JP5617926B2 - 電力変換装置およびその制御方法 - Google Patents
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Description
ここで、パワー半導体素子としては、IGBT(絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ)やMOS−FET(金属酸化膜半導体−電界効果トランジスタ)などの自己消弧形のパワー半導体素子が知られている。以下においてはIGBTを用いて説明する。
そして、複数のIGBTと、これを駆動するための駆動回路、過電流などの異常状態からIGBTを保護するための保護回路、駆動回路のための絶縁電源を1つのパッケージに格納し、モジュールとしてパッケージングした、いわゆるインテリジェント・パワー・モジュール(以下IPMという)が実用化されている。
図10は、モータ駆動用インバータの回路構成を示す図である。図10において、1は商用電源を整流するなどして得られる直流電源、2はIPM、5は負荷としてのモータである。
また、各IGBT(3U〜3W,3X〜3Z)のゲートに供給されるオン・オフ信号パターンは、一般的にPWM制御によって行われる。各IGBTを駆動するためのオン・オフ信号は、IPM2の外部の制御回路で生成される。
同様に、V相、W相に関しても同様の比較が行われ、それぞれの相のIGBT3V,3Y,3W,3Zに与えるオン・オフパターンが決定される。
図10に示すように、IPMの直流端子2a間には、各相のIGBT(3U〜3W,3X〜3Z)がスイッチングする際に発生するスパイク電圧を抑制する目的で低インピーダンスのコンデンサ(スナバコンデンサ)6が接続されている。このスナバコンデンサ6の容量と、配線上に存在する寄生インダクタンス成分、さらには、IGBT(3U〜3W,3X〜3Z)やFWD(4X〜4W,4X〜4Z)のPN接合部容量によりLC直列共振回路が形成されている。IGBT・FWDがスイッチングすることにより、この直列共振回路に共振が発生し、図7(a)に点線で示すような高周波の共振電流が流れてしまう。この高周波の共振電流により発生する磁界がノイズの原因となる。
図7(b)は、U相を構成する各素子を2組ずつ並列に接続した場合を示すものである。すなわち、図7(b)のIGBT3X1,3X2が図7(a)3xに相当する。他の素子も同様である。
図7(b)では、IGBT3X1,3X2は同じタイミングでオン・オフするため、点線で示すように、高周波の共振電流も2経路で流れ、直流端子2a間で重畳される。このため、図7(a)の場合に比して、電磁ノイズが増大しやすくなる。
この多相同時スイッチングは、複数相の電圧指令値が同値となる場合に発生する。図9では(A)点および(B)点で発生する。(A)点では、U相の電圧指令波形と、V相の電圧指令波形が同値となり、この電圧指令値と搬送波と大小比較が行われると、図10のU相IGBT(3U)とV相IGBT(3V)に同時にオン信号、X相IGBT(3X)とY相IGBT(3Y)に同時にオフ信号が与えられる。
図11は、多相同時スイッチングの波形図である。例えば、図9の(A)点に示すように、U相IGBT(3U)が図11(a)に示すようにターンオン、Y相IGBT(3Y)が図11(b)に示すようにターンオフ動作を同時に行うと、それぞれ単独でのスイッチングで発生する場合の高周波共振電流が重畳することにより、図11(e)に示すように、高周波の共振電流ピークが大きくなり、結果として電磁ノイズが増加するという現象が発生する。
図1は本発明の実施形態を説明する回路ブロック図、図2はパルス調整処理のフローチャート、図3はその動作を説明するための波形図である。なお、図1において、図10と同様の構成には同じ符号を付して説明を省略する。
図1において、30はIPM2の外部に設けられる制御回路であり、制御回路30は、タイミング調整回路14を備えている。タイミング調整回路14には、パルス分配回路13の出力と各相の電圧指令回路8〜10から出力される出力電圧指令値Vu、Vv及びVwと搬送波生成回路12の搬送波CWが入力されている。
令値・搬送波一致検出部14b及び状態変化遅延部14cを備えている。
ここで、電圧指令値一致検出部14aは、異なる2相の電圧指令値を順次比較して、電
圧指令値の一致を検出する。また、指令値・搬送波一致検出部14bは、電圧指令値一致
検出部14aで異なる2相の電圧指令値の一致を検出したときに、一致した電圧指令値
と搬送波のレベルとの一致を検出する。さらに、状態変化遅延部14cは、指令値・搬送
波一致検出部で前記電圧指令値と搬送波レベルの一致を検出したときに、該当する異なる
2相の一方に相当するオン・オフパルスの状態変化を遅延させる。
次に、スイッチングパルスのオンあるいはオフのタイミングが同時となって入力された場合のパルスの調整方法について、マイクロコンピュータ等の演算処理装置を含んで構成されるタイミング調整回路14で実行する図2のフローチャートを用いて説明する。
