DE102016112361A1 - Elektrische leistungsumwandlungsvorrichtung - Google Patents

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Abstract

Eine elektrische Leistungsumwandlungsvorrichtung (10a; 10b; 10c; 10d; 10e; 10f) umfasst: ein Schaltelement (30; 40); eine kollektorseitige Verdrahtung (14), die mit einer Kollektorseite des Schaltelements verbunden ist; eine emitterseitige Verdrahtung (18), die mit einer Emitterseite des Schaltelements verbunden ist; eine Detektionsschaltung (96; 97; 112; 113), die konfiguriert ist zum Detektieren einer Induktionsspannung, die in der kollektorseitigen Verdrahtung oder der emitterseitigen Verdrahtung erzeugt wird, wenn ein Strom durch die kollektorseitige Verdrahtung oder die emitterseitige Verdrahtung fließt; und eine Vergleichsschaltung (96; 97; 112; 113), die konfiguriert ist zum gegenseitigen Vergleichen der durch die Detektionsschaltung detektierten Induktionsspannung und einer vorab bestimmten vorbestimmten Schwellenspannung.

Description

  • HINTERGRUND DER ERFINDUNG
  • 1. Gebiet der Erfindung
  • Die Erfindung bezieht sich auf eine elektrische Leistungsumwandlungsvorrichtung und insbesondere auf eine elektrische Leistungsumwandlungsvorrichtung, die im Stande ist zum Durchführen einer Detektion dahingehend, ob ein durch ein Schaltelement fließender Strom ein Kurzschlussstrom ist oder nicht.
  • 2. Beschreibung der verwandten Technik
  • Es ist wünschenswert, dass eine Detektion dahingehend, ob ein durch ein Schaltelement fließender Strom ein Kurzschlussstrom ist oder nicht, auf schnelle Art und Weise durchgeführt wird.
  • Beispielsweise offenbart die japanische Patentanmeldungsoffenlegungsschrift Nr. 2001-169533 ( JP 2001-169533 A ) eine Rogowskispule, die zur Detektion einer Stromänderungsrate bzw. -geschwindigkeit eines Hauptstroms eingerichtet ist, der durch das Schaltelement einer elektrischen Leistungsumwandlungsvorrichtung fließt.
  • Bei der Methode der Platzierung der Rogowskispule in Reihe in dem Schaltelement ist ein Induktionsstrom, der in der Rogowskispule erzeugt wird, eine zeitliche Differentiation des Stroms, und es kann daher innerhalb einer kurzen Zeitspanne detektiert werden, ob der durch das Schaltelement fließende Strom der Kurzschlussstrom ist oder nicht. Eine fehlerhafte Detektion tritt auf, wenn ein externes Magnetfeld in der Rogowskispule als Rauschen bzw. Störung vorhanden ist. Bei der Rogowskispule ist jedoch eine Schleife mit der Spule in einem Strompfad eines zu messenden Objekts herzustellen, was zu einer Erhöhung von Kosten und einer Erhöhung einer Installationsfläche führt.
  • KURZFASSUNG DER ERFINDUNG
  • Die Erfindung stellt eine elektrische Leistungsumwandlungsvorrichtung bereit, die ermöglicht, dass eine Detektion dahingehend, ob ein durch ein Schaltelement fließender Strom ein Kurzschlussstrom ist oder nicht, schnell durchgeführt wird, ohne dass eine Rogowskispule extern angefügt ist.
  • Eine elektrische Leistungsumwandlungsvorrichtung gemäß einem Aspekt der Erfindung umfasst ein Schaltelement, eine kollektorseitige Verdrahtung, die mit einer Kollektorseite des Schaltelements verbunden ist, eine emitterseitige Verdrahtung, die mit einer Emitterseite des Schaltelements verbunden ist, eine Detektionsschaltung bzw. einen Detektionsschaltkreis, die bzw. der konfiguriert ist zum Detektieren einer Induktionsspannung, die in der kollektorseitigen Verdrahtung oder der emitterseitigen Verdrahtung erzeugt wird, wenn ein Strom durch die kollektorseitige Verdrahtung oder die emitterseitige Verdrahtung fließt, und eine Vergleichsschaltung bzw. einen Vergleichsschaltkreis, die bzw. der konfiguriert ist zum gegenseitigen Vergleichen der Induktionsspannung und einer vorab bestimmten vorbestimmten Schwellenspannung.
  • Die elektrische Leistungsumwandlungsvorrichtung gemäß dem Aspekt der Erfindung detektiert die Induktionsspannung, die durch eine Verdrahtungsinduktivität der emitterseitigen Verdrahtung oder der kollektorseitigen Verdrahtung erzeugt wird, wenn der Strom durch die emitterseitige Verdrahtung, die mit der Emitterseite des Schaltelements verbunden ist, oder die kollektorseitige Verdrahtung, die mit der Kollektorseite des Schaltelements verbunden ist, fließt. Die Verdrahtungsinduktivität der emitterseitigen Verdrahtung und die Verdrahtungsinduktivität der kollektorseitigen Verdrahtung werden generell als parasitäre Induktivität für eine Induktivitätskomponente eines Verdrahtungsmaterials und eine Verdrahtungsanordnung bezeichnet und stellen kein zusätzliches Induktivitätselement wie etwa eine externe Rogowskispule dar.
  • Im Allgemeinen reicht die Induktivitätskomponente der Verdrahtung von ungefähr mehreren nH (Nanohenrie) bis ungefähr einige Dutzend nH. Wenn jedoch das Schaltelement einem Kurzschluss unterliegt, fließt ein großer Strom innerhalb einer kurzen Zeitspanne, und daher resultiert eine zeitliche Differentiation des Stroms in einem hohen Wert. Wenn zum Beispiel ein Kurzschlussstrom von 10 kA bei 1 µs fließt, wird die Induktionsspannung, die durch die Induktivitätskomponente der Verdrahtung von 5 nH erzeugt wird, zu 50 V, was hinlänglich detektiert werden kann. Dementsprechend kann dadurch, dass die Induktionsspannung, die durch die Verdrahtungsinduktivität der emitterseitigen Verdrahtung oder der kollektorseitigen Verdrahtung erzeugt wird, detektiert wird und mit der vorbestimmten Schwellenspannung verglichen wird, schnell detektiert werden, ob der durch das Schaltelement fließende Strom der Kurzschlussstrom ist oder nicht, auch ohne dass die Rogowskispule extern angefügt ist.
  • Bei der elektrischen Leistungsumwandlungsvorrichtung gemäß dem Aspekt der Erfindung kann die Detektionsschaltung bzw. der Detektionsschaltkreis konfiguriert sein zum Detektieren der in der emitterseitigen Verdrahtung erzeugten Induktionsspannung zwischen einem Emitterdetektionspunkt an der emitterseitigen Verdrahtung auf der Emitterseite des Schaltelements und einem ersten Detektionspunkt an der emitterseitigen Verdrahtung, der ein niedrigeres Potential aufweist als der Emitterdetektionspunkt. Bei der elektrischen Leistungsumwandlungsvorrichtung gemäß dem Aspekt der Erfindung kann die Detektionsschaltung bzw. der Detektionsschaltkreis konfiguriert sein zum Detektieren der in der kollektorseitigen Verdrahtung erzeugten Induktionsspannung zwischen einem Kollektordetektionspunkt an der kollektorseitigen Verdrahtung auf der Kollektorseite des Schaltelements und einem zweiten Detektionspunkt an der kollektorseitigen Verdrahtung, der ein höheres Potential aufweist als der Kollektordetektionspunkt.
  • Bei der elektrischen Leistungsumwandlungsvorrichtung gemäß dem Aspekt der Erfindung unterliegt das Schaltelement einem Stromfluss von einer elektrischen Energiequelle auf der Kollektorseite zu einer Masse auf der Emitterseite. In dieser Hinsicht wird die Detektion der Induktionsspannung, die durch die Verdrahtungsinduktivität der emitterseitigen Verdrahtung erzeugt wird, zwischen dem Emitterdetektionspunkt an der emitterseitigen Verdrahtung auf der Emitterseite des Schaltelements und dem ersten Detektionspunkt durchgeführt, der weiter auf der Seite der Masse liegt und ein niedrigeres Potential aufweist als der Emitterdetektionspunkt. Zusätzlich wird die Detektion der Induktionsspannung, die durch die Verdrahtungsinduktivität der kollektorseitigen Verdrahtung erzeugt wird, zwischen dem Kollektordetektionspunkt an der kollektorseitigen Verdrahtung auf der Kollektorseite des Schaltelements und dem zweiten Detektionspunkt durchgeführt, der weiter auf der Seite der elektrischen Energiequelle liegt und ein höheres Potential aufweist als der Kollektordetektionspunkt. Wenn die Induktionsspannungsdetektionspunkte an der Verdrahtung angeordnet sind, wie es vorstehend beschrieben ist, kann schnell detektiert werden, ob der durch das Schaltelement fließende Strom der Kurzschlussstrom ist oder nicht.
  • Bei der elektrischen Leistungsumwandlung gemäß dem Aspekt der Erfindung kann die Detektionsschaltung bzw. der Detektionsschaltkreis konfiguriert sein zum Detektieren der in der kollektorseitigen Verdrahtung erzeugten Induktionsspannung zwischen einem zweiten Detektionspunkt, der ein höheres Potential aufweist als ein Kollektordetektionspunkt an der kollektorseitigen Verdrahtung auf der Kollektorseite des Schaltelements, und einem Emitterdetektionspunkt des Schaltelements. In einem Fall, in dem basierend auf der in der kollektorseitigen Verdrahtung erzeugten Induktionsspannung detektiert wird, ob der durch das Schaltelement fließende Strom der Kurzschlussstrom ist oder nicht, hat zum Beispiel, wenn das Schaltelement eingeschaltet ist, das Schaltelement ein niedriges Niveau eines EIN- bzw. Einschaltwiderstands. Wenn zum Beispiel der zweite Detektionspunkt in der Nähe des Kollektordetektionspunkts genommen wird, wird das Potential des zweiten Detektionspunkts nahezu gleich dem Potential des Emitterdetektionspunkts des Schaltelements. Wenn zum Beispiel ein Anschluss für einen anderen Zweck bereits auf der Kollektorseite des Schaltelements eingerichtet ist, kann der bestehende Anschluss als der zweite Detektionspunkt verwendet werden, wie er ist, was vorteilhaft ist, da kein spezieller Anschluss für die Detektion der Induktionsspannung verwendet werden muss.
  • Die elektrische Leistungsumwandlungsvorrichtung gemäß dem Aspekt der Erfindung kann zusätzlich eine Ausgabeschaltung bzw. einen Ausgabeschaltkreis umfassen, die bzw. der konfiguriert ist zum Ausgeben eines vorbestimmten Signals basierend auf einem Ergebnis des Vergleichs durch die Vergleichsschaltung bzw. den Vergleichsschaltkreis. Bei der elektrischen Leistungsumwandlungsvorrichtung gemäß dem Aspekt der Erfindung kann die Ausgabeschaltung bzw. der Ausgabeschaltkreis konfiguriert sein zum Ausgeben des Signals, wenn die Induktionsspannung höher ist als die vorbestimmte Schwellenspannung. Dadurch, dass die Induktionsspannung zu einer Zeit, zu der der durch das Schaltelement fließende Strom der Kurzschlussstrom ist, auf die vorbestimmte Schwellenspannung gesetzt wird/ist, kann basierend auf dem Vergleich zwischen der Induktionsspannung und der vorbestimmten Schwellenspannung detektiert werden, ob der durch das Schaltelement fließende Strom der Kurzschlussstrom ist oder nicht. Dadurch, dass das vorbestimmte Signal ausgegeben wird, wenn die Induktionsspannung höher ist als die vorbestimmte Schwellenspannung, kann schnell detektiert werden, dass der durch das Schaltelement fließende Strom der Kurzschlussstrom ist.
  • Die elektrische Leistungsumwandlungsvorrichtung gemäß dem Aspekt der Erfindung kann zusätzlich eine Gateüberwachungsschaltung bzw. einen Gateüberwachungsschaltkreis umfassen, die bzw. der konfiguriert ist zum Überwachen einer Gatespannung des Schaltelements, und das Signal kann maskiert bzw. verborgen werden, wenn die durch die Gateüberwachungsschaltung bzw. den Gateüberwachungsschaltkreis gemessene Gatespannung eine EIN- bzw. Einschaltschwellenspannung des Schaltelements nicht erreicht bzw. unterschreitet. Das vorbestimmte Signal gibt das Ergebnis des Vergleichs zwischen der Induktionsspannung und der vorbestimmten Schwellenspannung aus, und daher kann das vorbestimmte Signal fälschlich ausgegeben werden, wenn zum Beispiel das Schaltelement von AUS auf EIN ansteigt. Gemäß dieser Konfiguration kann jedoch die fälschliche Ausgabe des vorbestimmten Signals zu einer Zeit des Anstiegs des Schaltelements von AUS auf EIN verhindert werden.
