JP2009153257A - Short circuit protection circuit of power converter - Google Patents

Short circuit protection circuit of power converter Download PDF

Info

Publication number
JP2009153257A
JP2009153257A JP2007327132A JP2007327132A JP2009153257A JP 2009153257 A JP2009153257 A JP 2009153257A JP 2007327132 A JP2007327132 A JP 2007327132A JP 2007327132 A JP2007327132 A JP 2007327132A JP 2009153257 A JP2009153257 A JP 2009153257A
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
circuit
voltage
voltage dividing
short circuit
short
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Granted
Application number
JP2007327132A
Other languages
Japanese (ja)
Other versions
JP5444612B2 (en
Inventor
Masato Asada
雅人 浅田
Masashi Kato
昌史 加藤
Mitsuru Daiguji
充 大宮司
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Fuji Electric Co Ltd
Original Assignee
Fuji Electric Systems Co Ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Fuji Electric Systems Co Ltd filed Critical Fuji Electric Systems Co Ltd
Priority to JP2007327132A priority Critical patent/JP5444612B2/en
Publication of JP2009153257A publication Critical patent/JP2009153257A/en
Application granted granted Critical
Publication of JP5444612B2 publication Critical patent/JP5444612B2/en
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To reduce a device capacity by shortening a delay time of voltage detection in a short circuit protection circuit of a power converter, and to use an element which is small in short circuit resistance amount. <P>SOLUTION: A voltage dividing circuit formed by serially connecting a voltage dividing part 41 composed of at least one of parallel connected circuits connected with resistors R1 to Rn and capacitors C1 to Cn, and a detecting part 42 composed of at least one of the parallel connected circuits connected with the resistor Rd and the capacitor Cd is connected to the output side of a semiconductor switching element 3A in parallel with each other, time constants of the voltage dividing part 41 and the detection part 42 are equalized, a variable resistor 24 for adjusting the displacement of these time constants is arranged, and the delay time of the detection is shortened. <P>COPYRIGHT: (C)2009,JPO&amp;INPIT

Description

この発明は、電圧駆動型半導体素子をスイッチング素子として用いた電力変換装置、特にその短絡保護回路に関する。   The present invention relates to a power conversion device using a voltage-driven semiconductor element as a switching element, and more particularly to a short-circuit protection circuit thereof.

この種の従来例として、例えば特許文献1,2に示すものがある。
図3に、これらに記載のものと同様の原理に基づく例を示す。同図において、1は直流電源、2はオフ回路21,フィルタ22および保護回路23などからなるゲート駆動回路(GDU)、3A,3BはFETやIGBTなどの自己消弧素子からなるスイッチング素子(図はIGBTの例)、4は分圧抵抗RAと検出抵抗RBとの直列回路からなる分圧回路である。
As this type of conventional example, there are those shown in Patent Documents 1 and 2, for example.
FIG. 3 shows an example based on the same principle as described above. In the figure, 1 is a DC power source, 2 is a gate drive circuit (GDU) comprising an off circuit 21, a filter 22 and a protection circuit 23, and 3A and 3B are switching elements comprising self-extinguishing elements such as FETs and IGBTs (FIG. Is an example of IGBT), and 4 is a voltage dividing circuit comprising a series circuit of a voltage dividing resistor RA and a detection resistor RB.

図3では、ゲート駆動回路2(GDU)により上アームIGBT(3A)および下アームIGBT(3B)をオン・オフ制御して、直流電源1から入力された直流電力を交流電力に変換して出力するインバータ回路が構成されている。そして、上アームIGBT(3A)の出力側のコレクタ・エミッタ間に並列接続された分圧回路4を介して上アームIGBT(3A)のコレクタ−エミッタ間電圧(VCE)を検出する構成が示されている。なお、図3では示されていないが、下アームIGBT(3B)についても、図3と同様な短絡保護回路が設けられる。 In FIG. 3, the upper arm IGBT (3A) and the lower arm IGBT (3B) are on / off controlled by the gate drive circuit 2 (GDU), and the DC power input from the DC power source 1 is converted into AC power and output. An inverter circuit is configured. A configuration is shown in which the collector-emitter voltage (V CE ) of the upper arm IGBT (3A) is detected via a voltage dividing circuit 4 connected in parallel between the collector and emitter on the output side of the upper arm IGBT (3A). Has been. Although not shown in FIG. 3, a short circuit protection circuit similar to that in FIG. 3 is also provided for the lower arm IGBT (3B).

図3における短絡保護回路の動作は次の通りである。すなわち、分圧回路4により素子3Aのコレクタ−エミッタ間電圧(VCE)を検出し、この検出信号を保護回路23において素子点弧指令と比較して、保護を行なうかどうかを判断する。つまり、IGBTが正常な場合、オン状態でVCEは数V程度であるが、図3の矢印I(出力短絡)や、II(下アームの素子故障)等により、上アームのIGBTに事故電流が流れると、健全な上アームIGBTの端子電圧VCEが大きくなる特性がある(図4参照)。 The operation of the short circuit protection circuit in FIG. 3 is as follows. That is, the voltage between the collector and emitter (V CE ) of the element 3A is detected by the voltage dividing circuit 4, and this detection signal is compared with the element firing command in the protection circuit 23 to determine whether or not protection is to be performed. In other words, when the IGBT is normal, V CE is about several volts in the on state. However, due to the arrow I (output short circuit) or II (lower arm element failure) in FIG. Current flows, the terminal voltage V CE of the healthy upper arm IGBT increases (see FIG. 4).

図3はこのような特性を利用するもので、IGBTの点弧指令がオンであるにも拘らず、VCEが大きいときは異常と判断し、オフ回路21にその旨の信号を送出する。
なお、保護回路23には、入力されるVCE検出信号の大きさを閾値Vth1で判別するコンパレータ機能が内蔵されている。また、保護回路23とオフ回路21との間には、正常時における通常のスイッチングでの誤動作を防止するためのフィルタ22が介装されている。
FIG. 3 uses such a characteristic. When VCE is large even though the IGBT ignition command is on, it is determined that there is an abnormality, and a signal to that effect is sent to the off circuit 21.
Note that the protection circuit 23 has a built-in comparator function that determines the magnitude of the input VCE detection signal based on the threshold value Vth1. In addition, a filter 22 is interposed between the protection circuit 23 and the off circuit 21 to prevent malfunction during normal switching during normal operation.

