JP2007228714A - Power converter - Google Patents
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Abstract
Description
この発明は、電流検出器で検出された電流値によって過電流保護を行う電力変換装置に関する。 The present invention relates to a power conversion device that performs overcurrent protection based on a current value detected by a current detector.
従来の電力変換装置においては、出力電圧および出力周波数を自由に制御するために、交流電圧を直流電圧に変換するコンバータ部と、コンバータ部によって変換された直流電圧を平滑する平滑コンデンサと、コンバータ部で平滑された直流電圧を交流電圧に再変換するインバータ部とによって構成されている。また、インバータ部の出力電流値を検出する電流検出器を備え、電流検出器によって検出された電流値が所定の過電流保護レベル(閾値電圧)を超えた場合には、インバータ部を保護するためにインバータ部を構成する半導体スイッチ素子をオフ(遮断)する機能を有している(例えば、特許文献1参照)。
In the conventional power converter, in order to freely control the output voltage and the output frequency, a converter unit that converts an AC voltage into a DC voltage, a smoothing capacitor that smoothes the DC voltage converted by the converter unit, and a converter unit And an inverter unit that reconverts the DC voltage smoothed in
電流検出器は、電流検出ラインを囲み、エアーギャップを有した磁性体コアと、磁性体コアのエアーギャップ部に配設されたホール素子と、ホール素子からの出力電圧を増幅する検出回路とによって構成されている。ホール素子を用いた電流検出器は、磁性体コアの寸法等のばらつき、ホール素子の特性のばらつき、検出回路を構成する抵抗素子のばらつき、およびオペアンプ等の回路部品の特性のばらつき等によって、所定の電流検出感度(電流に対する検出電圧の感度)およびオフセット電圧を得ることができない。 The current detector surrounds the current detection line, and includes a magnetic core having an air gap, a Hall element disposed in the air gap portion of the magnetic core, and a detection circuit that amplifies the output voltage from the Hall element. It is configured. A current detector using a Hall element has a predetermined value due to variations in the size of the magnetic core, variations in the characteristics of the Hall element, variations in resistance elements constituting the detection circuit, and variations in characteristics of circuit components such as operational amplifiers. Current detection sensitivity (sensitivity of detection voltage to current) and offset voltage cannot be obtained.
このため、電流検出ラインに特定の電流を通電し、検出回路を動作させて出力電圧を監視しながら、電流検出感度およびオフセット電圧が規定値の範囲に収まるように、ファンクショントリミング抵抗または半固定抵抗と補正用固定抵抗との並列接続体を用いて、検出回路を構成する抵抗素子の抵抗値の調整によって電流検出器の出力特性を調整している(例えば、特許文献2参照)。また、電流検出器の出力特性を調整する工程が不要となるように、電流検出器によって検出された電流値をマイクロコンピュータに取込み、マイクロコンピュータによって電流値と閾値電圧とを比較演算し、インバータ部に出力遮断を指令し、半導体スイッチ素子をオフしている(例えば、特許文献1参照)。 For this reason, a function trimming resistor or semi-fixed resistor is used so that the current detection sensitivity and offset voltage are within the specified range while a specific current is applied to the current detection line and the output voltage is monitored by operating the detection circuit. The output characteristic of the current detector is adjusted by adjusting the resistance value of the resistance element that constitutes the detection circuit, using a parallel connection body of the correction resistor and the correction resistor (for example, see Patent Document 2). In addition, the current value detected by the current detector is taken into the microcomputer so that the process of adjusting the output characteristics of the current detector is not required, and the microcomputer compares the current value with the threshold voltage, and the inverter unit And the semiconductor switch element is turned off (see, for example, Patent Document 1).
従来の電力変換装置では、電力変換装置毎に、検出回路を構成する抵抗素子の抵抗値の調整によって、ホール素子の電流検出感度およびオフセット電圧を調節し、電流検出器の出力特性を調整が必要であった。電流検出器の出力特性を調整する工程が不要となるように、電流検出器によって検出された電流値をマイクロコンピュータに取込み、マイクロコンピュータによって電流値が閾値電圧を超えたかどうか判断する場合には、マイクロコンピュータでの処理時間が必要なため、電流検出ラインでの過電流検出を瞬時に行うことができず、応答の速い半導体スイッチ素子のオフ動作ができないという問題点があった。 In conventional power converters, it is necessary to adjust the current detector output characteristics of the current detector by adjusting the current detection sensitivity and offset voltage of the Hall element by adjusting the resistance value of the resistor elements that make up the detection circuit for each power converter. Met. In order to eliminate the step of adjusting the output characteristics of the current detector, the current value detected by the current detector is taken into the microcomputer, and when the microcomputer determines whether the current value exceeds the threshold voltage, Since the processing time in the microcomputer is required, there is a problem that the overcurrent detection in the current detection line cannot be performed instantaneously and the semiconductor switch element having a quick response cannot be turned off.
