JP7199469B2 - power converter - Google Patents
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Description
本願は、電力変換装置に関するものである。 The present application relates to a power converter.
電力変換装置は、例えば電動機を負荷とする装置、電動機とエンジンとを搭載したハイブリット車、電気自動車等の車両等に搭載される。車両では、縁石に乗り上げタイヤがロックされた状態でのアクセル踏み込み、急勾配の坂でのアクセル踏み込みが不十分で、その場に停止し電動機がロックすることがある。また、車両では、極低回転で坂を登る場合等に回転子が追随できずに電動機がストールすることがある。電動機のロック又はストールの際に、電力変換装置を構成する複数の電力変換素子すなわちスイッチング素子及び還流ダイオードのうち、特定の電力変換素子に長時間かつ大電流が通電され、これに伴って電力変換素子が熱破壊を起こさないように対策をとる必要がある。 2. Description of the Related Art A power conversion device is mounted on a vehicle such as a device having an electric motor as a load, a hybrid vehicle equipped with an electric motor and an engine, an electric vehicle, or the like. In the case of a vehicle, when the vehicle runs over a curb and the tires are locked, the accelerator pedal is not sufficiently depressed, and when the vehicle is on a steep slope, the vehicle stops and the motor locks. Further, in a vehicle, when climbing a slope at extremely low speed, the rotor may not be able to follow the rotation, and the electric motor may stall. When the electric motor is locked or stalled, a specific power conversion element among a plurality of power conversion elements, that is, a switching element and a freewheeling diode, which constitutes the power conversion device, is supplied with a large current for a long period of time. It is necessary to take measures to prevent thermal destruction of the element.
特許文献1の電力変換装置は、電力変換装置を構成する複数の電力変換素子に対して各損失を測定する発熱量測定手段を備え、各電力変換素子の熱抵抗値を予め格納されている。特許文献1の電力変換装置は、熱抵抗値と発熱測定手段により測定された損失量に基づいて、各電力変換素子における温度上昇を算出し、算出した温度上昇が最大となる電力変換素子に流れる電流を他の素子へ分配すべく、制御演算手段により生成された各電力変換素子に対するドライブ信号のオンオフタイミングを変更することが開示されている。
The power conversion device of
車両等に搭載された電力変換装置では、定常運転の際は還流ダイオードよりもスイッチング素子の通電率が高い。また、電力変換装置のサイズを決める要因の1つとして電力変換素子のサイズがある。したがって、定常運転の際の通電率の観点から電力変換装置を構成する電力変換素子のサイズは、スイッチング素子よりも還流ダイオードを小さく設計することが一般的である。そのため、特許文献1の電力変換装置においてスイッチング素子よりも還流ダイオードが小さく設計された場合には、電動機のロック又はストールの際に、還流ダイオードに大電流が流れると、温度上昇が劇的に増えるため電流の分配が限界に達することがある。急激な温度上昇を避けるためには、還流ダイオードが大型化するという問題があった。
In a power conversion device mounted on a vehicle or the like, the energization rate of the switching element is higher than that of the freewheeling diode during steady operation. One of the factors that determine the size of the power conversion device is the size of the power conversion element. Therefore, from the viewpoint of the duty ratio during steady operation, it is common to design the freewheeling diodes smaller than the switching elements in terms of the size of the power conversion elements that constitute the power converter. Therefore, if the freewheeling diode is designed to be smaller than the switching element in the power conversion device of
本願明細書に開示される技術は、小型でかつ急激な温度上昇を防止できる電力変換装置を実現することを目的とする。 An object of the technology disclosed in the specification of the present application is to realize a power converter that is small and that can prevent a rapid temperature rise.
本願明細書に開示される一例の電力変換装置は、直流電力から変換された交流電力を供給して、電動機を駆動する。電力変換装置は、複数のスイッチング素子及び還流ダイオード、それぞれのスイッチング素子の温度情報である第一温度情報を出力する複数の温度モニタを備え、電動機を駆動する交流電力を供給する電力変換回路と、電力変換回路における複数のスイッチング素子のスイッチングタイミングを決定し第一ドライブ信号を生成する制御演算部と、電動機の回転子位置を検出する回転検出器と、を備えている。電力変換装置は、更に第一温度情報に基づいて還流ダイオードの温度情報である第二温度情報を推定する素子温度推定部と、電動機の回転子位置に基づいて電動機のストール状態を判定するストール判定部と、ストール判定部によりストール状態が判定された場合に、スイッチング素子の発熱量を下げる損失低減部と、第一ドライブ信号を変更せずに第二ドライブ信号として出力する、又は第一ドライブ信号におけるスイッチング素子のオン時間を変更した第二ドライブ信号を出力するデューティ制御部と、第二ドライブ信号に応じて複数のスイッチング素子をスイッチング動作させる第三ドライブ信号を電力変換回路に出力するゲートドライブ回路と、を備えている。デューティ制御部は、ストール判定部によりストール状態が判定され、かつ損失低減部の動作によって第二温度情報が最大となっている還流ダイオードに直列接続されたスイッチング素子の第一温度情報が低下した場合のみ、第二温度情報が最大となっている還流ダイオードに流れる電流を当該還流ダイオードに直列接続されたスイッチング素子へ分配するように、第一ドライブ信号におけるスイッチング素子のオン時間を変更した第二ドライブ信号をゲートドライブ回路に出力する。 An example power conversion device disclosed in the present specification supplies AC power converted from DC power to drive a motor. A power conversion device includes a plurality of switching elements and a freewheeling diode, and a plurality of temperature monitors that output first temperature information that is temperature information of each switching element, a power conversion circuit that supplies AC power to drive a motor, It includes a control calculation unit that determines switching timings of a plurality of switching elements in the power conversion circuit and generates a first drive signal, and a rotation detector that detects the rotor position of the electric motor. The power conversion device further includes an element temperature estimating unit that estimates second temperature information, which is temperature information of the freewheeling diode, based on the first temperature information, and a stall determination unit that determines a stall state of the motor based on the rotor position of the motor. a loss reduction unit that reduces the amount of heat generated by the switching element when the stall determination unit determines a stall state; and a first drive signal that is output as a second drive signal without being changed, or the first drive signal. and a gate drive circuit that outputs a third drive signal that switches the switching elements according to the second drive signal to the power conversion circuit. and have. When the stall state is determined by the stall determining unit and the first temperature information of the switching element connected in series with the freewheeling diode in which the second temperature information is maximized by the operation of the loss reducing unit is lowered Only the second drive in which the ON time of the switching element in the first drive signal is changed so as to distribute the current flowing through the freewheeling diode with the maximum second temperature information to the switching element connected in series with the freewheeling diode. Output the signal to the gate drive circuit.
本願明細書に開示される一例の電力変換装置は、ストール状態が判定され、かつ第二温度情報が最大となっている還流ダイオードに直列接続されたスイッチング素子の第一温度情報が損失低減部の動作によって低下した場合のみ、当該還流ダイオードに流れる電流を直列接続されたスイッチング素子へ分配するので、小型でかつ急激な温度上昇を防止できる。
