JP2007336665A - Gate driving device and power conversion device equipped with it - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、半導体電力変換装置のゲート駆動装置に関し、特に、短絡保護機能を有するゲート駆動装置およびそれを備えた電力変換装置に関する。 The present invention relates to a gate drive device of a semiconductor power conversion device, and more particularly to a gate drive device having a short circuit protection function and a power conversion device including the gate drive device.
従来、電力半導体素子のコレクタ電圧およびゲート駆動信号がそれぞれ所定の電圧を超えたか否かを検出するコンパレータを備え、ゲート駆動信号が加えられているときにコレクタ電圧所定の電圧を超えた場合、すなわち、両コンパレータ出力のAND信号によってゲート駆動信号を遮断する電力半導体素子の保護装置が開示されている(例えば、特許文献1参照)。 Conventionally, provided with a comparator for detecting whether the collector voltage and gate drive signal of the power semiconductor element each exceed a predetermined voltage, when the collector voltage exceeds a predetermined voltage when the gate drive signal is applied, that is, A protection device for a power semiconductor element that interrupts a gate drive signal by an AND signal of both comparator outputs is disclosed (for example, see Patent Document 1).
図7は、従来の電力半導体素子の保護装置の構成図である。
図において、71は主半導体素子10のコレクタ電圧が所定の電圧を超えたか否かを検出する第1コンパレータ、72はゲート駆動信号が所定の電圧を超えたか否かを検出する第2コンパレータ、73は、第1コンパレータと第2コンパレータの出力信号のAND信号(短絡検出信号)を演算するAND回路、74は、主半導体素子にゲート駆動信号を供給するゲート駆動回路、75は、前記短絡検出信号を受けて駆動回路74および遮断用トランジスタM1に遮断信号を供給する遮断指令回路である。
FIG. 7 is a configuration diagram of a conventional protection device for a power semiconductor element.
In the figure, 71 is a first comparator that detects whether or not the collector voltage of the
次に、動作について説明する。
外部より駆動回路74に主半導体素子10のオン指令信号が入力され、駆動回路74がゲート駆動信号を出力すると、第2コンパレータ72はゲート駆動信号が所定の電圧を超えたこと示す信号を出力する。このとき、アーム短絡や負荷短絡により主半導体素子10に過電圧又は過電流が発生すると、主半導体素子10のコレクタ電圧が上昇し、第1コンパレータからコレクタ電圧が所定の電圧以上であることを示す信号が出力される。AND回路73は、第1コンパレータと第2コンパレータの出力を受けて短絡検出信号を出力する。短絡検出信号は、遮断指令回路75に入力され、遮断指令回路75は、駆動回路74の遮断を指令すると共に、トランジスタM1をオン動作させ、主半導体素子10へのゲート駆動信号の供給を阻止する。
Next, the operation will be described.
When an ON command signal for the
このように、従来の短絡保護機能を有する電力変換装置は、コレクタ電圧とゲート駆動信号のAND信号によって、アーム短絡や負荷短絡等の異常を検出している。
図8は、従来の電力変換装置の課題を説明するためのインバータ装置の主回路構成図である。
図において、11および12は、U相電圧を出力するペアとなる主半導体素子で、13および14は、V相電圧を出力するペアとなる主半導体素子である。
従来の電力変換装置は、ゲート駆動信号が入力されている時のみ異常状態を検出しているため、ペアとなる一方の主半導体素子が短絡状態で故障している場合、ペアとなる正常なもう一方の主半導体素子が駆動され、直流母線のPN間の短絡により過電流が流れるまで異常状態を検出できない。従って、ペアの主半導体素子に過電流が流れストレスが発生するという問題があり、システム全体の信頼性を低下させていた。
FIG. 8 is a main circuit configuration diagram of an inverter device for explaining a problem of a conventional power conversion device.
In the figure, 11 and 12 are main semiconductor elements that form a pair that outputs a U-phase voltage, and 13 and 14 are main semiconductor elements that form a pair that outputs a V-phase voltage.
Since the conventional power converter detects an abnormal state only when the gate drive signal is input, if one of the paired main semiconductor elements fails in a short-circuit state, the normal An abnormal state cannot be detected until one of the main semiconductor elements is driven and an overcurrent flows due to a short circuit between the PN of the DC bus. Therefore, there is a problem that an overcurrent flows through the pair of main semiconductor elements to cause stress, which reduces the reliability of the entire system.
