JP5857189B2 - Inverter device - Google Patents

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Description

本発明は、複数個のスイッチング素子により構成され、直流電力を、所望の周波数の交流に変換し、モータなどの負荷の駆動を行うインバータ装置に関するものである。   The present invention relates to an inverter device that includes a plurality of switching elements, converts DC power into AC having a desired frequency, and drives a load such as a motor.

従来、電源からの入力電力を、所望の周波数の交流に変換し、モータ駆動などに使用するいわゆるインバータ装置においては、電源電圧の印加方向に従って上流側および下流側の2つのスイッチング素子の直列回路を2組有するスイッチング回路が一般的である。上流側、いわゆる上アームのスイッチング素子、下流側、いわゆる下アームのスイッチング素子としては、IGBT(絶縁ゲートバイポーラトランジスタ)やMOSFET(電界効果トランジスタの一種)などが広く使用されている。   Conventionally, in a so-called inverter device that converts input power from a power source into alternating current of a desired frequency and is used for driving a motor or the like, a series circuit of two switching elements on the upstream side and the downstream side according to the application direction of the power source voltage is used. Two sets of switching circuits are common. IGBTs (insulated gate bipolar transistors), MOSFETs (a kind of field effect transistors), and the like are widely used as the upstream side, so-called upper arm switching elements, and the downstream side, so-called lower arm switching elements.

このようなスイッチング素子の特徴としては、IGBTデバイスは、低負荷では効率は低いが、高負荷では比較的効率が高く、さらにスイッチング速度も高速である特徴を有し、一方、MOSFETデバイスは、低負荷では効率は高く、高負荷では比較的効率が低く、さらにスイッチング速度も高速である特徴を有するものである。また、一般的なインバータ回路においては、スイッチング回路の上下アームすべてのスイッチング素子を同じ素子で構成しているものが大半であった。   As a characteristic of such a switching element, an IGBT device has a low efficiency at a low load, but has a relatively high efficiency at a high load and a high switching speed, while a MOSFET device has a low efficiency. The load is highly efficient, the load is relatively low, and the switching speed is high. Further, in general inverter circuits, most of the switching elements of the upper and lower arms of the switching circuit are composed of the same elements.

一方、特許文献1に示すように、上流側および下流側となる2つのスイッチング素子で、少なくとも一方の素子がMOSFETからなる直列回路を有し、一方がIGBTである場合には、IGBTのオン時の両端間電圧が一定となることによる高電圧、高電流出力時のロスが小さい特性と、同時にMOSFETのオン、オフ速度が速いことによる高周波スイッチングが可能で、かつ低電圧、低電流出力時のロスが小さいという特性を利用し効率向上を行ったインバータ制御回路が提案されていた。   On the other hand, as shown in Patent Document 1, in the case where two switching elements on the upstream side and the downstream side have at least one series circuit composed of MOSFETs, and one of them is an IGBT, High voltage and high current output due to the constant voltage between both terminals, and high frequency switching due to high MOSFET on / off speed, and low voltage and low current output. There has been proposed an inverter control circuit that improves the efficiency by utilizing the characteristic that the loss is small.

また、特許文献2に示すインバータ回路においては、直流電動機を駆動するために用いられるスイッチング回路の上アームのスイッチング素子をIGBTまたはMOSFETにて構成し、下アームのスイッチング素子をバイポーラトランジスタにて構成していた。それにより、スイッチング回路の上アームの3相に高速スイッチングが可能なIGBTまたはMOSFETを用い、下アームの3相にバイポーラトランジスタを用いることにより、6相すべてにIGBTまたはMOSFETを用いるよりも安価で、かつ、バイポーラトランジスタ使用時と比べ、細かいスイッチングやチョッピングの制御を可能とし、更に直流
電動機駆動時における電磁音の削除や、周辺機構との共振による振動を削減する制御を行うことを可能にして、静音化を向上させていた。
In the inverter circuit shown in Patent Document 2, the switching element of the upper arm of the switching circuit used for driving the DC motor is configured by IGBT or MOSFET, and the switching element of the lower arm is configured by bipolar transistor. It was. By using an IGBT or MOSFET capable of high-speed switching for the three phases of the upper arm of the switching circuit and using a bipolar transistor for the three phases of the lower arm, it is cheaper than using an IGBT or MOSFET for all six phases. And, compared to when using a bipolar transistor, it enables fine switching and chopping control, and furthermore, it is possible to perform control to eliminate electromagnetic noise when driving a DC motor and to reduce vibration due to resonance with peripheral mechanisms. The noise reduction was improved.

特開2007−129848号公報JP 2007-129848 A 特開平7−31182号公報JP-A-7-31182

このようなスイッチング回路の上下アームが異なった種類のスイッチング素子で構成されたインバータ装置の場合には、通常のスイッチングパターンで駆動した場合、各スイッチング素子にかかる負荷のバランスが不均一になり、片方のスイッチング素子に負荷が集中し、温度上昇により駆動範囲が限定される場合があった。   In the case of an inverter device in which the upper and lower arms of such a switching circuit are configured with different types of switching elements, when driven with a normal switching pattern, the load balance on each switching element becomes uneven, In some cases, the load is concentrated on the switching element of this type, and the drive range is limited due to a temperature rise.

また、各スイッチング素子の効率が高くなる条件は、スイッチング素子の種類によって異なるため、通常のスイッチングパターンで駆動した場合には、スイッチング素子の特性を考慮して効率を最大化することは困難であった。   In addition, since the conditions for increasing the efficiency of each switching element vary depending on the type of the switching element, it is difficult to maximize the efficiency in consideration of the characteristics of the switching element when driven by a normal switching pattern. It was.

本発明は、かかる点に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、上下アームにそれぞれMOSFET、IGBTなどの異なった種類のスイッチング素子を用いたインバータ装置において、そのスイッチング素子の駆動制御を最適に行うことにより、どの様な負荷条件においても高信頼性のもとでインバータ回路損失を低減し効率向上を行うことを目的としている。   The present invention has been made in view of such a point, and an object of the present invention is to control driving of the switching element in an inverter device using different types of switching elements such as MOSFETs and IGBTs for the upper and lower arms, respectively. The purpose of this is to reduce the inverter circuit loss and improve the efficiency with high reliability under any load conditions.

