JP2019135884A - 電力変換装置 - Google Patents

Abstract

【課題】アクティブクランプ回路を備えた電力変換装置において、アクティブクランプ回路の異常を検出し、半導体スイッチング素子の破損を抑制する。【解決手段】アクティブクランプ回路１２は、半導体スイッチング素子Ｓの制御端子に接続されたゲート抵抗ＲＧと第１接続端子との間に、ダイードＤと、ツェナーダイオードＺＤと、抵抗Ｒと、を備える。クランプ電流Ｉｃｍｐが閾値を超える状態が所定時間連続したときに、アクティブクランプ回路１２が異常であると判定し、電力変換装置内の全ての半導体スイッチング素子ＳをＯＦＦする。【選択図】図１

Description

本発明は、電力変換装置に用いられる半導体スイッチング素子（ＩＧＢＴなど）のサージ電圧を抑制するアクティブクランプ回路に関する。

図５に示すような電力変換装置に用いられる半導体スイッチング素子（例えば、ＩＧＢＴ等）Ｓ１〜Ｓ１２のターンオフ動作時に発生するサージ電圧を抑制する手法として、アクティブクランプ回路が知られている。

図６に、一般的なアクティブクランプ回路１２の構成を示す。ドライブＩＣ１１は、半導体スイッチング素子Ｓのオンオフ指令電圧を出力し、それに基づいて半導体スイッチング素子Ｓのゲート−エミッタ間電圧Ｖｇｅが定まり、半導体スイッチング素子Ｓがオンオフする。ゲート−エミッタ間電圧Ｖｇｅが所定値以上のときに半導体スイッチング素子Ｓはオンし、ゲート−エミッタ間電圧Ｖｇｅが所定値以下のときに半導体スイッチング素子Ｓはオフする。

半導体スイッチング素子Ｓのターンオフ時には、電力変換装置内の配線インダクタンスの影響などによって、半導体スイッチング素子Ｓのコレクタ−エミッタ間電圧Ｖｃｅには、図７に示すようなサージ電圧が発生する。このサージ電圧ピーク値Ｖ１が半導体スイッチング素子Ｓの許容電圧を超過すると、半導体スイッチング素子Ｓが過電圧破壊する。この半導体スイッチング素子Ｓの過電圧破壊を抑制するためにアクティブクランプ回路１２が設けられる。

以下に、アクティブクランプ回路１２の基本動作を説明する。アクティブクランプ回路１２内のツェナーダイオードＺＤには、そのツェナー電圧Ｖｚｄ（定格値）が以下の（１）式を満足するものを選定する。

Ｖ２＜Ｖｚｄ＜半導体スイッチング素子許容電圧 （１）
このアクティブクランプ回路１２により、サージ電圧がツェナー電圧Ｖｚｄを超過するとツェナーダイオードＺＤが導通し、半導体スイッチング素子Ｓのコレクタ−エミッタ間電圧Ｖｃｅはツェナー電圧Ｖｚｄとほぼ同じ値にクランプさせる。よって半導体スイッチング素子Ｓのコレクタ−エミッタ間電圧Ｖｃｅは半導体スイッチング素子Ｓの許容電圧を超過しなくなるため、半導体スイッチング素子Ｓの過電圧破壊を抑制できる。

なお、ここでは、アクティブクランプ回路１２内の抵抗ＲとダイオードＤによる電圧降下分は微量であるため無視している。

図８は、アクティブクランプ回路１２を設けた場合のサージ電圧波形を示すタイムチャートである。なお、図７，図８に示すＶ２は、図５の半導体スイッチング素子Ｓ７〜Ｓ１２をターンオフする場合、図５の電力変換装置の直流電圧Ｖｄｃとほぼ同値となる。

これは、図５に示すような電圧型インバータでは上アームの半導体スイッチング素子Ｓ１，Ｓ３，Ｓ５がオンしているとき、対応する下アームの半導体スイッチング素子Ｓ２，Ｓ４，Ｓ６がオフしているからである。よって、ツェナーダイオードＺＤの選定時には、そのツェナー電圧Ｖｚｄが直流電圧Ｖｄｃの想定しうる最大値より大きいものを選定すればよい。

