JP7274713B1 - スイッチング回路、電流検出回路、スイッチングタイミング制御方法及び制御プログラム - Google Patents
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電流不均衡の問題は、ブリッジ回路を並列接続してなるインターリーブ方式の回路においても、同様に起こりえる。
図1は、実施形態1に係るスイッチング回路101の構成例を示す回路ブロック図である。本実施形態1に係るスイッチング回路101は、ハーフブリッジ回路10と、制御回路5と、バランスインダクタ6とを備える。
また、図1には図示していないが、各スイッチング素子のソース・ドレイン間にはデバイス出力容量Cが存在する(図3参照)。なお、各スイッチング素子のソース・ドレイン間に容量素子を設けてもよい。各スイッチング素子に設ける容量素子の容量は等しい。
図2は、実施形態1に係るゲート制御信号及び接続点電圧の時間変化を示すタイミングチャートである。横軸は時間を示している。上図は、ハイサイドデバイス側である第1U相スイッチング素子11aのゲート制御信号、中央図は、ローサイドデバイス側である第2U相スイッチング素子12aのゲート制御信号の波形を示している。下図はU相接続点電圧Vuの波形を示している。V相の動作もU相と同様である。
U相出力電流iuは転流期間において一定であると仮定する。期間(A)では、第1U相スイッチング素子11aがオンでありU相接続点電圧Vuは電源電圧Vdcと等しい。期間(B)において第1U相スイッチング素子11aがターンオフするが、ただちにU相接続点電圧Vuは零とならず、デバイス出力容量Cが放電されるにつれてU相接続点電圧Vuは低下していく。期間(C)においてU相接点電圧が零になると第2U相スイッチング素子12aの寄生ダイオード12bに電流が流れる。期間(D)においてデッドタイム期間後に第2U相スイッチング素子12aがターンオンし、転流動作が完了する。期間(B)におけるU相接続点電圧Vuは次式で表される。
なお、閾値電圧Vrefh、Vreflの値は特に限定されるものでは無いが、第1の閾値電圧Vrefhは、例えば電源電圧Vdcの70%の電圧、第2の閾値電圧Vreflは、電源電圧Vdcの30%の電圧である。
第1レグ1及び第2レグ2のデバイス出力容量Cが等しければ、U相立ち下がり時間Tf_u及びV相立ち下がり時間Tf_vを比較することによって、U相出力電流iu及びV相出力電流ivの大小を判定することが可能である。
上記制御をV相でも同様に行うと、U相接続点電圧Vu、V相接続点電圧Vv及び結合点電圧Vcの立ち下がり時間が最終的に等しくなり、U相出力電流iuと、V相出力電流ivが等しくなる。
上記のスイッチングタイミング制御を、立ち下がり時間同期制御と呼ぶ。
上記制御をV相でも同様に行うと、U相立ち上がり遅延時間Td_uと、V相立ち上がり遅延時間Td_vとが最終的に等しくなり、U相とV相のスイッチングタイミングが揃った結果スイッチング時の電流分担を均等化できる。
上記のスイッチングタイミング制御を立ち上がり遅延同期制御と呼ぶ。
以下、制御回路5はステップS11~ステップS31の処理を繰り返し実行することにより、U相出力電流iu及びV相出力電流ivの均等化を実現する。
上記制御方法を実現する制御回路5の構成を説明する。
図8は、制御回路5の構成例を示す回路ブロック図である。制御回路5は、PWM信号生成回路50aと、U相電圧比較回路51と、V相電圧比較回路52と、結合点電圧比較回路53と、参照電圧生成回路54と、スイッチング制御回路50とを備える。
図1に示す回路の設計値を以下のように設定して実験を行った。電源電圧Vdcを565V、分圧回路の分圧比を0.00885、第1の閾値電圧Vrefhを396V、第2の閾値電圧Vreflを170V、分圧抵抗R1、R2の抵抗値を1.68MΩ、15kΩ、コンデンサC1、C2の容量を5pF、560pF、分圧抵抗R1、R2、R3の抵抗値を1.68MΩ、6.8kΩ、3.9Ωとした。デバイス特性のばらつきを模擬するため、V相電圧がU相電圧に対し、40ns先に立ち上がり100ns後に立ち下がる遅延を挿入している。
