JP6602466B2 - Motor drive device - Google Patents
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Description
本発明は、交流電源から入力される交流電圧を直流電圧に変換するコンバータ回路を備えたモータ駆動装置に関する。 The present invention relates to a motor drive device including a converter circuit that converts an AC voltage input from an AC power source into a DC voltage.
一般に、モータ駆動システムは、交流電源、モータ駆動装置およびモータから構成されている。モータ駆動装置は、コンバータ回路およびインバータ回路で構成されている。(例えば、特許文献1参照。) In general, a motor drive system includes an AC power supply, a motor drive device, and a motor. The motor drive device is composed of a converter circuit and an inverter circuit. (For example, refer to Patent Document 1.)
コンバータ回路は、4個のダイオードで構成される整流回路と、4個のダイオードおよび2個の双方向スイッチング素子で構成されるスイッチ回路と、直列に接続されている2個のコンデンサで構成されるコンデンサ回路と、から構成されている。また、インバータ回路は、6個のスイッチング素子から構成されている。 The converter circuit includes a rectifier circuit including four diodes, a switch circuit including four diodes and two bidirectional switching elements, and two capacitors connected in series. And a capacitor circuit. The inverter circuit is composed of six switching elements.
上記したコンバータ回路は以下のように動作する。交流電源からコンバータ回路へ入力される交流電力は、整流回路で全波整流されてコンデンサ回路に充電されることにより直流電力に変換される。そして、交流電源から正の電圧が印加されている場合に、スイッチ回路のスイッチング素子が一方がオンのときに他方がオフとなるように相補的に制御されると、コンデンサ回路の両方のコンデンサがそれぞれ入力電圧となるように充電される。交流電源から負の電圧が印加されている場合も、スイッチ回路のスイッチング素子が一方がオンのときに他方がオフとなるように相補的に制御されると、コンデンサ回路の両方のコンデンサがそれぞれ入力電圧となるように充電される。 The converter circuit described above operates as follows. The AC power input from the AC power source to the converter circuit is full-wave rectified by the rectifier circuit and charged into the capacitor circuit, thereby being converted into DC power. When a positive voltage is applied from the AC power supply, if the switching element of the switch circuit is complementarily controlled so that when one is on and the other is off, both capacitors of the capacitor circuit are Each is charged to the input voltage. Even when a negative voltage is applied from the AC power supply, both capacitors of the capacitor circuit are input to each other when the switching elements of the switch circuit are complementarily controlled so that one of them is on and the other is off. It is charged to become voltage.
以上の動作により、コンバータ回路の出力の直流電圧は、コンデンサ回路の直列に接続されている各コンデンサに蓄積されている電圧を加算した和電圧となり、入力電圧の2倍となる。 With the above operation, the DC voltage output from the converter circuit becomes a sum voltage obtained by adding the voltages accumulated in the capacitors connected in series in the capacitor circuit, and is twice the input voltage.
しかしながら、特許文献1のコンバータ回路においては、交流電源の電圧を全波整流電圧から倍電圧整流電圧までを制御するためにスイッチ回路を用いた際に、どの充放電の経路においても4個のダイオードのいずれかを必ず導通させることによる回路損失が発生していた。 However, in the converter circuit of Patent Document 1, when the switch circuit is used to control the voltage of the AC power supply from the full-wave rectified voltage to the double voltage rectified voltage, four diodes are used in any charge / discharge path. There was a circuit loss due to the fact that either one of them was always conducted.
さらに、特許文献1のスイッチ回路をショートさせるために2つのスイッチング素子を同時にオンする状況においても、2つのダイオードを導通させることによる回路損失が発生していた。 Furthermore, even in a situation where the two switching elements are simultaneously turned on in order to short-circuit the switch circuit of Patent Document 1, a circuit loss has occurred due to conduction of the two diodes.
本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、コンバータ回路におけるダイオードによる回路損失を回避することができるモータ駆動装置を得ることを目的とする。 The present invention has been made in view of the above, and an object of the present invention is to obtain a motor drive device that can avoid circuit loss due to a diode in a converter circuit.
