JP2014197944A - Gate driver - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、パワーコンディショナのインバータブリッジ回路等におけるスイッチング素子とPWM(パルス幅変調)制御部との間に介装されて、PWM制御部からのPWM制御信号を中継的にスイッチング素子のゲートに伝達するゲートドライバに関する。 The present invention is interposed between a switching element and a PWM (pulse width modulation) control unit in an inverter bridge circuit or the like of a power conditioner, and relays a PWM control signal from the PWM control unit to the gate of the switching element. It relates to a gate driver for transmission.
図8は従来技術のパワーコンディショナにおけるインバータの概略構成を示す回路図である。この種のインバータ100は、発電された直流電圧を昇圧するコンバータ部10と、コンバータ部10で昇圧された直流電圧を商用電力系統と同期のとれた交流電圧に変換するインバータ部20を備えている。
FIG. 8 is a circuit diagram showing a schematic configuration of an inverter in a conventional power conditioner. This type of
図8において、10は直流電圧(DC)を入力して昇圧し、より大きい直流出力に変換するコンバータ部、20はコンバータ部10で生成された直流を交流(AC)に変換するインバータ部、30はインバータ部20からの交流出力に含まれる不要な高調波成分をカットして波形整形を行うローパスフィルタ、40はコンバータ部10およびインバータ部20を制御するマイコン(マイクロコンピュータ)などで代表されるPWM制御部、50はPWM制御部40からコンバータ部10やインバータ部20のスイッチング素子QへPWM制御信号S1,S2を電気絶縁的に伝達するためのフォトカプラや電磁リレーなどの電気絶縁型の信号伝達素子、Aは複数の信号伝達素子50を備えたゲートドライバである。
In FIG. 8, 10 is a converter unit that receives and boosts a direct-current voltage (DC) and converts it to a larger direct-current output, 20 is an inverter unit that converts direct-current generated by the
コンバータ部10の構成要素として、L1はコンバータ部10のチョークコイル、Q11,Q12はハーフブリッジ型に接続されたIGBT(絶縁ゲートバイポーラトランジスタ)などのパワー半導体による電圧駆動型のスイッチング素子、D11,D12はスイッチング素子Q11,Q12にそれぞれ逆並列に接続された還流ダイオードである。
As constituent elements of the
インバータ部20の構成要素として、Q21,Q22,Q23,Q24はフルブリッジ型に接続されたIGBTなどの電圧駆動型のスイッチング素子、D21,D22,D23,D24はスイッチング素子Q21,Q22,Q23,Q24にそれぞれ逆並列に接続された還流ダイオードである。
As constituent elements of the
インバータ部20の出力段側のローパスフィルタ30は、一対のリアクトルL2,L3と相間コンデンサC1で構成されている。
The low-
PWM制御部40におけるPWM制御信号S1の出力ポートと各スイッチング素子Qのゲートとの間に電気絶縁型の信号伝達素子50を介在させているのは、インバータ100の2次側から1次側への信号伝達において、電力回帰による乱れを回避するためである。
It is from the secondary side of the
コンバータ部10においては、2つのスイッチング素子Q11,Q12をゲートドライバAからのPWM制御信号S2によって交互にオン/オフ制御することにより、チョークコイルL1に蓄積された電磁エネルギーを調整して昇圧を行う。
In the
上アームのスイッチング素子Q11のオフ状態で下アームのスイッチング素子Q12をオンすると、図外の直流電源(蓄電池)からの電流がチョークコイルL1→スイッチング素子Q12の経路で流れ、チョークコイルL1に電磁エネルギーが蓄積される。次に、下アームのスイッチング素子Q12がオフに反転されると、チョークコイルL1に蓄積されていたエネルギーが解放され、電流がスイッチング素子Q11に逆並列の還流ダイオードD11を通ってインバータ部20に流れ込む。以上の動作を交互に繰り返すことにより、直流電源の電圧が昇圧されてインバータ部20に供給される。
When the lower arm switching element Q12 is turned on while the upper arm switching element Q11 is turned off, a current from a DC power supply (storage battery) (not shown) flows along the path of the choke coil L1 → switching element Q12, and electromagnetic energy is applied to the choke coil L1. Is accumulated. Next, when the switching element Q12 of the lower arm is turned off, the energy stored in the choke coil L1 is released, and the current flows into the
インバータ部20においては、上アーム・下アームそれぞれ1つずつの対角位置にある第1のペアのスイッチング素子Q21,Q24と、同様の第2のペアのスイッチング素子Q23,Q22とをPWM制御信号S2により交互にオン/オフ制御する。第1のペアのスイッチング素子Q21,Q24は互いに同時的にオン/オフ制御され、また、第2のペアのスイッチング素子Q23,Q22も互いに同時的にオン/オフ制御される。第1のペアのスイッチング素子Q21,Q24のオフ動作(オン動作)と第2のペアのスイッチング素子Q23,Q22のオン動作(オフ動作)とは互いにタイミングを合わせて行われる。
In the
(1)第1のペアのスイッチング素子Q21,Q24がともにオン動作すると(このとき第2のペアのスイッチング素子Q23,Q22はオフ状態にある)、コンバータ部10からの電流がスイッチング素子Q21→ローパスフィルタ30のリアクトルL2→AC端に接続された負荷(図示せず)→リアクトルL3→スイッチング素子Q24の経路で流れる。これで、正の半波の交流電流が得られる。
(1) When both of the first pair of switching elements Q21 and Q24 are turned on (at this time, the second pair of switching elements Q23 and Q22 are in the off state), the current from the
(2)次に、第2のペアのスイッチング素子Q23,Q22ともにオン動作すると(このとき第1のペアのスイッチング素子Q21,Q24はオフ状態にある)、コンバータ部10からの電流がスイッチング素子Q23→リアクトルL3→AC端に接続された負荷(図示せず)→リアクトルL2→スイッチング素子Q22の経路で流れる。これで、負の半波の交流電流が得られる。
(2) Next, when both of the second pair of switching elements Q23 and Q22 are turned on (at this time, the first pair of switching elements Q21 and Q24 are in an off state), the current from the
以上の(1),(2)の動作を交互に繰り返すことにより、全波の交流電流がローパスフィルタ30の次段へと出力される。
By alternately repeating the operations (1) and (2) above, a full-wave alternating current is output to the next stage of the low-