IGBT電圧VCEの検出信号を保護回路23に導入するに当たり、高電圧のIGBT電圧を低電圧のゲート駆動回路2に取り込むため、IGBT電圧VCEを分圧する回路方式を採用している。この分圧回路4には抵抗を使用し、分圧のための抵抗RAと検出のための抵抗RBとを直列に接続している。
図5は図3の動作を説明するための各部波形図で、同(a)は正常時、同(b)は短絡時を示している。
Upon introducing the detection signal of the IGBT voltage V CE to the protection circuit 23, for capturing an IGBT voltage of the high voltage to the gate drive circuit 2 of the low voltage, it employs a circuit scheme for dividing the IGBT voltage V CE. A resistor is used for the voltage dividing circuit 4, and a resistor RA for voltage division and a resistor RB for detection are connected in series.
5A and 5B are waveform diagrams for explaining the operation of FIG. 3. FIG. 5A shows a normal state and FIG. 5B shows a short circuit.

図5(a)に示されるように、正常時における通常のスイッチングとして、上アームIGBT(3A)に対する素子点弧指令がオフからオンになったとき、上アームIGBT(3A)の電圧VCEは、オフ状態の高い電圧レベルからオン状態の低い電圧レベルに低下するが、後述する分圧回路における浮遊容量CSの存在などにより、VCE検出信号は、電圧VCE自体の低下よりも遅れて低下する。保護回路23は、「IGBTの点弧指令がオンであること」と「VCE検出信号が閾値Vth1以上であること」とのAND条件に基づいて異常判断信号を出力するように構成されているため、VCE検出信号が閾値Vth1より低い電圧レベルに低下するまでは異常判断信号が出力され続ける。 As shown in FIG. 5A, when the element firing command for the upper arm IGBT (3A) is switched from OFF to ON as normal switching at normal time, the voltage V CE of the upper arm IGBT (3A) is The voltage decreases from the high voltage level in the off state to the low voltage level in the on state, but the V CE detection signal is delayed from the decrease in the voltage V CE itself due to the presence of the stray capacitance C S in the voltage dividing circuit described later. descend. The protection circuit 23 is configured to output an abnormality determination signal based on an AND condition that “IGBT ignition command is ON” and “V CE detection signal is greater than or equal to threshold Vth1”. Therefore, until the V CE detection signal drops to a voltage level lower than the threshold Vth1 is abnormality determination signal continues to be outputted.

一方、保護回路23の出力側には時定数要素を有するフィルタ22が設けられており、保護回路23からの異常判断信号の立ち上がりを遅らせた波形の信号がフィルタ22からオフ回路21に向けて出力される。そして、VCE検出信号が閾値Vth1より低い電圧レベルに低下して保護回路23からの異常判断信号の出力が停止するまでの間、フィルタ22の出力信号のレベルがオフ回路21の閾値Vth2以上とならないように、フィルタ22の時定数を設定することにより、正常時における通常のスイッチングで誤ったオフ動作が発生しないようにしている。 On the other hand, a filter 22 having a time constant element is provided on the output side of the protection circuit 23, and a signal having a waveform in which the rise of the abnormality determination signal from the protection circuit 23 is delayed is output from the filter 22 to the off circuit 21. Is done. Then, V CE until the detection signal is output from the abnormality judgment signals from the protection circuit 23 decreases the voltage level lower than the threshold Vth1 is stopped, the level of the output signal of the filter 22 is more than the threshold value Vth2 of the off-circuit 21 and By setting the time constant of the filter 22 so as not to occur, an erroneous OFF operation is prevented from occurring in normal switching at the normal time.

次に、図5(b)で示されるように、上アームIGBT(3A)に対する素子点弧指令がオンになっている状態で出力短絡が発生したとき、上アームIGBT(3A)の電圧VCEは、正常なオン状態の低い電圧レベルから異常状態の高い電圧レベルに上昇するが、分圧回路における浮遊容量CSの存在などにより、VCE検出信号は、端子電圧VCE自体の上昇よりも遅れて上昇する。保護回路23は、「IGBTの点弧指令がオンであること」と「VCE検出信号が閾値Vth1以上であること」とのAND条件に基づいて異常判断信号を出力するように構成されているため、VCE検出信号が閾値Vth1に到達した時点で異常判断信号が立ち上がる。 Next, as shown in FIG. 5B, when an output short circuit occurs when the element firing command for the upper arm IGBT (3A) is on, the voltage V CE of the upper arm IGBT (3A) Increases from a normal low voltage level in the ON state to a high voltage level in an abnormal state, but the V CE detection signal is higher than the increase in the terminal voltage V CE itself due to the presence of the stray capacitance C S in the voltage dividing circuit. Ascend late. The protection circuit 23 is configured to output an abnormality determination signal based on an AND condition that “IGBT ignition command is ON” and “V CE detection signal is greater than or equal to threshold Vth1”. Therefore, the abnormality judgment signal rises when V CE detection signal reaches the threshold value Vth1.

そして、フィルタ22からは、上記の保護回路23からの異常判断信号の立ち上がりを遅らせた波形の信号がオフ回路21に向けて出力されるので、フィルタ22の出力信号のレベルがオフ回路21の閾値Vth2に到達してオフ動作が開始するタイミングはさらに遅くなる。なお、図5(b)で説明した動作は、上アームIGBT(3A)に対する素子点弧指令がオンになっている状態で下アームの素子故障が発生した場合も同様である。   Then, since the filter 22 outputs a signal having a waveform obtained by delaying the rise of the abnormality determination signal from the protection circuit 23 toward the off circuit 21, the level of the output signal of the filter 22 is the threshold value of the off circuit 21. The timing when the OFF operation starts after reaching Vth2 is further delayed. The operation described with reference to FIG. 5B is the same when an element failure occurs in the lower arm while the element firing command for the upper arm IGBT (3A) is on.

