JP7476765B2 - Switching element drive circuit - Google Patents
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Description
本発明は、スイッチング素子のゲートを駆動するスイッチング素子駆動回路に関する。 The present invention relates to a switching element drive circuit that drives the gate of a switching element.
IGBT(絶縁ゲートバイポーラトランジスタ)、MOSFET(金属酸化物半導体電界効果トランジスタ) などのスイッチング素子のゲートを駆動するスイッチング素子駆動回路では、スイッチング損失の低減とスイッチングノイズの抑制とが求められている。 Switching element drive circuits that drive the gates of switching elements such as IGBTs (insulated gate bipolar transistors) and MOSFETs (metal oxide semiconductor field effect transistors) require reduced switching loss and suppression of switching noise.
図19は、n型MOSFETのスイッチングによるゲートソース間電圧Vgs、ドレインソース間電圧Vds及びドレイン電流Idの変化を示した説明図である。n型MOSFETのゲートに正電圧のゲート信号が印加(ON)されると、ゲート直下のシリコン酸化物で構成された絶縁層に面したドレインソース間に電子が引き寄せられ、ドレインソース間が導通状態になる。その結果、ゲートソース間電圧Vgsがゲート閾値を超えて大きくなるに従ってドレインソース間の電流であるドレイン電流(素子電流)Idが大きくなり、極大値であるサージ電流P1を経て一定となる。 19 is an explanatory diagram showing the changes in gate-source voltage V gs , drain-source voltage V ds , and drain current I d caused by switching of an n-type MOSFET. When a positive voltage gate signal is applied (ON) to the gate of an n-type MOSFET, electrons are attracted to the drain-source voltage V gs facing the insulating layer made of silicon oxide directly below the gate, and the drain-source voltage V gs becomes conductive. As a result, as the gate-source voltage V gs increases beyond the gate threshold, the drain current (device current) I d , which is the current between the drain and source, increases and then becomes constant after passing through a maximum surge current P1.
ドレイン電流Idが大きくなるに従って、ドレインソース間の電位差であるドレインソース間電圧(入出力端子間電圧)Vdsは低下し始め、同時にゲートソース間電圧Vgsが一定となるミラー期間となる。ミラー期間においてドレインソース間電圧Vdsは極小値まで低下して一定となる。 As the drain current Id increases, the drain-source voltage (voltage between the input and output terminals) Vds, which is the potential difference between the drain and source, starts to decrease, and at the same time, the mirror period begins in which the gate-source voltage Vgs becomes constant. During the mirror period, the drain-source voltage Vds decreases to a minimum value and becomes constant.
図19において、ゲートソース間電圧Vgsがゲート閾値を超えたことにより、ドレイン電流Idが大きくなり始めたときからゲートソース間電圧Vgsがミラー期間になるまで、換言すればゲートソース間電圧Vgsがゲート閾値を超えたときからドレインソース間電圧Vdsが低下し始める直前までの期間を電流遷移期間と称する。また、ゲートソース間電圧Vgsが一定となるミラー期間は、ドレインソース間電圧Vdsが低下し始めたときから極小値に達するまでの期間でもあるので、当該期間を電圧遷移期間と称する。そして、電流遷移期間と電圧遷移期間とで構成される期間をターンオン期間と称し、かかるターンオン期間においてMOSFET等のスイッチング素子におけるスイッチング損失が生じる。 19, the period from when the drain current Id begins to increase as a result of the gate-source voltage Vgs exceeding the gate threshold until the gate-source voltage Vgs enters the mirror period, in other words, from when the gate-source voltage Vgs exceeds the gate threshold until just before the drain-source voltage Vds begins to decrease, is referred to as the current transition period. The mirror period during which the gate-source voltage Vgs remains constant is also the period from when the drain-source voltage Vds begins to decrease until it reaches a minimum value, and so this period is referred to as the voltage transition period. The period consisting of the current transition period and the voltage transition period is referred to as the turn-on period, and switching loss occurs in a switching element such as a MOSFET during this turn-on period.
n型MOSFETのゲートに印加されていた正電圧のゲート信号がOFFになると、ゲートソース間電圧Vgsは低下し始め、ドレインソース間に引き寄せられていた電子が分散してドレインソース間が徐々に絶縁状態になる。ゲートソース間電圧Vgsが一定となるミラー期間が始まると、極小値だったドレインソース間電圧Vdsが大きくなり、極大値であるサージ電圧P2を経て一定となる。そして、ミラー期間が終了するタイミングでドレイン電流Idは低下し始め、ゲートソース間電圧Vgsがゲート閾値に達するとドレイン電流Idは極小値まで低下して一定となる。 When the gate signal of a positive voltage applied to the gate of the n-type MOSFET is turned OFF, the gate-source voltage V gs starts to decrease, and the electrons attracted between the drain and source are dispersed, so that the drain and source gradually become insulated. When the mirror period in which the gate-source voltage V gs becomes constant starts, the drain-source voltage V ds , which was a minimum value, increases, passes through a maximum value of surge voltage P2, and then becomes constant. Then, when the mirror period ends, the drain current I d starts to decrease, and when the gate-source voltage V gs reaches the gate threshold, the drain current I d decreases to a minimum value and becomes constant.
図19において、ゲートソース間電圧Vgsが低下して一定値となるミラー期間を電圧遷移期間と称する。電圧遷移期間は、ドレインソース間電圧Vdsが大きくなり始めたときからドレイン電流Idが低下し始めるときまでの期間でもある。また、ゲートソース間電圧Vgsがミラー期間経過後にゲート閾値に達するまで、換言すればドレイン電流Idが低下し始めて極小値に達するまでの期間を電流遷移期間と称する。そして、電流遷移期間と電圧遷移期間とで構成される期間をターンオフ期間と称し、かかるターンオフ期間においてもMOSFET等のスイッチング素子におけるスイッチング損失が生じる。 19, the mirror period during which the gate-source voltage V gs drops to a constant value is called the voltage transition period. The voltage transition period is also the period from when the drain-source voltage V ds starts to increase to when the drain current I d starts to drop. The current transition period is the period during which the gate-source voltage V gs reaches the gate threshold after the mirror period has elapsed, in other words, until the drain current I d starts to drop and reaches a minimum value. The period consisting of the current transition period and the voltage transition period is called the turn-off period, and switching losses occur in switching elements such as MOSFETs during this turn-off period as well.
スイッチング損失は、ターンオン期間及びターンオフ期間の各々の長さに比例するので、スイッチング損失を低下させるには、ターンオン期間及びターンオフ期間の各々を短縮化することが望まれる。 Since switching losses are proportional to the length of each of the turn-on and turn-off periods, shortening each of the turn-on and turn-off periods is desirable in order to reduce switching losses.
ターンオン期間及びターンオフ期間の各々を短縮化するには、電流遷移期間におけるドレイン電流Idの変化率である電流スルーレート及び電圧遷移期間におけるドレインソース間電圧Vdsの変化率である電圧スルーレートの各々を大きくすることが効果的である。ターンオン時の電流と電圧スルーレートとを大きくするには、ゲート信号ONの際にゲートチャージ電流を大きくすることで達成できる。また、ターンオフ時は、ゲートOFFの際にゲートディスチャージ電流を大きくすることで達成できる。 In order to shorten each of the turn-on and turn-off periods, it is effective to increase the current slew rate, which is the rate of change of the drain current Id during the current transition period, and the voltage slew rate, which is the rate of change of the drain-source voltage Vds during the voltage transition period. In order to increase the current and voltage slew rate at the time of turn-on, it is possible to increase the gate charge current when the gate signal is ON. In addition, it is possible to increase the gate discharge current at the time of turn-off, it is possible to increase the current and voltage slew rate at the time of turn-on.
従って、スイッチング損失の低減とスイッチングノイズの抑制とを実現するために、スイッチング時の電圧スルーレート及び電流スルーレートのフィードバック制御が検討されている。 Therefore, in order to reduce switching losses and suppress switching noise, feedback control of the voltage slew rate and current slew rate during switching is being considered.
しかしながら、かかるフィードバック制御では、スイッチング時の電圧スルーレート及び電流スルーレートが増加すると電磁ノイズが増大し、EMC規格を満足できないおそれがあるため、EMC規格が満足できるようにスイッチング時の電圧スルーレート及び電流スルーレートを調整する必要がある。 However, with this feedback control, if the voltage slew rate and current slew rate during switching increase, electromagnetic noise increases, and there is a risk that EMC standards will not be met, so it is necessary to adjust the voltage slew rate and current slew rate during switching so that the EMC standards are met.
従来はMOSFETの機差バラツキを考慮して電圧スルーレート及び電流スルーレートが許容値以内となるようにゲート抵抗値を設定しており、高スルーレートによりノイズ大とならないようにマージンをとっているため、スイッチング損失が大きくなってしまうという問題があった。 Conventionally, the gate resistance value was set to ensure that the voltage slew rate and current slew rate were within the allowable range, taking into account the individual variations in MOSFETs, and a margin was set to prevent high slew rates from causing large noise, which resulted in large switching losses.
下記特許文献1には、第1のスイッチングサイクル中に負荷の電圧を測定し、その情報に基づき第2のスイッチングサイクルで駆動するプロファイルを生成する発明が開示されている。 The following Patent Document 1 discloses an invention that measures the load voltage during a first switching cycle and generates a profile to be driven in a second switching cycle based on that information.
しかしながら、特許文献1に係る発明は、1サイクル中の複数の異なる時点での波形を検出するため、検出情報の処理負荷が増大するという問題があった。 However, the invention in Patent Document 1 has the problem that the processing load of the detected information increases because the waveform is detected at multiple different points in time during one cycle.
本発明は上記課題に鑑みて創作されたものであり、検出情報の処理負荷を抑制しながら、電流スルーレート及び電圧スルーレートをモニターできるスイッチング素子駆動回路を得ることを目的とする。 The present invention was created in consideration of the above problems, and aims to obtain a switching element drive circuit that can monitor the current slew rate and voltage slew rate while suppressing the processing load of detection information.
上記目的を達成するために本発明に係るスイッチング素子駆動回路は、制御端子及び入出力端子を備え、前記制御端子に印加される電気信号に応じて前記入出力端子間がスイッチングされるスイッチング素子(44U)の前記入出力端子の電圧の時間変化を示す電圧時系列情報を検出する電圧検出部(24U)と、前記スイッチング素子(44U)の素子電流の時間変化を示す電流時系列情報を検出する電流検出部(26U)と、前記スイッチング素子の第1のスイッチングにおいて前記電圧検出部(24U)が検出した第1の電圧時系列情報、及び前記第1のスイッチングと異なる第2のスイッチングにおいて前記電圧検出部が検出した第2の電圧時系列情報に基づいて導出され、かつ前記入出力端子間の電圧変化率を示す電圧スルーレートと、前記第1のスイッチングにおいて前記電流検出部(26U)が検出した第1の電流時系列情報、及び前記第2のスイッチングにおいて前記電流検出部(26U)が検出した第2の電流時系列情報に基づいて導出され、かつ前記素子電流の変化率を示す電流スルーレートとのいずれか一方に基づいて、前記電気信号の電流値を制御する制御部(30U)と、を含んでいる。 In order to achieve the above object, the switching element drive circuit of the present invention includes a control terminal and an input/output terminal, and includes a voltage detection unit (24U) that detects voltage time series information indicating a change in voltage over time at the input/output terminal of a switching element (44U) in which the input/output terminals are switched in response to an electrical signal applied to the control terminal, a current detection unit (26U) that detects current time series information indicating a change in element current over time of the switching element (44U), and a first voltage time series information detected by the voltage detection unit (24U) during the first switching of the switching element and a current time series information indicating a change in element current over time of the switching element (44U). and a control unit (30U) that controls the current value of the electrical signal based on either a voltage slew rate that is derived based on second voltage time series information detected by the voltage detection unit during a second switching different from the first switching and indicates the voltage change rate between the input and output terminals, or a current slew rate that is derived based on first current time series information detected by the current detection unit (26U) during the first switching and second current time series information detected by the current detection unit (26U) during the second switching and indicates the change rate of the element current.
この様に構成することで、電圧スルーレート及び電流スルーレートの算出に係る複数の時間情報を各々異なるタイミングでのスイッチングの際に検出でき、閾値を用いた制御端子電圧等の変化の検出に係るスイッチング素子駆動回路の負荷を抑制することができる。 By configuring it in this way, multiple pieces of time information related to the calculation of the voltage slew rate and current slew rate can be detected when switching at different timings, and the load on the switching element drive circuit related to the detection of changes in the control terminal voltage, etc. using a threshold value can be reduced.
また、算出した電圧スルーレート及び電流スルーレートに基づいてスイッチング素子(44U)の制御端子に印加される電気信号の電流を制御することにより、サージ電圧等の発生を抑制すると共に、スイッチング素子(44U)のスイッチング損失を低減できる。 In addition, by controlling the current of the electrical signal applied to the control terminal of the switching element (44U) based on the calculated voltage slew rate and current slew rate, it is possible to suppress the occurrence of surge voltages and the like and reduce the switching loss of the switching element (44U).
[第1の実施形態]
以下、本実施形態を図面に基づいて説明する。図1は、本実施形態に係るスイッチング素子駆動回路を備えたインバータ10の一例を示したブロック図である。インバータ10は、例えば車載のバッテリである直流電源80から供給される直流電圧を、例えばU相、V相およびW相の三相交流電圧に変換してモータ12へと出力する三相インバータである。
[First embodiment]
Hereinafter, the present embodiment will be described with reference to the drawings. Fig. 1 is a block diagram showing an example of an inverter 10 including a switching element drive circuit according to the present embodiment. The inverter 10 is a three-phase inverter that converts a DC voltage supplied from a DC power source 80, such as an on-board battery, into a three-phase AC voltage of, for example, U-phase, V-phase, and W-phase, and outputs the three-phase AC voltage to a motor 12.
