JP2012125092A

JP2012125092A - 電力変換装置の過電流保護装置および過電流保護方法

Info

Publication number: JP2012125092A
Application number: JP2010275560A
Authority: JP
Inventors: Hiroki Sako; 博己迫
Original assignee: Meidensha Corp; Meidensha Electric Manufacturing Co Ltd
Current assignee: Meidensha Corp; Meidensha Electric Manufacturing Co Ltd
Priority date: 2010-12-10
Filing date: 2010-12-10
Publication date: 2012-06-28

Abstract

【課題】電力変換装置の電力変換性能を最大限まで活用しながら、誤った過電流判定と保護動作を防止できる。
【解決手段】インバータ１の主回路を構成する各半導体スイッチ素子（ＩＧＢＴ）のオン・オフ制御で負荷２に制御された電力・電流を供給し、電流検出器６でＩＧＢＴに流れる電流の検出値がＩＧＢＴの過電流判定レベルを超えたときにＩＧＢＴを過電流から保護する過電流保護装置であって、
過電流判定レベル可変回路３Ａは、主回路の直流電圧Ｅｄが低いほど、過電流判定レベルＩｊを高い値に設定・調節する。比較器３Ｂは設定・調節した過電流判定レベルＩｊを検出電流Ｉｄｅｔが超えたことを判定しときに、駆動回路４のゲート電圧出力のオフ制御等によって負荷やＩＧＢＴの電流を遮断する。
【選択図】図１

Description

本発明は、電力変換装置の過電流を検出・判定したときに主回路の半導体スイッチ素子を保護する過電流保護装置および過電流保護方法に係り、特に過電流の検出・判定技術に関する。

インバータやコンバータなどの電力変換装置は、その主回路にはＩＧＢＴ（絶縁ゲート・バイポーラ・トランジスタ）などの複数の半導体スイッチ素子を例えばブリッジ接続で構成し、さらには各半導体スイッチ素子を一体化したパワーモジュールとし、各半導体スイッチ素子のオン・オフ制御で負荷に制御された電力・電流を供給する。

この種の電力変換装置の保護装置は、例えば、図２に示すインバータ１では、負荷２の駆動電流をＣＴ１，ＣＴ２などの電流検出器によりＩＧＢＴに流れる電流を直接又は間接的に検出し、この検出で過電流判定回路３が過電流発生を判定したときにはＩＧＢＴの駆動回路４のゲート電圧出力のオフ制御等によって負荷やＩＧＢＴの電流を遮断し、ＩＧＢＴを過電流から保護する。５はインバータ１の３相出力電圧や電流を制御する制御回路である。

過電流検出・判定と保護を行う装置として、ＩＧＢＴのターンオン時にコレクタ電圧が降下しない場合に負荷または他のＩＧＢＴの短絡（過電流発生）と判定し、この判定でＩＧＢＴの駆動回路のゲート電圧を徐々に低下させたターンオフ制御によって、ＩＧＢＴのコレクタに発生するサージ電圧を低く抑え、ＩＧＢＴを破損させることなく負荷等を過電流から保護するものがある（例えば、特許文献１参照）。

同様の保護装置として、上記の手法で負荷または他のＩＧＢＴの短絡を判定したときに、ＩＧＢＴの駆動回路のゲート抵抗を切り換えたターンオフ制御によって、ＩＧＢＴのコレクタに発生するサージ電圧を低く抑えるものがある（例えば、特許文献２参照）。

特開平６−２７６０７３特開平８−３３５８６２

従来の過電流保護装置において、過電流判定レベルは、半導体スイッチ素子に許容される電流の絶対最大定格を超えない値で、かつ、半導体スイッチ素子のターンオフ時に発生するサージ電圧がそれに許容される電圧の絶対最大定格以下になるための電流値から決定される。

ここで、サージ電圧の性状としては、例えば、インバータのＩＧＢＴが同一の駆動条件のとき、インバータの直流電圧Ｅｄ（図２参照）が一定ならばＩＧＢＴのターンオフ電流が大きいほどサージ電圧が高くなる。また、ＩＧＢＴのターンオフ電流が同一であるならばインバータ直流電圧が高いほど、サージ電圧が高くなる。

しかし、現状の過電流判定レベルは、インバータの直流電圧Ｅｄの変化を考慮することなく一定値に固定されている。例えば、パワーモジュールの絶対最大定格が「電圧１２００Ｖ、連続電流４００Ａ」であった場合、過電流判定レベルは、主回路の直流電圧Ｅｄが低く、ＩＧＢＴに発生するサージ電圧が低い場合でも、インバータのサージ電圧が１２００Ｖを超えないように、過電流判定レベルを低い値に設定している。