この発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、抵抗素子などの回路素子によって電流検出器の出力特性を調整する工程が不要な場合でも、電流検出ラインでの過電流を瞬時に検出し、応答の速い半導体スイッチ素子のオフ動作を行い、過電流に対して半導体スイッチ素子を保護する電力変換装置を得るものである。また、電流検出器の出力特性を調整する工程が不要となるので、製造工程を簡略化できる。 The present invention has been made to solve the above-described problems. Even when a step of adjusting the output characteristics of the current detector by a circuit element such as a resistance element is unnecessary, an overcurrent in the current detection line is reduced. A power conversion device that instantly detects and performs a turn-off operation of a semiconductor switch element having a quick response to protect the semiconductor switch element against an overcurrent is obtained. In addition, since the process of adjusting the output characteristics of the current detector is not necessary, the manufacturing process can be simplified.
この発明に係る電力変換装置は、電圧端子に接続された半導体スイッチ素子と、電圧端子と半導体スイッチ素子との間を流れる電流を検出して検出電圧を出力する電流検出器と、電流検出器の電流検出感度およびオフセット電圧に応じた上限閾値電圧および下限閾値電圧のうちの少なくともいずれか一方を出力する制御信号生成手段と、検出電圧が上限閾値電圧より大きい場合または検出電圧が下限閾値電圧より小さい場合には、半導体スイッチ素子をオフ動作させるゲート遮断回路とを備えたことを特徴とするものである。 A power conversion device according to the present invention includes a semiconductor switch element connected to a voltage terminal, a current detector that detects a current flowing between the voltage terminal and the semiconductor switch element and outputs a detection voltage, and a current detector Control signal generating means for outputting at least one of an upper threshold voltage and a lower threshold voltage corresponding to the current detection sensitivity and the offset voltage, and when the detected voltage is greater than the upper threshold voltage or the detected voltage is smaller than the lower threshold voltage In some cases, the semiconductor switching device includes a gate cutoff circuit that turns off the semiconductor switch element.
この発明に係る電力変換装置は、電圧端子に接続された半導体スイッチ素子と、電圧端子と半導体スイッチ素子との間を流れる電流を検出して検出電圧を出力する電流検出器と、電流検出器の電流検出感度およびオフセット電圧に応じた上限閾値電圧および下限閾値電圧のうちの少なくともいずれか一方を出力する制御信号生成手段と、検出電圧が上限閾値電圧より大きい場合または検出電圧が下限閾値電圧より小さい場合には、半導体スイッチ素子をオフ動作させるゲート遮断回路とを備えたので、抵抗素子などの回路素子によって電流検出器の出力特性を調整する工程が不要な場合でも、電流検出ラインでの過電流を瞬時に検出し、応答の速い半導体スイッチ素子のオフ動作を行い、過電流に対して半導体スイッチ素子を保護するものである。 A power conversion device according to the present invention includes a semiconductor switch element connected to a voltage terminal, a current detector that detects a current flowing between the voltage terminal and the semiconductor switch element and outputs a detection voltage, and a current detector Control signal generating means for outputting at least one of an upper threshold voltage and a lower threshold voltage corresponding to the current detection sensitivity and the offset voltage, and when the detected voltage is greater than the upper threshold voltage or the detected voltage is smaller than the lower threshold voltage In some cases, a gate cutoff circuit for turning off the semiconductor switch element is provided, so even if a process of adjusting the output characteristics of the current detector by a circuit element such as a resistance element is unnecessary, an overcurrent in the current detection line Is detected instantly, the semiconductor switch element with fast response is turned off, and the semiconductor switch element is protected against overcurrent. That.
実施の形態1.
