Устройство преобразователя мощности и способ управления устройства
Устройство относится к устройству преобразователя мощности, которое преобразует мощность постоянного тока в мощность переменного тока, в частности относится к устройству приведения в действие электродвигателя с регулируемой скоростью вращения. Технический результат заключается в увеличении точности получения выходного напряжения за счёт компенсации падения напряжения в полупроводниковых элементах. Устройство преобразователя мощности выполнено так, что его плечо содержит две группы полупроводниковых устройств, подключенных последовательно. Каждая группа полупроводниковых устройств содержит переключающий элемент и полупроводниковый элемент, отличный от переключающего элемента, подключенные параллельно. Соединительная точка, к которой группы полупроводниковых устройств подключены последовательно, является выходным выводом переменного тока. Оба конца плеча являются выводами постоянного тока. При этом устройство преобразователя мощности содержит также датчик тока, модуль формирования команд управления напряжением, модуль вычисления падения напряжения и модуль управления переключением. 2 н. и 14 з.п. ф-лы, 24 ил.
2420-185840RU/071
Область техники, к которой относится изобретение
Данное изобретение относится к устройству преобразователя мощности, которое преобразует мощность постоянного тока в мощность переменного тока, в частности относится к устройству приведения в действие электродвигателя с регулируемой скоростью вращения и устройству преобразователя мощности, которое соединено с системой.
Уровень техники
Во многих случаях устройство преобразователя мощности имеет следующую конфигурацию. То есть устройство преобразователя мощности содержит две группы полупроводниковых устройств, содержащие переключающий элемент и диод свободного хода, при этом переключающий элемент и диод свободного хода подключаются параллельно. Эти две группы полупроводниковых устройств подключены последовательно, постоянное напряжение прикладывается к обоим концам групп полупроводниковых устройств, и выходной контактный вывод предоставляется в соединительной точке между группами полупроводниковых устройств. В вышеуказанном устройстве преобразователя мощности, когда переключающий элемент верхней ветви находится во включенном состоянии, положительное постоянное напряжение выводится на выходной контактный вывод, а когда переключающий элемент нижней ветви находится во включенном состоянии, отрицательное постоянное напряжение выводится на выходной контактный вывод. Следовательно, включение/выключение переключающего элемента управляется так, чтобы задавать среднее выходное напряжение одного периода переключения равным команде управления напряжением. В идеале, среднее выходное напряжение одного периода переключения равно команде управления напряжением. Когда IGBT-транзистор (биполярный транзистор с изолированным затвором) используется в качестве переключающего элемента, ток протекает либо в переключающем элементе, либо в диоде свободного хода согласно направлению тока. В вышеуказанном устройстве преобразователя мощности падение напряжения (напряжение включения) формируется в переключающем элементе, следовательно, выходное напряжение согласно значению команды управления не может быть получено. В патентном документе 1 способ для того, чтобы получать выходное напряжение согласно значению команды управления, указывается следующим образом. То есть, чтобы компенсировать падение напряжения, датчик тока предоставляется в верхней ветви и нижней ветви соответственно, и для тока, который протекает в каждой ветви, определяется то, протекает ток в переключающем элементе или в диоде свободного хода для того, чтобы компенсировать каждое падение напряжения.
С другой стороны, предусмотрено устройство преобразователя мощности, которое выполняет синхронное выпрямление, в котором MOSFET-транзистор (полевой МОП-транзистор) используется в качестве переключающего элемента, и ток разделения между переключающим элементом и диодом свободного хода используется для того, чтобы уменьшать потери. (Например, патентный документ 2.)
Список ссылочных материалов предшествующего уровня техники
Патентные документы
Патентный документ 1. Национальная публикация международной заявки на патент WO 02/084855
Патентный документ 2. Японская публикация патентной заявки номер 2008-61403
Раскрытие изобретения
Проблемы, разрешаемые изобретением
В устройстве преобразователя мощности с использованием синхронного выпрямления, раскрытом посредством патентного документа 2, в некоторых случаях ток делится так, что он протекает в переключающем элементе и в диоде свободного хода. Следовательно, в отличие от патентного документа 1 падение напряжения не может компенсироваться посредством определения того, протекает ток в переключающем элементе или в диоде свободного хода.
В таком случае это изобретение направлено на то, чтобы предоставить устройство преобразователя мощности, в котором ток делится так, что он протекает в нескольких полупроводниковых элементах, падение напряжения в полупроводниковых элементах может компенсироваться и выходное напряжение с высокой точностью может быть получено.
Средство разрешения проблем
Устройство преобразователя мощности, которое выполнено так, что в плече, содержащем две группы полупроводниковых устройств, которые подключены последовательно, и группа полупроводниковых устройств содержит переключающий элемент и полупроводниковое устройство, отличное от переключающего элемента, которые подключаются параллельно, соединительная точка, к которой группы полупроводниковых устройств подключены последовательно, является выходным контактным выводом переменного тока, и оба конца плеч являются контактными выводами постоянного тока, и ток разделения формируется в токе, который протекает в группе полупроводниковых устройств между элементами в группе полупроводниковых устройств, и предусмотрены датчик тока, который определяет ток, который протекает в группе полупроводниковых устройств, модуль формирования команд управления напряжением, который вычисляет значение команды управления напряжением, которое должно выводиться, модуль вычисления падения напряжения, который вычисляет падение напряжения группы полупроводниковых устройств посредством использования значения тока, которое определяется посредством датчика тока, и характеристик падения напряжения, включающих в себя характеристику разделения полупроводникового устройства, и модуль управления переключением, который корректирует значение команды управления напряжением, которое формируется посредством модуля формирования команд управления напряжением посредством использования падения напряжения, которое вычисляется посредством модуля вычисления падения напряжения для того, чтобы управлять включением/выключением переключающего элемента.
Преимущество изобретения
В устройстве преобразователя мощности, в котором ток делится так, что он протекает во множестве полупроводниковых элементов, напряжение рассогласования, которое формируется между командой управления напряжением и выходным напряжением и вызывается посредством падения напряжения в полупроводниковом устройстве, компенсируется, и выходное напряжение с высокой точностью может быть получено.
Краткое описание чертежей
Фиг.1 является принципиальной схемой, показывающей пример конфигурации блока питания, к которой применяется устройство преобразователя мощности согласно варианту 1 осуществления настоящего изобретения;
Фиг.2 является принципиальной схемой, показывающей главную схему (плечо) устройства преобразователя мощности согласно варианту 1 осуществления настоящего изобретения;
Фиг.3 является блок-схемой, показывающей модуль управления устройства преобразователя мощности согласно варианту 1 осуществления настоящего изобретения;
Фиг.4 является схемой последовательности операций, показывающей работу устройства преобразователя мощности согласно варианту 1 осуществления настоящего изобретения;
Фиг.5 является схемой, поясняющей варьирование периода вычисления V_on и периода коррекции, в котором значение команды управления напряжением корректируется посредством использования значения V_on согласно варианту 1 осуществления настоящего изобретения;
Фиг.6 является схемой, поясняющей работу в каждом состоянии устройства преобразователя мощности согласно варианту 1 осуществления настоящего изобретения;
Фиг.7 является схемой, показывающей характеристики падения напряжения, включающие в себя характеристику тока разделения группы полупроводниковых устройств согласно варианту 1 осуществления настоящего изобретения;
Фиг.8 является схемой последовательности операций, поясняющей работу устройства преобразователя мощности согласно варианту 2 осуществления настоящего изобретения;
Фиг.9 является схемой, показывающей пример характеристик падения напряжения, включающих в себя характеристику тока разделения группы полупроводниковых устройств в мертвое время согласно варианту 2 осуществления настоящего изобретения;
Фиг.10 является принципиальной схемой, показывающей главную схему (плечо) устройства преобразователя мощности согласно варианту 3 осуществления настоящего изобретения;
Фиг.11 является блок-схемой, показывающей модуль управления устройства преобразователя мощности согласно варианту 3 осуществления настоящего изобретения;
Фиг.12 является принципиальной схемой, показывающей главную схему (плечо) устройства преобразователя мощности согласно варианту 4 осуществления настоящего изобретения;
Фиг.13 является схемой, показывающей пример характеристик падения напряжения, включающих в себя характеристику разделения группы полупроводниковых устройств согласно варианту 4 осуществления настоящего изобретения;
Фиг.14 является принципиальной схемой, показывающей главную схему (плечо) другого устройства преобразователя мощности согласно варианту 4 осуществления настоящего изобретения;
Фиг.15 является принципиальной схемой, показывающей главную схему (плечо) устройства преобразователя мощности согласно варианту 5 осуществления настоящего изобретения;
Фиг.16 является схемой, показывающей пример характеристик падения напряжения, включающих в себя характеристику тока разделения группы полупроводниковых устройств согласно варианту 5 осуществления настоящего изобретения;
Фиг.17 является принципиальной схемой, показывающей главную схему (плечо) устройства преобразователя мощности согласно варианту 6 осуществления настоящего изобретения;
Фиг.18 является схемой, показывающей пример характеристик падения напряжения, включающих в себя характеристику тока разделения группы полупроводниковых устройств согласно варианту 6 осуществления настоящего изобретения;
Фиг.19 является принципиальной схемой, показывающей главную схему (плечо) другого устройства преобразователя мощности согласно варианту 6 осуществления настоящего изобретения;
Фиг.20 является принципиальной схемой, показывающей главную схему (плечо) другого устройства преобразователя мощности согласно варианту 6 осуществления настоящего изобретения;
Фиг.21 является принципиальной схемой, показывающей главную схему (плечо) устройства преобразователя мощности согласно варианту 7 осуществления настоящего изобретения;
Фиг.22 является схемой, показывающей пример характеристик падения напряжения, включающих в себя характеристику тока разделения группы полупроводниковых устройств согласно варианту 7 осуществления настоящего изобретения;
Фиг.23 является принципиальной схемой, показывающей другой пример конфигурации блока питания, к которой применяется устройство преобразователя мощности согласно настоящему изобретению; и
Фиг.24 является блок-схемой, показывающей модуль управления в случае, если устройство преобразователя мощности настоящего изобретения применяется к блоку питания, показанному на фиг.23.
