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JP2006158001A - Inverter device - Google Patents

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JP2006158001A
JP2006158001A JP2004340508A JP2004340508A JP2006158001A JP 2006158001 A JP2006158001 A JP 2006158001A JP 2004340508 A JP2004340508 A JP 2004340508A JP 2004340508 A JP2004340508 A JP 2004340508A JP 2006158001 A JP2006158001 A JP 2006158001A
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switching element
arm switching
upper arm
lower arm
control
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Withdrawn
Application number
JP2004340508A
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Inventor
Hiroshi Kono
寛 河野
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Toyota Industries Corp
Original Assignee
Toyota Industries Corp
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Publication date
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide an inverter device where loss is small and distortion of an output current or output voltage is small. <P>SOLUTION: An inverter circuit 10 is equipped with a bridge circuit 11 composed of an upper arm switch Q1 and a lower arm switch Q2 and a bridge circuit 12 composed of an upper arm switch Q3 and a lower arm switch Q4. The upper arm switches Q1 and Q3 are switch elements capable of high-frequency switching, and the lower arm switches Q2 and Q4 are switching elements low in ON voltage. For the first half of each cycle of AC output, it is PWM-controlled with the bridge circuit 11, and the polarity of the output is set with the bridge circuit 12, and for the second half of each cycle of AC output, it is PWM-controlled with the bridge circuit 12, and also the polarity of the output is set with the bridge circuit 11. <P>COPYRIGHT: (C)2006,JPO&NCIPI

Description

本発明は、直流電力を交流電力に変換して出力するインバータ装置に係わる。   The present invention relates to an inverter device that converts DC power into AC power and outputs the power.

図5は、一般的なインバータ装置の構成図である。図5において、インバータ回路100は、入力電源110からの直流電力を所定の周波数の交流電力に変換して負荷130に供給する。ここで、入力電源110とインバータ回路100との間には、入力コンデンサC1が設けられている。また、インバータ回路100と負荷130との間には、コイルL1および出力コンデンサC2を含むフィルタ120が設けられている。   FIG. 5 is a configuration diagram of a general inverter device. In FIG. 5, the inverter circuit 100 converts DC power from the input power supply 110 into AC power having a predetermined frequency and supplies the AC power to the load 130. Here, an input capacitor C <b> 1 is provided between the input power supply 110 and the inverter circuit 100. A filter 120 including a coil L1 and an output capacitor C2 is provided between the inverter circuit 100 and the load 130.

インバータ回路100は、互いに直列に接続された上アームスイッチQ1および下アームスイッチQ2から構成される第1のブリッジ回路、および互いに直列に接続された上アームスイッチQ3および下アームスイッチQ4から構成される第2のブリッジ回路を備える。そして、不図示の制御回路がスイッチQ1〜Q4を制御することにより、所定周波数の交流電力が生成される。なお、スイッチQ1〜Q4は、それぞれトランジスタ等のスイッチング素子である。   Inverter circuit 100 includes a first bridge circuit including upper arm switch Q1 and lower arm switch Q2 connected in series with each other, and an upper arm switch Q3 and lower arm switch Q4 connected in series with each other. A second bridge circuit is provided. Then, an unillustrated control circuit controls the switches Q1 to Q4, thereby generating AC power having a predetermined frequency. Each of the switches Q1 to Q4 is a switching element such as a transistor.

上記構成のインバータ装置における損失を低減する技術の1つが、特許文献1に記載されている。特許文献1に記載のインバータ装置においては、図6に示すように、スイッチQ1、Q2に対して高周波スイッチング(例えば、数kHz〜数10kHz)を行い、出力電圧の振幅が制御される。一方、スイッチQ3、Q4に対しては、出力電圧の極性を切り替えるためのスイッチング(例えば、50/60Hz)が行われる。この構成を導入することにより、スイッチQ3、Q4のスイッチング回数が大幅に少なくなるので、スイッチング損失が小さくなる。すなわち、インバータ装置における損失の低減が図れる。
特開2000−152661号公報(図3、明細書の段落0039〜0042)
One technique for reducing the loss in the inverter device configured as described above is described in Patent Document 1. In the inverter device described in Patent Document 1, as shown in FIG. 6, high-frequency switching (for example, several kHz to several tens kHz) is performed on the switches Q1 and Q2, and the amplitude of the output voltage is controlled. On the other hand, switching (for example, 50/60 Hz) for switching the polarity of the output voltage is performed for the switches Q3 and Q4. By introducing this configuration, the number of times of switching of the switches Q3 and Q4 is significantly reduced, so that the switching loss is reduced. That is, the loss in the inverter device can be reduced.
Japanese Unexamined Patent Publication No. 2000-152661 (FIG. 3, paragraphs 0039 to 0042 of the specification)

特許文献1に記載のインバータ装置においては、低い周波数で駆動されるスイッチQ3、Q4としてオン電圧の低いスイッチング素子が使用されている。これにより、インバータ回路100の損失がさらに小さくなる。   In the inverter device described in Patent Document 1, switching elements having a low on-voltage are used as the switches Q3 and Q4 driven at a low frequency. Thereby, the loss of the inverter circuit 100 is further reduced.