図1は、この発明を実施するための実施の形態1を示す電流検出器を備えた電力変換装置の一出力回路分の構成図である。図1において、主回路の半導体スイッチ素子1,2は、各々のIGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)1a,2aとダイオード1b,2bとの並列体で構成される。並列体では、IGBT1a,2aのコレクタ端子とダイオード1b,2bのカソード端子とが各々接続され、IGBT1a,2aのエミッタ端子とダイオード1b,2bのアノード端子とが各々接続されている。
FIG. 1 is a configuration diagram for one output circuit of a power conversion device including a current detector according to
半導体スイッチ素子1のコレクタ側端子には、DC電圧入力部である平滑コンデンサ3の正電圧側のP端子が接続されている。半導体スイッチ素子1のエミッタ側端子には、半導体スイッチ素子2のコレクタ側端子および電圧端子であるAC端子5に接続されている。つまり、半導体スイッチ素子1,2は、電圧端子に接続されている。半導体スイッチ素子2のエミッタ側端子には、平滑コンデンサ4の負電圧側のN端子が接続されている。半導体スイッチ素子1および半導体スイッチ素子2によって、電力変換装置の一出力分の主回路が構成されている。
The positive terminal of the
半導体スイッチ素子1は、ゲートドライバ回路6によって駆動されている。半導体スイッチ素子2は、ゲートドライバ回路7によって駆動されている。ゲートドライバ回路6,7は、所定のコモン電圧を基準とした制御電圧信号を、各々のIGBT1a,2aのエミッタ端子電圧を基準としたゲートドライブ電圧信号へ変換する。また、ゲートドライバ回路6,7は、IGBT1a,2aを駆動するために電流供給能力を必要な電流レベルまで高める機能を有している。
The
磁性体コア8は、円環状の形状であり、一部分にエアーギャップを有し、半導体スイッチ素子1および半導体スイッチ素子2とAC端子5とを結ぶAC出力ライン5a(電流検出ライン)を囲むように設置されている。磁性体コア8のエアーギャップには、AC出力ライン5aに流れる電流によって発生する磁束を電圧に変換するホール素子9が配置されている。ホール素子9の出力端子には、ホール素子9の出力電圧を所望の値まで増幅する電流検出回路10の入力端子が接続されている。電流検出器は、ホール素子9を用いており、磁性体コア8、ホール素子9および電流検出回路10によって構成される。電流検出器は、電圧端子であるAC端子5と半導体スイッチ素子1,2との間を流れる電流を検出して検出電圧を出力する。
The
電流検出回路10の電流検出出力線Isenは、正電圧側ゲート遮断回路11、負電圧側ゲート遮断回路12およびマイクロコンピュータ13の各々の入力端子に接続されている。検出電圧は、電流検出出力線Isenを介して正電圧側ゲート遮断回路11、負電圧側ゲート遮断回路12およびマイクロコンピュータ13へ入力される。マイクロコンピュータ13は、正電圧側ゲート遮断回路11、負電圧側ゲート遮断回路12およびアナログスイッチ回路14を制御する。アナログスイッチ回路14と正電圧側ゲート遮断回路11との間、およびアナログスイッチ回路14と負電圧側ゲート遮断回路12との間には、各々閾値電圧のデータ保持のためのコンデンサ15,16が接続されている。
The current detection output line Isen of the
正電圧側ゲート遮断回路11の入力端子には、マイクロコンピュータ13からのゲート信号線GateHおよびコンデンサ15からの過電流閾値線IthHが接続されている。正電圧側ゲート遮断回路11の出力端子には、ゲートドライバ回路6の入力端子に接続されるゲート駆動信号線GateH*が接続されている。同様に、負電圧側ゲート遮断回路12の入力端子には、マイクロコンピュータ13からのゲート信号線GateLおよびコンデンサ16からの過電流閾値線IthLが接続されている。負電圧側ゲート遮断回路12の出力端子には、ゲートドライバ回路7の入力端子に接続されるゲート駆動信号線GateL*が接続されている。過電流閾値線IthHおよび過電流閾値線IthLは、各々のコンデンサ15,16を介して、アナログスイッチ回路14の出力端子に接続されている。アナログスイッチ回路14の入力端子には、マイクロコンピュータ13からのアナログデータ出力線Ith、選択信号線SelectH、および選択信号線SelectLが接続されている。
A gate signal line GateH from the
ここで、電力変換装置の一出力回路分の回路構成の詳細について説明する。図2は、実施の形態1におけるホール素子9および電流検出回路10の回路図である。電流検出回路10は、ホール素子9に対する定電流回路の機能を有する定電流回路部および増幅回路の機能を有する増幅回路部によって構成される。まず、定電流回路の機能について説明する。ホール素子9の垂直方向の一方の端子は、電源Vccに接続され、もう一方の端子は、トランジスタTrのコレクタ端子に接続されている。トランジスタTrのエミッタ端子は、抵抗Rcを介してコモン電圧線(制御信号の基準電圧線)に接続され、トランジスタTrのベース端子は、オペアンプOPA1の出力端子に接続されている。オペアンプOPA1の+側入力端子には、電源電圧Vccを抵抗Raと抵抗Rbとで分圧した電圧が入力される。オペアンプOPA1の−側入力端子には、トランジスタTrのエミッタ端子と抵抗Rcとの接続点に接続されている。抵抗Ra,Rb,Rc、トランジスタTrおよびオペアンプOPA1によって定電流回路が構成され、ホール素子9に駆動電流を供給している。ホール素子9に流れる駆動電流ihは、式(1)のように表すことができる。
ih=Rb/(Rc×(Ra+Rb))×Vcc −−−(1)
Here, the detail of the circuit structure for one output circuit of a power converter device is demonstrated. FIG. 2 is a circuit diagram of Hall element 9 and
ih = Rb / (Rc × (Ra + Rb)) × Vcc (1)
