JP2009225506A - Power converter - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、電力用スイッチング素子を用いた電力変換器に関する。 The present invention relates to a power converter using a power switching element.
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・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において、特に、最近応用分野を伸ばしてきたのがMOSゲート型のスイッチング素子であるIGBTやMOSFETである。 Power converters using power switching elements are steadily expanding their application range as the capacity and speed of switching elements increase. Among such power switching elements, in particular, IGBTs and MOSFETs, which are MOS gate type switching elements, have recently been expanded in application fields.
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電力変換器が実用化されている。 IGBTs and MOSFETs are non-latching switching elements that do not self-continue in an on / off state, and have a great advantage in that high controllability by gate driving is possible as compared with latching switching elements such as thyristors. Even when a short circuit occurs, the short circuit current can be reduced by reducing the gate voltage. Therefore, a power converter using a short circuit protection method by reducing the gate voltage of the IGBT has been put into practical use.
短絡事故が発生した際のスイッチング素子を保護するものとして、スイッチング素子がオン状態の時のコレクタ電圧を検出し、このコレクタ電圧が基準値よりも高い時に過電流や短絡状態であると検出するものがある(例えば、特許文献1参照)。 Protecting the switching element in the event of a short-circuit accident, detecting the collector voltage when the switching element is on, and detecting that the collector voltage is higher than the reference value indicates an overcurrent or short-circuit condition (For example, refer to Patent Document 1).
また、半導体素子のゲート駆動回路からゲートに流れ込むオンゲート電流または半導体素子のゲートよりゲート駆動回路へ流れ込むオフゲート電流を健全時の電流と比較して短絡故障を検出するようにしたものがある(例えば、特許文献2参照)。
しかし、特許文献1のものでは、スイッチング素子のコレクタ電圧を検出することで短絡を検出し遮断を行うものであるが、短絡を検出するまでの時間が長く、スイッチング素子が破壊する可能性がある。 However, in Patent Document 1, the short circuit is detected and shut off by detecting the collector voltage of the switching element, but the time until the short circuit is detected is long, and the switching element may be destroyed. .
また、特許文献2のものは、スイッチング素子が破壊などして短絡状態で動作できない状態(故障)になったことを検出するものであり、スイッチング素子が通常動作ができる状態において短絡をできるようにしたものではない。
通常、スイッチング素子がターンオンすると、スイッチング素子の主電極間の電圧はスイッチング素子で決まる非常に低い電圧となるが、スイッチング素子の短絡時には、直流電圧および主回路のインダクタンスと短絡電流で決まる電圧が発生する。短絡電流はスイッチング素子の特性によって決まるが、定格電流の数倍から十数倍の非常に大きな電流であり、大きな電流が流れると大きな損失が発生し、スイッチング素子が破壊してしまうことになる。そこで、早期に短絡を検出し保護動作を行う必要がある。 Normally, when the switching element is turned on, the voltage between the main electrodes of the switching element becomes a very low voltage determined by the switching element, but when the switching element is short-circuited, a voltage determined by the DC voltage, the inductance of the main circuit and the short-circuit current is generated. To do. Although the short-circuit current is determined by the characteristics of the switching element, it is a very large current several times to a dozen times the rated current. When a large current flows, a large loss occurs and the switching element is destroyed. Therefore, it is necessary to detect a short circuit at an early stage and perform a protection operation.
しかし、ターンオンの過渡時には高耐圧のスイッチング素子ほどコレクタ電圧が減少するのに時間がかかるので、コレクタ電圧を検出して短絡検出するものでは、スイッチング素子がオンするまでの一定期間はマスクする必要がある。この結果、短絡や過電流を検出するまでの時間が比較的長くかかってしまい、スイッチング素子が破壊する可能性がある。さらに、過大な電流を遮断するために、サージ電圧が発生しスイッチング素子が破壊する可能性もある。 However, the higher the withstand voltage switching element during the turn-on transition, the longer it takes for the collector voltage to decrease. Therefore, in the case of detecting the collector voltage and detecting a short circuit, it is necessary to mask for a certain period until the switching element is turned on. is there. As a result, it takes a relatively long time to detect a short circuit or an overcurrent, and the switching element may be destroyed. Furthermore, in order to cut off an excessive current, a surge voltage may be generated and the switching element may be destroyed.
