JP4396287B2 - 電力制御装置 - Google Patents

Description

本発明は電力制御装置に関し、特に温度上昇に応じて逆阻止電流が増加するスイッチ素子をオンオフさせて電力を操作する電力制御装置に関する。

パワーデバイスの１つとして逆阻止ＩＧＢＴ（Ｉｎｓｕｌａｔｅｄ Ｇａｔｅ Ｂｉｐｏｌａｒ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）が知られている。この逆阻止ＩＧＢＴの特性は、順方向特性がＩＧＢＴと同じく電流のオンオフ状態制御が可能であるの対し、逆方向特性はＩＧＢＴと異なり阻止状態となる。このため、図３に示されているように、逆阻止ＩＧＢＴ５ａ、５ｂを逆並列接続して組合せれば、双方向の電流遮断が可能なスイッチを実現できる。これを電力用半導体素子として用いることにより、一般的なＩＧＢＴについて必須である、逆耐圧を担うダイオードが不要となる。

図４は、電力用半導体素子として逆阻止ＩＧＢＴを用いた場合の単相降圧形交流チョッパ回路の構成図である。同図においては、逆阻止ＩＧＢＴ２４及び２５を逆並列に接続して構成する双方向スイッチＳＷａと、同様に逆阻止ＩＧＢＴ２６及び２７を逆並列に接続して構成する双方向スイッチＳＷｂとが用いられている。そして、双方向スイッチＳＷａが負荷抵抗４９及び負荷リアクトル５０の直列回路５１と直列に接続され、双方向スイッチＳＷｂがその直列回路５１と並列に接続されている。

図５（ａ）及び（ｂ）は、特許文献１に記載されている、単相降圧形交流チョッパ回路の電力用半導体素子のオンオフパルスパターンである。同図（ａ）及び（ｂ）においては、「Ｈ」はゲートオン、「Ｌ」はゲートオフを意味している。
また、図６に示されているように、逆耐圧をもつ自己消弧形半導体スイッチの特性として、スイッチに逆電圧が印加された場合、ゲートに電圧を印加しないと逆漏れ電流が大きくなることが報告されている（特許文献１参照）。同図に示されているように、逆阻止ＩＧＢＴは、ゲートをオフ（０Ｖもしくはそれ以下の電圧をゲートに印加）した状態で逆阻止ＩＧＢＴに逆電圧を印加すると、逆漏れ電流が大きくなるが、ゲートをオン（１５Ｖをゲートに印加）すると逆漏れ電流が小さくなるといった特性がある。なお、逆阻止ＩＧＢＴの逆漏れ電流は、温度の上昇とともに増加するといった特性を持つ。

特許文献１では、図４の単相降圧形交流チョッパ回路において、単相交流電源４８の電圧極性が同図中の矢印Ｙと同一の向きの場合は図５（ａ）のパルスパターンを適用し、矢印Ｙと反対の向きの場合は図５（ｂ）のパルスパターンを適用している。このように制御することで、逆電圧が印加される逆阻止ＩＧＢＴのゲートをオンすることが可能となる。これにより、逆漏れ電流による発生損失を低減できるため、冷却フィン等の冷却装置を小型にできる等といった効果が得られる。

なお、このような従来技術は、単相降圧形交流チョッパ回路だけでなく、例えば、図７に示されているようなマトリックスコンバータ等にも応用できる。同図は、電力用半導体素子として逆阻止ＩＧＢＴを用いたマトリックスコンバータの構成を示す回路図である。同図の回路は、三相交流電源４２の三相出力を、フィルタ回路４１を介して、マトリックスコンバータ４５に与え、電動機４３を駆動する構成である。なお、同図中の一点鎖線で囲まれている部分は、電力用半導体素子である逆阻止ＩＧＢＴに過電圧が印加されるのを抑制するための保護回路４４である。この保護回路４４は、ダイオード２８〜３９、エネルギー吸収回路４０により構成されている。

このようなマトリックスコンバータに代表される直接変換形電力変換回路は、電解コンデンサや直流リアクトルなどで構成される直流平滑回路が不要であり、装置の小型化・低コスト化・長寿命化が可能となる電力制御装置として注目されている。
特開２００３−２３０２７６号公報（図１、図１４）

マトリックスコンバータを構成する全ての電力用半導体素子をオフさせると、電源や負荷の誘導性エネルギーにより電力用半導体素子に過電圧が発生することにより電力用半導体素子が破壊する。そこで、一般には、図７に示されているように、ダイオード２８〜３９、及び、エネルギー吸収回路４０により構成される保護回路４４を、マトリックスコンバータ４５に付加し、逆阻止ＩＧＢＴに過電圧が印加されるのを抑制する。

エネルギー吸収回路４０は、エネルギーを吸収した際、ダイオード２８〜３９の正負極間の電圧が一定となるように制御される。このため、同図中のエネルギー吸収回路４０は、定電圧源として表されている。例えば、電源及び負荷の電流が同図中の破線矢印で示されている経路で流れていた状態で、装置を停止させるために、全ての逆阻止ＩＧＢＴ６〜２３をオフさせると、負荷及び電源の誘導性エネルギーは同図中の破線矢印の経路で流れ、エネルギー吸収回路４０がエネルギーを吸収する。これにより、逆阻止ＩＧＢＴ６〜２３に過電圧が印加されることが防止される。