本発明はこのような問題点に鑑みてなされたものであり、正常な半導体素子にストレスを与えることなく、電力変換装置の異常を検出することによって、新たな故障の発生を防ぐと共に、システム全体の信頼性をあげることが出来る半導体電力変換装置を提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of such problems, and by detecting an abnormality of the power conversion device without applying stress to a normal semiconductor element, it is possible to prevent the occurrence of a new failure and the entire system. It is an object of the present invention to provide a semiconductor power conversion device capable of improving the reliability of the semiconductor power converter.
上記課題を解決するために本発明は次のように構成したものである。
請求項1に記載の発明は、電力変換装置の主半導体素子のオンオフを指令するPWM信号を増幅し、前記主半導体素子を駆動するゲート駆動信号を生成するゲート駆動回路と、前記主半導体素子の保護回路を備えたゲート駆動装置において、前記保護回路は、前記主半導体素子のコレクタに接続され、前記コレクタの電圧検出信号を生成する電圧検出回路と、前記PWM信号と前記電圧検出信号のXOR信号を演算するXOR回路と、前記XOR信号の高周波数成分を除去するフィルタ回路とを備えたことを特徴としている。
また、請求項2に記載の発明は、前記保護回路は、前記フィルタ回路の出力で前記PWM信号を遮断するゲート遮断回路を備えたことを特徴としている。
また、請求項3に記載の発明は、前記保護回路が、前記PWM信号を生成する上位制御装置に、前記XOR信号を供給することを特徴としている。
また、請求項4に記載の発明は、前記保護回路が、前記PWM信号を生成する上位制御装置に、前記電圧検出信号を供給することを特徴としている。
また、請求項5に記載の発明は、電力変換装置が請求項1に記載のゲート駆動装置を備えたことを特徴としている。
In order to solve the above problems, the present invention is configured as follows.
The invention according to claim 1 amplifies a PWM signal for commanding on / off of the main semiconductor element of the power converter, and generates a gate drive signal for driving the main semiconductor element; and In the gate driving device including a protection circuit, the protection circuit is connected to a collector of the main semiconductor element, generates a voltage detection signal of the collector, the PWM signal, and an XOR signal of the voltage detection signal And an XOR circuit that calculates a high frequency component of the XOR signal.
According to a second aspect of the present invention, the protection circuit includes a gate cutoff circuit that cuts off the PWM signal by an output of the filter circuit.
According to a third aspect of the present invention, the protection circuit supplies the XOR signal to a host controller that generates the PWM signal.
According to a fourth aspect of the present invention, the protection circuit supplies the voltage detection signal to a host controller that generates the PWM signal.
According to a fifth aspect of the present invention, a power converter includes the gate driving device according to the first aspect.
請求項1に記載の発明によると、保護回路がXOR(排他的論理和)回路を備えているので、ゲート駆動時およびゲート非駆動時において、電力変換装置の異常を検出できる。従って、電力変換装置の信頼性が向上する。
請求項2に記載の発明によると、保護回路がゲート遮断回路を備えれば、異常時に高速でゲート駆動信号を遮断できる。従って、さらに、電力変換装置の信頼性が向上する。
請求項3に記載の発明によると、PWM信号を生成する上位制御装置にXOR信号を入力すれば、異常検出時にPWM信号の送出を停止できる。従って、さらに、電力変換装置の信頼性が向上する。
請求項4に記載の発明によると、電圧検出信号を上位装置に供給すれば、電力変換装置の制御性能を向上することもできる。
請求項5に記載の発明によると、電力変換装置が請求項1に記載のゲート駆動装置を備えれば、半導体素子の新たな故障を防止できる。
According to the first aspect of the present invention, since the protection circuit includes the XOR (exclusive OR) circuit, it is possible to detect an abnormality of the power conversion device when the gate is driven and when the gate is not driven. Therefore, the reliability of the power conversion device is improved.
According to the second aspect of the present invention, if the protection circuit includes a gate cutoff circuit, the gate drive signal can be cut off at high speed in the event of an abnormality. Therefore, the reliability of the power conversion device is further improved.
According to the third aspect of the present invention, when the XOR signal is input to the host controller that generates the PWM signal, the sending of the PWM signal can be stopped when an abnormality is detected. Therefore, the reliability of the power conversion device is further improved.
According to the fourth aspect of the present invention, if the voltage detection signal is supplied to the host device, the control performance of the power converter can be improved.
According to the invention described in
以下、本発明の実施の形態について図を参照して説明する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
図1は本発明の第1実施例を示すゲート駆動装置のブロック図である。
図において、1はPWM発生回路で、電力変換装置の出力電圧を指令するPWM信号101を生成している。2はゲート駆動回路で、ゲート駆動回路2によって、PWM信号101はIGBT10を駆動できる電圧レベル・電流レベルを持つゲート駆動信号102に変換される。
FIG. 1 is a block diagram of a gate driving apparatus showing a first embodiment of the present invention.