また、通常動作時においては、スイッチング素子をオンさせるために、スイッチング素子のゲート端子にゲート抵抗を介して約+15V程度の電圧を印加する。そうすると、ゲート抵抗によって制限されたゲート電流がゲート端子へ流れ、スイッチング素子はオンを行う。オフさせるためには、スイッチング素子のゲート端子にゲート抵抗を介して約−15V程度の電圧を印加する。そうすると、スイッチング素子のゲート電荷がゲート端子から流れ出し、スイッチング素子はオフを行う。このとき、ゲート電流は検出されておらず制御はしていない。 During normal operation, a voltage of about +15 V is applied to the gate terminal of the switching element via a gate resistor in order to turn on the switching element. Then, a gate current limited by the gate resistance flows to the gate terminal, and the switching element is turned on. In order to turn it off, a voltage of about −15 V is applied to the gate terminal of the switching element via a gate resistor. Then, the gate charge of the switching element flows out from the gate terminal, and the switching element is turned off. At this time, the gate current is not detected and is not controlled.
従って、オン・オフ時のゲート電流はゲート抵抗で決まり、オン時の突入電流やオフ時の過電圧が発生し、スイッチング素子が破壊する可能性がある。また、スイッチング素子の応答速度もゲート抵抗で決まる。ゲート抵抗を下げると過電圧や損失などにも影響するため、抵抗値の小さいゲート抵抗を使って応答速度を上げることは困難である。 Therefore, the gate current at the on / off time is determined by the gate resistance, and an inrush current at the on time and an overvoltage at the off time may occur, which may destroy the switching element. The response speed of the switching element is also determined by the gate resistance. Decreasing the gate resistance also affects overvoltage and loss, so it is difficult to increase the response speed using a gate resistance with a small resistance value.
本発明の目的は、スイッチング素子が故障に至る前に、短絡保護や過電圧抑制が可能で応答性能の高い電力変換器を提供することである。 An object of the present invention is to provide a power converter with high response performance capable of short-circuit protection and overvoltage suppression before a switching element fails.
本発明に係わる電力変換器は、スイッチング素子のゲート電流を検出するためのゲート電流検出手段と、正の基準電圧を発生する第1の基準電圧発生手段と、負の基準電圧を発生する第2の基準電圧発生手段と、前記ゲート電流検出手段で検出されたゲート電流に対応した電圧と前記第1の基準電圧発生手段の正の基準電圧とを比較する第1の比較手段と、前記ゲート電流検出手段で検出されたゲート電流に対応した電圧と前記第2の基準電圧発生手段の負の基準電圧とを比較する第2の比較手段と、前記第1の比較手段により前記ゲート電流検出手段で検出されたゲート電流に対応した電圧が前記第1の基準電圧発生手段の正基準電圧以上となってから所定時間内に前記第2の比較手段により前記ゲート電流検出手段で検出されたゲート電流に対応した電圧が前記第2の基準電圧発生手段の負基準電圧以下となったときは前記スイッチング素子の短絡と判定する短絡判定手段とを具備することを特徴とする。 The power converter according to the present invention includes a gate current detecting means for detecting the gate current of the switching element, a first reference voltage generating means for generating a positive reference voltage, and a second reference voltage for generating a negative reference voltage. Reference voltage generation means, first comparison means for comparing a voltage corresponding to the gate current detected by the gate current detection means and a positive reference voltage of the first reference voltage generation means, and the gate current A second comparing means for comparing a voltage corresponding to the gate current detected by the detecting means and a negative reference voltage of the second reference voltage generating means; and the gate current detecting means by the first comparing means. The gate current detected by the gate current detection means by the second comparison means within a predetermined time after the voltage corresponding to the detected gate current becomes equal to or higher than the positive reference voltage of the first reference voltage generation means. When voltage corresponding to becomes less negative reference voltage of said second reference voltage generating means is characterized by comprising a short-circuit and determining short circuit determining means of the switching element.
本発明によれば、スイッチング素子が故障に至る前に、短絡保護や過電圧抑制が可能で応答性能の高い電力変換器を提供できる。 ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, before a switching element reaches failure, a short circuit protection and overvoltage suppression are possible, and the power converter with high response performance can be provided.
(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構成図である。スイッチング素子1にはフライホイールダイオード2が並列接続され、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。これによりスイッチング素子1の素子電流Icが制御される。ゲート回路3からスイッチング素子1のゲートに与えられるゲート電流Igは、ゲート電流検出手段4で検出され、第1の比較手段7a及び第2の比較手段7bに入力される。
(First embodiment)
FIG. 1 is a configuration diagram of a power converter according to the first embodiment of the present invention. A
第1の比較手段7aは、ゲート電流検出手段4で検出されたゲート電流Igに対応した電圧と第1の基準電圧発生手段6aの正の基準電圧とを比較する。また、第2の比較手段7bは、ゲート電流検出手段4で検出されたゲート電流Igに対応した電圧と第2の基準電圧発生手段6bの負の基準電圧とを比較する。 The first comparing means 7a compares the voltage corresponding to the gate current Ig detected by the gate current detecting means 4 with the positive reference voltage of the first reference voltage generating means 6a. The second comparison means 7b compares the voltage corresponding to the gate current Ig detected by the gate current detection means 4 with the negative reference voltage of the second reference voltage generation means 6b.