PWM制御部40から出力されたPWM制御信号S1は電気絶縁型の信号伝達素子50であるフォトカプラの2次側における発光素子(発光ダイオード)を駆動し、発光素子からの光信号が1次側の受光素子(フォトトランジスタ)に入射され、受光素子にPWM制御信号S2を電気的絶縁状態で伝える。受光素子から出力されるPWM制御信号S2は各スイッチング素子Qのゲートに印加され、スイッチング素子Qをオン/オフ制御する。
The PWM control signal S1 output from the
なお、パワーコンディショナは、商用電力系統からインバータ部20→コンバータ部10の経路で直流電源(蓄電池)に電力供給を行う潮流動作と、直流電源(蓄電池)からコンバータ部10→インバータ部20の経路で商用電力系統に電力供給を行う逆潮流動作との、2つの主要なモードをもっている。ここでは、発明の主旨から外れるため、これ以上の詳しい説明は省略する。
The power conditioner includes a power flow operation for supplying power to the DC power source (storage battery) from the commercial power system through the
図9は従来技術のパワーコンディショナにおけるゲートドライバの動作を説明する波形図である。図9の(b)は、スイッチング素子Qに対してPWM制御部40から出力されているPWM制御信号S1の概略の波形を示す。図9の(a)は(b)にタイミングが対応した波形図で、(b)のPWM制御信号S1に基づき電気絶縁型の信号伝達素子50から出力されるPWM制御信号S2がスイッチング素子Qのゲートに印加されているときのインバータ部20からの正弦波出力波形を示す。図9の(c)は(a)の4分の1周期相当の期間T1でのPWM制御信号S1のパルスP1の詳しい波形を示す。これはPWM制御部40から電気絶縁型の信号伝達素子50に向けて出力されるPWM制御信号S1である。
FIG. 9 is a waveform diagram for explaining the operation of the gate driver in the conventional power conditioner. FIG. 9B shows a schematic waveform of the PWM control signal S1 output from the
スイッチング素子Qのオン/オフ制御のためにPWM制御部40から出力されるPWM制御信号S1はパルス状の矩形波であり、等価正弦波(近似正弦波不等幅)PWM方式の場合には、パルス幅(“H”レベル区間の時間幅)が時系列的に変化するパルス波形となっている。それは、正弦波の半周期相当期間において、中央側が広幅、両端側が狭幅で、中央から両端にかけて順次にパルス幅が縮小していく波形である。この方式の場合には、インバータ部での直流−交流変換によって生成される交流波形が等価的に高精度な正弦波となる利点がある。また、一定のパルス幅の繰り返しパターンとなる矩形波PWM方式に比べて、騒音・振動、効率、トルク脈動において性能が優れている。
The PWM control signal S1 output from the
上記の従来技術の等価正弦波PWM方式のゲートドライバにあっては、スイッチング素子における電力損失の問題がある。以下、この問題について説明する。 The above-described equivalent sine wave PWM type gate driver has a problem of power loss in the switching element. Hereinafter, this problem will be described.
図9の(d)は(c)にタイミングが対応した波形図であり、電気絶縁型の信号伝達素子50からスイッチング素子Qに出力されるPWM制御信号S2のパルスP2の波形である。
FIG. 9D is a waveform diagram corresponding to the timing of FIG. 9C, and is a waveform of the pulse P2 of the PWM control signal S2 output from the electrically insulating
図示のように、インバータ部20から出力される交流電圧の正弦波のゼロクロス点の付近でPWM制御信号S1のパルス幅が相当に小さくなる。電気絶縁型の信号伝達素子50においては、その発光素子にパルス幅の小さいPWM制御信号S1が入力された場合、発光素子から受光素子への光信号の減衰のために、受光素子から出力されるパルスP2には波高値(電圧振幅)の低下が生じる。図9の(d)はその様子を示す。
As shown in the figure, the pulse width of the PWM control signal S1 becomes considerably small in the vicinity of the zero cross point of the sine wave of the AC voltage output from the
図9の(c),(d)に示すように、正弦波のゼロクロス点付近ではPWM制御信号S1の個々のパルスP1のパルス幅(時間幅)がかなり小さい。そのため、これを受けて電気絶縁型の信号伝達素子50が出力するPWM制御信号S2の個々のパルスP2については、そのパルス電圧がゼロに、つまり無出力となってしまう可能性がある。あるいは、パルス電圧が電圧駆動型のスイッチング素子Qの導通閾値レベルVthを下回ってしまう可能性がある。
As shown in FIGS. 9C and 9D, the pulse width (time width) of each pulse P1 of the PWM control signal S1 is considerably small near the zero cross point of the sine wave. Therefore, the pulse voltage of each pulse P2 of the PWM control signal S2 output from the electrically insulated
一例として、1つ目の入力パルスP11に対して出力パルスP21はそのパルス電圧が大幅に減少してゼロとなり、2つ目の入力パルスP12に対して出力パルスP22はそのパルス電圧が減少して導通閾値レベルVth未満となり、3つ目の出力パルスP23はそのパルス電圧が導通閾値レベルVthより大きいが元の入力パルスP13に対してかなり減少している。 As an example, for the first input pulse P11, the output pulse P21 has its pulse voltage significantly reduced to zero, and for the second input pulse P12, the output pulse P22 has its pulse voltage decreased. It becomes less than the conduction threshold level Vth, and the third output pulse P23 has a pulse voltage that is greater than the conduction threshold level Vth, but is considerably reduced with respect to the original input pulse P13.
パルス電圧が導通閾値レベルVth未満のパルスは、これをスイッチング素子Qのゲートに印加しても、そのスイッチング素子Qは反転動作することがない。また、パルス電圧が導通閾値レベルVthを超えてはいるものの本来の規定のパルス電圧よりかなり低いレベルのパルスについては、これをスイッチング素子Qのゲートに印加しても、そのスイッチング素子Qの反転動作は不安定なものであるか、あるいは反転動作しない。 Even if a pulse having a pulse voltage lower than the conduction threshold level Vth is applied to the gate of the switching element Q, the switching element Q does not perform an inversion operation. Further, although the pulse voltage exceeds the conduction threshold level Vth, even if it is applied to the gate of the switching element Q, the inversion operation of the switching element Q is performed even if it is applied to the gate of the switching element Q. Is unstable or does not reverse.
