JPH11262270A - インテリジェントパワーモジュールおよびそれを用いた電力変換装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】緊急停止の必要がない故障の場合には、電力変
換器およびその負荷にダメージを与えることなくソフト
に停止させること。 【解決手段】所定の保護回路２，３，４が、半導体スイ
ッチ１および当該半導体スイッチ１をオンオフするゲー
ト回路５がモジュール化されてなるパッケージの中に収
納されるか、あるいは当該パッケージの近傍に設置され
て構成されるインテリジェントパワーモジュールにおい
て、保護回路が動作した場合に、当該保護回路が保護す
る故障の種類が重故障であるか軽故障であるかを判別す
る故障判別手段8-1,8-2 と、故障判別手段8-1,8-2 によ
り、故障の種類が重故障であると判別された場合には、
ゲート回路５に直ちにゲートブロック信号を与え、また
故障の種類が軽故障であると判別された場合には、ゲー
ト回路５に設定時間後にゲートブロック信号を与えるゲ
ートブロック手段8-3,9,10と備える。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、所定の保護回路
が、半導体スイッチおよび当該半導体スイッチをオンオ
フするゲート回路がモジュール化されてなるパッケージ
の中に収納されるか、あるいは当該パッケージの近傍に
設置されて構成されるインテリジェントパワーモジュー
ル（以下、ＩＰＭと称する）、およびそれを構成要素と
して用いて構成した電力変換装置の改良に関するもので
ある。

【０００２】

【従来の技術】従来から、高圧、大電流でかつ高速スイ
ッチング可能なＩＧＢＴやＩＥＧＴ等の半導体スイッチ
が、電力変換装置の構成要素になってきているが、その
高速性のために電力変換装置の保護が非常に困難になっ
てきている。

【０００３】このため、最近では、その解決策のーつと
して、ＩＰＭが考えられるようになってきている。すな
わち、このＩＰＭは、電力変換装置の電力変換器を構成
する構成要素として用いられるものであり、所定の保護
回路が、半導体スイッチおよび当該半導体スイッチをオ
ンオフするゲート回路がモジュール化されてなるパッケ
ージの中に収納されるか（モジュール型）、あるいは当
該パッケージの近傍に設置されて構成され（圧接型）、
高速の保護を可能とする保護機能スイッチ素子である。

【０００４】図６は、この種の従来のＩＰＭの構成例を
示す回路図である。図６において、ＩＰＭＡは、半導体
スイッチであるＩＧＢＴ１、およびこのＩＧＢＴ１をオ
ンオフするゲート回路５がモジュール化されてなるパッ
ケージの中に、複数の保護回路、すなわち過電圧（Ｏ
Ｖ）保護回路２、過電流（ＯＣ）保護回路３、過熱（Ｏ
Ｈ）保護回路４が収納されて構成されている。

【０００５】ここで、過電圧（ＯＶ）保護回路２は、Ｉ
ＧＢＴ１のゲート（Ｇ）−コレクタ（Ｃ）間に図示のよ
うに接続されたツェナーダイオード（ＺＤ）２−１、お
よび過電圧保護部２−２から構成されている。

【０００６】過電流保護回路３は、電流検出用の補助Ｉ
ＧＢＴ３−１、ＩＧＢＴ１のゲート（Ｇ）−エミッタ
（Ｅ）間に図示のように接続された抵抗３−２、トラン
ジスタ３−３、およびツェナーダイオード（ＺＤ）３−
４から構成されている。

【０００７】過熱保護回路４は、ＩＧＢＴ１の温度を測
定する温度センサー４−１、および過熱保護部４−２か
ら構成されている。ゲート回路５は、直流母線Ｐ１５，
Ｎ１５間に図示のように接続されたゲート抵抗５−１、
オンスイッチ５−２、およびオフスイッチ５−３から構
成されている。

【０００８】このように、ＩＧＢＴのように、ゲートを
利用して過電圧保護や過電流保護が可能な半導体スイッ
チでは、半導体スイッチの近傍に各種保護回路を設けて
ＩＰＭが構成されている。

【０００９】図７は、上記ＩＰＭを構成要素として用い
た電力変換器の構成例を示す回路図である。なお、ここ
では、インバータの場合について示している。図７にお
いて、電力変換器は、３相各相に対応する６個のＩＰＭ
Ａ−１〜Ａ−６を、図示のようにブリッジ接続して構成
され、コンデンサ６の直流電圧を交流に変換して、電動
機等の負荷７へ供給されるようになっている。

【００１０】このように、個々のＩＰＭＡ−１〜Ａ−６
は、電力変換器の中で他のＩＰＭに独立して保護動作が
可能となっている。なお、上記電力変換器と、その各Ａ
−１〜Ａ−６のゲート回路５を制御する制御回路とか
ら、電力変換装置全体が構成されている。

【００１１】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上述し
たような従来のＩＰＭ、およびそれを用いた電力変換装
置では、次のような問題がある。 （ａ）保護項目の中には、緊急に電力変換器を停止する
必要がないにも拘わらず、緊急に半導体スイッチにゲー
トブロック信号（ＧＢ）を与えて電力変換器を緊急に停
止して、負荷７や電力変換器に不必要なダメージを与え
てしまうという問題がある。

【００１２】（ｂ）過電圧の中には、外来サージのよう
に一過性のものがあり、それを保護する動作を行なえ
ば、電力変換器を継続して運転して何ら問題がないにも
拘わらず、過電圧が一度でも発生すると電力変換器を停
止して、電力変換装置全体の稼働率を低下させてしまう
という問題がある。

【００１３】（ｃ）過電流では、過電流保護回路３の動
作によって電流を絞れば、一般的な半導体スイッチは、
短時間（数ｕｓ）は耐えられるのにも拘わらず、過電流
が発生したＩＰＭだけの判断で該当半導体スイッチを緊
急にゲートブロックして、電力変換器を構成する他のＩ
ＰＭの半導体スイッチとの連携がなく、電力変換器にダ
メージを与えてしまうという問題がある。

【００１４】（ｄ）ゲートブロックの方法についても、
半導体スイッチのゲートを単にブロックするだけなの
で、電流の遮断時の変化率（ｄｉ／ｄｔ）が大きく、こ
のｄｉ／ｄｔと配線インダクタンスとによって相当の過
電圧が発生してしまうという問題がある。

