JP4100931B2 - PWM inverter - Google Patents
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Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、2つの半導体スイッチを交互にON・OFFさせることで出力を制御するPWMインバータに関し、特に電源短絡を防止するためのデッドタイムモードを半導体スイッチのオン状態が切り替わる時点に設けたPWMインバータに関するものである。
【0002】
【従来の技術】
図16は、典型的なPWMインバータ9を示す図であり、直流電源91と、直流電源91の両端子a1,a2(a2はGND端子)間に直列に接続されたスイッチング回路92と、これらスイッチング回路92の制御端子にオン・オフ制御信号を送出する制御回路93と、スイッチング回路92から引き出されたリアクトル94(インダクタンス94aと抵抗94bからなる)と、リアクトル94とグランドGND間に接続されたコンデンサ95とを備えている。そして、コンデンサ95の両端子からは、インバータ出力端子b1,b2(b2はGND端子)が引き出されている。
【0003】
図16に示す例では、スイッチング回路92は、2つのスイッチングトランジスタQ1,Q2からなり、各スイッチングトランジスタQ1,Q2の駆動端子(エミッタ,コレクタ)間には、転流ダイオードD1,D2が接続されている。このダイオードD1,D2は、スイッチングトランジスタQ1,Q2がオフしているときの電流パスを補償するものである。
【0004】
図16のPWMインバータ9では、インバータ出力端子b1,b2には電源負荷が接続されており、出力電流Ioが出力端子から流れ出ているものとする。そして、図16の回路では、図17に示すように、▲1▼Q1:ON,Q2:OFF、▲2▼Q1:OFF,Q2:OFF、▲3▼Q1:OFF,Q2:ON、▲4▼Q1:OFF,Q2:OFFの4つのモードを、▲1▼→▲2▼→▲3▼→▲4▼→▲1▼→▲2▼→▲3▼→▲4▼…の順番で繰り返すように制御される。
【0005】
図17の▲2▼および▲4▼のモードは、スイッチングトランジスタQ1およびQ2が同時ONとならないことを補償するためのものであり、このモードでの期間をデッドタイムdと称する。デッドタイム中のスイッチングトランジスタQ1およびQ2の電圧値は、転流ダイオードD1またはD2を介してリアクトルに流れる電流に依存する。そして、デッドタイムdがあることにより、PWMインバータ9の出力特性が低下することがある。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、デッドタイムを設けた場合に、出力が低下する傾向がある。デッドタイム期間を確保したまま、出力低下を高い応答性で解消しようとすると、電流値を増加せざるを得ない。たとえば、負荷電流(出力電流Io)の増減に応じて、(Q1のON時間)/(Q2のON時間)を増減させるような正帰還を採用したとする。すなわち、負荷電流が大きくなったときには、上記のスイッチングトランジスタQ1,Q2のON時間比を変更することにより、電源からの電力供給を増やし(Q1のオン時間を長くし)、当該負荷電流の増大に応えることができる。
【0007】
正帰還制御では、制御が適切に行われる限りシステムは安定であるが、逆に制御が不適切だとシステムが発振する。すなわち、負荷電流が大きくなったときに、電源からそれに見合うだけの電流を供給すれば、供給電流と負荷電流とのバランスは保たれるので発振はしない。しかし、負荷電流が大きくなった場合に、わずかでも供給電流が上回ると、出力電圧が高くなり(コンデンサ95がさらに充電され)、出力電圧が上昇した分、負荷電流は増える。負荷電流が増えれば、電源側は、負荷に供給する電流をさらに増すので、出力電圧がさらに高くなり、結果として発振してしまう。特に、図16のPWMインバータ9では、電流の平均値を制御パラメータとしており、しかも制御量であるスイッチングトランジスタQ1,Q2のON時間比にはデッドタイムの影響が全く考慮されていない。このために、応答速度が遅い負帰還の制御を採用せざるを得ない。
【0008】
本発明の目的は、電源短絡を防止するために制御期間にデッドタイムモードを備えたPWMインバータにおいて、デッドタイムに基づくスイッチングが動作できない状態に応じて、当該半導体スイッチのON時間を変更することで補償したPWMインバータを提供することにある。
【0009】
【課題を解決するための手段】
本発明は、制御パラメータの出力電流値として平均値を採用するのではなく、リアクトル電流を採用する。ただし、このリアクトル電流は、実測不能であるので推定値を採用する。
【0010】
また、デッドタイムにおけるリアクトル電流の増減を見込んで、スイッチングトランジスタQ1やQ2のON時間を制御すれば、デッドタイムにおける転流電流の影響を考慮した、正確な制御を行うことができるとの知見を得て本発明をなすに至った。
【0011】
本発明のPWMインバータは、直流電源と、前記直流電源端子に順向きに接続されたそれぞれ転流ダイオードを有する第1の半導体スイッチおよび第2の半導体スイッチからなるスイッチング回路と、前記各半導体スイッチのON/OFF制御信号を出力するインバータ制御回路と、前記各半導体スイッチの接続点に一方端子が接続されたリアクトルと、前記リアクトルの他方端子と前記直流電源のグランド端子に接続されたコンデンサとからなる平滑回路とを備え、第1の半導体スイッチのON/OFFと第2の半導体スイッチのON/OFFとを交互に行い、かつ、第1の半導体スイッチのON期間と第2の半導体スイッチのON期間との間に両半導体スイッチが共にOFFとなる期間を設けて制御されるものを前提とする。そして、リアクトル電流を、出力電流値,出力電圧値,電源電圧値およびパルス幅から推定して当該推定値に基づき前記各半導体スイッチのON時間を設定するデッドタイム補償時間設定手段を含むデッドタイム補償回路を有するようにした。
【0012】
本発明のPWMインバータでは、デッドタイム補償時間設定手段は、本来ON状態となるべき半導体スイッチの動作が前記デッドタイムにより制限され、かつ当該デッドタイム中の前記リアクトルに流れる電流の向きが、当該半導体スイッチがON状態となったときに流れるべき電流の向きと同一であるときは、前記半導体スイッチのON時間を変更することができる。
【0013】
本発明のPWMインバータでは、前記第1の半導体スイッチのON時間と、前記第1の半導体スイッチがONの状態から遷移するデッドタイムと、前記第2の半導体スイッチのON時間と、前記第2の半導体スイッチがONの状態から遷移するデッドタイムとの和が一定であるときには、前記各半導体スイッチのON時間の変更が、PWMの周波数を一定としたまま、前記第1の半導体スイッチのON時間と、前記第2の半導体スイッチのON時間との比の変更となるように構成できる。
本発明では、デッドタイム補償回路は、リアクトル電流が、
第1パターン:最大ピーク,最小ピークがともに正となる場合
第2パターン:最大ピークが正,最小ピークがゼロ近傍となる場合
第3パターン:最大ピークが正,最小ピークが負となる場合
第4パターン:最大ピークがゼロ近傍,最小ピークが負となる場合
第5パターン:最大ピーク,最小ピークがともに負となる場合
の何れに属するかを決定するパターン決定手段を含み、デッドタイム補償時間設定手段は、パターン決定手段が決定したパターンに応じて、前記各半導体スイッチのON時間を設定することができる。
【0014】
具体的には、パターン決定手段は、
i1,2=(1/2)×Vo/Vs×〔(Vs−Vo)/L〕×ω
Vo:出力電圧、Vs:電源電圧、L:リアクトルのインダクタンス、ω:PWMのキャリア周波数として、
第1パターン:i1,2≦ic
第2パターン:i2,3=i1,2−(Vs−Vo)×d/L≦ic<i1,2
第3パターン:i3,4=−(i1,2−Vo×d/L)≦ic<i2,3
第4パターン:i4,5=−i1,2≦ic<i3,4
第5パターン:ic<i4,5
として、リアクトル電流の平均値(推定値)icが属するパターンを決定することができる。
【0015】
【発明の実施の形態】
図1は、本発明のPWMインバータ1の一実施の形態を示す回路図である。図1において、PWMインバータ1は、直流電源11と、直流電源11の両端子a1,a2(a2はGND端子)間に直列に接続されたスイッチング回路12と、スイッチング回路12の各半導体スイッチの制御端子にオン・オフ制御信号を送出する制御回路13と、スイッチング回路12から引き出されたリアクトル14と、リアクトル14とグランドGND間に接続されたコンデンサ15とから構成される。更に、コンデンサ15の両端子からはインバータ出力端子b1,b2(b2はGND端子)が引き出されている。
【0016】
図1では、スイッチング回路12は、2つのスイッチングトランジスタ(ここではFET)Q1,Q2からなり、各スイッチングトランジスタQ1,Q2の駆動端子間には、転流ダイオードD1,D2が接続されている。転流ダイオードD1,D2は、スイッチングトランジスタQ1,Q2がオフしているときの電流パスを補償する。リアクトル14は、インダクタ14aとライン抵抗14bとの接続回路として示されている。