図1に示したように、本実施形態に係るインバータ10は、MOSFET等のスイッチング素子42U、42V、42W、44U、44V、44Wを備え、モータ12のステータのコイルに供給する電力を、スイッチング素子42U、42V、42W、44U、44V、44Wをオンオフさせるスイッチングによって生成する。例えば、スイッチング素子42U、44UはU相のコイルに、スイッチング素子42V、44VはV相のコイルに、スイッチング素子42W、44WはW相のコイルに、各々供給する電力のスイッチングを行う。 As shown in FIG. 1, the inverter 10 according to this embodiment includes switching elements 42U, 42V, 42W, 44U, 44V, and 44W such as MOSFETs, and generates the power to be supplied to the coils of the stator of the motor 12 by switching the switching elements 42U, 42V, 42W, 44U, 44V, and 44W on and off. For example, the switching elements 42U and 44U switch the power to be supplied to the U-phase coil, the switching elements 42V and 44V switch the power to be supplied to the V-phase coil, and the switching elements 42W and 44W switch the power to be supplied to the W-phase coil.
スイッチング素子42U、42V、42Wの各々のドレインは、直流電源80の正極(+)に接続されており、スイッチング素子42U、42V、42Wの各々のソースは、スイッチング素子44U、44V、44Wの各々のドレインに接続されている。また、スイッチング素子44U、44V、44Wの各々のソースは、直流電源80の負極(-)に接続されている。 The drains of the switching elements 42U, 42V, and 42W are connected to the positive pole (+) of the DC power supply 80, and the sources of the switching elements 42U, 42V, and 42W are connected to the drains of the switching elements 44U, 44V, and 44W. The sources of the switching elements 44U, 44V, and 44W are connected to the negative pole (-) of the DC power supply 80.
スイッチング素子42Uのソースとスイッチング素子44Uのドレインとが接続されるノード46Uはモータ12のU相コイルに接続されている。一例として、スイッチング素子42Uがオンになると共にスイッチング素子44Uがオフになると、ノード46Uを介してモータ12のU相コイルに直流電源80の電力が供給される。同時に、一例として、スイッチング素子42Wがオフになると共にスイッチング素子44Wがオンになると、U相コイルに流れた電流がモータ12のコイルの中性点を経由してW相コイルを流れる。当該電流はスイッチング素子42Wのソースとスイッチング素子44Wのドレインとが接続されるノード46Wとスイッチング素子44Wを介して直流電源80の負極(-)に流れる。U相コイルとW相コイルとが通電されることにより、U相コイルとW相コイルとに磁界が生じる。 Node 46U, which connects the source of switching element 42U and the drain of switching element 44U, is connected to the U-phase coil of motor 12. As an example, when switching element 42U is turned on and switching element 44U is turned off, power from DC power supply 80 is supplied to the U-phase coil of motor 12 via node 46U. At the same time, as an example, when switching element 42W is turned off and switching element 44W is turned on, the current flowing through the U-phase coil flows through the W-phase coil via the neutral point of the coil of motor 12. The current flows to the negative pole (-) of DC power supply 80 via node 46W, which connects the source of switching element 42W and the drain of switching element 44W, and switching element 44W. When the U-phase coil and W-phase coil are energized, a magnetic field is generated in the U-phase coil and W-phase coil.
スイッチング素子42Vのソースとスイッチング素子44Vのドレインとが接続されるノード46Vはモータ12のV相コイルに接続されている。一例として、スイッチング素子42Vがオンになると共にスイッチング素子44Vがオフになると、ノード46Vを介してモータ12のV相コイルに直流電源80の電力が供給される。同時に、一例として、スイッチング素子42Uがオフになると共にスイッチング素子44Uがオンになると、V相コイルに流れた電流がモータ12のコイルの中性点を経由してU相コイルを流れる。当該電流はノード46Uとスイッチング素子44Uを介して直流電源80の負極(-)に流れる。V相コイルとU相コイルとが通電されることにより、V相コイルとU相コイルとに磁界が生じる。 Node 46V, where the source of switching element 42V and the drain of switching element 44V are connected, is connected to the V-phase coil of motor 12. As an example, when switching element 42V is turned on and switching element 44V is turned off, power from DC power supply 80 is supplied to the V-phase coil of motor 12 via node 46V. At the same time, as an example, when switching element 42U is turned off and switching element 44U is turned on, the current flowing through the V-phase coil flows through the U-phase coil via the neutral point of the coil of motor 12. The current flows to the negative pole (-) of DC power supply 80 via node 46U and switching element 44U. When the V-phase coil and the U-phase coil are energized, a magnetic field is generated in the V-phase coil and the U-phase coil.
また、一例として、スイッチング素子42Wがオンになると共にスイッチング素子44Wがオフになると、ノード46Wを介してモータ12のW相コイルに直流電源80の電力が供給される。同時に、一例として、スイッチング素子42Vがオフになると共にスイッチング素子44Vがオンになると、W相コイルに流れた電流がモータ12のコイルの中性点を経由してV相コイルを流れる。当該電流はノード46Vとスイッチング素子44Vを介して直流電源80の負極(-)に流れる。W相コイルとV相コイルとが通電されることにより、W相コイルとV相コイルとに磁界が生じる。 As another example, when switching element 42W is turned on and switching element 44W is turned off, power from DC power supply 80 is supplied to the W-phase coil of motor 12 via node 46W. At the same time, as an example, when switching element 42V is turned off and switching element 44V is turned on, the current flowing through the W-phase coil flows through the V-phase coil via the neutral point of the coil of motor 12. The current flows to the negative pole (-) of DC power supply 80 via node 46V and switching element 44V. When the W-phase coil and the V-phase coil are energized, a magnetic field is generated in the W-phase coil and the V-phase coil.
上述のように、スイッチング素子42U、42V、42W、44U、44V、44W(以下、「スイッチング素子42U~44W」と略記)のスイッチングにより、モータ12のコイルに磁界が発生する相を切り替えることにより、モータ12のコイルには永久磁石等で構成されたロータ(回転子)を回転させるいわゆる回転磁界が発生する。実際のモータの回転制御では、スイッチング素子42U~44Wの各々を小刻みにオンオフさせるPWM(パルス幅変調)制御により、三相交流様の電圧を生成してモータ12の各相のコイルに印加する。 As described above, by switching the switching elements 42U, 42V, 42W, 44U, 44V, and 44W (hereafter abbreviated as "switching elements 42U to 44W") to switch the phase in which a magnetic field is generated in the coils of the motor 12, a so-called rotating magnetic field is generated in the coils of the motor 12, which rotates a rotor (rotor) composed of a permanent magnet or the like. In actual motor rotation control, a three-phase AC-like voltage is generated and applied to the coils of each phase of the motor 12 by PWM (pulse width modulation) control that turns each of the switching elements 42U to 44W on and off in short increments.
スイッチング素子42U~44Wのスイッチングにより、図1に示したような寄生インダクタンス50、52、54、56、58、60、62、64、66、68、70、72が発生する場合がある。寄生インダクタンス50~72はサージ電圧の発生に寄与し得る。本実施形態では、スルーレート(電流スルーレート及び電圧スルーレート)を適切に制御することにより、スイッチング素子42U~44Wのスイッチングによるサージ電圧の発生を抑制することも可能なので、寄生インダクタンス50~72による影響を結果的に相殺できる場合がある。 The switching of the switching elements 42U to 44W may generate parasitic inductances 50, 52, 54, 56, 58, 60, 62, 64, 66, 68, 70, and 72 as shown in FIG. 1. The parasitic inductances 50 to 72 may contribute to the generation of surge voltages. In this embodiment, by appropriately controlling the slew rate (current slew rate and voltage slew rate), it is possible to suppress the generation of surge voltages due to the switching of the switching elements 42U to 44W, which may ultimately offset the effects of the parasitic inductances 50 to 72.
上述のように、n型MOSFETは、ゲートに正電圧のゲート信号が印加されることによりオンとなる。図1に示したように、本実施形態では、スイッチング素子42U~44Wの各々には、ゲート信号の電流値を制御するゲートドライバ20U、20V、20W、22U、22V、22W(以下、「ゲートドライバ20U~22W」と略記)が各々接続されている。また、ゲートドライバ20U~22Wの各々は、車両ECU(Electronic Control Unit)等の上位の制御装置(図示せず)に接続されている。ゲートドライバ20U~22Wの各々は、上位の制御装置から入力されたゲート信号を増幅すると共に、増幅したゲート信号を可変抵抗器により電流値を調整してスイッチング素子42U~44Wの各々のゲートに印加する。 As described above, an n-type MOSFET is turned on by applying a gate signal of positive voltage to the gate. As shown in FIG. 1, in this embodiment, gate drivers 20U, 20V, 20W, 22U, 22V, and 22W (hereinafter abbreviated as "gate drivers 20U to 22W") that control the current value of the gate signal are connected to each of the switching elements 42U to 44W. Each of the gate drivers 20U to 22W is also connected to a higher-level control device (not shown) such as a vehicle ECU (Electronic Control Unit). Each of the gate drivers 20U to 22W amplifies the gate signal input from the higher-level control device, and applies the amplified gate signal to the gate of each of the switching elements 42U to 44W after adjusting the current value with a variable resistor.
図2は、スイッチング素子44Uのゲートに設けられたゲートドライバ22Uの構成の一例を示したブロック図である。上述のように、ゲートドライバ20U~22Wは、スイッチング素子42U~44Wの各々に設けられているが、代表例としてゲートドライバ22Uを説明し、その他のゲートドライバについては説明を省略する。 Figure 2 is a block diagram showing an example of the configuration of gate driver 22U provided at the gate of switching element 44U. As described above, gate drivers 20U to 22W are provided for each of switching elements 42U to 44W, but gate driver 22U will be explained as a representative example and explanations of the other gate drivers will be omitted.
図2に示したように、ゲートドライバ22Uは、スイッチング素子44Uの入出力端子の電圧である入出力端子間電圧(ドレインソース間電圧Vds)を時間情報に対応付けて検出する入出力端子間電圧検出部24Uと、スイッチング素子44Uの素子電流(ドレイン電流Id)を時間情報に対応付けて検出する素子電流検出部26Uと、入出力端子間電圧検出部24U及び素子電流検出部26Uの各々の検出信号を、後述する制御部30Uで処理可能な形式の信号に変換する検出処理部28Uと、上位の制御装置から入力されるスルーレート目標値及び検出処理部28Uの出力に基づきスイッチング素子44Uのゲートに印加するゲート信号の制御演算を行う制御部30Uと、ゲート駆動能力を変化させる操作部32Uと、を備えている。入出力端子間電圧検出部24U及び素子電流検出部26Uの各々は、例えば、制御部30Uの制御クロックを用いて時間情報を検出する。 2, the gate driver 22U includes an input/output terminal voltage detection unit 24U that detects an input/output terminal voltage (drain-source voltage V ds ), which is the voltage at the input/output terminals of the switching element 44U, in association with time information, an element current detection unit 26U that detects an element current (drain current I d ) of the switching element 44U in association with time information, a detection processing unit 28U that converts the detection signals of the input/output terminal voltage detection unit 24U and the element current detection unit 26U into signals in a format processable by a control unit 30U described later, a control unit 30U that performs control calculation of a gate signal to be applied to the gate of the switching element 44U based on a slew rate target value input from a higher-level control device and the output of the detection processing unit 28U, and an operation unit 32U that changes the gate drive capability. Each of the input/output terminal voltage detection unit 24U and the element current detection unit 26U detects time information using, for example, a control clock of the control unit 30U.
素子電流検出部26Uは、一例として、シャント抵抗の両端部の電位差に基づいて電流値を検出してもよいし、スイッチング素子44Uのソースと接地領域との間の通電によって生じる誘導電流に基づいて電流値を算出してもよい。 The element current detection unit 26U may, for example, detect the current value based on the potential difference between both ends of the shunt resistor, or may calculate the current value based on an induced current generated by the passage of current between the source of the switching element 44U and the ground region.
検出処理部28Uは、例えば、入出力端子間電圧検出部24U及び素子電流検出部26Uの各々の検出信号がアナログ信号である場合、制御部30Uで処理可能なデジタル信号に変換する一種のA/Dコンバータを含む回路である。 The detection processing unit 28U is a circuit that includes a type of A/D converter that converts the detection signals of the input/output terminal voltage detection unit 24U and the element current detection unit 26U, for example, into digital signals that can be processed by the control unit 30U when the detection signals are analog signals.
操作部32Uは、制御部30Uからの制御により抵抗値を変化させてスイッチング素子44Uのゲートに印加するゲート信号の電流値を変化させる可変抵抗器である。操作部32Uは、スイッチング素子44Uのゲートに印加する正電圧のゲート信号の電流値を変化させる可変抵抗器32UOと、スイッチング素子44Uのゲートに印加する負電圧のゲート信号の電流値を変化させる可変抵抗器32UFとを含む。 Operation unit 32U is a variable resistor that changes its resistance under control of control unit 30U to change the current value of the gate signal applied to the gate of switching element 44U. Operation unit 32U includes variable resistor 32UO that changes the current value of the positive voltage gate signal applied to the gate of switching element 44U, and variable resistor 32UF that changes the current value of the negative voltage gate signal applied to the gate of switching element 44U.
操作部32Uには、上位の制御装置からアンプ34U及び反転回路の一種である相補型MOS36Uを介してゲート信号が入力される。上位の制御装置から入力されたゲート信号は、アンプで増幅された後、相補型MOS36Uで正負が反転される。上位の制御装置から入力されるゲート信号の正負の態様によっては、相補型MOS36Uを省略してもよい。 A gate signal is input to the operation unit 32U from a higher-level control device via an amplifier 34U and a complementary MOS 36U, which is a type of inversion circuit. The gate signal input from the higher-level control device is amplified by the amplifier, and then the positive and negative sides are inverted by the complementary MOS 36U. Depending on the positive and negative sides of the gate signal input from the higher-level control device, the complementary MOS 36U may be omitted.
図3は、制御部30Uの具体的な構成の一例を示すブロック図である。制御部30Uは、一種のコンピュータであり、CPU(Central Processing Unit)30UB、ROM(Read Only Memory)30UA、RAM(Random Access Memory)30UC、及び入出力ポート30UDを備える。 Figure 3 is a block diagram showing an example of a specific configuration of the control unit 30U. The control unit 30U is a type of computer, and includes a CPU (Central Processing Unit) 30UB, a ROM (Read Only Memory) 30UA, a RAM (Random Access Memory) 30UC, and an input/output port 30UD.