【００１５】本発明の目的は、緊急停止の必要がない故
障の場合には、電力変換器およびその負荷にダメージを
与えることなくソフトに停止させることが可能なＩＰＭ
およびそれを用いた電力変換装置を提供することにあ
る。

【００１６】また、本発明の目的は、一過性の故障の場
合には、保護しつつ運転を継続させて電力変換器および
その負荷の稼働率を高めることが可能なＩＰＭおよびそ
れを用いた電力変換装置を提供することにある。

【００１７】さらに、本発明の目的は、過電流保護の場
合に、電力変換器全体の協調を取りながら、電力変換器
およびその負荷にダメージを与えることなく停止させる
ことが可能な電力変換装置を提供することにある。

【００１８】さらにまた、本発明の目的は、過電流保護
の場合に、電力変換器全体の協調を取りながらかつ過電
圧を発生させずに、電力変換器およびその負荷にダメー
ジを与えることなく停止させることが可能な電力変換装
置を提供することにある。

【００１９】

【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
めに、請求項１の発明では、所定の保護回路が、半導体
スイッチおよび当該半導体スイッチをオンオフするゲー
ト回路がモジュール化されてなるパッケージの中に収納
されるか、あるいは当該パッケージの近傍に設置されて
構成されるインテリジェントパワーモジュールにおい
て、保護回路が動作した場合に、当該保護回路が保護す
る故障の種類が重故障であるか軽故障であるかを判別す
る故障判別手段と、故障判別手段により、故障の種類が
重故障であると判別された場合には、ゲート回路に直ち
にゲートブロック信号を与え、また故障の種類が軽故障
であると判別された場合には、ゲート回路に設定時間後
にゲートブロック信号を与えるゲートブロック手段とを
備える。

【００２０】従って、請求項１の発明のインテリジェン
トパワーモジュールにおいては、故障判別手段によっ
て、保護回路が保護する故障の種類が重故障であると判
別されると、ゲートブロック手段からゲート回路に直ち
にゲートブロック信号が与えられる。

【００２１】また、故障判別手段によって、保護回路が
保護する故障の種類が軽故障であると判別されると、ゲ
ートブロック手段からゲート回路に設定時間後にゲート
ブロック信号が与えられる。

【００２２】これにより、緊急停止の必要がない故障
（軽故障）の場合には、電力変換器およびその負荷にダ
メージを与えることなくソフトに停止させることができ
る。また、請求項２の発明では、所定の保護回路が、半
導体スイッチおよび当該半導体スイッチをオンオフする
ゲート回路がモジュール化されてなるパッケージの中に
収納されるか、あるいは当該パッケージの近傍に設置さ
れて構成される複数個のインテリジェントパワーモジュ
ールを構成要素として用いて構成した電力変換器と、電
力変換器の各インテリジェントパワーモジュールのゲー
ト回路を制御する制御回路とから構成される電力変換装
置において、電力変換器の各インテリジェントパワーモ
ジュールにそれぞれ設けられ、保護回路が動作した場合
に、当該保護回路が保護する故障の種類が重故障である
か軽故障であるかを判別する故障判別手段と、制御回路
に設けられ、少なくとも一つの故障判別手段により、故
障の種類が重故障であると判別された場合には、電力変
換器の各インテリジェントパワーモジュールのゲート回
路に直ちにゲートブロック信号を与え、また故障の種類
が軽故障であると判別された場合には、電力変換器の各
インテリジェントパワーモジュールのゲート回路に設定
時間後にゲートブロック信号を与えるゲートブロック手
段とを備える。

【００２３】従って、請求項２の発明の電力変換装置に
おいては、少なくとも一つのインテリジェントパワーモ
ジュールの故障判別手段によって、保護回路が保護する
故障の種類が重故障であると判別されると、電力変換器
の制御回路のゲートブロック手段から、全てのインテリ
ジェントパワーモジュールのゲート回路に直ちにゲート
ブロック信号が与えられる。

【００２４】また、少なくとも一つのインテリジェント
パワーモジュールの故障判別手段によって、保護回路が
保護する故障の種類が軽故障であると判別されると、電
力変換器の制御回路のゲートブロック手段から、全ての
インテリジェントパワーモジュールのゲート回路に設定
時間後にゲートブロック信号が与えられる。

【００２５】これにより、緊急停止の必要がない故障
（軽故障）の場合には、電力変換器およびその負荷にダ
メージを与えることなくソフトに停止させることができ
る。一方、請求項３の発明では、所定の保護回路が、半
導体スイッチおよび当該半導体スイッチをオンオフする
ゲート回路がモジュール化されてなるパッケージの中に
収納されるか、あるいは当該パッケージの近傍に設置さ
れて構成されるインテリジェントパワーモジュールにお
いて、保護回路が動作した場合に、当該保護回路の動作
回数をカウントし、かつ当該カウント回数が設定時間内
に設定回数に達したか否かを判別する動作回数判別手段
と、動作回数判別手段により、カウント回数が設定回数
に達したと判別された場合には、ゲート回路にゲートブ
ロック信号を与えるゲートブロック手段とを備える。

【００２６】ここで、特に上記保護回路は、例えば請求
項５に記載したように、過電圧保護回路としている。従
って、請求項３および請求項５の発明のインテリジェン
トパワーモジュールにおいては、動作回数判別手段によ
って、保護回路の動作回数がカウントされる。そして、
ゲートブロック手段によって、カウント回数が設定回数
に達しないと判別されると、該当する保護動作のみを実
施して運転は継続される。

【００２７】また、ゲートブロック手段によって、カウ
ント回数が設定回数に達したと判別されると、ゲート回
路にゲートブロック信号が与えられて運転が停止され
る。これにより、一過性の故障の場合には、保護しつつ
運転を継続させて電力変換器およびその負荷の稼働率を
高めることができる。

