JP2018113809A - 電力変換装置 - Google Patents
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Abstract
Description
この電力変換装置において、半導体素子を駆動するゲート回路は、回路の異常時に半導体素子に過大な電流が流れ、半導体素子が発熱やスイッチングサージ電圧で破壊することを防止するために、短絡保護回路を備えている。
従来、電力変換装置のブリッジ回路に使用されているパワー半導体スイッチング素子の短絡保護回路として、パワー半導体スイッチング素子のゲート端子とソース端子間のゲート端子電圧を検出し、基準値とゲート端子電圧を比較し、基準値に対して測定値が上回る状態と下回る状態を複数回検知する場合には正常であると判定し、そのような状態を検出しない場合には短絡していると判定するという構成が提案されている(特許文献1)。
素子の特性に応じて、第1の所定時間が設定され、前記パワー半導体スイッチング素子のゲートをオンにする信号に基づいて前記第1の所定時間を計測し、前記第1の所定時間の経過後は、論理を反転させて信号を出力する時間計測手段、前記パワー半導体スイッチング素子の特性に応じて、第1の基準電圧が設定され、前記パワー半導体スイッチング素子のゲート端子電圧と前記第1の基準電圧を比較する電圧比較手段、および前記時間計測手段の出力信号と前記電圧比較手段に基づいて前記ブリッジ回路の短絡を判定するブリッジ回路短絡判定手段を備え、前記ブリッジ回路短絡判定手段は、前記時間計測手段が論理を反転させて信号を出力する時点において、前記ゲート端子電圧が前記第1の基準電圧以上であることを示す場合には、前記ブリッジ回路が短絡していると判定するようにしたものである。
図1は、本発明の実施の形態1による電力変換装置1の構成を示すブロック図である。なお、図中の矢印は信号の流れを表している。本実施の形態1の電力変換装置1は、ブリッジ回路2と、ゲート駆動回路3と、時間計測手段4と、電圧比較手段5と、ブリッジ回路短絡判定手段6を備えている。
、時間計測手段4、電圧比較手段5、ブリッジ回路短絡判定手段6の具体例を示す構成図である。以下、図1と図2を用いて、本発明の実施の形態1の電力変換装置1の構成および機能について説明する。
ける第1の基準電圧Vref1を設定する方法として、たとえば、図4のように、ゲートオン過渡期のゲート端子電圧およびゲートに充電される電荷量の特性を利用する。すなわち、図4に示すように、ゲートオン過渡期のゲート端子電圧において、ブリッジ回路2が短絡故障している場合と、短絡故障していない場合を比較すると、ミラー電圧の有無が違いとして見られる。したがって、第1の所定時間tg1は、パワー半導体スイッチング素子7のミラー効果期間内の任意の時点に設定する。具体的には、たとえば、ゲート端子に流れる電流をig、パワー半導体スイッチング素子7のゲート端子とソース端子間の電荷をQgs、ゲート端子とドレイン端子間の電荷をQgdとして、次の式1から、
tg1=(Qgs+Qgd)/ig ・・・式1
と設定する。
tg1=(Qgs+Qgd)/ig+td ・・・式2
と設定する。デッドタイムtdを加えることで、パワー半導体スイッチング素子7の寄生ダイオードの逆回復期間における貫通電流でゲート端子電圧が一時的に跳ね上がり、ブリッジ回路2の短絡誤検出を回避することができる。あるいは、時間計測手段4やブリッジ回路短絡判定手段6の動作遅延時間をtdlyとして、動作遅延時間tdlyを加え、
tg1=Qgs/ig+tdly ・・・式3
とする方法が考えられる。
Vref1<ig×tg/(Cgs+Cgd)・・・式4
ここで、Cgsは、パワー半導体スイッチング素子7のゲート端子とソース端子間の寄生容量、Cgdは、パワー半導体スイッチング素子7のゲート端子とドレイン端子間の寄生容量である。
してブリッジ回路2を構成した場合であっても、前述の短絡故障検出方法が適用でき、電力変換装置の低損失および小型化を図ることができる。
先の実施の形態1では、パワー半導体スイッチング素子7のソース端子電位を基準として、ゲート端子電圧を測定し、ブリッジ回路の短絡故障を検出する方法について説明した。これに対して、この実施の形態2では、ゲート端子電圧の測定回数を増やし、より詳細にブリッジ回路2の故障を検出している。