上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明は、交流電源の第一端子と第二端子の間の交流電圧を昇圧して、第一出力端子および第二出力端子に出力するコンバータ回路と、第一出力端子と第二出力端子との間に直列接続された2個のスイッチング素子の組を3組並列に有するインバータ回路と、を備える。コンバータ回路は、第一端子に一端が直列接続されるリアクトルと、第一出力端子と第二出力端子との間に直列接続された第1ダイオードおよび第2ダイオードと、第一出力端子と第二出力端子との間に直列接続され、第1ダイオードおよび第2ダイオードに並列接続される第3ダイオードおよび第4ダイオードとを有し、第1ダイオードと第2ダイオードとの接続点がリアクトルの他端に接続され、第3ダイオードと第4ダイオードとの接続点が第二出力端子に接続される整流回路と、第一出力端子と第二出力端子との間に直列に接続された第一コンデンサおよび第二コンデンサと、直列接続された第1スイッチング素子および第2スイッチング素子と、第1スイッチング素子および第2スイッチング素子に並列接続され、直列接続された第3スイッチング素子および第4スイッチング素子と、第1スイッチング素子および第2スイッチング素子に並列接続され、直列接続された第5スイッチング素子および第6スイッチング素子とを有し、第5スイッチング素子と第6スイッチング素子との接続点が第一コンデンサと第二コンデンサとの接続点に接続され、第1スイッチング素子と第2スイッチング素子との接続点が第1ダイオードと第2ダイオードとの接続点に接続され、第3スイッチング素子と第4スイッチング素子との接続点が第3ダイオードと第4ダイオードとの接続点に接続され、第1スイッチング素子から第6スイッチング素子は、逆並列ダイオードを夫々有するスイッチ回路と、を備え、交流電源から正負極性のうちの一方の極性の電力が出力されている期間は、第1スイッチング素子から第6スイッチング素子のうちの第3スイッチング素子および第5スイッチング素子のみがオンにされる第1状態と、第1スイッチング素子から第6スイッチング素子のうちの第4スイッチング素子および第6スイッチング素子のみがオンにされる第2状態とによって第一コンデンサが充電され、第1スイッチング素子から第6スイッチング素子のうちの第2スイッチング素子および第6スイッチング素子のみがオンにされる第3状態と、第1スイッチング素子から第6スイッチング素子のうちの第1スイッチング素子および第5スイッチング素子のみがオンにされる第4状態とによって第二コンデンサが充電され、交流電源から正負極性のうちの他方の極性の電力が出力されている期間は、第1状態と、第2状態とによって第二コンデンサが充電され、第3状態と、第4状態とによって第一コンデンサが充電されることを特徴とする。 In order to solve the above-described problems and achieve the object, the present invention boosts the AC voltage between the first terminal and the second terminal of the AC power supply and outputs the boosted voltage to the first output terminal and the second output terminal. A converter circuit; and an inverter circuit having three sets of two switching elements connected in series between the first output terminal and the second output terminal in parallel. The converter circuit includes a reactor having one end connected in series to the first terminal, a first diode and a second diode connected in series between the first output terminal and the second output terminal, a first output terminal, and a second output terminal. A third diode and a fourth diode are connected in series with the output terminal and connected in parallel to the first diode and the second diode, and the connection point between the first diode and the second diode is the other end of the reactor. A rectifier circuit in which a connection point between the third diode and the fourth diode is connected to the second output terminal, a first capacitor connected in series between the first output terminal and the second output terminal, and The second capacitor, the first switching element and the second switching element connected in series, the parallel connection to the first switching element and the second switching element, and the serial connection A third switching element and a fourth switching element; and a fifth switching element and a sixth switching element connected in parallel to and connected in series to the first switching element and the second switching element. A connection point of the element is connected to a connection point of the first capacitor and the second capacitor, a connection point of the first switching element and the second switching element is connected to a connection point of the first diode and the second diode; A connection point between the third switching element and the fourth switching element is connected to a connection point between the third diode and the fourth diode, and the first to sixth switching elements each have a switching circuit having an anti-parallel diode; The period during which power of one polarity of positive and negative polarity is output from the AC power supply is A first state in which only the third switching element and the fifth switching element among the first to sixth switching elements are turned on, and the fourth switching element and the fourth switching element among the first to sixth switching elements; The first capacitor is charged by the second state in which only the six switching elements are turned on, and the second switching element and only the sixth switching element among the first to sixth switching elements are turned on. The second capacitor is charged according to the state and the fourth state in which only the first switching element and the fifth switching element among the first to sixth switching elements are turned on. During the period in which power of the other polarity is output, the first state, the second state, The second capacitor is charged by, and the first capacitor is charged by the third state and the fourth state.
本発明に係るモータ駆動装置は、コンバータ回路におけるダイオードによる回路損失を回避することができるという効果を奏する。 The motor drive device according to the present invention has an effect that circuit loss due to a diode in the converter circuit can be avoided.
以下に、本発明の実施の形態に係るモータ駆動装置を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。 Hereinafter, a motor drive device according to an embodiment of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. Note that the present invention is not limited to the embodiments.
実施の形態1.
図1は、本発明の実施の形態1にかかるモータ駆動装置100の全体回路図である。モータ駆動装置100は、交流電源1から出力される交流電力を入力としてモータ7を駆動する。モータ駆動装置100は、コンバータ回路8およびインバータ回路6を備える。インバータ回路6がモータ7を駆動する。モータ7の具体例は、家庭電化製品で用いられるコンプレッサに内蔵されるモータである。Embodiment 1 FIG.
