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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】特許公報(B2)
(11)【特許番号】
(24)【登録日】2024-10-07
(45)【発行日】2024-10-16
(54)【発明の名称】スイッチング素子駆動回路
(51)【国際特許分類】
H02M 1/08 20060101AFI20241008BHJP
H03K 17/16 20060101ALI20241008BHJP
【ＦＩ】
H02M1/08 A
H03K17/16 F
【請求項の数】
8
(21)【出願番号】P 2021083884
(22)【出願日】2021-05-18
(65)【公開番号】P2022177544
(43)【公開日】2022-12-01
【審査請求日】2023-10-09
(73)【特許権者】
【識別番号】000004260
【氏名又は名称】株式会社デンソー
(74)【代理人】
【識別番号】110001519
【氏名又は名称】弁理士法人太陽国際特許事務所
(72)【発明者】
【氏名】中村 祐太
(72)【発明者】
【氏名】牧田 真治
【審査官】今井 貞雄
(56)【参考文献】
【文献】特開２０１８－０５７０７２（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２０１４－２３３０４３（ＪＰ，Ａ）
(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)
Ｈ０２Ｍ １／００－１／４４
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
制御端子及び出力端子を備え、前記制御端子への駆動信号の供給及び供給停止に応じてスイッチングされオン状態及びオフ状態に状態が遷移し、前記出力端子から前記駆動信号の供給及び供給停止に応じて立ち上がり、かつ立ち下がる波形の信号を出力するスイッチング素子（４４Ｕ）に供給する駆動信号を生成する駆動信号生成部（２２Ｕ）と、前記駆動信号生成部と前記制御端子との間に配置されて、前記出力端子から出力される波形の信号のスルーレートを調整するスルーレート調整部（３２Ｕ）と、
前記スイッチング素子（４４Ｕ）がオン状態、またはオフ状態に遷移する際の遷移時間が、最大遷移時間（ｔL）と最小遷移時間（ｔS）との間で拡散数（ｎ）の回数だけ変化するように、前記波形が立ち上がる際、及び立ち下がる際の各々のスルーレートを調整するように前記スルーレート調整部（３２Ｕ）を制御する制御部（３０Ｕ）と、
を含み、
前記最大遷移時間（ｔ Ｌ ）と前記最小遷移時間（ｔ Ｓ ）との差分（ΔＴ）は、前記拡散数（ｎ）を含む値を被除数、前記スイッチング素子のスイッチングによって生じる電磁ノイズの特定周波数（ｆ １ ）を含む値を徐数とした商である、
スイッチング素子駆動回路。
【請求項2】
前記特定周波数（ｆ1）は、低減対象の前記電磁ノイズにおける中心周波数（ｆm）を被除数、自然数で表された次数の２倍から１を減算した値を徐数とした場合の商であり、前記遷移時間を前記最小遷移時間（ｔS）と前記最大遷移時間（ｔL）との間で変化させる回数である拡散数（ｎ）は、前記中心周波数（ｆm）と前記低減対象の周波数範囲（１０６）の下限値との差であると共に前記周波数範囲の上限値と前記中心周波数（ｆm）との差である周波数差分（Δｆ）の２倍値を被除数、前記特定周波数（ｆ1）と前記周波数差分（Δｆ）との差を徐数とした商であり、
前記最大遷移時間（ｔL）と前記最小遷移時間（ｔS）との差分（ΔＴ）は、前記拡散数（ｎ）に１を加算した値を被除数、前記特定周波数（ｆ1）の２倍値を徐数とした商であり、
前記制御部（３０Ｕ）は、前記遷移時間が前記最小遷移時間（ｔS）と前記最大遷移時間（ｔL）との間で前記拡散数（ｎ）の回数で変化するように前記スルーレート調整部（３２Ｕ）を制御する請求項１に記載のスイッチング素子駆動回路。
【請求項3】
前記特定周波数ｆ1は、前記中心周波数ｆmと前記次数ｍとによって下記の式（１）で表され、前記拡散数ｎは、前記周波数差分Δｆと前記特定周波数ｆ1とによって下記の式（２）で表され、
前記最大遷移時間ｔLと前記最小遷移時間ｔSとの差分ΔＴは、前記拡散数ｎと前記特定周波数ｆ1とによって下記の式（３）で表される請求項２に記載のスイッチング素子駆動回路。
【請求項4】
前記制御部（３０Ｕ）は、前記スイッチング素子（４４Ｕ）のスイッチング毎に、前記遷移時間が前記最小遷移時間（ｔS）と前記最大遷移時間（ｔL）との間で前記拡散数（ｎ）に応じて等間隔に変化するように前記スルーレート調整部（３２Ｕ）を制御する請求項２又は３に記載のスイッチング素子駆動回路。
【請求項5】
前記次数は１で、前記特定周波数（ｆ1）と前記中心周波数（ｆm）とが一致する請求項２～４のいずれか１項に記載のスイッチング素子駆動回路。
【請求項6】
前記スイッチング素子（４２Ｕ、４４Ｕ）は、上段スイッチング素子（４２Ｕ）と下段スイッチング素子（４４Ｕ）とが相補的にオンオフし、前記制御部（３０Ｕ）は、前記上段スイッチング素子（４２Ｕ）がオン又はオフになる場合と、前記下段スイッチング素子（４４Ｕ）がオン又はオフになる場合とで、前記遷移時間が変化する範囲が異なるように前記スルーレート調整部（３２Ｕ）を制御する請求項１～５のいずれか１項に記載のスイッチング素子駆動回路。
