JP6292585B2 - Short-circuit detection device and short-circuit detection method - Google Patents
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Description
本発明は、短絡検出装置および短絡検出方法に関し、詳しくは、電源と接地との間に接続される縦型のパワートランジスタと、電源とパワートランジスタとの間に接続される負荷と、パワートランジスタのゲートを駆動するゲート駆動装置と、を備える電力変換装置における電源とパワートランジスタとの短絡を検出する短絡検出装置および短絡検出方法に関する。 The present invention relates to a short-circuit detection device and a short-circuit detection method, and more specifically, a vertical power transistor connected between a power source and a ground, a load connected between the power source and the power transistor, and a power transistor The present invention relates to a short-circuit detection device and a short-circuit detection method for detecting a short circuit between a power source and a power transistor in a power conversion device including a gate drive device that drives a gate.
従来、この種の短絡検出装置としては、電源に接続されるIGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)と、IGBTのゲートを駆動するゲート駆動回路と、を備える電力変換装置において、電源とIGBTとの短絡を検出するものが提案されている(例えば、非特許文献1参照)。IGBTでは、オンするためにゲート電圧を立ち上げる際に、短絡が生じていないときにはミラー容量によりIGBTに電流が流れ始める電圧付近でゲートへの入力容量が大きくなり、短絡が生じているときにはこうした入力容量の変化がほとんど見られなくなる。そのため、短絡が生じているときには短絡が生じていないときよりゲート電圧が迅速に立ち上がる。この装置では、こうしたIGBTの特性に基づいて、IGBTに電流が流れ始める電圧より高く電源の電圧より低い閾値電圧に至るまでのタイミングを予め定めて閾値時間とし、ゲート電圧が閾値電圧に至ったタイミングが閾値時間より速い場合に、短絡が生じていることを検出している。 Conventionally, as this type of short-circuit detection device, in a power conversion device including an IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor) connected to a power source and a gate drive circuit that drives the gate of the IGBT, a short circuit between the power source and the IGBT is performed. What to detect is proposed (for example, refer nonpatent literature 1). In the IGBT, when the gate voltage is raised to turn on, the input capacitance to the gate increases near the voltage at which the current starts to flow through the IGBT due to the mirror capacitance when no short circuit occurs, and such an input when the short circuit occurs. Almost no change in capacity is seen. Therefore, when the short circuit occurs, the gate voltage rises more quickly than when the short circuit does not occur. In this device, based on such characteristics of the IGBT, the timing until reaching the threshold voltage higher than the voltage at which current starts to flow through the IGBT and lower than the voltage of the power supply is set as a threshold time in advance, and the timing at which the gate voltage reaches the threshold voltage. Is detected to be shorter than the threshold time, it is detected that a short circuit has occurred.
しかしながら、上述の短絡検出装置では、IGBTのゲート容量が温度や製造ばらつきなどで異なることから、短絡を検出するための閾値時間を一定の値とすると、例えばゲート容量が大きくなる場合には、短絡が生じていてもゲート電圧が閾値電圧に至るタイミングが遅くなり、短絡が生じていないと誤検出してしまう。そのため、より適正に短絡の検出が可能なものが望まれている。 However, in the short-circuit detection device described above, the gate capacity of the IGBT varies depending on temperature, manufacturing variation, and the like. Therefore, if the threshold time for detecting a short-circuit is a constant value, for example, if the gate capacity increases, the short-circuit is short-circuited. Even if this occurs, the timing at which the gate voltage reaches the threshold voltage is delayed, and if the short circuit does not occur, it will be erroneously detected. Therefore, what can detect a short circuit more appropriately is desired.
本発明の短絡検出装置および短絡検出方法は、より適正に電源とパワートランジスタとの短絡を検出することを主目的とする。 The main object of the short circuit detection device and the short circuit detection method of the present invention is to detect a short circuit between a power supply and a power transistor more appropriately.
本発明の短絡検出装置は、上述の主目的を達成するために以下の手段を採った。 The short-circuit detection device of the present invention employs the following means in order to achieve the main object described above.
本発明の短絡検出装置は、
電源と接地との間に接続される縦型のパワートランジスタと、前記電源と前記パワートランジスタとの間に接続される負荷と、前記パワートランジスタのゲートを駆動するゲート駆動装置と、を備える電力変換装置における前記電源と前記パワートランジスタとの短絡を検出する短絡検出装置であって、
前記ゲート駆動装置によって前記パワートランジスタのゲート電圧の立ち上げが開始された開始タイミングから前記ゲート電圧が前記パワートランジスタに電流が流れ始める所定電圧より低い第1参照電圧に至るまでの第1参照時間に所定係数を乗じた閾値時間を生成する閾値時間生成手段と、
前記開始タイミングから前記ゲート電圧が前記所定電圧より高く前記電源の電圧より低い第2参照電圧に至るまでの第2参照時間を検出する参照時間検出手段と、
前記第2参照時間が前記閾値時間より短いときには、前記短絡が生じていることを検出する短絡検出手段と、
を備えることを要旨とする。
The short circuit detection device of the present invention is
A power conversion device comprising: a vertical power transistor connected between a power source and a ground; a load connected between the power source and the power transistor; and a gate driving device that drives a gate of the power transistor. A short-circuit detection device that detects a short circuit between the power source and the power transistor in the device,
A first reference time from a start timing at which the gate voltage of the power transistor is started to rise by the gate driving device to a first reference voltage lower than a predetermined voltage at which the gate voltage starts to flow through the power transistor. Threshold time generation means for generating a threshold time multiplied by a predetermined coefficient;
A reference time detecting means for detecting a second reference time from the start timing to a second reference voltage in which the gate voltage is higher than the predetermined voltage and lower than the voltage of the power supply;
When the second reference time is shorter than the threshold time, short-circuit detecting means for detecting that the short-circuit has occurred,
It is a summary to provide.
