JP2014187837A - 電力変換器の保護システム - Google Patents

Abstract

【課題】電力変換器のスイッチング素子に過大な電流が流れる状況が発生した場合に、該スイッチング素子に流れる電流の増加を早期に抑制する。
【解決手段】スイッチング素子４の検知された電流値が第１閾値を超える大きさになった場合に、スイッチング素子４に付与する電圧信号をスイッチング素子４をオフ状態にする電圧信号に強制的に変化させる第１の保護回路部１４と、スイッチング素子４の検知された電流微分値が第２閾値を超える大きさになった場合に、スイッチング素子４に付与する電圧信号を正常時のオン制御用電圧信号よりも小さく、且つ、スイッチング素子４の通電が可能となる大きさの電圧信号に強制的に変化させる第２の保護回路部１５とを備える。
【選択図】図２

Description

本発明は、インバータ回路等の電力変換器の保護システムに関する。

絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（所謂、ＩＧＢＴ）等の複数のスイッチング素子を相互に接続して構成されるインバータ回路等の電力変換器では、負荷の短絡時（出力端子間の短絡時）等にスイッチング素子に過大な電流が流れて、該スイッチング素子等の損傷を生じる虞がある。

このため、この種の電力変換器では、各スイッチング素子に過大な電流が流れるのを防止するための保護システムが付設されているものが従来より知られている。

例えば特許文献１には、ＩＧＢＴのコレクタ電流の大きさを示すコレクタ・エミッタ間電圧が所定値以上の過大なものとなったときに、ＩＧＢＴのゲート電圧を低電圧に制限することで、ＩＧＢＴのコレクタ電流の増加を抑制するようにしたものが提案されている。

特公平７−６７０７３号公報

電力変換器の負荷の短絡等が発生した場合であっても、ＩＧＢＴ等のスイッチング素子に流れる電流は、該スイッチング素子がオン状態に制御された時に、瞬時に（ステップ状に）過大な電流に立ち上がるものではなく、通常、若干の時間をかけて増加していく。従って、該電流がゼロから十分に大きな電流まで上昇するには、ある程度の時間を要する。

また、スイッチング素子に流れる電流が、過大な電流であるか否かを判定するための所定の閾値以上の大きさに達したときに、スイッチング素子に流れる電流の増加を抑制するように、該スイッチング素子のオンオフ制御用の電圧信号（例えばＩＧＢＴのゲート電圧）の大きさを低下させるようにしても、該スイッチング素子に流れる電流は、その後も、ある程度上昇する。

さらに、スイッチング素子に流れる電流が過大なものとなったときに、スイッチング素子に流れる電流の増加を抑制するための該スイッチング素子のオンオフ制御用電圧信号の制御をできるだけ早期に行うようにするために、該電流の検出値と比較する上記閾値を小さめに設定しておくと、スイッチング素子に流れる電流が正常なものであっても、上記オンオフ制御用信号の制御が行われてしまいやすくなる。

このため、前記特許文献１のものでは、負荷の短絡等によりスイッチング素子に過大な電流が流れる状況が発生した場合に、スイッチング素子の電流が到達するピーク値を十分に低く抑えることが困難である。ひいては、スイッチング素子の熱損失が大きなものとなりやすいと共に、スイッチング素子の高い耐熱性が必要となって、該スイッチング素子の小型化もしくは低コスト化が困難となる。

本発明は、かかる背景に鑑みてなされたものであり、電力変換器のスイッチング素子に過大な電流が流れる状況が発生した場合に、該スイッチング素子に流れる電流の増加を早期に抑制して、該電流が到達するピーク値の大きさを小さめに抑制することができる保護システムを提供することを目的とする。

本発明の電力変換器の保護システムは、かかる目的を達成するために、複数のスイッチング素子を有する電力変換器の保護システムであって、
前記各スイッチング素子をオン状態にするために該スイッチング素子に付与する所定の大きさのオン制御用電圧信号と該スイッチング素子をオフ状態にするために該スイッチング素子に付与する所定の大きさのオフ制御用電圧信号とを選択的に出力することにより該スイッチング素子のオンオフを制御するオンオフ制御部と、
前記各スイッチング素子にそのオン状態で流れる電流値を検知する電流値検知部と、
前記各スイッチング素子にそのオン状態で流れる電流値の時間的変化率である電流微分値を検知する電流微分値検知部と、
前記複数のスイッチング素子のいずれかのスイッチング素子について、該スイッチング素子に対応する前記電流値検知部により検知された電流値が所定の第１閾値を超える大きさになった場合に、該スイッチング素子に付与する電圧信号を、該スイッチング素子をオフ状態にする大きさの電圧信号に強制的に変化させる第１の保護回路部と、
前記複数のスイッチング素子のいずれかのスイッチング素子について、該スイッチング素子に対応する前記電流微分値検知部により検知された電流微分値が、電流値の増加を示す極性で所定の第２閾値を超える大きさになった場合に、該スイッチング素子に付与する電圧信号を、前記オン制御用電圧信号よりも小さい大きさで、且つ、該スイッチング素子の通電が可能となる大きさの電圧信号に強制的に変化させる第２の保護回路部とを備えることを特徴とする（第１発明）。