【請求項7】
前記スイッチング素子（４２Ｕ、４４Ｕ）は、回転電機（１２）の巻線に印加する電圧をスイッチングによって生成し、前記制御部（３０Ｕ）は、前記回転電機（１２）における電気角の半周期毎に前記遷移時間が変化するように前記スルーレート調整部（３２Ｕ）を制御する請求項６に記載のスイッチング素子駆動回路。
【請求項8】
前記制御部（３０Ｕ）は、所定期間内での前記上段スイッチング素子（４２Ｕ）の前記遷移時間の平均と、前記下段スイッチング素子（４４Ｕ）の前記遷移時間の平均とが等しくなるように、前記スルーレート調整部（３２Ｕ）を制御する請求項６又は７に記載のスイッチング素子駆動回路。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、スイッチング素子のゲートを駆動するスイッチング素子駆動回路に関する。
【背景技術】
【0002】
ＩＧＢＴ（絶縁ゲートバイポーラトランジスタ）、ＭＯＳＦＥＴ（金属酸化物半導体電界効果トランジスタ） などのスイッチング素子のゲートを駆動するスイッチング素子駆動回路では、スイッチングによって生じる電磁ノイズであるスイッチングノイズの低減が求められている。
【0003】
スイッチング素子のスイッチングノイズを低減するには、スイッチングノイズの周波数を分散させることが効果的とされている。そして、スイッチングノイズの周波数は、スイッチング素子のドレインソース間電圧が０から立ち上がった状態である電圧振幅に達するまでの時間、又はドレインソース間電圧が電圧振幅から０になるまでの時間である遷移時間の長さが影響する。
【0004】
下記特許文献１には、遷移時間におけるドレインソース間電圧の変化率であるスルーレートを拡散的に変化させることにより、遷移時間を、基準値Δｔを中心として、Δｔ－αからΔｔ＋αまで変化させるスイッチング素子の駆動装置の発明が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0005】
【文献】特許第５３８５３４１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0006】
しかしながら、特許文献１に係る発明は、スルーレートの拡散による遷移時間の変化と、スイッチングノイズの低減との関係が明確でないことから、スルーレートの拡散のし方によってはスイッチングノイズ低減の効果が認められない周波数帯域が存在するという問題があった。
【0007】
本発明は上記課題に鑑みて創作されたものであり、スイッチングノイズの低減が効果的な条件に基づいてスイッチング素子のスルーレートを制御するスイッチング素子駆動回路を得ることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【0008】
上記目的を達成するために本発明に係るスイッチング素子駆動回路は、制御端子及び出力端子を備え、前記制御端子への駆動信号の供給及び供給停止に応じてスイッチングされオン状態及びオフ状態に状態が遷移し、前記出力端子から前記駆動信号の供給及び供給停止に応じて立ち上がり、かつ立ち下がる波形の信号を出力するスイッチング素子（４４Ｕ）に供給する駆動信号を生成する駆動信号生成部（２２Ｕ）と、前記駆動信号生成部と前記制御端子との間に配置されて、前記出力端子から出力される波形の信号のスルーレートを調整するスルーレート調整部（３２Ｕ）と、前記スイッチング素子（４４Ｕ）がオン状態、またはオフ状態に遷移する際の遷移時間の最大遷移時間（ｔL）と最小遷移時間（ｔS）との差分が、前記スイッチング素子のスイッチングによって生じる電磁ノイズの特定周波数（ｆ1）の逆数に比例する場合、前記波形が立ち上がる際、及び立ち下がる際の各々のスルーレートが前記最大遷移時間（ｔL）と前記最小遷移時間（ｔS）との間で変化するように前記スルーレート調整部（３２Ｕ）を制御する制御部（３０Ｕ）と、を含んでいる。
【0009】
この様に構成することで、スイッチングノイズの低減が効果的な条件に基づいてスイッチング素子のスルーレートを制御することにより、スイッチングノイズを低減できる。
【図面の簡単な説明】
【0010】
【図1】本実施形態に係るスイッチング素子駆動回路を備えたインバータの一例を示したブロック図である。
【図2】スイッチング素子のゲートに設けられたゲートドライバの構成の一例を示したブロック図である。
【図3】制御部の具体的な構成の一例を示すブロック図である。
【図4】ドレインソース間電圧の波形の一例を示した説明図である。
【図5】遷移時間を拡散的に変化させた場合のドレインソース間電圧の波形を示した説明図である。
【図6】遷移時間の変化を示した説明図である。
【図7】遷移時間を変化させる回数に係る数である拡散数の説明図である。
【図8】（Ａ）は、低減対象の周波数範囲と、低減対象の周波数範囲の中心周波数と、中心周波数と低減対象の周波数範囲の下限値との差であると共に周波数範囲の上限値と中心周波数との差である周波数差分の説明図であり、（Ｂ）は、中心周波数と特定周波数との関係を示した概略図である。
【図9】本実施形態に係るスイッチング素子駆動回路の処理の一例を示したフローチャートである。
【図10】周波数範囲の中心周波数と、特定周波数と、周波数差分との関係の一例を示した概略図である。
