スイッチング制御装置
【課題】デッドタイムを確保するとともに、スイッチング信号のデューティ比を０％から１００％まで連続的に変化させる。
【解決手段】実施形態のスイッチング制御装置は、第１信号波の値が三角波の中央値以上の場合、第１信号波に対しデッドタイムに相当するオフセット値を加算し、加算結果が三角波の最大値を超えるときには当該最大値に等しく制限して第２信号波を生成する。第２、第１信号波と三角波を比較して上、下アームのスイッチング信号を生成する。第１信号波の値が三角波の中央値未満の場合、第１信号波からオフセット値を減算し、減算結果が三角波の最小値を超えるときには当該最小値に等しく制限して第２信号波を生成する。第１、第２信号波と三角波を比較して上、下アームのスイッチング信号を生成する。
【解決手段】実施形態のスイッチング制御装置は、第１信号波の値が三角波の中央値以上の場合、第１信号波に対しデッドタイムに相当するオフセット値を加算し、加算結果が三角波の最大値を超えるときには当該最大値に等しく制限して第２信号波を生成する。第２、第１信号波と三角波を比較して上、下アームのスイッチング信号を生成する。第１信号波の値が三角波の中央値未満の場合、第１信号波からオフセット値を減算し、減算結果が三角波の最小値を超えるときには当該最小値に等しく制限して第２信号波を生成する。第１、第２信号波と三角波を比較して上、下アームのスイッチング信号を生成する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の実施形態は、上下アーム間のデッドタイムが設けられたスイッチング信号を生成するスイッチング制御装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
電源線間に接続されたブリッジ回路の上アームのスイッチング素子と下アームのスイッチング素子とをオンオフ駆動する場合、オンオフ切り替え時の電源短絡を防止するため、デッドタイムと称される時間が設けられている。このデッドタイムでは、上下アームのスイッチング信号は何れもスイッチング素子をオフさせるレベル（以下、オフレベルと称す）となる。
【０００３】
スイッチング信号は、三角波と信号波の大きさを比較することにより生成されている。例えば、信号波のレベルが三角波のレベル以上になると、上アームのスイッチング信号が直ちにオフレベルに変化し、その時点からデッドタイムが経過した時点で下アームのスイッチング信号がスイッチング素子をオンさせるレベル（以下、オンレベルと称す）に変化する。
【０００４】
実際のマイクロプロセッサでは、一定周波数を持つパルス信号をカウンタで計数し、所定の最小値と最大値でアップカウントとダウンカウントを切り替えることにより三角波を生成する。また、上記最小値から最大値までの範囲内において、ブリッジ回路の出力電圧に対応した値を信号波としてレジスタにセットする。そして、コンパレータを用いてカウンタとレジスタの値を比較してスイッチング信号を生成する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開平８−２６３１０４号公報
【特許文献２】特開２００５−１２８５７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
信号波が三角波の最大値または最小値に向かって単調に増加または減少する場合、信号波が三角波の最大値または最小値に近づいた時点で一方のスイッチング信号のオンレベルの幅がゼロになる。その後、他方のスイッチング信号のオフレベルの幅は次第に短くなるが、信号波が三角波の最大値または最小値に達すると、オフレベルの幅がデッドタイムに相当する値だけ不連続に変化してゼロになる。このようにデューティ比が不連続に変化すると、特に出力電圧が低い場合に急激な電圧変化が生じてしまう。
【０００７】
そこで、デッドタイムを確保するとともに、スイッチング信号のデューティ比を０％から１００％まで連続的に変化させることができるスイッチング制御装置を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
実施形態のスイッチング制御装置は、上下アーム間のデッドタイムが設けられたスイッチング信号を生成するスイッチング制御装置である。三角波を生成する三角波生成手段と、三角波の最小値から最大値までの値を取り得る第１信号波を入力して第２信号波を生成する信号波生成手段と、上アームおよび下アームのスイッチング信号を生成する比較手段とを備えている。
【０００９】
信号波生成手段は、第１信号波の値が三角波の中央値以上の場合には、第１信号波に対し三角波の変化率に基づいてデッドタイムに相当するオフセット値を加算し、当該加算結果が三角波の最大値を超えるときには当該最大値に等しく制限して第２信号波を生成する。また、第１信号波の値が三角波の中央値未満の場合には、第１信号波からオフセット値を減算し、当該減算結果が三角波の最小値を超えるときには当該最小値に等しく制限して第２信号波を生成する。
【００１０】
比較手段は、第１信号波の値が三角波の中央値以上の場合には、第２および第１信号波と三角波とを比較してそれぞれ上アームおよび下アームのスイッチング信号を生成する。第１信号波の値が三角波の中央値未満の場合には、第１および第２信号波と三角波とを比較してそれぞれ上アームおよび下アームのスイッチング信号を生成する。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】第１の実施形態によるインバータ装置の構成図
【図２】デッドタイムとオフセット値との関係を示す説明図
