JP2006136145A

JP2006136145A - 半導体電力変換装置

Info

Publication number: JP2006136145A
Application number: JP2004323332A
Authority: JP
Inventors: Hiroshi Yamamoto; 弘山本
Original assignee: Fuji Electric Systems Co Ltd
Current assignee: Fuji Electric Co Ltd
Priority date: 2004-11-08
Filing date: 2004-11-08
Publication date: 2006-05-25

Abstract

【課題】半導体素子の過負荷及び過熱状態を検出する回路を小型、軽量、低価格とすることができ、これによって装置全体の小型化、軽量化、低価格化を図ること。
【解決手段】電源電圧Ｖ１が供給される主回路１１側でなく、その電源電圧Ｖ１の供給のオン／オフ制御を行う半導体素子１２の駆動を制御する電源供給制御回路１３におけるゲート抵抗器３２の両端電圧を異常検出回路５１で検出し、この検出電圧がツェナーレベル（所定値）Ｌｔを超えた場合に半導体素子１２の過負荷又は過熱と判断する検出を行う。
【選択図】図１

Description

本発明は、ＵＰＳ(無停電電源装置)やインバータ等の電気機器に用いられ、その電気機器の主回路への電源供給制御を行うための半導体素子を有する半導体電力変換装置に関し、特に、その半導体素子の過負荷及び過熱保護を行う半導体電力変換装置に関する。

図５は、従来の半導体電力変換装置の構成を示す回路図である。
この従来の半導体電力変換装置１０は、電気機器の主回路１１への電源の供給をオン／オフするための半導体素子１２と、この半導体素子１２に接続される電源供給制御回路１３，１４と、半導体素子１２と主回路１１との間の線路に接続された変流器１５と、変流器１５に接続された整流器１６と、整流器１６に接続されたコンパレータ１７とを備えて構成されている。

半導体素子１２は、Ｐチャンネル側（Ｐ側）のトランジスタ２１と、このトランジスタ２１のエミッタ端にコレクタ端が接続されたＮチャンネル側（Ｎ側）のトランジスタ２２と、Ｐ側のトランジスタ２１のエミッタ−コレクタ間に当該エミッタからコレクタへの方向が順方向となるように接続されたダイオード２３と、Ｎ側のトランジスタ２２のエミッタ−コレクタ間に当該エミッタからコレクタへの方向が順方向となるように接続されたダイオード２４とを備えて構成されている。

電源供給制御回路１３，１４は同構成なので一方を代表して説明する。電源供給制御回路１３は、電源電圧Ｖ１及び制御信号Ｓ１を生成する制御回路側と半導体素子１２側とを絶縁するトランス２６を備え、このトランス２６の一次側コイル２６ａに電源電圧Ｖ１を供給するための電源回路抵抗器２７と、制御信号Ｓ１を供給するためのトランジスタ２８が接続されている。このトランジスタ２８のエミッタ−コレクタ間にはダイオード２９が接続されている。

更に、トランス２６の二次側コイル２６ｂの一端にはダイオード３１及びゲート抵抗器３２を介してトランジスタ３３が接続され、このトランジスタ３３にエミッタ端同士を介してトランジスタ３４が接続され、このトランジスタ３４のコレクタ端が抵抗器３５及びダイオード３６を介して二次側コイル２６ｂの他端に接続され、また、二次側コイル２６ｂの中間と各ダイオード３１，３６との間にコンデンサ３７，３８が接続されて構成されている。

また、各トランジスタ３３，３４のゲート端には、半導体素子１２のトランジスタ２１をオン／オフするための制御信号Ｓ２が供給されるようになっている。そして、各トランジスタ３３，３４のエミッタ接続点が半導体素子１２のトランジスタ２１のゲート端に接続されることによって、その制御信号Ｓ２のスイッチング制御が半導体素子１２に反映されるようになっている。

このような構成の半導体電力変換装置１０の動作を説明する。
まず、８０ＫＨｚ〜１００ＫＨｚ等の高周波パルスの制御信号Ｓ１がトランジスタ２８のゲート端に供給されると、その「Ｈ」レベルにおいて当該トランジスタ２８がオンとなり、この際に電源電圧Ｖ１が電源回路抵抗器２７を介して一次側コイル２６ａに供給され、この供給に応じた電流が当該一次側コイル２６ａに流れる。

これによって二次側コイル２６ｂに所定倍率で電流が流れ、これによってコンデンサ３７，３８に電荷がチャージされる。この際、各トランジスタ３３，３４のゲート端にパルス状の制御信号Ｓ２の「Ｈ」が供給されると、当該トランジスタ３３，３４がオンとなってコンデンサ３７，３８からゲート抵抗器３２を介してゲート電流Ｉｇｏｎがトランジスタ３３，３４に流れる。これによって半導体素子１２のトランジスタ２１のゲート端にゲート電流Ｉｇが流れて当該トランジスタ２１がオフからオンとなる。

