JP4973363B2 - Output voltage detection circuit for power converter - Google Patents
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Description
本発明は、例えば電動機を駆動するPWMインバータ等の各種電力変換装置の出力電圧を検出するための出力電圧検出回路に関するものである。 The present invention relates to an output voltage detection circuit for detecting an output voltage of various power converters such as a PWM inverter that drives an electric motor.
図6は、電力変換装置の一例であるPWMインバータINVの主回路構成図であり、300は直流電源、301〜306は環流ダイオードが逆並列に接続されたIGBT等の電力用半導体スイッチング素子である。PWMインバータの動作原理は周知であるため、ここでは、その動作原理の説明は省略する。 FIG. 6 is a main circuit configuration diagram of a PWM inverter INV which is an example of a power conversion device, in which 300 is a DC power supply, and 301 to 306 are power semiconductor switching elements such as IGBTs having freewheeling diodes connected in antiparallel. . Since the operating principle of the PWM inverter is well known, the description of the operating principle is omitted here.
一般にPWMインバータにおいては、装置を構成するスイッチング素子のオン電圧降下やスイッチングタイミングの遅れ等により、出力電圧指令に対して実際の出力電圧に誤差電圧が発生する。このため、PWMインバータによって電動機等の高速かつ高精度な制御を実現するには、インバータの出力電圧を用いてフィードバック制御を行う必要があり、その際に、インバータの出力電圧を高速かつ高精度に検出してそのアナログ検出値をディジタル量に変換するA/D変換回路が必要になる。 In general, in a PWM inverter, an error voltage is generated in an actual output voltage with respect to an output voltage command due to an on-voltage drop of a switching element constituting the device, a delay in switching timing, or the like. For this reason, in order to achieve high-speed and high-precision control of an electric motor or the like with a PWM inverter, it is necessary to perform feedback control using the output voltage of the inverter. An A / D conversion circuit that detects and converts the analog detection value into a digital quantity is required.
ここで、図7は、非特許文献1に記載されている三相電圧形PWMインバータの出力電圧検出回路のブロック図であり、図8はその動作波形図である。
図7では、PWMインバータINVの回路構成を一部省略して出力1相分のみを示してあり、電圧検出回路の基準となる電位(グラウンド電位)は、インバータINVの直流電源300の負極側電位と同一としている。
Here, FIG. 7 is a block diagram of an output voltage detection circuit of the three-phase voltage source PWM inverter described in
In FIG. 7, the circuit configuration of the PWM inverter INV is partially omitted and only one output phase is shown, and the potential (ground potential) serving as the reference of the voltage detection circuit is the negative side potential of the
図7において、101はスイッチング素子302の両端に接続された分圧回路、SW0,SW1はスイッチ(グラウンド側に接続されている状態をオフ状態とする)、102は減算回路、103は積分回路、104はゼロクロスコンパレータ、105はオンオフ検出コンパレータ、106は電圧検出制御回路、106a,107bはカウンタである。
In FIG. 7, 101 is a voltage dividing circuit connected to both ends of the
この従来技術の動作を、図8を参照しながら以下に説明する。
まず、図7の電圧検出回路は、PWMインバータINVの三角波キャリアの頂点を1周期Tの開始時刻(図8におけるt=0)とし、キャリア1周期におけるインバータINVの出力電圧(図7におけるインバータINVの出力端子Uとグラウンドとの間の電圧)の平均値をディジタル量として検出するものである。
The operation of this prior art will be described below with reference to FIG.
First, the voltage detection circuit in FIG. 7 sets the apex of the triangular wave carrier of the PWM inverter INV as the start time of one cycle T (t = 0 in FIG. 8), and the output voltage of the inverter INV in the carrier cycle (inverter INV in FIG. 7). The average value of the voltage between the output terminal U and the ground) is detected as a digital quantity.
その検出動作の具体的な内容は以下の通りである。
(1)動作1
電圧検出制御回路106は、図示されていない制御回路から入力されるキャリア同期信号により三角波キャリアの頂点を認識すると、スイッチSW0をオンさせて分圧回路101による分圧電圧viを周期Tの間、減算回路102の+側に入力可能とする。これと同時に、分圧電圧viの立ち上がりを計測するためのカウンタ106aがクロック信号のカウントを開始する。このとき、スイッチSW1はオフ状態であり、グラウンド側に接続されている。
The specific contents of the detection operation are as follows.
(1)
Voltage
(2)動作2
上記カウンタ106aは、分圧電圧viが入力されているオンオフ検出コンパレータ105の出力により、分圧電圧viの立ち上がりまでの時間t1(図8参照)をカウントし、動作を停止する。
(2)
The
(3)動作3
動作2により得られたt1の2倍の時間2t1が経過した後、スイッチSW1をオンさせて基準電圧VREFを減算回路102の−側へ入力する。これと同時に、基準電圧VREFを入力した時間を計測するカウンタ106bがクロック信号のカウントを開始する。
なお、積分回路103には、時間t1が経過した時から分圧電圧viが入力されており、時間2t1が経過した後には、分圧電圧viと基準電圧VREFとの差の電圧が入力されることになるので、積分回路103の出力電圧は図8に示すような値となる。
(3)
After a time 2t 1 that is twice t 1 obtained by the
Note that the
(4)動作4
時間(T−t1)において分圧電圧viが立ち下がった後は、積分回路103への入力は−VREFのみとなり、図8に示す如く積分回路103の出力電圧は減少する。
(4)
After the divided voltage v i falls at time (T−t 1 ), the input to the
(5)動作5
時間(2t1+t2)が経過して積分回路103の出力電圧が0Vになると、ゼロクロスコンパレータ104から出力されたゼロクロス検出信号が電圧検出制御回路106に入力される。電圧検出制御回路106は、スイッチSW1をオフさせて減算回路102への基準電圧VREFの入力を停止すると共に、基準電圧入力時間計測用のカウンタ106bの動作を停止する。なお、スイッチSW1のオフに先立ち、時間Tが経過した時点でスイッチSW0はオフとなっている。
(5)
When the time (2t 1 + t 2 ) elapses and the output voltage of the
以上の動作により、キャリア1周期における分圧電圧viの平均値Vi(後述する数式ではViの上部に「 ̄」を付してあるが、本文上では省略する)を基準電圧VREFの関数として表現することができ、上記平均値Viに分圧回路101の分圧比を乗じればインバータ1相分の出力電圧の平均値を検出することができる。
With the above operation, (although the formulas described below are denoted by the "¯" to the top of the V i, omitted on body) divided voltage v i mean V i of the
次に、上述した動作を、数式を用いて以下に説明する。
前記分圧電圧viに関する積分回路103出力電圧は、数式1によって表すことができる。但し、RCは積分時定数である。
Next, the above-described operation will be described below using mathematical expressions.
