JP7525740B2 - Power conversion device and power conversion method - Google Patents
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Description
本発明は、複数のゲート制御端子を有するパワー半導体素子を採用した電力変換装置および電力変換方法に関する。 The present invention relates to a power conversion device and a power conversion method that employ a power semiconductor element having multiple gate control terminals.
鉄道車両などのモータ制御に用いられる電力変換装置は、高圧大電流の制御を行うため、装置を構成するパワー半導体素子が誤制御されることで電源短絡などが発生すると、装置自体が激しく破壊される可能性がある。
したがって、パワー半導体素子が異常な動作をした場合、早急に装置を停止させ装置の損傷を回避する必要がある。
Power conversion devices used to control motors in railway vehicles and the like control high voltage and large current, so if the power semiconductor elements that make up the device are miscontrolled, causing a power supply short circuit, the device itself can be severely damaged.
Therefore, if a power semiconductor element operates abnormally, it is necessary to immediately stop the device to avoid damage to the device.
そのために、特許文献1に示されるように、パワー半導体素子のスイッチング指令(PWM指令)と実際のパワー半導体素子のオンオフ状態とを比較し、不一致が生じた際にパワー半導体素子またはパワー半導体素子を駆動する回路の異常と判定し、ゲート駆動回路の動作を停止させる方式が採用されている。To achieve this, as shown in Patent Document 1, a method is adopted in which the switching command (PWM command) for the power semiconductor element is compared with the actual on/off state of the power semiconductor element, and when a mismatch occurs, it is determined that there is an abnormality in the power semiconductor element or the circuit that drives the power semiconductor element, and the operation of the gate drive circuit is stopped.
一方で、近年パワー半導体素子の損失を低減する技術として、複数のゲート制御端子を有するパワー半導体素子(以下、「マルチゲート半導体素子」と称す)の駆動技術が開発されており、以下に記す2つの技術が開示されている。On the other hand, in recent years, driving technologies for power semiconductor elements having multiple gate control terminals (hereinafter referred to as "multi-gate semiconductor elements") have been developed as a technology for reducing losses in power semiconductor elements, and the two technologies described below have been disclosed.
一つ目として、特許文献2に記載されたデュアルゲートIGBTに関する技術である。このデュアルゲートIGBTは、一つのコレクタ端子と一つのエミッタ端子に対し、二つのゲート端子(スイッチングゲート端子Gsとキャリア制御ゲート端子Gc)を有する。PWM指令を基に所定のシーケンスによって二つのゲート端子に入力するゲート指令を制御することにより、従来のIGBTよりもスイッチング損失を低減するものである。The first is a technology related to the dual-gate IGBT described in
二つ目として、特許文献3に記載されたMOS制御ダイオードに関する技術である。このMOS制御ダイオードは、ダイオードにMOS構造の絶縁ゲートを設け、PWM指令を基に所定のシーケンスで絶縁ゲートに電圧を印加することにより、内部の電荷量を制御してダイオード損失を低減でするものである。The second technology is related to MOS-controlled diodes, which are described in Patent Document 3. This MOS-controlled diode is provided with an insulated gate of a MOS structure in the diode, and by applying a voltage to the insulated gate in a predetermined sequence based on a PWM command, the amount of internal charge is controlled, thereby reducing diode loss.
上記のマルチゲート半導体素子を用いた電力変換装置では、PWM指令を生成する手段の他に、PWM指令を基に複数のゲート指令を生成する手段を追加し、複数のゲート指令に基づいてマルチゲート半導体素子をスイッチングさせる必要がある。したがって、異常時には、複数のゲート指令のシーケンスを考慮した上でマルチゲート半導体素子のスイッチングを緊急停止させる方式が必要となる。In a power conversion device using the above multi-gate semiconductor element, in addition to the means for generating a PWM command, it is necessary to add a means for generating multiple gate commands based on the PWM command and switch the multi-gate semiconductor element based on the multiple gate commands. Therefore, in the event of an abnormality, a method is required for emergency stopping the switching of the multi-gate semiconductor element while taking into account the sequence of the multiple gate commands.
例えば、特許文献3に記載されたMOS制御ダイオードを適用する際には、PWM指令をMOS制御ダイオードのゲート端子に与える指令よりも所定の時間だけ遅延させる必要があるため、異常発生時にスイッチングの停止を遅延させない必要がある。For example, when applying the MOS-controlled diode described in Patent Document 3, it is necessary to delay the PWM command by a predetermined time from the command given to the gate terminal of the MOS-controlled diode, so that the cessation of switching when an abnormality occurs must not be delayed.
