JP2015201940A - inverter device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、直流電圧を交流電圧に変換するインバータ装置に関する。 The present invention relates to an inverter device that converts a DC voltage into an AC voltage.
直流電圧を交流電圧に変換するインバータ装置は、直流電圧の印加による電流の流れ方向に沿って上流側と下流側の関係になる2つのスイッチング素子の直列回路を複数備え、これら直列回路における上流側スイッチング素子と下流側スイッチング素子の相互接続点が負荷である例えばブラシレスDCモータの各相巻線に接続される。 An inverter device that converts a DC voltage into an AC voltage includes a plurality of series circuits of two switching elements that have a relationship between an upstream side and a downstream side along the direction of current flow by application of the DC voltage, and the upstream side in these series circuits An interconnection point between the switching element and the downstream switching element is connected to each phase winding of, for example, a brushless DC motor as a load.
インバータ装置には、スイッチング素子のオン,オフに伴うスイッチング損失や導通損失などの電力損失が発生する。 In the inverter device, a power loss such as a switching loss and a conduction loss caused by turning on and off the switching element occurs.
本実施形態の目的は、スイッチング素子のオン,オフに伴う電力損失を低減できるインバータ装置を提供することである。 The objective of this embodiment is to provide the inverter apparatus which can reduce the power loss accompanying ON / OFF of a switching element.
請求項1のインバータ装置は、スイッチング回路および制御手段を備える。スイッチング回路は、上流側スイッチング素子であるユニポーラ型のワイドバンドギャップ化合物半導体素子と下流側スイッチング素子であるバイポーラ型のワイドバンドギャップ化合物半導体素子との直列回路を複数有する。これら直列回路における上流側スイッチング素子と下流側スイッチング素子の相互接続点が負荷に接続される。制御手段は、前記複数の直列回路のうち2つの直列回路の上流側スイッチング素子が断続的にオンし別の1つの直列回路の下流側スイッチング素子が連続的にオンする2相通電を前記複数の直列回路において順に切換える。
The inverter device of
[1]第1実施形態
以下、本発明の第1実施形態について図面を参照して説明する。
図1に示すように、商用交流電源1に整流回路(コンバータともいう)2が接続され、その整流回路2の出力端に平滑コンデンサ3が接続される。そして、平滑コンデンサ3にインバータ装置10が接続される。
[1] First embodiment
Hereinafter, a first embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings.
As shown in FIG. 1, a rectifier circuit (also referred to as a converter) 2 is connected to a commercial
インバータ装置10は、ゲート駆動回路11、スイッチング回路20、および制御部であるMCU(Micro Control Unit)30を備え、平滑コンデンサ3の電圧(直流電圧)を所定周波数および所定レベルの交流電圧に変換し出力する。この出力が、駆動電力として、負荷である例えばブラシレスDCモータMに供給される。ブラシレスDCモータMは、中性点Cを中心に星形結線された3つの相巻線Lu,Lv,Lwを有する固定子、および永久磁石を有する回転子により構成される。相巻線Lu,Lv,Lwに電流が流れることにより生じる磁界と永久磁石が作る磁界との吸引・反発による相互作用により、回転子が回転する。
The
スイッチング回路20は、直流電圧の印加による電流の流れ方向に沿って上流側と下流側の関係になる上流側スイッチング素子21uと下流側スイッチング素子22uのU相直列回路、同直流電圧の印加に伴う電流の流れに沿って上流側と下流側の関係になる上流側スイッチング素子21vと下流側スイッチング素子22vのV相直列回路、同直流電圧の印加に伴う電流の流れに沿って上流側と下流側の関係になる上流側スイッチング素子21wと下流側スイッチング素子22wのW相直列回路を有する。なお、上流側スイッチング素子21u,21v,21wに還流ダイオード(寄生ダイオードともいう)+Du,+Dv,+Dwがそれぞれ逆並列接続され、下流側スイッチング素子22u,22v,22wに還流ダイオード−Du,−Dv,−Dwがそれぞれ逆並列接続される。
The
U相直列回路における上流側スイッチング素子21uと下流側スイッチング素子22uの相互接続点がブラシレスDCモータの相巻線Luの非結線端に接続され、V相直列回路における上流側スイッチング素子21vと下流側スイッチング素子22vの相互接続点がブラシレスDCモータの相巻線Lvの非結線端に接続され、W相直列回路における上流側スイッチング素子21wと下流側スイッチング素子22wの相互接続点がブラシレスDCモータの相巻線Lwの非結線端に接続される。そして、巻線電流検出用の抵抗23(1シャント抵抗)がスイッチング回路20の負側ラインに直列に挿入接続され、その抵抗23の両端がMCU30に接続される。MCU30は、ブラシレスDCモータMの相巻線Lu,Lv,Lwに流れる電流を抵抗23を介して検出し、その検出電流に基づいてブラシレスDCモータMの速度を推定する。
The interconnection point between the
ゲート駆動回路11は、スイッチング回路20の各スイッチング素子に対する駆動用のゲート信号を、MCU30から供給される駆動制御信号(PWM信号)に応じて、かつ図示を省略した制御用電源から供給される制御用電圧(直流電圧)Vddを用いて、生成する。