In one example of the power conversion device disclosed in the specification of the present application, the first temperature information of the switching element connected in series with the freewheeling diode in which the stall state is determined and the second temperature information is maximum is the loss reduction unit. Since the current flowing through the freewheeling diode is distributed to the switching elements connected in series only when it is lowered by the operation, it is possible to reduce the size and prevent a rapid temperature rise.
実施の形態1.
図1は実施の形態1に係る電力変換装置の構成を示す図である。図2は図1の電力変換回路の構成を示す図であり、図3は図1の制御演算部の構成を示す図である。図4は、実施の形態1に係る電力変換装置の損失計算例を示す図である。図5は損失低減動作前における電力変換装置の通電時間配分例を示す図であり、図6は実施の形態1に係る電力変換装置の通電時間配分例を示す図である。図7は損失低減動作前における電力変換装置の最大損失例を示す図であり、図8は実施の形態1に係る電力変換装置の最大損失例を示す図である。図9は、実施の形態1に係る電力変換装置の機能を実現するハードウェア構成を示す図である。電力変換装置1は、電力変換回路4、電流検出器7、回転子位置θを検出する回転検出器9、ゲートドライブ回路8、デューティ制御部23、制御演算部3、損失低減部26、ストール判定部27、素子温度推定部25を備えている。電力変換装置1は、例えば負荷である三相交流の電動機2を駆動する。図1、図2では電力変換装置1の負荷が三相交流の電動機2である例を示した。この場合、電力変換回路4は、直流電力から交流電力に変換し、直流電力から変換された交流電力を電動機2に供給する。電流検出器7は、電力変換回路4から電動機2に出力される出力電流の値すなわち出力電流値iu、iv、iwを検出する。
FIG. 1 is a diagram showing the configuration of a power converter according to
電力変換回路4は、例えばIGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor、絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ)などのスイッチング素子5aと、このスイッチング素子5aに逆並列接続された還流ダイオード6aとの2個の電力変換素子により1つのアームを構成している。図2に示した電力変換回路4は、6個のアームを備えている。スイッチング素子5aと還流ダイオード6aとを有する第一アーム、スイッチング素子5bと還流ダイオード6bとを有する第二アームを直列に接続して構成されるレグは、当該2個のアームの間に負荷へ接続される出力端子51uを有している。スイッチング素子5cと還流ダイオード6cとを有する第三アーム、スイッチング素子5dと還流ダイオード6dとを有する第四アームを直列に接続して構成されるレグは、当該2個のアームの間に負荷へ接続される出力端子51vを有している。スイッチング素子5eと還流ダイオード6eとを有する第五アーム、スイッチング素子5fと還流ダイオード6fとを有する第六アームを直列に接続して構成されるレグは、当該2個のアームの間に負荷へ接続される出力端子51wを有している。適宜、スイッチング素子の符号は総括的に5を用い、区別する場合に5a~5fを用いる。還流ダイオードの符号は総括的に6を用い、区別する場合に6a~6fを用いる。
The
3個のレグの一端は高電位側配線52pに接続されており、3個のレグの他端は低電位側配線52nに接続されている。高電位側配線52pに接続された入力端子50pと低電位側配線52nに接続された入力端子50nとの間に、直流電源装置10及び平滑コンデンサ11が接続されている。直流電源装置10は平滑コンデンサ11を介して電力変換装置1へ電力を供給する。
One end of the three legs is connected to the high
図1、図2に示すように負荷が三相交流の電動機2の場合、電力変換回路4は3個のレグを備え、各レグの出力端子51u、51v、51wはそれぞれ電動機2のU相、V相、W相に接続される。適宜、U相に接続されるレグをU相レグ、U相レグのうち直流電源装置10のP側すなわち高電位側に接続されるものをUP相電力変換素子、直流電源装置10のN側すなわち低電位側に接続されるものをUN相電力変換素子と表現する。V相、W相のレグ、各アームもU相レグ、U相各アームと同様に表現することとする。スイッチング素子5a及び還流ダイオード6aはUP相電力変換素子であり、スイッチング素子5b及び還流ダイオード6bはUN相電力変換素子である。スイッチング素子5c及び還流ダイオード6cはVP相電力変換素子であり、スイッチング素子5d及び還流ダイオード6dはVN相電力変換素子である。スイッチング素子5e及び還流ダイオード6eはWP相電力変換素子であり、スイッチング素子5f及び還流ダイオード6fはWN相電力変換素子である。
As shown in FIGS. 1 and 2, when the load is a three-phase AC
電力変換回路4は、ゲートドライブ回路8から出力されるゲートドライブ信号sg4が入力されるゲート端子53a~53fを備えている。ゲート端子53aはスイッチング素子5aのゲートに接続されており、ゲート端子53bはスイッチング素子5bのゲートに接続されている。同様に、ゲート端子53c、53dはそれぞれスイッチング素子5c、5dのゲートに接続されており、ゲート端子53e、53fはそれぞれスイッチング素子5e、5fのゲートに接続されている。また、電力変換回路4は、スイッチング素子5a~5fの温度情報である温度上昇ΔTswを検出する温度モニタ24a~24fを備えている。温度モニタ24aにより検出されたスイッチング素子5aの温度上昇ΔTswaはモニタ端子54aから出力され、温度モニタ24bにより検出されたスイッチング素子5bの温度上昇ΔTswbはモニタ端子54bから出力される。同様に、温度モニタ24cにより検出されたスイッチング素子5cの温度上昇ΔTswcはモニタ端子54cから出力され、温度モニタ24dにより検出されたスイッチング素子5dの温度上昇ΔTswdはモニタ端子54dから出力される。温度モニタ24eにより検出されたスイッチング素子5eの温度上昇ΔTsweはモニタ端子54eから出力され、温度モニタ24fにより検出されたスイッチング素子5fの温度上昇ΔTswfはモニタ端子54fから出力される。温度上昇ΔTswは、6個の温度上昇ΔTswa~ΔTswfの総称である。適宜、6個の温度上昇ΔTswa~ΔTswfを区別しない場合に温度上昇ΔTswと表現する。
The
素子温度推定部25は、各還流ダイオード6a~6fの温度情報である温度上昇ΔTdiを推定する。より具体的には、素子温度推定部25は、各スイッチング素子5a~5fの温度モニタ24a~24fから出力される温度上昇ΔTswa~ΔTswfに基づいて各還流ダイオード6a~6fの温度上昇ΔTdia~ΔTdifを推定する。適宜、スイッチング素子5の温度上昇ΔTswを第一温情情報と表現し、還流ダイオード6の温度上昇ΔTdiを第二温度情報と表現する。還流ダイオード6aの温度上昇ΔTdiaはスイッチング素子5aの温度上昇ΔTswaから推定され、還流ダイオード6bの温度上昇ΔTdibはスイッチング素子5bの温度上昇ΔTswbから推定される。還流ダイオード6cの温度上昇ΔTdicはスイッチング素子5cの温度上昇ΔTswcから推定され、還流ダイオード6dの温度上昇ΔTdidはスイッチング素子5dの温度上昇ΔTswdから推定される。還流ダイオード6eの温度上昇ΔTdieはスイッチング素子5eの温度上昇ΔTsweから推定され、還流ダイオード6fの温度上昇ΔTdifはスイッチング素子5fの温度上昇ΔTswfから推定される。温度上昇ΔTdiは、6個の温度上昇ΔTdia~ΔTdifの総称である。適宜、6個の温度上昇ΔTdia~ΔTdifを区別しない場合に温度上昇ΔTdiと表現する。
The
電流検出器7は、U相、V相、W相毎に存在する。U相の電流検出器7a、V相の電流検出器7b、W相の電流検出器7cは、それぞれ出力端子51u、51v、51wから電動機2へ出力される各相の出力電流の値すなわち出力電流値iu、iv、iwを検出する。電流検出器7は、3個の電流検出器7a、7b、7cの総称である。適宜、3個の電流検出器7a、7b、7cを区別しない場合に電流検出器7と表現する。
A
制御演算部3は、電動機2が所望の動作を行うように、スイッチング素子5a~5fのスイッチングタイミングを決定し、電力変換回路4から電動機2に出力される出力電力を制御する。制御演算部3は、ゲートドライブ信号sg2、通常の電圧指令値vu0*、vv0*、vw0*をデューティ制御部23に出力する。ゲートドライブ信号sg2に基づいてデューティ制御部23にてデューティが調整されたゲートドライブ信号sg3が生成され、ゲートドライブ信号sg3に基づいてゲートドライブ回路8にてスイッチング素子5a~5fを駆動するゲートドライブ信号sg4が生成される。ゲートドライブ信号sg2は、6個のスイッチング素子5a、5b、5c、5d、5e、5fに対応した6個のゲートドライブ信号up0、un0、vp0、vn0、wp0、wn0を有している。ゲートドライブ信号sg3は、6個のスイッチング素子5a、5b、5c、5d、5e、5fに対応した6個のゲートドライブ信号up1、un1、vp1、vn1、wp1、wn1を有している。ゲートドライブ信号sg4は、6個のスイッチング素子5a、5b、5c、5d、5e、5fに対応した6個のゲートドライブ信号up、un、vp、vn、wp、wnを有している。
The
ストール判定部27は、回転検出器9から出力された回転子位置θに基づいて電動機2の回転数Nmを演算し、電動機2がストール状態であるかを判定する。ストール状態は、電動機2が極低回転状態であり、電動機2の固定子側の回転磁界に回転子が追従できなくなった状態である。ストール判定部27は、回転数Nmが例えば10rpmのような極低回転の場合に、ストール状態と判定する。ストール判定部27は、電動機2がストール状態であると判定した場合に、ストール状態を示すストール判定信号sig1を出力する。例えば、ストール判定信号sig1がストール状態を示す場合はHレベルであり、ストール判定信号sig1が非ストール状態を示す場合はLレベルである。ここで、回転子位置θを電動機2の回転数Nmに変換する方法は公知であるため、説明は省略する。
The
ストール判定部27は、デューティ制御部23、損失低減部26にストール判定信号sig1を出力する。デューティ制御部23はストール状態を示すストール判定信号sig1を受けて、還流ダイオードに流れる電流をスイッチング素子へ分配する分配量を増やす動作を開始する。ストール状態を示すストール判定信号sig1は、デューティ制御部23に対する電流配分を変更する指令になっている。損失低減部26はストール状態を示すストール判定信号sig1を受けて、スイッチング素子5の損失を下げる動作を開始する。ストール状態を示すストール判定信号sig1は、損失低減部26に対するスイッチング素子5の損失低減操作を実行する指令になっている。
The
損失低減部26は、ストール状態を示すストール判定信号sig1を受けて制御演算部3に変更を示す周波数変更信号sig2を出力する。例えば、周波数変更信号sig2が変更を示す場合はHレベルであり、周波数変更信号sig2が非変更を示す場合はLレベルである。制御演算部3は、変更を示す周波数変更信号sig2を受けてストール状態判定前より低いすなわち通常より低い周波数のゲートドライブ信号sg2を生成する。ゲートドライブ信号sg2の周波数が低下することで、スイッチング素子5の損失が低減する。スイッチング素子5の損失が低減することで、スイッチング素子5の発熱量が低減する。損失低減部26は、スイッチング素子5の損失が低減する動作あるいはスイッチング素子5の発熱量が低減する動作の開始を指示する機能ブロックであり、周波数変更信号sig2はスイッチング素子5の損失を低減する損失低減信号の一例である。
デューティ制御部23は、ストール状態を示すストール判定信号sig1を受けて、かつスイッチング素子5の損失が低減した場合に、制御演算部3から出力された通常の電圧指令値vu0*、vv0*、vw0*を変更した電圧指令値vua*、vva*、vwa*、更にこの電圧指令値vua*、vva*、vwa*に基づいてゲートドライブ信号sg2が生成されるようにする電圧指令変更信号sig3すなわち変更を示す電圧指令変更信号sig3を制御演算部3に出力する。デューティ制御部23は、損失低減部26の動作によって第二温度情報である温度上昇ΔTdiが最大となっている還流ダイオード6に直列接続されたスイッチング素子5の第一温度情報である温度上昇ΔTswが低下した場合に、電圧指令値vua*、vva*、vwa*、変更を示す電圧指令変更信号sig3を制御演算部3に出力する。例えば、電圧指令変更信号sig3が変更を示す場合はHレベルであり、電圧指令変更信号sig3が非変更を示す場合はLレベルである。