FIG. 1 is an overall circuit diagram of a
コンバータ回路8は、交流電源1を入力とし、入力電圧をその振幅値以上の正の電圧に変換して出力する昇圧回路である。コンバータ回路8は、交流電源1の力率を改善するためのリアクトル回路2と、電圧を整流するための整流回路3と、コンデンサ回路5と交流電源1との接続を切り替えるスイッチ回路4と、交流電源1の出力電圧の2倍の電圧まで出力可能なコンデンサ回路5と、を備える。インバータ回路6は、コンデンサ回路5に接続されてモータ7を駆動する。
The
交流電源1は、第一端子41および第二端子42を備え、第一端子41と第二端子42との間に交流電圧を生じさせる。
The AC power source 1 includes a
リアクトル回路2は、リアクトル9および10を備える。リアクトル9および10は、それぞれ第1の端部および第2の端部を有している。リアクトル9の第1の端部は第一端子41に接続され、リアクトル10の第1の端部は第二端子42に接続される。
Reactor circuit 2 includes
整流回路3は、第一出力端子51および第二出力端子52に直列接続されたダイオード11および12と、第一出力端子51および第二出力端子52に直列接続されたダイオード13および14と、を並列に備えている。
The
スイッチ回路4は、直列接続されたスイッチング素子15および16と、直列接続されたスイッチング素子17および18と、直列接続されたスイッチング素子19および20と、を並列に備えている。スイッチング素子15から20は、双方向スイッチング素子である。
The
コンデンサ回路5は、第一出力端子51および第二出力端子52に直列接続された第一コンデンサ21および第二コンデンサ22と、第一出力端子51および第二出力端子52に接続された第三コンデンサ23と、を備える。したがって、第一出力端子51および第二出力端子52と、第三コンデンサ23と、は並列接続されている。コンデンサ回路5は、整流回路3の出力を平滑化する。なお、図1では、第一コンデンサ21、第二コンデンサ22および第三コンデンサ23は電解コンデンサとして記載しているが、その他のコンデンサであっても、かまわない。また、倍電整流用の第一コンデンサ21および第二コンデンサ22は、2つに限らず第一出力端子51および第二出力端子52の間に偶数個設けることができる。また、第三コンデンサ23は省略してもよい。
The capacitor circuit 5 includes a
リアクトル9の第2の端部は、ダイオード11および12の接続点である接続点71と、スイッチング素子15および16の接続点である接続点73と、に接続されている。リアクトル10の第2の端部は、ダイオード13および14の接続点である接続点72と、スイッチング素子17および18の接続点である接続点74と、に接続されている。さらに、スイッチング素子19および20の接続点である接続点75と、第一コンデンサ21および第二コンデンサ22の接続点である接続点76と、は接続されている。
A second end of the reactor 9 is connected to a
リアクトル9の第2の端部は、リアクトル9の本体および第1の端部を介して、最終的には第一端子41に接続されており、リアクトル10の第2の端部は、リアクトル10の本体および第1の端部を介して、最終的には第二端子42に接続されている。ここで、接続点76と第一端子41との間を短絡可能な双方向スイッチング素子を第一スイッチング素子とし、接続点76と第二端子42との間を短絡可能な双方向スイッチング素子を第二スイッチング素子とすれば、上で説明した接続状況は以下のように言うことができる。
The second end portion of the reactor 9 is finally connected to the
すなわち、接続点76と第一端子41との間に第一スイッチング素子であるスイッチング素子15および19が直列接続され、接続点76と第二端子42との間に第二スイッチング素子であるスイッチング素子18および20が直列接続されている。そして、2個の第一スイッチング素子同士の接続点である接続点77と第二端子42との間に第三スイッチング素子であるスイッチング素子17が接続される。さらに、2個の第二スイッチング素子同士の接続点である接続点78と第一端子41との間に第四スイッチング素子であるスイッチング素子16が接続される。
That is, the
また、上記と異なり、第一スイッチング素子をスイッチング素子16および20とし、第二スイッチング素子をスイッチング素子17および19とし、第三スイッチング素子をスイッチング素子18とし、第四スイッチング素子をスイッチング素子15としても、上で説明した状況は以下のように言うことが可能である。すなわち、接続点76と第一端子41との間に第一スイッチング素子であるスイッチング素子16および20が直列接続され、接続点76と第二端子42との間に第二スイッチング素子であるスイッチング素子17および19が直列接続されている。そして、2個の第一スイッチング素子同士の接続点である接続点78と第二端子42との間に第三スイッチング素子であるスイッチング素子18が接続される。さらに、2個の第二スイッチング素子同士の接続点である接続点77と第一端子41との間に第四スイッチング素子であるスイッチング素子15が接続される。
Further, unlike the above, the first switching element may be switching
インバータ回路6は、第一出力端子51と第二出力端子52との間で直列接続されたスイッチング素子24および25と、第一出力端子51と第二出力端子52との間で直列接続されたスイッチング素子26および27と、第一出力端子51と第二出力端子52との間で直列接続されたスイッチング素子28および29と、を並列に備えている。スイッチング素子24から29は、双方向スイッチング素子である。スイッチング素子24および25の接続点と、スイッチング素子26および27の接続点と、スイッチング素子28および29の接続点と、はそれぞれモータ7と接続されている。
The
なお、図1では、リアクトル回路2は、リアクトル9および10の2つのリアクトルで構成しているが、リアクトル9または10の一方で構成されていてもかまわない。リアクトル9が存在しない場合は、第一端子41が接続点71および接続点73に直接接続される。リアクトル10が存在しない場合は、第二端子42が接続点72および接続点74に直接接続される。すなわち、整流回路3の接続点71および接続点72は、第一端子41および第二端子42にそれぞれ接続されているが、第一端子41および第二端子42の少なくとも一方と整流回路3との間にはリアクトルが介在している。
In FIG. 1, the reactor circuit 2 is configured by two
また、スイッチ回路4およびインバータ回路6で用いられるスイッチング素子の具体例は、IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)、MOSFET(Metal−Oxide−Semiconductor Field−Effect Transistor)、といった素子である。
Specific examples of the switching elements used in the
