(57)【要約】【課題】電力変換回路の制御装置において、電力変換回路の電気的容量やそれを構成する半導体スイッチング素子の特性・構成によらず短絡保護機能を実装する。【解決手段】電流センサ１ａは、第１半導体スイッチング素子Ｓ１を流れる電流を検出し、その時間変化量ｄＩ／ｄｔを誘導起電圧Ｖｓｃとして出力する。 比較回路３は、誘導起電圧Ｖｓｃと電圧閾値Ｖsc0とを比較する。オン遅延回路４は、誘導起電圧Ｖｓｃが電圧閾値Ｖsc0を超えた状態が遅延時間ｔsc0以上継続した場合、第１半導体スイッチング素子Ｓ１が短絡状態であること示す信号を出力し、それ以外の時は通常状態であることを示す信号を出力する。切換回路５は、通常状態であることを示す信号が出力された場合はオン・オフゲート信号をゲート信号として出力し、短絡状態であることを示す信号が出力された場合はオフゲート信号をゲート信号として出力する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体スイッチング素子を有し、前記半導体スイッチング素子の短絡保護を行う電力変換回路の制御装置であって、
前記半導体スイッチング素子を流れる電流を検出し、その時間変化量ｄＩ／ｄｔを誘導起電圧として出力する電流センサと、
前記誘導起電圧と電圧閾値とを比較する比較回路と、
前記誘導起電圧が前記電圧閾値を超えた状態が遅延時間以上継続した場合、前記半導体スイッチング素子が短絡状態であること示す信号を出力し、それ以外の時は通常状態であることを示す信号を出力するオン遅延回路と、
前記通常状態であることを示す信号が出力された場合は電力変換回路を機能させるようオン・オフゲート信号をゲート信号として出力し、前記短絡状態であることを示す信号が出力された場合は短絡故障した素子以外の健全な素子を安全にターンオフできるようオフゲート信号をゲート信号として出力する切換回路と、
を備えたことを特徴とする電力変換回路の制御装置。
【請求項２】
半導体スイッチング素子を有し、前記半導体スイッチング素子の短絡保護を行う電力変換回路の制御装置であって、
前記半導体スイッチング素子を流れる電流を検出し、その時間変化量ｄＩ／ｄｔを誘導起電圧として出力する電流センサと、
前記誘導起電圧が電圧閾値を超えた場合は１の論理値を出力し、それ以外の場合は０の論理値を出力する比較回路と、
前記半導体スイッチング素子のターンオンから遅延時間の期間は１の論理値を出力し、それ以外の期間は０の論理値を出力するクロック回路と、
前記比較回路の出力と、前記クロック回路の出力の反転信号を入力し、入力信号が両方１の場合は短絡状態であることを示す信号を出力し、それ以外の時は通常状態であることを示す信号を出力する論理演算回路と、
前記通常状態であることを示す信号が出力された場合は電力変換回路を機能させるようオン・オフゲート信号をゲート信号として出力し、前記短絡状態であることを示す信号が出力された場合は短絡故障した素子以外の健全な素子を安全にターンオフできるようオフゲート信号をゲート信号として出力する切換回路と、
を備えたことを特徴とする電力変換回路の制御装置。
【請求項３】
半導体スイッチング素子を有し、前記半導体スイッチング素子の短絡保護を行う電力変換回路の制御装置であって、
前記半導体スイッチング素子を流れる電流を検出し、その時間変化量ｄＩ／ｄｔを誘導起電圧として出力する第１電流センサと、
前記電力変換回路の交流側端子を流れる電流を検出し、その時間変化量ｄＩ／ｄｔを誘導起電圧として出力する第２電流センサと、
前記第１電流センサで検出された誘導起電圧と前記第２電流センサで検出された誘導起電圧の偏差と、電圧閾値と、を比較する比較回路と、
前記偏差が前記電圧閾値を超えた状態が遅延時間以上継続した場合、前記半導体スイッチング素子が短絡状態であることを示す信号を出力し、それ以外の時は通常状態であることを示す信号を出力するオン遅延回路と、
前記通常状態であることを示す信号が出力された場合は電力変換回路を機能させるようオン・オフゲート信号をゲート信号として出力し、前記短絡状態であることを示す信号が出力された場合は短絡故障した素子以外の健全な素子を安全にターンオフできるようオフゲート信号をゲート信号として出力する切換回路と、