また、鉄道車両などの使用される高圧大電流の電力変換装置は、PWM指令生成部などで構成される弱電系の制御器(以下、「制御論理部」と称す)とゲート駆動回路やパワー半導体素子で構成される強電系のユニット(以下、「パワーユニット」と称す)とを、絶縁素子を介して配線接続することが多い。In addition, in high-voltage, high-current power conversion devices used in railway vehicles and the like, a low-current controller (hereinafter referred to as the "control logic unit") consisting of a PWM command generation unit etc., and a high-current unit (hereinafter referred to as the "power unit") consisting of a gate drive circuit and power semiconductor elements are often wired together via insulating elements.
このとき、マルチゲート半導体素子を用いた電力変換装置は、複数のゲート指令を生成する手段を制御論理部内に配置する場合には、シングルゲートのパワー半導体素子を用いた電力変換装置よりも、配線数が増加し装置サイズが大きくなる問題が生じる。In this case, when a power conversion device using a multi-gate semiconductor element places a means for generating multiple gate commands within the control logic unit, the number of wiring increases and the device size becomes larger than in a power conversion device using a single-gate power semiconductor element.
本発明は、上記の課題を解決するために、マルチゲート半導体素子を用いた電力変換装置として、配線数増加による装置大型化を抑制し、装置異常が発生した際にマルチゲート半導体素子のスイッチングを速やかに停止可能な電力変換装置を提供することを目的とする。 In order to solve the above problems, the present invention aims to provide a power conversion device using a multi-gate semiconductor element, which suppresses the increase in size of the device due to an increase in the number of wirings, and is capable of quickly stopping the switching of the multi-gate semiconductor element when an abnormality occurs in the device.
上記の課題を解決するため、代表的な本発明の電力変換装置の一つは、複数のゲート制御端子を有するマルチゲート半導体素子から構成され、当該マルチゲート半導体素子をスイッチングさせて負荷に供給する電力を制御する電力変換器と、マルチゲート半導体素子を駆動させるゲート駆動部と、ゲート駆動部に与えるPWM指令を生成する制御論理部とを備え、ゲート駆動部は、PWM指令に基づいて複数のゲート制御端子に与える駆動信号を生成すると共に、マルチゲート半導体素子のオンオフ状態を示すフィードバック信号を生成し、制御論理部は、PWM指令とフィードバック信号との照合を行い、当該照合の結果に基づいてPWM指令とは異なる指令を生成し当該PWM指令に重畳することを特徴とするものである。In order to solve the above problems, one representative power conversion device of the present invention comprises a power converter composed of a multi-gate semiconductor element having multiple gate control terminals, and which switches the multi-gate semiconductor element to control the power supplied to a load, a gate drive unit which drives the multi-gate semiconductor element, and a control logic unit which generates a PWM command to be given to the gate drive unit, wherein the gate drive unit generates a drive signal to be given to the multiple gate control terminals based on the PWM command and also generates a feedback signal indicating the on/off state of the multi-gate semiconductor element, and the control logic unit compares the PWM command with the feedback signal and generates a command different from the PWM command based on the result of the comparison and superimposes it on the PWM command.
本発明によれば、マルチゲート半導体素子を用いた電力変換装置の装置大型化を抑制すると共に、装置異常が発生した際には、マルチゲート半導体素子のスイッチングを速やかに停止することで電力変換装置の安全性を高めることができる。
上記した以外の課題、構成および効果は、以下の実施をするための形態における説明により明らかにされる。
According to the present invention, it is possible to prevent the power conversion device using a multi-gate semiconductor element from becoming larger in size, and to increase the safety of the power conversion device by quickly stopping the switching of the multi-gate semiconductor element when an abnormality in the device occurs.
Problems, configurations and effects other than those described above will become apparent from the description of the following embodiments.
以下では、図面を参照して、本発明を実施するための形態として、実施例1および2について説明する。なお、この実施形態により本発明が限定されるものではない。また、図面の記載において、同一部分には同一の符号を付して示している。 In the following, examples 1 and 2 will be described with reference to the drawings as a form for implementing the present invention. Note that the present invention is not limited to these embodiments. In addition, in the description of the drawings, the same parts are denoted by the same reference numerals.
図1は、本発明の実施例1に係る電力変換装置の構成を示す図である。
図1に示す電力変換装置は、直流電源3から直流電力を受けて3相交流モータ4を可変速制御する3相インバータシステムであり、制御論理部1およびパワーユニット2から構成される。
FIG. 1 is a diagram showing a configuration of a power conversion device according to a first embodiment of the present invention.