短絡判定手段5は、第1の比較手段7aによりゲート電流検出手段4で検出されたゲート電流が第1の基準電圧発生手段6aの正基準電圧以上となってから所定時間内に、第2の比較手段7bによりゲート電流検出手段4で検出されたゲート電流が第2の基準電圧発生手段6bの負基準電圧以下となったときはスイッチング素子2の短絡と判定するものである。
The short-circuit determining means 5 includes the second short circuit within a predetermined time after the gate current detected by the gate current detecting means 4 by the
次に、動作を説明する。図2は本発明の実施の形態における電力変換器の通常動作時のゲート電流Ig及び素子電流Icの波形図である。電力変換器はゲート回路3によって、スイッチング素子1を駆動して電流をオンオフしている。図2に示すように、ゲート電流Igが時点t1で正方向に流れると、スイッチング素子1はオンし、素子電流Icは急峻な傾きで流れる。このときの急峻な電流は、スイッチング素子1と対となるアームのフライホイールダイオード(FWD)2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にあるためである。
Next, the operation will be described. FIG. 2 is a waveform diagram of the gate current Ig and the device current Ic during normal operation of the power converter according to the embodiment of the present invention. The power converter drives the switching element 1 by the
一方、図3は、本発明の実施の形態における電力変換器の短絡時のゲート電流Ig及び素子電流Icの波形図である。 On the other hand, FIG. 3 is a waveform diagram of the gate current Ig and the device current Ic when the power converter is short-circuited in the embodiment of the present invention.
スイッチング素子1が直流電圧を短絡したときには、ゲート電流Igが時点t1で正方向に流れると、定格電流の何倍もの電流がスイッチング素子に流れる。ここで、スイッチング素子1の素子電流Icとスイッチング素子1のゲート電圧には深い関係があり、一般にゲート電圧が高いほど大きな素子電流Icを流すことができる。 When the switching element 1 short-circuits the DC voltage, if the gate current Ig flows in the positive direction at the time t1, a current many times the rated current flows to the switching element. Here, there is a deep relationship between the element current Ic of the switching element 1 and the gate voltage of the switching element 1, and generally a larger element current Ic can flow as the gate voltage increases.
逆に、スイッチング素子1に短絡電流のような大電流が流れると、ゲート電圧は上昇する。一方で、ゲート回路3の電圧はスイッチング素子1がオンしているときは約15V程度である。このため、スイッチング素子1の短絡時に過大な電流が流れると、スイッチング素子1のゲート電圧がゲート回路3の電圧よりも高くなり、スイッチング素子1からゲート回路3へ電流が流れ込む。
Conversely, when a large current such as a short-circuit current flows through the switching element 1, the gate voltage rises. On the other hand, the voltage of the
この結果、短絡時には図3に示すように、スイッチング素子1をオンさせるためのゲート電流が時点t1で流れた後、短絡したためにオンさせる電流とは逆方向のゲート電流時点t2でが流れることになる。つまり、オン時のゲート電流Igが正負に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。 As a result, as shown in FIG. 3, when a short circuit occurs, a gate current for turning on the switching element 1 flows at time t <b> 1, and then flows at a gate current time t <b> 2 in the opposite direction to the current that is turned on because of the short circuit. Become. That is, by determining whether the gate current Ig at the time of turning on is positive or negative, it is possible to determine whether the gate current Ig is normal on or short-circuited.
この判定を実現するために、第1の実施の形態では、ゲート電流検出手段4の出力を二つの比較手段7a、7bに入力する。比較手段7a、7bには、それぞれ基準電圧発生手段6a、6bの出力も入力され、ゲート電流検出手段4の信号と比較される。基準電圧発生手段6a、6bはそれぞれ正負の基準電圧を発生し、そのレベルよりもゲート電流検出手段4の出力が大きいかを比較し、短絡判定手段5へ結果を出力する。短絡判定手段5では、まず正の基準電圧よりもゲート電流検出手段4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、そこから指定した所定時間の間に、負の基準電圧よりゲート電流検出手段4の出力が小さい信号があれば短絡とみなし、ゲート回路3によりゲート電圧を絞り短絡保護を行うことが可能になる。
In order to realize this determination, in the first embodiment, the output of the gate current detection means 4 is input to the two comparison means 7a and 7b. The outputs of the reference voltage generating means 6a and 6b are also inputted to the
以上の説明では、ゲート電流検出手段4でゲート電流Igを電圧で検出し、第1の基準電圧発生手段6aの正の基準電圧、第2の基準電圧発生手段6bの負の基準電圧と比較するようにしたが、ゲート電流検出手段4でゲート電流Igを電流で検出し、正の基準電流、負の基準電流と比較するようにしてもよい。
In the above description, the gate current Ig is detected by the gate
第1の実施の形態によれば、ゲート電流検出手段の出力の時間変化を検出することで、スイッチング素子が故障に至る前に早期に短絡を検出し、スイッチング素子を保護することが可能になる。 According to the first embodiment, by detecting the time change of the output of the gate current detection means, it is possible to detect a short circuit early and protect the switching element before the switching element fails. .