The gate drive circuit 11 controls a gate signal for driving each switching element of the
とくに、スイッチング回路20の上流側スイッチング素子21u,21v,21wは、ユニポーラ型のワイドバンドギャップ化合物半導体素子たとえばシリコン・カーバイド製のMOSFETである。下流側スイッチング素子22u,22v,22wとして、バイポーラ型のワイドバンドギャップ化合物半導体素子たとえばシリコン・カーバイド製のバイポーラ・トランジスタである。
In particular, the upstream
一般に、シリコンや砒化ガリウムよりもバンドギャップが大きい材料のことを“ワイドギャップ半導体素子”と呼び、2種以上の元素の化合物で特性を実現したワイドギャップ半導体素子を“ワイドギャップ化合物半導体素子”と呼ぶ。 In general, a material having a larger band gap than silicon or gallium arsenide is called a “wide gap semiconductor device”, and a wide gap semiconductor device that realizes characteristics with a compound of two or more elements is called a “wide gap compound semiconductor device”. Call.
MCU30は、スイッチング回路20の各直列回路のうち2つの直列回路の上流側スイッチング素子がそれぞれ断続的にオンし別の1つの直列回路の下流側スイッチング素子が連続的にオンする2相通電(いわゆる、2相変調)を各直列回路において順に切換えるべく、各直列回路のスイッチング素子に対する駆動制御信号(PWM信号)を生成する。
The MCU 30 has two-phase energization (so-called “so-called”) in which the upstream switching elements of two series circuits among the series circuits of the
すなわち、MCU30は、図2に示すように、変調信号Eu´,Ev´,Ew´を生成し、その変調信号Eu´,Ev´,Ew´と三角波信号Eoとの電圧比較により、2相通電(2相変調)用のPWM信号Vu,Vv,Vwを生成する。このPWM信号Vu,Vv,Vwに応じたゲート駆動回路11の動作により、スイッチング回路20の各直列回路のうち2つの直列回路の上流側スイッチング素子がそれぞれ断続的にオン(オン,オフ繰返し)し残りの1つの直列回路の下流側スイッチング素子が連続的にオンするいわゆる下ベタの2相通電が各直列回路において順に切換わる。これにより、上流側スイッチング素子のオン,オフデューティに対応するレベルの相間電圧Vuv,Vvw,Vwuが生じ、それがブラシレスDCモータMの相巻線Lu,Lv,Lwに加わる。これにより、相巻線Lu,Lv,Lwに正弦波状の電流が流れ、ブラシレスDCモータMが動作する。
That is, as shown in FIG. 2, the
変調信号Eu´,Ev´,Ew´は、3相正弦波電圧Eu,Ev,Ewの波形整形により得られるもので、位相角が互いに120度異なり、3相正弦波電圧Eu,Ev,Ewの周期(=2π)の1/3(=2π/3)に相当する期間がスイッチング休止期間として負の一定レベルに固定される電圧波形を有する。3相正弦波電圧Eu,Ev,Ewは、ブラシレスDCモータMの速度に比例して周波数が変化し、かつ外部から入力される指令速度とブラシレスDCモータMの速度との差に応じてレベルが変化する。3相通電(3相変調)の場合、3相正弦波電圧Eu,Ev,Ewと三角波信号Eoとの電圧比較により、全ての期間の電位が高レベルと零レベルを繰返すPWM信号Vu,Vv,Vwが生成される。このPWM信号Vu,Vv,Vwに応じて、各直列回路の上流側スイッチング素子が互いに異なる位相でオン,オフし、それと逆相で各直列回路の下流側スイッチング素子がオン,オフする。これにより、ブラシレスDCモータMの相巻線Lu,Lv,Lwに正弦波状の電流が流れ、ブラシレスDCモータMが動作する。 The modulation signals Eu ′, Ev ′, Ew ′ are obtained by waveform shaping of the three-phase sine wave voltages Eu, Ev, Ew, the phase angles differ from each other by 120 degrees, and the three-phase sine wave voltages Eu, Ev, Ew A period corresponding to 1/3 (= 2π / 3) of the period (= 2π) has a voltage waveform fixed to a negative constant level as a switching pause period. The three-phase sine wave voltages Eu, Ev, Ew change in frequency in proportion to the speed of the brushless DC motor M, and the level varies depending on the difference between the command speed input from the outside and the speed of the brushless DC motor M. Change. In the case of three-phase energization (three-phase modulation), the PWM signals Vu, Vv, V, V, Vw is generated. In response to the PWM signals Vu, Vv, and Vw, the upstream side switching elements of each series circuit are turned on and off at different phases, and the downstream side switching elements of each series circuit are turned on and off in opposite phases. Thereby, a sinusoidal current flows through the phase windings Lu, Lv, Lw of the brushless DC motor M, and the brushless DC motor M operates.