【００２８】また、請求項４の発明では、所定の保護回
路が、半導体スイッチおよび当該半導体スイッチをオン
オフするゲート回路がモジュール化されてなるパッケー
ジの中に収納されるか、あるいは当該パッケージの近傍
に設置されて構成される複数個のインテリジェントパワ
ーモジュールを構成要素として用いて構成した電力変換
器と、電力変換器の各インテリジェントパワーモジュー
ルのゲート回路を制御する制御回路とから構成される電
力変換装置において、電力変換器の各インテリジェント
パワーモジュールにそれぞれ設けられ、保護回路が動作
した場合に、当該保護回路の動作回数をカウントし、か
つ当該カウント回数が設定時間内に設定回数に達したか
否かを判別する動作回数判別手段と、制御回路に設けら
れ、少なくとも一つの動作回数判別手段により、カウン
ト回数が設定回数に達したと判別された場合には、電力
変換器の各インテリジェントパワーモジュールのゲート
回路にゲートブロック信号を与えるゲートブロック手段
とを備える。

【００２９】ここで、特に上記保護回路は、例えば請求
項６に記載したように、過電圧保護回路としている。従
って、請求項４および請求項６の発明の電力変換装置に
おいては、各インテリジェントパワーモジュールの動作
回数判別手段によって、インテリジェントパワーモジュ
ールの保護回路の動作回数がそれぞれカウントされる。
そして、電力変換器の制御回路のゲートブロック手段に
よって、全てのインテリジェントパワーモジュールの保
護回路のカウント回数が設定回数に達しないと判別され
ると、該当する保護動作のみを実施して、電力変換器の
運転は継続される。

【００３０】また、電力変換器の制御回路のゲートブロ
ック手段によって、少なくとも一つのインテリジェント
パワーモジュールの保護回路のカウント回数が設定回数
に達したと判別されると、電力変換器の制御回路のゲー
トブロック手段から、全てのインテリジェントパワーモ
ジュールのゲート回路にゲートブロック信号が与えられ
て、電力変換器の運転が停止される。

【００３１】これにより、一過性の故障の場合には、保
護しつつ運転を継続させて電力変換器およびその負荷の
稼働率を高めることができる。一方、請求項７の発明で
は、半導体スイッチの過電流時に電流値を低減させて当
該電流値を一定に維持する電流維持機能を有する過電流
保護回路が、前記半導体スイッチおよび当該半導体スイ
ッチをオンオフするゲート回路がモジュール化されてな
るパッケージの中に収納されるか、あるいは当該パッケ
ージの近傍に設置されて構成される複数個のインテリジ
ェントパワーモジュールを構成要素として用いて構成し
た電力変換器と、電力変換器の各インテリジェントパワ
ーモジュールのゲート回路を制御する制御回路とから構
成される電力変換装置において、電力変換器の少なくと
も一つのインテリジェントパワーモジュールの過電流保
護回路が動作した場合に、当該電流維持機能により電流
値を一定に維持している間に、電力変換器の各インテリ
ジェントパワーモジュールのゲート回路にゲートブロッ
ク信号を与えるゲートブロック手段を、制御回路に備え
る。

【００３２】従って、請求項７の発明の電力変換装置に
おいては、電力変換器の少なくとも一つのインテリジェ
ントパワーモジュールの過電流発生時、過電流保護回路
の電流維持機能によって該当半導体スイッチの耐量に応
じた電流に絞って一定に維持している間に、電力変換器
の各インテリジェントパワーモジュールのゲート回路に
ゲートブロック信号が与えられて、各インテリジェント
パワーモジュールの半導体スイッチがゲートブロックさ
れる。

【００３３】これにより、過電流保護の場合に、電力変
換器全体の協調を取りながら、電力変換器およびその負
荷にダメージを与えることなく停止させることができ
る。また、請求項８の発明では、上記請求項７の発明の
電力変換装置において、制御回路のゲートブロック手段
からゲートブロック信号が与えられた場合に、一定に維
持された電流を徐々に減衰させて遮断するように半導体
スイッチのゲート電圧を順次低下させるゲート電圧低下
手段を、電力変換器の各インテリジェントパワーモジュ
ールのゲート回路に備える。

【００３４】従って、請求項８の発明の電力変換装置に
おいては、上記請求項７の発明の電力変換装置におい
て、各インテリジェントパワーモジュールの半導体スイ
ッチをゲートブロックする場合に、電流を急激に遮断し
ないで、ゲート電圧低下手段によって、一定に維持され
た電流が徐々に減衰されて遮断される。

【００３５】これにより、過電流保護の場合に、電力変
換器全体の協調を取りながらかつ過電圧を発生させず
に、電力変換器およびその負荷にダメージを与えること
なく停止させることができる。

【００３６】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態につい
て図面を参照して詳細に説明する。 （第１の実施の形態：請求項１に対応）図１は、本実施
の形態によるＩＰＭの構成例を示す回路図であり、図６
と同一要素には同一符号を付してその説明を省略し、こ
こでは異なる部分についてのみ述べる。

【００３７】なお、図１では、過電圧保護回路２の一部
を構成する過電圧保護部２−２については、その図示を
省略している。すなわち、本実施の形態のＩＰＭは、図
１に示すように、図６に加えて、故障判別手段であるＯ
Ｒ回路８−１，８−２と、ゲートブロック手段であるＯ
Ｒ回路８−３、タイマー９、およびゲートブロック（Ｇ
Ｂ）回路１０とを備えた構成としている。

【００３８】ＯＲ回路８−１は、過電圧保護回路２の出
力と、過電流保護回路３の出力との論理和（ＯＲ）を求
めることにより、保護回路が保護する故障の種類が重故
障であることを判別する。

【００３９】ＯＲ回路８−２は、過熱保護回路４の出力
の論理和（ＯＲ）を求めることにより、保護回路が保護
する故障の種類が軽故障であることを判別する。タイマ
ー９は、設定時間として例えば２０ｍｓの時間遅れを持
つものであり、ＯＲ回路８−２の出力が入力されてから
設定時間後に動作する。

【００４０】ＯＲ回路８−３は、ＯＲ回路８−１の出力
と、タイマー９の出力との論理和（ＯＲ）を求める。ゲ
ートブロック回路１０は、ＯＲ回路８−３の出力が入力
されると、前記ゲート回路５のオフスイッチ５−３にゲ
ートブロック（ＧＢ）信号を出力する。

【００４１】次に、以上のように構成した本実施の形態
のＩＰＭの作用について説明する。図１において、過電
圧保護回路２や過電流保護回路３が動作した時には、緊
急に停止させた方がよいので、重故障を判別するＯＲ回
路８−１によって重故障と判別される。

