JP2009261112A

JP2009261112A - 電力変換装置

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Publication number: JP2009261112A
Application number: JP2008106226A
Authority: JP
Inventors: Kensuke Sasaki; 健介佐々木; Yutaka Tajima; 豊田島; Hidetoshi Yamauchi; 英利山内
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 2008-04-15
Filing date: 2008-04-15
Publication date: 2009-11-05
Anticipated expiration: 2028-04-15
Also published as: JP5422909B2

Abstract

【課題】スイッチング素子を具えた電力変換装置において、電力変換装置の大出力時であっても正確にスイッチング素子の状態を判断する技術を提案する。
【解決手段】スイッチング素子動作手段２０は、スイッチング素子４１の制御端子４１１にゲート信号を出力するスイッチング素子駆動回路２０２と、スイッチング素子４１がオフからオンへ動作してパルス状電圧を生成する際の制御端子４１１の電圧平行期間の電圧の大小に基づきスイッチング素子４１の状態を判断するスイッチング素子状態判断手段２０３を具える。
【選択図】図２

Description

本発明は、IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)等のスイッチング素子を具えて電圧源からの電圧を変換して負荷に電力を供給する電力変換装置に関し、電力変換装置が負荷に大出力を供給する時であっても正確にスイッチング素子の状態を判断する技術に関するものである。

電力変換装置としては一般に、直流の電圧源と負荷とを接続するインバータ装置がある。インバータ装置に設けられた半導体よりなるスイッチング素子は高温に弱く、温度上昇によりスイッチング素子が破壊しないよう、スイッチング素子の状態を判断する発明としては従来、例えば特許文献１に記載のごときものが知られている。
特許文献１記載の技術は、スイッチング素子をオンオフ動作させるゲート信号を、スイッチング素子の制御端子へ出力するスイッチング素子駆動回路に、高周波電圧発生機構を設けたものである。この高周波電圧発生機構は、高周波駆動信号をスイッチング素子に与えることで、素子寄生静電容量を測定し、該測定結果からスイッチング素子の温度を推定するというものである。
特開平５−５６５５３号公報

しかし、上記従来のような特許文献１記載の技術にあっては、以下に説明するような問題を生ずる。つまり、スイッチング素子に測定用の高周波電圧を与えるため、スイッチング素子の通常駆動に影響を与えないよう、スイッチング素子が休止しているオフ期間においてのみ測定が可能となる。しかしながらPWM駆動などにおける大出力時などの素子の時間が微小となるオフ期間では十分な測定が行えない。したがって、最も素子温度が上昇していると考えられる、電力変換装置が大出力である時のスイッチング素子温度は測定が困難であった。

本発明は、電力変換装置の大出力時であっても正確にスイッチング素子の状態を判断することができ、しかも、スイッチング損失を伴わない電力変換装置を提案することを目的とする。

この目的のため本発明による電力変換装置は、
電圧源と負荷とを電気的に接続するスイッチング素子と、該スイッチング素子にオンオフ動作のためのゲート信号を与えるスイッチング素子動作手段とを具え、前記スイッチング素子をオンオフしてパルス状電圧を生成することにより前記電圧源から前記負荷へ電力を供給する電力変換装置において、
前記スイッチング素子動作手段は、スイッチング素子の制御端子に前記ゲート信号を出力するスイッチング素子駆動回路と、
スイッチング素子がオフからオンへ動作してパルス状電圧を生成する際の前記制御端子の電圧平行期間の電圧の大小に基づきスイッチング素子の状態を判断するスイッチング素子状態判断手段を具えたことを特徴としたものである。

かかる本発明の電力変換装置によれば、オフからオンへ動作してパルス状電圧を生成する際の制御端子の電圧平行期間の電圧の大小に基づきスイッチング素子の状態を判断するため、スイッチング素子の温度が最も大きくなる電力変換装置の大出力時に、スイッチング素子温度を正確に把握することが可能になる。したがって、スイッチング素子を有効に保護することができる。

以下、本発明の実施の形態を、図面に示す実施例に基づき詳細に説明する。

図１は本発明の一実施例になる電力変換装置、電圧源および負荷の全体概略を示す回路構成図である。直流の電圧源１0の正極側端子および負極側端子間には、６個のスイッチング素子４１〜４６を電気的に接続する。スイッチング素子２１〜２６はIGBTであり、これらスイッチング素子４１〜４６の接続および配置は周知のインバータ装置と同様である。スイッチング素子４１〜４６には負荷である三相交流モータ３０を電気的に接続する。
各スイッチング素子４１〜４６のゲート端子には、これらスイッチング素子４１〜４６をオンオフ動作させるスイッチング素子動作手段２０を接続する。スイッチング素子４１〜４６およびスイッチング素子動作手段２０は電力変換装置を構成する。