同図に示されている例の場合、負荷及び電源のエネルギーが全てエネルギー吸収回路４０で吸収されるまで、同図中の破線矢印の経路で電流が流れ続ける。このとき、例えば、逆阻止ＩＧＢＴ７には、同図中の破線の経路で逆電圧が印加され続けることになる。
ここで、従来の技術では、通常の運転時においてのみ、逆電圧が印加された素子のゲートをオンすることが可能であり、先述の例のように、装置を停止させる場合においては、逆電圧が印加された素子のゲートはオフ状態となる。このオフ状態では、０Ｖもしくはそれ以下の電圧がゲートに印加される。この場合、先述したように逆阻止ＩＧＢＴの逆漏れ電流は、温度の上昇とともに増加する特性があることから、逆漏れ電流の熱暴走が始まり、最終的には逆阻止ＩＧＢＴの破壊に至る。したがって、このような従来技術を採用する場合には、逆阻止ＩＧＢＴの温度上昇を抑制するために冷却フィン等の冷却装置を大型にする必要が生じ、電力制御装置全体の小型化や低価格化の妨げになる。

また、素子に印加される電圧極性を判別し、逆電圧が印加された素子のゲートをオンさせるような回路を素子毎に設け、逆漏れ電流の増加を防止することも考えられる。しかしながら、その場合もやはり低価格化の妨げとなり、また、回路構成が複雑になり装置の小型化の妨げにもなる。
本発明は上述した従来技術の問題を解決するためになされたものであり、その目的は温度上昇を抑制するための冷却装置を大型にする必要がなく、回路構成が複雑でなく低価格化を実現できる電力制御装置を提供することである。

本発明の請求項１による電力制御装置は、温度上昇に応じて逆阻止電流が増加する逆阻止スイッチ素子をオンオフさせて電力を操作する電力制御装置であって、自装置の停止の際に、前記逆阻止スイッチ素子のゲート電圧を、０Ｖより大きくかつ該逆阻止スイッチ素子がオンするしきい値電圧未満の電圧とする駆動手段を含むことを特徴とする。このように構成すれば、温度上昇に応じて逆阻止電流が増加する逆阻止スイッチ素子を用いた場合でも、装置を停止させる場合において、そのスイッチ素子をオフさせる際に、逆漏れ電流を容易に低減することができ、逆漏れ電流の熱暴走を防止できる。

本発明の請求項２による電力制御装置は、請求項１において、自装置の運転状態において、
前記逆阻止スイッチ素子をオンさせるときに該逆阻止スイッチ素子のゲート電圧を、該逆阻止スイッチ素子がオンするしきい値電圧以上の電圧とし、
該逆阻止スイッチ素子をオフさせるときに該逆阻止スイッチ素子のゲート電圧を、０Ｖ以下の電圧とする他の駆動手段を更に含むことを特徴とする。このように構成すれば、自装置の通常運転時には、ＩＧＢＴ等の逆阻止スイッチ素子をオンオフ制御できる。
本発明の請求項３による電力制御装置は、請求項１又は２において、前記逆阻止スイッチ素子は、逆阻止ＩＧＢＴであることを特徴とする。逆阻止スイッチ素子の１つである逆阻止ＩＧＢＴを用いた電力制御装置について本発明を適用でき、その逆漏れ電流を容易に低減することができ、逆漏れ電流の熱暴走を防止できる。

本発明によれば、特に装置停止時等において、逆阻止ＩＧＢＴ等の逆阻止スイッチ素子の逆漏れ電流を容易に低減することができ、逆漏れ電流の熱暴走を防止できることから、冷却フィン等の冷却装置を大型化させる必要がなくなるという効果がある。また、スイッチ素子毎に印加電圧の極性を判別する回路が不要になることから、装置の小型化、低価格化が可能となるという効果がある。

以下、本発明の実施の形態を、図面を参照して説明する。なお、以下の説明において参照する各図では、他の図と同等部分は同一符号によって示されている。
図１は、本発明の実施の一形態による電力制御装置の主要部の構成を示すブロック図である。同図は、スイッチ素子として逆阻止ＩＧＢＴ５を用いた場合の駆動回路部分を示したものである。

同図において、本実施形態の電力制御装置は、通常の運転時のオンオフ信号を出力する機能と停止信号を出力する機能とを備えた制御回路３と、装置の通常の運転時に逆阻止ＩＧＢＴ５を駆動するためのゲート駆動回路１と、装置の停止の際に逆阻止ＩＧＢＴ５をオフさせるためのゲート駆動回路２と、逆阻止ＩＧＢＴ５を駆動するゲート駆動回路を、通常運転時及び停止時に応じて切り替える切り替えスイッチ４とを含んで構成されている。ゲート駆動回路１及び２、制御回路３、並びに、切り替えスイッチ４は、電力制御装置に用いられる各逆阻止ＩＧＢＴに対応して設けられ、対応する逆阻止ＩＧＢＴのゲートを駆動制御する。