  • Die elektrische Leistungsumwandlungsvorrichtung gemäß dem Aspekt der Erfindung kann zusätzlich einen Wechselrichterarm, in dem ein Oberer-Arm-Schaltelement und ein Unterer-Arm-Schaltelement zwischen einer elektrischen Energiequelle und einer Masse in Reihe geschaltet sind, und eine Oberer-Arm-Kurzschlussstrom-Detektionsschaltung bzw. einen -schaltkreis, die bzw. der konfiguriert ist zum Detektieren eines durch das Oberer-Arm-Schaltelement fließenden Kurzschlussstroms basierend auf der Induktionsspannung, die in der emitterseitigen Verdrahtung des Oberer-Arm-Schaltelements erzeugt wird, umfassen. Die elektrische Leistungsumwandlungsvorrichtung gemäß dem Aspekt der Erfindung kann zusätzlich einen Wechselrichterarm, in dem ein Oberer-Arm-Schaltelement und ein Unterer-Arm-Schaltelement zwischen einer elektrischen Energiequelle und einer Masse in Reihe geschaltet sind, und eine Unterer-Arm-Kurzschlussstromdetektionsschaltung bzw. einen -schaltkreis, die bzw. der konfiguriert ist zum Detektieren eines durch das Unterer-Arm-Schaltelement fließenden Kurzschlussstroms basierend auf der Induktionsspannung, die in der emitterseitigen Verdrahtung des Unterer-Arm-Schaltelements erzeugt wird, umfassen.
  • Die elektrische Leistungsumwandlungsvorrichtung gemäß dem Aspekt der Erfindung kann zusätzlich einen Wechselrichterarm, in dem ein Oberer-Arm-Schaltelement und ein Unterer-Arm-Schaltelement zwischen einer elektrischen Energiequelle und einer Masse in Reihe geschaltet sind, und eine Oberer-Arm-Kurzschlussstrom-Detektionsschaltung bzw. einen -schaltkreis, die bzw. der konfiguriert ist zum Detektieren eines durch das Oberer-Arm-Schaltelement fließenden Kurzschlussstroms basierend auf der Induktionsspannung, die in der kollektorseitigen Verdrahtung des Oberer-Arm-Schaltelements erzeugt wird, umfassen. Die elektrische Leistungsumwandlungsvorrichtung gemäß dem Aspekt der Erfindung kann zusätzlich einen Wechselrichterarm, in dem ein Oberer-Arm-Schaltelement und ein Unterer-Arm-Schaltelement zwischen einer elektrischen Energiequelle und einer Masse in Reihe geschaltet sind, und eine Unterer-Arm-Kurzschlussstrom-Detektionsschaltung bzw. einen -schaltkreis, die bzw. der konfiguriert ist zum Detektieren eines durch das Unterer-Arm-Schaltelement fließenden Kurzschlussstroms basierend auf der Induktionsspannung, die in der kollektorseitigen Verdrahtung des Unterer-Arm-Schaltelements erzeugt wird, umfassen.
  • Damit der Kurzschluss von einem der zwei Schaltelemente, die den Wechselrichterarm bilden, detektiert wird, kann detektiert werden, ob der durch das andere Schaltelement fließende Strom überhöht ist oder nicht, wenn das dem Kurzschluss unterliegende Schaltelement AUS geschaltet ist und das andere Schaltelement EIN geschaltet ist. In dieser Hinsicht wird die Oberer-Arm-Kurzschlussstrom-Detektionsschaltung bzw. der -schaltkreis verwendet, wenn basierend auf der in der kollektorseitigen Verdrahtung des oberen Arms erzeugten Induktionsspannung detektiert wird, ob der durch das Oberer-Arm-Schaltelement fließende Strom der Kurzschlussstrom ist oder nicht. Es wird die Unterer-Arm-Kurzschlussstrom-Detektionsschaltung bzw. der -schaltkreis verwendet, wenn basierend auf der in der kollektorseitigen Verdrahtung des unteren Arms erzeugten Induktionsspannung detektiert wird, ob der durch das Unterer-Arm-Schaltelement fließende Strom der Kurzschlussstrom ist oder nicht. Gleichermaßen wird die Oberer-Arm-Kurzschlussstrom-Detektionsschaltung bzw. der -schaltkreis verwendet, wenn basierend auf der in der emitterseitigen Verdrahtung des oberen Arms erzeugten Induktionsspannung detektiert wird, ob der durch das Oberer-Arm-Schaltelement fließende Strom der Kurzschlussstrom ist oder nicht. Es wird die Unterer-Arm-Kurzschlussstrom-Detektionsschaltung bzw. der -schaltkreis verwendet, wenn basierend auf der in der emitterseitigen Verdrahtung des unteren Arms erzeugten Induktionsspannung detektiert wird, ob der durch das Unterer-Arm-Schaltelement fließende Strom der Kurzschlussstrom ist oder nicht. Auf diese Art und Weise kann genau und schnell detektiert werden, ob der durch das Schaltelement fließende Strom der Kurzschlussstrom ist oder nicht.
  • Gemäß der elektrischen Leistungsumwandlungsvorrichtung des Aspekts der Erfindung kann schnell detektiert werden, ob der durch das Schaltelement fließende Strom der Kurzschlussstrom ist oder nicht, auch ohne dass die Rogowskispule extern angefügt ist.
  • KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
  • Merkmale, Vorteile und technische sowie gewerbliche Bedeutung von beispielhaften Ausführungsbeispielen der Erfindung werden nachstehend unter Bezugnahme auf die begleitenden Zeichnungen beschrieben, bei denen gleiche/ähnliche Bezugszeichen gleiche/ähnliche Elemente bezeichnen, und für die gilt:
  • 1A ist eine Schaltungskonfigurationsdarstellung, die eine Verdrahtungsinduktivität einer emitterseitigen Verdrahtung und einen Detektionspunkt von dieser in einem Wechselrichterarm veranschaulicht, der als eine elektrische Leistungsumwandlungsvorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung dient;
  • 1B ist eine ebene strukturelle Ansicht zur Zeit einer Implementierung der Konfiguration, die in 1A veranschaulicht ist;
  • 1C ist eine Seitenansicht einer Anschlussseite zur Zeit der Implementierung der Konfiguration, die in 1A veranschaulicht ist;
  • 1D ist eine Seitenansicht der der Anschlussseite gegenüberliegenden Seite zur Zeit der Implementierung der Konfiguration, die in 1A veranschaulicht ist;
  • 2A ist eine Schaltungskonfigurationsdarstellung, die eine Verdrahtungsinduktivität einer kollektorseitigen Verdrahtung und einen Detektionspunkt von dieser in dem Wechselrichterarm veranschaulicht, der als die elektrische Leistungsumwandlungsvorrichtung gemäß dem Ausführungsbeispiel der Erfindung dient;
  • 2B ist eine ebene strukturelle Ansicht zur Zeit einer Implementierung der Konfiguration, die in 2A veranschaulicht ist;
  • 2C ist eine Seitenansicht der Anschlussseite zur Zeit der Implementierung der Konfiguration, die in 2A veranschaulicht ist;
  • 2D ist eine Seitenansicht der der Anschlussseite gegenüberliegenden Seite zur Zeit der Implementierung der Konfiguration, die in 2A veranschaulicht ist;
  • 3A ist eine Schaltungskonfigurationsdarstellung mit Bezug auf eine Unterer-Arm-Kurzschlussstrom-Detektionseinheit zu einer Zeit, zu der eine Kurzschlussstromdetektion durch die Verwendung der Verdrahtungsinduktivität der emitterseitigen Verdrahtung in dem Wechselrichterarm durchgeführt wird, der als die elektrische Leistungsumwandlungsvorrichtung gemäß dem Ausführungsbeispiel der Erfindung dient;
  • 3B, die 3A entspricht, ist eine Schaltungskonfigurationsdarstellung mit Bezug auf eine Oberer-Arm-Kurzschlussstrom-Detektionseinheit;
  • 4A ist ein Zeitdiagramm, das einen Betriebszustand von jedem Element zu einer Zeit eines normalen Betriebs ohne eine Kurzschlussstörung eines Oberer-Arm-Schaltelements in der Schaltungskonfiguration veranschaulicht, die in 3A veranschaulicht ist;
  • 4B, die im Gegensatz zu 4A steht, ist ein Zeitdiagramm, das den Betriebszustand von jedem Element zu einer Zeit der Kurzschlussstörung des Oberer-Arm-Schaltelements veranschaulicht;
  • 5A ist eine Schaltungskonfigurationsdarstellung mit Bezug auf eine Unterer-Arm-Kurzschlussstrom-Detektionseinheit zu einer Zeit, zu der die Kurzschlussstromdetektion durch die Verwendung der Verdrahtungsinduktivität der kollektorseitigen Verdrahtung in dem Wechselrichterarm durchgeführt wird, der als die elektrische Leistungsumwandlungsvorrichtung gemäß dem Ausführungsbeispiel der Erfindung dient;
  • 5B, die 5A entspricht, ist eine Schaltungskonfigurationsdarstellung mit Bezug auf die Oberer-Arm-Kurzschlussstrom-Detektionseinheit;
  • 6A ist ein Zeitdiagramm, das den Betriebszustand von jedem Element zu der Zeit des normalen Betriebs ohne die Kurzschlussstörung des Oberer-Arm-Schaltelements in der Schaltungskonfiguration veranschaulicht, die in 5A veranschaulicht ist;
  • 6B, die im Gegensatz zu 6A steht, ist ein Zeitdiagramm, das den Betriebszustand von jedem Element zu der Zeit der Kurzschlussstörung des Oberer-Arm-Schaltelements veranschaulicht;
  • 7 ist ein Zeitdiagramm, das die Möglichkeit einer Fehlfunktion der Kurzschlussstromdetektion in der Schaltungskonfiguration veranschaulicht, die in 5A veranschaulicht ist;
  • 8A, die mit 5A in Zusammenhang steht, ist eine Schaltungskonfigurationsdarstellung mit Bezug auf die Unterer-Arm-Kurzschlussstrom-Detektionseinheit zu eine Zeit, zu der die Fehlfunktion der Kurzschlussstromdetektion durch die Verwendung einer Gatespannungsdetektion verhindert wird;
  • 8B, die 8A entspricht, ist eine Schaltungskonfigurationsdarstellung mit Bezug auf die Oberer-Arm-Kurzschlussstrom-Detektionseinheit;
  • 9A ist ein Zeitdiagramm, das den Betriebszustand von jedem Element, einschließlich eines Maskensignals, zu der Zeit des normalen Betriebs ohne die Kurzschlussstörung des Oberer-Arm-Schaltelements in der Schaltungskonfiguration veranschaulicht, die in 8A veranschaulicht ist; und
  • 9B, die im Gegensatz zu 9A steht, ist ein Zeitdiagramm, das den Betriebszustand von jedem Element, einschließlich des Maskensignals, zu der Zeit der Kurzschlussstörung des Oberer-Arm-Schaltelements veranschaulicht.
  • AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG VON AUSFÜHRUNGSBEISPIELEN
  • Nachstehend wird hierin ein Ausführungsbeispiel der Erfindung unter Bezugnahme auf begleitende Zeichnungen ausführlich beschrieben. In der folgenden Beschreibung wird ein einzelner Wechselrichter- bzw. Inverterarm als eine elektrische Leistungsumwandlungsvorrichtung beschrieben. Dies ist ein Beispiel zu beschreibenden Zwecken, und die elektrische Leistungsumwandlungsvorrichtung kann so konfiguriert sein, dass sie eine Vielzahl der Wechselrichter- bzw. Inverterarme umfasst. Zum Beispiel kann eine elektrische Leistungsumwandlungsvorrichtung, die so konfiguriert ist, dass sie drei Wechselrichter- bzw. Inverterarme umfasst, die parallel geschaltet sind, in einer Ansteuerschaltung einer dreiphasigen drehenden elektrischen Maschine verwendet werden.
