JP2008011608A - 半導体電力変換装置，スイッチング装置，半導体電力変換方法及びスイッチング方法 - Google Patents

Abstract

【課題】圧接形スイッチング素子の適用範囲は狭く、高価である。このため半導体電力変換装置自体を安価にすることが難しい。
【解決手段】各スイッチング素子の主電極間に所定の電圧以上印加されていることを検出する電圧印加検出手段と、電圧検出手段が検出した信号を駆動回路内部で増幅した状態信号と、制御回路が出力したオン・オフ指令と状態信号を比較する手段を有し、制御回路がオン指令を出力している状態でスイッチング素子主電極間に電圧が印加された状態であることを搬送波の１／２周期以内に検出した場合または、制御回路がオフ指令を出力している状態でスイッチング素子主電極間に電圧が印加されていないことを搬送波の１／２周期以内に検出した場合、変換器の運転モードに応じてスイッチング素子の短絡故障，開放故障または駆動回路異常を３種類の不具合を検出することを特徴とした半導体電力変換装置を提供する。
【選択図】図１

Description

本発明は、半導体電力変換装置，スイッチング装置，半導体電力変換方法及びスイッチング方法に係わり、特に、オン・オフする直列接続した複数個のスイッチング素子にかかる異常検出に好適な半導体電力変換装置，スイッチング装置，半導体電力変換方法及びスイッチング方法に関する。

一般に半導体電力変換装置の高電圧化をする場合、同時にオン・オフする半導体スイッチング素子を複数個直列接続することが多い。このとき、直列接続されたスイッチング素子は、それぞれにスイッチング素子をオン・オフするための駆動回路を有している。

万が一、直列接続したスイッチング素子の一部が開放故障した場合、半導体電力変換装置は健全な運転を継続することができない。さらに、直列接続したスイッチング素子は同時にオンするため開放故障した部分に、本来直列接続したスイッチング素子全部で分担すべき変換器の直流電圧が印加される。この状態が、長期間継続すると開放故障したスイッチング素子と並列接続した電気部品が過電圧破壊するとともに、絶縁破壊などの二次破損を引き起こす可能性がある。

この発生事象について、半導体電力変換装置が健全な運転をしているときには、変換器の直流電圧は、アームあたりに直列接続したスイッチング素子で均等に分担する。各スイッチング素子にオフ指令が入力されている状態では、変換器の直流電圧を各スイッチング素子で均等に分担する。ここで、いずれかのスイッチング素子が開放故障を起こしているとすると、他のスイッチング素子にオン指令を入力したとき、開放故障を起こしたスイッチング素子以外の健全なスイッチング素子はオンをするため、短絡状態と考えることができる。そのため、オフ指令を入力していたときにスイッチング素子で均等に分担していた直流電圧を、オンすることができないスイッチング素子が全て背負うことになり、該スイッチング素子は過電圧破壊を起こす可能性がある。

このため、従来のスイッチング素子を複数個直列接続した半導体電力変換装置では、開放故障の発生確率が小さいパッケージ構造の圧接形スイッチング素子を用いることが多い。

また万が一、直列接続したスイッチング素子の一部が短絡故障した場合、直列接続された健全なスイッチング素子が同時にオフしても、ほとんど主回路電圧が印加されることはない。このことは、短絡破損したスイッチング素子の本来分担すべき電圧が健全なスイッチング素子に重畳することになる。

同時にオン・オフするスイッチング素子の直列数が少ない場合、たとえ短絡したスイッチング素子が１素子であっても、場合によっては健全なスイッチング素子に過電圧が印加され、健全であったスイッチング素子の過電圧破壊の連鎖が発生し、直列接続したスイッチング素子すべてが短絡破損となる恐れがある。

このため、例えば特開２００２−５８２３４号公報に記載されているように、万が一同時にオン・オフするスイッチング素子の一部に短絡破損した場合、健全なスイッチング素子のオフ時に印加される電圧が過電圧であることを検出して、スイッチング素子の短絡破損を検出する技術が知られている。

この技術では、スイッチング素子を駆動する駆動回路に過電圧判別回路を設け、ターンオフ動作中に過電圧を検出した場合、同時にオン・オフする直列接続されたスイッチング素子の一部に短絡故障が発生したと判断する。

またスイッチング素子が破損する場合、このスイッチング素子を駆動している駆動回路の電源が破損することも想定される。一般に駆動回路に供給される電源は、スイッチング素子を駆動するに適した電圧にするためのスイッチング電源や整流回路を有していることが多い。このことは、駆動回路に電源を供給する回路自体も破損する可能性がある。

