JP2012034528A

JP2012034528A - 電力変換装置

Info

Publication number: JP2012034528A
Application number: JP2010173454A
Authority: JP
Inventors: Akitake Takizawa; 聡毅滝沢
Original assignee: Fuji Electric Co Ltd
Current assignee: Fuji Electric Co Ltd
Priority date: 2010-08-02
Filing date: 2010-08-02
Publication date: 2012-02-16

Abstract

【課題】ＩＧＢＴモジュールを並列接続した構成で、Ｖ_CEを検出して過電流保護（遮断）する場合、配線インダクタンスの影響で、高速で、確実な保護ができない課題がある。
【解決手段】並列接続されたＩＧＢＴモジュール内のＩＧＢＴのＶ_CE検出用のダイオードを各ＩＧＢＴ毎又は複数個に対して1個の割合で接続し、過電流時いずれかのＶ_CEが上昇した場合には並列接続された全てのＩＧＢＴのゲート信号を強制遮断する。
【選択図】図１

Description

本発明は、ＩＧＢＴモジュールを並列接続する電力変換装置の短絡保護機能を有したゲート駆動回路方式に関する。

図３に電力変換回路の代表的な回路である直流を交流に変換するインバータの主回路図を示す。Ｅｄｃが直流電源、ＡＣＭがモータなどの負荷、ＩＮＶが電力用半導体で構成するインバータ部で、電圧と周波数の可変出力が可能である。直流電源Ｅｄｃは、図示していない交流電源、ダイオード整流器、大容量の直流平滑用電解コンデンサなどで構成されるのが一般的である。またインバータＩＮＶの中でＴ１〜Ｔ６がＩＧＢＴ、Ｄ１〜Ｄ６が各ＩＧＢＴと逆並列に接続されるダイオード（還流ダイオード）、ＧＤ１〜ＧＤ６がＩＧＢＴを駆動及び保護するためのゲート駆動回路である。また、ＣＯＮＴは電力変換装置の制御回路で、各ＩＧＢＴのオンオフ指令信号の作成と、ゲート駆動回路からの故障信号を受けて装置の保護動作などを行う。

図４にゲート駆動回路の概略回路図と動作電流経路を示す。ＰＣ１がフォトカプラなどの絶縁器でオンオフ信号を弱電側から強電側に伝達する。
Ｖｐ、Ｖｎがゲート駆動回路の電源で、ＩＧＢＴＴｘのエミッタ電位に対して正負の電源となる。Ｑ１、Ｑ２がバッファトランジスタで、フォトカプラＰＣ１からのゲート駆動信号を増幅し、ゲート抵抗Ｒ３を介してＩＧＢＴＴｘをオンさせるためにゲートに電荷を供給する（もしくはオフさせるためにゲート電荷を引き抜く）。

また、Ｄ２ｘがＩＧＢＴＴｘのコレクタ・エミッタ間電圧Ｖ_CE検出用のダイオードで、通常時は電源Ｖｐから一点鎖線の電流Ｉｄｔを流し、ＩＧＢＴＴｘのＶ_CEを検出する。通常電流動作時のＶ_CEは数Ｖ程度となるが、アーム短絡時などＩＧＢＴＴｘに過電流が流れた場合はＶ_CEが上昇し、これに伴いコンデンサＣ１の電圧が上昇する。この電圧がツェナーダイオードＺＤのツェナー電圧以上となった場合にトランジスタＱ３がオンとなり、ダイオードＤ１ｘを介してトランジスタＱ１を強制遮断し、この結果ＩＧＢＴＴｘは強制遮断される。この時、トランジスタＱ３のオンに連動させ、コレクタ電流経路にフォトカプラＰＣ２を挿入することで、弱電側に過電流情報を伝達することができる。ここで抵抗Ｒ２は電流制限用抵抗である。この過電流情報を制御回路で検知し、電力変換装置を安全に停止させることができる。

