JP6705234B2 - Inverter control method - Google Patents
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Description
本発明は、インバータ装置の制御方法に係わり、特に、スイッチング素子を用いて複数の単相フルブリッジ回路で構成したインバータ装置におけるデッドタイム削減の制御方法に関するものである。 The present invention relates to a control method for an inverter device, and more particularly to a control method for reducing dead time in an inverter device configured by a plurality of single-phase full bridge circuits using switching elements.
図7はスイッチング素子としてIGBT素子を用いたときのターンオン、ターンオフ時の波形図を示したものである。VGEはゲート・エミッタ間電圧、VCEはコレクタ・エミッタ間電圧、ICはコレクタ電流を示す。殆どのIGBT素子の特性として、ターンオン時間tonとターンオフ時間toffの時間関係は、ターンオン時間ton<ターンオフ時間toffの関係にある。例えば、定格電圧1200V,定格電流300AのIGBT素子の場合、toff−ton=200ns程度の時間差の関係があるIGBT素子をインバータ装置に使用する場合には、この時間差の関係をもとにインバータの上下短絡を防止するターンオン時間、ターンオフ時間、温度依存などを考慮し、さらに安全率を適宜決めてデッドタイムが設定される。 FIG. 7 is a waveform diagram at the time of turn-on and turn-off when an IGBT element is used as a switching element. VGE is the gate-emitter voltage, VCE is the collector-emitter voltage, and IC is the collector current. As a characteristic of most of the IGBT devices, the time relationship between the turn-on time ton and the turn-off time toff has a relationship of turn-on time ton<turn-off time toff. For example, in the case of an IGBT element having a rated voltage of 1200 V and a rated current of 300 A, when an IGBT element having a time difference of about toff-ton=200 ns is used in the inverter device, the inverter top and bottom are based on this time difference. The dead time is set by considering the turn-on time, turn-off time, temperature dependence, etc. that prevent a short circuit, and by appropriately determining the safety factor.
誘導加熱装置などに使用されるインバータ装置には、直流電源に複数台の単相インバータ(セクションユニットA〜D)を接続し、その駆動順序をセクションユニットA〜Dへと1台のインバータ毎に順次駆動することで、高周波に対応することが特許文献1によって公知となっている。
Inverter devices used for induction heating devices, etc., are connected to a DC power supply with a plurality of single-phase inverters (section units A to D), and the drive order is set to section units A to D for each inverter. It is known from
図8は単相フルブリッジ構成のインバータ回路を示したもので、IGBT素子Tu1,Tu2を直列に接続したU相アームと、IGBT素子Tv1,Tv2を直列に接続したV相アームによる単相フルブリッジ構成となっている。なお、インバータ回路に使用されるスイッチング素子として、IGBTの他、FET、SiC等のパワー半導体が使用されるが、以下ではIGBT素子を例とする。 FIG. 8 shows an inverter circuit of a single-phase full bridge configuration, which is a single-phase full bridge including a U-phase arm in which IGBT elements Tu1 and Tu2 are connected in series and a V-phase arm in which IGBT elements Tv1 and Tv2 are connected in series. It is composed. In addition to IGBTs, power semiconductors such as FETs and SiC are used as switching elements used in the inverter circuit, but in the following, IGBT elements will be taken as an example.
図8で示す回路構成では、各相アームでの上下間のIGBT素子短絡を防止するために、IGBT素子の駆動にはアーム短絡しないだけの十分なデッドタイムを設ける必要がある。このため、上下のIGBT素子が共にオフの期間が存在し、負荷側に電力を供給しない期間が発生して出力電圧が低下するという問題が生じる。特に高周波で駆動するインバータ装置ではこの影響が大きくなる。なお、特許文献1では、デッドタイムを削減することについては言及されていない。
In the circuit configuration shown in FIG. 8, in order to prevent the IGBT element short circuit between the upper and lower sides in each phase arm, it is necessary to provide a sufficient dead time for driving the IGBT elements so as not to short the arms. For this reason, there is a problem that both the upper and lower IGBT elements are off, and a period during which no electric power is supplied to the load side occurs and the output voltage drops. This effect is particularly large in an inverter device driven at high frequency. Note that
本発明が目的とするところは、デッドタイムを削減してスイッチングI素子の不導通期間を短縮するインバータ装置の制御方法を提供することにある。 An object of the present invention is to provide a control method of an inverter device that reduces dead time and shortens a non-conduction period of a switching I element.
