JP6885486B1 - 電力変換装置の短絡故障検出装置 - Google Patents

Abstract

【課題】ロゴスキーコイルを利用して電力変換装置のアーム短絡および負荷短絡の両方を検出可能な短絡故障検出装置を提供する。【解決手段】アーム１０の短絡によってアームに流れる電流に応じた第１の検出信号Ｓ１を出力する第１のロゴスキーコイル１０１と、負荷の短絡によってアーム１０に流れる電流に応じた第２の検出信号Ｓ２を出力する第２のロゴスキーコイル１０２と、第１の検出信号Ｓ１に基づいてアーム短絡を判別するアーム短絡判別回路１１１と、第２の検出信号Ｓ２に基づいて負荷短絡を判別する負荷短絡判別回路１１２と、アーム短絡判別回路１１１の出力信号および負荷短絡判別回路１１２の出力信号に基づいて短絡故障を検出する短絡検出回路１２０と、を短絡故障検出装置１００に設けた。【選択図】図２

Description

本発明は、インバータ等の電力変換装置の短絡故障を検出する短絡故障検出装置に関する。

モータ等の負荷を駆動する電力変換装置では、電力変換装置を構成する半導体スイッチング素子に過大電流が流れる場合がある。このような過大電流は長時間に亙って流れると、半導体スイッチング素子が破壊に至る恐れがある。そこで、半導体スイッチング素子に流れる過大電流を検知し、電力変換装置を停止させる短絡故障検出装置が電力変換装置に設けられる。

この種の短絡故障検出装置では、半導体スイッチング素子に流れる電流を検出するために、シャント抵抗、ＣＴ（Current Transformer；変流器）、またはロゴスキーコイル等が利用される。その中で、ロゴスキーコイルは、コアがないため、短絡故障検出装置を小型にすることが可能であり、また、大電流の測定が可能であるという利点がある。

特許文献１は、半導体スイッチング素子を含むアームを介して負荷を駆動する電力変換装置において、ロゴスキーコイルによりアームの短絡故障を検出する技術を開示している。図９はこの特許文献１に開示された装置の構成を示す回路図である。図９において、ゲート駆動回路６は、ゲート抵抗５を介して半導体スイッチング素子１にゲート電圧を供給し、半導体スイッチング素子１を駆動する。ロゴスキーコイル７は、半導体スイッチング素子１を流れる電流の時間勾配ｄｉ／ｄｔに比例した端子間電圧を出力する。短絡検出器８は、ロゴスキーコイル７の端子間電圧が一定時間以上に亘って大きな値を継続したことを捉えることにより、アーム短絡が発生したと判別し、ゲート駆動回路６による半導体スイッチング素子１の駆動を停止させる。

しかしながら、電力変換装置において発生し得る短絡故障には、上述したアーム短絡の他、電力変換装置の出力側に接続された負荷が短絡状態となる負荷短絡がある。そこで、特許文献２は、アーム短絡電流を空芯コイルにより検出し、負荷短絡電流をＣＴ（Current Transformer；変流器）により検出する技術を開示している。

特開２００１−１６９５３３号公報

国際公開第２０１８／０７３９０９号

上述した特許文献１に開示の技術は、アーム短絡の検出には有効であるが、負荷短絡の検出が困難であるという問題がある。以下、この問題について説明する。

図１０は電力変換装置においてアーム短絡が発生した場合の短絡電流の電流経路ＲＴ１を例示する回路図である。また、図１１は同電力変換装置において負荷短絡が発生した場合の短絡電流の電流経路ＲＴ２を例示する回路図である。

図１０および図１１に例示する電力変換装置では、直流電圧Ｅを蓄えたコンデンサの端子間に、逆並列接続された半導体スイッチング素子ＳＷ１およびフライホイールダイオードＤ１からなるアームと、逆並列接続された半導体スイッチング素子ＳＷ２およびフライホイールダイオードＤ２からなるアームとが直列接続されている。また、同コンデンサの端子間には、逆並列接続された半導体スイッチング素子ＳＷ３およびフライホイールダイオードＤ３からなるアームと、逆並列接続された半導体スイッチング素子ＳＷ４およびフライホイールダイオードＤ４からなるアームとが直列接続されている。そして、半導体スイッチング素子ＳＷ１およびＳＷ２の共通接続ノードと、半導体スイッチング素子ＳＷ３およびＳＷ４の共通接続ノードとの間にモータの巻き線等の負荷Ｚが接続されている。また、図１０および図１１において、Ｌ１はアーム短絡の際の短絡電流の電流経路に介在する自己インダクタンスである。また、Ｌ２は半導体スイッチング素子ＳＷ１およびＳＷ２の共通接続ノードから負荷Ｚを介して半導体スイッチング素子ＳＷ３およびＳＷ４の共通接続ノードに至る電流経路に介在する自己インダクタンスである。

図１０に示す例では、半導体スイッチング素子ＳＷ１がＯＦＦ、半導体スイッチング素子ＳＷ２がＯＮであるときに、半導体スイッチング素子ＳＷ１の短絡故障が発生し、直流電圧Ｅを出力するコンデンサ→半導体スイッチング素子ＳＷ１→半導体スイッチング素子ＳＷ２→コンデンサという電流経路ＲＴ１を介してアーム短絡電流ｉａが流れる。この場合、アーム短絡電流ｉａに関して次式が成立する。
Ｅ＝Ｌ１×ｄｉａ／ｄｔ ……（１）