【００４２】よって、過電圧保護回路２の出力、過電流
保護回路３の出力は、タイマ−９を経由せずＯＲ回路８
−３を通ってゲートブロック回路１０に与えられ、直ち
にゲートブロック回路１０からゲート回路５へゲートブ
ロック信号が送られて、該当するＩＧＢＴ１がゲートブ
ロックされる。

【００４３】一方、過熱保護回路４が動作した時には、
ＩＧＢＴ１の温度が上昇して危険であるが、通常２０ｍ
ｓ程度は遅れてゲートブロックさせても問題ないので、
軽故障を判別するＯＲ回路８−２によって軽故障と選別
される。

【００４４】よって、過熱保護回路４の出力は、タイマ
ー９を経由し、ＯＲ回路８−３を通ってゲートブロック
回路１０に与えられ、タイマー９の設定時間（２０ｍ
ｓ）後に、ゲートブロック回路１０からゲート回路５へ
ゲートブロック信号が送られて、該当するＩＧＢＴ１が
ゲートブロックされる。

【００４５】上述したように、本実施の形態のＩＰＭで
は、保護回路が保護する故障の種類が重故障であると判
別されると、ゲート回路５に直ちにゲートブロック信号
を与え、また保護回路が保護する故障の種類が軽故障で
あると判別されると、ゲート回路５に設定時間後にゲー
トブロック信号を与えるようにしているので、緊急停止
の必要がない故障（軽故障）の場合には、電力変換器お
よびその負荷にダメージを与えることなくソフトに停止
させることが可能となる。

【００４６】（第２の実施の形態：請求項２に対応）図
２は、本実施の形態による電力変換装置の構成例を示す
回路図であり、図１および図７と同一要素には同一符号
を付して示している。

【００４７】すなわち、本実施の形態の電力変換装置
は、図２に示すように、図７に加えて、電力変換器の各
ＩＰＭＡ−１〜Ａ−６に、故障判別手段であるＯＲ回路
８−１，８−２をそれぞれ設け、さらに電力変換器の制
御回路１１に、ゲートブロック手段であるＯＲ回路８−
４，８−５，８−６、タイマー９、およびゲートブロッ
ク（ＧＢ）回路１０を設けた構成としている。

【００４８】ＯＲ回路８−１は、過電圧保護回路２の出
力と、過電流保護回路３の出力との論理和（ＯＲ）を求
めることにより、保護回路が保護する故障の種類が重故
障であることを判別する。

【００４９】ＯＲ回路８−２は、過熱保護回路４の出力
の論理和（ＯＲ）を求めることにより、保護回路が保護
する故障の種類が軽故障であることを判別する。タイマ
ー９は、設定時間として例えば２０ｍｓの時間遅れを持
つものであり、ＯＲ回路８−２の出力が入力されてから
設定時間後に動作する。

【００５０】ＯＲ回路８−４は、各ＩＰＭＡ−１〜Ａ−
６のＯＲ回路８−１の出力の論理和（ＯＲ）を求める。
ＯＲ回路８−５は、各ＩＰＭＡ−１〜Ａ−６のＯＲ回路
８−２の出力の論理和（ＯＲ）を求める。

【００５１】タイマー９は、設定時間として例えば２０
ｍｓの時間遅れを持つものであり、ＯＲ回路８−５の出
力が入力されてから設定時間後に動作する。ＯＲ回路８
−６は、ＯＲ回路８−４の出力と、タイマー９の出力と
の論理和（ＯＲ）を求める。

【００５２】ゲートブロック回路１０は、ＯＲ回路８−
６の出力が入力されると、各ＩＰＭＡ−１〜Ａ−６のゲ
ート回路５のオフスイッチ５−３にゲートブロック（Ｇ
Ｂ）信号をそれぞれ出力する。

【００５３】次に、以上のように構成した本実施の形態
の電力変換装置の作用について説明する。図２におい
て、過電圧保護回路２や過電流保護回路３が動作した時
には、緊急に停止させた方がよいので、重故障を判別す
るＯＲ回路８−１によって重故障と判別される。

【００５４】よって、各ＩＰＭＡ−１〜Ａ−６の少なく
とも一つにおいて、過電圧保護回路２や過電流保護回路
３が動作した場合、そのＯＲ回路８−１の出力は、タイ
マ−９を経由せずＯＲ回路８−４，８−６を通ってゲー
トブロック回路１０に与えられ、直ちにゲートブロック
回路１０から各ＩＰＭＡ−１〜Ａ−６のゲート回路５へ
ゲートブロック信号が送られて、該当するＩＧＢＴ１が
ゲートブロックされる。

【００５５】一方、過熱保護回路４が動作した時には、
ＩＧＢＴ１の温度が上昇して危険であるが、通常２０ｍ
ｓ程度は遅れてゲートブロックさせても問題ないので、
軽故障を判別するＯＲ回路８−２によって軽故障と選別
される。

【００５６】よって、各ＩＰＭＡ−１〜Ａ−６の少なく
とも一つにおいて、過熱保護回路４が動作した場合、そ
のＯＲ回路８−２の出力は、ＯＲ回路８−５、タイマ−
９を経由し、ＯＲ回路８−６を通ってゲートブロック回
路１０に与えられ、タイマー９の設定時間（２０ｍｓ）
後に、ゲートブロック回路１０から各ＩＰＭＡ−１〜Ａ
−６のゲート回路５へゲートブロック信号が送られて、
該当するＩＧＢＴ１がゲートブロックされる。

【００５７】すなわち、この設定時間（２０ｍｓ）の間
に、電力変換器の制御回路１１からは、電力変換器がソ
フトに停止できるようにＩＰＭＡ−１からＩＰＭＡ−２
に点弧信号が与えられる。その結果、電力変換器および
その負荷７にもダメージを与えることなく、電力変換器
をソフトに停止させることができ、電力変換器全体を考
慮した停止の仕方をすることができる。

【００５８】上述したように、本実施の形態の電力変換
装置では、少なくとも一つのＩＰＭの故障判別手段によ
って、保護回路が保護する故障の種類が重故障であると
判別されると、電力変換器の制御回路１１のゲートブロ
ック手段から、全てのＩＰＭＡ−１〜Ａ−６のゲート回
路５に直ちにゲートブロック信号を与え、また少なくと
も一つのＩＰＭの故障判別手段によって、保護回路が保
護する故障の種類が軽故障であると判別されると、電力
変換器の制御回路１１のゲートブロック手段から、全て
のＩＰＭＡ−１〜Ａ−６のゲート回路５に設定時間後に
ゲートブロック信号を与えるようにしているので、緊急
停止の必要がない故障（軽故障）の場合には、電力変換
器およびその負荷７にダメージを与えることなくソフト
に停止させることが可能となる。

