WO2009014245A1 - Device for controlling drive of semiconductor switching element - Google Patents
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- H03K17/161—Modifications for eliminating interference voltages or currents in field-effect transistor switches
- H03K17/162—Modifications for eliminating interference voltages or currents in field-effect transistor switches without feedback from the output circuit to the control circuit
- H03K17/163—Soft switching
Definitions
- the present invention relates to a drive control device for a semiconductor switching element, and more specifically, a technique for suppressing voltage fluctuation (surge voltage) generated when a semiconductor switching element constituting a semiconductor power conversion device such as an inverter converter is turned on.
- surge voltage voltage fluctuation
- active gate control applied when turning on and off semiconductor switching elements such as IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor J and NOS MONO (Metal Oxide Semiconductor) transistor) is known.
- Active gate control is a technology that optimizes the voltage drive speed (switching speed) of the gate (control electrode) by switching the gate resistance directly to dynamic during the turn-on or turn-off of the semiconductor switching element. By controlling the driving speed, it is possible to achieve both switching loss reduction and surge voltage suppression, which are in a trade-off relationship with the switching speed.
- Patent Document 1 Japanese Patent Laid-Open No. 2 0 2-1 2 5 3 6 3
- Patent Document 2 Japanese Patent Laid-Open No. 2 0 06-2 2 2 5 93
- Patent Document 3 US Pat. No. 6,208,185
- the configuration of the gate drive circuit for realizing the active gate control is not limited to the configuration for switching the gate resistance value, but as disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open No. 2 0 5-3 9 98 8 (hereinafter referred to as Patent Document 4).
- Patent Document 4 A circuit configuration using a rear tuttle has also been proposed.
- IGBT modules with a free wheel diode connected in parallel with the semiconductor switching element the operation behavior of the free diode has a great influence on the surge voltage when the semiconductor switching insulator is turned on.
- Non-Patent Document 1 a reverse bias is applied from a state where there are few diode carriers at the time of turn-on in a low current state. Therefore, it is described that the surge voltage increases as a result of the depletion layer developing in a very short time.
- Patent Documents 1 to 4 monitor the current or voltage of a semiconductor switching element that is turned on and off, and control the switching speed according to the detected value or its time differential value. The control configuration is changed.
- the present invention has been made in order to solve the above-described problems.
- the object of the present invention is to provide a semiconductor switching element voltage and Z or current monitoring result without feedback and at the time of turn-on. Surge voltage suppression and switch It is to perform stable switching speed control to achieve both reduction in switching loss.
- a drive control device is a drive control device for a semiconductor switching element that constitutes a semiconductor power conversion device for controlling a supply current to a load according to a current command value, and includes a current estimation unit, a switching speed control unit With. Then, the semiconductor switching element is turned on or off in response to the voltage or current of the control electrode.
- the current estimation unit estimates an energization current that flows when the semiconductor switching element is turned on based on the current command value when the turn-on command is generated.
- the switching speed control unit determines the semiconductor switching based on the estimated conduction current by the current estimation unit according to the first current characteristic indicating the relationship between the conduction current of the semiconductor switching element and the generated surge voltage. Change the drive speed of the voltage or current of the control electrode when the device is turned on.
- the energization current flowing through the semiconductor switching element after the turn-on is estimated based on the current command value to the semiconductor power converter, and the relationship between the energization current and the surge voltage behavior is shown.
- the drive speed of the control electrode at the time of turn-on ie, switching speed
- the switching speed control unit includes a determination unit and a switching speed instruction unit.
- the determination unit determines whether the estimated energization current belongs to the first current region where the surge voltage exceeds the allowable value or the second current region where the surge voltage is less than the allowable value according to the first current characteristic. .
- the switching speed instruction unit makes the driving speed at the start of turn-on slower when the estimated energization current is in the first current region than when the estimated energization current is in the second current region.
- the surge voltage can be suppressed by starting the turn-on at a relatively low switching speed in the current region (first current region) where the surge voltage is expected to increase. it can. 'On the other hand, Sir In the current region (second current region) where the voltage is expected to be small, switching loss can be reduced by starting the turn-on at a relatively high switching speed.
- the switching speed control unit sets the drive speed at the start of turn-on to the first speed and drives the control electrode voltage or current when the estimated energization current is within the first current region.
- the drive speed is increased from the first speed according to the elapsed time from the start.
- the switching speed control unit further includes a switching timing setting unit.
- the switching timing setting unit is a second current characteristic showing a relationship between a conduction current of the semiconductor switching element obtained in advance and a time from when the drive of the control electrode voltage or current is started until the surge voltage is generated. Accordingly, the switching timing for increasing the drive speed is set based on the estimated energization current by the current estimation unit. Further, the switching speed instruction unit increases the driving speed from the first speed to the second speed when the switching timing is reached based on the elapsed time.
- the switching speed rise timing can be set appropriately without feedback according to a pre-determined characteristic that shows the relationship between the energization current and the surge voltage behavior (delay time).
- the switching speed indicator sets the driving speed at the start of turn-on to the first speed when the estimated energizing current is in the first current region, while the estimated energizing current is the second In the current region, the drive speed when the turn-on is open is set to a second speed higher than the first speed, and the drive speed is fixed to the second speed throughout the turn-on period.
- the surge voltage can be excessive.
- the switching speed is set to a relatively high speed from the start of turn-on to the on-period. Maximum reduction of switching loss Can be aimed at.
- the switching speed instruction unit sets the drive speed according to the elapsed time since the start of driving of the control electrode voltage or current. Switch from the first speed to the second speed.
- the above switching speed control can be executed by changing the switching speed in two stages, so that the circuit configuration of the drive control device can be simplified.
- the drive control device further includes a learning control unit.
- the learning control unit sets a learning period in which a current command value is generated so that the load mainly consumes reactive power when the semiconductor power converter is started up, and based on the measured value of the surge voltage during the learning period, Correct the judgment value indicating the boundary between the 1st and 2nd current regions.
- the learning control unit corrects the switching timing based on the measured value of the surge voltage during the learning period.
- the first and second current regions are determined using the period until the load is actually operated as the power converter is started at the start of load operation. It is possible to realize learning control in which the value or switching speed switching timing is updated based on the actual surge voltage during the learning period. As a result, the switching speed control when the semiconductor switching element is turned on can be more appropriately executed in actual operation after execution of learning control, so that both suppression of surge voltage and reduction of switching loss can be achieved more effectively. .
- the drive control device further includes a capacitance value adjustment circuit for adjusting the capacitance value of the control electrode of the semiconductor switching element by trimming.
- the effect of the switching speed control described above can be enhanced in response to manufacturing variations in the capacitance value of the control electrode of the semiconductor switching element.
- the load is an AC motor whose supply current is controlled by pulse width modulation control
- the current estimation unit uses the rotation angle of the AC motor and a current command value by vector control to estimate the energization current. Is calculated.
- the main advantage of the present invention is that a stable switching for achieving both suppression of surge voltage and reduction of switching loss at the time of turn-on without involving the feed pack of the voltage and z or current monitoring result of the semiconductor switching element. It is in the point which can execute the etching speed control.
- FIG. 1 is a block diagram illustrating an overall configuration of a motor drive system to which a drive control device for a semiconductor switching element according to the present invention is applied.
- FIG. 2 is a control block diagram for explaining a motor control configuration by PWM control.
- Figure 3 shows a book!
- FIG. 5 is a block diagram illustrating a configuration of a drive control device for a switching element according to a clear embodiment.
- Fig. 4 is an operation waveform diagram showing the voltage / current behavior when the switching element is turned on.
- Fig. 5 is a conceptual diagram showing the dependence of the switching element's surge voltage and the delay time until the surge voltage is generated on the energizing current.
- FIG. 6 is a block diagram illustrating in detail the configuration of the drive control circuit shown in FIG.
- FIGS. 7A to 7C are conceptual diagrams showing an operation example of switching speed control by the drive control device of the semiconductor switching element according to the embodiment of the present invention.
- FIG. 8 is a conceptual diagram showing a configuration of a gate capacitance adjustment circuit according to a modification of the embodiment of the present invention.
- FIG. 9 is a block diagram showing a learning control configuration in the drive control apparatus for a semiconductor switching element according to the embodiment of the present invention.
- FIG. 10 is a flowchart for explaining the learning control operation by the learning control unit of FIG. BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
- FIG. 1 is an overall configuration diagram of a motor drive system to which a drive control device for a semiconductor switching element according to the present invention is applied.
- motor drive system 100 includes direct current power supply 10, voltage sensor 13, smoothing capacitor CO, inverter 20, and control device 30. And an AC motor MG as a load.
- AC motor MG is, for example, a drive motor for generating torque for driving drive wheels of a hybrid vehicle or an electric vehicle.
- the AC motor MG may be configured to have a function of a generator driven by an engine, or may be configured to have a function of an electric motor and an electric machine.
- AC motor MG operates as an electric motor for the engine, and may be incorporated into a hybrid vehicle, for example, so that it can start an engine.
- the DC power supply 10 outputs a DC voltage between the power supply line 7 and the ground line 5.
- the DC power supply 10 can be charged by a DC voltage between the power supply line 7 and the ground line 5.
- the DC power supply 10 is typically composed of a secondary battery such as nickel metal hydride or lithium ion or a power storage device of an electric double layer capacitor.
- a converter for changing the voltage level of the output voltage (DC) of the power storage device is provided to variably control the output voltage of DC power supply 10, that is, the voltage between power supply line 7 and ground line 5. It is good also as a structure to be.
- the smoothing capacitor C O is connected between the power line 7 and the ground line 5.
- the voltage across the smoothing capacitor CO corresponding to the DC voltage of the inverter 20 is detected by the voltage sensor 13, and the detected value is the control device 3 configured by the electronic control unit (ECU) 3. Sent to 0.
- Inverter 20 is provided in parallel between power line 7 and ground line 5, Circuit 15, phase V circuit 16, and phase W circuit 17.
- Each phase circuit includes a power semiconductor switching element connected in series between a power line 7 and a ground line 5.
- IGBT Insulated Gate Bipolar Transistor
- semiconductor switching element hereinafter simply referred to as “semiconductor switching element”.
- the U-phase circuit 15 is composed of a semiconductor switching element Q 1 which is an upper arm element and a semiconductor switching element Q 2 which is a lower arm element.
- the V-phase circuit 16 is a semiconductor switching element Q 3 which is an upper arm element.
- the W-phase circuit 17 is composed of a semiconductor switching element Q5, which is an upper arm element, and a semiconductor switching element Q6, which is a lower arm element.
- free wheel diodes D1 to D6 are connected to the semiconductor switching elements Q1 to Q6, respectively, for flowing a current in the direction opposite to the semiconductor switching elements.
- On / off of the semiconductor switching elements Q 1 to Q 6 is controlled by switching control signals S 1 to S 6 from the control device 30.
- the AC motor MG is typically a three-phase permanent magnet motor, with U, V, and W phases.
- One end of the three coils is commonly connected to the neutral point.
- the other end of the U, V, W phase coil is connected to the connection point of the upper arm element and the lower arm element in the U, V, W phase of inverter 20.
- the inverter 20 applies the DC voltage from the smoothing capacitor C 0 to the switching control signals S 1 to S 6 from the control device 30.
- the AC motor MG is driven to output positive torque by converting to AC voltage by the switching operation of the semiconductor switching elements Q1 to Q6 that responded.
- the inverter 20 converts the DC voltage into the AC voltage by the switching operation in response to the switching control signal S1-S6. Then, drive AC motor MG so that the torque becomes zero. As a result, AC motor MG is driven to generate zero or positive torque designated by torque command value T q c om.
- the inverter 20 converts the AC voltage generated by the AC motor MG into a DC voltage by a switching operation in response to the switching control signals S1 to S6, and converts the converted DC voltage (system voltage). It can be used to charge a DC power supply 10 through a smoothing capacitor C0.
- regenerative braking refers to braking with regenerative power generation when a driver operating a hybrid vehicle or an electric vehicle is operated with regenerative power generation, or without operating the foot brake, but the accelerator pedal is This includes decelerating (or stopping acceleration) the vehicle while regenerating power by turning it off.
- the current sensor 24 is composed of a hall sensor or the like, detects the motor current supplied from the inverter 20 to the AC motor MG, and outputs the detected value to the control device 30. Since the sum of the instantaneous values of the three-phase currents iu, i V and iw is zero, as shown in Fig. 1, the current sensor 24 has a motor current for two phases (for example, V-phase current i V and It suffices to arrange it to detect the W-phase current iw).
- a rotation angle sensor (typically, a resolver) 25 detects the rotation angle 0 of AC motor MG and sends the detected rotation angle 0 to control device 30.
- the control device 30 also calculates the rotational speed (rotational speed) of the AC motor MG based on the rotational angle 0.
- Controller 30 is a Tonlek command value that indicates the output torque of AC motor MG, which is a load.
- T qcom DC voltage V dc detected by voltage sensor 1 3, motor current i V, iw from current sensor 2 4 Based on the rotation angle 0 from the rotation angle sensor 25, the operation of the inverter 20 is controlled so that the AC motor MG outputs a torque according to the torque command value Tqcom.
- the command value of the current (motor current) supplied from the inverter 20 to the AC motor MG is determined in accordance with the torque command value T qcom, and the motor current is generated according to the command value.
- switching control signals S 1 to S 6 for turning on / off the semiconductor switching elements Q 1 to Q 6 are generated and output to the inverter 20.
- PWM control is a control method in which the average value of the output voltage for each period can be changed by changing the pulse width of the square wave output voltage for each fixed period.
- the pulse width modulation control is performed by dividing a fixed period into a plurality of switching periods corresponding to the carrier period and performing on / off control of the semiconductor switching element for each switching period.
- sine wave PWM control current feedback control is performed to control the motor current in accordance with the current deviation between the current command value set corresponding to the torque command value T q co m and the detected motor current value.
- a sinusoidal voltage command value is set for each phase of the inverter 20 so as to eliminate the current deviation, and a high-frequency carrier wave (typically a triangular wave) and a voltage command Based on the voltage comparison with the value (sine wave), on / off of the upper and lower arm elements of each phase is controlled.
- one AC period of the motor current is divided into a plurality of switching sections by the carrier wave period, and the on / off state of the semiconductor switching element is controlled for each switching period.
- each semiconductor switching element is controlled to be turned on and off according to the carrier frequency.
- PWM control block 200 includes a current command generator 2 1 0, a coordinate converter 2 2 0, 2 5 0, a PI calculator 2 4 0, and a P WM signal generator. 2 6 0 included.
- the PWM control block 200 indicates a function block realized by executing a program stored in the control device 30 in advance at a predetermined cycle.
- Current command generation unit 210 generates current command values I d com (d-axis) and I q com (q-axis) according to torque command value Tq com of AC motor MG according to a map created in advance.
- the coordinate conversion unit 220 is detected by the current sensor 24 by coordinate conversion (3 phase ⁇ 2 phase) using the rotation angle 0 detected by the rotation angle sensor 25 provided in the AC motor MG.
- the PI calculation unit 240 obtains a control deviation by performing PI calculation with a predetermined gain for each of the d-axis current deviation ⁇ I d and the q-axis current deviation ⁇ I q, and the d-axis voltage command value V corresponding to the control deviation is calculated.
- d # and q axis voltage command value Vq # is generated.
- the coordinate converter 250 converts the d-axis voltage command value Vd # and q-axis voltage command value (1 # into 1; phase, V-phase) by coordinate conversion using the rotation angle ⁇ of the AC motor MG (2 phase ⁇ 3 phase). , W phase phase voltage command value Vu, V v. Convert to Vw.
- the PWM signal generation unit 260 generates the switching control signals S1 to S6 of the inverter 20 shown in FIG. 1 based on the comparison of the voltage command values Vu, VV, Vw in each phase and a predetermined carrier wave. .
- the inverter 20 is switching-controlled according to the switching control signals S 1 to S 6 generated by the PWM control block 200, so that the AC motor MG can output torque according to the torque command value Tq com. Motor current is supplied.
- a rectangular wave voltage having a frequency synchronized with the rotational speed of the AC motor MG is applied to increase the fundamental wave component. This increases the modulation rate of the AC voltage to 0.78.
- the voltage phase of the rectangular wave voltage is controlled according to the deviation between the torque command value and the actual torque value.
- the sine wave P WM control and rectangular wave control are used to smoothly control the output in the switching area of both.
- Overmodulation P WM control may be applied to obtain an intermediate modulation rate.
- the fundamental wave component can be distorted by distorting the voltage command amplitude to the increasing side under current control similar to sine wave P WM control, and the modulation factor is set to 0.6. It can be increased to a range of 1 to 0.78.
- the power conversion by the inverter 20 is the rectangular wave control and? WM control (sine wave P WM control and over-modulation P WM control are generally described).
- the rectangular wave control the number of times the semiconductor switching element is turned on and off is extremely small compared to the PWM control, so the switching loss is inherently low, and the switching speed control by the drive control device of the semiconductor switching element according to the present invention is common. Is unnecessary. '
- the carrier frequency is generally set to several kilohertz to several tens of kilohertz, so each semiconductor switching element is controlled to be turned on and off at a relatively high frequency. . For this reason, if the switching speed is lowered to suppress the surge voltage, an increase in switching loss becomes a problem. On the other hand, if the switching speed is increased to reduce the switching loss, the surge voltage increases. For this reason, in PWM control, it is necessary to set the switching speed in terms of both switching loss reduction and surge voltage suppression.
- switching speed control as described below is executed in order to achieve both switching loss reduction and surge voltage suppression.
- FIG. 3 is a block diagram illustrating the configuration of the drive control device for the semiconductor switching element according to the embodiment of the present invention.
- FIG. 3 shows the configuration of one phase of inverter 20.
- FIG. 3 two semiconductor switching elements Q a and Q b connected in series via an intermediate node N i connected to the load are connected between the ground wire 5 and the power supply wire 7. It is connected.
- the semiconductor switching element Q a is the semiconductor switching element shown in Fig. 1.
- the switching elements Q 2, Q 4, and Q 6 are collectively described, and the semiconductor switching element Q b is a comprehensive description of the semiconductor switching elements Q l, Q 3, and Q 5 in FIG. It is.
- a freewheeling diode Da as an antiparallel diode is connected in parallel to the semiconductor switching element Qa.
- a freewheeling diode Db is connected in parallel to the semiconductor switching element Qb.
- a switching control signal is generated so as to switch on / off of semiconductor switching elements Q a and Q b, and turn-on of semiconductor switching element Q a is started.
