JP5822773B2 - Power converter - Google Patents
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Description
本発明は、電力変換装置に関する。 The present invention relates to a power conversion device.
スイッチング素子や還流ダイオードは、スイッチング素子がスイッチングするときにスイッチング損失を発生する。スイッチング損失は熱を発生させるため熱破壊を引き起こす可能性があり、従って信頼性を低下させる。また、周知のようにスイッチング損失は、スイッチング周波数に比例する。このため、従来の電力変換装置は、熱破壊に対する信頼性の確保のため、スイッチング周波数を可能な限り低くすることが行われていた。 Switching elements and free-wheeling diodes generate switching losses when the switching elements switch. Switching loss generates heat and can cause thermal destruction, thus reducing reliability. As is well known, the switching loss is proportional to the switching frequency. For this reason, in the conventional power converter, in order to ensure the reliability with respect to thermal destruction, the switching frequency was made as low as possible.
その一方で、人によって異なるが、もっぱらスイッチング周波数が人間の可聴周波数帯にあると、電力変換装置に接続されたモータやリアクトルなどからの電磁騒音が問題となることがある。また、スイッチング周波数が高いスイッチング周波数に比べて低い場合には、モータやリアクトルの電流に高調波成分が大きく重畳し、モータやリアクトルの損失が増大してしまうことから、スイッチング周波数を高くすることが望まれてきた。 On the other hand, although it varies depending on the person, when the switching frequency is exclusively in the human audible frequency band, electromagnetic noise from a motor or a reactor connected to the power converter may become a problem. In addition, when the switching frequency is lower than the high switching frequency, harmonic components are largely superimposed on the current of the motor and the reactor, and the loss of the motor and the reactor is increased. Therefore, the switching frequency may be increased. It has been desired.
そこで、信頼性を保ちつつスイッチング周波数を高くするため、Siに比べ低損失なパワーデバイスであるSiCのスイッチング素子および還流ダイオードへの採用が行われつつある。 Therefore, in order to increase the switching frequency while maintaining reliability, adoption is being performed for switching elements and free-wheeling diodes of SiC, which is a power device having a lower loss than Si.
なお、発明の目的は上記の内容と一部異なるが、例えば、下記特許文献1では、電力変換装置(インバータ)に具備されるトランジスタとしてSiC−JFETを採用し、SiC−JFETに逆並列に接続される還流ダイオードとしてSiC−SBD(ショットキーバリアダイオード)を採用する構成を開示している。 Although the object of the invention is partly different from the above, for example, in Patent Document 1 below, a SiC-JFET is adopted as a transistor provided in a power converter (inverter) and connected in antiparallel to the SiC-JFET. The structure which employ | adopts SiC-SBD (Schottky barrier diode) as the return | reflux diode to be performed is disclosed.
しかしながら、電力変換装置を構成するスイッチング素子および還流ダイオード全てにSiCを採用すると、チップそのもののコスト増加が課題となっている。また、SiCデバイス特有の高速動作によりノイズの増大が予想されている。SiCを採用した場合のスイッチング波形では、SiCの構造上、ターンオンと同時に特有のリンギング現象が発生するためノイズを増大させてしまうことに繋がる。 However, when SiC is used for all the switching elements and freewheeling diodes that constitute the power conversion device, an increase in the cost of the chip itself is a problem. In addition, an increase in noise is expected due to the high-speed operation unique to SiC devices. In the switching waveform when SiC is employed, a unique ringing phenomenon occurs simultaneously with turn-on due to the structure of SiC, leading to an increase in noise.
本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、熱破壊に対する信頼性を保ちつつ、電磁騒音とモータ損失を低減させ、さらにコスト上昇とノイズの増大を抑止可能に構成される電力変換装置を提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of the above, and is configured to reduce electromagnetic noise and motor loss while maintaining reliability against thermal destruction, and further configured to be able to suppress cost increase and noise increase. The purpose is to provide.
上述した課題を解決し目的を達成するため、本発明に係る電力変換装置は、SiCで構成されたスイッチング素子とSiで構成された還流ダイオードを逆並列接続した一対と、Siで構成されたスイッチング素子とSiCで構成された還流ダイオードを逆並列接続した一対を直列接続した上下アーム構成の電圧形ブリッジ回路を有することを特徴とする。 In order to solve the above-described problems and achieve the object, a power conversion device according to the present invention includes a pair of switching elements made of SiC and a freewheeling diode made of Si connected in reverse parallel, and a switching made of Si. A voltage-type bridge circuit having an upper and lower arm configuration in which a pair of elements and SiC freewheeling diodes connected in antiparallel is connected in series.
