JP4786298B2 - Inverter - Google Patents
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Description
本発明は、インバータの構成に関し、特に電力損失を低減するための手段に関する。
本発明は、インバータにおける電力損失の低減と、インバータの主回路の構成の簡素化に大いに有用なものである。
The present invention relates to an inverter configuration, and more particularly to a means for reducing power loss.
The present invention is very useful for reducing power loss in an inverter and simplifying the configuration of the main circuit of the inverter.
(技術的背景)
電動機などの誘導性負荷を対象とした従来のインバータ技術においては、スイッチング素子に対して並列にフライホイールダイオードを接続することが必要不可欠であると考えられており、主回路にフライホイールダイオードを持たないインバータが実現できたという報告は未だかつてない。この理由は、電動機などでは、電気回路に大きなインダクタンスを有することから、電流を変化させようとする時に、電圧(=電流の時間微分値とインダクタンスとの積)が端子間に発生するからである。
(Technical background)
In conventional inverter technology for inductive loads such as electric motors, it is considered indispensable to connect a flywheel diode in parallel to the switching element, and the main circuit has a flywheel diode. There has never been a report that no inverter has been realized. This is because a motor or the like has a large inductance in an electric circuit, and therefore when a current is changed, a voltage (= the product of a time differential value of the current and the inductance) is generated between the terminals. .
仮に、電動機を負荷とするインバータ回路において、スイッチング素子にフライホイールダイオードの並列接続を有しない回路が有ったとして、ショートスルー電流を防止する為にデッドタイムが設けられていたとする。すると、あるアームの一方のスイッチング素子が非導通状態になったままで、他方のスイッチング素子を導通状態から非導通状態に切り替えることになる。この両状態の切り替えに掛ける時間を短くしようとすればするほど電動機電流の時間微分値が大きくなり、電動機の端子間に発生する電圧が大きくなる。この電動機端子間発生電圧はインバータアームの中点に掛かってくる。そして、この電動機端子間発生電圧が大きくなり過ぎれば、インバータの主回路を構成するスイッチング素子の耐圧を超えてしまって、スイッチング素子がブレークダウンし永久破壊に至る可能性も生じる。 Assume that in an inverter circuit using an electric motor as a load, a dead time is provided to prevent a short-through current, assuming that there is a circuit that does not have a flywheel diode connected in parallel as a switching element. Then, one switching element of a certain arm remains in a non-conductive state, and the other switching element is switched from a conductive state to a non-conductive state. The shorter the time taken to switch between the two states, the greater the time differential value of the motor current and the greater the voltage generated between the motor terminals. The voltage generated between the motor terminals is applied to the midpoint of the inverter arm. If the voltage generated between the motor terminals becomes too large, the breakdown voltage of the switching element constituting the main circuit of the inverter will be exceeded, and the switching element may break down and cause permanent destruction.
一方、電動機を負荷とするインバータ回路が、スイッチング素子に対して並列にフライホイールダイオードを有する場合を考える。この時、ショートスルー電流を防止する為にデッドタイムが設けられていたとすると、あるアームの一方のスイッチング素子が非導通状態になったまま、他方のスイッチング素子を導通状態から非導通状態に切り替えることになる。
したがって、この場合には、電動機の端子間に発生する電圧によってフライホイールダイオードに順方向電圧が印加され回生的電流が流れ、これによって、電動機電流の時間微分値が小さくなり、その結果、電動機の端子間に発生する電圧が小さくなる。このように、電動機を負荷とするインバータ回路において、スイッチング素子に対して並列にフライホイールダイオードを設ければ、電動機端子間発生電圧が小さくなるのでスイッチング素子の耐圧を超えることがなく、スイッチング素子がブレークダウンせず、永久破壊が起こる心配も払拭することができる。これが、インバータ回路ではスイッチング素子にフライホイールダイオードの並列接続をすることが必須と考えられている理由である。
On the other hand, consider a case where an inverter circuit having a motor as a load has a flywheel diode in parallel with the switching element. At this time, if a dead time is provided to prevent a short-through current, the other switching element is switched from the conducting state to the non-conducting state while one switching element of a certain arm is in the non-conducting state. become.
Therefore, in this case, the forward voltage is applied to the flywheel diode due to the voltage generated between the terminals of the motor, and a regenerative current flows, thereby reducing the time differential value of the motor current, and as a result, The voltage generated between the terminals is reduced. Thus, in an inverter circuit using a motor as a load, if a flywheel diode is provided in parallel with the switching element, the voltage generated between the motor terminals is reduced, so that the switching element does not exceed the withstand voltage. It is possible to eliminate the fear of permanent destruction without breakdown. This is the reason why it is considered essential to connect a flywheel diode in parallel to the switching element in the inverter circuit.
(本願に最も近い従来技術)
ところで、例えばユニポーラ型の半導体などから形成される双方向性のスイッチング素子では、そのon状態の際に、正負両方向に電流を流すことができる。この様な半導体スイッチング素子には、接合型スイッチング素子の場合のような一定の比較的大きなon電圧は存在せず、その導通時電圧降下量(on電圧)は、比較的小さなon抵抗と電流との積で決まる。
(Prior art closest to this application)
By the way, in a bidirectional switching element formed of, for example, a unipolar type semiconductor or the like, a current can flow in both positive and negative directions in the on state. Such a semiconductor switching element does not have a certain relatively large on voltage as in the case of a junction type switching element, and the voltage drop during conduction (on voltage) is a relatively small on resistance and current. Determined by the product of
一方、同じ半導体素材を用いた素子であってもフライホイールダイオードの場合には、これらは一般に、ショットキー接合型、PN接合型、またはPIN接合型の何れかのダイオードであるため、それを流れる電流とon電圧との関係は概ね指数関数的になっている。そして、この指数関数的な特性は、第1次近似としては電流の大小によらず一定のon電圧があるものと見ても概ね差し支えない。
これに対し、上記の様な双方向性の半導体スイッチング素子の場合には、素子が基本的に抵抗変調型になっているため、これらのスイッチング素子には、上記の接合型素子のような一定のon電圧は存在せず、したがって上記の様に、その導通時電圧降下(on電圧)はon抵抗と電流との積で決まるのである。
On the other hand, even in the case of flywheel diodes even if the elements are made of the same semiconductor material, these are generally Schottky junction type, PN junction type, or PIN junction type diodes, and therefore flow through them. The relationship between current and on-voltage is approximately exponential. This exponential characteristic can be generally regarded as having a constant on voltage regardless of the magnitude of the current as a first order approximation.
On the other hand, in the case of the bidirectional semiconductor switching element as described above, since the element is basically of a resistance modulation type, the switching element has a constant value as in the above junction type element. Therefore, the on-voltage drop (on voltage) is determined by the product of the on-resistance and the current, as described above.
このため、負荷から直流電源に向って流れる電流(以下、これを「回生的電流」と言う)が双方向性スイッチング素子に流れる割合を多くすることにより、回生的電流がon電圧の高いフライホイールダイオードばかりに流れる場合よりも、電力損失を大幅に低減させることができる。
このように、スイッチング素子を双方向性スイッチング素子で構成したインバータには、基本的に回生的電流に起因する電力損失が小さいという特長が見られる。
As described above, an inverter in which a switching element is configured by a bidirectional switching element has a characteristic that power loss due to a regenerative current is basically small.
しかしながら、電源短絡状態に起因するシュートスルー電流の発生を防止するために設けられるデッドタイムの期間中においては、高電位側と低電位側の両方のスイッチング素子が同時にoff状態になるため、上記の回生的電流はスイッチング素子の側には分流できなくなる。即ち、デッドタイムの期間中においては、回生的電流は専らon電圧の高いフライホイールダイオードに流れるので、この時には、やはり上記と同様に、回生的電流によるon損失の問題が現われる。 However, during the dead time period provided to prevent the occurrence of the shoot-through current due to the power supply short-circuit state, the switching elements on both the high potential side and the low potential side are simultaneously in the off state. The regenerative current cannot be shunted to the switching element side. That is, during the dead time period, the regenerative current flows exclusively through the flywheel diode having a high on voltage, and at this time, the problem of on loss due to the regenerative current also appears.
