JP7567651B2 - 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、スイッチングによって生じる電磁ノイズであるスイッチングノイズの低減が求められている。 In 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), there is a demand for reducing switching noise, which is electromagnetic noise generated by switching.
スイッチング素子のスイッチングノイズを低減するには、スイッチングノイズの周波数を分散させることが効果的とされている。そして、スイッチングノイズの周波数は、スイッチング素子のドレインソース間電圧が0から立ち上がった状態である電圧振幅に達するまでの時間、又はドレインソース間電圧が電圧振幅から0になるまでの時間である遷移時間の長さが影響する。 In order to reduce the switching noise of a switching element, it is said that it is effective to disperse the frequency of the switching noise. The frequency of the switching noise is affected by the length of the transition time, which is the time it takes for the drain-source voltage of the switching element to reach a voltage amplitude in which it rises from 0, or the time it takes for the drain-source voltage to go from a voltage amplitude to 0.
下記特許文献1には、遷移時間におけるドレインソース間電圧の変化率であるスルーレートを拡散的に変化させることにより、遷移時間を、基準値Δtを中心として、Δt-αからΔt+αまで変化させるスイッチング素子の駆動装置の発明が開示されている。 The following Patent Document 1 discloses an invention for a switching element driver that varies the transition time from Δt-α to Δt+α, with a reference value Δt at the center, by diffusively varying the slew rate, which is the rate of change of the drain-source voltage during the transition time.
しかしながら、特許文献1に係る発明は、スルーレートの拡散による遷移時間の変化と、スイッチングノイズの低減との関係が明確でないことから、スルーレートの拡散のし方によってはスイッチングノイズ低減の効果が認められない周波数帯域が存在するという問題があった。 However, the invention of Patent Document 1 has a problem in that the relationship between the change in transition time due to the diffusion of the slew rate and the reduction in switching noise is unclear, and therefore there are frequency bands in which the effect of reducing switching noise cannot be observed depending on how the slew rate is diffused.
本発明は上記課題に鑑みて創作されたものであり、スイッチングノイズの低減が効果的な条件に基づいてスイッチング素子のスルーレートを制御す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 controls the slew rate of a switching element based on conditions under which switching noise reduction is effective.
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、制御端子及び出力端子を備え、前記制御端子への駆動信号の供給及び供給停止に応じてスイッチングされオン状態及びオフ状態に状態が遷移し、前記出力端子から前記駆動信号の供給及び供給停止に応じて立ち上がり、かつ立ち下がる波形の信号を出力するスイッチング素子(44U)に供給する駆動信号を生成する駆動信号生成部(22U)と、前記駆動信号生成部と前記制御端子との間に配置されて、前記出力端子から出力される波形の信号のスルーレートを調整するスルーレート調整部(32U)と、前記スイッチング素子(44U)がオン状態、またはオフ状態に遷移する際の遷移時間の最大遷移時間(tL)と最小遷移時間(tS)との差分が、前記スイッチング素子のスイッチングによって生じる電磁ノイズの特定周波数(f1)の逆数に比例する場合、前記波形が立ち上がる際、及び立ち下がる際の各々のスルーレートが前記最大遷移時間(tL)と前記最小遷移時間(tS)との間で変化するように前記スルーレート調整部(32U)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 drive signal generation unit (22U) that generates a drive signal to be supplied to a switching element (44U) that has a control terminal and an output terminal, is switched to an on state or an off state in response to supply and stop of supply of a drive signal to the control terminal, and outputs a signal having a waveform that rises and falls in response to supply and stop of supply of the drive signal from the output terminal, a slew rate adjustment unit (32U) that is arranged between the drive signal generation unit and the control terminal and adjusts the slew rate of the signal having a waveform that is output from the output terminal, and a control unit (30U) that controls the slew rate adjustment unit (32U) so that, when the difference between a maximum transition time (t L ) and a minimum transition time (t S ) of the transition time when the switching element ( 44U ) transitions to an on state or an off state is proportional to the reciprocal of a specific frequency (f 1 ) of electromagnetic noise generated by switching of the switching element, the slew rate when the waveform rises and falls changes between the maximum transition time (t L ) and the minimum transition time (t S ).
この様に構成することで、スイッチングノイズの低減が効果的な条件に基づいてスイッチング素子のスルーレートを制御することにより、スイッチングノイズを低減できる。 By configuring it in this way, switching noise can be reduced by controlling the slew rate of the switching element based on the conditions under which switching noise reduction is effective.
[第1の実施形態] [First embodiment]
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。 The present embodiment will be described below with reference to the drawings. FIG. 1 is a block diagram showing an example of an inverter 10 equipped with 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, such as U-phase, V-phase, and W-phase, and outputs the voltage to the 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.
一例として、スイッチング素子42U~44Wがn型MOSFETの場合、ゲートに正電圧の駆動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、駆動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駆動信号を増幅すると共に、増幅した駆動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 an example, when the switching elements 42U to 44W are n-type MOSFETs, they are turned on by applying a positive voltage drive signal to the gate. As shown in FIG. 1, in this embodiment, each of the switching elements 42U to 44W is connected to a gate driver 20U, 20V, 20W, 22U, 22V, 22W (hereinafter abbreviated as "gate drivers 20U to 22W") that controls the current value of the drive signal. 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 drive signal input from the higher-level control device, and applies the amplified drive signal to the gate of each of the switching elements 42U to 44W by adjusting the current value using 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の出力端子の電圧である出力端子電圧(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端子間電圧検出部24Uと、端子間電圧検出部24U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遷移時間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駆動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。端子間電圧検出部24U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 a terminal voltage detection unit 24U that detects the output terminal voltage (drain-source voltage V ds ), which is the voltage at the output terminal of the switching element 44U, in association with time information, a detection processing unit 28U that converts the detection signal of the terminal voltage detection unit 24U into a signal in a format that can be processed by a control unit 30U described later, a control unit 30U that performs control calculation of a drive signal to be applied to the gate of the switching element 44U based on a transition time 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. The terminal voltage detection unit 24U detects the time information using, for example, a control clock of the control unit 30U.
検出処理部28Uは、例えば、端子間電圧検出部24U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 signal of the terminal voltage detection unit 24U, for example, into a digital signal that can be processed by the control unit 30U when the detection signal is an analog signal.