制御部30Uでは、CPU30UB、ROM30UA、RAM30UC、及び入出力ポート30UDがアドレスバス、データバス、及び制御バス等の各種バスを介して互いに接続されている。入出力ポート30UDには、各種の入出力機器として、検出処理部28U、操作部32U、及び上位の制御装置400等が各々接続されている。 In the control unit 30U, the CPU 30UB, ROM 30UA, RAM 30UC, and input/output port 30UD are connected to each other via various buses such as an address bus, a data bus, and a control bus. The input/output port 30UD is connected to various input/output devices such as the detection processing unit 28U, the operation unit 32U, and the higher-level control device 400.
ROM30UAには、スルーレートを算出する演算プログラム及び算出したスルーレートに基づいて操作部32Uを操作するための指令を生成する制御指令プログラム等がインストールされている。本実施形態では、CPU30UBが演算プログラムを実行することにより、スルーレートを算出する。また、CPU30UBは、制御指令プログラムにより、操作部32Uを操作するための指令を生成する。RAM30UCは、データを一時的に記憶する記憶部であり、例えば、検出処理部28Uから入力されたデータ等が保持される。 ROM 30UA is installed with a calculation program that calculates the slew rate and a control command program that generates commands to operate operation unit 32U based on the calculated slew rate. In this embodiment, CPU 30UB executes the calculation program to calculate the slew rate. CPU 30UB also generates commands to operate operation unit 32U using the control command program. RAM 30UC is a storage unit that temporarily stores data, and holds, for example, data input from detection processing unit 28U.
次に、制御部30UのCPU30UBが演算プログラム及び制御指令プログラムを実行することで実現される各種機能について説明する。CPU30UBが演算プログラム及び制御指令プログラムを実行することで、CPU30UBは、図3に示すように、スルーレートを算出する演算部300A及び操作部32Uを操作するための指令を生成する制御指令部300Bとして機能する。 Next, various functions that are realized by the CPU 30UB of the control unit 30U executing the calculation program and the control command program will be described. By the CPU 30UB executing the calculation program and the control command program, the CPU 30UB functions as a calculation unit 300A that calculates the slew rate and a control command unit 300B that generates commands to operate the operation unit 32U, as shown in FIG. 3.
図4は、電圧スルーレート算出時の説明図である。電圧スルーレートには、ゲート信号がオフになった場合に検出されるターンオフ電圧スルーレートと、ゲート信号がオンになった場合に検出されるターンオン電圧スルーレートとが存在する。 Figure 4 is an explanatory diagram of how the voltage slew rate is calculated. There are two types of voltage slew rate: the turn-off voltage slew rate, which is detected when the gate signal is turned off, and the turn-on voltage slew rate, which is detected when the gate signal is turned on.
ターンオフ電圧スルーレートの算出について説明する。ターンオフ電圧スルーレートを算出するには、ゲート信号がオフになってから、入出力端子間電圧検出部24Uで検出した入出力端子間電圧が第1閾値電圧Vth1に達するまでの時間Tsr_off_v1を検出する。本実施形態では、ゲート信号がオフになって入出力端子間電圧が第1閾値電圧Vth1に達するまでの時間Tsr_off_v1を検出した後、ゲート信号がオンとなって再びオフになるまでの期間を低閾値検出区間と称する。 The calculation of the turn-off voltage slew rate will now be described. To calculate the turn-off voltage slew rate, a time Tsr_off_v1 from when the gate signal is turned off until the voltage between the input/output terminals detected by the input/output terminal voltage detection unit 24U reaches the first threshold voltage Vth1 is detected. In this embodiment, the period from when the gate signal is turned on until when it is turned off again after detecting the time Tsr_off_v1 from when the gate signal is turned off until the voltage between the input/output terminals reaches the first threshold voltage Vth1 is referred to as the low threshold detection section.
ゲート信号が再びオフになってから、入出力端子間電圧検出部24Uで検出した入出力端子間電圧が第1閾値電圧Vth1よりも高い第2閾値電圧Vth2に達するまでの時間Tsr_off_v2を検出する。本実施形態では、ゲート信号がオフになって入出力端子間電圧が第2閾値電圧Vth2に達するまでの時間Tsr_off_v2を検出した後、ゲート信号がオンとなって再びオフになるまでの期間を高閾値検出区間と称する。 A time Tsr_off_v2 from when the gate signal is turned off again until the voltage between the input/output terminals detected by the input/output terminal voltage detection unit 24U reaches a second threshold voltage Vth2 higher than the first threshold voltage Vth1 is detected. In this embodiment, the period from when the gate signal is turned on until when it is turned off again after detecting the time Tsr_off_v2 from when the gate signal is turned off until it reaches the second threshold voltage Vth2 is referred to as the high threshold detection section.
高閾値検出区間に後続する区間は、検出したTsr_off_v1及び時間Tsr_off_v2を用いてターンオフ電圧スルーレートを算出し、算出したターンオフ電圧スルーレートに基づいて、ゲート信号の電流値であるゲート電流を制御するdv/dt算出&制御演算区間である。dv/dt算出&制御演算区間において、ターンオフ電圧スルーレートは、下記の式(1)により算出される。 The section following the high threshold detection section is a dv/dt calculation & control calculation section in which the turn-off voltage slew rate is calculated using the detected Tsr_off_v1 and time Tsr_off_v2 , and the gate current, which is the current value of the gate signal, is controlled based on the calculated turn-off voltage slew rate. In the dv/dt calculation & control calculation section, the turn-off voltage slew rate is calculated by the following formula (1).
続いてターンオン電圧スルーレートの算出について説明する。ターンオン電圧スルーレートを算出するには、低閾値検出区間においてゲート信号がオンになってから、入出力端子間電圧検出部24Uで検出した入出力端子間電圧が第1閾値電圧Vth1に低下するまでの時間Tsr_on_v1を検出する。 Next, calculation of the turn-on voltage slew rate will be described. To calculate the turn-on voltage slew rate, a time T sr_on_v1 from when the gate signal is turned on in the low threshold detection section until the input/output terminal voltage detected by the input/output terminal voltage detection unit 24U drops to the first threshold voltage V th1 is detected.
低閾値検出区間に後続する高閾値検出区間において、ゲート信号がオンになってから、入出力端子間電圧検出部24Uで検出した入出力端子間電圧が第1閾値電圧Vth1よりも高い第2閾値電圧Vth2に低下するまでの時間Tsr_on_v2を検出する。 In the high threshold detection section following the low threshold detection section, the time T sr_on_v2 from when the gate signal is turned on until the input/output terminal voltage detected by the input/output terminal voltage detection unit 24U drops to a second threshold voltage V th2 higher than the first threshold voltage V th1 is detected.
高閾値検出区間に後続するdv/dt算出&制御演算区間では、検出した時間Tsr_on_v1及び時間Tsr_on_v2を用いてターンオン電圧スルーレートを算出し、算出したターンオン電圧スルーレートに基づいて、ゲート信号の電流値であるゲート電流を制御する。dv/dt算出&制御演算区間において、ターンオン電圧スルーレートは、下記の式(2)により算出される。 In the dv/dt calculation & control calculation section following the high threshold detection section, the turn-on voltage slew rate is calculated using the detected times Tsr_on_v1 and Tsr_on_v2 , and the gate current, which is the current value of the gate signal, is controlled based on the calculated turn-on voltage slew rate. In the dv/dt calculation & control calculation section, the turn-on voltage slew rate is calculated by the following formula (2).
dv/dt算出&制御演算区間に後続する操作区間では、算出したターンオフ電圧スルーレートdvoff/dt及びターンオン電圧スルーレートdvon/dtに基づいて、ゲート信号の電流値であるゲート電流を制御する。 In the operation section following the dv/dt calculation & control operation section, the gate current, which is the current value of the gate signal, is controlled based on the calculated turn-off voltage slew rate dv off /dt and turn-on voltage slew rate dv on /dt.
例えば、ターンオフ電圧スルーレートdvoff/dtの絶対値が低い場合は、操作区間のターンオフ時操作区間90において、負電圧であるゲート信号のゲート電流を大きくしてスイッチング素子44Uのドレインソース間に引き寄せられた電子の分散を促す。また、ターンオフ電圧スルーレートdvoff/dtの絶対値が高い場合は、操作区間のターンオフ時操作区間90において、負電圧であるゲート信号のゲート電流を小さくしてスイッチング素子44Uのドレインソース間に引き寄せられた電子の分散を抑制する。 For example, when the absolute value of the turn-off voltage slew rate dv off /dt is low, the gate current of the gate signal, which is a negative voltage, is increased in the turn-off operation section 90 of the operation section to promote the dispersion of electrons attracted between the drain and source of the switching element 44U. Also, when the absolute value of the turn-off voltage slew rate dv off /dt is high, the gate current of the gate signal, which is a negative voltage, is decreased in the turn-off operation section 90 of the operation section to suppress the dispersion of electrons attracted between the drain and source of the switching element 44U.
例えば、ターンオン電圧スルーレートdvon/dtの絶対値が低い場合は、操作区間のターンオン時操作区間92において、正電圧であるゲート信号のゲート電流を大きくしてスイッチング素子44Uのドレインソース間への電子の集中を促す。また、ターンオン電圧スルーレートdvon/dtの絶対値が高い場合は、操作区間のターンオン時操作区間92において、正電圧であるゲート信号のゲート電流を小さくしてスイッチング素子44Uのドレインソース間への電子の集中を抑制する。 For example, when the absolute value of the turn-on voltage slew rate dv on /dt is low, the gate current of the gate signal, which is a positive voltage, is increased in the turn-on operation section 92 of the operation section to promote the concentration of electrons between the drain and source of the switching element 44U. Also, when the absolute value of the turn-on voltage slew rate dv on /dt is high, the gate current of the gate signal, which is a positive voltage, is decreased in the turn-on operation section 92 of the operation section to suppress the concentration of electrons between the drain and source of the switching element 44U.
図5は、電流スルーレート算出時の説明図である。電流スルーレートには、ゲート信号がオンになった場合に検出されるターンオン電流スルーレートと、ゲート信号がオフになった場合に検出されるターンオフ電流スルーレートとが存在する。 Figure 5 is an explanatory diagram for calculating the current slew rate. There are two types of current slew rate: the turn-on current slew rate, which is detected when the gate signal is turned on, and the turn-off current slew rate, which is detected when the gate signal is turned off.
ターンオン電流スルーレートの算出について説明する。ターンオン電流スルーレートを算出するには、ゲート信号がオンになってから、素子電流検出部26Uで検出した素子電流が第1閾値電流Ith1に達するまでの時間Tsr_on_i1を検出する。本実施形態では、ゲート信号がオンになって素子電流が第1閾値電流Ith1に達するまでの時間Tsr_on_v1を検出した後、ゲート信号がオフとなって再びオンになるまでの期間を低閾値検出区間と称する。 The calculation of the turn-on current slew rate will be described. To calculate the turn-on current slew rate, a time T sr_on_i1 from when the gate signal is turned on until the device current detected by the device current detection unit 26U reaches the first threshold current I th1 is detected. In this embodiment, the period from when the gate signal is turned on until when the device current reaches the first threshold current I th1 is detected until the gate signal is turned off and turned on again is referred to as the low threshold detection section.
ゲート信号が再びオンになってから、素子電流検出部26Uで検出した素子電流が第1閾値電流Ith1よりも高い第2閾値電流Ith2に達するまでの時間Tsr_on_i2を検出する。本実施形態では、ゲート信号がオンになって素子電流が第2閾値電流Ith2に達するまでの時間Tsr_on_i2を検出した後、ゲート信号がオフとなって再びオンになるまでの期間を高閾値検出区間と称する。 The time Tsr_on_i2 from when the gate signal turns on again until the device current detected by the device current detection unit 26U reaches a second threshold current Ith2 higher than the first threshold current Ith1 is detected. In this embodiment, the period from when the gate signal turns on and when the device current reaches the second threshold current Ith2 is detected to when the gate signal turns off and turns on again is referred to as the high threshold detection section.
高閾値検出区間に後続する区間は、検出したTsr_on_i1及び時間Tsr_on_i2を用いてターンオン電流スルーレートを算出し、算出したターンオン電流スルーレートに基づいて、ゲート信号の電流値であるゲート電流を制御するdv/dt算出&制御演算区間である。dv/dt算出&制御演算区間において、ターンオン電流スルーレートは、下記の式(3)により算出される。 The section following the high threshold detection section is a dv/dt calculation & control calculation section in which the turn-on current slew rate is calculated using the detected Tsr_on_i1 and time Tsr_on_i2 , and the gate current, which is the current value of the gate signal, is controlled based on the calculated turn-on current slew rate. In the dv/dt calculation & control calculation section, the turn-on current slew rate is calculated by the following formula (3).
続いてターンオフ電流スルーレートの算出について説明する。ターンオフ電流スルーレートを算出するには、低閾値検出区間においてゲート信号がオフになってから、素子電流検出部26Uで検出した素子電流が第1閾値電流Ith1に低下するまでの時間Tsr_off_i1を検出する。 Next, the calculation of the turn-off current slew rate will be described. To calculate the turn-off current slew rate, a time T sr_off_i1 from when the gate signal is turned off in the low threshold detection section until the device current detected by the device current detection unit 26U decreases to the first threshold current I th1 is detected.
低閾値検出区間に後続する高閾値検出区間において、ゲート信号がオフになってから、素子電流検出部26Uで検出した素子電流が第1閾値電流Ith1よりも高い第2閾値電流Ith2に低下するまでの時間Tsr_off_i2を検出する。 In the high threshold detection section following the low threshold detection section, the time T sr_off_i2 from when the gate signal is turned off until the device current detected by the device current detection unit 26U drops to a second threshold current I th2 higher than the first threshold current I th1 is detected.
高閾値検出区間に後続するdv/dt算出&制御演算区間では、検出したTsr_off_i1及び時間Tsr_off_i2を用いてターンオフ電流スルーレートを算出し、算出したターンオフ電流スルーレートに基づいて、ゲート信号の電流値であるゲート電流を制御する。dv/dt算出&制御演算区間において、ターンオフ電流スルーレートは、下記の式(4)により算出される。 In the dv/dt calculation & control calculation section following the high threshold detection section, the turn-off current slew rate is calculated using the detected Tsr_off_i1 and time Tsr_off_i2 , and the gate current, which is the current value of the gate signal, is controlled based on the calculated turn-off current slew rate. In the dv/dt calculation & control calculation section, the turn-off current slew rate is calculated by the following equation (4).
dv/dt算出&制御演算区間に後続する操作区間では、算出したターンオン電流スルーレートdion/dt及びターンオフ電流スルーレートdioff/dtに基づいて、ゲート信号の電流値であるゲート電流を制御する。 In the operation section following the dv/dt calculation & control operation section, the gate current, which is the current value of the gate signal, is controlled based on the calculated turn-on current slew rate di on /dt and turn-off current slew rate di off /dt.
