JPH0654552A - 静電誘導形自己消弧素子の保護回路 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【構成】静電誘導形自己消弧素子をスイッチング素子と
して用いたインバータ装置２と前記スイッチング素子を
駆動する駆動回路と前記スイッチング素子のコレクタ電
圧を検出し検出値が設定値を越えた場合のみゲート電圧
を正常値以下に下げるゲート電圧制御回路５と、前記イ
ンバータの出力過電流を検出する過電流検出回路６と、
過電流時に前記スイッチング素子の駆動回路に出力遮断
信号を伝送する出力遮断信号禁止回路７とを具備した装
置において、ゲート電圧制御回路５がゲート電圧を制御
しているときには前記出力遮断禁止回路７の出力信号に
よる出力遮断を所定時間禁止するようにしたことを特徴
とする静電誘導形自己消弧素子の保護回路。 【効果】本発明によればインバータ装置において短絡事
故時のような異常電流が流れた場合、ゲート電圧制御回
路が動作していると出力遮断が禁止され、これにより大
きな電流値から急激に遮断されることがない。したがっ
て高いはね上がり電圧を伴った電圧がＩＧＢＴに加わる
ことはなく、信頼性の高い保護回路を得ることができる
という効果がある。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は静電誘導形自己消弧素子
をスイッチング素子とするインバータ装置に係り、特に
異常電流時にこのスイッチング素子を保護する静電誘導
形自己消弧素子の保護回路に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来の静電誘導形自己消弧素子をスイッ
チング素子とするインバータ装置のスイッチング素子保
護に関するものとしては、特開昭６１−１８５０６４号
公報がある。同公報に記載された保護方法は、スイッチ
ング素子に異常電流が流れた場合、コレクタ電圧が設定
値を越えたことを検出して、ゲート電圧を予め定められ
た値に低下させるゲート電圧制御を行うものである。

【０００３】またこれとは別に、出力電流の過電流を検
出し出力を遮断して保護する過電流保護回路が備わって
いるのが一般的である。

【０００４】上記ゲート電圧制御による保護はスイッチ
ング素子のコレクタ電圧を検出する時間として２〜４μ
ｓｅｃ程度必要とする。これに対し過電流保護回路が出
力過電流を検出する時間は電流検出器の遅れのため１０
μｓｅｃ程度を必要とする。

【０００５】そしてゲート電圧制御による保護方法の異
常電流レベルとして定める値は、過電流保護回路による
過電流レベルとして定める値に対して高めである。

【０００６】従来のこのような保護回路を備えたインバ
ータ装置の保護動作及びその問題点を説明する。

【０００７】インバータ装置において短絡事故で２つの
スイッチング素子に異常電流が流れたと仮定する。一般
に短絡事故時のように、過大な電流が流れたとき、スイ
ッチング素子のコレクタ電圧は上昇する。これにより、
まず各スイッチング素子毎に具備されているゲート電圧
制御による保護回路が過電流保護回路より速く動作す
る。

【０００８】ゲート電圧制御による保護回路は、当該２
つのスイッチング素子に具備されたゲート電圧制御回路
のうち、前記スイッチング素子のコレクタ電圧値やゲー
ト電圧制御回路の検出時間のばらつきにより一方が先に
ゲート電圧を下げはじめる。しかし、他方の素子はゲー
ト電圧制御回路が作動する以前に異常電流が収束しコレ
クタ電圧が異常電流レベル以上に上昇しない場合もあ
り、この場合この他方の素子は通常の導通状態のままで
ある。このため短絡事故点までの配線のインダクタンス
分により、ゲート電圧制御回路の作動していない他方の
スイッチング素子とフライホイールダイオードに大きな
電流が還流電流となって連続的に流れ続ける。

【０００９】図６、図７はこの還流電流を説明する回路
である。短絡時スイッチング素子ＴＵ、ＴＺがオン状態
である時、ＴＵのゲート電圧制御回路が最初に作動する
と異常電流が小さくなるように収束し始める。異常電流
が低下し、コレクタ電圧が設定値Ｖｓ以下となると、Ｔ
Ｚは特にＴＵに比べコレクタ電圧検出時間が遅いため、
ゲート電圧制御回路が動作しないまま通常のオン状態と
なる場合がある。特に短絡電流が大きい場合、配線のイ
ンダクタンス分に蓄積されたエネルギ−は通常のオン状
態であるＴＺとフライホイールダイオードＤＵに還流電
流を流し続ける。

【００１０】図７に示すようにスイッチング素子ＴＵの
電流はゲート電圧制御により小さくなるよう抑制されて
いるが、スイッチング素子ＴＺの電流はこれに比べて斜
線で示したように還流電流により大きな電流のままであ
る。

