JP2010166681A - Ac machine controller - Google Patents

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Naoki Yamada
直樹 山田
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Aisin Corp
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Aisin Seiki Co Ltd
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide an AC machine controller which suppresses the switching loss and switching noise of an inverter while suppressing the reduction of efficiency. <P>SOLUTION: The AC machine controller is provided with: an inverter circuit 5 which is interposed between an AC machine 2 that functions as at least an AC electric motor and a DC power source 3, and converts an output of at least the DC power source 3 into AC power for power supply to the AC machine 2; a snubber circuit 4 which is interposed between the DC power source 3 and the inverter circuit 5, and interrupts the power supply by holding the output of the DC power source 3 in a zero-voltage state over a predetermined holding period of time; and a control section 10 which controls the snubber circuit 4 not to interrupt the power supply from the DC power source 3 when switching elements 8a-8f of the inverter circuit 5 are turned on, and to interrupt the output from the DC power source 3 when the switching elements 8a-8f are turned off. <P>COPYRIGHT: (C)2010,JPO&INPIT

Description

本発明は、直流電源から供給される電力を交流に変換して、少なくとも交流電動機として機能する交流機を制御する交流機制御装置に関する。   The present invention relates to an AC machine control device that converts AC power supplied from a DC power source into AC and controls at least an AC machine that functions as an AC motor.

ハイブリッド車両の駆動用など、近年種々の用途にACモータ(交流機)が利用されている。このようなACモータに電力を供給する電力源には、燃料電池や二次電池を含めた電池が利用されることが多い。このような電池は、直流電力源であるから、その電力はインバータを介して交流変換されてACモータに供給される。インバータは、IGBT(insulated gate bipolar transistor)などの半導体スイッチング素子を用いて構成される。半導体スイッチング素子は、インバータ制御回路から与えられる制御信号によってスイッチングし、直流電源を遮断/導通させる。半導体スイッチング素子に電圧が掛かり、又は電流が流れる状況で、半導体スイッチング素子をスイッチングさせることはハードスイッチングと称される。一般的なスイッチングは、このハードスイッチングである。ハードスイッチングによるインバータは、構成が簡単であるが、スイッチングの際に過度応答を生じる。この過渡応答は、大きなスイッチングノイズやスイッチング損失を生じさせる。汎用的なPWM(pulse width modulation )制御では、単位時間当たりのスイッチング回数も多く、これに伴ってスイッチングノイズやスイッチング損失も増加する。   In recent years, AC motors (alternating machines) have been used for various purposes such as driving hybrid vehicles. A battery including a fuel cell and a secondary battery is often used as a power source for supplying power to such an AC motor. Since such a battery is a DC power source, the power is AC converted via an inverter and supplied to the AC motor. The inverter is configured using a semiconductor switching element such as an IGBT (insulated gate bipolar transistor). The semiconductor switching element is switched by a control signal given from the inverter control circuit, and cuts off / conducts the DC power supply. Switching a semiconductor switching element in a situation where a voltage is applied to the semiconductor switching element or a current flows is called hard switching. General switching is this hard switching. An inverter based on hard switching has a simple configuration, but produces an excessive response during switching. This transient response causes large switching noise and switching loss. In general-purpose PWM (pulse width modulation) control, the number of times of switching per unit time is large, and accordingly, switching noise and switching loss increase.

ハードスイッチングに対して、半導体スイッチング素子に掛かる電圧や、流れる電流がほぼゼロの状態で、半導体スイッチング素子をスイッチングさせるスイッチング方式がある。これは、ソフトスイッチングと称される。ソフトスイッチングの基本的な構成は、スイッチング素子の外部に、LC共振回路を設けるものである。半導体スイッチング素子のスイッチングタイミングの制御によりLC共振回路に共振を発生させて、スイッチング素子がスイッチングする際の電圧や電流をゼロの状態とする。これにより、半導体スイッチング素子のスイッチングに伴うスイッチングノイズやスイッチング損失が、ハードスイッチングに比べて大きく低減される。   For hard switching, there is a switching method in which the semiconductor switching element is switched in a state where the voltage applied to the semiconductor switching element and the flowing current are substantially zero. This is called soft switching. The basic configuration of soft switching is to provide an LC resonance circuit outside the switching element. Resonance is generated in the LC resonance circuit by controlling the switching timing of the semiconductor switching element, and the voltage and current when the switching element is switched to zero. Thereby, the switching noise and switching loss accompanying switching of the semiconductor switching element are greatly reduced as compared with hard switching.

特開2003−52190号公報(特許文献1)には、このようなソフトスイッチングを用いたインバータ制御装置の技術が開示されている。直流を3相交流に変換するインバータにおいては、従来、各スイッチング素子に並列にキャパシタを備えると共に、3相の各アームに当該キャパシタとの間で共振回路を形成するインダクタが備えられていた。例えば、インバータを構成する6つのIGBTにそれぞれ並列にキャパシタが設けられ、3つのアームのそれぞれに共振用のインダクタが備えられる。制御対象のモータの負荷電流が増えるとインダクタの容量及び重量が増大し、軽量化・小型化の妨げになるため、特許文献1ではインダクタを削減したインバータが提案されている。つまり、インバータに補助スイッチング回路を設け、補助スイッチング回路によって、経路を切り換えることによって1つのインダクタを共用して共振回路が構成される。   Japanese Unexamined Patent Publication No. 2003-52190 (Patent Document 1) discloses a technique of an inverter control device using such soft switching. In an inverter that converts direct current into three-phase alternating current, a capacitor is provided in parallel with each switching element, and an inductor that forms a resonance circuit with the capacitor is provided in each arm of three phases. For example, a capacitor is provided in parallel with each of six IGBTs constituting the inverter, and a resonance inductor is provided in each of the three arms. When the load current of the motor to be controlled increases, the capacity and weight of the inductor increase, which hinders weight reduction and miniaturization. Therefore, Patent Document 1 proposes an inverter with a reduced inductor. That is, an auxiliary switching circuit is provided in the inverter, and the resonance circuit is configured by sharing one inductor by switching the path by the auxiliary switching circuit.

ソフトスイッチング方式は、スイッチングノイズやスイッチング損失がハードスイッチングに比べて大きく低減される優れたスイッチング方式である反面、上記の如く、回路規模を増大させ、インバータの制御を複雑化させるスイッチング方式である。従って、蓄電池から電力を供給される電動機、及び蓄電池に電力を回生する発電機を含むようなハイブリッド車両においては、制御の複雑化を招くこともあって、ソフトスイッチング方式の適用が困難であった。これに鑑みて、特開2006−352942号公報(特許文献2)には、ハイブリッド車両など、蓄電池、電動機、発電機を含むシステムにおいても、スイッチング損失を容易に低減することが可能な装置が提案されている。   The soft switching method is an excellent switching method in which switching noise and switching loss are greatly reduced as compared with hard switching. However, as described above, the soft switching method increases the circuit scale and complicates the control of the inverter. Therefore, in a hybrid vehicle including an electric motor that is supplied with electric power from a storage battery and a generator that regenerates electric power to the storage battery, it is difficult to apply the soft switching method because it may lead to complicated control. . In view of this, Japanese Patent Laid-Open No. 2006-352942 (Patent Document 2) proposes an apparatus that can easily reduce switching loss even in a system including a storage battery, an electric motor, and a generator, such as a hybrid vehicle. Has been.

この装置では、電動機に接続される回生作動可能なインバータと、発電機に接続されるインバータ機能も有する整流回路とが、充電可能な蓄電池である直流電源と共通の2本の導体(プラス電源線、マイナス電源線)に接続される。蓄電池とインバータとの間、蓄電池と整流回路との間、つまり、2本の導体間には、インバータ及び整流回路に共通のソフトスイッチング回路が備えられる。このソフトスイッチング回路は、インバータ及び整流回路のスイッチング素子のターンオン時のソフトスイッチングを達成するために設けられる。このソフトスイッチング回路は、インバータ及び整流回路のスイッチング素子がターンオンするタイミングにおいて、蓄電池とインバータとの間及び蓄電池と整流回路との間、つまり、直流電源と接続される2本の導体間の電圧をほぼゼロに制御することによって、ソフトスイッチングとしてのZVS(zero voltage switching)を達成する。尚、特許文献2の装置におけるインバータ及び整流回路の各スイッチング素子には、スナバ用キャパシタが並列接続されている。これらのキャパシタに蓄えられた電荷は、ソフトスイッチ回路のインダクタとのLC共振より放出される。   In this device, an inverter capable of regenerative operation connected to an electric motor and a rectifier circuit also having an inverter function connected to a generator are connected to a DC power source that is a rechargeable storage battery and two conductors (plus power line) , Minus power line). A soft switching circuit common to the inverter and the rectifier circuit is provided between the storage battery and the inverter, between the storage battery and the rectifier circuit, that is, between the two conductors. This soft switching circuit is provided to achieve soft switching when the switching elements of the inverter and the rectifier circuit are turned on. In the soft switching circuit, the voltage between the storage battery and the inverter and between the storage battery and the rectifier circuit, that is, between the two conductors connected to the DC power source, at the timing when the switching elements of the inverter and the rectifier circuit are turned on. By controlling to almost zero, ZVS (zero voltage switching) as soft switching is achieved. Note that a snubber capacitor is connected in parallel to each switching element of the inverter and the rectifier circuit in the apparatus of Patent Document 2. The electric charge stored in these capacitors is released by LC resonance with the inductor of the soft switch circuit.

特開2003−52190号公報(第2〜5、9、19〜23段落、図1、15等)JP 2003-52190 A (2-5, 9, 19-23 paragraphs, FIG. 1, 15 etc.) 特開2006−352942号公報(第11〜24、53〜64段落、図1、9等)Japanese Patent Laying-Open No. 2006-352942 (paragraphs 11 to 24, 53 to 64, FIG.

