JP4445821B2 - Current polarity detection circuit and semiconductor device having the same - Google Patents
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Description
本発明は、インバータ駆動モータに使用して好適な電流極性検出回路及びそれを有する半導体装置に関する。 The present invention relates to a current polarity detection circuit suitable for use in an inverter drive motor and a semiconductor device having the same.
近年、家庭用電気機器のモータにはインバータ制御されたブラシレスモータが広く採用されている。ブラシレスモータには、通常、ホール素子やホールICなどの位置センサが設けられ、位置センサからの位置情報に基づいてモータのコイルに電圧を印加するように構成されている。モータのコイルに電圧を印加すると、印加電圧とコイルに発生する誘起電圧により決まる電流がコイルに流れる。誘起電圧の大きさはモータの回転速度により変化する。そのため位置センサからの位置情報に基づいて一定のタイミングで電圧を印加すると、コイルに流れる電流の位相は回転速度により変化することになる。誘起電圧の位相と電流の位相がずれると力率が低下し、モータの効率が低下する。これを防止するためには、電流位相と誘起電圧位相を一致させる位相制御を行う必要がある。電流位相はモータの電流を電流センサでモニタすることにより検出することができる。しかしモータ用の電流センサは高価であり、家庭用電気機器に採用することはできない。 In recent years, inverter-controlled brushless motors have been widely adopted as motors for household electric appliances. A brushless motor is usually provided with a position sensor such as a Hall element or Hall IC, and is configured to apply a voltage to a coil of the motor based on position information from the position sensor. When a voltage is applied to the motor coil, a current determined by the applied voltage and the induced voltage generated in the coil flows through the coil. The magnitude of the induced voltage varies depending on the rotation speed of the motor. Therefore, when a voltage is applied at a certain timing based on position information from the position sensor, the phase of the current flowing through the coil changes depending on the rotation speed . If the phase of the induced voltage is shifted from the phase of the current, the power factor is lowered, and the efficiency of the motor is lowered. In order to prevent this, it is necessary to perform phase control for matching the current phase and the induced voltage phase. The current phase can be detected by monitoring the motor current with a current sensor. However, current sensors for motors are expensive and cannot be used in household electrical equipment.
特開平10−285982号公報及び特開平10−341588号公報には、電流センサを用いずにモータ電流の極性を検出する方法が記載されている。 Japanese Patent Application Laid-Open Nos. 10-285982 and 10-341588 describe a method for detecting the polarity of a motor current without using a current sensor.
図10及び図11を参照して、特開平10−285982号公報に記載された電流極性検出回路を説明する。図10に示すように、インバータ装置は、上アームスイッチング素子T1及び下アームスイッチング素子T4、スイッチング素子T1及びT4を駆動するための駆動回路K1、K4を有する。スイッチング素子T1及びT4の中点にモータM1のコイルの端子が接続されている。スイッチング素子T1及びT4には、還流ダイオードD1、D4が逆並列に接続されている。下アームスイッチング素子T4には抵抗R3が接続されている。 A current polarity detection circuit described in Japanese Patent Laid-Open No. 10-285982 will be described with reference to FIGS. As shown in FIG. 10, the inverter device includes an upper arm switching element T1, a lower arm switching element T4, and driving circuits K1, K4 for driving the switching elements T1, T4. The coil terminal of the motor M1 is connected to the midpoint of the switching elements T1 and T4. Free-wheeling diodes D1 and D4 are connected in antiparallel to the switching elements T1 and T4. A resistor R3 is connected to the lower arm switching element T4.
電流極性検出回路は、コンパレータC2、及び、ラッチ回路F2を有する。コンパレータC2は、抵抗R3の電圧VURの正負判定を行う。ラッチ回路F2は、下アーム制御信号VUBの立ち下がりのタイミングにてコンパレータ出力信号VUCを反転し、それを電流極性信号VUPとして出力する。ラッチ回路F2は、次に下アーム制御信号VUBが立ち下がるタイミングまでは、直前の信号を保持する。 The current polarity detection circuit includes a comparator C2 and a latch circuit F2. The comparator C2 determines whether the voltage VUR of the resistor R3 is positive or negative. The latch circuit F2 inverts the comparator output signal VUC at the falling timing of the lower arm control signal VUB and outputs it as a current polarity signal VUP. The latch circuit F2 holds the previous signal until the next timing when the lower arm control signal VUB falls.
この例では、上アームスイッチング素子T1がオフ且つ下アームスイッチング素子T4がオンのとき、下アーム制御信号VUBの立ち下がりタイミングで、抵抗R3に流れる電流の向きをモニタすることにより電流極性を検出する。 In this example, when the upper arm switching element T1 is off and the lower arm switching element T4 is on, the current polarity is detected by monitoring the direction of the current flowing through the resistor R3 at the falling timing of the lower arm control signal VUB. .
図11を参照して図10の電流極性検出回路の動作を説明する。図11Aは、上アーム制御信号VUT、図11Bは、下アーム制御信号VUBを示す。図11Cは、上アームスイッチング素子T1の動作、図11Dは、下アームスイッチング素子T4の動作を示す。Hがオン、Lがオフである。図11Eは、モータ電流IUMを示す。モータ電流IUMはモータに流れ込む電流のことであり、モータへ向かって電流が流れ込むとき極性は正、モータから電流が流れ出すとき極性は負である。図11Fは、抵抗R3の電圧VUR、図11Gは、コンパレータC2の出力電圧VUC、図11Hは、ラッチ回路F2の出力電圧VUPを示す。図11Iは、電流をモニタするタイミング、即ち、ラッチ回路F2がコンパレータC2の出力電圧VUCをラッチするタイミングを示す。 The operation of the current polarity detection circuit of FIG. 10 will be described with reference to FIG. 11A shows the upper arm control signal VUT, and FIG. 11B shows the lower arm control signal VUB. 11C shows the operation of the upper arm switching element T1, and FIG. 11D shows the operation of the lower arm switching element T4. H is on and L is off. FIG. 11E shows the motor current IUM. The motor current IUM is a current that flows into the motor. The polarity is positive when the current flows toward the motor, and the polarity is negative when the current flows from the motor. 11F shows the voltage VUR of the resistor R3, FIG. 11G shows the output voltage VUC of the comparator C2, and FIG. 11H shows the output voltage VUP of the latch circuit F2. FIG. 11I shows the timing of monitoring the current, that is, the timing at which the latch circuit F2 latches the output voltage VUC of the comparator C2.
