JP2002142444A

JP2002142444A - 電力変換装置

Info

Publication number: JP2002142444A
Application number: JP2000339230A
Authority: JP
Inventors: Hiromichi Tai; 裕通田井
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 2000-11-07
Filing date: 2000-11-07
Publication date: 2002-05-17

Abstract

(57)【要約】【課題】スイッチング素子として圧接型素子を用いた
場合でも、短絡電流などによって生じるスイッチング素
子の破壊を未然に防止することのできる電力変換装置を
提供する。【解決手段】センスピン２２３からパッケージ外へ引
き出すための線路として、センス導体１、エミッタ側導
体３、および絶縁体５よりなる平行導体線路を用いるこ
とにより、センスピン２２３からの引き出し線路のイン
ダクタンスを下げて、確実にエミッタ電流に追従したセ
ンス電流を得ることができるようにした電力変換装置。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、電力変換装置に関
し、詳しくは、素子に流れる主電流の一部を分流して出
力するセンス端子を備えたセンス端子付きスイッチング
素子を用いた電力変換装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、電力変換装置には、高電圧、大電
流のＭＯＳ（ＭｅｔａｌＯｘｃｉｄｅＳｅｍｉｃｏ
ｎｄｕｃｔｏｒ）ゲート型の電力用スイッチング素子が
多く用いられるようになっている。ＭＯＳゲート型スイ
ッチング素子は、ＧＴＯ（ゲートターンオフサイリスタ
ー（ＧａｔｅＴｕｒｎＯｆｆｔｈｙｒｉｓｔｏ
ｒ））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、かつ、ゲート駆動回路が小型化できるな
ど、多くの利点がある。

【０００３】しかし、ＭＯＳゲート型スイッチング素子
は、サイリスタ系のスイッチング素子に比較して動作速
度が速いことから、スイッチング素子がノイズなどによ
って誤ってターンオンしてしまった場合に、素子に流れ
る短絡電流に対する保護が困難であるという難点があ
る。これはＭＯＳゲート型スイッチング素子の場合、素
子を流れる主電流の単位時間当たりの増加率（ｄｉ／ｄ
ｔ）が大きいために、短絡電流もまた極めて短い時間で
素子を破壊するに足る大きな電流となってしまうためで
ある。

【０００４】こうした問題に対応するためには、従来、
２つの方法がとられている。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がある。もうひとつの方
法は素子に電流検出機能を持たせ、短絡を検知して素子
のゲート電圧を制御することによりスイッチング素子に
流れる主電流（コレクタエミッタ間電流）を制限して
素子を保護する保護回路を備えることである。

【０００５】図８に、このような保護回路を設けた従来
の電力変換装置の例を示す。図８において、図８（ａ）
は、電力変換装置を構成する複数のスイッチング素子の
うち、一個のスイッチング素子と、それに付随する素子
保護回路を示す回路図であり、図８（ｂ）は、このよう
な保護回路を含む実際のモジュール型スイッチング素子
の内部構成を示す図面である。

【０００６】まず、図８（ａ）を参照して、従来の保護
回路付き電力変換装置の動作について説明する。この装
置では、スイッチング素子１０１が主スイッチング素子
であり、そのオン、オフ動作はゲート駆動回路１１１に
よってゲート抵抗１０９を介して制御されている。スイ
ッチング素子１０１の主電流の一部は素子内部で分流
し、センス端子１０３からセンス電流として取り出され
る。そして、アーム短絡などの異常発生時には、スイッ
チング素子１０１の主電流が異常なレベルまで上昇する
ため、これによりセンス電流レベルが上昇し、センス抵
抗１０５の両端の電圧が上昇することでトランジスタ１
０７が導通する。トランジスタ１０７が導通するとスイ
ッチング素子１０１のゲートエミッタ間電圧が低下
し、スイッチング素子１０１のコレクタエミッタ間を
流れる主電流が制限され、これにより、スイッチング素
子１０１の短絡電流による破壊が防止される。

【０００７】このような保護回路を設けたスイッチング
素子１０１の構成は、一体型のモジュールとして提供さ
れることが多い。

【０００８】モジュール内部は、図８（ｂ）に示すよう
に、スイッチング素子１０１を構成する半導体チップ１
０１ａ、１０１ｂを搭載した素子基板１１３と、別に電
子回路を搭載する回路基板１１５とが設けられている。

【０００９】素子基板１１３上では、半導体チップ１０
１ａ、１０１ｂのコレクタが素子基板１１３上の導体パ
ターン１１７に直にハンダ付けされており、エミッタ端
子、ゲートおよびセンス端子１０３は、ボンディングワ
イヤによって素子基板１１３上の導体パターン１１７に
接続されている。