図１１に示す例では、半導体スイッチング素子ＳＷ１およびＳＷ４がＯＮ、半導体スイッチング素子ＳＷ２およびＳＷ３がＯＦＦであるときに、負荷Ｚの短絡故障が発生し、直流電圧Ｅを出力するコンデンサ→半導体スイッチング素子ＳＷ１→負荷Ｚ→半導体スイッチング素子ＳＷ４→コンデンサという電流経路ＲＴ２を介して負荷短絡電流ｉｒが流れる。この場合、負荷短絡電流ｉｒに関して次式が成立する。
Ｅ＝（Ｌ１＋Ｌ２）×ｄｉｒ／ｄｔ ……（２）

ここで、自己インダクタンスＬ１およびＬ２間にはＬ１≪Ｌ２の関係が成立する。従って、上記式（１）および（２）から次式の成立することが分かる。
ｄｉｒ／ｄｔ≪ｄｉａ／ｄｔ ……（３）

図１２はアーム短絡電流ｉａおよび負荷短絡電流ｉｒの電流波形を例示する図である。図１２において横軸は時間ｔ、縦軸は電流値ｉである。アーム短絡電流ｉａの電流経路ＲＴ１に介在する自己インダクタンスＬ１は小さい。このため、ｔ＝０において半導体スッチング素子ＳＷ２がターンオンしたとすると、アーム短絡電流ｉａは短時間のうちに大きな電流値に立ち上がり、直流電圧Ｅを出力するコンデンサに蓄積された電荷を短時間のうちに放電させる。このため、アーム短絡電流ｉａは、半導体スッチング素子ＳＷ２のターンオン後の短時間のうちに発生する。一方、負荷短絡電流ｉｒの電流経路ＲＴ２に介在する自己インダクタンスＬ２は自己インダクタンスＬ１に比べて非常に大きい。このため、負荷短絡電流ｉｒは、半導体スイッチング素子ＳＷ１およびＳＷ４のターンオン後、非常に緩やかな時間勾配で増加する。そして、周波数領域に着目すると、アーム短絡電流の周波数帯域の上限周波数は、負荷短絡電流の周波数帯域の上限周波数に比べて桁違いに高い。

時間勾配の小さな負荷短絡電流ｉｒを検出するためには、例えばロゴスキーコイルの巻き数を多くし、ロゴスキーコイルの感度を高くする必要がある。しかし、ロゴスキーコイルの巻き数を多くすると、ロゴスキーコイルの自己インダクタンスが高くなる。しかしながら、アーム短絡時および負荷短絡時の双方において、ロゴスキーコイルの端子間電圧を精度よく検出するためには、ロゴスキーコイルの自己インダクタンスを低くして、ロゴスキーコイルの自己インダクタンスと寄生容量とからなるＬＣ共振回路の共振周波数を十分に高くする必要がある。具体的には共振周波数をアーム短絡時におけるロゴスキーコイルの端子間電圧の周波数帯域の上限周波数よりも高くする必要がある。この共振周波数が当該周波数帯域内にあると、共振の影響によりロゴスキーコイルの端子間電圧波形が歪み、アーム短絡を検出することが困難になるからである。そこで、共振の影響を受けないようにするために、ロゴスキーコイルの自己インダクタンスを小さくし、共振周波数を高くする必要がある。しかし、ロゴスキーコイルの自己インダクタンスを小さくするためには、ロゴスキーコイルの感度を低下させざるを得ない。この場合、負荷短絡電流ｉａの時間勾配ｄｉａ／ｄｔが極めて小さいので、ロゴスキーコイルの端子間電圧がノイズに埋もれ、負荷短絡の検出が極めて困難である。

特許文献２に開示の技術では、アーム短絡電流を空芯コイルにより検出し、負荷短絡電流をＣＴにより検出する。しかし、ＣＴを用いると、コストが増加するとともに、ディスクリート部品が多くなって電力変換装置の構成が複雑になる問題がある。

この発明は以上に説明した課題に鑑みてなされたものであり、ロゴスキーコイルを利用して電力変換装置のアーム短絡および負荷短絡の両方を検出可能な短絡故障検出装置を提供することを目的とする。

この発明による短絡故障検出装置は、半導体スイッチング素子を各々含む複数のアームを有し、前記複数のアームを介して直流電源から負荷に電力を供給する電力変換装置の短絡故障検出装置において、前記複数のアームにおける１のアームに流れる電流であって、当該アームまたは他のアームの短絡によって当該アームに流れるアーム短絡電流に応じた第１の検出信号を出力する第１のロゴスキーコイルと、前記複数のアームにおける１のアームに流れる電流であって、前記負荷の短絡によって当該アームに流れる負荷短絡電流に応じた第２の検出信号を出力する第２のロゴスキーコイルと、前記第１の検出信号に基づいて前記アームの短絡を判別するアーム短絡判別回路と、前記第２の検出信号に基づいて前記負荷の短絡を判別する負荷短絡判別回路と、前記アーム短絡判別回路の出力信号および前記負荷短絡判別回路の出力信号に基づいて短絡故障を検出する短絡検出回路とを有することを特徴とする。

この発明によれば、アーム短絡電流を第１のロゴスキーコイルにより検出し、負荷短絡電流を第１のロゴスキーコイルとは別の第２のロゴスキーコイルにより検出する。従って、第２のロゴスキーコイルの感度を負荷短絡電流の検出に適した値とし、そのために第２のロゴスキーコイルの自己インダクタンスが大きくなったとしても、第１のロゴスキーコイルによるアーム短絡電流の検出の妨げになることはない。よって、アーム短絡および負荷短絡の双方を検出することができる。

この発明の一実施形態である短絡故障検出装置を含む電力変換装置の構成を示す回路図である。 同短絡故障検出装置の構成を示す回路図である。 同実施形態の動作を示す波形図である。 同実施形態の動作を示す波形図である。 同実施形態の動作を示す波形図である。 同実施形態の第１具体例を示す図である。 同実施形態の第２具体例を示す図である。 同実施形態の第３具体例を示す図である。 同実施形態の第４具体例を示す図である。 同第４具体例を示す図である。 同実施形態の第５具体例を示す図である。 従来の短絡故障検出装置の構成を示す回路図である。 電力変換装置におけるアーム短絡電流の電流経路を示す回路図である。 同電力変換装置における負荷短絡電流の電流経路を示す回路図である。 アーム短絡電流および負荷短絡電流の電流波形を示す図である。