次に、実施の形態1にかかるモータ駆動装置100の動作について説明する。モータ駆動装置100の動作状態は、スイッチ回路4のスイッチング素子15から20の状態によって異なるため、以下では各状態別に動作を説明する。図2は、実施の形態1にかかるスイッチ回路4の状態ごとのスイッチング素子15から20の状態を示す図である。スイッチ回路4の状態は、以下に説明する(状態1)、(状態2−1)、(状態2−2)および(状態3)である。なお、交流電源1の出力は、第一端子41が第二端子42より電圧が高くなる電圧を正側の電圧、逆に第二端子42が第一端子41より電圧が高くなる電圧を負側の電圧として説明する。
Next, the operation of the
(状態1)
先ず、スイッチング素子15から20が全てオフ状態となる(状態1)について説明する。このように構成されたコンバータ回路8では、交流電源1の出力が入力されると整流回路3で整流され、整流回路3の出力によりコンデンサ21から23が第一出力端子51の電圧が第二出力端子52の電圧より高くなるようにコンデンサ回路5は充電される。すなわち、交流電源1から正側の電圧が出力されている場合、交流電源1→リアクトル9→ダイオード11→コンデンサ回路5→ダイオード14→リアクトル10→交流電源1の経路で電流が流れることによりコンデンサ回路5は充電される。逆に、交流電源1から負側の電圧が出力されている場合、交流電源1→リアクトル10→ダイオード13→コンデンサ回路5→ダイオード12→リアクトル9→交流電源1の経路で電流が流れることによりコンデンサ回路5は充電される。(State 1)
First, a description will be given of a case where all of the switching
次に、コンデンサ21および22を交互に充電する状態である(状態2)を、更に2つの状態である(状態2−1)および(状態2−2)に分けてそれぞれについて説明する。
Next, (state 2) in which the
(状態2−1)
図2の(状態2−1)の欄に示すように、スイッチング素子15から20のなかで、スイッチング素子17および19のみをオンにするもしくはスイッチング素子18および20のみをオンにする。これは、2個の第二スイッチング素子のみを共にオンにすることである。これにより、リアクトル10と接続点76とが接続される。(状態2−1)において、交流電源1から正側の電圧が出力されている場合、交流電源1→リアクトル9→ダイオード11→コンデンサ21→スイッチ回路4→リアクトル10→交流電源1の経路で電流が流れることによりコンデンサ21が充電される。また、逆に、交流電源1から負側の電圧が出力されている場合、交流電源1→リアクトル10→スイッチ回路4→コンデンサ22→ダイオード12→リアクトル9→交流電源1の経路で電流が流れることによりコンデンサ22が充電される。(State 2-1)
As shown in the column of (State 2-1) in FIG. 2, among the switching
(状態2−2)
図2の(状態2−2)の欄に示すように、スイッチング素子15から20のなかで、スイッチング素子15および19のみをオンにするもしくはスイッチング素子16および20のみをオンにする。これは、2個の第一スイッチング素子のみを共にオンにすることである。これにより、リアクトル9と接続点76とが接続される。(状態2−2)において、交流電源1から正側の電圧が出力されている場合、交流電源1→リアクトル9→スイッチ回路4→コンデンサ22→ダイオード14→リアクトル10→交流電源1の経路で電流が流れることによりコンデンサ22が充電される。また、逆に、交流電源1から負側の電圧が出力されている場合、交流電源1→リアクトル10→ダイオード13→コンデンサ21→スイッチ回路4→リアクトル9→交流電源1の経路で電流が流れることによりコンデンサ21が充電される。(State 2-2)
As shown in the column of (State 2-2) in FIG. 2, among the switching
(状態3)
交流電源1の出力電圧が0ボルト程度の電圧の時において、スイッチング素子15から20のなかで、スイッチング素子15および17のみをオンにすると、交流電源1→リアクトル9→スイッチング素子15→スイッチング素子17→リアクトル10→交流電源1の経路で電流が流れることにより、交流電源1は短絡の状態となる。また、交流電源1の出力電圧が0ボルト程度の電圧の時において、スイッチング素子15から20のなかで、スイッチング素子16および18のみをオンにすると、交流電源1→リアクトル10→スイッチング素子18→スイッチング素子16→リアクトル9→交流電源1の経路で電流が流れることにより、交流電源1は短絡の状態となる。(State 3)
When only the switching
上記した(状態2−1)および(状態2−2)においてコンデンサ回路5を充電する場合は、スイッチング素子15から20のなかでオンにするスイッチング素子の選択を変えても充電の効果は同じである。(状態2−1)および(状態2−2)においては、オンにするスイッチング素子を定めておけば、コンデンサ21および22を交互に充電することで、(状態1)のときに交流電源1から出力される電圧の最大値の2倍程度の電圧が得られる。
When charging the capacitor circuit 5 in the above (State 2-1) and (State 2-2), the charging effect is the same even if the selection of the switching element to be turned on among the switching
実施の形態1にかかるモータ駆動装置100全体の動作を以下に説明する。上記から分かるように、(状態1)でコンデンサ回路5を充電すれば、交流電源1から出力される最大電圧値程度の電圧となるようにコンデンサ回路5は充電される。また、(状態2)すなわち(状態2−1)および(状態2−2)でコンデンサ回路5を充電すれば、交流電源1から出力される最大電圧値の2倍程度の電圧となるようにコンデンサ回路5は充電される。そして、(状態3)では、コンデンサ回路5は充電されない。
The overall operation of the
したがって、モータ7で要求される電力に応じて、(状態1)から(状態3)のそれぞれの状態でコンデンサ回路5を充電すれば、0ボルト程度の電圧、交流電源1から出力される最大電圧値程度の電圧、交流電源1から出力される最大電圧値の2倍程度の電圧、といった3段階の出力電圧が得られる。 Therefore, if the capacitor circuit 5 is charged in each of the states (state 1) to (state 3) according to the power required by the motor 7, a voltage of about 0 volts, the maximum voltage output from the AC power source 1 is obtained. A three-stage output voltage is obtained, such as a voltage of about the value and a voltage of about twice the maximum voltage value output from the AC power supply 1.