ところで一般に、上記構成のインバータ装置においては、互いに接続された上アームスイッチおよび下アームスイッチを貫通するように流れる電流を回避するために、スイッチング時に両スイッチを同時にオフ状態にするための休止期間(デッドタイム)が設定されている。ところが、特許文献1に記載の構成では、スイッチQ3、Q4としてオン電圧の低いスイッチング素子が使用されている。ここで、同じ定格電圧・定格電流の素子を比較した場合、オン電圧の低いスイッチング素子は、一般に、スイッチング速度が遅い。このため、スイッチQ3、Q4については、休止期間を大きく設定する必要がある。この結果、インバータ装置の出力電圧の極性が切り替わるタイミングの近傍(即ち、出力のゼロクロス点近傍)で奇数次の高調波が大きくなり、出力電圧の歪が悪化してしまう。   In general, in the inverter device having the above-described configuration, in order to avoid a current flowing so as to pass through the upper arm switch and the lower arm switch connected to each other, an inactive period for simultaneously turning off both switches during switching ( Dead time) is set. However, in the configuration described in Patent Document 1, switching elements having a low on-voltage are used as the switches Q3 and Q4. Here, when comparing elements having the same rated voltage and rated current, a switching element having a low on-voltage generally has a low switching speed. For this reason, it is necessary to set a large pause period for the switches Q3 and Q4. As a result, odd-order harmonics increase near the timing at which the polarity of the output voltage of the inverter device switches (that is, near the output zero-cross point), and distortion of the output voltage worsens.

本発明の目的は、損失が少なく、且つ出力電流又は出力電圧の歪の小さいインバータ装置を提供することである。   An object of the present invention is to provide an inverter device with low loss and low distortion of output current or output voltage.

本発明のインバータ装置は、所定周期の交流を生成する装置であって、第1の上アームスイッチング素子および第1の下アームスイッチング素子から構成される第1のブリッジ回路および第2の上アームスイッチング素子および第2の下アームスイッチング素子から構成される第2のブリッジ回路を備えるインバータ回路と、上記各スイッチング素子を制御する制御手段、を備える。そして、上記第1および第2の下アームスイッチング素子のオン電圧は、それぞれ上記第1および第2の上アームスイッチング素子のオン電圧よりも低い。さらに、上記制御手段は、上記周期ごとに、上記第1の上アームスイッチング素子および上記第1の下アームスイッチング素子を交互にオン状態にする高周波スイッチングを行うと共に上記第2の上アームスイッチング素子および上記第2の下アームスイッチング素子を互いに異なる状態に保持する第1の制御、上記第1の上アームスイッチング素子および上記第1の下アームスイッチング素子を互いに異なる状態に保持すると共に上記第2の上アームスイッチング素子および上記第2の下アームスイッチング素子を交互にオン状態にする高周波スイッチングを行う第2の制御を実行する。   The inverter device of the present invention is a device that generates alternating current of a predetermined cycle, and includes a first bridge circuit and a second upper arm switching composed of a first upper arm switching element and a first lower arm switching element. An inverter circuit including a second bridge circuit composed of an element and a second lower arm switching element, and a control means for controlling each of the switching elements. The on-voltages of the first and second lower arm switching elements are lower than the on-voltages of the first and second upper arm switching elements, respectively. Further, the control means performs high-frequency switching for alternately turning on the first upper arm switching element and the first lower arm switching element for each cycle, and the second upper arm switching element and A first control for holding the second lower arm switching element in a different state; holding the first upper arm switching element and the first lower arm switching element in a different state; Second control is performed to perform high-frequency switching that alternately turns on the arm switching element and the second lower arm switching element.

上記インバータ装置において、スイッチング素子のオン電圧とスイッチング速度とはトレードオフの関係にある。すなわち、第1および第2の下アームスイッチング素子のオン電圧は低く、一方、第1および第2の上アームスイッチング素子のスイッチング速度は速い。この結果、第1および第2のブリッジ回路は、いずれも、スイッチング速度の速い素子とオン電圧の低い素子との組合せから構成されることとなり、オン電圧の低い素子の組合せから構成されるブリッジ回路と比較して、休止時間(デッドタイム)を小さく出来る。また、第1および第2の制御では、いずれも、4個のスイッチング素子のいちの2個が実質的にスイッチングされない状態となるので、スイッチング損失が抑えられる。   In the inverter device, the on-voltage of the switching element and the switching speed are in a trade-off relationship. That is, the ON voltage of the first and second lower arm switching elements is low, while the switching speed of the first and second upper arm switching elements is fast. As a result, each of the first and second bridge circuits is composed of a combination of an element having a high switching speed and an element having a low on-voltage, and a bridge circuit composed of a combination of elements having a low on-voltage. Compared with, the downtime (dead time) can be reduced. In both the first and second controls, two of the four switching elements are not substantially switched, so that switching loss is suppressed.

なお、上記インバータ装置において、上記第1および第2の下アームスイッチング素子と、上記第1および第2の上アームスイッチング素子のオン電圧とスイッチング速度の関係を逆にしても、同様の作用により同様の効果が得られる。   In the above inverter device, the same effect is obtained even if the relationship between the on-voltage and the switching speed of the first and second lower arm switching elements and the first and second upper arm switching elements is reversed. The effect is obtained.

また、上記インバータ装置において、上記制御手段は、負荷に供給すべき電流と上記インバータ回路の出力電流との誤差に基づいて、上記高周波スイッチングのためのPWM制御信号を生成するようにしてもよい。これにより、本発明を電流制御型のインバータ装置に適用できる。   In the inverter apparatus, the control means may generate a PWM control signal for the high-frequency switching based on an error between a current to be supplied to a load and an output current of the inverter circuit. Thus, the present invention can be applied to a current control type inverter device.

あるいは、上記インバータ装置において、上記制御手段は、負荷に印加すべき電圧と上記インバータ回路の出力電圧との誤差に基づいて、上記高周波スイッチングのためのPWM制御信号を生成するようにしてもよい。これにより、本発明を電圧制御型のインバータ装置に適用できる。   Alternatively, in the inverter device, the control means may generate a PWM control signal for the high-frequency switching based on an error between a voltage to be applied to a load and an output voltage of the inverter circuit. Thus, the present invention can be applied to a voltage control type inverter device.