本発明に係るインバータ装置は、複数の上下アームから構成されるスイッチング回路と、前記スイッチング回路をPWM変調方式で駆動する制御手段とを備え、正弦波電圧を出力するインバータ装置において、上アーム側スイッチング回路を構成するスイッチング素子と、下アーム側スイッチング回路を構成するスイッチング素子は異なる種類のスイッチング素子で構成され、前記制御手段は、前記下アーム側スイッチング回路を構成するスイッチング素子のオン抵抗と、前記上アーム側スイッチング回路を構成するスイッチング素子のオン抵抗との大小関係を決定する条件に基づいて、前記正弦波電圧の平均出力電圧を前記スイッチング回路に供給される電源電圧の中間電圧より低電圧側または高電圧側にシフトさせることを特徴とするインバータ装置である。 The inverter apparatus according to the present invention, comprises a switching circuit including a plurality of upper and lower arms, and a control means for driving the switching circuit in the PWM modulation method, the inverter apparatus for outputting a sinusoidal voltage, the upper arm switching a switching element constituting the circuit, the switching elements constituting the lower arm switching circuit is composed of different types of switching devices, said control means, and the on-resistance of the switching elements constituting the lower arm side switching circuit, the Based on the condition for determining the magnitude relationship with the on-resistance of the switching element constituting the upper arm side switching circuit, the average output voltage of the sine wave voltage is lower than the intermediate voltage of the power supply voltage supplied to the switching circuit. or high voltage Lee, characterized in that shifting to the side A converter unit.

このことにより、低損失、高速のスイッチング素子を備え、下アーム側スイッチング素子が高効率となる負荷条件においても、上アーム側のスイッチング素子が高効率となる負荷条件においても、常に高効率なインバータ装置が実現される。 As a result, a low-loss, high-speed switching element is provided, and a high-efficiency inverter is always available , even under load conditions where the lower arm-side switching element is highly efficient and under load conditions where the upper-arm side switching element is highly efficient. A device is realized.

以上のように本発明によれば、低損失、高速のスイッチング素子を備え、どの様な負荷条件においても常に最適に高効率なインバータ装置が実現できる。 As described above, according to the present invention, a low-loss, high-speed switching element is provided, and an optimally efficient inverter device can be realized at any load condition.

本発明の実施の形態1におけるインバータ装置の構成図Configuration diagram of the inverter device according to the first embodiment of the present invention. 同、インバータ装置のスイッチング素子の特性を表わす特性図The characteristic diagram showing the characteristic of the switching element of the inverter device 同、インバータ装置のPWM変調方式におけるスイッチングのタイミング特性の一例を表すタイミング図The timing chart showing an example of switching timing characteristics in the PWM modulation system of the inverter device 同、インバータ装置における上アーム側と下アーム側のスイッチング素子を通過する電力量の特性を示した一例の特性図The characteristic figure of an example which showed the characteristic of the electric energy which passes the switching element of the upper arm side and lower arm side in an inverter device 同、インバータ装置のPWM変調方式におけるスイッチングのタイミング特性の別の一例を表すタイミング図The timing chart showing another example of the switching timing characteristics in the PWM modulation system of the inverter device 同、インバータ装置における上アーム側と下アーム側のスイッチング素子を通過する電力量の特性を示した別の一例の特性図The characteristic diagram of another example which showed the characteristic of the electric energy which passes the switching element of the upper arm side and lower arm side in an inverter apparatus similarly 同、インバータ装置の制御手段における出力電流に対する出力電圧の切換特性を表す特性図The characteristic diagram showing the switching characteristic of the output voltage with respect to the output current in the control means of the inverter device 従来のインバータ装置のPWM変調方式におけるスイッチングのタイミング特性を表すタイミング図Timing chart showing switching timing characteristics in PWM modulation method of conventional inverter device

第1の発明は、複数の上下アームから構成されるスイッチング回路と、前記スイッチング回路をPWM変調方式で駆動する制御手段とを備え、正弦波電圧を出力するインバータ装置において、上アーム側スイッチング回路を構成するスイッチング素子と、下アーム側スイッチング回路を構成するスイッチング素子は異なる種類のスイッチング素子で構成され、前記制御手段は、前記下アーム側スイッチング回路を構成するスイッチング素子のオン抵抗と、前記上アーム側スイッチング回路を構成するスイッチング素子のオン抵抗との大小関係を決定する条件に基づいて、前記正弦波電圧の平均出力電圧を前記スイッチング回路に供給される電源電圧の中間電圧より低電圧側または高電圧側にシフトさせることを特徴とするインバータ装置である。
このことにより、低損失、高速のスイッチング素子を備え、下アーム側スイッチング素子が高効率となる負荷条件においても、上アーム側のスイッチング素子が高効率となる負荷条件においても、常に高効率なインバータ装置が実現される。
A first aspect of the present invention is a switching circuit composed of a plurality of upper and lower arms, the switching circuits and a control means for driving by the PWM modulation scheme, the inverter apparatus for outputting a sinusoidal voltage, the upper arm switching circuit a switching element forming, the switching elements constituting the lower arm switching circuit is composed of different types of switching devices, said control means, and the on-resistance of the switching elements constituting the lower arm side switching circuit, the upper arm The average output voltage of the sine wave voltage is lower or higher than the intermediate voltage of the power supply voltage supplied to the switching circuit based on the condition that determines the magnitude relationship with the on-resistance of the switching elements constituting the side switching circuit. inverter der, characterized in that shifting the voltage side .
As a result, a low-loss, high-speed switching element is provided, and a high-efficiency inverter is always available , even under load conditions where the lower arm-side switching element is highly efficient and under load conditions where the upper-arm side switching element is highly efficient. A device is realized.