In the figure, reference numeral 1 denotes a PWM generation circuit which generates a
9は保護回路で、電圧検出回路3、XOR回路4およびフィルタ回路5で構成されている。電圧検出回路3は、IGBT10のコレクタに接続され、オン、オフ状態に応じた電圧検出信号103を出力する。XOR回路4はPWM信号101と電圧検出信号103のXOR信号104を出力する。フィルタ回路5はXOR信号104に含まれるノイズパルスを除去するもので、PWM信号101と電圧検出信号103の間には、正常動作においてもある一定の時間遅れが発生する。フィルタ回路5はこのノイズパルスを除去するものである。
また、図2は、本実施例における電圧検出回路の一例を示す回路図である。
図において、31はダイオード、32はツェナーダイオード、33、34は抵抗、35はヒステリシス特性をもつ反転素子である。
IGBT10がオンのときは、コレクタ電圧はツェナーダイオード32のツェナー電圧以下になり、反転素子35の入力信号はLレベルとなり反転素子35の出力信号である電圧検出信号103はHレベルとなる。また、IGBT10がオフあるいは電力変換装置の出力短絡などによってコレクタ電圧がツェナーダイオード32のツェナー電圧を超えると電圧検出信号103はLレベルとなる。
FIG. 2 is a circuit diagram showing an example of a voltage detection circuit in the present embodiment.
In the figure, 31 is a diode, 32 is a Zener diode, 33 and 34 are resistors, and 35 is an inverting element having hysteresis characteristics.
When the
次に、動作について説明する。
図3は本発明の動作を示すタイムチャートで、図3−(a)は通常動作時、図3−(b)は出力短絡時、図3−(c)はIGBT短絡時の動作を示す。
Next, the operation will be described.
FIG. 3 is a time chart showing the operation of the present invention. FIG. 3A shows the operation during normal operation, FIG. 3B shows the operation when the output is short-circuited, and FIG. 3-C shows the operation when the IGBT is short-circuited.
先ず、通常動作時の動作について説明する。
図3−(a)において、101はPWM信号、103は電圧検出信号である。
図に示すようにPWM信号101がHである期間は、IGBT10はオンになり、電圧検出回路からHレベルの電圧検出信号103が出力される。また、PWM信号101がLである期間は、IGBT10はオフになり、電圧検出回路からLレベルの電圧検出信号103が出力される。すなわち、PWM信号101と電圧検出信号103は、電圧検出信号103に多少の遅れは発生するが、ほぼ同一波形の信号となる。
また、104はXOR信号、105はエラー信号である。電圧検出信号103の遅れによりXOR信号104にはノイズパルスが発生しているが、フィルタ回路5によって除去されエラー信号106は常にLレベルとなる。
First, the operation during normal operation will be described.
In FIG. 3- (a), 101 is a PWM signal, 103 is a voltage detection signal.
As shown in the figure, during the period in which the
次に、出力短絡時の動作について説明する。
図3−(b)において、出力短絡状態においてはPWM信号101がオン(Hレベル)にもかかわらず、IGBT10のコレクタ電圧が減少しないため、電圧検出信号103は、Lレベルとなる。従って、XOR信号104はHレベルとなり、エラー信号105がHレベルとなる。一旦エラー信号105がHレベルになると、ゲート駆動信号102はアクティブ状態にならず、PWM信号101をオフするまで、ゲート遮断状態は保持される。
Next, the operation when the output is short-circuited will be described.
In FIG. 3B, in the output short-circuit state, the collector voltage of the
次に、IGBTが短絡している時の動作について説明する。
図3−(c)において、駆動しようとしていているIGBTが短絡している時はPWM信号がオフ(Lレベル)にもかかわらず、IGBT10のコレクタ電圧が小さいため、電圧検出信号103は、常にHレベルとなる。PWM信号のオフ期間にXOR信号104はHレベルとなり、エラー信号が発生する。
Next, the operation when the IGBT is short-circuited will be described.
In FIG. 3C, when the IGBT to be driven is short-circuited, the collector voltage of the
このように本実施例ではゲート駆動装置がXOR回路を備えているので、IGBTが短絡していてもPWM信号のオフ期間にこのIGBTの短絡を検出できる。従ってペアとなるIGBTがオンする前に短絡状態を検出でき、ペアとなるIGBTにストレスが発生しない。 As described above, in this embodiment, since the gate driving device includes the XOR circuit, even if the IGBT is short-circuited, this short-circuit of the IGBT can be detected during the OFF period of the PWM signal. Therefore, a short circuit state can be detected before the paired IGBTs are turned on, and no stress is generated in the paired IGBTs.
