JP2014127728A - 短絡故障保護装置及び短絡故障保護方法 - Google Patents

Abstract

【課題】電力変換装置において短絡故障が発生した場合にサージの抑制と損失の低下を両立させる。
【解決手段】本発明の短絡故障保護装置は、電力変換装置で発生した短絡故障を検出する短絡故障検出部５と、短絡故障が検出されてＩＧＢＴ３Ａがオフされる場合に、ＩＧＢＴ３Ａのゲートにおける電圧変化率を切り換えるタイミングを設定する切換タイミング設定部１１と、短絡故障が検出されてＩＧＢＴ３Ａがオフされると、ＩＧＢＴ３Ａのゲート電圧を第１の電圧変化率で変化させ、切換タイミング設定部１１によって設定されたタイミングで第２の電圧変化率に切り替えるサージ抑制回路９とを備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、複数のスイッチング素子を制御して電力を変換する電力変換装置において短絡故障が発生した場合に、その短絡故障から電力変換装置を保護する短絡故障保護装置及びその方法に関する。

インバータ等の電力変換装置には、電力制御用半導体として例えばバイポーラＭＯＳ複合型半導体素子（ＩＧＢＴ）が多く使用されている。ＩＧＢＴは、ゲート電圧とコレクタ電圧によってコレクタ電流を決定しているが、ゲート電圧が大きくなるにしたがってコレクタ電圧の増加に伴うコレクタ電流の増加傾斜も急激に大きくなるという特性がある。

この特性により、電力変換装置において上下アーム短絡やモータ等の負荷短絡等（地絡等）が生じると、オン作動中のＩＧＢＴに電力変換装置の電源電圧が印加されて過大な短絡電流（コレクタ電流）が流れる。その結果、過大な短絡電流によって半導体の短絡耐量を越えて熱破壊が生じたり、短絡電流を高速で遮断することにより跳ね上がり電圧（サージ）が大きく発生してＩＧＢＴの耐圧限界を超えて破壊される場合があった。

そこで、従来の電力変換装置では、ＩＧＢＴのコレクタ−エミッタ間の電圧を監視し、この電圧が所定の電圧を超えると、短絡故障の発生を検知してＩＧＢＴをターンオフする構成となっていた。このとき、非特許文献１では、サージを抑制するためにＩＧＢＴをゆるやかにターンオフするソフトターンオフを実施することが開示されている。

富士電機株式会社発行 アプリケーションマニュアル−ＩＧＢＴモジュール 第５章 保護回路設計方法 ５-２〜５-６頁

しかしながら、ソフトターンオフによってゲート蓄積電荷の放電を遅くすると、ＩＧＢＴをターンオフするまでに時間がかかり、短絡電流がＩＧＢＴに流れる時間が長くなって損失が増大してしまう。一方、ゲート蓄積電荷の放電を早くすると、ＩＧＢＴがターンオフされる際に発生するサージ（スパイク電圧）が過大になってしまう。

したがって、従来ではサージの抑制と損失の低下を両立させて半導体を保護することは困難であるという問題点があった。

そこで、本発明は、上述した実情に鑑みて提案されたものであり、電力変換装置において短絡故障が発生した場合に、サージの抑制と損失の低下を両立させることのできる短絡故障保護装置及び短絡故障保護方法を提供することを目的とする。

本発明は、複数のスイッチング素子を制御して電力を変換する電力変換装置で発生した短絡故障を検出すると、スイッチング素子の制御端子における電圧変化率を切り換えるタイミングを設定する。そして、短絡故障が検出されてスイッチング素子がオフされると、スイッチング素子の制御端子の電圧を第１の電圧変化率で変化させ、設定されたタイミングで第２の電圧変化率に切り替えることにより、上述した課題を解決する。

