JP2013062937A - Drive device for electric motor, and refrigeration cycle device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、三相ブリッジインバータ回路を用いて直流ブラシレスモータなどの電動機を駆動する電動機の駆動装置、および冷凍サイクル装置に関する。 The present invention relates to a motor drive device that drives a motor such as a DC brushless motor using a three-phase bridge inverter circuit, and a refrigeration cycle apparatus.
三相ブリッジインバータ回路を用いて直流ブラシレスモータなどの電動機を駆動する電動機の駆動装置では、三相ブリッジインバータ回路は、半導体スイッチング素子を備えてなる。半導体スイッチ素子としては、一般に、Si(シリコン)材料からなるものが用いられている。電圧が比較的高い用途では、半導体スイッチング素子として、IGBT(Insulate Gate Bipola Transisitor)構造のものが用いられている。 In a motor drive device that drives a motor such as a DC brushless motor using a three-phase bridge inverter circuit, the three-phase bridge inverter circuit includes a semiconductor switching element. As the semiconductor switch element, an element made of Si (silicon) material is generally used. In applications where the voltage is relatively high, an IGBT (Insulate Gate Bipola Transisitor) structure is used as a semiconductor switching element.
近年では、半導体スイッチング素子の損失低減を図るために、シリコンの理論限界を超える材料として、SiC(シリコンカーバイド)またはGaN(窒化ガリウム)のようなワイドバンドギャップ半導体の開発が進められてきている。ワイドバンドギャップ半導体は、低損失、高速、高温動作可能といった優れた特徴を有し、MOSFET(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor)構造のもの(以下、“SiC−MOSFET”と呼ぶ。)についての研究が進んでいる。 In recent years, in order to reduce the loss of semiconductor switching elements, wide band gap semiconductors such as SiC (silicon carbide) or GaN (gallium nitride) have been developed as materials exceeding the theoretical limit of silicon. Wide band gap semiconductors have excellent characteristics such as low loss, high speed, and high temperature operation, and research on MOSFET (Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor) structure (hereinafter referred to as “SiC-MOSFET”) has been conducted. Progressing.
例えば、特許文献1には、“インバータ回路は、6個のスイッチング素子を有する。スイッチング素子は、ワイドバンドギャップ半導体を用いたユニポーラ素子であるSiC−MOSFETによって構成されている。インバータ回路では、SiC−MOSFETの寄生ダイオードは還流ダイオードとして使用される。そして、インバータ回路では、SiC−MOSFETの寄生ダイオードに逆方向電流が流れる所定のタイミングでSiC−MOSFETをオン状態とする同期整流が行われる。”旨が記載されている。
For example,
しかしながら、特許文献1に係るインバータ回路では、相対するSiC−MOSFETがオンし寄生ダイオードに流れる逆方向電流が終息して減衰する過程においても、逆方向電流が流れている期間においては、SiC−MOSFETをオン状態とする同期整流が行われる。このため、オン状態のSiC−MOSFETを貫通する短絡電流が流れてしまうという課題があった。
However, in the inverter circuit according to
そもそも、特許文献1に係るインバータ回路において、相対するSiC−MOSFETがオンし寄生ダイオードに流れる逆方向電流が終息して減衰する過程を考慮しているのは、同過程において、寄生ダイオードが導通状態から遮断状態に遷移するときに逆回復電流が不可避的に流れるためである。導通状態にある寄生ダイオードに逆回復電流が流れることにより、寄生ダイオードは遮断状態に遷移する。このため、同期整流によってオン状態となるSiC−MOSFETに流れる電流は、寄生ダイオードの逆回復になんら寄与しない短絡電流であり、電力損失を発生するだけの無駄な電流に過ぎない。
In the first place, in the inverter circuit according to
本発明は、上記実情に鑑みてなされたものであり、相対するSiC−MOSFETがオンし寄生ダイオードに流れる逆方向電流が終息して減衰する過程において、寄生ダイオードの逆回復に寄与しない短絡電流が流れることのないようにすることを目的とする。 The present invention has been made in view of the above circumstances, and in the process in which the opposite SiC-MOSFET is turned on and the reverse current flowing through the parasitic diode ends and decays, a short-circuit current that does not contribute to reverse recovery of the parasitic diode is generated. The purpose is to prevent it from flowing.
本発明に係る電動機の駆動装置は、交流電源に接続されて直流電力を出力する整流回路と、前記整流回路の直流電力を三相交流電力に変換して電動機を駆動する三相インバータ回路と、前記三相インバータ回路の通電相を切り替えると共に前記電動機の駆動を制御するためのPWM信号を前記三相インバータ回路に供給する制御回路と、を備え、前記三相インバータ回路は、寄生ダイオードを有し、SiCまたはGaNを用いたMOSFET素子よりなる上アームおよび下アームを、三相の各相についてそれぞれ備え、前記PWM信号は、前記各相について、前記上アームを駆動するためのオン期間および前記下アームを駆動するためのオン期間が相互に重ならないようにデッドタイム期間を挟んで設定される、ことを最も主要な特徴とする。 An electric motor drive device according to the present invention includes a rectifier circuit that is connected to an AC power source and outputs DC power, a three-phase inverter circuit that drives the motor by converting DC power of the rectifier circuit into three-phase AC power, A control circuit for switching the energized phase of the three-phase inverter circuit and supplying a PWM signal for controlling the driving of the electric motor to the three-phase inverter circuit, the three-phase inverter circuit having a parasitic diode An upper arm and a lower arm made of MOSFET elements using SiC or GaN are provided for each of the three phases, and the PWM signal has an ON period for driving the upper arm and the lower arm for each phase. The main feature is that the on periods for driving the arms are set with a dead time period so as not to overlap each other.
本発明によれば、相対するSiC−MOSFETがオンし寄生ダイオードに流れる逆方向電流が終息して減衰する過程において、寄生ダイオードの逆回復に寄与しない短絡電流が流れることを防ぐことができる。 According to the present invention, it is possible to prevent a short-circuit current that does not contribute to reverse recovery of the parasitic diode from flowing in the process in which the opposite SiC-MOSFET is turned on and the reverse current flowing through the parasitic diode is terminated and attenuated.