【００５９】（第３の実施の形態：請求項３、請求項５
に対応）図３は、本実施の形態によるＩＰＭの構成例を
示す回路図であり、図６と同一要素には同一符号を付し
てその説明を省略し、ここでは異なる部分についてのみ
述べる。

【００６０】なお、図３では、過電流保護回路３、過熱
保護回路４、およびゲート回路５については、その図示
を省略している。すなわち、本実施の形態のＩＰＭは、
図３に示すように、図６に加えて、動作回数判別手段で
あるカウンター１２、回数設定回路１３、およびタイマ
ー１４と、ゲートブロック手段であるゲートブロック
（ＧＢ）回路１０とを備えた構成としている。

【００６１】カウンター１２は、過電圧保護回路２が動
作した場合にその動作回数をカウントする。回数設定回
路１３は、停止を判定する基準となる設定回数を、例え
ば３回として設定するものであり、カウンター１２のカ
ウント回数が設定回数に達すると、出力を生じる。

【００６２】タイマー１４は、一過性の過電圧を判定す
る基準となる設定時間を、例えば１００ｍｓ（５０ＨＺ
で５サイクル）として設定する。そして、このタイマー
１４のトリガーは過電圧保護回路２の出力でかけ、タイ
マー１４の設定時間経過後にカウンタ−１２をリセット
する。

【００６３】すなわち、カウンター１２のカウント回数
が、タイマー１４の設定時間内に回数設定回路１３の設
定回数に達したか否かにより、一過性の過電圧か継続性
の過電圧かを判別する。

【００６４】ゲートブロック回路１０は、回数設定回路
１３の出力が入力されると、前記ゲート回路５のオフス
イッチ５−３にゲートブロック（ＧＢ）信号を出力す
る。次に、以上のように構成した本実施の形態のＩＰＭ
の作用について説明する。

【００６５】図３において、例えば外来サージのように
一過性の過電圧の場合には、過電圧保護回路２が動作し
て、過電圧が安全電圧でクランプされる。よって、この
動作は１回だけなので、カウンター１２により１回がカ
ウントされる。しかし、その後１００ｍｓの間に次の過
電圧は発生しないので、カウンター１２はリセットされ
る。

【００６６】よって、回数設定回路１３の設定回数（３
回）に達しないので、その出力は送出されず、該当する
過電圧保護動作のみを実施して、運転は継続される。一
方、例えば図７のコンデンサ６の直流電圧が過電圧であ
る時には、ＩＧＢＴ１がスイッチングする毎に過電圧が
発生するので、過電圧保護回路２がまず１回目の過電圧
保護動作をすると、カウンタ−１２によってカウントが
開始されると同時に、タイマ−１４によって時間の測定
が開始される。

【００６７】この場合、通常、ＩＧＢＴは数キロＨＺの
スイッチングをするので、１００ｍｓも経たない間にカ
ウンタ−１２によって３回がカウントされ、回数設定回
路１３によって設定値の３回に達したことが検出され
る。

【００６８】よって、この場合には、過電圧が一過性の
ものではなく、継続性があり電力変換器の破壊に通じる
ので、回数設定回路１３の出力がゲートブロック回路１
０に与えられ、直ちにゲートブロック回路１０からゲー
ト回路５へゲートブロック信号が送られて、該当するＩ
ＧＢＴ１がゲートブロックされる。

【００６９】上述したように、本実施の形態のＩＰＭで
は、過電圧保護回路２の動作回数が設定回数に達しない
と判別されると、該当する保護動作のみを実施して運転
を継続し、また過電圧保護回路２の動作回数が設定回数
に達したと判別されると、ゲート回路５にゲートブロッ
ク信号を与えて運転を停止させるようにしているので、
継続性のある過電圧の場合には電力変換器を安全に保護
し、一過性の過電圧の場合には過電圧を保護しつつ運転
を継続させて、電力変換器およびその負荷７の稼働率を
高めることが可能となる。

【００７０】（第４の実施の形態：請求項４、請求項６
に対応）図４は、本実施の形態による電力変換装置の構
成例を示す回路図であり、図３および図７と同一要素に
は同一符号を付して示している。

【００７１】すなわち、本実施の形態の電力変換装置
は、図４に示すように、図７に加えて、電力変換器の各
ＩＰＭＡ−１〜Ａ−６に、動作回数判別手段であるカウ
ンター１２、回数設定回路１３、およびタイマー１４を
それぞれ設け、さらに電力変換器の制御回路１１に、ゲ
ートブロック手段であるＯＲ回路８−４、およびゲート
ブロック（ＧＢ）回路１０を設けた構成としている。

【００７２】カウンター１２は、過電圧保護回路２が動
作した場合にその動作回数をカウントする。回数設定回
路１３は、停止を判定する基準となる設定回数を、例え
ば３回として設定するものであり、カウンター１２のカ
ウント回数が設定回数に達すると、出力を生じる。

【００７３】タイマー１４は、一過性の過電圧を判定す
る基準となる設定時間を、例えば１００ｍｓ（５０ＨＺ
で５サイクル）として設定する。そして、このタイマー
１４のトリガーは過電圧保護回路２の出力でかけ、タイ
マー１４の設定時間経過後にカウンタ−１２をリセット
する。

【００７４】すなわち、カウンター１２のカウント回数
が、タイマー１４の設定時間内に回数設定回路１３の設
定回数に達したか否かにより、一過性の過電圧か継続性
の過電圧かを判別する。

【００７５】ＯＲ回路８−４は、各ＩＰＭＡ−１〜Ａ−
６の動作回数判別手段の出力、すなわち回数設定回路１
３の出力の論理和（ＯＲ）を求める。ゲートブロック回
路１０は、ＯＲ回路８−４の出力が入力されると、各Ｉ
ＰＭＡ−１〜Ａ−６のゲート回路５のオフスイッチ５−
３にゲートブロック（ＧＢ）信号をそれぞれ出力する。