The power conversion device shown in FIG. 1 is a three-phase inverter system that receives DC power from a DC power source 3 and controls the speed of a three-phase AC motor 4 , and is made up of a control logic unit 1 and a
また、制御論理部1は、電流センサ38~40が検出した電動機電流と、電圧センサ41が検出した電源電圧と入力とする。
In addition, the control logic unit 1 receives as input the motor current detected by the
パワーユニット2は、マルチゲート半導体素子32~37およびゲート駆動部21~26で構成され、直流電源3の3相のプラス電位側(以下、「上アーム」と称す)および3相のマイナス電位側(以下、「下アーム」と称す)のそれぞれに、符号21の内部に示すゲート駆動部と符号32の内部に示すマルチゲート半導体素子を配置している。The
ここで、符号32の内部に示すマルチゲート半導体素子は、デュアルゲートIGBT27とMOS制御ダイオード28で構成される半導体素子であり、スイッチング指令用のGs端子29、キャリア制御用のGc端子30およびMOS制御ダイオード用のGd端子31の3つのゲート端子を備える。また、図1では、3つのゲート端子を有するタイプを示したが、これに限定されるものではなく、上記したGs端子およびGc端子の2つのゲート端子を有するタイプのマルチゲート半導体素子であっても構わない。Here, the multi-gate semiconductor element shown inside the
また、符号21の内部に示すゲート駆動部は、制御論理部1から入力されるPWM指令を基づいてGs端子29、Gc端子30およびGd端子31に与えるゲート指令を生成する制御指令生成部18、制御指令生成部18のゲート指令をマルチゲート半導体素子32を駆動可能な電圧に変換するゲート駆動回路19およびGs端子29に印加される電圧に基づいてマルチゲート半導体素子32のオンオフ状態を検出しそのオンオフ状態を2値のフィードバック信号に変換するフィードバック信号生成部20を備える。
The gate driving unit shown inside the
ここで、図1に示すように、3相上下アームのゲート駆動部21~26に入力されるPWM指令を、PWM_u1、PWM_u2、PWM_v1、PWM_v2、PWM_w1およびPWM_w2とし、3相上下アームのゲート駆動部21~26から出力されるフィードバック信号を、FB_u1、FB_u2、FB_v1、FB_v2、FB_w1およびFB_w2とする。Here, as shown in FIG. 1, the PWM commands input to the
制御論理部1は、3相交流モータを制御するための電圧指令を生成する電圧指令生成部5、電圧指令生成部5の電圧指令に基づきマルチゲート半導体素子32~37のスイッチング指令(PWM指令)を生成するPWM指令生成部6、マルチゲート半導体素子32~37の緊急停止指令を生成する緊急停止指令生成部10~15および緊急停止指令生成部10~15の緊急停止検知フラグのORをとるOR回路16、を備える。The control logic unit 1 includes a voltage
ここで、図1に示すように、PWM指令生成部6から出力する3相上下アームのPWM指令を、PWM_u1′、PWM_u2′、PWM_v1′、PWM_v2′、PWM_w1′およびPWM_w2′とし、緊急停止指令生成部10~15から出力される緊急停止フラグをFlg_u1、Flg_u2、Flg_v1、Flg_v2、Flg_w1およびFlg_w2とする。Here, as shown in FIG. 1, the PWM commands for the three-phase upper and lower arms output from the PWM
また、符合10の内部に示す緊急停止指令生成部は、PWM指令を遅延させるPWM指令遅延部7、遅延させたPWM指令とフィードバック信号とを照合するPWM指令照合部9およびPWM指令に緊急停止指令を重畳させる指令重畳部8を備え、この緊急停止指令生成部は3相上下アーム毎に配置される。
The emergency stop command generating unit shown inside the
緊急停止指令生成部10~15とから出力されるPWM指令と、ゲート駆動部21~26から出力されるフィードバック信号は、制御論理部1とパワーユニット2間の配線17を用いて伝送される。
The PWM commands output from the emergency stop
また、電圧指令生成部5は、電流センサ38~40が検出する3相モータ電流Iu、IvおよびIwと、電圧センサ41が検出する直流電源3の電圧Vdcを、アナログデジタル変換する。その後、Iu、IvおよびIwとVdcの検出値を用いて、Iu、IvおよびIwが所定の電流となるように、電圧指令をフィードバック制御によって演算する。In addition, the voltage
次に、実施例1に係る電力変換装置における正常時の動作を、図2および図3を用いて説明する。
図2は、PWM指令生成部6が生成する上下アームのPWM指令(PWM_u1′およびPWM_u2′)のタイムチャートを示す図である。なお、図2は、U相を例としたのタイムチャートであり、V相およびW相に関しては、図2のタイムチャートに対し位相が120度および240度ずらしたもの(図示せず)となる。
Next, the normal operation of the power conversion device according to the first embodiment will be described with reference to FIGS. 2 and 3. FIG.