次に、増幅回路の機能について説明する。磁性体コア8の磁束密度の大きさに依存した出力電圧が、ホール素子9の水平方向の出力端子から出力される。水平方向の一方の出力端子は、抵抗R1を介してオペアンプOPA2の−側入力端子へ接続され、水平方向のもう一方の出力端子は抵抗R2を介してオペアンプOPA2の+側入力端子へ接続されている。オペアンプOPA2の−側入力端子は、抵抗R3を介してオペアンプOPA2の出力端子にも接続され、検出電流出力線Isenに接続されている。オペアンプOPA2の+側入力端子は、ホール素子9からの出力電圧の振幅の中心電圧を決める電圧端子Vrefに抵抗R4を介して接続されている。抵抗R1と抵抗R2との抵抗値を同じ、かつ、抵抗R3と抵抗R4との抵抗値を同じと仮定し、ホール素子9の出力端子間電圧をΔVとすると、電流検出出力線Isenにおける検出電圧である電圧値Visenは、式(2)のように表すことができる。
Visen=Vref+R3/R1×ΔV −−−(2)
式(2)から、増幅回路部では、ホール素子9の出力電圧の振幅の中心値をVrefとし、出力電圧の振幅をR3/R1倍に増幅することがわかる。
Next, the function of the amplifier circuit will be described. An output voltage depending on the magnetic flux density of the
Visen = Vref + R3 / R1 × ΔV −−− (2)
From the equation (2), it can be seen that in the amplifier circuit section, the center value of the amplitude of the output voltage of the Hall element 9 is set to Vref, and the amplitude of the output voltage is amplified by R3 / R1 times.
図3は、実施の形態1におけるアナログスイッチ回路14およびデータ保持用のコンデンサ15,16の回路図である。アナログスイッチ回路14は、双方向性のn形MOSFET(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor)およびp形MOSFETの並列接続体からなるスイッチ部141,143と、スイッチ部を駆動するゲート回路142,144とによって構成されている。選択信号線SelectH,SelectLは、各々のゲート回路142,144に接続されている。
FIG. 3 is a circuit diagram of the
各々のスイッチ部141,143の入力端子には、アナログデータ出力線Ithが接続されている。アナログスイッチ回路14の一方の出力端子には、過電流閾値線IthHおよびコンデンサ15の一方の端子が接続されている。アナログスイッチ回路14のもう一方の出力端子には、過電流閾値線IthLおよびコンデンサ16の一方の端子が接続されている。コンデンサ15,16の各々のもう一方の端子は、コモン電圧線に接続されている。つまり、制御信号生成手段であるマイクロコンピュータ13とゲート遮断回路である正電圧側ゲート遮断回路11との間に、正電圧側ゲート遮断回路11に対応したスイッチ部141およびコンデンサ15が備えられている。また、マイクロコンピュータ13とゲート遮断回路である負電圧側ゲート遮断回路12との間に、負電圧側ゲート遮断回路12に対応したスイッチ部143およびコンデンサ16が備えられている。
An analog data output line Ith is connected to the input terminals of the
次に、動作について説明する。制御信号生成手段であるマイクロコンピュータ13は、電流検出器の電流検出感度およびオフセット電圧に応じた上限閾値電圧および下限閾値電圧を演算し、アナログデータ出力線Ithを介して上限閾値電圧および下限閾値電圧のうちの少なくともいずれか一方を出力する。上限閾値電圧および下限閾値電圧は、半導体スイッチ素子1,2を保護するためにAC出力ライン5aに流れてもよい許容電流の上限電流および下限電流に対応した電流検出器の閾値電圧である。一例として、上限閾値電圧を4.5V、下限閾値電圧を0.5Vと設定してもよい。この時、マイクロコンピュータ13から選択信号線SelectH,SelectLには、各々Low電圧、High電圧が出力され、スイッチ部141はオン状態、スイッチ部143はオフ状態となる。この結果、コンデンサ15には、AC出力ライン5aの許容電流の上限値に相当する上限閾値電圧が蓄積される。
Next, the operation will be described. The
次に、選択信号線SelectH,SelectLには、各々High電圧、Low電圧が出力され、スイッチ部141はオフ状態、スイッチ部143はオン状態に切り替わる。オンオフ状態が切り替わった後、アナログデータ出力線IthにAC出力ライン5aの許容電流の下限値に相当する下限閾値電圧が出力される。この結果、コンデンサ16に下限閾値電圧が蓄積される。コンデンサ15,16に蓄積された電圧は、各々正電圧側ゲート遮断回路11,負電圧側ゲート遮断回路12へ出力される。つまり、マイクロコンピュータ13は、スイッチ部141,143のオンオフ動作を制御してコンデンサ15,16を介して上限閾値電圧および下限閾値電圧のうちの少なくともいずれか一方の電圧を複数のゲート遮断回路である正電圧側ゲート遮断回路11および負電圧側ゲート遮断回路12へ出力している。
Next, a High voltage and a Low voltage are output to the selection signal lines SelectH and SelectL, respectively, and the
ここで、両スイッチ部141,143をオフ状態にすることによって、コンデンサ15には上限閾値電圧のデータ、コンデンサ16には下限閾値電圧のデータが各々保持される。コンデンサ15,16に保持されている閾値電圧のデータは、電圧のリーク現象によって徐々に変化してしまう。このため、定期的にアナログスイッチ回路14の切り替え動作を繰り返して、コンデンサ15,16に所定の閾値電圧のデータを蓄積する。
Here, by setting both the
マイクロコンピュータ13またはマイクロコンピュータ13の動作をサポートする記憶素子は、電力変換装置のAC出力ライン5aに流れる電流を正確に制御するために、電流値と電流検出器の検出電圧との関係を記憶している。また、その電流値と電流検出器の検出電圧との関係によって、AC出力ライン5aに流れる許容電流の上限値および許容電流の下限値に相当する上限閾値電圧および下限閾値電圧が決められている。予め、製品の出荷検査時等に、AC出力ライン5aに電流が流れていない状態の電流検出器から検出電流出力線Isenに出力される検出電圧と、既知の電流をAC出力ライン5aに流した状態での電流検出器からの検出電圧とによって、電流に対する検出電圧の感度である電流検出感度とオフセット電圧とを算出し、電流値と電流検出器の検出電圧との関係を求めている。
