DE102005037788A1

DE102005037788A1 - Wechselrichtergerät

Info

Publication number: DE102005037788A1
Application number: DE102005037788A
Authority: DE
Inventors: Katsumi Ishikawa; Hideki Miyazaki; Koichi Suda
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 2004-08-10
Filing date: 2005-08-10
Publication date: 2006-02-23
Also published as: JP2006054933A; US7564294B2; US7336118B2; JP4449640B2; US20060033552A1; US20080106320A1

Abstract

Es wird ein zuverlässiges Wechselrichtergerät zur Verfügung gestellt, das Langzyklusrauschen, das durch das isolierte Signalübertragungselement erzeugt wird, von Kurzzyklus-dv/dt-Rauschen und Induktionsrauschen unterscheidet. DOLLAR A Ein Tiefpassfilter, ein Bandpassfilter und eine Schalteinrichtung sind zwischen dem Eingangsabschnitt der Gate-Ansteuerschaltung des spannungsgetriebenen Leistungshalbleiterschaltelements und der isolierten Signalübertragungseinrichtung, das die Ausgabe des Steuerkreises überträgt, vorgesehen; ebenfalls ist eine Anormalsignal-Unterscheidungsschaltung vorgesehen, die die Schalteinrichtung nach Maßgabe der Ausgabe des Bandpassfilters ein- und ausschaltet, wodurch ein aus dem isolierten Signalübertragungselement abgeleitetes Langzyklusrauschen, Kurzzyklus-dv/dt-Rauschen und Induktionsrauschen beseitigt wird; und die auch Alarmsignale ausgibt.

Description

GEBIET DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Halbleiterleistungsumwandlungsvorrichtung und insbesondere betrifft sie ein sehr zuverlässiges Wechselrichtergerät.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Im Allgemeinen werden Leistungshalbleiterelemente, wie zum Beispiel ein MOSFET und ein IGBT, in der Hauptschaltung eines Wechselrichterabschnitts eines Wechselrichtergeräts verwendet und es wird eine Spannung von 42 V bis 600 V an die Hauptschaltung angelegt. Des Weiteren wird jede Ansteuerschaltung zum Ansteuern und Schützen von jedem der Leistungshalbleiterelemente mit einer isolierten Energiequelle zum Ansteuern des Elements auf der Basis des Leistungserdpotenzials des Source-Anschlusses des MOSFET oder des Emitteranschlusses des IGBT als Referenzpotenzial einzeln versorgt. Andererseits verwendet das Ausgangssignal des Steuerkreises, der die EIN/AUS-Steuerung der Leistungshalbleiterelemente gemäß einem externen Befehl durchführt, ein Signalerdpotenzial als Referenzpotenzial.

Das Ausgangssignal dieses Steuerkreises muss in die Ansteuerschaltung des Leistungshalbleiterelements eingegeben werden, das ein Leistungserdpotenzial (Source-Potenzial oder Emitterpotenzial des MOSFET oder IGBT) als Referenzpotenzial verwendet, und daher muss das Signal isoliert sein. Als Einrichtung zum Übertragen des Signals unter Bereitstellung einer ausreichenden Isolierung, d. h. als isolierte Signalübertragungseinrichtung, ist ein optisches Isolierungssystem, wie zum Beispiel ein Photokoppler und eine Digitalverbindung, gut bekannt. Beispielsweise wird in der Technologie, die in der japanischen Patentoffenlegungsschrift Nr. Hei 08 (1996)-298786 ( 2 und Beschreibungen in den Absätzen 0010 und 0011) ein Photokoppler verwendet.

Wenn ein Photokoppler verwendet wird, fließt in Abhängigkeit von dem Verhältnis der Umschaltzeit (dv/dt) der Hauptschaltungsspannung, die beim Schalten des Leistungshalbleiterelements auftritt, ein elektrischer Verschiebungsstrom durch die Streukapazität, die zwischen der primären Seite und der sekundären Seite des Photokopplers vorhanden ist, und der Strom fließt in die Ansteuerschaltung, was eine Fehlfunktion auslösen kann. Daher muss ein Photokoppler verwendet werden, der ein hohes Gleichtaktunterdrückungsverhältnis (common mode rejection ratio – CMRR) und einen hohen dv/dt-(Spannungsverschiebungsverhältnis)-Widerstand besitzt.

Es ist allerdings äußerst schwierig, das Rauschen vollständig zu eliminieren, das auf der sekundären Seite des Photokopplers, d. h. in einem Eingangssignal der Ansteuerschaltung, auftritt. Daher ist, wie in 3 gezeigt ist, in der gut bekannten konventionellen Technologie ein Tiefpassfilter 21 im Eingangsabschnitt der Ansteuerschaltung und Schutzschaltung 33 zum Eliminierung des Rauschens vorgesehen.

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG

Wechselrichtergeräte, und insbesondere ein Wechselrichtergerät für Kraftfahrzeuge und ein Wechselrichtergerät für Züge, verwenden als Ergebnis der Kleinstverpackung, höheren Batteriespannung und Starkstrom-Freileitungsspannung sowie dem Anstieg der Motorbe lastbarkeit mehr Strom. Durch die Anwendung einer höheren Batteriespannung und Starkstrom-Freileitungsspannung steigt die Gleichstromspannung der Hauptschaltung. Dementsprechend erhöht sich das dv/dt, das beim Schalten des Leistungshalbleiterelements auftritt, und dadurch neigt das Rauschen, das auf der sekundären Seite des Photokopplers, d. h. im Eingangssignal der Ansteuerschaltung, auftritt, zur Zunahme.