【００１０】一方、回路基板１１５には、保護回路を構
成するトランジスタ１０７およびセンス抵抗１０５など
が搭載されている。素子基板１１３と回路基板１１５と
は導体１１９で結ばれている。なお、図８（ｂ）におい
ては、ゲート駆動回路１１１もまた回路基板１１５上に
搭載されているが、これは別にモジュール外に配置する
場合もある。

【００１１】このように構成されているモジュールにお
いて、センス端子１０３の実態は、半導体チップ１０１
ａ、１０１ｂに内蔵されている多くのＩＧＢＴ（Ｉｎｓ
ｕｌａｔｅｄＧａｔｅＢｉｐｏｌａｒＴｒａｎｓ
ｉｓｔｏｒ（絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ））
素子の一部のエミッタ端子を別に取り出したものであ
る。そのため、センス電流が主電流に対して比例する値
とするために、センス端子とエミッタ端子との電気的条
件がなるべく等しくなるようにする必要がある。

【００１２】ところで、モジュール型素子ではすでに説
明したとおり、スイッチング素子を構成する半導体チッ
プ１０１ａ、１０１ｂの接続にボンディングワイヤを使
用している。このボンディングワイヤの長さはしばしば
十数ｍｍに達するために、ボンディングワイヤのインダ
クタンス分は数十ｎＨに達し、その影響が無視できな
い。

【００１３】このことを考慮して、モジュール型素子の
等価回路を示すと、図９のとおりである。同図におい
て、インダクタンス１５１がスイッチング素子１０１の
エミッタ端子１０２側に入るボンディングワイヤのイン
ダクタンス分であり、インダクタンス１５３がセンス端
子１０３に入るボンディングワイヤのインダクタンス分
である。したがって、エミッタ端子１０２とセンス端子
１０３の両方に対してボンディングワイヤのインダクタ
ンス分が入ることになる。

【００１４】通常、エミッタ端子１０２側は、ボンディ
ングワイヤの電流容量の関係で多数本のボンディングワ
イヤを並列に使うために、エミッタ端子１０２側のイン
ダクタンス１５１はセンス端子１０３側のインダクタン
ス１５３に比べて数分の１から数十分の１の値となる。
そして、エミッタ端子１０２側の電流値とセンス電流の
比率もまた数十分の１となるので、ちょうどインダクタ
ンスの比率と電流の比率とがマッチングするために、電
気的にはこの２つの端子は等価となり、センス電流の値
とエミッタ電流の値とはおおむね比例することになる。

【００１５】

【発明が解決しようとする課題】ところで大容量を要求
される電力変換装置では、圧接型素子が好んで用いられ
ている。圧接型素子は、スイッチング素子を構成する半
導体チップの、少なくとも主電流が流れるコレクタおよ
びエミッタを基板上の配線導体パターンに、直接または
接続用の金属板などを介して接続する形態の素子であ
る。したがって、コレクタおよびエミッタと基板配線と
の接続にボンディングワイヤは使用していない。

【００１６】このような圧接型素子に対しては、図８に
示したような従来のモジュール型素子のような保護回路
の構成を適用することが困難である。この理由を以下に
説明する。

【００１７】図１０は、圧接型素子を用いた従来の電力
変換装置の内部構成を示す図面で、図１０（ａ）は断面
図であり、図１０（ｂ）は平面図である。また、図１１
にこの圧接型素子を用いた１つのスイッチング素子部分
の等価回路図を示す。

【００１８】圧接型素子を用いた電力変換装置の場合
は、スイッチング素子を構成する半導体チップ２０１
ａ、２０１ｂ、２０１ｃ、２０１ｄが、コレクタ側、エ
ミッタ側ともに熱緩衝用のモリブデン板２１３を介し
て、それぞれコレクタポスト２１１と、エミッタポスト
２１５に圧接されている。このため、図１１に示すエミ
ッタ２０２側のインダクタンス２５１はごく小さく、無
視できるほどである。

【００１９】一方、センス端子２０３については、セン
スピン２２３とセンスワイヤ２２５を介してセンス端子
２０３に引き出されている。このため、図１１に示すセ
ンス端子２０３側のインダクタンス２５３は、数百ｎＨ
にも達し、センス電流の値とエミッタ電流の値との比例
関係が崩れてしまう。なお、このようなセンス端子２０
３の引き出し方は、ゲート端子２２１がゲートピン２１
７とゲートワイヤ２１９を通してパッケージ外ヘゲート
端子２２１を引き出すのと同様である。