  • Der Wechselrichter- bzw. Inverterarm ist eine Schaltungsvorrichtung, in der ein Oberer-Arm-Schaltelement und ein Unterer-Arm-Schaltelement zwischen einer elektrischen Energiequelle und einer Masse in Reihe geschaltet sind. Das Potential der Masse ist niedriger als das Potential der elektrischen Energiequelle, aber es ist nicht auf 0 V beschränkt. Zum Beispiel kann das Potential der Masse ein negatives Potential sein.
  • In der folgenden Beschreibung wird ein Bipolartransistor mit isoliertem Gate (IGBT) als das Schaltelement beschrieben. Dies ist ein Beispiel zu beschreibenden Zwecken, und das Schaltelement kann ebenso ein Metall-Oxid-Halbleiter-Feldeffekttransistor (MOSFET) sein.
  • Bei der elektrischen Leistungsumwandlungsvorrichtung wird eine Induktionsspannung detektiert, die in einer kollektorseitigen Verdrahtung oder einer emitterseitigen Verdrahtung erzeugt wird, wenn ein Strom durch die kollektorseitige Verdrahtung oder die emitterseitige Verdrahtung fließt, sodass eine Detektion dahingehend, ob der Strom, der durch das Schaltelement fließt, ein Kurzschlussstrom ist oder nicht, auf schnelle Art und Weise durchgeführt wird. Die Verwendung eines Schaltelements mit angebrachtem bzw. angeschlossenem Abfühlanschluss ist als ein Verfahren zum Durchführen der Detektion bekannt, ob der durch das Schaltelement fließende Strom der Kurzschlussstrom ist oder nicht. Der Abfühlanschluss entnimmt einen extrem kleinen Teil des Stroms, der durch das Schaltelement fließt. Zum Beispiel wird detektiert, ob der durch das Schaltelement fließende Strom der Kurzschlussstrom ist oder nicht, indem der Strom, der äquivalent zu einem Tausendstel des durch das Schaltelement fließenden Stroms ist, von dem Abfühlanschluss entnommen und mit einem vorab bestimmten Schwellenstrom verglichen wird. Durch diese Methode kann jedoch eine schnelle Detektion nicht durchgeführt werden, da die Empfindlichkeit aufgrund eines schwachen Abfühlstroms gering ist und es Zeit braucht, damit der Abfühlstrom auf den Schwellenstrom ansteigt. In dieser Hinsicht detektiert die elektrische Leistungsumwandlungsvorrichtung gemäß einer Ausführungsform der Erfindung die Induktionsspannung, die in der kollektorseitigen Verdrahtung oder der emitterseitigen Verdrahtung erzeugt wird, wenn der Strom durch die kollektorseitige Verdrahtung oder die emitterseitige Verdrahtung fließt.
  • In der folgenden Beschreibung, um der Einfachheit der Beschreibung Willen, werden eine Emitterseite und eine Kollektorseite hinsichtlich einer Verdrahtungsinduktivität voneinander unterschieden, und werden eine Oberer-Arm-Seite und eine Unterer-Arm-Seite hinsichtlich einer Kurzschlussstrom-Detektionseinheit voneinander unterschieden. Die Verdrahtungsinduktivität ist naturgemäß sowohl auf der Emitterseite als auch auf der Kollektorseite vorhanden. Zusätzlich ist es in einer Struktur, in der das Oberer-Arm-Schaltelement und das Unterer-Arm-Schaltelement in Reihe geschaltet sind, in vielen Fällen unbekannt, welches der Schaltelemente einer Kurzschlussstörung unterliegt. In einem Fall, in dem zum Beispiel strukturell ersichtlich ist, dass die Kurzschlussstörung häufig entweder auf der Oberer-Arm-Seite oder der Unterer-Arm-Seite auftritt, ist es denkbar, dass eine einzige Kurzschlussstrom-Detektionseinheit ausreichend sein wird. Mit Ausnahme eines solchen Falls kann die Kurzschlussstrom-Detektionseinheit auf jeder der Oberer-Arm-Seite und der Unterer-Arm-Seite eingerichtet sein.
  • In der folgenden Beschreibung werden die gleichen Bezugszeichen verwendet, um auf entsprechende Elemente in allen Zeichnungen Bezug zu nehmen, und wird eine mehrfache Beschreibung ausgelassen.
  • 1A bis 1D und 2A bis 2D sind Zeichnungen, die Verdrahtungsinduktivitäten von Verdrahtungen und Detektionspunkten von diesen in einem Wechselrichterarm 10 veranschaulichen, der als die Leistungsumwandlungsvorrichtung dient.
  • Der Wechselrichterarm 10 ist eine Schaltungsvorrichtung, in der ein Oberer-Arm-Schaltelement 30 und ein Unterer-Arm-Schaltelement 40 zwischen der elektrischen Energiequelle, die durch VH dargestellt wird, und der Masse, die durch die GND dargestellt wird, in Reihe geschaltet sind.
  • Jedes des Oberer-Arm-Schaltelements 30 und des Unterer-Arm-Schaltelements 40 ist ein IGBT vom N-Kanal-Typ, und eine Diode zwischen dem Kollektor und dem Emitter ist eine Rückfluss- bzw. Freilaufdiode. Als die Rückfluss- bzw. Freilaufdiode kann eine Diode verwendet werden, die auf dem gleichen Chip wie der IGBT ausgebildet ist, wie etwa ein RC-IGBT. Wahlweise kann die Rückfluss- bzw. Freilaufdiode unabhängig und separat von einem IGBT-Hauptkörper ausgebildet werden.
  • Jedes des Oberer-Arm-Schaltelements 30 und des Unterer-Arm-Schaltelements 40 weist die Verdrahtungsinduktivität der emitterseitigen Verdrahtung und die Verdrahtungsinduktivität der kollektorseitigen Verdrahtung auf. Die Verdrahtungsinduktivität der emitterseitigen Verdrahtung wird zunächst beschrieben, und die Verdrahtungsinduktivität der kollektorseitigen Verdrahtung wird danach beschrieben.
  • 1A bis 1D zeigen die jeweiligen Verdrahtungsinduktivitäten der emitterseitigen Verdrahtung und die jeweiligen Detektionspunkte von diesen von dem Oberer-Arm-Schaltelement 30 und dem Unterer-Arm-Schaltelement 40. 1A ist eine Schaltungskonfigurationsdarstellung des Wechselrichterarms 10. 1B ist eine ebene struktureller Ansicht des Wechselrichterarms 10. 1C ist eine Seitenansicht einer Anschlussseite des Wechselrichterarms 10, und 1D ist eine Seitenansicht der der Anschlussseite gegenüberliegenden Seite. Die Anschlussseite bezieht sich auf eine Seite, wo ein Anschluss 12, der mit der elektrischen Energiequelle verbunden ist und durch P dargestellt wird, der anderer Anschluss 16, der mit der Masse verbunden ist und durch N dargestellt wird, und ein Ausgangsanschluss 20, der durch O dargestellt wird, platziert sind.
  • Der Wechselrichterarm 10 hat jeweilige Elemente in der folgenden Reihenfolge in einer Richtung von der durch VH dargestellten elektrischen Energiequelle hin zu der durch GND dargestellten Masse in Reihe geschaltet. Die Elemente sind verbunden in der Reihenfolge der elektrischen Energiequelle VH, des Anschlusses 12, der kollektorseitigen Verdrahtung 14 des Oberer-Arm-Schaltelements 30, des Oberer-Arm-Schaltelements 30, einer zwischenliegenden Strom- bzw. Sammelschiene 22, des Unterer-Arm-Schaltelements 40, der emitterseitigen Verdrahtung 18 des Unterer-Arm-Schaltelements 40, des anderen Anschlusses 16 und GND. Die zwischenliegende Strom- bzw. Sammelschiene bzw. Zwischenleitung 22 ist eine Verdrahtung, in der die emitterseitige Verdrahtung des Oberer-Arm-Schaltelements 30 und die kollektorseitige Verdrahtung des Unterer-Arm-Schaltelements 40 miteinander integriert sind. Der Ausgangsanschluss 20 des Wechselrichters 10 ist aus der zwischenliegenden Strom- bzw. Sammelschiene 22 herausgezogen.
  • Der Anschluss 12, die kollektorseitige Verdrahtung 14 des Oberer-Arm-Schaltelements 30, die zwischenliegende Strom- bzw. Sammelschiene 22, die emitterseitige Verdrahtung 18 des Unterer-Arm-Schaltelements 40, der andere Anschluss 16 und der Ausgangsanschluss 20 sind leitenden Platten. Mit Ausnahme der zwischenliegenden Strom- bzw. Sammelschiene 22 sind dies flache Platten.
  • Wie es in 1B, 1C und 1D veranschaulicht ist, weist der Wechselrichterarm 10 eine kompakte physikalische Struktur unter Verwendung der zwischenliegenden Strom- bzw. Sammelschiene 22 auf, die eine gestufte Struktur aufweist, die untere und obere Stufen bzw. Abschnitte hat. Mit anderen Worten ist der Emitter (E) des Oberer-Arm-Schaltelements 30 mit einer unteren Fläche der oberen Stufe der zwischenliegenden Strom- bzw. Sammelschiene 22 verbunden, und ist der Kollektor (C) des Unterer-Arm-Schaltelements 40 mit einer oberen Fläche der unteren Stufe der zwischenliegenden Strom- bzw. Sammelschiene 22 verbunden. Der Kollektor (C) des Oberer-Arm-Schaltelements 30 ist mit einer oberen Fläche der kollektorseitigen Verdrahtung 14 verbunden, und der Anschluss 12 ist aus der kollektorseitigen Verdrahtung 14 herausgezogen. Der Emitter (E) des Unterer-Arm-Schaltelements 40 ist mit einer unteren Fläche der emitterseitigen Verdrahtung 18 verbunden, und der andere Anschluss 16 ist aus der emitterseitigen Verdrahtung 18 herausgezogen. Der Ausgangsanschluss 20 ist aus der zwischenliegenden Strom- bzw. Sammelschiene 22 herausgezogen.
  • In 1A und 1B ist eine Verdrahtungsinduktivität 50 auf der Emitterseite des Oberer-Arm-Schaltelements 30 eine Induktivitätskomponente eines Teils der zwischenliegenden Strom- bzw. Sammelschiene 22 an der emitterseitigen Verdrahtung des Oberer-Arm-Schaltelements 30. Die Induktionsspannung wird erzeugt, wenn der Strom dort durchfließt. Die Detektion der Induktionsspannung wird zwischen einem Emitterdetektionspunkt 52 der zwischenliegenden Strom- bzw. Sammelschiene 22 auf der Emitterseite des Oberer-Arm-Schaltelements 30 und einem ersten Detektionspunkt 54 der zwischenliegenden Strom- bzw. Sammelschiene 22 auf der Seite des Ausgangsanschlusses 20 durchgeführt. Das Potential des ersten Detektionspunkts 54 mit Bezug auf die Verdrahtungsinduktivität 50 ist niedriger als das Potential des Emitterdetektionspunkts 52. Wie es in 1B veranschaulicht ist, kann der erste Detektionspunkt 54 auf der Seite der zwischenliegenden Strom- bzw. Sammelschiene 22 von dem Ausgangsanschluss 20 eingerichtet sein.
  • Eine Verdrahtungsinduktivität 60 auf der Emitterseite des Unterer-Arm-Schaltelements 40 ist eine Induktivitätskomponente der emitterseitigen Verdrahtung 18. Die Induktionsspannung wird erzeugt, wenn der Strom dort durchfließt. Die Detektion der Induktionsspannung wird zwischen einem Emitterdetektionspunkt 62 des Unterer-Arm-Schaltelements 40 an der emitterseitigen Verdrahtung 18 und einem ersten Detektionspunkt 64 der emitterseitigen Verdrahtung 18 auf der Seite des anderen Anschlusses 16 durchgeführt. Das Potential des ersten Detektionspunkts 64 mit Bezug auf die Verdrahtungsinduktivität 60 ist niedriger als das Potential des Emitterdetektionspunkts 62. Wie es in 1B veranschaulicht ist, kann der erste Detektionspunkt 64 auf der Seite der emitterseitigen Verdrahtung 18 von dem anderen Anschluss 16 eingerichtet sein.