第2の発明は、特に第1の発明において、前記制御手段は、前記下アーム側スイッチング回路を構成するスイッチング素子のオン抵抗が、前記上アーム側スイッチング回路を構成するスイッチング素子のオン抵抗より小となる条件においては、前記正弦波電圧の平均出力電圧を前記電源電圧の中間電圧より低電圧側にシフトさせ、前記上アーム側スイッチング回路を構成するスイッチング素子のオン抵抗が、前記下アーム側スイッチング回路を構成するスイッチング素子のオン抵抗より小となる条件においては、前記正弦波電圧の平均出力電圧を前記電源電圧の中間電圧より高電圧側にシフトさせるインバータ装置である。
このことにより、低損失、高速のスイッチング素子を備え、下アーム側スイッチング素子が高効率となる負荷条件においても、上アーム側のスイッチング素子が高効率となる負荷条件においても常に高効率なインバータ装置が実現される。
In a second aspect of the invention, particularly in the first aspect of the invention, the control means is configured such that the on-resistance of the switching element constituting the lower arm side switching circuit is smaller than the on resistance of the switching element constituting the upper arm side switching circuit. In this condition, the average output voltage of the sine wave voltage is shifted to a lower voltage side than the intermediate voltage of the power supply voltage, and the on-resistance of the switching element constituting the upper arm side switching circuit is the lower arm side switching. The inverter device shifts an average output voltage of the sine wave voltage to a higher voltage side than an intermediate voltage of the power supply voltage under a condition of being smaller than an on-resistance of a switching element constituting the circuit .
Thus, low loss, a high speed switching element, even in the load conditions the lower arm switching element becomes high efficiency, even in the loading condition in which the switching elements of the upper arm becomes high efficiency, always high efficiency inverter A device is realized.

第3の発明は、特に第2の発明において、出力電流値を検出する電流検出手段をさらに備え、前記制御手段は、前記電流検出手段により検出された前記出力電流値と、前記上アーム側スイッチング回路および前記下アーム側スイッチング回路を構成するスイッチング素子で定義される所定の電流値との大小関係を判定する比較手段を有し、前記制御手段は、前記比較手段の判定結果に基づいて前記上アーム側スイッチング回路を構成するスイッチング素子のオン抵抗と、前記下アーム側スイッチング回路を構成するスイッチング素子のオン抵抗の大小関係を判定するインバータ装置である。
このことにより、低損失、高速のスイッチング素子を備え、上アーム側スイッチング素子が高効率となる負荷条件でありかつ、下アーム側スイッチング素子が高効率となる負荷条件においても常に高効率なインバータ装置が実現される。
According to a third aspect of the invention, particularly in the second aspect of the invention, the control means further includes a current detection unit that detects an output current value, and the control unit detects the output current value detected by the current detection unit and the upper arm side switching. A comparison means for determining a magnitude relationship with a predetermined current value defined by a switching element that constitutes the circuit and the lower arm side switching circuit, and the control means is configured to determine the upper limit based on a determination result of the comparison means. This is an inverter device that determines the magnitude relationship between the on-resistance of the switching element that constitutes the arm-side switching circuit and the on-resistance of the switching element that constitutes the lower arm-side switching circuit .
As a result, a low-loss, high-speed switching element is provided, and the inverter device is always highly efficient even under load conditions in which the upper arm side switching element is highly efficient and in which the lower arm side switching element is highly efficient. Is realized.

第4の発明は、特に第3の発明において、前記制御手段は、前記電流検出手段により検出された前記出力電流値の大きさに応じて前記正弦波電圧の平均出力電圧値をシフトするインバータ装置である。
このことにより、低損失、高速のスイッチング素子を備え、上アーム側スイッチング素子が高効率となる負荷条件でありかつ、下アーム側スイッチング素子が高効率となる負荷条件においても常に高効率なインバータ装置が実現される。
In a fourth aspect of the invention, particularly in the third aspect of the invention, the control means shifts an average output voltage value of the sine wave voltage in accordance with the magnitude of the output current value detected by the current detection means. It is.
As a result, a low-loss, high-speed switching element is provided, and the inverter device is always highly efficient even under load conditions in which the upper arm side switching element is highly efficient and in which the lower arm side switching element is highly efficient. Is realized.

第5の発明は、特に、第1〜4のいずれか1つの発明において、上アーム側スイッチング回路および下アーム側スイッチング回路を構成する異なる種類のスイッチング素子が、MOSFETおよびIGBTであるインバータ装置である。
このことにより、負荷条件によらず変換効率の高いインバータ装置が実現される。
The fifth invention is an inverter device in which, in any one of the first to fourth inventions, the different types of switching elements constituting the upper arm side switching circuit and the lower arm side switching circuit are MOSFETs and IGBTs. .
As a result, an inverter device with high conversion efficiency is realized regardless of load conditions.

第6の発明は、特に、第1〜4のいずれか1つの発明において、上アーム側スイッチング回路および下アーム側スイッチング回路を構成する異なる種類のスイッチング素子が、GaNトランジスタおよびIGBTであるインバータ装置である。
このことにより、負荷条件によらず変換効率の高いインバータ装置が実現される。
A sixth invention is an inverter device according to any one of the first to fourth inventions, wherein the different types of switching elements constituting the upper arm side switching circuit and the lower arm side switching circuit are GaN transistors and IGBTs. is there.
As a result, an inverter device with high conversion efficiency is realized regardless of load conditions.

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。なお、この実施の形態によって本発明が限定されるものではない。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. Note that the present invention is not limited to the embodiments.

(実施の形態1)
図1は、本発明によるインバータ装置の実施の形態における詳細構成を示す構成図である。交流電源1より与えられる交流電力は、整流回路4、平滑コンデンサ5により一旦、直流化され、インバータ装置2に供給される。インバータ装置2は、スイッチング素子22〜24により構成される上アーム側のスイッチング素子と下アーム側のスイッチング素子25〜27による直列回路を3相分有し、これら直列回路における上アームと下アームの相互接続点が、負荷であるモータ3に接続された構成となっている。
(Embodiment 1)
FIG. 1 is a configuration diagram showing a detailed configuration in an embodiment of an inverter device according to the present invention. The AC power supplied from the AC power source 1 is temporarily converted to DC by the rectifier circuit 4 and the smoothing capacitor 5 and supplied to the inverter device 2. The inverter device 2 has a three-phase series circuit composed of switching elements on the upper arm side constituted by the switching elements 22 to 24 and switching elements 25 to 27 on the lower arm side. The interconnection point is connected to the motor 3 as a load.