装置の通常の運転時に用いられるゲート駆動回路１は、例えば逆阻止ＩＧＢＴ５をオンさせる場合は、逆阻止ＩＧＢＴのしきい値電圧以上の電圧（例えば、＋１５Ｖ）を出力し、逆阻止ＩＧＢＴ５をオフさせる場合は、０Ｖ（もしくはそれ以下の電圧）を出力する機能を備えている。一方、装置の停止の際に用いられるゲート駆動回路２は、０Ｖ以上でかつ逆阻止ＩＧＢＴ５がオンするしきい値電圧未満の電圧を出力する機能を備えている。

先述したように逆阻止ＩＧＢＴは、その構造上、逆漏れ電流を低減するには、逆阻止ＩＧＢＴがオンするしきい値未満の正の電圧をゲートに印加しても、逆漏れ電流の低減には効果がある。図２には、逆阻止ＩＧＢＴのゲート電圧に応じた漏れ電流の特性例が示されている。同図に示されているように、逆バイアス状態において、ゲート電圧を０Ｖ、３Ｖ、１５Ｖとした場合、逆漏れ電流は、同図に示されている特性となる。

以上のような構成において、通常の運転時においては、逆阻止ＩＧＢＴ５をオンさせるときはしきい値以上の電圧（例えば１５Ｖ）をゲートに印加し、オフさせるときは０Ｖ（もしくはそれ以下の電圧）を逆阻止ＩＧＢＴ５のゲートに電圧を印加する。また、停止時においては、逆阻止ＩＧＢＴ５のゲートに０Ｖより大きくかつ逆阻止ＩＧＢＴ５のしきい値電圧未満の電圧を印加することで逆阻止ＩＧＢＴ５をオフさせる。
以上のように制御することで、逆阻止ＩＧＢＴ５の逆漏れ電流を容易に低減することができ、逆漏れ電流の熱暴走を防止できる。
なお、以上は、スイッチ素子として逆阻止ＩＧＢＴを用いた場合について説明したが、それに限らず温度上昇に応じて逆阻止電流が増加する逆阻止スイッチ素子について本発明を適用できることは明白である。

本発明によれば、特に装置停止時等において、逆阻止スイッチ素子の逆漏れ電流を容易に低減することができ、逆漏れ電流の熱暴走を防止できることから、冷却フィン等の冷却装置を大型化させる必要がなくなる、あるいは、素子毎に印加電圧の極性を判別する回路が不要になることから、装置の小型化、低価格化が可能となる。

本発明の実施の一形態による電力制御装置の構成例を示すブロック図である。 逆阻止ＩＧＢＴのゲート電圧が漏れ電流に及ぼす影響を示す特性図である。 逆阻止ＩＧＢＴを用いた双方向スイッチの構成を示す図である。 単相降圧形交流チョッパ回路を示す構成図である。 図４の単相降圧形交流チョッパ回路の電力用半導体素子のオンオフパルスパターンを示す図であり、（ａ）は電圧極性が図４中の矢印Ｙと同一向きの場合のパルスパターン、（ｂ）は電圧極性が図４中の矢印Ｙと反対向きの場合のパルスパターンである。 逆阻止ＩＧＢＴの漏れ電流を示す特性図である。 逆阻止ＩＧＢＴを用いたマトリックスコンバータの構成例を示す回路図である。

符号の説明

１、２ ゲート駆動回路
３ 制御回路
４ 切り替えスイッチ
５、５ａ、５ｂ、６〜２７ 逆阻止ＩＧＢＴ
２８〜３９ ダイオード
４０ エネルギー吸収回路
４４ 保護回路
４５ マトリックスコンバータ
４８ 単相交流電源
４９ 負荷抵抗
５０ 負荷リアクトル
５１ 直列回路
ＳＷａ、ＳＷｂ 双方向スイッチ

Claims (3)

1. 温度上昇に応じて逆阻止電流が増加する逆阻止スイッチ素子をオンオフさせて電力を操作する電力制御装置であって、自装置の停止の際に、前記逆阻止スイッチ素子のゲート電圧を、０Ｖより大きくかつ該逆阻止スイッチ素子がオンするしきい値電圧未満の電圧とする駆動手段を含むことを特徴とする電力制御装置。
2. 自装置の運転状態において、
   前記逆阻止スイッチ素子をオンさせるときに該逆阻止スイッチ素子のゲート電圧を、該逆阻止スイッチ素子がオンするしきい値電圧以上の電圧とし、
   該逆阻止スイッチ素子をオフさせるときに該逆阻止スイッチ素子のゲート電圧を、０Ｖ以下の電圧とする他の駆動手段を更に含むことを特徴とする請求項１記載の電力制御装置。
3. 前記逆阻止スイッチ素子は、逆阻止ＩＧＢＴであることを特徴とする請求項１又は２記載の電力制御装置。

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