tg2=Qgt/ig ・・・式5
と設定する。あるいは、パワー半導体スイッチング素子7のゲート端子電圧が、ゲート駆動回路3のゲート駆動電圧に到達するまでの時間とするようにしても良い。
先の実施の形態2では、パワー半導体スイッチング素子7のソース端子電圧を基準として、ゲート端子電圧を複数回測定し、ブリッジ回路2の短絡故障とパワー半導体スイッチング素子7のゲート短絡故障を検出する方法について説明した。これに対して、本実施の形態3では、ゲート端子電圧を比較する基準電圧を複数設け、より早くブリッジ回路2の故障を検出する方法について説明する。
Vref2< Qgs/Cgs ・・・式6
と設定する。また、パワー半導体スイッチング素子7のゲート端子とソース端子間の寄生抵抗Rgsを用いて、次の式7のように第2の基準電圧Vref2の下限を設定する。
Vref2> Rgs×ig ・・・式7
素、窒化ガリウム系材料等を用いたワイドバンドギャップ半導体スイッチング素子によって構成されるブリッジ回路2においても前述の短絡故障検出方法が適用でき、電力変換装置の低損失および小型化を図ることができる。
401 MOSFET、402 コンデンサ、42 第2の時間計測手段、
5 電圧比較手段、53 第2の電圧比較手段、
6 ブリッジ回路短絡判定手段、62 ゲート短絡故障判定手段、
7 パワー半導体スイッチング素子、8 直流電源
また、パワー半導体スイッチング素子がブリッジ接続されたブリッジ回路、前記パワー半導体スイッチング素子を駆動するゲート駆動回路、前記パワー半導体スイッチング素子のゲートをオンにする信号に基づいて時間を計測し、前記パワー半導体スイッチング素子の特性に応じて設定された第1の所定時間の経過後に論理を反転させて信号を出力する第1の時間計測手段、前記パワー半導体スイッチング素子のゲート端子電圧と前記パワー半導体スイッチング素子の特性に応じて設定された第1の基準電圧とを比較する第1の電圧比較手段、前記ゲート端子電圧と前記パワー半導体スイッチング素子の特性に応じて設定された第2の基準電圧とを比較する第2の電圧比較手段、前記第1の所定時間の経過後に前記ゲート端子電圧と前記第1の基準電圧とを比較した結果に基づいて前記ブリッジ回路の短絡を判定するブリッジ回路短絡判定手段、および前記時間計測手段の出力信号と前記電圧比較手段の出力信号に基づいて、前記第1の所定時間の経過後に前記ゲート端子電圧と前記第2の基準電圧とを比較した結果に基づいてゲートの短絡を判定するゲート短絡故障判定手段を備えたものである。
Claims (13)
- パワー半導体スイッチング素子がブリッジ接続されたブリッジ回路、前記パワー半導体スイッチング素子を駆動するゲート駆動回路、前記パワー半導体スイッチング素子の特性に応じて、第1の所定時間が設定され、前記パワー半導体スイッチング素子のゲートをオンにする信号に基づいて前記第1の所定時間を計測し、前記第1の所定時間の経過後は、論理を反転させて信号を出力する時間計測手段、前記パワー半導体スイッチング素子の特性に応じて、第1の基準電圧が設定され、前記パワー半導体スイッチング素子のゲート端子電圧と前記第1の基準電圧を比較する電圧比較手段、および前記時間計測手段の出力信号と前記電圧比較手段の出力信号に基づいて前記ブリッジ回路の短絡を判定するブリッジ回路短絡判定手段を備え、前記ブリッジ回路短絡判定手段は、前記時間計測手段が論理を反転させて信号を出力する時点において、前記ゲート端子電圧が前記第1の基準電圧以上であることを示す場合には、前記ブリッジ回路が短絡していると判定するようにしたことを特徴とする電力変換装置。
