JP2009118650A - Power converter - Google Patents
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Abstract
Description
この発明は、放射EMI(Electromagnetic Interference)ノイズの低減とスイッチング損失の低減を兼ね備えた電力変換装置に関するものである。 The present invention relates to a power conversion device that has both reduced radiation EMI (Electromagnetic Interference) noise and reduced switching loss.
従来の電力変換器は、EMIノイズを低減するためにアクティブEMIフィルタを備えて、入力に関してコモンモードノイズとディファレンシャルモードノイズとを低減すると共に、ノイズレベルを検出する。そして、電力スイッチのゲートに印加される電圧を制御するゲート電圧制御回路を備え、コモンモードノイズ低減のために、ターンオンとターンオフの両方の間、電圧変化率を緩やかにし、ディファレンシャルモードノイズ低減のためにターンオンの間、電圧変化率を緩やかにしていた(例えば、特許文献1参照)。 Conventional power converters include an active EMI filter to reduce EMI noise, reducing common mode noise and differential mode noise with respect to the input and detecting the noise level. It also has a gate voltage control circuit that controls the voltage applied to the gate of the power switch. In order to reduce common mode noise, the voltage change rate is moderated during both turn-on and turn-off to reduce differential mode noise. During the turn-on, the voltage change rate was moderated (see, for example, Patent Document 1).
このような電力変換器では、コモンモードノイズ低減のために、ターンオンとターンオフの両方の間、ゲート電圧の電圧変化率を緩やかにし、ディファレンシャルモードノイズ低減のためにターンオンの間、ゲート電圧の電圧変化率を緩やかにしていたが、ノイズに支配的な要素に着目して制御するものではないため的確に所望の効果を得ることは困難で、必要以上にスイッチング速度を遅くしてしまうという問題点があった。 In such a power converter, the voltage change rate of the gate voltage is moderated during both turn-on and turn-off to reduce common mode noise, and the voltage change of the gate voltage during turn-on to reduce differential mode noise. Although the rate has been moderated, it is difficult to obtain the desired effect precisely because it is not controlled by focusing on noise-dominating factors, and the switching speed is unnecessarily slowed. there were.
この発明は、上記のような問題点を解消するために成されたものであって、半導体スイッチング素子のターンオン時、ターンオフ時に発生するEMIノイズを、スイッチング速度を不要に遅くすることなく確実に低減し、EMIノイズとスイッチング損失との双方が低減可能な電力変換装置を得ることを目的とする。 The present invention has been made to solve the above-described problems, and reliably reduces EMI noise generated when a semiconductor switching element is turned on and turned off without unnecessarily slowing the switching speed. Then, it aims at obtaining the power converter device which can reduce both EMI noise and switching loss.
この発明に係る電力変換装置は、ゲート電極により駆動制御される半導体スイッチング素子を備えて誘導性の負荷に電力供給する。負荷電流を検出する電流センサと、上記半導体スイッチング素子のターンオン、ターンオフのそれぞれについて、差動モードと共通モードとを有する放射ノイズの内、低減すべきノイズモードを、上記電流センサの出力に基づいて決定するノイズモード判定回路と、ゲート指令切り換えによる上記ゲート電極の充放電の速度を変化させて上記半導体スイッチング素子のスイッチング時間を調整するスイッチング時間調整回路とを備える。そして、上記スイッチング時間調整回路は、上記ノイズモード判定回路にて決定されるノイズモードに応じて上記半導体スイッチング素子の両端子間の電流変化率、電圧変化率を選択的に小さくするものである。 The power conversion device according to the present invention includes a semiconductor switching element that is driven and controlled by a gate electrode, and supplies power to an inductive load. Based on the output of the current sensor, the noise mode to be reduced among the radiation noise having the differential mode and the common mode for each of the current sensor for detecting the load current and the turn-on and turn-off of the semiconductor switching element. A noise mode determination circuit for determining; and a switching time adjusting circuit for adjusting a switching time of the semiconductor switching element by changing a charge / discharge speed of the gate electrode by switching a gate command. The switching time adjustment circuit selectively reduces the current change rate and the voltage change rate between both terminals of the semiconductor switching element in accordance with the noise mode determined by the noise mode determination circuit.
この発明によると、ターンオン、ターンオフのそれぞれについて低減すべきノイズモードを判定し、該ノイズモードに応じて半導体スイッチング素子の両端子間の電流変化率、電圧変化率を選択的に小さくするため、スイッチング速度を不要に遅くすることなくEMIノイズを確実に低減でき、EMIノイズの低減とスイッチング損失の低減とが両立できる。 According to the present invention, the noise mode to be reduced is determined for each of turn-on and turn-off, and the current change rate and the voltage change rate between both terminals of the semiconductor switching element are selectively reduced according to the noise mode. EMI noise can be reliably reduced without unnecessarily slowing down the speed, and both EMI noise and switching loss can be reduced.
実施の形態1.
以下、この発明の実施の形態1による電力変換装置について説明する。図1はこの発明の実施の形態1による電力変換装置の一部を示す概略構成図である。
図1に示すように、ダイオード2aが逆並列接続されたIGBTから成る半導体スイッチング素子(以下、スイッチ素子と称す)1aと、ダイオード2bが逆並列接続されたIGBTから成るスイッチ素子1bとが直列に接続され、その接続点と誘導性負荷との間に負荷電流を検出する電流センサ6が接続される。
Embodiment 1 FIG.
Hereinafter, a power converter according to Embodiment 1 of the present invention will be described. 1 is a schematic configuration diagram showing a part of a power conversion apparatus according to Embodiment 1 of the present invention.
