JPWO2018193527A1 - 過電流検出回路及び電力変換装置 - Google Patents

過電流検出回路及び電力変換装置 Download PDF

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Abstract

過電流検出回路(50)は、IGBT(121)のエミッタに流れる電流Ieのdi/dtを検出するdi/dt検出回路(10)、di/dtに基づいて電流Ieが過電流であるか否かを検出し、検出結果を駆動回路(16)に出力する制御回路(14)、及び制御回路(14)における過電流判定の動作をマスクするマスク期間を設定するマスク回路(12)を備える。

Description

本発明は、電力変換主回路を構成するスイッチング素子を過電流から保護するための過電流検出回路、及び当該過電流検出回路を備えた電力変換装置に関する。
電力変換装置では、電力変換主回路を構成するスイッチング素子を過電流から保護するため、個々のスイッチング素子に流れる過電流を検出することが行われている。
下記特許文献1では、スイッチング素子の主端子に接続されるインダクタンス成分に発生する電圧を積分器で積分し、積分器の出力を閾値判定することで、個々のスイッチング素子に流れる電流が過電流であるか否かを判定している。
特許第3454186号公報
しかしながら、上記特許文献1に示されるような積分器を用いる手法では、過電流であるか否かの判定に時間がかかり、検出時間が長くなるという問題があった。
本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、過電流であるか否かの判定に要する時間の短縮化を図ることができる過電流検出回路を得ることを目的とする。
上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明は、電力変換主回路を構成する複数のスイッチング素子のそれぞれに対応して設けられ、複数のスイッチング素子のうちの対応する1つのスイッチング素子の過電流を検出する過電流検出回路であって、スイッチング素子の主端子に流れる電流の時間変化率を検出する検出回路と、時間変化率に基づいてスイッチング素子の主端子に流れる電流が過電流であるか否かを検出し、検出結果をスイッチング素子に対応して設けられる駆動回路に出力する制御回路と、を備える。
本発明によれば、過電流であるか否かの判定に要する時間を短縮化できる、という効果を奏する。
実施の形態1の電力変換装置における電力変換主回路の構成を示す回路図 実施の形態1における過電流検出回路の構成を示すブロック図 特許文献1における過電流保護の概念の説明に供する第1の図 特許文献1における過電流保護の概念の説明に供する第2の図 実施の形態1における過電流保護の概念の説明に供する図 特許文献1における閾値判定によって分けられる検知領域の説明に供する第1の図 特許文献1における閾値判定によって分けられる検知領域の説明に供する第2の図 実施の形態1に係る過電流検出回路の概念の説明に供する第1の図 実施の形態1に係る過電流検出回路の概念の説明に供する第2の図 電力変換装置に生じ得る短絡の種類の説明に供する図 実施の形態2における処理フローを示すフローチャート 実施の形態3における処理フローを示すフローチャート
以下に、本発明の実施の形態に係る過電流検出回路及び電力変換装置を図面に基づいて詳細に説明する。なお、以下の実施の形態により、本発明が限定されるものではない。
実施の形態1.
図1は、実施の形態1の電力変換装置における電力変換主回路100の構成を示す回路図である。電力変換主回路100は、図1に示すように、正側アームを成す半導体素子モジュール101,103,105と、負側アームを成す半導体素子モジュール102,104,106と、を備えている。
半導体素子モジュール101〜106は、正極P及び負極Nの電位を有する平滑コンデンサ110の直流端子間に接続されている。正極Pと負極Nとの間には半導体素子モジュール101と半導体素子モジュール102とが直列に接続され、半導体素子モジュール101,102の接続点は引き出されてU相交流(AC)端子を構成する。以下同様に、半導体素子モジュール103と半導体素子モジュール104とが正極Pと負極Nとの間に直列に接続され、半導体素子モジュール103,104の接続点は引き出されてV相交流端子を構成する。また、半導体素子モジュール105と半導体素子モジュール106とが正極Pと負極Nとの間に直列に接続され、半導体素子モジュール105,106の接続点が引き出されてW相交流端子を構成する。これら半導体素子モジュール101〜106は、平滑コンデンサ110に蓄積される直流電力を交流電力に変換するスイッチング動作を行う。