また、フライホイールダイオードに、上記の回生的電流を流すと、フライホイールダイオードへの印加電圧が順方向から逆方向に反転してから短い時間の間に、逆向きの電流(即ち、周知の逆方向リカバリ電流)が流れる。このフライホイールダイオードに流れる逆方向リカバリ電流は、対を成す他方の半導体スイッチング素子を通じた電源短絡状態を一時的に誘発するため、これによって、大きなスイッチング損失が発生する。
そして、この時、フライホイールダイオードに流れる回生的電流が大きいほど逆方向リカバリ電流も大きくなる。したがって、デッドタイムの短い時間内といえどもフライホイールダイオードに流れる回生的電流が大きいと、それに応じて逆方向リカバリ電流も大きくなるため、無視できない電力損失増加につながる。また、上記の電源短絡状態によって、その短絡経路上の半導体スイッチング素子に大きな負担が掛かる場合があるため、これらの観点についても信頼性や耐久性に配慮した設計を行う必要が生じる。
In addition, when the above regenerative current is applied to the flywheel diode, the reverse current (that is, the known reverse current) is applied for a short time after the voltage applied to the flywheel diode is reversed from the forward direction to the reverse direction. Direction recovery current) flows. Since the reverse recovery current flowing through the flywheel diode temporarily induces a power supply short-circuit state through the other semiconductor switching element in the pair, this causes a large switching loss.
At this time, the reverse recovery current increases as the regenerative current flowing through the flywheel diode increases. Therefore, even if the dead time is short, if the regenerative current flowing through the flywheel diode is large, the reverse recovery current also increases accordingly, which leads to an increase in power loss that cannot be ignored. In addition, the power supply short-circuit state may place a heavy burden on the semiconductor switching element on the short-circuit path. Therefore, it is necessary to design for these viewpoints in consideration of reliability and durability.
また、最近ではインバータに対する高温動作性が強く求められるようになってきており、例えば、GaN結晶を使った半導体スイッチング素子やGaN結晶を使ったダイオードをインバータの主回路に用いる場合などを考えると、現行の120℃前後を大きく上回る250℃前後の高温動作環境がインバータの設計条件として想定され得る時代になりつつある。しかしながら、この様な高温指向の回路構成に従うと、フライホイールダイオードに例えばSiなどから成る接合型ダイオードを採用していた従来の回路構成に比べて、フライホイールダイオードのon電圧が著しく高くなってしまう。このため、回生的電流に伴う上記のon損失の問題は、今後ますます深刻な問題に発展する恐れがある。 Recently, high-temperature operability for inverters has been strongly demanded. For example, when a semiconductor switching element using a GaN crystal or a diode using a GaN crystal is used for the main circuit of the inverter, A high-temperature operating environment of about 250 ° C., which greatly exceeds the current 120 ° C., is entering an era in which the design conditions of the inverter can be assumed. However, according to such a high-temperature-oriented circuit configuration, the on-voltage of the flywheel diode becomes significantly higher than the conventional circuit configuration in which a junction diode made of, for example, Si is used for the flywheel diode. . For this reason, the above-mentioned on-loss problem associated with the regenerative current may develop into a more serious problem in the future.
本発明は、上記の課題を解決するために成されたものであり、その目的は、双方向性の半導体スイッチング素子を有するインバータにおいて、電力損失を更に低減させることである。
また、本発明のその他の目的は、インバータの小形化と低コスト化である。
The present invention has been made to solve the above-described problems, and an object thereof is to further reduce power loss in an inverter having a bidirectional semiconductor switching element.
Another object of the present invention is to reduce the size and cost of the inverter.
上記の課題を解決するためには、以下の手段が有効である。
即ち、本発明の第1の手段は、ON状態において双方向に電流を流すことが可能な双方向性の半導体スイッチング素子であって、高電位側に配設された第1半導体スイッチング素子と、低電位側に配設された第2半導体スイッチング素子との直列接続から成る1対の半導体スイッチング素子が各相毎に直流電源に並列に接続され、直流電源と負荷間とにおいて電流を流すインバータにおいて、第1半導体スイッチング素子と第2半導体スイッチング素子との接続点の電圧を中点電圧として各相毎に測定する中点電圧測定手段と、各相の電流の向きを、直流電源から負荷側へ流れる向きを正、負荷から直流電源側に流れる向きを負として、検出する電流検出手段と、第1半導体スイッチング素子と第2半導体スイッチング素子とが両方同時にOFF状態となるデッドタイムの長さを各相毎に、電流の向き及び電圧に基づいて適応制御するデッドタイム管理手段とを有し、デッドタイム管理手段は、電流検出手段により検出された電流の向きが正の場合においては、第1半導体スイッチング素子がON状態で且つ第2半導体スイッチング素子がOFF状態である状態から、第2半導体スイッチング素子のOFF状態を持続した状態で、第1半導体スイッチング素子をOFF状態とするOFF指令信号を出力した時点から中点電圧測定手段により測定された中点電圧の降下の変位量が、直流電源の電圧の1割以上2割以下の値に至った時点で、第2半導体スイッチング素子をON状態とするON指令信号を出力し、第1半導体スイッチング素子がOFF状態で且つ第2半導体スイッチング素子がON状態である状態から、第1半導体スイッチング素子のOFF状態を持続した状態で、第2半導体スイッチング素子をOFF状態とするOFF指令信号を出力した時点から中点電圧測定手段により測定された中点電圧の降下の変位量が、第2半導体スイッチング素子の導通時の電圧降下量の2倍以上の値に至った時点で、第1半導体スイッチング素子をON状態とするON指令信号を出力し、電流検出手段により検出された電流の向きが負の場合においては、第1半導体スイッチング素子がON状態で且つ第2半導体スイッチング素子がOFF状態である状態から、第2半導体スイッチング素子のOFF状態を持続した状態で、第1半導体スイッチング素子をOFF状態とするOFF指令信号を出力した時点から中点電圧測定手段により測定された中点電圧の上昇の変位量が、第1半導体スイッチング素子の導通時の電圧降下量の2倍以上の値に至った時点で、第2半導体スイッチング素子をON状態とするON指令信号を出力し、第1半導体スイッチング素子がOFF状態で且つ第2半導体スイッチング素子がON状態である状態から、第1半導体スイッチング素子のOFF状態を持続した状態で、第2半導体スイッチング素子をOFF状態とするOFF指令信号を出力した時点から中点電圧測定手段により測定された中点電圧の上昇の変位量が、直流電源の電圧の1割以上2割以下の値に至った時点で、第1半導体スイッチング素子をON状態とするON指令信号を出力するようにしたことを特徴とするインバータである。
In order to solve the above problems, the following means are effective.