制御手段21は、モータ3が所望の回転数で回転するような交流電力をインバータ装置2が出力するように、スイッチング素子22〜27のスイッチングを制御する。スイッチングの方法としては、素子の駆動パルスの時間幅により出力電圧を制御する、一般的なパルス幅変調(PWM)方式が用いられる。   The control means 21 controls switching of the switching elements 22 to 27 so that the inverter device 2 outputs AC power that causes the motor 3 to rotate at a desired number of rotations. As a switching method, a general pulse width modulation (PWM) method in which the output voltage is controlled by the time width of the drive pulse of the element is used.

また、制御手段21は、モータ3に流れる電流を検出するための電流検出手段28a、28bが備えられ、検出された電流値に基づき、後で説明する損失を低減する制御方法によりスイッチングパターンを構成しスイッチング素子22〜27を駆動する機能を持つ。   Further, the control means 21 is provided with current detection means 28a and 28b for detecting the current flowing through the motor 3, and a switching pattern is configured by a control method for reducing loss described later based on the detected current value. And has a function of driving the switching elements 22 to 27.

上アーム側のスイッチング素子22〜24としては、高負荷時に効率が高い絶縁ゲートバイポーラトランジスタであるIGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)半導体デバイスが用いられ、並列に還流ダイオード22a〜24aが備えられる。一方、下アーム側のスイッチング素子25〜27としては、上アームに比べると高速なスイッチングが可能で低負荷時に効率が高いMOSFET半導体デバイスが用いられる。   As the switching elements 22 to 24 on the upper arm side, IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor) semiconductor devices that are high-efficiency insulated gate bipolar transistors at high loads are used, and freewheeling diodes 22a to 24a are provided in parallel. On the other hand, as the switching elements 25 to 27 on the lower arm side, MOSFET semiconductor devices that can be switched at a higher speed than the upper arm and have high efficiency at low loads are used.

尚、このMOSFETデバイスには、その構成上デバイスにダイオードが構成されているため、還流ダイオードを並列に備える必要がない。このように上アームと下アームと異なった特性のスイッチング素子を使用し、さらに各々の特性に合わせたドライブ方式を用いることにより、安価な構成で、インバータ制御回路の高効率化を実現することができる。   In this MOSFET device, a diode is formed in the device because of its configuration, and therefore it is not necessary to provide a free-wheeling diode in parallel. By using switching elements with different characteristics for the upper arm and lower arm and using a drive system that matches each characteristic, it is possible to achieve high efficiency of the inverter control circuit with an inexpensive configuration. it can.

図2は、本発明によるインバータ装置の実施の形態1において使用されるスイッチング素子の特性を表わす特性図である。上アームに用いられるスイッチング素子であるIGBTと、下アームに用いられるスイッチング素子であるMOSFETの電圧電流特性を示し
たものである。
FIG. 2 is a characteristic diagram showing characteristics of the switching element used in the first embodiment of the inverter device according to the present invention. The voltage-current characteristic of IGBT which is a switching element used for an upper arm and MOSFET which is a switching element used for a lower arm is shown.

IGBTの特性曲線は、IGBTがONしている時のコレクタ−エミッタ間電圧Vce(sat)(ON電圧)とコレクタ電流Icとの関係を示したものである。IGBTは、電流が大きくなれば成る程、コレクタ−エミッタ間電圧Vceである電圧降下の増加が少なくなり、スイッチング素子の抵抗の逆数から成るこの特性曲線の傾きが、相対的に大きくなるため、素子で発生する損失は少なくなる。   The characteristic curve of the IGBT shows the relationship between the collector-emitter voltage Vce (sat) (ON voltage) and the collector current Ic when the IGBT is ON. In the IGBT, the larger the current, the smaller the increase in the voltage drop, which is the collector-emitter voltage Vce, and the slope of this characteristic curve consisting of the reciprocal of the resistance of the switching element becomes relatively large. The loss that occurs is reduced.

一方、MOSFETの特性については、そのドレイン−ソース間電圧Vdsである電圧降下とドレイン電流Idとの関係は、図に示した直線の様になるため、負荷電流の値によらず、この特性直線の傾きはほぼ一定であるため、電流の大小に関わらず、素子の抵抗は一定である。   On the other hand, regarding the characteristics of the MOSFET, the relationship between the voltage drop, which is the drain-source voltage Vds, and the drain current Id is as shown in the straight line shown in the figure. Since the slope of is substantially constant, the resistance of the element is constant regardless of the magnitude of the current.

これらのスイッチング素子の特性を重ね合わせると、電流I1(電圧降下量V1)より小さい電流の場合は、IGBTよりMOSFETの方が電圧降下量は少ない、つまり損失が少ないことが分かる。   By superimposing the characteristics of these switching elements, it can be seen that in the case of a current smaller than the current I1 (voltage drop V1), the MOSFET has a smaller voltage drop than the IGBT, that is, the loss is small.

逆に、電流I1より大きい電流の場合は、MOSFETよりIGBTの方が電圧降下量は少ない、つまり損失が少ないことが分かる。   On the contrary, when the current is larger than the current I1, the IGBT has a smaller voltage drop amount than the MOSFET, that is, the loss is small.

従って、負荷電流が変化点となるI1より小さい場合には、IGBTよりもMOSFETに電流を流し、逆に負荷電流がI1より大きい場合には、MOSFETよりもIGBTに電流を流した方が、一素子あたりの損失は低減され、効率は高くなる傾向となる。   Therefore, when the load current is smaller than I1, which is the changing point, the current flows through the MOSFET rather than the IGBT, and conversely when the load current is larger than I1, the current flows through the IGBT rather than the MOSFET. Loss per element tends to be reduced and efficiency tends to increase.

