JP6063136B2 - Dcモータ用スイッチング素子の制御装置及び方法 - Google Patents

Dcモータ用スイッチング素子の制御装置及び方法 Download PDF

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Description

本発明は、DCモータ用スイッチング素子の制御装置及び方法に関し、より詳しくは、ハードウェアの回路設計を用いてデッドタイムを制御できるDCモータ用スイッチング素子の制御装置及び方法に関するものである。
通常、ハイブリッド車両には、ハイパワー(High Power)出力を有するDCモータに三相交流電力を供給する電力変換素子として三相パルス幅変調(PWM)インバータが用いられている。
DCモータを駆動するためのハーフブリッジ回路(Half−Bridge Circuit)では、2つのスイッチング素子のMOSFETを互いに独立してスイッチングすることができるが、2つの素子を同時にオンする場合、直流電源が短絡して大電流が流れ、素子が破壊される危険があるから、絶対に使わないようにする。従って、2つの素子のオン/オフ状態が互いに異なるように相補的な(COMPLEMENTARY)スイッチングをする。
しかし、2つの素子のオン/オフ状態を切り替える時、ゲート信号の伝達遅延時間の差と半導体スイッチング素子自体のオンする時間とオフする時間の差により、2つの素子が同時に導通(Path Through)する可能性がある。
特に、スイッチング素子のオフする時間がオンする時間よりも常に長いため、2つの素子に対してスイッチング状態を切り替えるようにするゲート信号を同時に加える場合、2つの素子が導通して所望しない短絡事故が発生して電力損失が生じることがある。
このように2つの素子のスイッチング状態を切り替える時、所望しない短絡事故を防止するためには、オフする素子のターンオフを確実に保障するように所定時間が経過した後にオン素子のターンオン信号を加える(特許文献1参照)。このようにオン信号を遅延させる時間を短絡防止時間、デッドタイム(Dead Time)という。
DCモータの制御は、スイッチング素子により行われており、通常、CPUにより行われる(特許文献2、3参照)。
しかしながら、マイコンが搭載されている制御器が装着された大部分の車両は、ソフトウェアプログラムを用いてデッドタイムを制御するが、マイコンが搭載されていない制御器が装着された車両は、ソフトウェアプログラムを用いて制御できないため、それに対する対応方案が必要である。
特開2005−027423号公報 特開平08−300972号公報 特開2011−11567号公報
本発明は、上記のような問題点を解決するために発明したもので、従来の車両制御器にマイコンが搭載されていない場合にも、オンチップによりデッドタイム区間の制御を可能にするDCモータ用スイッチング素子の制御装置及び方法を提供することにその目的がある。
本発明によるDCモータ用スイッチング素子の制御装置は、DCモータ用スイッチング素子の制御装置であって、半導体チップ(10)の内部に装着され、ハーフブリッジで前記半導体チップ(10)の内部回路を構成する第1スイッチング素子と、前記半導体チップ(10)に設置され、前記第1スイッチング素子の動作時、デッドタイム区間を制御してゲート信号を前記第1スイッチング素子に直接送信し、前記半導体チップの外部に装着されDCモータ(16)に直結する第2スイッチング素子を駆動するデッドタイム制御部(20)と、を含んで構成され、前記内部回路を構成する前記第1スイッチング素子は、前記内部回路の外部に備えられる前記第2スイッチング素子を構成するPチャネルMOSFETとNチャネルMOSFETに接続されており、前記PチャネルMOSFETと前記NチャネルMOSFETは、一対で動作され、前記PチャネルMOSFETは、前記DCモータ(16)と直接接続されて前記DCモータ(16)を制御することを特徴とする。
特に、スイッチング素子は、一対で動作するMOSFETであり、クロック発生器、分周器、検出器、カウンター、及び時間遅延部で構成されて、2つのスイッチング素子間にデッドタイムを適用する。
