KR20180077057A - 반도체 장치 및 전력 변환 장치 - Google Patents

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마사시 쯔보따
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르네사스 일렉트로닉스 가부시키가이샤
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Abstract

다펄스 제어는, 제어 소프트웨어의 부하가 증대되고, 또한 스위칭 타이밍의 조정이 필요로 된다. 반도체 장치는, CPU와 메모리를 포함하는 제어부와, 전력용 반도체 장치를 구동하는 드라이버 IC를 제어하는 PWM 출력 회로와, 모터 전류를 검출하는 전류 검출 회로와, 모터의 각도를 검출하는 각도 검출 회로를 구비한다. PWM 출력 회로는 구형파 생성 회로를 구비하고, 구형파 생성 회로는 각도 검출 회로의 각도와 기저 구형파 정보에 기초하여 구형파를 생성한다.

Description

반도체 장치 및 전력 변환 장치{SEMICONDUCTOR DEVICE AND POWER CONVERSION DEVICE}
본 개시는 반도체 장치에 관한 것이며, 예를 들어 전력 변환 장치용의 다펄스 구형파를 생성하는 반도체 장치에 적용 가능하다.
전력 변환 장치에 의해 구동되는 교류 전동기가, 전기 자동차나 하이브리드 차 등 다양한 제품에 적용되고 있다. 일반적으로, 교류 전동기를 가변속 구동하기 위해서는, 직류 전력을 임의의 주파수와 전압으로 변환하는 전력 변환 장치가 사용된다. 그 전력 변환 장치는, IGBT 등의 반도체 스위칭 소자를 사용한 주회로와 반도체 스위칭 소자를 제어하는 제어 회로를 포함하고, 반도체 스위칭 소자를 임의의 캐리어 주파수에서 펄스폭 변조 제어(이하, 「PWM 제어」라 함)함으로써, 교류 전동기에의 인가 전압 및 주파수를 제어하여 모터의 가변속 구동을 행하고 있다. 전력 변환 장치의 변조에서는, 펄스폭 변조 제어에 의해 출력 전압을 조정하기 위해, 출력 전압의 반주기를 복수의 전압 펄스를 포함하는 다펄스 모드나 출력 전압의 반주기를 단일의 펄스를 포함하는 1펄스 모드를 사용하는 것이 제안되어 있다(예를 들어, 일본 특허 공개 제2015-53824호 공보).
일본 특허 공개 제2015-53824호 공보
모터 제어에서는, PWM 제어의 출력 듀티를 가변하여 전류량을 제어하고 있어, 출력 펄스의 스위칭 시에 데드 타임이 필요로 되어, 손실이 발생한다. 모터의 고회전 영역에서, 1펄스 등의 구형파에 의한 제어에 의해, 스위칭 손실을 거의 없앨 수 있지만, 모터의 인덕턴스의 영향 등에 의해 전류 파형이 각도에 따른 정현파로 되지 않게 되어, 효율이 저하된다. 모터의 고회전 영역에서, 스위칭 손실을 저감시키고, 또한, 전류 파형이 각도에 따라서 정현파로 되는 제어에 의한 효율의 저하를 억제하는 방법의 하나로서, 다펄스 제어가 있다. 그러나, 다펄스 제어는 제어 소프트웨어의 부하가 증대된다.
그 밖의 과제와 신규 특징은, 본 명세서의 기술 및 첨부 도면으로부터 명백하게 될 것이다.
본 개시 중, 대표적인 것의 개요를 간단하게 설명하면, 하기와 같다.
즉, 반도체 장치는, PWM 출력 회로와, 모터 전류를 검출하는 전류 검출 회로와, 모터의 각도를 검출하는 각도 검출 회로를 구비한다. PWM 출력 회로는 구형파 생성 회로를 구비하고, 구형파 생성 회로는 각도 검출 회로의 각도 정보와 기저 구형파 정보에 기초하여 구형파를 생성한다.
상기 반도체 장치에 따르면, 제어 소프트웨어의 부하를 저감할 수 있다.
도 1은 실시예에 따른 전동기 시스템의 구성을 도시하는 블록도.
도 2는 도 1의 모터 및 각도 센서를 도시하는 도면.
도 3은 도 1의 전력용 반도체 장치를 도시하는 도면.
도 4는 도 1의 구형파 생성부의 블록도.
도 5는 도 4의 컴페어의 블록도.
도 6은 구형파 펄스의 출력예를 설명하기 위한 이미지도.
도 7은 조정의 플로우차트.
도 8은 이론 정현파 산출의 플로우차트.
도 9는 1펄스의 모터 전류 측정 파형을 도시하는 도면.
도 10은 구형파의 조정 방법을 설명하기 위한 도면.
도 11은 비교예에 따른 전동기 시스템의 구성을 도시하는 블록도.
도 12는 도 10의 구형파 생성부의 블록도.
도 13은 제1 변형예에 따른 구형파 생성부의 블록도.
도 14는 구형파 펄스의 출력예를 설명하기 위한 이미지도.
도 15는 제2 변형예에 따른 구형파 생성부의 블록도.
도 16은 구형파 펄스의 출력예를 설명하기 위한 이미지도.
도 17은 제3 변형예에 따른 구형파 생성부의 블록도.
도 18은 구형파 펄스의 출력예를 설명하기 위한 이미지도.
도 19는 제4 변형예에 따른 구형파 생성부의 블록도.
