JP2016111858A - 電力変換装置 - Google Patents

Abstract

【課題】スイッチング素子を過電流からより適切に保護できる電力変換回路を提供する。【解決手段】互いに直列接続された上アーム用回路と下アーム用回路に設けられた一対のＩＧＢＴ１１によるスイッチング動作により電力変換を行う電力変換装置は、ＩＧＢＴ１１の駆動電圧を検出し、検出した駆動電圧を過去値として保持する。そして、一対のＩＧＢＴ１１のうちの一方のＩＧＢＴ１１にゲート電圧Ｖｇが印加されている場合に、過電流が流れる短絡異常があるか否かを判定する。短絡異常があると判定された場合には、駆動電圧の過去値に基づいて短絡異常が発生した際のＩＧＢＴ１１の駆動状態を判定する。【選択図】 図２

Description

本発明は、半導体スイッチング素子を過電流から保護する保護回路を備える電力変換装置に関する。

直流電圧と交流電圧との間で電力変換を行う電力変換装置として、電源線間に１相分につき上アーム用回路と下アーム用回路の一対の半導体スイッチング素子（以下、スイッチング素子と称する）が直列接続されて構成されたものが知られている。この種の電力変換装置では、上アーム用回路及び下アーム用回路の各スイッチング素子が交互に駆動されることで、例えば直流電圧と交流電圧との間で電力を変換する。

ところで、スイッチング素子は、そのスイッチング動作等に起因して短絡異常が生じる可能性がある。そして、上アーム用回路及び下アーム用回路のうちの一方のスイッチング素子に短絡異常が生じた場合には、他方のスイッチング素子の駆動状態で定格電流以上の過電流が流れる不都合が生じる。

そこで従来から、一方のスイッチング素子に駆動電圧が印加された状態で過電流が流れる場合には、当該スイッチング素子を強制的に遮断状態に切り替えることで過電流から保護している（特許文献１参照）。

特開２００４−３５７４６３号公報

スイッチング素子の短絡異常は、一方のスイッチング素子に駆動電圧が印加される前に、他方のスイッチング素子が故障していることに起因する場合（以下、第１ケースと称する）と、一方のスイッチング素子に駆動電圧が印加されている際に、他方のスイッチング素子が故障することに起因する場合（以下、第２ケースと称する）とがある。

第１ケースの場合には、スイッチング素子における駆動電圧が飽和するフルオン電圧となる前に、スイッチング素子が強制的に遮断状態とされるため、過電流が比較的に小さい。一方、第２ケースの場合には、スイッチング素子の駆動電圧がフルオン電圧となる際に、スイッチング素子が強制的に遮断状態とされるおそれがあり、過電流が比較的に大きくなる傾向がある。

このように、短絡異常の発生が第１ケースの場合と第２ケースの場合とではスイッチング素子が遮断される際の過電流の大きさが異なるため、第１ケースと第２ケースとでは異なる遮断速度でスイッチング素子の強制的な遮断処理が実施されることが好ましい。しかしこの場合に、第１ケースと第２ケースとが誤判定されるとスイッチング素子が適切に遮断されないことによる不都合が生じうる。

本発明は上記に鑑みてなされたものであり、スイッチング素子を過電流からより適切に保護できる電力変換回路を提供することを主たる目的とするものである。

本発明は、互いに直列接続された上アーム用回路と下アーム用回路に設けられた一対の半導体スイッチング素子（１１）によるスイッチング動作により電力変換を行う電力変換装置であって、前記半導体スイッチング素子の駆動電圧を検出する駆動電圧検出手段（２１）と、前記駆動電圧検出手段で検出した駆動電圧を過去値として保持する駆動電圧保持手段（３０）と、前記一対の半導体スイッチング素子のうちの一方の半導体スイッチング素子に駆動電圧が印加されている場合に、過電流が流れる短絡異常があるか否かを判定する短絡異常判定手段（３０）と、前記短絡異常があると判定された際、前記駆動電圧の過去値に基づいて、前記短絡異常が発生した際の前記半導体スイッチング素子の駆動状態を判定する駆動状態判定手段（３０）と、を備えることを特徴とする。

本発明によれば、スイッチング素子の駆動電圧を過去値として保持する。そして、スイッチング素子の短絡異常が判定された際に、保持された駆動電圧の過去値に基づいて、短絡異常が発生した際のスイッチング素子の駆動状態を判定するようにしたため、駆動電圧の過去値を用いて、短絡異常が発生した際のスイッチング素子の駆動状態を精度よく判定できる。