本発明に係る電力変換装置によれば、熱破壊に対する信頼性を保ちつつ、電磁騒音とモータ損失を低減させ、さらにコスト上昇とノイズの増大を抑えることができるという効果を奏する。 According to the power conversion device of the present invention, it is possible to reduce electromagnetic noise and motor loss while maintaining reliability against thermal destruction, and to further suppress an increase in cost and an increase in noise.
以下、添付図面を参照し、本発明の実施の形態に係る電力変換装置について説明する。なお、以下に示す実施の形態により本発明が限定されるものではない。 Hereinafter, with reference to an accompanying drawing, a power converter concerning an embodiment of the invention is explained. In addition, this invention is not limited by embodiment shown below.
実施の形態1.
図1は、この発明の実施の形態1に係る電力変換装置の構成を示す図である。実施の形態1に係る電力変換装置は、炭化珪素(SiC)で構成したスイッチング素子3aと珪素(Si)で構成した還流ダイオード2aを逆並列接続した一対(第一の素子対)と、Siで構成したスイッチング素子1bとSiCで構成した還流ダイオード4bを逆並列接続した一対(第二の素子対)とを直列接続した上下アーム構成の電圧形ブリッジ回路22と、この電圧形ブリッジ回路22に並列に直列接続された平滑用コンデンサ11a,11bとで構成されている。さらに、電圧形ブリッジ回路22の上アームと下アームとの接続点と平滑用コンデンサ11a,11bの接続点とは、誘導性負荷12を介して接続されている。
Embodiment 1 FIG.
1 is a diagram showing a configuration of a power conversion device according to Embodiment 1 of the present invention. The power conversion device according to the first embodiment includes a switching element 3a made of silicon carbide (SiC) and a freewheeling diode 2a made of silicon (Si) connected in reverse parallel (first element pair), and Si A voltage-type bridge circuit 22 having an upper and lower arm configuration in which a switching element 1b configured and a pair (second element pair) of anti-parallel connection of a free-wheeling diode 4b formed of SiC are connected in series, and the voltage-type bridge circuit 22 in parallel And smoothing capacitors 11a and 11b connected in series. Further, a connection point between the upper arm and the lower arm of the voltage-type bridge circuit 22 and a connection point between the smoothing capacitors 11 a and 11 b are connected via an inductive load 12.
また、制御部14は、例えば外部から与えられた速度指令を各スイッチング素子に対するスイッチング指令に変換し、変換したスイッチング指令を対応するスイッチング素子に対して付与する。各スイッチング指令が付与されたスイッチング素子では、平滑コンデンサ11a,11bに充電された直流電圧が任意幅のパルスに変調され、上下アームで相補的なオン・オフ動作が行われることにより所望電圧・所望周波数の擬似正弦波が誘導性負荷12に供給される。 Moreover, the control part 14 converts the speed command given from the outside into the switching command with respect to each switching element, for example, and provides the converted switching command with respect to a corresponding switching element. In the switching element to which each switching command is given, the DC voltage charged in the smoothing capacitors 11a and 11b is modulated into a pulse having an arbitrary width, and the complementary on / off operation is performed by the upper and lower arms, whereby the desired voltage and desired A pseudo sine wave of frequency is supplied to the inductive load 12.
実施の形態1の電力変換装置における主たる要旨は、上アームのスイッチング素子をSiCで構成し、かつ下アームの還流ダイオードをSiCで構成している点にある。具体的に説明すると、図1の構成において、Siで構成したスイッチング素子1bは、例えばSi−IGBT(Si‐Insulated Gate Bipolar Transistor)であり、Siで構成した還流ダイオード2aは、例えばSi−FRD(Si‐Fast Recovery Diode)であり、SiCで構成したスイッチング素子3aは、例えばSiC−MOSFET(SiC‐Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor)であり、SiCで構成した還流ダイオード4bは、例えばSiC−SBD(SiC‐Schottky Barrier Diode)である。すなわち、実施の形態1に係る電力変換装置では、SiCを採用したスイッチング素子とSiCを採用した還流ダイオードは、タスキ掛けの位置に配した構成となっている。 The main gist of the power conversion device according to the first embodiment is that the switching element of the upper arm is made of SiC, and the free wheel diode of the lower arm is made of SiC. Specifically, in the configuration of FIG. 1, the switching element 1 b made of Si is, for example, a Si-IGBT (Si-Insulated Gate Bipolar Transistor), and the free-wheeling diode 2 a made of Si is, for example, Si-FRD ( The switching element 3a made of SiC is a SiC-MOSFET (SiC-Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor), for example, and the free-wheeling diode 4b made of SiC is made of SiC-SBD (SiC), for example. -Schottky Barrier Diode). That is, in the power conversion device according to the first embodiment, the switching element that employs SiC and the free-wheeling diode that employs SiC have a configuration in which they are arranged at positions where the task is applied.
