JP6548698B2

JP6548698B2 - 電力変換装置

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Publication number: JP6548698B2
Application number: JP2017143540A
Authority: JP
Inventors: 達也北村; 貴哉武藤; 健一秋田
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2017-07-25
Filing date: 2017-07-25
Publication date: 2019-07-24
Anticipated expiration: 2037-07-25
Also published as: JP2019030032A

Description

この発明は、電力変換装置に関し、特に、過電流の検出を行うことが可能な電力変換装置に関する。

一般的に、電力変換装置は、電源と負荷との間に接続され、電源からの電力を変換して負荷に供給する役目を果たしている。負荷には、回路の故障または動作不良などに起因して過電流が流れる場合がある。過電流が流れた場合には、負荷において何らかのトラブルが発生する可能性があるため、そのようなトラブルの発生を回避するために、過電流を検出して、負荷または電力変換装置に設けられた半導体スイッチなどの部品を保護する必要がある。

電力変換装置の過電流を検出して保護を行う装置として、例えば下記の特許文献１に記載の半導体素子の保護装置がある。特許文献１に記載の保護装置は、半導体スイッチにおける電圧降下を検出する制御回路と、降下電圧と閾値とを比較する比較回路と、比較回路の比較結果に応じて半導体スイッチを遮断する遮断回路とを有し、過電流による半導体スイッチの破壊の防止を実現している。なお、特許文献１では、半導体スイッチのチャネル温度が許容温度の上限のときのオン抵抗値と、ジュール熱による自己発熱によりチャネル温度が許容温度の上限に到達する最小の電流値との積を臨界電圧とし、比較回路で使用する閾値を、当該臨界電圧以下に設定している。

特開２００７−１５９１５９号公報

このように、特許文献１に記載の従来の保護装置によれば、半導体スイッチのオン抵抗の最大値と半導体スイッチが熱破壊に到達する最小の電流値との積で決定される閾値によって過電流判定を行って、判定結果に応じて回路の動作を停止させることで、半導体スイッチを保護している。

しかしながら、特許文献１に記載の従来の保護装置においては、閾値を半導体スイッチのオン抵抗と電流値とから一意に決定しているので、オン抵抗および電流を検出する検出系の変動に伴って、閾値が変動することになる。特に、正常動作時に流れる電流が半導体スイッチの上限電流に近い条件で半導体スイッチを使用する場合、閾値の変動に起因して、過電流の誤検出が発生する可能性があるという課題があった。

この発明は、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、過電流の誤検出を防止することが可能な、電力変換装置を提供することを目的とする。

この発明に係る電力変換装置は、電源と負荷とを接続している経路に接続された半導体スイッチと、上記半導体スイッチに印加される電圧を検出する電圧検出部と、上記半導体スイッチの温度を検出する温度検出部と、上記電圧検出部の構成要素の変動要素を含む特性を示す電圧検出パラメータと、上記温度検出部で検出された上記半導体スイッチの温度とが入力され、上記電圧検出パラメータおよび上記温度と、上記半導体スイッチにおいて過電流として判定される電流の下限値との相関に基づいて、入力された上記電圧検出パラメータおよび上記温度に対する、上記過電流として判定される電流の下限値を求める過電流演算部と、上記過電流演算部によって演算された上記電流の下限値に対応する電圧値を求めて過電流判定閾値として出力する閾値演算部と、上記閾値演算部によって演算された過電流判定閾値と、上記電圧検出部によって検出された上記電圧とを比較して、上記電圧が上記過電流判定閾値以上の場合に、駆動制御信号を出力する比較部と、上記比較部からの上記駆動制御信号に基づいて、上記半導体スイッチをオフする制御部とを備え、上記過電流演算部は、上記過電流として判定される上記電流の上記下限値が、正常動作時に上記半導体スイッチに通流される最大電流値より大きく、且つ、上記半導体スイッチのアバランシェ耐量に基づいたアバランシェ電流値より小さい範囲内になるように、上記過電流として判定される上記電流の上記下限値を求める。

この発明に係る電力変換装置によれば、上記過電流演算部が、上記過電流として判定される上記電流の上記下限値が、正常動作時に上記半導体スイッチに通流される電流値のうちの最大値より大きく、且つ、上記半導体スイッチに通流可能な上限電流値より小さい範囲内になるように求めるため、過電流の誤検出を防止することができる。

