JP4942804B2 - 半導体電力変換装置 - Google Patents

Description

本発明は、半導体電力変換装置に関するものであり、特に、装置内で用いられる半導体スイッチ素子の動作状態を外部へ伝送する機能の改善に関する。

従来から、半導体電力変換装置において、その装置内で用いられる半導体スイッチ素子の過電流などの異常状態の有無を、外部の別な装置へ通知するものが広く用いられている（例えば、特許文献１参照）。

このような従来の半導体電力変換装置では、半導体スイッチ素子の破損を未然に防止するために、半導体スイッチ素子の動作状態を監視している。そして、異常状態を検出すると、半導体スイッチ素子のスイッチングを停止し、スイッチオフ状態に保持するとともに、異常状態の発生を外部装置へ知らせる。異常状態としては、例えば、次の３つが挙げられる。
（１）短絡電流（ＳＣ：Ｓｈｏｒｔ Ｃｕｒｒｅｎｔ）
（２）ゲート駆動電圧低下（ＵＶ：Ｕｎｄｅｒ Ｖｏｌｔａｇｅ）
（３）過熱（Ｏｖｅｒ Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ）

半導体スイッチ素子のスイッチング動作に際して、半導体スイッチ素子のチップが発熱して温度が上昇する要因としては、次のような事象が挙げられる。
・スイッチオン状態で電流が導通時に電流導通路の抵抗成分によって発生する損失（導通損）
・スイッチオフ状態からスイッチオン状態への遷移時（ターンオン）、あるいはスイッチオン状態からスイッチオフ状態への遷移時（ターンオフ）に発生する損失（スイッチング損）
このような事象により、過度に温度が上昇して高温となると、半導体スイッチ素子は、破損してしまう。

短絡電流、ゲート駆動電圧低下は、いずれも半導体スイッチ素子の温度上昇につながる異常状態である。また、過熱は、温度上昇による異常状態そのものである。短絡電流に起因する半導体スイッチ素子の温度上昇は、反応の速い事象である。このため、短絡電流の異常検出は、過熱による異常検出とは別に設けられている。また、異常状態から正常状態への回復を、半導体電力変換装置の動作を指示する外部装置によって判断、制御可能なように、半導体電力変換装置内には、異常要因に対応して異常検出回路が備えられている。

このような従来技術による半導体電力変換装置を、図９を用いて説明する。図９は、従来の半導体電力変換装置２００の構成図である。この図９における従来の半導体電力変換装置２００内の変換主回路１１０は、半導体スイッチ素子１ａ、１ｂと逆並列に接続されたフライホイールダイオード２ａ、２ｂを単位として、２つを直列接続した１つのアームとして構成されている場合を例示している。

アームの下側（下アーム側）は、半導体スイッチ素子１ａとフライホイールダイオード２ａが逆並列に接続されている。一方、アームの上側（上アーム側）は、半導体スイッチ素子１ｂとフライホイールダイオード２ｂが逆並列に接続されている。ここで、図９においては、半導体スイッチ素子１ａ、１ｂとして、ＩＧＢＴ（Ｉｎｓｕｌａｔｅｄ Ｇａｔｅ Ｂｉｐｏｌａｒ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）を適用した場合を表記している。

半導体スイッチ素子１ａのエミッタＥｍは、図示されていない高電圧電源の低電位ノードＮに接続されている。また、半導体スイッチ素子１ｂのコレクタＣは、高電圧電源の高電位ノードＰに接続されている。半導体スイッチ素子１ａのコレクタＣは、半導体スイッチ素子１ｂのエミッタＥｍと接続されており、その接続点は、中間ノードＡとして、図示されていない電気負荷に接続されている。この電気負荷は、また、高電位ノードＰ、低電位ノードＮの何れか、または両方にも接続されている。

下アーム側の半導体スイッチ素子１ａに関わる従来技術の構成、動作と、上アーム側の半導体スイッチ素子１ｂに関わる従来技術の構成、動作は、相似である。従って、ここでは、まず、下アーム側の半導体スイッチ素子１ａに関わる構成、動作について説明する。

半導体スイッチ素子１ａのスイッチオン、スイッチオフは、図示されていない外部装置から伝送されるゲートＰＷＭ（Ｐｕｌｓｅ Ｗｉｄｔｈ Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ）信号の指示によって切り替わる。この外部装置は、半導体スイッチ素子１ａのゲートＰＷＭ信号を、絶縁素子６を介して駆動回路部５へ伝送する。ゲートＰＷＭ信号は、駆動回路部５内でゲートスイッチング処理手段５１を経て、ゲート駆動アンプ５２へ伝達される。この結果、半導体スイッチ素子１ａのゲート電極Ｇに印加する電圧を切り替えることで、スイッチングが行われる。

続いて、短絡電流（ＳＣ）、ゲート駆動電圧低下（ＵＶ）、過熱（ＯＴ）の各異常状態の検出と、図示されていない外部装置への各異常状態の通知に関して説明する。

（１）短絡電流（ＳＣ）に関する異常状態検出について
短絡電流は、主セルと副セルに所定の比率で割り振られた半導体スイッチ素子のチップの内、副セル側に流れる電流が所定閾値を超えた場合として検出される。図９の半導体スイッチ素子１ａ、１ｂにおいては、主セルに対応するエミッタを主エミッタＥｍで示し、副セルに対応するエミッタをセンスエミッタＥｓで示している。

副セルに流れる電流量の情報は、センスエミッタＥｓに接続されたセンス電流検出回路４１内のセンス抵抗４１１の両端電圧の信号として、異常検出回路４２へ入力される。次に、異常検出回路４２内のコンパレータで、両端電圧信号と短絡電流異常判定閾電圧とが大小比較される。そして、センス抵抗４１１の両端電圧信号が、短絡電流異常判定閾電圧を上回る場合に、短絡電流（ＳＣ）異常が発生したことが検出される。

（２）過熱（ＯＴ）に関する異常状態検出について
過熱は、半導体スイッチ素子１ａのチップの近傍、あるいは、チップ構成面に形成される温度検出用ダイオード３ａに基づいて行われる。温度検出用ダイオードは、所定の順バイアス電流を流しているという状態の下で、そのＰＮ接合部の温度によって、アノードＡｔ−カソードＫｔ間の電圧ＶＦが変化するという性質を持つ。

チップ温度検出回路４３は、温度検出用ダイオード３ａのＰＮ接合部温度をＡｔ−Ｋｔ間電圧ＶＦとして検出した上で、この電圧ＶＦを異常検出回路４２へ出力する。異常検出回路４２は、内部のコンパレータで、電圧ＶＦと過熱異常判定閾電圧との大小比較を行う。そして、電圧ＶＦが過熱異常判定閾電圧を上回る場合に、過熱（ＯＴ）異常が発生したことが検出される。

（３）ゲート駆動電圧低下（ＵＶ）に関する異常状態検出について
ゲート駆動電圧低下の検出は、異常検出回路４２内のコンパレータで、ゲート駆動電圧低下異常判定閾電圧と異常検出回路４２の電源電圧ＶＣＬとを大小比較することで行われる。電源電圧ＶＣＬは、ゲート駆動アンプ５２が出力するゲート信号のハイ電圧と等しく、電源電圧ＶＣＬを監視することは、半導体スイッチ素子１ａのゲート駆動電圧を監視することとなる。

以上のようにして、異常検出回路４２でいずれかの異常が検出された場合には、駆動回路部５内のゲートスイッチング処理手段５１は、この情報に基づき、次のような動作をする。すなわち、ゲートスイッチング処理手段５１は、絶縁素子６から伝送されるゲートＰＷＭ信号がスイッチオン指示状態であるか、スイッチオフ指示状態であるかに関わらず、スイッチオフ状態となるように設定する。この結果、半導体スイッチ素子１ａは、スイッチオフとなる。