【0017】
制御回路13は、直流電源11の電源電圧信号x、インバータ出力電圧y、およびインバータ出力電流を取り込み、スイッチングトランジスタQ1,Q2の制御端子(g1,g2)に制御信号を出力することができる。なお、制御回路13には、図13において説明するようにデッドタイム補償回路5,PWM制御波形生成部6が備えられている。
【0018】
リアクトル14に流れる電流は、負荷の特性および制御状態に応じて、図2に示すような5つのパターン(電流i1〜i5で示す)に分類される。本実施の形態では、リアクトル電流が上記のパターンに属するかに応じて、PWMのH期間またはL期間を調整する。なお、図2では、PWM制御信号を矩形波で示し、これらの信号状態(デッドタイムを含む状態)をpwmで示してある。
【0019】
リアクトル電流は、Q1:ON,Q2:OFFのモード(領域I)で上昇し、Q1:OFF,Q2:ONのモード(領域III)で下降する。また、リアクトル電流は、直前モードがQ1:ON,Q2:OFF(領域I)から推移したQ1:OFF,Q2:OFFのモード(領域II:デッドタイム)、あるいは直前モードがQ1:OFF,Q2:ON(領域III)から推移したQ1:OFF,Q2:OFFのモード(領域IV)で、上昇し、下降し、またはピークを持って上昇から下降に遷移し、あるいは下降から上昇に遷移する。
【0020】
第1パターンはリアクトル電流iの最大ピークPmax,最小ピークPminがともに正となる場合である。第2パターンはリアクトル電流iの最大ピークPmaxが正,最小ピークPminがゼロとなる場合である。第3パターンはリアクトル電流iの最大ピークPmaxが正,最小ピークPminが負となる場合である。第4パターンはリアクトル電流iの最大ピークPmaxがゼロ,最小ピークPminが負となる場合である。そして、第5パターンはリアクトル電流iの最大ピークPmax,最小ピークPminがともに負となる場合である。なお、図2において、αおよびβは、リアクトル電流iの減衰時間と増加時間を示している。
【0021】
まず、図3および図4(A)〜(E)に基づいて第1パターンについて説明する。図3は、第1パターンにおけるPWM信号とPWMインバータ1の制御信号との対応を示す波形図を示している。
【0022】
図3において、dで示される時間は、デッドタイムである。第1パターンでは、デッドタイムdは、減衰時間αに含まれている。前述したように、第1パターンでは、最小ピークPmin≧0である。
【0023】
PWMの繰り返しの周期、すなわちキャリア周波数をωとすると、リアクトル14に流れる電流値の平均icは、Pmin≧0の条件から、
ic≧Pmax/2
となる。また、減衰時間αにおけるリアクトル電流iの傾きをA、増加時間βにおけるリアクトル電流iの傾きをBとすると、
β=A/(A+B)×ω
Pmax≧β×B
となる。したがって、
ic≧(1/2)×A×B×ω/(A+B)
が求められる。
【0024】
減衰時間αでの傾きAおよび増加時間βでの傾きBは、リアクトル(インダクタンスL)14にかかる電圧Vs,Voから、次のようにして検出される。ここで、Vsは電源電圧、Voは出力電圧である。
A=|di/dt|=Vo/L
B=|di/dt|=(Vs−Vo)/L
したがって、平均電流icが次の条件を満たす場合には、第1パターンに属するので、それに応じた(第1パターンに対応する)制御を行う。
【0025】
ic≧((1/2)×Vo/Vs×〔(Vs−Vo)/L〕×ω
なお、(1/2)×Vo/Vs×〔(Vs−Vo)/L〕×ωは、第1パターンと第2パターンとの境界を表す電流値である。以下、この電流値をi1,2で表す。すなわち、平均電流値icが、
ic≧(i1,2=(1/2)×Vo/Vs×〔(Vs−Vo)/L〕×ωであるときには、第1パターンによる制御を行う。
【0026】
図4(A)〜(E)は、第1パターンにおける電流の変化を示す時系列図である。図4(A)のQ1:ON,Q2:OFF(領域I)のモードから、図4(B)のQ1:OFF,Q2:OFFのモード(領域II:デッドタイムd)に推移したときには、デッドタイムの影響は生じない。すなわち、Q1:OFF,Q2:OFFのモードでは、Q2のON/OFF動作にはかかわりなく転流ダイオードを介して電流が正方向に流れるので、デッドタイムの影響はない。同様に図4(B)のQ1:OFF,Q2:OFFのモード(領域II:デッドタイム)から、図4(C)のQ1:OFF,Q2:ON(領域III)のモードに推移したときにも、デッドタイムの影響はない。
【0027】
これに対して、図4(C)のQ1:OFF,Q2:ON(領域III)のモードから、図4(D)のQ1:OFF,Q2:OFFのモード(領域IV:デッドタイムd)に推移したときには、デッドタイムdの全域にわたりその影響を考慮する必要がある。すなわち、デッドタイムdの期間中は、PWM信号がLowとなっているのと等価であるので、この期間(領域IVのデッドタイムdの全域)に応じてPWMのH期間をdh=dに対応する時間だけ増加させ、これと同時にL期間を当該時間だけ減少させる。
【0028】
図4(D)のQ1:OFF,Q2:OFFのモード(領域IV:デッドタイム)から、図4(E)のQ1:ON,Q2:OFFのモードに推移したときにはデッドタイムdの影響はない。
【0029】
図5および図6(A)〜(E)により第2パターンについて説明する。図5は第2パターンにおけるPWM信号とPWMインバータ1の制御信号との対応を示す波形図である。図5において、αおよびβは、リアクトル電流iの減衰時間と増加時間を示している。第2パターンでは、一方のデッドタイム(領域II)dは減衰時間αに含まれており、他方のデッドタイム(領域IV)dは減衰時間αと増加時間βに含まれている。第2パターンでは、最小ピークPminは、ほぼ0である。
【0030】
第2パターンではPWM信号がHのときの電流の増加と、Lのときの電流の減少とが釣り合うように、領域IVのデッドタイムdで電流が調整されてしまう。領域IVのデッドタイムdにおける補償値をdh、リアクトル電流iの平均はicなので、この補償値dhは、図5からもわかるように次式で与えられる(詳細については、後述する)。
dh=d−(i1,2−ic)×L/(Vs−Vo)
減衰時間αでの傾きAおよび増加時間βでの傾きBは、前述したように、
A=|di/dt|=Vo/L
B=|di/dt|=(Vs−Vo)/L
である。
【0031】
なお、第1パターンにおいて説明したよう、領域IIでは、デッドタイムdの補償の必要はない。すなわち、この場合には、「本来ONすべきスイッチングトランジスタQ1がONできずに、スイッチングトランジスタQ2側の転流ダイオードD2を介して電流がリアクトル14に流れてしまう」といった問題は生じない。
また、第2パターンとの第3パターンとの境界を表す電流値を、i2,3とすると、
i2,3=i1,2−(Vs−Vo)×d/L
【0032】
ただし、i1,2=(1/2)×Vo/Vs×〔(Vs−Vo)/L〕×ω
となる。したがって、リアクトル14に流れる電流icが、次の条件、
i2,3≦ic<i1,2
を満たすときには、第2パターンに属するので、第2パターンによる制御を行う。
【0033】
図6(A)〜(E)は、第2パターンにおける電流の変化を示す時系列図である。図6(B)に示す領域IIにおける動作では、デッドタイムdの影響を受けない。また、図6(D)に示すデッドタイムdの前半においてもデッドタイムdの影響は受けない。しかし、図6(D′)に示すデッドタイムdの後半では、本来ONすべきスイッチングトランジスタQ1がONできずに、スイッチングトランジスタQ2側の転流ダイオードD2を介して電流がリアクトル14に流れているので、デッドタイムdの影響を考慮する必要がある。デッドタイムdの影響を受ける期間は前述した補償値dhである。したがって、PWMのH期間を補償値dhに対応する時間だけ増加させ、これと同時にL期間を当該時間だけ減少させる必要がある。
【0034】
図7および図8(A)〜(E)を用いて第3パターンについて説明する。図7は、第3パターンにおけるPWM信号とPWMインバータ1の制御信号との対応を示す波形図である。第3パターンの動作では、図8(A)のQ1:ON,Q2:OFFのモード(領域I)から推移した図8(B)のQ1:OFF,Q2:OFFのモード(領域II:デッドタイムd)において、「本来ONすべきスイッチングトランジスタQ2がONできずに、スイッチングトランジスタQ1側の転流ダイオードD1を介して電流がリアクトル14に流れてしまう」といった事態は生じない。なお、図8(C),(C′)に領域IIIにおいて、電流の向きが変化する様子を示す。また、図8(C′)のQ1:OFF,Q2:ONのモード(領域III)から推移したQ1:OFF,Q2:OFFのモード(領域IV:デッドタイムd)においても、「本来ONすべきスイッチングトランジスタQ1がONできずに、スイッチングトランジスタQ2側の転流ダイオードD2を介して電流がリアクトル14に流れてしまう」といった事態は生じない。したがって、
dh=0
であり、デッドタイムdの補償の必要はない。
第4パターンとの境界となる電流値i3,4は、以下のように表される。
【0035】
i3,4=−(i1,2−Vo×d/L)
ただし、i1,2=(1/2)×Vo/Vs×〔(Vs−Vo)/L〕×ω