この発明の実施の形態１に係る電力変換装置の構成を示すブロック図である。この発明の実施の形態１に係る電力変換装置における過電流検出処理における温度対電流の関係を示す相関図である。この発明の実施の形態２に係る電力変換装置の構成を示すブロック図である。この発明の実施の形態２に係る電力変換装置における過電流検出処理における温度対電流の関係を示す相関図である。この発明の実施の形態３に係る電力変換装置の構成を示すブロック図である。

実施の形態１．
図１は、この発明の実施の形態１に係る電力変換装置の構成を示したブロック図である。但し、図１においては、電力変換装置における過電流検出部１００の構成のみを示している。電力変換装置は、実際には、電源１からの電力を変換するための電力変換処理部も備えているが、図１においては電力変換処理部の構成については図示を省略している。

図１において、電力変換装置の過電流検出部１００は、電源１と負荷２とを接続する経路２０に接続されている。電源１は、電力変換装置の外部に設置されており、例えば、バッテリ等の直流電源である。

電力変換装置の過電流検出部１００は、半導体スイッチ３、電圧検出部４、温度検出部５、過電流演算部６、比較部７、制御部８、および、閾値演算部９を備えている。

半導体スイッチ３は、電源１と負荷２とを接続している経路２０に接続されている。半導体スイッチ３は、例えば、ＦＥＴ（Field Effect Transistor）、ＭＯＳＦＥＴ（Metal-Oxide-Semiconductor FET）、ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）などのトランジスタまたはその他のパワー素子から構成される。図１においては、半導体スイッチ３の高電圧側端子は負荷２に接続され、低電圧側端子は接地されている。

電圧検出部４は、半導体スイッチ３の高電圧側端子および低電圧側端子に接続されている。電圧検出部４は、半導体スイッチ３の高電圧側端子と低電圧側端子との間の電位差、すなわち、半導体スイッチ３に印加される電圧値を検出する。

温度検出部５は、半導体スイッチ３の温度を検出する。温度検出部５は、半導体スイッチ３の温度として、例えば半導体スイッチ３のチャネル温度を検出する。あるいは、半導体スイッチ３と同一チップ上に温度検出用ダイオードを設けておき、温度検出部５が、当該温度検出用ダイオードの温度を計測して、計測により得られた温度を、半導体スイッチ３の温度として出力するようにしてもよい。

過電流演算部６には、電圧検出部４の構成要素の特性を示す電圧検出パラメータＰａと、温度検出部５で検出された半導体スイッチ３の温度とが入力される。電圧検出パラメータＰａ及び半導体スイッチ３の温度に対して、半導体スイッチ３に流れる電流は相関を有する。従って、過電流演算部６は、当該相関に基づいて、当該電圧検出パラメータＰａの値および当該温度のそれぞれに対応した、過電流として判定される電流値のうち、その下限値を算出する。すなわち、当該電流値以上の電流が半導体スイッチ３に流れる場合に、「過電流」と判定される。また、上記相関については、後述する。なお、電圧検出パラメータＰａは、各構成要素の特性の代表値と、例えば使用温度範囲における特性値の精度、つまり変動範囲が設計値として予め入力される。電圧検出パラメータＰａとして、例えば半導体スイッチ３のオン抵抗、配線抵抗、信号増幅回路、およびこれらの製品バラツキ、部品精度、検出精度などのパラメータが挙げられる。電圧検出パラメータＰａは、このうちの精度などの変動要素を除く１つのパラメータのみを含んでいても良いが、複数のパラメータを含んでいてもよい。但し、実施の形態１では、説明を分かりやすくするために、電圧検出パラメータＰａが、このうちの精度などの変動要素を除く１つのパラメータのみを含んでいることとして説明する。

閾値演算部９は、過電流演算部６で算出された電流値の下限値が、半導体スイッチ３に通流可能な上限電流未満および正常動作時に半導体スイッチ３に通流する電流のうちの最大通流電流を超える範囲となる値に対応する電圧値を求め、求めた電圧値を過電流判定閾値Ｔｈとして出力する。閾値演算部９は、温度依存を持った過電流演算部６の出力から、誤検出と半導体スイッチの上限電流を超過しない閾値を選択して過電流判定閾値として出力する。

比較部７は、電圧検出部４によって検出された電圧値と閾値演算部９で演算された過電流判定閾値とを比較し、比較結果に応じて、制御部８に駆動制御信号を出力する。具体的には、比較部７は、比較の結果、電圧検出部４によって検出された電圧値が過電流判定閾値を以上の場合に、半導体スイッチ３をオフするための駆動制御信号を出力する。