また、異常検出回路４２で検出された異常検出信号は、絶縁素子７を介して外部装置へ通知される。これは、異常なし状態での信号論理１（例えば、ハイ電圧＝ＶＣＬ）を信号論理０（例えば、ロー電圧＝ＶＮＬ）へ切り替え、別な基準電位を持つ外部装置の電圧信号として異常検出の有無を信号論理の１、０の状態にて通知するものである。

さらに、半導体スイッチ素子の温度を外部装置に伝送する技術も、従来技術として開示されており、図９を参照して、この従来技術について説明する。上述したように、過熱異常の検出に際して、チップ温度検出回路４３は、温度検出用ダイオード３ａのＡｔ−Ｋｔ間電圧ＶＦを検出する。チップ温度信号生成部４４は、電圧ＶＦをパルス幅変調（ＰＷＭ）し、絶縁素子８を介して別な基準電位を持つ外部装置へ伝送する。

半導体スイッチ素子の温度の高低は、パルス幅変調信号の一周期に占める信号論理１と信号論理０の時間比率として表されている。そして、外部装置側には、半導体スイッチ素子１ａの温度とＡｔ−Ｋｔ間電圧ＶＦとの関係、及び、電圧ＶＦと半導体スイッチ素子温度情報の矩形波信号パルス幅との関係が、あらかじめ定められて記録されている。そして、外部装置は、矩形波のパルス幅を計測し、記録されている相互関係に基づいて、計測された矩形波のパルス幅を半導体スイッチ素子の温度として復号する。

以上説明した従来技術の構成、動作、作用は、下アーム側の半導体スイッチ素子１ａに関わるものであったが、同様の構成、動作、作用は、上アーム側の半導体スイッチ素子１ｂに関しても該当する。ただし、半導体スイッチ素子１ｂに関する場合には、異常検出通知手段４、駆動回路部５、及び、絶縁素子６、７、８の半導体スイッチ素子１ｂ寄りの基準電位は、半導体スイッチ素子１ｂのエミッタＥｍの電位ＶＮＨであり、電源電圧は、ＶＣＨに置き換わる。一方、絶縁素子６、７、８の、図示されていない外部装置寄りの基準電位は、下アーム側の半導体スイッチ素子１ａに関わる説明と同じである。

特開２００８−２７０５４８号公報

しかしながら、従来の半導体電力変換装置では、半導体スイッチ素子の異常状態の有無、あるいは、半導体スイッチ素子の温度を外部装置に通知する場合に、それぞれ、個別の絶縁素子を介して情報を伝送する必要があった。このため、ゲートＰＷＭ信号の伝送に用いるものを含めると、半導体スイッチ素子１つにつき、３個の絶縁素子が必要となってしまう。

半導体電力変換装置が三相のインバータである場合には、少なくとも３つのアームを構成する６個の半導体スイッチ素子を有することとなる。従って、この場合には、合計１８個の絶縁素子が必要となる。このため、装置が高コストとなる、あるいは、絶縁素子の実装スペースによって装置が大型化するといった問題が生じていた。

また、絶縁素子としてフォトカプラを用いる場合には、他の電子回路部品と比較して相対的に故障率が高く、耐用年数が短いなどといった弱点を持つ。このような弱点は、特に、自動車向けなど、フォトカプラの温度が１００℃以上の高温に達する使われ方となる半導体電力変換装置にあっては、大きな問題となる。

一方で、絶縁素子の使用数量を低減するには、半導体スイッチ素子の温度情報の外部装置への通知本数を減らすことも考えられる。この場合には、温度非検出相の半導体スイッチ素子の過熱破壊を予防すべく、半導体スイッチ素子の導通電流量が相対的に低くなるよう、半導体電力変換装置の取り扱い電力の上限を制限するなどの別途の対策を施すことにつながる。しかしながら、このような対策は、容積、重量あたりの取り扱い電力量を向上したいという要望に対して、相反することとなる。

本発明は、以上の課題を解決するためになされたものであり、半導体電力変換装置に用いられる半導体スイッチ素子の動作状態の情報を外部装置へ伝送するにあたって、情報の数を減らすことなく絶縁素子の使用個数を低減し、装置の小型化と低コスト化、及び、故障率の低減を実現する半導体電力変換装置を得ることを目的とする。

本発明に係る半導体電力変換装置は、異なる基準電位に基づいてスイッチング動作を行う半導体スイッチ素子を２個以上直列接続して構成され、半導体スイッチ素子のそれぞれのスイッチオン状態とスイッチオフ状態を切替えて電力変換を行う半導体電力変換装置であって、異なる基準電位に対応するそれぞれの半導体スイッチ素子の異常検出要因および所定の物理量を状態検知情報として検知し、基準電位が異なる外部装置へ伝送するために個別に設けられた情報伝送回路部を備え、情報伝送回路部のそれぞれは、検知した状態検知情報に応じて、異常検出要因および所定の物理量を識別可能な二値論理信号を生成し、生成した二値論理信号を単一の絶縁素子を介して外部装置へ伝送するものである。

本発明に係る半導体電力変換装置によれば、検知した状態検知情報に応じて、異常検出要因および所定の物理量を識別可能な二値論理信号を生成し、生成した二値論理信号を単一の絶縁素子を介して外部装置へ伝送することにより、半導体電力変換装置に用いられる半導体スイッチ素子の動作状態の情報を外部装置へ伝送するにあたって、情報の数を減らすことなく絶縁素子の使用個数を低減し、装置の小型化と低コスト化、及び、故障率の低減を実現する半導体電力変換装置を得ることができる。

本発明の実施の形態１における半導体電力変換装置の構成図である。 本発明の実施の形態１における符号化伝送部で生成される二値論理信号の概略の説明図である。 本発明の実施の形態１の図２に示した二値論理信号における、各データの詳細な波形図である。 本発明の実施の形態１における二値論理信号のパルス幅と異常検出要因との関係を示す説明図である。 本発明の実施の形態１における二値論理信号のパルス幅と各物理量との関係を示す説明図である。 本発明の実施の形態２における半導体電力変換装置が外部装置へ伝送する二値論理信号のデータフレームの波形説明図である。 本発明の実施の形態２における二値論理信号のパルス幅とデータ種類との関係を示す説明図である。 本発明の実施の形態３における三相インバータとなる半導体電力変換装置１００の構成図である。 従来の半導体電力変換装置２００の構成図である。

以下、本発明の半導体電力変換装置の好適な実施の形態につき図面を用いて説明する。

実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１における半導体電力変換装置の構成図である。図１において、変換主回路１１０は、半導体スイッチ素子１ａ、１ｂと逆並列（電流導通の順方向が相互に異なる状態での並列）に接続されたフライホイールダイオード２ａ、２ｂを単位として、２つを直列接続した１つのアームとして構成されている。

直列接続体の下側（下アーム側）は、半導体スイッチ素子１ａとフライホイールダイオード２ａが逆並列に接続されている。一方、直列接続体の上側（上アーム側）は、半導体スイッチ素子１ｂとフライホイールダイオード２ｂが逆並列に接続されている。ここで、図１においては、半導体スイッチ素子１ａ、２ａとして、ＩＧＢＴを適用した場合を表記している。

半導体スイッチ素子１ａのエミッタＥｍは、図示されていない高電圧電源の低電位ノードＮに接続されている。また、半導体スイッチ素子１ｂのコレクタＣは、高電圧電源の高電位ノードＰに接続されている。半導体スイッチ素子１ａのコレクタＣは、半導体スイッチ素子１ｂのエミッタＥｍと接続されており、その接続点は、中間ノードＡとして、図示されていない電気負荷に接続されている。この電気負荷は、また、高電位ノードＰ、低電位ノードＮの何れか、または両方にも接続されている。