【図３】第１信号波が三角波の中央値以上のときのスイッチング信号の生成に係る波形図
【図４】第１信号波が三角波の中央値未満のときのスイッチング信号の生成に係る波形図
【図５】第１信号波が三角波の中央値を超える前後におけるスイッチング信号の生成に係る波形図
【図６】第２信号波が最大値に等しく制限されているときのスイッチング信号の生成に係る波形図
【図７】第２信号波が最小値に等しく制限されているときのスイッチング信号の生成に係る波形図
【図８】第２の実施形態によるスイッチング信号の生成に係る波形図
【発明を実施するための形態】
【００１２】
（第１の実施形態）
図１ないし図７を参照しながら第１の実施形態を説明する。図１は、インバータ装置の構成を示している。このインバータ装置１は、バッテリ２の電圧ＶDCを入力し、三相指令電圧に対応したＵ相信号波Ｓ１ｕ、Ｖ相信号波Ｓ１ｖ、Ｗ相信号波Ｓ１ｗに基づいてＰＷＭ制御を行い、負荷例えばモータ３に対し三相交流電圧Ｖｕ、Ｖｖ、Ｖｗを出力する。
【００１３】
主回路において、バッテリ２が接続される直流母線４、５間にはコンデンサ６と三相ブリッジ回路７が接続されている。三相ブリッジ回路７は、上アームＵＡ側のスイッチング素子７up、７vp、７wpと下アームＬＡ側のスイッチング素子７un、７vn、７wnがそれぞれ直列に接続されたＵ相、Ｖ相、Ｗ相のブリッジ回路から構成されている。各ブリッジ回路の中間接続点がＵ相、Ｖ相、Ｗ相の出力端子９ｕ、９ｖ、９ｗとされている。各スイッチング素子７up〜７wnには、それぞれ還流ダイオードとして機能する寄生ダイオード８up〜８wnが並列に形成されている。
【００１４】
スイッチング制御装置１０は、入力した第１信号波Ｓ１ｕ、Ｓ１ｖ、Ｓ１ｗに基づいてスイッチング素子７up〜７wnに対しスイッチング信号Ｓup〜Ｓwnを出力する。図中、素子ドライブ回路は省略されている。このスイッチング制御装置１０は、パルス幅変調回路１１ｕ、１１ｖ、１１ｗと三角波生成回路１２（三角波生成手段）とを備えている。
【００１５】
三角波生成回路１２は、例えば一定周波数を持つパルス信号をカウンタで計数し、カウント値が所定の最小値または最大値となった時点でアップカウントとダウンカウントを切り替えて三角波Ｓｃを生成する。第１信号波Ｓ１ｕ、Ｓ１ｖ、Ｓ１ｗは、三角波Ｓｃの最小値から最大値までの値を取り、設定される値が小さいほど出力端子９ｕ、９ｖ、９ｗから出力される電圧が高くなる。
【００１６】
パルス幅変調回路１１ｕ、１１ｖ、１１ｗの構成は同じであるため、以下ではパルス幅変調回路１１ｕの構成および作用について図２ないし図７を参照しながら説明する。パルス幅変調回路１１ｕは、信号波生成回路１３（信号波生成手段）により第１信号波Ｓ１ｕとデッドタイムＴｄとから第２信号波Ｓ２ｕを生成し、比較回路１４（比較手段）により第１、第２信号波Ｓ１ｕ、Ｓ２ｕと三角波Ｓｃとを比較してスイッチング信号Ｓup、Ｓunを生成する。この構成によれば、三角波Ｓｃを生成するためのカウンタの数が少なくて済む。
【００１７】
オフセット演算回路１５は、三角波Ｓｃの変化率に基づいてデッドタイムＴｄに相当するオフセット値を（１）式で算出する。ｆｃは三角波Ｓｃの周波数（ＰＷＭのキャリア周波数）、Ａは三角波Ｓｃの（最大値−最小値）である。
オフセット値＝２・ｆｃ・Ａ・Ｔｄ …（１）
【００１８】
図２は、デッドタイムＴｄとオフセット値との関係を示す説明図である。三角波Ｓｃが最大値から最小値まで変化するのに要する時間はＴｃ／２＝１／（２・ｆｃ）なので、デッドタイムＴｄの間に変化する三角波Ｓｃの値すなわちオフセット値は（１）式に示す値となる。
【００１９】
信号波生成回路１３および比較回路１４は、三角波Ｓｃが最大となった時点および最小となった時点ごとに、第１信号波Ｓ１ｕの値が三角波Ｓｃの中央値Ｂ（＝（最大値＋最小値）／２）以上か否かを判定する。第１信号波Ｓ１ｕの値が三角波Ｓｃの中央値Ｂ以上のときには切替回路１６のａ−ｃ間をオンさせ、（２）式に示すとおり加算器１７により第１信号波Ｓ１ｕとオフセット値を加算する。そして、当該加算結果が三角波Ｓｃの最大値を超えるときには当該最大値に等しく制限して第２信号波Ｓ２ｕを生成する。
第２信号波Ｓ２ｕ＝第１信号波Ｓ１ｕ＋２・ｆｃ・Ａ・Ｔｄ …（２）
【００２０】
一方、第１信号波Ｓ１ｕの値が三角波Ｓｃの中央値Ｂ未満のときには切替回路１６のｂ−ｃ間をオンさせ、加算器１７により第１信号波Ｓ１ｕと符号反転回路１８を通したオフセット値とを加算する。すなわち、（３）式に示すとおり第１信号波Ｓ１ｕからオフセット値を減算する。そして、当該減算結果が三角波Ｓｃの最小値を超えるときには当該最小値に等しく制限して第２信号波Ｓ２ｕを生成する。
第２信号波Ｓ２ｕ＝第１信号波Ｓ１ｕ−２・ｆｃ・Ａ・Ｔｄ …（３）
【００２１】
比較回路１４は、比較器１９、２０と切替回路２１とから構成されている。比較回路１４は、第１信号波Ｓ１ｕの値が三角波Ｓｃの中央値Ｂ以上のときには切替回路２１のａ−ｃ間をオンさせる。このとき、比較器２０により第２信号波Ｓ２ｕと三角波Ｓｃとを比較して上アームのスイッチング信号Ｓupを生成し、比較器１９により第１信号波Ｓ１ｕと三角波Ｓｃとを比較して下アームのスイッチング信号Ｓunを生成する。
【００２２】
図３は、このときの第１信号波Ｓ１ｕ、第２信号波Ｓ２ｕ、三角波Ｓｃおよびスイッチング信号Ｓup、Ｓunを示している。時刻ｔ１で第１信号波Ｓ１ｕが三角波Ｓｃよりも小さくなると、下アームのスイッチング信号Ｓunがオンレベルからオフレベルに変化する。その後、時刻ｔ２で第２信号波Ｓ２ｕが三角波Ｓｃよりも小さくなると、上アームのスイッチング信号Ｓupがオフレベルからオンレベルに変化する。この時刻ｔ１からｔ２までの時間はデッドタイムＴｄに等しくなる。