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駆動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駆動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駆動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 drive signal applied to the gate of switching element 44U. Operation unit 32U includes variable resistor 32UO, which changes the current value of the positive voltage drive signal applied to the gate of switching element 44U, and variable resistor 32UF, which changes the current value of the negative voltage drive 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を介して駆動信号が入力される。上位の制御装置から入力された駆動信号は、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駆動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 drive 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 drive 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 states of the drive 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、遷移時間目標値に基づいて電圧スルーレート(以下、「スルーレート」と略記)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 a voltage slew rate (hereinafter abbreviated as "slew rate") based on a transition time target value, 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、スイッチング素子のソースから出力されるドレインソース間電圧Vdsの波形の一例を示した説明図である。図4に示したようにドレインソース間電圧Vdsは、1のPWM周期Tsにおいて、遷移時間trで0から電圧振幅Aになり、オン時間Tonで電圧振幅Aの状態を維持し、遷移時間tfで電圧振幅Aから0になる。 4 is an explanatory diagram showing an example of the waveform of the drain-source voltage Vds output from the source of the switching element. As shown in Fig. 4, in one PWM period Ts , the drain-source voltage Vds changes from 0 to a voltage amplitude A at transition time tr , maintains the state of voltage amplitude A during on-time Ton , and changes from voltage amplitude A to 0 at transition time tf .
遷移時間tr及び遷移時間tfは、各々の定義は上記のように異なるが、本実施形態では、遷移時間tr及び遷移時間tfの各々は、互いに等しいものとする。 Although the transition times t r and t f have different definitions as described above, in this embodiment, the transition times t r and t f are equal to each other.
そして、スルーレートSRは、ドレインソース間電圧Vdsの遷移時間trにおける変化率だから、A/trとなる。 The slew rate SR is the rate of change of the drain-source voltage V ds during transition time t r , and is therefore A/t r .
図4に示したように、ドレインソース間電圧Vdsは台形波であるが、tr=tfの条件下、フーリエ変換によって正弦波の合成として下記の式(1)のように表現できる。下記の式(1)のうち、|sin(π・tr・f)/π・tr・f|は、スルーレートSRに依存する因数である。 4, the drain-source voltage V ds is a trapezoidal wave, but under the condition of t r = t f , it can be expressed as a combination of sine waves by Fourier transform as shown in the following formula (1). In the following formula (1), |sin(π·t r ·f)/π·t r ·f| is a factor that depends on the slew rate SR.
図5は、遷移時間をtr1、tr2、tr3(tr2>tr1>tr3)のように、拡散的に変化させた場合のドレインソース間電圧Vdsの波形を示した説明図である。図5に示したように、Vds波形には、遷移時間tr1、tr2、tr3の各々に係る抽出波形1、2、3が含まれる。抽出波形1、2、3の各々は、PWM周期Tsの3倍の周期毎に観測される。従って、式(1)におけるスルーレートSRに依存する因数は、遷移時間tr1、tr2、tr3に係る項の和を、遷移時間tr1、tr2、tr3に係る波形が出現する周期である3Tsの3で除算した値となる。その結果、遷移時間を遷移時間tr1、tr2、tr3の3つに拡散させた場合のドレインソース間電圧Vdsの波形の式は、下記の式(2)のようになる。 5 is an explanatory diagram showing the waveform of the drain-source voltage Vds when the transition times are changed in a diffusive manner such as tr1 , tr2 , and tr3 ( tr2 > tr1 > tr3 ). As shown in FIG. 5, the Vds waveform includes extracted waveforms 1, 2, and 3 related to the transition times tr1 , tr2 , and tr3 , respectively. Each of the extracted waveforms 1, 2, and 3 is observed every three times the PWM period Ts . Therefore, the factor depending on the slew rate SR in Equation (1) is the sum of the terms related to the transition times tr1 , tr2 , and tr3 divided by 3, which is the period in which the waveforms related to the transition times tr1 , tr2 , and tr3 appear. As a result, when the transition time is spread into three transition times t r1 , t r2 , and t r3 , the waveform of the drain-source voltage V ds is expressed by the following equation (2).
同様に、遷移時間をn個に拡散させると、ドレインソース間電圧Vdsの波形の式は、下記の式(3)のようになる。 Similarly, when the transition time is spread to n, the waveform of the drain-source voltage V ds is expressed by the following equation (3).
図6は、遷移時間の変化を示した説明図である。本実施形態では、最も短い最小遷移時間tSと、最も長い最大遷移時間tLとを設け、例えば、1のスイッチング素子44UがPWM制御によりオンオフされる毎に遷移時間をtsとtLとの間で変化させる。図6では、遷移時間をtSとtLとの間で、tS、t1、t2、t3、…、tn、tLのようにn+2個に変化させている。本実施形態では、図6に示したように遷移時間を変化させることを、遷移時間の拡散と称する。 6 is an explanatory diagram showing the change in transition time. In this embodiment, the shortest minimum transition time tS and the longest maximum transition time tL are provided, and the transition time is changed between tS and tL , for example, every time one switching element 44U is turned on and off by PWM control. In FIG. 6, the transition time is changed to n+2 times, such as tS , t1 , t2 , t3 , ..., tn , tL , between tS and tL . In this embodiment, changing the transition time as shown in FIG. 6 is called diffusion of the transition time.
遷移時間の拡散により、スイッチング素子のスイッチングによって生じるスイッチングノイズの周波数及び位相が変化する。かかる変化により、周波数及び位相が異なるスイッチングノイズの波形同士が干渉することにより、干渉による弱め合いが生じ、スイッチングノイズの強度が低下する。 The diffusion of transition times changes the frequency and phase of the switching noise generated by the switching of the switching elements. This change causes switching noise waveforms with different frequencies and phases to interfere with each other, weakening them through interference, and reducing the intensity of the switching noise.
遷移時間は、スイッチング素子のスルーレートに応じて変化し、スルーレートは、スイッチング素子のゲートに印加する駆動信号の電流値に応じて変化する。例えば、駆動信号の電流値を大きくすると、スルーレートが大きくなり、遷移時間は短くなる。また、駆動信号の電流値を小さくすると、スルーレートが小さくなり、遷移時間は長くなる。本実施形態では、後述するように、駆動信号の電流値を制御することにより、遷移時間を拡散させる。 The transition time changes according to the slew rate of the switching element, and the slew rate changes according to the current value of the drive signal applied to the gate of the switching element. For example, if the current value of the drive signal is increased, the slew rate increases and the transition time shortens. Conversely, if the current value of the drive signal is decreased, the slew rate decreases and the transition time lengthens. In this embodiment, as described below, the transition time is spread out by controlling the current value of the drive signal.
