JP5665952B1

JP5665952B1 - 電力変換装置の異常検出装置

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Publication number: JP5665952B1
Application number: JP2013243557A
Authority: JP
Inventors: 英希吉川; 瀧北　守; 守瀧北
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2013-11-26
Filing date: 2013-11-26
Publication date: 2015-02-04
Anticipated expiration: 2033-11-26
Also published as: JP2015104233A

Abstract

【課題】新たに絶縁素子を追加設置することなく、既存の絶縁素子を利用してスイッチング素子の異常に加えて電源回路の異常も制御部へ伝えることができる、コストおよび部品実装面積を抑えた電力変換装置の異常検出装置を得る。【解決手段】スイッチング素子（４）の異常を制御部（１）へ伝える信号線路に絶縁素子（２ｂ）を備えた電力変換装置において、スイッチング素子のオン／オフ制御動作時の電流値を測定するスイッチング素子測定回路（６）と、電源回路の電圧値を測定する電源回路測定回路（５）と、スイッチング素子測定回路および電源回路測定回路からの出力を加算する加算回路（８）と、加算回路の出力値を基に電源回路およびスイッチング素子の異常を検出し、絶縁素子を介して制御部（１）へ伝える異常検出回路（９）とを備える。【選択図】図１

Description

本発明は、スイッチング素子の異常を制御部へ伝える信号線路に絶縁素子を備えた電力変換装置において、スイッチング素子および電源回路の異常を検出する電力変換装置の異常検出装置に関するものである。

一般に、電力変換装置は、バイポ−ラトランジスタ、ＭＯＳＦＥＴ、ＩＧＢＴ、ＧＴＯサイリスタ等に代表されるスイッチング素子と、スイッチング素子をオン／オフ制御する制御部と、制御部が出力する制御信号を絶縁する絶縁素子と、絶縁素子によって絶縁された制御信号に従ってスイッチング素子をオン／オフ制御する駆動回路と、駆動回路に電源を供給する電源回路とを備えて構成される。

電力変換装置においては、スイッチング素子の短絡や負荷短絡などが発生すると、スイッチング素子に流れる電流が急激に増大し、スイッチング素子が過電流破壊もしくは熱破壊される恐れがあるため、短絡状態を検出する必要がある。このような短絡状態を検出できる電力変換装置の異常検出装置としては、スイッチング素子に流れる電流を検知するものがある（例えば、特許文献１参照）。

また、スイッチング素子をオン／オフ制御するときは、駆動回路に電源を供給する電源回路の電圧を適正な範囲に保持する必要がある。万一、電源回路が故障して電源回路の電圧が低下すると、スイッチング素子には所定の電流が流せなくなるばかりでなく、導通損失が増加して、スイッチング素子の温度が上昇して破壊してしまう可能性がある。反対に、電源回路が故障して電源回路の電圧が高くなると、スイッチング素子の耐圧を超え破壊に至る、あるいは駆動回路の消費電力が増大することとなり、駆動回路の構成部品が焼損してしまう可能性がある。

このような課題を解決するための電力変換装置の異常検出装置としては、電源回路の電圧を監視する電源回路測定回路と、電源回路に異常が発生した場合に制御部に異常を伝える異常検出回路とを備え、故障による停止動作を行うことができるようにしたものがある（例えば、特許文献２参照）。この特許文献２では、制御部が駆動回路の異常をいち早く検出することができるため、電力変換装置として故障停止動作が行われる。この結果、駆動回路の異常によるスイッチング素子やその負荷機器の事故による悪影響を最小限にとどめる事ができる。

特開平４−７９７５８号公報特開平８−１６３８６１号公報

しかしながら、従来技術には、以下のような課題がある。
電源回路の異常を制御部へ伝えるためには、制御信号の伝達と同様に絶縁素子による絶縁が必要となる。しかし、絶縁素子は、コストが高く、また、１次−２次間で沿面距離を確保するために、ピン間サイズが広く、部品実装面積が大きいデバイスである。このため、電源回路の異常を制御部へ伝えるために新たに絶縁素子を追加設置することで、コストおよび部品実装面積が増加してしまうという課題があった。