  • Die jeweiligen Anschlüsse und Detektionspunkte gemäß 1A sind von demjenigen mit der höchsten Spannung bis zu demjenigen mit der niedrigsten Spannung wie folgt gereiht. Mit anderen Worten sind gereiht diese in der Reihenfolge des Anschlusses 12, des Emitterdetektionspunkts 52 an der zwischenliegenden Strom- bzw. Sammelschiene 22, des ersten Detektionspunkts 54 an der zwischenliegenden Strom- bzw. Sammelschiene 22, des Ausgangsanschlusses 20, des Emitterdetektionspunkts 62 an der emitterseitigen Verdrahtung 18, des ersten Detektionspunkts 64 an der emitterseitigen Verdrahtung 18 und des anderen Anschlusses 16.
  • Der Emitterdetektionspunkt 52 an der zwischenliegenden Strom- bzw. Sammelschiene 22 und der erste Detektionspunkt 54 an der zwischenliegenden Strom- bzw. Sammelschiene 22 entsprechen Detektionseinheiten, die die Induktionsspannung der emitterseitigen Verdrahtung des Schaltelements 30 detektieren, und in jeder von diesen ist eine entsprechende Anschlussleitung oder -klemme eingerichtet. Gleichermaßen entsprechen der Emitterdetektionspunkt 62 an der emitterseitigen Verdrahtung 18 und der erste Detektionspunkt 64 an der emitterseitigen Verdrahtung 18 Detektionseinheiten, die die Induktionsspannung der emitterseitigen Verdrahtung des Schaltelements 40 detektieren, und ist in jeder von diesen eine entsprechende Anschlussleitung oder -klemme eingerichtet. Die entsprechende Anschlussleitung oder -klemme dient zur Verbindung mit einem Verbindungsanschluss einer Schaltung, die die Größe der Induktionsspannung mit einer vorbestimmten Schwellenspannung vergleicht. Als die entsprechende Anschlussleitung oder -klemme kann ein metallischer Draht für Drahtbonden oder dergleichen verwendet werden.
  • In 1A und 1B sind die Verdrahtungsinduktivitäten 50, 60 durch gestrichelte Linien gezeigt. Dies dient dazu, zu zeigen, dass die Verdrahtungsinduktivitäten 50, 60 keine individuellen Elemente darstellen, die in Form einer externen Rogowskispule oder dergleichen zusätzlich eingerichtet sind, sondern Induktivitätskomponenten darstellen, die der Verdrahtung inhärent sind. Das gleiche gilt für die folgende Darstellung.
  • Nachstehend wird hierin die Verdrahtungsinduktivität der kollektorseitigen Verdrahtung beschrieben. 2A bis 2D, die 1A bis 1D entsprechende Zeichnungen sind, zeigen die jeweiligen Verdrahtungsinduktivitäten der kollektorseitigen Verdrahtung und die jeweiligen Detektionspunkte von diesen von dem Oberer-Arm-Schaltelement 30 und dem Unterer-Arm-Schaltelement 40. 2A ist eine Schaltungskonfigurationsdarstellung des Wechselrichterarms 10. 2B ist eine ebene strukturelle Ansicht des Wechselrichterarms 10. 2C ist eine Seitenansicht der Anschlussseite des Wechselrichterarms 10, und 2D ist eine Seitenansicht der der Anschlussseite gegenüberliegenden Seite.
  • In 2A und 2B ist eine Verdrahtungsinduktivität 70 auf der Kollektorseite des Oberer-Arm-Schaltelements 30 eine Induktivitätskomponente der kollektorseitigen Verdrahtung 14. Die Induktionsspannung wird erzeugt, wenn der Strom dort durchfließt. Zusätzlich ist eine Verdrahtungsinduktivität 80 auf der Kollektorseite des Unterer-Arm-Schaltelements 40 eine Induktivitätskomponente eines Teils der zwischenliegenden Strom- bzw. Sammelschiene 22 an der kollektorseitigen Verdrahtung des Unterer-Arm-Schaltelements 40. Die Induktionsspannung wird erzeugt, wenn der Strom dort durchfließt.
  • Die Detektion der Induktionsspannung kann durch eine Spannungsdetektion zwischen den Detektionspunkten an beiden Enden der jeweiligen Verdrahtungsinduktivitäten 70, 80 durchgeführt werden, wie etwa mit dem unter Bezugnahme auf 1A und 1B beschriebenen Inhalt. Der Kollektordetektionspunkt des Oberer-Arm-Schaltelements 30 und ein zweiter Detektionspunkt 72, der ein höheres Potential aufweist als der Kollektordetektionspunkt, werden für die Detektion der Induktionsspannung auf der Kollektorseite des Oberer-Arm-Schaltelements 30 verwendet. Der Kollektordetektionspunkt des Unterer-Arm-Schaltelements 40 und ein zweiter Detektionspunkt 82, der ein höheres Potential aufweist als der Kollektordetektionspunkt, werden für die Detektion der Induktionsspannung auf der Kollektorseite des Unterer-Arm-Schaltelements 40 verwendet.
  • Die Detektion der Induktionsspannung auf der Kollektorseite des Oberer-Arm-Schaltelements 30 kann zwischen dem zweiten Detektionspunkt 72 und einem Emitterdetektionspunkt 74 des Oberer-Arm-Schaltelements 30 durchgeführt werden, anstatt dessen, dass der Kollektordetektionspunkt und der zweite Detektionspunkt 72 verwendet werden. Das Oberer-Arm-Schaltelement 30 ist zwischen dem zweiten Detektionspunkt 72 und dem Emitterdetektionspunkt 74 verbunden, aber die Induktivitätskomponente in dem Oberer-Arm-Schaltelement 30 ist wertmäßig niedriger als die Induktivitätskomponente der kollektorseitigen Verdrahtung 14. Dementsprechend ist das Potential des Emitterdetektionspunkts 74 im Wesentlichen gleich dem Potential des Kollektordetektionspunkts des Oberer-Arm-Schaltelements 30.
  • Gleichermaßen kann die Detektion der Induktionsspannung auf der Kollektorseite des Unterer-Arm-Schaltelements 40 zwischen dem zweiten Detektionspunkt 82 und einem Emitterdetektionspunkt 84 des Unterer-Arm-Schaltelements 40 durchgeführt werden, anstatt dessen, dass der Kollektordetektionspunkt und der zweite Detektionspunkt 82 verwendet werden.
  • Die jeweiligen Anschlüsse und Detektionspunkte gemäß 2A sind von demjenigen mit der höchsten Spannung bis zu demjenigen mit der niedrigsten Spannung wie folgt gereiht. Diese sind gereiht in der Reihenfolge des Anschlusses 12, des zweiten Detektionspunkts 72 an der kollektorseitigen Verdrahtung 14, des Emitterdetektionspunkts 74 des Oberer-Arm-Schaltelements 30, des Ausgangsanschlusses 20, des zweiten Detektionspunkts 82 an der zwischenliegenden Strom- bzw. Sammelschiene 22, des Emitterdetektionspunkts 84 des Unterer-Arm-Schaltelements 40 und des anderen Anschlusses 16.
  • Nachstehend werden hierin eine Schaltungskonfiguration der elektrischen Leistungsumwandlungsvorrichtung mit angebrachter bzw. angeschlossener Kurzschlussstrom-Detektionseinheit, die eine schnelle Fähigkeit der Verdrahtungsinduktivität zur Detektion einer Stromänderungsrate nutzt, sowie ein Zeitdiagramm bezüglich eines Betriebs von dieser beschrieben. Während einer Ansteuerung für den Wechselrichterarm 10, der in 1 und 2 veranschaulicht ist, wird ein Schaltelement einem AUS-Betrieb unterzogen, wenn das andere Schaltelement einem EIN-Betrieb unterzogen wird. Es wird eine angemessene Tot- bzw. Stillstandszeit bereitgestellt, sodass ein Durchgangsstromfluss vermieden wird und eine EIN-AUS-Zeitsteuerung von einem und eine EIN-AUS-Zeitsteuerung von dem anderen einander nicht entsprechen.
  • Entweder das Oberer-Arm-Schaltelement 30 oder das Unterer-Arm-Schaltelement 40, die in Reihe geschaltet sind, unterliegt der Kurzschlussstörung in zwei Modi, wobei einer einen Fall darstellt, in dem eines der Schaltelemente der Kurzschlussstörung unterliegt, wenn das andere Schaltelement dem AUS-Betrieb unterzogen wird, und der andere einen Fall darstellt, in dem eines der Schaltelemente der Kurzschlussstörung unterliegt, wenn das andere Schaltelement dem EIN-Betrieb unterzogen wird. Eine Detektion der Kurzschlussstörung wird durch das Schaltelement auf der Seite ohne Kurzschlussstörung durchgeführt. Bei der erstgenannten Methode bleibt jedoch das Schaltelement AUS, das die Detektion durchführen soll, wenn die Kurzschlussstörung auftritt, und daher wird die Detektion durch die Tot- bzw. Stillstandszeit verzögert, bis dieses Schaltelement EIN geschaltet wird. Bei der letztgenannten Methode ist das Schaltelement, das die Detektion durchführen soll, bereits in einem EIN-Zustand, wenn die Kurzschlussstörung auftritt, und somit kann die Kurzschlussstörungsdetektion auf schnelle Art und Weise durchgeführt werden.
  • In der folgenden Beschreibung wird die Kurzschlussstörung durch die Detektion dahingehend detektiert, ob der Strom, der durch das Schaltelement fließt, das in dem EIN-Betrieb ist, der Kurzschlussstrom ist oder nicht. Zusätzlich wird die große Fähigkeit der Verdrahtungsinduktivität zur Detektion einer Stromänderungsrate verwendet, sodass die Detektion auf schnelle Art und Weise durchgeführt wird. Mit anderen Worten wird die Kurzschlussstörung des Oberer-Arm-Schaltelements 40 dadurch detektiert, dass die Verdrahtungsinduktivität des Unterer-Arm-Schaltelements 40 zu Zwecken einer Kurzschlussstromdetektion verwendet wird. Die Kurzschlussstörung des Unterer-Arm-Schaltelements 40 wird dadurch detektiert, dass die Verdrahtungsinduktivität des Oberer-Arm-Schaltelements 30 zu Zwecken einer Kurzschlussstromdetektion verwendet wird.
  • 3A und 3B sind Schaltungskonfigurationsdarstellungen von elektrischen Leistungsumwandlungsvorrichtungen 10a, 10b mit angebrachter bzw. angeschlossener Kurzschlussstrom-Detektionseinheit, die die Verdrahtungsinduktivität der emitterseitigen Verdrahtung verwenden. 3A ist eine Schaltungskonfigurationsdarstellung zu einer Zeit der Detektion der Kurzschlussstörung des Oberer-Arm-Schaltelements 30, und 3B ist eine Schaltungskonfigurationsdarstellung zu einer Zeit der Detektion der Kurzschlussstörung des Unterer-Arm-Schaltelements 40. Es ist unbekannt, ob das Oberer-Arm-Schaltelement 30 der Kurzschlussstörung unterliegt oder das Unterer-Arm-Schaltelement 40 der Kurzschlussstörung unterliegt, und daher hat weist elektrische Leistungsumwandlungsvorrichtung eine Konfiguration auf, in der die Konfiguration, die in 3A veranschaulicht ist, und die Konfiguration, die in 3B veranschaulicht ist, miteinander kombiniert sind. In der folgenden Beschreibung werden jedoch Merkmale der zwei Konfigurationen für die Kurzschlussstörungsdetektion separat beschrieben.
  • Bei der elektrischen Leistungsumwandlungsvorrichtung 10a, die in 3A veranschaulicht ist, ist eine Ansteuerschaltung 90 eine Schaltung, die mit einem Gate des Oberer-Arm-Schaltelements 30 des Wechselrichterarms 10 verbunden ist und eine EIN-AUS-Steuerung auf dem bzw. mit Bezug auf das Oberer-Arm-Schaltelement 30 durchführt. Eine Kurzschlussstrom-Detektionseinheit 92 umfasst eine Ansteuerschaltung 94 und einen Komparator 96 für die Kurzschlussstromdetektion darin. Die Kurzschlussstrom-Detektionseinheit 92 ist eine Unterer-Arm-Kurzschlussstrom-Detektionseinheit, die auf der Seite des Unterer-Arm-Schaltelements 40 eingerichtet ist und den Kurzschlussstrom detektiert, der durch das Unterer-Arm-Schaltelement 40 fließt, wenn das Oberer-Arm-Schaltelement 30 der Kurzschlussstörung unterliegt. Die Ansteuerschaltung 94 ist eine Schaltung des gleichen Inhalts wie die Ansteuerschaltung 90, und die Ansteuerschaltung 94 ist mit einem Gate des Unterer-Arm-Schaltelements 40 verbunden und führt eine EIN-AUS-Steuerung auf dem bzw. mit Bezug auf das Unterer-Arm-Schaltelement 40 durch. Ein Gatewiderstand 98 ist ein widerstandsbehaftetes Element, das einen Gatewiderstand des Unterer-Arm-Schaltelements 40 auf einen angemessenen Wert anpasst. Ein ähnlicher Gatewiderstand 99 (siehe 3B) ist ebenso in der Ansteuerschaltung 90 eingerichtet, aber der Gatewiderstand 99 ist in 3A nicht veranschaulicht. Eine drehende elektrische Maschine 100 ist ein Beispiel einer Last der elektrischen Leistungsumwandlungsvorrichtung 10a. Ein Glättungskondensator 102 ist ein kapazitives Element, das eine Spannungsschwankung und eine Stromschwankung zwischen dem Anschluss 12 und dem anderen Anschluss 16 des Wechselrichterarms 10 unterbindet.