ここで、図2は、SiおよびSiCを採用したときのターンオンスイッチング波形を示す図である。より詳細に説明すると、上段部(a)はスイッチング素子としてSi−IGBTを採用したときのターンオンスイッチング波形の一例であり、下段部(b)はスイッチング素子としてSiC−MOSFETを採用したときのターンオンスイッチング波形である。スイッチング素子にSiCを採用した場合には、下段部において太線で示すようなリンギング現象が発生するが、スイッチング素子にSiを採用した場合には、SiCのようなリンギング現象は生じない。このため、実施の形態1に係る電力変換装置は、第1の素子対を構成する各素子と第2の素子対を構成する各素子の双方にSiCを採用した場合に比して、ノイズの発生量を低減することが可能となる。 Here, FIG. 2 is a diagram showing a turn-on switching waveform when Si and SiC are employed. More specifically, the upper part (a) is an example of a turn-on switching waveform when Si-IGBT is adopted as a switching element, and the lower part (b) is a turn-on switching when SiC-MOSFET is adopted as a switching element. It is a waveform. When SiC is employed as the switching element, a ringing phenomenon as indicated by a thick line occurs in the lower stage portion. However, when Si is employed as the switching element, no ringing phenomenon such as SiC occurs. For this reason, the power conversion device according to the first embodiment reduces noise compared to the case where SiC is used for both the elements constituting the first element pair and the elements constituting the second element pair. The generation amount can be reduced.
すなわち、実施の形態1に係る電力変換装置によれば、低損失なパワーデバイスであるSiCを採用することで素子の導通損失およびスイッチング損失を低減することが可能となり、かつ電力変換装置を構成するスイッチング素子および還流ダイオードの全てにSiCを採用するよりもコスト上昇およびノイズ増加を抑えることが可能となる。 That is, according to the power conversion device according to the first embodiment, it is possible to reduce the conduction loss and the switching loss of the element by adopting SiC, which is a low-loss power device, and configure the power conversion device. It is possible to suppress an increase in cost and an increase in noise as compared with the case where SiC is used for all the switching elements and the freewheeling diodes.
なお、上記図1では、電圧形ブリッジ回路の上アームのスイッチング素子をSiCで構成し、上アームの還流ダイオードをSiで構成し、下アームのスイッチング素子をSiで構成し、下アームの還流ダイオードをSiCで構成した電力変換装置を一例として説明したが、この構成に限定されるものではない。例えば、図3に示すように、上アームのスイッチング素子をSiで構成し、上アームの還流ダイオードをSiCで構成し、下アームのスイッチング素子をSiCで構成し、下アームの還流ダイオードをSiで構成しても上述した効果が得られる。 In FIG. 1 above, the switching element of the upper arm of the voltage source bridge circuit is composed of SiC, the freewheeling diode of the upper arm is composed of Si, the switching element of the lower arm is composed of Si, and the freewheeling diode of the lower arm. As an example, the power conversion device configured with SiC is described, but the present invention is not limited to this configuration. For example, as shown in FIG. 3, the upper arm switching element is made of Si, the upper arm freewheeling diode is made of SiC, the lower arm switching element is made of SiC, and the lower arm freewheeling diode is made of Si. Even if it comprises, the effect mentioned above is acquired.
また、例えば、コイル13を誘導性負荷として構成した図4に示すような昇降圧チョッパ回路に適用することも可能であり、上述した効果が同様に得られる。なお、図4の構成では、上アームのスイッチング素子をSiCで構成し、下アームの還流ダイオードをSiCで構成しているが、上下の関係を入れ替え、図5のように下アームのスイッチング素子をSiCで構成し、上アームの還流ダイオードをSiCで構成してもよいことは無論である。 Further, for example, the present invention can be applied to a step-up / step-down chopper circuit as shown in FIG. 4 in which the coil 13 is configured as an inductive load, and the above-described effects can be obtained similarly. In the configuration of FIG. 4, the switching element of the upper arm is composed of SiC and the free wheel diode of the lower arm is composed of SiC. However, the upper and lower relations are switched, and the switching element of the lower arm is changed as shown in FIG. Of course, it may be made of SiC, and the free-wheeling diode of the upper arm may be made of SiC.
以上説明したように、実施の形態1の電力変換装置によれば、電力変換装置を構成するスイッチング素子および還流ダイオードの一部にSiCを採用したので、損失が及ぼす熱破壊に対する信頼性を確保しつつ、コスト上昇とSiC特有のノイズの増大を抑えることができる。 As described above, according to the power conversion device of the first embodiment, since SiC is used for a part of the switching element and the free wheel diode constituting the power conversion device, the reliability against thermal destruction caused by the loss is ensured. However, an increase in cost and an increase in noise peculiar to SiC can be suppressed.
実施の形態2.