そして、半導体スイッチ１ａ、１ｂがスイッチングを行うことによって、中間ノードＡの電位が高電位ノードＰ、低電位ノードＮのいずれかの電位に一致する。このため、スイッチングによって高電位ノードＰから低電位ノードＮまでの電圧範囲で、中間ノードＡの電圧を時間平均的に調整することで、電気負荷への印加電圧を調整できる。

ここで、本発明の半導体スイッチ素子のスイッチング、異常検出、状態の検出と外部装置への情報伝送の動作、作用は、上アーム側半導体スイッチ素子、下アーム側半導体スイッチ素子双方が、各動作回路の基準電位と電源電圧が異なることを除いて同様の動作、作用となる。そこで、下アーム側の半導体スイッチ素子１ａに関わる部分を代表として説明する。

半導体スイッチ素子１ａのスイッチオン、スイッチオフは、図示されていない外部装置から伝送されるゲートＰＷＭ信号の指示によって切り替わる。この外部装置は、半導体スイッチ素子１ａのゲートＰＷＭ信号を、基準電位をＶｓｅｃｕとする矩形波信号として絶縁素子６へ出力する。絶縁素子６は、半導体スイッチ素子１ａのエミッタＥｍの電位ＶＮＬを基準として、ゲートＰＷＭ信号を駆動回路部５へ伝送する。

駆動回路部５内では、ゲートスイッチング処理手段５１を経てゲート駆動アンプ５２へゲートＰＷＭ信号が伝達される。そして、ゲート駆動アンプ５２は、半導体スイッチ素子１ａのスイッチオンの場合には、ハイ電圧ＶＣＬとして、スイッチオフの場合には、ロー電圧ＶＮＬとして、ゲート電極Ｇに印加する電圧を切替えてスイッチングを行う。

続いて、短絡電流（ＳＣ）、ゲート駆動電圧低下（ＵＶ）、過熱（ＯＴ）の各異常状態の検出と、図示されていない外部装置への各異常状態の情報伝送に関して説明する。

（１）短絡電流（ＳＣ）に関する異常状態検出について
短絡電流異常の検出のため、例えば、半導体スイッチ素子のチップを構成するセルを主セルと副セルに所定の比率で割り振り、主セルには電力変換用の主回路電流を導通し、副セルには電流量検出用のセンス電流を導通させるマルチエミッタ方式のチップを用いて、電流を検出するものがある。セルは、それぞれがスイッチング動作を行う微細な素子の最小単位であり、チップは、多数のセルによって構成されている。

図１に示す半導体スイッチ素子１ａ、１ｂは、上述したように、チップを構成するセルが主セルと副セルに分かれている。そして、主セルに対応するエミッタを主エミッタＥｍで示し、副セルに対応するエミッタをセンスエミッタＥｓで示している。

半導体スイッチ素子１ａのセンスエミッタＥｓと主エミッタＥｍとは、状態検知情報伝送回路部４ｂ内のセンス電流検出回路４１に備わるセンス抵抗４１１を介して接続されている。そして、センスエミッタＥｓから流れ出た電流は、センス抵抗４１１を通って、主エミッタＥｍから流れ出た電流と合流する。主セルと副セルの各セル数を所定の比率で割り振っていることから、主エミッタＥｍを流れる電流の量とセンスエミッタＥｓを流れる電流の量もこの所定の比率となる。

センス抵抗４１１の両端電圧は、センス抵抗４１１の抵抗値とセンスエミッタＥｓを流れる電流量の積である。このため、センス電流検出回路４１でセンス抵抗４１１の両端電圧を計測することで、電力変換用の主回路電流として半導体スイッチ素子１ａを流れる電流量を計測できる。このセンス抵抗４１１の両端電圧は、異常検出回路４２内のコンパレータで短絡電流異常判定閾電圧と大小比較される。そして、センス抵抗４１１の両端電圧が、短絡電流異常判定閾電圧を上回る場合に、短絡電流（ＳＣ）異常が発生したことが検出される。

（２）過熱（ＯＴ）に関する異常状態検出について
過熱の検出は、半導体スイッチ素子１ａのチップの近傍、あるいは、チップ構成面に形成される温度検出用ダイオード３ａに基づいて行われる。この検出は、温度検出用ダイオードの電極のアノードＡｔとカソードＫｔの間の電圧ＶＦが、ダイオード３ａのＰＮ接合部分の温度によって変化することを利用している。

具体的には、チップ温度検出回路４３にて、半導体スイッチ素子１ａのチップから伝熱し同程度の温度となっている温度検出用ダイオード３ａのＰＮ接合部温度を、Ａｔ−Ｋｔ間電圧ＶＦとして検出する。そして、異常検出回路４２内のコンパレータで、検出したＡｔ−Ｋｔ間電圧ＶＦと過熱異常判定閾電圧との大小比較を行う。この結果、電圧ＶＦが過熱異常判定閾電圧を上回る場合に、半導体スイッチ素子の過熱（ＯＴ）異常が発生したことが検出される。

（３）ゲート駆動電圧低下（ＵＶ）に関する異常状態検出について
ゲート駆動電圧低下の検出は、異常検出回路４２内のコンパレータで、ゲート駆動電圧低下異常判定閾電圧と異常検出回路４２の電源電圧ＶＣＬとを大小比較することで行われる。電源電圧ＶＣＬは、ゲート駆動アンプ５２が出力するゲート信号のハイ電圧と等しく、電源電圧ＶＣＬを監視することは、半導体スイッチ素子１ａのゲート駆動電圧を監視することとなる。

以上のようにして、異常検出回路４２でいずれかの異常が検出された場合には、駆動回路部５内のゲートスイッチング処理手段５１は、この情報に基づき、次のような動作をする。すなわち、ゲートスイッチング処理手段５１は、絶縁素子６から伝送されるゲートＰＷＭ信号がスイッチオン指示状態であるか、スイッチオフ指示状態であるかに関わらず、スイッチオフ状態となるように設定する。この結果、半導体スイッチ素子１ａは、スイッチオフとなる。

また、これと同時に、異常検出の有無と異常検出有り時の検出要因が、符号化伝送部４９へ出力される。

続いて、チップ温度検出回路４３が検出した温度検出用ダイオード３ａのＡｔ−Ｋｔ間電圧ＶＦは、チップ温度信号生成部４５に送られる。そして、チップ温度信号生成部４５は、キャリア波生成手段４７からの第一キャリア波４７１とＡｔ−Ｋｔ間電圧ＶＦとを突き合わせて大小比較を行う。さらに、チップ温度信号生成部４５は、比較結果をパルス幅変調し、論理１と論理０の二値論理信号の矩形波として、符号化伝送部４９へ出力する。

また、センス電流検出回路４１で計測された半導体スイッチ素子１ａの電流量は、チップ電流信号生成部４６に送られる。そして、チップ電流信号生成部４６は、キャリア波生成手段４７からの第一キャリア波４７１と半導体スイッチ素子１ａの電流量とを突き合わせて大小比較を行う。さらに、チップ電流信号生成部４６は、比較結果をパルス幅変調し、論理１と論理０の二値論理信号の矩形波として、符号化伝送部４９へ出力する。

また、異常検出回路４２内の電源電圧ＶＣＬは、半導体スイッチ素子１ａのゲート駆動電圧として、ゲート駆動電圧信号生成部４８に送られる。そして、ゲート駆動電圧信号生成部４８は、同様に、第一キャリア波４７１と電源電圧ＶＣＬとを突き合わせて大小比較を行う。さらに、ゲート駆動電圧信号生成部４８は、比較結果をパルス幅変調し、論理１と論理０の二値論理信号の矩形波として、符号化伝送部４９へ出力する。