本発明は、順変換回路に、U相,V相電圧を出力するインバータ回路3台を並列接続した単相フルブリッジ構成のインバータ装置において、
前記並列接続された3台のインバータ回路のうち、第1のインバータ回路に対してU相からV相へ電圧を出力するよう制御し、第2のインバータ回路に対してV相からU相へ電圧を出力するよう制御し、第3のインバータ回路に対してU相からV相へ電圧を出力するよう制御することで、各インバータ回路は順次異なる相の電圧を出力するよう制御することを特徴としたインバータ装置の制御方法。
The present invention relates to a single-phase full-bridge inverter device in which three inverter circuits that output U-phase and V-phase voltages are connected in parallel to a forward conversion circuit.
Among the three inverter circuits connected in parallel, the first inverter circuit is controlled to output a voltage from the U phase to the V phase, and the second inverter circuit is controlled to output the voltage from the V phase to the U phase. Is controlled so that the third inverter circuit outputs a voltage from the U phase to the V phase, whereby each inverter circuit is controlled to sequentially output different phase voltages. Control method for the inverter device.
本発明は、各インバータ回路の交流出力の各相にインダクタンスを持たせたことを特徴としたものである。 The present invention is characterized in that each phase of the AC output of each inverter circuit is provided with an inductance.
また、本発明は、電圧を出力しているインバータ回路から、次の相電圧を出力するインバータ回路への転流時において、各インバータ回路のスイッチング素子特性の[ターンオフ時間toff−ターンオン時間ton]のデッドタイムで転流する側のスイッチング素子にゲート信号を印加することを特徴としたものである。 Further, according to the present invention, at the time of commutation from the inverter circuit outputting the voltage to the inverter circuit outputting the next phase voltage, the [turn-off time toff-turn-on time ton] of the switching element characteristic of each inverter circuit is It is characterized in that a gate signal is applied to a switching element on the commutation side in dead time.
また、本発明は、3台の各インバータ回路は、直流側にそれぞれ平滑コンデンサを接続し、且つ各平滑コンデンサと前記順変換回路との間に各別にリアクトルが接続して短絡電流を抑制することを特徴としたものである。 Further, according to the present invention, in each of the three inverter circuits, a smoothing capacitor is connected to the DC side, and a reactor is separately connected between each smoothing capacitor and the forward conversion circuit to suppress a short circuit current. It is characterized by.
以上のとおり、本発明によれば、各インバータ回路は順次異なる相の電圧を出力するよう制御することで、高周波駆動のインバータ装置が可能となる。その際、インバータ装置のデッドタイム不足に陥った場合でも、単相のインバータ回路の出力側に接続したリアクトルによって、インバータ回路間の短絡を防ぎつつデッドタイム短縮が可能となるものである。したがって、スイッチング素子の不導通期間が少なくなり、直流電圧に対して最大の出力電圧を発生させることができる。また、正常時には出力電流には影響を与えず、上下アーム短絡時の短絡電流のみを抑制することができ、デッドタイムの最短化を図りながらスイッチング素子の電流、電圧責務の過大および損失増大の抑制が可能となる。 As described above, according to the present invention, by controlling each inverter circuit to sequentially output different phase voltages, a high frequency drive inverter device can be realized. At that time, even if the dead time of the inverter device falls short, the dead time can be shortened while preventing a short circuit between the inverter circuits by the reactor connected to the output side of the single-phase inverter circuit. Therefore, the non-conduction period of the switching element is reduced, and the maximum output voltage can be generated with respect to the DC voltage. In addition, the output current is not affected under normal conditions, and only the short-circuit current when the upper and lower arms are short-circuited can be suppressed, and the dead time is minimized while suppressing excessive current and voltage responsibilities of switching elements and increased loss. Is possible.