- the transistor current I c flowing through the semiconductor switching element Q a is 0.
- the current supplied to the load (corresponding to the L component of the AC motor MG) by the free wheel diode D b (motor) Current) is recirculated (diode current I f ⁇ 0). From this state, in response to the turn-on of the semiconductor switching element Q a, the transistor current I c and the diode current I ⁇ start to change so that the motor current is caused to flow by the semiconductor switching element Q a.
- the gate voltage Vge of the semiconductor switching element Qa is driven from a predetermined off voltage toward a predetermined on voltage.
- the transistor current I c begins to flow, while the collector-emitter voltage V c e decreases accordingly.
- the motor current of the relevant phase that was passed during the turn-on period of the semiconductor switching element Q b of the opposite arm is transferred to the semiconductor switching element Q a. Will be washed away. Therefore, the motor current at the start of turn-on of the semiconductor switching element Qa is substantially equal to the energization current (transistor current Ic) after the turn-on of the semiconductor switching element Qa.
- Non-Patent Document 1 when the semiconductor switching element Q a is turned on in a state where the energization current is low (hereinafter referred to as a low current state), the free wheel diode D b carries the carrier. Since the reverse bias voltage is applied from a state with a small amount of depletion, the depletion layer develops in a very short time. As a result, in the freewheel diode Db, an excessive diode voltage Vak is likely to occur, and the surge voltage rises.
- the 1S semiconductor switching element which shows an example of the operation waveform at a low surge voltage level, is in a lower current state, that is, the absolute value of the diode current If at time t O is When turned on in a smaller state, the waveform of the diode voltage V ak oscillates and a large surge voltage is generated.
- FIG. 5 is a conceptual diagram showing the dependence of the surge voltage V s g and the delay time t d until the surge voltage is generated on the energizing current of the semiconductor switching element.
- the surge voltage V sg depends on the diode voltage V ak, when the conduction current (transistor current) I c of the semiconductor switching element is low, it becomes relatively large and high. It has the characteristic that it decreases according to. Such a characteristic of I c –V s g can be grasped by performing an operation experiment of the semiconductor switching element in advance.
- V smax of the surge voltage V sg determined according to the rated breakdown voltage of the semiconductor switching element is determined based on the I c – V sg characteristics as shown in Fig.
- the surge voltage V sg The boundary current It that exceeds V sma X can be obtained. Then, from the I c-V sg characteristics and the boundary current It, the surge voltage V sg force S is the current region exceeding the allowable upper limit value V sma X, and the surge voltage V sg is below the allowable upper limit value V smax.
- the current region 4 1 0 that can be defined can be defined.
- the current region 4 0 0 is also referred to as a high surge region 4 0 0, and the current region 4 1 0 is also referred to as a low surge region 4 1 0. That is, the current region 400 corresponds to the “first current region” in the present invention, and the current region 41 0 corresponds to the “second current region” in the present invention.
- the I c vs V s g characteristics and I c – t d characteristics vary depending on the element temperature. Therefore, by determining the change in the boundary current I t with respect to the change in the element temperature through experiments and the like in advance, the boundary current I reflects the temperature dependency based on the detected element temperature during actual operation. t can be set.
- the applied voltage (V ce) to the semiconductor switching element changes, so I c-V sg characteristics and I c The characteristics also change depending on the voltage. Therefore, the change in the boundary current It with respect to the change in the applied voltage is obtained in advance through experiments, etc., so that in actual operation, the voltage dependence is determined based on the detection value (DC voltage V dc) of the voltage sensor 13.
- the boundary current It can be set reflecting the characteristics.
- a drive control circuit 50, drivers 120 and 125, and gate resistors 130 and 135 are provided for each semiconductor switching element.
- the driver 120 drives the gate G from the off voltage VL to the on voltage V H through the gate resistor 1 30 (resistance value R1) when the control signal S D 1 of 50 drive control circuits is turned on.
- the driver 125 drives the gate G from the off voltage VL to the on voltage VH via the gate resistor 135 (resistance R2).
- the driver 120 and the gate resistor 130, and the driver 125 and the gate resistor 135 are provided in parallel to the gate G.
- the on-voltage VH corresponds to the gate voltage for turning on the semiconductor switching element
- the off-voltage VL corresponds to the gate voltage for turning off the semiconductor switching element.
- the resistance value R 2 of the gate resistor 135 is smaller than the resistance value R 1 of the gout resistor 130. Therefore, when the gate voltage is driven by the driver 120, relatively low speed switching is performed. On the other hand, when the gate voltage is driven by the driver 125 or by both the drivers 120 and 125, relatively high-speed switching is performed.
- the drive control circuit 50 generates an ON command signal S Wo indicating the ON period of the corresponding semiconductor switching element Q b and a motor current control command value I com supplied from the inverter 20 to the AC motor MG. Based on this, the control signals SD 1 and SD 2 of the drivers 120 and 125 are generated to control the switching speed when the semiconductor switching element Qb is turned on.
- the drive control circuit 50 controls the switching speed at turn-on in two stages. Specifically, by turning on only the control signal SD1, turning on both the control signals SD1 and SD2 as well as “low speed switching” where the gate voltage is driven at a relatively low speed only by the driver 120. Therefore, “high-speed switching” in which the gate voltage is driven at a relatively high speed by the drivers 120 and 125 is selectively performed.
- the circuit configuration for realizing switching of the switching speed is not limited to the configuration illustrated in FIG. 3, but a point that any known circuit configuration can be applied will be described.
- the switching speed may be changed by changing the impedance value including the L and C components.
- the gate voltage may be driven by a single driver, and the switching speed may be changed by switching the gate resistance value or impedance value.
- FIG. 6 is a block diagram for explaining in detail the configuration of the drive control circuit 50 shown in FIG.
- drive control circuit 50 includes a switching speed control unit 55 and a current level estimation unit 60.
- Switching speed control unit 55 includes a determination unit 70, a switching timing setting unit 80, a low speed switching instruction unit 90, and a high speed switching instruction unit 95.
- the current level estimation unit 60 calculates the energization current estimated value I c # of the semiconductor switching device in the on period.
- the motor current supplied from the inverter 20 to the AC motor MG as a load is an AC current corresponding to the rotation cycle of the AC motor, but each semiconductor provided corresponding to each cycle of the carrier wave in PWM control.
- the energization current during each ON period of the switching element corresponds to the instantaneous value at one point on the time axis of the AC current.
- the current command value I com is the d-axis current command value shown in Fig. 2 in PWM control.
- the judgment unit 70 determines that the current turn-on is in the high surge region (low) according to the I c – V sg characteristics shown in Fig. 5. Current region) 4 0 0 and low surge region (high current region) 4 1 0 It is determined in which way it is performed. Specifically, the above determination is performed based on a comparison between the energized current estimated value I c # and the boundary current It (FIG. 5).
- the boundary current I t is preferably set reflecting the temperature dependency and / or voltage dependency of the boundary current It as described above.
- a setting map (not shown) of the boundary current I t with respect to the element temperature and applied voltage is created in advance based on experimental data, etc., and in actual operation, it is provided in each semiconductor switching element or in its arrangement area.
- the boundary current It can be appropriately set by referring to the map using the detection value of the temperature sensor (not shown) and / or the detection value of the voltage sensor 13 (DC voltage V dc).
- the determination unit 70 When the estimated energization current value I c # is in the high surge region 400, the determination unit 70 turns on the control signal I s 1 for instructing low-speed switching at the start of turn-on. On the other hand, when the energized current estimated value I c # is in the low surge region 4 10, the determination unit 70 turns off the control signal Is 1 at the start of turn-on. Thus, the control signal Is 1. is turned on when low speed switching is selected, and is turned off when high speed switching is selected.
- the low-speed switching instruction unit 90 operates when the control signal I s 1 is on during the on-period of the on-command signal SWon. During operation, the low-speed switching instruction unit 90 turns on the control signal S D 1 while turning off the control signal S D 2.
- the high-speed switching instruction unit 95 operates when the control signal I s 1 is off during the on period of the on command signal SWon. The high-speed switching instruction unit 95 turns on both the control signals S D 1 and S D 2 during operation. Note that both the control signals S D 1 and S D 2 are turned off during the off period of the on command signal S W on. That is, the low-speed switching instruction unit 90 and the high-speed switching instruction unit 95 correspond to the “switching speed instruction unit” according to the present invention.
- the low speed switching and the high speed switching are selectively executed based on the control signal I s 1 generated by the determination unit 70. Specifically, when the estimated current I c # is in the high surge region 4 0 0, turn-on is started by slow switching, and the gate voltage gradually decreases from the off voltage VL to the on voltage VH. Driven. For this reason, the current 'voltage change also becomes gradual, Surge voltage is suppressed.
- the switching timing setting unit 80 sets the determination time t c for designating the switching timing based on the energized current estimated value I c #.
- a setting map (not shown) of the determination time t c for the estimated energization current value I c # can be created in advance based on the I c -t d characteristic shown in FIG.
- the switching timing setting unit 80 measures the elapsed time from the turn-on start time by the built-in timer 85, and instructs the switching from the low speed switching to the high speed switching when the elapsed time exceeds the determination time tc. To do. In response to this, the determination unit 70 turns off the control signal Is1.
- the determination time t (for the first time can also be set to further reflect the element temperature and / or the applied voltage). For example, current flow, element temperature and By using the detection value of the temperature sensor (not shown) and / or the detection value of the voltage sensor 13 (DC voltage V dc) By referring to the map, the judgment time tc can be set more appropriately.
- FIG. 7A to 7C show operation examples of switching speed control by the drive control device for a semiconductor switching element according to the embodiment of the present invention.
- the gate voltage Vge begins to rise in response to the turn-on command being generated at time t0.
- the diode voltage V ak rises relatively quickly and the surge voltage peak increases.
- switching timing setting unit 80 (FIG. 6). As described above, the switching timing (time t 1) is determined based on the estimated current I c #.
- both the control signals S D 1 and S D 2 are turned on, and the gate voltage is driven toward the on voltage V H at a high speed, thereby reducing the switching loss.
- FIG. 8 shows a configuration of gate capacitance value adjusting circuit 300 according to the modification of the embodiment of the present invention.
- the gate capacitance value adjustment circuit 300 is composed of a plurality of capacitors provided in parallel to the gate G of the semiconductor switching element Q (which comprehensively represents Q 1 to Q 6). It has a value adjustment unit 3 1 0.
- the capacitance value adjustment unit 3 1 0 has an adjustment capacitance 3 2 0 and a link element 3 2 5 connected in series to the gate G.
- the capacitance value of the adjustment capacitance 3 2 0 is added to the gate capacitance.
- the link element 3 25 is cut off by a laser input from the outside or the like and brought into a non-conductive state, the capacitance value of the adjustment capacitor 3 20 is not added to the gate capacitance value.
- trimming can be executed to adjust the gate capacitance value corresponding to the manufacturing variation of the semiconductor switching element.
- the semiconductor switching device can be adjusted so that the characteristics of I c -V s g, t d shown in FIG.
- the surge generation time delay td from the generation of the turn-on command to the generation of the surge voltage greatly depends directly on the gate capacitance, so by providing the gate capacitance value adjusting mechanism according to this modification, the switching speed described above Control accuracy can be improved by suppressing control variations. (Modification 2)
- FIG. 9 is a block diagram showing a learning control configuration in the drive control device for the semiconductor switching element according to the embodiment of the present invention.
- drive control circuit 50 further includes a learning control unit 110 in addition to the configuration shown in FIG. Further, a voltage dividing circuit 27 for dividing the diode voltage V ak is provided for each freewheeling diode. The divided voltage V a k # generated by the voltage dividing circuit 2 7 is detected by the learning control unit 110.
- the learning control unit 1 1 0 performs the switching operation of the semiconductor switching elements Q a and Q b during a predetermined learning period, and grasps the actual surge voltage based on the divided voltage V ak # at that time. . Then, based on the actual surge voltage during the learning period, learning control for correcting (updating) the boundary current It and the determination time tc is executed.
- the current command command value (for example, FIG. 2) is set so that the AC motor MG mainly consumes reactive power and does not generate torque.
- Idcom Iqcom
- the switching frequency of each semiconductor switching element is 1 kHz
- sampling at a turn-on timing of 100 0 times can be executed by securing a learning period of 1 second. In other words, it is sufficiently possible to provide a learning period when the motor drive system 100 is started.
- FIG. 10 is a flowchart for explaining the learning control operation by the learning control unit 110.
- the learning control unit 1 1 0 is the inverter in step S 1 0 0.
- Motor drive system including 2 0 Determine whether an operation start command for 1 0 0 has been generated.
- the operation start instruction corresponds to the start instruction of the hybrid system. If the operation start command is not generated (when S 1 0 0 is NO), learning is not activated. The process is terminated as it is.
- the learning control unit 110 determines whether or not the learning start condition is satisfied at step s i 1 0 when the operation start command is generated (when YES is determined in S1100).
- the establishment of the learning start condition is determined based on, for example, whether each sensor is normal or whether there is an abnormality in the semiconductor switching element. Further, when an output instruction is issued to the AC motor MG as a load, S 1 0 0 is determined as NO, and learning is not executed. That is, learning is performed using a period during which no output instruction is issued to AC motor MG.
- the learning control unit 1 1 0 starts learning in step S 1 2 0 when the learning start condition is satisfied (when Y ES is determined in S 1 1 0). Then, in step S 1 30, the learning control unit 1 1 Q determines the current command according to the current command pattern for learning so that the AC motor MG consumes reactive power without generating torque as described above. Generate qcom (I dcom, I qcom).
- step S 15 50 switching control based on the currently set boundary current It and the determination time tc is applied to switch each semiconductor switching element.
- the learning control unit 110 samples the diode voltage V ak at the time of turn-on, which is generated at the time of switching by the step S 14 40 (step S 15 50).
- step S 1 60 learning control unit 110 evaluates the surge voltage based on diode voltage V ak sampled in step S 15 50. For example, in the current region in the vicinity of the current boundary current It, if there is a margin for the maximum surge voltage allowable upper limit, the boundary current It is updated to the lower side, but the margin is insufficient. If it is, update the boundary current It to the rising side. Thereby, the boundary current It of the high surge region 400 and the low surge region 41 can be corrected according to the learning result.
- the surge voltage at the switching timing from low speed switching to high speed switching according to the judgment time tc is evaluated, and if there is a margin in the allowable upper limit value, the judgment time tc is shortened. If the margin is insufficient, the judgment time tc is updated to the extension side. This The switching timing from low-speed switching to high-speed switching at turn-on in the high surge region 400 can be corrected according to the learning results.
- the learning control unit 1 1 0 continues the learning operation of steps S 1 3 0 to S 1 60 until a predetermined learning end condition is satisfied in step S 1 70.
- the learning end condition is satisfied by elapse of a predetermined time, completion of a desired learning item, generation of an output instruction to a load (AC motor MG), or the like.
- the present invention can be implemented in response to manufacturing variations and changes with time of each semiconductor element.
- the switching control according to the form can be executed more effectively.
- the boundary current It and the judgment time tc are based on the basic value based on the conduction current and the temperature and voltage changes. If the configuration is set by the sum with the correction value, the map value can be appropriately updated by the learning operation for the map for setting the basic value.
- the switching control is changed by switching between two switching speeds, low speed and high speed, thereby suppressing surge voltage and switching loss with a simpler circuit configuration.
- the configuration is designed to achieve both reduction in loss, the switching speed can be subdivided into three or more stages.
- a three-phase inverter using a motor (or a motor generator) mounted on a hybrid vehicle or an electric vehicle as a load is illustrated as an application example of a drive control device for a semiconductor switching element.
- the application of the present invention is not limited to this.
- so-called hard switching such as a single-phase inverter, D CZD C converter, step-up chopper, switching mode amplifier, etc. is performed if it constitutes a semiconductor power conversion device that controls the supply current to the load according to the command value.
- the present invention can be applied to switching control of a semiconductor switching element.
- the load is not particularly limited.
- switching speed control according to the present invention is also applicable to other voltage-driven switching elements such as power MOS S (Metal Oxide Semiconductor) transistors. Can be applied.
- MOS S Metal Oxide Semiconductor
- a semiconductor power configured by a current drive semiconductor switching element such as a power bipolar transistor is provided.
- the switching control according to the present invention can also be applied to the conversion device.
- the present invention can be applied to switching control of a semiconductor switching element constituting a semiconductor power conversion device that controls a supply current to a load according to a command value.
Landscapes
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Abstract
A semiconductor switching element has a characteristic that the diode voltage (Vak) in the low current region rises relatively sharp and has a high peak value, and that in the high current region rises relatively slowly and has a low peak value. When receiving a command to turn on the semiconductor switching element, a control device estimates the applied current (Ic) on the basis of the current command value. When the operation in the low-current region is inferred, turn-on is started by low-speed switching. When the operation in the high-current region is inferred, turn-on is carried out by high-speed switching. When it is inferred that the peak of the surge voltage passes in the low-current region after a predetermined time from the start of the turn-on, the low-speed switching is changed to the high-speed switching. This change timing is determined according to the applied current estimated on the basis of the current command value. Consequently, without causing feedback of the voltage and current, the switching speed control of the semiconductor switching element can be carried out when turning on the semiconductor switching element.
Description
明細書 半導体スィツチング素子の駆動制御装置 技術分野 Description: Semiconductor switching element drive control device Technical Field
この発明は、 半導体スイッチング素子の駆動制御装置に関し、 より特定的には、 インバータゃコンバータなどの半導体電力変換装置を構成する半導体スイツチン グ素子のターンオン時に発生する電圧変動 (サージ電圧) を抑制する技術に関す る。 背景技術 The present invention relates to a drive control device for a semiconductor switching element, and more specifically, a technique for suppressing voltage fluctuation (surge voltage) generated when a semiconductor switching element constituting a semiconductor power conversion device such as an inverter converter is turned on. Concerning. Background art
インバータゃコンバータの高出力密度化対応策として、 I G B T (Insulated Gate Bipolar Transistor J やノ ヮ一 MO S (Metal Oxide Semiconductor) トラ ンジスタ等の半導体スィツチング素子のオンオフ時に適用されるァクティブゲー トコントロールが知られている。 アクティブゲートコントロールは、 半導体スィ ッチング素子のターンオンあるいはターンオフの途中でゲート抵抗ィ直をダイナミ ックに切換えて、 ゲート (制御電極) の電圧駆動速度 (スイッチング速度) を最 適化する技術である。 このような駆動速度の制御により、 スイッチング速度の高 低に対してトレードオフの関係にある、 スィツチング損失低減およびサージ電圧 抑制の両立が図られる。 As a countermeasure to increase the output density of inverters and converters, active gate control applied when turning on and off semiconductor switching elements such as IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor J and NOS MONO (Metal Oxide Semiconductor) transistor) is known. Active gate control is a technology that optimizes the voltage drive speed (switching speed) of the gate (control electrode) by switching the gate resistance directly to dynamic during the turn-on or turn-off of the semiconductor switching element. By controlling the driving speed, it is possible to achieve both switching loss reduction and surge voltage suppression, which are in a trade-off relationship with the switching speed.