The
ゲートドライブ回路8は、デューティ制御部23から生成されたゲートドライブ信号sg3に応じて、スイッチング素子5a~5fのオンオフ動作を制御するゲートドライブ信号sg4を出力する。ゲートドライブ信号sg4は、ゲートドライブ信号sg3と同じタイミングで変化するが、電圧値がゲートドライブ信号sg3と異なっている。
The
制御演算部3を説明する。制御演算部3は、U相、V相、W相の電圧指令値vu0*、vv0*、vw0*を生成するベクトル制御部12、電圧指令値vu0*、vv0*、vw0*及びデューティ制御部23にて生成された電圧指令値vua*、vva*、vwa*のいずれかを選択して電圧指令値vu*、vv*、vw*を出力する選択器41、電圧指令値vu*、vv*、vw*に基づいて電力変換回路4のPWM(Pulse Width Modulation)制御を行うゲートドライブ信号sg2を生成するPWM制御部18を備えている。ゲートドライブ信号sg2を生成する方法は、種々の方法がある。ここでは、公知のベクトル制御、V/F(Voltage/Frequency)制御等によって各相の電圧指令値vu0*、vv0*、vw0*を算出し、その各相の電圧指令値vu0*、vv0*、vw0*に基づいて公知の三角波比較正弦波PWM方式によりゲートドライブ信号sg2を生成する方法を説明する。
The
図3に示すように、ベクトル制御部12は、トルク制御部13、電流制御部14、電圧座標変換部15、座標変換部16、角速度変換部17を備えている。PWM制御部18は、三角波発振器19、比較器20a、20b、20c、反転器21a、21b、21c、デッドタイム回路22を備えている。比較器20a及び反転器21aはU相の比較器及び反転器であり、比較器20b及び反転器21bはV相の比較器及び反転器であり、比較器20c及び反転器21cはW相の比較器及び反転器である。
As shown in FIG. 3 , the
まず、ベクトル制御部12の動作を説明する。角速度変換部17は、回転検出器9により検出された回転子位置θを角速度ωに変換する。トルク制御部13は、角速度変換部17にて変換された電動機2の角速度ω及びトルク指令値T*からd軸電流目標値id*、q軸電流目標値iq*を演算する。トルク指令値T*は、例えば上位の制御装置から出力される。座標変換部16は、電流検出器7により検出された出力電流値iu、iv、iwからd軸電流値id、q軸電流値iqを生成する。電流制御部14は、電動機2の角速度ωに対応したd軸電流値id、q軸電流値iqがd軸電流目標値id*、q軸電流目標値iq*に追従するよう制御し、d軸電圧目標値vd*、q軸電圧目標値vq*を出力する。電圧座標変換部15は、d軸電圧目標値vd*、q軸電圧目標値vq*を各相の電圧指令値vu0*、vv0*、vw0*に変換する。
First, the operation of the
選択器41は、U相、V相、W相毎に選択器41a、41b、41cが存在する。選択器41は、3個の選択器41a、41b、41cの総称である。適宜、3個の選択器41a、41b、41cを区別しない場合に選択器41と表現する。ベクトル制御部12にて生成された電圧指令値vu0*、vv0*、vw0*は、ストール判定部27にてストール判定がされていない場合の電圧指令値すなわち通常の電圧指令値である。デューティ制御部23から出力された電圧指令変更信号sig3が非変更(例えばLレベル)を示す場合に、選択器41は、デューティ制御部23から出力された電圧指令値vu0*、vv0*、vw0*を電圧指令値vu*、vv*、vw*として出力する。デューティ制御部23から出力された電圧指令変更信号sig3が変更(例えばHレベル)を示す場合に、選択器41は、デューティ制御部23から出力された電圧指令値vua*、vva*、vwa*を電圧指令値vu*、vv*、vw*として出力する。
The
選択器41aは、電圧指令変更信号sig3が非変更を示す場合に電圧指令値vu0*を電圧指令値vu*として出力し、電圧指令変更信号sig3が変更を示す場合に電圧指令値vua*を電圧指令値vu*として出力する。同様に、選択器41bは、電圧指令変更信号sig3が非変更を示す場合に電圧指令値vv0*を電圧指令値vv*として出力し、電圧指令変更信号sig3が変更を示す場合に電圧指令値vva*を電圧指令値vv*として出力する。選択器41cは、電圧指令変更信号sig3が非変更を示す場合に電圧指令値vw0*を電圧指令値vw*として出力し、電圧指令変更信号sig3が変更を示す場合に電圧指令値vwa*を電圧指令値vw*として出力する。
PWM制御部18の動作を説明する。PWM制御部18は、搬送波vcを出力する三角波発振器19、比較器20a、20b、20c、反転器21a、21b、21c、デッドタイム回路22を備えている。搬送波vcは、ゲートドライブ信号sg1の生成に用いられる。PWM制御部18は、各相の電圧指令値vu*、vv*、vw*に基づいてゲートドライブ信号sg1を生成し、ゲートドライブ信号sg1のデッドタイムが調整されたゲートドライブ信号sg2を生成する。ゲートドライブ信号sg1は、6個のスイッチング素子5a、5b、5c、5d、5e、5fに対応した6個のゲートドライブ信号up*、un*、vp*、vn*、wp*、wn*を有している。比較器20aは、電圧指令値vu*と三角波発振器19の出力である搬送波vcとを比較し、P側のスイッチング素子5a用のゲートドライブ信号up*を生成する。反転器21aは、ゲートドライブ信号up*を反転したゲートドライブ信号un*をN側のスイッチング素子5b用として生成する。比較器20b、20c、反転器21b、21cについても同様に動作する。比較器20bは、電圧指令値vv*と三角波発振器19の出力である搬送波vcとを比較し、P側のスイッチング素子5c用のゲートドライブ信号vp*を生成する。反転器21bは、ゲートドライブ信号vp*を反転したゲートドライブ信号vn*をN側のスイッチング素子5d用として生成する。比較器20cは、電圧指令値vw*と三角波発振器19の出力である搬送波vcとを比較し、P側のスイッチング素子5e用のゲートドライブ信号wp*を生成する。反転器21cは、ゲートドライブ信号wp*を反転したゲートドライブ信号wn*をN側のスイッチング素子5f用として生成する。
The operation of the
デッドタイム回路22は、スイッチング素子5のオフ動作遅れが生じた場合に、P側のスイッチング素子5a、5c、5eとN側のスイッチング素子5b、5d、5fとの同時オンによる電源短絡を防ぐため、ゲートドライブ信号sg1のオン期間を一定時間遅らせるデッドタイムtddを付加する。デッドタイム回路22は、ゲートドライブ信号sg1にデッドタイムtddを付加したゲートドライブ信号sg2を出力する。デッドタイム回路22は、ゲートドライブ信号up*にデッドタイムtddを付加したゲートドライブ信号up0を生成し、ゲートドライブ信号un*にデッドタイムtddを付加したゲートドライブ信号un0を生成する。同様に、デッドタイム回路22は、ゲートドライブ信号vp*にデッドタイムtddを付加したゲートドライブ信号vp0を生成し、ゲートドライブ信号vn*にデッドタイムtddを付加したゲートドライブ信号vn0を生成し、ゲートドライブ信号wp*にデッドタイムtddを付加したゲートドライブ信号wp0を生成し、ゲートドライブ信号wn*にデッドタイムtddを付加したゲートドライブ信号wn0を生成する。
The
PWM制御部18は、選択器41の出力である三相各相の電圧指令値vu*、vv*、vw*と三角波発振器19の出力である搬送波vcとを比較する。その結果、各相の電圧指令値vu*、vv*、vw*の振幅が搬送波vcの振幅よりも大きいとき、その相のP側のスイッチング素子をオンするようにゲートドライブ信号を出力する。一方、各相の電圧指令値vu*、vv*、vw*の振幅が搬送波vcの振幅よりも小さいとき、その相のP側のスイッチング素子をオフするようなゲートドライブ信号を出力する。
The
PWM制御部18にて、各相のP側のスイッチング素子5a、5c、5eのゲートドライブ信号up*、vp*、wp*が生成される。なお、N側のスイッチング素子5b、5d、5fのゲートドライブ信号un*、vn*、wn*はP側のスイッチング素子5a、5c、5eのゲートドライブ信号up*、vp*、wp*を反転器21a、21b、21cによって反転したものを使用する。ゲートドライブ信号sg1、sg2はパルス状の信号である。
The
制御演算部3により生成されたゲートドライブ信号sg2は、前述したようにデューティ制御部23、ゲートドライブ回路8を介してゲートドライブ信号sg4になり、ゲートドライブ信号sg4が電力変換回路4に出力される。デューティ制御部23は、目標電圧変更部29、パターン発生部30を備えている。目標電圧変更部29は、各相の通常の電圧指令値vu0*、vv0*、vw0*を後述する方法により電圧指令値vua*、vva*、vwa*に変更し、更にこの電圧指令値vua*、vva*、vwa*に基づいてゲートドライブ信号sg2が生成されるようにする電圧指令変更信号sig3を制御演算部3に出力する。パターン発生部30は、素子特性、高調波の発生なども考慮してパターンすなわちパルス状のゲートドライブ信号sg3を生成する。ゲートドライブ信号sg3、sg4もゲートドライブ信号sg1、sg2と同様にパルス状の信号である。デューティ制御部23によるゲートドライブ信号sg3、ゲートドライブ回路8によるゲートドライブ信号sg4の生成方法について説明する。
The gate drive signal sg2 generated by the
このパルス状のゲートドライブ信号sg4によって、電力変換回路4は6個のスイッチング素子5をオン又はオフ制御し、電動機2に正弦波状の線間電圧を与える。このとき電力変換回路4の6個のアームを構成する電力変換素子、すなわち6個のスイッチング素子5及び6個の還流ダイオード6に損失が発生する。1個のアームあたりの損失であるアーム損失Plaは、スイッチング素子5の損失であるスイッチング素子損失Plsと還流ダイオード6の損失であるダイオード損失Pldとの加算で表せる。スイッチング素子損失Plsは、スイッチング素子5の定常損失Psatとスイッチング素子5のスイッチング損失Pswとの加算で表せる。ダイオード損失Pldは、還流ダイオード6の定常損失Pfと還流ダイオード6のリカバリー損失Prとの加算で表せる。したがって、アーム損失Plaは、式(1)のように表せる。
The
Pla=Psat+Psw+Pf+Pr ・・・(1) Pla=Psat+Psw+Pf+Pr (1)
スイッチング素子5の飽和電圧をVsat、スイッチング素子5を流れる電流であるスイッチング素子電流をImot、P側のスイッチング素子5a、5c、5eのゲートドライブ信号の通電率をDtとすると、スイッチング素子5の定常損失Psatは式(2)のように表せる。
Psat=Vsat×Imot×Dt ・・・(2)
Let Vsat be the saturation voltage of the
Psat=Vsat×Imot×Dt (2)
スイッチング素子5のオンしている時間をオン時間、スイッチング素子5のオフしている時間をオフ時間とすると、通電率Dtは、オン時間/(オン時間+オフ時間)と表せる。
Assuming that the time during which the
スイッチング素子5のオン時損失をPon、スイッチング素子5のオフ時損失をPoff、搬送波vcの周波数をfc、1パルスあたりのスイッチオン状態のエネルギーをEon、1パルスあたりのスイッチオフ状態のエネルギーをEoffとすると、スイッチング素子5のスイッチング損失Pswは式(3)のように表せる。
Psw=Pon+Poff=fc×(Eon+Eoff)・・・(3)
Pon is the loss when the switching
Psw=Pon+Poff=fc×(Eon+Eoff) (3)
還流ダイオード6の飽和電圧をVfsatとし、通電率Dt、スイッチング素子電流Imotを用いると、還流ダイオード6の定常損失Pfは式(4)のように表せる。直流電源装置10の電圧をVdc、還流ダイオード6のリカバリー電流をIrr、リカバリー時間をtrrとすると、還流ダイオード6のリカバリー損失Prは式(5)のように表せる。
Pf=(1-Dt)×Vfsat×Imot ・・・(4)
Pr=Vdc×Irr×trr/4 ・・・(5)
Assuming that the saturation voltage of the freewheeling diode 6 is Vfsat, and the duty factor Dt and the switching element current Imot are used, the steady-state loss Pf of the freewheeling diode 6 can be expressed as in Equation (4). Assuming that the voltage of the
Pf=(1−Dt)×Vfsat×Imot (4)
Pr=Vdc×Irr×trr/4 (5)
