JP3808326B2 - 電力変換装置 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
この発明はスイッチング半導体素子とそれを制御する制御回路とを同一のパッケージに収納した半導体パワーモジュールを備えた3レベルインバータ装置に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
半導体パワーモジュールはスイッチング半導体素子とそれを制御する制御回路とを同一のパッケージに収納したもので、インバータ装置あるいは無停電電源装置などの電力変換装置に主として用いられるものである。
図5は、例えば電子技術1993−8、44頁に記載された従来の半導体パワーモジュール(インテリジェントパワーモジュール=以下、IPMと称す)を示す構成図である。図5において、1はIPM、2はIPM1の主回路部、3は主回路を構成するIGBT、4は主回路を構成するフライホイールダイオード、5はIPM1のコレクタ端子、6はIPM1のエミッタ端子、7はIGBT3のコレクタ端子5からエミッタ端子6に流れる電流を検知するために設けられたセンスエミッタに接続され、センスエミッタを流れる電流を電圧に変換するための抵抗、8はゲート信号CIを受けIGBT3をオンないしオフするための駆動回路、9はIGBT3を保護するための保護回路で、この保護回路として、IGBT3の過電流を検知しIGBT3をオフする過電流保護回路10、IGBT3の短絡電流を検知しIGBT3をオフする短絡電流保護回路11、駆動回路8の電源電圧が所定の電圧以下になるとIGBT3をオフする制御電源電圧低下保護回路12、およびIGBT3やフライホイールダイオード4の過熱を検知しIGTB3をオフする過熱保護回路13がある。14はそれらの保護機能が働いたとき、IPM1の外部へエラー信号FOを出力するエラー出力回路である。
【0003】
このように構成される従来のIPM1の動作について以下に説明する。
ゲート信号CIとしてオン信号が入力されると駆動回路8によりIGBT3のゲートをオンしIGBT3はオンする。たとえば、このオン状態のときに、コレクタ端子5からIGBT3を介しエミッタ端子6に流れる電流が過電流保護回路10に設定された所定の電流値を超えた場合、過電流保護回路10は過電流を検知し保護信号OCを出力する。この保護信号OCは駆動回路8に入力され駆動回路8はIGBT3のゲートをオフし、IGBT3はオフされる。
同様に、短絡保護回路11、制御電源電圧低下保護回路12および過熱保護回路13のそれぞれが予め設定された基準を超えた異常を検知すると、それぞれの保護信号SC、UV、OTは駆動回路8に入力されIGBT3はオフされる。
【0004】
図6はこのIPM1を3レベルインバータ18に応用した例で、1相分の回路構成を示す図である。図6に示すように、高電位側電源端子Pと低電位側電源端子Nとの間に、直列に4段のIPM(U1、U2、U3、U4)が接続されている。また、19、20は高電位側電源端子Pと低電位側電源端子Nとの間に直列に接続され、互いに等しい容量を持ち、それぞれ直流電圧Eが充電されているコンデンサ、21、22はクランプダイオードで、2つのIPM(U1、U2)の間の接続部と中間電位点Cとの間、および2つのIPM(U3、U4)の間の接続部と中間電位点Cとの間にそれぞれ接続されている。23はこの3レベルインバータ18の出力端子である。
【0005】
正常動作において、3レベルインバータ18は3種の動作モードを順に反復する。まず、2つのIPM(U1、U2)がオンし、他のIPM(U3、U4)がオフする。続いて、2つのIPM(U2、U3)がオンし、他のIPM(U1、U4)がオフする。さらに続いて、2つのIPM(U3、U4)がオンし、他のIPM(U1、U2)がオフする。各IPM(U1〜U4)がこのように動作する結果、出力端子23の中間電位点Cを基準とした電圧は、E、0、−Eの順に変化し、3レベルインバータ18は3レベルの電圧を出力する。いずれのモードにおいても、2つのIPM1がオフされ、各IPM(U1〜U4)に印加されるコレクタ電圧はそれぞれEとなる。
このように、3レベルインバータ18ではその回路を構成する各IPM(U1〜U4)の動作電圧は、高電位側直流母線と低電位側直流母線との間の電圧(以下、直流母線電圧と称す)の1/2でよく、一般に、使用されるIPMの耐圧よりも高い端子間電圧を取り扱うことができる。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】
次に、上記のように構成される従来の3レベルインバータ18における異常時の動作について図7に基づいて説明する。
図7に示すように、誘導負荷Lが例えば出力端子23と低電位側直流母線との間に接続されている。