制御部８は、半導体スイッチ３の制御端子に接続されている。制御部８は、比較部７が出力する駆動制御信号に基づいて、半導体スイッチ３を駆動制御し、半導体スイッチ３のオン／オフを切り替える。

次に、図１に示す電力変換装置の過電流検出部１００のハードウエア構成について簡単に説明する。電力変換装置の過電流検出部１００における、過電流演算部６、比較部７、制御部８、および、閾値演算部９の各機能は、処理回路によって実現される。処理回路がプロセッサの場合、過電流演算部６、比較部７、制御部８、および、閾値演算部９の各機能は、ソフトウエアによって実現される。ソフトウエアはプログラムによって記述され、メモリに格納されている。プロセッサは、メモリに記憶されたプログラムを読み出して実行することにより、過電流演算部６、比較部７、制御部８、および、閾値演算部９の各機能を実現する。また、電圧検出部４、および、温度検出部５は、センサなどの専用のハードウエアから構成される。

次に、図２を用いて、上記相関について説明する。

図２は、過電流検出部１００における過電流検出処理で用いられる温度対電流の関係を示す相関図である。図２において、横軸は、半導体スイッチ３の温度を示し、縦軸は、半導体スイッチ３に通流する電流値を示す。

図２において、３０は、半導体スイッチ３に通流可能な上限電流Ｃupperを示す。半導体スイッチ３は、上限電流Ｃupperを上回る電流が流れた場合に、熱破損する可能性がある。上限電流Ｃupper（符号３０）は、図２に示されるように、半導体スイッチ３の温度の上昇に伴って、単調減少的に減少する。従って、半導体スイッチ３の温度が高い場合には、半導体スイッチ３の温度が低い場合に比べて、電流値があまり高くない場合でも、半導体スイッチ３が熱破損する可能性がある。なお、上限電流Ｃupper（符号３０）は、半導体スイッチ３の仕様によって決定されるものである。

また、図２において、３１は、正常動作時に半導体スイッチ３に通流する電流のうちの最大通流電流Ｃmaxを示す。すなわち、正常動作においては、半導体スイッチ３には、最大通流電流Ｃmax以下の電流値の電流が通流する。以下では、最大通流電流Ｃmaxを、「正常時最大電流Ｃmax」と呼ぶこととする。正常時最大電流Ｃmax（符号３１）は、図２に示されるように、半導体スイッチ３の温度の上昇に伴って、単調減少的に減少する。正常時最大電流Ｃmax（符号３１）は、出荷時の電力変換装置の動作試験などにより取得できる値である。

また、図２において、実線３３と実線３４との間が、過電流と判定される過電流判定相当電流３６の電流範囲を示す。また、実線３３と実線３４との間の矢印３２は、電圧検出パラメータＰａの変動による過電流判定相当電流３６の変動幅を示す。図２に示すように、電圧検出パラメータＰａの値によっては、実線３４が過電流判定相当電流３６となり、実線３４で示す電流値以上の場合に過電流と判定される場合もあり、あるいは、実線３３が過電流判定相当電流３６となって、実線３３で示す電流値以上の場合に過電流と判定される場合もある。このように、電圧検出パラメータＰａの変動によって、過電流と判定される過電流判定相当電流３６の値が、矢印３２で示される変動幅の範囲で変動する。このように、電圧検出パラメータＰａと過電流判定相当電流３６との間には相関がある。従って、過電流判定閾値Ｔｈは、電圧検出パラメータＰａとの相関を反映させて決定されるべきである。

また、図２に示されるように、半導体スイッチ３の温度によっても、過電流と判定される過電流判定相当電流３６の値が変動する。全体的な傾向として、電圧検出パラメータＰａの値が同一の場合、半導体スイッチ３の温度上昇に伴って、過電流判定相当電流３６の値が低下する傾向がある。このように、半導体スイッチ３の温度と過電流判定相当電流３６との間には相関のパターンがある。従って、過電流判定閾値Ｔｈは、半導体スイッチ３の温度との相関も反映させて決定されるべきである。例えば、図２に示す温度Ｔ２においては、過電流判定閾値Ｔｈをステップ状に変化させた場合の半導体スイッチ３の温度と過電流判定相当電流３６の相関例が示されている。