次に、符号化伝送部４９は、以下の４つの信号入力に基づいて、外部装置へ情報伝送する二値論理信号を生成し、絶縁素子７ｂへ出力する。これらの入力信号１〜４が、状態検知情報に相当する。また、入力信号１が、半導体スイッチ素子の異常検出要因に関する情報に相当し、入力信号２〜４が、半導体スイッチ素子の所定の物理量に関する情報に相当する。
入力信号１：異常検出回路４２からの異常検出の有無と、異常検出有り時の検出要因の情報
入力信号２：チップ温度信号生成部４５からのチップ温度のパルス幅変調信号
入力信号３：チップ電流信号生成部４６からの半導体スイッチ素子の電流量（チップ電流量）のパルス幅変調信号
入力信号４：ゲート駆動電圧信号生成部４８からのゲート駆動電圧量のパルス幅変調信号

ここで、符号化伝送部４９が外部装置へ出力する二値論理信号について、詳細に説明する。図２は、本発明の実施の形態１における符号化伝送部４９で生成される二値論理信号の概略の説明図である。当該信号は、時間ΔＴを送信データの更新周期としており、時間ΔＴごとに、１つの状態検知情報に対応した１つのデータフレームを送信する。図２において、最初のデータフレームは、時刻ｔ０からｔ１の間に送信され、２番目のデータフレームは、時刻ｔ１からｔ２の間に送信される。以下、同様に連続して、データは送信される。

各データフレームは、識別符号部とデータ本体とで構成されている。なお、本実施の形態１では、識別符号部が先に、データ本体が後に構成される場合を示している。識別符号部は、最初のデータフレームにおいては、時刻ｔ０から時刻ｔ０ｓまでの時間Δｓを占めており、２番目のデータフレームにおいては、時刻ｔ１からｔ１ｓまでの時間Δｓを占めている。

図３は、本発明の実施の形態１の図２に示した二値論理信号における、各データの詳細な波形図である。具体的には、（ａ）は異常検出信号、（ｂ）はチップ温度信号、（ｃ）はチップ電流信号、（ｄ）はゲート駆動電圧信号のそれぞれの二値論理信号の詳細を示している。各波形は、二値論理信号であり、信号は、論理１と論理０のいずれかの状態をとる。

図３（ａ）から（ｄ）の各信号波形にて、時刻ｔｕから時刻ｔｕ＋１までの時間が、データフレームの一単位である。また、時刻ｔｕから時刻ｔｕ＿ｓまでの時間Δｓが、識別符号部であり、時刻ｔｕ＿ｄからｔｕ＋１までの時間Δｃが、フレーム間分離部である。そして、残る時刻ｔｕ＿ｓから時刻ｔｕ＿ｄまでの時間が、データ本体のパルス幅変調信号のパルス幅調整範囲となり、この時間内の何れかのタイミングで、信号は、論理１から論理０へ変化する。

図３（ａ）から（ｄ）の波形で、識別符号部は、時刻ｔｕからの時間Δｓに含まれる矩形状パルスの数により、当該データフレームが何のデータであるかを示している。すなわち、この識別符号部は、伝送される状態検知情報の属性を識別するために用いられる。図３においては、（ａ）の異常検出信号ではパルス数は２、（ｂ）のチップ温度信号ではパルス数は３、（ｃ）のチップ電流信号ではパルス数は４、そして、（ｄ）のゲート駆動電圧信号ではパルス数は５として、それぞれ対応付けされている。

外部装置側は、識別符号部のパルス数を数えることで、当該フレームのデータが何のデータであるか（すなわち、当該フレームの属性）を判別することができる。なお、識別符号部の伝送開始タイミングとなる時刻ｔｕは、少なくともフレーム間分離部に該当する時間Δｃ以上の期間で信号論理が０であった後に、信号の論理が０から１に立上がったことに基づいて識別可能である。

一方、各データ本体のパルス幅変調信号は、下限パルス幅が時刻ｔｕから時刻ｔｕ＿ｓまでの時間Δｓ、上限パルス幅が時刻ｔｕから時刻ｔｕ＿ｄまでの時間（ΔＴ−Δｃ）の範囲内でパルス幅が調整される。なお、ここでの「パルス幅」とは、時刻ｔｕを起点として、データ本体内で、信号論理が１から０に立下がるまでの時間を意味している。そして、このデータ本体は、伝送される状態検知情報の属性に応じた内容を識別するために用いられる。図３（ａ）から図３（ｄ）の信号波形と、各信号のデータ本体のパルス幅との関係は、以下のようになる。

まず始めに、図３（ａ）の異常検出信号におけるデータ本体のパルス幅について説明する。図４は、本発明の実施の形態１における二値論理信号のパルス幅と異常検出要因との関係を示す説明図である。図３（ａ）の異常検出信号のデータ本体のパルス幅Δｔ＿ｆａと異常検出要因との関係は、図４のように表すことができる。図４において、横軸は、データ本体のパルス幅、縦軸は、対応する異常検出要因を示している。

以下の４種の異常検出要因を識別するために、パルス幅の範囲がそれぞれ割り当てられている。
（１）パルス幅がΔｓからΔｔｈ１の場合 ：短絡電流有り
（２）パルス幅がΔｔｈ１からΔｔｈ２の場合 ：過熱有り
（３）パルス幅がΔｔｈ２からΔｔｈ３の場合 ：ゲート駆動電圧低下有り
（４）パルス幅がΔｔｈ３から（ΔＴ−Δｃ）の場合：予備（その他要因有り）

従って、異常検出信号のデータ本体のパルス幅は、各区分領域ごとの代表として、ΔｓからΔｔｈ１の間ではΔｔ＿ｆａ１を、Δｔｈ１からΔｔｈ２の間ではΔｔ＿ｆａ２を、Δｔｈ３からΔｔｈ４の間ではΔｔ＿ｆａ３を、Δｔｈ３から（ΔＴ−Δｃ）の間ではΔｔ＿ｆａ４が設定される（図３（ａ）、図４参照）。

このように、符号化伝送部４９は、外部装置へ異常検出信号を出力する場合には、識別符号部のパルス数を２に設定し、データ本体のパルス幅を、異常検出要因に対応して、Δｔ＿ｆａ１、Δｔ＿ｆａ２、Δｔ＿ｆａ３、Δｔ＿ｆａ４のいずれかに設定することとなる。

なお、ここでは、いずれか１つの異常検出要因が検出された場合の識別方法を示している。しかしながら、データ本体のパルス幅と異常検出要因の対応付けにおいて、異常が複数生じている場合も考慮してパルス幅をあらかじめ割り当てておけば、異常検出要因が複数である場合も識別が可能となる。

次に、図３（ｂ）のチップ温度信号、（ｃ）のチップ電流信号、（ｄ）のゲート駆動電圧信号の各物理量におけるデータ本体のパルス幅について説明する。図５は、本発明の実施の形態１における二値論理信号のパルス幅と各物理量との関係を示す説明図である。図３（ｂ）のチップ温度信号のデータ本体のパルス幅Δｔ＿ｆｂとチップ温度Ｔｊとの関係は、図５（ａ）のように表される。図５（ａ）において、横軸は、データ本体のパルス幅Δｔ＿ｆｂ、縦軸は、対応するチップ温度Ｔｊを示している。

パルス幅がΔｓの場合は、チップ温度が最低値Ｔｊ＿ｍｉｎに対応しており、パルス幅が（ΔＴ−Δｃ）の場合は、チップ温度が最高値Ｔｊ＿ｍａｘに対応している。そして、パルス幅Δｓから（ΔＴ−Δｃ）の間は、単調増加でチップ温度Ｔｊ＿ｍｉｎからＴｊ＿ｍａｘに対応するものとしている。

また、図３（ｃ）のチップ電流信号のデータ本体のパルス幅Δｔ＿ｆｃとチップ電流Ｉｃｅとの関係は、図５（ｂ）のように表される。図５（ｂ）において、横軸は、データ本体のパルス幅Δｔ＿ｆｃ、縦軸は、対応するチップ電流Ｉｃｅを示している。