図11Aと図11Bを比較すると、上アーム制御信号VUTと下アーム制御信号VUBが同時にオフとなる区間(デッドタイム)が設けられている。これは、上下アームスイッチング素子が同時にオンとなることを防止するために設けたものである。 Comparing FIG. 11A and FIG. 11B, a section (dead time) in which the upper arm control signal VUT and the lower arm control signal VUB are simultaneously turned off is provided. This is provided to prevent the upper and lower arm switching elements from being turned on simultaneously.
図11Iに示すように、電流をモニタするタイミングは、下アーム制御信号VUBが“H”から“L”へ立ち下がる時点t1、t2、t3、t4である。図11Bと図11Dを比較すると判るように、下アーム制御信号VUBに対して下アームスイッチング素子T4の動作は僅かに遅れている。従って、下アーム制御信号VUBが“H”から“L”へ立ち下がるタイミングt1では、図11Cに示すように上アームスイッチング素子T1はオフであるが、図11Dに示すように下アームスイッチング素子T4は未だオンである。 As shown in FIG. 11I, the timing for monitoring the current is the time points t1, t2, t3, and t4 when the lower arm control signal VUB falls from “H” to “L”. As can be seen by comparing FIG. 11B and FIG. 11D, the operation of the lower arm switching element T4 is slightly delayed with respect to the lower arm control signal VUB. Therefore, at the timing t1 when the lower arm control signal VUB falls from “H” to “L”, the upper arm switching element T1 is off as shown in FIG. 11C, but the lower arm switching element T4 as shown in FIG. 11D. Is still on.
図11Eのモータ電流IUMが負のとき、即ち、時点t1、t2では、図11Dに示すように下アームスイッチング素子T4がオンであり、電流はモータから下アームスイッチング素子T4、抵抗R3を介してGNDへ流れる。そのため図11Fに示すように、抵抗R3の電圧VURは正となる。 When the motor current IUM in FIG. 11E is negative, that is, at time points t1 and t2, as shown in FIG. 11D, the lower arm switching element T4 is on, and the current flows from the motor via the lower arm switching element T4 and the resistor R3. It flows to GND. Therefore, as shown in FIG. 11F, the voltage VUR of the resistor R3 becomes positive.
図11Eのモータ電流IUMが正のとき、即ち、時点t3、t4では、図11Cに示すように上アームスイッチング素子T1がオフであるため、電流はGNDから抵抗R3、下アーム還流ダイオードD4を介してモータへ流れる。そのため、図11Fに示すように、抵抗R3の電圧VURは負となる。 When the motor current IUM in FIG. 11E is positive, that is, at time points t3 and t4, the upper arm switching element T1 is off as shown in FIG. 11C. Flow to the motor. Therefore, as shown in FIG. 11F, the voltage VUR of the resistor R3 is negative.
図11Gのコンパレータ出力電圧VUCは、抵抗R3の電圧VURの正負判定結果を示す。抵抗R3の電圧VURが正の場合、コンパレータ出力電圧VUCは“H”、抵抗R3の電圧VURが負の場合コンパレータ出力電圧VUCは“L”となる。 The comparator output voltage VUC in FIG. 11G indicates the result of positive / negative determination of the voltage VUR of the resistor R3. When the voltage VUR of the resistor R3 is positive, the comparator output voltage VUC is “H”, and when the voltage VUR of the resistor R3 is negative, the comparator output voltage VUC is “L”.
図11Hの電流極性信号VUPは、下アーム制御信号VUBの立ち下がりのタイミングにてコンパレータ出力信号VUCを反転したものである。 The current polarity signal VUP in FIG. 11H is obtained by inverting the comparator output signal VUC at the falling timing of the lower arm control signal VUB.
図11Eと図11Hを比較すると、モータ電流IUMが負から正に変わると、電流極性信号VUPは、“L”から“H”へ変わる。電流極性信号VUPが、“L”から“H”になるのは、モータ電流IUMが正に変わって最初に下アーム制御信号VUBが立ち下がる時点t3である。 Comparing FIG. 11E and FIG. 11H, when the motor current IUM changes from negative to positive, the current polarity signal VUP changes from “L” to “H”. The current polarity signal VUP changes from “L” to “H” at the time t3 when the motor current IUM changes to positive and the lower arm control signal VUB first falls.
本例では抵抗R3には通常1Ω程度の抵抗値の小さなものが用いられる。これは抵抗に発生する電圧によって、下アームスイッチング素子T4のゲート電圧が低下することを防止するためである。抵抗R3の抵抗値を小さくすると、抵抗R3の電圧VURが小さくなり、コンパレータC2は、微小な電圧の極性を検出する必要が生じる。 In this example, a resistor having a small resistance value of about 1Ω is usually used as the resistor R3. This is to prevent the gate voltage of the lower arm switching element T4 from being lowered by the voltage generated in the resistor. When the resistance value of the resistor R3 is reduced, the voltage VUR of the resistor R3 is reduced, and the comparator C2 needs to detect the polarity of a minute voltage.
図12は、コンパレータC2がオフセット電圧−Voffを有する場合のタイミングチャートを示す。図12Fに示すように、このコンパレータC2は、負のオフセット電圧−Voffを有する。図12Gに示すように、入力した電圧VURがオフセット電圧−Voffを下回ったときのみ、コンパレータC2の出力電圧VUCは“L”となる。従って、時点t3では、コンパレータC2の出力電圧VUCは“H”であり、時点t4になってから“L”となる。従って、図12Hに示すように、時点t4にて、電流極性信号VUPは正となる。 12, the comparator C2 offset voltage - a timing chart showing a case having Voff. As shown in FIG. 12F, the comparator C2, a negative offset voltage - having Voff. As shown in FIG. 12G, the output voltage VUC of the comparator C2 becomes “L” only when the input voltage VUR falls below the offset voltage −Voff. Therefore, at time t3, the output voltage VUC of the comparator C2 is “H”, and becomes “L” after time t4. Accordingly, as shown in FIG. 12H, the current polarity signal VUP becomes positive at time t4.