そのため、本実施の形態１においては、過電流演算部６が、半導体スイッチ３の温度及び電圧検出パラメータＰａと、半導体スイッチ３において過電流と判定される電流の下限値、すなわち、過電流判定相当電流３６との相関を予め記憶しており、温度検出部５によって検出された半導体スイッチ３の温度および電圧検出パラメータＰａと電流との相関に基づいて、当該温度および当該パラメータ値における「過電流」と判定される電流値の下限値を求める。具体的には、過電流演算部６が、電圧検出パラメータＰａの値ごとに、図２の実線３３，３４で示されるような、温度によって変化する過電流判定相当電流３６のデータパターンを有している。それにより、電圧検出パラメータＰａの値および半導体スイッチ３の温度により、それに対応する電流値の値を一意に決定することができる。なお、過電流演算部６が、データパターンではなく、演算式を予め用意しておき、演算により求めるようにしてもよい。

図２を用いて、上記相関について、さらに具体的に説明する。すなわち、図２の例で説明すると、例えば、電圧検出パラメータＰａの値がＰａ_Ａの場合、電流の下限値の変動のデータパターンが実線３４であったとすると、半導体スイッチ３の温度がＴ１のときの「過電流」と判定される電流値の下限値は電流Ｃ_Ａとなる。同様に、電圧検出パラメータＰａの値がＰａ_Ｃの場合、電流の下限値の変動のデータパターンが実線３３であったとすると、半導体スイッチ３の温度がＴ１のときの「過電流」と判定される電流値の下限値は電流Ｃ_Ｃとなる。また同様に、電圧検出パラメータＰａの値がＰａ_Ｂの場合、電流の下限値の変動のデータパターンが実線３３と実線３４との中間であったとすると、半導体スイッチ３の温度がＴ１のときの「過電流」と判定される電流値の下限値は電流Ｃ_Ｂとなる。このように、図２に示される相関を過電流演算部６が予め記憶しておけば、過電流演算部６は、温度検出部５によって検出された半導体スイッチ３の温度および電圧検出パラメータＰａと電流との相関に基づいて、当該温度および当該パラメータ値における「過電流」と判定される電流値の下限値を求めることができる。電流値の下限値の求め方としては、上述したように、例えば、電圧検出パラメータＰａの値ごとに、図２の実線３３，３４で示されるような、温度によって変化する過電流判定相当電流３６のデータパターンを用意しておき、データパターンから求めるようにしてもよいし、あるいは、半導体スイッチ３の温度、および、電圧検出パラメータＰａの値を入力とする予め用意した演算式により求めてもよい。あるいは、半導体スイッチ３の温度ごと、および、電圧検出パラメータＰａの値ごとに、「過電流」と判定される電流値の下限値を記憶したマップを用意しておき、当該マップから求めるようにしてもよい。あるいは、設定され得る過電流判定閾値が決まっている場合には、その過電流判定閾値ごとの上記データパターンまたは上記マップ用いて求めるようにしてもよい。過電流判定閾値が決まっている場合とは、例えば、０．２〜０．８までの０．２ステップ等で、過電流判定閾値が複数個設定されている場合をいう。なお、マップを用いた実施形態については、後述の実施の形態３で説明する。

次に、上述の図２の説明を踏まえて、図１に示す電力変換装置の過電流検出部１００の動作について説明する。図１に示す電力変換装置において、半導体スイッチ３が導通すると、半導体スイッチ３の通流電流とオン抵抗とに応じて、高電圧側端子と低電圧側端子との間に電位差が発生する。電圧検出部４は、当該電位差を検出して、比較部７に出力する。半導体スイッチ３のオン抵抗は、一般的に、固定値ではなく、半導体スイッチ３の温度の上昇に伴って、単調増加的に増加する傾向がある。

比較部７では、電圧検出部４が検出した電位差と過電流判定閾値Ｔｈとを比較することで、半導体スイッチ３に通流する電流が過電流か否かの検出を行う。具体的には、当該電位差が過電流判定閾値Ｔｈ以上のときに、比較部７は、半導体スイッチ３に通流する電流が「過電流」であると判定する。このように、比較部７では、過電流判定閾値Ｔｈを用いて過電流か否かの判定を行っているが、過電流演算部６において過電流判定閾値Ｔｈを決定する過程において、何らかの変動要素が含まれると、上述したように、「過電流」として判定される電流値も、図２に示す幅３２を持つことになる。実施の形態１では、当該変動要素として、電圧検出パラメータＰａと半導体スイッチ３の温度とを挙げて説明している。