また、抵抗Ｒ１とコンデンサＣ１は、トランジスタＱ３のベース電流を決定するための抵抗とフィルタ用コンデンサである。
なお、過電流時の強制遮断回路については、特許文献１に記載されている。

図５に、システムの大容量化のために図６示す１相分のＩＧＢＴモジュール（２ｉｎ１モジュール）を各相当り３個並列接続した場合の、三相インバータの回路を示す。Ｅｄｃは直流電源、ＴＵ１〜ＴＵ３がＵ相用ＩＧＢＴモジュール、ＴＶ１〜ＴＶ３がＶ相用ＩＧＢＴモジュール、ＴＷ１〜ＴＷ３がＷ相用ＩＧＢＴモジュールの並列接続回路で構成した三相ブリッジインバータ回路である。ＡＣＭは負荷としての交流電動機である。

３個のＩＧＢＴモジュールＴａ、Ｔｂ、Ｔｃを並列接続する場合の構造図を図７に、配線インダクタンスを考慮した回路図を図８に示す。図７に示すように、ＩＧＢＴモジュールＴａ、Ｔｂ、Ｔｃの出力端子（Ｐ、Ｎ、Ｕ）同士を導体Ａ、導体Ｂ、導体Ｃで並列接続する場合、モジュール間には物理的距離があるため、端子同士間の配線にはある程度のインダクタンスが発生する。図８に示す回路図で各インダクタンスＬｐ１〜Ｌｐ３、Ｌｎ１〜Ｌｎ３、Ｌａｂ、Ｌｂｃは、各モジュール間および直流電源間の配線インダクタンスである。並列接続時の配線インダクタンスについては、特許文献２に記載されている。

特開平４−７９７５９号公報（第７図）特開平１０−７５５７８号公報（図３）

上述のように、ＩＧＢＴモジュールを並列接続する場合には、モジュール間及び直流電源とモジュール間に配線インダクタンスが発生する。
図９に、ＩＧＢＴモジュールＴａ、Ｔｂ、Ｔｃを３台並列接続したシステムで、かつゲート駆動回路ＧＤｘ内のアーム短絡検知用のダイオードＤ２ｘをＩＧＢＴモジュールＴａの出力端子ＵもしくはＴａのＵ端子に近接させて接続した場合において、モジュールＴａの上アーム側ＩＧＢＴＴ１ａが、何らかの故障で短絡破壊した場合を想定した短絡電流経路図を示す。この時故障したモジュールＴａには最も大きな電流ｉ_Taが流れる一方で、モジュールＴａから物理的に遠いモジュールほど短絡電流値は小さくなる（ｉ_Tb、ｉ_Tc）。図９のケースでは、
ｉ_Ta＞ｉ_Tb＞ｉ_Tc
となる。

また、モジュール間の配線インダクタンスＬａｂとＬｂｃには、短絡電流によって図中の＋方向に電圧が発生するため、短絡中の各モジュールのＶ_CEは、
Ｖ_CE(T2a)＞Ｖ_CE(T2b)＞Ｖ_CE(T2c)
となる。

以上によりモジュールＴａの何らかの異常によりアーム短絡した場合は、ダイオードＤ２ｘにより感度良く短絡検知が可能となる。
次に、図１０に、ＩＧＢＴモジュールＴａ、Ｔｂ、Ｔｃを３並列接続したシステムで、かつゲート駆動回路ＧＤｘ内のアーム短絡検知用のダイオードＤ２ｘをＩＧＢＴモジュールＴａの出力端子ＵもしくはＴａのＵ端子に近接させて接続した場合において、モジュールＴｃの上アーム側ＩＧＢＴＴ１ｃが、何らかの故障で短絡破壊した場合を想定した短絡電流経路図を示す。この時、故障したモジュールＴｃには最も大きな電流ｉ_Tcが流れる一方で、モジュールＴｃから物理的に遠いモジュールほど短絡電流値は小さくなる（ｉ_Tb、ｉ_Ta）。図１０のケースでは、
ｉ_Ta＜ｉ_Tb＜ｉ_Tc
となる。

