JP2014155311A - 保護回路 - Google Patents

Abstract

【課題】保護回路が設けられた電力変換装置において、誤動作を防止する。
【解決手段】実施形態の保護回路は、電力供給時にオン状態とされ、電力非供給時にオフ状態とされるスイッチング素子を保護する保護回路であり、保護回路部は、スイッチング素子がオン状態からオフ状態とされるに際して、発生したサージ電圧に起因して前記スイッチング素子を流れる電流量に応じて、スイッチング素子をオン／オフして、単位時間当たりの電流量変化量を抑制するための制御電流を前記スイッチング素子に流し、切換部は、サージ電圧に起因してスイッチング素子を流れる電流量が所定のしきい値電流量を超えた場合に、制御電流を前記スイッチング素子に代えて接地側に流す。
【選択図】図１

Description

本発明の実施形態は、保護回路に関する。

一般に、電気車用電力変換装置においては、架線から電力を受け取り、車両及び補助装置を駆動するのに必要な電圧・電流に変換してモータ等の負荷へ供給している。より具体的には、直流電気車用電力変換装置は、内部にインバータ部を備えており、架線から供給される直流電力をインバータにより交流電力に変換してモータ等の負荷を駆動する。

特開２００９−１３１０６７号公報

ところで、インバータを構成するスイッチング素子（例えば、絶縁ゲートバイポーラトランジスタ［ＩＧＢＴ］）の遮断時におけるサージ電圧を抑制するために複数の直列接続したツェナーダイオードを用いたアクティブクランプ回路を設けることが知られている。

しかしながら、複数のツェナーダイオードのしきい値は、個々のツェナーダイオードの個体差及び温度依存特性により、必ずしも設計通りのしきい値となるとは限らない。

また、インバータを構成する高電位側スイッチ回路及び低電位側スイッチ回路を考えた場合、スイッチング素子と並列に接続されたダイオードを用いたダイオードリカバリー中において、ダイオードの電圧が、アクティブクランプ回路の複数のツェナーダイオードのしきい値を超えた場合には、スイッチング素子がオフしている側で、アクティブクランプ動作が開始され、当該回路のスイッチング素子が誤ってオン状態となり、高電位側スイッチ回路及び低電位側スイッチ回路の双方ともオン状態となり、短絡電流が流れてしまう虞があった。

そこで、本発明は、保護回路が設けられた電力変換装置において、誤動作を防止することが可能な保護回路を提供する。

実施形態の保護回路は、電力供給時にオン状態とされ、電力非供給時にオフ状態とされるスイッチング素子を保護する保護回路である。

保護回路部は、スイッチング素子がオン状態からオフ状態とされるに際して、発生したサージ電圧に起因して前記スイッチング素子を流れる電流量に応じて、前記スイッチング素子をオン／オフして、単位時間当たりの電流量変化量を抑制するための制御電流を前記スイッチング素子に流す。

一方、切換部は、サージ電圧に起因して前記スイッチング素子を流れる電流量が所定のしきい値電流量を超えた場合に、制御電流を前記スイッチング素子に代えて接地側に流す。

図１は、直流電車の駆動電源系統の概要構成ブロック図である。 図２は、第１高電位側スイッチ回路及び第１高電位側ドライブ回路の原理回路の説明図である。 図３は、第２実施形態の第１高電位側スイッチ回路及び第１高電位側ドライブ回路の説明図である。 図４は、第３実施形態の第１高電位側スイッチ回路及び第１高電位側ドライブ回路の説明図である。 図５は、第４実施形態の第１高電位側スイッチ回路及び第１高電位側ドライブ回路の説明図である。 図６は、第５実施形態における第１高電位側スイッチ回路、第１高電位側ドライブ回路、第１低電位側スイッチ回路及び第１低電位側ドライブ回路の説明図である。

以下、実施形態の保護回路を備えた電力変換装置について図面を参照しながら説明する。
［１］第１実施形態
図１は、直流電車の駆動電源系統の概要構成ブロック図である。
本第１実施形態は、直流電車に搭載される電力変換装置である。
直流電車１０は、図１に示すように、き電線（架線）１１にパンタグラフ（集電装置）１２を介して接続されるとともに、車輪１３及び線路１４を介して設置される電力変換装置１５と、電力変換装置１５からの電力供給を受けて直流電車１０を駆動するモータ１６と、を備えている。

