JP2007330043A - 半導体電力変換装置 - Google Patents

Abstract

【課題】複数の半導体素子が並列接続された半導体電力変換装置において、いずれか一つのＩＧＢＴが故障した場合でも、簡易な回路構成で残りのＩＧＢＴを故障から防止する。
【解決手段】温度検出手段３を有する第１のＩＧＢＴ１と電流検出手段４を有する第２のＩＧＢＴ２を並列接続し、第１及び第２の半導体素子１，２をスイッチ動作させる半導体電力変換回路１０と、第１のＩＧＢＴ１の温度検出手段３から得られる温度情報にもとづき第１及び第２のＩＧＢＴ１，２の過熱保護を行う過熱保護回路５と、第２のＩＧＢＴ２の電流検出手段４から得られる電流情報にもとづき第１及び第２のＩＧＢＴ１，２の過電流保護を行う過電流保護回路６とを備えた。
【選択図】図１

Description

この発明は、複数の半導体素子が並列接続して構成される半導体電力変換装置に関するものである。

ＩＧＢＴ（Ｉｎｓｕｌａｔｅｄ Ｇａｔｅ Ｂｉｐｏｌａｒ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）に代表されるパワー半導体素子を使用した半導体電力変換装置では、ＩＧＢＴをスイッチング動作させ、その通電比率を制御することで、その電力フローを調整している。このような半導体電力変換装置に過電流が流れた場合、ＩＧＢＴの温度が上昇し、破壊に至る場合がある。ＩＧＢＴの破壊を防止するため、ＩＧＢＴの温度を温度検出手段によって検出し、ＩＧＢＴの破壊に至る前にＩＧＢＴの動作を停止する、若しくは、ＩＧＢＴの通電電流を制限するような保護回路が多数提案されている。

例えば、特許文献１では、ＩＧＢＴを２チップ並列に備えている場合のＩＧＢＴの過熱保護方法について説明しており、各ＩＧＢＴ上には温度検出用のダイオードが備えられている。そして、各ダイオードを並列接続するとともに１つの電流源から一定電流を流してダイオードの順方向電圧をモニタしている。ここで、ダイオードの順方向電圧は温度に対してリニアに減少する特性なので、温度検出装置は順方向電圧をモニタすることによって所望の検出温度に達したことを検出することができる。

また、特許文献２では、複数の温度検出用ダイオードを直列接続した少なくとも２組に分け、定電流回路から各組の直列接続された温度検出用ダイオードに電流を供給し、各組の直列電圧降下を差分回路で差をとり、その差電圧が所定の電圧を越えた場合、ＩＧＢＴのいずれかが異常であると判断して信号を発することによって、複数の半導体素子の中の１つの半導体素子で温度上昇が発生した場合でも、正確に半導体素子の温度を検出することができる。

特許第３１９４３５３号 特開２００４−８０８６５

上述した特許文献１に開示された従来例では、複数の温度検出用ダイオードを並列接続しているため、温度検出用ダイオードの特性ばらつきにより各温度検出用ダイオードを流れる電流にアンバランスが発生し、ＩＧＢＴの温度検出精度が悪化するという問題があった。また、全てのＩＧＢＴが正常に動作している場合にはある程度正確な温度を検出できるものの、いずれか１つのＩＧＢＴがオープン破壊した場合は、オープン破壊したＩＧＢＴの温度は他のＩＧＢＴに比べて極端に低くなることで、ＩＧＢＴの温度検出値が実温度よりも小さくなり、他のＩＧＢＴまで連鎖的に破壊してしまうという問題があった。また、電流源は一つで構成できるものの、全ての温度検出用ダイオードに電流を通電する必要があるため、配線構造が複雑となり、コストアップや耐ノイズ性の悪化という問題があった。

また、上述した特許文献２に開示された従来例では、正常なＩＧＢＴと異常となったＩＧＢＴの温度差が発生し、各組の温度検出用ダイオードの順方向電圧差が生じることを利用して、ＩＧＢＴの異常判定を行っている。ところが、各組の温度検出用ダイオードは直列接続されているため、温度検出用ダイオードの特性ばらつきにより、同一温度であった場合でも各組の温度検出用ダイオードの順方向電圧には差が生じるため、ＩＧＢＴの異常を判定するための閾値電圧をあまり低い値には設定できない。そのため、ＩＧＢＴの異常判定を行うためには、正常なＩＧＢＴと異常となったＩＧＢＴの温度差を発生させる必要があり、この温度差により、ＩＧＢＴが熱破壊してしまう恐れがあった。また、この従来例では、電流源が２つ必要となるだけでなく、全ての温度検出用ダイオードに電流を通電する必要があるため、配線構造が複雑となり、コストアップや耐ノイズ性の悪化という問題があった。