交流電源1の出力に基づいて、(状態1)から(状態3)を交流電源1の周波数より高い周波数で切り替えるように制御することで、急激に電流を流すことを防いで高調波電流を抑制することができる。すなわち、交流電源1の出力を滑らかに変化させて昇圧し、モータ7に出力するといったことが可能になる。 Based on the output of the AC power supply 1, by controlling the switching from (State 1) to (State 3) at a frequency higher than the frequency of the AC power supply 1, it is possible to prevent a rapid current flow and suppress the harmonic current. can do. That is, it is possible to smoothly change the output of the AC power supply 1 to boost the voltage and output it to the motor 7.
実施の形態1にかかるコンバータ回路8によれば、(状態2)および(状態3)をダイオードを用いずに2個のスイッチング素子を導通させることで実現でき、電流経路においてダイオードを導通させることによる回路損失を回避することができるので、スイッチングロスの小さい高効率なコンバータ回路の実現が可能となる。また、コンバータ回路8がスイッチング素子のみで構成されているため、コンバータ回路8のモジュールの作成または選定の作業が簡易になる。
According to the
さらに、実施の形態1にかかるコンバータ回路8は、インバータ回路6とスイッチング素子の構成が同じモジュールを使用することにより、インバータ回路6と共通化できる。これにより、製造プロセスを簡単化できる。また、インバータ回路6に用いられている汎用モジュールの流用ができるので、安価なモジュールの選択が可能となりモジュール選択の幅を広げることができる。さらに、全てスイッチング素子を用いてスイッチ回路4を構成しているので、スイッチング素子のみを用いた同期整流が実現出来る。
Furthermore, the
実施の形態2.
図3は、本発明の実施の形態2にかかるモータ駆動装置200の全体回路図である。モータ駆動装置200は、実施の形態1にかかるモータ駆動装置100とはスイッチ回路の構成が異なる点以外は、同じ構成である。Embodiment 2. FIG.
FIG. 3 is an overall circuit diagram of the
モータ駆動装置200は、コンバータ回路8’およびインバータ回路6を備える。コンバータ回路8’は、リアクトル回路2と、整流回路3と、スイッチ回路4’と、コンデンサ回路5と、を備える。スイッチ回路4’は、4個の双方向スイッチング素子であるスイッチング素子30から33で構成される。
The
スイッチ回路4’は、接続点71および接続点76の間に直列接続された第一スイッチング素子であるスイッチング素子30および32と、接続点72および接続点76の間に直列接続された第二スイッチング素子であるスイッチング素子31および33と、を備えている。接続点71は最終的には第一端子41に接続されており、接続点72は最終的には第二端子42に接続されているので、実施の形態1と同様に、第一スイッチング素子は、第一端子41と接続点76との間を接続し、第二スイッチング素子は、第二端子42と接続点76との間を接続していることになる。
The
スイッチング素子30から33には、MOSFETといった電界効果トランジスタを用いる。スイッチング素子30および32はお互いのソース端子同士が接続されており、スイッチング素子30のドレイン端子は接続点71に接続され、スイッチング素子32のドレイン端子は接続点76に接続される。スイッチング素子31および33もお互いのソース端子同士が接続されており、スイッチング素子31のドレイン端子は接続点72に接続され、スイッチング素子33のドレイン端子は接続点76に接続される。ソース端子同士を接続することにより、両方のスイッチング素子がオフのときに導通するおそれが無いようにできる。
For the switching
次に、実施の形態2にかかるモータ駆動装置200の動作について説明する。モータ駆動装置200の動作状態は、スイッチ回路4’のスイッチング素子30から33の状態によって異なるため、以下では各状態別に動作を説明する。図4は、実施の形態2にかかるスイッチ回路4’の状態ごとのスイッチング素子30から33の状態を示す図である。スイッチ回路4’の状態は、以下に説明する(状態1)、(状態2−1)、(状態2−2)および(状態3)である。
Next, the operation of the
(状態1)
