JP6302386B2 - Protection device and protection method for power conversion device - Google Patents
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Description
本発明は、複数個の電力スイッチング素子で構成される電力変換装置の保護装置及び保護方法に係り、特に素子破壊検出とその後の復旧に適した構成の電力変換装置の保護装置及び保護方法に関する。 The present invention relates to a protection device and a protection method for a power conversion device including a plurality of power switching elements, and more particularly, to a protection device and a protection method for a power conversion device having a configuration suitable for element breakdown detection and subsequent recovery.
電力変換装置は複数のスイッチング素子を動作させることで、直流電力を任意の振幅、周波数の交流電圧指令と等価な電圧に変換する交流電力生成機能を有する。 The power conversion device has an AC power generation function for converting DC power into a voltage equivalent to an AC voltage command having an arbitrary amplitude and frequency by operating a plurality of switching elements.
係る電力変換装置の電力スイッチング素子構成にはいくつかのものがあるが、このうち例えば4種類のスイッチング素子を有する回路構成を採用する3レベル方式の電力変換装置では、交流電圧指令に対してスイッチングパターンの指令信号をゲートドライバに与えることで、スイッチング素子がON、OFFの動作を行い交流出力端で交流電圧指令と等価な電圧が出力される。 There are several power switching element configurations of such a power conversion device. Among these, for example, in a three-level power conversion device that employs a circuit configuration having four types of switching elements, switching is performed in response to an AC voltage command. By supplying the pattern command signal to the gate driver, the switching element is turned ON and OFF, and a voltage equivalent to the AC voltage command is output at the AC output terminal.
また、各スイッチング素子を2直列以上に多段化することで印加できる電圧をアップし、電力容量アップを図った電力変換装置では、同じスイッチング指令を多段直列のスイッチング素子に与えてON、OFFさせ、交流電圧指令と等価な電圧を出力している。 In addition, by increasing the voltage that can be applied by multi-stage each switching element in two or more series, in the power converter that aims to increase the power capacity, the same switching command is given to the multi-stage switching elements to turn on and off, A voltage equivalent to the AC voltage command is output.
これらの電力変換装置におけるスイッチング素子構成とその制御手法について、例えば特許文献1、特許文献2に詳しく説明されている。
For example,
これらの複数のスイッチング素子で構成された電力変換装置は、スイッチング素子の1つが破損または誤動作等でON、OFFの指令と異なる動作をした場合、直流短絡が誘発され、主回路が破損する等の2次被害が発生してしまう。また、高圧化により短絡エネルギーが増大し、不具合時の被害が大きいという問題がある。 In the power conversion device composed of these plural switching elements, if one of the switching elements is operated differently from the ON / OFF command due to damage or malfunction, a DC short circuit is induced and the main circuit is damaged. Secondary damage will occur. Moreover, there is a problem that short circuit energy increases due to high pressure, and damage at the time of malfunction is great.
これに対して、従来はヒューズによる短絡検出及び被害拡大防止や、また特許文献1のように電圧制御型素子への指令パルス信号と、前記電圧制御素子のオン・オフ状態を示すゲートフィードバック信号との不一致している時間をカウントし、一定時間以上不一致であることを観測することで電圧制御型素子の異常を検出するといった方法がある。
On the other hand, conventionally, detection of a short circuit by a fuse and prevention of damage expansion, as in
しかしヒューズによる保護方法では、ヒューズが無い場合よりも被害範囲を抑えることはできるが、ヒューズが切れるまでの時間がスイッチング素子の破損までの時間に対して長いため、電流短絡経路にあるスイッチング素子全てに何らかのダメージを与えてしまうという問題がある。 However, with the protection method using a fuse, the damage range can be suppressed as compared with the case without a fuse, but since the time until the fuse blows is longer than the time until the switching element is damaged, all the switching elements in the current short circuit path There is a problem that it causes some damage.
また、破損した素子の指令パルス信号とフィードバック信号を比較して検出する方法では、素子破損や、素子破損による直流短絡などの2次被害の影響が検出回路まで及び、破損した素子の故障を検出できない事態が発生した場合、直流短絡が発生してしまい2次被害を防止することができないという問題がある。 In addition, in the method of detecting and comparing the command pulse signal and feedback signal of the damaged element, the influence of secondary damage such as element damage and DC short-circuit due to element damage extends to the detection circuit, and the failure of the damaged element is detected. When a situation that cannot be performed occurs, there is a problem that a DC short circuit occurs and secondary damage cannot be prevented.
以上のことから本発明の目的は、より確実に素子破損を検出し、2次被害の拡大防止を図り、復旧時間及び復旧費用を抑えることが可能な電力変換装置及び保護方法を提供することにある。 In view of the above, an object of the present invention is to provide a power conversion device and a protection method capable of more reliably detecting element breakage, preventing secondary damage from spreading, and reducing recovery time and cost. is there.
以上の目的を達成するために本発明においては、複数のスイッチング素子の直列回路により上下のアームをそれぞれ形成し、上下アームのそれぞれの中間部からダイオードを介して接地し、上下アームの接続点から負荷を介して接地し、上下アームの両端に直流電源を接続した電力変換装置の保護装置であって、アームを形成する複数のスイッチング素子のそれぞれについて、コレクタとゲート間に接続されたクランプ素子を含む過電圧抑制回路と、ゲートにゲート信号を与える信号発生回路と、信号発生回路と並列に配置された過電圧検出回路を設けており、過電圧検出回路は、スイッチング素子の過電圧の際に過電圧抑制回路に得られるクランプ電流から過電圧の継続時間を監視してスイッチング素子の破損を検出する。 In order to achieve the above object, in the present invention, upper and lower arms are respectively formed by a series circuit of a plurality of switching elements, grounded via a diode from each intermediate portion of the upper and lower arms, and from the connection point of the upper and lower arms. A protection device for a power conversion device that is grounded via a load and connected to a DC power source at both ends of the upper and lower arms, and a clamp element connected between the collector and the gate for each of a plurality of switching elements forming the arm. Including an overvoltage suppression circuit, a signal generation circuit that applies a gate signal to the gate, and an overvoltage detection circuit that is arranged in parallel with the signal generation circuit. The overcurrent duration is monitored from the obtained clamp current to detect the breakage of the switching element.
以上で述べたように、本発明によれば、スイッチング素子が破損した時の2次被害を少なくすることができ、復旧時間や復旧費用を抑えることが可能な電力変換装置を提供することができる。 As described above, according to the present invention, it is possible to provide a power conversion device that can reduce secondary damage when a switching element is damaged and can reduce recovery time and cost. .
以下、本発明の実施の形態について図面を用いて説明する。なお以下の図や実施例の説明では、スイッチング素子としてIGBTとツェナーダイオードを例にとって説明するが、スイッチング素子のIGBTをIGBT以外のMOSゲート半導体に置き換え、ツェナーダイオードをある閾値以上の電圧が加わった時に電流を流すようなクランプ素子に置き換えても同様の効果を得ることができる。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. In the following drawings and description of the embodiments, an IGBT and a Zener diode are described as an example of the switching element, but the IGBT of the switching element is replaced with a MOS gate semiconductor other than the IGBT, and a voltage exceeding a certain threshold is applied to the Zener diode. The same effect can be obtained even if it is replaced with a clamp element that sometimes causes a current to flow.
はじめに本発明が適用可能な電力変換装置の基本構成と動作について説明する。図4は、電力変換装置の3相(U相、V相、W相)の内、1相(U相)の本体構成(100a)と制御装置(200)構成を抜き出して示している。これら本体と制御装置は、U相、V相、W相とも同一の構成であるため、以下U相についてのみ説明する。 First, the basic configuration and operation of a power conversion device to which the present invention can be applied will be described. FIG. 4 shows a main body configuration (100a) and a control device (200) configuration of one phase (U phase) out of the three phases (U phase, V phase, W phase) of the power converter. Since the main body and the control device have the same configuration in the U phase, the V phase, and the W phase, only the U phase will be described below.