Weiterhin fließt mit der Kleinstverpackung des Wechselrichtergeräts und dem erhöhten Strom des Wechselrichtergeräts ein großer Strom durch einen benachbarten Leiter innerhalb des Wechselrichtergeräts. Somit besteht die Tendenz, dass die elektromagnetische Induktion ein Rauschen vermehrt, das in dem Eingangssignal auf der sekundären Seite des Photokopplers auftritt. Zur Vermeidung dieses Rauschens muss die Zeitkonstante des Tiefpassfilters, das im Eingangsteil der Ansteuerschaltung vorgesehen ist, erhöht werden, um die Grenzfrequenz in eine niedrigere Frequenz zu ändern, wodurch das Rauschen ausreichend verringert wird. Wenn jedoch die Zeitkonstante des Tiefpassfilters zunimmt, wird die Übertragungsverzögerung des Ansteuersignals, das von dem Steuerkreis gesendet wird, beträchtlich groß, was eine Verzögerung im Regelverhalten des Motors bewirkt. Dies stellt ein Problem dar.

Des Weiteren ist es gut bekannt, dass optische Isolierungselemente, versinnbildlicht durch einen Photokoppler, leicht eine Fehlfunktion erleiden, wenn sie in einer Umgebung mit hohen Temperaturen betrieben werden. Zur Vermeidung der Fehlfunktion gibt es ein Verfahren, das die Zeitkonstante des Tiefpassfilters weiter erhöht, um ein Langzyklusrauschen zu entfernen, das das Ausgangssignal auf der sekundären Seite des Photokopplers stört. Aber wie bereits ausgeführt wurde, besteht das Problem, dass die Übertragungsverzögerung des von dem Steuerkreis gesendeten Signals zunimmt, was eine Verzögerung im Regelverhalten des Motors bewirkt.

Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, ein sehr zuverlässiges Wechselrichtergerät zu Verfügung zu stellen, das zwischen Langzyklusrauschen, das von einem isolierten Signalübertragungselement abgeleitet ist, und Kurzzyklus-dv/dt-Rauschen und Induktionsrauschen unterscheidet und dadurch Fehlfunktionen erfasst, die durch Betrieb bei hoher Temperatur oder Verschleiß durch Alterung verursacht werden.

Ein Wechselrichtergerät gemäß der vorliegenden Erfindung besitzt eine Anormalsignal-Unterscheidungsschaltung, die zwischen einem isolierten Signalübertragungselement für das Ansteuersignal und dem Eingangsabschnitt einer Ansteuerschaltung und Schutzschaltung angeordnet ist, so dass die Anormalsignal-Unterscheidungsschaltung von dem isolierten Signalübertragungselement abgeleitetes Langzyklusrauschen von Kurzzyklus-dv/dt-Rauschen und Induktionsrauschen unterscheidet und dadurch Fehlfunktionen vermeidet.

