JP7554128B2 - Power conversion device and gate signal adjustment method - Google Patents
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Description
本発明は電力変換装置及びゲート信号調整方法に関する。 The present invention relates to a power conversion device and a gate signal adjustment method.
電力変換装置は、半導体素子のスイッチング動作によって、直流電力を交流電力へ電力変換できるだけでなく、その逆方向の交流から直流へも電力変換できることから、鉄道、自動車、エレベータ等の多分野に適用されている。このような電力変換装置で使用される上下アームの半導体素子が同時にオン状態になると、短絡電流が流れるため電力変換装置を故障させる。そこで、短絡電流を防止するため2つの半導体素子の双方がオフ状態となるデッドタイムが設けられている。 Power conversion devices are used in many fields, including railways, automobiles, and elevators, because they can convert DC power to AC power and also convert AC to DC power in the reverse direction through the switching operation of semiconductor elements. If the upper and lower arm semiconductor elements used in such power conversion devices are turned on at the same time, a short-circuit current will flow, causing the power conversion device to break down. Therefore, to prevent short-circuit current, a dead time is provided in which both semiconductor elements are turned off.
電力変換装置の出力電圧は、電圧指令によるスイッチング制御に応じて発生する。しかし、完全オフされたデッドタイム期間の出力電圧は、電圧指令の制御とは無関係であり、還流ダイオード等を流れる出力電流の方向が正負の何れであるかに依存する。したがって、デッドタイム期間中の出力電圧は、所望の電圧指令どおりにならず、電力変換器の出力電圧誤差になる。 The output voltage of a power conversion device is generated according to switching control by a voltage command. However, the output voltage during the dead time period when the device is completely turned off is unrelated to the control of the voltage command, and depends on whether the direction of the output current flowing through the freewheel diode, etc., is positive or negative. Therefore, the output voltage during the dead time period does not match the desired voltage command, resulting in an output voltage error of the power converter.
そこで、生成するデッドタイムを可変して、出力電圧誤差を低減する電力変換装置も知られている(例えば、特許文献1)。この出力電圧誤差を低減するため、デッドタイム分だけ半導体素子のオン指令又はオフ指令をシフトするデッドタイム補償が施されている。デッドタイム補償の理想的目標は、上述した上下アームの半導体素子が同時にオン状態になる危険を回避するために既設定のデッドタイムによるデッドタイム期間を限りなくゼロに近づけることである。 Therefore, a power conversion device that reduces the output voltage error by varying the generated dead time is also known (for example, Patent Document 1). In order to reduce this output voltage error, dead time compensation is performed to shift the on or off command of the semiconductor element by the amount of the dead time. The ideal goal of dead time compensation is to make the dead time period due to the preset dead time as close as possible to zero in order to avoid the risk of the semiconductor elements of the upper and lower arms being turned on at the same time.
そのため、デッドタイムとデッドタイム補償は、半導体素子のスイッチング特性(応答速度)を鑑みて設定される。すなわち、特定の半導体素子の応答時間分だけ早い時点でゲート信号Highに立ち上げるようにデッドタイム補償を設定することは可能である。そのように、半導体素子の応答時間とデッドタイム補償を一致させて、理想的目標とするデッドタイム期間ゼロに近づけることにより、電力変換装置の電圧誤差を低減できる。 Therefore, the dead time and dead time compensation are set in consideration of the switching characteristics (response speed) of the semiconductor element. In other words, it is possible to set the dead time compensation so that the gate signal rises to high at a point earlier than the response time of a particular semiconductor element. In this way, by matching the response time of the semiconductor element with the dead time compensation and approaching the ideal target dead time period of zero, the voltage error of the power conversion device can be reduced.
デッドタイムとデッドタイム補償を定めるスイッチング特性は、個々の半導体素子により異なるため、ゲート信号Highからターンオンまでの応答時間にバラツキがある。したがって、デッドタイム補償の基準に用いた半導体素子とは別の半導体素子では、デッドタイム補償が既設定のデッドタイムに一致せず、デッドタイム期間が必要最小限よりも多く残ることがあるため、電圧誤差の低減効果を得られない場合がある。 The switching characteristics that determine the dead time and dead time compensation differ for each individual semiconductor element, so there is variation in the response time from when the gate signal goes high to when it is turned on. Therefore, with a semiconductor element other than the one used as the standard for dead time compensation, the dead time compensation may not match the preset dead time, and the dead time period may remain longer than the minimum required, so the voltage error reduction effect may not be achieved.
これに対し、バラツキのある半導体素子各々の特性に合わせるように、予め最適なデッドタイムを設定することは非現実的である。このように、特許文献1の電力変換装置は、出力電流に応じて最適なデッドタイムを提供できるが、半導体素子のバラツキは数μs程度であり出力電流の誤差には現れず、半導体素子のバラツキを考慮したデッドタイム補償の最適化はできない。
In contrast, it is unrealistic to set an optimal dead time in advance to match the characteristics of each semiconductor element, which varies. In this way, the power conversion device of
本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、半導体素子それぞれの特性により実測されたFB遅延時間の違いに応じて、ゲート信号の出力変化タイミングを調整することにより、半導体素子の特性にバラツキがある場合でも、電圧誤差を低減できるようにした電力変換装置を提供することにある。 The present invention was made in consideration of the above problems, and its purpose is to provide a power conversion device that can reduce voltage errors even when there is variation in the characteristics of the semiconductor elements by adjusting the timing of the gate signal output change in response to differences in the FB delay time measured according to the characteristics of each semiconductor element.