本発明は、順変換回路に、U相,V相電圧を出力するインバータ回路3台を並列接続して単相フルブリッジのインバータ装置構成とする。並列接続された3台のインバータ回路のうち、第1のインバータ回路に対してU相電圧を出力するよう制御し、第2のインバータ回路に対してV相電圧を出力するよう制御し、第3のインバータ回路に対してU相電圧を出力するよう制御することで、各インバータ回路は順次異なる相の電圧を出力するよう制御するもので、以下図に基づいて詳述する。 The present invention has a single-phase full-bridge inverter device configuration in which three inverter circuits that output U-phase and V-phase voltages are connected in parallel to the forward conversion circuit. Of the three inverter circuits connected in parallel, the first inverter circuit is controlled to output the U-phase voltage, and the second inverter circuit is controlled to output the V-phase voltage. The inverter circuit is controlled to output the U-phase voltage so that each inverter circuit sequentially outputs the voltages of different phases, which will be described in detail below with reference to the drawings.
図1は本発明に適用されるインバータ装置の構成図を示したものである。図6と同様に構成された単相フルブリッジ構成のインバータ回路IV−1〜IV−3の3台を、共通の直流電源である順変換回路Covに並列に接続されてそれぞれには直流電圧Edcが印加される。Lは各インバータ回路IV−1〜IV−3の各出力端子に接続されたリアクトル、U,VはU相及びV相の出力端子である。また、1〜6は各インバータ回路IV−1〜IV−3を構成する各IGBT素子に対するゲート信号の印加順番を示したもので、各インバータ回路IV−1〜IV−3のIGBT素子は1〜6の順序でオン制御されて図2で示すように制御順に対応した電圧が出力される。
FIG. 1 is a block diagram of an inverter device applied to the present invention. Three single-phase full-bridge inverter circuits IV-1 to IV-3 configured in the same manner as in FIG. 6 are connected in parallel to a forward conversion circuit Cov, which is a common DC power source, and a DC voltage Edc is applied to each of them. Is applied. L is a reactor connected to each output terminal of each inverter circuit IV-1 to IV-3, and U and V are U-phase and V-phase output terminals.
すなわち、オン制御の順番1では、インバータ回路IV−1のU相アームにおける第1のIGBT素子Tu1-1とV相アームの第2のIGBT素子Tv1-2を同時オンする。電流は、P→Tu1-1→U→V→Tv1-2→Nのルートで流れる。
順番2では、インバータ回路IV−2のV相アームにおける第1のIGBT素子Tv2-1とU相アームの第2のIGBT素子Tu2-2を同時オンする。電流は、P→Tv2-1→V→U→Tu2-2→Nのルートで流れる。
順番3では、インバータ回路IV−3のU相アームにおける第1のIGBT素子Tu3-1とV相アームの第2のIGBT素子Tv3-2を同時オンする。電流は、P→Tu3-1→U→V→Tv3-2→Nのルートで流れる。
That is, in the
In the
In the
次に、順番4では、インバータ回路IV−1のV相アームにおける第1のIGBT素子Tv1-1とU相アームの第2のIGBT素子Tu1-2を同時オンする。電流は、P→Tv1-1→V→U→Tu1-2→Nのルートで流れる。
以下同様にして順番5,6とそれぞれ対応するIGBT素子を駆動し、順番1〜順番6→順番1→…の順番の繰返し制御となる。
Next, in
In the same manner, the IGBT elements corresponding to the
図3はIGBT素子のゲート電圧とコレクタ・エミッタ間電圧の関係を示したもので、(a)はインバータ回路IV−1におけるIGBT素子Tu1-1のゲート電圧、(b)はIGBT素子Tu1-1のコレクタ・エミッタ間電圧、(c)はインバータ回路IV−2におけるIGBT素子Tu2-2のゲート電圧、(c)はIGBT素子Tu2-2のコレクタ・エミッタ間電圧である。 FIG. 3 shows the relationship between the gate voltage of the IGBT element and the collector-emitter voltage. (a) is the gate voltage of the IGBT element Tu1-1 in the inverter circuit IV-1, and (b) is the IGBT element Tu1-1. Is the gate voltage of the IGBT element Tu2-2 in the inverter circuit IV-2, and (c) is the collector-emitter voltage of the IGBT element Tu2-2.