以下、図面を参照しつつ本発明の実施形態について説明する。
図１はこの発明の一実施形態である短絡故障検出装置を含む電力変換装置の構成を示す回路図である。この電力変換装置において、コンデンサ３０は、直流電源４０によって充電され、直流電圧を出力する。コンデンサ３０の両端子間にはアーム１０＿１および１０＿２が直列接続され、かつ、同端子間にはアーム１０＿３および１０＿４が直列接続されている。そして、アーム１０＿１および１０＿２間の共通接続ノードと、アーム１０＿３および１０＿４間の共通接続ノードとの間にモータの巻き線等の負荷Ｚが接続される。各アーム１０＿１〜１０＿４は、半導体スイッチング素子を含む。ゲート駆動回路２０＿１〜２０＿４は、アーム１０＿１〜１０＿４の各半導体スイッチング素子に与えるゲート信号を発生することにより各半導体スイッチング素子を駆動する。このように電力変換装置は、半導体スイッチング素子を含むアーム１０＿１〜１０＿４を有しており、このアームを介して直流電源４０から負荷Ｚに電力を供給するものである。

電力変換装置において、ある１つのアーム（例えばアーム１０＿１とする）に着目すると、このアーム１０＿１には、当該アーム１０＿１に短絡故障が発生した場合、あるいは他のアーム１０＿２に短絡故障が発生した場合にアーム短絡電流が流れる。また、電力変換装置において、負荷Ｚの短絡故障が発生した場合には、アーム１０＿１に負荷短絡電流が流れる。このようなアーム短絡電流または負荷短絡電流が長時間に亙ってアーム１０＿１に流れると、アーム１０＿１の半導体スイッチング素子が破壊に至る恐れがある。そこで、アーム１０＿１に流れる電流に基づいてアーム短絡または負荷短絡の発生を検知し、ゲート駆動回路１０＿１による半導体スイッチング素子の駆動を停止させる短絡故障検出装置１００＿１がアーム１０＿１に対して設けられる。他のアーム１０＿２〜１０＿４にも同様なアーム短絡電流および負荷短絡電流が流れる可能性がある。そこで、アーム１０＿２〜１０＿４に対しても、短絡故障検出装置１００＿１と同様な短絡故障検出装置１００＿２〜１００＿３が設けられる。

なお、以下では、各々を区別する必要がない場合に、アーム１０＿１〜１０＿４をアーム１０と総称し、ゲート駆動回路２０＿１〜２０＿４をゲート駆動回路２０と総称し、短絡故障検出装置１００＿１〜１００＿４を短絡故障検出装置１００と総称する。

図２は本実施形態による短絡故障検出装置１００の構成例を示す回路図である。なお、この図２には、短絡故障検出装置１００に関する理解を容易にするため、アーム１０およびゲート駆動回路２０が短絡故障検出装置１００とともに示されている。

図２において、アーム１０は、半導体スイッチング素子１１と、この半導体スイッチング素子１１に逆並列接続されたフライホイールダイオード１２とを含む。この例において、半導体スイッチング素子１１は、ＭＯＳＦＥＴ（Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor；金属−酸化膜−半導体構造の電解効果トランジスタ）である。半導体スイッチング素子１１のドレインは導線５１を介してコンデンサ３０または他のアームに接続され、半導体スイッチング素子１１のソースは導線５２を介してコンデンサ３０または他のアームに接続されている。ゲート駆動回路２０は、半導体スイッチング素子１１に対してゲート信号を供給することにより半導体スイッチング素子１１のＯＮ／ＯＦＦ駆動を行う。

図２に示す例では、第１のロゴスキーコイル１０１および第２のロゴスキーコイル１０２に導線５２が挿入されている。ここで、第１のロゴスキーコイル１０１は、アーム短絡電流の検出を目的とし、第２のロゴスキーコイル１０２は、負荷短絡電流の検出を目的として設けられたものである。導線５２に電流が流れると、この電流を中心として、円状に回る磁界が発生し、この磁界の強度の時間変化に応じた電圧が第１のロゴスキーコイル１０１および第２のロゴスキーコイル１０２に誘起される。この結果、導線５２に流れる電流の時間勾配ｄｉ／ｄｔに比例した電圧波形の第１の検出信号Ｓ１および第２の検出信号Ｓ２が第１のロゴスキーコイル１０１および第２のロゴスキーコイル１０２から各々出力される。

本実施形態において、第１のロゴスキーコイル１０１はアーム短絡電流の検出に最適化されたコイルであり、第２のロゴスキーコイル１０２は負荷短絡電流の検出に最適化されたコイルである。検出対象である電流の時間勾配ｄｉ／ｄｔに対する感度、すなわち、電流の時間勾配ｄｉ／ｄｔに対するロゴスキーコイルの出力電圧の比に着目すると、第１のロゴスキーコイル１０１の感度は、第２のロゴスキーコイル１０２の感度よりも低くなっている。具体的には、例えば第１のロゴスキーコイル１０１の巻き数は、第２のロゴスキーコイル１０２の巻き数よりも少ない。第１のロゴスキーコイル１０１の感度を、第２のロゴスキーコイル１０２の感度よりも低くするのは、第１のロゴスキーコイル１０１の自己インダクタンスを低くすることで、第１のロゴスキーコイル１０１の自己インダクタンスと寄生容量とからなるＬＣ共振回路の共振周波数を高くし、この共振周波数をアーム短絡電流の周波数帯域の範囲外にするためである。また、第２のロゴスキーコイル１０２の感度を第１のロゴスキーコイル１０１の感度よりも高くするのは、時間勾配の小さな負荷短絡電流を精度よく検出するためである。