図7(a)に示すように、2つのIPM(U1、U2)がオンし、他のIPM(U3、U4)がオフする場合、コンデンサ19のP端子からIPM(U1、U2)のIGBT3、負荷Lを介して、コンデンサ20のN端子へ負荷電流が流れている。たとえば、負荷回路の異常でこの負荷電流が増大し、IPM(U1)よりも先にIPM(U2)が過電流保護回路9により過電流を検知し、IPM(U2)がオフした場合、図7(b)に示すように負荷Lの電流はIPM(U3、U4)のフライホイールダイオード4を介して還流する。このとき、IPM(U1)はまだオンしているので、IPM(U2)にはコンデンサ19のP端子からコンデンサ20のN端子までの全電圧(直流母線電圧=2E)が印加されることになる。
【0007】
従来の半導体パワーモジュールは以上のように構成されているため、3レベルインバータ18を構成する各IPM1の耐電圧を、保護動作が働いた場合のために、直流母線電圧以上とする必要があった。このため、本来の3レベルインバータの利点である低い耐圧の半導体素子を使用できずコストが増大すると共に、高耐圧の半導体素子を用いるため、オン電圧が大きく、装置の損失が大きくなるという問題点があった。
【0008】
この発明は、上記のような問題点を解消するために成されたものであって、各半導体パワーモジュールが異常を検出すると遮断する保護機能を備えた3レベルインバータにおいて、耐電圧の低い半導体パワーモジュールを適用可能にすることを目的とし、さらにそのような半導体パワーモジュールおよび3レベルインバータの構造を提供することを目的とする。
【0009】
【課題を解決するための手段】
この発明に係る請求項1記載の電力変換装置は、高電位側直流母線と低電位側直流母線との間に、直列に接続された第1〜第4の4個の半導体パワーモジュールを有して3レベルインバータ装置を構成する。上記各半導体パワーモジュールは、制御電極に入力される駆動制御信号に応答して1対の主電極の間を導通または遮断し、フライホイールダイオードが逆並列に接続されたスイッチング半導体素子と、外部から入力される入力制御信号に応答して上記駆動制御信号を出力する制御回路と、上記スイッチング半導体素子または上記制御回路における異常を検出する異常検出手段とを備えると共に、外部から入力される入力設定信号により設定される第1、第2の2種の動作モードを有し、上記第1のモードでは、上記異常検出手段による異常検出時に、外部に異常検出信号を出力すると共に、上記入力制御信号に係わらず上記駆動制御信号を”L”として上記スイッチング半導体素子を遮断し、異常が検出されない時(以下、正常時と称す)に、上記入力制御信号に応じた上記駆動制御信号により上記スイッチング半導体素子を導通/遮断し、上記第2のモードでは、常に上記入力制御信号に応じた上記駆動制御信号により上記スイッチング半導体素子を導通/遮断し、上記異常検出手段による異常検出時に、外部に異常検出信号を出力するものである。そして、上記第1〜第4の各半導体パワーモジュールに対し上記入力制御信号と上記入力設定信号とを出力する制御手段を備えるものである。
【0010】
またこの発明に係る請求項2記載の電力変換装置は、請求項1において、各半導体パワーモジュール内の異常検出手段は、スイッチング半導体素子における主電極の間を流れる過電流を検出する過電流検出手段、上記スイッチング半導体素子の過温度を検出する過熱検出手段、上記スイッチング半導体素子の短絡電流を検出する短絡電流検出手段、あるいは制御回路に供給される電源電圧が所定値よりも低下したことを検出する制御電源電圧低下検出手段のいずれかまたはこれらの組み合わせで構成されるものである。
【0011】
またこの発明に係る請求項3記載の電力変換装置は、請求項1または2において、制御手段から第1〜第4の各半導体パワーモジュールに対し出力される入力設定信号により、上記第1および第4の半導体パワーモジュールについては常に第1のモードに、上記第2の半導体パワーモジュールについては、上記第1の半導体パワーモジュールが遮断時は第1のモード、導通時は第2のモードに、上記第3の半導体パワーモジュールについては、上記第4の半導体パワーモジュールが遮断時は第1のモード、導通時は第2のモードに、設定して、上記第2の半導体パワーモジュールが遮断時は、常に上記第1の半導体パワーモジュールも遮断し、上記第3の半導体パワーモジュールが遮断時は、常に上記第4の半導体パワーモジュールも遮断するものである。
【0012】
またこの発明に係る請求項4記載の電力変換装置は、請求項3において、第1の半導体パワーモジュールに入力される第1の入力制御信号と上記第1の半導体パワーモジュールから出力される第1の異常検出信号とを受信し、これらの信号に応じて第2の半導体パワーモジュールへの第2の入力設定信号を送信する第1の送信手段と、第2の半導体パワーモジュールから出力される第2の異常検出信号を受信して第1の半導体パワーモジュールへの第1の入力制御信号を送信する第2の送信手段と、第4の半導体パワーモジュールに入力される第4の入力制御信号と上記第4の半導体パワーモジュールから出力される第4の異常検出信号とを受信し、これらの信号に応じて第3の半導体パワーモジュールへの第3の入力設定信号を送信する第3の送信手段と、第3の半導体パワーモジュールから出力される第3の異常検出信号を受信して第4の半導体パワーモジュールへの第4の入力制御信号を送信する第4の送信手段とを、制御手段に備えたものである。
