JP5294950B2 - Power conversion apparatus and abnormality detection method thereof - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、素子の制御入力に加える電圧により導通状態を制御できる、電圧駆動型半導体素子を複数使用して電力変換を行う電力変換装置に関わり、特に電圧駆動型半導体素子の異常を検出する手段を備えた電力変換装置及びその異常検出方法に関する。 The present invention relates to a power conversion apparatus that performs power conversion by using a plurality of voltage-driven semiconductor elements, which can control a conduction state by a voltage applied to an element control input, and in particular, means for detecting an abnormality in a voltage-driven semiconductor element The present invention relates to a power conversion device including the above and an abnormality detection method thereof.
電圧駆動型半導体素子の代表的なものに絶縁ゲートバイポーラトランジスタ(Insulated Gate Bipolar Transistor:IGBTと略称)があり、電力変換装置に広く使用されている。以後、本明細書では、電圧駆動型半導体素子全般を指す言葉としてIGBTを用い、説明を行う。 A typical voltage-driven semiconductor element is an insulated gate bipolar transistor (IGBT), which is widely used in power conversion devices. Hereinafter, in this specification, description will be made using IGBT as a term indicating all voltage-driven semiconductor elements.
電力変換装置の保護として、電力変換装置の負荷短絡などにより発生する過電流を検出し、IGBT自身により過電流を遮断して保護する方式が広く行われている。例えば、過大電流時の飽和電圧上昇をIGBTのコレクタ電圧から検出し、ゲート電圧を低下させて過電流をIGBT自身により遮断して保護するものがある。また、IGBT内に専用の電流検出用エミッタ電極を設けて過電流を検出し、ゲート電圧を低下させて過電流をIGBT自身により遮断して保護するものもある。 As a protection for the power conversion device, a method of detecting an overcurrent caused by a load short circuit of the power conversion device and blocking and protecting the overcurrent with the IGBT itself is widely used. For example, there is one that detects an increase in saturation voltage at the time of an excessive current from the collector voltage of the IGBT, reduces the gate voltage, cuts off the overcurrent by the IGBT itself, and protects it. Also, there is a type in which a dedicated current detection emitter electrode is provided in the IGBT to detect overcurrent, and the gate voltage is lowered to cut off and protect the overcurrent by the IGBT itself.
ところが、飽和電圧上昇を検出する方式では、過大電流が流れないとコレクタ電圧が上昇しないため、必然的に検出が遅れてしまう。また、高圧のコレクタ電圧をゲート駆動回路に接続するので、回路構成が複雑になるとともに、IGBTのオン・オフ動作により急激に変動するコレクタ電圧を用いるために誤動作する場合もあった。一方、電流検出用エミッタ電極を設ける方式は、IGBTの回路自体に電極を設ける必要があり、汎用品のIGBTを用いる電力変換装置では用いることができない。 However, in the method of detecting an increase in saturation voltage, the collector voltage does not increase unless an excessive current flows, so that detection is inevitably delayed. In addition, since a high-voltage collector voltage is connected to the gate drive circuit, the circuit configuration becomes complicated, and a malfunction may occur due to the use of a collector voltage that varies abruptly due to the on / off operation of the IGBT. On the other hand, the method of providing a current detection emitter electrode requires an electrode to be provided on the IGBT circuit itself, and cannot be used in a power conversion device using a general-purpose IGBT.
特許文献1には、絶縁ゲート型半導体素子のゲート電流を検出し、ゲート電流の立ち上がり信号からオン相当の時間を求め、当該時間をゲート指令信号と比較して両者の不一致を検出することで素子の故障を速やかに検出する絶縁ゲート型半導体素子の故障検出方法の例についての開示がある。
In
ところで、従来の方式では、いずれもIGBT自身で過電流を遮断する方式のために、IGBT自体の故障などにより電流遮断機能が失われた場合には、保護できないという問題があった。更に、ゲート駆動回路の誤動作、故障などにより、IGBTに対して誤ったオン・オフ制御が行われた場合にも保護できない問題があった。 By the way, in all the conventional systems, there is a problem that protection is not possible when the current interrupting function is lost due to a failure of the IGBT itself or the like because the IGBT itself interrupts the overcurrent. Furthermore, there has been a problem that protection cannot be performed even when the IGBT is erroneously turned on / off due to malfunction or failure of the gate drive circuit.
一方、複数のIGBTで構成される電力変換装置では、1つのIGBT素子の電流遮断失敗が他のIGBT素子の過電流の原因となり、複数のIGBT素子の破損へと波及する問題があった。 On the other hand, in a power conversion device composed of a plurality of IGBTs, there has been a problem that a current interruption failure of one IGBT element causes an overcurrent of another IGBT element and spills over to damage of the plurality of IGBT elements.
