JP5472416B2 - 半導体スイッチの制御装置 - Google Patents

Description

この発明は、半導体スイッチ素子を用いた電力変換装置に関し、特に電力変換装置の半導体スイッチの制御装置に関するものである。

電力変換装置にはＧＴＯ、ＩＧＢＴといった半導体スイッチ素子が使用されている。電力変換装置の被害拡大を抑制するため、従来から半導体スイッチ素子の故障検出方法が提案されている（例えば、特許文献１参照）。
図５に特許文献１の図２に記載されている半導体スイッチ素子の故障検出方法を示す。
図５において、１は半導体スイッチ素子に駆動信号を与える制御回路であり、一般的には電気的に絶縁する絶縁回路２を介して、駆動回路３に駆動信号が与えられる。駆動回路３は駆動信号にもとづき、半導体スイッチ素子４にゲート信号を与え、ゲート信号がＨｉになると半導体スイッチ素子４はオンし、ゲート信号がＬｏになると半導体スイッチ素子４はオフする。
５はゲート電圧が予め設定された電圧以上あることを検出し、半導体スイッチ素子４がオン状態かオフ状態を判別するゲート電圧検出回路である。６は半導体スイッチ素子４のオン・オフ状態信号を絶縁し、低圧回路側に与える絶縁回路であり、７は半導体スイッチ素子４のオン・オフ状態が異常の場合、制御回路１に異常状態をフィードバックする正常／異常検出回路である。
ゲート電圧が異常の場合、制御回路がゲートオフ指令を出すことにより、被害拡大を抑制する。

特開２００３−１４３８３３号公報

従来の技術は上記のように構成されているため、半導体スイッチ素子に並列に接続されているスナバ回路等の保護回路が短絡破壊している場合には異常が検出できないといった問題点があった。特に、半導体スイッチが直列接続された電力変換装置においては、オフ状態で半導体スイッチ素子が正常にオフし、電圧を分担していることが重要となり、半導体スイッチ素子に並列に接続された保護回路を含めた健全性を確認する必要がある。

この発明は上記のような問題を解決するためになされたものであり、半導体スイッチ素子だけではなく、半導体スイッチ素子に並列に接続される保護回路の異常を検出できる半導体スイッチ素子の制御回路を提供することを目的とする。

この発明に係る半導体スイッチの制御装置においては、ゲート端子に電圧を供給することでオン・オフを制御する半導体スイッチの駆動回路において、半導体スイッチに印加される電圧を抑制するために半導体スイッチに並列に接続された保護回路と、駆動回路の出力ゲート電圧が予め設定された電圧以上あることを検出し、半導体スイッチのオン・オフ状態を判別するゲート電圧検出手段と、半導体スイッチの主端子電圧を検出する主電圧検出手段と、半導体スイッチの駆動回路に与えられた駆動信号により半導体スイッチの状態信号を選択し、駆動指令がオン指令の場合はゲート電圧状態を選択して出力し、駆動指令がオフ指令の場合は主電圧状態を選択して出力する選択手段と、選択手段の出力を光絶縁して低圧回路に送信する第一の信号絶縁手段と、選択手段が選択して出力したゲート電圧状態・主電圧状態と半導体スイッチの駆動指令とを比較し、半導体スイッチの正常又は異常を判別する判別手段とを備え、判別手段は、ゲート電圧状態・主電圧状態と半導体スイッチの駆動指令とを比較し、駆動指令がオン指令の場合、選択手段の出力はゲート電圧状態を選択し、第一の信号絶縁手段を介して、低圧回路に半導体スイッチのゲート電圧状態を送信し、駆動指令がオフ指令の場合、選択手段の出力は主電圧状態を選択し、第一の信号絶縁手段を介して、低圧回路に半導体スイッチの主電圧状態を送信することにより、半導体スイッチ及び保護回路の異常を検出できるものである。

この発明によれば、半導体スイッチ素子の異常だけではなく、並列に接続された保護回路の異常も検出できるため、より信頼性の高い電力変換装置を得ることができる。

この発明の実施の形態１における半導体スイッチの制御装置を示す構成図である。 この発明の実施の形態１における半導体スイッチの制御装置の動作を示す表である。 この発明の実施の形態２における半導体スイッチの制御装置を示す構成図である。 この発明の実施の形態２における半導体スイッチの制御装置の動作を示す表である。 従来の半導体スイッチの制御装置を示す構成図である。