【0013】
またこの発明に係る請求項5記載の電力変換装置は、請求項4において、第1の半導体パワーモジュールが正常時であって、第1の入力制御信号がオンのとき、第1の送信手段は、第2のモードを設定する第2の入力設定信号を第2の半導体パワーモジュールに送信し、第2のモードに設定された該第2の半導体パワーモジュールが第2の異常検出信号を出力したとき、第2の送信手段が、上記第1の半導体パワーモジュールに送信する上記第1の入力制御信号をオフとする第1の手順と、この第1の入力制御信号を受信した上記第1の送信手段が、第1のモードを設定する第2の入力設定信号を上記第2の半導体パワーモジュールに送信する第2の手順とにより、異常検出された上記第2の半導体パワーモジュールは、上記第1の半導体パワーモジュールが遮断された後、第1のモードに設定されて遮断され、第4の半導体パワーモジュールが正常時であって、第4の入力制御信号がオンのとき、第3の送信手段は、第2のモードを設定する第3の入力設定信号を第3の半導体パワーモジュールに送信し、第2のモードに設定された該第3の半導体パワーモジュールが第3の異常検出信号を出力したとき、第4の送信手段が、上記第4の半導体パワーモジュールに送信する上記第4の入力制御信号をオフとする第3の手順と、この第4の入力制御信号を受信した上記第3の送信手段が、第1のモードを設定する第3の入力設定信号を上記第3の半導体パワーモジュールに送信する第4の手順とにより、異常検出された上記第3の半導体パワーモジュールは、上記第4の半導体パワーモジュールが遮断された後、第1のモードに設定されて遮断されるものである。
【0014】
またこの発明に係る請求項6記載の電力変換装置は、請求項5において、第1の送信手段および第3の送信手段に遅延回路を設けたものである。
【0015】
【発明の実施の形態】
実施の形態1.
以下、この発明の実施の形態について図を用いて説明する。
図1は、この発明の実施の形態1による半導体パワーモジュールを示す構成図である。図1において、31は半導体パワーモジュールとしてのIPM、32はIPM31の主回路部、33は主回路を構成するスイッチング半導体素子としてのIGBT、34は主回路を構成し、IGBT33に逆並列に接続されたフライホイールダイオード、35はIPM31のコレクタ端子、36はIPM31のエミッタ端子、37はIGBT33のコレクタ端子35からエミッタ端子36に流れる電流を検知するために設けられたセンスエミッタに接続され、センスエミッタを流れる電流を電圧に変換するための抵抗である。また、38は入力制御信号としてのゲート信号CIを外部から受信し、IGBT33をオンないしオフするための駆動制御信号としてのゲート駆動信号GP39を出力するための制御回路としての駆動回路、40は駆動回路38内のゲート信号選択回路である。
【0016】
さらにまた、41はIGBT33に所定の電流以上の過電流が流れた場合にOC信号を出力する過電流検出回路、42はIGBT33に短絡電流が流れた場合にSC信号を出力する短絡電流検出回路、43は駆動回路38の電源電圧が所定の電圧以下になるとUV信号を出力する制御電源電圧低下保護回路、44はIGBT33やフライホイールダイオード34の過熱を検知してOT信号を出力する過熱検出回路、45はOC信号、SC信号、UV信号、OT信号のいずれかの信号を受信したときにIPM31の外部に異常検出信号としてのエラー信号FOを出力するエラー信号出力回路、46は外部から入力される入力設定信号としての保護モード設定信号STとエラー信号FOを受信してゲート信号CIを選択させる信号をゲート信号選択回路40へ送出する保護モード選択回路で、これら41〜46により異常検出手段としての異常検出回路47が構成される。
【0017】
このように構成されるIPM31の動作について以下に説明する。
各異常検出回路41〜46によりいずれの異常も検出されていない正常状態では、エラー出力回路45は“L”を出力し、これにより保護モード選択回路46は“H”を出力し、ゲート信号選択回路40から出力されるゲート駆動信号GPは、ゲート信号CIが“L”であれば“L”、“H”であれば“H”となり、IGBT33はその信号にしたがってオン/オフする。
例えば、外部から入力される保護モード設定信号STが“H”の状態であり、いずれかの異常が検出された場合、エラー信号出力回路45は“H”を出力し、外部へエラー信号FOを出力する。またこれにより保護モード選択回路46は“L”を出力し、ゲート信号選択回路40から出力されるゲート駆動信号GPは、ゲート信号CIの状態に関係なく“L”となり、IGBT33はオフされる。