Подробное описание вариантов осуществления изобретения
Вариант 1 осуществления
Фиг.1 является схемой, показывающей схему блока питания, к которой применяется настоящее изобретение. Фиг.1 является принципиальной схемой в случае, если устройство преобразователя мощности настоящего изобретения применяется к устройству приведения в действие электродвигателя с регулируемой скоростью вращения в качестве примера блока питания. Блок питания делится в широком смысле на преобразователь 1 на входной стороне и преобразователь 2 на выходной стороне, и преобразователь 1 на входной стороне и преобразователь 2 на выходной стороне обычно подключаются к узлу 10 постоянного тока. Преобразователь 1 на входной стороне, главным образом, состоит из диодного выпрямителя 3 и реактора 4 переменного тока и подключается к системе 5 электропитания. Диодный выпрямитель 3 состоит из p-i-n-диодов, номинальное напряжение которых выше постоянного напряжения, или из диодов Шотки, и диодный выпрямитель 3 преобразует переменное сетевое напряжение в постоянное напряжение.
С другой стороны, в качестве преобразователя 2 на выходной стороне группа полупроводников, содержащая переключающий элемент и диод свободного хода, который является полупроводниковым элементом, отличным от переключающего элемента, которые подключаются параллельно, используется, и несколько плеч 21, которые являются группами полупроводниковых устройств, подключены последовательно, используются в зависимости от необходимого числа фаз вывода. Оба конца каждого плеча 21 подключаются совместно к узлу 10 постоянного тока, в средней точке плеча 21, то есть в соединительной точке группы полупроводниковых устройств, предоставляется выходной контактный вывод переменного тока, который подключается к электродвигателю 8. В случае приведения в действие трехфазного электродвигателя всего три плеча 21 используются; используются шесть групп полупроводниковых устройств. Дополнительно, модуль 22 управления, который управляет электродвигателем 8, предоставляется, и модуль 22 управления в завершение управляет включением/выключением переключающих элементов в группах полупроводниковых устройств. Дополнительно, в настоящем изобретении преобразователь 2 на выходной стороне является устройством преобразователя мощности, которое является целью изобретения.
Фиг.2 является схемой, на которой однофазная часть плеча 21 фокусируется, описывающей подробности преобразователя 2 на выходной стороне. Преобразователь 2 на выходной стороне содержит модуль 21 главной схемы, который является плечом, и модуль 22 управления. В модуле 21 главной схемы, когда верхняя ветвь поясняется в качестве примера, один набор группы 25a полупроводниковых устройств содержит переключающий элемент 23a и диод 24a свободного хода, и переключающий элемент 23a и диод 24a свободного хода подключаются параллельно. В варианте 1 осуществления переключающий элемент 23a является одним или более MOSFET-транзисторов, а диод 24a свободного хода является паразитным диодом MOSFET-транзистора. Следовательно, группа 25a полупроводниковых устройств содержит MOSFET-транзистор 23a и паразитный диод 24a MOSFET-транзистора. Фиг.2 показывает пример, имеющий только один MOSFET-транзистор, тем не менее, в случае, если величина тока является большой, множество MOSFET-транзисторов может подключаться параллельно, в случае, если напряжение является высоким, множество MOSFET-транзисторов может быть включено последовательно, и они оба могут быть использованы одновременно. Группа 25b полупроводниковых устройств конфигурируется способом, аналогичным группе 25a полупроводниковых устройств. Ссылка с номером 26 указывает датчик тока и используется для определения направления и величины выходного тока, например, датчик тока, в котором используется дырочный датчик и т.д., может быть использован.
С другой стороны, конечная цель модуля 22 управления состоит в том, чтобы управлять крутящим моментом или числом оборотов и т.д. электродвигателя, который подключается к выходному контактному выводу. Чтобы достигать конечной цели, модуль 22 управления управляет включением/выключением переключающего элемента 23a и 23b и управляет средним напряжением выходного напряжения V_out в период переключения.
Для подробного описания модуля 22 управления на фиг.3 показана блок-схема модуля 22 управления. Модуль 22 управления, главным образом, содержит модуль 31 формирования команд управления напряжением, который вычисляет значение команды управления напряжением для управления скоростью вращения электродвигателя и крутящим моментом, модуль 32 вычисления падения напряжения, который вычисляет падение напряжения группы полупроводниковых устройств, и модуль 33 управления переключением. Модуль 31 формирования команд управления напряжением может легко формировать команду V_refl управления напряжением посредством использования хорошо известной технологии, включающей в себя векторное управление и управление на основе V/f-константы, которое обычно используется. Например, в случае, если электродвигатель, имеющий номинальную скорость вращения 1800 об/мин, номинальную частоту в 60 Гц и номинальное напряжение (напряжение сети) 200 В, приводится в действие, когда электродвигатель управляется так, что имеет 900 об/мин, что составляет половину номинальной скорости вращения, посредством использования управления на основе V/f-константы при 30 Гц, напряжение, которое задается посредством преобразования фазного напряжения 100 В, которое составляет половину номинального напряжения, предоставляется в качестве команды V_refl управления напряжением.
В модуле 33 управления переключением включение/выключение переключающего элемента определяется для того, чтобы инструктировать команде V_refl управления напряжением, которая предоставляется, совпадать со средним напряжением выходного напряжения в полупериод переключения. В общем, во многих случаях ШИМ-управление выполняется в качестве управления, в случае ШИМ-управления способ, в котором пространственный вектор используется или способ сравнения на основе треугольных несущих используется, здесь способ сравнения на основе треугольных несущих, как показано на фиг.4, описывается в качестве примера.
Средняя точка узла постоянного тока задумывается в качестве опорного потенциала действительного фазного напряжения, и постоянное напряжение задается как ±Vdc (напряжение между обоими концами плеча составляет 2Vdc). Максимальное значение и минимальное значение треугольной несущей, показанной на фиг.4, составляет +1 и -1 соответственно. Стандартизация выполняется посредством разделения команды V_ref управления напряжением, которая предоставляется в модуль 33 управления переключением, на Vdc для того, чтобы вычислять сигнал V_ref/Vdc значения команды управления. Сигнал V_ref/Vdc значения команды управления, который стандартизирован, и треугольная несущая сравниваются, когда сигнал значения команды управления превышает треугольную несущую, переключающий элемент верхней ветви находится во включенном состоянии, и переключающий элемент нижней ветви находится в отключенном состоянии. Наоборот, когда сигнал значения команды управления меньше треугольной несущей, переключающий элемент верхней ветви находится в отключенном состоянии и переключающий элемент нижней ветви находится во включенном состоянии. Посредством осуществления управления так, как упомянуто выше, в идеале, среднее значение V_out выходного напряжения в полупериод Tsw переключения равняется команде V_ref управления напряжением.