このとき、例えば、半導体スイッチ３に、正常時最大電流Ｃmax（符号３１）に近い電流を通流した場合、上記の変動要素を考慮していないと、過電流判定閾値Ｔｈが正常時最大電流Ｃmax（符号３１）を下回る値に設定される可能性が生じる。もし、過電流判定閾値Ｔｈを、正常時最大電流Ｃmax（符号３１）を下回る値に設定していた場合には、「過電流」でないにもかかわらず、「過電流」として検出されてしまうという誤検出を引き起こす。

また、逆に、もし、過電流判定閾値Ｔｈを、半導体スイッチ３の上限電流Ｃｕｐｐｅｒ（符号３０）を上回る値に設定していた場合には、半導体スイッチ３に通流する電流が過電流であるにもかかわらず、過電流であると判定されずに、半導体スイッチ３の破損に至る可能性がある。

そこで、過電流演算部６は、電圧検出パラメータＰａと温度検出部５で検出された半導体スイッチ３の温度とに基づいて、温度依存およびパラメータ依存を反映した温度対電流の相関を演算し、当該相関に基づいて、過電流判定閾値Ｔｈに相当する電流値を演算して出力する。これにより、過電流判定相当電流３６が変動する範囲を算出可能となる。そのため、過電流演算部６では、「過電流」と判定される電流値の変動を含めた下限値を求める。そうして、閾値演算部９が、半導体スイッチ３の上限電流Ｃupper（符号３０）と正常時最大電流Ｃmax（符号３１）との間の範囲内に、矢印３２で示す変動を含めた過電流判定相当電流３６が収まるように、当該電流値の下限値に基づいて過電流判定閾値Ｔｈを演算することで、温度およびパラメータによる変動を含めた過電流判定閾値を求めることができる。その結果、過電流の誤検出の発生を防止して、精度よく過電流を検出することで、半導体スイッチ３を過電流から確実に保護することが可能となる。

なお、望ましくは、半導体スイッチ３の上限電流Ｃupper（符号３０）を、半導体スイッチ３のアバランシェ耐量に基づく電流値に設定する。その場合には、過電流検出により、制御部８が半導体スイッチ３をオフした時に発生するアバランシェ現象により、半導体スイッチ３の破損を防止することが可能となる。なお、アバランシェ耐量は一般に、主にアバランシェ現象に関係するインダクタンスや半導体スイッチの遮断電流や遮断時間や印加電圧などから演算されるアバランシェエネルギー、または、寄生トランジスタが誤オンするアバランシェ電流などから決定される。

あるいは、望ましくは、半導体スイッチ３の上限電流Ｃupper（符号３０）を、安全動作領域に基づく電流値に設定する。その場合には、過電流により半導体スイッチ３の破損を防止することが可能となる。なお、安全動作領域は一般に、主に半導体スイッチを通流する電流とオン抵抗などから演算される、ジュール熱から決定される。

上述したように、実施の形態１に係る電力変換装置によれば、過電流判定閾値Ｔｈを、半導体スイッチ３の温度と電圧検出パラメータＰａとの相関を考慮して決定するようにしたので、半導体スイッチ３に通流する電流が正常時最大電流Ｃmax（符号３１）以下にもかかわらず、過電流であると誤検出されることを防止し、且つ、過電流およびアバランシェ現象で半導体スイッチ３が破損することを防止するという効果が得られる。

以上のように、実施の形態１によれば、過電流演算部６が、電圧検出パラメータＰａの変動よる過電流判定相当電流３６の変動および半導体スイッチ３の温度の変動による過電流判定相当電流３６の変動を反映して、過電流判定閾値Ｔｈを設定することで、過電流の誤検出の発生を抑え、負荷２または電力変換装置に設けられた半導体スイッチなどの部品の破損を防止する電力変換装置を実現することが可能となる。

実施の形態２．
図３は、この発明の実施の形態２に係る電力変換装置の構成を示したブロック図である。但し、図３においては、図１と同様に、電力変換装置における過電流検出部１００Ａの構成のみを示している。すなわち、図３においては、電力変換装置における電力変換処理部の構成については図示を省略している。また、図４は、過電流検出部１００Ａにおける過電流検出処理の温度対電流の関係を示す相関図である。図３および図４において、図１および図２に示した実施の形態１と対応もしくは相当する部分には、同一の符号を付すとともに、ここでは、その説明を省略し、相違点のみを説明する。

図３に示す実施の形態２に係る電力変換装置と、図１に示す実施の形態１に係る電力変換装置との構成の違いは、図３に示す実施の形態２においては、回路保護部１０が追加されている点である。回路保護部１０は、電源１と負荷２とが接続された経路２０に接続されている。