半導体素子モジュール101は、スイッチング素子であるIGBT111と、IGBT111に逆並列接続されるフライホイールダイオード(以下「FWD」と表記)112とを有する。IGBT111におけるコレクタとFWD112のカソードとが接続されて主端子C1が構成され、IGBT111におけるエミッタとFWD112のアノードとが接続されて主端子E1が構成される。また、半導体素子モジュール102は、IGBT121と、IGBT121に逆並列接続されるFWD122とを有する。IGBT121のコレクタとFWD122のカソードとが接続されて主端子C2が構成され、IGBT121のエミッタとFWD122のアノードとが接続されて主端子E2が構成される。また、IGBT111及びIGBT121のそれぞれのゲートには、制御端子である端子G1,G2が構成される。残りの半導体素子モジュール103〜106も、半導体素子モジュール101,102と同様に構成される。なお、図1では、スイッチング素子としてIGBTを例示しているが、IGBTに代えてMOSFETを用いてもよい。
図2は、実施の形態1における過電流検出回路50の構成を示すブロック図ある。図2の右側には、図1に記載した負側アームを成す半導体素子モジュール102が示されている。実施の形態1における過電流検出回路50は、駆動回路16と共に設けられている。すなわち、過電流検出回路50は、駆動回路16と共に、電力変換主回路100を構成する複数のスイッチング素子のそれぞれに対応して設けられている。
駆動回路16は、半導体素子モジュール102の端子G2に制御信号を印加してIGBT121の導通を制御する。
過電流検出回路50は、di/dt検出回路10、マスク回路12及び制御回路14を有する。di/dt検出回路10は、IGBT121のエミッタに流れる電流Ieの時間変化率であるdi/dtを検出する。図2には、電気配線の寄生インダクタンス成分Lが示されている。周知のように、電流Ieが流れるとき、寄生インダクタンス成分Lの両端には、L・(di/dt)の電圧が誘起される。したがって、寄生インダクタンス成分Lの両端に発生する誘起電圧L・(di/dt)を検出することにより、di/dtを検出することができる。
なお、一般的な半導体素子モジュールでは、図2にも示すように、電流を検出するためのセンスエミッタ端子Esが設けられている。このため、センスエミッタ端子Esを接地し、半導体素子モジュール102のエミッタ端子である端子E2、もしくは検知に必要な寄生インダクタンス成分Lが得られる任意の箇所の電位を検知することで、di/dtの検出が可能となる。また、di/dt検知回路10は、IGBT121が形成されるチップの外部に構成されるので、チップ面積の減少を避けることができる。これにより、IGBT121の電流定格が低下するのを防止することができる。
また、一般的な半導体素子モジュールでは、センスコレクタ端子が設けられることがあり、コレクタ側の電気配線にも何らかの寄生インダクタンス成分がある。このため、センスコレクタ端子と、検知に必要な寄生インダクタンス成分が得られる任意の箇所との間の電位差、もしくはセンスコレクタ端子と主端子C2との間の電位差を検知することで、di/dtを検出してもよい。
制御回路14は、di/dt検出回路10が検出したdi/dtの検出値に基づいて電流Ieが過電流であるか否かを検出し、検出結果を駆動回路16に出力する。マスク回路12は、予め設定されたマスク時間を保持している。マスク回路12は、駆動回路16からゲートオン信号を受領し、ゲートオン信号に同期し、ゲートオン信号の時刻にマスク時間加えたマスク期間を設定して、制御回路14に伝達する。なお、ゲートオン信号は、スイッチング素子であるIGBTを導通させる信号である。また、マスク期間は、過電流判定の動作をマスクする期間である。マスク期間が設定されている間、制御回路14は、電流Ieが過電流であるか否かを判定する処理を行わない。制御回路14は、マスク期間が設定されている間、di/dt検出回路10の検出結果を無視し、電流Ieが過電流であっても、電流Ieが過電流である旨の検出結果を駆動回路16に伝達しない。なお、この処理に代え、制御回路14は、マスク期間が設定されている間、di/dt検出回路10の検出結果を保留し、電流Ieが過電流であるか否かの検出結果を駆動回路16に伝達しないようにしてもよい。制御回路14における判定処理の詳細については後述する。