Fig. 2 is a diagram showing a time chart of PWM commands (PWM_u1' and PWM_u2') for the upper and lower arms generated by the PWM
図2に示すように、PWM指令生成部6が生成する上下アームのPWM指令は、互いに逆相でオンオフする時間と、オンオフの切替え前に上下アームが同時オフする非ラップ時間42および43を有す。As shown in Figure 2, the PWM commands for the upper and lower arms generated by the PWM
続いて、緊急停止指令生成部10~15およびゲート駆動部21~26の正常時の動作を、図3を用いて説明する。
図3は、正常時に、U相上アームの緊急停止指令生成部10およびゲート駆動部21で生成される信号のタイムチャートを示す図である。なお、U相下アーム、V相上下アームおよびW相上下アームについても、図3と同じ動作態様である。
Next, the normal operation of the emergency stop
3 is a diagram showing a time chart of signals generated by the emergency
正常時は、PWM指令生成部6から入力されるPWM指令PWM_u1′が、緊急停止指令生成部10からPWM_u1としてそのまま出力され、ゲート駆動部21内の制御指令生成部18に入力される。このとき、PWM_u1のオフオン変化時においては、緊急停止指令生成部10の出力からゲート駆動部21の入力に至るまでに、PWM_u1のターンオン遅延44が発生する。また、この遅延と同様に、PWM_u1のターンオフ時には、ターンオフ遅延51(図5に図示)も発生する。Under normal circumstances, the PWM command PWM_u1' input from the PWM
制御指令生成部18は、PWM_u1を基にして、Gs端子29用のゲート指令Gs_u1、Gc端子30用のゲート指令Gc_u1およびGd端子31用のゲート指令Gd_u1を生成する。このとき、3相交流モータ4に対して、電圧指令生成部5の電圧指令どおりの交流電圧を与えるためには、Gs_u1は、PWM_u1のオン幅は同じである必要がある。また、補助的なゲート指令であるGc_u1およびGd_u1を生成するため、Gs_u1のエッジ前後に2つの制御時間45および46を設ける。なお、Gs_u1、Gc_u1およびGd_u1のタイムチャートについては、特許文献2や特許文献3にも説明されているので、本明細書では省略する。Based on PWM_u1, the control
ゲート駆動回路19は、Gs_u1、Gc_u1およびGd_u1を所定の指令電圧に変換した後、マルチゲート半導体素子32の3つのゲート端子に入力し、Gs_u1の指令に基づいてマルチゲート半導体素子32をスイッチングさせる。The
フィードバック信号生成部20は、ゲート駆動回路19が出力するGs_u1の指令電圧を監視し、Gs端子のオンオフ状態を検出する。そして、このオンオフ状態を2値のデジタル信号に変換し、フィードバック信号FB_u1として緊急停止指令生成部10内のPWM指令照合部9に出力する。The feedback
緊急停止指令生成部10は、PWM指令照合部9にてPWM_u1′とFB_u1との照合を行う。このとき、電力変換装置内で生じる指令の伝播遅延によって、FB_u1は、PWM_u1′に対しオンオフタイミングが遅延している。そのため、PWM指令照合部9が異常誤検知するのを避けるため、PWM指令遅延部7でPWM_u1′を遅延させる。この遅延時間としては、ターンオン時の遅延時間49と、ターンオフ時の遅延時間50の二つがある。The emergency stop
ターンオン時の遅延時間49は、PWM_u1′がターンオンしてから、マルチゲート半導体素子32のGs端子29がオンし、PWM指令照合部9に入力されるフィードバック信号FB_u1がターンオンするまでの時間Ton(図示せず)を基に決定する。具体的に、Tonは、制御論理部1、ゲート駆動部21内の回路、マルチゲート半導体素子32の温度変動や特性ばらつきによって変動するため、変動幅を考慮したTonの最大値を設定する。
同様に、ターンオフ時の遅延時間50についても、PWM_u1′がターンオフしてからFB_u1がターンオフするまでの時間Toff(図示せず)の最大値を設定する。
The turn-on
Similarly, for the turn-
PWM指令照合部9は、PWM_u1′をPWM指令遅延部7で遅延させたPWM_u1dとFB_u1との照合を行い、両者が一致する場合(正常時)に緊急停止フラグFlg_u1をオフする。The PWM
また、PWM指令照合部9の照合結果が一致する場合、PWM指令照合部9は、指令重畳部8に対し「緊急停止無し」の指令を与える。指令重畳部8は、「緊急停止無し」の指令を受ければ、PWM_u1′をそのままPWM_u1として出力する。
Furthermore, if the comparison result of the PWM
次に、実施例1に係る電力変換装置における異常時の動作を、図4および図5を用いて説明する。
図3と同様に、図4および図5には、U相上アーム指令のタイムチャートを示すが、U相下アーム、V相の上下アームおよびW相の上下アームについても、図4および図5と同様のタイムチャートとなる。
Next, an operation of the power conversion device according to the first embodiment when an abnormality occurs will be described with reference to FIG. 4 and FIG.
