JPH0759258A - 電力変換装置のゲート回路 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 ＩＧＢＴ素子の短絡故障時にゲート回路の過
熱防止動作を確実に行なう。 【構成】 この発明の電力変換装置のゲート回路は、ト
ランス２の一次巻線の過熱状態を検出する過熱検出手段
１８と、過熱検出手段が過熱状態を検出した時に当該ト
ランスの一次側への交流電源の供給を遮断する電流遮断
手段１７とをトランス２の一次側に設けることにより、
ゲート回路のＩＧＢＴ素子１６が破壊されてゲート抵抗
１５に過電流が流れ出し、トランスに過電流が流れるよ
うになってトランスの一次巻線が過熱状態になると過熱
検出手段がその過熱状態を検出し、電流遮断手段がトラ
ンスの一次側への交流電源の供給を遮断し、ゲート回路
を過電流、過熱から保護する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、ＩＧＢＴ素子を利用
したインバータ、コンバータなどの電力変換装置のゲー
ト回路に関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、パワーエレクトロニクスの発展に
ともない、ＩＧＢＴ（絶縁ゲート形トランジスタ）素子
を使用したインバータ、コンバータなどの電力変換装置
が種々製作され、使用されるようになっているが、この
ＩＧＢＴ素子は電圧駆動形素子であり、そのゲート・エ
ミッタ間のインピーダンスは高く、少ないゲート電力に
よってオン／オフゲート制御できるゆえに、ゲート回路
を小型化できる特徴があり、広く利用されるようになっ
てきている。

【０００３】図２はこのようなＩＧＢＴ素子のゲート制
御を行なうゲート回路の従来例を示している。この従来
のゲート回路は、高周波電源１からトランス２の一次側
に高周波電力を供給し、トランス２の二次側にダイオー
ドブリッジ回路３を設け、トランス２の二次巻線のセン
タータップとダイオードブリッジ３の直流出力の陽極、
陰極の間にコンデンサ４，５を接続している。またトラ
ンス２の二次巻線のセンタータップに、抵抗６を介して
フォトカプラ７のコレクタを接続し、またこのフォトカ
プラ７のコレクタに、抵抗８を介してダイオードブリッ
ジ３の陽極を接続すると共に抵抗９を介してダイオード
ブリッジ３の陰極を接続し、同時にＦＥＴ１０のゲート
を接続している。

【０００４】またこのＦＥＴ１０のドレインに、抵抗１
１を介してダイオードブリッジ３の陽極を接続し、ＦＥ
Ｔ１０のソースに、ダイオードブリッジ３の陰極を接続
し、ＦＥＴ１０のドレインに、トランジスタ１２，１３
それぞれのベースを接続している。

【０００５】さらにトランジスタ１２のコレクタに抵抗
１４を介してダイオードブリッジ３の陽極を接続し、ト
ランジスタ１３のコレクタにダイオードブリッジ３の陰
極を接続している。そしてこれらのトランジスタ１２，
１３のエミッタ同士の接続点を、ゲート抵抗１５を介し
てＩＧＢＴ素子１６のゲートに接続し、このＩＧＢＴ素
子１６のエミッタにトランス２の二次巻線のセンタータ
ップを接続している。

【０００６】このような従来のゲート回路では、ゲート
抵抗１５は、ＩＧＢＴ素子１６のターンオフ特性を調整
するために挿入されているもので、その抵抗値は５〜２
０Ω程度である。そしてＩＧＢＴ素子１６のゲート・エ
ミッタ間の高インピーダンスのために、ゲート抵抗１５
にはＩＧＢＴ素子１６のゲート・エミッタ間のキャパシ
タンスの充放電電流しか流れず、ゲート抵抗１５の容量
は高々、数Ｗでよい。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】ところが、このような
従来のゲート回路では、万一、ＩＧＢＴ素子１６が破壊
した場合にそのゲート・エミッタ間が短絡モードになる
ケースが多く、この場合、数Ｗの容量のゲート抵抗１５
に１０〜３０Ｗの損失が発生するため、ゲート抵抗１５
が焼損するに至る恐れがあった。