なお、図2では、負側アームを成す半導体素子モジュール102の過電流を検出する構成を示したが、正側アームを成す半導体素子モジュールの過電流についても、コレクタ側に存在する寄生インダクタンス成分の両端に発生する誘起電圧を検出して取り込み、取り込んだ検出値を閾値判定することで、過電流の検出が可能となる。
次に、実施の形態1に係る過電流検出回路の特徴及び過電流検出回路による効果について、図3から図9の図面を参照して説明する。図3及び図4は、特許文献1における過電流保護の概念の説明に供する第1及び第2の図である。なお、図3と図4とではスタート時の電流が異なっている。図5は、実施の形態1における過電流保護の概念の説明に供する図である。図6及び図7は、特許文献1における閾値判定によって分けられる検知領域の説明に供する第1及び第2の図である。また、図8及び図9は、実施の形態1に係る過電流検出回路の概念の説明に供する第1及び第2の図である。
図3では、時刻t0’でゲートオンした直後に急峻な電流が流れ、その後に1000A程度の大きな電流が流れる例を示している。実線で示す波形は通常時の電流である。通常時の電流は、通常時のdi/dtに従って電流Ieが上昇して行く。一方、時刻t1’で短絡が発生したことを想定すると、一点鎖線で示す波形のように短絡時のdi/dtに従って電流Ieは上昇して行く。そして、検知閾値に達した時刻t2’で短絡が検知されて、IGBTが強制的にOFFにされる。図4は、スタート時の電流が0Aである場合の例であり、その他の条件は図3に示すものと同一である。図4では、時刻t3’で短絡が検知されている。図3及び図4の波形から、ゲートオンした直後の急峻な電流は、スタート時の電流には殆ど依存しないことが分かる。このため、スタート時の電流に応じて検知閾値を変更することは困難であった。また、ゲートオン直後のピークを避けるため、検知閾値を大きな値にしなければならなかった。このため、特許文献1に係る過電流保護では、短絡検知までの時間が長くかかっていた。
図5は、実施の形態1に係る過電流保護の場合であるが、電流波形は図3のものと同一であり、時刻t0でゲートオンした直後に急峻且つピーク値大の電流が流れ、当該急峻な電流は時刻t1で治まっている。時刻t2で短絡が発生したことを想定すると、短絡時の電流は一点鎖線で示す波形のように短絡時のdi/dtに従って電流Ieは上昇して行く。上述したように、実施の形態1に係る過電流保護では、di/dtの大きさを検出値に基づいて電流Ieの過電流を判定しており、破線で示す波形の傾きが検知閾値に設定される。図5に示すように、短絡時の電流波形の傾きは、検知閾値に設定される波形の傾きよりも大きい。このため、時刻t3で短絡を検知することができる。なお、ハッチングで示すように時刻t1まではマスク期間に設定されているので、ゲートオン直後に現れる急峻な電流の傾きでは短絡検知は為されない。このように、実施の形態1に係る過電流保護では、検知時間が長くなるのを抑止することができる。
図6及び図7には、特許文献1に係る過電流保護によって切り分けられる検知領域と非検知領域とが示され、図8及び図9には、実施の形態1に係る過電流保護によって切り分けられる検知領域と非検知領域とが示されている。
特許文献1の手法では、検知閾値に電流の大きさを用いているので、検知領域を拡大することは困難である。これに対し、実施の形態1の手法では、検知閾値にdi/dtを用いているので、検知領域を拡大することができる。また、実施の形態1の手法では、マスク期間を設定することで、ゲートオン直後に現れる急峻且つピーク値大の電流の検知を回避することができるので、検知閾値の大きさを変えることなく、検知領域を拡大することが可能となる。
以上説明したように、実施の形態1に係る過電流検出回路及び電力変換装置によれば、スイッチング素子の主端子に流れる電流の時間変化率を検出することとしたので、検知時間が長くなるのを抑止することができ、過電流であるか否かの判定に要する時間の短縮化を図ることが可能となる。
また、実施の形態1に係る電力変換装置によれば、スイッチング素子のゲートオンの直後に過電流判定の動作をマスクするマスク期間を設定しているので、ゲートオン直後に現れる急峻且つピーク値大の電流の検知を回避することができ、検知閾値の大きさを変えることなく、検知領域を拡大することが可能となる。
また、実施の形態1に係る電力変換装置によれば、センスエミッタ端子又はセンスコレクタ端子を利用してスイッチング素子内に生じ得る誘起電圧を検知できるので、過電流が生じているスイッチング素子を特定することが可能となる。
実施の形態2.