以下、本発明の複数の実施形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。
[第1実施形態]
(第1実施形態に係る電動機の駆動装置11の全体構成)
はじめに、第1実施形態に係る電動機の駆動装置11の全体構成について、図1を参照して説明する。図1は、本発明の第1実施形態に係る電動機の駆動装置11の全体構成図である。本発明の第1実施形態に係る電動機の駆動装置11について、SiC(シリコンカーバイド)−MOSFETを用いた三相ブリッジインバータ回路21により直流ブラシレスモータからなる電動機23の駆動を行う例をあげて説明する。また、第1実施形態に係る電動機23は、例えば、不図示の空気調和機の冷凍サイクル装置に設けられる圧縮機(不図示)を駆動するものとして以下の説明を進める。
Hereinafter, a plurality of embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
[First Embodiment]
(Whole structure of the electric
First, the overall configuration of the electric
本発明の第1実施形態に係る電動機の駆動装置11は、図1に示すように、交流電源13と、リアクタ15と、全波整流回路17と、平滑回路19と、三相ブリッジインバータ回路21と、PWM信号発生回路25と、を備え、電動機23を駆動するように構成されている。
As shown in FIG. 1, the
交流電源13は、例えば単相交流電源である。ただし、交流電源13として三相交流電源を採用してもよい。交流電源13の一側端子には、リアクタ15が接続されている。リアクタ15は、交流電源13の力率を改善する役割を果たす。
The
全波整流回路17は、図1に示すように、相互にブリッジ接続された第1〜第4の整流ダイオードD1〜D4を有する。全波整流回路17は、これら第1〜第4の整流ダイオードD1〜D4を用いて交流電源13の交流電圧波形を全波整流する機能を有する。第1〜第4の整流ダイオードD1〜D4は、図1に示すように、アノード側が正の直流母線PLに、カソード側が負の直流母線NLに、それぞれ接続されている。第1および第2の整流ダイオードD1,D2の間に位置する第1の接続点Nd1と、第3および第4の整流ダイオードD3,D4の間に位置する第2の接続点Nd2との間には、交流電源13が、リアクタ15を介して接続されている。
As shown in FIG. 1, the full-
平滑回路19は、平滑コンデンサC1を有する。平滑回路19は、全波整流回路17で全波整流された電圧を平滑化する機能を有する。一対の端子を有する平滑コンデンサC1は、図1に示すように、一方の端子が正の直流母線PLに、他方の端子が負の直流母線NLに、それぞれ接続されている。平滑コンデンサC1の両端子間に、電動機23を駆動するための駆動電圧Ed(図2(d)参照)が生じるようになっている。
The
本発明の“三相インバータ回路”として機能する三相ブリッジインバータ回路21は、図1に示すように、第1〜第6のスイッチング素子Sup,Sun,Svp,Svn,Swp,Swnを有する。第1〜第6のスイッチング素子Sup,Sun,Svp,Svn,Swp,Swnとしては、例えば、SiC(シリコンカーバイド)−MOSFETなどの、ワイドバンドギャップ半導体を好適に採用することができる。三相ブリッジインバータ回路21は、全波整流回路17で整流され平滑回路19で平滑化された直流電力を、u相・v相・w相の擬似的な三相交流電力に変換し、変換後の擬似的な三相交流電力を電動機23に供給する機能を有する。
As shown in FIG. 1, the three-phase
第1および第2のスイッチング素子Sup,Sunは、第3の接続点Nd3を介して直列接続されている。第1および第2のスイッチング素子Sup,Sunのそれぞれには、第1および第2の寄生ダイオードDup,Dunが逆並列接続されている。第3の接続点Nd3は、電動機23のu相動力線に接続されている。以下の説明において、第1のスイッチング素子Supを第1の上アームUA1と呼び、第2のスイッチング素子Sunを第1の下アームLA1と呼ぶ場合がある。
The first and second switching elements Sup and Sun are connected in series via a third connection point Nd3. First and second parasitic diodes Dup and Dun are connected in antiparallel to the first and second switching elements Sup and Sun, respectively. The third connection point Nd3 is connected to the u-phase power line of the
第3および第4のスイッチング素子Svp,Svnは、第4の接続点Nd4を介して直列接続されている。第3および第4のスイッチング素子Svp,Svnのそれぞれには、第3および第4の寄生ダイオードDvp,Dvnが逆並列接続されている。第4の接続点Nd4は、電動機23のv相動力線に接続されている。以下の説明において、第3のスイッチング素子Svpを第2の上アームUA2と呼び、第4のスイッチング素子Svnを第2の下アームLA2と呼ぶ場合がある。
The third and fourth switching elements Svp and Svn are connected in series via the fourth connection point Nd4. Third and fourth parasitic diodes Dvp and Dvn are connected in antiparallel to the third and fourth switching elements Svp and Svn, respectively. The fourth connection point Nd4 is connected to the v-phase power line of the
第5および第6のスイッチング素子Swp,Swnは、第5の接続点Nd5を介して直列接続されている。第5および第6のスイッチング素子Swp,Swnのそれぞれには、第5および第6の寄生ダイオードDwp,Dwnが逆並列接続されている。第5の接続点Nd5は、電動機23のw相動力線に接続されている。以下の説明において、第5のスイッチング素子Swpを第3の上アームUA3と呼び、第6のスイッチング素子Swnを第3の下アームLA3と呼ぶ場合がある。
The fifth and sixth switching elements Swp and Swn are connected in series via the fifth connection point Nd5. Fifth and sixth parasitic diodes Dwp and Dwn are connected in reverse parallel to the fifth and sixth switching elements Swp and Swn, respectively. The fifth connection point Nd5 is connected to the w-phase power line of the
第1および第2のスイッチング素子Sup,Sunの直列接続回路、第3および第4のスイッチング素子Svp,Svnの直列接続回路、および、第5および第6のスイッチング素子Swp,Swnの直列接続回路のそれぞれは、正の直流母線PLおよび負の直流母線NLの間に、相互に並列に接続されている。 A series connection circuit of first and second switching elements Sup, Sun, a series connection circuit of third and fourth switching elements Svp, Svn, and a series connection circuit of fifth and sixth switching elements Swp, Swn Each is connected in parallel with each other between a positive DC bus PL and a negative DC bus NL.