アクティブクランプ回路１２については、特許文献１，非特許文献１にも開示されている。

特開２０１５−９２７９０号公報

富士電機技術資料、インターネット＜ＵＲＬ：ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｆｕｊｉｅｌｅｃｔｒｉｃ．ｃｏ．ｊｐ／ｐｒｏｄｕｃｔｓ／ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ／ｍｏｄｅｌ／ｉｇｂｔ／ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ／ｂｏｘ／ｄｏｃ／ｐｄｆ／ＲＨ９８４ｅ／ＲＨ９８４ｅ＿０５．ｐｄｆ＞Ｐ５−１５

図６，図８のツェナー電圧Ｖｚｄは、経年変化や温度変化などによって定格値より低下する。ツェナー電圧Ｖｚｄが低下して、ターンオフ後の定常時の半導体スイッチング素子Ｓのコレクタ−エミッタ間電圧Ｖｃｅ（図７，図８のＶ２≒図５のＶｄｃ）よりも低くなると、半導体スイッチング素子ＳのゲートＯＦＦ指令中、かつ、コレクタ−エミッタ間電圧Ｖｃｅにサージ電圧が発生していない定常状態でも、Ｖｃｅ＞Ｖｚｄとなる。そのため、アクティブクランプ回路１２にクランプ電流Ｉｃｍｐが流れ続ける。

これにより、半導体スイッチング素子Ｓのゲート電圧Ｖｇｅがほとんど低下しないため、半導体スイッチング素子Ｓが完全にオフせず、半導体スイッチング素子Ｓに電流が流れ続ける。

長時間に渡ってアクティブクランプ回路１２が動作し続ける状態になると半導体スイッチング素子Ｓの損失が許容値を超え、ひいては半導体スイッチング素子の温度が許容値を超過して熱破損する恐れがある。

アクティブクランプ回路１２が正常状態の場合における各波形を図９に示す、アクティブクランプ回路１２が異常状態の場合における各波形を図１０に示す。

図１０では、半導体スイッチング素子Ｓのコレクタ−エミッタ間電圧Ｖｃｅ（Ｖｄｃ電圧）が、ツェナー電圧Ｖｚｄよりも高い場合、半導体スイッチング素子Ｓのゲート端子にＯＦＦ指令を出力したにも関わらず、半導体スイッチング素子Ｓの電流は完全に遮断されず流れ続け、半導体スイッチング素子Ｓの損失（＝Ｖｃｅ１×Ｉ１）が急増していることを示している。

さらに、この異常現象は、電力変換装置の直流電圧Ｖｄｃが想定値を超過してＶｄｃ＞Ｖｚｄとなったときにも発生する。

半導体スイッチング素子Ｓの破損を抑制するため、アクティブクランプ回路１２の異常な状態を検出し、アクティブクランプ回路１２の動作を監視する必要がある。

以上示したようなことから、アクティブクランプ回路を備えた電力変換装置において、アクティブクランプ回路の異常を検出し、半導体スイッチング素子の破損を抑制することが課題となる。

本発明は、前記従来の問題に鑑み、案出されたもので、その一態様は、半導体スイッチング素子のサージ電圧を抑制するアクティブクランプ回路を備えた電力変換装置であって、前記アクティブクランプ回路は、前記半導体スイッチング素子の制御端子に接続されたゲート抵抗と第１接続端子との間に、アノードを前記ゲート抵抗側、カソードを前記第１接続端子側とした方向で接続されたツェナーダイオードと、前記ツェナーダイオードに直列接続され、アノードを前記第１接続端子側、カソードを前記ゲート抵抗側の方向で接続されたダイオードと、を備え、前記アクティブクランプ回路に流れるクランプ電流が閾値を超える状態が所定時間連続したときに、前記アクティブクランプ回路が異常であると判定し、電力変換装置内の全ての前記半導体スイッチング素子をＯＦＦすることを特徴とする。

また、その一態様として、前記アクティブクランプ回路は前記ツェナーダイオードおよび前記ダイオードに直列接続された抵抗を備え、前記抵抗の両端電圧が基準電圧を超える時間が所定時間連続したとき、前記クランプ電流が閾値を超える状態が所定時間連続したと判断することを特徴とする。

また、他の態様として、前記クランプ電流を検出する電流検出器を備え、前記電流検出器で検出した前記クランプ電流に基づいて、前記アクティブクランプ回路の異常を判定することを特徴とする。

本発明によれば、アクティブクランプ回路を備えた電力変換装置において、アクティブクランプ回路の異常を検出し、半導体スイッチング素子の破損を抑制することが可能となる。