【００２０】このため、センス端子２０３側のインダク
タンス２５３の影響により、センス電流が流れるとセン
ス端子２０３で検出される電圧が持ち上がり、等価的に
センス端子２０３側のＩＧＢＴのゲートエミッタ間電
圧が下がり、センス電流の大きさが本来流れるべき電流
よりも小さくなってしまう。しかも、センス電流が実際
にどれくらい流れるかは、インダクタンスの値、主電流
の波形、素子の静特性など様々な要因が絡み合うため
に、予想することが困難である。

【００２１】このように、従来技術では、圧接型素子の
場合、センス電流の値が短絡状態を検出するために必要
な精度を維持できなくなり、保護回路によるスイッチン
グ素子の保護ができないといった問題がある。

【００２２】本発明は、かかる問題点を解決するために
なされたもので、スイッチング素子として圧接型素子を
用いた場合でも、短絡電流などによって生じるスイッチ
ング素子の破壊を未然に防止することのできる電力変換
装置を提供することである。

【００２３】

【課題を解決するための手段】上記問題点を解決するた
めに請求項１記載の本発明は、素子に流れる主電流の一
部を分流して出力するセンス端子を備えたセンス端子付
きスイッチング素子を用いた電力変換装置において、前
記センス端子から、前記スイッチング素子を制御する制
御回路までの間を低インダクタンスの線路で結ぶことを
要旨とする電力変換装置である。

【００２４】この発明は、スイッチング素子のセンス端
子とスイッチング素子の制御回路との間を低インダクタ
ンスの線路で結ぶことにより、センス端子から検出され
る電流がスイッチング素子を流れる主電流に対応して、
確実に比例追従させるようにしようとするものである。

【００２５】請求項２記載の本発明は、請求項１記載の
電力変換装置において、前記低インダクタンスの線路
は、平行導体線路であることを要旨とする。

【００２６】この発明は、平行導体線路を用いること
で、平行に設けられる導体間の強い電磁気的結合により
線路のインダクタンスを低くしようとするものである。

【００２７】請求項３記載の本発明は、請求項２記載の
電力変換装置において、前記平行導体線路は、前記スイ
ッチング素子のセンス端子とエミッタ端子のそれぞれと
接続された導体が、絶縁体を挟んで平行導体を構成して
いることを要旨とする。

【００２８】この発明は、主電流の流れるスイッチング
素子のエミッタ端子に接続された導体と、センス端子に
接続された導体とで、平行導体を形成することにより、
これら電磁気的な結合を強くしてセンス端子に接続され
た導体のインダクタンスを下げようとするものである。

【００２９】請求項４記載の本発明は、請求項３記載の
電力変換装置において、前記平行導体線路は、さらに、
前記エミッタ端子に接続された導体に対して、絶縁体を
介して前記スイッチング素子のゲート端子に接続された
導体が設けられて平行導体を構成していることを要旨と
する。

【００３０】この発明は、エミッタ端子に接続された導
体に対して、さらに絶縁体を介してデート端子に接続さ
れた導体を設けることで、ゲート端子側導体とエミッタ
端子側導体との電磁気的な結合を強くして、ゲート端子
側線路のインダクタンスも下げようとするものである。

【００３１】請求項５記載の本発明は、請求項１記載の
電力変換装置において、前記低インダクタンスの線路
は、同軸線路であることを要旨とする。

【００３２】この発明は、同軸線路を用いることで、同
軸線路の中心導体と外皮導体との間の強い電磁気的結合
により線路のインダクタンスを低くしようとするもので
ある。

【００３３】請求項６記載の本発明は、請求項５記載の
電力変換装置において、前記同軸線路は、前記スイッチ
ング素子のセンス端子に接続された導体を中心導体と
し、前記スイッチング素子のエミッタ端子に接続される
導体を外皮導体とすることを要旨とする。

【００３４】この発明は、主電流の流れるスイッチング
素子のエミッタ端子に接続された導体を外皮導体素子、
センス端子に接続された導体を中心導体することによ
り、これらの間の電磁気的な結合を強くしてセンス端子
に接続された導体のインダクタンスを下げようとするも
のである。

【００３５】請求項７記載の本発明は、請求項６記載の
電力変換装置において、前記同軸線路は、さらに、前記
スイッチング素子のゲート端子に接続された導体を中心
導体とすることを要旨とする。

【００３６】この発明は、デート端子に接続された導体
をさらに中心導体とすることで、ゲート端子側導体とエ
ミッタ端子側導体との電磁気的な結合を強くして、ゲー
ト端子側線路のインダクタンスも下げようとするもので
ある。

【００３７】請求項８記載の本発明は、請求項１〜４の
いずれか一つに記載の電力変換装置において、前記制御
回路の基板の絶縁支持材と、前記センス端子と制御回路
の基板との間を結ぶ線路の絶縁材とが一体であることを
要旨とする。

