(57)【要約】      （修正有）【課題】エラー信号伝達のための配線を用いることなく、エラー信号を瞬時に伝達して電力変換装置内のすべてのスイッチング素子の動作を遮断させるスイッチング素子保護回路を提供する。【解決手段】電力変換装置は、複数のスイッチング素子１００1〜１００Nと、複数の保護回路１１０1〜１１０Nと、複数のエラー信号伝達回路１２０1〜１２０Nと、を備える。保護回路は、スイッチング素子の異常を検知するか又はスイッチング素子の遮断指令が入力されたとき、当該スイッチング素子の動作を遮断する機能と、スイッチング素子の異常検知時に、当該スイッチング素子に対応するエラー信号伝達回路の発光部にエラー信号を出力して発光させる機能と、を有する。発光部は、各エラー信号入力時に発光する。受光部は、光信号を受光したとき、当該受光した側のエラー信号伝達回路に対応する保護回路にスイッチング素子の遮断指令を出力する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電力変換装置の複数のスイッチング素子に各々対応して設けられたエラー信号伝達回路を備え、
前記各エラー信号伝達回路は、
スイッチング素子の異常が検知されたときに発光する発光部と、
外部からの光信号を受光したとき、当該受光した側のエラー信号伝達回路に対応するスイッチング素子の動作を遮断させる受光部と、
を具備していることを特徴とする電力変換装置のスイッチング素子保護回路。
【請求項２】
前記複数のスイッチング素子およびエラー信号伝達回路に各々対応して設けられ、スイッチング素子の異常を検知するか、又はスイッチング素子の遮断指令が入力されたとき、当該スイッチング素子の動作を遮断する機能と、前記スイッチング素子の異常検知時に、当該スイッチング素子に対応するエラー信号伝達回路の発光部にエラー信号を出力して発光させる機能とを有した保護回路を備え、
前記各エラー信号伝達回路の受光部は、前記光信号を受光したとき、当該受光した側のエラー信号伝達回路に対応する保護回路にスイッチング素子の遮断指令を出力する遮断指令信号生成回路を有していることを特徴とする請求項１に記載の電力変換装置のスイッチング素子保護回路。
【請求項３】
前記各エラー信号伝達回路の発光部は、スイッチング素子の異常が検知されたときに発光する赤外線発光ダイオードを有し、
前記各エラー信号伝達回路の受光部は、前記光信号を受光する赤外線フォトダイオードを有していることを特徴とする請求項１又は２に記載の電力変換装置のスイッチング素子保護回路。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電力変換装置に用いられるスイッチング素子の保護回路に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
電力変換装置はスイッチング素子ごとに保護回路を備えている。保護回路は電力変換装置の運転中に短絡等の異常発生を監視して、異常を検出するとスイッチング素子の動作を遮断し、破壊や寿命の短縮を防止する。
【０００３】
並列接続されたスイッチング素子の保護回路として、従来、例えば特許文献１に記載の電力用半導体装置が提案されていた。図６は特許文献１の図１であり、保護回路全体のブロックを示している。
【０００４】
図６において、並列接続された２個のスイッチング素子（ＩＧＢＴＴＲ１，ＩＧＢＴＴＲ２）には、各々対応してコントローラ回路１０および電力駆動回路２０（ＩＰＭ３−１，ＩＰＭ３−２）が設けられている。
【０００５】
これら回路には、各スイッチング素子を駆動する回路（駆動回路２２など）と、各スイッチング素子の異常発生を検出して通知する回路（センサ及びセンサ回路２３、検出保護回路２４、１３、エラー信号発生回路１５、エラー信号通信回路１６−１，１６−２など）を備えている。
【０００６】
図６の回路では、一方のスイッチング素子（例えばＴＲ１）で異常が発生した場合は、他方のスイッチング素子（ＴＲ２）にも異常発生を通知して、装置全体の動作を遮断する。スイッチング素子の破壊を確実に防ぐためには、異常発生を瞬時に伝達し、すべてのスイッチング素子の動作を遮断する必要がある。
【０００７】