さらに、上記インバータ装置において、上記第1および第2の制御の実行時間をそれぞれ上記所定周期の2分の1とし、上記制御手段は、上記第1の制御で負荷に流れる電流または電圧の向きと上記第2の制御で負荷に流れる電流または電圧の向きとが逆になるように、上記第1の制御において上記第2の上アームスイッチング素子および上記第2の下アームスイッチング素子を制御し、上記第2の制御において上記第1の上アームスイッチング素子および上記第1の下アームスイッチング素子を制御するようにしてもよい。この発明は、所定周期の交流電力を生成するための具体的な構成を提示するものである。   Further, in the inverter device, each of the execution times of the first and second controls is set to a half of the predetermined period, and the control means determines the direction of the current or voltage flowing through the load in the first control. In the first control, the second upper arm switching element and the second lower arm switching element are controlled in the first control so that the direction of the current or voltage flowing through the load in the second control is reversed. In the second control, the first upper arm switching element and the first lower arm switching element may be controlled. This invention presents a specific configuration for generating alternating-current power having a predetermined period.

本発明の他の態様のインバータ装置は、所定周期の交流を生成するインバータ装置であって、上アームスイッチング素子および下アームスイッチング素子から構成されるブリッジ回路を複数備えるインバータ回路と、上記スイッチング素子を制御する制御手段、を備える。そして、上記各ブリッジ回路内の上アームスイッチング素子と下アームスイッチング素子のうち一方のオン電圧は、他方のオン電圧よりも低い。また、上記制御手段は、上記周期ごとに、少なくとも1つのブリッジ回路の上アームスイッチング素子および下アームスイッチング素子を交互にオン状態にする高周波スイッチングを行うと共に少なくとも別の1つのブリッジ回路の上アームスイッチング素子および下アームスイッチング素子を互いに異なる状態に保持する制御を実行する。   An inverter device according to another aspect of the present invention is an inverter device that generates alternating current with a predetermined cycle, and includes an inverter circuit including a plurality of bridge circuits each including an upper arm switching element and a lower arm switching element, and the switching element. Control means for controlling. One of the upper arm switching element and the lower arm switching element in each bridge circuit has an on voltage lower than the other on voltage. In addition, the control means performs high-frequency switching that alternately turns on the upper arm switching element and the lower arm switching element of at least one bridge circuit for each cycle, and performs upper arm switching of at least another bridge circuit. Control is performed to keep the element and the lower arm switching element in different states.

この場合、上記交流が3相交流であり、上記ブリッジ回路を3つ設け、さらに、上記制御手段は、上記周期ごとに、2つのブリッジ回路の上アームスイッチング素子および下アームスイッチング素子を交互にオン状態にする高周波スイッチングを行うと共に残りの1つのブリッジ回路の上アームスイッチング素子および下アームスイッチング素子を互いに異なる状態に保持する2相変調制御を実行するようにしてもよい。   In this case, the alternating current is a three-phase alternating current, three bridge circuits are provided, and the control means alternately turns on the upper and lower arm switching elements of the two bridge circuits for each period. Two-phase modulation control may be performed in which high-frequency switching is performed and the upper arm switching element and the lower arm switching element of the remaining one bridge circuit are held in different states.

本発明によれば、ブリッジ回路を構成する上下スイッチング素子の休止時間を短くできるので、奇数次の高調波が小さくなり、損失を抑えながら出力電流又は出力電圧の歪が改善される。   According to the present invention, since the downtime of the upper and lower switching elements constituting the bridge circuit can be shortened, the odd-order harmonics are reduced, and distortion of the output current or output voltage is improved while suppressing loss.

図1は、本発明の実施形態に係るインバータ装置の構成図である。なお、実施形態のインバータ装置1の基本構成は、図5に示した一般的なインバータ装置と同じであり、入力電源110から出力される直流電力を所定の周波数(例えば、50/60Hz)の交流電力に変換して負荷130に供給する。また、インバータ装置1は、ここでは、出力電流を制御する電流制御型のインバータ装置であるものとする。   FIG. 1 is a configuration diagram of an inverter device according to an embodiment of the present invention. Note that the basic configuration of the inverter device 1 of the embodiment is the same as that of the general inverter device shown in FIG. 5, and the DC power output from the input power supply 110 is converted to AC at a predetermined frequency (for example, 50/60 Hz). It is converted into electric power and supplied to the load 130. Here, the inverter device 1 is assumed to be a current control type inverter device for controlling the output current.