Тем не менее, в модуле 31 формирования команд управления напряжением, значение V_refl команды управления напряжением определяется без учета падения напряжения, которое формируется в группе полупроводниковых устройств. Следовательно, в случае, если модуль 33 управления переключением определяет время включения/выключения переключающего элемента посредством использования V_refl1 фактическое выходное напряжение V_out получается посредством вычитания величины падения V_on напряжения в группе полупроводниковых устройств из команды V_refl управления напряжением, то есть V_out=V_refl-V_on.
Затем падение V_on напряжения в группе полупроводниковых устройств, которое формируется в определенный полупериод переключения, корректируется в следующий полупериод переключения, и V_ref предоставляется в качестве V_refl+V_on в модуль 33 управления переключением. Модуль 32 вычисления падения напряжения вычисляет V_on. Дополнительно, частота треугольной несущей составляет, например, 10 кГц, то есть период переключения составляет 100 мс, а полупериод переключения, который указывается посредством Tsw на фиг.4, составляет 50 мс. Следовательно, в случае, если выполнение вычисления проводится не вовремя, даже если коррекция выполняется в следующий полупериод переключения после следующего или дополнительно в следующий полупериод переключения, точность практически не снижается.
Дополнительно, здесь падение V_on напряжения группы полупроводниковых устройств, которое формируется в определенный полупериод переключения, корректируется в следующем или следующем после следующего полупериода переключения, тем не менее, не всегда обязательно выполнять вычисление и коррекцию падения напряжения в единице полупериода, но можно выполнять вычисление и коррекцию падения напряжения в единице целого кратного полупериода. Фиг.5 показывает варьирование периода вычисления V_on и периода коррекции, когда значение команды управления напряжением корректируется посредством использования значения V_on. Фиг.5(a) показывает пример, в котором коррекция выполняется в непосредственно следующий полупериод переключения посредством использования V_on, которое вычисляется в определенный полупериод переключения, как описано выше. Фиг.5(b) показывает пример, в котором коррекция выполняется в полупериод переключения после следующего полупериода с использованием V_on, которое вычисляется в определенный полупериод переключения. Фиг.5(c) показывает пример, в котором коррекция выполняется в непосредственно следующий один период переключения посредством использования V_on, которое вычисляется в определенный один период переключения. Фиг.5(d) показывает пример, в котором коррекция выполняется в непосредственно следующий полупериод переключения посредством использования V_on, которое вычисляется в определенный один период переключения. Фиг.5(e) показывает пример, в котором коррекция выполняется в непосредственно следующий один период переключения посредством использования V_on, которое вычисляется в определенный полупериод переключения.
То есть когда напряжение включения в n-ный период полупериода переключения (n является положительным целым числом), включающий в себя полупериод, один период, полтора полупериода и два периода переключения и т.д., корректируется в m-тый период следующего полупериода переключения (m является положительным целым числом), включающий в себя следующий полупериод переключения, следующий один период, следующие полтора периода и следующие два периода и т.д., точность практически не снижается.
В случае, если выполнение вычисления проводится не вовремя, коррекция не требуется для выполнения в непосредственно следующий m-тый период полупериода переключения, коррекция может быть выполнена в m-тый период полупериода переключения после следующего полупериода или после следующего одного периода.
Фиг.6 является схемой для описания одной фазы плеча, содержащего MOSFET-транзистор и паразитные диоды MOSFET-транзистора, и пути выходного тока, и схемой формы сигнала тока для выходного тока I_out и тока, который протекает в группе полупроводниковых устройств каждой ветви. На фиг.6, например, в случае, если выходной ток является положительным, и MOSFET-транзистор верхней ветви находится во включенном состоянии (состоянии, показанном на (a)), выходной ток протекает только в MOSFET-транзисторе верхней ветви. С другой стороны, в случае, если выходной ток является положительным, и MOSFET-транзистор нижней ветви находится во включенном состоянии (состоянии, показанном на (b)), выходной ток протекает в MOSFET-транзисторе нижней ветви и диоде свободного хода, который параллельно подключен к MOSFET-транзистору нижней ветви (так называемый ток разделения). В случае, если выходной ток является отрицательным, состояние является обратным. (Состояние показано на (c) или (d).) Дополнительно, как показано на фиг.6, форма сигнала тока каждой группы полупроводниковых устройств является формой сигнала, в которой ток попеременно протекает в верхней группе элементов и нижней группе элементов. Падение V_on напряжения, которое формируется в группе полупроводниковых устройств, зависит от характеристик тока разделения. Модуль 32 вычисления падения напряжения, показанный на фиг.3, вычисляет вышеуказанное падение напряжения, которое формируется в группе полупроводниковых устройств.
Фиг.7 показывает пример характеристик падения напряжения-тока (сплошная жирная линия = функция Fvon())MOSFET-транзистора, паразитного диода MOSFET-транзистора и группы полупроводниковых устройств, содержащей MOSFET-транзистор и паразитный диод MOSFET-транзистора, которые подключаются параллельно при определенной температуре. На фиг.7 в случае, если обратный ток в группе полупроводниковых устройств, которая находится во включенном состоянии (=Id_up или Id_low), составляет I_l или меньше, ток протекает только в MOSFET-транзисторе, следовательно, демонстрируется линейная характеристика. С другой стороны, в случае, когда обратный ток в группе полупроводниковых устройств, которая находится во включенном состоянии, превышает I_l, паразитный диод MOSFET-транзистора является электропроводящим, ток разделения формируется в MOSFET-транзисторе и паразитном диоде MOSFET-транзистора, демонстрируется характеристика, а именно увеличение падения напряжения относительно тока подавляется.
То есть в период времени, пока переключающий элемент верхней ветви находится во включенном состоянии (=Ton_up, см. фиг.4), обратный ток Id_up в группе полупроводниковых устройств верхней ветви составляет -I_out, падение Von_up напряжения в переключающем элементе верхней ветви получается посредством Fvon(-i_out). С другой стороны, в период времени, пока переключающий элемент нижней ветви находится во включенном состоянии (=Ton_low, см. фиг.4) обратный ток Id_low в группе полупроводниковых устройств нижней ветви составляет +I_out, падение Von_low напряжения в группе полупроводниковых устройств нижней ветви получается посредством Fvon(I_out). С учетом отношения времен включения в полупериод переключения (=Tsw) среднее значение падения V_on напряжения, которое формируется в полупериод переключения, получается посредством уравнения (1):
V_on=-Fvon(Id_up=-I_out)*(Ton_up/Tsw)+Fvon(Id_low=I_out)*(Ton_low/Tsw). (1)
Дополнительно, в случае, если V_on вычисляется не в полупериод переключения, а в n-ный период полупериода переключения, включающий в себя один период переключения и полтора периода переключения, V_on получается посредством рассмотрения каждого отношения времен включения в n-ный период полупериода переключения.
Дополнительно, касательно функции Fvon(), когда характеристики устройства, показанные на фиг.7, рассматриваются, посредством использования математического уравнения, посредством использования таблицы или посредством использования обоих из математического уравнения и таблицы, может быть получен эквивалентный эффект. Например, функция Fvon() получается согласно состоянию обратного тока Id следующим образом. То есть когда Id<I_1, Fvon(Id)=A*Id (2),
а когда Id>=I_1, Fvon(Id)=B*Id+C . (3)
Константа A, B и C определяется согласно полупроводниковому устройству, которое должно быть использовано.
Как упомянуто выше, модуль 32 вычисления падения напряжения вычисляет падение V_on напряжения, которое формируется в группе полупроводниковых устройств посредством использования выходного тока I_out, который определяется, данных времени включения каждого переключающего элемента в полупериод переключения, которые принимаются из модуля 33 управления переключением, и функции Fvon(). Вычисленное падение V_on напряжения добавляется к команде V_refl управления напряжением, которая формируется в модуле 31 формирования команд управления напряжением, для того чтобы вычислять команду V_ref управления напряжением. Команда V_ref управления напряжением вводится в модуль 33 управления переключением для того, чтобы управлять включением/выключением переключающего элемента в группе полупроводниковых устройств в следующий полупериод переключения.
Посредством выполнения вышеуказанного падение напряжения, которое формируется в MOSFET-транзисторе и паразитном диоде MOSFET-транзистора, может компенсироваться. Следовательно, выходное напряжение с высокой точностью может быть получено. Дополнительно, в устройстве приведения в действие электродвигателя при низкой скорости вращения и с высоким крутящим моментом, то есть в состоянии, в котором выходное напряжение является небольшим, а ток является большим, падение напряжения, которое формируется в группе полупроводниковых устройств, становится относительно большим. Следовательно, когда падение напряжения не компенсируется, формируется колебание крутящего момента. Тем не менее, согласно настоящему изобретению колебание крутящего момента может снижаться.