【図11】（Ａ）は、遷移時間を５つに変化させた場合のＶds波形の一例を示した概略図であり、（Ｂ）は、遷移時間を等差で変化させた場合の各々の拡散時間の長短の関係を示した概略図である。
【図12】（Ａ）は、式（４）においてｍ＝２とした場合の周波数範囲と、中心周波数と、特定周波数との関係の一例を示した概略図であり、（Ｂ）は、式（４）においてｍ＝１とした場合の周波数範囲と、中心周波数と、特定周波数との関係の一例を示した概略図である。
【図13】上段のスイッチング素子と下段のスイッチング素子とが相補的にオンオフし、上段のスイッチング素子がオン又はオフになる場合と、下段のスイッチング素子がオン又はオフになる場合とで、遷移時間が変化する範囲が異なるように操作部を制御して駆動信号の電流値を変化させる場合の説明図である。
【図14】回転電機における電気角の半周期毎に遷移時間が変化するように操作部を制御して駆動信号の電流値を変化させる場合の説明図である。
【図15】所定期間内での上段のスイッチング素子の遷移時間の平均と下段のスイッチング素子の遷移時間の平均とが等しくなるように、操作部を制御して駆動信号の電流値を変化させる場合の説明図である。
【発明を実施するための形態】
【0011】
［第１の実施形態］
【0012】
以下、本実施形態を図面に基づいて説明する。図１は、本実施形態に係るスイッチング素子駆動回路を備えたインバータ１０の一例を示したブロック図である。インバータ１０は、例えば車載のバッテリである直流電源８０から供給される直流電圧を、例えばＵ相、Ｖ相およびＷ相の三相交流電圧に変換してモータ１２へと出力する三相インバータである。
【0013】
図１に示したように、本実施形態に係るインバータ１０は、ＭＯＳＦＥＴ等のスイッチング素子４２Ｕ、４２Ｖ、４２Ｗ、４４Ｕ、４４Ｖ、４４Ｗを備え、モータ１２のステータのコイルに供給する電力を、スイッチング素子４２Ｕ、４２Ｖ、４２Ｗ、４４Ｕ、４４Ｖ、４４Ｗをオンオフさせるスイッチングによって生成する。例えば、スイッチング素子４２Ｕ、４４ＵはＵ相のコイルに、スイッチング素子４２Ｖ、４４ＶはＶ相のコイルに、スイッチング素子４２Ｗ、４４ＷはＷ相のコイルに、各々供給する電力のスイッチングを行う。
【0014】
スイッチング素子４２Ｕ、４２Ｖ、４２Ｗの各々のドレインは、直流電源８０の正極（＋）に接続されており、スイッチング素子４２Ｕ、４２Ｖ、４２Ｗの各々のソースは、スイッチング素子４４Ｕ、４４Ｖ、４４Ｗの各々のドレインに接続されている。また、スイッチング素子４４Ｕ、４４Ｖ、４４Ｗの各々のソースは、直流電源８０の負極（－）に接続されている。
【0015】
スイッチング素子４２Ｕのソースとスイッチング素子４４Ｕのドレインとが接続されるノード４６Ｕはモータ１２のＵ相コイルに接続されている。一例として、スイッチング素子４２Ｕがオンになると共にスイッチング素子４４Ｕがオフになると、ノード４６Ｕを介してモータ１２のＵ相コイルに直流電源８０の電力が供給される。同時に、一例として、スイッチング素子４２Ｗがオフになると共にスイッチング素子４４Ｗがオンになると、Ｕ相コイルに流れた電流がモータ１２のコイルの中性点を経由してＷ相コイルを流れる。当該電流はスイッチング素子４２Ｗのソースとスイッチング素子４４Ｗのドレインとが接続されるノード４６Ｗとスイッチング素子４４Ｗを介して直流電源８０の負極（－）に流れる。Ｕ相コイルとＷ相コイルとが通電されることにより、Ｕ相コイルとＷ相コイルとに磁界が生じる。
【0016】
スイッチング素子４２Ｖのソースとスイッチング素子４４Ｖのドレインとが接続されるノード４６Ｖはモータ１２のＶ相コイルに接続されている。一例として、スイッチング素子４２Ｖがオンになると共にスイッチング素子４４Ｖがオフになると、ノード４６Ｖを介してモータ１２のＶ相コイルに直流電源８０の電力が供給される。同時に、一例として、スイッチング素子４２Ｕがオフになると共にスイッチング素子４４Ｕがオンになると、Ｖ相コイルに流れた電流がモータ１２のコイルの中性点を経由してＵ相コイルを流れる。当該電流はノード４６Ｕとスイッチング素子４４Ｕを介して直流電源８０の負極（－）に流れる。Ｖ相コイルとＵ相コイルとが通電されることにより、Ｖ相コイルとＵ相コイルとに磁界が生じる。
【0017】
また、一例として、スイッチング素子４２Ｗがオンになると共にスイッチング素子４４Ｗがオフになると、ノード４６Ｗを介してモータ１２のＷ相コイルに直流電源８０の電力が供給される。同時に、一例として、スイッチング素子４２Ｖがオフになると共にスイッチング素子４４Ｖがオンになると、Ｗ相コイルに流れた電流がモータ１２のコイルの中性点を経由してＶ相コイルを流れる。当該電流はノード４６Ｖとスイッチング素子４４Ｖを介して直流電源８０の負極（－）に流れる。Ｗ相コイルとＶ相コイルとが通電されることにより、Ｗ相コイルとＶ相コイルとに磁界が生じる。
【0018】
上述のように、スイッチング素子４２Ｕ、４２Ｖ、４２Ｗ、４４Ｕ、４４Ｖ、４４Ｗ（以下、「スイッチング素子４２Ｕ～４４Ｗ」と略記）のスイッチングにより、モータ１２のコイルに磁界が発生する相を切り替えることにより、モータ１２のコイルには永久磁石等で構成されたロータ（回転子）を回転させるいわゆる回転磁界が発生する。実際のモータの回転制御では、スイッチング素子４２Ｕ～４４Ｗの各々を小刻みにオンオフさせるＰＷＭ（パルス幅変調）制御により、三相交流様の電圧を生成してモータ１２の各相のコイルに印加する。