本発明によれば、短絡故障が発生した場合にサージの抑制と損失の低下を両立させて電力変換装置を保護することができる。

図１は、本発明の第１実施形態に係る短絡故障保護装置を搭載した電力変換装置の構成を示すブロック図である。 図２は、本発明の第１実施形態に係る短絡故障保護装置を搭載した電力変換装置を含む電力変換システムの構成を示すブロック図である。 図３は、本発明の第１実施形態に係る短絡故障保護装置による短絡故障保護処理の手順を示すフローチャートである。 図４は、本発明の第１実施形態に係る短絡故障保護装置による短絡故障保護処理を説明するためのタイミングチャートである。 図５は、本発明の第１実施形態の変形例に係る短絡故障保護装置を搭載した電力変換装置の構成を示すブロック図である。 図６は、本発明の第２実施形態に係る短絡故障保護装置を搭載した電力変換装置の構成を示すブロック図である。 図７は、本発明の第２実施形態に係る短絡故障保護装置による短絡故障保護処理を説明するためのタイミングチャートである。 図８は、本発明の第３実施形態に係る短絡故障保護装置を搭載した電力変換装置の構成を示すブロック図である。 図９は、本発明の第３実施形態に係る短絡故障保護装置による短絡故障保護処理を説明するためのタイミングチャートである。

以下、本発明を適用した第１〜第３実施形態について図面を参照して説明する。

［第１実施形態］
［短絡故障保護装置の構成］
図１は本実施形態に係る短絡故障保護装置を搭載した電力変換装置の構成を示すブロック図である。図１に示すように、本実施形態に係る電力変換装置１は、ＩＧＢＴ３Ａ、３Ｂと、短絡故障検出部５と、駆動制御部７と、サージ抑制回路９と、切換タイミング設定部１１とを備えている。これらの構成要素のうち、本実施形態に係る短絡故障保護装置は短絡故障検出部５と、サージ抑制回路９と、切換タイミング設定部１１とから構成されている。

電力変換装置１は、図２に示すように高電圧バッテリー２１から供給された直流電力を交流電力に変換して三相交流モータ２３に出力するインバータである。

ＩＧＢＴ３Ａ、３Ｂは、電力変換装置１を構成するスイッチング素子であり、ＩＧＢＴ３ＡとＩＧＢＴ３Ｂで対向アームを構成している。本実施形態では下アームであるＩＧＢＴ３Ｂが短絡故障した場合について説明するが、上アームであるＩＧＢＴ３Ａが短絡故障した場合も同様に保護することが可能である。

短絡故障検出部５は、電力変換装置１で発生した短絡故障を検出しており、本実施形態ではＩＧＢＴ３Ａのコレクタ端子の電圧、すなわちコレクタ−エミッタ間の電圧Ｖceの変化率に基づいて短絡故障を検出している。そして、短絡故障を検出すると、短絡故障検出信号Ｖdesを出力する。具体的な構成としては、微分回路等によって電圧変化率dＶce／dtを検出する電圧変化率検出回路３１と、電圧変化率検出回路３１の出力と所定の閾値とを比較するコンパレータ３３とを備えている。

駆動制御部７は、マイクロコンピュータやマイクロプロセッサ、ＣＰＵを含む汎用の電子回路によって構成され、上位システムからの駆動指令に応じてＩＧＢＴ３Ａのオン、オフの駆動を制御している。ＩＧＢＴ３Ａをオンする場合には、駆動制御部７から駆動信号Ｖgeoutがバッファ回路４１を介してＩＧＢＴ３Ａのゲートに出力され、オフする場合には駆動信号Ｖgeoutの出力が停止される。バッファ回路４１はＩＧＢＴ３Ａのゲート容量の充電を行うために設置されている。そして、駆動制御部７は、短絡故障検出部５によって短絡故障が検出されて短絡故障検出信号Ｖdesを受信すると、駆動信号Ｖgeoutを停止してＩＧＢＴ３Ａをオフする。