Дополнительно, в вышеуказанном описании использование полупроводникового устройства при определенной постоянной температуре допускается, тем не менее, характеристика полупроводникового устройства изменяется согласно температурам. Следовательно, при условиях, когда температуры полупроводникового устройства сильно изменяются, температурный датчик, который определяет температуру группы полупроводниковых устройств или температуру каждого полупроводникового устройства, присоединяется для того, чтобы вычислять падение напряжения, которое формируется в группе полупроводниковых устройств, посредством использования характеристики, то есть функции Fvon(), группы полупроводниковых устройств при определенной температуре. Посредством выполнения вышеуказанного точность дополнительно повышается.
Как описано выше, посредством устройства преобразователя мощности согласно варианту 1 осуществления настоящего изобретения, даже в случае, если ток разделения формируется в группе 25a и 25b полупроводниковых устройств, коррекция напряжения может быть выполнена с высокой точностью. Дополнительно, в отличие от патентного документа 1, без предоставления датчика тока, который определяет значение тока и направление тока в верхней ветви и нижней ветви соответственно, посредством использования только датчика 26 тока, который определяет выходной ток, посредством использования значения тока, которое определяется посредством датчика 26 тока, и отношения времен включения переключающих элементов, которые предоставляются в верхней ветви и нижней ветви, падение напряжения может быть вычислено, следовательно, конфигурация устройства преобразователя мощности является простой.
Вариант 2 осуществления
Фиг.8 является схемой последовательности операций, показывающей работу устройства преобразователя мощности согласно варианту 2 осуществления настоящего изобретения. В варианте 1 осуществления случай, в котором период времени, когда оба из верхнего переключающего элемента и нижнего переключающего элемента одновременно находятся в отключенном состоянии (мертвое время), является чрезвычайно небольшим и пренебрежимо малым, допускается, тем не менее, в случае, если существует влияние мертвого времени, которое предоставляется для защиты группы полупроводниковых устройств, когда путь тока в течение мертвого времени и падение напряжения в группе полупроводниковых устройств включаются, величина падения напряжения, которое формируется в течение мертвого времени, может быть скорректирована. Следовательно, выходное напряжение с более высокой точностью может быть получено.
Как показано на фиг.8, мертвое время Td (период, который указывается посредством диагональной линии) предоставляется посредством формирования разности времен между временем нарастания при включении мощности MOSFET-транзистора и временем нарастания при выключении мощности MOSFET-транзистора для предотвращения короткого замыкания для того, чтобы защищать группу полупроводниковых устройств. В течение периода Td MOSFET-транзистор находится в отключенном состоянии; следовательно, падение напряжения в течение периода Td только формируется в диоде. Следовательно, в случае, если Td является большим, ошибка формируется между падением напряжения, которое формируется в течение периода Td, и величиной коррекции падения напряжения, которая вычисляется при условии, что ток протекает также в MOSFET-транзисторе посредством игнорирования периода Td. В этом случае величина коррекции падения напряжения получается посредством рассмотрения характеристики группы полупроводниковых устройств в течение периода Td, как показано на фиг.9, то есть ток не протекает в MOSFET-транзисторе в течение периода Td.
Конкретно, величина коррекции падения напряжения получается следующим образом. Фиг.9 показывает характеристику группы полупроводниковых устройств в течение периода Td, то есть функцию Fvon_td(). Когда ток I_out является положительным, ток протекает в диоде нижней ветви, а когда ток I_out является отрицательным, ток протекает в диоде верхней ветви. Дополнительно в случае, если более двух диодов подключаются параллельно, к примеру, в случае, если диод Шотки в дополнение к паразитному диоду MOSFET-транзистора подключается параллельно, который описан в варианте 4 осуществления ниже, например, когда выходной ток составляет I_l или меньше, ток протекает только в диоде Шотки, когда выходной ток составляет I_l или выше, ток также протекает в паразитном диоде MOSFET-транзистора, следовательно, формируется ток разделения. Характеристика, в которой вышеуказанное учитывается, является характеристикой Fvon_td() группы полупроводниковых устройств в течение периода Td, показанного на фиг.9. Затем, посредством использования функции Fvon_td() и характеристики Fvon() группы полупроводниковых устройств в период, отличный от периода Td, среднее значение падения напряжения в полупериод переключения получается посредством уравнения (5):
V_on=Fvon_td (I_out)*(Td/Tsw)
-von(Id_up=-I_out)*(Ton_up/Tsw)
+Fvon(Id_low=I_out)*(Ton_low/Tsw). 
Следовательно, как упомянуто выше, может быть получена величина коррекции V_on.
Вариант 3 осуществления
Фиг.10 является схемой, показывающей главную схему (плечо) устройства преобразователя мощности согласно варианту 3 осуществления настоящего изобретения. В варианте 1 осуществления датчик 26 тока предоставляется для того, чтобы определять выходной ток I_out, тем не менее, в варианте 2 осуществления, как показано на фиг.10, датчик 29a тока и датчик 29b тока предоставляются так, что они непосредственно определяют ток Id_up, который протекает в группе полупроводниковых устройств верхней ветви 25a, и ток Id_low, который протекает в группе полупроводниковых устройств нижней ветви 25b, соответственно. В общем, когда выходной ток составляет I_out=-Id_up+Id_low, Id_up или Id_low равно нулю в зависимости от состояния переключения, тем не менее, в случае, если ток утечки, когда MOSFET-транзистор находится в отключенном состоянии, не является пренебрежимо малым, точность может быть повышена посредством использования датчиков 29a и 29b тока, как показано на фиг.10.
В этом случае, в качестве значения тока, который протекает в верхней ветви и нижней ветви, ток Id_up и ток Id_low могут быть определены отдельно. Здесь, чтобы получать V_on, не выходной ток I_out, а ток Id_up и ток Id_low, которые определяются, используются. Определенный ток Id_up и Id_low имеет значения тока, которые взвешиваются согласно соответствующему отношению времен включения. Следовательно, в отличие от уравнения (1), необязательно использовать соответствующее отношение времен включения, посредством использования уравнения V_on=-Fvon(Id_up)+Fvon(Id_low) (4), среднее значение V_on может быть получено. Следовательно, в модуле 32 вычисления падения напряжения в модуле 22 управления в варианте 3 осуществления, как показано на фиг.11, необязательно принимать данные, касающиеся времени включения, из модуля 33 управления переключением.
Как описано выше, согласно устройству преобразователя мощности в варианте 3 осуществления, даже в случае, если ток разделения формируется в группе 25a полупроводниковых устройств и 25b, коррекция напряжения с высокой точностью может быть выполнена. Дополнительно, в отличие от патентного документа 1, без определения того, протекает ток в переключающем элементе или в диоде свободного хода каждой верхней ветви и каждой нижней ветви, падение напряжения быть вычислено с использованием значения тока, которое определяется посредством датчика 29a и 29b тока. Следовательно, конфигурация устройства преобразователя мощности может быть простой.
Вариант 4 осуществления
Фиг.12 является схемой, показывающей главную схему (плечо) устройства преобразователя мощности согласно варианту 4 осуществления настоящего изобретения. Базовая конфигурация является идентичной конфигурации, показанной на фиг.1 и фиг.3. В варианте 4 осуществления, в отличие от фиг.2 в варианте 1 осуществления, как показано на фиг.12, когда верхняя ветвь рассматривается в качестве примера, диод 63a Шотки подключается параллельно в качестве диода свободного хода к MOSFET-транзистору 61a переключающего элемента преобразователя 2 на выходной стороне. Также в этом случае, паразитный диод 62a MOSFET-транзистора содержится в структуре MOSFET-транзистора; следовательно, паразитный диод 62a также выступает в качестве диода свободного хода. Следовательно, один набор группы 64a полупроводниковых устройств содержит MOSFET-транзистор 61a, диод 63a Шотки и паразитный диод 62a MOSFET-транзистора. В нижней ветви один набор группы 64b полупроводниковых устройств имеет конфигурацию, идентичную конфигурации группы 64a полупроводниковых устройств. Согласно вышеуказанной конфигурации группы полупроводниковых устройств рабочие характеристики паразитного диода MOSFET-транзистора не являются хорошими; поэтому группа полупроводниковых устройств, имеющая вышеуказанную конфигурацию, зачастую используется в целях использования рабочих характеристик диода Шотки в качестве диода свободного хода.
В вышеуказанной конфигурации группы полупроводниковых устройств путь тока разделения имеет три направления. Следовательно, конфигурация модуля 22 управления является идентичной конфигурации, показанной на фиг.3, тем не менее, следующая характеристика предоставляется в модуль 32 вычисления падения напряжения на фиг.3.