The
図4は、実施の形態1における正電圧側ゲート遮断回路11および負電圧側ゲート遮断回路12の回路図である。図4(a)に正電圧側ゲート遮断回路11の回路図を示す。正電圧側ゲート遮断回路11は、コンパレータCOPH、アンド論理回路ANDH、抵抗RxHおよび電源Vccによって構成される。図4(b)に負電圧側ゲート遮断回路12の回路図を示す。負電圧側ゲート遮断回路12は、コンパレータCOPL、アンド論理回路ANDL、抵抗RxLおよび電源Vccによって構成される。コンパレータCOPH,COPLの出力端子は、各々抵抗RxH,RxLを介して電源Vccと接続され、各々のアンド論理回路ANDH,ANDLの一方の入力端子に接続されている。
FIG. 4 is a circuit diagram of the positive voltage side gate cutoff circuit 11 and the negative voltage side
アンド論理回路ANDH,ANDLのもう一方の入力端子には、各々マイクロコンピュータ13からのゲート信号線GateH,GateLが接続されている。アンド論理回路ANDH,ANDLの出力端子には、各々ゲート駆動信号線GateH*,GateL*に接続されている。正電圧側ゲート遮断回路11のコンパレータCOPHの+側入力端子には、過電流閾値線IthHが接続されている。コンパレータCOPHの−側入力端子には、検出電流出力線Isenが接続されている。また、負電圧側ゲート遮断回路12のコンパレータCOPLの+側入力端子には、検出電流出力線Isenが接続され、コンパレータCOPLの−側入力端子には、過電流閾値線IthLが接続されている。
Gate signal lines GateH and GateL from the
次に、動作について説明する。AC出力ライン5aに許容電流値範囲内の電流が流れる場合には、検出電流出力線Isenの検出電圧は、過電流閾値線IthHの上限閾値電圧より小さく、過電流閾値線IthLの下限閾値電圧より大きい。このため、各々のコンパレータCOPH,COPLの出力はHigh電圧になっている。ここで、High電圧はVccに相当する。したがって、ゲート駆動信号線GateH*,GateL*には、マイクロコンピュータ13から出力されるゲート信号がそのまま出力される。
Next, the operation will be described. When a current within the allowable current value range flows through the AC output line 5a, the detection voltage of the detection current output line Isen is smaller than the upper limit threshold voltage of the overcurrent threshold line IthH and is lower than the lower limit threshold voltage of the overcurrent threshold line IthL. large. For this reason, the outputs of the respective comparators COPH and COPL are high voltages. Here, the High voltage corresponds to Vcc. Therefore, the gate signal output from the
AC出力ライン5aに許容電流値範囲外の電流が流れ、検出電流出力線Isenの検出電圧が、過電流閾値線IthHの上限閾値電圧よりも大きくなると、コンパレータCOPHの出力はLow電圧となるので、ゲート信号線GateHの状態に関わらず、ゲート駆動信号線GateH*への出力はLow電圧となり、半導体スイッチ素子1が遮断される。また、検出電流出力線Isenの検出電圧が過電流閾値線IthLの下限閾値電圧よりも小さくなると、コンパレータCOPLの出力はLow電圧となるので、ゲート信号線GateLの状態に関わらず、ゲート駆動信号線GateL*への出力はLow電圧となり、半導体スイッチ素子2が遮断される。つまり、正電圧側ゲート遮断回路11および負電圧側ゲート遮断回路12は、検出電圧が上限閾値電圧より大きい場合または検出電圧が下限閾値電圧より小さい場合には、半導体スイッチ素子1,2をオフ動作させるゲート遮断回路である。
When a current outside the allowable current value range flows through the AC output line 5a and the detection voltage of the detection current output line Isen becomes larger than the upper limit threshold voltage of the overcurrent threshold line IthH, the output of the comparator COPH becomes a low voltage. Regardless of the state of the gate signal line GateH, the output to the gate drive signal line GateH * becomes a Low voltage, and the
検出電圧と閾値電圧を比較して半導体スイッチ素子1,2を遮断する際に、電流検出器の電流検出感度およびオフセット電圧によって閾値電圧を設定することで正確な遮断を行うことができる。図5は、実施の形態1における電流検知器の出力特性の模式図である。図5(a)は、固定抵抗を用いた電源電圧分圧によって閾値電圧を特定の一定値に固定した場合における、出力特性の異なる電流検出器Aおよび電流検出器Bの検出電圧を各々示している。電流検出器Aは、AC出力ライン5aに流れる正しい電流検出を行い、過電流が流れた場合には、閾値電圧に応じてゲート遮断動作を行うことによって半導体スイッチ素子を保護することができる。一方、電流検出器Bは、ゲート遮断回路が動作する閾値電圧が電流検出器Aの場合と異なり、過電流が流れて閾値電圧を超えてもゲート遮断動作がしなかったり、許容電流範囲内でゲート遮断動作をしてしまったり、といった不都合が発生する。
When the