【００２３】
時刻ｔ３で第２信号波Ｓ２ｕが三角波Ｓｃ以上になると、上アームのスイッチング信号Ｓupがオンレベルからオフレベルに変化し、時刻ｔ４で第１信号波Ｓ１ｕが三角波Ｓｃ以上になると、下アームのスイッチング信号Ｓunがオフレベルからオンレベルに変化する。この時刻ｔ３からｔ４までの時間もデッドタイムＴｄに等しくなる。
【００２４】
一方、比較回路１４は、第１信号波Ｓ１ｕの値が三角波Ｓｃの中央値Ｂ未満のときには切替回路２１のｂ−ｃ間をオンさせる。このとき、比較器１９により第１信号波Ｓ１ｕと三角波Ｓｃとを比較して上アームのスイッチング信号Ｓupを生成し、比較器２０により第２信号波Ｓ２ｕと三角波Ｓｃとを比較して上アームのスイッチング信号Ｓunを生成する。
【００２５】
図４は、このときの第１信号波Ｓ１ｕ、第２信号波Ｓ２ｕ、三角波Ｓｃおよびスイッチング信号Ｓup、Ｓunを示している。時刻ｔ１１で第２信号波Ｓ２ｕが三角波Ｓｃ以下になると、下アームのスイッチング信号Ｓunがオンレベルからオフレベルに変化する。その後、時刻ｔ１２で第１信号波Ｓ１ｕが三角波Ｓｃ以下になると、上アームのスイッチング信号Ｓupがオフレベルからオンレベルに変化する。
【００２６】
時刻ｔ１３で第１信号波Ｓ１ｕが三角波Ｓｃより大きくなると、上アームのスイッチング信号Ｓupがオンレベルからオフレベルに変化し、時刻ｔ４で第２信号波Ｓ２ｕが三角波Ｓｃより大きくなると、下アームのスイッチング信号Ｓunがオフレベルからオンレベルに変化する。時刻ｔ１１からｔ１２までの時間および時刻ｔ１３からｔ１４までの時間もデッドタイムＴｄに等しくなる。
【００２７】
図５は、第１信号波Ｓ１ｕの値が三角波Ｓｃの中央値Ｂを超える前後における波形図である。上述したように、信号波生成回路１３および比較回路１４は、三角波Ｓｃの最大時点（図５では時刻ｔ２３）および最小時点（図５では時刻ｔ２６）で第１信号波Ｓ１ｕの値と三角波Ｓｃの中央値Ｂとの大小関係を判定している。時刻ｔ２６で第１信号波Ｓ１ｕの値が三角波Ｓｃの中央値Ｂ以上と判定されたので、第２信号波Ｓ２ｕの生成方法が（３）式から（２）式に切り替わっていることが分かる。
【００２８】
図６は、指令電圧が低いため、第２信号波Ｓ２ｕの値が最大値に等しく制限されているときの波形図である。このとき、上アームのスイッチング信号Ｓupはオフレベル一定となる。下アームのスイッチング信号Ｓunは、第１信号波Ｓ１ｕが大きくなるのに比例してオフレベルの幅が短くなり、やがて第１信号波Ｓ１ｕが最大値に達するとオンレベル一定となる。
【００２９】
図７は、指令電圧が高いため、第２信号波Ｓ２ｕの値が最小値に等しく制限されているときの波形図である。このとき、下アームのスイッチング信号Ｓunはオフレベル一定となる。上アームのスイッチング信号Ｓupは、第１信号波Ｓ１ｕが小さくなるのに比例してオフレベルの幅が短くなり、やがて第１信号波Ｓ１ｕが最小値に達するとオンレベル一定となる。
【００３０】
以上説明した本実施形態によれば、第１信号波Ｓ１ｕが最大値に近づくと、上アームのスイッチング信号Ｓupのオンレベルの幅がゼロになり、その後も第１信号波Ｓ１ｕの上昇に伴い下アームのスイッチング信号Ｓunのデューティ比を連続的に変化させることができる。逆に、第１信号波Ｓ１ｕが最小値に近づくと、下アームのスイッチング信号Ｓunのオンレベルの幅がゼロになり、その後も第１信号波Ｓ１ｕの低下に伴い上アームのスイッチング信号Ｓupのデューティ比を連続的に変化させることができる。Ｖ相、Ｗ相についても同様となる。その結果、上下アーム間のデッドタイムを確保できるとともに、スイッチング信号Ｓup、Ｓun、Ｓvp、Ｓvn、Ｓwp、Ｓwnのデューティ比を０％から１００％まで連続的に変化させることができる。
【００３１】
本実施形態のインバータ装置１によれば、デッドタイムを確保した上で、より低い電圧からより高い電圧までの広範囲の電圧を出力できるので、ブラシレスＤＣモータ、誘導モータなどの可変速範囲を広げることができる。また、出力電圧が低い場合でも、出力電圧を連続的に変化させることができるので、電流やトルクの制御性能を高める効果も期待できる。
【００３２】
次に、Ｕ相のパルス幅変調回路１１ｕを例に、第１信号波Ｓ１ｕの値と三角波Ｓｃの中央値Ｂとの大小関係を判定し、その判定結果に基づいて切替回路１６、２１を切り替える理由について説明する。上述したように、スイッチング制御装置１０に入力される第１信号波Ｓ１ｕは、三角波Ｓｃの最小値から最大値までの値を取るようになっている。第１信号波Ｓ１ｕを最小値または最大値を超えた値に設定可能とすることは、第１信号波Ｓ１ｕが変化したにもかかわらず出力電圧が変化しない不感帯を作ることになるからである。
【００３３】
仮に、第１信号波Ｓ１ｕの値にかかわらず第２信号波Ｓ２ｕを常に（２）式により生成し、切替回路１６のａ−ｃ間および切替回路２１のａ−ｃ間を常にオンすれば、第２信号波Ｓ２ｕの値を（最小値＋オフセット値）よりも小さく設定することができない。その結果、第１信号波Ｓ１ｕの値が最小値まで低下しても、上アームのスイッチング信号ＳupにデッドタイムＴｄだけのオフレベルが残り、スイッチング信号Ｓupのデューティ比を１００％まで設定することができなくなる。
【００３４】
これに対し、本実施形態のスイッチング制御装置１０は、第１信号波Ｓ１ｕの値が三角波Ｓｃの中央値Ｂ以上の場合に、第１信号波Ｓ１ｕにオフセット値を加算して第２信号波Ｓ２ｕを生成し、第１信号波Ｓ１ｕの値が三角波Ｓｃの中央値Ｂ未満の場合に、第１信号波Ｓ１ｕからオフセット値を減算して第２信号波Ｓ２ｕを生成している。これにより、第１信号波Ｓ１ｕ、第２信号波Ｓ２ｕともに最小値から最大値までの値を設定可能となり、上述したようにスイッチング信号Ｓup、Ｓunのデューティ比を０％から１００％まで連続的に設定することが可能となる。