たとえば、 特開 2 0 0 2— 1 2 5 3 6 3号公報 (以下、 特許文献 1 ) 、 特開 2 0 0 6— 2 2 2 5 9 3号公報 (以下、 特許文献 2 ) 、 あるいは、 米国特許 6 , 2 0 8, 1 8 5号公報 (以下、 特許文献 3 ) に、 半導体スイッチング素子のターン オン時および/またはターンオフ時に、 電流 ·電圧状態に応じてゲート抵抗値を 変化させるアクティブゲートコントロールが開示されている。 For example, Japanese Patent Laid-Open No. 2 0 2-1 2 5 3 6 3 (hereinafter referred to as Patent Document 1), Japanese Patent Laid-Open No. 2 0 06-2 2 2 5 93 (hereinafter referred to as Patent Document 2), or US Pat. No. 6,208,185 (hereinafter referred to as Patent Document 3) discloses an active gate that changes a gate resistance value according to a current / voltage state when a semiconductor switching element is turned on and / or turned off. Controls are disclosed.
また、 アクティブゲートコントロールを実現するゲート駆動回路の構成として は、 ゲート抵抗値を切換える構成のみでなく、 特開 2 0 0 5— 3 9 9 8 8号公報 (以下、 特許文献 4 ) のように、 リアタトルを適用した回路構成も提案されてい る。
一方、 半導体スィツチング素子と並列にフリーホイールダイォードが接続され た I G B Tモジュール等では、 半導体スィツチング秦子のターンオン時において、 フリ一ホイ一ノレダイォードの動作挙動がサージ電圧に大きな影響を与えること 1S たとえば、 長畦文男、 外 2名、 「過渡オン状態からのダイオード逆回復現象の解 析 j 、 富士時報、 富士電機株式会社、 2 0 0 1年 2月、 Vol. 7 4 No. 2 2 0 0 1、 p . 1 4 9— 1 5 2 (以下、 非特許文献 1 ) で。 特に、 非特許文献 1には、 低電流状態でのターンオン時には、 ダイォードのキャリアが少ない状態から逆バ ィァスが印加されるため、 非常に短時間で空乏層が進展する結果、 サージ電圧が 大きくなることが記載されている。 Further, the configuration of the gate drive circuit for realizing the active gate control is not limited to the configuration for switching the gate resistance value, but as disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open No. 2 0 5-3 9 98 8 (hereinafter referred to as Patent Document 4). A circuit configuration using a rear tuttle has also been proposed. On the other hand, in IGBT modules with a free wheel diode connected in parallel with the semiconductor switching element, the operation behavior of the free diode has a great influence on the surge voltage when the semiconductor switching insulator is turned on. Fumio Nagahama, 2 others, “Analysis of reverse recovery phenomenon of diode from transient on state j, Fuji Times, Fuji Electric Co., Ltd., February 2000, Vol. 7 4 No. 2 2 0 0 1 1 4 9-1 5 2 (hereinafter referred to as Non-Patent Document 1) In particular, in Non-Patent Document 1, a reverse bias is applied from a state where there are few diode carriers at the time of turn-on in a low current state. Therefore, it is described that the surge voltage increases as a result of the depletion layer developing in a very short time.
特許文献' 1〜 4に開示されるような一般的なァクティブザートコント口ールは、 オンオフされる半導体スィツチング素子の電流あるいは電圧をモニタし、 検出値 あるいはその時間微分値に従つてスィッチング速度を変化させる制御構成となつ ている。 The general active control controls disclosed in Patent Documents 1 to 4 monitor the current or voltage of a semiconductor switching element that is turned on and off, and control the switching speed according to the detected value or its time differential value. The control configuration is changed.
このため、 スイッチング周波数が高く、 アクティブゲートコントロールが適用 されるスィツチングの遷移時間が非常に短い用途では、 電圧 .電流のモニタおよ びそれに応答したスイツチング速度の制御に非常に高い制御応答性が要求される。 さらに、 ゲート駆動回路や、 モニタ回路あるいは半導体スイッチング素子特性の ばらつきや、 温度等の外的変動要因を考慮して制御する必要がある。 For this reason, in applications where switching frequency is high and switching time with active gate control is very short, very high control responsiveness is required to monitor voltage and current and control the switching speed in response. Is done. Furthermore, it is necessary to control the gate drive circuit, monitor circuit or semiconductor switching element characteristics, and external fluctuation factors such as temperature.
これらの要因から、 モニタ結果のフィードバックに基づいたアクティブゲート コント口ールの制御安定性を確保することは実際上困難であり、制御遅れ等の存 在により制御が破綻した場合には、 半導体スィツチング素子が故障に至る可能性 もある。 逆に言えば、 このような制御の破綻を回避するためには、 マージンを持 たせた制御設計とせざるを得ず、 スイッチング損失の低減効果が抑制される。 ま た、 半導体スィツチング素子の電圧 .電流のモニタ回路を追加すること自体によ つて、 コスト上昇や回路寸法増大を招いてしまう。 Because of these factors, it is practically difficult to ensure the control stability of the active gate control based on the feedback of the monitoring results.If control fails due to the presence of control delay, etc., semiconductor switching There is a possibility that the device will fail. In other words, in order to avoid such a control failure, the control design must have a margin, and the switching loss reduction effect is suppressed. In addition, the addition of a voltage / current monitor circuit for the semiconductor switching element itself increases costs and circuit dimensions.
発明の開示 Disclosure of the invention
この発明は、 上述の問題点を解決するためになされたものであって、 この発明 の目的は、 半導体スィツチング素子の電圧および Zまたは電流のモニタ結果のフ イードバックを伴うことなく、 ターンォン時におけるサージ電圧抑制およびスィ
ッチング損失低減の両立を図るための安定的なスィッチング速度制御を実行する ことである。 The present invention has been made in order to solve the above-described problems. The object of the present invention is to provide a semiconductor switching element voltage and Z or current monitoring result without feedback and at the time of turn-on. Surge voltage suppression and switch It is to perform stable switching speed control to achieve both reduction in switching loss.
この発明による駆動制御装置は、 電流指令値に従って負荷への供給電流を制御 するための半導体電力変換装置を構成する半導体スイッチング素子の駆動制御装 置であって、 電流推定部と、 スイッチング速度制御部とを備える。 そして、 半導 体スィツチング素子は、 制御電極の電圧または電流に応答してオンまたはオフさ れる。 電流推定部は、 ターンオン指令の発生時における電流指令値に基づいて半 導体スィツチング素子のオン時に流れる通電電流を推定する。 スィツチング速度 制御部は、 予め求められた、 半導体スイッチング素子の通電電流と発生するサー ジ電圧の大きさとの関係を示す第 1の電流特性に従って、 電流推定部による推定 通電電流に基づいて、 半導体スィツチング素子のターンオン時における制御電極 の電圧または電流の駆動速度を変更する。 A drive control device according to the present invention is a drive control device for a semiconductor switching element that constitutes a semiconductor power conversion device for controlling a supply current to a load according to a current command value, and includes a current estimation unit, a switching speed control unit With. Then, the semiconductor switching element is turned on or off in response to the voltage or current of the control electrode. The current estimation unit estimates an energization current that flows when the semiconductor switching element is turned on based on the current command value when the turn-on command is generated. The switching speed control unit determines the semiconductor switching based on the estimated conduction current by the current estimation unit according to the first current characteristic indicating the relationship between the conduction current of the semiconductor switching element and the generated surge voltage. Change the drive speed of the voltage or current of the control electrode when the device is turned on.
上記半導体スィツチング素子の駆動制御装置によれば、 半導体電力変換装置へ の電流指令値に基づいて、 ターンオン後に半導体スィツチング素子を流れる通電 電流を推定するとともに、 通電電流とサージ電圧挙動との関係を示す予め求めた 特性に従って、 ターンオン時における制御電極の駆動速度 (すなわち、 スィッチ ング速度) を変えることができる。 すなわち、 ターンオン指令時の電流指令値に 基づいてスィツチング速度を変えることにより、 電流おょぴ Zまたは電圧のモニ タ構成を設けることなく、 かつ、 フィードバック制御を伴わない安定的な制御構 成によって、 サージ電圧低減およびサージ電圧抑制を図ることが可能となる。 好ましくは、 スイッチング速度制御部は、 判定部と、 スイッチング速度指示部 とを含む。 判定部は、 第 1の電流特性に従って、 推定通電電流が、 サージ電圧が 許容値を超える第 1の電流領域およびサージ電圧が許容値以下である第 2の電流 領域のいずれに属するかを判定する。 スイッチング速度指示部は、 ターンオン開 始時における駆動速度を、 推定通電電流が第 1の電流領域内であるときには、 推 定通電電流が第 2の電流領域内であるときよりも遅くする。 According to the drive control device of the semiconductor switching element, the energization current flowing through the semiconductor switching element after the turn-on is estimated based on the current command value to the semiconductor power converter, and the relationship between the energization current and the surge voltage behavior is shown. The drive speed of the control electrode at the time of turn-on (ie, switching speed) can be changed according to the characteristics obtained in advance. In other words, by changing the switching speed based on the current command value at the time of turn-on command, the current control Z or voltage monitor configuration is not provided, and the stable control configuration without feedback control is used. Surge voltage reduction and surge voltage suppression can be achieved. Preferably, the switching speed control unit includes a determination unit and a switching speed instruction unit. The determination unit determines whether the estimated energization current belongs to the first current region where the surge voltage exceeds the allowable value or the second current region where the surge voltage is less than the allowable value according to the first current characteristic. . The switching speed instruction unit makes the driving speed at the start of turn-on slower when the estimated energization current is in the first current region than when the estimated energization current is in the second current region.
このような構成とすることにより、 サージ電圧が大きくなることが予想される 電流領域 (第 1の電流領域) では相対的に低いスイッチング速度によりターンォ ンを開始することによりサージ電圧抑制を図ることができる。'その一方で、 サー
ジ電圧が小さいことが予測される電流領域 (第 2の電流領域) では、 相対的に高 ぃスィツチング速度によりターンオンを開始することにより、 スィツチング損失 低減を図ることができる。 With this configuration, the surge voltage can be suppressed by starting the turn-on at a relatively low switching speed in the current region (first current region) where the surge voltage is expected to increase. it can. 'On the other hand, Sir In the current region (second current region) where the voltage is expected to be small, switching loss can be reduced by starting the turn-on at a relatively high switching speed.
さらに好ましくは、 スイッチング速度制御部は、 推定通電電流が第 1の電流領 域内であるときに、 ターンオン開始時における駆動速度を第 1の速度に設定する とともに、 制御電極の電圧または電流の駆動を開始してからの経過時間に応じて、 駆動速度を第 1の速度よりも上昇させる。 特にこのような構成では、 スィッチン グ速度制御部は、 切換タイミング設定部をさらに含む。 切換タイミング設定部は、 予め求められた、 半導体スイッチング素子の通電電流と、 制御電極の電圧または 電流の駆動を開始してからサージ電圧が発生するまでの時間との関係を示す第 2 の電流特性に従って、 電流推定部による推定通電電流に基づいて駆動速度を上昇 させる切換タイミングを設定する。 さらに、 スイッチング速度指示部は、 経過時 間に基づいて、 切換タイミングへの到達時に駆動速度を第 1の速度から第 2の速 度へ上昇させる。 More preferably, the switching speed control unit sets the drive speed at the start of turn-on to the first speed and drives the control electrode voltage or current when the estimated energization current is within the first current region. The drive speed is increased from the first speed according to the elapsed time from the start. Particularly in such a configuration, the switching speed control unit further includes a switching timing setting unit. The switching timing setting unit is a second current characteristic showing a relationship between a conduction current of the semiconductor switching element obtained in advance and a time from when the drive of the control electrode voltage or current is started until the surge voltage is generated. Accordingly, the switching timing for increasing the drive speed is set based on the estimated energization current by the current estimation unit. Further, the switching speed instruction unit increases the driving speed from the first speed to the second speed when the switching timing is reached based on the elapsed time.
このような構成とすることにより、 サージ電圧が大きくなる電流領域 (第 1の 電流領域) では、 タ一ンオン開始時のスイツチング速度を低くすることによって サージ電圧を抑制する一方で、 サージ電圧の発生がピークを超える時間以降では、 スイッチング速度を上昇させてスイッチング損失低減を図ることができる。 特に、 スイッチング速度の上昇タイミングは、 通電電流とサージ電圧挙動 (発生時間遅 れ) との関係を示す予め求めた特性に従って、 フィードバックを伴わずに適切に 設定することができる。 . With this configuration, in the current region where the surge voltage increases (first current region), the surge voltage is suppressed by reducing the switching speed at the start of turn-on, while the surge voltage is generated. After the time exceeds the peak, the switching speed can be increased to reduce the switching loss. In particular, the switching speed rise timing can be set appropriately without feedback according to a pre-determined characteristic that shows the relationship between the energization current and the surge voltage behavior (delay time). .
あるいは、 さらに好ましくは、 スイッチング速度指示部は、 推定通電電流が第 1の電流領域内であるときに、 ターンオン開始時における駆動速度を第 1の速度 に設定する一方で、 推定通電電流が第 2の電流領域内であるときには、 ターンォ ン開^時における駆動速度を第 1の速度よりも高い第 2の速度に設定するととも に、 ターンオン期間を通じて駆動速度を第 2の速度に固定する。 Alternatively, more preferably, the switching speed indicator sets the driving speed at the start of turn-on to the first speed when the estimated energizing current is in the first current region, while the estimated energizing current is the second In the current region, the drive speed when the turn-on is open is set to a second speed higher than the first speed, and the drive speed is fixed to the second speed throughout the turn-on period.
このような構成とすることにより、 サージ電圧が過大となる可能†生の低い電流 領域 (第 2の電流領域) では、 ターンオン開始からオン期間を通じてスィッチン グ速度を相対的に高速に設定することにより、 スィツチング損失の低減を最大限
に図ることができる。 With this configuration, the surge voltage can be excessive. In the low current region (second current region), the switching speed is set to a relatively high speed from the start of turn-on to the on-period. Maximum reduction of switching loss Can be aimed at.
さらに好ましくは、 スイッチング速度指示部は、 推定通電電流が第 1の電流領 域内であるときに、 制御電電極の電圧または電流の駆動を開始してからの経過時 間に応じて、 駆動速度を第 1の速度から第 2の速度へ切換える。 More preferably, when the estimated energization current is within the first current region, the switching speed instruction unit sets the drive speed according to the elapsed time since the start of driving of the control electrode voltage or current. Switch from the first speed to the second speed.
このような構成とすることにより、 スイッチング速度を 2段階に変化させる構 成により、 上述のスィツチング速度制御を実行できるので、 駆動制御装置の回路 構成を簡易化することができる。 By adopting such a configuration, the above switching speed control can be executed by changing the switching speed in two stages, so that the circuit configuration of the drive control device can be simplified.
また、 さらに好ましくは、 駆動制御装置は、 学習制御部をさらに備える。 学習 制御部は、 半導体電力変換装置の起動時に負荷が無効電力を主に消費するような 電流指令値が生成される学習期間を設定するとともに、 学習期間におけるサージ 電圧の実測値に基づいて、 第 1および第 2の電流領域の境界を示す判定値を修正 する。 あるいは、 学習制御部は、 学習期間におけるサージ電圧の実測値に基づい て、 切換タイミングを修正する。 More preferably, the drive control device further includes a learning control unit. The learning control unit sets a learning period in which a current command value is generated so that the load mainly consumes reactive power when the semiconductor power converter is started up, and based on the measured value of the surge voltage during the learning period, Correct the judgment value indicating the boundary between the 1st and 2nd current regions. Alternatively, the learning control unit corrects the switching timing based on the measured value of the surge voltage during the learning period.
このような構成とすることにより、 負荷の運転開始時に電力変換装置が起動さ れるのに伴い、 実際に負荷が運転されるまでの期間を利用して、 第 1および第 2 の電流領域の判定値、 あるいはスイッチング速度の切換タイミングを、 当該学習 期間でのサージ電圧の実績に基づいて更新する学習制御を実現することが可能と なる。 これにより、 学習制御実行後の実動作時において、 半導体スイッチング素 子のターンオン時におけるスィッチング速度制御をさらに適切に実行できるので、 サージ電圧抑制およびスィツチング損失低減の両立をさらに効果的に図ることが できる。 With this configuration, the first and second current regions are determined using the period until the load is actually operated as the power converter is started at the start of load operation. It is possible to realize learning control in which the value or switching speed switching timing is updated based on the actual surge voltage during the learning period. As a result, the switching speed control when the semiconductor switching element is turned on can be more appropriately executed in actual operation after execution of learning control, so that both suppression of surge voltage and reduction of switching loss can be achieved more effectively. .
また、 好ましくは、 駆動制御装置は、 半導体スイッチング素子の制御電極の容 量値をトリミングによって調整するための容量値調整回路をさらに備える。 Preferably, the drive control device further includes a capacitance value adjustment circuit for adjusting the capacitance value of the control electrode of the semiconductor switching element by trimming.
このような構成とすることにより、 半導体スィツチング素子の制御電極の容量 値の製造ばらつきに対応させて、 上述のスイッチング速度制御の効果を高めるこ とができる。 By adopting such a configuration, the effect of the switching speed control described above can be enhanced in response to manufacturing variations in the capacitance value of the control electrode of the semiconductor switching element.