図7は、遷移時間を変化させる回数に係る数である拡散数の説明図である。拡散数は、遷移時間を最小遷移時間tSと最大遷移時間tLとの間で変化させる回数である。具体的には、図6に示したように、遷移時間をtSとtLとの間で、tS、t1、t2、t3、…、tn、tLのようにn+2個に変化させた場合、拡散数はnとなる。本実施形態では、最大遷移時間tLと最小遷移時間tSとの差を拡散幅ΔTとする。また、遷移時間を等差で変化させる場合、等差である時間差を拡散刻みΔtとする。本実施形態では、遷移時間をtSとtLとの間で少なくとも1回はtS及びtLとは異なる遷移時間を設定するので、拡散数nは1以上の自然数となる。 FIG. 7 is an explanatory diagram of the diffusion number, which is a number related to the number of times the transition time is changed. The diffusion number is the number of times the transition time is changed between the minimum transition time t S and the maximum transition time t L. Specifically, as shown in FIG. 6, when the transition time is changed to n+2 times between t S and t L , such as t S , t 1 , t 2 , t 3 , ..., t n , t L , the diffusion number is n. In this embodiment, the difference between the maximum transition time t L and the minimum transition time t S is set as the diffusion width ΔT. In addition, when the transition time is changed in an equal difference, the time difference which is the equal difference is set as the diffusion step Δt. In this embodiment, since a transition time different from t S and t L is set at least once between the transition time t S and t L , the diffusion number n is a natural number equal to or greater than 1.
図8(A)は、低減対象の周波数範囲106と、低減対象の周波数範囲106の中心周波数fmと、中心周波数fmと低減対象の周波数範囲の下限値との差であると共に周波数範囲の上限値と中心周波数fmとの差である周波数差分Δfの説明図である。 FIG. 8A is an explanatory diagram of a frequency range 106 to be reduced, a center frequency fm of the frequency range 106 to be reduced, and a frequency difference Δf which is the difference between the center frequency fm and the lower limit value of the frequency range to be reduced and also the difference between the upper limit value of the frequency range and the center frequency fm .
中心周波数fmは、遷移時間の拡散によって低減したいスイッチングノイズの所望の周波数である。本実施形態に係る遷移時間の拡散によるスイッチングノイズの低減が効果的なスイッチングノイズの周波数は、図8(A)に示したようなノイズ低減周波数範囲104に限定される。ノイズ低減周波数範囲104から外れた周波数では、干渉による弱め合いが生じず、遷移時間の拡散によって変化した周波数の最小公倍数に相当する周波数の波形が重なり合う、干渉による強め合いが生じ、スイッチングノイズが低減されない場合がある。 The center frequency fm is a desired frequency of the switching noise to be reduced by the diffusion of the transition time. The frequencies of the switching noise for which the reduction of the switching noise by the diffusion of the transition time according to the present embodiment is effective are limited to a noise reduction frequency range 104 as shown in Fig. 8(A). At frequencies outside the noise reduction frequency range 104, destructive interference does not occur, and the waveforms of the frequencies corresponding to the least common multiples of the frequencies changed by the diffusion of the transition time overlap each other, resulting in constructive interference, which may result in the switching noise not being reduced.
図8(A)には、遷移時間拡散を行わない場合のスイッチングノイズのスペクトラム100と、遷移時間拡散を行った場合のスイッチングノイズのスペクトラム102とが示されている。遷移時間の拡散により、スペクトラム102は、遷移時間の拡散を行わなかったスペクトラム100に比してスイッチングノイズのレベルは低減しているが、レベルの低減に効果的な周波数の範囲は、周波数範囲106を中心とした範囲である。 Figure 8 (A) shows a spectrum 100 of switching noise when transition time spreading is not performed, and a spectrum 102 of switching noise when transition time spreading is performed. Due to the diffusion of transition time, the level of switching noise in spectrum 102 is reduced compared to spectrum 100 in which transition time spreading is not performed, but the frequency range in which the level is effectively reduced is a range centered on frequency range 106.
本実施形態では、低減対称となる周波数範囲106の中心周波数fmを所望の周波数として定義し、中心周波数fmとは別に、干渉による弱め合いが生じてスイッチングノイズの低減効果が期待できる周波数である特定周波数f1を中心周波数fmから下記の式(4)を用いて算出する。式(4)中のmは、1以上の自然数である任意の次数である。図8(B)は、中心周波数fmと特定周波数f1との関係を示した概略図である。図8(B)に示したように、特定周波数f1近傍の周波数においても干渉による弱め合いが生じてスイッチングノイズの低減効果が生じている。後述するように、下記の式(4)において、m=1とすると、中心周波数fmと特定周波数f1とが一致する。 In this embodiment, the center frequency f m of the frequency range 106 to be reduced is defined as a desired frequency, and a specific frequency f 1 , which is a frequency at which weakening due to interference occurs and a switching noise reduction effect can be expected, is calculated from the center frequency f m using the following formula (4) from the center frequency f m . In formula (4), m is an arbitrary order that is a natural number equal to or greater than 1. FIG. 8B is a schematic diagram showing the relationship between the center frequency f m and the specific frequency f 1. As shown in FIG. 8B, weakening due to interference also occurs at frequencies near the specific frequency f 1, resulting in a switching noise reduction effect. As will be described later, when m=1 in the following formula (4), the center frequency f m and the specific frequency f 1 coincide with each other.
さらに、遷移時間の拡散幅ΔTは、特定周波数f1と拡散数nとによって、下記の式(5)のように定義される。式(5)に示したように、最大遷移時間tLと、最小遷移時間tSと、の差分である拡散幅ΔTは、特定周波数f1の逆数に比例する。式(5)に示したように、拡散幅ΔTは、拡散数nに1を加算した値を被除数、特定周波数f1の2倍値を徐数とした商である。 Furthermore, the diffusion width ΔT of the transition time is defined by the specific frequency f 1 and the diffusion number n as shown in the following formula (5). As shown in formula (5), the diffusion width ΔT, which is the difference between the maximum transition time t L and the minimum transition time t S , is proportional to the reciprocal of the specific frequency f 1. As shown in formula (5), the diffusion width ΔT is a quotient of the value obtained by adding 1 to the diffusion number n as the dividend and the value twice the specific frequency f 1 as the divisor.
本実施形態では、遷移時間におけるスルーレートが変化するように操作部32Uを制御して、駆動信号の電流値を変化させることにより、遷移時間を最小遷移時間tSと最大遷移時間tLとの間で変化させる。スルーレートは、スイッチング素子のゲートに印加する駆動信号の電流値を大きくすれば高くなり、駆動信号の電流値を小さくすれば低下する。駆動信号の電流値とスルーレートとの相関性は、例えば、実機を用いた実験等を通じて決定する。 In this embodiment, the operation unit 32U is controlled so that the slew rate during the transition time changes, and the current value of the drive signal is changed, thereby changing the transition time between the minimum transition time tS and the maximum transition time tL . The slew rate increases when the current value of the drive signal applied to the gate of the switching element is increased, and decreases when the current value of the drive signal is decreased. The correlation between the current value of the drive signal and the slew rate is determined, for example, through experiments using an actual device.