サージ抑制回路９は、正常動作中のスイッチングにおいてコレクタ電圧Ｖceのサージを所定の大きさに抑制する回路である。そして、短絡故障の発生時には、短絡故障検出部５によって短絡故障が検出されてＩＧＢＴ３Ａがオフされると、ＩＧＢＴ３Ａのゲート（制御端子）の電圧変化率を切り換える電圧変化率切換部として機能する。サージ抑制回路９は、短絡故障が検出されてＩＧＢＴ３Ａがオフされると、まずＩＧＢＴ３Ａのゲート電圧を第１の電圧変化率で変化させ、その後切換タイミング設定部１１によって設定されたタイミングで第２の電圧変化率に切り替えている。具体的な構成としては、サージ抑制回路９は、第１トランジスタＴr１と、第２トランジスタＴr２と、第３トランジスタＴr３と、制限抵抗Ｒとを備えている。第１トランジスタＴr１はＩＧＢＴ３Ａのゲート容量を放電するための電流を制御するために設置されており、第２トランジスタＴr２は第１トランジスタＴr１のベース電流を制御する目的で設置されている。また、第３トランジスタＴr３は、ＩＧＢＴ３Ａを高速にオフする通常動作時のターンオフと、ＩＧＢＴ３Ａをゆるやかにターンオフするソフトターンオフとの切り換えを行っている。制限抵抗Ｒは、第３トランジスタＴr３がオフされてソフトターンオフを行う場合に第１トランジスタＴr１のベース電流を制限している。したがって、サージ抑制回路９は、第３トランジスタＴr３をオン、オフすることによって、ＩＧＢＴ３Ａのゲート電圧の電圧変化率を第１の電圧変化率から第２の電圧変化率へと切り換えている。

切換タイミング設定部１１は、短絡故障検出部５によって短絡故障が検出され、ＩＧＢＴ３Ａがオフされた後に、ＩＧＢＴ３Ａのゲートの電圧変化率を切り換えるタイミングを設定する。本実施形態では、切換タイミング設定部１１は遅延回路４３を備えており、短絡故障が検出されてから所定の遅延時間τ１が経過したタイミングで電圧変化率を切り換えるように設定されている。尚、遅延回路４３は、一次フィルタのような簡単な回路で実現すればよい。

［短絡故障保護処理の手順］
次に、本実施形態に係る短絡故障保護装置による短絡故障の保護処理の手順を図３のフローチャート及び図４のタイミングチャートを参照して説明する。

図３に示すように、まずステップＳ１０１において、短絡故障検出部５が短絡故障を検出する。ここでは、対向アームの下アームであるＩＧＢＴ３Ｂが短絡故障した場合について説明する。まず、図４の時刻ｔ１に上位システムから駆動制御部７に駆動指令が入力されて（図４（ａ））、駆動制御部７が自アームをターンオンするために駆動信号Ｖgeoutを出力すると（図４（ｂ））、ＩＧＢＴ３Ａのゲート電圧が上昇を開始する（図４（ｃ））。そして、時刻ｔ２にゲート電圧が所定の閾値Ｖgethを超えると、ＩＧＢＴ３Ａがオンして短絡電流Ｉcsが発生する（図４（ｄ））。

ここで、ＩＧＢＴ３Ａのコレクタ端子の電圧Ｖceは、図４（e）に示すようにＩＧＢＴ３Ａがターンオンした直後は、短絡電流Icsに応じて電源電圧Ｖdcから低下する。正常時では、コレクタ電圧Ｖceは低下したままとなって上昇していくことはないが、短絡故障が発生している場合には短絡電流Ｉcsの上昇に伴ってコレクタ電圧Ｖceも上昇する。

このとき、電圧変化率検出回路３１はＩＧＢＴ３Ａのコレクタ端子の電圧変化率dＶce/dtをモニターしており（図４（ｆ））、この値をコンパレータ３３が短絡判定閾値ａと比較する。そして、時刻ｔ３に電圧変化率dＶce/dtが短絡判定閾値ａを越えると、短絡故障検出部５は短絡故障の発生を検知して、短絡故障検出信号Ｖdesを駆動制御部７と切換タイミング設定部１１に出力する（図４（ｇ））。