도 20은 구형파의 생성 방법을 설명하기 위한 이미지도.
이하, 비교예, 실시 형태, 실시예 및 변형예에 대하여, 도면을 사용하여 설명한다. 단, 이하의 설명에 있어서, 동일 구성 요소에는 동일 부호를 붙이고 반복 설명을 생략하는 경우가 있다.
먼저, 전동기 시스템에 대하여 도 1, 도 2를 사용하여 설명한다. 도 1은 실시예에 따른 전동기 시스템의 구성을 도시하는 블록도이다. 도 2는 3상 모터를 도시하는 도면이다. 도 3은 전력용 반도체 장치의 회로도이다.
전동기 시스템(1)은 전동기인 3상 모터(50)와 전력용 반도체 장치를 6개 사용한 인버터 회로(30)와 드라이버 IC(20)와 제어 회로(10)와 토크 명령 발생기(60)와 변류기 등의 전류 검출기(40)와 직류 전원(도시하지 않음)을 구비한다. 인버터 회로(30)는 파워 모듈이라고도 한다. 인버터 회로(30)는 차량 등의 구동 시에는 직류 전원의 전압으로부터, 3상 모터(50)의 각 상에 전류를 흘리도록, 인버터 회로(30) 내부의 스위칭 트랜지스터(32)를 ON/OFF 제어하고, 이 스위칭의 주파수에 의해 차량 등의 속도를 변화시킨다. 또한, 차량 등의 제동 시에는, 3상 모터(50)의 각 상에 발생하는 전압에 동기하여 스위칭 트랜지스터(32)를 ON/OFF 제어하고, 소위 정류 동작을 행하여, 직류 전압으로 변환하여 회생을 행한다.
3상 모터(50)는 회전자가 영구 자석이며, 전기자가 코일을 포함하고, 3상(U상, V상, W상)의 전기자 권취선은 120도 간격으로 배치된다. 코일은 델타 결선되어, 항상 U상, V상, W상의 3개의 코일에 전류가 흐른다. 3상 모터(50)는 리졸버 등의 각도 검출기(51)를 구비한다.
인버터 회로(30)는 전력용 반도체 장치에 의해 U상, V상, W상의 브리지 회로를 구성하고 있다. U상의 브리지 회로는 전력용 반도체 장치(31U)와 전력용 반도체 장치(31X)의 접속점이 3상 모터(50)에 접속되어 있다. V상의 브리지 회로는 전력용 반도체 장치(31V)와 전력용 반도체 장치(31Y)의 접속점이 3상 모터(50)에 접속되어 있다. W상의 브리지 회로는 전력용 반도체 장치(31W)와 전력용 반도체 장치(31Z)의 접속점이 3상 모터(50)에 접속되어 있다. 여기서, 전력용 반도체 장치(31U, 31V, 31W, 31X, 31Y, 31Z)의 구성은 동일하므로, 이들을 총칭하여 전력용 반도체 장치(31)라 하는 경우도 있다. 도 3에 도시한 바와 같이, 전력용 반도체 장치(31)는 IGBT를 포함하는 스위칭 트랜지스터(이하, IGBT라 함)(32)를 구비한 반도체 칩과, IGBT(32)의 이미터와 콜렉터간에 병렬로 접속된 환류 다이오드(FWD) D1을 구비한 반도체 칩을 포함한다. 환류 다이오드 D1은, IGBT(32)에 흐르는 전류와는 역방향으로 전류를 흘리도록 접속되어 있다. IGBT(32)와 온도 검출용 다이오드(도시하지 않음)가 형성되는 반도체 칩과 환류 다이오드 D1이 형성되는 반도체 칩은 동일한 패키지에 봉입하는 것이 바람직하다. 환류 다이오드 D1은 IGBT(32)가 형성된 반도체 칩과 동일 칩에 형성되어도 된다.
제1 반도체 장치인 드라이버 IC(20)는 IGBT(32)의 게이트를 구동하는 신호를 생성하는 구동 회로(도시하지 않음)와 과전류 검출 회로(도시하지 않음)와 온도 검출 회로(도시하지 않음)를 1개의 반도체 기판에 구비한다.
제2 반도체 장치인 제어 회로(10)는 CPU(11)와 PWM 출력 회로(12)와 전류 검출 회로(13)와 각도 검출 회로(14)와 메모리(15)를 1개의 반도체 기판(반도체 칩)에 구비한다. CPU(11)는 메모리(15)에 저장되는 소프트웨어에 기초하여 모터 벡터 제어와 조정 제어를 행한다. 전류 검출 회로(13)는 예를 들어 아날로그/디지털(A/D) 변환 회로를 구비한다. 각도 검출 회로(14)는 3상 모터(50)의 각도 검출기(51)로부터의 신호를 검출하는 리졸버/디지털(R/D) 변환 회로를 구비한다. PWM 출력 회로(12)는 드라이버 IC(20)의 구동 회로를 제어하는 신호를 생성하는 구형파 생성 회로(17)를 구비한다. 메모리(15)는 상기 소프트웨어 외에 후술하는 기저 구형파 정보를 저장한다. 메모리(15)는 플래시 메모리 등의 불휘발성 메모리이다. 모터 벡터 제어 및 조정 제어의 소프트웨어와 기저 구형파 데이터는 각각의 불휘발성 메모리에 저장해도 된다.