パルス幅がΔｓの場合は、チップ電流がゼロに対応しており、パルス幅が（ΔＴ−Δｃ）の場合は、チップ電流が最大値Ｉｃｅ＿ｍａｘに対応している。そして、パルス幅Δｓから（ΔＴ−Δｃ）の間は、単調増加でチップ電流ゼロからＩｃｅ＿ｍａｘに対応するものとしている。

同様に、図３（ｄ）のゲート駆動電圧信号のデータ本体のパルス幅Δｔ＿ｆｄとゲート駆動電圧Ｖｇとの関係は、図５（ｃ）のように表される。図５（ｃ）において、横軸は、データ本体のパルス幅Δｔ＿ｆｄ、縦軸は、対応するゲート駆動電圧Ｖｇを示している。

パルス幅がΔｓの場合は、ゲート駆動電圧が最小値Ｖｇ＿ｍｉｎに対応しており、パルス幅が（ΔＴ−Δｃ）の場合は、ゲート駆動電圧が最大値Ｖｇ＿ｍａｘに対応している。そして、パルス幅Δｓから（ΔＴ−Δｃ）の間は、単調増加でゲート駆動電圧Ｖｇ＿ｍｉｎからＶｇ＿ｍａｘに対応するものとしている。

符号化伝送部４９が外部装置へ出力する二値論理信号は、以上に説明したように、フレームの属性を示すための識別符号部と、その属性に応じたデータ内容の詳細を示すためのデータ本体とから構成された形態となる。

なお、チップ温度信号はチップ温度信号生成部４５で、チップ電流信号はチップ電流信号生成部４６で、ゲート駆動電圧信号はゲート駆動電圧信号生成部４８で、それぞれ同一のキャリア波であるキャリア波生成手段４７の第一キャリア波４７１と突き合わせて大小比較が行われ、パルス幅変調される（図１参照）。このため、各信号のパルス幅の起点となる時刻ｔｕは、キャリア波生成手段４７の働きにより、同期することとなる。

また、キャリア波生成手段４７からは第二キャリア波４７２が符号化伝送部４９へ出力される。この第二キャリア波４７２は、第一キャリア波４７１と同期した信号であり、識別符号部の矩形状パルス信号のキャリア波となる。

さらに、この第二キャリア波４７２は、第一キャリア波４７１の開始タイミングｐｔｕ（＝三角波状に示される第一キャリア波４７１の谷部分であり、図１参照）からΔｓの区間で、識別符号部で表現される最大数の矩形状パルスを持ち、Δｓの区間を経た後は、論理０となる信号である。

図１に示したように、符号化伝送部４９には、以下の５つの信号が入力されることとなる。
入力信号１：異常検出回路４２からの異常検出の有無と、異常検出有り時の検出要因の情報
入力信号２：チップ温度信号生成部４５からのチップ温度のパルス幅変調信号
入力信号３：チップ電流信号生成部４６からの半導体スイッチ素子の電流量（チップ電流量）のパルス幅変調信号
入力信号４：ゲート駆動電圧信号生成部４８からのゲート駆動電圧量のパルス幅変調信号
入力信号５：キャリア波生成手段４７からの第一キャリア波４７１、および第二キャリア波４７２

符号化伝送部４９は、入力信号１（異常検出回路４２からの異常検出の有無と異常検出有り時の検出要因の情報）および第一キャリア波４７１に基づいて、先の図４に従ったパルス幅変調信号を生成する。すなわち、符号化伝送部４９は、異常検出要因が短絡電流の場合は、パルス幅Δｔ＿ｆａ１、過熱の場合は、パルス幅Δｔ＿ｆａ２、ゲート駆動電圧低下の場合は、パルス幅Δｔ＿ｆａ３、その他の要因の場合は、パルス幅Δｔ＿ｆａ３として、パルス幅変調信号を生成する。

次に、符号化伝送部４９は、外部装置へ次周期に送出するデータ（異常検出要因あるいは所定の物理量）を選定し、選定データの波形を生成する。この際、符号化伝送部４９は、まず、第二キャリア波４７２に対して選定データの識別符号部の矩形状パルス数と一致する数までのパルスを通過させ、これ以降の信号論理を０とすることで、識別符号部の信号を生成する。すなわち、例えば、チップ温度信号のデータ波形を生成するには、第二キャリア波４７２の先頭から３つの矩形状パルスを通過させ、４番目以降のパルスは通過させずに信号論理を０とする。

また、同時に、符号化伝送部４９は、第一キャリア波４７１の開始タイミングｐｔｕから時間Δｓの区間においては、選定データのデータ本体として該当するデータのパルス幅変調信号と、上記の識別符号部の信号との間で論理積をとったものを出力する。さらに、符号化伝送部４９は、時間Δｓ経過後、時間ΔＴまでは、当該パルス幅変調信号そのものを出力して、二値論理のデータ波形を生成する。

なお、符号化伝送部４９が外部装置へ伝送する二値論理信号のデータの選定は、半導体電力変換装置の仕様に応じて様々に設定され得る。例えば、データ更新の優先順が異常検出、チップ電流、チップ温度、及び、ゲート駆動電圧の順であった場合を想定すると、次のような設定が考えられる。
・送信データとしてチップ電流を毎周期送信しつつも、異常を検出した場合には次タイミングの送信データを異常検出信号とする。
・また、チップ電流よりも変化速度が遅い信号であるチップ温度、ゲート駆動電圧については、値の変化が有った場合にのみデータを送信する。あるいは、チップ電流データを所定の回数だけ送信した後に、チップ温度、ゲート駆動電圧のデータを送信する。

以上の内容をまとめると、本実施の形態１における半導体電力変換装置は、次のような構成および効果を有する。符号化伝送部４９は、二値論理信号を生成する。この二値論理信号は、信号論理０での電位が半導体スイッチ素子１ａのエミッタＥｍの電位ＶＮＬとなる信号である。該二値論理信号は、絶縁素子７ｂを介して別な基準電位ＶＳｅｃｕを持つ外部装置の電圧信号として伝送される。

外部装置側では、上述のように、受信した二値論理信号の符号識別部の矩形状パルス数をカウントして、当該データフレームがどの種類のデータであるかを判別する。次いで、データ本体のパルス幅の計測結果に基づき、先の図４、図５に示すパルス幅とデータの示す内容、物理量との対照関係から、データを復号する。なお、外部装置は、あらかじめ、この図４、図５に示す関係を、テーブル参照データ等の形式で記録している。

外部装置での二値論理信号の復号は、例えば、マイクロプロセッサなどの演算用ＬＳＩにおける信号の立上がり、立下がりの回数を計数するイベントカウンタ機能と、信号の立上がり、立下がりのイベントの発生間隔を計測するイベント間隔計数機能とを用いるなどして実現される。このため、復号にあたっての演算負荷は、少なくて済む。

下アーム側の半導体スイッチ素子１ａに関わる駆動回路部５、状態検知情報伝送回路部４ｂの半導体スイッチ素子のスイッチング、異常検出、状態の検出と外部装置への情報伝送の動作、作用は、基準電位と電源電圧が異なることを除いて、上アーム側の半導体スイッチ素子１ｂに関わる駆動回路部５、状態検知情報伝送回路部４ｂと同様の動作、作用となる。

すなわち、半導体スイッチ素子１ｂのゲートＰＷＭ信号は、基準電位をＶｓｅｃｕとする矩形波信号として上アーム側の絶縁素子６へ出力される。そして、絶縁素子６は、半導体スイッチ素子１ｂのエミッタＥｍの電位ＶＮＨを基準として、ゲートＰＷＭ信号を上アーム側の駆動回路部５へ伝送する。駆動回路部５内のゲート駆動アンプ５２は、半導体スイッチ素子１ｂのスイッチオンの場合にはハイ電圧ＶＣＨとし、スイッチオフの場合にはロー電圧ＶＮＨとして、ゲート電極Ｇに印加する電圧を切替えてスイッチングを行う。