  • Wenn sich der Wechselrichterarm 10 in einem normalen Betrieb befindet, fließt der Strom zwischen dem Schaltelement und der drehenden elektrischen Maschine 100. Zu dieser Zeit wird der Strom jedoch durch die Induktivitätskomponente der drehenden elektrischen Maschine 100 begrenzt, und daher ist eine Stromänderungsrate (di/dt) relativ niedrig. Wenn das Schaltelement der Kurzschlussstörung unterliegt, fließt dagegen der Strom direkt von dem Glättungskondensator 102 in das Schaltelement, und daher ist die Stromänderungsrate (di/dt) viel höher und wird sie in einigen Fällen ungefähr 1000-Mal höher als diejenige während des normalen Betriebs. Dementsprechend muss der Betrieb des Wechselrichterarms 10 gestoppt werden, indem die Kurzschlussstörung des Schaltelements schnell detektiert wird.
  • In 3A ist es das Oberer-Arm-Schaltelement 30, das der Kurzschlussstörung unterliegt, und ist daher ein externes Gate-Signal, das an die Ansteuerschaltung 90 des Oberer-Arm-Schaltelements 30 eingegeben wird, auf einem Lo-Pegel. Ein externes Gatesignal, das an die Ansteuerschaltung 94 des Unterer-Arm-Schaltelements 40 eingegeben wird, ist auf einem Hi-Pegel. Der Lo-Pegel ist eine Gatespannung, auf der das Schaltelement AUS geschaltet wird/ist, und der Hi-Pegel ist eine Gatespannung, auf der das Schaltelement EIN geschaltet wird/ist.
  • Der Komparator 96 für die Kurzschlussstromdetektion ist eine Vergleichseinheit, die die in der Verdrahtungsinduktivität 60 erzeugte Induktionsspannung mit einer vorbestimmten Schwellenspannung VREF vergleicht. Zusätzlich ist der Komparator 96 für die Kurzschlussstromdetektion eine Ausgabeeinheit, die ein vorbestimmtes Signal basierend auf einem Ergebnis des Vergleichs ausgibt. Der erste Detektionspunkt 64 der Verdrahtungsinduktivität 60 ist über eine Referenzspannungsquelle, die die vorbestimmte Schwellenspannung VREF für die Kurzschlussstromdetektion bereitstellt, mit einem plusseitigen Eingangsanschluss des Komparators 96 verbunden, welcher einen von zwei Eingangsanschlüssen des Komparators 96 darstellt. Außerdem ist der Emitterdetektionspunkt 62 der Verdrahtungsinduktivität 60 mit einem minusseitigen Eingangsanschluss verbunden. Der Komparator 96 gibt den Lo-Pegel aus, wenn die Spannung zwischen dem ersten Detektionspunkt 64 und dem Emitterdetektionspunkt 62 niedriger ist als die Schwellenspannung VREF, und gibt den Hi-Pegel aus, wenn die Spannung zwischen dem ersten Detektionspunkt 64 und dem Emitterdetektionspunkt 62 gleich oder höher der Schwellenspannung VREF ist. Wenn die Spannung zwischen dem ersten Detektionspunkt 64 und dem Emitterdetektionspunkt 62 gleich oder höher der Schwellenspannung VREF ist, ist der Strom, der durch das Unterer-Arm-Schaltelement 40 fließt, ein überhöhter Kurzschlussstrom.
  • Die Schwellenspannung VREF kann als Induktionsspannung bestimmt werden/sein, die erzeugt wird, wenn der Kurzschlussstrom durch die Verdrahtungsinduktivität 60 fließt. Diese Induktionsspannung ist {(10 kA/µs) × 5 nH} = 50 V, wenn die Stromänderungsrate (di/dt) des Kurzschlussstroms gleich 10 kA/µs ist und die Größe der Verdrahtungsinduktivität 60 gleich 5 nH ist. Wenn die Schwellenspannung VREF zum Beispiel 30 V ist, gibt der Komparator 96 den Hi-Pegel aus, wenn der Kurzschlussstrom durch das Unterer-Arm-Schaltelement 40 fließt. Auf diese Art und Weise führt der Komparator 96, der auf der Seite des Unterer-Arm-Schaltelements 40 eingerichtet ist, die Detektion des Kurzschlussstroms durch, der durch das Unterer-Arm-Schaltelement 40 fließt, wenn das Oberer-Arm-Schaltelement 30 der Kurzschlussstörung unterliegt.
  • Obwohl die Verdrahtungsinduktivität 60, die eine Größe von 5 nH aufweist, vorstehend als Beispiel beschrieben wurde, wird eine Größe Lds der Verdrahtungsinduktivität, die erforderlich ist, damit der Kurzschlussstrom detektiert werden kann, in der folgenden Art und Weise erhalten. Die Größe Lds der Verdrahtungsinduktivität, die erforderlich ist, damit der Kurzschlussstrom detektiert werden kann, ist Lds > {Vdmin/(di/dt)sc}, wenn der Komparator 96 eine minimale Detektionsspannung Vdmin aufweist und die Stromänderungsrate zu einer Zeit eines Kurzschlusses gleich (di/dt)sc ist. Lds > {30 V/(10 kA/µs)} ist 3 nH, falls (di/dt) sc = 10 kA/µs und Vdmin = Schwellenspannung VREF = 30 V gilt. In dem vorstehend beschriebenen Beispiel ist Lds gleich 5 nH, und daher ist diese Bedingung erfüllt. In einem anderen Beispiel wird ein Lds von ungefähr 1 nH ausreichen, falls Vdmin = Schwellenspannung VREF = 10 V gilt. Diese Größe liegt in einem Wertebereich, der durch die Verdrahtungsinduktivität hinreichend abgedeckt werden kann, ohne dass eine zusätzliche Rogowskispule für die Detektion eingerichtet wird/ist.
  • Die Ansteuerschaltung 64 nimmt UND von dem externen Gatesignal von einer (nicht veranschaulichten) externen Steuerschaltung und einem Umkehrsignal eines Ausgabesignals des Komparators 96 und gibt dieses an das Gate des Unterer-Arm-Schaltelements 40 als Unterer-Arm-Gatespannung LG ein. Wenn das Ausgabesignal des Komparators 96 auf dem Lo-Pegel ist, wird dementsprechend das Unterer-Arm-Schaltelement 40 in Erwiderung auf das externe Gatesignal angesteuert. Wenn das externe Gatesignal auf dem Hi-Pegel ist, erreicht die Unterer-Arm-Gatespannung LG den Hi-Pegel, und wird das Unterer-Arm-Schaltelement 40 in den EIN-Zustand versetzt. Wenn das Ausgabesignal des Komparators 96 dagegen auf dem Hi-Pegel ist, erreicht die Unterer-Arm-Gatespannung LG ungeachtet des externen Gatesignals den Lo-Pegel, und wird das Unterer-Arm-Schaltelement 40 AUS geschaltet. Auf diese Art und Weise wird der Fluss des überhöhten Kurzschlussstroms durch das Unterer-Arm-Schaltelement 40 detektiert, und wird das Unterer-Arm-Schaltelement 40 schnell AUS geschaltet und geschützt.
  • 3B zeigt eine Schaltungskonfiguration zu der Zeit der Detektion der Kurzschlussstörung des Unterer-Arm-Schaltelements 40. 3B ist in der Grundkonfiguration gleich 3A, und entsprechende Elemente sind dergestalt veranschaulicht, dass Eins zu den Bezugszeichen von diesen addiert ist. Hierbei ist das externe Gatesignal, das an eine Ansteuerschaltung 91 des Unterer-Arm-Schaltelements 40 eingegeben wird, auf dem Lo-Pegel, und ist das externe Gatesignal, das an eine Ansteuerschaltung 95 des Oberer-Arm-Schaltelements 30 eingegeben wird, auf dem Hi-Pegel.
  • Es ist die Verdrahtungsinduktivität 50 an einem Teil der zwischenliegenden Strom- bzw. Sammelschiene 22, der der emitterseitigen Verdrahtung des Oberer-Arm-Schaltelements 30 entspricht, die für die Kurzschlussstörungsdetektion verwendet wird. Eine Kurzschlussstrom-Detektionseinheit 93 ist eine Oberer-Arm-Kurzschlussstrom-Detektionseinheit, die auf der Seite des Oberer-Arm-Schaltelements 30 eingerichtet ist und den Kurzschlussstrom detektiert, der durch das Oberer-Arm-Schaltelement 30 fließt, wenn das Unterer-Arm-Schaltelement 40 der Kurzschlussstörung unterliegt. Der erste Detektionspunkt 54 der Verdrahtungsinduktivität 50 ist über die Referenzspannungsquelle, die die Schwellenspannung VREF für die Kurzschlussstromdetektion bereitstellt, mit einem plusseitigen Eingangsanschluss eines Komparators 97 verbunden, der einen von zwei Eingangsanschlüssen des Komparators 97 in der Kurzschlussstrom-Detektionseinheit 93 darstellt. Zusätzlich ist der Emitterdetektionspunkt 52 der Verdrahtungsinduktivität 50 mit einem minusseitigen Eingangsanschluss verbunden.
  • In dieser Konfiguration wird die Induktionsspannung in der Verdrahtungsinduktivität 50 erzeugt, wenn das Unterer-Arm-Schaltelement 40 dem Kurzschluss unterliegt und ein überhöhter Strom durch das Oberer-Arm-Schaltelement 30 fließt. Wenn ein Ausgabesignal des Komparators 97 den Hi-Pegel erreicht, wenn dies detektiert wird, erreicht eine Oberer-Arm-Gatespannung UG ungeachtet des externen Gatesignals den Lo-Pegel, und wird das Oberer-Arm-Schaltelement 30 AUS geschaltet. Auf diese Art und Weise wird der Fluss des überhöhten Kurzschlussstroms durch das Oberer-Arm-Schaltelement 30 detektiert und wird das Oberer-Arm-Schaltelement 30 schnell AUS geschaltet und geschützt.
  • Da 3A und 3B hinsichtlich einer konfigurations- bzw. strukturmäßigen Wirkung einander gleichen, wird die konfigurations- bzw. strukturmäßige Wirkung unter Bezugnahme auf 4A und 4B und 3A als repräsentative Zeichnung ausführlicher beschrieben. 4A ist ein Zeitdiagramm, das einen Zustand von jedem Element zu einer Zeit des normalen Betriebs des Wechselrichterarms 10 ohne die Kurzschlussstörung des Oberer-Arm-Schaltelements 30 veranschaulicht. 4B ist ein Zeitdiagramm, das den Zustand von jedem Element zu einer Zeit der Kurzschlussstörung des Oberer-Arm-Schaltelements 30 veranschaulicht. In jeder der Zeichnungen stellt die horizontale Achse die Zeit dar und stellt die vertikale Achse einen Pegelzustand oder einen Spannungszustand von jedem Element dar. Der oberste Abschnitt auf der vertikalen Achse stellt einen Pegelzustand eines externen Oberer-Arm-Gatesignals dar, das an die Ansteuerschaltung 90 eingegeben wird, und der zweite Abschnitt von einer oberen Seite stellt einen Pegelzustand eines externen Unterer-Arm-Gatesignals dar, das an die Ansteuerschaltung 94 eingegeben wird. Der dritte Abschnitt von der oberen Seite stellt einen Pegelzustand der Oberer-Arm-Gatespannung UG dar, und der vierte Abschnitt von der oberen Seite stellt einen Pegelzustand der Unterer-Arm-Gatespannung LG dar. Der fünfte Abschnitt von der oberen Seite stellt einen Spannungspegel einer Spannung VCE zwischen dem Kollektor und dem Emitter des Unterer-Arm-Schaltelements 40 dar, und der unterste Abschnitt stellt einen Ausgabepegel des Komparators 96 dar.