【００７６】次に、以上のように構成した本実施の形態
のＩＰＭの作用について説明する。図４において、例え
ば外来サージのように一過性の過電圧の場合には、過電
圧保護回路２が動作して、過電圧が安全電圧でクランプ
される。よって、この動作は１回だけなので、カウンタ
ー１２により１回がカウントされる。しかし、その後１
００ｍｓの間に次の過電圧は発生しないので、カウンタ
ー１２はリセットされる。

【００７７】よって、回数設定回路１３の設定回数（３
回）に達しないので、その出力は送出されず、該当する
過電圧保護動作のみを実施して、運転は継続される。一
方、例えば図７のコンデンサ６の直流電圧が過電圧であ
る時には、ＩＧＢＴ１がスイッチングする毎に過電圧が
発生するので、過電圧保護回路２がまず１回目の過電圧
保護動作をすると、カウンタ−１２によってカウントが
開始されると同時に、タイマ−１４によって時間の測定
が開始される。

【００７８】この場合、通常、ＩＧＢＴは数キロＨＺの
スイッチングをするので、１００ｍｓも経たない間にカ
ウンタ−１２によって３回がカウントされ、各ＩＰＭＡ
−１〜Ａ−６の少なくとも一つにおいて、回数設定回路
１３によって設定値の３回に達したことが検出される。

【００７９】よって、この場合には、過電圧が一過性の
ものではなく、継続性があり電力変換器の破壊に通じる
ので、回数設定回路１３の出力がＯＲ回路８−４を通し
てゲートブロック回路１０に与えられ、直ちにゲートブ
ロック回路１０から各ＩＰＭＡ−１〜Ａ−６のゲート回
路５へゲートブロック信号が送られて、該当するＩＧＢ
Ｔ１がゲートブロックされる。

【００８０】上述したように、本実施の形態の電力変換
装置では、各ＩＰＭＡ−１〜Ａ−６の過電圧保護回路２
の動作回数が設定回数に達しないと判別されると、該当
する保護動作のみを実施して電力変換器の運転を継続
し、また少なくとも一つのＩＰＭの過電圧保護回路２の
カウント回数が設定回数に達したと判別されると、全て
のＩＰＭＡ−１〜Ａ−６のゲート回路５にゲートブロッ
ク信号を与えて、電力変換器の運転を停止させるように
しているので、継続性のある過電圧の場合には電力変換
器を安全に保護し、一過性の過電圧の場合には過電圧を
保護しつつ運転を継続させ、電力変換器およびその負荷
７の稼働率を高めることが可能となる。

【００８１】（第５の実施の形態：請求項７、請求項８
に対応）図５は、本実施の形態による電力変換装置の構
成例を示す回路図であり、図６および図７と同一要素に
は同一符号を付して示している。

【００８２】すなわち、本実施の形態の電力変換装置
は、図５に示すように、図７における電力変換器の各Ｉ
ＰＭＡ−１〜Ａ−６の過電流保護回路３として、ＩＧＢ
Ｔ１の過電流時に電流値を低減させてその電流値を一定
に維持する電流維持機能Ｂを有する過電流保護回路を備
え、また電力変換器の制御回路１１に、ゲートブロック
手段であるＯＲ回路８−７、およびゲートブロック（Ｇ
Ｂ）回路１０を設け、さらに電力変換器の各ＩＰＭＡ−
１〜Ａ−６のゲート回路５に、ゲート電圧低下回路Ｃを
設けた構成としている。

【００８３】ここで、電流維持機能Ｂは、電流検出用の
補助ＩＧＢＴ３−１、ＩＧＢＴ１のゲート（Ｇ）−エミ
ッタ（Ｅ）間に図示のように接続されたゲート抵抗１
５、抵抗１６、トランジスタ１７、およびダイオード１
８から構成しており、抵抗１５と抵抗１６の抵抗値の比
で、ＩＧＢＴ１の過電流保護時のゲート電圧、すなわち
維持すべき電流が決定されるようになっている。

【００８４】ＯＲ回路８−７は、各ＩＰＭＡ−１〜Ａ−
６の過電流保護回路の出力の論理和（ＯＲ）を求める。
ゲートブロック回路１０は、ＯＲ回路８−６の出力が入
力されると、上記電流維持機能Ｂにより電流値を一定に
維持している間に、電力変換器の各ＩＰＭＡ−１〜Ａ−
６のゲート回路５のオフスイッチ５−３にゲートブロッ
ク（ＧＢ）信号をそれぞれ出力する。

【００８５】ゲート電圧低下回路Ｃは、ゲート回路５の
オフスイッチ５−３と並列に図示のように接続された分
圧用の複数個（本例では、４個）の抵抗２０−１〜２０
−４、分圧用の複数個（本例では、４個）のコンデンサ
２１−１〜２１−４、およびゲート電圧低下用の複数個
（本例では、４個）のスイッチ２２−１〜２２−４から
構成しており、制御回路１１のゲートブロック回路１０
からゲートブロック信号が与えられた場合に、上記電流
維持機能Ｂにより一定に維持された電流を徐々に減衰さ
せて遮断するように、スイッチ２２−１〜２２−４によ
りＩＧＢＴ１のゲート電圧を順次低下させるようになっ
ている。

【００８６】次に、以上のように構成した本実施の形態
の電力変換装置の作用について説明する。図５におい
て、ＩＧＢＴ１に過電流が発生すると、補助ＩＧＢＴ３
−１が電流を検出して、抵抗１６に電圧が印加され、ト
ランジスタ１７がオンしてゲート抵抗１５、ダイオード
１８を通して、ゲート回路５のＰ１５Ｖから電流が供給
され、前述したように、抵抗１５と抵抗１６の抵抗値の
比で決まる電圧にＩＧＢＴ１のゲート電圧が決定され、
そのゲート電圧に見合う電流にＩＧＢＴ１の電流が絞ら
れる。これは、通常定格の２倍程度に抑えられる。

【００８７】そして、この時、ＩＰＭが単独で直ちにゲ
ートブロックすると、電力変換器およびその負荷７にダ
メージを与えるので、この保護方式は取らず、ＩＧＢＴ
１は電流を絞った状態であれば数ｕｓなら破壊しないで
維持できることから、このＩＰＭは電流維持機能Ｂによ
りその電流に絞ったまま、過電流保護回路の出力が電力
変換器の制御回路１１のＯＲ回路８−７を通してゲート
ブロック回路１０に与えられる。