インバータ回路10は、それぞれ入力電圧Vinが印加されるブリッジ回路(第1のブリッジ回路)11およびブリッジ回路(第2のブリッジ回路)12を備える。ブリッジ回路11は、互いに直列に接続された上アームスイッチ(第1の上アームスイッチング素子)Q1および下アームスイッチ(第1の下アームスイッチング素子)Q2を含んで構成される。また、ブリッジ回路12は、互いに直列に接続された上アームスイッチ(第2の上アームスイッチング素子)Q3および下アームスイッチ(第2の下アームスイッチング素子)Q4を含んで構成される。なお、各スイッチQ1〜Q4にはIGBTが使用され、上アームスイッチQ1のコレクタ端子が入力電源110の正電圧端子に接続され、上アームスイッチQ1のエミッタ端子が下アームスイッチQ2のコレクタ端子に接続され、下アームスイッチQ2のエミッタ端子が入力電源110の負電圧端子に接続されている。同様に、上アームスイッチQ3のコレクタ端子が入力電源110の正電圧端子に接続され、上アームスイッチQ3のエミッタ端子が下アームスイッチQ4のコレクタ端子に接続され、下アームスイッチQ4のエミッタ端子が入力電源110の負電圧端子に接続されている。また、各スイッチQ1〜Q4にはそれぞれ、ダイオードD1〜D4が逆並列に接続されている。   The inverter circuit 10 includes a bridge circuit (first bridge circuit) 11 and a bridge circuit (second bridge circuit) 12 to which an input voltage Vin is applied. The bridge circuit 11 includes an upper arm switch (first upper arm switching element) Q1 and a lower arm switch (first lower arm switching element) Q2 connected in series with each other. The bridge circuit 12 includes an upper arm switch (second upper arm switching element) Q3 and a lower arm switch (second lower arm switching element) Q4 connected in series with each other. In addition, IGBT is used for each switch Q1-Q4, the collector terminal of upper arm switch Q1 is connected to the positive voltage terminal of input power supply 110, and the emitter terminal of upper arm switch Q1 is connected to the collector terminal of lower arm switch Q2. The emitter terminal of the lower arm switch Q2 is connected to the negative voltage terminal of the input power supply 110. Similarly, the collector terminal of the upper arm switch Q3 is connected to the positive voltage terminal of the input power supply 110, the emitter terminal of the upper arm switch Q3 is connected to the collector terminal of the lower arm switch Q4, and the emitter terminal of the lower arm switch Q4 is input. The negative voltage terminal of the power supply 110 is connected. Further, diodes D1 to D4 are connected in antiparallel to the switches Q1 to Q4, respectively.

なお、各スイッチング素子にMOSFETを使用することも出来る。この場合、寄生ダイオードがMOSFETに内蔵されているため、ダイオードD1〜D4の代わりに寄生ダイオードを用いることができる。また、MOSFETの場合はドレイン端子、ソース端子がそれぞれIGBTのコレクタ端子、エミッタ端子に相当する。   A MOSFET can be used for each switching element. In this case, since the parasitic diode is built in the MOSFET, the parasitic diode can be used instead of the diodes D1 to D4. In the case of MOSFET, the drain terminal and the source terminal correspond to the collector terminal and emitter terminal of the IGBT, respectively.

上アームスイッチQ1、Q3は、それぞれ、高周波スイッチングが可能なスイッチング素子である。ここで、「高周波スイッチングが可能」とは、後述する数kHz〜数10kHz程度のPWM信号に追従可能なように、ターンオン時のコレクタ・エミッタ間の電圧立下り時間およびターンオフ時のコレクタ・エミッタ間の立上り時間が十分に短いこと、または素子の入力容量が小さいことをいうものとする。一方、下アームスイッチQ2、Q4は、それぞれオン電圧の低い(または、オン抵抗の小さい)スイッチング素子である。ここで、下アームスイッチQ2、Q4のオン電圧は、インバータ回路10の損失を小さくするために、必要な耐圧等を確保できる範囲で出来るだけ低く設計されていることが望ましい。   The upper arm switches Q1 and Q3 are switching elements that can perform high-frequency switching. Here, “high frequency switching is possible” means that the voltage fall time between the collector and the emitter at the turn-on and the collector-emitter at the turn-off so that it can follow a PWM signal of about several kHz to several tens of kHz described later. This means that the rise time of the element is sufficiently short or the input capacitance of the element is small. On the other hand, the lower arm switches Q2 and Q4 are switching elements each having a low on-voltage (or low on-resistance). Here, it is desirable that the ON voltages of the lower arm switches Q2 and Q4 are designed to be as low as possible within a range in which a necessary breakdown voltage can be secured in order to reduce the loss of the inverter circuit 10.

ところで、一般に、トランジスタ等のスイッチング素子のスイッチング損失と定常損失とは、図2に示すように、互いにトレードオフの関係にある。ここで、スイッチング損失は、概ねスイッチング素子のスイッチング速度に比例し、定常損失は、概ねスイッチング素子のオン電圧に比例する。したがって、スイッチング素子のスイッチング速度とオン電圧とは、互いにトレードオフの関係にある。すなわち、インバータ装置1においては、上アームスイッチQ1、Q3として、下アームスイッチQ2、Q4よりも速いスイッチング速度を持った素子が使用され、また、下アームスイッチQ2、Q4として、上アームスイッチQ1、Q3よりも低いオン電圧を持った素子が使用される。   Incidentally, in general, the switching loss and the steady loss of a switching element such as a transistor are in a trade-off relationship with each other as shown in FIG. Here, the switching loss is approximately proportional to the switching speed of the switching element, and the steady loss is approximately proportional to the ON voltage of the switching element. Therefore, the switching speed of the switching element and the ON voltage are in a trade-off relationship with each other. That is, in the inverter device 1, elements having a faster switching speed than the lower arm switches Q2 and Q4 are used as the upper arm switches Q1 and Q3, and the upper arm switches Q1 and Q4 are used as the upper arm switches Q1 and Q4. An element having an on-voltage lower than Q3 is used.

制御回路(制御手段)20は、負荷に供給すべき電流の指令値とインバータ回路10の出力電流との誤差に基づいて、スイッチQ1〜Q4を制御するための制御信号を生成する。ここで、負荷に供給すべき電流は、例えば、負荷が要求する電流であってもよいし、予め決められた電流であってもよい。また、インバータ回路10の出力電流は、シャント抵抗Rs を利用して検出される。さらに、制御信号は、各スイッチQ1〜Q4のゲートに与えられるゲート信号である。なお、制御回路20は、例えば、予め記述されたプログラムを実行するマイコン、及びそのマイコンの出力から制御信号を生成するハードウェア回路を含んでから構成される。   The control circuit (control means) 20 generates a control signal for controlling the switches Q1 to Q4 based on an error between the command value of the current to be supplied to the load and the output current of the inverter circuit 10. Here, the current to be supplied to the load may be, for example, a current required by the load or a predetermined current. The output current of the inverter circuit 10 is detected using the shunt resistor Rs. Further, the control signal is a gate signal given to the gates of the switches Q1 to Q4. The control circuit 20 includes, for example, a microcomputer that executes a program described in advance and a hardware circuit that generates a control signal from the output of the microcomputer.

