JP2006042563A - Power switching circuit, power converter, open circuit failure detecting method, and driving method of semiconductor switching device - Google Patents

Power switching circuit, power converter, open circuit failure detecting method, and driving method of semiconductor switching device Download PDF

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To detect open circuit failure in a modular semiconductor switching device more quickly and surely. <P>SOLUTION: The power switching circuit comprises a voltage detector 6 for detecting the voltage between the main terminals of a modular semiconductor switching device A, a current detector 7 for detecting a main terminal current flowing through the main terminal of the modular semiconductor switching device A, and a control means for determining the internal resistance between the main terminals of the modular semiconductor switching device A based on the voltage between the main terminals received from the voltage detector 6 and the main terminal current received from the current detector 7 and short-circuiting the main terminals by operating a short circuit means when the occurrence of open circuit failure is detected based on the internal resistance between the main terminals. <P>COPYRIGHT: (C)2006,JPO&NCIPI

Description

本発明は、電力スイッチング回路、電力変換装置、開放故障検出方法及びモジュール型半導体スイッチング素子の駆動方法に関する。   The present invention relates to a power switching circuit, a power converter, an open fault detection method, and a module type semiconductor switching element driving method.

例えば特開2000−175435号公報には、汎用のモジュール型半導体スイッチング素子を用いた電力変換装置における開放故障に対し、当該開放故障に伴う二次的な絶縁破壊を防止する電力変換装置が開示されている。すなわち、電力変換装置用に特別に開発された半導体電力スイッチング素子を用いた場合、電力変換装置の故障モードは短絡故障のみとなるが、モジュール型半導体スイッチング素子を用いた場合には、例えば当該モジュール型半導体スイッチング素子内のボンディングワイヤが何らかの原因で断線すること等によって開放故障が発生することがある。   For example, Japanese Patent Laid-Open No. 2000-175435 discloses a power conversion device that prevents secondary breakdown due to an open failure with respect to an open failure in a power conversion device using a general-purpose modular semiconductor switching element. ing. That is, when a semiconductor power switching element specially developed for a power conversion device is used, the failure mode of the power conversion device is only a short-circuit failure, but when a module type semiconductor switching device is used, for example, the module An open failure may occur due to, for example, a disconnection of a bonding wire in the type semiconductor switching element.

上記電力変換装置は、例えばIGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)を半導体電力スイッチング素子とするモジュール型半導体スイッチング素子において、IGBTのコレクタ−エミッタ間電圧の変化に基づいてIGBTの開放故障を検出するとIGBTのコレクタ−エミッタ間を永久短絡する短絡スイッチを並列接続したものである。このような構成の電力変換装置は、短絡スイッチが短絡することによりIGBTに過電圧が印加されることを防止し、以ってIGBTの二次的な絶縁破壊を防止するものである。
特開2000−175435号公報
In the module type semiconductor switching element using, for example, an IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor) as a semiconductor power switching element, the power conversion device detects an IGBT open-circuit failure based on a change in the collector-emitter voltage of the IGBT. -Short-circuit switches that permanently short-circuit emitters are connected in parallel. The power converter having such a configuration prevents an overvoltage from being applied to the IGBT due to a short circuit of the short-circuit switch, thereby preventing secondary breakdown of the IGBT.
JP 2000-175435 A

ところで、上記特許文献1の電力変換装置では、短絡スイッチはIGBTのコレクタ−エミッタ間電圧の変化に基づいてIGBTの開放故障を検出する。しかしながら、IGBTの開放故障に起因するコレクタ−エミッタ間電圧の変化は比較的緩慢であり、IGBTの開放故障を高速に検出し得ないという欠点を有する。IGBTの2次的な絶縁破壊をより確実に防止するためには、開放故障をより高速に検出する必要がある。   By the way, in the power converter of the above-mentioned patent document 1, the short circuit switch detects an open circuit failure of the IGBT based on a change in the collector-emitter voltage of the IGBT. However, the change in the collector-emitter voltage due to the open circuit failure of the IGBT is relatively slow, and the open circuit failure of the IGBT cannot be detected at high speed. In order to prevent secondary breakdown of the IGBT more reliably, it is necessary to detect the open failure at a higher speed.

一方、上記モジュール型半導体スイッチング素子には、電流定格を大きくするためにIGBT等の半導体電力スイッチング素子を複数並列接続した構成のものがある。このようにIGBTが複数並列接続された形態のモジュール型半導体スイッチング素子を用いて電力変換装置のスイッチアームを構成した場合においては、上記特許文献1の電力変換装置における開放故障の検出方法ではモジュール型半導体スイッチング素子内の初期的な開放故障を検出することができない。すなわち、例えばモジュール型半導体スイッチング素子において初期的に1つのIGBTが開放故障した場合、当該IGBTには正常に動作している他のIGBTが並列接続されているのでコレクタ−エミッタ間電圧は殆ど変化せず、よって初期的な開放故障の発生を検出することが困難である。   On the other hand, some of the module type semiconductor switching elements have a configuration in which a plurality of semiconductor power switching elements such as IGBTs are connected in parallel to increase the current rating. In the case where the switch arm of the power conversion device is configured by using the module type semiconductor switching elements in which a plurality of IGBTs are connected in parallel as described above, the open fault detection method in the power conversion device disclosed in Patent Document 1 is a module type. An initial open fault in the semiconductor switching element cannot be detected. That is, for example, in the case where one IGBT in the module type semiconductor switching element initially has an open failure, the other IGBTs that are operating normally are connected in parallel to the IGBT, so that the collector-emitter voltage hardly changes. Therefore, it is difficult to detect the occurrence of an initial open fault.

また、上記モジュール型半導体スイッチング素子を複数直列接続してスイッチアームを構成する電力変換装置の場合、複数のモジュール型半導体スイッチング素子(つまりIGBT)によって入力電圧が分圧されるので、1つのIGBTに開放故障が生じた場合のコレクタ−エミッタ間電圧の変化は、上述した1つのモジュール型半導体スイッチング素子でスイッチアームを構成した場合よりも小さい。したがって、このような電力変換装置では、初期的な開放故障の発生を検出することがさらに困難となる。   Further, in the case of a power conversion device in which a plurality of module-type semiconductor switching elements are connected in series to form a switch arm, the input voltage is divided by a plurality of module-type semiconductor switching elements (that is, IGBTs). The change in the collector-emitter voltage when an open circuit failure occurs is smaller than that in the case where the switch arm is constituted by the one module type semiconductor switching element described above. Therefore, in such a power conversion device, it becomes more difficult to detect the occurrence of an initial open failure.