つぎに、実施の形態2について説明する。図6は、この発明の実施の形態2に係る電力変換装置の構成を示す図である。実施の形態1では、上下アーム構成の電圧形ブリッジ回路22を一つ用いた、いわゆる単相ハーフブリッジ構成の電力変換装置を一例として説明したが、図6は、上下アーム構成の電圧形ブリッジ回路22を二個用いた、いわゆる単相フルブリッジ構成の電力変換装置である。なお、その他の構成については、実施の形態1と同一である。
Embodiment 2. FIG.
Next, a second embodiment will be described. FIG. 6 is a diagram showing a configuration of a power conversion device according to Embodiment 2 of the present invention. In the first embodiment, a power converter having a so-called single-phase half-bridge configuration using one voltage-type bridge circuit 22 having an upper and lower arm configuration has been described as an example. FIG. 6 shows a voltage-type bridge circuit having an upper and lower arm configuration. This is a power conversion device having a so-called single-phase full-bridge configuration using two 22. Other configurations are the same as those in the first embodiment.
このような構成でも、実施の形態1で示した効果が同様に得られる。なお、図6の構成では、SiCで構成したスイッチング素子を上アームのスイッチング素子のみに構成し、SiCで構成した還流ダイオードを下アームの還流ダイオードのみに構成しているが、上下の関係を入れ替え、図7に示すようにSiCで構成したスイッチング素子を下アームのスイッチング素子のみに構成し、SiCで構成した還流ダイオードを上アームの還流ダイオードのみに構成してもよいことは無論である。 Even with such a configuration, the effects described in the first embodiment can be obtained in the same manner. In the configuration of FIG. 6, the switching element composed of SiC is composed only of the switching element of the upper arm, and the free wheeling diode composed of SiC is composed of only the free wheeling diode of the lower arm. Of course, as shown in FIG. 7, the switching element made of SiC may be constituted only by the switching element of the lower arm, and the free wheeling diode constituted by SiC may be constituted only by the free wheeling diode of the upper arm.
また、例えば、図8に示すような三相の電力変換装置に適用することも可能であり、上述した効果が同様に得られる。なお、図8の構成では、上アームのスイッチング素子をSiCで構成し、下アームの還流ダイオードをSiCで構成しているが、上下の関係を入れ替え、図9のように下アームのスイッチング素子をSiCで構成し、上アームの還流ダイオードをSiCで構成してもよいことは無論である。 Further, for example, the present invention can be applied to a three-phase power converter as shown in FIG. 8, and the above-described effects can be obtained similarly. In the configuration of FIG. 8, the switching element of the upper arm is made of SiC and the free wheel diode of the lower arm is made of SiC. However, the upper and lower relations are switched, and the switching element of the lower arm is changed as shown in FIG. Of course, it may be made of SiC, and the free-wheeling diode of the upper arm may be made of SiC.
以上説明したように、実施の形態2の電力変換装置によれば、電力変換装置を構成するスイッチング素子および還流ダイオードの一部にSiCを採用したので、損失が及ぼす熱破壊に対する信頼性を確保しつつ、コスト上昇とSiC特有のノイズの増大を抑えることができる。 As described above, according to the power conversion device of the second embodiment, since SiC is used for a part of the switching element and the free wheel diode constituting the power conversion device, the reliability against thermal destruction caused by the loss is ensured. However, an increase in cost and an increase in noise peculiar to SiC can be suppressed.
実施の形態3.
つぎに実施の形態3について説明する。図10は、この発明の実施の形態3に係る電力変換装置の構成を示す図である。なお、前提となる電圧形ブリッジ回路22と平滑用コンデンサ11a,11bおよび誘導性負荷12の構成については、実施の形態1と同一である。
Embodiment 3 FIG.
Next, a third embodiment will be described. FIG. 10 is a diagram showing a configuration of a power conversion device according to Embodiment 3 of the present invention. The configurations of the voltage source bridge circuit 22, the smoothing capacitors 11 a and 11 b, and the inductive load 12 are the same as those of the first embodiment.
また、電圧形ブリッジ回路22の上アームと下アームとの接続点と誘導性負荷12の間に電流情報を検出する電流センサ16を設け、電流センサ16が検出した電流情報は極性判別器15に入力する。図11は、極性判別器15の詳細を示す図である。差動増幅器202によって二つの入力電圧の電位差を増幅し、比較器203によってゼロと比較し正または負の電流極性を判別する。判別した正または負の電流極性は制御部14に入力する。なおここでは、図10に示す電圧形ブリッジ回路22の接続点から誘導性負荷12に向かって流れる電流の方向を正の電流極性とする。 Further, a current sensor 16 for detecting current information is provided between the connection point between the upper arm and the lower arm of the voltage-type bridge circuit 22 and the inductive load 12, and the current information detected by the current sensor 16 is supplied to the polarity discriminator 15. input. FIG. 11 is a diagram showing details of the polarity discriminator 15. The potential difference between the two input voltages is amplified by the differential amplifier 202, and compared with zero by the comparator 203 to determine the positive or negative current polarity. The determined positive or negative current polarity is input to the control unit 14. Here, the direction of the current flowing from the connection point of the voltage source bridge circuit 22 shown in FIG. 10 toward the inductive load 12 is a positive current polarity.
