では、インバータ20を含むモータ駆動システム100の運転開始指令が発生されたかどうかを判断する。たとえば、ハイブリッド自動車に搭載されたモータ駆動システム100では、運転開始指示は、ハイブリッドシステムの起動指示に対応する。運転開始指令が発生されていない場合(S100のNO判定時)には、学習は起動されずそのまま処理は終了される。
FIG. 10 is a flowchart for explaining the learning control operation by the
Referring to FIG. 10, learning
学習制御部110は、運転開始指令の発生時(S100のYES判定時)には、さらにステップS110により、学習開始条件が成立しているかどうかを判断する。この学習開始条件の成立は、たとえば、各センサが正常であることや、半導体スイッチング素子の異常有無等に基づいて判定される。また、負荷である交流モータMGへの出力指示が発せられているときには、S100はNO判定とされて、学習は実行されない。すなわち、交流モータMGに出力指示が発せられていない期間を用いて、学習が実行される。
When the operation start command is generated (YES in S100), learning
学習制御部110は、学習開始条件が成立しているとき(S110のYES判定時)には、ステップS120により学習を開始する。そして、学習制御部110は、ステップS130では、上述のように交流モータMGがトルクを発生することなく無効電力を消費するように、学習用の電流指令パターンに従って、電流指令Iqcom(Idcom,Iqcom)を生成する。
The
そして、このようにして生成される電流指令値に従って、現在設定されている境界電流Itおよび判定時間tcに基づいたスイッチング制御を適用して、各半導体スイッチング素子がスイッチングされる。そして、学習制御部110は、ステップS140によるスイッチング時に発生した、ターンオン時のダイオード電圧Vakをサンプリングする(ステップS150)。
Then, according to the current command value generated in this manner, each semiconductor switching element is switched by applying switching control based on the currently set boundary current It and the determination time tc. Then, the
学習制御部110は、ステップS160では、ステップS150でサンプリングしたダイオード電圧Vakに基づいて、サージ電圧を評価する。たとえば、現在の境界電流It近傍の電流領域において、サージ電圧最大値の許容上限値へのマージンに余裕がある場合には境界電流Itを低下側へ更新する一方で、マージンが不足している場合には、境界電流Itを上昇側へ更新する。これにより、高サージ領域400および低サージ領域410の境界電流Itを学習結果に従って修正できる。
In step S160, learning
同様に、高サージ領域では、判定時間tcに従った低速スイッチングから高速スイッチングへの切換タイミングにおけるサージ電圧を評価して、許容上限値へのマージンに余裕がある場合には判定時間tcを短縮側へ更新する一方で、マージンが不足している場合には、判定時間tcを延長側へ更新する。これにより、高サージ領域400でのターンオン時における低速スイッチングから高速スイッチングへの切換タイミングを学習結果に従って修正できる。
Similarly, in the high surge region, the surge voltage at the switching timing from the low speed switching to the high speed switching according to the determination time tc is evaluated, and when there is a margin in the allowable upper limit value, the determination time tc is shortened. On the other hand, if the margin is insufficient, the determination time tc is updated to the extension side. Thereby, the switching timing from the low speed switching to the high speed switching at the time of turn-on in the
学習制御部110は、ステップS170により、所定の学習終了条件が成立するまでの間、ステップS130〜S160の学習動作を継続する。たとえば、学習終了条件は、所定時間経過、所望の学習項目の完了、あるいは、負荷(交流モータMG)への出力指示の発生等により成立する。
The
上記のような学習動作により、上述した境界電流Itや判定時間tcの設定マップのマップ値を構成することにより、各半導体素子の製造ばらつきや経時変化に対応させて、本発明の実施の形態によるスイッチング制御をより効果的に実行することができる。 According to the embodiment of the present invention, by configuring the map values of the setting map of the boundary current It and the determination time tc described above by the learning operation as described above, it is possible to cope with the manufacturing variation and change with time of each semiconductor element. Switching control can be executed more effectively.