駆動回路の電源が半導体電力変換装置のスイッチングを開始するまえに喪失した場合、駆動回路はスイッチング素子を健全にオンまたはオフすることができない。このため、同時にスイッチングする直列接続したスイッチング素子がオンしたさいに、駆動回路の不具合が発生したスイッチング素子は過電圧破壊することになる。

特開２００２−５８２３４号公報

前記従来の技術では、開放故障の発生確率を低減するためパッケージが圧接形のスイッチング素子を適用している。しかし、一般に圧接形スイッチング素子の適用範囲は狭く、比較的高価である。このため半導体電力変換装置自体を安価にすることが難しい。

さらに、短絡故障を同時にオン・オフする健全なスイッチング素子のターンオフ時に過電圧となることを検出し、短絡故障と判定する方法は、同時にオン・オフするスイッチング素子の直列数が多くなり、１素子短絡破損した場合であっても健全なスイッチング素子に与える影響が小さくなり故障検出が困難となることが予想される。

また、スイッチング素子の駆動回路の電源を確認，検出する手段は、上記短絡故障，開放故障とは別個に設けられており、回路が複雑化するとともに布設するケーブルが多くなるなどの半導体電力変換装置の小形化，低価格化が困難となる。

本発明の目的は、半導体電力変換装置において、スイッチング素子の短絡故障，開放故障，駆動回路の不具合等の異常を比較的容易に簡便に判定し、高信頼性，小形かつ安価な
半導体電力変換装置，スイッチング装置，半導体電力変換方法，スイッチング方法を提供することにある。

上記目的を達成するため本発明では、所定の周期信号及び信号波に基づいてスイッチング信号を出力する制御部と、スイッチング信号に応じて動作する互いに直列に接続された半導体スイッチング素子と、各スイッチング素子の主電極間に所定以上の電圧が印加されていることを検出する電圧印加検出部と、周期信号の周期のなかの一部に相当する範囲を設定する範囲設定部と、スイッチング信号状態に基づいて、設定された範囲での検出がされた電圧印加の有無に応じて、異常を判断する異常判断部を有するように構成した。

あるいは半導体電力変換装置は、ゲート電極に入力されるオン・オフ指令に基づいて同時にスイッチングを行う半導体スイッチング素子を複数個直列接続し、この半導体スイッチング素子のオン・オフ信号を正弦波に代表される信号波と三角波に代表される搬送波を比較演算し出力する制御回路と、このスイッチング素子のそれぞれのゲート電極に接続され前記制御回路の出力するオン・オフ指令に基づいて前記スイッチング素子を駆動する駆動回路と、前記駆動回路の電源を低圧電源からひとつもしくは複数の高耐圧絶縁変圧器を介して供給する駆動電源供給回路と、前記各スイッチング素子の主電極間に所定の電圧以上印加されていることを検出する電圧印加検出手段と、前記電圧検出手段が検出した信号を前記駆動回路内部で増幅した状態信号と、前記制御回路が出力したオン・オフ指令と前記状態信号を比較する手段をもった構成としている。

また、この停止状態期間中に変換器主回路の直流回路を充電する初期充電回路と、前記駆動回路の電源を前記スイッチング素子の主電極間に印加される電圧から供給する駆動電源自給回路を具備しており、半導体電力変換装置を小形，低価格化するために低圧側から高耐圧変圧器を省略した構成としている。

さらに、半導体電力変換装置を小形で安価にするために本発明の半導体電力変換装置は、前記各スイッチング素子の主電極間に所定の電圧以上印加されていることを検出する電圧印加検出手段を、前記駆動回路の電源を前記スイッチング素子の主電極間に印加される電圧から供給する電流とすることで、別個に電圧検出する手段を省略した構成としている。

前記構成によれば、制御回路がオン指令を出力している状態でスイッチング素子主電極間に電圧が印加された状態であることを搬送波の１／２周期以内に検出した場合または、制御回路がオフ指令を出力している状態でスイッチング素子主電極間に電圧が印加されていないことを搬送波の１／２周期以内に検出した場合において、前記スイッチング素子の短絡故障，開放故障または駆動回路異常を３種類の不具合を１つの検出する手段で検出し、半導体電力変換装置の簡素化を図ることができる。

