JP2017092789A - 電力変換装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 高密度実装と高精度異常電流検出とを両立し、また、短絡検知と過電流検知とを互いに独立に実行する電力変換装置を提供する。【解決手段】 以下の制御部を備えた電力変換装置とする。制御部は、端子の両方に対して互いに並列に接続される積分回路および増幅回路と、積分回路の出力側に接続される第１の比較器と、増幅回路の出力側に接続される第２の比較器とを備える。更に制御部は、第１の比較器がオンになった時点から期間t1の間は短絡検知を停止し、第１の比較器がオンになった時点から期間t1後に短絡検知を実行し、第２の比較器がオンになった時点から期間t1より長い期間t2の間は過電流検知を停止し、第２の比較器がオンになった時点から期間t2後に過電流検知を実行するよう構成される。【選択図】 図１

Description

本発明は、絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ（Ｉｎｓｕｌａｔｅｄ Ｇａｔｅ Ｂｉｐｏｌａｒ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ：以下、ＩＧＢＴという）などの電力用半導体素子が搭載された半導体パワーモジュール及びそれが搭載される電力変換装置に関する。

近年、環境配慮の観点から電鉄車両および電気自動車などが注目を浴びている。これらの電気駆動による移動体には電力変換装置（インバータ、コンバータ、チョッパー）やモータが搭載されており、電力変換装置には半導体パワーモジュールが一般的に用いられる。このパワーモジュールはＩＧＢＴ等のパワー半導体素子をスイッチングすることにより、直流電力を交流電力に変換あるいは交流を直流に変換するものである。

パワーモジュールでは、スイッチング素子とダイオードを並列接続して（この一組をアームと称する）使用することが一般的である。上記の一組の半導体を正極端子と交流端子の間に接続したものを上アーム、交流端子と負極端子の間に接続したものを下アームと称する。上アームと下アームを組み合わせることによって一相の交流電力を出力することができる。したがって三相交流を発生させるためには３組の上下アーム（合計６アーム）が必要となる。

特許文献１〜４には、一つのケースの内部に２アームのパワー半導体を搭載したパワーモジュール（以下これを２ｉｎ１モジュールと呼ぶ）や、一つのケースの内部に６アームのパワー半導体を搭載したパワーモジュール（以下これを６ｉｎ１モジュールと呼ぶ）が開示されている。

特許文献１には、パワーモジュールのＩＧＢＴのエミッタ側にインダクタンスを接続して過電流などからパワーモジュールを保護する異常時保護技術が開示されている。特許文献１記載のパワーモジュールの保護回路方式は、ＩＧＢＴのエミッタ側にインダクタンスを接続し、そのインダクタンスに発生する電圧とゲート電圧を使って過電流などの異常状態の誤検知を防止している。

特許文献２記載のパワーモジュールは、エミッタ端子側の電流検出器によりパッケージ内部の浮遊成分(浮遊インダクタンス成分及び浮遊抵抗成分)に起因する電圧降下を検出することができ、過電流／短絡制御部に接続されるパワーモジュールである。。

特許文献３記載のパワーモジュールは、エミッタ端子に配線接続用の金属電極(エミッタ電極)が接続され、エミッタ電極の抵抗を過電流検出用の抵抗として利用するパワーモジュールである。

特許文献４には、パワーモジュールのＩＧＢＴのエミッタ側にシャント抵抗を接続して過電流などからパワーモジュールを保護する異常時保護技術が開示されている。

特開２００７−２５９５３３号公報 特開２０１３−１２５９２３号公報 特開２００３−００９５０８号公報 特開２０１１−０２９８１８号公報

電鉄車両では旅客床下の限られた空間に、電気自動車ではボンネット内の限られた空間に、他の機器と一緒に電力変換装置を搭載しなければならないため、モジュール小型化は重要な課題である。例えば、短絡や過電流異常の検出回路に外付けのインダクタンスやシャント抵抗やCT（Current Transformer）等を設けるスペースを確保することが難しくなってきている。また、短絡検知と過電流検知とを互いに独立に実行することで、検出後のスイッチング一時停止動作や復帰動作を短絡検知の場合と過電流検知の場合とで互いに独立に実行することが求められている。

