(57)【要約】【課題】電圧誤差を補償することでＰＷＭ化した後の電圧を正確に出力することのできる電力変換装置を提供する。【解決手段】電圧源１に直列接続された半導体スイッチングデバイス２および逆流阻止用ダイオード３と、半導体スイッチングデバイス２の出力端子に接続された負荷４と、半導体スイッチングデバイス２の入力端子に接続され、電圧指令Ｖｒに応じたオン時間でパルス幅変調するパルス幅変調手段とを備えた電力変換装置において、半導体スイッチングデバイス２とダイオード３の温度を検出する温度検出器６と、負荷４に流れる電流を検出する電流検出器７と、温度検出器６および電流検出器７によって検出された温度と電流値に応じた半導体スイッチングデバイス２およびダイオード３のオン電圧を得る手段とを設け、パルス幅変調手段に、前記オン時間を、前記オン電圧で補償する機能を備えた。【選択図】　　　　　図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電圧源に直列接続された半導体スイッチングデバイスおよび逆流阻止用ダイオードと、前記半導体スイッチングデバイスの出力端子に接続された負荷と、前記半導体スイッチングデバイスの入力端子に接続され、電圧指令に応じたオン時間でパルス幅変調するパルス幅変調手段とを備えた電力変換装置において、
前記半導体スイッチングデバイスとダイオードの温度を検出する温度検出器と、前記負荷に流れる電流を検出する電流検出器と、前記温度検出器および電流検出器によって検出された温度と電流値に応じた半導体スイッチングデバイスおよびダイオードのオン電圧を得る手段とを設け、前記パルス幅変調手段に、前記オン時間を、前記オン電圧で補償する機能を備えたことを特徴とする電力変換装置。
【請求項２】
前記パルス幅変調手段は、ＣＰＵを処理装置として含む、請求項１記載の電力変換装置。
【請求項３】
前記オン電圧を得る手段は、予め温度毎に規定された電流とオン電圧との関係を示す複数のテーブルである請求項２記載の電力変換装置。
【請求項４】
前記オン電圧を得る手段は、少なくとも２つの温度についての電流とオン電圧との関係を示すテーブルと、前記テーブルの電流とオン電圧とに基づいて任意の温度についての電流とオン電圧を補間によって求める手段とを有する請求項２記載の電力変換装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ＰＷＭ制御を有する半導体を用いた電力変換機に適用され、特に直流モータ、交流モータを制御するための電力変換装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
電力変換装置の従来の回路構成の例を図９に示す（例えば特許文献１参照）。
図９の回路では、電圧源１の正側に電力増幅用半導体スイッチングデバイスとしての（パワー）トランジスタ２のコレクタ側が接続され、そのエミッタ側に負荷４が接続されている。この負荷４と並列に、逆流阻止用ダイオード３が接続されている。トランジスタ２のベースには、ＣＰＵ（中央処理装置）５が接続されている。ＣＰＵ５は、電圧指令Ｖｒの大きさに応じたオン時間ｔｏｎのパルス幅を有するＰＷＭ（パルス幅変調）信号を生成する。
ここでＰＷＭ信号の周期をＴｃとし、電圧源１の電圧をＶｐｎ、電圧指令をＶｒ、トランジスタ２のオン電圧をＶｏｎとすれば、トランジスタ２のオン時間ｔｏｎは式（１）で与えられる。
ｔｏｎ＝Ｖｒ＊Ｔｃ／（Ｖｐｎ−Ｖｏｎ）　　　　　　　　　　　　式（１）
図１０にそのときのＰＷＭ信号波形を示す。
【０００３】
図１２は、電力変換器の他の例を示す。図１２の回路では、電圧源１の負側にトランジスタ２のエミッタ側が接続され、そのコレクタ側に負荷４が接続されている。この負荷４と並列にダイオード３が接続されている。ＣＰＵ５に対しては、電圧指令Ｖｒが与えられる。
この図１２の回路も、図９の回路と動作は同様であり、オン時間ｔｏｎもまた式（１）で与えられる。
【特許文献１】
特開２００２−１４２４６６号公報