【００３８】この発明は、制御回路基板の絶縁支持材と
センス端子と制御回路基板を結ぶ線路の絶縁材とを一体
化することで、製造コストの低減を図ろうとするもので
ある。

【００３９】請求項９記載の本発明は、請求項１〜８の
いずれか一つに記載の電力変換装置において、前記スイ
ッチング素子と制御回路を結ぶ線路は、可撓性のある線
路であることを要旨とする。

【００４０】この発明は、スイッチング素子と制御回路
を結ぶ線路として可擁性のある材料を用いることで、電
力変換装置内における回路基板の配置の自由度を高くし
ようとするものである。

【００４１】請求項１０記載の本発明は、素子に流れる
主電流の一部を分流して出力するセンス端子を備えたセ
ンス端子付きスイッチング素子を用いた電力変換装置に
おいて、前記センス端子より得られるセンス電流の値を
計測するセンス電流計測手段と、前記センス電流検出手
段が検出した電流値が所定値を越えたか否かを比較する
比較手段と、前記比較手段によって、前記センス電流検
出手段が検出した電流値が所定値を越えたことが検出さ
れたときに、前記スイッチング素子に与える制御信号の
導通率を低減させる制御手段と、を有することを要旨と
する電力変換装置である。

【００４２】この発明は、センス端子より得られるセン
ス電流の値が所定値を越えたときに、スイッチング素子
に与える制御信号の導通率を低減させ、スイッチング素
子に過電流が流れないように制限して、運転を継続よう
とするものである。

【００４３】請求項１１記載の本発明は、素子に流れる
主電流の一部を分流して出力するセンス端子を備えたセ
ンス端子付きスイッチング素子を用いた電力変換装置に
おいて、前記センス端子より得られるセンス電流の値を
計測するセンス電流計測手段と、前記センス電流検出手
段が検出した電流値が所定値を越えたか否かを比較する
比較手段と、前記比較手段によって、前記センス電流検
出手段が検出した電流値が所定値を越えたことが検出さ
れたときに、これを警告する警告手段と、を有すること
を要旨とする電力変換装置である。

【００４４】この発明は、センス端子より得られるセン
ス電流の値が所定値を越えたときに、これを外部に警告
することで、スイッチング素子に過電流が流れたことに
迅速に対処できるようにしようとするものである。

【００４５】請求項１２記載の本発明は、請求項１０ま
たは１１記載の電力変換装置において、前記比較手段が
比較に用いる所定値は、あらかじめ決められた一定の値
であることを要旨とする。

【００４６】この発明は、あらかじめ決められた一定の
電流がセンス電流として検出されたときに、スイッチン
グ素子に与える制御信号の導通率を低減させ、または、
その旨の警告を出力しようとするものである。

【００４７】請求項１３記載の本発明は、請求項１０ま
たは１１記載の電力変換装置において、前記スイッチン
グ素子は、複数個並列に接続されており、前記比較手段
が比較に用いる所定値は、前記並列に接続された複数の
スイッチング素子のセンス電流の値の平均値であること
を要旨とする。

【００４８】この発明は、複数並列に接続されたスイッ
チング素子のうちの１つのセンス電流の値が、並列に接
続されたスイッチング素子のセンス電流の平均値を超え
ている場合に、スイッチング素子に与える制御信号の導
通率を低減させ、または、その旨の警告を出力しようと
するものである。

【００４９】

【発明の実施の形態】以下添付した図面を参照して本発
明の実施の形態を説明する。なお、以下の説明におい
て、従来から用いられている部材については、すでに従
来技術として説明したものと同じ符号を付し、それらの
部材の説明を省略する。

【００５０】＜第１の実施の形態＞図１は、本発明を適
用した第１の実施の形態に係る電力変換装置の構成を示
す図面である。

【００５１】本実施の形態における電力変換装置は、図
１に示すように、センス端子をパッケージ外へ引き出す
ための線路として、センス導体１、エミッタ側導体３、
および絶縁体５よりなる平行導体線路を用いたものであ
る。この平行導体線路は、銅板よりなるセンス導体１お
よびエミッタ側導体３によって絶縁体５を挟み、平行導
体線路を構成したものである。

【００５２】センス導体１はセンスピン２２３と接続さ
れており、エミッタ側導体３はエミッタポスト２１５と
接続されている。

【００５３】本実施の形態における作用を説明する。

【００５４】本実施の形態において、センス導体１は、
エミッタ側導体３と薄い絶縁体５を介して接続されてい
るため、これらが電磁気的に強く結合している。このた
め、センス端子側線路のインダクタンスをごく小さく抑
えることができるようになっている。

