JP4355873B2 - 電圧電流極性検出装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は電力変換装置に双方向半導体スイッチの両端に印加される電圧の極性および双方向半導体スイッチに流れる電流方向を検出することに関する。
【０００２】
【従来の技術】
電力変換装置、または半導体スイッチ、特に電流が双方向に流せる半導体スイッチ(双方向スイッチと略す)を制御したりあるいは保護するために、双方向スイッチの両端に印加される電圧の極性および双方向スイッチの電流方向を検出する必要がある。図３に４種類の双方向スイッチを示す。一般的に図６に示すような電圧極性検出回路が使用されている。図６において、22は双方向スイッチ、101、102は発光ダイオード、103、104は抵抗である。発光ダイオード101が発光するか発光ダイオード102が発光するかによって双方向スイッチ22の両端の電圧極性を判別する。
しかし、上述の電圧極性検出回路では、双方向スイッチ22の両端に高い電圧がある場合には、抵抗104は高抵抗ではなければならない。抵抗104の抵抗値は高いと、双方向スイッチ22の両端の低電圧極性を検出することができないという問題があった。
そのため、本出願人は双方向スイッチ22の両端の電圧極性の検出について、この電圧が広範囲に変化しても、この電圧が高い時にも低い時にも、この電圧極性を常に検出できる電圧極性検出装置を発明した（特願平１０−１６８１９５号）。図４にこの電圧極性検出装置の回路を示す。図４中符号22は双方向スイッチ、201、202、203、204はダイオード、205、 206、 207、 208、 211、212は抵抗、213、215、216は直流電源、214は比較器である。a、b両端子の電圧極性がx、y両端子の電圧極性と同じで、端子zの電圧レベルよりa、b両端子の電圧極性、すなわち、x、y両端子の電圧極性を検出する。
前記特願平１０−１６８１９５号より図3(d)に示す双方向スイッチの両端子の電圧極性を検出する場合の回路図を図5に示す。この場合には、ダイオード201、202は双方向スイッチのダイオード39、40と共用で、直流電源213、215、216は半導体素子41或いは半導体素子42のゲートドライバ回路の正負直流電源と共用である。
双方向スイッチを持ち、この双方向スイッチの両端に印加される電圧の極性および双方向スイッチの電流方向を検出して双方向スイッチを制御するＰＷＭサイクロコンバータの一例を図７に示す。図において７１〜７９は双方向スイッチ、２５はこれら双方向スイッチを駆動するゲートドライバ回路である。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、ＰＷＭサイクロコンバータの構成（図７）には双方向スイッチ７１〜７９が９個あるが、この双方向スイッチの各々について、スイッチの両端に印加される電圧の極性または電流方向を検出する電圧もしくは電流検出装置が必要である。ところがゲートドライバ回路の直流電源は、半導体素子のエミッタ端子電圧とグランドを接続している。このため前記特願平１０−１６８１９５号では、図3(a)、(b)、(c)に示す双方向スイッチの両端子の電圧極性を検出する場合には、直流電源213、215、216を半導体素子のゲートドライバ回路の直流電源と共用することができないので、別の直流電源が必要のため、スペースがかかり、コストが高くなるという欠点があった。
そこで、本発明は図3(a)、(b)、(c)に示す双方向スイッチの両端子の電圧極性を検出することについて、この電圧が広い範囲に変化しても、この電圧が高い時にも低い時にも、この電圧極性および双方向スイッチの電流方向を検出でき、また半導体素子のゲートドライバ回路の直流電源と共用できる電圧電流極性検出装置を提供することを目的とする。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
上記問題を解決するため、本発明は電流が双方向に流せる半導体スイッチの両端(x、y)に印加される電圧の極性を検出する検出装置において、
負極が端子bに接続される第１の直流電源と、正極が前記端子bに接続される第２の直流電源と、アノードが端子aに接続され、カソードが前記第１の直流電源の正極に接続される第１のダイオードと、カソードが前記端子aに接続され、アノードが前記第２の直流電源の負極に接続される第２のダイオードとからなり特定の両端子(a、b)の間の電圧を制限する電圧制限回路と、