上記課題を解決する本発明は、直流電源に対して直列接続された少なくとも2つの半導体素子の一方のオン終了時と、他方のオン開始時と、のタイミング差を調整可能な制御部を備えた電力変換装置において、制御部は、半導体素子のゲート信号を生成するPWMパルス生成部と、半導体素子のゲート電圧が予め定められた値を超えるとFB信号を出力するFB信号出力部と、PWMパルス生成部の出力変化タイミングに対応するFB信号出力部の出力変化タイミングの遅延時間を演算するFB遅延時間演算部と、ゲート信号を入力してからFB信号を出力するまでの遅延時間に関し、基準とする半導体素子の特性に基づく基準時間を規定した基準FB信号遅延時間テーブルと、基準FB信号遅延時間テーブルに基づいて、実際の出力電圧の変化タイミングを出力電圧指令の変化タイミングに近づけるように、FB遅延時間演算部の演算出力に基づいて、ゲート信号を変化させる時期を調整する演算部と、を有する。 The present invention, which solves the above problem, is a power conversion device equipped with a control unit capable of adjusting the timing difference between when one of at least two semiconductor elements connected in series to a DC power source ends turning on and when the other starts turning on. The control unit has a PWM pulse generation unit that generates a gate signal for the semiconductor element, an FB signal output unit that outputs an FB signal when the gate voltage of the semiconductor element exceeds a predetermined value, an FB delay time calculation unit that calculates the delay time of the output change timing of the FB signal output unit corresponding to the output change timing of the PWM pulse generation unit, a reference FB signal delay time table that specifies a reference time based on the characteristics of a reference semiconductor element for the delay time from when the gate signal is input to when the FB signal is output, and a calculation unit that adjusts the timing of changing the gate signal based on the calculation output of the FB delay time calculation unit so that the change timing of the actual output voltage approaches the change timing of the output voltage command based on the reference FB signal delay time table.
本発明によれば、半導体素子に特性バラツキがある場合でも、電圧誤差を低減できるようにした電力変換装置を提供できる。 The present invention provides a power conversion device that can reduce voltage errors even when there is variation in the characteristics of semiconductor elements.
以下、図面を用いて本発明の実施例を説明する。 The following describes an embodiment of the present invention using the drawings.
図1は、本発明の実施例1に係る鉄道車両(以下、単に「車両」ともいう)8を示す概略図である。図1に示すように、車両8は、電動機5の駆動により、車輪3を回転させて、前進又は後進する。電動機5は、誘導電動機又は永久磁石同期電動機のどちらでも良い。なお、誘導電動機の場合、1台の電力変換装置で複数の電動機を駆動できる。しかし、永久磁石同期電動機の場合、1台の電力変換装置で駆動できる電動機は1台に限られる。
Figure 1 is a schematic diagram showing a railway vehicle (hereinafter, simply referred to as "vehicle") 8 according to a first embodiment of the present invention. As shown in Figure 1, the
車両8を減速するブレーキ動作では、電動機5の機能を発電機とすることで電力回生できる。電動機5が発電した回生電力は、電力変換装置6、フィルタリアクトル15、接触器14(図2)、及び遮断器10を経由して架線1へ戻る。この回生電力は、架線1を介して他の車両(不図示)の力行電力として消費される。電気的なグラウンドとして、電力変換装置6の低電位側は、車輪3を介してレール2に接続されている。電動機5は、台車4に搭載されており、その台車4は、車両8を支持している。
When braking to decelerate the
車両8は、力行動作において、架線1から集電装置7を介して電力の供給を受けて加速する。この車両8を駆動する電機品として、電力変換装置6、遮断器10、及びフィルタリアクトル15は、各別の箱に格納されて床下に配設されている。図1に示す各電機品は、別箱で記載しているが、電機品の一部もしくは全てを一体の箱に格納することにより、実装密度を高密度化しても良い。
When the
また、架線1の電圧は直流600V、直流750V、直流1500V、直流3000V、もしくは交流20kV、25kV等である。なお、実施例1では架線1の電圧は直流としている。以下、電動機駆動システムの構成を説明する。
The voltage of the
図2は、本発明の実施例1に係る電力変換装置6として例示する三相インバータの回路図である。電力変換装置6は、電動機5を駆動する駆動システムの主要部を構成する。この駆動システムは、架線1から供給された電力を適宜に遮断可能な遮断器10、接触器14、フィルタリアクトル15、及び電力変換装置6で構成されている。以下、電力変換装置6の詳細な構成と動作を説明する。
Figure 2 is a circuit diagram of a three-phase inverter exemplified as the
電力変換装置6は、直流電力を交流電力に変換し、電動機5を駆動する。電力変換装置6は、フィルタキャパシタ110、スイッチング素子Q1~Q6、ゲート駆動回路101~106、逆並列還流ダイオードD1~D6、電流センサ119a~119c及び制御部100で構成されている。ゲート駆動回路101~106は、スイッチング素子Q1~Q6を制御するためのゲート信号生成部の後段に位置し、FB信号を出力するFB信号出力部も備える。
The
電流センサ119a~119cは、電力変換装置6が電動機5を駆動するために出力する駆動電流を検出する。制御部100は、ゲート信号生成部の前段を構成し、ゲート駆動回路101~106のゲート指令を生成する。スイッチング素子Q1-Q2群は直列接続されてU相を構成する。同様に、スイッチング素子Q3-Q4群は直列接続されてV相を構成する。同様に、スイッチング素子Q5-Q6群は直列接続されてW相を構成している。
スイッチング素子Q1~Q6がIGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor:絶縁ゲートバイポーラトランジスタ)の場合、各スイッチング素子の主端子にそれぞれ逆並列に接続された逆並列還流ダイオード(以下、単に「ダイオード」ともいう)D1~D6が必要である。ダイオードD1~D6は、各スイッチング素子Q1~Q6のオフ時に還流電流を流す。 When the switching elements Q1 to Q6 are IGBTs (insulated gate bipolar transistors), anti-parallel freewheeling diodes (hereinafter simply referred to as "diodes") D1 to D6 are required, each connected in anti-parallel to the main terminal of the switching element. The diodes D1 to D6 pass a freewheeling current when the switching elements Q1 to Q6 are off.
これに対し、スイッチング素子Q1~Q6がMOSFET(Meatal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor:電界効果トランジスタ)の場合、ダイオードD1~D6として、MOSFETの寄生ダイオードを用いても良い。このように、スイッチング素子Q1~Q6がMOSFET等のため、ボディダイオードを有する場合、各スイッチング素子Q1~Q6と逆並列にダイオードを接続せず、MOSFETのボディダイオードを利用して良い。 In contrast, if the switching elements Q1 to Q6 are MOSFETs (metal oxide semiconductor field effect transistors), the parasitic diodes of the MOSFETs may be used as the diodes D1 to D6. In this way, if the switching elements Q1 to Q6 are MOSFETs or the like and therefore have body diodes, the body diodes of the MOSFETs may be used without connecting diodes in anti-parallel to each of the switching elements Q1 to Q6.