Gemäß der vorliegenden Erfindung kann ein sehr zuverlässiges Wechselrichtergerät zur Verfügung gestellt werden, das von einem isolierten Signalübertragungselement abgeleitetes Langzyklusrauschen von Kurzzyklus-dv/dt-Rauschen und Induktionsrauschen unterscheidet und zuverlässig Fehlfunktionen erfasst, die durch Betrieb bei hoher Temperatur oder Verschleiß durch Alterung ausgelöst werden.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist ein Blockschaltbild der Ausführungsform 1.
2 ist eine Zeittafel der Ausführungsform 1.
3 ist ein Blockschaltbild des Standes der Technik.
4 ist ein Blockschaltbild der Ausführungsform 2.
5 ist ein Blockschaltbild der Ausführungsform 3.
6 ist ein Blockschaltbild der Ausführungsform 4.
7 ist ein Blockschaltbild der Ausführungsform 5.
8 ist ein Blockschaltbild der Ausführungsform 6.
9 ist eine Erläuterungszeichnung, die die Impulsmuster der Ausführungsform 6 beschreibt.
BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
Es werden Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen detailliert erläutert.
Ausführungsform 1:
1 ist ein Blockschaltbild eines Arms eines Wechselrichtergeräts gemäß dieser Ausführungsform. Wie in 1 gezeigt ist, ist eine Freilaufdiode 32 zwischen dem Kollektor und dem Emitter, die Hauptanschlüsse eines IGBT (Isolated Gate Bipolar Transistor) 31 sind, umgekehrt parallel geschaltet, so dass sie dadurch einen Arm der Hauptschaltung des Wechselrichters bildet. Diese Ausführungsform ist ein Wechselrichtergerät, das ein pulsweitenmoduliertes (PWM-) Ansteuersignal zu dem Gate hinzufügt, das ein Steueranschluss des IGBT 31 ist, eine Gleichstromspannung in eine frequenz-variable Drehstromspannung umwandelt und sie ausgibt. Daher weist das Wechselrichtergerät eine volle Brückenschaltung auf, in der drei Sätze ähnlicher Arme vertikal in Reihe geschaltet sind, obwohl die Schaltung nicht in 1 gezeigt ist. Eine Drehstromspannung wird aus jedem Übergang der oberen und unteren Arme ausgegeben und einem Asynchronmotor oder einem Synchronmotor zugeführt, der als Last dient.
In dieser in 1 gezeigten Ausführungsform wird ein Ausgangssignal aus der Ansteuerschaltung und Schutzschaltung 33, die das Potenzial der Leistungserdung 41 des Emitteranschlusses des IGBT 31 als Referenzpotenzial benutzt, zu dem Gate gesendet, das die Steuerelektrode des IGBT 31 ist, wodurch sowohl der Schaltvorgang als auch der Schutzvorgang des IGBT 31 durchgeführt wird. Eine Ansteuerschaltung und Schutzschaltung 33 dieser Ausführungsform ist eine integrierte Schaltung, die auf einem dielektrischen isolierten Substrat ausgebildet ist, aber sie kann auch eine Ansteuerschaltung sein, in der diskrete Halbleiter auf einer Leiterplatte angeordnet sind.
Eine Steuerenergiequelle 46, die durch einen Wandler oder dergleichen isoliert ist, dient als Energiequelle für die Ansteuerschaltung und Schutzschaltung 33, und die Spannung der Steuerenergiequelle 46 beträgt gewöhnlich zwischen 10 V und 30 V oder zwischen 15 V und 12 V. Andererseits besitzt ein Steuerkreis 34, der das Potenzial der Signalerdung 42 als Referenzpotenzial benutzt, eine CPU mit eingebautem RAM, ROM und EPROM und ist auf einer Leiterplatte angeordnet, die in 1 nicht gezeigt ist. Die Energiequellenspannung des Steuerkreises 34 beträgt gewöhnlich 5 V oder 3,3 V, was sich von der Spannung der Steuerenergiequelle 46 der Ansteuerschaltung und Schutzschaltung 33 unterscheidet.
In dieser Ausführungsform wird ein Ausgangssignal des Steuerkreises 34, der das Potenzial der Signalerdung 42 als Referenzpotenzial verwendet, in ein Eingangssignal der Ansteuerschaltung und Schutzschaltung 33, die ein anderes Referenzpotenzial benutzt, umgewandelt und das Signal wird übertragen. Daher ist ein isoliertes Signalübertragungselement 35 für das Ansteuersignal vorgesehen. Im Gegensatz hierzu wird ein weiteres isoliertes Signalübertragungselement 36 ebenfalls vorgesehen, um ein Alarmsignal, das durch die Ansteuerschaltung und Schutzschaltung 33, die das Potenzial der Leistungserdung 41 als Referenzpotenzial nutzt, ausgegeben wird, in ein Eingangssignal des Steuerkreises 34, der ein anderes Referenzpotenzial verwendet, umzuwandeln. Optische Isolierungselemente, wie zum Beispiel ein Impulsübertrager, ein Photokoppler und eine Digitalverbindung sowie ein kapazitätsgekoppeltes Element können als derartige isolierte Signalübertragungselemente 35 und 36 verwendet werden. Des Weiteren können das isolierte Signalübertragungselement 35 und das isolierte Signalübertragungselement 36 dieselbe Art von Elementen oder verschiedene Arten von Elementen sein, sofern die Elemente die erforderliche Signalübertragungsgeschwindigkeit und den erforderlichen Isolierungswiderstand bieten.