なお、学習期間において温度依存性や電圧依存性を含めた学習を行うことは困難であるが、境界電流Itや判定時間tcについて、通電電流に基づく基本値と、温度,電圧変化に基づく修正値との和によって設定する構成とすれば、上記基本値を設定するマップについて、上記の学習動作によりマップ値を適切に更新することが可能となる。 Note that it is difficult to perform learning including temperature dependency and voltage dependency in the learning period, but for the boundary current It and the determination time tc, a basic value based on the energized current and a correction value based on temperature and voltage changes. If the configuration is set according to the sum, the map value can be appropriately updated by the learning operation for the map for setting the basic value.
また、本実施の形態による半導体スイッチング素子の駆動制御装置では、低速および高速の2段階のスイッチング速度間の切換によってスイッチング制御を変更することにより、より簡易な回路構成でサージ電圧抑制およびスイッチング損失低減の両立を図る構成としたが、スイッチング速度の変更については、細分化して3以上の複数段階とすることも可能である。 In the semiconductor switching element drive control device according to the present embodiment, the switching control is changed by switching between two switching speeds of low speed and high speed, thereby suppressing surge voltage and reducing switching loss with a simpler circuit configuration. However, it is possible to subdivide the switching speed into three or more stages.
以上説明した本実施の形態では、半導体スイッチング素子の駆動制御装置の適用例として、ハイブリッド自動車または電気自動車に搭載されるモータ(あるいはモータジェネレータ)を負荷とする3相インバータを例示したが、本発明の適用はこれに限定されるものではない。すなわち、指令値に従って負荷への供給電流を制御する半導体電力変換装置を構成するものであれば、単相インバータ、DC/DCコンバータ、昇圧チョッパ、スイッチングモードアンプなどのいわゆるハードスイッチングを行なう半導体スイッチング素子のスイッチング制御について、本発明の適用が可能である。また、負荷についても、特に限定されるものではない点を確認的に記載する。 In the present embodiment described above, a three-phase inverter using a motor (or motor generator) mounted on a hybrid vehicle or an electric vehicle as an example of an application example of a drive control device for a semiconductor switching element has been illustrated. The application of is not limited to this. That is, a semiconductor switching element that performs so-called hard switching, such as a single-phase inverter, a DC / DC converter, a step-up chopper, a switching mode amplifier, etc., as long as it constitutes a semiconductor power conversion device that controls a supply current to a load according to a command value The present invention can be applied to the switching control. Moreover, the point which is not specifically limited also about a load is described definitely.
さらに、半導体スイッチング素子についても、本実施の形態ではIGBTを例示したが、電力用MOS(Metal Oxide Semiconductor)トランジスタ等の他の電圧駆動型スイッ
チング素子に対しても、本発明によるスイッチング速度制御を適用できる。また、本実施の形態におけるゲート電圧駆動速度と同様に、制御電極(ベース)の電流駆動速度を制御することにより、電力用バイポーラトランジスタ等の電流駆動型半導体スイッチング素子により構成された半導体電力変換装置についても本発明によるスイッチング制御を適用できる。
Furthermore, although the IGBT is exemplified in the present embodiment for the semiconductor switching element, the switching speed control according to the present invention is applied to other voltage-driven switching elements such as a power MOS (Metal Oxide Semiconductor) transistor. it can. Further, similarly to the gate voltage driving speed in the present embodiment, the semiconductor power conversion device configured by a current driving semiconductor switching element such as a power bipolar transistor by controlling the current driving speed of the control electrode (base). The switching control according to the present invention can also be applied to.
今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。 The embodiment disclosed this time should be considered as illustrative in all points and not restrictive. The scope of the present invention is defined by the terms of the claims, rather than the description above, and is intended to include any modifications within the scope and meaning equivalent to the terms of the claims.