また、直列接続された2つのスイッチング素子(例えばQ1とQ2)は、同一パッケージに収納されて、2in1のパッケージに形成されたものを用いても良い。スイッチング素子Q1~Q6は、MOSFETやIGBT等の電圧制御型スイッチング素子やサイリスタ等の電流制御型スイッチング素子で良い。 In addition, two switching elements (e.g. Q1 and Q2) connected in series may be housed in the same package to form a 2-in-1 package. The switching elements Q1 to Q6 may be voltage-controlled switching elements such as MOSFETs or IGBTs, or current-controlled switching elements such as thyristors.
スイッチング素子Q1~Q6及びダイオードD1~D6の半導体材料は、Si(シリコン)やSiよりもバンドギャップが広い半導体であるSiC(炭化ケイ素)やGaN(窒化ガリウム)でも良い。これらのワイドバンドギャップ半導体は、Siに比べて発生損失を低減できるため、電力変換装置6を小型化できる。
The semiconductor material of the switching elements Q1 to Q6 and the diodes D1 to D6 may be Si (silicon) or SiC (silicon carbide) or GaN (gallium nitride), which are semiconductors with a wider band gap than Si. These wide band gap semiconductors can reduce the generated loss compared to Si, allowing the
電力変換装置6は、スイッチング素子Q1~Q6をPWM(Pulse Width Modulation)制御することでフィルタキャパシタ110からパルス状の交流電力が出力される。この交流電力は、電動機5に供給され機械エネルギーに変換されることで車両8を前進又は後進する。なお、フィルタキャパシタ110の初期充電は、充電回路である接触器12と抵抗器13を用いて行われ、接触器14が開放状態にて接触器12を投入し抵抗器13を介して初期充電を実施する。
The
フィルタキャパシタ110とフィルタリアクトル15は、フィルタ回路を構成しており、電力変換装置6から架線1に流れるノイズ電流を低減している。電流センサ119a~119は、それぞれU相、V相、W相の電動機5の電流を測定している。なお、電流センサは、U相、V相、W相のうち何れか二相を測定し、それらの値から残りの一相の値を算出しても良い。そうすることで、電流センサの数を3台から2台に削減でき電力変換装置6の小型低コスト化が可能となる。
The
ここで、デッドタイム生成及びそれを補償する機能に着目して電力変換装置6を説明する。電力変換装置6は、制御部100と、直流電源110と、スイッチング素子Q1-Q2群(Q3-Q4,Q5-Q6も同様で省略)と、ゲート信号生成部(制御部100及びゲート駆動回路101~106)と、デッドタイム挿入部(制御部100)と、ブリッジ回路(スイッチング素子Q1~Q6ほか)と、電流センサ119a~119c(まとめて119)と、可変デッドタイム生成部(制御部100)と、を備えて構成される。
Here, the
また、電力変換装置6は、Q1,Q2の2素子でなる2レベル構成のスイッチング素子Q1-Q2群を例示しているが、3素子でなる3レベル構成のスイッチング素子Q1-QX群にも適用可能である。なお、制御部100には、デッドタイム生成及びそれを補償する機能に関連した特徴的技術を有する新しいブロックとして、基準FB信号遅延時間テーブル112、補正量演算部115、及び補正後デッドタイム補償テーブル116を備えており、これらについては、後述する。
In addition, the
スイッチング素子Q1~Q6は、ゲート信号によりオン状態とオフ状態を切り替えられる。スイッチング素子Q1-Q2群は、スイッチング素子Q1とスイッチング素子Q2それぞれの主端子を直列に接続して上下アームを形成する。ゲート信号生成部(制御部100)は、電圧指令値から仮ゲート信号を生成する。デッドタイム挿入部(制御部100)は、仮ゲート信号にデッドタイムを挿入してゲート信号を生成する。 Switching elements Q1 to Q6 can be switched between on and off states by gate signals. The switching elements Q1-Q2 group forms upper and lower arms by connecting the main terminals of switching element Q1 and switching element Q2 in series. The gate signal generation unit (control unit 100) generates a provisional gate signal from the voltage command value. The dead time insertion unit (control unit 100) inserts dead time into the provisional gate signal to generate a gate signal.
ブリッジ回路は、それぞれが上下アームを形成するスイッチング素子Q1-Q2群の複数組が直流電源110と並列に接続し、直流電力を交流電力に変換する。電流検出部119は、ブリッジ回路の出力電流を検出する。可変デッドタイム生成部(制御部100)は、スイッチング素子に流れる電流値に対するターンオン遅延時間及びターンオフ遅延時間の特性に基づいて、電流検出部119により検出された電流値に応じてデッドタイムを算出する。
In the bridge circuit, multiple groups of switching elements Q1-Q2, each forming an upper and lower arm, are connected in parallel to a
スイッチング素子Q1~Q6のオン状態又はオフ状態は、制御部100で制御される。制御部100から出力されたオン又はオフのPWM信号は、各ゲート駆動回路101~106で増幅される。スイッチング素子Q1~Q6は、それらのゲートとエミッタの間(スイッチング素子Q1~Q6がMOSFETの場合はゲートとソースの間)に、増幅されたPWM信号が印加されることで制御される。
The on or off state of the switching elements Q1 to Q6 is controlled by the
また、ゲート駆動回路101~106は、スイッチング素子Q1~Q6のゲート電圧が予め定められた基準値に達するとFB(出力周波数検出)信号を出力する機能を有する。つまり、FB信号出力部は、ゲート駆動回路101~106に内蔵されており、ゲート電圧と基準値とを比較した結果が基準値を超えたときFB信号を出力する。
The
ここで、正電源と負電源の間に、一対の主端子が直列接続されたスイッチング素子Q1とスイッチング素子Q2を制御するPWM信号は、同時にオフ状態となるデッドタイムを有している。このように直列接続された一対のスイッチング素子Q1-Q2群、スイッチング素子Q3-Q4群、及びスイッチング素子Q5-Q6群に対し、これらを制御するPWM信号には、何れも同様にデッドタイムが設けられている。 The PWM signals that control switching elements Q1 and Q2, which have a pair of main terminals connected in series between the positive and negative power supplies, have dead times during which they are both in the off state at the same time. The PWM signals that control the pairs of switching elements Q1-Q2, Q3-Q4, and Q5-Q6 connected in series in this way all have dead times.