かかる第１発明によれば、前記電流値検知部を介して各スイッチング素子を流れる電流値を監視する前記第１の保護回路部に加えて、前記電流微分値検知部を介して各スイッチング素子の電流微分値（電流の時間的変化率）を監視する第２の保護回路部を備えている。

ここで、本願発明者の各種実験、検討によれば、電力変換器の負荷の短絡、あるいは上アーム及び下アームのいずれかのスイッチング素子のオン故障（オン状態に維持される故障）等により、スイッチング素子に過大な電流が流れることとなる状況では、通常、該スイッチング素子に流れる電流は、該スイッチング素子がオン状態に制御された直後に、該電流の大きさ（電流値）自体が比較的小さい状態（電流の立ち上がり初期の状態）でも、比較的大きな増加率で増加する。

このため、該スイッチング素子に対応する電流値検知部により検知される電流値が前記第１閾値に達する前に、該スイッチング素子に対応する電流微分値検知部により検知される電流微分値（電流の増加を示す極性の電流微分値）が、前記第２閾値を超える大きさに増加する。

そして、第２の保護回路部は、検知された電流微分値（電流の増加を示す極性の電流微分値）が第２閾値を超える大きさに増加すると（以降、この時刻を時刻ｔaということがある）、該スイッチング素子に付与する電圧信号を、前記オン制御用電圧信号よりも小さい大きさで、且つ、該スイッチング素子の通電が可能となる大きさの電圧信号に強制的に変化させる。これにより、該スイッチング素子に流れる電流の急激な増加が時刻ｔa以前よりも抑制される。

なお、この状況では、該スイッチング素子には電流が流れるので、電力変換器の出力電力を負荷側に供給することができる。

また、電力変換器の負荷の短絡、あるいは、上アーム及び下アームのいずれかのスイッチング素子のオン故障（オン状態に維持される故障）等により、スイッチング素子に過大な電流が流れることとなる状況では、該スイッチング素子に流れる電流は、上記時刻ｔaの後に、該スイッチング素子のオン状態でさらに増加する。ひいては、該スイッチング素子に対応する電流値検知部により検知される電流値が前記第１閾値を超える大きさに増加する。

そして、前記第１の保護回路部は、検知された電流値が第１閾値を超える大きさに増加すると（以降、この時刻を時刻ｔbということがある）、該スイッチング素子に付与する電圧信号を、該スイッチング素子をオフ状態にする大きさの電圧信号に強制的に変化させる。これによりスイッチング素子がオフ状態に制御され、ひいては、該スイッチング素子の通電が遮断される。

この場合、該スイッチング素子を流れる電流が、上記時刻ｔbから瞬時的に遮断されるわけではなく、該電流は、通常、時刻ｔbから若干遅れてピーク値に達した後に、減少する。

ここで、第１発明によれば、前記したように、該スイッチング素子の電流値が第１閾値を超える前の時刻ｔaで、該スイッチング素子の電流微分値が前記第２閾値を超えることに応じて、該スイッチング素子に流れる電流の急激な増加が抑制されるように該スイッチング素子に付与する電圧信号の大きさが制御されている。このため、該スイッチング素子を流れる電流値が前記時刻ｔbの後に最終的に到達するピーク値は、該スイッチング素子に付与する電圧信号の大きさを第２の保護回路部により制御しない場合に比べて小さいピーク値に抑制されることとなる。

従って、第１発明によれば、電力変換器のスイッチング素子に過大な電流が流れる状況が発生した場合に、該スイッチング素子に流れる電流の増加を早期に抑制して、該電流が到達するピーク値の大きさを小さめに抑制することができる。

また、該スイッチング素子に流れる電流のピーク値の大きさを小さめに抑制できることから、該スイッチング素子での熱損失が低減されると共に、該スイッチング素子に対する耐熱性の要求が軽減される。このため、該スイッチング素子のさらなる小型化もしくは低コスト化を図ることができる。

上記第１発明では、前記第２閾値は、前記電力変換器から負荷への通電状態が正常である場合に、各スイッチング素子に対応する前記電流微分値検知部により検知される電流微分値が、該第２閾値以下に収まるようにあらかじめ設定されていることが好ましい（第２発明）。

この第２発明によれば、前記電力変換器から負荷への通電状態が正常である場合には、各スイッチング素子の電流微分値が前記第２閾値を超えることがないようにすることができる。このため、当該正常時には、各スイッチング素子には、そのオン状態で通常の大きさのオン制御用電圧信号が付与されることとなるので、該スイッチング素子に、負荷の作動のために適切な電流が流れるようにすることができる。