図8は、従来のインバータ装置のPWM変調方式におけるスイッチングのタイミング特性を表すタイミング図である。このPWM変調方式の場合、モータのロータの位相角度に対して、正弦波状に電圧を印加する。   FIG. 8 is a timing diagram showing switching timing characteristics in the PWM modulation method of the conventional inverter device. In the case of this PWM modulation method, a voltage is applied in a sine wave shape with respect to the phase angle of the rotor of the motor.

U相、V相、W相出力電圧は、それぞれ120度毎に位相差を持った正弦波となっている。一方、図に示した様に、その正弦波電圧に対して所定のキャリア周波数を持った三角波で構成されるキャリア信号が、その信号の大きさを比較される。比較された結果、キャリア信号より出力電圧が大の場合には、上アームのスイッチング素子22〜24に駆動信号を出力することによりオンし、逆に下アームのスイッチング素子25〜27をオフする。   The U-phase, V-phase, and W-phase output voltages are sine waves having a phase difference every 120 degrees. On the other hand, as shown in the figure, the magnitudes of carrier signals composed of triangular waves having a predetermined carrier frequency with respect to the sine wave voltage are compared. As a result of the comparison, when the output voltage is larger than the carrier signal, it is turned on by outputting a drive signal to the switching elements 22 to 24 of the upper arm, and conversely, the switching elements 25 to 27 of the lower arm are turned off.

キャリア信号より出力電圧が小の場合には、その逆に下アームのスイッチング素子25〜27に駆動信号を出力することによりオンし、逆に上アームのスイッチング素子22〜24をオフする。その結果、図の下側に示したU相上アーム、V相上アーム、W相上アーム、U相下アーム、V相下アーム、W相下アームのスイッチング素子の駆動波形が出力される。   When the output voltage is lower than the carrier signal, the output is turned on by outputting a drive signal to the switching elements 25 to 27 on the lower arm, and the switching elements 22 to 24 on the upper arm are turned off. As a result, the drive waveforms of the switching elements of the U-phase upper arm, V-phase upper arm, W-phase upper arm, U-phase lower arm, V-phase lower arm, and W-phase lower arm shown on the lower side of the figure are output.

図3は本発明の実施の形態1におけるインバータ装置のPWM変調方式のスイッチングのタイミング特性の一例を表すタイミング図である。   FIG. 3 is a timing chart showing an example of switching timing characteristics of the PWM modulation method of the inverter device according to the first embodiment of the present invention.

制御手段21がPWM変調方式に従い、スイッチング素子22〜27のスイッチングを制御しモータ3に正弦波を出力する場合、モータ3の3相(U相、V相、W相)に出力する電圧は、一般的なインバータ装置では、その平均電圧はインバータ装置の直流部の電圧、つまり平滑コンデンサ5の両端の電圧の半分の値Vdc/2に図8で示すように設定され、互いに120度位相差を有した正弦波が出力される。   When the control means 21 controls the switching of the switching elements 22 to 27 according to the PWM modulation method and outputs a sine wave to the motor 3, the voltage output to the three phases (U phase, V phase, W phase) of the motor 3 is In a general inverter device, the average voltage is set to a voltage Vdc / 2 that is half the voltage of the DC portion of the inverter device, that is, the voltage across the smoothing capacitor 5, as shown in FIG. The sine wave that has been output.

一方、本発明のインバータ装置2の場合、モータ3に出力される電流値が低い場合には、図3に示すように、Vdc/2より低い値(この場合には、Vdc/8)に設定される。モータに出力する電圧は、その平均電圧は低下するが、モータの3相巻線の端子間に加えられる線間電圧は、図8で示した波形の場合と同じ線間電圧が加えられるため、モータ3は同様の動作を行うこととなる。モータ3に流れる電流が図2に示した電流I1より小さい場合には、本方式により平均電圧を低減した電圧をモータに印加することにより、インバータ装置の効率を向上させることが可能となる。   On the other hand, in the case of the inverter device 2 of the present invention, when the current value output to the motor 3 is low, it is set to a value lower than Vdc / 2 (in this case, Vdc / 8) as shown in FIG. Is done. Although the average voltage of the voltage output to the motor is lowered, the same line voltage as the waveform shown in FIG. 8 is applied to the line voltage applied between the terminals of the three-phase winding of the motor. The motor 3 performs the same operation. When the current flowing through the motor 3 is smaller than the current I1 shown in FIG. 2, it is possible to improve the efficiency of the inverter device by applying to the motor a voltage whose average voltage is reduced by this method.

その原理について図4を用いて説明する。図4は、本発明の実施の形態1におけるインバータ装置の上アーム側と下アーム側のスイッチング素子を通過する電力量の特性を示した特性図の一例である。   The principle will be described with reference to FIG. FIG. 4 is an example of a characteristic diagram showing a characteristic of electric energy passing through the switching elements on the upper arm side and the lower arm side of the inverter device according to Embodiment 1 of the present invention.

この特性図は、図3に示すようにインバータ装置2の出力電圧の平均値はVdc/2より低い値に設定された場合の、上アーム側と下アーム側のスイッチング素子を通過する電力量の特性を示す。   As shown in FIG. 3, this characteristic diagram shows the amount of power passing through the switching elements on the upper arm side and the lower arm side when the average value of the output voltage of the inverter device 2 is set to a value lower than Vdc / 2. Show properties.

この出力電圧の平均値がVdc/2より低い場合には、略すべての平均出力電圧の領域に対して、下アームスイッチング素子25〜27に流れる電力量が、上アームスイッチング素子22〜24に流れる電力量より大となることを示す。これは、そのようにインバータ装置2を動作させる場合、図3のスイッチング素子の駆動波形を見ても分かるように下アームのスイッチング素子25〜27のオン時間が、上アームのスイッチング素子22〜24のオン時間よりも長くなる。つまり、平均出力電圧が低いため、下アーム側のスイッチング素子25〜27のオン時間が長くなるのである。   When the average value of the output voltage is lower than Vdc / 2, the amount of power flowing to the lower arm switching elements 25 to 27 flows to the upper arm switching elements 22 to 24 for almost all average output voltage regions. Indicates that it is greater than the amount of power. This is because when the inverter device 2 is operated as described above, the on-time of the switching elements 25 to 27 of the lower arm, as seen from the driving waveform of the switching elements of FIG. Longer than the on-time. That is, since the average output voltage is low, the ON time of the switching elements 25 to 27 on the lower arm side becomes long.