Die vorliegende Ausführungsform unterscheidet sich von dem in 3 gezeigten konventionellen Wechselrichtergerät in dem Punkt, dass bei dieser Ausführungsform eine Anormalsignal-Unterscheidungsschaltung 11 zwischen dem isolierten Signalübertragungselement 35 für das Ansteuersignal und dem Eingangsabschnitt der Ansteuerschaltung und Schutzschaltung 33 angeordnet ist.
Die Anormalsignal-Unterscheidungsschaltung 11 dieser Ausführungsform besitzt ein Tiefpassfilter 21, ein Bandpassfilter 22 und ei nen Schalter 24, um zu erfassen, ob ein anormales Signal in dem Eingangssignal, welches das Potenzial der Leistungserdung 41 als Referenzpotenzial verwendet, vorhanden ist. Das Gate-Ansteuersignal des IGBT 31 wird aus dem Steuerkreis 34 über das isolierte Signalübertragungselement 35 in das Tiefpassfilter 21 und das Bandpassfilter 22 eingegeben. Eine Ausgabe des Tiefpassfilters 21 wird über den Schalter 24 in die Ansteuerschaltung und Schutzschaltung 33 eingegeben. Des Weiteren trennt das Bandpassfilter 22 die Frequenzkomponente des anormalen Signals, die in dem Eingangssignal enthalten ist, von dem Ansteuersignal und gibt das Signal in den Anormalsignal-Erfassungs- und -unterscheidungsabschnitt 28 ein. Der Anormalsignal-Erfassungs- und -unterscheidungsabschnitt 28 schaltet den Schalter 24 aus, wenn er ein anormales Signal erfasst hat, um die Ausgabe des Tiefpassfilters 21 abzuschalten, und wenn er kein anormales Signal erfasst hat, schaltet er den Schalter 24 ein, damit die Ausgabe des Tiefpassfilters 21 hindurchgehen kann.
Sowohl eine Anormalsignal-Erfassungsausgabe des Anormalsignal-Erfassungs- und -unterscheidungsabschnitts 28 als auch ein von der Ansteuerschaltung und Schutzschaltung 33 ausgegebenes anormales Signal werden in die AND-Schaltung 25 eingegeben und ein von der AND-Schaltung 25 ausgegebenes Alarmsignal wird über das isolierte Signalübertragungselement 36 an den Steuerkreis 34 übertragen. Somit werden in dieser Ausführungsform mehrere anormale Signale in die AND-Schaltung 25 eingegeben und das logische Produkt wird ausgegeben. Dadurch werden unnötige Unterbrechungen im Betrieb vermieden und die Zuverlässigkeit des Wechselrichtergeräts gesteigert.
In dem Wechselrichtergerät dieser Ausführungsform beträgt die Frequenz des Trägers, wenn ein PWM-Signal zum Ansteuern eines IGBT 31 erzeugt wird, 10 kHz und die Grenzfrequenz (Frequenz für –3 dB) des Tiefpassfilters 21 beträgt 2 MHz. Des Weiteren beträgt die Untergrenzenfrequenz (Frequenz für –3 dB) der Durchlassbereichsweite des Bandpassfilters 22 300 kHz und die Obergrenzenfrequenz (Frequenz für –3 dB) beträgt 2 MHz. In dieser Ausführungsform ist die Grenzfrequenz des Tiefpassfilters 21 so angemessen eingestellt, dass dv/dt-Rauschen mit einem Zyklus von 500 ns bis 600 ns und elektromagnetisches Induktionsrauschen eliminiert werden können.
In dieser Ausführungsform ist zum Erfassen und Eliminieren von Rauschen, das von einem optischen Isolationselement abgeleitet ist, die Bandweite des Bandpassfilters 22 so angemessen eingestellt, dass Rauschen mit einem Zyklus von 500 ns bis 3 μs hindurchgehen kann. Dies bedeutet auch, dass die maximale Impulsweite, die durch das Bandpassfilter 22 hindurchgehen kann, auf die minimale EIN-Impulsweite des Ausgangssignals des Steuerkreises oder auf eine Impulsweite, die kürzer ist als die minimale AUS-Impulsweite, eingestellt ist.
Operationen der Anormalsignal-Unterscheidungsschaltung 11 dieser Ausführungsform werden unter Bezugnahme auf die Zeittafel in 2 detailliert erläutert. 2(1) zeigt die Wellenform des Gate-Ansteuersignals, das über das isolierte Signalübertragungselement 35 aus dem Steuerkreis 34 ausgegeben worden ist. In der in 2(1) gezeigten Signalwellenform ist das ursprüngliche Ansteuersignal überlagert mit dv/dt-Rauschen, elektromagnetischem Induktionsrauschen und Rauschen, das aus einem optischen Isolierungselement abgeleitet ist, wie zum Beispiel einem Photokoppler, der ein isoliertes Signalübertragungselement 35 ist.
2(2) zeigt die Ausgangswellenform des Tiefpassfilters 21. Gewöhnlich liegt der Zyklus von dv/dt-Rauschen und elektromagnetischem Induktionsrauschen zwischen 500 ns und 600 ns. In der Aus gangswellenform des Tiefpassfilters 21 dieser Ausführungsform wird das Rauschen dieses Zyklus unterdrückt und ist niedriger als die Schwellenspannung der Logikschaltung. Jedoch geht ein Rauschen mit einem Zyklus von 500 ns bis 3 μs, das aus einem optischen Isolierungselement abgeleitet ist, durch das Tiefpassfilter 21 hindurch.