したがって、リアクトル14に流れる電流iが、次の条件を満たすときには、第3パターンに属するので、第3パターンによる制御(デッドタイム補償をしない制御)を行う。
【0036】
i3,4≦ic<i2,3
図9および図10(A)〜(E)に基づいて第4パターンについて説明する。図9は、第4パターンにおけるPWM信号とPWMインバータ1の出力電流i4との対応を示す波形図である。第4パターンの動作では、図10(A)のQ1:ON,Q2:OFFのモード(領域I)から推移した図10(B′)のQ1:OFF,Q2:OFFの後半モード(領域II:デッドタイムd)において、「本来ONすべきスイッチングトランジスタQ2がONできずに、スイッチングトランジスタQ1側の転流ダイオードD1を介して電流がリアクトル14に流れてしまう」といった事態が生じる。したがって、領域IIでのデッドタイムdの補償の必要が生じる。なお、図10(E),(E′)に領域Iにおいて、電流の向きが変化の様子を示す。
【0037】
上記デッドタイムdの補償値dhは、図9からもわかるように、
dh=(ic−i3,4)×L/Vo
となる。
【0038】
また、第4パターンにおいて第5パターンとの境界となる電流値i4,5は、以下のように表される。
i4,5=−i1,2
ただし、i1,2=(1/2)×Vo/Vs×〔(Vs−Vo)/L〕×ω
【0039】
したがって、リアクトル14に流れる電流icが、次の条件を満たすときには、第4パターンに属するので、第4パターンによる制御を行う。
i4,5≦ic<i3,4
すなわち、PWMのL期間を上記の補償値dhに対応する時間だけ増加させ、これと同時にH期間を当該時間だけ減少させる。
【0040】
図11および図12(A)〜(E)により第5パターンについて説明する。図11は第5パターンにおけるPWM信号とPWMインバータ1の制御信号との対応を示す波形図である。第5パターンの動作では、図12(A)のQ1:ON,Q2:OFFのモード(領域I)から推移した図12(B)のQ1:OFF,Q2:OFFのモード(領域II:デッドタイムd)の全領域において、「本来ONすべきスイッチングトランジスタQ2がONできずに、スイッチングトランジスタQ1側の転流ダイオードD1を介して電流がリアクトル14に流れてしまう」といった事態が生じる。したがって、領域IIでのデッドタイムdの補償の必要が生じる。
【0041】
このときの、デッドタイムの補償値dhは、
dh=d
となる。
したがって、リアクトル14に流れる電流icが、次の条件、
ic≦i4,5
を満たすときには、第5パターンに属するので、第2パターンによる制御を行う。すなわち、PWMのL期間を上記のdh=dに対応する時間だけ増加させ、これと同時にH期間を当該時間だけ減少させる。
【0042】
以上のようにして、以下のPWM制御を行うことができる。図13に、制御回路13に搭載されるデッドタイム補償回路5を示す。また、図14に制御回路13における処理を示す。デッドタイム補償回路5は、パターン決定部51とデッドタイム補償時間設定部52とからなる。パターン決定部51は、リアクトル電流値推定部を含む。パターン決定部51は、現在の制御状態がどの電流パターンに該当するかを、出力電流値Io,出力電圧Vo,電源電圧Vs,キャリア周波数ωに基づいて決定する(S01)。そして、デッドタイム補償時間設定部52は、パターン決定部51により決定されたパターンに相当する補償値dhを決定し、PWM制御波形生成部6に送り、PWM制御波形生成部6は、リアクトル電流のパターンに応じた制御信号に基づくPWM制御を行う(S02)。
【0043】
補償値dhをたとえばスイッチングトランジスタQ1のON時間に付加した制御を行うときは、スイッチングトランジスタQ2のON時間をdhだけ差し引く制御を行う。
【0044】
この場合、上記実施の形態で説明したように、リアクトル電流のパターンに応じて補償値dhの値は異なる。すなわち、第1パターン,第5パターンではdh=dであり、第3パターンではdh=0である。また、第2パターンではdh=d−(i1,2−ic)×L/(Vs−Vo),第4パターンでは(ic−i4,5)×L/Voとした。実測できない値であるリアクトル電流の平均値icを求めるには、種々の方法がある。リアクトル電流は、後述する図15のフローチャートに例示する処理により求めることができる。
【0045】
パターン決定部51は、予め、電源電圧Vs,出力電圧Vo,出力電流ic,キャリア周波数ωに対応するパターンをテーブルにして記憶しておくことで、現在のパターンが第1パターン〜第5パターンの何れに属するかを決定することができる。
【0046】
PWMインバータ1の制御の制御は基本的には、スイッチングトランジスタのON時間の増減により行われるが、実際の制御において、上記補償値dhの値の最適化を図ることができる。すなわち、予めシミュレーションにより、最適な補償値dhを各パターンごとに求めておき、これをデッドタイム補償時間設定部52に記憶させておくことができる。
【0047】
前述したように、リアクトル電流icは、実測できない値である。そこで、本実施の形態では、図15のフローチャートに示す処理を実行することにより、icの推定値〈ic〉を求めるようにした。
まず、インダクタンスLを通過する電流iLは、インダクタンスに加えられる電圧をvLとすると、
diL=−vLdt/L
で表される。
【0048】
したがって、本実施の形態では、
diL:Δ〈ic〉
vL:Vs×D−〈ic〉×R+Vo
dt:サンプリング周期(U×δt)
で表される。
【0049】
ただし、〈ic〉は、リアクトル電流の平均値icの推定値、RはインダクタンスLの抵抗値、Vsは直流電源の電圧値、DはPWMのデューティ、Voは出力電圧値(コンデンサ電圧値)、δtはPWMクロック、Uは1サンプリング周期分を表す整数である。
したがって、
〈ic〉=〔Vs×D−〈ic〉×R+Vo〕∫dt
で表される。
【0050】
上記の式を、離散データ表現すると、
〈ic〉k=Σ〔Vsk−1×D−〈ic〉k−1×R+Vo〕×(U×δt)となる。Σは、制御単位の開始から終了(現在)に至るまで累積することを意味する。たとえば、制御開始がn番目のサンプリング順位と、現在をm番目のサンプリング順位とすると、Σは、k=m−nからk=nまでのm回のサンプリング値の累積で表される。
【0051】
図15では、まず、各パラメータ(Vs,Vo等)のサンプリングを行い(S100)、〈ic〉kの演算を行う(S101)。次に、サンプリングが、制御単位の開始からm回行われたか否かを判断し(S102)、m回に達していないときは、処理をステップS101に戻す。
【0052】
ステップS102において、処理がm回に達したときは、〈ic〉kが第1パターンに属するか否かを判断する(S103)。ここで、〈ic〉kが第1パターンに属するか否かの判断は、
〈ic〉k≧i1,2
ただし、
i1,2=(1/2)×Vo/Vs×〔(Vs−Vo)/L〕×ω
に基づき行われる。
【0053】
ステップS103において、〈ic〉kが第1パターンに属すると判断されたときは、PWMのオンタイムにdhを加え、制御単位におけるパラメータをリセットし、新たに制御単位の実行を開始する(S104)。
このときのdhは、
dh=d
である。
【0054】
ステップS103において、〈ic〉kが第1パターンに属さないと判断されたときは、第2パターンに属するか否かを判断する(S105)。ここで、〈ic〉kが第2パターンに属するか否かは、
i2,3≦〈ic〉k<i1,2
ただし、i2,3=i1,2−(Vs−Vo)×d/L
i1,2=(1/2)×Vo/Vs×〔(Vs−Vo)/L〕×ω
に基づき行われる。
【0055】
ステップS105において、〈ic〉kが第2パターンに属すると判断されたときは、PWMのオンタイムにdhを加え、制御単位におけるパラメータをリセットし、新たに制御単位の実行を開始する(S106)。
このときのdhは、
dh=d−(i1,2−ic)×L/(Vs−Vo)
=d−(i1,2−〈ic〉k)×L/(Vs−Vo)
である。
【0056】
ステップS105において、〈ic〉kが第2パターンに属さないと判断されたときは、第3パターンに属するか否かを判断する(S107)。ここで、〈ic〉kが第3パターンに属するか否かは、
i3,4≦〈ic〉k<i2,3
ただし、i2,3=i1,2−(Vs−Vo)×d/L
i1,2=(1/2)×Vo/Vs×〔(Vs−Vo)/L〕×ω
i3,4=−(i1,2−Vo×d/L)
に基づき行われる。
【0057】
ステップS107において、〈ic〉kが第3パターンに属すると判断されたときは、PWMのオンタイムはそのままにするとともに、制御単位におけるパラメータをリセットし、新たに制御単位の実行を開始する(S108)。
【0058】
ステップS107において、〈ic〉kが第3パターンに属さないと判断されたときは、第4パターンに属するか否かを判断する(S109)。ここで、〈ic〉kが第4パターンに属するか否かは、
i4,5=−i1,2≦〈ic〉k<i3,4
ただし、
i3,4=−(i1,2−Vo×d/L)
i1,2=(1/2)×Vo/Vs×〔(Vs−Vo)/L〕×ω
に基づき行われる。
【0059】