As in FIG. 3, FIG. 4 and FIG. 5 show time charts for the U-phase upper arm command, but the U-phase lower arm, the V-phase upper and lower arms, and the W-phase upper and lower arms also have time charts similar to those in FIG.
図4は、異常時として、フィードバック信号FB_u1に誤オフが発生した場合のタイムチャートを示す図である。図4では、符号52に示すタイミングで誤オフが発生している。この誤オフの原因としては、例えば、ゲート駆動部の故障やマルチゲート半導体素子のオープン故障が挙げられる。
Figure 4 is a diagram showing a time chart when an erroneous turn-off occurs in the feedback signal FB_u1 as an abnormality. In Figure 4, the erroneous turn-off occurs at the timing indicated by the
フィードバック信号FB_u1に誤オフが発生すると、PWM指令照合部9は、PWM_u1dとFB_u1との不一致を検知し、緊急停止フラグFlg_u1をオンすると共に、指令重畳部8に対して緊急停止指令を出力する。このとき、制御論理部1の外部のシステム(図示せず)からの復旧指令が来るまでは、緊急停止フラグFlg_u1をオンでホールドする。When a false OFF occurs in the feedback signal FB_u1, the PWM
指令重畳部8は、PWM_u1′のオン中に緊急停止指令が入力されると、PWM_u1に、図4に示すワンショットオフパルス54を重畳する。ここで、ワンショットオフパルス54のパルス幅55は、PWM指令と区別できるように、PWM指令の最小オフパルス幅より短い幅とする。When an emergency stop command is input while PWM_u1' is on, the
ゲート駆動部21内の制御指令生成部18は、緊急停止指令が重畳されたPWM_u1が入力されると、PWM_u1中のワンショットオフパルス54を検出し、図4に示す符号58のタイミングで、3つのゲート指令(Gs_u1、Gc_u1およびGd_u1)をオフする。このとき、フィードバック信号FB_u1の誤オフが発生してから3つのゲート指令(Gs_u1、Gc_u1およびGd_u1)がオフするまでの時間は、ワンショットオフパルス幅55とPWM_u1のターンオフ遅延48とを足し合わせた時間となる。When the control
図5は、異常時として、フィードバック信号FB_u1に誤オンが発生した場合のタイムチャートを示す図である。図5では、符号59に示すタイミングで誤オンが発生している。その後、誤オフの発生時と同様に、PWM指令照合部9は、PWM_u1dとFB_u1との不一致を検知し、緊急停止フラグFlg_u1をオンすると共に、指令重畳部8に対して緊急停止指令を出力する。
Figure 5 is a time chart showing an abnormality in which a false ON occurs in the feedback signal FB_u1. In Figure 5, the false ON occurs at the timing indicated by the
指令重畳部8は、PWM_u1′のオフ中に緊急停止指令が入力されると、PWM_u1に、図5に示すワンショットオンパルス61を重畳する。ワンショットオフパルス54のパルス幅55と同様、ワンショットオンパルス61のパルス幅62も、PWM指令と区別できるように、PWM指令の最小オンパルス幅より短い幅とする。When an emergency stop command is input while PWM_u1' is off, the
ゲート駆動部21内の制御指令生成部18は、緊急停止指令が重畳されたPWM_u1が入力されると、PWM_u1中のワンショットオンパルス61を検出し、図5に示す符号64のタイミングで、3つのゲート指令(Gs_u1、Gc_u1およびGd_u1)をオフする。このとき、フィードバック信号FB_u1の誤オンが発生してから3つのゲート指令(Gs_u1、Gc_u1およびGd_u1)がオフするまでの時間は、ワンショットオンパルス幅62とPWM_u1のターンオフ遅延51とを足し合わせた時間となる。When the control
ここで、上記のように、ある1アームが緊急停止した場合、電力変換装置の1アームが欠損した状態で制御を行う状態となる。その場合、制御の発散によりモータ電流が過電流になるリスクがあるため、1アームが緊急停止した際は、他アームのすべての動作を停止する必要がある。 Here, as mentioned above, if one arm undergoes an emergency stop, the power conversion device will be in a state where one arm is missing and control is performed. In that case, there is a risk that the motor current will become an overcurrent due to control divergence, so when one arm undergoes an emergency stop, it is necessary to stop the operation of all other arms.