例えば、ターンオン電流スルーレートdion/dtの絶対値が低い場合は、操作区間のターンオン時操作区間94において、正電圧であるゲート信号のゲート電流を大きくしてスイッチング素子44Uのドレインソース間への電子の集中を促す。また、ターンオン電流スルーレートdion/dtの絶対値が高い場合は、操作区間のターンオン時操作区間94において、正電圧であるゲート信号のゲート電流を小さくしてスイッチング素子44Uのドレインソース間への電子の集中を抑制する。 For example, when the absolute value of the turn-on current slew rate di on /dt is low, the gate current of the gate signal, which is a positive voltage, is increased in the turn-on operation section 94 of the operation section to promote concentration of electrons between the drain and source of the switching element 44U. On the other hand, when the absolute value of the turn-on current slew rate di on /dt is high, the gate current of the gate signal, which is a positive voltage, is decreased in the turn-on operation section 94 of the operation section to suppress concentration of electrons between the drain and source of the switching element 44U.
例えば、ターンオフ電流スルーレートdioff/dtの絶対値が低い場合は、操作区間のターンオフ時操作区間96において、負電圧であるゲート信号のゲート電流を大きくしてスイッチング素子44Uのドレインソース間に引き寄せられた電子の分散を促す。また、ターンオフ電流スルーレートdioff/dtの絶対値が高い場合は、操作区間のターンオフ時操作区間96において、負電圧であるゲート信号のゲート電流を小さくしてスイッチング素子44Uのドレインソース間に引き寄せられた電子の分散を抑制する。 For example, when the absolute value of the turn-off current slew rate di off /dt is low, the gate current of the gate signal, which is a negative voltage, is increased in the turn-off operation section 96 of the operation section to promote the dispersion of electrons attracted between the drain and source of the switching element 44U. Also, when the absolute value of the turn-off current slew rate di off /dt is high, the gate current of the gate signal, which is a negative voltage, is decreased in the turn-off operation section 96 of the operation section to suppress the dispersion of electrons attracted between the drain and source of the switching element 44U.
図6は、電圧スルーレートと電流スルーレートとの関係及び、ゲート電流への影響を示した説明図であり、前述の図4と図5とを1つの図にまとめたものである。図6に示したように、入出端子間電圧波形及び素子電流波形は、一方が増大すれば他方が減少し、一方が増大すれば他方が増大するという相補的な関係にある。 Figure 6 is an explanatory diagram showing the relationship between the voltage slew rate and the current slew rate, and the effect on the gate current, combining the above-mentioned Figures 4 and 5 into one figure. As shown in Figure 6, the input/output terminal voltage waveform and the element current waveform have a complementary relationship in that if one increases, the other decreases, and if one increases, the other increases.
また、操作区間において、入出力端子間電圧が大きくなり始めるタイミングは、素子電流が減少を始めるタイミングよりも早く、極小値まで減少した素子電流が再び大きくなり始めるタイミングは、入出力端子間電圧が減少を開始するタイミングよりも早い。従がって、操作区間を図6に示したように第1区間98、第2区間100、第3区間102そして第4区間104のように4分割し、第1区間98でターンオフ電圧スルーレートを、第2区間100でターンオフ電流スルーレートを、第3区間102でターンオン電流スルーレートを、そして第4区間104でターンオン電圧スルーレートを各々個別に変更する制御が可能となる。 In addition, in the operation section, the timing when the voltage between the input and output terminals starts to increase is earlier than the timing when the element current starts to decrease, and the timing when the element current that has decreased to a minimum value starts to increase again is earlier than the timing when the voltage between the input and output terminals starts to decrease. Therefore, by dividing the operation section into four sections, such as the first section 98, the second section 100, the third section 102, and the fourth section 104 as shown in FIG. 6, it becomes possible to control the turn-off voltage slew rate in the first section 98, the turn-off current slew rate in the second section 100, the turn-on current slew rate in the third section 102, and the turn-on voltage slew rate in the fourth section 104 to be changed individually.
以上説明したように、本実施形態によれば、検出情報の処理負荷を抑制しながら、電流スルーレート及び電圧スルーレートをモニターできる。 As described above, according to this embodiment, the current slew rate and voltage slew rate can be monitored while suppressing the processing load of the detection information.
本実施形態では、ゲート信号がオフになってからオンになり、再びオフになる直前まで又はゲート信号がオンになってからオフになり、再びオンになる直前までを1単位のサイクルとする。そして、1のサイクルを低閾値検出区間とし、低閾値検出区間に後続するサイクルを高閾値検出区間としている。第1閾値電圧Vth1又は第1閾値電流Ith1による検出は低閾値検出区間で、第2閾値電圧Vth2又は第2閾値電流Ith2による検出は高閾値検出区間で各々行うことにより、閾値を用いた制御端子電圧等の変化の検出に係るゲートドライバ20U~22Wの負荷を抑制することができる。 In this embodiment, one cycle is defined as a period from when the gate signal turns off to when it turns on and immediately before it turns off again, or when the gate signal turns on to when it turns off and immediately before it turns on again. One cycle is defined as a low threshold detection section, and the cycle following the low threshold detection section is defined as a high threshold detection section. Detection using the first threshold voltage V th1 or the first threshold current I th1 is performed in the low threshold detection section, and detection using the second threshold voltage V th2 or the second threshold current I th2 is performed in the high threshold detection section, thereby reducing the load on the gate drivers 20U to 22W involved in detecting changes in the control terminal voltage, etc., using thresholds.
また、算出したターンオン電圧スルーレート、ターンオフ電圧スルーレート、ターンオン電流スルーレート及びターンオフ電流スルーレートに基づいてゲート電流を制御することにより、サージ電圧等の発生を抑制すると共に、スイッチング素子42U~44Wのスイッチング損失を低減できる。 In addition, by controlling the gate current based on the calculated turn-on voltage slew rate, turn-off voltage slew rate, turn-on current slew rate, and turn-off current slew rate, it is possible to suppress the occurrence of surge voltages and reduce the switching losses of the switching elements 42U to 44W.
図7は、本実施形態における一般的なスルーレート算出の説明図である。図7に示した場合では、図4~6で示した低閾値による閾値比較である低閾値検出、高閾値による閾値比較である高閾値検出、スルーレートを算出する制御演算及び算出したスルーレートに基づいたゲート電流の操作からなる一連のサイクルを原則として反復する。しかしながら、インバータ10の温度、モータ相電流、及び直流電源80の電源電圧に応じて、低閾値検出、高閾値検出、制御演算及び操作の一連のサイクルを、又はかかる一連のサイクルに含まれる低閾値検出、高閾値検出、制御演算及び操作のいずれかを中断することにより、ゲートドライバ20U~22Wの負荷を低減してもよい。以下、本実施形態の変形例について説明する。 Figure 7 is an explanatory diagram of a typical slew rate calculation in this embodiment. In the case shown in Figure 7, a series of cycles consisting of low threshold detection, which is a threshold comparison using a low threshold shown in Figures 4 to 6, high threshold detection, which is a threshold comparison using a high threshold, control calculation to calculate the slew rate, and gate current operation based on the calculated slew rate are repeated in principle. However, depending on the temperature of the inverter 10, the motor phase current, and the power supply voltage of the DC power supply 80, the series of cycles of low threshold detection, high threshold detection, control calculation, and operation, or any of the low threshold detection, high threshold detection, control calculation, and operation included in such a series of cycles, may be interrupted to reduce the load on the gate drivers 20U to 22W. Modifications of this embodiment are described below.
[第1の変形例]
図8は、低閾値検出を初回に限定した場合の説明図である。低閾値検出をモータ12の駆動中に少なくとも1回実施し、かかる低閾値検出の結果を制御部30Uの記憶部であるRAM30UC等に保持しておく。以後、高閾値検出、制御演算及び操作を一連のサイクルとして行い、制御演算では、保持していた低閾値検出の結果と、新たに検出した高閾値検出の結果とを用いて電圧スルーレート又は電流スルーレートを算出し、後続する操作では算出した電圧スルーレート又は電流スルーレートに基づいてゲート電流を制御する。
[First Modification]
8 is an explanatory diagram of the case where the low threshold detection is limited to the first time. The low threshold detection is performed at least once while the motor 12 is being driven, and the result of the low threshold detection is stored in the RAM 30UC or the like, which is a storage unit of the control unit 30U. After that, the high threshold detection, the control calculation, and the operation are performed as a series of cycles, and in the control calculation, the voltage slew rate or the current slew rate is calculated using the stored result of the low threshold detection and the newly detected result of the high threshold detection, and in the subsequent operation, the gate current is controlled based on the calculated voltage slew rate or the current slew rate.
図9は、図8に示した低閾値検出を初回に限定した場合の処理の一例を示したフローチャートである。ステップ800では、初回の低閾値検出か否かが判定され、初回検出の場合は手順をステップ802に移行し、初回検出でない場合は手順をステップ806に移行する。 Figure 9 is a flow chart showing an example of processing when the low threshold detection shown in Figure 8 is limited to the first detection. In step 800, it is determined whether or not it is the first low threshold detection, and if it is the first detection, the procedure proceeds to step 802, and if it is not the first detection, the procedure proceeds to step 806.
ステップ802では、低閾値を用いた低閾値検出を行い、検出結果を保持する。ステップ804及びステップ806では、高閾値を用いた高閾値検出を行う。 In step 802, low-threshold detection is performed using a low threshold, and the detection result is retained. In steps 804 and 806, high-threshold detection is performed using a high threshold.
ステップ808では、保持していた低閾値検出の検出結果とステップ804又はステップ806で検出した高閾値検出の検出結果とを用いて電圧スルーレート又は電流スルーレートを算出する。そしてステップ810では、算出した電圧スルーレート又は電流スルーレートに基づいてゲート電流の制御を行って処理を終了する。 In step 808, the voltage slew rate or current slew rate is calculated using the held detection result of the low threshold detection and the detection result of the high threshold detection detected in step 804 or step 806. Then, in step 810, the gate current is controlled based on the calculated voltage slew rate or current slew rate, and the process ends.
本変形例では、低閾値検出を初回に限定することにより、ゲート電流の制御に係る一連の処理を簡素化し、ゲートドライバ20U~22Wの負荷を軽減することができる。 In this modified example, low threshold detection is limited to the first time, simplifying the series of processes related to gate current control and reducing the load on gate drivers 20U to 22W.
[第2の変形例]
図10は、高閾値検出において前回の高閾値検出と差異が生じた場合にスルーレートの算出及びゲート電流の制御を行う場合のフローチャートである。本変形例では、制御演算区間で電圧スルーレート又は電流スルーレートを算出した際に高閾値検出の検出結果を制御部30Uの記憶部であるRAM30UC等に保持した後、新たに低閾値検出と高閾値検出とを行い、新たに行った高閾値検出の検出結果と保持した高閾値検出の検出結果との差分が所定値以上の場合に、新たに検出した低閾値検出の検出結果と新たに検出した高閾値検出の検出結果とで算出した電圧スルーレート又は電流スルーレートに基づいてゲート電流を制御する。所定値は、電圧スルーレート又は電流スルーレートにおいて有意な変化が認められる程度の値であり、実験等を通じて具体的に決定する。
[Second Modification]
10 is a flow chart for calculating the slew rate and controlling the gate current when a difference occurs between the high threshold detection and the previous high threshold detection. In this modification, when the voltage slew rate or current slew rate is calculated in the control calculation section, the detection result of the high threshold detection is stored in the RAM 30UC, which is the storage unit of the control unit 30U, and then the low threshold detection and the high threshold detection are newly performed, and when the difference between the detection result of the newly performed high threshold detection and the detection result of the stored high threshold detection is equal to or greater than a predetermined value, the gate current is controlled based on the voltage slew rate or current slew rate calculated from the detection result of the newly detected low threshold detection and the detection result of the newly detected high threshold detection. The predetermined value is a value at which a significant change is observed in the voltage slew rate or current slew rate, and is specifically determined through experiments, etc.
図10は、予め高閾値検出の検出結果が保持されている処理を示している。ステップ900では、低閾値を用いた低閾値検出を行う。ステップ902では、高閾値を用いた高閾値検出を行う。 Figure 10 shows a process in which the detection results of high threshold detection are stored in advance. In step 900, low threshold detection is performed using a low threshold. In step 902, high threshold detection is performed using a high threshold.
ステップ904では、ステップ902で検出した高閾値検出の検出結果と、保持している高閾値検出の検出結果とを比較し、両者の差分が所定値以上か否かを判定する。ステップ904で、両者の差分が所定値以上の場合は手順をステップ906に移行し、両者の差分が所定値以上ではない場合は、手順をステップ902に移行して、高閾値検出を行う。 In step 904, the detection result of the high threshold detection detected in step 902 is compared with the detection result of the high threshold detection that is held, and it is determined whether the difference between the two is equal to or greater than a predetermined value. If the difference between the two is equal to or greater than the predetermined value in step 904, the procedure proceeds to step 906, and if the difference between the two is not equal to or greater than the predetermined value, the procedure proceeds to step 902, and high threshold detection is performed.
ステップ906では、ステップ900で検出した低閾値検出の検出結果とステップ902で検出した高閾値検出の検出結果とを用いて電圧スルーレート又は電流スルーレートを算出する。そしてステップ908では、算出した電圧スルーレート又は電流スルーレートに基づいてゲート電流の制御を行って処理を終了する。 In step 906, the voltage slew rate or current slew rate is calculated using the detection result of the low threshold detection detected in step 900 and the detection result of the high threshold detection detected in step 902. Then, in step 908, the gate current is controlled based on the calculated voltage slew rate or current slew rate, and the process ends.