スイッチング素子5を流れるスイッチング素子電流Imotは、振幅I0、位相ωtを用いて、式(6)で表される。三角波比較正弦波PWMにおける変調率及び力率角をそれぞれMR、θpとすると、通電率Dtは式(7)で表すことができる。
Imot=I0sinωt ・・・(6)
Dt=1/2+MR×sin(ωt+θp)/2 ・・・(7)
A switching element current Imot flowing through the switching
Imot=I0 sinωt (6)
Dt=1/2+MR×sin(ωt+θp)/2 (7)
これらの式(1)~式(7)を用いて、ストール状態における6個のスイッチング素子5及び6個の還流ダイオード6の損失計算を行うと図4に示す損失が得られる。各相の電力変換素子の損失は図4のように周期性を持っている。横軸は電動機2の電気角[rad]であり、スイッチング素子電流Imotの縦軸は電流である。P側スイッチング素子損失Plsp、P側ダイオード損失Pldp、N側スイッチング素子損失Plsn、N側ダイオード損失Pldnの縦軸は損失である。U相を例にして説明する。U相におけるスイッチング素子電流Imotが正のとき、すなわち電動機2の電気角が0~πのとき、U相P側のスイッチング素子5a及びU相N側の還流ダイオード6bにのみ電流が流れ、U相N側のスイッチング素子5b及びU相P側の還流ダイオード6aに電流が流れないことから、この2個の電力変換素子すなわちスイッチング素子5a、還流ダイオード6bに損失が発生し、電流が流れないU相N側のスイッチング素子5b及びU相P側の還流ダイオード6aには損失が発生しない。
Using these equations (1) to (7), the loss shown in FIG. 4 is obtained by calculating the loss of the six
U相におけるスイッチング素子電流Imotが負のとき、すなわち電動機2の電気角がπ~2πのとき、U相N側のスイッチング素子5b及びU相P側の還流ダイオード6aにのみ電流が流れ、U相P側のスイッチング素子5a及びU相N側の還流ダイオード6bに電流が流れないことから、この2個の電力変換素子すなわちスイッチング素子5b、還流ダイオード6aに損失が発生し、電流が流れないU相P側のスイッチング素子5a及びU相N側の還流ダイオード6bには損失が発生しない。
When the U-phase switching element current Imot is negative, that is, when the electrical angle of the
また、U相P側のスイッチング素子5aとU相N側の還流ダイオード6bとでは、素子サイズの違いによる素子特性、通電流時間の差から発生損失に大きな差がある。同様に、U相N側のスイッチング素子5bとU相P側の還流ダイオード6aとでは、素子サイズの違いによる素子特性、通電流時間の差から発生損失に大きな差がある。この発生損失の差は素子特性の違いのほか、図5に示すように各素子の通電時間の違いによって発生する。図5は、通常の電力変換装置の通電時間配分例を示す図であり、またストール状態において電圧指令値vu*、vv*、vw*を変更する前すなわち損失低減動作前における電力変換装置の通電時間配分例を示す図である。図5では、搬送波vcの波形である搬送波波形61、目標となる電圧指令値vu*、vv*、vw*の波形である電圧指令波形62、P側の電力変換素子の通電パターンであるP側通電パターン63a、N側の電力変換素子の通電パターンであるN側通電パターン63b、P側スイッチング素子損失Plspの特性であるP側スイッチング素子損失特性68a、P側ダイオード損失Pldpの特性であるP側ダイオード損失特性68c、N側スイッチング素子損失Plsnの特性であるN側スイッチング素子損失特性68b、N側ダイオード損失Pldnの特性であるN側ダイオード損失特性68dを示した。横軸は電動機2の電気角[rad]である。搬送波波形61、電圧指令波形62、P側通電パターン63a、N側通電パターン63bの縦軸は電圧である。P側スイッチング素子損失特性68a、P側ダイオード損失特性68c、N側スイッチング素子損失特性68b、N側ダイオード損失特性68dの縦軸は損失である。図5には、P側スイッチング素子の通電時間Tsp、N側スイッチング素子の通電時間Tsn、P側還流ダイオードの通電時間Tdp、N側還流ダイオードの通電時間Tdnも示した。
Further, between the U-phase P-
仮にこの電力変換素子の許容損失すなわちスイッチング素子5、還流ダイオード6の許容損失がそれぞれ200W、100Wであった場合の最大損失を図7に示した。図7は最大損失を棒グラフで示した。SWはスイッチング素子であり、Dは還流ダイオードである。縦軸は損失[W]である。スイッチング素子5の最大損失であるスイッチング素子最大損失71aは185Wである。スイッチング素子最大損失71aは、許容損失の200Wに対して余裕度Pm1が7.5%しかなく、余裕が無い。還流ダイオード6の最大損失である還流ダイオード最大損失71bは95Wである。還流ダイオード最大損失71bは、許容損失の100Wに対して余裕度Pm2が5%しかなく、スイッチング素子5よりも余裕が無い。
FIG. 7 shows the maximum loss when the permissible loss of this power conversion element, that is, the permissible loss of the
特許文献1の電力変換装置では、電力変換素子の通電時間を分配して、P側電力変換素子とN側電力変換素子とで発生損失を分配するが、図7に示すようにスイッチング素子5、還流ダイオード6共に余裕が無い。そのため、還流ダイオード6の損失をスイッチング素子5へ分配しても、還流ダイオード6の損失は例えば95Wから90Wにしか下げられない。許容損失100Wに対して余裕度は5%から10%に改善するが、その改善効果が小さい。
In the power conversion device of
また、還流ダイオード6の損失を更に下げようとする場合、ストール状態の発生損失の割合は定常損失Pfが大部分を占めており、定常損失Pfを下げる必要がある。しかしながら、式(4)の飽和電圧Vfsatは還流ダイオード6のサイズと反比例関係にあるため、飽和電圧Vfsatを下げると還流ダイオード6のサイズが増大する。還流ダイオード6のサイズが増大することで、電力変換装置が大型化し、電力変換装置の高価格化に繋がってしまう。 In order to further reduce the loss of the freewheeling diode 6, it is necessary to reduce the steady-state loss Pf, since the steady-state loss Pf accounts for the majority of the loss generated in the stall state. However, since the saturation voltage Vfsat in equation (4) is inversely proportional to the size of the freewheeling diode 6, the size of the freewheeling diode 6 increases when the saturation voltage Vfsat is lowered. An increase in the size of the freewheeling diode 6 increases the size of the power conversion device, leading to an increase in the price of the power conversion device.
そこで、小型でかつ急激な温度上昇を防止できる電力変換装置1を実現するために、還流ダイオード6よりも発生損失を制御しやすいスイッチング素子5に着目した。スイッチング素子5の発生損失の割合は、定常損失Psatとスイッチング損失Pswとがおおよそ等分になっている。実施の形態1では、損失低減部26を用いてスイッチング素子5をスイッチングするキャリア周波数、すなわち三角波発振器19の搬送波vcの周波数fcを通常より低くすることで、スイッチング素子5の損失を低減する例を説明する。適宜、キャリア周波数の符号はfcを用いる。
Therefore, in order to realize a compact
ストール判定部27は、ストール状態と判定後に損失低減を開始するトリガー信号すなわち前述したストール状態を示すストール判定信号sig1を損失低減部26へ出力する。損失低減部26は、このトリガー信号を受けてPWM制御部の三角波発振器19に変更を示す周波数変更信号sig2を出力する。三角波発振器19は、変更を示す周波数変更信号sig2を受けて通常より低い周波数fcの搬送波vcを比較器20a~20cに出力する。このようにすることで、式(3)の、周波数fcが低くなりすなわちスイッチング損失Pswが下がり、スイッチング素子5の最大損失が例えば185Wから160Wになる。デューティ制御部23は、入力されている第一温度情報である温度上昇ΔTswの低下によって、第二温度情報である温度上昇ΔTdiが最大となっている還流ダイオード6に直列接続されたスイッチング素子5の損失が低下したことを判定する。
The
その後、デューティ制御部23は、素子温度推定部25から出力される各還流ダイオード6の温度上昇ΔTdiに基づいて、電力変換素子すなわちスイッチング素子5、還流ダイオード6の通電率Dtを決定する。すなわち、デューティ制御部23は、第二温度情報が最大となっている還流ダイオード6に流れる電流を当該還流ダイオード6に直列接続されたスイッチング素子5へ分配するように、ゲートドライブ信号sg2におけるスイッチング素子5のオン時間を変更したゲートドライブ信号sg3をゲートドライブ回路8に出力する。前述したように、素子温度推定部25は、各スイッチング素子5a~5fの温度モニタ24a~24fから出力される各スイッチング素子5の温度上昇ΔTswに基づいて還流ダイオード6の温度上昇ΔTdiを推定しており、推定した温度上昇ΔTdiをデューティ制御部23に送っている。
After that, the
還流ダイオード6の損失を低減するようにした場合の電力変換装置1の通電時間配分例を図6に示した。目標電圧変更部29により目標となる電圧指令値vua*、vva*、vwa*が生成されており、図5に示した電圧指令波形62が電圧指令波形67に変更されている。図6の横軸、縦軸は図5の横軸、縦軸と同じである。図6に、P側の電力変換素子の通電パターンであるP側通電パターン64a、N側の電力変換素子の通電パターンであるN側通電パターン64b、P側スイッチング素子損失Plspの特性であるP側スイッチング素子損失特性69a、P側ダイオード損失Pldpの特性であるP側ダイオード損失特性69c、N側スイッチング素子損失Plsnの特性であるN側スイッチング素子損失特性69b、N側ダイオード損失Pldnの特性であるN側ダイオード損失特性69dを示した。
FIG. 6 shows an example of energization time distribution of the
図6に示した電圧指令波形67は、電圧指令波形62の電圧振幅に、電気角0~πの区間では電圧指令波形62の電圧振幅の0.4倍の電圧を加算し、電気角π~2πの区間では電圧指令波形62の電圧振幅の0.4倍の電圧を減算した例である。目標電圧変更部29は、U相の電圧指令値vua*を次のように生成する。目標電圧変更部29は、電気角0~πの区間では通常の電圧指令値vu0*に0.4倍の電圧指令値vu0*を加算し、電気角π~2πの区間では通常の電圧指令値vu0*に0.4倍の電圧指令値vu0*を減算して新たな目標となる電圧指令値vua*を生成する。目標電圧変更部29は、同様にV相、W相の電圧指令値vva*、vwa*を生成する。目標電圧変更部29は、電気角0~πの区間では通常の電圧指令値vv0*に0.4倍の電圧指令値vv0*を加算し、電気角π~2πの区間では通常の電圧指令値vv0*に0.4倍の電圧指令値vv0*を減算して新たな目標となる電圧指令値vva*を生成する。目標電圧変更部29は、電気角0~πの区間では通常の電圧指令値vw0*に0.4倍の電圧指令値vw0*を加算し、電気角π~2πの区間では通常の電圧指令値vw0*に0.4倍の電圧指令値vw0*を減算して新たな目標となる電圧指令値vwa*を生成する。
The
損失低減部26によるスイッチング素子5の損失が低減した後に、図6のように電力変換素子の通電パターンが変更された場合の最大損失を図8に示した。図8の横軸、縦軸は、図7の横軸、縦軸と同じである。スイッチング素子5の最大損失はスイッチング素子最大損失72aであり、還流ダイオード6の最大損失は還流ダイオード最大損失72bである。図8では、図7に示した損失配分前のスイッチング素子最大損失71a及び還流ダイオード最大損失71bを破線で示した。前述したように、損失低減部26による動作でスイッチング素子5の最大損失は、185Wから160Wに下がり、スイッチング素子最大損失73になる。その後、図6のように電力変換素子の通電パターンを変更することで、還流ダイオード6の最大損失は95Wから65Wへ減少させることができた。ただし、スイッチング素子5の最大損失は、30Wの増加損失74がスイッチング素子最大損失73に加わり、190Wのスイッチング素子最大損失72aになる。