【００８８】これにより、ゲートブロック回路１０か
ら、電力変換器の各ＩＰＭＡ−１〜Ａ−６のゲート回路
５のオフスイッチ５−３に対してゲートブロック信号が
与えられるので、電力変換器の各ＩＰＭＡ−１〜Ａ−
６、すなわち電力変換器全体で協調の取れた停止方法に
なり、電力変換器およびその負荷７にとってダメージを
与えない。

【００８９】一方、上記において、電流を絞った電流値
が定格の２倍程度なので、急激に電流を遮断すると、そ
の電流の変化率（ｄｉ／ｄｔ）と回路の配線インダクタ
ンスとにより、過電圧が発生して危険であるので、ゲー
トブロック信号を与えて電流を遮断する時に、電流を徐
々に絞って遮断した方がよりダメージを与えないで済
む。

【００９０】そのためには、電力変換器の各ＩＰＭＡ−
１〜Ａ−６のＩＧＢＴ１のゲート電圧を、抵抗１５と抵
抗１６の抵抗値の比で決定したゲート電圧から、さらに
徐々に段階的にＮ１５Ｖに低下させればよい。そして、
この段階的な電圧を、コンデンサ２１−１〜２１−４と
抵抗２０−１〜２０−４で作成し、ゲート電圧はスイッ
チ２２−１〜２２−４を使って段階的に低下させればよ
い。

【００９１】すなわち、電流を徐々に低下させて停止す
るためには、ゲートブロック信号によって、ＩＧＢＴ１
のゲート電圧を急激にＮ１５Ｖに低下させないで、正の
電圧から徐々に段階的に低下させ、最終的にＮ１５Ｖま
で低下させて、完全に電流を遮断させることがより好ま
しい。

【００９２】このようにすることにより、電力変換器全
体の協調を取りながら、かつ過電圧を発生させずに電力
変換器を停止でき、電力変換器およびその負荷７にダメ
ージを与えることがない効果がある。

【００９３】上述したように、本実施の形態の電力変換
装置では、電力変換器の少なくとも一つのＩＰＭの過電
流発生時、過電流保護回路の電流維持機能Ｂによって該
当ＩＧＢＴ１の耐量に応じた電流に絞って一定に維持し
ている間に、電力変換器の各ＩＰＭＡ−１〜Ａ−６のゲ
ート回路５にゲートブロック信号を与えて、各ＩＰＭＡ
−１〜Ａ−６のＩＧＢＴ１をゲートブロックするように
しているので、過電流保護の場合に、電力変換器全体の
協調を取りながら、電力変換器およびその負荷７にダメ
ージを与えることなく停止させることが可能となる。

【００９４】（他の実施の形態） （ａ）前記第３および第４の実施の形態では、保護回路
を過電圧保護回路とした場合について説明したが、これ
に限らず、保護回路を過電流保護回路とした場合につい
ても、本発明を同様に適用して前述した場合と同様の作
用効果を得ることが可能である。

【００９５】（ｂ）前記第５の実施の形態では、電力変
換器の各ＩＰＭＡ−１〜Ａ−６のゲート回路５に、ゲー
ト電圧低下回路Ｃを設ける場合について説明したが、こ
れに限らず、このゲート電圧低下回路Ｃは、必要に応じ
て設けてもよいものである。

【００９６】（ｃ）前記第１の実施の形態の構成に前記
第３の実施の形態の構成を組み合わせることにより、前
述した場合と同様の作用効果を同時に得ることが可能で
ある。

【００９７】

【発明の効果】以上説明したように、請求項１および請
求項２の発明によれば、緊急停止の必要がない故障（軽
故障）の場合には、電力変換器およびその負荷にダメー
ジを与えることなくソフトに停止させることが可能なＩ
ＰＭおよびそれを用いた電力変換装置が提供できる。

【００９８】また、請求項３乃至請求項６の発明によれ
ば、一過性の故障の場合には、保護しつつ運転を継続さ
せて電力変換器およびその負荷の稼働率を高めることが
可能なＩＰＭおよびそれを用いた電力変換装置が提供で
きる。

【００９９】さらに、請求項７の発明によれば、過電流
保護の場合に、電力変換器全体の協調を取りながら、電
力変換器およびその負荷にダメージを与えることなく停
止させることが可能な電力変換装置が提供できる。

【０１００】さらにまた、請求項８の発明によれば、過
電流保護の場合に、電力変換器全体の協調を取りながら
かつ過電圧を発生させずに、電力変換器およびその負荷
にダメージを与えることなく停止させることが可能な電
力変換装置が提供できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明によるＩＰＭの第１の実施の形態を示す
回路図。

【図２】本発明による電力変換装置の第２の実施の形態
を示す回路図。

【図３】本発明によるＩＰＭの第３の実施の形態を示す
回路図。

【図４】本発明による電力変換装置の第４の実施の形態
を示す回路図。

【図５】本発明による電力変換装置の第５の実施の形態
を示す回路図。

【図６】従来のＩＰＭの構成例を示す回路図。

【図７】ＩＰＭを構成要素として用いた電力変換器（イ
ンバータ）の構成例を示す回路図。

【符号の説明】

１…ＩＧＢＴ、 ２…過電圧保護回路、 ２−１…ツェナーダイオード、 ２−２…過電圧保護部、 ３…過電流保護回路、 ３−１…補助ＩＧＢＴ、 ３−２…抵抗、 ３−３…トランジスタ、 ３−４…ツェナーダイオード、 ４…過熱保護回路、 ４−１…温度センサー、 ４−２…過熱保護部、 ５…ゲート回路、 ５−１…ゲート抵抗、 ５−２…オンスイッチ、 ５−３…オフスイッチ、 Ｐ１５，Ｎ１５…直流母線、 ６…コンデンサ、 ７…負荷、 ８−１〜８−７…ＯＲ回路、 ９…タイマー、 １０…ゲートブロック回路、 １１…制御回路、 １２…カウンター、 １３…回数設定回路、 １４…タイマー、 １５…ゲート抵抗、 １６…抵抗、 １７…トランジスタ、 １８…ダイオード、 ２０−１〜２０−４…抵抗、 ２１−１〜２１−４…コンデンサ、 ２２−１〜２２−４…スイッチ、 Ａ，Ａ−１〜Ａ−６…ＩＰＭ、 Ｂ…電流維持機能、 Ｃ…ゲート電圧低下回路。