本変形例では、新たに取得した高閾値検出の検出結果が前回値との差異が認められる場合に電圧スルーレート又は電流スルーレートの算出とゲート電流の制御を行うことにより、ゲート電流の制御に係る一連の処理を簡素化し、インバータ10又はゲートドライバ20U~22Wの負荷を軽減することができる。 In this modified example, if a difference is found between the newly acquired high threshold detection result and the previous value, the voltage slew rate or current slew rate is calculated and the gate current is controlled, simplifying the series of processes related to gate current control and reducing the load on the inverter 10 or gate drivers 20U to 22W.
[第3の変形例]
図11は、4つ以上の閾値比較によるスルーレート算出の説明図である。本変形例では、電圧スルーレートを検出する場合、各々異なる複数の閾値電圧において、隣接する閾値電圧同士の差分を、ゲート信号がオンからオフ又はオフからオンに変化したタイミングから入出力端子間電圧検出部24Uが検出した電圧が閾値電圧同士の差分に係る閾値電圧に各々達するまでの時間の差分で除算して複数の電圧スルーレートを算出する。そして、算出した複数の電圧スルーレートの時系列での変化率に基づいてゲート電流の制御を行う。
[Third Modification]
11 is an explanatory diagram of slew rate calculation by comparing four or more thresholds. In this modification, when detecting a voltage slew rate, a difference between adjacent threshold voltages for each of a plurality of different threshold voltages is divided by the difference in time from when the gate signal changes from on to off or from off to on until the voltage detected by the input/output terminal voltage detection unit 24U reaches a threshold voltage related to the difference between the threshold voltages, to calculate a plurality of voltage slew rates. Then, the gate current is controlled based on the rate of change in the time series of the calculated plurality of voltage slew rates.
図11に示した例では、閾値電圧Vth1a、Vth2a、Vth3a、Vth4aの4つの閾値電圧が設定されている。隣接する閾値電圧の組合せは、Vth1aとVth2a、Vth2aとVth3a、そしてVth3aとVth4aである。本変形例では、Vth2aとVth1aとの差分Vth2a-Vth1aを入出力端子間電圧検出部24Uが検出した電圧が閾値電圧Vth1a、Vth2aに各々達するまでの時間T1、T2の差分であるT2-T1で除算して、下記の初期スルーレートを算出する。 11, four threshold voltages are set: V th1a , V th2a , V th3a , and V th4a . The combinations of adjacent threshold voltages are V th1a and V th2a , V th2a and V th3a , and V th3a and V th4a . In this modification, the difference V th2a -V th1a between V th2a and V th1a is divided by T 2 -T 1 which is the difference between the times T 1 and T 2 required for the voltage detected by the input/output terminal voltage detection unit 24U to reach the threshold voltages V th1a and V th2a , respectively, to calculate the initial slew rate below.
また、本変形例では、Vth3aとVth2aとの差分Vth3a-Vth2aを入出力端子間電圧検出部24Uが検出した電圧が閾値電圧Vth2a、Vth3aに各々達するまでの時間T2、T3の差分であるT3-T2で除算して、下記の中期スルーレートを算出する。 In addition, in this modified example, the difference V th3a - V th2a between V th3a and V th2a is divided by T 3 - T 2 which is the difference between the times T 2 and T 3 taken for the voltage detected by the input/output terminal voltage detection unit 24U to reach the threshold voltages V th2a and V th3a , respectively, to calculate the medium-term slew rate as follows:
さらに、本変形例では、Vth4aとVth3aとの差分Vth4a-Vth3aを入出力端子間電圧検出部24Uが検出した電圧が閾値電圧Vth3a、Vth4aに各々達するまでの時間T3、T4の差分であるT4-T3で除算して、下記の後期スルーレートを算出する。 Furthermore, in this modified example, the difference V th4a - V th3a between V th4a and V th3a is divided by T - T3 , which is the difference between the times T and T taken for the voltage detected by the input/output terminal voltage detection unit 24U to reach the threshold voltages V th3a and V th4a , respectively, to calculate the following later slew rate.
本変形例では、上述のように算出した初期スルーレート、中期スルーレート及び後期スルーレートの変化率を算出することにより、ゲート電流が同一の場合の入出力端子間電圧の波形の立ち上がりの初期から終期までのスルーレートの変化を把握できる。初期スルーレート、中期スルーレート及び後期スルーレートの変化率は、一例として、初期スルーレートと中期スルーレートとの差分、及び中期スルーレートと後期スルーレートとの差分を各々算出する。さらには、初期スルーレートと中期スルーレートとの差分と、中期スルーレートと後期スルーレートとの差分との差分を算出して、スルーレートの変化率を把握してもよい。 In this modified example, by calculating the rate of change of the initial slew rate, the middle slew rate, and the late slew rate calculated as described above, it is possible to grasp the change in the slew rate from the beginning to the end of the rising edge of the waveform of the voltage between the input and output terminals when the gate current is the same. As an example of the rate of change of the initial slew rate, the middle slew rate, and the late slew rate, the difference between the initial slew rate and the middle slew rate, and the difference between the middle slew rate and the late slew rate are calculated, respectively. Furthermore, the rate of change of the slew rate may be grasped by calculating the difference between the initial slew rate and the middle slew rate, and the difference between the middle slew rate and the late slew rate.
図11では、電圧スルーレートを算出する場合を示したが、電流スルーレートを算出する場合も手順は同様である。電流スルーレートを算出する場合は、閾値電流Ith1a、Ith2a、Ith3a、Ith4aの4つの閾値電流を設定する。隣接する閾値電流の組合せは、Ith1aとIth2a、Ith2aとIth3a、そしてIth3aとIth4aである。本変形例では、Ith2aとIth1aとの差分Ith2a-Ith1aを素子電流検出部26Uが検出した電流が閾値電流Ith1a、Ith2aに各々達するまでの時間T1、T2の差分であるT2-T1で除算して、初期スルーレートを算出する。 11 shows the case where the voltage slew rate is calculated, but the procedure is similar when the current slew rate is calculated. When the current slew rate is calculated, four threshold currents I th1a , I th2a , I th3a , and I th4a are set. The combinations of adjacent threshold currents are I th1a and I th2a , I th2a and I th3a , and I th3a and I th4a . In this modification, the initial slew rate is calculated by dividing the difference I th2a -I th1a between I th2a and I th1a by T 2 -T 1 , which is the difference between the times T 1 and T 2 until the current detected by the element current detection unit 26U reaches the threshold currents I th1a and I th2a , respectively.
以下同様に、Ith3aとIth2aとの差分Ith3a-Ith2aを素子電流検出部26Uが検出した電流が閾値電流Ith2a、Ith3aに各々達するまでの時間T2、T3の差分であるT3-T2で除算して、中期スルーレートを算出し、Ith4aとIth3aとの差分Ith4a-Ith3aを素子電流検出部26Uが検出した電流が閾値電流Ith3a、Ith4aに各々達するまでの時間T3、T4の差分であるT4-T3で除算して、後期スルーレートを算出する。 Similarly, the mid-term slew rate is calculated by dividing the difference I th3a -I th2a between I th3a and I th2a by T 3 -T 2 , which is the difference between the times T 2 and T 3 until the current detected by the element current detection unit 26U reaches the threshold currents I th2a and I th3a , respectively, and the late slew rate is calculated by dividing the difference I th4a -I th3a between I th4a and I th3a by T 4 -T 3 , which is the difference between the times T 3 and T 4 until the current detected by the element current detection unit 26U reaches the threshold currents I th3a and I th4a , respectively.
そして、算出した初期スルーレート、中期スルーレート及び後期スルーレートの変化率を、電圧スルーレートの場合と同様に算出する。 Then, the rate of change of the calculated initial slew rate, mid-slew rate, and late slew rate is calculated in the same way as for the voltage slew rate.
[第4の変形例]
図12は、モータ相電流が略同じ場合に、低閾値検出及び高閾値検出の各々を行う場合の説明図である。前述のように、実際のモータの回転制御では、スイッチング素子42U~44Wの各々を小刻みにオンオフさせるPWM制御により、三相交流様の電圧を生成してモータ12の各相のコイルに印加するので、モータ12に供給されるモータ相電流は、図12中段に示したように略正弦波状に変化する。モータ相電流が異なる場合、入出力端子間電圧の波形であるVds波形も異なってくる。モータ相電流が高いタイミングでのVds波形は、図12の上段に示したように急峻となりやすい。また、モータ相電流が低いタイミングでのVds波形は、図12の下段に示したように、モータ相電流が高いタイミングでのVds波形よりも緩やかになりやすい。
[Fourth Modification]
FIG. 12 is an explanatory diagram of the case where low threshold detection and high threshold detection are performed when the motor phase current is approximately the same. As described above, in the actual motor rotation control, a three-phase AC-like voltage is generated and applied to the coils of each phase of the motor 12 by PWM control that turns on and off each of the switching elements 42U to 44W in short bursts, so that the motor phase current supplied to the motor 12 changes approximately in a sinusoidal shape as shown in the middle part of FIG. 12. When the motor phase current is different, the V ds waveform, which is the waveform of the voltage between the input and output terminals, also differs. The V ds waveform at the timing when the motor phase current is high tends to be steep as shown in the upper part of FIG. 12. Also, the V ds waveform at the timing when the motor phase current is low tends to be gentler than the V ds waveform at the timing when the motor phase current is high as shown in the lower part of FIG. 12.
図12に示したように、モータ相電流が異なるタイミングでは、各々のVds波形に差異が生じる。本変形例では、電気角周期毎に出現するモータ相電流が略同じとなるタイミングで低閾値検出と高閾値検出とを行って電圧スルーレートを算出する。モータ相電流が略同じとなるタイミングではVds波形がほぼ同じになるので、電圧スルーレートを精度よく算出でき、その結果、高精度なゲート電流の制御が可能となる。モータ相電流が略同じとなるタイミングは、一例として、制御部30Uの制御クロックをカウントして、電気角周期内の同じタイミングとして検出する。 As shown in Fig. 12, when the motor phase currents are different, the Vds waveforms differ. In this modification, low threshold detection and high threshold detection are performed at the timing when the motor phase currents appear in each electrical angle cycle are substantially the same, and the voltage slew rate is calculated. Since the Vds waveforms are substantially the same at the timing when the motor phase currents are substantially the same, the voltage slew rate can be calculated with high accuracy, and as a result, highly accurate gate current control is possible. As an example, the timing when the motor phase currents are substantially the same is detected as the same timing within the electrical angle cycle by counting the control clock of the control unit 30U.
また、モータ相電流が略同じとなるタイミングを、電気角周期毎に検出して低閾値検出と高閾値検出とを行うことにより、ゲートドライバ20U~22Wの負荷を低減することができる。 In addition, by detecting the timing at which the motor phase currents become approximately the same for each electrical angle period and performing low threshold detection and high threshold detection, the load on the gate drivers 20U to 22W can be reduced.
本変形例では、電圧スルーレートを算出した場合を示したが、電流スルーレートを算出する場合も同様の手順で算出することができる。 In this modified example, the voltage slew rate is calculated, but the current slew rate can also be calculated using the same procedure.
[第5の変形例]
図13は、同一電気角周期中でモータ相電流が略同じ場合に、低閾値検出及び高閾値検出の各々を行う場合の説明図である。略正弦波状に変化するモータ相電流は、極大値又は極小値でない限り、同一の電気角周期内で同一の値が2回出現する。本変形例では、同一の電気角周期内で2回出現するモータ相電流が略同じタイミングで低閾値検出と高閾値検出とを行って電圧スルーレートを算出する。前述のように、モータ相電流が略同じとなるタイミングではVds波形がほぼ同じになるので、電圧スルーレートを精度よく算出でき、その結果、高精度なゲート電流の制御が可能となる。
[Fifth Modification]
13 is an explanatory diagram of a case where low threshold detection and high threshold detection are performed when the motor phase current is substantially the same in the same electrical angle period. The motor phase current, which changes in a substantially sinusoidal manner, will have the same value twice in the same electrical angle period unless it is a maximum or minimum value. In this modification, low threshold detection and high threshold detection are performed at substantially the same timing for the motor phase current that appears twice in the same electrical angle period, and the voltage slew rate is calculated. As described above, the Vds waveform is substantially the same at the timing when the motor phase current is substantially the same, so the voltage slew rate can be calculated with high accuracy, and as a result, highly accurate gate current control is possible.
同一電気角周期内でモータ相電流が略同じとなるタイミングは、一例として、電気角周期内で制御部30Uの制御クロックをカウントして検出する。 The timing at which the motor phase currents become approximately the same within the same electrical angle period is detected, for example, by counting the control clock of the control unit 30U within the electrical angle period.
また、同一電気角周期内でモータ相電流が略同じとなるタイミングは、PWM制御でのスイッチング素子42U~44Wのスイッチング周期よりも長いので、単位時間当たりの低閾値検出及び高閾値検出の頻度を抑制でき、その結果、ゲートドライバ20U~22Wの負荷を低減することができる。 In addition, the timing at which the motor phase currents become approximately the same within the same electrical angle period is longer than the switching period of the switching elements 42U to 44W under PWM control, so the frequency of low threshold detection and high threshold detection per unit time can be reduced, and as a result, the load on the gate drivers 20U to 22W can be reduced.
本変形例では、電圧スルーレートを算出した場合を示したが、電流スルーレートを算出する場合も同様の手順で算出することができる。 In this modified example, the voltage slew rate is calculated, but the current slew rate can also be calculated using the same procedure.
[第6の変形例]
図14は、低閾値検出と高閾値検出との間に間引き区間を設けた場合の説明図である。本実施形態では、図7に示したように、スイッチング素子42U~44WのPWM制御でのスイッチング毎に、低閾値検出、高閾値検出、電圧スルーレート又は電流スルーレートを算出する制御演算、及びゲート電流の操作を行うが、かかる動作ではゲートドライバ20U~22Wの負荷が問題となる。
[Sixth Modification]
Fig. 14 is an explanatory diagram of a case where a thinning interval is provided between low threshold detection and high threshold detection. In this embodiment, as shown in Fig. 7, low threshold detection, high threshold detection, control calculations for calculating a voltage slew rate or a current slew rate, and gate current manipulation are performed for each switching of the switching elements 42U to 44W under PWM control. However, such operations pose a problem in terms of the load on the gate drivers 20U to 22W.