好ましくは、 負荷は、 パルス幅変調制御により供給電流を制御される交流モー タであり、 電流推定部は、 交流モータの回転角度と、 ベク トル制御による電流指 令値とを用いて推定通電電流を算出する。
このような構成とすることにより、 交流モータを負荷とする半導体霉カ装置を 構成する半導体スィツチング素子の駆動制御装置において、 交流モータの回転角 度とベクトル制御に従う交流モータの電流指令値 (d軸, q軸電流指令値) から、 半導体スイッチング素子のターンオン後のオン電流を簡易かつ高精度に推定する ことが可能となる。 Preferably, the load is an AC motor whose supply current is controlled by pulse width modulation control, and the current estimation unit uses the rotation angle of the AC motor and a current command value by vector control to estimate the energization current. Is calculated. By adopting such a configuration, in the drive control device for the semiconductor switching element constituting the semiconductor cover device having the AC motor as a load, the current command value of the AC motor (d-axis) according to the rotation angle and vector control of the AC motor. , Q-axis current command value), it is possible to easily and accurately estimate the on-current after the semiconductor switching element is turned on.
したがって、 本発明の主たる利点は、 半導体スイッチング素子の電圧および z または電流のモニタ結果のフィードパックを伴うことなく、 ターンオン時におけ るサージ電圧抑制およびスィッチング損失低減の両立を図るための安定的なスィ ッチング速度制御を実行できる点にある。 図面の簡単な説明 Therefore, the main advantage of the present invention is that a stable switching for achieving both suppression of surge voltage and reduction of switching loss at the time of turn-on without involving the feed pack of the voltage and z or current monitoring result of the semiconductor switching element. It is in the point which can execute the etching speed control. Brief Description of Drawings
図 1は、 本発明に従う半導体スィツチング素子の駆動制御装置が適用されるモ 一タ駆動システムの全体構成を説明するブロック図である。 FIG. 1 is a block diagram illustrating an overall configuration of a motor drive system to which a drive control device for a semiconductor switching element according to the present invention is applied.
図 2は、 P WM制御によるモータ制御構成を説明する制御ブロック図である。 図 3は、 本! §明の実施の形態によるスィツチング素子の駆動制御装置の構成を 説明するプロック図である。 FIG. 2 is a control block diagram for explaining a motor control configuration by PWM control. Figure 3 shows a book! FIG. 5 is a block diagram illustrating a configuration of a drive control device for a switching element according to a clear embodiment.
図 4は、 スィツチング素子のターンオン時における電圧 ·電流挙動を示す動作 波形図である。 Fig. 4 is an operation waveform diagram showing the voltage / current behavior when the switching element is turned on.
図 5は、 スィツチング素子のサージ電圧およびサージ電圧発生までの遅れ時間 の通電電流に対する依存性を示す概念図である Fig. 5 is a conceptual diagram showing the dependence of the switching element's surge voltage and the delay time until the surge voltage is generated on the energizing current.
図 6は、 図 3に示した駆動制御回路の構成を詳細に説明するブロック図である。 図 7 A〜Cは、 本発^の実施の形態による半導体スィツチング素子の駆動制御 装置によるスィッチング速度制御の動作例を示す概念図である。 FIG. 6 is a block diagram illustrating in detail the configuration of the drive control circuit shown in FIG. FIGS. 7A to 7C are conceptual diagrams showing an operation example of switching speed control by the drive control device of the semiconductor switching element according to the embodiment of the present invention.
図 8は、 本発明の実施の形態の変形例に従うゲート容量調整回路の構成を示す 概念図である。 FIG. 8 is a conceptual diagram showing a configuration of a gate capacitance adjustment circuit according to a modification of the embodiment of the present invention.
図 9は、 本発明の実施の形態に従う半導体スィツチング素子の駆動制御装置に おける学習制御構成を示すプロック図である。 FIG. 9 is a block diagram showing a learning control configuration in the drive control apparatus for a semiconductor switching element according to the embodiment of the present invention.
図 1 0は、 図 9の学習制御部による学習制御動作を説明するフ口一チヤ一トで める。
発明を実施するための最良の形態 FIG. 10 is a flowchart for explaining the learning control operation by the learning control unit of FIG. BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
以下において、 本発明の実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。 なお以下では図中の同一または相当部分には同一符号を付して原則的にその説明 は繰返さないものとする。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. In the following, the same or corresponding parts in the drawings are denoted by the same reference numerals, and the description thereof will not be repeated in principle.
図 1は、 本発明に従う半導体スィツチング素子の駆動制御装置が適用されるモ ータ駆動システムの全体構成図である。 FIG. 1 is an overall configuration diagram of a motor drive system to which a drive control device for a semiconductor switching element according to the present invention is applied.
図 1を参照して、 本発明の実施の形態に従うモータ駆動システム 1 0 0は、 直 流電源 1 0と、 電圧センサ 1 3と、 平滑コンデンサ C Oと、 ィンバータ 2 0と、 制御装置 3 0と、 負荷である交流モータ MGとを備える。 Referring to FIG. 1, motor drive system 100 according to the embodiment of the present invention includes direct current power supply 10, voltage sensor 13, smoothing capacitor CO, inverter 20, and control device 30. And an AC motor MG as a load.
交流モータ MGは、 たとえば、 ハイブリッド自動車または電気自動車の駆動輪 を駆動するためのトルクを発生するための駆動用電動機である。 あるいは、 この 交流モータ MGは、 エンジンにて駆動される発電機の機能を持つように構成され てもよく、 電動機おょぴ努電機の機能を併せ持つように構成されてもよい。 さら に、 交流モータ MGは、 エンジンに対して電動機として動作し、 たとえば、 ェン ジン始動を行ない得るようなものとしてハイプリッド自動車に組み込まれるよう にしてもよレヽ。 AC motor MG is, for example, a drive motor for generating torque for driving drive wheels of a hybrid vehicle or an electric vehicle. Alternatively, the AC motor MG may be configured to have a function of a generator driven by an engine, or may be configured to have a function of an electric motor and an electric machine. Furthermore, AC motor MG operates as an electric motor for the engine, and may be incorporated into a hybrid vehicle, for example, so that it can start an engine.
直流電源 1 0は、 電源線 7およびアース線 5の間に直流電圧を出力する。 また、 直流電源 1 0は、 電源線 7およびアース線 5の間の直流電圧により充電可能であ る。 直流電源 1 0は、 代表的には、 ニッケル水素またはリチウムイオン等の二次 電池や電気二重層キャパシタの蓄電装置により構成される。 なお、 蓄電装置の出 力電圧 (直流) の電圧レベルを変化するためのコンバータを設けて、 直流電源 1 0の出力電圧、 すなわち、 電源線 7およびアース線 5の間の電圧を可変に制御す る構成としてもよい。 The DC power supply 10 outputs a DC voltage between the power supply line 7 and the ground line 5. The DC power supply 10 can be charged by a DC voltage between the power supply line 7 and the ground line 5. The DC power supply 10 is typically composed of a secondary battery such as nickel metal hydride or lithium ion or a power storage device of an electric double layer capacitor. A converter for changing the voltage level of the output voltage (DC) of the power storage device is provided to variably control the output voltage of DC power supply 10, that is, the voltage between power supply line 7 and ground line 5. It is good also as a structure to be.
平滑コンデンサ C Oは、 電源線 7およびアース線 5の間に接続さ; る。 インバ ータ 2 0の直流側電圧に相当する、 平滑コンデンサ C Oの端子間電圧は、 電圧セ ンサ 1 3により検出され、 その検出値は、 電子制御ユニット (E C U) により構 成される制御装置 3 0へ送出される。 The smoothing capacitor C O is connected between the power line 7 and the ground line 5. The voltage across the smoothing capacitor CO corresponding to the DC voltage of the inverter 20 is detected by the voltage sensor 13, and the detected value is the control device 3 configured by the electronic control unit (ECU) 3. Sent to 0.
インバータ 2 0は、 電源線 7およびアース線 5の間に並列に設けられる、 U相
回路 15と、 V相回路 1 6と、 W相回路 17とから成る。 各相回路は、 電源線 7 およびアース線 5の間に直列接続された電力用半導体スィツチング素子を含む。 電力用半導体スイッチング素子 (以下、 単に 「半導体スイッチング素子」 と称す る) としては、 I GBT (Insulated Gate Bipolar Transistor) が代表的に適 用される。 Inverter 20 is provided in parallel between power line 7 and ground line 5, Circuit 15, phase V circuit 16, and phase W circuit 17. Each phase circuit includes a power semiconductor switching element connected in series between a power line 7 and a ground line 5. IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor) is typically applied as a power semiconductor switching element (hereinafter simply referred to as “semiconductor switching element”).
U相回路 15は、 上アーム素子である半導体スィツチング素子 Q 1および下ァ ーム素子である半導体スイッチング素子 Q 2から成り、 V相回路 16は、 上ァー ム素子である半導体スィツチング素子 Q 3およぴ下アーム素子である半導体スィ ツチング素子 Q4から成り、 W相回路 17は、 上アーム素子である半導体スイツ チング素子 Q 5および下アーム素子である半導体スイツチング素子 Q 6から成る。 また、 各半導体スイッチング素子 Q 1〜Q 6に対して、 各半導体スイッチング素 子とは反対方向に電流を流すためのフリーホイールダイォード D 1〜D 6がそれ ぞれ接続されている。 半導体スィツチング素子 Q 1〜Q 6のオンオフは、 制御装 置 30からのスィツチング制御信号 S 1-S 6によって制御される。 The U-phase circuit 15 is composed of a semiconductor switching element Q 1 which is an upper arm element and a semiconductor switching element Q 2 which is a lower arm element. The V-phase circuit 16 is a semiconductor switching element Q 3 which is an upper arm element. The W-phase circuit 17 is composed of a semiconductor switching element Q5, which is an upper arm element, and a semiconductor switching element Q6, which is a lower arm element. In addition, free wheel diodes D1 to D6 are connected to the semiconductor switching elements Q1 to Q6, respectively, for flowing a current in the direction opposite to the semiconductor switching elements. On / off of the semiconductor switching elements Q 1 to Q 6 is controlled by switching control signals S 1 to S 6 from the control device 30.
交流モータ MGは、 代表的には 3相の永久磁石モータであり、 U, V, W相の The AC motor MG is typically a three-phase permanent magnet motor, with U, V, and W phases.
3つのコイルの一方端が中性点に共通接続される。 また、 U, V, W相コイルの 他端は、 インバータ 20の U, V, W相での上アーム素子および下アーム素子の 接続点と接続されている。 One end of the three coils is commonly connected to the neutral point. The other end of the U, V, W phase coil is connected to the connection point of the upper arm element and the lower arm element in the U, V, W phase of inverter 20.
インバータ 20は、 交流モータ MGのトルク指令値が正 (Tq c om>0) の 場合には、 平滑コンデンサ C 0からの直流電圧を、 制御装置 30からのスィッチ ング制御信号 S 1〜S 6に応答した、 半導体スィツチング素子 Q 1〜Q 6のスィ ツチング動作によって交流電圧に変換して正のトルクを出力するように交流モー タ MGを駆動する。 When the torque command value of the AC motor MG is positive (Tq com> 0), the inverter 20 applies the DC voltage from the smoothing capacitor C 0 to the switching control signals S 1 to S 6 from the control device 30. The AC motor MG is driven to output positive torque by converting to AC voltage by the switching operation of the semiconductor switching elements Q1 to Q6 that responded.
また、 インバータ 20は、 交流モータ MGのトルク指令値が零の場合 (Tq c om=0) には、 スィツチング制御信号 S 1-S 6に応答したスィツチング動作 により、 直流電圧を交流電圧に変換してトルクが零になるように交流モータ MG を駆動する。 これにより、 交流モータ MGは、 トルク指令値 T q c omによって 指定された零または正のトルクを発生するように駆動される。 Further, when the torque command value of the AC motor MG is zero (Tq com = 0), the inverter 20 converts the DC voltage into the AC voltage by the switching operation in response to the switching control signal S1-S6. Then, drive AC motor MG so that the torque becomes zero. As a result, AC motor MG is driven to generate zero or positive torque designated by torque command value T q c om.
さらに、 モータ駆動システム 100が搭載されたハイプリッド自動車または電
気自動車の回生制動時には、 交流モータ MGのトルク指令値 T q c o mは負に設 定される (T ci c o m < 0 ) 。 この場合には、 インバータ 2 0は、 スイッチング 制御信号 S 1〜S 6に応答したスィツチング動作により、 交流モータ MGが発電 した交流電圧を直流電圧に変換し、 その変換した直流電圧 (システム電圧) を平 滑コンデンサ C 0を介して直流電源 1 0の充電に用いることができる。 なお、 こ こで言う回生制動とは、 ハイプリッド自動車または電気自動車を運転するドライ バーによるフットブレーキ操作があった場合の回生発電を伴う制動や、 フットブ レーキを操作しないものの、 走行中にアクセルペダルをオフすることで回生発電 をさせながら車両を減速 (または加速の中止) させることを含む。 In addition, a hybrid vehicle equipped with the motor drive system 100 or an electric vehicle. During regenerative braking of an electric vehicle, the torque command value T qcom of AC motor MG is set negative (T ci com <0). In this case, the inverter 20 converts the AC voltage generated by the AC motor MG into a DC voltage by a switching operation in response to the switching control signals S1 to S6, and converts the converted DC voltage (system voltage). It can be used to charge a DC power supply 10 through a smoothing capacitor C0. In this context, regenerative braking refers to braking with regenerative power generation when a driver operating a hybrid vehicle or an electric vehicle is operated with regenerative power generation, or without operating the foot brake, but the accelerator pedal is This includes decelerating (or stopping acceleration) the vehicle while regenerating power by turning it off.
電流センサ 2 4は、 ホールセンサ等で構成され、 インバータ 2 0から交流モー タ MGへ供給されるモータ電流を検出し、 検出値を制御装置 3 0へ出力する。 な お、 三相電流 i u, i V , i wの瞬時値の和は零であるので、 図 1に示すよう.に 電流センサ 2 4は 2相分のモータ電流 (たとえば、 V相電流 i Vおよび W相電流 i w) を検出するように配置すれば足りる。 The current sensor 24 is composed of a hall sensor or the like, detects the motor current supplied from the inverter 20 to the AC motor MG, and outputs the detected value to the control device 30. Since the sum of the instantaneous values of the three-phase currents iu, i V and iw is zero, as shown in Fig. 1, the current sensor 24 has a motor current for two phases (for example, V-phase current i V and It suffices to arrange it to detect the W-phase current iw).
回転角センサ (代表的には、 レゾルバ) 2 5は、 交流モータ MGの回転角 0を 検出し、 その検出した回転角 0を制御装置 3 0へ送出する。 制御装置 3 0では、 回転角 0に基づき交流モータ MGの回転数 (回転速度) についても算出する。 制御装置 3 0は、 負荷である交流モータ MGの出力トルクを指示するトノレク指 令値 T q c o m 電圧センサ 1 3によって検出された直流電圧 V d c、 電流セン サ 2 4からのモータ電流 i V, i w、 回転角センサ 2 5からの回転角 0に基づい て、 交流モータ MGがトルク指令値 T q c o mに従ったトルクを出力するように、 インバータ 2 0の動作を制御する。 代表的には、 トルク指令値 T q c o mに対応 させてインバータ 2 0から交流モータ MGへ供給される電流 (モータ電流) の指 令値を決定するとともに、 指令値に従ったモータ電流が発生されるように半導体 スィツチング素子 Q 1〜Q 6をオンオフさせるためのスィツチング制御信号 S 1 〜S 6を生成して、 インバータ 2 0へ出力する。 A rotation angle sensor (typically, a resolver) 25 detects the rotation angle 0 of AC motor MG and sends the detected rotation angle 0 to control device 30. The control device 30 also calculates the rotational speed (rotational speed) of the AC motor MG based on the rotational angle 0. Controller 30 is a Tonlek command value that indicates the output torque of AC motor MG, which is a load. T qcom DC voltage V dc detected by voltage sensor 1 3, motor current i V, iw from current sensor 2 4 Based on the rotation angle 0 from the rotation angle sensor 25, the operation of the inverter 20 is controlled so that the AC motor MG outputs a torque according to the torque command value Tqcom. Typically, the command value of the current (motor current) supplied from the inverter 20 to the AC motor MG is determined in accordance with the torque command value T qcom, and the motor current is generated according to the command value. Thus, switching control signals S 1 to S 6 for turning on / off the semiconductor switching elements Q 1 to Q 6 are generated and output to the inverter 20.
次に、 制御装置 3 0によって制御される、 インバータ 2 0における電力変換に ついて詳細に説明する。 図 1に示したモータ駆動システムによるモータ制御には 種々の方式が適用できる。
代表的には、 一般的な P WM制御として用いられる正弦波パルス幅変調 ( P W M) 制御に従って半導体スィツチング素子 Q 1〜Q 6をオンオフ制御することに より、 直流電圧を交流電圧へ変換して、 交流のモータ電流を発生することができ る。 あるいは、 交流モータの高速域での出力を確保するために、 矩形波電圧制御 も適用される。 Next, power conversion in the inverter 20 controlled by the control device 30 will be described in detail. Various methods can be applied to motor control by the motor drive system shown in Fig. 1. Typically, the semiconductor switching elements Q1 to Q6 are turned on and off according to sinusoidal pulse width modulation (PWM) control, which is used as general PWM control, to convert DC voltage to AC voltage, AC motor current can be generated. Alternatively, rectangular wave voltage control is also applied to ensure output in the high speed range of the AC motor.
一般的に知られるように、 PWM制御は、 一定周期ごとに方形波出力電圧のパ ルス幅を変化させることによって、 周期ごとの出力電圧平均値を変化きせる制御 方式である。 一般的には、 一定周期を搬送波の周期に対応する複数のスィッチン グ周期に分割し、 スィツチング周期ごとに半導体スィツチング素子のオンオフ制 御を行なうことにより、 'パルス幅変調制御が行なわれる。 As is generally known, PWM control is a control method in which the average value of the output voltage for each period can be changed by changing the pulse width of the square wave output voltage for each fixed period. In general, the pulse width modulation control is performed by dividing a fixed period into a plurality of switching periods corresponding to the carrier period and performing on / off control of the semiconductor switching element for each switching period.
正弦波 PWM制御では、 トルク指令値 T q c o mに対応して設定された電流指 令値と、 モータ電流の検出値との電流偏差に応じて、 モータ電流を制御する電流 フィードバック制御が行われる。 具体的には、 上記電流偏差を解消するようにィ ンパータ 2 0の各相での正弦波状の電圧指令値が設定され、 さらに、 高周波の搬 送波 (代表的には三角波) と、 電圧指令値 (正弦波) との電圧比較に基づき、 各 相の上アーム素子および下アーム素子のオンオフが制御される。 In sine wave PWM control, current feedback control is performed to control the motor current in accordance with the current deviation between the current command value set corresponding to the torque command value T q co m and the detected motor current value. Specifically, a sinusoidal voltage command value is set for each phase of the inverter 20 so as to eliminate the current deviation, and a high-frequency carrier wave (typically a triangular wave) and a voltage command Based on the voltage comparison with the value (sine wave), on / off of the upper and lower arm elements of each phase is controlled.