特開平10−257779号公報Japanese Patent Laid-Open No. 10-257779 特開平05−219752号公報Japanese Patent Laid-Open No. 05-219752

ところで、図3ではVCEを抵抗だけの分圧で検出するようにしているため、図3に点線で示すような浮遊容量CSが存在すると、分圧比が大きい場合は低圧側に影響を与え、VCEの検出に遅れが生じることになるが、その遅れが大きい場合には、下記のような問題が発生する。 By the way, in FIG. 3, V CE is detected by the partial voltage of the resistor alone. Therefore, if the stray capacitance C S as shown by the dotted line in FIG. 3 exists, if the voltage division ratio is large, the low voltage side is affected. Although so that delay in detection of V CE, when the delay is large, the following problems occur.

例えば図5の正常時において、分圧回路における浮遊容量CSの存在によりVCE検出信号の遅れが大きくなると、通常のスイッチングで点弧指令オンにより上アームIGBT(3A)がオンとなった後、IGBT(3A)のオン状態に対応する低い電圧レベルに向かって低下するVCE検出信号の応答遅れが大きくなる。この場合、VCE検出信号が保護回路23の閾値Vth1以上にある状態が長く継続することになり、その間、「IGBTの点弧指令がオンであること」と「VCE検出信号が閾値Vth1以上であること」とのAND条件に基づく異常判断信号が保護回路23から出力され続けることになる。このため、フィルタ22の時定数の設定によっては、フィルタ22の出力信号がオフ回路21の閾値Vth2以上となってオフ回路21を誤動作させる場合がある。そして、このような通常のスイッチングでの誤動作を防止するためには、フィルタ22の時定数を大きくせざるを得ないことになる。 For example, in the normal state of FIG. 5, when the delay of the VCE detection signal becomes large due to the presence of the stray capacitance C S in the voltage dividing circuit, the upper arm IGBT (3A) is turned on by the ignition command being turned on in normal switching. The response delay of the VCE detection signal that decreases toward a low voltage level corresponding to the on state of the IGBT (3A) increases. In this case, the state in which the V CE detection signal is equal to or higher than the threshold value Vth1 of the protection circuit 23 continues for a long time, and during that time, “IGBT ignition command is ON” and “ VCE detection signal is equal to or higher than the threshold value Vth1. The abnormality determination signal based on the AND condition “is that” is continuously output from the protection circuit 23. For this reason, depending on the setting of the time constant of the filter 22, the output signal of the filter 22 may be equal to or higher than the threshold value Vth2 of the off circuit 21, and the off circuit 21 may malfunction. In order to prevent such malfunction during normal switching, the time constant of the filter 22 must be increased.

なお、上記の点において、VCE検出信号の遅れをもたらす,分圧抵抗と浮遊容量CSとで定まる固定の定数(遅れ)を装置として規定することができるのであれば、フィルタ22の時定数の設定において、上記の固定の定数(遅れ)に基づき、通常のスイッチングでの誤動作を確実に防止することができる範囲で極力小さい時定数値とすることができる。しかしながら、実際には、分圧回路における浮遊容量CSは、分圧抵抗の構造や設置条件によって値が異なるため、分圧抵抗と浮遊容量CSとで定まる固定の定数(遅れ)を装置として規定することはできない。このため、通常のスイッチングでの誤動作を確実に防止するためには、上記の固定の定数(遅れ)が装置ごとに異なることも考慮して、より大きな余裕分を含ませてフィルタ22の時定数を設定することが必要になるので、フィルタ22の実際の時定数はより大きなものとせざるを得なくなる。 In the above point, if a fixed constant (delay) determined by the voltage dividing resistor and the stray capacitance C S that causes a delay of the V CE detection signal can be defined as a device, the time constant of the filter 22 In this setting, based on the above-mentioned fixed constant (delay), the time constant value can be made as small as possible within a range in which malfunction in normal switching can be surely prevented. However, in actuality, the value of the stray capacitance C S in the voltage dividing circuit varies depending on the structure of the voltage dividing resistor and the installation conditions. Therefore, a fixed constant (delay) determined by the voltage dividing resistor and the stray capacitance C S is used as the device. It cannot be specified. For this reason, in order to surely prevent malfunction in normal switching, the time constant of the filter 22 is included with a larger margin in consideration of the fact that the fixed constant (delay) is different for each device. Therefore, it is necessary to set the actual time constant of the filter 22 to be larger.

一方、短絡時には、健全素子のON指令中のVCE検出信号増大を高速に検出し、IGBTの短絡耐量、すなわち、短絡による過電流の流れ始めから素子破壊までに到る時間より短い時間でオフさせ、装置の短絡事故を防止する必要がある。ここで、IGBTの短絡耐量は数十μs程度である。分圧回路における浮遊容量CSの存在によりVCE検出信号の遅れが大きいと、出力短絡による上アームIGBT(3A)の電圧VCEの上昇に対するVCE検出信号の上昇の遅れが大きくなるので、VCE検出信号が保護回路23の閾値Vth1に到達するタイミングの遅れも大きくなり、保護回路23の出力信号の立ち上がりタイミングの遅れも大きくなる。 On the other hand, at the time of a short circuit, the increase in the VCE detection signal during the ON command of the healthy element is detected at high speed, and the short circuit withstand capability of the IGBT, that is, the off time is shorter than the time from the start of overcurrent flow due to the short circuit It is necessary to prevent a short circuit accident of the device. Here, the short circuit withstand capability of the IGBT is about several tens of μs. If the delay of the V CE detection signal is large due to the presence of the stray capacitance C S in the voltage dividing circuit, the delay of the rise of the V CE detection signal with respect to the increase of the voltage V CE of the upper arm IGBT (3A) due to the output short circuit becomes large. delay timing V CE detection signal reaches the threshold value Vth1 of the protection circuit 23 also increases the delay of the rising timing of the output signal of the protection circuit 23 is also increased.