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、これら従来の構成では、パワーデバイス（トランジスタおよびダイオード）のオン電圧Ｖｏｎを固定値にしているが、実際のオン電圧はパワーデバイスの温度と電流の大きさで変化するので、実際のＰＷＭ化した後の電圧が指令と一致しない。
図１１に、電流が流れている場合のＰＷＭ信号と、実際に負荷４にかかる電圧Ｖ１の変化を示す。ここでトランジスタ２のオン電圧をＶｔｒ、ダイオード３のオン電圧をＶｄとすれば、実際に負荷にかかる電圧Ｖ１は次式のようになる。
【０００５】
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式（２）をみると、第一項は電圧指令そのものであり、第２項が電圧誤差ΔＥとなる。
ΔＥ＝−｛Ｖｔｒ＊ｔｏｎ−Ｖｄ＊（Ｔｃ−ｔｏｎ）｝／Ｔｃ　　　　式（３）
このように、パワーデバイスを用いる場合、半導体であるトランジスタ、ダイオードのオン電圧Ｖｔｒ、Ｖｄが外乱となって、正確な電圧を出力することができず、電力変換装置として、電流誤差、トルク誤差が増大するという問題が生じている。このトランジスタ、ダイオードのオン電圧は、温度と電流によって大きく変化することが知られている。
そこで本発明は、この電圧誤差ΔＥを補償することでＰＷＭ化した後の電圧を正確に出力することのできる電力変換装置を提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
前記課題を解決するため、本発明の電力変換装置は、電圧源に直列接続された半導体スイッチングデバイスおよび逆流阻止用ダイオードと、前記半導体スイッチングデバイスの出力端子に接続された負荷と、前記半導体スイッチングデバイスの入力端子に接続され、電圧指令に応じたオン時間でパルス幅変調するパルス幅変調手段とを備えた電力変換装置において、前記半導体スイッチングデバイスとダイオードの温度を検出する温度検出器と、前記負荷に流れる電流を検出する電流検出器と、前記温度検出器および電流検出器によって検出された温度と電流値に応じた半導体スイッチングデバイスおよびダイオードのオン電圧を得る手段とを設け、前記パルス幅変調手段に、前記オン時間を、前記オン電圧で補償する機能を備えたものである。
【０００７】
本発明においては、半導体スイッチングデバイスおよびダイオードの温度と負荷電流を検出し、それに応じたオン電圧でオン時間を補償する。これにより、オン時間の外乱要因である電圧誤差ΔＥが補償され、ＰＷＭ化した後の電圧が電圧指令に正確に対応したものとなる。
前記パルス幅変調手段は、ＣＰＵを処理装置として含むものとすることにより、ソフトウエアによるＰＷＭ信号処理および補償処理を容易に行うことができる。
また、前記オン電圧を得る手段は、予め温度毎に規定された電流とオン電圧との関係を示す複数のテーブルとすることで、ＣＰＵによる演算処理を高速で行うことができる。
さらに、前記オン電圧を得る手段は、少なくとも２つの温度についての電流とオン電圧との関係を示すテーブルと、前記テーブルの電流とオン電圧とに基づいて任意の温度についての電流とオン電圧を補間によって求める手段とを有する構成とすることで、最小のテーブルを準備するだけで済む。
【０００８】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態を、図面を参照して説明する。
図１は本発明の第１実施形態を示すもので、図９に示した従来の回路構成に、トランジスタ２およびダイオード３の温度θを検出する温度検出器６と、負荷電流Ｉ１を検出する電流検出器７を付加したものである。温度検出器６で検出された温度θと、電流検出器７で検出された負荷電流Ｉ１は、ＣＰＵ５の外部または内部でＡ／Ｄ変換され、ディジタル信号としてＣＰＵ５の内部に取り込まれる。
ＣＰＵ５の内部または外部には、図３のような電流値Ｉ１とトランジスタおよびダイオードのオン電圧の値Ｖｔｒ、Ｖｄを、例えばテーブルとして持っている。
