JP2008301617A - 電力変換器の保護装置 - Google Patents

Abstract

【課題】ロゴスキーコイルを用いて精度よく短絡を検出し、より精度よく短絡保護ができる電力変換器の保護装置を提供することである。
【解決手段】スイッチング素子１のターンオン時におけるロゴスキーコイル７で検出したスイッチング素子の正方向の電流変化を入力し、第１の比較手段５ａで正基準電圧と比較し、第２の比較手段５ｂで負基準電圧と比較する。短絡判定手段６は、第１の比較手段５ａ及び第２の比較手段５ｂの比較結果に基づいて、スイッチング素子１の正方向の電流変化が正基準電圧を超え、スイッチング素子１の負方向の電流変化の絶対値が負基準電圧の絶対値より小さいときは短絡であると判定し、ゲート回路３を介して短絡保護を行う。
【選択図】 図１

Description

本発明は、フライホールダイオードが並列接続されたスイッチング素子のゲート電圧をゲート回路により制御することにより負荷電流を制御する電力変換器の短絡を保護する電力変換器の保護装置に関する。

電力用スイッチング素子を応用した電力変換器は、スイッチング素子の大容量化や高速化に伴い、その応用範囲を着実に広げている。このような電力用スイッチング素子としては、特に、ＭＯＳゲート型のスイッチング素子であるＩＧＢＴやＭＯＳＦＥＴがある。

ＩＧＢＴやＭＯＳＦＥＴは、オン・オフ状態を自己継続しないノンラッチング型のスイッチング素子であり、サイリスタ等のラッチング型のスイッチング素子に比べて、ゲート駆動による高い制御性が可能な点が大きな利点である。短絡時においても、ゲート電圧を絞ることにより短絡電流を減じることができるため、ＩＧＢＴ素子のゲート電圧を絞ることによる短絡保護方式を適用したインバータが実用化されている。

電力変換器の保護装置として、ロゴスキーコイルを応用して短絡保護を行うようにしたものがある（例えば、特許文献１参照）。これは、ロゴスキーコイルでスイッチング素子を流れる主電流の電流変化率を検出し、ロゴスキーコイルの出力電圧を基にスイッチング素子を短絡電流が流れていることを検出するものである。

図８は、そのような従来の電力変換器の保護装置の構成図である。スイッチング素子１はゲート回路３によって駆動され、短絡を検出するために、電流を計測するロゴスキーコイル７及び短絡検出器１２を備えている。直流電圧を短絡する事故が発生したとすると、ロゴスキーコイル７はスイッチング素子１に流れる主電流の電流変化を検出し短絡検出器１２に出力する。

すなわち、ロゴスキーコイル７で検出される検出信号は電流の時間変化に比例する電圧であり、主電流は積分することで得られる。このため、スイッチング素子１が短絡したとき、そのロゴスキーコイル７の出力を積分した結果がある値よりも大きければ、短絡電流が流れたと判断できる。これにより、ゲート電圧を低く絞り、即座に遮断することで、スイッチング素子１を短絡から保護するようにしている。このように、短絡時にはロゴスキーコイル７の出力を積分することによって、スイッチング素子１を短絡から保護している。
特開２００１−１６９５３３号公報

しかし、従来のものでは、ロゴスキーコイル７の出力を積分することで電流を検出して短絡検出を行い、スイッチング素子１を保護するものであるので、ロゴスキーコイル７では正確な電流を計測できず短絡保護が失敗することがある。

ロゴスキーコイル７の出力電圧は主電流の電流変化に比例するので、実際の電流はその出力を積分することで得るようにしている。すなわち、ロゴスキーコイル７で検出することができるのは電流変化であり、直流電流のように電流が変化しなければ計測することはできない。また、変化分のみが出力されるので、ある期間にどれだけ電流値が変化したかは分かっても、直流成分が分からないため、正確な電流値を計測することはできない。

このため、ある電流値で短絡保護を行うように検出レベルを設定したとしても、ゼロレベルでの電流値が分からないために、実際に保護を行いたいレベルで正しく保護を行うことができないことがある。この結果、短絡保護が遅れ、スイッチング素子１にストレスを与える場合がある。最悪の場合、短絡保護が間に合わずスイッチング素子１を破壊してしまうことが考えられる。