電圧源１０は三相交流モータ３０の電源である。図１に示すようにスイッチング素子４１〜４６はこれら電圧源１０と三相交流モータ３０とを電気的に接続する。スイッチング素子動作手段２０はスイッチング素子４１〜４６の制御端子にオンオフ動作のためのゲート信号を与え、スイッチング素子４１〜４６をオンオフする。これによりパルス状電圧を生成して電圧源１０から三相交流モータ３０へ電力を供給する。スイッチング素子動作手段２０は、スイッチング素子４１〜４６をオン時間とオフ時間の割合、つまりパルス状電圧の期間（幅）、を制御することにより、三相交流モータ３０の駆動電流を制御するＰＷＭ制御を実行する。

図２はスイッチング素子動作手段２０の機能ブロック図である。スイッチング素子動作手段２０はスイッチング素子４１〜４６に共通であることから、説明の重複を避けるため図２にはスイッチング素子４１〜４６のうち１個のスイッチング素子４１のみにつき代表して示す。

スイッチング素子動作手段２０は、パルス幅変調制御のためのパルス動作指令sig_PWMを出力するPWM駆動信号生成手段２０１と、パルス動作指令sig_PWMに基づきスイッチング素子４１の制御端子４１１にゲート信号を出力し、実際にスイッチング素子４１をオンオフするスイッチング素子駆動回路２０２を具える。さらにスイッチング素子動作手段２０は、スイッチング素子４１がオフからオンへ動作してパルス状電圧を生成する際の制御端子４１１の電圧変化に基づきスイッチング素子の状態を判断するスイッチング素子状態判断手段２０３を具える。

ＰＷＭ駆動信号生成手段２０１は、図示しない、ＰＷＭ搬送波と電圧指令値を比較することで、パルス動作指令sig_PWMを生成し、前記スイッチング素子駆動回路２０２へスイッチング素子のオンオフ指令を出力すると同時に、スイッチング素子４１をオフからオンに切り替える動作を知らせる素子オン信号sig_swon = 1をスイッチング素子状態判断手段２０３へ出力する。スイッチング素子状態判断手段２０３は素子オン信号sig_swon = 1を受信次第、スイッチング素子駆動回路２０２から出力される制御端子４１１の電圧Vgをサンプリングし、制御端子電圧変化からスイッチング素子４１の状態を判断する。そしてスイッチング素子状態判断手段２０３は判断結果sig_resultを、ＰＷＭ駆動信号生成手段２０１に出力する。判断結果sig_resultが０：素子正常であれば、ＰＷＭ駆動信号生成手段２０１は通常のパルス幅変調制御を行う。これに対し、判断結果sig_resultが１：素子異常であれば、ＰＷＭ駆動信号生成手段２０１はオン期間を短くしオフ期間を長くしてパルス状電圧の期間を通常よりも短くするスイッチング素子保護動作を行う。

上述した図１および図２に示す本実施例の構成によれば、スイッチング素子４１〜４６の制御端子電圧からスイッチング素子４１〜４６の素子状態を判断できる。したがって、スイッチング素子４１〜４６に温度検知用素子を付加的に設ける必要が無くなり、素子状態の検知におけるコストの低減を実現することができる。また、熱電対などの感温素子をスイッチング素子４１〜４６近傍に配置する必要が無くなり、電力変換装置の小型化にも貢献することができる。

更には、インバータのような電力変換装置において素子状態の測定用信号をスイッチング素子４１〜４６に出力する従来技術にあっては、スイッチング素子に測定用信号を印加することでスイッチが開き、これにより電圧源が短絡してしまうことを防ぐため、測定しているアームと逆側のアームをオフ状態にする必要がある。このときにアームをオンオフする際のスイッチング損失が発生するが、上述した図１および図２に示す本実施例の構成によれば、逆側のアームをオンオフする必要が無くなり、スイッチング損失を低減することが可能となる。