本発明の“制御回路”として機能するPWM信号発生回路25は、第1〜第6のスイッチング素子Sup,Sun,Svp,Svn,Swp,Swnの各ゲートに接続されている。第1〜第6のスイッチング素子Sup,Sun,Svp,Svn,Swp,Swnは、個々のスイッチング動作が、PWM信号発生回路25によって統括制御される。
The PWM
すなわち、PWM信号発生回路25は、インバータ制御を行う際の基準となる所定の周波数の三角波からなるキャリア信号および各相(u相・v相・w相)の電圧指令信号に基づいて、三相ブリッジインバータ回路21の通電相を切り替えると共に電動機23の駆動を制御するためのPWM(Pulse Width Modulation)信号を発生し、こうして発生したPWM信号を三相ブリッジインバータ回路21に供給する機能を有する。
In other words, the PWM
PWM信号発生回路25において発生するPWM信号は、各相(u相・v相・w相)について、第1〜第3の上アームUA1〜UA3を駆動するためのオン期間および第1〜第3の下アームLA1〜LA3を駆動するためのオン期間が相互に重ならないようにデッドタイム期間DT(図3(b)参照)を挟んで設定される。このような関係を、ノンオーバーラップの関係と呼ぶ場合がある。
The PWM signal generated in the PWM
(第1実施形態に係る電動機の駆動装置11のPWM信号発生回路25の動作)
次に、第1実施形態に係る電動機の駆動装置11のPWM信号発生回路25の動作について、u相の目標電圧特性、v相の目標電圧特性、および、u−v線間目標電圧特性を例示して、図2を参照して説明する。図2(a)は、インバータ制御を行う際の基準となるキャリア信号波形と、各相の電圧指令信号波形との時系列的な関係を表す説明図、図2(b)は、u相の目標電圧特性を表す説明図、図2(c)は、v相の目標電圧特性を表す説明図、図2(d)は、u相とv相との間のu−v線間目標電圧特性を表す説明図である。
(Operation of PWM
Next, the operation of the PWM
PWM信号発生回路25は、キャリア信号および各相(u相・v相・w相)の電圧指令信号に基づいて、各相の目標電圧を演算により求めると共に、各相間の線間目標電圧を演算により求めるように動作する。
The PWM
具体的には、PWM信号発生回路25は、図2(a)に示すキャリア信号およびu相の電圧指令信号に基づいて、三角波のキャリア信号波形を基準として、それ以上のu相の電圧指令信号波形の部分を駆動電圧Edの半分の正電圧として描く一方、それを下回るu相の電圧指令信号波形の部分を駆動電圧Edの半分の負電圧として描いたu相目標電圧を演算により求める。こうして求めたu相目標電圧を、図2(b)に示している。
Specifically, the PWM
また、PWM信号発生回路25は、図2(a)に示すキャリア信号およびv相の電圧指令信号に基づいて、三角波のキャリア信号波形を基準として、それ以上のv相の電圧指令信号波形の部分を駆動電圧Edの半分の正電圧として描く一方、それを下回るv相の電圧指令信号波形の部分を駆動電圧Edの半分の負電圧として描いたv相目標電圧を演算により求める。こうして求めたv相目標電圧を、図2(c)に示している。
Further, the PWM
そして、PWM信号発生回路25は、図2(b)に示すu相目標電圧および図2(c)に示すv相目標電圧に基づいて、u相目標電圧とv相目標電圧との両者の電位差が駆動電圧Edであり、かつ、u相目標電圧が正でv相目標電圧が負となる部分を正の駆動電圧(Ed)として描き、u相目標電圧とv相目標電圧との両者が共通の電圧である部分を“0”電圧として描き、u相目標電圧とv相目標電圧との両者の電位差が駆動電圧Edであり、かつ、u相目標電圧が負でv相目標電圧が正となる部分を負の駆動電圧(−Ed)として描いたu−v線間目標電圧を演算により求める。こうして求めたu−v線間目標電圧を、図2(d)に示している。
なお、w相目標電圧、u−w線間目標電圧、および、v−w線間目標電圧については、前記に準じた演算により求めることができるため、その説明および図示を省略する。
Then, the PWM
Note that the w-phase target voltage, the u-w line target voltage, and the v-w line target voltage can be obtained by calculation according to the above description, and thus the description and illustration thereof are omitted.
PWM信号発生回路25は、前記のようにして求めた各相間の線間目標電圧を実現させるように、三相ブリッジインバータ回路21の通電相を切り替えると共に、電動機23の駆動を制御するためのPWM信号を発生し、こうして発生したPWM信号を三相ブリッジインバータ回路21に供給するように動作する。
The PWM
次に、ノンオーバーラップの関係にあるPWM信号の生成手順について、図3および図4(a)〜(g)を参照して説明する。図3は、第1実施形態に係る電動機の駆動装置11から出力される疑似正弦波の線間電圧を示す説明図である。図4(a)は、PWM信号の生成に用いる二重三角波の信号波形を表す説明図である。図4(b)は、第1の上アームUA1に係るPWM信号が生成される様子を表す説明図、図4(c)は、第1の下アームLA1に係るPWM信号が生成される様子を表す説明図、図4(d)は、第2の上アームUA2に係るPWM信号が生成される様子を表す説明図、図4(e)は、第2の下アームLA2に係るPWM信号が生成される様子を表す説明図、図4(f)は、第3の上アームUA3に係るPWM信号が生成される様子を表す説明図、図4(g)は、第3の下アームLA3に係るPWM信号が生成される様子を表す説明図である。
Next, a procedure for generating a PWM signal in a non-overlapping relationship will be described with reference to FIGS. 3 and 4A to 4G. FIG. 3 is an explanatory diagram illustrating a line voltage of a pseudo sine wave output from the
第1実施形態に係る電動機の駆動装置11の三相ブリッジインバータ回路21は、図3に示す疑似正弦波の線間電圧を電動機23に与えて電動機23を駆動する。そのためには、三相ブリッジインバータ回路21の出力が疑似正弦波の線間電圧波形上をトレースするように、図4(a)に示す比較値1〜3を時間の経過とともに適宜変化させながら設定することを要する。この設定手順は変調方式と呼ばれる。
The three-phase
ノンオーバーラップの関係にあるPWM信号を生成するために、PWM信号発生回路25は、図1に示すように、比較値1〜3を生成する比較値生成部27と、一対のカウンタ1,2と、を備える。比較値1〜3および一対のカウンタ1,2は、ノンオーバーラップの関係にあるPWM信号を生成するために重要な役割を果たす。
In order to generate a non-overlapping PWM signal, the PWM
比較値1〜3は、各相(u相・v相・w相)の線間電圧波形を再現するために、時間の経過と共にその値を変える可変値である。比較値1はu相に、比較値2はv相に、比較値3はw相に、それぞれ対応する。比較値生成部27は、時間の経過と共にその値を変える可変値となる比較値1〜3を、各相(u相・v相・w相)の線間電圧波形を参照して生成する。