そこで、実施例1に係る電力変換装置では、制御論理部1の内部にOR回路16を設けて、3相上下アームの緊急停止フラグのORを取り、その結果(図1に示す、Flg_Gate_err)を電圧指令生成部5およびPWM指令生成部6に入力する。Therefore, in the power conversion device of Example 1, an OR
図4および図5に示すように、緊急停止フラグFlg_u1がオンすると、OR回路16を介してFlg_Gate_errもオンし、電圧指令生成部5およびPWM指令部6は、一定時間(図4に示す、時素57)経過した後に、電圧指令および3相上下アームすべてのPWM指令をオフする。As shown in Figures 4 and 5, when the emergency stop flag Flg_u1 is turned on, Flg_Gate_err is also turned on via the
これにより、あるアームで異常が発生した際に、他アームすべてのマルチゲート半導体素子の動作を停止することができる。ここで、時素57は、制御指令生成部18にワンショットオフパルス54またはワンショットオンパルス61のオフオン変化を検知させるための時間であり、緊急停止してからシステムが復旧するまでの時間より短ければよい。This allows the operation of all multi-gate semiconductor elements in the other arms to be stopped when an abnormality occurs in one arm. Here,
次に、実施例1による効果について説明する。
マルチゲート半導体素子を適用した電力変換装置では、制御論理部が生成するPWM指令を基に複数のゲート指令を生成する必要があるため、ゲート指令の増加に伴う配線増加(装置の大型化)が懸念される。
Next, the effects of the first embodiment will be described.
In a power conversion device that uses a multi-gate semiconductor element, multiple gate commands must be generated based on a PWM command generated by a control logic unit, so there is a concern that an increase in the number of wiring (and thus an increase in the size of the device) will accompany the increase in gate commands.
本発明では、パワーユニット内部で複数のゲート指令を生成しているため、制御論理部で生成するよりも制御論理部とパワーユニット間の配線数を少なくでき、装置の大型化を抑制することができる。In the present invention, multiple gate commands are generated within the power unit, which reduces the number of wires between the control logic unit and the power unit compared to generating them in the control logic unit, thereby preventing the device from becoming larger.
その一方で、パワーユニット内部で複数のゲート指令を生成するため、異常発生時にパワーユニットに異常を伝達する手段と、異常発生時に複数のゲート指令を速やかに停止する手段とが必要となる。 On the other hand, since multiple gate commands are generated within the power unit, a means of transmitting an abnormality to the power unit when an abnormality occurs and a means of quickly stopping the multiple gate commands when an abnormality occurs are required.
そこで、本発明では、異常発生時に、PWM指令に対してPWM指令と区別可能な幅狭のワンショットパルスを重畳することにより、マルチゲート半導体素子のスイッチングを緊急停止する。PWM指令に対して装置の異常を示す信号を重畳するため、異常を伝達するための配線が不要となり、装置の大型を抑制することができる。Therefore, in the present invention, when an abnormality occurs, a narrow one-shot pulse that can be distinguished from the PWM command is superimposed on the PWM command to emergency stop the switching of the multi-gate semiconductor element. Because a signal indicating an abnormality in the device is superimposed on the PWM command, wiring to transmit the abnormality is not required, and the size of the device can be reduced.
以上のとおり、本発明では、マルチゲート半導体素子を用いた電力変換装置の大型化を抑制すると共に、装置に異常が発生した際に、マルチゲート半導体素子のスイッチングを速やかに停止でき、電力変換装置の安全性を高めることができる。As described above, the present invention prevents the power conversion device using a multi-gate semiconductor element from becoming larger, and can quickly stop switching of the multi-gate semiconductor element when an abnormality occurs in the device, thereby improving the safety of the power conversion device.
図6は、本発明の実施例2に係る電力変換装置の構成を示す図である。
図6に示す電力変換装置は、パワーユニットとしては実施例1と同じ構成で、制御論理部の構成が異なる。
FIG. 6 is a diagram showing a configuration of a power conversion device according to a second embodiment of the present invention.
The power conversion device shown in FIG. 6 has the same configuration as the power unit in the first embodiment, but has a different configuration for the control logic unit.