アーム短絡判別回路１１１は、第１の検出信号Ｓ１に基づいて、電力変換装置においてアーム短絡が発生したことを判別する回路である。具体的には、アーム短絡判別回路１１１は、第１の基準時間Ｔｒｅｆ１を超えて第１の検出信号Ｓ１が第１の基準レベルＶｒｅｆ１よりも高いレベルを維持した場合に、アーム短絡が発生したことを判別する。アーム短絡判別回路１１１は、アーム短絡を判別した場合、短絡判別信号Ｅ１を非アクティブレベル“０”からアクティブレベル“１”にする。

負荷短絡判別回路１１２は、第２の検出信号Ｓ２に基づいて、電力変換装置において負荷短絡が発生したことを判別する回路である。具体的には、負荷短絡判別回路１１２は、第２の基準時間Ｔｒｅｆ２を超えて第２の検出信号Ｓ２が第２の基準レベルＶｒｅｆ２よりも高いレベルを維持した場合に、負荷短絡が発生したことを判別する。負荷短絡判別回路１１２は、負荷短絡が発生したことを判別した場合、短絡判別信号Ｅ２を非アクティブレベル“０”からアクティブレベル“１”にする。

短絡検出回路１２０は、アーム短絡判別回路１１１が出力する短絡判別信号Ｅ１および負荷短絡判別回路１１２が出力する短絡判別信号Ｅ２に基づいて、電力変換装置において何等かの短絡故障が発生したことを示す短絡検出信号Ｅを生成する回路である。この例において、短絡検出回路１２０は、短絡判別信号Ｅ１と短絡判別信号Ｅ２の論理和を短絡検出信号Ｅとして出力するＯＲ回路である。ゲート駆動回路２０は、短絡検出信号Ｅがアクティブレベル“１”になった場合に半導体スイッチング素子１１を駆動する動作を停止する。

図３Ａ、図３Ｂおよび図３Ｃは、本実施形態の動作例を示す波形図である。図３Ａには、通常時、アーム短絡時および負荷短絡時の各々について、導線５２に流れる電流ｉの波形、第１の検出信号Ｓ１の波形、アーム短絡判別回路１１１内で発生するレベル判定信号Ｄ１の波形、およびアーム短絡判別回路１１１が出力する短絡判別信号Ｅ１の波形が示されている。また、図３Ｂには、通常時、アーム短絡時および負荷短絡時の各々について、導線５２に流れる電流ｉの波形、第２の検出信号Ｓ２の波形、負荷短絡判別回路１１２内で発生するレベル判定信号Ｄ２の波形、および負荷短絡判別回路１１２が出力する短絡判別信号Ｅ２の波形が示されている。また、図３Ｃには、通常時、アーム短絡時および負荷短絡時の各々について、導線５２に流れる電流ｉの波形、アーム短絡判別回路１１１が出力する短絡判別信号Ｅ１の波形、負荷短絡判別回路１１２が出力する短絡判別信号Ｅ２の波形、および短絡検出回路１２０が出力する短絡検出信号Ｅの波形が示されている。これらの図において、横軸は時間ｔであり、縦軸は電圧値、電流値または真理値である。

まず、図３Ａを参照し、アーム短絡判別回路１１１の動作を説明する。アーム短絡判別回路１１１では、第１のロゴスキーコイル１０１から出力される第１の検出信号Ｓ１を第１の基準レベルＶｒｅｆ１と比較し、第１の検出信号Ｓ１が第１の基準レベルＶｒｅｆ１を超過した場合にレベル判定信号Ｄ１をアクティブレベル“１”とする。アーム短絡時には、時間勾配ｄｉ／ｄｔの大きな電流ｉが導線５２に流れる。従って、アーム短絡判別回路１１１には、このような大きな時間勾配ｄｉ／ｄｔを検出することが求められる。このため、第１の基準レベルＶｒｅｆ１は、アーム短絡が発生した場合の第１の検出信号Ｓ１と比較するのに適切な十分に大きな電圧値とされる。また、アーム短絡判別回路１１１では、レベル判定信号Ｄ１が第１の基準時間Ｔｒｅｆ１を超えてアクティブレベル“１”を維持した場合にアーム短絡判別信号Ｅ１をアクティブレベル“１”とする。アーム短絡時において、時間勾配ｄｉ／ｄｔの大きな電流ｉが導線５２に流れる時間は短い。このため、第１の基準時間Ｔｒｅｆ１は、アーム短絡を検出することができる十分に短い時間、例えば数十ｎｓ〜数百ｎｓとされる。

通常時、半導体スイッチング素子１１のターンオンより導線５２に流れる電流ｉが立ち上がり、この電流ｉの立ち上がり期間、電流ｉの時間勾配ｄｉ／ｄｔを示す第１の検出信号Ｓ１が第１の基準レベルＶｒｅｆ１を超え、レベル判定信号Ｄ１がアクティブレベル“１”となる。しかし、電流ｉの立ち上がり期間は短く、レベル判定信号Ｄ１がアクティブレベル“１”となる期間は、第１の基準時間Ｔｒｅｆ１より短い。従って、短絡判別信号Ｅ１がアクティブレベル“１”となることはない。