(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構成図である。この第2の実施の形態は、第1の実施の形態に対し、ゲート電流検出手段4に加えてゲート電圧検出手段8を設け、ミラー期間判定手段9により、ゲート電流が流れ込んでいて、かつゲート電圧が一定となっているときにミラー期間と判定し、スイッチング素子1のオフ時の電圧を抑制するようにしたものである。
(Second Embodiment)
FIG. 4 is a configuration diagram of a power converter according to the second embodiment of the present invention. This second embodiment is different from the first embodiment in that a gate voltage detection means 8 is provided in addition to the gate current detection means 4, the gate current flows in by the mirror period determination means 9, and the gate When the voltage is constant, the mirror period is determined, and the voltage when the switching element 1 is turned off is suppressed.
スイッチング素子1にはフライホイールダイオード2が並列接続され、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。これによりスイッチング素子1の素子電流Icが制御される。ゲート回路3からスイッチング素子1のゲートに与えられるゲート電流Igは、ゲート電流検出手段4で検出され、比較手段7に入力される。基準電圧発生手段6は、スイッチング素子1のオフ時基準電圧を発生する。比較手段7は、ゲート電流検出手段4で検出されたゲート電流Igに対応した電圧と基準電圧発生手段6からのオフ時基準電圧(負の基準電圧)とを比較する。
A
ミラー期間判定手段9は、比較手段7によりゲート電流検出手段4で検出されたゲート電流が基準電圧発生手段6のオフ時基準電圧以下となっている状態で、ゲート電圧検出手段8で検出されたゲート電圧がほぼ一定となるミラー期間を検出したときは、スイッチング素子1のオフ時の電圧を抑制するようにゲート回路3に指令を出力する。
The mirror period determination means 9 is detected by the gate voltage detection means 8 in a state where the gate current detected by the comparison means 7 by the gate current detection means 4 is equal to or lower than the reference voltage generation means 6 off-time reference voltage. When a mirror period in which the gate voltage is substantially constant is detected, a command is output to the
次に、動作を説明する。スイッチング素子1がオフするとき、ゲート回路3は約−15Vを印加してゲート電流を負方向に流す。これにより、スイッチング素子1のゲート・エミッタ間容量に蓄えられていた電荷が放電され、スイッチング素子1のゲート電圧は減少していく。次に、ゲート・コレクタ間の帰還容量からゲート電流が流れ込んでくる。このとき、ゲート・エミッタ間容量の放電はほとんど行われなくなるため、ゲート電圧はほぼ一定となる。最後に、ゲート・エミッタ間容量が放電され、コレクタ電圧が増加し始め、ゲート電圧は−15Vまで低下しオフが完了する。
Next, the operation will be described. When the switching element 1 is turned off, the
ここで、ゲート電圧がほぼ一定となる期間をミラー期間と呼ぶ。図4では、ゲート電流検出手段4により、オフ時のゲート電流Igが流れ込んでいることを検出している。また、ゲート電圧検出手段8により、ゲート電圧Vgを検出し、ミラー期間判定手段9に入力する。ミラー期間判定手段9はゲート電流Igが流れ込んでいて、かつ、ゲート電圧Vgが一定となっているとき、ミラー期間と判定する。
Here, a period in which the gate voltage is substantially constant is referred to as a mirror period. In FIG. 4, the gate current detecting
ミラー期間と判定されたとき、ゲート回路3のゲート抵抗を大きくしたり、スイッチング素子1から引き出すゲート電流Igを小さくしたりすることで、オフ時のサージ電圧を抑制することが可能になる。特に、過電流時には通常よりも大きな電流を遮断することになるため、短絡検出後の遮断ではミラー期間を検出したらオフ条件を変えることにより、スイッチング素子1が破壊することなくオフすることが可能になる。
When it is determined as the mirror period, it is possible to suppress the surge voltage at the OFF time by increasing the gate resistance of the
第2の実施の形態によれば、ゲート電流とゲート電圧とを検出することでミラー期間を判定し、スイッチング素子1のオフ時の電圧を抑制することが可能になる。 According to the second embodiment, it is possible to determine the mirror period by detecting the gate current and the gate voltage, and to suppress the voltage when the switching element 1 is turned off.