この発明は、以上のような問題点を解決するためになされたもので、複数の半導体素子が並列接続された半導体電力変換装置において、いずれか一つの半導体素子が故障した場合でも、簡易な回路構成で残りの半導体素子を故障から防止することを目的とする。

この発明は、温度検出手段を有する第１の半導体素子と電流検出手段を有する第２の半導体素子を並列接続し、上記第１及び第２の半導体素子をスイッチ動作させる半導体電力変換回路と、上記第１の半導体素子の温度検出手段から得られる温度情報にもとづき上記第１及び第２の半導体素子過熱保護を行う過熱保護回路と、上記第２の半導体素子の電流検出手段から得られる電流情報にもとづき上記第１及び第２の半導体素子の過電流保護とを行う過電流保護回路を備えたものである。

本発明によれば、複数の半導体素子が並列接続された半導体電力変換装置において、一方の半導体素子が故障した場合においても、もう一方の半導体素子を破壊から防止することができ、信頼性の高い半導体電力変換装置を得ることができる。

実施の形態１．
図１は、この発明の実施の形態１による、半導体電力変換装置の回路構成図である。ここでは半導体電力変換回路１０として２個のＩＧＢＴが並列接続されたＩＧＢＴモジュールを示しており、外部端子としてコレクタ端子Ｃ、エミッタ端子Ｅ、ゲート信号端子Ｇが設けられている。ＩＧＢＴ１にはＩＧＢＴ１の温度を検出するための温度検出用ダイオード３が、ＩＧＢＴ２にはＩＧＢＴ２の電流を検出するための電流検出用セル４が備えられており、これらのＩＧＢＴ１，２は同一の放熱板（図示せず）に実装されている。

過熱保護回路５は、温度検出用ダイオード３に順方向電圧を発生させるための定電流源５ａと、温度検出用ダイオード３の順方向電圧と予め定められた基準電圧値とを比較する過熱判定用比較回路５ｂと、ＩＧＢＴ１が過熱状態と判定された場合にＩＧＢＴ１及びＩＧＢＴ２をオフさせる論理反転回路５ｃと、過熱状態を上位ＣＰＵ７に伝達するためのバッファ５ｄにより構成される。

過電流保護回路６は、電流検出用セル４を流れる電流値を電圧値に変換するためのセンス抵抗６ａと、センス抵抗６ａに発生する電圧値と予め定められた基準電圧値とを比較する過電流判定用比較回路６ｂと、ＩＧＢＴ２が過電流状態と判定された場合にＩＧＢＴ１及びＩＧＢＴ２をオフさせる論理反転回路６ｃと、過電流状態を上位ＣＰＵ７に伝達するためのバッファ６ｄにより構成される。

並列接続されたＩＧＢＴ１とＩＧＢＴ２は、バッファ回路８を通して共通のゲート信号Ｇにより駆動されるが、過熱保護回路５若しくは過電流保護回路６が動作した場合は、ＡＮＤ回路９によりＩＧＢＴ１とＩＧＢＴ２はオフされる。

次に、過熱保護及び過電流保護の基本動作について説明する。
温度検出用ダイオード３は、温度が高くなると順方向電圧が低下するという負の温度依存性を有しており、この性質を利用してＩＧＢＴ１の温度を検出することができる。過熱判定用比較回路５ｂは、ＩＧＢＴ１の温度と予め設定されている基準温度を比較し、過熱状態と判断した場合は論理反転回路５ｃ及びＡＮＤ回路９を介してＩＧＢＴ１とＩＧＢＴ２をオフさせると共に、上位ＣＰＵ７に過熱状態であることを伝達する。温度検出用ダイオード３と過熱判定用比較回路５ｂは１対１で対応しているため、過熱判定用比較回路５ｂは温度検出用ダイオード３の特性ばらつきを加味した条件に調整することが可能であり、過熱判定温度の高精度化を図ることが可能である。電流検出用セル４にはＩＧＢＴ２に比例した電流（通常は数千〜数万分の１）が流れるため、センス抵抗６ａの電圧をモニタすることで、ＩＧＢＴ２を流れる電流を検出することができる。