本変形例では、図14に示したように、低閾値検出後、高閾値検出を行わない間引き区間を設け、当該間引き区間に後続して高閾値検出を行う。間引き区間は、例えば制御部30Uが入出力端子間電圧検出部24U及び素子電流検出部26Uの各々に対して動作停止信号を出力することにより行われる。高閾値検出後は、間引き区間を経て制御演算を行い、制御演算後は、間引き区間を経て操作を行う。そして、操作後は、間引き区間を経て再び低閾値検出を行う。間引き区間は少なくとも1回のスイッチングを含む区間であり、複数回のスイッチングに及んでもよい。 In this modified example, as shown in FIG. 14, after low threshold detection, a thinning-out section is provided in which high threshold detection is not performed, and high threshold detection is performed following the thinning-out section. The thinning-out section is performed, for example, by the control unit 30U outputting an operation stop signal to each of the input/output terminal voltage detection unit 24U and the element current detection unit 26U. After high threshold detection, a control calculation is performed through the thinning-out section, and after the control calculation, an operation is performed through the thinning-out section. Then, after the operation, low threshold detection is performed again through the thinning-out section. The thinning-out section is a section that includes at least one switching operation, and may extend to multiple switching operations.
図14に示したように、検出、演算、及び操作を行わない間引き区間を設けることにより、ゲートドライバ20U~22Wの負荷を低減することができる。 As shown in FIG. 14, by providing a thinning section in which no detection, calculation, or operation is performed, the load on the gate drivers 20U to 22W can be reduced.
[第7の変形例]
図15は、ゲート電流の制御後、閾値検出を行わない間引き区間を設けた場合の説明図である。図15に示したように、ゲート電流の操作後、少なくとも1回のスイッチングの間、検出、演算、及び操作を行わない間引き区間を設けることにより、ゲートドライバ20U~22Wの負荷を低減することができる。
[Seventh Modification]
Fig. 15 is an explanatory diagram of a case where a thinning-out section is provided in which threshold detection is not performed after controlling the gate current. As shown in Fig. 15, by providing a thinning-out section in which detection, calculation, and manipulation are not performed for at least one switching operation after the gate current is manipulated, the load on the gate drivers 20U to 22W can be reduced.
[第2の実施形態]
図16は、本実施形態に係る、スイッチング素子44Uのゲートに設けられたゲートドライバ122Uの構成の一例を示したブロック図である。本実施形態に係るゲートドライバ122Uは、スイッチング素子44Uの制御端子電圧に基づくスルーレート検出を行う点で第1の実施形態に係るゲートドライバ22Uと相違する。 また、本実施形態に係るゲートドライバは、ゲートドライバ120Uのように、スイッチング素子42U~44Wの各々に設けられた他のゲートドライバが存在するが、代表例としてゲートドライバ122Uを説明し、その他のゲートドライバについては説明を省略する。
Second Embodiment
16 is a block diagram showing an example of the configuration of a gate driver 122U provided at the gate of the switching element 44U according to this embodiment. The gate driver 122U according to this embodiment differs from the gate driver 22U according to the first embodiment in that it performs slew rate detection based on the control terminal voltage of the switching element 44U. In addition, the gate driver according to this embodiment includes other gate drivers provided at each of the switching elements 42U to 44W, like the gate driver 120U, but the gate driver 122U will be described as a representative example and the description of the other gate drivers will be omitted.
図16に示したように、本実施形態に係るゲートドライバ122Uは、スイッチング素子44Uの制御端子電圧(ゲートソース間電圧Vgs)を時間情報に対応付けて検出する制御端子電圧検出部124U、ノード46Uとモータ12との間に設けられ素子電流(ドレイン電流Id)がハイレベルで一定となる状態の負荷電流ILを検出する負荷電流検出部132U、及び直流電源80の電源電圧VHを検出する電源電圧検出部134Uを含み、検出処理部128Uは、制御端子電圧検出部124U、負荷電流検出部132U及び電源電圧検出部134Uの各々の検出信号を、後述する制御部130Uで処理可能な形式の信号に変換し、制御部130Uは、上位の制御装置から入力されるスルーレート目標値及び検出処理部128Uの出力に基づきスイッチング素子44Uのゲートに印加するゲート信号の制御演算を行う点で第1の実施形態と相違するが、その他の構成については、第1の実施形態と同一の符号を付して詳細な説明は省略する。制御部130Uの構成も、図3に示した制御部30Uと実質的に同じなので、詳細な説明は省略する。また、制御端子電圧検出部124Uは、例えば、制御部130Uの制御クロックを用いて時間情報を検出する。 As shown in FIG. 16 , the gate driver 122U according to this embodiment includes a control terminal voltage detection unit 124U that detects the control terminal voltage (gate-source voltage V gs ) of the switching element 44U in association with time information, a load current detection unit 132U that is provided between the node 46U and the motor 12 and detects a load current IL in a state in which the element current (drain current I d ) is constant at a high level, and a power supply voltage detection unit 134U that detects the power supply voltage VH of the DC power supply 80. The detection processing unit 128U converts the detection signals of the control terminal voltage detection unit 124U, the load current detection unit 132U and the power supply voltage detection unit 134U into signals in a format that can be processed by a control unit 130U described later, and the control unit 130U differs from the first embodiment in that the control unit 130U performs a control calculation for a gate signal to be applied to the gate of the switching element 44U based on a slew rate target value input from a higher-level control device and the output of the detection processing unit 128U. However, the other configurations are denoted by the same reference numerals as in the first embodiment and detailed description thereof will be omitted. The configuration of the control unit 130U is also substantially the same as that of the control unit 30U shown in Fig. 3, and therefore a detailed description thereof will be omitted. Furthermore, the control terminal voltage detection unit 124U detects time information using, for example, the control clock of the control unit 130U.
負荷電流検出部132Uは、一例として、シャント抵抗の両端部の電位差に基づいて電流値を検出してもよいし、ノード46Uとモータ12との間の通電によって生じる誘導電流に基づいて電流値を算出してもよい。本実施形態では、負荷電流検出部132Uに代えて、第1の実施形態の素子電流検出部26Uを備えていてもよい。負荷電流ILは、スイッチング素子44Uがオンになった場合に検出される素子電流だからである。また、負荷電流ILは、スイッチング素子44Uに固有の値であるから、負荷電流検出部132Uによる検出値に代えて、スイッチング素子44Uに固有の定数としてもよい。 As an example, the load current detection unit 132U may detect the current value based on the potential difference between both ends of the shunt resistor, or may calculate the current value based on an induced current generated by the passage of current between the node 46U and the motor 12. In this embodiment, the element current detection unit 26U of the first embodiment may be provided instead of the load current detection unit 132U. This is because the load current IL is an element current that is detected when the switching element 44U is turned on. In addition, since the load current IL is a value specific to the switching element 44U, it may be a constant specific to the switching element 44U instead of the value detected by the load current detection unit 132U.
検出処理部128Uは、例えば、制御端子電圧検出部124U、負荷電流検出部132U及び電源電圧検出部134Uの各々の検出信号がアナログ信号である場合、制御部130Uで処理可能なデジタル信号に変換する一種のA/Dコンバータを含む回路である。 The detection processing unit 128U is a circuit that includes a type of A/D converter that converts the detection signals of the control terminal voltage detection unit 124U, the load current detection unit 132U, and the power supply voltage detection unit 134U, for example, into digital signals that can be processed by the control unit 130U when the respective detection signals are analog signals.
電源電圧検出部134Uに代えて、第1の実施形態の入出力端子間電圧検出部124Uを備えていてもよい。電源電圧VHは、スイッチング素子44Uがオフになった場合に検出される入出力端子間電圧だからである。また、電源電圧VHは直流電源80の仕様に応じた値なので、直流電源80の出力が安定している場合は、電源電圧検出部134U等による検出値に代えて、直流電源80の公称電圧を電源電圧VHとしてもよい。 Instead of the power supply voltage detection unit 134U, the input/output terminal voltage detection unit 124U of the first embodiment may be provided. This is because the power supply voltage VH is the voltage between the input/output terminals that is detected when the switching element 44U is turned off. In addition, since the power supply voltage VH is a value according to the specifications of the DC power supply 80, when the output of the DC power supply 80 is stable, the nominal voltage of the DC power supply 80 may be used as the power supply voltage VH instead of the detection value by the power supply voltage detection unit 134U or the like.
図17は、制御端子電圧によるスルーレート検出の概要を示した説明図である。図17は、前述の図19と同じ態様でゲート信号、制御端子電圧、入出力端子間電圧、及び素子電流の時系列での変化を示している。本実施形態では、制御端子電圧に以下の(1)、(2)の情報が出現することを利用してスルーレートを検出する。 Figure 17 is an explanatory diagram showing an overview of slew rate detection using the control terminal voltage. Figure 17 shows the time series changes in the gate signal, control terminal voltage, voltage between the input/output terminals, and element current in the same manner as Figure 19 described above. In this embodiment, the slew rate is detected by utilizing the appearance of the following information (1) and (2) in the control terminal voltage.
(1)制御端子電圧が、ゲート閾値電圧に到達してから、ミラー電圧に到達して一定となるミラー期間までのドレイン電流遷移期間T1。
(2)ミラー期間に相当するドレインソース間電圧遷移期間T2。
(1) A drain current transition period T1 from when the control terminal voltage reaches the gate threshold voltage to when it reaches the mirror voltage and becomes constant.
(2) A drain-source voltage transition period T2 corresponding to the mirror period.
本実施形態では、1サイクル目閾値Vth1c、2サイクル目閾値Vth2c、及び3サイクル目閾値Vth3cの3つの制御端子電圧の閾値を設定する。1サイクル目閾値Vth1cはゲート閾値電圧Vthそのものである。2サイクル目閾値Vth2cは、ミラー電圧Vmに近似するがミラー電圧Vmより小さい値であり、3サイクル目閾値Vth3cは、ミラー電圧Vmに近似するがミラー電圧Vmより大きい値である。 In this embodiment, three thresholds of the control terminal voltage are set: a first cycle threshold V th1c , a second cycle threshold V th2c , and a third cycle threshold V th3c . The first cycle threshold V th1c is the gate threshold voltage V th itself. The second cycle threshold V th2c is a value that is close to the mirror voltage Vm but smaller than the mirror voltage Vm , and the third cycle threshold V th3c is a value that is close to the mirror voltage Vm but larger than the mirror voltage Vm .
ミラー電圧は、下記の式で算出される。下記の式中のVthはゲート閾値電圧であり、ILは素子電流がハイレベルで一定となる負荷電流であり、gmは相互コンダクタンス(制御端子電圧の変化に対する素子電流の変化)である。
Vm=Vth+IL/gm
The mirror voltage is calculated by the following formula: In the formula, Vth is the gate threshold voltage, IL is the load current at which the element current becomes constant at the high level, and gm is the mutual conductance (change in element current with respect to change in control terminal voltage).
Vm = Vth + IL/gm
本実施形態では、負荷電流ILをドレイン電流遷移期間T1で除算して電流スルーレートdi/dtを導出し、電源電圧VHをドレインソース間電圧遷移期間T2で除算して電圧スルーレートdv/dtを導出する。 In this embodiment, the load current IL is divided by the drain current transition period T1 to derive the current slew rate di/dt, and the power supply voltage VH is divided by the drain-source voltage transition period T2 to derive the voltage slew rate dv/dt.
図19を用いて説明したように、ゲート信号がオフになると、入出力端子間電圧が大きくなると共に、素子電流が低下するターンオフ期間となるが、ターンオフ期間もターンオン期間と同様に、ドレイン電流遷移期間T1と負荷電流ILとから電流スルーレートdi/dtを導出し、ドレインソース間電圧遷移期間T2と電源電圧VHとから電圧スルーレートdv/dtを導出することができる。 As explained using FIG. 19, when the gate signal is turned off, the voltage between the input and output terminals increases and the element current decreases during the turn-off period. As with the turn-on period, the current slew rate di/dt during the turn-off period can be derived from the drain current transition period T1 and the load current IL, and the voltage slew rate dv/dt can be derived from the drain-source voltage transition period T2 and the power supply voltage VH.
図17では、1のゲート信号のオン又はオフに際して、1サイクル目閾値Vth1c、2サイクル目閾値Vth2c、及び3サイクル目閾値Vth3cの3つの制御端子電圧の閾値を適用した例を示した。しかしながら、かかる場合は、短時間で3つの閾値を用いた検出を行うことを要し、ゲートドライバ20U~22Wの負荷が高くなるおそれがあるので、本実施形態では、図18を用いて後述するように、1サイクル目閾値Vth1c、2サイクル目閾値Vth2c、及び3サイクル目閾値Vth3cの各々の閾値を用いた検出は、異なるタイミングでのゲート信号のオン又はオフに際して行う。 17 shows an example in which three control terminal voltage thresholds, a first cycle threshold V th1c , a second cycle threshold V th2c , and a third cycle threshold V th3c , are applied when one gate signal is turned on or off. However, in such a case, it is necessary to perform detection using three thresholds in a short period of time, which may increase the load on the gate drivers 20U to 22W. Therefore, in this embodiment, as will be described later with reference to FIG. 18, detection using each of the first cycle threshold V th1c , second cycle threshold V th2c , and third cycle threshold V th3c is performed when the gate signal is turned on or off at different timings.
図18は、制御端子電圧による電圧スルーレート及び電流スルーレートの算出、並びに、ゲート電流の制御の一例を示した説明図である。本実施形態では、ゲート信号がオフになってからオンになり、再びオフになる直前までを1単位のサイクルとする。そして、1のサイクルを第1閾値検出区間とし、第1閾値検出区間に後続するサイクルを第2閾値検出区間とし、第2閾値検出区間に後続するサイクルを第3閾値検出区間としている。 Figure 18 is an explanatory diagram showing an example of calculation of the voltage slew rate and current slew rate based on the control terminal voltage, and control of the gate current. In this embodiment, one cycle is defined as the period from when the gate signal turns off to when it turns on and immediately before it turns off again. One cycle is defined as the first threshold detection interval, the cycle following the first threshold detection interval is defined as the second threshold detection interval, and the cycle following the second threshold detection interval is defined as the third threshold detection interval.