ステップS109において、〈ic〉kが第4パターンに属すると判断されたときは、PWMのオンタイムにdhを加え、制御単位におけるパラメータをリセットし、新たに制御単位の実行を開始する(S210)。
このときのdhは、
dh=(ic−i3,4)×L/Vo
=(〈ic〉k−i3,4)×L/Vo
である。
【0060】
ステップS109において、〈ic〉kが第4パターンに属さないと判断されたときは、第5パターンに属することになる。ここで、〈ic〉kが第5パターンに属するということは、
〈ic〉k<i4,5
ただし、
i4,5=−i1,2≦〈ic〉k<i3,4
i3,4=−(i1,2−Vo×d/L)
i1,2=(1/2)×Vo/Vs×〔(Vs−Vo)/L〕×ω
となることである。
【0061】
この場合、PWMのオンタイムに−dhを加え、制御単位におけるパラメータをリセットし、新たに制御単位の実行を開始する(S111)。
【0062】
【発明の効果】
デッドタイムに基づく半導体スイッチが動作できない状態を当該半導体スイッチのON時間を増やすことで補償したPWMインバータを提供することができる。具体的には、デッドタイム中の前記リアクトルに流れる電流の向きがこの半導体スイッチがON状態となったときに流れるべき電流の向きと同一であるときは、当該半導体スイッチのON時間所定時間を付加し、OFFとなっている半導体スイッチを当該所定時間短縮する(キャリア周波数ωは変更しない)ことで、デッドタイムの影響を除去できる。
【0063】
これにより、出力特性の不連続に起因する特定領域で発生するオーバーシュート等の制御ムラを取り除くことができ、また立ち上がり特性が鈍る領域においても発振させることなく、他の領域と同等の特性を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明のPWMインバータの一実施の形態を示す回路図である。
【図2】本実施の形態における、制御のために分類される5つの電流パターンを示す図である。
【図3】第1パターンにおけるPWM信号とインバータの制御信号との対応を示す波形図である。
【図4】(A)〜(E)は、第1パターンにおける電流の変化を示す時系列図である。
【図5】第2パターンにおけるPWM信号とインバータの制御信号との対応を示す波形図である。
【図6】(A)〜(E)は、第2パターンにおける電流の変化を示す時系列図である。
【図7】第3パターンにおけるPWM信号とインバータの制御信号との対応を示す波形図である。
【図8】(A)〜(E)は、第3パターンにおける電流の変化を示す時系列図である。
【図9】第4パターンにおけるPWM信号とインバータの制御信号との対応を示す波形図である。
【図10】(A)〜(E)は、第4パターンにおける電流の変化を示す時系列図である。
【図11】第5パターンにおけるPWM信号とインバータの制御信号との対応を示す波形図である。
【図12】(A)〜(E)は、第5パターンにおける電流の変化を示す時系列図である。
【図13】本発明の実施の形態のインバータの制御回路に搭載されるデッドタイム補償回路を示す図である。
【図14】本発明の実施の形態における制御回路における処理を示す図である。
【図15】本発明の実施の形態における処理を詳細に示すフローチャートである。
【図16】従来のPWMインバータを示す回路図である。
【図17】図16の回路の動作説明図である。
【符号の説明】
1 PWMインバータ
5 デッドタイム補償回路
6 PWM制御波形生成部
11 直流電源
12 スイッチング回路
13 制御回路
14 リアクトル
15 コンデンサ
14a インダクタ
14b ライン抵抗
51 パターン決定部
52 デッドタイム補償時間設定部
Q1,Q2 スイッチングトランジスタ
D1,D2 転流ダイオード[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a PWM inverter that controls an output by alternately turning on and off two semiconductor switches, and in particular, a PWM inverter provided with a dead time mode for preventing a power supply short-circuit at a time point when a semiconductor switch is switched on. It is about.
[0002]
[Prior art]
FIG. 16 is a diagram showing a typical PWM inverter 9, a
[0003]
In the example shown in FIG. 16, the
[0004]
In the PWM inverter 9 of FIG. 16, it is assumed that a power load is connected to the inverter output terminals b1 and b2, and an output current Io flows out from the output terminal. In the circuit of FIG. 16, as shown in FIG. 17, (1) Q1: ON, Q2: OFF, (2) Q1: OFF, Q2: OFF, (3) Q1: OFF, Q2: ON, (4) ▼ Q1: OFF, Q2: OFF are repeated in the order of (1) → (2) → (3) → (4) → (1) → (2) → (3) → (4) ... To be controlled.
[0005]
The modes {circle around (2)} and {circle around (4)} in FIG. 17 are for compensating that the switching transistors Q1 and Q2 are not simultaneously turned on, and the period in this mode is referred to as dead time d. The voltage values of the switching transistors Q1 and Q2 during the dead time depend on the current flowing through the reactor via the commutation diode D1 or D2. The output characteristic of the PWM inverter 9 may be deteriorated due to the dead time d.
[0006]
[Problems to be solved by the invention]
By the way, when the dead time is provided, the output tends to decrease. If an attempt is made to eliminate the output drop with high responsiveness while ensuring the dead time period, the current value must be increased. For example, it is assumed that positive feedback is adopted in which (Q1 ON time) / (Q2 ON time) is increased or decreased in accordance with increase or decrease in load current (output current Io). That is, when the load current increases, the ON time ratio of the switching transistors Q1 and Q2 is changed, thereby increasing the power supply from the power source (increasing the on time of Q1) and increasing the load current. I can respond.
[0007]
In the positive feedback control, the system is stable as long as the control is properly performed, but the system oscillates when the control is inappropriate. That is, when the load current becomes large, if a current corresponding to the load current is supplied from the power supply, the balance between the supply current and the load current is maintained, so that oscillation does not occur. However, when the load current increases, if the supply current exceeds even a little, the output voltage increases (the