本発明は、上述した事情に鑑みてなされたものであり、開放故障が生じ得るモジュール型半導体スイッチング素子における開放故障をより高速かつ確実に検出し、以ってモジュール型半導体スイッチング素子における二次的な絶縁破壊を確実に防止することを目的とするものである。   The present invention has been made in view of the above-described circumstances, and detects an open failure in a module type semiconductor switching element in which an open failure may occur more quickly and reliably. The purpose of this is to surely prevent proper dielectric breakdown.

上記目的を達成するために、本発明では、1つの半導体スイッチング素子あるいは並列接続された複数の半導体スイッチング素子から構成された、半導体スイッチング素子に開放故障が生じ得るモジュール型半導体スイッチング素子を備え、半導体スイッチング素子に開放故障が生じた場合には所定の短絡手段を作動させて前記モジュール型半導体スイッチング素子の主端子間を短絡させる電力スイッチング回路において、モジュール型半導体スイッチング素子の主端子間電圧を検出する電圧検出器と、モジュール型半導体スイッチング素子の主端子に流れる主端子電流を検出する電流検出器と、電圧検出器から入力された主端子間電圧と電流検出器から入力された主端子電流とからモジュール型半導体スイッチング素子の主端子間内部抵抗を求め、該主端子間内部抵抗に基づいて開放故障の発生を検出すると前記短絡手段を作動させて主端子間を短絡させる制御手段とを具備する、という解決手段を採用する。   In order to achieve the above object, the present invention comprises a module type semiconductor switching element that is composed of one semiconductor switching element or a plurality of semiconductor switching elements connected in parallel, and that can cause an open failure in the semiconductor switching element. In a power switching circuit for operating a predetermined short-circuit means to short-circuit between main terminals of the module type semiconductor switching element when an open circuit failure occurs in the switching element, a voltage between main terminals of the module type semiconductor switching element is detected. A voltage detector, a current detector for detecting a main terminal current flowing in the main terminal of the module type semiconductor switching element, a voltage between main terminals input from the voltage detector and a main terminal current input from the current detector; Internal resistance between main terminals of module type semiconductor switching element It determined, and control means for short-circuiting between the main terminals by operating the short-circuit means and for detecting the occurrence of open failure on the basis of the internal resistance between the main terminals, employing the solutions of.

本発明によれば、主端子間電圧及び開放故障に対して応答性の良い主端子電流から演算された主端子間内部抵抗に基づいて開放故障を検出するので、モジュール型半導体スイッチング素子における開放故障の発生を主端子間電圧を用いた従来の検出方法よりも高速かつ確実に検出することができる。   According to the present invention, an open circuit failure is detected based on an internal resistance between main terminals calculated from a main terminal current and a main terminal current having good response to an open circuit voltage and an open circuit failure. Can be detected at higher speed and more reliably than the conventional detection method using the voltage between the main terminals.

以下、図面を参照して、本発明の実施形態について説明する。
図1は、本発明の第1実施形態に係る電力スイッチング回路の回路図である。
この回路図において、符号Aはモジュール型半導体スイッチング素子、1はゲート信号発生回路、2はE/O変換器、3はO/E変換器、4はゲート電圧制御回路、5はアンプ、6は抵抗分圧器、7は電流検出器である。なお、これら構成要素のうち、ゲート電圧制御回路4は本実施形態における制御回路であり、抵抗分圧器6は本実施形態における電圧検出器である。
Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.
FIG. 1 is a circuit diagram of a power switching circuit according to the first embodiment of the present invention.
In this circuit diagram, symbol A is a module type semiconductor switching element, 1 is a gate signal generating circuit, 2 is an E / O converter, 3 is an O / E converter, 4 is a gate voltage control circuit, 5 is an amplifier, A resistor voltage divider 7 is a current detector. Of these components, the gate voltage control circuit 4 is a control circuit in the present embodiment, and the resistance voltage divider 6 is a voltage detector in the present embodiment.

モジュール型半導体スイッチング素子Aは、図示するように3つのIGBTTr1〜Tr3(半導体スイッチング素子)が並列接続されたもの、つまりIGBTTr1〜Tr3のコレクタ端子同士が共通に接続され、エミッタ端子同士も共通に接続され、またゲート端子同士も共通に接続されたものである。各コレクタ端子は外部から電力が印加される一方の主端子T1に接続され、各エミッタ端子は外部から電力が印加される他方の主端子T2に接続され、また各ゲート端子は外部からゲート信号が印加される制御端子Tcに接続されている。また、各IGBTTr1〜Tr3には、コレクタ−エミッタ間に還流ダイオードD1〜D3が各々介挿されている。   As shown in the figure, the module type semiconductor switching element A has three IGBTs Tr1 to Tr3 (semiconductor switching elements) connected in parallel, that is, the collector terminals of the IGBTs Tr1 to Tr3 are connected in common, and the emitter terminals are also connected in common. The gate terminals are also connected in common. Each collector terminal is connected to one main terminal T1 to which power is applied from the outside, each emitter terminal is connected to the other main terminal T2 to which power is applied from the outside, and each gate terminal receives a gate signal from the outside. It is connected to the applied control terminal Tc. Further, in each of the IGBTs Tr1 to Tr3, freewheeling diodes D1 to D3 are interposed between the collector and the emitter, respectively.

このようなモジュール型半導体スイッチング素子Aは、短絡手段としても機能するものである。すなわち、モジュール型半導体スイッチング素子Aは、IGBTTr1〜Tr3(半導体スイッチング素子)が開放故障を生じ得るものであり、後述するようにIGBTTr1〜Tr3のいずれかが開放故障を生じると、開放故障を生じていないIGBTにはアンプ5から強制短絡電圧が入力されて内部接合が短絡破壊される。   Such a module type semiconductor switching element A functions also as a short circuit means. That is, in the module type semiconductor switching element A, the IGBTs Tr1 to Tr3 (semiconductor switching elements) can cause an open failure, and when any of the IGBTs Tr1 to Tr3 causes an open failure as described later, an open failure occurs. A forced short-circuit voltage is input from the amplifier 5 to the non-existing IGBT, and the internal junction is short-circuited.

