JP2006109640A - 電圧駆動型半導体素子の故障検出回路 - Google Patents
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Abstract
【課題】アーム当り複数個直列接続される半導体素子のスイッチングタイミングや特性のばらつき等がある場合でも、小形かつ簡単な回路で素子電圧をバランスさせつつ、素子故障の検出ができるようにする。
【解決手段】1アームあたり複数個直列接続される電圧駆動型半導体素子Q1〜Qnの各ゲート線を、ゲートタイミングバランス用磁気コアTg1〜Tg(n-1)により磁気結合させて電圧バランスを図るとともに、いずれか1つの磁気コアの端子電圧、ここでは磁気コアTg(n-1)の電圧VT2から素子異常を検出可能とし、回路の簡単化,小型化を図る。
【選択図】図1
【解決手段】1アームあたり複数個直列接続される電圧駆動型半導体素子Q1〜Qnの各ゲート線を、ゲートタイミングバランス用磁気コアTg1〜Tg(n-1)により磁気結合させて電圧バランスを図るとともに、いずれか1つの磁気コアの端子電圧、ここでは磁気コアTg(n-1)の電圧VT2から素子異常を検出可能とし、回路の簡単化,小型化を図る。
【選択図】図1
Description
この発明は、電力変換器のアーム当たり複数個直列接続される電圧駆動型半導体素子の素子故障、または異常動作の検出に関する。
図5は、素子異常検出機能を有する半導体スイッチ回路例で、例えばIGBT(絶縁ゲート形バイポーラトランジスタ:単に、素子ともいう)等の電圧駆動型半導体素子をn個直列接続して構成した場合の例である。
ここで、Q1〜Qnは素子、Rd1,Rd2は素子のコレクタ−エミッタ間電圧VCEを低圧Vdで検出するための分圧抵抗である。41〜4nは各素子のゲートドライブ回路(GDU)であり、図6に示すように例えば駆動部4a,素子電圧検出部4bおよび故障判別部4cより構成される。
ここで、Q1〜Qnは素子、Rd1,Rd2は素子のコレクタ−エミッタ間電圧VCEを低圧Vdで検出するための分圧抵抗である。41〜4nは各素子のゲートドライブ回路(GDU)であり、図6に示すように例えば駆動部4a,素子電圧検出部4bおよび故障判別部4cより構成される。
図6の駆動部4aは、図示されない制御回路からの入力信号を増幅して素子Q1のゲートに信号を与え、素子電圧検出部4bはVCを基準電圧としてVdのレベルを検出し、故障判別部4cは入力信号と素子電圧検出部4bから出力される信号VAとの関係から、素子の誤動作や故障等の異常を判別して故障信号VBを出力する。
図7に素子オフ時に素子破壊が生じ、コレクタ−エミッタ間電圧VCEが短絡状態になったときのタイムチャートを示す。図6に示す素子Q1の故障検出方法について、図7を参照して具体的に説明する。
いま、素子Q1が短絡すると、印加されていたEdの電圧が零、同時にVdが零となるため、素子電圧検出部4bでは基準電圧VCを下回り、素子電圧なしと判断される。すると、素子電圧検出部4bからはVAのハイレベル信号が出力されるので、故障判別部4cはこの信号VAと入力信号とから素子動作異常と判断し、故障信号VB(ここでは、ハイレベル信号)を出力する。この動作は、素子オン中に誤オフ動作した場合でも、同様な原理で異常の検出が可能である。
いま、素子Q1が短絡すると、印加されていたEdの電圧が零、同時にVdが零となるため、素子電圧検出部4bでは基準電圧VCを下回り、素子電圧なしと判断される。すると、素子電圧検出部4bからはVAのハイレベル信号が出力されるので、故障判別部4cはこの信号VAと入力信号とから素子動作異常と判断し、故障信号VB(ここでは、ハイレベル信号)を出力する。この動作は、素子オン中に誤オフ動作した場合でも、同様な原理で異常の検出が可能である。
上記と同様な異常検出方式は、例えば特許文献1,2により公知である。
特開平11−150939号公報(第2頁、図6)
特開平05−219752号公報(第4頁、図2)
以上のような手段で素子故障または誤動作等、素子の動作異常を検出することができるが、素子を多数直列接続しているため、素子電圧検出用の分圧抵抗だけでなく、素子電圧をバランスさせるための回路も接続する必要があり、回路が大型化するという問題がある。また、素子に印加される電圧が増大すると、分圧抵抗での消費電力が印加電圧の二乗に比例して大きくなって発生損失が飛躍的に増大し、構造的にも大きな抵抗器が必要になる。さらには、素子電圧VCEに対し検出電圧Vdの比率が非常に小さいため、ノイズによる誤動作の可能性が高いという問題もある。