電力変換システムの概略構成図。 インバータの概略構成図。 短絡異常とスイッチング素子の駆動状態との関係の説明図。 遮断処理の説明図。

図１に示すように、電力変換システム１０は、車載主機としてのモータジェネレータＭＧ、インバータＩＶ、ＭＰＵ４０を備えて構成されている。

モータジェネレータＭＧは、３相回転機であり、インバータＩＶを介して高圧バッテリ１５に接続される。インバータＩＶは、三相ブリッジにて構成されており、１相ごとに上アーム用回路のＩＧＢＴ１１と下アーム用回路のＩＧＢＴ１１とが直列接続されている。各ＩＧＢＴ１１には、還流用のダイオード１３と電流センス用の回路（図示略）とが設けられ個別のモジュールとして構成されている。

図２に示すように、インバータＩＶを構成する各ＩＧＢＴ１１には、制御回路２０が接続されている。また制御回路２０はＭＰＵ４０に接続されている。ＭＰＵ４０は、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ等を備えて構成される周知のマイクロコンピュータであり、制御信号出力部４１を備えている。

制御信号出力部４１は、各ＩＧＢＴ１１の駆動状態（オン状態）と遮断状態（オフ状態）とを切り替えるＰＷＭ制御信号（以下、制御信号と称する）を出力する。詳しくは、制御信号出力部４１は、上位ＥＣＵ（図示略）からの指令信号に基づき、ＩＧＢＴ１１を駆動する場合には制御信号をＬレベルとし、ＩＧＢＴ１１を遮断する場合には制御信号をＨレベルにする。

制御回路２０は、駆動回路２１、駆動電圧監視回路２２、電流監視回路２３、保護回路３０を有して構成されている。

駆動回路２１は、ＭＰＵ４０からの制御信号に基づきＩＧＢＴ１１の駆動状態を切り替える。すなわち制御信号がＬレベルの際には、駆動回路２１はＩＧＢＴ１１の駆動電圧（ゲート電圧Ｖｇ）を上昇させることにより、ＩＧＢＴ１１を駆動状態に切り替える。制御信号がＨレベルの際には、ＩＧＢＴ１１の駆動電圧（ゲート電圧Ｖｇ）が低下させ、ＩＧＢＴ１１が遮断状態に切り替えられる。

駆動電圧監視回路２２は、ＩＧＢＴ１１にかかる駆動電圧を検出する。本実施形態ではゲートＧにかかるゲート電圧Ｖｇを検出する。これ以外にも駆動電圧監視回路２２は、ＩＧＢＴ１１のエミッタ‐コレクタ間の電圧Ｖｃｅ、図示を略す電流センス用の回路で検出されるセンス電圧Ｖｓなどを駆動電圧として検出するものであってもよい。

電流監視回路２３は、ＩＧＢＴ１１のエミッタ‐コレクタ間を流れるコレクタ電流Ｉｃｅを検出する。駆動電圧（ゲート電圧Ｖｇ）及びコレクタ電流Ｉｃｅの検出結果は、ＭＰＵ４０に出力される。

保護回路３０は、異常判定部３１と、遮断処理部３２、遮断速度設定部３３、駆動電圧保持部３４の各機能を有している。

異常判定部３１は、コレクタ電流Ｉｃｅの検出結果を用いてＩＧＢＴ１１に定格電流以上の過電流が流れているか否かに基づき、ＩＧＢＴ１１に短絡異常が生じたか否かを判定する。すなわち、コレクタ電流Ｉｃｅの検出値が所定の閾値Ｔｈ１以上の場合には短絡異常があると判定する。コレクタ電流Ｉｃｅが閾値Ｔｈ１未満の場合には正常（短絡異常ではない）と判定する。なお閾値Ｔｈ１は、定格電流以上の値として予め定められている。

遮断処理部３２は、ＩＧＢＴ１１にゲート電圧Ｖｇが印加されている状態で短絡異常が判定された際に、ＩＧＢＴ１１を強制的に遮断状態に切り替える。

遮断速度設定部３３は、ゲート電圧Ｖｇの変化量が所定未満に小さくなる飽和領域（フルオン状態）で短絡異常が生じた場合と、フルオン状態以外で短絡異常が生じた場合とで、遮断速度を切り替える。

ここでＩＧＢＴの短絡異常について説明すると、ＩＧＢＴ１１の短絡異常は、上アーム用回路及び下アーム用回路における一対のＩＧＢＴ１１において、一方のＩＧＢＴ１１に駆動電圧が印加される前に他方のＩＧＢＴ１１が故障することに起因する場合（以下、第１ケースと称する）と、一方のＩＧＢＴ１１に駆動電圧が印加されている場合に、他方のＩＧＢＴ１１が故障することに起因する場合（以下、第２ケースと称する）とがある。