本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、複数のIGBT素子で構成される電力変換装置において、ゲート駆動回路の異常及びIGBT素子の異常を確実に検出して保護を行うことにより、1つのIGBT素子の故障が他のIGBT素子の破損へと波及することを防止する保護機能を備えた、電力変換装置を提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of the above circumstances, and in a power conversion device composed of a plurality of IGBT elements, it is possible to reliably detect and protect an abnormality of a gate drive circuit and an abnormality of an IGBT element by An object of the present invention is to provide a power conversion device having a protection function that prevents a failure of one IGBT element from spreading to a failure of another IGBT element.
本発明は、電力変換装置の制御処理を行い、パルス発生手段にパルス発生を指示する制御回路と、制御回路からの指令に基づき、各IGBTに対するオン・オフ状態を指定する指令パルスを発生するパルス発生手段と、入力された指令パルスの状態に応じてIGBTのゲートに印加するゲート電圧の大きさを変えることにより、IGBTをオンまたはオフ動作を行わせる複数のゲート駆動手段と、各ゲート駆動手段に接続するIGBTと、ゲート駆動手段及びIGBTの異常を検出する異常検出手段から構成する。 The present invention relates to a control circuit that performs control processing of a power converter and instructs a pulse generation means to generate a pulse, and a pulse that generates a command pulse that specifies an on / off state for each IGBT based on a command from the control circuit. Generating means, a plurality of gate driving means for turning on or off the IGBT by changing the magnitude of the gate voltage applied to the gate of the IGBT according to the state of the input command pulse, and each gate driving means And an abnormality detecting means for detecting abnormality of the gate driving means and the IGBT.
ゲート駆動手段であるゲート駆動回路は、指令パルスの状態に応じてIGBTのゲートに印加するゲート電圧の大きさを変えるゲート駆動部と、ゲート電圧を検出し、その大きさを閾値と比較し、閾値より高い(H)または低い(L)を示す信号を出力するゲート電圧判別部と、ゲート電流を検出し、その大きさを閾値と比較し、閾値より大きい(H)または小さい(L)を示す信号を出力するゲート電流判別部と、ゲート電圧判別部の出力とゲート電流判別部の出力とを入力してIGBTのオン・オフ状態を示すゲートフィードバック信号を出力するゲートフィードバック作成部及び電源部より構成する。 A gate drive circuit as a gate drive means detects a gate voltage that changes the magnitude of the gate voltage applied to the gate of the IGBT according to the state of the command pulse, compares the magnitude with a threshold value, A gate voltage discriminating unit that outputs a signal indicating higher (H) or lower (L) than the threshold value, and detecting the gate current, comparing the magnitude with the threshold value, and determining whether the magnitude is larger (H) or smaller (L) than the threshold value. A gate current discriminating unit that outputs a signal indicating the output, a gate feedback generating unit that outputs the gate feedback signal indicating the on / off state of the IGBT by inputting the output of the gate voltage discriminating unit and the output of the gate current discriminating unit, and a power source unit Consists of.
また、異常検出手段である異常検出回路は、パルス発生手段が各ゲート駆動手段に対して出力した指令パルスと、パルス発生回路に接続する複数のゲート駆動手段から出力されるゲートフィードバック信号とを入力し、指令パルスと各ゲートフィードバック信号とが一致しているかを判定する。判定の結果、異常を検出した場合は、パルス発生手段に全指令パルスをオフさせる信号(サプレス信号)を発生させる指令を出力する。それにより、電力変換装置を構成する各IGBTが全てオフ状態となり、電力変換装置が停止する。 Also, the abnormality detection circuit, which is an abnormality detection means, receives the command pulse output from the pulse generation means to each gate drive means and the gate feedback signal output from the plurality of gate drive means connected to the pulse generation circuit. Then, it is determined whether the command pulse matches each gate feedback signal. As a result of the determination, if an abnormality is detected, a command for generating a signal (suppress signal) for turning off all command pulses is output to the pulse generating means. Thereby, each IGBT which comprises a power converter device will be in an OFF state, and a power converter device will stop.
このように本発明では、異常検出時に電力変換装置を構成する全てのIGBTでオフ動作を行うので、たとえ一個のIGBTが電流遮断を行えなくとも、その電流経路にある他のIGBTがオフ状態になり電流を遮断するため、他のIGBTを保護することができる。 As described above, in the present invention, all the IGBTs constituting the power conversion device are turned off when an abnormality is detected. Therefore, even if one IGBT cannot cut off the current, the other IGBTs in the current path are turned off. Since the current is cut off, other IGBTs can be protected.