【００１１】この時、過電流検出レベルが異常電流検出
レベルより小さく、またゲート電圧制御の保護動作より
遅い過電流保護回路が前記還流電流を検出し急激な出力
遮断が生じる（ゲート電圧制御による保護動作は電流を
所定値以下に抑制するのに対し、過電流保護回路による
保護動作は出力電流を完全に遮断するように高速動作す
るため電流の遮断が急激である）。特に前記還流電流は
異常電流レベル以下ではあるが過電流保護回路による過
電流レベルとして定める値以上でありしかも高速に遮断
されるためスイッチング素子には高い跳ね上がり電圧が
加わり素子の破壊に至る危険性がある。

【００１２】このように２系統の過電流保護回路がある
ために、まずゲート電圧制御による保護回路が動作し次
に過電流保護回路が動作して上記問題を生じる。

【００１３】

【発明が解決しようとする課題】このように従来技術
は、ゲート電圧制御保護回路が動作し次に出力過電流保
護回路が動作する場合があり、この場合上記のように静
電誘導形自己消弧素子のコレクタ電圧には高い跳ね上が
り電圧が加わり、素子が破壊したり劣化したりする。即
ち異常電流時の信頼性の高い保護という面では問題があ
った。

【００１４】本発明の目的は、短絡事故時のような異常
電流が流れたときに上記のような問題が生じないように
して信頼性の高い保護回路を得ることにある。

【００１５】

【課題を解決するための手段】上記目的は、静電誘導形
自己消弧素子をスイッチング素子とするインバータ装置
において、ゲート電圧制御回路が作動している場合、過
電流保護回路による出力遮断をしないように保護回路を
構成することにより達成される。

【００１６】

【作用】インバータ装置の出力遮断禁止回路は、ゲート
電圧制御回路が動作している場合、過電流保護回路によ
る出力遮断は禁止される。

【００１７】

【実施例】以下本発明の一実施例を図１により説明す
る。

【００１８】１は三相交流を直流に変換する順変換器で
あり、ＲＳＴはその電源入力端子である。３はこの変換
された直流に含まれるリップルを平滑化するコンデン
サ、２は平滑化された直流を任意の電圧と周波数の交流
に変換する逆変換器であり、ＵＶＷはその出力端子であ
る。出力端子ＵＶＷには負荷が接続される。前記逆変換
器２は、静電誘導形自己消弧素子である絶縁ゲートバイ
ポーラトランジスタ（以下ＩＧＢＴと呼ぶ）をスイッチ
ング素子として用いている。６ｕ、６ｗはＵ相、Ｗ相の
電流検出器であり、６は電流検出器６ｕ、６ｗの検出信
号を入力し過電流レベルの設定値を越えたとき逆変換器
２の動作を停止させるための信号Ｓ３を出力する過電流
検出回路である。５は通常状態では駆動信号Ｓ７により
スイッチング素子を駆動するための駆動信号Ｓ８を出力
し、また駆動信号Ｓ７がオン信号状態で且つＩＧＢＴの
コレクタ電圧信号Ｓ９が設定値を越えた異常状態では駆
動信号Ｓ８のオン信号電圧を予め定められた値に下げる
ゲート電圧制御回路である。７はゲート電圧制御回路５
が異常状態で駆動信号Ｓ８のオン信号電圧を予め定めら
れた値に下げる動作しているとき出力される信号Ｓ２を
受信して、過電流保護回路６からの信号Ｓ３に基づく出
力遮断信号Ｓ５の出力を禁止する出力遮断信号禁止回路
である。４は所定時間信号を遅延させる遅延回路であ
る。９はインバータ装置の処理を実行する中央演算装置
であるマイクロコンピュータである。８は駆動信号伝送
回路であり、通常はマイクロコンピュータ９からの駆動
信号Ｓ６（オン、オフ信号）を伝送し、また過電流保護
動作時は出力遮断信号禁止回路７からの出力遮断信号Ｓ
５により逆変換器２の全スイッチング素子に（オン信号
を禁止して）オフ信号を伝送する。

【００１９】次に本発明を詳細に説明する。ＩＧＢＴの
ようなスイッチング速度の速い素子が短絡事故時のよう
に過大な電流を急激に遮断すると、直流電圧部からＩＧ
ＢＴに至る配線のインダクタンス分により高い跳ね上が
り電圧を生じる。この跳ね上がりを伴った高い電圧が素
子に加わると信頼性の点で問題があった。しかし、本実
施例によればゲ−ト電圧制御回路は、短絡時ゲート電圧
を緩やかに減少させ、これにより短絡電流の電流変化率
ｄｉ／ｄｔを小さくするなり跳ね上がり電圧が抑制され
る。