このようなオン／オフ制御が半導体素子１２で行われることによって電源電圧Ｖ１に基づく主電流Ｉｃが主回路１１へ流れる。主電流Ｉｃは、変流器１５で検出され、この検出電流が整流器１６で整流されてコンパレータ１７の＋入力端に電圧レベルとして供給される。
この供給レベルがコンパレータ１７の−入力端に供給されている保護レベルを超えると、コンパレータ１７から半導体素子１２が過負荷又は過熱状態であることを示す異常検出信号Ｓ３が出力される。この異常検出信号Ｓ３から半導体素子１２の過負荷又は過熱状態を検出することができ、半導体素子１２を過負荷や過熱から保護することができる。

この他に、半導体素子１２の両端の電圧を観測し、過負荷を検出する。更に、サーモスタットやサーミスタを用いて半導体素子１２又はその近傍の温度を監視して過熱状態を検出する構成もある。
この種の従来の装置として、例えば特許文献１に記載のものがある。
特開平８−３０８２４１号公報

しかし、従来の半導体電力変換装置においては、半導体素子１２の過負荷又は過熱状態を検出する際に、主回路１１側に変流器１５を配置する構成となっているので、定格電圧及び定格電流の大きな変流器１５を適用しなければならない。この場合、必然的に変流器１５のサイズが大きく、重量が増加し、高価となるので、半導体電力変換装置もサイズが大きく、重量が増加し、高価となるという問題がある。

また、サーモスタットやサーミスタを用いる構成においても、それらを用いるので、上記同様の問題が生じる。
本発明は、このような課題に鑑みてなされたものであり、半導体素子の過負荷及び過熱状態を検出する回路を小型、軽量、低価格とすることができ、これによって装置全体の小型化、軽量化、低価格化を図ることができる半導体電力変換装置を提供することを目的としている。

上記目的を達成するために、本発明の請求項１による半導体電力変換装置は、所定回路への電源供給制御を行うための半導体素子と、この半導体素子の電源供給制御のための駆動を制御する制御手段とを有する半導体電力変換装置において、前記制御手段の駆動制御時の電圧を検出し、この検出電圧が予め設定された電圧を超えた際に、前記半導体素子の過負荷及び過熱の少なくとも一方であることを示す異常検出信号を出力する検出手段を備えたことを特徴とする。

この構成によれば、電源が供給される所定回路側の電流でなく、その電源供給制御を行う半導体素子の駆動を制御する制御手段の電圧を検出し、この検出電圧が所定値を超えた場合に半導体素子の過負荷又は過熱を検出するようにした。このように制御手段側に検出手段を配置するようにした。制御手段側は電源の供給回路側と異なり定格電圧及び定格電流が小さくて済むので、検出手段を構成する電気的な部品の定格電圧及び定格電流も小さくて済む。従って、検出手段のサイズを小さく、軽量、安価とすることができる。これによって必然的に半導体電力変換装置の小型化、軽量化、低価格化を図ることができる。

また、本発明の請求項２による半導体電力変換装置は、所定回路への電源供給制御を行うための半導体素子と、この半導体素子の電源供給制御のための駆動を制御する制御手段とを有する半導体電力変換装置において、前記制御手段の駆動制御時に流れる電源電流を電圧に変換して検出し、この検出電圧が予め設定された電圧を超えた際に、前記半導体素子の過負荷及び過熱の少なくとも一方であることを示す異常検出信号を出力する検出手段を備えたことを特徴とする。

この構成によれば、電源が供給される所定回路側の電流でなく、その電源供給側の電源電流を電圧に変換して検出し、この検出電圧が所定値を超えた場合に半導体素子の過負荷又は過熱を検出するようにした。このように電源供給側に検出手段を配置するようにした。電源供給側は電源の供給回路側と異なり定格電圧及び定格電流が小さくて済むので、検出手段を構成する電気的な部品の定格電圧及び定格電流も小さくて済む。従って、検出手段のサイズを小さく、軽量、安価とすることができる。これによって必然的に半導体電力変換装置の小型化、軽量化、低価格化を図ることができる。

以上説明したように本発明によれば、半導体素子の過負荷及び過熱状態を検出する回路を小型、軽量、低価格とすることができ、これによって装置全体の小型化、軽量化、低価格化を図ることができるという効果がある。

以下、本発明の実施の形態を、図面を参照して説明する。但し、本明細書中の全図において相互に対応する部分には同一符号を付し、重複部分においては後述での説明を適時省略する。
（第１の実施の形態）
図１は、本発明の第１の実施の形態に係る半導体電力変換装置の構成を示す回路図である。