図12は、電流極性を用いたスイッチング周波数の切り替えに係る制御部14の詳細を示す図である。制御部14は、あらかじめ設定した低いスイッチング周波数(第一のスイッチング周波数)を生成して出力する構成部と、この第一のスイッチング周波数よりも高いスイッチング周波数(第二のスイッチング周波数)を生成して出力する構成部を備えると共に、極性判別器15が出力した正または負の電流極性に応じて、電流極性が正ならば高いスイッチング周波数、電流極性が負ならば低いスイッチング周波数をスイッチング指令として出力する切替器17を備える。このように、制御部14はスイッチング周波数切替部として動作する。 FIG. 12 is a diagram illustrating details of the control unit 14 related to switching of the switching frequency using the current polarity. The control unit 14 generates and outputs a preset low switching frequency (first switching frequency), and generates a switching frequency (second switching frequency) higher than the first switching frequency. According to the positive or negative current polarity output from the polarity discriminator 15, a high switching frequency is output as a switching command if the current polarity is positive, and a low switching frequency is output as a switching command if the current polarity is negative. A switch 17 is provided. Thus, the control unit 14 operates as a switching frequency switching unit.
ここで図13は、電流極性が正のときの電流の流れを示す図であり、太線が電流の流れを示す。電流極性が正のときは、どのような動作条件でも、SiCで構成されたスイッチング素子を流れるドレイン電流103か、SiCで構成された還流ダイオードを流れる順方向電流105の流れのどちらかであり、いずれにせよSiCの素子を必ず流れる。 Here, FIG. 13 is a diagram showing the flow of current when the current polarity is positive, and the thick line shows the flow of current. When the current polarity is positive, under any operating condition, either the drain current 103 flowing through the switching element made of SiC or the forward current 105 flowing through the free wheel diode made of SiC, In any case, the SiC element always flows.
図14は、図10で示す電力変換装置の電流と前記電流に対応したスイッチング指令を示す図である。(a)は誘導性負荷12またはコイル13を流れる負荷電流301の波形を示し、(b)はスイッチング電圧302の波形を示している。負荷電流301の電流極性に従って、正の電流極性のときは高いスイッチング周波数、負の電流極性のときは低いスイッチング周波数でスイッチング電圧302を出力する。 FIG. 14 is a diagram illustrating a current of the power conversion device illustrated in FIG. 10 and a switching command corresponding to the current. (A) shows the waveform of the load current 301 flowing through the inductive load 12 or the coil 13, and (b) shows the waveform of the switching voltage 302. According to the current polarity of the load current 301, the switching voltage 302 is output at a high switching frequency when the polarity is positive and at a low switching frequency when the polarity is negative.
これによると、負荷電流301が正で、すなわちSiCで構成したスイッチング素子または還流ダイオードを流れる期間はスイッチング周波数が高くなり、負荷電流301が負で、すなわちSiで構成したスイッチング素子または還流ダイオードを流れる期間はスイッチング周波数が低くなる。したがって、電力変換装置として一時的にスイッチング周波数を高くすることができる。ここで、SiCであれば低損失性によりスイッチング周波数を高くしても損失を許容することができるため信頼性を悪化させることはない。 According to this, during the period when the load current 301 is positive, that is, when it flows through the switching element or the free wheel diode composed of SiC, the switching frequency becomes high, and the load current 301 is negative, that is, flows through the switching element or the free wheel diode composed of Si. The switching frequency is low during the period. Therefore, the switching frequency can be temporarily increased as the power conversion device. Here, if SiC is used, loss can be tolerated even if the switching frequency is increased due to low loss, so reliability is not deteriorated.
さらに、図15は、電圧形ブリッジ回路を並列接続した電力変換装置の構成を示す図であり、これをもとに動作を説明する。具体的には、上下アーム構成の電圧型ブリッジ回路22を三個並列接続した構成となっており、すなわちU相、V相、W相を形成した三相電力変換装置である。また、SiCで構成されるスイッチング素子は、U相、V相、W相の全てで電圧形ブリッジ回路の上アームのみに位置している。 Further, FIG. 15 is a diagram showing a configuration of a power conversion apparatus in which voltage-type bridge circuits are connected in parallel, and the operation will be described based on this. Specifically, it has a configuration in which three voltage-type bridge circuits 22 having an upper and lower arm configuration are connected in parallel, that is, a three-phase power converter that forms a U phase, a V phase, and a W phase. Further, the switching elements made of SiC are located only in the upper arm of the voltage-type bridge circuit in all of the U phase, the V phase, and the W phase.