【００３５】
（第２の実施形態）
図８は、第２の実施形態に係る波形図である。以下、同図を参照しながらＵ相を例に説明する。第１信号波Ｓ１ｕの値が三角波Ｓｃの中央値Ｂ以上のとき、比較回路１４の比較器１９（図１参照）は、第１信号波Ｓ１ｕと三角波Ｓｃとの比較により下アームのスイッチング信号Ｓunを生成する。そして、第２信号波Ｓ２ｕが三角波Ｓｃの最大値に等しく制限されているとき、下アームのスイッチング信号Ｓunを、三角波Ｓｃのｎ周期（ｎ＝２、３、…）ごとに比較結果に従ってオフレベルとし、それ以外の周期ではオンレベルのまま保持する。
【００３６】
同様に、第１信号波Ｓ１ｕの値が三角波Ｓｃの中央値Ｂ未満のとき、比較回路１４の比較器１９は、第１信号波Ｓ１ｕと三角波Ｓｃとの比較により上アームのスイッチング信号Ｓupを生成する。第２信号波Ｓ２ｕが三角波Ｓｃの最小値に等しく制限されているとき、上アームのスイッチング信号Ｓupを、三角波Ｓｃのｎ周期ごとに比較結果に従ってオフレベルとし、それ以外の周期ではオンレベルのまま保持する。
【００３７】
第１の実施形態で説明したスイッチング制御に加え本制御を実行すると、デッドタイムＴｄの設定により減少した電圧を補償することができる。例えば図８に示すように、第２信号波Ｓ２ｕが上昇して三角波Ｓｃの最大値に等しくなった時点において、デッドタイムに基づくスイッチング信号Ｓunのオフレベルの幅は２・Ｔｄとなる。これに対し、ｎ周期につき１回だけオフレベルとする本制御では、デッドタイムに基づくスイッチング信号Ｓunの平均的なオフレベルの幅は２・Ｔｄ／ｎとなる。従って、デッドタイムを設定したことにより減少する電圧分のうち（１−１／ｎ）×１００％を補償することができる。
【００３８】
（その他の実施形態）
以上説明した複数の実施形態に加えて以下のような構成を採用してもよい。
オフセット演算回路１５は、各相のパルス幅変調回路１１ｕ、１１ｖ、１１ｗに対し共通に設けてもよい。
スイッチング制御装置１０は、マイクロプロセッサに組み込まれたＰＷＭユニットとして適用できる他、独立した回路として種々の機能回路にも適用できる。また、スイッチング制御装置１０をソフトウェアにより実現することもできる。
【００３９】
以上説明した実施形態によれば、上下アーム間のデッドタイムを確保できるとともに、スイッチング素子の駆動に供するスイッチング信号のデューティ比を０％から１００％まで連続的に変化させることができる。
【００４０】
本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると同様に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれるものである。
【符号の説明】
【００４１】
図面中、１０はスイッチング制御装置、１２は三角波生成回路（三角波生成手段）、１３は信号波生成回路（信号波生成手段）、１４は比較回路（比較手段）、Ｓ１ｕ、Ｓ１ｖ、Ｓ１ｗは第１信号波、Ｓ２ｕ、Ｓ２ｖ、Ｓ２ｗは第２信号波、Ｓｃは三角波、Ｓup、Ｓun、Ｓvp、Ｓvn、Ｓwp、Ｓwnはスイッチング信号である。
【技術分野】
【０００１】
本発明の実施形態は、上下アーム間のデッドタイムが設けられたスイッチング信号を生成するスイッチング制御装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
電源線間に接続されたブリッジ回路の上アームのスイッチング素子と下アームのスイッチング素子とをオンオフ駆動する場合、オンオフ切り替え時の電源短絡を防止するため、デッドタイムと称される時間が設けられている。このデッドタイムでは、上下アームのスイッチング信号は何れもスイッチング素子をオフさせるレベル（以下、オフレベルと称す）となる。
【０００３】
スイッチング信号は、三角波と信号波の大きさを比較することにより生成されている。例えば、信号波のレベルが三角波のレベル以上になると、上アームのスイッチング信号が直ちにオフレベルに変化し、その時点からデッドタイムが経過した時点で下アームのスイッチング信号がスイッチング素子をオンさせるレベル（以下、オンレベルと称す）に変化する。
【０００４】
実際のマイクロプロセッサでは、一定周波数を持つパルス信号をカウンタで計数し、所定の最小値と最大値でアップカウントとダウンカウントを切り替えることにより三角波を生成する。また、上記最小値から最大値までの範囲内において、ブリッジ回路の出力電圧に対応した値を信号波としてレジスタにセットする。そして、コンパレータを用いてカウンタとレジスタの値を比較してスイッチング信号を生成する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開平８−２６３１０４号公報
【特許文献２】特開２００５−１２８５７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
信号波が三角波の最大値または最小値に向かって単調に増加または減少する場合、信号波が三角波の最大値または最小値に近づいた時点で一方のスイッチング信号のオンレベルの幅がゼロになる。その後、他方のスイッチング信号のオフレベルの幅は次第に短くなるが、信号波が三角波の最大値または最小値に達すると、オフレベルの幅がデッドタイムに相当する値だけ不連続に変化してゼロになる。このようにデューティ比が不連続に変化すると、特に出力電圧が低い場合に急激な電圧変化が生じてしまう。
【０００７】