The output voltage of the integrating
また、基準電圧VREFに関する積分回路103の出力電圧は、数式2によって表せる。
Further, the output voltage of the
時間(2t1+t2)が経過した時の数式1と数式2の和が0であるから、数式3が成立する。 Since the sum of Formula 1 and Formula 2 when time (2t 1 + t 2 ) has elapsed is 0, Formula 3 is satisfied.
従って、キャリア1周期における分圧電圧viの平均値Viは、数式4によって表せる。つまり、T及びVREFは既知であるから、スイッチSW1による基準電圧VREFの入力時間t2を測定することによって平均値Viを求めることができる。
Therefore, the average value V i of the divided voltage v i in one carrier cycle can be expressed by
ここで、出力電圧の検出精度について考察する。
上記の出力電圧検出回路を、最大1.5T(=1.5キャリア周期)で検出が終了するように設計した場合、基準電圧VREFの入力時間t2も理想的には最大1.5Tまでとることが可能となる。
このとき、数式4に基づいて、平均値Viの最大検出電圧Vimaxは数式5によって表される。
Here, the detection accuracy of the output voltage will be considered.
An output voltage detection circuit described above, when the detected maximum 1.5T (= 1.5 carrier cycle) was designed to end, up to 1.5T to the input time of the reference voltage V REF t 2 also ideal It is possible to take.
At this time, based on
一方、平均値Viの最小検出電圧Viminはカウンタ106bの1クロック周期Tcになるから、数式4に基づいて、数式6となる。
On the other hand, since the minimum detection voltage V imin of the average value V i becomes one clock cycle T c of the
従って、数式4,数式6に基づいて、平均値Viの最小検出電圧Viminと最大検出電圧Vimaxとの関係は数式7のように表される。
Therefore, based on
上述した従来技術において、検出精度すなわち分解能を向上させるには、数式7から明らかなように、クロック周期Tcを小さくする、つまりクロック周波数を高くすれば良い。
しかし、現実には、電圧検出回路に用いている電子部品の特性や性能の観点からクロック周波数には上限があるので、電圧検出精度を高めることが困難である。
このため、PWMインバータの出力電圧をフィードバックして電動機を高速かつ高精度に制御したい場合でも、結果として所望の制御性能が得られないという問題があった。
In the above-described prior art, in order to improve the detection accuracy, that is, the resolution, as is clear from Equation 7, the clock cycle Tc may be reduced, that is, the clock frequency may be increased.
However, in reality, the clock frequency has an upper limit from the viewpoint of the characteristics and performance of the electronic components used in the voltage detection circuit, and it is difficult to increase the voltage detection accuracy.
For this reason, even if it is desired to feed back the output voltage of the PWM inverter to control the motor at high speed and with high accuracy, there is a problem that desired control performance cannot be obtained as a result.
そこで、本発明の解決課題は、クロック周波数を高くする等の方法によらず電圧検出精度の向上を可能にした電力変換装置の出力電圧検出回路を提供することにある。 SUMMARY OF THE INVENTION An object of the present invention is to provide an output voltage detection circuit for a power converter that can improve the voltage detection accuracy regardless of a method such as increasing the clock frequency.
上記課題を解決するため、請求項1に係る発明は、電力用半導体スイッチング素子を有する電力変換装置の出力電圧検出回路において、
被検出電圧、または、被検出電圧と第1の基準電圧または第2の基準電圧との加減算結果を選択して所定の時定数により積分する積分手段と、
この積分手段の出力を第3の基準電圧と比較する第1の比較手段と、
前記積分手段の出力を第4の基準電圧と比較する第2の比較手段と、
第1の比較手段の出力をクロック信号に同期してラッチする第1のラッチ手段と、
第2の比較手段の出力を前記クロック信号に同期してラッチする第2のラッチ手段と、
第1及び第2のラッチ手段の出力、前記クロック信号、及び、前記電力変換装置のスイッチング周期に同期した同期信号が入力され、前記積分手段をリセット可能とした電圧検出制御手段と、を備え、
前記電力変換装置のスイッチング周期に同期した第1期間において、
第1のラッチ手段の出力に応じて、被検出電圧または被検出電圧と第1の基準電圧との加減算値を前記積分手段により積分し、
前記電力変換装置のスイッチング周期に同期し、かつ第1期間に連続する第2期間において、
第2のラッチ手段の出力に応じて、第1期間の終了時点における前記積分手段の出力を初期値とし、第2の基準電圧を前記積分手段により積分してその後に前記積分手段をリセットし、
第1期間における、被検出電圧と第1の基準電圧との加減算結果を積分した期間の前記クロック信号の数、あるいは、被検出電圧を積分した期間の前記クロック信号の数を第1カウント値とすると共に、
第2期間における、第2の基準電圧を積分した期間の前記クロック信号の数を第2カウント値とし、
これらの第1カウント値及び第2カウント値を用いて被検出電圧を測定するものである。
In order to solve the above problems, an invention according to
An integrating means for selecting a detected voltage, or an addition / subtraction result of the detected voltage and the first reference voltage or the second reference voltage and integrating with a predetermined time constant;
First comparing means for comparing the output of the integrating means with a third reference voltage;
Second comparing means for comparing the output of the integrating means with a fourth reference voltage;
First latch means for latching the output of the first comparison means in synchronization with the clock signal;
Second latch means for latching the output of the second comparison means in synchronization with the clock signal;
A voltage detection control means for inputting the outputs of the first and second latch means, the clock signal, and a synchronization signal synchronized with the switching period of the power converter, and enabling the integration means to be reset;
In the first period synchronized with the switching cycle of the power converter,
In accordance with the output of the first latch means, the addition or subtraction value of the detected voltage or the detected voltage and the first reference voltage is integrated by the integrating means,
In a second period that is synchronized with the switching period of the power converter and that is continuous with the first period,
In response to the output of the second latch means, the output of the integrating means at the end of the first period is set as an initial value, the second reference voltage is integrated by the integrating means, and then the integrating means is reset,
In the first period, the number of the clock signals in the period in which the addition / subtraction results of the detected voltage and the first reference voltage are integrated, or the number of the clock signals in the period in which the detected voltage is integrated is set as the first count value. And
In the second period, the number of the clock signals in the period obtained by integrating the second reference voltage is set as the second count value,
The detected voltage is measured using the first count value and the second count value.