尚、短絡判定閾値ａは、ＩＧＢＴ３Ａが使用される温度（環境温度／ジャンクション温度）や半導体短絡耐量、耐圧を考慮し、短絡電流を遮断するときに許容できる損失とサージ電圧とを定義することによって設定することが可能である。短絡判定閾値ａを下げると、少ない短絡電流で遮断するため、損失が少なく且つ発生するサージ電圧は比較的小さい状態で保護動作を行うことができるが、誤検知の可能性が上がってしまう。逆に、短絡判定閾値ａを上げると、大きい短絡電流を遮断するため、損失が多く且つ発生するサージ電圧が大きい状態で保護動作を行うことになるが、誤検知の可能性は下げることができる。

次に、ステップＳ１０２において駆動制御部７によってＩＧＢＴ３Ａのターンオフ動作が行われるとともに、ステップＳ１０３において切換タイミング設定部１１が切換タイミングを設定する。

まず、駆動制御部７は、時刻ｔ３に短絡故障検出信号Ｖdesが入力されると、上位システムに対して短絡エラー信号を出力するとともに、短絡電流を遮断するために駆動信号Ｖgeoutを停止する（図４（ｂ））。駆動信号Ｖgeoutが停止されると、まず通常動作時と同じ低スイッチング損失のターンオフが行われる。具体的に説明すると、駆動信号Ｖgeoutが停止されると、第１及び第２トランジスタＴr１、Ｔr２がオンする。このとき図４（ｈ）に示す切換タイミング設定部１１からの切換信号ｓによって、第３トランジスタＴr３はすでにオンされているので、ＩＧＢＴ３Ａのゲート容量が放電され、図４（ｃ）に示すようにゲート電圧は低下していく。

一方、このとき切換タイミング設定部１１の遅延回路４３では、時刻ｔ３に短絡故障検出信号Ｖdesが入力されると、遅延時間τ１のカウントが開始されている。

そして、図４（ｃ）に示すように、ＩＧＢＴ３Ａのゲート電圧が時刻ｔ４に所定の閾値Ｖgethを下回るとＩＧＢＴ３Ａがオフして、この後ＩＧＢＴ３Ａのゲート電圧は通常動作時の高い電圧変化率（第１の電圧変化率）で低下する。このとき短絡電流Ｉcsは図４（ｄ）に示すように急激に低下するが、コレクタ電圧Ｖceは図４（ｅ）に示すように通常のターンオフを行ったためにサージによって急激に上昇する。

ここで、ステップＳ１０４において、サージ抑制回路９によってＩＧＢＴ３Ａのゲートの電圧変化率が切り換えられる。時刻ｔ５になると、遅延時間τ１が経過したことにより図４（ｈ）に示すように切換タイミング設定部１１からの切換信号ｓが停止するので、第３トランジスタＴr３がオフする。これにより、第１トランジスタＴr１のベース電流が制限抵抗Ｒによって制限されるので、ＩＧＢＴ３Ａはゆるやかなターンオフであるソフトターンオフに切り換えられる。したがって、ＩＧＢＴ３Ａのゲート電圧は低い電圧変化率（第２の電圧変化率）へと切り換えられ、ゲート電圧は図４（ｃ）に示すようにゆるやかに低下していくことになる。また、短絡電流Ｉcsの低下も図４（ｄ）に示すようにゆるやかになり、サージも抑制されてコレクタ電圧Ｖceは図４（ｅ）に示すように急上昇から低下へと変化する。

尚、遅延時間τ１は、ＩＧＢＴ３Ａが使用される温度（環境温度／ジャンクション温度）や半導体短絡耐量、耐圧を考慮し、短絡電流を遮断するときに許容できる損失とサージ電圧とを定義することによって設定することが可能である。遅延時間τ１を小さくすると、ソフトターンオフの時間が長くなり、発生するサージは比較的小さくなるが損失は増加する。逆に、遅延時間τ１を大きくすると、ソフトターンオフの時間が短くなり、発生するサージは大きくなるが、損失は減少する。また、ソフトターンオフのオフ期間を設定する制限抵抗Ｒについても同様に設定することができる。通常のターンオフ動作では抑制しきれない過大なサージ電圧を、半導体耐圧を超えない範囲となるように制限抵抗Ｒでオフ期間を調整してターンオフ動作を行うようにすればよい。