フロントページの続き (51)Int.Cl.⁶ 識別記号 ＦＩ Ｈ０２Ｍ 1/08 Ｈ０２Ｍ 1/08 Ａ Ｈ０２Ｐ 7/63 ３０２ Ｈ０２Ｐ 7/63 ３０２Ｓ

Claims (8)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 所定の保護回路が、半導体スイッチおよ
   び当該半導体スイッチをオンオフするゲート回路がモジ
   ュール化されてなるパッケージの中に収納されるか、あ
   るいは当該パッケージの近傍に設置されて構成されるイ
   ンテリジェントパワーモジュールにおいて、 前記保護回路が動作した場合に、当該保護回路が保護す
   る故障の種類が重故障であるか軽故障であるかを判別す
   る故障判別手段と、 前記故障判別手段により、前記故障の種類が重故障であ
   ると判別された場合には、前記ゲート回路に直ちにゲー
   トブロック信号を与え、また前記故障の種類が軽故障で
   あると判別された場合には、前記ゲート回路に設定時間
   後にゲートブロック信号を与えるゲートブロック手段
   と、 を備えて成ることを特徴とするインテリジェントパワー
   モジュール。
2. 【請求項２】 所定の保護回路が、半導体スイッチおよ
   び当該半導体スイッチをオンオフするゲート回路がモジ
   ュール化されてなるパッケージの中に収納されるか、あ
   るいは当該パッケージの近傍に設置されて構成される複
   数個のインテリジェントパワーモジュールを構成要素と
   して用いて構成した電力変換器と、 前記電力変換器の各インテリジェントパワーモジュール
   のゲート回路を制御する制御回路と、 から構成される電力変換装置において、 前記電力変換器の各インテリジェントパワーモジュール
   にそれぞれ設けられ、前記保護回路が動作した場合に、
   当該保護回路が保護する故障の種類が重故障であるか軽
   故障であるかを判別する故障判別手段と、 前記制御回路に設けられ、前記少なくとも一つの故障判
   別手段により、前記故障の種類が重故障であると判別さ
   れた場合には、前記電力変換器の各インテリジェントパ
   ワーモジュールのゲート回路に直ちにゲートブロック信
   号を与え、また前記故障の種類が軽故障であると判別さ
   れた場合には、前記電力変換器の各インテリジェントパ
   ワーモジュールのゲート回路に設定時間後にゲートブロ
   ック信号を与えるゲートブロック手段と、 を備えて成ることを特徴とする電力変換装置。
3. 【請求項３】 所定の保護回路が、半導体スイッチおよ
   び当該半導体スイッチをオンオフするゲート回路がモジ
   ュール化されてなるパッケージの中に収納されるか、あ
   るいは当該パッケージの近傍に設置されて構成されるイ
   ンテリジェントパワーモジュールにおいて、 前記保護回路が動作した場合に、当該保護回路の動作回
   数をカウントし、かつ当該カウント回数が設定時間内に
   設定回数に達したか否かを判別する動作回数判別手段
   と、 前記動作回数判別手段により、前記カウント回数が設定
   回数に達したと判別された場合には、前記ゲート回路に
   ゲートブロック信号を与えるゲートブロック手段と、 を備えて成ることを特徴とするインテリジェントパワー
   モジュール。
4. 【請求項４】 所定の保護回路が、半導体スイッチおよ
   び当該半導体スイッチをオンオフするゲート回路がモジ
   ュール化されてなるパッケージの中に収納されるか、あ
   るいは当該パッケージの近傍に設置されて構成される複
   数個のインテリジェントパワーモジュールを構成要素と
   して用いて構成した電力変換器と、 前記電力変換器の各インテリジェントパワーモジュール
   のゲート回路を制御する制御回路と、 から構成される電力変換装置において、 前記電力変換器の各インテリジェントパワーモジュール
   にそれぞれ設けられ、前記保護回路が動作した場合に、
   当該保護回路の動作回数をカウントし、かつ当該カウン
   ト回数が設定時間内に設定回数に達したか否かを判別す
   る動作回数判別手段と、 前記制御回路に設けられ、前記少なくとも一つの動作回
   数判別手段により、前記カウント回数が設定回数に達し
   たと判別された場合には、前記電力変換器の各インテリ
   ジェントパワーモジュールのゲート回路にゲートブロッ
   ク信号を与えるゲートブロック手段と、 を備えて成ることを特徴とする電力変換装置。
5. 【請求項５】 前記請求項３に記載のインテリジェント
   パワーモジュールにおいて、 前記保護回路が過電圧保護回路であることを特徴とする
   インテリジェントパワーモジュール。
6. 【請求項６】 前記請求項４に記載の電力変換装置にお
   いて、 前記保護回路が過電圧保護回路であることを特徴とする
   電力変換装置。
7. 【請求項７】 半導体スイッチの過電流時に電流値を低
   減させて当該電流値を一定に維持する電流維持機能を有
   する過電流保護回路が、前記半導体スイッチおよび当該
   半導体スイッチをオンオフするゲート回路がモジュール
   化されてなるパッケージの中に収納されるか、あるいは
   当該パッケージの近傍に設置されて構成される複数個の
   インテリジェントパワーモジュールを構成要素として用
   いて構成した電力変換器と、 前記電力変換器の各インテリジェントパワーモジュール
   のゲート回路を制御する制御回路と、 から構成される電力変換装置において、 前記電力変換器の少なくとも一つのインテリジェントパ
   ワーモジュールの過電流保護回路が動作した場合に、当
   該電流維持機能により電流値を一定に維持している間
   に、前記電力変換器の各インテリジェントパワーモジュ
   ールのゲート回路にゲートブロック信号を与えるゲート
   ブロック手段を、前記制御回路に備えて成ることを特徴
   とする電力変換装置。
8. 【請求項８】 前記請求項７に記載の電力変換装置にお
   いて、 前記制御回路のゲートブロック手段からゲートブロック
   信号が与えられた場合に、前記一定に維持された電流を
   徐々に減衰させて遮断するように前記半導体スイッチの
   ゲート電圧を順次低下させるゲート電圧低下手段を、前
   記電力変換器の各インテリジェントパワーモジュールの
   ゲート回路に備えて成ることを特徴とする電力変換装
   置。