토크 명령 발생기(60)는 제어 회로(10)의 상위에 위치하고, 3상 모터(50)에의 토크 명령을 발생한다. 제어 회로(10)는 토크 명령 발생기(60)의 토크 명령에 기초하여, 인버터 회로(30)를 통해 3상 모터(50)의 발생 토크를 제어한다.
모터 벡터 제어는 자계 방향 제어(Field Oriented Control : FOC)라고도 하며, 정지 좌표계로부터 회전 좌표계로의 변환에 의해 교류 모터를 그것과 등가의 직류 모터로서 모델화하는 것이다. 이 교류 모터와 직류 모터의 직감적인 관계를 수학적으로 대응시키는 것이 회전 좌표계이다. 수학적 변환을 이용하면 정지 좌표계와 회전 좌표계를 상호로 변환할 수 있고, 이 변환을 교류 모터의 모델 간소화에 이용할 수 있다. 수학적 변환의 하나인 순파크 변환(forward Park transformation)은 교류 모터의 고정자인 전기자에 의해 생성해야 할 자속을, 회전자의 회전각의 함수로서 제공하는 것이다. 수학적 변환의 2번째의 역파크 변환(inverse Park transformation)은 정지 좌표계에 있어서의 고정자의 자속으로부터, 회전 좌표계의 회전자의 자속 벡터를 구하는 것이다. 이들 2개의 변환을 사용하여, 교류 모터의 전기자인 고정자에 관한 전류와 전압을 직류 모터의 전기자인 회전자에 관한 전류와 전압으로 변환할 수 있다. 즉, 이에 의해 교류 모터의 제어 모델을 간단하게 할 수 있다. 또한, 클라크 변환(Clarke transformation)은 3상의 각 코일에 의한 자속을 합성하여 X축과 Y축의 직교한 성분으로 나타내는 것이다. 이에 의해 3상 교류 모터를 제어하는 데 요하는 계산 처리를 2상 교류 모터에 상당하는 계산 처리로 삭감 가능하게 된다. CPU(11)와 메모리(15)를 제어부라 하고, CPU(11)에서 모터 벡터 제어를 행하는 기능을 모터 벡터 제어부라 하고, 후술하는 조정 제어를 행하는 기능을 조정 제어부라 한다. 또한, 모터 벡터 제어부의 일부는 DSP 등의 전용 프로세서나 전용 하드웨어에 의해 실현해도 된다.
다음에, 도 1의 구형파 생성 회로에 대하여 도 4∼도 6을 사용하여 설명한다. 도 4는 도 1의 구형파 생성 회로를 도시하는 블록도이다. 도 5는 도 4의 컴페어 회로를 도시하는 블록도이다. 도 6은 구형파 펄스의 출력예를 설명하기 위한 이미지도이다.
구형파 생성 회로(17)는 U상용의 구형파 생성 회로(17U)와 V상용의 구형파 생성 회로(17V), W상용의 구형파 생성 회로(17W)를 구비한다. U상용의 구형파 생성 회로(17U)는 컴페어 회로(171)와, 파형 합성 회로(172)와, 데드 타임 생성 회로(173)와, 단펄스 제거 회로(174)를 구비한다. 컴페어 회로(171)는 제1 컴페어 회로(171_1), 제2 컴페어 회로(171_2), ···, 제n 컴페어 회로(171_n)를 구비한다. 제1 컴페어 회로(171_1), 제2 컴페어 회로(171_2), ···, 제n 컴페어 회로(171_n)는 마찬가지의 구성이며, 제n 컴페어 회로(171_n)를 대표하여 설명한다.
제n 컴페어 회로(171_n)는 각도를 저장하는 제n 레지스터(REG_Un)(1711_n)와 제n 비교기(1712_n)를 구비한다. 제n 레지스터(1711_n)는 CPU(11)에 의해 판독 기입 가능한 레지스터이다. 제n 컴페어 회로(171_n)는 제n 레지스터(1711_n)에 저장되는 각도와 각도 검출 회로(14)에서 검출하는 각도의 일치를 검출한다. 제n 컴페어 회로(171_n)는 각도 검출 회로(14)로부터의 각도가 제n 레지스터(1711_n)에 저장되는 각도를 초과한 것을 검출해도 된다.
파형 합성 회로(172)는 제1 컴페어 회로(171_1)가 일치를 검출할 때 High를 출력하고, 제2 컴페어 회로(171_2)가 일치를 검출할 때 Low를 출력하고, 제n 컴페어 회로(171_n)가 일치를 검출할 때 High를 출력하거나 하여 구형파를 생성한다. 제1 레지스터, 제2 레지스터, ···, 제n 레지스터의 값을 변경함으로써, 다양한 구형파를 생성할 수 있다.
데드 타임 생성 회로(173)는 파형 합성 회로(172)에서 생성되는 구형파의 반전된 구형파를 생성하고, 또한 데드 타임을 설정하여, 이들 구형파의 High 기간이 겹치지 않도록 한다. 단펄스 제거 회로(174)는 구형파의 High의 기간이 소정 기간보다도 짧을 때는 그 펄스를 제거한다. 이들에 의해, U상용의 구형파와 U상용의 반전된 구형파가 생성된다.
구형파 생성 회로(17)는 동작 중 항상 모터의 각도 정보와 기저 구형파 데이터에 기초하는 레지스터 내의 각도 정보의 대소 비교를 행하여, 구형파를 생성한다. 도 6에 도시한 바와 같이, 예를 들어 U상 구형파는 전기각 반회전에 5펄스 출력된다. 후반의 전기각 반회전에 있어서의 U상 구형파는, 전반의 전기각 반회전에 있어서의 U상 구형파에 대하여 반전된 파형이 출력된다. 후술하는 조정은 소정의 각도 범위(예를 들어, 30도)에서 위상이나 듀티를 조정한다.