ハイブリッド車両に限らず、ACモータを小型化・軽量化することは、搭載効率の向上や燃料消費率の向上にとって有益である。一方、ACモータを小型化し、その出力に高トルクを求めると、ベクトル制御(field oriented control : FOC)におけるd軸インダクタンスLd及びq軸インダクタンスLqの非線形性が強くなり、制御が困難となる。図15に、非線形に変化するインダクタンスの一例を示す。図15(a)はd軸インダクタンスLd、図15(b)はq軸インダクタンスLqである。図15に示すようにモータの回転角度とモータ電流とによってLd及びLqが非線形に変化するため、目標トルクを安定させることが困難となる。フィードフォワード制御によって非線形に変動するインダクタンスの影響をある程度抑制することは可能である。しかし、インバータのスイッチング素子を制御するパルス幅変調の搬送周波数が低い場合には、制御の応答性が低いため、出力されるACモータのトルクに脈動(トルクリップル)が生じる。モータ制御におけるトルクの応答性は、パルス幅変調の搬送周波数を高くすることによって向上するが、搬送周波数を高くすると単位時間当たりのスイッチング回数が増加する。そして、スイッチング回数が増加することによって、スイッチングノイズやスイッチング損失も増加する。   Not only hybrid vehicles but also reducing the size and weight of AC motors is beneficial for improving mounting efficiency and fuel consumption rate. On the other hand, when an AC motor is miniaturized and high torque is required for its output, nonlinearity of the d-axis inductance Ld and the q-axis inductance Lq in vector control (field oriented control: FOC) becomes strong, and control becomes difficult. FIG. 15 shows an example of inductance that changes nonlinearly. FIG. 15A shows the d-axis inductance Ld, and FIG. 15B shows the q-axis inductance Lq. As shown in FIG. 15, since Ld and Lq change nonlinearly depending on the rotation angle of the motor and the motor current, it becomes difficult to stabilize the target torque. It is possible to suppress the influence of inductance that varies nonlinearly by feedforward control to some extent. However, when the carrier frequency of the pulse width modulation that controls the switching element of the inverter is low, the response of the control is low, and pulsation (torque ripple) occurs in the output AC motor torque. Torque responsiveness in motor control is improved by increasing the carrier frequency of pulse width modulation. However, increasing the carrier frequency increases the number of times of switching per unit time. As the number of times of switching increases, switching noise and switching loss also increase.

上述したように、ソフトスイッチング回路を付加することによって、スイッチングノイズやスイッチング損失を抑制することができる。しかし、搬送周波数が高くなると、特許文献2のように、直流電源と接続される2本の導体間の電圧がほぼゼロに制御される状態、いわゆる「瞬停」の状態が頻繁に発生し、効率を低下させることになる。   As described above, switching noise and switching loss can be suppressed by adding a soft switching circuit. However, when the carrier frequency increases, a state in which the voltage between the two conductors connected to the DC power source is controlled to almost zero, as in Patent Document 2, a so-called “instantaneous power failure” state frequently occurs. Efficiency will be reduced.

本発明は、上記課題に鑑みて創案されたもので、効率の低下を抑制しつつ、インバータのスイッチング素子のスイッチング損失及びスイッチングノイズを抑制することができる交流機制御装置を提供することを目的とする。   The present invention was devised in view of the above problems, and an object thereof is to provide an AC machine control device capable of suppressing switching loss and switching noise of a switching element of an inverter while suppressing a decrease in efficiency. To do.

上記目的を達成するための本発明に係る交流機制御装置の特徴構成は、
少なくとも交流電動機として機能する交流機と直流電源との間に介在され、少なくとも前記直流電源の出力を交流に変換して前記交流機に供給するインバータ回路と、
前記直流電源と前記インバータ回路との間に介在され、前記直流電源の出力を所定の保持時間に亘り電圧が略ゼロの状態に保持して電力の供給を遮断するスナバ回路と、
前記インバータ回路のスイッチング素子がターンオンする際には前記直流電源からの電力の供給を遮断せず、前記インバータ回路のスイッチング素子がターンオフする際には前記直流電源からの出力を遮断するように、前記スナバ回路を制御する制御部と、を備える点にある。
In order to achieve the above object, the characteristic configuration of the AC machine control device according to the present invention
An inverter circuit interposed between at least an alternating current machine functioning as an alternating current motor and a direct current power supply, converting at least the output of the direct current power supply into alternating current and supplying the alternating current machine;
A snubber circuit that is interposed between the DC power supply and the inverter circuit, and holds the output of the DC power supply in a substantially zero state for a predetermined holding time to cut off the supply of power;
When the switching element of the inverter circuit is turned on, the power supply from the DC power supply is not cut off, and when the switching element of the inverter circuit is turned off, the output from the DC power supply is cut off. And a control unit that controls the snubber circuit.

インバータ回路にはスイッチング素子として、しばしばIGBTが利用される。IGBTは、Nチャネル縦型MOSFET(metal oxide semiconductor field effect transistor)のドレイン側にPコレクタを追加した構造をしている。Pコレクタからの正孔の注入により、Nベース層の導電率に変調が起こり、抵抗が低下する。このため、MOSFETと比較すると高電圧の用途に適している。一方、注入したキャリアの消滅に時間がかかるため、ターンオフ時間は長くなる。これにより、いわゆるテール電流が長時間継続することとなる。そして、ターンオフにより電源電圧側へ復帰したコレクタ電圧と、ターンオフ後にテール電流として継続して流れるコレクタ電流とがオーバーラップすることによって、大きなコレクタ損失(スイッチング損失)を生じる。ターンオン時は、インダクタンス負荷であるモータ(交流機)の影響で、コレクタ電流に遅れが生じる。ターンオンにより電源電圧から降下するコレクタ電圧に対して遅れてコレクタ電流が流れ始めることになる。コレクタ電圧とコレクタ電流とのオーバーラップがほとんど生じることなく、電流ゼロスイッチング(ZCS:Zero Current Switching)が実現できる。従って、ターンオン時のコレクタ損失はターンオフ時のコレクタ損失に比べて非常に小さい。例えば、ターンオン時にソフトスイッチングを実施すると、ソフトスイッチング回路のインダクタに対して充放電を行うため、この充放電の際の損失によって却って効率を低下させる可能性がある。   An IGBT is often used as a switching element in an inverter circuit. The IGBT has a structure in which a P collector is added to the drain side of an N-channel vertical MOSFET (metal oxide semiconductor field effect transistor). By injecting holes from the P collector, the conductivity of the N base layer is modulated and the resistance is lowered. For this reason, compared with MOSFET, it is suitable for the use of a high voltage. On the other hand, since it takes time for the injected carriers to disappear, the turn-off time becomes long. As a result, a so-called tail current continues for a long time. A large collector loss (switching loss) occurs due to the overlap between the collector voltage restored to the power supply voltage side by the turn-off and the collector current continuously flowing as the tail current after the turn-off. At the time of turn-on, the collector current is delayed due to the influence of the motor (alternator) which is an inductance load. The collector current starts to flow with a delay with respect to the collector voltage dropped from the power supply voltage by the turn-on. Zero current switching (ZCS) can be realized with almost no overlap between collector voltage and collector current. Therefore, the collector loss at turn-on is very small compared to the collector loss at turn-off. For example, when soft switching is performed at the time of turn-on, charging / discharging is performed with respect to the inductor of the soft switching circuit.

本特徴構成によれば、インバータ回路のスイッチング素子がターンオンする際には直流電源からの電力の供給を遮断せず、インバータ回路のスイッチング素子がターンオフする際には直流電源からの出力を遮断するように、スナバ回路が制御される。つまり、スイッチング損失が大きいターンオフ時にはソフトスイッチングを行って総損失を大きく抑制すると共に、スイッチング損失が小さいターンオン時には通常のハードスイッチングを行って全体の効率の低下を抑制することができる。スイッチング損失の抑制と全体の効率の低下の抑制により、パルス幅変調の搬送周波数を高くすることが可能となる。その結果、インダクタンスの非線形性に関するトルク応答性も改善することができ、モータ(交流機)を小型化することが可能となる。また、スナバ回路は、インバータ回路に内蔵されることなく、直流電源とインバータ回路との間に介在されるので、インバータ回路に変更を加える必要はない。つまり、インバータ回路は、通常のハードスイッチングにより動作可能な回路構成を維持することができ、インバータ回路のスイッチング素子に与えられるスイッチング制御信号も、ハードスイッチングのタイミングを維持することができる。従って、インバータ回路の制御も複雑になることがない。   According to this configuration, the power supply from the DC power supply is not cut off when the switching element of the inverter circuit is turned on, and the output from the DC power supply is cut off when the switching element of the inverter circuit is turned off. In addition, the snubber circuit is controlled. In other words, soft switching is performed at the time of turn-off with a large switching loss to largely suppress the total loss, and normal hard switching is performed at the time of turn-on with a small switching loss to suppress a decrease in overall efficiency. By suppressing the switching loss and the overall efficiency, it is possible to increase the carrier frequency for pulse width modulation. As a result, the torque response related to the nonlinearity of the inductance can be improved, and the motor (alternator) can be downsized. Further, since the snubber circuit is not built in the inverter circuit but interposed between the DC power supply and the inverter circuit, it is not necessary to change the inverter circuit. That is, the inverter circuit can maintain a circuit configuration operable by normal hard switching, and the switching control signal provided to the switching element of the inverter circuit can also maintain the hard switching timing. Therefore, the control of the inverter circuit is not complicated.

また、スナバ回路に何らかの不具合が発生した際には、スナバ回路による遮断機能を停止させることによって、インバータ回路をハードスイッチングにより、通常動作させることができる。つまり、スナバ回路に対するフェールセーフの機能をスナバ回路自身が有することができる。尚、この場合、スイッチング損失の低減効果が失われるので、交流機の出力トルクや回転速度などに制限を掛けると好適である。一方、インバータ回路や交流機に何らかの不具合が生じた祭には、スナバ回路の遮断機能を働かせることによって、インバータ回路及び交流機への電力の供給を遮断することができる。つまり、インバータ回路や交流機に対するフェールセーフの機能をスナバ回路が有することができる。   Further, when any trouble occurs in the snubber circuit, the inverter circuit can be normally operated by hard switching by stopping the shut-off function by the snubber circuit. That is, the snubber circuit itself can have a fail-safe function for the snubber circuit. In this case, since the effect of reducing the switching loss is lost, it is preferable to limit the output torque or rotational speed of the AC machine. On the other hand, when a malfunction occurs in the inverter circuit or the AC machine, the power supply to the inverter circuit and the AC machine can be cut off by using the snubber circuit cutoff function. That is, the snubber circuit can have a fail-safe function for the inverter circuit and the AC machine.

また、本発明に係る交流機制御装置の前記制御部は、前記インバータ回路のスイッチング素子がターンオフする際に設定されるデッドタイムに、前記直流電源からの出力を遮断するように前記スナバ回路を制御すると好適である。   Further, the control unit of the AC machine control device according to the present invention controls the snubber circuit so as to cut off the output from the DC power supply during a dead time set when the switching element of the inverter circuit is turned off. It is preferable.