図３において、回路保護部１０は、電源１と負荷２との間に接続されている。回路保護部１０は、例えばヒューズ、ブレーカーなどで構成されている。

なお、以下では、半導体スイッチ３の上限電流Ｃupper（符号３０）を、半導体スイッチ３のアバランシェ耐量に基づく電流値に設定していることとして説明する。

図３に示す電力変換装置において、半導体スイッチ３のアバランシェ耐量が小さい場合、すなわち、半導体スイッチ３の上限電流Ｃupper（符号３０）が小さい場合、あるいは、過電流判定相当電流３６の変動幅が大きい場合、半導体スイッチ３の温度および電圧検出パラメータＰａの値によっては、図４の実線３３に示すように、過電流判定相当電流３６が上限電流Ｃupper（符号３０）を超過する場合がある。その場合には、半導体スイッチ３をオフしたときに発生するアバランシェ現象により、半導体スイッチ３の破損を引き起こす。

そこで、実施の形態２においては、回路保護部１０を設けている。回路保護部１０は、電源１と負荷２との間の経路２０に、予め設定された動作電流３５以上の電流が流れた場合に、半導体スイッチ３に当該電流が通流しないように、経路２０に流れる電流を遮断する。当該遮断動作を、以下では、保護動作と呼ぶこととする。

回路保護部１０が保護動作を実行する動作電流３５は、半導体スイッチ３の上限電流Ｃupper（符号３０）よりも小さい値に設定されている。なお、上述したように、ここでは、半導体スイッチ３の上限電流Ｃupper（符号３０）を、半導体スイッチ３のアバランシェ耐量に基づく電流値に設定している。そのため、回路保護部１０の保護動作により、半導体スイッチ３のアバランシェ耐量を超過するような電流については遮断することができるため、半導体スイッチ３にアバランシェ耐量を超過するような短絡電流が通流することが無く、半導体スイッチ３を保護することが可能となる。

上記の実施の形態１においては、図２に示すように、過電流演算部６が、半導体スイッチ３の上限電流Ｃupper（符号３０）と正常時最大電流Ｃmax（符号３１）との間の範囲内に、矢印３２で示す変動を含めた過電流判定相当電流３６が収まるように、温度および電圧検出パラメータＰａに応じて過電流判定閾値Ｔｈを設定するようにした。

本実施の形態２においても、基本的には、実施の形態１と同様に、図４に示すように、過電流演算部６が、半導体スイッチ３の上限電流Ｃupper（符号３０）と正常時最大電流Ｃmax（符号３１）との間の範囲内に、矢印３２で示す変動を含めた過電流判定相当電流３６が収まるように、温度および電圧検出パラメータＰａに応じて過電流判定閾値Ｔｈを設定する。

ただし、半導体スイッチ３の温度が高温の場合には、図４に示すように、半導体スイッチ３の上限電流Ｃupper（符号３０）の方が、動作電流３５を下回る場合がある。そこで、本実施の形態２においては、過電流演算部６が、半導体スイッチ３の上限電流Ｃupper（符号３０）および動作電流３５のうちのいずれか小さい方と、正常時最大電流Ｃmax（符号３１）との間の範囲内に、矢印３２で示す変動を含めた過電流判定相当電流３６が収まるように、温度および電圧検出パラメータＰａに応じて過電流判定閾値Ｔｈを設定するようにする。

しかしながら、そのように過電流判定閾値Ｔｈを設定したにもかかわらず、何らかの要因により、電源１と負荷２との間の経路２０に、予め設定された動作電流３５以上の電流が流れた場合には、回路保護部１０が保護動作を実行することで、経路２０に流れる電流を遮断するので、半導体スイッチ３の破損を防止することができる。

なお、上記の説明においては、回路保護部１０の動作電流３５を、半導体スイッチ３のアバランシェ耐量に基づく電流値よりも小さくするように設定すると説明したが、その場合に限らず、回路保護部１０の動作電流３５を、半導体スイッチ３の安全動作領域に基づく電流値よりも小さくなるように設定してもよい。その場合には、過電流による半導体スイッチ３の破損を防止することが可能となる。