図5(b)は、本実施の形態の電流検出を行う場合における、出力特性の異なる電流検出器Aおよび電流検出器Bの検出電圧を各々示している。出力特性の異なる電流検出器Aおよび電流検出器Bを用いても、個々の電流検出器に対応して上限および下限の閾値電圧を設定しているので、所望の閾値電圧でゲート遮断動作が可能となる。このように、抵抗素子を用いて閾値電圧を固定することなく、マイクロコンピュータ13を用いて、電流検出器の特性に合せて閾値電圧を補正することができる。また、マイクロコンピュータ13によって電流値が閾値電圧を超えたかどうかを判断せずに、予め設定された過電流に対応した閾値電圧と検出電圧とをコンパレータによって比較し、ゲート遮断信号を形成するので、その動作時間は1μs以下となり、高速な過電流検知およびゲート遮断が可能となる。
FIG. 5B shows detection voltages of the current detector A and the current detector B having different output characteristics in the case where the current detection according to the present embodiment is performed. Even if the current detector A and the current detector B having different output characteristics are used, the upper and lower threshold voltages are set corresponding to the individual current detectors, so that the gate cutoff operation can be performed at a desired threshold voltage. It becomes. Thus, the threshold voltage can be corrected according to the characteristics of the current detector using the
また、各ゲート遮断回路に対応した上限閾値電圧または下限閾値電圧を出力するタイミングとスイッチ部141またはスイッチ部143のオンオフのタイミングとを合せることによって、上限閾値電圧または下限閾値電圧を各々のゲート遮断回路に個別に順次入力することができる。このため、マイクロコンピュータ13のアナログ信号出力端子が1個の場合でも、複数のゲート遮断回路11,12を介して半導体スイッチ素子1,2を保護することができる。つまり、アナログスイッチ回路14を設けることによって、3相出力のインバータでもスイッチ部を6個備えれば、アナログデータ出力端子は一端子だけ設ければよい。電力変換装置の出力数が更に多くなった場合でも、マイクロコンピュータ13のアナログ出力端子数の限界に関係なく、出力端子が一端子だけでも電力変換装置の一出力回路分を構成することができる。
In addition, the upper threshold voltage or the lower threshold voltage is set to the gate cutoff by matching the timing of outputting the upper threshold voltage or the lower threshold voltage corresponding to each gate cutoff circuit and the ON / OFF timing of the
以上のように、電流検出器の電流検出感度およびオフセット電圧に応じた上限閾値電圧および下限閾値電圧のうちの少なくともいずれか一方を出力する制御信号生成手段と、検出電圧が上限閾値電圧より大きい場合または検出電圧が下限閾値電圧より小さい場合には、半導体スイッチ素子をオフ動作させるゲート遮断回路とを備えたので、抵抗素子などの回路素子によって電流検出器の出力特性を調整する工程が不要な場合でも、電流検出ラインでの過電流を瞬時に検出し、応答の速い半導体スイッチ素子のオフ動作を行い、過電流に対して半導体スイッチ素子を保護することができる。また、電流検出器の出力特性を調整する工程が不要となるので、製造工程を簡略化できる。 As described above, the control signal generating means for outputting at least one of the upper threshold voltage and the lower threshold voltage corresponding to the current detection sensitivity and offset voltage of the current detector, and the detected voltage is larger than the upper threshold voltage Or, when the detection voltage is lower than the lower threshold voltage, a gate cutoff circuit for turning off the semiconductor switch element is provided, so that the step of adjusting the output characteristics of the current detector by a circuit element such as a resistance element is unnecessary However, it is possible to instantaneously detect an overcurrent in the current detection line, turn off the semiconductor switch element having a quick response, and protect the semiconductor switch element against the overcurrent. In addition, since the process of adjusting the output characteristics of the current detector is not necessary, the manufacturing process can be simplified.