特許文献１には、上述の通り、パワーモジュールのＩＧＢＴのエミッタ側にインダクタンスを接続し、そのインダクタンスに発生する電圧とゲート電圧とを使って過電流などの異常状態の誤検知を防止する保護回路方式が記載されている。しかしながら、この保護回路方式は、モジュールやインバータ装置の小型化により、ＩＧＢＴの主電流経路の導体とインダクタンスとが近接するとＩＧＢＴの主電流により発生する磁界の影響によりインダクタンス値が変わり、誤検知する可能性がある。

また、特許文献２には、上述の通り、エミッタ端子側の電流検出器によりパッケージ内部の浮遊成分(浮遊インダクタンス成分及び浮遊抵抗成分)に起因する電圧降下を検出することができ、過電流／短絡制御部に接続されるパワーモジュールが記載されている。しかしながら、同文献には、短絡検知と過電流検知とを互いにどのような態様で実行するかについては記載されておらず、特に短絡検知と過電流検知とを互いに独立に実行する態様は一切、記載されていない。

また、特許文献３には、上述の通り、エミッタ端子に配線接続用の金属電極(エミッタ電極)が接続され、エミッタ電極の抵抗を過電流検出用の抵抗として利用するパワーモジュールが記載されている。しかしながら、同文献には、寄生インダクタンス成分や短絡検知については記載されていない。

また、特許文献４には、上述の通り、パワーモジュールのＩＧＢＴのエミッタ側にシャント抵抗を接続して過電流などからパワーモジュールを保護する異常時保護技術が記載されている。しかしながら、同文献には、インダクタンスを併用した異常時保護回路を持つパワーモジュールの構成は記載されていない。

したがって、高密度実装と高精度異常電流検出との両立を図り、また、短絡許容電流と過電流許容電流とが互いに異なることから、短絡と過電流とを互いに独立に検知・判定することが課題となる。更には、短絡検知と過電流検知とを互いに独立に実行できるモジュールの小型化を図り、ひいては保護回路およびパワーモジュールを搭載する電力変換装置を小型化することが課題となる。

本発明の電力変換装置は、正極端子、負極端子、および交流端子を備えたパワーモジュールと、前記パワーモジュールを構成する複数のアームの少なくとも１つのエミッタ配線における所定の端子間の電位差を、該端子間の前記エミッタ配線に寄生する寄生抵抗成分および寄生インダクタンス成分の値に基づいて検知すると共に、検知した前記電位差を用いてスイッチング素子の短絡検知と過電流検知とを互いに独立に実行するよう構成される制御部と、を備えた電力変換装置であって、前記制御部は、前記端子の両方に対して互いに並列に接続される積分回路および増幅回路と、前記積分回路の出力側に接続される第１の比較器と、前記増幅回路の出力側に接続される第２の比較器と、を備え、前記制御部は、前記第１の比較器がオンになった時点から期間t1の間は前記短絡検知を停止し、前記第１の比較器がオンになった時点から前記期間t1後に前記短絡検知を実行し、前記第２の比較器がオンになった時点から前記期間t1より長い期間t2の間は前記過電流検知を停止し、前記第２の比較器がオンになった時点から前記期間t2後に前記過電流検知を実行するよう構成されることを特徴とする。

本発明によれば、寄生抵抗成分および寄生インダクタンス成分を用いるため、検出回路に外付けのインダクタンスやシャント抵抗やCT（Current Transformer）等を設ける必要がなく、パワーモジュールおよび電力変換装置の小型化が実現できる。また、短絡検知と過電流検知とを互いに独立に実行するため、検出後のスイッチング一時停止動作や復帰動作を短絡検知の場合と過電流検知の場合とで互いに独立に実行することが可能となる。

本発明の実施形態１に係る電力変換装置に搭載されるパワーモジュールおよびドライバ回路の等価回路の一例を示す図である。 図１のドライバ回路が形成されたドライバ回路基板（ゲート基板）、およびそれが搭載されるパワーモジュールの実装構造の一例を示す図である。 図２のドライバ回路基板（ゲート基板）上に実装される制御回路の一例を示す図である。 図３の制御回路の制御タイムチャートの一例を示す図である。 本発明の実施形態１に係る電力変換装置の回路ブロック構成の一例を示す図である。 図５の回路ブロック構成に対応するモジュール実装の一例を示す図である。 本発明の実施形態２に係る電力変換装置に搭載されるパワーモジュールであって、同じ電位のバスバが端子の部分でひと続きになっているパワーモジュールの一例を示す図である。 本発明の実施形態３に係る電力変換装置に搭載されるパワーモジュールであって、正極端子および負極端子の曲げ方向がパワーモジュールの短辺方向となっているパワーモジュールの一例を示す図である。