【0019】
一例として、スイッチング素子４２Ｕ～４４Ｗがｎ型ＭＯＳＦＥＴの場合、ゲートに正電圧の駆動信号が印加されることによりオンとなる。図１に示したように、本実施形態では、スイッチング素子４２Ｕ～４４Ｗの各々には、駆動信号の電流値を制御するゲートドライバ２０Ｕ、２０Ｖ、２０Ｗ、２２Ｕ、２２Ｖ、２２Ｗ（以下、「ゲートドライバ２０Ｕ～２２Ｗ」と略記）が各々接続されている。また、ゲートドライバ２０Ｕ～２２Ｗの各々は、車両ＥＣＵ（Electronic Control Unit）等の上位の制御装置（図示せず）に接続されている。ゲートドライバ２０Ｕ～２２Ｗの各々は、上位の制御装置から入力された駆動信号を増幅すると共に、増幅した駆動信号を可変抵抗器により電流値を調整してスイッチング素子４２Ｕ～４４Ｗの各々のゲートに印加する。
【0020】
図２は、スイッチング素子４４Ｕのゲートに設けられたゲートドライバ２２Ｕの構成の一例を示したブロック図である。上述のように、ゲートドライバ２０Ｕ～２２Ｗは、スイッチング素子４２Ｕ～４４Ｗの各々に設けられているが、代表例としてゲートドライバ２２Ｕを説明し、その他のゲートドライバについては説明を省略する。
【0021】
図２に示したように、ゲートドライバ２２Ｕは、スイッチング素子４４Ｕの出力端子の電圧である出力端子電圧（ドレインソース間電圧Ｖds）を時間情報に対応付けて検出する端子間電圧検出部２４Ｕと、端子間電圧検出部２４Ｕの検出信号を、後述する制御部３０Ｕで処理可能な形式の信号に変換する検出処理部２８Ｕと、上位の制御装置から入力される遷移時間目標値及び検出処理部２８Ｕの出力に基づきスイッチング素子４４Ｕのゲートに印加する駆動信号の制御演算を行う制御部３０Ｕと、ゲート駆動能力を変化させる操作部３２Ｕと、を備えている。端子間電圧検出部２４Ｕは、例えば、制御部３０Ｕの制御クロックを用いて時間情報を検出する。
【0022】
検出処理部２８Ｕは、例えば、端子間電圧検出部２４Ｕの検出信号がアナログ信号である場合、制御部３０Ｕで処理可能なデジタル信号に変換する一種のＡ／Ｄコンバータを含む回路である。
【0023】
操作部３２Ｕは、制御部３０Ｕからの制御により抵抗値を変化させてスイッチング素子４４Ｕのゲートに印加する駆動信号の電流値を変化させる可変抵抗器である。操作部３２Ｕは、スイッチング素子４４Ｕのゲートに印加する正電圧の駆動信号の電流値を変化させる可変抵抗器３２ＵＯと、スイッチング素子４４Ｕのゲートに印加する負電圧の駆動信号の電流値を変化させる可変抵抗器３２ＵＦとを含む。
【0024】
操作部３２Ｕには、上位の制御装置からアンプ３４Ｕ及び反転回路の一種である相補型ＭＯＳ３６Ｕを介して駆動信号が入力される。上位の制御装置から入力された駆動信号は、アンプで増幅された後、相補型ＭＯＳ３６Ｕで正負が反転される。上位の制御装置から入力される駆動信号の正負の態様によっては、相補型ＭＯＳ３６Ｕを省略してもよい。
【0025】
図３は、制御部３０Ｕの具体的な構成の一例を示すブロック図である。制御部３０Ｕは、一種のコンピュータであり、ＣＰＵ（Central Processing Unit）３０ＵＢ、ＲＯＭ（Read Only Memory）３０ＵＡ、ＲＡＭ（Random Access Memory）３０ＵＣ、及び入出力ポート３０ＵＤを備える。
【0026】
制御部３０Ｕでは、ＣＰＵ３０ＵＢ、ＲＯＭ３０ＵＡ、ＲＡＭ３０ＵＣ、及び入出力ポート３０ＵＤがアドレスバス、データバス、及び制御バス等の各種バスを介して互いに接続されている。入出力ポート３０ＵＤには、各種の入出力機器として、検出処理部２８Ｕ、操作部３２Ｕ、及び上位の制御装置４００等が各々接続されている。
【0027】
ＲＯＭ３０ＵＡには、遷移時間目標値に基づいて電圧スルーレート（以下、「スルーレート」と略記）を算出する演算プログラム及び算出したスルーレートに基づいて操作部３２Ｕを操作するための指令を生成する制御指令プログラム等がインストールされている。本実施形態では、ＣＰＵ３０ＵＢが演算プログラムを実行することにより、スルーレートを算出する。また、ＣＰＵ３０ＵＢは、制御指令プログラムにより、操作部３２Ｕを操作するための指令を生成する。ＲＡＭ３０ＵＣは、データを一時的に記憶する記憶部であり、例えば、検出処理部２８Ｕから入力されたデータ等が保持される。
【0028】
次に、制御部３０ＵのＣＰＵ３０ＵＢが演算プログラム及び制御指令プログラムを実行することで実現される各種機能について説明する。ＣＰＵ３０ＵＢが演算プログラム及び制御指令プログラムを実行することで、ＣＰＵ３０ＵＢは、図３に示すように、スルーレートを算出する演算部３００Ａ及び操作部３２Ｕを操作するための指令を生成する制御指令部３００Ｂとして機能する。
【0029】
図４は、スイッチング素子のソースから出力されるドレインソース間電圧Ｖdsの波形の一例を示した説明図である。図４に示したようにドレインソース間電圧Ｖdsは、１のＰＷＭ周期Ｔsにおいて、遷移時間ｔrで０から電圧振幅Ａになり、オン時間Ｔonで電圧振幅Ａの状態を維持し、遷移時間ｔfで電圧振幅Ａから０になる。
【0030】
遷移時間ｔr及び遷移時間ｔfは、各々の定義は上記のように異なるが、本実施形態では、遷移時間ｔr及び遷移時間ｔfの各々は、互いに等しいものとする。