そこで、デッドタイムを確保するとともに、スイッチング信号のデューティ比を０％から１００％まで連続的に変化させることができるスイッチング制御装置を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
実施形態のスイッチング制御装置は、上下アーム間のデッドタイムが設けられたスイッチング信号を生成するスイッチング制御装置である。三角波を生成する三角波生成手段と、三角波の最小値から最大値までの値を取り得る第１信号波を入力して第２信号波を生成する信号波生成手段と、上アームおよび下アームのスイッチング信号を生成する比較手段とを備えている。
【０００９】
信号波生成手段は、第１信号波の値が三角波の中央値以上の場合には、第１信号波に対し三角波の変化率に基づいてデッドタイムに相当するオフセット値を加算し、当該加算結果が三角波の最大値を超えるときには当該最大値に等しく制限して第２信号波を生成する。また、第１信号波の値が三角波の中央値未満の場合には、第１信号波からオフセット値を減算し、当該減算結果が三角波の最小値を超えるときには当該最小値に等しく制限して第２信号波を生成する。
【００１０】
比較手段は、第１信号波の値が三角波の中央値以上の場合には、第２および第１信号波と三角波とを比較してそれぞれ上アームおよび下アームのスイッチング信号を生成する。第１信号波の値が三角波の中央値未満の場合には、第１および第２信号波と三角波とを比較してそれぞれ上アームおよび下アームのスイッチング信号を生成する。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】第１の実施形態によるインバータ装置の構成図
【図２】デッドタイムとオフセット値との関係を示す説明図
【図３】第１信号波が三角波の中央値以上のときのスイッチング信号の生成に係る波形図
【図４】第１信号波が三角波の中央値未満のときのスイッチング信号の生成に係る波形図
【図５】第１信号波が三角波の中央値を超える前後におけるスイッチング信号の生成に係る波形図
【図６】第２信号波が最大値に等しく制限されているときのスイッチング信号の生成に係る波形図
【図７】第２信号波が最小値に等しく制限されているときのスイッチング信号の生成に係る波形図
【図８】第２の実施形態によるスイッチング信号の生成に係る波形図
【発明を実施するための形態】
【００１２】
（第１の実施形態）
図１ないし図７を参照しながら第１の実施形態を説明する。図１は、インバータ装置の構成を示している。このインバータ装置１は、バッテリ２の電圧ＶDCを入力し、三相指令電圧に対応したＵ相信号波Ｓ１ｕ、Ｖ相信号波Ｓ１ｖ、Ｗ相信号波Ｓ１ｗに基づいてＰＷＭ制御を行い、負荷例えばモータ３に対し三相交流電圧Ｖｕ、Ｖｖ、Ｖｗを出力する。
【００１３】
主回路において、バッテリ２が接続される直流母線４、５間にはコンデンサ６と三相ブリッジ回路７が接続されている。三相ブリッジ回路７は、上アームＵＡ側のスイッチング素子７up、７vp、７wpと下アームＬＡ側のスイッチング素子７un、７vn、７wnがそれぞれ直列に接続されたＵ相、Ｖ相、Ｗ相のブリッジ回路から構成されている。各ブリッジ回路の中間接続点がＵ相、Ｖ相、Ｗ相の出力端子９ｕ、９ｖ、９ｗとされている。各スイッチング素子７up〜７wnには、それぞれ還流ダイオードとして機能する寄生ダイオード８up〜８wnが並列に形成されている。
【００１４】
スイッチング制御装置１０は、入力した第１信号波Ｓ１ｕ、Ｓ１ｖ、Ｓ１ｗに基づいてスイッチング素子７up〜７wnに対しスイッチング信号Ｓup〜Ｓwnを出力する。図中、素子ドライブ回路は省略されている。このスイッチング制御装置１０は、パルス幅変調回路１１ｕ、１１ｖ、１１ｗと三角波生成回路１２（三角波生成手段）とを備えている。
【００１５】
三角波生成回路１２は、例えば一定周波数を持つパルス信号をカウンタで計数し、カウント値が所定の最小値または最大値となった時点でアップカウントとダウンカウントを切り替えて三角波Ｓｃを生成する。第１信号波Ｓ１ｕ、Ｓ１ｖ、Ｓ１ｗは、三角波Ｓｃの最小値から最大値までの値を取り、設定される値が小さいほど出力端子９ｕ、９ｖ、９ｗから出力される電圧が高くなる。
【００１６】
パルス幅変調回路１１ｕ、１１ｖ、１１ｗの構成は同じであるため、以下ではパルス幅変調回路１１ｕの構成および作用について図２ないし図７を参照しながら説明する。パルス幅変調回路１１ｕは、信号波生成回路１３（信号波生成手段）により第１信号波Ｓ１ｕとデッドタイムＴｄとから第２信号波Ｓ２ｕを生成し、比較回路１４（比較手段）により第１、第２信号波Ｓ１ｕ、Ｓ２ｕと三角波Ｓｃとを比較してスイッチング信号Ｓup、Ｓunを生成する。この構成によれば、三角波Ｓｃを生成するためのカウンタの数が少なくて済む。
【００１７】
オフセット演算回路１５は、三角波Ｓｃの変化率に基づいてデッドタイムＴｄに相当するオフセット値を（１）式で算出する。ｆｃは三角波Ｓｃの周波数（ＰＷＭのキャリア周波数）、Ａは三角波Ｓｃの（最大値−最小値）である。
オフセット値＝２・ｆｃ・Ａ・Ｔｄ …（１）
【００１８】
図２は、デッドタイムＴｄとオフセット値との関係を示す説明図である。三角波Ｓｃが最大値から最小値まで変化するのに要する時間はＴｃ／２＝１／（２・ｆｃ）なので、デッドタイムＴｄの間に変化する三角波Ｓｃの値すなわちオフセット値は（１）式に示す値となる。
【００１９】
信号波生成回路１３および比較回路１４は、三角波Ｓｃが最大となった時点および最小となった時点ごとに、第１信号波Ｓ１ｕの値が三角波Ｓｃの中央値Ｂ（＝（最大値＋最小値）／２）以上か否かを判定する。第１信号波Ｓ１ｕの値が三角波Ｓｃの中央値Ｂ以上のときには切替回路１６のａ−ｃ間をオンさせ、（２）式に示すとおり加算器１７により第１信号波Ｓ１ｕとオフセット値を加算する。そして、当該加算結果が三角波Ｓｃの最大値を超えるときには当該最大値に等しく制限して第２信号波Ｓ２ｕを生成する。