さらに、拡散数nは、下記の式(6)で定義される。拡散数nは、周波数差分Δfの2倍値を被除数、特定周波数f1と周波数差分Δfとの差を徐数とした商である。 Furthermore, the spreading number n is defined by the following formula (6): The spreading number n is a quotient of twice the frequency difference Δf as the dividend and the difference between the specific frequency f 1 and the frequency difference Δf as the divisor.
周波数差分Δfは、下記の式(7)で定義される。 The frequency difference Δf is defined by the following equation (7):
特定周波数f1は、上述の式(5)より、下記の式(8)として表されるので、周波数差分Δfは、下記の式(9)のようになる。 The specific frequency f 1 is expressed as the following equation (8) from the above equation (5), and the frequency difference Δf is expressed as the following equation (9).
図9は、本実施形態に係るスイッチング素子駆動回路の処理の一例を示したフローチャートである。図9に示した処理は、例えば、モータ12への電力供給と共に開始される。具体的には、上位の制御装置400からモータ12への電力供給に伴う処理開始の指令が入力されると開始される。そして、ステップ100では、遷移時間を設定する。設定する遷移時間は、最小遷移時間tS及び最大遷移時間tLを含めた最小遷移時間tSと最大遷移時間tLとの間であり、具体的には、上位の制御装置400から入力された遷移時間目標値に基づいて設定する。 Fig. 9 is a flow chart showing an example of the process of the switching element drive circuit according to this embodiment. The process shown in Fig. 9 is started, for example, when power is supplied to the motor 12. Specifically, the process is started when a command to start the process associated with the power supply to the motor 12 is input from the upper control device 400. Then, in step 100, a transition time is set. The transition time to be set is between the minimum transition time tS and the maximum transition time tL, including the minimum transition time tS and the maximum transition time tL , and specifically, is set based on the transition time target value input from the upper control device 400.
ステップ102では、設定した遷移時間に応じた目標スルーレートを算出する。前述のように、スルーレートは、遷移時間におけるドレインソース間電圧Vdsの変化量であるから、目標スルーレートは、電圧振幅Aを遷移時間で除算して得た値となる。 In step 102, a target slew rate corresponding to the set transition time is calculated. As described above, the slew rate is the amount of change in the drain-source voltage Vds during the transition time, so the target slew rate is a value obtained by dividing the voltage amplitude A by the transition time.
ステップ104では、駆動信号の電流値を算出する。本実施形態では、スルーレートと駆動信号の電流値との相関関係が予め明らかであることを前提としている。ステップ104では、かかる相関関係に基づいて駆動信号の電流値を設定する。 In step 104, the current value of the drive signal is calculated. In this embodiment, it is assumed that the correlation between the slew rate and the current value of the drive signal is known in advance. In step 104, the current value of the drive signal is set based on this correlation.
ステップ106では、ステップ104で設定した駆動信号の電流値に従って駆動信号を生成し、スイッチング素子44Uのゲートに印加する。 In step 106, a drive signal is generated according to the current value of the drive signal set in step 104 and applied to the gate of switching element 44U.
ステップ108では、端子間電圧検出部24Uにより、スイッチング素子44Uの出力端子電圧であるドレインソース間電圧Vdsの時系列での変化を検出する。 In step 108, the inter-terminal voltage detection unit 24U detects the change over time in the drain-source voltage Vds , which is the output terminal voltage of the switching element 44U.
ステップ110では、ステップ108で検出したドレインソース間電圧Vdsの時系列での変化に基づいて、実際のスルーレートである実スルーレートを算出する。 In step 110, the actual slew rate is calculated based on the time-series change in the drain-source voltage V ds detected in step .
ステップ112では、実スルーレートとステップ102で算出した目標スルーレートとを比較して、目標スルーレートに対する実スルーレートの差異が所定の閾値範囲内であるか否かを判定する。一例として、目標スルーレートと実スルーレートとの差分が、目標スルーレートの10%程度であれば、ステップ112では肯定判定をする。ステップ112で、目標スルーレートに対する実スルーレートの差異が所定の閾値範囲内の場合は手順をステップ114に移行し、目標スルーレートに対する実スルーレートの差異が所定の閾値範囲を超える場合は、手順をステップ102に移行する。 In step 112, the actual slew rate is compared with the target slew rate calculated in step 102 to determine whether the difference between the actual slew rate and the target slew rate is within a predetermined threshold range. As an example, if the difference between the target slew rate and the actual slew rate is about 10% of the target slew rate, a positive determination is made in step 112. If the difference between the actual slew rate and the target slew rate is within the predetermined threshold range in step 112, the procedure proceeds to step 114, and if the difference between the actual slew rate and the target slew rate exceeds the predetermined threshold range, the procedure proceeds to step 102.
ステップ114では、処理を終了するか否かを判定する。図9に示した処理は、例えば、モータ12への電力供給が停止されると共に終了する。ステップ114では、上位の制御装置400からモータ12への電力供給の停止に伴って、処理停止の指令が入力されると、処理終了の判定をして処理を終了する。 In step 114, it is determined whether or not to end the process. The process shown in FIG. 9 ends, for example, when the power supply to the motor 12 is stopped. In step 114, when a command to stop the process is input from the upper control device 400 in conjunction with the stopping of the power supply to the motor 12, it is determined that the process is to be ended and the process ends.
ステップ114で、処理終了の判定をしないかった場合は、手順をステップ116に移行する。 If the process is not terminated in step 114, the procedure proceeds to step 116.
ステップ116では、遷移時間が変更されるか否かを判定する。具体的には、例えば、上位の制御装置400から新たな遷移時間目標値が入力されたか否かを判定し、新たな遷移時間目標値が入力された場合は手順をステップ118に移行し、新たな遷移時間目標値が入力されなかった場合は手順をステップ106に移行する。 In step 116, it is determined whether the transition time is to be changed. Specifically, for example, it is determined whether a new transition time target value has been input from the upper control device 400, and if a new transition time target value has been input, the procedure proceeds to step 118, and if a new transition time target value has not been input, the procedure proceeds to step 106.