また、半導体電力変換装置が運転状態となる以前の停止状態のとき制御回路はオフ信号を出力し、この停止状態期間中に変換器主回路の直流回路が充電され、スイッチング素子に印加される電圧が増加し、駆動電源自給回路に安定に動作するまでの期間、制御回路がオフ指令を出しているにも関わらず故障を検出しない高信頼化を図ることができる。

さらに、スイッチング素子の主電極間に所定の電圧以上印加されていることを検出する電圧印加検出手段を、前記駆動回路の電源を前記スイッチング素子の主電極間に印加される電圧から供給する電流としたことを特徴とすることで簡素化，小形化を図ることができる。

さらに、半導体電力変換装置が運転状態となる以前の停止状態で主回路の交流端子に交流電圧が印加されるフローティング状態が存在する場合は、比較する手段はフローティング状態を認識し交流電圧の１周期以内は前記制御回路がオフ指令を出しているにも関わらず故障を検出しないことで高信頼性を図ることができる。

また、これらの構成において、同時にオン・オフを行うスイッチング素子が３個以上直列に接続され、この直列接続されたスイッチング素子が短絡故障した場合であっても直列接続された他のスイッチング素子が健全で有る場合であり、かつ半導体電力変換装置が運転を継続可能な場合は、短絡故障を検出せず運転継続性を高めることができる。

半導体電力変換装置において、スイッチング素子の短絡故障，開放故障，駆動回路の不具合等の異常を比較的容易に簡便に判定し、高信頼性，小形かつ安価な半導体電力変換装置を提供することができる。

以下、発明を実施するための最良の形態を実施例１及び実施例２として、図面を用いて説明する。

図１は、本発明の一実施例を示す半導体電力変換装置１７の回路構成図である。

半導体電力変換装置１７はゲート電極Ｇに入力されるオン・オフ指令２２に基づいて同時にスイッチングを行う複数のＩＧＢＴ１ａ〜１ｒを用い、各ＩＧＢＴ１ａ〜１ｒの両端にはフライホイールダイオード２ａ〜２ｒ接続する。フライホイールダイオード２は
ＩＧＢＴ１のエミッタ端子Ｅからコレクタ端子Ｃに向かって、順方向となるように接続する。ＩＧＢＴ１ａ〜１ｃを直列に接続しＵ相Ｐ側アームとし、ＩＧＢＴ１ｄ〜１ｆを直列に接続しＵ相Ｎ側アームとし、ＩＧＢＴ１ｇ〜１ｉを直列に接続しＶ相Ｐ側アームとし、ＩＧＢＴ１ｊ〜１ｌを直列に接続しＶ相Ｎ側アームとし、ＩＧＢＴ１ｍ〜１ｏを直列に接続しＷ相Ｐ側アームとし、ＩＧＢＴ１ｐ〜１ｒを直列に接続しＷ相Ｎ側アームとし、
ＩＧＢＴ１ａ，ＩＧＢＴ１ｇ，ＩＧＢＴ１ｍのコレクタ端子Ｃと、ＩＧＢＴ１ｆ，IGBT1l，ＩＧＢＴ１ｒのエミッタ端子Ｅに平滑コンデンサ２０を接続し、各ＩＧＢＴ１ａ〜１ｒとゲートドライバ４ａ〜４ｒを並列に接続している。

ゲートドライバ４ａ〜４ｒの詳細を図２に示す。ゲートドライバ４ａ〜４ｒは、IGBT1a〜１ｒのそれぞれのゲート電極Ｇに接続される。ここで、制御回路６について説明する。制御回路６には、例えば図３に示すような正弦波に代表される信号波３１が入力され制御回路６は信号波３１と図３に示される三角波に代表される搬送波３２を比較演算する。制御回路６は、比較演算の結果、図４に示ような各ＩＧＢＴ１ａ〜１ｒのオン・オフ指令
４１を出力する。また各々のゲートドライバ４(４ａ〜４ｒ)は、制御回路６の指令に基づいて各ＩＧＢＴ１ａ〜１ｒを駆動する駆動回路９と、駆動回路９の電源を各ＩＧＢＴ１ａ〜１ｒの主電極間に印加される電圧から供給する駆動電源自給回路１０と、各ＩＧＢＴ
１ａ〜１ｒの主電極間に所定の電圧以上印加されていることを検出する電圧印加検出手段８を含んでいる。

