JP2014138484A

JP2014138484A - 電力変換装置

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Publication number: JP2014138484A
Application number: JP2013005797A
Authority: JP
Inventors: Kazumi Takagiwa; 和美高際
Original assignee: Fuji Electric Co Ltd
Current assignee: Fuji Electric Co Ltd
Priority date: 2013-01-16
Filing date: 2013-01-16
Publication date: 2014-07-28
Anticipated expiration: 2033-01-16
Also published as: US20150188410A1; JP6065597B2; DE112013004181B4; CN104620490A; US9667129B2; CN104620490B; WO2014112232A1; DE112013004181T5

Abstract

【課題】ハーフブリッジ回路の上側アームの半導体スイッチング素子に過電流が生じたときでも、下側アームの半導体スイッチング素子を駆動する駆動回路からアラーム信号を出力することのできる簡易な構成の電力変換装置を提供する。
【解決手段】ハーフブリッジ回路の下側アームの半導体スイッチング素子を駆動する駆動回路に、半導体スイッチング素子に過電流が生じたいときに該半導体スイッチング素子のオン・オフ駆動を停止する過電流保護回路を設けると共に、更に該下側アームの前記過電流保護回路の動作時に第１のアラーム信号を生成すると共に、前記下側アームの半導体スイッチング素子に逆並列に接続された前記フリーホイリング・ダイオードに流れる電流が電流制限値を超えるときに第２のアラーム信号を生成するアーム信号生成回路を設ける。
【選択図】図２

Description

本発明は、インバータ装置等の電力変換装置本体を構成する半導体スイッチング素子に対する過電流保護機能を備えた電力変換装置に関する。

図４にその概略構成図を示すように、複数（６個）の半導体スイッチング素子（例えばＩＧＢＴ）Ｑ１,Ｑ２〜Ｑ６を備えてパッケージ化されたパワー半導体モジュール（ＩＰＭ）１０は、例えば三相交流モータ（負荷）Ｍを駆動するインバータ装置の主体部（電力変換装置本体）として用いられる。前記インバータ装置は、前記各半導体スイッチング素子Ｑ１,Ｑ２〜Ｑ６を、図示しない制御回路により互いに関連させてオン・オフ駆動することにより実現される（例えば特許文献１を参照）。

ちなみに前記負荷Ｍの駆動部を構成する前記複数の半導体スイッチング素子Ｑ１,Ｑ２〜Ｑ６は、２個ずつ対をなして直列に接続されて３個のハーフブリッジ回路ＨＢをそれぞれ形成している。また前記各半導体スイッチング素子Ｑ１,Ｑ２〜Ｑ６には、複数（６個）のフリーホイリング・ダイオードＤ１,Ｄ２〜Ｄ６がそれぞれ逆並列に接続されている。これらの３個のハーフブリッジ回路ＨＢは、並列に接続されて前記負荷Ｍを駆動する三相のフルブリッジ回路を形成する。尚、図中Ａ１,Ａ２〜Ａ６は、前記半導体スイッチング素子Ｑ１,Ｑ２〜Ｑ６をそれぞれオン・オフ駆動する駆動回路である。

これらの３個のハーフブリッジ回路ＨＢは、前記制御回路により互いに関連させて駆動されることにより、各ハーフブリッジ回路ＨＢをそれぞれ構成する前記半導体スイッチング素子Ｑ１,Ｑ４の直列接続点、前記半導体スイッチング素子Ｑ２,Ｑ５、および前記半導体スイッチング素子Ｑ３,Ｑ６の直列接続点から、位相を１２０°異にする３相（Ｕ相,Ｖ相,Ｗ相）の電流を前記負荷Ｍに供給する。