前記電圧制限回路の前記端子(a、b)の少なくとも一方の端子を抵抗と直列に接続して前記半導体スイッチの両端(x、y)と並列に接続すると共に、
前記両端子(a、b)の間の電圧の極性に基づいて、前記半導体スイッチの両端(x、y)に印加される電圧の極性を判別する電圧極性判別回路の両端を前記電圧制限回路の前記両端子(a、b)に接続したことを特徴とするものである。
また、請求項１に記載の発明において前記電圧制限回路の前記第１の直流電源または前記第２の直流電源を前記半導体スイッチのゲートドライバの直流電源と共用することを特徴とするものである。
また、請求項１に記載の発明において電流が双方向に流せる半導体スイッチに流れる電流の方向を検出する検出装置において、前記電圧電流極性検出装置から出力された電圧極性に基づいて前記半導体スイッチに流れる電流の方向を判別することを特徴とするものである。
また、請求項１に記載の発明において前記電圧制限回路の前記第１の直流電源または前記第２の直流電源をＰＷＭサイクロコンバータの主回路半導体スイッチのゲートドライバ回路の直流電源と共用したことを特徴とするものである。
【０００５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図に基づいて説明する。図１は本発明の実施例の回路図である。図１中符号11は双方向スイッチ、x、yは双方向スイッチ11の両端子、35、38はダイオード、36、37は半導体素子である。5は抵抗である。12は電圧制限回路、(a、b)は電圧制限回路12の両端子、1、2は直流電源、3、4はダイオードである。13は電圧極性判別回路、5、6、7は抵抗、8は比較器、9、10は直流電源である。
端子a、b、x、y、zの電位をそれぞれVa、Vb、Vx、Vy、Vzとする。抵抗5の抵抗値はVx、Vyおよびx、y両端子の間の電流の影響が無視できるように高くなければならない。ダイオード3、4の順電圧をそれぞれVF3、VF4とする。ダイオード3、4の逆耐圧はx、y両端子の最大電圧より高いことが必要である。
電圧制限回路12によりa、b両端子の間の電圧(Va-Vb)を(-E2-VF4)と(E1+VF3)の間に制限する。x、y両端子の間の電圧(Vx-Vy)と(Va-Vb)との関係を図２に示す。図２より(Va-Vb)の極性と(Vx-Vy)の極性が同じである。
電圧極性判別回路13により(Va-Vb)の極性を判別できる。つまり、Vzの電位より双方向スイッチ11の両端の電圧極性を判別できる。
【０００６】
直流電源1、9は半導体素子36のゲートドライバ回路の直流正電源と同一の電源でも良い。同様に、直流電源2、10は半導体素子36のゲートドライバ回路の直流負電源と同一の電源でも良い。
また、直流電源1および直流電源2はなくても良いが、少なくても一個はあった方が良い。
【０００７】
図３に示す４種類の双方向スイッチに電流ixy(漏れ電流を除く)が一方向に流れると、双方向スイッチの両端に一定極性の電圧Vxyが存在し、電流ixy(漏れ電流を除く)の方向が逆に変わると、電圧Vxyの極性も逆になる。本発明によって図３に示す４種類の双方向スイッチに流れている電流ixy(漏れ電流を除く)の方向を検出することもできる。
【０００８】
本発明により、図３に示す４種類の双方向スイッチの両端電圧の極性あるいは電流方向を検出できるが、図３(d)の双方向スイッチの場合には、ゲートドライバ回路のグランドと接続される半導体素子のエミッタ端子(x、y)が両端にないので、検出回路の直流電源1、2および9、10は半導体素子のゲートドライバ回路の直流電源と共用できない。図３(a)、(b)、(c)の双方向スイッチの場合には、ゲートドライバ回路のグランドと接続される半導体素子の一方のエミッタ端子が両端(x、y)にあるので、上述ように検出回路の直流電源1、2および9、10は半導体素子のゲートドライバ回路の直流電源と共用できる。
【０００９】
【発明の効果】
以上述べたように、本発明によれば図3(a)、(b)、(c)に示す双方向スイッチの両端子の電圧が広い範囲に変化しても、高い時にも低い時にも、この電圧極性および双方向スイッチの電流方向(漏れ電流を除く)を検出でき、しかも半導体素子のゲートドライバ回路の直流電源を共用できる。したがってその分だけ電力変換装置を小形、軽量、低コストにできる。
特に、ＰＷＭサイクロコンバータに本発明を適用すれば、双方向スイッチング素子の数が９個あり、この分の直流電源を新たに設ける必要がなくなるため、装置の小形・軽量化だけでなく装置全体の信頼性を向上できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の双方向スイッチの両端電圧の極性および電流方向を検出する回路図である。