図１に示す半導体電力変換装置５０が、従来の半導体電力変換装置１０と異なる点は、図５に示した半導体素子１２の過負荷及び過熱の異常状態を検出するための変流器１５、整流器１６及びコンパレータ１７を備えてなる異常検出回路に代え、図１に示す異常検出回路５１，５２を備えたことにある。但し、異常検出回路５１，５２は同構成なので以降一方を代表して説明する。

本実施の形態では、半導体素子１２の駆動電流（ゲート電流）が、主素子電流及び半導体素子温度に依存することを利用し、ゲート電流又は、その電源供給回路（電源供給制御回路１３，１４）の電流を観測し、そのレベルに保護動作を行うようにした。
異常検出回路５１は、ゲート抵抗器３２の両端電圧をもとに異常を検出する構成となっている。即ち、互いに接続されたコンデンサ５３及び抵抗器５４の組と、互いに接続されたツェナーダイオード５５及び抵抗器５６の組が、ゲート抵抗器３２の両端に並列に接続され、また、コンデンサ５３とツェナーダイオード５５の間にフォトカプラ５７のダイオードが接続され、このフォトカプラ５７の受光側に受光動作時に制御電圧Ｖ２をもとに異常検出信号Ｓ３を出力するバッファ５８が接続されて構成されている。

このような構成において、予め異常状態におけるゲート抵抗器３２の両端電圧を測定しておき、その値以下で異常検出回路５１に電流が流れるようにコンデンサ５３、抵抗器５４、ツェナーダイオード５５を調整しておく。
この調整後、図２の時刻ｔ１〜ｔ２間に示すように半導体素子１２の主電流Ｉｃが正常であったとする。この状態から時刻ｔ３〜ｔ４間に示すように半導体素子１２の主電流Ｉｃが増大（又は半導体素子１２の温度が上昇）すると、図２（ａ）に示すようにゲート電流Ｉｇｏｎも増大する。

これによって、図２（ｂ）に示すゲート抵抗器３２の両端電圧が増大し、この両端電圧に応じた図２（ｃ）に示す検出電圧がツェナーダイオード５５のツェナーレベルＬｔを超えるとフォトカプラ５７が動作する。
この動作によってフォトカプラ５７の図２（ｄ）に示す２次電圧が「Ｌ」レベルのパルス状に下がり、これに応じた異常検出信号Ｓ３がバッファ５８を介して出力される。この異常検出信号Ｓ３から半導体素子１２の過負荷又は過熱状態を検出することができ、半導体素子１２を過負荷や過熱から保護することができる。

このような第１の実施の形態の半導体電力変換装置５０によれば、電源電圧Ｖ１が供給される主回路１１側でなく、その電源電圧Ｖ１の供給のオン／オフ制御を行う半導体素子１２の駆動を制御する電源供給制御回路１３におけるゲート抵抗器３２の両端電圧を異常検出回路５１で検出し、この検出電圧がツェナーレベル（所定値）Ｌｔを超えた場合に半導体素子１２の過負荷又は過熱と判断する検出を行うようにした。

つまり、電源供給制御回路１３側に異常検出回路５１を配置した。電源供給制御回路１３側は電源の供給回路である主回路１１側と異なり定格電圧及び定格電流が小さくて済むので、異常検出回路５１を構成する電気的な部品の定格電圧及び定格電流も小さくて済む。従って、異常検出回路５１のサイズを小さく、軽量、安価とすることができる。これによって必然的に半導体電力変換装置５０の小型化、軽量化、低価格化を図ることができる。

（第２の実施の形態）
図３は、本発明の第２の実施の形態に係る半導体電力変換装置の構成を示す回路図である。
図３に示す半導体電力変換装置６０が、従来の半導体電力変換装置１０と異なる点は、図５に示した半導体素子１２の過負荷及び過熱の異常状態を検出するための変流器１５、整流器１６及びコンパレータ１７を備えてなる異常検出回路に代え、図３に示す異常検出回路６１を備えたことにある。

異常検出回路６１は、電源電流をもとに異常を検出する構成となっている。即ち、互いに接続されたコンデンサ６３及び抵抗器６４の組と、互いに接続されたツェナーダイオード６５及び抵抗器６６の組が、電源回路抵抗器２７の両端に並列に接続され、また、コンデンサ６３とツェナーダイオード６５の間にフォトカプラ６７のダイオードが接続され、このフォトカプラ６７の受光側に受光動作時に制御電圧Ｖ２をもとに異常検出信号Ｓ３を出力するバッファ６８が接続されて構成されている。