そして、上述した処理を行うことにより、最終的に時刻ｔ６において短絡電流Ｉcsが遮断されると、本実施形態に係る短絡故障の保護処理を終了する。

［変形例］
次に、本実施形態に係る短絡故障保護装置の変形例について図面を参照して説明する。

図５は変形例に係る短絡故障保護装置を搭載した電力変換装置の構成を示すブロック図である。図５に示すように、変形例に係る電力変換装置５１は、切換タイミング設定部１１を駆動制御部７に設けたことが第１実施形態と相違している。

上述した第１実施形態では、切換タイミング設定部１１を独立して形成していたが、本変形例では切換タイミング設定部１１を駆動制御部７の１つの機能として形成している。切換タイミング設定部１１の動作は上述した実施形態と同一であり、通常動作時は切換信号ｓを出力しており、短絡故障検出信号Ｖdesが駆動制御部７に入力されると、遅延時間τ１をカウントし、遅延時間τ１が経過すると、切換信号ｓを停止する。

上述した実施形態のように切換タイミング設定部１１を独立して形成すると、ＩＧＢＴ３Ａ、３Ｂの特性に合わせて設計変更を容易に行うことができるという特徴がある。また、本変形例のように切換タイミング設定部１１を駆動制御部７の１つの機能として形成すると、配線や回路構成を簡単な構成にできるという特徴がある。

［第１実施形態の効果］
以上詳細に説明したように、本実施形態に係る短絡故障保護装置では、短絡故障が検出されてＩＧＢＴがオフされると、ＩＧＢＴのゲート電圧を第１の電圧変化率で変化させ、その後に予め設定されたタイミングで第２の電圧変化率に切り替える。これにより、短絡故障が発生した場合にサージの抑制と損失の低下を両立させて電力変換装置を保護することができる。

特に、本実施形態では、短絡故障が検出されると、まず低損失な通常動作のターンオフでＩＧＢＴ３Ａをオフするが、従来では短絡故障を検出すると、直ちにソフトターンオフを行っていた。これにより、従来では図４（ｄ）の点線Ｉ’で示すように短絡電流Ｉcsはゆるやかに減少するので、損失が増大して短絡耐量を超えてしまう恐れがあった。

これに対して、本実施形態に係る短絡故障保護装置では、短絡故障が検出されると低損失な通常動作のターンオフを行うので、図４（ｄ）の実線で示すように短絡電流を急激に減少させて損失を抑制させている。これにより、半導体を短絡耐量の破壊から保護することが可能となる。

一方、通常動作のターンオフを行っただけでは、図４（ｅ）の点線Ｖ’に示すようにサージ電圧は耐圧Ｖtを超えて上昇し続けてしまう。そこで、本実施形態に係る短絡故障保護装置では、遅延時間τ１によって設定されたタイミングで通常動作のターンオフからソフトターンオフに切り換えている。これにより、コレクタ電圧Ｖceは、図４（ｅ）の実線で示すように耐圧Ｖtを超えることなく低下するので、半導体を耐圧破壊から保護することが可能となる。

このように、本実施形態に係る短絡故障保護装置によれば、損失の増大による短絡耐量の破壊を防ぐことができるとともに、耐圧の破壊も防ぐことができ、安全に短絡電流を遮断することが可能となる。

さらに、半導体が実装されたパワーモジュールが有する配線インダクタンス（チップ実装ワイヤ等）や、その周辺を構成するバスバー等の主回路インピーダンスの特性によって短絡故障発生時におけるコレクタ電圧の振る舞いは変わってくる。したがって、構成する部品のインダクタンスを含めた特性に応じて、短絡故障発生時のコレクタ電圧の変動に合わせて検知レベルを設定すれば、パワーモジュール内部の構成やその周辺部品のレイアウト設計等に自由度を持たせることが可能となる。

また、本実施形態に係る短絡故障保護装置によれば、ＩＧＢＴのコレクタ端子の電圧変化率dＶce/dtに基づいて短絡故障を検出するので、短絡故障によるコレクタ電圧Ｖceの異常な上昇を検知することができ、確実に短絡故障を検出することができる。