本発明によると、複数のIGBTで構成される電力変換装置において、IGBTの異常を検出するとともに、電力変換装置を構成する全てのIGBTでオフ動作を行うことにより、1つのIGBT素子の故障が他のIGBT素子の破損へと波及することを防止することができる。また、異常検出時には、パルス発生手段によりオフ動作を行うため、ゲート駆動手段またはIGBT自身に異常がある場合でも、全てのIGBTを確実にオフ状態とすることができ、他のIGBTを保護することができる。 According to the present invention, in a power conversion device composed of a plurality of IGBTs, an abnormality of an IGBT is detected, and a failure of one IGBT element is detected by performing an off operation on all the IGBTs constituting the power conversion device. It is possible to prevent the IGBT element from being damaged. In addition, when an abnormality is detected, the pulse generation means performs an off operation, so that even if there is an abnormality in the gate driving means or the IGBT itself, all IGBTs can be reliably turned off and other IGBTs can be protected. Can do.
ここで、ゲート駆動手段は、指令パルスがHレベル時にはIGBTのゲートに正の一定電圧を印加し、Lレベル時には負の一定電圧を印加する動作を行う。そのため、IGBTのゲート電圧と指令パルスのレベルが対応しない場合は、ゲート駆動手段の異常またはIGBTの異常であると考えられる。また、一般に、IGBTなどの電圧駆動型半導体素子は、印加するゲート電圧を変化させた直後の短時間には、ゲート容量を充放電するためのゲート電流が流れるが、その他の定常時には流れない。そのため、印加するゲート電圧を変化させていないにもかかわらず一定時間以上ゲート電流が流れる場合には、IGBTの異常状態であると判定できる。 Here, the gate driving means performs an operation of applying a positive constant voltage to the gate of the IGBT when the command pulse is at the H level and applying a negative constant voltage when the command pulse is at the L level. Therefore, if the gate voltage of the IGBT does not correspond to the level of the command pulse, it is considered that the gate drive means is abnormal or the IGBT is abnormal. In general, in a voltage-driven semiconductor element such as an IGBT, a gate current for charging / discharging the gate capacitance flows in a short time immediately after changing a gate voltage to be applied, but does not flow in other steady state. Therefore, it can be determined that the IGBT is in an abnormal state when the gate current flows for a certain period of time even though the applied gate voltage is not changed.
本発明では、以上のようなIGBTの特性を利用して異常検出するために、ゲート駆動手段にゲート電圧判定部及びゲート電流判定部を設け、IGBTのゲート電圧と指令パルスとが一致しない場合に加え、ゲート電流と指令パルスとの不一致も検出することができるため、ゲート駆動手段の異常またはIGBT素子の異常を確実に検出して保護することができる。 In the present invention, in order to detect an abnormality using the characteristics of the IGBT as described above, a gate voltage determination unit and a gate current determination unit are provided in the gate drive means, and the IGBT gate voltage and the command pulse do not match. In addition, since a mismatch between the gate current and the command pulse can also be detected, it is possible to reliably detect and protect the abnormality of the gate driving means or the abnormality of the IGBT element.
以下、本発明の一実施の形態を、添付図面を参照して説明する。 Hereinafter, an embodiment of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings.
図1は、本発明の一実施の形態による電力変換装置の構成例を示すブロック図である。図1を参照して本例の一実施の形態による全体構成について説明する。 FIG. 1 is a block diagram illustrating a configuration example of a power conversion device according to an embodiment of the present invention. An overall configuration according to an embodiment of the present example will be described with reference to FIG.