このテーブルは温度θによりいくつかのパターンを持っている。
ＣＰＵ５の内部では、前記検出された電流Ｉ１、温度θにより選択されたトランジスタおよびダイオードのオン電圧の値Ｖｔｒ、Ｖｄと電圧指令値ＶｒからＰＷＭのパワー素子のオン電圧Ｖｏｎを決定する。
【０００９】
このオン電圧を求める方法は、温度毎に多数のテーブルを持つほかに、例えば図４のように温度が２０度と１５０度のテーブルを持ち、それにより図４のように直線補間等の補間により求める方法もある。直線補間の場合、検出された電流Ｉ１の２０℃におけるトランジスタのオン電圧Ｖｔｒ２０と１５０℃におけるオン電圧Ｖｔｒ１５０をテーブルから求めると、次の式により任意の温度θ℃におけるオン電圧Ｖｔｒ（θ）を演算により求めることができる。
Ｖｔｒ（θ）＝Ｖｔｒ２０＋｛（Ｖｔｒ１５０−Ｖｔｒ２０）／１３０｝＊（θ−２０）
式（４）
ダイオードのオン電圧も、同様にして直線補間により求めることができる。
なお、基準となるテーブルが３つ以上あるときは、直線補間の代わりに、２次曲線、３次曲線を用いた曲線補間を行って、よりきめ細かな補間を行うこともできる。
【００１０】
なお、本発明では電流Ｉ１と温度θを使ってオン電圧Ｖｏｎを求めることを特徴としており、その求め方については、電圧精度やＣＰＵの処理能力等により、適宜任意の方法で実施することが可能であり、本発明では実施の形態に述べた方法に限定されない。
前記の方法により、オン電圧Ｖｏｎがわかれば、例えば式（２）を変形し次式のような式でＰＷＭ信号のオン時間を決定する。この式では電圧指令値Ｖｒと実電圧Ｖ１が一致しているものとして、式（２）のＶ１をＶｒとして表している。
ｔｏｎ＝（Ｖｒ＋Ｖｄ）＊Ｔｃ／（Ｖｐｎ−Ｖｔｒ＋Ｖｄ）　　　　式（５）
このようにすることでパワーデバイスのオン電圧による電圧外乱を補償し正しい出力電圧Ｖ１が得られるようになる。
【００１１】
図２は、本発明の第２実施形態を示すもので、図１２に示した従来の回路構成に、トランジスタ２およびダイオード３の温度θを検出する温度検出器６と、負荷電流Ｉ１を検出する電流検出器７を付加したものである。回路構成は図１に示した第１実施形態とは異なるが、動作的には図１と同様な動作となる。そこで式（５）を使うことで図１と同様に正しい出力電圧Ｖ１が得られるようになる。
【００１２】
次に、図１または図２に示したＣＰＵ５における処理を、図７のフローに従って説明する。
ステップＦ１
ＰＷＭ信号の立ち上がりで割込み処理を起動させる。
ステップＦ２
割込みの最初にパワーデバイス（トランジスタおよびダイオード）の温度θと負荷電流Ｉ１を読み込む。
ステップＦ３
パワーデバイスの温度と電流によりパワーデバイスのオン電圧Ｖｔｒ、Ｖｄを計算する。
ステップＦ４
電圧指令値Ｖｒを読み込む。
ステップＦ５
電圧指令値Ｖｒとオン電圧Ｖｏｎにより式（５）を用いてＰＷＭ信号のオン電圧となる時間ｔｏｎを決定する。
ステップＦ６
ＰＷＭ信号をセットする。
このセットされた信号は、図８のように次周期のＰＷＭ信号において出力される。
なお、上記の実施形態においては、半導体スイッチングデバイスとして、パワートランジスタを用いた例を示したが、ＩＧＢＴ（Ｉｎｓｕｌａｔｅｄ　Ｇａｔｅ　Ｂｉｐｏｌａｒ　Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）等、他のスイッチング素子を用いることができる。
【００１３】
【実施例】
図５は、本発明を直流モータ８の駆動回路に適用した例を示すものである。
この場合には、図１と図２の回路をそれぞれ２回路、電圧源１の正側、負側にそれぞれ組み合わせ、直流モータ８の巻線端子を各回路の接続点に負荷として接続することで適用することができる。図中Ｐ１，Ｐ２は正側パワーデバイス、Ｎ１，Ｎ２は負側パワーデバイス、２Ａ〜２Ｄはトランジスタ、３Ａ〜３Ｄはダイオードである。
例えば、図５のトランジスタ２Ｃがオフで２Ｄがオンの状態を考えると、図１と同等な状態となり、図１の回路について説明した動作と同様な理論により電圧指令を発生することができる。