さらに、各ゲートドライバ４ａ〜４ｒに含まれる電圧印加検出手段８は、駆動電源自給回路１０を充電するための電流で電圧印加状態を検出している。検出した信号を増幅した状態信号２１と、制御回路６が出力したオン・オフ指令２２と状態信号２１を比較する故障検出回路７を有し、各ＩＧＢＴ１ａ〜１ｒの短絡故障５５，開放故障２６または駆動回路異常２４を３種類の不具合を検出する。

ここで、直列接続したスイッチング素子の一部が開放故障した場合、半導体電力変換装置は健全な運転を継続することができない。さらに、直列接続したスイッチング素子は同時にオンするため開放故障した部分に、本来直列接続したスイッチング素子全部で分担すべき変換器の直流電圧が印加される。この状態が、長期間継続すると開放故障したスイッチング素子と並列接続した電気部品が過電圧破壊するとともに、絶縁破壊などの二次破損を引き起こす可能性がある。この発生事象を説明する。図１０は半導体電力変換装置の１アーム分の図を示している。

半導体電力変換装置が健全な運転をしているときには、変換器の直流電圧は、アームあたりに直列接続したスイッチング素子で均等に分担する。スイッチング素子１ｓ〜１ｕにオフ指令が入力されている状態では、変換器の直流電圧をスイッチング素子１ｓ〜１ｕで均等に分担する。ここで、スイッチング素子１ｔが開放故障を起こしているとすると、スイッチング素子１ｓ〜１ｕにオン指令を入力したとき、スイッチング素子１ｔ以外の健全なスイッチング素子１ｓおよび１ｕはオンをするため、短絡状態と考えることができる。そのため、オフ指令を入力していたときにスイッチング素子１ｓ〜１ｕで均等に分担していた直流電圧を、オンすることができないスイッチング素子１ｔが全て背負うことになり、スイッチング素子１ｔは過電圧破壊を起こす可能性がある。

また、直列接続したスイッチング素子の一部が短絡故障した場合、直列接続された健全なスイッチング素子が同時にオフしても、ほとんど主回路電圧が印加されることはない。このことは、短絡破損したスイッチング素子の本来分担すべき電圧が健全なスイッチング素子に重畳することになる。同時にオン・オフするスイッチング素子の直列数が少ない場合、たとえ短絡したスイッチング素子が１素子であっても、場合によっては健全なスイッチング素子に過電圧が印加され、健全であったスイッチング素子の過電圧破壊の連鎖が発生し、直列接続したスイッチング素子すべてが短絡破損となる恐れがある。以下、このような問題に対応する回路動作について説明する。

まず、各ＩＧＢＴ１ａ〜１ｒが正常に動作した場合のオン・オフ指令２２に対する状態信号２１の出力を説明する。故障検出回路７に入力される状態信号２１は、各ＩＧＢＴ
１ａ〜１ｒが制御回路６から出力されるオン・オフ指令２２に基づいてスイッチングをおこなっている場合、図５に示すようにオン・オフ指令２２にたいして、各ＩＧＢＴ１ａ〜１ｒのスイッチング動作遅れ時間，電圧印加検出手段８の検出遅れ時間を加えた時間遅れｔが存在し、さらに上下反転した波形となる。

次に、いずれかのＩＧＢＴ１ａ〜１ｒが短絡故障したときの異常検出の動作を説明する。故障検出回路７が各ＩＧＢＴ１ａ〜１ｒの短絡故障を検出するために、図６に示すように故障検出回路７に入力される状態信号２１、オン・オフ指令２２をＯＲで比較し、Ｌレベルである時間ｔ１１１を検出する。短絡故障判定時間ｔ２１２を三角波に代表される搬送波（図３における符号３２）の１／２周期以内に設定し、Ｌレベルである時間ｔ１１１が、短絡故障判定時間ｔ２１２を越えている場合には短絡故障と判定する。

ＩＧＢＴ１ａ〜１ｒのどれかが短絡故障を発生した場合、制御回路６からのオン・オフ指令２２を入力しても短絡故障を発生したＩＧＢＴ１と並列に接続している電圧印加検出手段８から出力される状態信号２１は、常にＬレベルを出力する。ＩＧＢＴ１が短絡故障を発生したとき、故障検出回路７に入力される状態信号２１とオン・オフ指令２２をＯＲで比較し、ＯＲ演算６１として、Ｌレベルである時間ｔ１１１を検出すると、Ｌレベルである時間ｔ１１１が短絡故障判定時間ｔ２１２を越えるため、短絡故障２５を検出することができる。