この本発明の短絡検出装置では、ゲート駆動装置によって縦型のパワートランジスタのゲート電圧の立ち上げが開始された開始タイミングからゲート電圧がパワートランジスタに電流が流れ始める所定電圧より低い第1参照電圧に至るまでの第1参照時間に所定係数を乗じた閾値時間を生成し、開始タイミングからゲート電圧が所定電圧より高く電源の電圧より低い第2参照電圧に至るまでの第2参照時間を検出し、第2参照時間が閾値時間より短いときには、短絡が生じていることを検出する。縦型のパワートランジスタでは、短絡が生じていないときにはミラー容量によりパワートランジスタに電流が流れ始める所定電圧付近でゲートの入力容量が大きくなり、短絡が生じているときには所定電圧付近での入力容量の変化がほとんど見られなくなる。そのため、短絡が生じているときには短絡が生じていないときよりゲート電圧が迅速に立ち上がって第2参照時間が短くなる。したがって、第2参照時間が閾値時間より短いときに、短絡が生じていることを検出することができる。パワートランジスタの製造ばらつきや温度変化などに応じて開始タイミングからゲート電圧が第1参照電圧に至るまでの第1参照時間が変化する。したがって、第1参照時間に所定係数を乗じて閾値時間を生成し、こうして生成した閾値時間を用いて短絡が生じていることを検出することにより、パワートランジスタの製造ばらつきや温度変化などに拘わらず同一の閾値時間を用いて短絡を検出するものと比較すると、より適正に短絡が生じていることを検出することができる。 In this short-circuit detection device of the present invention, the gate voltage becomes a first reference voltage lower than a predetermined voltage at which current starts to flow through the power transistor from the start timing when the gate drive device starts to raise the gate voltage of the vertical power transistor. Generating a threshold time obtained by multiplying the first reference time until the first reference time by a predetermined coefficient, and detecting a second reference time from the start timing to the second reference voltage where the gate voltage is higher than the predetermined voltage and lower than the power supply voltage; When the second reference time is shorter than the threshold time, it is detected that a short circuit has occurred. In a vertical power transistor, when there is no short circuit, the input capacitance of the gate increases near the predetermined voltage at which current starts to flow through the power transistor due to the mirror capacitance, and when the short circuit occurs, the input capacitance changes near the predetermined voltage. Can hardly be seen. For this reason, when the short circuit occurs, the gate voltage rises more quickly than when the short circuit does not occur, and the second reference time becomes shorter. Therefore, it is possible to detect that a short circuit has occurred when the second reference time is shorter than the threshold time. The first reference time from the start timing until the gate voltage reaches the first reference voltage changes according to manufacturing variations of the power transistors, temperature changes, and the like. Accordingly, the threshold time is generated by multiplying the first reference time by a predetermined coefficient, and the occurrence of a short circuit is detected using the threshold time thus generated, so that the power transistor can be manufactured regardless of manufacturing variations or temperature changes. Compared with the case where a short circuit is detected using the same threshold time, it is possible to detect that a short circuit has occurred more appropriately.
こうした本発明の短絡検出装置において、前記閾値時間生成手段は、第1電流に前記所定係数を乗じた第2電流を供給する第1定電流源と、前記第1定電流源に接続された第1コンデンサと、前記開始タイミングに前記第1定電流源による前記第1コンデンサの充電を開始し、前記ゲート電圧が前記第1参照電圧に至ったときに前記第1定電流源による前記第1コンデンサの充電を停止する第1充電開始停止回路と、を有し、前記閾値時間として前記第1充電開始停止回路によって前記第1定電流源により充電された前記第1コンデンサの電圧を出力する手段であり、前記参照時間検出手段は、前記第1電流を供給する第2定電流源と、前記第2定電流源に接続された第2コンデンサと、前記開始タイミングに前記第2定電流源による前記第2コンデンサの充電を開始し、前記ゲート電圧が前記第2参照電圧に至ったときに前記第2定電流源による前記第2コンデンサの充電を停止する第2充電開始停止回路と、を有し、前記第2参照時間として前記第2充電開始停止回路によって前記第2定電流源により充電された前記第2コンデンサの電圧を出力する手段であり、前記短絡検出手段は、前記第2参照時間として出力された前記第2コンデンサの電圧が前記閾値時間として出力された前記第1コンデンサの電圧より低いときには、前記短絡が生じていることを検出する手段である、ものとしてもよい。第1コンデンサと第2コンデンサとは同一の容量であり、第1コンデンサは、第1電流に所定係数を乗じた第2電流で充電され、第2コンデンサは第1電流で充電される。したがって、第1コンデンサの電圧は、時間に対して、第2コンデンサの電圧の所定係数倍で上昇するから、閾値時間として第1コンデンサの電圧を出力し、第2参照時間として第2コンデンサの電圧を出力することで、第1コンデンサの電圧と第2コンデンサの電圧とを用いて短絡を検出することができる。この場合において、前記第1定電流源は、前記第1電流を変更する電流変更部、を有していてもよい。こうすれば、第1電流を変更することで、第1のコンデンサを充電する際の第2電流を変更することができ、閾値時間として生成される第1コンデンサの電圧を変更することができる。これにより、より適正に短絡が生じていることを検出することができる。 In such a short-circuit detection device according to the present invention, the threshold time generation means includes a first constant current source for supplying a second current obtained by multiplying the first current by the predetermined coefficient, and a first constant current source connected to the first constant current source. And charging the first capacitor by the first constant current source at the start timing, and the first capacitor by the first constant current source when the gate voltage reaches the first reference voltage. And a first charge start / stop circuit for stopping the charging of the first capacitor, and a means for outputting the voltage of the first capacitor charged by the first constant current source by the first charge start / stop circuit as the threshold time. And the reference time detection means includes a second constant current source for supplying the first current, a second capacitor connected to the second constant current source, and the second constant current source at the start timing. First A