図3は、実施形態のインバータ装置1の動作を説明するタイミングチャートである。ここでは、インバータ装置1の出力電圧およびスイッチQ1〜Q4のゲート信号が描かれている。そして、スイッチQ1〜Q4は、それぞれ、対応するゲート信号がHレベルのときにオン状態に制御され、対応するゲート信号がLレベルのときにオフ状態に制御されるものとする。また、インバータ装置1の交流出力の各周期の前半部分および後半部分を、それぞれ「第1の期間」および「第2の期間」と呼ぶことにする。   FIG. 3 is a timing chart illustrating the operation of the inverter device 1 according to the embodiment. Here, the output voltage of the inverter device 1 and the gate signals of the switches Q1 to Q4 are drawn. Each of the switches Q1 to Q4 is controlled to be on when the corresponding gate signal is at the H level, and is controlled to be off when the corresponding gate signal is at the L level. In addition, the first half and the second half of each cycle of the AC output of the inverter device 1 will be referred to as “first period” and “second period”, respectively.

第1の期間は、制御回路20によって下記の制御(第1の制御)が実行される。すなわち、ブリッジ回路11を構成する上アームスイッチQ1および下アームスイッチQ2は、サインカーブ特性を持った出力電圧を生成するためのPWM信号により高周波スイッチングされる。このとき、上アームスイッチQ1および下アームスイッチQ2は、互いに反転した状態となるように、交互にオン状態に制御される。一方、ブリッジ回路12を構成する上アームスイッチQ3および下アームスイッチQ4は、出力電圧(或いは、出力電流)の極性が「正」となるように互いに異なる状態に保持される。この例では、上アームスイッチQ3がオフ状態に保持されると共に、下アームスイッチQ4がオン状態に保持されている。   In the first period, the control circuit 20 executes the following control (first control). That is, the upper arm switch Q1 and the lower arm switch Q2 constituting the bridge circuit 11 are high-frequency switched by a PWM signal for generating an output voltage having a sine curve characteristic. At this time, the upper arm switch Q1 and the lower arm switch Q2 are alternately controlled to be in an ON state so as to be reversed with respect to each other. On the other hand, the upper arm switch Q3 and the lower arm switch Q4 constituting the bridge circuit 12 are held in different states so that the polarity of the output voltage (or output current) becomes “positive”. In this example, the upper arm switch Q3 is held in the off state, and the lower arm switch Q4 is held in the on state.

この期間の電流の流れは以下の通りである。すなわち、上アームスイッチQ1および下アームスイッチQ2がそれぞれ「オン」および「オフ」のときは、入力電源110から出力される電流は、上アームスイッチQ1、コイルL1、負荷130、下アームスイッチQ4を介して入力電源110に戻る。また、上アームスイッチQ1および下アームスイッチQ2がそれぞれ「オフ」および「オン」のときは、負荷130→下アームスイッチQ4→ダイオードD2→コイルL1→負荷130の経路で還流する。   The current flow during this period is as follows. That is, when the upper arm switch Q1 and the lower arm switch Q2 are “on” and “off”, respectively, the current output from the input power supply 110 causes the upper arm switch Q1, the coil L1, the load 130, and the lower arm switch Q4 to To the input power supply 110. Further, when the upper arm switch Q1 and the lower arm switch Q2 are “off” and “on”, respectively, the flow recirculates through the path of the load 130 → the lower arm switch Q4 → the diode D2 → the coil L1 → the load 130.

一方、第2の期間は、制御回路20によって下記の制御(第2の制御)が実行される。すなわち、ブリッジ回路12を構成する上アームスイッチQ3および下アームスイッチQ4は、サインカーブ特性を持った出力電圧(あるいは、出力電流)を生成するためのPWM信号により高周波スイッチングされる。このとき、上アームスイッチQ3および下アームスイッチQ4は、互いに反転した状態となるように、交互にオン状態に制御される。一方、ブリッジ回路11を構成する上アームスイッチQ1および下アームスイッチQ2は、出力電圧の極性が「負」となるように互いに異なる状態に保持される。この例では、上アームスイッチQ1がオフ状態に保持されると共に、下アームスイッチQ2がオン状態に保持されている。   On the other hand, in the second period, the control circuit 20 executes the following control (second control). That is, the upper arm switch Q3 and the lower arm switch Q4 constituting the bridge circuit 12 are high-frequency switched by a PWM signal for generating an output voltage (or output current) having a sine curve characteristic. At this time, the upper arm switch Q3 and the lower arm switch Q4 are alternately controlled to be in an ON state so as to be inverted. On the other hand, the upper arm switch Q1 and the lower arm switch Q2 constituting the bridge circuit 11 are held in different states so that the polarity of the output voltage becomes “negative”. In this example, the upper arm switch Q1 is held in the off state, and the lower arm switch Q2 is held in the on state.

この期間の電流の流れは以下の通りである。すなわち、上アームスイッチQ3および下アームスイッチQ4がそれぞれ「オン」および「オフ」のときは、入力電源110から出力される電流は、上アームスイッチQ3、負荷130、コイルL1、下アームスイッチQ2を介して入力電源110に戻る。また、上アームスイッチQ3および下アームスイッチQ4がそれぞれ「オフ」および「オン」のときは、負荷130→コイルL1→下アームスイッチQ2→ダイオードD4→負荷130の経路で還流する。   The current flow during this period is as follows. That is, when the upper arm switch Q3 and the lower arm switch Q4 are “on” and “off”, respectively, the current output from the input power supply 110 causes the upper arm switch Q3, the load 130, the coil L1, and the lower arm switch Q2 to To the input power supply 110. Further, when the upper arm switch Q3 and the lower arm switch Q4 are “off” and “on”, respectively, the refrigerant flows through a path of load 130 → coil L1 → lower arm switch Q2 → diode D4 → load 130.