さらに、本実施形態に係る短絡故障保護装置によれば、短絡故障が検出されてから所定の遅延時間が経過したタイミングで電圧変化率を切り替えているので、遅延時間を適切な値に設定することによって短絡耐量の破壊と耐圧の破壊をいずれも防ぐことができる。

［第２実施形態］
次に、本発明の第２実施形態に係る短絡故障保護装置について図面を参照して説明する。尚、第１実施形態と同一の構成要素には同一の番号を付して詳細な説明は省略する。

［短絡故障保護装置の構成］
図６は本実施形態に係る短絡故障保護装置を搭載した電力変換装置の構成を示すブロック図である。図６に示すように、本実施形態に係る電力変換装置６１は、短絡故障検出部６３の構成が第1実施形態と相違している。

本実施形態に係る短絡故障検出部６３は、第１実施形態と比較して電圧変化率検出回路３１を削除し、コンパレータ３３のみを備えている点が相違している。コンパレータ３３は、コレクタ電圧Ｖceと所定の閾値とを比較する。これにより、本実施形態に係る短絡故障検出部６３は、ＩＧＢＴ３Ａのコレクタ端子の電圧Ｖceに基づいて短絡故障を検出し、短絡故障を検出すると、短絡故障検出信号Ｖdesを出力する。尚、切換タイミング設定部１１については駆動制御部７に設置されていてもよい。

［短絡故障保護処理の手順］
次に、本実施形態に係る短絡故障保護装置による短絡故障の保護処理の手順を図７のタイミングチャートを参照して説明する。尚、本実施形態に係る短絡故障保護処理は、短絡故障の検出方法のみが相違しており、その他の処理は第１実施形態と同一である。

図７（ｃ）に示すように、時刻ｔ２においてゲート電圧が所定の閾値Ｖgethを超えると、ＩＧＢＴ３Ａがオンして、図７（ｄ）に示すように短絡電流Ｉcsが発生する。

ＩＧＢＴ３Ａがターンオンした直後は、ＩＧＢＴ３Ａのコレクタ端子の電圧Ｖceは、図７（ｅ）に示すように短絡電流Icsに応じて電源電圧Ｖdcから低下していくが、その後、短絡電流Ｉcsの上昇に伴ってコレクタ電圧Ｖceも上昇する。このとき、コンパレータ３３は、ＩＧＢＴ３Ａのコレクタ電圧Ｖｃｅをモニターしており、短絡判定閾値ｂと比較している。

通常動作時ではコレクタ電圧Ｖceは、ターンオン直後に低下して図７（ｅ）の点線Ｖｃｅ’で示すように低下したまま上昇してくることはない。しかし、短絡故障している場合には短絡電流Ｉｃｓの上昇に伴ってコレクタ電圧Ｖceも上昇する。そこで、ＩＧＢＴ３Ａがオン状態のときにコレクタ電圧Ｖceが短絡判定閾値ｂを超えて上昇した場合に短絡故障であると判定すれば、短絡故障の発生を検知することができる。

そこで、短絡故障検出部６３は、ＩＧＢＴ３Ａがオン状態のときにコレクタ電圧Ｖceが短絡判定閾値ｂを越えると、短絡故障の発生を検知して、短絡故障検出信号Ｖdesを駆動制御部７と切換タイミング設定部１１に出力する（図７（ｆ））。尚、ＩＧＢＴ３Ａがオン状態であるか否かの判定については、駆動制御部７から駆動信号Ｖgeout等の信号を受信して短絡故障検出部６３が判断してもよいし、駆動制御部７が判定してもよい。

これ以後の処理は第１実施形態と同一の処理となり、遅延時間τ１が経過した後に通常のターンオフからソフトターンオフへと切り換える処理が実行されて、本実施形態に係る短絡故障の保護処理を終了する。