電力変換装置１５は、図示しない充電回路に接続され、蓄電電力を制御電源として供給する制御電源２１と、電力変換装置１５全体を制御するコントローラ２２と、モータ１６を駆動するインバータ（ＶＶＶＦインバータ）２３と、インバータ２３を構成する後述のトランジスタのゲート制御を行うゲート制御回路２４と、を備えている。

インバータ２３は、それぞれ絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ）を備えて構成され、高電位側電源であるパンタグラフ１２側に絶縁ゲートバイポーラトランジスタのコレクタ端子が接続された第１高電位側スイッチ回路ＴＵ１、第２高電位側スイッチ回路ＴＵ２及び第３高電位側スイッチ回路ＴＵ３を備えている。

さらにインバータ２３は、それぞれ絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ）を備えて構成され低電位側電源である車輪１３側に絶縁ゲートバイポーラトランジスタのエミッタ端子が接続されたコレクタ端子が接続された第１低電位側スイッチ回路ＴＬ１、第２低電位側スイッチ回路ＴＬ２及び第３低電位側スイッチ回路ＴＬ３を備えている。

ゲート制御回路２４は、第１高電位側スイッチ回路ＴＵ１の駆動を行う第１高電位側ドライブ回路ＤＵ１、第２高電位側スイッチ回路ＴＵ２の駆動を行う第２高電位側ドライブ回路ＤＵ２及び第３高電位側スイッチ回路ＴＵ３の駆動を行う第３高電位側ドライブ回路ＤＵ３を備えている。

さらにゲート制御回路２４は、第１低電位側スイッチ回路ＴＬ１の駆動を行う第１低電位側ドライブ回路ＤＬ１、第２低電位側スイッチ回路ＴＬ２の駆動を行う第２低電位側ドライブ回路ＤＬ２及び第３低電位側スイッチ回路ＴＬ３の駆動を行う第３低電位側ドライブ回路ＤＬ３を備えている。

上記構成において、第１高電位側スイッチ回路ＴＵ１、第２高電位側スイッチ回路ＴＵ２、第３高電位側スイッチ回路ＴＵ３、第１低電位側スイッチ回路ＴＬ１、第２低電位側スイッチ回路ＴＬ２及び第３低電位側スイッチ回路ＴＬ３は同様の構成であり、第１高電位側ドライブ回路ＤＵ１、第２高電位側ドライブ回路ＤＵ２及び第３高電位側ドライブ回路ＤＵ３、第１低電位側ドライブ回路ＤＬ１、第２低電位側ドライブ回路ＤＬ２及び第３低電位側ドライブ回路ＤＬ３は同様の構成であるので、第１高電位側スイッチ回路ＴＵ１及びこの第１高電位側スイッチ回路ＴＵ１の駆動を行う第１高電位側ドライブ回路ＤＵ１を例として説明を行う。

図２は、第１高電位側スイッチ回路及び第１高電位側ドライブ回路の原理回路の説明図である。
第１高電位側スイッチ回路ＴＵ１は、絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ）３１を備えており、ＩＧＢＴ３１のコレクタ端子Ｃとエミッタ端子Ｅとの間には、帰還ダイオード３２が接続されている。

また、ＩＧＢＴ３１のコレクタ端子Ｃとゲート端子Ｇとの間には、ＩＧＢＴ３１を保護する保護回路としてのアクティブクランプ回路３３が設けられている。
アクティブクランプ回路３３は、複数のツェナーダイオードＤｚが直列接続され、最も高電位側のツェナーダイオードＤｚのカソード端子ＫがＩＧＢＴ３１のコレクタ端子Ｃに接続されたツェナーダイオード群３４と、ツェナーダイオード群３４を構成する最も低電位側のツェナーダイオードＤｚが接続され、第１切換端子Ｔ１と、グランド（ＧＮＤ）に接続された第２切換端子Ｔ２と、を有し、スイッチ制御信号ＣＳＷで動作するスイッチ３５と、スイッチ３５の第１切換端子Ｔ１にアノード端子Ａが接続され、カソード端子ＫがＩＧＢＴ３１のゲート端子Ｇに接続されたダイオード３６と、を備えている。

また、ＩＧＢＴ３１のゲート端子Ｇとエミッタ端子Ｅとの間に接続されたノイズ除去用のコンデンサ３７が設けられている。
上記構成において、スイッチ３５としては、半導体スイッチ（例えば、トランジスタ）、サイリスタ等を用いる。