IGBT素子のターンオン・ターンオフ時の波形は図5で示すように直線的には動作しないが、図3では直線的動作として表示している。図3(a)でTu1-1に対するゲート電圧が立ち上がり、Tu1-1のターンオン(ton)後にはTu1-1のコレクタ・エミッタ間電圧は略定常の順方向電圧にまで低下する。Tu1-1に対するゲート電圧がなくなる時刻t1からターンオフ(toff)する時刻t3で、コレクタ・エミッタ間電圧は略定常のオフ電圧まで回復する。 The waveform at the time of turn-on and turn-off of the IGBT element does not operate linearly as shown in FIG. 5, but is shown as linear operation in FIG. In FIG. 3A, the gate voltage for Tu1-1 rises, and after the turn-on (ton) of Tu1-1, the collector-emitter voltage of Tu1-1 drops to a substantially steady forward voltage. At time t3 when the gate voltage for Tu1-1 disappears from time t1 at which the gate voltage is turned off (toff), the collector-emitter voltage recovers to a substantially steady off voltage.
図1で示すインバータ装置の駆動時において、順番1のIGBT素子の駆動時から順番2でのIGBT素子への転流時にはTu1-1とTu2-2が直列接続された状態となる。この転流時には、図3で示されるようにTu1-1のゲート電圧がなくなった時刻t1からターンオフする時刻t3までは導通し、この直後にオフする。本発明では、Tu1-1からTu2-2への転流時には、時刻t3前の時刻t2でTu2-2に対してゲート信号を印加してデッドタイム期間を短縮している。すなわち、デッドタイムは、toff−tonとなっている。
以下、Tv2-1とTv3-2、Tu3-1とTu1-2…の関係についても同様である。
When the inverter device shown in FIG. 1 is driven, Tu1-1 and Tu2-2 are connected in series from the time when the IGBT element in the
The same applies to the relationship between Tv2-1 and Tv3-2, Tu3-1 and Tu1-2.
図3の例において、制御順番が先になる正極側のIGBT素子Tu1-1から、このTu1-1と同相の、次番で制御される負極側IGBT素子Tu2-2へ転流する時刻t1〜t3間において、「Tu1-1のコレクタ・エミッタ間電圧CE+Tu2-2のコレクタ・エミッタ間電圧CE=直流電圧Edc」が成立していればTu1-1からTu2-2への短絡電流は流れない。しかし、実際の波形によっては、図4で示すように「Tu1-1のコレクタ・エミッタ間電圧CE+Tu2-2のコレクタ・エミッタ間電圧CE<直流電圧Edc」となる可能性がある。 In the example of FIG. 3, the time t1 of commutation from the positive electrode side IGBT element Tu1-1, which is first in the control order, to the next controlled negative electrode side IGBT element Tu2-2, which is in the same phase as Tu1-1. During t3, if "the collector-emitter voltage CE of Tu1-1+the collector-emitter voltage CE of Tu2-2=DC voltage Edc" is satisfied, the short-circuit current from Tu1-1 to Tu2-2 does not flow. However, depending on the actual waveform, there is a possibility that “the collector-emitter voltage CE of Tu1-1+the collector-emitter voltage CE of Tu2-2<DC voltage Edc” as shown in FIG.