ユニポーラ型のワイドバンドギャップ化合物半導体素子およびバイポーラ型のワイドバンドギャップ化合物半導体素子を電力損失について比較すると、キャリアが電子と正孔の双方に使えるバイポーラ型の方が電力損失が少ない。スイッチング素子の電力損失は、導通損失とスイッチング損失に大別される。ユニポーラ型のMOSFETの場合、“導通損失=オン抵抗×電流2”である。IGBTやバイポーラ・トランジスタの場合、“導通損失=飽和電圧×電流”である。 Comparing the power loss between the unipolar wide bandgap compound semiconductor device and the bipolar wide bandgap compound semiconductor device, the bipolar type in which carriers can be used for both electrons and holes has less power loss. The power loss of the switching element is roughly divided into conduction loss and switching loss. In the case of a unipolar MOSFET, “conduction loss = on resistance × current 2 ”. In the case of an IGBT or a bipolar transistor, “conduction loss = saturation voltage × current”.
ユニポーラ型のワイドバンドギャップ化合物半導体素子およびバイポーラ型のワイドバンドギャップ化合物半導体素子をコスト面について比較すると、より多く開発および製品化されているMOSFETなどのユニポーラ型の方が低コストである。しかも、2相通電の場合、断続的にオンする上流側スイッチング素子21u,21v,21wの通電率よりも、連続的にオンする下流側スイッチング素子22u,22v,22wの通電率の方が高い。
Comparing the cost of the unipolar type wide bandgap compound semiconductor device and the bipolar type wide bandgap compound semiconductor device, the unipolar type such as MOSFET, which has been developed and commercialized more, has a lower cost. Moreover, in the case of two-phase energization, the energization rates of the
そこで、通電率が低い方の上流側スイッチング素子21u,21v,21wについては低コストのユニポーラ型のワイドバンドギャップ化合物半導体素子を用い、通電率が高い方の下流側スイッチング素子22u,22v,22wについては電力損失の少ないバイポーラ型のワイドバンドギャップ化合物半導体素子を用いることにより、コストを抑えながら電力損失をできるだけ低減することができる。
Therefore, a low-cost unipolar wide bandgap compound semiconductor element is used for the upstream
ユニポーラ型のワイドバンドギャップ半導体素子として、シリコン(Si)製のMOSFET、およびシリコン製のSJ−MOSFET(スーパージャンクションMOSFET)がある。同じくユニポーラ型のワイドバンドギャップ化合物半導体素子として、シリコン・カーバイド(SiC)製のMOSFETがある。バイポーラ型のワイドバンドギャップ化合物半導体素子として、シリコン製のIGBT、およびシリコン・カーバイド製のバイポーラ・トランジスタがある。 As a unipolar wide band gap semiconductor element, there are a MOSFET made of silicon (Si) and a SJ-MOSFET (super junction MOSFET) made of silicon. Similarly, there is a MOSFET made of silicon carbide (SiC) as a unipolar wide band gap compound semiconductor device. As a bipolar type wide band gap compound semiconductor device, there are a silicon IGBT and a silicon carbide bipolar transistor.