すなわち、スイッチング素子Qのゲートに対して無効なパルスあるいは非有効なパルスとなっており、このようなパルスを繰り返し印加することはスイッチング素子における電力損失の増加を招く。また、スイッチング素子の発熱昂進の問題も引き起こす。 That is, an invalid pulse or an invalid pulse is applied to the gate of the switching element Q, and repeatedly applying such a pulse causes an increase in power loss in the switching element. In addition, a problem of heat generation of the switching element is caused.
パワーコンディショナ等の電力変換装置であるインバータではその変換効率の向上が重要な課題とされる。このような状況下では、変換効率が少しでも低下することは省エネルギー対応において大きな問題となる。 In an inverter that is a power conversion device such as a power conditioner, it is important to improve the conversion efficiency. Under such circumstances, a slight decrease in conversion efficiency is a major problem in energy saving.
そしてさらに、パルス幅がパルス幅規定値以上あったとしても、電気絶縁型の信号伝達素子を通過する際にパルス電圧がスイッチング素子の導通閾値レベル未満になってしまうことがある。従来技術ではいずれもこのような観点からの対応はほとんどできないでいるのが実情である。 Further, even when the pulse width is equal to or greater than the pulse width specified value, the pulse voltage may be lower than the conduction threshold level of the switching element when passing through the electrically insulating signal transmission element. In fact, none of the conventional technologies can cope with this point of view.
本発明は、このような事情に鑑みて創作したものであり、PWM制御信号のパルス幅が小さい期間に生じる電圧駆動型のスイッチング素子の電力損失について、この電力損失を軽減し、インバータ等の負荷装置の電力効率の低下を抑制できるようにすることを目的としている。 The present invention was created in view of such circumstances, and the power loss of the voltage-driven switching element that occurs during the period when the pulse width of the PWM control signal is small is reduced, and the load of an inverter or the like is reduced. The object is to make it possible to suppress a reduction in the power efficiency of the apparatus.
なお、信号伝達素子については、必ずしも絶縁型の信号伝達素子とする必要はない。それは、次の理由による。すなわち、スイッチング素子を反転動作させるためのパルスをスイッチング素子のゲートに送出するにおいて、無効あるいは非有効なパルスの印加に起因する電力損失の軽減するための対策としては、必ずしも信号伝達素子が電気絶縁型であることを前提とする必要がないからである。 Note that the signal transmission element is not necessarily an insulating signal transmission element. The reason is as follows. In other words, when transmitting a pulse for inverting the switching element to the gate of the switching element, the signal transmission element is not necessarily electrically insulated as a measure for reducing the power loss caused by the application of the invalid or invalid pulse. This is because it is not necessary to assume that it is a type.
本発明は、信号伝達素子からスイッチング素子に向けて出力されるPWM制御信号の個々のパルスにつき、そのパルス波形がスイッチング素子の反転動作に支障を来すような不正常なものであると想定される場合には、その不正常なパルスの出力を制御することを通じて電圧駆動型のスイッチング素子の電力損失の課題を解決しようとするものである。 In the present invention, it is assumed that each pulse of the PWM control signal output from the signal transmission element toward the switching element is abnormal such that the pulse waveform interferes with the inversion operation of the switching element. In this case, the problem of power loss of the voltage-driven switching element is to be solved by controlling the output of the abnormal pulse.
本発明によるゲートドライバは、PWM制御部とスイッチング素子との間に介装されるものであって、PWM制御部からのPWM制御信号を中継してスイッチング素子のゲートに伝達するものである。PWM制御部からのPWM制御信号の入力端子とスイッチング素子のゲートへの出力端子との間には信号伝達素子が挿入されている。 The gate driver according to the present invention is interposed between the PWM control unit and the switching element, and relays the PWM control signal from the PWM control unit and transmits it to the gate of the switching element. A signal transmission element is inserted between the input terminal for the PWM control signal from the PWM controller and the output terminal to the gate of the switching element.
このようなゲートドライバにおいて、本発明では、前記の信号伝達素子に対して直列にパルス通過制御部を挿入している。そのパルス通過制御部は、前記のPWM制御信号のパルス幅とパルス電圧とを検出し、その検出パルス幅がパルス幅規定値以上でかつ検出パルス電圧がパルス電圧規定値以上の場合に限り前記のPWM制御信号のパルスの通過を許容し、それ以外の場合にはパルスの通過を遮断するものとして構成されている。 In such a gate driver, in the present invention, a pulse passage control unit is inserted in series with the signal transmission element. The pulse passage control unit detects the pulse width and pulse voltage of the PWM control signal, and only when the detected pulse width is equal to or greater than the pulse width specified value and the detected pulse voltage is equal to or greater than the specified pulse voltage value. The PWM control signal is allowed to pass a pulse, and otherwise it is configured to block the passage of the pulse.
上記構成の本発明のゲートドライバにおいては、パルス通過制御部においてパルス電圧のみならずパルス幅をもチェックするようにし、パルス電圧判定とパルス幅判定との2要素の論理積をもってPWM制御信号のパルス波形の正常・異常を判別することとしたので、スイッチング素子のゲートに対し反転動作上無駄になるパルス印加を生じさせないですむ。 In the gate driver of the present invention configured as described above, not only the pulse voltage but also the pulse width is checked in the pulse passage control unit, and the pulse of the PWM control signal has a logical product of two elements of the pulse voltage determination and the pulse width determination. Since it is determined whether the waveform is normal or abnormal, it is not necessary to apply a pulse to the switching element gate that is wasted in the inversion operation.