本発明の一実施形態における電力変換器の構成を示す図。 実施形態の電力変換器の保護システムの構成を示す図。 実施形態の電力変換器の保護システムの作動を説明するためのフローチャート。 実施形態の電力変換器の保護システムの作動を説明するためのタイミングチャート。

本発明の一実施形態を以下に説明する。図１に示すように、本実施形態における電力変換器１は、直流電力を交流電力に変換するインバータ装置である。

図示例の電力変換器１は、３相の交流電力を出力するために、上アーム２及び下アーム３の組を３組（３相分）備える。

各相の上アーム２及び下アーム３のそれぞれは、スイッチング素子４と、該スイッチング素子４に並列接続されたダイオード５とを有する。スイッチング素子４は、半導体スイッチング素子、例えば絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ）により構成される。以降、スイッチング素子４をＩＧＢＴ４という。

そして、各相の上アーム２のＩＧＢＴ４及びダイオード５の並列回路と、下アーム３のＩＧＢＴ４及びダイオード５の並列回路とが、直流電圧印加端子６ａ，６ｂ間に直列に接続されている。

また、各相の上アーム２と下アーム３との間の中点にそれぞれ導通する端子７ｕ，７ｖ，７ｗが同期電動機等の負荷（３相の交流電力の供給対象）に接続される。

図２に示すように、電力変換器１には、各ＩＧＢＴ４毎に、負荷の短絡時等に該ＩＧＢＴ４に過大な電流（コレクタ電流）が流れるのを防止するための保護システム１０が備えられている。

保護システム１０は、ＩＧＢＴ４のオンオフ制御のためのオンオフ制御用電圧信号を出力するオンオフ制御部１１と、ＩＧＢＴ４に流れる電流値を検知する電流値検知部１２と、ＩＧＢＴ４の流れる電流値の時間的変化率である電流微分値を検知する電流微分値検知部１３と、電流値検知部１２により検知される電流値に応じてＩＧＢＴ４に過大な電流が流れるのを防止するための保護動作を行う第１の保護回路部１４と、電流微分値検知部１３により検知される電流微分値に応じてＩＧＢＴ４に過大な電流が流れるのを防止するための保護動作を行う第２の保護回路部１５とを備える。

オンオフ制御部１１は、ＩＧＢＴ４をオン状態とすべきかオフ状態とすべきかを規定する指令信号が入力される。そして、オンオフ制御部１１は、その入力信号に応じて、高低２値レベルのオンオフ制御電圧信号を出力し、該オンオフ制御電圧信号を抵抗素子１６（以降、ゲート接続抵抗素子１６という）を介してＩＧＢＴ４のゲートに付与する。

この場合、オンオフ制御部１１は、ＩＧＢＴ４をオン状態にするときには、所定の大きさの高レベルの電圧信号（例えばオンオフ制御部１１の電源電圧ＶＤＤにほぼ一致する電圧値の電圧信号）をオン制御用電圧信号として出力する。また、オンオフ制御部１１は、ＩＧＢＴ４をオフ状態にするときには、所定の大きさの低レベルの電圧信号（例えば約０[Ｖ]の電圧信号）をオフ制御用電圧信号として出力する。

なお、オンオフ制御部１１は、第１の保護回路部１４の後述する論理回路部２４から出される信号に応じて、該オンオフ制御部１１の出力がハイインピーダンスとなる状態（以降、ハイインピーダンス状態という）に動作し得るように構成されている。

電流値検知部１２は、ＩＧＢＴ４にそのオン状態で流れる電流値をこれに比例する大きさ電圧値の信号に変換する電流検知用抵抗素子１７を備える。ここで、本実施形態では、ＩＧＢＴ４は、コレクタ電流の一部（コレクタ電流の一定割合の電流）を流す電流検知用端子４ｓを有しており、この電流検知用端子４ｓと接地部１８との間に電流検知用抵抗素子１７が接続されている。

従って、電流検知用抵抗素子１７には、ＩＧＢＴ４のオン状態で、電流検知用端子４ｓを流れる電流がそのまま流れるようになっている。ひいては、電流検知用抵抗素子１７の発生電圧ＶsがＩＧＢＴ４に流れる電流に比例するものとなる。そこで、電流値検知部１２は、電流検知用抵抗素子１７の発生電圧ＶsをＩＧＢＴ４に流れる電流値を示す信号として出力する。

電流微分値検知部１３は、コンデンサ１９及び抵抗素子２０により構成された微分回路である。この電流微分値検知部１３（微分回路）は、電流検知用抵抗素子１７の発生電圧Ｖsが入力され、該発生電圧Ｖsの微分値に比例する電圧Ｖoを抵抗素子２０に発生するように、電流検知用抵抗素子１７に接続されている。そして、該電流微分値検知部１３は、抵抗素子２０の発生電圧Ｖoを、ＩＧＢＴ４を流れる電流の微分値を示す信号として出力する。なお、コンデンサ１９の容量値をＣ、抵抗素子２０の抵抗値をＲとおくと、抵抗素子２０の発生電圧Ｖoは、Ｖo＝Ｃ・Ｒ・(dＶs/dt)により与えられる。また、本実施形態では、Ｖoは、ＩＧＢＴ４を流れる電流の増加時（Ｖsの増加時）に正極性となる。