実施形態2に係るスイッチング回路101は、制御回路205の構成が実施形態1と異なる。スイッチング回路101のその他の構成は、実施形態1に係るスイッチング回路101と同様であるため、同様の箇所には同じ符号を付し、詳細な説明を省略する。
実施形態3に係るスイッチング回路101は、出力電流の向き及びスイッチング制御処理が実施形態1と異なる。スイッチング回路101のその他の構成は、実施形態1に係るスイッチング回路101と同様であるため、同様の箇所には同じ符号を付し、詳細な説明を省略する。
V相についても同様にして、制御回路5は、V相接続点電圧Vvの立ち上がり時間(以下、V相立ち上がり時間と呼ぶ)が、結合点立ち上がり時間よりも大きい場合、第2V相スイッチング素子22aのオン時間(V相のローサイドオン時間)を延長する。制御回路5は、V相立ち上がり時間が、結合点立ち上がり時間よりも小さい場合、第2V相スイッチング素子22aのオン時間(V相のローサイドオン時間)を短縮する。
また、実施形態3においては、図5に示した現象が立ち下がり時に生ずる。制御回路5は、U相接続点電圧Vuの立ち下がり遅延時間(以下、U相立ち下がり遅延時間と呼ぶ)を測定し、所定の遅延時間指令値Td_refと一致するようにU相立ち下がり遅延量を調整する。同様にして、制御回路5は、V相接続点電圧Vvの立ち下がり遅延時間(以下、V相立ち下がり遅延時間と呼ぶ)を測定し、所定の遅延時間指令値Td_refと一致するようにV相立ち下がり遅延量を調整する。このようにして、U相接続点電圧Vuの立ち下がりタイミングと、V相接続点電圧Vvの立ち下がりタイミングとを一致させることができる。
実施形態4に係るスイッチング回路101は、ハーフブリッジ回路410及びスイッチング制御処理が実施形態1と異なる。スイッチング回路101のその他の構成は、実施形態1に係るスイッチング回路101と同様であるため、同様の箇所には同じ符号を付し、詳細な説明を省略する。
実施形態5に係るスイッチング回路101は、ハーフブリッジ回路510及びスイッチング制御処理が実施形態3と異なる。スイッチング回路101のその他の構成は、実施形態1に係るスイッチング回路101と同様であるため、同様の箇所には同じ符号を付し、詳細な説明を省略する。
実施形態6に係るスイッチング回路101は、スイッチング制御回路650の構成が実施形態1と異なる。スイッチング回路101のその他の構成は、実施形態1に係るスイッチング回路101と同様であるため、同様の箇所には同じ符号を付し、詳細な説明を省略する。
V相制御回路656の動作はU相制御回路655と同様であるため、U相制御回路655の構成及び動作を説明し、V相制御回路656の詳細は省略する。
同様にして、U相電流方向判定回路55gは、第1U相スイッチング素子11aがオフ、第2Uスイッチング素子がオンの状態から、第2U相スイッチング素子12aをオフ状態に切り替えたときに、U相接続点電圧Vuが変化したか否かを判定し、判定結果をU相遅延制御回路55cへ出力する。U相遅延制御回路55cは、上記のように第1レグ1がオン状態からオフ状態に切り替えられた場合、U相接続点電圧Vuが変化したとき、実施形態3で説明したように、U相立ち上がり時間同期制御を実行する。U相接続点電圧Vuが変化しなかった場合、スイッチングタイミングの調整制御は行われない。
同様にして、U相電流方向判定回路55gは、第1U相スイッチング素子11a及び第2Uスイッチング素子の双方がオフの状態から、第2U相スイッチング素子12aをオン状態に切り替えたときに、U相接続点電圧Vuが変化したか否かを判定し、判定結果をU相遅延制御回路55cへ出力する。U相遅延制御回路55cは、上記のように第1レグ1がオフ状態からオン状態に切り替えられた場合、U相接続点電圧Vuが変化したとき、実施形態3で説明したように、U相立ち下がり遅延同期制御を実行する。U相接続点電圧Vuが変化しなかった場合、スイッチングタイミングの調整制御は行われない。