また、スイッチング素子の温度が最も大きくなる範囲は電力変換装置が大出力時であり、素子保護の観点からは大出力時の素子温度を正確に把握することが必要となる。しかし大出力時では、スイッチング素子がオンとなる期間が長くなるため、相対的にスイッチング素子がオフとなる期間が短くなる。仮にキャリア周波数10kHzのPWM駆動をする電力変換装置において変調率が0.9の場合、スイッチング素子がオンとなる時間は90μsである。これにデッドタイムなどが加味されるため、スイッチング素子がオフとなる時間は10μs以下となってしまう。このため、素子オフ期間に素子温度を検知する従来技術では大出力時には十分な測定時間がとれず、その結果、出力の低い範囲において温度を検知し、大出力時の素子温度を推定するしかなかった。本実施例によれば上記問題が解決でき、素子オフ時間の長短に関わらずスイッチング素子温度を迅速、かつ正確に検知することができる。

図３は、実際のスイッチング素子制御端子４１１の電圧変化を示した経時変化図である。図３に示すように、瞬時t1で素子オン信号sig_swon = 1を出力し、パルス状電圧の生成を開始する。素子オン信号sig_swon = 1の出力後、続く瞬時t2でスイッチング素子がフルオンとなるまでには多少のずれが生じる。このずれ期間を素子オフオン移行期間と呼ぶ。この期間で制御端子電圧Vgは立ち上がって上昇を続けるが、途中で制御端子電圧Vgの電圧増加率が0近傍となる。これは一般に、ミラー効果として知られ、制御端子電圧Vgはミラー効果電圧Vmになる期間Ｍが存在する。このミラー効果電圧Vmを電圧平行期間Ｍにおける電圧と定義する。このミラー効果電圧Vmはスイッチング素子がオフ状態からオン状態へ変化する境界電圧である制御端子閾値電圧Vgth（図示せず）の変動に大きく影響を受け、VmとVgthは連動して変化する特性を有する。またスイッチング素子の素子温度Tjが上昇するに伴い、制御端子閾値電圧Vgthは低下する特性を有するため、素子オフオン移行期間のミラー効果電圧Vmの変動を検知することによってスイッチング素子の状態である素子温度の判断が可能となる。なお、瞬時t2以降でパルス状電圧の生成が終了すると、続く瞬時t3で素子オフ信号sig_swon = 1を出力する。

図４はスイッチング素子状態判断手段２０３が実行するスイッチング素子状態判断を示すフローチャートである。素子オン信号sig_swon = 1がスイッチング素子状態判断手段２０３に入力されるとこのフローチャートに入り、図３に示す素子オフオン移行期間（t1〜t2）における制御端子４１１の電圧Vgのサンプリングを行い、制御端子電圧増加率が0近傍となる付近の制御端子電圧Vgを検出することで、素子状態検知が可能となる。まずステップＳ１では、制御端子電圧Vgを連続サンプリングして制御端子４１１の電圧変化を算出する。

次のステップＳ２では、制御端子４１１の電圧変化になる制御端子電圧変化率ΔVg/ΔtがVg上昇期間（素子オンオフ移行期間t1〜t2）におけるΔVg/Δtと比較して大幅に減少したか否かを判断する。制御端子電圧変化率ΔVg/ΔtがVg上昇期間におけるΔVg/Δtと比較して大幅に減少した場合（Yes）、制御端子電圧変化率ΔVg/Δtが0近傍であると判断し、次のステップＳ３へ進む。これに対し大幅に減少していない場合（No）、上記ステップＳ１へ戻り制御端子電圧Vgの連続サンプリングを続行する。

ステップＳ３では、直前にサンプリングした制御端子電圧Vgを上述した図３に示すミラー効果電圧Ｖｍとする。
次のステップＳ４では、ミラー効果電圧Ｖｍが素子異常判定値Vj未満であるか否かを判断する。素子異常判定値Vj以上である場合（No）、スイッチング素子４１は正常に動作可能な温度範囲にあると判断してステップＳ５へ進む。ステップＳ５では、スイッチング素子４１が正常範囲であるとし判断結果sig_result=0（素子正常）をPWM駆動信号生成手段２０１へ出力する。そして本フローを抜ける。PWM駆動信号生成手段２０１は、通常のパルス幅変調制御に係るパルス動作指令sig_PWMを出力する。これは図５にＩで示す波形である。

これに対し素子異常判定値Vj未満である場合（Yes）、スイッチング素子４１が正常に動作することができないほど高温であり、異常範囲にあると判断してステップＳ６へ進む。ステップＳ６では、判断結果sig_result=1（素子異常）をPWM駆動信号生成手段２０１へ出力する。そして本フローを抜ける。PWM駆動信号生成手段２０１は、スイッチング素子保護モードに入り、図５にIIで示す波形のパルス動作指令sig_PWMを出力する。この素子オン期間IIは、通常の素子オン期間Ｉよりも短いことから、スイッチング素子４１〜４６の温度上昇を回避して、これらを保護する。