また、上アーム側の状態検知情報伝送回路部４ｂは、半導体スイッチ素子１ｂの異常の検出、チップ温度、チップ電流、ゲート駆動電圧の検出を行う。さらに、上アーム側の状態検知情報伝送回路部４ｂは、下アーム側と同様な識別符号部とデータ本体をデータフレームの一単位とする二値論理信号を生成し、上アーム側の絶縁素子７ｂを介して外部装置へ伝送する。ここで、上アーム側の二値論理信号は、信号論理０での電位が半導体スイッチ素子１ｂのエミッタＥｍの電位ＶＮＨとなる信号である。上アーム側の絶縁素子７ｂから該二値論理信号を入力する外部装置の基準電位は、ＶＳｅｃｕである。

以上のように、実施の形態１によれば、異常検出要因および所定の物理量を、単一の絶縁素子を介して基準電位が異なる外部装置へ、１つの状態検知情報に対応した１つのデータフレームごとに、二値論理信号により伝送する機能を備えている。これにより、従来の半導体電力変換装置と比較して、伝送する情報の種類が増加した場合にも、絶縁素子の使用数量が少なくて済む。この結果、装置価格の上昇、あるいは装置の大型化を避けることができる。

さらに、絶縁素子としてフォトカプラを用いる際に、自動車向けなどフォトカプラの温度が１００℃以上の高温に達する使われ方となった場合にも、フォトカプラの使用数量を少なく抑えることで、半導体電力変換装置自体の故障率を低く抑えることができる。

さらに、半導体電力変換装置から外部装置へ伝送する情報として、従来技術での半導体スイッチ素子の異常検出の有無と半導体スイッチ素子の温度に加えて、さらに、半導体スイッチ素子の異常検出時の検出要因と、半導体スイッチ素子の電流とゲート駆動電圧が追加となる。このため、半導体スイッチ素子の異常によってスイッチオフ状態となった場合にも、情報を受けた外部装置側で、検出要因に応じて、従来よりも適切にゲートＰＷＭ信号を設定することが可能となる。

すなわち、異常発生時に、短絡電流、過熱、ゲート駆動電圧低下の各異常要因と、外部装置が認識している半導体電力変換装置の動作履歴から、従来よりも適切にゲートＰＷＭ信号を設定することが可能となる。具体的には、半導体電力変換装置の動作を停止する、あるいは、取り扱い電力を制限しつつ動作を継続するといった判定を、速く詳細に行い、ゲートＰＷＭ信号に反映して、半導体電力変換装置のスイッチングを制御することができる。

さらに、半導体スイッチ素子の電流とゲート駆動電圧の情報を外部装置に伝送することで、半導体スイッチ素子、および半導体スイッチ素子のゲート電極に印加する電圧信号を処理する駆動回路部の動作を監視し、劣化状況を把握することなどが可能となる。これは、例えば、半導体スイッチ素子のチップを接合、固定するチップ下面のハンダの劣化による接合部の電気抵抗の増加や、駆動回路部でスイッチングの電圧信号のハイ電圧、ロー電圧を生成するアンプ回路のトランジスタの特性劣化などを、他相の半導体スイッチ素子のそれと突き合わせて比較することで、半導体スイッチ素子の劣化状況を把握できる。

このように、半導体スイッチ素子の劣化状況を把握できれば、半導体電力変換装置の設計段階において、半導体スイッチ素子の劣化を認識できない前提に従って、あらかじめ耐久性能に対して余裕（マージン）を持たせた設計を施す必要がない。この結果、半導体電力変換装置のコストを低減し、容積を小型化することが可能となる。

さらに、複数の情報の外部装置への伝送において、識別符号部とデータ本体をデータフレームの一単位として伝送している。このことから、情報を受信する外部装置側では、データフレーム一単位の伝送ごとに１つの情報を復号し、情報を更新可能である。情報更新の最短周期は、データフレーム一単位の送信に要する時間である。

そこで、短周期で更新すべき情報と、長周期での更新でよい情報とを合わせ、短周期で更新すべき情報の伝送の合間に、長周期での更新でよい情報を少ない頻度で挿入して伝送することができる。これにより、情報の更新周期という観点からも、問題なく単一の絶縁素子を介して情報伝送することが可能となる。

さらに、外部装置へ伝送するデータフレームの識別符号部は、所定時間内のパルス信号数として符号化したもので表している。これにより、伝送するデータ種類の識別にマイクロプロセッサなどの演算用ＬＳＩを利用する場合に、信号の立上がり、立下がりの回数を計数するイベントカウンタ機能を用いることができ、演算負荷が少なくて済む。また、電子回路を利用する場合には、復号用の回路の規模が小さくて済むという効果がある。

さらに、外部装置へ伝送する半導体スイッチ素子の異常検出時の検出要因、温度、電流、ゲート駆動電圧は、データフレーム内のデータ本体のパルス幅として表したものである。このため、情報を受信する外部装置側では、絶縁素子からの入力信号処理回路をデータの種別に因らず、共通に適用できる。

さらに、入力信号処理回路へマイクロプロセッサなどの演算用ＬＳＩを利用する場合には、信号の立上がり、立下がりのイベントの発生間隔を計測するイベント間隔計数機能を用いることができ、同様に演算負荷が少なくて済むという効果がある。これは、半導体電力変換装置から情報伝送を受ける外部装置側でも、データの復号に必要な回路規模、演算負荷の増大を抑制することにつながり、サイズの小型化や低コスト化の効果がある。

なお、本実施の形態１では、下アーム側の状態検知情報伝送回路部４ｂから出力される二値論理信号の論理０の電位を、基準電位である半導体スイッチ素子１ａのエミッタＥｍの電位ＶＮＬとし、上アーム側の状態検知情報伝送回路部４ｂから出力される二値論理信号の論理０の電位を、基準電位である半導体スイッチ素子１ｂのエミッタＥｍの電位ＶＮＨとして説明した。しかしながら、本願発明は、必ずしもこの通りでなくともよい。例えば、それぞれの信号論理０と信号論理１の電位が入れ替わり、下アーム側の二値論理信号の論理１の電位がＶＮＬ、上アーム側の二値論理信号の論理１の電位がＶＮＨであってもよい。

実施の形態２．
本実施の形態２では、フレームの属性を識別するための識別符号部の波形が、先の実施の形態１とは異なる場合について説明する。図６は、本発明の実施の形態２における半導体電力変換装置が外部装置へ伝送する二値論理信号のデータフレームの波形説明図である。当該信号は、時間ΔＴを送信データの更新周期としており、時間ΔＴごとに１つのデータフレームを送信する。

先の実施の形態１では、異常検出信号、チップ温度信号、チップ電流信号、ゲート駆動電圧信号のいずれであるかを、送信データの識別符号部における矩形状パルスの数によって識別していた。これに対して、本実施の形態２では、図６に示すように、時刻ｔｕ＿ｒから時刻ｔｕ＿ｓ迄の間を調整範囲とするパルス幅変調信号のパルス幅によって、当該データフレームの属性を識別するものである。すなわち、本実施の形態２における識別符号部は、パルス数の代わりにパルス幅によって、フレームの属性の識別を可能としている。

識別符号部のパルス幅変調信号は、時刻ｔｕを起点とする矩形状パルス２周期を経た後、時刻ｔｕ＿ｒから時刻ｔｕ＿ｓ迄の間で論理０から論理１に立上がる。その後、データ本体のパルス幅を表現するタイミングで、論理１から論理０に立下がる。すなわち、識別符号部のパルス幅変調信号は、データ本体のパルス幅変調信号と一体となった１つの矩形状パルス信号である。