それにより、下アームであるMOSFETに流れる電流の積分値である電力量が、上アームであるIGBTに流れる電流の積分値である電力量よりも多くなる。その結果、この場合には電流値がI1より低い条件であるため、下アームであるMOSFETはIGBTよりも効率が高いので、上アームと下アームのスイッチング素子の損失の総和であるインバータ装置の損失は、図8に示した平均出力電圧がVdc/2である駆動方式よりも低減することができる。   As a result, the amount of power that is the integral value of the current flowing through the MOSFET that is the lower arm is greater than the amount of power that is the integral value of the current flowing through the IGBT that is the upper arm. As a result, in this case, since the current value is lower than I1, the lower arm MOSFET is more efficient than the IGBT, so the loss of the inverter device, which is the sum of the losses of the switching elements of the upper arm and the lower arm. Can be reduced as compared with the driving method shown in FIG. 8 in which the average output voltage is Vdc / 2.

つまり、上アームのIGBTの効率をη(IGBT)、下アームのMOSFETの効率をη(MOSFET)、上アームのIGBTに流れる電力量をP(IGBT)、下アームのMOSFETに流れる電力量をP(MOSFET)とした時、総合損失L(TOTAL)は、以下に示す(式1)で与えられる。
(式1)
L(TOTAL)=P(IGBT)×(1−η(IGBT))+P(MOSFET)×(1−η(MOSFET))
この場合には、η(MOSFET)はη(IGBT)より大であり、P(MOSFET)はP(IGBT)より大であるため、総合損失L(TOTAL)は、P(MOSFET)とP(IGBT)が等しい場合に比べて低減される。
That is, the efficiency of the upper arm IGBT is η (IGBT), the efficiency of the lower arm MOSFET is η (MOSFET), the amount of power flowing through the upper arm IGBT is P (IGBT), and the amount of power flowing through the lower arm MOSFET is P When it is (MOSFET), the total loss L (TOTAL) is given by (Equation 1) shown below.
(Formula 1)
L (TOTAL) = P (IGBT) × (1−η (IGBT)) + P (MOSFET) × (1−η (MOSFET))
In this case, since η (MOSFET) is larger than η (IGBT) and P (MOSFET) is larger than P (IGBT), the total loss L (TOTAL) is P (MOSFET) and P (IGBT). ) Is reduced compared to the case where they are equal.

図5は、本発明の実施の形態1におけるインバータ装置のPWM変調方式のスイッチングのタイミング特性の別の一例を表すタイミング図である。   FIG. 5 is a timing chart showing another example of the switching timing characteristics of the PWM modulation method of the inverter device according to the first embodiment of the present invention.

インバータ装置2からモータ3に出力される電流値が図2に示した電流I1より大きい場合には、図5に示すように、インバータ装置2の平均出力電圧はVdc/2より高い値(この場合には、7×Vdc/8)に設定される。モータ3に出力する電圧は、その平均電圧は増加するが、モータの3相巻線の端子間に加えられる線間電圧は、図8の場合と同様である。本方式により平均電圧を増加させた電圧をモータ3に印加することにより、イ
ンバータ装置2の効率を向上させることが可能となる。
When the current value output from the inverter device 2 to the motor 3 is larger than the current I1 shown in FIG. 2, the average output voltage of the inverter device 2 is higher than Vdc / 2 (in this case, as shown in FIG. 5). Is set to 7 × Vdc / 8). The average voltage of the voltage output to the motor 3 increases, but the line voltage applied between the terminals of the three-phase winding of the motor is the same as in FIG. By applying a voltage obtained by increasing the average voltage by this method to the motor 3, the efficiency of the inverter device 2 can be improved.

その原理について図6を用いて説明する。
図6は、本発明の実施の形態1におけるインバータ装置の上アーム側と下アーム側のスイッチング素子を通過する電力量の特性を示した特性図の別の一例である。
The principle will be described with reference to FIG.
FIG. 6 is another example of a characteristic diagram showing the characteristics of the amount of electric power passing through the switching elements on the upper arm side and the lower arm side of the inverter device according to Embodiment 1 of the present invention.

モータに出力される電流値がI1より高い場合には、図5に示すように、インバータ装置2の出力電圧の平均値はVdc/2より高い値に設定される。そのようにインバータ装置2を動作させる場合、図5のスイッチング素子の駆動波形を見ても分かるように、上アームのスイッチング素子22〜24のオン時間が、下アームのスイッチング素子25〜27のオン時間よりも長くなる。つまり、平均出力電圧が高いため、上アーム側のスイッチング素子25〜27のオン時間が長くなるのである。   When the current value output to the motor is higher than I1, as shown in FIG. 5, the average value of the output voltage of the inverter device 2 is set to a value higher than Vdc / 2. When the inverter device 2 is operated as described above, as can be seen from the driving waveform of the switching element in FIG. 5, the on-time of the switching elements 22 to 24 of the upper arm is the on-time of the switching elements 25 to 27 of the lower arm. Longer than time. That is, since the average output voltage is high, the on-time of the switching elements 25 to 27 on the upper arm side becomes long.

それにより、上アームであるIGBTに流れる電流の積分値である電力量が、下アームであるMOSFETに流れる電流の積分値である電力量よりも多くなる。その結果、この場合には電流値がI1より高い条件であるため、上アームであるIGBTはMOSFETよりも効率が高いので、上アームと下アームのスイッチング素子の損失の総和であるインバータ装置2の損失は、図8に示した平均出力電圧がVdc/2である駆動方式よりも低減することができる。   As a result, the amount of power that is the integral value of the current flowing through the IGBT that is the upper arm is greater than the amount of power that is the integral value of the current flowing through the MOSFET that is the lower arm. As a result, in this case, since the current value is higher than I1, the upper arm IGBT is more efficient than the MOSFET. Therefore, the inverter device 2 is the sum of the losses of the switching elements of the upper arm and the lower arm. The loss can be reduced as compared with the driving method shown in FIG. 8 where the average output voltage is Vdc / 2.