As shown in FIG. 1, a semiconductor switching element (hereinafter referred to as a switch element) 1a made of an IGBT having a
スイッチ素子1aへのスイッチング指令であるゲート指令が外部から入力されると、アンプ3にてスイッチ素子1aを駆動できる程度まで増幅された後、スイッチング時間調整回路4にて、スイッチ素子1aのスイッチング時間が調整されて、ゲート電極に入力される。また、ターンオン時におけるコモンモード(共通モード)のノイズ低減の要否を判定するターンオンコモンモード判定回路30、ターンオン時におけるディファレンシャルモード(差動モード)のノイズ低減の要否を判定するターンオンディファレンシャルモード判定回路31、ターンオフ時におけるコモンモードのノイズ低減の要否を判定するターンオフコモンモード判定回路32を有するノイズモード判定回路5を備え、電流センサ6にて検出された負荷電流に応じてノイズモード判定回路5は、ターンオン、ターンオフのそれぞれについて低減すべきノイズモードを判定する。ノイズモード判定回路5からの出力は、スイッチング時間調整回路4に入力され、スイッチング時間調整回路4はターンオン、ターンオフのそれぞれについて低減すべきノイズモードのノイズを低減するように、ゲート電極の充放電速度を変化させてスイッチング時間を調整する。
なお、この場合、スイッチ素子1aのスイッチングの制御について示したが、スイッチ素子1bについても同様の構成を備えて同様にスイッチング時間を調整する。
When a gate command which is a switching command to the
In this case, the switching control of the
図1で示したような、ダイオード2a、2bが逆並列接続された2つのスイッチ素子1a、1bを直列接続して構成されるハーフブリッジインバータは、例えば、図2に示すようなモータ駆動システム41を構成する電力変換装置の一部である。図2に示すように、電力変換装置は、交流電源45からの3相交流電力を直流電力に変換するコンバータ部42とコンバータ部42の出力を平滑する平滑コンデンサ43と平滑コンデンサ43からの直流電力を3相交流電力に変換するインバータ部44とを備える。インバータ部44の各相は、ダイオード2a、2bが逆並列接続された2つのスイッチ素子1a、1bを直列接続して構成され、誘導性負荷であるモータ40に電力供給する。
A half-bridge inverter configured by connecting two
図2で示すモータ駆動システム41において、放射されるEMIノイズについて説明する。EMIノイズには、コモンモードとディファレンシャルモードとの2種のループがあり、これらのループからノイズは放射される。ディファレンシャルモードループは、平滑コンデンサ43の正極からインバータ部44を通り平滑コンデンサ43の負極に流れるループである。またコモンモードループは、インバータ部44の出力端子からモータ40を通り、モータ40とグランド間の寄生容量を通りグランドを通ってインバータ部40に戻るループである。
The EMI noise radiated in the
これらのループから放射されるノイズの原因は、インバータ部44を構成するスイッチ素子1a、1bがスイッチング動作をするときに生じる急峻な電流変化と電圧変化である。ディファレンシャルモード、コモンモード共に、放射されるノイズは、そのループに流れる電流の電流変化率に比例する。ディファレンシャルモードループの電流変化率は、スイッチ素子1a、1bの両端子間、即ちコレクタ・エミッタ間に流れる電流の電流変化率そのものである。コモンモードループの電流変化率は、スイッチ素子1a、1bの両端子間、即ちコレクタ・エミッタ間の電圧がコモンモードループに印加されたときにコモンモードループに流れる電流の電流変化率であり、コレクタ・エミッタ間の電圧変化率に比例する。
The causes of noise radiated from these loops are steep current changes and voltage changes that occur when the
モータ40などの誘導性負荷に電力供給する電力変換装置では、スイッチ素子1a、1bのスイッチング時に両端子間の電流が変化する期間と電圧が変化する期間とは異なる。この実施の形態では、上述したように、スイッチング時間調整回路4によりスイッチング時間を調整するが、ディファレンシャルモードノイズを低減させるときは、スイッチ素子1a、1bの両端子間の電流が変化する期間の電流変化率を小さくするような調整を行い、コモンモードノイズを低減させるときは、スイッチ素子1a、1bの両端子間の電圧が変化する期間の電圧変化率を小さくするような調整を行う。このスイッチング時間の調整についての詳細は後述する。
In a power converter that supplies power to an inductive load such as the
次に、コモンモード、ディファレンシャルモードの各ノイズの大きさと、負荷電流との関係を図3(a)に示す。図3(a)に示すように、ノイズモードとターンオン時、ターンオフ時の違いによって、それぞれ特性が異なる。
まず、ディファレンシャルモードのノイズについて説明する。通常、IGBTから成るスイッチ素子の逆並列ダイオードは、PiNダイオードで構成され、スイッチ素子のターンオン時、即ちダイオードのオフ時に、ダイオードに大きなリカバリ電流が流れる。スイッチ素子のターンオフ時には、このような現象が生じないので、ディファレンシャルモードのノイズは、スイッチ素子のターンオン時のほうがターンオフ時よりも大きく、ターンオフ時のノイズは通常考慮する必要がない。また、負荷電流が大きいほどディファレンシャルモードのノイズは大きくなる。
Next, FIG. 3A shows the relationship between the magnitude of each noise in the common mode and the differential mode and the load current. As shown in FIG. 3A, the characteristics are different depending on the noise mode and the turn-on and turn-off differences.
First, the differential mode noise will be described. Usually, an antiparallel diode of an IGBT switch element is composed of a PiN diode, and a large recovery current flows through the diode when the switch element is turned on, that is, when the diode is OFF. Since such a phenomenon does not occur when the switch element is turned off, the noise in the differential mode is larger when the switch element is turned on than when the switch element is turned on, and it is not usually necessary to consider the noise at the turn-off time. In addition, the differential mode noise increases as the load current increases.
次に、コモンモードのノイズについて説明する。上述したように、コモンモードのノイズは、スイッチ素子の両端子間の電圧変化率に比例する、即ち、電圧が変化する期間にノイズが発生する。スイッチ素子の両端子間の電圧が変化するのは、ターンオン時とターンオフ時とで、それぞれ負荷電流による電圧変化率の傾向が異なる。ターンオン時の電圧変化率は、負荷電流が小さいほど高くなり、ターンオフ時の電圧変化率は、ターンオンとは逆に負荷電流が大きいほど高くなる。このため、負荷電流が小さいほどターンオン時のコモンモードのノイズは大きくなり、負荷電流が大きいほどターンオフ時のコモンモードのノイズは大きくなる。 Next, common mode noise will be described. As described above, common mode noise is proportional to the voltage change rate between both terminals of the switch element, that is, noise is generated during a period in which the voltage changes. The voltage between the two terminals of the switch element changes depending on the load current depending on the load current when turning on and when turning off. The voltage change rate at turn-on increases as the load current decreases, and the voltage change rate at turn-off increases as the load current increases, contrary to the turn-on. Therefore, the common mode noise at turn-on increases as the load current decreases, and the common mode noise at turn-off increases as the load current increases.