ステップ118では、新たな遷移時間を設定して手順をステップ102に移行する。そして、ステップ102での目標スルーレートの算出からステップ112の目標スルーレートに対する実スルーレートの差異が所定の閾値範囲内であるか否かの判定までの一連の手順を実行する。 In step 118, a new transition time is set and the procedure proceeds to step 102. Then, a series of steps are executed from calculating the target slew rate in step 102 to determining whether the difference between the target slew rate and the actual slew rate in step 112 is within a predetermined threshold range.
図9に示した処理では、目標スルーレートに対する実スルーレートの差異が所定の閾値範囲内であるか否かを判定したが、これに限定されない。例えば、ステップ110で実際の遷移時間である実遷移時間を算出し、ステップ100で設定した遷移時間と算出した実遷移時間との差異が所定の閾値範囲内であるか否かを判定してもよい。 In the process shown in FIG. 9, it is determined whether the difference between the actual slew rate and the target slew rate is within a predetermined threshold range, but this is not limiting. For example, an actual transition time, which is the actual transition time, may be calculated in step 110, and it may be determined whether the difference between the transition time set in step 100 and the calculated actual transition time is within a predetermined threshold range.
図9に示した処理は、スイッチングノイズを低減したい周波数範囲106の中心周波数fmに基づき、上述の式(4)~(9)の関係を用いて、拡散数n、特定周波数f1、最大遷移時間tLと最小遷移時間tSとの差分である拡散幅ΔT及び周波数差分Δfを設定する。拡散数n、特定周波数f1、最大遷移時間tLと最小遷移時間tSとの差分である拡散幅ΔT及び周波数差分Δfの各々は、式(4)~(9)に各々示したように、互いに密接不可分な関係を有する。本実施形態では、式(4)~(9)の関係を満たすことを条件に、様々な態様で遷移時間を設定することができる。以下、図10~15を用いて説明する。 The process shown in FIG. 9 sets the number of diffusions n, the specific frequency f 1 , the diffusion width ΔT , which is the difference between the maximum transition time t L and the minimum transition time t S, and the frequency difference Δf, based on the center frequency f m of the frequency range 106 in which the switching noise is to be reduced, using the relationships of the above-mentioned formulas (4) to (9) . The number of diffusions n, the specific frequency f 1 , the diffusion width ΔT, which is the difference between the maximum transition time t L and the minimum transition time t S, and the frequency difference Δf have a close and inseparable relationship with each other, as shown in each of the formulas (4) to (9). In this embodiment, the transition time can be set in various ways, provided that the relationships of the formulas (4) to (9) are satisfied. Hereinafter, a description will be given with reference to FIGS. 10 to 15.
図10は、周波数範囲106Aの中心周波数fmと、特定周波数f1と、周波数差分Δfとの関係の一例を示した概略図である。本実施形態では、式(4)により中心周波数fmから特定周波数f1を設定し、式(6)、(7)を用いて拡散数n及び周波数差分Δfを決定する。一例として、拡散数nを任意の自然数として設定し、設定した拡散数nと、式(4)を用いて算出した特定周波数f1とに基づいて、式(7)によって周波数差分Δfを算出する。そして、式(5)を用いて最大遷移時間tLと最小遷移時間tSとの差分である拡散幅ΔTを決定する。又は、周波数差分Δfを式(4)~(9)に矛盾しない範囲で任意に設定し、設定した周波数差分Δfと、式(4)を用いて算出した特定周波数f1とに基づいて、式(6)によって拡散数nを算出してもよい。 FIG. 10 is a schematic diagram showing an example of the relationship between the center frequency f m of the frequency range 106A, the specific frequency f 1 , and the frequency difference Δf. In this embodiment, the specific frequency f 1 is set from the center frequency f m by equation (4), and the spreading number n and the frequency difference Δf are determined by equations (6) and (7). As an example, the spreading number n is set as an arbitrary natural number, and the frequency difference Δf is calculated by equation (7) based on the set spreading number n and the specific frequency f 1 calculated by equation (4). Then, the spreading width ΔT, which is the difference between the maximum transition time t L and the minimum transition time t S, is determined by equation (5). Alternatively, the frequency difference Δf may be set arbitrarily within a range that does not contradict equations (4) to (9), and the spreading number n may be calculated by equation (6) based on the set frequency difference Δf and the specific frequency f 1 calculated by equation (4).
図11(A)は、遷移時間を5つに変化させた場合のVds波形の一例を示した概略図であり、図11(B)は、遷移時間を等差で変化させた場合の各々の拡散時間の長短の関係を示した概略図である。遷移時間を、図11(B)に示したように、最小遷移時間tS2から最大遷移時間tL2まで、平均遷移時間taveを中心値として等差な拡散刻みΔtで5つに変化させる。そして、5つに変化させた遷移時間を、図11(A)に示したように、ランダムに適用することにより、スイッチングノイズのレベルを低減することができる。スイッチングノイズの周波数は遷移時間に相関するので、遷移時間のランダムな拡散により、周波数及び位相が異なるスイッチングノイズの波形同士の干渉による弱め合いが生じ、スイッチングノイズの強度が低下する。 FIG. 11(A) is a schematic diagram showing an example of a Vds waveform when the transition time is changed to five, and FIG. 11(B) is a schematic diagram showing the relationship between the length and shortness of each diffusion time when the transition time is changed in equal increments. As shown in FIG. 11(B), the transition time is changed to five from the minimum transition time tS2 to the maximum transition time tL2 at equal diffusion intervals Δt with the average transition time tave as the center value. Then, the five transition times are randomly applied as shown in FIG. 11(A), thereby reducing the level of switching noise. Since the frequency of switching noise correlates with the transition time, random diffusion of the transition time causes weakening due to interference between switching noise waveforms with different frequencies and phases, thereby reducing the strength of the switching noise.
図12(A)は、上述の式(4)においてm=2とした場合の周波数範囲106Bと、中心周波数fmと、特定周波数f1との関係の一例を示した概略図であり、図12(B)は、上述の式(4)においてm=1とした場合の周波数範囲106Cと、中心周波数fmと、特定周波数f1との関係の一例を示した概略図である。 FIG. 12(A) is a schematic diagram showing an example of the relationship between a frequency range 106B, a center frequency fm , and a specific frequency f1 when m=2 in the above formula (4), and FIG. 12(B) is a schematic diagram showing an example of the relationship between a frequency range 106C, a center frequency fm , and a specific frequency f1 when m= 1 in the above formula (4).