上述した本実施例によれば、制御端子４１１の電圧変化率ΔVg/Δtが０近傍となる時の制御端子４１１の電圧値に基づきスイッチング素子４１の状態を判断することから、PWM制御によるパルス状電圧の生成に影響を与えることなく、スイッチング素子温度を正確に把握することが可能になる。またアームのスイッチング素子状態の測定のために逆アームのスイッチング素子をオンオフする必要も無くなり、スイッチング損失を低減することが可能となる。

また上述した本実施例によれば、スイッチング素子状態判断手段２０３により判断したスイッチング素子４１〜４６の状態が正常範囲から外れた場合（sig_result＝１）に、スイッチング素子動作手段２０のＰＷＭ駆動信号生成手段２０１は、次回のオフからオンへ動作時以降で、スイッチング素子保護モードに移行することから（図５のII）、スイッチング素子４１〜４６を有効に保護することができる。

本実施例の変形例として、ＰＷＭ駆動信号生成手段２０１は図６や図７の図に示す波形のパルス動作指令sig_PWMを出力してもよい。これは、オン動作しない程度の弱いスイッチング素子状態判断指令Ｉと、該Ｉと連続するオン動作指令IIからなる。なお、スイッチン素子状態の判断が終了次第、指令Iから指令IIへの切り替えを即時実施する。これにより、スイッチン素子状態の判断に要する時間的な損失を問題とならない程度に小さく抑えることができる。

これら指令Ｉおよび指令IIからなるパルス動作指令sig_PWMに連動したゲート信号を出力するスイッチング素子駆動回路２０２も、ゲート信号がオフからオンに切り替わってオン動作ゲート信号を出力することに先立ち、該オン動作ゲート信号と連続するスイッチング素子状態判断ゲート信号を制御端子４１１に出力する。これによりスイッチング素子４１〜４６は、図５に示すようなオフおよびオン間の瞬時の移行ではなく、オフ状態からオン状態へ徐々に移行する。

図７に示すスイッチング素子状態判断指令Ｉに対応するスイッチング素子状態判断ゲート信号は、図３で前述した素子オンオフ期間t1〜t2における制御端子４１１のミラー効果電圧Vmに略等しい。これにより、このスイッチング素子状態判断ゲート信号による制御端子４１１の電圧変化に基づきスイッチング素子４１〜４６の状態を判断することができる。

図６、図７に示した、スイッチング素子状態判断指令Ｉによれば、ミラー効果電圧が素子異常判定値Vj未満となる場合、速やかに指令IIへの切り替えを中止できるので、スイッチング素子の保護機能を高めることができる。
上述したスイッチング素子状態判断ゲート信号によるスイッチング素子４１〜４６の状態判断は、素子オン期間が素子オフ期間よりも短い電力変換装置の小出力時に有用であり、大出力時は図５に示すスイッチング素子保護モードを利用すると良い。

なお、スイッチング素子状態判断ゲート信号により制御端子４１１に流れる電流変化または電流値に基づきスイッチング素子４１〜４６の状態を判断してもよい。制御端子４１１に流れる電流Igについては後述する。

上述した変形例によれば、素子状態判断に要する制御端子電圧サンプリング速度を抑えることが可能になる。特に小出力時での素子状態判断手段２０３への過大な負荷を防ぐことが可能となる。このためスイッチング素子動作手段２０の熱対策が容易となる。また大出力時では図６，図７に連動する素子状態判断ゲート信号を用いず、図３で前述したオフオン即時切り替え動作での状態判断を用いることで、スイッチング素子４１〜４６の負担が大となる大出力時でのスイッチング素子状態を正確に判断することが可能となる。

次に、本発明の第２実施例になる電力変換装置について説明する。この第２実施例の基本構成は、前述した図１および図２と同様である。

図８は、第２実施例のスイッチング素子状態判断手段２０３が実行するスイッチング素子状態判断を示すフローチャートである。素子オン信号sig_swon = 1がスイッチング素子状態判断手段２０３に入力されるとこのフローチャートに入り、まずステップＳ２１では、タイマTtimerのカウントダウンを開始する。

次のステップＳ２２では、タイマTtimerが所定時間Tsに達したか否かを判断する。未だ達していなければ（No）、素子オン信号sig_swon=1出力後所定時間Tsが経過するまでタイマTtimerのカウントダウンを続行する。そして素子オン信号sig_swon=1を出力した後の経過時間が所定時間Tsに達すると（Yes）、ステップＳ２３へ進む。