以下、本発明の実施形態について、図面を参照して詳細に説明する。

（実施形態１）
図１および図２に、電力変換装置に搭載されるパワーモジュール１０およびゲート基板１３１の等価回路と構造を示す。１枚のゲート基板１３１が２台のパワーモジュール１０に跨るように搭載された場合の例で説明する。大電流が流れる主端子（正極端子１１ａと負極端子１１ｂと交流端子１１ｃ）と弱電系の信号配線（ゲート信号３ａ３ｃ、エミッタ信号３ｂ３ｄ、コレクタ信号３ｅ３ｇ）はモジュールケース１２に設けられた溝１３によって所定の絶縁距離（空間距離と沿面距離）が確保されている。本発明の特徴とする手段は高精度にＩＧＢＴの電流検出する為の信号端子（３ｂ、３ｄ、３ｇ、３ｆ）を有することである。ケース１２はベース１４に接着されており、モジュール内部には半導体素子２が搭載されている。本実施例では、正極端子１１ａと負極端子１１ｂが配置される面１５ａとは反対側の面１５ｂに交流端子１１ｃが配置されていることを特徴としている。これにより、制御端子３（３ａ〜３ｆ）を全て纏めてモジュール中央に配置することが可能となり、ドライバ回路１３０をモジュールに直付けすることが可能となる。ドライバ回路１３０パワーモジュール１０が並列に複数配置されても、複数モジュール上面を跨るように配置することが可能である。これによりゲート基板１３１とパワーモジュール１０の間の配線長を短くすることができ、かつゲート基板１３１を１枚に集約することが可能となり、ゲートとエミッタ間のループインダクタンスを低減することが可能となる。

本図に示すＩ_Ｌ１、Ｉ_Ｌ２、Ｉ_Ｌ３は短絡電流を示しており、例えば上アームＩＧＢＴ２aと下アームＩＧＢＴ２ｃが異常動作して同時にターンオンしたときの状態である。Ｍ_１２はＬ_１とＬ_２の相互インダクタンス、Ｍ_２３はＬ_２とＬ_３の相互インダクタンス、Ｍ_３１はＬ_３とＬ_１の相互インダクタンスを意味し高密度実装することにより無視できなくなる。正極端子１１aと負極端子１１ｂが薄い絶縁体を挟む積層構造となっている場合、相互インダクタンスは強く、電流検出する信号端子の電圧に大きく影響する。また、回路図上のＬ_１、Ｌ_２、Ｌ_３の記号に記載している丸印はそれぞれのインダクタンスの電流の入り口を意味している。本図に示すようにＬ_１とＬ_３の電流の向きは逆向きであるため、相互係数は負となり、Ｍ_１３は負の相互インダクタンスとなる。同様に、Ｌ_２とＬ_３の電流の向きが逆なのでＭ_２３は負の相互インダクタンス、Ｌ_１とＬ_２の電流の向きが同じなのでＭ_１２は正の相互インダクタンスとなる。尚、自己インダクタンスＬ_１とＬ_２の結合係数をｋ_１２、相互インダクタンスをＭ_１２とすると、Ｍ_１２＝ｋ_１２・√（Ｌ_１・Ｌ_２）となる。同様に、Ｍ_２３＝ｋ_２３・√（Ｌ_２・Ｌ_３）、Ｍ_１３＝ｋ_１３・√（Ｌ_１・Ｌ_３）となる。

短絡電流を電気的に検出して、ＩＧＢＴをターンオフする短絡保護動作をさせるために、インダクタンスＬ_２又はＬ_３の両端電圧を検出してゲートドライバに電圧信号を伝送する。図１においてＬ_２の両端電圧をＶ_ｂ−ｇ、Ｌ_３の両端電圧をＶ_ｄ−ｆとすると、インダクタンスＬ_２、Ｌ_３、Ｍ_１２、Ｍ_２３、Ｍ_１３及び電流の時間変化率ｄＩ/ｄｔを用いて、（１）、（２）及び（３）のように表現でき、短絡ｄＩ/ｄｔを検出できる。