一方、第１高電位側ドライブ回路ＤＵ１は、入力抵抗４０と、高電位側トランジスタ４１と、高電位側トランジスタ４１のベース端子Ｂにベース端子Ｂが接続され、高電位側トランジスタ４１のエミッタ端子Ｅにコレクタ端子Ｃが接続された低電位側トランジスタ４２と、高電位側トランジスタ４１のエミッタ端子に一端が接続され、ＩＧＢＴ３１のオン時の第１ゲート抵抗４３と、第１ゲート抵抗４３の他端にアノード端子Ａが接続されカソード端子ＫがＩＧＢＴ３１のゲート端子に接続された第１ダイオード４４と、高電位側トランジスタ４１のエミッタ端子に一端が接続され、ＩＧＢＴ３１のオフ時の第２ゲート抵抗４５と、第２ゲート抵抗４５の他端にカソード端子Ｋが接続されアノード端子ＡがＩＧＢＴ３１のゲート端子に接続された第２ダイオード４６と、を備えている。

ここで、アクティブクランプ回路３３の基本動作を説明する。
この場合において、アクティブクランプ回路３３を動作させる場合には、スイッチ制御信号ＣＳＷにより、スイッチ３５を第１切換端子Ｔ１側とし、ツェナーダイオード群３４とダイオード３６とを接続しておくものとする。

これにより、アクティブクランプ回路３３は、ＩＧＢＴ３１をオフする場合（遮断時）に発生するＩＧＢＴ３１のコレクタ端子Ｃ−エミッタ端子Ｅ間のサージ電圧Ｖｃｅがツェナーダイオード群３４を構成している複数のツェナーダイオードＤｚのしきい値を超える場合に発生するクランプ電流を、ダイオード３６を介して、直接ＩＧＢＴ３１のゲート端子Ｇに還流させる（供給する）ことで、ＩＧＢＴ３１を再びオン状態→オフ状態とする動作を繰り返させて、徐々に単位時間当たりの電流変化量（＝ｄｉ／ｄｔ）を抑制し、サージ電圧Ｖｃｅを徐々に低下させるものである。

ところで、複数のツェナーダイオードＤｚのしきい値は、個々のツェナーダイオードＤｚの個体差及び温度依存特性により、必ずしも設計通りの動作範囲で動作するとは限らない。

また、一例として、第１高電位側スイッチ回路ＴＵ１及び第１低電位側スイッチ回路ＴＬ１を考えた場合、ダイオードリカバリー中において、ダイオード３２の電圧Ｖｆが、アクティブクランプ回路３３の複数のツェナーダイオードＤｚのしきい値を超えた場合には、第１高電位側スイッチ回路ＴＵ１及び第１低電位側スイッチ回路ＴＬ１のうち、いずれかＩＧＢＴ３１がオフしている側で、アクティブクランプ動作が開始され、当該回路のＩＧＢＴ３１のゲートエミッタ間電圧Ｖｇｅが増加し、ＩＧＢＴ３１がオフ状態にあるべき回路側でＩＧＢＴ３１が誤ってオン状態となり、第１高電位側スイッチ回路ＴＵ１及び第１低電位側スイッチ回路ＴＬ１を流れる電流Ｉｆが短絡電流となってしまう虞がある。

そこで、本第１実施形態においては、アクティブクランプ回路３３に動作を行わせたくない場合に、スイッチ制御信号ＣＳＷを第２切換端子Ｔ２側として、クランプ電流をグランドに流して消費させ、ＩＧＢＴ３１をオフ状態に維持することとなっている。

したがって、本第１実施形態によれば、複数のツェナーダイオードＤｚのしきい値が、個々のツェナーダイオードＤｚの個体差及び温度依存特性により、必ずしも設計通りの動作範囲とならず、アクティブクランプ回路３３が設計通りに動作しない場合であっても、設計通りの動作を行わない動作領域で、アクティブクランプ回路３３を無効状態（機能制限状態）として、ＩＧＢＴ３１の誤動作を防止して、所望の動作を行わせることができる。

［２］第２実施形態
以上の第１実施形態においては、アクティブクランプ回路３３の動作を無効状態とするスイッチ制御信号の詳細については述べなかったが、本第２実施形態は、ＩＧＢＴとして、マルチエミッタトランジスタを用い、エミッタセンス電流を検知してスイッチ制御信号を生成する場合の実施形態である。