そのために、図６のエラー信号通信回路１６−１とエラー信号通信回路１６−２の間の構成を示す図７（エラー信号伝達回路）のように、スイッチング素子の保護回路間を直接信号線で接続して異常発生を伝達している。図７の回路では、２つの通信回路を接続する信号線（配線）が２本必要である。
【０００８】
すなわち図７では、電流源４１、スイッチ４２、電流検出器４３、４４を備えたエラー信号通信回路１６−１の端子Ｔ１と、電流源５１、スイッチ５２、電流検出器５３、５４を備えたエラー信号通信回路１６−２の端子Ｔ４とをケーブルＣＡ１で接続し、エラー信号通信回路１６−１の端子Ｔ２とエラー信号通信回路１６−２の端子Ｔ３とをケーブルＣＡ２で接続することにより、ＩＰＭ３−１，ＩＰＭ３−２でエラー信号を共有できるように構成している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特許第４６８１９１１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
図７に示す特許文献１のエラー信号伝達回路は、スイッチング素子（の保護回路）間を直接接続するため、用いるスイッチング素子が増えると配線の数が増える。ここで、配線の数は、
配線の数＝（スイッチング素子数×（スイッチング素子数−１））である。
【００１１】
例えば、３相交流を出力するインバータの一形態では、６個のスイッチングデバイスを用いる。このとき、必要な信号線は３０本となり、接続作業のコスト増大や、故障要因が増えることにより信頼性の低下を招く。
【００１２】
本発明は、上記課題を解決するものであり、その目的は、スイッチング素子の異常が検知されたことを示すエラー信号を伝達するための配線を用いることなく、エラー信号を瞬時に伝達して電力変換装置内のすべてのスイッチング素子の動作を遮断させることができる電力変換装置のスイッチング素子保護回路を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
上記課題を解決するための請求項１に記載の電力変換装置のスイッチング素子保護回路は、電力変換装置の複数のスイッチング素子に各々対応して設けられたエラー信号伝達回路を備え、
前記各エラー信号伝達回路は、
スイッチング素子の異常が検知されたときに発光する発光部と、
外部からの光信号を受光したとき、当該受光した側のエラー信号伝達回路に対応するスイッチング素子の動作を遮断させる受光部と、
を具備していることを特徴とする。
【００１４】
請求項２に記載の電力変換装置のスイッチング素子保護回路は、請求項１において、
前記複数のスイッチング素子およびエラー信号伝達回路に各々対応して設けられ、スイッチング素子の異常を検知するか、又はスイッチング素子の遮断指令が入力されたとき、当該スイッチング素子の動作を遮断する機能と、前記スイッチング素子の異常検知時に、当該スイッチング素子に対応するエラー信号伝達回路の発光部にエラー信号を出力して発光させる機能とを有した保護回路を備え、
前記各エラー信号伝達回路の受光部は、前記光信号を受光したとき、当該受光した側のエラー信号伝達回路に対応する保護回路にスイッチング素子の遮断指令を出力する遮断指令信号生成回路を有していることを特徴とする。
【００１５】
請求項３に記載の電力変換装置のスイッチング素子保護回路は、請求項１又は２において、
前記各エラー信号伝達回路の発光部は、スイッチング素子の異常が検知されたときに発光する赤外線発光ダイオードを有し、
前記各エラー信号伝達回路の受光部は、前記光信号を受光する赤外線フォトダイオードを有していることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１６】
（１）請求項１〜３に記載の発明によれば、各エラー信号伝達回路間を接続することなく、複数のスイッチング素子のうちいずれかのスイッチング素子の異常が検知されたことを、それ以外のスイッチング素子に対応するエラー信号伝達回路に光信号によって瞬時に伝達することができる。
【００１７】
このため、すべてのスイッチング素子の動作を迅速に遮断し、装置全体に故障が広がる危険性を低減させることができる。
【００１８】
また、エラー信号伝達のための配線が不要となり、配線接続作業のコスト増大や、故障要因が増えることによる信頼性低下を防止することができる。
（２）請求項２に記載の発明によれば、光信号（エラー信号に相当）を受光したエラー信号伝達回路に対応するスイッチング素子のみならず、異常が検出された側のスイッチング素子の動作も保護回路によって確実に遮断することができる。