  • In 4A, gemäß der sich der Wechselrichterarm 10 in dem normalen Betrieb befindet, ist Zeit t1 bis Zeit t7 eine Periode, in der das externe Oberer-Arm-Gatesignal auf dem Lo-Pegel ist, und ist Zeit t2 bis Zeit t6 eine Periode, in der das externe Unterer-Arm-Gatesignal auf dem Hi-Pegel ist. Die Periode von Zeit t1 bis Zeit t2 und die Periode von Zeit t6 bis Zeit t7 sind die Tot- bzw. Stillstandszeiten. Die Oberer-Arm-Gatespannung UG ändert sich mit einer Verzögerung, die einer Schaltungsverarbeitungsverzögerungszeig der Ansteuerschaltung 90 entspricht, gegenüber dem externen Oberer-Arm-Gatesignal. In 4A ist die Oberer-Arm-Gatespannung UG von Zeit t1 bis Zeit t7 auf dem Lo-Pegel, wenn die Schaltungsverarbeitungsverzögerungzeit vernachlässigbar ist, und wird/ist das Oberer-Arm-Schaltelement 30 in dieser Periode AUS geschaltet. Gleichermaßen ändert sich die Unterer-Arm-Gatespannung LG mit einer Verzögerung, die einer Schaltungsverarbeitungsverzögerungszeit der Ansteuerschaltung 94 entspricht, gegenüber dem externen Unterer-Arm-Gatesignal. In 4A ist die Unterer-Arm-Gatespannung LG von Zeit t2 bis Zeit t6 auf dem Hi-Pegel, wenn die Schaltungsverarbeitungsverzögerungszeit vernachlässigbar ist, und wird/ist das Unterer-Arm-Schaltelement 40 in dieser Periode EIN geschaltet.
  • Die Spannung VCE zwischen dem Kollektor und dem Emitter des Unterer-Arm-Schaltelements 40 ist eine Spannung, die daraus resultiert, dass ein EIN-Widerstand mit einem EIN-Strom multipliziert wird, wenn das Unterer-Arm-Schaltelement 40 EIN geschaltet ist. In einem Beispiel der Stromänderungsrate des EIN-Stroms ist (di/dt) ungefähr 10 A/µs. Wenn die Verdrahtungsinduktivität 60 eine Größe von 5 nH hat, ist die Induktionsspannung, die in der Verdrahtungsinduktivität 60 erzeugt wird, gleich {(10 A/µs) × 5 nH} = 50 mV. Die Spannung VCE zwischen dem Kollektor und dem Emitter steigt durch/um diese Induktionsspannung.
  • Der Komparator 96 vergleicht diese Induktionsspannung mit der Schwellenspannung VREF. Die Induktionsspannung beträgt 50 mV von Zeit t2 bis Zeit t6. Der Komparator 96 hat eine Lo-Pegel-Ausgabe, wenn die Schwellenspannung VREF des Komparators 96 bei 30 V liegt, und es wird bestimmt, dass der Kurzschlussstrom nicht durch das Unterer-Arm-Schaltelement 40 fließt.
  • 4B ist ein Zeitdiagramm zu einer Zeit, zu der die Kurzschlussstörung in dem Oberer-Arm-Schaltelement 30 zu Zeit t3 auftritt. Der Inhalt der horizontalen Achse und der Inhalt der vertikalen Achse sind gleich wie in 4A. Hierbei befindet sich der Wechselrichterarm 10 in dem normalen Betrieb, beträgt die Spannung VCE zwischen dem Kollektor und dem Emitter gleich 50 V, und ist die Ausgabe des Komparators 96 bis unmittelbar vor Zeit t3 auf dem Lo-Pegel. Sobald die Kurzschlussstörung in dem Oberer-Arm-Schaltelement 30 zu Zeit t3 auftritt, wird die Induktionsspannung in der Verdrahtungsinduktivität 60 nahezu zu der gleichen Zeit erzeugt, zu der der Kurzschlussstrom durch das Unterer-Arm-Schaltelement 40 fließt. Die Induktionsspannung beträgt {(10 kA/µs) × 5 nH} = 50 V, wenn die Stromänderungsrate (di/dt) des Kurzschlussstroms 10 kA/µs ist und die Größe der Verdrahtungsinduktivität 60 gleich 5 nH ist.
  • Die Induktionsspannung ist zu Zeit t3, zu der die Induktionsspannung und die Schwellenspannung VREF miteinander verglichen werden, wie in 4A, gleich 50 V. Der Komparator 96 hat eine Hi-Pegel-Ausgabe, wenn die Schwellenspannung VREF des Komparators bei 30 V liegt, und es wird bestimmt, dass der Kurzschlussstrom durch das Unterer-Arm-Schaltelement 40 fließt.
  • Der Komparator 96 weist die Schaltungsverarbeitungsverzögerungszeit auf, und daher wird der Hi-Pegel an die Ansteuerschaltung 94 zu Zeit t4 ausgegeben. Die Ansteuerschaltung 94 weist ebenso die Schaltungsverarbeitungsverzögerungszeit auf, und daher wird das Unterer-Arm-Schaltelement 40 zu Zeit t5 zwangsweise AUS geschaltet. Zeit t5 ist eine Zeit vor Zeit t6, zu der das externe Unterer-Arm-Gatesignal AUS geschaltet wird, und daher wird das Unterer-Arm-Schaltelement 40 vor einer Beeinträchtigung bzw. Schädigung durch den Kurzschlussstrom geschützt. Die Periode nach Zeit t6 ist gleich derjenigen, die in 4A veranschaulicht ist. Wie es vorstehend beschrieben ist, weist die Verdrahtungsinduktivität 60 die große Fähigkeit einer Detektion einer Stromänderungsrate auf, und daher kann sie die Kurzschlussstromdetektion auf schnelle Art und Weise durchführen.
  • 5A und 5B sind Schaltungskonfigurationsdarstellungen von elektrischen Leistungsumwandlungsvorrichtungen 10c, 10d mit angebrachter bzw. angeschlossener Kurzschlussstromdetektionseinheit, die die Verdrahtungsinduktivität der kollektorseitigen Verdrahtung verwenden. 5A ist eine Schaltungskonfigurationsdarstellung zu einer Zeit der Detektion der Kurzschlussstörung des Oberer-Arm-Schaltelements 30, und 5B ist eine Schaltungskonfigurationsdarstellung zu einer Zeit der Detektion der Kurzschlussstörung des Unterer-Arm-Schaltelements 40. Wie es unter Bezugnahme auf 3A und 3B beschrieben ist, ist es unbekannt, ob das Oberer-Arm-Schaltelement 30 der Kurzschlussstörung unterliegt oder das Unterer-Arm-Schaltelement 40 der Kurzschlussstörung unterliegt, und werden daher Merkmale der zwei Konfigurationen für die Kurzschlussstörungsdetektion hierin nachstehend separat beschrieben.
  • Die elektrische Leistungsumwandlungsvorrichtung 10c gemäß 5A, die die Kurzschlussstörung des Oberer-Arm-Schaltelements 30 detektiert, unterscheidet sich von der elektrischen Leistungsumwandlungsvorrichtung 10a, die in 3A veranschaulicht ist. Hierbei wird die Verdrahtungsinduktivität 80 an einem Teil der zwischenliegenden Strom- bzw. Sammelschiene 22, der der kollektorseitigen Verdrahtung des Unterer-Arm-Schaltelements 40 entspricht, für die Kurzschlussstromdetektion verwendet. Der Emitterdetektionspunkt 84 der Verdrahtungsinduktivität 80 ist über die Referenzspannungsquelle, die die Schwellenspannung VREF für die Kurzschlussstromdetektion bereitstellt, mit einem plusseitigen Eingangsanschluss eines Komparators 112 verbunden, der einen von zwei Eingangsanschlüssen des Komparators 112 für die Kurzschlussstromdetektion darstellt, der in der Kurzschlussstrom-Detektionseinheit 110 umfasst ist. Der zweite Detektionspunkt 82 der Verdrahtungsinduktivität 80 ist mit einem minusseitigen Eingangsanschluss verbunden. Eine Diode 106 ist ein Gleichrichterelement, das den auf einer hohen Spannung arbeitenden Wechselrichterarm 10 und die auf einer niedrigen Spannung arbeitende Kurzschlussstrom-Detektionseinheit 110 spannungsmäßig voneinander trennt, und hat eine Kathode, die mit der zwischenliegenden Strom- bzw. Sammelschiene 22 verbunden ist, und eine Anode, die mit einem CL-Anschluss der Kurzschlussstrom-Detektionseinheit 110 verbunden ist. Der CL-Anschluss ist der minusseitige Eingangsanschluss des Komparator 112. Die anderen Elemente sind die Gleichen wie in 3A.
  • Wenn die Verdrahtungsinduktivität 60 in der emitterseitigen Verdrahtung verwendet wird, die unter Bezugnahme auf 3A beschrieben ist, wird eine Spannungsdifferenz, die äquivalent ist zu der in der Verdrahtungsinduktivität 60 erzeugten Induktionsspannung, zwischen einer masseseitigen Referenzspannung des Wechselrichterarms 10 und einer masseseitigen Referenzspannung der Kurzschlussstrom-Detektionseinheit 92 erzeugt. Dadurch, dass die Verdrahtungsinduktivität 80 in der kollektorseitigen Verdrahtung verwendet wird, können jedoch die masseseitige Referenzspannung des Wechselrichterarms 10 und die masseseitige Referenzspannung der Kurzschlussstrom-Detektionseinheit 110 gleich zueinander werden und kann die Genauigkeit der Kurzschlussstromdetektion verbessert werden. In einem Fall, in dem die Diode 106 vorab zum Beispiel zum Zweck einer Überwachung eines Kollektorpotentials des Unterer-Arm-Schaltelements 40 eingerichtet ist, ist außerdem keine spezielle Anschlussleitung von dem zweiten Detektionspunkt 82 erforderlich. Insbesondere wenn die elektrische Leistungsumwandlungsvorrichtung so konfiguriert ist, dass sie eine Vielzahl der Wechselrichterarme umfasst, ist die Anschlussleitung von dem zweiten Detektionspunkt 82 zahlenmäßig mehrfach vorhanden, und trägt die mangelnde Notwendigkeit für dies zu einer Reduzierung der Größe und der Kosten der elektrischen Leistungsumwandlungsvorrichtung als Ganzes bei.
  • 5B ist eine Schaltungskonfigurationsdarstellung zu der Zeit der Detektion der Kurzschlussstörung des Unterer-Arm-Schaltelements 40. 5B ist in der Grundkonfiguration gleich 5A, und entsprechende Elemente sind dergestalt veranschaulicht, dass Eins zu den Bezugszeichen von diesen addiert ist. Die elektrische Leistungsumwandlungsvorrichtung 10d, die die Kurzschlussstörung des Unterer-Arm-Schaltelements 40 detektiert, unterscheidet sich von der elektrischen Leistungsumwandlungsvorrichtung 10b, die in 3B veranschaulicht ist. Hierbei wird die Verdrahtungsinduktivität 70 der kollektorseitigen Verdrahtung 14 des Oberer-Arm-Schaltelements 30 für die Kurzschlussstromdetektion verwendet. Der Emitterdetektionspunkt 74 der Verdrahtungsinduktivität 70 ist über die Referenzspannungsquelle, die die Schwellenspannung VREF für die Kurzschlussstromdetektion bereitstellt, mit einem plusseitigen Eingangsanschluss eines Komparators 113 verbunden, der einen von zwei Eingangsanschlüssen des Komparators 113 für die Kurzschlussstromdetektion darstellt, der in einer Kurzschlussstrom-Detektionseinheit 111 umfasst ist. Der zweite Detektionspunkt 72 der Verdrahtungsinduktivität 70 ist mit einem minusseitigen Eingangsanschluss verbunden. Eine Diode 107 ist ein Gleichrichterelement, das den auf einer hohen Spannung arbeitenden Wechselrichterarm 10 und die auf einer niedrigen Spannung arbeitende Kurzschlussstrom-Detektionseinheit 111 spannungsmäßig voneinander trennt, und hat eine Kathode, die mit der kollektorseitigen Verdrahtung 14 verbunden ist, und eine Anode, die mit einem CU-Anschluss der Kurzschlussstrom-Detektionseinheit 111 verbunden ist. Der CU-Anschluss ist der minusseitige Eingangsanschluss des Komparators 113. Die anderen Elemente sind die Gleichen wie in 3B.