過電流判定用比較回路６ｂは、ＩＧＢＴ２を流れる電流と予め設定されている基準電流値を比較し、過電流状態と判断した場合は論理反転回路６ｃ及びＡＮＤ回路９を介してＩＧＢＴ１とＩＧＢＴ２をオフさせると共に、上位ＣＰＵ７に過電流状態であることを伝達する。
このように、過熱保護回路５と過電流保護回路６を備えることにより、ＩＧＢＴの過熱破壊や過電流破壊から防ぐことができ、信頼性の高い半導体電力変換装置を実現することが可能となる。

次に、いずれか一方のＩＧＢＴが故障した場合の動作について説明する。
ＩＧＢＴ１がオープン故障した場合、ＩＧＢＴ２に流れる電流値は２倍となるため、ＩＧＢＴ２の温度上昇幅が約２倍となり、温度検出用ダイオード３が設けられていないＩＧＢＴ２まで熱破壊し、電力変換回路として機能しなくなることが懸念される。しかし、本実施の形態では、ＩＧＢＴ２には電流検出用セルが設けられているため、ＩＧＢＴ２が熱破壊に至るような過電流が流れる前に、過電流検出回路６によりＩＧＢＴ２をオフすることで、ＩＧＢＴ２の過熱破壊を防止することが可能となる。

特に、過電流保護回路６が動作する電流閾値を、過熱保護回路５が動作する電流値以下にすることで、ＩＧＢＴ２の過熱破壊をより確実に防止することが可能となる。これを、図２を用いて説明する。
I_limit1は正常動作時の過電流保護動作レベル、I_limit2は正常時の過熱保護が動作する電流値レベル、I_limit3はＩＧＢＴ１がオープン故障した場合の過電流保護レベルであり、本実施の形態では、I_limit1をI_limit2以下の値に設定している。ＩＧＢＴ１がオープン故障した場合、ＩＧＢＴ２に流れる電流値及び電流検出用セルを流れる電流値は２倍となるため、過電流保護動作レベルI_limit3は正常時に比べ、約２分の１の値となる。
これにより、出力電流が増加してＩＧＢＴ２が過熱保護動作レベルT_limitに到達する前に、ＩＧＢＴ２の過電流保護を確実に動作させることが可能となる。
その結果、出力電流がI_limit3以下ではＩＧＢＴ２のみを用いた通常動作を行い、出力電流がI_limit3以上となる場合はＩＧＢＴ２の過電流保護が動作することで、ＩＧＢＴ２の過熱破壊防止が可能となり、信頼性と冗長性の高い半導体電力変換装置を実現することが可能となる。

このように本実施の形態１によれば、温度検出手段３を有する第１のＩＧＢＴ１と電流検出手段４を有する第２のＩＧＢＴ２を並列接続し、第１及び第２の半導体素子１，２をスイッチ動作させる半導体電力変換回路１０と、第１のＩＧＢＴ１の温度検出手段３から得られる温度情報にもとづき第１及び第２のＩＧＢＴ１，２の過熱保護を行う過熱保護回路５と、第２のＩＧＢＴ２の電流検出手段４から得られる電流情報にもとづき第１及び第２のＩＧＢＴ１，２の過電流保護を行う過電流保護回路６とを備えることにより、一方のＩＧＢＴが故障した場合においても、もう一方のＩＧＢＴを破壊から防止することができ、信頼性の高い半導体電力変換装置を実現することが可能になる。
また、過電流保護回路６が動作する電流閾値を、過熱保護回路５が動作する電流値以下にすることで、一方のＩＧＢＴが故障した場合においても、もう一方のＩＧＢＴを過熱破壊からより確実に防止することができ、より信頼性の高い半導体電力変換装置を実現することが可能になる。
なお、ＩＧＢＴ１には電流検出用セル４は表記しておらず、またＩＧＢＴ２には温度検出用ダイオード３は表記していないが、ＩＧＢＴ１、ＩＧＢＴ２共に温度検出用ダイオード３と電流検出用セル４を共に備え、いずれか一方の機能をマスクすることでも同様の効果が得られるのは言うまでもない。