【０００８】そこで、このような事故を防止するため
に、従来からゲート回路の過熱防止装置として、ゲート
抵抗に温度ヒューズ付きの抵抗器を用いた構成とするこ
とが行なわれているが、このゲート抵抗にはパルス電流
が流れるために、事故時にヒューズが溶断するように抵
抗器の容量を設定すると、通常動作時の信頼性に問題が
生じることがあった。また、ゲート抵抗が溶断する前
に、ダイオードブリッジのダイオードが絶縁破壊により
短絡すると、トランスに過電流が流れて過熱し、絶縁破
壊から高低圧間混触に至る恐れがある問題点もあった。

【０００９】この発明はこのような従来の問題点に鑑み
てなされたもので、ＩＧＢＴ素子が破壊した場合でもゲ
ート回路が過熱しないように確実に保護動作することが
できる電力変換装置のゲート回路を提供することを目的
とする。

【００１０】

【課題を解決するための手段】請求項１の発明は、トラ
ンスの一次巻線側に交流電源より電力を受け、トランス
の二次巻線側の交流出力を整流し、ゲート素子としての
ＩＧＢＴ素子のゲートにパルス状のゲート電圧を印加す
ることによって当該ＩＧＢＴ素子のオン／オフ制御を行
なう電力変換装置のゲート回路において、トランスの一
次巻線の過熱状態を検出する過熱検出手段と、過熱検出
手段が過熱状態を検出した時に当該トランスの一次側へ
の交流電源の供給を遮断する電流遮断手段とを設けたも
のである。

【００１１】請求項２の発明は、請求項１の電力変換装
置のゲート回路において、過熱検出手段として、トラン
スの一次巻線の近傍に当該一次巻線の温度上昇によって
オンする温度リレーを配置して当該一次巻線と並列接続
し、電流遮断手段として、交流電源と温度リレーとの間
に温度ヒューズを直列に挿入したものである。

【００１２】

【作用】請求項１の発明の電力変換装置のゲート回路で
は、ゲート回路のＩＧＢＴ素子が破壊されてゲート抵抗
に過電流が流れ出すとトランスの二次巻線側に過電流が
流れることになり、この結果、トランスの一次巻線にも
過電流が流れるようになるが、トランスの一次巻線に過
電流が流れて過熱状態になると過熱検出手段がその過熱
状態を検出し、過熱検出手段が過熱状態を検出した時に
電流遮断手段によってトランスの一次側への交流電源の
供給を遮断し、ゲート回路を過電流、過熱から保護す
る。

【００１３】また請求項２の発明の電力変換装置のゲー
ト回路では、ゲート回路のＩＧＢＴ素子が破壊されてゲ
ート抵抗に過電流が流れ出し、トランスの二次巻線側に
過電流が流れることになり、この結果、トランスの一次
巻線にも過電流が流れるようになると、トランスの一次
巻線の近傍位置に並列に配置された温度リレーが一次巻
線の温度上昇によってオンして一次巻線の両端間を短絡
し、短絡電流を温度リレーに流すようになる。そこで、
トランスの一次巻線と温度リレーとの間に挿入されてい
る温度ヒューズがこの短絡電流によって溶断して交流電
源のゲート回路への電力供給を遮断し、ゲート回路を過
電流、過熱から保護する。

【００１４】

【実施例】以下、この発明の実施例を図に基づいて詳説
する。図１は請求項１および請求項２の発明の共通する
実施例の回路図を示している。この実施例の電力変換装
置のゲート回路は、従来例と同様に、高周波電源１から
トランス２の一次側に高周波電力を供給し、トランス２
の二次側にダイオードブリッジ回路３を設け、トランス
２の二次巻線のセンタータップとダイオードブリッジ３
の直流出力の陽極、陰極それぞれの間にコンデンサ４，
５それぞれを接続している。またトランス２の二次巻線
のセンタータップに、抵抗６を介してフォトカプラ７の
コレクタＣを接続し、このフォトカプラ７のコレクタＣ
に、抵抗８を介してダイオードブリッジ３の陽極を接続
すると共に抵抗９を介してダイオードブリッジ３の陰極
を接続し、同時にＦＥＴ１０のゲートＧを接続してい
る。