もし、デッドタイムが設けられていない場合、例えば、スイッチング素子Q1とQ2が同時にオン状態となるタイミングが生じてしまう。その場合、同時にオンしたスイッチング素子Q1とQ2により、フィルタキャパシタ110が短絡される。この短絡電流により、電力変換装置6が故障するケースもある。
If the dead time is not provided, for example, there will be a time when switching elements Q1 and Q2 are on at the same time. In that case, the
制御部100は、FB信号遅延時間演算部111と、基準FB信号遅延時間テーブル112と、基準デッドタイム補償テーブル113と、基準PWM信号生成部114と、補正量演算部115と、補正後デッドタイム補償テーブル116と、仮デッドタイム付与部117と、デッドタイム補償部118と、を備えて構成される。
The
FB信号遅延時間演算部111は、制御部100から出力されたPWM信号に対するFB遅延時間を演算する機能を有する。基準FB信号遅延時間テーブル112は、基準となる素子のFB信号遅延時間テーブルが格納されており、そのテーブルは電圧、電流、温度等に対する依存性を有している。基準デッドタイム補償テーブル113は、基準となる素子のデッドタイム補償のテーブルが格納されており、そのテーブルは電圧、電流、温度等に対する依存性を有している。
The FB signal delay
基準PWM信号生成部114は、電力変換装置6が所望の電圧を出力するように、デッドタイムが付与されていない基準となるPWM信号を生成する。補正量演算部115は、FB遅延時間演算部111から出力された遅延時間と、基準FB信号遅延時間テーブル112と、に基づいてデッドタイム補償の補正量を演算する。
The reference PWM
補正後デッドタイム補償テーブル116は、基準デッドタイム補償テーブル113と、補正量演算部115と、を用いてデッドタイム補償テーブルの補正を行う。仮デッドタイム付与部117は、基準PWM信号生成部114から出力されたPWM信号に対して、デッドタイムを付与する。
The corrected dead time compensation table 116 corrects the dead time compensation table using the reference dead time compensation table 113 and the correction
デッドタイム補償部118は、補正後デッドタイム補償テーブル116が出力する補正後のデッドタイム補償テーブルと、デッドタイムが付与されたPWM信号と、電動機5の電流と、を用いてPWM信号にデッドタイム補償を施す。デッドタイム補償が施されたPWM信号は、スイッチング素子Q1~Q6のゲート駆動回路101~106に入力される。
The dead
図3は比較例に係る電力変換装置で正方向電流の動作波形でありターンオンを示すタイミングチャートである。図3の横軸は時間T[s]を示し、縦軸は上から順に、Eは電力変換装置6の出力電圧指令を示し、GはQ1ゲート信号(デッドタイム補償前)を示し、JはQ2ゲート信号(デッドタイム補償前)を示し、KはQ1ゲート電圧(デッドタイム補償前)を示し、MはQ1FB信号(デッドタイム補償前)を示し、Nは電力変換装置6出力電圧(デッドタイム補償前)を示し、RはQ1ゲート信号(デッドタイム補償後)を示し、Sは電力変換装置6出力電圧(デッドタイム補償後)を示す。
Figure 3 is a timing chart showing the operating waveform of a forward current in a power conversion device according to a comparative example, indicating turn-on. The horizontal axis of Figure 3 indicates time T [s], and the vertical axis indicates, from top to bottom, E indicates the output voltage command of the
なお、図3の諸元は、図4及び図5でも同様である。この比較例に係る電力変換装置は、図2の電力変換装置6をデッドタイム補償なしに制御動作させて、実施例1と比較するものである。したがって、以下では、比較例に係る電力変換装置6の構成要素も同一効果の部位には同一符号を付して説明する。図3に示す波形は、U相を構成しているスイッチング素子Q1,Q2の動作に着目するとともに、電動機5を流れる電流は、電力変換装置6から電動機5への向きを想定している。
The specifications in FIG. 3 are the same in FIG. 4 and FIG. 5. This power conversion device according to the comparative example is a power conversion device that controls the operation of the
時刻t1において、電力変換装置6の出力電圧指令がHighになる(図3E)。同時刻にスイッチング素子Q2のゲート信号にLowが入力される。その後、時刻t2において、スイッチング素子Q1のゲート信号にHigh(図3G)が入力される。図3に示す時刻t1と時刻t2の差分をデッドタイムと定義する。デッドタイム期間中は、スイッチング素子Q1,Q2ともにオフ状態であり、当該期間中の電力変換装置6の出力電圧は電動機5に流れる電流の向きに依存している。
At time t1, the output voltage command of the
電流が電力変換装置6から電動機5に流れている場合、デッドタイム期間中はスイッチング素子Q2に逆並列接続されたダイオードD2に流れるため、電力変換装置6の出力電圧はLow(図3N)になる。すなわち、電流が電力変換装置6から電動機5に流れている場合、スイッチング素子Q1がオン状態(図3K)となることで初めて電力変換装置6の出力電圧がHighになる(図3N)。
When current flows from the
時刻t2において、スイッチング素子Q1のゲート信号にHigh(図3G)が入力されても、スイッチング素子Q1やゲート駆動回路101は動作遅延があるため、素子Aの場合、時刻t3において電力変換装置6の出力電圧はHigh(図3N)になる。ここで、ゲート駆動回路101~106におけるFB信号(図3M)を出力するゲート電圧をスイッチング素子Q1のミラー電圧付近にすると、時刻t3においてゲート駆動回路101からスイッチング素子Q1のFB信号(図3M)が出力される。
Even if a High signal (Figure 3G) is input to the gate signal of switching element Q1 at time t2, there is an operational delay in switching element Q1 and
電力変換装置6の出力電圧指令(図3E)とデッドタイム補償前の電力変換装置6の出力電圧(図3N)を比較すると、時刻t1~t3の間は出力電圧指令値(図3E)と出力電圧(図3N)に乖離が生じる。この乖離は、電力変換装置6の出力電圧誤差となり電力変換装置6の制御性能を低下させる要因となる。
When comparing the output voltage command of the power conversion device 6 (Figure 3E) with the output voltage of the
そこで、スイッチング素子Q1,Q2のゲート信号を素子Aの時刻t3と時刻t1の差分だけ前倒し(向かって左方向にシフト)することで、スイッチング素子Q1のゲート信号は、デッドタイム補償後のQ1のゲート信号(図3R)となる。このデッドタイム補償により電力変換装置6の出力電圧(図3S)は、時刻t1にてHighとなり、電力変換装置6の出力電圧指令(図3E)と一致するため電圧誤差を排除できる。 Therefore, by advancing (shifting to the left) the gate signals of switching elements Q1 and Q2 by the difference between time t3 and time t1 of element A, the gate signal of switching element Q1 becomes the gate signal of Q1 after dead time compensation (Figure 3R). This dead time compensation causes the output voltage of power conversion device 6 (Figure 3S) to go high at time t1, matching the output voltage command of power conversion device 6 (Figure 3E), eliminating the voltage error.