また、主回路の直流電圧Ｅｄが低く、ＩＧＢＴのターンオフ電流が４００Ａ以下でもサージ電圧が１２００Ｖを超えないように、過電流判定レベルを低い値に設定している。

以上のように、過電流判定レベルは、電力変換装置の主回路の直流電圧の変化によるサージ電圧の高低変化を考慮することなく一定値に固定している。この手法による過電流判定では、主回路の直流電圧が低いときにはサージ電圧に対する過電流判定レベルの設定に余裕ができ、電力変換装置の電力変換性能を十分に活かせなくなる。さらに、過電流判定レベルを下げ過ぎた場合には、誤った過電流判定と保護動作になるおそれがある。

本発明の目的は、電力変換装置の電力変換性能を最大限まで活用しながら、誤った過電流判定と保護動作を防止できる電力変換装置の過電流保護装置および過電流保護方法を提供することにある。

本発明は、前記の課題を解決するため、電力変換装置の主回路の直流電圧が低いほど過電流判定レベルを高い値に設定・調節するようにしたもので、以下の装置および方法を特徴とする。

（装置の発明）
（１）主回路を構成する各半導体スイッチ素子のオン・オフ制御で負荷に制御された電力・電流を供給し、前記半導体スイッチ素子に流れる電流を直接または間接的に検出し、この電流値が前記半導体スイッチ素子の過電流判定レベルを超えたときに前記半導体スイッチ素子を過電流から保護する電力変換装置の過電流保護装置であって、
前記主回路の直流電圧が低いほど、前記過電流判定レベルを高い値に設定・調節する過電流判定レベル設定・調節手段を備えたことを特徴とする。

（２）前記過電流判定レベル設定・調節手段は、過電流判定レベルの基準値Ｉｂをベースとし、この基準値Ｉｂからの嵩上げ分として、主回路の直流電圧Ｅｄが低いほど過電流判定レベルＩｊを高い値にする構成にしたことを特徴とする。

（３）前記過電流判定レベル設定・調節手段は、主回路の直流電圧Ｅｄが最小値ＭＩＮでは過電流判定レベルＩｊを電流Ｉ_H（＞Ｉｂ）とし、最大値ＭＡＸでは過電流判定レベルＩｊを電流Ｉ_L（＝Ｉｂ）となり、電流Ｉ_Hから電流Ｉ_Lの間は一定の傾斜または二次曲線特性をもつ構成にしたことを特徴とする。

（方法の発明）
（４）主回路を構成する各半導体スイッチ素子のオン・オフ制御で負荷に制御された電力・電流を供給し、前記半導体スイッチ素子に流れる電流を直接または間接的に検出し、この電流値が前記半導体スイッチ素子の過電流判定レベルを超えたときに前記半導体スイッチ素子を過電流から保護する電力変換装置の過電流保護方法であって、
前記主回路の直流電圧が低いほど、前記過電流判定レベルを高い値に設定・調節することを特徴とする。

以上のとおり、本発明によれば、電力変換装置の主回路の直流電圧が低いほど過電流判定レベルを高い値に設定・調節するため、電力変換装置の電力変換性能を最大限まで活用しながら、誤った過電流判定と保護動作を防止できる。

本発明の実施形態を示す回路構成図。従来の過電流保護装置の回路構成図。

図１は、本発明の実施形態を示す回路構成図であり、図２と異なる部分は同一符号で示す。過電流判定レベル可変回路３Ａは、過電流判定レベル設定・調節手段であり、過電流判定レベルの基準値Ｉｂと、インバータ１の直流電圧Ｅｄの検出値とを入力とし、基準値Ｉｂをベースとし、この基準値Ｉｂからの嵩上げ分として、直流電圧Ｅｄが低いほど過電流判定レベルＩｊが高い値になるよう設定・調節する。

比較器３Ｂは、判定レベル可変回路３Ａからの過電流判定レベルＩｊと電流検出器６で検出するＩＧＢＴや負荷の検出電流Ｉｄｅｔとの大小を比較し、検出電流Ｉｄｅｔが過電流判定レベルＩｊ以上になったときに負荷またはＩＧＢＴの過電流発生の判定出力を得る。この判定出力は駆動回路４のゲート電圧出力のオフ制御等によって負荷やＩＧＢＴの電流を遮断する。これによって、負荷やＩＧＢＴは過電流から保護する。

上記の判定レベル可変回路３Ａは、その入出力特性を図１中に示すように、直流電圧Ｅｄが最小値ＭＩＮから最大値ＭＡＸの範囲内で変化したときに、最小値ＭＩＮでは過電流判定レベルＩｊを電流Ｉ_H（＞Ｉｂ）とし、最大値ＭＡＸでは過電流判定レベルＩｊを電流Ｉ_L（＝Ｉｂ）となるよう設定・調節する。