[0008]
An object of the present invention is to change the ON time of the semiconductor switch in a PWM inverter having a dead time mode in a control period in order to prevent a power supply short circuit according to a state in which switching based on the dead time cannot be operated. It is to provide a compensated PWM inverter.
[0009]
[Means for Solving the Problems]
The present invention adopts a reactor current instead of an average value as an output current value of a control parameter. However, since this reactor current cannot be measured, an estimated value is adopted.
[0010]
In addition, it is known that if the ON time of the switching transistors Q1 and Q2 is controlled in anticipation of the increase or decrease of the reactor current in the dead time, accurate control can be performed in consideration of the influence of the commutation current in the dead time. To obtain the present invention.
[0011]
The PWM inverter according to the present invention includes a DC power supply, a switching circuit including a first semiconductor switch and a second semiconductor switch each having a commutation diode connected to the DC power supply terminal in a forward direction, and each of the semiconductor switches. An inverter control circuit for outputting an ON / OFF control signal, a reactor having one terminal connected to a connection point of each semiconductor switch, and a capacitor connected to the other terminal of the reactor and a ground terminal of the DC power supply A smoothing circuit, which alternately turns ON / OFF the first semiconductor switch and ON / OFF the second semiconductor switch, and ON period of the first semiconductor switch and ON period of the second semiconductor switch It is assumed that both semiconductor switches are controlled by providing a period during which both semiconductor switches are OFF. The dead time compensation includes dead time compensation time setting means for estimating the reactor current from the output current value, the output voltage value, the power supply voltage value, and the pulse width and setting the ON time of each semiconductor switch based on the estimated value. It was made to have a circuit.
[0012]
In the PWM inverter of the present invention, the dead time compensation time setting means is configured such that the operation of the semiconductor switch that should originally be in the ON state is limited by the dead time, and the direction of the current flowing through the reactor during the dead time is When the direction of the current that should flow when the switch is turned ON is the same, the ON time of the semiconductor switch can be changed.
[0013]
In the PWM inverter of the present invention, the ON time of the first semiconductor switch, the dead time during which the first semiconductor switch transitions from the ON state, the ON time of the second semiconductor switch, and the second time When the sum of the dead time for transition from the ON state of the semiconductor switch is constant, the change in the ON time of each semiconductor switch is the same as the ON time of the first semiconductor switch while keeping the PWM frequency constant. The ratio of the second semiconductor switch to the ON time can be changed.
In the present invention, the dead time compensation circuit has a reactor current,
First pattern: When the maximum and minimum peaks are both positive
Second pattern: When the maximum peak is positive and the minimum peak is near zero
Third pattern: When the maximum peak is positive and the minimum peak is negative
Fourth pattern: When the maximum peak is near zero and the minimum peak is negative
5th pattern: When the maximum and minimum peaks are both negative
The dead time compensation time setting means can set the ON time of each semiconductor switch in accordance with the pattern determined by the pattern determination means.