したがって、この発明の課題は、簡単で小形な回路により、直列接続素子の電圧バランスを図りつつ素子故障の検出を可能にすることにある。
このような課題を解決するため、請求項1の発明では、電力変換器の各アーム当り複数個直列に接続される電圧駆動型半導体素子と、これらをオン・オフ駆動するゲート駆動回路と、このゲート駆動回路からのスイッチングタイミングを一致させるためにゲート駆動回路と電圧駆動型半導体素子とを接続するゲート線を互いに磁気結合させる二次巻線の磁気コアと、いずれか1つの磁気コアの端子電圧を監視しその電圧レベルから半導体素子異常を検出する検出回路とからなることを特徴とする。
この請求項1の発明おいては、前記電圧駆動型半導体素子の過渡動作時には前記磁気コアの端子電圧を検出せず、定常動作時にのみ磁気コアの端子電圧を検出することができる(請求項2の発明)。
この請求項1の発明おいては、前記電圧駆動型半導体素子の過渡動作時には前記磁気コアの端子電圧を検出せず、定常動作時にのみ磁気コアの端子電圧を検出することができる(請求項2の発明)。
この発明によれば、各アームに電圧駆動型半導体素子を複数個接続する場合、各素子のゲート駆動回路のゲート線を磁気コアによって互いに磁気結合するとともに、任意の1つの磁気コアの端子電圧を検出し、その値によって全素子の異常を検出するようにしたので、極めて簡単な回路で素子電圧のバランス化と故障検出とが可能になる。
図1はこの発明の第1の実施の形態を示す構成図である。
図1において、1は異常判別回路、2は電圧検出回路、3はパルス分配回路、41〜4nは各素子のゲート駆動回路(GDU)、Q1〜Qnは素子、Tg1〜Tg(n-1)はゲートタイミングバランス用磁気コアである。パルス分配回路3は、制御回路から出力された信号(ここでは光信号)を各ゲート駆動回路41〜4nに分配するとともに、各回路の絶縁も行なっている。
図1において、1は異常判別回路、2は電圧検出回路、3はパルス分配回路、41〜4nは各素子のゲート駆動回路(GDU)、Q1〜Qnは素子、Tg1〜Tg(n-1)はゲートタイミングバランス用磁気コアである。パルス分配回路3は、制御回路から出力された信号(ここでは光信号)を各ゲート駆動回路41〜4nに分配するとともに、各回路の絶縁も行なっている。
ところで、一般に素子を複数個直列又は並列に接続する場合に、それぞれの特性や条件によって各素子にばらつきが生じるが、このような場合にそのスイッチングタイミングやゲートタイミングを一致させる手法として、各素子の例えばゲート線を磁気コア等により互いに磁気結合する方法が知られているので(必要ならば、例えば特開2003−169464号公報を参照されたい)、ここでもその手法を採用している。
素子の異常検出は、ここではゲートタイミングバランス用磁気コアTg1〜Tg(n-1)のうちの1つ、例えばTg(n-1)の電圧VT2を用いて行なう。
図2に電圧検出回路の一例を示す。
整流回路21でVT2を整流した後、コンパレータ22で基準電圧Vcと比較し、ロジック回路23でロジック信号にし、フォトカプラ等の絶縁回路24を介して出力するように構成されている。
図2に電圧検出回路の一例を示す。
整流回路21でVT2を整流した後、コンパレータ22で基準電圧Vcと比較し、ロジック回路23でロジック信号にし、フォトカプラ等の絶縁回路24を介して出力するように構成されている。
図3は素子が正常時の動作説明図である。
いま、GDUn以外の任意の信号伝達時間がΔTだけ早い場合を考える。このΔT期間では、ゲートタイミングをバランスさせるように各磁気コアの端子間には電圧が発生し、これにより磁気コアTg(n-1)にも電圧VT2が図示のように発生するので、電圧検出回路2は素子異常検出信号を図示のように出力することになる。
しかし、このときの磁気コアの動作はスイッチタイミングをバランスさせるためのもので、異常ではないため、この期間TMはマスクし素子の定常時にはこのマスクを解除するようにする。この判断を図1の異常判別回路1で行なうようにしている。