なお、本実施形態におけるモジュール型半導体スイッチング素子Aは、このように3つのIGBTTr1〜Tr3つまり半導体スイッチング素子を並列接続したものであるが、本発明における半導体スイッチング素子の個数は、これに限定されるものではない。すなわち、半導体スイッチング素子の個数は、1つ以上であれば任意の個数であっても良い。また、半導体スイッチング素子はIGBTに限定されるものではなく、電力スイッチング用に開発された例えばMOSトランジスタやIEGT(Injection Enhanced Gate Transistor)等、他の半導体スイッチング素子であっても良い。   The module type semiconductor switching element A in the present embodiment is such that three IGBTs Tr1 to Tr3, that is, semiconductor switching elements are connected in parallel, but the number of semiconductor switching elements in the present invention is limited to this. It is not a thing. That is, the number of semiconductor switching elements may be any number as long as it is one or more. The semiconductor switching element is not limited to the IGBT, and may be another semiconductor switching element such as a MOS transistor or an IEGT (Injection Enhanced Gate Transistor) developed for power switching.

ゲート信号発生回路1は、上記モジュール型半導体スイッチング素子Aをスイッチング駆動するためのパルス状のゲート信号を生成してE/O変換器2に供給する。E/O変換器2は、例えばフォトトランジスタであり、上記ゲート信号を光電変換して光ゲート信号に変換してO/E変換器3に出力する。O/E変換器3は、例えばフォトダイオードであり、上記光ゲート信号を光電変換することにより上記ゲート信号を再生してゲート電圧制御回路4に出力する。ここで、E/O変換器2及びO/E変換器3は、ゲート信号発生回路1を含む回路系と、ゲート電圧制御回路4及びモジュール型半導体スイッチング素子A等を含む回路系とを電気的に絶縁するための絶縁手段である。   The gate signal generation circuit 1 generates a pulse-like gate signal for switching and driving the module type semiconductor switching element A, and supplies it to the E / O converter 2. The E / O converter 2 is, for example, a phototransistor. The gate signal is photoelectrically converted into an optical gate signal and output to the O / E converter 3. The O / E converter 3 is, for example, a photodiode, and reproduces the gate signal by photoelectrically converting the optical gate signal and outputs it to the gate voltage control circuit 4. Here, the E / O converter 2 and the O / E converter 3 electrically connect a circuit system including the gate signal generation circuit 1 and a circuit system including the gate voltage control circuit 4 and the module type semiconductor switching element A. It is an insulating means for insulating.

ゲート電圧制御回路4は、O/E変換器3から入力されたゲート信号をアンプ5に出力する。また、このゲート電圧制御回路4は、抵抗分圧器6から入力された主端子間電圧及び電流検出器7から入力された主端子電流に基づいてモジュール型半導体スイッチング素子Aの主端子T1,T2間の内部抵抗(主端子間内部抵抗r)を演算し、この主端子間内部抵抗rを所定の判定しきい値Rfと比較することによりモジュール型半導体スイッチング素子A内のIGBTTr1〜Tr3のいずれかに開放故障が発生したと判定すると、IGBTTr1〜Tr3の内部接合を短絡破壊させ得る過大な電圧(強制短絡電圧)を生成してアンプ5に出力する。ゲート電圧制御回路4は、例えば上記主端子間内部抵抗rを演算するためにアナログ演算回路を備えている。   The gate voltage control circuit 4 outputs the gate signal input from the O / E converter 3 to the amplifier 5. The gate voltage control circuit 4 is connected between the main terminals T1 and T2 of the module type semiconductor switching element A based on the voltage between the main terminals input from the resistance voltage divider 6 and the main terminal current input from the current detector 7. The internal resistance r between the main terminals is calculated, and the internal resistance r between the main terminals is compared with a predetermined determination threshold value Rf, whereby any one of the IGBTs Tr1 to Tr3 in the module type semiconductor switching element A is calculated. If it is determined that an open circuit failure has occurred, an excessive voltage (forced short circuit voltage) that can cause a short circuit breakdown of the internal junctions of the IGBTs Tr1 to Tr3 is generated and output to the amplifier 5. The gate voltage control circuit 4 includes an analog arithmetic circuit, for example, for calculating the internal resistance r between the main terminals.

アンプ5は、出力端が上記制御端子Tcに接続されており、ゲート電圧制御回路4から入力されたゲート信号あるいは強制短絡電圧を所定の増幅度で増幅して制御端子Tcに出力する。抵抗分圧器6は、上記2つの主端子T1,T2間の電圧つまりIGBTTr1〜Tr3のコレクタ−エミッタ間電圧を直列接続された2つの抵抗器R1,R2で分圧し検出電圧としてゲート電圧制御回路4に出力する。この検出電圧は、コレクタ−エミッタ間電圧の変化に依存して変化する電圧である。電流検出器7は、図示するように主端子T2を流れる電流(主端子電流)を検出してゲート電圧制御回路4に出力する。   The amplifier 5 has an output terminal connected to the control terminal Tc, amplifies the gate signal or forced short-circuit voltage input from the gate voltage control circuit 4 with a predetermined amplification degree, and outputs the amplified signal to the control terminal Tc. The resistor voltage divider 6 divides the voltage between the two main terminals T1 and T2, that is, the collector-emitter voltage of the IGBTs Tr1 to Tr3, by the two resistors R1 and R2 connected in series, and the gate voltage control circuit 4 as a detection voltage. Output to. This detection voltage is a voltage that changes depending on the change in the collector-emitter voltage. The current detector 7 detects a current (main terminal current) flowing through the main terminal T2 and outputs it to the gate voltage control circuit 4 as shown in the figure.

次に、このように構成された電力スイッチング回路の動作について詳しく説明する。
まず最初に、通常のスイッチング動作について説明すると、モジュール型半導体スイッチング素子Aは、アンプ5を介してゲート電圧制御回路4から入力されたパルス状のゲート信号によってスイッチング動作を行う。
Next, the operation of the power switching circuit configured as described above will be described in detail.
First, a normal switching operation will be described. The module type semiconductor switching element A performs a switching operation by a pulsed gate signal input from the gate voltage control circuit 4 via the amplifier 5.