V상용의 구형파 생성 회로(17V), W상용의 구형파 생성 회로(17W)는, U상용의 구형파 생성 회로(17U)와 마찬가지의 구성이지만, 구형파는 각각 120도 어긋나도록 생성된다.
다음에, 구형파의 조정 방법에 대하여 도 7∼도 10을 사용하여 설명한다. 도 7은 다펄스에 의한 구형파의 조정 방법을 설명하는 플로우차트이다. 도 8은 이론 정현파를 산출하는 플로우차트이다. 도 9는 1펄스의 모터 전류 측정 파형을 도시하는 도면이다. 도 10은 구형파의 조정 방법을 설명하기 위한 도면이다. 또한, 도 9, 도 10에서는 1전기각분의 파형이 도시되어 있다.
모터 전류 측정 파형이 정현파(이론 정현파)에 가까워지도록, 모터를 구동시키면서 조정한다. 구체적으로는 이하와 같이 행한다.
스텝 S1 : 조정 제어부는, 도 8에 도시한 바와 같이, 이론 정현파를 이하와 같이 산출한다.
스텝 S11 : 일정 회전으로 1회전당의 모터 전류 측정 파형과 정현파의 편차 테이블을 작성하고, 제로 크로스 포인트의 위상 조정을 행한다.
스텝 S12 : 오프셋 조정을 행한다.
스텝 S13 : 게인 조정(합계가 0으로 되도록 정현파의 게인을 조정)하여 이론 정현파를 산출한다.
스텝 S2 : 조정 제어부는, 도 9에 도시한 바와 같이, 1펄스 시의 모터 전류 측정 파형(1CMW)을 측정하고, 이론 정현파(LSW)와의 편차로부터, 기저 구형파를 산출한다.
스텝 S3 : 조정 제어부는, 처음에는 기저 구형파 펄스로 제어하고, 모터 1회전에 대하여 충분히 짧은 주기로 모터 전류를 측정하고, 이론 정현파와의 차분 계산으로부터, 조정한다. 또한, 조정은 펄스수를 가변하여, 이론 정현파에 가깝고 펄스수가 적은 조건을 검색한다. 예를 들어, 9펄스, 7펄스, 5펄스, 3펄스, 1펄스 등이다. 도 7에서는 n펄스의 n은 9∼1이지만 이것에 한정되는 것은 아니다.
스텝 S4 : 조정 제어부는, 컴페어 회로(171)의 레지스터의 값을 변경함으로써, 도 10에 도시한 바와 같이, 전류 측정 파형(CMW)과 이론 정현파(LSW)의 편차가 최소로 되도록 구형파 펄스(SWP)의 듀티비를 조정한다. 편차가 큰 포인트 근방의 듀티를 가변하여, 편차가 최소로 되도록 조정한다. 또한, 본 스텝은 없어도 된다.
스텝 S5 : 조정 제어부는, 컴페어 회로(171)의 레지스터의 값을 변경함으로써, 도 10에 도시한 바와 같이, 전류 측정 파형(CMW)과 이론 정현파(LSW)의 편차가 최소로 되도록 구형파 펄스(SWP)의 위상을 조정한다. 편차가 큰 포인트 근방의 위상을 가변하여, 편차가 최소로 되도록 조정한다.
스텝 S6 : 조정 제어부는, 컴페어 회로(171)의 레지스터의 값을 변경함으로써, 도 10에 도시한 바와 같이, 전류 측정 파형(CMW)과 이론 정현파(LSW)의 편차가 최소로 되도록 구형파 펄스(SWP)의 듀티비를 조정한다.
스텝 S7 : 조정 제어부는, 구형파 펄스가 최적 파형인지 여부를 판단한다. "예"의 경우에는 최적의 파형의 컴페어 회로(171)의 레지스터의 설정값을 기저 구형파 정보로서 메모리(15)에 저장하고 종료하며, "아니오"의 경우에는 스텝 S3으로 되돌아간다.
이들 조정은, 3상 모터(50)와 인버터 회로(30)를 시스템(1)에 조립하였을 때에 실시하지만, 부하 상황이나, 온도 의존에 따라서 동작 중에 실시해도 된다. 동작 중에는 메모리(15)의 기저 구형파 정보의 데이터를 컴페어 회로(171)의 레지스터에 설정하여 구형파를 생성한다.
다음에, 발명자가 검토한 기술(비교예)에 따른 전동기 시스템에 대하여 도 11을 사용하여 설명한다. 도 11은 비교예에 따른 전동기 시스템의 구성을 도시하는 블록도이다.
전동기 시스템(1R)은 3상 모터(50)와 전력용 반도체 장치를 6개 사용한 인버터 회로(30)와 드라이버 IC(20)와 제어 회로(10R)와 토크 명령 발생기(60)와 직류 전원(도시하지 않음)을 구비한다. 제어 회로(10R)는 CPU(11)와 PWM 출력 회로(12R)와 전류 검출 회로(13)와 각도 검출 회로(14)와 메모리(15R)를 1개의 반도체 기판에 구비한다. CPU(11)는 메모리(15R)에 저장되는 소프트웨어에 기초하여 모터 벡터 제어를 행한다. PWM 출력 회로(12R)는 드라이버 IC(20)의 구동 회로를 제어하는 신호를 생성하는 구형파 생성 회로(17R)를 구비한다.