この実施の形態では、ターンオン時のコモンモード、ターンオフ時のコモンモード、そしてターンオン時のディファレンシャルモードの各ノイズの大きさを、例えばリアルタイムスペクトラムアナライザなど時間領域での測定機器を用いることにより、予め取得する。そして、スイッチ素子のターンオン時のコモンモードノイズが、ターンオン時のディファレンシャルモード放射ノイズと一致するときの負荷電流値を第1の判定値IA、ターンオフ時のコモンモードノイズと一致するときの負荷電流値を第2の判定値IBとし、図3(b)に示すように、実線で示す領域のノイズモードのノイズを低減させるように制御する。即ち、負荷電流がIAより小さいとき、ターンオン時のコモンモードのノイズを低減させ、負荷電流がIAより大きくIBより小さいとき、ターンオン時のコモンモード、ディファレンシャルモードの各ノイズを低減させ、負荷電流がIBより大きいとき、ターンオン時のディファレンシャルモード、ターンオフ時のコモンモードの各ノイズを低減させるように制御する。 In this embodiment, the magnitude of each noise in the common mode at turn-on, the common mode at turn-off, and the differential mode at turn-on is obtained in advance by using a measurement device in the time domain such as a real-time spectrum analyzer. To do. The load current value when the common mode noise when the switch element is turned on matches the differential mode radiation noise when the switch element is turned on is the first judgment value I A , and the load current when the common mode noise matches the common mode noise when the switch element is turned off value as a second judgment value I B, as shown in FIG. 3 (b), control to reduce the noise of the noise mode of the area indicated by the solid line. That is, when the load current is less than I A, reduces the common mode noise at the time of turn-on, when the load current is smaller than the larger I B than I A, the common mode at the turn-on time, reduce the noise of the differential mode, load current when greater than I B, the differential mode at the turn-on time is controlled so as to reduce the common mode noise at the time of turn-off.
図1で示した電力変換装置の回路構成の詳細を図4に示す。
ノイズモード判定回路5内のターンオンコモンモード判定回路30、ターンオンディファレンシャルモード判定回路31、ターンオフコモンモード判定回路32は、それぞれコンパレータ24、26、28と基準電圧源25、27、29とで構成される。ターンオンコモンモード判定回路30では、コンパレータ24の基準電圧源25は、第2の判定値IBに相当する電圧が設定され、電流センサ6から入力される負荷電流の大きさがIBより小さいとき、コモンモードをターンオン時に低減すべきノイズモードと判定する信号を出力する。ターンオンディファレンシャルモード判定回路31では、コンパレータ26の基準電圧源27は、第1の判定値IAに相当する電圧が設定され、電流センサ6から入力される負荷電流の大きさがIAより大きい時、ディファレンシャルモードをターンオン時に低減すべきノイズモードと判定する信号を出力する。ターンオフコモンモード判定回路32では、コンパレータ28の基準電圧源29は、第2の判定値IBに相当する電圧が設定され、電流センサ6から入力される負荷電流の大きさがIBより大きい時、コモンモードをターンオフ時に低減すべきノイズモードと判定する信号を出力する。
FIG. 4 shows details of the circuit configuration of the power conversion device shown in FIG.
The turn-on common
ゲート指令が入力されるアンプ3は、プリアンプ7と2つのMOSFET8、9とを備え、ゲート指令はプリアンプ7で増幅され、スイッチ素子1aにオン指令を与える場合は、MOSFET8をオンさせ、スイッチ素子1aにオフ指令を与える場合は、MOSFET9をオンさせる。
スイッチング時間調整回路4は、可変ゲート抵抗回路4aと可変ゲート抵抗回路4aのゲート抵抗を制御する制御信号生成回路4bとを備える。可変ゲート抵抗回路4a内には、スイッチ素子1aをオンさせるときのゲート抵抗13と並列に、抵抗12とP型MOSFET10との直列体が接続され、スイッチ素子1aをオフさせるときのゲート抵抗15と並列に、抵抗14とN型MOSFET11との直列体が接続される。制御信号生成回路4bからは、ターンオン時の制御信号であるオン時制御信号21aと、ターンオフ時の制御信号であるオフ時制御信号23aとが出力され、オン時制御信号21aはP型MOSFET10のゲート電極に入力されてP型MOSFET10を駆動し、オフ時制御信号23aはN型MOSFET11のゲート電極に入力されてN型MOSFET11を駆動する。
The amplifier 3 to which a gate command is input includes a
The switching
ターンオン時に、P型MOSFET10をオフさせると、ゲート抵抗はゲート抵抗13のみで高いものとなり、ゲート電極への充電速度は遅くなる。反対にP型MOSFET10がオンのとき、ゲート抵抗はゲート抵抗13と抵抗12との並列抵抗で低いものとなり、ゲート抵抗13と抵抗12とを流れるゲート電流によりゲート電極は高速に充電され、スイッチングに要する時間は短い。
同様に、ターンオフ時に、N型MOSFET11をオフさせると、ゲート抵抗はゲート抵抗15のみで高いものとなり、ゲート電極からの放電速度は遅くなる。反対にN型MOSFET11がオン状態のとき、ゲート抵抗はゲート抵抗15と抵抗14との並列抵抗で低いものとなり、ゲート抵抗13と抵抗12とを流れる電流によりゲート電極は高速に放電され、スイッチングに要する時間は短い。
When the P-
Similarly, when the N-type MOSFET 11 is turned off at the time of turn-off, the gate resistance becomes high only by the
制御信号生成回路4bは、ゲート指令を所定時間遅らせるディレイ回路16、22と、NOT回路18を介したゲート指令を所定時間遅らせるディレイ回路19と、AND回路17、20、OR回路21、NAND回路23とを備え、OR回路21からP型MOSFET10を駆動するオン時制御信号21aが出力され、NAND回路23からN型MOSFET11を駆動するオフ時制御信号23aが出力される。各ディレイ回路16、19、22には、ゲート指令と電流センサ6からの出力とが入力され、負荷電流に応じて設定されたディレイ時間が用いられる。
The control
次に、ターンオン時、ターンオフ時のそれぞれについての動作について説明する。
まず、負荷電流が第1の判定値IAより小さいときの、ターンオン時の動作について、図5のタイミングチャートに基づいて説明する。なお、第1の判定値IA<第2の判定値IBとする。
図5(a)のようなゲート指令(ターンオン指令)が与えられると、ゲート指令はプリアンプ7で増幅されてMOSFET8をオンさせ、スイッチ素子1aのゲート電極が充電される。図示しないゲート電圧がしきい値電圧を超えたときから、スイッチ素子1aのコレクタ・エミッタ間に流れるコレクタ電流が上昇し始め、図5(b)に示すような波形になる。コレクタ電流がピークに達すると、図5(c)に示すようにコレクタ・エミッタ間電圧が下降する。
Next, the operation at turn-on and turn-off will be described.