【００２０】図２にＩＧＢＴのゲート電圧、コレクタ電
流、コレクタ電圧特性を示した。ゲート電圧が小さくな
るとコレクタ電流を小さくできることがわかる。またゲ
ート電圧が一定のときコレクタ電流が増えるとコレクタ
電圧が増えることがわかる。

【００２１】図３はゲート電圧及びコレクタ電流のタイ
ムチャートを示したものである。実線が本発明によるゲ
ート電圧制御回路が動作し且つ過電流保護回路の出力遮
断動作を所定時間禁止したときの動作波形である。破線
は従来の過電流保護回路が動作して強制的に出力遮断さ
れた場合を示している。本実施例によりコレクタ電流が
異常電流の最大値から十分小さくなるまで出力は遮断さ
れないようにされる。

【００２２】図４にスイッチング素子１つ（ここではＵ
相）当たりのゲート電圧制御回路ブロック図を示した。
図４に従いゲート電圧制御回路の動作を更に詳しく説明
する。ゲート電圧制御回路１２はフォトカプラＰＣＵか
ら入力される通常動作時駆動信号Ｓ７に従いＩＧＢＴ１
５のゲートＧとエミッタＥの間にゲート電圧ＶGEとして
ＶG1、−ＶG5のパルス電圧を与えている。しかし、短絡
事故時ＩＧＢＴ１５の駆動信号Ｓ７がオン状態である
時、ＩＧＢＴ１５には急激に大きな電流が流れる。ＩＧ
ＢＴ１５は、コレクタ電流の上昇にともないコレクタ電
圧も上昇する。コレクタ電圧は比較器１４に入力され基
準値Ｖｓと比較され、基準値Ｖｓを超えたときオン保持
回路１１とゲート電圧制御回路１２へ信号を出力する。
ゲート電圧制御回路１２はオン信号時のみ比較器１４の
出力信号を入力して異常を検出しているのであるが、比
較器１４からコレクタ電圧が設定値Ｖｓを越えた信号を
受け取ると、ゲート電圧をＶG1から徐々に減少させる。
この時ゲート電圧制御を予め定められた時間行わせるた
めに、オン保持回路１１は比較器１４からコレクタ電圧
が設定値Ｖｓを越えた信号を受け取ると、オン状態を持
続させオフ信号を所定時間禁止する。即ち例え過電流保
護回路が動作してフォトカプラＰＣＵから入力される駆
動信号がオフされても直ちにゲートを遮断する動作には
移行しない。これにより環流電流が十分小さくなるまで
引き延ばされので、例え過電流保護回路が動作してもコ
レクタ電流の電流変化率ｄｉ／ｄｔは緩和され、跳ね上
がり電圧は抑制される。同時に異常信号はフォトカプラ
ＰＣＵ２を通して信号Ｓ１としてマイクロコンピュータ
９に伝達され、マイクロコンピュータ９はトリップ表示
などの異常表示処理を行う。

【００２３】図５に従いゲート電圧制御回路５の異常信
号伝送と出力遮断信号禁止動作を説明する。マイクロコ
ンピュータ９から出力された駆動信号Ｓ６はフォトカプ
ラＰＣＵ〜ＰＣＺによりゲート電圧制御回路５に伝送さ
れ、ゲート電圧制御回路５の出力に接続されたＩＧＢＴ
をスイッチング動作させる。

【００２４】ＩＧＢＴの電流が正常値でコレクタの電圧
が基準値Ｖｓより小さいときはゲート電圧制御回路５が
動作していないので、ゲート電圧制御回路５の異常信号
出力部のフォトカプラＰＣＵ２〜ＰＣＺ２のすべてがオ
フ状態である。このときはフォトカプラＰＣＵ２〜ＰＣ
Ｚ２の出力トランジスタのコレクタが抵抗Ｒ１でプルア
ップされ、信号Ｓ２はハイレベルＨとなり、トランジス
タＱ２はオンされる。信号Ｓ２はトランジスタＱ２のコ
レクタ電圧をインバートして出力されるのでハイレベル
Ｈとなる。このとき過電流検出回路から信号Ｓ３が出力
される（信号Ｓ３がローレベルＬ）と信号Ｓ４はローレ
ベルＬとなり、信号Ｓ５はハイレベルＨとなる。これに
よりトランジスタＱ１がオフされるのでフォトカプラＰ
ＣＵ〜ＰＣＺのすべてがオフ状態となる。即ち出力遮断
となる。