（３）請求項３に記載の発明によれば、発光、受光に赤外線を用いているため、外光との区別が明確となり、誤動作を防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】本発明の実施形態例による電力変換装置のスイッチング素子保護回路全体の構成図。
【図２】図１の一つのエラー信号伝達回路の例を示す構成図。
【図３】（ａ）は本発明の実施形態例で用いる赤外線発光ダイオードの指向性を示す特性図、（ｂ）は本発明の実施形態例で用いる赤外線フォトダイオードの指向性を示す特性図。
【図４】本発明を３相インバータに適用した場合のエラー信号伝達回路のプリント基板の配置を示す構成図。
【図５】本発明の実施形態例によるエラー信号伝達回路の実装状態を示す構成図。
【図６】特許文献１に記載の保護回路全体のブロック図。
【図７】特許文献１に記載のエラー信号伝達回路の回路図。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
以下、図面を参照しながら本発明の実施の形態を説明するが、本発明は下記の実施形態例に限定されるものではない。
【００２１】
図１は、本実施形態例による電力変換装置のスイッチング素子保護回路の全体構成を示している。図１において、１００1〜１００Nは電力変換装置内のＮ個のスイッチング素子（１〜Ｎ）であり、スイッチング素子１００1〜１００N各々に対応して保護回路１１０1〜１１０Nが接続されている。
【００２２】
保護回路１１０1〜１１０Nには、各々に対応して、発光部１２１1〜１２１Nおよび受光部１２２1〜１２２Nを備えたエラー信号伝達回路１２０1〜１２０Nが接続されている。
【００２３】
保護回路１１０1〜１１０Nは、スイッチング素子１００1〜１００Nの異常発生を検知するか、又はエラー信号伝達回路１２０1〜１２０Nの受光部１２２1〜１２２Nから、後述するようにスイッチング素子の遮断指令が入力されたとき、当該スイッチング素子の動作を遮断する機能と、スイッチング素子１００1〜１００Nの異常発生を検知したときに、当該スイッチング素子に対応するエラー信号伝達回路１２０1〜１２０Nの発光部１２１1〜１２１Nにエラー信号を出力して発光させる機能とを有している。
【００２４】
エラー信号伝達回路１２０1〜１２０Nの発光部１２１1〜１２１Nは、保護回路１１０1〜１１０Nがスイッチング素子１００1〜１００Nの異常を検知して出力するエラー信号によって駆動されて発光する、例えば赤外線発光ダイオードを備えている。
【００２５】
エラー信号伝達回路１２０1〜１２０Nの受光部１２２1〜１２２Nは、発光部１２１1〜１２１Nのいずれかにより発光された光信号を受光する、例えば赤外線フォトダイオードを有し、該受光時に、当該受光した側のエラー信号伝達回路に対応する保護回路（１１０1〜１１０Nのいずれか）にスイッチング素子の遮断指令を出力する機能を備えている。
【００２６】
上記の構成において、例えばスイッチング素子１００1で異常が発生すると、当該スイッチング素子１００1に対応して接続された保護回路１１０1が異常発生を検知し、スイッチング素子１００1の動作を遮断するとともに、エラー信号伝達回路１２０1の発光部１２１1にエラー信号を出力して発光させる。
【００２７】
この発光部１２１1で発光された光信号は、異常が発生していない他のスイッチング素子１００2〜１００Nに対応して設けられたエラー信号伝達回路の受光部１２２2〜１２２Nによって受光される。
【００２８】
このため各受光部１２２2〜１２２Nから各保護回路１１０2〜１１０Nに対してスイッチング素子の遮断指令が出力され、その遮断指令が入力された保護回路１１０2〜１１０Nは、各スイッチング素子１００2〜１００Nの動作を遮断する。
【００２９】
このように、各エラー信号伝達回路１２０1〜１２０N間を接続することなく、複数のスイッチング素子１００1〜１００Nのうちいずれかのスイッチング素子の異常が検知されたことを、それ以外のスイッチング素子に対応するエラー信号伝達回路に光信号によって瞬時に伝達することができる。
【００３０】
また、異常が発生した側のスイッチング素子は、該異常発生を検知した側の保護回路によって確実に動作が遮断される。