そして、フィルタ22の出力信号がオフ回路21の閾値Vth2に到達してオフ回路21によるオフ動作が始まるタイミングは、フィルタ22の時定数による遅れ分だけさらに遅れたタイミングとなるが、上記のように、分圧回路における浮遊容量CSの存在によるVCE検出信号の遅れが大きい場合には、通常のスイッチングでの誤動作を確実に防止するためのフィルタ22の時定数も大きく設定されているので、上述のフィルタ22の時定数による遅れ分も大きくなっている。 The timing at which the output signal of the filter 22 reaches the threshold value Vth2 of the off circuit 21 and the off operation by the off circuit 21 starts is a timing further delayed by the delay due to the time constant of the filter 22, as described above. When the delay of the V CE detection signal due to the presence of the stray capacitance C S in the voltage dividing circuit is large, the time constant of the filter 22 for reliably preventing malfunction in normal switching is also set large. The delay due to the time constant of the filter 22 is also increased.

このように、分圧回路における浮遊容量CSの存在によるVCE検出信号の遅れが大きい場合、出力短絡に対応するオフ動作の遅れも大きくなるので、素子の短絡耐量を超えてしまい、装置の短絡保護が不可能になることがないようにするために、IGBTなどのスイッチング素子として短絡耐量の大きい(長い)素子を選定することが必要になるという問題があった。 As described above, when the delay of the VCE detection signal due to the presence of the stray capacitance C S in the voltage dividing circuit is large, the delay of the off operation corresponding to the output short circuit is also large, which exceeds the short circuit withstand capability of the device. In order to prevent the short-circuit protection from becoming impossible, there is a problem that it is necessary to select an element having a large short circuit resistance (long) as a switching element such as an IGBT.

したがって、この発明の課題は、電力変換装置の短絡保護回路における電圧検出遅れの時間を短縮して装置容量を小さくできるようにすること、短絡耐量の小さい(短い)素子の使用を可能にすることなどにある。   Accordingly, an object of the present invention is to reduce the time of voltage detection delay in a short circuit protection circuit of a power conversion device so that the device capacity can be reduced, and to enable use of an element having a short circuit resistance (short). Etc.

このような課題を解決するため、請求項1の発明では、電力変換装置の各アームを構成する半導体スイッチング素子の出力電圧を検出し、この検出電圧と素子点弧指令との関係に基づき短絡保護動作を行なう電力変換装置の短絡保護回路において、
抵抗とコンデンサとの並列接続回路の少なくとも1つからなる分圧部と,抵抗とコンデンサとの並列接続回路の少なくとも1つからなる検出部とを直列接続してなる分圧回路を、前記半導体スイッチング素子の出力側に並列接続するとともに、前記分圧部と検出部の各時定数を互いに等しくし、かつこれらの時定数のずれを調整するための調整手段を設けたことを特徴とする。
この請求項1の発明においては、前記調整手段を可変抵抗器とすることができる(請求項2の発明)
In order to solve such a problem, the invention according to claim 1 detects the output voltage of the semiconductor switching element constituting each arm of the power converter, and short-circuit protection based on the relationship between the detected voltage and the element firing command. In the short circuit protection circuit of the power conversion device that operates,
A voltage dividing circuit formed by serially connecting a voltage dividing unit composed of at least one of a parallel connection circuit of a resistor and a capacitor and a detection unit consisting of at least one of a parallel connection circuit of a resistor and a capacitor. In addition to being connected in parallel to the output side of the element, there is provided adjusting means for making the time constants of the voltage dividing section and the detecting section equal to each other and adjusting the deviation of these time constants.
In the invention of claim 1, the adjusting means can be a variable resistor (invention of claim 2).

(a)この発明による電力変換装置の短絡保護回路における「各アームの半導体スイッチング素子の出力電圧と素子点弧指令との関係に基づき短絡保護動作を行なう」短絡保護方式は、ヒューズを用いる従来の短絡保護方式に比べ、次のような利点を有するものである。
(a1)短絡保護のためのヒューズが不要であることから、装置内のインダクタンスを小さくすることができる。
(a2)ヒューズよりも高速な保護動作が可能であることから、装置容量を小さくすることができる。
(a3)ヒューズよりも高速な保護動作が可能であることから、短絡時により小さい電流で遮断することができるので、短絡時に流れる電流により発生する電磁機械力が小さくなり装置内のブスバーのサイズも小さくすることができる。
(A) In the short circuit protection circuit of the power conversion device according to the present invention, the short circuit protection method “performs the short circuit protection operation based on the relationship between the output voltage of the semiconductor switching element of each arm and the element firing command” is a conventional short circuit protection method. Compared to the short-circuit protection method, it has the following advantages.
(A1) Since a fuse for short circuit protection is unnecessary, the inductance in the device can be reduced.
(A2) Since the protection operation can be performed at a higher speed than the fuse, the device capacity can be reduced.
(A3) Since the protection operation can be performed at a speed higher than that of the fuse, it can be cut off with a smaller current at the time of the short circuit, so that the electromagnetic mechanical force generated by the current flowing at the time of the short circuit is reduced, and the size of the bus bar in the apparatus is also reduced Can be small.