負荷短絡時は、半導体スイッチング素子１１のターンオンより導線５２に流れる電流ｉが立ち上がり、その後、負荷短絡電流の電流経路に介在する自己インダクタンスにより定まる時間勾配で電流ｉが増加する。この場合において、電流ｉの立ち上がり期間、電流ｉの時間勾配ｄｉ／ｄｔを示す第１の検出信号Ｓ１が第１の基準レベルＶｒｅｆ１を超える。しかし、通常時と同様、電流ｉの立ち上がり期間は短く、レベル判定信号Ｄ１がアクティブレベル“１”となる期間は、第１の基準時間Ｔｒｅｆ１より短い。従って、短絡判別信号Ｅ１がアクティブレベル“１”となることはない。

アーム短絡時の動作は、次のようになる。アーム１０の半導体スイッチング素子１１のターンオン時に、半導体スイッチング素子１１と直列接続された他のアーム１０に短絡故障が発生していると、導線５２に流れる電流ｉが当該電流ｉの電流経路に介在する自己インダクタンスにより定まる時間勾配で立ち上がる。この結果、電流ｉの時間勾配ｄｉ／ｄｔを示す第１の検出信号Ｓ１が第１の基準レベルＶｒｅｆ１を超え、レベル判定信号Ｄ１がアクティブレベル“１”となる。この場合の電流ｉの立ち上がり期間は、通常動作における電流ｉの立ち上がり期間よりは長く、レベル判定信号Ｄ１は、第１の基準時間Ｔｒｅｆ１を超えてアクティブレベル“１”を維持する。このため、短絡判別信号Ｅ１がアクティブレベル“１”となる。

この例において、第１のロゴスキーコイル１０１は、第１の検出信号Ｓ１が領域Ａ１ｐ内または領域Ａ１ｎ内となる場合の電流の時間勾配ｄｉ／ｄｔを高精度で検出する。そして、第１の基準レベルＶｒｅｆ１は、領域Ａ１ｐ内にある。そのため、アーム短絡判別回路１１１は、精度よくアーム短絡を検出することができる。

次に図３Ｂを参照し、負荷短絡判別回路１１２の動作を説明する。負荷短絡判別回路１１２では、第２のロゴスキーコイル１０２から出力される第２の検出信号Ｓ２を第２の基準レベルＶｒｅｆ２と比較し、第２の検出信号Ｓ２が第２の基準レベルＶｒｅｆ２を超過した場合にレベル判定信号Ｄ２をアクティブレベル“１”とする。負荷短絡時には、時間勾配ｄｉ／ｄｔの小さな電流ｉが導線５２に流れる。従って、負荷短絡判別回路１１２には、このような小さな時間勾配ｄｉ／ｄｔを検出することが求められる。このため、第２の基準レベルＶｒｅｆ２は、負荷短絡が発生した場合の第２の検出信号Ｓ２と比較するのに適切な十分に小さな電圧値とされる。また、負荷短絡判別回路１１２では、レベル判定信号Ｄ２が第２の基準時間Ｔｒｅｆ２を超えてアクティブレベル“１”を維持した場合に短絡判別信号Ｅ２をアクティブレベル“１”とする。負荷短絡時において、導線５２に流れる電流ｉの時間勾配ｄｉ／ｄｔが大きくなる時間は通常時およびアーム短絡時と比べて長い。このため、第２の基準時間Ｔｒｅｆ２は、通常動作あるいはアーム短絡を負荷短絡と誤認することがない十分に長い時間、例えば基準時間Ｔｒｅｆ１に対して数十倍〜数百倍程度の値に設定する。

通常時、半導体スイッチング素子１１のターンオンにより導線５２に流れる電流ｉが立ち上がり、この電流ｉの立ち上がり期間、電流ｉの時間勾配ｄｉ／ｄｔを示す第２の検出信号Ｓ２が第２の基準レベルＶｒｅｆ２を超え、レベル判定信号Ｄ２がアクティブレベル“１”となる。しかし、レベル判定信号Ｄ２がアクティブレベル“１”となる期間は、第２の基準時間Ｔｒｅｆ２より短い。従って、短絡判別信号Ｅ２がアクティブレベル“１”となることはない。

半導体スイッチング素子１１と直列接続された半導体スイッチング素子が短絡故障した状態で、半導体スイッチング素子１１のターンオンが発生すると、アーム短絡が発生する。この時、導線５２に流れる電流ｉはアーム短絡電流の電流経路に介在する自己インダクタンスにより定まる時間勾配で立ち上がる。この結果、電流ｉの時間勾配ｄｉ／ｄｔを示す第２の検出信号Ｓ２が第２の基準レベルＶｒｅｆ２を超え、レベル判定信号Ｄ２がアクティブレベル“１”となる。しかしながら、アーム短絡時は第１の検出信号Ｓ１も第１の基準レベルＶｒｅｆ１を超え、レベル判定信号Ｄ１がアクティブレベル“１”となる。各々の短絡検出時間はＴｒｅｆ１＜＜Ｔｒｅｆ２であるため、アーム短絡が発生すると短絡判別信号Ｅ１が短絡判別信号Ｅ２より先にアクティブレベル“１”となる。このため、アーム短絡が発生しても短絡判定を検出することはない。

負荷短絡時は、半導体スイッチング素子１１のターンオンより導線５２に流れる電流ｉが立ち上がり、その後、負荷短絡電流の電流経路に介在する自己インダクタンスにより定まる時間勾配で電流ｉが増加する。このように電流ｉが立ち上がり、その後、一定時間勾配で増加する間、電流ｉの時間勾配ｄｉ／ｄｔを示す第２の検出信号Ｓ２が第２の基準レベルＶｒｅｆ２を超え、レベル判定信号Ｄ２がアクティブレベル“１”となる。負荷短絡時、このレベル判定信号Ｄ２は第２の基準時間Ｔｒｅｆ２を超えてアクティブレベル“１”を維持する。従って、短絡判別信号Ｅ２がアクティブレベル“１”となる。