- 前記時間計測手段が、前記パワー半導体スイッチング素子の特性に応じて、第1の所定時間が設定され、前記パワー半導体スイッチング素子のゲートをオンにする信号に基づいて前記第1の所定時間を計測し、前記第1の所定時間の経過後は、論理を反転させて信号を出力する第1の時間計測手段と、前記パワー半導体スイッチング素子の特性に応じて、第2の所定時間が設定され、前記パワー半導体スイッチング素子のゲートをオンにする信号に基づいて前記第2の所定時間を計測し、前記第2の所定時間の経過後は、論理を反転させて信号を出力する第2の時間計測手段を備え、前記第2の時間計測手段の出力信号と前記電圧比較手段の出力信号に基づいて前記パワー半導体スイッチング素子のゲートの短絡を判定するゲート短絡故障判定手段を備え、前記ゲート短絡故障判定手段は、前記第2の時間計測手段が論理を反転させて信号を出力する時点において、前記ゲート端子電圧が前記第1の基準電圧未満であることを示す場合には、前記パワー半導体スイッチング素子のゲートが短絡していると判定するようにしたことを特徴とする請求項1に記載の電力変換装置。
- 前記電圧比較手段が、第1の電圧比較手段と第2の電圧比較手段を備え、前記パワー半導体スイッチング素子の特性に応じて、第1の基準電圧が前記第1の電圧比較手段に設定され、前記第2の基準電圧が前記第2の電圧比較手段に設定され、前記ブリッジ回路短絡判定手段は、前記時間計測手段の出力信号と、前記第1の電圧比較手段の出力信号にもとづき前記ブリッジ回路の短絡故障を判定し、前記時間計測手段の出力信号と、前記第2の電圧比較手段の出力信号にもとづき前記パワー半導体スイッチング素子のゲート短絡故障を判定するゲート短絡故障判定手段を備え、前記ブリッジ回路短絡判定手段は、前記時間計測手段が第1の所定時間を計測し、出力信号が論理反転する時点において、ゲート端子電圧が第2の基準電圧未満であることを示す論理であれば、前記パワー半導体スイッチング素子のゲートが短絡していると判定することを特徴とする請求項1または2のいずれかに記載の電力変換装置。
- 前記第1の所定時間は、前記パワー半導体スイッチング素子のスイッチング過渡期に生じるミラー効果期間内に設定することを特徴とする請求項1から請求項3のいずれか1項に記載の電力変換装置
- 前記第1の所定時間は、前記ブリッジ回路の相補動作に伴って設けられるデッドタイムをもとに設定することを特徴とする、請求項1から請求項3のいずれか1項に記載の電力変換装置。
- 前記第1の基準電圧は、前記パワー半導体スイッチング素子のミラー電圧よりも高い電圧値に設定することを特徴とする請求項1から請求項3のいずれか1項に記載の電力変換装置。
- 前記ゲート駆動回路は定電流でパワー半導体スイッチング素子を駆動することを特徴とする請求項1から請求項3のいずれか1項に記載の電力変換装置。
- 前記第2の所定時間は、前記パワー半導体スイッチング素子のスイッチング過渡期に生じるミラー効果期間の終了時点よりも後に設定することを特徴とする、請求項2または請求項3に記載の電力変換装置。
- 前記ゲート駆動回路は定電流でパワー半導体スイッチング素子を駆動すると共に、定電流値を大小の2段階に切り替えられる定電流切り替え手段を有し、前記定電流切り替え手段は、前記ブリッジ回路短絡判定手段においてブリッジ回路の短絡故障がないと判定された場合に、定電流値を小から大に切り替えることを特徴とする請求項1に記載の電力変換装置。
- 前記ゲート駆動回路は定電流でパワー半導体スイッチング素子を駆動すると共に、定電流値を大小の2段階に切り替えられる定電流切り替え手段を有し、前記定電流切り替え手段は、前記ブリッジ回路短絡判定手段においてブリッジ回路の短絡故障がなく、かつ前記ゲート短絡故障判定手段において、パワー半導体スイッチング素子のゲートに短絡故障がないと判定された場合に、定電流値を小から大に切り替えることを特徴とする請求項2または請求項3に記載の電力変換装置。
- 前記パワー半導体スイッチング素子がソフトスイッチング動作となる場合は、前記ブリッジ回路短絡判定手段を無効にすることを特徴とする請求項1から請求項3のいずれか1項に記載の電力変換装置。
- 前記第2の基準電圧は、前記パワー半導体スイッチング素子のミラー電圧よりも低い電圧値に設定することを特徴とする請求項3に記載の電力変換装置。
- 前記パワー半導体スイッチング素子は炭化ケイ素、窒化ガリウム系材料等を用いたワイドバンドギャップ半導体であることを特徴とする請求項1から請求項12のいずれか1項に記載の電力変換装置。
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