「Tu1-1のコレクタ・エミッタ間電圧CE+Tu2-2のコレクタ・エミッタ間電圧CE<直流電圧Edc」の式が成立する期間が生じると、直流電圧Edc−(Tu1-1のコレクタ・エミッタ間電圧CE+Tu2-2のコレクタ・エミッタ間電圧CE)(=vとする)の電圧が電源となり、P側からリアクトルLを通してN側に短絡電流が流れる。この電流を所定の値△Iに抑制するためにリアクトルLを挿入している。所定の値△Iはおおよそ(1)式で求める。 When there is a period in which the expression "Collector-emitter voltage CE of Tu1-1+CE-DC voltage Edc of Tu2-2<DC voltage Edc" is satisfied, the DC voltage Edc-(Tu1-1 collector-emitter voltage CE+Tu2 The voltage of -2 collector-emitter voltage CE) (=v) acts as a power source, and a short-circuit current flows from the P side through the reactor L to the N side. A reactor L is inserted to suppress this current to a predetermined value ΔI. The predetermined value ΔI is approximately calculated by the equation (1).
以上第1の実施例によれば、デッドタイムの短縮が可能となる。また、例えIGBT素子のオン・オフのスイッチ速度によるインバータ装置のデッドタイム不足に陥った場合でも、単相のインバータ回路の出力側に接続したリアクトルによって、インバータ回路間の短絡を防ぎつつデッドタイム短縮が可能となるものである。したがって、IGBT素子の不導通期間が少なくなり、直流電圧に対して最大の出力電圧を発生させることができる。 According to the first embodiment described above, the dead time can be shortened. Also, even if the dead time of the inverter device falls short due to the on/off switching speed of the IGBT element, the reactor connected to the output side of the single-phase inverter circuit prevents the short circuit between the inverter circuits and shortens the dead time. Is possible. Therefore, the non-conduction period of the IGBT element is reduced, and the maximum output voltage can be generated with respect to the DC voltage.
図5は、第2の実施例によるインバータ装置の構成図を示したもので、図1で示す第1の実施例と同一部分に同一符号を付してその説明を省略する。すなわち、この実施例は、各インバータ回路IV−1〜IV−3に設けられた平滑コンデンサC1〜C3と順変換回路Covとの間に、それぞれリアクトルL1〜L6を接続したものである。なお、リアクトルL1´〜L6´は配線インダクタンスである。 FIG. 5 shows a configuration diagram of an inverter device according to the second embodiment. The same parts as those of the first embodiment shown in FIG. 1 are designated by the same reference numerals and the description thereof will be omitted. That is, in this embodiment, the reactors L1 to L6 are connected between the smoothing capacitors C1 to C3 provided in the inverter circuits IV-1 to IV-3 and the forward conversion circuit Cov, respectively. The reactors L1' to L6' are wiring inductances.
各インバータ回路IV−1〜IV−3のIGBT素子は、1〜6の順序でオン制御されて図6で示すように制御順に対応した電圧が出力される。図1と同様に、オン制御の順番1では、インバータ回路IV−1のU相アームにおける第1のIGBT素子Tu1-1とV相アームの第2のIGBT素子Tv1-2を同時オンする。また、順番2では、インバータ回路IV−2のV相アームにおける第1のIGBT素子Tv2-1とU相アームの第2のIGBT素子Tu2-2を同時オンする。
The IGBT elements of the inverter circuits IV-1 to IV-3 are ON-controlled in the order of 1 to 6 and the voltages corresponding to the control order are output as shown in FIG. Similar to FIG. 1, in the turn-on
順番1から2への動作時でU相からV相へ流れる負荷電流は、主に平滑コンデンサC1から供給され、順番2から3への動作時でV相からU相へ流れる負荷電流は、主に平滑コンデンサC2から供給される。通常動作でのU相からV相への電流経路は、C1(P)→Tu1-1→U→負荷→V→Tv1-2→C1(N)のルートで流れる。また、V相からU相への電流経路は、C2(P)→Tv2-1→V→負荷→U→Tu2-2→C2(N)のルートで流れる。
The load current flowing from the U phase to the V phase during the operation from the
次に、順番1から2への転流動作時に短絡が起きた場合、Tu1-1,Tu2-2に通電される短絡電流経路と電流は、
(C1(P)→Tu1-1→Tu2-2→L4´→L4→L2→L2´→C1(N))+
(C2(P)→L3´→L3→L1→L1´→Tu1-1→Tu2-2→C2(N))
のルートで流れる。
Next, when a short circuit occurs during the commutation operation from the
(C1(P)→Tu1-1→Tu2-2→L4′→L4→L2→L2′→C1(N))+
(C2(P)→L3′→L3→L1→L1′→Tu1-1→Tu2-2→C2(N))
It flows on the route.