このような構成において、予め異常状態における電源回路抵抗器２７の両端電圧を測定しておき、その値以下で異常検出回路６１に電流が流れるようにコンデンサ６３、抵抗器６４、ツェナーダイオード６５を調整しておく。
この調整後、図４の時刻ｔ１〜ｔ２間に示すように半導体素子１２の主電流Ｉｃが正常であったとする。この状態から時刻ｔ３〜ｔ４間に示すように半導体素子１２の主電流Ｉｃが増大（又は半導体素子１２の温度が上昇）すると、図４（ａ）に示すようにゲート電流Ｉｇも増大する。

これによって、二次側コイル２６ｂ側（駆動回路）へ電源電圧Ｖ１を供給している一次側コイル２６ａにも、ゲート電流Ｉｇに応じた図４（ｂ）に示す電源電流Ｉｇｐが流れる。この電源電流Ｉｇｐに応じた図４（ｃ）に示す検出電圧がツェナーダイオード６５のツェナーレベルＬｔを超えるとフォトカプラ６７が動作する。
この動作によってフォトカプラ６７の図４（ｄ）に示す２次電圧が「Ｈ」レベルのパルス状に下がり、これに応じた異常検出信号Ｓ３がバッファ６８を介して出力される。この異常検出信号Ｓ３から半導体素子１２の過負荷又は過熱状態を検出することができ、半導体素子１２を過負荷や過熱から保護することができる。

また、同一の電源電圧Ｖ１を電源回路抵抗器２７を介して複数のトランスを用いた駆動回路１３ａに供給している場合、１つの異常検出回路６１により複数の半導体素子の保護を一括で行うことができる。
このような第２の実施の形態の半導体電力変換装置５０によれば、電源電圧Ｖ１が供給される主回路１１側でなく、その電源電圧Ｖ１の供給側において電源電流Ｉｇｐを、電源回路抵抗器２７の両端電圧として異常検出回路６１で検出し、この検出電圧がツェナーレベル（所定値）Ｌｔを超えた場合に半導体素子１２の過負荷又は過熱と判断する検出を行うようにした。

つまり、電源供給制御回路１３のトランス２６の一次側コイル２６ａ側である電源供給側に異常検出回路６１を配置した。電源供給側は電源の供給回路である主回路１１側と異なり定格電圧及び定格電流が小さくて済むので、異常検出回路６１を構成する電気的な部品の定格電圧及び定格電流も小さくて済む。従って、異常検出回路６１のサイズを小さく、軽量、安価とすることができる。これによって必然的に半導体電力変換装置５０の小型化、軽量化、低価格化を図ることができる。

本発明の第１の実施の形態に係る半導体電力変換装置の構成を示す回路図である。第１の実施の形態に係る半導体電力変換装置における主要な電流及び電圧の波形図である。本発明の第２の実施の形態に係る半導体電力変換装置の構成を示す回路図である。第２の実施の形態に係る半導体電力変換装置における主要な電流及び電圧の波形図である。従来の半導体電力変換装置の構成を示す回路図である。

符号の説明

１２半導体素子
１３，１４電源供給制御回路
１５変流器
１６整流器
１７コンパレータ
２１，２２，２８，３３，３４トランジスタ
２３，２４，２９，３１，３６ダイオード
２６トランス
２６ａ一次側コイル
２６ｂ二次側コイル
２７電源回路抵抗器
３２ゲート抵抗器
３７，３８，５３，６３コンデンサ
５０，６０半導体電力変換装置
５１，５２，６１異常検出回路
５４，５６，６４，６６抵抗器
５５，６５ツェナーダイオード
５７，６７フォトカプラ
５８，６８バッファ
Ｖ１電源電圧
Ｖ２制御電圧
Ｓ１，Ｓ２制御信号
Ｓ３異常検出信号
Ｉｇ，Ｉｇｏｎゲート電流
Ｉｃ主電流
Ｉｇｐ電源電流

Claims

所定回路への電源供給制御を行うための半導体素子と、この半導体素子の電源供給制御のための駆動を制御する制御手段とを有する半導体電力変換装置において、
前記制御手段の駆動制御時の電圧を検出し、この検出電圧が予め設定された電圧を超えた際に、前記半導体素子の過負荷及び過熱の少なくとも一方であることを示す異常検出信号を出力する検出手段
を備えたことを特徴とする半導体電力変換装置。
所定回路への電源供給制御を行うための半導体素子と、この半導体素子の電源供給制御のための駆動を制御する制御手段とを有する半導体電力変換装置において、
前記制御手段の駆動制御時に流れる電源電流を電圧に変換して検出し、この検出電圧が予め設定された電圧を超えた際に、前記半導体素子の過負荷及び過熱の少なくとも一方であることを示す異常検出信号を出力する検出手段
を備えたことを特徴とする半導体電力変換装置。