다음에, 비교예에 따른 구형파 생성 회로에 대하여 도 12를 사용하여 설명한다. 도 12는 도 11의 구형파 생성 회로를 도시하는 블록도이다.
구형파 생성 회로(17R)는 U상용의 구형파 생성 회로(17RU)와 V상용의 구형파 생성 회로(17RV), W상용의 구형파 생성 회로(17RW)를 구비한다. U상용의 구형파 생성 회로(17RU)는 각도를 저장하는 레지스터(REG_Un)(1711)와, 비교기(1712)와, 출력 설정 레지스터(172R)와, 데드 타임 생성 회로(173)와, 단펄스 제거 회로(174)를 구비한다.
레지스터(1711) 및 출력 설정 레지스터(172R)는 CPU(11)에 의해 판독 기입 가능한 레지스터이다. 비교기(1712)는 레지스터(REG_Un)(1711)에 저장되는 각도와 각도 검출 회로(14)에서 검출하는 각도의 일치를 검출한다.
구형파 생성 회로(17R)는, 비교기(1712)가 일치를 검출할 때 인터럽트 요구를 출력하고, CPU(11)의 인터럽트 처리 루틴에 의해 출력 설정 레지스터에 High 또는 Low가 설정되어 구형파가 생성된다. 레지스터(1711) 및 출력 설정 레지스터(172R)의 값을 변경함으로써, 다양한 구형파를 생성할 수 있다. 그러나, 레지스터(1711) 및 출력 설정 레지스터(172R)의 설정값을 구하는 연산 및 설정, 인터럽트 처리 등, CPU(11)의 부하(제어 소프트웨어의 부하)가 크다.
V상용의 구형파 생성 회로(17RV), W상용의 구형파 생성 회로(17RW)는, U상용의 구형파 생성 회로(17RU)와 마찬가지의 구성이지만, 구형파는 각각 120도 어긋나도록 생성된다.
<제1 변형예>
다음에, 제1 변형예에 따른 구형파 생성 회로에 대하여 도 13, 도 14를 사용하여 설명한다. 도 13은 제1 변형예에 따른 구형파 생성 회로를 도시하는 블록도이다. 도 14는 구형파 펄스의 출력예를 설명하기 위한 이미지도이다. 제1 변형예에 따른 구형파 생성 회로는 실시예에 따른 구형파 생성 회로에 상마다 진각/지각을 제어하는 기능을 추가한 것이다.
구형파 생성 회로(17A)는 U상용의 구형파 생성 회로(17AU)와 V상용의 구형파 생성 회로(17AV), W상용의 구형파 생성 회로(17AW)를 구비한다. U상용의 구형파 생성 회로(17AU)는 컴페어 회로(171)와, 파형 합성 회로(172)와, 데드 타임 생성 회로(173)와, 단펄스 제거 회로(174)와, 상마다 진각/지각을 제어하는 레지스터(175)와 리졸버의 각도에 레지스터의 내용을 가산하는 가산기(176)를 구비한다. 레지스터(175)는 CPU(11)에 의해 판독 기입 가능한 레지스터이다.
도 14에 도시한 바와 같이, 레지스터(175)가 진각을 설정한 경우, U상 구형파는 실제 전기 1회전보다도 빨리 출력된다. 진각 지각 제어는, 예를 들어 30도마다 또는 수100㎱ 주기로 행한다.
V상용의 구형파 생성 회로(17AV), W상용의 구형파 생성 회로(17AW)는, U상용의 구형파 생성 회로(17AU)와 마찬가지의 구성이지만, 구형파는 각각 120도 어긋나도록 생성된다.
<제2 변형예>
다음에, 제2 변형예에 따른 구형파 생성 회로에 대하여 도 15, 도 16을 사용하여 설명한다. 도 15는 제2 변형예에 따른 구형파 생성 회로를 도시하는 블록도이다. 도 16은 구형파 펄스의 출력예를 설명하기 위한 이미지도이다. 제2 변형예에 따른 구형파 생성 회로는 제1 예에 따른 구형파 생성 회로에 정현파의 90도, 180도로 전환하는 기능을 추가한 것이다.
구형파 생성 회로(17B)는 U상용의 구형파 생성 회로(17BU)와 V상용의 구형파 생성 회로(17BV), W상용의 구형파 생성 회로(17BW)를 구비한다. U상용의 구형파 생성 회로(17BU)는 컴페어 회로(171B)와, 파형 합성 회로(172B)와, 데드 타임 생성 회로(173)와, 단펄스 제거 회로(174)와, 상마다 진각/지각을 제어하는 레지스터(175)와 리졸버의 각도에 레지스터의 내용을 가산하는 가산기(176)와, 각도를 90도마다 업/다운하는 회로(177)와, 180도마다 High/Low를 전환하는 회로(178)를 구비한다. 컴페어 회로(171B)는 제1 컴페어 회로(171_1), 제2 컴페어 회로(171_2), ···, 제m 컴페어 회로(171_m)를 구비한다. m은 n보다도 작고, 컴페어 회로(171B)는 컴페어 회로(171)보다도 컴페어 회로의 수는 적다.