2(3) zeigt die Ausgangswellenform des Bandpassfilters 22 dieser Ausführungsform. Die Wellenform der Ausgabe des Bandpassfilters 22 entspricht einem Rauschen, das durch ein in 2(1) gezeigtes optisches Isolierungselement erzeugt wird.
2(4) zeigt die Wellenform des Signals, das durch die Anormalsignal-Unterscheidungsschaltung 11 dieser Ausführungsform an die Ansteuerschaltung und Schutzschaltung 33 ausgegeben wird, und 2(5) zeigt das Signal, das zu dem Gate des IGBT 31 addiert wird.
Sowohl ein anormales Signal, das in der Ausgabe des Bandpassfilters 22 enthalten war und von dem Anormalsignal-Erfassungs- und -unterscheidungsabschnitt 28 erfasst und ausgegeben wurde, als auch ein anormales Signal, das durch die Ansteuerschaltung und Schutzschaltung 33 ausgegeben wird, werden in die AND-Schaltung 25 eingegeben und 2(6) zeigt die Wellenform des durch die AND-Schaltung 25 ausgegebenen Signals. Obwohl eine Erläuterung außer der Reihe ist, schaltet ferner ein anormales Signal, das durch den Anormalsignal-Erfassungs- und -unterscheidungsabschnitt 28 erfasst und ausgegeben wird, den Schalter 24 ab, um jegliche Ausgabe des Tiefpassfilters 21 abzuschneiden, wodurch Rauschen von dem Gate-Ansteuersignal, wie in 2(4) gezeigt, eliminiert und das Signal normalisiert wird.
Wie vorstehend angegeben ist, kann gemäß dieser Ausführungsform Rauschen, das durch die Fehlfunktion eines isolierten Signalübertragungselements, die durch Betrieb bei hoher Temperatur oder Verschleiß durch Alterung ausgelöst wird, von dv/dt-Rauschen und Induktionsrauschen unterscheidet werden. Da eine Unregelmäßigkeit, die in dem Steuerkreis auftritt, möglichst bald entdeckt werden kann, kann daher die Zuverlässigkeit des Wechselrichtergeräts für Kraftfahrzeuge und des Wechselrichtergeräts für Züge gesteigert werden.
Es ist erläutert worden, dass das Tiefpassfilter 21 und das Bandpassfilter 22 dieser Ausführungsform als analoge Filter konfiguriert sind, und ein Aktivfilter, das ein Element wie zum Beispiel ein RC-Filter, ein LC-Filter, ein Kristallfilter, ein Keramikfilter und einen Operationsverstärker verwendet, wird als analoges Filter verwendet.
In dieser Ausführungsform können das Tiefpassfilter 21 und das Bandpassfilter 22 als digitale Filter konfiguriert werden. Die Verwendung eines Mikrocomputers oder eines DSP (Digitalsignalprozessors) zum Verarbeiten von Signalen ermöglicht es, Rauschen zu entfernen, das das Signal gestört hat. Durch den Einbau eines Mikrocomputers oder eines DSP in die in 1 gezeigte Anormalsignal-Unterscheidungsschaltung 11 kann ein sehr zuverlässiges Wechselrichtergerät zur Verfügung gestellt werden.
Ausführungsform 2:
4 ist ein Blockschaltbild dieser Ausführungsform. In 4 sind die gleichen Teile, die in 1 gezeigt sind, mit gleichen Ziffern bezeichnet und es wird auf Beschreibungen der identischen Teile verzichtet.
Die Anormalsignal-Unterscheidungsschaltung 11 dieser Ausführungsform ist mit einem Tiefpassfilter 21, einem Bandpassfilter 22 und einem Bandsperrfilter 23 ausgestattet. In dieser Ausführungsform werden auf dieselbe Weise wie bei der in 2 gezeigten Konfiguration der Ausführungsform 1 dv/dt-Rauschen und elektromagnetisches Induktionsrauschen durch das Tiefpassfilter 21 entfernt und aus einem isolierten Signalübertragungselement 35 abgeleitetes Rauschen wird durch das Bandpassfilter 22 gefiltert, um Unregelmäßigkeiten zu erfassen, und dann wird das Signal über das isolierte Signalübertragungselement 36 an den Steuerkreis 34 übertragen. Anstatt einen Schalter 24 vorzusehen, der in der Ausführungsform 1 vorgesehen ist, wird in dieser Ausführungsform eine Ausgabe des Tiefpassfilters 21 durch das Bandsperrfilter 23 gefiltert, wodurch Rauschen, das durch eine Fehlfunktion des Elements verursacht wird, welches das isolierte Signal mit einem Zyklus von 500 ns bis 3 μs überträgt, eliminiert und das Gate-Ansteuersignal normalisiert wird. Vorliegend beträgt die Untergrenzen-Rauscheneliminationsfrequenz des Bandsperrfilters 300 kHz und die Obergrenzen-Rauscheneliminationsfrequenz beträgt 2 MHz. Weiterhin wird in dieser Ausführungsform eine Ausgabe des Tiefpassfilters 21 in das Bandpassfilter 22 eingegeben, um Unregelmäßigkeiten zu erfassen; jedoch kann auf dieselbe Weise wie bei der Ausführungsform 1 ein durch das isolierte Signalübertragungselement 35 ausgegebenes Signal in das Bandpassfilter 22 eingegeben werden.