また、例えば、シリコンカーバイド（ＳｉＣ）を用いたスイッチング素子のような、オン／オフ制御の電圧閾値が低い素子をオン／オフ制御するために、正負の電源を用いて電源回路の異常を検出する場合には、正バイアスの電源回路の異常と、負バイアスの電源回路の異常の、両方の電源回路異常を検出して制御部へ伝える必要がある。この結果、絶縁素子をさらに追加設置する必要があり、コストおよび部品実装面積がさらに増加してしまうという課題があった。

本発明は、上記のような課題を解決するためになされたものであり、スイッチング素子の異常を制御部へ伝える信号線路に絶縁素子を備えた電力変換装置において、新たに絶縁素子を追加設置することなく、既存の絶縁素子を利用してスイッチング素子の異常に加えて電源回路の異常も制御部へ伝えることができる、コストおよび部品実装面積を抑えた電力変換装置の異常検出装置を得ることを目的とする。

本発明に係る電力変換装置の異常検出装置は、スイッチング素子の異常を制御部へ伝える信号線路に絶縁素子を備えた電力変換装置において、スイッチング素子およびスイッチング素子に電源を供給する電源回路の異常を検出する電力変換装置の異常検出装置であって、スイッチング素子のオン／オフ制御動作時の電圧値、電流値、または温度のいずれか１つを含む情報を測定して、スイッチング素子の異常を判定するための第１指標値として出力するスイッチング素子測定回路と、電源回路の電圧値または電流値を含む情報を測定して、電源回路の異常を判定するための第２指標値として出力する電源回路測定回路と、スイッチング素子測定回路から出力された第１指標値と電源回路測定回路から出力された第２指標値とを加算する加算回路と、加算回路の出力値を基に電源回路およびスイッチング素子の異常を検出し、異常検出結果を出力する異常検出回路とをさらに備え、絶縁素子は、異常検出回路の出力値を絶縁して制御部へ伝えるものである。

本発明によれば、スイッチング素子の異常を制御部へ伝える信号線路に絶縁素子を備えた電力変換装置において、スイッチング素子の異常と電源回路の異常とを加算回路で加算してから１つの絶縁素子に出力するようにしている。この結果、新たに絶縁素子を追加設置することなく、既存の絶縁素子を利用してスイッチング素子の異常に加えて電源回路の異常も制御部へ伝えることができる、コストおよび部品実装面積を抑えた電力変換装置の異常検出装置を得ることができる。

本発明の実施の形態１に係る電力変換装置の異常検出装置のブロック図である。本発明の実施の形態１に係る電力変換装置の異常検出装置をＤＣ／ＤＣコンバータに適用した一例である。

以下、本発明における電力変換装置の異常検出装置の好適な実施の形態について図面を用いて説明する。なお、各図において同一、または相当する部分については、同一符号を付して説明する。

実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１に係る電力変換装置の異常検出装置を示す機能ブロック図である。図１に示す電力変換装置の異常検出装置は、バイポ−ラトランジスタ、ＭＯＳＦＥＴ、ＩＧＢＴ、ＧＴＯサイリスタ等に代表されるスイッチング素子４を備えたスイッチング部１０と、スイッチング素子４をオン／オフ制御する制御部１から構成される。

また、図１に示すスイッチング部１０は、制御部１が出力する制御信号を絶縁する絶縁素子２ａと、絶縁素子２ａによって絶縁された制御信号に従ってスイッチング素子４をオン／オフ制御する駆動回路３と、スイッチング素子４と、駆動回路３に電源を供給する電源回路５と、スイッチング素子４に流れる電流を測定するスイッチング素子測定回路６と、電源回路５の電圧と基準電圧との電位差を測定する電源回路測定回路７と、スイッチング素子測定回路６の出力と電源回路測定回路７の出力とを加算する加算回路８と、加算回路８の出力を基に電力変換装置の異常を検出する異常検出回路９と、異常検出回路９の出力を絶縁する絶縁素子２ｂとを備えて構成される。

図２は、本発明の実施の形態１に係る電力変換装置の異常検出装置をコンバータに適用した一例である。図２に示すフルブリッジ型のＤＣ／ＤＣコンバータ（以下、単にコンバータと呼ぶ）は、制御部１、スイッチング部１０ａ〜１０ｄ、絶縁トランス１２、および整流部１３を備えて構成される。また、スイッチング素子４ａ〜４ｄは、それぞれスイッチング部１０ａ〜１０ｄに含まれ、制御部１に接続されている。コンバータは、このような構成により、入力電圧源１１の直流電圧を出力コンデンサ１４の直流電圧にＤＣ／ＤＣ電力変換する。