これら半導体素子の電力損失を図3に示す。シリコン製のMOSFET(Si)およびシリコン製のSJ−MOSFET(Si)の電力損失は、低負荷域において少なく、中負荷域において大きく増加する傾向にある。シリコン製のIGBT(Si)の電力損失は、全負荷域において一定の率で増加する。シリコン・カーバイド製のMOSFET(SiC)の電力損失は、低負荷域および中負荷域で少なく、高負荷域においてIGBT(Si)の電力損失を超えて増加する。シリコン・カーバイド製のバイポーラ・トランジスタ(SiC)の電力損失は、全負荷域において一定の率で増加するが、その増加量はIGBT(Si)の電力損失のほぼ半分と少ない。同じシリコン・カーバイド製でも、バイポーラ・トランジスタの方が、MOSFETよりも、スイッチング損失や導通損失が少ない。 The power loss of these semiconductor elements is shown in FIG. The power loss of the silicon MOSFET (Si) and the silicon SJ-MOSFET (Si) tends to be small in the low load region and greatly increased in the medium load region. The power loss of silicon IGBT (Si) increases at a constant rate in the entire load range. The power loss of the silicon carbide MOSFET (SiC) is small in the low load range and the medium load range, and increases beyond the power loss of the IGBT (Si) in the high load range. The power loss of the silicon carbide bipolar transistor (SiC) increases at a constant rate in the entire load region, but the increase is small, almost half of the power loss of the IGBT (Si). Even with the same silicon carbide, bipolar transistors have less switching and conduction losses than MOSFETs.
これら半導体素子の特性を考慮し、通電率の低い方の上流側スイッチング素子21u,21v,21wとしてシリコン・カーバイド製のMOSFETを用い、通電率の高い方の下流側スイッチング素子22u,22v,22wとして電力損失の少ないシリコン・カーバイド製のバイポーラ・トランジスタを用いる。
In consideration of the characteristics of these semiconductor elements, MOSFETs made of silicon carbide are used as the upstream
さらに、シリコン・カーバイド(SiC)は、シリコン(Si)に比べると、バンドギャップが約3倍、絶縁破壊電解が約10倍、熱伝達率が約3倍、高温でも安定して動作するといった優れた物性値を持つ。このシリコン・カーバイドを用いることにより、高効率で電流密度が高く、スイッチング速度の高いスイッチング素子を実現できる。スイッチング速度が高いので、より小型のインダクタなどを使用することができ、基板面積の削減につながる。 Furthermore, silicon carbide (SiC) is superior to silicon (Si) in that the band gap is about 3 times, the dielectric breakdown electrolysis is about 10 times, the heat transfer rate is about 3 times, and it operates stably even at high temperatures. It has a physical property value. By using this silicon carbide, a switching element with high efficiency, high current density, and high switching speed can be realized. Since the switching speed is high, a smaller inductor or the like can be used, leading to a reduction in the board area.
以上の構成により、スイッチング素子のオン,オフに伴うインバータ装置10の電力損失を大幅に低減できる。
With the above configuration, the power loss of the
[2]第2実施形態
本発明の第2実施形態を図4により説明する。
インバータ装置10は、ゲート駆動回路11、スイッチング回路20、MCU30のほかに、ブートストラップ回路40を備える。
[2] Second embodiment
A second embodiment of the present invention will be described with reference to FIG.
The
ブートストラップ回路40は、ダイオード41u,41v,41wおよびブートストラップ・コンデンサ42u,42v,42wを含み、下流側スイッチング素子22uがオンしている場合に制御用電圧Vddをダイオード41uおよび下流側スイッチング素子22uを介してブートストラップ・コンデンサ42uに充電し、下流側スイッチング素子22vがオンしている場合に制御用電圧Vddをダイオード41vおよび下流側スイッチング素子22vを介してブートストラップ・コンデンサ42vに充電し、下流側スイッチング素子22wがオンしている場合に制御用電圧Vddをダイオード41wおよび下流側スイッチング素子22wを介してブートストラップ・コンデンサ42wに充電する。そして、ブートストラップ回路40は、ブートストラップ・コンデンサ42u,42v,42wの充電電圧をゲート信号生成用の電源電圧としてゲート駆動回路11に供給する。
The
ゲート駆動回路11は、下流側スイッチング素子22u,22v,22wに対する駆動用のゲート信号を、MCU30から供給される駆動制御信号(PWM信号)に応じて、かつ制御用電圧Vddを用いて、生成する。さらに、ゲート駆動回路11は、上流側スイッチング素子21u,21v,21wに対する駆動用のゲート信号を、MCU30から供給される駆動制御信号(PWM信号)に応じて、かつブートストラップ・コンデンサ42u,42v,42wの充電電圧を用いて、生成する。
他の構成は、第1実施形態と同じである。
The gate drive circuit 11 generates a drive gate signal for the
Other configurations are the same as those of the first embodiment.