【００２５】これに対しＩＧＢＴのいずれかにコレクタ
の電圧が基準値Ｖｓを超えるような異常電流が流れた場
合、各スイッチング素子のゲート制御回路の検出信号に
よりフォトカプラＰＣＵ２〜ＰＣＺ２のうち対応するも
のがオン状態となる。したがって信号Ｓ２はローレベル
Ｌとなる。これにより抵抗Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３、コンデン
サＣ１、Ｃ２で構成された遅延回路４のむだ時間の後ト
ランジスタＱ２がオフ状態となり、信号Ｓ１はローレベ
ルＬとなる。また、信号Ｓ２がローレベルＬとなること
により信号Ｓ４は過電流検出回路６からの信号Ｓ３に関
係なくハイレベルＨとなる。したがって、信号Ｓ５は始
め信号Ｓ１がハイレベルＨなのでハイレベルＨであり、
遅延回路４のむだ時間の後信号Ｓ１がハイレベルＨとな
ったときにローレベルＬとなる。これに対応してトラン
ジスタＱ１は遅延回路４のむだ時間の後オフとなる。ト
ランジスタＱ１がオフされることにより出力が遮断され
る。このように出力遮断は過電流検出回路６の出力信号
Ｓ３の信号立ち上がりタイミングには関係せず、信号Ｓ
１が遅延回路４のむだ時間の後ローレベルＬになったこ
とにより行われる。この前記遅延回路４によるむだ時間
は異常電流が十分減衰する程度に長く設定されているた
め、電流値が大きい状態での出力遮断は起こらない。ゲ
ート電圧制御回路が作動している途中では過電流保護回
路による出力遮断信号は禁止され、還流電流を急激に遮
断することはない。このため出力短絡事故時のような異
常電流が流れた場合、信頼性の高い保護を行なうことが
できる。

【００２６】

【発明の効果】本発明によればインバータ装置において
短絡事故時のような異常電流が流れた場合、ゲート電圧
制御回路が動作していると出力遮断が禁止され、これに
より大きな電流値から急激な遮断が行われない。したが
って高いはね上がり電圧を伴った電圧がＩＧＢＴに加わ
ることはなく、信頼性の高い保護回路を得ることができ
るという効果がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による一実施例の構成ブロック図であ
る。

【図２】本発明のＩＧＢＴのゲート電圧、コレクタ電
流、コレクタ電圧特性を説明する図である。

【図３】本発明のＩＧＢＴのゲート電圧、コレクタ電流
を説明する図である。

【図４】本発明による一実施例のゲート電圧制御回路の
ブロック図である。

【図５】本発明による具体的一実施例を示す図である。

【図６】短絡事故時の還流電流を説明する図である。

【図７】還流電流を含む短絡電流の説明図である。

【符号の説明】

１…順変換器、 ２…逆変換器、 ３…平滑コンデン
サ、 ４…遅延回路、５…ゲート電圧制御回路、 ６…
過電流検出回路、 ６ｕ、６ｗ…電流検出器、７…出力
遮断信号禁止回路、 ８…駆動信号伝送回路、 ９…マ
イクロコンピュータ、 ＰＣＵ〜ＰＣＺ、ＰＣＵ２〜Ｐ
ＣＺ２…フォトカプラ、 Ｑ１、Ｑ２…トランジスタ、
Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３…抵抗、 Ｃ１、Ｃ２…コンデン
サ。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 神原 孝次 千葉県習志野市東習志野７丁目１番１号 株式会社日立製作所習志野工場内 (72)発明者 中村 敦彦 千葉県習志野市東習志野７丁目１番１号 株式会社日立製作所習志野工場内 (72)発明者 広田 雅之 千葉県習志野市東習志野７丁目１番１号 日立京葉エンジニアリング 株式会社内

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】静電誘導形自己消弧素子と、 前記静電誘導形自己消弧素子を駆動する駆動回路と、 前記静電誘導形自己消弧素子の電流を検出し予め定めら
   れた値を超えたとき前記駆動回路の出力を遮断する過電
   流保護回路と、 前記静電誘導形自己消弧素子のコレクタ電圧を検出し該
   検出値が予め定められた値を超えたとき前記静電誘導形
   自己消弧素子のゲート電圧を低下させるゲート電圧制御
   回路とを具備した静電誘導形自己消弧素子の保護回路に
   おいて、 前記ゲート電圧制御回路がゲート電圧を低下させるよう
   に制御している時には前記過電流保護回路による出力遮
   断を所定時間禁止する出力遮断禁止回路を設けたことを
   特徴とする静電誘導形自己消弧素子の保護回路。