を備えたことを特徴とする電力変換回路の制御装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体スイッチング素子で構成された電力変換回路の制御装置に係り、特に、半導体スイッチング素子故障時の短絡電流検出およびそれを用いた短絡保護方式に関する。
【背景技術】
【０００２】
電力変換回路（順・逆変換器）を構成する半導体スイッチング素子の１つが短絡故障した際に他の半導体スイッチング素子を保護する短絡保護機能が知られている。この短絡保護機能においては、短絡電流を早く、正確に検出する機能が重要となる。
【０００３】
短絡電流を検出する方法は主に表１の４つが挙げられる（非特許文献１）。その中で変流器（ＣＴ）による検出では短絡電流を測定するために大型・高価な変流器が必要となる。応答速度においても半導体スイッチング素子の保護に一般的に必要とされる時間域（１０μｓ以下）に及ばないことから、短絡保護機能における電流検出にはシャント抵抗による検出、Ｖｃｅ検出、電流検出ＩＧＢＴによる検出が用いられることが一般的である。
【０００４】
また、シャント抵抗による電流検出に類似した内容として特許文献１が開示されている。特許文献１では、スイッチング素子の配線の寄生インダクタンスを用いて電流検出を行う方法が説明されている。
【０００５】
【表１】
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【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特許第３４５４１８６
【非特許文献】
【０００７】
【非特許文献１】石川  勝美，「パワー半導体素子の駆動・保護回路技術に関する研究」，北海道大学大学院情報科学研究科  博士論文（ＤＯＩ：  １０．１４９４３／ｄｏｃｔｏｒａｌ．ｋ１１６０７）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかし、これらの従来の検出方法においても一長一短があり、あらゆる電力変換回路に幅広く適用することができなかった。
【０００９】
以上示したようなことから、電力変換回路の制御装置において、電力変換回路の電気的容量やそれを構成する半導体スイッチング素子の特性・構成によらず短絡保護機能を実装することが課題となる。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明は、前記従来の問題に鑑み、案出されたもので、その一態様は、半導体スイッチング素子を有し、前記半導体スイッチング素子の短絡保護を行う電力変換回路の制御装置であって、前記半導体スイッチング素子を流れる電流を検出し、その時間変化量ｄＩ／ｄｔを誘導起電圧として出力する電流センサと、前記誘導起電圧と電圧閾値とを比較する比較回路と、前記誘導起電圧が前記電圧閾値を超えた状態が遅延時間以上継続した場合、前記半導体スイッチング素子が短絡状態であること示す信号を出力し、それ以外の時は通常状態であることを示す信号を出力するオン遅延回路と、前記通常状態であることを示す信号が出力された場合は電力変換回路を機能させるようオン・オフゲート信号をゲート信号として出力し、前記短絡状態であることを示す信号が出力された場合は短絡故障した素子以外の健全な素子を安全にターンオフできるようオフゲート信号をゲート信号として出力する切換回路と、を備えたことを特徴とする。
【００１１】
また、他の態様として、半導体スイッチング素子を有し、前記半導体スイッチング素子の短絡保護を行う電力変換回路の制御装置であって、前記半導体スイッチング素子を流れる電流を検出し、その時間変化量ｄＩ／ｄｔを誘導起電圧として出力する電流センサと、前記誘導起電圧が電圧閾値を超えた場合は１の論理値を出力し、それ以外の場合は０の論理値を出力する比較回路と、前記半導体スイッチング素子のターンオンから遅延時間の期間は１の論理値を出力し、それ以外の期間は０の論理値を出力するクロック回路と、前記比較回路の出力と、前記クロック回路の出力の反転信号を入力し、入力信号が両方１の場合は短絡状態であることを示す信号を出力し、それ以外の時は通常状態であることを示す信号を出力する論理演算回路と、前記通常状態であることを示す信号が出力された場合は電力変換回路を機能させるようオン・オフゲート信号をゲート信号として出力し、前記短絡状態であることを示す信号が出力された場合は短絡故障した素子以外の健全な素子を安全にターンオフできるようオフゲート信号をゲート信号として出力する切換回路と、を備えたことを特徴とする。