本発明によれば、PWM制御部からスイッチング素子までの信号伝達素子を介するPWM制御信号の信号伝達経路中にパルス通過制御部を介在させ、パルス電圧判定とパルス幅判定との2要素の論理積をもってPWM制御信号のパルス波形の正常・異常を判別するように構成している。そして、パルス電圧とパルス幅がともに条件を満たすパルスに限って通過を許容することとしてあるので、スイッチング素子のゲートには反転動作上無駄になるパルスを印加させないですむ。以上の結果として、電圧駆動型のスイッチング素子の電力損失を軽減し、スイッチング素子の発熱抑制とともにインバータ等の負荷装置の電力効率を改善することができる。 According to the present invention, the pulse passing control unit is interposed in the signal transmission path of the PWM control signal via the signal transmission element from the PWM control unit to the switching element, and the logical product of two elements of the pulse voltage determination and the pulse width determination Is configured to determine whether the pulse waveform of the PWM control signal is normal or abnormal. Since passage is allowed only for pulses that satisfy both pulse voltage and pulse width, it is not necessary to apply a pulse that is wasted in the inversion operation to the gate of the switching element. As a result, the power loss of the voltage-driven switching element can be reduced, the heat generation of the switching element can be suppressed, and the power efficiency of a load device such as an inverter can be improved.
以下、本発明の実施の形態にかかわるゲートドライバについて説明する。本発明によるゲートドライバは、主としてパワーコンディショナ等のインバータにおけるインバータ部での電力変換用またはコンバータ部での直流での昇圧用のブリッジ回路におけるスイッチング素子とPWM制御部との間に介装される。 Hereinafter, the gate driver according to the embodiment of the present invention will be described. A gate driver according to the present invention is mainly interposed between a switching element and a PWM control unit in a bridge circuit for power conversion in an inverter unit in an inverter such as a power conditioner or for DC boosting in a converter unit. .
パワーコンディショナなどにおけるインバータ(これは直流での昇圧用のコンバータ部と直流−交流変換用のインバータ部とからなる)のブリッジ回路を構成している複数のスイッチング素子のそれぞれに対して、それをオン/オフ制御するためのパルス列からなるPWM制御信号がPWM制御部から出力される。このPWM制御部とスイッチング素子との間をフィードバック的に中継してPWM制御信号を伝達するのがゲートドライバの役割である。PWM制御部は2次側にあり、1次側のブリッジ回路に対するフィードバック制御のためには、2次側と1次側とを電気的に絶縁する必要があり、PWM制御部とスイッチング素子との間のゲートドライバには電気絶縁型の信号伝達素子が設けられる。この信号伝達素子は、PWM制御部からのPWM制御信号の入力端子とスイッチング素子のゲートへの出力端子との間に挿入される。電気絶縁型の信号伝達素子としては発光素子(発光ダイオード)と受光素子(フォトトランジスタ)からなるフォトカプラが好適例であるが、必ずしもそれのみに限定されるものではなく、電磁リレーや絶縁トランスなどであってもよい。ブリッジ回路については、フルブリッジ回路でもよいし、ハーフブリッジ回路でもよい。スイッチング素子としては電圧駆動型のものであって、パワー半導体のIGBT(絶縁ゲートバイポーラトランジスタ)が好適例であるが、必ずしもそれのみに限定されるものではなく、MOSFETなどであってもよい。 For each of a plurality of switching elements constituting a bridge circuit of an inverter in a power conditioner or the like (which is composed of a converter for boosting DC and an inverter for DC-AC conversion) A PWM control signal including a pulse train for on / off control is output from the PWM control unit. The role of the gate driver is to relay the PWM control signal by relaying feedback between the PWM control unit and the switching element. The PWM control unit is on the secondary side, and it is necessary to electrically insulate the secondary side from the primary side for feedback control with respect to the bridge circuit on the primary side. The gate driver is provided with an electrically insulating signal transmission element. This signal transmission element is inserted between the input terminal of the PWM control signal from the PWM control unit and the output terminal to the gate of the switching element. A photocoupler comprising a light-emitting element (light-emitting diode) and a light-receiving element (phototransistor) is a suitable example of an electrically insulating signal transmission element, but is not necessarily limited thereto, and an electromagnetic relay, an insulating transformer, etc. It may be. The bridge circuit may be a full bridge circuit or a half bridge circuit. The switching element is a voltage-driven type, and a power semiconductor IGBT (insulated gate bipolar transistor) is a preferred example, but is not necessarily limited thereto, and may be a MOSFET or the like.
当該のゲートドライバにあっては、前記の電気絶縁型の信号伝達素子のほかに新たな構成要素としてパルス通過制御部を備えている。このパルス通過制御部は電気絶縁型の信号伝達素子に直列に挿入されている。パルス通過制御部は、入力されてくるPWM制御信号のパルス幅とパルス電圧とを検出し、その検出パルス幅がパルス幅規定値以上であるかのパルス幅判定と、検出パルス電圧がパルス電圧規定値以上であるかのパルス電圧判定とを行う。そして、パルス幅判定において検出パルス幅が規定値以上であり、かつ、パルス電圧判定において検出パルス電圧が規定値以上であれば、そのときに限ってPWM制御信号のパルスの通過を許容するが、それ以外の場合にはパルスの通過を遮断するという機能を備えている。 The gate driver includes a pulse passage control unit as a new component in addition to the electric insulation type signal transmission element. This pulse passage control unit is inserted in series with an electrically insulating signal transmission element. The pulse passage control unit detects the pulse width and pulse voltage of the input PWM control signal, determines the pulse width whether the detected pulse width is equal to or greater than the pulse width specified value, and the detected pulse voltage is the pulse voltage specified. The pulse voltage is determined to determine whether the value is greater than or equal to the value. If the detected pulse width is not less than the specified value in the pulse width determination and the detected pulse voltage is not less than the specified value in the pulse voltage determination, the pulse of the PWM control signal is allowed to pass only in that case, In other cases, it has a function of blocking the passage of pulses.
ゲートドライバの入力端子と出力端子との間のPWM制御信号の信号伝達経路中に介在させたパルス通過制御部は、そこを通過しようとするPWM制御信号のパルスにつき、そのパルス幅とパルス電圧とを検出する。そして、検出パルス幅をパルス幅規定値と比較し、検出パルス電圧をパルス電圧規定値と比較する。 The pulse passing control unit interposed in the signal transmission path of the PWM control signal between the input terminal and the output terminal of the gate driver has a pulse width and a pulse voltage for the pulse of the PWM control signal that is going to pass therethrough. Is detected. Then, the detection pulse width is compared with a prescribed pulse width value, and the detected pulse voltage is compared with a prescribed pulse voltage value.