すなわち、ゲート電圧制御回路4は、O/E変換器3から入力されたゲート信号をアンプ5に出力し、この結果、モジュール型半導体スイッチング素子A内の各IGBTTr1〜Tr3は、アンプ5及び制御端子Tcを介してゲート端子に入力されたゲート信号によってON/OFF動作を繰り返して主端子T1,T2間に外部から印加された電力をゲート信号の繰返し周期に同期してスイッチングする。   That is, the gate voltage control circuit 4 outputs the gate signal input from the O / E converter 3 to the amplifier 5, and as a result, each IGBT TTr1 to Tr3 in the module type semiconductor switching element A is connected to the amplifier 5 and the control terminal. The ON / OFF operation is repeated by the gate signal input to the gate terminal via Tc, and the power applied from the outside between the main terminals T1 and T2 is switched in synchronization with the repetition period of the gate signal.

ゲート電圧制御回路4は、ゲート信号をアンプ5に出力する一方、抵抗分圧器6から連続的に入力される主端子間電圧、電流検出器7から連続的に入力される主端子電流及びゲート信号に基づいて各IGBTTr1〜Tr3がONした状態における主端子間内部抵抗rを演算する。すなわち、ゲート電圧制御回路4は、ゲート信号に基づいて各IGBTTr1〜Tr3がON状態にある期間を判断し、当該期間における主端子間電圧と主端子電流とに基づいて各IGBTTr1〜Tr3がONした状態における主端子間内部抵抗rを演算する。そして、ゲート電圧制御回路4は、当該主端子間内部抵抗rを判定しきい値Rfと比較することによって3つのIGBTTr1〜Tr3のいずれかに開放故障が発生したか否かを監視する。   The gate voltage control circuit 4 outputs the gate signal to the amplifier 5, while the main terminal voltage continuously input from the resistor voltage divider 6, the main terminal current and gate signal continuously input from the current detector 7. The main terminal internal resistance r in a state where the IGBTs Tr1 to Tr3 are turned on is calculated based on the above. That is, the gate voltage control circuit 4 determines a period in which the IGBTs Tr1 to Tr3 are in the ON state based on the gate signal, and the IGBTs Tr1 to Tr3 are turned on based on the main terminal voltage and the main terminal current in the period. The internal resistance r between the main terminals in the state is calculated. Then, the gate voltage control circuit 4 monitors whether or not an open failure has occurred in any of the three IGBTs Tr1 to Tr3 by comparing the internal resistance r between the main terminals with the determination threshold value Rf.

図2は、上記開放故障の発生による主端子間内部抵抗rの変化を示す説明図である。
互いに並列接続された3つのIGBTTr1〜Tr3のうち、例えば1つのIGBTTr1が開放故障した場合、主端子電流が減少する一方で、開放故障していないIGBTTr2,Tr3の電流分担は増加し動作点が変化するため主端子間電圧は増加する。このため、図2に示すように、ゲート電圧制御回路4で演算される主端子間内部抵抗rは正常時の内部抵抗(正常主端子間内部抵抗r0)によりも増加してr1となる。この主端子間内部抵抗r1は、半導体スイッチング素子の種類や、本電力スイッチング回路によって構成される電力変換器の構成、また当該電力変換器の使用状況等から想定することができる.
FIG. 2 is an explanatory diagram showing a change in the internal resistance r between the main terminals due to the occurrence of the open failure.
Of the three IGBTs Tr1 to Tr3 connected in parallel to each other, for example, when one IGBT Tr1 fails to open, the main terminal current decreases, while the current sharing of IGBTs Tr2 and Tr3 that do not open fail increases and the operating point changes. Therefore, the voltage between the main terminals increases. Therefore, as shown in FIG. 2, the internal resistance between main terminals r calculated by the gate voltage control circuit 4 is increased to r1 by the normal internal resistance (normal internal terminal resistance r0). This internal resistance r1 between the main terminals can be assumed from the type of the semiconductor switching element, the configuration of the power converter constituted by the power switching circuit, the usage status of the power converter, and the like.

すなわち、図示するように判定しきい値Rfを例えば正常主端子間内部抵抗r0よりも大きく、かつ1つのIGBTTr1が開放故障した場合に想定される主端子間内部抵抗r1よりも若干小さめな大きな値に設定することにより、主端子間内部抵抗rと判定しきい値Rfとの大小関係は、1つのIGBTTr1が開放故障する前後で変化する。   That is, as shown in the figure, the determination threshold value Rf is larger than, for example, the normal main terminal internal resistance r0, and a large value that is slightly smaller than the main terminal internal resistance r1 that is assumed when one IGBT Tr1 has an open failure. By setting to, the magnitude relationship between the internal resistance r between the main terminals and the determination threshold value Rf changes before and after one IGBTTTr1 fails to open.

ゲート電圧制御回路4は、この主端子間内部抵抗rと判定しきい値Rfとの大小関係の変化に基づいて開放故障の発生を判定する。そして、ゲート電圧制御回路4は、開放故障が発生したと判定した場合、ゲート信号に代えて強制短絡電圧をアンプ5に出力してIGBTTr1〜Tr3のうち開放故障していないIGBTの内部接合を短絡破壊させる。   The gate voltage control circuit 4 determines the occurrence of an open fault based on the change in the magnitude relationship between the internal resistance r between the main terminals and the determination threshold value Rf. When the gate voltage control circuit 4 determines that an open failure has occurred, it outputs a forced short-circuit voltage to the amplifier 5 in place of the gate signal to short-circuit the internal junction of the IGBTs Tr1 to Tr3 that are not open failure. Destroy.

ここで、本電力スイッチング回路では、上述したように主端子間電圧及び主端子電流から演算された主端子間内部抵抗rの変化に基づいてIGBTTr1〜Tr3の開放故障の発生を判定するが、このような開放故障の検出方法は従来の主端子間電圧の変化に基づく手法よりも高速かつ確実な検出方法である。   Here, in the power switching circuit, as described above, the occurrence of an open circuit failure of the IGBTs Tr1 to Tr3 is determined based on the change in the internal resistance r between the main terminals calculated from the main terminal voltage and the main terminal current. Such an open fault detection method is a faster and more reliable detection method than the conventional method based on changes in the voltage between the main terminals.