【0031】
そして、スルーレートＳＲは、ドレインソース間電圧Ｖdsの遷移時間ｔrにおける変化率だから、Ａ/trとなる。
【0032】
図４に示したように、ドレインソース間電圧Ｖdsは台形波であるが、ｔr＝ｔfの条件下、フーリエ変換によって正弦波の合成として下記の式（１）のように表現できる。下記の式（１）のうち、｜sin（π・ｔr・ｆ）/π・ｔr・ｆ｜は、スルーレートＳＲに依存する因数である。
【0033】
【0034】
図５は、遷移時間をｔr1、ｔr2、ｔr3（ｔr2＞ｔr1＞ｔr3）のように、拡散的に変化させた場合のドレインソース間電圧Ｖdsの波形を示した説明図である。図５に示したように、Ｖds波形には、遷移時間ｔr1、ｔr2、ｔr3の各々に係る抽出波形１、２、３が含まれる。抽出波形１、２、３の各々は、ＰＷＭ周期Ｔsの３倍の周期毎に観測される。従って、式（１）におけるスルーレートＳＲに依存する因数は、遷移時間ｔr1、ｔr2、ｔr3に係る項の和を、遷移時間ｔr1、ｔr2、ｔr3に係る波形が出現する周期である３Ｔsの３で除算した値となる。その結果、遷移時間を遷移時間ｔr1、ｔr2、ｔr3の３つに拡散させた場合のドレインソース間電圧Ｖdsの波形の式は、下記の式（２）のようになる。
【0035】
【0036】
同様に、遷移時間をｎ個に拡散させると、ドレインソース間電圧Ｖdsの波形の式は、下記の式（３）のようになる。
【0037】
【0038】
図６は、遷移時間の変化を示した説明図である。本実施形態では、最も短い最小遷移時間ｔSと、最も長い最大遷移時間ｔLとを設け、例えば、１のスイッチング素子４４ＵがＰＷＭ制御によりオンオフされる毎に遷移時間をｔsとｔLとの間で変化させる。図６では、遷移時間をｔSとｔLとの間で、ｔS、ｔ1、ｔ2、ｔ3、…、ｔn、ｔLのようにｎ＋２個に変化させている。本実施形態では、図６に示したように遷移時間を変化させることを、遷移時間の拡散と称する。
【0039】
遷移時間の拡散により、スイッチング素子のスイッチングによって生じるスイッチングノイズの周波数及び位相が変化する。かかる変化により、周波数及び位相が異なるスイッチングノイズの波形同士が干渉することにより、干渉による弱め合いが生じ、スイッチングノイズの強度が低下する。
【0040】
遷移時間は、スイッチング素子のスルーレートに応じて変化し、スルーレートは、スイッチング素子のゲートに印加する駆動信号の電流値に応じて変化する。例えば、駆動信号の電流値を大きくすると、スルーレートが大きくなり、遷移時間は短くなる。また、駆動信号の電流値を小さくすると、スルーレートが小さくなり、遷移時間は長くなる。本実施形態では、後述するように、駆動信号の電流値を制御することにより、遷移時間を拡散させる。
【0041】
図７は、遷移時間を変化させる回数に係る数である拡散数の説明図である。拡散数は、遷移時間を最小遷移時間ｔSと最大遷移時間ｔLとの間で変化させる回数である。具体的には、図６に示したように、遷移時間をｔSとｔLとの間で、ｔS、ｔ1、ｔ2、ｔ3、…、ｔn、ｔLのようにｎ＋２個に変化させた場合、拡散数はｎとなる。本実施形態では、最大遷移時間ｔLと最小遷移時間ｔSとの差を拡散幅ΔＴとする。また、遷移時間を等差で変化させる場合、等差である時間差を拡散刻みΔｔとする。本実施形態では、遷移時間をｔSとｔLとの間で少なくとも1回はｔS及びｔLとは異なる遷移時間を設定するので、拡散数ｎは1以上の自然数となる。
【0042】
図８（Ａ）は、低減対象の周波数範囲１０６と、低減対象の周波数範囲１０６の中心周波数ｆmと、中心周波数ｆmと低減対象の周波数範囲の下限値との差であると共に周波数範囲の上限値と中心周波数ｆmとの差である周波数差分Δｆの説明図である。
【0043】
中心周波数ｆmは、遷移時間の拡散によって低減したいスイッチングノイズの所望の周波数である。本実施形態に係る遷移時間の拡散によるスイッチングノイズの低減が効果的なスイッチングノイズの周波数は、図８（Ａ）に示したようなノイズ低減周波数範囲１０４に限定される。ノイズ低減周波数範囲１０４から外れた周波数では、干渉による弱め合いが生じず、遷移時間の拡散によって変化した周波数の最小公倍数に相当する周波数の波形が重なり合う、干渉による強め合いが生じ、スイッチングノイズが低減されない場合がある。
【0044】
図８（Ａ）には、遷移時間拡散を行わない場合のスイッチングノイズのスペクトラム１００と、遷移時間拡散を行った場合のスイッチングノイズのスペクトラム１０２とが示されている。遷移時間の拡散により、スペクトラム１０２は、遷移時間の拡散を行わなかったスペクトラム１００に比してスイッチングノイズのレベルは低減しているが、レベルの低減に効果的な周波数の範囲は、周波数範囲１０６を中心とした範囲である。
【0045】
本実施形態では、低減対称となる周波数範囲１０６の中心周波数ｆmを所望の周波数として定義し、中心周波数ｆmとは別に、干渉による弱め合いが生じてスイッチングノイズの低減効果が期待できる周波数である特定周波数ｆ1を中心周波数ｆmから下記の式（４）を用いて算出する。式（４）中のｍは、1以上の自然数である任意の次数である。図８（Ｂ）は、中心周波数ｆmと特定周波数ｆ1との関係を示した概略図である。図８（Ｂ）に示したように、特定周波数ｆ1近傍の周波数においても干渉による弱め合いが生じてスイッチングノイズの低減効果が生じている。後述するように、下記の式（４）において、ｍ＝１とすると、中心周波数ｆmと特定周波数ｆ1とが一致する。