second charging start / stop circuit that starts charging a capacitor and stops charging the second capacitor by the second constant current source when the gate voltage reaches the second reference voltage, and The second reference time is a means for outputting the voltage of the second capacitor charged by the second constant current source by the second charge start / stop circuit, and the short circuit detecting means is outputted as the second reference time. In addition, when the voltage of the second capacitor is lower than the voltage of the first capacitor output as the threshold time, it may be means for detecting that the short circuit has occurred. The first capacitor and the second capacitor have the same capacity, the first capacitor is charged with a second current obtained by multiplying the first current by a predetermined coefficient, and the second capacitor is charged with the first current. Therefore, since the voltage of the first capacitor rises by a predetermined coefficient times the voltage of the second capacitor with respect to time, the voltage of the first capacitor is output as the threshold time, and the voltage of the second capacitor is used as the second reference time. Is output, the short circuit can be detected using the voltage of the first capacitor and the voltage of the second capacitor. In this case, the first constant current source may include a current changing unit that changes the first current. If it carries out like this, the 2nd electric current at the time of charging a 1st capacitor | condenser can be changed by changing a 1st electric current, and the voltage of the 1st capacitor | condenser produced | generated as a threshold time can be changed. Thereby, it can detect that the short circuit has arisen more appropriately.
また、本発明の短絡検出装置において、前記参照時間検出手段は、前記第2参照時間を検出した後に前記ゲート電圧が前記第2参照電圧以下となったときには、前記ゲート電圧の低下を検出し、前記短絡検出手段は、前記第2参照時間が前記閾値時間より短いときでも、前記第2参照時間が検出されてから所定時間以内に前記ゲート電圧の低下が検出されたときには、前記短絡が生じていないことを検出してもよい。ゲート電圧は、短絡が生じていない場合でも、パルスノイズ等で一時的に第2参照電圧を超える場合がある。この場合、ゲート時間が所定時間以内に低下することから、ゲート電圧が第2参照電圧を超えて第2参照時間が検出されたときでも、所定時間以内にゲート電圧の低下が検出されたときには、短絡が生じていないと判定することにより、短絡の誤検出を抑制できる。ここで、「所定時間」は、パルスノイズ等が生じる時間とすればよい。 Further, in the short circuit detection device of the present invention, the reference time detection means detects a decrease in the gate voltage when the gate voltage becomes equal to or lower than the second reference voltage after detecting the second reference time, The short-circuit detection means has the short circuit when a decrease in the gate voltage is detected within a predetermined time after the second reference time is detected even when the second reference time is shorter than the threshold time. The absence may be detected. Even when no short circuit occurs, the gate voltage may temporarily exceed the second reference voltage due to pulse noise or the like. In this case, since the gate time decreases within a predetermined time, even when the gate voltage exceeds the second reference voltage and the second reference time is detected, when a decrease in the gate voltage is detected within the predetermined time, By determining that no short circuit has occurred, erroneous detection of a short circuit can be suppressed. Here, the “predetermined time” may be a time during which pulse noise or the like occurs.
本発明の短絡検出方法は、
電源と接地との間に接続される縦型のパワートランジスタと、前記電源と前記パワートランジスタとの間に接続される負荷と、前記パワートランジスタのゲートを駆動するゲート駆動装置と、を備える電力変換装置における前記電源と前記パワートランジスタとの短絡を検出する短絡検出方法であって、
前記ゲート駆動装置によって前記パワートランジスタのゲート電圧の立ち上げが開始された開始タイミングから前記ゲート電圧が前記パワートランジスタに電流が流れ始める所定電圧より低い第1参照電圧に至るまでの第1参照時間に所定係数を乗じた閾値時間を生成し、
前記開始タイミングから前記ゲート電圧が前記所定電圧より高く前記電源の電圧より低い第2参照電圧に至るまでの第2参照時間を検出し、
前記第2参照時間が前記閾値時間より短いときには、前記短絡が生じていることを検出する、
ことを要旨とする。
The short circuit detection method of the present invention
A power conversion device comprising: a vertical power transistor connected between a power source and a ground; a load connected between the power source and the power transistor; and a gate driving device that drives a gate of the power transistor. A short-circuit detection method for detecting a short-circuit between the power source and the power transistor in an apparatus,
A first reference time from a start timing at which the gate voltage of the power transistor is started to rise by the gate driving device to a first reference voltage lower than a predetermined voltage at which the gate voltage starts to flow through the power transistor. Generate a threshold time multiplied by a predetermined coefficient,
Detecting a second reference time from the start timing until the gate voltage reaches a second reference voltage higher than the predetermined voltage and lower than the voltage of the power source;
When the second reference time is shorter than the threshold time, it is detected that the short circuit has occurred.