図12(A)に示したように、式(4)においてm=2とすると、f1=fm/3となり、上述の式(7)から、周波数差分Δf3は、下記の式(10)のようになる。 As shown in FIG. 12A, when m=2 in equation (4), f 1 =f m /3, and from equation (7) above, the frequency difference Δf 3 is given by equation (10) below.
また、図12(B)に示したように、式(4)においてm=1とすると、f1=fmとなり、上述の式(7)から、周波数差分Δf1は、下記の式(11)のようになる。 Furthermore, as shown in FIG. 12B, when m=1 in equation (4), f 1 =f m , and from equation (7) above, the frequency difference Δf 1 is given by equation (11) below.
式(10)、(11)が示すように、拡散数nが同一な場合、m=1の場合の周波数差分Δf1は、m=2の場合の周波数差分Δf3に比して、3倍の値となる。その結果、m=1の場合の周波数範囲106Cは、m=2の場合の周波数範囲106Bの3倍の広がりを有し、スイッチングノイズを低減できる周波数範囲が拡大する。 As shown in equations (10) and (11), when the diffusion number n is the same, the frequency difference Δf 1 when m = 1 is three times larger than the frequency difference Δf 3 when m = 2. As a result, the frequency range 106C when m = 1 is three times larger than the frequency range 106B when m = 2, and the frequency range in which switching noise can be reduced is expanded.
図13は、例えば、上段のスイッチング素子42Uと下段のスイッチング素子44Uとが相補的にオンオフし、スイッチング素子42Uがオン又はオフになる場合と、スイッチング素子44Uがオン又はオフになる場合とで、遷移時間が変化する範囲が異なるように操作部32Uを制御して駆動信号の電流値を変化させる場合の説明図である。 Figure 13 is an explanatory diagram of a case where, for example, the upper switching element 42U and the lower switching element 44U are turned on and off complementarily, and the current value of the drive signal is changed by controlling the operation unit 32U so that the range in which the transition time changes differs between when the switching element 42U is turned on or off and when the switching element 44U is turned on or off.
図13に示した例では、モータ12の駆動時に、モータ相電流の波形が反転するモータ12における電気角の半周期毎に、上段のスイッチング素子42Uと下段のスイッチング素子44Uとが相補的にオンオフする場合を示す。かかる場合において、スイッチング素子42Uのターンオン又はターンオフと、44Uのターンオン又はターンオフとでは拡散幅ΔTが異なっている。その結果、出力端子電圧(Vds)の波形は、図13の下段に示したように変化する。 13 shows a case where the upper switching element 42U and the lower switching element 44U are complementarily turned on and off at each half-period of the electrical angle of the motor 12 where the waveform of the motor phase current is inverted when the motor 12 is driven. In this case, the diffusion width ΔT is different between the turn-on or turn-off of the switching element 42U and the turn-on or turn-off of the switching element 44U. As a result, the waveform of the output terminal voltage (V ds ) changes as shown in the lower part of FIG.
図13では、例えば、スイッチング素子42UがPWM制御でオンになる区間110での遷移時間は、中心値taを挟んで最小遷移時間ta-Δtから最大遷移時間ta+Δtまで変化し、かかる場合の拡散幅ΔTは、2Δtとなる。 In FIG. 13, for example, the transition time in section 110 where switching element 42U is turned on by PWM control varies from a minimum transition time ta-Δt to a maximum transition time ta+Δt around a central value ta, and the diffusion width ΔT in this case is 2Δt.
また、図13では、例えば、スイッチング素子44UがPWM制御でオンになる区間112での遷移時間は、中心値taを挟んで最小遷移時間ta-2Δtから最大遷移時間ta+2Δtまで変化し、かかる場合の拡散幅ΔTは、4Δtとなる。 In addition, in FIG. 13, for example, the transition time in section 112 where switching element 44U is turned on by PWM control varies from a minimum transition time ta-2Δt to a maximum transition time ta+2Δt around a central value ta, and the diffusion width ΔT in such a case is 4Δt.
図13に示したように、区間110と区間112とで拡散幅ΔTが各々異なるようにすることで、ゲートドライバ20U、22Uの各々における遷移時間の拡散数nを例えばn=1にした場合でも、インバータ10のU相を構成するスイッチング素子42U、44Uの全体では、遷移時間をta-2Δtからta+2Δtまで5つに変化させたことになり、実質的には拡散数nをn=3にした場合と同様のスイッチングノイズの低減効果が期待できる。 As shown in FIG. 13, by making the diffusion width ΔT different between section 110 and section 112, even if the diffusion number n of the transition time in each of gate drivers 20U and 22U is set to, for example, n=1, the transition time of the entire switching elements 42U and 44U constituting the U phase of inverter 10 is changed to five, from ta-2Δt to ta+2Δt, and substantially the same switching noise reduction effect can be expected as when the diffusion number n is set to n=3.
従って、図13に示した遷移時間の設定によれば、各々のゲートドライバ42U、44Uにおける拡散数を抑制することによりゲートドライバ42U、44Uの制御負荷を軽減すると共に、発生するスイッチングノイズの周波数を拡散させてスイッチングノイズ同士の干渉による弱め合いの効果を高め、スイッチングノイズを低減することが可能となる。 Therefore, by setting the transition time shown in FIG. 13, the control load of the gate drivers 42U and 44U is reduced by suppressing the diffusion number in each of the gate drivers 42U and 44U, and the frequency of the switching noise generated is diffused to enhance the effect of weakening the interference between switching noises, thereby reducing the switching noise.
図13では、区間110で遷移時間をta-Δt、ta及びta+Δtに、区間112で遷移時間をta-2Δt、ta及びta+2Δtに、各々変化させたが、区間110で遷移時間をta-2Δt、ta及びta+2Δtに、区間112で遷移時間をta-Δt、ta及びta+Δtに、各々変化させてもよい。 In FIG. 13, the transition time is changed to ta-Δt, ta, and ta+Δt in section 110, and to ta-2Δt, ta, and ta+2Δt in section 112, but it is also possible to change the transition time to ta-2Δt, ta, and ta+2Δt in section 110, and to ta-Δt, ta, and ta+Δt in section 112.
図14は、モータ12における電気角の半周期毎に遷移時間が変化するように操作部32Uを制御して駆動信号の電流値を変化させる場合の説明図である。図14に示した例では、上段のスイッチング素子42Uと下段のスイッチング素子44Uとで各々異なる拡散幅とし、電気角半周期毎にスルーレートが変化するように操作部32Uを制御する。 Figure 14 is an explanatory diagram of a case where the current value of the drive signal is changed by controlling the operation unit 32U so that the transition time changes every half cycle of the electrical angle in the motor 12. In the example shown in Figure 14, the upper switching element 42U and the lower switching element 44U have different diffusion widths, and the operation unit 32U is controlled so that the slew rate changes every half cycle of the electrical angle.