【００１２】
また、他の態様として、半導体スイッチング素子を有し、前記半導体スイッチング素子の短絡保護を行う電力変換回路の制御装置であって、前記半導体スイッチング素子を流れる電流を検出し、その時間変化量ｄＩ／ｄｔを誘導起電圧として出力する第１電流センサと、前記電力変換回路の交流側端子を流れる電流を検出し、その時間変化量ｄＩ／ｄｔを誘導起電圧として出力する第２電流センサと、前記第１電流センサで検出された誘導起電圧と前記第２電流センサで検出された誘導起電圧の偏差と、電圧閾値と、を比較する比較回路と、前記偏差が前記電圧閾値を超えた状態が遅延時間以上継続した場合、前記半導体スイッチング素子が短絡状態であることを示す信号を出力し、それ以外の時は通常状態であることを示す信号を出力するオン遅延回路と、前記通常状態であることを示す信号が出力された場合は電力変換回路を機能させるようオン・オフゲート信号をゲート信号として出力し、前記短絡状態であることを示す信号が出力された場合は短絡故障した素子以外の健全な素子を安全にターンオフできるようオフゲート信号をゲート信号として出力する切換回路と、を備えたことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、電力変換回路の制御装置において、電力変換回路の電気的容量やそれを構成する半導体スイッチング素子の特性・構成によらず短絡保護機能を実装することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】実施形態１における主回路構成および制御ブロック図。
【図２】実施形態１における電流・電圧波形を示すタイムチャート。
【図３】実施形態２における主回路構成および制御ブロック図。
【図４】実施形態２における電流・電圧波形を示すタイムチャート。
【図５】実施形態３における主回路構成および制御ブロック図。
【図６】実施形態３における電流・電圧波形を示すタイムチャート。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下、本願発明における電力変換回路の制御装置の実施形態１〜３を図１〜図６に基づいて詳述する。
【００１６】
［実施形態１］
図１に本実施形態１における主回路構成および制御ブロックを示し、図２に本実施形態１における電流・電圧波形を示す。電力変換回路を構成する第１半導体スイッチング素子Ｓ１の電流Ｉｃを測定できる位置に、電流センサ１ａを配置する。電流センサ１ａは、ロゴスキーコイルなどの磁性体を有さない空芯コイルによって、電流の誘導磁界を測定し誘導起電圧Ｖｓｃを発生させる。
【００１７】
電流センサ１ａの出力である誘導起電圧Ｖｓｃは制御回路２ａに出力される。制御回路２ａは、比較回路３と、オン遅延回路４と、切換回路５と、オン・オフゲート信号回路６と、オフゲート信号回路７と、を備える。
【００１８】
電流センサ１ａの出力である誘導起電圧Ｖｓｃは、まず比較回路３に入力され、電圧閾値Ｖｓｃ０を超える場合、オン遅延回路４に１の論理値を出力する。オン遅延回路４は、電流センサ１ａが出力する誘導起電圧Ｖｓｃが電圧閾値Ｖｓｃ０を超えた状態が遅延時間ｔｓｃ０以上継続した場合に切換回路５に１の論理値（短絡状態であることを示す信号）を出力する。それ以外の場合、オン遅延回路４は、０の論理値（通常状態であることを示す信号）を出力する。
【００１９】
オン・オフゲート信号回路６は、第１半導体スイッチング素子Ｓ１のゲート駆動回路として通常時のオン・オフゲート信号を出力する。オフゲート信号回路７は、短絡保護動作時に第１半導体スイッチング素子Ｓ１を安全にターンオフできるようオフゲート信号を出力する。
【００２０】
切換回路５は、オン遅延回路４が通常状態であることを示す信号を出力した場合、オン・オフゲート信号を出力し、オン遅延回路４が短絡状態であること示す信号を出力した場合、短絡保護動作時のオフゲート信号を半導体スイッチング素子Ｓ１のゲート端子に出力する。
【００２１】
なお、制御回路２ａについて説明したが、制御回路２ｂも同様である。制御回路２ｂは、第２半導体スイッチング素子Ｓ２のゲート端子にオン・オフゲート信号またはオフゲート信号を出力する。