This is the gist.
この本発明の短絡検出方法では、ゲート駆動装置によって縦型のパワートランジスタのゲート電圧の立ち上げが開始された開始タイミングからゲート電圧がパワートランジスタに電流が流れ始める所定電圧より低い第1参照電圧に至るまでの第1参照時間に所定係数を乗じた閾値時間を生成し、開始タイミングからゲート電圧が所定電圧より高く電源の電圧より低い第2参照電圧に至るまでの第2参照時間を検出し、第2参照時間が閾値時間より短いときには、短絡が生じていることを検出する。縦型のパワートランジスタでは、短絡が生じていないときにはミラー容量によりパワートランジスタに電流が流れ始める所定電圧付近でゲートの入力容量が大きくなり、短絡が生じているときには所定電圧付近でのゲートの入力容量の変化がほとんど見られなくなる。そのため、短絡が生じているときには短絡が生じていないときよりゲート電圧が第2参照電圧まで迅速に立ち上がって第2参照時間が短くなる。したがって、第2参照時間が閾値時間より短いときに、短絡が生じていることを検出することができる。パワートランジスタの製造ばらつきや温度変化などに応じて開始タイミングからゲート電圧が第1参照電圧に至るまでの第1参照時間が変化する。したがって、第1参照時間に所定係数を乗じて閾値時間を生成し、こうして生成した閾値時間を用いて短絡が生じていることを検出することにより、パワートランジスタの製造ばらつきや温度変化などに拘わらず同一の閾値時間を用いて短絡を検出するものと比較すると、より適正に短絡が生じていることを検出することができる。 In this short circuit detection method of the present invention, the gate voltage is set to a first reference voltage lower than a predetermined voltage at which the gate voltage starts to flow through the power transistor from the start timing when the gate voltage of the vertical power transistor is started to rise. Generating a threshold time obtained by multiplying the first reference time until the first reference time by a predetermined coefficient, and detecting a second reference time from the start timing to the second reference voltage where the gate voltage is higher than the predetermined voltage and lower than the power supply voltage; When the second reference time is shorter than the threshold time, it is detected that a short circuit has occurred. In a vertical power transistor, when a short circuit does not occur, the input capacitance of the gate increases near a predetermined voltage at which current starts to flow through the power transistor due to the mirror capacitance, and when a short circuit occurs, the input capacitance of the gate near the predetermined voltage occurs. Almost no change can be seen. For this reason, when a short circuit occurs, the gate voltage rises to the second reference voltage more quickly than when the short circuit does not occur, and the second reference time becomes shorter. Therefore, it is possible to detect that a short circuit has occurred when the second reference time is shorter than the threshold time. The first reference time from the start timing until the gate voltage reaches the first reference voltage changes according to manufacturing variations of the power transistors, temperature changes, and the like. Accordingly, the threshold time is generated by multiplying the first reference time by a predetermined coefficient, and the occurrence of a short circuit is detected using the threshold time thus generated, so that the power transistor can be manufactured regardless of manufacturing variations or temperature changes. Compared with the case where a short circuit is detected using the same threshold time, it is possible to detect that a short circuit has occurred more appropriately.
次に、本発明を実施するための形態を実施例を用いて説明する。 Next, the form for implementing this invention is demonstrated using an Example.
図1は、本発明の一実施例としての短絡検出装置20を備える電力変換装置10の構成の概略を示す構成図である。電力変換装置10は、電源VDCと接地との間に接続される絶縁ゲートバイポーラトランジスタ(Insulated Gate Bipolar Transistor,以下「IGBT」という)12と、IGBT12に並列に接続されているダイオードD1と、電源VDCとIGBT12との間に接続されている負荷14と、IGBT12のゲートGを駆動するゲート駆動装置16と、電源VDCとIGBT12との短絡を検出する短絡検出装置20と、を備えている。なお、電源VDCの電圧は、例えば、450V,500V,550Vなどとしてもよい。