先ず、スイッチング素子30から33が全てオフ状態となる(状態1)について説明する。このように構成されたコンバータ回路8’では、交流電源1の出力が入力されると整流回路3で整流され、整流回路3の出力によりコンデンサ21から23が第一出力端子51の電圧が第二出力端子52の電圧より高くなるようにコンデンサ回路5は充電される。すなわち、交流電源1から正側の電圧が出力されている場合、交流電源1→リアクトル9→ダイオード11→コンデンサ回路5→ダイオード14→リアクトル10→交流電源1の経路で電流が流れることによりコンデンサ回路5は充電される。逆に、交流電源1から負側の電圧が出力されている場合、交流電源1→リアクトル10→ダイオード13→コンデンサ回路5→ダイオード12→リアクトル9→交流電源1の経路で電流が流れることによりコンデンサ回路5は充電される。(State 1)
First, the switching
次に、コンデンサ21および22を交互に充電する状態である(状態2)を、更に2つの状態である(状態2−1)および(状態2−2)に分けてそれぞれについて説明する。
Next, (state 2) in which the
(状態2−1)
図4の(状態2−1)の欄に示すように、スイッチング素子30から33のなかで、第二スイッチング素子であるスイッチング素子31および33のみをオンする。これにより、リアクトル10と接続点76とが接続される。(状態2−1)において、交流電源1から正側の電圧が出力されている場合、交流電源1→リアクトル9→ダイオード11→コンデンサ21→スイッチ回路4→リアクトル10→交流電源1の経路で電流が流れることによりコンデンサ21が充電される。また、逆に、交流電源1から負側の電圧が出力されている場合、交流電源1→リアクトル10→スイッチ回路4→コンデンサ22→ダイオード12→リアクトル9→交流電源1の経路で電流が流れることによりコンデンサ22が充電される。(State 2-1)
As shown in the column of (State 2-1) in FIG. 4, only the switching
(状態2−2)
図4の(状態2−2)の欄に示すように、スイッチング素子30から33のなかで、第一スイッチング素子であるスイッチング素子30および32のみをオンする。これにより、リアクトル9と接続点76とが接続される。(状態2−2)において、交流電源1から正側の電圧が出力されている場合、交流電源1→リアクトル9→スイッチ回路4→コンデンサ22→ダイオード14→リアクトル10→交流電源1の経路で電流が流れることによりコンデンサ22が充電される。また、逆に、交流電源1から負側の電圧が出力されている場合、交流電源1→リアクトル10→ダイオード13→コンデンサ21→スイッチ回路4→リアクトル9→交流電源1の経路で電流が流れることによりコンデンサ21が充電される。(State 2-2)
As shown in the column of (State 2-2) in FIG. 4, among the switching
(状態3)
交流電源1の出力電圧が0ボルト程度の電圧の時において、スイッチング素子30から33を全てオンにする。交流電源1から正側の電圧が出力されている場合、交流電源1→リアクトル9→スイッチング素子30→スイッチング素子32→スイッチング素子33→スイッチング素子31→リアクトル10→交流電源1の経路で電流が流れることになり、交流電源1は短絡の状態となる。逆に、交流電源1から負側の電圧が出力されている場合、上記と逆の経路で電流が流れることになり、交流電源1は短絡の状態となる。(State 3)
When the output voltage of the AC power supply 1 is a voltage of about 0 volts, all the
上記した(状態2−1)および(状態2−2)においてコンデンサ回路5を充電する場合は、スイッチング素子30から33のなかでオンにするスイッチング素子の選択を変えても充電の効果は同じである。(状態2−1)および(状態2−2)においては、オンにするスイッチング素子を定めておけば、コンデンサ21および22を交互に充電することで、(状態1)のときに交流電源1から出力される電圧の最大値の2倍程度の電圧が得られる。
When charging the capacitor circuit 5 in the above (State 2-1) and (State 2-2), the charging effect is the same even if the selection of the switching element to be turned on among the switching
実施の形態2にかかるモータ駆動装置200全体の動作も実施の形態1にかかるモータ駆動装置100全体の動作と同様であり、実施の形態1と同様な効果が得られる。
The overall operation of the
さらに、モータ駆動装置200では、スイッチ回路4’が備えるスイッチング素子の数をスイッチ回路4に比べて、6個から4個に減らすことができるので、モータ駆動装置100に比べて、コストの低減を図ることができる。
Furthermore, in the
実施の形態3.