【００１５】またＦＥＴ１０のドレインＤに、抵抗１１
を介してダイオードブリッジ３の陽極を接続し、ＦＥＴ
１０のソースＳに、ダイオードブリッジ３の陰極を接続
し、ＦＥＴ１０のドレインＤに、トランジスタ１２，１
３それぞれのベースＢを接続している。さらにトランジ
スタ１２のコレクタＣに抵抗１４を介してダイオードブ
リッジ３の陽極を接続し、トランジスタ１３のコレクタ
Ｃにダイオードブリッジ３の陰極を接続している。そし
てこれらのトランジスタ１２，１３のエミッタＥ同士の
接続点を、ゲート抵抗１５を介してＩＧＢＴ素子１６の
ゲートＧに接続し、このＩＧＢＴ素子１６のエミッタＥ
にトランス２の二次巻線のセンタータップを接続してい
る。

【００１６】そしてこの実施例の特徴として、トランス
２の一次側において、高周波電源１と一次巻線との間に
電流遮断手段としての温度ヒューズ１７が直列に挿入し
てあり、また一次巻線の近傍で一次巻線の温度上昇に感
応して動作できる位置に、一次巻線と並列に過熱検出手
段としての温度リレー１８が接続してある。なお、温度
リレー１８は実際には、トランス２の製作時にその一次
巻線と共に埋め込むようにして製作されるものである。

【００１７】次に、上記構成の電力変換装置のゲート回
路の動作について説明する。通常、高周波電源１がトラ
ンス２の一次巻線を励磁すると、二次巻線に誘起電圧が
発生し、ダイオードブリッジ３の整流作用によってコン
デンサ４，５それぞれを上側の電極が正の一定電圧とな
るように充電する。

【００１８】そこでいま、フォトカプラ７がオフしてい
る時、ＦＥＴ１０のゲートＧ・ソースＳ間は抵抗６，
８，９の定数およびコンデンサ４，５の電圧で決定され
る正の電圧となるので、このＦＥＴ１０がオンし、両ト
ランジスタ１２，１３のベース電位はダイオードブリッ
ジ３の直流出力の陰極の電位とほぼ等しくなり、トラン
ジスタ１２はオフ、トランジスタ１３はオンする。した
がって、ＩＧＢＴ素子１６のゲートＧ・エミッタＥ間に
はゲート抵抗１５を介して負の電圧が印加され、ＩＧＢ
Ｔ素子１６はオフする。

【００１９】次に、フォトカプラ７がオンすると、ＦＥ
Ｔ１０のゲートＧ・ソースＳ間が短絡されるのでこのＦ
ＥＴ１０はオフし、両トランジスタ１２，１３のベース
電位はダイオードブリッジ３の直流出力の陽極の電位と
ほぼ等しくなり、トランジスタ１２はオン、トランジス
タ１３はオフする。したがって、ＩＧＢＴ素子１６のゲ
ートＧ・エミッタＥ間にはゲート抵抗１５を介して正の
電圧が印加され、ＩＧＢＴ素子１６はオンする。

【００２０】そしてＩＧＢＴ素子１６が正常な時には、
ＩＧＢＴ素子１６のゲートＧ・エミッタＥ間は高インピ
ーダンスであるので、ゲート抵抗１５にはほとんど電流
が流れず、したがって、トランス２に流れる電流も励磁
電流分だけとなり、トランス２の温度上昇は小さく、ト
ランス２の一次巻線の近傍に配置された温度リレー１８
はオフしたままである。

【００２１】次に、ＩＧＢＴ素子１６に短絡故障が発生
した場合を考える。ＩＧＢＴ素子１６が短絡故障を生じ
ると、そのゲートＧ・エミッタＥ間も短絡状態となる。
このような状態になれば、装置側では過電流検出によっ
てＩＧＢＴ素子１６にゲートオフをかけるため、トラン
ジスタ１２はオフ、トランジスタ１３はオンの状態とな
り、コンデンサ５の電圧をＶ、ゲート抵抗１５の抵抗値
をＲとすると、Ｖ／Ｒの電流がＩＧＢＴ素子１６のエミ
ッタＥからゲートＧに流れ続けることになる。したがっ
て、トランス２の二次巻線に過大な電流が流れ、トラン
ス２の一次巻線、二次巻線が共に温度上昇すると共にト
ランス２が飽和気味となり、この傾向がいっそう強くな
る。

【００２２】そこで、温度リレー１８のセット値を適切
に選定しておくことにより、過電流の発生で接点を閉じ
てトランス２の一次巻線の両端を短絡する。この結果、
高周波電源１から大電流の短絡電流が温度リレー１８を
通して流れ始め、温度ヒューズ１７を瞬時に溶断し、以
後、高周波電源１からゲート回路への電力の供給を遮断
し、ゲート回路を保護する。