FIG. 8 shows the maximum loss when the energization pattern of the power conversion element is changed as shown in FIG. 6 after the loss of the
スイッチング素子最大損失72aと還流ダイオード最大損失72bとの合計損失は、同一相において還流ダイオード6の損失をスイッチング素子5へ分配しただけなので、当該相の電力変換素子全体の発生損失は分配前と分配後とで変化は無い。しかし、還流ダイオード6の損失は大きく減少しており、許容損失を100Wとした場合の余裕度Pm4は5%の余裕度Pm2から35%へと大きく改善される。一方、スイッチング素子5の損失は30W増加し、許容損失を200Wとした場合の余裕度Pm3は7.5%の余裕度Pm1から5%になる。
Since the total loss of the switching element
U相を例にして、図8を説明する。損失低減部26による動作でU相のスイッチング素子5a、5bの最大損失は、185Wから160Wに下がり、スイッチング素子最大損失73になる。その後、図6のようにU相の電力変換素子の通電パターンを変更することで、還流ダイオード6a、6bの最大損失は95Wから65Wへ減少させることができる。ただし、スイッチング素子5a、5bの最大損失は、30Wの増加損失74がスイッチング素子最大損失73に加わり、190Wのスイッチング素子最大損失72aになる。電気角が0~πにおけるスイッチング素子最大損失72aと還流ダイオード最大損失72bとの合計損失は、U相N側の還流ダイオード6bの損失をU相P側のスイッチング素子5aへ分配しただけなので、U相の電力変換素子全体の発生損失は分配前と分配後とで変化は無い。また、電気角がπ~2πにおけるスイッチング素子最大損失72aと還流ダイオード最大損失72bとの合計損失は、U相P側の還流ダイオード6aの損失をU相N側のスイッチング素子5bへ分配しただけなので、U相の電力変換素子全体の発生損失は分配前と分配後とで変化は無い。しかし、還流ダイオード6a、6bの損失は大きく減少しており、許容損失を100Wとした場合の余裕度Pm4は5%の余裕度Pm2から35%へと大きく改善される。一方、スイッチング素子5a、5bの損失は30W増加し、許容損失を200Wとした場合の余裕度Pm3は7.5%の余裕度Pm1から5%になる。
FIG. 8 will be described using the U phase as an example. The maximum loss of the
図6のようにU相において電力変換素子全体の損失分配した場合、U相の相電圧は正弦波状から大きく崩れてしまうが、電力変換装置の出力として求められているのは出力端子間の線間電圧である。そこで、通電率分配パターンすなわちP側通電パターン64a及びN側通電パターン64bを発生するパターン発生部30では他の相(V相、W相)でも同様の損失分配を行い線間電圧が正弦波状になるような通電率分配パターンを発生し、損失分配前と分配後で線間電圧に差がないように制御する。U相、V相、W相を同一の損失分配にすることは、特許文献1の制御と同様である。デューティ制御部23は、線間電圧を保つほか、素子特性、高調波の発生なども考慮してゲートドライブ信号sg3を生成する。
When the loss of the entire power conversion element is distributed in the U phase as shown in Fig. 6, the phase voltage of the U phase breaks down from the sinusoidal waveform significantly. is the voltage between Therefore, in the
実施の形態1の電力変換装置1は、電動機2がストール状態であると判定した場合に、損失低減部26を用いてスイッチング素子5の損失を低減させ、その後デューティ制御部23を用いて各相の電力変換素子すなわちスイッチング素子5及び還流ダイオード6の通電時間を変更し、P側電力変換素子とN側電力変換素子との間の損失の分配を行った。このため、実施の形態1の電力変換装置1は、スイッチング素子5に比べて小型で温度余裕がない還流ダイオード6の損失を還流ダイオード6に比べて大型で温度余裕があるスイッチング素子5に負担させることにより、急激な温度上昇を生じることなく還流ダイオード6のサイズ大型化を回避することができる。したがって、実施の形態1の電力変換装置1は、小型でかつ急激な温度上昇を防止できる。実施の形態1の電力変換装置1は、小型にできるので、低価格の電力変換装置を実現できる。
When it is determined that the
なお、図1の制御演算部3、デューティ制御部23、素子温度推定部25、損失低減部26、ストール判定部27は、図9に示すプロセッサ120、メモリ121により機能が実現されてもよい。この場合、制御演算部3、デューティ制御部23、素子温度推定部25、損失低減部26、ストール判定部27は、プロセッサ120がメモリ121に記憶されたプログラムを実行することにより、実現される。また、複数のプロセッサ120及び複数のメモリ121が連携して各機能を実行してもよい。
1 may be realized by the
以上のように、実施の形態1の電力変換装置1は、直流電力から変換された交流電力を供給して、電動機2を駆動する。電力変換装置1は、複数のスイッチング素子5及び還流ダイオード6、それぞれのスイッチング素子5の温度情報である第一温度情報(ΔTsw)を出力する複数の温度モニタ24a、24b、24c、24d、24e、24fを備え、電動機2を駆動する交流電力を供給する電力変換回路4と、電力変換回路4における複数のスイッチング素子5のスイッチングタイミングを決定し第一ドライブ信号(ゲートドライブ信号sg2)を生成する制御演算部3と、電動機2の回転子位置θを検出する回転検出器9と、を備えている。電力変換装置1は、更に第一温度情報(ΔTsw)に基づいて還流ダイオード6の温度情報である第二温度情報(ΔTdi)を推定する素子温度推定部25と、電動機2の回転子位置θに基づいて電動機2のストール状態を判定するストール判定部27と、ストール判定部27によりストール状態が判定された場合に、スイッチング素子5の発熱量を下げる損失低減部26と、第一ドライブ信号(ゲートドライブ信号sg2)を変更せずに第二ドライブ信号(ゲートドライブ信号sg3)として出力する、又は第一ドライブ信号(ゲートドライブ信号sg2)におけるスイッチング素子のオン時間を変更した第二ドライブ信号(ゲートドライブ信号sg3)を出力するデューティ制御部23と、第二ドライブ信号(ゲートドライブ信号sg3)に応じて複数のスイッチング素子5をスイッチング動作させる第三ドライブ信号(ゲートドライブ信号sg4)を電力変換回路4に出力するゲートドライブ回路8と、を備えている。デューティ制御部23は、ストール判定部27によりストール状態が判定され、かつ損失低減部26の動作によって第二温度情報(ΔTdi)が最大となっている還流ダイオード6に直列接続されたスイッチング素子5の第一温度情報(ΔTsw)が低下した場合に、第二温度情報(ΔTdi)が最大となっている還流ダイオード6に流れる電流を当該還流ダイオード6に直列接続されたスイッチング素子5へ分配するように、第一ドライブ信号(ゲートドライブ信号sg2)におけるスイッチング素子5のオン時間を変更した第二ドライブ信号(ゲートドライブ信号sg3)をゲートドライブ回路8に出力する。実施の形態1の電力変換装置1は、この構成により、ストール状態が判定され、かつ第二温度情報(ΔTdi)が最大となっている還流ダイオード6に直列接続されたスイッチング素子5の第一温度情報(ΔTsw)が損失低減部26の動作によって低下した場合に、当該還流ダイオード6に流れる電流を直列接続されたスイッチング素子5へ分配するので、小型でかつ急激な温度上昇を防止できる。
As described above, the
実施の形態2.
図10は実施の形態2に係る第一の電力変換装置の構成を示す図であり、図11は実施の形態2に係る第二の電力変換装置の構成を示す図である。実施の形態1の電力変換装置1は、キャリア周波数fcを小さくすることでスイッチング素子5の損失を低減できることを説明した。しかしながら、キャリア周波数fcの数値によってはキャリア周波数fcが小さくなったことで、電流脈動及び騒音が増加する場合がある。車両に搭載される電力変換装置1は、電流脈動及び騒音が小さいほうが好ましいので、実施の形態2では損失低減部26がゲートドライブ回路8のゲートドライブ信号sg4の変化速度すなわちスイッチング速度を速める例を説明する。
FIG. 10 is a diagram showing the configuration of a first power converter according to the second embodiment, and FIG. 11 is a diagram showing the configuration of a second power converter according to the second embodiment. It has been explained that the
スイッチング速度を速める方法として、ゲートドライブ回路8のゲート抵抗の抵抗値を小さくするなどがあるが、公知技術であるので、ここでは詳細な説明は省略する。損失分配方法は実施の形態1と同様である。図10に示した実施の形態2に係る第一の電力変換装置1は、図1に示した電力変換装置1とは損失低減部26が周波数変更信号sig2の代わりにスイッチング速度変更信号sig4を生成する点で異なる。実施の形態1の電力変換装置1と異なる部分を主に説明する。実施の形態2に係る第一の電力変換装置1では、図3に示した三角波発振器19に周波数変更信号sig2は入力されない。損失低減部26は、ストール状態を示すストール判定信号sig1を受けて、ゲートドライブ回路8にストール状態判定前よりスイッチング速度を速める高速指令を示すスイッチング速度変更信号sig4を出力する。例えば、スイッチング速度変更信号sig4が高速指令を示す場合はHレベルであり、スイッチング速度変更信号sig4が低速指令を示す場合はLレベルである。ゲートドライブ回路8は、高速指令を示すスイッチング速度変更信号sig4を受けてゲートドライブ信号sg4のスイッチング速度を速める。ゲートドライブ信号sg4のスイッチング速度が速まることで、式(3)のスイッチオン状態のエネルギーEon及びスイッチオフ状態のエネルギーEoffが小さくなる、すなわちスイッチング素子5の損失を下げることができる。スイッチング素子5の損失が低減することで、スイッチング素子5の発熱量が低減する。スイッチング速度変更信号sig4はスイッチング素子5の損失を低減する損失低減信号の一例である。
As a method for increasing the switching speed, there is a method such as reducing the resistance value of the gate resistance of the
実施の形態2の第一の電力変換装置1は、実施の形態1の電力変換装置1と同様に小型でかつ急激な温度上昇を防止できる。実施の形態2の第一の電力変換装置1は、小型にできるので、低価格の電力変換装置を実現できる。実施の形態2の第一の電力変換装置1は、ゲートドライブ信号sg4のスイッチング速度を速めることで、電流脈動及び騒音の増加を回避することができ、車両用として好ましい電力変換装置を実現できる。
The first
ゲートドライブ回路8のゲートドライブ信号sg4のスイッチング速度を速める方法は、実施の形態1の電力変換装置1に追加してもよい。図11に示した実施の形態2に係る第二の電力変換装置1は、図1に示した電力変換装置1とは損失低減部26が周波数変更信号sig2及びスイッチング速度変更信号sig4を生成する点で異なる。実施の形態1の電力変換装置1と異なる部分を主に説明する。損失低減部26は、ストール状態を示すストール判定信号sig1を受けて、制御演算部3に変更を示す周波数変更信号sig2を出力すると共に、ゲートドライブ回路8に高速指令を示すスイッチング速度変更信号sig4を出力する。追加されたスイッチング速度変更信号sig4に関わる損失低減部26及びゲートドライブ回路8の動作は、実施の形態2の第一の電力変換装置1と同じである。
A method of increasing the switching speed of the gate drive signal sg4 of the
実施の形態2の第二の電力変換装置1は、実施の形態1の電力変換装置1と同様に小型でかつ急激な温度上昇を防止できる。実施の形態2の第二の電力変換装置1は、小型にできるので、低価格の電力変換装置を実現できる。実施の形態2の第二の電力変換装置1は、ゲートドライブ信号sg4のスイッチング速度を速めることで、電流脈動及び騒音の増加を回避することができ、車両用として好ましい電力変換装置を実現できる。
The second
なお、実施の形態2の電力変換装置1における損失低減部26は、後述する実施の形態の全てにおいて適用可能であることは言うまでもない。また、その場合においても実施の形態2と同様の効果を得ることができる。
Needless to say, the
実施の形態3.