実施形態におけるアクティブクランプ回路および異常判定回路を示す概略図。 実施形態における異常判定回路を示すブロック図。 アクティブクランプ回路正常時の各波形を示すタイムチャート。 アクティブクランプ回路異常時の各波形を示すタイムチャート。 電力変換装置の一例を示す回路構成図。 従来のアクティブクランプ回路の一例を示す回路図。 アクティブクランプ回路がない場合のサージ電圧を示すタイムチャート。 アクティブクランプ回路がある場合のサージ電圧を示すタイムチャート。 アクティブクランプ回路が正常な場合の各波形を示すタイムチャート。 アクティブクランプ回路が異常な場合の各波形を示すタイムチャート。

以下、本願発明における電力変換装置の実施形態を図１〜図５に基づいて詳述する。

［実施形態１］
本実施形態のアクティブクランプ回路、および、その異常判定回路は、図５に示すような電力変換装置に適用される。例として、図５に示す電力変換装置を説明する。

図５に示す電力変換装置は、交流電源１と、フィルタ７と、コンバータ６と、リアクトル８と、平滑コンデンサＣ０と、インバータ３と、ダイオードＤ１３と、三相モータ４と、を備える。

フィルタ７は、フィルタコンデンサＣ１，Ｃ２，Ｃ３を有し、交流電源１とコンバータ６との間に接続される。

コンバータ６は、フィルタ７を介して交流電源１に接続され、交流電源１から出力された交流電圧を直流電圧に変換する。コンバータ６はブリッジ接続されたダイオードＤ１〜Ｄ６を有する。また、ダイオードＤ１〜Ｄ６には、半導体スイッチング素子Ｓ１〜Ｓ６が直列接続される。

インバータ３は、直流電圧を交流電圧に変換して三相モータ４に出力する。インバータ３は、ブリッジ接続された半導体スイッチング素子Ｓ７〜Ｓ１２を有する。また、各半導体スイッチング素子Ｓ７〜Ｓ１２には、ダイオードＤ７〜Ｄ１２が逆並列接続される。

コンバータ６とインバータ３の間の直流リンク部には、ダイオードＤ１３，リアクトル８，平滑コンデンサＣ０が接続される。

図１に、本実施形態におけるアクティブクランプ回路１２および異常判定回路１３の概略図を示す。図１に示す半導体スイッチング素子Ｓは、図５に示すインバータ３の半導体スイッチング素子Ｓ７〜Ｓ１２に対応する。

半導体スイッチング素子Ｓには、ダイオードＤｓが並列接続される。ダイオードＤｓのカソード端子は半導体スイッチング素子Ｓのコレクタ端子（第１接続端子）に接続され、ダイオードＤｓのアノード端子は半導体スイッチング素子Ｓのエミッタ端子（第２接続端子）に接続される。図１に示すダイオードＤｓは、図５に示すインバータ３のダイオードＤ７〜Ｄ１２に対応する。

半導体スイッチング素子Ｓのゲート端子（制御端子）とコレクタ端子（第１接続端子）間には、ゲート抵抗ＲＧとアクティブクランプ回路１２が直列接続される。また、半導体スイッチング素子Ｓのゲート端子（制御端子）には、ゲート抵抗ＲＧを介してドライブＩＣ１１が接続される。ドライブＩＣ１１は、ゲート抵抗ＲＧを介して半導体スイッチング素子Ｓのゲート端子（制御端子）にゲート指令（ＯＮ／ＯＦＦ指令の電圧）を出力する。

アクティブクランプ回路１２は、ゲート抵抗ＲＧに一端が接続された抵抗Ｒと、抵抗Ｒの他端にアノードが接続されたツェナーダイオードＺＤと、ツェナーダイオードＺＤのカソードにカソードが接続されたダイオードＤと、が直列接続される。ダイオードＤのアノードは半導体スイッチング素子Ｓのコレクタ端子（第１制御端子）に接続される。ここで、抵抗Ｒ，ツェナーダイオードＺＤ，ダイオードＤの直列接続順序は入れ替えてもよい。

アクティブクランプ回路１２の抵抗Ｒの両端には、異常判定回路１３が接続される。

図２に異常判定回路１３を示す。図２に示すように、異常判定回路１３は、計測アンプ１４と、比較器１５と、タイマ１６と、を備える。計測アンプ１４は、アクティブクランプ回路１２の抵抗Ｒの電圧を検出する。