実施の形態２．
図３は、この発明の実施の形態２による半導体電力変換装置の回路構成図であり、半導体電力変換回路１０の出力電流を検出することで、より信頼性と冗長性の高い半導体電力変換装置を得るものである。
図３において、電流センサ１１はＩＧＢＴ１とＩＧＢＴ２の合計電流である半導体電力変換回路１０の出力電流を検出しており、電流センサ１１の出力はＣＰＵ７に入力される。ＣＰＵ７は過電流保護回路５若しくは過熱保護回路６が動作した場合、保護動作時の電流センサ１１の検出値と予め定められた設定値を比較する。
この時、ＩＧＢＴが共に正常な場合は電流センサ出力値はI_limit1以上の値となるが、いずれかのＩＧＢＴがオープン故障している場合はI_limit3程度の値となる。したがって、保護動作時の電流センサ出力が設定値以上の場合はＩＧＢＴ１とＩＧＢＴ２が共に正常であり、設定値以下の場合はいずれかのＩＧＢＴが故障していると判定できる。
いずれかのＩＧＢＴが故障と判定された場合は、ＣＰＵ７の電流制限機能により半導体電力変換回路１０の出力電流を２分の１以下に抑制することで、もう一方のＩＧＢＴの破壊を防止し、信頼性と冗長性の高い半導体電力変換装置を実現することが可能となる。
ＩＧＢＴ２がオープン故障した場合は、ＩＧＢＴ１に流れる電流値は２倍となるため、ＩＧＢＴ１の温度上昇幅が約２倍となるが、ＩＧＢＴ１には温度検出用ダイオード４により温度検出しているため、ＩＧＢＴ１の過熱破壊を防止することが可能である。

ここで図４，５を用いてＩＧＢＴが故障した場合のＣＰＵ７の電流制限機能について説明する。
ＣＰＵ７は、図４のように電流指令I*と実電流値Ｉを比較し、両者が等しくなるような制御信号を生成する制御器７２と、半導体電力変換回路１０がその許容電流を超えないようにするための電流制限器７１を有している。そして、図５に示すように、ＩＧＢＴが正常に動作している場合の最大電流ImaxはI0であるが、いずれかのＩＧＢＴが故障と判定した場合は、最大電流をI1に変更し、上位コントローラに半故障信号を送信する。ここで、I1はI0の２分の１以下の値とする。全ＩＧＢＴが故障と判断した場合は、最大電流を０とし、電力変換回路１０の動作を停止させ、上位コントローラに故障信号を送信する。
なお、ここでは１つのＣＰＵに制御信号生成機能と電流制限機能を集約させて説明したが、複数のＣＰＵに機能分担させても良い。

このように本実施の形態２によれば、複数のＩＧＢＴが並列接続された半導体電力変換回路１０の出力電流を検出する電流センサ１１と、過電流保護回路６または過熱保護回路５が動作する時の電流センサ１１の検出値が所望の設定値以下の場合に出力電流を抑制する手段を設けることで、ＩＧＢＴの故障情報を把握することができ、より信頼性と冗長性の高い半導体電力変換装置を実現することが可能になる。

実施の形態３．
図６，７は、この発明の実施の形態３による３相インバータ装置の回路構成図及びインバータブリッジを構成するＩＧＢＴの配置構成図である。
図６において、３相インバータ回路１２は、温度検出用ダイオード３が備えられた２個のＩＧＢＴからなる３組のＩＧＢＴモジュール１ａ、１ｂ、１ｃと、電流検出用セル４が備えられた２個のＩＧＢＴからなる３組のＩＧＢＴモジュール２ａ、２ｂ、２ｃとで構成され、バッテリ１３から供給された直流電力を交流電力に変換する。
そして、３相インバータ回路１２の各ブリッジアームは、ＩＧＢＴモジュール１ａ、１ｂ、１ｃとＩＧＢＴモジュール２ａ、２ｂ、２ｃのＩＧＢＴをそれぞれ一つずつ並列接続して形成され、並列接続されたＩＧＢＴには、それぞれ実施の形態１で示したように過熱保護回路５、過電流保護回路６が設けられている。
さらに、図７に示すように、ＩＧＢＴモジュール１ａ、１ｂ、１ｃと、ＩＧＢＴモジュール２ａ、２ｂ、２ｃとは、それぞれ交互に入れ違いとなるように、同一の放熱板１４に千鳥状に配置される。