Ｖ_ｂ−ｇ＝Ｌ_２・ｄＩ_Ｌ２/dt＋Ｍ_１２・ｄＩ_Ｌ１/dt＋Ｍ_２３・ｄＩ_Ｌ３/dt＋Ｒ_２・Ｉ_Ｌ２
Ｉ_Ｌ１＝Ｉ_Ｌ２なので、
Ｖ_ｂ−ｇ＝（Ｌ_２＋Ｍ_１２）・ｄＩ_Ｌ２/dt＋Ｍ_２３・ｄＩ_Ｌ３/dt ＋Ｒ_２・Ｉ_Ｌ２・・・（１）

Ｖ_ｄ−ｆ＝Ｌ_３・ｄＩ_Ｌ３/dt＋Ｍ_１３・ｄＩ_Ｌ１/dt＋Ｍ_２３・ｄＩ_Ｌ２/dt＋Ｒ_３・Ｉ_Ｌ３
Ｉ_Ｌ１＝Ｉ_Ｌ２なので、
Ｖ_ｄ−ｆ＝（Ｍ_１３＋Ｍ_２３）・ｄＩ_Ｌ２/dt＋Ｌ_３・ｄＩ_Ｌ３/dt＋Ｒ_３・Ｉ_Ｌ３・・・（２）

・・・（３）

（３）式から、（４）式のように変形できる。

・・・（４）

（４）式の両辺を時間積分すれば、（５）式のように短絡電流に換算することも可能である。

・・・（５）

ゲート基板１３１上の電流検出／異常判定回路（１３３・１３６）を用いることで、寄生インダクタンス（式（３）内の行列式L）が発生する誘導起電力（-L・dI/dt）を積分器で短絡異常判定し、時定数t1後にソフト遮断することが可能である。さらに、寄生抵抗Rが発生する電圧（I・R）を増幅器で過電流異常判定し、時定数t2後にソフト遮断することも可能となる。本発明では、論理回路（１３４・１３７）にてt2>t1で検出することで、短絡検知と過電流検知とを互いに独立に実行することが可能となり、その結果、スイッチングによる電圧ノイズによる誤検知、すなわち、実際には短絡や過電流が発生していないにもかかわらず電圧ノイズの影響により見かけ上、短絡や過電流であるかのように見えるものを短絡や過電流として検知してしまう誤りを防止できる。検出された信号は、ゲート電圧制御回路（１３２・１３５）に送られ一定期間遮断状態を保持することで保護することができる。

図３に図１のゲート基板上に実装された制御回路例を示す。電流検出/異常判定回路１３６内の積分回路と増幅回路にはオペアンプが用いられている。また比較器を用いることで、判定条件（閾値電圧：Ｖref1, Ｖref） を別々に設定している。論理回路部はローパスフィルタ（Low-pass filter: LPF）とＯＲ回路とホールド回路から構成される。このようにゲート基板上に実装された制御回路例は安価で入手しやすいオペアンプやLPFやＯＲ回路やホールド回路を用いて実現可能である。

図４に、制御タイムチャートの例を示す。図の左半分は、負荷の短絡などによる過電流時の電圧Ｖと電流Ｉの時間応答、右半分が対アーム破損などによる短絡時の電圧Ｖと電流Ｉの時間応答を意味する。

過電流時はコレクタ電流Ｉcが時間と共に緩やかに単調増加する。よって寄生抵抗成分を用いた増幅回路出力電圧をモニタし、所定の閾値Ｖref2を超えたら過電流であると判定し、時定数t2後にソフト遮断させている。

一方、短絡時はコレクタ電流Ｉcが時間と共に急峻に増加する。よって寄生インダクタンスと寄生抵抗両方を用いた積分回路出力電圧をモニタし、閾値Ｖref1を超えたら短絡であると判定し、時定数t1後にソフト遮断させている。

t2>t1で検出することで、短絡検知と過電流検知とを混同せずに互いに独立に実行することが可能である。更に、短絡検知と過電流検知とを互いに独立に実行することで、短絡検知後のスイッチング一時停止動作や復帰動作と、過電流検知後のスイッチング一時停止動作や復帰動作とを、互いに独立に実行することが可能となる。

図５は、電鉄車両を例とした本発明を適用した電力変換装置の回路ブロック構成の例を示した図である。図５に示すように、電力変換装置１００はインバータ回路を構成しており、架線３００とレールや車体などの接地部４００の間に変圧器２００を介して接続される。この電力変換装置１００から誘導電動機５００に交流電力が供給される。電動機５００は車両毎に４つの車輪に接続されている。ここで架線３００の電力が交流の場合は、変圧器２００と共に交流電流を直流に変換するコンバータモジュールが、電力変換装置１００に接続される。一方で、架線３００の電力が直流の場合は、変圧器２００はチョッパー回路として振舞い、必要に応じて電圧レベルを調整する。