本例は、電力変換装置の動作を制御する制御回路100と、制御回路100の指示に従い、IGBTのオン・オフを指令する指令パルス発生を行うパルス発生手段であるパルス発生回路200と、パルス発生回路200から指令パルスを入力し、指令パルスの状態に応じてIGBTのゲートに印加するゲート電圧の大きさを変えることにより、IGBTをオンまたはオフ動作を行わせるゲート駆動手段であるゲート駆動回路400aと、IGBT素子500aと、ゲート駆動回路またはIGBTの異常を検出し、異常発生時にはパルス発生回路200のパルス発生を停止するための信号SUPを出力する異常検出手段である異常検出回路300から構成する。なお、電力変換装置は、複数のIGBT(500a〜500n)及び複数のゲート駆動回路(400a〜400n)で構成するが、それらの構成や動作はすべて同一であるので、図1では一個のIGBT500aとそのゲート駆動回路400aのみ示し、他は省略する。
This example includes a
ゲート駆動回路400aは、パルス発生回路200が発生する指令パルスRPaを入力し、指令パルスRPaに応じた電圧をゲート電圧として印加し、IGBT500aのオン・オフ動作を制御するゲート駆動部401aと、ゲート駆動回路400aの各部で必要とする電源を供給する電源部402aと、ゲート電圧Vgaを入力し、ゲート電圧の判別を行うゲート電圧判別部403aと、ゲート電流Igaを入力し、ゲート電流を判別するゲート電流判別部404aと、ゲート電圧判別部403aから出力されるゲート電圧フィードバックパルスVFBa及びゲート電流判別部404aから出力されるゲート電流フィードバックパルスIFBaを入力し、ゲートフィードバックパルスFBPaを出力するゲートフィードバック作成部405aと、ゲート抵抗406aから構成する。
The gate drive circuit 400a receives a command pulse RPa generated by the
次に、ゲート駆動回路400aの各部の動作について説明する。 Next, the operation of each part of the gate drive circuit 400a will be described.
ゲート駆動部401aは、パルス発生回路200が発生する指令パルスRPaを入力し、指令パルスRPaがHレベルの場合は、IGBT500aのゲートに正の一定電圧を印加してオン動作させ、指令パルスRpaがLレベルの場合は、負の一定電圧を印加してオフ動作させるよう制御する。
The gate drive unit 401a receives the command pulse RPa generated by the
ゲート電圧判別部403aは、IGBT500aのゲート電圧Vgaを入力し、ゲート電圧フィードバックパルスVFBaを発生する。図2にゲート電圧判別部403aの動作特性を示す。本例では、ゲート電圧を判定するために一定の判定レベルVthを設定し、入力したゲート電圧Vgaが、Vthより小さい場合(Vga<Vth)にはLレベル、Vgaが、Vth以上の場合(Vga≧Vth)にはHレベルと判定し、その判定結果に対応するゲート電圧フィードバックパルスVFBaを生成し、出力する。
The gate
ゲート電流判別部404aは、IGBT500aのゲート電流Igaをゲート抵抗406aの電圧として入力し、ゲート電流フィードバックパルスIFBaを発生する。図3にゲート電流判別部404aの動作特性を示す。本例では、ゲート電流を判定するために一定の判定レベルIthを設定し、入力したゲート電流Igaの絶対値が、Ithより小さい場合(−Ith<Iga<+Ith)にはLレベル、ゲート電流Igaの絶対値が、Ith以上の場合(Iga≦−Ith、Iga≧+Ith)にはHレベルと判定し、その判定結果に対応するゲート電流フィードバックパルスIFBaを生成し、出力する。
The gate
次に、ゲートフィードバック作成部405aの動作について説明する。図4に本例のゲートフィードバック作成部405aの構成例を示す。ゲートフィードバック作成部405aには、ゲート電圧判別部403aが出力するゲート電圧フィードバックパルスVFBaと、ゲート電流判別部404aが出力するゲート電流フィードバックパルスIFBaとを入力し、入力したパルスの排他的論理和をとり、その結果をHレベルまたはLレベルの信号であるゲートフィードバックパルスFBPaとして出力する。ゲートフィードバックパルスFBPaは、IGBT500aのオン・オフ状態を異常検出回路300に通知する信号となる。ゲートフィードバック作成部405aの動作の詳細については、図6〜図8を用いて説明する。
Next, the operation of the gate
図5に、本例における異常検出回路300の構成例を示す。図5を参照して、異常検出回路300の構成と動作について説明する。
FIG. 5 shows a configuration example of the
異常検出回路300は、パルス発生回路200から出力された指令パルスRPa〜RPnと、ゲートフィードバックパルスFBPa〜FBPnとを入力し、それらの不一致を検出するための排他的論理和演算回路304a〜304nと、論理和演算回路303と、不一致が発生した場合にその不一致が一定時間継続することを検知する手段として、一定周波数のクロック信号を発生する発振回路301と、クロック信号をカウントするカウンタ302から構成する。排他的論理和演算回路304a〜304nには、パルス発生回路200から各ゲート駆動回路400a〜400nに対して出力された指令パルスRPa〜RPnと、各ゲート駆動回路のゲートフィードバック作成部405a〜405nから出力されるゲートフィードバックパルスFBPa〜FBPnをそれぞれ入力し、指令パルスRPa〜RPnとゲートフィードバックパルスFBPa〜FBPnとの排他的論理和をとる。論理和演算回路303には、排他的論理和演算回路304a〜304nの結果を入力し、それらの論理和をとる。