実施の形態１．
以下、この発明の実施の形態１における半導体スイッチの制御装置を図１に基づいて説明する。図１において、従来と同じものは同じ符号をつけて説明する。
図１において、１は半導体スイッチ素子に駆動信号を与える制御回路、２は駆動信号を絶縁する絶縁回路、３は駆動信号にもとづきゲート電圧を発生する駆動回路、４は半導体スイッチ素子、８は半導体スイッチ素子４に印加される電圧を抑制するために設置されたスナバ回路等の保護回路である。半導体スイッチ素子４は制御回路１が発生する駆動信号にもとづきオン・オフする。
５は駆動回路３の出力ゲート電圧が予め設定された電圧以上あることを検出し、半導体スイッチ素子４がオン状態かオフ状態を判別するゲート電圧検出回路、６は半導体スイッチ素子４のゲート電圧状態信号を光絶縁し、低圧回路側に伝達する第一の信号絶縁回路、７は半導体スイッチ素子４のオン・オフ状態の異常を検出する正常／異常検出回路であり、半導体スイッチ素子４の状態が異常になった場合は、異常信号を制御回路１にフィードバックし、半導体スイッチ素子４を遮断することで、被害拡大を抑制する。９は半導体スイッチ素子４に印加される主端子電圧を検出する主電圧検出回路、１０は半導体スイッチ素子４に印加される主電圧状態信号を光絶縁し、低圧回路に送信する第二の信号絶縁回路、１１は半導体スイッチ素子４の電圧印加状態の正常又は異常を判別する判別手段としての正常／異常検出回路である。

次に動作について、図２にもとづき説明する。図２は制御装置の動作を示す表であり、最上欄の左から右に向かって、駆動指令、ゲート電圧状態、主電圧状態、ゲート電圧不一致状態、主電圧不一致状態、備考の項目が順に配列されており、この各項目の下に１行目〜８行目まで数字等が記載されている。駆動指令の１はＯＮ、０はＯＦＦ、ゲート電圧状態の１はゲート電圧有、０はゲート電圧無、主電圧状態の１は主電圧無、０は主電圧有、ゲート電圧不一致状態及び主電圧不一致状態の１は異常、０は正常を示している。
ゲート電圧検出回路５にて検出されたゲート電圧状態と制御回路１のオン・オフ指令の不一致を検出することにより、ゲート電圧不一致異常（３行目〜６行目）を検出して、ゲート遮断等の保護動作を行い、被害の拡大を抑制する。また、主電圧検出回路９にて検出された主電圧状態と制御回路１のオン・オフ指令の不一致を検出することにより、主電圧不一致異常（２行目、４行目、５行目、７行目）を検出して、ゲート遮断等の保護動作を行い、被害の拡大を抑制する。

この実施の形態１では上記の構成としているため、半導体スイッチ素子の異常だけではなく、並列に接続された保護回路の異常も検出できるため、より信頼性の高い電力変換装置を得ることができる。

実施の形態２．
以下、この発明の実施の形態２における半導体スイッチの制御装置を図３に基づいて説明する。図３において、実施の形態１と同じものは同じ符号をつけて説明する。
図３において、１は半導体スイッチ素子に駆動信号を与える制御回路、２は駆動信号を絶縁する絶縁回路、３は駆動信号にもとづきゲート電圧を発生する駆動回路、４は半導体スイッチ素子、８は半導体スイッチ素子４に印加される電圧を抑制するために設置されたスナバ回路等の保護回路である。半導体スイッチ素子４は制御回路１が発生する駆動信号にもとづきオン・オフする。
５は駆動回路３の出力ゲート電圧が予め設定された電圧以上あることを検出し、半導体スイッチ素子４がオン状態かオフ状態を判別するゲート電圧検出回路、９は半導体スイッチ素子４に印加される主端子電圧を検出する主電圧検出回路、１２は駆動回路３に与えられる駆動信号により半導体スイッチ素子４の状態信号を選択する選択回路、６は選択回路１２の出力を光絶縁し、低圧回路に送信する第一の信号絶縁回路、１３は半導体スイッチ素子４の正常又は異常状態を判別する判別手段としての正常／異常検出回路である。