第1閾値検出区間では、ゲート信号がオフになってから制御端子電圧が1サイクル目閾値Vth1c、に達する間までの時間Tsr_off_1を検出し、同じく第1閾値検出区間では、ゲート信号がオンになってから制御端子電圧が1サイクル目閾値Vth1cに達する間までの時間Tsr_on_1を検出する。 In the first threshold detection section, the time Tsr_off_1 from when the gate signal is turned off until the control terminal voltage reaches the first cycle threshold Vth1c is detected, and in the same manner in the first threshold detection section, the time Tsr_on_1 from when the gate signal is turned on until the control terminal voltage reaches the first cycle threshold Vth1c is detected.
第2閾値検出区間では、ゲート信号がオフになってから制御端子電圧が2サイクル目閾値Vth2c、に達する間までの時間Tsr_off_2を検出し、同じく第2閾値検出区間では、ゲート信号がオンになってから制御端子電圧が2サイクル目閾値Vth2cに達する間までの時間Tsr_on_2を検出する。 In the second threshold detection section, the time Tsr_off_2 from when the gate signal is turned off until the control terminal voltage reaches the second cycle threshold Vth2c is detected, and in the second threshold detection section, the time Tsr_on_2 from when the gate signal is turned on until the control terminal voltage reaches the second cycle threshold Vth2c is detected.
第3閾値検出区間では、ゲート信号がオフになってから制御端子電圧が3サイクル目閾値Vth3c、に達する間までの時間Tsr_off_3を検出し、同じく第3閾値検出区間では、ゲート信号がオンになってから制御端子電圧が3サイクル目閾値Vth3cに達する間までの時間Tsr_on_3を検出する。 In the third threshold detection section, the time Tsr_off_3 from when the gate signal is turned off until the control terminal voltage reaches the third cycle threshold Vth3c is detected, and similarly in the third threshold detection section, the time Tsr_on_3 from when the gate signal is turned on until the control terminal voltage reaches the third cycle threshold Vth3c is detected.
スルーレート算出&制御演算区間では、第1閾値検出区間、第2閾値検出区間、及び第3閾値検出区間の各々で検出した時間と、電源電圧検出部134Uで検出した電源電圧VHと、負荷電流検出部132Uで検出した負荷電流ILとを用いて、ターンオフ電圧スルーレート、ターンオン電圧スルーレート、ターンオフ電流スルーレート及びターンオン電流スルーレートを算出する。 In the slew rate calculation and control operation section, the turn-off voltage slew rate, turn-on voltage slew rate, turn-off current slew rate, and turn-on current slew rate are calculated using the time detected in each of the first threshold detection section, the second threshold detection section, and the third threshold detection section, the power supply voltage VH detected by the power supply voltage detection unit 134U, and the load current IL detected by the load current detection unit 132U.
ターンオフ電圧スルーレートは、下記の式(5)により算出される。式(5)の分母は、前述のドレインソース間電圧遷移期間T2に相当する。 The turn-off voltage slew rate is calculated using the following formula (5). The denominator of formula (5) corresponds to the drain-source voltage transition period T2 mentioned above.
ターンオン電圧スルーレートは、下記の式(6)により算出される。式(6)の分母は、前述のドレインソース間電圧遷移期間T2に相当するが、電源電圧VHは正の値であり、ターンオン電圧スルーレートは負の値になるので、時間Tsr_on_2から時間Tsr_on_3を減算することにより、分母を負の値にしている。 The turn-on voltage slew rate is calculated by the following formula (6): The denominator of formula (6) corresponds to the above-mentioned drain-source voltage transition period T2, but since the power supply voltage VH is a positive value and the turn-on voltage slew rate is a negative value, the denominator is made negative by subtracting the time Tsr_on_3 from the time Tsr_on_2 .
ターンオフ電流スルーレートは、下記の式(7)により算出される。式(7)の分母は、前述のドレイン電流遷移期間T1に相当するが、負荷電流ILは正の値であり、ターンオフ電流スルーレートは負の値になるので、時間Tsr_off_2から時間Tsr_off_1を減算することにより、分母を負の値にしている。 The turn-off current slew rate is calculated by the following formula (7): The denominator of formula (7) corresponds to the above-mentioned drain current transition period T1, but since the load current IL is a positive value and the turn-off current slew rate is a negative value, the denominator is made negative by subtracting the time Tsr_off_1 from the time Tsr_off_2 .
ターンオン電流スルーレートは、下記の式(8)により算出される。式(8)の分母は、前述のドレイン電流遷移期間T1に相当する。 The turn-on current slew rate is calculated using the following equation (8). The denominator of equation (8) corresponds to the drain current transition period T1 mentioned above.
操作区間では、算出したターンオフ電圧スルーレート、ターンオン電圧スルーレート、ターンオフ電流スルーレート及びターンオン電流スルーレートに基づいて、ゲート信号の電流値であるゲート電流を制御する。ゲート電流の制御の態様は、第1の実施形態と同様なので、詳細な説明は省略する。 In the operation section, the gate current, which is the current value of the gate signal, is controlled based on the calculated turn-off voltage slew rate, turn-on voltage slew rate, turn-off current slew rate, and turn-on current slew rate. The manner in which the gate current is controlled is the same as in the first embodiment, so a detailed description is omitted.
以上説明したように、本実施の形態によれば、検出値が一定で、安定して検出できる電源電圧VH及び負荷電流ILに基づいて、ターンオフ電圧スルーレート、ターンオン電圧スルーレート、ターンオフ電流スルーレート及びターンオン電流スルーレートの各々を算出できる。 As described above, according to this embodiment, the turn-off voltage slew rate, the turn-on voltage slew rate, the turn-off current slew rate, and the turn-on current slew rate can be calculated based on the power supply voltage VH and the load current IL, which have constant detection values and can be stably detected.
ターンオフ電圧スルーレート、ターンオン電圧スルーレート、ターンオフ電流スルーレート及びターンオン電流スルーレートの算出に係る各々の時間は、1サイクル目閾値Vth1c、2サイクル目閾値Vth2c、及び3サイクル目閾値Vth3cの3つの制御端子電圧の閾値を適用して検出される。本実施形態では、ゲート信号がオフになってからオンになり、再びオフになる直前までを1単位のサイクルとする。そして、1のサイクルを第1閾値検出区間とし、第1閾値検出区間に後続するサイクルを第2閾値検出区間とし、第2閾値検出区間に後続するサイクルを第3閾値検出区間としている。そして、1サイクル目閾値Vth1cを用いて制御端子電圧の変化を検出するタイミングを第1閾値検出区間とし、2サイクル目閾値Vth2cを用いて制御端子電圧の変化を検出するタイミングを第2閾値検出区間とし、3サイクル目閾値Vth3cを用いて制御端子電圧の変化を検出するタイミングを第3閾値検出区間とすることにより、閾値を用いた制御端子電圧の変化の検出に係るゲートドライバ20U~22Wの負荷を抑制することができる。
<付記>
本発明の特徴を以下の通り示す。
(付記1)
制御端子及び入出力端子を備え、前記制御端子に印加される電気信号に応じて前記入出力端子間がスイッチングされるスイッチング素子(44U)の前記入出力端子の電圧の時間変化を示す電圧時系列情報を検出する電圧検出部(24U)と、
前記スイッチング素子(44U)の素子電流の時間変化を示す電流時系列情報を検出する電流検出部(26U)と、
前記スイッチング素子(44U)の第1のスイッチングにおいて前記電圧検出部(24U)が検出した第1の電圧時系列情報、及び前記第1のスイッチングと異なる第2のスイッチングにおいて前記電圧検出部(24U)が検出した第2の電圧時系列情報に基づいて導出され、かつ前記入出力端子間の電圧変化率を示す電圧スルーレートと、前記第1のスイッチングにおいて前記電流検出部(26U)が検出した第1の電流時系列情報、及び前記第2のスイッチングにおいて前記電流検出部(26U)が検出した第2の電流時系列情報に基づいて導出され、かつ前記素子電流の変化率を示す電流スルーレートとのいずれか一方に基づいて、前記電気信号の電流値を制御する制御部(30U)と、
を含むスイッチング素子駆動回路。
(付記2)
前記制御部(30U)は、第1閾値電圧と前記第1閾値電圧よりも大きな第2閾値電圧との電圧差分を、前記第1の電圧時系列情報から抽出した時間であって、前記入出力端子の電圧が、前記電気信号が変化したタイミングから第1閾値電圧に達するまでの第1電圧時間と、第2の電圧時系列情報から抽出した時間であって、前記入出力端子の電圧が、前記電気信号が変化したタイミングから前記第2閾値電圧に達するまでの第2電圧時間との時間差分で、除算して前記電圧スルーレートを算出する付記1に記載のスイッチング素子駆動回路。
(付記3)
前記制御部(30U)は、第1閾値電流と前記第1閾値電流よりも大きな第2閾値電流との電流差分を、前記第1の電流時系列情報から抽出した時間であって、前記素子電流が前記電気信号が変化したタイミングから前記第1閾値電流に達するまでの第1電流時間と、前記第2の電流時系列情報から抽出した時間であって、前記素子電流が、前記電気信号が変化したタイミングから前記第2閾値電流に達するまでの第2電流時間との時間差分で、除算して前記電流スルーレートを算出する付記1に記載のスイッチング素子駆動回路。
(付記4)
前記制御部(30U)は、前記第1電圧時間を記憶部(30UC)に保持した後、前記第2電圧時間を複数回検出し、該複数回検出した第2電圧時間の各々と前記記憶部(30UC)に保持した第1電圧時間とを用いて複数の前記電圧スルーレートを算出する付記2に記載のスイッチング素子駆動回路。
(付記5)
前記制御部(30U)は、前記第1電流時間を記憶部(30UC)に保持した後、前記第2電流時間を複数回検出し、該複数回検出した第2電流時間の各々と前記記憶部(30UC)に保持した第1電流時間とを用いて複数の前記電流スルーレートを算出する付記3に記載のスイッチング素子駆動回路。
(付記6)
前記制御部(30U)は、前記電圧スルーレートの算出に係る第2電圧時間を記憶部(30UC)に保持した後、新たに第1電圧時間と第2電圧時間とを検出し、新たに検出した第2電圧時間と前記記憶部(30UC)に保持した第2電圧時間との差分が所定値以上の場合に、前記新たに検出した第1電圧時間と第2電圧時間とで算出した電圧スルーレートに基づいて前記電気信号の電流値を制御する付記2に記載のスイッチング素子駆動回路。
(付記7)
前記制御部(30U)は、前記電流スルーレートの算出に係る第2電流時間を記憶部(30UC)に保持した後、新たに第1電流時間と第2電流時間とを検出し、新たに検出した第2電流時間と前記記憶部(30UC)に保持した第2電流時間との差分が所定値以上の場合に、前記新たに検出した第1電流時間と第2電流時間とで算出した電流スルーレートに基づいて前記電気信号の電流値を制御する付記3に記載のスイッチング素子駆動回路。
(付記8)
前記制御部(30U)は、各々異なる複数の閾値電圧に対応して、前記スイッチング素子(44U)の各々異なるスイッチングにおいて検出された複数の電圧時系列情報の各々から、前記電気信号が変化したタイミングから前記各々異なる複数の閾値電圧に達するまでの時間を各々抽出すると共に、値が隣接する閾値電圧同士の差分を、前記電気信号が変化したタイミングから値が隣接する閾値電圧に達するまでの各々の時間の差分で除算して複数の電圧スルーレートを算出し、該複数の電圧スルーレートの時系列での変化率に基づいて前記電気信号の電流値を制御する付記1に記載のスイッチング素子駆動回路。
(付記9)
前記制御部(30U)は、各々異なる複数の閾値電流に対応して、前記スイッチング素子(44U)の各々異なるスイッチングにおいて検出された複数の電流時系列情報の各々から、前記電気信号が変化したタイミングから前記各々異なる複数の閾値電流に達するまでの時間を各々抽出すると共に、値が隣接する閾値電流同士の差分を、前記電気信号が変化したタイミングから値が隣接する閾値電流に達するまでの各々の時間の差分で除算して複数の電流スルーレートを算出し、該複数の電流スルーレートの時系列での変化率に基づいて前記電気信号の電流値を制御する付記1に記載のスイッチング素子駆動回路。
(付記10)
前記第2のスイッチングは、前記第1のスイッチングに後続するスイッチングである付記1~3のいずれか1項に記載のスイッチング素子駆動回路。
(付記11)
前記第2のスイッチングは、前記スイッチング素子(44U)から電力負荷(12)に供給される電流が、前記第1のスイッチングの際に前記スイッチング素子(44U)から前記電力負荷(12)に供給される電流と、略同じになる電気角周期毎に出現するタイミングでのスイッチングである付記1~3のいずれか1項に記載のスイッチング素子駆動回路。
(付記12)
前記第2のスイッチングは、同一電気角周期において、前記スイッチング素子(44U)から電力負荷(12)に供給される電流が、前記第1のスイッチングの際に前記スイッチング素子(44U)から前記電力負荷(12)に供給される電流と、略同じになるタイミングでのスイッチングである付記1~3のいずれか1項に記載のスイッチング素子駆動回路。
(付記13)
前記第1のスイッチング後、前記電圧検出部(24U)及び前記電流検出部(26U)の各々による検出を停止する間引き区間を少なくとも1回のスイッチングの間設ける付記1~3のいずれか1項に記載のスイッチング素子駆動回路。
(付記14)
前記電圧スルーレート及び前記電流スルーレートの算出後、前記電圧検出部(24U)及び前記電流検出部(26U)の各々による検出と前記制御部(30U)による電圧スルーレート及び前記電流スルーレートの算出とを停止する間引き区間を少なくとも1回のスイッチングの間設ける付記1~3のいずれか1項に記載のスイッチング素子駆動回路。
(付記15)
制御端子及び入出力端子を備え、前記制御端子に印加される電気信号に応じて前記入出力端子間がスイッチングされるスイッチング素子(44U)の前記制御端子の電圧の時間変化を示す制御端子電圧時系列情報を検出する制御端子電圧検出部(124U)と、
前記制御端子電圧時系列情報から抽出した前記制御端子の電圧が前記スイッチング素子(44U)のゲート閾値電圧からミラー電圧に到達するまでのドレイン電流遷移期間に基づいて導出され、かつ前記スイッチング素子(44U)の素子電流の変化率を示す電流スルーレートと、前記制御端子電圧時系列情報から抽出した前記制御端子の電圧が前記ミラー電圧となるミラー期間に基づいて導出され、かつ前記入出力端子間の電圧変化率を示す電圧スルーレートとのいずれか一方に基づいて、前記電気信号の電流値を制御する制御部(130U)と、
を含むスイッチング素子駆動回路。
(付記16)
前記制御部(130U)は、前記制御端子の電圧が、前記電気信号がオンからオフ又はオフからオンに変化した第1のタイミングから前記ゲート閾値電圧に達するまでの第1時間と、前記第1のタイミング後に前記電気信号がオンからオフ又はオフからオンに各々変化した第2のタイミングから前記制御端子の電圧が、前記ゲート閾値電圧より大きく、かつ前記ミラー電圧より小さく前記ミラー電圧に近似する値の制御端子閾値電圧に達するまでの第2時間と、の差分を前記ドレイン電流遷移期間とし、前記スイッチング素子(44U)の負荷電流を、前記ドレイン電流遷移期間で除算して前記電流スルーレートを算出する付記15に記載のスイッチング素子駆動回路。
(付記17)
前記制御部(130U)は、前記第2時間と、前記第2のタイミング後に前記電気信号がオンからオフ又はオフからオンに各々変化した第3のタイミングから前記制御端子の電圧が、前記ミラー電圧よりも大きく、かつ前記ミラー電圧に近似する他の制御端子閾値電圧に達するまでの第3時間との差分を前記ミラー期間とし、電源電圧を、前記ミラー期間で除算して前記電圧スルーレートを算出する付記16に記載のスイッチング素子駆動回路。
The respective times for calculating the turn-off voltage slew rate, the turn-on voltage slew rate, the turn-off current slew rate, and the turn-on current slew rate are detected by applying three thresholds of the control terminal voltage, namely, the first cycle threshold V th1c , the second cycle threshold V th2c , and the third cycle threshold V th3c . In this embodiment, one cycle is defined as a period from when the gate signal is turned off to when it is turned on and immediately before it is turned off again. Then, one cycle is defined as the first threshold detection section, the cycle following the first threshold detection section is defined as the second threshold detection section, and the cycle following the second threshold detection section is defined as the third threshold detection section. Then, the timing for detecting the change in the control terminal voltage using the first cycle threshold V th1c is defined as the first threshold detection section, the timing for detecting the change in the control terminal voltage using the second cycle threshold V th2c is defined as the second threshold detection section, and the timing for detecting the change in the control terminal voltage using the third cycle threshold V th3c is defined as the third threshold detection section, thereby suppressing the load on the gate drivers 20U to 22W related to the detection of the change in the control terminal voltage using the thresholds.