図16は、三相電力装置のときの電流極性を用いたスイッチング周波数の切り替えに係る制御部14の詳細を示す図である。極性判別器15が出力したU相、V相、W相の各電流極性に応じて、電流極性が正ならば高いスイッチング周波数、電流極性が負ならば低いスイッチング周波数を、各相のスイッチング指令としてそれぞれ出力する。 FIG. 16 is a diagram illustrating details of the control unit 14 related to switching of the switching frequency using the current polarity in the case of the three-phase power device. Depending on the current polarity of the U-phase, V-phase, and W-phase output from the polarity discriminator 15, a high switching frequency is used as a switching command for each phase if the current polarity is positive and a low switching frequency if the current polarity is negative. Output each.
このとき、図17は、図15に示す三相電力変換装置の電流と電流に対応したスイッチング指令を示す図である。(a)は電流センサ16a,16b,16cで検出した三相電流波形を示し、すなわちU相電流303とV相電流304とW相電流305である。また、(b)はU相スイッチング指令306であり、U相電流303が正の電流極性のときに高いスイッチング周波数、負の電流極性のときに低いスイッチング周波数となる。また、(c)はV相スイッチング指令307であり、V相電流304が正の電流極性のときに高いスイッチング周波数、負の電流極性のときに低いスイッチング周波数となる。また、(d)はW相スイッチング指令308であり、W相電流305が正の電流極性のときに高いスイッチング周波数、負の電流極性のときに低いスイッチング周波数となる。 At this time, FIG. 17 is a figure which shows the switching instruction | command corresponding to the electric current of the three-phase power converter device shown in FIG. 15, and an electric current. (A) shows the three-phase current waveforms detected by the current sensors 16a, 16b, and 16c, that is, the U-phase current 303, the V-phase current 304, and the W-phase current 305. (B) is a U-phase switching command 306, which has a high switching frequency when the U-phase current 303 has a positive current polarity and a low switching frequency when the U-phase current 303 has a negative current polarity. (C) is a V-phase switching command 307, which has a high switching frequency when the V-phase current 304 has a positive current polarity and a low switching frequency when the V-phase current 304 has a negative current polarity. (D) is a W-phase switching command 308, which has a high switching frequency when the W-phase current 305 has a positive current polarity and a low switching frequency when the W-phase current 305 has a negative current polarity.
これによると、三相交流電流では常に少なくとも一相は逆方向に流れるため、SiCで構成したスイッチング素子を上アームのみに配すれば、必ずSiCに流れることとなる。よって、いかなる運転状態でも必ずSiCを活用することができ、最も効率がよい。 According to this, since at least one phase always flows in the reverse direction in the three-phase alternating current, if a switching element composed of SiC is arranged only in the upper arm, the current always flows in SiC. Therefore, SiC can always be used in any operating state, and is most efficient.
以上説明したように、実施の形態3の電力変換装置によれば、熱破壊に対する信頼性を保ちつつ、SiCを積極的に活用して動作条件に応じてスイッチング周波数を高くすることが可能となるため、スイッチングによる電磁騒音や高調波電流によるモータ損失の低減を実現させ、さらに全てのスイッチング素子および還流ダイオードにSiCを採用するよりも、コストおよびノイズを抑制することができる。 As described above, according to the power conversion device of the third embodiment, it is possible to increase the switching frequency according to operating conditions by actively utilizing SiC while maintaining reliability against thermal breakdown. Therefore, reduction of motor loss due to electromagnetic noise and harmonic current due to switching can be realized, and cost and noise can be suppressed as compared with adopting SiC for all switching elements and freewheeling diodes.
ここで、上記実施の形態3では、図10および図15に示すように、電流極性は電流センサ16もしくは16a,16b,16cの電流情報から得たが、電流センサにのみ決まるものではなく、図18に示すように下アームのスイッチング素子に直列に接続したシャント抵抗器18の端子間電圧からも電流情報が検出可能である。また、図19に示すようにスイッチング素子のコレクタ−エミッタ間の電圧からも電流情報が検出可能である。 Here, in the third embodiment, as shown in FIGS. 10 and 15, the current polarity is obtained from the current information of the current sensor 16 or 16a, 16b, 16c, but it is not determined only by the current sensor. As shown in FIG. 18, current information can also be detected from the voltage across the terminals of the shunt resistor 18 connected in series to the switching element of the lower arm. Further, as shown in FIG. 19, current information can also be detected from the voltage between the collector and the emitter of the switching element.