実施の形態2では、実施の形態1に係る過電流検出回路に短絡の種類を特定する機能を付加した過電流検出回路について説明する。図10は、電力変換装置に生じ得る短絡の種類の説明に供する図である。
図10では、図1に示した電力変換主回路から1相分のアームのみを抜き出して示している。また、図10では、電力変換主回路のインピーダンスと負荷のインピーダンスとを、抵抗及びインダクタの回路記号で示している。
図10において、(1)に示す電流経路は、正負アームのスイッチング素子が同時にオンした場合に生じ得る電流経路であり、正負アームのスイッチング素子のうちの少なくとも1つのスイッチング素子が短絡故障を起こし、短絡故障を起こしていないスイッチング素子をオン動作させるときに起こり得る。(1)に示すような短絡故障は、一般的に「アーム短絡」と称される。以下、「アーム短絡」を適宜「第1の短絡」と呼ぶ。
また、(2)に示す電流経路は、正負アームのスイッチング素子同士の接続点と負荷との間、もしくは負荷の内部で短絡故障が生じたときに起こり得る。(2)に示すような短絡故障は、一般的に「負荷短絡」もしくは「地絡」と称される。なお、(3)示す電流経路は、短絡故障を起こしていないときの負荷電流の経路すなわち通常状態の電流経路である。「負荷短絡」は、上述した「アーム短絡」とは異なる原理で生じる短絡である。以下、「負荷短絡」を適宜「第2の短絡」と呼ぶ。
図11は、実施の形態2における処理フロー、すなわち短絡の種類を特定する処理フローを示すフローチャートである。以下、図11の処理フローについて説明する。なお、図11の処理フローにおいて、di/dtの検出処理は、常時行われていることを前提とする。
まず、保護対象のスイッチング素子がゲートオンしてからマスク期間が経過したか否かが判定される(ステップS101)。マスク期間が経過していなければ(ステップS101,No)、ステップS101の判定処理を繰り返し、マスク期間が経過していれば(ステップS101,Yes)、ステップS102に進む。次に、di/dtの検出値が第1の閾値を超えたか否かが判定される(ステップS102)。di/dtの検出値が第1の閾値を超えていれば(ステップS102,Yes)、ステップS103に進み、アーム短絡が発生したとしてフローを抜ける。このとき、保護対象のスイッチング素子がゲートオフされることは言うまでもない。
di/dtの検出値が第1の閾値以下であれば(ステップS102,No)、ステップS104に進み、di/dtの検出値が第2の閾値を超えたか否かが判定される(ステップS104)。第2の閾値は、第1の閾値よりも値が小さい。di/dtの検出値が第2の閾値を超えていなければ(ステップS104,No)、ステップS102に戻る。一方、di/dtの検出値が第2の閾値を超えていれば(ステップS104,Yes)、ステップS105に進み、負荷短絡が発生したとしてフローを抜ける。このとき、保護対象のスイッチング素子がゲートオフされることは言うまでもない。
なお、上記のステップS102の判定処理では、di/dtの検出値と第1の閾値とが等しい場合を“No”と判定しているが、“Yes”と判定してもよい。すなわち、di/dtの検出値と第1の閾値とが等しい場合を“Yes”又は“No”の何れで判定してもよい。
また、上記のステップS104の判定処理では、di/dtの検出値と第2の閾値とが等しい場合を“No”と判定しているが、“Yes”と判定してもよい。すなわち、di/dtの検出値と第2の閾値とが等しい場合を“Yes”又は“No”の何れで判定してもよい。
上記の通り、実施の形態2に係る過電流検出回路及び電力変換装置では、di/dtが第1の閾値を超えたときにスイッチング素子に第1の短絡であるアーム短絡が生じていると判定し、di/dtが第1の閾値よりも小さな第2の閾値を超えたときにスイッチング素子に第2の短絡である負荷短絡が生じていると判定する。これにより、短絡の種類をユーザに報知できるという効果がある。また、ユーザは短絡の種類を知ることができるので、故障解析の判断が容易になるという効果がある。
実施の形態3.