請求項2に係る発明は、電力用半導体スイッチング素子を有する電力変換装置の出力電圧検出回路において、
被検出電圧、または、被検出電圧と第1の基準電圧との加減算結果を選択して第1または第2の積分時定数により積分する積分手段と、
この積分手段の出力を第3の基準電圧と比較する第1の比較手段と、
前記積分手段の出力を第4の基準電圧と比較する第2の比較手段と、
第1の比較手段の出力をクロック信号に同期してラッチする第1のラッチ手段と、
第2の比較手段の出力を前記クロック信号に同期してラッチする第2のラッチ手段と、
第1及び第2のラッチ手段の出力、前記クロック信号、及び、前記電力変換装置のスイッチング周期に同期した同期信号が入力され、前記積分手段をリセット可能とした電圧検出制御手段と、を備え、
前記電力変換装置のスイッチング周期に同期した第1期間において、
第1のラッチ手段の出力に応じて、被検出電圧または被検出電圧と第1の基準電圧との加減算値を前記積分手段により第1の積分時定数にて積分し、
前記電力変換装置のスイッチング周期に同期し、かつ第1期間に連続する第2期間において、
第2のラッチ手段の出力に応じて、第1期間の終了時点における前記積分手段の出力を初期値とし、第1の基準電圧を前記積分手段により第2の積分時定数にて積分してその後に前記積分手段をリセットし、
第1期間における、被検出電圧と第1の基準電圧との加減算結果を積分した期間の前記クロック信号の数、あるいは、被検出電圧を積分した期間の前記クロック信号の数を第1カウント値とすると共に、
第2期間における、第1の基準電圧を積分した期間の前記クロック信号の数を第2カウント値とし、
これらの第1カウント値及び第2カウント値を用いて被検出電圧を測定するものである。
The invention according to
An integration means for selecting the detected voltage or the addition / subtraction result of the detected voltage and the first reference voltage and integrating with the first or second integration time constant;
First comparing means for comparing the output of the integrating means with a third reference voltage;
Second comparing means for comparing the output of the integrating means with a fourth reference voltage;
First latch means for latching the output of the first comparison means in synchronization with the clock signal;
Second latch means for latching the output of the second comparison means in synchronization with the clock signal;
A voltage detection control means for inputting the outputs of the first and second latch means, the clock signal, and a synchronization signal synchronized with the switching period of the power converter, and enabling the integration means to be reset;
In the first period synchronized with the switching cycle of the power converter,
In accordance with the output of the first latch means, the detected voltage or the addition / subtraction value of the detected voltage and the first reference voltage is integrated by the integrating means with a first integration time constant,
In a second period that is synchronized with the switching period of the power converter and that is continuous with the first period,
In response to the output of the second latch means, the output of the integrating means at the end of the first period is set as an initial value, the first reference voltage is integrated by the integrating means with the second integration time constant, and then Reset the integration means to
In the first period, the number of the clock signals in the period in which the addition / subtraction results of the detected voltage and the first reference voltage are integrated, or the number of the clock signals in the period in which the detected voltage is integrated is set as the first count value. And
In the second period, the number of the clock signals in the period obtained by integrating the first reference voltage is set as the second count value,
The detected voltage is measured using the first count value and the second count value.
請求項3に係る発明は、請求項1または2に記載した電力変換装置の出力電圧検出回路において、
前記クロック信号の周波数が、前記電力変換装置のスイッチング周波数の整数倍であることを特徴とする。
The invention according to
The frequency of the clock signal is an integral multiple of the switching frequency of the power converter.
請求項4に係る発明は、請求項1〜3の何れか1項に記載した電力変換装置の出力電圧検出回路において、第1期間における第1のラッチ手段の出力と第2期間における第2のラッチ手段の出力との論理和信号を、絶縁手段を介して前記電圧検出制御手段に伝送するものである。
The invention according to
請求項5に係る発明は、請求項1〜4の何れか1項に記載した電力変換装置の出力電圧検出回路において、前記被検出電圧が、電力変換装置としてのインバータの出力電圧を分圧した電圧であることを特徴とする。
The invention according to
本発明によれば、クロック周波数を高くする方法によらずに電圧検出精度を高めることができ、電力変換装置により電動機を駆動する場合の制御性能を向上させることが可能となる。 According to the present invention, it is possible to improve the voltage detection accuracy regardless of the method of increasing the clock frequency, and it is possible to improve the control performance when the electric motor is driven by the power converter.