【００５５】このようにセンス導体１、エミッタ側導体
３、および絶縁体５によって構成された平行導体による
線路の場合、線路のインダクタンスは数ｎＨから十数ｎ
Ｈ程度に抑えることが可能である。

【００５６】したがって、従来の百ｎＨ以上あったセン
ス端子側のインダクタンスを大幅に低減することがで
き、センス端子側線路のインダクタンスによる影響を極
小化して、圧接型素子においてエミッタ側線路における
インダクタンス成分との比例関係が、それらの電流量の
比例関係とほぼ同じになるので、エミッタ電流に比例し
たセンス電流を得ることが可能となる。

【００５７】＜第２の実施の形態＞前述の第１の実施の
形態では、センス導体とエミッタ側導体とが平行導体と
なるように用いたが、インダクタンスを低減する方法と
しては、他に同軸線路を用いることが可能である。そこ
で、この第２の実施の形態は、この同軸線路をセンス端
子からの引き出し線として用いたものである。

【００５８】図２は、本発明を適用した第２の実施の形
態に係る電力変換装置の構成を示す図面である。

【００５９】本実施の形態における電力変換装置は、図
２に示すように、センス端子の引き出し線路として同軸
線路１１を使用している。この同軸線路１１は、中心導
体１３と、この中心導体１３を覆う絶縁体１５と、絶縁
体１５の外側をさらに覆うように設けられた外皮導体１
７からなり、中心導体１３はセンスピン２２３に接続さ
れ、外皮導体１７はエミッタポスト２１５に接続されて
いる。

【００６０】なお、外皮導体１７のさらに外側は、外皮
絶縁体により保護されていてもよい。

【００６１】本実施の形態における作用を説明する。

【００６２】本実施の形態においては、同軸線路１１の
中心導体１３と外皮導体１７とは電磁気的に強く結合し
ているため、センス端子側の引き出し線路のインダクタ
ンスは、前述した第１の実施の形態と同様に極低く抑え
ることが可能になる。したがって、第１の実施の形態同
様に、従来の百ｎＨ以上あったセンス端子側のインダク
タンスを大幅に低減することができ、センス端子側のイ
ンダクタンスの影響を極小化し、圧接型素子を用いた場
合においても、エミッタ電流に比例したセンス電流を得
ることが可能となる。

【００６３】なお、図２においては、同軸線路として円
形断面のものを示したが、本発明は、このような円形断
面の同軸線路に限定されるものではなく、たとえば、角
形断面の同軸線路を用いることも可能である。

【００６４】＜第３の実施の形態＞前述した第１の実施
の形態では、平行導体の間に絶縁体として板状の絶縁物
を介在させているが、こうした板状の絶縁物は、センス
回路やゲート制御回路を納める回路基板の支持体と一体
的に作成することが可能である。この第３の実施の形態
は、こうした考えに基づくものである。

【００６５】図３は、本発明を適用した第３の実施の形
態に係る電力変換装置の構成を示す図面である。

【００６６】本実施の形態においては、図３に示すよう
に、ゲート駆動回路１１１を構成する回路基板２１が、
そのままセンス導体１およびエミッタ側導体３によって
挟み込まれて、センス端子側線路を形成している。

【００６７】本実施の形態における作用を説明する。

【００６８】このように、回路基板２１をそのままセン
ス導体１およびエミッタ側導体３によって挟み込んで、
センス端子側線路の絶縁体として使用することで、セン
ス導体１もゲート駆動回路１１１の回路を構成する導体
パターンと一体に接続することができ、構造が簡素にな
って、製造コストの低減が可能になる。また、一体化に
よってセンス端子側のインダクタンスを一層低減するこ
とが可能となる。

【００６９】＜第４の実施の形態＞以上の第１〜第３の
実施の形態では、もっぱらセンス端子側の低インダクタ
ンス化に集点を当てたものである。一方、ゲート端子側
引き出し線路のインダクタンス分もまた、スイッチング
時間の遅れなどの要因となり、スイッチング素子におけ
るスイッチング動作の性能向上の妨げとなることが知ら
れている。

【００７０】この第４の実施の形態は、ゲート端子側線
路のインダクタンスの低減化を図るものである。

【００７１】図４は、本発明を適用した第４の実施の形
態に係る電力変換装置の構成を示す図面である。

【００７２】本実施の形態における電力変換装置は、図
４に示すように、センス導体１およびゲート導体７を、
同じ絶縁体５上に設け、絶縁体５の下面には、その全面
にエミッタ側導体３を設けたものである。ここで、セン
ス導体１およびゲート導体７は、いずれも導体パターン
であり、エミッタ側導体３と共に平行導体を形成してい
る。