第１の保護回路部１４は、電流検知用抵抗素子１７の発生電圧Ｖsをあらかじめ定められた所定の閾値Ｖs_THと比較する電流値比較部２１と、抵抗素子２２及びスイッチング素子２３と、論理回路部２４とを備える。スイッチング素子２３は、例えば半導体スイッチング素子としてのＭＯＳＦＥＴにより構成される。

抵抗素子２２（以降、第１保護用抵抗素子２２という）及びスイッチング素子２３（以降、第１保護用スイッチング素子２３という）は、ＩＧＢＴ４のゲートと、前記ゲート接続抵抗素子１６との間の箇所と、接地部１８との間に直列に接続されている。

電流値比較部２１は、例えばコンパレータにより構成されており、本実施形態では、電流検知用抵抗素子１７の発生電圧Ｖsが、抵抗素子３１及びコンデンサ３２により構成されたローパス特性のフィルタ３３により高周波成分が除去された後に入力されるようになっている。そして、電流値比較部２１は、フィルタ３３から入力される電流検知用抵抗素子１７の発生電圧Ｖsが所定の閾値Ｖs_TH以下の大きさから、該閾値Ｖs_THを超える大きさに増加すると、そのことを示す信号を出力する。

より具体的には、電流検知用抵抗素子１７の発生電圧Ｖsが所定の閾値Ｖs_TH以下の大きさである場合には、電流値比較部２１は、例えば所定の低レベルの出力電圧を発生する。そして、ＶsがＶs_THを超える大きさの電圧値に増加すると、電流値比較部２１は、所定の高レベルの出力電圧を発生する。

この場合、電流値比較部２１は、ラッチ機能を有しており、高レベルの出力電圧を発生した場合には、その後に、ＶsがＶs_TH以下に低下しても、高レベルの電圧信号を継続的に出力する。

なお、電流検知用抵抗素子１７の発生電圧Ｖsは、ＩＧＢＴ４に流れる電流値に比例するので、ＶsがＶs_THを超えるということは、ＩＧＢＴ４に流れる電流値が、Ｖs_THに比例定数を乗算してなる閾値（これは本発明における第１閾値に相当する）を超える過大な電流値であることを意味する。

論理回路部２４は、電流値比較部２１の出力電圧に応じて、第１保護用スイッチング素子２３のオンオフを制御するゲート信号を発生する。この場合、電流値比較部２１の出力電圧が低レベルの電圧値である場合（すなわち、Ｖs≦Ｖs_THである場合）には、論理回路部２４は、第１保護用スイッチング素子２３をオフ状態にする電圧値（低レベル）のゲート信号を出力する。

また、電流値比較部２１の出力電圧が高レベルの電圧値である場合（すなわち、Ｖs＞Ｖs_THとなった場合）には、論理回路部２４は、第１保護用スイッチング素子２３をオン状態にする電圧値（高レベル）のゲート信号を出力する。

ここで、本実施形態では、論理回路部２４から上記の如く出力されるゲート信号は、第１保護用スイッチング素子２３のゲートに付与されると共に、オンオフ制御部１１にも出力されるようになっている。

そして、論理回路部２４から第１保護用スイッチング素子２３をオン状態にするゲート信号が出力された場合には、オンオフ制御部１１の出力がハイインピーダンス状態となるようにオンオフ制御部１１が構成されている。

このため、ＩＧＢＴ４がオン状態となっている状況で、論理回路部２４から第１保護用スイッチング素子２３をオン状態にするゲート信号が出力された場合には、ＩＧＢＴ４のゲート電荷が第１保護用抵抗素子２２とオン状態の第１保護用スイッチング素子２３とを通って放電することで、ＩＧＢＴ４のゲート電圧が低下して、該ＩＧＢＴ４がオフ状態になる（ターンオフする）ようになっている。

そして、この場合、第１保護用スイッチング素子２３がオフ状態となっている状況でのＩＧＢＴ４の通常のターンオフの場合よりも、ＩＧＢＴ４のゲート電荷の放電を緩やかに（相対的に長い時定数で）行わせる（換言すれば、ＩＧＢＴ４のゲート電圧を徐々に低下させる）ようにするために、第１保護用抵抗素子２２の抵抗値は、ゲート接続抵抗素子１６の抵抗値よりも大きい抵抗値に設定されている。

このため、ＩＧＢＴ４がオン状態となっている状況で、論理回路部２４から第１保護用スイッチング素子２３をオン状態にするゲート信号が出力された場合には、ＩＧＢＴ４が通常のターンオフよりも緩やかなソフトターンオフが行われるようになっている。