すなわち、開放故障発生時の主端子間電圧の変化は、外部回路の静電容量や本電力スイッチング回路自身の寄生静電容量の影響により応答性が悪いが、主端子電流の変化は主端子間電圧の変化よりも応答性が良く、よって主端子間電圧及び主端子電流から演算された主端子間内部抵抗rの変化は主端子間電圧の変化よりも応答性が良い。したがって、本電力スイッチング回路における開放故障の検出方法は従来方法よりも高速な検出方法である。なお、応答性の良い主端子電流の変化に基づいて開放故障を検出することも考えられるが、主端子電流は正常動作時に大きく変化するので実際には極めて困難であり現実的ではない。   In other words, the change in the voltage between the main terminals when an open circuit failure occurs is poor in response due to the influence of the external circuit capacitance and the parasitic capacitance of the power switching circuit itself, but the change in the main terminal current varies between the main terminals. Responsiveness is better than a change in voltage. Therefore, a change in internal resistance r between main terminals calculated from a voltage between main terminals and a main terminal current is more responsive than a change in voltage between main terminals. Therefore, the open fault detection method in the power switching circuit is a detection method faster than the conventional method. Although it is conceivable to detect an open circuit failure based on a change in main terminal current with good responsiveness, the main terminal current changes greatly during normal operation, so it is actually very difficult and not practical.

また、本電力スイッチング回路のようにモジュール型半導体スイッチング素子Aが複数(3つの)のIGBTTr1〜Tr3(半導体スイッチング素子)を並列接続した形態のものである場合には、1つのIGBTTr1が開放故障した場合の主端子間電圧の変化は小さい。しかも、この主端子間電圧の変化は半導体スイッチング素子の並列接続数が増える程小さくなる。したがって、半導体スイッチング素子を複数並列接続したモジュール型半導体スイッチング素子について初期的な1つあるいは数個の半導体スイッチング素子の開放故障を検出するための方法として、本実施形態における主端子間内部抵抗rの変化に基づく検出方法が有効である。   Further, when the module type semiconductor switching element A has a configuration in which a plurality of (three) IGBTs Tr1 to Tr3 (semiconductor switching elements) are connected in parallel as in this power switching circuit, one IGBT Tr1 has an open failure. The change in the voltage between the main terminals is small. In addition, the change in the voltage between the main terminals becomes smaller as the number of semiconductor switching elements connected in parallel increases. Therefore, as a method for detecting an initial open failure of one or several semiconductor switching elements in a module type semiconductor switching element in which a plurality of semiconductor switching elements are connected in parallel, the internal resistance r between main terminals in this embodiment is A detection method based on change is effective.

さらに、後述するように、電力スイッチング回路を組み合わせて構成される電力変換装置には、電力スイッチング回路を複数直列接続することによりスイッチアームを構成するものがある。このような電力変換装置では、直列接続された複数の電力スイッチング回路によって入力電力の電圧が分圧されるので、半導体スイッチング素子が開放故障した場合における主端子間電圧の変化は単独の電力スイッチング回路の場合よりも小さくなるので開放故障を確実に検出することができない。しかしながら、本実施形態では電力スイッチング回路の主端子間内部抵抗の変化を利用するので、半導体スイッチング素子の開放故障を確実に検出することができる。   Furthermore, as will be described later, some power converters configured by combining power switching circuits include a switch arm by connecting a plurality of power switching circuits in series. In such a power conversion device, the voltage of the input power is divided by a plurality of power switching circuits connected in series. Therefore, when the semiconductor switching element has an open failure, the change in the voltage between the main terminals is a single power switching circuit. Therefore, the open failure cannot be reliably detected. However, in this embodiment, since the change in the internal resistance between the main terminals of the power switching circuit is used, an open failure of the semiconductor switching element can be reliably detected.

したがって、本電力スイッチング回路によれば、開放故障を高速かつ確実に検出してモジュール型半導体スイッチング素子Aの主端子T1,T2間を短絡させるので、モジュール型半導体スイッチング素子A及びこれに直列接続された他のモジュール型半導体スイッチング素子の二次的な絶縁破壊をより確実に防止することができるとともに、電流の経路が確保され電力変換器の運転を継続することができる。   Therefore, according to this power switching circuit, the open failure is detected at high speed and reliably, and the main terminals T1 and T2 of the module type semiconductor switching element A are short-circuited. Therefore, the module type semiconductor switching element A and this are connected in series. In addition, secondary dielectric breakdown of other module type semiconductor switching elements can be prevented more reliably, and a current path can be secured and the operation of the power converter can be continued.

一方、本電力スイッチング回路では短絡手段の機能をモジュール型半導体スイッチング素子Aに持たせているが、これによって別途専用に短絡手段の機能を有する部品を必要としないので、部品点数の削減が可能であり、よってコスト削減を実現することが可能となる。   On the other hand, in this power switching circuit, the module type semiconductor switching element A has the function of the short-circuit means, but this eliminates the need for a separate dedicated component having the function of the short-circuit means, so the number of parts can be reduced. Therefore, cost reduction can be realized.

次に、本発明の第2実施形態に係る電力スイッチング回路について図3を参照して説明する。
なお、上記第1実施形態に係る電力スイッチング回路はモジュール型半導体スイッチング素子A自身が短絡手段としての機能をも有するものであるが、本第2実施形態に係る電力スイッチング回路は、図3に示すように短絡手段として機能するサイリスタ8(非自己消弧形半導体スイッチング素子)をモジュール型半導体スイッチング素子Aの主端子間に介挿したものである。
Next, a power switching circuit according to a second embodiment of the present invention will be described with reference to FIG.
The power switching circuit according to the first embodiment has a function as a short-circuit means by the module type semiconductor switching element A itself. The power switching circuit according to the second embodiment is shown in FIG. Thus, a thyristor 8 (non-self-extinguishing semiconductor switching element) functioning as a short-circuit means is inserted between the main terminals of the module type semiconductor switching element A.

すなわち、本電力スイッチング回路におけるゲート電圧制御回路4’は、主端子間内部抵抗rの変化に基づいて開放故障の発生を判定すると、サイリスタ8をONするための制御信号をサイリスタ8に出力する。この結果、非自己消弧形半導体スイッチング素子であるサイリスタ8がOFF状態からON状態に状態変化してモジュール型半導体スイッチング素子Aの主端子T1,T2間は短絡されると共に当該短絡状態を維持する。   That is, when the gate voltage control circuit 4 ′ in this power switching circuit determines the occurrence of an open failure based on the change in the internal resistance r between the main terminals, it outputs a control signal for turning on the thyristor 8 to the thyristor 8. As a result, the thyristor 8, which is a non-self-extinguishing semiconductor switching element, changes its state from the OFF state to the ON state, the main terminals T1, T2 of the module type semiconductor switching element A are short-circuited and the short-circuit state is maintained. .