【００３１】
次にエラー信号伝達回路１２０1〜１２０Nの具体的な構成例を図２とともに説明する。図２は、例えば１つのプリント基板上に配設された１つのエラー信号伝達回路、例えばエラー信号伝達回路１２０1の構成を示しており、他のエラー信号伝達回路１２０2〜１２０Nも同様に構成されている。
【００３２】
図２の発光部１２１1において、制御電源Ｖcc1の正極と接地（ＧＮＤ）間には、図示極性の赤外線発光ダイオード２１１、ＦＥＴ（電界効果トランジスタ）２１２および抵抗２１３から成る直列回路とコンデンサ２１４とが並列に接続されている。スイッチング素子１００1の異常発生を検知したときに保護回路１００1から出力されるエラー信号（ＥＣ）はＦＥＴ２１２のゲートに入力され、これによってＦＥＴ２１２がオンして赤外線発光ダイオード２１１に電荷が流れ、赤外線発光ダイオード２１１が発光する。
【００３３】
この赤外線発光ダイオード２１１は、その発光方向が、他のエラー信号伝達回路１２０2〜１２０N側となるように配設しておく。
【００３４】
図２の受光部１２２1において、制御電源Ｖcc2の正極は、抵抗２２１および図示極性の赤外線フォトダイオード２２２を介してオペアンプ２２３の負側入力端に接続されている。オペアンプ２２３の正側入力端は接地（ＧＮＤ）され、出力端はコンパレータ２２４の正側入力端に接続されている。
【００３５】
オペアンプ２２３の負側入力端と出力端の間には、帰還コンデンサ２２５および帰還抵抗２２６が並列に接続されている。
【００３６】
他のエラー信号伝達回路１２０2〜１２０Nの発光部１２１2〜１２１Nで発光された光を図２のエラー信号伝達回路１２０1の赤外線フォトダイオード２２２が受光すると、抵抗２２１および赤外線フォトダイオード２２２に電流が流れる。
【００３７】
この電流はオペアンプ２２３によって電圧に変換され、該オペアンプ２２３の出力電圧は、コンパレータ２２４の負側入力端に印加されている閾値電圧Ｖ_ref
を超えるため、コンパレータ２２４からＶ_FLT電圧が出力される。このＶ_FLT電圧は、スイッチング素子の遮断指令として、エラー信号伝達回路１２０1に対応する保護回路１１０1に送られる。そして保護回路１１０1は遮断指令であるＶ_FLTの入力に基づいてスイッチング素子１００1の動作を遮断する。
【００３８】
したがって、オペアンプ２２３、コンパレータ２２４、帰還コンデンサ２２５および帰還抵抗２２６によって、本発明の遮断指令信号生成回路を構成している。
【００３９】
本実施形態例における赤外線発光ダイオード２１１と赤外線フォトダイオード２２２のスペックは、例えば次のものを用いる。
【００４０】
・赤外線発光ダイオード２１１
発光波長：８７０ｎｍ  放射強度ｒａｄｉａｎｔ  ｉｎｔｅｎｓｉｔｙ（ｐｕｌｓｅ）：２．２Ｗ／ｓｒ  ｔｙｐ．
※Ｗ／ｓｒ＝半径１ｍ球の表面積１平方ｍの面が受ける光量
指向性は図３（ａ）の通りである。
【００４１】
・赤外線フォトダイオード２２２
受光感度：０．６３Ａ／Ｗ（波長８７０ｎｍ）  受光面積：２６．４ｍｍ2h 
暗電流：０．５ｎＡ  ｔｙｐ．
指向性は図３（ｂ）の通りである。
【００４２】
次に、本発明を３相インバータに適用した実施例を説明する。本実施例において、スイッチング素子は、各相に上アーム用、下アーム用の２つがあり、３相で合計６個（スイッチング素子１００1〜１００6）が使用される。保護回路およびエラー信号伝達回路もスイッチング素子毎に合計６つを備える（保護回路１１０1〜１１０6、エラー信号伝達回路１２０1〜１２０6）。
【００４３】
これらスイッチング素子１００1〜１００6、保護回路１１０1〜１１０6およびエラー信号伝達回路１２０1〜１２０6は一つの筐体内に収納されるものであり、エラー信号伝達回路１２０1〜１２０6は例えば図４のように、各々プリント基板ＧＰ１〜ＧＰ６に実装し、筐体３００内で水平方向に配設されている。
【００４４】
図４では、筐体３００内の、エラー信号伝達回路１２０1〜１２０6が各々実装されたプリント基板ＧＰ１〜ＧＰ６のみを図示しており、○印は発光部（１２１1〜１２１6）、□印は受光部（１２２1〜１２２6）を各々表している。尚、本実施例では、プリント基板ＧＰ１〜ＧＰ６の水平方向の最大距離は９０ｃｍ程である。
【００４５】