［第２実施形態の効果］
以上詳細に説明したように、本実施形態に係る短絡故障保護装置では、短絡故障が検出されてＩＧＢＴがオフされると、ＩＧＢＴのゲート電圧を第１の電圧変化率で変化させ、その後に予め設定されたタイミングで第２の電圧変化率に切り替える。これにより、短絡故障が発生した場合にサージの抑制と損失の低下を両立させて電力変換装置を保護することができる。

また、本実施形態に係る短絡故障保護装置によれば、ＩＧＢＴのコレクタ端子の電圧に基づいて短絡故障を検出するので、規定の検知電圧に達した時点で短絡電流を遮断することができ、短絡電流が小さい時点で遮断することが可能となる。したがって、短絡時の損失を低減できるとともに、過大なサージを抑制することも可能となる。

［第３実施形態］
次に、本発明の第３実施形態に係る短絡故障保護装置について図面を参照して説明する。尚、第１及び第２実施形態と同一の構成要素には同一の番号を付して詳細な説明は省略する。

［短絡故障保護装置の構成］
図８は本実施形態に係る短絡故障保護装置を搭載した電力変換装置の構成を示すブロック図である。図８に示すように、本実施形態に係る電力変換装置８１は、切換タイミング設定部８３の構成が第１及び第２実施形態と相違している。

本実施形態に係る切換タイミング設定部８３は、遅延回路４３の代わりにコンパレータ４５を備えている点が第１実施形態と相違している。コンパレータ４５は、電圧変化率検出回路３１の出力と所定の閾値とを比較する。また、短絡故障検出部５は短絡故障検出信号Ｖdesを駆動制御部７のみに出力する点が第１実施形態と相違している。

これにより、本実施形態に係る切換タイミング設定部８３は、ＩＧＢＴ３Ａのコレクタ端子の電圧変化率dＶce/dtが所定値となったタイミングを、ＩＧＢＴ３Ａのゲートの電圧変化率を切り換えるタイミングとして設定する。尚、切換タイミング設定部８３については駆動制御部７に設置されていてもよい。

［短絡故障保護処理の手順］
次に、本実施形態に係る短絡故障保護装置による短絡故障の保護処理の手順を図９のタイミングチャートを参照して説明する。尚、本実施形態に係る短絡故障保護処理は、切換タイミングの設定方法のみが相違しており、その他の処理は第１実施形態と同一である。

図９（ｇ）に示すように時刻ｔ３において短絡故障が検出されて短絡故障検出信号Ｖdesが出力されると、短絡故障検出信号Ｖdesが入力された駆動制御部７は図９（ｂ）に示すように短絡電流を遮断するために駆動信号Ｖgeoutを停止する。駆動信号Ｖgeoutが停止されると、通常動作時と同じ低スイッチング損失のターンオフが行われるので、第１〜第３トランジスタＴr１、Ｔr２、Ｔr３がオンして、図９（ｃ）に示すようにＩＧＢＴ３Ａのゲート電圧が低下していく。そして、時刻ｔ４においてＩＧＢＴ３Ａのゲート電圧が所定の閾値Ｖgethを下回ると、ＩＧＢＴ３Ａがオフする。この後、ＩＧＢＴ３Ａのゲート電圧は、通常動作時の高い電圧変化率（第１の電圧変化率）で低下し、短絡電流Ｉcsも図９（ｄ）に示すように急激に低下する。一方、コレクタ電圧Ｖceは図９（ｅ）に示すように通常のターンオフを行ったためにサージによって急激に上昇する。

ここで、サージによってコレクタ電圧Ｖceが上昇したことによって、電圧変化率dＶce/dtは図９（ｆ）に示すように短絡故障判定閾値ａを超えて一旦上昇する。その後、電圧変化率dＶce/dtは低下して時刻ｔ５に切換判定閾値ｃを下回ると、コンパレータ４５が図９（ｈ）に示すように切換判定信号を出力する。そして、このタイミングで切換タイミング設定部８３は、図９（ｉ）に示すように切換信号ｓを停止するので、第３トランジスタＴr３がオフしてソフトターンオフに切り換えられる。この後、最終的に時刻ｔ６において短絡電流Ｉcsが遮断されると、本実施形態に係る短絡故障の保護処理を終了する。