[0014]
Specifically, the pattern determining means
i1, 2= (1/2) × Vo / Vs × [(Vs−Vo) / L] × ω
Vo: output voltage, Vs: power supply voltage, L: reactor inductance, ω: PWM carrier frequency,
First pattern: i1, 2Ic
Second pattern: i2, 3= I1, 2− (Vs−Vo) × d / L ≦ ic <i1, 2
Third pattern: i3, 4=-(I1, 2−Vo × d / L) ≦ ic <i2, 3
Fourth pattern: i4,5= -I1, 2≦ ic <i3, 4
5th pattern: ic <i4,5
The pattern to which the average value (estimated value) ic of the reactor current belongs can be determined.
[0015]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
FIG. 1 is a circuit diagram showing an embodiment of a
[0016]
In FIG. 1, the switching
[0017]
The
[0018]
The current flowing through the
[0019]
The reactor current rises in the Q1: ON, Q2: OFF mode (region I), and falls in the Q1: OFF, Q2: ON mode (region III). Further, the reactor current is Q1: OFF, Q2: OFF mode (region II: dead time) in which the previous mode is changed from Q1: ON, Q2: OFF (region I), or Q1: OFF, Q2: In the Q1: OFF and Q2: OFF mode (area IV) transitioned from ON (area III), it rises, falls, or transitions from rising to falling with a peak, or transitioning from falling to rising.
[0020]
The first pattern is a case where the maximum peak Pmax and the minimum peak Pmin of the reactor current i are both positive. The second pattern is a case where the maximum peak Pmax of the reactor current i is positive and the minimum peak Pmin is zero. The third pattern is a case where the maximum peak Pmax of the reactor current i is positive and the minimum peak Pmin is negative. The fourth pattern is a case where the maximum peak Pmax of the reactor current i is zero and the minimum peak Pmin is negative. The fifth pattern is a case where the maximum peak Pmax and the minimum peak Pmin of the reactor current i are both negative. In FIG. 2, α and β indicate the decay time and increase time of the reactor current i.
[0021]
First, a 1st pattern is demonstrated based on FIG. 3 and FIG. 4 (A)-(E). FIG. 3 is a waveform diagram showing the correspondence between the PWM signal and the control signal of the
[0022]
In FIG. 3, the time indicated by d is a dead time. In the first pattern, the dead time d is included in the decay time α. As described above, in the first pattern, the minimum peak Pmin ≧ 0.
[0023]
Assuming that the PWM repetition period, that is, the carrier frequency is ω, the average ic of the current value flowing through the
ic ≧ Pmax / 2
It becomes. Further, if the slope of the reactor current i at the decay time α is A, and the slope of the reactor current i at the increase time β is B,
β = A / (A + B) × ω
Pmax ≧ β × B
It becomes. Therefore,
ic ≧ (1/2) × A × B × ω / (A + B)
Is required.
[0024]
The slope A at the decay time α and the slope B at the increase time β are detected from the voltages Vs and Vo applied to the reactor (inductance L) 14 as follows. Here, Vs is a power supply voltage, and Vo is an output voltage.
A = | di / dt | = Vo / L
B = | di / dt | = (Vs−Vo) / L
Therefore, when the average current ic satisfies the following condition, it belongs to the first pattern, and therefore the control corresponding to that (corresponding to the first pattern) is performed.
[0025]
ic ≧ ((1/2) × Vo / Vs × [(Vs−Vo) / L] × ω
Note that (1/2) × Vo / Vs × [(Vs−Vo) / L] × ω is a current value that represents the boundary between the first pattern and the second pattern. Hereinafter, this current value is expressed as i.1, 2Represented by That is, the average current value ic is
ic ≧ (i1, 2= (1/2) × Vo / Vs × [(Vs−Vo) / L] × ω, the control by the first pattern is performed.
[0026]
4A to 4E are time-series diagrams showing changes in current in the first pattern. When the mode of Q1: ON, Q2: OFF (area I) in FIG. 4 (A) is changed to the mode of Q1: OFF, Q2: OFF (area II: dead time d) in FIG. There is no time effect. That is, in the Q1: OFF and Q2: OFF modes, the current flows in the positive direction through the commutation diode regardless of the ON / OFF operation of Q2, and thus there is no influence of the dead time. Similarly, when the mode is changed from Q1: OFF, Q2: OFF mode (area II: dead time) in FIG. 4B to Q1: OFF, Q2: ON (area III) mode in FIG. 4C. But there is no effect of dead time.
[0027]
On the other hand, from the mode of Q1: OFF, Q2: ON (region III) in FIG. 4C, to the mode of Q1: OFF, Q2: OFF in FIG. 4D (region IV: dead time d). When it changes, it is necessary to consider the influence over the whole dead time d. That is, during the period of the dead time d, it is equivalent to the PWM signal being Low, so that the PWM H period corresponds to dh = d in accordance with this period (the whole area of the dead time d in the region IV). At the same time, the L period is decreased by that time.
[0028]
There is no influence of the dead time d when the mode is changed from the Q1: OFF, Q2: OFF mode (area IV: dead time) in FIG. 4 (D) to the Q1: ON, Q2: OFF mode in FIG. 4 (E). .
[0029]
The second pattern will be described with reference to FIGS. 5 and 6A to 6E. FIG. 5 is a waveform diagram showing the correspondence between the PWM signal and the control signal of the
[0030]
In the second pattern, the current is adjusted at the dead time d in the region IV so that the increase in current when the PWM signal is H and the decrease in current when the PWM signal is L are balanced. Since the compensation value at the dead time d in the region IV is dh and the average of the reactor current i is ic, the compensation value dh is given by the following equation as will be understood from FIG. 5 (details will be described later).
dh = d− (i1, 2-Ic) * L / (Vs-Vo)
As described above, the slope A at the decay time α and the slope B at the increase time β are as follows.
A = | di / dt | = Vo / L
B = | di / dt | = (Vs−Vo) / L
It is.
[0031]
As described in the first pattern, it is not necessary to compensate for the dead time d in the region II. That is, in this case, the problem that “the switching transistor Q1 that should originally be turned on cannot be turned on and the current flows to the
In addition, the current value representing the boundary between the second pattern and the third pattern is i.2, 3Then,
i2, 3= I1, 2− (Vs−Vo) × d / L
[0032]
However, i1, 2= (1/2) × Vo / Vs × [(Vs−Vo) / L] × ω
It becomes. Therefore, the current ic flowing through the
i2, 3≦ ic <i1, 2
When satisfying, since it belongs to the second pattern, control by the second pattern is performed.
[0033]
6A to 6E are time series diagrams showing changes in current in the second pattern. The operation in the region II shown in FIG. 6B is not affected by the dead time d. Also, the first half of the dead time d shown in FIG. 6D is not affected by the dead time d. However, in the latter half of the dead time d shown in FIG. 6 (D ′), the switching transistor Q1 that should be turned on cannot be turned on, and the current flows to the
[0034]
The third pattern will be described with reference to FIGS. 7 and 8A to 8E. FIG. 7 is a waveform diagram showing the correspondence between the PWM signal and the control signal of the
dh = 0
There is no need to compensate for dead time d.