(1)検出パルス幅がパルス幅規定値以上であり、かつ、検出パルス電圧がパルス電圧規定値以上である場合には、パルス通過制御部はPWM制御信号のパルスを通過させ、スイッチング素子のゲートへと送出する。 (1) When the detected pulse width is equal to or greater than the pulse width specified value and the detected pulse voltage is equal to or greater than the specified pulse voltage value, the pulse passing control unit passes the pulse of the PWM control signal and the gate of the switching element. To send to.
(2)検出パルス幅がパルス幅規定値以上であっても、検出パルス電圧がパルス電圧規定値未満である場合には、パルス通過制御部はPWM制御信号のパルスの通過を遮断する。 (2) Even if the detection pulse width is equal to or greater than the pulse width specified value, if the detected pulse voltage is less than the pulse voltage specified value, the pulse passage control unit blocks the passage of the pulse of the PWM control signal.
(3)検出パルス電圧がパルス電圧規定値以上であっても、検出パルス幅がパルス幅規定値未満である場合には、パルス通過制御部はPWM制御信号のパルスの通過を遮断する。 (3) Even if the detected pulse voltage is equal to or higher than the specified pulse voltage value, if the detected pulse width is less than the specified pulse width value, the pulse passage control unit blocks the passage of the pulse of the PWM control signal.
(4)検出パルス幅がパルス幅規定値未満で、かつ、検出パルス電圧がパルス電圧規定値未満の場合、これは上記の(2)または(3)に含まれるもので、当然に、パルス通過制御部はPWM制御信号のパルスの通過を遮断する。 (4) When the detected pulse width is less than the pulse width specified value and the detected pulse voltage is less than the specified pulse voltage value, this is included in the above (2) or (3), and naturally the pulse passes. The control unit blocks the passage of the PWM control signal pulse.
PWM制御信号のパルス幅がパルス幅規定値以上であって、一応、パルス電圧がパルス電圧規定値以上であると想定されるとしても、そのパルスはパルス通過制御部を通過したのちスイッチング素子のゲートに到達するまでの間に電圧振幅減衰を受けて、パルス電圧がパルス電圧規定値を下回る結果を招く可能性がある。そこで、本発明ではこの不都合をも避けるべく、パルス通過制御部においてパルス電圧をもチェックし、検出パルス電圧がパルス電圧規定値以上であればパルスの通過を許容するが、規定値未満であればスイッチング素子の反転動作に支障のおそれがあるものとして、パルスの通過を遮断することとしている。 Even if it is assumed that the pulse width of the PWM control signal is equal to or greater than the pulse width specified value and the pulse voltage is equal to or greater than the pulse voltage specified value, the pulse passes through the pulse passing control unit and then the gate of the switching element. The voltage amplitude is attenuated before reaching the value, and the pulse voltage may fall below the specified pulse voltage value. Therefore, in the present invention, in order to avoid this inconvenience, the pulse pass control unit also checks the pulse voltage, and if the detected pulse voltage is equal to or higher than the pulse voltage specified value, the pulse is allowed to pass. The passage of pulses is blocked because there is a possibility that the inversion operation of the switching element may be hindered.
一方、PWM制御信号のパルス電圧がパルス電圧規定値以上であるとしても、そのパルスはパルス通過制御部を通過したのちスイッチング素子のゲートに到達するまでの間にパルス幅減衰を受けて、パルス幅がパルス幅規定値を下回る結果を招いたり、外乱ノイズ等の影響で波形乱れを受ける可能性がある。そこで、本発明ではこの不都合をも避けるべく、パルス通過制御部においてパルス電圧のみならずパルス幅をもチェックし、検出パルス幅がパルス幅規定値以上であればパルスの通過を許容するが、規定値未満であればスイッチング素子の反転動作に支障のおそれがあるものとして、パルスの通過を遮断することとしている。 On the other hand, even if the pulse voltage of the PWM control signal is equal to or higher than the pulse voltage specified value, the pulse undergoes pulse width attenuation after passing through the pulse passage control unit and before reaching the gate of the switching element. May be less than the specified pulse width, or may be disturbed by the influence of disturbance noise or the like. Therefore, in the present invention, in order to avoid this inconvenience, not only the pulse voltage but also the pulse width is checked in the pulse passage control unit, and if the detected pulse width is equal to or larger than the pulse width specified value, the passage of the pulse is permitted. If it is less than the value, it is assumed that there is a possibility that the inversion operation of the switching element may be hindered, and the passage of pulses is blocked.
以上のパルス電圧判定とパルス幅判定との2要素の論理積をもってPWM制御信号のパルス波形の正常・異常を判別することとしたので、スイッチング素子のゲートには反転動作上無駄になるパルス印加が発生しない。その結果、電圧駆動型のスイッチング素子の電力損失を軽減することが可能となり、インバータ等の負荷装置の電力効率の低下を抑制することができる。 Since it is determined that the pulse waveform of the PWM control signal is normal or abnormal by the logical product of the above two factors of the pulse voltage determination and the pulse width determination, the pulse application that is wasted in the inversion operation is applied to the gate of the switching element. Does not occur. As a result, it is possible to reduce the power loss of the voltage-driven switching element, and it is possible to suppress a decrease in power efficiency of a load device such as an inverter.
以下、本発明の好ましい実施の形態のゲートドライバを図面を用いて説明する。 A gate driver according to a preferred embodiment of the present invention will be described below with reference to the drawings.