実施の形態3にかかるモータ駆動装置は、実施の形態1にかかるスイッチ回路4のスイッチング素子15から20およびインバータ回路6のスイッチング素子24から29に、ワイドバンドギャップ半導体によって形成された双方向スイッチング素子を使用したモータ駆動装置である。あるいは、実施の形態3にかかるモータ駆動装置は、実施の形態2にかかるスイッチ回路4’のスイッチング素子30から33およびインバータ回路6のスイッチング素子24から29に、ワイドバンドギャップ半導体によって形成された双方向スイッチング素子を使用したモータ駆動装置である。
The motor driving apparatus according to the third embodiment includes bidirectional switching elements formed of wide band gap semiconductors in the
ここで、ワイドバンドギャップ半導体は、シリコンのバンドギャップより大きなバンドギャップを有する半導体のことを指し、代表的なワイドバンドギャップ半導体は、SiC(シリコンカーバイド)、GaN(窒化ガリウム)またはダイヤモンドである。 Here, the wide band gap semiconductor refers to a semiconductor having a band gap larger than that of silicon, and a typical wide band gap semiconductor is SiC (silicon carbide), GaN (gallium nitride), or diamond.
このようなワイドバンドギャップ半導体によって形成されたスイッチング素子は、耐電圧性が高く、許容電流密度も高いため、スイッチング素子の小型化が可能であり、これら小型化されたスイッチング素子を用いることにより、これらの素子を組み込んだ半導体モジュールの小型化が可能となる。 Since the switching element formed of such a wide band gap semiconductor has high voltage resistance and high allowable current density, the switching element can be reduced in size. By using these reduced switching elements, A semiconductor module incorporating these elements can be miniaturized.
また、ワイドバンドギャップ半導体によって形成されたスイッチング素子は耐熱性も高いため、ヒートシンクの放熱フィンの小型化、あるいは水冷部の空冷化が可能であるので、半導体モジュールの一層の小型化が可能になる。 In addition, since the switching element formed of a wide band gap semiconductor has high heat resistance, it is possible to downsize the heat sink fins of the heat sink or to air-cool the water-cooled portion, thereby further reducing the size of the semiconductor module. .
更に、ワイドバンドギャップ半導体によって形成されたスイッチング素子は電力損失が低いため、スイッチング素子の高効率化が可能であり、延いては半導体モジュールの高効率化が可能になる。 Furthermore, since the switching element formed of a wide band gap semiconductor has low power loss, the switching element can be highly efficient, and the semiconductor module can be highly efficient.
また、スイッチ回路4,4’およびインバータ回路6のスイッチング素子が全てワイドバンドギャップ半導体によって形成されていることが望ましいが、スイッチ回路4,4’のスイッチング素子のみがワイドバンドギャップ半導体によって形成されていてもかまわない。
Further, it is desirable that the switching elements of the
実施の形態3にかかるモータ駆動装置の動作は、実施の形態1にかかるモータ駆動装置100または実施の形態2にかかるモータ駆動装置200と同様であるため説明を省略する。他の半導体に比べてワイドバンドギャップ半導体によって形成されたスイッチング素子はスイッチング速度を高速にできるため、実施の形態3にかかるモータ駆動装置においては、装置全体の回路損失をさらに低減することが可能となる。
Since the operation of the motor driving apparatus according to the third embodiment is the same as that of the
すなわち、コンバータ回路8または8’にワイドバンドギャップ半導体を用いることで、キャリア周波数を高周波数にしても損失が増加しない。したがって、キャリア周波数を高くし、それに応じて全スイッチング素子を高速に制御することにより、リアクトル回路2のリアクトル9および10のインダクタンス値を下げること、あるいはコンデンサ回路5のコンデンサ21から23の容量を下げることが可能となり、コンバータ回路8または8’の回路全体の小型化が可能となる。
That is, by using a wide band gap semiconductor for the
また、ワイドバンドギャップ半導体を用いたスイッチング素子は高価なので、実施の形態2にかかるコンバータ回路8’をワイドバンドギャップ半導体を用いて実現した方が、実施の形態1にかかるコンバータ回路8をワイドバンドギャップ半導体を用いて実現するよりもスイッチング素子の数が少ないことにより大幅なコストダウンの効果が得られる。
In addition, since a switching element using a wide band gap semiconductor is expensive, the
以上の実施の形態に示した構成は、本発明の内容の一例を示すものであり、別の公知の技術と組み合わせることも可能であるし、本発明の要旨を逸脱しない範囲で、構成の一部を省略、変更することも可能である。 The configuration described in the above embodiment shows an example of the content of the present invention, and can be combined with another known technique, and can be combined with other configurations within the scope of the present invention. It is also possible to omit or change the part.