上流側スイッチング素子21u,21v,21wであるユニポーラ型のMOSFETは電圧駆動型であり、下流側スイッチング素子22u,22v,22wであるバイポーラ・トランジスタは電流駆動型である。電流駆動型のバイポーラ・トランジスタを駆動する電源は、大きい容量のものが必要である。一方、電圧駆動型であるユニポーラ型のMOSFETを駆動する電源は、電流駆動型のバイポーラ・トランジスタを駆動する電源よりも小さい容量のもので十分である。
The unipolar MOSFETs that are the
この点を考慮し、第2実施形態では、下流側スイッチング素子22u,22v,22wに対する駆動用のゲート信号を制御用電圧Vddを用いて生成し、上流側スイッチング素子21u,21v,21wを駆動するためのゲート信号をブートストラップ回路40の充電電圧を用いて生成する。これにより、スイッチング回路20に対する駆動用の電源回路を全体として小形化および低コスト化できる。
Considering this point, in the second embodiment, a driving gate signal for the
[3]変形例
上記各実施形態において、スイッチング回路20の各スイッチング素子をモジュール化する構成としてもよい。モジュール化により、配線パターンの簡略化、ひいては配線インダクタンスの縮小化が図れる。また、スイッチング回路20の各スイッチング素子をブートストラップ回路40およびゲート駆動回路11と共にモジュール化する構成としてもよい。
[3] Modification
In the above embodiments, each switching element of the switching
上記各実施形態では、負荷がブラシレスDCモータである場合を例に説明したが、負荷に限定はなく、種々の電気機器への適用が可能である。 In each of the above embodiments, the case where the load is a brushless DC motor has been described as an example. However, the load is not limited and can be applied to various electric devices.
その他、上記各実施形態および変形例は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。この新規な実施形態および変形例は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、書き換え、変更、各実施形態や変形例の部分的組み合わせを行うことができる。これら実施形態や変形は、発明の範囲は要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。 In addition, each said embodiment and modification are shown as an example, and are not intending limiting the range of invention. The novel embodiments and modifications can be implemented in various other forms, and various omissions, rewrites, modifications, portions of the embodiments and modifications can be made without departing from the spirit of the invention. Combinations can be made. In these embodiments and modifications, the scope of the invention is included in the gist, and is included in the invention described in the claims and the equivalents thereof.
1…商用交流電源、2…整流回路、3…平滑コンデンサ、10…インバータ装置、11…ゲート駆動回路、20…スイッチング回路、21u,21v,21w…上流側スイッチング素子、22u,22v,22w…下流側スイッチング素子、M…ブラシレスDCモータ(負荷)、30…MCU、40…ブートストラップ回路、41u,41v,41w…ダイオード、42u,42v,42w…ブートストラップ・コンデンサ
DESCRIPTION OF
Claims (4)
前記複数の直列回路のうち2つの直列回路の上流側スイッチング素子が断続的にオンし別の1つの直列回路の下流側スイッチング素子が連続的にオンする2相通電を前記複数の直列回路において順に切換える制御手段と、
を備えることを特徴とするインバータ装置。 It has a plurality of series circuits of a unipolar wide band gap compound semiconductor element that is an upstream switching element and a bipolar wide band gap compound semiconductor element that is a downstream switching element, and the upstream switching element and the downstream in these series circuits A switching circuit in which the interconnection point of the side switching elements is connected to the load;
Two-phase energization in which the upstream switching elements of two series circuits are intermittently turned on and the downstream switching elements of another series circuit is continuously turned on in the plurality of series circuits is sequentially performed in the plurality of series circuits. Control means for switching;
An inverter device comprising:
前記バイポーラ型のワイドバンドギャップ化合物半導体素子は、シリコン・カーバイド製のバイポーラ・トランジスタである
ことを特徴とする請求項1記載のインバータ装置。 The unipolar wide bandgap compound semiconductor device is a silicon carbide MOSFET,
The inverter device according to claim 1, wherein the bipolar wide band gap compound semiconductor element is a bipolar transistor made of silicon carbide.
前記下流側スイッチング素子に対する駆動用のゲート信号を前記制御用電圧を用いて生成し、前記上流側スイッチング素子を駆動するためのゲート信号を前記コンデンサの電圧を用いて生成するゲート駆動回路と、
をさらに備えることを特徴とする請求項1または請求項2記載のインバータ装置。 A bootstrap circuit including a capacitor charged with a control voltage by turning on the downstream switching element;
A gate drive circuit for generating a gate signal for driving the downstream switching element using the control voltage, and generating a gate signal for driving the upstream switching element using the voltage of the capacitor;
The inverter device according to claim 1, further comprising:
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