インバータ回路においては、電源−グラウンド間に直列接続されるハイサイドのスイッチング素子とローサイドのスイッチング素子とが同時にオン状態となって電源が短絡することを防ぐために、デッドタイムが設定される。つまり、ハイサイド及びローサイドの内の一方のスイッチング素子がターンオフした際に、同時に他方のスイッチング素子がターンオンすると、遷移時間が重複して一時的に両方のスイッチング素子がオン状態となる可能性がある。これを防ぐために、一方のスイッチング素子がターンオフした後、一定のデッドタイムを設定し、このデッドタイムが経過した後に他方のスイッチング素子をターンオンさせる。従って、このデッドタイムの期間中には、ターンオンが発生せず、デッドタイムの期間中にインバータ回路への電力の供給が遮断されても影響はない。従って、デッドタイムに、直流電源からの出力を遮断するようにスナバ回路が制御されると好適である。また、スナバ回路による電力供給の遮断と復帰とを短時間で実施すると、過渡応答によって大きなサージ電圧を発生する可能性がある。デッドタイムの間に、ある程度の期間を設けて遮断及び復帰を行うことによって、単位時間当たりの電力の変化を緩やかにすることができ、サージ電圧を抑制することもできる。   In the inverter circuit, a dead time is set in order to prevent the high-side switching element and the low-side switching element connected in series between the power source and the ground from being simultaneously turned on and short-circuiting the power source. That is, when one of the switching elements on the high side and the low side is turned off, if the other switching element is turned on at the same time, there is a possibility that both switching elements are temporarily turned on due to overlapping transition times. . In order to prevent this, a certain dead time is set after one switching element is turned off, and the other switching element is turned on after the dead time has elapsed. Therefore, no turn-on occurs during the dead time period, and there is no effect even if the supply of power to the inverter circuit is interrupted during the dead time period. Therefore, it is preferable that the snubber circuit is controlled so as to cut off the output from the DC power supply during the dead time. Further, if the power supply is cut off and restored by the snubber circuit in a short time, a large surge voltage may be generated due to a transient response. By providing a certain period during the dead time and performing the cutoff and return, the change in power per unit time can be moderated and the surge voltage can be suppressed.

また、本発明の交流機制御装置の前記スナバ回路は、
前記直流電源から供給される電力の受け取りを遮断可能なメインスイッチング素子と、
前記メインスイッチング素子の後段において、インダクタを間に挟み、前記直流電源に直列接続されたハイサイドスイッチング素子及びローサイドスイッチング素子の2つのスイッチング素子と、
前記ローサイドスイッチング素子と並列接続された共振キャパシタと、
前記ハイサイドスイッチング素子、前記インダクタ、前記ローサイドスイッチング素子の直列回路に対して並列接続された出力キャパシタと、
前記各スイッチング素子及び前記出力キャパシタに並列接続された回生ダイオードと、
を有して構成され、
前記制御部は、前記各スイッチング素子をスイッチング制御して、前記スナバ回路を、
前記直流電源から供給される電力を前記スナバ回路を介して前記インバータ回路に伝達する定常状態と、
前記定常状態に続き、前記直流電源から供給される電力を前記インバータ回路に伝達すると共に当該電力を用いて前記インダクタを充電するインダクタ充電状態と、
前記インダクタ充電状態に続き、前記直流電源から供給される電力の受け取りを遮断して、前記インダクタと前記共振キャパシタとの共振により、前記出力キャパシタの端子間電圧を低下させて、前記スナバ回路の出力電圧を低下させる共振状態と、
前記共振状態に続き、電圧が略ゼロまで低下した前記出力キャパシタの端子間電圧を保持して、前記スナバ回路の出力電圧を略ゼロの状態で保持するゼロ電圧保持状態と、
前記ゼロ電圧保持状態に続き、前記出力キャパシタに再充電して、前記出力キャパシタの端子間電圧を上昇させ、前記スナバ回路の出力電圧を復帰させる充電復帰状態と、
前記充電復帰状態に続き、前記共振キャパシタ及び前記インダクタから前記直流電源へ電力を回生すると共に、前記直流電源から供給される電力の受け取りを再開し、回生の終了後に前記定常状態へ復帰する電源回生状態と、
に制御すると好適である。
Further, the snubber circuit of the AC machine control device of the present invention is:
A main switching element capable of interrupting reception of power supplied from the DC power supply;
In the subsequent stage of the main switching element, two switching elements, a high-side switching element and a low-side switching element, which are connected in series with the DC power source with an inductor interposed therebetween,
A resonant capacitor connected in parallel with the low-side switching element;
An output capacitor connected in parallel to a series circuit of the high-side switching element, the inductor, and the low-side switching element;
A regenerative diode connected in parallel to each of the switching elements and the output capacitor;
Comprising
The control unit performs switching control of the switching elements to control the snubber circuit,
Steady state of transmitting power supplied from the DC power source to the inverter circuit via the snubber circuit;
Following the steady state, the power supplied from the DC power supply is transmitted to the inverter circuit and the inductor is charged using the power to charge the inductor, and
Following the inductor charging state, the reception of power supplied from the DC power supply is cut off, and the voltage between the terminals of the output capacitor is lowered by the resonance between the inductor and the resonant capacitor, and the output of the snubber circuit A resonant state that reduces the voltage;
Following the resonance state, holding the voltage between the terminals of the output capacitor whose voltage has dropped to substantially zero, and holding the output voltage of the snubber circuit in a substantially zero state, and a zero voltage holding state,
Following the zero voltage holding state, recharging the output capacitor to increase the voltage across the output capacitor and returning the output voltage of the snubber circuit;
Following the charge recovery state, the power is regenerated from the resonant capacitor and the inductor to the DC power supply, and the reception of the power supplied from the DC power supply is resumed, and the power regeneration that returns to the steady state after the regeneration ends State,
It is suitable to control to.

上述したように、スナバ回路による電力供給の遮断と復帰とを短時間で実施すると、過渡応答によってサージを発生する可能性がある。しかし、ある程度の期間を設けて遮断及び復帰を行うことによって、単位時間当たりの電力の変化を緩やかにすることにできる。つまり、共振状態において、比較的緩やかにスナバ回路の出力電圧を低下させることができる。また、充電復帰状態において、緩やかにスナバ回路の出力電圧を回復させることができる。そして、スナバ回路の出力電圧が回復する時期の近傍において、直流電源からの電力の供給が再開されるので、大きな突入電流が生じることもない。また、電源回生状態を有することにより、従来はサージやノイズとなっていたエネルギーを電源に回生することができる。従来よく用いられていたキャパシタや抵抗を用いたノイズフィルタ回路では、キャパシタが吸収したエネルギーを抵抗によって消費させていた。従って、ノイズを低減することができても、エネルギー損失を生じ、結果として電源の使用効率を低下させていた。しかし、本構成によれば、インバータ回路におけるノイズを低減させるためのソフトスイッチングを達成させるために蓄えたエネルギーを直流電源へ回生する。従って、スナバ回路は、インバータ回路におけるノイズや損失を低減させると共に、回生によって直流電源の使用効率を向上させることが可能である。   As described above, if the power supply is cut off and restored by the snubber circuit in a short time, a surge may occur due to a transient response. However, the change in power per unit time can be moderated by providing a certain period of time and performing the shutoff and return. That is, in the resonance state, the output voltage of the snubber circuit can be reduced relatively slowly. In addition, the output voltage of the snubber circuit can be gradually recovered in the charge recovery state. Then, in the vicinity of the time when the output voltage of the snubber circuit recovers, the supply of power from the DC power supply is resumed, so that a large inrush current does not occur. Further, by having the power regeneration state, energy that has conventionally been a surge or noise can be regenerated to the power source. Conventionally used noise filter circuits using capacitors and resistors consume energy absorbed by the capacitors. Therefore, even if the noise can be reduced, energy loss occurs, and as a result, the use efficiency of the power source is reduced. However, according to this structure, the energy stored in order to achieve the soft switching for reducing the noise in the inverter circuit is regenerated to the DC power source. Therefore, the snubber circuit can reduce noise and loss in the inverter circuit and improve the use efficiency of the DC power supply by regeneration.

交流機制御装置の構成例を模式的に示すブロック図Block diagram schematically showing a configuration example of an AC machine control device ハードスイッチングにおける過度応答の一例を模式的に示す波形図Waveform diagram schematically showing an example of transient response in hard switching ターンオフ時にソフトスイッチングを行った場合の過渡応答の一例を模式的に示す波形図Waveform diagram schematically showing an example of transient response when soft switching is performed at turn-off 電圧ゼロスイッチング時の状態遷移を模式的に示す説明図Explanatory diagram schematically showing the state transition at zero voltage switching スナバ回路の各IGBTを制御するゲート駆動信号を生成する論理回路の一例を模式的に示す回路図The circuit diagram which shows typically an example of the logic circuit which produces | generates the gate drive signal which controls each IGBT of a snubber circuit スナバ回路の各IGBTを制御するゲート駆動信号の関係を示すタイミングチャートTiming chart showing the relationship of gate drive signals for controlling each IGBT of the snubber circuit スナバ回路の動作を示す波形図Waveform diagram showing operation of snubber circuit 図4に示した各状態におけるスナバ回路の動作を模式的に示す説明図Explanatory drawing which shows typically operation | movement of the snubber circuit in each state shown in FIG. 図4に示した各状態におけるスナバ回路の動作を模式的に示す説明図Explanatory drawing which shows typically operation | movement of the snubber circuit in each state shown in FIG. 図4に示した各状態におけるスナバ回路の動作を模式的に示す説明図Explanatory drawing which shows typically operation | movement of the snubber circuit in each state shown in FIG. 図4に示した各状態におけるスナバ回路の動作を模式的に示す説明図Explanatory drawing which shows typically operation | movement of the snubber circuit in each state shown in FIG. 図4に示した各状態におけるスナバ回路の動作を模式的に示す説明図Explanatory drawing which shows typically operation | movement of the snubber circuit in each state shown in FIG. 図4に示した各状態におけるスナバ回路の動作を模式的に示す説明図Explanatory drawing which shows typically operation | movement of the snubber circuit in each state shown in FIG. 図4に示した各状態におけるスナバ回路の動作を模式的に示す説明図Explanatory drawing which shows typically operation | movement of the snubber circuit in each state shown in FIG. インダクタンスの特性を示すグラフ((a)d軸、(b)q軸)Graph showing characteristics of inductance ((a) d-axis, (b) q-axis)

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。図1は、本発明の交流機制御装置の一実施形態に係る構成例を模式的に示すブロック図である。この交流機制御装置は、例えば、電気自動車やハイブリッド自動車などの動力源としての交流モータを駆動するために利用される。ハイブリッド自動車では、さらに、内燃機関による駆動力を元にして発電機として機能する交流機も備えたものがあるが、ここでは説明を容易にするため1つの交流機を制御する交流機制御装置を例として説明する。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 1 is a block diagram schematically showing a configuration example according to an embodiment of an AC machine control device of the present invention. This AC machine control device is used to drive an AC motor as a power source of, for example, an electric vehicle or a hybrid vehicle. Some hybrid vehicles also include an alternator that functions as a generator based on the driving force of the internal combustion engine. Here, for the sake of easy explanation, an alternator control device that controls one alternator is provided. This will be described as an example.