FIG. 1 is a configuration diagram showing an outline of a configuration of a
負荷14は、リアクトルLと、リアクトルLに並列に接続されるダイオードD2と、を備えている。
The
ゲート駆動装置16は、ゲートGをオンするためのオン信号ONが入力され、オン信号ONが立ち上がっているときにIGBT12のゲートGの電圧Vgを立ち上げてゲートGを駆動する。
The
図2は、短絡検出装置20の回路構成の概略を示す回路図である。短絡検出装置20は、閾値時間生成部22と、参照時間検出部30と、短絡検出部40と、を備えている。
FIG. 2 is a circuit diagram illustrating an outline of a circuit configuration of the short-
閾値時間生成部22は、電流I1に所定係数αを乗じた電流I2を供給する定電流源IS1と、定電流源IS1に接続された容量CtのコンデンサC1と、定電流源IS1によるコンデンサC1の充電を開始したり充電を停止する充電開始停止回路24と、を備えている。
The
充電開始停止回路24は、定電流源IS1とコンデンサC1との間に接続されるPMOSトランジスタにより構成されたスイッチング素子SW1と、スイッチング素子SW1をオンオフするための制御回路26と、を備えている。制御回路26は、ゲート電圧Vgと参照電圧Vref1とを比較するコンパレータCMP1と、コンパレータCMP1の出力とオン信号ONとの否定論理積を演算して結果をスイッチング素子SW1のゲートGSW1に出力するNAND回路28と、を備えている。図3は、電源電圧VDCとIGBT12との短絡が生じていない場合(以下、この場合を「正常時」という)において、ゲート駆動装置16でゲートGを駆動した場合におけるゲート電圧Vgの時間変化の一例を示す説明図である。ゲート電圧Vgは、図示するように、IGBT12のコレクタ−エミッタ間に電流が流れ始める電圧Vs(例えば、5Vなど)において、ミラー容量によりその電圧が所定時間略一定となる。参照電圧Vref1は、電圧Vsより低い電圧(例えば、3V,3.5V,4Vなど)としている。制御回路26は、オン信号ONが立ち上がっていない場合、すなわち、ゲート電圧Vgを立ち上げない場合には、スイッチング素子SW1をオフにする。制御回路26は、オン信号ONが立ち上がったとき、すなわち、ゲート電圧Vgの立ち上げが開始された開始タイミングでスイッチング素子SW1をオンして定電流源IS1によるコンデンサC1の充電を開始し、ゲート電圧Vgが参照電圧Vref1に至ったときにスイッチング素子SW1をオフして定電流源IS1によるコンデンサC1の充電を停止する。
The charge start /
スイッチング素子SW3は、コンデンサC1に並列に接続され、オン信号ONの逆相の信号がゲートに入力されるNMOSトランジスタとして構成されている。スイッチング素子SW3は、オン信号ONが立ち上がらない場合、すなわち、ゲート電圧Vgを立ち上げない場合にオンしてコンデンサC1を放電する。 The switching element SW3 is connected to the capacitor C1 in parallel, and is configured as an NMOS transistor in which a signal having a phase opposite to the ON signal ON is input to the gate. The switching element SW3 is turned on to discharge the capacitor C1 when the ON signal ON does not rise, that is, when the gate voltage Vg is not raised.
閾値時間生成部22は、こうした構成により、充電開始停止回路24により定電流源IS1により電流I2(=I1・α)で充電されたコンデンサC1の電圧Vc1を閾値時間Tthとして出力する。閾値時間Tthについては後述する。
With this configuration, the threshold
参照時間検出部30は、電流I1を供給する定電流源IS2と、定電流源IS2に接続された容量CtのコンデンサC2と、定電流源IS2によるコンデンサC2の充電を開始したり充電を停止する充電開始停止回路34と、を備えている。
The
充電開始停止回路34は、定電流源IS2とコンデンサC2との間に接続されるPMOSトランジスタにより構成されたスイッチング素子SW2と、スイッチング素子SW2をオンオフするための制御回路36と、を備えている。制御回路36は、ゲート電圧Vgと参照電圧Vref2とを比較するコンパレータCMP2と、コンパレータCMP2の出力とオン信号ONとの否定論理積を演算して結果をスイッチング素子SW2のゲートGSW2に出力するNAND回路38と、を備えている。参照電圧Vref2は、図3に示すように、電圧Vsより高く電源VDCの電圧より低い電圧(例えば、10V,11V,12Vなど)である。制御回路36は、オン信号ONが立ち上がっていない場合、すなわち、ゲート電圧Vgを立ち上げない場合には、スイッチング素子SW2をオフにする。制御回路26は、オン信号ONが立ち上がったとき、すなわち、ゲート電圧Vgの立ち上げが開始された開始タイミングでスイッチング素子SW2をオンして定電流源IS2によるコンデンサC2の充電を開始し、ゲート電圧Vgが参照電圧Vref2に至ったときにスイッチング素子SW1をオフして定電流源IS2によるコンデンサC1の充電を停止する。
The charge start /
スイッチング素子SW4は、コンデンサC2に並列に接続され、オン信号ONの逆相の信号がゲートに入力されるNMOSトランジスタとして構成されている。スイッチング素子SW4は、オン信号ONが立ち上がらない場合、すなわち、ゲート電圧Vgを立ち上げない場合にオンして、コンデンサC2を放電する。 The switching element SW4 is connected in parallel to the capacitor C2, and is configured as an NMOS transistor in which a signal having a phase opposite to the ON signal ON is input to the gate. The switching element SW4 is turned on when the ON signal ON does not rise, that is, when the gate voltage Vg is not raised, and discharges the capacitor C2.