(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構成図である。この第3の実施の形態は、ゲート電圧検出手段8で検出されたゲート電圧を微分する微分手段10を設け、ミラー期間判定手段9は、微分手段10で得られたゲート電圧の微分値が零である期間をミラー期間として検出する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。
(Third embodiment)
FIG. 5 is a configuration diagram of a power converter according to the third embodiment of the present invention. In the third embodiment, a differentiating
図5に示すように、ゲート電圧検出手段8にで検出されたゲート電圧を微分する微分手段10が追加され、その微分手段10の出力がミラー期間判定手段9に入力されている。
As shown in FIG. 5, differentiating means 10 for differentiating the gate voltage detected by the gate
第2の実施の形態では、ゲート電流が負方向に流れていて、かつ、ゲート電圧が一定となったときにミラー期間であると判定していた。しかし、この一定となる電圧は素子特性や素子電流Icなどによって変化するため、ある設定電圧値と単純に比較してミラー期間であると判断すると信頼性が保てない場合がある。その信頼性を持たせるためには、ゲート電圧検出手段8の回路構成が複雑になる。 In the second embodiment, the mirror period is determined when the gate current is flowing in the negative direction and the gate voltage becomes constant. However, since this constant voltage varies depending on element characteristics, element current Ic, and the like, reliability may not be maintained if it is determined that the mirror period is simply compared with a certain set voltage value. In order to provide the reliability, the circuit configuration of the gate voltage detection means 8 becomes complicated.
そこで、第3の実施の形態では、ゲート電圧検出手段8の出力を微分手段10に入力し、微分手段10はゲート電圧Vgを微分してミラー期間判定手段9に入力している。ミラー期間判定手段9はゲート電流Igが流れていて、かつ、微分出力が零になったときミラー期間であると判定する。一定になるゲート電圧Vgはスイッチング素子1や素子電流Icなどによって変化するが、微分出力は零になるため、スイッチング素子1や素子電流Icなどによらずミラー期間の判定することが可能になる。 Therefore, in the third embodiment, the output of the gate voltage detection means 8 is input to the differentiation means 10, and the differentiation means 10 differentiates the gate voltage Vg and inputs it to the mirror period determination means 9. The mirror period determination means 9 determines that it is the mirror period when the gate current Ig flows and the differential output becomes zero. Although the gate voltage Vg that becomes constant varies depending on the switching element 1 and the element current Ic, the differential output becomes zero. Therefore, the mirror period can be determined regardless of the switching element 1 and the element current Ic.
第3の実施の形態によれば、ゲート電圧検出手段8の回路構成を複雑にすることなく、ミラー期間を判定することが可能になる。 According to the third embodiment, the mirror period can be determined without complicating the circuit configuration of the gate voltage detection means 8.
(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構成図である。この第4の実施の形態は、ゲート電流検出手段4で検出されたゲート電流を積分手段11で積分し、ミラー期間判定手段9は、積分手段11で得られたゲート電流Igの積分である電荷量とゲート電圧検出手段8で検出されたゲート電圧との相関関係に基づいてミラー期間を検出するようにしたものである。
(Fourth embodiment)
FIG. 6 is a configuration diagram of a power converter according to the fourth embodiment of the present invention. In the fourth embodiment, the gate current detected by the gate current detection means 4 is integrated by the integration means 11, and the mirror period determination means 9 is a charge that is an integration of the gate current Ig obtained by the integration means 11. The mirror period is detected based on the correlation between the amount and the gate voltage detected by the gate
第3の実施の形態では、ゲート電流Igが負方向に流れていて、かつ、ゲート電圧Vgの微分値が零となったときにミラー期間であると判定していたが、ゲート電圧Vgの検出値にはノイズが乗り、正しく判定できない可能性がある。そこで、第4の実施の形態ではゲート電流検出手段Igの出力を積分手段11に入力し、その結果をミラー期間判定手段9に入力している。
In the third embodiment, when the gate current Ig flows in the negative direction and the differential value of the gate voltage Vg becomes zero, the mirror period is determined. However, the detection of the gate voltage Vg is performed. There is a possibility that noise is added to the value and it cannot be judged correctly. Therefore, in the fourth embodiment, the output of the gate current detecting means Ig is input to the integrating means 11 and the result is input to the mirror
ここで、スイッチング素子1をオフする時には、まず、ゲート・エミッタ間容量に蓄えられていた電荷が放電している。このとき、ゲート・エミッタ間の容量に残っている電荷量Qと電圧VにはQ=CV(Cは定数)の関係がある。Cは定数であるので、電荷量Qと電圧Vは比例の関係にあることになる。例えば、ある電荷量Qが放電されれば、上記式で決定される電圧V=Q/Cだけ、ゲート電圧Vgは低下する。電荷量とは電流の積分値であるため、ゲートから放電される電荷量はゲート電流Igを積分することで得られる。そして、積分値(電荷量)の上昇とゲート電圧Vgの低下は比例関係のまま変化していく。 Here, when the switching element 1 is turned off, first, the charge stored in the gate-emitter capacitance is discharged. At this time, the charge amount Q remaining in the gate-emitter capacitance and the voltage V have a relationship of Q = CV (C is a constant). Since C is a constant, the charge amount Q and the voltage V are in a proportional relationship. For example, when a certain amount of charge Q is discharged, the gate voltage Vg decreases by the voltage V = Q / C determined by the above equation. Since the charge amount is an integral value of the current, the amount of charge discharged from the gate can be obtained by integrating the gate current Ig. The increase in the integral value (charge amount) and the decrease in the gate voltage Vg change in a proportional relationship.