図３は、第２実施形態の第１高電位側スイッチ回路及び第１高電位側ドライブ回路の説明図である。
図３において、図２と同様の部分には、同一の符号を付すものとする。

図２の第１実施形態と、図３の第２実施形態と、が異なる点は、ＩＧＢＴ３１に代えて、エミッタ端子Ｅ１、Ｅ２を有するマルチエミッタトランジスタとして構成されたＩＧＢＴ３１Ａを用いた点と、エミッタ端子Ｅ２を介してエミッタセンス電流を検知し、スイッチ制御信号ＣＳＷ１を出力する電流検知回路５１を備えた点である。

次に第２実施形態の主要動作を説明する。
電流検知回路５１は、ＩＧＢＴ３１のエミッタ端子Ｅ２を介してエミッタセンス電流を検知する。
そして、アクティブクランプ動作が開始され、当該回路のＩＧＢＴ３１Ａのゲートエミッタ間電圧Ｖｇｅが増加し、ＩＧＢＴ３１Ａがオフ状態にあるべき回路側でＩＧＢＴ３１Ａが誤ってオン状態となり、第１高電位側スイッチ回路ＴＵ１及び第１低電位側スイッチ回路ＴＬ１を流れる電流Ｉｆが短絡電流となって、エミッタセンス電流が、所定のしきい値を超えた場合には、電流検知回路５１は、スイッチ制御信号ＣＳＷ１を第２切換端子Ｔ２側として、クランプ電流をグランドに流して消費させ、ＩＧＢＴ３１Ａをオフ状態に維持することとなっている。

したがって、本第２実施形態によっても、複数のツェナーダイオードＤｚのしきい値が、個々のツェナーダイオードＤｚの個体差及び温度依存特性により、必ずしもアクティブクランプ回路３３が設計通りに動作しない場合であっても、設計通りの動作を行わない動作領域で、アクティブクランプ回路３３を無効状態（機能制限状態）として、ＩＧＢＴ３１Ａの誤動作を防止して、所望の動作を行わせることができる。

［３］第３実施形態
以上の第２実施形態においては、ＩＧＢＴとして、マルチエミッタトランジスタを用い、エミッタセンス電流を検知してスイッチ制御信号を生成する場合であったが、本第３実施形態は、ＩＧＢＴのエミッタ電流を電流トランスデューサ（ＣＴ）により検知してスイッチ制御信号を生成する場合の実施形態である。

図４は、第３実施形態の第１高電位側スイッチ回路及び第１高電位側ドライブ回路の説明図である。
図４において、図２と同様の部分には、同一の符号を付すものとする。
図２の第１実施形態と、図４の第３実施形態と、が異なる点は、ＩＧＢＴ３１のエミッタ電流を電流トランスデューサ５２により検知し、スイッチ制御信号ＣＳＷ２を出力する検知回路５３を備えた点である。

次に第３実施形態の主要動作を説明する。
検知回路５３は、ＩＧＢＴ３１のエミッタ端子Ｅを流れるエミッタ電流を電流トランスデューサ５２の出力電圧に基づいて検知する。

そして、アクティブクランプ回路３３において、アクティブクランプ動作が開始され、当該回路のＩＧＢＴ３１のゲートエミッタ間電圧Ｖｇｅが増加し、ＩＧＢＴ３１がオフ状態にあるべき回路側でＩＧＢＴ３１が誤ってオン状態となり、第１高電位側スイッチ回路ＴＵ１及び第１低電位側スイッチ回路ＴＬ１を流れる電流Ｉｆが短絡電流となって、エミッタ電流が、所定のしきい値を超えた場合に、検知回路５３は、スイッチ制御信号ＣＳＷ２を第２切換端子Ｔ２側として、クランプ電流をグランドに流して消費させ、ＩＧＢＴ３１をオフ状態に維持する。

したがって、本第３実施形態によっても、複数のツェナーダイオードＤｚのしきい値が、個々のツェナーダイオードＤｚの個体差及び温度依存特性により、必ずしもアクティブクランプ回路３３が設計通りに動作しない場合であっても、設計通りの動作を行わない動作領域ではアクティブクランプ回路３３を無効状態（機能制限状態）として、ＩＧＢＴ３１の誤動作を防止して、所望の動作を行わせることができる。

［４］第４実施形態
以上の第２実施形態及び第３実施形態においては、エミッタ電流（エミッタセンス電流）を検知してスイッチ制御信号を生成する場合であったが、本第４実施形態は、ＩＧＢＴのコレクタ電圧を電圧検知回路によって検知してスイッチ制御信号を生成する場合の実施形態である。