また、モジュール間の配線インダクタンスＬａｂとＬｂｃには、短絡電流によって図中の＋方向に電圧が発生するため、短絡中の各モジュールのＶ_CEは、
Ｖ_CE(T2a)＜Ｖ_CE(T2b)＜Ｖ_CE(T2c)
となる。

即ちアーム短絡検知用ダイオードＤ２ｘが接続されている箇所から物理的に遠いモジュールが、何らかの異常によりアーム短絡した場合は、ダイオードＤ２ｘによる短絡検知は感度が悪く、短絡検知するまでの時間が長くなり、最悪の場合には検知できずモジュール破壊に至るといった課題があった。

従って、本発明の課題は、ＩＧＢＴモジュールを並列接続した場合の短絡遮断を、高速でかつ確実に実現できる保護回路を提供することである。

上述の課題を解決するために、第1の発明においては、ＩＧＢＴを内蔵したパワー半導体モジュールを複数台並列接続して構成する電力変換装置において、前記ＩＧＢＴを駆動するためのゲート駆動回路と、前記ゲート駆動回路と前記ＩＧＢＴのコレクタ端子間に前記コレクタ端子側をカソードとして接続する複数個のダイオードと、前記複数個のダイオードの各々のアノード側の電位を検出する複数個のアノード電位検出回路と、前記アノード電位検出回路のいずれかの回路の検出値が設定値以上となった場合に、前記並列接続された全てのＩＧＢＴをオフさせる回路とを備える。

第２の発明においては、第１の発明における前記ＩＧＢＴのコレクタに接続されるダイオードの個数は、前記パワー半導体モジュールの並列数と等しくする。
第３の発明においては、第１の発明における前記ＩＧＢＴのコレクタに接続されるダイオードの個数は、複数台のモジュール毎に１個の割合とする。

第４の発明においては、第１の発明から第３の発明における前記並列接続された全てのＩＧＢＴをオフさせる回路が動作した時、この信号をゲート駆動回路から外部へ送出する故障信号送出手段を備える。

本発明では、並列接続されたＩＧＢＴモジュール内のＩＧＢＴのコレクタ・エミッタ間電圧Ｖ_CE検出用のダイオードを各ＩＧＢＴ毎又は複数個に対して1個の割合で接続し、過電流時いずれかのコレクタ・エミッタ間電圧Ｖ_CEが上昇した場合には並列接続された全てのＩＧＢＴのゲート信号を強制遮断している。この結果、配線インダクタンスの影響を受けずに、高速で、確実な過電流遮断が可能となる。

本発明の第1の実施例を示す回路図である。本発明の第２の実施例を示す回路図である。ＩＧＢＴを用いた三相インバータ回路図例である。従来の過電流遮断機能付ゲート駆動例を示す。各相をＩＧＢＴモジュール３並列で構成したインバータ回路である。２ｉｎ１タイプのＩＧＢＴモジュールの外観図例である。図６に示すＩＧＢＴモジュールの３並列接続構造例ある。配線インダクタンスを考慮した図７の回路構成図である。従来の過電流遮断回路図と動作説明図Ａである。従来の過電流遮断回路図と動作説明図Ｂである。

本発明の要点は、並列接続されたＩＧＢＴモジュール内のＩＧＢＴのコレクタ・エミッタ間電圧Ｖ_CE検出用のダイオードを各ＩＧＢＴ毎又は複数個に対して1個の割合で接続し、過電流時いずれかのコレクタ・エミッタ間電圧Ｖ_CEが上昇した場合には並列接続された全てのＩＧＢＴのゲート信号を強制遮断している点である。