【0046】
【0047】
さらに、遷移時間の拡散幅ΔＴは、特定周波数ｆ1と拡散数ｎとによって、下記の式（５）のように定義される。式（５）に示したように、最大遷移時間ｔLと、最小遷移時間ｔSと、の差分である拡散幅ΔＴは、特定周波数ｆ1の逆数に比例する。式（５）に示したように、拡散幅ΔＴは、拡散数ｎに１を加算した値を被除数、特定周波数ｆ1の２倍値を徐数とした商である。
【0048】
【0049】
本実施形態では、遷移時間におけるスルーレートが変化するように操作部３２Ｕを制御して、駆動信号の電流値を変化させることにより、遷移時間を最小遷移時間ｔSと最大遷移時間ｔLとの間で変化させる。スルーレートは、スイッチング素子のゲートに印加する駆動信号の電流値を大きくすれば高くなり、駆動信号の電流値を小さくすれば低下する。駆動信号の電流値とスルーレートとの相関性は、例えば、実機を用いた実験等を通じて決定する。
【0050】
さらに、拡散数ｎは、下記の式（６）で定義される。拡散数ｎは、周波数差分Δｆの２倍値を被除数、特定周波数ｆ1と周波数差分Δｆとの差を徐数とした商である。
【0051】
【0052】
周波数差分Δｆは、下記の式（７）で定義される。
【0053】
【0054】
特定周波数ｆ1は、上述の式（５）より、下記の式（８）として表されるので、周波数差分Δｆは、下記の式（９）のようになる。
【0055】
【0056】
【0057】
図９は、本実施形態に係るスイッチング素子駆動回路の処理の一例を示したフローチャートである。図９に示した処理は、例えば、モータ１２への電力供給と共に開始される。具体的には、上位の制御装置４００からモータ１２への電力供給に伴う処理開始の指令が入力されると開始される。そして、ステップ１００では、遷移時間を設定する。設定する遷移時間は、最小遷移時間ｔS及び最大遷移時間ｔLを含めた最小遷移時間ｔSと最大遷移時間ｔLとの間であり、具体的には、上位の制御装置４００から入力された遷移時間目標値に基づいて設定する。
【0058】
ステップ１０２では、設定した遷移時間に応じた目標スルーレートを算出する。前述のように、スルーレートは、遷移時間におけるドレインソース間電圧Ｖdsの変化量であるから、目標スルーレートは、電圧振幅Ａを遷移時間で除算して得た値となる。
【0059】
ステップ１０４では、駆動信号の電流値を算出する。本実施形態では、スルーレートと駆動信号の電流値との相関関係が予め明らかであることを前提としている。ステップ１０４では、かかる相関関係に基づいて駆動信号の電流値を設定する。
【0060】
ステップ１０６では、ステップ１０４で設定した駆動信号の電流値に従って駆動信号を生成し、スイッチング素子４４Ｕのゲートに印加する。
【0061】
ステップ１０８では、端子間電圧検出部２４Ｕにより、スイッチング素子４４Ｕの出力端子電圧であるドレインソース間電圧Ｖdsの時系列での変化を検出する。
【0062】
ステップ１１０では、ステップ１０８で検出したドレインソース間電圧Ｖdsの時系列での変化に基づいて、実際のスルーレートである実スルーレートを算出する。
【0063】
ステップ１１２では、実スルーレートとステップ１０２で算出した目標スルーレートとを比較して、目標スルーレートに対する実スルーレートの差異が所定の閾値範囲内であるか否かを判定する。一例として、目標スルーレートと実スルーレートとの差分が、目標スルーレートの１０％程度であれば、ステップ１１２では肯定判定をする。ステップ１１２で、目標スルーレートに対する実スルーレートの差異が所定の閾値範囲内の場合は手順をステップ１１４に移行し、目標スルーレートに対する実スルーレートの差異が所定の閾値範囲を超える場合は、手順をステップ１０２に移行する。
【0064】
ステップ１１４では、処理を終了するか否かを判定する。図９に示した処理は、例えば、モータ１２への電力供給が停止されると共に終了する。ステップ１１４では、上位の制御装置４００からモータ１２への電力供給の停止に伴って、処理停止の指令が入力されると、処理終了の判定をして処理を終了する。
【0065】
ステップ１１４で、処理終了の判定をしないかった場合は、手順をステップ１１６に移行する。
【0066】
ステップ１１６では、遷移時間が変更されるか否かを判定する。具体的には、例えば、上位の制御装置４００から新たな遷移時間目標値が入力されたか否かを判定し、新たな遷移時間目標値が入力された場合は手順をステップ１１８に移行し、新たな遷移時間目標値が入力されなかった場合は手順をステップ１０６に移行する。
【0067】
ステップ１１８では、新たな遷移時間を設定して手順をステップ１０２に移行する。そして、ステップ１０２での目標スルーレートの算出からステップ１１２の目標スルーレートに対する実スルーレートの差異が所定の閾値範囲内であるか否かの判定までの一連の手順を実行する。
【0068】
図９に示した処理では、目標スルーレートに対する実スルーレートの差異が所定の閾値範囲内であるか否かを判定したが、これに限定されない。例えば、ステップ１１０で実際の遷移時間である実遷移時間を算出し、ステップ１００で設定した遷移時間と算出した実遷移時間との差異が所定の閾値範囲内であるか否かを判定してもよい。