本発明によるDCモータ用スイッチング素子の制御方法は、クロック信号(40)を発生する段階と、前記クロック信号(40)を分周器(23)により分周する段階と、前記分周器(23)に入力されるクロック信号40aと分周されたクロック信号40bの位相差を検出してアップ信号またはダウン信号を発生させる段階と、前記アップ信号または前記ダウン信号をカウントして制御ビットを発生する段階と、前記制御ビットに基づいて一対で動作する2つのスイッチング素子のスイッチング切り替え時にオン信号を遅延する方式で内部デッドタイムと外部デッドタイムを適用して相補的なスイッチング動作を行う段階と、を含んで構成され、前記内部デッドタイムは、内部回路からそれぞれ一対で動作する第1および第2のMOSFET(27a、27b)、または第3および第4のMOSFET(28a、28b)が同時に動作することを防止するように制御されて、前記外部デッドタイムは、第1および第2のMOSFET(27a、27b)のいずれかと、第3および第4のMOSFET(28a、28b)のいずれかが同時に動作することを防止するように制御されていることを特徴とする。
アップ信号をカウントするアップカウンターと、ダウン信号をカウントするダウンカウンターは、互いに対称するように設計されて同じ範囲でカウントする。
デッドタイムは、アップ/ダウン信号のカウント数により決定する。
また、一対で動作するスイッチング素子間に適用されるデッドタイム区間は、相異なる一対で動作するスイッチング素子間に適用されるデッドタイム区間よりもさらに短時間で制御する。
本発明によるDCモータ用スイッチング素子の制御装置及び方法の長所を次に説明する。
第1に、半導体チップの内部にオンチップハードウェアの回路設計により集積化してデッドタイム区間を制御することにより、従来のマイコンによるソフトウェア制御が不要となり、システム及びソフトウェアロードを最適化することができる。
第2に、入力されるPWMデューティーが変化しても内部/外部のデッドタイム区間を制御することができる。
第3に、一対の第1MOSFETと第2MOSFET(または第3MOSFETと第4MOSFET)が動作する時、内部のデッドタイムを適用し、相異なる一対の2つの素子の第1MOSFETと第3MOSFET(または第2MOSFETと第4MOSFET)が動作する時、外部のデッドタイムを適用することにより、一素子をオフし、デッドタイム(4bit)が経過した後、他の素子をオンする方式で、2つの素子間のスイッチングを切り替える時、相補的な動作を確保して電力損失を防止することができる。
本発明の一実施例によるDCモータ制御用半導体チップ及びその回路構成を示す概略図である。 本発明によるFET素子を制御するための回路構成図である。 本発明の一実施例によるデッドタイムを制御するためのタイミングダイヤグラムである。 本発明の一実施例によるデッドタイム制御アルゴリズムである。
以下、添付図面を参照して、本発明の好ましい実施形態を挙げて詳細に説明する。
図1は、本発明の一実施形態によるDCモータ制御用半導体チップ及びその回路構成を示す概略図であり、図2は本発明によるFET素子を制御するための回路構成図である。
本発明は、DCモータ16を制御する時、マイコンのソフトウェアプログラムを用いてデッドタイムを制御せず、オンチップハードウェアの回路設計を用いてデッドタイムを制御できるDCモータ用スイッチング素子の制御装置及び方法に関するものである。
本発明の一実施形態によるDCモータ用スイッチング素子の制御装置は、PWM制御用半導体チップ10上にデッドタイムを制御するためのFETゲートドライバ13と必須内部回路のハーフブリッジまたはフルブリッジを有することができる。
PWM制御用半導体チップ10は、32kBメモリに4kBメモリをさらに装着可能であり、256BのRAMと3kBのXRAM、オシレーター、ADコンバーターなどを装着したモータコントロールユニット11(Motor Control Unit:MCU)と、電圧レギュレーター12、FETゲートドライバ13、増幅器14(OP AMP)などで構成することができる。
PWM制御装置用半導体チップ10は、デッドタイム制御部20としてクロック発生器22、分周器23、検出器24、カウンター25、及び時間遅延部26などと、内部回路として2つのハーフブリッジを構成することができる。
デッドタイム制御部20は、半導体チップ10の内部に2つのハーフブリッジで構成される2つのMOSFET27,28に印加されるゲート信号COUT60,CC60,COUT61,CC61を発生させ、2つのMOSFET27,28のオン/オフ状態が互いに異なるように、相補的なスイッチング状態を切り替えることができる。
この時、COUT60とCC60は、一対の第1及び第2MOSFET27a,27bに伝送されるゲート信号であり、COUT61とCC61は、他の一対の第3及び第4MOSFET28a,28bに伝送されるゲート信号である。
この内部回路は、図2の四角形ボックスの内部に示すように、2つのハーフブリッジで構成され、各ハーフブリッジには2つのMOSFET27,28(スイッチング素子)が一対で動作できるように構成している。