図4において、本体である電力変換器(100a)は、直列接続された複数のスイッチング素子で構成されている。本発明の実施例ではスイッチング素子はIGBTで構成されており、IGBT(QP1、QP2、QPC1、QPC2、QNC1、QNC2、QN1、QN2)による直列回路を形成している。IGBTの直列回路は、上側4素子QP1、QP2、QPC1、QPC2により上側アームを形成し、下側4素子QNC1、QNC2、QN1、QN2により下側アームを形成しており、上下アームの中間点P12と接地との間に負荷3を接続している。また上側4素子QP1、QP2、QPC1、QPC2の中間点P13と、下側4素子QNC1、QNC2、QN1、QN2の中間点P14の間に、クランプダイオードDCP1、DCP2、DCN1、DCN2によるダイオード直列回路を備えている。
In FIG. 4, the power converter (100a) as the main body is composed of a plurality of switching elements connected in series. In the embodiment of the present invention, the switching element is composed of an IGBT and forms a series circuit of IGBTs (QP1, QP2, QPC1, QPC2, QNC1, QNC2, QN1, QN2). In the IGBT series circuit, the upper four elements QP1, QP2, QPC1, and QPC2 form an upper arm, and the lower four elements QNC1, QNC2, QN1, and QN2 form a lower arm, and an intermediate point P12 between the upper and lower arms. A
IGBTによる直列回路の両端には、直流電圧源1pa、1naから電圧Eをそれぞれ取り込んでいる。そのうえで、ダイオード直列回路の中間点P15と直流電圧源の中間点P16が共通に接地されている。 The voltage E is taken in from the DC voltage sources 1pa and 1na at both ends of the series circuit by the IGBT. In addition, the intermediate point P15 of the diode series circuit and the intermediate point P16 of the DC voltage source are commonly grounded.
本体の電力変換器側は以上のように構成されており、他方制御側のパルス幅変調回路200は、以下のように構成されている。まず制御回路であるパルス幅変調回路200の最終段には、4組のゲートアンプ(GA1u、GA2u、GA3u、GA4u)を備えている。このうち、ゲートアンプGA1uからのスイッチングパルスG1uは、IGBT直列回路の上側素子QP1、QP2のゲートドライバ110に与えられ、ゲートアンプGA2uからのスイッチングパルスG2uは、IGBT直列回路の下側素子QNC1、QNC2のゲートドライバ110に与えられ、ゲートアンプGA3uからのスイッチングパルスG3uは、IGBT直列回路の上側素子QPC1、QPC2のゲートドライバ110に与えられ、ゲートアンプGA4uからのスイッチングパルスG4uは、IGBT直列回路の下側素子QN1、QN2のゲートドライバ110に与えられている。この点弧方式によれば、IGBT直列回路の上側素子QP1とQP2、下側素子QNC1とQNC2、上側素子QPC1とQPC2、下側素子QN1とQN2は、同じスイッチングパルスにより駆動される一体の素子として構成され、使用されている。
The power converter side of the main body is configured as described above, and the control-side pulse
また、ゲートアンプGA1uとGA2u、及びGA3uとGA4uは、それぞれ比較回路Cmp1及びCmp2からのスイッチングパルスを受けているが、GA1uとGA2u、及びGA3uとGA4uの一方は反転回路Not1及びNopt2による反転スイッチングパルス信号を受けている。この結果、上側素子QP1とQP2にスイッチングパルスを与えるとき、下側素子QNC1とQNC2にはその反転スイッチングパルスを与えることになり、また下側素子QN1とQN2にスイッチングパルスを与えるとき、上側素子QPC1とQPC2にはその反転スイッチングパルスを与えることになる。 Further, the gate amplifiers GA1u and GA2u, and GA3u and GA4u receive switching pulses from the comparison circuits Cmp1 and Cmp2, respectively. I am receiving a signal. As a result, when a switching pulse is applied to the upper elements QP1 and QP2, the inverted switching pulse is applied to the lower elements QNC1 and QNC2, and when a switching pulse is applied to the lower elements QN1 and QN2, the upper element QPC1. QPC2 is given its inverted switching pulse.
図5は、図4の電力変換装置の各部信号波形例を示した図である。この図によれば、スイッチングパルス信号G1u、G2u、G3u、G4uの間の反転信号関係が明確に示されている。スイッチングパルス信号G1u、G2u、G3u、G4uは、ONとOFFの2値で表示している。 FIG. 5 is a diagram illustrating a signal waveform example of each part of the power conversion device in FIG. 4. According to this figure, the inverted signal relationship among the switching pulse signals G1u, G2u, G3u, G4u is clearly shown. The switching pulse signals G1u, G2u, G3u, and G4u are displayed as binary values of ON and OFF.
また図4の制御装置構成において、比較回路Cmp1及びCmp2は、三角波Cr31とU相の交流電圧指令Vu*p、Vu*Nの大小比較によりスイッチングパルス信号G1u、G2u、G3u、G4uのONとOFFを定めている。なお図4において、G31は三角波Cr31の搬送波発生器、B1はバイアス回路、2fは加算器、M1は所望の直流電圧Erを与える乗算回路であり、図5に例示しているように三角波Cr31は電位0と電位+Er/2の間で変化する三角波形である。交流電圧指令Vu*pは電位0を中心値とする正弦状波形であり、交流電圧指令Vu*pに電位+Er/2を加算された交流電圧指令Vu*Nは電位+Er/2を中心値とする正弦状波形とされている。
In the configuration of the control device in FIG. 4, the comparison circuits Cmp1 and Cmp2 turn on and off the switching pulse signals G1u, G2u, G3u, and G4u by comparing the triangular wave Cr31 and the U-phase AC voltage commands Vu * p and Vu * N. Is stipulated. In FIG. 4, G31 is a carrier wave generator for triangular wave Cr31, B1 is a bias circuit, 2f is an adder, M1 is a multiplier circuit for applying a desired DC voltage Er, and triangular wave Cr31 is shown in FIG. It is a triangular waveform that changes between potential 0 and potential + Er / 2. The AC voltage command Vu * p has a sinusoidal waveform centered on the
図5の電力変換装置の各部信号波形例によれば、パルス幅変調回路200には、出力したい交流電圧波形(Vu*、Vv*、Vw*)が与えられ、三角波Cr31とU相の交流電圧指令Vu*p、Vu*Nの大小比較によりスイッチングパルス信号G1u、G2u、G3u、G4uのONとOFFが決定され、最終的にインバータの出力端の電圧Vuが定まる。
According to the signal waveform example of each part of the power conversion device in FIG. 5, the pulse
インバータ出力端電圧Vuの出力パターンには、図5の下段に示したように、スイッチングパルスG1u、G3uがONで出力電圧が+Eの時のパターンA、スイッチングパルスG2u、G3uがONで出力電圧が0の時のパターンB、スイッチングパルスG2u、G4uがONで出力電圧が−Eの時のパターンCの全3パターンがある。なお電位が+Eあるいは−Eとなっている時間が制御されていることで、フィルタリング後の交流波形は正弦波波形が得られる。 As shown in the lower part of FIG. 5, the output pattern of the inverter output terminal voltage Vu includes the pattern A when the switching pulses G1u and G3u are ON and the output voltage is + E, and the output voltage is the switching voltage G2u and G3u is ON. There are a total of three patterns: a pattern B when 0, and a pattern C when the switching pulses G2u and G4u are ON and the output voltage is -E. Since the time during which the potential is + E or -E is controlled, a sinusoidal waveform is obtained as the AC waveform after filtering.