カウンタ302は、発振回路301から入力されるクロック入力CLK、カウント動作許可入力EN、カウンタクリア入力CLR、カウンタオーバフロー出力OVFを備える。カウンタ302は、カウント動作許可入力ENがHレベルかつカウンタクリア入力CLRがHレベルのときに、クロック入力CLKが変化する毎にカウント動作を行う。また、カウンタクリア入力CLRにLレベル信号が入力されると、カウンタをゼロクリアする。カウンタにはオーバフローを検出するための上限値を設定しておき、カウント値が上限値に達すると、カウンタオーバフロー出力OVFをHレベル信号として出力する。カウンタオーバフロー出力は、パルス発生回路200のパルス発生を停止するための信号SUPとなる。
The
ここで、カウンタクリア入力CLRとカウント動作許可入力ENは、論理和演算回路303の出力信号を入力している。論理和演算回路303は、排他的論理和演算回路304a〜304nの結果を入力しており、この排他的論理和演算回路304a〜304nの結果のいずれかがHレベルの場合に、論理和演算回路303の出力信号がHレベルとなる。そのため、論理和演算回路303の出力信号がHレベルの場合は、指令パルスRPa〜RPnとゲートフィードバックパルスFBPa〜FBPnのいずれかに不一致が発生している状態であると判断できる。
Here, the counter clear input CLR and the count operation permission input EN receive the output signal of the logical
指令パルスとゲートフィードバックパルスが一致しない状態として、指令パルスとIGBTのオン・オフ状態が一致しない場合がある。また、一般に、IGBTでは、印加するゲート電圧を変化させた直後の短時間には、ゲート容量を充放電するためのゲート電流が流れるが、その他の定常時には流れない。そのため、ゲート電圧の変化に伴うゲート電流の発生中には、指令パルスとゲートフィードバックパルスとの不一致が発生する場合がある。しかし、これらの不一致状態が復帰せず、一定時間継続した場合には、何らかの異常が発生したものと判断することができる。そこで、本例では、異常発生を判定するための閾値としてカウンタの上限値を設けた。カウンタ302は、論理和演算回路303の出力がHレベルの間カウントを続け、Hレベルの状態が一定時間継続すると、カウント値が上限値に達してカウンタオーバフロー出力OVFがHレベルとなるように構成した。カウンタオーバフロー出力OVFは、パルス発生回路200への出力信号SUPとして出力し、Hレベルの出力信号SUPを入力したパルス発生回路200は、全指令パルスを停止し、その結果、電力変換装置を構成する各IGBTが全てオフ状態となり、電力変換装置が停止する。
As a state where the command pulse and the gate feedback pulse do not match, the command pulse and the on / off state of the IGBT may not match. In general, in the IGBT, a gate current for charging / discharging the gate capacitance flows in a short time immediately after the applied gate voltage is changed, but does not flow in other steady state. For this reason, a mismatch between the command pulse and the gate feedback pulse may occur during the generation of the gate current accompanying the change in the gate voltage. However, if these disagreement states do not recover and continue for a certain period of time, it can be determined that some abnormality has occurred. Therefore, in this example, an upper limit value of the counter is provided as a threshold for determining occurrence of abnormality. The
このように、本例では、異常検出回路300により異常を確実に検出すると共に、パルス発生回路200が全指令パルスを停止してIGBTを全てオフ状態とすることで、健全なIGBTを保護することができる。
As described above, in this example, the
なお、本例では、指令パルスとゲートフィードバックパルスとの不一致状態が一定時間継続したことを検知する手段として発振回路とカウンタを設けたが、論理和演算回路303の出力がHレベルの状態が継続する時間を判定し、閾値を超えたことを通知することができれば、他の手段でもよい。
In this example, an oscillation circuit and a counter are provided as means for detecting that the inconsistency state between the command pulse and the gate feedback pulse has continued for a certain period of time. However, the output of the
次に、図6〜図8を参照して本例の動作について説明する。図6は正常時の動作を、図7、図8は異常時の動作を示している。 Next, the operation of this example will be described with reference to FIGS. FIG. 6 shows the operation at the normal time, and FIGS. 7 and 8 show the operation at the abnormal time.