【図２】双方向スイッチの両端電圧と電圧制限回路の両端電圧との関係図である。
【図３】双方向スイッチの構成図である。
【図４】従来の双方向スイッチの両端電圧の極性および電流方向を検出する回路図である。
【図５】従来の特定な双方向スイッチの両端電圧の極性および電流方向を検出する回路図である。
【図６】従来の半導体スイッチの両端電圧の極性を検出する回路図である。
【図７】双方向スイッチを用いたＰＷＭサイクロコンバータの構成図。
【符号の説明】
1、2、9、10、213、215、216 直流電源
3、4、32、35、38、39、40、203、204 ダイオード
5、6、7、103、104 抵抗
205、206、207、208、211、212 抵抗
8、214 比較器
11、22 双方向スイッチ
12 電圧制限回路
13 電圧極性判別回路
31、36、37、41、42 半導体素子IGBT
33、34 逆耐圧できる半導体素子GTO
101、102 発光ダイオード
a、b、x、y、z 端子
Va、Vb、Vx、Vy、VZ 端子の電位
25 ゲートドライバ
【発明の属する技術分野】
本発明は電力変換装置に双方向半導体スイッチの両端に印加される電圧の極性および双方向半導体スイッチに流れる電流方向を検出することに関する。
【０００２】
【従来の技術】
電力変換装置、または半導体スイッチ、特に電流が双方向に流せる半導体スイッチ(双方向スイッチと略す)を制御したりあるいは保護するために、双方向スイッチの両端に印加される電圧の極性および双方向スイッチの電流方向を検出する必要がある。図３に４種類の双方向スイッチを示す。一般的に図６に示すような電圧極性検出回路が使用されている。図６において、22は双方向スイッチ、101、102は発光ダイオード、103、104は抵抗である。発光ダイオード101が発光するか発光ダイオード102が発光するかによって双方向スイッチ22の両端の電圧極性を判別する。
しかし、上述の電圧極性検出回路では、双方向スイッチ22の両端に高い電圧がある場合には、抵抗104は高抵抗ではなければならない。抵抗104の抵抗値は高いと、双方向スイッチ22の両端の低電圧極性を検出することができないという問題があった。
そのため、本出願人は双方向スイッチ22の両端の電圧極性の検出について、この電圧が広範囲に変化しても、この電圧が高い時にも低い時にも、この電圧極性を常に検出できる電圧極性検出装置を発明した（特願平１０−１６８１９５号）。図４にこの電圧極性検出装置の回路を示す。図４中符号22は双方向スイッチ、201、202、203、204はダイオード、205、 206、 207、 208、 211、212は抵抗、213、215、216は直流電源、214は比較器である。a、b両端子の電圧極性がx、y両端子の電圧極性と同じで、端子zの電圧レベルよりa、b両端子の電圧極性、すなわち、x、y両端子の電圧極性を検出する。
前記特願平１０−１６８１９５号より図3(d)に示す双方向スイッチの両端子の電圧極性を検出する場合の回路図を図5に示す。この場合には、ダイオード201、202は双方向スイッチのダイオード39、40と共用で、直流電源213、215、216は半導体素子41或いは半導体素子42のゲートドライバ回路の正負直流電源と共用である。
双方向スイッチを持ち、この双方向スイッチの両端に印加される電圧の極性および双方向スイッチの電流方向を検出して双方向スイッチを制御するＰＷＭサイクロコンバータの一例を図７に示す。図において７１〜７９は双方向スイッチ、２５はこれら双方向スイッチを駆動するゲートドライバ回路である。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、ＰＷＭサイクロコンバータの構成（図７）には双方向スイッチ７１〜７９が９個あるが、この双方向スイッチの各々について、スイッチの両端に印加される電圧の極性または電流方向を検出する電圧もしくは電流検出装置が必要である。ところがゲートドライバ回路の直流電源は、半導体素子のエミッタ端子電圧とグランドを接続している。このため前記特願平１０−１６８１９５号では、図3(a)、(b)、(c)に示す双方向スイッチの両端子の電圧極性を検出する場合には、直流電源213、215、216を半導体素子のゲートドライバ回路の直流電源と共用することができないので、別の直流電源が必要のため、スペースがかかり、コストが高くなるという欠点があった。