電力変換装置１００内には、直流電流から所定の周波数の交流電流を生成するためのインバータモジュール１１０と、供給される直流電流を安定化し平滑化するためのコンデンサモジュール１２０と、前記インバータモジュール１１０を駆動制御するドライバ回路１３０と、前記ドライバ回路１３０へ制御信号を供給する制御回路１４０と、を含んで構成される。

インバータモジュール１１０において、上下アーム直列回路１のそれぞれは、ＩＧＢＴ２ａとダイオード２ｂとの並列接続回路からなる２つの電流スイッチ回路が直列に配置されて構成される。上下アーム直列回路１の上下端は、それぞれ、コンデンサモジュール１２０の正極および負極に接続される。そして、その上側（正極端子１１ａ）に配置されたＩＧＢＴ２ａとダイオード２ｂとからなる電流スイッチ回路は、いわゆる上アームとして動作し、下側（負極端子１１ｂ）に配置されたＩＧＢＴ２ｃとダイオード２ｄとからなる電流スイッチ回路は、いわゆる下アームとして動作する。インバータモジュール１１０は、このような上下アーム直列回路１が３組設けられた、いわゆる、３相ブリッジ回路によって構成される。そして、それぞれの上下アーム直列回路１の中点位置、すなわち、上下の電流スイッチ回路の接続部分（交流端子１１ｃ）からは、３相の交流電流（Ｕ,Ｖ,Ｗ）が出力され、その出力された３相の交流電流（Ｕ,Ｖ,Ｗ）は、電動機５００へ供給される。

ここで、ドライバ回路１３０から出力される上アームゲート信号３ａは、各相の上アームＩＧＢＴ２ａに供給され、下アームゲート信号３ｃは、各相の上アームＩＧＢＴ２ｃに供給され、交流電流（Ｕ,Ｖ,Ｗ）の振幅や位相などを制御する。またドライバ回路１３０へ供給される上アームエミッタ信号３ｂは、各相の上アームＩＧＢＴ２ａエミッタ側に接続され、下アームエミッタ信号３ｄは、各相の下アームＩＧＢＴ２ｃエミッタ側に接続されている。下アームＩＧＢＴコレクタ３ｇと負極信号端子３ｆがドライバ回路１３０に接続され、上アームエミッタ信号端子３ｂと下アームコレクタ信号端子３ｇ間の電位差で上アームＩＧＢＴ２aの過電流などの異常電流を検出する。また、下アームエミッタ信号端子３ｄと負極電極信号端子３ｆ間の電位差で下アームＩＧＢＴ２ｃの過電流などの異常電流を検出する。尚、詳細な電流検出アルゴリズムは実施形態１にて説明する。

制御回路１４０は、各ＩＧＢＴ（２ａ、２ｃ）のスイッチングタイミングを演算処理するためのマイクロコンピュータを備えている。前述のとおり、各アームＩＧＢＴ（２ａ、２ｃ）のエミッタ電極は、ドライバ回路１３０に接続され、ドライバ回路１３０は、それぞれのＩＧＢＴ毎にエミッタ電極における過電流検知を行い、過電流が検知されたＩＧＢＴ（２ａ、２ｃ）については、そのスイッチング動作を停止させ、過電流から保護する。さらに、制御回路１４０には、上下アーム直列回路１に設けられた図示しない温度センサや、上下アーム直列回路１の両端に印加される直流電圧を検出する検出回路などからの信号が入力され、それらの信号に基づき、過温度、過電圧などの異常を検知する。そして、過温度、過電圧などの異常を検知した場合には、全てのＩＧＢＴスイッチング動作を停止させ、上下アーム直列回路１を過電流、過電圧、過温度などの異常から保護する。