ＩＧＢＴの過熱破壊が発生する主たる要因はＩＧＢＴの過電流通電であるが、冷却性能ばらつきがある場合においてもＩＧＢＴの過熱破壊が起こる場合がある。したがって、全てのＩＧＢＴの温度検出を行わない半導体電力変換装置では、各ＩＧＢＴの冷却性能ばらつきを抑制することが重要となる。

本実施の形態では、３相インバータ回路１２を構成する全てのＩＧＢＴモジュールを同一の放熱板１４上に設け、各ＩＧＢＴモジュール間のサーマルカップリングを積極的に行うことで、各ＩＧＢＴモジュールの冷却性能ばらつきを抑制することが可能となる。
さらに、温度検出用ダイオード３を備えたＩＧＢＴモジュール１ａ、１ｂ、１ｃと、電流検出用セル４を備えたＩＧＢＴモジュール２ａ、２ｂ、２ｃを、交互に入れ違いとなるように放熱板１４に千鳥配置することで、冷却性能ばらつきも抑制することが可能となる。

このように本実施の形態によれば、３相インバータ回路１２の各ブリッジアームを、温度検出用ダイオード３が備えられているＩＧＢＴモジュール１ａ、１ｂ、１ｃと、電流検出用セル４が備えられているＩＧＢＴモジュール２ａ、２ｂ、２ｃのＩＧＢＴをそれぞれ一つずつ並列接続して形成し、かつ、全てのＩＧＢＴモジュールを同一の放熱板１４に千鳥状に配置することにより、冷却性能ばらつきを抑制し、信頼性の高い３相インバータ装置を実現することが可能になる。

この発明の実施の形態１による半導体電力変換装置の回路構成図である。 実施の形態１の保護動作を説明するための図である。 実施の形態２による半導体電力変換装置の回路構成図である。 実施の形態２におけるＣＰＵの構成図である。 実施の形態２によるＣＰＵの電流制限機能を説明するためのフロー図である。 実施の形態３による３相インバータ装置の回路構成図である。 実施の形態３による３相インバータ装置のブリッジアームを構成するＩＧＢＴの配置構成図である。

符号の説明

１ ＩＧＢＴ
２ ＩＧＢＴ
３ 温度検出用ダイオード
４ 電流検出用セル
５ 過熱保護回路
５ａ 定電流源
５ｂ 過熱判定用比較回路
５ｃ 論理反転回路
５ｄ バッファ
６ 過電流保護回路
６ａ センス抵抗
６ｂ 過電流判定用比較回路
６ｃ 論理反転回路
６ｄ バッファ
７ ＣＰＵ
８ バッファ回路
９ ＡＮＤ回路
１０ 半導体電力変換回路
１１ 電流センサ
１２ ３相インバータ回路
１３ バッテリ
１４ 放熱板
１ａ、１ｂ、１ｃ ＩＧＢＴモジュール
２ａ、２ｂ、２ｃ ＩＧＢＴモジュール

Claims (6)

1. 温度検出手段を有する第１の半導体素子と電流検出手段を有する第２の半導体素子を並列接続し、上記第１及び第２の半導体素子をスイッチ動作させる半導体電力変換回路と、上記第１の半導体素子の温度検出手段から得られる温度情報にもとづき上記第１及び第２の半導体素子過熱保護を行う過熱保護回路と、
   上記第２の半導体素子の電流検出手段から得られる電流情報にもとづき上記第１及び第２の半導体素子の過電流保護を行う過電流保護回路とを
   備えたことを特徴とする半導体電力変換装置。
2. 上記過電流保護回路が動作する電流値を、上記過熱保護回路が動作する電流値以下としたことを特徴とする請求項１記載の半導体電力変換装置。
3. 上記半導体電力変換回路の出力電流を検出する電流センサと、上記過電流保護回路若しくは上記過熱保護回路の動作時の上記電流センサの検出値が予め定められた設定値以下の場合に、上記半導体電力変換回路の出力電流を抑制する手段を有することを特徴とする請求項１または２記載の半導体電力変換装置。
4. 上記第１及び第２の半導体素子は同一の放熱板に実装されることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１つに記載の半導体電力変換装置。
5. 上記第１の半導体素子と第２の半導体素子は同一の放熱板に３相インバータ装置を構成するように千鳥状に複数配置されたことを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１つに記載の半導体電力変換装置。
6. 上記第１及び第２の半導体素子はＩＧＢＴであることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１つに記載の半導体電力変換装置。

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