第１ケースの場合には、ＩＧＢＴ１１の駆動電圧がフルオン電圧となる前に短絡異常が検出されるため、ＩＧＢＴ１１の強制遮断が行われる際の過電流が比較的に小さい。一方、第２ケースの場合には、ＩＧＢＴ１１の駆動電圧がフルオン電圧となっている際に短絡異常が検出される可能性があり、この場合にはＩＧＢＴ１１の強制遮断が行われる際の過電流が大きくなる。

ここで、ＩＧＢＴ１１の短絡異常について図３を用いて詳しく説明する。なお、上アーム用回路及び下アーム用回路のうち、スイッチング駆動される側のアームを自アーム、スイッチング駆動されない側のアームを対向アームと称して説明している。なおＩＧＢＴ１１の短絡異常が検出されてから、ＩＧＢＴ１１が遮断されるまでには、ＩＧＢＴ１１のスイッチング動作に固有の遅延が生じるとしている。

まず、図３（ａ）に示す第１ケースの場合には、自アームにゲート電圧Ｖｇを印加した後、コレクタ電流Ｉｃｅが閾値Ｔｈ１以上となる時刻ｔ１で、短絡異常が判定される。この場合、ゲート電圧Ｖｇがフルオン電圧に至る前に短絡異常が検出されるため、自アームの遮断時に流れる過電流（コレクタ電流Ｉｃｅ）は比較的に小さくなる。

一方、図３（ｂ）に示す第２ケースの場合、自アームがフルオン電圧となる際に対向アームが故障している。この場合、コレクタ電流Ｉｃｅが閾値Ｔｈ１以上となる時刻ｔ１１で短絡異常が判定されると、ゲート電圧Ｖｇが高いこと等に起因して、コレクタ電流Ｉｃｅが急増する。そのため、ＩＧＢＴ１１の遮断時の過電流（コレクタ電流Ｉｃｅ）が大きくなる。

つまり、第１ケースと第２ケースとでは、遮断処理を行う際の過電流の影響が異なるため、短絡異常が第１ケースであるか第２ケースであるかに応じてＩＧＢＴ１１の強制的な遮断処理を行う際の遮断速度が設定されることが好ましい。しかし第１ケースと第２ケースとが正しく判定されないと、ＩＧＢＴ１１の遮断処理が適切に実施されないことに伴う不都合が生じてしまう。

そこで本実施形態では、駆動電圧保持部３４を用いてＩＧＢＴ１１の駆動電圧を過去値として保持する。そして、異常判定部３１によって短絡異常が判定された際、駆動電圧保持部３４に保持された駆動電圧の過去値を用いて、短絡異常が第１ケースであるか第２ケースであるかを判定する。

図２の説明に戻り、駆動電圧保持部３４は、ＩＧＢＴ１１の駆動電圧の検出値を予め定めた所定の遅延期間Ｔにおいて過去値として保持する遅延回路を備えている。遅延回路は、例えば周知のＣＲフィルタ、バッファの直列接続体、論理反転素子の偶数個の直列接続体等のアナログ回路、タイマ等を用いたデジタル回路などで構成できる。

なお、本実施形態の遅延回路における遅延期間Ｔは、図３（ａ）に示すように、ＩＧＢＴ１１へのゲート電圧Ｖｇの印加が開始された時刻ｔａから、ゲート電圧Ｖｇが飽和する（フルオン電圧Ｖｇｆとなる）時刻ｔｂまでの期間ΔＴよりも所定期間αだけ長い期間ΔＴ１に設定される。

そのため、図３（ａ）に示すＩＧＢＴ１１の短絡異常が第１ケースの場合には、遅延回路によって保持されるＩＧＢＴ１１の駆動電圧の過去値Ｖｇｂは、短絡異常が発生した時刻ｔ１よりも期間ΔＴ１遡った時刻ｔ０におけるゲート電圧Ｖｇ＝０となる。一方、図３（ｂ）のＩＧＢＴ１１の短絡異常が第２ケースの場合には、遅延回路によって保持されるＩＧＢＴ１１の駆動電圧の過去値Ｖｇｂは、短絡異常が発生した時刻ｔ１１よりも期間ΔＴ１遡った時刻ｔ１０におけるゲート電圧Ｖｇ＞０となる。