That is, the first means of the present invention is a bidirectional semiconductor switching element capable of flowing current bidirectionally in the ON state, the first semiconductor switching element disposed on the high potential side, In an inverter in which a pair of semiconductor switching elements composed of a series connection with a second semiconductor switching element arranged on the low potential side are connected in parallel to a DC power source for each phase and current flows between the DC power source and a load The midpoint voltage measuring means for measuring the voltage at the connection point between the first semiconductor switching element and the second semiconductor switching element as the midpoint voltage for each phase, and the direction of the current of each phase from the DC power supply to the load side When the direction of flow is positive and the direction of flow from the load to the DC power supply side is negative, both the current detection means for detecting and the first semiconductor switching element and the second semiconductor switching element are simultaneously O A dead time management means for adaptively controlling the length of the dead time for entering the FF state for each phase based on the direction and voltage of the current, and the dead time management means is configured to control the current detected by the current detection means. In the case where the direction is positive, the first semiconductor switching element is in a state in which the second semiconductor switching element is kept in the OFF state from the state in which the first semiconductor switching element is in the ON state and the second semiconductor switching element is in the OFF state. When the displacement of the drop in the midpoint voltage measured by the midpoint voltage measuring means reaches the value of 10% to 20% of the voltage of the DC power supply from the time when the OFF command signal for turning off is output. An ON command signal for turning on the second semiconductor switching element is output, the first semiconductor switching element is in the OFF state, and the second semiconductor switching is performed. Measured by the midpoint voltage measuring means from the time when the OFF command signal for turning off the second semiconductor switching element was output from the state where the child was in the ON state, while the OFF state of the first semiconductor switching element was maintained. When the displacement of the midpoint voltage drop reaches a value more than twice the voltage drop when the second semiconductor switching element is turned on, an ON command signal for turning on the first semiconductor switching element is output. In the case where the direction of the current detected by the current detecting means is negative, the OFF state of the second semiconductor switching element is changed from the state where the first semiconductor switching element is ON and the second semiconductor switching element is OFF. From the time when the OFF command signal for turning off the first semiconductor switching element is output in the sustained state, the midpoint voltage measuring means ON command to turn on the second semiconductor switching element when the measured displacement amount of the midpoint voltage rises to a value more than twice the voltage drop amount when the first semiconductor switching element is conductive. A signal is output, and the second semiconductor switching element is turned off while the first semiconductor switching element is in the OFF state and the second semiconductor switching element is in the ON state, while the first semiconductor switching element is in the OFF state. When the displacement of the rise of the midpoint voltage measured by the midpoint voltage measuring means from the time when the OFF command signal is output reaches a value that is 10% or more and 20% or less of the voltage of the DC power supply. An inverter characterized by outputting an ON command signal for turning on the semiconductor switching element .
ただし、上記の相は、何相設けても良い。本発明は、単相または任意相数の複相インバータに適用することができる。また、上記の電流検出手段は、各相の電流の向きが検出可能な手段であればよく、必ずしも電流値を正確に求める手段である必要はない。
また、用いる直流電源の直流電圧は任意でよい。例えばGaNなどのワイドバンドギャップの半導体を用いて構成された高耐圧で、on抵抗の低い半導体スイッチング素子を使用すれば、本発明に基づいて、数百ボルト程度以上の比較的高い電源電圧のインバータを製造することも十分に可能である。
However, any number of the above phases may be provided. The present invention can be applied to a single-phase or multi-phase inverter having any number of phases. Further, the current detection means may be any means that can detect the direction of the current of each phase, and does not necessarily need to be a means for accurately obtaining the current value.
Further, the DC voltage of the DC power source to be used may be arbitrary. For example, an inverter with a relatively high power supply voltage of about several hundred volts or more is used according to the present invention by using a semiconductor switching element having a high breakdown voltage and a low on-resistance constructed using a wide band gap semiconductor such as GaN. It is also possible to produce
本発明において、直流電源の電圧の1割以上2割以下の値は、用いる半導体スイッチング素子の特性や負荷の特性や電源電圧や或いはインバータの相数などに応じて、最適化することができる。 In the present invention, the value of 10% to 20% of the voltage of the DC power supply can be optimized according to the characteristics of the semiconductor switching element to be used, the characteristics of the load, the power supply voltage, or the number of phases of the inverter.
また、半導体スイッチング素子の導通時の電圧降下量の2倍以上の値は、より望ましくは、半導体スイッチング素子の導通時の電圧降下量の約4倍〜8倍程度の値に、上記の変位量が至った時点で、上記のON指令信号を出力すると良い。この閾値は、用いる半導体スイッチング素子の特性や負荷の特性や電源電圧や或いはインバータの相数などに応じて、最適化することができる。 The value of more than double the amount of voltage drop during conduction of the semiconductor switching element, the Ri desirably good, to a value of about 4 times to 8 times the amount of voltage drop during conduction of the semiconductor switching elements, the displacement When the amount reaches, it is preferable to output the above ON command signal. This threshold value can be optimized according to the characteristics of the semiconductor switching element to be used, the characteristics of the load, the power supply voltage, the number of phases of the inverter, or the like.
また、本発明の第2の手段は、上記の第1の手段のデッドタイム管理手段において、デッドタイムの長さの上限値を規定するための期間計量手段を設けることである。
この様な期間計量手段は、例えばコンピュータのタイマや、或いはコンピュータのダイナミックステップカウンタなどを用いて構成することができる。
以上の本発明の手段により、前記の課題を効果的、或いは合理的に解決することができる。
A second means of the present invention is to provide a period measuring means for defining an upper limit value of the dead time length in the dead time management means of the first means .
Such period measuring means can be configured using, for example, a computer timer or a computer dynamic step counter.
By the above means of the present invention, the above-mentioned problem can be effectively or rationally solved.
以上の本発明の手段によって得られる効果は以下の通りである。
即ち、本発明の第1の手段によれば、デッドタイムの期間内であっても、上記のデッドタイム管理手段の適応制御に基づいて、従来構成においては専らフライホイールダイオードを流れていた回生的電流の総てを半導体スイッチング素子に流すことができる。また、これによって、フライホイールダイオードをインバータの主回路の回路構成から排除することが可能となる。
The effects obtained by the above-described means of the present invention are as follows.
That is, according to the first means of the present invention, even within the dead time period, based on the adaptive control of the dead time management means, the regenerative regenerative power that was flowing exclusively through the flywheel diode in the conventional configuration. All of the current can be passed through the semiconductor switching element. This also makes it possible to eliminate the flywheel diode from the circuit configuration of the main circuit of the inverter.
この場合、回生的電流のフライホイールダイオードに流れる分がなくなる代わりに、全回生的電流が半導体スイッチング素子に流れるので、半導体スイッチング素子の回生的電流によるon損失が新たに発生するようになる。しかし、半導体スイッチング素子で発生するon損失は、従来のフライホイールダイオードで発生していたon損失よりも大幅に低減されるので、その結果、インバータの損失を大幅に低減できるようになる。また、適切なデッドタイムの設定により、電源短絡状態に起因するシュートスルー電流の発生も同時に効果的に防止することができる。 In this case, instead of eliminating the amount of regenerative current flowing through the flywheel diode, the entire regenerative current flows through the semiconductor switching element, so that on loss due to the regenerative current of the semiconductor switching element newly occurs. However, the on-loss generated in the semiconductor switching element is greatly reduced compared to the on-loss generated in the conventional flywheel diode, and as a result, the inverter loss can be greatly reduced. In addition, by setting an appropriate dead time, it is possible to effectively prevent the occurrence of a shoot-through current due to a power supply short-circuit state at the same time.
また、本発明の第1の手段によれば、フライホイールダイオード自体が排除できるので、フライホイールダイオードへの印加電圧が順方向から逆方向に反転した時に流れる逆方向リカバリ電流自体をも全面的に排除することができる。このため、本発明の第1の手段によれば、逆方向リカバリ電流に起因していたスイッチング損失も、確実に排除することができる。
また、本発明の第1の手段によれば、フライホイールダイオード自体が排除できるので、装置の小形化と低コスト化を確実に実現することができる。
Further, according to the first means of the present invention, since the flywheel diode itself can be eliminated, the reverse recovery current itself that flows when the voltage applied to the flywheel diode is reversed from the forward direction to the reverse direction is also entirely displayed. Can be eliminated. For this reason, according to the 1st means of this invention, the switching loss resulting from the reverse direction recovery current can also be excluded reliably.
Further, according to the first means of the present invention, since the flywheel diode itself can be eliminated, it is possible to reliably realize downsizing and cost reduction of the apparatus.