図５は、第４実施形態の第１高電位側スイッチ回路及び第１高電位側ドライブ回路の説明図である。
図５において、図２と同様の部分には、同一の符号を付すものとする。
図２の第１実施形態と、図５の第４実施形態と、が異なる点は、ＩＧＢＴ３１のコレクタ電圧を電圧検出点Ｐ１又は電圧検出点Ｐ２のいずれかで検知し、スイッチ制御信号ＣＳＷ２を出力する電圧検知回路５４を備えた点である。

次に第４実施形態の主要動作を説明する。
電圧検知回路５４は、ＩＧＢＴ３１のコレクタ電圧Ｖｃをツェナーダイオード群３４の高電位側である電圧検出点Ｐ１又はツェナーダイオード群３４の低電位側である電圧検出点Ｐ２（正確には、コレクタ電圧Ｖｃからツェナーダイオード群３４の電圧降下分の電圧を差し引いた電圧となる）において検知する。

そして、アクティブクランプ回路３３において、アクティブクランプ動作が開始され、当該回路のＩＧＢＴ３１のゲートエミッタ間電圧Ｖｇｅが増加し、ＩＧＢＴ３１がオフ状態にあるべき回路側でＩＧＢＴ３１が誤ってオン状態となり、第１高電位側スイッチ回路ＴＵ１及び第１低電位側スイッチ回路ＴＬ１を流れる電流Ｉｆが短絡電流となって、コレクタ電圧Ｖｃまたはコレクタ電圧Ｖｃからツェナーダイオード群３４の電圧降下分の電圧を差し引いた電圧が、所定のしきい値を超えた場合に、電圧検知回路５４は、スイッチ制御信号ＣＳＷ３を第２切換端子Ｔ２側として、クランプ電流をグランドに流して消費させ、ＩＧＢＴ３１をオフ状態に維持する。

したがって、本第４実施形態によっても、複数のツェナーダイオードＤｚのしきい値が、個々のツェナーダイオードＤｚの個体差及び温度依存特性により、必ずしもアクティブクランプ回路３３が設計通りに動作しない場合であっても、設計通りの動作を行わない動作領域ではアクティブクランプ回路３３を無効状態（機能制限状態）として、ＩＧＢＴ３１の誤動作を防止して、所望の動作を行わせることができる。

［５］第５実施形態
図６は、第５実施形態における第１高電位側スイッチ回路、第１高電位側ドライブ回路、第１低電位側スイッチ回路及び第１低電位側ドライブ回路の説明図である。
図６において、図２と同様の部分には、同一の符号を付し、その詳細な説明を援用する。
図６において、第１高電位側スイッチ回路ＴＵ１及び第１高電位側ドライブ回路ＤＵ１は、図２と同様の構成である。
また、第１低電位側スイッチ回路ＴＬ１は、絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ）６１を備えており、ＩＧＢＴ６１のコレクタ端子Ｃとエミッタ端子Ｅとの間には、帰還ダイオード６２が接続されている。

また、ＩＧＢＴ６１のコレクタ端子Ｃとゲート端子Ｇとの間には、ＩＧＢＴ６１を保護する保護回路としてのアクティブクランプ回路３３と同様の構成のアクティブクランプ回路６３が設けられている。

アクティブクランプ回路６３は、複数のツェナーダイオードＤｚが直列接続され、最も高電位側のツェナーダイオードＤｚのカソード端子ＫがＩＧＢＴ６１のコレクタ端子Ｃに接続されたツェナーダイオード群６４と、ツェナーダイオード群６４を構成する最も低電位側のツェナーダイオードＤｚが接続され、第１切換端子Ｔ１と、グランド（ＧＮＤ）に接続された第２切換端子Ｔ２と、を有し、スイッチ制御信号ＣＳＷ４２で動作するスイッチ６５と、スイッチ６５の第１切換端子Ｔ１にアノード端子Ａが接続され、カソード端子ＫがＩＧＢＴ３１のゲート端子Ｇに接続されたダイオード６６と、を備えている。

また、ＩＧＢＴ６１のゲート端子Ｇとエミッタ端子Ｅとの間に接続されたノイズ除去用のコンデンサ６７が設けられている。

一方、第１低電位側ドライブ回路ＤＬ１は、入力抵抗７０と、高電位側トランジスタ７１と、高電位側トランジスタ７１のベース端子Ｂにベース端子Ｂが接続され、高電位側トランジスタ７１のエミッタ端子Ｅにコレクタ端子Ｃが接続された低電位側トランジスタ７２と、高電位側トランジスタ７１のエミッタ端子Ｅに一端が接続され、ＩＧＢＴ６１のオン時の第１ゲート抵抗７３と、第１ゲート抵抗７３の他端にアノード端子Ａが接続されカソード端子ＫがＩＧＢＴ６１のゲート端子に接続された第１ダイオード７４と、第１トランジスタ７１のエミッタ端子に一端が接続され、ＩＧＢＴ６１のオフ時の第２ゲート抵抗７５と、第２ゲート抵抗７５の他端にカソード端子Ｋが接続されアノード端子ＡがＩＧＢＴ６１のゲート端子に接続された第２ダイオード７６と、を備えている。