実施の形態2.
図6は、この発明を実施するための実施の形態2を示す電流検出器を備えた電力変換装置の一出力回路分の構成図である。図6において、マイクロコンピュータ13が、過電流閾値線IthHを介して正電圧側ゲート遮断回路11に直接接続され、過電流閾値線IthLを介して負電圧側ゲート遮断回路12に直接接続されている点で実施の形態1と異なっている。図6において、図1と同一の符号を付したものは、同一またはこれに相当するものであり、このことは明細書の全文において共通することである。また、明細書全文に表れている構成要素の態様は、あくまで例示であってこれらの記載に限定されるものではない。
FIG. 6 is a configuration diagram for one output circuit of a power conversion device including a current detector according to
マイクロコンピュータ13のアナログデータ出力の端子数に余裕がある場合には、アナログスイッチ回路を使わず、マイクロコンピュータ13から電流閾値線IthH,IthLへ直接接続すればよい。電力変換装置が3相出力のインバータの場合には、アナログデータ出力端子は6端子分必要となる。
When there is a margin in the number of analog data output terminals of the
次に、動作について説明する。AC出力ライン5aに許容電流値範囲内の電流が流れる場合には、検出電流出力線Isenの検出電圧は、過電流閾値線IthHの上限閾値電圧より小さく、過電流閾値線IthLの下限閾値電圧より大きい。このため、各々のコンパレータCOPH,COPLの出力はHigh電圧になっている。ここで、High電圧はVccに相当する。したがって、ゲート駆動信号線GateH*,GateL*には、マイクロコンピュータ13から出力されるゲート信号がそのまま出力される。
Next, the operation will be described. When a current within the allowable current value range flows through the AC output line 5a, the detection voltage of the detection current output line Isen is smaller than the upper limit threshold voltage of the overcurrent threshold line IthH and is lower than the lower limit threshold voltage of the overcurrent threshold line IthL. large. For this reason, the outputs of the respective comparators COPH and COPL are high voltages. Here, the High voltage corresponds to Vcc. Therefore, the gate signal output from the
AC出力ライン5aに許容電流値範囲外の電流が流れ、検出電流出力線Isenの検出電圧が、過電流閾値線IthHの上限閾値電圧よりも大きくなると、コンパレータCOPHの出力はLow電圧となるので、ゲート信号線GateHの状態に関わらず、ゲート駆動信号線GateH*への出力はLow電圧となり、半導体スイッチ素子1が遮断される。また、検出電流出力線Isenの検出電圧が過電流閾値線IthLの下限閾値電圧よりも小さくなると、コンパレータCOPLの出力はLow電圧となるので、ゲート信号線GateLの状態に関わらず、ゲート駆動信号線GateL*への出力はLow電圧となり、半導体スイッチ素子2が遮断される。つまり、正電圧側ゲート遮断回路11および負電圧側ゲート遮断回路12は、検出電圧が上限閾値電圧より大きい場合または検出電圧が下限閾値電圧より小さい場合には、半導体スイッチ素子1,2をオフ動作させるゲート遮断回路である。
When a current outside the allowable current value range flows through the AC output line 5a and the detection voltage of the detection current output line Isen becomes larger than the upper limit threshold voltage of the overcurrent threshold line IthH, the output of the comparator COPH becomes a low voltage. Regardless of the state of the gate signal line GateH, the output to the gate drive signal line GateH * becomes a Low voltage, and the
このように、抵抗素子を用いて閾値電圧を固定することなく、マイクロコンピュータ13を用いて、電流検出器の特性に合せて閾値電圧を補正することができる。また、予め設定された過電流閾値電圧と検出電圧とをコンパレータによって比較し、ゲート遮断信号を形成するので、その動作時間は1μs以下となり、高速な過電流検知およびゲート遮断が可能となる。
Thus, the threshold voltage can be corrected according to the characteristics of the current detector using the
以上のように、電流検出器の電流検出感度およびオフセット電圧に応じた上限閾値電圧および下限閾値電圧のうちの少なくともいずれか一方を出力する制御信号生成手段と、検出電圧が上限閾値電圧より大きい場合または検出電圧が下限閾値電圧より小さい場合には、半導体スイッチ素子をオフ動作させるゲート遮断回路とを備えたので、抵抗素子などの回路素子によって電流検出器の出力特性を調整する工程が不要な場合でも、電流検出ラインでの過電流を瞬時に検出し、応答の速い半導体スイッチ素子のオフ動作を行い、過電流に対して半導体スイッチ素子を保護することができる。また、電流検出器の出力特性を調整する工程が不要となるので、製造工程を簡略化できる。 