なお、電流値比較部２１から直接的に第１保護用スイッチング素子２３のゲート信号を出力するようにしてもよい。

第２の保護回路部１５は、電流微分値検知部１３（微分回路）の出力電圧Ｖoをあらかじめ定められた所定の閾値Ｖo_THと比較する電流微分値比較部２５と、抵抗素子２６及びスイッチング素子２７と、論理回路部２８とを備える。スイッチング素子２７（以降、第２保護用スイッチング素子２７という）は、第１保護用スイッチング素子２３と同様に、例えばＭＯＳＦＥＴにより構成される。

抵抗素子２６（以降、第２保護用抵抗素子２６という）及び第２保護用スイッチング素子２７は、ＩＧＢＴ４のゲートと、前記ゲート接続抵抗素子１６との間の箇所と、接地部１８との間に直列に接続されている。このため、オンオフ制御部１１が、オン制御用電圧信号（高レベルの電圧信号）を出力している状態で、第２保護用スイッチング素子２７をオン状態に制御したときには、オン制御用電圧信号の電圧値を、ゲート接続抵抗素子１６と第２保護用抵抗素子２６とにより分圧してなる電圧（＝第２保護用抵抗素子２６の発生電圧）がＩＧＢＴ４のゲートに強制的に印加されるようになっている。

この場合、ゲート接続抵抗素子１６の抵抗値に対する第２保護用抵抗素子２６の抵抗値の比率は、ＩＧＢＴ４のゲートに印加される第２保護用抵抗素子２６の発生電圧が、ＩＧＢＴ４が通電可能となる（オフ状態とならない）大きさの電圧値となり、且つ、前記オン制御用電圧信号よりも低い大きさの電圧値になるように設定されている。

電流微分値比較部２５は、例えばコンパレータにより構成されており、電流値検知部１２の出力電圧Ｖsの増加時（ＩＧＢＴ４を流れる電流の増加時）において、電流微分値検知部１３の出力電圧Ｖoが所定の閾値Ｖo_TH（＞０）以下の大きさから、該閾値Ｖo_THを超える大きさに増加すると、そのことを示す信号を出力する。

より具体的には、電流微分値検知部１３の出力電圧Ｖoが所定の閾値Ｖo_TH以下の大きさである場合には、電流微分値比較部２５は、例えば所定の低レベルの出力電圧を発生する。そして、ＶoがＶo_THを超える大きさの電圧値に増加すると、電流微分値比較部２５は、所定の高レベルの出力電圧を発生する。

なお、電流微分値検知部１３の出力電圧Ｖoは、ＩＧＢＴ４に流れる電流値の微分値（時間的変化率）に比例するので、ＶoがＶo_THを超えるということは、ＩＧＢＴ４に流れる電流値の微分値が、電流値の増加を示す極性で、Ｖo_THに比例定数を乗算してなる閾値（これは本発明における第２閾値に相当する）を超えることを意味する。

また、電流微分値検知部１３の出力電圧Ｖoと比較する閾値Ｖo_THは、ＩＧＢＴ４に正常な大きさの（過大でない）電流が流れる状況では、該出力電圧Ｖoが閾値Ｖo_TH以下に収まるように、あらかじめ実験等に基づいて設定されている。

論理回路部２８は、電流微分値比較部２５の出力電圧に応じて、第２保護用スイッチング素子２７のオンオフを制御するゲート信号を発生する。この場合、電流微分値比較部２５の出力電圧が低レベルの電圧値である場合（すなわち、Ｖo≦Ｖo_THである場合）には、論理回路部２８は、第２保護用スイッチング素子２７をオフ状態にする電圧値（低レベル）のゲート信号を出力する。また、電流微分値比較部２５の出力電圧が高レベルの電圧値である場合（すなわち、Ｖo＞Ｖo_THである場合）には、論理回路部２８は、第２保護用スイッチング素子２７をオン状態にする電圧値（高レベル）のゲート信号を出力する。

なお、本実施形態では、第１の保護回路部１４の論理回路部２４は、第１保護用スイッチング素子２３のオンオフの制御状態を示す信号を第２の保護回路部１５の論理回路部２８に出力する。そして、第２の保護回路部１５の論理回路部２８は、第１の保護回路部１４の論理回路部２４が、第１保護用スイッチング素子２３をオン状態に制御しているときには、電流微分値比較部２５の出力電圧によらずに、第２保護用スイッチング素子２７をオフ状態に保持するように、低レベルのゲート信号を出力する。

次に、本実施形態の保護システム１０の作動を説明する。

オンオフ制御部１１が、入力される指令信号に応じてオフ制御用電圧信号をＩＧＢＴ４のゲートに出力している状態では、ＩＧＢＴ４のゲート電圧は、０[Ｖ]もしくはほぼ０[Ｖ]に維持される。このため、ＩＧＢＴ４がオフ状態に保たれる。

