JP2001169533A

JP2001169533A - 電力変換装置

Info

Publication number: JP2001169533A
Application number: JP34611799A
Authority: JP
Inventors: Hiromichi Tai; 裕通田井
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1999-12-06
Filing date: 1999-12-06
Publication date: 2001-06-22

Abstract

(57)【要約】【課題】本発明は、ロゴスキーコイルを応用してスイ
ッチング素子の保護装置を構成し、低コスト化、小型化
が可能な電力変換装置を提供する。【解決手段】本発明は、ロゴスキーコイル７がスイッ
チング素子１を流れる主電流の電流変化率を検出するよ
うに設けられ、ロゴスキーコイル７の出力電圧を基に短
絡検出器８によって、スイッチング素子１を短絡電流が
流れていることを検出する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、複数のスイッチン
グ素子を有する電力変換装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】最近、高電圧・大電流のＭＯＳ(Metal
Oxcide Semiconductor)ゲート型の電力用スイッチング
素子が実用化されてきた。ＭＯＳゲート型スイッチング
素子は、従来より使われているＧＴＯのようなサイリス
タ系のスイッチング素子に比べて、スイッチング速度が
速く、安全動作領域が広く、制御性が高く、ゲート駆動
回路が小型化できるなどの多くの利点がある。ＭＯＳゲ
ート型スイッチング素子は従来のサイリスタ系のスイッ
チング素子に比較して動作速度が速いため、素子をノイ
ズなどで誤ってターンオンさせてしまったときに流れる
短絡電流に対する保護が困難になるという難点がある。
素子を流れる主電流の単位時間当たりの増加率（ｄｉ／
ｄｔ）が大きいために、短絡電流もまた極めて短い時間
で素子を破壊するにたる大きな電流となってしまうため
である。こうした問題に対応するためには、２つの方法
がある。ひとつは素子自身で短絡電流を制限することで
ある。しかしこの方法は素子の導通損失が大きくなると
いう短所もある。もうひとつの方法は素子の外部に短絡
電流を検知して素子のゲート電圧を制御することで素子
を保護する保護装置を備えることである。

【０００３】こうした保護装置として、従来より使用さ
れているゲート駆動回路の例を図７に示す。図７は、電
力変換回路を構成する複数のスイッチング素子の中の一
個のスイッチング素子と、それに付随する素子電流検出
回路およびゲート駆動回路を示している。図７におい
て、スイッチング素子１が主スイッチング素子であり、
そのオン・オフ動作はゲー卜駆動回路６によりゲート抵
抗５を介して制御される。スイッチング素子１の主電流
はエミッタ側でホールＣＴ２によって常時監視される。
アーム短絡などの異常時にスイッチング素子１の主電流
が異常なレベルまで上昇すると、過電流検出回路３によ
って過電流が検出され、トランジスタ４がターンオン
し、スイッチング素子１のゲート・エミッタ間電圧を引
き下げることによってスイッチング素子１の主電流を制
限し、これによりスイッチング素子１の短絡電流による
破壊を防止するものである。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】図７に示した従来の方
式では、素子の主電流を検出するための電流検出装置が
複雑で高価なものになってしまう。素子の主電流は片方
向にしか流れないので、交流電流検出に用いられる電流
変成器（ＣＴ）では変成器の鉄芯が飽和してしまい、用
いることはできない。そのため、素子の主電流の検出に
は、ホール素子を用いたホールＣＴと呼ばれる電子式の
電流検出器を用いている。しかし、ホール素子には、温
度特性、耐環境性、耐ノイズ性などの点で難点が多く、
こうしたホール素子の難点をカバーするためにホールＣ
Ｔは高価で複雑な回路構成にせざろを得ない。その上、
ホールＣＴは検出速度が遅く、ＭＯＳゲート型素子のよ
うな高速度のスイッチング素子の過電流検出用途に用い
るのははなはだ困難である。本発明は、こうした問題点
を解決するために、ロゴスキーコイルを応用してスイッ
チング素子の保護装置を構成し、低コスト化、小型化が
可能な電力変換装置を提供することを目的とする。