図6は、図4で示す回路のIGBTの1つであるQNC2が破損した場合の破損モードの進展状況を示す図である。ここではスイッチングパターン例が図3のAであったとする。なおこの事象は、スイッチングパターンが図3のB,Cである時も同様に生じ得るので、以下の説明はパターンAに特化して行うものとする。
FIG. 6 is a diagram showing the progress of the failure mode when the
スイッチングパターン例Aでは、スイッチングパルスG1u、G3uがONで出力電圧が+Eの時であり、上側素子QP1、QP2、QPC1、QPC2がON状態にあり、この時電流は図6上段のルートAA1のように流れている。接地から端子P16、直流電圧源1pa、上側素子QP1、QP2、QPC1、QPC2、端子P12、負荷3を経由して接地に至るルートで電流が流れている。
In the switching pattern example A, when the switching pulses G1u, G3u are ON and the output voltage is + E, the upper elements QP1, QP2, QPC1, QPC2 are in the ON state. At this time, the current is as shown by the route AA1 in the upper stage of FIG. Is flowing. A current flows along a route from the ground to the terminal P16, the DC voltage source 1pa, the upper elements QP1, QP2, QPC1, QPC2, the terminal P12, and the
この通流状態で図6上段のように下側素子QNC2が導通破損したものとする。つまり一体として点弧運用される2つの素子QNC1、素子QNC2のうち、素子QNC2が導通破損したものとする。この場合には、直列接続された1つの素子であるQNC1に対して、QNC1とQNC2の2素子分の電圧が印加されることになり、QNC1の印加電圧が上昇し、QNC1はやがて過電圧破損に至ることがある。QNC1、QNC2がともに破損すると、電流は図6下段のルートAA2のように流れることになる。端子P16から直流電圧源1pa、上側素子QP1、QP2、QPC1、QPC2、端子P12、下側素子QNC1、QNC2、クランプダイオードDCN1、DCN2を経由して端子P16に至るルートで電流が流れる。この状態の直流短絡により、ルート上のQP1、QP2、QPC1、QPC2、QNC1、QNC2、DCN2、DCN1の破損に進展する恐れがある。 Assume that the lower element QNC2 is broken in conduction as shown in the upper part of FIG. In other words, it is assumed that the element QNC2 out of the two elements QNC1 and QNC2 that are operated in an integrated manner is damaged. In this case, the voltage for two elements QNC1 and QNC2 is applied to QNC1, which is one element connected in series, the applied voltage of QNC1 rises, and QNC1 eventually breaks down due to overvoltage. Sometimes. If both QNC1 and QNC2 are damaged, the current flows as shown by route AA2 in the lower part of FIG. A current flows in a route from the terminal P16 to the terminal P16 via the DC voltage source 1pa, the upper elements QP1, QP2, QPC1, QPC2, the terminal P12, the lower elements QNC1, QNC2, the clamp diodes DCN1, DCN2. The direct current short circuit in this state may cause damage to QP1, QP2, QPC1, QPC2, QNC1, QNC2, DCN2, and DCN1 on the route.
係る故障の進展を阻止するために本発明の一実施例においては、図1に示すように過電圧抑制回路112と過電圧検出回路111と信号発生回路110を、個々のスイッチング素子のゲートドライバ110に実装している。図1では一体に運用される2つの直列素子QNC1、QNC2の例を示しているが、同様の過電圧抑制回路112と過電圧検出回路111と信号発生回路110は、他の素子にも装備されている。
In order to prevent the progress of such a failure, in one embodiment of the present invention, as shown in FIG. 1, an
図1の回路構成によれば、一体に運用される2つの直列素子QNC1、QNC2に共通にスイッチングパルス信号G3uが与えられており、それぞれの信号発生回路110はG3Uの受信に対応してゲート電流Ig1、Ig2をIGBT素子QNC1、QNC2のゲートgに与える。
According to the circuit configuration of FIG. 1, a switching pulse signal G3u is commonly applied to two series elements QNC1 and QNC2 that are operated in an integrated manner, and each
他方、IGBT素子QNC1、QNC2は、負のゲート電流Ig1、Ig2の印加によりターンオフに移行し、そのコレクタcに流れるコレクタ電流Icが減少し、コレクタ電圧が上昇する。ツェナーダイオード112aと抵抗112bの直列回路で構成された過電圧抑制回路112のツェナーダイオード112は、コレクタ電圧が所定電圧以上になった時にこれを制限し、クランプ電流Igc1、Igc2が流れる。これにより、クランプ電流Igc1、Igc2は、ゲート電流Ig1’、Ig2’とゲート電流Ig1、Ig2に分流して流れることになる。過電圧検出回路111では、ゲート電流Ig1、Ig2による電位を監視して、IGBT素子QNC1、QNC2の過電圧から異常検知する。なおここで、クランプ電流Igc1、Igc2、ゲート電流Ig1、Ig2、ゲート電流Ig1’、Ig2’は、それぞれ図1の矢印の方向を正としている。
On the other hand, the IGBT elements QNC1 and QNC2 are turned off by application of the negative gate currents Ig1 and Ig2, and the collector current Ic flowing through the collector c decreases, and the collector voltage increases. The
なお、スイッチング素子IGBTのコレクタc‐エミッタe間に過電圧が印加されるような条件では、コレクタc‐エミッタe間電圧は、ゲートg‐エミッタe間電圧に比べ十分高く、コレクタc‐エミッタe間電圧とコレクタc‐ゲートg間電圧はほぼ等しいとみなせるので、ここでは両者ともコレクタ電圧と呼んでいる。 Under the condition that an overvoltage is applied between the collector c and the emitter e of the switching element IGBT, the voltage between the collector c and the emitter e is sufficiently higher than the voltage between the gate g and the emitter e, and between the collector c and the emitter e. Since the voltage and the voltage between the collector c and the gate g can be regarded as substantially equal, both are called collector voltages here.
また図1の過電圧抑制回路112のツェナーダイオード112は、広義にはクランプ素子とすればよく、要するにある閾値以上の電圧印加時に電流を流すような機能を備えたものであればよい。ツェナーダイオード112は、クランプ素子の一例が示されている。
In addition, the
図2は、過電圧抑制回路112を備えない従来回路の場合における上記進展故障の時の各部電流、電圧波形を示している。図2において、上から順に(a)はコレクタ電流Ic、(b)はコレクタ電圧Vce1、(c)はコレクタ電圧Vce2、(d)はクランプ電流Igc1、(e)はゲート電流Ig1、(f)はゲート電流Ig1’、(g)はクランプ電流Igc2、(h)はゲート電流Ig2、(i)ゲート電流Ig2’、(j)は故障検出信号である。
FIG. 2 shows the current and voltage waveforms of each part at the time of the above-described progressive failure in the case of a conventional circuit that does not include the
また図2の横軸の時間軸において、時刻t1は素子QNC2が導通破損した時刻、時刻t2は進展故障により素子QNC1が導通破損した時刻を示している。従って図2の無故障の正常運転状態では、時刻t1以前の各部波形が繰り返し生じている。つまり(a)のコレクタ電流Icが直列素子QNC1、QNC2に流れている状態でスイッチングパルスG1u3による負のゲート電流(f)(i)が流れることで、IGBT素子QNC1、QNC2はターンオフに移行し、コレクタ電流Icは低減する。なおこの状態では、Ig1(e)=Ig1’(f)、Igc2’(h)=Ig2’(i)である。またターンオフの移行に伴い、直列素子QNC1、QNC2の各コレクタ電圧(b)(c)が立ち上がり、負のゲート電流(f)(i)の消滅で直列素子QNC1、QNC2の各コレクタ電圧(b)(c)が低減するという繰り返し波形を生じている。 In the time axis of the horizontal axis in FIG. 2, time t1 indicates the time when the element QNC2 is broken in conduction, and time t2 indicates the time when the element QNC1 is broken due to conduction failure. Therefore, in the normal operation state without failure in FIG. 2, the waveforms of the respective parts before time t1 are repeatedly generated. That is, when the negative gate current (f) (i) by the switching pulse G1u3 flows while the collector current Ic of (a) is flowing in the series elements QNC1 and QNC2, the IGBT elements QNC1 and QNC2 are turned off, The collector current Ic is reduced. In this state, Ig1 (e) = Ig1 ′ (f) and Igc2 ′ (h) = Ig2 ′ (i). As the turn-off shifts, the collector voltages (b) and (c) of the series elements QNC1 and QNC2 rise, and the collector voltages (b) of the series elements QNC1 and QNC2 disappear when the negative gate currents (f) and (i) disappear. A repetitive waveform in which (c) is reduced is generated.