(b)そして、この発明は、ヒューズを用いる方式に比べ上記(a)の利点を有する「各アームの半導体スイッチング素子の出力電圧と素子点弧指令との関係に基づき短絡保護動作を行なう」方式において、さらに、電圧検出用分圧回路の浮遊容量による出力電圧の検出遅れを考慮して、電圧検出用分圧回路の分圧部および検出部をそれぞれ抵抗とコンデンサとの並列回路の少なくとも1つからなる構成とするとともに、分圧部と検出部の各時定数を互いに等しくし、かつこれらの時定数のずれを調整するための調整手段を設けるようにしている。これにより、この発明は、出力電圧の検出遅れ時間を短縮し、短絡時により小さい電流で遮断することができるようにして、電力変換装置の装置容量をより小さくすることができるとともに、短絡耐量のより小さい(短い)素子を使用することができるので、電力変換装置の短絡保護回路としてより好適な構成となっている。   (B) The present invention has the advantage of the above (a) compared with the method using a fuse. Further, in consideration of the output voltage detection delay due to the stray capacitance of the voltage detection voltage dividing circuit, each of the voltage detection voltage dividing circuit and the detection unit is at least one of a parallel circuit of a resistor and a capacitor. The time constants of the voltage dividing unit and the detection unit are made equal to each other, and adjustment means for adjusting the deviation of these time constants is provided. As a result, the present invention shortens the detection delay time of the output voltage, can be cut off with a smaller current at the time of short circuit, and can further reduce the device capacity of the power converter, Since a smaller (shorter) element can be used, the configuration is more suitable as a short circuit protection circuit for a power converter.

図1はこの発明の実施の形態を示す回路図である。
同図からも明らかなように、これは図3の従来例に対し、ゲート駆動回路(GDU)2に可変抵抗器24(Rv)を接続し、分圧部41の直列抵抗R1〜Rnのそれぞれに並列に、浮遊容量CSを無視できる十分に大きな容量のコンデンサC1〜Cnを接続するとともに、検出部42の抵抗Rdと並列にコンデンサCdを接続した点などが特徴である。コンデンサC1〜Cn,Cdは位相補償用として作用する。そして、図3と同様に、分圧回路4が上アームIGBT(3A)の出力側のコレクタ・エミッタ間に並列接続されており、上アームIGBT(3A)のコレクタ・エミッタ間に並列接続された分圧回路4を介して上アームIGBT(3A)の電圧VCEを検出する構成となっている。
FIG. 1 is a circuit diagram showing an embodiment of the present invention.
As is clear from FIG. 3, this is different from the conventional example of FIG. 3 in that a variable resistor 24 (Rv) is connected to the gate drive circuit (GDU) 2 and each of the series resistors R1 to Rn of the voltage divider 41. in parallel, with a capacitor C1~Cn sufficiently large capacitance negligible stray capacitance C S, it is characterized such that connecting the capacitor Cd in parallel with the resistor Rd of the detector 42. Capacitors C1 to Cn and Cd function for phase compensation. Similarly to FIG. 3, the voltage dividing circuit 4 is connected in parallel between the collector and emitter on the output side of the upper arm IGBT (3A), and is connected in parallel between the collector and emitter of the upper arm IGBT (3A). The voltage V CE of the upper arm IGBT (3A) is detected via the voltage dividing circuit 4.

そして、分圧部41と検出部42のフィルタ時定数を、次の数1で示すように互いに等しくなるようにする。ただし、各抵抗,コンデンサには誤差があるので、両時定数のずれを補正するため、ゲート駆動回路(GDU)2の入り口に調整手段としての可変抵抗器24(Rv)を接続する。なお、この可変抵抗器24(Rv)は、分圧回路4における検出部42の抵抗Rdに対しては並列接続される。また、可変抵抗器24(Rv)によるフィルタ時定数の調整は、例えば、分圧回路4のステップ応答波形を見て行なうことができる。   Then, the filter time constants of the voltage divider 41 and the detector 42 are set to be equal to each other as shown by the following formula 1. However, since there is an error in each resistor and capacitor, a variable resistor 24 (Rv) as an adjusting means is connected to the entrance of the gate drive circuit (GDU) 2 in order to correct the deviation of both time constants. The variable resistor 24 (Rv) is connected in parallel to the resistor Rd of the detection unit 42 in the voltage dividing circuit 4. Further, the adjustment of the filter time constant by the variable resistor 24 (Rv) can be performed by looking at the step response waveform of the voltage dividing circuit 4, for example.

Figure 2009153257
Figure 2009153257

上記のようにして可変抵抗器24(Rv)の調整により分圧部41と検出部42とのフィルタ時定数を互いに等しくした場合、分圧回路4の分圧比は、直流電圧、および、直流電圧の変動分のいずれに対しても、一定値、すなわち、分圧部41と検出部42との抵抗値の比で決まる一定の分圧比に保持されるので、分圧回路4自体によるVCE検出信号の遅れをなくすことができる。なお、この場合でも、分圧回路4からオフ回路21までの検出信号ラインにおいて、例えば保護回路23の入力側に図示されないノイズフィルタを設けた構成では、そのノイズフィルタによる遅れがVCE検出の遅れをもたらすことになるなど、分圧回路4以外での遅れ要素は存在しているが、その遅れ時間は、例えば上記ノイズフィルタなどの回路素子を選定する際に規定することができるものである。 When the filter time constants of the voltage dividing unit 41 and the detecting unit 42 are made equal to each other by adjusting the variable resistor 24 (Rv) as described above, the voltage dividing ratio of the voltage dividing circuit 4 is the DC voltage and the DC voltage. Is maintained at a constant value, that is, a constant voltage dividing ratio determined by the ratio of the resistance values of the voltage dividing unit 41 and the detecting unit 42, so that the V CE detection by the voltage dividing circuit 4 itself is performed. Signal delay can be eliminated. Even in this case, in the configuration in which a noise filter (not shown) is provided on the input side of the protection circuit 23 in the detection signal line from the voltage dividing circuit 4 to the off circuit 21, for example, the delay due to the noise filter is a delay in the VCE detection. Although there is a delay element other than the voltage dividing circuit 4 such as causing a delay, the delay time can be defined when selecting a circuit element such as the noise filter.