さらに第１高電位側ドライブ回路ＤＵ１を構成している入力抵抗４０を介して高電位側トランジスタ４１及び低電位側トランジスタ４２のベース端子Ｂに供給される駆動制御信号ＳＣＵ１の電圧が“Ｈ”レベル（＝ＩＧＢＴ３１のオン状態に相当）あるいは“Ｌ”レベル（ＩＧＢＴ３１のオフ状態に相当）のいずれであるかを判別して、“Ｈ”レベルである場合に、スイッチ３５を第１切換端子Ｔ１側とし、“Ｌ”レベルである場合に、スイッチ３５を第２切換端子Ｔ２側とするスイッチ制御信号ＣＳＷ４１を出力する制御回路８１を備えている。

さらにまた、第１低電位側ドライブ回路ＤＬ１を構成している入力抵抗７０を介して高電位側トランジスタ７１及び低電位側トランジスタ７２のベース端子Ｂに供給される駆動制御信号ＳＣＬ１の電圧が“Ｈ”レベル（＝ＩＧＢＴ６１のオン状態に相当）あるいは“Ｌ”レベル（ＩＧＢＴ６１のオフ状態に相当）のいずれであるかを判別して、“Ｈ”レベルである場合に、スイッチ６５を第１切換端子Ｔ１側とし、“Ｌ”レベルである場合に、スイッチ６５を第２切換端子Ｔ２側とするスイッチ制御信号ＣＳＷ４２を出力する制御回路８２を備えている。

次に第５実施形態の動作を説明する。
初期状態において、ＩＧＢＴ３１はオン状態であり、ＩＧＢＴ６１はオフ状態である物とする。

この状態で、ＩＧＢＴ３１のエミッタ端子Ｅから供給されたエミッタ電流は、負荷であるモータ１６を介して、第１低電位側スイッチ回路ＴＬ１を構成するダイオード６２に供給されるダイオードリカバリー状態となっている。

このとき、ダイオード６２に印加されている電圧Ｖｆが、アクティブクランプ回路６３の複数のツェナーダイオードＤｚのしきい値を超えた場合には、第１低電位側スイッチ回路ＴＬ１側のアクティブクランプ回路６３において、アクティブクランプ動作が開始される。

この結果、当該回路のＩＧＢＴ６１のゲートエミッタ間電圧Ｖｇｅが増加し、ＩＧＢＴ６１がオン状態となり、第１低電位側スイッチ回路ＴＬ１を流れる電流Ｉｆが短絡電流となってしまう。

そこで、本第５実施形態においては、制御回路８１は、第１高電位側ドライブ回路ＤＵ１を構成している入力抵抗４０を介して高電位側トランジスタ４１及び低電位側トランジスタ４２のベース端子Ｂに供給される駆動制御信号ＳＣＵ１の電圧が“Ｈ”レベル（＝ＩＧＢＴ３１のオン状態に相当）あるいは“Ｌ”レベル（ＩＧＢＴ３１のオフ状態に相当）のいずれであるかを判別して、“Ｈ”レベルである場合に、スイッチ３５を第１切換端子Ｔ１側とし、“Ｌ”レベルである場合に、スイッチ３５を第２切換端子Ｔ２側とするスイッチ制御信号ＣＳＷ４１を出力する。

同様に制御回路８２は、第１低電位側ドライブ回路ＤＬ１を構成している入力抵抗７０を介して高電位側トランジスタ７１及び低電位側トランジスタ７２のベース端子Ｂに供給される駆動制御信号ＳＣＬ１の電圧が“Ｈ”レベル（＝ＩＧＢＴ６１のオン状態に相当）あるいは“Ｌ”レベル（ＩＧＢＴ６１のオフ状態に相当）のいずれであるかを判別して、“Ｈ”レベルである場合に、スイッチ６５を第１切換端子Ｔ１側とし、“Ｌ”レベルである場合に、スイッチ６５を第２切換端子Ｔ２側とするスイッチ制御信号ＣＳＷ４２を出力する。