도 16에 도시한 바와 같이, 컴페어 회로(171B)는 정현파에 상당하는 0∼90도만 비교한다(A). 회로(177)는 비교하는 각도값을 90도마다 업/다운시킨다(B, C, D). 회로(178)는 180도마다 출력의 High/Low를 전환한다(C, D). 이들에 의해, 나머지 90∼360도는 자동 생성됨으로써, 컴페어 회로(171B) 및 파형 합성 회로(172B)의 회로 규모를 삭감할 수 있다.
V상용의 구형파 생성 회로(17AV), W상용의 구형파 생성 회로(17AW)는, U상용의 구형파 생성 회로(17AU)와 마찬가지의 구성이지만, 구형파는 각각 120도 어긋나도록 생성된다.
제2 변형예에 있어서, 실시예와 마찬가지로, 상마다 진각/지각을 제어하는 레지스터(175)와 리졸버의 각도에 레지스터의 내용을 가산하는 가산기(176)는 없어도 된다.
<제3 변형예>
다음에, 제3 변형예에 따른 구형파 생성 회로에 대하여 도 17, 도 18을 사용하여 설명한다. 도 17은 제3 변형예에 따른 구형파 생성 회로를 도시하는 블록도이다. 도 18은 구형파 펄스의 출력예를 설명하기 위한 이미지도이다. 제3 변형예에 따른 구형파 생성 회로는 제2 변형예에 따른 구형파 생성 회로에 3상 전체에 진각/지각을 제어하는 기능을 추가한 것이다.
구형파 생성 회로(17C)는 U상용의 구형파 생성 회로(17BU)와 V상용의 구형파 생성 회로(17BV), W상용의 구형파 생성 회로(17BW)와 3상 전체에 진각/지각을 제어하는 레지스터(179)와 리졸버의 각도에 레지스터의 내용을 가산하는 가산기(180)를 구비한다. 3상 전체를, 진각/지각을 위해 임의의 타이밍에 위상 방향으로 변경할 수 있다. 레지스터(179)는 CPU(11)에 의해 판독 기입 가능한 레지스터이다.
도 18에 도시한 바와 같이, 레지스터(179)에 진각을 설정한 경우, U상 구형파, V상 구형파 및 W상 구형파는 실제 전기 1회전보다도 빨리 출력되고, 레지스터(175)에 진각을 설정한 경우, U상 구형파는 더욱 빨리 출력된다. 진각 지각 제어는, 예를 들어 30도마다 또는 수100㎱ 주기로 행한다.
제3 변형예에 있어서, 실시예와 마찬가지로, 상마다 진각/지각을 제어하는 레지스터(175)와 리졸버의 각도에 레지스터의 내용을 가산하는 가산기(176)는 없어도 되고, 정현파의 90도, 180도로 전환하는 기능이 없어도 된다.
<제4 변형예>
다음에, 제4 변형예에 따른 구형파 생성 회로에 대하여 도 19, 도 20을 사용하여 설명한다. 도 19는 제4 변형예에 따른 구형파 생성 회로를 도시하는 블록도이다. 도 20은 구형파의 생성 방법을 설명하기 위한 이미지도이다. 또한, 도 16에서는 1전기각분의 파형이 도시되어 있다. 제4 변형예는 이론 정현파에 대하여 일정한 히스테리시스를 설정한, 히스테리시스 제어에 의해 펄스 반전 위치를 지정하는 것이다.
구형파 생성 회로(17D)는 U상용의 구형파 생성 회로(17DU)와 V상용의 구형파 생성 회로(17DV), W상용의 구형파 생성 회로(17DW)와 3상 전체에 진각/지각을 제어하는 레지스터(179)와 리졸버의 각도에 레지스터의 내용을 가산하는 가산기(180)를 구비한다.
U상용의 구형파 생성 회로(17DU)는, 컴페어 상한 레지스터(171D1)와, 컴페어 하한 레지스터(171D2)와, 비교 회로인 필터를 포함하는 아날로그 비교기(172D)와, 데드 타임 생성 회로(173)와, 단펄스 제거 회로(174)를 구비한다. U상용의 구형파 생성 회로(17DU)는, 상마다 진각/지각을 제어하는 레지스터(175)와 리졸버의 각도에 레지스터의 내용을 가산하는 가산기(176)와, 이론 정현파 테이블(177D)과, 게인/오프셋 조정 회로(178D)와, 감산기(17AD)를 더 구비한다. 컴페어 상한 레지스터(171D1) 및 컴페어 하한 레지스터(171D2)는 CPU(11)에 의해 판독 기입 가능한 메모리이다. 이론 정현파 테이블(177D)은 CPU(11)에 의해 판독 기입 가능한 메모리이다. 게인/오프셋 조정 회로(178D)는 CPU(11)에 의해 판독 기입 가능한 레지스터를 갖는다.