具体的には前記各ハーフブリッジ回路ＨＢにおける上側アームの半導体スイッチング素子Ｑ１,Ｑ２,Ｑ３および下側アームの半導体スイッチング素子Ｑ４,Ｑ５,Ｑ６は、図５(ａ)に示すようにパルス幅変調された一定周期の制御信号（ゲート駆動信号）を受けて前記駆動回路Ａ１,Ａ２〜Ａ６によりそれぞれオン・オフ駆動される。そして図５(ｂ)に示すように前記上側アームの半導体スイッチング素子Ｑ１（Ｑ２,Ｑ３）を介して前記負荷Ｍに対して前記制御信号のパルス幅に応じた電流が正の半サイクルに亘って供給される。また図５(ｂ)に示すように前記下側アームの半導体スイッチング素子Ｑ４（Ｑ５,Ｑ６）を介して前記負荷Ｍに対して前記制御信号のパルス幅に応じた電流が負の半サイクルに亘って供給される。

この結果、前記各ハーフブリッジ回路ＨＢから前記負荷Ｍに対して、図５(ｄ)に示すように正弦波をなす交流電流が供給される。但し、前記負荷Ｍに供給される電流は、実際には前記制御信号に同期したパルス電流からなり、このパルス電流は離散的な正弦波電流波形を形成する。尚、図５は１つのハーフブリッジ回路ＨＢの出力電流についてだけ示しているが、他のハーフブリッジ回路ＨＢの出力電流についても、その位相が１２０°異なるだけで同様である。

ところでこの種の電力変換装置における前記駆動回路Ａ（Ａ１,Ａ２〜Ａ６）には、前記半導体スイッチング素子Ｑ（Ｑ１,Ｑ２〜Ｑ６）にそれぞれ流れる電流を監視し、過電流検出時に前記半導体スイッチング素子Ｑ（Ｑ１,Ｑ２〜Ｑ６）のオン・オフ駆動を停止させる過電流保護機能が設けられる（例えば特許文献２を参照）。

前記半導体スイッチング素子Ｑに流れる電流の監視は、例えば図６に示すように半導体スイッチング素子（ＩＧＢＴ）Ｑの電流検出端子（補助エミッタ）から出力される電流を抵抗Ｒを介して検出することによって行われる。そして前記電流に応じて前記抵抗Ｒに得られる検出電圧と、電流制限値を規定する基準電圧Ｖrefとを比較器１において比較することにより過電流検出が行われる。このようにして過電流検出されたとき、前記比較器１の出力にて前記半導体スイッチング素子Ｑをオン・オフ駆動するドライバ回路２の動作を停止させることで前記過電流保護機能が果たされる。

尚、図中３は、前記比較器１による過電流検出時にアラーム信号を生成するアラーム信号生成回路である。このアラーム信号生成回路３は、例えば図７に示すように前記半導体スイッチング素子Ｑに流れる電流（検出電流Ｉc）が前記電流制限値（過電流検出閾値）を超えたとき、該アラーム信号生成回路３の動作遅れ時間（動作応答時間）を経て所定のパルス幅のアラーム信号を周期的に出力する。

特開２０００−１３４８５５号公報特開２００６−３２３９３号公報

ところで前記ハーフブリッジ回路ＨＢにおける上側アームの半導体スイッチング素子Ｑ１,Ｑ２,Ｑ３は、下側アームの半導体スイッチング素子Ｑ４,Ｑ５,Ｑ６によって規定される電圧を基準とする高電圧領域で駆動される。この為、これらの半導体スイッチング素子Ｑ１,Ｑ２,Ｑ３を駆動する駆動回路Ａ１,Ａ２,Ａ３には、例えば高耐圧フローティング回路が組み込まれる。この高耐圧フローティング回路により前記駆動回路Ａ１,Ａ２,Ａ３は、前記制御回路に対して高電圧側にレベルシフトされて動作する。尚、前記ハーフブリッジ回路ＨＢにおける下側アームの半導体スイッチング素子Ｑ４,Ｑ５,Ｑ６は接地電位を基準として動作するので、前記制御回路により直接的に駆動される。