First, when the load current is less than the first determination value I A, the operation at the time of turn-on will be described with reference to the timing chart of FIG. Note that the first determination value I A <the second determination value I B.
When a gate command (turn-on command) as shown in FIG. 5A is given, the gate command is amplified by the
ディレイ回路16はゲート指令を所定時間遅れさせ、ディレイ回路19はゲート指令の反転指令を所定時間遅れさせる。このディレイ回路16、19のディレイ時間(所定時間)は、ゲート指令のオンオフ切換時からコレクタ電流がピークに達するまでの時間に設定される。コレクタ電流がピークに達するまでの時間は、負荷電流に比例して上昇するため、ディレイ回路16、19では、電流センサ6から入力される負荷電流の大きさに応じてディレイ時間が設定され、このディレイ時間の設定値は図6に示すようになる。
ターンオンディファレンシャルモード判定回路31のコンパレータ26の基準電圧はIAに相当する電圧であり、負荷電流がIAより小さいため、コンパレータ26の出力はLOWのままであり、AND回路20の出力もLOWのままである。
The
Reference voltage of the
ターンオンコモンモード判定回路30のコンパレータ24の基準電圧はIBに相当する電圧であり、負荷電流がIA(<IB)より小さいため、コンパレータ24の出力はHIGHである。ディレイ回路16の出力は、コレクタ電流がピークに達するときにLOWからHIGHになるため、AND回路17の出力も、コレクタ電流がピークに達するまでLOWで、ピークに達したときにLOWからHIGHになる。なお、このAND回路17の出力は、ターンオン時のコレクタ・エミッタ間電圧の電圧変化率を制御する信号となる。2つのAND回路17、20の出力を入力とするOR回路21の出力であるオン時制御信号21aは、AND回路17の出力と同様に、コレクタ電流がピークに達するまでLOWで、ピークに達するときにLOWからHIGHになる。
Since the reference voltage of the
ゲート指令(ターンオン指令)により、コレクタ電流は上昇し、コレクタ電流がピークに達すると、コレクタ・エミッタ間電圧が下降する。このため、P型MOSFET10を駆動するオン時制御信号21aを、コレクタ電流がピークに達するまでLOWにすることにより、コレクタ電流が変化する期間でP型MOSFET10はオン状態を継続し、ゲート電極への充電速度を遅くせず、スイッチ素子1aのスイッチングを不要に遅くしない。そしてコレクタ電流がピークに達するときにオン時制御信号21aがLOWからHIGHになるため、その後のコレクタ・エミッタ間電圧が変化する期間でP型MOSFET10をオフ状態とする。これにより、ゲート電流はゲート抵抗13のみを流れて、その間ゲート電極への充電速度が遅くなり、スイッチ素子1aのコレクタ・エミッタ間電圧は緩やかに下降する。
以上のように、負荷電流が第1の判定値IAより小さいときのスイッチ素子1aのターンオン動作では、コレクタ・エミッタ間電圧の電圧変化率を小さくするようにスイッチング時間が調整され、コモンモードノイズが低減される。
The collector current increases due to the gate command (turn-on command), and when the collector current reaches the peak, the collector-emitter voltage decreases. Therefore, by setting the on-
As described above, the load current is in the turn-on operation of the
次に、負荷電流が第2の判定値IBより大きいときの、ターンオン時の動作について、図7のタイミングチャートに基づいて説明する。
図7(a)のようなゲート指令(ターンオン指令)が与えられると、ゲート指令はプリアンプ7で増幅されてMOSFET8をオンさせ、スイッチ素子1aのゲート電極が充電される。図示しないゲート電圧がしきい値電圧を超えたときから、スイッチ素子1aのコレクタ・エミッタ間に流れるコレクタ電流が上昇し始め、図7(b)に示すような波形になる。コレクタ電流がピークに達すると、図7(c)に示すようにコレクタ・エミッタ間電圧が下降する。
Then, when the load current is greater than the second determination value I B, the operation at the time of turn-on will be described with reference to the timing chart of FIG.