ミラー期間では、ゲート・エミッタ間容量からは放電されず、ゲート・コレクタ間の帰還容量からゲート電流が流れ込んでくる。このため、ゲート電流Igの積分値は上昇し続けるが、ゲート電圧Vgは変化しなくなる。従って、ゲート電流Igの積分値から予想されるゲート電圧低下と実際のゲート電圧Vgの低下が一致しなくなる。このとき、ミラー期間であると判定できることになる。 In the mirror period, the gate-emitter capacitance is not discharged, and the gate current flows from the gate-collector feedback capacitance. For this reason, the integrated value of the gate current Ig continues to increase, but the gate voltage Vg does not change. Therefore, the gate voltage drop expected from the integrated value of the gate current Ig does not coincide with the actual gate voltage Vg drop. At this time, it can be determined that it is the mirror period.
第4の実施の形態によれば、ゲート電圧Vgの検出値にはノイズが乗った場合であっても、ミラー期間を正しく判定することが可能になる。 According to the fourth embodiment, it is possible to correctly determine the mirror period even when noise is added to the detection value of the gate voltage Vg.
(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構成図である。この第5の実施の形態は、図6に示した第4の実施の形態に対し、ゲート電圧検出手段8を取り除いたものである。
(Fifth embodiment)
FIG. 7 is a configuration diagram of a power converter according to the fifth embodiment of the present invention. In the fifth embodiment, the gate
第4の実施の形態では、ゲート電流Igの積分値とゲート電圧Vgとを比較してミラー期間を判定したミラー期間におけるゲート電圧Vgは素子電流Icによって変動する。また、ゲート電圧Vgもある電圧で一定とはならず変動することも多い。このため、ゲート電圧Vgとの比較ではミラー期間を判定できない可能性がある。 In the fourth embodiment, the gate voltage Vg in the mirror period in which the mirror period is determined by comparing the integrated value of the gate current Ig and the gate voltage Vg varies with the element current Ic. In addition, the gate voltage Vg is often not constant but fluctuates. For this reason, there is a possibility that the mirror period cannot be determined by comparison with the gate voltage Vg.
そこで、第5の実施の形態では、ゲート電流検出手段4の出力を積分手段11で積分し、その出力のみをミラー期間判定手段9へ入力している。スイッチング素子1のゲート容量の電荷とゲート電圧Vgの関係はスイッチング素子1によって決まる。例えば、スイッチング素子1がオンするとき、スイッチング素子1のゲートに電流を注入する。このときの電流値を積分するとゲートの電荷が得られる。ゲート電荷とゲート電圧との関係はデータシートから得られるため、ゲート電圧Vgが一定となる期間のゲート電荷の範囲も容易に知ることができる。このため、ゲート電流Igを積分して得られた電荷量がある範囲にあるとき、ミラー期間であると判断できる。
Therefore, in the fifth embodiment, the output of the gate
第5の実施の形態によれば、ゲート電圧Vgが変動した場合であっても、ゲート電流の積分出力を検出することでミラー期間を判定することが可能になる。 According to the fifth embodiment, even when the gate voltage Vg varies, the mirror period can be determined by detecting the integrated output of the gate current.