本例では、コンパレータC2がオフセット電圧−Voffを有するため、電流の極性を正確に検出することができない。 In this example, the comparator C2 offset voltage - because of its Voff, it is impossible to detect the polarity of the current accurately.
図13及び図14を参照して、特開平10−341588号公報に記載された電流極性検出回路を説明する。図13の例では、コンパレータC3は、インバータの出力端子電圧VUMを基準電圧Vrefと比較する。基準電圧Vrefの値は、本回路を安定して動作されるためには通常モータ駆動用電源電圧VDCの約1/2に設定される。この例では、上アームスイッチング素子T1及び下アームスイッチング素子T4が共にオフのとき、下アーム制御信号VUBの立ち上がりタイミングで、出力端子電圧VUMをモニタすることにより、電流極性を検出する。 A current polarity detection circuit described in Japanese Patent Laid-Open No. 10-341588 will be described with reference to FIGS. In the example of FIG. 13, the comparator C3 compares the output terminal voltage VUM of the inverter with the reference voltage Vref. The value of the reference voltage Vref is normally set to about ½ of the motor driving power supply voltage VDC in order to stably operate this circuit. In this example, when both the upper arm switching element T1 and the lower arm switching element T4 are off, the current polarity is detected by monitoring the output terminal voltage VUM at the rising timing of the lower arm control signal VUB.
図14を参照して図13の電流極性検出回路の動作を説明する。図14Aは、上アーム制御信号VUT、図14Bは、下アーム制御信号VUBを示す。図14Cは、上アームスイッチング素子T1の動作、図14Dは、下アームスイッチング素子T4の動作を示す。Hがオン、Lがオフである。図14Eは、モータ電流IUMを示す。モータ電流IUMはモータに流れ込む電流のことであり、モータへ向かって電流が流れ込むとき極性は正、モータから電流が流れ出すとき極性は負である。図14Fは、インバータの出力端子電圧VUM、図14Gは、コンパレータC3の出力電圧VUC、図14Hは、ラッチ回路F3の出力電圧VUPを示す。図14Iは、電流をモニタするタイミング、即ち、ラッチ回路F3がコンパレータC3の出力電圧VUCをラッチするタイミングを示す。 The operation of the current polarity detection circuit of FIG. 13 will be described with reference to FIG. 14A shows the upper arm control signal VUT, and FIG. 14B shows the lower arm control signal VUB. FIG. 14C shows the operation of the upper arm switching element T1, and FIG. 14D shows the operation of the lower arm switching element T4. H is on and L is off. FIG. 14E shows the motor current IUM. The motor current IUM is a current that flows into the motor. The polarity is positive when the current flows toward the motor, and the polarity is negative when the current flows from the motor. 14F shows the output terminal voltage VUM of the inverter , FIG. 14G shows the output voltage VUC of the comparator C3, and FIG. 14H shows the output voltage VUP of the latch circuit F3. FIG. 14I shows the timing of monitoring the current, that is, the timing at which the latch circuit F3 latches the output voltage VUC of the comparator C3.
図14Iに示すように、電流をモニタするタイミングは、図14Bの下アーム制御信号VUBが“L”から“H”へ立ち上がる時点t1、t2、t3、t4である。図14Bと図14Dを比較すると判るように、下アーム制御信号VUBに対して下アームスイッチング素子T4の動作は僅かに遅れている。従って、下アーム制御信号VUBが“L”から“H”へ立ち上がるタイミングt1では、図14Cに示すように上アームスイッチング素子T1はオフであるが、図14Dに示すように下アームスイッチング素子T4も未だオフである。 As shown in FIG. 14I, the timing of monitoring the current is the time points t1, t2, t3, and t4 when the lower arm control signal VUB of FIG. 14B rises from “L” to “H”. As can be seen by comparing FIG. 14B and FIG. 14D, the operation of the lower arm switching element T4 is slightly delayed with respect to the lower arm control signal VUB. Therefore, at the timing t1 when the lower arm control signal VUB rises from “L” to “H”, the upper arm switching element T1 is off as shown in FIG. 14C, but the lower arm switching element T4 is also turned off as shown in FIG. 14D. Still off.
図14Eのモータ電流IUMが負のとき、即ち、時点t1、t2では、電流はモータから上アーム還流ダイオードD1を通してモータ駆動用電源へ流れる。そのため、図14Fに示すように、出力端子電圧VUMはほぼモータ駆動用電源電圧VDCとなる。 When the motor current IUM in FIG. 14E is negative, that is, at time points t1 and t2, the current flows from the motor to the motor driving power source through the upper arm return diode D1. Therefore, as shown in FIG. 14F, the output terminal voltage VUM is substantially the motor drive power supply voltage VDC.
図14Eのモータ電流IUMが正のとき、即ち、時点t3、t4では、電流はGNDから下アーム還流ダイオードD4を通してモータへ流れる。そのため、図14Fに示すように、出力端子電圧VUMはほぼ0となる。 When the motor current IUM in FIG. 14E is positive, that is, at time points t3 and t4, current flows from GND to the motor through the lower arm return diode D4. Therefore, as shown in FIG. 14F, the output terminal voltage VUM is almost zero.
図14Gのコンパレータ出力電圧VUCは、出力端子電圧VUMと基準電圧Vrefの比較結果を示す。出力端子電圧VUMがほぼモータ駆動用電源電圧VDCに等しい場合、コンパレータ出力電圧VUCは“H”、出力端子電圧VUMがほぼ0の場合、コンパレータ出力電圧VUCは“L”となる。 The comparator output voltage VUC in FIG. 14G indicates a comparison result between the output terminal voltage VUM and the reference voltage Vref. When the output terminal voltage VUM is substantially equal to the motor drive power supply voltage VDC, the comparator output voltage VUC is “H”, and when the output terminal voltage VUM is approximately 0, the comparator output voltage VUC is “L”.