参照時間検出部30は、こうした構成により、定電流源IS2により電流I1で充電されたコンデンサC2の電圧Vc2を参照時間Tref2として出力する。参照時間Tref2については後述する。
With this configuration, the reference
短絡検出部40は、コンデンサC1の電圧VT1とコンデンサC2の電圧VT2とを比較するコンパレータCMP3と、制御回路36からのスイッチング素子SW2をオンオフするための信号を反転するインバータINV1と、インバータINV1の出力とコンパレータCMP3の出力との否定論理積を演算して出力するNAND回路42と、を備えている。短絡検出部40は、ゲート電圧Vgが参照電圧Vref2に至ったときにコンデンサC1の電圧VT1がコンデンサC2の電圧VT2より低い場合に、つまり、電圧Vc2が電圧Vc1より小さい場合には、電源電圧VDCとIGBT12との短絡を示す短絡検出信号Verrorを出力する。
The
図4は、ゲート電圧Vg,電圧VT1,VT2の時間変化の一例を示す説明図である。図中、ゲート電圧Vgにおいて、実線は正常時であり、破線は電源電圧VDCとIGBT12との短絡が生じているとき(以下、この場合を「短絡時」とも言う)を示している。正常時は、図示するように、ゲート電圧Vgが立ち上がると、充電開始停止回路24,34からの充電によりコンデンサC1,C2の電圧VT1,VT2が立ち上がる。コンデンサC1,C2は容量が同じであり、コンデンサC1は充電開始停止回路24により電流I2(=電流I1×α)で充電され、コンデンサC2は充電開始停止回路34により電流I1で充電されている。そのため、電圧VT1は、時間に対して、電圧VT2のα倍速く立ち上がる。そして、ゲート電圧Vgが参照電圧Vref1に至る参照時間Tref1において、充電開始停止回路24による充電が停止し、コンデンサC1の電圧VT1は電圧Vc1で保持される。ゲート電圧Vgは、電圧Vsに至るとミラー容量によりしばらく電圧Vsで保持された後再び上昇する。そして、ゲート電圧Vgが参照電圧Vref2に至る参照時間Tref2において、充電開始停止回路34によるコンデンサC2の充電が停止し、コンデンサC2の電圧VT1は、電圧Vc2で保持される。このように、正常時は、電圧Vgが電圧Vsで保持されている間にコンデンサC2が充電されるから、電圧Vc2は電圧Vc1より高くなる。短絡発生時は、ゲート電圧Vgが電圧Vsで保持されることなく上昇し、正常時より早期に参照電圧Vref2に至る。そのため、コンデンサC2の充電は正常時より早期に停止され、図示するように、電圧Vc2は電圧Vc1より低くなる。したがって、電圧Vc2と電圧Vc1とを比較することにより、短絡を検出することができる。短絡検出部40は、参照時間Tref2で電圧Vc2が電圧Vc1より低いときに、短絡検出信号Verrorを出力するから、短絡の発生を検出することができる。なお、こうした短絡の検出のために、コンデンサC1を充電する充電開始停止回路24における定電流源IS1の電流I2(=I1・α)は、短絡時の電圧Vc2が電圧Vc1より低くなるように調整されている。
FIG. 4 is an explanatory diagram showing an example of temporal changes in the gate voltage Vg and the voltages VT1 and VT2. In the figure, in the gate voltage Vg, a solid line indicates a normal time, and a broken line indicates a time when the power supply voltage VDC and the
IGBT12のゲート電圧Vgは、IGBT12の温度や製造ばらつきなどにより立ち上がりにばらつきが生じる。図5は、従来の短絡検出方法を説明するための説明図である。図6は、実施例の短絡検出方法を説明するための説明図である。図中、一点鎖線は、電源VDCとIGBT12とに短絡が生じた場合のゲート電圧Vgの時間変化を示している。図中、太線と細線とは、こうした変化が生じる前後のゲート電圧Vgの時間変化の一例を示している。従来の短絡検出方法では、図5に示すように、予め参照電圧Vrefと閾値時間Tthとを定めておき、図中、太線で示すように、ゲート電圧Vgが参照電圧Vrefに至った時間Trefと閾値時間Tthとを比較し、時間Trefが閾値時間Tthより小さいときに短絡が生じていると検出している。この場合、図中細線で示すように、IGBT12の温度変化などによりゲート電圧Vgの立ち上がりが遅くなると、短絡が生じている場合でも時間Trefが閾値時間Tthより大きくなり、短絡が生じていないと誤判定してしまう。このように、予め閾値時間Tthや参照電圧Vrefを定める手法では、誤判定する場合がある。したがって、図6に示すように、閾値時間Tthを、開始タイミングからゲート電圧Vgが参照電圧Vref1に至るまでの参照時間Tref1にαを乗じたものとし、参照時間Tref2が閾値時間Tthより短いときに、短絡を検出するようにする。参照時間Tref1は、ゲート電圧Vgの立ち上がりに応じて変化するから、閾値時間Tthもゲート電圧Vgの立ち上がりに応じて変化する。これにより、短絡の誤判定を抑制することができる。実施例では、上述したようにコンデンサC1の電圧VT1は、時間に対して、コンデンサC2の電圧VT2の所定係数倍速く上昇するから、閾値時間生成部22から閾値時間Tthとしてコンデンサの電圧Vc1を出力し、参照時間検出部30から参照時間Tref2としてコンデンサC2の電圧Vc2を出力し、短絡検出部40で、電圧Vc2が閾値としての電圧Vc1より小さいときに、短絡検出信号Verrorを出力し、短絡を検出する。上述したように参照時間Tref1は、ゲート電圧Vgの立ち上がりに応じて変化するから、参照時間Tref1に値αを乗じた閾値時間Tth、すなわち、電圧Vc1も変化する。このように、実施例では、ゲート電圧Vgの立ち上がりの変化に応じて変化する電圧Vc1を閾値として短絡を検出するから、IGBT12の製造ばらつきや温度変化などに拘わらず同一の閾値時間Tthを用いて短絡を検出する従来のものと比較すると、より適正に短絡が生じていることを検出することができる。