【０００５】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、請求項１に係る発明は、電力変換装置を構成するス
イッチング素子に流れる主回路電流の時間変化検出する
ロゴスキーコイルと、このロゴスキーコイルの端子電圧
を基にして該スイッチング素子に短絡電流が流れている
ことを検出する短絡検出手段とを備えたことを特徴とす
る。また、請求項２に係る発明は、ロゴスキーコイルを
スイッチング素子の外囲器に内蔵したことを特徴とす
る。また、請求項３に係る発明は、ロゴスキーコイル及
び短絡検出手段をスイッチング素子の外囲器に内蔵した
ことを特徴とする。また、請求項４に係る発明は、ロゴ
スキーコイルを印刷配線基板によって形成したことを特
徴とする。また、請求項５に係る発明は、スイッチング
素子のゲート電圧を引き下げるゲート電圧制限手段を有
し、短絡検出手段によって短絡を検出した場合に、該ス
イッチング素子の保護動作を行う保護手段を備えたこと
を特徴とする。また、請求項６に係る発明は、ロゴスキ
ーコイルの端子間電圧を積分し、積分出力の値がある一
定レベル以上であることを検出した場合に保護動作を行
うことを特徴とする。

【０００６】また、請求項７に係る発明は、ロゴスキー
コイルの端子間電圧がある一定期間ある一定のレベル以
上の電圧であることを検出した場合に素子が短絡してい
ると判定することを特徴とする。また、請求項８に係る
発明は、ロゴスキーコイルの端子間電圧を積分し、積分
出力の値がある一定レベル以上であることを検出した場
合に素子が短絡していると判定することを特徴とする。
また、請求項９に係る発明は、複数のスイッチング素子
の各々に対して請求項５に記載の保護手段を設けたこと
を特徴とする。また、請求項１０に係る発明は、複数の
スイッチング素子のうち、直列に接続された複数個のス
イッチング素子のうち少なくともその１つに対して短絡
検出手段を設けたことを特徴とする。また、請求項１１
に係る発明は、複数のスイッチング素子の各々に設けた
短絡検出手段より送られる短絡検出信号の論理和を取っ
て故障検出信号を作るとともに、該故障検出信号により
装置全体の動作を停止させることを特徴とする。また、
請求項１２に係る発明は、短絡検出手段によって短絡を
検出した後に、スイッチング素子のゲート電圧を制御し
てスイッチング素子をターンオフさせることを特徴とす
る。

【０００７】また、請求項１３に係る発明は、短絡検出
手段によって短絡を検出した後に、ロゴスキーコイルの
端子電圧が０となるように、スイッチング素子のゲート
電圧を制御することを特徴とする。また、請求項１４に
係る発明は、短絡検出手段によって短絡を検出した後
に、スイッチング素子のゲート電圧をある一定の割合で
減少させ、スイッチング素子をゆるやかにターンオフさ
せることを特徴とする。

【０００８】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態につい
て、図面を用いて説明する。（第１の実施の形態）以下、本発明の第１の実施の形態
について、図１及び図２を用いて説明する。図１におい
て、ロゴスキーコイル７がスイッチング素子１を流れる
主電流の電流変化率を検出するように設けられ、ロゴス
キーコイル７の出力電圧を基に短絡検出器８によって、
スイッチング素子１を短絡電流が流れていることを検出
する。ロゴスキーコイル７は、ホールＣＴなどとは異な
り鉄芯を持たないために、小型軽量でコスト的にも有利
である。また、出力電圧レベルがホールＣＴよりも大き
く、ホール素子のような微細な電子部品も不要であるの
で、耐ノイズ性が良好で温度変化などの影響も受けにく
い。ロゴスキーコイル７の端子間電圧は電流の変化率に
比例する。そのため、特に信号処理を加えなければ電流
の変化率を検出することになるが、電力変換装置におけ
る直流短絡検出にはこれだけで十分である。以下、その
理由を図２を参照しながら説明する。図２に示すのは、
正常時および短絡故障時のスイッチング素子１を流れる
電流及びその変化率（ｄｉ／ｄｔ）の波形である。