【００２３】このようにして、この実施例のゲート回路
では、ＩＧＢＴ素子１６が短絡故障を起こしても、ゲー
ト抵抗１５やトランス２に大電流を流すことがなく、そ
れらを焼損させることなくゲート回路を高周波電源１よ
り安全に切り離し、保護することができるようになる。

【００２４】なお、この発明は上記実施例に限定され
ず、特に請求項１発明では、トランス２の一次巻線の温
度上昇の検出手段や一次側の高周波電源の遮断手段とし
ては温度センサや通常の遮断器、スイッチなどを用い、
論理回路によって動作制御するようにすることもでき
る。

【００２５】

【発明の効果】以上のように請求項１の発明によれば、
トランスの一次巻線の過熱状態を検出する過熱検出手段
と、過熱検出手段が過熱状態を検出した時に当該トラン
スの一次側への交流電源の供給を遮断する電流遮断手段
とを設けているので、ゲート回路のＩＧＢＴ素子が破壊
されてゲート抵抗に過電流が流れ出し、トランスに過電
流が流れるようになると、トランスの一次巻線に過電流
が流れて過熱状態になると過熱検出手段がその過熱状態
を検出し、過熱検出手段が過熱状態を検出した時に電流
遮断手段によってトランスの一次側への交流電源の供給
を遮断し、ゲート回路を過電流、過熱から保護すること
ができ、しかもこの場合、従来のようにゲート抵抗に温
度検出手段を設けるのではなく、トランスの一次側に設
けているので、連続的な高周波電流の過電流による過熱
を検出して保護動作することができ、動作の信頼性を高
くすることができる。

【００２６】また請求項２の発明によれば、トランスの
一次巻線の近傍に当該一次巻線の温度上昇によってオン
する温度リレーを配置して当該一次巻線と並列接続し、
交流電源と温度リレーとの間に温度ヒューズを直列に挿
入しているので、ゲート回路のＩＧＢＴ素子が破壊され
てゲート抵抗に過電流が流れ出し、トランスに過電流が
流れるようになると、トランスの一次巻線の近傍位置に
並列に配置された温度リレーが一次巻線の温度上昇によ
ってオンして一次巻線の両端間を短絡し、短絡電流を温
度リレーに流すようになり、そこで、トランスの一次巻
線と温度リレーとの間に挿入されている温度ヒューズが
この短絡電流によって溶断して交流電源のゲート回路へ
の電力供給を遮断することができ、ゲート回路を過電
流、過熱から保護することができ、しかもこの場合、温
度リレーと温度ヒューズという比較的簡単な回路素子の
追加だけで確実な保護動作を実現することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】請求項１および請求項２の発明の共通する実施
例の回路図。

【図２】従来例の回路図。

【符号の説明】

１ 高周波電源 ２ トランス ３ ダイオードブリッジ ４，５ コンデンサ ６ 抵抗 ７ フォトトランジスタ ８，９ 抵抗 １０ ＦＥＴ １１ 抵抗 １２，１３ トランジスタ １４ 抵抗 １５ ゲート抵抗 １６ ＩＧＢＴ素子 １７ 温度ヒューズ １８ 温度リレー

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 トランスの一次巻線側に交流電源より電
   力を受け、前記トランスの二次巻線側の交流出力を整流
   し、ゲート素子としてのＩＧＢＴ素子のゲートにパルス
   状のゲート電圧を印加することによって当該ＩＧＢＴ素
   子のオン／オフ制御を行なう電力変換装置のゲート回路
   において、 前記トランスの一次巻線の過熱状態を検出する過熱検出
   手段と、前記過熱検出手段が過熱状態を検出した時に当
   該トランスの一次側への交流電源の供給を遮断する電流
   遮断手段とを設けて成る電力変換装置のゲート回路。
2. 【請求項２】 請求項１に記載の電力変換装置のゲート
   回路において、 前記過熱検出手段として、前記トランスの一次巻線の近
   傍に当該一次巻線の温度上昇によってオンする温度リレ
   ーを配置して当該一次巻線と並列接続し、 前記電流遮断手段として、前記交流電源と前記温度リレ
   ーとの間に温度ヒューズを直列に挿入して成る電力変換
   装置のゲート回路。