The comparison values 1 to 3 are variable values that change their values over time in order to reproduce the line voltage waveform of each phase (u phase, v phase, w phase). The
カウンタ1は、第1〜第3の上アームUA1〜UA3が駆動されるオン期間を規定するためのタイミングをつくりだす機能を有する。図4(a)には、線形にアップダウンするカウンタ1のカウント値が描く三角波形が一点鎖線で表されている。例えば、カウンタ1のカウントアップ(三角波形の上昇過程)中に、現在のカウント値が比較値1と一致した場合、その一致したタイミングを、第1の上アームUA1に係るオン期間の始期として設定する(図4(a),(b)参照)。また、カウンタ1のカウントダウン(三角波形の下降過程)中に、現在のカウント値が比較値1と一致した場合、その一致したタイミングを、第1の上アームUA1に係るオン期間の終期として設定する(図4(a),(b)参照)。
第2〜第3の上アームUA2〜UA3に係るオン期間の始期および終期も、前記に準じてそれぞれ設定される(図4(a),(d),(f)参照)。
The
The start period and the end period of the on periods related to the second to third upper arms UA2 to UA3 are also set in accordance with the above (see FIGS. 4A, 4D, and 4F).
カウンタ2は、第1〜第3の下アームLA1〜LA3が駆動されるオフ期間(ただし、論理を逆転させれば、オン期間でもある。)を規定するためのタイミングをつくりだす機能を有する。図4(a)には、線形にアップダウンするカウンタ2のカウント値が描く三角波形が実線で表されている。カウンタ1に係る三角波形と、カウンタ2に係る三角波形とは、相似の関係にあり、かつ、その頂点に係る時間が同じに設定されている。カウンタ2に係る三角波形のサイズは、カウンタ1に係る三角波形と比べて、わずかに大きく設定されている。このサイズの違いが、デッドタイム期間DTをつくりだす。
The
例えば、カウンタ2のカウントアップ(三角波形の上昇過程)中に、現在のカウント値が比較値1と一致した場合、その一致したタイミングを、第1の下アームLA1に係るオフ期間の始期として設定する(図4(a),(c)参照)。また、カウンタ2のカウントダウン(三角波形の下降過程)中に、現在のカウント値が比較値1と一致した場合、その一致したタイミングを、第1の下アームLA1に係るオフ期間の終期として設定する(図4(a),(c)参照)。
第2〜第3の下アームLA2〜LA3に係るオフ期間の始期および終期も、前記に準じてそれぞれ設定される(図4(a),(e),(g)参照)。
For example, when the current count value coincides with the
The start period and the end period of the off period related to the second to third lower arms LA2 to LA3 are also set according to the above (see FIGS. 4A, 4E, and 4G).
PWM信号発生回路25は、前記したように、カウントアップ、カウントダウンを交互に繰り返し連続して行うカウンタ1,2の現在値と、3つの比較値1〜比較値3とを比較しながら、三相ブリッジインバータ回路21を駆動するためのノンオーバーラップの関係にあるPWM信号を発生し、こうして発生したPWM信号を三相ブリッジインバータ回路21に供給する。
As described above, the PWM
前記の手順によって生成されたu相に関する駆動信号は、図4(b)および図4(c)に示すように、第1の上アームUA1がオンの場合、第1の下アームLA1はオフとなる。また、第1の上アームUA1がオフの場合、第1の下アームLA1はオンとなる。要するに、u相に関する駆動信号は、相補的なPWM信号となっている。
なお、第1の上アームUA1のオン(オフ)期間と、第1の下アームLA1のオフ(オン)期間との間には、詳しくは後記するが、所定のデッドタイム期間が設けられている。
As shown in FIGS. 4 (b) and 4 (c), the drive signal for the u phase generated by the above procedure is such that when the first upper arm UA1 is on, the first lower arm LA1 is off. Become. When the first upper arm UA1 is off, the first lower arm LA1 is on. In short, the drive signal for the u phase is a complementary PWM signal.
Note that a predetermined dead time period is provided between the ON period of the first upper arm UA1 and the OFF period of the first lower arm LA1 as will be described in detail later. .
また、v相に関する駆動信号は、図4(d)および図4(e)に示すように、第2の上アームUA2がオンの場合、第2の下アームLA2はオフとなる。要するに、v相に関する駆動信号は、相補的なPWM信号となっている。
なお、第2の上アームUA2のオン(オフ)期間と、第2の下アームLA2のオフ(オン)期間との間には、詳しくは後記するが、所定のデッドタイム期間が設けられている。
Further, as shown in FIGS. 4D and 4E, when the second upper arm UA2 is turned on, the second lower arm LA2 is turned off in the drive signal related to the v phase. In short, the drive signal for the v phase is a complementary PWM signal.
Note that a predetermined dead time period is provided between the ON period of the second upper arm UA2 and the OFF period of the second lower arm LA2 as will be described in detail later. .
そして、w相に関する駆動信号は、図4(f)および図4(g)に示すように、第3の上アームUA3がオンの場合、第3の下アームLA3はオフとなる。要するに、w相に関する駆動信号は、相補的なPWM信号となっている。
なお、第3の上アームUA3のオン(オフ)期間と、第3の下アームLA3のオフ(オン)期間との間には、詳しくは後記するが、所定のデッドタイム期間が設けられている。
As shown in FIGS. 4 (f) and 4 (g), when the third upper arm UA3 is on, the third lower arm LA3 is turned off. In short, the drive signal for the w phase is a complementary PWM signal.