例えば、外部から入力される保護モード設定信号STが“L”の状態であり、いずれかの異常が検出された場合、エラー信号出力回路45は“H”を出力し、外部へエラー信号FOを出力するが、保護モード選択回路46は“H”を出力し、ゲート信号選択回路40から出力されるゲート駆動信号GPは、ゲート信号CIが“L”であれば“L”、“H”であれば“H”となり、異常を検出しながらでも、IGBT33はゲート信号CIに応じてオン/オフ制御できる状態となる。
【0018】
即ち、外部から入力される保護モード設定信号STにより、IPM31は2種の動作モードが設定され、保護モード設定信号STが“H”である第1のモードでは、いずれかの異常検出回路41〜44による異常検出時に、外部にエラー信号FOを出力すると共に、ゲート信号CIに係わらずゲート駆動信号GPを”L”としてIGBT33を強制的にオフする。また、保護モード設定信号STが“L”である第2のモードでは、いずれかの異常検出回路41〜44による異常検出時に、外部にエラー信号FOを出力するが、ゲート信号CIに応じたゲート駆動信号GPによりIGBT33をオン/オフ制御する。なお、異常が検出されない正常時には、第1、第2のどちらのモードでも、ゲート信号CIに応じたゲート駆動信号GPによりIGBT33をオフ/オフ制御する。
【0019】
次に、このように構成されるIPM31を3レベルインバータに適用した電力変換装置について以下に説明する。図2は、図1で示した4個のIPM31を3レベルインバータ50に適用した例で、1相分の回路構成を示す図である。図2に示すように、高電位側電源端子Pと低電位側電源端子Nとの間に、直列に第1〜第4の4段のIPM(X1、X2、X3、X4)が接続されている。また、51、52は高電位側電源端子Pと低電位側電源端子Nとの間に直列に接続され、互いに等しい容量を持ち、それぞれ直流電圧Eが充電されているコンデンサ、53、54はクランプダイオードで、2つのIPM(X1、X2)の間の接続部と中間電位点Cとの間、および2つのIPM(X3、X4)の間の接続部と中間電位点Cとの間にそれぞれ接続されている。55はこの3レベルインバータ50の出力端子である。
【0020】
また、60は各IPM(X1、X2、X3、X4)に対しゲート信号CI1〜CI4と保護モード設定信号ST1〜ST4とを出力する制御手段としての制御回路で、IPM(X1、X4)をコントロールする制御回路61a、61bと、IPM(X2、X3)をコントロールする制御回路62a、62bとで構成される。各制御回路61a、62a、62b、61bにおいて、外部から各ゲート信号CIX1〜CIX4を入力し、各IPM(X1〜X4)に対して、エラー信号FO1〜FO4を受信し、ゲート信号CI1〜CI4と保護モード設定信号ST1〜ST4とを出力する。なお、IPM(X1、X4)に入力される保護モード設定信号ST1、ST4は予め、常時”H”に設定されている。
【0021】
63a(63b)は、制御回路61a(61b)内に設けられ、ゲート信号CIX1(CIX4)とステップ信号S1(S3)とを入力としてIPMゲート信号CI1(CI4)を出力するAND回路、64a(64b)は、制御回路61a(61b)内に設けられ、エラー信号FO1(FO4)とIPMゲート信号CI1(CI4)との反転信号とを入力として保護モード設定信号ST2(ST3)となるステップ信号S2(S4)を出力する、第1(第3)の送信手段としてのOR回路である。これにより、OR回路64a(64b)から出力されるステップ信号S2(S4)は、IPM(X2)(X3)への保護モード設定信号ST2(ST3)として送信される。また、IPM(X2)(X3)に入力される保護モード設定信号ST2(ST3)は、IPM(X1)(X4)がオンの時”L”、オフの時”H”となる。
【0022】
また、65a(65b)は、制御回路62a(62b)内に設けられ、ゲート信号CIX2(CIX3)とエラー信号FO2(FO3)とを入力としてIPMゲート信号CI2(CI3)を出力するOR回路、66a(66b)は、制御回路62a(62b)内に設けられ、ゲート信号CIX2(CIX3)とエラー信号FO2(FO3)の反転信号とを入力として、ステップ信号S1(S3)を出力するAND回路である。このAND回路66a(66b)とAND回路63a(63b)とにより第2(第4)の送信手段が構成され、IPM(X2)(X3)のエラー信号FO2(FO3)を受信して、ステップ信号S1(S3)が送信され、IPM(X1)(X4)へのIPMゲート信号CI1(CI4)が送出される。
さらに、67a(67b)は、制御回路62a(62b)内に設けられ、ステップ信号S2(S4)の伝達経路に設けられた遅延回路である。