以下、図に沿って本発明の実施形態を説明する。まず、図1は請求項1に係る本発明の第1実施形態の構成を示すブロック図である。
図1では、図7と同様に、PWMインバータINVはその回路構成を一部省略して出力1相分のみを示してあり、電圧検出回路の基準となる電位(グラウンド電位)は、インバータINVの直流電源300の負極側電位と同一である。また、電圧検出回路の各構成要素において、図7と同一のものには同一の記号を付してある。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 1 is a block diagram showing a configuration of a first embodiment of the present invention according to
In FIG. 1, as in FIG. 7, the PWM inverter INV partially omits its circuit configuration and shows only one phase of output, and the potential (ground potential) serving as a reference for the voltage detection circuit is the inverter INV. This is the same as the negative side potential of the
図1において、SW0はキャリア同期信号VCARによってオン・オフし、分圧電圧viとグラウンド電位とを切り換えて出力するスイッチ、SW1,SW2は後述するラッチ回路208,210の出力によってオン・オフし、予め設定された第1の基準電圧VREF1,第2の基準電圧VREF2とグラウンド電位とを切り換えて出力するスイッチである。ここで、スイッチSW0,SW1,SW2はグラウンド側に接続されている状態をオフ状態とする。
また、202は各スイッチSW0,SW1,SW2の出力電圧が図示の符号で入力されて演算を行う減算回路、203は減算回路202の出力側に接続された積分回路である。
In Figure 1, SW 0 is turned on and off by the carrier sync signal V CAR, switch for switching and outputting the divided voltage v i and the ground potential, SW 1, SW 2 by the output of the
207は積分回路203の出力電圧vsと第3の基準電圧VREF3とを比較する第1のコンパレータ、208はキャリア同期信号VCAR及びクロック信号VCLKが入力され、キャリア同期信号VCARに基づき、最初のキャリア周期Tの間にコンパレータ207の出力をラッチする第1のラッチ回路、209は積分回路203の出力電圧vsと第4の基準電圧VREF4とを比較する第2のコンパレータ、210はNOT回路215を介したキャリア同期信号VCAR及びクロック信号VCLKが入力され、キャリア同期信号VCARに基づき、次のキャリア周期の間にコンパレータ209の出力をラッチする第2のラッチ回路である。
上記ラッチ回路208,210の出力は、それぞれ、スイッチSW1,SW2及び電圧検出制御回路206に入力されている。
207 The first comparator for comparing the output voltage v s and the third reference voltage V REF3 of the
The outputs of the
なお、電圧検出制御回路206において、206aはクロック信号VCLKの数n1onをカウントするカウンタ、206bはクロック信号VCLKの数n2onをカウントするカウンタである。
また、電圧検出制御回路206から出力されるリセット信号VRSTが前記積分回路203に入力されている。
Incidentally, in the voltage
Further, the reset signal V RST output from the voltage
次に、この実施形態における出力電圧検出動作を、図2を参照しつつ以下に説明する。
(1)動作1
電圧検出制御回路206は、キャリア同期信号VCARにより三角波キャリアの頂点を認識すると、スイッチSW0をオンし、分圧回路101による分圧電圧viをキャリア周期Tの間、減算回路202の+側に入力可能とする。
このとき、スイッチSW1はオフされており、減算回路202の一方の−側をグラウンド電位に保っている。また、スイッチSW2は、キャリア周期Tの間は継続してオフされており、減算回路202の他方の−側をグラウンド電位に保っている。
これにより、積分回路203は分圧電圧viの積分を行うので、分圧電圧vi(PWMパルス)が立ち上がった時点以降は、図2に示す如く積分回路203の出力が増加する。
Next, the output voltage detection operation in this embodiment will be described below with reference to FIG.
(1)
Voltage
At this time, the switch SW1 is off, and one minus side of the
As a result, the
(2)動作2
積分回路203の出力電圧が第3の基準電圧VREF3より大きくなると、コンパレータ207の出力がHigh(ハイ)レベルになり、その出力はラッチ回路208によりクロック信号VCLKに同期してラッチされる。
(2)
When the output voltage of the integrating
(3)動作3
ラッチ回路208の出力がHighレベルになると、スイッチSW1がオンして減算回路202の−側に第1の基準電圧VREF1を入力するので、積分回路203には、分圧電圧viと第1の基準電圧VREF1との差電圧(vi−VREF1)が入力されることになり、積分回路203はこの差電圧(vi−VREF1)を積分する。このとき、図2に示すように、差電圧(vi−VREF1)が負となるように設計しておけば、積分回路203の出力電圧は、スイッチSW1がオンしている期間、減少する。
(3)
When the output of the
(4)動作4
動作3により、積分回路203の出力電圧が第3の基準電圧VREF3より小さくなると、コンパレータ207の出力がLow(ロー)レベルとなり、その出力はラッチ回路208によりクロック信号VCLKに同期してラッチされる。
(4)
When the output voltage of the
(5)動作5
ラッチ回路208の出力がLowレベルになると、スイッチSW1はオフされるため、積分回路203には分圧電圧viのみが入力され、図2に示すように積分回路203の出力電圧は再び増加し始める。
(5)
When the output of the
(6)動作6
電圧検出制御回路206は、次の三角波キャリアの頂点を認識すると、次のキャリア周期Tの間、スイッチSW0をオフして減算回路202の+側をグラウンド電位とする。また、ラッチ回路208がキャリア同期信号VCARに基づいて動作しなくなるので、スイッチSW1をオフして減算回路202の一方の−側をグラウンド電位とする。一方、ラッチ回路210がキャリア同期信号VCARに基づいて動作するので、スイッチSW2をオンして減算回路202の他方の−側に第2の基準電圧VREF2を入力する。これによって積分回路203の入力は−VREF2となり、その出力電圧は減少を始める。
(6) Operation 6
When the voltage
(7)動作7
動作6により、積分回路203の出力電圧が第4の基準電圧VREF4(この基準電圧VREF4は第3の基準電圧VREF3より低く設計する必要があり、本実施形態では0Vとしている)より低くなると、コンパレータ209の出力がLowレベルとなり、その出力はラッチ回路210によりクロック信号VCLKに同期してラッチされる。
(7) Operation 7
Due to the operation 6, the output voltage of the integrating
(8)動作8
動作7が終了すると、電圧検出制御回路206の動作により、スイッチSW0,SW1,SW2をいずれもオフして減算回路202の+側、−側をすべてグラウンド電位にすると共に、リセット信号VRSTにより積分回路203をリセットし、更に次の三角波キャリアの頂点を認識するまで待機する。
(8) Operation 8
When the operation 7 is completed, the switches SW 0 , SW 1 , and SW 2 are all turned off by the operation of the voltage
以上の動作により、分圧電圧viの平均値Viを第1,第2の基準電圧VREF1,VREF2の関数として表現することができ、上記平均値Viに分圧回路101の分圧比を乗じればインバータ1相分の出力電圧の平均値を検出することができる。
以下に、上記平均値Viの算出原理を数式により説明する。
By the above operation, the average value V i of the divided voltage v i first, can be expressed as a function of the second reference voltage V REF1, V REF2, minute
Hereinafter, the calculation principle of the average value V i will be described using mathematical expressions.