同様に、Tv2-1,Tv1-2に通電される短絡電流経路と電流は、
(C2(P)→Tv2-1→Tv1-2→L2´→L2→L4→L4´→C2(N))+
(C1(P)→L1´→L1→L3→L3´→Tv2-1→Tv1-2→C1(N))
のルートで流れる。
Similarly, the short-circuit current path and the current that are applied to Tv2-1 and Tv1-2 are
(C2(P)→Tv2-1→Tv1-2→L2′→L2→L4→L4′→C2(N))+
(C1(P)→L1′→L1→L3→L3′→Tv2-1→Tv1-2→C1(N))
It flows on the route.
上記のように、インバータを時分割運転するものにおいて、平滑コンデンサC1〜C3と順変換回路Covとの間に、それぞれリアクトルL1〜L6を接続したことにより、平滑コンデンサC1〜C3の接続関係から正常時の負荷電流と上下アーム短絡時の短絡電流に通電経路に違いが成立し、正常時には出力電流に影響を与えず、各リアクトルL1〜L6は上下アーム短絡時の短絡電流のみを抑制することができる。 As described above, in the case where the inverter is operated in a time-division manner, the reactors L1 to L6 are connected between the smoothing capacitors C1 to C3 and the forward conversion circuit Cov, respectively, so that the smoothing capacitors C1 to C3 are connected normally. When the load current at the time of short-circuiting and the short-circuit current at the time of short-circuiting the upper and lower arms have different conduction paths, the output current is not affected under normal conditions, and the reactors L1 to L6 can suppress only the short-circuit current at the time of short-circuiting the upper and lower arms. it can.
したがって、この実施例によれば、IGBT素子の電流、電圧責務の過大および損失増大防止のために設けられるデッドタイムの最短化が可能となる。 Therefore, according to this embodiment, it is possible to minimize the dead time provided to prevent the current and voltage duty of the IGBT element from becoming excessive and increasing the loss.
IV(IV−1〜IV−3)… インバータ回路
Cov… 順変換回路Cov
Tu,Tv… IGBT素子
L1〜L6… リアクトル
C1〜C3… 平滑コンデンサ
IV (IV-1 to IV-3)... Inverter circuit Cov... Forward conversion circuit Cov
Tu, Tv... IGBT element L1-L6... Reactor C1-C3... Smoothing capacitor
Claims (2)
前記並列接続された3台のインバータ回路のうち、第1のインバータ回路に対してU相からV相へ電圧を出力するよう制御し、第2のインバータ回路に対してV相からU相へ電圧を出力するよう制御し、第3のインバータ回路に対してU相からV相へ電圧を出力するよう制御することで、各インバータ回路から順次異なる相の電圧を出力するよう制御し、
電圧を出力しているインバータ回路から、次の相電圧を出力するインバータ回路への転流時において、各インバータ回路のスイッチング素子特性の[ターンオフ時間toff−ターンオン時間ton]のデッドタイムで転流する側のスイッチング素子にゲート信号を印加することを特徴としたインバータ装置の制御方法。 In a method of controlling an inverter device having a single-phase full bridge configuration, in which three inverter circuits that output U-phase and V-phase voltages are connected in parallel to a forward conversion circuit,
Among the three inverter circuits connected in parallel, the first inverter circuit is controlled to output a voltage from the U phase to the V phase, and the second inverter circuit is controlled to output the voltage from the V phase to the U phase. To output a voltage from the U-phase to the V-phase for the third inverter circuit, so that each inverter circuit sequentially outputs a voltage of a different phase,
At the time of commutation from the inverter circuit that outputs the voltage to the inverter circuit that outputs the next phase voltage, the commutation occurs with the dead time of [turn-off time toff-turn-on time ton] of the switching element characteristics of each inverter circuit. A method for controlling an inverter device, characterized in that a gate signal is applied to a switching element on the side.
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