【0069】
図９に示した処理は、スイッチングノイズを低減したい周波数範囲１０６の中心周波数ｆmに基づき、上述の式（４）～（９）の関係を用いて、拡散数ｎ、特定周波数ｆ1、最大遷移時間ｔLと最小遷移時間ｔSとの差分である拡散幅ΔＴ及び周波数差分Δｆを設定する。拡散数ｎ、特定周波数ｆ1、最大遷移時間ｔLと最小遷移時間ｔSとの差分である拡散幅ΔＴ及び周波数差分Δｆの各々は、式（４）～（９）に各々示したように、互いに密接不可分な関係を有する。本実施形態では、式（４）～（９）の関係を満たすことを条件に、様々な態様で遷移時間を設定することができる。以下、図１０～１５を用いて説明する。
【0070】
図１０は、周波数範囲１０６Ａの中心周波数ｆmと、特定周波数ｆ1と、周波数差分Δｆとの関係の一例を示した概略図である。本実施形態では、式（４）により中心周波数ｆmから特定周波数ｆ1を設定し、式（６）、（７）を用いて拡散数ｎ及び周波数差分Δｆを決定する。一例として、拡散数ｎを任意の自然数として設定し、設定した拡散数ｎと、式（４）を用いて算出した特定周波数ｆ1とに基づいて、式（７）によって周波数差分Δｆを算出する。そして、式（５）を用いて最大遷移時間ｔLと最小遷移時間ｔSとの差分である拡散幅ΔＴを決定する。又は、周波数差分Δｆを式（４）～（９）に矛盾しない範囲で任意に設定し、設定した周波数差分Δｆと、式（４）を用いて算出した特定周波数ｆ1とに基づいて、式（６）によって拡散数ｎを算出してもよい。
【0071】
図１１（Ａ）は、遷移時間を５つに変化させた場合のＶds波形の一例を示した概略図であり、図１１（Ｂ）は、遷移時間を等差で変化させた場合の各々の拡散時間の長短の関係を示した概略図である。遷移時間を、図１１（Ｂ）に示したように、最小遷移時間ｔS2から最大遷移時間ｔL2まで、平均遷移時間ｔaveを中心値として等差な拡散刻みΔｔで５つに変化させる。そして、５つに変化させた遷移時間を、図１１（Ａ）に示したように、ランダムに適用することにより、スイッチングノイズのレベルを低減することができる。スイッチングノイズの周波数は遷移時間に相関するので、遷移時間のランダムな拡散により、周波数及び位相が異なるスイッチングノイズの波形同士の干渉による弱め合いが生じ、スイッチングノイズの強度が低下する。
【0072】
図１２（Ａ）は、上述の式（４）においてｍ＝２とした場合の周波数範囲１０６Ｂと、中心周波数ｆmと、特定周波数ｆ1との関係の一例を示した概略図であり、図１２（Ｂ）は、上述の式（４）においてｍ＝１とした場合の周波数範囲１０６Ｃと、中心周波数ｆmと、特定周波数ｆ1との関係の一例を示した概略図である。
【0073】
図１２（Ａ）に示したように、式（４）においてｍ＝２とすると、ｆ1＝ｆm/３となり、上述の式（７）から、周波数差分Δｆ3は、下記の式（１０）のようになる。
【0074】
【0075】
また、図１２（Ｂ）に示したように、式（４）においてｍ＝１とすると、ｆ1＝ｆmとなり、上述の式（７）から、周波数差分Δｆ1は、下記の式（１１）のようになる。
【0076】
【0077】
式（１０）、（１１）が示すように、拡散数ｎが同一な場合、ｍ＝１の場合の周波数差分Δｆ1は、ｍ＝２の場合の周波数差分Δｆ3に比して、３倍の値となる。その結果、ｍ＝１の場合の周波数範囲１０６Ｃは、ｍ＝２の場合の周波数範囲１０６Ｂの３倍の広がりを有し、スイッチングノイズを低減できる周波数範囲が拡大する。
【0078】
図１３は、例えば、上段のスイッチング素子４２Ｕと下段のスイッチング素子４４Ｕとが相補的にオンオフし、スイッチング素子４２Ｕがオン又はオフになる場合と、スイッチング素子４４Ｕがオン又はオフになる場合とで、遷移時間が変化する範囲が異なるように操作部３２Ｕを制御して駆動信号の電流値を変化させる場合の説明図である。
【0079】
図１３に示した例では、モータ１２の駆動時に、モータ相電流の波形が反転するモータ１２における電気角の半周期毎に、上段のスイッチング素子４２Ｕと下段のスイッチング素子４４Ｕとが相補的にオンオフする場合を示す。かかる場合において、スイッチング素子４２Ｕのターンオン又はターンオフと、４４Ｕのターンオン又はターンオフとでは拡散幅ΔＴが異なっている。その結果、出力端子電圧（Ｖds）の波形は、図１３の下段に示したように変化する。
【0080】
図１３では、例えば、スイッチング素子４２ＵがＰＷＭ制御でオンになる区間１１０での遷移時間は、中心値ｔａを挟んで最小遷移時間ｔａ－Δｔから最大遷移時間ｔａ＋Δｔまで変化し、かかる場合の拡散幅ΔＴは、２Δｔとなる。
【0081】
また、図１３では、例えば、スイッチング素子４４ＵがＰＷＭ制御でオンになる区間１１２での遷移時間は、中心値ｔａを挟んで最小遷移時間ｔａ－２Δｔから最大遷移時間ｔａ＋２Δｔまで変化し、かかる場合の拡散幅ΔＴは、４Δｔとなる。
【0082】
図１３に示したように、区間１１０と区間１１２とで拡散幅ΔＴが各々異なるようにすることで、ゲートドライバ２０Ｕ、２２Ｕの各々における遷移時間の拡散数ｎを例えばｎ＝１にした場合でも、インバータ１０のＵ相を構成するスイッチング素子４２Ｕ、４４Ｕの全体では、遷移時間をｔａ－２Δｔからｔａ＋２Δｔまで５つに変化させたことになり、実質的には拡散数ｎをｎ＝３にした場合と同様のスイッチングノイズの低減効果が期待できる。
【0083】