When a gate command (turn-on command) as shown in FIG. 7A is given, the gate command is amplified by the
ディレイ回路16、19では、電流センサ6から入力される負荷電流の大きさに応じて、ゲート指令のオンオフ切換時からコレクタ電流がピークに達するまでの時間をディレイ時間として設定する。ディレイ回路16はゲート指令を遅れさせ、ディレイ回路19はゲート指令の反転指令を遅れさせる。
ターンオンコモンモード判定回路30のコンパレータ24の基準電圧はIBに相当する電圧であり、負荷電流がIBより大きいため、コンパレータ24の出力はLOWのままであり、AND回路17の出力もLOWのままである。
In the
Reference voltage of the
ターンオンディファレンシャルモード判定回路31のコンパレータ26の基準電圧はIAに相当する電圧であり、負荷電流がIB(>IA)より大きいため、コンパレータ26の出力はHIGHである。ディレイ回路19の出力は、コレクタ電流がピークに達するときにHIGHからLOWになるため、AND回路20の出力も、コレクタ電流がピークに達するまでHIGHで、ピークに達したときにHIGHからLOWになる。なお、このAND回路20の出力は、ターンオン時のコレクタ・エミッタ間の電流変化率を制御する信号となる。2つのAND回路17、20の出力を入力とするOR回路21の出力であるオン時制御信号21aは、AND回路20の出力と同様に、コレクタ電流がピークに達するまでHIGHで、ピークに達したときにHIGHからLOWになる。
Since the reference voltage of the
ゲート指令(ターンオン指令)により、コレクタ電流は上昇し、コレクタ電流がピークに達すると、コレクタ・エミッタ間電圧が下降する。このため、P型MOSFET10を駆動するオン時制御信号21aを、コレクタ電流がピークに達するまでHIGHにすることにより、コレクタ電流が変化する期間でP型MOSFET10をオフ状態とする。これにより、ゲート電流はゲート抵抗13のみを流れて、その間ゲート電極への充電速度が遅くなり、スイッチ素子1aのコレクタ電流は緩やかに上昇する。そしてコレクタ電流がピークに達したときにオン時制御信号21aがHIGHからLOWになるため、その後のコレクタ・エミッタ間電圧が変化する期間でP型MOSFET10をオン状態にして、ゲート電極への充電速度を遅くせず、スイッチ素子1aのスイッチングを不要に遅くしない。
以上のように、負荷電流が第2の判定値IBより大きいときのスイッチ素子1aのターンオン動作では、コレクタ電流の電流変化率を小さくするようにスイッチング時間が調整され、ディファレンシャルモードノイズが低減される。
The collector current increases due to the gate command (turn-on command), and when the collector current reaches the peak, the collector-emitter voltage decreases. For this reason, the on-
As described above, in the turn-on operation of the
次に、負荷電流の大きさが第1の判定値IAと第2の判定値IBとの間である時の、ターンオン時の動作について、図8のタイミングチャートに基づいて説明する。
図8(a)のようなゲート指令(ターンオン指令)が与えられると、ゲート指令はプリアンプ7で増幅されてMOSFET8をオンさせ、スイッチ素子1aのゲート電極が充電される。図示しないゲート電圧がしきい値電圧を超えたときから、スイッチ素子1aのコレクタ・エミッタ間に流れるコレクタ電流が上昇し始め、図8(b)に示すような波形になる。コレクタ電流がピークに達すると、図8(c)に示すようにコレクタ・エミッタ間電圧が下降する。
Then, when the magnitude of the load current is between the first judgment value I A and the second determination value I B, the operation at the time of turn-on it will be described with reference to the timing chart of FIG.
When a gate command (turn-on command) as shown in FIG. 8A is given, the gate command is amplified by the
ディレイ回路16、19では、電流センサ6から入力される負荷電流の大きさに応じて、ゲート指令のオンオフ切換時からコレクタ電流がピークに達するまでの時間をディレイ時間として設定する。ディレイ回路16はゲート指令を遅れさせ、ディレイ回路19はゲート指令の反転指令を遅れさせる。
ターンオンコモンモード判定回路30のコンパレータ24の基準電圧はIBに相当する電圧であり、負荷電流がIBより小さいため、コンパレータ24の出力はHIGHで、AND回路17の出力は、ディレイ回路16の出力と同様に、コレクタ電流がピークに達するまでLOWで、ピークに達したときにLOWからHIGHになる。また、ターンオンディファレンシャルモード判定回路31のコンパレータ26の基準電圧はIAに相当する電圧であり、負荷電流がIAより大きいため、コンパレータ26の出力はHIGHで、AND回路20の出力は、ディレイ回路19の出力と同様に、コレクタ電流がピークに達するまでHIGHで、ピークに達したときにHIGHからLOWになる。
In the
Reference voltage of the
2つのAND回路17、20の出力を入力とするOR回路21の出力であるオン時制御信号21aは、HIGH状態を継続する。このため、コレクタ電流が上昇する電流変化の期間でも、その後のコレクタ・エミッタ間電圧が下降する電圧変化の期間でも、P型MOSFET10をオフ状態とする。これにより、ゲート電流はゲート抵抗13のみを流れてゲート電極への充電速度が遅くなり、コレクタ電流は緩やかに上昇し、その後コレクタ・エミッタ間電圧が穏やかに下降する。
以上のように、負荷電流の大きさが第1の判定値IAと第2の判定値IBとの間であるときのスイッチ素子1aのターンオン動作では、コレクタ電流の電流変化率を小さくすると共に、コレクタ・エミッタ間電圧の電圧変化率を小さくするようにスイッチング時間が調整され、コモンモードノイズとディファレンシャルモードノイズとの双方が低減される。
The on-
As described above, the magnitude of the load current at the turn-on operation of the first determination value I A and the second determination
次に、負荷電流が第2の判定値IBより小さいときの、ターンオフ時の動作について、図9のタイミングチャートに基づいて説明する。
図9(a)のようなゲート指令(ターンオフ指令)が与えられると、ゲート指令はプリアンプ7で増幅されてMOSFET9をオンさせ、スイッチ素子1aのゲート電極が放電される。図示しないゲート電圧がしきい値電圧以下となると、スイッチ素子1aのコレクタ・エミッタ間電圧が上昇し始め、その後コレクタ電流が下降する(図9(b)、図9(c))。
ターンオフコモンモード判定回路32のコンパレータ28の基準電圧はIBに相当する電圧である。負荷電流がIBより小さいため、コンパレータ28の出力はLOWのままであり、NAND回路23の出力であるオフ時制御信号23aは、HIGH状態を継続する。このためN型MOSFET11はオン状態で、ゲート電極への充電速度を遅くすることはない。
Then, when the load current is less than the second determination value I B, the operation at the time of turn-off will be described with reference to the timing chart of FIG.
When a gate command (turn-off command) as shown in FIG. 9A is given, the gate command is amplified by the
Reference voltage of the turn-off common
次に、負荷電流が第2の判定値IBより大きいときの、ターンオフ時の動作について、図10のタイミングチャートに基づいて説明する。
図10(a)のようなゲート指令(ターンオフ指令)が与えられると、ゲート指令はプリアンプ7で増幅されてMOSFET9をオンさせ、スイッチ素子1aのゲート電極が放電される。図示しないゲート電圧がしきい値電圧以下となると、スイッチ素子1aのコレクタ・エミッタ間電圧が上昇し始め、その後コレクタ電流が下降する(図10(b)、図10(c))。
ディレイ回路22はゲート指令を所定時間遅れさせ、このディレイ回路22のディレイ時間は、ゲート指令のオンオフ切換時からコレクタ電流が下がり始めるタイミングまでの時間に設定される。コレクタ電流が下がり始めるまでの時間は、負荷電流の大きさに反比例するため、ディレイ回路22では、電流センサ6から入力される負荷電流の大きさに応じてディレイ時間が設定され、このディレイ時間の設定値は図11に示すようになる。
Then, when the load current is greater than the second determination value I B, the operation at the time of turn-off will be described with reference to the timing chart of FIG.