【００７３】本実施の形態における作用を説明する。

【００７４】このようにセンス導体１とゲート導体７を
同じ絶縁体５上に設けた構成とすることで、センス端子
側およびゲート側の両方の線路のインダクタンスを大幅
に抑制することができる。したがって、圧接型素子を用
いた場合においても、エミッタ電流に比例したセンス電
流を得ることが可能となると共に、ゲート駆動回路１１
１の性能向上を図ることができる。

【００７５】なお、本実施の形態では、センス導体１と
ゲート導体７とが、絶縁体５の同じ面上を並走する場合
を示しているが、この他に、たとえば多層配線基板の別
々の層にセンス導体とゲート導体とを配置してもよい。

【００７６】また、図４に示したものは、ゲート導体と
センス導体、およびエミッタ側導体とが平行導体線路を
構成したものとしたが、これに代えてゲート導体とセン
ス導体とを２つの中心導体とし、エミッタ側導体を外皮
導体とする２芯同軸線路を用いることでも同様の効果を
得ることができる。

【００７７】＜第５の実施の形態＞これまで述べてきた
実施の形態では、スイッチング素子と制御回路とを結ぶ
線路の絶縁体として比較的剛性の高い材料を用いてい
る。しかしながら、絶縁体として剛性の低い材料を用い
ると共に線路を構成する導体に薄い銅箔を用いること
で、線路に可撓性を持たせることも可能である。第５の
実施の形態は、スイッチング素子と制御回路とを結ぶ線
路に可撓性を持たせたものである。

【００７８】図５は、本発明を適用した第５の実施の形
態に係る電力変換装置の構成を示す図面である。

【００７９】本実施の形態は、図５に示すように、部材
配置などは、前記の第４の実施の形態と同様であるが、
それぞれの材料を可撓性のあるものを用いたものであ
る。すなわち、いずれも可撓性のある部材よりなるセン
ス導体５１およびゲート導体５７を、同じく可撓性のあ
る絶縁体５５上に設け、絶縁体５５の下面に同様に可撓
性のある部材よりなるエミッタ側導体５３を設けたもの
である。

【００８０】可撓性のある材料としては、たとえばセン
ス導体５１、ゲート導体５７、およびエミッタ側導体５
３には銅箔やアルミニウム箔膜、絶縁体５５としてはポ
リイミドフィルムなどが用いられるが、一般に電気部品
に用いられているものであれば特に制限はない。

【００８１】本実施の形態における作用を説明する。

【００８２】このように、スイッチング素子と制御回路
基板との間を可撓性のある線路とした場合、制御回路基
板の支持は別に行う必要がある一方、制御回路基板とス
イッチング素子との間の位置関係が、変換装置を製造す
る際の工作精度などの関係で多少ずれた場合にも問題が
生じないという利点が生じる。また、積極的にスイッチ
ング素子と制御回路基板の位置関係に自由度を持たせる
ことで、電力変換装置の機構設計の自由度を高めること
も可能になる。

【００８３】＜第６の実施の形態＞以上述べてきた各実
施の形態によれば、センス端子のついたスイッチング素
子において、センス端子側のインダクタンスを低減して
センス電流の主電流に対する比例精度を高めることがで
きる。そのため、これをさらに積極的に利用すること
で、センス電流を短絡保護以外の目的に応用することも
可能となる。

【００８４】第６の実施の形態は、センス電流を短絡保
護以外の目的に応用するものである。

【００８５】図６は、本発明を適用した第６の実施の形
態に係る電力変換装置の構成を示す図面である。

【００８６】本実施の形態における電力変換装置は、図
６に示すように、スイッチング素子２０１が直列接続さ
れていて、電力変換器の１つのレッグを構成している。
各々のスイッチング素子２０１には、ゲート駆動回路１
１１およびセンス信号処理回路２３が接続されている。
ゲート駆動回路１１１の入力信号およびセンス信号処理
回路２３の出力信号はゲート信号発生回路２５に接続さ
れている。

【００８７】スイッチング素子より出力されるセンス電
流は、センス信号処理回路２３によって適当なフィルタ
処理と増幅・レベルシフトが行われ、各スイッチング素
子２０１の素子電流信号４１としてゲート信号発生回路
２５に与えられる。

【００８８】ゲート信号発生回路２５の内部では、正弦
波信号３７とキャリア信号３９とをＰＷＭ信号発生器２
７で比較し、スイッチング素子を駆動するゲート信号を
発生させる。一方、センス電流から生成された素子電流
信号４１は、電流レベル比較器２９によって過電流レベ
ル設定器３１で設定されたある過電流レベルと比較さ
れ、その結果が通電率設定器３３に入力される。そし
て、通電率設定器３３の出力が変調率制限器３５に入力
され、正弦波信号３７の振幅を制限する。