図12は実施の形態3に係る第一の電力変換装置の構成を示す図であり、図13は実施の形態3に係る第二の電力変換装置の構成を示す図である。実施の形態3では、損失低減部26がゲートドライブ回路8のゲートドライブ信号sg4の電圧値を大きくする例を説明する。図13に示した実施の形態3に係る第一の電力変換装置1は、図1に示した電力変換装置1とは、ゲートドライブ回路8が昇圧器31を備え、損失低減部26が周波数変更信号sig2の代わりにゲート電圧変更信号sig5を生成する点で異なる。実施の形態1の電力変換装置1と異なる部分を主に説明する。
FIG. 12 is a diagram showing the configuration of a first power converter according to
実施の形態3に係る第一の電力変換装置1では、図3に示した三角波発振器19に周波数変更信号sig2は入力されない。損失低減部26は、ストール状態を示すストール判定信号sig1を受けて、ゲートドライブ回路8にストール状態判定前よりゲートドライブ信号sg4の電圧値を大きくする変更を示すゲート電圧変更信号sig5を出力する。例えば、ゲート電圧変更信号sig5が変更を示す場合はHレベルであり、ゲート電圧変更信号sig5が非変更を示す場合はLレベルである。ゲートドライブ回路8は、変更を示すゲート電圧変更信号sig5を受けてゲートドライブ信号sg4の電圧値を大きくする。ゲートドライブ信号sg4の電圧値が大きくなることで、式(2)の飽和電圧Vsatが低下し、スイッチング素子5の定常損失Psatを低減することができる。スイッチング素子5の定常損失Psatを低減することで、スイッチング素子5の損失を下げることができる。スイッチング素子5の損失が低減することで、スイッチング素子5の発熱量が低減する。ゲート電圧変更信号sig5はスイッチング素子5の損失を低減する損失低減信号の一例である。
In the
実施の形態3の第一の電力変換装置1は、実施の形態1の電力変換装置1と同様に小型でかつ急激な温度上昇を防止できる。実施の形態3の第一の電力変換装置1は、定常損失Psatを低減できるため、PWM制御のキャリア周波数fcが小さいモータ制御方式の電力変換装置においても、スイッチング素子5の温度上昇を低減でき、温度余裕のない還流ダイオード6の損失を温度余裕があるスイッチング素子5に負担させることが可能なので、還流ダイオード6のサイズ大型化を防止できる。実施の形態3の第一の電力変換装置1は、小型にできるので、低価格の電力変換装置を実現できる。
The first
ゲートドライブ回路8のゲートドライブ信号sg4の電圧値を大きくする方法は、実施の形態1の電力変換装置1に追加してもよい。図13に示した実施の形態3に係る第二の電力変換装置1は、図1に示した電力変換装置1とは損失低減部26が周波数変更信号sig2及びゲート電圧変更信号sig5を生成する点で異なる。実施の形態1の電力変換装置1と異なる部分を主に説明する。損失低減部26は、ストール状態を示すストール判定信号sig1を受けて、制御演算部3に変更を示す周波数変更信号sig2を出力すると共に、ゲートドライブ回路8に変更を示すゲート電圧変更信号sig5を出力する。追加されたゲート電圧変更信号sig5に関わる損失低減部26及びゲートドライブ回路8の動作は、実施の形態3の第一の電力変換装置1と同じである。
A method of increasing the voltage value of the gate drive signal sg4 of the
実施の形態3の第二の電力変換装置1は、実施の形態1の電力変換装置1と同様に小型でかつ急激な温度上昇を防止できる。実施の形態3の第二の電力変換装置1は、実施の形態3の第一の電力変換装置1と同様の効果を奏する。
The second
なお、ゲートドライブ信号sg4の電圧値を大きくする方法として、昇圧器31を用いる例を説明したが、この例に限定されない。ゲートドライブ信号sg4の電圧値を大きくする手段として、電圧の異なる電源に切り替える等の手段でもよい。また、実施の形態2で説明したゲートドライブ信号sg4のスイッチング速度を速める方法と、ゲートドライブ信号sg4の電圧値を大きくする方法と、を同時に行う場合は、損失低減部26から出力される損失低減信号は1つで構わない。この場合、スイッチング速度変更信号sig4がゲート電圧変更信号sig5を兼ねてもよく、ゲート電圧変更信号sig5がスイッチング速度変更信号sig4を兼ねてもよい。
As a method for increasing the voltage value of the gate drive signal sg4, an example using the
実施の形態4.
実施の形態4の電力変換装置1は、実施の形態1~3の電力変換装置1における還流ダイオード6の温度上昇ΔTdiの推定を精度良く行うものである。すなわち、実施の形態4の電力変換装置1は、高精度の温度上昇ΔTdiを出力する素子温度推定部25を備えている例である。図14は、実施の形態4に係る電力変換装置の構成を示す図である。図14に示した電力変換装置1は、図1の電力変換装置1の素子温度推定部25にスイッチング素子5の温度上昇ΔTswが入力されず、図1の電力変換装置1に、電力変換回路4の入力電圧の値すなわち入力電圧値Viを検出する電圧検出器28が追加され、素子温度推定部25がダイオード損失Pldを読み出す損失マップ42、還流ダイオード6の熱抵抗値Rthを読み出す熱抵抗記憶部43を備えている例を示した。実施の形態1の電力変換装置1と異なる部分を主に説明する。
The
還流ダイオード6の温度上昇ΔTdiを推定するにあたり、還流ダイオード6の損失について説明する。還流ダイオード6の損失は1つのアームあたりの還流ダイオードの損失であるダイオード損失Pldであり、実施の形態1における式(1)の一部である。ダイオード損失Pldは式(8)で表せる。
Pld=Pf+Pr ・・・(8)
In estimating the temperature rise ΔTdi of the freewheeling diode 6, the loss of the freewheeling diode 6 will be described. The loss of the freewheeling diode 6 is the diode loss Pld, which is the loss of the freewheeling diode per arm, and is part of the equation (1) in the first embodiment. Diode loss Pld can be expressed by Equation (8).
Pld=Pf+Pr (8)
損失マップ42には、電動機2の回転数Nm、電力変換回路4の出力電流値iu、iv、iw、電力変換回路4の入力電圧値Viに関係づけられたダイオード損失Pldのデータが格納されている。素子温度推定部25は、回転検出器9から出力された回転子位置θに基づいて演算された電動機2の回転数Nmと、電流検出器7から出力された出力電流値iu、iv、iwと、電圧検出器28から出力された入力電圧値Viと、を用いてダイオード損失Pldを読み出す。
The
次に熱抵抗値について説明する。還流ダイオード6の熱抵抗値Rthは冷却系の構造により異なるが、設計上既知の値である。熱抵抗記憶部43には、電力変換回路4に搭載された各還流ダイオード6の熱抵抗値Rthのデータが格納されている。図2に示した電力変換回路4の場合は、6個の還流ダイオード6a~6f毎に6個の熱抵抗値Rthが熱抵抗記憶部43に格納されている。熱抵抗記憶部43には、電動機2の回転数Nm、電力変換回路4の出力電流値iu、iv、iw、電力変換回路4の入力電圧値Viに依らず、一定の熱抵抗値を有する熱抵抗値Rthが格納されている。
Next, the thermal resistance value will be explained. The thermal resistance value Rth of the freewheeling diode 6 varies depending on the structure of the cooling system, but is a known value in terms of design. The thermal
各還流ダイオード6の温度上昇ΔTdiを算出する場合、素子温度推定部25は損失マップ42から、回転検出器9から出力された回転子位置θに基づいて演算された電動機2の回転数Nmと、出力電流値iu、iv、iwと、入力電圧値Viと、に基づいて、ダイオード損失Pldを読み出す。そして、素子温度推定部25は、ダイオード損失Pldが読み出されたことをトリガーにして熱抵抗記憶部43から熱抵抗値Rthを読み出す。その後、素子温度推定部25は、式(9)により還流ダイオード6の温度上昇ΔTdiを算出する。
ΔTdi=Pld×Rth ・・・(9)
When calculating the temperature rise ΔTdi of each free wheel diode 6, the
ΔTdi=Pld×Rth (9)
実施の形態4の電力変換装置1は、精度良く還流ダイオード6の温度上昇ΔTdiを算出できるので、還流ダイオード6の温度上昇ΔTdiの精度が悪い場合に発生する過剰な損失分配を防止することができる。過剰な損失分配が生じる場合には、スイッチング素子5の破壊が起きることも考えられる。実施の形態4の電力変換装置1は、過剰な損失分配を防止することができるので、還流ダイオード6の温度上昇ΔTdiの精度が悪い場合に比べて還流ダイオード6のサイズを小型にすることができる。
Since the
実施の形態4の電力変換装置1は、実施の形態1の電力変換装置1と同様に、電動機2がストール状態であると判定した場合に、損失低減部26を用いてスイッチング素子5の損失を低減させ、その後デューティ制御部23を用いて各相の電力変換素子すなわちスイッチング素子5及び還流ダイオード6の通電時間を変更し、P側電力変換素子とN側電力変換素子との間の損失の分配を行うので、小型でかつ急激な温度上昇を防止できる。更に、実施の形態4の電力変換装置1は、精度良く還流ダイオード6の温度上昇ΔTdiを算出できるので、還流ダイオード6の温度上昇ΔTdiの精度が悪い場合に比べて小型の電力変換装置を実現できる。
Similarly to the
なお、実施の形態4で説明した電圧検出器28、損失マップ42及び熱抵抗記憶部43を備えた素子温度推定部25は、実施の形態2、3の電力変換装置1にも適用できる。
The
実施の形態5.