実施例2に係る制御論理部100は、実施例1に係る制御論理部1に対して、直流電圧Vdcを監視してこのVdcの過電圧を検知する電圧監視部101、3相モータ電流Iu、IvおよびIwを監視してモータ電流の過電流を検知する電流監視部102および電圧監視部101が検知した過電圧フラグ(図6に示す、Flg_Ovd)と電流監視部102が検知した過電流フラグ(図6に示す、Flg_Ocd)とのORをとるOR回路103、を追加したものである。The
また、OR回路103の出力(図6に示す、Flg_Gate_stop)は、緊急停止指令生成部10~15に入力され、している。
In addition, the output of the OR circuit 103 (Flg_Gate_stop shown in Figure 6) is input to the emergency stop
制御論理部100では、電圧監視部101が直流電圧Vdcの過電圧を検知した場合、または、電流監視部102が3相モータ電流Iu、IvおよびIwのいずれかの過電流を検知した場合、OR回路103出力のFlg_Gate_stopがオンする。In the
Flg_Gate_stopがオンすると、緊急停止指令生成部10~15は、このオン変化を指令重畳部8へ与える(図6に示す※印)。これにより、指令重畳部8は、実施例1と同様に、PWM指令にワンショットパルスを重畳し、マルチゲート半導体素子のスイッチングを緊急停止させる。When Flg_Gate_stop is turned on, the emergency stop
以上、本発明の実施例1および2について説明したが、本発明は、上述した実施例1および2に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々の変更が可能である。
Although the above describes
1、100:制御論理部、2:パワーユニット、3:直流電源、4:3相交流モータ、5:電圧指令生成部、6:PWM指令生成部、7:PWM指令遅延部、8:指令重畳部、9:PWM指令照合部、10、11、12、13、14、15:緊急停止指令生成部、16:OR回路、17:配線、18:制御指令生成部、19:ゲート駆動回路、20:フィードバック信号生成部、21、22、23、24、25、26:ゲート駆動部、27:デュアルゲートIGBT、28:MOS制御ダイオード、29:Gs端子、30:Gc端子、31:Gd端子、32、33、34、35、36、37:マルチゲート半導体素子、38、39、40:電流センサ、41:電圧センサ、42、43:非ラップ時間、44:緊急停止指令生成部出力からゲート駆動部入力までのPWM指令のターンオン遅延45:Gs指令の制御時間1、46:Gs指令の制御時間2、47:フィードバック信号のターンオン遅延、48:フィードバック信号のターンオフ遅延、49:ターンオン時のPWM指令の遅延時間、50:ターンオフ時のPWM指令の遅延時間、51:緊急停止指令生成部出力からゲート駆動部入力までのPWM指令のターンオフ遅延52:フィードバック信号の誤オフ発生タイミング、53、60:緊急停止指令の重畳開始タイミング、54:ワンショットオフパルス、55:ワンショットオフパルス幅、61:ワンショットオンパルス、62:ワンショットオンパルス幅、56、63:異常時のPWM指令の停止タイミング、57:PWM指令の停止時素、58、64:Gs指令、Gc指令、Gd指令のオフタイミング、101:電圧監視部、102:電流監視部、103:OR回路1, 100: control logic unit, 2: power unit, 3: DC power supply, 4: three-phase AC motor, 5: voltage command generation unit, 6: PWM command generation unit, 7: PWM command delay unit, 8: command superposition unit, 9: PWM command comparison unit, 10, 11, 12, 13, 14, 15: emergency stop command generation unit, 16: OR circuit, 17: wiring, 18: control command generation unit, 19: gate drive circuit, 20: feedback signal generation unit, 21, 22, 2 3, 24, 25, 26: gate driver, 27: dual gate IGBT, 28: MOS control diode, 29: Gs terminal, 30: Gc terminal, 31: Gd terminal, 32, 33, 34, 35, 36, 37: multi-gate semiconductor element, 38, 39, 40: current sensor, 41: voltage sensor, 42, 43: non-lap time, 44: turn-on delay of PWM command from emergency stop command generator output to gate driver input 45: control time 1 of Gs command, 46: control time 2 of Gs command, 47: turn-on delay of feedback signal, 48: turn-off delay of feedback signal, 49: delay time of PWM command at turn-on, 50: delay time of PWM command at turn-off, 51: turn-off delay of PWM command from output of emergency stop command generating unit to input of gate driving unit, 52: timing of occurrence of false off of feedback signal, 53, 60: timing to start superimposing emergency stop command, 54: one-shot off pulse, 55: one-shot off pulse width, 61: one-shot on pulse, 62: one-shot on pulse width, 56, 63: timing to stop PWM command in abnormality, 57: timing to stop PWM command, 58, 64: off timing of Gs command, Gc command, Gd command, 101: voltage monitoring unit, 102: current monitoring unit, 103: OR circuit
Claims (9)
前記マルチゲート半導体素子を駆動させるゲート駆動部と、
前記ゲート駆動部に与えるPWM指令を生成する制御論理部と
を備え、
前記ゲート駆動部は、前記PWM指令に基づいて前記複数のゲート制御端子に与える駆動信号を生成すると共に、前記マルチゲート半導体素子のオンオフ状態を示すフィードバック信号を生成し、
前記制御論理部は、前記PWM指令と前記フィードバック信号との照合の結果が不一致である場合に、前記PWM指令とは区別可能な短パルスを緊急停止指令として生成し前記PWM指令に重畳する
ことを特徴とする電力変換装置。 a power conversion unit configured by a multi-gate semiconductor element having a plurality of gate control terminals, and controlling power supplied to a load by switching the multi-gate semiconductor element;
a gate driver for driving the multi-gate semiconductor device;
a control logic unit that generates a PWM command to be provided to the gate driver;
the gate driver generates drive signals to be provided to the gate control terminals based on the PWM command, and generates a feedback signal indicating an on/off state of the multi-gate semiconductor device;
The control logic unit generates a short pulse that is distinguishable from the PWM command as an emergency stop command and superimposes it on the PWM command when the comparison result between the PWM command and the feedback signal indicates a mismatch.