実施形態7に係るスイッチング回路101は、ハーフブリッジ回路710及びバランスインダクタ706の構成が実施形態1と異なる。スイッチング回路101のその他の構成は、実施形態1に係るスイッチング回路101と同様であるため、同様の箇所には同じ符号を付し、詳細な説明を省略する。
第1バランスインダクタ761は、一端がU相接続点P1に接続された1次コイル761aと、コアを介して磁気結合した2次コイル761bとを有する。1次コイル761aと、2次コイル761bの巻き数比は、3:1(1次巻き数:2次側巻き数)である。1次コイル761a及び2次コイル761bの巻回方向は実施形態1と同様である。
同様に、第2バランスインダクタ762は、一端がV相接続点P2に接続された1次コイル762aと、コアを介して磁気結合した2次コイル762bとを有する。第3バランスインダクタ763は、一端がW相接続点P3に接続された1次コイル763aと、コアを介して磁気結合した2次コイル763bとを有する。第2バランスインダクタ762及び第3バランスインダクタ763の巻き数比、巻回方向は第1バランスインダクタ761と同様である。
実施形態8に係るスイッチング回路101は、制御回路5がスイッチングタイミングの調整方法をソフトウェア的に実行する点が実施形態1と異なる。スイッチング回路101のその他の構成は、実施形態1に係るスイッチング回路101と同様であるため、同様の箇所には同じ符号を付し、詳細な説明を省略する。
実施形態9に係るスイッチング回路101は、インターリーブ方式の駆動制御を行う制御回路5及びスイッチングタイミングの調整方法が実施形態1と異なる。スイッチング回路101のその他の構成は、実施形態1に係るスイッチング回路101と同様であるため、同様の箇所には同じ符号を付し、詳細な説明を省略する。
第1レグ1と、第2レグ2とを並列接続してなる回路構成自体は、実施形態1と同様であるが、駆動方式及び動作が異なる。実施形態1においては各レグに入力されるゲート駆動信号は略同一であり、全体で一つのハーフブリッジ回路のように動作していた。言い換えると、各レグのハイサイドデバイスは同時的にオンオフし、各レグのローサイドデバイスも同時的にオンオフするように各レグはほぼ完全に同期して動作する。一方、実施形態9のインターリーブ方式においては、位相をずらしたパルス信号が各レグに入力される。例えば、位相を180度ずらしたゲート駆動信号が各レグに入力される。以下、本実施形態9においては、第1レグ1と、第2レグ2とを並列接続してなる回路を単にブリッジ回路と呼ぶ。
図25は、実施形態10に係る電流検出回路1009の構成例を示す回路ブロック図である。実施形態10に係る電流検出回路1009は、少なくとも実施形態1の第1レグ1を備えるハーフブリッジ回路1010からの出力電流を検出する回路である。説明の便宜上、実施形態1と同様にU相、U相電流、U相接続点P1などの用語を用いて説明する。
2 第2レグ
5 制御回路
6 バランスインダクタ
10 ハーフブリッジ回路
11a 第1U相スイッチング素子
12a 第2U相スイッチング素子
21a 第1V相スイッチング素子
22a 第2V相スイッチング素子
50 スイッチング制御回路
50a PWM信号生成回路
51 U相電圧比較回路
51a 第1比較回路
51b 第2比較回路
52 V相電圧比較回路
53 結合点電圧比較回路
54 参照電圧生成回路
55 U相制御回路
55a U相立ち上がり遅延時間検出回路
55b U相立ち下がり時間検出回路
55c U相遅延制御回路
56 V相制御回路
56a V相立ち上がり遅延時間検出回路
56b V相立ち下がり時間検出回路
56c V相遅延制御回路
57 結合点立ち下がり時間検出回路