【００２２】
電流センサ１ａの出力である誘導起電圧Ｖｓｃは第１半導体スイッチング素子Ｓ１を流れる電流Ｉｃの時間変化量ｄＩｃ／ｄｔに比例する。図２に示すように、電圧閾値Ｖｓｃ０は、定常時の期間において、通常時にｄＩｃ／ｄｔが最大になる条件で発生する電流センサ１ａの最大電圧Ｖｓｃｍａｘでは短絡保護が動作しないよう、最大電圧Ｖｓｃｍａｘにマージンαを加えた値とする。
【００２３】
このとき、通常時とは電力変換回路内の半導体スイッチング素子のいずれにおいても短絡故障が発生していない状態を指し、最大電圧Ｖｓｃｍａｘについては過負荷や電力変換回路外の故障で発生しうる過電流のｄＩｃ／ｄｔを考慮した数値で考える。
【００２４】
通常時でも図２のスイッチング時の期間においては、第１半導体スイッチング素子Ｓ１のターンオン時のｄＩｃ／ｄｔは大きいため、誘導起電圧Ｖｓｃは電圧閾値Ｖｓｃ０より大きくなる。しかし、通常時の電流Ｉｃはすぐに制御電流値に収束するため（最大時間ｔｓｃｍａｘ、通常１μｓ以下）、最大時間ｔｓｃｍａｘにマージンβを加算して、オン遅延回路４の遅延時間ｔｓｃ０を数μｓ程度に設定すれば短絡保護が動作せずに通常時のオン・オフゲート信号回路６からゲート信号が出力される。
【００２５】
一方、素子が故障し短絡電流が流れる場合には、素子のターンオフが行われるまでは電流が増え続けるため、数μｓ〜数十μｓの間、電流センサ１ａの出力である誘導起電圧Ｖｓｃは電圧閾値Ｖｓｃ０を超える状態が継続する。
【００２６】
前述のように、遅延時間ｔｓｃ０を数μｓ程度に設定しておけば、短絡電流が遅延時間ｔｓｃ０の間、流れた時点でオン遅延回路４から１の論理値（短絡状態であることを示す信号）が出力され、切換回路５を短絡保護時のオフゲート信号に切り換え、素子を安全にターンオフ動作させることができる。
【００２７】
以上示したように、本実施形態１によれば、電力変換回路の電気的容量やそれを構成する半導体スイッチング素子の特性・構成によらず短絡保護機能を実装することができる。
【００２８】
また、ロゴスキーコイルなどの磁性体を有さない低損失・高速度な電流センサを用いることで、電力変換回路および装置全体の損失を増やすことなく高速度な短絡電流検出を行うことが可能となる。また、センサ出力として誘導起電圧を用いることで増幅回路や積分回路などの通常の電流計測で必要となる付属回路を省略することが可能となり安価に短絡保護機能を実装することができる。
【００２９】
［実施形態２］
図３に本実施形態２における主回路構成および制御ブロックを示し、図４に本実施形態２における電流，電圧波形を示す。実施形態１と同様の箇所は同様の符号を付し、その説明を省略する。本実施形態２は、実施形態１のオン遅延回路４をクロック回路８および論理演算回路９に置き換えたものである。
【００３０】
本実施形態２は短絡状態の検出回路を変更している。本実施形態２では、電流センサ１ａの出力である誘導起電圧Ｖｓｃの比較回路３と、クロック回路８と、論理演算回路９と、で検出回路を構成している。
【００３１】
クロック回路８は、第１半導体スイッチング素子Ｓ１のターンオンから遅延時間ｔｓｃ０の期間は１の論理値を出力し、それ以外の期間は０の論理値を出力する。論理演算回路９は、比較回路３の出力とクロック回路８の出力を反転した信号を入力し、両方１の論理値の場合は１の論理値（短絡状態であることを示す信号）を出力し、それ以外の場合は０の論理値（通常状態であることを示す信号）を出力する。
【００３２】
半導体スイッチング素子が故障し短絡電流が流れ、電流センサ１ａの出力である誘導起電圧Ｖｓｃが電圧閾値Ｖｓｃ０よりも大きくなる場合に、半導体スイッチング素子のターンオンから遅延時間ｔｓｃ０の期間、短絡保護は動作しない。遅延時間ｔｓｃ０経過後にクロック回路８の論理値が０になることで論理演算回路９の入力が１となる。その時点でＶｓｃ＞Ｖｓｃ０であれば論理演算回路９の出力が１となり短絡保護が動作する。
【００３３】
よって、本実施形態２も実施形態１と同様の作用効果を奏する。
【００３４】
［実施形態３］
図５に本実施形態３における主回路構成および制御ブロックを示し、図６に本実施形態３における電流，電圧波形を示す。
【００３５】