図1の(a)はパワーコンディショナの全体的な概略構成を示す。図1において、1は直流電源部(蓄電池)、2は系統連系保護装置、3は外部電力系統(商用交流電源)、100はインバータ、10はコンバータ部、20はインバータ部、30はローパスフィルタ、40はマイコンの機能の一部として構成されるPWM制御部、Aはゲートドライバである。例えばローパスフィルタ30と系統連系保護装置2との間で電圧波形を監視し、PWM制御部40からゲートドライバAを介してのフィードバック制御により波形を安定化させる。
FIG. 1A shows an overall schematic configuration of the power conditioner. In FIG. 1, 1 is a DC power supply unit (storage battery), 2 is a grid connection protection device, 3 is an external power system (commercial AC power supply), 100 is an inverter, 10 is a converter unit, 20 is an inverter unit, and 30 is a low-pass filter. , 40 is a PWM control unit configured as a part of the function of the microcomputer, and A is a gate driver. For example, the voltage waveform is monitored between the low-
図1の(b)はゲートドライバAの概略構成を示し、50は電気絶縁型の信号伝達素子、60はパルス通過制御部である。 FIG. 1B shows a schematic configuration of the gate driver A, 50 is an electrically insulated signal transmission element, and 60 is a pulse passage control unit.
図2はパルス通過制御部のより詳しい構成を表したゲートドライバAの構成図である。図2の(a),(b)は互いに異なる2つの態様を示している。61はパルス通過制御部60におけるパルス電圧判定部、62はパルス通過制御部60におけるパルス幅判定部、63はゲートドライバAの入力端子、64は出力端子、65は入力端子63から出力端子64に至る信号伝達経路である。
FIG. 2 is a configuration diagram of the gate driver A showing a more detailed configuration of the pulse passage control unit. 2A and 2B show two different modes. 61 is a pulse voltage determination unit in the pulse
図2の(a),(b)の場合、パルス通過制御部60は、パルス電圧判定部61とパルス幅判定部62とを有している。パルス電圧判定部61とパルス幅判定部62とは信号伝達経路65に直列に挿入されている。
2A and 2B, the pulse
図2の(a)の場合、パルス電圧判定部61がパルス幅判定部62よりも前段に位置している。
In the case of (a) in FIG. 2, the pulse
図2の(b)の場合、上記とは逆に、パルス幅判定部62がパルス電圧判定部61よりも前段に位置している。
In the case of (b) of FIG. 2, the pulse
図2の(a)の場合のゲートドライバAの詳しい動作は次のとおりである。図3の(a)を用いて説明する。 The detailed operation of the gate driver A in the case of FIG. 2A is as follows. This will be described with reference to FIG.
パルス通過制御部60におけるパルス電圧判定部61は、電気絶縁型の信号伝達素子50から入力されてくるPWM制御信号S2のパルスP2のパルス電圧Vpを検出し、その検出パルス電圧Vpがパルス電圧規定値Vpth以上であるかのパルス電圧判定を行う。そして、検出パルス電圧Vpがパルス電圧規定値Vpth以上であればパルスP2をそのまま通過させてパルス幅判定部62へと出力する。
The pulse
パルス通過制御部60におけるパルス幅判定部62は、パルス電圧判定部61から入力されてくるPWM制御信号S2のパルスP2のパルス幅Tpを検出し、その検出パルス幅Tpがパルス幅規定値Tpth以上であるかのパルス幅判定を行う。そして、検出パルス幅Tpがパルス幅規定値Tpth以上であればパルスP2をそのまま通過させて出力端子64へと出力する。
The pulse
具体例で説明すると、次のようになる。 A specific example will be described as follows.
図3の(a)に示すように、PWM制御信号S2のパルスP2につき、そのパルス電圧Vpがパルス電圧規定値Vpth以上であれば、パルス電圧判定部61はそのパルスP2を通過させる(上段の図(イ)参照)。
As shown in FIG. 3A, for the pulse P2 of the PWM control signal S2, if the pulse voltage Vp is equal to or higher than the pulse voltage specified value Vpth, the pulse
しかし、そのパルス電圧Vpがパルス電圧規定値Vpth未満であれば、パルス電圧判定部61はそのパルスP2を遮断する(下段の図(ロ)参照)。
However, if the pulse voltage Vp is less than the pulse voltage specified value Vpth, the pulse
パルス電圧Vpがパルス電圧規定値Vpth以上であることからパルス電圧判定部61を通過してパルス幅判定部62に入力したパルスP2は、ここでパルス幅判定を受ける。そのパルス幅Tpがパルス幅規定値Tpth以上であれば、パルス幅判定部62はそのパルスP2を通過させる(図(ハ)参照)。
Since the pulse voltage Vp is equal to or higher than the pulse voltage specified value Vpth, the pulse P2 that has passed through the pulse
しかし、そのパルス幅Tpがパルス幅規定値Tpth未満であれば、パルス幅判定部62はそのパルスP2を遮断する(図(ニ)参照)。
However, if the pulse width Tp is less than the pulse width specified value Tpth, the pulse
図2の(b)の場合のゲートドライバAの詳しい動作は次のとおりである。図3の(b)を用いて説明する。 The detailed operation of the gate driver A in the case of FIG. 2B is as follows. This will be described with reference to FIG.
パルス通過制御部60におけるパルス幅判定部62は、電気絶縁型の信号伝達素子50から入力されてくるPWM制御信号S2のパルスP2のパルス幅Tpを検出し、その検出パルス幅Tpがパルス幅規定値Tpth以上であるかのパルス幅判定を行う。そして、検出パルス幅Tpがパルス幅規定値Tpth以上であればパルスP2をそのまま通過させてパルス電圧判定部61へと出力する。
The pulse
パルス通過制御部60におけるパルス電圧判定部61は、パルス幅判定部62から入力されてくるPWM制御信号S2のパルスP2のパルス電圧Vpを検出し、その検出パルス電圧Vpがパルス電圧規定値Vpth以上であるかのパルス電圧判定を行う。そして、検出パルス電圧Vpがパルス電圧規定値Vpth以上であればパルスP2をそのまま通過させて出力端子64へと出力する。
The pulse
具体例で説明すると、次のようになる。 A specific example will be described as follows.