この結果、 モータ電流の交流 1周期が搬送波周期により複数のスィツチング区 間に分割されて、 スィツチング期間毎に半導体スィツチング素子のオンオフが制 御されることとなる。 すなわち、 このオンオフ制御に対応したパルス状電圧の集 合によって、 交流モータ MGの 1回転 (電気角 7 2 0 ° ) の期間内でその基本波 成分が正弦波となるような交流電圧 (変調率 = 0 . 6 1 ) が発生される。 このよ うに、 正弦波 PWM制御では、 各半導体スイッチング素子は、 搬送波周波数に従 つてオンオフを制御される。 As a result, one AC period of the motor current is divided into a plurality of switching sections by the carrier wave period, and the on / off state of the semiconductor switching element is controlled for each switching period. In other words, an AC voltage (modulation rate) whose fundamental wave component becomes a sine wave within the period of one rotation of the AC motor MG (electrical angle 720 °) is obtained by a collection of pulse voltages corresponding to this on / off control. = 0. 6 1) is generated. Thus, in the sine wave PWM control, each semiconductor switching element is controlled to be turned on and off according to the carrier frequency.
ここで、 PWM制御によるモータ制御構成について、 図 2を用いて詳細に説明 する。 Here, the motor control configuration by PWM control will be described in detail with reference to FIG.
図 2を参照して、 PWM制御プロック 2 0 0は、 電流指令生成部 2 1 0と、 座 標変換部 2 2 0 , 2 5 0と、 P I演算部 2 4 0と、 P WM信号生成部 2 6 0とを 含む。 なお、 PWM制御プロック 2 0 0は、 制御装置 3 0に予め記憶されたプロ グラムを所定周期で実行することにより実現される機能プロックを示すものであ
る。 Referring to FIG. 2, PWM control block 200 includes a current command generator 2 1 0, a coordinate converter 2 2 0, 2 5 0, a PI calculator 2 4 0, and a P WM signal generator. 2 6 0 included. The PWM control block 200 indicates a function block realized by executing a program stored in the control device 30 in advance at a predetermined cycle. The
電流指令生成部 210は、 予め作成されたマップ等に従って、 交流モータ MG のトルク指令値 Tq c omに応じて、 電流指令値 I d c o m ( d軸) および I q c om (q軸) を生成する。 Current command generation unit 210 generates current command values I d com (d-axis) and I q com (q-axis) according to torque command value Tq com of AC motor MG according to a map created in advance.
座標変換部 220は、 交流モータ MGに設けられた回転角センサ 25によって 検出される回転角 0を用いた座標変換 (3相→2相) により、 電流センサ 24に よって検出された The coordinate conversion unit 220 is detected by the current sensor 24 by coordinate conversion (3 phase → 2 phase) using the rotation angle 0 detected by the rotation angle sensor 25 provided in the AC motor MG.
モータ電流 ( i v, i w, i u=— ( i v+ i w) ) を基に、 d軸電流 i dおよ び q軸電流 i qを算出する。 Calculate the d-axis current i d and the q-axis current i q based on the motor current (iv, iw, iu = — (iv + iw)).
P I演算部 240には、 d軸電流の指令値に対する偏差 Δ I d (Δ I d= I d c om— i d) および q軸電流の指令値に対する偏差 Δ I q (Δ I q= I q c o m- i q) が入力される。 P I演算部 240は、 d軸電流偏差 Δ I dおよび q軸 電流偏差 Δ I qのそれぞれについて、 所定ゲインによる P I演算を行なって制御 偏差を求め、 この制御偏差に応じた d軸電圧指令値 V d #および q軸電圧指令値 Vq#を生成する。 The PI calculation unit 240 includes a deviation Δ I d (Δ I d = I dc om—id) for the d-axis current command value and a deviation Δ I q (Δ I q = I qco m- iq) is entered. The PI calculation unit 240 obtains a control deviation by performing PI calculation with a predetermined gain for each of the d-axis current deviation Δ I d and the q-axis current deviation Δ I q, and the d-axis voltage command value V corresponding to the control deviation is calculated. d # and q axis voltage command value Vq # is generated.
座標変換部 250は、 交流モータ MGの回転角 Θを用いた座標変換 (2相→3 相) によって、 d軸電圧指令値 Vd#および q軸電圧指令値 (1#を1;相、 V相、 W相の各相電圧指令値 Vu, V v. Vwに変換する。 The coordinate converter 250 converts the d-axis voltage command value Vd # and q-axis voltage command value (1 # into 1; phase, V-phase) by coordinate conversion using the rotation angle Θ of the AC motor MG (2 phase → 3 phase). , W phase phase voltage command value Vu, V v. Convert to Vw.
PWM信号生成部 260は、 各相における電圧指令値 Vu, V V , Vwと所定 の搬送波との比較に基づいて、 図 1に示した、 インバータ 20のスイッチング制 御信号 S 1〜S 6を生成する。 The PWM signal generation unit 260 generates the switching control signals S1 to S6 of the inverter 20 shown in FIG. 1 based on the comparison of the voltage command values Vu, VV, Vw in each phase and a predetermined carrier wave. .
ィンバータ 20が、 PWM制御ブロック 200によって生成されたスィッチン グ制御信号 S 1〜S 6に従ってスイッチング制御されることにより、 交流モータ MGへは、 トルク指令値 Tq c omに従ったトルクを出力するためのモータ電流 が供給される。 The inverter 20 is switching-controlled according to the switching control signals S 1 to S 6 generated by the PWM control block 200, so that the AC motor MG can output torque according to the torque command value Tq com. Motor current is supplied.
一方、 矩形波制御では、 基本波成分を高めるために、 交流モータ MGの回転速 度に同期した周波数の矩形波電圧が印加される。 これにより、 交流電圧の変調率 が 0. 78に高められる。 なお、 矩形波制御では、 トルク指令値とトルク実績値 との偏差に従って、 矩形波電圧の電圧位相が制御される。
また、 交流モータの運転状態に応じて、 正弦波 PWM制御および矩形波制御を 切換える制御構成では、 両者の切換領域での出力を滑らかに制御するために、 正 弦波 P WM制御と矩形波制御の中間的な変調率を得るために過変調 P WM制御が 適用されることもある。 過変調 P WM制御では、 正弦波 P WM制御と同様の電流 制御の下で、 電圧指令振幅を増大側に歪ませることにより、 基本波成分を歪ませ ることができ、 変調率を 0 . 6 1〜0 . 7 8の範囲まで高めることができる。 上述のように、 ィンバータ 2 0による電力変換は、 矩形波制御および? WM制 御 (正弦波 P WM制御および過変調 P WM制御を包括的に表記するもの) に大別 される。 ただし、 矩形波制御では、 PWM制御と比較して半導体スイッチング素 子のオンオフ回数が極めて少なくなるため、 スイッチング損失が本来低く、 本発 明に従う半導体スイツチング素子の駆動制御装置によるスィッチング速度制御は 一般的に不要である。 ' On the other hand, in the rectangular wave control, a rectangular wave voltage having a frequency synchronized with the rotational speed of the AC motor MG is applied to increase the fundamental wave component. This increases the modulation rate of the AC voltage to 0.78. In the rectangular wave control, the voltage phase of the rectangular wave voltage is controlled according to the deviation between the torque command value and the actual torque value. In addition, in the control configuration that switches between sine wave PWM control and rectangular wave control according to the operating state of the AC motor, the sine wave P WM control and rectangular wave control are used to smoothly control the output in the switching area of both. Overmodulation P WM control may be applied to obtain an intermediate modulation rate. In overmodulation P WM control, the fundamental wave component can be distorted by distorting the voltage command amplitude to the increasing side under current control similar to sine wave P WM control, and the modulation factor is set to 0.6. It can be increased to a range of 1 to 0.78. As mentioned above, the power conversion by the inverter 20 is the rectangular wave control and? WM control (sine wave P WM control and over-modulation P WM control are generally described). However, in the rectangular wave control, the number of times the semiconductor switching element is turned on and off is extremely small compared to the PWM control, so the switching loss is inherently low, and the switching speed control by the drive control device of the semiconductor switching element according to the present invention is common. Is unnecessary. '
これに対して PWM制御では、 搬送波周波数が数 k H z〜数十 k H z程度に設 定されることが一般的であるため、 各半導体スイッチング素子は、 比較的高周波 でオンオフを制御される。 このため、 サージ電圧抑制のためにスィッチング速度 を低下させるとスィツチング損失の増加が問題となる一方で、 スィツチング損失 低減のためにスィツチング速度を高くするとサージ電圧が大きくなつてしまう。 このため、 PWM制御では、 スイッチング損失低減およびサージ電圧抑制の両面 からスィツチング速度を設定する必要がある。 In contrast, in PWM control, the carrier frequency is generally set to several kilohertz to several tens of kilohertz, so each semiconductor switching element is controlled to be turned on and off at a relatively high frequency. . For this reason, if the switching speed is lowered to suppress the surge voltage, an increase in switching loss becomes a problem. On the other hand, if the switching speed is increased to reduce the switching loss, the surge voltage increases. For this reason, in PWM control, it is necessary to set the switching speed in terms of both switching loss reduction and surge voltage suppression.
(スイッチング速度制御) (Switching speed control)
本発明の実施の形態による半導体スィツチング素子の駆動装置では、 スィツチ ング損失低減およびサージ電圧抑制の両立を図るために、 以下に説明するような スィッチング速度制御を実行する。 In the semiconductor switching element driving apparatus according to the embodiment of the present invention, switching speed control as described below is executed in order to achieve both switching loss reduction and surge voltage suppression.
図 3は、 本発明の実施の形態による半導体スィツチング素子の駆動制御装置の 構成を説明するブロック図である。 図 3には、 インバータ 2 0の一相分の構成が 示される。 FIG. 3 is a block diagram illustrating the configuration of the drive control device for the semiconductor switching element according to the embodiment of the present invention. FIG. 3 shows the configuration of one phase of inverter 20.
図 3を参照して、.アース線 5および電源線 7の間に、 負荷と接続される中間ノ ード N iを介して直列に接続された 2個の半導体スイッチング素子 Q aおよび Q bが接続されている。 なお、 半導体スィツチング素子 Q aは、 図 1の半導体スィ
ツチング素子 Q 2 , Q 4, Q 6を総括的に表記するものであり、 半導体スィッチ ング素子 Q bは、 図 1の半導体スイッチング素子 Q l , Q 3 , Q 5を総括的に表 記するものである。 半導体スィツチング素子 Q aには、 逆並列ダイォードとして のフリーホイールダイオード D aが並列に接続されている。 同様に、 半導体スィ ツチング素子 Q bに対しても、 フリーホイールダイオード D bが並列に接続され ている。 Referring to FIG. 3, two semiconductor switching elements Q a and Q b connected in series via an intermediate node N i connected to the load are connected between the ground wire 5 and the power supply wire 7. It is connected. The semiconductor switching element Q a is the semiconductor switching element shown in Fig. 1. The switching elements Q 2, Q 4, and Q 6 are collectively described, and the semiconductor switching element Q b is a comprehensive description of the semiconductor switching elements Q l, Q 3, and Q 5 in FIG. It is. A freewheeling diode Da as an antiparallel diode is connected in parallel to the semiconductor switching element Qa. Similarly, a freewheeling diode Db is connected in parallel to the semiconductor switching element Qb.
以下では、 代表的に下アーム素子である半導体スィツチング素子 Q aのゲート (制御電極) の電圧駆動制御のための構成について説明するが、 上アーム素子で ある半導体スィツチング素子 Q bについても、 同様の構成によりグート電圧駆動 が制御されるものとする。 In the following, the configuration for voltage drive control of the gate (control electrode) of the semiconductor switching element Qa, which is typically the lower arm element, will be described, but the same applies to the semiconductor switching element Qb, which is the upper arm element. The Gout voltage drive shall be controlled by the configuration.
まず、 半導体スィツチング素子 Q aのターンオン時の電圧 .電流挙動について、 図 4を用いて説明する。 First, the voltage and current behavior when the semiconductor switching element Qa is turned on will be described with reference to FIG.
図 4を参照して、 時刻 t Oにおいて、 半導体スィ、クチング素子 Q a, Q bのォ ンオフを切換えるようにスィツチング制御信号が生成されて、 半導体スィッチン グ素子 Q aのターンオンが開始される。 この時点において、 半導体スイッチング 素子 Q aを流れるトランジスタ電流 I c = 0である。 一方、 上アームでは、 半導 体スィッチング素子 Q bがターンオフされるのに伴い、 フリ一ホイールダイォー ド D bによって、 負荷 (交流モータ MGの L成分に相当) への当該相の供給電 流 (モータ電流) が還流されている (ダイオード電流 I f ≠0 ) 。 この状態から、 半導体スイッチング素子 Q aのターンオンに応答して、 モータ電流が半導体スィ ツチング素子 Q aにより流されるように、 トランジスタ電流 I cおよびダイォー ド電流 I ίが変化を始める。 Referring to FIG. 4, at time t O, a switching control signal is generated so as to switch on / off of semiconductor switching elements Q a and Q b, and turn-on of semiconductor switching element Q a is started. At this time, the transistor current I c flowing through the semiconductor switching element Q a is 0. On the other hand, in the upper arm, as the semiconductor switching element Q b is turned off, the current supplied to the load (corresponding to the L component of the AC motor MG) by the free wheel diode D b (motor) Current) is recirculated (diode current I f ≠ 0). From this state, in response to the turn-on of the semiconductor switching element Q a, the transistor current I c and the diode current I ί start to change so that the motor current is caused to flow by the semiconductor switching element Q a.
時刻 t 0力ゝら、 半導体スィツチング素子 Q aのゲート電圧 V g eは、 所定のォ フ電圧から所定のオン電圧へ向けて駆動される。 ゲート電圧 V g eが上昇するの に伴って、 トランジスタ電流 I cが流れ始める一方で、 コレクタェミッタ間電圧 V c eがそれに伴い低下する。 At time t 0, the gate voltage Vge of the semiconductor switching element Qa is driven from a predetermined off voltage toward a predetermined on voltage. As the gate voltage V g e increases, the transistor current I c begins to flow, while the collector-emitter voltage V c e decreases accordingly.
一方で、 ゲート電圧 V g eの上昇に伴い、 フリ一ホイールダイォード D bのダ ィオード電流 I f は、 徐々に 0に近づく。 そして、 ダイオード電流 I ί = 0とな つた時点から、 ダイォード霉圧 V a kが上昇を始める。
ここで、 ターンオン指令が発生される時刻 t 0から、 ダイオード電流 I f = 0 となってダイオード電圧 V a kが立上がるまでの時間遅れ t d、 およびその後の ダイオード電圧 V a kのピーク値、 すなわちサージ電圧は、 半導体スイッチング 素子 Q aのターンオン開始時におけるモータ電流 (対応相) に依存する。 On the other hand, the diode current If of the free wheel diode Db gradually approaches 0 as the gate voltage Vge increases. Then, when the diode current I ί = 0, the diode voltage V ak starts to rise. Here, the time delay td from the time t 0 when the turn-on command is generated to the diode current If f becomes 0 and the diode voltage V ak rises, and the subsequent peak value of the diode voltage V ak, that is, the surge voltage Depends on the motor current (corresponding phase) at the start of turn-on of the semiconductor switching element Qa.
上述のように、 PWM制御では、 半導体スイッチング素子 Q aのターンオンに 応答して、 反対アームの半導体スィツチング素子 Q bのターンオン期間に流され ていた当該相のモータ電流が、 半導体スイッチング素子 Q aに流されることとな る。 したがって、 半導体スイッチング素子 Q aのターンオン開始時におけるモー タ電流は、 半導体スイッチング素子 Q aのターンオン後における通電電流 (トラ ンジスタ電流 I c ) とほぼ同等である。 As described above, in the PWM control, in response to the turn-on of the semiconductor switching element Q a, the motor current of the relevant phase that was passed during the turn-on period of the semiconductor switching element Q b of the opposite arm is transferred to the semiconductor switching element Q a. Will be washed away. Therefore, the motor current at the start of turn-on of the semiconductor switching element Qa is substantially equal to the energization current (transistor current Ic) after the turn-on of the semiconductor switching element Qa.
ここで、 非特許文献 1にも開示されるように、'通電電流が低い状態 (以下、 低 電流状態) で半導体スイッチング素子 Q aがターンオンされる場合には、 フリー ホイールダイォード D bではキヤリァが少ない状態から逆バイアス電圧が印加さ れるために、 非常に短時間で空乏層が進展することになる。 この結果、 フリーホ ィールダイォード D bでは過大なダイォード電圧 V a kが発生し易くなり、 サー ジ電圧が上昇する。 Here, as disclosed in Non-Patent Document 1, when the semiconductor switching element Q a is turned on in a state where the energization current is low (hereinafter referred to as a low current state), the free wheel diode D b carries the carrier. Since the reverse bias voltage is applied from a state with a small amount of depletion, the depletion layer develops in a very short time. As a result, in the freewheel diode Db, an excessive diode voltage Vak is likely to occur, and the surge voltage rises.
なお、 図 4の例では、 サージ電圧が低いレベルでの動作波形例が示されている 1S 半導体スイッチング素子がより低電流状態、 すなわち、 時刻 t O時点におけ るダイォード電流 I f の絶対値がより小さい状態でターンオンされた場合には、 ダイォード電圧 V a kの波形が振動して、 大きなサージ電圧が発生するようにな る。 In the example of Fig. 4, the 1S semiconductor switching element, which shows an example of the operation waveform at a low surge voltage level, is in a lower current state, that is, the absolute value of the diode current If at time t O is When turned on in a smaller state, the waveform of the diode voltage V ak oscillates and a large surge voltage is generated.
図 5は、 半導体スィツチング素子のサージ電圧 V s gおよびサージ電圧発生ま での遅れ時間 t dの通電電流に対する依存性を示す概念図である。 FIG. 5 is a conceptual diagram showing the dependence of the surge voltage V s g and the delay time t d until the surge voltage is generated on the energizing current of the semiconductor switching element.