Фиг.13 показывает пример характеристик падения напряжения-тока MOSFET-транзистора, диода Шотки, паразитного диода MOSFET-транзистора и группы полупроводниковых устройств, содержащей MOSFET-транзистор, диод Шотки и паразитный диод MOSFET-транзистора, которые подключаются параллельно при определенной температуре. На фиг.13 в случае, если обратный ток в группе полупроводниковых устройств, которая находится во включенном состоянии (=Id_up или Id_low), составляет I_l или меньше, ток протекает только в MOSFET-транзистор, следовательно, демонстрируется линейная характеристика. С другой стороны, в случае, если обратный ток в группе полупроводниковых устройств, которая находится во включенном состоянии, превышает I_l, диод Шотки является электропроводящим, ток разделения формируется в MOSFET-транзисторе и барьере Шотки и демонстрируется характеристика, а именно увеличение падения напряжения относительно тока подавляется. Дополнительно, в случае, если обратный ток в группе полупроводниковых устройств, которая находится во включенном состоянии, превышает I_2, паразитный диод MOSFET-транзистора является электропроводящим, ток разделения формируется в MOSFET-транзисторе, диоде Шотки и паразитном диоде MOSFET-транзистора и демонстрируется характеристика, а именно увеличение падения напряжения относительно тока дополнительно подавляется.
В модуле 32 вычисления падения напряжения на фиг.3, который вычисляет падение напряжения в группе полупроводниковых устройств, характеристика Fvon(), показанная на фиг.13, включается в качестве таблицы, в качестве математического уравнения или в качестве них обоих, и падение V_on напряжения в группе полупроводниковых устройств выводится. В завершение V_on добавляется так, что оно корректирует команду V_refl управления напряжением, и V_ref, которая является конечной командой, извлекается. На основе V_ref модуль 33 управления переключением выполняет управление включением/выключением переключающего элемента в группе полупроводниковых устройств.
На фиг.13 пример, в котором ток протекает в порядке MOSFET-транзистора, диода Шотки и паразитного диода MOSFET-транзистора относительно увеличения обратного тока, тем не менее, порядок не ограничивается вышеуказанным, и предусмотрены некоторые случаи, в которых порядок отличается в зависимости от отдельных характеристик.
Как упомянуто выше, даже в случае, если диод Шотки используется в качестве диода свободного хода, согласно варианту 4 осуществления, падение напряжения, которое формируется в MOSFET-транзисторе, диоде Шотки и паразитном диоде MOSFET-транзистора, корректируется. Следовательно, выходное напряжение с высокой точностью может быть получено, и колебание крутящего момента может снижаться.
В вышеприведенном описании MOSFET-транзистор, паразитный диод MOSFET-транзистора и диод Шотки используются в группе полупроводниковых устройств, тем не менее, когда p-i-n-диод используется вместо диода Шотки посредством рассмотрения характеристики p-i-n-диода аналогично характеристике, показанной на фиг.13, идентичный эффект может быть получен.
Когда существует влияние мертвого времени, как описано в варианте 2 осуществления, посредством включения характеристик пути тока и падения напряжения в группе полупроводниковых устройств величина падения напряжения, которое формируется в мертвое время, может быть скорректирована. Следовательно, выходное напряжение с более высокой точностью может быть получено в варианте 4 осуществления.
Выше, датчик 65 тока предоставляется для того, чтобы определять выходной ток I_out, тем не менее, аналогично описанию варианта 3 осуществления, как показано на фиг.14, датчик 67a тока и датчик 67b тока могут предоставляться так, что они непосредственно определяют ток Id_up, который протекает в группе 64a полупроводниковых устройств верхней ветви, и ток Id_low, который протекает в группе 64b полупроводниковых устройств нижней ветви, соответственно. В общем, когда выходной ток составляет I_out=-Id_up+Id_low, Id_up или Id_low равно нулю в зависимости от состояния переключения, тем не менее, в случае, если ток утечки, когда MOSFET-транзистор находится в отключенном состоянии, не является пренебрежимо малым, точность может быть повышена посредством использования датчиков 67a и 67b тока, как показано на фиг.14.
Дополнительно, аналогично описанному в варианте 1 осуществления, при условиях, когда температуры полупроводникового устройства сильно изменяются, температурный датчик, который определяет температуру группы полупроводниковых устройств или температуру каждого полупроводникового устройства, присоединяется для того, чтобы вычислять падение напряжения, которое формируется в группе полупроводниковых устройств, посредством использования характеристики группы полупроводниковых устройств, то есть функции Fvon(), при определенной температуре. Посредством выполнения вышеуказанного точность дополнительно повышается.
Вариант 5 осуществления
Фиг.15 является схемой, показывающей главную схему (плечо) устройства преобразователя мощности согласно варианту 5 осуществления настоящего изобретения. В варианте 4 осуществления датчик 26 тока предоставляется для того, чтобы определять выходной ток I_out либо Id_up, Id_low каждой верхней ветви или каждой нижней ветви, тем не менее, в варианте 5 осуществления, как показано на фиг.15, чтобы непосредственно определять ток, который протекает в каждом полупроводниковом устройстве, включающем в себя MOSFET-транзисторы, составляющие группу 64a и 64b полупроводниковых устройств, и диоды свободного хода, предоставляются датчики 68a и 68b тока, которые определяют абсолютные величины и направления тока Im, который протекает в MOSFET-транзисторах 61a и 61b, которые являются переключающими элементами, и в паразитных диодах 62a и 62b MOSFET-транзисторов, и датчики 69a и 69b тока, которые определяют абсолютные величины и направления тока Is диодов 63a и 63b Шотки.
Вычисление значения коррекции падения напряжения в этом случае описывается со ссылкой на фиг.16. Рассматривается верхняя ветвь. Датчик 68a тока определяет ток Im_up, который протекает в группе полупроводниковых устройств, включающей в себя MOSFET-транзистор 61a и паразитный диод 62a MOSFET-транзистора. Следовательно, посредством тока, который определяется посредством датчика 68a тока, падение напряжения, которое формируется в группе полупроводниковых устройств, включающей в себя MOSFET-транзистор 61a и паразитный диод 62a MOSFET-транзистора, получается посредством характеристики Fvon_m() группы полупроводниковых устройств, включающей в себя MOSFET-транзистор и паразитный диод, указываемый посредством сплошной линии на фиг.16. Дополнительно, датчик 69a тока определяет ток Is_up, который протекает в диоде 63a Шотки. Следовательно, посредством тока, который определяется посредством датчика 69a тока, падение напряжения, которое формируется в диоде 63a Шотки, получается посредством характеристики Fvon_s() диода Шотки, указываемой посредством сплошной линии на фиг.16.
Как можно видеть на фиг.16, когда полный ток Id_up верхней ветви составляет I_l или меньше, ток разделения, который протекает в диоде 63a Шотки, не формируется и ток, который определяется посредством датчика 69a тока, равен нулю. В это время Im_up составляет I_l или меньше, и падение Von_up напряжения получается посредством значения тока Im_up, который определяется посредством датчика 68a тока, и Fvon_m(), показанной на фиг.16. Когда Id_up составляет I_l или выше, ток разделения, который протекает в диоде 63a Шотки, формируется. В это время, ток разделения, который протекает в диоде 63a Шотки, формируется так, чтобы задавать падение напряжения в диоде 63a Шотки и падение напряжения, которое формируется в группе полупроводников MOSFET-транзистора 61a и паразитного диода 62a, одинаковым. Когда ток Im_up, который протекает в группе полупроводниковых устройств, включающей в себя MOSFET-транзистор 61a и паразитный диод 62a, составляет I_2, а ток Is_up, который протекает в диоде 63a Шотки, составляет I_3, как показано посредством падения V_l напряжения на фиг.16, они оба формируют идентичное падение V_l напряжения. Как упомянуто выше, ток разделения формируется таким образом, что Id_up=I_2+I_3. В это время падение напряжения в группе 64a полупроводниковых устройств верхней ветви, содержащей MOSFET-транзистор 61a, паразитный диод 62a MOSFET-транзистора и диод 63a Шотки, может быть получено посредством Fvon_m() с использованием значения Im_up, которое определяется посредством датчика 68a тока, также может быть получено посредством Fvon_s() с использованием значения Is_up, которое определяется посредством датчика 69a тока. Значения падения напряжения, которые получаются посредством вышеуказанных случаев, являются одинаковыми.