【0023】
以上のように構成される3レベルインバータ50の動作を図3および図4に基づいて説明する。図3に示すように、誘導負荷Lが例えば出力端子と低電位側直流母線との間に接続されている。なお、図4では、各信号のタイミングチャートを示す。
まず、図3(a)に示すような、2つのIPM(X1、X2)がオンし、他のIPM(X3、X4)がオフする正常状態(ta区間)について以下に説明する。
正常状態では、IPM(X2)のエラー信号FO2=“L”である。このとき制御回路62aのゲート信号CIX2=“H”になると、IPM(X2)のゲート信号CI2は“H”となりIPM(X2)はオンする。制御回路62aのゲート信号CIX2=“H”でエラー信号FO2=“L”であるためAND回路66aにより信号S1は“H”となる。
制御回路61aのゲート信号CIX1=“H”になると、上述より信号S1=“H”であるためにIPM(X1)のゲート信号CI1は“H”となりIPM(X1)はオンする。IPM(X1)のゲート信号CI1=“H”でエラー信号FO1=“L”であるため信号S2は“L”となり、IPM(X2)の保護モード設定信号ST2は“L”となる。
以上の動作で、IPM(X1、X2)がオンしているため、負荷電流IはコンデンサP端子→IPM(X1)→IPM(X2)→負荷Lを介してコンデンサN端子へ流れる。
【0024】
次に、何らかの異常により上記負荷電流Iが増大し、IPM(X1)よりも先にIPM(X2)が過電流を検出してしまった場合について、図3(b)および図4(tb区間)に基づいて以下に説明する。
IPM(X1)よりも先にIPM(X2)が過電流を検出した場合、エラー信号FO2は出力するが、IPM(X2)の保護モード設定信号ST2は“L”であるためIPM(X2)は即座にはオフしない。また、IPM(X2)のエラー信号FO2が“H”になるためOR回路65aの出力は“H”になりIPM(X2)のゲート信号CI2は“H”となり、オンを維持する。
IPM(X2)のエラー信号FO2が“H”になると制御回路62aのAND回路66aの出力信号S1が“L”となる。この第1のステップ信号としての信号S1により、第1の手順として、制御回路61aのAND回路63aの出力を“L”としてIPM(X1)をオフする。
以上の動作によって、IPM(X2)はオンを維持し、IPM(X1)はオフし、負荷電流IはコンデンサC端子→クランプダイオード53→IPM(X2)を介して負荷Lに流れる。したがって、IPM(X1)には直流母線電圧(=2E)の1/2が、IPM(X3)とIPM(X4)にはその残りの1/2が印加される。
IPM(X1)がオフした後も、コンデンサC−N間の電圧により負荷電流Iは増加していく。
【0025】
次に、IPM(X2)が遮断に至る動作について、図3(c)および図4(tc区間)に基づいて以下に説明する。
先にAND回路63aの出力であるIPM(X1)のゲート信号CI1は“L”となっているため、OR回路64aにより信号S2は“H”となる。この第2のステップ信号としての信号S2により、第2の手順として、IPM(X2)の保護モード設定信号ST2を“L”から“H”とする。なお、この場合、遅延回路67aが設けられているため、信号S2が“H”となってから遅延回路67aにより所定の遅延時間Tの経過後、IPM(X2)の保護モード設定信号ST2は“L”から“H”となる。
保護モード設定信号ST2が“H”になると、IPM(X2)の過電流検出によりIGBT33はオフされるため、この時点でIPM(X2)がオフする。
IPM(X2)がオフすることにより、負荷電流IはIPM(X3)のフライホイールダイオード34とIPM(X4)のフライホイールダイオード34を介して還流し、IPM(X2)には直流母線電圧の1/2が印加される。
最終的にIPM(X1)とIPM(X2)とは直流母線電圧の1/2ずつを分担する。
【0026】
このように、IPM(X1)よりも先にIPM(X2)が先に異常を検出したとしても、先にIPM(X1)をオフし、その後IPM(X2)をオフするようにしたため、IPM(X2)に直流母線の全電圧が印加されることはない。
また、遅延回路67aを設けたため、IPM(X1、X2)のオフ動作などにバラツキが生じても、IPM(X1)が確実にオフした後に、IPM(X2)をオフできる。
【0027】
なお、図3、図4を用いた動作説明では、IPM(X1、X2)について説明したが、正常時に2つのIPM(X3、X4)がオンし、他のIPM(X1、X2)がオフする場合でも同様に説明できる。この場合、IPM(X4)よりも先にIPM(X3)が異常を検出したとしても、第3のステップ信号S3を用いた第3の手順により、先にIPM(X4)をオフし、次いで、第4のステップ信号S4を用いた第4の手順により、IPM(X3)の保護モード設定信号ST3を”L”から”H”にすることで、IPM(X3)をオフするようにしたため、IPM(X3)に直流母線の全電圧が印加されることはなく、同様の効果が得られる。