When a gate command (turn-off command) as shown in FIG. 10A is given, the gate command is amplified by the
The
ターンオフコモンモード判定回路32のコンパレータ28の基準電圧はIBに相当する電圧である。負荷電流がIBより大きいため、コンパレータ28の出力はHIGHで、NAND回路23の出力であるオフ時制御信号23aは、ディレイ回路22の出力を反転した信号となる。即ち、コレクタ電流が下がり始めるタイミングまでLOWで、そのタイミングでLOWからHIGHになる。
Reference voltage of the turn-off common
ゲート指令(ターンオフ指令)により、まずコレクタ・エミッタ間電圧が上昇し始め、その後コレクタ電流が下降する。このため、N型MOSFET11を駆動するオフ時制御信号23aを、コレクタ電流が下がり始めるタイミングまでLOWにすると、コレクタ・エミッタ間電圧が変化する期間でN型MOSFET11がオフ状態となる。この間、ゲート電極から放電される電流はゲート抵抗15のみを流れて、ゲート電極の放電速度が遅くなり、スイッチ素子1aのコレクタ・エミッタ間電圧は緩やかに上昇する。そして、コレクタ電流が下がり始めるタイミングで、オフ時制御信号23aがLOWからHIGHになるため、コレクタ電流が変化する期間でN型MOSFET11はオン状態になり、ゲート電極からの放電速度を遅くせず、スイッチ素子1aのスイッチングを不要に遅くしない。
以上のように、負荷電流が第2の判定値IBより大きいときのスイッチ素子1aのターンオフ動作では、コレクタ・エミッタ間電圧の電圧変化率を小さくするようにスイッチング制御され、コモンモードノイズが低減される。
By the gate command (turn-off command), the collector-emitter voltage starts to increase first, and then the collector current decreases. Therefore, when the off-
As described above, the load current is in the turn-off operation of the
以上のように、この実施の形態では、スイッチ素子のスイッチング時に、コモンモード、ディファレンシャルモードの各ノイズが負荷電流に応じて変化する特性を利用して、ターンオン、ターンオフのそれぞれについて、低減すべきノイズモードをノイズモード判定回路5にて判定する。このため、スイッチング時に発生するEMIノイズの内、問題となるノイズモードを的確に判定することができる。そして、スイッチング時間調整回路4は、ノイズモード判定回路5にて判定されたモードのノイズを低減するため、低減すべきノイズを確実に低減し、不要にスイッチング速度を遅くしない。
また、コモンモードノイズを低減するためには、スイッチ素子のコレクタ・エミッタ間の電圧変化率を小さくし、ディファレンシャルモードノイズを低減するためには、コレクタ電流の電流変化率を小さくした。このため、ノイズ生成に大きな影響のある要因のみを的確に制御することができ、スイッチング速度を不要に遅くすることなくEMIノイズを確実に低減でき、EMIノイズの低減とスイッチング損失の低減とが両立できる。
As described above, in this embodiment, the noise to be reduced for each of the turn-on and the turn-off using the characteristic that each noise of the common mode and the differential mode changes according to the load current when the switching element is switched. The mode is determined by the noise mode determination circuit 5. For this reason, it is possible to accurately determine a problematic noise mode among EMI noises generated at the time of switching. Since the switching
In order to reduce the common mode noise, the voltage change rate between the collector and the emitter of the switching element is reduced, and in order to reduce the differential mode noise, the current change rate of the collector current is reduced. For this reason, it is possible to accurately control only factors that have a large influence on noise generation, and it is possible to reliably reduce EMI noise without unnecessarily slowing the switching speed, and to reduce both EMI noise and switching loss. it can.
また、スイッチ素子のコレクタ・エミッタ間の電圧変化率、電流変化率を選択的に制御するのに、電圧あるいは電流が変化する期間を選択して、その間のゲート電極の充放電速度を遅くするように制御したため、複雑な回路構成を必要とせず、容易で確実に上記効果が達成できる。
また、負荷電流に応じてディレイ時間が設定されるディレイ回路を用いて、ゲート指令切換時から所定のディレイ時間経過時点までの期間とそれ以降とのいずれかの期間を、電圧あるいは電流が変化する期間として選択したため、上記各期間の選択が容易となる。
In addition, in order to selectively control the voltage change rate and current change rate between the collector and the emitter of the switch element, the period during which the voltage or current changes is selected to slow down the charge / discharge rate of the gate electrode during that period. Therefore, the above effect can be achieved easily and reliably without requiring a complicated circuit configuration.
In addition, by using a delay circuit in which a delay time is set according to the load current, the voltage or current changes during the period from when the gate command is switched to when the predetermined delay time elapses and thereafter. Since the period is selected, it is easy to select each period.
なお、上記実施の形態では、ゲート指令切換時から所定のディレイ時間経過時点までの期間とそれ以降とのいずれかの期間を、電圧あるいは電流が変化する期間として選択させたが、コレクタ電流の変化傾向が切り替わるポイントを検出して、それ以前と以降との期間を選択させても良い。即ち、ターンオン時では、コレクタ電流のピーク点を検出し、ターンオフ時では、コレクタ電流が下がり始めるポイントを検出する。これにより、より正確に電圧変化期間と電流変化期間とを特定でき、スイッチング速度を不要に遅くすることなくEMIノイズを確実に低減できる効果がさらに高まる。 In the above embodiment, the period from when the gate command is switched to when the predetermined delay time elapses and the period after that is selected as the period during which the voltage or current changes. It is also possible to detect a point at which the tendency changes and select a period before and after that point. That is, the peak point of the collector current is detected at turn-on, and the point at which the collector current starts to decrease is detected at turn-off. Thereby, the voltage change period and the current change period can be specified more accurately, and the effect of reliably reducing EMI noise without unnecessarily slowing the switching speed is further enhanced.