これに対し、時刻t1における素子QNC2の導通破損により、素子QNC1のコレクタ電圧Vce1(b)は、時刻t1以降素子QNC2の負担分も併せて印加されることになる。この高電圧印加状態の継続により、さらに進展して素子QNC1が導通破損した時刻がt2であり、(a)のコレクタ電流Icとして大電流の通流継続状態となる。なお時刻t2後の素子QNC1では、コレクタ電圧Vce1(b)は、急速に低減する。この従来例では過電圧検出回路を備えていないので、(j)の故障検知は行われない。 On the other hand, due to conduction failure of element QNC2 at time t1, collector voltage Vce1 (b) of element QNC1 is applied together with the burden of element QNC2 after time t1. By continuing the high voltage application state, the time when the element QNC1 further progresses and the conduction failure of the element QNC1 is t2, and a large current continues as the collector current Ic of FIG. In element QNC1 after time t2, collector voltage Vce1 (b) decreases rapidly. In this conventional example, since no overvoltage detection circuit is provided, the failure detection of (j) is not performed.
この事例に示すように、素子QNC1に流れるコレクタ電流Icが通流状態から遮断されて0になる時、IGBTにかかるコレクタ電圧Vce1、Vce2は主回路の配線インダクタンスによって図2(b)(c)のように跳ね上がる。また素子QNC2が時刻t1で導通破損すると、図1(c)のように素子QNC2で負担する電圧が0になり、破損した素子QNC2の印加分の電圧が素子QNC1に印加され、素子QNC1のコレクタ電圧Vce1が図2(b)のように上昇する。その結果、時刻t2にて素子QNが過電圧破損に至り、図2(b)のように電源1paからQP1‐QP2‐QPC1‐QPC2‐QNC1‐QNC2‐DCN2‐DCN1の経路で直流短絡が発生し、2次被害が拡大してしまう。 As shown in this example, when the collector current Ic flowing through the element QNC1 is cut off from the conduction state and becomes 0, the collector voltages Vce1 and Vce2 applied to the IGBT are changed according to the wiring inductance of the main circuit as shown in FIGS. Jump up like this. If the element QNC2 is broken in conduction at time t1, the voltage borne by the element QNC2 becomes 0 as shown in FIG. 1C, and the voltage applied to the damaged element QNC2 is applied to the element QNC1, and the collector of the element QNC1 The voltage Vce1 rises as shown in FIG. As a result, at time t2, the element QN is damaged by overvoltage, and as shown in FIG. 2B, a DC short circuit occurs in the path from the power source 1pa to QP1-QP2-QPC1-QPC2-QNC1-QNC2-DCN2-DCN1. Secondary damage will spread.
本発明を適用した回路の動作を図3に示す。この波形の場合の縦軸、横軸項目は図2と同じであるので項目(a)から(j)の詳細な説明は省略する。 The operation of the circuit to which the present invention is applied is shown in FIG. Since the vertical axis and horizontal axis items in the case of this waveform are the same as those in FIG. 2, detailed descriptions of items (a) to (j) are omitted.
過電圧抑制回路112を備えた本発明の場合には、コレクタ電圧Vce1、Vce2がツェナーダイオード112で定まる高電圧に達すると、クランプ電流Igc1、Igc2を発生し、コレクタ電圧Vce1、Vce2をツェナーダイオード112で定まる高電圧に維持、制限する。この結果生じたクランプ電流Igc1、Igc2は、ゲート電流Ig1、Ig2とゲート電流Ig1’、Ig2’に分流する。
In the case of the present invention including the
図3には、クランプ電流Igc1、Igc2の分流に伴うゲート電流Ig1、Ig2とゲート電流Ig1’、Ig2’が示されている。図3(E)(F)(H)(I)において、時刻t10からt11の期間は従来と同じであるが、クランプ電流が分流した時刻t11から時刻t12の期間は、クランプ電流が加算されたゲート電流波形となっている。これによれば、ゲート電流Ig1、Ig2は負側に増大し、ゲート電流Ig1’、Ig2’は0電位側に移行している。 FIG. 3 shows gate currents Ig1, Ig2 and gate currents Ig1 ', Ig2' associated with the shunting of the clamp currents Igc1, Igc2. 3 (E), (F), (H), and (I), the period from time t10 to t11 is the same as the conventional one, but the clamp current is added during the period from time t11 to time t12 when the clamp current is divided. It has a gate current waveform. According to this, the gate currents Ig1 and Ig2 increase to the negative side, and the gate currents Ig1 'and Ig2' shift to the 0 potential side.
図1の回路が無故障の正常運転状態では、このようにして図3の時刻t1以前の各部波形が繰り返し生じている。つまり(a)のコレクタ電流Icが直列素子QNC1、QNC2に流れている状態でスイッチングパルスG1u3による負のゲート電流(f)(i)が流れることでコレクタ電流Icは低減する。また直列素子QNC1、QNC2の各コレクタ電圧(b)(c)が立ち上がるがその値はクランプ電圧により制限され、この時のクランプ電流の分流により、ゲート電流Ig1、Ig2と、ゲート電流Ig1’、Ig2’が定まっている。その後ゲート電流の消滅後に直列素子QNC1、QNC2の各コレクタ電圧(b)(c)が低減するという繰り返し波形を生じている。 In the normal operation state in which the circuit of FIG. 1 is fault-free, the respective waveforms before time t1 in FIG. That is, the negative gate current (f) (i) by the switching pulse G1u3 flows while the collector current Ic of (a) is flowing through the series elements QNC1 and QNC2, thereby reducing the collector current Ic. The collector voltages (b) and (c) of the series elements QNC1 and QNC2 rise, but their values are limited by the clamp voltage, and the gate currents Ig1 and Ig2 and the gate currents Ig1 ′ and Ig2 are divided by the shunt current at this time. 'Is fixed. Thereafter, after the gate current disappears, a repetitive waveform is generated in which the collector voltages (b) and (c) of the series elements QNC1 and QNC2 are reduced.
これに対し、正常運転状態からさらにQNC2導通破損に至った場合の一連の図1回路の動作は以下のようになる。図3においてまず正常時には、素子QNC1、QNC2は通常スイッチング動作を行っており、素子QNC1、QNC2に流れるコレクタ電流Icは通流状態から遮断されたときに0になる(図3(a))。この現象は通常スイッチング動作における現象である。この時、素子QNC1、QNC2にかかるコレクタ電圧Vce1、Vce2は主回路の配線インダクタンスによって図3(b)、(c)のように跳ね上がる。この場合ゲートドライバ110の過電圧抑制回路112のツェナーダイオード112aに印加されるコレクタ電圧Vce1、Vce2が設定したクランプ電圧値Vm以上になると、抵抗112bを経由してクランプ電流Igc1、Igc2が流れる。クランプ電流Igc1、Igc2は、分流して素子QNC1、QNC2のゲートgには電流Ig1、Ig2’が流れ、また過電圧検出回路111には電流Ig1、Ig2が流れる。
On the other hand, the operation of the series of FIG. 1 circuits when the QNC2 conduction failure is further caused from the normal operation state is as follows. In FIG. 3, first, at the normal time, the elements QNC1 and QNC2 perform a normal switching operation, and the collector current Ic flowing through the elements QNC1 and QNC2 becomes 0 when cut off from the conduction state (FIG. 3A). This phenomenon is a phenomenon in normal switching operation. At this time, the collector voltages Vce1 and Vce2 applied to the elements QNC1 and QNC2 jump up as shown in FIGS. 3B and 3C due to the wiring inductance of the main circuit. In this case, when the collector voltages Vce1 and Vce2 applied to the
このように図1の回路によれば、過電圧抑制回路112から素子QNC1、QNC2のゲートgにゲート充電電流としてIg1’、Ig2’を供給し、ゲート電圧を高くすることにより、素子QNC1、QNC2のインピーダンスを低下させ過電圧から保護するとともに、素子QNC1とQNC2のコレクタ電圧をバランスさせている。
As described above, according to the circuit of FIG. 1, by supplying Ig1 ′ and Ig2 ′ as gate charging currents from the
このとき過電圧検出回路111では、自身に流れ込むゲート電流Ig1、Ig2を観測し、クランプ検出閾値In以上の電流が、異常検出時間tf以上の期間流れていないかをチェックしている。時刻t1以前の状態では、時刻t11から時刻t12の中でクランプ検出閾値In以上となる期間tf1を生じている。但し、この現象は正しいスイッチング動作の中で周期的に発生する事象であることから、基準値tf以下であることを確認して異常動作検出とはしない。