図１に、本発明の第1の実施例を示す。本図はＩＧＢＴモジュールを３個（Ｔａ、Ｔｂ、Ｔｃ）並列接続した場合の実施例である。上アーム用のゲート駆動回路ＧＤａと下アーム用のゲート駆動回路ＧＤｂは同じ回路構成で、動作も同じであるので、ここでは下アーム用ゲート駆動回路ＧＤｂについて説明する。各モジュール内のＩＧＢＴＴ２ａ、Ｔ２ｂ、Ｔ２ｃのコレクタに対して、Ｖ_CE検出用ダイオードＤ２ａ、Ｄ２ｂ、Ｄ２ｃが各々接続されている。前記各ダイオードのアノード側には従来回路の図７と同様の回路が接続されている。
即ち、ＩＧＢＴＴ２ａのコレクタ電圧を検出するためのダイオードＤ２ａのアノード側には、抵抗Ｒ１ａとコンデンサＣ１ａの直列回路と、コンデンサＣ１ａの電圧を検出し、ゲートオン信号を強制遮断するためのツェナーダイオードＺＤａとトランジスタＱ３ａからなる回路が、ＩＧＢＴＴ２ｂのコレクタ電圧を検出するためのダイオードＤ２ｂのアノード側には、抵抗Ｒ１ｂとコンデンサＣ１ｂの直列回路と、コンデンサＣ１ｂの電圧を検出しゲートオン信号を強制遮断するためのツェナーダイオードＺＤｂとトランジスタＱ３ｂからなる回路が、ＩＧＢＴＴ２ｃのコレクタ電圧を検出するためのダイオードＤ２ｃのアノード側には、抵抗Ｒ１ｃとコンデンサＣ１ｃの直列回路と、コンデンサＣ１ｃの電圧を検出し、ゲートオン信号を強制遮断するためのツェナーダイオードＺＤｃとトランジスタＱ３ｃからなる回路が、各々接続される。トランジスタＱ３ａ、Ｑ３ｂ、Ｑ３ｃの各コレクタは共通接続され、ダイオードＤ１ｘを介してトランジスタＱ１とＱ２のベースに接続される。

本回路方式により、３個並列接続されているＩＧＢＴモジュール内のいずれか一つのＩＧＢＴのＶ_CEがツェナーダイオードのツェナー電圧以上になると、そのＩＧＢＴに対応したトランジスタが導通し、強制遮断動作となる。即ち、本回路はＩＧＢＴのアーム短絡現象によって最も早くＶ_CEが高くなったＩＧＢＴの過電流遮断回路の動作により、その他のＩＧＢＴも同時に遮断することが可能となる。

即ち、ＩＧＢＴモジュールを並列接続しているシステムにおいて、各ＩＧＢＴモジュール毎にアーム短絡検知回路を接続している構成となっているため、従来例のようにアーム短絡検知用ダイオードを接続しているＩＧＢＴモジュールと、アーム短絡故障したモジュールとが異なっている場合においても、配線構造による短絡電流のアンバランスによって検出時間が遅くなり、確実な短絡保護ができないという課題を防止することができる。

また、トランジスタＱ３ａ、Ｑ３ｂ、Ｑ３ｃのいずれかが動作した時、フォトカプラＰＣ１の一次側ダイオードは駆動用電源（Ｖｐ＋Ｖｎ）から抵抗Ｒ２を介して駆動され、フォトカプラＰＣ１の二次側信号として送出される。この信号は故障信号で装置の停止信号とすることにより、安全に電力変換装置を停止させることができる。

図２に、本発明の第２の実施例を示す。本図はＩＧＢＴモジュールを６個（Ｔａ〜Ｔｆ）並列接続した場合の実施例で、ＩＧＢＴのコレクタに接続されるダイオードは、ＩＧＢＴモジュール３台に１個の割合で接続されている例である。即ち、上アーム用のゲート駆動回路ＧＤｃとＩＧＢＴモジュールとの間に接続されるダイオードとしては、ＩＧＢＴモジュールＴａ、Ｔｂ、Ｔｃに対してダイオードＤ２ａ１が、ＩＧＢＴモジュールＴｄ、Ｔｅ、Ｔｆに対してダイオードＤ２ｄ１が、下アーム用のゲート駆動回路ＧＤｄとＩＧＢＴモジュールとの間に接続されるダイオードとしては、ＩＧＢＴモジュールＴａ、Ｔｂ、Ｔｃに対してダイオードＤ２ａ２が、ＩＧＢＴモジュールＴｄ、Ｔｅ、Ｔｆに対してダイオードＤ２ｄ２が、各々接続される。アーム短絡時の検知および強制遮断動作は第１の実施例と同様である。