図3の(b)に示すように、PWM制御信号S2のパルスP2につき、そのパルス幅Tpがパルス幅規定値Tpth以上であれば、パルス幅判定部62はそのパルスP2を通過させる(上段の図(イ)参照)。
As shown in FIG. 3B, if the pulse width Tp of the pulse P2 of the PWM control signal S2 is equal to or greater than the pulse width specified value Tpth, the pulse
しかし、そのパルス幅Tpがパルス幅規定値Tpth未満であれば、パルス幅判定部62はそのパルスP2を遮断する(下段の図(ロ)参照)。
However, if the pulse width Tp is less than the pulse width specified value Tpth, the pulse
パルス幅Tpがパルス幅規定値Tpth以上であることからパルス幅判定部62を通過してパルス電圧判定部61に入力したパルスP2は、ここでパルス電圧判定を受ける。そのパルス電圧Vpがパルス電圧規定値Vpth以上であれば、パルス電圧判定部61はそのパルスP2を通過させる(図(ハ)参照)。
Since the pulse width Tp is equal to or greater than the pulse width specified value Tpth, the pulse P2 that has passed through the pulse
しかし、そのパルス電圧Vpがパルス電圧規定値Vpthであれば、パルス電圧判定部61はそのパルスP2を遮断する(図(ニ)参照)。
However, if the pulse voltage Vp is the pulse voltage specified value Vpth, the pulse
図4は別の実施の形態を示す。図4の場合、パルス通過制御部60は、パルス電圧判定部61とパルス幅判定部62とゲート部66とから構成されている。ゲート部66が信号伝達経路65に直列に挿入され、電気絶縁型の信号伝達素子50とゲート部66との間で信号伝達経路65からパルス電圧判定部61とパルス幅判定部62とが分岐されている。
FIG. 4 shows another embodiment. In the case of FIG. 4, the pulse
図4の場合、パルス電圧判定部61とパルス幅判定部62とは前段・後段の関係ではなく、並列的な関係となっている。電気絶縁型の信号伝達素子50からの出力をゲート部66に入力すると、ゲート部66はパルス電圧判定部61の出力とパルス幅判定部62の出力との論理積で通過の許容/遮断を制御する。
In the case of FIG. 4, the pulse
図4の場合のゲートドライバAの詳しい動作は次のとおりである。電気絶縁型の信号伝達素子50からのPWM制御信号S2のパルスP2は、信号伝達経路65で分岐してパルス電圧判定部61とパルス幅判定部62とに入力され、それぞれにおいてパルス電圧判定とパルス幅判定とを受ける。それぞれの判定信号S61,S62はゲート部66に入力される。ゲート部66は2つの判定信号S61,S62の論理積をもって信号伝達素子50からのパルスP2の通過/遮断を制御する。すなわち、パルス電圧判定部61からの判定信号S61とパルス電圧判定部61からの判定信号S62とがともにアサート(有効)状態であれば、ゲート部66はパルスP2を通過させる。それ以外の場合はパルスP2を遮断する。
The detailed operation of the gate driver A in the case of FIG. 4 is as follows. The pulse P2 of the PWM control signal S2 from the electrically insulating
本発明の好ましい一態様として、図5に示すものもある。図5に示すように、パルス通過制御部60においては、パルス電圧判定部61が電気絶縁型の信号伝達素子50の後段に挿入されているのに対して、パルス幅判定部62は電気絶縁型の信号伝達素子50の前段に挿入されている。パルス電圧判定部61が判定対象とするのは図2の場合と同様に信号伝達素子50から入力されてくるパルスP2であるが、パルス幅判定部62が判定対象とするのは図2とは異なり、信号伝達素子50に入力される前のPWM制御部40からのPWM制御信号S1のパルスP1である。この実施の形態は、パルス電圧Vpは電気絶縁型の信号伝達素子50の通過の前後で低下する傾向があるのに対して、パルス幅Tpは電気絶縁型の信号伝達素子50の通過の前後でほとんど変わらないとの知見に基づいたものである。
A preferred embodiment of the present invention is shown in FIG. As shown in FIG. 5, in the pulse
なお、図示は省略するが、図5の構成の考え方を図4の構成に適用してもよい。すなわち、図4においてパルス幅判定部62の位置を変えて電気絶縁型の信号伝達素子50の前段に移した構成である。
Although illustration is omitted, the concept of the configuration of FIG. 5 may be applied to the configuration of FIG. That is, in FIG. 4, the position of the pulse
以上、複数の形態について説明してきたが、いずれにしても、PWM制御部40からスイッチング素子Qまでの電気絶縁型の信号伝達素子50を介するPWM制御信号の信号伝達経路65中にパルス通過制御部60を介在させ、パルス電圧判定とパルス幅判定との2要素の論理積をもってPWM制御信号のパルス波形の正常・異常を判別するように構成している。そして、パルス通過制御部60はパルス電圧とパルス幅がともに条件を満たすパルスに限って通過を許容することとしてあるので、スイッチング素子Qのゲートには反転動作上無駄になるパルスを印加させないですむ。以上の結果として、電圧駆動型のスイッチング素子Qの電力損失を軽減し、スイッチング素子Qの発熱抑制とともにインバータ100の電力変換効率を改善することができる。
In the above, a plurality of modes have been described. In any case, a pulse passage control unit is included in the
なお、ブリッジ回路としては、インバータにおける直流−交流変換用のインバータ部でのブリッジ回路を対象としてもよいし、あるいは、インバータにおける直流での昇圧用のコンバータ部(DC−DCコンバータ)でのブリッジ回路を対象としてもよい。また、ブリッジ回路としては、フルブリッジ回路を対象としてもよいし、あるいは、ハーフブリッジ回路を対象としてもよい。 The bridge circuit may be a bridge circuit in a DC-AC conversion inverter section in an inverter, or a bridge circuit in a DC boost converter section (DC-DC converter) in the inverter. May be targeted. The bridge circuit may be a full bridge circuit or a half bridge circuit.
以下、本発明にかかわるゲートドライバの実施例を、図面を参照して詳細に説明する。本実施例においては、従来技術の説明で用いた図8の構成が踏襲される。ただし、本実施例ではゲートドライバAの構成が従来技術とは相違する。 Hereinafter, embodiments of a gate driver according to the present invention will be described in detail with reference to the drawings. In the present embodiment, the configuration of FIG. 8 used in the description of the prior art is followed. However, in this embodiment, the configuration of the gate driver A is different from that of the prior art.