図1に示すように、交流機制御装置1は、直流電源としてのバッテリ3から電力の供給を受けて、車両の動力源として機能するモータ2を駆動制御する。モータ2は、交流電動機、又は交流電動機及び交流発電機として機能する交流機である。例えば、交流機制御装置1は、車両が制動される際にバッテリ3に対して電力を回生するように構成することもできる。   As shown in FIG. 1, the AC machine control device 1 receives supply of electric power from a battery 3 serving as a DC power supply, and drives and controls a motor 2 that functions as a power source for the vehicle. The motor 2 is an AC motor that functions as an AC motor or an AC motor and an AC generator. For example, the AC machine control device 1 can be configured to regenerate power to the battery 3 when the vehicle is braked.

バッテリ3と交流機2との間には、バッテリ3の出力を交流に変換してモータ2に供給するインバータ回路5が備えられる。バッテリ3とインバータ回路5との間に、さらに、バッテリ3の出力電圧を昇圧させるコンバータ回路(不図示)を備えていてもよい。この場合には、バッテリ3及びコンバータ回路が、本発明の直流電源に相当する。   Between the battery 3 and the AC machine 2, an inverter circuit 5 that converts the output of the battery 3 into AC and supplies it to the motor 2 is provided. A converter circuit (not shown) that boosts the output voltage of the battery 3 may be further provided between the battery 3 and the inverter circuit 5. In this case, the battery 3 and the converter circuit correspond to the DC power source of the present invention.

インバータ回路5は、3相のブリッジ回路により構成されている。インバータ回路5の入力プラス側(P)と入力マイナス側(N)との間に2つのスイッチング素子が直列に接続され、この直列回路が3回線並列接続される。インバータ回路5のスイッチング素子8a〜8fは、IGBTやMOSFETを適用すると好適である。本実施形態では、IGBTを用いる場合を例示している。つまり、モータ2のステータコイルU相、V相、W相のそれぞれに一組の直列回路が対応したブリッジ回路が構成される。図1において、IGBT8a、8b、8cは、それぞれU相、V相、W相に対応する上段側のスイッチング素子である。また、IGBT8d、8e、8fは、それぞれU相、V相、W相に対応する下段側のスイッチング素子である。   The inverter circuit 5 is configured by a three-phase bridge circuit. Two switching elements are connected in series between the input plus side (P) and the input minus side (N) of the inverter circuit 5, and this series circuit is connected in parallel in three lines. It is preferable to use IGBTs or MOSFETs as the switching elements 8a to 8f of the inverter circuit 5. In this embodiment, the case where IGBT is used is illustrated. That is, a bridge circuit in which a set of series circuits corresponds to each of the stator coil U phase, V phase, and W phase of the motor 2 is configured. In FIG. 1, IGBTs 8 a, 8 b, and 8 c are upper side switching elements corresponding to the U phase, the V phase, and the W phase, respectively. The IGBTs 8d, 8e, and 8f are lower-stage switching elements corresponding to the U phase, the V phase, and the W phase, respectively.

各相の上段側のIGBT8a、8b、8cのコレクタはインバータ回路5の入力プラス側Pに接続され、エミッタは各相の下段側のIGBT8d、8e、8fのコレクタに接続されている。また、各相の下段側のIGBT8d、8e、8fのエミッタは、インバータ回路5の入力マイナス側N(グラウンド)に接続されている。対となる各相のIGBT(8a,8d)、(8b,8e)、(8c,8f)による直列回路の中間点(IGBTの接続点)9u、9v、9wは、モータ2のU相、V相、W相のステータ巻線にそれぞれ接続されている。各IGBT8a〜8fのゲートは、制御部10に接続されており、それぞれ個別にスイッチング制御される。制御部10は、マイクロコンピュータなどの論理回路を中核として構成される。高電圧をスイッチングするIGBTやMOSFETのゲートに入力される駆動信号は、一般的な論理回路の電圧よりも高い電圧を必要とするため、ドライバ回路を介して入力される。図1では、簡略化の為、このドライバ回路は制御部10に含まれるものとして省略して示している。   The collectors of the IGBTs 8a, 8b, 8c on the upper side of each phase are connected to the input plus side P of the inverter circuit 5, and the emitters are connected to the collectors of the IGBTs 8d, 8e, 8f on the lower side of each phase. Further, the emitters of the IGBTs 8d, 8e, 8f on the lower side of each phase are connected to the input minus side N (ground) of the inverter circuit 5. The middle points (IGBT connection points) 9u, 9v, 9w of the series circuit of IGBTs (8a, 8d), (8b, 8e), (8c, 8f) of each phase are the U phase of the motor 2, V It is connected to the phase and W phase stator windings, respectively. The gates of the IGBTs 8a to 8f are connected to the control unit 10 and are individually controlled for switching. The control unit 10 is configured with a logic circuit such as a microcomputer as a core. A drive signal input to the gate of an IGBT or MOSFET that switches a high voltage requires a voltage higher than that of a general logic circuit, and thus is input via a driver circuit. In FIG. 1, for simplification, this driver circuit is omitted as being included in the control unit 10.

制御部10は、IGBT8a〜8fを、モータ2に対する目標トルク及び回転数に基づいてPWM制御することで、モータ2に3相の交流駆動電流を供給する。これにより、モータ2は、回転数、目標トルクに応じて力行する。尚、モータ2が発電機として働き、モータ2側からインバータ回路5が電力を受ける回生時も力行時と同様である。制御部10は、IGBT8a〜8fを、モータ2に対する目標トルク及び回転数に基づいてPWM制御することで、発電された電力を直流に変換する。尚、単純に、IGBT8a〜8fに並列接続されたフライホイールダイオード(回生ダイオード)を用いて整流することも可能である。   The controller 10 supplies the motor 2 with a three-phase AC drive current by performing PWM control on the IGBTs 8 a to 8 f based on the target torque and the rotation speed for the motor 2. Thereby, the motor 2 performs powering according to the rotation speed and the target torque. The motor 2 functions as a generator, and the regeneration when the inverter circuit 5 receives power from the motor 2 side is the same as during powering. The control unit 10 converts the generated power into direct current by performing PWM control on the IGBTs 8a to 8f based on the target torque and the rotation speed for the motor 2. It is also possible to simply rectify using a flywheel diode (regenerative diode) connected in parallel to the IGBTs 8a to 8f.

また、制御部10は、回転数やモータ電流に基づいてフィードバック制御を行う。図1に示すように、モータ2のU相、V相、W相の各ステータ巻線へ供給される駆動電流を計測するために、電流センサ13が備えられている。電流センサ13による検出値は、制御部10が受け取り、フィードバック制御に用いられる。本例では、3相全ての電流を計測する構成を示しているが、3相は平衡状態にあり、電流の瞬時値の総和は零であるので2相のみの電流を計測して、制御部10において残りの1相の電流を演算により求めてもよい。   Further, the control unit 10 performs feedback control based on the rotation speed and the motor current. As shown in FIG. 1, a current sensor 13 is provided to measure the drive current supplied to the U-phase, V-phase, and W-phase stator windings of the motor 2. The control value received by the current sensor 13 is received by the control unit 10 and used for feedback control. In this example, a configuration is shown in which the current of all three phases is measured. However, since the three phases are in an equilibrium state and the sum of instantaneous current values is zero, the current of only two phases is measured and the control unit In 10, the remaining one-phase current may be obtained by calculation.

また、モータ2には、レゾルバなどの回転検出センサ11が備えられており、モータ2のロータの回転角(機械角)を検出する。回転検出センサ11は、単独で、又は制御部10と協働して回転検出部として機能する。回転検出センサ11は、ロータの極数(極対数)に応じて設定されており、ロータの回転角を電気角θに変換し、電気角θに応じた信号を出力することも可能である。制御部10は、この回転角に基づいてモータ2の回転数(角速度ω)や、インバータ回路5の各IGBT8a〜8fの制御タイミングを演算する。   The motor 2 is provided with a rotation detection sensor 11 such as a resolver, and detects the rotation angle (mechanical angle) of the rotor of the motor 2. The rotation detection sensor 11 functions as a rotation detection unit alone or in cooperation with the control unit 10. The rotation detection sensor 11 is set according to the number of poles (the number of pole pairs) of the rotor, and can also convert the rotation angle of the rotor into an electrical angle θ and output a signal corresponding to the electrical angle θ. The control unit 10 calculates the rotation speed (angular velocity ω) of the motor 2 and the control timing of each IGBT 8a to 8f of the inverter circuit 5 based on this rotation angle.

上述したようにインバータ回路5は、IGBT8a〜8fなどの半導体スイッチング素子を用いて構成され、制御部10から与えられる駆動信号によってスイッチングし、直流電源P−Nを遮断/導通させる。スイッチング素子に電圧が掛かり、又は電流が流れる状況で、スイッチング素子をスイッチングさせることはハードスイッチングと称される。一般的なスイッチングは、このハードスイッチングである。ハードスイッチングによるインバータ回路は、図1に示すように構成が簡単であるが、スイッチングの際に過度応答を生じる。   As described above, the inverter circuit 5 is configured using semiconductor switching elements such as IGBTs 8a to 8f, and is switched by the drive signal supplied from the control unit 10 to cut off / conduct the DC power supply P-N. Switching the switching element in a situation where a voltage is applied to the switching element or a current flows is called hard switching. General switching is this hard switching. The inverter circuit based on hard switching has a simple configuration as shown in FIG. 1, but causes an excessive response during switching.

図2は、ハードスイッチングにおける過度応答の一例を模式的に示す波形図である。図2において、時刻t1はIGBTのゲート駆動信号がターンオンする時刻を示し、時刻t2はゲート駆動信号がターンオフする時刻を示している。この時、インバータ回路5の入力プラス側Pと入力マイナス側Nとの電位差は、直流電源(バッテリ3又はコンバータの出力)の電圧V1である。図2において、コレクタ電圧(コレクタ−エミッタ間電圧)VCE及びコレクタ電流ICは、理解を容易にするために重ねて表記している。縦軸はコレクタ電圧VCEが電圧値、コレクタ電流ICが電流値である。 FIG. 2 is a waveform diagram schematically showing an example of an excessive response in hard switching. In FIG. 2, time t1 indicates the time when the gate drive signal of the IGBT is turned on, and time t2 indicates the time when the gate drive signal is turned off. At this time, the potential difference between the input plus side P and the input minus side N of the inverter circuit 5 is the voltage V1 of the DC power supply (battery 3 or the output of the converter). In FIG. 2, the collector voltage (collector-emitter voltage) V CE and the collector current I C are overlapped for easy understanding. The vertical axis is the collector voltage V CE voltage value, the collector current I C is a current value.