図4は本発明の第2実施例を示すゲート駆動装置のブロック図である。
図において6はエラー信号によってPWM信号を遮断するゲート遮断回路で、PWM発生回路1とゲート駆動回路2の間に設けられている。
本実施例が第1実施例と異なる点はる保護回路にゲート遮断回路6を設けた点で、その他の構成については第1実施例と同じであるのでその説明を省略する。
FIG. 4 is a block diagram of a gate driving apparatus showing a second embodiment of the present invention.
In the figure,
The present embodiment is different from the first embodiment in that the
次に、本実施例の動作について説明する。
図5は、本実施例におけるゲート遮断回路の一例を示す回路図である。
図において61はPWM信号を遮断するためのトランジスタである。
フィルタ回路4からエラー信号105が出力されると、ゲート遮断回路6のトランジスタ61が駆動され、ゲート駆動回路2へ入力されているPWM信号101が遮断される。
Next, the operation of this embodiment will be described.
FIG. 5 is a circuit diagram showing an example of the gate cutoff circuit in the present embodiment.
In the figure,
When the
このように本実施例では、エラー信号をゲート遮断回路に入力し、直接PWM信号の供給を阻止しているので、ゲート駆動信号の供給が即時遮断され、電力変換装置の信頼性が向上する。 As described above, in this embodiment, since the error signal is input to the gate cutoff circuit and the supply of the PWM signal is directly blocked, the supply of the gate drive signal is immediately cut off, and the reliability of the power converter is improved.
図6本発明の第3実施例を示すゲート駆動装置のブロック図である。
図において103は電圧検出信号、104はXOR信号でPWM発生回路1が組み込まれた上位装置110に入力されている。本実施例が第2実施例と異なる点は、上位装置110にXOR信号104と電圧検出信号103を供給している点である。
6 is a block diagram of a gate driving device showing a third embodiment of the present invention.
In the figure,
このように本実施例では上位装置にXOR信号と電圧検出信号を供給しているので、これらの信号をPWM信号生成にフィードバックすることによって、さらに信頼性の高い制御性の良い電力変換装置が実現できる。 As described above, in this embodiment, the XOR signal and the voltage detection signal are supplied to the host device, and by feeding these signals back to the PWM signal generation, a more reliable power control device with good controllability is realized. it can.
1 PWM発生回路
2 ゲート駆動回路
3 電圧検出回路
31 ダイオード
32 ツェナーダイオード
33、34 抵抗
35 反転素子
4 XOR回路
5 フィルタ回路
6 ゲート遮断回路
61 トランジスタ
9 保護回路
10〜14 IGBT
101 PWM信号
102 ゲート駆動信号
103 電圧検出信号
104 XOR信号
105 エラー信号
110 上位装置
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 PWM generation circuit 2
101
Claims (5)
前記保護回路は、
前記主半導体素子のコレクタに接続され、前記コレクタの電圧検出信号を生成する電圧検出回路と、
前記PWM信号と前記電圧検出信号のXOR信号を演算するXOR回路と、
前記XOR信号の高周波数成分を除去するフィルタ回路と、
を備えたことを特徴とするゲート駆動装置。 In a gate drive device comprising: a gate drive circuit for amplifying a PWM signal for commanding on / off of a main semiconductor element of a power converter, and generating a gate drive signal for driving the main semiconductor element; and a protection circuit for the main semiconductor element ,
The protection circuit is
A voltage detection circuit connected to a collector of the main semiconductor element and generating a voltage detection signal of the collector;
An XOR circuit for calculating an XOR signal of the PWM signal and the voltage detection signal;
A filter circuit for removing high frequency components of the XOR signal;
A gate driving device comprising:
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---|---|---|---|---|
JP2012135145A (en) * | 2010-12-22 | 2012-07-12 | Denso Corp | Driving circuit for switching element |
JP2014093901A (en) * | 2012-11-06 | 2014-05-19 | Ihi Aerospace Co Ltd | Inverter device |
JP2015082885A (en) * | 2013-10-22 | 2015-04-27 | 株式会社Ihiエアロスペース | Inverter device |
JP2016021652A (en) * | 2014-07-14 | 2016-02-04 | トヨタ自動車株式会社 | Semiconductor device and power conversion device |
JP2016063697A (en) * | 2014-09-19 | 2016-04-25 | 株式会社デンソー | Failure detection circuit for switching element |
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2006
- 2006-06-14 JP JP2006164471A patent/JP2007336665A/en active Pending
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