この例において、第２のロゴスキーコイル１０２は、第２の検出信号Ｓ２が領域Ａ２内の信号となる電流の時間勾配ｄｉ／ｄｔを高精度で検出する。そして、第２の基準レベルＶｒｅｆ２は領域Ａ２内にある。そのため、負荷短絡により発生する第２の検出信号Ｓ２を精度よく検出することができる。

次に図３Ｃを参照し、短絡検出回路１２０の動作を説明する。図３Ｃに示すように、短絡検出回路１２０は、短絡判別信号Ｅ１と短絡判別信号Ｅ２の論理和を短絡検出信号Ｅとして出力する。従って、アーム短絡または負荷短絡が発生した場合には、短絡検出信号Ｅがゲート駆動回路２０に出力され、ゲート駆動回路２０による半導体スイッチング素子１１の駆動が停止される。

以上説明したように、本実施形態によれば、ロゴスキーコイルを利用して、電力変換装置において発生するアーム短絡および負荷短絡の両方を精度よく検出することができる。また、本実施形態によれば、短絡電流を検出するために、ＣＴ等のディスクリート部品を利用しないので、コストを下げ、かつ、短絡故障検出装置の大型化を回避することができる。

以下、本実施形態の各種具体例について説明する。

＜第１具体例＞
第１具体例および後述する第２〜第３具体例は、アーム短絡時に適切な大きさの第１の検出信号Ｓ１を発生することが可能な第１のロゴスキーコイル１０１と、負荷短絡時に適切な大きさの第２の検出信号Ｓ２を発生することが可能な第２のロゴスキーコイル１０２とに関する具体例である。

図４は本実施形態の第１具体例を示す図である。この第１具体例において、アーム短絡を検出するための第１のロゴスキーコイル１０１Ａは、トロイダルコイル状に巻かれた往路４１と、トロイダルコイルの巻き始めと巻き終わりを結んで巻き戻す復路４２とで構成される。第２のロゴスキーコイル１０２Ａも、往路４１および復路４２と同様な往路４３および復路４４からなる。第１具体例では、アーム短絡を検出するための第１のロゴスキーコイル１０１Ａの巻き数ｎ１と負荷短絡を検出するための第２のロゴスキーコイル１０２Ａの巻き数ｎ２とが異なる。具体的には第１のロゴスキーコイル１０１Ａの往路４１の巻き数ｎ１と、第２のロゴスキーコイル１０２Ａの往路４３の巻き数ｎ２との間にはｎ２＞ｎ１の関係がある。以下、その理由について説明する。

ロゴスキーコイルに誘起される電圧ｖは、次式により与えられる。
ｖ＝−μ・（ＳＱ・ｎ／ＬＧ）・（ｄｉ／ｄｔ） ……（４）
ここで、μは空気の透磁率（真空の透磁率と同じ）、ＳＱはロゴスキーコイルの磁路断面積、ｎはロゴスキーコイルの巻き数、ＬＧはロゴスキーコイルの磁路長、ｄｉ／ｄｔはロゴスキーコイルの検出対象である電流ｉの時間勾配である。磁路断面積ＳＱとは、ロゴスキーコイルの往路４１および４３において、往路をなすトロイダルコイルにより囲まれた空間の断面積である。磁路長は、ロゴスキーコイルにおいて、トロイダルコイルにより囲まれた空間の長さであり、復路４２および４４の長さに略等しい。

上記式（５）を巻き数ｎについて解くと次式が得られる。
ｎ＝−（ＬＧ・ｖ）／（μ・ＳＱ・（ｄｉ／ｄｔ）） ……（５）
この式（５）は、電流の時間勾配ｄｉ／ｄｔが小さい場合において、十分な大きさの電圧ｖをロゴスキーコイルから得るためには、巻き数ｎを増やす必要があることを示している。

そこで、第１具体例において、第２のロゴスキーコイル１０２Ａについては、検出対象の電流の時間勾配ｄｉ／ｄｔが小さいため、その巻き数ｎ２を第１のロゴスキーコイル１０１Ａの巻き数ｎ１よりも増やしている。具体的には、式（５）において、アーム短絡時の電流の時間勾配ｄｉ／ｄｔを負荷短絡時の電流の時間勾配ｄｉ／ｄｔの例えば１０倍程度に設定して必要な巻き数ｎ１およびｎ２を計算し、求めた巻き数ｎ１およびｎ２のロゴスキーコイル１０１Ａおよび１０２Ａを設けている。このようにすることで、アーム短絡および負荷短絡の両者を精度良く検出することができる。

＜第２具体例＞
図５は本実施形態の第２具体例を示す図である。この第２具体例では、アーム短絡を検出するための第１のロゴスキーコイル１０１Ｂの磁路断面積ＳＱ１と負荷短絡を検出するための第２のロゴスキーコイル１０２Ｂの磁路断面積ＳＱ２が異なる。具体的には磁路断面積ＳＱ１およびＳＱ２間に、ＳＱ２＞ＳＱ１の関係がある。

前掲式（５）を磁路断面積ＳＱについて解くと次式が得られる。
ＳＱ＝−（ＬＧ・ｖ）／（μ・ｎ・（ｄｉ／ｄｔ）） ……（７）
この式（７）は、電流の時間勾配ｄｉ／ｄｔが小さい場合において、十分な大きさの電圧ｖをロゴスキーコイルから得るためには、磁路断面席ＳＱを増やす必要があることを示している。

そこで、第２具体例において、第２のロゴスキーコイル１０２Ｂについては、検出対象の電流の時間勾配ｄｉ／ｄｔが小さいため、その磁路断面積ＳＱ２を第１のロゴスキーコイル１０１Ｂの磁路断面積ＳＱ１よりも大きくしている。具体的には、式（７）において、アーム短絡時の電流の時間勾配ｄｉ／ｄｔを負荷短絡時の電流の時間勾配ｄｉ／ｄｔの例えば１０倍程度に設定して必要な磁路断面積ＳＱ１およびＳＱ２を計算し、求めた磁路断面積ＳＱ１およびＳＱ２のロゴスキーコイル１０１Ｂおよび１０２Ｂを設けている。このようにすることで、アーム短絡および負荷短絡の両者を精度良く検出することができる。