また、上記実施の形態では、3相インバータ内のスイッチ素子1aの制御を示したが、誘導性負荷に電力供給するために高速でオンオフされる半導体スイッチング素子を有する電力変換装置に広く適用でき、同様の効果を有する。
In the above embodiment, the control of the
上記実施の形態は、電力変換装置であるインバータの定格出力が一定の場合である。インバータの電圧クラスが一定で、定格出力が変わると、図3に示したノイズの特性曲線が変化する。例えば定格出力が大きくなると、ノイズの特性曲線は図12に示すように変化するため、ノイズモード判定回路4で判定に用いる第1、第2の判定値IA、IBも、変更する。
The said embodiment is a case where the rated output of the inverter which is a power converter device is constant. When the voltage class of the inverter is constant and the rated output changes, the noise characteristic curve shown in FIG. 3 changes. For example, when the rated output increases, the noise characteristic curve changes as shown in FIG. 12, so the first and second determination values I A and I B used for determination in the noise
また、図3、図12では、ターンオン時のディファレンシャルモードノイズがターンオフ時のコモンモードノイズより大きい場合を示したが、これに限るものではなく、図13のようにターンオフ時のコモンモードノイズがターンオン時のディファレンシャルモードノイズよりも大きくなる場合もある。この場合は、第2の判定値IB<第1の判定値IAとなる。 3 and 12, the differential mode noise at turn-on is larger than the common mode noise at turn-off. However, the present invention is not limited to this, and the common mode noise at turn-off is turned on as shown in FIG. Sometimes it is larger than the differential mode noise of the hour. In this case, the second determination value I B <first judgment value I A.
さらにまた、上記実施の形態では、第2の判定値IBをコモンモードノイズを低減するための判定値として、ターンオン時のコモンモードノイズも負荷電流が第2の判定値IBより小さいときに低減するように制御したが、第1の判定値IAをターンオン時のノイズを低減するための判定値として、ターンオン時のコモンモードノイズを、負荷電流が第1の判定値IAより小さいときに低減するように制御しても良い。 Furthermore, in the above embodiment, the second determination value I B as the determination value to reduce the common mode noise, common mode noise at the time of turn-on even when the load current is less than the second determination value I B was controlled so as to reduce the first determination value I a as a determination value for reducing noise during turn, the common mode noise at the time of turn-on, when the load current is less than the first determination value I a You may control so that it may reduce.
また、ターンオン時のコモンモード、ターンオン時のディファレンシャルモード、ターンオフ時のコモンモードの各ノイズを、所定のノイズ規制レベルを超える時に低減させるように制御しても良い。図14に示すように、所定のノイズ規制レベルを設定し、ターンオン時のコモンモード、ターンオン時のディファレンシャルモード、ターンオフ時のコモンモードの各ノイズがノイズ規制レベルと一致するときの負荷電流値を、それぞれ第1、第2、第3の判定値IC、ID、IEとする。そして、ノイズモード判定回路5内のターンオンコモンモード判定回路30、ターンオンディファレンシャルモード判定回路31、ターンオフコモンモード判定回路32は、それぞれ判定値としてIC、ID、IEを用いて低減すべきノイズモードを判定する。これにより、ターンオン時のコモンモードノイズは負荷電流の大きさがICより小さい時に低減され、ターンオン時のディファレンシャルモードノイズは負荷電流の大きさがIDより大きい時に低減され、ターンオフ時のコモンモードノイズは負荷電流の大きさがIEより大きい時に低減される。これにより、所望のノイズ規制レベルを超えるノイズを確実に低減できる。
Further, control may be performed so that each noise in the common mode at turn-on, the differential mode at turn-on, and the common mode at turn-off is reduced when a predetermined noise regulation level is exceeded. As shown in FIG. 14, a predetermined noise regulation level is set, and the load current value when each noise in the common mode at turn-on, the differential mode at turn-on, and the common mode at turn-off matches the noise regulation level, The first, second, and third determination values I C , I D , and IE are used. The turn-on common
また、上記実施の形態では、半導体スイッチング素子として、ダイオード2a、2bが逆並列接続されたIGBT1a、1bを用い、ダイオード2a、2bにはPiNダイオードを用いた。半導体スイッチング素子はMOSFETでも良く、MOSFETでは、両端子間であるソース・ドレイン間の電流変化と電圧変化を独立に制御しやすく、上記実施の形態1によるスイッチングの制御を効果的に適用できる。IGBTのターンオフ時の電流変化はゲート電極でほとんど制御できず、電圧と電流と主回路条件が決まると、ほぼ一定である。それに対して、MOSFETの場合は、例えば、ゲート抵抗を変えるとターンオフ時の電流変化を変えることが可能である。ターンオフ時のディファレンシャルモードノイズは、他のモードのノイズに比較してレベルが低いため、上記実施の形態では制御対象としないものであったが、MOSFETの場合は、ターンオフ時のディファレンシャルモードノイズを制御対象として、ノイズを各段と低いレベルに低減することも可能である。
また、MOSFETに逆並列接続するダイオードをショットキーバリアダイオードとすると、ダイオードのオフ時に大きなリカバリ電流が流れることがなく、サージ電流の影響がない。このため、電流変化率を変えても電圧変化率が影響を受けず、電流変化と電圧変化をさらに精度良く独立に制御できる。
Moreover, in the said embodiment, IGBT1a, 1b by which
If the diode connected in reverse parallel to the MOSFET is a Schottky barrier diode, a large recovery current does not flow when the diode is turned off, and there is no influence of surge current. For this reason, even if the current change rate is changed, the voltage change rate is not affected, and the current change and the voltage change can be independently controlled with higher accuracy.
1a,1b 半導体スイッチング素子、2a,2b ダイオード、
4 スイッチング時間調整回路、4a 可変ゲート抵抗回路、4b 制御信号生成回路、
5 ノイズモード判定回路、6 電流センサ、21a オン時制御信号、
23a オフ時制御信号、30 ターンオンコモンモード判定回路、
31 ターンオンディファレンシャルモード判定回路、
32 ターンオフコモンモード判定回路、40 負荷(モータ)、
IA,IB 第1,第2の判定値、IC,ID,IE 第1,第2,第3の判定値。
1a, 1b semiconductor switching element, 2a, 2b diode,
4 switching time adjustment circuit, 4a variable gate resistance circuit, 4b control signal generation circuit,
5 Noise mode determination circuit, 6 Current sensor, 21a Control signal when ON,
23a OFF control signal, 30 turn-on common mode determination circuit,
31 Turn-on differential mode determination circuit,
32 turn-off common mode determination circuit, 40 load (motor),
I A , I B first and second determination values, I C , I D , IE first, second and third determination values.