1 交流電源、2 リアクトル回路、3 整流回路、4,4’ スイッチ回路、5 コンデンサ回路、6 インバータ回路、7 モータ、8,8’ コンバータ回路、9,10 リアクトル、11,12,13,14 ダイオード、15,16,17,18,19,20,24,25,26,27,28,29,30,31,32,33 スイッチング素子、21 第一コンデンサ、22 第二コンデンサ、23 第三コンデンサ、41 第一端子、42 第二端子、51 第一出力端子、52 第二出力端子、71,72,73,74,75,76,77,78 接続点。
1 AC power supply, 2 reactor circuit, 3 rectifier circuit, 4, 4 'switch circuit, 5 capacitor circuit, 6 inverter circuit, 7 motor, 8, 8' converter circuit, 9, 10 reactor, 11, 12, 13, 14
Claims (2)
前記第一出力端子と前記第二出力端子との間に直列接続された2個のスイッチング素子の組を3組並列に有するインバータ回路と、
を備えるモータ駆動装置において、
前記コンバータ回路は、
前記第一端子に一端が直列接続されるリアクトルと、
前記第一出力端子と前記第二出力端子との間に直列接続された第1ダイオードおよび第2ダイオードと、前記第一出力端子と前記第二出力端子との間に直列接続され、前記第1ダイオードおよび前記第2ダイオードに並列接続される第3ダイオードおよび第4ダイオードとを有し、前記第1ダイオードと前記第2ダイオードとの接続点が前記リアクトルの他端に接続され、前記第3ダイオードと前記第4ダイオードとの接続点が前記第二出力端子に接続される整流回路と、
前記第一出力端子と前記第二出力端子との間に直列に接続された第一コンデンサおよび第二コンデンサと、
直列接続された第1スイッチング素子および第2スイッチング素子と、前記第1スイッチング素子および前記第2スイッチング素子に並列接続され、直列接続された第3スイッチング素子および第4スイッチング素子と、前記第1スイッチング素子および前記第2スイッチング素子に並列接続され、直列接続された第5スイッチング素子および第6スイッチング素子とを有し、前記第5スイッチング素子と前記第6スイッチング素子との接続点が前記第一コンデンサと前記第二コンデンサとの接続点に接続され、前記第1スイッチング素子と前記第2スイッチング素子との接続点が前記第1ダイオードと前記第2ダイオードとの接続点に接続され、前記第3スイッチング素子と前記第4スイッチング素子との接続点が前記第3ダイオードと前記第4ダイオードとの接続点に接続され、前記第1スイッチング素子から前記第6スイッチング素子は、逆並列ダイオードを夫々有するスイッチ回路と、
を備え、
前記交流電源から正負極性のうちの一方の極性の電力が出力されている期間は、前記第1スイッチング素子から前記第6スイッチング素子のうちの前記第3スイッチング素子および前記第5スイッチング素子のみがオンにされる第1状態と、前記第1スイッチング素子から前記第6スイッチング素子のうちの前記第4スイッチング素子および前記第6スイッチング素子のみがオンにされる第2状態とによって前記第一コンデンサが充電され、前記第1スイッチング素子から前記第6スイッチング素子のうちの前記第2スイッチング素子および前記第6スイッチング素子のみがオンにされる第3状態と、前記第1スイッチング素子から前記第6スイッチング素子のうちの前記第1スイッチング素子および前記第5スイッチング素子のみがオンにされる第4状態とによって前記第二コンデンサが充電され、
前記交流電源から正負極性のうちの他方の極性の電力が出力されている期間は、前記第1状態と、前記第2状態とによって前記第二コンデンサが充電され、前記第3状態と、前記第4状態とによって前記第一コンデンサが充電される、
ことを特徴とするモータ駆動装置。 A converter circuit that boosts the AC voltage between the first terminal and the second terminal of the AC power source and outputs the boosted voltage to the first output terminal and the second output terminal;
An inverter circuit having three sets of two switching elements connected in series between the first output terminal and the second output terminal in parallel;
In a motor drive device comprising:
The converter circuit is
A reactor having one end connected in series to the first terminal;
A first diode and a second diode connected in series between the first output terminal and the second output terminal; a first diode connected in series between the first output terminal and the second output terminal; A third diode and a fourth diode connected in parallel to the diode and the second diode, and a connection point between the first diode and the second diode is connected to the other end of the reactor, and the third diode And a rectifier circuit in which a connection point of the fourth diode is connected to the second output terminal;
A first capacitor and a second capacitor connected in series between the first output terminal and the second output terminal;
A first switching element and a second switching element connected in series, a third switching element and a fourth switching element connected in parallel to the first switching element and the second switching element, and the first switching element And a fifth switching element and a sixth switching element connected in parallel to each other and the second switching element, and a connection point between the fifth switching element and the sixth switching element is the first capacitor. And a connection point between the first capacitor and the second capacitor, a connection point between the first switching element and the second switching element is connected to a connection point between the first diode and the second diode, and the third switching element. The connection point between the element and the fourth switching element is the front end of the third diode. Connected to the connection point of the fourth diode, the sixth switching element from said first switching element, a switching circuit, each of which has an anti-parallel diode,
With
Only the third switching element and the fifth switching element among the first switching element to the sixth switching element are on during a period in which power of one polarity of positive and negative polarity is output from the AC power supply. The first capacitor is charged by the first state of the first switching element and the second state of turning on only the fourth switching element and the sixth switching element among the first to sixth switching elements. A third state in which only the second switching element and the sixth switching element among the first switching element to the sixth switching element are turned on; and the first switching element to the sixth switching element. Only the first switching element and the fifth switching element are turned on. Wherein the second capacitor is charged by the fourth condition,
The second capacitor is charged by the first state and the second state during a period in which power of the other polarity of positive and negative polarity is output from the AC power source, and the third state, The first capacitor is charged according to four states,
The motor drive device characterized by the above-mentioned.
ことを特徴とする請求項1に記載のモータ駆動装置。 The motor driving apparatus according to claim 1, wherein the first to sixth switching elements are formed of a wide band gap semiconductor.
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