【０００９】図２（ａ）の上が正常時の素子電流波形
９、下が正常時のｄｉ／ｄｔ波形１０である。同様に、
図２（ｂ）の上が短絡時の素子電流波形１１、下が短絡
時のｄｉ／ｄｔ波形１２である。図２（ａ）に示すよう
に、正常な状態においては、素子電流の変化率が大きな
電流が流れるのは、スイッチング素子１のターンオン直
後だけである。この時点では、スイッチング素子１と対
となるアームのフライホイールダイオード（ＦＷＤ）
（図示せず）が逆回復状態にあり、スイッチング素子１
と対となるアームのＦＷＤとで直流回路を短絡した状態
にあるためである。この期間は、ＦＷＤの逆回復が完了
するとともに速やかに終了し、素子電流のｄｉ／ｄｔも
０に復帰する。通常、ＦＷＤの逆回復時間は数μｓであ
る。これに対して、なんらかの原因でスイッチング素子
が直流回路を短絡してしまった場合には、図２（ｂ）に
示すように、ｄｉ／ｄｔの大きな電流が流れつづける。
短絡電流の供給源は直流回路のフィルタコンデンサ（図
示せず）であり、短絡電流は、当該フィルタコンデンサ
の電荷がすべて流出するまで増え続ける。即ち、ｄｉ／
ｄｔの大きな電流は、フィルタコンデンサと短絡インダ
クタンスとで決まる時間に亘って流れつづけ、この時間
は数百μs に亘る。

【００１０】従って、ロゴスキーコイル７の端子間電圧
が、ある一定期間ある一定のレベル以上の電圧であるこ
とを検出した場合に素子が短絡していると判定すること
が可能になるのである。また、ロゴスキーコイル７の端
子間電圧を積分し、積分出力の値がある一定レベル以上
であることを検出した場合に素子が短絡していると判定
することもまた可能である。なぜなら、ロゴスキーコイ
ル７の端子電圧は素子の電流の時間微分に比例するのだ
から、これを積分したものは素子の電流に比例するから
にほかならないからである。（第２の実施の形態）次に、本発明の第２の実施の形態
としてロゴスキーコイルの実装形態について図３を用い
て説明する。図３（ａ）に示すように、ロゴスキーコイ
ル７を通常の電流検出器のようにスイッチング素子１の
外部に設ける。図３（ａ）において、スイッチング素子
１は圧接型パッケージに封入され、ブスバー１９はスイ
ッチング素子１の２つある主回路電極の一方の電極に圧
接される。ロゴスキーコイル７はブスバー１９の周囲に
巻きつけられ、ブスバー１９を流れるスイッチング素子
１の電流を検出する。また、図３（ｂ）に示すように、
電力変換装置の小型化のためにロゴスキーコイル７をス
イッチング素子１の外囲器に直接巻きつけることも可能
である。

【００１１】更に、ロゴスキーコイル７の電圧を元に短
絡検出する短絡検出回路についても、これをスイッチン
グ素子１の外囲器に内蔵することが可能である。こうし
た構成を取ることで、電力変換装置の小型化が可能にな
るとともに、ロゴスキーコイル出力と短絡検出装置の間
の信号線を短くすることが可能になる。ロゴスキーコイ
ル７は、スイッチング素子１の近傍に設けられるため、
ホールＣＴなどよりは耐ノイズ性は良好であるにせよ、
コイルの出力信号線を長く引き回せばスイッチングノイ
ズを拾いやすくなる。信号線を短くすることで、ノイズ
を拾いにくくし、短絡検出装置の耐ノイズ性の向上を図
ることが可能になる。（第３の実施の形態）更に、本発明の第３の実施の形態
としてロゴスキーコイルの構造について、図４を用いて
説明する。ロゴスキーコイル７は、図４に示すように、
細い軟銅線１４を適当な絶縁性支持体１３上に巻いて作
成する。（第３の実施の形態の変形例）また、量産性を考慮し
て、図５に示すように、ロゴスキーコイルを印刷配線基
板上に形成してもよい。尚、図５（ａ）は上面図、図５
（ｂ）は側面図である。図５（ａ）（ｂ）において、１
５が配線基板、１６がロゴスキーコイルの一部を形成す
る表側印刷導体、１７が表側と裏側の導体を接続するス
ルーホール、１８が裏側印刷導体である。このような構
成にすることで、例えばスイッチング素子の外囲器と一
体化したロゴスキーコイルを容易かつ安価に製造するこ
とができるものである。