【0028】
また、この実施の形態で示したIPM31は、3レベルインバータ50に用いた場合を示したが、用途を限定するものではない。さらに、保護モードの設定は外部からの信号STで行うようにしたため、外部からの制御が容易になるものであったが、IPM31の内部で設定することも可能である。
【0029】
【発明の効果】
以上のようにこの発明に係る請求項1記載の電力変換装置は、高電位側直流母線と低電位側直流母線との間に、直列に接続された第1〜第4の4個の半導体パワーモジュールを有して3レベルインバータ装置を構成し、各半導体パワーモジュールが、制御電極に入力される駆動制御信号に応答して1対の主電極の間を導通または遮断し、フライホイールダイオードが逆並列に接続されたスイッチング半導体素子と、外部から入力される入力制御信号に応答して上記駆動制御信号を出力する制御回路と、上記スイッチング半導体素子または上記制御回路における異常を検出する異常検出手段とを備えると共に、外部から入力される入力設定信号により設定される第1、第2の2種の動作モードを有し、上記第1のモードでは、上記異常検出手段による異常検出時に、外部に異常検出信号を出力すると共に、上記入力制御信号に係わらず上記駆動制御信号を”L”として上記スイッチング半導体素子を遮断し、異常が検出されない時(以下、正常時と称す)に、上記入力制御信号に応じた上記駆動制御信号により上記スイッチング半導体素子を導通/遮断し、上記第2の モードでは、常に上記入力制御信号に応じた上記駆動制御信号により上記スイッチング半導体素子を導通/遮断し、上記異常検出手段による異常検出時に、外部に異常検出信号を出力するため、異常検出によりスイッチング半導体素子を遮断する保護機能を備えていても、一時的に遮断せず異常検出信号のみを出力させることが可能になり、半導体パワーモジュールにおける適用範囲が拡大する。また、外部から入力される入力設定信号により、第1あるいは第2のモードを設定するため、外部からの制御が容易になる。さらに各半導体パワーモジュールに対し入力制御信号と入力設定信号とを出力する制御手段を備えたため、各半導体パワーモジュールに、異常時に印加される電圧が低減でき、安価で耐電圧の低い半導体素子を使用でき、装置の損失も低減できる。
【0030】
またこの発明に係る請求項2記載の電力変換装置は、請求項1において、各半導体パワーモジュール内の異常検出手段は、スイッチング半導体素子における主電極の間を流れる過電流を検出する過電流検出手段、上記スイッチング半導体素子の過温度を検出する過熱検出手段、上記スイッチング半導体素子の短絡電流を検出する短絡電流検出手段、あるいは制御回路に供給される電源電圧が所定値よりも低下したことを検出する制御電源電圧低下検出手段のいずれかまたはこれらの組み合わせで構成されるため、半導体パワーモジュールの異常を信頼性良く検出できる。
【0031】
またこの発明に係る請求項3記載の電力変換装置は、請求項1または2において、制御手段から第1〜第4の各半導体パワーモジュールに対し出力される入力設定信号により、上記第1および第4の半導体パワーモジュールについては常に第1のモードに、上記第2の半導体パワーモジュールについては、上記第1の半導体パワーモジュールが遮断時は第1のモード、導通時は第2のモードに、上記第3の半導体パワーモジュールについては、上記第4の半導体パワーモジュールが遮断時は第1のモード、導通時は第2のモードに、設定して、上記第2の半導体パワーモジュールが遮断時は、常に上記第1の半導体パワーモジュールも遮断し、上記第3の半導体パワーモジュールが遮断時は、常に上記第4の半導体パワーモジュールも遮断するため、第2または第3の半導体パワーモジュールに、異常時に印加される電圧が低減でき、安価で耐電圧の低い半導体素子を使用でき、装置の損失も低減できる。
【0032】
またこの発明に係る請求項4記載の電力変換装置は、請求項3において、第1の半導体パワーモジュールに入力される第1の入力制御信号と上記第1の半導体パワーモジュールから出力される第1の異常検出信号とを受信し、これらの信号に応じて第2の半導体パワーモジュールへの第2の入力設定信号を送信する第1の送信手段と、第2の半導体パワーモジュールから出力される第2の異常検出信号を受信して第1の半導体パワーモジュールへの第1の入力制御信号を送信する第2の送信手段と、第4の半導体パワーモジュールに入力される第4の入力制御信号と上記第4の半導体パワーモジュールから出力される第4の異常検出信号とを受信し、これらの信号に応じて第3の半導体パワーモジュールへの第3の入力設定信号を送信する第3の送信手段と、第3の半導体パワーモジュールから出力される第3の異常検出信号を受信して第4の半導体パワーモジュールへの第4の入力制御信号を送信する第4の送信手段とを、制御手段に備えたため、第1、第2の半導体パワーモジュール間、および第3、第4の半導体パワーモジュール間において、信号の伝達が効果的に行えて、第2または第3の半導体パワーモジュールに、異常時に印加される電圧が制御性良く低減できる。