次に、いずれかのＩＧＢＴ１ａ〜１ｒが開放故障したときの異常検出の動作を説明する。故障検出回路７が各ＩＧＢＴ１ａ〜１ｒの開放故障を検出するために、図７に示すように故障検出回路７に入力される状態信号２１、オン・オフ指令２２をＡＮＤで比較し、Ｈレベルである時間ｔ３１３を検出する。開放故障判定時間ｔ４１４を三角波に代表される搬送波(図３における符号３２)の１／２周期以内に設定し、Ｈレベルである時間ｔ３１３が、開放故障判定時間ｔ４１４を越えている場合には開放故障２６と判定する。

ＩＧＢＴ１ａ〜１ｒのどれかが開放故障を発生した場合、制御回路６からのオン・オフ指令２２を入力しても開放故障を発生したＩＧＢＴと並列に接続している電圧印加検出手段８から出力される状態信号２１は、常にＨレベルを出力する。ＩＧＢＴが開放故障を発生したとき、故障検出回路７に入力される状態信号２１とオン・オフ指令２２をＡＮＤで比較し、ＡＮＤ演算７１として、Ｈレベルである時間ｔ３１３を検出すると、Ｈレベルである時間ｔ３１３が開放故障判定時間ｔ４１４を越えるため、開放故障２６を検出することができる。

半導体電力変換装置１７では、半導体電力変換装置１７が運転状態となる以前の停止状態のときには平滑コンデンサ２０に直流電圧が充電されておらず、制御回路６はオフ指令を出力しているにもかかわらず、各ＩＧＢＴ１ａ〜１ｒの主電極間には電圧が印加しないため電圧印加検出手段８から出力される状態信号２１は図８に示すように常にＬレベルとなる。

この状態においては、故障検出回路７では、オン・オフ指令２２と状態信号２１をＯＲで比較し、Ｌレベルである時間ｔ１１１を検出すると短絡故障判定時間ｔ２１２を越えるため短絡故障２５と誤検出することとなる。

そこで、故障検出回路７では、半導体電力変換装置１７の運転状態２３により、各
ＩＧＢＴ１ａ〜１ｒの故障判定を行う。制御回路６のオン・オフ指令２２が常にオフ指令であり、遮断器１８が投入されていない状態であるときには、半導体電力変換装置１７は運転していない状態であると判定し故障を検出しない。すなわち、投入・非投入の信号８１を用いるのである。

半導体電力変換装置１７では、半導体電力変換装置１７が運転状態となる以前の停止状態のとき、平滑コンデンサ２０に直流電圧が充電されており、三相交流電源５と半導体電力変換装置１７を連結するために、遮断器１８が投入され、主回路の交流端子に交流電圧が印加されフローティング状態が存在する場合には、図９に示すように、電圧印加検出手段８から出力される状態信号２１は、交流電圧周期９２に合わせてＨレベル，Ｌレベルを繰り返す波形となる可能性がある。

交流電圧周期は、三角波に代表される搬送波（図３における符号３２）の周期に比べ大きく、故障検出回路７により、オン・オフ指令２２と状態信号２１をＯＲで比較し、Ｌレベルである時間ｔ１１１を検出すると搬送波（図３における符号３２）の周期の１／２以内を越えるため、短絡故障２５と誤検出することとなる。

そこで、故障検出回路７では、半導体電力変換装置１７の運転状態２３により、各
ＩＧＢＴ１ａ〜１ｒの故障判定を行う。制御回路６のオン・オフ指令２２が常にオフ指令であるときには、半導体電力変換装置１７は運転していない状態であると判定している。

さらに、半導体電力変換装置１７が運転していない状態と判定し、遮断器１８が投入されている状態では、主回路の交流端子に交流電圧が印加されフローティング状態であると判断し駆動回路異常２４の判定を行う。

交流端子に交流電圧が印加されフローティング状態であるときには、図９に示すように、電圧印加検出手段から出力される状態信号２１が交流電圧の周期でＨレベル，Ｌレベルを繰り返すとき、状態信号２１がＬレベルである時間ｔ５１５を検出し、交流電圧周期の１周期以内である時間ｔ６１６以内であれば正常であると判定し、交流電圧周期の１周期以内である時間ｔ６１６を越える場合には、駆動回路異常２４と判定する。