図６は、図５に示した電力変換装置１００の回路ブロック構成例に対応するモジュール実装の一例を示す図である。この例では、図２の構成例と同様に、１枚のドライバ回路基板（ゲート基板）１３１が２台の２ｉｎ１パワーモジュール１０に跨るように搭載され、共通のドライバ回路基板（ゲート基板）１３１が接続されたその２台の２ｉｎ１パワーモジュール１０で１組の上下アーム直列回路（例えば１ａ（Ｕ相））を構成する。同様に、他の１枚のドライバ回路基板（ゲート基板）１３１が共通に接続された他の２台の２ｉｎ１パワーモジュール１０で他の１組の上下アーム直列回路（例えば１ｂ（Ｖ相））を構成し、更に他の１枚のドライバ回路基板（ゲート基板）１３１が共通に接続された更に他の２台の２ｉｎ１パワーモジュール１０で更に他の１組の上下アーム直列回路（例えば１ｃ（Ｗ相））を構成する。これら６台の２ｉｎ１パワーモジュール１０で構成される３組の上下アーム直列回路を含んだ形でインバータモジュール１１０を構成する。このインバータモジュール１１０と、１台以上のコンデンサセル１２１から成るコンデンサモジュール１２０とを含んだ形で電力変換装置１００を構成する。電力変換装置１００は更に、３組の上下アーム直列回路の上端とコンデンサモジュール１２０の正極とが共通に接続されるコンデンサモジュール正極バスバ１２２、および３組の上下アーム直列回路の下端とコンデンサモジュール１２０の負極とが共通に接続されるコンデンサモジュール負極バスバ１２３を、外部接続端子として備え、変圧器２００等の外部機器との接続の用に供する。

なお、以上に示した電力変換装置１００において、ＩＧＢＴ（２ａ、２ｃ）およびダイオード（２ｂ、２ｄ）からなる電流スイッチ回路は、ＭＯＳＦＥＴ（金属酸化物半導体型電界効果トランジスタ）を用いて構成してもよい。図１に示したインバータモジュール１１０は、上下アーム直列回路１を構成うる２ｉｎ１モジュールを６個並列に組み合わせ３相２並列としたものであるが、６ｉｎ１モジュール１台で代用しても良く、１ｉｎ１モジュール６台で構成しても良い。さらに、要求出力電流が１モジュールあたりの許容出力電流よりも大きい場合は、モジュールの個数を増やして並列接続しても良い。さらに、電力変換装置１００は、図１の回路構成に加え、電池に充電する機能が入った装置であってもよい。

本実施形態によれば、寄生抵抗成分および寄生インダクタンス成分を用いるため、検出回路に外付けのインダクタンスやシャント抵抗やCT（Current Transformer）等を設ける必要がなく、パワーモジュールおよび電力変換装置の小型化が実現できる。また、短絡検知と過電流検知とを互いに独立に実行するため、検出後のスイッチング一時停止動作や復帰動作を短絡検知の場合と過電流検知の場合とで互いに独立に実行することが可能となる。

（実施形態２）
図７は同じ電位のバスバ１１が２つに分かれておらず、端子の部分でひと続きになっていることを特徴とするパワーモジュールを示す図である。この点で実施形態１と異なるが、他の点は実施形態１と同様である。このように複数ある部材を１つに纏めることで、組立冶具が簡略化される場合があり、組立性が増す効果を持つ。また、本実施形態においても、寄生抵抗成分および寄生インダクタンス成分を用いるため、検出回路に外付けのインダクタンスやシャント抵抗やCT（Current Transformer）等を設ける必要がなく、パワーモジュールおよび電力変換装置の小型化が実現できる。また、短絡検知と過電流検知とを互いに独立に実行するため、検出後のスイッチング一時停止動作や復帰動作を短絡検知の場合と過電流検知の場合とで互いに独立に実行することが可能となる。

（実施形態３）
図８は正極端子１１aと負極端子１１bの曲げ方向が、モジュール１０の短辺方向となっていることを特徴とするパワーモジュールを示す図である。この点で実施形態１と異なるが、他の点は実施形態１と同様である。この構造にすることで、モジュール直上のゲート回路基板１３１の面積を大きくとることができる。また、本実施形態においても、寄生抵抗成分および寄生インダクタンス成分を用いるため、検出回路に外付けのインダクタンスやシャント抵抗やCT（Current Transformer）等を設ける必要がなく、パワーモジュールおよび電力変換装置の小型化が実現できる。また、短絡検知と過電流検知とを互いに独立に実行するため、検出後のスイッチング一時停止動作や復帰動作を短絡検知の場合と過電流検知の場合とで互いに独立に実行することが可能となる。