まず、図6を参照して正常時の動作について説明する。図6には、上からパルス発生回路200から出力する指令パルスRPa、IGBT500aのゲート電圧Vga、ゲート電流Iga、ゲート電圧判別部403aから出力されるゲート電圧フィードバックパルスVFBa、ゲート電流判別部404aから出力されるゲート電流フィードバックパルスIFBa、ゲートフィードバック作成部405aから出力されるゲートフィードバックパルスFBPa、排他的論理和演算回路304aの出力信号、論理和演算回路303の出力信号、カウンタ302のカウント値、異常検出回路300の出力信号SUPを表している。
First, the normal operation will be described with reference to FIG. In FIG. 6, the command pulse RPa output from the
t1において、指令パルスRPaがLレベルからHレベルに変化すると、ゲート電圧Vgaは−Vから+Vに変化する。このとき、IGBT500aのゲート容量を充電するために正のゲート電流Igaが流れる。ゲート電圧Vgaが−Vから+Vに変化したため、ゲート電圧Vgaが判定レベルVth以上になった時点で、ゲート電圧判別部403aの出力信号であるゲート電圧フィードバックパルスVFBaはLレベルからHレベルとなる。
When the command pulse RPa changes from the L level to the H level at t1, the gate voltage Vga changes from −V to + V. At this time, a positive gate current Iga flows to charge the gate capacitance of the
一方、ゲート電流Igaが一定値+Ith以上流れている間、ゲート電流判別部404aの出力信号であるゲート電流フィードバックパルスIFBaがHレベルとなり、充電が終了してゲート電流Igaが一定値+Ithより小さくなると、ゲート電流フィードバックパルスIFBaはLレベルとなる。
On the other hand, the gate current feedback pulse IFBa, which is the output signal of the gate current discriminating
ゲートフィードバック作成部405aは、ゲート電圧フィードバックパルスVFBaとゲート電流フィードバックパルスIFBaの排他的論理和をとるため、出力信号であるゲートフィードバックパルスFBPaは図示したようになる。
Since the gate
異常検出回路300の排他的論理和演算回路304aは、指令パルスRPaとゲートフィードバックパルスFBPaを入力し、排他的論理和をとるため、その出力信号は図示したようになる。また、排他的論理和演算回路304aの出力信号を入力とする論理和演算回路303の出力も図示したようになる。ここでは、例として排他的論理和演算回路がひとつの場合を示しているため、排他的論理和演算回路304aの出力信号と同様の出力となる。
Since the exclusive OR
カウンタ302は、論理和演算回路303の出力信号がHレベルの間、カウント値を増加させるが、オーバフローを検出するための上限値に達する前にLレベルに戻るので、カウント値はクリアされる。その結果、異常検出回路300の出力信号SUPは、Hレベルとはならない。
The
t2において、指令パルスRPaがHレベルからLレベルに変化すると、ゲート電圧Vgaは+Vから−Vに変化する。このとき、IGBT500aのゲート容量を放電するために負のゲート電流Igaが流れる。ゲート電圧Vgaが+Vから−Vに変化したため、ゲート電圧Vgaが判定レベルVthより低くなった時点で、ゲート電圧判別部403aの出力信号であるゲート電圧フィードバックパルスVFBaはHレベルからLレベルとなる。
When the command pulse RPa changes from H level to L level at t2, the gate voltage Vga changes from + V to -V. At this time, a negative gate current Iga flows to discharge the gate capacitance of the
一方、ゲート電流Igaが一定値−Ith以下となっている間、ゲート電流判別部404aの出力信号であるゲート電流フィードバックパルスIFBaはHレベルとなり、充電が終了してゲート電流Igaが一定値−Ithより大きくなると、ゲート電流フィードバックパルスIFBaはLレベルとなる。
On the other hand, while the gate current Iga is equal to or less than the constant value −Ith, the gate current feedback pulse IFBa, which is the output signal of the gate
以降は同様に動作して、異常検出回路300の出力信号SUPはHレベルとはならない。
Thereafter, the same operation is performed, and the output signal SUP of the
次に、図7を参照して異常発生時の動作について説明する。なお、図7に示す信号は図6に示したものと同様である。 Next, the operation when an abnormality occurs will be described with reference to FIG. The signals shown in FIG. 7 are the same as those shown in FIG.
図7において、t3の時点で指令パルスRPaがHレベルからLレベルに変化した場合の動作については、図6で示した正常時の動作と同様である。 In FIG. 7, the operation when the command pulse RPa changes from the H level to the L level at the time t3 is the same as the normal operation shown in FIG.