したがって、制御回路８２は、ダイオード６２に印加されている電圧Ｖｆが、アクティブクランプ回路６３の複数のツェナーダイオードＤｚのしきい値を超えた場合には、第１低電位側スイッチ回路ＴＬ１側のアクティブクランプ回路６３において、アクティブクランプ動作が開始され、ＩＧＢＴ６１のゲートエミッタ間電圧Ｖｇｅが増加し、ＩＧＢＴ６１がオン状態となり、第１低電位側スイッチ回路ＴＬ１を流れる電流Ｉｆが短絡電流となってしまった場合には、スイッチ６５を第２切換端子Ｔ２側とするスイッチ制御信号ＣＳＷ４２を出力する。

これにより、ツェナーダイオード群６４を構成する複数のツェナーダイオードＤｚのしきい値が、個々のツェナーダイオードＤｚの個体差及び温度依存特性により、必ずしもアクティブクランプ回路６３が設計通りに動作しない場合であっても、設計通りの動作を行わない動作領域ではアクティブクランプ回路６３を無効状態（機能制限状態）として、ＩＧＢＴ６１の誤動作を防止して、所望の動作を行わせることができる。

同様に、制御回路８１は、ダイオード３２に印加されている電圧Ｖｆが、アクティブクランプ回路３３の複数のツェナーダイオードＤｚのしきい値を超えた場合には、第１低電位側スイッチ回路ＴＵ１側のアクティブクランプ回路３３において、アクティブクランプ動作が開始され、ＩＧＢＴ３１のゲートエミッタ間電圧Ｖｇｅが増加し、ＩＧＢＴ３１がオン状態となり、第１高電位側スイッチ回路ＴＵ１を流れる電流Ｉｆが短絡電流となってしまった場合には、スイッチ３５を第２切換端子Ｔ２側とするスイッチ制御信号ＣＳＷ４１を出力する。

これにより、ツェナーダイオード群３４を構成する複数のツェナーダイオードＤｚのしきい値が、個々のツェナーダイオードＤｚの個体差及び温度依存特性により、必ずしもアクティブクランプ回路３３が設計通りに動作しない場合であっても、設計通りの動作を行わない動作領域ではアクティブクランプ回路３３を無効状態（機能制限状態）として、ＩＧＢＴ３１の誤動作を防止して、所望の動作を行わせることができる。

従って、本第５実施形態によっても、ツェナーダイオード群３４あるいはツェナーダイオード群６４を構成する複数のツェナーダイオードＤｚのしきい値が、個々のツェナーダイオードＤｚの個体差及び温度依存特性により、必ずしもアクティブクランプ回路３３あるいはアクティブクランプ回路６３が設計通りに動作しない場合であっても、設計通りの動作を行わない動作領域ではアクティブクランプ回路３３あるいはアクティブクランプ回路６３を無効状態（機能制限状態）として、ＩＧＢＴ３１の誤動作を防止して、所望の動作を行わせることができる。

以上の説明においては、制御回路８１及び制御回路８２の構成については、詳細に述べなかったが、マイクロプロセッサとして構成しソフトウェア的に制御したり、ロジック回路として構成しハードウェア的に制御したりするようにすることのいずれでも可能である。

［６］実施形態の効果
以上の説明のように、各実施形態によれば、保護回路としてのアクティブクランプ回路を設けることによる不具合を防止しつつ、電力変換回路において、確実にアクティブクランプ回路を動作させることが可能となる。

さらに上述したように保護回路としてのアクティブクランプ回路を鉄道車両の電力変換回路に用いることで、電力変換回路のメンテナンス周期、ひいては、電力変換回路の寿命を延ばすことができる。

［７］実施形態の変形例
以上の説明においては、アクティブクランプ回路の温度特性については考慮していなかったが、アクティブクランプ回路を構成しているツェナーダイオード、ひいては、ツェナーダイオード群の特性は温度によって大きく変化する。

そこで、上記各実施形態の構成に加えて、アクティブクランプ回路が設けられている基板の温度を測定する温度測定回路を設け、測定した温度に基づいて、スイッチ（上述のスイッチ３５及びスイッチ６５）の切換を制御するようにすれば、アクティブクランプ回路をより最適な動作状態とすることができる。

この場合において、上述した電流検知回路５１、検知回路５３、電圧検知回路５４、制御回路８１及び制御回路８２の動作と、温度測定回路の動作のいずれを優先するかは、いずれがより安全側であるか否かに基づいて定めればよい。