またトランジスタ２Ｂがオンで２Ａをオフにすると、図２の回路について説明した動作が適用できる。
【００１４】
図６は、本発明を３相の交流モータ９の駆動回路に適用した例を示すものである。この場合には、図１と図２の回路をそれぞれ３回路、電圧源１の正側、負側にそれぞれ組み合わせ、各回路の接合点に交流モータ９の巻線端子を負荷として接続することで適用することができる。図中Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３は正側パワーデバイス、Ｎ１，Ｎ２，Ｎ３は負側パワーデバイス、２Ａ〜２Ｆはトランジスタ、３Ａ〜３Ｆはダイオードである。３相の交流モータの場合は、電流検出器７Ａ，７Ｂを設けて２相の電流ＩＡとＩＢを検出し、残りの１相分は３相平衡の法則より演算により求めることができる。
以上のように本発明は、直流モータドライブや交流モータドライブ、あるいは単相一方向給電システムにも適用することができる。
【００１５】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、半導体スイッチングデバイスとダイオードの温度を検出する温度検出器と、負荷に流れる電流を検出する電流検出器と、温度検出器および電流検出器によって検出された温度と電流値に応じた半導体スイッチングデバイスおよびダイオードのオン電圧を得る手段とを設け、前記パルス幅変調手段に、前記オン時間を、前記オン電圧で補償する機能を備えたことにより、スイッチングデバイスとダイオードの温度、負荷電流により発生する電圧誤差ΔＥが補償され、ＰＷＭ化した後の電圧を正確に出力する電力変換装置を実現できる。
パルス幅変調手段は、ＣＰＵを処理装置として含むものとすることにより、ソフトウエアによるＰＷＭ信号処理および補償処理を容易に行うことができる。
また、オン電圧を得る手段を、予め温度毎に規定された電流とオン電圧との関係を示す複数のテーブルとすることで、ＣＰＵによる演算処理を高速で行うことができる。
さらに、オン電圧を得る手段を、少なくとも２つの温度についての電流とオン電圧との関係を示すテーブルと、前記テーブルの電流とオン電圧とに基づいて任意の温度についての電流とオン電圧を補間によって求める手段とを有する構成とすることで、最小のテーブルを準備するだけで済む。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施形態を示す回路図である。
【図２】本発明の第２実施形態を示す回路図である。
【図３】本発明のオン電圧を決定する温度と電流のテーブルを示す説明図である。
【図４】本発明のオン電圧を決定する他の手法を示す説明図である。
【図５】本発明の直流モータでの実施例を示す回路図である。
【図６】本発明の交流モータでの実施例を示す回路図である。
【図７】本発明の処理のフローチャートである。
【図８】本発明のＣＰＵのソフト処理とＰＷＭ波形の関係を示す説明図である。
【図９】従来例を示す回路図である。
【図１０】従来におけるＰＷＭ信号の例を示すタイムチャートである。
【図１１】従来におけるＰＷＭ信号と出力電圧、電流のタイムチャートである。
【図１２】従来例の別の形態を示す回路図である。
【符号の説明】
１　電圧源
２，２Ａ〜２Ｆ　トランジスタ（半導体スイッチングデバイス）
３，３Ａ〜３Ｆ　ダイオード
４　負荷
５　ＣＰＵ
６　温度検出器
７　電流検出器
８　直流モータ
９　交流モータ
Ｐ１，Ｐ２　正側パワーデバイス
Ｎ１，Ｎ２　負側パワーデバイス
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
2004135457.tif 000013
【図１１】
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【図１２】
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