ここで、t4の時点でIGBT500aに故障が発生したとする。IGBT500aに故障が発生すると、ゲート電流Igaが流れ出す。この電流は、IGBTのコレクタ、ゲート間の帰還容量を介して、または、コレクタとゲートが導通状態になりコレクタ電流がゲートに流出したもの、あるいはゲート、エミッタ間が導通状態となり、ゲート電流が流れたものなど、IGBTの異常に起因するものである。
Here, it is assumed that a failure has occurred in the
この結果、ゲート電流Igaが一定値−Ith以下になると、ゲート電流判別部404aの出力信号であるゲート電流フィードバックパルスIFBaはHレベルとなり、ゲートフィードバック作成部405aの出力信号であるゲートフィードバックパルスFBPaもHレベルとなる。そして、指令パルスRPaとゲートフィードバックパルスFBPaを入力し排他的論理和をとる、異常検出回路300の排他的論理和演算回路304aもHレベルとなり、論理和演算回路303の出力も同様になる。
As a result, when the gate current Iga falls below a certain value −Ith, the gate current feedback pulse IFBa that is the output signal of the gate current discriminating
カウンタ302は、論理和演算回路303の出力信号がHレベルの間、カウント値を増加させ、論理和演算回路303の出力が一定時間以上Hレベルの状態を継続すると、t5時点でカウンタ302のカウント値が上限値に達する。その結果、異常検出回路300の出力信号SUPがHレベルとなり、この時点で異常が発生したと判定される。
The
異常検出回路300の出力信号SUPを入力したパルス発生回路200は、パルス発生を停止し、指令パルスRPa〜RPnの全てがLレベルとなる。そのため、IGBT500a〜IGBT500nが全てオフ状態となり、電力変換装置は動作を停止する。これにより、異常が発生したIGBTを含むすべてのIGBTは停止するため、過電流を遮断することができ、正常なIGBTを保護することが可能となる。
The
次に、図8を参照して、他の異常発生時の動作について説明する。なお、図8に示す信号は図6に示したものと同様である。 Next, with reference to FIG. 8, the operation when another abnormality occurs will be described. The signals shown in FIG. 8 are the same as those shown in FIG.
ここで、t6の時点でゲート駆動部401aが誤動作し、指令パルスRPaに対応しないゲート電圧Vgaが発生したとする。これにより、ゲート電圧判別部403aの出力であるゲート電圧フィードバックパルスVFBaがHレベルとなり、ゲートフィードバック作成部405aの出力信号であるゲートフィードバックパルスFBPaもHレベルとなる。その結果、図7で説明した動作と同様に動作し、異常検出回路300の論理和演算回路303の出力もHレベルとなり、t7時点でカウンタ302のカウント値が上限値に達する。そして、異常検出回路300の出力信号SUPがHレベルとなり、パルス発生回路200がパルス発生を停止することによってIGBT500a〜IGBT500nが全てオフ状態となり、電力変換装置は動作を停止する。
Here, it is assumed that the gate drive unit 401a malfunctions at time t6 and a gate voltage Vga not corresponding to the command pulse RPa is generated. As a result, the gate voltage feedback pulse VFBa that is the output of the gate
また、上記異常例の他にも、電源部402aに異常が生じた場合には、各回路部のいずれかが異常となる。その結果、ゲートフィードバックパルスFBPaが正常時とは異なる波形となるため、異常検出回路300で異常が検出され、電力変換装置は動作を停止する。更に、ゲート電圧判別部403a、ゲート電流判別部404a、ゲートフィードバック作成部405aに異常が生じた場合にも、ゲートフィードバックパルスFBPaが正常時とは異なる波形となることで検出される。
In addition to the above abnormality examples, when an abnormality occurs in the
このように、本例では、IGBT素子、IGBT素子を駆動するゲート駆動回路のいずれに異常が生じた場合にも、確実に異常を検出することができ、異常検出時には、パルス発生回路のパルスを停止することで電力変換装置及びIGBT素子を確実に保護することができる。 As described above, in this example, even when an abnormality occurs in either the IGBT element or the gate drive circuit that drives the IGBT element, the abnormality can be reliably detected. When the abnormality is detected, the pulse of the pulse generation circuit is detected. By stopping, the power conversion device and the IGBT element can be reliably protected.