第２信号波Ｓ２ｕ＝第１信号波Ｓ１ｕ＋２・ｆｃ・Ａ・Ｔｄ …（２）
【００２０】
一方、第１信号波Ｓ１ｕの値が三角波Ｓｃの中央値Ｂ未満のときには切替回路１６のｂ−ｃ間をオンさせ、加算器１７により第１信号波Ｓ１ｕと符号反転回路１８を通したオフセット値とを加算する。すなわち、（３）式に示すとおり第１信号波Ｓ１ｕからオフセット値を減算する。そして、当該減算結果が三角波Ｓｃの最小値を超えるときには当該最小値に等しく制限して第２信号波Ｓ２ｕを生成する。
第２信号波Ｓ２ｕ＝第１信号波Ｓ１ｕ−２・ｆｃ・Ａ・Ｔｄ …（３）
【００２１】
比較回路１４は、比較器１９、２０と切替回路２１とから構成されている。比較回路１４は、第１信号波Ｓ１ｕの値が三角波Ｓｃの中央値Ｂ以上のときには切替回路２１のａ−ｃ間をオンさせる。このとき、比較器２０により第２信号波Ｓ２ｕと三角波Ｓｃとを比較して上アームのスイッチング信号Ｓupを生成し、比較器１９により第１信号波Ｓ１ｕと三角波Ｓｃとを比較して下アームのスイッチング信号Ｓunを生成する。
【００２２】
図３は、このときの第１信号波Ｓ１ｕ、第２信号波Ｓ２ｕ、三角波Ｓｃおよびスイッチング信号Ｓup、Ｓunを示している。時刻ｔ１で第１信号波Ｓ１ｕが三角波Ｓｃよりも小さくなると、下アームのスイッチング信号Ｓunがオンレベルからオフレベルに変化する。その後、時刻ｔ２で第２信号波Ｓ２ｕが三角波Ｓｃよりも小さくなると、上アームのスイッチング信号Ｓupがオフレベルからオンレベルに変化する。この時刻ｔ１からｔ２までの時間はデッドタイムＴｄに等しくなる。
【００２３】
時刻ｔ３で第２信号波Ｓ２ｕが三角波Ｓｃ以上になると、上アームのスイッチング信号Ｓupがオンレベルからオフレベルに変化し、時刻ｔ４で第１信号波Ｓ１ｕが三角波Ｓｃ以上になると、下アームのスイッチング信号Ｓunがオフレベルからオンレベルに変化する。この時刻ｔ３からｔ４までの時間もデッドタイムＴｄに等しくなる。
【００２４】
一方、比較回路１４は、第１信号波Ｓ１ｕの値が三角波Ｓｃの中央値Ｂ未満のときには切替回路２１のｂ−ｃ間をオンさせる。このとき、比較器１９により第１信号波Ｓ１ｕと三角波Ｓｃとを比較して上アームのスイッチング信号Ｓupを生成し、比較器２０により第２信号波Ｓ２ｕと三角波Ｓｃとを比較して上アームのスイッチング信号Ｓunを生成する。
【００２５】
図４は、このときの第１信号波Ｓ１ｕ、第２信号波Ｓ２ｕ、三角波Ｓｃおよびスイッチング信号Ｓup、Ｓunを示している。時刻ｔ１１で第２信号波Ｓ２ｕが三角波Ｓｃ以下になると、下アームのスイッチング信号Ｓunがオンレベルからオフレベルに変化する。その後、時刻ｔ１２で第１信号波Ｓ１ｕが三角波Ｓｃ以下になると、上アームのスイッチング信号Ｓupがオフレベルからオンレベルに変化する。
【００２６】
時刻ｔ１３で第１信号波Ｓ１ｕが三角波Ｓｃより大きくなると、上アームのスイッチング信号Ｓupがオンレベルからオフレベルに変化し、時刻ｔ４で第２信号波Ｓ２ｕが三角波Ｓｃより大きくなると、下アームのスイッチング信号Ｓunがオフレベルからオンレベルに変化する。時刻ｔ１１からｔ１２までの時間および時刻ｔ１３からｔ１４までの時間もデッドタイムＴｄに等しくなる。
【００２７】
図５は、第１信号波Ｓ１ｕの値が三角波Ｓｃの中央値Ｂを超える前後における波形図である。上述したように、信号波生成回路１３および比較回路１４は、三角波Ｓｃの最大時点（図５では時刻ｔ２３）および最小時点（図５では時刻ｔ２６）で第１信号波Ｓ１ｕの値と三角波Ｓｃの中央値Ｂとの大小関係を判定している。時刻ｔ２６で第１信号波Ｓ１ｕの値が三角波Ｓｃの中央値Ｂ以上と判定されたので、第２信号波Ｓ２ｕの生成方法が（３）式から（２）式に切り替わっていることが分かる。
【００２８】
図６は、指令電圧が低いため、第２信号波Ｓ２ｕの値が最大値に等しく制限されているときの波形図である。このとき、上アームのスイッチング信号Ｓupはオフレベル一定となる。下アームのスイッチング信号Ｓunは、第１信号波Ｓ１ｕが大きくなるのに比例してオフレベルの幅が短くなり、やがて第１信号波Ｓ１ｕが最大値に達するとオンレベル一定となる。
【００２９】
図７は、指令電圧が高いため、第２信号波Ｓ２ｕの値が最小値に等しく制限されているときの波形図である。このとき、下アームのスイッチング信号Ｓunはオフレベル一定となる。上アームのスイッチング信号Ｓupは、第１信号波Ｓ１ｕが小さくなるのに比例してオフレベルの幅が短くなり、やがて第１信号波Ｓ１ｕが最小値に達するとオンレベル一定となる。
【００３０】
以上説明した本実施形態によれば、第１信号波Ｓ１ｕが最大値に近づくと、上アームのスイッチング信号Ｓupのオンレベルの幅がゼロになり、その後も第１信号波Ｓ１ｕの上昇に伴い下アームのスイッチング信号Ｓunのデューティ比を連続的に変化させることができる。逆に、第１信号波Ｓ１ｕが最小値に近づくと、下アームのスイッチング信号Ｓunのオンレベルの幅がゼロになり、その後も第１信号波Ｓ１ｕの低下に伴い上アームのスイッチング信号Ｓupのデューティ比を連続的に変化させることができる。Ｖ相、Ｗ相についても同様となる。その結果、上下アーム間のデッドタイムを確保できるとともに、スイッチング信号Ｓup、Ｓun、Ｓvp、Ｓvn、Ｓwp、Ｓwnのデューティ比を０％から１００％まで連続的に変化させることができる。
【００３１】