ステップS2では一致している電圧指令値Vu又はVvと搬送波CWのレベルとを比較する。ステップS1でU相とV相の電圧指令値Vu,Vvが一致しているので、この電圧指令値Vu又はVvと搬送波(図9のCW参照)のレベルが一致しているか否かを判定する。そして、一致していない場合は後述のステップS4に進む。一致している場合はステップS3へ進む。
なお、U相とはデットタイムが調整され、U相のオン・オフパルスPU1とは反対の論理値のX相のオン・オフパルスPX1についても、デットタイムの期間が短縮されないように、同様にエッジがシフトされて状態変化が遅延される。
以下、同様に、図2のステップS4において、V相の電圧指令Vv(図9のVv参照)とW相の電圧指令値Vw(図9のVw参照)との比較を行なう。V相とW相の電圧指令値Vv,Vwが一致していない場合は後述のステップS7に進む。V相とW相の電圧指令値Vv,Vwが一致している場合は、ステップS5に進む。
ステップS8では電圧指令値Vw又はVuと搬送波CWのレベルとを比較する。ステップS7でW相とU相の電圧指令値Vw,Vuが一致しているので、この電圧指令値Vw又はVuと搬送波CW(図9のCW参照)が一致しているか否かを判定する。そして、一致していない場合はパルス調整処理を終了する。一致している場合はステップS9へ進む。
タイミング調整回路14では、このようにしてパルスの調整処理を行なって、パルス分配回路13から入力されたオン・オフパルスPU1,PV1,PW1,PX1,PY1,PZ1を、パルスエッジを調整したオン・オフパルスPU2,PV2,PW2,PX2,PY2,PZ2として出力する。
この第2の実施形態は、パルス分配回路13から出力されるオン・オフパルスPU1,PV1,PW1,PX1,PY1,PZ1の状態変化が一致するか否かを直接検出するようにしたものである。
すなわち、第2の実施形態では、図4に示すようにタイミング調整回路14にパルス分配回路13から出力されるオン・オフパルスPU1,PV1,PW1,PX1,PY1,PZ1のみが入力されている。
このパルス調整処理では、まず、ステップS11で、パルス分配回路13から出力されるオン・オフパルスPU1,PV1,PW1,PX1,PY1,PZ1を読込む。
次いで、ステップS12に移行して、オン・オフパルスPU1について状態変化が生じたか否かを検出するパルスPU1状態変化検出処理を実行する。
このステップS33では、オフからオンへの移行すなわち立上がりエッジを表す状態フラグFU1を“1”にセットしてからステップS34に移行する。
また、前記ステップS32の判定結果が、オンからオフへの状態変化ではなくオンからオフへの状態変化であるときには、ステップS35に移行して、オフへの移行すなわち立下がりエッジを表す状態フラグFU2を“1”にセットしてから前記ステップS34に移行して、変数Nを“1”だけインクリメントする。
このステップS14では、オン・オフパルスPW1について状態変化があっか否かを検出する図6と同様のパルスPW1状態変化検出処理を実行してからステップS15に移行する。
このステップS16では、オン・オフパルスPY1について状態変化があっか否かを検出する図6と同様のパルスPY1状態変化検出処理を実行してからステップS17に移行する。
このステップS17では、オン・オフパルスPZ1について状態変化があっか否かを検出する図6と同様のパルスPZ1状態変化検出処理を実行してからステップS18に移行する。
このステップS24では、オンからオフへ状態変化したオン・オフパルスすなわち立下がりエッジとなるオン・オフパルスが存在するか否か判定する。この判定は、“1”にセットされている状態フラグFk2(k=U,V,W,X,Y,Z)が存在するか否かを判定することにより行う。
この第2の実施形態によると、タイミング調整回路14で、パルス分配回路13から入力されるオン・オフパルスPU1,PV1,PW1,PX1,PY1,PZ1の状態変化を監視する。そして、異なる位相の2つのオン・オフパルスで同時に状態変化が生じたときに、何れか1つのオン・オフパルス例えばオンからオフに状態変化するオン・オフパルスすなわち立下がりエッジを有するオン・オフパルスが存在する場合には、このオンからオフに状態変化するオン・オフパルスを選択し、選択したオン・オフパルスとオン・オフが反転しているオン・オフパルスとについて遅延出力処理を行うので、インバータ回路で2つのIGBTが同時に状態変化することを確実に防止することができる。
また、上記第2の実施形態によると、タイミング調整回路14で、パルス分配回路13から入力されるデッドタイムを考慮したオン・オフパルスに基づいて状態変化の一致を検出するので、複数相のパワー半導体スイッチが同時にオン又はオフすることをより確実に回避することができる。
さらに、上記実施形態では負荷の相数が3である場合について説明したが、これに限定されるものではなく、4相以上の負荷についても本発明を適用することができる。
2:IPM
5:負荷としてのモータ