上述のように、 .サージ電圧 V s gは、 ダイォード電圧 V a kに依存するので、 半導体スイッチング素子の通電電流 (トランジスタ電流) I cが低電流であると きに相対的に大きく、 高電流になるに従って低下していく特性を有する。 このよ うな I c一 V s gの特性は、 半導体スイッチング素子の動作実験を予め実行する ことにより把握できる。 As described above, since the surge voltage V sg depends on the diode voltage V ak, when the conduction current (transistor current) I c of the semiconductor switching element is low, it becomes relatively large and high. It has the characteristic that it decreases according to. Such a characteristic of I c –V s g can be grasped by performing an operation experiment of the semiconductor switching element in advance.
一方、 図 4にも示したように、 通電電流 I cが大きい領域では、 ターンオン開
始時におけるダイォード電流 I ίの絶対値も大きいので、 ダイォード電流 I f が 0に復帰してダイオード電圧 V a kが立上がるまでの遅れ時間 (以下、 サージ発 生時間遅れ) t dも大きくなる。 このため、 図 5に示すように、 サージ発生時間 遅れ t dは、 通電電流 I cが高電流になるに従って長くなる特性を示している。 図 5に示すような I c— V s g特性に基づいて、 半導体スィツチング素子の定 格耐圧に対応して決定されるサージ電圧 V s gの許容上限値 V s m a xが決定さ れると、 サージ電圧 V s gが V s m a Xを超える境界電流 I tを求めることがで きる。 そして、 I c— V s g特性と、 境界電流 I tとから、 サージ電圧 V s g力 S 許容上限値 V s m a Xを超える電流領域 4 0 0と、 サージ電圧 V s gが許容上限 値 V s m a x以下に収まる電流領域 4 1 0とが定義できる。 On the other hand, as shown in Fig. 4, the turn-on Since the absolute value of the diode current I ί at the start is also large, the delay time (hereinafter referred to as surge generation time delay) td until the diode current V ak rises after the diode current I f returns to 0 also increases. For this reason, as shown in FIG. 5, the surge occurrence time delay td shows a characteristic that becomes longer as the conduction current I c becomes higher. When the allowable upper limit V smax of the surge voltage V sg determined according to the rated breakdown voltage of the semiconductor switching element is determined based on the I c – V sg characteristics as shown in Fig. 5, the surge voltage V sg The boundary current It that exceeds V sma X can be obtained. Then, from the I c-V sg characteristics and the boundary current It, the surge voltage V sg force S is the current region exceeding the allowable upper limit value V sma X, and the surge voltage V sg is below the allowable upper limit value V smax. The current region 4 1 0 that can be defined can be defined.
図 5に示すような I c _ V s g特性では、 I c≤ I tの電流領域 4 0 0では、 許容上限値 V s m a Xを超えるサージ電圧 V s gの発生が予想される一方で、 I c > I tの電流領域 4 1 0では、 サージ電圧 V s gが許容上限値 V s m a X以下 に収まるものと予想される。 以下では、 電流領域 4 0 0を高サージ領域 4 0 0と も称し、 電流領域 4 1 0を低サージ領域 4 1 0とも称することとする。 すなわち、 電流領域 4 0 0は本発明での 「第 1の電流領域」 に対応し、 電流領域 4 1 0は本 発明での 「第 2の電流領域」 に対応する。 In the I c _ V sg characteristic as shown in Fig. 5, in the current region 4 0 0 of I c ≤ I t, surge voltage V sg exceeding the allowable upper limit V sma X is expected to occur, but I c > In the current region 4 1 0, the surge voltage V sg is expected to be within the allowable upper limit V sma X. Hereinafter, the current region 4 0 0 is also referred to as a high surge region 4 0 0, and the current region 4 1 0 is also referred to as a low surge region 4 1 0. That is, the current region 400 corresponds to the “first current region” in the present invention, and the current region 41 0 corresponds to the “second current region” in the present invention.
なお、 I c一 V s g特性および I c― t d特性は、 素子温度に依存して変化す る。 したがって、 素子温度の変化に対する境界電流 I tの変化を予め実験等によ り求めておくことにより、 実動作時には、 素子温度の検出値に基づいて、 温度依 存性を反映して境界電流 I tを設定することができる。 The I c vs V s g characteristics and I c – t d characteristics vary depending on the element temperature. Therefore, by determining the change in the boundary current I t with respect to the change in the element temperature through experiments and the like in advance, the boundary current I reflects the temperature dependency based on the detected element temperature during actual operation. t can be set.
同様に、 直流電源 1 0の出力電圧 V d cが可変制御される構成では、 半導体ス イッチング素子への印加電圧 (V c e ) が変化するので、 I c— V s g特性およ び I c一 t d特性も電圧に応じて変化する。 したがって、 印加電圧の変化に対す る境界電流 I tの変化を予め実験等により求めておくことにより、 実動作時には、 電圧センサ 1 3の検出値 (直流電圧 V d c ) に基づいて、 電圧依存'性を反映して 境界電流 I tを設定することができる。 Similarly, in a configuration in which the output voltage V dc of the DC power supply 10 is variably controlled, the applied voltage (V ce) to the semiconductor switching element changes, so I c-V sg characteristics and I c The characteristics also change depending on the voltage. Therefore, the change in the boundary current It with respect to the change in the applied voltage is obtained in advance through experiments, etc., so that in actual operation, the voltage dependence is determined based on the detection value (DC voltage V dc) of the voltage sensor 13. The boundary current It can be set reflecting the characteristics.
以下に詳細に説明するように、 本発明の実施の形態による半導体スィツチング 素子の駆動制御装置では、 このような通電電流に対するサージ電圧 V s gおよび
サージ宪生時間遅れ t dの特性に従って、 フィードフォヮ一ド的に半導体スィッ チング素子のゲート電圧駆動速度、 すなわちスィツチング速度を可変に制御する。 再び図 3を参照して、 各半導体スィツチング素子に対して、 駆動制御回路 50 と、 ドライバ 120, 125と、 ゲート抵抗 1 30, 135が設けられる。 As will be described in detail below, in the semiconductor switching element drive control device according to the embodiment of the present invention, the surge voltage V sg and According to the characteristics of surge generation time delay td, the gate voltage drive speed of the semiconductor switching element, that is, the switching speed is variably controlled in a feed forward manner. Referring again to FIG. 3, a drive control circuit 50, drivers 120 and 125, and gate resistors 130 and 135 are provided for each semiconductor switching element.
ドライバ 120は、 駆動制御回路 50カゝらの制御信号 S D 1のオン時に、 ゲー ト抵抗 1 30 (抵抗値 R1) を介して、 ゲート Gをオフ電圧 VLからオン電圧 V Hへ駆動する。 一方、 ドライバ 125は、 駆動制御回路 50からの制御信号 SD 2のオン時に、 ゲート抵抗 135 (抵抗イ直 R 2) を介して、 ゲート Gをオフ電圧 VLからオン電圧 VHへ駆動する。 ドライバ 120およびゲート抵抗 130と、 ドライバ 125およびゲート抵抗 135とは、 ゲート Gに対して並列に設けられ ている。 なお、 オン電圧 VHは、 半導体スイッチング素子をターンオンさせるた めのゲート電圧に相当し、 オフ電圧 VLは、 半導体スイッチング素子をターンォ フさせるためのゲート電圧に相当する。 The driver 120 drives the gate G from the off voltage VL to the on voltage V H through the gate resistor 1 30 (resistance value R1) when the control signal S D 1 of 50 drive control circuits is turned on. On the other hand, when the control signal SD2 from the drive control circuit 50 is turned on, the driver 125 drives the gate G from the off voltage VL to the on voltage VH via the gate resistor 135 (resistance R2). The driver 120 and the gate resistor 130, and the driver 125 and the gate resistor 135 are provided in parallel to the gate G. The on-voltage VH corresponds to the gate voltage for turning on the semiconductor switching element, and the off-voltage VL corresponds to the gate voltage for turning off the semiconductor switching element.
ここで、 ゲート抵抗 135の抵抗値 R 2はグート抵抗 130の抵抗値 R 1より も小さいものとする。 したがって、 ドライバ 120によってゲート電圧を駆動す る場合には相対的に低速スィツチングが行なわれる。 一方、 ドライバ 125によ り、 あるいは、 ドライバ 120, 125の両方によってゲート電圧を駆動する場 合には、 相対的に高速スィツチングが実行されることとなる。 Here, it is assumed that the resistance value R 2 of the gate resistor 135 is smaller than the resistance value R 1 of the gout resistor 130. Therefore, when the gate voltage is driven by the driver 120, relatively low speed switching is performed. On the other hand, when the gate voltage is driven by the driver 125 or by both the drivers 120 and 125, relatively high-speed switching is performed.
駆動制御回路 50は、 対応の半導体スィツチング素子 Q bのオン期間を指示す るオン指令信号 S Wo nと、 インバータ 20から交流モータ MGへ供給されるモ ータ電流制御の指令値 I c o mとに基づいて、 ドライバ 120, 1 25の制御信 号 SD 1, SD 2を生成することによって、 半導体スイッチング素子 Qbのター ンオン時におけるスィッチング速度を制御する。 The drive control circuit 50 generates an ON command signal S Wo indicating the ON period of the corresponding semiconductor switching element Q b and a motor current control command value I com supplied from the inverter 20 to the AC motor MG. Based on this, the control signals SD 1 and SD 2 of the drivers 120 and 125 are generated to control the switching speed when the semiconductor switching element Qb is turned on.
以下、 本実施の形態では、 駆動制御回路 50は、 ターンオン時のスイッチング 速度を 2段階に制御するものとする。 具体的には、 制御信号 SD 1のみをオンす ることにより、 ドライバ 120のみによってゲート電圧を相対的に低速で駆動す る 「低速スイッチング」 と、 制御信号 SD 1, SD 2の両方をオンすることによ り、 ドライバ 120, 125によってゲート電圧を相対的に高速で駆動する 「高 速スイッチング」 とが選択的に行われるものとする。
なお、 スイッチング速度の切換を実現するための回路構成については、 図 3に 例示した構成に限定されるものではなく、 周知の回路構成のいずれをも適用でき る点について確認的に記載する。 たとえば、 ゲート抵抗値の切換ではなく、 L, C成分を含むィンピーダンス値を変化させることによりスィツチング速度を変化 させてもよい。 あるいは、 単一のドライバによりゲート電圧を駆動する構成とし た上で、 ゲート抵抗値やインピーダンス値を切換えることによってスィツチング 速度を変化させてもよい。 Hereinafter, in the present embodiment, it is assumed that the drive control circuit 50 controls the switching speed at turn-on in two stages. Specifically, by turning on only the control signal SD1, turning on both the control signals SD1 and SD2 as well as "low speed switching" where the gate voltage is driven at a relatively low speed only by the driver 120. Therefore, “high-speed switching” in which the gate voltage is driven at a relatively high speed by the drivers 120 and 125 is selectively performed. Note that the circuit configuration for realizing switching of the switching speed is not limited to the configuration illustrated in FIG. 3, but a point that any known circuit configuration can be applied will be described. For example, instead of switching the gate resistance value, the switching speed may be changed by changing the impedance value including the L and C components. Alternatively, the gate voltage may be driven by a single driver, and the switching speed may be changed by switching the gate resistance value or impedance value.
図 6は、 図 3に示した駆動制御回路 5 0の構成を詳細に説明するブロック図で あ 。 FIG. 6 is a block diagram for explaining in detail the configuration of the drive control circuit 50 shown in FIG.
図 6を参照して、 駆動制御回路 5 0は、 スィツチング速度制御部 5 5と、 電流 レベル推定部 6 0とを含む。 スィツチング速度制御部 5 5は、 判定部 7 0と、 切 換タイミング設定部 8 0と、 低速スィツチング指示部 9 0と、 高速スィツチング 指示部 9 5とを含む。 Referring to FIG. 6, drive control circuit 50 includes a switching speed control unit 55 and a current level estimation unit 60. Switching speed control unit 55 includes a determination unit 70, a switching timing setting unit 80, a low speed switching instruction unit 90, and a high speed switching instruction unit 95.
電流レベル推定部 6 0は、 半導体スイッチング素子のターンオン指令時におけ る電流指令値 I c o mに基づいて、 当該オン期間における半導体スイッチング素 子の通電電流推定値 I c #を算出する。 Based on the current command value I com at the turn-on command of the semiconductor switching element, the current level estimation unit 60 calculates the energization current estimated value I c # of the semiconductor switching device in the on period.
なお、 インバータ 2 0から負荷である交流モータ MGへ供給されるモータ電流 は、 交流モータの回転周期に対応した交流電流であるが、 PWM制御での搬送波 の各周期に対応して設けられる各半導体スィツチング素子の各オン期間での通電 電流は、 上記交流電流の時間軸上での 1点での瞬時値に対応することとなる。 電流指令値 I c o mは、 PWM制御においては、 図 2に示した d軸電流指令値 The motor current supplied from the inverter 20 to the AC motor MG as a load is an AC current corresponding to the rotation cycle of the AC motor, but each semiconductor provided corresponding to each cycle of the carrier wave in PWM control. The energization current during each ON period of the switching element corresponds to the instantaneous value at one point on the time axis of the AC current. The current command value I com is the d-axis current command value shown in Fig. 2 in PWM control.
1 d c o mおよび q軸電流指令値 I q c o mに対応する。 すなわち、 直流値であ る d軸電流指令値 I d c o mおよび q軸電流指令値 I q c o mを、 回転角センサCorresponds to 1 d c o m and q-axis current command value I q c o m. That is, the d-axis current command value I d com and the q-axis current command value I q com that are direct current values are
2 5により検出された回転角 0を用いて、 一般的に用いられる 2相 (d, q相) →3相 (U, V, W相) 変換することにより、 今回のターンオン後における半導 体スィツチング素子の通電電流推定値 I c #を算出することができる。 2 Semiconductors after the turn-on this time by using the rotation angle 0 detected by 5 and converting the commonly used 2 phase (d, q phase) → 3 phase (U, V, W phase) The estimated conduction current I c # of the switching element can be calculated.
判定部 7 0は、 電流レベル推定部 6 0によって推定された通電電流推定値 I c #に基づいて、 図 5に示した I c—V s g特性に従って、 今回のターンオンが、 高サージ領域 (低電流領域) 4 0 0および低サージ領域 (高電流領域) 4 1 0の
いずれで行われるものであるかを判定する。 具体的には、 通電電流推定値 I c # と、 境界電流 I t (図 5 ) との比較に基づき、 上記判定が実行される。 Based on the estimated current I c # estimated by the current level estimation unit 60, the judgment unit 70 determines that the current turn-on is in the high surge region (low) according to the I c – V sg characteristics shown in Fig. 5. Current region) 4 0 0 and low surge region (high current region) 4 1 0 It is determined in which way it is performed. Specifically, the above determination is performed based on a comparison between the energized current estimated value I c # and the boundary current It (FIG. 5).
なお、 境界電流 I tについては、 上述したような、 境界電流 I tの温度依存性 および または電圧依存性を反映して設定することが好ましい。 たとえば、 素子 温度, 印加電圧に対する境界電流 I tの設定マップ (図示せず) を実験データ等 に基づいて予め作成するととともに、 実動作時には、 半導体スィツチング素子の 各々あるいは、 その配置領域に設けられた温度センサ (図示せず) の検出値およ び/または電圧センサ 1 3の検出値 (直流電圧 V d c ) を用いて当該マップを参 照することによって、 境界電流 I tを適切に設定できる。 The boundary current I t is preferably set reflecting the temperature dependency and / or voltage dependency of the boundary current It as described above. For example, a setting map (not shown) of the boundary current I t with respect to the element temperature and applied voltage is created in advance based on experimental data, etc., and in actual operation, it is provided in each semiconductor switching element or in its arrangement area. The boundary current It can be appropriately set by referring to the map using the detection value of the temperature sensor (not shown) and / or the detection value of the voltage sensor 13 (DC voltage V dc).
判定部 7 0は、 通電電流推定値 I c #が高サージ領域 4 0 0である場合には、 ターンオン開始時において、 低速スイッチングを指示するための制御信号 I s 1 をオンする。 一方、 判定部 7 0は、 通電電流推定値 I c #が低サージ領域 4 1 0 である場合には、 ターンオン開始時において、 制御信号 I s 1をオフする。 この ように、 制御信号 I s 1.は、 低速スイッチングの選択時にオンされる一方で、 高 速スイッチングの選択時にオフされる。 When the estimated energization current value I c # is in the high surge region 400, the determination unit 70 turns on the control signal I s 1 for instructing low-speed switching at the start of turn-on. On the other hand, when the energized current estimated value I c # is in the low surge region 4 10, the determination unit 70 turns off the control signal Is 1 at the start of turn-on. Thus, the control signal Is 1. is turned on when low speed switching is selected, and is turned off when high speed switching is selected.
低速スィッチング指示部 9 0は、 ォン指令信号 S W o nのオン期間に、 制御信 号 I s 1のオン時に動作する。 低速スイッチング指示部 9 0は、 動作時には、 制 御信号 S D 1をオンする一方で制御信号 S D 2をオフする。 一方、 高速スィッチ ング指示部 9 5は、 オン指令信号 S W o nのオン期間に、 制御信号 I s 1のオフ 時に動作する。 高速スイッチング指示部 9 5は、 動作時には、 制御信号 S D 1 , S D 2の両方をオンする。 なお、 オン指令信号 S W o nのオフ期間には、 制御信 号 S D 1, S D 2の両方がオフされる。 すなわち、 低速スイッチング指示部 9 0 および高速スイッチング指示部 9 5は、 本発明による 「スイッチング速度指示 部」 に対応する。 The low-speed switching instruction unit 90 operates when the control signal I s 1 is on during the on-period of the on-command signal SWon. During operation, the low-speed switching instruction unit 90 turns on the control signal S D 1 while turning off the control signal S D 2. On the other hand, the high-speed switching instruction unit 95 operates when the control signal I s 1 is off during the on period of the on command signal SWon. The high-speed switching instruction unit 95 turns on both the control signals S D 1 and S D 2 during operation. Note that both the control signals S D 1 and S D 2 are turned off during the off period of the on command signal S W on. That is, the low-speed switching instruction unit 90 and the high-speed switching instruction unit 95 correspond to the “switching speed instruction unit” according to the present invention.