Например, в случае, если характеристика паразитного диода MOSFET-транзистора не может точно выражаться посредством функции или таблицы, когда ток составляет I_l или меньше, функция Fvon_m() характеристики MOSFET-транзистора приспосабливается, а когда ток составляет I_l или выше, приспосабливается функция Fvon_s() диода Шотки. Посредством выполнения вышеуказанного, напряжение включения может быть скорректировано с более высокой точностью, чем в случае, который описывается в варианте 4 осуществления.
Вариант 6 осуществления
Фиг.17 является схемой, показывающей главную схему (плечо) устройства преобразователя мощности согласно варианту 6 осуществления настоящего изобретения. Базовая конфигурация является идентичной конфигурации, показанной на фиг.1 и фиг.3. В варианте 6 осуществления, в отличие от фиг.2 в варианте 1 осуществления, как показано на фиг.17, когда верхняя ветвь рассматривается в качестве примера, диод 93a Шотки и p-i-n-диод 94a подключаются параллельно в качестве диодов свободного хода к MOSFET-транзистору 91a переключающего элемента преобразователя 2 на выходной стороне. Также в этом случае, паразитный диод 92a MOSFET-транзистора содержится в структуре MOSFET-транзистора; следовательно, паразитный диод 92a также выступает в качестве диода свободного хода. Следовательно, один набор группы 95a полупроводниковых устройств содержит MOSFET-транзистор 91a, диод 93a Шотки, p-i-n-диод 94a и паразитный диод 92a MOSFET-транзистора. В нижней ветви один набор группы 95b полупроводниковых устройств имеет конфигурацию, идентичную конфигурации группы 95a полупроводниковых устройств.
Согласно вышеуказанной конфигурации группы полупроводниковых устройств рабочие характеристики паразитного диода MOSFET-транзистора не являются хорошими, поэтому комплект, в котором p-i-n-диод уже подключен, используется, и в случае, если диод Шотки используется для того, чтобы дополнительно улучшать рабочие характеристики, зачастую используется группа полупроводниковых устройств, имеющая вышеуказанную конфигурацию. В вышеуказанной конфигурации группы полупроводниковых устройств путь тока разделения имеет четыре направления. Следовательно, конфигурация модуля 22 управления является идентичной конфигурации в варианте 1 осуществления, тем не менее, следующая характеристика предоставляется в модуль 32 вычисления падения напряжения, который вычисляет падение напряжения в группе полупроводниковых устройств, показанной на фиг.3.
Фиг.18 показывает пример характеристик падения напряжения-тока MOSFET-транзистора, диода Шотки, p-i-n-диода, паразитного диода MOSFET-транзистора и группы полупроводниковых устройств, содержащей MOSFET-транзистор, диод Шотки и паразитный диод MOSFET-транзистора, которые подключаются параллельно при определенной температуре. На фиг.18 в случае, если обратный ток в группе полупроводниковых устройств, которая находится во включенном состоянии (=Id_up или Id_low), составляет I_l или меньше, ток протекает только в MOSFET-транзисторе, следовательно, демонстрируется линейная характеристика. С другой стороны, в случае, если обратный ток в группе полупроводниковых устройств, которая находится во включенном состоянии, превышает I_l, диод Шотки является электропроводящим, ток разделения формируется в MOSFET-транзисторе и диоде Шотки и демонстрируется характеристика, а именно увеличение падения напряжения относительно тока подавляется. Дополнительно, в случае, если обратный ток в группе полупроводниковых устройств, которая находится во включенном состоянии, превышает I_2, p-i-n-диод является электропроводящим, ток разделения формируется в MOSFET-транзисторе, диоде Шотки и p-i-n-диоде и демонстрируется характеристика, а именно увеличение падения напряжения относительно тока дополнительно подавляется. Дополнительно, в случае, если обратный ток в группе полупроводниковых устройств, которая находится во включенном состоянии, превышает I_3, паразитный диод MOSFET-транзистора является электропроводящим, ток разделения формируется в MOSFET-транзисторе, диоде Шотки, p-i-n-диоде и паразитном диоде MOSFET-транзистора и демонстрируется характеристика, а именно увеличение падения напряжения относительно тока дополнительно подавляется.
В модуле 32 вычисления падения напряжения на фиг.3 характеристика, показанная на фиг.18, включается в качестве таблицы, в качестве математического уравнения или в качестве их обоих и падение V_on напряжения в группе полупроводниковых устройств выводится. В завершение V_on добавляется так, что оно корректирует команду V_refl управления напряжением, и V_ref, которая является конечной командой, извлекается. На основе V_ref модуль 33 управления переключением выполняет управление включением/выключением переключающего элемента в группе полупроводниковых устройств.
На фиг.18 пример, в котором ток протекает в порядке MOSFET-транзистора, диода Шотки, p-i-n-диода и паразитного диода MOSFET-транзистора относительно увеличения обратного тока, тем не менее, порядок не ограничивается вышеуказанным, и предусмотрены некоторые случаи, в которых порядок отличается в зависимости от отдельных характеристик.
Как упомянуто выше, даже в случае, если диод Шотки и p-i-n-диод используются в качестве диода свободного хода согласно варианту 6 осуществления, падение напряжения, которое формируется в MOSFET-транзисторе, диоде Шотки и паразитном диоде MOSFET-транзистора, корректируется. Следовательно, выходное напряжение с высокой точностью может быть получено, и колебание крутящего момента может снижаться.
Когда существует влияние мертвого времени, как описано в варианте 2 осуществления, посредством включения характеристик пути тока и падения напряжения в группе полупроводниковых устройств, величина падения напряжения, которое формируется в мертвое время, может быть скорректирована. Следовательно, выходное напряжение с более высокой точностью может быть получено в варианте 6 осуществления.
Выше, датчик тока предоставляется для того, чтобы определять выходной ток I_out, аналогично описанию варианта 3 осуществления. Тем не менее, как показано на фиг.19, датчик 99a тока и датчик 99b тока могут предоставляться так, что они непосредственно определяют ток Id_up, который протекает в группе 95a полупроводниковых устройств верхней ветви, и ток Id_low, который протекает в группе 95b полупроводниковых устройств нижней ветви, соответственно. В общем, выходной ток составляет I_out=-Id_up+Id_low, и Id_up или Id_low равно нулю. Тем не менее, в случае, если ток утечки, когда MOSFET-транзистор находится в отключенном состоянии, не является пренебрежимо малым, точность может быть повышена посредством использования двух датчиков тока, как показано на фиг.19.
Дополнительно, аналогично описанному в варианте 5 осуществления, как показано на фиг.20, чтобы непосредственно определять ток, который протекает в каждом полупроводниковом устройстве, включающем в себя MOSFET-транзистор и диод свободного хода, составляющие группу полупроводниковых устройств, датчики 107a и 107b тока, которые определяют абсолютные величины и направления токов, которые протекают в MOSFET-транзисторах 91a и 91b в качестве переключающих элементов и паразитных диодах 92a и 92b MOSFET-транзисторов, и датчики 108a и 108b тока, которые определяют абсолютные величины и направления токов диодов 93a и 93b Шотки, и датчики 109a и 109b тока, которые определяют абсолютные величины и направления токов p-i-n-диодов 94a и 94b, могут быть подключены. В этом случае, когда напряжение вычисляется посредством фокусировки характеристики разделения только тока, который протекает в MOSFET-транзисторе и паразитном диоде MOSFET-транзистора, поэтому точность коррекции может быть повышена.
Дополнительно, аналогично описанному в варианте 1 осуществления, при условиях, когда температуры полупроводникового устройства сильно изменяются, температурный датчик, который определяет температуру группы полупроводниковых устройств или температуру каждого полупроводникового устройства, присоединяется для того, чтобы вычислять падение напряжения, которое формируется в группе полупроводниковых устройств, посредством использования характеристики группы полупроводниковых устройств при определенной температуре, то есть функции Fvon(). Посредством выполнения вышеуказанного точность дополнительно повышается.
Дополнительно, в вариантах 1-6 осуществления использование MOSFET-транзистора в качестве переключающего элемента допускается; тем не менее, когда JFET-транзистор (полевой транзистор с p-n-переходом) используется в качестве переключающего элемента, ток разделения формируется между диодом свободного хода аналогичным образом, поэтому эффект на уровне, идентичном уровню вариантов 1-6 осуществления, может быть получен.