Claims (10)
負荷電流を検出する電流センサと、
上記半導体スイッチング素子のターンオン、ターンオフのそれぞれについて、差動モードと共通モードとを有する放射ノイズの内、低減すべきノイズモードを、上記電流センサの出力に基づいて決定するノイズモード判定回路と、
ゲート指令切り換えによる上記ゲート電極の充放電の速度を変化させて上記半導体スイッチング素子のスイッチング時間を調整するスイッチング時間調整回路とを備え、
上記スイッチング時間調整回路は、上記ノイズモード判定回路にて決定されるノイズモードに応じて上記半導体スイッチング素子の両端子間の電流変化率、電圧変化率を選択的に小さくすることを特徴とする電力変換装置。 In a power conversion device that includes a semiconductor switching element that is driven and controlled by a gate electrode and supplies power to an inductive load,
A current sensor for detecting the load current;
A noise mode determination circuit that determines a noise mode to be reduced among radiation noises having a differential mode and a common mode for each of turn-on and turn-off of the semiconductor switching element based on the output of the current sensor;
A switching time adjustment circuit for adjusting a switching time of the semiconductor switching element by changing a charge / discharge speed of the gate electrode by switching a gate command;
The switching time adjusting circuit selectively reduces a current change rate and a voltage change rate between both terminals of the semiconductor switching element according to a noise mode determined by the noise mode determination circuit. Conversion device.
上記ノイズモード判定回路にて決定されるノイズモードが共通モードを有するとき、上記スイッチング時間調整回路は、上記半導体スイッチング素子の両端子間の電圧変化率を小さくすることを特徴とする請求項1に記載の電力変換装置。 When the noise mode determined by the noise mode determination circuit has a differential mode, the switching time adjustment circuit reduces a current change rate between both terminals of the semiconductor switching element,
2. The switching time adjusting circuit reduces a voltage change rate between both terminals of the semiconductor switching element when a noise mode determined by the noise mode determination circuit has a common mode. The power converter described.
上記半導体スイッチング素子のターンオン時、ターンオフ時に電流が変化する期間を選択し、該期間において上記ゲート電極の充放電速度を遅く変化させることで上記半導体スイッチング素子の両端子間の電流変化率を小さくし、
上記半導体スイッチング素子のターンオン時、ターンオフ時に電圧が変化する期間を選択し、該期間において上記ゲート電極の充放電速度を遅く変化させることで上記半導体スイッチング素子の両端子間の電圧変化率を小さくすることを特徴とする請求項1又は2に記載の電力変換装置。 The switching time adjustment circuit is
A period during which the current changes at turn-on and turn-off of the semiconductor switching element is selected, and the rate of current change between both terminals of the semiconductor switching element is reduced by changing the charge / discharge speed of the gate electrode slowly during the period. ,
A period during which the voltage changes at turn-on and turn-off of the semiconductor switching element is selected, and the rate of voltage change between the two terminals of the semiconductor switching element is reduced by slowly changing the charge / discharge speed of the gate electrode during the period. The power conversion device according to claim 1, wherein the power conversion device is a power conversion device.
上記半導体スイッチング素子のターンオン時の共通モード放射ノイズが、ターンオン時の差動モード放射ノイズと一致するときの負荷電流値を第1の判定値、ターンオフ時の共通モード放射ノイズと一致するときの負荷電流値を第2の判定値とし、
上記電流センサにて検出される上記負荷電流の大きさが上記第1あるいは第2の判定値より小さい時、共通モードをターンオン時に低減すべきノイズノードと決定し、
上記電流センサにて検出される上記負荷電流の大きさが上記第1の判定値より大きい時、差動モードをターンオン時に低減すべきノイズノードと決定し、
上記電流センサにて検出される上記負荷電流の大きさが上記第2の判定値より大きい時、共通モードをターンオフ時に低減すべきノイズノードと決定することを特徴とする請求項1〜6のいずれか1項に記載の電力変換装置。 The noise mode determination circuit is
The load current value when the common mode radiation noise at the turn-on time of the semiconductor switching element matches the differential mode radiation noise at the turn-on time is the first judgment value, the load when the common mode radiation noise at the turn-off time coincides Let the current value be the second judgment value,
When the magnitude of the load current detected by the current sensor is smaller than the first or second determination value, the common mode is determined as a noise node to be reduced at turn-on,
When the magnitude of the load current detected by the current sensor is larger than the first determination value, the differential mode is determined as a noise node to be reduced at turn-on,
7. The method according to claim 1, wherein when the magnitude of the load current detected by the current sensor is larger than the second determination value, the common mode is determined as a noise node to be reduced at turn-off. The power converter device of Claim 1.
上記半導体スイッチング素子のターンオン時の共通モード放射ノイズ、ターンオン時の差動モード放射ノイズ、ターンオフ時の共通モード放射ノイズのそれぞれが所定のノイズレベルと一致するときの負荷電流値を第1〜第3の判定値とし、
上記電流センサにて検出される上記負荷電流の大きさが上記第1の判定値より小さい時、共通モードをターンオン時に低減すべきノイズノードと決定し、
上記電流センサにて検出される上記負荷電流の大きさが上記第2の判定値より大きい時、差動モードをターンオン時に低減すべきノイズノードと決定し、
上記電流センサにて検出される上記負荷電流の大きさが上記第3の判定値より大きい時、共通モードをターンオフ時に低減すべきノイズノードと決定することを特徴とする請求項1〜6のいずれか1項に記載の電力変換装置。 The noise mode determination circuit is
The load current values when the common mode radiation noise at the turn-on time of the semiconductor switching element, the differential mode radiation noise at the turn-on time, and the common mode radiation noise at the turn-off time coincide with a predetermined noise level are first to third. The judgment value of
When the magnitude of the load current detected by the current sensor is smaller than the first determination value, the common mode is determined as a noise node to be reduced at turn-on,
When the magnitude of the load current detected by the current sensor is greater than the second determination value, the differential mode is determined as a noise node to be reduced at turn-on,
7. The method according to claim 1, wherein when the magnitude of the load current detected by the current sensor is larger than the third determination value, the common mode is determined as a noise node to be reduced at turn-off. The power converter device of Claim 1.
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