ここで、基準デッドタイム補償テーブル113は、素子Aの特性をベースに設計されているとする。一般的に、スイッチング素子は、その電気的動作特性にバラツキがあるため、機能に影響度の大きいスイッチング特性にも、バラツキを有する。例えば、電力変換装置6の出力電圧指令(図3E)と、スイッチング素子Q1のゲート信号がHighになる時刻(図3K)について、素子Aと変わらない素子Bがあるとする。 Here, it is assumed that the reference dead time compensation table 113 is designed based on the characteristics of element A. In general, switching elements have variations in their electrical operating characteristics, and therefore also have variations in their switching characteristics, which have a large impact on functionality. For example, it is assumed that there is an element B that is the same as element A in terms of the output voltage command of the power conversion device 6 (Figure 3E) and the time when the gate signal of the switching element Q1 goes high (Figure 3K).
しかし、スイッチング素子の特性バラツキの影響により、素子Bは素子Aに対して遅延時間が長い場合、電力変換装置6の出力電圧(図3N)は時刻t3’でHighとなる。一方で、比較例に係る電力変換装置6におけるデッドタイム補償(図3R)は、全ての素子に対して一律に施されるため、素子Aの基準デッドタイム補償テーブル113を用いたデッドタイム補償は、時刻t3とt1の差分だけ施される(図3R)。
However, if the delay time of element B is longer than that of element A due to the effect of variation in the characteristics of the switching elements, the output voltage of the power conversion device 6 (FIG. 3N) becomes High at time t3'. On the other hand, the dead time compensation (FIG. 3R) in the
その結果、比較例における素子Bのデッドタイム補償後の出力電圧(図3S)は、電力変換装置6の出力電圧指令と一致せず、時刻t1と時刻t1’の時間だけ出力電圧に誤差が生じる。なお、素子Aと素子Bに対してそれぞれ個別の基準デッドタイム補償テーブル113を設けることも可能であるが、素子各々のスイッチング特性を測定する必要があるため非現実的である。
As a result, the output voltage after dead time compensation of element B in the comparative example (FIG. 3S) does not match the output voltage command of the
図4は、図2の電力変換装置6の電流が正方向におけるタイミングチャートである。なお、図4の諸元は、図3と同様である。素子Aにおけるタイミングチャートは、図3と同様のため省略する。以下、本発明の特徴的構成として新規採用したブロックである、基準FB信号遅延時間テーブル112、基準デッドタイム補償テーブル113、補正量演算部115、及び補正後デッドタイム補償テーブル116について説明する。
Figure 4 is a timing chart when the current of the
基準FB信号遅延時間テーブル112及び基準デッドタイム補償テーブル113は、素子Aの特性に基づいて設定されている。例えば、電動機5に流れる電流が正の500Aの場合、制御部100において、補正量演算部115は、基準FB信号遅延時間テーブル112を参照する。このとき、FB信号遅延時間である時刻t2からt3は、4μsで既知とし、デッドタイムである時刻t1からt2を10μsとすると、基準デッドタイム補償テーブル113を参照することで基準デッドタイム補償のt1からt3は、10+4=14μsであることを読みだす。
The reference FB signal delay time table 112 and the reference dead time compensation table 113 are set based on the characteristics of element A. For example, when the current flowing through the
素子Aの場合、時刻t1からt3の14μs(図4のE,G,J)をデッドタイム補償することで、電力変換装置6の出力電圧指令(図4E)と、出力電圧(図4S)と、両者の立ち上がりタイミングを一致させることにより、電圧誤差を排除できる。つまり、時刻t1からt2のデッドタイム10μsを安全確保のために設定されていたところ、このデッドタイムを限りなくゼロに近づけることにより、電圧制御の精度を高めることができる。
In the case of element A, by compensating for the 14 μs from time t1 to t3 (E, G, J in FIG. 4) as dead time, the output voltage command (FIG. 4E) of the
素子Bの場合、素子Aと同様にデッドタイムである時刻t1からt2は10μs(図4のE,G,J)である。ここで、素子BのFB信号遅延時間であるt2からt3’が6μs(図4のG,N)とする。基準FB信号遅延テーブル112は、素子Aの値を参照すると4μsである。 In the case of element B, like element A, the dead time from time t1 to t2 is 10 μs (E, G, J in FIG. 4). Here, the FB signal delay time from t2 to t3' of element B is 6 μs (G, N in FIG. 4). The reference FB signal delay table 112 is 4 μs when referring to the value of element A.