また、デッドタイムを管理するに際しては、上記の1対の半導体スイッチング素子の両方のOFF状態がちょうど実現された時点で、それまでOFF状態であった方の半導体スイッチング素子に対してON指令信号が出力されることが望ましいが、本発明の第2または第3の手段に従えば、その様な望ましいタイミングで上記のON指令信号が出力される様に、対応する上記の各閾値をそれぞれ最適に設定することができる。
したがって、本発明の第2または第3の手段によれば、従来よりも電力損失が少なく効率の高いインバータを最適かつ確実に実現することができる。また、上記の閾値が最適化されることにより、半導体スイッチング素子に対する負担が軽減されるため、インバータの信頼性と耐久性を確保することができる。
When managing the dead time, when the OFF state of both the pair of semiconductor switching elements is just realized, an ON command signal is sent to the semiconductor switching element that has been in the OFF state so far. However, according to the second or third means of the present invention, each of the corresponding threshold values is optimized so that the ON command signal is output at such a desirable timing. Can be set.
Therefore, according to the second or third means of the present invention, it is possible to optimally and surely realize an inverter with less power loss and higher efficiency than conventional. Moreover, since the burden on the semiconductor switching element is reduced by optimizing the above threshold value, the reliability and durability of the inverter can be ensured.
また、本発明の第4の手段によれば、ノイズなどによる測定誤差や誤検出があった場合にも、確実にデッドタイムを完了させることができる。このため、より信頼性の高いインバータを構成することができる。 Further, according to the fourth means of the present invention, it is possible to reliably complete the dead time even when there is a measurement error or erroneous detection due to noise or the like. For this reason, a more reliable inverter can be comprised.
以下、本発明を具体的な実施例に基づいて説明する。
ただし、本発明の実施形態は、以下に示す個々の実施例に限定されるものではない。
Hereinafter, the present invention will be described based on specific examples.
However, the embodiments of the present invention are not limited to the following examples.
図1に本実施例1のインバータ100の回路図を、また、図2にこのインバータ100の制御ブロック図を示す。このインバータ100の主回路101を構成する6つの半導体スイッチング素子SWUH,SWVH,SWWH,SWUL,SWVL,SWWLは、何れもGaN−HEMT(High Electron Mobility Transistor )即ち、GaN系のFET(電界効果トランジスタ)から構成されており、その被制御電流路が直列に接続された1対の半導体スイッチング素子が、3相モータ10の各相(U相、V相、W相)毎に具備されている。各相の各1対の半導体スイッチング素子の接続点のことを以下、中点と呼び、各相(U相、V相、W相)の各中点の電圧のことを以下、それぞれ中点電圧VMU,中点電圧VMV,中点電圧VMWと呼ぶ。インバータ100の出力、即ち、3相モータ10に流れる各相の電流IU ,IV ,IW は、これらの中点電圧の高低を適時に切り替え操作することによって、制御することができる。
FIG. 1 shows a circuit diagram of the
なお、インバータ100と負荷(3相モータ10)との間には、ローパスフィルタを設けても良い。また、ここでは、インバータ100のPWM回路のチョッパ制御における矩形波の周波数は、凡そ数kHz〜数十kHz程度を想定し、また、負荷に通電すべき交流の周波数は、10〜240Hz程度を想定している。
A low pass filter may be provided between the
各相中点電圧測定部102は、上記の中点電圧VMU,VMV,VMWをそれぞれ随時測定する。また、各相電流測定部103は、各相の電流IU ,IV ,IW をそれぞれ随時測定する。各相中点電圧高低指令信号発生部104は、PWM回路から構成されており、各相毎に、上記の中点電圧の指令値をそれぞれ出力する。以下、この指令値のことを高低指令信号Sと呼ぶ。
Each phase midpoint
デッドタイム管理部105は、本発明の請求項1のデッドタイムを管理手段に相当する部分であり、上記の1対の半導体スイッチング素子が両方同時にOFF状態となるデッドタイムの長さを各相毎に、上記の電流IU ,IV ,IW の向き及び上記の中点電圧VMU,VMV,VMWに基づいて適応制御する。この部分は、ハードウェア(電気回路)で構成しても良いし、コンピュータ上で動作するソフトウェアで構成しても良い。
また、ゲートドライバ106は、デッドタイム管理部105が発行するコマンド(所定の指令信号)に従って、上記の各半導体スイッチング素子の個々のゲートをON状態またはOFF状態に制御する。
The dead
Further, the
以下、図3を用いて、上記のインバータ100におけるインバータでデッドタイム期間内の回生的電流を総て半導体スイッチング素子に流す為に行なう半導体スイッチング素子のゲート制御の論理を示す。このゲート制御は、上記の高低指令信号Sによって与えられる各中点電圧の操作方向と、各相の負荷電流の方向(正,負)とで4つのケース(表1のケース1〜4)に分けてそれぞれ実行することができる。
In the following, the logic of gate control of the semiconductor switching element performed in order to flow all the regenerative current within the dead time period to the semiconductor switching element in the
なお、表1では、インバータ100から負荷(3相モータ10)に向かう方向の電流を正電流としている。また、以下のゲート制御の論理に関する記述は各相共通であるので、以下、本図3の第1相をU相と仮定して説明する。
(ケース1)
中点電圧操作方向 : 高⇒低
負荷電流 : 正
この場合の操作(ゲート制御)は、高電位側の半導体スイッチング素子SWUHがON状態であったものを、低電位側の半導体スイッチング素子SWULがON状態になるように切り替える操作である。
(Case 1)
Midpoint voltage operation direction: High ⇒ Low
Load current: positive The operation (gate control) in this case is an operation to switch the semiconductor switching element SWUH on the high potential side to the ON state so that the semiconductor switching element SWUL on the low potential side is turned on. .
ここでは、先ず高電位側の半導体スイッチング素子SWUHがOFF状態になるように、ゲートドライバ106を介してそのゲート電圧を操作し(:高電位側SWオフ操作a1)、同時に中点電圧VMUを測定する(:中点電圧低下判定b1)。いわゆるデッドタイムの期間内であっても中点電圧VMUの低下が始まれば、高電位側の半導体スイッチング素子SWUHのOFF状態への変化が完了したと見做すことが出来るので、その時点で低電位側の半導体スイッチング素子SWULがON状態になるように、ゲートドライバ106を介してそのゲート電圧を操作する(:低電位側SWオン操作e1)。
Here, first, the gate voltage is operated via the gate driver 106 (: high potential SW off operation a1) so that the high potential side semiconductor switching element SWUH is turned off, and at the same time, the midpoint voltage VMU is Measure (: midpoint voltage drop determination b1). If reduction of the so-called midpoint even within the dead time period the voltage V MU starts, since the change of the semiconductor switching devices SWUH the OFF state of the high potential side it can be regarded as complete, at which time The gate voltage is manipulated through the
この時の中点電圧VMUの低下の目安としては、電源電圧の約1〜2割程度に設定するのが適当である。こうすることにより、高電位側及び低電位側の半導体スイッチング素子の双方(SWUH,SWUL)が同時にOFF状態になる時間(デッドタイム期間)を短縮することができ、かつ、低電位側の半導体スイッチング素子SWULが導通した際には、負荷電流IU は低電位側の半導体スイッチング素子SWULを通して負荷(3相モータ10)に供給される。
そして、この処理方式により、電源短絡状態に起因するシュートスルー電流の発生を防止できる。また、従来のフライホイールダイオードを設けていないので、前述の従来の逆方向リカバリ電流に起因する電源短絡状態の発生が防止され、その分の損失が抑制される。
As a guideline for lowering the midpoint voltage VMU at this time, it is appropriate to set the power supply voltage to about 10 to 20%. By doing this, it is possible to reduce the time (dead time period) during which both the high potential side and low potential side semiconductor switching elements (SWUH, SWUL) are in the OFF state simultaneously, and the low potential side semiconductor switching element. when the element SWUL is conducting, the load current I U is supplied to the load through the low-potential side semiconductor switching element SWUL (3-phase motor 10).
And by this processing method, generation | occurrence | production of the shoot through current resulting from a power supply short circuit state can be prevented. Further, since the conventional flywheel diode is not provided, the occurrence of the power supply short-circuit state due to the above-described conventional reverse recovery current is prevented, and the loss is reduced accordingly.