Вариант 7 осуществления
Фиг.21 является схемой, показывающей главную схему (плечо) устройства преобразователя мощности согласно варианту 7 осуществления настоящего изобретения. Базовая конфигурация является идентичной конфигурации, показанной на фиг.1 и фиг.3. В варианте 7 осуществления, как показано на фиг.21, когда верхняя ветвь рассматривается в качестве примера, IGBT-транзистор 81a используется в качестве переключающего элемента преобразователя 2 на выходной стороне, p-i-n-диод 82a и диод 83a Шотки используются в качестве диодов свободного хода, и IGBT-транзистор 81a, p-i-n-диод 82a, диод 83a Шотки составляют группу 84a полупроводниковых устройств. В нижней ветви группа 84b полупроводниковых устройств имеет конфигурацию, идентичную конфигурации группы 84a полупроводниковых устройств. Вышеуказанная конфигурация зачастую используется для такой цели, что характеристика диода Шотки, которая превосходит характеристику p-i-n-диода, используется для сборки IGBT-транзисторов, в который p-i-n-диод включается в качестве диода свободного хода.
В вышеуказанной конфигурации IGBT-транзисторы 81a и 81b, которые являются переключающими элементами, не могут инструктировать обратному току протекать; следовательно, ток разделения не формируется между переключающим элементом и диодом свободного хода. Тем не менее, ток разделения формируется между p-i-n-диодом и диодом Шотки, которые являются диодами свободного хода. Базовая конфигурация модуля 22 управления является идентичной конфигурации, показанной на фиг.3, тем не менее, в вышеуказанной конфигурации группы полупроводникового элемента путь разделения находится между диодами свободного хода, поэтому следующая характеристика предоставляется в модуль 32 вычисления падения напряжения на фиг.3.
Фиг.22 показывает пример характеристик падения напряжения-тока IGBT-транзистора, p-i-n-диода и диода Шотки и группы полупроводниковых устройств, содержащей IGBT-транзистор, p-i-n-диод и диод Шотки, которые подключаются параллельно при определенной температуре. На фиг.22 в случае, если обратный ток в группе полупроводниковых устройств, которая находится во включенном состоянии (=Id_up или Id_low), составляет 0 А или меньше, ток протекает только в IGBT-транзисторе. С другой стороны, в случае, если обратный ток превышает 0 А, ток начинает протекать в диоде Шотки. Затем, когда обратный ток превышает I_l, ток также начинает протекать в p-i-n-диоде, ток разделения формируется между диодом Шотки и p-i-n-диодом и демонстрируется характеристика, а именно увеличение падения напряжения относительно тока дополнительно подавляется.
В модуле 32 вычисления падения напряжения на фиг.3 характеристика, показанная на фиг.22, включается в качестве таблицы, в качестве математического уравнения или в качестве них обоих, и падение V_on напряжения в группе полупроводниковых устройств выводится. В завершение V_on добавляется так, что оно корректирует команду V_refl управления напряжением, и V_ref, которая является конечной командой, извлекается. На основе V_ref управление включением/выключением переключающего элемента в группе полупроводниковых устройств выполняется.
На фиг.22 пример, в котором ток протекает в порядке IGBT-транзистора, диода Шотки и p-i-n-диода относительно увеличения обратного тока. Тем не менее, порядок не ограничивается вышеуказанным, и предусмотрены некоторые случаи, в которых порядок отличается в зависимости от отдельных характеристик.
Как упомянуто выше, даже в случае, если группа полупроводниковых устройств, содержащая IGBT-транзистор, p-i-n-диод и диод Шотки, используется согласно варианту 7 осуществления, падение напряжения, которое формируется в группе полупроводниковых устройств, корректируется. Следовательно, выходное напряжение с высокой точностью может быть получено, и колебание крутящего момента может снижаться.
Когда существует влияние мертвого времени, как описано в варианте 2 осуществления, посредством включения характеристики пути тока и падения напряжения в группе полупроводниковых устройств, величина падения напряжения, которое формируется в мертвое время, может быть скорректирована. Следовательно, выходное напряжение с более высокой точностью может быть получено в варианте 7 осуществления.
Выше, датчик тока 85 предоставляется для того, чтобы определять выходной ток I_out, аналогично описанию вариантов осуществления, датчики тока могут предоставляться так, что они непосредственно определяют ток Id_up, который протекает в группе 84a полупроводниковых устройств верхней ветви, и ток Id_low, который протекает в группе 84b полупроводниковых устройств нижней ветви, соответственно. В общем, выходной ток составляет I_out=-Id_up+Id_low, и Id_up или Id_low равно нулю. Тем не менее, в случае, если ток утечки, когда IGBT-транзистор находится в отключенном состоянии, не является пренебрежимо малым, точность может быть повышена посредством использования двух датчиков тока.
Дополнительно, чтобы непосредственно определять ток, который протекает в каждом полупроводниковом устройстве, включающем в себя IGBT-транзистор и диод свободного хода, составляющие группу полупроводниковых устройств, датчики тока, которые определяют абсолютные величины и направления токов, которые протекают в IGBT-транзисторах 81a и 81b в качестве переключающих элементов, и датчики тока, которые определяют абсолютные величины и направления токов, которые протекают в диодах 83a и 83b Шотки, могут быть подключены. В этом случае напряжение может быть вычислено посредством использования только характеристики каждого полупроводникового устройства при фокусировании на токе, который протекает в каждом полупроводниковом устройстве, поэтому точность коррекции может быть повышена.
Дополнительно, при условиях, когда температуры полупроводникового устройства сильно изменяются, температурный датчик, который определяет температуру группы полупроводниковых устройств или температуру каждого полупроводникового устройства, присоединяется для того, чтобы вычислять падение напряжения, которое формируется в группе полупроводниковых устройств, посредством использования характеристики группы полупроводниковых устройств при определенной температуре, то есть функции Fvon(). Посредством выполнения вышеуказанного точность дополнительно повышается.
Вариант 8 осуществления
В вариантах 1-7 осуществления показывается пример, в котором устройство преобразователя мощности согласно настоящему изобретению используется в качестве устройства приведения в действие электродвигателя с регулируемой скоростью вращения; тем не менее, устройство преобразователя мощности согласно настоящему изобретению может быть использовано в качестве устройства 20 преобразователя мощности, которое подключается к системе электропитания, как показано на фиг.23. В этом случае ток в системе является основным объектом, который должен управляться; поэтому команда V_refl управления напряжением, которая формируется в модуле 310 формирования команд управления напряжением на фиг.24, формируется так, что она управляет током в системе. Например, в случае, если преобразователь 1 на входной стороне блока питания заменяется устройством 20 преобразователя мощности, постоянное напряжение задается равным определенному постоянному значению, поэтому модуль 310 формирования команд управления напряжением формирует команду V_refl управления напряжением так, чтобы задавать активный ток равным подходящему значению. Конкретно, V_refl формируется посредством PQ-управления и т.д. Также в этом случае модуль 320 вычисления падения напряжения вычисляет падение напряжения в группе полупроводниковых устройств аналогично описанному в вариантах 1-7 осуществления.
Вариант 9 осуществления
Переключающий элемент и диодный элемент в вариантах 1-8 осуществления могут формироваться из кремния или могут формироваться из полупроводника с широкой запрещенной зоной, ширина запрещенной зоны которого превышает ширину запрещенной зоны кремния. Полупроводники с широкой запрещенной зоной включают в себя карбид кремния, нитрид галлия, алмаз и т.д.
Переключающий элемент и диодный элемент, которые формируются из полупроводников с широкой запрещенной зоной, имеют свойство высокого выдерживаемого напряжения и высокую плотность допустимого тока. Следовательно, переключающий элемент и диодный элемент могут быть миниатюризированы, посредством использования переключающего элемента и диодного элемента, которые миниатюризированы, полупроводниковые модули, в которые элементы включаются, могут быть миниатюризированы.
Дополнительно, вышеуказанные элементы имеют также высокую термостойкость, поэтому тепловые радиаторные пластины теплопоглотителя могут быть миниатюризированы, и возможна замена части водяного охлаждения на воздушное охлаждение. Следовательно, является возможной дополнительная миниатюризация полупроводниковых модулей.
Дополнительно, потери мощности являются низкими, поэтому может достигаться более высокая эффективность переключающего элемента и диодного элемента, и может достигаться более высокая эффективность полупроводниковых модулей.
Дополнительно, предпочтительно, чтобы как переключающий элемент, так и диодный элемент формировались из полупроводника с широкой запрещенной зоной, тем не менее, любой элемент может формироваться из полупроводника с широкой запрещенной зоной, и может быть получен эффект, который описывается в вариантах 1-8 осуществления.