＜第３具体例＞
図６は本実施形態の第３具体例を示す図である。この第３具体例では、アーム短絡を検出するための第１のロゴスキーコイル１０１Ｃの磁路長ＬＧ１と負荷短絡を検出するための第２のロゴスキーコイル１０２Ｃの磁路長ＬＧ２が異なる。具体的には磁路長ＬＧ１およびＬＧ２間に、ＬＧ１＞ＬＧ２の関係がある。

前掲式（５）を磁路長ＬＧについて解くと次式が得られる。
ＬＧ＝−（μ・ＳＱ・ｎ・（ｄｉ／ｄｔ））／ｖ ……（８）
そこで、第３具体例では、式（８）において、アーム短絡時の電流の時間勾配ｄｉ／ｄｔを負荷短絡時の電流の時間勾配ｄｉ／ｄｔの例えば１０倍程度に設定して必要な磁路長ＬＧ１およびＬＧ２を計算し、求めた磁路長ＬＧ１およびＬＧ２のロゴスキーコイル１０１Ｃおよび１０２Ｃを設けている。このようにすることで、アーム短絡および負荷短絡の両者を精度良く検出することができる。

＜第４具体例＞
第４具体例は第１のロゴスキーコイル１０１および第２のロゴスキーコイル１０２の実装に関する具体例である。図７Ａおよび図７Ｂは第４具体例を示す図である。ここで、図７Ａは図７Ｂの半導体スイッチング素子１１Ｄ側から見た第１のロゴスキーコイル１０１Ｄおよび第２のロゴスキーコイル１０２Ｄを示す図である。また、図７Ｂは図７ＡのＡ−Ａ’線断面図である。

図７Ｂにおいて、半導体スイッチング素子１１Ｄと主配線基板７０との間には、第１層配線基板６１と、第２層配線基板６２と、第３層配線基板６３とからなる多層配線基板が挟まれている。ここで、第１層配線基板６１は主配線基板７０から離間し、第２層配線基板６２は第１層配線基板６１から離間し、第３層配線基板６３は第２層配線基板６２から離間し、半導体スイッチング素子１１Ｄは第３層配線基板６３から離間している。

導線５１および５２は、前掲図１の導線５１および５２に相当するものであり、半導体スイッチング素子１１Ｄのソースおよびドレインに各々接続されている。これらの導線５１および５２は、半導体スイッチング素子１１Ｄから延びて、第３層配線基板６３と、第２層配線基板６２と、第１層配線基板６１とを通過し、主配線基板７０に接続されている。半導体スイッチング素子１１Ｄは、導線５１または５２と、主配線基板７０とを介して、電力変換装置内の他の半導体スイッチング素子または電源線に接続されている。

そして、アーム短絡検出用の第１のロゴスキーコイル１０１Ｄは、導線５１を取り囲むように、第１層配線基板６１と、第２層配線基板６２と、第３層配線基板６３に配置されている。また、負荷短絡検出用の第２のロゴスキーコイル１０２Ｄは、導線５２を取り囲むように、第１層配線基板６１と、第２層配線基板６２と、第３層配線基板６３に配置されている。

さらに詳述すると、第１のロゴスキーコイル１０１Ｄは、トロイダルコイル状に巻かれた往路４１と、トロイダルコイルの巻き始めと巻き終わりを結んで巻き戻す復路４２とで構成されている。復路４２は、第２層配線基板６２に形成される。また、往路４１は、第１層配線基板６１上の配線と、第２層配線基板６２に形成されたスルーホールを介して第１層配線基板６１から第３層配線基板６３に至る配線と、第３層配線基板６３上の配線とにより構成される。第２のロゴスキーコイル１０２Ｄも、第１のロゴスキーコイル１０１Ｄの往路４１および復路４２と同様な往路４３および復路４４により構成される。

この第４具体例においても、アーム短絡および負荷短絡の双方を精度よく検出することができる。また、第４具体例によれば、前掲図１の構成と異なり、第１のロゴスキーコイル１０１Ｄと、第２のロゴスキーコイル１０２Ｄとを、半導体スイッチング素子１１Ｄのソース側とドレイン側に分けて配置している。すなわち、第４具体例では、アームを経由する電流経路においてアームの一方側（例えば導線５１）および他方側（例えば導線５２）の各位置に第１のロゴスキーコイル１０１Ｄおよび第２のロゴスキーコイル１０２Ｄが配置されている。このため、第４具体例は、半導体スイッチング素子１１Ｄとコンデンサ３０（図１参照）との間の配線長を短くすることができるという利点がある。

＜第５具体例＞
図８は本実施形態の第５具体例を示す図である。第５具体例では、ブスバーなどの被測定電流経路１０４を覆うようにアーム短絡検出用の第１のロゴスキーコイル１０１Ｅと、負荷短絡検出用の第２のロゴスキーコイル１０２Ｅが配置される。そして、第５具体例では、第１のロゴスキーコイル１０１Ｅと第２のロゴスキーコイル１０２との間に金属等からなるシールド板１０３が配置される。この第５具体例によれば、第１のロゴスキーコイル１０１Ｅに流れる電流と第２のロゴスキーコイル１０２に流れる電流とが互いに干渉しあうのを防ぐことができる。