【００１２】（第４の実施の形態）更に、本発明の第４
の実施の形態としてスイッチング素子の保護について、
図６を用いて説明する。図６に示すように、短絡検出し
た結果に基づくスイッチング素子の保護については、ス
イッチング素子のゲート電圧を引き下げるべく、ゲート
抵抗５とトランジスタ４からなるゲート電圧制限手段を
設けるのがーつの方法である。この場合の保護制御にも
以下のような方法が考えられる。例えば、短絡状態にあ
ることを検出した場合に、速やかにスイッチング素子１
のゲート電圧を引き下げ、短絡電流を遮断することがー
つの方法である。これにより速やかな素子保護が可能に
なる。また、短絡電流のｄｉ／ｄｔが０となるように、
即ち短絡電流の値がある一定の値を保持するようにトラ
ンジスタ４のベース電流を制御することも可能である。
この場合は、素子が破壊されるに至るまでの時間を引き
延ばすことにより、電力変換装置内の上位制御系に故障
に対応する時間的余裕を与えることが可能になる。ま
た、スイッチング素子１のゲート電圧をゆるやかに引き
下げることで、短絡電流を遮断する際にスイッチング素
子１に印加されるサージ電圧を軽減させ、スイッチング
素子の破壊を防止することができる。

【００１３】一方、スイッチング素子側でローカルにス
イッチング状態を変更することが望ましくない電力変換
装置もある。複数個のスイッチング素子を直列に接続し
て用いる高電圧・大電力向けの応用などの場合がそうで
ある。こうした場合には、スイッチング素子を制御する
上位の制御装置に対して短絡を検出したことを通知し、
その後の処置は上位制御装置に委ねることが望ましい。
多数個のスイッチング素子よりなる電力変換装置に適用
する場合、各々のスイッチング素子に対して、素子保護
手段を設けることが考えられる。この場合、スイッチン
グ素子ローカルで素子保護を行うので、保護動作が高速
に行える。前述のとおり、複数個のスイッチング素子を
直列に接続する電力変換装置の場合はスイッチング素子
でローカルに保護動作を行うことは望ましくない。保護
動作レベルが各々のスイッチング素子で微妙に異なるた
めに、保護動作に入るタイミングにずれを生じ、そのた
めにたとえば早く保護動作に入った素子に過大な負担が
かかってしまうことが考えられるからである。こうした
応用に対しては、直列に接続された複数個のスイッチン
グ素子のうち少なくとも１つの素子に対して、短絡検出
手段を設け、上位制御装置で保護動作の判断を行うのが
望ましい。

【００１４】また、こうした応用の場合、装置全体の故
障検出信号は各々のスイッチング素子より送られる短絡
検出信号の論理和を取って作成するのが望ましい。

【００１５】

【発明の効果】以上述べたように、本発明によれば、軽
量、安価で小型化が容易なロゴスキーコイルを応用して
スイッチング素子の保護装置を構成することが可能にな
り、これによって、電力変換装置の低コスト化、小型化
が可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施の形態を示す概要構成
図。