そこで、本発明は図3(a)、(b)、(c)に示す双方向スイッチの両端子の電圧極性を検出することについて、この電圧が広い範囲に変化しても、この電圧が高い時にも低い時にも、この電圧極性および双方向スイッチの電流方向を検出でき、また半導体素子のゲートドライバ回路の直流電源と共用できる電圧電流極性検出装置を提供することを目的とする。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
上記問題を解決するため、本発明は電流が双方向に流せる半導体スイッチの両端(x、y)に印加される電圧の極性を検出する検出装置において、
負極が端子bに接続される第１の直流電源と、正極が前記端子bに接続される第２の直流電源と、アノードが端子aに接続され、カソードが前記第１の直流電源の正極に接続される第１のダイオードと、カソードが前記端子aに接続され、アノードが前記第２の直流電源の負極に接続される第２のダイオードとからなり特定の両端子(a、b)の間の電圧を制限する電圧制限回路と、
前記電圧制限回路の前記端子(a、b)の少なくとも一方の端子を抵抗と直列に接続して前記半導体スイッチの両端(x、y)と並列に接続すると共に、
前記両端子(a、b)の間の電圧の極性に基づいて、前記半導体スイッチの両端(x、y)に印加される電圧の極性を判別する電圧極性判別回路の両端を前記電圧制限回路の前記両端子(a、b)に接続したことを特徴とするものである。
また、請求項１に記載の発明において前記電圧制限回路の前記第１の直流電源または前記第２の直流電源を前記半導体スイッチのゲートドライバの直流電源と共用することを特徴とするものである。
また、請求項１に記載の発明において電流が双方向に流せる半導体スイッチに流れる電流の方向を検出する検出装置において、前記電圧電流極性検出装置から出力された電圧極性に基づいて前記半導体スイッチに流れる電流の方向を判別することを特徴とするものである。
また、請求項１に記載の発明において前記電圧制限回路の前記第１の直流電源または前記第２の直流電源をＰＷＭサイクロコンバータの主回路半導体スイッチのゲートドライバ回路の直流電源と共用したことを特徴とするものである。
【０００５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図に基づいて説明する。図１は本発明の実施例の回路図である。図１中符号11は双方向スイッチ、x、yは双方向スイッチ11の両端子、35、38はダイオード、36、37は半導体素子である。5は抵抗である。12は電圧制限回路、(a、b)は電圧制限回路12の両端子、1、2は直流電源、3、4はダイオードである。13は電圧極性判別回路、5、6、7は抵抗、8は比較器、9、10は直流電源である。
端子a、b、x、y、zの電位をそれぞれVa、Vb、Vx、Vy、Vzとする。抵抗5の抵抗値はVx、Vyおよびx、y両端子の間の電流の影響が無視できるように高くなければならない。ダイオード3、4の順電圧をそれぞれVF3、VF4とする。ダイオード3、4の逆耐圧はx、y両端子の最大電圧より高いことが必要である。
電圧制限回路12によりa、b両端子の間の電圧(Va-Vb)を(-E2-VF4)と(E1+VF3)の間に制限する。x、y両端子の間の電圧(Vx-Vy)と(Va-Vb)との関係を図２に示す。図２より(Va-Vb)の極性と(Vx-Vy)の極性が同じである。
電圧極性判別回路13により(Va-Vb)の極性を判別できる。つまり、Vzの電位より双方向スイッチ11の両端の電圧極性を判別できる。
【０００６】
直流電源1、9は半導体素子36のゲートドライバ回路の直流正電源と同一の電源でも良い。同様に、直流電源2、10は半導体素子36のゲートドライバ回路の直流負電源と同一の電源でも良い。
また、直流電源1および直流電源2はなくても良いが、少なくても一個はあった方が良い。
【０００７】
図３に示す４種類の双方向スイッチに電流ixy(漏れ電流を除く)が一方向に流れると、双方向スイッチの両端に一定極性の電圧Vxyが存在し、電流ixy(漏れ電流を除く)の方向が逆に変わると、電圧Vxyの極性も逆になる。本発明によって図３に示す４種類の双方向スイッチに流れている電流ixy(漏れ電流を除く)の方向を検出することもできる。
【０００８】