次に、実施形態のインバータ装置1と特許文献1に記載されているインバータ装置とを比較する。特許文献1に記載のインバータ装置では、出力電圧の極性は、図5に示すスイッチQ3、Q4を利用して切り替えられる。このため、出力電圧の極性を切り替える際にスイッチQ3、Q4を同時にオン状態にしないためには、図4(a)に示すように、スイッチQ3のターンオフ時間とスイッチQ4のターンオン時間の和(あるいは、スイッチQ3のターンオン時間とスイッチQ4のターンオフ時間の和)に相当する期間Td1以上の休止期間を設ける必要がある。ところが、スイッチQ3、Q4は、いずれもオン電圧の低いスイッチング素子である。そして、オン電圧の低いスイッチング素子は、必然的に、ターンオン時間およびターンオフ時間が長くなってしまう。よって、特許文献1に記載のインバータ装置では、インバータ装置の出力電圧の極性が切り替わるタイミングの近傍(すなわち、出力のゼロクロス点近傍)で休止時間が長くなる。この結果、奇数次の高調波が大きくなり、出力電圧の歪が悪化してしまう。   Next, the inverter device 1 of the embodiment and the inverter device described in Patent Document 1 are compared. In the inverter device described in Patent Document 1, the polarity of the output voltage is switched using switches Q3 and Q4 shown in FIG. Therefore, in order to prevent the switches Q3 and Q4 from being turned on simultaneously when switching the polarity of the output voltage, as shown in FIG. 4A, the sum of the turn-off time of the switch Q3 and the turn-on time of the switch Q4 (or It is necessary to provide a rest period longer than the period Td1 corresponding to the sum of the turn-on time of the switch Q3 and the turn-off time of the switch Q4. However, the switches Q3 and Q4 are both switching elements having a low on-voltage. A switching element with a low on-voltage inevitably has a long turn-on time and turn-off time. Therefore, in the inverter device described in Patent Document 1, the pause time becomes longer in the vicinity of the timing at which the polarity of the output voltage of the inverter device is switched (that is, in the vicinity of the output zero-cross point). As a result, the odd-order harmonics become large and the distortion of the output voltage deteriorates.

これに対して、実施形態のインバータ装置1では、上述したように、ブリッジ回路11およびブリッジ回路12は、それぞれ、高周波スイッチングが可能なスイッチング素子(上アームスイッチQ1、Q3)とオン電圧の低いスイッチング素子(下アームスイッチQ2、Q4)から構成されている。このため、図4(b)に示すように、高周波スイッチングが可能なスイッチング素子(上アームスイッチQ1、Q3)のターンオン時間/ターンオフ時間と、オン電圧の低いスイッチング素子(下アームスイッチQ2、Q4)のターンオフ時間/ターンオン時間との和の相当する時間、すなわち期間Td2以上の休止期間を設けるだけで済む。従って、この期間Td2は、特許文献1に記載のインバータ装置の期間Td1よりも短いため、休止期間も短くすることが可能である。この結果、特に、インバータ装置1の出力電流または出力電圧の極性が切り替わるタイミングの近傍(すなわち、出力のゼロクロス点近傍)で奇数次の高調波が抑制され、出力電流または出力電圧の歪が改善される。   On the other hand, in the inverter device 1 according to the embodiment, as described above, the bridge circuit 11 and the bridge circuit 12 are switching elements (upper arm switches Q1, Q3) capable of high-frequency switching and switching with low on-voltage, respectively. It consists of elements (lower arm switches Q2, Q4). Therefore, as shown in FIG. 4B, the turn-on time / turn-off time of the switching elements (upper arm switches Q1, Q3) capable of high-frequency switching and the switching elements (lower arm switches Q2, Q4) having a low on-voltage. It is only necessary to provide a period corresponding to the sum of the turn-off time / turn-on time, i.e., a rest period longer than the period Td2. Accordingly, since this period Td2 is shorter than the period Td1 of the inverter device described in Patent Document 1, it is possible to shorten the pause period. As a result, odd harmonics are suppressed particularly near the timing at which the polarity of the output current or output voltage of the inverter device 1 is switched (that is, near the output zero-cross point), and distortion of the output current or output voltage is improved. The

また、実施形態のインバータ装置1は、図3を参照しながら説明したように、交流出力の各周期において、第1の期間は上アームスイッチQ3および下アームスイッチQ4が実質的にスイッチングされず、第2の期間は上アームスイッチQ1および下アームスイッチQ2が実質的にスイッチングされない。すなわち、スイッチング損失は、全期間に渡って実質的にスイッチQ3、Q4のスイッチング損失が発生しない特許文献1に記載のインバータ装置の損失と概ね同じである。   In the inverter device 1 of the embodiment, as described with reference to FIG. 3, the upper arm switch Q3 and the lower arm switch Q4 are not substantially switched in the first period in each cycle of the AC output, In the second period, the upper arm switch Q1 and the lower arm switch Q2 are not substantially switched. That is, the switching loss is substantially the same as the loss of the inverter device described in Patent Document 1 in which the switching loss of the switches Q3 and Q4 does not occur over the entire period.