また、四角形ボックスの外部には内部回路のハーフブリッジにそれぞれ接続するPチャネルMOSFET15とNチャネルMOSFET15が構成され、PチャネルMOSFET15とNチャネルMOSFET15が一対で動作し、PチャネルMOSFET15はDCモータ16に直接接続してDCモータ16を制御することができる。
この時、内部回路において、それぞれ一対で動作する第1及び第2MOSFET27a,27b、または第3及び第4MOSFET28a,28bが同時に動作することを防止するために内部のデッドタイムを制御し、第1及び第2MOSFET27a,27bのうちの何れか1つと第3及び第4MOSFET28a,28bのうちの何れか1つが同時に動作することを防止するために外部のデッドタイムを制御しなければならない。
ここで、内部のデッドタイムは、内部回路で一対で動作する2つのMOSFET、すなわちMOSFET27間に、またMOSFET28間に同時に動作することを回避するためのデッドタイムであり、外部のデッドタイムは、相異なる対で別々に動作する2つのMOSFET27a,28aが同時に動作することを回避するためのデッドタイムである。
本発明の一実施形態では、内部のデッドタイム区間を4bitに設定し、外部のデッドタイム区間を8bitに設定することができる。
デッドタイム制御部20は、ハードウェアの回路設計のための構成であって、クロック信号をリセットするためのリセット(reset)装置21と、一定の周波数のクロック信号を発生するクロック発生器22(clock generator)と、周波数を分周する分周器23(divider)と、クロック信号40の位相差を検出してアップ/ダウン信号を発生する検出器24(detector)と、アップ/ダウン信号に対するカウントを行うカウンター25(counter)、及びデッドタイムを制御するためにオン信号の時間を遅延する時間遅延部26(delay timer)などで構成されている。
この時、クロック信号は、2つ以上の回路動作を統合するために用いられ、一定の周波数を有している。
次に、このように構成されたDCモータ制御装置のデッドタイム制御方法を説明する。
図3は、本発明の一実施形態によるデッドタイムを制御するタイミングダイヤグラムであり、図4は本発明の一実施形態によるデッドタイム制御アルゴリズムである。
先ず、デッドタイムを制御する時、周波数ノイズを除去し、デッドタイムの制御を開始するためにクロック発生器22で発生するクロック信号をリセットする。
次に、クロック発生器22で発生した24Hzのクロック信号を分周器23により4分周して6Hzの周波数を使用する(S100,S110)。
次に、検出器24は、分周器23に入力される第1クロック信号40aと分周器23により分周された第2クロック信号40bとの間の位相差を検出するが、第1クロック信号40aの位相が第2クロック信号40bの位相よりも進んでいる場合はアップ信号を発生させ、第2クロック信号40bの位相が第1クロック信号40aの位相より進んでいる場合はダウン信号を発生する(S120,S130)。
次に、カウンター25は、検出器24で発生したアップ/ダウン信号が伝達されると、このアップ/ダウン信号に対するカウントを行って時間遅延部26に印加される制御ビット(control bit)を発生する(S140,S150)。
この時、アップ/ダウン信号に対するカウントは1〜150の範囲で行われ、その理由はデッドタイムの全発生区間が前記したカウントの範囲内に入るからである。
また、アップカウンター25とダウンカウンター25は左右対称に設計するが、これはカウンターによる計算を容易に制御するためである。
例えば、1から300まで増加するカウンターを用いて5と296を測定する場合、カウンターを300ステップ(step)に分け、1〜150(アップ)、150〜1(ダウン)に対称設計し、4の区間を測定しようとすると、最初の数字1と最後の数字300からそれぞれ同じく離れている5と296の地点を測定することになる。
従って、ハードウェアの回路設計が単純になり、容易に制御することができる。
次に、時間遅延部26には、カウンター25で発生した制御ビットが伝達され、伝達された制御ビットに基づいて各MOSFET27,28に印加されるデッドタイム(オン信号を遅延させる時間)を制御する。
図3と図4を参照してデッドタイム制御方法をより詳しく説明する。
図3に示すように、検出器24で検出されたアップ/ダウン信号(down counter/up counter enable signal)は、0を基準として左右対称するように設計され、カウントされる数が高い数から低くなるダウンカウンター区間と、カウントされる数が低い数から高くなるアップカウンター区間に分けられる。