これにより、図3の構成では、分圧回路における浮遊容量CSの存在によって、VCE検出信号の遅れをもたらす固定の定数(遅れ)を装置として規定することができなかったのに対して、この発明では、VCE検出信号の遅れをもたらす固定の定数(遅れ)を装置として規定することが可能となる。
また、並列コンデンサの追加と、分圧部41と検出部42のフィルタ時定数調整により、両者のフィルタ時定数を互いに等しくして、分圧回路4によるVCE検出信号の遅れをなくし、検出の遅れ時間を短縮することができる。なお、可変抵抗器24(Rv)の調整後において分圧部41と検出部42とのフィルタ時定数に差が有る場合でも、その差が小さければ、分圧回路4によるVCE検出信号の遅れは小さいものとなっているので、検出の遅れ時間を短縮する効果は有る。
Accordingly, in the configuration of FIG. 3, the fixed constant (delay) that causes the delay of the VCE detection signal cannot be defined as a device due to the presence of the stray capacitance C S in the voltage dividing circuit. In the present invention, a fixed constant (delay) that causes a delay of the V CE detection signal can be defined as a device.
Further, by adding a parallel capacitor and adjusting the filter time constants of the voltage dividing unit 41 and the detecting unit 42, the filter time constants of both are made equal to each other, and the delay of the V CE detection signal by the voltage dividing circuit 4 is eliminated. Delay time can be shortened. Even if there is a difference in the filter time constant between the voltage divider 41 and the detector 42 after adjustment of the variable resistor 24 (Rv), if the difference is small, the delay of the V CE detection signal by the voltage divider 4 Since it is small, there is an effect of reducing the detection delay time.

その結果、装置として規定された固定の定数(遅れ)に対応してフィルタ22の時定数を設定すれば、正常時の通常のスイッチングでの誤動作を確実に防止することができるようになるので、図3の構成よりも時定数の設定値に含ませる余裕分を小さくすることができ、フィルタ22の時定数をより小さくすることができる。
また、VCE検出の遅れ時間が短縮されることにより、出力短絡に対応するオフ動作の遅れを小さくすることができるので、短絡耐量の小さい(短い)素子でも短絡保護を実現することができる。
また、本発明によれば、電力変換装置のあるユニットにおける例えば下アームの素子が異常となるような素子異常が発生した時にも当該ユニット内において上アーム素子のVCEの上昇を短い遅れ時間で検出して高速な保護動作を行なうことができるため、他ユニットへの影響を確実に回避して、設備や操業への影響の低減を図ることができる。
As a result, if the time constant of the filter 22 is set corresponding to a fixed constant (delay) defined as a device, malfunctions in normal switching at normal times can be reliably prevented. The margin included in the set value of the time constant can be made smaller than in the configuration of FIG. 3, and the time constant of the filter 22 can be made smaller.
Further, since the delay time of the VCE detection is shortened, the delay of the off operation corresponding to the output short circuit can be reduced, so that the short circuit protection can be realized even with an element having a short circuit resistance (short).
In addition, according to the present invention, even when an element abnormality occurs, for example, in the unit of the power conversion device that causes an abnormality in the lower arm element, the increase in the VCE of the upper arm element in the unit is reduced with a short delay time. Since it can detect and perform a high-speed protection operation, it is possible to reliably avoid the influence on other units and reduce the influence on equipment and operation.

また、この発明による電力変換装置の短絡保護回路は、「各アームの半導体スイッチング素子の出力電圧と素子点弧指令との関係に基づき短絡保護動作を行なう」方式を適用しているので、ヒューズを用いる従来方式の短絡保護回路に比べて、次のような利点を有しており、装置の省スペース化および信頼性向上のためにより好適な構成となっている。
(a)短絡保護のためのヒューズが不要であることから、部品点数を削減することができ、部品点数の削除による省スペース化を図ることができる。
(b)短絡保護のためのヒューズが不要であることから、装置内のインダクタンスを小さくすることができる。
(c)ヒューズよりも高速な保護動作が可能であることから、装置容量を小さくすることができる。
(d)ヒューズよりも高速な保護動作が可能であることから、短絡時により小さい電流で遮断することができるので、短絡時に流れる電流により発生する電磁機械力が小さくなり、装置内のブスバーのサイズも小さくすることができる。
In addition, the short circuit protection circuit of the power conversion device according to the present invention employs a method of “performing a short circuit protection operation based on the relationship between the output voltage of the semiconductor switching element of each arm and the element firing command”, so Compared to the conventional short-circuit protection circuit used, it has the following advantages, and is more suitable for space saving and reliability improvement of the device.
(A) Since no fuse for short-circuit protection is required, the number of parts can be reduced, and space can be saved by deleting the number of parts.
(B) Since a fuse for short circuit protection is unnecessary, the inductance in the device can be reduced.
(C) Since the protection operation can be performed at a speed higher than that of the fuse, the device capacity can be reduced.
(D) Since the protection operation can be performed at a speed higher than that of the fuse, it can be cut off with a smaller current at the time of the short circuit, so that the electromagnetic mechanical force generated by the current flowing at the time of the short circuit is reduced, and the size of the bus bar in the device Can also be reduced.

そして、この発明は、ヒューズを用いる方式に比べて上記(a)〜(d)のような利点を有する「各アームの半導体スイッチング素子の出力電圧と素子点弧指令との関係に基づき短絡保護動作を行なう」短絡保護方式において、さらに、電圧検出用分圧回路の分圧部および検出部をそれぞれ抵抗とコンデンサとの並列回路の少なくとも1つからなる構成とするとともに、分圧部と検出部の各時定数を互いに等しくし、かつこれらの時定数のずれを調整するための調整手段を設けるようにしたものである。これにより、この発明は、出力電圧の検出遅れ時間を短縮し、短絡時により小さい電流で遮断することができるようにして、電力変換装置の装置容量をより小さくすることができるとともに、短絡耐量のより小さい(短い)素子を使用することができるものであり、電力変換装置の短絡保護回路としてより好適な構成となっている。   The present invention has the advantages (a) to (d) as compared with the method using a fuse. “Short-circuit protection operation based on the relationship between the output voltage of the semiconductor switching element of each arm and the element firing command” In the short-circuit protection method, the voltage detection voltage dividing circuit and the detection unit each include at least one parallel circuit of a resistor and a capacitor, and the voltage dividing unit and the detection unit Each time constant is made equal to each other, and adjustment means for adjusting the deviation of these time constants is provided. As a result, the present invention shortens the detection delay time of the output voltage, can be cut off with a smaller current at the time of short circuit, and can further reduce the device capacity of the power converter, Smaller (shorter) elements can be used, and the configuration is more suitable as a short circuit protection circuit for a power converter.