At this time, the
これに対し引き続き、素子QNC2が時刻t1で導通破損すると、図1(c)のように素子QNC2で負担する電圧が0になり、その分の電圧が素子QNC1に印加され、素子QNC1のコレクタ電圧Vce1が図1(d)のように上昇する。この際、通常スイッチング時の電圧クランプと同じ様に、設定したクランプ電圧値Vm以上になると、抵抗112bを経由してクランプ電流Igc1が流れた後、分流して素子QNC1のゲートgに電流Ig1’が、過電圧検出回路111に電流Ig1が流れることになる。
On the other hand, when the element QNC2 continues to break at time t1, the voltage borne by the element QNC2 becomes 0 as shown in FIG. 1C, and the corresponding voltage is applied to the element QNC1, and the collector voltage of the element QNC1 Vce1 rises as shown in FIG. At this time, similarly to the voltage clamp at the time of normal switching, when the clamp voltage value Vm becomes equal to or higher than the set clamp voltage value Vm, the clamp current Igc1 flows through the
これによりゲートgにゲート充電電流としてIg1を供給することで、素子QNC1のインピーダンスを低下させ、素子QNC1を過電圧から保護する。またそれと同時に、過電圧検出回路111にて、自身に流れ込むゲート電流Ig1を観測し、クランプ検出閾値In以上の電流が、異常検出時間tf以上の期間流れていないかをチェックしている。
Thus, by supplying Ig1 as a gate charging current to the gate g, the impedance of the element QNC1 is lowered and the element QNC1 is protected from overvoltage. At the same time, the
この時のクランプ検出閾値In以上となる期間tf2は、基準値tf以上であることを検知して、故障と判断する。ちなみに、tf1は5μS程度であるに対し、tf2は15μS以上であるので、両者の識別は容易である。これにより、ゲート電流が異常検出時間tf以上流れると、図1(j)のように故障検出信号がONとなり、近傍の素子が破損したと判断し、直流短絡が発生する前に電力変換装置の運転を停止させ、2次被害の拡大を抑えることができる。 At this time, the period tf2 that is equal to or greater than the clamp detection threshold In is detected as being a failure by detecting that it is equal to or greater than the reference value tf. Incidentally, since tf1 is about 5 μS, and tf2 is 15 μS or more, both can be easily identified. As a result, when the gate current flows for more than the abnormality detection time tf, the failure detection signal is turned on as shown in FIG. 1 (j), and it is determined that the nearby element is damaged, and before the DC short circuit occurs, Operation can be stopped and the spread of secondary damage can be suppressed.
なお、多段直列接続された同一スイッチング動作のMOSゲート半導体素子間の電圧分担をバランスさせるために、ある閾値以上の電圧印加時に電流を流すようなクランプ素子の段数を、電圧の跳ね上がりを積極的に抑制する数に調整することで、通常スイッチング動作時にはMOSゲート半導体の直列電圧のバランス化を図ることができる。 In order to balance the voltage sharing between MOS gate semiconductor elements with the same switching operation that are connected in series in multiple stages, the number of clamp elements that allow current to flow when a voltage exceeding a certain threshold is applied is actively increased. By adjusting the number to be suppressed, the series voltage of the MOS gate semiconductor can be balanced during normal switching operation.
また図3において時刻t1以降、ゲートgには分流したクランプ電流による正側のゲート電流ig1(e)が流れる。これは半導体素子の導通方向の電流であるが、実際にはこの時の電流で動作しないような低い値となるようにスイッチング素子各部の定数などが定められている。 In FIG. 3, after time t1, a positive gate current ig1 (e) due to the divided clamp current flows to the gate g. This is a current in the conduction direction of the semiconductor element, but the constants and the like of each part of the switching element are determined so as to be a low value that does not actually operate with the current at this time.
このように実施例1によれば、アームを形成する複数の直列スイッチング素子のそれぞれについて、コレクタ電圧を監視し、コレクタ電圧が所定値以上になる期間が所定期間以上であることをもって、スイッチング素子の異常と判定する。 As described above, according to the first embodiment, the collector voltage is monitored for each of the plurality of series switching elements forming the arm, and the period during which the collector voltage is equal to or higher than the predetermined value is equal to or longer than the predetermined period. Judge as abnormal.
次に、本発明の実施例2について説明する。実施例2は、実施例1でスイッチングパルスGごとに2直列構成だったIGBT素子が1直列の場合の構成である。実施例2における電力変換器100bの基本構成について、図7を用いて説明する。
Next, a second embodiment of the present invention will be described. The second embodiment is a configuration in the case where the IGBT elements that are in the two-series configuration for each switching pulse G in the first embodiment are one in series. A basic configuration of the
図7において電力変換器の3相(U相、V相、W相)の内1相を抜き出したものが100bであり、U相、V相、W相とも同一の構成であるため、以下U相についてのみ説明する。電力変換器100bは、直列接続された複数のスイッチング素子で構成されている。本発明の実施例2ではスイッチング素子はIGBTで構成されており、IGBT(QP、QPC、QNC、QN)による直列回路を形成している。IGBTの直列回路は、上側2素子QP、QPCにより上側アームを形成し、下側2素子QNC、QNにより下側アームを形成しており、上下アームの中間点P12と、接地との間に負荷3を接続している。また上側2素子QP、QPCの中間点P13と、下側2素子QNC、QNの中間点P14の間に、クランプダイオードDCP、DCNによるダイオード直列回路を備えている。
In FIG. 7, one of the three phases (U phase, V phase, W phase) of the power converter is extracted as 100b, and the U phase, V phase, and W phase have the same configuration. Only the phase will be described. The
IGBTによる直列回路の両端には、直流電圧源1pb、1nbから電圧Eをそれぞれ取り込んでいる。そのうえで、ダイオード直列回路の中間点P15と直流電圧源の中間点P16が共通に接地されている。 The voltage E is taken in from the DC voltage sources 1pb and 1nb at both ends of the IGBT series circuit. In addition, the intermediate point P15 of the diode series circuit and the intermediate point P16 of the DC voltage source are commonly grounded.
本体の電力変換器側は以上のように構成されており、他方制御側のパルス幅変調回路200は、以下のように構成されている。まず制御回路であるパルス幅変調回路200の最終段には、4組のゲートアンプ(GA1u、GA2u、GA3u、GA4u)を備えている。このうち、ゲートアンプGA1uからのスイッチングパルスG1uは、IGBT直列回路の上側素子QPのゲートドライバ110に与えられ、ゲートアンプGA2uからのスイッチングパルスG2uは、IGBT直列回路の下側素子QNCのゲートドライバ110に与えられ、ゲートアンプGA3uからのスイッチングパルスG3uは、IGBT直列回路の上側素子QPCのゲートドライバ110に与えられ、ゲートアンプGA4uからのスイッチングパルスG4uは、IGBT直列回路の下側素子QNのゲートドライバ110に与えられている。
The power converter side of the main body is configured as described above, and the control-side pulse
また、ゲートアンプGA1uとGA2u、及びGA3uとGA4uは、それぞれ比較回路Cmp1及びCmp2からのスイッチングパルスを受けているが、GA1uとGA2u、及びGA3uとGA4uの一方は反転回路Not1及びNopt2による反転スイッチングパルス信号を受けている。この結果、上側素子QPにスイッチングパルスを与えるとき、下側素子QNCにはその反転スイッチングパルスを与えることになり、また下側素子QNにスイッチングパルスを与えるとき、上側素子QPCにはその反転スイッチングパルスを与えることになる。 Further, the gate amplifiers GA1u and GA2u, and GA3u and GA4u receive switching pulses from the comparison circuits Cmp1 and Cmp2, respectively. I am receiving a signal. As a result, when a switching pulse is given to the upper element QP, its inverted switching pulse is given to the lower element QNC. When a switching pulse is given to the lower element QN, its inverted switching pulse is given to the upper element QPC. Will give.