以上の説明においては、ＩＧＢＴとしてＮＰＮ型のバイポーラトランジスタを用いていたが、同様にＰＮＰ型のバイポーラトランジスタを用いるように構成することも可能である。

以上の説明においては、電力変換回路としてインバータの場合について説明したが、高電位側スイッチ回路と、低電位側スイッチ回路と、対として備える電力変換回路であれば同様に適用が可能である。具体的には、コンバータであっても同様に適用が可能である。

以上の説明においては、スイッチ３５、６５の切り換えについては、いずれに切り換える場合であっても同一の条件であるものとして説明したが、ヒステリシス特性を持たせるように構成することも可能である。
これにより、スイッチ３５、６５の切り換えが必要以上に頻繁に行われるのを防止して、より安定に動作を行わせることができる。

またスイッチング素子として、ＩＧＢＴを用いていたが、バイポーラトランジスタあるいはＭＯＳＦＥＴを用いるように構成することも可能である。

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

１０ 直流電車
１２ パンタグラフ
１３ 車輪
１４ 線路
１５ 電力変換装置
１６ モータ
２１ 制御電源
２２ コントローラ
２３ インバータ
２４ ゲート制御回路
３１、３１Ａ ＩＧＢＴ
３２ ダイオード
３３ アクティブクランプ回路
３４ ツェナーダイオード群
３５ スイッチ
３６ ダイオード
３７ コンデンサ
４０ 入力抵抗
４１ 高電位側トランジスタ
４２ 低電位側トランジスタ
４３ 第１ゲート抵抗
４４ 第１ダイオード
４５ 第２ゲート抵抗
４６ 第２ダイオード
５１ 電流検知回路
５２ 電流トランスデューサ
５３ 検知回路
５４ 電圧検知回路
６１ ＩＧＢＴ
６２ ダイオード
６３ アクティブクランプ回路
６４ ツェナーダイオード群
８１、８２ 制御回路
ＣＳＷ、ＣＳＷ１、ＣＳＷ２、ＣＳＷ３、ＣＳＷ４１、ＣＳＷ４２ スイッチ制御信号
Ｐ１、Ｐ２ 電圧検出点
ＳＣＬ１、ＳＣＵ１ 駆動制御信号
Ｔ１ 第１切換端子
Ｔ２ 第２切換端子

Claims (6)

1. 電力供給時にオン状態とされ、電力非供給時にオフ状態とされるスイッチング素子を保護する保護回路であって、
   前記スイッチング素子がオン状態からオフ状態とされるに際して、発生したサージ電圧に起因して前記スイッチング素子を流れる電流量に応じて、前記スイッチング素子をオン／オフして、単位時間当たりの電流量変化量を抑制するための制御電流を前記スイッチング素子に流す保護回路部と、
   サージ電圧に起因して前記スイッチング素子を流れる電流量が所定のしきい値電流量を超えた場合に、前記制御電流を前記スイッチング素子に代えて接地側に流す切換部と、
   を備えた保護回路。
2. 前記スイッチング素子は、絶縁ゲートバイポーラトランジスタであり、
   前記保護回路部は、前記絶縁ゲートバイポーラトランジスタを流れるエミッタ電流の電流量に応じて、前記スイッチング素子をオン／オフする、
   請求項１記載の保護回路。
3. 前記絶縁ゲートバイポーラトランジスタは、マルチエミッタトランジスタであり、
   いずれかのエミッタ端子を流れる電流を検知して、前記切換部を切り換えるスイッチ制御信号を出力する電流検知回路を備える、
   請求項２記載の保護回路。
4. 前記エミッタ電流を検出する電流トランスデューサと、
   前記電流トランスデューサの出力に基づいて、エミッタ端子を流れる電流を検知し、前記切換部を切り換えるスイッチ制御信号を出力する電流検知回路と、
   を備えた請求項２記載の保護回路。
5. 前記保護回路部が接続されている前記絶縁ゲートバイポーラトランジスタのゲート端子とは異なる端子側の電圧を直接あるいは間接に検知し、前記切換部を切り換えるスイッチ制御信号を出力する電圧検知回路を備える、
   請求項２記載の保護回路。
6. 前記保護回路部は、前記絶縁ゲートバイポーラトランジスタのゲート端子に供給されるゲート制御信号の信号レベルに応じて、オフ状態にあるべき前記絶縁ゲートバイポーラトランジスタに対応する前記切換部を切り換えるスイッチ制御信号を出力する制御回路を備える、
   請求項２記載の保護回路。

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