図2は図1の動作を説明するための各部波形図である。なお、同(a)は正常時、同(b)は短絡時を示す。
図2は、上記の数1のように分圧部41と検出部42とのフィルタ時定数を等しくなるように調整した場合の動作を示すものであり、正常時および短絡時とも、図5の場合と比較して検出遅れ時間が大幅に短縮されていることが分かる。
FIG. 2 is a waveform diagram of each part for explaining the operation of FIG. Note that (a) shows a normal state and (b) shows a short circuit.
FIG. 2 shows the operation when the filter time constants of the voltage dividing unit 41 and the detecting unit 42 are adjusted to be equal as shown in Equation 1 above. It can be seen that the detection delay time is significantly shortened compared to the case.

また、このように、分圧部41と検出部42とのフィルタ時定数を等しくなるように調整して検出遅れ時間を大幅に短縮した場合、通常のスイッチングでの誤動作を防止するために設けるフィルタ回路22の時定数も大幅に小さくすることができるので、出力短絡に対応したオフ動作をより速くすることが可能となる。
なお、上述の図1および図2では、従来構成の図3および図5と同様に、上アームIGBTのコレクタ・エミッタ間に並列接続された分圧回路4を介して、上アームIGBTの電圧VCEの検出信号を上アームIGBT用の保護回路23に入力し、素子点弧指令との組み合わせにより上アームIGBTの短絡保護を行なう構成が示されているが、下アームIGBTの短絡保護も同様な構成で行なうことができる。
Further, in this way, when the filter time constants of the voltage divider 41 and the detector 42 are adjusted to be equal to greatly reduce the detection delay time, a filter provided to prevent malfunction in normal switching Since the time constant of the circuit 22 can be significantly reduced, the off operation corresponding to the output short-circuit can be made faster.
In FIGS. 1 and 2, the voltage V of the upper arm IGBT is connected via the voltage dividing circuit 4 connected in parallel between the collector and emitter of the upper arm IGBT, as in FIGS. A configuration is shown in which a CE detection signal is input to the protection circuit 23 for the upper arm IGBT and the short arm protection of the upper arm IGBT is performed in combination with the element firing command. The same applies to the short arm protection of the lower arm IGBT. This can be done with a configuration.

すなわち、下アームIGBT(3B)のコレクタ・エミッタ間にも図1の分圧回路4と同じ構成の下アームIGBT用分圧回路を並列接続して設けるとともに、ゲート駆動回路2(GDU)内には下アームIGBT用の保護回路などを設け、下アームIGBT用分圧回路を介して下アームIGBTのVCE検出信号が下アームIGBT用の保護回路に入力されるようにして、図1と同様な下アームIGBT用の短絡保護回路を形成することにより、下アームIGBTのVCE検出信号および素子点弧指令に基づく下アームIGBTの短絡保護、すなわち、下アームIGBTが正常な場合に出力短絡や上アームの素子故障等により下アームIGBTに事故電流が流れるときに下アームIGBTを保護する動作を、上アームIGBTの短絡保護と同様に行なうことができる。 That is, a lower arm IGBT voltage dividing circuit having the same configuration as that of the voltage dividing circuit 4 in FIG. 1 is provided in parallel between the collector and emitter of the lower arm IGBT (3B), and is provided in the gate drive circuit 2 (GDU). Is equipped with a protection circuit for the lower arm IGBT, etc., so that the VCE detection signal of the lower arm IGBT is input to the protection circuit for the lower arm IGBT through the lower arm IGBT voltage dividing circuit. By forming a short-circuit protection circuit for the lower arm IGBT, the short-arm protection of the lower arm IGBT based on the VCE detection signal of the lower arm IGBT and the element firing command, that is, when the lower arm IGBT is normal, The operation of protecting the lower arm IGBT when an accident current flows through the lower arm IGBT due to an element failure or the like of the upper arm can be performed similarly to the short-circuit protection of the upper arm IGBT.

この発明の実施の形態を示す回路図Circuit diagram showing an embodiment of the present invention 図1の動作を説明する各部波形図Waveform diagram of each part for explaining the operation of FIG. 従来例を示す回路図Circuit diagram showing a conventional example 図3の素子を流れる電流と電圧との関係を示す特性図FIG. 3 is a characteristic diagram showing the relationship between current and voltage flowing through the element of FIG. 図3の動作を説明する各部波形図Waveform diagram of each part for explaining the operation of FIG.

符号の説明Explanation of symbols

1…直流電源、2…ゲート駆動回路(GDU)、21…オフ回路、22…フィルタ、23…保護回路、24…可変抵抗器、3A,3B…スイッチング素子(IGBT:絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ)、4…分圧回路、41…分圧部、42…検出部。   DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... DC power supply, 2 ... Gate drive circuit (GDU), 21 ... Off circuit, 22 ... Filter, 23 ... Protection circuit, 24 ... Variable resistor, 3A, 3B ... Switching element (IGBT: Insulated gate bipolar transistor), 4 ... voltage divider circuit, 41 ... voltage divider, 42 ... detector.