ターンオン時において、コレクタ電圧は時刻t1から直ちに降下するが、コレクタ電流ICは、誘導性負荷であるモータ2の影響で立ち上がりに遅れが生じる。つまり、ターンオンにより電源電圧V1から降下するコレクタ電圧VCEに対して遅れてコレクタ電流ICが流れ始めることになる。コレクタ電圧VCEとコレクタ電流ICとのオーバーラップがほとんど生じることなく、いわゆる電流ゼロスイッチング(ZCS)が実現できる。その結果、ターンオン時に生じるコレクタ損失PC1は比較的小さなものとなる。 At the turn-on time, the collector voltage immediately drops from time t1, but the collector current I C is delayed in rising due to the influence of the motor 2 which is an inductive load. In other words, the collector current I C starts to flow with a delay with respect to the collector voltage V CE that drops from the power supply voltage V1 due to the turn-on. So-called current zero switching (ZCS) can be realized with almost no overlap between the collector voltage V CE and the collector current I C. As a result, the collector loss P C1 generated at turn-on is relatively small.

ターンオフ時において、コレクタ電圧VCEは時刻t2から直ちに上昇するが、コレクタ電流ICには長い裾野を有したテール電流が継続する。IGBTは、Nチャネル縦型MOSFETのドレイン側にPコレクタを追加した構造をしている。Pコレクタからの正孔の注入により、Nベース層の導電率に変調が起こり、抵抗が低下する。このため、MOSFETと比較すると高電圧の用途に適している。しかし、注入したキャリアの消滅に時間がかかるため、ターンオフ時間は長くなり、テール電流が長時間継続することとなる。そして、ターンオフにより電源電圧V1の側へ復帰したコレクタ電圧VCEと、ターンオフ後にテール電流として継続して流れるコレクタ電流ICとが長時間オーバーラップすることになる。これにより、図2に示すように、ターンオン時に比べて大きなコレクタ損失PC2を生じる。また、テール電流の継続中に、コレクタ電圧VCEに大きなサージ電圧が生じるので、dV/diに起因するといわれているEMI(electro-magnetic interference)ノイズのエネルギーも大きくなる。 At the time of turn-off, the collector voltage V CE immediately rises from the time t2, but the tail current having a long base continues in the collector current I C. The IGBT has a structure in which a P collector is added to the drain side of the N-channel vertical MOSFET. By injecting holes from the P collector, the conductivity of the N base layer is modulated and the resistance is lowered. For this reason, compared with MOSFET, it is suitable for a high voltage application. However, since it takes time for the injected carriers to disappear, the turn-off time becomes long, and the tail current continues for a long time. Then, the collector voltage V CE restored to the power supply voltage V1 side by the turn-off and the collector current I C that continuously flows as the tail current after the turn-off overlap for a long time. As a result, as shown in FIG. 2, a larger collector loss P C2 is generated than at the time of turn-on. In addition, since a large surge voltage is generated in the collector voltage V CE while the tail current continues, the energy of EMI (electro-magnetic interference) noise, which is said to be caused by dV / di, also increases.

このように、ハードスイッチングでは、過度応答によって、大きなスイッチング損失やスイッチングノイズを生じる。汎用的なPWM制御では、単位時間当たりのスイッチング回数も多く、これに伴ってスイッチングノイズやスイッチング損失も増加する。そこで、制御部10は、大きなスイッチング損失やスイッチングノイズを生じるターンオフ時にソフトスイッチングを実施することによって、スイッチング損失やスイッチングノイズを低減させる。具体的には、交流機制御装置1に、直流電源(バッテリ3又はコンバータの出力)とインバータ回路5との間に介在され、直流電源の出力を所定の保持時間T4に亘り電圧が略ゼロの状態に保持して電力の供給を遮断するスナバ回路4が備えられる。そして、制御部10は、インバータ回路5のIGBT8a〜8fがターンオフする際には直流電源からの出力を遮断するように、スナバ回路4を制御する。尚、全体の効率を低下させないように、制御部10は、インバータ回路5のIGBT8a〜8fがターンオンする際には直流電源からの電力の供給を遮断しないようにスナバ回路4を制御する。   As described above, in hard switching, excessive switching causes large switching loss and switching noise. In general-purpose PWM control, the number of times of switching per unit time is large, and accordingly, switching noise and switching loss increase. Therefore, the control unit 10 reduces the switching loss and the switching noise by performing soft switching at the time of turn-off that causes a large switching loss and switching noise. Specifically, the AC machine control device 1 is interposed between the DC power supply (battery 3 or the output of the converter) and the inverter circuit 5, and the voltage of the DC power supply is substantially zero for a predetermined holding time T4. A snubber circuit 4 is provided that keeps the state and cuts off the supply of power. And the control part 10 controls the snubber circuit 4 so that the output from DC power supply may be interrupted when IGBT8a-8f of the inverter circuit 5 turns off. Note that the control unit 10 controls the snubber circuit 4 so as not to cut off the supply of power from the DC power source when the IGBTs 8a to 8f of the inverter circuit 5 are turned on so as not to reduce the overall efficiency.

制御部10によりこのようにスナバ回路4が制御されることによって、IGBTのスイッチング時の過渡応答は、図3に示すようなものとなる。ターンオン時には、図2と同様にスイッチング損失PC1が生じるが、ターンオフ時には、期間T4に亘ってインバータ回路5の入力電圧P−Nがゼロに制御される。これにより、コレクタ電圧VCEはターンオフによって直ちに上昇することなく、一定の遅れを持って上昇する。その結果、コレクタ電圧VCEと、ターンオフ後にテール電流として継続して流れるコレクタ電流ICとがオーバーラップする期間が短くなる。図3に示すように、ターンオフ時には、図2に示すような大きなコレクタ損失PC2は生じない。つまり、ゼロ電圧スイッチング(zero voltage switching : ZVS)が達成される。 By controlling the snubber circuit 4 in this way by the control unit 10, the transient response at the time of switching of the IGBT is as shown in FIG. At the time of turn-on, a switching loss P C1 occurs as in FIG. 2, but at the time of turn-off, the input voltage P−N of the inverter circuit 5 is controlled to zero over the period T4. As a result, the collector voltage V CE does not rise immediately due to turn-off, but rises with a certain delay. As a result, the period in which the collector voltage V CE overlaps with the collector current I C that continuously flows as a tail current after turn-off is shortened. As shown in FIG. 3, at the time of turn-off, a large collector loss P C2 as shown in FIG. 2 does not occur. That is, zero voltage switching (ZVS) is achieved.

また、スナバ回路4の働きにより、ターンオフ後にインバータ回路5の入力電圧が緩やかに上昇するので、コレクタ電圧VCEの立ち上がり時に生じるサージ電圧も小さく、且つ低周波数のものとなる。従って、dV/diに起因するといわれているEMIノイズが低減される。また、テール電流がほぼ収まった後にコレクタ電圧VCEが立ち上がり、サージ電圧を生じるので、EMIノイズのエネルギーも小さくなる。 Further, by the operation of the snubber circuit 4, the input voltage of the inverter circuit 5 after the turn-off is gradually increased, the surge voltage generated at the time of the rise of the collector voltage V CE is small and becomes a lower frequency. Therefore, EMI noise which is said to be caused by dV / di is reduced. Further, since the collector voltage V CE rises after the tail current is almost settled and a surge voltage is generated, the energy of EMI noise is also reduced.

以下、スナバ回路4の詳細な動作について説明する。スナバ回路4は、図1に示すように、4つのスイッチング素子6m、6a、6bを有している。本例において、スイッチング素子6m、6a、6bは、IGBTにより構成される。IGBT6mは、メインスイッチとして、直流電源を直接的に供給又は遮断するスイッチング素子である。以下、IGBT6mを適宜メインIGBT(メインスイッチング素子)と称する。IGBT6aとIGBT6bとは、インダクタL1を介して直列接続される。IGBT6aは上段側のスイッチング素子であり、コレクタ端子は、メインスイッチとしてのIGBT6aのエミッタ端子に接続される。以下、IGBT6aを適宜ハイサイドIGBT(ハイサイドスイッチング素子)と称する。IGBT6bは下段側のスイッチング素子であり、エミッタ端子はグラウンド側(直流電源のマイナス側)と接続される。以下、IGBT6bを適宜ローサイドIGBT(ローサイドスイッチング素子)と称する。   The detailed operation of the snubber circuit 4 will be described below. As shown in FIG. 1, the snubber circuit 4 includes four switching elements 6m, 6a, and 6b. In this example, the switching elements 6m, 6a, 6b are configured by IGBTs. The IGBT 6m is a switching element that directly supplies or cuts off a DC power source as a main switch. Hereinafter, the IGBT 6m is appropriately referred to as a main IGBT (main switching element). IGBT 6a and IGBT 6b are connected in series via inductor L1. The IGBT 6a is an upper switching element, and the collector terminal is connected to the emitter terminal of the IGBT 6a as a main switch. Hereinafter, the IGBT 6a is appropriately referred to as a high side IGBT (high side switching element). The IGBT 6b is a lower-stage switching element, and the emitter terminal is connected to the ground side (the negative side of the DC power supply). Hereinafter, the IGBT 6b is appropriately referred to as a low-side IGBT (low-side switching element).

ローサイドIGBT6bには、共振キャパシタC1が並列に接続される。つまり、ローサイドIGBT6bと共振キャパシタC1との並列回路と、インダクタL1と、ハイサイドIGBT6aとの直列回路が形成される。この直列回路と並列にキャパシタC2及びダイオードD1が接続される。尚、各IGBT6a、6b、6mは、それぞれ並列にフライホイールダイオード(回生ダイオード)7a、7b、7mを備えて構成されている。   A resonance capacitor C1 is connected in parallel to the low-side IGBT 6b. That is, a parallel circuit of the low side IGBT 6b and the resonance capacitor C1, a series circuit of the inductor L1 and the high side IGBT 6a is formed. A capacitor C2 and a diode D1 are connected in parallel with this series circuit. In addition, each IGBT6a, 6b, 6m is each provided with the flywheel diode (regenerative diode) 7a, 7b, 7m in parallel, respectively.