本実施形態のインバータ装置１によれば、デッドタイムを確保した上で、より低い電圧からより高い電圧までの広範囲の電圧を出力できるので、ブラシレスＤＣモータ、誘導モータなどの可変速範囲を広げることができる。また、出力電圧が低い場合でも、出力電圧を連続的に変化させることができるので、電流やトルクの制御性能を高める効果も期待できる。
【００３２】
次に、Ｕ相のパルス幅変調回路１１ｕを例に、第１信号波Ｓ１ｕの値と三角波Ｓｃの中央値Ｂとの大小関係を判定し、その判定結果に基づいて切替回路１６、２１を切り替える理由について説明する。上述したように、スイッチング制御装置１０に入力される第１信号波Ｓ１ｕは、三角波Ｓｃの最小値から最大値までの値を取るようになっている。第１信号波Ｓ１ｕを最小値または最大値を超えた値に設定可能とすることは、第１信号波Ｓ１ｕが変化したにもかかわらず出力電圧が変化しない不感帯を作ることになるからである。
【００３３】
仮に、第１信号波Ｓ１ｕの値にかかわらず第２信号波Ｓ２ｕを常に（２）式により生成し、切替回路１６のａ−ｃ間および切替回路２１のａ−ｃ間を常にオンすれば、第２信号波Ｓ２ｕの値を（最小値＋オフセット値）よりも小さく設定することができない。その結果、第１信号波Ｓ１ｕの値が最小値まで低下しても、上アームのスイッチング信号ＳupにデッドタイムＴｄだけのオフレベルが残り、スイッチング信号Ｓupのデューティ比を１００％まで設定することができなくなる。
【００３４】
これに対し、本実施形態のスイッチング制御装置１０は、第１信号波Ｓ１ｕの値が三角波Ｓｃの中央値Ｂ以上の場合に、第１信号波Ｓ１ｕにオフセット値を加算して第２信号波Ｓ２ｕを生成し、第１信号波Ｓ１ｕの値が三角波Ｓｃの中央値Ｂ未満の場合に、第１信号波Ｓ１ｕからオフセット値を減算して第２信号波Ｓ２ｕを生成している。これにより、第１信号波Ｓ１ｕ、第２信号波Ｓ２ｕともに最小値から最大値までの値を設定可能となり、上述したようにスイッチング信号Ｓup、Ｓunのデューティ比を０％から１００％まで連続的に設定することが可能となる。
【００３５】
（第２の実施形態）
図８は、第２の実施形態に係る波形図である。以下、同図を参照しながらＵ相を例に説明する。第１信号波Ｓ１ｕの値が三角波Ｓｃの中央値Ｂ以上のとき、比較回路１４の比較器１９（図１参照）は、第１信号波Ｓ１ｕと三角波Ｓｃとの比較により下アームのスイッチング信号Ｓunを生成する。そして、第２信号波Ｓ２ｕが三角波Ｓｃの最大値に等しく制限されているとき、下アームのスイッチング信号Ｓunを、三角波Ｓｃのｎ周期（ｎ＝２、３、…）ごとに比較結果に従ってオフレベルとし、それ以外の周期ではオンレベルのまま保持する。
【００３６】
同様に、第１信号波Ｓ１ｕの値が三角波Ｓｃの中央値Ｂ未満のとき、比較回路１４の比較器１９は、第１信号波Ｓ１ｕと三角波Ｓｃとの比較により上アームのスイッチング信号Ｓupを生成する。第２信号波Ｓ２ｕが三角波Ｓｃの最小値に等しく制限されているとき、上アームのスイッチング信号Ｓupを、三角波Ｓｃのｎ周期ごとに比較結果に従ってオフレベルとし、それ以外の周期ではオンレベルのまま保持する。
【００３７】
第１の実施形態で説明したスイッチング制御に加え本制御を実行すると、デッドタイムＴｄの設定により減少した電圧を補償することができる。例えば図８に示すように、第２信号波Ｓ２ｕが上昇して三角波Ｓｃの最大値に等しくなった時点において、デッドタイムに基づくスイッチング信号Ｓunのオフレベルの幅は２・Ｔｄとなる。これに対し、ｎ周期につき１回だけオフレベルとする本制御では、デッドタイムに基づくスイッチング信号Ｓunの平均的なオフレベルの幅は２・Ｔｄ／ｎとなる。従って、デッドタイムを設定したことにより減少する電圧分のうち（１−１／ｎ）×１００％を補償することができる。
【００３８】
（その他の実施形態）
以上説明した複数の実施形態に加えて以下のような構成を採用してもよい。
オフセット演算回路１５は、各相のパルス幅変調回路１１ｕ、１１ｖ、１１ｗに対し共通に設けてもよい。
スイッチング制御装置１０は、マイクロプロセッサに組み込まれたＰＷＭユニットとして適用できる他、独立した回路として種々の機能回路にも適用できる。また、スイッチング制御装置１０をソフトウェアにより実現することもできる。
【００３９】
以上説明した実施形態によれば、上下アーム間のデッドタイムを確保できるとともに、スイッチング素子の駆動に供するスイッチング信号のデューティ比を０％から１００％まで連続的に変化させることができる。
【００４０】
本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると同様に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれるものである。
【符号の説明】
【００４１】
図面中、１０はスイッチング制御装置、１２は三角波生成回路（三角波生成手段）、１３は信号波生成回路（信号波生成手段）、１４は比較回路（比較手段）、Ｓ１ｕ、Ｓ１ｖ、Ｓ１ｗは第１信号波、Ｓ２ｕ、Ｓ２ｖ、Ｓ２ｗは第２信号波、Ｓｃは三角波、Ｓup、Ｓun、Ｓvp、Ｓvn、Ｓwp、Ｓwnはスイッチング信号である。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
上下アーム間のデッドタイムが設けられたスイッチング信号を生成するスイッチング制御装置において、
三角波を生成する三角波生成手段と、
前記三角波の最小値から最大値までの値を取り得る第１信号波を入力し、前記第１信号波の値が前記三角波の中央値以上の場合には、前記第１信号波に対し前記三角波の変化率に基づいて前記デッドタイムに相当するオフセット値を加算し、当該加算結果が前記三角波の最大値を超えるときには当該最大値に等しく制限して第２信号波を生成し、前記第１信号波の値が前記三角波の中央値未満の場合には、前記第１信号波から前記オフセット値を減算し、当該減算結果が前記三角波の最小値を超えるときには当該最小値に等しく制限して第２信号波を生成する信号波生成手段と、