これ故、前記上側アームの駆動回路Ａ１,Ａ２,Ａ３には、専ら前記過電流保護回路だけが組み込まれ、アラーム信号の生成機能（アラーム信号生成回路３）が省略されることが多い。従って上側アームの半導体スイッチング素子Ｑ１,Ｑ２,Ｑ３に過電流が生じて保護機能が作動しても、前記駆動回路Ａ１,Ａ２,Ａ３からアラーム信号が出力されることがない。この為、前記制御回路においては、上側アームの半導体スイッチング素子Ｑ１,Ｑ２,Ｑ３における過電流の発生を監視することができないと言う問題がある。

本発明はこのような事情を考慮してなされたもので、その目的は、ハーフブリッジ回路における上側アームの半導体スイッチング素子に過電流が生じたときでも、下側アームの駆動回路からアラーム信号を出力することのできる簡易な構成の電力変換装置を提供することにある。

本発明に係る電力変換装置は、直列に接続されてハーフブリッジ回路を形成し、互いに関連してオン・オフ駆動される一対または複数対の半導体スイッチング素子、および前記各半導体スイッチング素子にそれぞれ逆並列に設けられる複数のフリーホイリング・ダイオードを備えた電力変換装置本体と、この電力変換装置本体における前記各半導体スイッチング素子をそれぞれオン・オフ駆動する複数の駆動回路とを備えて構成される。

特に本発明に係る電力変換装置は前述した目的を達成するべく、前記各駆動回路のそれぞれに、前記半導体スイッチング素子に流れる電流が電流制限値を超えるとき、該半導体スイッチング素子のオン・オフ駆動を停止する過電流保護回路と設けると共に、前記ハーフブリッジ回路の下側アームにおける前記各駆動回路に、更に該下側アームの前記過電流保護回路の動作時に第１のアラーム信号を生成すると共に、前記下側アームの半導体スイッチング素子に逆並列に接続された前記フリーホイリング・ダイオードに流れる電流が前記電流制限値を超えるときに第２のアラーム信号を生成するアーム信号生成回路を設けたことを特徴としている。

ちなみに前記第１および第２のアラーム信号は、例えば所定の周期で生成されるパルス幅の異なる信号からなる。また前記半導体スイッチング素子に流れる電流については、該半導体スイッチング素子が備える電流検出端子を介して検出し、また前記フリーホイリング・ダイオードに流れる電流については、該フリーホイリング・ダイオードが備える電流検出端子を介して検出することが好ましい。

尚、前記電力変換装置本体は、直流電圧をスイッチングしてパルス状の離散的な正弦波電流波形からなる交流電流を負荷に供給するインバータ装置を構成するものからなる。

上記構成の電力変換装置によれば、下側アームの半導体スイッチング素子に逆並列に接続されたフリーホイリング・ダイオードに流れる電流から、上側アームの半導体スイッチング素子に流れる電流を等価的に検出する。従って下側アームの半導体スイッチング素子を駆動する駆動回路から、下側および上側アームの各半導体スイッチング素子に流れる過電流をそれぞれ検出してアラーム信号を出力することができる。しかも周期的に出力するアラーム信号のパルス幅を異ならせておくことで、過電流が生じた半導体スイッチング素子の識別を可能とすることができる。

従って本発明に係る電力変換装置によれば、上側アームの駆動回路に高耐圧フローティング回路が組み込まれるか否かに拘わることなく、上側アームの半導体スイッチング素子に過電流が生じたときには下側アーム側の駆動回路からアラーム信号を得ることができるので、前記電力変換装置本体（パワー半導体モジュール；ＩＰＭ）に対する保護動作を確実に実行することができる。しかも前記フリーホイリング・ダイオードに流れる電流を監視するだけなので、その構成が簡単であり、実用的利点が多大である。

本発明の一実施形態に係る電力変換装置（インバータ装置）の主体部をなす電力変換装置本体（パワー半導体モジュール）の要部概略構成図。図１に示す電力変換装置本体における下側アーム側の駆動回路の構成例を示す図。図２に示す駆動回路における過電流検出とアラーム信号の発生タイミングを示す図。インバータ装置（電力変換装置）の主体部をなす従来の電力変換装置本体（パワー半導体モジュール）の要部概略構成図。ハーフブリッジ回路に対する駆動信号と、上側アームおよび下側アームの半導体スイッチング素子にそれぞれ流れる電流との関係を示す図。図４に示す電力変換装置本体における、過電流保護機能を備えた駆動回路の構成例を示す図。図６に示す駆動回路における過電流検出とアラーム信号の発生タイミングを示す図。