また、この状態では、ＩＧＢＴ４には電流が流れないので、電流検知用抵抗素子１７の発生電圧Ｖs（電流値検知部１２の出力電圧）と、電流微分値検知部１３の出力電圧Ｖoはいずれも、０[Ｖ]又はほぼ０[Ｖ]に保たれる。

次に、オンオフ制御部１１が入力される指令信号に応じてオン制御用電圧信号をＩＧＢＴ４のゲートに出力すると、ＩＧＢＴ４がオフ状態からオン状態になって、該ＩＧＢＴ４に電流（コレクタ電流）が流れる。

このとき、保護システム１０は、図３のフローチャートで示すように作動する。具体的には、ＳＴＥＰ１で示すように、電流値検知部１２が、ＩＧＢＴ４の電流に応じて電流検知用抵抗素子１７に発生する電圧Ｖsを出力する。

さらに、ＳＴＥＰ２で示すように、電流微分値検知部１３が、ＩＧＢＴ４の電流の微分値に応じて抵抗素子２０に発生する電圧Ｖoを出力する。

ＳＴＥＰ３〜５で示す第２の保護回路部１５の作動と、ＳＴＥＰ６〜８で示す第１の保護回路部１４の作動とが並行して行われる。

第２の保護回路部１５においては、ＳＴＥＰ３で示すように、電流微分値検知部１３の出力電圧Ｖoが電流微分値比較部２５において所定の閾値Ｖo_THと比較される。

ここで、電力変換器１の負荷への通電が正常に行われており、ＩＧＢＴ４の電流の時間的変化率（単位時間当たりの増加量）はさほど過大なものとはならない状況では、ＳＴＥＰ３の比較において、Ｖo≦Ｖo_THとなる。

この場合には、第２の保護回路部１５の論理回路部２８から第２保護用スイッチング素子２７のゲートに付与される電圧は、低レベルの電圧値に維持される。

このため、ＳＴＥＰ４で示すように、第２保護用スイッチング素子２７は、オフ状態に維持される。ひいては、ＩＧＢＴ４のゲート電圧は、オン制御用電圧信号の電圧値から低下することなく、該オン制御用電圧信号の電圧値に維持される。

一方、電力変換器１の負荷の短絡、あるいは、いずれかのＩＧＢＴ４のオン故障（該ＩＧＢＴ４がオン状態に維持される故障）等により、オン状態に制御された正常なＩＧＢＴ４に過大な電流が流れる状況では、オンオフ制御部１１からＩＧＢＴ４のゲートへのオン制御用電圧信号の付与が開始された直後にＩＧＢＴ４に流れる電流が急激に増加する。そして、この場合、ＩＧＢＴ４の電流の増加開始直後におけるＳＴＥＰ３の比較において、Ｖo＞Ｖo_THとなる。

例えば、ＩＧＢＴ４に流れる電流に対応する電流値検知部１２の出力電圧Ｖs（電流検知用抵抗素子１７の発生電圧）は、図４の第１段目（最上段）のグラフで示すように、ＩＧＢＴ４のゲートへのオン制御用電圧信号の付与の開始時刻ｔ0から大きな増加率で急激に増加していく。そして、この場合、図４の第２段目のグラフで示すように、時刻ｔ0の直後の時刻ｔ1でＶoが閾値Ｖo_THを超える。

そして、Ｖo＞Ｖo_THになると、電流微分値比較部２５の出力が、図４の第３段目のグラフで示す如く、低レベルの電圧値から高レベルの電圧値に変化するので、第２の保護回路部１５の論理回路部２８から第２保護用スイッチング素子２７のゲートに付与される電圧も、高レベルの電圧値に変化する。

この結果、図３のＳＴＥＰ５で示す如く、あるいは、図４の第４段目のグラフ（時刻ｔ1前後のグラフ）で示す如く、第２保護用スイッチング素子２７は、オフ状態からオン状態に切替わる。このため、ＩＧＢＴ４のゲートには、オンオフ制御部１１が出力するオン制御用電圧信号の電圧を、ゲート接続抵抗素子１６と第２保護用抵抗素子２６とで分圧した電圧（≒第２保護用抵抗素子２６の発生電圧）が付与されるようになる。

ひいては、ＩＧＢＴ４のゲートに付与される電圧が図４の第６段目のグラフで（時刻ｔ1前後のグラフ）示すように、オン制御用電圧信号の電圧値から低下する。

このため、図４の第１段目の実線のグラフで例示されるように、ＩＧＢＴ４に流れる電流の単位時間当たりの増加率（換言すれば、Ｖsの単位時間当たりの増加率）が、Ｖo＞Ｖo_THとなる前（図４の時刻ｔ1以前）よりも低下することとなる。すなわち、ＩＧＢＴ４の電流の急激な増加が抑制される。

なお、仮に第２の保護回路部１５が備えられていない場合には、図４の第１段目の二点鎖線のグラフで示すように、ＩＧＢＴ４の電流は、第２の保護回路部１５を備える本実施形態の場合（実線のグラフ）よりも急激に増加していく。