そのため、異常判定部３１によって短絡異常が判定された際、駆動電圧保持部３４に保持されたゲート電圧Ｖｇの過去値Ｖｇｂ＝０の場合には第１ケース、Ｖｇｂ＞０の場合には第２ケースと判定できる。

ここで上記の構成を備える制御回路２０の動作について説明する。まず、駆動回路２１によるＩＧＢＴ１１の駆動開始後（通電開始後）においては、電流監視回路２３によりコレクタ電流Ｉｃｅが監視される。そして、異常判定部３１においてコレクタ電流Ｉｃｅが閾値Ｔｈ１以上になったと判定された場合には、遮断処理部３２において、駆動電圧保持部３４により保持されているゲート電圧Ｖｇ（駆動電圧）の過去値Ｖｇｂに基づいて、短絡異常の発生時におけるＩＧＢＴ１１の駆動状態が判定される。すなわち、今回の短絡異常が第１ケースに該当するか第２ケースに該当するかが判定される。

このとき、電力変換システム１０の作動時には、常に駆動電圧保持部３４により駆動電圧の保持が実施されており、現時点から遡ってΔＴ１前のゲート電圧の過去値Ｖｇｂに基づいて、第１ケースか第２ケースかの判定が実施される。具体的には、短絡異常の発生時におけるゲート電圧の過去値Ｖｇｂが０Ｖであれば、第１ケースに該当すると判定され、ゲート電圧の過去値Ｖｇｂが０Ｖよりも大きければ、第２ケースに該当すると判定される。また、遮断処理部３２において、今回の短絡異常が第１ケースに該当していれば、遮断速度が低めの第１遮断速度Ｖ１とされ、今回の短絡異常が第２ケースに該当していれば、遮断速度が高めの第２遮断速度Ｖ２（＞Ｖ１）とされる。

本発明によれば以下の優れた効果を奏する。

・スイッチング素子の駆動電圧を過去値として保持する。そして、スイッチング素子の短絡異常が判定された際に、保持された駆動電圧の過去値に基づいて、短絡異常が発生した際のスイッチング素子の駆動状態を判定するようにした。この場合、駆動電圧の過去値を用いて、短絡異常が発生した際のスイッチング素子の駆動状態を精度よく判定できる。

・駆動電圧を予め定めた所定期間において過去値として保持する。そして短絡異常があると判定された際に、当該所定期間を遡った駆動電圧の過去値に基づいて、短絡異常が発生した際の駆動状態を判定することとしたため、駆動電圧の過去値の違いを利用して、短絡異常の発生時におけるスイッチング素子の状態を精度よく判定できる。

・スイッチング素子の通電開始時からフルオン電圧となるまでの期間に基づき定められた所定期間において駆動電圧の過去値を保持する場合、短絡異常が発生した場合の駆動電圧に基づいて、短絡異常がスイッチング素子のフルオン電圧の際に発生したか否かを判定することができる。

・短絡異常が発生した際のスイッチング素子の駆動状態に基づいて、スイッチング素子の遮断速度を適切に設定することができる。

本発明は、上記実施形態の記載内容に限定されず、次のように実施されてもよい。なお以下の説明において上記と同じ構成には同じ図番号を付し、詳述は省略する。

・上記において、駆動電圧保持部３４は、制御信号出力部４１の制御信号を用いて、前回ＩＧＢＴ１１が駆動状態から遮断状態に切り替えられた時刻から、次にＩＧＢＴ１１がフルオン状態となる時刻までを上限として遅延期間Ｔを設定するものであってもよい。

・上記において、駆動電圧保持部３４は、図示を略す上位ＥＣＵの指令信号のレベルを利用して、上位ＥＣＵの指令信号のレベルがＬレベルに切り替えられた時刻から、次に駆動電圧がフルオン電圧となる時刻までを上限として遅延期間Ｔを設定するものであってもよい。

・上記において、駆動電圧保持部３４は、駆動電圧に関する複数のパラメータを保持するものであってもよい。例えば、ゲート電圧の過去値Ｖｇｂを保持する第１遅延回路と、センス電圧Ｖｓの過去値を保持する第２遅延回路とを設ける。そして、異常判定部３１によってＩＧＢＴ１１の短絡異常が発生された際、これらの第１遅延回路及び第２遅延回路の両方を用いて、第１ケースであるか第２ケースであるかが判定されてもよい。

・上記において、短絡異常の判定精度を高めるために、コレクタ電流Ｉｃｅ≧Ｔｈ１となってから短絡異常の発生を判定するまでのマスク期間を設定してもよい。この場合、ノイズ等の影響により一時的にＩｃｅ≧Ｔｈ１となった際に、短絡異常であると誤判定される確度を下げることができ、より短絡異常の判定精度を高めることができる。