以下、図面を参照して本発明の一実施形態に係る電力変換装置について説明する。

この実施形態に係る電力変換装置は、図１にその主体部を構成する電力変換装置本体の要部概略構成を示すように、基本的には図４に示した従来のパワー半導体モジュール（ＩＰＭ）１０と同様に構成される。即ち、この電力変換装置本体（パワー半導体モジュール；ＩＰＭ）１０は、６個の半導体スイッチング素子（例えばＩＧＢＴ）Ｑ１,Ｑ２〜Ｑ６と、これらの各半導体スイッチング素子Ｑ１,Ｑ２〜Ｑ６に逆並列に接続されたフリーホイリング・ダイオードＤ１,Ｄ２〜Ｄ６とを備えてパッケージ化されている。

前記各半導体スイッチング素子Ｑ１,Ｑ２〜Ｑ６および前記各フリーホイリング・ダイオードＤ１,Ｄ２〜Ｄ６は、並列に設けられて前記負荷（モータ）Ｍを駆動する三相のフルブリッジ回路を構成する３組のハーフブリッジ回路ＨＢをそれぞれ形成する。そして前記各半導体スイッチング素子Ｑ１,Ｑ２〜Ｑ６は、互いに関連して前記駆動回路Ａ１,Ａ２〜Ａ６によりそれぞれオン・オフ駆動される。

ここで前記駆動回路Ａ１,Ａ２〜Ａ６は、基本的には従来装置と同様に前記各半導体スイッチング素子Ｑ１,Ｑ２〜Ｑ６に流れる過電流を検出して当該半導体スイッチング素子Ｑ１,Ｑ２〜Ｑ６の駆動を停止させる過電流保護機能をそれぞれ備える。この過電流保護機能に加えて、特に前記下側アームの駆動回路Ａ４,Ａ５,Ａ６は、更に前記フリーホイリング・ダイオードＤ４,Ｄ５,Ｄ６に流れる電流から、上側アームの前記半導体スイッチング素子Ｑ１,Ｑ２,Ｑ３に流れる電流を等価的に検出する機能を備える。

そして前記駆動回路Ａ４,Ａ５,Ａ６は、前記半導体スイッチング素子Ｑ４,Ｑ５，Ｑ６の過電流を検出したときにアラーム信号を生成するだけではなく、更に前記フリーホイリング・ダイオードＤ４,Ｄ５,Ｄ６に流れる電流から、上側アームの前記半導体スイッチング素子Ｑ１,Ｑ２,Ｑ３の過電流を検出したときにもアラーム信号を生成することを特徴としている。尚、この場合、前記上側アームの駆動回路Ａ１,Ａ２,Ａ３からは、前述したアラーム信号の生成機能が省かれる。

即ち、図２に前記駆動回路Ａ（Ａ４,Ａ５,Ａ６）の概略構成を示すように、該駆動回路Ａ（Ａ４,Ａ５,Ａ６）は、前記スイッチング素子Ｑ（Ｑ４,Ｑ５,Ｑ６）の過電流を検出する第１の比較器１１に加えて、前記フリーホイリング・ダイオードＤ（Ｄ４,Ｄ５,Ｄ６）に流れる電流から、上側アームの前記半導体スイッチング素子Ｑ（Ｑ１,Ｑ２,Ｑ３）の過電流を等価的に検出する第２の比較器１２を備える。

前記半導体スイッチング素子（ＩＧＢＴ）Ｑに流れる電流は、該半導体スイッチング素子Ｑの電流検出端子（補助エミッタ）に接続した抵抗Ｒ１を介して検出される。前記比較器１１は、前記半導体スイッチング素子Ｑに流れる電流Ｉcに応じて前記抵抗Ｒ１に得られる検出電圧と、電流制限値を規定する基準電圧Ｖref1とを比較することにより、前記半導体スイッチング素子Ｑの過電流検出を行う。