この基準FB信号遅延テーブル112と、素子BのFB信号遅延時間と、の差分である2μsを補正量演算部115にて演算する。この演算値である2μsと、基準デッドタイム補償テーブル113と、を用いて補正後デッドタイム補償テーブル116を作成する。具体的には、素子Aの基準デッドタイム補償テーブルから14μsを読み出し、その値に補正量演算値である2μsを加算した16μs(図4R)を補正後デッドタイム補償テーブル116とする。
The difference between this reference FB signal delay table 112 and the FB signal delay time of element B, 2 μs, is calculated by the correction
この16μsを用いて素子Bのデッドタイム補償をすることにより、電力変換装置6の出力電圧指令値(図4E)に出力電圧(図4S)が一致するので、電圧誤差を排除できる。このような実施例1に係る電力変換装置6の構成により、素子Aと素子Bのようにスイッチング素子の特性がばらついた場合でも、デッドタイム補償テーブルを補正することにより、電力変換装置6の出力電圧誤差を低減することができる。
By using this 16 μs to compensate for the dead time of element B, the output voltage (FIG. 4S) matches the output voltage command value (FIG. 4E) of the
図5は、図2の電力変換装置6の電流が負方向におけるタイミングチャートである。なお、図5の諸元は、図3及び図4と同様である。時刻t1において電力変換装置6の出力電圧指令がLow(図5E)になる。同時刻にスイッチング素子Q1のゲート信号にLow(図5G)が入力される。その後、時刻t2においてスイッチング素子Q2のゲート信号にHigh(図5J)が入力される。この、時刻t1と時刻t2の差分(図5G,J)をデッドタイムと定義する。
Figure 5 is a timing chart when the current in the
デッドタイム期間中はスイッチング素子Q1,Q2ともにオフ状態であり、当該期間中の電力変換装置6の出力電圧は電動機5に流れる電流の向きに依存している。電流が電動機5から電力変換装置6に流れている場合、デッドタイム期間中はスイッチング素子Q1に逆並列接続されたダイオードD1に流れるため、電力変換装置6の出力電圧はHigh(図5N)になる。すなわち、電流が電力変換装置6から電動機5に流れている場合、スイッチング素子Q2がオン状態(図5のK,M)となることで初めて電力変換装置6の出力電圧がLow(図5N)になる。
During the dead time, both switching elements Q1 and Q2 are in the off state, and the output voltage of the
デッドタイム期間中及びスイッチング素子Q2の動作遅延時間中は電力変換装置6の出力電圧がHigh(図5N)となり、出力電圧指令(図5E)と異なるため電圧誤差となる。そこで、図4を用いた説明と同様に、素子Aの場合は基準デッドタイム補償テーブル113を参照することで、スイッチング素子Q2のゲート信号を時刻t1~t3だけ前倒し(図5のJからRに示すように向かって左方向にシフト)することで、電力変換装置6の出力電圧指令(図5E)と出力電圧(図5S)が一致し電圧誤差を低減できる。
During the dead time and during the operation delay time of switching element Q2, the output voltage of
また、素子Bに対しては、図4での説明と同様に、FB信号遅延時間の演算値と基準FB信号遅延時間テーブル112を用いてデッドタイム補償の補正量を演算し、補正後デッドタイム補償テーブル116を用いることで、スイッチング素子Aに対するBの特性バラツキによる電圧誤差を低減することができる。 For element B, as explained in FIG. 4, the correction amount of dead time compensation is calculated using the calculated value of the FB signal delay time and the reference FB signal delay time table 112, and the corrected dead time compensation table 116 is used to reduce the voltage error due to the characteristic variation of switching element B relative to element A.
図6は、本発明の実施例2に係る電力変換装置16として例示するAC/DC双方向電力変換装置の回路図である。図6に示す電力変換装置16は、半導体素子Q1~Q4を高度に制御することにより、AC/DC双方向に電力変換可能である。 Figure 6 is a circuit diagram of an AC/DC bidirectional power conversion device exemplified as a power conversion device 16 according to a second embodiment of the present invention. The power conversion device 16 shown in Figure 6 is capable of bidirectional AC/DC power conversion by highly precisely controlling the semiconductor elements Q1 to Q4.
本発明の実施形態に係る電力変換装置(以下、「本装置」ともいう)6は、つぎのように総括できる。なお、本装置6における制御部100を始めとする制御機能は、プログラム、テーブル及び各種データを記憶するメモリと、CPU(演算処理部)と、を有するコンピュータで構成することが可能であるが、そのコンピュータに代えたハードウエアでも構成しても良い。
The
[1]本装置6は、直流電源110に対して直列接続された少なくとも2つの半導体素子Q1,Q2の一方のオン終了時t1と、他方のオン開始時t3と、のタイミング差を調整可能にした制御部100を備えて構成される。制御部100は、PWMパルス生成部と、FB信号出力部と、FB遅延時間演算部111と、基準FB信号遅延時間テーブル112と、を有する。
[1] This
PWMパルス生成部は、半導体素子Q1,Q2のゲート信号を生成する。FB信号出力部は、半導体素子Q1,Q2のゲート電圧が予め定められた値を超えるとFB信号を出力する。FB遅延時間演算部111は、PWMパルス生成部の出力変化タイミングに対応するFB信号出力部の出力変化タイミングの遅延時間を演算する。基準FB信号遅延時間テーブル112は、ゲート信号を入力してからFB信号を出力するまでの遅延時間に関し、基準とする半導体素子(例えばQ1)の特性に基づく基準時間を規定する。
The PWM pulse generating unit generates gate signals for the semiconductor elements Q1 and Q2. The FB signal output unit outputs an FB signal when the gate voltages of the semiconductor elements Q1 and Q2 exceed a predetermined value. The FB delay
本装置6において、制御部100は、基準FB信号遅延時間テーブル112に基づいて、実際の出力電圧(図3~図5のN,S)の変化タイミングを出力電圧指令Eの変化タイミングに近づけるようにFB遅延時間演算部111の演算出力に基づいて、ゲート信号の出力変化(立ち上がり)タイミングを早める時間を加減するように調整する演算部を有する。本装置6は、半導体素子それぞれの特性により実測されたFB遅延時間の違いに応じて、ゲート信号を変化させる時期(ゲート信号の出力変化タイミング)を調整する。その結果、本装置6によれば、半導体素子の特性にバラツキがある場合でも、電圧誤差を低減できる。
In the
[2]上記[1]の演算部として、FB遅延時間演算部111から出力された遅延時間と、基準FB信号遅延時間テーブル112と、の差分に基づいて補正量を演算する補正量演算部115をさらに備えると良い。基準FB信号遅延時間テーブル112は、上述した基準とする半導体素子(例えばQ1)の特性に基づく基準時間を規定しており、その基準に対して補正量演算部115が、実測されたFB遅延時間の違い反映させることにより、バラツキがある半導体素子の特性を個別に考慮して、電圧誤差を低減できる。
[2] The calculation unit of [1] above may further include a correction
[3]上記[2]において、補正量演算部115は、基準時間より実測値の方が長い場合、ゲート信号を変化させる時期を早める(前倒し)時間を長くするように調整する。具体的には、基準とする素子Aの特性に基づく基準時間から14μsをテーブルから読み出して、その値に補正量演算値である2μsを加算して長くした16μs(図4R)を早める時間としてゲート信号を補正する。この16μsを用いて素子Bのデッドタイム補償をすることにより、電力変換装置6の出力電圧指令値(図4E)に出力電圧(図4S)が一致するので、電力変換装置6の出力電圧誤差を低減することができる。
[3] In the above [2], if the actual measured value is longer than the reference time, the correction
[4]上記[3]において、直列接続された2つの半導体素子が同時にオフ状態となるデッドタイムのタイミングを生成するデッドタイム生成部を備えると良い。このような本装置6は、ブリッジ回路(スイッチング素子Q1~Q6ほか)と、ゲート信号生成部(制御部100及びゲート駆動回路101~106)と、デッドタイム挿入部(制御部100)と、電流センサ119と、可変デッドタイム生成部(制御部100)と、を備えて構成される。これにより、デッドタイムを設け、上下アームの半導体素子が同時にオン状態になる事故を確実に防止できる。このように、デッドタイム生成及びそれを補償する機能も本装置6により実現できる。なお、デッドタイムを特段設けなくても、本装置6の効果が得られることは、上記[1]に例示したとおりである。
[4] In the above [3], it is preferable to provide a dead time generation unit that generates the timing of the dead time when the two semiconductor elements connected in series are simultaneously turned off. Such a