1回目のキャリア周期(第1期間という)内において、クロック信号VCLKに同期してスイッチSW1がオンしたすべての時間をt1on、オフしたすべての時間をt1offとし、また、1回目のキャリア周期における分圧電圧viの平均値をViとすると、1回目のキャリア終了時点における積分回路203の出力電圧vS1は数式8によって表せる。ただし、CRは積分時定数である。
In the first carrier cycle (referred to as a first period), all the time t 1on the switch SW 1 in synchronism with the clock signal V CLK is turned on, all the time off the t 1Off, also first When the average value of the divided voltage v i in the carrier cycle is V i , the output voltage v S1 of the
一方、2回目のキャリア周期(第2期間という)において、2回目のキャリア周期開始時点から積分回路203の出力vSが0Vとなるまでの時間をt2onとすると、数式9が成立する。
On the other hand, if the time from the start of the second carrier cycle to the time when the output v S of the integrating
ここで、キャリア周期Tと1回目のキャリア周期におけるスイッチSW1のオン・オフ時間t1on,t1offとの間には、数式10の関係が成り立つ。よって、数式9は数式11のようになる。 Here, the relationship of Formula 10 is established between the carrier cycle T and the on / off times t 1on and t 1off of the switch SW 1 in the first carrier cycle. Therefore, Expression 9 becomes Expression 11.
また、1回目のキャリア周期において、クロック信号VCLKに同期してスイッチSW1がオンした時のクロック信号VCLKの数をn1on、2回目のキャリア周期開始時から積分回路203の出力が0Vになるまでのクロック信号VCLKの数をn2onとすると、数式12,数式13の関係が成り立つ。ただし、Tcはクロック周期である。
Also, in the first carrier cycle, the number of clock signals V CLK when the switch SW 1 is turned on in synchronization with the clock signal V CLK is n 1on , and the output of the integrating
更に、第1の基準電圧VREF1と第2の基準電圧VREF2との関係を数式14のように設定すると、1回目のキャリア周期における分圧電圧viの平均値Viは数式15によって表すことができる。なお、数式14において、nは自然数である。 Further, when the first reference voltage V REF1 a relationship between the second reference voltage V REF2 is set as Equation 14, the average value V i of the divided voltage v i in the carrier period of the first expressed by Equation 15 be able to. In Equation 14, n is a natural number.
数式15において、キャリア周期T、クロック周期Tc、第1の基準電圧VREF1と第2の基準電圧VREF2との比率2nは既知であることから、1回目のキャリア周期における分圧電圧viの平均値Viは、n1on,n2onをカウントすれば数式15により計測できることが判る。この数式15の演算は、電圧検出制御回路206の内部または外部に設けたCPU等の演算手段により実行すれば良い。
In Expression 15, since the carrier period T, the clock period T c , and the
ここで、出力電圧の検出精度について以下に検討する。
先の動作3で説明したことから、平均値Viの検出可能な最大値(平均値Viの最大検出電圧Vimax)と第1の基準電圧VREF1との間には、数式16の関係が成り立つ。
Here, the detection accuracy of the output voltage will be examined below.
From what has been described in the
一方、数式15から、平均値Viの最小検出電圧Viminは数式17となる。 On the other hand, from Equation 15, the minimum detection voltage V imin of the average value V i is Equation 17.
従って、数式16,数式17から、平均値Viの最小検出電圧Viminと最大検出電圧Vimaxとの関係は数式18のようになる。 Therefore, from Equations 16 and 17, the relationship between the minimum detection voltage V imin of the average value V i and the maximum detection voltage V imax is expressed by Equation 18.
以上より、従来技術における最小検出電圧Viminを表した数式7と本実施形態における最小検出電圧Viminを表した数式18との比較から明らかなように、本実施形態では、第1の基準電圧VREF1と第2の基準電圧VREF2との比率2nを調整することにより、従来技術に比べて検出精度すなわち分解能を向上させることが可能となる。
From the above, as is clear from a comparison between Formula 7 representing the minimum detection voltage V imin in the conventional technique and Formula 18 representing the minimum detection voltage V imin in the present embodiment, in the present embodiment, the first reference voltage is By adjusting the
次に、図3は請求項2に係る本発明の第2実施形態を示す構成図である。
第1実施形態との相違点について述べると、第1実施形態では、1回目のキャリア周期と2回目のキャリア周期における積分回路203の積分時定数を同一とし、また、2つの異なる基準電圧VREF1,VREF2を用いて電圧を検出するのに対し、第2実施形態では、キャリア同期信号VCARにより、1回目のキャリア周期と2回目のキャリア周期とでスイッチSW3を切り換えて積分回路203の積分時定数を変更すると共に、同一の基準電圧VREF1を用いることとしたものであり、他の動作は第1実施形態と同様である。なお、ラッチ回路208,210の出力は、OR回路216を介してスイッチSW1に加えられている。
この場合、1回目のキャリア周期における積分時定数をCR1、2回目のキャリア周期における積分時定数をCR2とすると、数式19が成立する。
Next, FIG. 3 is a block diagram showing a second embodiment of the present invention according to
The difference from the first embodiment will be described. In the first embodiment, the integration time constant of the
In this case, when the integration time constant in the first carrier cycle is CR 1 and the integration time constant in the second carrier cycle is CR 2 , Equation 19 is established.
ここで、1回目と2回目のキャリア周期における積分時定数の比率を数式20のように設定する。 Here, the ratio of the integration time constants in the first and second carrier periods is set as in Expression 20.