(第6の実施の形態)
図8は本発明の第6の実施の形態に係わる電力変換器のミラー期間判定手段及びゲート回路部分の構成図である。この第6の実施の形態は、第2の実施の形態乃至第5の実施の形態に対し、ミラー期間判定手段9で検出されたミラー期間中にゲート電流Igを調整するゲート電流調整手段12を設けたものである。
(Sixth embodiment)
FIG. 8 is a configuration diagram of the mirror period determining means and the gate circuit portion of the power converter according to the sixth embodiment of the present invention. The sixth embodiment is different from the second to fifth embodiments in that the gate current adjusting means 12 for adjusting the gate current Ig during the mirror period detected by the mirror
スイッチング素子1がオンするとき、対となるフライホイールダイオード2は逆回復をするために過電圧が発生する。この過電圧はフライホイールダイオード2が導通状態からオフするために発生し、オンするスピードが速い方が過電圧も大きくなる。従って、ゲート回路3のゲート抵抗を大きくするなどしてゲート電流を小さくし、ゆっくりとオンさせることで、この過電圧を抑えることができるが、その場合、スイッチング素子1の損失が大きくなってしまう。
When the switching element 1 is turned on, the paired
そこで、第5の実施の形態では、ミラー期間判定手段9によりミラー期間であると判定したときには、ゲート電流調整手段12にてゲート電流を調整できるようにしている。これにより、まずゆっくりとオンさせて過電圧を抑え、ミラー期間になったとき、ゲート電流を大きくすることでオンの速度を上げ、損失を抑えることが可能になる。
Therefore, in the fifth embodiment, the gate current adjusting means 12 can adjust the gate current when the mirror
第6の実施の形態によれば、ミラー期間であると判定したときにゲート電流調整するので、スイッチング素子1の損失を低減できる。 According to the sixth embodiment, since the gate current is adjusted when it is determined that the period is the mirror period, the loss of the switching element 1 can be reduced.
(第7の実施の形態)
図9は本発明の第7の実施の形態に係わる電力変換器のミラー期間判定手段及びゲート回路部分の構成図である。この第7の実施の形態は、図8に示した第6の実施の形態に対し、スイッチング素子1の素子電流Icを検出する電流検出手段13を設け、ゲート電流調整手段13は、電流検出手段13で検出されたスイッチング素子1の素子電流Icの大きさに基づきゲート電流Igを調整するようにしたものである。
(Seventh embodiment)
FIG. 9 is a configuration diagram of the mirror period determining means and the gate circuit portion of the power converter according to the seventh embodiment of the present invention. This seventh embodiment is different from the sixth embodiment shown in FIG. 8 in that current detection means 13 for detecting the element current Ic of the switching element 1 is provided, and the gate current adjustment means 13 is current detection means. The gate current Ig is adjusted based on the magnitude of the element current Ic of the switching element 1 detected at 13.
第6の実施の形態では、ミラー期間であるときにゲート電流を調整しているが、スイッチング素子1にかかる過電圧は素子電流Icにより変化する。例えば、スイッチング素子1がオフするとき、大きい電流を遮断するとき過電圧が大きくなる。このため、ミラー期間時に一律にゲート電流を調節するのでは、スイッチング素子1の損失が大きくなってしまう。 In the sixth embodiment, the gate current is adjusted during the mirror period, but the overvoltage applied to the switching element 1 varies depending on the element current Ic. For example, when the switching element 1 is turned off, the overvoltage increases when a large current is cut off. For this reason, if the gate current is adjusted uniformly during the mirror period, the loss of the switching element 1 increases.
そこで、第7の実施の形態では、ゲート電流調整手段12に電流検出手段13の出力を入力し、素子電流Icの電流値が大きいときには過電圧が大きいため、ゲート電流Igの注入を抑える。一方、素子電流Icの電流値が小さいときには過電圧は小さいため、ゲート電流Igを多く注入して速やかに遮断し損失を抑えることができる。
Therefore, in the seventh embodiment, the output of the
第7の実施の形態によれば、スイッチング素子1の素子電流Icに応じてゲート電流の調整量を制御することで、適切にスイッチング素子1の損失を抑えることが可能になる。 According to the seventh embodiment, the loss of the switching element 1 can be appropriately suppressed by controlling the adjustment amount of the gate current according to the element current Ic of the switching element 1.
(第8の実施の形態)
図10は本発明の第8の実施の形態に係わる電力変換器のミラー期間判定手段及びゲート回路部分の構成図である。この第8の実施の形態は、図8に示した第6の実施の形態に対し、スイッチング素子1の素子電圧を検出する電圧検出手段14を設け、ゲート電流調整手段12は、電圧検出手段14で検出されたスイッチング素子1の素子電圧の大きさに基づきゲート電流Igを調整するようにしたものである。
(Eighth embodiment)
FIG. 10 is a configuration diagram of the mirror period determining means and the gate circuit portion of the power converter according to the eighth embodiment of the present invention. The eighth embodiment is different from the sixth embodiment shown in FIG. 8 in that voltage detecting means 14 for detecting the element voltage of the switching element 1 is provided, and the gate current adjusting means 12 is the
第6の実施の形態では、ミラー期間であるときに、ゲート電流を調整しているが、インバータなどの電力変換器では、通常よりも高い直流電圧が印加されることがある。直流電圧が高い時には、スイッチング素子1の耐量とのマージンが小さくなるため、通常と同じゲート注入では、スイッチング素子1が破壊する可能性がある。 In the sixth embodiment, the gate current is adjusted during the mirror period, but a DC voltage higher than usual may be applied to a power converter such as an inverter. When the DC voltage is high, the margin with respect to the withstand capability of the switching element 1 becomes small. Therefore, there is a possibility that the switching element 1 is destroyed by the same gate injection as usual.