図6は本発明にかかわる実施例のゲートドライバの構成を示す概略の回路構成図である。図6に示すように、PWM制御部40としてのマイコン(マイコンピュータ)とインバータ部20における各スイッチング素子Qのゲートとの間に介装されるゲートドライバAは、電気絶縁型の信号伝達素子50としてのフォトカプラ51、増幅用のオペアンプ52、パルス電圧判定部61、パルス幅判定部62、増幅兼波形整形用のバッファ53を備えている。フォトカプラ51は空間を隔てて対向配置された発光ダイオード51aとフォトトランジスタ51bで構成されている。バッファ53はNPN型トランジスタQ1とPNP型トランジスタQ2のコンプリメンタリ(相補)接続となっている。スイッチング素子Qとしては、パワー半導体のIGBT(絶縁ゲートバイポーラトランジスタ)が用いられている。
FIG. 6 is a schematic circuit diagram showing the configuration of the gate driver of the embodiment according to the present invention. As shown in FIG. 6, the gate driver A interposed between the microcomputer (My computer) as the
図7は本実施例のゲートドライバの動作波形図である。図7の(a),(b),(c)は従来技術の場合の図9の(a),(b),(c)と同じ内容であるので、その説明を省略する。本実施例の場合、図7の(d)に示すように、パルス通過制御部60は、PWM制御信号S1のパルス幅が相当に小さくなる交流電圧の正弦波のゼロクロス点の付近において、パルス幅Tpがパルス幅規定値Tpthよりも小さいパルスおよびパルス電圧Vpがパルス電圧規定値Vpthよりも低いパルス(P21,P22,P23)に対しては、その通過を遮断する。
FIG. 7 is an operation waveform diagram of the gate driver of this embodiment. Since (a), (b), and (c) of FIG. 7 have the same contents as (a), (b), and (c) of FIG. 9 in the case of the prior art, description thereof is omitted. In the case of the present embodiment, as shown in FIG. 7D, the pulse
従来技術の場合、これらのパルスP21,P22,P23はスイッチング素子Qの反転動作に無効なものであるにもかかわらず通過させてスイッチング素子Qのゲートに印加していたため、スイッチング素子Qにおける電力損失を招いていた。これに対して本実施例の場合は、その不都合が回避されることになる。その結果、電圧駆動型のスイッチング素子Qの電力損失を軽減することが可能となり、インバータの電力変換効率の低下を抑制することができる。 In the case of the prior art, these pulses P21, P22, P23 are passed through and applied to the gate of the switching element Q despite being ineffective for the inversion operation of the switching element Q. Was invited. On the other hand, in the case of the present embodiment, the inconvenience is avoided. As a result, it is possible to reduce the power loss of the voltage-driven switching element Q, and it is possible to suppress a decrease in power conversion efficiency of the inverter.
なお、電気絶縁型の信号伝達素子50としてはトランスタイプも用いることができる。また、絶縁機能がないゲートドライバにも応用できる。
A transformer type can also be used as the electrically insulating
本発明は、パワーコンディショナなどのインバータブリッジ回路におけるスイッチング素子とPWM制御部との間に介装されるゲートドライバにおいて、そのまま出力してスイッチング素子のゲートに印加すれば無効あるいは非有効なパルスとなってしまう場合でも、そのようなパルスの通過を遮断し、もって、スイッチング素子における電力損失や発熱昂進の問題を解決する技術として有用である。 In the gate driver interposed between the switching element and the PWM control unit in the inverter bridge circuit such as a power conditioner, the present invention outputs invalid or ineffective pulses when output as it is and applied to the gate of the switching element. Even in such a case, it is useful as a technique for blocking the passage of such a pulse and solving the problem of power loss and heat generation in the switching element.
40 PWM制御部(マイコン)
50 電気絶縁型の信号伝達素子(フォトカプラ)
60 パルス通過制御部
61 パルス電圧判定部
62 パルス幅判定部
63 入力端子
64 出力端子
65 信号伝達経路
66 ゲート部
100 インバータ(負荷装置)
A ゲートドライバ
Q11,Q12 スイッチング素子(IGBT)
Q21,Q22,Q23,Q24 スイッチング素子(IGBT)
S1 PWM制御部から出力されるPWM制御信号
S2 電気絶縁型の信号伝達素子を通過したPWM制御信号
S61,S62 判定信号
P1 PWM制御部から出力されるPWM制御信号のパルス
P2 電気絶縁型の信号伝達素子を通過したPWM制御信号のパルス
Vp パルス電圧
Vpth パルス電圧規定値
Tp パルス幅
Vpth パルス電圧規定値
40 PWM controller (microcomputer)
50 Electrically insulated signal transmission elements (photocouplers)
60 Pulse
A Gate driver Q11, Q12 Switching element (IGBT)
Q21, Q22, Q23, Q24 Switching element (IGBT)
S1 PWM control signal output from the PWM control unit S2 PWM control signal that has passed through the electrical isolation type signal transmission element S61, S62 Determination signal P1 Pulse of the PWM control signal output from the PWM control unit P2 Electrical isolation type signal transmission Pulse of PWM control signal that has passed through the element Vp Pulse voltage Vpth Pulse voltage specified value Tp Pulse width Vpth Pulse voltage specified value
Claims (6)
前記PWM制御部からのPWM制御信号の入力端子と前記スイッチング素子のゲートへの出力端子との間に挿入された信号伝達素子と、
前記信号伝達素子に直列に挿入されて、前記PWM制御信号のパルス幅とパルス電圧とを検出し、その検出パルス幅がパルス幅規定値以上でかつ検出パルス電圧がパルス電圧規定値以上の場合に限り前記PWM制御信号のパルスの通過を許容し、それ以外の場合にはパルスの通過を遮断するパルス通過制御部とを備えたゲートドライバ。 A gate driver interposed between the PWM control unit and the switching element to relay the PWM control signal from the PWM control unit to the gate of the switching element;
A signal transmission element inserted between an input terminal of a PWM control signal from the PWM control unit and an output terminal to the gate of the switching element;
When inserted in series in the signal transmission element to detect the pulse width and pulse voltage of the PWM control signal, and when the detected pulse width is equal to or greater than the specified pulse width and the detected pulse voltage is equal to or greater than the specified pulse voltage A gate driver comprising a pulse passage control unit that allows passage of pulses of the PWM control signal as long as possible, and blocks passage of pulses in other cases.
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