識別符号部のパルス幅変調信号は、時刻ｔｕを起点として、下限が時刻ｔｕから時刻ｔｕ＿ｒまでの時間Δｐ、上限が時刻ｔｕから時刻ｔｕ＿ｓまでの時間Δｓとなる範囲内で論理０から論理１に立上がるタイミングが調整される。

図７は、本発明の実施の形態２における二値論理信号のパルス幅とデータ種類との関係を示す説明図である。識別符号部のパルス幅変調信号の計測時間Δｔ＿ｐと、当該データフレームがどの種類のデータであるかを示す符号の識別との関係は、図７のように表される。図７において、横軸は、識別符号部のパルス幅変調信号の計測時間Δｔ＿ｐ、縦軸は、対応するデータの種類を示している。

以下の４種のデータの属性を識別するために、パルス幅（計測時間Δｔ＿ｐに相当）の範囲がそれぞれ割り当てられている。
（１）計測時間Δｔ＿ｐがΔｐからΔｔｙ１の場合 ：異常検出
（２）計測時間Δｔ＿ｐがΔｔｙ１からΔｔｙ２の場合：チップ温度
（３）計測時間Δｔ＿ｐがΔｔｙ２からΔｔｙ３の場合：チップ電流
（４）計測時間Δｔ＿ｐがΔｔｙ３からΔｓの場合 ：ゲート駆動電圧

従って、識別符号部のパルス幅変調信号の論理０から論理１への立上がりは、計測時間Δｔ＿ｐが各区分領域ごとの代表として、ΔｐからΔｔｙ１の間ではΔｔ＿ｐ１、Δｔｙ１からΔｔｙ２の間ではΔｔ＿ｐ２、Δｔｙ３からΔｔｙ４の間ではΔｔ＿ｐ３、Δｔｙ３からΔｓの間ではΔｔ＿ｐ４となるタイミングに設定される。

このように、符号化伝送部４９は、外部装置への二値論理信号の伝送において、識別符号部のパルス幅変調信号の論理０から論理１への立上がりタイミングを、該データフレームのデータ種類に対応して、時刻ｔｕを起点として時間Δｔ＿ｐ１、Δｔ＿ｐ２、Δｔ＿ｐ３、Δｔ＿ｐ４のいずれかに設定することとなる。

なお、各データ本体のパルス幅変調信号は、先の実施の形態１の場合と同じく、下限パルス幅が時刻ｔｕから時刻ｔｕ＿ｓまでの時間Δｓ、上限パルス幅が時刻ｔｕから時刻ｔｕ＿ｄまでの時間（ΔＴ−Δｃ）の範囲内でパルス幅が調整される。データ本体のパルス幅変調信号のパルス幅と異常検出要因との関係は、先の図４に、チップ温度Ｔｊとの関係は先の図５（ａ）に、チップ電流Ｉｃｅとの関係は先の図５（ｂ）に、ゲート駆動電圧Ｖｇとの関係は先の図５（ｃ）に、それぞれ示されたように、先の実施の形態１と同じである。

次に、本実施の形態２における半導体電力変換装置１００の動作について説明する。本実施の形態２における半導体電力変換装置１００は、先の図１に示した実施の形態１における半導体電力変換装置１００と比較すると、符号化伝送部４９の動作が異なることを除いて。同じである。従って、異なる部分である符号化伝送部４９の動作を中心に説明する。

下アーム側の半導体スイッチ素子１ａに関わる符号化伝送部４９の詳細な動作は、次のようになる。まず、符号化伝送部４９は、外部装置へ次周期に送出するデータ（異常検出要因あるいは所定の物理量）を選定し、選定データの波形を生成する。この際、符号化伝送部４９は、まず、第二キャリア波４７２に対して矩形状パルスを２つ通過させるとともに、送出するデータ種別に応じて時刻ｔ０を起点とする時間Δｔ＿ｐ１、Δｔ＿ｐ２、Δｔ＿ｐ３、Δｔ＿ｐ４の何れかのタイミングで信号を論理０から論理１へ立上げることで、識別符号部の信号を生成する。

その後、符号化伝送部４９は、選定したデータに対応し、時刻ｔｕ＿ｓから時刻ｔｕ＿ｄまでのパルス幅調整時間内で二値論理信号を論理１から論理０へ立下げることで、データ本体部分のパルス幅変調信号を生成する。

以上の内容をまとめると、本実施の形態２における半導体電力変換装置は、次のような構成および効果を有する。符号化伝送部４９は、二値論理信号を生成する。この二値論理信号は、信号論理０での電位が半導体スイッチ素子１ａのエミッタＥｍの電位ＶＮＬとなる信号である。該二値論理信号は、絶縁素子７ｂを介して別な基準電位ＶＳｅｃｕを持つ外部装置の電圧信号として伝送される。

外部装置側では、上述のように、受信した二値論理信号の符号識別部の矩形状パルス２つの入力をもって、データフレームの識別符号部が始まったことを認識し、信号の起点時刻ｔｕを識別する。次いで、信号論理０から論理１への立上がりにて、起点時刻ｔｕからの計測時間Δｔ＿ｐに基づき、先の図７に示すパルス幅とデータの種類との対照関係から、該データフレームが何れのデータであるかを判別する。

その後、信号論理１から論理０への立下がりにて、時刻ｔｕを起点とするデータ本体のパルス幅の計測結果に基づき、先の図４、図５のパルス幅とデータの示す内容、物理量との対照関係から、データを復号する。なお、外部装置は、あらかじめ、この図４、図５に示す関係を、テーブル参照データ等の形式で記録している。

外部装置での二値論理信号の復号は、例えば、マイクロプロセッサなどの演算用ＬＳＩにおける信号の立上がり、立下がりの回数を計数するイベントカウンタ機能と、信号の立上がり、立下がりのイベントの発生間隔を計測するイベント間隔計数機能とを用いるなどして実現される。このため、復号にあたっての演算負荷は、少なくて済む。

下アーム側の半導体スイッチ素子１ａに関わる符号化伝送部４９の動作は、基準電位と電源電圧が異なることを除いて、上アーム側の半導体スイッチ素子１ｂに関わる符号化伝送部４９と同様の動作となる。

以上のように、実施の形態２によれば、先の実施の形態１と同様に、異常検出要因および所定の物理量を、単一の絶縁素子を介して基準電位が異なる外部装置へ、１つの状態検知情報に対応した１つのデータフレームごとに、二値論理信号により伝送する機能を備えている。これにより、先の実施の形態１と同様の効果を得ることができる。

なお、実施の形態２では、外部装置へ伝送するデータフレームの識別符号は、所定時間内のパルス信号幅として符号化したもので表している。これにより、伝送するデータ種類の識別にマイクロプロセッサなどの演算用ＬＳＩを利用する場合に、信号の立上がり、立下がりのイベントの発生間隔を計測するイベント間隔計数機能を用いることができ、演算負荷が少なくて済む。

実施の形態３．
本実施の形態３では、本発明の半導体電力変換装置を、三相インバータに適用する場合について説明する。図８は、本発明の実施の形態３における三相インバータとなる半導体電力変換装置１００の構成図である。図８において、半導体スイッチ素子１ａ、１ｂと逆並列に接続されたフライホイールダイオード２ａ、２ｂを単位として、２つを直列接続したアームとして構成された変換主回路１１０を、それぞれ三相のＵ相、Ｖ相、Ｗ相に対応して、３本を並列に接続している。図８においては、半導体スイッチ素子１ａ、１ｂとして、ＩＧＢＴを適用した場合を表記している。