本構成方法は、ＩＧＢＴモジュール数台に１台の割合で短絡検知を行うもので、並列モジュール間の配線長が短く、かつ並列数が多い場合に、コストアップ分が少なく実現できるため有効である。

本発明は、ＩＧＢＴモジュールを並列接続して使用する大容量の電源装置、電動機駆動用変換装置などへの適用が可能である。

Ｅｄｃ・・・直流電源ＡＣＭ・・・交流電動機
ＩＮＶ・・・インバータＣＯＮＴ・・・制御回路
Ｔ１〜Ｔ６、Ｔｘ、Ｔ１ａ、Ｔ１ｂ、Ｔ１ｃ、Ｔ２ａ，Ｔ２ｂ、Ｔ２ｃ・・・ＩＧＢＴ
Ｄ１〜Ｄ６ダイオードＰＣ１、ＰＣ２・・・フォトカプラ
ＧＤ１〜ＧＤ６、ＧＤｘ、ＧＤａ、ＧＤｂ、ＧＤｃ、ＧＤｄ・・・ゲート駆動回路
Ｒ１〜Ｒ３、Ｒ１ａ、Ｒ１ｂ、Ｒ１ｃ・・・抵抗
Ｖｐ、Ｖｎ・・・駆動回路電源
Ｃ１、Ｃ１ａ、Ｃ１ｂ、Ｃ１ｃ・・・コンデンサ
Ｄ１ｘ、Ｄ１ａ、Ｄ１ｂ，Ｄ１ｃ、Ｄ２ｘ、Ｄ２ａ，Ｄ２ｂ、Ｄ２ｃ・・・ダイオード
Ｄ２ａ１、Ｄ２ａ２、Ｄ２ｄ１、Ｄ２ｄ２・・・ダイオード
Ｑ１、Ｑ２、Ｑ３、Ｑ３ａ、Ｑ３ｂ、Ｑ３ｃ・・・トランジスタ
ＴＵ１〜ＴＵ３、ＴＶ１〜ＴＶ３、ＴＷ１〜ＴＷ３・・・ＩＧＢＴモジュール
Ｔａ〜Ｔｆ・・・ＩＧＢＴモジュール

Claims

ＩＧＢＴを内蔵したパワー半導体モジュールを複数台並列接続して構成する電力変換装置において、前記ＩＧＢＴを駆動するためのゲート駆動回路と、前記ゲート駆動回路と前記ＩＧＢＴのコレクタ端子間に前記コレクタ端子側をカソードとして接続する複数個のダイオードと、前記複数個のダイオードの各々のアノード側の電位を検出する複数個のアノード電位検出回路と、前記アノード電位検出回路のいずれかの回路の検出値が設定値以上となった場合に、前記並列接続された全てのＩＧＢＴをオフさせる回路とを備えることを特徴とする電力変換装置。
前記ＩＧＢＴのコレクタに接続されるダイオードの個数は、前記パワー半導体モジュールの並列数と等しくすることを特徴とする請求項１に記載の電力変換装置。
前記ＩＧＢＴのコレクタに接続されるダイオードの個数は、複数台のモジュール毎に１個の割合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。
前記並列接続された全てのＩＧＢＴをオフさせる回路が動作した時、この信号をゲート駆動回路から外部へ送出する故障信号送出手段を備えることを特徴とする請求項1〜３のいずれか1項に記載の電力変換装置。