本発明の目的は、ロゴスキーコイルを用いて精度よく短絡を検出し、より精度よく短絡保護ができる電力変換器の保護装置を提供することである。

本発明の電力変換器の保護装置は、フライホールダイオードが並列接続されたスイッチング素子のゲート電圧をゲート回路により制御することにより負荷電流を制御する電力変換器の短絡を保護する電力変換器の保護装置において、スイッチング素子の素子電流を検出するためのロゴスキーコイルと、スイッチング素子のターンオン時における前記フライホイールダイオードの逆回復状態による前記スイッチング素子の正方向の電流変化と正基準電圧とを比較する第１の比較手段と、スイッチング素子のターンオン時における前記フライホイールダイオードの逆回復状態による前記スイッチング素子の負方向の電流変化と負基準電圧とを比較する第２の比較手段と、前記第１の比較手段の比較結果及び前記第２の比較手段の比較結果に基づいて前記スイッチング素子の正方向の電流変化が正基準電圧を超え前記スイッチング素子の負方向の電流変化の絶対値が負基準電圧の絶対値より小さいときは短絡であると判定し前記ゲート回路を介して短絡保護を行う短絡判定手段とを具備することを特徴とする。

本発明によれば、ロゴスキーコイルの出力により、精度よく短絡検出が可能となり、より精度のよいスイッチング素子の短絡保護が可能となる。

（第１の実施の形態）
図１は本発明の第１の実施の形態に係わる電力変換器の保護装置の構成図である。スイッチング素子１にはフライホールダイオード（ＦＷＤ）２が並列接続されており、スイッチング素子１はゲート回路３によって駆動される。すなわち、スイッチング素子１のゲート電圧をゲート回路により制御することにより負荷電流を制御する。また、ロゴスキーコイル７はスイッチング素子１のエミッタ側に設置され、そこを流れる素子電流Ｉｃの電流変化を電圧値Ｖｒとして検出する。

ロゴスキーコイル７で検出された素子電流Ｉｃの電流変化（ロゴスキーコイル出力Ｖｒ）は、第１の比較手段５ａ及び第２の比較手段５ｂに入力される。そして、第１の比較手段５ａで正基準電圧発生手段４ａからの正基準電圧と比較され、第２の比較手段５ｂで負基準電圧発生手段４ｂからの負基準電圧と比較される。

第１の比較手段５ａの比較結果及び第２の比較手段５ｂの比較結果は短絡判定手段６に入力され、短絡判定手段６は第１の比較手段５ａの比較結果及び第２の比較手段５ｂの比較結果に基づいて短絡が発生しているか否かを判定し、短絡が発生しているときはゲート回路３を介して短絡保護を行う。すなわち、短絡判定手段６は、スイッチング素子１の正方向の電流変化が正基準電圧を超え、スイッチング素子１の負方向の電流変化の絶対値が負基準電圧の絶対値より小さいときは短絡であると判定し、ゲート回路３を介して短絡保護を行う。

図２は、通常時におけるスイッチング素子１の素子電流Ｉｃとロゴスキーコイル７の出力Ｖｒの波形図である。スイッチング素子の素子電流Ｉｃはスイッチング素子１がターンオンしたとき（時点ｔ１）、電流は急峻な傾きで流れる。これは、スイッチング素子１と対となるアームのＦＷＤ２が逆回復状態にあり、スイッチング素子１と対となるアームのＦＷＤ２とで直流回路を短絡した状態となるためである。

ＦＷＤ２の逆回復に伴う電流変化は正負のパルスが連続的に出力される。時点ｔ２で正から負に変化する。この期間は、ＦＷＤ２の逆回復が完了するとともに速やかに終了する（時点ｔ３）。つまり、この時のロゴスキーコイル７の出力Ｖｒは、図２に示すように、ＦＷＤ２の逆回復に伴う電流変化を出力するため、タイミングｔ１〜ｔ３で正負のパルスが連続的に出力される。

ここで、図２では、電流波形の立ち上がりを正ととっているが、正負を逆にとっても同様に考えることができる。また、ＦＷＤ２の逆回復が終わったｔ３〜ｔ４の時には、オン時の傾きに比べ緩やかに電流は増大していくため、ロゴスキーコイル７の出力Ｖｒはほぼ０となる。

図３はスイッチング素子７が短絡したときのスイッチング素子１の素子電流Ｉｃとロゴスキーコイル７の出力Ｖｒの波形図である。スイッチング素子１が直流電圧を短絡した時には、定格電流の何倍もの電流がスイッチング素子１に流れる。