比較器１５は、計測アンプ１４で検出した抵抗Ｒの電圧と基準電圧を比較し、抵抗Ｒの電圧が基準電圧を超えたか否かを判定する。タイマ１６は、抵抗Ｒの電圧が基準電圧を超えている連続時間を計測し、連続時間が所定時間以上連続して検出されれば、異常と判断する。このように、本実施形態では、抵抗Ｒの電圧が基準電圧を超えたか否かを判定することにより、クランプ電流Ｉｃｍｐが閾値を超えたか否かを判定する。

図３，図４にアクティブクランプ回路の正常時・異常時の各波形のタイムチャートを示す。アクティブクランプ回路１２の動作が正常であれば、図３に示すように、半導体スイッチング素子Ｓのサージ電圧が収縮するとＶｃｅ＜Ｖｚｄとなってクランプ電流Ｉｃｍｐが流れなくなるため、抵抗Ｒの電圧＞０である期間は短時間で収まる。

しかし、異常時は、Ｖｃｅ＞Ｖｚｄとなってクランプ電流Ｉｃｍｐが流れ続けるため、図４に示すように、抵抗Ｒの電圧＞０の期間が長時間に渡る。これを異常と判断し、半導体スイッチング素子Ｓの損失が急増して最終的に半導体スイッチング素子Ｓが熱破損することを抑制する。

異常と判断した場合は、上位コントローラへ異常判定信号を送信し、電力変換装置内のすべての半導体スイッチング素子Ｓ１〜Ｓ１２をＯＦＦさせて、電力変換装置を故障停止する。

なお、図１，図２の抵抗Ｒの電圧の代わりに、クランプ電流Ｉｃｍｐを検出する電流検出器を設け、電流検出器で検出したクランプ電流Ｉｃｍｐに基づいて異常判定を行う構成としてもよい。抵抗Ｒを備えていないアクティブクランプ回路１２に対しては、この構成は有効である。

さらに、半導体スイッチング素子ＳはＩＧＢＴ以外の素子でも良い。また、半導体スイッチング素子にアクティブクランプ回路が接続されていれば、図５以外の半導体電力変換装置でも良い。

以上示したように、本実施形態によれば、アクティブクランプ回路１２を用いた電力変換装置において、ツェナーダイオードＺＤの特性劣化や電力変換装置の直流電圧Ｖｄｃの上昇に基づいて発生するアクティブクランプ回路１２の異常を検出する。その結果、半導体スイッチング素子Ｓの損失の増加による半導体スイッチング素子Ｓの破損を抑制し、電力変換装置の信頼性を向上することが可能となる。

以上、本発明において、記載された具体例に対してのみ詳細に説明したが、本発明の技術思想の範囲で多彩な変形および修正が可能であることは、当業者にとって明白なことであり、このような変形および修正が特許請求の範囲に属することは当然のことである。

Ｓ…半導体スイッチング素子
ＺＤ…ツェナーダイオード
Ｒ…抵抗
Ｄ…ダイオード
ＲＧ…ゲート抵抗
１１…ドライブＩＣ
１２…アクティブクランプ回路
１３…異常判定回路
１４…計測アンプ
１５…比較器
１６…タイマ

Claims (3)

1. 半導体スイッチング素子のサージ電圧を抑制するアクティブクランプ回路を備えた電力変換装置であって、
   前記アクティブクランプ回路は、
   前記半導体スイッチング素子の制御端子に接続されたゲート抵抗と第１接続端子との間に、アノードを前記ゲート抵抗側、カソードを前記第１接続端子側とした方向で接続されたツェナーダイオードと、
   前記ツェナーダイオードに直列接続され、アノードを前記第１接続端子側、カソードを前記ゲート抵抗側の方向で接続されたダイオードと、
   を備え、
   前記アクティブクランプ回路に流れるクランプ電流が閾値を超える状態が所定時間連続したときに、前記アクティブクランプ回路が異常であると判定し、電力変換装置内の全ての前記半導体スイッチング素子をＯＦＦすることを特徴とする電力変換装置。
2. 前記アクティブクランプ回路は前記ツェナーダイオードおよび前記ダイオードに直列接続された抵抗を備え、
   前記抵抗の両端電圧が基準電圧を超える時間が所定時間連続したとき、前記クランプ電流が閾値を超える状態が所定時間連続したと判断することを特徴とする請求項１記載の電力変換装置。
3. 前記クランプ電流を検出する電流検出器を備え、
   前記電流検出器で検出した前記クランプ電流に基づいて、前記アクティブクランプ回路の異常を判定することを特徴とする請求項１記載の電力変換装置。

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