従って、図１３に示した遷移時間の設定によれば、各々のゲートドライバ４２Ｕ、４４Ｕにおける拡散数を抑制することによりゲートドライバ４２Ｕ、４４Ｕの制御負荷を軽減すると共に、発生するスイッチングノイズの周波数を拡散させてスイッチングノイズ同士の干渉による弱め合いの効果を高め、スイッチングノイズを低減することが可能となる。
【0084】
図１３では、区間１１０で遷移時間をｔａ－Δｔ、ｔａ及びｔａ＋Δｔに、区間１１２で遷移時間をｔａ－２Δｔ、ｔａ及びｔａ＋２Δｔに、各々変化させたが、区間１１０で遷移時間をｔａ－２Δｔ、ｔａ及びｔａ＋２Δｔに、区間１１２で遷移時間をｔａ－Δｔ、ｔａ及びｔａ＋Δｔに、各々変化させてもよい。
【0085】
図１４は、モータ１２における電気角の半周期毎に遷移時間が変化するように操作部３２Ｕを制御して駆動信号の電流値を変化させる場合の説明図である。図１４に示した例では、上段のスイッチング素子４２Ｕと下段のスイッチング素子４４Ｕとで各々異なる拡散幅とし、電気角半周期毎にスルーレートが変化するように操作部３２Ｕを制御する。
【0086】
図１４では、例えば、スイッチング素子４２Ｕがオンになる区間１１４Ａでは、遷移時間をｔａ、スイッチング素子４４Ｕがオンになる区間１１６Ａでは、遷移時間をｔａ－２Δｔとし、後続する区間１１４Ｂでは同ｔａ－Δｔ、区間１１６Ｂでは同ｔａ＋２Δｔ、区間１１４Ｃでは同ｔａ＋Δｔ、区間１１６Ｃでは同ｔａとする。従って、区間１１４Ａから区間１１６Ｃまでの一連の制御において、遷移時間を５つに変化させたことになるが、区間１１４Ａ～１１６Ｃの各々の区間においては、各々のスイッチング素子が１の遷移時間でスイッチングするように操作部３２Ｕを制御するので、制御負荷を軽減することができる。
【0087】
その結果、各々のゲートドライバ４２Ｕ、４４Ｕの制御負荷を軽減すると共に、発生するスイッチングノイズの周波数を拡散させてスイッチングノイズ同士の干渉による弱め合いの効果を高め、スイッチングノイズを低減することが可能となる。
【0088】
図１５は、所定期間内での上段のスイッチング素子４２Ｕの遷移時間の平均と下段のスイッチング素子４４Ｕの遷移時間の平均とが等しくなるように、操作部３２Ｕを制御して駆動信号の電流値を変化させる場合の説明図である。
【0089】
図１５では、例えば、スイッチング素子４２ＵがＰＷＭ制御でオンになる区間１１８での遷移時間は、中心値ｔａを挟んで最小遷移時間ｔａ－Δｔから最大遷移時間ｔａ＋Δｔまで変化し、かかる場合の遷移時間の平均はｔａとなる。
【0090】
また、図１５では、例えば、スイッチング素子４４ＵがＰＷＭ制御でオンになる区間１２０での遷移時間は、中心値ｔａを挟んで最小遷移時間ｔａ－２Δｔから最大遷移時間ｔａ＋２Δｔまで変化し、かかる場合の遷移時間の平均はｔａとなる。
【0091】
図１５では、区間１１８で遷移時間をｔａ－Δｔ、ｔａ及びｔａ＋Δｔに、区間１２０で遷移時間をｔａ－２Δｔ、ｔａ及びｔａ＋２Δｔに、各々変化させたが、区間１１８で遷移時間をｔａ－２Δｔ、ｔａ及びｔａ＋２Δｔに、区間１２０で遷移時間をｔａ－Δｔ、ｔａ及びｔａ＋Δｔに、各々変化させてもよい。
【0092】
このように、所定期間内での上段のスイッチング素子４２Ｕの遷移時間の平均と下段のスイッチング素子４４Ｕの遷移時間の平均とが等しくなるようにすることにより、スイッチング素子４２Ｕ、４４Ｕの各々の発熱が不均一になることを防ぎ、インバータ１０の回路の保護を図ることができる。
【0093】
以上説明したように、本実施の形態によれば、遷移時間の拡散により、スイッチング素子のスイッチングによって生じるスイッチングノイズの周波数及び位相を変化させ、スイッチングノイズの波形同士の干渉による弱め合いが生じることにより、スイッチングノイズの強度を低下させる。
【0094】
遷移時間を拡散させるには、スイッチング素子のスルーレートを拡散させるが、遷移時間の変化とスイッチングノイズの低減との相関性が明確でないと、遷移時間を拡散させてもスイッチングノイズの低減効果は薄い。しかしながら、本実施形態では、式（４）～（９）に示したように、拡散数ｎ、特定周波数ｆ1、最大遷移時間ｔLと最小遷移時間ｔSとの差分である拡散幅ΔＴ及びスイッチングノイズの低減に効果的な周波数範囲を示す周波数差分Δｆの各々の密接不可分な関係に基づいて、スイッチング素子の遷移時間を制御する。
【0095】
その結果、スイッチングノイズの低減が効果的な条件に基づいてスイッチング素子のスルーレートを制御することが可能となる。
【符号の説明】
【0096】
１０…インバータ、１２…モータ、２２Ｕ…ゲートドライバ、３０Ｕ…制御部、３２Ｕ…操作部、４２Ｕ、４４Ｕ…スイッチング素子、１０６、１０６Ａ、１０６Ｂ、１０６Ｃ…周波数範囲、ΔＴ…拡散幅、Δｆ、Δｆ1、Δｆ2…周波数差分、ＳＲ…スルーレート
Ｖds…ドレインソース間電圧、ｆ1…特定周波数、ｆm…中心周波数、ｎ…拡散数、ｔL…最大遷移時間、ｔS…最小遷移時間、ｔf、ｔr…遷移時間
Ｖds…ドレインソース間電圧、ｆ1…特定周波数、ｆm…中心周波数、ｎ…拡散数、ｔL…最大遷移時間、ｔS…最小遷移時間、ｔf、ｔr…遷移時間
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】
【図10】
【図11】
【図12】
【図13】
【図14】
【図15】