【0033】
またこの発明に係る請求項5記載の電力変換装置は、請求項4において、第1の半導体パワーモジュールが正常時であって、第1の入力制御信号がオンのとき、第1の送信手段は、第2のモードを設定する第2の入力設定信号を第2の半導体パワーモジュールに送信し、第2のモードに設定された該第2の半導体パワーモジュールが第2の異常検出信号を出力したとき、第2の送信手段が、上記第1の半導体パワーモジュールに送信する上記第1の入力制御信号をオフとする第1の手順と、この第1の入力制御信号を受信した上記第1の送信手段が、第1のモードを設定する第2の入力設定信号を上記第2の半導体パワーモジュールに送信する第2の手順とにより、異常検出された上記第2の半導体パワーモジュールは、上記第1の半導体パワーモジュールが遮断された後、第1のモードに設定されて遮断され、第4の半導体パワーモジュールが正常時であって、第4の入力制御信号がオンのとき、第3の送信手段は、第2のモードを設定する第3の入力設定信号を第3の半導体パワーモジュールに送信し、第2のモードに設定された該第3の半導体パワーモジュールが第3の異常検出信号を出力したとき、第4の送信手段が、上記第4の半導体パワーモジュールに送信する上記第4の入力制御信号をオフとする第3の手順と、この第4の入力制御信号を受信した上記第3の送信手段が、第1のモードを設定する第3の入力設定信号を上記第3の半導体パワーモジュールに送信する第4の手順とにより、異常検出された上記第3の半導体パワーモジュールは、上記第4の半導体パワーモジュールが遮断された後、第1のモードに設定されて遮断されるため、第1、第2の半導体パワーモジュールが導通時に、第2の半導体パワーモジュールが先に異常を検出した場合、および第3、第4の半導体パワーモジュールが導通時に、第3の半導体パワーモジュールが先に異常を検出した場合に、第2、第3の半導体パワーモジュールに印加される電圧が制御性良く低減できる。
【0034】
またこの発明に係る請求項6記載の電力変換装置は、請求項5において、第1の送信手段および第3の送信手段に遅延回路を設けたため、第2、第3の半導体パワーモジュールに異常時に印加される電圧の低減効果が確実で信頼性良く得られる。
【図面の簡単な説明】
【図1】 この発明の実施の形態1による半導体パワーモジュールの構成図である。
【図2】 この発明の実施の形態1による3レベルインバータの回路構成図である。
【図3】 この発明の実施の形態1による3レベルインバータの動作説明図である。
【図4】 この発明の実施の形態1による3レベルインバータの動作を説明するタイミングチャートである。
【図5】 従来の半導体パワーモジュールの構成図である。
【図6】 従来の3レベルインバータの回路構成図である。
【図7】 従来の3レベルインバータの動作説明図である。
【符号の説明】
31 半導体パワーモジュールとしてのIPM、
33 スイッチング半導体素子としてのIGBT、34 フライホイールダイオード、
35 コレクタ端子、36 エミッタ端子、38 制御回路としての駆動回路、
39 駆動制御信号としてのゲート駆動信号GP、41 過電流検出回路、
42 短絡電流検出回路、43 制御電源電圧低下検出回路、44 過熱検出回路、
45 エラー信号出力回路、46 保護モード選択回路、
47 異常検出手段としての異常検出回路、50 3レベルインバータ、
60(61a,61a,62a,62b) 制御手段としての制御回路、
63a,63b AND回路、64a,64b OR回路、65a,65b OR回路、
66a,66b AND回路、67a,67b 遅延回路、
CI 入力制御信号としてのゲート信号、FO 異常検出信号としてのエラー信号、
S1〜S4 第1〜第4のステップ信号、
ST 入力設定信号としての保護モード設定信号、
X1〜X4 第1〜第4の半導体パワーモジュールとしての第1〜第4のIPM。
Claims (6)
- 高電位側直流母線と低電位側直流母線との間に、直列に接続された第1〜第4の4個の半導体パワーモジュールを有して3レベルインバータ装置を構成する電力変換装置において、