変換主回路１１０の構成は、三相の各アーム同士で相似で、先の実施の形態１で説明したものと同じ構成である。三相の各アームの上側の半導体スイッチ素子１ｂのコレクタＣは、図示されていない高電圧電源の高電位ノードＰに接続されており、下側の半導体スイッチ素子１ｂのエミッタＥｍは、高電圧電源の低電位ノードＮに接続されている。

Ｖ相アームを見て、上側の半導体スイッチ素子１ｂのエミッタＥｍは、下側の半導体スイッチ素子１ｂのコレクタＣと接続されており、その接続点は、中間ノードＶとして、図示されていない三相電気負荷のＶ相端子に接続されている。同様に、Ｕ相アームの中間ノードＵは、三相電気負荷のＵ相端子に、Ｗ相アームの中間ノードＷは、三相電気負荷のＷ相端子に接続されている。三相電気負荷として、代表的には、三相交流回転機がある。

ここで、三相アームの上側の半導体スイッチ素子１ｂのコレクタＣは、高電圧電源の高電位ノードＰに接続される。しかしながら、変換主回路を装置として配置する場合に、各アームの上側の半導体スイッチ素子１ｂのコレクタＣ間に、物理的な導電経路の距離（導電用のケーブルやバスバーの長さ）を有する。このため、このコレクタＣ間には、微小ながらもインダクタンス成分が生じることとなる（Ｖ相Ｕ相間にＬｓ＿１Ｈ、Ｖ相Ｗ相間にＬｓ＿２Ｈ）。

同様に、各アームの下側の半導体スイッチ素子１ａのエミッタＥｍ間にも、インダクタンス成分が生じる（Ｖ相Ｕ相間にＬｓ＿１Ｌ、Ｖ相Ｗ相間にＬｓ＿２Ｌ）。各半導体スイッチ素子１ａ、１ｂがスイッチングを行うと、電流が断続的に流れる。このことから、この微小なインダクタンス成分に起因して、上側の半導体スイッチ素子１ｂのコレクタＣ同士、および下側の半導体スイッチ素子１ａのエミッタＥｍ同士の電位は、互いに異なるものとなる。

このことから、特に三相の下アーム側の駆動回路部５、状態検知情報伝送回路部４ｂの基準電位は、互いに異なり、Ｕ相がＶＮＵＬ、Ｖ相がＶＮＶＬ、Ｗ相がＶＮＷＬとなる。また、上アーム側の駆動回路部５、状態検知情報伝送回路部４ｂの基準電位は、Ｕ相がＶＮＵＨ、Ｖ相がＶＮＶＨ、Ｗ相がＶＮＷＨとなる。

以上のように、三相各アームに備わる６つの半導体スイッチ素子に対応して、外部装置へ情報伝送を行う場合には、各基準電位が異なる。このため、従来技術を適用した三相インバータでは、それぞれに絶縁素子７ｂを介して伝送する必要があった。これに対して、本発明によれば、異常検出の有無と検出要因、チップ温度、チップ電流、ゲート駆動電圧の情報を、１つの絶縁素子を介して伝送できる。これにより、半導体電力変換装置１００の絶縁素子の使用数量を、効果的に削減できる。

従来技術を適用した三相インバータであれば、異常検出の有無とチップ温度のみを情報伝送する場合でも、合計１８個の絶縁素子が必要となっていた。これに対して、本実施の形態３の半導体電力変換装置は、情報伝送の要素として異常検出要因、チップ電流、ゲート駆動電圧の情報を追加しても、なお、絶縁素子の合計必要数は１２個で済む。よって、半導体電力変換装置の価格を低減し、サイズを小型化するなど、三相インバータにおいても、先の実施の形態１、２と同様の効果を奏することができる。

以上のように、実施の形態３によれば、先の実施の形態１、２で説明した半導体電力変換装置を三相インバータに適用することによっても、同様の効果を得ることができる。

なお、実施の形態１〜３に記載の外部装置へ伝送する二値論理信号の波形は、一例であって、必ずしもこれに限定されない。例えば、データフレームの識別符号部が固定長Δｓではなく、矩形状パルス一周期の周期を変えて（パルス周波数変調によって）、該データフレームがいずれの種類のデータであるかを識別することもできる。また、先の図５に示したデータ本体のパルス幅と、チップ温度、チップ電流、ゲート駆動電圧の物理量との関係も、適宜変更され得る。

１ａ、１ｂ 半導体スイッチ素子、２ａ、２ｂ フライホイールダイオード、３ａ、３ｂ 温度検出用ダイオード、４ｂ 状態検知情報伝送回路部（情報伝送回路部）、４１ センス電流検出回路、４１１ センス抵抗、４２ 異常検出回路、４３ チップ温度検出回路、４５ チップ温度信号生成部、４６ チップ電流信号生成部、４７ キャリア波生成手段、４７１ 第一キャリア波、４７２ 第二キャリア波、４８ ゲート駆動電圧信号生成部、４９ 符号化伝送部、５ 駆動回路部、５１ ゲートスイッチング処理手段、５２ ゲート駆動アンプ、６、７ｂ 絶縁素子、１００ 半導体電力変換装置、１１０ 変換主回路。

Claims (6)

1. 異なる基準電位に基づいてスイッチング動作を行う半導体スイッチ素子を２個以上直列接続して構成され、前記半導体スイッチ素子のそれぞれのスイッチオン状態とスイッチオフ状態を切り替えて電力変換を行う半導体電力変換装置であって、
   前記異なる基準電位に対応するそれぞれの半導体スイッチ素子の異常検出要因および所定の物理量を状態検知情報として検知し、基準電位が異なる外部装置へ伝送するために個別に設けられた情報伝送回路部を備え、
   前記情報伝送回路部のそれぞれは、検知した前記状態検知情報に応じて、前記異常検出要因および前記所定の物理量を識別可能な二値論理信号を生成し、生成した前記二値論理信号を単一の絶縁素子を介して前記外部装置へ伝送する
   ことを特徴とする半導体電力変換装置。
2. 請求項１に記載の半導体電力変換装置において、
   前記情報伝送回路部のそれぞれは、検知した前記状態検知情報ごとに、前記状態検知情報の属性を示す識別符号部と、検知した前記状態検知情報の前記属性に応じた内容を示すデータ本体とから構成されたデータフレームを一単位とする前記二値論理信号を生成し、前記データフレームを一単位ごとに前記外部装置へ伝送する
   ことを特徴とする半導体電力変換装置。
3. 請求項２に記載の半導体電力変換装置において、
   前記情報伝送回路部のそれぞれは、前記状態検知情報の前記属性に対応してあらかじめ規定されたパルス信号数として符号化することで前記識別符号部における二値論理信号を生成する
   ことを特徴とする半導体電力変換装置。
4. 請求項２に記載の半導体電力変換装置において、
   前記情報伝送回路部のそれぞれは、前記状態検知情報の前記属性に対応してあらかじめ規定されたパルス信号幅として符号化することで前記識別符号部における二値論理信号を生成する
   ことを特徴とする半導体電力変換装置。
5. 請求項２ないし４のいずれか１項に記載の半導体電力変換装置において、
   前記情報伝送回路部のそれぞれは、前記状態検知情報の前記内容に対応してあらかじめ規定されたパルス信号幅として符号化することで前記データ本体における二値論理信号を生成する
   ことを特徴とする半導体電力変換装置。
6. 請求項２ないし５のいずれか１項に記載の半導体電力変換装置において、
   前記情報伝送回路部は、前記状態検知情報の前記属性として、異常検出の有無、および前記半導体スイッチ素子の温度、電流、ゲート駆動電圧の各物理量のいずれであるかを識別可能とする前記二値論理信号を生成し、前記状態検知情報の前記内容として、前記異常検出要因の種別、および前記半導体スイッチ素子の前記温度、前記電流、前記ゲート駆動電圧の各物理量の値を識別可能とする前記二値論理信号を生成する
   ことを特徴とする半導体電力変換装置。

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