ロゴスキーコイル７の出力Ｖｒは、図３に示すように、短絡した瞬間に大きな電圧出力が得られる。この場合、通常のオンのときとは異なり、短時間で電流が低下することはなく、定格の何倍もの電流がオフを行うまで流れ続ける。このため、短絡時にはロゴスキーコイル７の出力Ｖｒが連続的に大きく正負とは変化せず、立ち上がり時に大きく正方向に振れるが、負方向にはわずかしか変化しない。

つまり、このロゴスキーコイル７の出力Ｖｒが正負に大きく振れたかを判定することで、通常のオンか短絡かを判定できることになる。この判定を実現するために、第１の実施の形態では、ロゴスキーコイル７の出力を二つの第１の比較手段５ａ及び第２の比較手段５ｂに入力する。第１の比較手段５ａには正基準電圧発生手段４ａが入力され、第２の比較手段５ｂには負基準電圧発生手段４ｂの出力が入力され、それぞれロゴスキーコイル７の出力Ｖｒと比較される。

正基準電圧発生手段４ａは正基準電圧を出力し、負基準電圧発生手段４ａは負基準電圧を出力する。第１の比較手段５ａ及び第２の比較手段５ｂでは、そのレベルよりもロゴスキーコイル７の出力が大きいかを比較し、短絡判定手段６へ結果を出力する。短絡判定手段６では、まず正の基準電圧よりもロゴスキーコイル７の出力が大きいかを検出する。そして、検出された場合には、そこから指定した時間の間に、負の基準電圧よりロゴスキーコイル７の出力が小さい信号がなければ短絡とみなし、ゲート回路３によりゲート電圧を絞り短絡保護を行う。

第１の実施の形態によれば、ロゴスキーコイル７の出力Ｖｒの正負パルスの時間変化を検出するので、早期に短絡を検出しスイッチング素子１を保護することが可能になる。

（第２の実施の形態）
図４は本発明の第２の実施の形態に係わる電力変換器の保護装置の構成図である。この第２の実施の形態は、図１に示した第１の実施の形態に対し、短絡判定手段６で短絡であると判定するまでの時間を可変にする短絡検出時間変更手段８を追加して設けたものである。図１と同一要素には同一符号を付し重複する説明は省略する。

第１の実施の形態では、ロゴスキーコイル７の出力Ｖｒから短絡と判断するまでの時間は固定されていたが、第２の実施の形態では、図４に示すように、この時間を変更するための短絡検出時間変更手段８が追加されている。

スイッチング素子１が正常にオンした時の波形はスイッチング素子１の特性によって異なる。また、その時の負荷電流によってもＦＷＤ２の逆回復による波形は異なる。例えば、常温で電流が小さい時にはＦＷＤ２の逆回復による電流変化は大きいが、高温で電流が大きい時にはＦＷＤ２の逆回復による電流変化が小さく、負側の電流変化が出るまでの時間も長くなる。

そこで、短絡を検出するまでの時間を可変にすることで、ＦＷＤ２の逆回復の時間に合わせて検出時間を変化させることで、短絡保護までの時間を極力短くする。ＦＷＤ２の逆回復特性は電流値によって異なるため、負荷電流をもとに短絡検出までの時間を変化させると、スイッチング素子１の短絡耐量よりも前に短絡保護が可能となる。

第２の実施の形態によれば、負荷電流により短絡検出までの時間を変化させるので、早期に短絡を検出しスイッチング素子１を保護することが可能になる。

（第３の実施の形態）
図５は本発明の第３の実施の形態に係わる電力変換器の保護装置の構成図である。第３の実施の形態は、図４に示した第２の実施の形態に対し、温度検出手段９を設け、短絡判定手段６で短絡であると判定するまでの時間を可変にする短絡検出時間変更手段８は、スイッチング素子１の温度に基づいて、短絡と判定するまでの時間を可変にしたものである。図４と同一要素には同一符号を付し重複する説明は省略する。

図５に示すように、スイッチング素子の温度を検出するための温度検出手段９を追加して設け、短絡検出時間変更手段８は温度検出手段９で検出されたスイッチング素子１の温度に基づいて短絡と判定するまでの時間を可変に設定する。