なお、図3中のデッドタイム期間計量c1,c2,c3,c4は、本発明の期間計量手段を構成するものであり、ノイズなどによる測定誤差や誤検出があった場合にも、この期間計量作用によって確実にデッドタイムを完了させることができる。図3中のOR判定d1,d2,d3,d4は、中点電圧判定処理(b1,b2,b3,b4)またはデッドタイム期間計量(c1,c2,c3,c4)の何れかからのタイミング判定結果を採用する論理演算処理または論理和回路からなる。ただし、一方を採用した時点で、他方は次回の当該プログラム起動時まで無視されるか、または次回の当該プログラム起動時まで動作しなくなる。 Note that dead time period measurements c1, c2, c3, and c4 in FIG. 3 constitute the period measurement means of the present invention, and even when there is a measurement error or erroneous detection due to noise or the like, this period measurement is performed. The dead time can be surely completed by the action. OR determinations d1, d2, d3, and d4 in FIG. 3 are timing determinations from either the midpoint voltage determination processing (b1, b2, b3, b4) or the dead time period measurement (c1, c2, c3, c4). It consists of logical operation processing or logical sum circuit that adopts the result. However, when one is adopted, the other is ignored until the next start of the program or does not operate until the next start of the program.
(ケース2)
中点電圧操作方向 : 高⇒低
負荷電流 : 負
この場合の操作(ゲート制御)も、高電位側の半導体スイッチング素子SWUHがON状態であったものを、低電位側の半導体スイッチング素子SWULがON状態になるように切り替える操作である。
(Case 2)
Midpoint voltage operation direction: High ⇒ Low
Load current: negative The operation (gate control) in this case is also an operation for switching the semiconductor switching element SWUH on the high potential side to the ON state so that the semiconductor switching element SWUL on the low potential side is turned on. .
ここでは、先ず高電位側の半導体スイッチング素子SWUHがOFF状態になるようにゲート電圧を操作し(:高電位側SWオフ操作a2)、同時に中点電圧VMUを測定する(:中点電圧上昇判定b2)。この場合には負荷電流が負なので高電位側の半導体スイッチング素子SWUHに回生的電流が流れていた。そして、この回生的電流が流れていた状態から高電位側の半導体スイッチング素子SWUHをOFF状態にするので、OFF状態にされた時点から中点電圧VMUが上昇し始める。それ故、いわゆるデッドタイムの期間内であっても中点電圧VMUの上昇が始まれば高電位側の半導体スイッチング素子SWUHのOFF状態への変化が完了したと見做すことが出来る。そして、その上昇が検出された時に、低電位側の半導体スイッチング素子SWULがON状態になるようにゲート電圧を操作する(:低電位側SWオン操作e2)。 Here, first semiconductor switching devices SWUH high potential side operates the gate voltage so that the OFF state (: high potential side SW off operation a2), to measure the midpoint voltage V MU simultaneously (: midpoint voltage rise Decision b2). In this case, since the load current is negative, a regenerative current flows through the semiconductor switching element SWUH on the high potential side. Since the semiconductor switching devices SWUH the high potential side from the state regenerative manner was flowing in the OFF state, the midpoint voltage V MU from the time it is in the OFF state starts to rise. Therefore, it can be regarded as the change to the OFF state of the high potential side of the semiconductor switching devices SWUH is completed if elevated even midpoint voltage V MU be within the period of the so-called dead time Hajimare. When the rise is detected, the gate voltage is manipulated so that the low-potential side semiconductor switching element SWUL is turned on (low-potential side SW-on operation e2).
この時の中点電圧VMUの上昇の目安としては、半導体スイッチング素子の導通時電圧降下(on電圧)の数倍程度に設定するのが適当である。こうすることにより、高電位側の半導体スイッチング素子SWUHがOFF状態になった後、短時間内に低電位側の半導体スイッチング素子SWULを導通させることができ、その結果、回生的電流(負の負荷電流)が、低電位側の半導体スイッチング素子SWULを通して、円滑に流れ続けることが出来る。 As a measure of the rise of the midpoint voltage VMU at this time, it is appropriate to set it to several times the voltage drop (on voltage) when the semiconductor switching element is conductive. By doing so, the semiconductor switching element SWUL on the low potential side can be conducted in a short time after the semiconductor switching element SWUH on the high potential side is turned off. As a result, a regenerative current (negative load) Current) can continue to flow smoothly through the semiconductor switching element SWUL on the low potential side.
そして、この処理方式により、電源短絡状態に起因するシュートスルー電流の発生を防止しつつ、従来方式においては具備されていたフライホイールダイオードの高いon電圧による大きなon損失の発生を抑制できる。また、フライホイールダイオード自体が設置されていないことにより、前述の従来の逆方向リカバリ電流がなくなり、それに起因する電源短絡状態の発生が防止され、その分のスイッチング損失も抑制される。 And by this processing method, generation | occurrence | production of the big on loss by the high on voltage of the flywheel diode with which the conventional method was equipped can be suppressed, preventing generation | occurrence | production of the shoot through current resulting from a power supply short circuit state. Further, since the flywheel diode itself is not installed, the above-described conventional reverse recovery current is eliminated, the occurrence of a power supply short-circuit state resulting therefrom is prevented, and the switching loss corresponding to that is suppressed.
(ケース3)
中点電圧操作方向 : 低⇒高
負荷電流 : 正
この場合の操作(ゲート制御)は、低電位側の半導体スイッチング素子SWULがON状態であったものを、高電位側の半導体スイッチング素子SWUHがON状態になるように切り替える操作である。
(Case 3)
Midpoint voltage operation direction: Low ⇒ High
Load current: positive In this case, the operation (gate control) is an operation for switching the semiconductor switching element SWUL on the low potential side to the ON state so that the semiconductor switching element SWUH on the high potential side is turned on. .
ここでは、先ず低電位側の半導体スイッチング素子SWULがOFF状態になるようにゲート電圧を操作し(:低電位側SWオフ操作a3)、同時に中点電圧VMUを測定する(:中点電圧下降判定b3)。この場合には負荷電流IU が正なので低電位側の半導体スイッチング素子SWULに回生的電流(IU )が流れていた。回生的電流が流れていた状態から低電位側の半導体スイッチング素子SWULをOFF状態にするので、中点電圧VMUが下降する。このため、いわゆるデッドタイムの期間内であっても中点電圧VMUの下降が始まれば低電位側の半導体スイッチング素子SWULのOFF状態への変化が完了したと見做すことが出来る。そこで、この中点電圧VMUの下降が始まった時点で、高電位側の半導体スイッチング素子SWUHがON状態になるように、ゲートドライバ106を介してゲート電圧を操作する(:高電位側SWオン操作e3)。 Here, first low-potential-side semiconductor switching element SWUL operates the gate voltage so that the OFF state (: low potential side SW off operation a3), to measure the midpoint voltage V MU simultaneously (: midpoint voltage falling Determination b3). In this case, since the load current I U is positive, a regenerative current (I U ) flows through the semiconductor switching element SWUL on the low potential side. Since the state where the regenerative manner was flowing in the semiconductor switching element SWUL OFF state of the low potential side, the midpoint voltage V MU is lowered. Therefore, can be regarded as the change to the OFF state of the low potential side of the semiconductor switching element SWUL is completed if a so-called dead time of the midpoint voltage V MU even within a period of lowered Hajimare. Therefore, when the falling began the midpoint voltage V MU, as semiconductor switching devices SWUH the high potential side is turned ON to operate the gate voltage via a gate driver 106 (: high potential side SW ON Operation e3).
中点電圧VMUの低下の目安としては、半導体スイッチング素子の導通時電圧降下(on電圧)の数倍程度に設定するのが適当である。こうすることにより、低電位側の半導体スイッチング素子SWULがOFF状態になってから短い時間内に高電位側の半導体スイッチング素子SWUHが導通し、負荷電流IU は高電位側の半導体スイッチング素子SWUHを通して負荷に対して円滑に供給される。 As a guideline for lowering the midpoint voltage VMU , it is appropriate to set it to be several times the voltage drop (on voltage) when the semiconductor switching element is conductive. Thereby, the low-potential side semiconductor switching element SWUL conducts the high potential side of the semiconductor switching devices SWUH within a short time from when the OFF state, the load current I U, through the semiconductor switching devices SWUH the high potential side Smoothly supplied to the load.