리졸버의 각도(진각 또는 지각한 각도)에 대응하는 이론 정현파 테이블값을 이론 정현파 테이블(177D)로부터 판독하고, 전류 검출 회로(13)로부터의 U상 전류 값과 이론 정현파 테이블값의 편차를 감산기(17AD)에서 U상 전류값으로부터 이론 정현파 테이블값을 감하여 산출한다. 아날로그 비교기(172D)는 이 편차와 컴페어 상한 레지스터(171D1)의 값 및 컴페어 하한 레지스터(171D2)의 값과 아날로그 비교한다. 아날로그 비교기(172D)는 편차가 정이며 컴페어 상한 레지스터(171D1)의 값보다 큰 경우 또는 동등한 경우에는 구형파 펄스(SWP)를 Low로 하고, 편차가 부이며 그 절댓값이 컴페어 하한 레지스터(171D2)의 값보다 큰 경우 또는 동등한 경우에는 구형파 펄스(SWP)를 High로 함으로써, 구형파 펄스(SWP)를 OFF/ON한다. 이에 의해, 이론 정현파에 대하여 일정한 히스테리시스를 설정할 수 있고, 히스테리시스 제어에 의해 동작시킬 수 있다. 게인/오프셋 조정 회로(178D)는 U상 전류값의 게인 및 오프셋을 조정하고, 감산기(17AD)에 공급한다. 또한, 실시예에서는 이상 정현파는 게인 조정이나 오프셋 조정을 행하여 산출하고 있지만, 제4 변형예에서는 이상 정현파는 조정하지 않고, U상 전류값을 게인 조정 및 오프셋 조정을 행한다. 게인 조정값 및 오프셋 조정값은 조정 공정에 있어서 취득하여 메모리(15)에 저장된다. 또한, 이론 정현파에 대하여 일정한 히스테리시스를 설정하는 히스테리시스 제어는 소정의 각도 범위(예를 들어 3상의 경우, 30도)에서 동작시켜도 된다.
V상용의 구형파 생성 회로(17DV), W상용의 구형파 생성 회로(17DW)는, U상용의 구형파 생성 회로(17DU)와 마찬가지의 구성이지만, 구형파는 각각 120도 어긋나도록 생성된다.
컴페어 상한 레지스터(171D1) 및 컴페어 하한 레지스터의 설정에 의해 구형파가 조정 가능하다.
제4 변형예는 실시예보다도 구형파의 펄스수는 증가할 가능성 있지만, 이론 정현파에 가까워질 가능성 있어, 효율이 좋아지는 경우도 있다.
실시예, 제1 내지 제4 변형예에 따르면, 다펄스를 출력하기 위한 소프트웨어가 불필요하게 되어, 소프트웨어 부하를 개선(저감)할 수 있다.
비교예에서는, 소프트웨어에 의해 타이밍을 맞추어, 구형파 출력의 U/V/W 각 상을 비동기로 개별로 전환할 필요가 있고, 전환이 경합하는 경우, 어느 하나의 상에 지연이 발생하여 파형에 영향을 미치지만, 실시예, 제1 내지 제4 변형예에서는, 이 문제를 개선할 수 있다. 또한, 비교예에서는, 다펄스의 펄스폭 간격이 좁은 경우, 소프트웨어에 의한 처리가 쫓아가지 못해 기대의 출력이 얻어지지 않지만, 실시예, 제1 내지 제4 변형예에서는 이 문제를 개선할 수 있다.
비교예에서는, 다펄스 펄스수가 많은 경우, 소프트웨어의 부하가 증대되고, 전환을 제시간에 할 수 없는 경우가 발생하고, 최악, 1전기각 회전의 기간, 출력할 수 없는 문제가 발생하므로, 안전 확보를 위해, 전환이 누락된 것을 검출하는 기능의 추가와, 한층 더한 소프트웨어 부하가 추가로 되지만, 실시예, 제1 내지 제4 변형예에서는 이 문제를 개선할 수 있다.
실시예, 제1 내지 제4 변형예에서는, 각도나 속도, 온도에 따라서 상이한 구형파 펄스의 출력 패턴을 개개의 3상 모터에서 캘리브레이션할 수 있다.
이상, 본 발명자에 의해 이루어진 발명을 실시예 및 변형예에 기초하여 구체적으로 설명하였지만, 본 발명은 상기 실시예 및 변형예에 한정되는 것은 아니고, 다양하게 변경 가능한 것은 물론이다.
예를 들어, 실시예 및 변형예에서는 3상 모터를 사용하는 경우에 대하여 설명하였지만, 이것에 한정되는 것은 아니고, 2상 모터나 4상 이상의 다상 모터에 적용할 수 있다.
1 : 전동기 시스템
10 : 제어 회로
11 : CPU
12 : PWM 출력 회로
13 : 전류 검출 회로
14 : 각도 검출 회로
15 : 메모리
17 : 구형파 생성 회로
171 : 컴페어 회로
172 : 구형파 합성 회로
173 : 데드 타임 생성 회로
174 : 단펄스 제거 회로
20 : 드라이버 IC
30 : 인버터 회로
40 : 전류 검출기
50 : 3상 모터

Claims (18)

  1. 반도체 장치로서,
    CPU와 메모리를 포함하는 제어부와,
    전력용 반도체 장치를 구동하는 드라이버 IC를 제어하는 PWM 출력 회로와,
    모터 전류를 검출하는 전류 검출 회로와,
    모터의 각도를 검출하는 각도 검출 회로를 구비하고,
    상기 PWM 출력 회로는 구형파 생성 회로를 구비하고,
    상기 구형파 생성 회로는 상기 각도 검출 회로의 각도 정보와 기저 구형파 정보에 기초하여 구형파를 생성하는 반도체 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 구형파 생성 회로는,
    상기 각도 검출 회로로부터의 각도 정보와 상기 기저 구형파 정보에 기초하여 설정된 레지스터 내의 각도 정보를 비교하는 컴페어 회로와,
    상기 컴페어 회로의 비교 결과에 기초하여 구형파 펄스의 상승 또는 하강을 행하는 파형 합성 회로를 구비하는 반도체 장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 메모리는 상기 기저 구형파 정보를 저장하는 반도체 장치.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 기저 구형파 정보는 이론 정현파와 모터 전류 측정 파형의 편차에 기초하여 산출되는 반도체 장치.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 기저 구형파 정보는 상기 편차가 최소로 되도록 구형파 펄스의 듀티비 및 위상을 조정하여 산출되는 반도체 장치.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 제어부는,
    이론 정현파를 산출하는 수단과,
    1펄스에 의한 모터 전류 측정 파형과 상기 이론 정현파의 편차에 기초하여 상기 기저 구형파 정보를 산출하는 수단과,
    상기 기저 구형파 정보의 듀티비를 변화시켜 조정하는 수단과,
    상기 기저 구형파 정보의 위상을 변화시켜 조정하는 수단과,
    조정한 기저 구형파 정보를 상기 메모리에 저장하는 수단을 구비하는 반도체 장치.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 제어부는 모터 벡터 제어 수단을 더 구비하는 반도체 장치.