  • Vorteile der Verwendung der Verdrahtungsinduktivität 70 in der kollektorseitigen Verdrahtung anstelle der Verdrahtungsinduktivität 50 in der emitterseitigen Verdrahtung, was unter Bezugnahme auf 3B beschrieben ist, sind gleich dem Inhalt, der unter Bezugnahme auf 5A beschrieben ist.
  • Da 5A und 5B hinsichtlich einer konfigurations- bzw. strukturmäßigen Wirkung einander gleichen, wird die konfigurations- bzw. strukturmäßige Wirkung unter Bezugnahme auf 6A und 6B und 5A als repräsentative Zeichnung beschrieben. 6A und 6B sind Zeichnungen, die 4A und 4B entsprechen. Der Inhalt der horizontalen Achse und der Inhalt der vertikalen Achse sind gleich wie in 4A und 4B.
  • In 6A, gemäß der sich der Wechselrichterarm 10 in dem normalen Betrieb befindet, ist die Spannung VCE zwischen dem Kollektor und dem Emitter des Unterer-Arm-Schaltelements 40 die Spannung, die daraus resultiert, dass der EIN-Widerstand mit dem EIN-Strom multipliziert wird, wenn das Unterer-Arm-Schaltelement EIN geschaltet ist. Wenn der EIN-Strom eine Stromänderungsrate von (di/dt) = 10 A/µs hat und die Verdrahtungsinduktivität 80 eine Größe von 5 nH hat, ist die Induktionsspannung, die in der Verdrahtungsinduktivität 80 erzeugt wird, gleich {(10 A/µs) × 5 nH} = 50 mV. Die Spannung VCE zwischen dem Kollektor und dem Emitter steigt durch/um diese Induktionsspannung.
  • Der Komparator 112 vergleicht diese Induktionsspannung mit der Schwellenspannung VREF. Die Induktionsspannung ist von Zeit t2 bis Zeit t6 gleich 50 mV. Der Komparator 112 hat eine Lo-Pegel-Ausgabe, wenn die Schwellenspannung VREF des Komparators 112 bei 30 V liegt, und es wird bestimmt, dass der Kurzschlussstrom nicht durch das Unterer-Arm-Schaltelement 40 fließt.
  • In 6B, die eine Zeit zeigt, zu der der Kurzschluss in dem Oberer-Arm-Schaltelement 30 zu Zeit t3 auftritt, befindet sich der Wechselrichterarm 10 in dem normalen Betrieb, ist die Spannung VCE zwischen dem Kollektor und dem Emitter gleich 50 mV, und ist die Ausgabe des Komparators 112 bis unmittelbar vor Zeit t3 auf dem Lo-Pegel. Sobald die Kurzschlussstörung in dem Oberer-Arm-Schaltelement 30 zu Zeit t3 auftritt, wird die Induktionsspannung in der Verdrahtungsinduktivität 80 nahezu zu der gleichen Zeit erzeugt, zu der der Kurzschlussstrom durch das Unterer-Arm-Schaltelement 40 fließt. Die Induktionsspannung ist {(10 kA/µs) × 5 nH} = 50 V, wenn die Stromänderungsrate (di/dt) des Kurzschlussstroms gleich 50 kA/µs ist und die Größe der Verdrahtungsinduktivität 80 gleich 5 nH ist.
  • Die Induktionsspannung zu Zeit t3, zu der die Induktionsspannung und die Schwellenspannung VREF miteinander verglichen werden, ist 50 V. Der Komparator 112 hat eine Hi-Pegel-Ausgabe, wenn die Schwellenspannung VREF des Komparators 112 bei 30 V liegt, und es wird bestimmt, das der Kurzschlussstrom durch das Unterer-Arm-Schaltelement 40 fließt.
  • Wie es vorstehend beschrieben ist, führt die Verwendung der Verdrahtungsinduktivität 80 in der kollektorseitigen Verdrahtung zu Zeitdiagrammen, die ähnlich zu denjenigen in 4A und 4B sind, und Wirkungen, die ähnlich zu denjenigen sind, die durch die Verwendung der Verdrahtungsinduktivität 60 in der emitterseitigen Verdrahtung erzielt werden.
  • In der vorstehenden Beschreibung vergleichen die Komparatoren 112, 113 die in den Verdrahtungsinduktivitäten 80, 70 erzeugten Induktionsspannungen mit der Schwellenspannung VREF. In den Schaltungskonfigurationsdarstellungen, die in 5A und 5B veranschaulicht sind, detektieren die Komparatoren 112, 113 die Spannung zwischen dem Kollektor und dem Emitter des Schaltelements. Abhängig von dem Ausmaß einer Zeitverzögerung zwischen dem externen Gatesignal und dem Gatesignal, das an das Schaltelement gegeben wird, können die Komparatoren 112, 113 den Kurzschlussstrom fehlerhaft detektieren, und kann die Kurzschlussstromdetektion nicht bzw. schlecht funktionieren.
  • 7 sind Zeitdiagramme, die die Möglichkeit der fehlerhaften Detektion mit Bezug auf den Komparator 112 zeigen. In 7 stellt die horizontale Achse die Zeit dar, und stellt die vertikale Achse den Pegelzustand oder den Spannungszustand von jedem Element dar. Der oberste Abschnitt auf der vertikalen Achse stellt den Pegelzustand des externen Unterer-Arm-Gatesignals dar. Der zweite Abschnitt von der oberen Seite stellt einen Pegelzustand eines Befehlssignals mit Bezug auf die Unterer-Arm-Gatespannung LG des Unterer-Arm-Schaltelements 40 dar, und der dritte Abschnitt von der oberen Seite stellt den Pegelzustand der tatsächlichen Unterer-Arm-Gatespannung LG in dem Unterer-Arm-Schaltelement 40 dar. Der vierte Abschnitt von der oberen Seite stellt einen Spannungszustand der Spannung VCE zwischen dem Kollektor und dem Emitter des Unterer-Arm-Schaltelements 40 dar, und der unterste Abschnitt stellt einen Ausgabepegel des Komparators 112 dar.
  • In 7 ist Zeit t1 gleich t1 in 6A und 6B, und stellt sie eine Zeit dar, zu der das externe Unterer-Arm-Gatesignal von dem Lo-Pegel auf den Hi-Pegel steigt. Zeit t10 ist eine Zeit, zu der das Befehlssignal mit Bezug auf die Unterer-Arm-Gatespannung LG des Unterer-Arm-Schaltelements 40 zu steigen beginnt, nachdem das externe Unterer-Arm-Gatesignal auf den Hi-Pegel gestiegen ist. Zeit t2 ist gleich t2 in 6A und 6B. Die Zeit von t1 bis Zeit t10 ist eine interne Schaltungsverarbeitungsverzögerungszeit der Ansteuerschaltung 94. Die Zeit von Zeit t10 bis Zeit t2 ist eine Gatekapazitätsladezeit des Unterer-Arm-Schaltelements 40.
  • Die Unterer-Arm-Gatespannung LG des Unterer-Arm-Schaltelements 40 beginnt zu Zeit t10 ausgehend von dem Lo-Pegel zu steigen und steigt in Reaktion auf eine Konstante zu einer Zeit einer Gatekapazitätsaufladung. Der Anstieg ist zu Zeit t2 abgeschlossen. Dies bewirkt, dass die Spannung VCE zwischen dem Kollektor und dem Emitter des Unterer-Arm-Schaltelements 40 von Zeit t10 an zu fallen beginnt, und dass das Fallen zu Zeit t2 endet. Zeit t12, die eine Zeit ist, zu der Zeit t2 noch zu erreichen ist, ist eine Zeit, zu der die Unterer-Arm-Gatespannung LG eine EIN-Schwellenspannung erreicht, auf der das Unterer-Arm-Schaltelement 40 von AUS auf EIN umgeschaltet wird. Zeit t2, die nach einem erheblichen Fortschreiten ausgehend von Zeit t12 erreicht wird, entspricht einer Zeit, zu der die Spannung VCE zwischen dem Kollektor und dem Emitter des Unterer-Arm-Schaltelements 40 hinlänglich in einen Sättigungszustand gebracht ist.
  • Der Komparator 112 detektiert die Spannung zwischen dem zweiten Detektionspunkt 82 und dem Emitterdetektionspunkt 84. Selbst wenn kein Strom durch die Verdrahtungsinduktivität 80 fließt, wird dementsprechend der Hi-Pegel bis Zeit t11 ausgegeben, zu der die Spannung VCE zwischen dem Kollektor und dem Emitter des Unterer-Arm-Schaltelements 40 auf die Schwellenspannung VREF fällt, die bezüglich der Induktionsspannung bestimmt ist. Diese Hi-Pegel-Ausgabe stellt einen Zustand dar, in dem das Unterer-Arm-Schaltelement 40 einen Übergang von AUS auf EIN durchmacht, und stellt nicht die Kurzschlussstromdetektion dar. Abhängig vom Ausmaß einer Schaltungsverarbeitungsverzögerung von dem externen Gatesignal bis zu dem Gatesignal, das an das Schaltelement gegeben wird, gibt der Komparator 112 den Hi-Pegel trotz des fehlenden Flusses des Kurzschlussstroms durch das Unterer-Arm-Schaltelement 40 aus, und tritt somit die fehlerhafte Detektion mit Bezug auf den Kurzschlussstrom auf. Wenn die fehlerhafte Detektion in dem Komparator 112 auftritt, funktioniert die Ansteuerschaltung für das Unterer-Arm-Schaltelement 40 nicht bzw. schlecht.
  • 8A und 8B sind Darstellungen, die eine Schaltungskonfiguration einer elektrischen Leistungsumwandlungsvorrichtung zeigen, die die Fehlfunktion der Kurzschlussstrom-Detektionseinheit verhindert, die zu einer Zeit des Übergangs des Schaltelements von AUS auf EIN auftreten kann. 8A ist eine Schaltungskonfigurationsdarstellung einer elektrischen Leistungsumwandlungsvorrichtung 10e, die die Fehlfunktion einer Kurzschlussstrom-Detektionseinheit 120 verhindert, die die Kurzschlussstörung des Oberer-Arm-Schaltelements 30 detektiert. 8B ist eine Schaltungskonfigurationsdarstellung einer elektrischen Leistungsumwandlungsvorrichtung 10f, die die Fehlfunktion einer Kurzschlussstrom-Detektionseinheit 121 verhindert, die die Kurzschlussstörung des Unterer-Arm-Schaltelements 40 detektiert.
  • 8A, die die Detektion der Kurzschlussstörung des Oberer-Arm-Schaltelements 30 betrifft, unterscheidet sich von 6A darin, dass eine Gateüberwachungsschaltung 124 in der Kurzschlussstrom-Detektionseinheit 120 eingerichtet ist und ein Maskenabschnitt 126 in einer Ansteuerschaltung 122 eingerichtet ist, die in der Kurzschlussstrom-Detektionseinheit 120 umfasst ist. Die anderen Elemente sind die Gleichen wie in 6A.
  • Die Gateüberwachungsschaltung 124, die in der Kurzschlussstrom-Detektionseinheit 120 eingerichtet ist, erfasst direkt die Gatespannung des Unterer-Arm-Schaltelements 40. Dann wird die erfasste Gatespannung mit Bezug auf eine Gate-EIN-Schwellenspannung überwacht bzw. kontrolliert, die vorab bestimmt ist, sodass überwacht bzw. kontrolliert wird, ob die erfasste Gatespannung gleich oder höher der EIN-Schwellenspannung ist, und dann wird ein Ergebnis hiervon ausgegeben. Die direkte Erfassung meint die Erfassung der tatsächlichen Gatespannung in dem Unterer-Arm-Schaltelement 40 anstelle einer Erfassung eines externen Gatesignals und die Erfassung eines Gatespannungsbefehlssignals, das die Ansteuerschaltung 122 in Erwiderung auf das externe Gatesignal ausgibt. Hinsichtlich einer Überwachungsergebnisausgabemethode wird der Hi-Pegel ausgegeben, wenn die erfasste Gatespannung niedriger als die EIN-Schwellenspannung ist, und wird der Lo-Pegel ausgegeben, wenn die erfasste Gatespannung gleich oder höher der EIN-Schwellenspannung ist.