【図２】本発明の第１の実施の形態を説明する波形
図。

【図３】本発明の第２の実施の形態を示す概要構成
図。

【図４】本発明の第３の実施の形態を示す概要構成
図。

【図５】本発明の第３の実施の形態の変形例を示す概
要構成図。

【図６】本発明の第４の実施の形態を示す概要構成
図。

【図７】従来のゲート駆動回路を示す概要構成図。

【符号の説明】

１・・・スイッチング素子２・・・ホールＣ
Ｔ３・・・過電流検出回路４・・・トランジ
スタ５・・・ゲート抵抗６・・・ゲート駆
動回路７・・・ロゴスキーコイル８・・・短絡検出
器９・・・正常時の素子電流波形１０・・・正常時の
ｄｉ／ｄｔ波形１１・・・短絡時の素子電流波形１２・・・短絡時
のｄｉ／ｄｔ波形１３・・・絶縁性支持体１４・・・銅線１５・・・配線基板１６・・・表側印
刷導体１７・・・スルーホール１８・・・裏側印
刷導体１９・・・ブスバー

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】複数のスイッチング素子とこのスイッチ
ング素子を制御するスイッチング制御手段とを有する電
力変換装置において、前記スイッチング素子に流れる主
回路電流の時間変化を検出するロゴスキーコイルと、こ
のロゴスキーコイルの端子電圧に基づき、前記スイッチ
ング素子に短絡電流が流れていることを検出する短絡検
出手段とを具備したことを特徴とする電力変換装置。
【請求項２】前記ロゴスキーコイルを前記スイッチン
グ素子の外囲器に内蔵したことを特徴とする請求項１記
載の電力変換装置。
【請求項３】前記ロゴスキーコイルと前記短絡検出手
段とを前記スイッチング素子の外囲器に内蔵したことを
特徴とする請求項１記載の電力変換装置。
【請求項４】前記ロゴスキーコイルを印刷配線基板に
よって形成したことを特徴とする請求項１又は２記載の
電力変換装置。
【請求項５】前記スイッチング素子のゲート電圧を引
き下げるゲート電圧制限手段を有し、前記短絡検出手段
によって短絡を検出した場合に、前記スイッチング素子
の保護動作を行う保護手段を具備したことを特徴とする
請求項１乃至請求項４のいずれかに記載の電力変換装
置。
【請求項６】前記短絡検出手段によって短絡を検出し
た場合に、前記スイッチング制御手段に対して短絡検出
信号を送ることを特徴とする請求項１乃至請求項４のい
ずれかに記載の電力変換装置。
【請求項７】前記ロゴスキーコイルの端子間電圧があ
る一定期間ある一定のレベル以上の電圧であることを検
出した場合に素子が短絡していると判定する判定手段を
具備したことを特徴とする請求項５又は請求項６記載の
電力変換装置。
【請求項８】前記ロゴスキーコイルの端子間電圧を積
分し、積分出力の値がある一定レベル以上であることを
検出した場合に素子が短絡していると判定する判定手段
を具備したことを特徴とする請求項５又は請求項６記載
の電力変換装置。
【請求項９】前記複数のスイッチング素子の各々に対
して前記保護手段を設けたことを特徴とする請求項５記
載の電力変換装置。
【請求項１０】前記複数のスイッチング素子のうち、
直列に接続された複数個のスイッチング素子のうち少な
くともその１つに対して前記短絡検出手段を設けたこと
を特徴とする請求項１乃至請求項９のいずれかに記載の
電力変換装置。
【請求項１１】前記複数のスイッチング素子に設けた
前記短絡検出手段より送られる短絡検出信号の論理和を
取って故障検出信号を生成するとともに、前記故障検出
信号により装置全体の動作を停止させることを特徴とす
る請求項１０記載の電力変換装置。
【請求項１２】前記短絡検出手段によって短絡を検出
した後に、前記スイッチング素子のゲート電圧を制御し
て前記スイッチング素子をターンオフさせることを特徴
とする請求項５記載の電力変換装置。
【請求項１３】前記短絡検出手段によって短絡を検出
した後に、前記ロゴスキーコイルの端子電圧が０となる
ように、前記スイッチング素子のゲート電圧を制御する
ことを特徴とする請求項５記載の電力変換装置。
【請求項１４】前記短絡検出手段によって短絡を検出
した後に、前記スイッチング素子のゲート電圧をある一
定の割合で減少させ、前記スイッチング素子をターンオ
フさせることを特徴とする請求項５記載の電力変換装
置。