つまり、η(IGBT)はη(MOSFET)より大であり、P(IGBT)はP(MOSFET)より大であるため、総合損失L(TOTAL)は、P(MOSFET)とP(IGBT)が等しい場合に比べて低減される。   That is, since η (IGBT) is larger than η (MOSFET) and P (IGBT) is larger than P (MOSFET), the total loss L (TOTAL) is equal to P (MOSFET) and P (IGBT). It is reduced compared to the case.

図7は、本発明の実施の形態1におけるインバータ装置の制御手段における出力電流に対する出力電圧の切換特性を表す特性図である。制御手段21は、電流検出手段28a、28bにより検出された電流値に基づきインバータ装置2の出力する3相の交流の出力電圧の平均値を変更する。特に電流I1の場合、上アームと下アームのスイッチング素子に均等に電流を流す設定である出力電圧の平均値がVdc/2に設定される。   FIG. 7 is a characteristic diagram showing switching characteristics of the output voltage with respect to the output current in the control means of the inverter device according to the first embodiment of the present invention. The control means 21 changes the average value of the three-phase AC output voltages output from the inverter device 2 based on the current values detected by the current detection means 28a and 28b. In particular, in the case of the current I1, the average value of the output voltage, which is a setting for flowing current evenly through the switching elements of the upper arm and the lower arm, is set to Vdc / 2.

さらに電流値がI1よりも大であれば、それに従い出力電圧の平均値を増加させることにより上アームの負荷となる上アーム側の電力量を増加させ、効率の高い上アームのスイッチング素子の負荷を重くし、トータルでの損失を低減させる。   Furthermore, if the current value is larger than I1, the amount of power on the upper arm side, which becomes the load of the upper arm, is increased by increasing the average value of the output voltage accordingly, and the load of the switching element of the upper arm with high efficiency is increased. To reduce the total loss.

逆に、電流値がI1よりも小であれば、それに従い出力電圧の平均値を減少させることにより下アーム側の負荷となる下アーム電力量を増加させ、効率の高い下アームのスイッチング素子の負荷を重くし、トータルでの損失を低減させることができる。   Conversely, if the current value is smaller than I1, the average value of the output voltage is decreased accordingly, thereby increasing the lower arm electric energy serving as the load on the lower arm side, and the high-efficiency lower arm switching element. The load can be increased and the total loss can be reduced.

さらに、この場合、上アームのスイッチング素子のIGBTで発生する損失である
P(IGBT)×(1−η(IGBT))と、下アームのスイッチング素子のMOSFETで発生する損失であるP(MOSFET)×(1−η(MOSFET))は、ほぼ均等な値となり、上アームと下アームのスイッチング素子の損失バランスが保たれることにより、スイッチング素子の発熱バランスが保たれ、信頼性の高いインバータ装置が実現される。
Further, in this case, P (IGBT) × (1−η (IGBT)) which is a loss generated in the IGBT of the switching element of the upper arm and P (MOSFET) which is a loss generated in the MOSFET of the switching element of the lower arm X (1-η (MOSFET)) is a substantially equal value, and the loss balance of the switching elements of the upper arm and the lower arm is maintained, so that the heat generation balance of the switching elements is maintained, and the inverter device has high reliability. Is realized.

上記実施の形態1においては、低負荷で高効率のスイッチング素子としてMOSFET素子を下アームのスイッチング素子25〜27として用い、高負荷で高効率のスイッチング素子としてIGBTを上アームのスイッチング素子22〜24として使用したが、その逆の構成、つまり低負荷で高効率のスイッチング素子としてMOSFET素子を上アームのスイッチング素子25〜27として用い、高負荷で高効率のスイッチング素子としてI
GBTを下アームのスイッチング素子22〜24として使用した場合にも、同様の制御を行うことができる。
In the first embodiment, MOSFET elements are used as lower arm switching elements 25 to 27 as low load and high efficiency switching elements, and IGBTs are used as upper arm switching elements 22 to 24 as high load and high efficiency switching elements. However, the reverse configuration, that is, the MOSFET element is used as the switching element 25-27 of the upper arm as a low-load and high-efficiency switching element, and the high-load high-efficiency switching element is I
Similar control can be performed when the GBT is used as the switching elements 22 to 24 of the lower arm.

その場合には、電流値がI1よりも大であれば、それに従い出力電圧の平均値を減少させることにより下アームの負荷となる下アーム側の電力量を増加させ、効率の高い下アームのスイッチング素子の負荷を重くし、トータルでの損失を低減させる。   In this case, if the current value is larger than I1, the average value of the output voltage is decreased accordingly, thereby increasing the amount of power on the lower arm side serving as the load of the lower arm, and the lower arm with high efficiency. The load on the switching element is increased to reduce the total loss.

逆に、電流値がI1よりも小であれば、それに従い出力電圧の平均値を増加させることにより上アーム側の負荷となる上アーム電力量を増加させ、効率の高い上アームのスイッチング素子の負荷を重くし、トータルでの損失を低減させることができる。   On the other hand, if the current value is smaller than I1, the average value of the output voltage is increased accordingly to increase the amount of upper arm power that becomes the load on the upper arm side, and the high-efficiency switching element of the upper arm is increased. The load can be increased and the total loss can be reduced.

尚、上記実施の形態1においては、低負荷で高効率のスイッチング素子としてMOSFET素子を用い、高負荷で高効率のスイッチング素子としてIGBTを使用したが、同様の特性を持つものであれば、その他の素子、例えばMOSFETの代りに窒化ガリウム(GaN)トランジスタ素子、IGBTの代りにバイポーラトランジスタ素子などの半導体素子を用いても良いことはいうまでもない。   In the first embodiment, a MOSFET element is used as a low-load and high-efficiency switching element, and an IGBT is used as a high-load and high-efficiency switching element. Needless to say, a semiconductor element such as a gallium nitride (GaN) transistor element may be used instead of the MOSFET, and a bipolar transistor element may be used instead of the IGBT.