また、上記実施の形態3では、図10や図15に示すようにスイッチング周波数の切り替え要素として極性判別器15から出力される電流極性を用いたが、電流極性にのみ決まるものではなく、図20に示すように実効値検出器19から出力される電流実効値を用いてもよい。その場合、あらかじめ設定した閾値に対して、電流実効値<閾値であれば高いスイッチング周波数、電流実効値>閾値であれば低いスイッチング周波数をスイッチング指令として出力する。また、図21に示すようにスイッチング素子および還流ダイオードの温度を測定または推定する温度検出手段20から出力される温度を用いてもよい。その場合、あらかじめ設定した閾値に対して、温度<閾値であれば高いスイッチング周波数、温度>閾値であれば低いスイッチング周波数をスイッチング指令として出力する。 In the third embodiment, the current polarity output from the polarity discriminator 15 is used as a switching frequency switching element as shown in FIGS. 10 and 15. However, the current polarity is not determined only by the current polarity. The effective current value output from the effective value detector 19 may be used as shown in FIG. In that case, if the current effective value <threshold value, a high switching frequency is output as a switching command, and if the current effective value> threshold value, a low switching frequency is output as a switching command. Further, as shown in FIG. 21, the temperature output from the temperature detecting means 20 that measures or estimates the temperature of the switching element and the free wheel diode may be used. In this case, a high switching frequency is output as a switching command if temperature <threshold, and a low switching frequency is output if temperature> threshold with respect to a preset threshold.
また、図22に示すように、あらかじめ設定されている実効値検出器19から出力される電流実効値に対するスイッチング周波数の関係(同図ではテーブル21aを例示)に基づいてスイッチング周波数を変化させて、このスイッチング周波数をスイッチング指令としてもよい。また、図23に示すように、あらかじめ設定した温度検出手段20から出力される温度に対するスイッチング周波数の関係(同図ではテーブル21bを例示)に基づいてスイッチング周波数を変化させて、このスイッチング周波数をスイッチング指令としてもよい。 Further, as shown in FIG. 22, the switching frequency is changed based on the relationship of the switching frequency to the current effective value output from the preset effective value detector 19 (the table 21a is illustrated in FIG. 22), This switching frequency may be used as a switching command. Further, as shown in FIG. 23, the switching frequency is changed based on the relationship of the switching frequency with respect to the temperature output from the preset temperature detecting means 20 (the table 21b is illustrated in the figure), and this switching frequency is switched. It may be a command.
なお、上記実施の形態3では、図12、図20、図21に示すように切り替え器17には一つの情報しか入力していないが、一つに限定するものではない。例えば、図24は、電流極性と電流実効値を用いたスイッチング周波数の切り替えに係る制御部14の詳細を示す図である。制御部14は、極性判別器15が判別した正または負の電流極性と実効値検出器19が出力した電流実効値に応じて、電流極性が正または電流実効値<閾値であれば高いスイッチング周波数をスイッチング指令として出力し、電流極性が負でかつ電流実効値>閾値であれば低いスイッチング周波数をスイッチング指令として出力する。 In the third embodiment, only one piece of information is input to the switch 17 as shown in FIGS. 12, 20, and 21, but the number is not limited to one. For example, FIG. 24 is a diagram illustrating details of the control unit 14 related to switching of the switching frequency using the current polarity and the current effective value. In accordance with the positive or negative current polarity determined by the polarity discriminator 15 and the current effective value output by the effective value detector 19, the control unit 14 increases the switching frequency if the current polarity is positive or the current effective value <threshold. Is output as a switching command, and if the current polarity is negative and the current effective value> threshold, a low switching frequency is output as a switching command.
また例えば、図25は、電流極性と電流実効値に対するスイッチング周波数のテーブル21aを用いたスイッチング周波数の切り替えに係る制御部14の詳細を示す図である。制御部14は、極性判別器15が判別した正または負の電流極性と、実効値検出器19が出力した電流実効値に応じて、電流極性が正のときは高いスイッチング周波数をスイッチング指令として出力し、電流極性が負のときは、あらかじめ設定した電流実効値に対するスイッチング周波数のテーブル21aに基づいてスイッチング周波数をスイッチング指令として出力する。 For example, FIG. 25 is a diagram illustrating details of the control unit 14 related to switching of the switching frequency using the switching frequency table 21a with respect to the current polarity and the current effective value. The control unit 14 outputs a high switching frequency as a switching command when the current polarity is positive according to the positive or negative current polarity determined by the polarity determiner 15 and the effective current value output by the effective value detector 19. When the current polarity is negative, the switching frequency is output as a switching command based on the switching frequency table 21a for the preset current effective value.