そして前記第１の比較器１１により前記半導体スイッチング素子Ｑの過電流が検出されたとき、該第１の比較器１１の出力によって第１のフリップフロップ１３がセットされ、この第１のフリップフロップ１３のセットによって前記半導体スイッチング素子Ｑをオン・オフ駆動するドライバ回路２の動作が停止される。また同時に前記第１のフリップフロップ１３のセットによって第１のアラーム信号生成回路１４が付勢され、所定のパルス幅の第１のアラーム信号が周期的に生成される。

また前記フリーホイリング・ダイオードＤに流れる電流は、該フリーホイリング・ダイオードＤの電流検出端子（補助カソード）に接続した抵抗Ｒ２を介して検出される。このフリーホイリング・ダイオードＤに流れる電流は、上側アームの半導体スイッチング素子Ｑに流れる電流に相当する。前記比較器１２は、前記フリーホイリング・ダイオードＤに流れる電流Ｉdに応じて前記抵抗Ｒ２に得られる検出電圧と、電流制限値を規定する基準電圧Ｖref2とを比較することにより、前記フリーホイリング・ダイオードＤ（上側アームの半導体スイッチング素子Ｑ）の過電流検出を行う。

そして前記第２の比較器１２により前記上側アームの半導体スイッチング素子Ｑの過電流が検出されたとき、該第２の比較器１２の出力によって第２のフリップフロップ１５がセットされる。この第２のフリップフロップ１５のセットによって第２のアラーム信号生成回路１６が付勢され、前記第１のアラーム信号のパルス幅とは異なるパルス幅の第２のアラーム信号が周期的に生成される。そしてこれらの第１および第２のアラーム信号は、オア回路１８を介して前記制御回路（図示せず）に対して出力される。

ちなみに前記第１および第２のアラーム信号は、図３に示すように前記半導体スイッチング素子Ｑに流れる電流Ｉcが予め設定された過電流検出閾値（基準電圧Ｖref1）を超えたとき、並びに前記フリーホイリング・ダイオードＤに流れる電流Ｉdが予め設定された過電流検出閾値（基準電圧Ｖref2）を超えたときに、その検出応答遅れ時間を経てそれぞれ生成される。これらの第１および第２のアラーム信号の各パルス幅は、例えば図３に示すように２ｍ秒および４ｍ秒として大きな時間差を以て異なるように定められておいる。換言すれば前記制御回路において前記第１および第２のアラーム信号を容易に、且つ正確に識別可能なように設定されている。

前記制御回路は、このようにして前記電力変換装置本体（パワー半導体モジュール；ＩＰＭ）１０から通知される前記第１および第２のアラーム信号の少なくとも一方を受けたとき、該電力変換装置本体（パワー半導体モジュール；ＩＰＭ）１０の駆動、つまり前記半導体スイッチング素子Ｑ１,Ｑ２〜Ｑ６の駆動を停止する。そして前記制御回路は、前記アラーム信号を通知してきた前記駆動回路Ａと、その駆動回路Ａから通知されたアラーム信号のパルス幅とから、上側アームおよび下側アームのいずれの半導体スイッチング素子Ｑ１,Ｑ２〜Ｑ６に過電流が生じたかを判定する。

尚、前記制御回路は、前記半導体スイッチング素子Ｑ１,Ｑ２〜Ｑ６における過電流の発生要因が取り除かれたときに再起動され、前記半導体スイッチング素子Ｑ１,Ｑ２〜Ｑ６のオン・オフ駆動を再開する。このオン・オフ駆動の再開によって前記駆動回路Ａに駆動信号が再入力されたとき、該駆動回路Ａの入力段に設けられたリセット回路１７が起動されて前記第１および第２のフリップフロップ１３,１５がそれぞれリセットされる。そして前記ドライバ回路２の動作停止が解除されると共に、前記第１および第２のアラーム信号生成回路１４,１６の動作が停止される。