В вариантах 1-8 осуществления ШИМ-управление описывается в качестве примера, тем не менее, способ управления является способом для управления питающим напряжением посредством использования отношения включения/выключения переключающего элемента, другие способы управления также могут применяться к настоящему изобретению. Например, настоящее изобретение может применяться к PDM (импульсно-плотностной модуляции), которая является способом для управления напряжением посредством изменения плотности импульса, имеющего постоянную ширину. В PDM-управлении в расчете на каждый период управления, которое определяет плотность импульсов относительно целевого напряжения, среднее значение V_on получается посредством отношения включения/выключения, и затем плотность импульсов следующего периода управления может быть определена. По существу, в случае ШИМ-управления один период включения и один период выключения существуют в одном периоде управления; тем не менее, в случае PDM-управления множество периодов включения и множество периодов выключения существуют в одном периоде управления. Следовательно, в случае PDM-управления отношение совокупного периода включения и совокупного периода выключения является отношением включения/выключения, и посредством использования полученного отношения получено среднее значение V_on.
Описание ссылочных позиций
21: плечо
22: модуль управления
23a, 23b, 61a, 61b, 81a, 81b, 91a, 91b: переключающий элемент
24a, 24b, 62a, 62b, 92a, 92b: паразитный диод
25a, 25b, 64a, 64b, 84a, 84b, 95a, 95b: группа полупроводниковых устройств
26, 29a, 29b, 65, 67a, 67b, 68a, 68b, 69a, 69b, 85, 96, 99a, 99b, 107a, 107b, 108a, 108b, 109a, 109b: датчик тока
31, 310: модуль формирования команд управления напряжением
32, 320: модуль вычисления падения напряжения
33: модуль управления переключением
63a, 63b, 83a, 83b, 93a, 93b: диод Шотки
82a, 82b, 94a, 94b: p-i-n-диод
Td: мертвое время
Tsw: полупериод переключения
1. Устройство преобразователя мощности, которое выполнено так, что в плече, содержащем две группы полупроводниковых устройств, которые подключены последовательно, и каждая группа полупроводниковых устройств содержит переключающий элемент и полупроводниковый элемент, отличный от переключающего элемента, которые подключены параллельно, соединительная точка, к которой группы полупроводниковых устройств подключены последовательно, является выходным контактным выводом переменного тока, и оба конца плеча являются контактными выводами постоянного тока; и ток разделения формируется в токе, который протекает в каждой группе полупроводниковых устройств между элементами в каждой группе полупроводниковых устройств,
при этом предоставлены датчик тока, который определяет ток, который протекает в группах полупроводниковых устройств,
модуль формирования команд управления напряжением, который вычисляет значения команды управления напряжением, которые должны выводиться,
модуль вычисления падения напряжения, который вычисляет падение напряжения каждой группы полупроводниковых устройств посредством использования значения тока, которое определяется посредством датчика тока, и характеристик падения напряжения, включающих в себя характеристику разделения каждой группы полупроводниковых устройств, и
модуль управления переключением, который корректирует значение команды управления напряжением, которое формируется модулем формирования команд управления напряжением посредством использования падения напряжения, которое вычисляется модулем вычисления падения напряжения для того, чтобы управлять включением/выключением каждого переключающего элемента.
2. Устройство преобразователя мощности по п.1, в котором модуль вычисления падения напряжения вычисляет падение напряжения в n-ный период полупериода переключения (n является положительным целым числом) посредством использования значения тока, которое определяется датчиком тока, модуль управления переключением управляет включением/выключением каждого переключающего элемента посредством использования значения падения напряжения, которое вычисляется модулем вычисления падения напряжения, и коррекции значения команды управления напряжением, которое формируется модулем формирования команд управления напряжением в качестве значения команды управления напряжением в m-тый период (m является положительным целым числом), который позднее n-ного периода полупериода переключения.
3. Устройство преобразователя мощности по п.2, в котором датчик тока предоставлен для того, чтобы определять ток, который протекает в выходном контактном выводе переменного тока, модуль вычисления падения напряжения вычисляет соответственные падения напряжения в двух группах полупроводниковых устройств в плече посредством использования значения тока, которое определено датчиком тока, и отношения времен включения соответственных групп полупроводниковых устройств, которые выводятся модулем управления переключением относительно n-ного периода полупериода переключения.
4. Устройство преобразователя мощности по п.2, в котором датчики тока предоставлены для того, чтобы определять ток, который протекает в соответственных группах полупроводниковых устройств из двух групп полупроводниковых устройств в плече, и соответственные падения напряжения в двух группах полупроводниковых устройств в плече вычисляются посредством использования значения тока, который протекает в соответственных группах полупроводниковых устройств.
5. Устройство преобразователя мощности по п.1, в котором модуль вычисления падения напряжения вычисляет падение напряжения посредством характеристик падения напряжения, включающих в себя характеристику разделения каждой группы полупроводниковых устройств, которая задается как характеристика, в которой ток не протекает в переключающем элементе в мертвый период времени.
6. Устройство преобразователя мощности по п.1, в котором переключающие элементы являются MOSFET-транзисторами (полевыми МОП-транзисторами) или JFET-транзисторами (полевыми транзисторами с p-n-переходом), полупроводниковые элементы, отличные от переключающих элементов, являются паразитными диодами, которые содержатся в MOSFET-транзисторах или JFET-транзисторах, и устройство выполнено с возможностью выполнять синхронное выпрямление.
7. Устройство преобразователя мощности по п.6, в котором диоды свободного хода дополнительно подключены в качестве полупроводниковых элементов, отличных от переключающих элементов.
8. Устройство преобразователя мощности по п.1, в котором переключающие элементы являются IGBT-транзисторами (биполярными транзисторами с изолированным затвором), полупроводниковые элементы, отличные от переключающих элементов, являются объектами параллельного подключения, в которых множество диодов подключены параллельно, и токи разделения сформированы между множеством диодов.
9. Устройство преобразователя мощности по одному из пп.1-8, в котором переключающие элементы сформированы из полупроводникового материала с широкой запрещенной зоной.
10. Устройство преобразователя мощности по одному из пп.1-8, в котором полупроводниковые элементы, отличные от переключающих элементов, сформированы из полупроводникового материала с широкой запрещенной зоной.
11. Устройство преобразователя мощности по п.9, в котором полупроводниковым материалом с широкой запрещенной зоной является карбид кремния, нитрид галлия или алмаз.
12. Способ управления устройства преобразователя мощности, при этом устройство преобразователя мощности выполнено так, что в плече, содержащем две группы полупроводниковых устройств, которые подключены последовательно, и каждая группа полупроводниковых устройств содержит переключающий элемент и полупроводниковый элемент, отличный от переключающего элемента, которые подключаются параллельно, соединительная точка, к которой группы полупроводниковых устройств подключены последовательно, является выходным контактным выводом переменного тока, и оба конца плеча являются контактными выводами постоянного тока; и ток разделения формируется в токе, который протекает в каждой группе полупроводниковых устройств между элементами каждой группы полупроводниковых устройств;
при этом вычисляют значение команды управления напряжением, которое должно выводиться на выходной контактный вывод переменного тока,
вычисляют падение напряжения каждой группы полупроводниковых устройств посредством использования значения тока, который протекает в каждой группе полупроводниковых устройств, и характеристик падения напряжения, включающих в себя характеристику разделения каждой группы полупроводниковых устройств, и
- корректируют значение команды управления напряжением посредством использования падения напряжения, которое вычисляют для того, чтобы управлять включением/выключением каждого переключающего элемента.
13. Способ управления устройства преобразователя мощности по п.12, в котором падение напряжения в n-ный период полупериода переключения (n является положительным целым числом) вычисляют посредством использования значения тока, который протекает в каждой группе полупроводниковых устройств, и
значение команды управления напряжением, которое вычисляют как значение команды управления напряжением в m-тый период полупериода переключения (m является положительным целым числом), который позднее n-ного периода полупериода переключения, корректируют посредством использования значения падения напряжения, которое вычисляют для того, чтобы управлять включением/выключением каждого переключающего элемента.
14. Способ управления устройства преобразователя мощности по п.13, в котором соответственные падения напряжения в двух группах полупроводниковых устройств в плече вычисляют посредством использования значения тока, который протекает в выходном контактном выводе переменного тока, и отношения времен включения соответственных групп полупроводниковых устройств относительно n-ного периода полупериода переключения.
15. Способ управления устройства преобразователя мощности по п.12, в котором группами полупроводниковых устройств управляют для того, чтобы выполнять синхронное выпрямление.
16. Устройство преобразователя мощности по п.10, в котором полупроводниковым материалом с широкой запрещенной зоной является карбид кремния, нитрид галлия или алмаз.