図14では、例えば、スイッチング素子42Uがオンになる区間114Aでは、遷移時間をta、スイッチング素子44Uがオンになる区間116Aでは、遷移時間をta-2Δtとし、後続する区間114Bでは同ta-Δt、区間116Bでは同ta+2Δt、区間114Cでは同ta+Δt、区間116Cでは同taとする。従って、区間114Aから区間116Cまでの一連の制御において、遷移時間を5つに変化させたことになるが、区間114A~116Cの各々の区間においては、各々のスイッチング素子が1の遷移時間でスイッチングするように操作部32Uを制御するので、制御負荷を軽減することができる。 In FIG. 14, for example, in section 114A where switching element 42U is turned on, the transition time is ta, in section 116A where switching element 44U is turned on, the transition time is ta-2Δt, in the following section 114B it is ta-Δt, in section 116B it is ta+2Δt, in section 114C it is ta+Δt, and in section 116C it is ta. Therefore, in a series of controls from section 114A to section 116C, the transition time is changed to five, but in each of sections 114A to 116C, the operation unit 32U is controlled so that each switching element switches at one transition time, thereby reducing the control load.
その結果、各々のゲートドライバ42U、44Uの制御負荷を軽減すると共に、発生するスイッチングノイズの周波数を拡散させてスイッチングノイズ同士の干渉による弱め合いの効果を高め、スイッチングノイズを低減することが可能となる。 As a result, it is possible to reduce the control load of each gate driver 42U, 44U, and to diffuse the frequency of the switching noise generated, thereby enhancing the effect of weakening the interference between switching noises, and thus reducing the switching noise.
図15は、所定期間内での上段のスイッチング素子42Uの遷移時間の平均と下段のスイッチング素子44Uの遷移時間の平均とが等しくなるように、操作部32Uを制御して駆動信号の電流値を変化させる場合の説明図である。 Figure 15 is an explanatory diagram of a case where the current value of the drive signal is changed by controlling the operation unit 32U so that the average transition time of the upper switching element 42U and the average transition time of the lower switching element 44U within a specified period are equal.
図15では、例えば、スイッチング素子42UがPWM制御でオンになる区間118での遷移時間は、中心値taを挟んで最小遷移時間ta-Δtから最大遷移時間ta+Δtまで変化し、かかる場合の遷移時間の平均はtaとなる。 In FIG. 15, for example, the transition time in section 118 where switching element 42U is turned on by PWM control varies from a minimum transition time ta-Δt to a maximum transition time ta+Δt around a central value ta, and the average transition time in this case is ta.
また、図15では、例えば、スイッチング素子44UがPWM制御でオンになる区間120での遷移時間は、中心値taを挟んで最小遷移時間ta-2Δtから最大遷移時間ta+2Δtまで変化し、かかる場合の遷移時間の平均はtaとなる。 In addition, in FIG. 15, for example, the transition time in section 120 where switching element 44U is turned on by PWM control varies from a minimum transition time ta-2Δt to a maximum transition time ta+2Δt around a central value ta, and the average transition time in such a case is ta.
図15では、区間118で遷移時間をta-Δt、ta及びta+Δtに、区間120で遷移時間をta-2Δt、ta及びta+2Δtに、各々変化させたが、区間118で遷移時間をta-2Δt、ta及びta+2Δtに、区間120で遷移時間をta-Δt、ta及びta+Δtに、各々変化させてもよい。 In FIG. 15, the transition time is changed to ta-Δt, ta, and ta+Δt in section 118, and to ta-2Δt, ta, and ta+2Δt in section 120, but it is also possible to change the transition time to ta-2Δt, ta, and ta+2Δt in section 118, and to ta-Δt, ta, and ta+Δt in section 120.
このように、所定期間内での上段のスイッチング素子42Uの遷移時間の平均と下段のスイッチング素子44Uの遷移時間の平均とが等しくなるようにすることにより、スイッチング素子42U、44Uの各々の発熱が不均一になることを防ぎ、インバータ10の回路の保護を図ることができる。 In this way, by making the average transition time of the upper switching element 42U and the average transition time of the lower switching element 44U within a specified period equal, it is possible to prevent uneven heating of each of the switching elements 42U and 44U, and to protect the circuit of the inverter 10.
以上説明したように、本実施の形態によれば、遷移時間の拡散により、スイッチング素子のスイッチングによって生じるスイッチングノイズの周波数及び位相を変化させ、スイッチングノイズの波形同士の干渉による弱め合いが生じることにより、スイッチングノイズの強度を低下させる。 As described above, according to this embodiment, the transition time is diffused to change the frequency and phase of the switching noise generated by the switching of the switching elements, and the switching noise waveforms are weakened by interference with each other, thereby reducing the intensity of the switching noise.
遷移時間を拡散させるには、スイッチング素子のスルーレートを拡散させるが、遷移時間の変化とスイッチングノイズの低減との相関性が明確でないと、遷移時間を拡散させてもスイッチングノイズの低減効果は薄い。しかしながら、本実施形態では、式(4)~(9)に示したように、拡散数n、特定周波数f1、最大遷移時間tLと最小遷移時間tSとの差分である拡散幅ΔT及びスイッチングノイズの低減に効果的な周波数範囲を示す周波数差分Δfの各々の密接不可分な関係に基づいて、スイッチング素子の遷移時間を制御する。 To diffuse the transition time, the slew rate of the switching element is diffused, but if the correlation between the change in transition time and the reduction in switching noise is not clear, the effect of reducing switching noise is small even if the transition time is diffused. However, in this embodiment, as shown in formulas (4) to (9), the transition time of the switching element is controlled based on the close and inseparable relationship between the diffusion number n, the specific frequency f 1 , the diffusion width ΔT which is the difference between the maximum transition time t L and the minimum transition time t S , and the frequency difference Δf which indicates the frequency range effective in reducing switching noise.
その結果、スイッチングノイズの低減が効果的な条件に基づいてスイッチング素子のスルーレートを制御することが可能となる。 As a result, it becomes possible to control the slew rate of the switching element based on the conditions under which switching noise reduction is effective.