図14Hの電流極性信号VUPは、図14Bの下アーム制御信号VUBの立ち上がりのタイミングにてコンパレータ出力信号VUCを反転したものである。 The current polarity signal VUP in FIG. 14H is obtained by inverting the comparator output signal VUC at the rising timing of the lower arm control signal VUB in FIG. 14B.
図14Eと図14Hを比較すると、モータ電流IUMが負から正に変わると、電流極性信号VUPは、“L”から“H”へ変わる。電流極性信号VUPが、“L”から“H”になるのは、モータ電流IUMが正に変わって最初に下アーム制御信号VUBが立ち上がる時点t3である。 Comparing FIG. 14E and FIG. 14H, when the motor current IUM changes from negative to positive, the current polarity signal VUP changes from “L” to “H”. The current polarity signal VUP changes from “L” to “H” at time t3 when the motor current IUM changes to positive and the lower arm control signal VUB first rises.
本例では、インバータの出力端子に直接コンパレータC3を接続している。モータ駆動用電源電圧VDCが高圧の場合は、出力端子電圧VUMも高圧となるため、コンパレータC3には高圧仕様の特殊なものを使用する必要があり、一般の低圧仕様のコンパレータは使用でききない。 In this example, the comparator C3 is directly connected to the output terminal of the inverter . When the motor drive power supply voltage VDC is high, the output terminal voltage VUM is also high. Therefore, it is necessary to use a special high-voltage comparator for the comparator C3, and a general low-voltage comparator cannot be used. .
また本例では、安定した動作を行うためには、基準電圧Vrefはモータ駆動用電源電圧VDCの約1/2とすることが望ましい。図14のタイミングチャートでは、基準電圧Vrefはモータ駆動用電源の1/2倍に設定している。 In this example, in order to perform a stable operation, it is desirable that the reference voltage Vref is about ½ of the motor driving power supply voltage VDC. In the timing chart of FIG. 14, the reference voltage Vref is set to ½ times the motor driving power source.
図15は、基準電圧Vrefの設定を変えないで、モータ駆動用電源電圧VDCを1/2以下に下げた場合のタイミングチャートを示す。図15Fに示すように、出力端子電圧VUMはモータ電流IUMが正負いずれの場合も基準電圧Vrefより低くなり、図15Gに示すように、コンパレータ出力電圧VUCはモータ電流IUMの正負に関わらず“L”となり、図15Hに示すように、電流極性信号VUPは常に“H”となる。従って、電流極性を正確に検出することができない。 FIG. 15 shows a timing chart when the motor drive power supply voltage VDC is lowered to ½ or less without changing the setting of the reference voltage Vref. As shown in FIG. 15F, the output terminal voltage VUM is lower than the reference voltage Vref regardless of whether the motor current IUM is positive or negative. As shown in FIG. 15G, the comparator output voltage VUC is “L” regardless of whether the motor current IUM is positive or negative. As shown in FIG. 15H, the current polarity signal VUP is always “H”. Therefore, the current polarity cannot be detected accurately.
これを回避するためには、モータ駆動用電源電圧VDCが異なるシステム毎に、基準電圧Vrefを設定する必要がある。また、モータ駆動用電源電圧VDCが大きく変化するシステムの場合には、モータ駆動用電源電圧VDCに応じて、基準電圧Vrefを制御する必要が生じる。 In order to avoid this, it is necessary to set the reference voltage Vref for each system having a different motor drive power supply voltage VDC. Further , in the case of a system in which the motor drive power supply voltage VDC changes greatly, it is necessary to control the reference voltage Vref according to the motor drive power supply voltage VDC.
特開平10−285982号公報に記載された例では、コンパレータにオフセット電圧Voffがある場合には、電流極性を正確に検出できない。 In the example described in Japanese Patent Laid-Open No. 10-285982, the current polarity cannot be accurately detected when the comparator has the offset voltage Voff.
特開平10−341588号公報に記載された例では、モータ駆動用電源電圧VDCが高圧の場合は一般の低圧仕様のコンパレータが使用できないこと、及びモータ駆動用電源電圧VDCが変化する場合は基準電圧Vrefの設定操作が必要である。 In the example described in Japanese Patent Laid-Open No. 10-341588, when the motor drive power supply voltage VDC is high, a general low voltage comparator cannot be used, and when the motor drive power supply voltage VDC changes, the reference voltage is used. Vref setting operation is required.
本発明の目的は、モータ駆動用電源電圧VDCが変化する場合でも、電流極性を正確に検出することができる電流極性検出回路を提供することにある。 An object of the present invention is to provide a current polarity detection circuit capable of accurately detecting the current polarity even when the motor drive power supply voltage VDC changes.
電流極性検出回路は、前記上アームスイッチング素子と前記下アームスイッチング素子の接続点である出力端子に接続された定電圧回路と、前記上アームスイッチング素子及び前記下アームスイッチング素子が共にオフであるタイミングで信号をラッチするラッチ回路と、を備え、前記定電圧回路は、前記出力端子の電圧が略モータ駆動用電源電圧に等しいとき“H”信号を出力し、前記出力端子の電圧が略ゼロのとき“L”信号を出力し、前記“H”信号の電圧レベルは、前記モータ駆動用電源電圧が所定範囲内で変化した場合は、前記モータ駆動用電源電圧に依らず略一定であり、前記“L”信号の電圧レベルはゼロである。 Current polarity detection circuit, the upper arm switching element and the constant-voltage circuit connected to an output terminal which is a connection point of the lower arm switching element, the upper arm switching element and the lower arm switching elements are both off timing in and a latch circuit for latching the signal, the constant voltage circuit, the voltage of the output terminal outputs an "H" signal when equal to the supply voltage substantially motor driving voltage of the output terminal is substantially zero When the motor driving power supply voltage changes within a predetermined range, the "H" signal voltage level is substantially constant regardless of the motor driving power supply voltage. The voltage level of the “L” signal is zero .
本発明によると、モータ駆動用電源電圧VDCが変化する場合でも、電流極性を正確に検出することができる。 According to the present invention, even when the motor drive power supply voltage VDC changes, the current polarity can be accurately detected.