なお実施例2の場合におけるスイッチングパルス(G1u、G2u、G3u、G4u)と電力変換器の出力端の電圧の関係は図5となるが、実施例1と同じため説明は省略する。 The relationship between the switching pulse (G1u, G2u, G3u, G4u) and the voltage at the output terminal of the power converter in the case of the second embodiment is as shown in FIG.
図8は、図7に示す回路のIGBTの1つであるQNCが破損した場合の破損モードを示している。破損モード例としてスイッチングパターンが図3のAである時、電流は図8aのルートBB1のように流れている。この状態でスイッチング素子QNCが導通破損すると、図8bのルートBB2のような直流短絡が発生し、ルート上のQP、QPC、QNC、DCNが破損に至る恐れがある。なおこの事象は、スイッチングパターンが図3のB,Cである時も同様に生じ得るので、以下の説明はパターンAに特化して行うものとする。 FIG. 8 shows a failure mode when a QNC that is one of the IGBTs in the circuit shown in FIG. 7 is damaged. As an example of the failure mode, when the switching pattern is A in FIG. 3, the current flows as shown by route BB1 in FIG. If the switching element QNC is broken in this state, a DC short circuit such as the route BB2 in FIG. 8b may occur, and the QP, QPC, QNC, and DCN on the route may be damaged. Note that this event can occur in the same manner when the switching pattern is B or C in FIG. 3, and therefore the following description will be made specifically for the pattern A.
また、直列接続されたQN1つに、QP、QPC、QNC、QNの4素子分の電圧が印加されて電圧が上昇し、QNはやがて過電圧破損に至る。QNが破損すると、電流は直流短絡により図8cのBB3のように流れ、短絡ルートの電圧が図8bの時の2倍の電圧となり、短絡エネルギーが増大し被害が大きくなる。 In addition, the voltage of four elements QP, QPC, QNC, and QN is applied to one QN connected in series to increase the voltage, and the QN eventually leads to overvoltage damage. When QN breaks, the current flows as shown by BB3 in FIG. 8c due to a DC short circuit, and the voltage of the short circuit route becomes twice that of FIG. 8b, increasing the short-circuit energy and increasing the damage.
係る故障の進展を阻止するために本発明の実施例2においては、図8に示すように過電圧抑制回路112と過電圧検出回路111と信号発生回路110を、個々のスイッチング素子のゲートドライバ110に実装している。図8の回路構成は基本的に図1のそれと同じである。信号発生回路110が個別に設置されている点で実施例1と相違するのみで、他の構成及び動作は図1と同じである。
In order to prevent the progress of such a failure, in the second embodiment of the present invention, as shown in FIG. 8, an
なお、IGBTのコレクタ‐エミッタ間に過電圧が印加されるような条件では、コレクタ‐エミッタ間電圧は、ゲート‐エミッタ間電圧に比べ十分高く、コレクタ‐エミッタ間電圧とコレクタ‐ゲート間電圧はほぼ等しいとみなせるので、以後両者ともコレクタ電圧と呼ぶ。 Under the condition that an overvoltage is applied between the collector and emitter of the IGBT, the collector-emitter voltage is sufficiently higher than the gate-emitter voltage, and the collector-emitter voltage and the collector-gate voltage are almost equal. Both are hereinafter referred to as collector voltages.
図10は、過電圧抑制回路112を備えない従来回路の場合における上記進展故障の時の各部電流、電圧波形を示している。図2において、上から順に(a)(b)はコレクタ電流Ic、(c)はコレクタ電圧Vce1、(d)はコレクタ電圧Vce2、(e)はクランプ電流Igc1、(f)はゲート電流Ig1、(g)はゲート電流Ig1’、(h)はクランプ電流Igc2、(i)はゲート電流Ig2、(j)ゲート電流Ig2’、(k)は故障検出信号である。
FIG. 10 shows the current and voltage waveforms of each part at the time of the above-described progressive failure in the case of a conventional circuit that does not include the
また図10の横軸の時間軸において、時刻t1は素子QNCが導通破損した時刻、時刻t2は進展故障により素子QNが導通破損した時刻を示している。従って図10の無故障の正常運転状態では、時刻t1以前の各部波形が繰り返し生じている。つまり(a)(b)のコレクタ電流Icが直列素子QNC、QNに流れている状態でスイッチングパルスG1u3による負のゲート電流(f)(g)が流れることで、IGBT素子QNCはターンオフに移行し、コレクタ電流Icは低減する。なおこの状態では、Ig1(f)=Ig1’(g)、Igc2’(i)=Ig2’(j)である。またターンオフの移行に伴い、直列素子QNCのレクタ電圧(c)が立ち上がり、負のゲート電流(f)(g)の消滅で素子QNCのコレクタ電圧(c)が低減するという繰り返し波形を生じている。 In the time axis on the horizontal axis in FIG. 10, time t1 indicates the time when the element QNC is damaged in conduction, and time t2 indicates the time when the element QN is damaged due to progress failure. Therefore, in the normal operation state without failure in FIG. 10, the waveforms of the respective parts before time t1 are repeatedly generated. That is, when the negative gate current (f) (g) due to the switching pulse G1u3 flows while the collector current Ic of (a) and (b) is flowing through the series elements QNC and QN, the IGBT element QNC shifts to turn-off. The collector current Ic is reduced. In this state, Ig1 (f) = Ig1 ′ (g) and Igc2 ′ (i) = Ig2 ′ (j). As the turn-off shifts, the rector voltage (c) of the series element QNC rises, and a repetitive waveform is generated in which the collector voltage (c) of the element QNC decreases due to the disappearance of the negative gate current (f) (g). .
これに対し、時刻t1における素子QNCの導通破損により、素子QNのコレクタ電圧Vce2(d)は、時刻t1以降素子QNCの負担分も併せて印加されることになる。この高電圧印加状態の継続により、さらに進展して素子QNが導通破損した時刻がt2であり、(a)のコレクタ電流Icとして大電流の通流継続状態となる。なお時刻t2後の素子QNCでは、コレクタ電圧Vce2(d)は、急速に低減する。この従来例では過電圧検出回路を備えていないので、(k)の故障検知は行われない。 On the other hand, due to conduction failure of element QNC at time t1, collector voltage Vce2 (d) of element QN is applied together with the burden of element QNC after time t1. Due to the continuation of the high voltage application state, the time when the element QN further progresses and the conduction failure occurs is t2, and a large current continues as the collector current Ic of (a). In element QNC after time t2, collector voltage Vce2 (d) decreases rapidly. In this conventional example, since no overvoltage detection circuit is provided, the failure detection of (k) is not performed.
この事例に示すように、素子QNCに流れるコレクタ電流Icが通流状態から遮断されて0になる時、IGBTにかかるコレクタ電圧Vce1は主回路の配線インダクタンスによって図2(c)のように跳ね上がる。また素子QNCが時刻t1で導通破損すると、図1(c)のように素子QNCで負担する電圧が0になり、破損した素子QNCの印加分の電圧が素子QNに印加され、素子QNのコレクタ電圧Vce2が図2(d)のように上昇する。その結果、時刻t2にて素子QNが過電圧破損に至り、図2(c)のように電源1paからQP‐QPC‐QNC‐DCNの経路で直流短絡が発生し、2次被害が拡大してしまう。 As shown in this example, when the collector current Ic flowing through the element QNC is cut off from the flowing state and becomes 0, the collector voltage Vce1 applied to the IGBT jumps as shown in FIG. 2C due to the wiring inductance of the main circuit. When the element QNC is broken in conduction at time t1, the voltage borne by the element QNC becomes 0 as shown in FIG. 1C, and the voltage applied to the broken element QNC is applied to the element QN, and the collector of the element QN The voltage Vce2 rises as shown in FIG. As a result, the element QN is damaged by overvoltage at time t2, and a DC short circuit occurs from the power source 1pa to the QP-QPC-QNC-DCN path as shown in FIG. .