上述したように、実施の形態２に係る電力変換装置においても、上記の実施の形態１と同様に、過電流判定閾値Ｔｈを、半導体スイッチ３の温度と電圧検出パラメータＰａとの相関を考慮して決定するようにしたので、半導体スイッチ３に通流する電流が正常時最大電流Ｃmax（符号３１）以下にもかかわらず、過電流であると誤検出されることを防止し、且つ、過電流およびアバランシェ現象で半導体スイッチ３が破損することを防止するという効果が得られる。

さらに、実施の形態２においては、回路保護部１０を備え、半導体スイッチ３の上限電流Ｃupper（符号３０）を超えるような短絡電流が半導体スイッチ３に流れないように、経路２０に動作電流３５以上の電流が流れた場合には、当該電流を遮断する保護動作を実行するようにした。これにより、過電流の誤検出の発生を抑え、負荷２または電力変換装置に設けられた半導体スイッチなどの部品の破損を防止する電力変換装置を実現することが可能となる。

実施の形態３．
図５は、この発明の実施の形態３に係る電力変換装置の構成を示したブロック図である。但し、図５においては、図１と同様に、電力変換装置における過電流検出部１００Ｂの構成のみを示している。すなわち、図５においては、電力変換装置における電力変換処理部の構成については図示を省略している。図５において、図１に示した実施の形態１と対応もしくは相当する部分には、同一の符号を付すとともに、ここでは、その説明を省略し、相違点のみを説明する。

実施の形態３の電力変換装置においては、図１に示した過電流演算部６と閾値演算部９との代わりに、図５に示すように、過電流判定閾値抽出部１１が設けられている点が、実施の形態１と異なる。過電流判定閾値抽出部１１は、温度対閾値マップ１２を格納している。温度対閾値マップ１２は、半導体スイッチ３の温度ごとに、過電流判定閾値Ｔｈを記憶している。

電圧検出パラメータＰａの数が多い場合、または、温度依存関係が複雑である場合、過電流演算部６による演算時間が増加し、演算結果の出力に遅延が発生することで、過電流判定閾値Ｔｈと半導体スイッチ３の上限電流Ｃupper（符号３０）との大小関係に齟齬が生じる可能性がある。その場合には、過電流であるにもかかわらず、過電流であることが検出されずに、その結果、半導体スイッチ３の破損を引き起こすことが懸念される。

そこで、本実施の形態においては、過電流判定閾値抽出部１１が、過電流判定閾値Ｔｈを温度対閾値マップ１２として保持しており、温度検出部５によって検出された半導体スイッチ３の温度に応じた過電流判定閾値Ｔｈを出力する。これにより、過電流判定閾値Ｔｈの出力において、温度依存などの演算を必要としないため、過電流判定閾値Ｔｈの演算時間および演算量を減らすことができる。その結果、演算結果の出力に遅延が発生することが無いので、過電流判定閾値Ｔｈと半導体スイッチ３の上限電流Ｃupper（符号３０）との大小関係に齟齬が生じることもない。そのため、精度よく過電流を検出することができ、半導体スイッチ３を保護することが可能となる。

なお、温度対閾値マップ１２は、半導体スイッチ３の温度に対して１つの過電流判定閾値Ｔｈを格納するようにしてもよいが、図２に示すように、電圧検出パラメータＰａにより過電流判定相当電流３６の値は変動幅３２の範囲で変動する。そのため、温度対閾値マップ１２が、半導体スイッチ３の温度に対して過電流判定閾値Ｔｈの最大値と最小値とを格納するようにしてもよい。すなわち、図２の例で説明すれば、温度対閾値マップ１２が、半導体スイッチ３の温度Ｔ１に対して、過電流判定閾値Ｔｈの最大値として電流Ｃ_Ｃに対応する電圧値、および、過電流判定閾値Ｔｈの最小値として電流Ｃ_Ａに対応する電圧値を格納するようにしてもよい。その場合には、電圧検出部４で検出された電圧が、過電流判定閾値Ｔｈの最小値から、過電流判定閾値Ｔｈの最大値までの範囲に入っていた場合に、比較部７が「過電流」として検出する。

また、上記の説明においては、温度対閾値マップ１２の軸を、半導体スイッチ３の温度と過電流判定閾値Ｔｈとの２軸としたが、その場合に限らず、温度対閾値マップ１２の軸を、３軸以上としてもよい。その場合には、各軸を、例えば電圧検出パラメータＰａ、半導体スイッチ３の温度、過電流判定閾値Ｔｈとする。この場合、電圧検出パラメータＰａが、例えば、半導体スイッチ３のオン抵抗の製品バラツキ、配線抵抗の製品バラツキ、部品精度、検出精度などのうちの１つの場合は３軸となるが、２つ以上の場合には４軸以上となる。また、マップを３軸以上にした場合には、電圧検出パラメータＰａを、過電流判定閾値抽出部１１に入力する必要がある。また、過電流判定閾値Ｔｈの値そのものではなく、過電流判定閾値Ｔｈを求める演算の途中結果を温度対閾値マップ１２に保持して、演算の負荷を低減する様に構成してもよい。