図4は、電圧ゼロスイッチング時の状態遷移を模式的に示す説明図である。Voutは、スナバ回路4の出力を示している。期間T1及びT9は、定常状態である。詳細は後述するが、定常状態においてはメインIGBT6mがオンされており、スナバ回路4の出力Voutは、ほぼバッテリ3の電圧V1となる。期間T2は、インダクタL1の充電状態である。期間T3は、インダクタL1と共振キャパシタC1との共振状態である。期間T4は、スナバ回路4の出力Voutがゼロにホールドされるゼロ電圧保持状態である。期間T5は、出力キャパシタC2への充電復帰状態である。期間T6及び期間T7、即ち期間T8は、バッテリ3への回生が行われる電源回生状態である。期間T6は、共振キャパシタC1及びインダクタL1からバッテリ3へ回生される第1電源回生状態である。期間T7は、インダクタL1からバッテリ3へ回生される第2電源回生状態である。   FIG. 4 is an explanatory diagram schematically showing state transition at the time of zero voltage switching. Vout indicates the output of the snubber circuit 4. Periods T1 and T9 are in a steady state. As will be described in detail later, in the steady state, the main IGBT 6m is turned on, and the output Vout of the snubber circuit 4 is substantially the voltage V1 of the battery 3. The period T2 is a charging state of the inductor L1. The period T3 is a resonance state between the inductor L1 and the resonance capacitor C1. The period T4 is a zero voltage holding state in which the output Vout of the snubber circuit 4 is held at zero. Period T5 is a state in which the output capacitor C2 is restored to charge. The period T6 and the period T7, that is, the period T8 are power regeneration states in which regeneration to the battery 3 is performed. The period T6 is a first power regeneration state in which the resonance capacitor C1 and the inductor L1 are regenerated to the battery 3. The period T7 is a second power regeneration state in which regeneration is performed from the inductor L1 to the battery 3.

これら各状態は、メインIGBT6m、ハイサイドIGBT6a、ローサイドIGBT6bが制御部10により所定のタイミングでスイッチング制御されることによって実現される。図5は、スナバ回路4の各IGBTを制御するゲート駆動信号を生成する論理回路の一例を模式的に示す回路図である。図6は、スナバ回路4の各IGBTを制御するゲート駆動信号の関係を示すタイミングチャートである。ここでTRG信号は、スナバ回路4を制御する基本タイミングを示す信号である。TRG信号は、図5及び図6に示すように、ハイサイドIGBT6aのゲート駆動信号G_hiでもある。ローサイドIGBT6bのゲート駆動信号G_lowは、図5及び図6に示すように、TRG信号をディレイ素子により期間Td遅延させて、TRG信号の立ち上がりを微分することによって生成される。メインIGBT6mのゲート駆動信号G_mainは、ゲート駆動信号G_hiとゲート駆動信号G_lowとの排他的論理和を取り、さらにその否定論理を取ることによって生成される。   Each of these states is realized by switching control of the main IGBT 6m, the high side IGBT 6a, and the low side IGBT 6b at a predetermined timing by the control unit 10. FIG. 5 is a circuit diagram schematically illustrating an example of a logic circuit that generates a gate drive signal for controlling each IGBT of the snubber circuit 4. FIG. 6 is a timing chart showing the relationship of gate drive signals that control each IGBT of the snubber circuit 4. Here, the TRG signal is a signal indicating basic timing for controlling the snubber circuit 4. The TRG signal is also the gate drive signal G_hi of the high-side IGBT 6a as shown in FIGS. As shown in FIGS. 5 and 6, the gate drive signal G_low of the low-side IGBT 6b is generated by delaying the TRG signal by a delay element Td by a delay element and differentiating the rising edge of the TRG signal. The gate drive signal G_main of the main IGBT 6m is generated by taking an exclusive OR of the gate drive signal G_hi and the gate drive signal G_low and further taking a negative logic thereof.

図7は、スナバ回路4の動作をスナバ回路の各IGBTの動作に基づいて模式的に示す波形図である。上から3つ目までの波形は、メインIGBT6mに関する波形であり、括弧内に「main」と記している。次の3つの波形は、ハイサイドIGBT6aに関する波形であり、括弧内に「hi」と記している。次の3つの波形は、ローサイドIGBT6bに関する波形であり、括弧内に「low」と記している。最下段の波形は、スナバ回路4の出力Voutの波形である。各IGBTに関する波形は、上からゲート駆動信号、コレクタ電圧(コレクタ−エミッタ間電圧)VCE、コレクタ電流ICである。尚、便宜的にコレクタ電流ICと称するが、厳密な意味でのコレクタ電流ではない。フライホイールダイオード(7a、7b、7m)を流れる電流も含め、IGBTとフライホイールダイオードとを有して構成されるIGBTモジュールを流れる電流をコレクタ電流ICと称する。 FIG. 7 is a waveform diagram schematically showing the operation of the snubber circuit 4 based on the operation of each IGBT of the snubber circuit. The third waveform from the top is a waveform related to the main IGBT 6m, and “main” is indicated in parentheses. The next three waveforms are related to the high-side IGBT 6a, and are indicated as “hi” in parentheses. The next three waveforms are related to the low-side IGBT 6b, and are indicated as “low” in parentheses. The waveform at the bottom is the waveform of the output Vout of the snubber circuit 4. The waveforms related to each IGBT are a gate drive signal, a collector voltage (collector-emitter voltage) V CE , and a collector current I C from the top. Although referred to as collector current I C for convenience, it is not a collector current in a strict sense. Including the current flowing through the flywheel diodes (7a, 7b, 7m) and refers to the current flowing through the IGBT module configured and a IGBT and flywheel diodes and the collector current I C.

図8〜図14は、図4に示した状態遷移の各状態におけるスナバ回路4の動作を模式的に示す説明図であり、回路図内の矢印は代表的な電流の大まかな流れを模式的に示している。図8〜図14は、等価回路を示しており、負荷はインバータ回路5やモータ2に相当する。例えば、このような等価回路を用いて、負荷を抵抗で模擬することによって、コンピュータ・シミュレーションを実施することができる。ここでは、定常状態における回路電流であるメインIGBT6mのコレクタ電流ICは一定値である。図7は、このような等価回路における波形図を示している。また、図7において各IGBTのコレクタ電流ICは、上述したように各IGBTモジュールを流れる電流を示している。具体的には、図8〜図14におけるノードA、B、Mにおける電流をコレクタ電流ICとして示している。 8 to 14 are explanatory diagrams schematically showing the operation of the snubber circuit 4 in each state transition state shown in FIG. 4, and arrows in the circuit diagrams schematically show a rough flow of typical currents. It shows. 8 to 14 show equivalent circuits, and the load corresponds to the inverter circuit 5 and the motor 2. For example, a computer simulation can be implemented by simulating a load with a resistance using such an equivalent circuit. Here, the collector current I C of the main IGBT6m a circuit current in the steady state is a constant value. FIG. 7 shows a waveform diagram in such an equivalent circuit. In FIG. 7, the collector current I C of each IGBT indicates the current flowing through each IGBT module as described above. Specifically, shows the node A in FIGS. 8 to 14, B, the current in M as the collector current I C.

図8は、図4の期間T1及びT9に相当する定常状態を示している。図9は、図4の期間T2に相当するインダクタL1の充電状態を示している。図10は、図4の期間T3に相当するインダクタL1と共振キャパシタC1との共振状態を示している。図11は、図4の期間T4に相当するゼロ電圧保持状態を示している。図12は、図4の期間T5に相当する出力キャパシタC2への充電復帰状態を示している。図13は、図4の期間T6に相当する第1電源回生状態を示している。図14は、図4の期間T7に相当する第2電源回生状態を示している。   FIG. 8 shows a steady state corresponding to the periods T1 and T9 in FIG. FIG. 9 shows the state of charge of the inductor L1 corresponding to the period T2 in FIG. FIG. 10 shows a resonance state between the inductor L1 and the resonance capacitor C1 corresponding to the period T3 in FIG. FIG. 11 shows a zero voltage holding state corresponding to the period T4 in FIG. FIG. 12 shows a state in which charging of the output capacitor C2 is restored corresponding to the period T5 in FIG. FIG. 13 shows a first power regeneration state corresponding to the period T6 of FIG. FIG. 14 shows a second power regeneration state corresponding to the period T7 in FIG.

以下、図7〜図14を利用してスナバ回路4の動作について説明する。図7における時刻t00〜時刻t10に相当する期間T1は、定常状態である。従って、図7及び図8に示すように、メインIGBT6mがオン、他のIGBT6a、6bがオフの状態である。メインIGBT6mがオンしているので、メインIGBT6mのコレクタ電圧VCEは、ほぼゼロであり、コレクタ電流ICは定常値であるINである。コレクタ電流ICの定常値INは、シミュレーション上、例えば300Aである。 Hereinafter, the operation of the snubber circuit 4 will be described with reference to FIGS. A period T1 corresponding to time t00 to time t10 in FIG. 7 is a steady state. Therefore, as shown in FIGS. 7 and 8, the main IGBT 6m is on and the other IGBTs 6a and 6b are off. Since the main IGBT 6m is on, the collector voltage V CE of the main IGBT 6m is almost zero, and the collector current I C is I N which is a steady value. The steady value I N of the collector current I C is, for example, 300 A in the simulation.

時刻t10にハイサイドIGBT6aのゲート駆動信号G_hi、及びローサイドIGBT6bのゲート駆動信号G_lowがアクティブとなると、定常状態から充電状態へと移行する。つまり、ハイサイドIGBT6aとローサイドIGBT6bとがオン状態となり、図9に示すように、ハイサイドIGBT6aと、インダクタL1と、ローサイドIGBT6bとの直列回路に電流が流れる。図7に示すように、インダクタL1への充電電流を供給するためにバッテリ3からは多くの電流が引き出され、メインIGBT6mのコレクタ電流ICは時刻t10以降、急激に上昇する。定常値INからの上昇分は、ハイサイドIGBT6a及びローサイドIGBT6bのコレクタ電流ICとなって現れる。この増加した電流はインダクタL1の充電電流であり、時刻t10〜時刻t30までの期間T2は、インダクタL1の充電状態となる。 When the gate drive signal G_hi of the high-side IGBT 6a and the gate drive signal G_low of the low-side IGBT 6b become active at time t10, the state shifts from the steady state to the charged state. That is, the high side IGBT 6a and the low side IGBT 6b are turned on, and a current flows through a series circuit of the high side IGBT 6a, the inductor L1, and the low side IGBT 6b as shown in FIG. As shown in FIG. 7, a large amount of current is drawn from the battery 3 to supply the charging current to the inductor L1, and the collector current I C of the main IGBT 6m rapidly increases after time t10. The rise from the steady value I N appears as the collector current I C of the high-side IGBT 6a and the low-side IGBT 6b. This increased current is the charging current of the inductor L1, and the charging state of the inductor L1 is in the period T2 from time t10 to time t30.