いま、GDUn以外の任意の信号伝達時間がΔTだけ早い場合を考える。このΔT期間では、ゲートタイミングをバランスさせるように各磁気コアの端子間には電圧が発生し、これにより磁気コアTg(n-1)にも電圧VT2が図示のように発生するので、電圧検出回路2は素子異常検出信号を図示のように出力することになる。
しかし、このときの磁気コアの動作はスイッチタイミングをバランスさせるためのもので、異常ではないため、この期間TMはマスクし素子の定常時にはこのマスクを解除するようにする。この判断を図1の異常判別回路1で行なうようにしている。
図4は素子が異常時の動作説明図で、素子Q1が破壊しゲート・エミッタ間が短絡状態になった場合を想定している。
Q1素子のゲート・エミッタ間が短絡する異常発生により、Q1のゲートに電流Ig1に電流が流れ続け(点線参照)、磁気コアTg1の端子VT1には電流Ig1を抑制する方向、すなわちVT2が正方向に発生する。この電圧を電圧検出回路2によって検出し、素子異常信号を出力する。これは、どの素子に異常があった場合でも電圧が発生するため、いずれか1つの磁気コアの端子電圧(ここではVT2)を検出することにより、全素子の故障を検出することができる。
Q1素子のゲート・エミッタ間が短絡する異常発生により、Q1のゲートに電流Ig1に電流が流れ続け(点線参照)、磁気コアTg1の端子VT1には電流Ig1を抑制する方向、すなわちVT2が正方向に発生する。この電圧を電圧検出回路2によって検出し、素子異常信号を出力する。これは、どの素子に異常があった場合でも電圧が発生するため、いずれか1つの磁気コアの端子電圧(ここではVT2)を検出することにより、全素子の故障を検出することができる。
1…異常判別回路、2…電圧検出回路、3…パルス分配回路、41〜4n…ゲート駆動回路(GDU)、Q1〜Qn…IGBT(絶縁ゲート形バイポーラトランジスタ:電圧駆動型半導体素子)、21…整流回路、22…コンパレータ、23…ロジック回路、24…絶縁回路(フォトカプラ)、Tg1〜Tg(n-1)…ゲートタイミングバランス用磁気コア。
Claims (2)
- 電力変換器の各アーム当り複数個直列に接続される電圧駆動型半導体素子と、これらをオン・オフ駆動するゲート駆動回路と、このゲート駆動回路からのスイッチングタイミングを一致させるためにゲート駆動回路と電圧駆動型半導体素子とを接続するゲート線を互いに磁気結合させる二次巻線の磁気コアと、いずれか1つの磁気コアの端子電圧を監視しその電圧レベルから半導体素子異常を検出する検出回路とからなることを特徴とする電圧駆動型半導体素子の故障検出回路。
- 前記電圧駆動型半導体素子の過渡動作時には前記磁気コアの端子電圧を検出せず、定常動作時にのみ磁気コアの端子電圧を検出することを特徴とする請求項1に記載の電圧駆動型半導体素子の故障検出回路。
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JP2008043003A (ja) * | 2006-08-03 | 2008-02-21 | Fuji Electric Systems Co Ltd | 電圧駆動型半導体素子のゲート駆動装置 |
WO2019187402A1 (ja) * | 2018-03-28 | 2019-10-03 | 株式会社日立産機システム | 制動回路および電力変換装置 |
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JP2003219631A (ja) * | 2002-01-23 | 2003-07-31 | Fuji Electric Co Ltd | 電圧駆動型半導体素子の異常検出方法 |
JP2003299343A (ja) * | 2002-01-31 | 2003-10-17 | Fuji Electric Co Ltd | 直列接続された電圧駆動型半導体素子の制御装置 |
JP2004215416A (ja) * | 2003-01-06 | 2004-07-29 | Fuji Electric Holdings Co Ltd | 電圧駆動型半導体素子の異常検出方法 |
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2004
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