10…インバータ、12…モータ、22U…ゲートドライバ、30U…制御部、32U…操作部、42U、44U…スイッチング素子、106、106A、106B、106C…周波数範囲、ΔT…拡散幅、Δf、Δf1、Δf2…周波数差分、SR…スルーレート
Vds…ドレインソース間電圧、f1…特定周波数、fm…中心周波数、n…拡散数、tL…最大遷移時間、tS…最小遷移時間、tf、tr…遷移時間
10... inverter, 12... motor, 22U... gate driver, 30U... control unit, 32U... operation unit, 42U, 44U... switching element, 106, 106A, 106B, 106C... frequency range, ΔT... diffusion width, Δf, Δf 1 , Δf 2 ... frequency difference, SR... slew rate V ds ... drain-source voltage, f 1 ... specific frequency, f m ... center frequency, n... diffusion number, t L ... maximum transition time, t S ... minimum transition time, t f, tr... transition time
Claims (8)
前記駆動信号生成部と前記制御端子との間に配置されて、前記出力端子から出力される波形の信号のスルーレートを調整するスルーレート調整部(32U)と、
前記スイッチング素子(44U)がオン状態、またはオフ状態に遷移する際の遷移時間が、最大遷移時間(tL)と最小遷移時間(tS)との間で拡散数(n)の回数だけ変化するように、前記波形が立ち上がる際、及び立ち下がる際の各々のスルーレートを調整するように前記スルーレート調整部(32U)を制御する制御部(30U)と、
を含み、
前記最大遷移時間(t L )と前記最小遷移時間(t S )との差分(ΔT)は、前記拡散数(n)を含む値を被除数、前記スイッチング素子のスイッチングによって生じる電磁ノイズの特定周波数(f 1 )を含む値を徐数とした商である、
スイッチング素子駆動回路。 a drive signal generating unit (22U) that generates a drive signal to be supplied to a switching element (44U) that is provided with a control terminal and an output terminal, is switched to an on state or an off state in response to supply and stop of supply of a drive signal to the control terminal, and outputs a signal having a waveform that rises and falls in response to supply and stop of supply of the drive signal from the output terminal;
a slew rate adjustment unit (32U) disposed between the drive signal generation unit and the control terminal and configured to adjust a slew rate of a signal having a waveform output from the output terminal;
a control unit (30U) for controlling the slew rate adjustment unit (32U) to adjust the slew rates at the rising and falling edges of the waveform so that the transition time when the switching element (44U) transitions to an on state or an off state changes between a maximum transition time (tL) and a minimum transition time (tS) by a number of diffusion times (n);
Including,
The difference (ΔT) between the maximum transition time (t L ) and the minimum transition time (t S ) is a quotient obtained by dividing a value including the diffusion number (n) by a divisor and a value including a specific frequency (f 1 ) of electromagnetic noise generated by switching of the switching element.
Switching element drive circuit.
前記遷移時間を前記最小遷移時間(tS)と前記最大遷移時間(tL)との間で変化させる回数である拡散数(n)は、前記中心周波数(fm)と前記低減対象の周波数範囲(106)の下限値との差であると共に前記周波数範囲の上限値と前記中心周波数(fm)との差である周波数差分(Δf)の2倍値を被除数、前記特定周波数(f1)と前記周波数差分(Δf)との差を徐数とした商であり、
前記最大遷移時間(tL)と前記最小遷移時間(tS)との差分(ΔT)は、前記拡散数(n)に1を加算した値を被除数、前記特定周波数(f1)の2倍値を徐数とした商であり、
前記制御部(30U)は、前記遷移時間が前記最小遷移時間(tS)と前記最大遷移時間(tL)との間で前記拡散数(n)の回数で変化するように前記スルーレート調整部(32U)を制御する請求項1に記載のスイッチング素子駆動回路。 The specific frequency (f 1 ) is a quotient obtained by subtracting 1 from twice the order expressed as a natural number, with the central frequency (f m ) of the electromagnetic noise to be reduced as the dividend and the divisor being the value obtained by subtracting 1 from twice the order expressed as a natural number,
A spreading number (n), which is the number of times the transition time is changed between the minimum transition time (t S ) and the maximum transition time (t L ), is a quotient obtained by dividing by a dividend a value twice the frequency difference (Δf), which is the difference between the center frequency (f m ) and the lower limit of the frequency range (106) to be reduced and is also the difference between the upper limit of the frequency range and the center frequency (f m ), and a divisor a difference between the specific frequency (f 1 ) and the frequency difference (Δf);
The difference (ΔT) between the maximum transition time (t L ) and the minimum transition time (t S ) is a quotient obtained by adding 1 to the spreading number (n) as a dividend and doubling the specific frequency (f 1 ) as a divisor,
2. The switching element drive circuit according to claim 1, wherein the control unit (30U) controls the slew rate adjustment unit (32U) so that the transition time changes between the minimum transition time (t S ) and the maximum transition time (t L ) by a number of diffusion numbers (n).
前記拡散数nは、前記周波数差分Δfと前記特定周波数f1とによって下記の式(2)で表され、
前記最大遷移時間tLと前記最小遷移時間tSとの差分ΔTは、前記拡散数nと前記特定周波数f1とによって下記の式(3)で表される請求項2に記載のスイッチング素子駆動回路。
The specific frequency f1 is expressed by the following equation (1) using the center frequency fm and the order m:
The spreading number n is expressed by the following formula (2) using the frequency difference Δf and the specific frequency f 1 :
3. The switching element drive circuit according to claim 2, wherein a difference ΔT between the maximum transition time t L and the minimum transition time t S is expressed by the following formula (3) using the spreading number n and the specific frequency f 1 .
前記制御部(30U)は、前記上段スイッチング素子(42U)がオン又はオフになる場合と、前記下段スイッチング素子(44U)がオン又はオフになる場合とで、前記遷移時間が変化する範囲が異なるように前記スルーレート調整部(32U)を制御する請求項1~5のいずれか1項に記載のスイッチング素子駆動回路。 The switching elements (42U, 44U) are configured such that an upper stage switching element (42U) and a lower stage switching element (44U) are turned on and off complementarily,
The control unit (30U) controls the slew rate adjustment unit (32U) so that the range in which the transition time changes is different when the upper stage switching element (42U) is turned on or off and when the lower stage switching element (44U) is turned on or off. A switching element drive circuit as described in any one of claims 1 to 5.
前記制御部(30U)は、前記回転電機(12)における電気角の半周期毎に前記遷移時間が変化するように前記スルーレート調整部(32U)を制御する請求項6に記載のスイッチング素子駆動回路。 The switching elements (42U, 44U) generate a voltage to be applied to a winding of a rotating electric machine (12) by switching,
7. The switching element drive circuit according to claim 6, wherein the control unit (30U) controls the slew rate adjustment unit (32U) so that the transition time changes for each half period of an electrical angle of the rotating electric machine (12).
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