The rise of the gate voltage Vg of the
以上説明した実施例の電力変換装置10によれば、閾値時間生成部22で電圧Vc1を値α・Tref1として出力し、参照時間検出部30で電圧Vc2を参照時間Tref2として出力し、短絡検出部40で電圧Vc2が閾値としての電圧Vc1より小さいときに、短絡が生じていることを検出するから、より適正に短絡が生じていることを検出することができる。
According to the
実施例の電力変換装置10では、定電流源IS1,定電流源IS2は、電流I2,I1を供給しているが、定電流源IS1,IS2を電流値を切替可能な定電流源として構成してもよい。こうすれば、IGBT12の特性に応じて定電流源IS1,IS2の電流を適宜切り替えることにより、より適正に短絡を検出することができる。
In the
実施例の電力変換装置10では、短絡検出部40として、コンパレータCMP3と、インバータINV1と、NAND回路42と、を備えているものとしたが、図7の変形例の短絡検出装置120に例示するように、NAND回路42の出力を遅延時間Td遅延させる遅延回路150と、NAND回路42の出力と遅延回路150の出力との論理積を演算して短絡検出信号Verrorとして出力するAND回路152と、を備えていてもよい。図8は、ゲート電圧Vgに短時間のノイズパルスが発生しているときの電圧VT1,VT2,短絡検出信号Verrorの時間変化の一例を示す説明図である。図中、実線は変形例の短絡検出装置120を備える電力変換装置における各種電圧、信号の時間変化を示し、破線は、実施例の短絡検出装置20における短絡検出信号Verrorを示している。ゲート電圧Vgに短時間のノイズパルスが発生すると、ゲート電圧Vgがノイズパルスで比較的早い時期に瞬時的に上昇して参照電圧Vref2を超え、その後、ゲート電圧Vgが参照電圧Vref2未満に下がる。短絡検出装置20では、ゲート電圧Vgが参照電圧Vref2を超えたときに電圧Vc2が電圧Vc1より低いと短絡と判定するから、短絡検出信号Verrorが出力されてしまう。変形例の短絡検出装置120では、NAND回路42の出力とNAND回路42の出力を遅延回路150で時間Td遅延させたものとの論理積を出力Verrorとして出力することにより、ゲート電圧Vgが参照電圧Vref2を超えた時間が時間Td以上継続したときに短絡検出信号Verrorを出力する。したがって、遅延回路150における遅延時間Tdを想定されるノイズパルスが発生する時間より長くすることにより、ノイズパルスによる短絡の誤検出を抑制することができる。
In the
実施例の電力変換装置10では、短絡検出部40において、閾値時間生成部22を閾値時間Tthとして電圧VT1を出力し、参照時間検出部30を参照時間Tref2として電圧VT2を出力し、電圧VT2が電圧VT1より低い場合に短絡が生じていることを検出している。閾値時間生成部22はゲート電圧Vgを検出する電圧センサからのゲート電圧Vgから参照時間Tref1を検出して参照時間Tref1にαを乗じて閾値時間Tthを生成し、参照時間検出部30を電圧センサからのゲート電圧Vgが参照電圧Vref2に至るまでの時間から参照時間Tref2を検出し、参照時間Tref2が閾値時間Tthより小さいときに、短絡が生じていることを検出してもよい。
In the
実施例の電力変換装置10では、IGBT12を備えるものとしたが、いわゆる縦型のパワートランジスタであれば如何なるものを備えていてもよく、例えば、縦型のMOSFETを備えていてもよい。
The
実施例では、本発明を電源VDCとIGBT12との短絡を検出する短絡検出装置に適用する場合について例示したが、本発明をこうした短絡を検出する方法の形態としても構わない。
In the embodiment, the case where the present invention is applied to a short-circuit detection device that detects a short-circuit between the power supply VDC and the
以上、本発明を実施するための形態について実施例を用いて説明したが、本発明はこうした実施例に何等限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において、種々なる形態で実施し得ることは勿論である。 As mentioned above, although the form for implementing this invention was demonstrated using the Example, this invention is not limited at all to such an Example, In the range which does not deviate from the summary of this invention, it is with various forms. Of course, it can be implemented.
本発明は、短絡検出装置の製造産業などに利用可能である。 The present invention can be used in the manufacturing industry of short-circuit detection devices.