そして、この処理方式により、電源短絡状態に起因するシュートスルー電流の発生を防止しつつ、従来方式においては具備されていたフライホイールダイオードの高いon電圧による大きなon損失の発生を抑制できる。また、フライホイールダイオード自体が設置されていないことにより、前述の従来の逆方向リカバリ電流がなくなり、それに起因する電源短絡状態の発生が防止され、その分のスイッチング損失も抑制される。 And by this processing method, generation | occurrence | production of the big on loss by the high on voltage of the flywheel diode with which the conventional method was equipped can be suppressed, preventing generation | occurrence | production of the shoot through current resulting from a power supply short circuit state. Further, since the flywheel diode itself is not installed, the above-described conventional reverse recovery current is eliminated, the occurrence of a power supply short-circuit state resulting therefrom is prevented, and the switching loss corresponding to that is suppressed.
(ケース4)
中点電圧操作方向 : 低⇒高
負荷電流 : 負
この場合の操作(ゲート制御)も、低電位側の半導体スイッチング素子SWULがON状態であったものを、高電位側の半導体スイッチング素子SWUHがON状態になるように切り替える操作である。
(Case 4)
Midpoint voltage operation direction: Low ⇒ High
Load current: negative The operation (gate control) in this case is also an operation for switching the semiconductor switching element SWUL on the low potential side so that the semiconductor switching element SWUH on the high potential side is turned on. .
ここでは、先ず低電位側の半導体スイッチング素子SWULがOFF状態になるようにゲート電圧を操作し(:低電位側SWオフ操作a4)、同時に中点電圧VMUを測定する(:中点電圧上昇判定b4)。いわゆるデッドタイムの期間内であっても中点電圧VMUの上昇が始まれば 低電位側の半導体スイッチング素子SWULのOFF状態への変化が完了したと見做すことが出来るので、その時、高電位側の半導体スイッチング素子SWUHがON状態になるように、ゲートドライバ106を介してゲート電圧を操作する(:高電位側SWオン操作e4)。
Here, first low-potential-side semiconductor switching element SWUL operates the gate voltage so that the OFF state (: low potential side SW off operation a4), to measure a midpoint voltage V MU simultaneously (: midpoint voltage rise Determination b4). Since it can be regarded as a change to the low potential side of the semiconductor switching element SWUL OFF state is completed if rises the midpoint voltage V MU be within the period of the so-called dead time starts, at that time, a high potential The gate voltage is manipulated via the
中点電圧VMUの上昇の目安としては、電源電圧の約1〜2割程度に設定するのが適当である。こうすることにより、低電位側の半導体スイッチング素子SWULがOFF状態になってから短時間内に高電位側の半導体スイッチング素子SWUHが導通し、回生的電流IU は高電位側の半導体スイッチング素子SWUHを通して、円滑に流れ続けることが出来る。 As a guideline for the rise of the midpoint voltage VMU , it is appropriate to set it to about 10 to 20% of the power supply voltage. Thereby, the low-potential side semiconductor switching element SWUL is rendered conductive semiconductor switching device SWUH of the high-potential-side in a short time from when the OFF state, the regenerative amperometric I U semiconductor switching element having a high potential side SWUH It can continue to flow smoothly through.
そして、この処理方式により、電源短絡状態に起因するシュートスルー電流の発生を防止しつつ、従来方式においては具備されていたフライホイールダイオードの高いon電圧による大きなon損失の発生を抑制できる。また、フライホイールダイオード自体が設置されていないことにより、前述の従来の逆方向リカバリ電流がなくなり、それに起因する電源短絡状態の発生が防止され、その分のスイッチング損失も抑制される。 And by this processing method, generation | occurrence | production of the big on loss by the high on voltage of the flywheel diode with which the conventional method was equipped can be suppressed, preventing generation | occurrence | production of the shoot through current resulting from a power supply short circuit state. Further, since the flywheel diode itself is not installed, the above-described conventional reverse recovery current is eliminated, the occurrence of a power supply short-circuit state resulting therefrom is prevented, and the switching loss corresponding to that is suppressed.
以上のゲート制御の論理(ゲート操作)を具体的に実行するための制御手順を図4に例示する。なお、以上のゲート制御の論理に関する記述は各相共通であるので、以下でも、図3の第1相をU相と仮定して説明する。
図4のプログラム200は、図3のデッドタイム管理部105の第1相分の処理を実行するためのものである。ここでは、前述の高低指令信号Sを以下の2ビットの信号で定義する。
(高低指令信号S)
S = 00 : 高⇒低(SWUHがON状態であったものを、
SWULがON状態になるように切り替える操作指令)
S = 10 : 低⇒高(SWULがON状態であったものを、
SWUHがON状態になるように切り替える操作指令)
FIG. 4 illustrates a control procedure for concretely executing the above gate control logic (gate operation). Since the above description regarding the logic of gate control is common to each phase, the following description will be made assuming that the first phase in FIG. 3 is the U phase.
The
(High / Low command signal S)
S = 00: High ⇒ Low (The SWUH is in the ON state.
Operation command to switch SWUL to ON state)
S = 10: Low ⇒ High (If SWUL was in the ON state,
Operation command to switch SWUH to ON state)
プログラム200は、これらの切り替え操作が必要になった時点で、前述の各相中点電圧高低指令信号発生部104から起動される。その時、まず、最初のステップ210では、U相における現在の電流IU を各相電流測定部103から入力する。次に、ステップ220では、その電流IU の向きを判定し、IU <0ならばステップ225へ、そうでなければステップ230へ処理を移す。
The
ステップ225では、以下の様に定義される論理和演算用の2ビットのマスクパターンmpと、上記の高低指令信号Sとの論理和を各ビット対応に演算して、その結果を変数Kに格納する。この変数Kは、プログラム200の作業領域の一つとして使用する2ビットの変数である。
(マスクパターン)
mp : 01
この結果、表1に示した様に変数Kには、上記のケース1〜4の各場合毎に、次の内容が格納される。そして、以上の処理(ステップ210〜225)によって、図3のケース分け部1050を実現することができる。
(1)ケース1の場合 : K=0
(2)ケース2の場合 : K=1
(3)ケース3の場合 : K=2
(4)ケース4の場合 : K=3
In
(Mask pattern)
mp: 01
As a result, as shown in Table 1, the variable K stores the following contents for each of the cases 1 to 4 described above. And the
(1) Case 1: K = 0
(2) Case 2: K = 1
(3) Case 3: K = 2
(4) Case 4: K = 3
ステップ230では、各相中点電圧測定部102から中点電圧VMUを入力し、次のステップ235では、その値を変数V0 に退避する。ステップ240では、タイマーから現在時刻tを読み取りその値を変数T0 に退避する。これらの退避処理(ステップ230〜240)は、デッドタイム期間の開始時点におけるその初期状態を記憶しておくためのものであり、これらの退避処理によって、図3の「初期状態保存」i1,i2,i3,i4の各制御処理を同時に実現することができる。
In
次に、ステップ245では、以下の表2に示す内容に従って、指令AU(K)を実行する。この指令AU(K)(0≦K≦3)は、所定の記憶領域上に配列の形式で記憶されているもので、そこには、上記の変数Kに対応する所定の各処理を示す各指令コード(格納コード)がそれぞれ保持されている。これにより、例えば、K=0の場合には、指令コードAU(0)が選択されて、半導体スイッチング素子SWUHをOFF状態にする操作が、ゲートドライバ106を介して実行される。
Next, in
なお、この処理は、図3の「オフ操作」a1,a2,a3,a4の各制御処理に相当している。
This process corresponds to each control process of “OFF operation” a1, a2, a3, a4 in FIG.