【００８９】本実施の形態における作用を説明する。

【００９０】以上のように構成された本実施の形態で
は、電流レベル比較器２９によってスイッチング素子２
０１の電流があらかじめ過電流レベル設定器３１に設定
されたレベルを超過したことが検出されると、通電率設
定器３３によってスイッチング素子２０１の通電率を下
げるように変調率制限器３５に信号が出力され、スイッ
チング素子２０１の通電率が下げられることになる。

【００９１】これにより、何らかの外部的な要因によっ
て、スイッチング素子２０１が直ちに破壊されないまで
も徐々に過大な電流によってスイッチング素子２０１が
損傷を受ける前に、スイッチング素子２０１の通電電流
を制限しながら運転を継続することができる。

【００９２】＜第７の実施の形態＞容量の大きい電力変
換装置を構成するためには、複数のスイッチング素子を
並列に使用することが行われている。こうした場合、各
スイッチング素子の電流分担が何らかの原因で崩れるこ
とがある。この第７の実施の形態は、このような場合に
対応するためのものである。

【００９３】図７は、本発明を適用した第７の実施の形
態に係る電力変換装置の構成を示す図面である。

【００９４】本実施の形態による電力変換装置は、図７
に示すように、スイッチング素子２０１が複数個並列に
接続されている。そして、前述の第６の実施の形態おけ
る回路において、過電流レベル設定器３１に代えて各ス
イッチング素子２０１の素子電流の平均値を算出する素
子電流平均値演算器３６を設けたものである。電流レベ
ル比較器２９は、各スイッチング素子２０１の素子電流
信号４１と、素子電流平均値演算器３６によって求めら
れた各スイッチング素子２０１の素子電流の平均値を比
較している。

【００９５】本実施の形態における作用を説明する。

【００９６】このように、電流レベル比較器２９が、各
スイッチング素子２０１の素子電流信号４１と、素子電
流平均値演算器３６によって求められた各スイッチング
素子２０１の素子電流の平均値を比較することで、並列
に接続された複数のスイッチング素子２０１のうち、い
ずれかの素子電流が平均値から異なることが検出された
時点で、素子電流が多く流れた素子について、通電率設
定器３３によって設定された通電率になるように変調率
制限器３５に信号が出力され通電率を制限して素子の破
壊を未然に防止する。

【００９７】なお、前述の第６の実施の形態、およびこ
の第７の実施の形態では、自動的に素子の通電率を制限
しているが、こうした制限を自動的に加えるよりも、運
転制御員に過電流状態にあることを通知して、適切な対
応を求める方が望ましい場合もある。このような場合に
備えて、電流レベル比較器２９が過電流を検出した場合
には、たとえば制御盤上に過電流を検出したことを表示
するだけとしてもよい。

【００９８】以上本発明を適用した実施の形態について
説明したが、本発明は、このような実施の形態に限定さ
れるものではない。たとえばスイッチング素子と制御回
路とを結ぶ線路としては、平行導体線路や同軸線路のほ
か、センス導体とエミッタ側導体とが電磁気的に強い結
合ができてセンス端子からの引き出し線路のインダクタ
ンスを下げることができる構造であればどのようなもの
であってもよい。また、スイッチング素子の数などは、
上述した各実施の形態において示されたものと異なって
もよいことは言うまでもなく、さらに、本発明の技術思
想の範囲において、様々な変形が可能である。

【００９９】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
センス端子付のスイッチング素子から得られるセンス電
流を主電流に比例した値に近づけることが可能になり、
これによってセンス電流を利用する素子保護装置の高信
頼性が可能になり、スイッチング素子を短絡電流などの
過電流から確実に保護することができる電力変換装置を
提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明と適用した第１の実施の形態に係る電力
変換装置の構成を示す図面である。