5 アース線、7 電源線、10 直流電源、13 電圧センサ、15 U相回路、16 V相回路、17 W相回路、20 インバータ、24 電流センサ、25 回転角センサ、27 分圧回路、30 制御装置(ECU)、50 駆動制御回路、55 スイッチング速度制御部、60 電流レベル推定部、70 判定部、80 切換タイミング設定部、85 タイマ、90 低速スイッチング指示部、95 高速スイッチング指示部、100 モータ駆動システム、110 学習制御部、120,125 ドライバ、130,135 ゲート抵抗、200 PWM制御ブロック、210 電流指令生成部、220,250 座標変換部、240 PI演算部、260 PWM信号生成部、300 ゲート容量値調整回路、310 容量値調整ユニット、320 調整容量、325 リンク素子、400 高サージ領域(低電流領域)、410 低サージ領域(高電流領域)、C0 平滑コンデンサ、D1〜D6,Da,Db フリーホイールダイオード、G ゲート、Ic トランジスタ電流(通電電流)、Ic♯ 通電電流推定値、Icom 電流指令値、Idcom d軸電流指令値、Idcom q電流指令値、If ダイオード電流、Isl 制御信号(高速/低速スイッチング)、It 境界電流、iu,iv,iw 三相電流(モータ電流)、MG 交流モータ(負荷)、Q,Q1〜Q6,Qa,Qb 半導体スイッチング素子、R1,R2 抵抗値(ゲート抵抗)、S1〜S6 スイッチング制御信号、SD1,SD2 制御信号(ドライバ)、SWon オン指令信号310 容量値調整ユニット、320 調整容量、325 リンク素子、tc 判定時間(低速→高速切換タイミング)、td サージ発生時間遅れ、Tqcom トルク指令値、Vak ダイオード電圧、Vak♯ 分圧電圧(ダイオード電圧)、Vce コレクタエミッタ間電圧、Vdc 直流電圧(インバータ直流側電圧)、Vge ゲート電圧、VH オン電圧、VL オフ電圧、Vsg サージ電圧、Vsmax許容上限値(サージ電圧)、Vu,Vv,Vw 各相電圧指令値、ΔId 電流偏差(d軸)、ΔIq 電流偏差(q軸)、θ 回転角(交流モータ)。 5 Ground wire, 7 Power line, 10 DC power supply, 13 Voltage sensor, 15 U phase circuit, 16 V phase circuit, 17 W phase circuit, 20 Inverter, 24 Current sensor, 25 Rotation angle sensor, 27 Voltage divider circuit, 30 Control Equipment (ECU), 50 drive control circuit, 55 switching speed control section, 60 current level estimation section, 70 determination section, 80 switching timing setting section, 85 timer, 90 low speed switching instruction section, 95 high speed switching instruction section, 100 motor drive System, 110 Learning control unit, 120, 125 driver, 130, 135 Gate resistance, 200 PWM control block, 210 Current command generation unit, 220, 250 Coordinate conversion unit, 240 PI operation unit, 260 PWM signal generation unit, 300 Gate capacity Value adjustment circuit, 310 capacitance value adjustment unit, 32 Adjustment capacity, 325 link element, 400 High surge region (low current region), 410 Low surge region (high current region), C0 smoothing capacitor, D1-D6, Da, Db Freewheel diode, G gate, Ic transistor current (energization) Current), Ic # estimated current value, Icom current command value, Idcom d-axis current command value, Idcom q current command value, If diode current, Isl control signal (high speed / low speed switching), It boundary current, iu, iv, iw Three-phase current (motor current), MG AC motor (load), Q, Q1 to Q6, Qa, Qb semiconductor switching element, R1, R2 resistance value (gate resistance), S1 to S6 switching control signal, SD1, SD2 control Signal (driver), SWon ON command signal 310 Capacity adjustment unit 320 adjustment capacity, 325 link element, tc determination time (low speed to high speed switching timing), td surge generation time delay, Tqcom torque command value, Vak diode voltage, Vak # divided voltage (diode voltage), Vce collector-emitter voltage , Vdc DC voltage (inverter DC side voltage), Vge gate voltage, VH on voltage, VL off voltage, Vsg surge voltage, Vsmax allowable upper limit (surge voltage), Vu, Vv, Vw phase voltage command value, ΔId Current deviation (D-axis), ΔIq Current deviation (q-axis), θ rotation angle (AC motor).