また、1回目のキャリア周期において、クロック信号VCLKに同期してスイッチSW1がオンした時のクロック信号VCLKの数をn1on、2回目のキャリア周期開始時点から積分回路203の出力が0Vとなるまでのクロック信号VCLKの数をn2onとすると、1回目のキャリア周期における分圧電圧viの平均値Viは、第1実施形態における数式15と同様に数式21によって表すことができ、n1on,n2onをカウントして数式21を演算することで計測可能となる。
この実施形態の動作波形については、第1実施形態とほぼ同様であるため、省略する。
In the first carrier cycle, the number of clock signals V CLK when the switch SW 1 is turned on in synchronization with the clock signal V CLK is n 1on , and the output of the
Since the operation waveform of this embodiment is substantially the same as that of the first embodiment, a description thereof will be omitted.
なお、第1、第2実施形態では分圧電圧viが負にならないことを前提として説明したが、実際には、電力用半導体スイッチング素子のオン電圧降下等によって1キャリア周期の分圧電圧の平均値が負になる場合もあり、第1、第2実施形態の方法では負の電圧を検出することができない。
この問題を解決するため、インバータの出力電圧を分圧した電圧に予めオフセット電圧を加算することで、減算回路に負の電圧が入力されないようにし、計測したオフセット電圧を含む電圧検出値から、ソフトウェア等の処理によりオフセット電圧を減算して真の分圧電圧を測定することもできる。
Although the first and second embodiments have been described on the assumption that the divided voltage v i is not negative, the divided voltage of one carrier cycle is actually decreased due to an on-voltage drop or the like of the power semiconductor switching element. In some cases, the average value becomes negative, and the method of the first and second embodiments cannot detect a negative voltage.
In order to solve this problem, the offset voltage is added in advance to the voltage obtained by dividing the output voltage of the inverter so that a negative voltage is not input to the subtraction circuit. It is also possible to measure the true divided voltage by subtracting the offset voltage by such processing.
また、各実施形態では、1回目のキャリア周期では積分回路203の出力電圧を増減させ、2回目のキャリア周期では積分回路203の出力電圧を減少させることにより、分圧電圧の平均値を計測する例を説明している。しかし、キャリアに同期した期間、例えば、2回目までのキャリア周期では積分回路203の出力電圧を増減させ、3回目のキャリア周期では積分回路203の出力電圧を減少させるような動作により、分圧電圧の平均値を計測することもできる。従ってこの場合には、キャリア2周期における分圧電圧の平均値を測定することになる。
In each embodiment, the average value of the divided voltage is measured by increasing / decreasing the output voltage of the
上述したように、第1実施形態及び第2実施形態によれば、数式15または数式21により、1回目のキャリア周期における分圧電圧viの平均値Viは、n1on,n2onをカウントすれば計測可能である。
しかし、クロック信号VCLKの周波数が電力変換装置のスイッチング周波数(キャリア周波数)の整数倍でない場合、1キャリア周期内のクロック信号VCLKの数がキャリア周期ごとに異なることになり、計測値に誤差を生じる。
As described above, according to the first embodiment and the second embodiment, the equation 15 or equation 21, the average value V i of the divided voltage v i in the carrier period of the first time, n 1on, counts n 2on It is possible to measure.
However, when the frequency of the clock signal V CLK is not an integral multiple of the switching frequency (carrier frequency) of the power converter, the number of clock signals V CLK within one carrier period differs for each carrier period, resulting in an error in measurement values. Produce.
従って、本発明の第3実施形態では、請求項3に記載するように、クロック信号VCLKの周波数を、電力変換装置のスイッチング周波数の整数倍とすることにより、各キャリア周期内のクロック信号VCLKの数を同一にして高精度に電圧を検出することができる。
Therefore, in the third embodiment of the present invention, as described in
さて、一般に電力変換装置の主回路部の電圧を検出する場合、検出対象の電圧が制御回路の電圧に比べてはるかに高く、また、主回路部で扱う電力も制御回路で扱う電力に比べて大きいため、主回路部で発生するノイズが制御回路に及ぼす影響を低減することなどを目的として、制御回路部と主回路部は電気的に絶縁することが行われる。 Now, in general, when detecting the voltage of the main circuit unit of the power converter, the voltage to be detected is much higher than the voltage of the control circuit, and the power handled by the main circuit unit is also higher than the power handled by the control circuit. Therefore, the control circuit unit and the main circuit unit are electrically insulated for the purpose of reducing the influence of noise generated in the main circuit unit on the control circuit.
ここで、図1の第1実施形態について、主回路部をその電圧検出回路部と共に、制御回路部に対して電気的に絶縁した場合、例えば図4に示すような回路構成となる。
なお、図4では、電力変換装置の出力1相分についてのみ示してあり、310は主回路部、220は電圧検出回路部(図1の構成から電圧検出制御回路206を除いた部分に相当する)、230は主回路部310のスイッチング素子に対するゲート信号を生成する電力変換装置主制御部、240はこの主制御部230及び前記電圧検出制御回路206からなる電力変換装置制御回路部、PC1〜PC5はフォトカプラ等からなる絶縁回路である。
Here, in the first embodiment of FIG. 1, when the main circuit unit is electrically insulated from the control circuit unit together with the voltage detection circuit unit, for example, the circuit configuration is as shown in FIG.