Current value i that becomes the boundary with the fourth pattern3, 4Is expressed as follows.
[0035]
i3, 4=-(I1, 2-Vo × d / L)
However, i1, 2= (1/2) × Vo / Vs × [(Vs−Vo) / L] × ω
Therefore, when the current i flowing through the
[0036]
i3, 4≦ ic <i2, 3
A 4th pattern is demonstrated based on FIG. 9 and FIG. 10 (A)-(E). FIG. 9 is a waveform diagram showing the correspondence between the PWM signal and the output current i4 of the
[0037]
As can be seen from FIG. 9, the compensation value dh of the dead time d is
dh = (ic−i3, 4) X L / Vo
It becomes.
[0038]
Further, in the fourth pattern, the current value i that becomes the boundary with the fifth pattern4,5Is expressed as follows.
i4,5= -I1, 2
However, i1, 2= (1/2) × Vo / Vs × [(Vs−Vo) / L] × ω
[0039]
Therefore, when the current ic flowing through the
i4,5≦ ic <i3, 4
That is, the PWM L period is increased by the time corresponding to the compensation value dh, and at the same time, the H period is decreased by the time.
[0040]
The fifth pattern will be described with reference to FIGS. 11 and 12A to 12E. FIG. 11 is a waveform diagram showing the correspondence between the PWM signal and the control signal of the
[0041]
In this case, the dead time compensation value dh is
dh = d
It becomes.
Therefore, the current ic flowing through the
ic ≦ i4,5
When satisfying, since it belongs to the fifth pattern, control by the second pattern is performed. That is, the PWM L period is increased by a time corresponding to the above dh = d, and at the same time, the H period is decreased by the time.
[0042]
As described above, the following PWM control can be performed. FIG. 13 shows the dead
[0043]
When performing control with the compensation value dh added to the ON time of the switching transistor Q1, for example, control is performed to subtract the ON time of the switching transistor Q2 by dh.
[0044]
In this case, as described in the above embodiment, the compensation value dh varies depending on the reactor current pattern. That is, dh = d in the first pattern and the fifth pattern, and dh = 0 in the third pattern. In the second pattern, dh = d− (i1,2-ic) × L / (Vs−Vo), and in the fourth pattern, (ic−i4,5) × L / Vo. There are various methods for obtaining the average value ic of the reactor current, which is a value that cannot be actually measured. The reactor current will be described later.FIG.It can obtain | require by the process illustrated to the flowchart of these.
[0045]
The
[0046]
Control of the
[0047]
As described above, the reactor current ic is a value that cannot be measured. Therefore, in this embodiment,FIG.The estimated value <ic> of ic is obtained by executing the process shown in the flowchart of FIG.
First, the current iL passing through the inductance L is represented by vL as the voltage applied to the inductance.
diL = -vLdt / L
It is represented by
[0048]
Therefore, in this embodiment,
diL: Δ <ic>
vL: Vs × D− <ic> × R + Vo
dt: Sampling period (U × δt)
It is represented by
[0049]
Where <ic> is an estimated value of the average value ic of the reactor current, R is a resistance value of the inductance L, Vs is a voltage value of the DC power supply, D is a duty of PWM, Vo is an output voltage value (capacitor voltage value), δt is a PWM clock, and U is an integer representing one sampling period.
Therefore,
<Ic> = [Vs × D− <ic> × R + Vo] ∫dt
It is represented by
[0050]
When the above equation is expressed as discrete data,
<Ic>k= Σ [Vsk-1× D- <ic>k-1× R + Vo] × (U × δt). Σ means accumulation from the start to the end (current) of the control unit. For example, if the control start is the nth sampling order and the current is the mth sampling order, Σ is represented by the accumulation of m sampling values from k = mn to k = n.
[0051]
FIG.First, each parameter (Vs, Vo, etc.) is sampled (S100), and <ic> k is calculated (S101). Next, it is determined whether or not sampling has been performed m times from the start of the control unit (S102), and if it has not reached m times, the process returns to step S101.
[0052]
When the processing reaches m times in step S102, <ic>kIs determined to belong to the first pattern (S103). Where <ic>kWhether or not belongs to the first pattern
<Ic>k≧ i1, 2
However,
i1, 2= (1/2) × Vo / Vs × [(Vs−Vo) / L] × ω
Based on
[0053]
In step S103, <ic>kIs determined to belong to the first pattern, dh is added to the PWM on-time, the parameter in the control unit is reset, and the execution of the control unit is newly started (S104).
The dh at this time is
dh = d
It is.
[0054]
In step S103, <ic>kIs determined not to belong to the first pattern, it is determined whether it belongs to the second pattern (S105). Where <ic>kWhether or not belongs to the second pattern
i2, 3≦ <ic>k<I1, 2
However, i2, 3= I1, 2− (Vs−Vo) × d / L
i1, 2= (1/2) × Vo / Vs × [(Vs−Vo) / L] × ω
Based on
[0055]
In step S105, <ic>kIs determined to belong to the second pattern, dh is added to the PWM on-time, the parameter in the control unit is reset, and the execution of the control unit is newly started (S106).
The dh at this time is
dh = d− (i1, 2-Ic) * L / (Vs-Vo)
= D- (i1, 2-<Ic>k) × L / (Vs−Vo)
It is.
[0056]
In step S105, <ic>kIs determined not to belong to the second pattern, it is determined whether it belongs to the third pattern (S107). Where <ic>kWhether or not belongs to the third pattern
i3, 4≦ <ic>k<I2, 3
However, i2, 3= I1, 2− (Vs−Vo) × d / L
i1, 2= (1/2) × Vo / Vs × [(Vs−Vo) / L] × ω
i3, 4=-(I1, 2-Vo × d / L)
Based on
[0057]
In step S107, <ic>kIs determined to belong to the third pattern, the PWM on-time is left as it is, the parameters in the control unit are reset, and the execution of the control unit is newly started (S108).
[0058]
In step S107, <ic>kIs determined not to belong to the third pattern, it is determined whether it belongs to the fourth pattern (S109). Where <ic>kWhether or not belongs to the fourth pattern
i4,5= -I1, 2≦ <ic>k<I3, 4
However,
i3, 4=-(I1, 2-Vo × d / L)
i1, 2= (1/2) × Vo / Vs × [(Vs−Vo) / L] × ω
Based on
[0059]
In step S109, <ic>kIs determined to belong to the fourth pattern, dh is added to the PWM on-time, the parameter in the control unit is reset, and the execution of the control unit is newly started (S210).
The dh at this time is
dh = (ic−i3, 4) X L / Vo
= (<Ic>k-I3, 4) X L / Vo
It is.
[0060]
In step S109, <ic>kIs determined not to belong to the fourth pattern, it belongs to the fifth pattern. Where <ic>kBelongs to the fifth pattern
<Ic>k<I4,5
However,
i4,5= -I1, 2≦ <ic>k<I3, 4
i3, 4=-(I1, 2-Vo × d / L)
i1, 2= (1/2) × Vo / Vs × [(Vs−Vo) / L] × ω
It is to become.