Note that a predetermined dead time period is provided between the ON period of the third upper arm UA3 and the OFF period of the third lower arm LA3, as will be described in detail later. .
第1〜第3の上アームUA1〜UA3と第1〜第3の下アームLA1〜LA3とのうち、相互に対となる上下アーム(第1の上アームUA1と第1の下アームLA1、第2の上アームUA2と第2の下アームLA2、第3の上アームUA3と第3の下アームLA3)間のオンの比率によって、三相ブリッジインバータ回路21の出力電圧特性が決定される。
Of the first to third upper arms UA1 to UA3 and the first to third lower arms LA1 to LA3, the upper and lower arms (first upper arm UA1 and first lower arm LA1, The output voltage characteristics of the three-phase
(第1実施形態に係る電動機の駆動装置11の動作)
次に、第1実施形態に係る電動機の駆動装置11の動作について、比較例に係る電動機の駆動装置の動作と対比しつつ、図5(a)および図5(b)を参照して説明する。図5(a)は、比較例に係る電動機の駆動装置の動作説明に供する図、図5(b)は、第1実施形態に係る電動機の駆動装置11の動作説明に供する図である。
第1実施形態および比較例において、各相(u相・v相・w相)は同様の動作をする。そこで、各相(u相・v相・w相)のうち、u相の動作説明を行うことより、その他の相(v相・w相)の動作説明に代えることとする。
(Operation of the electric
Next, the operation of the electric
In the first embodiment and the comparative example, each phase (u phase, v phase, w phase) performs the same operation. Therefore, out of each phase (u phase, v phase, w phase), the description of the operation of the u phase is replaced with the description of the operation of the other phases (v phase, w phase).
なお、第1実施形態に係る電動機の駆動装置11と、比較例に係る電動機の駆動装置との相違点は、第1実施形態に係る電動機の駆動装置11のPWM信号発生回路25では、PWM信号は、各相(u相・v相・w相)について、第1〜第3の上アームUA1〜UA3を駆動するためのオン期間および第1〜第3の下アームLA1〜LA3を駆動するためのオン期間が相互に重ならないようにデッドタイム期間DT(図5(b)参照)を挟んで設定されるのに対し、比較例に係る電動機の駆動装置のPWM信号発生回路では、PWM信号は、第1実施形態のようなデッドタイム期間DTを挟む配慮なしに設定される点である。
三相ブリッジインバータ回路の構成については、第1実施形態および比較例間において共通である。このため、比較例の動作説明において、第1実施形態に係る電動機の駆動装置11の三相ブリッジインバータ回路21の各構成要素に付した符号を援用することとする。
The difference between the
The configuration of the three-phase bridge inverter circuit is common between the first embodiment and the comparative example. For this reason, in operation | movement description of a comparative example, suppose that the code | symbol attached | subjected to each component of the three-phase
まず、比較例に係る電動機の駆動装置の三相ブリッジインバータ回路の動作について説明する。 First, the operation of the three-phase bridge inverter circuit of the motor drive device according to the comparative example will be described.
比較例に係る電動機の駆動装置では、図5(a)に示すように、第1の上アームUA1のオン期間および第1の下アームLA1のオフ期間、並びに、第1の上アームUA1のオフ期間および第1の下アームLA1のオン期間が、デッドタイム期間DTを挟む配慮なしに設定されている。 In the motor drive device according to the comparative example, as shown in FIG. 5A, the first upper arm UA1 is turned on, the first lower arm LA1 is turned off, and the first upper arm UA1 is turned off. The period and the ON period of the first lower arm LA1 are set without considering the dead time period DT.
比較例のケースにおいて、第1の上アームUA1がオンし、第1の下アームLA1がオフする状態を想定した場合、電流は、平滑コンデンサC1→第1の上アームUA1→第3の接続点Nd3→電動機23→第2および第3の下アームLA2,LA3の経路を流れる。
In the case of the comparative example, when it is assumed that the first upper arm UA1 is turned on and the first lower arm LA1 is turned off, the current is the smoothing capacitor C1 → first upper arm UA1 → third connection point. Nd3 → the
この状態において、第1の上アームUA1がオフし、第1の下アームLA1がオンすると(図5(a)の時間t1,t3参照)、電流は、第1の上アームUA1を流通することができなくなる。この状態の電流は、電動機23に内蔵された不図示のインダクタンスを流れているため、継続して流れようとする性質がある。このため、第1の上アームUA1がオフすると、平滑コンデンサC1からの電流は、第1の下アームLA1へと転じる。第1の下アームLA1は、第2のスイッチング素子Sunの内部回路部分と寄生ダイオードDunの部分とを有する。このため、平滑コンデンサC1からの電流は、これらの部分間の流れ易さの程度に応じて分配されて流れる。
In this state, when the first upper arm UA1 is turned off and the first lower arm LA1 is turned on (see times t1 and t3 in FIG. 5A), current flows through the first upper arm UA1. Can not be. Since the current in this state flows through an inductance (not shown) built in the
次に、第1の上アームUA1がオンし、第1の下アームLA1がオフする状態に再び切り替わると(図5(a)の時間t2参照)、平滑コンデンサC1から第1の下アームLA1へと流れていた電流は、今度は第1の上アームUA1へと転じる。このとき、電流の変化は瞬時に行われるのではなく、有限の遷移時間を要する。このため、第1の上アームUA1と第1の下アームLA1とは、極短い時間ではあるが、同時にオン状態になる。その結果、第1の上アームUA1と第1の下アームLA1とを貫通する短絡電流が流れる。 Next, when the first upper arm UA1 is turned on and the first lower arm LA1 is turned off again (see time t2 in FIG. 5A), the smoothing capacitor C1 is switched to the first lower arm LA1. This time, the current that has flowed turns to the first upper arm UA1. At this time, the current change is not instantaneous, but requires a finite transition time. For this reason, the first upper arm UA1 and the first lower arm LA1 are turned on at the same time for a very short time. As a result, a short-circuit current that passes through the first upper arm UA1 and the first lower arm LA1 flows.