10 電力変換装置、12 IGBT、14 負荷、16 ゲート駆動装置、20,120 短絡検出装置、22 閾値時間生成部、24,34 充電開始停止回路、26 制御回路、28,38,42 NAND回路、30 参照時間検出部、36 制御回路、40 短絡検出部、150 遅延回路、152 AND回路、C1,C2 コンデンサ、CMP1〜CMP3 コンパレータ、D1,D2 ダイオード、G,GSW1,GSW2 ゲート、INV1 インバータ、IS1,IS2 定電流源、L リアクトル、SW1〜SW4 スイッチング素子。
DESCRIPTION OF
Claims (5)
前記ゲート駆動装置によって前記パワートランジスタのゲート電圧の立ち上げが開始された開始タイミングから前記ゲート電圧が前記パワートランジスタに電流が流れ始める所定電圧より低い第1参照電圧に至るまでの第1参照時間に所定係数を乗じた閾値時間を生成する閾値時間生成手段と、
前記開始タイミングから前記ゲート電圧が前記所定電圧より高く前記電源の電圧より低い第2参照電圧に至るまでの第2参照時間を検出する参照時間検出手段と、
前記第2参照時間が前記閾値時間より短いときには、前記短絡が生じていることを検出する短絡検出手段と、
を備える短絡検出装置。 A power conversion device comprising: a vertical power transistor connected between a power source and a ground; a load connected between the power source and the power transistor; and a gate driving device that drives a gate of the power transistor. A short-circuit detection device that detects a short circuit between the power source and the power transistor in the device,
A first reference time from a start timing at which the gate voltage of the power transistor is started to rise by the gate driving device to a first reference voltage lower than a predetermined voltage at which the gate voltage starts to flow through the power transistor. Threshold time generation means for generating a threshold time multiplied by a predetermined coefficient;
A reference time detecting means for detecting a second reference time from the start timing to a second reference voltage in which the gate voltage is higher than the predetermined voltage and lower than the voltage of the power supply;
When the second reference time is shorter than the threshold time, short-circuit detecting means for detecting that the short-circuit has occurred,
A short-circuit detection device comprising:
前記閾値時間生成手段は、
第1電流に前記所定係数を乗じた第2電流を供給する第1定電流源と、
前記第1定電流源に接続された第1コンデンサと、
前記開始タイミングに前記第1定電流源による前記第1コンデンサの充電を開始し、前記ゲート電圧が前記第1参照電圧に至ったときに前記第1定電流源による前記第1コンデンサの充電を停止する第1充電開始停止回路と、
を有し、
前記閾値時間として前記第1充電開始停止回路によって前記第1定電流源により充電された前記第1コンデンサの電圧を出力する手段であり、
前記参照時間検出手段は、
前記第1電流を供給する第2定電流源と、
前記第2定電流源に接続された第2コンデンサと、
前記開始タイミングに前記第2定電流源による前記第2コンデンサの充電を開始し、前記ゲート電圧が前記第2参照電圧に至ったときに前記第2定電流源による前記第2コンデンサの充電を停止する第2充電開始停止回路と、
を有し、
前記第2参照時間として前記第2充電開始停止回路によって前記第2定電流源により充電された前記第2コンデンサの電圧を出力する手段であり、
前記短絡検出手段は、前記第2参照時間として出力された前記第2コンデンサの電圧が前記閾値時間として出力された前記第1コンデンサの電圧より低いときには、前記短絡が生じていることを検出する手段である、
短絡検出装置。 The short-circuit detection device according to claim 1,
The threshold time generation means includes
A first constant current source for supplying a second current obtained by multiplying the first current by the predetermined coefficient;
A first capacitor connected to the first constant current source;
The charging of the first capacitor by the first constant current source is started at the start timing, and the charging of the first capacitor by the first constant current source is stopped when the gate voltage reaches the first reference voltage. A first charge start / stop circuit to perform,
Have
Means for outputting the voltage of the first capacitor charged by the first constant current source by the first charge start / stop circuit as the threshold time;
The reference time detecting means is
A second constant current source for supplying the first current;
A second capacitor connected to the second constant current source;
The charging of the second capacitor by the second constant current source is started at the start timing, and the charging of the second capacitor by the second constant current source is stopped when the gate voltage reaches the second reference voltage. A second charge start / stop circuit that
Have
Means for outputting the voltage of the second capacitor charged by the second constant current source by the second charge start / stop circuit as the second reference time;
The short circuit detection means detects that the short circuit has occurred when the voltage of the second capacitor output as the second reference time is lower than the voltage of the first capacitor output as the threshold time. Is,
Short-circuit detection device.
前記第1定電流源は、前記第1電流を変更する電流変更部、を有する、
短絡検出装置。 The short-circuit detection device according to claim 2,
The first constant current source includes a current changing unit that changes the first current.
Short-circuit detection device.
前記参照時間検出手段は、前記第2参照時間を検出した後に前記ゲート電圧が前記第2参照電圧以下となったときには、前記ゲート電圧の低下を検出し、
前記短絡検出手段は、前記第2参照時間が前記閾値時間より短いときでも、前記第2参照時間が検出されてから所定時間以内に前記ゲート電圧の低下が検出されたときには、前記短絡が生じていないことを検出する、
短絡検出装置。 The short-circuit detection device according to any one of claims 1 to 3,
The reference time detection means detects a decrease in the gate voltage when the gate voltage becomes equal to or lower than the second reference voltage after detecting the second reference time,
The short-circuit detection means has the short circuit when a decrease in the gate voltage is detected within a predetermined time after the second reference time is detected even when the second reference time is shorter than the threshold time. To detect that,
Short-circuit detection device.
前記ゲート駆動装置によって前記パワートランジスタのゲート電圧の立ち上げが開始された開始タイミングから前記ゲート電圧が前記パワートランジスタに電流が流れ始める所定電圧より低い第1参照電圧に至るまでの第1参照時間に所定係数を乗じた閾値時間を生成し、
前記開始タイミングから前記ゲート電圧が前記所定電圧より高く前記電源の電圧より低い第2参照電圧に至るまでの第2参照時間を検出し、
前記第2参照時間が前記閾値時間より短いときには、前記短絡が生じていることを検出する、
短絡検出方法。 A power conversion device comprising: a vertical power transistor connected between a power source and a ground; a load connected between the power source and the power transistor; and a gate driving device that drives a gate of the power transistor. A short-circuit detection method for detecting a short-circuit between the power source and the power transistor in an apparatus,
A first reference time from a start timing at which the gate voltage of the power transistor is started to rise by the gate driving device to a first reference voltage lower than a predetermined voltage at which the gate voltage starts to flow through the power transistor. Generate a threshold time multiplied by a predetermined coefficient,
Detecting a second reference time from the start timing until the gate voltage reaches a second reference voltage higher than the predetermined voltage and lower than the voltage of the power source;
When the second reference time is shorter than the threshold time, it is detected that the short circuit has occurred.
Short circuit detection method.
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