[0061]
In this case, -dh is added to the PWM on-time, the parameter in the control unit is reset, and the execution of the control unit is newly started (S111).
[0062]
【The invention's effect】
The PWM inverter which compensated the state which the semiconductor switch based on dead time cannot operate | move by increasing ON time of the said semiconductor switch can be provided. Specifically, when the direction of the current flowing through the reactor during the dead time is the same as the direction of the current that should flow when the semiconductor switch is turned on, the ON time of the semiconductor switch is added for a predetermined time. Then, the effect of the dead time can be eliminated by shortening the semiconductor switch that is OFF for the predetermined time (the carrier frequency ω is not changed).
[0063]
As a result, control unevenness such as overshoot caused in a specific region due to discontinuity of output characteristics can be removed, and characteristics equivalent to those of other areas can be obtained without causing oscillation even in a region where rise characteristics are dull. be able to.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a circuit diagram showing an embodiment of a PWM inverter of the present invention.
FIG. 2 is a diagram showing five current patterns classified for control in the present embodiment.
FIG. 3 is a waveform diagram showing the correspondence between PWM signals and inverter control signals in a first pattern.
4A to 4E are time series diagrams showing changes in current in the first pattern. FIG.
FIG. 5 is a waveform diagram showing correspondence between PWM signals and inverter control signals in a second pattern.
6A to 6E are time series diagrams showing changes in current in a second pattern.
FIG. 7 is a waveform diagram showing correspondence between PWM signals and inverter control signals in a third pattern.
8A to 8E are time series diagrams showing changes in current in a third pattern.
FIG. 9 is a waveform diagram showing correspondence between PWM signals and inverter control signals in a fourth pattern.
FIGS. 10A to 10E are time-series diagrams showing changes in current in a fourth pattern. FIGS.
FIG. 11 is a waveform diagram showing correspondence between PWM signals and inverter control signals in a fifth pattern.
12A to 12E are time series diagrams showing changes in current in a fifth pattern.
FIG. 13 is a diagram showing a dead time compensation circuit mounted on the control circuit of the inverter according to the embodiment of the present invention.
FIG. 14 is a diagram showing processing in the control circuit according to the embodiment of the present invention.
FIG. 15 is a flowchart showing in detail processing in the embodiment of the present invention;
FIG. 16 is a circuit diagram showing a conventional PWM inverter.
17 is an operation explanatory diagram of the circuit of FIG. 16;
[Explanation of symbols]
1 PWM inverter
5 Dead time compensation circuit
6 PWM control waveform generator
11 DC power supply
12 Switching circuit
13 Control circuit
14 Reactor
15 capacitor
14a inductor
14b Line resistance
51 Pattern determination unit
52 Dead time compensation time setting section
Q1, Q2 switching transistor
D1, D2 commutation diode
Claims (5)
リアクトル電流を、出力電流値,出力電圧値,電源電圧値並びにパルス幅から推定し、当該推定結果に基づき前記各半導体スイッチのON時間を設定するデッドタイム補償時間設定手段を含むデッドタイム補償回路を有することを特徴とするPWMインバータ。A DC power supply, a switching circuit composed of a first semiconductor switch and a second semiconductor switch, each of which has a commutation diode connected to the DC power supply terminal in a forward direction, and an ON / OFF control signal for each of the semiconductor switches. An inverter control circuit for outputting, a reactor having one terminal connected to a connection point of each semiconductor switch, and a smoothing circuit including a capacitor connected to the other terminal of the reactor and a ground terminal of the DC power source, ON / OFF of the first semiconductor switch and ON / OFF of the second semiconductor switch are alternately performed, and both semiconductors are between the ON period of the first semiconductor switch and the ON period of the second semiconductor switch. In a PWM inverter controlled by providing a period in which both switches are OFF,
A dead time compensation circuit including dead time compensation time setting means for estimating a reactor current from an output current value, an output voltage value, a power supply voltage value and a pulse width and setting an ON time of each semiconductor switch based on the estimation result A PWM inverter comprising:
前記前記各半導体スイッチのON時間の設定が、前記第1の半導体スイッチのON時間と、前記第2の半導体スイッチのON時間との比の変更であることを特徴とするPWMインバータ。From the ON time of the first semiconductor switch, the dead time for transition from the ON state of the first semiconductor switch, the ON time of the second semiconductor switch, and the ON state of the second semiconductor switch The PWM inverter according to claim 1 or 2, wherein a sum of transition dead time is constant.
The PWM inverter characterized in that the setting of the ON time of each semiconductor switch is a change in the ratio between the ON time of the first semiconductor switch and the ON time of the second semiconductor switch.
第1パターン:最大ピーク,最小ピークがともに正となる場合
第2パターン:最大ピークが正,最小ピークがゼロ近傍となる場合
第3パターン:最大ピークが正,最小ピークが負となる場合
第4パターン:最大ピークがゼロ近傍,最小ピークが負となる場合
第5パターン:最大ピーク,最小ピークがともに負となる場合
の何れに属するかを決定するパターン決定手段を含み、
前記デッドタイム補償時間設定手段は、前記パターン決定手段が決定した前記パターンに応じて、前記各半導体スイッチのON時間を設定することを特徴とする請求項1から3の何れか1項に記載のPWMインバータ。In the dead time compensation circuit, the reactor current is
First pattern: When the maximum peak and the minimum peak are both positive Second pattern: When the maximum peak is positive and the minimum peak is near zero Third pattern: When the maximum peak is positive and the minimum peak is negative Fourth Pattern: When the maximum peak is near zero and the minimum peak is negative Fifth pattern: Pattern determining means for determining which of the cases where the maximum peak and the minimum peak are both negative,
The dead time compensation time setting means sets ON times of the semiconductor switches in accordance with the patterns determined by the pattern determination means. 4. PWM inverter.
i1,2=(1/2)×Vo/Vs×〔(Vs−Vo)/L〕×ω
Vo:出力電圧、Vs:電源電圧、L:リアクトルのインダクタンス、ω:PWMのキャリア周波数として、
第1パターン:i1,2≦ic
第2パターン:i2,3=i1,2−(Vs−Vo)×d/L≦ic<i1,2
第3パターン:i3,4=−(i1,2−Vo×d/L)≦ic<i2,3
第4パターン:i4,5=−i1,2≦ic<i3,4
第5パターン:ic<i4,5
として、リアクトル電流の平均値icが属するパターンを決定することを特徴とする請求項1から4の何れか1項に記載のPWMインバータ。The pattern determining means includes
i 1,2 = (1/2) × Vo / Vs × [(Vs−Vo) / L] × ω
Vo: output voltage, Vs: power supply voltage, L: reactor inductance, ω: PWM carrier frequency,
First pattern: i 1,2 ≦ ic
Second pattern: i 2,3 = i 1,2- (Vs-Vo) × d / L ≦ i c <i 1,2
Third pattern: i 3,4 = − (i 1,2 −Vo × d / L) ≦ i c <i 2,3
Fourth pattern: i 4,5 = −i 1,2 ≦ i c <i 3,4
5th pattern: ic <i 4,5
The PWM inverter according to claim 1, wherein a pattern to which an average value ic of the reactor current belongs is determined.
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