As described above, the control signal generating means for outputting at least one of the upper threshold voltage and the lower threshold voltage corresponding to the current detection sensitivity and offset voltage of the current detector, and the detected voltage is larger than the upper threshold voltage Or, when the detection voltage is lower than the lower threshold voltage, a gate cutoff circuit for turning off the semiconductor switch element is provided, so that the step of adjusting the output characteristics of the current detector by a circuit element such as a resistance element is unnecessary However, it is possible to instantaneously detect an overcurrent in the current detection line, turn off the semiconductor switch element having a quick response, and protect the semiconductor switch element against the overcurrent. In addition, since the process of adjusting the output characteristics of the current detector is not necessary, the manufacturing process can be simplified.
なお、いずれの実施の形態において、マイクロコンピュータ13からアナログ信号を出力する代わりに、マイクロコンピュータ13のデジタル出力端子を複数個使用し、D/A変換回路を用いてアナログ信号を形成し、その信号をアナログ信号出力線へ出力してもよい。また、マイクロコンピュータ13によって電流検出感度およびオフセット電圧の補正を行い、シャント抵抗式等の他のタイプの方式を電流検出器として適用してもよいし、電力変換装置として、ダイオードと半導体スイッチ素子の直列体とによって一出力回路を構成するタイプのチョークコイルまたはトランスを用いたDC/DCコンバータに適用してもよい。
In any embodiment, instead of outputting an analog signal from the
1,2 半導体スイッチ素子、3,4 平滑コンデンサ、5 AC端子、6,7 ゲートドライバ回路、8 磁性体コア、9 ホール素子、10 電流検出回路、11 正電圧側ゲート遮断回路、12 負電圧側ゲート遮断回路、13 マイクロコンピュータ、14 アナログスイッチ回路、15,16 コンデンサ、141,143 スイッチ部、142,144 ゲート回路。 1, 2 Semiconductor switch element, 3, 4 Smoothing capacitor, 5 AC terminal, 6, 7 Gate driver circuit, 8 Magnetic core, 9 Hall element, 10 Current detection circuit, 11 Positive voltage side gate cutoff circuit, 12 Negative voltage side Gate cut-off circuit, 13 microcomputer, 14 analog switch circuit, 15, 16 capacitor, 141, 143 switch unit, 142, 144 gate circuit.
Claims (5)
前記電圧端子と前記半導体スイッチ素子との間を流れる電流を検出して検出電圧を出力する電流検出器と、
前記電流検出器の電流検出感度およびオフセット電圧に応じた上限閾値電圧および下限閾値電圧のうちの少なくともいずれか一方を出力する制御信号生成手段と、
前記検出電圧が前記上限閾値電圧より大きい場合または前記検出電圧が前記下限閾値電圧より小さい場合には、前記半導体スイッチ素子をオフ動作させるゲート遮断回路とを備えたことを特徴とする電力変換装置。 A semiconductor switch element connected to the voltage terminal;
A current detector that detects a current flowing between the voltage terminal and the semiconductor switch element and outputs a detection voltage;
Control signal generating means for outputting at least one of an upper threshold voltage and a lower threshold voltage corresponding to the current detection sensitivity and offset voltage of the current detector;
A power conversion device comprising: a gate cutoff circuit that turns off the semiconductor switch element when the detected voltage is greater than the upper threshold voltage or when the detected voltage is smaller than the lower threshold voltage.
制御信号生成手段は、前記スイッチ部のオンオフ動作を制御して前記コンデンサを介して上限閾値電圧および下限閾値電圧のうちの少なくともいずれか一方を前記ゲート遮断回路へ出力したことを特徴とする請求項1に記載の電力変換装置。 Between the control signal generating means and the gate cutoff circuit, a switch unit and a capacitor corresponding to the gate cutoff circuit are provided,
The control signal generating means controls the on / off operation of the switch unit and outputs at least one of an upper threshold voltage and a lower threshold voltage to the gate cutoff circuit via the capacitor. The power converter according to 1.
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