一方、第1の下アームLA1における寄生ダイオードDunの部分では、印加される電圧の向きが順方向から逆方向へと変わる。寄生ダイオードDunにおいて、順方向電流が流れている状態で逆電圧が印加されると、導通状態から遮断状態へと遷移する間、極短い時間ではあるが逆方向に電流が流れる。これを逆回復電流という。 On the other hand, in the portion of the parasitic diode Dun in the first lower arm LA1, the direction of the applied voltage changes from the forward direction to the reverse direction. In the parasitic diode Dun, when a reverse voltage is applied in a state where a forward current is flowing, a current flows in the reverse direction for a very short time during the transition from the conduction state to the cutoff state. This is called reverse recovery current.
寄生ダイオードDunを流れる逆回復電流は、ダイオードの有する性質上やむを得ないものであるが、第1の上アームUA1と第1の下アームLA1とを貫通する短絡電流は、損失を生じるだけのものに過ぎない。そればかりか、この短絡電流の流通によって、第1の上アームUA1または第1の下アームLA1を損傷させるおそれもある。 The reverse recovery current that flows through the parasitic diode Dun is unavoidable due to the nature of the diode, but the short-circuit current that passes through the first upper arm UA1 and the first lower arm LA1 only causes loss. Not too much. In addition, the flow of the short-circuit current may damage the first upper arm UA1 or the first lower arm LA1.
なお、前記した比較例に係る動作説明では、第1の上アームUA1がオンし、第1の下アームLA1がオフする状態に再び切り替わるケースを例示してしたが、これとは逆に、第1の上アームUA1がオフし、第1の下アームLA1がオンする状態に再び切り替わるケースであっても、前記と同様に、第1の上アームUA1と第1の下アームLA1とを貫通する短絡電流が流れるおそれがある。 In the above description of the operation according to the comparative example, the case where the first upper arm UA1 is turned on and the first lower arm LA1 is turned off again is illustrated. Even in the case where the first upper arm UA1 is turned off and the first lower arm LA1 is switched back on, the first upper arm UA1 and the first lower arm LA1 are penetrated in the same manner as described above. Short circuit current may flow.
この比較例に対し、第1実施形態に係る電動機の駆動装置11では、図5(b)に示すように、第1の上アームUA1のオン期間および第1の下アームLA1のオフ期間、並びに、第1の上アームUA1のオフ期間および第1の下アームLA1のオン期間が、相互に重ならないようにデッドタイム期間DTを挟んで設定されている。
In contrast to this comparative example, in the
要するに、第1実施形態に係る電動機の駆動装置11において三相ブリッジインバータ回路21を駆動するPWM信号は、前記した通り、ノンオーバーラップの関係にあるPWM信号である。このようなノンオーバーラップの関係にあるPWM信号を用いて三相ブリッジインバータ回路21を駆動することにより、比較例のような第1の上アームUA1と第1の下アームLA1とを貫通する短絡電流が流れる事態を未然に防止することができる。
In short, the PWM signal that drives the three-phase
すなわち、第1実施形態に係る電動機の駆動装置11において、第1の上アームUA1がオンし、第1の下アームLA1がオフする状態を想定した場合、電流は、平滑コンデンサC1→第1の上アームUA1→第3の接続点Nd3→電動機23→第2および第3の下アームLA2,LA3の経路を流れる。この動作は、比較例と同じである。
That is, in the electric
この状態において、第1の上アームUA1をオフする(図5(b)の時間t11,t15参照)。第1実施形態では、ノンオーバーラップの関係にあるPWM信号を用いて三相ブリッジインバータ回路21を駆動しているため、第1の下アームLA1では所定のデッドタイム期間DTだけオフ状態が続く。この動作は、比較例と異なる。
In this state, the first upper arm UA1 is turned off (see times t11 and t15 in FIG. 5B). In the first embodiment, since the three-phase
第1の上アームUA1を流通することができなくなった電流は、電動機23に内蔵されたインダクタンスを流れているため、継続して流れようとする性質がある。このため、第1の上アームUA1がオフすると、平滑コンデンサC1からの電流は、第1の下アームLA1へと転じる。デッドタイム期間DTでは、平滑コンデンサC1からの電流は、第1の下アームLA1における寄生ダイオードDunの部分を流れる。
The current that can no longer flow through the first upper arm UA1 flows through the inductance built in the
デッドタイム期間DTが過ぎると(図5(b)の時間t12参照)、第1の下アームLA1がオンする。これにより、平滑コンデンサC1からの電流は、第2のスイッチング素子Sunの内部回路部分と寄生ダイオードDunの部分との間の流れ易さの程度に応じて分配されて流れる。一般に、第2のスイッチング素子Sunの内部回路部分の抵抗値は、寄生ダイオードDunの順方向抵抗値と比べて格段に小さい。 When the dead time period DT has passed (see time t12 in FIG. 5B), the first lower arm LA1 is turned on. As a result, the current from the smoothing capacitor C1 is distributed and flows in accordance with the degree of ease of flow between the internal circuit portion of the second switching element Sun and the portion of the parasitic diode Dun. In general, the resistance value of the internal circuit portion of the second switching element Sun is much smaller than the forward resistance value of the parasitic diode Dun.
したがって、平滑コンデンサC1からの電流は、そのほとんどが第2のスイッチング素子Sunの内部回路部分へと流れる。これにより、平滑コンデンサC1からの電流のすべてが寄生ダイオードDunの部分を流れる場合と比べて、電圧降下による損失を低減することができる。この損失低減効果を、同期整流効果と呼ぶ。この動作は、比較例と同じである。 Therefore, most of the current from the smoothing capacitor C1 flows to the internal circuit portion of the second switching element Sun. Thereby, the loss due to the voltage drop can be reduced as compared with the case where all of the current from the smoothing capacitor C1 flows through the parasitic diode Dun. This loss reduction effect is called a synchronous rectification effect. This operation is the same as in the comparative example.