このように、実施形態のインバータ装置1は、特許文献1に記載のインバータ装置と比較すると、損失がほぼ同じである一方で、出力電流または出力電圧の歪を抑えることができる。   As described above, the inverter device 1 according to the embodiment has substantially the same loss as the inverter device described in Patent Document 1, but can suppress distortion of the output current or the output voltage.

なお、本発明のインバータ装置は、上述の実施形態に限定されるものではなく、下記の態様も含む。
(1)各上アームスイッチとしてオン電圧の低いスイッチング素子を使用し、各下アームスイッチとして高周波スイッチングが可能なスイッチング素子を使用してもよい。
In addition, the inverter apparatus of this invention is not limited to the above-mentioned embodiment, The following aspect is also included.
(1) A switching element having a low on-voltage may be used as each upper arm switch, and a switching element capable of high-frequency switching may be used as each lower arm switch.

(2)出力電圧をモニタしながら出力を制御する電圧制御型のインバータ装置であってもよい。この場合、制御回路20は、負荷に供給すべき電圧の指令値とインバータ回路10の出力電圧との誤差に基づいて、スイッチQ1〜Q4を制御するための制御信号を生成する。   (2) A voltage control type inverter device that controls the output while monitoring the output voltage may be used. In this case, the control circuit 20 generates a control signal for controlling the switches Q1 to Q4 based on an error between the command value of the voltage to be supplied to the load and the output voltage of the inverter circuit 10.

(3)インバータの出力の相数は任意であり、3相または多相インバータにも適用可能である。例えば3相インバータの場合、3相のうち2相に対応するブリッジ回路は高周波スイッチングし、残りの1相に対応するブリッジ回路は上下アームスイッチを互いに異なる状態に保持する、2相変調制御をすればよい。   (3) The number of phases of the output of the inverter is arbitrary, and can be applied to a three-phase or multiphase inverter. For example, in the case of a three-phase inverter, the bridge circuit corresponding to two of the three phases performs high-frequency switching, and the bridge circuit corresponding to the remaining one phase performs two-phase modulation control that maintains the upper and lower arm switches in different states. That's fine.

(4)入力電源110とインバータ回路10との間に電圧を制御するためのコンバータ回路(絶縁型DC/DCコンバータ、降圧コンバータ、昇圧コンバータなど)を設けてもよい。   (4) A converter circuit (insulated DC / DC converter, step-down converter, step-up converter, etc.) for controlling the voltage may be provided between the input power supply 110 and the inverter circuit 10.

本発明の実施形態に係るインバータ装置の構成図である。It is a block diagram of the inverter apparatus which concerns on embodiment of this invention. スイッチング素子の特性を示す図である。It is a figure which shows the characteristic of a switching element. 実施形態のインバータ装置の動作を説明するタイミングチャートである。It is a timing chart explaining operation | movement of the inverter apparatus of embodiment. 従来技術に対する実施形態のインバータ装置の構成を示す図である。It is a figure which shows the structure of the inverter apparatus of embodiment with respect to a prior art. 一般的なインバータ装置の構成図である。It is a block diagram of a general inverter apparatus. 特許文献1に記載のインバータ装置の動作を説明する図である。It is a figure explaining operation | movement of the inverter apparatus of patent document 1. FIG.

符号の説明Explanation of symbols

1 インバータ装置
10 インバータ回路
11、12 ブリッジ回路
Q1、Q3 上アームスイッチ
Q2、Q4 下アームスイッチ
20 制御回路
110 入力電源
120 フィルタ
130 負荷

DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Inverter apparatus 10 Inverter circuit 11, 12 Bridge circuit Q1, Q3 Upper arm switch Q2, Q4 Lower arm switch 20 Control circuit 110 Input power supply 120 Filter 130 Load

Claims (7)