61 第1インダクタ
62 第2インダクタ
70 結合点電圧検出回路
71 U相接続点電圧検出回路
72 V相接続点電圧検出回路
8 記憶部
81 制御プログラム
8a 記録媒体
100 電源
Claims (18)
- スイッチング素子を有する第1アームと、スイッチング素子又は逆接続されたダイオードを有する第2アームとを直列接続してなるレグを複数含み、複数の前記レグを並列接続してなるブリッジ回路と、
各レグの前記スイッチング素子をスイッチング制御する制御回路と、
各レグの第1アーム及び第2アームの接続点と、各レグの前記接続点を結合する結合点との間に設けられたインダクタと、
各レグの前記接続点の電圧を検出する接続点電圧検出回路と、
前記結合点の電圧を検出する結合点電圧検出回路と
を備え、
前記制御回路は、
前記結合点電圧検出回路が検出した電圧の時間変化率と、前記接続点電圧検出回路が検出した電圧の時間変化率とに基づいて、前記スイッチング素子のスイッチングタイミングを調整する
スイッチング回路。 - 前記制御回路は、
第1アームをオフ状態に切り替えたときに増加又は減少する前記接続点の電圧の時間変化率と、前記結合点の電圧の時間変化率とに基づいて、前記スイッチング素子のスイッチングタイミングを調整する
請求項1に記載のスイッチング回路。 - 前記制御回路は、
前記レグに係る前記接続点の前記電圧の時間変化率が、前記結合点の前記電圧の時間変化率より大きい場合(又は小さい場合)、前記レグの前記スイッチング素子のオン時間を短く(長く)する
請求項2に記載のスイッチング回路。 - 前記制御回路は、
複数の前記レグそれぞれに設けられており、各レグのスイッチング制御を行う複数の制御回路モジュールを備え、
前記複数の制御回路モジュールには、前記結合点電圧検出回路が検出した前記結合点の電圧又は該電圧の時間変化率を示す信号が共通入力されると共に、制御対象である前記レグの前記接続点の電圧を示す信号がそれぞれ入力されており、
各制御回路モジュールは、
入力された前記結合点の電圧又は時間変化率を示す信号と、入力された前記接続点の電圧を示す信号とに基づいて、制御対象である前記レグの前記スイッチング素子のスイッチングタイミングを調整する
請求項1から請求項3のいずれか1項に記載のスイッチング回路。 - スイッチング素子を有する第1アームと、スイッチング素子を有する第2アームとを直列接続してなるレグを複数含み、複数の前記レグを並列接続してなるブリッジ回路と、
各レグの前記スイッチング素子をスイッチング制御する制御回路と、
各レグの第1アーム及び第2アームの接続点と、各レグの前記接続点を結合する結合点との間に設けられたインダクタと、
各レグの前記接続点の電圧を検出する接続点電圧検出回路と
を備え、
前記制御回路は、
前記レグと負荷との間で電流が双方向に流れる場合において、第1アームをオフ状態に切り替えたときの前記接続点の電圧の変化の有無を判定し、
電圧変化有りと判定した場合、第1アームをオフ状態に切り替えたときの前記接続点の電圧の時間変化率に基づいて、前記スイッチング素子のスイッチングタイミングを調整する
スイッチング回路。 - 前記制御回路は、
オフ状態にある第1アームの前記スイッチング素子をオン状態に切り替えてから、各レグの前記接続点の電圧が所定電圧以上(又は所定電圧以下)になる時点を検出し、該電圧が前記所定電圧以上(又は所定電圧以下)になるタイミングが一致するように、各レグの第1アームが有する前記スイッチング素子のスイッチングタイミングを調整する
請求項1から請求項5のいずれか1項に記載のスイッチング回路。 - スイッチング素子を有する第1アームと、スイッチング素子を有する第2アームとを直列接続してなるレグを複数含み、複数の前記レグを並列接続してなるブリッジ回路と、
各レグの前記スイッチング素子をスイッチング制御する制御回路と、
各レグの第1アーム及び第2アームの接続点と、各レグの前記接続点を結合する結合点との間に設けられたインダクタと、