本発明により、図３に示す４種類の双方向スイッチの両端電圧の極性あるいは電流方向を検出できるが、図３(d)の双方向スイッチの場合には、ゲートドライバ回路のグランドと接続される半導体素子のエミッタ端子(x、y)が両端にないので、検出回路の直流電源1、2および9、10は半導体素子のゲートドライバ回路の直流電源と共用できない。図３(a)、(b)、(c)の双方向スイッチの場合には、ゲートドライバ回路のグランドと接続される半導体素子の一方のエミッタ端子が両端(x、y)にあるので、上述ように検出回路の直流電源1、2および9、10は半導体素子のゲートドライバ回路の直流電源と共用できる。
【０００９】
【発明の効果】
以上述べたように、本発明によれば図3(a)、(b)、(c)に示す双方向スイッチの両端子の電圧が広い範囲に変化しても、高い時にも低い時にも、この電圧極性および双方向スイッチの電流方向(漏れ電流を除く)を検出でき、しかも半導体素子のゲートドライバ回路の直流電源を共用できる。したがってその分だけ電力変換装置を小形、軽量、低コストにできる。
特に、ＰＷＭサイクロコンバータに本発明を適用すれば、双方向スイッチング素子の数が９個あり、この分の直流電源を新たに設ける必要がなくなるため、装置の小形・軽量化だけでなく装置全体の信頼性を向上できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の双方向スイッチの両端電圧の極性および電流方向を検出する回路図である。
【図２】双方向スイッチの両端電圧と電圧制限回路の両端電圧との関係図である。
【図３】双方向スイッチの構成図である。
【図４】従来の双方向スイッチの両端電圧の極性および電流方向を検出する回路図である。
【図５】従来の特定な双方向スイッチの両端電圧の極性および電流方向を検出する回路図である。
【図６】従来の半導体スイッチの両端電圧の極性を検出する回路図である。
【図７】双方向スイッチを用いたＰＷＭサイクロコンバータの構成図。
【符号の説明】
1、2、9、10、213、215、216 直流電源
3、4、32、35、38、39、40、203、204 ダイオード
5、6、7、103、104 抵抗
205、206、207、208、211、212 抵抗
8、214 比較器
11、22 双方向スイッチ
12 電圧制限回路
13 電圧極性判別回路
31、36、37、41、42 半導体素子IGBT
33、34 逆耐圧できる半導体素子GTO
101、102 発光ダイオード
a、b、x、y、z 端子
Va、Vb、Vx、Vy、VZ 端子の電位
25 ゲートドライバ
Claims (4)
- 電流が双方向に流せる半導体スイッチの両端(x、y)に印加される電圧の極性を検出する検出装置において、
負極が端子bに接続される第１の直流電源と、正極が前記端子bに接続される第２の直流電源と、アノードが端子aに接続され、カソードが前記第１の直流電源の正極に接続される第１のダイオードと、カソードが前記端子aに接続され、アノードが前記第２の直流電源の負極に接続される第２のダイオードとからなり特定の両端子(a、b)の間の電圧を制限する電圧制限回路と、
前記電圧制限回路の前記端子(a、b)の少なくとも一方の端子を抵抗と直列に接続して前記半導体スイッチの両端(x、y)と並列に接続すると共に、
前記両端子(a、b)の間の電圧の極性に基づいて、前記半導体スイッチの両端(x、y)に印加される電圧の極性を判別する電圧極性判別回路の両端を前記電圧制限回路の前記両端子(a、b)に接続したことを特徴とする電圧電流極性検出装置。 - 前記電圧制限回路の前記第１の直流電源または前記第２の直流電源を前記半導体スイッチのゲートドライバの直流電源と共用することを特徴とする請求項１に記載の電圧電流極性検出装置。
- 電流が双方向に流せる半導体スイッチに流れる電流の方向を検出する検出装置において、前記電圧電流極性検出装置から出力された電圧極性に基づいて前記半導体スイッチに流れる電流の方向を判別することを特徴とする請求項１に記載の電圧電流極性検出装置。
- 前記電圧制限回路の前記第１の直流電源または前記第２の直流電源をＰＷＭサイクロコンバータの主回路半導体スイッチのゲートドライバ回路の直流電源と共用したことを特徴とする請求項１に記載の電圧電流極性検出装置。
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1999
- 1999-12-10 JP JP35094599A patent/JP4355873B2/ja not_active Expired - Fee Related
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