図1を参照して本発明による電流極性検出回路の第1の例を説明する。図1に示すように、インバータ装置は、上アームスイッチング素子T1及び下アームスイッチング素子T4、スイッチング素子T1及びT4を駆動するための駆動回路K1、K4を有する。スイッチング素子T1及びT4の中点にモータM1のコイルの端子が接続されている。スイッチング素子T1及びT4には、還流ダイオードD1、D4が逆並列に接続されている。 A first example of a current polarity detection circuit according to the present invention will be described with reference to FIG. As shown in FIG. 1, the inverter device includes an upper arm switching element T1, a lower arm switching element T4, and drive circuits K1 and K4 for driving the switching elements T1 and T4. The coil terminal of the motor M1 is connected to the midpoint of the switching elements T1 and T4. Free-wheeling diodes D1 and D4 are connected in antiparallel to the switching elements T1 and T4.
本例の電流極性検出回路は、レベルシフト回路L1、コンパレータC1、及び、ラッチ回路F1を有する。 The current polarity detection circuit of this example includes a level shift circuit L1, a comparator C1, and a latch circuit F1.
レベルシフト回路L1は、インバータの出力端子電圧VUMをより低圧に変換して出力する。具体的には、出力端子電圧VUMが略モータ駆動用電源電圧VDCに等しいときには、所定の電圧レベルの信号を出力する。以下に、これを“H”信号と称する。出力端子電圧VUMが略ゼロのときには、ゼロレベルの電圧信号を出力する。以下に、これを“L”信号と称する。コンパレータC1は、レベルシフト回路の出力電圧VULを基準電圧Vrefと比較する。基準電圧Vrefの値は、本回路を安定して動作されるためには、レベルシフト回路出力電圧VULの“H”信号の電圧レベルの約1/2に設定する。本例では、上アームスイッチング素子T1及び下アームスイッチング素子T4が共にオフのとき、下アーム制御信号VUBの立ち上がりのタイミングにて、レベルシフト回路L1の出力電圧VULをモニタすることにより、電流極性を検出する。 The level shift circuit L1 converts the output terminal voltage VUM of the inverter to a lower voltage and outputs it. Specifically, when the output terminal voltage VUM is substantially equal to the motor drive power supply voltage VDC, a signal having a predetermined voltage level is output. Hereinafter, this is referred to as an “H” signal. When the output terminal voltage VUM is substantially zero, a zero level voltage signal is output. Hereinafter, this is referred to as an “L” signal. The comparator C1 compares the output voltage VUL of the level shift circuit with the reference voltage Vref. The value of the reference voltage Vref is set to about ½ of the voltage level of the “H” signal of the level shift circuit output voltage VUL in order to stably operate the circuit. In this example, when both the upper arm switching element T1 and the lower arm switching element T4 are off, the current polarity is determined by monitoring the output voltage VUL of the level shift circuit L1 at the rising timing of the lower arm control signal VUB. To detect.
ラッチ回路F1は、下アーム制御信号VUBの立ち上がりのタイミングにてコンパレータ出力信号VUCを反転し、それを電流極性信号VUPとして出力する。ラッチ回路F1は、次に下アーム制御信号VUBが立ち上がるタイミングまでは、直前の信号を保持する。本例の電流極性検出回路を図13の従来の電流極性検出回路と比較すると、本例の電流極性検出回路は、レベルシフト回路L1が付加的に設けられている点が異なる。以下に、異なる点のみを説明する。 The latch circuit F1 inverts the comparator output signal VUC at the rising timing of the lower arm control signal VUB and outputs it as a current polarity signal VUP. The latch circuit F1 holds the previous signal until the next rise of the lower arm control signal VUB. When the current polarity detection circuit of this example is compared with the conventional current polarity detection circuit of FIG. 13, the current polarity detection circuit of this example is different in that a level shift circuit L1 is additionally provided. Only the different points will be described below.
図2を参照して図1の電流極性検出回路の第1の例の動作を説明する。図2Aは、上アーム制御信号VUT、図2Bは、下アーム制御信号VUBを示す。図2Cは、上アームスイッチング素子T1の動作、図2Dは、下アームスイッチング素子T4の動作を示す。Hがオン、Lがオフである。図2Eは、モータ電流IUMを示す。モータ電流IUMはモータに流れ込む電流のことであり、モータへ向かって電流が流れ込むとき極性は正、モータから電流が流れ出すとき極性は負である。図2Fは、インバータの出力端子電圧VUM、図2Gは、レベルシフト回路L1の出力電圧VUL、図2Hは、コンパレータC1の出力電圧VUC、図2Iは、ラッチ回路F1の出力電圧VUPを示す。図2Jは、電流をモニタするタイミング、即ち、ラッチ回路F1がコンパレータC1の出力電圧VUCをラッチするタイミングを示す。 The operation of the first example of the current polarity detection circuit of FIG. 1 will be described with reference to FIG. 2A shows the upper arm control signal VUT, and FIG. 2B shows the lower arm control signal VUB. 2C shows the operation of the upper arm switching element T1, and FIG. 2D shows the operation of the lower arm switching element T4. H is on and L is off. FIG. 2E shows the motor current IUM. The motor current IUM is a current that flows into the motor. The polarity is positive when the current flows toward the motor, and the polarity is negative when the current flows from the motor. 2F shows the output terminal voltage VUM of the inverter , FIG. 2G shows the output voltage VUL of the level shift circuit L1, FIG. 2H shows the output voltage VUC of the comparator C1, and FIG. 2I shows the output voltage VUP of the latch circuit F1. FIG. 2J shows the timing of monitoring the current, that is, the timing at which the latch circuit F1 latches the output voltage VUC of the comparator C1 .
図2Jに示すように、電流をモニタするタイミングは、図2Bの下アーム制御信号VUBが“L”から“H”へ立ち上がる時点t1、t2、t3、t4である。図2Bと図2Dを比較すると判るように、下アーム制御信号VUBに対して下アームスイッチング素子T4の動作は僅かに遅れている。従って、下アーム制御信号VUBが“L”から“H”へ立ち上がるタイミングt1では、図2Cに示すように上アームスイッチング素子T1はオフであるが、図2Dに示すように下アームスイッチング素子T4も未だオフである。 As shown in FIG. 2J, the current is monitored at timings t1, t2, t3, and t4 when the lower arm control signal VUB of FIG. 2B rises from “L” to “H”. As can be seen by comparing FIG. 2B and FIG. 2D, the operation of the lower arm switching element T4 is slightly delayed with respect to the lower arm control signal VUB. Therefore, at the timing t1 when the lower arm control signal VUB rises from “L” to “H”, the upper arm switching element T1 is off as shown in FIG. 2C, but the lower arm switching element T4 is also turned off as shown in FIG. 2D. Still off.