スイッチング素子１が正常にオンした時の波形はスイッチング素子１の特性だけでなく温度によっても異なる。ＦＷＤ２の逆回復は常温の時に急峻に変化し、高温では変化がゆるやかとなる。このため、短絡の検出時間は高温でＦＷＤ２の逆回復が終わる時間に合わせることになる。また、常温ではＦＷＤ２の逆回復はより短時間で終わるため、常温での短絡検出はより短時間で行うことが可能である。

そこで、第３の実施の形態ではスイッチング素子１の温度検出手段９により検出された温度を基に短絡検出するまでの時間を変化させたものである。これにより、スイッチング素子１の現在の温度から適切な短絡検出時間を決定することで、短絡検出が可能となる。

第３の実施の形態によれば、スイッチング素子１の温度により短絡検出までの時間を変化させるので、早期に短絡を検出しスイッチング素子１を保護することが可能になる。

（第４の実施の形態）
図６は本発明の第４の実施の形態に係わる電力変換器の保護装置の構成図である。この第４の実施の形態は、図４に示した第２の実施の形態に対し、短絡判定手段６はスイッチング素子間の電圧に基づいて短絡保護を行うようにしたものである。図４と同一要素には同一符号を付し重複する説明は省略する。図６に示すように、スイッチング素子間の電圧を検出するための分圧抵抗１０ａ、１０ｂが追加して設けられている。

高電圧・大電力向けの電力変換器では複数個のスイッチング素子１が直列に接続して用いられてる。この場合、ロゴスキーコイル７を用いることで短絡保護は可能であるが、個々のスイッチング素子１が短絡保護に入るタイミングにはずれが生じるので、例えば、他のスイッチング素子１よりも早く保護動作に入ったスイッチング素子１には過大な負担が生じることが考えられる。その結果、そのスイッチング素子１は破壊し短絡保護失敗となることがある。

そこで、第４の実施の形態では、このような事態を避けるために、スイッチング素子間の電圧を検出する分圧抵抗１０ａ、１０ｂを備え、短絡判定手段６は分圧抵抗１０ａ、１０ｂで検出されたスイッチング素子間の電圧に基づいて短絡保護を行う。

まず、スイッチング素子１が短絡したことをロゴスキーコイル７で検出し、短絡保護のためにゲート電圧を低く絞る。スイッチング素子１の電圧は分圧抵抗１０ａ、１０ｂにより検出されるので、ある値よりも大きい時には、ゲート電圧を高く戻しスイッチング素子１の電圧を抑える。これにより、スイッチング素子１への過大な負担を軽減する。

第４の実施の形態によれば、複数個のスイッチング素子１で短絡保護を行うタイミングが異なっても、スイッチング素子１が破壊することなく、短絡保護が可能になる。

（第５の実施の形態）
図７は本発明の第５の実施の形態に係わる電力変換器の保護装置の構成図である。この第７の実施の形態は、図４に示した第２の実施の形態に対し、短絡判定手段６はスイッチング素子１のゲート電圧に基づいて短絡保護を行うようにしたものである。図４と同一要素には同一符号を付し重複する説明は省略する。図７に示すように、ゲート電圧を検出するための電圧増幅器１１が追加して設けられている。

スイッチング素子１のゲート電圧は、ターンオフ過渡期においては、コレクタ電流に比例して大きくなる。スイッチング素子１が短絡した時、その時のコレクタ電流に応じてゲート電圧が上昇する。つまり、ゲート電圧を検出することによって間接的にコレクタ電流を検出できることになる。

大容量の電力変換器ではスイッチング素子１を並列に接続して用いることがあり、このような電力変換器において、いずれかのスイッチング素子１に短絡が発生して短絡保護が開始されると、その短絡保護を行う時間差によって、特定のスイッチング素子１へ電流が集中することが考えられる。特定のスイッチング素子１に電流が集中すると、スイッチング素子１にストレスを与え、電流の遮断時には過電圧が発生する。

そこで、短絡検出時にはゲート電圧も検出してスイッチング素子１に流れている電流を推測する。仮に通常時において電流を均等に分担しているのであれば、回路のインダクタンス及び主回路電圧を基に、スイッチング素子１に流れる電流は計算することができる。そして、均等に流れた時のゲート電圧よりも、検出されたゲート電圧が大きければ、そのスイッチング素子１には他のスイッチング素子１よりも大きな電流が流れていると判断できる。この場合には、ゲート電圧を通常の短絡保護レベルよりも低く絞ることで電流を抑える。逆に、スイッチング素子１に流れている電流が小さいと検出されたら、通常の短絡保護レベルよりも高い値で短絡保護を行うことで、電流の均等化を図ることができる。