実施の形態5の電力変換装置1は、実施の形態4の電力変換装置1と同様に、高精度の温度上昇ΔTdiを出力する素子温度推定部25を備えている例である。図15は、実施の形態5に係る電力変換装置の構成を示す図である。図15に示した電力変換装置1は、図1の電力変換装置1の素子温度推定部25が温度上昇ΔTdiを演算する比例演算部44を備えている例を示した。実施の形態1の電力変換装置1と異なる部分を主に説明する。
The
実施の形態4では、一定の熱抵抗値を有する熱抵抗値Rthを用いて還流ダイオード6の温度上昇ΔTdiを算出する例を説明した。しかし、一定の熱抵抗値は製造バラツキを含んでいるため、算出された還流ダイオード6の温度上昇ΔTdiは実際の温度上昇より高くなってしまう場合がある。そのため、過剰に還流ダイオード6からスイッチング素子5へ損失が分配される場合には、スイッチング素子5の破壊が起きることも考えられる。実施の形態5の電力変換装置1は、実施の形態4の電力変換装置1よりも精度良く還流ダイオード6の温度上昇ΔTdiを算出できる例である。
In the fourth embodiment, an example of calculating temperature rise ΔTdi of freewheeling diode 6 using thermal resistance value Rth having a constant thermal resistance value has been described. However, since the constant thermal resistance value includes manufacturing variations, the calculated temperature rise ΔTdi of the freewheeling diode 6 may become higher than the actual temperature rise. Therefore, if the loss is excessively distributed from the freewheeling diode 6 to the
実施の形態5では、各アームにおいて還流ダイオード6がスイッチング素子5に逆並列接続されていることに着目する。同じアームを構成する還流ダイオード6及びスイッチング素子5の温度上昇は設計上既知であり、同じアームを構成する還流ダイオード6の温度上昇ΔTdiとスイッチング素子5の温度上昇ΔTswとの関係は設計上既知である。このため、各還流ダイオード6の温度上昇ΔTdiは、同じアームを構成するスイッチング素子5の温度上昇ΔTsw、係数αを使って、式(10)のように算出することができる。
ΔTdi=α×ΔTsw ・・・(10)
In the fifth embodiment, it is noted that the freewheeling diode 6 is connected in anti-parallel to the
ΔTdi=α×ΔTsw (10)
比例演算部44は、温度モニタ24aから出力されたスイッチング素子5aの温度上昇ΔTswaから式(10)の演算を実行し、α×ΔTswaをΔTdiaとして出力する。同様に、比例演算部44は、温度モニタ24bから出力されたスイッチング素子5bの温度上昇ΔTswbから式(10)の演算を実行し、α×ΔTswbをΔTdibとして出力する。比例演算部44は、温度モニタ24c~24fから出力されたスイッチング素子5c~5fの温度上昇ΔTswc~ΔTswfからそれぞれ式(10)の演算を実行し、ΔTdic~ΔTdifを出力する。
The
実施の形態5の電力変換装置1は、比例演算部44により式(10)に示す演算すなわち第一温度情報であるΔTswに係数αを乗算する演算を実行することで、製造バラツキを含んだ熱抵抗値を使用することがなく、実施の形態4の電力変換装置1よりも精度良く還流ダイオード6の温度上昇ΔTdiを算出できる。
The
実施の形態5の電力変換装置1は、実施の形態1の電力変換装置1と同様に、電動機2がストール状態であると判定した場合に、損失低減部26を用いてスイッチング素子5の損失を低減させ、その後デューティ制御部23を用いて各相の電力変換素子すなわちスイッチング素子5及び還流ダイオード6の通電時間を変更し、P側電力変換素子とN側電力変換素子との間の損失の分配を行うので、小型でかつ急激な温度上昇を防止できる。更に、実施の形態5の電力変換装置1は、実施の形態4の電力変換装置1よりも精度良く還流ダイオード6の温度上昇ΔTdiを算出できるので、更に小型の電力変換装置を実現できる。
As with the
なお、実施の形態5で説明した比例演算部44を備えた素子温度推定部25は、実施の形態2、3の電力変換装置1にも適用できる。
The
実施の形態6.
実施の形態6の電力変換装置1は、実施の形態4の電力変換装置1と同様に、高精度の温度上昇ΔTdiを出力する素子温度推定部25を備えている例である。図16は、実施の形態6に係る電力変換装置の構成を示す図である。実施の形態5の電力変換装置1では、比例演算部44が固定値の係数αを使って、式(10)のように算出する例を示した。ストール状態の状況は多数あるが、極低回転で坂を登るストールの際には、時間と共に電力変換素子の温度上昇は変化するので、固定値の係数αだけでは還流ダイオード6の温度上昇ΔTdiを正確に算出することができない場合がある。実施の形態6の電力変換装置1では、係数αが、電動機2の回転数Nmと、出力電流値iu、iv、iwと、入力電圧値Viと、に関係づけられており、実施の形態6の電力変換装置1は電動機2の状況に応じて変化する係数αを使って、還流ダイオード6の温度上昇ΔTdiを式(10)のように算出する例である。実施の形態6の電力変換装置1は、電力変換回路4の入力電圧値Viを出力する電圧検出器28が追加され、素子温度推定部25が比例演算部44と共に、係数αを出力する係数モデル45を備えている点で、実施の形態5の電力変換装置1と異なる。実施の形態5の電力変換装置1と異なる部分を主に説明する。
Embodiment 6.
The
係数モデル45は、回転検出器9から出力された回転子位置θに基づいて演算された電動機2の回転数Nmと、電流検出器7から出力された出力電流値iu、iv、iwと、電圧検出器28から出力された入力電圧値Viと、を用いて係数αを出力する。係数モデル45に入力される入力情報すなわち回転数Nm、出力電流値iu、iv、iw、入力電圧値Viは時間と共に変化するパラメータなので、係数αを固定値から変数値に変化させることができる。係数モデル45を用いることで、電動機2の状況に応じて変化する係数αが得られる。
The
実施の形態6の電力変換装置1は、電動機2の回転数Nmと、電流検出器7から出力された出力電流値iu、iv、iwと、電圧検出器28から出力された入力電圧値Viと、とに基づいて係数αを生成し、これらの入力情報の変化に応じて変化する係数αを使って、還流ダイオード6の温度上昇ΔTdiを式(10)のように算出するので、極低回転で坂を登るストールの際にも還流ダイオード6の温度上昇ΔTdiを高精度に算出することができる。
The
実施の形態6の電力変換装置1は、実施の形態1の電力変換装置1と同様に、電動機2がストール状態であると判定した場合に、損失低減部26を用いてスイッチング素子5の損失を低減させ、その後デューティ制御部23を用いて各相の電力変換素子すなわちスイッチング素子5及び還流ダイオード6の通電時間を変更し、P側電力変換素子とN側電力変換素子との間の損失の分配を行うので、小型でかつ急激な温度上昇を防止できる。更に、実施の形態6の電力変換装置1は、極低回転で坂を登るストールの際にも還流ダイオード6の温度上昇ΔTdiを高精度に算出することができるので、実施の形態5の電力変換装置1よりも更に小型の電力変換装置を実現できる。
Similarly to the
なお、実施の形態6で説明した比例演算部44及び係数モデル45を備えた素子温度推定部25は、実施の形態2、3の電力変換装置1にも適用できる。
The
なお、本願は、様々な例示的な実施の形態及び実施例が記載されているが、1つ、または複数の実施の形態に記載された様々な特徴、態様、及び機能は特定の実施の形態の適用に限られるのではなく、単独で、または様々な組み合わせで実施の形態に適用可能である。従って、例示されていない無数の変形例が、本願明細書に開示される技術の範囲内において想定される。例えば、少なくとも1つの構成要素を変形する場合、追加する場合または省略する場合、さらには、少なくとも1つの構成要素を抽出し、他の実施の形態の構成要素と組み合わせる場合が含まれるものとする。 It should be noted that while this application describes various exemplary embodiments and examples, various features, aspects, and functions described in one or more of the embodiments may lie in particular embodiments. The embodiments can be applied singly or in various combinations. Accordingly, numerous variations not illustrated are envisioned within the scope of the technology disclosed herein. For example, modification, addition or omission of at least one component, extraction of at least one component, and combination with components of other embodiments shall be included.