＜他の実施形態＞
以上、この発明の一実施形態について説明したが、この発明には他にも実施形態が考えられる。例えば次の通りである。

（１）上記実施形態では、この発明による短絡故障検出装置を４個のアームを有する２相のインバータに適用した。しかし、この発明による短絡故障検出装置の適用範囲はこれに限定されるものではない。この発明による短絡故障検出装置は、例えば３相のインバータ等、２相以外の相数のインバータに適用してもよい。また、この発明による短絡故障検出装置は、例えばＤＣ／ＤＣコンバータ等、インバータ以外の電力変換装置に適用してもよい。

（２）上記実施形態では、半導体スインチング素子の例としてＭＯＳＦＥＴを挙げたが、半導体スイッチング素子はこれに限定されるものではなく、例えばＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor；絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ）等の他の半導体スイッチング素子であってもよい。

（３）上記第１具体例〜第５具体例の任意の２つ、３つ、４つまたは全部を組み合わせてもよい。例えば第１のロゴスキーコイル１０１の巻き数よりも第２のロゴスキーコイル１０２の巻き数を多くし、かつ、第１のロゴスキーコイル１０１におけるコイルの断面積よりも第２のロゴスキーコイル１０２におけるコイルの断面積を大きくし、さらに第１のロゴスキーコイル１０１の磁路長よりも第２のロゴスキーコイル１０２の磁路長を短くしてもよい。

（４）第４具体例では、第１のロゴスキーコイル１０１Ｄおよび第２のロゴスキーコイル１０２Ｄの両方を第１層配線基板６１、第２層配線基板６２および第３層配線基板６３に配置したが、いずれか一方のみを第１層配線基板６１、第２層配線基板６２および第３層配線基板６３に配置してもよい。

（５）上記実施形態ではアーム短絡判定回路１１１、負荷短絡判定回路１１２、短絡検出回路１２０をそれぞれ個別に設けたがこれらの回路を一つの回路として実装しても良い。

（６）上記実施形態では短絡検出信号Ｅがゲート駆動回路２０に入力されていたが、短絡判定信号Ｅ１，Ｅ２を直接ゲート駆動回路２０に入力しても良い。また、短絡判定信号Ｅ１が出力された際はアーム短絡であるため、ゲート駆動回路２０停止後にゲート駆動回路２０の再起動を禁止する、短絡判定信号Ｅ２が出力された際は負荷短絡であるため、ゲート駆動回路２０停止後に負荷の短絡が解除されたことが確認できればゲート駆動回路２０を再起動させるといったように出力された短絡判定信号によって保護動作を変えても良い。

１００……電力変換装置、３０……コンデンサ、４０……直流電源、１０＿１〜１０＿４，１０……アーム、２０＿１〜２０＿４，２０……ゲート駆動回路、１００＿１〜１００＿４，１００……短絡故障検出装置、１１，１１Ｄ……半導体スイッチング素子、１２……フライホイールダイオード、５１，５２……導線、１０１，１０１Ａ，１０１Ｂ，１０１Ｃ，１０１Ｄ，１０１Ｅ……第１のロゴスキーコイル、１０２，１０２Ａ，１０２Ｂ，１０２Ｃ，１０２Ｄ，１０１Ｅ……第２のロゴスキーコイル、４１，４３……往路、４２，４４……復路、７０……主配線基板、６１……第１層配線基板、６２……第２層配線基板、６３……第３層配線基板、１１１……アーム短絡判別回路、１１２……負荷短絡判別回路、１２０……短絡検出回路、１０３……シールド板、Ｚ……負荷。

Claims (8)

1. 半導体スイッチング素子を各々含む複数のアームを有し、前記複数のアームを介して負荷に電力を供給する電力変換装置の短絡故障検出装置において、
   前記複数のアームにおける１のアームに流れる電流であって、当該アームまたは他のアームの短絡によって当該アームに流れるアーム短絡電流に応じた第１の検出信号を出力する第１のロゴスキーコイルと、
   前記複数のアームにおける１のアームに流れる電流であって、前記負荷の短絡によって当該アームに流れる負荷短絡電流に応じた第２の検出信号を出力する第２のロゴスキーコイルと、
   前記第１の検出信号に基づいて前記アームの短絡を判別するアーム短絡判別回路と、
   前記第２の検出信号に基づいて前記負荷の短絡を判別する負荷短絡判別回路と、
   前記アーム短絡判別回路の出力信号および前記負荷短絡判別回路の出力信号に基づいて短絡故障を検出する短絡検出回路と
   を有することを特徴とする短絡故障検出装置。
2. 前記第１のロゴスキーコイルの巻き数よりも前記第２のロゴスキーコイルの巻き数が多いことを特徴とする請求項１に記載の短絡故障検出装置。
3. 前記第１のロゴスキーコイルにおけるコイルの断面積よりも前記第２のロゴスキーコイルにおけるコイルの断面積が大きいことを特徴とする請求項１または２に記載の短絡故障検出装置。
4. 前記第１のロゴスキーコイルにおけるコイルの磁路長よりも前記第２のロゴスキーコイルにおけるコイルの磁路長が短いことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の短絡故障検出装置。
5. 前記第１のロゴスキーコイルおよび前記第２のロゴスキーコイルの少なくとも一方が配線基板に組み込まれていることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の短絡故障検出装置。
6. 前記アームを経由する電流経路において前記アームの一方側および他方側の各位置に前記第１のロゴスキーコイルおよび前記第２のロゴスキーコイルが配置されたことを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の短絡故障検出装置。
7. 前記第１のロゴスキーコイルと前記第２のロゴスキーコイルとの間にシールドを備えることを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載の短絡故障検出装置。
8. 請求項１の短絡故障検出装置と、前記短絡故障検出装置が出力する短絡判別信号に基づいて半導体スイッチング素子の駆動を停止するゲート駆動回路とを含むことを特徴とする電力変換装置。

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