ステップＳ２３では、素子オン信号sig_swon=1出力後所定時間Tsが経過したときの制御端子電圧Vgをサンプリングして、このVgをミラー効果電圧Vmとする。そして図４で前述したステップＳ４以降に進む。

本実施例によれば図１２の図８の制御フローに示すように、スイッチング素子状態判断手段２０３は、ゲート信号がオフからオンに切り替わった瞬時t1からの経過時間Ttimerを求め、経過時間Ttimerが電圧変化０近傍の期間Mに要する所定時間Tsに達した時の制御端子電圧値Vgを検出し、この制御端子電圧値Vgをミラー効果電圧Vmとしてスイッチング素子４１の状態を判断することから、以下の効果が得られる。
つまり三相交流モータ３０の負荷特性が明確である等、制御端子電圧Vgの立ち上がりに要する時間や、これに続く制御端子電圧増加率が0近傍となる期間が予めわかっている場合には、予め制御端子電圧立ち上がり所要時間を算出ないし記憶しておき、これを所定時間Tsとすることで、最適な制御端子取得タイミングを得ることができる。
また、スイッチング素子４１〜４６がオフからオンへ切り替わった後所定時間Ts後の制御端子電圧を検出することで、過剰な電圧サンプリングを避け、素子状態検知に必要となるシステムを簡素化できる。

次に、本発明の第３実施例になる電力変換装置について説明する。この実施例では、第１実施例における制御端子電圧変化率0近傍の制御端子電圧取得タイミングを、制御端子電流を用いて決定する。この第３実施例の基本構成は、前述した図１と同様である。

図９はスイッチング素子動作手段２０の機能ブロック図である。スイッチング素子動作手段２０はスイッチング素子４１〜４６に共通であることから、説明の重複を避けるため図２にはスイッチング素子４１〜４６のうち１個のスイッチング素子４１のみにつき代表して示す。

スイッチング素子動作手段２０は、図２で前述したPWM駆動信号生成手段２０１と、スイッチング素子駆動回路２０２と、スイッチング素子状態判断手段２０３を具える。さらにスイッチング素子動作手段２０は、制御端子４１１を流れる電流を検出してVg取得タイミングを決定する機能を有した、素子制御端子電流検出・判断手段２０４を具える。

素子駆動回路２０２と素子４１の制御端子４１１とを抵抗素子４１２を介して接続する。素子制御端子電流検出・判断手段２０４は抵抗素子４１２に発生する電圧降下を取得することで、素子制御端子電流値を算出する構成とする。この抵抗素子４１２はスイッチング素子オンオフ速度を調整するものとして一般的に用いられており、特にゲート抵抗の名称で知られている。このため抵抗素子４１２は本構成を実現するために新たに追加する構成部品ではない。

素子制御端子電流検出・判断手段２０４は、抵抗素子４１２の両端と電気的に接続し、制御端子電流Igを検出する。そして検出／非検出指令sig_searchを、ＰＷＭ駆動信号生成手段２０１に出力する。

図１０は、実際のスイッチング素子制御端子４１１の電流変化および電圧変化を示したものである。図１０に示すように、瞬時t1で素子オン指令sig_swon = 1を出力してから、続く瞬時t2でスイッチング素子がフルオンとなるまでの素子オフオン移行期間で、制御端子電圧変化率が0近傍となる付近において、制御端子電流Igは急増加して立ち上がり、続けて急減少して立ち下がることから、顕著な変化を示す。

そこで図１０中、素子オフオン移行期間で、電流変化率が負になる立ち下がり期間において制御端子電流Igが制御端子電圧検出用判定電流値Ijとが同一となった時点での制御端子電圧Vgを検出することで、図１０中、期間Ｍでの制御端子電圧Vmを確実に検知することが可能となる。

図１１はスイッチング素子状態判断手段２０３が素子制御端子電流検出・判断手段２０４と協働して実行するスイッチング素子状態判断を示すフローチャートである。素子オン信号sig_swon = 1が素子制御端子電流検出・判断手段２０４に入力されるとこのフローチャートに入り、まずステップＳ３１では、制御端子電圧を取得しないsig_search＝０の非検出指令と、スイッチング素子は正常であるsig_result＝０の検出結果とを出力する。

次のステップＳ３２では、制御端子電流Igをサンプリングし、制御端子電流Igが制御端子電流検出開始値Isに達したか否かを監視する。未だ達していない場合(No)、制御端子電流検出開始値Isに達するまで上記ステップＳ３２の監視を続行する。そして制御端子電流検出開始値Isに達すると（Yes）、ステップＳ３３へ進む。なお上記ステップＳ３２でIs以上ではなく、Isを超えたか否かを監視してもよい。この様子については図１０を参照されたい。