4 shows only one phase of the output of the power converter, 310 is a main circuit unit, and 220 is a voltage detection circuit unit (corresponding to a part excluding the voltage
図4に示す構成においては、電力変換装置制御回路部240内の主制御部230から電圧検出制御回路206にデータが送られ、このデータに基づいて、スイッチング周期に同期したキャリア同期信号VCAR、積分回路203のリセット信号VRST及びクロック信号VCLKが、それぞれ絶縁回路PC1,PC2,PC3を介して電圧検出回路部220に送られる。
一方、電圧検出値に相当するラッチ回路208,210の出力信号VCNT1,VCNT2は、それぞれ絶縁回路PC4,PC5を介して電圧検出制御回路206のカウンタ206a,206bに送られ、そのカウント値を主制御部230に伝送する。主制御部230では、上記カウント値を用いて分圧電圧を演算し、その電圧検出値に基づいて主回路部310のスイッチング素子をオン・オフ制御するべくゲート信号を生成する。
In the configuration shown in FIG. 4, data is sent from the
On the other hand, the output signals V CNT1 and V CNT2 of the
しかしながら、図4に示した構成の場合、絶縁回路PC1〜PC5等の絶縁に伴う部品点数の増加が低コスト化の妨げになる。また、この種の絶縁部品は、一般に部品が大きく、絶縁の都合上、部品の実装にも制約が生ずるため、小型化の大きな妨げになる。
なお、図4では、図の簡略化も目的として出力1相分についてのみ記載しているが、例えば、3相出力の電力変換装置の場合には、電圧検出回路部220用のキャリア同期信号VCAR,リセット信号VRST及びクロック信号VCLKを3相分共通化できるので、電圧検出回路部220を制御するために必要な絶縁回路は3個(絶縁回路PC1〜PC3)で済む。しかし、ラッチ回路208,210の出力を絶縁して電圧検出制御回路206に送るために、1相について2個の絶縁回路PC4,PC5が必要になるので、これらのラッチ回路の出力伝送用の絶縁回路の数は、3相分で合計6個となる。
従って、電圧検出回路部220を制御するために必要な3個の絶縁回路PC1〜PC3を含めると、3相出力の電力変換装置全体で合計9個の絶縁回路が必要になり、低コスト化、小型化を阻害する原因となる。
However, in the case of the configuration shown in FIG. 4, an increase in the number of parts accompanying insulation of the insulation circuits PC1 to PC5 and the like hinders cost reduction. In addition, this type of insulation component is generally large, and for the sake of insulation, the mounting of the component is also restricted, which greatly hinders downsizing.
In FIG. 4, only the output for one phase is described for the purpose of simplifying the drawing. For example, in the case of a three-phase output power converter, the carrier synchronization signal V for the voltage
Therefore, if the three insulation circuits PC1 to PC3 necessary for controlling the voltage
請求項4に係る本発明の第4実施形態は、上記の問題点を解決するためのものであり、図5はそのブロック図である。この図5が図4と異なるのは、電圧検出回路部221において、ラッチ回路208の出力信号VCNT1とラッチ回路210の出力信号VCNT2との論理和信号VCNTをOR回路217により求め、この論理和信号VCNTを絶縁回路PC4を介して電圧検出制御回路206内のカウンタ206a,206bに伝送する点である。
A fourth embodiment of the present invention according to
先に説明したように、分圧電圧を検出するには、ラッチ回路208,210のそれぞれの出力信号VCNT1,VCNT2が必要であるため、本実施形態では電圧検出制御回路206内で論理和信号VCNTをVCNT1とVCNT2とに分離する必要がある。
ここで、前述した如く、ラッチ回路208の出力信号VCNT1は電力変換装置の1回目のキャリア周期内のみで出力され、ラッチ回路210の出力信号VCNT2は電力変換装置の2回目のキャリア周期内のみで出力される。従って、キャリア同期信号VCARを利用すれば、電圧検出制御回路206内において論理和信号VCNTを信号VCNT1,VCNT2に分離することは容易であり、図4のように信号VCNT1,VCNT2を個別に絶縁して制御回路部240へ伝送しなくても分圧電圧を演算することが可能である。
As described above, in order to detect the divided voltage, the respective output signals V CNT1 and V CNT2 of the
Here, as described above, the output signal V CNT1 of the
本実施形態によれば、例えば、3相出力の電力変換装置の場合、3相分の電圧検出を行うのに必要な絶縁回路の数は合計で6個となり、図4の例に比べて低コスト化、小型化が可能になる。
なお、この実施形態は、図3に示した本発明の第2実施形態において、主回路部をその電圧検出回路部と共に制御回路部に対して電気的に絶縁する場合にも適用することができる。
According to the present embodiment, for example, in the case of a three-phase output power conversion device, the total number of insulation circuits necessary for performing voltage detection for three phases is six, which is lower than the example of FIG. Cost and size can be reduced.
This embodiment can also be applied to the case where the main circuit section is electrically insulated from the control circuit section together with the voltage detection circuit section in the second embodiment of the present invention shown in FIG. .
101:分圧回路
202:減算回路
203:積分回路
206:電圧検出制御回路
206a,206b:カウンタ
207,209:コンパレータ
208,210:ラッチ回路
215:NOT回路
216,217:OR回路
220,221:電圧検出回路部
230:電力変換装置主制御部
240:電力変換装置制御回路部
300:直流電源
301,302:半導体スイッチング素子
310:主回路部
INV:PWMインバータ
U:出力端子
SW0,SW1,SW2,SW3:スイッチ
PC1,PC2,PC3,PC4,PC5:絶縁回路
101: Voltage dividing circuit 202: Subtraction circuit 203: Integration circuit 206: Voltage
Claims (5)
被検出電圧、または、被検出電圧と第1の基準電圧または第2の基準電圧との加減算結果を選択して所定の時定数により積分する積分手段と、
この積分手段の出力を第3の基準電圧と比較する第1の比較手段と、
前記積分手段の出力を第4の基準電圧と比較する第2の比較手段と、
第1の比較手段の出力をクロック信号に同期してラッチする第1のラッチ手段と、
第2の比較手段の出力を前記クロック信号に同期してラッチする第2のラッチ手段と、
第1及び第2のラッチ手段の出力、前記クロック信号、及び、前記電力変換装置のスイッチング周期に同期した同期信号が入力され、前記積分手段をリセット可能とした電圧検出制御手段と、
を備え、
前記電力変換装置のスイッチング周期に同期した第1期間において、
第1のラッチ手段の出力に応じて、被検出電圧または被検出電圧と第1の基準電圧との加減算値を前記積分手段により積分し、
前記電力変換装置のスイッチング周期に同期し、かつ第1期間に連続する第2期間において、
第2のラッチ手段の出力に応じて、第1期間の終了時点における前記積分手段の出力を初期値とし、第2の基準電圧を前記積分手段により積分してその後に前記積分手段をリセットし、
第1期間における、被検出電圧と第1の基準電圧との加減算結果を積分した期間の前記クロック信号の数、あるいは、被検出電圧を積分した期間の前記クロック信号の数を第1カウント値とすると共に、
第2期間における、第2の基準電圧を積分した期間の前記クロック信号の数を第2カウント値とし、
これらの第1カウント値及び第2カウント値を用いて被検出電圧を測定することを特徴とした電力変換装置の出力電圧検出回路。 In an output voltage detection circuit of a power converter having a power semiconductor switching element,
An integrating means for selecting a detected voltage, or an addition / subtraction result of the detected voltage and the first reference voltage or the second reference voltage and integrating with a predetermined time constant;
First comparing means for comparing the output of the integrating means with a third reference voltage;
Second comparing means for comparing the output of the integrating means with a fourth reference voltage;
First latch means for latching the output of the first comparison means in synchronization with the clock signal;
Second latch means for latching the output of the second comparison means in synchronization with the clock signal;
Voltage detection control means for inputting the outputs of the first and second latch means, the clock signal, and a synchronization signal synchronized with the switching cycle of the power converter, and enabling the integration means to be reset;
With
In the first period synchronized with the switching cycle of the power converter,
In accordance with the output of the first latch means, the addition or subtraction value of the detected voltage or the detected voltage and the first reference voltage is integrated by the integrating means,
In a second period that is synchronized with the switching period of the power converter and that is continuous with the first period,
In response to the output of the second latch means, the output of the integrating means at the end of the first period is set as an initial value, the second reference voltage is integrated by the integrating means, and then the integrating means is reset,
In the first period, the number of the clock signals in the period in which the addition / subtraction results of the detected voltage and the first reference voltage are integrated, or the number of the clock signals in the period in which the detected voltage is integrated is set as the first count value. And
In the second period, the number of the clock signals in the period obtained by integrating the second reference voltage is set as the second count value,
An output voltage detection circuit for a power converter, wherein a detected voltage is measured using the first count value and the second count value.