実施の形態3では、実施の形態2に係る過電流検出回路の処理において、短絡の種類の特化したマスク期間を用いる処理について説明する。図12は、実施の形態3における処理フローを示すフローチャートである。なお、図12の処理フローにおいて、di/dtの検出処理は、常時行われていることが前提である。また、図12の処理フローでは、2種類のマスク期間を特定するため、図11の処理フローで用いたマスク期間を「第1のマスク期間」と称し、図12の処理フローで追加されたマスク期間を「第2のマスク期間」と称する。
次に、図12の処理フローについて説明する。なお、以下の説明では、冗長な説明となるのを避けるため、実施の形態2の処理に付加された処理を中心に説明する。
まず、ステップS102の処理までは実施の形態2と同一である。また、ステップS102の処理において、di/dtの検出値が第1の閾値を超えているときに(ステップS102,Yes)、ステップS103に進み、アーム短絡が発生したと判定することも、実施の形態2と同一である。
一方、di/dtの検出値が第1の閾値以下と判定された場合(ステップS102,No)、保護対象のスイッチング素子がゲートオンしてから第2のマスク期間が経過したか否かが判定される(ステップS201)。第2のマスク期間が経過していなければ(ステップS201,No)、ステップS102の判定処理に戻り、第2のマスク期間が経過していれば(ステップS201,Yes)、ステップS202に進む。
次に、di/dtの検出値が第1の閾値を超えたか否かが判定され(ステップS202)、di/dtの検出値が第1の閾値を超えていれば(ステップS202,Yes)、ステップS103に進み、アーム短絡が発生したとしてフローを抜ける。一方、di/dtの検出値が第1の閾値を超えていなければ(ステップS202,No)、ステップS104に進み、di/dtの検出値が第2の閾値を超えたか否かが判定される(ステップS104)。di/dtの検出値が第2の閾値を超えていなければ(ステップS104,No)、ステップS202に戻る。一方、di/dtの検出値が第2の閾値を超えていれば(ステップS104,Yes)、ステップS105に進み、負荷短絡が発生したとしてフローを抜ける。
上記の通り、実施の形態3に係る過電流検出回路及び電力変換装置では、2種類のマスク期間を用いてスイッチング素子に生じ得るアーム短絡及び負荷短絡を判定するので、短絡の種類に特化した短絡保護を行うことができる。これにより、実施の形態2の効果に加え、誤検知の確率を低下させた短絡保護ができるという効果がある。
なお、本明細書では、スイッチング素子の素材については特に言及していないが、近年注目されている炭化珪素(SiC)を素材とする半導体スイッチング素子(以下「SiC素子」と表記)を用いてもよい。SiC素子はスイッチング動作が速いので、di/dt検出回路10を用いて過電流を検出する本発明に用いて好適である。
また、SiC素子は、Si素子よりもバンドギャップが大きいという特性を捉えて、ワイドバンドギャップ半導体と称される半導体の一例である。このSiC素子以外にも、例えば窒化ガリウム系材料、又はダイヤモンドを用いて形成される半導体もワイドバンドギャップ半導体に属しており、それらの特性もSiCに類似した点が多い。したがって、SiC以外の他のワイドバンドギャップ半導体を用いる構成も、本発明の要旨を成すものである。
なお、以上の実施の形態に示した構成は、本発明の内容の一例を示すものであり、別の公知の技術と組み合わせることも可能であるし、本発明の要旨を逸脱しない範囲で、構成の一部を省略、変更することも可能である。
10 di/dt検出回路、12 マスク回路、14 制御回路、16 駆動回路、50 過電流検出回路、100 電力変換主回路、101〜106 半導体素子モジュール、110 平滑コンデンサ、111,121 IGBT、112,122 FWD。

Claims (7)

  1. 電力変換主回路を構成する複数のスイッチング素子のそれぞれに対応して設けられ、複数の前記スイッチング素子のうちの対応する1つのスイッチング素子の過電流を検出する過電流検出回路であって、
    前記スイッチング素子の主端子に流れる電流の時間変化率を検出する検出回路と、
    前記時間変化率に基づいて前記スイッチング素子の主端子に流れる電流が過電流であるか否かを検出し、検出結果を前記スイッチング素子に対応して設けられる駆動回路に出力する制御回路と、
    を備えたことを特徴とする過電流検出回路。
  2. 前記制御回路は、1つの前記スイッチング素子の前記過電流を検出することを特徴とする請求項1に記載の過電流検出回路。
  3. 前記制御回路における過電流判定の動作をマスクするマスク期間を設定するマスク回路を更に備え、
    前記制御回路は、前記マスク期間が設定されている間、検出回路の検出結果を無視又は保留する
    ことを特徴とする請求項1又は2に記載の過電流検出回路。
  4. 前記制御回路は、
    前記時間変化率が第1の閾値を超えたときに前記スイッチング素子に第1の短絡が生じていると判定し、
    前記時間変化率が前記第1の閾値よりも小さな第2の閾値を超えたときに前記スイッチング素子に第2の短絡が生じていると判定する
    ことを特徴とする請求項1から3の何れか1項に記載の過電流検出回路。
  5. 前記マスク回路は、第1のマスク期間、及び前記第1のマスク期間よりも長い第2のマスク期間を前記制御回路に伝達し、
    前記制御回路は、前記スイッチング素子をゲートオンしてから前記第1のマスク期間の経過後に前記第1の短絡の判定を実施すると共に、前記スイッチング素子をゲートオンしてから前記第2のマスク期間の経過後に前記第2の短絡の判定を実施する
    ことを特徴とする請求項4に記載の過電流検出回路。
  6. 請求項1から5の何れか1項に記載の過電流検出回路を備えたことを特徴とする電力変換装置。
  7. 前記スイッチング素子のうちの対応する1つのスイッチング素子を過電流から保護することを特徴とする請求項6に記載の電力変換装置。
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