このようにして、 判定部 7 0により生成される制御信号 I s 1に基づいて、 低 速スイッチングおよび高速スイッチングが選択的に実行される。 具体的には、 通 電電流推定値 I c #が高サージ領域 4 0 0であるときには、 低速スィツチングに よりターンオンが開始されて、 ゲート電圧はオフ電圧 V Lからオン電圧 V Hへ向 けて緩やかに駆動される。 このため、 電流 '電圧変化も緩やかなものとなって、
サージ電圧が抑制される。 In this manner, the low speed switching and the high speed switching are selectively executed based on the control signal I s 1 generated by the determination unit 70. Specifically, when the estimated current I c # is in the high surge region 4 0 0, turn-on is started by slow switching, and the gate voltage gradually decreases from the off voltage VL to the on voltage VH. Driven. For this reason, the current 'voltage change also becomes gradual, Surge voltage is suppressed.
一方、 通電電流推定値 I c #が低サージ領域 4 1 0であるときには、 サージ電 圧を心配する必要がないため、 ターンオン開始時から高速スィツチングが選択さ れる。 これにより、 電圧おょぴ電流を速やかに変化させてスイッチング損失の低 減を図ることができる。 On the other hand, when the estimated current I c # is in the low surge region 4 10, there is no need to worry about the surge voltage, so fast switching is selected from the start of turn-on. As a result, voltage loss and current can be changed quickly to reduce switching loss.
さらに、 通電電流推定値 I c #が高サージ領域 4 0◦であるときには、 低速ス ィツチングでターンオンを開始した場合にも、 サージ電圧がピークを超えた後で は、 高速スィツチングの適用によってスィツチング損失を低減することが望まし レ、。 そして、 このようなサージ電圧のピークタイミ グは、 図 5に示したサージ 発生時間遅れ t dから予測することができる。 Furthermore, when the energized current estimate I c # is in the high surge region 40 °, even if the turn-on starts with low-speed switching, switching loss is applied by applying high-speed switching after the surge voltage exceeds the peak. It is desirable to reduce Such surge voltage peak timing can be predicted from the surge occurrence time delay td shown in FIG.
したがって、 切換タイミング設定部 8 0は、 通電電流推定値 I c #に基づいて、 切換タイミングを指定する判定時間 t cを設定する。 たとえば、 図 5に示した I c一 t d特性に基づいて、 通電電流推定値 I c #に対する判定時間 t cの設定マ ップ (図示せず) を予め作成できる。 Therefore, the switching timing setting unit 80 sets the determination time t c for designating the switching timing based on the energized current estimated value I c #. For example, a setting map (not shown) of the determination time t c for the estimated energization current value I c # can be created in advance based on the I c -t d characteristic shown in FIG.
そして、 切換タイミング設定部 8 0は、 内蔵するタイマ 8 5によってターンォ ン開始時点からの経過時間を計測するとともに、 経過時間が判定時間 t cを超え ると、 低速スイッチングから高速スイッチングへの切換を指示する。 これに応答 して、 判定部 7 0は、 制御信号 I s 1をオフする。 The switching timing setting unit 80 measures the elapsed time from the turn-on start time by the built-in timer 85, and instructs the switching from the low speed switching to the high speed switching when the elapsed time exceeds the determination time tc. To do. In response to this, the determination unit 70 turns off the control signal Is1.
これにより、 サージ電圧抑制のために低速スィツチングによりターンオンを開 始した場合にも、 サージ電圧が収まった切換タイミング以降では、 低速スィッチ ングから高速スィツチングへの切換が実行されて、 以降でのスィツチング損失の 低減が図られる。 As a result, even when turn-on is started by low-speed switching to suppress the surge voltage, switching from low-speed switching to high-speed switching is executed after the switching timing when the surge voltage has settled, and switching loss thereafter. Can be reduced.
一方、 通電電流推定値 I c #が低サージ領域 4 1 0である場合には、 判定時間 t c = 0に設定することによって、 上述のようにターンオン開始時点から高速ス ィツチングが適用される。 したがって、 上記のようなスィツチング速度の切換は 実行されず、 判定部 7 0は、 制御信号 I s 1のオフを維持する。 On the other hand, when the energized current estimated value I c # is in the low surge region 4 10, the high-speed switching is applied from the turn-on start point as described above by setting the determination time t c = 0. Therefore, the switching speed switching as described above is not executed, and the determination unit 70 keeps the control signal Is 1 off.
なお、 上述のように、 I c一 t d特性についても、 温度依存性および電圧依存 性を有するので、 判定時間 t (めについても、 素子温度および/または印加電圧を さらに反映して設定することが好ましい。 たとえば、 通電電流と、 素子温度およ
び Zまたは印加電圧とに対する判定時間 t Cの設定マップを作成することにより、 上述の温度センサ (図示せず) の検出値および/または電圧センサ 1 3の検出値 (直流電圧 V d c ) を用いて当該マップを参照することによって、 判定時間 t c をさらに適切に設定できる。 As described above, since the I c -td characteristic also has temperature dependency and voltage dependency, the determination time t (for the first time can also be set to further reflect the element temperature and / or the applied voltage). For example, current flow, element temperature and By using the detection value of the temperature sensor (not shown) and / or the detection value of the voltage sensor 13 (DC voltage V dc) By referring to the map, the judgment time tc can be set more appropriately.
図 7 A〜Cには、 本発明の実施の形態による半導体スイッチング素子の駆動制 御装置によるスイツチング速度制御の動作例が示される。 7A to 7C show operation examples of switching speed control by the drive control device for a semiconductor switching element according to the embodiment of the present invention.
図 7 Aに示されるように、 時刻 t 0においてターンオン指令が発生されるの応 答しで、 ゲート電圧 V g eが上昇を始める。 これに伴い、 通電電流 I cが低い場 合には、 比較的早くダイオード電圧 V a kが立上がり、 かつ、 サージ電圧のピー クが大きくなる。 As shown in Fig. 7A, the gate voltage Vge begins to rise in response to the turn-on command being generated at time t0. Along with this, when the current I c is low, the diode voltage V ak rises relatively quickly and the surge voltage peak increases.
したがって、 図 7 Bに示すように、 通電電流 I cが低電流、 すなわち高サージ 領域 4 0 0である場合には、 ターンオン開始時には、 制御信号 S D 1がオンされ る一方で、 制御信号 S D 2がオフされて、 低速スイッチングが適用される。 Therefore, as shown in FIG. 7B, when the conduction current I c is a low current, that is, a high surge region 400, the control signal SD 1 is turned on at the start of turn-on, while the control signal SD 2 Is turned off and slow switching is applied.
その後、 ターンオン開始から判定時間 t cが経過した時刻 t 1では、 切換タイ ミング設定部 8 0 (図 6 ) によって、 低速スイッチングから高速スイッチングへ の切換が指示される。 上述のように、 切換タイミング (時刻 t 1 ) は、 通電電流 推定値 I c #に基づいて判 Thereafter, at time t 1 when the determination time t c has elapsed from the start of turn-on, switching from the low speed switching to the high speed switching is instructed by the switching timing setting unit 80 (FIG. 6). As described above, the switching timing (time t 1) is determined based on the estimated current I c #.
定時間 t cを設定することにより、 サージ電圧がピークを超えたタイミングに対 応して設定される。 By setting the constant time t c, it is set according to the timing when the surge voltage exceeds the peak.
これにより、 サージ電圧のピーク発生後では、 制御信号 S D 1 , S D 2の両方 がオンされて、 ゲート電圧がオン電圧 V Hへ向けて高速に駆動されるようになり、 スィツチング損失が低減される。 As a result, after the surge voltage peak occurs, both the control signals S D 1 and S D 2 are turned on, and the gate voltage is driven toward the on voltage V H at a high speed, thereby reducing the switching loss.
再び、 図 7 Aを参照して、 通電電流 I cが高電流、 すなわち低サージ領域 4 1 0である場合には、 ダイオード電圧 V a kの立ち上がりタイミング、 すなわちサ ージ電圧の発生タイミングは遅くなり、 かつそのピーク値も低くなる。 したがつ て、 低サージ領域 4 1 0では、 図 7 Cに示されるように、 ターンオン開始時点か ら制御信号 S D 1, S D 2の両方がオンされて、 継続的に高速スィツチングが適 用される。 これにより、 電圧 ·電流を速やかに変化させることによって、 スイツ チング損失が低減される。
以上説明したように、 本発明の実施の形態による半導体スィツチング素子の駆 動制御装置では、 通電電流とサージ電圧挙動との関係に着目して、 インバータ 2 0への指令値に基づいてターンオン時のスィツチング速度を制御することができ る。 したがづて、 半導体スイッチング素子の電流および/または電圧のモニタ構 成を設けることなく、 かつ、 フィードバック制御を伴わない安定的なスィッチン グ速度制御によって、 サージ電圧低減およびサージ電圧抑制の両立を図ることが 可能となる。 Referring again to FIG. 7A, when the conduction current I c is high, that is, in the low surge region 4 10, the rise timing of the diode voltage V ak, that is, the surge voltage generation timing is delayed. And the peak value is also lowered. Therefore, in the low surge region 4 1 0, as shown in Figure 7C, both control signals SD 1 and SD 2 are turned on from the start of turn-on, and high-speed switching is applied continuously. The As a result, switching loss is reduced by quickly changing the voltage and current. As described above, in the drive control device for the semiconductor switching element according to the embodiment of the present invention, paying attention to the relationship between the energizing current and the surge voltage behavior, the turn-on time is determined based on the command value to the inverter 20. The switching speed can be controlled. Therefore, it is possible to achieve both reduction of surge voltage and suppression of surge voltage by providing stable switching speed control without feedback control without providing a monitoring structure for the current and / or voltage of the semiconductor switching element. It becomes possible.
(変形例 1 ) (Modification 1)
図 8には、 本発明の実施の形態の変形例に従うゲート容量値調整回路 3 0 0の 構成が示される。 FIG. 8 shows a configuration of gate capacitance value adjusting circuit 300 according to the modification of the embodiment of the present invention.
図 8を参照して、 ゲート容量値調整回路 3 0 0は、 半導体スィツチング素子 Q (Q 1〜Q 6を包括的に表記するもの) のゲート Gに対して並列に複数個設けら れた容量値調整ュニット 3 1 0を有する。 Referring to FIG. 8, the gate capacitance value adjustment circuit 300 is composed of a plurality of capacitors provided in parallel to the gate G of the semiconductor switching element Q (which comprehensively represents Q 1 to Q 6). It has a value adjustment unit 3 1 0.
容量値調整ュニット 3 1 0は、 ゲート Gに対して直列に接続された、 調整容量 3 2 0およびリンク素子 3 2 5を有する。 各容量値調整ユニット 3 1 0において、 リンク素子 3 2 5が非切断状態であり、 電気的に導通している状態では、 調整容 量 3 2 0の容量値がゲート容量 に加えられる。 一方、 リンク素子 3 2 5が外部 からのレーザ入力等により切断され非導通状態とされると、 調整容量 3 2 0の容 量値は、 ゲート容量値に加えられない。 The capacitance value adjustment unit 3 1 0 has an adjustment capacitance 3 2 0 and a link element 3 2 5 connected in series to the gate G. In each capacitance value adjustment unit 3 1 0, when the link element 3 2 5 is in a non-disconnected state and is electrically conductive, the capacitance value of the adjustment capacitance 3 2 0 is added to the gate capacitance. On the other hand, when the link element 3 25 is cut off by a laser input from the outside or the like and brought into a non-conductive state, the capacitance value of the adjustment capacitor 3 20 is not added to the gate capacitance value.
したがって、 リンク素子 3 2 5を外部からレーザにより適宜切断することによ り、 いわゆるトリミングを実行して、 半導体スイッチング素子の製造ばらつきに 対応したゲート容量値を調整することができる。 Therefore, by appropriately cutting the link element 3 2 5 with a laser from the outside, so-called trimming can be executed to adjust the gate capacitance value corresponding to the manufacturing variation of the semiconductor switching element.
このようなゲート容量値調整回路 3 0 0を設けることより、 半導体スィッチン グ素子において、 図 5に示した I c— V s g, t dの特性が正確に発現するよう に調整できる。 By providing such a gate capacitance value adjusting circuit 300, the semiconductor switching device can be adjusted so that the characteristics of I c -V s g, t d shown in FIG.
特に、 ターンオン指令の発生からサージ電圧が発生するまでのサージ発生時間 遅れ t dはゲート容量ィ直に大きく依存するため、 本変形例に従うゲート容量値調 整機構を設けることにより、 上述した、 スイッチング速度制御のばらつきを抑制 して制御精度を向上させることが可能となる。
(変形例 2 ) In particular, the surge generation time delay td from the generation of the turn-on command to the generation of the surge voltage greatly depends directly on the gate capacitance, so by providing the gate capacitance value adjusting mechanism according to this modification, the switching speed described above Control accuracy can be improved by suppressing control variations. (Modification 2)
図 9は、 本発明の実施の形態に従う半導体スィツチング素子の駆動制御装置に おける学習制御構成を示すブロック図である。 FIG. 9 is a block diagram showing a learning control configuration in the drive control device for the semiconductor switching element according to the embodiment of the present invention.
図 9を参照して、 駆動制御回路 5 0は、 図 6に示した構成に加えて、 学習制御 部 1 1 0をさらに有する。 さらに、 各フリーホイールダイオードに対しては、 ダ ィオード電圧 V a kを分圧するための分圧回路 2 7が設けられる。 分圧回路 2 7 による分圧電圧 V a k #は、 学習制御部 1 1 0により検知される。 Referring to FIG. 9, drive control circuit 50 further includes a learning control unit 110 in addition to the configuration shown in FIG. Further, a voltage dividing circuit 27 for dividing the diode voltage V ak is provided for each freewheeling diode. The divided voltage V a k # generated by the voltage dividing circuit 2 7 is detected by the learning control unit 110.
学習制御部 1 1 0は、 所定の学習期間において、 半導体スイッチング素子 Q a , Q bのスイッチング動作を実行するとともに、 そのときの分圧電圧 V a k #に基 づいてサージ電圧の実績を把握する。 そして、 学習期間でのサージ電圧の実績に 基づいて、 上述の境界電流 I tや判定時間 t cを修正 (更新) する学習制御を実 行する。 The learning control unit 1 1 0 performs the switching operation of the semiconductor switching elements Q a and Q b during a predetermined learning period, and grasps the actual surge voltage based on the divided voltage V ak # at that time. . Then, based on the actual surge voltage during the learning period, learning control for correcting (updating) the boundary current It and the determination time tc is executed.
たとえば、 学習期間は、 モータ駆動システム 1 0 0の起動時等に、 交流モータ MGが主に無効電力を消費してトルクを発生しない駆動形態となるように電流指 令指令値 (たとえば、 図 2の I d c o m, I q c o m) を発生することによって 実現できる。 このようにすると、 負荷である交流モータ MGに出力を生じさせる ことなく、 インバータ 2 0を構成する各半導体スィツチング素子をオンオフさせ て、 ターンオン時のサージ電圧挙動をサンプリングすることができる。 一例とし て、 各半導体スイッチング素子のスイッチング周波数が 1ひ k H zである場合に は、 学習期間を 1秒確保することにより、 1 0 0 0 0回のターンオンタイミング のサンプリングが実行できる。 すなわち、 モータ駆動システム 1 0 0の起動時に 学習期間を設けることは十分に可能である。 For example, during the learning period, when the motor drive system 100 is started, the current command command value (for example, FIG. 2) is set so that the AC motor MG mainly consumes reactive power and does not generate torque. (Idcom, Iqcom). In this way, it is possible to sample the surge voltage behavior at turn-on by turning on / off each semiconductor switching element constituting the inverter 20 without causing output to the AC motor MG as a load. As an example, when the switching frequency of each semiconductor switching element is 1 kHz, sampling at a turn-on timing of 100 0 times can be executed by securing a learning period of 1 second. In other words, it is sufficiently possible to provide a learning period when the motor drive system 100 is started.
図 1 0は、 学習制御部 1 1 0による学習制御動作を説明するフローチャートで ある。 FIG. 10 is a flowchart for explaining the learning control operation by the learning control unit 110.
図 1 0を参照して、 学習制御部 1 1 0は、 ステップ S 1 0 0では、 ィンバータ Referring to FIG. 10, the learning control unit 1 1 0 is the inverter in step S 1 0 0.
2 0を含むモータ駆動システム 1 0 0の運転開始指令が発生されたかどうかを判 断する。 たとえば、 ハイプリッド自動車に搭載されたモータ駆動システム 1 0 0 では、 運転開始指示は、 ハイブリッドシステムの起動指示に対応する。 運転開始 指令が発生されていない場合 (S 1 0 0の N O判定時) には、 学習は起動されず
そのまま処理は終了される。 Motor drive system including 2 0 Determine whether an operation start command for 1 0 0 has been generated. For example, in the motor drive system 100 installed in a hybrid vehicle, the operation start instruction corresponds to the start instruction of the hybrid system. If the operation start command is not generated (when S 1 0 0 is NO), learning is not activated. The process is terminated as it is.
学習制御部 1 1 0は、 運転開始指令の発生時 (S 1 0 0の Y E S判定時) には、 さらにステップ s i 1 0により、 学習開始条件が成 ¾:しているかどうかを判断す る。 この学習開始条件の成立は、 たとえば、 各センサが正常であることや、 半導 体スイッチング素子の異常有無等に基づいて判定される。 また、 負荷である交流 モータ MGへの出力指示が発せられているときには、 S 1 0 0は N O判定とされ て、 学習は実行されない。 すなわち、 交流モータ MGに出力指示が発せられてい ない期間を用いて、 学習が実行される。 The learning control unit 110 determines whether or not the learning start condition is satisfied at step s i 1 0 when the operation start command is generated (when YES is determined in S1100). The establishment of the learning start condition is determined based on, for example, whether each sensor is normal or whether there is an abnormality in the semiconductor switching element. Further, when an output instruction is issued to the AC motor MG as a load, S 1 0 0 is determined as NO, and learning is not executed. That is, learning is performed using a period during which no output instruction is issued to AC motor MG.
学習制御部 1 1 0は、 学習開始条件が成立しているとき (S 1 1 0の Y E S判 定時) には、 ステップ S 1 2 0により学習を開始する。 そして、 学習制御部 1 1 Qは、 ステップ S 1 3 0では、 上述のように交流モータ MGがトルクを発生する ことなく無効電力を消費するように、 学習用の電流指令パターンに従って、 電流 令丄 q c o m ( I d c o m, I q c o m) を生成する。 The learning control unit 1 1 0 starts learning in step S 1 2 0 when the learning start condition is satisfied (when Y ES is determined in S 1 1 0). Then, in step S 1 30, the learning control unit 1 1 Q determines the current command according to the current command pattern for learning so that the AC motor MG consumes reactive power without generating torque as described above. Generate qcom (I dcom, I qcom).