６個のプリント基板ＧＰ１〜ＧＰ６のうち、両端のＧＰ１、ＧＰ６よりも内側のＧＰ２〜ＧＰ５では、各々水平方向両側への信号伝達を行うため、発光部の赤外線発光ダイオード、受光部の赤外線フォトダイオードは、例えば図５のように各々２つを並列に接続し、両側への指向性を持たせている。
【００４６】
すなわち図５はエラー信号伝達回路１２０2と、それが実装されるプリント基板ＧＰ２を示しており、発光部１２１2の赤外線発光ダイオードを２１１ａおよび２１１ｂの２個並列接続とし、互いに指向性を１８０°逆方向となるように配設している。
【００４７】
また受光部１２２2の赤外線フォトダイオードを２２２ａおよび２２２ｂの２個並列接続とし、互いに指向性を１８０°逆方向となるように配設している。
【００４８】
また、赤外線発光ダイオード２１１ａ，２１１ｂと赤外線フォトダイオード２２２ａ，２２２ｂは、プリント基板ＧＰ２上に実装されるが、他の部品により赤外線が遮られることが無いよう、図５のようにプリント基板上の高い位置に配設する。  
【００４９】
これらの構成はプリント基板ＧＰ２〜ＧＰ５に共通した構成である。
【００５０】
尚、水平方向両端に配設されるプリント基板ＧＰ１，ＧＰ６では、赤外線発光ダイオードおよび赤外線フォトダイオードはともに１個づつとし、プリント基板上の高い位置に配設し、それらの指向性は各々隣接するプリント基板側に向く方向とする。
【００５１】
尚、本実施形態例において、１ｍ先の赤外線フォトダイオード２２２（２２２ａ，２２２ｂ）に届く光量は、２．２Ｗ／ｓｒ×２６．４ｍｍ2／１０００ｍｍ2＝５８．１×１０-6Ｗである。
【００５２】
このとき、赤外線フォトダイオード２２２（２２２ａ，２２２ｂ）に流れる電流は０．６３Ａ／Ｗ×５８．１×１０-6＝３６．６μＡとなり、十分に大きな電流が流れる。このため、受光部１２２1〜１２２N内のオペアンプ２２３およびコンパレータ２２４を含む遮断指令信号生成回路（図２、図５）を確実に動作させ、保護回路からスイッチング素子の動作を遮断させることができる。
【００５３】
前記赤外線発光ダイオード２１１および赤外線フォトダイオード２２２のスペックは、設置場所や通信距離（エラー信号の伝達距離）に応じて最適なものを選択するものである。
【００５４】
また本実施例では、赤外線発光ダイオード、赤外線フォトダイオードを用いる例で説明したが、発光素子、受光素子はこれに限らず、可視光線や紫外線を発光、受光するものを用いても実現可能である。その場合も設置場所や通信距離に応じて最適なものを選択する。
【００５５】
尚、前記実施形態例では、保護回路１１０1〜１１０Nを用いていたが、本発明はこれに限らず保護回路を除去して構成してもよい。
【００５６】
すなわち、例えばスイッチング素子１００1〜１００Nの異常を検出する異常検出部を設け、異常を検出したときのエラー信号をエラー信号伝達回路１２０1〜１２０Nの発光部１２１1〜１２１Nに入力して発光させ、受光部１２２1〜１２２Nが光信号を受光したら、コンパレータ２２４から出力されるＶ_FLT電圧を利用して（遮断指令として）スイッチング素子の動作を遮断するように構成する。
【００５７】
以上のように本実施形態例によれば、複数のスイッチング素子を用いる電力変換装置において、あるスイッチング素子の異常を検出した際に、すべてのスイッチング素子の動作を迅速に遮断し、装置全体に損傷が広がる危険性を低減させることができる。
【００５８】
また、エラー信号伝達のための配線が不要であり、１対多の信号伝達が容易に実現できる。これによって、配線接続作業のコスト増大や、故障要因が増えることによる信頼性低下を防止することができる。
【符号の説明】
【００５９】
１００1〜１００N…スイッチング素子
１１０1〜１１０N…保護回路
１２０1〜１２０N…エラー信号伝達回路
２１１，２１１ａ，２１１ｂ…赤外線発光ダイオード
２１２…ＦＥＴ
２２２，２２２ａ，２２２ｂ…赤外線フォトダイオード
２２３…オペアンプ
２２４…コンパレータ
ＧＰ１〜ＧＰ６…プリント基板
Ｖcc1，Ｖcc2…制御電源
【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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【図７】
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