・上記において、制御回路２０又はＭＰＵ４０による演算処理によって、短絡異常が発生した際のＩＧＢＴ１１の駆動状態を判定してもよい。例えば図４のフローチャートに示すように、まず、ＩＧＢＴ１１に駆動電圧が印加された駆動状態であるか否かを判定する（Ｓ１１）。本処理はゲート電圧Ｖｇ＞０の場合に肯定判定する。Ｓ１１で肯定判定した場合には、短絡異常が発生しているか否かを判定する（Ｓ１２）。本処理は、コレクタ電流Ｉｃｅ≧Ｔｈ１であるか否かに基づき判定する。Ｉｃｅ≧Ｔｈ１の場合には、短絡異常があると判定する。Ｉｃｅ＜Ｔｈ１の場合には短絡異常が発生していない（正常である）と判定する。短絡異常がある場合には、駆動電圧保持部３４で保持された駆動電圧の過去値Ｖｇｂを用いて第１ケースであるか第２ケースであるかを判定する（Ｓ１３）。すなわち、駆動電圧の過去値Ｖｇｂ＝０の場合には第１ケースであると判定する（Ｓ１４）。Ｖｇｂ＞０の場合には第２ケースであると判定する（Ｓ１５）。なおＳ１１，Ｓ１２で否定判定した場合には処理を終了する。

・上記では、インバータＩＶを構成するスイッチング素子として絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ）が使用される場合を例示したが、これ以外にも、スイッチング素子として、ＮチャネルＭＯＳ電界効果トランジスタ、ＰチャネルＭＯＳ電界効果トランジスタが使用されてもよい。また電圧制御型のスイッチング素子に限らず、ベース電流によって導通制御を行うバイポーラトランジスタ等の電流制御形のスイッチング素子であってもよい。

１０…電力変換システム、２１…駆動回路、３０…保護回路、３１…異常判定回路、３２…遮断処理回路、３３…遮断速度設定回路、３４…駆動電圧保持回路。

Claims (5)

1. 互いに直列接続された上アーム用回路と下アーム用回路に設けられた一対の半導体スイッチング素子（１１）によるスイッチング動作により電力変換を行う電力変換装置であって、
   前記半導体スイッチング素子の駆動電圧を検出する駆動電圧検出手段（２１）と、
   前記駆動電圧検出手段で検出した駆動電圧を過去値として保持する駆動電圧保持手段（３０）と、
   前記一対の半導体スイッチング素子のうちの一方の半導体スイッチング素子に駆動電圧が印加されている場合に、過電流が流れる短絡異常があるか否かを判定する短絡異常判定手段（３０）と、
   前記短絡異常があると判定された際、前記駆動電圧の過去値に基づいて、前記短絡異常が発生した際の前記半導体スイッチング素子の駆動状態を判定する駆動状態判定手段（３０）と、
   を備えることを特徴とする電力変換装置。
2. 前記駆動電圧保持手段は、前記駆動電圧検出手段により検出した駆動電圧を、あらかじめ定めた所定期間において過去値として保持し、
   前記駆動状態判定手段は、前記短絡異常があると判定された際に、その時点から当該所定期間を遡った駆動電圧である前記過去値に基づいて、前記短絡異常が発生した際の前記半導体スイッチング素子の駆動状態を判定する請求項１に記載の電力変換装置。
3. 前記駆動電圧保持手段は、前記スイッチング素子の通電開始時からフルオン電圧となるまでの期間に基づき定められた所定期間において前記駆動電圧の過去値を保持するものであり、
   前記駆動状態判定手段は、前記短絡異常が発生した際の前記駆動電圧が所定以上の際に、前記短絡異常が前記スイッチング素子のフルオン状態で発生したと判定し、前記短絡異常が発生した際の駆動電圧が所定未満の際に、前記短絡異常が前記スイッチング素子のフルオン状態となる前に発生したと判定する請求項１又は２に記載の電力変換装置。
4. 前記駆動状態判定手段により判定した前記駆動状態に基づいて、前記半導体スイッチング素子の遮断速度を設定する遮断速度設定手段（３３）を備える請求項１乃至３のいずれか１項に記載の電力変換装置。
5. 前記駆動電圧は、半導体スイッチング素子のゲート電圧、センス電圧、コレクタエミッタ間電圧の少なくとも一つを含む請求項１乃至４のいずれか１項に記載の電力変換装置。

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