なお、過電流判定レベルＩ_L（＝基準値Ｉｂ）は、インバータの直流電圧Ｅｄが最大値ＭＡＸで、ＩＧＢＴなどの半導体スイッチ素子に許容される電流の絶対最大定格を超えることのない近い値で、かつ、半導体スイッチ素子のターンオフ時に発生するサージ電圧が半導体スイッチ素子に許容される電圧の絶対最大定格を超えることのない近い値に設定しておく。また、過電流判定レベルＩ_Hは、インバータの直流電圧Ｅｄが最小値ＭＩＮで、ＩＧＢＴなどの半導体スイッチ素子に許容される電流の絶対最大定格を超えることのない近い値で、かつ、半導体スイッチ素子のターンオフ時に発生するサージ電圧が半導体スイッチ素子に許容される電圧の絶対最大定格を超えることのない近い値に設定しておく。

したがって、本実施形態によれば、インバータの直流電圧Ｅｄが低いほど過電流判定レベルＩｊを高い値に設定・調節するため、インバータの直流電圧Ｅｄが低いときにはサージ電圧に対する過電流判定レベルＩｊを高めることができ、電力変換装置の電力変換性能を最大限まで活用しながら、誤った過電流判定と保護動作を防止できる。

なお、判定レベル可変回路３Ａの入出力特性は、過電流判定レベルＩ_Hから過電流判定レベルＩ_Lまでは一定の傾斜（変化率）で変化させる場合を示すが、インバータの主回路構成や負荷がもつ電気的特性によってサージ電圧変化が非線形になる場合には、それに対応した二次曲線の入出力特性などに適宜変更することができる。

また、判定レベル可変回路３Ａの具体的な構成としては、入力される直流電圧Ｅｄと基準値Ｉｂなどを基にハードウエア演算回路またはマイクロコンピュータに組み込んだソフトウエアによって求めること、さらにはこれらの演算で予め求めたものをテーブルデータとして設定しておくことでもよい。

また、電流検出器６は、図２に示すように負荷２の駆動電流をＣＴ１，ＣＴ２などで検出する構成、または特許文献１や２のようにＩＧＢＴのターンオン時のコレクタ電圧の監視を基に、直流電圧Ｅｄをパラメータとして、短絡電流を検出する構成でもよい。

また、本実施形態では、電力変換装置をインバータとする場合で説明したが、チョッパやコンバータなど、他の電力変換装置の過電流保護装置として構成して、同等の作用効果を得ることができる。さらに、電力変換装置の主回路を構成する半導体スイッチ素子をＩＧＢＴ以外の他の素子としたもの、さらにそれらをパワーモジュール化したものに適用できる。

１インバータ
２負荷
３過電流判定回路
３Ａ過電流判定レベル可変回路
３Ｂ比較器
４駆動回路
５制御回路
６電流検出器

Claims

主回路を構成する各半導体スイッチ素子のオン・オフ制御で負荷に制御された電力・電流を供給し、前記半導体スイッチ素子に流れる電流を直接または間接的に検出し、この電流値が前記半導体スイッチ素子の過電流判定レベルを超えたときに前記半導体スイッチ素子を過電流から保護する電力変換装置の過電流保護装置であって、
前記主回路の直流電圧が低いほど、前記過電流判定レベルを高い値に設定・調節する過電流判定レベル設定・調節手段を備えたことを特徴とする電力変換装置の過電流保護装置。
前記過電流判定レベル設定・調節手段は、過電流判定レベルの基準値Ｉｂをベースとし、この基準値Ｉｂからの嵩上げ分として、主回路の直流電圧Ｅｄが低いほど過電流判定レベルＩｊを高い値にする構成にしたことを特徴とする請求項１に記載の電力変換装置の過電流保護装置。
前記過電流判定レベル設定・調節手段は、主回路の直流電圧Ｅｄが最小値ＭＩＮでは過電流判定レベルＩｊを電流Ｉ_H（＞Ｉｂ）とし、最大値ＭＡＸでは過電流判定レベルＩｊを電流Ｉ_L（＝Ｉｂ）となり、電流Ｉ_Hから電流Ｉ_Lの間は一定の傾斜または二次曲線特性をもつ構成にしたことを特徴とする請求項２に記載の電力変換装置の過電流保護装置。
主回路を構成する各半導体スイッチ素子のオン・オフ制御で負荷に制御された電力・電流を供給し、前記半導体スイッチ素子に流れる電流を直接または間接的に検出し、この電流値が前記半導体スイッチ素子の過電流判定レベルを超えたときに前記半導体スイッチ素子を過電流から保護する電力変換装置の過電流保護方法であって、
前記主回路の直流電圧が低いほど、前記過電流判定レベルを高い値に設定・調節することを特徴とする電力変換装置の過電流保護方法。