かくして上述した如く構成された下側アームの制御回路Ａ（Ａ４,Ａ５,Ａ６）を備えた電力変換装置本体（パワー半導体モジュール；ＩＰＭ）１０によれば、上側アームの制御回路Ａ（Ａ１,Ａ２,Ａ３）から過電流検出のアラーム信号を出力しなくても、上側アームの半導体スイッチング素子Ｑ１,Ｑ２,Ｑ３に発生した過電流の情報を、前記下側アームの制御回路Ａ（Ａ４,Ａ５,Ａ６）から簡易に、且つ確実に前記制御回路に通知することが可能である。

従って前記電力変換装置本体（ＩＰＭ）１０を駆動する制御回路においては、上側アームの半導体スイッチング素子Ｑ１,Ｑ２,Ｑ３に過電流が発生した場合であっても、これに速やかに対処することが可能となる。即ち、上側アームの駆動回路Ａがアラーム信号生成機能を備えていなくても、前記上側アームの半導体スイッチング素子Ｑ１,Ｑ２,Ｑ３に生じた過電流に対して速やかに対処することが可能となる。

尚、本発明は上述した実施形態に限定されるものではない。ここでは三相のフルブリッジ回路を形成した電力変換装置本体（ＩＰＭ）１０を例に説明したが、例えば１組または２組のハーフブリッジ回路を備えた電力変換装置本体にも同様に本発明を適用可能なことは言うまでもない。また過電流検出部の回路構成自体も、従来より種々提唱されている過電流検出方式を適宜採用して構成することが可能である。またアラーム信号についても前述した実施形態に示す例に限定されない。その他、本発明はその要旨を逸脱しない範囲で種々変形して実施することが可能である。

Ｑ１,Ｑ２〜Ｑ６半導体スイッチング素子（ＩＧＢＴ）
Ｄ１,Ｄ２〜Ｄ６フリーホイリング・ダイオード
Ａ１,Ａ２〜Ａ６駆動回路
１比較器
２ドライバ回路
３アラーム信号生成回路
１０電力変換装置本体（ＩＰＭ）
１１第１の比較器
１２第２の比較器
１３第１のフリップフロップ
１４第１のアラーム信号生成回路
１５第２のフリップフロップ
１６第２のアラーム信号生成回路
１７リセット回路
１８オア回路

Claims

直列に接続されてハーフブリッジ回路を形成し、互いに関連してオン・オフ駆動される一対または複数対の半導体スイッチング素子、および前記各半導体スイッチング素子にそれぞれ逆並列に設けられる複数のフリーホイリング・ダイオードを備えた電力変換装置本体と、
この電力変換装置本体における前記各半導体スイッチング素子をそれぞれオン・オフ駆動する複数の駆動回路とを具備し、
前記各駆動回路は、前記半導体スイッチング素子に流れる電流が電流制限値を超えるときに該半導体スイッチング素子のオン・オフ駆動を停止する過電流保護回路をそれぞれ備え、
前記ハーフブリッジ回路の下側アームにおける前記駆動回路は、更に該下側アームの前記過電流保護回路の動作時に第１のアラーム信号を生成すると共に、前記下側アームの半導体スイッチング素子に逆並列に接続された前記フリーホイリング・ダイオードに流れる電流が前記電流制限値を超えるときに第２のアラーム信号を生成するアーム信号生成回路を備えることを特徴とする電力変換装置。
前記第１および第２のアラーム信号は、所定の周期で生成されるパルス幅の異なる信号である請求項１に記載の電力変換装置。
前記半導体スイッチング素子に流れる電流は、該半導体スイッチング素子が備える電流検出端子を介して検出され、前記フリーホイリング・ダイオードに流れる電流は、該フリーホイリング・ダイオードが備える電流検出端子を介して検出されるものである請求項１に記載の電力変換装置。
前記電力変換装置本体は、直流電圧をスイッチングしてパルス状の離散的な正弦波電流波形からなる交流電流を負荷に供給するインバータ装置を構成するものである請求項１に記載の電力変換装置。