Claims (8)
前記半導体スイッチング素子は、制御電極の電圧または電流に応答してオンまたはオフされ、
前記駆動制御装置は、
ターンオン指令の発生時に、前記電流指令値に基づいて前記半導体スイッチング素子のオン時に流れる通電電流を推定する電流推定手段と、
予め求められた、前記半導体スイッチング素子の前記通電電流と発生するサージ電圧の大きさとの関係を示す第1の電流特性に従って、前記電流推定手段による推定通電電流に基づいて、前記半導体スイッチング素子のターンオン時における前記制御電極の前記電圧または電流の駆動速度を変更するスイッチング速度制御手段とを備え、
前記スイッチング速度制御手段は、
前記第1の電流特性に従って、前記推定通電電流が、前記サージ電圧が許容値を超える第1の電流領域および前記サージ電圧が前記許容値以下である第2の電流領域のいずれに属するかを判定する判定手段と、
ターンオン開始時における前記駆動速度を、前記推定通電電流が前記第1の電流領域内であるときには、前記推定通電電流が前記第2の電流領域内であるときよりも遅くするスイッチング速度指示手段とを含み、
前記駆動制御装置は、
前記半導体電力変換装置の起動時に前記負荷が無効電力を主に消費するような前記電流指令値が生成される学習期間を設定するとともに、前記学習期間における前記半導体スイッチング素子の前記サージ電圧の実測値に基づいて、前記第1および前記第2の電流領域の境界を示す判定値を修正するための学習制御手段をさらに備える、半導体スイッチング素子の駆動制御装置。 A drive control device for a semiconductor switching element constituting a semiconductor power conversion device for controlling a supply current to a load according to a current command value,
The semiconductor switching element is turned on or off in response to the voltage or current of the control electrode,
The drive control device includes:
Current estimation means for estimating an energization current that flows when the semiconductor switching element is turned on based on the current command value when a turn-on command is generated;
In accordance with a first current characteristic indicating a relationship between the energizing current of the semiconductor switching element and the magnitude of a surge voltage generated in advance, the turn-on of the semiconductor switching element is based on the estimated energizing current by the current estimating means. Switching speed control means for changing the driving speed of the voltage or current of the control electrode at the time,
The switching speed control means includes
According to the first current characteristic, it is determined whether the estimated energized current belongs to a first current region where the surge voltage exceeds an allowable value or a second current region where the surge voltage is equal to or less than the allowable value. Determination means to perform,
Switching speed indicating means for lowering the driving speed at the start of turn-on when the estimated energized current is in the first current region than when the estimated energized current is in the second current region; seen including,
The drive control device includes:
Setting a learning period in which the current command value is generated so that the load mainly consumes reactive power when the semiconductor power converter is started up, and an actual measured value of the surge voltage of the semiconductor switching element in the learning period A drive control device for a semiconductor switching element , further comprising learning control means for correcting a determination value indicating a boundary between the first and second current regions based on the above .
予め求められた、前記半導体スイッチング素子の前記通電電流と、前記制御電極の電圧または電流の駆動を開始してから前記サージ電圧が発生するまでの時間との関係を示す第2の電流特性に従って、前記電流推定手段による推定通電電流に基づいて前記駆動速度を上昇させる切換タイミングを設定する切換タイミング設定手段をさらに含み、
前記スイッチング速度指示手段は、前記経過時間に基づいて、前記切換タイミングへの到達時に前記駆動速度を前記第1の速度から第2の速度へ上昇させる、請求項2記載の半導体スイッチング素子の駆動制御装置。 The switching speed control means includes
According to a second current characteristic indicating a relationship between the energization current of the semiconductor switching element and the voltage of the control electrode or the time from when the drive of the current is started until the surge voltage is generated, obtained in advance. Switching timing setting means for setting switching timing for increasing the drive speed based on the estimated energization current by the current estimation means;
3. The drive control of a semiconductor switching element according to claim 2, wherein the switching speed instruction means increases the drive speed from the first speed to the second speed when the switching timing is reached based on the elapsed time. apparatus.