例えば、ダウンカウンター区間におけるゲート信号CC60とCOUT60の信号波形41を説明すると、ダウンカウンター区間の最高カウント150から130にダウンカウントされる時、デッドタイム制御部20から第2MOSFET27bに印加されるゲート信号CC60はハイ(1;ON)からロー(0;OFF)に切り替えられ、その後、第1MOSFET27aに印加されるゲート信号COUT60は130から126にカウントされた後、すなわち内部のデッドタイム(t△_INT;4bit)が経過した後、ロー(0)からハイ(1)に切り替えられる(S140,S141)。
また、ゲート信号CC60とCC61の信号波形41は、ダウンカウンター区間で130にダウンカウントされる時、デッドタイム制御部20から第2MOSFET27bに印加されるゲート信号CC60はハイ(1;ON)からロー(0;OFF)に切り替えられ、その後、第4MOSFET28bに印加されるゲート信号CC61は130から122にカウントされた後、すなわち外部のデッドタイム(t△_INT;8bit)区間が経過した後、ハイ(1)からロー(0)に切り替えられる(S140,S142)。
また、ゲート信号CC61とCOUT61の信号波形41は、ダウンカウントが122になる時、デッドタイム制御部20から第4MOSFET28bに印加されるゲート信号CC61はハイからローに切り替えられ、その後、第3MOSFET28aに印加されるゲート信号COUT61は122から118にダウンカウントされた後、すなわち内部のデッドタイム区間(4bit)が経過した後、ローからハイに切り替えられる(S142,S143)。
一方、アップカウンター区間におけるゲート信号COUT61とCC61の信号波形41を説明すると、アップカウンター区間の最低カウント0から122にアップカウントされる時、デッドタイム制御部20から第3MOSFET28aに印加されるゲート信号COUT61はハイ(1;ON)からロー(0;OFF)に切り替えられ、その後、第4MOSFET28bに印加されるゲート信号CC61は122から126にアップカウントされた後、すなわち内部のデッドタイム(t△_INT;4bit)が経過した後、ロー(0)からハイ(1)に切り替えられる(S150,S151)。
また、ゲート信号COUT61とCOUT60の信号波形41は、アップカウンター区間で122にアップカウントされる時、デッドタイム制御部20から第3MOSFET28aに印加されるゲート信号COUT61はハイ(1;ON)からロー(0;OFF)に切り替えられ、その後、第1MOSFET27aに印加されるゲート信号COUT60は130にアップカウントされた後、すなわち外部のデッドタイム(t△_INT;8bit)区間が経過した後、ハイ(1)からロー(0)に切り替えられる(S150,S152)。
また、ゲート信号COUT60とCC60の信号波形41は、アップカウントが130になる時、デッドタイム制御部20から第1MOSFET27aに印加されるゲート信号COUT60はハイからローに切り替えられ、その後、第2MOSFET27bに印加されるゲート信号CC60は130から134にアップカウントされる時、すなわち内部のデッドタイム区間(4bit)が経過した後、ローからハイに切り替えられる(S152,S153)。
ここで、内部のデッドタイムは、一対で動作する第1及び第2MOSFET27a,27bの間または第3及び第4MOSFET28a,28bの間に適用され、外部のデッドタイムは相異なる一対で動作する第2MOSFET27bと第4MOSFET28bとの間または第1MOSFET27aと第3MOSFET28aとの間に適用される。
従って、本発明によれば、デッドタイム制御部20は一対の第1MOSFET27aと第2MOSFET27b(または第3MOSFET28aと第4MOSFET28b)が動作する時、内部のデッドタイムを適用し、相異なる一対の2つの素子の第1MOSFET27aと第3MOSFET28a(または第2MOSFET27bと第4MOSFET28b)が動作する時、外部のデッドタイムを適用することにより、一素子をオフさせ、デッドタイム(4bit)が経過した後、他の素子をオンする方式で2つの素子間の相補的な動作を確保して電力損失を防止することができる。
また、半導体チップ10の内部にオンチップハードウェアの回路設計により集積化してデッドタイム区間を制御することにより、従来のマイコンによるソフトウェア制御が不要となり、システム及びソフトウェアロードを最適化することができる。
さらに、入力されたPWMデューティーが変化しても内部/外部のデッドタイム区間を制御することができる。
10;半導体チップ
11;MCU
12;電圧レギュレーター
13;FETゲートドライバ
14;増幅器
15;MOSFET
16;DCモータ
20;デッドタイム制御部
21;リセット(reset)装置
22;クロック発生器