時刻t30にローサイドIGBT6bがターンオフすると共に、メインIGBT6mがターンオフすると、共振状態に移行する。ハイサイドIGBT6aは、オン状態が継続されている。ローサイドIGBT6bがオフ状態となるので、図7及び図10に示すように、インダクタL1と共振キャパシタC1とが共振し、この共振回路から、さらに出力キャパシタC2へと電流が流れていく。メインIGBT6mがオフ状態となっているので、出力キャパシタC2への電流は閉ループとなっている。このため、出力キャパシタC2の端子間電圧は次第に低下していき、ついには、出力キャパシタC2と並列接続されるダイオードD1が導通するまで低下する。この間、図7に示すようにメインIGBT6mのエミッタ側の電圧が低下していくので、コレクタ電圧VCEは、最終的に定常電圧VNまで上昇する。定常電圧VNは、本例では直流電源の電圧V1であり、シミュレーション上、例えば300Vである。 When the low-side IGBT 6b is turned off at time t30 and the main IGBT 6m is turned off, the resonance state is entered. The high-side IGBT 6a is kept on. Since the low-side IGBT 6b is turned off, the inductor L1 and the resonance capacitor C1 resonate as shown in FIGS. 7 and 10, and a current flows from the resonance circuit to the output capacitor C2. Since the main IGBT 6m is in the off state, the current to the output capacitor C2 is a closed loop. For this reason, the voltage across the terminals of the output capacitor C2 gradually decreases, and finally decreases until the diode D1 connected in parallel with the output capacitor C2 becomes conductive. During this time, as shown in FIG. 7, the voltage on the emitter side of the main IGBT 6m decreases, so that the collector voltage V CE finally rises to the steady voltage V N. The steady voltage V N is the voltage V1 of the DC power supply in this example, and is 300 V, for example, in the simulation.

メインIGBT6mのコレクタ電圧VCEが定常電圧VNまで上昇するとき、スナバ回路4の出力電圧Voutは、定常電圧VNからゼロへと次第に低下していく。つまり、時刻t30〜時刻t34の期間T3の共振状態において、スナバ回路4の出力Voutがゼロへと低下する。 When the collector voltage V CE of the main IGBT6m rises to a steady voltage V N, the output voltage Vout of the snubber circuit 4 gradually decreases to zero from constant voltage V N. That is, the output Vout of the snubber circuit 4 decreases to zero in the resonance state in the period T3 from time t30 to time t34.

インダクタL1が電流を放出する期間、即ち、図7においてハイサイドIGBT6aのコレクタ電流ICが正の値を示している期間である、時刻t34〜時刻t48の期間T4は、電圧ゼロ保持状態となる。オフ状態のローサイドIGBT6bのコレクタ電圧VCEは、時刻t30〜時刻t48の共振状態及びゼロ電圧保持状態において定常電圧VNを大きく超えて上昇する。ローサイドIGBT6bのコレクタ電圧VCEは、インダクタL1が電流を放出しきった時刻t48には最大値となる。 Period in which the inductor L1 emits current, i.e., a period in which the collector current I C of the high-side IGBT6a indicates a positive value in FIG. 7, the period T4 of the time t34~ time t48 is a voltage zero holding state . The collector voltage V CE of the low-side IGBT 6b in the off state rises greatly exceeding the steady voltage V N in the resonance state and the zero voltage holding state from time t30 to time t48. The collector voltage V CE of the low-side IGBT 6b reaches its maximum value at time t48 when the inductor L1 has completely discharged current.

時刻t48以降、共振キャパシタC1からの放電が開始され、出力キャパシタC2への充電が始まる。図7及び図12に示すように、ハイサイドIGBT6aを流れる電流の方向が反転する。これは、キャパシタC2への再充電が完了するまで継続される。キャパシタC2への再充電が完了すると、スナバ回路4の出力電圧Voutは上昇し、定常電圧VNへと復帰する。図7に示すように、本例では時刻t60において再充電が完了する。時刻t48〜時刻t60の期間T5は、充電復帰状態である。そして、再充電が完了するこのタイミングにおいて、ハイサイドIGBT6aをターンオフすると共に、メインIGBT6mをターンオンさせる。メインIGBT6mのコレクタ電圧VCEは、緩やかに定常電圧VNに復帰しているので、ソフトスイッチングのためのゼロ電圧制御からスムーズに復帰することができる。 After time t48, discharging from the resonant capacitor C1 is started, and charging to the output capacitor C2 is started. As shown in FIGS. 7 and 12, the direction of the current flowing through the high-side IGBT 6a is reversed. This is continued until the recharging of the capacitor C2 is completed. When the recharging of the capacitor C2 is completed, the output voltage Vout of the snubber circuit 4 rises and returns to the steady voltage V N. As shown in FIG. 7, in this example, recharging is completed at time t60. A period T5 from time t48 to time t60 is in a charging return state. At this timing when the recharging is completed, the high side IGBT 6a is turned off and the main IGBT 6m is turned on. Since the collector voltage V CE of the main IGBT 6m gradually returns to the steady voltage V N , it can smoothly return from the zero voltage control for soft switching.

図7に示すように、時刻t60において共振キャパシタC1は、完全に放電されておらず、ローサイドIGBT6bのコレクタ電圧VCEはゼロではない。また、ハイサイドIGBT6aのコレクタ電流ICもゼロではない。時刻t60から、ローサイドIGBT6bのコレクタ電圧VCEがゼロとなる時刻t64までの期間T6は、図13に示すように、フライホイールダイオード7a、7mを介して共振キャパシタC1からバッテリ3に電力が回生される第1電源回生状態である。 As shown in FIG. 7, at time t60, the resonant capacitor C1 is not completely discharged, and the collector voltage V CE of the low-side IGBT 6b is not zero. Also, the collector current I C of the high side IGBT 6a is not zero. During a period T6 from time t60 to time t64 when the collector voltage V CE of the low-side IGBT 6b becomes zero, power is regenerated from the resonant capacitor C1 to the battery 3 via the flywheel diodes 7a and 7m, as shown in FIG. The first power regeneration state.

時刻t64において共振キャパシタC1が完全に放電された後も、インダクタL1には、まだエネルギーが蓄積されている。時刻t64〜時刻t78の期間T7は、図14に示すように、インダクタL1からフライホイールダイオード7a、7m、7bを介して電力が回生される第2電源回生状態である。   Even after the resonant capacitor C1 is completely discharged at time t64, energy is still accumulated in the inductor L1. A period T7 from time t64 to time t78 is a second power regeneration state in which power is regenerated from the inductor L1 via the flywheel diodes 7a, 7m, and 7b, as shown in FIG.

時刻t60〜時刻t78の期間T8における電源回生状態を有することにより、従来はサージやノイズとなっていたエネルギーを電源に回生することができる。従来よく用いられていたキャパシタや抵抗を用いたノイズフィルタ回路では、キャパシタが吸収したエネルギーを抵抗によって消費させていた。従って、ノイズを低減することができても、エネルギー損失を生じ、結果として電源の使用効率を低下させていた。しかし、上述したように、スナバ回路4は、インバータ回路5におけるノイズを低減させるためのソフトスイッチングを達成させるために蓄えたエネルギーを直流電源へ回生する。従って、スナバ回路4は、インバータ回路5におけるノイズや損失を低減させると共に、回生によって直流電源の使用効率を向上させることが可能である。   By having the power regeneration state in the period T8 from the time t60 to the time t78, it is possible to regenerate energy that has conventionally been surge or noise to the power source. Conventionally used noise filter circuits using capacitors and resistors consume energy absorbed by the capacitors. Therefore, even if the noise can be reduced, energy loss occurs, and as a result, the use efficiency of the power source is reduced. However, as described above, the snubber circuit 4 regenerates energy stored in order to achieve soft switching for reducing noise in the inverter circuit 5 to the DC power source. Therefore, the snubber circuit 4 can reduce noise and loss in the inverter circuit 5 and improve the use efficiency of the DC power supply by regeneration.

また、図7から明らかなように、スナバ回路4の各IGBTのコレクタ電圧VCEとコレクタ電流ICとは、オーバーラップしていない。従って、スナバ回路4は、低損失で構成されている。 Further, as apparent from FIG. 7, the collector voltage V CE and the collector current I C of each IGBT of the snubber circuit 4 do not overlap. Therefore, the snubber circuit 4 is configured with low loss.

スナバ回路4を動作させるTRG信号は、インバータ回路5の各IGBT8a〜8fのゲート駆動信号に基づいて、IGBTのデッドタイムに電圧ゼロ状態が実現できるタイミングで生成されるとよい。つまり、インバータ回路5の各IGBT8aか8fのゲート駆動信号の論理和を基準として、TGR信号を生成することができる。従来のインバータ回路5の制御はそのままで、インバータ回路5のIGBT8a〜8fの制御タイミングに基づいてTGR信号を生成し、TRG信号に基づいてIGBT8a〜8fのターンオフ時のソフトスイッチングを達成することができる。ソフトスイッチングを適用するために、インバータ回路5の制御を変更することもなく、また、ソフトスイッチングのためのスナバ回路4の制御もインバータ回路5の制御を利用して実施することができる。従って、非常に簡単にターンオフ時のソフトスイッチングを実現することができる。   The TRG signal for operating the snubber circuit 4 may be generated based on the gate drive signals of the IGBTs 8a to 8f of the inverter circuit 5 at a timing at which a voltage zero state can be realized in the dead time of the IGBT. That is, the TGR signal can be generated based on the logical sum of the gate drive signals of the IGBTs 8a or 8f of the inverter circuit 5. The conventional control of the inverter circuit 5 is left as it is, and the TGR signal is generated based on the control timing of the IGBTs 8a to 8f of the inverter circuit 5, and the soft switching at the turn-off time of the IGBTs 8a to 8f can be achieved based on the TRG signal. . In order to apply the soft switching, the control of the inverter circuit 5 is not changed, and the control of the snubber circuit 4 for the soft switching can be performed using the control of the inverter circuit 5. Therefore, soft switching at turn-off can be realized very easily.