上記各半導体パワーモジュールが、制御電極に入力される駆動制御信号に応答して1対の主電極の間を導通または遮断し、フライホイールダイオードが逆並列に接続されたスイッチング半導体素子と、外部から入力される入力制御信号に応答して上記駆動制御信号を出力する制御回路と、上記スイッチング半導体素子または上記制御回路における異常を検出する異常検出手段とを備えると共に、外部から入力される入力設定信号により設定される第1、第2の2種の動作モードを有し、上記第1のモードでは、上記異常検出手段による異常検出時に、外部に異常検出信号を出力すると共に、上記入力制御信号に係わらず上記駆動制御信号を”L”として上記スイッチング半導体素子を遮断し、異常が検出されない時(以下、正常時と称す)に、上記入力制御信号に応じた上記駆動制御信号により上記スイッチング半導体素子を導通/遮断し、上記第2のモードでは、常に上記入力制御信号に応じた上記駆動制御信号により上記スイッチング半導体素子を導通/遮断し、上記異常検出手段による異常検出時に、外部に異常検出信号を出力するものであり、
上記第1〜第4の各半導体パワーモジュールに対し上記入力制御信号と上記入力設定信号とを出力する制御手段を備えたことを特徴とする電力変換装置。 - 上記各半導体パワーモジュール内の異常検出手段は、スイッチング半導体素子における主電極の間を流れる過電流を検出する過電流検出手段、上記スイッチング半導体素子の過温度を検出する過熱検出手段、上記スイッチング半導体素子の短絡電流を検出する短絡電流検出手段、あるいは制御回路に供給される電源電圧が所定値よりも低下したことを検出する制御電源電圧低下検出手段のいずれかまたはこれらの組み合わせで構成されることを特徴とする請求項1記載の電力変換装置。
- 制御手段から第1〜第4の各半導体パワーモジュールに対し出力される入力設定信号により、上記第1および第4の半導体パワーモジュールについては常に第1のモードに、上記第2の半導体パワーモジュールについては、上記第1の半導体パワーモジュールが遮断時は第1のモード、導通時は第2のモードに、上記第3の半導体パワーモジュールについては、上記第4の半導体パワーモジュールが遮断時は第1のモード、導通時は第2のモードに、設定して、上記第2の半導体パワーモジュールが遮断時は、常に上記第1の半導体パワーモジュールも遮断し、上記第3の半導体パワーモジュールが遮断時は、常に上記第4の半導体パワーモジュールも遮断することを特徴とする請求項1または2記載の電力変換装置。
- 第1の半導体パワーモジュールに入力される第1の入力制御信号と上記第1の半導体パワーモジュールから出力される第1の異常検出信号とを受信し、これらの信号に応じて第2の半導体パワーモジュールへの第2の入力設定信号を送信する第1の送信手段と、第2の半導体パワーモジュールから出力される第2の異常検出信号を受信して第1の半導体パワーモジュールへの第1の入力制御信号を送信する第2の送信手段と、第4の半導体パワーモジュールに入力される第4の入力制御信号と上記第4の半導体パワーモジュールから出力される第4の異常検出信号とを受信し、これらの信号に応じて第3の半導体パワーモジュールへの第3の入力設定信号を送信する第3の送信手段と、第3の半導体パワーモジュールから出力される第3の異常検出信号を受信して第4の半導体パワーモジュールへの第4の入力制御信号を送信する第4の送信手段とを、制御手段に備えたことを特徴とする請求項3記載の電力変換装置。
- 第1の半導体パワーモジュールが正常時であって、第1の入力制御信号がオン(半導体パワーモジュールを導通するための信号状態)のとき、第1の送信手段は、第2のモードを設定する第2の入力設定信号を第2の半導体パワーモジュールに送信し、第2のモードに設定された該第2の半導体パワーモジュールが第2の異常検出信号を出力したとき、第2の送信手段が、上記第1の半導体パワーモジュールに送信する上記第1の入力制御信号をオフ(半導体パワーモジュールを遮断するための信号状態)とする第1の手順と、この第1の入力制御信号を受信した上記第1の送信手段が、第1のモードを設定する第2の入力設定信号を上記第2の半導体パワーモジュールに送信する第2の手順とにより、異常検出された上記第2の半導体パワーモジュールは、上記第1の半導体パワーモジュールが遮断された後、第1のモードに設定されて遮断され、
第4の半導体パワーモジュールが正常時であって、第4の入力制御信号がオンのとき、第3の送信手段は、第2のモードを設定する第3の入力設定信号を第3の半導体パワーモジュールに送信し、第2のモードに設定された該第3の半導体パワーモジュールが第3の異常検出信号を出力したとき、第4の送信手段が、上記第4の半導体パワーモジュールに送信する上記第4の入力制御信号をオフとする第3の手順と、この第4の入力制御信号を受信した上記第3の送信手段が、第1のモードを設定する第3の入力設定信号を上記第3の半導体パワーモジュールに送信する第4の手順とにより、異常検出された上記第3の半導体パワーモジュールは、上記第4の半導体パワーモジュールが遮断された後、第1のモードに設定されて遮断されることを特徴とする請求項4記載の電力変換装置。 - 第1の送信手段および第3の送信手段に遅延回路を設けたことを特徴とする請求項5記載の電力変換装置。
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