［第３実施形態の効果］
以上詳細に説明したように、本実施形態に係る短絡故障保護装置では、短絡故障が検出されてＩＧＢＴがオフされると、ＩＧＢＴのゲート電圧を第１の電圧変化率で変化させ、その後に予め設定されたタイミングで第２の電圧変化率に切り替える。これにより、短絡故障が発生した場合にサージの抑制と損失の低下を両立させて電力変換装置を保護することができる。

また、本実施形態に係る短絡故障保護装置では、ＩＧＢＴのコレクタ端子の電圧変化率dＶce/dtが所定値となったタイミングを、ＩＧＢＴのゲートの電圧変化率を切り替えるタイミングとして設定する。これにより、短絡電流遮断時における損失のばらつきやサージ電圧のばらつきを小さくすることが可能となる。

なお、上述の実施形態は本発明の一例である。このため、本発明は、上述の実施形態に限定されることはなく、この実施形態以外の形態であっても、本発明に係る技術的思想を逸脱しない範囲であれば、設計などに応じて種々の変更が可能であることは勿論である。

１、５１、６１、８１ 電力変換装置
３Ａ、３Ｂ ＩＧＢＴ
５、６３ 短絡故障検出部
７ 駆動制御部
９ サージ抑制回路
１１、８３ 切換タイミング設定部
２１ 高電圧バッテリー
２３ 三相交流モータ
３１ 電圧変化率検出回路
３３、４５ コンパレータ
４１ バッファ回路
Ｔr１ 第１トランジスタ
Ｔr２ 第２トランジスタ
Ｔr３ 第３トランジスタ
Ｒ 制限抵抗
４３ 遅延回路

Claims (6)

1. 複数のスイッチング素子を制御して電力を変換する電力変換装置の短絡故障保護装置であって、
   前記電力変換装置で発生した短絡故障を検出する短絡故障検出部と、
   前記短絡故障検出部によって短絡故障が検出されて前記スイッチング素子がオフされる場合に、前記スイッチング素子の制御端子における電圧変化率を切り換えるタイミングを設定する切換タイミング設定部と、
   前記短絡故障検出部によって短絡故障が検出されて前記スイッチング素子がオフされると、前記スイッチング素子の制御端子の電圧を第１の電圧変化率で変化させ、前記切換タイミング設定部によって設定されたタイミングで第２の電圧変化率に切り替える電圧変化率切換部と
   を備えたことを特徴とする短絡故障保護装置。
2. 前記短絡故障検出部は、前記スイッチング素子のコレクタ端子の電圧変化率に基づいて短絡故障を検出することを特徴とする請求項１に記載の短絡故障保護装置。
3. 前記短絡故障検出部は、前記スイッチング素子のコレクタ端子の電圧に基づいて短絡故障を検出することを特徴とする請求項１に記載の短絡故障保護装置。
4. 前記切換タイミング設定部は、前記短絡故障検出部によって短絡故障が検出されてから所定時間が経過したタイミングを、前記スイッチング素子の制御端子の電圧変化率を切り替えるタイミングとして設定することを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の短絡故障保護装置。
5. 前記切換タイミング設定部は、前記スイッチング素子のコレクタ端子の電圧変化率が所定値となったタイミングを、前記スイッチング素子の制御端子の電圧変化率を切り替えるタイミングとして設定することを特徴とする請求項２に記載の短絡故障保護装置。
6. 複数のスイッチング素子を制御して電力を変換する電力変換装置における短絡故障保護方法であって、
   前記電力変換装置で発生した短絡故障を検出し、
   前記短絡故障が検出されて前記スイッチング素子がオフされる場合に、前記スイッチング素子の制御端子における電圧変化率を切り換えるタイミングを設定し、
   前記短絡故障が検出されて前記スイッチング素子がオフされると、前記スイッチング素子の制御端子の電圧を第１の電圧変化率で変化させ、設定された前記タイミングで第２の電圧変化率に切り替える
   ことを特徴とする短絡故障保護方法。

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