第５の実施の形態によれば、ゲート電圧を同時に検出することで、スイッチング素子１の電流を均等化して短絡保護が可能になる。

以上述べた各々の実施の形態において、ロゴスキーコイル７はスイッチング素子１のエミッタ側に設置した場合を示したが、スイッチング素子１の素子電流Ｉｃの時間変化を計測できる位置であれば、どこに入れてもよい。なお、ロゴスキーコイル７をコレクタ側に入れると、スイッチング素子１のスイッチングによる電圧変化の影響で正確な測定が困難となるので、望ましくは、スイッチング素子１のエミッタ側へロゴスキーコイル７を挿入する。これにより、正確な電流検出が可能となる。

また、各々の実施の形態において、スイッチング素子としてはＩＧＢＴを例にとって説明したが、ＩＧＢＴに限らず電圧で制御されるノンラッチング型のスイッチング素子であれば、ＭＯＳＦＥＴなどにも同様に適用できる。

本発明の第１の実施の形態に係わる電力変換器の保護装置の構成図。 本発明の第１の実施の形態での通常時におけるスイッチング素子の素子電流Ｉｃとロゴスキーコイルの出力Ｖｒの波形図。 本発明の第１の実施の形態でのスイッチング素子が短絡したときのスイッチング素子の素子電流Ｉｃとロゴスキーコイルの出力Ｖｒの波形図。 本発明の第２の実施の形態に係わる電力変換器の保護装置の構成図。 本発明の第３の実施の形態に係わる電力変換器の保護装置の構成図。 本発明の第４の実施の形態に係わる電力変換器の保護装置の構成図。 本発明の第５の実施の形態に係わる電力変換器の保護装置の構成図。 従来の電力変換器の保護装置の構成図。

符号の説明

１…スイッチング素子、２…フライホイールダイオード、３…ゲート回路、４ａ、４ｂ…基準電圧発生手段、５ａ、５ｂ…比較手段、６…短絡判定手段、７…ロゴスキーコイル、８…短絡検出時間変更手段、９…温度検出手段、１０ａ、１０ｂ…分圧抵抗、１１…電圧増幅器、１２…短絡検出器

Claims (7)

1. フライホールダイオードが並列接続されたスイッチング素子のゲート電圧をゲート回路により制御することにより負荷電流を制御する電力変換器の短絡を保護する電力変換器の保護装置において、スイッチング素子の素子電流を検出するためのロゴスキーコイルと、スイッチング素子のターンオン時における前記フライホイールダイオードの逆回復状態による前記スイッチング素子の正方向の電流変化と正基準電圧とを比較する第１の比較手段と、スイッチング素子のターンオン時における前記フライホイールダイオードの逆回復状態による前記スイッチング素子の負方向の電流変化と負基準電圧とを比較する第２の比較手段と、前記第１の比較手段の比較結果及び前記第２の比較手段の比較結果に基づいて前記スイッチング素子の正方向の電流変化が正基準電圧を超え前記スイッチング素子の負方向の電流変化の絶対値が負基準電圧の絶対値より小さいときは短絡であると判定し前記ゲート回路を介して短絡保護を行う短絡判定手段とを具備することを特徴とする電力変換器の保護装置。
2. 前記短絡判定手段で短絡であると判定するまでの時間を可変にする短絡検出時間変更手段を設けたことを特徴とする請求項１記載の電力変換器の保護装置。
3. 前記短絡検出時間変更手段は、負荷電流に基づいて、短絡と判定するまでの時間を可変にしたことを特徴とする請求項２記載の電力変換器の保護装置。
4. 前記短絡検出時間変更手段は、前記スイッチング素子の温度に基づいて、短絡と判定するまでの時間を可変にしたことを特徴とする請求項２記載の電力変換器の保護装置。
5. 前記短絡判定手段は、前記スイッチング素子間の電圧に基づいて短絡保護を行うことを特徴とする請求項１記載の電力変換器の保護装置。
6. 前記短絡判定手段は、前記スイッチング素子のゲート電圧に基づいて短絡保護を行うことを特徴とする請求項１記載の電力変換器の保護装置。
7. 前記ロゴスキーコイルは、前記スイッチング素子のエミッタ側に設置されたことを特徴とする電力変換器の保護装置。

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