次に、ステップ250では、各相中点電圧測定部102から中点電圧VMUを入力する。そして、ステップ255では、次式(1)に示す判定処理1を行い、この関係が成り立てばステップ265へ、そうでなければステップ260へ処理を移す。
(判定処理1)
|VMU−V0 |>D(K) …(1)
ただし、ここで、閾値D(K)は、所定の記憶領域に配列の形式で以下の様に定義しておくものとする。
(配列D(K)の定義)
D(0)=α (αは、電源電圧の15%の値)
D(1)=β (βは、SWUHの通電時の電圧降下量の4倍の値)
D(2)=β
D(3)=α
なお、この処理(ステップ250〜255)は、図3の中点電圧に関する判定処理b1,b2,b3,b4に相当している。言い換えれば、この様な配列の定義によって、本発明の第1の電圧昇降判定手段と第2の電圧昇降判定手段とが、ステップ255によって同時に実現されている。
Next, in
(Judgment process 1)
| V MU −V 0 |> D (K) (1)
Here, the threshold value D (K) is defined as follows in the form of an array in a predetermined storage area.
(Definition of array D (K))
D (0) = α (α is a value of 15% of the power supply voltage)
D (1) = β (β is a value that is four times the voltage drop when SWUH is energized)
D (2) = β
D (3) = α
This process (
次に、ステップ260では、次式(2)に示す判定処理2を行い、この関係が成り立てばステップ265へ、そうでなければステップ250へ処理を移す。
(判定処理2)
t−T0 >ΔT …(2)
ただし、ここで、ΔTはデッドタイムの長さの上限値を規定する閾値であり、例えば約3μ〜5μsec程度で良い。また、例えば上記の閾値D(K)などと同様にして、各ケース毎にそれぞれ個別に定義しても良い。
なお、本発明の期間計量手段に相当する図3のデッドタイム期間計量c1,c2,c3,c4は、上記のステップ240とステップ260によって構成されており、デッドタイムの長さの上限値を規定する図3のOR判定d1,d2,d3,d4は、ステップ255とステップ260との組み合わせによって実現されている。
Next, in
(Judgment process 2)
t−T 0 > ΔT (2)
Here, ΔT is a threshold value that defines an upper limit value of the length of the dead time, and may be about 3 μm to 5 μsec, for example. Further, for example, each case may be individually defined in the same manner as the threshold value D (K) described above.
The dead time period measurement c1, c2, c3, c4 in FIG. 3 corresponding to the period measurement means of the present invention is composed of the above-mentioned
最後に、ステップ265では、上記の表2に示す内容に従って、指令BU(K)を実行する。この指令BU(K)(0≦K≦3)は、所定の記憶領域上に配列の形式で記憶されているもので、そこには、上記の変数Kに対応する所定の各処理を示す各指令コード(格納コード)がそれぞれ保持されている。これにより、例えば、K=0の場合には、指令コードBU(0)が選択されて、半導体スイッチング素子SWULをON状態にする操作が、ゲートドライバ106を介して実行される。
なお、この処理は、図3のオフ操作e1,e2,e3,e4に相当している。
Finally, in
This process corresponds to the off operations e1, e2, e3, and e4 in FIG.
以上の制御手順に従えば、前述のゲート制御の論理(ゲート操作)を具体的に実行することができる。また、以上の制御手順は各相共通であるので、その他の相についても上記の第1相(U相)と同様に制御することができる。そして、これらの制御により、電源短絡状態に起因するシュートスルー電流の発生を防止しつつ、従来方式においては具備されていたフライホイールダイオードの高いon電圧による大きなon損失の発生を抑制できる。また、フライホイールダイオード自体が設置されていないことにより、前述の従来の逆方向リカバリ電流がなくなり、それに起因する電源短絡状態の発生が防止され、その分のスイッチング損失も抑制される。 According to the above control procedure, the above-described gate control logic (gate operation) can be specifically executed. Further, since the above control procedure is common to each phase, the other phases can be controlled in the same manner as the first phase (U phase). And by these controls, generation | occurrence | production of the big on loss by the high on voltage of the flywheel diode comprised in the conventional system can be suppressed, preventing generation | occurrence | production of the shoot through current resulting from a power supply short circuit state. Further, since the flywheel diode itself is not installed, the above-described conventional reverse recovery current is eliminated, the occurrence of a power supply short-circuit state resulting therefrom is prevented, and the switching loss corresponding to that is suppressed.
また、インバータの主要構成となる双方向性の半導体スイッチング素子として、ワイドバンドギャップ半導体により構成された高耐圧でon抵抗の低い半導体スイッチング素子を用いれば、数百ボルト程度以上の比較的高い電源電圧のインバータを低損失で実現することも可能となる。また、出力の相数は、主回路101の構成に応じて任意に増減させることもできる。また、先にも言及した様に、これらの制御処理は、勿論ハードウェアで実現しても良い。
Moreover, if a semiconductor switching element having a high breakdown voltage and a low on-resistance composed of a wide band gap semiconductor is used as a bidirectional semiconductor switching element which is a main component of the inverter, a relatively high power supply voltage of about several hundred volts or more. The inverter can be realized with low loss. Further, the number of output phases can be arbitrarily increased or decreased according to the configuration of the
例えば以上の様に、本発明によれば、双方向電流制御の可能なスイッチング素子を用いて構成したインバータにおいて、フライホイールダイオードの並列接続をせずに、インバータアームの一方のスイッチング素子を導通状態から非導通状態に切り替える時に遅滞無く他方のスイッチング素子を非導通状態から導通状態に切り替えることにより、回生的電流をスイッチング素子に流すことができる。そして、この様な制御方式に従えば、ショートスルー電流の発生防止と、電動機電流の時間微分値を小さく抑制することの双方を両立することができる。
また、この発明により、フライホイールダイオードを省くことが可能になることから、本発明に基づくインバータにおいては、高価な主回路素子数の半減が可能となり、これによって、インバータコストの大幅低減を図ることができる。
For example, as described above, according to the present invention, in an inverter configured using switching elements capable of bidirectional current control, one switching element of the inverter arm is in a conductive state without parallel connection of flywheel diodes. By switching the other switching element from the non-conducting state to the conducting state without delay when switching from the non-conducting state to the non-conducting state, a regenerative current can be passed through the switching element. According to such a control method, it is possible to achieve both the prevention of the occurrence of a short-through current and the suppression of the time differential value of the motor current.
In addition, since the present invention makes it possible to omit flywheel diodes, the number of expensive main circuit elements can be halved in the inverter according to the present invention, thereby significantly reducing the inverter cost. Can do.
〔その他の変形例〕
本発明の実施形態は、上記の形態に限定されるものではなく、その他にも以下に例示される様な変形を行っても良い。この様な変形や応用によっても、本発明の作用に基づいて本発明の効果を得ることができる。
(変形例1)
例えば、上記の実施例1では、主回路に用いる各半導体スイッチング素子には、浮遊ダイオードが寄生していないが、用いる半導体スイッチング素子には、故意に設けられる通常のフライホイールダイオードと略同等の作用を奏する浮遊ダイオードが、意図しなくとも寄生している場合がある。しかしながら、本発明は、その様な浮遊ダイオードの寄生を甘受できないものではなく、その様な半導体スイッチング素子を使用したインバータにおいても、本発明に基づいて上記の実施例1と略同等の作用・効果を得ることができる。
しかし、少なくとも、逆方向リカバリ電流を排除することによってスイッチング損失を削減する観点や、回生的電流に伴うon損失を削減する観点から言えば、その様な浮遊ダイオードは、極力各半導体スイッチング素子に寄生していないことが望ましい。
[Other variations]
The embodiment of the present invention is not limited to the above-described embodiment, and other modifications as exemplified below may be made. Even with such modifications and applications, the effects of the present invention can be obtained based on the functions of the present invention.