Gemäß dieser Ausführungsform kann Rauschen, das durch die Fehlfunktion eines isolierten Signalübertragungselement erzeugt wird, die durch Betrieb bei hoher Temperatur oder Verschleiß durch Alterung ausgelöst wird, von dv/dt-Rauschen und Induktionsrauschen unterschieden werden. Da eine Unregelmäßigkeit, die in dem Steuerkreis auftritt, möglichst bald erfasst werden kann, kann daher die Zuver lässigkeit des Wechselrichtergeräts für Kraftfahrzeuge und des Wechselrichtergeräts für Züge gesteigert werden.
Ausführungsform 3:
5 ist ein Blockschaltbild dieser Ausführungsform. In 5 sind die gleichen Teile, die in 1 und 4 gezeigt sind, mit gleichen Ziffern bezeichnet und auf Beschreibungen der identischen Teile wird verzichtet.
Die Anormalsignal-Unterscheidungsschaltung 11 dieser Ausführungsform ist mit einem Tiefpassfilter 21, einem Bandsperrfilter 23 und einer Differenzialschaltung 26 ausgestattet. Weiterhin weist die Differenzialschaltung 26 einen nicht gezeigten Wellenformkorrekturabschnitt auf, der eine Ausgangssignalwellenform des Tiefpassfilters 21 zu einer vorgeschriebenen Logiksignalpegelwellenform formt.
In dieser Ausführungsform wird eine Differenz zwischen einem Ausgangssignal des Tiefpassfilters 21 und einer Gate-Spannung des IGB-T 31 erfasst, und wenn eine Differenz erfasst worden ist, wird bestimmt, ob Rauschen, das durch eine Fehlfunktion des isolierten Signalübertragungselements 35 erzeugt worden ist, durch Betrieb bei hoher Temperatur oder Verschleiß durch Alterung ausgelöst worden ist, und ein anormales Signal wird an den Steuerkreis 34 übertragen. Des Weiteren ist in dieser Ausführungsform der Logiksignalpegel (beispielsweise TTL-Pegel, CMOS-Pegel) des in die Differenzialschaltung 26 eingegebenen Signals derselbe wie die Logik (positive Logik oder negative Logik), jedoch ist klar, dass selbst dann, wenn sie nicht dieselben sind, diese Ausführungsform angewendet werden kann, wenn die Logik angemessen geändert wird.
Ausführungsform 4:
6 ist ein Blockschaltbild dieser Ausführungsform. In 6 sind die gleichen Teile, die in 1, 4 und 5 gezeigt sind, mit gleichen Ziffern bezeichnet und auf Beschreibungen der identischen Teile wird verzichtet.
Die Anormalsignal-Unterscheidungsschaltung 11 dieser Ausführungsform ist mit zwei Sätzen isolierter Signalübertragungselemente 35, zwei Sätzen Tiefpassfilter 21 und einer Differenzialschaltung 26 ausgestattet. In dieser Ausführungsform werden zwei Sätze Tiefpassfilter 21, die dieselbe Zeitkonstante wie jene des isolierten Signalübertragungselements 35 aufweisen, d. h. die Tiefpassfilter 21, die eine Grenzfrequenz von 2 MHz besitzen, und Differenzen jener Signale erhalten, wodurch ein anormales Signal erfasst wird, das in einem Eingangssignal auf dieselbe Weise wie in den Ausführungsformen 1 bis 3 auftritt.
Vorliegend werden zwei Wellenformen des Rauschens, das durch die Fehlfunktion oder den Verschleiß von zwei isolierten Signalübertragungselementen 35 bewirkt wird, nicht identisch; und daher kann zuverlässig erfasst werden, ob es eine Unregelmäßigkeit gibt, indem eine Differenz zwischen Ausgangssignalen der beiden Sätze Tiefpassfilter 21 erfasst wird.
Des Weiteren werden in dieser Ausführungsform die Ausgaben von zwei Sätzen Tiefpassfilter in eine AND-Schaltung 29 eingegeben und das Ausgangssignal wird in die Ansteuerschaltung und Schutzschaltung 33 über ein Bandsperrfilter 23 eingegeben. Weiterhin kann auf das Bandsperrfilter 23 verzichtet werden und ein Ausgangssignal der AND-Schaltung 29 direkt an die Ansteuerschaltung und Schutzschaltung 33 ausgegeben werden.
Ausführungsform 5:
7 ist ein Blockschaltbild dieser Ausführungsform. In 7 sind die gleichen Teile, die in den Ausführungsformen 1 bis 4 gezeigt sind, mit gleichen Ziffern bezeichnet und auf Beschreibungen der identischen Teile wird verzichtet.
In dieser Ausführungsform sind ein Oberarm-IGBT 31 und ein Unterarm-IGBT 31 zwischen der positiven Seite der Hauptenergiequelle 48 und dem Potenzial der Leistungserdung 41 Totem-poleverbunden, wodurch sie eine Halbbrücke bilden, und es sind mehrere solcher Halbbrücken vorgesehen, obwohl sie in der Zeichnung nicht gezeigt sind. Eine Last (eine induktive Last, zum Beispiel ein Motor) 37 ist mit einem Übergang zwischen dem Oberarm-IGBT 31 und dem Unterarm-IGBT 31 verbunden. Eine Ansteuerschaltung und Schutzschaltung 33 und eine Steuerenergiequelle 46 jedes Schaltelements sind auf den Ober- und Unterarmen einzeln vorgesehen. Eine Pegelverschiebungsschaltung, die den Signalpegel der Ansteuerschaltung und Schutzschaltung 33, welche das Potenzial der Unterarm-Leistungserdung 41 als Referenzpotenzial verwendet, in den Signalpegel der Ansteuerschaltung und Schutzschaltung 33 des Unterarmschaltelements umwandelt, ist in die Ansteuerschaltung und Schutzschaltung 33 des Oberarm-Schaltelements eingebaut.