次に本発明を適用した回路の動作を図11に示す。図11によれば、図3の説明からも明らかなように、素子QNCに流れる電流Ic1が通流状態から遮断されて0になる時(図11(a):通常スイッチング動作)、QNCにかかるコレクタ電圧Vce1は主回路の配線インダクタンスによって図11(c)のように跳ね上がるが、ゲートドライバ110の過電圧抑制回路112のツェナーダイオード112aに印加されるコレクタ電圧Vce1が設定したクランプ電圧値Vc以上になると、抵抗112bを経由してクランプ電流Igc1が流れた後、分流してQNCのゲートgにゲート電流Ig1’(図11g)が流れ、過電圧検出回路111にゲート電流Ig1(図11f)が流れる。
Next, the operation of the circuit to which the present invention is applied is shown in FIG. As is apparent from the description of FIG. 3, according to FIG. 11, when the current Ic1 flowing through the element QNC is cut off from the conduction state and becomes 0 (FIG. 11 (a): normal switching operation), it is applied to the QNC. The collector voltage Vce1 jumps as shown in FIG. 11C due to the wiring inductance of the main circuit. However, when the collector voltage Vce1 applied to the
このようにQNCのゲートgにゲート充電電流として電流Ig1’を供給することで、ゲート電圧を高くすることにより、インピーダンスを低下させ、QNCを過電圧から保護する。また、過電圧検出回路111にて、自身に流れ込むゲート電流Ig1を観測し、クランプ検出閾値In以上の電流が、異常検出時間tf以上の期間流れていないかをチェックしている。
By supplying the current Ig1 'as the gate charging current to the gate g of the QNC in this way, the gate voltage is increased, thereby reducing the impedance and protecting the QNC from overvoltage. Further, the
QNCが時刻t1で導通破損すると、図11(c)のようにQNCで負担する電圧が0となり、図8で説明したように、他素子への印加分の電圧がQNに印加され、QNのコレクタ電圧Vce2が図11(d)のように上昇する。この際、導通破損前の通常スイッチング時の電圧クランプと同じ様に、設定したクランプ電圧値Vc以上になると、抵抗112bを経由してクランプ電流Igc2が流れた後、分流してQNのゲートgに電流Ig2’が、過電圧検出回路111に電流Ig2が流れ込む。
When QNC breaks conduction at time t1, the voltage borne by QNC becomes 0 as shown in FIG. 11C, and the voltage applied to other elements is applied to QN as described in FIG. The collector voltage Vce2 rises as shown in FIG. At this time, similarly to the voltage clamp at the time of normal switching before the conduction breakage, when the clamp voltage value Vc becomes equal to or higher than the set clamp voltage value Vc, the clamp current Igc2 flows through the
そしてゲートgにゲート充電電流として電流Ig2’を供給することで、QNのインピーダンスを低下させ、過電圧から保護する。またそれと同時に、過電圧検出回路111にて、自身に流れ込むゲート電流Ig2を観測し、クランプ検出閾値I以上の電流が、異常検出時間tf以上の期間流れていないかをチェックし、図11(i)のように前記ゲート電流が異常検出時間tf以上流れると、図2(k)のように故障検出信号がONとなり、近傍の素子が破損したと判断し、電力変換装置の運転を停止させ、2次被害の拡大を抑えることができる。
Then, by supplying a current Ig2 'as a gate charging current to the gate g, the impedance of the QN is lowered and protected from overvoltage. At the same time, the
このように実施例2によれば、アームを形成する複数の直列スイッチング素子のそれぞれについて、コレクタ電圧を監視し、コレクタ電圧が所定値以上になる期間が所定期間以上であることをもって、スイッチング素子の異常と判定する。 As described above, according to the second embodiment, the collector voltage is monitored for each of the plurality of series switching elements forming the arm, and when the period during which the collector voltage is equal to or higher than the predetermined value is equal to or longer than the predetermined period, Judge as abnormal.
以上述べたように本発明は、電力変換装置のスイッチング素子が破損した後、近傍の素子に電圧が偏り電圧が上昇した時に、その過電圧を過電圧抑制回路で抑制し、その過電圧が一定時間以上発生していることを過電圧検出回路で検出することで、近傍の素子が破損したと判断し、直流短絡が発生する前に装置の運転を停止させ、2次被害の拡大を抑える。 As described above, according to the present invention, when the switching element of the power conversion device is broken, when the voltage is biased to the nearby element and the voltage rises, the overvoltage is suppressed by the overvoltage suppression circuit, and the overvoltage is generated for a certain time or more. By detecting that the overvoltage detection circuit detects that a nearby element has been damaged, the operation of the apparatus is stopped before the occurrence of a DC short circuit, thereby suppressing the spread of secondary damage.
ここで過電圧抑制回路は、電圧が加わった時に電流を流すような、例えばツェナーダイオードのようなクランプ素子を直列に接続した回路から構成され、特許文献2のように、スイッチング素子のコレクタ−ゲート間に並列に接続され、コレクタ−ゲート間に過電圧が印加されると、ツェナーダイオードに電流が流れ、スイッチング素子のゲートに充電電流を供給することでスイッチング素子のインピーダンスを低下させ、スイッチング素子を過電圧から保護する回路である。
Here, the overvoltage suppression circuit is constituted by a circuit in which a clamp element such as a Zener diode is connected in series so that a current flows when a voltage is applied, and as in
また過電圧検出回路は、過電圧発生時に、過電圧抑制回路からゲートドライバへ流れる電流を、特許文献1のように、ゲートドライバからスイッチング素子に流れる指令信号とは不一致している信号として認識することで過電圧が発生していると判断する回路である。
The overvoltage detection circuit recognizes the current flowing from the overvoltage suppression circuit to the gate driver as an inconsistent signal with the command signal flowing from the gate driver to the switching element as in
このように本発明では、特許文献2の方法を利用した過電圧抑制回路と、特許文献1の方法を利用した過電圧検出回路を組み合わせ、さらに過電圧抑制回路のクランプ素子の直列段数を調整することで、通常運転時は過電圧の抑制でき、また近傍の素子破損時には、前記過電圧抑制回路のクランプ素子からの電流が一定時間以上流れるように設定し、一定時間以上流れていることを過電圧検出回路で検出後は、近傍の素子が破損したと判断し、電力変換装置を停止させることで、破損した素子自体で故障を検出できなくとも、素子の破損を確実に素早く検出することで2次被害の拡大を抑えることができる。
As described above, in the present invention, by combining the overvoltage suppression circuit using the method of
1pa、1na、1pb、1nb:直流電圧源
P12:交流出力端
2f:加算器
3:負荷
100a:2直列仕様の電力変換器のU相
100b:1直列仕様の電力変換器のU相
110:ゲートドライバ
111:過電圧検出回路
112:過電圧抑制回路
112a:ツェナーダイオード
112b:抵抗
200:パルス幅変調回路
AA1、AA2、BB1、BB2、BB3:電流通流ルート
B1:バイアス回路
c:IGBTのコレクタ
Cmp1、Cmp2:比較器
Cr31:搬送波
e:IGBTのエミッタ
DCP1、DCP2、DCN1、DCN2、DCP、DCN:クランプダイオード
E:直流電圧値
Er:所望の直流電圧値
g:IGBTのゲート
G31:搬送波発生器
G1u〜G4u:U相のスイッチングパルス
GA1u〜GA4u:U相のゲートアンプ
Ic:コレクタ電流
Ig1、Ig2:過電圧検出回路を流れるゲート電流
Ig1’、Ig2’:IGBTのゲートに流れるゲート電流
Igc1、Igc2:過電圧抑制回路を流れる電流
In:クランプ検出閾値電流
M1:乗算回路
Not1、Not2:NOT回路
t1:クランプ時間
t1:スイッチング素子破損時刻
tf:クランプ時異常検出時間閾値
Vce1、Vce2:コレクタ電圧
Vc:クランプ電圧
Vu:U相インバータ出力電圧
Vu*:U相交流電圧指令
Vv*:V相交流電圧指令
Vw*:W相交流電圧指令
Vu*P、Vu*N:分岐されたU相交流電圧指令
Vv*P、Vv*N:分岐されたV相交流電圧指令
Vw*P、Vw*N:分岐されたW相交流電圧指令
QP1、QP2、QPC1、QPC2、QNC1、QNC2、QN1、QN2:IGBT素子
QP、QPC、QNC、QN:IGBT素子
1pa, 1na, 1pb, 1nb: DC voltage source P12: AC output terminal 2f: Adder 3: Load 100a: U phase 100b of 2 series specification power converter: U phase 110 of 1 series specification power converter: gate Driver 111: Overvoltage detection circuit 112: Overvoltage suppression circuit 112a: Zener diode 112b: Resistor 200: Pulse width modulation circuit AA1, AA2, BB1, BB2, BB3: Current flow route B1: Bias circuit c: IGBT collector Cmp1, Cmp2 : Comparator Cr31: Carrier e: IGBT emitters DCP1, DCP2, DCN1, DCN2, DCP, DCN: Clamp diode E: DC voltage value Er: Desired DC voltage value g: IGBT gate G31: Carrier generators G1u to G4u : U-phase switching pulses GA1u to GA4u: U-phase gate Amplifier Ic: Collector current Ig1, Ig2: Gate current Ig1 ′ flowing through the overvoltage detection circuit, Ig2 ′: Gate current Igc1 flowing through the gate of the IGBT, Igc2: Current flowing through the overvoltage suppression circuit In: Clamp detection threshold current M1: Multiplication circuit Not1 , Not2: NOT circuit t1: Clamping time t1: Switching element failure time tf: Clamping abnormality detection time threshold Vce1, Vce2: Collector voltage Vc: Clamping voltage Vu: U-phase inverter output voltage Vu *: U-phase AC voltage command Vv * : V-phase AC voltage command Vw *: W-phase AC voltage command Vu * P, Vu * N: Branched U-phase AC voltage command Vv * P, Vv * N: Branched V-phase AC voltage command Vw * P, Vw * N: Branched W-phase AC voltage commands QP1, QP2, QPC1, QPC2, QNC1, QNC2, Q N1, QN2: IGBT elements QP, QPC, QNC, QN: IGBT elements