次に、第1の上アームUA1がオンし、第1の下アームLA1がオフする状態に再び切り替わる動作について説明する。第1実施形態では、ノンオーバーラップの関係にあるPWM信号を用いて三相ブリッジインバータ回路21を駆動しているため、第1の上アームUA1がオンするタイミング(図5(b)の時間t14参照)に先立って、第1の下アームLA1がデッドタイム期間DTだけ先にオフしている(図5(b)の時間t13参照)。
Next, an operation of switching to the state where the first upper arm UA1 is turned on and the first lower arm LA1 is turned off will be described. In the first embodiment, since the three-phase
第1の下アームLA1がオフしているので、平滑コンデンサC1からの電流は、第2のスイッチング素子Sunの内部回路部分から寄生ダイオードDunの部分へと転流する。この状態において、第1の上アームUA1がオンする(図5(b)の時間t14参照)。このため、第1の下アームLA1のうち寄生ダイオードDunの部分に逆回復電流が流れ、寄生ダイオードDunは、導通状態から遮断状態へと遷移する。 Since the first lower arm LA1 is off, the current from the smoothing capacitor C1 is commutated from the internal circuit portion of the second switching element Sun to the parasitic diode Dun portion. In this state, the first upper arm UA1 is turned on (see time t14 in FIG. 5B). For this reason, a reverse recovery current flows through the parasitic diode Dun in the first lower arm LA1, and the parasitic diode Dun transitions from the conductive state to the cut-off state.
したがって、第1実施形態に係る電動機の駆動装置11によれば、比較例のような第1の上アームUA1と第1の下アームLA1とを貫通する短絡電流が流れる事態を未然に防止することができる。また、短絡電流の流通による損失を生じることもない。
Therefore, according to the electric
また、第1実施形態に係る電動機の駆動装置11において、電動機23は、空気調和機の冷凍サイクルに設けられる圧縮機を駆動するものとされる。
従って、短絡電流の流通による損失が抑制された、省エネルギー効果の優れた空気調和機を提供することができる。
In the electric
Therefore, it is possible to provide an air conditioner with excellent energy saving effect in which loss due to short-circuit current distribution is suppressed.
[第2実施形態]
(第2実施形態に係る電動機の駆動装置31の全体構成)
次に、第2実施形態に係る電動機の駆動装置31の全体構成について、図6を参照して説明する。図6は、本発明の第2実施形態に係る電動機の駆動装置31の全体構成図である。
なお、第1実施形態に係る電動機の駆動装置11と、第2実施形態に係る電動機の駆動装置31とは、ほとんどの構成要素が共通している。このため、その機能が共通する部材間には原則として共通の符号を付し、その重複した説明を省略して、両者の相違点に注目して説明を進める。
[Second Embodiment]
(Whole structure of the
Next, the overall configuration of the electric
The electric
第1実施形態と第2実施形態との相違点は大きく2つある。
一つめの相違点は、“整流回路”の内部構成である。すなわち、第1実施形態に係る“全波整流回路17”では、図1に示すように、相互にブリッジ接続された第1〜第4の整流ダイオードD1〜D4を有し、これら第1〜第4の整流ダイオードD1〜D4を用いて交流電源13の交流電圧波形を全波整流する構成を採用している。
There are two major differences between the first embodiment and the second embodiment.
The first difference is the internal configuration of the “rectifier circuit”. That is, the “full
これに対し、第2実施形態に係る“同期整流回路33”では、図6に示すように、相互にブリッジ接続された第11〜第14のスイッチング素子Sp1,Sn1,Sp2,Sn2を有し、これら第11〜第14のスイッチング素子Sp1,Sn1,Sp2,Sn2を用いて交流電源13の交流電圧波形を全波整流する構成を採用している。
なお、第11〜第14のスイッチング素子Sp1,Sn1,Sp2,Sn2のそれぞれには、第11〜第14の寄生ダイオードDp1,Dn1,Dp2,Dn2が逆並列接続されている。
On the other hand, the “
The 11th to 14th parasitic diodes Dp1, Dn1, Dp2, Dn2 are connected in reverse parallel to the 11th to 14th switching elements Sp1, Sn1, Sp2, Sn2.
二つめの相違点は、“同期整流回路33”を採用したことに伴って、図6に示すように、“同期整流信号発生回路35”を追加した点である。
The second difference is that a “synchronous rectification
同期整流信号発生回路35は、相互にブリッジ接続された第1〜第4の整流ダイオードD1〜D4の動作と同様の動作を実現するように、第11〜第14のスイッチング素子Sp1,Sn1,Sp2,Sn2のそれぞれに駆動信号を供給する機能を有する。
The synchronous rectification
ここで、相互にブリッジ接続された第1〜第4の整流ダイオードD1〜D4の動作と同様の動作を実現するためには、交流電源13の電圧極性に応じて、第11〜第14のスイッチング素子Sp1,Sn1,Sp2,Sn2のうち、たすきがけ状にオンすべきスイッチング素子の組が2通りある。すなわち、第11のスイッチング素子Sp1および第14のスイッチング素子Sn2の組と、第12のスイッチング素子Sn1および第13のスイッチング素子Sp2の組とがそれである。
Here, in order to realize the same operation as the operation of the first to fourth rectifier diodes D1 to D4 bridge-connected to each other, the 11th to 14th switching are performed according to the voltage polarity of the
同期整流信号発生回路35は、前記した組のスイッチング素子を、交流電源13の電圧極性に応じて交互にオンさせる同期整流動作を行うことにより、相互にブリッジ接続された第1〜第4の整流ダイオードD1〜D4の動作と同様の全波整流動作を、導通損失による損失低減を図りながら実現することができる。その結果、交流電源13の交流電力は、直流電力に整流される。
The synchronous rectification
第2実施形態に係る電動機の駆動装置31によれば、電源電流波形の正弦波近似、力率改善、および、平滑コンデンサC1の両端に発生する駆動電圧Edの昇圧動作を行うことができる。
According to the
なお、同期整流信号発生回路35において、前記した全波整流動作を行わない場合は、第11〜第14の寄生ダイオードDp1,Dn1,Dp2,Dn2の存在により、通常のブリッジ整流回路が構成される。
In the synchronous rectification
また、同期整流信号発生回路35の構成として、交流電源13を、リアクタ15を介して短絡させるように、例えば、第12のスイッチング素子Sn1をオンしリアクタ15に短絡電流を流してエネルギーを蓄積させ、次いで第12のスイッチング素子Sn1をオフさせることにより、第11のスイッチング素子Sp1を通して平滑コンデンサC1にエネルギーを開放させる動作を行わせる構成を採用してもよい。
Further, as a configuration of the synchronous rectification
このとき、同期整流信号発生回路35は、第11のスイッチング素子Sp1に駆動信号を与えてオンさせると、リアクタ15からの電流は、第11のスイッチング素子Sp1における寄生ダイオードDp1の部分ではなく、主としてその内部回路部分を流れる。これにより、同期整流(損失低減)効果が得られる。
At this time, when the synchronous rectification
また、第11〜第14のスイッチング素子Sp1,Sn1,Sp2,Sn2の駆動信号として、第1実施形態に係るノンオーバーラップの関係にあるPWM信号を採用することにより、第1実施形態と同様に、相互に直列接続されたスイッチング素子(第11〜第14のスイッチング素子Sp1,Sn1,Sp2,Sn2)間を貫通する短絡電流を防止すると共に、短絡電流の流通に起因する損失を除くことができる。 Further, by adopting the non-overlapping PWM signals according to the first embodiment as drive signals of the first to fourteenth switching elements Sp1, Sn1, Sp2, and Sn2, the same as in the first embodiment. In addition, it is possible to prevent a short circuit current passing through the switching elements (first to fourteenth switching elements Sp1, Sn1, Sp2, and Sn2) connected in series with each other, and to eliminate a loss caused by the flow of the short circuit current. .