Claims (2)

電力変換装置の各アームを構成する半導体スイッチング素子の出力電圧を検出し、この検出電圧と素子点弧指令との関係に基づき短絡保護動作を行なう電力変換装置の短絡保護回路において、
抵抗とコンデンサとの並列接続回路の少なくとも1つからなる分圧部と,抵抗とコンデンサとの並列接続回路の少なくとも1つからなる検出部とを直列接続してなる分圧回路を、前記半導体スイッチング素子の出力側に並列接続するとともに、前記分圧部と検出部の各時定数を互いに等しくし、かつこれらの時定数のずれを調整するための調整手段を設けたことを特徴とする電力変換装置の短絡保護回路。
In the short circuit protection circuit of the power conversion device that detects the output voltage of the semiconductor switching element that constitutes each arm of the power conversion device and performs the short circuit protection operation based on the relationship between the detected voltage and the element firing command,
A voltage dividing circuit formed by serially connecting a voltage dividing unit composed of at least one of a parallel connection circuit of a resistor and a capacitor and a detection unit consisting of at least one of a parallel connection circuit of a resistor and a capacitor. Power conversion characterized by being connected in parallel to the output side of the element, and having adjusting means for making the time constants of the voltage dividing unit and the detecting unit equal to each other and adjusting the deviation of these time constants Device short circuit protection circuit.
前記調整手段を可変抵抗器とすることを特徴とする請求項1に記載の電力変換装置の短絡保護回路。   The short circuit protection circuit for a power converter according to claim 1, wherein the adjusting means is a variable resistor.
JP2007327132A 2007-12-19 2007-12-19 Power converter short circuit protection circuit Active JP5444612B2 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2007327132A JP5444612B2 (en) 2007-12-19 2007-12-19 Power converter short circuit protection circuit

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2007327132A JP5444612B2 (en) 2007-12-19 2007-12-19 Power converter short circuit protection circuit

Publications (2)

Publication Number Publication Date
JP2009153257A true JP2009153257A (en) 2009-07-09
JP5444612B2 JP5444612B2 (en) 2014-03-19

Family

ID=40921703

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2007327132A Active JP5444612B2 (en) 2007-12-19 2007-12-19 Power converter short circuit protection circuit

Country Status (1)

Country Link
JP (1) JP5444612B2 (en)

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2015029397A (en) * 2013-07-31 2015-02-12 富士電機株式会社 Semiconductor power conversion device
WO2021255850A1 (en) * 2020-06-17 2021-12-23 三菱電機株式会社 Power converting device

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS59162782A (en) * 1983-03-07 1984-09-13 Toshiba Corp Power source for neutral particle incident device
JP2004056980A (en) * 2002-07-24 2004-02-19 Fuji Electric Holdings Co Ltd Voltage detecting circuit of semiconductor switching element
JP2007089335A (en) * 2005-09-22 2007-04-05 Toshiba Mitsubishi-Electric Industrial System Corp Voltage detection method of power switching element and power conversion device using this

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS59162782A (en) * 1983-03-07 1984-09-13 Toshiba Corp Power source for neutral particle incident device
JP2004056980A (en) * 2002-07-24 2004-02-19 Fuji Electric Holdings Co Ltd Voltage detecting circuit of semiconductor switching element
JP2007089335A (en) * 2005-09-22 2007-04-05 Toshiba Mitsubishi-Electric Industrial System Corp Voltage detection method of power switching element and power conversion device using this

Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2015029397A (en) * 2013-07-31 2015-02-12 富士電機株式会社 Semiconductor power conversion device
WO2021255850A1 (en) * 2020-06-17 2021-12-23 三菱電機株式会社 Power converting device
JPWO2021255850A1 (en) * 2020-06-17 2021-12-23
JP7214052B2 (en) 2020-06-17 2023-01-27 三菱電機株式会社 power converter

Also Published As

Publication number Publication date
JP5444612B2 (en) 2014-03-19

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP6190280B2 (en) Semiconductor drive device and power conversion device using the same
US10236677B2 (en) Semiconductor device
US10224920B2 (en) Soft shutdown modular circuitry for power semiconductor switches
US10700678B2 (en) Drive control circuit for power semiconductor element
US10110217B2 (en) Load driving device
US9019677B2 (en) Semiconductor switching element drive circuit
US10084390B2 (en) Power converter, short circuit protection circuit, and control method
US8466734B2 (en) Gate driving circuit for power semiconductor element
US8810984B2 (en) Gate circuit
CN110741542B (en) Drive circuit of semiconductor element
JP2020036530A (en) Drive control apparatus of switching element
JP2004229382A (en) Gate drive circuit and power converter
WO2017215335A1 (en) Igbt short-circuit protection circuit and method, igbt driver and igbt circuit
US7265958B2 (en) Overcurrent protection circuit and semiconductor apparatus
JP2007306166A (en) Driving device of insulating gate type semiconductor element and method thereof
CN110739941B (en) Semiconductor device with a semiconductor device having a plurality of semiconductor chips
JP5444612B2 (en) Power converter short circuit protection circuit
JP4118496B2 (en) Power semiconductor device and overcurrent protection circuit
CN114667681A (en) Gate drive circuit
JP4627165B2 (en) Power semiconductor device control circuit and control integrated circuit
JP2007089335A (en) Voltage detection method of power switching element and power conversion device using this
JP6622405B2 (en) Inverter drive
JP4230190B2 (en) Power converter
JP7342573B2 (en) power converter
JP7310530B2 (en) switching circuit

Legal Events

Date Code Title Description
A625 Written request for application examination (by other person)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A625

Effective date: 20101015

A711 Notification of change in applicant

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A712

Effective date: 20110422

A131 Notification of reasons for refusal

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131

Effective date: 20121023

A977 Report on retrieval

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007

Effective date: 20121024

A521 Request for written amendment filed

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523

Effective date: 20121211

A131 Notification of reasons for refusal

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131

Effective date: 20130611

TRDD Decision of grant or rejection written
A01 Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01

Effective date: 20131126

A61 First payment of annual fees (during grant procedure)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61

Effective date: 20131209

R150 Certificate of patent or registration of utility model

Ref document number: 5444612

Country of ref document: JP

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150

R250 Receipt of annual fees

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250

R250 Receipt of annual fees

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250

R250 Receipt of annual fees

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250

R250 Receipt of annual fees

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250

R250 Receipt of annual fees

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250

R250 Receipt of annual fees

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250

R250 Receipt of annual fees

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250

R250 Receipt of annual fees

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250