前記制御論理部は、
前記PWM指令がオン指令時であれば、前記短パルスをワンショットのオフパルスとして前記緊急停止指令を生成し、
前記PWM指令がオフ指令時であれば、前記短パルスをワンショットのオンパルスとして前記緊急停止指令を生成する
ことを特徴とする電力変換装置。 The power conversion device according to claim 1,
The control logic unit
If the PWM command is an ON command, the short pulse is converted into a one-shot OFF pulse to generate the emergency stop command,
When the PWM command is an OFF command, the short pulse is turned into a one-shot ON pulse to generate the emergency stop command.
前記制御論理部は、前記緊急停止指令を生成した後に復旧指令が出るまでは前記PWM指令をオフする
ことを特徴とする電力変換装置。 The power conversion device according to claim 3,
The power conversion device according to claim 1, wherein the control logic unit turns off the PWM command after generating the emergency stop command and until a recovery command is issued.
前記ワンショットのオンパルスの幅は、前記PWM指令の最小オンパルス幅より短く、
前記ワンショットのオフパルスの幅は、前記PWM指令の最小オフパルス幅より短い
ことを特徴とする電力変換装置。 The power conversion device according to claim 3 or 4,
The width of the one-shot on-pulse is shorter than the minimum on-pulse width of the PWM command,
A power conversion device, characterized in that a width of the one-shot off-pulse is shorter than a minimum off-pulse width of the PWM command.
当該電力変換装置は、3相交流負荷を駆動制御する3相インバータを用いて構成され、
前記3相インバータの直流電源のプラス電位側およびマイナス電位側のそれぞれに対して、前記電力変換部および前記ゲート駆動部を3相上下アーム毎に備え、
前記制御論理部は、前記ゲート駆動部それぞれに対応する前記PWM指令を生成する
ことを特徴とする電力変換装置。 A power conversion device according to any one of claims 1 and 3 to 5,
The power conversion device is configured using a three-phase inverter that drives and controls a three-phase AC load,
the power conversion unit and the gate drive unit are provided for each of upper and lower three-phase arms for a positive potential side and a negative potential side of a DC power supply of the three-phase inverter,
The power conversion device, wherein the control logic unit generates the PWM commands corresponding to the respective gate drivers.
前記直流電源の電圧検出信号または前記3相インバータの出力電流検出信号を監視する監視部を備え、
前記監視部は、前記電圧検出信号から過電圧または前記出力電流検出信号から過電流を検知した際に、前記制御論理部に対して異常信号を出力し、
前記制御論理部は、前記異常信号を入力すると、前記PWM指令に緊急停止指令として当該PWM指令とは区別可能な短パルスを重畳する
ことを特徴とする電力変換装置。 The power conversion device according to claim 6,
a monitoring unit that monitors a voltage detection signal of the DC power supply or an output current detection signal of the three-phase inverter,
the monitoring unit outputs an abnormality signal to the control logic unit when detecting an overvoltage from the voltage detection signal or an overcurrent from the output current detection signal;
The power conversion device according to claim 1, wherein the control logic unit, when receiving the abnormality signal, superimposes a short pulse, which is distinguishable from the PWM command, on the PWM command as an emergency stop command.
PWM指令に基づいて前記複数のゲート制御端子に与える駆動信号を生成し、
前記マルチゲート半導体素子のオンオフ状態を示すフィードバック信号を生成し、
前記PWM指令と前記フィードバック信号との照合を行い、当該照合の結果が不一致である場合に、前記PWM指令とは区別可能な短パルスを緊急停止指令として生成し前記PWM指令に重畳する
ことを特徴とする電力変換方法。 A power conversion unit is configured by a multi-gate semiconductor element having a plurality of gate control terminals, and controls power supplied to a load by switching the multi-gate semiconductor element.
generating drive signals to be provided to the plurality of gate control terminals based on a PWM command;
generating a feedback signal indicative of an on/off state of the multi-gate semiconductor device;
A power conversion method comprising: comparing the PWM command with the feedback signal; and if the comparison results in a mismatch, generating a short pulse distinguishable from the PWM command as an emergency stop command and superimposing the short pulse on the PWM command.
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