実施例１の半導体電力変換装置１７のような、複数のＩＧＢＴ１ａ〜１ｒを直列に接続した電力変換器では、開放故障の発生確率を低減するためパッケージが圧接形のスイッチング素子を適用している。しかし、一般に圧接形スイッチング素子の適用範囲は狭く比較的高価であるが、開放故障を容易に判定する故障検出手段を提供することで、適用範囲が広く、入手が容易な、安価なモジュール形ＩＧＢＴを使用することが可能となり、半導体電力変換装置自体を安価に提供することが可能となる。

さらに、従来の短絡故障を同時にオン・オフする健全なスイッチング素子のターンオフ時に過電圧となることを検出し、短絡故障と判定する方法では、同時にオン・オフするスイッチング素子の直列数が多くなり、１素子短絡破損した場合であっても健全なスイッチング素子に与える影響が小さくなり故障検出が困難となることが予想されるが、本手法では、各ＩＧＢＴの状態を監視することで、直列数の個数に関係なく容易に短絡故障を検出することが可能である。

また、従来のスイッチング素子の駆動回路の電源を確認，検出する手段は、短絡故障，開放故障とは別個に設けられており、回路が複雑化するとともに布設するケーブルが多くなるなどの半導体電力変換装置の小形化，低価格化が困難となるといった課題が存在するが、本手段では各ＩＧＢＴと並列に接続している電圧印加検出手段からの一本の信号により、短絡故障，開放故障，駆動回路異常の３種類の故障を検出することができ、回路を簡潔し半導体電力変換装置の小形化，低価格化を可能とする。

次に、実施例２を説明する。実施例１と重複する部分が多いが順に説明する。なお、実施例と同様の部分において一部説明を省略する。

図１は、実施例１と同様に、実施例２を示す半導体電力変換装置１７の回路構成図である。

半導体電力変換装置１７はゲート電極Ｇに入力されるオン・オフ指令２２に基づいて同時にスイッチングを行う複数のＩＧＢＴ１ａ〜１ｒを用い、各ＩＧＢＴ１ａ〜１ｒの両端にはフライホイールダイオード２ａ〜２ｒ接続する。フライホイールダイオード２は
ＩＧＢＴ１のエミッタ端子Ｅからコレクタ端子Ｃに向かって、順方向となるように接続する。ＩＧＢＴ１ａ〜１ｃを直列に接続しＵ相Ｐ側アームとし、ＩＧＢＴ１ｄ〜１ｆを直列に接続しＵ相Ｎ側アームとし、ＩＧＢＴ１ｇ〜１ｉを直列に接続しＶ相Ｐ側アームとし、ＩＧＢＴ１ｊ〜１ｌを直列に接続しＶ相Ｎ側アームとし、ＩＧＢＴ１ｍ〜１ｏを直列に接続しＷ相Ｐ側アームとし、ＩＧＢＴ１ｐ〜１ｒを直列に接続しＷ相Ｎ側アームとし、
ＩＧＢＴ１ａ，ＩＧＢＴ１ｇ，ＩＧＢＴ１ｍのコレクタ端子Ｃと、ＩＧＢＴ１ｆ，IGBT1l，ＩＧＢＴ１ｒのエミッタ端子Ｅに平滑コンデンサ２０を接続し、各ＩＧＢＴ１ａ〜１ｒと並列にゲートドライバ４ａ〜４ｒを接続している。ゲートドライバ４ａ〜４ｒは図１１に示すように、ＩＧＢＴ１ａ〜１ｒのそれぞれのゲート電極Ｇに接続され、図３に示すような正弦波に代表される信号波と三角波に代表される搬送波（図３における符号３２）を比較演算し、図４に示ような各ＩＧＢＴ１ａ〜１ｒのオン・オフ指令を出力する制御回路６の指令に基づいて各ＩＧＢＴ１ａ〜１ｒを駆動する駆動回路９と、駆動回路９の電源を供給する駆動電源供給回路１９と、各ＩＧＢＴ１ａ〜１ｒの主電極間に所定の電圧以上印加されていることを検出する電圧印加検出手段８を含むゲートドライバ４ａ〜４ｒを並列に接続している。各ゲートドライバ４ａ〜４ｒに含まれる電圧印加検出手段８は、電圧センサ等を用いて電圧印加状態を検出している。検出した信号を増幅した状態信号２１と、制御回路が出力したオン・オフ指令２２と状態信号２１を比較する故障検出回路７を有し、各ＩＧＢＴ１ａ〜１ｒの短絡故障２５，開放故障２６または駆動回路異常２４を３種類の不具合を検出する。