1…電力変換装置、2…電動機、3…制御演算部、4…電力変換回路、5、5a、5b、5c、5d、5e、5f…スイッチング素子、6、6a、6b、6c、6d、6e、6f…還流ダイオード、7、7a、7b、7c…電流検出器、8…ゲートドライブ回路、9…回転検出器、19…三角波発振器(発振器)、23…デューティ制御部、24a、24b、24c、24d、24e、24f…温度モニタ、25…素子温度推定部、26…損失低減部、27…ストール判定部、28…電圧検出器、43…熱抵抗記憶部、44…比例演算部、45…係数モデル、α…係数、θ…回転子位置、fc…周波数、iu、iv、iw…出力電流値、Nm…回転数、Pld…ダイオード損失、Pldp…P側ダイオード損失、Pldn…N側ダイオード損失、Rth…熱抵抗値、sig2…周波数変更信号(損失低減信号)、sig4…スイッチング速度変更信号(損失低減信号)、sig5…ゲート電圧変更信号(損失低減信号)、vc…搬送波、ΔTdi、ΔTdia、ΔTdib、ΔTdic、ΔTdid、ΔTdie、ΔTdif…温度上昇(第二温度情報)、ΔTsw、ΔTswa、ΔTswb、ΔTswc、ΔTswd、ΔTswe、ΔTswf…温度上昇(第一温度情報)、sg2…ゲートドライブ信号(第一ドライブ信号)、sg3…ゲートドライブ信号(第二ドライブ信号)、sg4…ゲートドライブ信号(第三ドライブ信号)、Vi…入力電圧値
DESCRIPTION OF
Claims (11)
複数のスイッチング素子及び還流ダイオード、それぞれの前記スイッチング素子の温度情報である第一温度情報を出力する複数の温度モニタを備え、前記電動機を駆動する前記交流電力を供給する電力変換回路と、
前記電力変換回路における複数の前記スイッチング素子のスイッチングタイミングを決定し第一ドライブ信号を生成する制御演算部と、
前記電動機の回転子位置を検出する回転検出器と、
前記第一温度情報に基づいて前記還流ダイオードの温度情報である第二温度情報を推定する素子温度推定部と、
前記電動機の回転子位置に基づいて前記電動機のストール状態を判定するストール判定部と、
前記ストール判定部によりストール状態が判定された場合に、前記スイッチング素子の発熱量を下げる損失低減部と、
前記第一ドライブ信号を変更せずに第二ドライブ信号として出力する、又は前記第一ドライブ信号における前記スイッチング素子のオン時間を変更した第二ドライブ信号を出力するデューティ制御部と、
前記第二ドライブ信号に応じて複数の前記スイッチング素子をスイッチング動作させる第三ドライブ信号を前記電力変換回路に出力するゲートドライブ回路と、を備え、
前記デューティ制御部は、
前記ストール判定部によりストール状態が判定され、かつ前記損失低減部の動作によって前記第二温度情報が最大となっている前記還流ダイオードに直列接続された前記スイッチング素子の前記第一温度情報が低下した場合のみ、前記第二温度情報が最大となっている前記還流ダイオードに流れる電流を当該還流ダイオードに直列接続された前記スイッチング素子へ分配するように、前記第一ドライブ信号における前記スイッチング素子のオン時間を変更した前記第二ドライブ信号を前記ゲートドライブ回路に出力する、電力変換装置。 A power conversion device that supplies AC power converted from DC power to drive a motor,
a power conversion circuit including a plurality of switching elements and a free wheel diode, and a plurality of temperature monitors that output first temperature information that is temperature information of each of the switching elements, and supplying the AC power for driving the electric motor;
a control calculation unit that determines switching timings of the plurality of switching elements in the power conversion circuit and generates a first drive signal;
a rotation detector that detects a rotor position of the electric motor;
an element temperature estimating unit that estimates second temperature information, which is temperature information of the freewheeling diode, based on the first temperature information;
a stall determination unit that determines a stall state of the electric motor based on the rotor position of the electric motor;
a loss reduction unit that reduces the amount of heat generated by the switching element when the stall determination unit determines a stalled state;
a duty control unit that outputs the first drive signal as a second drive signal without changing it, or that outputs a second drive signal in which the ON time of the switching element in the first drive signal is changed;
a gate drive circuit that outputs to the power conversion circuit a third drive signal that switches the plurality of switching elements according to the second drive signal,
The duty control unit
The first temperature information of the switching element connected in series to the freewheeling diode in which the stall condition is determined by the stall determination unit and the second temperature information is maximized by the operation of the loss reduction unit has decreased. ON time of the switching element in the first drive signal so as to distribute the current flowing through the freewheeling diode with the maximum second temperature information to the switching elements connected in series with the freewheeling diode only when to the gate drive circuit.
前記損失低減部は、前記ストール判定部によりストール状態が判定された場合に、前記搬送波の周波数を判定前よりも低くする損失低減信号を前記発振器に出力する、請求項1記載の電力変換装置。 The control calculation unit includes an oscillator that generates a carrier wave used to generate the first drive signal,
2. The power converter according to claim 1, wherein said loss reduction unit outputs a loss reduction signal for lowering the frequency of said carrier wave to a frequency before the determination, when said stall determination unit determines a stall state.
前記損失低減部は、
前記ストール判定部によりストール状態が判定された場合に、前記搬送波の周波数を判定前よりも低くする第一損失低減信号を前記発振器に出力すると共に、前記ゲートドライブ回路に前記第三ドライブ信号のスイッチング速度を判定前よりも速める第二損失低減信号を出力する、請求項1記載の電力変換装置。 The control calculation unit includes an oscillator that generates a carrier wave used to generate the first drive signal,
The loss reduction unit is
outputting to the oscillator a first loss reduction signal that lowers the frequency of the carrier wave than before the determination when the stall determination unit determines a stall state, and switching the third drive signal to the gate drive circuit; 2. The power converter according to claim 1, which outputs a second loss reduction signal that makes the speed faster than before the determination.
前記損失低減部は、
前記ストール判定部によりストール状態が判定された場合に、前記搬送波の周波数を判定前よりも低くする第一損失低減信号を前記発振器に出力すると共に、前記ゲートドライブ回路に前記第三ドライブ信号の電圧値を判定前よりも大きくする第二損失低減信号を出力する、請求項1記載の電力変換装置。 The control calculation unit includes an oscillator that generates a carrier wave used to generate the first drive signal,
The loss reduction unit is
outputting to the oscillator a first loss reduction signal that lowers the frequency of the carrier wave than before the determination when the stall determination unit determines the stall state, and outputs the voltage of the third drive signal to the gate drive circuit; 2. The power converter according to claim 1, which outputs a second loss reduction signal that makes the value larger than before the determination.
前記損失低減部は、
前記ストール判定部によりストール状態が判定された場合に、前記搬送波の周波数を判定前よりも低くする第一損失低減信号を前記発振器に出力すると共に、前記ゲートドライブ回路に前記第三ドライブ信号のスイッチング速度を判定前よりも速め、かつ電圧値を判定前よりも大きくする第二損失低減信号を出力する、請求項1記載の電力変換装置。 The control calculation unit includes an oscillator that generates a carrier wave used to generate the first drive signal,
The loss reduction unit is
outputting to the oscillator a first loss reduction signal that lowers the frequency of the carrier wave than before the determination when the stall determination unit determines a stall state, and switching the third drive signal to the gate drive circuit; 2. The power converter according to claim 1, which outputs a second loss reduction signal that makes the speed higher than before the determination and the voltage value higher than before the determination.
複数のスイッチング素子及び還流ダイオード、それぞれの前記スイッチング素子の温度情報である第一温度情報を出力する複数の温度モニタを備え、前記電動機を駆動する前記交流電力を供給する電力変換回路と、
前記電力変換回路における複数の前記スイッチング素子のスイッチングタイミングを決定し第一ドライブ信号を生成する制御演算部と、
前記電動機の回転子位置を検出する回転検出器と、
前記還流ダイオードの温度情報である第二温度情報を推定する素子温度推定部と、
前記電動機の回転子位置に基づいて前記電動機のストール状態を判定するストール判定部と、
前記ストール判定部によりストール状態が判定された場合に、前記スイッチング素子の発熱量を下げる損失低減部と、
前記第一ドライブ信号を変更せずに第二ドライブ信号として出力する、又は前記第一ドライブ信号における前記スイッチング素子のオン時間を変更した第二ドライブ信号を出力するデューティ制御部と、
前記第二ドライブ信号に応じて複数の前記スイッチング素子をスイッチング動作させる第三ドライブ信号を前記電力変換回路に出力するゲートドライブ回路と、
前記電力変換回路に入力される入力電圧の値を検出する電圧検出器と、
前記電力変換回路から前記電動機に出力される出力電流の値を検出する電流検出器と、を備え、
前記素子温度推定部は、
前記還流ダイオードの熱抵抗値が格納された熱抵抗記憶部と、
前記回転子位置に基づいて計算される前記電動機の回転数、前記電力変換回路の前記出力電流の値、前記入力電圧の値に関係づけられた前記還流ダイオードのダイオード損失が格納された損失マップと、を備え、
前記熱抵抗値及び前記ダイオード損失に基づいて前記第二温度情報を推定し、
前記デューティ制御部は、
前記ストール判定部によりストール状態が判定され、かつ前記損失低減部の動作によって前記第二温度情報が最大となっている前記還流ダイオードに直列接続された前記スイッチング素子の前記第一温度情報が低下した場合に、前記第二温度情報が最大となっている前記還流ダイオードに流れる電流を当該還流ダイオードに直列接続された前記スイッチング素子へ分配するように、前記第一ドライブ信号における前記スイッチング素子のオン時間を変更した前記第二ドライブ信号を前記ゲートドライブ回路に出力する、電力変換装置。 A power conversion device that supplies AC power converted from DC power to drive a motor,
a power conversion circuit including a plurality of switching elements and a free wheel diode, and a plurality of temperature monitors that output first temperature information that is temperature information of each of the switching elements, and supplying the AC power for driving the electric motor;
a control calculation unit that determines switching timings of the plurality of switching elements in the power conversion circuit and generates a first drive signal;
a rotation detector that detects a rotor position of the electric motor;
an element temperature estimating unit that estimates second temperature information that is temperature information of the freewheeling diode;
a stall determination unit that determines a stall state of the electric motor based on the rotor position of the electric motor;
a loss reduction unit that reduces the amount of heat generated by the switching element when the stall determination unit determines a stalled state;
a duty control unit that outputs the first drive signal as a second drive signal without changing it, or that outputs a second drive signal in which the ON time of the switching element in the first drive signal is changed;
a gate drive circuit that outputs to the power conversion circuit a third drive signal that switches the plurality of switching elements according to the second drive signal;
a voltage detector that detects the value of the input voltage input to the power conversion circuit;
a current detector that detects the value of the output current output from the power conversion circuit to the electric motor,
The element temperature estimator,
a thermal resistance storage unit storing a thermal resistance value of the freewheeling diode;
a loss map storing a diode loss of the free wheel diode associated with the rotation speed of the electric motor calculated based on the rotor position, the value of the output current of the power conversion circuit, and the value of the input voltage; , and
estimating the second temperature information based on the thermal resistance value and the diode loss;
The duty control unit
The first temperature information of the switching element connected in series to the freewheeling diode in which the stall condition is determined by the stall determination unit and the second temperature information is maximized by the operation of the loss reduction unit has decreased. the ON time of the switching element in the first drive signal so as to distribute the current flowing through the freewheeling diode with the maximum second temperature information to the switching element connected in series with the freewheeling diode. to the gate drive circuit.
前記素子温度推定部は、
前記回転子位置に基づいて計算される前記電動機の回転数、前記電力変換回路の前記出力電流の値、前記入力電圧の値に基づいて前記係数を出力する係数モデルを備えている、請求項10記載の電力変換装置。 a voltage detector that detects the value of the input voltage that is input to the power conversion circuit; and a current detector that detects the value of the output current that is output from the power conversion circuit to the electric motor,
The element temperature estimator,
11. A coefficient model for outputting the coefficient based on the number of rotations of the electric motor calculated based on the rotor position, the value of the output current of the power conversion circuit, and the value of the input voltage according to claim 10. A power converter as described.
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