このような本電力スイッチング回路によっても、上記第1実施形態に係る電力スイッチング回路と同様に開放故障を高速かつ確実に検出することができるので、他のモジュール型半導体スイッチング素子の二次的な絶縁破壊をより確実に防止することができるとともに、電流の経路が確保され電力変換器の運転を継続することができる。   Since this power switching circuit can also detect an open-circuit failure at high speed and with certainty in the same manner as the power switching circuit according to the first embodiment, secondary insulation of other module type semiconductor switching elements is possible. Breakage can be prevented more reliably, and a current path can be secured and the operation of the power converter can be continued.

一方、本電力スイッチング回路では、上述した第1実施形態のように短絡手段の機能をモジュール型半導体スイッチング素子Aに持たせるのではなく、当該モジュール型半導体スイッチング素子Aとは別部品であるサイリスタ8を短絡手段として用いる。第1実施形態の電力スイッチング回路では、例えば制御端子TcからIGBTTr1〜Tr3のゲート端子までの経路にボンディングワイヤが存在し、当該ボンディングワイヤが断線することによってIGBTTr1〜Tr3が開放故障を生じた場合に強制短絡電圧をゲート端子に印加することができず、よってIGBTTr1〜Tr3のうち開放故障していないIGBTを短絡破壊させることができないという事態が生じ得るが、本電力スイッチング回路では、モジュール型半導体スイッチング素子Aとは別部品であるサイリスタ8を短絡手段として用いるのでこのような事態を回避して主端子T1,T2間を確実に短絡させることが可能である。なお、上記サイリスタ8に代えてトライアックを用いても良いことは勿論である。   On the other hand, in this power switching circuit, the module type semiconductor switching element A is not provided with the function of the short-circuit means as in the first embodiment described above, but the thyristor 8 which is a separate component from the module type semiconductor switching element A. Is used as a short-circuit means. In the power switching circuit of the first embodiment, for example, when a bonding wire exists in the path from the control terminal Tc to the gate terminals of the IGBTs Tr1 to Tr3, and the IGBTs Tr1 to Tr3 cause an open failure due to the disconnection of the bonding wire. A forced short-circuit voltage cannot be applied to the gate terminal, and therefore, there may occur a situation where it is impossible to short-circuit and destroy an IGBT that is not open-circuited among the IGBTs Tr1 to Tr3. Since the thyristor 8 which is a separate component from the element A is used as a short-circuit means, it is possible to avoid such a situation and reliably short-circuit the main terminals T1 and T2. It goes without saying that a triac may be used instead of the thyristor 8.

最後に、一例として上記第1実施形態に係る電力スイッチング回路を用いた電力変換装置について図4を参照して説明する。   Finally, as an example, a power conversion device using the power switching circuit according to the first embodiment will be described with reference to FIG.

この電力変換装置は、例えば60Hzの三相交流電力(つまり交流系統Aの交流電力)を50Hzの三相交流電力(つまり交流系統Bの交流電力)に変換するものであり、60Hzの三相交流電力を直流電力に変換する合計10台のコンバータ回路K1〜K10とこの直流電力を50Hzの三相交流電力に変換する合計10台のインバータ回路M1〜M10とから構成されている。すなわち、この電力変換装置では、同一性能を有する合計10台のコンバータ回路K1〜K10を並列接続すると共に、同じく同一性能を有する合計10台のインバータ回路M1〜M10を並列接続することによって電力変換容量を例えば300MW程度に向上させている。   This power conversion apparatus converts, for example, 60 Hz three-phase AC power (that is, AC power of AC system A) into 50 Hz three-phase AC power (that is, AC power of AC system B), and 60 Hz three-phase AC power. A total of ten converter circuits K1 to K10 that convert electric power into DC power and a total of ten inverter circuits M1 to M10 that convert this DC power into three-phase AC power of 50 Hz. That is, in this power converter, a total of ten converter circuits K1 to K10 having the same performance are connected in parallel, and a total of ten inverter circuits M1 to M10 having the same performance are connected in parallel to thereby convert the power conversion capacity. Is improved to, for example, about 300 MW.

1つのコンバータ回路K1あるいはインバータ回路M1に着目すると、コンバータ回路K1及びインバータ回路M1は、図示するように三相交流の各相に対応スイッチアームつまり合計6個のスイッチアームを備えている。各スイッチアームは、IGBTを半導体スイッチング素子とすると共に開放故障に対して上述した各実施形態における電力スイッチング回路と同様の機能を有する合計100個のモジュール型半導体スイッチング素子を直列接続することによって構成されている。なお、各モジュール型半導体スイッチング素子は、1つのIGBTを備えるものであるが、上述したモジュール型半導体スイッチング素子Aのように複数のIGBTを並列接続したものとしても良い。   Focusing on one converter circuit K1 or inverter circuit M1, the converter circuit K1 and the inverter circuit M1 have switch arms corresponding to each phase of the three-phase alternating current, that is, a total of six switch arms as shown in the figure. Each switch arm is configured by connecting a total of 100 module type semiconductor switching elements having the same function as the power switching circuit in each of the embodiments described above with respect to an open circuit failure while using IGBTs as semiconductor switching elements. ing. Each module type semiconductor switching element includes one IGBT, but a plurality of IGBTs may be connected in parallel like the module type semiconductor switching element A described above.

このように構成された電力変換装置によれば、開放故障に対して上述した第1、第2実施形態の電力スイッチング回路と同様の機能を有する電力スイッチング回路を用いているので、何れかのIGBTつまりモジュール型半導体スイッチング素子の開放故障を高速かつ確実に検出するので、他のモジュール型半導体スイッチング素子の二次的な絶縁破壊をより確実に防止することができるとともに、電流の経路が確保され電力変換器の運転を継続することができる。   According to the power conversion device configured as described above, any IGBT is used because the power switching circuit having the same function as the power switching circuit of the first and second embodiments described above with respect to an open failure is used. In other words, open failure of a module type semiconductor switching element is detected at high speed and reliably, so that secondary insulation breakdown of other module type semiconductor switching elements can be prevented more reliably, and a current path is secured and power is reduced. The operation of the converter can be continued.