ステップＳ３３では、制御端子電流Igをサンプリングし、この制御端子電流Igが制御端子電圧検出用電流値Ij以下になったか否かを監視する。未だ以下になっていない場合(No)、制御端子電圧検出用電流値Ij以下になるまで上記ステップＳ３３の監視を続行する。そして制御端子電圧検出用電流値Ij以下になると（Yes）、ステップＳ３４へ進む。なお上記ステップＳ３３でIj以下ではなく、Ij未満になったか否かを監視してもよい。この様子については図１０を参照されたい。

ステップＳ３４では、制御端子電圧を取得するようsig_search＝１の検出指令をスイッチング素子状態判断手段２０３へ出力する。次のステップＳ３５では、検出指令sig_search＝１出力時の制御端子電圧Vgをサンプリングして、このVgをミラー効果電圧Vmとする。そして図４で前述したステップＳ４以降に進む。

本実施例によれば、スイッチング素子動作手段２０は、制御端子４１１の電流変化を検出する素子制御端子電流検出・判断手段２０４を具える。そしてスイッチング素子状態判断手段２０３は、この電流変化に基づき制御端子４１１の電圧変化を求める。これにより、正確な制御端子電圧サンプルタイミングsig_search＝１を確保し、かつ不要な制御端子電圧サンプリングを避けることが可能となり、素子状態検知に必要となるシステムを簡素化できる。

さらに本実施例では、スイッチング素子４１〜４６の接続端子４１１とスイッチング素子駆動回路２０２との接続部に設けてある抵抗素子４１２を流れる電流の電流変化を検出することから、従来から具わっている抵抗素子４１２を利用して電圧降下からスイッチング素子４１〜４６の制御端子電流を算出することができる。したがって、制御端子電流検出のために新たな電流検出手段を設ける必要が無く、かつ従来の電流検出手段では応答できなかった変化率の大きな電流検出も可能となる。

さらに本実施例では図１１の制御フローに示すように、素子制御端子電流検出・判断手段２０４が制御端子４１１の電流値Igを検出し、スイッチング素子状態判断手段２０３が、Igの電流変化率が負になる立ち下がり期間における電流値Igが所定値Ij以下になった時の制御端子４１１の電圧値Vgに基づきスイッチング素子４１〜４６の状態を判断する。すなわち、スイッチング素子４１〜４６がオフからオン状態へ移行する際の電流立ち下がり期間における所定値Ij以下となった場合に制御端子電圧Vgを検出し（ステップＳ３４）、スイッチング素子状態を検知することで、スイッチング素子状態判断に最適な制御端子電圧Vmを確実に検出することが可能となる。

次に、本発明の第４実施例になる電力変換装置について説明する。この実施例では、第３実施例における制御端子電流の変化に基づく制御端子電圧Vg取得タイミングを、Ig・Ij比較による決定から、Ig変化率を参照することにより決定する。これに伴い、第４実施例では、第３実施例における素子状態判断手段２０３および素子制御端子電流検出・判断手段２０４の動作フローチャートを示す図１１を、図１２のように変更する。この第４実施例の基本構成は、前述した図１および図９と同様である。

素子オン信号sig_swon = 1が素子制御端子電流検出・判断手段２０４に入力されると図１２に示すフローチャートに入る。まずステップＳ４１では、制御端子電圧を取得しないsig_search＝０の非検出指令と、スイッチング素子は正常であるsig_result＝０の検出結果とを出力する。

次のステップＳ４２では、制御端子電流Igを連続サンプリングし、時間当たりの電流変化率ΔIg/Δtを算出する。

電流変化率ΔIg/Δtは図１０に示したとおりsig_swon=1直後から急増加して立ち上がり、その後急減少に転じて立ち下がる。
次のステップＳ４３では、電流変化率ΔIg/Δtが減少に転じた後、ΔIg/Δtが立ち下がり期間でのΔIg/Δtと比較して大幅に小さくなった時点、つまり減少が緩やかになった時点Ｎ、を制御端子電圧Vg検出に最適なタイミングと判断する。また、電流変化率に変化率の小さくなったことを識別するしきい値を設定しても良い。
次のステップＳ４４では、制御端子電圧を取得するよう検出指令sig_search＝１を出力する。

次のステップＳ４５では、検出指令sig_search＝１出力時の制御端子電圧Vgをサンプリングして、このVgをミラー効果電圧Vmとする。そして図４で前述したステップＳ４以降に進む。