被検出電圧、または、被検出電圧と第1の基準電圧との加減算結果を選択して第1または第2の積分時定数により積分する積分手段と、
この積分手段の出力を第3の基準電圧と比較する第1の比較手段と、
前記積分手段の出力を第4の基準電圧と比較する第2の比較手段と、
第1の比較手段の出力をクロック信号に同期してラッチする第1のラッチ手段と、
第2の比較手段の出力を前記クロック信号に同期してラッチする第2のラッチ手段と、
第1及び第2のラッチ手段の出力、前記クロック信号、及び、前記電力変換装置のスイッチング周期に同期した同期信号が入力され、前記積分手段をリセット可能とした電圧検出制御手段と、
を備え、
前記電力変換装置のスイッチング周期に同期した第1期間において、
第1のラッチ手段の出力に応じて、被検出電圧または被検出電圧と第1の基準電圧との加減算値を前記積分手段により第1の積分時定数にて積分し、
前記電力変換装置のスイッチング周期に同期し、かつ第1期間に連続する第2期間において、
第2のラッチ手段の出力に応じて、第1期間の終了時点における前記積分手段の出力を初期値とし、第1の基準電圧を前記積分手段により第2の積分時定数にて積分してその後に前記積分手段をリセットし、
第1期間における、被検出電圧と第1の基準電圧との加減算結果を積分した期間の前記クロック信号の数、あるいは、被検出電圧を積分した期間の前記クロック信号の数を第1カウント値とすると共に、
第2期間における、第1の基準電圧を積分した期間の前記クロック信号の数を第2カウント値とし、
これらの第1カウント値及び第2カウント値を用いて被検出電圧を測定することを特徴とした電力変換装置の出力電圧検出回路。 In an output voltage detection circuit of a power converter having a power semiconductor switching element,
An integration means for selecting the detected voltage or the addition / subtraction result of the detected voltage and the first reference voltage and integrating with the first or second integration time constant;
First comparing means for comparing the output of the integrating means with a third reference voltage;
Second comparing means for comparing the output of the integrating means with a fourth reference voltage;
First latch means for latching the output of the first comparison means in synchronization with the clock signal;
Second latch means for latching the output of the second comparison means in synchronization with the clock signal;
Voltage detection control means for inputting the outputs of the first and second latch means, the clock signal, and a synchronization signal synchronized with the switching cycle of the power converter, and enabling the integration means to be reset;
With
In the first period synchronized with the switching cycle of the power converter,
In accordance with the output of the first latch means, the detected voltage or the addition / subtraction value of the detected voltage and the first reference voltage is integrated by the integrating means with a first integration time constant,
In a second period that is synchronized with the switching period of the power converter and that is continuous with the first period,
In response to the output of the second latch means, the output of the integrating means at the end of the first period is set as an initial value, the first reference voltage is integrated by the integrating means with the second integration time constant, and then Reset the integration means to
In the first period, the number of the clock signals in the period in which the addition / subtraction results of the detected voltage and the first reference voltage are integrated, or the number of the clock signals in the period in which the detected voltage is integrated is set as the first count value. And
In the second period, the number of the clock signals in the period obtained by integrating the first reference voltage is set as the second count value,
An output voltage detection circuit for a power converter, wherein a detected voltage is measured using the first count value and the second count value.
前記クロック信号の周波数が、前記電力変換装置のスイッチング周波数の整数倍であることを特徴とする電力変換装置の出力電圧検出回路。 In the output voltage detection circuit of the power converter according to any one of claims 1 and 2,
The output voltage detection circuit of a power converter, wherein the frequency of the clock signal is an integral multiple of the switching frequency of the power converter.
第1期間における第1のラッチ手段の出力と第2期間における第2のラッチ手段の出力との論理和信号を、絶縁手段を介して前記電圧検出制御手段に伝送することを特徴とする電力変換装置の出力電圧検出回路。 In the output voltage detection circuit of the power converter device according to any one of claims 1 to 3,
A power conversion characterized by transmitting a logical sum signal of the output of the first latch means in the first period and the output of the second latch means in the second period to the voltage detection control means through an insulating means. Device output voltage detection circuit.
前記被検出電圧が、電力変換装置としてのインバータの出力電圧を分圧した電圧であることを特徴とする電力変換装置の出力電圧検出回路。 In the output voltage detection circuit of the power converter device according to any one of claims 1 to 4,
The output voltage detection circuit for a power converter, wherein the detected voltage is a voltage obtained by dividing an output voltage of an inverter as a power converter.
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