なお、実施の形態1〜3では、低損失なパワーデバイスであるSiCを採用した構成を開示したが、SiCに限定されるものではない。SiCはSiよりもバンドギャップが大きいという特性を捉えて、ワイドバンドギャップ半導体と称される半導体の一例である(これに対し、Siは、ナローバンドギャップ半導体と称される半導体の一例である)。このSiC以外にも、例えば窒化ガリウム系材料(GaN)または、ダイヤモンド(C)を用いて形成される半導体もワイドバンドギャップ半導体に属しており、それらの特性もSiCに類似した点が多い。従って、SiC以外の他のワイドバンドギャップ半導体を用いる構成も、本発明の要旨を成すものである。 In the first to third embodiments, the configuration employing SiC, which is a low-loss power device, is disclosed, but is not limited to SiC. SiC is an example of a semiconductor called a wide bandgap semiconductor because it captures the characteristic that the bandgap is larger than that of Si (in contrast, Si is an example of a semiconductor called a narrow bandgap semiconductor). In addition to this SiC, for example, a semiconductor formed using a gallium nitride-based material (GaN) or diamond (C) belongs to a wide band gap semiconductor, and their characteristics are also similar to SiC. Accordingly, a configuration using a wide band gap semiconductor other than SiC also forms the gist of the present invention.
また、このようなワイドバンドギャップ半導体によって形成されたスイッチング素子およびダイオード素子は、耐電圧性が高いため、スイッチング素子および還流ダイオードの小型化が可能であり、半導体素子モジュールの小型化が可能となる。また、ワイドバンドギャップ半導体によって形成された素子は、耐熱性も高いため、ヒートシンクの小型化が可能となり、半導体素子モジュールを冷却する冷却構造の小型化が可能となる。 In addition, since the switching element and the diode element formed of such a wide band gap semiconductor have high voltage resistance, the switching element and the free wheel diode can be downsized, and the semiconductor element module can be downsized. . In addition, since an element formed of a wide band gap semiconductor has high heat resistance, the heat sink can be downsized, and the cooling structure for cooling the semiconductor element module can be downsized.
以上のように、本発明に係る電力変換装置は、熱破壊に対する信頼性を保ちつつ、電磁騒音とモータ損失を低減させ、さらにコスト上昇とノイズの増大を抑えることができる発明として有用である。 As described above, the power conversion device according to the present invention is useful as an invention that can reduce electromagnetic noise and motor loss while maintaining reliability against thermal destruction, and can further suppress cost increase and noise increase.
1a〜1f Siで構成したスイッチング素子
2a〜2f Siで構成した還流ダイオード
3a〜3f SiCで構成したスイッチング素子
4a〜4f SiCで構成した還流ダイオード
11a,11b 平滑用コンデンサ
12 誘導性負荷
13 コイル
14 制御部
15 極性判別器
16,16a,16b,16c 電流センサ
17 切替器
18 シャント抵抗器
19 実効値検出器
20 温度検出手段
21a,21b テーブル
22 電圧形ブリッジ回路
103 ドレイン電流
105 順方向電流
202 差動増幅器
203 比較器
301 負荷電流
302 スイッチング指令
303 U相電流
304 V相電流
305 W相電流
306 U相スイッチング指令
307 V相スイッチング指令
308 W相スイッチング指令
1a-1f Si switching element 2a-2f Si freewheeling diode 3a-3f SiC switching element 4a-4f SiC freewheeling diode 11a, 11b Smoothing capacitor 12 Inductive load 13 Coil 14 Control Unit 15 Polarity discriminator 16, 16a, 16b, 16c Current sensor 17 Switch 18 Shunt resistor 19 RMS detector 20 Temperature detection means 21a, 21b Table 22 Voltage source bridge circuit 103 Drain current 105 Forward current 202 Differential amplifier 203 Comparator 301 Load current 302 Switching command 303 U phase current 304 V phase current 305 W phase current 306 U phase switching command 307 V phase switching command 308 W phase switching command
Claims (12)
前記スイッチング周波数切替部は、前記電流検出手段から得られる電流極性の正負により、前記スイッチング周波数を切り替えることを特徴とする請求項3に記載の電力変換装置。 The voltage source bridge circuit includes a current detection means,
The said switching frequency switch part switches the said switching frequency by the positive / negative of the current polarity obtained from the said current detection means, The power converter device of Claim 3 characterized by the above-mentioned.
前記スイッチング周波数切替部は、前記電流検出手段から得られる電流実効値とあらかじめ設定した閾値との大小比較により、前記スイッチング周波数を切り替えることを特徴とする請求項3に記載の電力変換装置。 The voltage source bridge circuit includes a current detection means,
4. The power converter according to claim 3, wherein the switching frequency switching unit switches the switching frequency based on a magnitude comparison between a current effective value obtained from the current detection unit and a preset threshold value. 5.
前記スイッチング周波数切替部は、前記電流検出手段から得られる電流極性の正負により、前記スイッチング周波数を切り替えることを特徴とする請求項3に記載の電力変換装置。 Current detection means is provided on the output side,
The said switching frequency switch part switches the said switching frequency by the positive / negative of the current polarity obtained from the said current detection means , The power converter device of Claim 3 characterized by the above-mentioned .
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