以上説明したように本発明は、インバータ装置に関し、上下アームにそれぞれIGBT、MOSFETなどの異なった種類のスイッチング素子を用いたインバータ装置において、スイッチング素子の駆動制御を最適に行うことにより、インバータ回路損失を低減させるインバータ装置に用いられ、高効率、信頼性の高いインバータ装置に関して有用である。   As described above, the present invention relates to an inverter device. In an inverter device using different types of switching elements such as IGBTs and MOSFETs for upper and lower arms, the inverter circuit loss is achieved by optimally controlling the switching elements. This is useful for an inverter device that is highly efficient and highly reliable.

1 交流電源
2 インバータ装置
3 モータ
4 整流回路
5 平滑コンデンサ
21 制御手段
22〜24 上アーム側スイッチング素子
25〜27 下アーム側スイッチング素子
28a、28b 電流検出手段
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 AC power supply 2 Inverter apparatus 3 Motor 4 Rectifier circuit 5 Smoothing capacitor 21 Control means 22-24 Upper arm side switching element 25-27 Lower arm side switching element 28a, 28b Current detection means

Claims (6)

複数の上下アームから構成されるスイッチング回路と、
前記スイッチング回路をPWM変調方式で駆動する制御手段とを備え、正弦波電圧を出力するインバータ装置において、
上アーム側スイッチング回路を構成するスイッチング素子と、下アーム側スイッチング回路を構成するスイッチング素子は異なる種類のスイッチング素子で構成され、
前記制御手段は、前記下アーム側スイッチング回路を構成するスイッチング素子のオン抵抗と、前記上アーム側スイッチング回路を構成するスイッチング素子のオン抵抗との大小関係を決定する条件に基づいて、前記正弦波電圧の平均出力電圧を前記スイッチング回路に供給される電源電圧の中間電圧より低電圧側または高電圧側にシフトさせることを特徴とするインバータ装置。
A switching circuit composed of a plurality of upper and lower arms;
In an inverter device comprising a control means for driving the switching circuit by a PWM modulation method, and outputting a sine wave voltage ,
The switching element constituting the upper arm side switching circuit and the switching element constituting the lower arm side switching circuit are composed of different types of switching elements,
Said control means, based on the conditions that determine the ON resistance of the switching elements constituting the lower arm side switching circuit, the magnitude relation between the on-resistance of the switching elements constituting the upper arm side switching circuit, the sine wave An inverter device , wherein an average output voltage of the voltage is shifted to a low voltage side or a high voltage side from an intermediate voltage of a power supply voltage supplied to the switching circuit .
前記制御手段は、前記下アーム側スイッチング回路を構成するスイッチング素子のオン抵抗が、前記上アーム側スイッチング回路を構成するスイッチング素子のオン抵抗より小となる条件においては、前記正弦波電圧の平均出力電圧を前記電源電圧の中間電圧より低電圧側にシフトさせ、前記上アーム側スイッチング回路を構成するスイッチング素子のオン抵抗が、前記下アーム側スイッチング回路を構成するスイッチング素子のオン抵抗より小となる条件においては、前記正弦波電圧の平均出力電圧を前記電源電圧の中間電圧より高電圧側にシフトさせることを特徴とする請求項1に記載のインバータ装置。 The control means has an average output of the sine wave voltage under the condition that the on-resistance of the switching element constituting the lower arm side switching circuit is smaller than the on resistance of the switching element constituting the upper arm side switching circuit. The voltage is shifted to a lower voltage side than the intermediate voltage of the power supply voltage, and the on-resistance of the switching element constituting the upper arm side switching circuit is smaller than the on resistance of the switching element constituting the lower arm side switching circuit. 2. The inverter device according to claim 1, wherein an average output voltage of the sine wave voltage is shifted to a higher voltage side than an intermediate voltage of the power supply voltage under conditions . 出力電流値を検出する電流検出手段をさらに備え、
前記制御手段は、前記電流検出手段により検出された前記出力電流値と、前記上アーム側スイッチング回路および前記下アーム側スイッチング回路を構成するスイッチング素子で定義される所定の電流値との大小関係を判定する比較手段を有し、
前記制御手段は、前記比較手段の判定結果に基づいて前記上アーム側スイッチング回路を構成するスイッチング素子のオン抵抗と、前記下アーム側スイッチング回路を構成するスイッチング素子のオン抵抗の大小関係を判定することを特徴とする請求項2に記載のインバータ装置。
It further comprises current detection means for detecting the output current value,
The control means has a magnitude relationship between the output current value detected by the current detection means and a predetermined current value defined by switching elements constituting the upper arm side switching circuit and the lower arm side switching circuit. Having a comparing means for judging,
The control means determines a magnitude relationship between the on-resistance of the switching element constituting the upper arm side switching circuit and the on-resistance of the switching element constituting the lower arm side switching circuit based on the determination result of the comparison means. The inverter device according to claim 2 .
前記制御手段は、前記電流検出手段により検出された前記出力電流値の大きさに応じて前
記正弦波電圧の平均出力電圧値をシフトする請求項3に記載のインバータ装置。
The control means is configured to adjust the output current value detected by the current detection means according to the magnitude of the output current value.
The inverter device according to claim 3 , wherein an average output voltage value of the sinusoidal voltage is shifted .
前記上アーム側スイッチング回路および前記下アーム側スイッチング回路を構成する異なる種類のスイッチング素子が、MOSFETおよびIGBTであることを特徴とする請求項1〜4のいずれか1項に記載のインバータ装置。 5. The inverter device according to claim 1, wherein different types of switching elements constituting the upper arm side switching circuit and the lower arm side switching circuit are a MOSFET and an IGBT. 6. 前記上アーム側スイッチング回路および前記下アーム側スイッチング回路を構成する異なる種類のスイッチング素子が、GaNトランジスタおよびIGBTであることを特徴とする請求項1〜4のいずれか1項に記載のインバータ装置。 5. The inverter device according to claim 1, wherein the different types of switching elements constituting the upper arm side switching circuit and the lower arm side switching circuit are a GaN transistor and an IGBT.
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