図２に示す制御部１は、スイッチング素子４ａ〜４ｄをオン／オフ制御する。この結果、スイッチング素子４ａ〜４ｄがオン／オフ制御されることで、絶縁トランス１２、整流部１３、出力コンデンサ１４を介して、ＤＣ／ＤＣ電力変換が行われる。

ここで、制御部１とスイッチング部１０とでは電位が異なるため、図１に示す絶縁素子２ａは、制御部１からの制御信号を絶縁したうえで、駆動回路３へと伝達する。そして、駆動回路３は、絶縁素子２ａからの制御信号を受け、スイッチング素子４へ制御信号を出力することで、スイッチング素子４をオン／オフ制御する。

また、駆動回路３は、電源回路５から電源の供給を受ける。駆動回路３に供給される電源は、スイッチング素子４として一般的なものを使用する場合には、正バイアスを印加できるもの、つまり単電源で十分である。しかしながら、例えば、シリコンカーバイド（ＳｉＣ）等を用いたスイッチング素子４のような、駆動電圧閾値が低い素子をオン／オフ制御する場合には、オン時には正バイアスを印加し、オフ時には負バイアスを印加する必要がある。すなわち、電源回路５としては、正の電源電圧および負の電源電圧の両方を生成できる回路を用いる必要がある。

スイッチング素子測定回路６は、オン／オフ制御中のスイッチング素子４に流れる電流値を測定し、スイッチング素子４の異常を判定するための第１指標値として加算回路８へ出力している。また、電源回路測定回路７は、予め設定した基準電圧からの電位差として電源回路５の電圧を測定し、電源回路５の異常を判定するための第２指標値として加算回路８へ出力している。そして、加算回路８は、スイッチング素子測定回路６からの第１指標値と電源回路測定回路７からの第２指標値とを加算して異常検出回路９へ出力している。

なお、スイッチング素子測定回路６は、スイッチング素子４の異常を判定するための第１指標値として、スイッチング素子４に流れる電流値を測定する代わりに、スイッチング素子４の入出力端子間の電圧を測定するようにしてもよい。あるいは、スイッチング素子４の温度を測定するようにしてもよい。

また、電源回路測定回路７は、電源回路５の異常を判定するための第２指標値として、電源回路５の出力電圧を予め設定した基準電圧からの電位差として測定する代わりに、電源回路５の出力電圧または出力電流をそのまま測定してもよい。

また、スイッチング素子測定回路６および電源回路測定回路７は、第１指標値の出力値および第２指標値の出力値を、電圧値として加算回路８へ出力してもよいし、電流値として出力してもよい。例えば、第１指標値および第２指標値の出力値が共にアナログの電流値である場合は、加算回路８は、抵抗器による終端を行うことで、２つの電流値を加算することができる。

異常検出回路９は、加算回路８からの出力値が、スイッチング素子４に異常が発生していると判断される第１の閾値、あるいは電源回路５に異常が発生していると判断される第２の閾値のいずれか小さい方を超えている場合に、電力変換装置の異常が発生していると判断する。これにより、スイッチング素子４の異常の場合でも、電源回路５の異常の場合でも、共に異常を判断できる。なお、ここで、第１の閾値と第２の閾値は、正常時におけるスイッチング素子測定回路６からの出力値と電源回路測定回路７からの出力値との加算値の最大値よりも大きく設定することにより、誤検知を防ぐことができる。例えば、第１の指標値については、正常な値が１〜２で異常閾値が１００、第２の指標値については、正常な値が９〜１１で異常閾値が１５、のようなスケールとすると、正常値同士が加算された場合でも、誤検知されることはない。

異常検出回路９は、電力変換装置に異常があると判断すると、絶縁素子２ｂを介して、制御部１へ異常の検出を通知する。制御部１は、異常検出回路９から、異常の検出が通知されるとスイッチング素子４や駆動回路３の構成部品、システム全体の保護のために、スイッチング素子４ａ〜４ｄをオン／オフ制御する制御信号の出力を停止する。

以上のように、実施の形態１によれば、スイッチング素子の異常を制御部へ伝える信号線路に絶縁素子を備えた電力変換装置において、スイッチング素子の異常と電源回路の異常とを加算回路で加算してから１つの絶縁素子に出力するようにしている。この結果、新たに絶縁素子を追加設置することなく、既存の絶縁素子を利用してスイッチング素子の異常に加えて電源回路の異常も制御部へ伝えることができる。