<Additional Notes>
The features of the present invention are as follows.
(Appendix 1)
a voltage detection unit (24U) that detects voltage time series information indicating a time change in voltage of the input/output terminal of a switching element (44U) that includes a control terminal and an input/output terminal and switches between the input/output terminals in response to an electrical signal applied to the control terminal;
a current detection unit (26U) for detecting current time series information indicating a time change of an element current of the switching element (44U);
a control unit (30U) that controls a current value of the electric signal based on either a voltage slew rate that is derived based on first voltage time series information detected by the voltage detection unit (24U) during a first switching of the switching element (44U) and second voltage time series information detected by the voltage detection unit (24U) during a second switching different from the first switching and indicates a voltage change rate between the input/output terminals, or a current slew rate that is derived based on first current time series information detected by the current detection unit (26U) during the first switching and second current time series information detected by the current detection unit (26U) during the second switching and indicates a change rate of the element current;
A switching element drive circuit including:
(Appendix 2)
The control unit (30U) calculates the voltage slew rate by dividing a voltage difference between a first threshold voltage and a second threshold voltage greater than the first threshold voltage by a time difference between a first voltage time extracted from the first voltage time series information, the first voltage time being a time from the time when the electrical signal changes until the voltage of the input/output terminal reaches the first threshold voltage, and a second voltage time extracted from second voltage time series information, the second voltage time being a time from the time when the electrical signal changes until the voltage of the input/output terminal reaches the second threshold voltage.
(Appendix 3)
The control unit (30U) calculates the current slew rate by dividing a current difference between a first threshold current and a second threshold current greater than the first threshold current by a time difference between a first current time extracted from the first current time series information, the first current time being a time from the time the electrical signal changes until the element current reaches the first threshold current, and a second current time extracted from the second current time series information, the second current time being a time from the time the electrical signal changes until the element current reaches the second threshold current.
(Appendix 4)
The control unit (30U) stores the first voltage time in a memory unit (30UC), and then detects the second voltage time a plurality of times, and calculates a plurality of the voltage slew rates using each of the second voltage times detected a plurality of times and the first voltage time stored in the memory unit (30UC).
(Appendix 5)
The control unit (30U) stores the first current time in a memory unit (30UC), and then detects the second current time a plurality of times, and calculates a plurality of the current slew rates using each of the second current times detected a plurality of times and the first current time stored in the memory unit (30UC).
(Appendix 6)
The control unit (30U) stores the second voltage time related to the calculation of the voltage slew rate in a memory unit (30UC), and then newly detects a first voltage time and a second voltage time, and when a difference between the newly detected second voltage time and the second voltage time stored in the memory unit (30UC) is equal to or greater than a predetermined value, controls the current value of the electrical signal based on the voltage slew rate calculated using the newly detected first voltage time and second voltage time.
(Appendix 7)
The control unit (30U) stores the second current time related to the calculation of the current slew rate in the memory unit (30UC), and then newly detects the first current time and the second current time, and when the difference between the newly detected second current time and the second current time stored in the memory unit (30UC) is equal to or greater than a predetermined value, controls the current value of the electrical signal based on the current slew rate calculated using the newly detected first current time and the second current time.
(Appendix 8)
The control unit (30U) extracts, from each of a plurality of voltage time series information detected during each of different switching of the switching element (44U), a time from when the electrical signal changes until it reaches each of the plurality of different threshold voltages, corresponding to each of a plurality of different threshold voltages, calculates a plurality of voltage slew rates by dividing the difference between threshold voltages having adjacent values by the difference in each of the times from when the electrical signal changes until it reaches the adjacent threshold voltage, and controls a current value of the electrical signal based on the rate of change in the time series of the plurality of voltage slew rates.
(Appendix 9)
The control unit (30U) extracts, from each of a plurality of current time series information detected in each of different switching of the switching element (44U), a time from the timing when the electrical signal changes until the respective different threshold currents are reached, corresponding to a plurality of different threshold currents, calculates a plurality of current slew rates by dividing the difference between threshold currents having adjacent values by the difference in each time from the timing when the electrical signal changes until the respective values reach adjacent threshold currents, and controls the current value of the electrical signal based on the rate of change in the time series of the plurality of current slew rates.
(Appendix 10)
The switching element drive circuit according to any one of claims 1 to 3, wherein the second switching is switching subsequent to the first switching.
(Appendix 11)
The switching element drive circuit according to any one of appendices 1 to 3, wherein the second switching is switching at a timing that occurs at each electrical angle period during which the current supplied from the switching element (44U) to the power load (12) is substantially the same as the current supplied from the switching element (44U) to the power load (12) during the first switching.
(Appendix 12)
The switching element drive circuit according to any one of Appendices 1 to 3, wherein the second switching is performed at a timing when a current supplied from the switching element (44U) to the power load (12) becomes substantially the same as a current supplied from the switching element (44U) to the power load (12) during the first switching, in the same electrical angle period.
(Appendix 13)
The switching element drive circuit according to any one of claims 1 to 3, further comprising a thinning-out section for stopping detection by each of the voltage detection unit (24U) and the current detection unit (26U) for at least one switching operation after the first switching operation.
(Appendix 14)
A switching element drive circuit as described in any one of appendices 1 to 3, wherein after calculation of the voltage slew rate and the current slew rate, a thinning-out section is provided for at least one switching operation, in which detection by each of the voltage detection unit (24U) and the current detection unit (26U) and calculation of the voltage slew rate and the current slew rate by the control unit (30U) are stopped.
(Appendix 15)
a control terminal voltage detection unit (124U) that detects control terminal voltage time series information indicating a time change in a voltage of a control terminal of a switching element (44U) that includes a control terminal and an input/output terminal and switches between the input/output terminals in response to an electrical signal applied to the control terminal;
a control unit (130U) that controls a current value of the electrical signal based on either a current slew rate that is derived based on a drain current transition period during which the voltage of the control terminal extracted from the control terminal voltage time-series information reaches a mirror voltage from a gate threshold voltage of the switching element (44U) and indicates a rate of change of an element current of the switching element (44U), or a voltage slew rate that is derived based on a mirror period during which the voltage of the control terminal extracted from the control terminal voltage time-series information becomes the mirror voltage and indicates a rate of change of voltage between the input/output terminals;
A switching element drive circuit including:
(Appendix 16)
The control unit (130U) determines as the drain current transition period a difference between a first time from a first timing at which the electrical signal changes from on to off or off to on until the voltage of the control terminal reaches the gate threshold voltage and a second time from a second timing at which the electrical signal changes from on to off or off to on after the first timing until the voltage of the control terminal reaches a control terminal threshold voltage that is greater than the gate threshold voltage and smaller than the mirror voltage and approximates the mirror voltage, and calculates the current slew rate by dividing the load current of the switching element (44U) by the drain current transition period.
(Appendix 17)
The control unit (130U) determines as the mirror period a difference between the second time and a third time from a third timing at which the electrical signal changes from on to off or from off to on after the second timing until the voltage of the control terminal reaches another control terminal threshold voltage that is greater than the mirror voltage and approximates the mirror voltage, and calculates the voltage slew rate by dividing a power supply voltage by the mirror period.
10 インバータ、12 モータ、22U ゲートドライバ、24U 入出力端子間電圧検出部、26U 素子電流検出部、30U 制御部、32U 操作部、32UF、32UO 可変抵抗器、44U スイッチング素子、90 ターンオフ時操作区間、92 ターンオン時操作区間、94 ターンオン時操作区間、96 ターンオフ時操作区間、122U ゲートドライバ、124U 制御端子電圧検出部、124U 入出力端子間電圧検出部、130U 制御部、132U 負荷電流検出部、134U 電源電圧検出部、Id ドレイン電流、Ith1 第1閾値電流、Ith2 第2閾値電流、Ith1aIth2a、Ith3a、Ith4a 閾値電流、IL 負荷電流、T1 ドレイン電流遷移期間、T2 ドレインソース間電圧遷移期間、T1、T2、T3、T4、Tsr_off_1、Tsr_off_2、Tsr_off_3、Tsr_on_1、Tsr_on_2、Tsr_on_3、Tsr_off_v1、Tsr_off_v2、Tsr_on_v1、Tsr_on_v2、Tsr_off_i1、Tsr_off_i2、Tsr_on_i1、Tsr_on_i2 時間、Vds ドレインソース間電圧、Vgs ゲートソース間電圧、Vm ミラー電圧、Vth ゲート閾値電圧、Vth1 第1閾値電圧、Vth2 第2閾値電圧、Vth1a、Vth2a、Vth3a、Vth4a 閾値電圧、Vth1c 1サイクル目閾値、Vth2c 2サイクル目閾値、Vth3c 3サイクル目閾値、VH 電源電圧 10 inverter, 12 motor, 22U gate driver, 24U input/output terminal voltage detection unit, 26U element current detection unit, 30U control unit, 32U operation unit, 32UF, 32UO variable resistor, 44U switching element, 90 turn-off operation section, 92 turn-on operation section, 94 turn-on operation section, 96 turn-off operation section, 122U gate driver, 124U control terminal voltage detection unit, 124U input/output terminal voltage detection unit, 130U control unit, 132U load current detection unit, 134U power supply voltage detection unit, Id drain current, Ith1 first threshold current, Ith2 second threshold current, Ith1a Ith2a , Ith3a , Ith4a threshold current, IL load current, T1 drain current transition period, T2 drain-source voltage transition period, T1 , T2 , T 3 , T4 , Tsr_off_1 , Tsr_off_2 , Tsr_off_3, Tsr_on_1 , Tsr_on_2 , Tsr_on_3 , Tsr_off_v1, Tsr_off_v2 , Tsr_on_v1 , Tsr_on_v2 , Tsr_off_i1 , Tsr_off_i2 , Tsr_on_i1 , Tsr_on_i2 time, Vds drain-source voltage, Vgs gate -source voltage, Vm mirror voltage, Vth gate threshold voltage, Vth1 first threshold voltage, Vth2 second threshold voltage, Vth1a , Vth2a , Vth3a , Vth4a threshold voltage, Vth1c first cycle threshold, Vth2c Second cycle threshold, V th3c Third cycle threshold, VH Power supply voltage
Claims (14)
前記スイッチング素子(44U)の素子電流の時間変化を示す電流時系列情報を検出する電流検出部(26U)と、
前記スイッチング素子(44U)の第1のスイッチングにおいて前記電圧検出部(24U)が検出した第1の電圧時系列情報、及び前記第1のスイッチングと異なる第2のスイッチングにおいて前記電圧検出部(24U)が検出した第2の電圧時系列情報に基づいて導出され、かつ前記入出力端子間の電圧変化率を示す電圧スルーレートと、前記第1のスイッチングにおいて前記電流検出部(26U)が検出した第1の電流時系列情報、及び前記第2のスイッチングにおいて前記電流検出部(26U)が検出した第2の電流時系列情報に基づいて導出され、かつ前記素子電流の変化率を示す電流スルーレートとのいずれか一方に基づいて、前記電気信号の電流値を制御する制御部(30U)と、
を含むスイッチング素子駆動回路。 a voltage detection unit (24U) that detects voltage time series information indicating a time change in voltage of the input/output terminal of a switching element (44U) that includes a control terminal and an input/output terminal and switches between the input/output terminals in response to an electrical signal applied to the control terminal;
a current detection unit (26U) for detecting current time series information indicating a time change of an element current of the switching element (44U);
a control unit (30U) that controls a current value of the electric signal based on either a voltage slew rate that is derived based on first voltage time series information detected by the voltage detection unit ( 24U) during a first switching of the switching element (44U ) and second voltage time series information detected by the voltage detection unit (24U) during a second switching different from the first switching and indicates a voltage change rate between the input/output terminals, or a current slew rate that is derived based on first current time series information detected by the current detection unit (26U) during the first switching and second current time series information detected by the current detection unit (26U) during the second switching and indicates a change rate of the element current;
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