Claims (7)
前記アームを形成する複数のスイッチング素子のそれぞれについて、コレクタとゲート間に接続されたクランプ素子を含む過電圧抑制回路と、ゲートにゲート信号を与える信号発生回路と、該信号発生回路と並列に配置された過電圧検出回路を設けており、
前記過電圧検出回路は、前記スイッチング素子の過電圧の際に前記過電圧抑制回路に得られるクランプ電流が前記信号発生回路側に分流した分流電流と、前記信号発生回路からのゲート信号の合成電流による電位の継続時間を監視してスイッチング素子の破損を検出することを特徴とする電力変換装置の保護装置。 Upper and lower arms are formed by a series circuit of a plurality of switching elements, respectively, and grounded from a middle portion of each of the upper and lower arms via a diode, and grounded via a load from a connection point of the upper and lower arms. A protection device for a power converter connected to a DC power source,
For each of the plurality of switching elements forming the arm, an overvoltage suppressing circuit including a clamp element connected between the collector and the gate, a signal generating circuit for supplying a gate signal to the gate, and the signal generating circuit are arranged in parallel. Overvoltage detection circuit
The overvoltage detection circuit includes a shunt current obtained by shunting the clamp current obtained by the overvoltage suppression circuit when the switching element is overvoltaged to the signal generation circuit side, and a potential based on a combined current of the gate signal from the signal generation circuit . A protection device for a power conversion device, characterized by detecting a breakage of a switching element by monitoring a duration time.
前記電力変換装置は、前記上下アームの前記中間部と、前記直流電源側端子または前記上下アームの接続点との間にそれぞれ複数のスイッチング素子を配置するとともに、該複数のスイッチング素子を同じスイッチングパルスにより駆動したものであることを特徴とする電力変換装置の保護装置。 It is a protection apparatus of the power converter device of Claim 1, Comprising:
The power conversion device includes a plurality of switching elements arranged between the intermediate portion of the upper and lower arms and the DC power supply side terminal or the connection point of the upper and lower arms, and the switching elements are connected to the same switching pulse. A power converter protective device, which is driven by
前記電力変換装置は、前記上下アームの前記中間部と、前記直流電源側端子または前記上下アームの接続点との間にそれぞれ単一のスイッチング素子を配置したものであることを特徴とする電力変換装置の保護装置。 It is a protection apparatus of the power converter device of Claim 1, Comprising:
In the power conversion device, a single switching element is disposed between the intermediate portion of the upper and lower arms and the DC power supply side terminal or the connection point of the upper and lower arms, respectively. Device protection device.
前記合成電流による電位の継続時間は、前記ゲートにゲート信号を与えたときに生じる前記スイッチング素子のコレクタ電圧の過電圧の継続時間よりも長く設定されていることを特徴とする電力変換装置の保護装置。 It is a protection apparatus of the power converter device of any one of Claims 1-3, Comprising:
A protective device for a power converter, wherein a duration time of the potential due to the combined current is set longer than a duration time of an overvoltage of a collector voltage of the switching element generated when a gate signal is applied to the gate .
多段直列接続された同一スイッチング動作のスイッチング素子として、MOSゲート半導体素子を採用し、MOSゲート半導体素子間の電圧分担をバランスさせるために、ある閾値以上の電圧印加時に電流を流すようなクランプ素子の段数を、電圧の跳ね上がりを積極的に抑制する数に調整することで、通常スイッチング動作時にはMOSゲート半導体の直列電圧のバランス化を図ることを特徴とする電力変換装置の保護装置。 It is a protection apparatus of the power converter device of Claim 2, Comprising:
As a switching element of the same switching operation connected in multiple stages, a MOS gate semiconductor element is adopted, and in order to balance the voltage sharing between the MOS gate semiconductor elements, a clamp element that allows a current to flow when a voltage exceeding a certain threshold is applied. A protection device for a power conversion device, wherein the number of stages is adjusted to a number that actively suppresses a jump in voltage to balance the series voltage of MOS gate semiconductors during normal switching operation.
前記MOSゲート半導体のゲートにゲート電流を与える信号発生回路と、第1のスイッチング素子と直列に接続された同一アーム内の他の第2のスイッチング素子が破損した時に、前記第1のスイッチング素子に閾値以上の電圧が加わった時に電流を流すクランプ素子を設け、
前記クランプ素子から流れてきた電流を前記MOSゲート半導体のゲートに供給しインピーダンスを下げることで、前記MOSゲート半導体の過電圧を抑制するとともに、前記クランプ素子の電流が前記信号発生回路側に分流した分流電流と、前記信号発生回路からのゲート信号の合成電流が一定時間以上流れたことを検出することで、第2のスイッチング素子の破損を検出することを特徴とする電力変換装置の保護方法。 As a plurality of switching elements, upper and lower arms are formed by a series circuit of MOS gate semiconductors, grounded from the middle of each of the upper and lower arms via a diode, and grounded via a load from a connection point of the upper and lower arms, A method for protecting a power converter in which a DC power source is connected to both ends of an arm,
When the signal generating circuit for applying a gate current to the gate of the MOS gate semiconductor and the other second switching element in the same arm connected in series with the first switching element are damaged, the first switching element Provide a clamp element that allows current to flow when a voltage exceeding the threshold is applied,
By lowering the impedance to supply the current flowing from the clamp element to the gate of the MOS gate semiconductor, suppresses the overvoltage of the MOS gate semiconductor, current of the clamp element is branched into the signal generating circuit side distributor A method for protecting a power converter, comprising detecting a breakage of a second switching element by detecting that a combined current of a current and a gate signal from the signal generation circuit has flowed for a predetermined time or more.
第2のスイッチング素子が破損した時には、第2のスイッチング素子に印加される過電圧により前記クランプ素子から流れてくるゲート電流の時間をカウントすることで異常を検出し、通常スイッチング時には、前記クランプ素子から流れてくるゲート電流の時間が短くなり異常を誤検出しないように前記クランプ素子の段数を決めていることを特徴とする電力変換装置の保護方法。 It is a protection method of the power converter device of Claim 6, Comprising:
When the second switching element is damaged, an abnormality is detected by counting the time of the gate current flowing from the clamp element due to an overvoltage applied to the second switching element. A method for protecting a power converter, wherein the number of stages of the clamp elements is determined so that the time of the flowing gate current is shortened and an abnormality is not erroneously detected.
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