100…制御回路、200…パルス発生回路、300…異常検出回路、301…発振回路、302…カウンタ、303…論理和演算回路、304…排他的論理和演算回路、400…ゲート駆動回路、401…ゲート駆動部、402…電源部、403…ゲート電圧判別部、404…ゲート電流判別部、405…ゲートフィードバック作成部、406…ゲート抵抗、500…IGBT
DESCRIPTION OF
Claims (2)
制御回路からの指令に基づき、前記複数の電圧制御型半導体素子のそれぞれのオン・オフを制御するための指令信号を発生する指令信号発生手段と、前記複数の電圧制御型半導体素子のそれぞれのオン・オフを制御する複数のゲート駆動回路とを備え、
前記複数のゲート駆動回路のそれぞれは、
前記指令信号に応じたゲート電圧を前記電圧制御型半導体素子に印加するゲート駆動手段と、
前記ゲート駆動手段と前記電圧制御型半導体素子の間に設けられるゲート抵抗と、
前記ゲート駆動手段と前記ゲート抵抗の間から前記ゲート電圧を検出し、ゲート電圧判別信号を出力するゲート電圧判別手段と、
前記ゲート抵抗に流れるゲート電流を検出し、ゲート電流判別信号を出力するゲート電流判別手段とを有し、
前記それぞれのゲート駆動回路で得られた前記ゲート電圧判別信号と前記ゲート電流判別信号と、前記それぞれの電圧制御型半導体素子の指令信号とに基づいて、それぞれの電圧制御型半導体素子ごとの異常検出信号を生成する異常検出手段と、
前記異常検出手段が生成したそれぞれの電圧制御型半導体素子ごとの異常検出信号を一括して監視し、いずれかの異常検出信号で異常が検出された経過時間を計測する計測手段を備え、
前記計測手段で異常が検出された経過時間が一定時間以上になったとき、前記複数の電圧制御型半導体素子を停止させることを特徴とする電力変換装置。 In a power converter configured using a plurality of voltage-controlled semiconductor elements,
Command signal generating means for generating a command signal for controlling on / off of each of the plurality of voltage controlled semiconductor elements based on a command from the control circuit; and on / off of each of the plurality of voltage controlled semiconductor elements.・ A plurality of gate drive circuits for controlling OFF,
Each of the plurality of gate driving circuits includes:
Gate driving means for applying a gate voltage corresponding to the command signal to the voltage-controlled semiconductor element;
A gate resistor provided between the gate driving means and the voltage-controlled semiconductor element;
A gate voltage determining means for detecting the gate voltage from between the gate driving means and the gate resistance and outputting a gate voltage determining signal;
Gate current discrimination means for detecting a gate current flowing through the gate resistor and outputting a gate current discrimination signal;
Abnormality detection for each voltage control type semiconductor element based on the gate voltage determination signal and the gate current determination signal obtained by the respective gate drive circuit and the command signal of each voltage control type semiconductor element An anomaly detection means for generating a signal ;
An abnormality detection signal for each voltage control type semiconductor element generated by the abnormality detection means is collectively monitored, and includes a measurement means for measuring an elapsed time when an abnormality is detected by any abnormality detection signal,
The power conversion device , wherein the plurality of voltage-controlled semiconductor elements are stopped when an elapsed time in which an abnormality is detected by the measuring unit becomes a certain time or more .
前記複数のゲート駆動回路のそれぞれで、前記ゲート駆動手段と前記ゲート抵抗の間から前記ゲート電圧を検出し、ゲート電圧判別信号を生成すると共に、前記ゲート抵抗に流れるゲート電流からゲート電流判別信号を生成し、前記ゲート電圧判別信号と前記ゲート電流判別信号と、前記指令信号とに基づいて異常検出信号を生成し、
前記電圧制御型半導体素子ごとの異常検出信号を一括して監視し、いずれかの前記異常検出信号で異常が検出された経過時間を計測し、異常が検出された時間が一定時間以上になったとき、前記複数の電圧制御型半導体素子を停止させることを特徴とする電力変換装置の異常検出方法。 The command signals of the plurality of voltage control type semiconductor elements generated from the command signal generation means are input to the gate drive means of the plurality of gate drive circuits provided for the respective voltage control type semiconductor elements, and according to the command signal In the abnormality detection method of the power conversion device that drives the plurality of voltage controlled semiconductor elements by outputting a gate voltage and applying the gate voltage to each voltage controlled semiconductor element via a gate resistor,
Each of the plurality of gate driving circuits detects the gate voltage from between the gate driving means and the gate resistance, generates a gate voltage determination signal, and generates a gate current determination signal from the gate current flowing through the gate resistance. Generating an abnormality detection signal based on the gate voltage determination signal, the gate current determination signal, and the command signal;
The abnormality detection signal for each voltage control type semiconductor element is collectively monitored, the elapsed time when the abnormality is detected by any of the abnormality detection signals is measured, and the time when the abnormality is detected becomes a certain time or more. Then, the abnormality detection method for the power conversion device , wherein the plurality of voltage-controlled semiconductor elements are stopped .
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