第２の保護回路部１５による上記の作動と並行して、第１の保護回路部１４の作動が次のように行われる。

すなわち、第１の保護回路部１４においては、図３のＳＴＥＰ６で示すように、電流値検知部１２の出力電圧Ｖs（より詳しくは、電流検知用抵抗素子１７の発生電圧をフィルタ３３を通した後の電圧）が電流値比較部２１において所定の閾値Ｖs_THと比較される。

ここで、電力変換器１の負荷側の短絡等が発生していない正常時には、ＩＧＢＴ４の電流のピーク値は、上記閾値Ｖs_THに対応する電流値以下の電流値に収まる。このため、ＳＴＥＰ６の比較において、Ｖs≦Ｖs_THとなる。

この場合には、第１の保護回路部１４の論理回路部２４から第１保護用スイッチング素子２３のゲートに付与される電圧は、低レベルの電圧値に維持される。

このため、ＳＴＥＰ８で示すように、第１保護用スイッチング素子２３は、オフ状態に維持される。ひいては、ＩＧＢＴ４はオン状態に維持される。

なお、この場合、Ｖs≦Ｖs_THとなっている状況で、Ｖo＞Ｖo_THとなって、第２保護用スイッチング素子２７がオン状態になっている場合もあり得る。ただし、この場合、ＩＧＢＴ４のゲートに付与される電圧は、ＩＧＢＴ４の通電を行い得る電圧値であるので、ＩＧＢＴ４がオフ状態となることはなく、該ＩＧＢＴ４の通電が継続する。

一方、電力変換器１の負荷の短絡、あるいは、いずれかのＩＧＢＴ４のオン故障（該ＩＧＢＴ４がオン状態に維持される故障）等により、オン状態に制御された正常なＩＧＢＴ４に過大な電流が流れる状況では、ＩＧＢＴ４の電流は、第２保護用スイッチング素子２７がオン状態に切替わった後もさらに増加する。そして、ＩＧＢＴ４の電流のピーク値は、上記閾値Ｖs_THに対応する電流値を超えるような過大なものとなる。このため、ＳＴＥＰ６の比較において、やがてＶs＞Ｖs_THとなる。

例えば、ＩＧＢＴ４に流れる電流に対応する電流値検知部１２の出力電圧Ｖsは、図４の第１段目（最上段）の実線のグラフで示すように、第２保護用スイッチング素子２７がオン状態に切替わる時刻ｔ1の後の時刻ｔ2において、閾値Ｖs_THを超える。

そして、Ｖs＞Ｖs_THになると、電流値比較部２１の出力が低レベルの電圧値から高レベルの電圧値に変化するので、第１の保護回路部１４の論理回路部２４から第１保護用スイッチング素子２３のゲートに付与される電圧も、高レベルの電圧値に変化する。

この結果、図３のＳＴＥＰ７で示す如く、あるいは、図４の第５段目のグラフ（時刻ｔ2前後のグラフ）で示す如く、第１保護用スイッチング素子２３は、オフ状態からオン状態に切替わる。さらに、第１の保護回路部１４の論理回路部２４の出力電圧の上記の変化に応じて、オンオフ制御部１１の出力がハイインピーダンス状態に切替わる。

同時に、第１の保護回路部１４の論理回路部２４から第２の保護回路部１５の論理回路部２８に与えられる信号に応じて、論理回路部２８は電流微分値比較部２５の出力によらずに、第２保護用スイッチング素子２７のゲートの低レベルの信号を付与する。これにより、図４の第４段目のグラフ（時刻ｔ2以後のグラフ）で示しように、第２保護用スイッチング素子２７がオフ状態となる。

このため、前記したように、ＩＧＢＴ４のゲート電荷が、第１保護用抵抗素子２２及び第１保護用スイッチング素子２３を通して徐々に放電する。ひいては、ＩＧＢＴ４のゲートに付与される電圧が、ＩＧＢＴ４のゲート容量と第１保護用抵抗素子２２の抵抗値とに応じた時定数で徐々に低下して、該ＩＧＢＴ４のソフトターンオフが行われる。

この結果、図４の第１段目の実線のグラフで示すように、ＩＧＢＴ４に流れる電流が、時刻ｔ2よりも若干遅れた時刻から減少していく。

なお、仮に第２の保護回路部１５が備えられていない場合には、図４の第１段目の二点鎖線のグラフで示すように、ＩＧＢＴ４の電流は、第２の保護回路部１５を備える本実施形態の場合（実線のグラフ）よりも高いピーク値まで上昇した後に減少していく。