また、特に、シリコンカーバイド（ＳｉＣ）を用いたスイッチング素子のような駆動電圧閾値が低い素子を用いる場合には、従来は、電源回路の正の電源電圧と負の電源電圧のそれぞれの異常を制御部へ伝えるための絶縁素子を、新たに２つ追加設置する必要があった。しかしながら、本実施の形態１によれば、電源回路の正の電源電圧と負の電源電圧の測定結果を加算回路で加算することにより、新たに絶縁素子を追加設置することなく、電力変換装置の異常を検知することができる。

なお、電源回路５として、正の電源電圧および負の電源電圧の両方を生成できる回路を用いる場合には、具体的には、例えば、まず、電源回路測定回路７は、正の電源電圧値を、予め設定した第１の基準電圧からの電位差として測定して第１の出力値として出力し、また、負の電源電圧値を、予め設定した第２の基準電圧からの電位差として測定して第２の出力値として出力する。次に、加算回路８は、スイッチング素子測定回路６の出力値と、第１の出力値と、第２の出力値とを加算する。そして、異常検出回路９は、加算回路８からの出力値が、スイッチング素子４に異常が発生していると判断される第１の閾値、電源回路５の正の電源電圧に異常が発生していると判断される第３の閾値、あるいは電源回路５の負の電源電圧に異常が発生していると判断される第４の閾値のいずれか小さい方を超えている場合に、電力変換装置の異常が発生していると判断するようにすればよい。

また、スイッチング素子測定回路６および電源回路測定回路７の出力値は、アナログ値として出力する代わりに、ディジタル値として出力するようにしてもよい。具体的には、例えば、スイッチング素子測定回路６および電源回路測定回路７は、それぞれスイッチング素子４および電源回路５の測定値をサンプリング／量子化し、得られたディジタル値を時系列に加算回路８へ出力する。次に、加算回路８は、スイッチング素子測定回路６の出力と電源回路測定回路７の出力をディジタル値として加算処理する。そして、異常検出回路９は、加算回路８からの出力値が、スイッチング素子４に異常が発生していると判断される第１の閾ディジタル値、あるいは電源回路５に異常が発生していると判断される第２の閾ディジタル値のいずれか小さい方を超えている場合に、電力変換装置の異常が発生していると判断するようにすればよい。

あるいは、出力値をディジタル値とする別の１例としては、例えば、まず、スイッチング素子測定回路６および電源回路測定回路７は、異常時には「Ｈｉｇｈ」、正常時には「Ｌｏｗ」を出力する。次に、加算回路８は、スイッチング素子測定回路６の出力と電源回路測定回路７の出力との論理和「ｏｒ」を計算して出力する。そして、異常検出回路９は、加算回路８によって論理和が計算された後のディジタル信号が「Ｈｉｇｈ」である場合に、電力変換装置に異常が発生していると判断するようにすればよい。

また、図２では、本実施の形態１に係る電力変換装置の異常検出装置を、ＤＣ／ＤＣコンバータに適用した場合の例を示しているが、本実施の形態１に係る電力変換装置の異常検出装置は、例えば、ＡＣ／ＡＣコンバータ、ＡＣ／ＤＣコンバータに適用することも可能である。また、例えば、図２における整流部１３が省略されたＤＣ／ＡＣインバータに適用することも可能である。

１制御部、２ａ、２ｂ絶縁素子、３駆動回路、４、４ａ〜４ｄスイッチング素子、５電源回路、６スイッチング素子測定回路、７電源回路測定回路、８加算回路、９異常検出回路、１０、１０ａ〜１０ｄスイッチング部、１１入力電圧源、１２絶縁トランス、１３整流部、１４出力コンデンサ。