(Modification 1)
For example, in the first embodiment, each semiconductor switching element used in the main circuit has no parasitic diode, but the semiconductor switching element used has substantially the same function as a normal flywheel diode provided intentionally. In some cases, the floating diode that performs the above is parasitic even if not intended. However, the present invention does not accept the parasitic nature of such a floating diode, and even in an inverter using such a semiconductor switching element, the operation and effect substantially equivalent to those of the first embodiment based on the present invention are provided. Can be obtained.
However, at least from the viewpoint of reducing switching loss by eliminating the reverse recovery current and reducing the on-loss associated with regenerative current, such a floating diode is parasitic on each semiconductor switching element as much as possible. It is desirable not to.
本発明のインバータでは、その主回路用として双方向性の半導体スイッチング素子を用いるが、本発明の損失低減技術は、電源電圧の高低に関わらず有効な技術である。即ち、本発明は、数十ボルト程度の比較的低い電源電圧のインバータのみに限定的に適用すべきものではなく、本発明は、そうした低い電源電圧のインバータから数百ボルト程度以上の比較的高い電源電圧のインバータの損失低減にも好適である。
したがって、本発明は、インバータ制御電動機を用いている広範な産業界に大きく寄与することができる。
In the inverter of the present invention, a bidirectional semiconductor switching element is used for the main circuit, but the loss reduction technique of the present invention is an effective technique regardless of the level of the power supply voltage. That is, the present invention should not be limited to an inverter having a relatively low power supply voltage of about several tens of volts, and the present invention can be applied to a relatively high power supply of about several hundred volts or more from such a low power supply voltage inverter. It is also suitable for reducing the loss of voltage inverters.
Therefore, the present invention can greatly contribute to a wide range of industries using inverter-controlled motors.
100 : インバータ
101 : 主回路
102 : 各相中点電圧測定部
103 : 各相電流測定部
104 : 各相中点電圧高低指令信号発生部
105 : デッドタイム管理部
106 : ゲートドライバ
DESCRIPTION OF SYMBOLS 100: Inverter 101: Main circuit 102: Each phase midpoint voltage measurement part 103: Each phase current measurement part 104: Each phase midpoint voltage high / low command signal generation part 105: Dead time management part 106: Gate driver
Claims (2)
前記第1半導体スイッチング素子と前記第2半導体スイッチング素子との接続点の電圧を中点電圧として各相毎に測定する中点電圧測定手段と、
各相の電流の向きを、前記直流電源から前記負荷側へ流れる向きを正、前記負荷から前記直流電源側に流れる向きを負として、検出する電流検出手段と、
前記第1半導体スイッチング素子と前記第2半導体スイッチング素子とが両方同時にOFF状態となるデッドタイムの長さを各相毎に、前記電流の向き及び前記電圧に基づいて適応制御するデッドタイム管理手段と
を有し、
前記デッドタイム管理手段は、
前記電流検出手段により検出された前記電流の向きが正の場合においては、
前記第1半導体スイッチング素子がON状態で且つ前記第2半導体スイッチング素子がOFF状態である状態から、前記第2半導体スイッチング素子のOFF状態を持続した状態で、前記第1半導体スイッチング素子をOFF状態とするOFF指令信号を出力した時点から前記中点電圧測定手段により測定された前記中点電圧の降下の変位量が、前記直流電源の電圧の1割以上2割以下の値に至った時点で、前記第2半導体スイッチング素子をON状態とするON指令信号を出力し、
前記第1半導体スイッチング素子がOFF状態で且つ前記第2半導体スイッチング素子がON状態である状態から、前記第1半導体スイッチング素子のOFF状態を持続した状態で、前記第2半導体スイッチング素子をOFF状態とするOFF指令信号を出力した時点から前記中点電圧測定手段により測定された前記中点電圧の降下の変位量が、前記第2半導体スイッチング素子の導通時の電圧降下量の2倍以上の値に至った時点で、前記第1半導体スイッチング素子をON状態とするON指令信号を出力し、
前記電流検出手段により検出された前記電流の向きが負の場合においては、
前記第1半導体スイッチング素子がON状態で且つ前記第2半導体スイッチング素子がOFF状態である状態から、前記第2半導体スイッチング素子のOFF状態を持続した状態で、前記第1半導体スイッチング素子をOFF状態とするOFF指令信号を出力した時点から前記中点電圧測定手段により測定された前記中点電圧の上昇の変位量が、前記第1半導体スイッチング素子の導通時の電圧降下量の2倍以上の値に至った時点で、前記第2半導体スイッチング素子をON状態とするON指令信号を出力し、
前記第1半導体スイッチング素子がOFF状態で且つ前記第2半導体スイッチング素子がON状態である状態から、前記第1半導体スイッチング素子のOFF状態を持続した状態で、前記第2半導体スイッチング素子をOFF状態とするOFF指令信号を出力した時点から前記中点電圧測定手段により測定された前記中点電圧の上昇の変位量が、前記直流電源の電圧の1割以上2割以下の値に至った時点で、前記第1半導体スイッチング素子をON状態とするON指令信号を出力する
ようにしたことを特徴とするインバータ。 A bidirectional semiconductor switching element capable of flowing a current bidirectionally in an ON state, wherein the first semiconductor switching element is disposed on the high potential side and the second semiconductor is disposed on the low potential side. In an inverter in which a pair of semiconductor switching elements each consisting of a series connection with a switching element are connected in parallel to a DC power source for each phase , and a current flows between the DC power source and a load ,
A midpoint voltage measuring means for measuring, for each phase, a voltage at a connection point between the first semiconductor switching element and the second semiconductor switching element as a midpoint voltage;
Current detection means for detecting the direction of the current of each phase, with the direction flowing from the DC power supply to the load side being positive, and the direction flowing from the load to the DC power supply side being negative ,
Dead time management means for adaptively controlling, for each phase, the length of the dead time during which both the first semiconductor switching element and the second semiconductor switching element are simultaneously turned off based on the direction of the current and the voltage Have
The dead time management means includes
In the case where the direction of the current detected by the current detection means is positive,
When the first semiconductor switching element is in the ON state and the second semiconductor switching element is in the OFF state, the first semiconductor switching element is in the OFF state while the OFF state of the second semiconductor switching element is maintained. When the displacement amount of the drop in the midpoint voltage measured by the midpoint voltage measuring means from the time when the OFF command signal is output reaches a value of 10% to 20% of the voltage of the DC power supply, An ON command signal for turning on the second semiconductor switching element;
When the first semiconductor switching element is in the OFF state and the second semiconductor switching element is in the ON state, the second semiconductor switching element is in the OFF state in a state in which the OFF state of the first semiconductor switching element is maintained. The amount of displacement of the midpoint voltage drop measured by the midpoint voltage measuring means from the time when the OFF command signal to be output is more than twice the value of the voltage drop when the second semiconductor switching element is conductive. When it reaches, an ON command signal for turning on the first semiconductor switching element is output,
In the case where the direction of the current detected by the current detection means is negative,
When the first semiconductor switching element is in the ON state and the second semiconductor switching element is in the OFF state, the first semiconductor switching element is in the OFF state while the OFF state of the second semiconductor switching element is maintained. A displacement amount of the rise of the midpoint voltage measured by the midpoint voltage measuring means from the time when the OFF command signal is output is a value more than twice the amount of voltage drop when the first semiconductor switching element is conductive. When it reaches, an ON command signal for turning on the second semiconductor switching element is output,
When the first semiconductor switching element is in the OFF state and the second semiconductor switching element is in the ON state, the second semiconductor switching element is in the OFF state in a state in which the OFF state of the first semiconductor switching element is maintained. When the displacement amount of the rise of the midpoint voltage measured by the midpoint voltage measuring means from the time when the OFF command signal is output reaches a value of 10% to 20% of the voltage of the DC power supply, An ON command signal for turning on the first semiconductor switching element is output.
An inverter characterized by doing so .
前記デッドタイムの長さの上限値を規定するための期間計量手段を有する
ことを特徴とする請求項1に記載のインバータ。 The dead time management means includes
The inverter according to claim 1 , further comprising a period measuring unit for defining an upper limit value of the length of the dead time.
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