１ 上下アーム直列回路
１ａ 上下アーム直列回路（Ｕ相）
１ｂ 上下アーム直列回路（Ｖ相）
１ｃ 上下アーム直列回路（Ｗ相）
２ 半導体素子
２ａ 上アームＩＧＢＴ
２ｂ 上アームダイオード
２ｃ 下アームＩＧＢＴ
２ｄ 下アームダイオード
３ 制御端子
３ａ 上アームゲート信号端子
３ｂ 上アームエミッタ信号端子
３ｃ 下アームゲート信号端子
３ｄ 下アームエミッタ信号端子
３ｅ 上アームコレクタ信号端子
３ｆ 下アームコレクタ信号端子
３ｇ 負極信号端子
４ 温度検知信号端子
１０ ２ｉｎ１パワーモジュール
１１ 主端子
１１ａ 正極端子
１１ｂ 負極端子
１１ｃ 交流端子
１２ モジュールケース
１３ 溝
１４ ベース
１５ａ 正極端子１１ａと負極端子１１ｂが配置される面
１５ｂ 交流端子１１ｃが配置される面
３１ａ 上アーム側の絶縁基板
３１ｂ 下アーム側の絶縁基板
１００ 電力変換装置
１１０ インバータモジュール
１１１ 直流バスバ
１１１ａ正極バスバ
１１１ｂ負極バスバ
１１２ 交流バスバ
１２０ コンデンサモジュール
１２１ コンデンサセル
１２２ コンデンサモジュール正極バスバ
１２３ コンデンサモジュール負極バスバ
１３０ ドライバ回路
１３１ ドライバ回路基板（ゲート基板）
１３２ 上アーム側ゲート電圧制御回路
１３３ 上アーム側電流検出／異常判定回路
１３４ 上アーム側論理回路
１３５ 下アームゲート電圧制御回路
１３６ 下アーム側電流検出／異常判定回路
１３７ 下アーム側論理回路
１４０ 制御回路
１４１ 制御回路基板
１５０ ヒートシンク
２００ 変圧器（＋コンバータモジュール）もしくはチョッパー回路
３００ 架線
４００ 接地部
５００ 誘導電動機

Claims (6)

1. 正極端子、負極端子、および交流端子を備えたパワーモジュールと、前記パワーモジュールを構成する複数のアームの少なくとも１つのエミッタ配線における所定の端子間の電位差を、該端子間の前記エミッタ配線に寄生する寄生抵抗成分および寄生インダクタンス成分の値に基づいて検知すると共に、検知した前記電位差を用いてスイッチング素子の短絡検知と過電流検知とを互いに独立に実行するよう構成される制御部と、を備えた電力変換装置であって、
   前記制御部は、前記端子の両方に対して互いに並列に接続される積分回路および増幅回路と、前記積分回路の出力側に接続される第１の比較器と、前記増幅回路の出力側に接続される第２の比較器と、を備え、
   前記制御部は、前記第１の比較器がオンになった時点から期間t1の間は前記短絡検知を停止し、前記第１の比較器がオンになった時点から前記期間t1後に前記短絡検知を実行し、
   前記第２の比較器がオンになった時点から前記期間t1より長い期間t2の間は前記過電流検知を停止し、前記第２の比較器がオンになった時点から前記期間t2後に前記過電流検知を実行するよう構成される
   ことを特徴とする電力変換装置。
2. 請求項１に記載の電力変換装置において、
   前記負極端子に接続された信号端子が前記パワーモジュールに内蔵されている
   ことを特徴とする電力変換装置。
3. 請求項１に記載の電力変換装置において、
   前記正極端子が有する第一の自己インダクタンスと、前記負極端子が有する第二の自己インダクタンスと、前記第一の自己インダクタンスおよび前記第二の自己インダクタンスが発生する磁束の影響による相互インダクタンスとを合成して前記エミッタ信号端子と前記負極信号端子との電位差を使って電流検出する
   ことを特徴とする電力変換装置。
4. 請求項３に記載の電力変換装置において、
   前記負極端子に接続された信号端子が前記パワーモジュールに内蔵されている
   ことを特徴とする電力変換装置。
5. 請求項１に記載の電力変換装置において、
   複数の前記パワーモジュールを跨るようにゲート基板が前記パワーモジュールに締結されている
   ことを特徴とする電力変換装置。
6. 請求項１に記載の電力変換装置において、
   前記パワーモジュールの前記正極端子と前記負極端子とが前記パワーモジュールの短辺方向に曲げられている
   ことを特徴とする電力変換装置。

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