所定周期の交流を生成するインバータ装置であって、
第1の上アームスイッチング素子および第1の下アームスイッチング素子から構成される第1のブリッジ回路、および第2の上アームスイッチング素子および第2の下アームスイッチング素子から構成される第2のブリッジ回路を備えるインバータ回路と、
上記各スイッチング素子を制御する制御手段、を備え、
上記第1および第2の下アームスイッチング素子のオン電圧は、それぞれ上記第1および第2の上アームスイッチング素子のオン電圧よりも低く、
上記制御手段は、上記周期ごとに、上記第1の上アームスイッチング素子および上記第1の下アームスイッチング素子を交互にオン状態にする高周波スイッチングを行うと共に上記第2の上アームスイッチング素子および上記第2の下アームスイッチング素子を互いに異なる状態に保持する第1の制御、上記第1の上アームスイッチング素子および上記第1の下アームスイッチング素子を互いに異なる状態に保持すると共に上記第2の上アームスイッチング素子および上記第2の下アームスイッチング素子を交互にオン状態にする高周波スイッチングを行う第2の制御を実行する
ことを特徴とするインバータ装置。
An inverter device that generates alternating current with a predetermined cycle,
A first bridge circuit composed of a first upper arm switching element and a first lower arm switching element, and a second bridge circuit composed of a second upper arm switching element and a second lower arm switching element An inverter circuit comprising:
Control means for controlling each of the switching elements,
The on-voltages of the first and second lower arm switching elements are lower than the on-voltages of the first and second upper arm switching elements, respectively.
The control means performs high-frequency switching for alternately turning on the first upper arm switching element and the first lower arm switching element for each cycle, and the second upper arm switching element and the first upper arm switching element. First control for holding the two lower arm switching elements in different states, holding the first upper arm switching element and the first lower arm switching element in different states and switching the second upper arm switching element An inverter device, wherein second control is performed to perform high-frequency switching that alternately turns on the element and the second lower arm switching element.
所定周期の交流を生成するインバータ装置であって、
第1の上アームスイッチング素子および第1の下アームスイッチング素子から構成される第1のブリッジ回路、および第2の上アームスイッチング素子および第2の下アームスイッチング素子から構成される第2のブリッジ回路を備えるインバータ回路と、
上記各スイッチング素子を制御する制御手段、を備え、
上記第1および第2の下アームスイッチング素子のオン電圧は、それぞれ上記第1および第2の上アームスイッチング素子のオン電圧よりも高く、
上記制御手段は、上記周期ごとに、上記第1の上アームスイッチング素子および上記第1の下アームスイッチング素子を交互にオン状態にする高周波スイッチングを行うと共に上記第2の上アームスイッチング素子および上記第2の下アームスイッチング素子を互いに異なる状態に保持する第1の制御、上記第1の上アームスイッチング素子および上記第1の下アームスイッチング素子を互いに異なる状態に保持すると共に上記第2の上アームスイッチング素子および上記第2の下アームスイッチング素子を交互にオン状態にする高周波スイッチングを行う第2の制御を実行する
ことを特徴とするインバータ装置。
An inverter device that generates alternating current with a predetermined cycle,
A first bridge circuit composed of a first upper arm switching element and a first lower arm switching element, and a second bridge circuit composed of a second upper arm switching element and a second lower arm switching element An inverter circuit comprising:
Control means for controlling each of the switching elements,
The on-voltages of the first and second lower arm switching elements are higher than the on-voltages of the first and second upper arm switching elements, respectively.
The control means performs high-frequency switching for alternately turning on the first upper arm switching element and the first lower arm switching element for each cycle, and the second upper arm switching element and the first upper arm switching element. First control for holding the two lower arm switching elements in different states, holding the first upper arm switching element and the first lower arm switching element in different states and switching the second upper arm switching element An inverter device, wherein second control is performed to perform high-frequency switching that alternately turns on the element and the second lower arm switching element.
上記制御手段は、負荷に供給すべき電流と上記インバータ回路の出力電流との誤差に基づいて、上記高周波スイッチングのためのPWM制御信号を生成する
ことを特徴とする請求項1または2に記載のインバータ装置。
The said control means produces | generates the PWM control signal for the said high frequency switching based on the difference | error of the electric current which should be supplied to load, and the output current of the said inverter circuit. Inverter device.
上記制御手段は、負荷に印加すべき電圧と上記インバータ回路の出力電圧との誤差に基づいて、上記高周波スイッチングのためのPWM制御信号を生成する
ことを特徴とする請求項1または2に記載のインバータ装置。
The said control means produces | generates the PWM control signal for the said high frequency switching based on the difference | error of the voltage which should be applied to load, and the output voltage of the said inverter circuit. Inverter device.
上記第1および第2の制御の実行時間は、それぞれ上記所定周期の2分の1であり、
上記制御手段は、上記第1の制御で負荷に流れる電流または電圧の向きと上記第2の制御で負荷に流れる電流または電圧の向きとが逆になるように、上記第1の制御において上記第2の上アームスイッチング素子および上記第2の下アームスイッチング素子を制御し、上記第2の制御において上記第1の上アームスイッチング素子および上記第1の下アームスイッチング素子を制御する
ことを特徴とする請求項1または2に記載のインバータ装置。
The execution times of the first and second controls are each half of the predetermined period,
The control means performs the first control in the first control so that the direction of the current or voltage flowing in the load in the first control is opposite to the direction of the current or voltage flowing in the load in the second control. 2 upper arm switching elements and the second lower arm switching element are controlled, and the first upper arm switching element and the first lower arm switching element are controlled in the second control. The inverter device according to claim 1 or 2.
所定周期の交流を生成するインバータ装置であって、
上アームスイッチング素子および下アームスイッチング素子から構成されるブリッジ回路を複数備えるインバータ回路と、
上記スイッチング素子を制御する制御手段、を備え、
上記各ブリッジ回路内の上アームスイッチング素子と下アームスイッチング素子のうち一方のオン電圧は、他方のオン電圧よりも低く、
上記制御手段は、上記周期ごとに、少なくとも1つのブリッジ回路の上アームスイッチング素子および下アームスイッチング素子を交互にオン状態にする高周波スイッチングを行うと共に少なくとも別の1つのブリッジ回路の上アームスイッチング素子および下アームスイッチング素子を互いに異なる状態に保持する制御を実行する
ことを特徴とするインバータ装置。
An inverter device that generates alternating current with a predetermined cycle,
An inverter circuit comprising a plurality of bridge circuits composed of an upper arm switching element and a lower arm switching element;
Control means for controlling the switching element,
The on-voltage of one of the upper arm switching element and the lower arm switching element in each bridge circuit is lower than the other on-voltage,
The control means performs high-frequency switching for alternately turning on the upper arm switching element and the lower arm switching element of at least one bridge circuit for each period, and at least another upper arm switching element of the bridge circuit and An inverter device that performs control to hold the lower arm switching elements in different states.
上記交流は3相交流であり、
上記ブリッジ回路は3つであり、
上記制御手段は、上記周期ごとに、2つのブリッジ回路の上アームスイッチング素子および下アームスイッチング素子を交互にオン状態にする高周波スイッチングを行うと共に残りの1つのブリッジ回路の上アームスイッチング素子および下アームスイッチング素子を互いに異なる状態に保持する2相変調制御を実行する
ことを特徴とする請求項6に記載のインバータ装置。


The alternating current is a three-phase alternating current,
There are three bridge circuits,
The control means performs high-frequency switching for alternately turning on the upper arm switching element and the lower arm switching element of the two bridge circuits for each cycle, and the upper arm switching element and the lower arm of the remaining one bridge circuit. The inverter device according to claim 6, wherein two-phase modulation control is performed to hold the switching elements in different states.


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