次に動作について、図４にもとづき説明する。図４は制御装置の動作を示す表であり、最上欄の左から右に向かって、駆動指令、ゲート電圧状態、主電圧状態、選択回路出力、素子不一致状態、備考の項目が順に配列されており、この各項目の下に１行目〜８行目まで数字等が記載されている。駆動指令の１はＯＮ、０はＯＦＦ、ゲート電圧状態の１はゲート電圧有、０はゲート電圧無、主電圧状態の１は主電圧無、０は主電圧有、選択回路出力の１はゲート電圧状態を選択、０は主電圧状態を選択、素子不一致状態の１は異常、０は正常を示している。
駆動回路３に与えられる駆動指令がオン指令の場合、選択回路１２の出力はゲート電圧状態を選択し、第一の信号絶縁回路６を介して、低圧回路に半導体スイッチ素子４のゲート電圧状態を送信する（１〜２行目は１、３〜４行目は０）。
駆動回路３に与えられる駆動指令がオフ指令の場合、選択回路１２の出力は主電圧状態を選択し、第一の信号絶縁回路６を介して、低圧回路に半導体スイッチ素子４の主電圧状態を送信する（５、７行目は１、６、８行目は０）。
正常／異常検出回路１３は制御回路１の駆動指令とゲート電圧・主電圧状態との不一致異常（３行目〜５行目、７行目）を検出し、ゲート遮断等の保護動作を行い、被害の拡大を抑制する。

この実施の形態２では上記の構成としているため、半導体スイッチ素子の駆動回路と制御回路間の信号を電気的に絶縁する絶縁回路を少なくすることが可能であり、低コストで従来実施例に比べ信頼性の高い半導体スイッチ素子の制御回路を得ることができる。

１ 制御回路
２ 絶縁回路
３ 駆動回路
４ 半導体スイッチ素子
５ ゲート電圧検出回路
６ 第一の信号絶縁回路
７ 正常／異常検出回路（判別手段）
８ 保護回路
９ 主電圧検出回路
１０ 第二の信号絶縁回路
１１ 正常／異常検出回路（判別手段）
１２ 選択回路
１３ 正常／異常検出回路（判別手段）

Claims (1)

1. ゲート端子に電圧を供給することでオン・オフを制御する半導体スイッチの駆動回路において、
   前記半導体スイッチに印加される電圧を抑制するために前記半導体スイッチに並列に接続された保護回路と、
   前記駆動回路の出力ゲート電圧が予め設定された電圧以上あることを検出し、前記半導体スイッチのオン・オフ状態を判別するゲート電圧検出手段と、
   前記半導体スイッチの主端子電圧を検出する主電圧検出手段と、
   前記半導体スイッチの駆動回路に与えられた駆動信号により半導体スイッチの状態信号を選択し、駆動指令がオン指令の場合はゲート電圧状態を選択して出力し、駆動指令がオフ指令の場合は主電圧状態を選択して出力する選択手段と、
   前記選択手段の出力を光絶縁して低圧回路に送信する第一の信号絶縁手段と、
   前記選択手段が選択して出力したゲート電圧状態・主電圧状態と前記半導体スイッチの駆動指令とを比較し、前記半導体スイッチの正常又は異常を判別する判別手段とを備え、
   前記判別手段は、前記ゲート電圧状態・主電圧状態と前記半導体スイッチの駆動指令とを比較し、前記駆動指令がオン指令の場合、前記選択手段の出力はゲート電圧状態を選択し、前記第一の信号絶縁手段を介して、低圧回路に半導体スイッチのゲート電圧状態を送信し、前記駆動指令がオフ指令の場合、前記選択手段の出力は主電圧状態を選択し、前記第一の信号絶縁手段を介して、低圧回路に半導体スイッチの主電圧状態を送信することにより、前記半導体スイッチ及び前記保護回路の異常を検出できることを特徴とする半導体スイッチの制御装置。

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