そして、 このようにして生成される電流指令値に従って、 現在設定されている 境界電流 I tおよび判定時間 t cに基づいたスィツチング制御を適用して、 各半 導体スイッチング素子がスイッチングされる。 そして、 学習制御部 1 1 0は、 ス テツプ S 1 4 0によるスィツチング時に発生した、 ターンオン時のダイオード電 圧 V a kをサンプリングする (ステップ S 1 5 0 ) 。 Then, according to the current command value generated in this way, switching control based on the currently set boundary current It and the determination time tc is applied to switch each semiconductor switching element. Then, the learning control unit 110 samples the diode voltage V ak at the time of turn-on, which is generated at the time of switching by the step S 14 40 (step S 15 50).
学習制御部 1 1 0は、 ステップ S 1 6 0では、 ステップ S 1 5 0でサンプリン グしたダイォード電圧 V a kに基づいて、 サージ電圧を評価する。 たとえば、 現 在の境界電流 I t近傍の電流領域において、 サージ電圧最大値の許容上限値への マージンに余裕がある場合には境界電流 I tを低下側へ更新する一方で、 マージ ンが不足している場合には、 境界電流 I tを上昇側へ更新する。 これにより、 高 サージ領域 4 0 0および低サージ領域 4 1 0の境界電流 I tを学習結果に従って 修正できる。 In step S 1 60, learning control unit 110 evaluates the surge voltage based on diode voltage V ak sampled in step S 15 50. For example, in the current region in the vicinity of the current boundary current It, if there is a margin for the maximum surge voltage allowable upper limit, the boundary current It is updated to the lower side, but the margin is insufficient. If it is, update the boundary current It to the rising side. Thereby, the boundary current It of the high surge region 400 and the low surge region 41 can be corrected according to the learning result.
同様に、 高サージ領域では、 判定時間 t cに従った低速スイッチングから高速 スィツチングへの切換タイミングにおけるサージ電圧を評価して、 許容上限値へ のマージンに余裕がある場合には判定時間 t cを短縮側へ更新する一方で、 マー ジンが不足している場合には、 判定時間 t cを延長側へ更新する。 これにより、
高サージ領域 4 0 0でのターンオン時における低速スィツチングから高速スィッ チングへの切換タイミングを学習結果に従って修正できる。 Similarly, in the high surge region, the surge voltage at the switching timing from low speed switching to high speed switching according to the judgment time tc is evaluated, and if there is a margin in the allowable upper limit value, the judgment time tc is shortened. If the margin is insufficient, the judgment time tc is updated to the extension side. This The switching timing from low-speed switching to high-speed switching at turn-on in the high surge region 400 can be corrected according to the learning results.
学習制御部 1 1 0は、 ステップ S 1 7 0により、 所定の学習終了条件が成立す るまでの間、 ステップ S 1 3 0〜S 1 6 0の学習動作を継続する。 たとえば、 学 習終了条件は、 所定時間経過、 所望の学習項目の完了、 あるいは、 負荷 (交流モ ータ MG) への出力指示の発生等により成立する。 The learning control unit 1 1 0 continues the learning operation of steps S 1 3 0 to S 1 60 until a predetermined learning end condition is satisfied in step S 1 70. For example, the learning end condition is satisfied by elapse of a predetermined time, completion of a desired learning item, generation of an output instruction to a load (AC motor MG), or the like.
上記のような学習動作により、 上述した境界電流 I tや判定時間 t cの設定マ ップのマップ値を構成することにより、 各半導体素子の製造ばらつきや経時変化 に対応させて、 本発明の実施の形態によるスィツチング制御をより効果的に実行 することができる。 By implementing the above-described learning operation and configuring the map values of the setting map of the boundary current It and the determination time tc described above, the present invention can be implemented in response to manufacturing variations and changes with time of each semiconductor element. The switching control according to the form can be executed more effectively.
なお、 学習期間において温度依存性や電圧依存性を含めた学習を行うことは困 難であるが、 境界電流 I tや判定時間 t cについて、 通電電流に基づく基本値と、 温度, 電圧変化に基づく修正値との和によって設定する構成とすれば、 上記基本 値を設定するマップについて、 上記の学習動作によりマップ値を適切に更新する ことが可能となる。 Although it is difficult to perform learning including temperature dependency and voltage dependency during the learning period, the boundary current It and the judgment time tc are based on the basic value based on the conduction current and the temperature and voltage changes. If the configuration is set by the sum with the correction value, the map value can be appropriately updated by the learning operation for the map for setting the basic value.
また、 本実施の形態による半導体スイッチング素子の駆動制御装置では、 低速 および高速の 2段階のスィッチング速度間の切換によってスィッチング制御を変 更することにより、 より簡易な回路構成でサージ電圧抑制およびスィツチング損 失低減の両立を図る構成としたが、 スイッチング速度の変更については、 細分化 して 3以上の複数段階とすることも可能である。 In the semiconductor switching element drive control device according to the present embodiment, the switching control is changed by switching between two switching speeds, low speed and high speed, thereby suppressing surge voltage and switching loss with a simpler circuit configuration. Although the configuration is designed to achieve both reduction in loss, the switching speed can be subdivided into three or more stages.
以上説明した本実施の形態では、 半導体スィツチング素子の駆動制御装置の適 用例として、 ハイブリッド自動車または電気自動車に搭載されるモータ (あるい はモータジェネレータ) を負荷とする 3相インバータを例示したが、 本発明の適 用はこれに限定されるものではない。 すなわち、 指令値に従って負荷への供給電 流を制御する半導体電力変換装置を構成するものであれば、 単相インバータ、 D CZD Cコンバータ、 昇圧チヨッパ、 スィツチングモードアンプなどのいわゆる ハードスィツチングを行なう半導体スィツチング素子のスィツチング制御につい て、 本発明の適用が可能である。 また、 負荷についても、 特に限定されるもので はない点を確認的に記載する。
さらに、 半導体スイッチング素子についても、 本実施の形態では I G B Tを例 示したが、 電力用 MO S (Metal Oxide Semiconductor) トランジスタ等の他の 電圧駆動型スィツチング素子に対しても、 本発明によるスィツチング速度制御を 適用できる。 また、 本実施の形態におけるゲート電圧駆動速度と同様に、 制御電 極 (ベース) の電流駆動速度を制御することにより、 電力用バイポーラトランジ スタ等の電流駆動型半導体スィツチング素子により構成された半導体電力変換装 置についても本発明によるスィッチング制御を適用できる。 In the present embodiment described above, a three-phase inverter using a motor (or a motor generator) mounted on a hybrid vehicle or an electric vehicle as a load is illustrated as an application example of a drive control device for a semiconductor switching element. The application of the present invention is not limited to this. In other words, so-called hard switching such as a single-phase inverter, D CZD C converter, step-up chopper, switching mode amplifier, etc. is performed if it constitutes a semiconductor power conversion device that controls the supply current to the load according to the command value. The present invention can be applied to switching control of a semiconductor switching element. Also, note that the load is not particularly limited. Furthermore, with regard to semiconductor switching elements, IGBTs have been exemplified in the present embodiment, but switching speed control according to the present invention is also applicable to other voltage-driven switching elements such as power MOS S (Metal Oxide Semiconductor) transistors. Can be applied. Similarly to the gate voltage drive speed in the present embodiment, by controlling the current drive speed of the control electrode (base), a semiconductor power configured by a current drive semiconductor switching element such as a power bipolar transistor is provided. The switching control according to the present invention can also be applied to the conversion device.
今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではない と考えられるべきである。 本発明の範囲は上記した説明ではなくて請求の範囲に よって示され、 請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれ ることが意図される。 産業上の利用可能性 The embodiment disclosed this time should be considered as illustrative in all points and not restrictive. The scope of the present invention is defined by the terms of the claims, rather than the description above, and is intended to include any modifications within the scope and meaning equivalent to the terms of the claims. Industrial applicability
この発明は、 指令値に従って負荷への供給電流を制御する半導体電力変換装置 を構成する半導体スィツチング素子のスィツチング制御に適用できる。
The present invention can be applied to switching control of a semiconductor switching element constituting a semiconductor power conversion device that controls a supply current to a load according to a command value.
Claims
1. 電流指令値 (I c om) に従って負荷 (MG) への供給電流を制御する ための半導体電力変換装置 (2 0) を構成する半導体スイッチング素子 (Q 1— Q6) の駆動制御装置 (50) であって、 1. Drive control device for the semiconductor switching elements (Q1-Q6) that constitute the semiconductor power conversion device ( 20 ) for controlling the current supplied to the load (MG) according to the current command value (Icom) (50 ) And
前記半導体スイッチング素子は、 制御電極 (G) の電圧または電流に応答して オンまたはオフされ、 ' The semiconductor switching element is turned on or off in response to the voltage or current of the control electrode (G).
前記駆動制御装置は、 The drive control device includes:
ターンオン指令の発生時における前記電流指令値に基づいて前記半導体スィッ チング素子のオン時に流れる通電電流 (I c) を推定する電流推定部 (60) と、 予め求められた、 前記半導体スィツチング素子の前記通電電流と発生するサー ジ電圧 (V s g) の大きさとの関係を示す第 1の電流特性に従って、 前記電流推 定部による推定通電電流 (I c #) に基づいて、 前記半導体スイッチング素子の ターンオン時における前記制御電極の前記電圧または電流の駆動速度を変更する スィッチング速度制御部 (55) とを備える、 半導体スイツチング素子の駆動制 御装置。 A current estimation unit (60) for estimating an energization current (I c) flowing when the semiconductor switching element is turned on based on the current command value when the turn-on command is generated, and the semiconductor switching element of the semiconductor switching element previously obtained In accordance with the first current characteristic indicating the relationship between the conduction current and the generated surge voltage (V sg), the semiconductor switching element is turned on based on the estimated conduction current (I c #) by the current estimation unit. And a switching speed control unit (55) for changing the driving speed of the voltage or current of the control electrode at the time.
2. 前記スイッチング速度制御部 (55) は、 2. The switching speed controller (55)
前記第 1の電流特性に従って、 前記推定通電電流 (I c #) 1 前記サージ電 圧 (V s g) が許容値 (V sma x) を超える第 1の電流領域 (400) および 前記サージ電圧が前記許容値以下である第 2の電流領域 (410) のいずれに属 するかを判定する判定部 (70) と、 According to the first current characteristic, the estimated energization current (I c #) 1 the first current region (400) in which the surge voltage (V sg) exceeds an allowable value (V smax), and the surge voltage is A determination unit (70) for determining which of the second current region (410) is less than or equal to the allowable value;
ターンオン開始時における前記駆動速度を、 前記推定通電電流 (I c #) が前 記第 1の電流領域内であるときには、 前記推定通電電流が前記第 2の電流領域内 であるときよりも遅くするスイッチング速度指示部 (90, 95) とを含む、 請 求の範囲第 1項記載の半導体スイッチング素子の駆動制御装置。 ' The drive speed at the start of turn-on is made slower when the estimated energization current (I c #) is in the first current region than when the estimated energization current is in the second current region. The drive control device for a semiconductor switching element according to claim 1, further comprising a switching speed instruction section (90, 95). '
3. 前記スイッチング速度制御部 (55) は、 前記推定通電電流 (I c #) が 前記第 1の電流領域 (400) 内であるときに、 前記ターンオン開始時における 前記駆動速度を第 1の速度に設定するとともに、 前記制御電極の前記電圧または 電流の駆動を開始してからの経過時間に応じて、 前記駆動速度を前記第 1の速度
よりも上昇させる、 請求の範囲第 2項記載の半導体スィツチング素子の駆動制御 装置。 3. The switching speed control unit (55) sets the driving speed at the start of turn-on as the first speed when the estimated energization current (I c #) is in the first current region (400). And the driving speed is set to the first speed according to an elapsed time from the start of driving of the voltage or current of the control electrode. The drive control device for a semiconductor switching element according to claim 2, wherein the drive control device is further raised.
4. 前記スイツチング速度制御部 (5 5) は、 4. The switching speed controller (5 5)
予め求められた、 前記半導体スイッチング素子 (Q l— Q 6) の前記通電電流 (Ί c) と、 前記制御電極の前記電圧または電流の駆動を開始してから前記サー ジ電圧 (V s g) が発生するまでの時間 (t d) との関係を示す第 2の電流特性 に従って、 前記電流推定部 (6 0) による前記推定通電電流 (I c #) に基づい て前記駆動速度を上昇させる切換タイミング (t 1)'を設定する切換タイミング 設定部 (8 0) をさらに含み、 The energization current (Ί c) of the semiconductor switching element (Q 1− Q 6) and the surge voltage (V sg) obtained after the start of driving the voltage or current of the control electrode are calculated in advance. In accordance with a second current characteristic indicating the relationship with the time until occurrence (td), a switching timing (in which the drive speed is increased based on the estimated energization current (I c #) by the current estimation unit (60)) ( It further includes a switching timing setting section (8 0) for setting t 1) ',
前記スイッチング速度指示部 (9 0, 9 5) は、 前記経過時間に基づいて、 前 記切換タイミングへの到達時に前記駆動速度を前記第 1の速度から第 2の速度へ 上昇させる、 請求項 3記載の半導体スイッチング素子の駆動制御装置。 The switching speed instruction section (90, 95) increases the driving speed from the first speed to the second speed when the switching timing is reached based on the elapsed time. The drive control apparatus of the semiconductor switching element of description.
5. 前記半導体電力変換装置 (20) の起動時に前記負荷 (MG) が無効電力 を主に消費するような前記電流指令値 (I c om) が生成される学習期間を設定 するとともに、 前記学習期間における前記サージ電圧 (V s g) の実測値に基づ いて、 前記切換タイミング (t 1) を修正するための学習制御部 (1 1 0) をさ らに備える、 請求の範囲第 4項記載の半導体スィツチング素子の駆動制御装置。 5. A learning period is set in which the current command value (I com) is generated so that the load (MG) mainly consumes reactive power when the semiconductor power converter (20) is started up, and the learning 5. The learning apparatus according to claim 4, further comprising a learning control unit (1 1 0) for correcting the switching timing (t 1) based on an actual measurement value of the surge voltage (V sg) during a period. Drive control device for semiconductor switching element.
6. 前記スイッチング速度指示部 (5 5) は、 前記推定通亀電流 (I c #) が 前記第 1の電流領域 (40 0) 内であるときに、 前記ターンオン開始時における 前記駆動速度を第 1の速度に設定する一方で、 前記推定通電電流が前記第 2の電 流領域 (4 1 0) 内であるときには、 前記ターンオン開始時における前記駆動速 度を前記第 1の速度よりも高い第 2の速度に設定するとともに、 ターンオン期間 を通じて前記駆動速度を前記第 2の速度に固定する、 請求の範囲第 2項記載の半 導体スィツチング素子の駆動制御装置。 6. The switching speed instruction unit (5 5) sets the driving speed at the start of turn-on when the estimated turtle current (I c #) is in the first current region (400). On the other hand, when the estimated energization current is within the second current region (4 10), the driving speed at the start of the turn-on is higher than the first speed. 3. The drive control device for a semiconductor switching element according to claim 2, wherein the drive speed is set to a speed of 2 and the drive speed is fixed to the second speed throughout a turn-on period.
7. 前記スイッチング速度指示部 (5 5) は、 前記推定通電電流 (I c #) が 前記第 1の電流領域 (40 0) 内であるときに、 前記制御電極の前記電圧または 電流の駆動を開始してからの経過時間に応じて、 前記駆動速度を前記第 1の速度 から前記第 2の速度へ切換える、 請求の範囲第 6項記載の半導体スィツチング素 子の駆動制御装置。
7. The switching speed instruction section (5 5) drives the voltage or current of the control electrode when the estimated energization current (I c #) is within the first current region (40 0). 7. The drive control device for a semiconductor switching element according to claim 6, wherein the drive speed is switched from the first speed to the second speed in accordance with an elapsed time since the start.
8. 前記半導体電力変換装置 (20) の起動時に前記負荷 (MG) が無効電力 を主に消費するような前記電流指令値 (I c om) が生成される学習期間を設定 するとともに、 前記学習期間における前記サージ電圧 (V s g) の実測値に基づ いて、 前記第 1の電流領域 (400) および前記第 2の電流領域 (410) の境 界を示す判定値 (I t) を修正するための学習制御部 (1 10) をさらに備える、 請求の範囲第 2項記載の半導体スィツチング素子の駆動制御装置。 . 8. A learning period is set during which the current command value (I com) is generated so that the load (MG) mainly consumes reactive power when the semiconductor power converter (20) is started up, and the learning Based on the measured value of the surge voltage (V sg) during the period, the judgment value (It) indicating the boundary between the first current region (400) and the second current region (410) is corrected. The drive control apparatus for a semiconductor switching element according to claim 2, further comprising a learning control unit (1 10) for performing the above operation. .
9. 前記半導体スイッチング素子 (Q 1—Q6) の前記制御電極 (G) の容量 値をトリミングによって調整するための容量値調整回路 (300) をさらに備え る、 請求の範囲第 1〜 8項のいずれか 1項に記載の半導体スィツチング素子の駆 動制御装置。 9. The capacitance value adjusting circuit (300) for adjusting the capacitance value of the control electrode (G) of the semiconductor switching element (Q 1 to Q6) by trimming, further comprising: The drive control device for a semiconductor switching element according to any one of the above.
10. 前記負荷は、 パルス幅変調制御により前記供給電流を制御される交流モ ータ (MG) であり、 10. The load is an AC motor (MG) whose supply current is controlled by pulse width modulation control.
前記電流推定部 (60) は、 前記交流モータの回転角度 (0) と、 ベクトル制 御による電流指令値 (I d c om, I q c om) とを用いて前記推定通電電流 (I c #) を算出する、 請求の範囲第 1~ 8項のいずれか 1項に記載の半導体ス ィツチング素子の駆動制御装置。
The current estimation unit (60) calculates the estimated energization current (I c #) using the rotation angle (0) of the AC motor and a current command value (I dc om, I qc om) by vector control. 9. The drive control device for a semiconductor switching element according to any one of claims 1 to 8, which is calculated.
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