【図２】本発明と適用した第２の実施の形態に係る電力
変換装置の構成を示す図面である。

【図３】本発明と適用した第３の実施の形態に係る電力
変換装置の構成を示す図面である。

【図４】本発明と適用した第４の実施の形態に係る電力
変換装置の構成を示す図面である。

【図５】本発明と適用した第５の実施の形態に係る電力
変換装置の構成を示す図面である。

【図６】本発明と適用した第６の実施の形態に係る電力
変換装置の構成を示す図面である。

【図７】本発明と適用した第７の実施の形態に係る電力
変換装置の構成を示す図面である。

【図８】従来のモジュール型素子を用いた電量変換装置
を示す図面である。

【図９】従来のモジュール型素子を用いた電量変換装置
の等価回路図である。

【図１０】従来の圧接型素子を用いた電力変換装置の構
成を示す図面である。

【図１１】従来の圧接型素子を用いた電力変換装置の等
価回路図である。

【符号の説明】

１センス導体３エミッタ側導体５絶縁体７ゲート導体１１同軸線路１３中心導体１４ゲートピン１５絶縁体１７外皮導体２１回路基板２３センス信号処理回路２５ゲート信号発生回路２７ＰＷＭ信号発生器２９電流レベル比較器３１過電流レベル設定器３３通電率設定器３５変調率制限器３６素子電流平均値演算器３７正弦波信号３９キャリア信号４１素子電流信号５１センス導体５３エミッタ側導体５５絶縁体５７ゲート導体１０１スイッチング素子１０１ａ、１０１ｂ、２０１ａ、２０１ｂ、２０１ｃ、
２０１ｄ半導体チップ１０２エミッタ端子１０３センス端子１０５ゲート抵抗１０５センス抵抗１０７トランジスタ１１１ゲート駆動回路１１３素子基板１１５回路基板１１７導体パターン１１９導体１５１インダクタンス１５１、１５３インダクタンス２０１スイッチング素子２０２エミッタ２０３センス端子２１１コレクタポスト２１３モリブデン板２１５エミッタポスト２１９ゲートワイヤ２２１ゲート端子２２３センスピン２２５センスワイヤ２５１、２５３インダクタンス

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】素子に流れる主電流の一部を分流して出
力するセンス端子を備えたセンス端子付きスイッチング
素子を用いた電力変換装置において、前記センス端子から、前記スイッチング素子を制御する
制御回路までの間を低インダクタンスの線路で結ぶこと
を特徴とする電力変換装置。
【請求項２】前記低インダクタンスの線路は、平行導
体線路である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】前記平行導体線路は、前記スイッチング
素子のセンス端子とエミッタ端子のそれぞれと接続され
た導体が、絶縁体を挟んで平行導体を構成していること
を特徴とする請求項２記載の電力変換装置。
【請求項４】前記平行導体線路は、さらに、前記エミ
ッタ端子に接続された導体に対して、絶縁体を介して前
記スイッチング素子のゲート端子に接続された導体が設
けられて平行導体を構成していることを特徴とする請求
項３記載の電力変換装置。
【請求項５】前記低インダクタンスの線路は、同軸線
路であることを特徴とする請求項１記載の電力変換装
置。
【請求項６】前記同軸線路は、前記スイッチング素子
のセンス端子に接続された導体を中心導体とし、前記ス
イッチング素子のエミッタ端子に接続される導体を外皮
導体と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７】前記同軸線路は、さらに、前記スイッチ
ング素子のゲート端子に接続された導体を中心導体とす
ることを特徴とする請求項６記載の電力変換装置。
【請求項８】前記制御回路の基板の絶縁支持材と、前
記センス端子と制御回路の基板との間を結ぶ線路の絶縁
材とが一体であることを特徴とする請求項１〜４のいず
れか一つに記載の電力変換装置。
【請求項９】前記スイッチング素子と制御回路を結ぶ
線路は、可撓性のある線路であることを特徴とする請求
項１〜８のいずれか一つに記載の電力変換装置。
【請求項１０】素子に流れる主電流の一部を分流して
出力するセンス端子を備えたセンス端子付きスイッチン
グ素子を用いた電力変換装置において、前記センス端子より得られるセンス電流の値を計測する
センス電流計測手段と、前記センス電流検出手段が検出した電流値が所定値を越
えたか否かを比較する比較手段と、前記比較手段によって、前記センス電流検出手段が検出
した電流値が所定値を越えたことが検出されたときに、
前記スイッチング素子に与える制御信号の導通率を低減
させる制御手段と、を有することを特徴とする電力変換装置。
【請求項１１】素子に流れる主電流の一部を分流して
出力するセンス端子を備えたセンス端子付きスイッチン
グ素子を用いた電力変換装置において、前記センス端子より得られるセンス電流の値を計測する
センス電流計測手段と、前記センス電流検出手段が検出した電流値が所定値を越
えたか否かを比較する比較手段と、前記比較手段によって、前記センス電流検出手段が検出
した電流値が所定値を越えたことが検出されたときに、
これを警告する警告手段と、を有することを特徴とする電力変換装置。
【請求項１２】前記比較手段が比較に用いる所定値
は、あらかじめ決められた一定の値であることを特徴と
する請求項１０または１１記載の電力変換装置。
【請求項１３】前記スイッチング素子は、複数個並列
に接続されており、前記比較手段が比較に用いる所定値は、前記並列に接続
された複数のスイッチング素子のセンス電流の値の平均
値であることを特徴とする請求項１０または１１記載の
電力変換装置。