各レグの前記接続点の電圧を検出する接続点電圧検出回路と
を備え、
前記制御回路は、
前記接続点電圧検出回路が検出した電圧の時間変化率に基づいて、前記スイッチング素子のスイッチングタイミングを調整し、
更に、前記制御回路は、
前記レグと負荷との間で電流が双方向に流れる場合において、オフ状態にある第1アームの前記スイッチング素子をオン状態に切り替えたときの前記接続点の電圧の変化の有無を判定し、
電圧変化有りと判定した場合、第1アームの前記スイッチング素子をオン状態に切り替えてから、各レグの前記接続点の電圧が所定電圧以上(又は所定電圧以下)になる時点を検出し、該電圧が前記所定電圧以上(又は所定電圧以下)になるタイミングが一致するように、各レグの第1アームが有する前記スイッチング素子のスイッチングタイミングを調整する
スイッチング回路。 - 前記制御回路は、
第1アームをオフ状態に切り替えたときに増加又は減少する前記接続点の電圧の時間変化率に基づいて、前記スイッチング素子のスイッチングタイミングを調整する
請求項5から請求項7のいずれか1項に記載のスイッチング回路。 - 前記制御回路は、
第1の前記レグに係る前記接続点の前記電圧の時間変化率が、第2の前記レグに係る前記接続点の前記電圧の時間変化率より大きい場合(又は小さい場合)、前記第1のレグが有する第1アームの前記スイッチング素子のオン時間を短く(長く)する
請求項8に記載のスイッチング回路。 - 前記制御回路は、
インターリーブ方式により第1アーム及び第2アームの前記スイッチング素子をスイッチング制御しており、前記接続点電圧検出回路が検出した電圧の時間変化率に基づいて、第1アーム又は第2アームの前記スイッチング素子をオンオフさせる信号のパルス幅を調整する
請求項5から請求項9のいずれか1項に記載のスイッチング回路。 - 前記時間変化率は、
検出した電圧が第1の閾値を通過する時点と、検出した電圧が第2の閾値を通過する時点との時間差である
請求項1から請求項10のいずれか1項に記載のスイッチング回路。 - 複数の前記レグに設けられた前記インダクタは磁気的に結合しており、各レグに流れるに電流の不均衡を抑制する結合極性を有する
請求項1から請求項11のいずれか1項に記載のスイッチング回路。 - スイッチング素子を有する第1アームと、スイッチング素子又は逆接続されたダイオードを有する第2アームとを直列接続してなるレグを複数含み、複数の前記レグを並列接続してなるブリッジ回路と、各レグの第1アーム及び第2アームの接続点と、各レグの前記接続点を結合する結合点との間に設けられたインダクタとを備えるスイッチング回路のスイッチングタイミング制御方法であって、
各レグの前記接続点の電圧を検出し、
前記結合点の電圧を検出し、
検出した前記結合点の電圧の時間変化率と、前記接続点の電圧の時間変化率とに基づいて、前記スイッチング素子のスイッチングタイミングを調整する
スイッチングタイミング制御方法。 - スイッチング素子を有する第1アームと、スイッチング素子を有する第2アームとを直列接続してなるレグを複数含み、複数の前記レグを並列接続してなるブリッジ回路と、各レグの第1アーム及び第2アームの接続点と、各レグの前記接続点を結合する結合点との間に設けられたインダクタとを備えるスイッチング回路のスイッチングタイミング制御方法であって、
各レグの前記接続点の電圧を検出し、
前記レグと負荷との間で電流が双方向に流れる場合において、第1アームをオフ状態に切り替えたときの前記接続点の電圧の変化の有無を判定し、
電圧変化有りと判定した場合、第1アームをオフ状態に切り替えたときの前記接続点の電圧の時間変化率に基づいて、前記スイッチング素子のスイッチングタイミングを調整する
スイッチングタイミング制御方法。 - スイッチング素子を有する第1アームと、スイッチング素子を有する第2アームとを直列接続してなるレグを複数含み、複数の前記レグを並列接続してなるブリッジ回路と、各レグの第1アーム及び第2アームの接続点と、各レグの前記接続点を結合する結合点との間に設けられたインダクタとを備えるスイッチング回路のスイッチングタイミング制御方法であって、