以上のように、実施例１及び実施例２では、高電圧化した半導体電力変換装置において、スイッチング素子の短絡故障，開放故障，駆動回路の不具合を比較的容易に簡便に判定し、高信頼性，小形かつ安価な半導体電力変換装置を得ることができる。

以上のように、実施例１及び実施例２において、半導体電力変換装置が運転状態となる以前の停止状態のときには前記制御部はオフ信号を出力し、この停止状態期間中に変換器主部の直流部を充電する初期充電部とを有し、前記比較する手段は主部直流部が前記初期充電部により充電開始してから一定期間以内は前記制御部がオフ指令を出しているにも関わらず故障を検出しないように構成する。

特に、実施例１では、前記駆動部の電源を前記スイッチング素子の主電極間に印加される電圧から供給する駆動電源自給部を有し、また、前記各スイッチング素子の主電極間に所定の電圧以上印加されていることを検出する電圧印加検出手段を、前記駆動部の電源を前記スイッチング素子の主電極間に印加される電圧から供給する電流として構成する。

また、半導体電力変換装置が運転状態となる以前の停止状態で主部の交流端子に交流電圧が印加されるフローティング状態が存在する場合は、前記比較する手段はフローティング状態を認識し前記交流電圧の１周期以内は前記制御部がオフ指令を出しているにも関わらず故障を検出しないように構成する。

また、前記制御部から出力される前記スイッチング素子のオン・オフ指令がオフからオンに切り替わってから前記搬送波の１／４周期の期間に満たない一定の期間は前記制御部がオフ指令を出しているにも関わらず故障を検出せず、または前記制御部から出力される前記スイッチング素子のオン・オフ指令がオフからオンに切り替わってから前記搬送波の１／４周期の期間に満たない一定の期間は前記制御部がオフ指令を出しているにも関わらず故障を検出しないように構成する。

また、同時にオン・オフを行うスイッチング素子が３個以上直列に接続され、この直列接続されたスイッチング素子が短絡故障した場合であっても直列接続された他のスイッチング素子が健全で有る場合であり、かつ半導体電力変換装置が運転を継続可能な場合は、短絡故障を検出しないように構成する。

以上において、半導体電力変換装置を例に挙げて説明したが、スイッチング信号が任意に出力される一般的なスイッチング装置に適用できることはもちろんである。この場合、異常判断のための範囲設定は任意のタイミングを選択することができる。

半導体電力変換装置構成図。 発明の実施例を示す回路図。 正弦波に代表される信号波と三角波に代表される搬送波の波形。 制御回路からのオン・オフ指令波形。 状態信号とオン・オフ指令の関係図。 短絡故障検出を説明する波形図。 開放故障検出を説明する波形図。 変換器運転状態となる以前の停止状態において、故障検出を説明する波形図。 交流電圧が印加されるフローティング状態において、故障検出を説明する波形図。 開放故障発生事象図。 発明の実施例を示す回路図。

符号の説明

１，１ａ〜１ｒ…絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ）、２，２ａ〜２ｒ…フライホイールダイオード、４，４ａ〜４ｒ…ゲートドライバ、５…三相交流電源、６…制御回路、７…故障検出回路、８…電圧印加検出手段、９…駆動回路、１０…駆動電源自給回路、１１…検出時間１、１２…短絡故障判定時間、１３…検出時間２、１４…開放故障判定時間、１５…検出時間３、１６…交流電圧印加時のフローティング状態における異常判定時間、１７…半導体電力変換装置、１８…遮断器、１９…駆動電源供給回路、２０…平滑コンデンサ。

Claims (11)