本実施例によれば図１２の制御フローに示すように、スイッチング素子状態判断手段２０３は、制御端子電流Igが立ち上がりから減少に転じたときの電流変化率ΔIg/Δtを算出し（ステップＳ４２）、電流変化率ΔIg/Δtが電流値の立ち下がり期間における電流変化率よりも大幅に小さくなった時を検知し（ステップＳ４３）、この検知時の前記制御端子の電圧値Vgをミラー効果電圧Vmとしてスイッチング素子の状態を判断する。実際の電流変化および電圧変化を参照すると（図１０参照）、立ち下がり期間における電流変化率よりも大幅に小さくなった時点Nで、制御端子電流Igはミラー効果電圧Vmとなるのが理解されよう。
これにより、スイッチング素子４１＝４６の製造ばらつき等による制御端子電圧検出における最適タイミングのずれを吸収し、素子状態判断に最適な制御端子電圧Imを確実に検出することが可能となる。

次に、本発明の第５実施例になる電力変換装置について説明する。この実施例では、第３実施例におけるVg検出タイミングを、sig_swon=1出力後所定時間が経過した後、制御端子電流を用いて決定する。これに伴い第３実施例におけるスイッチング素子状態判断手段２０３および素子制御端子電流検出・判断手段２０４の動作フローを、図１１に代えて図１３に示すように変更する。この第５実施例の基本構成は、前述した図１および図９と同様である。

素子オン信号sig_swon = 1が素子制御端子電流検出・判断手段２０４に入力されると図１３に示すフローチャートに入る。まずステップＳ５１では、制御端子電圧を取得しないsig_search＝０の非検出指令と、スイッチング素子は正常であるsig_result＝０の検出結果とを出力する。そして、タイマTtimerのカウントダウンを開始する。

次のステップＳ５２では、タイマTtimerが所定時間Tsに達したか否かを判断する。未だ達していなければ（No）、素子オン信号sig_swon=1出力後所定時間Tsが経過するまでタイマTtimerのカウントダウンを続行する。そして素子オン信号sig_swon=1を出力した後の経過時間が所定時間Tsに達すると（Yes）、ステップＳ５３へ進む。

ステップＳ５３では、制御端子電流Igをサンプリングし、この制御端子電流Igが制御端子電圧検出用電流値Ij以下になったか否かを監視する。未だIj以下になっていない場合(No)、制御端子電圧検出用電流値Ij以下になるまで上記ステップＳ５３の監視を続行する。そして制御端子電圧検出用電流値Ij以下になると（Yes）、ステップＳ５４へ進む。なお上記ステップＳ５３でIj以下ではなく、Ij未満になったか否かを監視してもよい。この様子については図１０を参照されたい。

ステップＳ５４では、制御端子電圧を取得するようsig_search＝１の検出指令をスイッチング素子状態判断手段２０３へ出力する。次のステップＳ３５では、検出指令sig_search＝１出力時の制御端子電圧Vgをサンプリングして、このVgをミラー効果電圧Vmとする。そして図４で前述したステップＳ４以降に進む。

本実施例によれば図１３の制御フローに示すように、素子制御端子電流検出・判断手段２０４は、ゲート信号がオフからオンに切り替わった瞬時t1からの経過時間Ttimerを求め、経過時間Ttimerが所定時間Tsに達した時からの電流値Igを検出し、この電流値Igが所定値Ij以下の時の制御端子電圧値Vmに基づきスイッチング素子の状態を判断する。したがって不要な電流値サンプリングを解消することが可能となり、かつスイッチング素子４１〜４６の状態判断に必要となる制御端子電圧Vgの確実な検知が可能となる。

なお、上述したのはあくまでも本発明の実施例であり、本発明はその主旨に逸脱しない範囲において種々変更が加えられうるものである。

図１は本発明の第１実施例になる電力変換装置、電圧源および負荷の全体概略を示す回路構成図である。同実施例の素子駆動回路の機能ブロック図である。スイッチング素子制御端子の実際の電圧変化を示した経時変化図である。同実施例のスイッチング素子状態判断の制御フローを示す。同実施例のパルス動作指令を波形で示す図である。同実施例の変形例になるパルス動作指令を波形で示す図である。同実施例の変形例になるパルス動作指令を波形で示す図である。第２実施例になるスイッチング素子状態判断の制御フローを示す。第３実施例の素子駆動回路の機能ブロック図である。スイッチング素子制御端子の実際の電圧変化を示した経時変化図である。同実施例のスイッチング素子状態判断の制御フローを示す。第４実施例になるスイッチング素子状態判断の制御フローを示す。第５実施例になるスイッチング素子状態判断の制御フローを示す。