Claims

スイッチング素子の異常を制御部へ伝える信号線路に絶縁素子を備えた電力変換装置において、前記スイッチング素子および前記スイッチング素子に電源を供給する電源回路の異常を検出する電力変換装置の異常検出装置であって、
前記スイッチング素子のオン／オフ制御動作時の電圧値、電流値、または温度のいずれか１つを含む情報を測定して、前記スイッチング素子の異常を判定するための第１指標値として出力するスイッチング素子測定回路と、
前記電源回路の電圧値または電流値を含む情報を測定して、前記電源回路の異常を判定するための第２指標値として出力する電源回路測定回路と、
前記スイッチング素子測定回路から出力された前記第１指標値と前記電源回路測定回路から出力された前記第２指標値とを加算する加算回路と、
前記加算回路の出力値を基に前記電源回路および前記スイッチング素子の異常を検出し、異常検出結果を出力する異常検出回路と
をさらに備え、
前記絶縁素子は、前記異常検出回路の出力値を絶縁して前記制御部へ伝える
電力変換装置の異常検出装置。
請求項１に記載の電力変換装置の異常検出装置において、
前記スイッチング素子測定回路は、前記スイッチング素子を流れる電流値を測定し、前記第１指標値として出力する
電力変換装置の異常検出装置。
請求項１に記載の電力変換装置の異常検出装置において、
前記スイッチング素子測定回路は、前記スイッチング素子の端子間電圧値を測定し、前記第１指標値として出力する
電力変換装置の異常検出装置。
請求項１に記載の電力変換装置の異常検出装置において、
前記スイッチング素子測定回路は、前記スイッチング素子の温度を測定し、前記第１指標値として出力する
電力変換装置の異常検出装置。
請求項１から４のいずれか１項に記載の電力変換装置の異常検出装置において、
前記電源回路測定回路は、前記電源回路の電圧値を、予め設定した基準電圧からの電位差として測定し、前記第２指標値として出力する
電力変換装置の異常検出装置。
請求項１から５のいずれか１項に記載の電力変換装置の異常検出装置において、
前記異常検出回路は、前記加算回路からの出力値が、前記スイッチング素子に異常が発生していると判断される第１の閾値、または前記電源回路に異常が発生していると判断される第２の閾値のいずれか小さい方を超えている場合に、前記電力変換装置の異常が発生していると判断する
電力変換装置の異常検出装置。
請求項１から５のいずれか１項に記載の電力変換装置の異常検出装置において、
前記電源回路は、正の電源電圧および負の電源電圧を生成し、
前記電源回路測定回路は、前記正の電源電圧値を、予め設定した第１の基準電圧からの電位差として測定して第１の出力値とし、前記負の電源電圧値を、予め設定した第２の基準電圧からの電位差として測定して第２の出力値とし、前記第１の出力値および前記第２の出力値を前記第２指標値として出力し、
前記加算回路は、前記スイッチング素子測定回路の出力値と、前記第１の出力値と、前記第２の出力値とを加算し、
前記異常検出回路は、前記加算回路からの出力値が、前記スイッチング素子に異常が発生していると判断される第１の閾値、前記電源回路の前記正の電源電圧に異常が発生していると判断される第３の閾値、あるいは前記電源回路の前記負の電源電圧に異常が発生していると判断される第４の閾値のいずれか小さい方を超えている場合に、前記電力変換装置の異常が発生していると判断する
電力変換装置の異常検出装置。
請求項１から７のいずれか１項に記載の電力変換装置の異常検出装置において、
前記電源回路測定回路および前記スイッチング素子測定回路は、前記第１指標値および前記第２指標値の出力値を電流値として出力し、
前記加算回路は、抵抗器による終端を行うことにより、前記電源回路測定回路および前記スイッチング素子測定回路が出力する前記電流値を加算する
電力変換装置の異常検出装置。
請求項１から７のいずれか１項に記載の電力変換装置の異常検出装置において、
前記電源回路測定回路および前記スイッチング素子測定回路は、前記第１指標値および前記第２指標値の出力値を電圧値として出力し、
前記加算回路は、前記電源回路測定回路および前記スイッチング素子測定回路が出力する前記電圧値を加算する
電力変換装置の異常検出装置。
請求項１から９のいずれか１項に記載の電力変換装置の異常検出装置において、
前記スイッチング素子測定回路は、前記第１指標値としてディジタル値を出力し、
前記電源回路測定回路は、前記第２指標値としてディジタル値を出力する
電力変換装置の異常検出装置。
請求項１から１０のいずれか１項に記載の電力変換装置の異常検出装置において、
前記電力変換装置は、ＤＣ／ＡＣインバータに適用される
電力変換装置の異常検出装置。
請求項１から１０のいずれか１項に記載の電力変換装置の異常検出装置において、
前記電力変換装置は、ＡＣ／ＡＣコンバータ、ＡＣ／ＤＣコンバータ、またはＤＣ／ＤＣコンバータに適用される
電力変換装置の異常検出装置。