補足すると、ＩＧＢＴ４のゲート・エミッタ間電圧は、ＩＧＢＴ４のゲート・エミッタ間の容量の影響によって、例えば、図４の第７段目の実線のグラフで示すように変化する。この場合、ゲート・エミッタ間付与電圧は、Ｖs＞Ｖs_THとなる時刻ｔ2以後に減少していく。なお、仮に第２の保護回路部１５が備えられていない場合には、ＩＧＢＴ４のゲート・エミッタ間電圧は、例えば、図４の第７段目（最下段）の二点鎖線のグラフで示すように、第２の保護回路部１５を備える本実施形態の場合（実線のグラフ）よりも高いピーク値まで上昇した後に減少していく。

以上説明した実施形態によれば、各ＩＧＢＴ４毎に、該ＩＧＢＴ４に対応する電流微分値検知部１３の出力電圧Ｖoが所定の閾値Ｖo_TH（＞０）を超える大きさになった時点で、第２の保護回路部１５の作動により、ＩＧＢＴ４のゲートに付与する電圧信号をオン制御用電圧信号よりも小さい電圧値の信号に変化させる。このため、ＩＧＢＴ４を流れる電流値そのものが過大になっていない状況（Ｖs≦Ｖs_THとなっている状況）で、ＩＧＢＴ４を流れる電流が急激に増加するのを抑制するようにすることができる。

すなわち、ＩＧＢＴ４に流れる電流が過大なものなる可能性が高い状況で、早期に、ＩＧＢＴ４を流れる電流が急激に増加するのを抑制するようにすることができる。

そして、その後に、ＩＧＢＴ４に流れる電流が過大なものなって、Ｖs＞Ｖs_THとなると、第１の保護回路部１４の作動によって、ＩＧＢＴ４が強制的にオフ状態に制御される。

このため、電力変換器１の負荷の短絡、あるいは、いずれかのＩＧＢＴ４のオン故障（該ＩＧＢＴ４がオン状態に維持される故障）等により、オン状態に制御された正常なＩＧＢＴ４に過大な電流が流れることとなる状況で、ＩＧＢＴ４に流れる電流のピーク値を、第２の保護回路部１５を備えない場合よりも小さくすることができる。

ひいては、ＩＧＢＴ４の熱損失を低減できると共に、ＩＧＢＴ４の耐熱性の要求を軽減して、ＩＧＢＴ４の小型化もしくは低コスト化を図ることができる。

なお、以上説明した実施形態では、電力変換器１が３相のインバータである場合を例にとって説明したが、該電力変換器は、２相のインバータでもよく、あるいは、ＡＣ−ＡＣコンバータ、ＤＣ−ＤＣコンバータ等であってもよい。

また、電力変換器のスイッチング素子は、ＭＯＳＦＥＴ等、ＩＧＢＴ以外の半導体スイッチング素子であってもよい。

また、本実施形態では、スイッチング素子は、電流検知用端子４ｓを有するＩＧＢＴ４であるが、電流検知用端子４ｓを有しないものであってもよい。その場合には、スイッチグ素子に流れる電流値を検知するための適宜の検出器を別途備えるようにすればよい。

１…電力変換器、４…ＩＧＢＴ（スイッチング素子）、１０…保護システム、１１…オンオフ制御部、１２…電流値検知部、１３…電流微分値検知部、１４…第１の保護回路部、１５…第２の保護回路部。

Claims (2)

1. 複数のスイッチング素子を有する電力変換器の保護システムであって、
   前記各スイッチング素子をオン状態にするために該スイッチング素子に付与する所定の大きさのオン制御用電圧信号と該スイッチング素子をオフ状態にするために該スイッチング素子に付与する所定の大きさのオフ制御用電圧信号とを選択的に出力することにより該スイッチング素子のオンオフを制御するオンオフ制御部と、
   前記各スイッチング素子にそのオン状態で流れる電流値を検知する電流値検知部と、
   前記各スイッチング素子にそのオン状態で流れる電流値の時間的変化率である電流微分値を検知する電流微分値検知部と、
   前記複数のスイッチング素子のいずれかのスイッチング素子について、該スイッチング素子に対応する前記電流値検知部により検知された電流値が所定の第１閾値を超える大きさになった場合に、該スイッチング素子に付与する電圧信号を、該スイッチング素子をオフ状態にする大きさの電圧信号に強制的に変化させる第１の保護回路部と、
   前記複数のスイッチング素子のいずれかのスイッチング素子について、該スイッチング素子に対応する前記電流微分値検知部により検知された電流微分値が、電流値の増加を示す極性で所定の第２閾値を超える大きさになった場合に、該スイッチング素子に付与する電圧信号を、前記オン制御用電圧信号よりも小さい大きさで、且つ、該スイッチング素子の通電が可能となる大きさの電圧信号に強制的に変化させる第２の保護回路部とを備えることを特徴とする電力変換器の保護システム。
2. 請求項１記載の電力変換器の保護システムにおいて、
   前記第２閾値は、前記電力変換器から負荷への通電状態が正常である場合に、各スイッチング素子に対応する前記電流微分値検知部により検知される電流微分値が、該第２閾値以下に収まるようにあらかじめ設定されていることを特徴とする電力変換器の保護システム。

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