前記半導体スイッチング素子は、制御電極の電圧または電流に応答してオンまたはオフされ、The semiconductor switching element is turned on or off in response to the voltage or current of the control electrode,
前記駆動制御装置は、The drive control device includes:
ターンオン指令の発生時に、前記電流指令値に基づいて前記半導体スイッチング素子のオン時に流れる通電電流を推定する電流推定手段と、Current estimation means for estimating an energization current that flows when the semiconductor switching element is turned on based on the current command value when a turn-on command is generated;
予め求められた、前記半導体スイッチング素子の前記通電電流と発生するサージ電圧の大きさとの関係を示す第1の電流特性に従って、前記電流推定手段による推定通電電流に基づいて、前記半導体スイッチング素子のターンオン時における前記制御電極の前記電圧または電流の駆動速度を変更するスイッチング速度制御手段とを備え、In accordance with a first current characteristic indicating a relationship between the energizing current of the semiconductor switching element and the magnitude of a surge voltage generated in advance, the turn-on of the semiconductor switching element is based on the estimated energizing current by the current estimating means. Switching speed control means for changing the driving speed of the voltage or current of the control electrode at the time,
前記スイッチング速度制御手段は、The switching speed control means includes
前記第1の電流特性に従って、前記推定通電電流が、前記サージ電圧が許容値を超える第1の電流領域および前記サージ電圧が前記許容値以下である第2の電流領域のいずれに属するかを判定する判定手段と、According to the first current characteristic, it is determined whether the estimated energized current belongs to a first current region where the surge voltage exceeds an allowable value or a second current region where the surge voltage is equal to or less than the allowable value. Determination means to perform,
ターンオン開始時における前記駆動速度を、前記推定通電電流が前記第1の電流領域内であるときには、前記推定通電電流が前記第2の電流領域内であるときよりも遅くするスイッチング速度指示手段とを含み、Switching speed indicating means for lowering the driving speed at the start of turn-on when the estimated energized current is in the first current region than when the estimated energized current is in the second current region; Including
前記スイッチング速度指示手段は、前記推定通電電流が前記第1の電流領域内であるときに、前記ターンオン開始時における前記駆動速度を第1の速度に設定するとともに、前記制御電極の電圧または電流の駆動を開始してから所定時間が経過してサージ電圧が収まった後に、前記駆動速度を前記第1の速度よりも上昇させ、The switching speed instruction means sets the drive speed at the start of the turn-on to the first speed when the estimated energization current is in the first current region, and sets the voltage or current of the control electrode. After the surge voltage has settled after a predetermined time has elapsed since the start of driving, the driving speed is increased above the first speed,
前記スイッチング速度制御手段は、The switching speed control means includes
予め求められた、前記半導体スイッチング素子の前記通電電流と、前記制御電極の電圧または電流の駆動を開始してから前記サージ電圧が発生するまでの時間との関係を示す第2の電流特性に従って、前記電流推定手段による推定通電電流に基づいて前記駆動速度を上昇させる切換タイミングを設定する切換タイミング設定手段をさらに含み、According to a second current characteristic indicating a relationship between the energization current of the semiconductor switching element and the voltage of the control electrode or the time from when the drive of the current is started until the surge voltage is generated, obtained in advance. Switching timing setting means for setting switching timing for increasing the drive speed based on the estimated energization current by the current estimation means;
前記スイッチング速度指示手段は、前記経過時間に基づいて、前記切換タイミングへの到達時に前記駆動速度を前記第1の速度から第2の速度へ上昇させ、The switching speed instruction means increases the driving speed from the first speed to the second speed when the switching timing is reached based on the elapsed time,
前記駆動制御装置は、The drive control device includes:
前記半導体電力変換装置の起動時に前記負荷が無効電力を主に消費するような前記電流指令値が生成される学習期間を設定するとともに、前記学習期間における前記半導体スイッチング素子の前記サージ電圧の実測値に基づいて、前記切換タイミングを修正するための学習制御手段をさらに備える、半導体スイッチング素子の駆動制御装置。Setting a learning period in which the current command value is generated so that the load mainly consumes reactive power when the semiconductor power converter is started up, and an actual measured value of the surge voltage of the semiconductor switching element in the learning period A drive control device for a semiconductor switching element, further comprising learning control means for correcting the switching timing based on the above.
前記電流推定手段は、前記交流モータの回転角度と、ベクトル制御による電流指令値とを用いて前記推定通電電流を算出する、請求項1記載の半導体スイッチング素子の駆動制御装置。 The load is an AC motor whose supply current is controlled by pulse width modulation control,
2. The drive control device for a semiconductor switching element according to claim 1, wherein the current estimation means calculates the estimated energization current using a rotation angle of the AC motor and a current command value by vector control.
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