23;分周器
24;検出器
25;カウンター
26;時間遅延部
27,28;MOSFET
27a;第1MOSFET
27b;第2MOSFET
28a;第3MOSFET
28b;第4MOSFET
40;クロック信号
41;信号波形

Claims (7)

  1. DCモータ用スイッチング素子の制御装置であって、
    半導体チップ(10)の内部に装着され、ハーフブリッジで前記半導体チップ(10)の内部回路を構成する第1スイッチング素子と、
    前記半導体チップ(10)に設置され、前記第1スイッチング素子の動作時、デッドタイム区間を制御してゲート信号を前記第1スイッチング素子に直接送信し、前記半導体チップの外部に装着されDCモータ(16)に直結する第2スイッチング素子を駆動するデッドタイム制御部(20)と、を含んで構成され、
    前記内部回路を構成する前記第1スイッチング素子は、前記内部回路の外部に備えられる前記第2スイッチング素子を構成するPチャネルMOSFETとNチャネルMOSFETに接続されており、前記PチャネルMOSFETと前記NチャネルMOSFETは、一対で動作され、前記PチャネルMOSFETは、前記DCモータ(16)と直接接続されて前記DCモータ(16)を制御することを特徴とするDCモータ用スイッチング素子の制御装置。
  2. 前記第1スイッチング素子は、一対で動作するMOSFET(27,28)であることを特徴とする請求項1に記載のDCモータ用スイッチング素子の制御装置。
  3. 前記デッドタイム制御部(20)は、一定の周波数のクロック信号を発生するクロック発生器(22)と、前記クロック信号(40a)の周波数を分周し分周されたクロック信号(40b)を生成する分周器(23)と、前記分周器(23)に入力されるクロック信号(40a)と分周されたクロック信号(40b)の位相差を検出してアップ信号またはダウン信号を生成する検出器(24)と、前記アップ信号または前記ダウン信号をカウントするカウンター(25)と、前記カウンター(25)の値から生成される制御ビットによってデッドタイムを制御するためにオン信号の時間を遅延させる時間遅延部(26)で構成されて、2つのスイッチング素子間にデッドタイムを適用することを特徴とする請求項1に記載のDCモータ用スイッチング素子の制御装置。
  4. DCモータ用スイッチング素子の制御方法であって、
    クロック信号(40)を発生する段階と、
    前記クロック信号(40)を分周器(23)により分周する段階と、
    前記分周器(23)に入力されるクロック信号40aと分周されたクロック信号40bの位相差を検出してアップ信号またはダウン信号を発生させる段階と、
    前記アップ信号または前記ダウン信号をカウントして制御ビットを発生する段階と、
    前記制御ビットに基づいて一対で動作する2つのスイッチング素子のスイッチング切り替え時にオン信号を遅延する方式で内部デッドタイムと外部デッドタイムを適用して相補的なスイッチング動作を行う段階と、を含んで構成され、前記内部デッドタイムは、内部回路からそれぞれ一対で動作する第1および第2のMOSFET(27a、27b)、または第3および第4のMOSFET(28a、28b)が同時に動作することを防止するように制御されて、前記外部デッドタイムは、第1および第2のMOSFET(27a、27b)のいずれかと、第3および第4のMOSFET(28a、28b)のいずれかが同時に動作することを防止するように制御されることを特徴とするDCモータ用スイッチング素子の制御方法。
  5. 前記アップ信号をカウントするアップカウンター(25)と前記ダウン信号をカウントするダウンカウンター(25)は、互いに対称するように設計されて同じ範囲でカウントすることを特徴とする請求項4に記載のDCモータ用スイッチング素子の制御方法。
  6. 前記デッドタイムは、前記アップ信号または前記ダウン信号のカウント数により決定することを特徴とする請求項4に記載のDCモータ用スイッチング素子の制御方法。
  7. 一対で動作するスイッチング素子間、すなわち第1のMOSFET(27a)と第2のMOSFET(27b)間または第3のMOSFET(28a)と第4のMOSFET(28b)間に適用されるデッドタイム区間は、相異なる対で動作するスイッチング素子間すなわち第1のMOSFET(27a)と第3のMOSFET(28a)間または第2のMOSFET(27b)と第4のMOSFET(28b)間に適用されるデッドタイム区間よりもさらに短時間で制御することを特徴とする請求項4に記載のDCモータ用スイッチング素子の制御方法。
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