[5]上記[1]において、基準FB信号遅延時間テーブル112は、電圧、電流、又は温度に対する依存性を有してデータ構成されている。半導体素子は、主端子やゲート信号の電圧及び電流に応じた動作特性に、温度特性も交えた既知のデータが、基準FB信号遅延時間テーブル112にデータ構成されている。このような本装置6によれば、再現性を保証されたテーブルのデータを利用することで、精密な制御を実現できる。
[5] In the above [1], the reference FB signal delay time table 112 is configured with data having dependency on voltage, current, or temperature. For semiconductor elements, known data including temperature characteristics in addition to operating characteristics according to the voltage and current of the main terminals and gate signals is configured in the reference FB signal delay time table 112. With this
[6]上記[1]において、半導体素子のうち少なくとも1つは、シリコン又はシリコンより大きいバンドギャップを有する半導体材料(Sic、GaN)を母材とする。これらのワイドバンドギャップ半導体は、Siに比べて発生損失を低減できるため、電力変換装置6を小型化できる。
[6] In the above [1], at least one of the semiconductor elements has a base material of silicon or a semiconductor material (SiC, GaN) having a band gap larger than that of silicon. These wide band gap semiconductors can reduce the generated loss compared to Si, so the
[7]上記[1]において、半導体素子のうち少なくとも1つは、MOSFET、IGBT又はマルチゲートIGBTの電圧駆動型素子である。特に、マルチゲートIGBTは、さらなる高効率化を実現できる。なお、スイッチング素子Q1~Q6がMOSFETで、ボディダイオードを有する場合、各スイッチング素子Q1~Q6と逆並列にダイオードを接続せず、MOSFETのボディダイオードを利用すれば良く、部品点数の節約にもなる。 [7] In the above [1], at least one of the semiconductor elements is a voltage-driven element such as a MOSFET, an IGBT, or a multi-gate IGBT. In particular, a multi-gate IGBT can achieve even higher efficiency. If the switching elements Q1 to Q6 are MOSFETs and have body diodes, it is possible to use the body diodes of the MOSFETs without connecting diodes in anti-parallel to each of the switching elements Q1 to Q6, which also reduces the number of parts.
[8]上記[1]~[7]の何れかに記載の電力変換装置(本装置)6は、鉄道車両に好適である。すなわち、鉄道車両は、架線1の電圧が直流600V~3000V、もしくは交流20kV、25kV等であり、しかも約500Aに及ぶ大電流のオンオフを所望の周波数で繰り返すという利用形態であるため、本装置6が好適である。
[8] The power conversion device (this device) 6 described in any one of [1] to [7] above is suitable for railway vehicles. In other words, this
1 架線、2 レール、3 車輪、4 台車、5 電動機、6 電力変換装置、7 集電装置、8 車両、10 遮断器、12,14 接触器、13 抵抗器、15 フィルタリアクトル、Q1~Q6 スイッチング素子、D1~D6 ダイオード、110 フィルタキャパシタ、100 制御部、101~106 ゲート駆動回路、111 FB信号遅延時間演算部、112 基準FB信号遅延時間テーブル、113 基準デッドタイム補償テーブル、114 基準PWM信号生成部、115 補正量演算部、116 補正後デッドタイム補償テーブル、117 仮デッドタイム付与部、118 デッドタイム補償部、119a~119c(まとめて119) 電流センサ
REFERENCE SIGNS
Claims (15)
前記制御部は、
前記半導体素子のゲート信号を生成するPWMパルス生成部と、
前記半導体素子のゲート電圧が予め定められた値を超えるとFB信号を出力するFB信号出力部と、
前記PWMパルス生成部の出力変化タイミングに対応する前記FB信号出力部の出力変化タイミングの遅延時間を演算するFB遅延時間演算部と、
前記ゲート信号を入力してから前記FB信号を出力するまでの遅延時間に関し、基準とする前記半導体素子の特性に基づく基準時間を規定した基準FB信号遅延時間テーブルと、
前記FB遅延時間演算部により演算された遅延時間と、前記基準FB信号遅延時間テーブルと、に基づいてデッドタイム補償の補正量を演算する補正量演算部と、
基準となる素子のデッドタイム補償のテーブルが格納されている基準デッドタイム補償テーブルと、
前記基準デッドタイム補償テーブルと、前記補正量演算部により演算されたデッドタイム補償の補正量と、を用いて前記基準デッドタイム補償テーブルの補正を行う補正後デッドタイム補償テーブルと、
前記補正後デッドタイム補償テーブルが出力する補正後のデッドタイム補償テーブルに基づき、前記PWMパルス生成部により生成された前記ゲート信号を変化させる時期を調整するデッドタイム補償部と、
を有し、
前記デッドタイム補償部は、前記ゲート信号を変化させる時期を調整することで、デッドタイムをなくすようにする、
電力変換装置。 A power conversion device including a control unit capable of adjusting a timing difference between a time when one of at least two semiconductor elements connected in series to a DC power source ends turning on and a time when the other semiconductor element starts turning on,
The control unit is
A PWM pulse generating unit that generates a gate signal for the semiconductor element;
an FB signal output unit that outputs an FB signal when a gate voltage of the semiconductor element exceeds a predetermined value;
an FB delay time calculation unit that calculates a delay time of an output change timing of the FB signal output unit corresponding to an output change timing of the PWM pulse generation unit;
a reference FB signal delay time table that specifies a reference time based on the characteristics of the semiconductor element as a reference for the delay time from when the gate signal is input to when the FB signal is output;
a correction amount calculation unit that calculates a correction amount of dead time compensation based on the delay time calculated by the FB delay time calculation unit and the reference FB signal delay time table;
a reference dead time compensation table in which a table of dead time compensation for a reference element is stored;
a corrected dead time compensation table for correcting the reference dead time compensation table by using the reference dead time compensation table and the correction amount of the dead time compensation calculated by the correction amount calculation unit;
a dead time compensation unit that adjusts a timing for changing the gate signal generated by the PWM pulse generation unit based on the corrected dead time compensation table output from the corrected dead time compensation table ;
having
The dead time compensating unit adjusts a timing at which the gate signal is changed to eliminate the dead time.