図2Eのモータ電流IUMが負のとき、即ち、時点t1、t2では、電流はモータから上アーム還流ダイオードD1を通してモータ駆動用電源へ流れる。そのため、図2Fに示すように、出力端子電圧VUMはほぼモータ駆動用電源電圧VDCに等しくなる。 When the motor current IUM in FIG. 2E is negative, that is, at time points t1 and t2, the current flows from the motor to the motor driving power source through the upper arm return diode D1. Therefore, as shown in FIG. 2F, the output terminal voltage VUM is substantially equal to the motor drive power supply voltage VDC.
図2Eのモータ電流IUMが正のとき、即ち、時点t3、t4では、電流はGNDから下アーム還流ダイオードD4を通してモータへ流れる。そのため、図2Fに示すように、出力端子電圧VUMはほぼ0となる。 When the motor current IUM in FIG. 2E is positive, that is, at time points t3 and t4, current flows from GND to the motor through the lower arm freewheeling diode D4. Therefore, as shown in FIG. 2F, the output terminal voltage VUM is almost zero.
図2Gのレベルシフト回路L1の出力電圧VULは、図2Fのインバータの出力端子電圧VUMを低減したものである。従って、出力電圧VULの振幅は、出力端子電圧VUMの振幅より小さいが、波形は同一である。出力電圧VULの振幅は、基準電圧Vrefより大きくなるように調整される。 The output voltage VUL of the level shift circuit L1 in FIG. 2G is obtained by reducing the output terminal voltage VUM of the inverter in FIG. 2F. Therefore, the amplitude of the output voltage VUL is smaller than the amplitude of the output terminal voltage VUM, but the waveform is the same. The amplitude of the output voltage VUL is adjusted to be larger than the reference voltage Vref.
図2Hのコンパレータの出力電圧VUCは、レベルシフト回路L1の出力電圧VULと基準電圧Vrefの比較結果を示す。レベルシフト回路の出力電圧VULが基準電圧Vrefより大きいときは、コンパレータの出力電圧VUCは“H”、レベルシフト回路の出力電圧VULが基準電圧Vrefより小さいときは、コンパレータの出力電圧VUCは“L”となる。 The output voltage VUC of the comparator in FIG. 2H indicates a comparison result between the output voltage VUL of the level shift circuit L1 and the reference voltage Vref. When the output voltage VUL of the level shift circuit is higher than the reference voltage Vref, the output voltage VUC of the comparator is “H”, and when the output voltage VUL of the level shift circuit is lower than the reference voltage Vref, the output voltage VUC of the comparator is “L”. "
図2Iの電流極性信号VUPは、図2Bの下アーム制御信号VUBの立ち上がりのタイミングにてコンパレータ出力信号VUCを反転したものである。 The current polarity signal VUP in FIG. 2I is obtained by inverting the comparator output signal VUC at the rising timing of the lower arm control signal VUB in FIG. 2B.
図2Eと図2Iを比較すると、モータ電流IUMが負から正に変わると、電流極性信号VUPは、“L”から“H”へ変わる。電流極性信号VUPが、“L”から“H”になるのは、モータ電流IUMが正に変わって最初に下アーム制御信号VUBが立ち上がる時点t3である。 Comparing FIG. 2E and FIG. 2I, when the motor current IUM changes from negative to positive, the current polarity signal VUP changes from “L” to “H”. The current polarity signal VUP changes from “L” to “H” at time t3 when the motor current IUM changes to positive and the lower arm control signal VUB first rises.
本例によると、モータ電流が小さい場合でも微小な電圧を取り扱うことはないため、電流極性は正確に検出できる。本例では、レベルシフト回路L1によって、インバータの出力端子電圧VUMを低圧に変換し、変換後の電圧VULをコンパレータC1に入力する。そのため、モータ駆動用電源電圧VDCが高圧の場合にも、コンパレータC1には一般の低圧のコンパレータを使用することができる。 According to this example, even when the motor current is small, a minute voltage is not handled, so that the current polarity can be accurately detected. In this example, the output terminal voltage VUM of the inverter is converted into a low voltage by the level shift circuit L1, and the converted voltage VUL is input to the comparator C1. Therefore, even when the motor drive power supply voltage VDC is high, a general low voltage comparator can be used as the comparator C1.
図1の電流極性検出回路の第1の例において、レベルシフト回路L1の代わりに定電圧回路を使用してもよい。 In the first example of the current polarity detection circuit of FIG. 1, a constant voltage circuit may be used instead of the level shift circuit L1.
図3は、レベルシフト回路L1の代わりに定電圧回路を使用した場合の電流極性検出回路の動作を示す。本例では、モータ駆動用電源電圧VDCは、図2の例の場合の1/2以下である。従って、図3Fのインバータの出力端子電圧VUMは、図2Fのインバータの出力端子電圧VUMより小さい。しかしながら、図3Gの定電圧回路出力電圧VULの“H”のときの電圧レベルは、図2Gのレベルシフト回路出力電圧VULの“H”のときの電圧レベルと同じである。従って、基準電圧Vrefはモータ駆動用電源電圧VDCに依らず常に定電圧回路の出力電圧VULの“H”レベルの1/2に設定することができる。 FIG. 3 shows the operation of the current polarity detection circuit when a constant voltage circuit is used instead of the level shift circuit L1. In this example, the motor drive power supply voltage VDC is ½ or less that in the example of FIG. Therefore, the output terminal voltage VUM of the inverter of FIG. 3F is smaller than the output terminal voltage VUM of the inverter of FIG. 2F. However, the voltage level when the constant voltage circuit output voltage VUL of FIG. 3G is “H” is the same as the voltage level when the level shift circuit output voltage VUL of FIG. 2G is “H”. Therefore, the reference voltage Vref can always be set to ½ of the “H” level of the output voltage VUL of the constant voltage circuit regardless of the motor drive power supply voltage VDC.