なお、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、例えば以下のような変形が考えられる。
(1)上記説明では、半導体スイッチング素子としてIGBTを用いる場合について説明したが、本発明は、半導体スイッチング素子が開放故障を生じ得るモジュール型半導体スイッチング素子であれば、IGBTに限定されることなく適用可能である。
In addition, this invention is not limited to the said embodiment, For example, the following modifications can be considered.
(1) In the above description, the case where the IGBT is used as the semiconductor switching element has been described. However, the present invention is not limited to the IGBT as long as the semiconductor switching element can cause an open failure. Is possible.

(2)上述した電力スイッチング回路は、上述した交流電力を他の交流電力に変換する電力変換装置、交流電力を直流電力に変換するコンバータ回路及び直流電力を交流電力に変換するインバータ回路の他に、直流電力を他の直流電力に変換するチョッパ回路にも適用可能である。 (2) The power switching circuit described above includes the power converter that converts the AC power described above into other AC power, the converter circuit that converts AC power into DC power, and the inverter circuit that converts DC power into AC power. The present invention can also be applied to a chopper circuit that converts DC power to other DC power.

(3)上述した電力スイッチング回路は、モジュール型半導体スイッチング素子自身あるいはサイリスタを短絡手段として用いるものであるが、還流ダイオードに代えて半導体スイッチング素子の主端子間に並列接続された定電圧ダイオードを短絡手段として用いても良い。この場合、定電圧ダイオードは、モジュール型半導体スイッチング素子が開放故障して半導体スイッチング素子の主端子間電圧が所定値を超えると自ら短絡して半導体スイッチング素子の主端子間を短絡状態とする。このように定電圧ダイオードを短絡手段として用いることにより、主端子間電圧や主端子電流を検出する手段を別途設けることなく、他のモジュール型半導体スイッチング素子の二次的な絶縁破壊をより確実に防止することができるとともに、電流の経路が確保され電力変換器の運転を継続することができる。 (3) The above-described power switching circuit uses the module type semiconductor switching element itself or a thyristor as a short-circuit means, but short-circuits a constant voltage diode connected in parallel between the main terminals of the semiconductor switching element instead of the free-wheeling diode. It may be used as a means. In this case, the constant voltage diode short-circuits between the main terminals of the semiconductor switching element by itself short-circuiting when the module type semiconductor switching element fails to open and the voltage between the main terminals of the semiconductor switching element exceeds a predetermined value. By using the constant voltage diode as a short-circuit means in this way, secondary insulation breakdown of other module type semiconductor switching elements can be more reliably performed without providing a separate means for detecting the voltage between the main terminals and the main terminal current. In addition to being able to prevent, a current path is secured and the operation of the power converter can be continued.

本発明の第1実施形態に係わる電力スイッチング回路の構成を示す回路図である。1 is a circuit diagram showing a configuration of a power switching circuit according to a first embodiment of the present invention. 本発明の第1実施形態において開放故障の発生による主端子間内部抵抗Rsの変化を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the change of internal resistance Rs between main terminals by generation | occurrence | production of an open fault in 1st Embodiment of this invention. 本発明の第2実施形態に係わる電力スイッチング回路の構成を示す回路図である。It is a circuit diagram which shows the structure of the power switching circuit concerning 2nd Embodiment of this invention. 本発明の一実施形態に係わる電力変換装置の構成を示す回路図である。It is a circuit diagram which shows the structure of the power converter device concerning one Embodiment of this invention.

符号の説明Explanation of symbols

A…モジュール型半導体スイッチング素子、1…ゲート信号発生回路、2…E/O変換器、3…3はO/E変換器、4…ゲート電圧制御回路、5…抵抗分圧器、6…電流検出器

DESCRIPTION OF SYMBOLS A ... Module type semiconductor switching element, 1 ... Gate signal generation circuit, 2 ... E / O converter, 3 ... 3 is O / E converter, 4 ... Gate voltage control circuit, 5 ... Resistance voltage divider, 6 ... Current detection vessel

Claims (15)