8,9,10:電圧指令回路
12:搬送波生成回路
11:比較器
13:パルス分配回路
14:タイミング調整回路
20,30:制御回路
200:樹脂製の容器
2a,2b:主端子
2c:制御端子
Claims (8)
- 複数のパワー半導体スイッチング素子を備えた電力変換装置の制御方法において、
各パワー半導体スイッチング素子に入力されるオン・オフパルスの、状態変化をそれぞれ検出し、状態変化を検出したオン・オフパルスと他のオン・オフパルスの状態変化タイミングが一致した場合に、当該状態変化が一致したいずれか一方のパルスの状態変化を遅延させることを特徴とする電力変換装置の制御方法。 - 請求項1に記載の電力変換装置の制御方法において、
前記複数のパワー半導体スイッチング素子はブリッジ接続されて電力変換回路を構成するものであって、
前記電力変換回路の出力電圧を司る複数相の電圧指令値について異なる2つの相の電圧指令値が一致し、かつ、当該一致した電圧指令値と前記パワー半導体スイッチング素子をオン・オフするためのオン・オフパルスを生成するための搬送波のレベルとが一致している場合に、前記オン・オフパルスの状態変化タイミングが一致していると判断し、当該状態変化が一致したいずれか一方のオン・オフパルスの状態変化を遅延させることを特徴とする電力変換装置の制御方法。 - 請求項1または2に記載の電力変換装置の制御方法において、前記遅延出力するオン・オフパルスは、オフのパルスであることを特徴とする電力変換装置の制御方法。
- 請求項1または2に記載の電力変換装置の制御方法において、前記遅延出力するオン・オフパルスは、オンのパルスであることを特徴とする電力変換装置の制御方法。
- 複数のパワー半導体スイッチング素子をブリッジ接続した電力変換回路と、前記パワー半導体スイッチング素子を駆動する駆動回路と、前記電力変換回路の出力電圧を司る各相の電圧指令値を出力する電圧指令回路と、前記パワー半導体スイッチング素子をオン・オフするためのオン・オフパルスを生成するため搬送波を出力する搬送波生成回路と、前記電圧指令値と前記搬送波とを比較した比較信号に基づいて前記パワー半導体スイッチング素子をオン・オフするためのオン・オフパルスを出力するパルス分配回路とを備えた電力変換装置において、
前記電圧指令回路が出力する各相の電圧指令値と、前記搬送波と、前記パルス分配回路から出力される前記パワー半導体スイッチング素子をオン・オフするためのオン・オフパルスとが入力され、前記電圧指令回路が出力する複数相の電圧指令値について異なる2つの相の電圧指令値が一致し、かつ、当該電圧指令値と前記搬送波とを比較して、当該電圧指令値と前記搬送波のレベルとが一致している場合に、前記オン・オフパルスの状態変化が一致していると判断し、当該状態変化が一致したいずれか一方のオン・オフパルスの状態変化を遅延させ、パルスエッジを調整したオン・オフ信号として、前記駆動回路へ出力するタイミング調整回路を備えたことを特徴とする電力変換装置。 - 請求項5に記載の電力変換装置において、
前記タイミング調整回路は、異なる2つの相の電圧指令値を順次比較して電圧指令値の一致を検出する電圧指令値一致検出部と、該電圧指令値一致検出部で前記電圧指令値の一致を検出したときに、当該電圧指令値と前記搬送波のレベルとの一致を検出する指令値・搬送波一致検出部と、該指令値・搬送波一致検出部で前記電圧指令値と前記搬送波レベルの一致を検出したときに、該当する異なる相の一方に相当するオン・オフパルスの状態変化を遅延させる状態変化遅延部とを備えていることを特徴とする電力変換装置。 - 複数のパワー半導体スイッチング素子をブリッジ接続した電力変換回路と、前記パワー半導体スイッチング素子を駆動する駆動回路と、前記電力変換回路の出力電圧を司る各相の電圧指令値を出力する電圧指令回路と、前記パワー半導体スイッチング素子をオン・オフするためのオン・オフパルスを生成するため搬送波を出力する搬送波生成回路と、前記電圧指令値と前記搬送波とを比較した比較信号に基づいて前記パワー半導体スイッチング素子をオン・オフするためのオン・オフパルスを出力するパルス分配回路とを備えた電力変換装置において、
前記パルス分配回路から出力される前記各パワー半導体スイッチング素子に対するオン・オフパルスが2つずつ個別に入力され、入力された各オン・オフパルスの状態変化を個別に検出する複数の状態変化検出部と、各状態変化検出部で互いの状態変化が一致するオン・オフパルスが検出されたときに、検出されたオン・オフパルスの何れかの状態変化を遅延させる状態変化遅延部とを備えたことを特徴とする電力変換装置。 - 請求項5乃至7の何れか1項に記載の電力変換装置において、複数のパワー半導体スイッチング素子をブリッジ接続した電力変換回路と、前記パワー半導体スイッチング素子を駆動する駆動回路とを1つのパッケージに格納してインテリジェントパワーモジュールとして構成したことを特徴とする電力変換装置。
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