符号の説明

１０電圧源
２０スイッチング素子動作手段
３０モータ（負荷）
４１４２４３４４４５４６スイッチング素子
２０１ PWM駆動信号生成手段
２０２スイッチング素子駆動回路
２０３スイッチング素子状態判断手段
２０４素子制御端子電流検出・判断手段
４１１制御端子
４１２抵抗素子

Claims

電圧源と負荷とを電気的に接続するスイッチング素子と、該スイッチング素子にオンオフ動作のためのゲート信号を与えるスイッチング素子動作手段とを具え、前記スイッチング素子をオンオフしてパルス状電圧を生成することにより前記電圧源から前記負荷へ電力を供給する電力変換装置において、
前記スイッチング素子動作手段は、スイッチング素子の制御端子に前記ゲート信号を出力するスイッチング素子駆動回路と、
スイッチング素子がオフからオンへ動作してパルス状電圧を生成する際の前記制御端子の電圧平行期間の電圧の大小に基づきスイッチング素子の状態を判断するスイッチング素子状態判断手段を具えたことを特徴とする電力変換装置。
請求項１に記載の電力変換装置において、
前記スイッチング素子状態判断手段は、前記制御端子の電圧変化率が０近傍となる時の制御端子電圧値に基づきスイッチング素子の状態を判断することを特徴とする電力変換装置。
請求項２に記載の電力変換装置において、
前記スイッチング素子状態判断手段は、前記ゲート信号がオフからオンに切り替わった時からの経過時間を求め、該経過時間が所定時間に達した時の制御端子電圧値を検出し、該制御端子電圧値に基づきスイッチング素子の状態を判断することを特徴とする電力変換装置。
請求項１または２に記載の電力変換装置において、
前記スイッチング素子動作手段は、前記制御端子の電流変化を検出する素子制御端子電流検出・判断手段を具え、
前記スイッチング素子状態判断手段は、前記電流変化に基づき前記制御端子の電圧変化を求めることを特徴とする電力変換装置。
前記制御端子と前記スイッチング素子駆動回路との接続部に抵抗素子を設けた請求項４に記載の電力変換装置において、
前記素子制御端子電流検出・判断手段は、前記抵抗素子を流れる電流の電流変化を検出することを特徴とする電力変換装置。
請求項４または５に記載の電力変換装置において、
前記素子制御端子電流検出・判断手段は前記制御端子の電流値を検出し、
前記スイッチング素子状態判断手段は、電流値の電流変化率が負になる立ち下がり期間における電流値が所定値以下になった時の前記制御端子の電圧変化に基づきスイッチング素子の状態を判断することを特徴とする電力変換装置。
請求項４または５に記載の電力変換装置において、
前記素子制御端子電流検出・判断手段は、前記電流変化が立ち上がりから減少に転じたときの電流変化率を算出し、該電流変化率が電流値の立ち下がり期間における電流変化率よりも大幅に小さくなった時を検知し、
前記スイッチング素子状態判断手段は、該検知時の前記制御端子の電圧変化に基づきスイッチング素子の状態を判断することを特徴とする電力変換装置。
請求項４または５に記載の電力変換装置において、
前記素子制御端子電流検出・判断手段は、前記ゲート信号がオフからオンに切り替わった時からの経過時間を求め、該経過時間が所定時間に達した時からの前記電流値を検出し、
前記スイッチング素子状態判断手段は、検出した電流値が所定値以下になった時の前記制御端子の電圧変化に基づきスイッチング素子の状態を判断することを特徴とする電力変換装置。
請求項１〜８のいずれか１項に記載の電力変換装置において、
前記スイッチング素子状態判断手段により判断したスイッチング素子の状態が正常範囲から外れた場合に、前記スイッチング素子動作手段は、次回のオフからオンへ動作時以降で、スイッチング素子保護モードに移行することを特徴とする電力変換装置。
請求項１〜９のいずれか１項に記載の電力変換装置において、
前記スイッチング素子駆動回路は、前記ゲート信号がオフからオンに切り替わってオン動作ゲート信号を出力することに先立ち、該オン動作ゲート信号と連続するスイッチング素子状態判断ゲート信号を出力し、
前記スイッチング素子状態判断手段は、スイッチング素子状態判断ゲート信号による前記制御端子の電圧変化または電流変化に基づきスイッチング素子の状態を判断することを特徴とする電力変換装置。