1つの半導体スイッチング素子あるいは並列接続された複数の半導体スイッチング素子から構成された、半導体スイッチング素子に開放故障が生じ得るモジュール型半導体スイッチング素子を備え、前記半導体スイッチング素子に開放故障が生じた場合には所定の短絡手段を作動させて前記モジュール型半導体スイッチング素子の主端子間を短絡させる電力スイッチング回路であって、
前記モジュール型半導体スイッチング素子の主端子間電圧を検出する電圧検出器と、
前記モジュール型半導体スイッチング素子の主端子に流れる主端子電流を検出する電流検出器と、
前記電圧検出器から入力された主端子間電圧と前記電流検出器から入力された主端子電流とからモジュール型半導体スイッチング素子の主端子間内部抵抗を求め、該主端子間内部抵抗に基づいて前記開放故障の発生を検出すると前記短絡手段を作動させて主端子間を短絡させる制御手段と
を具備することを特徴とする電力スイッチング回路。
In the case where a semiconductor switching element, which includes one semiconductor switching element or a plurality of semiconductor switching elements connected in parallel, is capable of causing an open fault in the semiconductor switching element, A power switching circuit for operating a predetermined short-circuit means to short-circuit between main terminals of the module type semiconductor switching element,
A voltage detector for detecting a voltage between main terminals of the module type semiconductor switching element;
A current detector for detecting a main terminal current flowing in the main terminal of the module type semiconductor switching element;
The internal resistance between the main terminals of the module type semiconductor switching element is obtained from the voltage between the main terminals input from the voltage detector and the main terminal current input from the current detector, and based on the internal resistance between the main terminals And a control means for operating the short-circuit means to short-circuit between the main terminals when the occurrence of an open failure is detected.
短絡手段は半導体スイッチング素子であり、制御手段は、該半導体スイッチング素子に過大な駆動信号を印加することにより当該半導体スイッチング素子の内部を短絡破壊させることを特徴とする請求項1記載の電力スイッチング回路。   2. The power switching circuit according to claim 1, wherein the short-circuit means is a semiconductor switching element, and the control means causes an internal short-circuit breakdown of the semiconductor switching element by applying an excessive drive signal to the semiconductor switching element. . 短絡手段は、モジュール型半導体スイッチング素子の主端子間に介挿された非自己消弧形半導体スイッチング素子であることを特徴とする請求項1記載の電力スイッチング回路。   2. The power switching circuit according to claim 1, wherein the short-circuit means is a non-self-extinguishing semiconductor switching element interposed between main terminals of the module type semiconductor switching element. 1つの半導体スイッチング素子あるいは並列接続された複数の半導体スイッチング素子から構成された、半導体スイッチング素子に開放故障が生じ得るモジュール型半導体スイッチング素子を備え、前記半導体スイッチング素子に開放故障が生じた場合には所定の短絡手段を作動させて前記モジュール型半導体スイッチング素子の主端子間を短絡させる電力スイッチング回路であって、
前記短絡手段は、前記主端子間に並列接続され、主端子間電圧が所定値を超えると自ら短絡する定電圧ダイオードであることを特徴とする電力スイッチング回路。
In the case where a semiconductor switching element, which includes one semiconductor switching element or a plurality of semiconductor switching elements connected in parallel, is capable of causing an open fault in the semiconductor switching element, A power switching circuit for operating a predetermined short-circuit means to short-circuit between main terminals of the module type semiconductor switching element,
The power switching circuit, wherein the short-circuit means is a constant voltage diode that is connected in parallel between the main terminals and short-circuits itself when the voltage between the main terminals exceeds a predetermined value.
半導体スイッチング素子はIGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)であることを特徴とする請求項1〜4いずれかに記載の電力スイッチング回路。   The power switching circuit according to claim 1, wherein the semiconductor switching element is an IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor). 請求項1〜5いずれかの電力スイッチング回路を1あるいは複数直列接続して1つのスイッチアームを構成し、このスイッチアームを複数組み合わせることにより構成されることを特徴とする電力変換装置。   6. A power converter comprising: one or a plurality of power switching circuits according to claim 1 connected in series to form one switch arm, and a combination of a plurality of the switch arms. 直流電力を交流電力に変換するインバータ回路であることを特徴とする請求項6記載の電力変換装置。   The power converter according to claim 6, wherein the power converter is an inverter circuit that converts DC power into AC power. 交流電力を直流電力に変換するコンバータ回路であることを特徴とする請求項6記載の電力変換装置。   The power converter according to claim 6, wherein the power converter is a converter circuit that converts AC power into DC power. 直流電力を他の直流電力に変換するチョッパ回路であることを特徴とする請求項6記載の電力変換装置。   The power converter according to claim 6, wherein the power converter is a chopper circuit that converts DC power into other DC power. コンバータ回路とインバータ回路とによって構成され、交流電力を他の交流電力に変換する交流変換回路であることを特徴とする請求項6記載の電力変換装置。   The power conversion device according to claim 6, wherein the power conversion device is an AC conversion circuit configured by a converter circuit and an inverter circuit and converting AC power into other AC power. 1つの半導体スイッチング素子あるいは並列接続された複数の半導体スイッチング素子を備え、主端子間に印加された電力をスイッチングすると共に前記半導体スイッチング素子が開放故障を生じ得るモジュール型半導体スイッチング素子について、前記半導体スイッチング素子の開放故障を検出する方法であって、
前記主端子間に印加される主端子間電圧及び主端子に流れる主端子電流とからモジュール型半導体スイッチング素子の主端子間内部抵抗を求め、該主端子間内部抵抗に基づいて前記開放故障の発生を判定することを特徴とする開放故障検出方法。
A module-type semiconductor switching element that includes one semiconductor switching element or a plurality of semiconductor switching elements connected in parallel, switches power applied between main terminals, and can cause an open circuit failure in the semiconductor switching element. A method for detecting an open failure of an element,
The internal resistance between the main terminals of the module type semiconductor switching element is obtained from the voltage between the main terminals applied between the main terminals and the main terminal current flowing through the main terminals, and the occurrence of the open fault based on the internal resistance between the main terminals. An open fault detection method, characterized by:
1つの半導体スイッチング素子あるいは並列接続された複数の半導体スイッチング素子を備え、主端子間に印加された電力をスイッチングすると共に前記半導体スイッチング素子が開放故障を生じ得るモジュール型半導体スイッチング素子の駆動方法であって、
主端子間に印加される主端子間電圧及び主端子に流れる主端子電流とから主端子間内部抵抗を求め、
該主端子間内部抵抗に基づいて前記主端子間の開放故障の発生を判定し、
当該開放故障の発生を判定すると、前記主端子間を短絡させる
ことを特徴とするモジュール型半導体スイッチング素子の駆動方法。
A driving method of a module type semiconductor switching element, comprising one semiconductor switching element or a plurality of semiconductor switching elements connected in parallel, switching electric power applied between main terminals and causing the semiconductor switching element to cause an open failure. And
Obtain the internal resistance between the main terminals from the voltage between the main terminals applied between the main terminals and the main terminal current flowing through the main terminals,
Determine the occurrence of an open failure between the main terminals based on the internal resistance between the main terminals,
When the occurrence of the open failure is determined, the main terminals are short-circuited. A method for driving a module type semiconductor switching element, comprising:
半導体スイッチング素子に過大な駆動電流を流して内部を破壊することにより主端子間を短絡させることを特徴とする請求項12記載のモジュール型半導体スイッチング素子の駆動方法。   13. The method of driving a module type semiconductor switching element according to claim 12, wherein the main terminals are short-circuited by passing an excessive driving current through the semiconductor switching element to destroy the inside. モジュール型半導体スイッチング素子の主端子間に非自己消弧形半導体スイッチング素子を介挿し、該非自己消弧形半導体スイッチング素子によって主端子間を短絡させることを特徴とする請求項12記載のモジュール型半導体スイッチング素子の駆動方法。   13. The module type semiconductor according to claim 12, wherein a non-self-extinguishing type semiconductor switching element is interposed between main terminals of the module type semiconductor switching element, and the main terminals are short-circuited by the non-self-extinguishing type semiconductor switching element. Switching element driving method. 半導体スイッチング素子がIGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)である
ことを特徴とする請求項12〜14いずれかに記載のモジュール型半導体スイッチング素子の駆動方法。
The method of driving a module type semiconductor switching element according to any one of claims 12 to 14, wherein the semiconductor switching element is an IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor).
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