図7は、定電圧回路の一例を示す。本例の定電圧回路は、互いに直列に接続されたNMOSトランジスタM1と抵抗R1を有する。NMOSトランジスタM1のドレインよりインバータの出力端子電圧VUMを入力し、NMOSトランジスタM1のソースより、定電圧回路出力電圧VULを出力する。NMOSトランジスタM1は電流が飽和する範囲内では定電流回路の働きをする。そのため、インバータの出力端子電圧VUMが“H”のとき、NMOSトランジスタM1は抵抗R1に一定の電流を流し、定電圧回路出力電圧VULを一定レベルにする。MOSトランジスタの代わりにバイポーラトランジスタを用いてもよい。 FIG. 7 shows an example of a constant voltage circuit. The constant voltage circuit of this example includes an NMOS transistor M1 and a resistor R1 connected in series with each other. The output terminal voltage VUM of the inverter is input from the drain of the NMOS transistor M1, and the constant voltage circuit output voltage VUL is output from the source of the NMOS transistor M1. The NMOS transistor M1 functions as a constant current circuit within a range where the current is saturated. Therefore, when the output terminal voltage VUM of the inverter is “H”, the NMOS transistor M1 causes a constant current to flow through the resistor R1, thereby setting the constant voltage circuit output voltage VUL to a constant level. A bipolar transistor may be used instead of the MOS transistor.
図8は、定電圧回路の他の例を示す。本例の定電圧回路は、互いに直列に接続された抵抗R2とツェナーダイオードZ1を有する。抵抗R2の一端よりインバータの出力端子電圧VUMを入力し、抵抗R2の他端より定電圧回路出力電圧VULを出力する。本例では、ツェナーダイオードZ1を用いることにより、一定の電圧を出力する。 FIG. 8 shows another example of the constant voltage circuit. The constant voltage circuit of this example includes a resistor R2 and a Zener diode Z1 connected in series with each other. The output terminal voltage VUM of the inverter is input from one end of the resistor R2, and the constant voltage circuit output voltage VUL is output from the other end of the resistor R2. In this example, a constant voltage is output by using the Zener diode Z1.
図4を参照して、本発明による電流極性検出回路の第2の例を説明する。本例の電流極性検出回路を図1の第1の例と比較すると、本例では、コンパレータC1が除去されている点が異なる。また、本例の電流極性検出回路を図13の例と比較すると、本例では、コンパレータC1の代わりにレベルシフト回路L1が設けられている点が異なる。 A second example of the current polarity detection circuit according to the present invention will be described with reference to FIG. The current polarity detection circuit of this example is different from the first example of FIG. 1 in that the comparator C1 is removed in this example. Further, the current polarity detection circuit of this example is different from the example of FIG. 13 in that a level shift circuit L1 is provided instead of the comparator C1 in this example.
図1の第1の例では、レベルシフト回路出力電圧VULと基準電圧Vrefの差が微小な場合は、信号を増幅するためにコンパレータC1が必要となるが、それ以外の場合はコンパレータC1を使用しなくともよい。従って、本例では、コンパレータC1が除去されている。 In the first example of FIG. 1, when the difference between the level shift circuit output voltage VUL and the reference voltage Vref is small, the comparator C1 is required to amplify the signal. In other cases, the comparator C1 is used. You don't have to. Therefore, in this example, the comparator C1 is removed.
図5は本発明の電流極性検出回路の第2の例の動作を示す。図5を図2と比較すると、図5では、図2G及び図2Hの代わりに図5Gが入れ替えられている点が異なり、それ以外は同様である。図6は、レベルシフト回路L1の代わりに定電圧回路を使用した場合の電流極性検出回路の第2の例の動作を示す。図6を図3と比較すると、図6では、図3G及び図3Hの代わりに図6Gが入れ替えられている点が異なり、それ以外は同様である。 FIG. 5 shows the operation of the second example of the current polarity detection circuit of the present invention. When FIG. 5 is compared with FIG. 2, FIG. 5 is different in that FIG. 5G is replaced instead of FIG. 2G and FIG. 2H, and the others are the same. FIG. 6 shows the operation of the second example of the current polarity detection circuit when a constant voltage circuit is used instead of the level shift circuit L1. 6 is different from FIG. 3 in that FIG. 6 is replaced with FIG. 6G instead of FIG. 3G and FIG. 3H, and the rest is the same.
図9は本発明による電流極性検出回路を用いたインバータ装置を3相モータ速度制御システムに適用した例を示す。3相モータ速度制御システムは、商用電源1を整流するコンバータ2、速度指令部3、3相モータM1に設けられた位置センサ4、及び、インバータ装置を有する。インバータ装置は、上アームスイッチング素子T1、T2、T3、下アームスイッチング素子T4、T5、T6、スイッチング素子T1〜T3及びT4〜T6を駆動するための駆動回路K1〜K3及びK4〜K6、電流極性検出回路P1、P2、P3、及び、制御部S1を有する。スイッチング素子T1〜T6には、還流ダイオードD1〜D6が逆並列に接続されている。上アームスイッチング素子と下アームスイッチング素子の中点にモータM1のコイルの端子が接続されている。3相の各相には、本発明による電流極性検出回路P1、P2、P3が設けられている。
FIG. 9 shows an example in which an inverter device using a current polarity detection circuit according to the present invention is applied to a three-phase motor speed control system . The three-phase motor speed control system includes a converter 2 that rectifies the
電流極性検出回路P1、P2、P3は、モータM1のコイルの出力端子電圧VUM、VVM、VWM、及び、下アーム制御信号VUB、VVB、VWBを入力し、電流極性信号VUP、VVP、VWPを出力する。 The current polarity detection circuits P1, P2, and P3 input the output terminal voltages VUM, VVM, and VWM of the coil of the motor M1 and the lower arm control signals VUB, VVB, and VWB, and output the current polarity signals VUP, VVP, and VWP. To do.