また、スナバ回路4が故障するなどの不測の事態が生じた際には、メインIGBT6mさえ無事であれば、常時メインIGBT6mをオン状態とすることによって、通常通りにインバータ回路5を動作させることが可能である。スイッチング損失を抑えられなくなるので、モータ2の速度やトルクなどについてはある程度の制限を加えることにはなるが、車両など、モータ2によって駆動される装置を最低限、動作させることができる。逆に、インバータ回路5やモータ2に故障が生じた場合には、メインIGBT6mを常時オフ状態とすることによって、電力の供給を遮断することができる。スナバ回路4によって、種々のフェールセーフを実現することができる。   Further, when an unexpected situation such as failure of the snubber circuit 4 occurs, the inverter circuit 5 can be operated as usual by always turning on the main IGBT 6m if the main IGBT 6m is safe. Is possible. Since switching loss cannot be suppressed, the speed and torque of the motor 2 are limited to some extent, but a device driven by the motor 2 such as a vehicle can be operated at a minimum. On the other hand, when a failure occurs in the inverter circuit 5 or the motor 2, the power supply can be cut off by always turning off the main IGBT 6m. Various fail safes can be realized by the snubber circuit 4.

発明者によるコンピュータ・シミュレーションによれば、このようなスナバ回路4を利用することにより、インバータ回路5における損失は、スイッチングのピーク時において93%低減できることが確認された。また、インバータ回路5における平均損失は、64%低減できることが確認された。   According to the computer simulation by the inventor, it was confirmed that by using such a snubber circuit 4, the loss in the inverter circuit 5 can be reduced by 93% at the peak of switching. Moreover, it was confirmed that the average loss in the inverter circuit 5 can be reduced by 64%.

このような損失の低減により、例えばインバータ回路5をPWM制御する際のパルス幅変調の変調周波数(搬送周波数)を高くすることができる。上述したように、モータを小型化し、高トルクを求めると、図15に示すように、d軸及びL軸インダクタンスの非線形性が強くなる。電流センサや回転センサなどの検出結果に基づいてフィードバック制御を実施しても、パルス幅変調の搬送周波数が低ければ追従性が悪く、応答性の改善には限界がある。但し、パルス幅変調の搬送周波数を高くすることは、単位時間当たりのスイッチング回数の増加につながり、スイッチング回数の増加はスイッチング損失に直結するので、実現が難しかった。しかし、上述したように、スイッチング損失を大きく低減することができれば、パルス幅変調の搬送周波数を高くすることができる。その結果、モータの小型化、高トルク化、応答性の改善が実現できる。   By reducing the loss, for example, the modulation frequency (carrier frequency) of the pulse width modulation when the inverter circuit 5 is PWM-controlled can be increased. As described above, when the motor is downsized and high torque is obtained, the non-linearity of the d-axis and L-axis inductances becomes strong as shown in FIG. Even if feedback control is performed based on the detection results of a current sensor, a rotation sensor, etc., if the carrier frequency of pulse width modulation is low, the followability is poor, and there is a limit to improving the response. However, increasing the carrier frequency of the pulse width modulation leads to an increase in the number of switching per unit time, and the increase in the number of switching is directly related to the switching loss, which is difficult to realize. However, as described above, if switching loss can be greatly reduced, the carrier frequency of pulse width modulation can be increased. As a result, the motor can be reduced in size, increased in torque, and improved in response.

また、パルス幅変調の搬送周波数を高くすることによって、応答性が改善されることから、モータ2のトルクリップルや、ステータコイルに流れる電流のリップル成分も低減される。従って、リップル電流を吸収し、平滑化するために設けられているキャパシタを低容量化することができる。例えば、大型の電界コンデンサをより小型なフィルムコンデンサ等に変更することも可能となる。   Further, since the response is improved by increasing the carrier frequency of the pulse width modulation, the torque ripple of the motor 2 and the ripple component of the current flowing through the stator coil are also reduced. Therefore, a capacitor provided for absorbing and smoothing the ripple current can be reduced in capacity. For example, a large electric field capacitor can be changed to a smaller film capacitor or the like.


また、スイッチング損失の低減は、発熱の抑制にも寄与する。一般的に半導体における損失は熱となって放出される。従って、スイッチング損失が少なくなることによって、インバータ回路5の発熱量も少なくなる。その結果、インバータ回路5に付加されるヒートシンクの熱容量を低容量化することができる。また、従来、水冷や油冷により冷却した場合には、空冷に置き換えることができる可能性もあり、コスト低減につながる。
Sleeve Reduction of switching loss also contributes to suppression of heat generation. Generally, a loss in a semiconductor is released as heat. Therefore, the amount of heat generated by the inverter circuit 5 is reduced by reducing the switching loss. As a result, the heat capacity of the heat sink added to the inverter circuit 5 can be reduced. Conventionally, when cooling by water cooling or oil cooling, there is a possibility that it can be replaced by air cooling, leading to cost reduction.

以上、説明したように、本発明によって、効率の低下を抑制しつつ、インバータのスイッチング素子のスイッチング損失及びスイッチングノイズを抑制することができる交流機制御装置を提供することが可能となる。   As described above, according to the present invention, it is possible to provide an AC machine control device that can suppress switching loss and switching noise of a switching element of an inverter while suppressing a decrease in efficiency.

1:交流機制御装置
2:モータ(交流機)
3:バッテリ(直流電源)
4:スナバ回路
5:インバータ回路
8a〜8f:IGBT(インバータ回路のスイッチング素子)
10:制御部
1: AC machine control device 2: Motor (alternator)
3: Battery (DC power supply)
4: Snubber circuit 5: Inverter circuits 8a to 8f: IGBT (switching element of inverter circuit)
10: Control unit

Claims (3)

少なくとも交流電動機として機能する交流機と直流電源との間に介在され、少なくとも前記直流電源の出力を交流に変換して前記交流機に供給するインバータ回路と、
前記直流電源と前記インバータ回路との間に介在され、前記直流電源の出力を所定の保持時間に亘り電圧が略ゼロの状態に保持して電力の供給を遮断するスナバ回路と、
前記インバータ回路のスイッチング素子がターンオンする際には前記直流電源からの電力の供給を遮断せず、前記インバータ回路のスイッチング素子がターンオフする際には前記直流電源からの出力を遮断するように、前記スナバ回路を制御する制御部と、を備える交流機制御装置。
An inverter circuit interposed between at least an alternating current machine functioning as an alternating current motor and a direct current power supply, converting at least the output of the direct current power supply into alternating current and supplying the alternating current machine;
A snubber circuit that is interposed between the DC power supply and the inverter circuit, and holds the output of the DC power supply in a substantially zero state for a predetermined holding time to cut off the supply of power;
When the switching element of the inverter circuit is turned on, the supply of power from the DC power supply is not interrupted, and when the switching element of the inverter circuit is turned off, the output from the DC power supply is interrupted. An AC machine control device comprising: a control unit that controls the snubber circuit.
前記制御部は、前記インバータ回路のスイッチング素子がターンオフする際に設定されるデッドタイムに、前記直流電源からの出力を遮断するように前記スナバ回路を制御する請求項1に記載の交流機制御装置。   2. The AC machine control device according to claim 1, wherein the control unit controls the snubber circuit so as to cut off an output from the DC power supply during a dead time set when a switching element of the inverter circuit is turned off. . 前記スナバ回路は、
前記直流電源から供給される電力の受け取りを遮断可能なメインスイッチング素子と、
前記メインスイッチング素子の後段において、インダクタを間に挟み、前記直流電源に直列接続されたハイサイドスイッチング素子及びローサイドスイッチング素子の2つのスイッチング素子と、
前記ローサイドスイッチング素子と並列接続された共振キャパシタと、
前記ハイサイドスイッチング素子、前記インダクタ、前記ローサイドスイッチング素子の直列回路に対して並列接続された出力キャパシタと、
前記各スイッチング素子及び前記出力キャパシタに並列接続された回生ダイオードと、
を有して構成され、
前記制御部は、前記各スイッチング素子をスイッチング制御して、前記スナバ回路を、
前記直流電源から供給される電力を前記スナバ回路を介して前記インバータ回路に伝達する定常状態と、
前記定常状態に続き、前記直流電源から供給される電力を前記インバータ回路に伝達すると共に当該電力を用いて前記インダクタを充電するインダクタ充電状態と、
前記インダクタ充電状態に続き、前記直流電源から供給される電力の受け取りを遮断して、前記インダクタと前記共振キャパシタとの共振により、前記出力キャパシタの端子間電圧を低下させて、前記スナバ回路の出力電圧を低下させる共振状態と、
前記共振状態に続き、電圧が略ゼロまで低下した前記出力キャパシタの端子間電圧を保持して、前記スナバ回路の出力電圧を略ゼロの状態で保持するゼロ電圧保持状態と、
前記ゼロ電圧保持状態に続き、前記出力キャパシタに再充電して、前記出力キャパシタの端子間電圧を上昇させ、前記スナバ回路の出力電圧を復帰させる充電復帰状態と、
前記充電復帰状態に続き、前記共振キャパシタ及び前記インダクタから前記直流電源へ電力を回生すると共に、前記直流電源から供給される電力の受け取りを再開し、回生の終了後に前記定常状態へ復帰する電源回生状態と、
に制御する請求項1又は2に記載の交流機制御装置。
The snubber circuit is
A main switching element capable of interrupting reception of power supplied from the DC power supply;
In the subsequent stage of the main switching element, two switching elements, a high-side switching element and a low-side switching element, which are connected in series with the DC power source with an inductor interposed therebetween,
A resonant capacitor connected in parallel with the low-side switching element;
An output capacitor connected in parallel to a series circuit of the high-side switching element, the inductor, and the low-side switching element;
A regenerative diode connected in parallel to each of the switching elements and the output capacitor;
Comprising
The control unit controls the switching of the switching elements to control the snubber circuit.
Steady state of transmitting power supplied from the DC power source to the inverter circuit via the snubber circuit;
Following the steady state, the power supplied from the DC power source is transmitted to the inverter circuit and the inductor is charged using the power to charge the inductor, and
Following the inductor charging state, the reception of power supplied from the DC power supply is cut off, and the voltage between the terminals of the output capacitor is lowered by the resonance between the inductor and the resonant capacitor, and the output of the snubber circuit A resonant state that reduces the voltage;
Following the resonance state, holding the voltage between the terminals of the output capacitor whose voltage has dropped to substantially zero, and holding the output voltage of the snubber circuit in a substantially zero state, and a zero voltage holding state,
Following the zero voltage holding state, recharging the output capacitor to increase the voltage across the output capacitor and returning the output voltage of the snubber circuit;
Following the charge recovery state, the power is regenerated from the resonant capacitor and the inductor to the DC power supply, and the reception of the power supplied from the DC power supply is resumed, and the power regeneration that returns to the steady state after the regeneration ends State and
The alternator control device according to claim 1 or 2, which is controlled to the above.
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