Die Anormalsignal-Unterscheidungsschaltung 11 dieser Ausführungsform, die ein anormales Signal erfasst, das in dem Eingangssignal erzeugt wird, welches das Leistungserdungs-Potenzial als Referenzpotenzial verwendet, ist mit zwei Sätzen Tiefpassfilter 21 und zwei Sätzen Gleichtaktrauscheneliminationsschaltungen 27 zusätzlich zu zwei Sätzen isolierter Signalübertragungselemente 35 für den Oberarm und den Unterarm ausgestattet. Die Gleichtaktrauscheneliminationsschaltung 27 besteht aus der Paralleldurchgangsvorbeu gungslogik. Signale, die aus dem oberarmseitigen Tiefpassfilter 21 sowie dem unterarmseitigen Tiefpassfilter 21 ausgegeben werden, werden in die oberarmseitige Gleichtaktrauscheneliminationsschaltung 27 eingegeben, um Gleichtaktrauschen zu eliminieren. Da zwei Arten von Rauschen, die durch Fehlfunktion von zwei isolierten Signalübertragungselementen 35 oder Verschleiß ausgelöst werden, nicht identisch werden und auch nicht als Gleichtaktrauschen erscheinen, kann Rauschen, das durch eine Fehlfunktion isolierter Signalübertragungselemente 35 erzeugt wird, die durch Betrieb bei hohen Temperaturen oder Verschleiß durch Alterung ausgelöst wird, erfasst werden, indem die Ausgabe der Gleichtaktrauscheneliminationsschaltung 27 überprüft wird.
Ausführungsform 6:
8 ist ein Blockschaltbild dieser Ausführungsform. In 8 sind die gleichen Teile, die in den Ausführungsformen 1 bis 5 gezeigt sind, mit gleichen Ziffern bezeichnet und auf Beschreibungen der identischen Teile wird verzichtet.
Neben der Konfiguration der Ausführungsform 2 umfasst diese Ausführungsform weiterhin eine Schaltung, die eine Gate-Spannung und eine Kollektorspannung des IGBT 31 erfasst, um festzustellen, ob es eine Unregelmäßigkeit gibt. In dieser Ausführungsform wird neben der Beschreibung der Ausführungsform 2 der voreingestellte Testimpuls in dem Steuerkreis 34 erzeugt, in das Gate des IGBT 31 eingegeben und dann wird das Vorhandensein oder das Nichtvorhandensein einer Unregelmäßigkeit des IGBT 31 nach Maßgabe der Gate-Spannung und der Kollektorspannung des IGBT 31 erfasst.
9 zeigt ein Beispiel für das Impulsmuster dieser Ausführungsform. Im Muster 1 wird ein Signal eingegeben, das nicht durch das Tiefpassfilter 21 hindurchgehen kann, beispielsweise ein Signal mit einer Pulsweite von 0,5 μs oder weniger. Im Muster 1 beträgt die Gate-Ansteuerspannung 0 V, da ein Signal mit einem Impuls von 0,5 μs oder weniger nicht durch das Tiefpassfilter 21 hindurchgehen kann, und es wird kein anormales Signal an den Steuerkreis 34 ausgegeben.
Im Muster 2 wird ein Signal eingegeben, das nicht durch das Bandsperrfilter 23 hindurchgehen kann, beispielsweise ein Signal mit einer Pulsweite von 0,5 μs bis 3 μs. Im Muster 2 zeigt die Gate-Spannung die Wellenform des Ansteuersignals, da ein Signal mit einer Pulsweite von 0,5 μs bis 3 μs nicht durch das Bandsperrfilter 23 hindurchgehen kann. Dagegen wird ein anormales Signal an den Steuerkreis 34 ausgegeben, da ein Signal mit einer Pulsweite von 0,5 μs bis 3 μs durch das Bandpassfilter 22 hindurchgehen kann.
Im Muster 3 wird ein Signal mit einer Pulsweite von 3 μs und mehr eingegeben. Im Muster 3 ist die Wellenform der Gate-Spannung gemäß dem Ansteuersignal und es wird kein anormales Signal ausgegeben.
Wie vorstehend angegeben ist, werden ununterbrochen Testsignale der Muster 1 bis 3 erzeugt und die in dem Steuerkreis 34 eingebaute CPU überprüft, ob die Beziehung zwischen dem Testsignalmuster und dem Auftreten des anormalen Signals mit der in 9 gezeigten Beziehung identisch ist, wodurch sie beurteilt, ob der IGBT 31 normal ist oder nicht.
Gemäß dieser Ausführungsform ist es möglich, eine Fehlfunktion des isolierten Signalübertragungselements, die durch Betrieb bei hoher Temperatur oder Verschleiß durch Alterung ausgelöst wurde, möglichst bald zu erfassen, und es kann auch beurteilt werden, ob der IGBT normal ist oder nicht. Daher lässt sich die Zuverlässigkeit des Wechselrichtergeräts für Kraftfahrzeuge und des Wechselrichtergeräts für Züge steigern.