Power conversion equipment.
請求項1に記載の電力変換装置。 The dead time compensation unit calculates a correction amount for adjusting the timing based on a difference between the delay time output from the FB delay time calculation unit and a reference FB signal delay time table.
The power conversion device according to claim 1 .
請求項2に記載の電力変換装置。 the dead time compensating unit adjusts the timing for changing the gate signal so as to be advanced for a longer period when an actual measurement value is longer than the reference time.
The power conversion device according to claim 2 .
請求項3に記載の電力変換装置。 a dead time generating unit that generates a timing of a dead time during which the two semiconductor elements connected in series are simultaneously turned off;
The power conversion device according to claim 3 .
請求項1に記載の電力変換装置。 The reference FB signal delay time table is configured to have a dependency on voltage, current, or temperature.
The power conversion device according to claim 1 .
請求項1に記載の電力変換装置。 At least one of the semiconductor elements is based on silicon or a semiconductor material having a band gap larger than silicon.
The power conversion device according to claim 1 .
請求項1に記載の電力変換装置。 At least one of the semiconductor elements is a voltage-driven element such as a MOSFET, an IGBT, or a multi-gate IGBT.
The power conversion device according to claim 1 .
前記半導体素子のゲート信号を生成し、
前記半導体素子のゲート電圧が予め定められた値を超えるとFB信号を出力し、
前記ゲート信号の変化タイミングに対応する前記FB信号の変化タイミングの遅延時間を演算し、
前記ゲート信号を入力してから前記FB信号を出力するまでの遅延時間に関し、基準とする前記半導体素子の特性に基づく基準時間を基準FB信号遅延時間テーブルに規定し、
演算された遅延時間と、前記基準FB信号遅延時間テーブルと、に基づいてデッドタイム補償の補正量を演算し、
基準となる素子のデッドタイム補償のテーブルが格納されている基準デッドタイム補償テーブルと、演算されたデッドタイム補償の補正量と、を用いて前記基準デッドタイム補償テーブルの補正を行い、補正後デッドタイム補償テーブルに規定し、
前記補正後デッドタイム補償テーブルが出力する補正後のデッドタイム補償テーブルに基づき、生成された前記ゲート信号を変化させる時期を調整し、
前記ゲート信号を変化させる時期を調整することで、デッドタイムをなくすようにする、
ゲート信号調整方法。 A gate signal adjustment method for adjusting a timing difference between a time when one of at least two semiconductor elements connected in series to a DC power source ends turning on and a time when the other of the semiconductor elements starts turning on, comprising the steps of:
generating a gate signal for the semiconductor device;
When the gate voltage of the semiconductor element exceeds a predetermined value, an FB signal is output.
Calculating a delay time of the change timing of the FB signal corresponding to the change timing of the gate signal;
A reference time based on a characteristic of the semiconductor element as a reference is defined in a reference FB signal delay time table with respect to a delay time from when the gate signal is input to when the FB signal is output;
Calculating a correction amount for dead time compensation based on the calculated delay time and the reference FB signal delay time table;
a reference dead time compensation table storing a table of dead time compensation for a reference element and the calculated correction amount of dead time compensation are used to correct the reference dead time compensation table, and the corrected dead time compensation table is defined;
adjusting a timing for changing the generated gate signal based on the corrected dead time compensation table output from the corrected dead time compensation table ;
By adjusting the timing at which the gate signal is changed, dead time is eliminated.
Gate signal adjustment method.
請求項9に記載のゲート信号調整方法。 Calculating a correction amount for adjusting the gate signal based on a difference between the calculated delay time and a reference FB signal delay time table.
The gate signal adjusting method according to claim 9 .
請求項10に記載のゲート信号調整方法。 the correction amount is adjusted so as to lengthen the time by which the timing of the gate signal change is advanced when an actual measurement value is longer than the reference time;
The gate signal adjusting method according to claim 10.
請求項9に記載のゲート信号調整方法。 generating a dead time timing during which the two semiconductor elements connected in series are simultaneously in an off state;
The gate signal adjusting method according to claim 9 .
請求項9に記載のゲート信号調整方法。 The reference FB signal delay time table is configured to have a dependency on voltage, current, or temperature.
The gate signal adjusting method according to claim 9 .
請求項9に記載のゲート信号調整方法。 At least one of the semiconductor elements is made of silicon or a semiconductor material having a band gap larger than that of silicon.
The gate signal adjusting method according to claim 9 .
請求項9に記載のゲート信号調整方法。 At least one of the semiconductor elements is a voltage-driven element such as a MOSFET, an IGBT, or a multi-gate IGBT.
The gate signal adjusting method according to claim 9 .
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