各レグの前記接続点の電圧を検出し、
検出した電圧の時間変化率に基づいて、前記スイッチング素子のスイッチングタイミングを調整し、
更に、
前記レグと負荷との間で電流が双方向に流れる場合において、オフ状態にある第1アームの前記スイッチング素子をオン状態に切り替えたときの前記接続点の電圧の変化の有無を判定し、
電圧変化有りと判定した場合、第1アームの前記スイッチング素子をオン状態に切り替えてから、各レグの前記接続点の電圧が所定電圧以上(又は所定電圧以下)になる時点を検出し、該電圧が前記所定電圧以上(又は所定電圧以下)になるタイミングが一致するように、各レグの第1アームが有する前記スイッチング素子のスイッチングタイミングを調整する
スイッチングタイミング制御方法。 - スイッチング素子を有する第1アームと、スイッチング素子又は逆接続されたダイオードを有する第2アームとを直列接続してなるレグを複数含み、複数の前記レグを並列接続してなるブリッジ回路と、各レグの第1アーム及び第2アームの接続点と、各レグの前記接続点を結合する結合点との間に設けられたインダクタとを備えるスイッチング回路のスイッチングタイミング制御をコンピュータに実行させるための制御プログラムであって、
前記コンピュータに、
各レグの前記接続点の電圧を検出し、
前記結合点の電圧を検出し、
検出した前記結合点の電圧の時間変化率と、前記接続点の電圧の時間変化率とに基づいて、前記スイッチング素子のスイッチングタイミングを調整する
処理を実行させる制御プログラム。 - スイッチング素子を有する第1アームと、スイッチング素子を有する第2アームとを直列接続してなるレグを複数含み、複数の前記レグを並列接続してなるブリッジ回路と、各レグの第1アーム及び第2アームの接続点と、各レグの前記接続点を結合する結合点との間に設けられたインダクタとを備えるスイッチング回路のスイッチングタイミング制御をコンピュータに実行させるための制御プログラムであって、
前記コンピュータに、
各レグの前記接続点の電圧を検出し、
前記レグと負荷との間で電流が双方向に流れる場合において、第1アームをオフ状態に切り替えたときの前記接続点の電圧の変化の有無を判定し、
電圧変化有りと判定した場合、第1アームをオフ状態に切り替えたときの前記接続点の電圧の時間変化率に基づいて、前記スイッチング素子のスイッチングタイミングを調整する
処理を実行させる制御プログラム。 - スイッチング素子を有する第1アームと、スイッチング素子を有する第2アームとを直列接続してなるレグを複数含み、複数の前記レグを並列接続してなるブリッジ回路と、各レグの第1アーム及び第2アームの接続点と、各レグの前記接続点を結合する結合点との間に設けられたインダクタとを備えるスイッチング回路のスイッチングタイミング制御をコンピュータに実行させるための制御プログラムであって、
前記コンピュータに、
各レグの前記接続点の電圧を検出し、
検出した電圧の時間変化率に基づいて、前記スイッチング素子のスイッチングタイミングを調整し、
更に、
前記レグと負荷との間で電流が双方向に流れる場合において、オフ状態にある第1アームの前記スイッチング素子をオン状態に切り替えたときの前記接続点の電圧の変化の有無を判定し、
電圧変化有りと判定した場合、第1アームの前記スイッチング素子をオン状態に切り替えてから、各レグの前記接続点の電圧が所定電圧以上(又は所定電圧以下)になる時点を検出し、該電圧が前記所定電圧以上(又は所定電圧以下)になるタイミングが一致するように、各レグの第1アームが有する前記スイッチング素子のスイッチングタイミングを調整する
処理を実行させる制御プログラム。
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