上述したように、実施の形態３に係る電力変換装置においても、上記の実施の形態１と同様に、過電流判定閾値Ｔｈを、半導体スイッチ３の温度および電圧検出パラメータＰａの少なくとも１つとの相関を考慮して決定するようにしたので、半導体スイッチ３に通流する電流が正常時最大電流Ｃmax（符号３１）以下にもかかわらず、過電流であると誤検出されることを防止し、且つ、過電流およびアバランシェ現象で半導体スイッチ３が破損することを防止し、負荷２または電力変換装置に設けられた半導体スイッチなどの部品を保護するという効果が得られる。

さらに、実施の形態３においては、温度対閾値マップ１２に過電流判定閾値Ｔｈを格納しておくようにしたので、過電流判定閾値Ｔｈの演算時間および演算量を減らすことができる。

なお、上記の説明においては、実施の形態１で示した図１の構成に本実施の形態３の構成を適用させる例について説明したが、その場合に限らず、実施の形態２で示した図３の構成に本実施の形態３の構成を適用させるようにしてもよい。その場合には、実施の形態２と同様の効果が得られることはいうまでもない。

１電源、２負荷、３半導体スイッチ、４電圧検出部、５温度検出部、６過電流演算部、７比較部、８制御部、９閾値演算部、１０回路保護部、１１過電流判定閾値抽出部、１２温度対閾値マップ。

Claims

電源と負荷とを接続している経路に接続された半導体スイッチと、
上記半導体スイッチに印加される電圧を検出する電圧検出部と、
上記半導体スイッチの温度を検出する温度検出部と、
上記電圧検出部の構成要素の変動要素を含む特性を示す電圧検出パラメータと、上記温度検出部で検出された上記半導体スイッチの温度とが入力され、上記電圧検出パラメータおよび上記温度と、上記半導体スイッチにおいて過電流として判定される電流の下限値との相関に基づいて、入力された上記電圧検出パラメータおよび上記温度に対する、上記過電流として判定される電流の下限値を求める過電流演算部と、
上記過電流演算部によって演算された上記電流の下限値に対応する電圧値を求めて過電流判定閾値として出力する閾値演算部と、
上記閾値演算部によって演算された過電流判定閾値と、上記電圧検出部によって検出された上記電圧とを比較して、上記電圧が上記過電流判定閾値以上の場合に、駆動制御信号を出力する比較部と、
上記比較部からの上記駆動制御信号に基づいて、上記半導体スイッチをオフする制御部と
を備え、
上記過電流演算部は、上記過電流として判定される上記電流の上記下限値が、正常動作時に上記半導体スイッチに通流される最大電流値より大きく、且つ、上記半導体スイッチのアバランシェ耐量に基づいたアバランシェ電流値より小さい範囲内になるように、上記過電流として判定される上記電流の上記下限値を求める、
電力変換装置。
上記電源と上記負荷とを接続する上記経路に接続され、予め設定された動作電流値以上の電流が流れたときに、当該電流の流れを遮断する遮断動作を実行する、回路保護部
をさらに備えた、
請求項１に記載の電力変換装置。
上記回路保護部の上記動作電流値は、上記半導体スイッチのアバランシェ耐量に基づく電流値より小さい値に設定される、
請求項２に記載の電力変換装置。
上記回路保護部の上記動作電流値は、上記半導体スイッチの安全動作領域に基づく電流値より小さい値に設定される、
請求項２に記載の電力変換装置。
上記温度検出部は、上記半導体スイッチと同一チップ上に配置された温度検出用ダイオードを用いて、上記半導体スイッチの温度を検出する、
請求項１から４までのいずれか１項に記載の電力変換装置。
上記電圧検出パラメータごと、および、上記半導体スイッチの上記温度ごとに、上記過電流として判定される上記電流の上記下限値が記憶されたマップを格納したマップ格納部をさらに備え、
上記過電流演算部は、上記マップを用いて、上記過電流として判定される上記電流の上記下限値を求める、
請求項１から５までのいずれか１項に記載の電力変換装置。