そこで、第8の実施の形態では、ゲート電流調整手段12に電圧検出手段14の出力を入力し、直流電圧が高い時には過電圧を通常よりも抑える必要があるため、ゲート電流の注入を通常よりも抑える。これにより、直流電圧が高いときでも、過電圧を抑制してオフすることが可能になる。 Therefore, in the eighth embodiment, since the output of the voltage detection means 14 is input to the gate current adjusting means 12 and it is necessary to suppress the overvoltage more than usual when the DC voltage is high, the gate current injection is made more than usual. suppress. As a result, even when the DC voltage is high, it is possible to suppress the overvoltage and turn it off.
第8の実施の形態によれば、素子電圧に応じてゲート電流の調整量を制御することで、スイッチング素子1の過電圧を抑えることが可能になる。 According to the eighth embodiment, the overvoltage of the switching element 1 can be suppressed by controlling the adjustment amount of the gate current according to the element voltage.
(第9の実施の形態)
図11は本発明の第9の実施の形態に係わる電力変換器のミラー期間判定手段及びゲート回路部分の構成図である。この第9の実施の形態は、図8に示した第6の実施の形態に対し、スイッチング素子1の素子温度を検出する素子温度検出手段15を設け、ゲート電流調整手段12は、素子温度検出手段15で検出されたスイッチング素子1の素子温度の大きさに基づきゲート電流Igを調整するようにしたものである。
(Ninth embodiment)
FIG. 11 is a configuration diagram of the mirror period determining means and the gate circuit portion of the power converter according to the ninth embodiment of the present invention. The ninth embodiment is provided with an element temperature detecting means 15 for detecting the element temperature of the switching element 1 in contrast to the sixth embodiment shown in FIG. The gate current Ig is adjusted based on the element temperature of the switching element 1 detected by the
第6の実施の形態では、ミラー期間であるときにゲート電流を調整しているがスイッチング素子1は温度によって特性が変化し、規定値以下で使用する必要があり、ミラー期間であるときにゲート電流を調整するだけでは、温度には対応できない。 In the sixth embodiment, the gate current is adjusted during the mirror period, but the characteristics of the switching element 1 change depending on the temperature and must be used below the specified value. It is not possible to cope with temperature simply by adjusting the current.
そこで、第9の実施の形態では、ゲート電流調整手段12に素子温度検出手段15の出力を入力し、スイッチング素子1の温度が高い時にはゲート電流Igを通常よりも多く注入して損失を抑え、スイッチング素子1の温度上昇を抑制することが可能になる。
Therefore, in the ninth embodiment, the output of the element
第9の実施の形態によれば、素子温度に応じてゲート電流Igの調整量を制御することで、スイッチング素子1の損失を抑えることが可能になる。 According to the ninth embodiment, the loss of the switching element 1 can be suppressed by controlling the adjustment amount of the gate current Ig according to the element temperature.
以上の各実施の形態ににおいては、スイッチング素子1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ことは言うまでもない。 In each of the above embodiments, the switching element 1 has been described by taking an IGBT as an example. However, the switching element 1 is not limited to the IGBT, and any non-latching switching element controlled by voltage can be applied to a MOSFET or the like. Needless to say.
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、4…ゲート電流検出手段、5…短絡判定手段、6…基準電圧発生手段、7…比較手段、8…ゲート電圧検出手段、9…ミラー期間判定手段、10…微分手段、11…積分手段、12…ゲート電流調整手段、13…電流検出手段、14…電圧検出手段、15…素子温度検出手段 DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Switching element, 2 ... Flywheel diode, 3 ... Gate circuit, 4 ... Gate current detection means, 5 ... Short circuit determination means, 6 ... Reference voltage generation means, 7 ... Comparison means, 8 ... Gate voltage detection means, 9 ... Mirror period determination means, 10 ... differentiation means, 11 ... integration means, 12 ... gate current adjustment means, 13 ... current detection means, 14 ... voltage detection means, 15 ... element temperature detection means
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