  • Der Maskenabschnitt 126, der in der Ansteuerschaltung 122 eingerichtet ist, maskiert bzw. verbirgt ein Ausgabesignal des Komparators 112 durch Verwendung des Ausgabesignals von dem Komparator 112 und eines Ausgabesignals von der Gateüberwachungsschaltung 124, wenn das Ausgabesignal von der Gateüberwachungsschaltung 124 auf dem Hi-Pegel ist. Maskieren des Ausgabesignals des Komparators 112 meint, dass eine Schaltung den Lo-Pegel ausgibt, indem/wodurch das Ausgabesignal des Komparators 112 verborgen wird, selbst wenn das Ausgabesignal des Komparators 112 auf dem Hi-Pegel ist.
  • Wenn der Maskenabschnitt 126 verwendet wird, bleibt das Signal des Komparators 112 in der Ansteuerschaltung 122 bis Zeit t12 in 7 auf einem Lo-Pegel-Signal, selbst wenn das Ausgabesignal des Komparators 112 auf dem Hi-Pegel ist. Dementsprechend wird die Fehlfunktion der Kurzschlussstrom-Detektionseinheit 120 verhindert.
  • 8B, die die Detektion der Kurzschlussstörung des Unterer-Arm-Schaltelements 40 betrifft, ist in der Grundkonfiguration gleich 8A, und entsprechende Elemente sind dergestalt veranschaulicht, dass Eins zu den Bezugszeichen von diesen addiert ist. Hierbei ist eine Gateüberwachungsschaltung 125 in der Kurzschlussstrom-Detektionseinheit 121 eingerichtet, und ist ein Maskenabschnitt 127 in einer Ansteuerschaltung 123 eingerichtet, die in der Kurzschlussstrom-Detektionseinheit 121 umfasst ist. Ein Inhalt hinsichtlich der Gateüberwachungsschaltung 125 und ein Inhalt hinsichtlich des Maskenabschnitts 127 sind ähnlich zu denjenigen hinsichtlich der Gateüberwachungsschaltung 124 und des Maskenabschnitts 126, die in 8A veranschaulicht sind, und daher wird eine ausführliche Beschreibung von diesen ausgelassen.
  • Da 8A und 8B hinsichtlich einer konfigurations- bzw. strukturmäßigen Wirkung einander gleichen, wird die konfigurations- bzw. strukturmäßige Wirkung unter Bezugnahme auf 9A und 9B und 8A als repräsentative Zeichnung beschrieben. 9A und 9B sind Zeichnungen, die 6A und 6B entsprechen. Die horizontale Achse stellt wie in 6A und 6B die Zeit dar, aber Zeiten t10 und t12, die unter Bezugnahme auf 7 beschrieben sind, sind dabei hinzugefügt. Die vertikale Achse stellt einen Betriebspegel des Spannungszustands von jedem Element dar, wie es in 6A und 6B der Fall ist, aber der Betriebspegel eines Maskensignals ist in dem untersten Abschnitt hiervon hinzugefügt. Zusätzlich entsprechen die Verlaufsform der tatsächlichen Unterer-Arm-Gatespannung LG des Unterer-Arm-Schaltelements 40 und die Verlaufsform der Spannung VCE zwischen dem Kollektor und dem Emitter des Unterer-Arm-Schaltelements 40 den unter Bezugnahme auf 7 beschriebenen Verlaufsformen.
  • Wenn sich der Wechselrichterarm 10 in dem normalen Betreib befindet, wird der Hi-Pegel als die Ausgabe des Komperators 112 ausgegeben, wie es in 9A veranschaulicht ist, bis die Spannung VCE zwischen dem Kollektor und dem Emitter des Unterer-Arm-Schaltelements 40 auf die Schwellenspannung VREF fällt, die bezüglich der Induktionsspannung eingestellt ist. Mit Bezug auf diese fehlerhafte Detektion des Komparators 112 gibt das Maskensignal bis Zeit t12 den Hi-Pegel aus. Die Zeit t12 ist eine Zeit, zu der die Gatespannung des Unterer-Arm-Schaltelements 40 steigt, sodass sie die EIN-Schwellenspannung erreicht. Auf diese Art und Weise wird die Fehlfunktion der Kurzschlussstrom-Detektionseinheit 120 verhindert, wenn das Unterer-Arm-Schaltelement 40 während des normalen Betriebs des Wechselrichterarms 10 den Übergang von AUS auf EIN durchmacht.
  • Gleichermaßen wird auch in 9B, die eine Zeit zeigt, zu der der Wechselrichterarm 10 zu Zeit t3 der Kurzschlussstörung unterliegt, die Fehlfunktion der Kurzschlussstrom-Detektionseinheit 120 verhindert, wenn das Unterer-Arm-Schaltelement 40 den Übergang von AUS auf EIN durchmacht. Dann kann nach Zeit t3 die Kurzschlussstörungsdetektion auf schnelle Art und Weise durchgeführt werden, da die Verdrahtungsinduktivität 80 die große Fähigkeit zur Detektion einer Stromänderungsrate aufweist, wie es unter Bezugnahme auf 6B beschrieben ist.
  • Eine elektrische Leistungsumwandlungsvorrichtung (10a; 10b; 10c; 10d; 10e; 10f) umfasst: ein Schaltelement (30; 40); eine kollektorseitige Verdrahtung (14), die mit einer Kollektorseite des Schaltelements verbunden ist; eine emitterseitige Verdrahtung (18), die mit einer Emitterseite des Schaltelements verbunden ist; eine Detektionsschaltung (96; 97; 112; 113), die konfiguriert ist zum Detektieren einer Induktionsspannung, die in der kollektorseitigen Verdrahtung oder der emitterseitigen Verdrahtung erzeugt wird, wenn ein Strom durch die kollektorseitige Verdrahtung oder die emitterseitige Verdrahtung fließt; und eine Vergleichsschaltung (96; 97; 112; 113), die konfiguriert ist zum gegenseitigen Vergleichen der durch die Detektionsschaltung detektierten Induktionsspannung und einer vorab bestimmten vorbestimmten Schwellenspannung.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Patentliteratur
    • JP 2001-169533 A [0003]

Claims (11)

  1. Elektrische Leistungsumwandlungsvorrichtung (10a; 10b; 10c; 10d; 10e; 10f) mit: einem Schaltelement (30; 40); einer kollektorseitigen Verdrahtung (14), die mit einer Kollektorseite des Schaltelements verbunden ist; einer emitterseitigen Verdrahtung (18), die mit einer Emitterseite des Schaltelements verbunden ist; einer Detektionsschaltung (96; 97; 112; 113), die konfiguriert ist zum Detektieren einer Induktionsspannung, die in der kollektorseitigen Verdrahtung oder der emitterseitigen Verdrahtung erzeugt wird, wenn ein Strom durch die kollektorseitige Verdrahtung oder die emitterseitige Verdrahtung fließt; und einer Vergleichsschaltung (96; 97; 112; 113), die konfiguriert ist zum gegenseitigen Vergleichen der Induktionsspannung und einer vorab bestimmten vorgebestimmte Schwellenspannung.
  2. Elektrische Leistungsumwandlungsvorrichtung gemäß Anspruch 1, wobei die Detektionsschaltung konfiguriert ist zum Detektieren der Induktionsspannung, die in der emitterseitigen Verdrahtung erzeugt wird, zwischen einem Emitterdetektionspunkt an der emitterseitigen Verdrahtung auf der Emitterseite des Schaltelements und einem ersten Detektionspunkt an der emitterseitigen Verdrahtung, der ein niedrigeres Potential aufweist als der Emitterdetektionspunkt.
  3. Elektrische Leistungsumwandlungsvorrichtung gemäß Anspruch 1, wobei die Detektionsschaltung konfiguriert ist zum Detektieren der Induktionsspannung, die in der kollektorseitigen Verdrahtung erzeugt wird, zwischen einem Kollektordetektionspunkt an der kollektorseitigen Verdrahtung auf der Kollektorseite des Schaltelements und einem zweiten Detektionspunkt an der kollektorseitigen Verdrahtung, der ein höheres Potential aufweist als der Kollektordetektionspunkt.
  4. Elektrische Leistungsumwandlungsvorrichtung gemäß Anspruch 1, wobei die Detektionsschaltung konfiguriert ist zum Detektieren der Induktionsspannung, die in der kollektorseitigen Verdrahtung erzeugt wird, zwischen einem zweiten Detektionspunkt, der ein höheres Potential aufweist als ein Kollektordetektionspunkt, und einem Emitterdetektionspunkt des Schaltelements, wobei der Kollektordetektionspunkt an der kollektorseitigen Verdrahtung auf der Kollektorseite des Schaltelements liegt.
  5. Elektrische Leistungsumwandlungsvorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, zusätzlich mit: einer Ausgabeschaltung (96; 97; 112; 113), die konfiguriert ist zum Ausgeben eines vorbestimmten Signals basierend auf einem Ergebnis des Vergleichs durch die Vergleichsschaltung.
  6. Elektrische Leistungswandlungsvorrichtung gemäß Anspruch 5, wobei die Ausgabeschaltung konfiguriert ist zum Ausgeben des Signals, wenn die Induktionsspannung höher ist als die vorbestimmte Schwellenspannung.
  7. Elektrische Leistungsumwandlungsvorrichtung gemäß Anspruch 5 oder 6, zusätzlich mit: einer Gateüberwachungsschaltung (124; 125), die konfiguriert ist zum Überwachen einer Gatespannung des Schaltelements, wobei das Signal maskiert wird, wenn die durch die Gateüberwachungsschaltung gemessene Gatespannung eine EIN-Schwellenspannung des Schaltelements nicht erreicht.
  8. Elektrische Leistungsumwandlungsvorrichtung gemäß Anspruch 1 oder 2, zusätzlich mit: einem Wechselrichterarm (10), in dem ein Oberer-Arm-Schaltelement (30) und ein Unterer-Arm-Schaltelement (40) zwischen einer elektrischen Energiequelle und einer Masse in Reihe geschaltet sind; und einer Oberer-Arm-Kurzschlussstrom-Detektionsschaltung (93; 111), die konfiguriert ist zum Detektieren eines Kurzschlussstroms, der durch das Oberer-Arm-Schaltelement fließt, basierend auf der Induktionsspannung, die in der emitterseitigen Verdrahtung des Oberer-Arm-Schaltelements erzeugt wird.
  9. Elektrische Leistungsumwandlungsvorrichtung gemäß Anspruch 1 oder 2, zusätzlich mit: einem Wechselrichterarm (10), in dem ein Oberer-Arm-Schaltelement (30) und ein Unterer-Arm-Schaltelement (40) zwischen einer elektrischen Energiequelle und einer Masse in Reihe geschaltet sind; und einer Unterer-Arm-Kurzschlussstrom-Detektionsschaltung (92; 110), die konfiguriert ist zum Detektieren eines Kurzschlussstroms, der durch das Unterer-Arm-Schaltelement fließt, basierend auf der Induktionsspannung, die in der emitterseitigen Verdrahtung des Unterer-Arm-Schaltelements erzeugt wird.
  10. Elektrische Leistungsumwandlungsvorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1, 3 und 4, zusätzlich mit: einem Wechselrichterarm (10), in dem ein Oberer-Arm-Schaltelement (30) und ein Unterer-Arm-Schaltelement (40) zwischen einer elektrischen Energiequelle und einer Masse in Reihe geschaltet sind; und einer Oberer-Arm-Kurzschlussstrom-Detektionsschaltung (93; 111), die konfiguriert ist zum Detektieren eines Kurzschlussstroms, der durch das Oberer-Arm-Schaltelement fließt, basierend auf der Induktionsspannung, die in der kollektorseitigen Verdrahtung des Oberer-Arm-Schaltelements erzeugt wird.
  11. Elektrische Leistungsumwandlungsvorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1, 3 und 4, zusätzlich mit: einem Wechselrichterarm (10), in dem ein Oberer-Arm-Schaltelement (30) und ein Unterer-Arm-Schaltelement (40) zwischen einer elektrischen Energiequelle und einer Masse in Reihe geschaltet sind; und einer Unterer-Arm-Kurzschlussstrom-Detektionsschaltung (92; 110), die konfiguriert ist zum Detektieren eines Kurzschlussstroms, der durch das Unterer-Arm-Schaltelement fließt, basierend auf der Induktionsspannung, die in der kollektorseitigen Verdrahtung des Unterer-Arm-Schaltelements erzeugt wird.
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