[その他の実施形態]
以上説明した複数の実施形態は、本発明の具現化例を示したものである。従って、これらによって本発明の技術的範囲が限定的に解釈されることがあってはならない。本発明はその要旨またはその主要な特徴から逸脱することなく、様々な形態で実施することができるからである。
[Other Embodiments]
The plurality of embodiments described above show examples of implementation of the present invention. Therefore, the technical scope of the present invention should not be limitedly interpreted by these. This is because the present invention can be implemented in various forms without departing from the gist or main features thereof.
例えば、第1および第2実施形態において、交流電源として単相のものを例示して説明したが、本発明はこの例に限定されない。本発明は、交流電源として三相のものを用いてもよい。この場合において、全波整流回路17のダイオードの数および配列構成、並びに、同期整流回路33のスイッチング素子の数および配列構成を、交流電源の三相化に併せて適宜改変すればよい。
For example, in the first and second embodiments, a single-phase AC power supply has been described as an example, but the present invention is not limited to this example. In the present invention, a three-phase AC power source may be used. In this case, the number and arrangement configuration of the diodes of the full-
11 第1実施形態に係る電動機の駆動装置
13 交流電源
15 リアクタ
17 全波整流回路(整流回路)
19 平滑回路
21 三相ブリッジインバータ回路(三相インバータ回路)
23 電動機
25 PWM信号発生回路
27 比較値生成部
31 第2実施形態に係る電動機の駆動装置
33 同期整流回路
35 同期整流信号発生回路
C1 平滑コンデンサ
D1〜D4 第1〜第4の整流ダイオード
Dup 第1の寄生ダイオード
Dun 第2の寄生ダイオード
Dvp 第3の寄生ダイオード
Dvn 第4の寄生ダイオード
Dwp 第5の寄生ダイオード
Dwn 第6の寄生ダイオード
DT デッドタイム期間
Ed 駆動電圧
Sup(UA1) 第1のスイッチング素子(第1の上アーム)
Sun(LA1) 第2のスイッチング素子(第1の下アーム)
Svp(UA2) 第3のスイッチング素子(第2の上アーム)
Svn(LA2) 第4のスイッチング素子(第2の下アーム)
Swp(UA3) 第5のスイッチング素子(第3の上アーム)
Swn(LA3) 第6のスイッチング素子(第3の下アーム)
Sp1,Sn1,Sp2,Sn2 第11〜第14のスイッチング素子
Dp1,Dn1,Dp2,Dn2 第11〜第14の寄生ダイオード
DESCRIPTION OF
19
DESCRIPTION OF
Sun (LA1) Second switching element (first lower arm)
Svp (UA2) Third switching element (second upper arm)
Svn (LA2) Fourth switching element (second lower arm)
Swp (UA3) Fifth switching element (third upper arm)
Swn (LA3) Sixth switching element (third lower arm)
Sp1, Sn1, Sp2, Sn2 11th to 14th switching elements Dp1, Dn1, Dp2, Dn2 11th to 14th parasitic diodes
Claims (4)
前記整流回路の直流電力を三相交流電力に変換して電動機を駆動する三相インバータ回路と、
前記三相インバータ回路の通電相を切り替えると共に前記電動機の駆動を制御するためのPWM信号を前記三相インバータ回路に供給する制御回路と、を備え、
前記三相インバータ回路は、寄生ダイオードを有し、SiCまたはGaNを用いたMOSFET素子よりなる上アームおよび下アームを、三相の各相についてそれぞれ備え、
前記PWM信号は、前記各相について、前記上アームを駆動するためのオン期間および前記下アームを駆動するためのオン期間が相互に重ならないようにデッドタイム期間を挟んで設定される、
ことを特徴とする電動機の駆動装置。 A rectifier circuit connected to an AC power source and outputting DC power;
A three-phase inverter circuit for driving the motor by converting the DC power of the rectifier circuit into three-phase AC power;
A control circuit for switching the energized phase of the three-phase inverter circuit and supplying a PWM signal for controlling the driving of the electric motor to the three-phase inverter circuit,
The three-phase inverter circuit includes a parasitic diode, and includes an upper arm and a lower arm made of a MOSFET element using SiC or GaN for each of the three phases.
The PWM signal is set for each phase with a dead time period interposed so that an on period for driving the upper arm and an on period for driving the lower arm do not overlap each other.
An electric motor drive device.
前記整流回路は、寄生ダイオードを有し、SiCまたはGaNを用いたMOSFET素子よりなる、
ことを特徴とする電動機の駆動装置。 The electric motor drive device according to claim 1,
The rectifier circuit has a parasitic diode and is composed of a MOSFET element using SiC or GaN.
An electric motor drive device.
前記電動機は、空気調和機に搭載されるものである、
ことを特徴とする電動機の駆動装置。 The electric motor drive device according to claim 1 or 2,
The electric motor is mounted on an air conditioner,
An electric motor drive device.
ことを特徴とする冷凍サイクル装置。 A compressor driven by an electric motor driven by the drive device according to claims 1 to 3,
A refrigeration cycle apparatus characterized by that.
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Legal Events
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A300 | Withdrawal of application because of no request for examination |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A300 Effective date: 20141202 |