1. 所定の周期信号及び信号波に基づいてスイッチング信号を出力する制御部と、前記スイッチング信号に応じて動作する互いに直列に接続された半導体スイッチング素子と、前記各スイッチング素子の主電極間に所定以上の電圧が印加されていることを検出する電圧印加検出部と、前記周期信号の周期のなかの一部に相当する範囲を設定する範囲設定部と、前記スイッチング信号状態に基づいて、前記設定された範囲での前記検出がされた電圧印加の有無に応じて、異常を判断する異常判断部を有することを特徴とする半導体電力変換装置。
2. 請求項１において、前記周期信号は三角波等の搬送波であり、前記範囲設定部は、前記搬送波１／２周期以内を範囲として設定し、前記異常判断部は、前記制御部がオン指令を出力している状態で前記スイッチング素子主電極間に電圧が印加された状態であることを前記搬送波の１／２周期以内に検出した場合または、前記制御部がオフ指令を出力している状態で前記スイッチング素子主電極間に電圧が印加されていないことを前記搬送波の１／２周期以内に検出した場合、変換器の運転モードに応じて前記スイッチング素子の短絡故障，開放故障または駆動部異常のいずれかを検出することを特徴とした半導体電力変換装置。
3. 請求項２において、半導体電力変換装置が運転状態となる以前の停止状態のときには前記制御部はオフ信号を出力し、この停止状態期間中に変換器主部の直流部を充電する初期充電部と、前記スイッチング信号を駆動する駆動部の電源を前記スイッチング素子の主電極間に印加される電圧から供給する駆動電源自給部を有し、前記比較する手段は主部直流部が前記初期充電部により充電開始してから一定期間以内は故障を検出しないように構成することを特徴とした半導体電力変換装置。
4. 請求項３において、前記各スイッチング素子の主電極間に所定の電圧以上印加されていることを検出する電圧印加検出部を、前記駆動部の電源を前記スイッチング素子の主電極間に印加される電圧から供給する電流としたことを特徴とする半導体電力変換装置。
5. 請求項１乃至４のいずれかにおいて、半導体電力変換装置が運転状態となる以前の停止状態で主部の交流端子に交流電圧が印加されるフローティング状態が存在する場合は、フローティング状態を認識し前記交流電圧の１周期以内は故障を検出しないように構成したことを特徴とした半導体電力変換装置。
6. 請求項１乃至５のいずれかにおいて、前記制御部から出力される前記スイッチング素子のオン・オフ指令がオフからオンに切り替わってから前記搬送波の１／４周期の期間に満たない一定の期間は故障を検出せず、または前記制御部から出力される前記スイッチング素子のオン・オフ指令がオフからオンに切り替わってから前記搬送波の１／４周期の期間に満たない一定の期間は故障を検出しないように構成したことを特徴とした半導体電力変換装置。
7. 請求項１乃至６のいずれかにおいて、同時にオン・オフを行うスイッチング素子が３個以上直列に接続され、この直列接続されたスイッチング素子が短絡故障した場合であっても直列接続された他のスイッチング素子が健全で有る場合であり、かつ半導体電力変換装置が運転を継続可能な場合は、短絡故障を検出しないように構成したことを特徴とした半導体電力変換装置。
8. 請求項１乃至７のいずれかにおいて、ゲート電極に入力されるオン・オフ指令に基づいてスイッチングを行い、前記複数の半導体スイッチング素子は、信号波と搬送波を比較演算し出力するものであり、さらに、前記制御部と、前記スイッチング素子のそれぞれのゲート電極に接続され前記制御部の出力するオン・オフ指令に基づいて前記スイッチング素子を駆動する駆動部と、前記駆動部の電源を低圧電源からひとつもしくは複数の高耐圧絶縁変圧器を介して供給する駆動電源供給部を有し、前記電圧検出手段が検出した信号を前記駆動部内部で増幅した状態信号として前記異常判断に用いることを特徴とした半導体電力変換装置。
9. 所定信号に基づいてスイッチング信号を出力する制御部と、前記スイッチング信号に応じて動作する互いに直列に接続された半導体スイッチング素子と、前記各スイッチング素子の主電極間に所定以上の電圧が印加されていることを検出する電圧印加検出部と、所定の範囲を設定する範囲設定部と、前記スイッチング信号状態に基づいて、前記設定された範囲での前記検出がされた電圧印加の有無に応じて、異常を判断する異常判断部を有することを特徴とするスイッチング装置。
10. 所定の周期信号及び信号波に基づいてスイッチング信号を出力し、前記スイッチング信号に応じて互いに直列に接続された半導体スイッチング素子を動作させ、前記各スイッチング素子の主電極間に所定以上の電圧が印加されていることを検出し、前記周期信号の周期のなかの一部に相当する範囲を設定し、前記スイッチング信号の状態に基づいて、前記設定された範囲での前記検出がされた電圧印加の有無に応じて、異常を判断する半導体電力変換方法。
11. 所定信号に基づいてスイッチング信号を出力し、前記スイッチング信号に応じて互いに直列に接続された半導体スイッチング素子を動作させ、前記各スイッチング素子の主電極間に所定以上の電圧が印加されていることを検出し、所定の範囲を設定し、前記スイッチング信号状態に基づいて、前記設定された範囲での前記検出がされた電圧印加の有無に応じて、異常を判断するスイッチング装置。
    

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