本実施形態３は、実施形態１の構成に加えて、交流端子側の電流Ｉａｃを測定できる位置に、電流センサ１ｃを追加する。電流センサ１ｃは、ロゴスキーコイルなどの磁性体を有さない空芯コイルによって、電流の誘導磁界を測定し誘導起電圧Ｖａｃを発生させる。
【００３６】
そして、短絡を検出する制御回路２ａ（比較回路３）への入力を電流センサ１ａ，１ｂで検出した第１，第２半導体スイッチング素子Ｓ１，Ｓ２を流れる電流の誘導起電圧Ｖｓｃ１，Ｖｓｃ２と電流センサ１ｃで検出した交流端子電流Ｉａｃの誘導起電圧Ｖａｃの偏差｜Ｖｓｃ１−Ｖａｃ｜、｜Ｖｓｃ２−Ｖａｃ｜としている。
【００３７】
比較回路３は、偏差｜Ｖｓｃ１−Ｖａｃ｜、｜Ｖｓｃ２−Ｖａｃ｜と電圧閾値とを比較して、偏差｜Ｖｓｃ１−Ｖａｃ｜、｜Ｖｓｃ２−Ｖａｃ｜が電圧閾値よりも大きければ１の論理値を出力し、偏差｜Ｖｓｃ１−Ｖａｃ｜、｜Ｖｓｃ２−Ｖａｃ｜が電圧閾値以下であれば０の論理値を出力する。
【００３８】
オン遅延回路４は、比較回路３が１の論理値を遅延時間ｔｓｃ０以上継続して出力し続けた場合、切換回路５に１の論理値（短絡状態であることを示す信号）を出力する。それ以外の場合、切換回路５は０の論理値（通常状態であることを示す信号）を出力する。
【００３９】
切換回路５は、オン遅延回路４が通常状態であることを示す信号を出力した場合、オン・オフゲート信号を出力し、オン遅延回路４が短絡状態であることを示す信号を出力した場合、短絡保護動作時のオフゲート信号を半導体スイッチング素子Ｓ１のゲート端子に出力する。
【００４０】
通常時は第１，第２半導体スイッチング素子Ｓ１，Ｓ２のスイッチング時の期間を除いて、第１，第２半導体スイッチング素子Ｓ１，Ｓ２の電流Ｉｃ１、Ｉｃ２と、交流出力側の電流Ｉａｃには急激な電流変化は起こらない。そのため、定常時の期間、偏差Ｖｓｃ１−Ｖａｃ、および、偏差Ｖｓｃ２−Ｖａｃはある一定の範囲内の数値となる。
【００４１】
このとき、定常時の期間において通常時に発生しうる｜Ｖｓｃ１−Ｖａｃ｜、｜Ｖｓｃ２−Ｖａｃ｜の最大電圧Ｖｄｍａｘで短絡保護が動作しないよう、電圧閾値Ｖｄ０は最大電圧Ｖｄｍａｘにマージンγを加えた値とする。
【００４２】
このとき、通常時とは電力変換回路内の半導体スイッチング素子のいずれにおいても短絡故障が発生していない状態を指し、最大電圧Ｖｄｍａｘについては過負荷や電力変換回路外の故障で発生しうる過電流を考慮した数値で考える。
【００４３】
しかし、短絡が発生したときは第１，第２半導体スイッチング素子Ｓ１，Ｓ２間で短絡電流が流れ続けるため、スイッチング時の期間を経過しても電流センサ１ａ，１ｂの出力である誘導起電圧Ｖｓｃ１、Ｖｓｃ２が発生し続ける。
【００４４】
一方で、ＡＣ側は殆どの場合、フィルタ回路やモータなど誘導性の負荷につながっているため、短絡発生後も一定の電流が流れ続けるよう誘導起電力が発生する。そのため、電流センサ１ｃの出力である誘導起電圧Ｖａｃは誘導起電圧Ｖｓｃ１、Ｖｓｃ２に比べて低く、偏差｜Ｖｓｃ１−Ｖａｃ｜、｜Ｖｓｃ２−Ｖａｃ｜が電圧閾値Ｖｄ０より高い期間が継続する。
【００４５】
この現象を利用して、遅延時間ｔｓｃ０の期間、偏差｜Ｖｓｃ１−Ｖａｃ｜、｜Ｖｓｃ２−Ｖａｃ｜が電圧閾値Ｖｄ０より高い状態が継続した時点でオン遅延回路４から１の論理値（短絡状態であることを示す信号）が出力される。切換回路５は短絡保護時のオフゲート信号に切換え、短絡保護が動作する。このとき、遅延時間Ｔｓｃ０は実施形態１で述べた方法で決定する。
【００４６】
以上示したように、本実施形態３によれば、実施形態１，２と同様の作用効果を奏する。
【００４７】
以上、本発明において、記載された具体例に対してのみ詳細に説明したが、本発明の技術思想の範囲で多彩な変形および修正が可能であることは、当業者にとって明白なことであり、このような変形および修正が特許請求の範囲に属することは当然のことである。
【符号の説明】
【００４８】
１ａ，１ｂ，１ｃ…電流センサ
２ａ，２ｂ…制御回路
３…比較回路
４…オン遅延回路
５…切換回路
６…オン・オフゲート信号回路
７…オフゲート信号回路
８…クロック回路
９…論理演算回路
Ｓ１，Ｓ２…第１，第２半導体スイッチング素子
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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