Claims

Wechselrichtergerät mit: einem spannungsgetriebenen Leistungshalbleiterschaltelement, einer Ansteuerschaltung zum Senden eines Ansteuersignals an die Steuerelektrode des Leistungshalbleiterschaltelements durch Verwenden des Emitterpotenzials oder des Source-Potenzials des Leistungshalbleiterschaltelements als Referenzpotenzial, einem Steuerkreis, der das Signalerdungs-Potenzial als Referenzpotenzial verwendet, und einer isolierten Signalübertragungseinrichtung zum Umwandeln eines Ausgangssignals DES Steuerkreises, der das Signalerdungs-Potenzial als Referenzpotenzial verwendet, in ein Eingangssignal der Ansteuerschaltung, die das Emitterpotenzial oder Source-Potenzial des Schaltelements als Referenzpotenzial verwendet; wobei eine Anormalsignal-Unterscheidungsschaltung zwischen dem Eingabeabschnitt der Ansteuerschaltung und der isolierten Signalübertragungseinrichtung vorgesehen ist; wobei die Anormalsignal-Unterscheidungsschaltung folgendes umfasst: ein Tiefpassfilter zum Eingeben eines über die isolierte Signalübertragungseinrichtung gesendeten Signals, ein Bandpassfilter zum Eingeben eines über die isolierte Signalübertragungseinrichtung gesendeten Signals, eine Schalteinrichtung, in der die Ausgabe des Tiefpassfilters über die Schalteinrichtung an die Ansteuerschaltung übertragen wird, und die Schalteinrichtung ein Ausgangssignal des Bandpassfilters empfängt und dadurch ein- und ausschaltet.
Wechselrichtergerät nach Anspruch 1, in dem die Anormalsignal-Unterscheidungsschaltung des Weiteren einen Anormalsignal-Erfassungs- und -unterscheidungsabschnitt zum Eingeben eines durch das Bandpassfilter ausgegebenen Signals sowie eine Anormalsignal-Ausgabeeinrichtung zum Eingeben eines ersten anormalen Signals, das durch den Anormalsignal-Erfassungs- und -unterscheidungsabschnitt ausgegeben wird, und eines zweiten anormalen Signals, das durch die Ansteuerschaltung ausgegeben wird, und zum darauf folgenden Ausgeben einer logischen Summe (OR) aus dem ersten anormalen Signal und dem zweiten anormalen Signal umfasst.
Wechselrichtergerät nach Anspruch 1, in dem anstelle der Bereitstellung der in der Anormalsignal-Unterscheidungsschaltung angeordneten Schalteinrichtung ein Bandsperrfilter zum Eingeben eines durch das Tiefpassfilter ausgegebenen Signals vorgesehen ist.
Wechselrichtergerät nach Anspruch 3, in dem anstelle des Eingebens eines Eingangssignals des in der Anormalsignal-Unterscheidungsschaltung angeordneten Bandpassfilters über die isolierte Signalübertragungseinrichtung ein Ausgangssignal des Tiefpassfilters eingegeben wird.
Wechselrichtergerät nach Anspruch 4, in dem die isolierte Signalübertragungseinrichtung ein optisches Isolierungselement ist.
Wechselrichtergerät nach Anspruch 4, in dem eine logische Summe (OR) aus einem an die Steuerelektrode des spannungsbetriebenen Leistungshalbleiterschaltelements ge sendeten Ansteuersignal und einer Kollektorspannung des Leistungshalbleiterelements zu der logischen Summe (OR) des ersten anormalen Signals und des zweiten anormalen Signals addiert wird.
Wechselrichtergerät mit einem spannungsgetriebenen Leistungshalbleiterschaltelement, einer Ansteuerschaltung zum Senden eines Ansteuersignals an die Steuerelektrode des Leistungshalbleiterschaltelements durch Verwenden des Emitterpotenzials oder des Source-Potenzials des Leistungshalbleiterschaltelements als Referenzpotenzial, einem Steuerkreis, der das Signalerdungs-Potenzial als Referenzpotenzial verwendet, und einer isolierten Signalübertragungseinrichtung zum Umwandeln eines Ausgangssignals des Steuerkreises, der das Signalerdungs-Potenzial als Referenzpotenzial verwendet, in ein Eingangssignal der Ansteuerschaltung, die das Emitterpotenzial oder Source-Potenzial des Schaltelements als Referenzpotenzial verwendet; wobei eine Anormalsignal-Unterscheidungsschaltung zwischen dem Eingangsabschnitt der Ansteuerschaltung und der isolierten Signalübertragungseinrichtung vorgesehen ist; wobei die Anormalsignal-Unterscheidungsschaltung folgendes umfasst: ein Tiefpassfilter zum Eingeben eines über die isolierte Signalübertragungseinrichtung gesendeten Signals, ein Bandsperrfilter zum Eingeben eines durch das Tiefpassfilter ausgegebenen Signals, eine Differenzialschaltung zum Eingeben einer Ausgabe des Tiefpassfilters und eines an die Steuerelektrode des Leistungshalbleiterschaltelements gesendeten Ansteuersignals und zum Erfassen einer Differenz zwischen der Ausgabe des Tiefpassfilters und des an die Steuerelektrode gesendeten Signals, und eine Anormalsignal-Ausgabeeinrichtung zum Eingeben eines durch die Differenzialschaltung gesendeten dritten anormalen Signals und eines durch die Ansteuerschaltung gesendeten zweiten anormalen Signals und zum Ausgeben einer ersten logischen Summe (OR), die eine logische Summe (OR) aus dem dritten anormalen Signal und dem zweiten anormalen Signal ist.
Wechselrichtergerät nach Anspruch 7, in dem die Anormalsignal-Unterscheidungsschaltung folgendes umfasst: ein erstes Tiefpassfilter zum Eingeben eines durch eine erste isolierte Signalübertragungseinrichtung ausgegebenen Signals, ein zweites Tiefpassfilter zum Eingeben eines durch eine zweite isolierte Signalübertragungseinrichtung ausgegebenen Signals, wobei anstelle eines an die Steuerelektrode gesendeten Ansteuersignals ein Ausgangssignal des zweiten Tiefpassfilters in die Differenzialschaltung eingegeben wird, und eine logische Summe (OR) aus einer Ausgabe des ersten Tiefpassfilters und einer Ausgabe des zweiten Tiefpassfilters als zweite logische Summe (OR) in das Bandsperrfilter eingegeben wird.
Wechselrichtergerät nach Anspruch 8, in dem eine zweite logische Summe (OR), die eine logische Summe (OR) aus einer Ausgabe des ersten Tiefpassfilters und einer Ausgabe des zweiten Tiefpassfilters ist, in die Ansteuerschaltung eingegeben wird, ohne durch das Bandsperrfilter hindurchzugehen.
Wechselrichtergerät mit mehreren Halbbrücken, in denen ein am Oberarm angeordnetes erstes spannungsgesteuertes Leistungshalbleiterschaltelement und ein am Unterarm angeordnetes zweites spannungsgesteuertes Leistungshalbleiterschaltelement in Reihe geschaltet sind, einer Ansteuerschaltung zum Senden eines Ansteuersignals an die Steuerelektrode des Leistungshalbleiterschaltelements durch Verwenden des Emitterpotenzials oder Source-Potenzials des Leistungshalbleiterschaltelements als Referenzpotenzial, einem Steuerkreis, der das Signalerdungs-Potenzial als Referenzpotenzial verwendet, und einer isolierten Signalübertragungseinrichtung zum Umwandeln eines Ausgangssignals des Steuerkreises, der das Signalerdungs-Potenzial als Referenzsignal verwendet, in ein Eingangssignal der Ansteuerschaltung, die das Emitterpotenzial oder Source-Potenzial des Schaltelements als Referenzpotenzial verwendet; wobei eine Anormalsignal-Unterscheidungsschaltung zwischen dem Eingabeabschnitt der Ansteuerschaltung und der isolierten Signalübertragungseinrichtung angeordnet ist; wobei die Anormalsignal-Unterscheidungsschaltung folgendes umfasst: ein oberarmseitiges Tiefpassfilter zum Eingeben eines oberarmseitigen Ansteuersignals, ein unterarmseitiges Tiefpassfilter zum Eingeben eines unterarmseitigen Ansteuersignals, eine erste Gleichtaktrauscheneliminationsschaltung zum Eingeben eines Ausgangssignals des oberarmseitigen Tiefpassfilters und eines Ausgangssignals des unterarmseitigen Tiefpassfilters, ein erstes Bandsperrfilter zum Eingeben eines Ausgangssignals der ersten Gleichtaktrauscheneliminationsschaltung und zum Ausgeben des Signals an die oberarmseitige Ansteuerschaltung, eine zweite Gleichtaktrauscheneliminationsschaltung zum Eingeben eines Ausgangssignals des unterarmseitigen Tiefpassfil ters und eines Ausgangssignals des oberarmseitigen Tiefpassfilters, ein zweites Bandsperrfilter zum Eingeben eines Ausgangssignals der zweiten Gleichtaktrauscheneliminationsschaltung und zum Ausgeben des Signals an die unterarmseitige Ansteuerschaltung, und eine Anormalsignal-Ausgangseinrichtung zum Eingeben eines Ausgangssignals der ersten Gleichtaktrauscheneliminationsschaltung, eines Ausgangsignals der zweiten Gleichtaktrauscheneliminationsschaltung, eines durch die oberarmseitige Ansteuerschaltung ausgegebenen anormalen Signals und eines durch die unterarmseitige Ansteuerschaltung ausgegebenen Signals und zum darauf folgenden Ausgeben eines anormalen Signals.
Wechselrichtergerät nach Anspruch 10, in dem die isolierte Signalübertragungseinrichtung ein optisches Isolierungselement ist.