図9の破線1または破線2にて示す回路をワンチップもしくは2チップ程度の半導体装置にて実現すると、システムを低コストにすることができる。
If the circuit shown by the
こうして半導体装置を用いることにより、モータM1が小型の場合、破線部2の回路をモータに内蔵することが可能となる。半導体装置内の各素子の分離方法としては、一般的に、PN接合分離、誘電体分離(DI分離)、SOIなどがある。本発明による回路はそのいずれの分離方法を用いた半導体装置においても実現することが可能である。 By using the semiconductor device in this way, when the motor M1 is small, the circuit of the broken line portion 2 can be built in the motor. As a method for separating each element in the semiconductor device, there are generally PN junction separation, dielectric separation (DI separation), SOI, and the like. The circuit according to the present invention can be realized in a semiconductor device using any of the separation methods.
また、本発明による電流極性検出回路は回路規模が小さいため、ディスクリートにて構成することも可能である。 In addition, the current polarity detection circuit according to the present invention can be configured in a discrete manner because the circuit scale is small.
モータへの印加電圧とモータ電流の関係は、モータの回転速度により決まる。そのため、ある1相の電流極性信号から、他相の電流極性信号を推定することができる。よって、図9では3相モータの3相全てに電流極性検出回路を設けているが、これを1相のみもしくは2相のみとしてもよい。 The relationship between the voltage applied to the motor and the motor current is determined by the rotational speed of the motor. Therefore, the current polarity signal of the other phase can be estimated from a certain one-phase current polarity signal. Therefore, in FIG. 9, the current polarity detection circuit is provided for all three phases of the three-phase motor, but this may be only one phase or only two phases.
本発明による電流極性検出回路は、正弦波駆動方式、擬似正弦波駆動方式、120度通電方式等の駆動方式に依らず用いることができる。 The current polarity detection circuit according to the present invention can be used regardless of a driving method such as a sine wave driving method, a pseudo sine wave driving method, and a 120-degree energization method.
本発明によると、モータ電流の位相と誘起電圧の位相を一致させることにより、モータ効率の低下防止を行うことができる。また、本発明はホールIC等のセンサを用いずにモータを駆動する方式、いわゆるセンサレス駆動方式においても適用できる。電流極性検出回路によりセンサレス駆動を行う方法は、例えば特開10−285982に記載されている。 According to the present invention, the motor efficiency can be prevented from lowering by matching the phase of the motor current and the phase of the induced voltage. The present invention can also be applied to a method of driving a motor without using a sensor such as a Hall IC, that is, a so-called sensorless driving method. A method of performing sensorless driving by the current polarity detection circuit is described in, for example, Japanese Patent Laid-Open No. 10-285982.
以上、本発明の例を説明したが、本発明は上述の例に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された発明の範囲にて様々な変更が可能であることは当業者に理解されよう。 The example of the present invention has been described above, but the present invention is not limited to the above-described example, and various modifications can be made by those skilled in the art within the scope of the invention described in the claims. It will be understood.
1;商用電源 2;コンバータ 3;速度指令部 4;位置センサ T1、T2、T3;上アームスイッチング素子 T4、T5、T6;下アームスイッチング素子 D1、D2、D3;上アーム還流ダイオード D4、D5、D6;下アーム還流ダイオード K1、K2、K3;上アーム駆動回路 K4、K5、K6;下アーム駆動回路 M1;モータ P1、P2、P3;電流極性検出回路 S1;制御回路 VUT、VVT、VWT;上アーム制御信号 VUB、VVB、VWB;下アーム制御信号 VUM、VVM、VWM;出力端子電圧 VUP、VVP、VWP;電流極性信号 VDC;モータ駆動用電源電圧 GND;グランド電位 F1、F2、F3;ラッチ回路 C1、C2、C3;コンパレータ R1、R2、R3;抵抗 Vref;基準電圧 L1;レベルシフト回路 M1;NMOSトランジスタ Z1;ツェナーダイオード VUC;コンパレータ出力電圧 VUR;抵抗R3の電圧 VUL;レベルシフト回路出力電圧 Voff;コンパレータのオフセット電圧 IUM;モータ電流
DESCRIPTION OF
Claims (4)
前記上アームスイッチング素子と前記下アームスイッチング素子の接続点である出力端子に接続された定電圧回路と、
前記上アームスイッチング素子及び前記下アームスイッチング素子が共にオフであるタイミングで信号をラッチするラッチ回路と、
を備え、
前記定電圧回路は、前記出力端子の電圧が略モータ駆動用電源電圧に等しいとき“H”信号を出力し、前記出力端子の電圧が略ゼロのとき“L”信号を出力し、
前記“H”信号の電圧レベルは、前記モータ駆動用電源電圧が所定範囲内で変化した場合は、前記モータ駆動用電源電圧に依らず略一定であり、
前記“L”信号の電圧レベルはゼロである
ことを特徴とする電流極性検出回路。 In the current polarity detection circuit for detecting the current polarity of the motor connected to the inverter device having the upper arm switching element and the lower arm switching element,
A constant voltage circuit connected to an output terminal which is a connection point of the upper arm switching element and the lower arm switching element;
A latch circuit for latching the signal at the upper arm switching element and the lower arm switching element timing are both off,
With
The constant voltage circuit outputs an “H” signal when the voltage at the output terminal is substantially equal to the power supply voltage for driving the motor, and outputs an “L” signal when the voltage at the output terminal is substantially zero.
The voltage level of the “H” signal is substantially constant regardless of the motor drive power supply voltage when the motor drive power supply voltage changes within a predetermined range.
The voltage level of the “L” signal is zero.
A current polarity detection circuit.
前記定電圧回路はMOSトランジスタまたはバイポーラトランジスタを備えている
ことを特徴とする電流極性検出回路。 The current polarity detection circuit according to claim 1,
A current polarity detection circuit, wherein the constant voltage circuit includes a MOS transistor or a bipolar transistor .
前記定電圧回路はツェナーダイオードを備えている
ことを特徴とする電流極性検出回路。 The current polarity detection circuit according to claim 1 ,
The current polarity detection circuit, wherein the constant voltage circuit includes a Zener diode .
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