前記第１信号波の値が前記三角波の中央値以上の場合には、前記第２および第１信号波と前記三角波とを比較してそれぞれ上アームおよび下アームのスイッチング信号を生成し、前記第１信号波の値が前記三角波の中央値未満の場合には、前記第１および第２信号波と前記三角波とを比較してそれぞれ上アームおよび下アームのスイッチング信号を生成する比較手段とを備えていることを特徴とするスイッチング制御装置。
【請求項２】
前記三角波の最大値と最小値の差分をＡ、中央値をＢ、周波数をｆｃとし、前記デッドタイムをＴｄとしたとき、前記信号波生成手段は、前記第１信号波の値がＢ以上の場合には、
第２信号波＝第１信号波＋２・ｆｃ・Ａ・Ｔｄ
により前記第２信号波を生成し、前記第１信号波の値がＢ未満の場合には、
第２信号波＝第１信号波−２・ｆｃ・Ａ・Ｔｄ
により前記第２信号波を生成することを特徴とする請求項１記載のスイッチング制御装置。
【請求項３】
前記比較手段は、前記第２信号波が前記三角波の最大値に等しく制限されているとき、前記第１信号波と前記三角波との比較により生成される下アームのスイッチング信号を、前記三角波のｎ周期（ｎ＝２、３、…）ごとに前記比較結果に従ってオフレベルとし、それ以外の周期ではオンレベルに保持し、前記第２信号波が前記三角波の最小値に等しく制限されているとき、前記第１信号波と前記三角波との比較により生成される上アームのスイッチング信号を、前記三角波のｎ周期ごとに前記比較結果に従ってオフレベルとし、それ以外の周期ではオンレベルに保持することを特徴とする請求項１または２記載のスイッチング制御装置。
【請求項４】
前記第１信号波の値が前記三角波の中央値以上か否かの判定は、前記三角波が最大となった時点および最小となった時点で行われることを特徴とする請求項１ないし３の何れかに記載のスイッチング制御装置。
【請求項１】
上下アーム間のデッドタイムが設けられたスイッチング信号を生成するスイッチング制御装置において、
三角波を生成する三角波生成手段と、
前記三角波の最小値から最大値までの値を取り得る第１信号波を入力し、前記第１信号波の値が前記三角波の中央値以上の場合には、前記第１信号波に対し前記三角波の変化率に基づいて前記デッドタイムに相当するオフセット値を加算し、当該加算結果が前記三角波の最大値を超えるときには当該最大値に等しく制限して第２信号波を生成し、前記第１信号波の値が前記三角波の中央値未満の場合には、前記第１信号波から前記オフセット値を減算し、当該減算結果が前記三角波の最小値を超えるときには当該最小値に等しく制限して第２信号波を生成する信号波生成手段と、
前記第１信号波の値が前記三角波の中央値以上の場合には、前記第２および第１信号波と前記三角波とを比較してそれぞれ上アームおよび下アームのスイッチング信号を生成し、前記第１信号波の値が前記三角波の中央値未満の場合には、前記第１および第２信号波と前記三角波とを比較してそれぞれ上アームおよび下アームのスイッチング信号を生成する比較手段とを備えていることを特徴とするスイッチング制御装置。
【請求項２】
前記三角波の最大値と最小値の差分をＡ、中央値をＢ、周波数をｆｃとし、前記デッドタイムをＴｄとしたとき、前記信号波生成手段は、前記第１信号波の値がＢ以上の場合には、
第２信号波＝第１信号波＋２・ｆｃ・Ａ・Ｔｄ
により前記第２信号波を生成し、前記第１信号波の値がＢ未満の場合には、
第２信号波＝第１信号波−２・ｆｃ・Ａ・Ｔｄ
により前記第２信号波を生成することを特徴とする請求項１記載のスイッチング制御装置。
【請求項３】
前記比較手段は、前記第２信号波が前記三角波の最大値に等しく制限されているとき、前記第１信号波と前記三角波との比較により生成される下アームのスイッチング信号を、前記三角波のｎ周期（ｎ＝２、３、…）ごとに前記比較結果に従ってオフレベルとし、それ以外の周期ではオンレベルに保持し、前記第２信号波が前記三角波の最小値に等しく制限されているとき、前記第１信号波と前記三角波との比較により生成される上アームのスイッチング信号を、前記三角波のｎ周期ごとに前記比較結果に従ってオフレベルとし、それ以外の周期ではオンレベルに保持することを特徴とする請求項１または２記載のスイッチング制御装置。
【請求項４】
前記第１信号波の値が前記三角波の中央値以上か否かの判定は、前記三角波が最大となった時点および最小となった時点で行われることを特徴とする請求項１ないし３の何れかに記載のスイッチング制御装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【公開番号】特開２０１２−１７５８５４（Ｐ２０１２−１７５８５４Ａ）
【公開日】平成２４年９月１０日（２０１２．９．１０）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−３６９８２（Ｐ２０１１−３６９８２）
【出願日】平成２３年２月２３日（２０１１．２．２３）
【出願人】（０００００３０７８）株式会社東芝 (54,554)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年９月１０日（２０１２．９．１０）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年２月２３日（２０１１．２．２３）
【出願人】（０００００３０７８）株式会社東芝 (54,554)
【Ｆターム（参考）】
[ Back to top ]