  8. 반도체 장치로서,
    전력용 반도체 장치를 구동하는 드라이버 IC를 제어하는 PWM 출력 회로와,
    모터 전류를 검출하는 전류 검출 회로와,
    모터의 각도를 검출하는 각도 검출 회로를 구비하고,
    상기 PWM 출력 회로는 구형파 생성 회로를 구비하고,
    상기 구형파 생성 회로는 상기 각도 검출 회로의 각도 정보와 이론 정현파에 기초하여 구형파를 생성하는 반도체 장치.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 구형파 생성 회로는,
    상기 각도 검출 회로로부터의 각도 정보에 대응하는 전류 정보를 저장하는 이론 정현파 테이블과,
    상기 전류 검출 회로로부터의 전류 정보와 상기 이론 정현파 테이블의 전류 정보의 편차를 구하는 연산기와,
    상기 편차의 상한을 설정하는 상한 레지스터와,
    상기 편차의 하한을 설정하는 하한 레지스터와,
    상기 편차와 상기 상한 레지스터의 내용의 비교 결과 및 상기 편차와 상기 하한 레지스터의 내용의 비교 결과에 기초하여 구형파 펄스의 상승 또는 하강을 행하는 비교 회로를 구비하는 반도체 장치.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 비교 회로는, 상기 편차가 상기 상한 레지스터의 값 이상 또는 초과한 경우에는 구형파 펄스를 상승하고, 상기 편차가 상기 하한 레지스터의 값 이하 또는 하회한 경우에는 구형파 펄스를 하강하는 반도체 장치.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 구형파 생성 회로는, 상기 전류 검출 회로로부터의 전류 정보의 게인 및 오프셋을 조정하는 회로를 더 구비하는 반도체 장치.
  12. 전력 변환 장치로서,
    전동기에 교류 전류를 공급하는 전력용 반도체 장치와,
    상기 전력용 반도체 장치를 구동하는 제1 반도체 장치와,
    상기 제1 반도체 장치를 제어하는 제2 반도체 장치와,
    상기 전동기의 전류를 검출하는 전류 검출기와,
    상기 전동기의 각도를 검출하는 각도 검출기를 구비하고,
    상기 제2 반도체 장치는,
    CPU와 메모리를 포함하는 제어부와,
    상기 제1 반도체 장치를 제어하는 PWM 출력 회로와,
    상기 전류 검출기로부터의 전류 정보를 검출하는 전류 검출 회로와,
    상기 각도 검출기로부터의 각도 정보를 검출하는 각도 검출 회로를 구비하고,
    상기 PWM 출력 회로는 구형파 생성 회로를 구비하고,
    상기 구형파 생성 회로는 상기 각도 검출 회로의 각도 정보와 기저 구형파 정보에 기초하여 구형파를 생성하는 전력 변환 장치.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 구형파 생성 회로는,
    상기 각도 검출 회로로부터의 각도 정보와 상기 기저 구형파 정보에 기초하여 설정된 레지스터 내의 각도 정보를 비교하는 컴페어 회로와,
    상기 컴페어 회로의 비교 결과에 기초하여 구형파 펄스의 상승 또는 하강을 행하는 파형 합성 회로를 구비하는 전력 변환 장치.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 메모리는 상기 기저 구형파 정보를 저장하는 전력 변환 장치.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 기저 구형파 정보는 이론 정현파와 모터 전류 측정 파형의 편차에 기초하여 산출되는 전력 변환 장치.
  16. 제15항에 있어서,
    상기 기저 구형파 정보는 상기 편차가 최소로 되도록 구형파 펄스의 듀티비 및 위상을 조정하여 산출되는 전력 변환 장치.
  17. 제12항에 있어서,
    상기 제어부는,
    이론 정현파를 산출하는 수단과,
    1펄스에 의한 모터 전류 측정 파형과 상기 이론 정현파의 편차에 기초하여 상기 기저 구형파 정보를 산출하는 수단과,
    상기 기저 구형파 정보의 듀티비를 변화시켜 조정하는 수단과,
    상기 기저 구형파 정보의 위상을 변화시켜 조정하는 수단과,
    조정한 기저 구형파 정보를 상기 메모리에 저장하는 수단을 구비하는 전력 변환 장치.
  18. 제17항에 있어서,
    상기 제어부는, 모터 벡터 제어 수단을 더 구비하는 전력 변환 장치.
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