(57)【要約】【課題】スイッチング遅れが変化してもスイッチングオン時に誤検出することがなく、スイッチング素子を破壊から確実に保護することのできるスイッチング素子短絡検出回路を提供する。【解決手段】電力変換装置の出力部を構成する３相ブリッジ接続されたＩＧＢＴ４ａ〜４ｆの出力電圧９ａを検出する検出部９と、検出部９の出力信号と出力判定基準値を比較する出力電圧判定部１０と、ＩＧＢＴ４ａ〜４ｆのゲートのオンオフを判定するゲート判定部８と、ゲート判定部８の出力信号と出力電圧判定部１０の出力信号により短絡を判定する短絡判定部１１と、短絡判定部１１の出力信号のアクティブ状態を一定期間保持する保持部１３を備えたスイッチング素子短絡検出回路において、ゲート判定部８を、ゲート電圧６ｂとゲート判定基準値８ａを比較してゲートのオンオフを判定する構成とした。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電力変換装置の出力部を構成する３相ブリッジ接続されたスイッチング素子の出力電圧を検出する出力電圧検出部と、前記出力電圧検出部の出力信号と出力判定基準値を比較する出力電圧判定部と、前記スイッチング素子のゲートのオンオフを判定するゲート判定部と、前記ゲート判定部の出力信号と前記出力電圧判定部の出力信号により短絡を判定する短絡判定部と、前記短絡判定部の出力信号のアクティブ状態を一定期間保持する保持部を備えた短絡検出回路において、
前記ゲート判定部を、ゲート電圧とゲート判定基準値を比較して前記ゲートのオンオフを判定する構成としたことを特徴とするスイッチング素子短絡検出回路。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、モータ駆動用電力変換装置のスイッチング素子の短絡を検出するスイッチング素子短絡検出回路に関する。
【背景技術】
【０００２】
モータ駆動用電力変換装置（インバータ）のスイッチング素子として、自己消弧特性を有するＩＧＢＴ(Insulated Gate Bipolar Transistor)が用いられている。三相モータの場合、直流電源間に６個のＩＧＢＴを３相ブリッジ接続し、各アームのＩＧＢＴの接続点にモータの三相の巻線を接続し、ＩＧＢＴをスイッチング制御することにより巻線に電流を流してモータを三相駆動する。このとき、同じアームのＩＧＢＴが何らかの原因で同時にオンになると、過大な電流がＩＧＢＴに流れ、ＩＧＢＴの破壊に至る。このようなＩＧＢＴの短絡を保護するために、短絡検出回路が各種提案されている（例えば、特許文献１、２参照）。
【０００３】
図５に従来例の一つである短絡検出回路を適用した電力変換装置の回路図を示す。同図において、１は３相交流電源、２は三相交流電圧を整流するダイオード整流器、３はダイオード整流器２の出力端子に接続された平滑コンデンサ、４ａ〜４ｆはダイオードが逆並列に接続されたＩＧＢＴ、５は負荷となるモータ、６はＩＧＢＴ４ａ〜４ｆ（図面では、便宜上、ＩＧＢＴ４ｆの回路のみ示す）のゲート端子に接続されたゲート抵抗、７は制御部（図示せず）より出力されたＰＷＭ信号７ａに応じてＩＧＢＴ４ｆのゲートを駆動するゲート駆動信号７ｂを出力するゲート駆動部、８はＩＧＢＴ４ｆのゲートのオンオフを判定するゲート判定部、９は出力電圧９ａを検出する出力電圧検出部、１０は出力電圧検出部９の出力信号９ｂと出力電圧判定基準値１０ａとを比較する出力電圧判定部、１１はゲート判定部８の出力８ｂと出力電圧判定部１０の出力１０ｂにより短絡を判定する短絡判定部、１２はローパスフィルタ、１３はローパスフィルタ１２の出力信号がアクティブとなった時、状態を保持する保持回路である。
なお、図５では、便宜上、ＩＧＢＴ４ｆのみの短絡保護回路を示しているが、実際は全てのＩＧＢＴ４ａ〜４ｆに短絡保護回路が設けられている。
【０００４】
図６にＩＧＢＴ４ａ〜４ｆの出力電圧Ｖｃｅと出力電流ｉｃの関係を示す。ＩＧＢＴはゲート電圧６ｂがオフ（Ｖｇｓ＝０）の場合、出力電圧にかかわりなく出力電流は流れない。ゲート電圧６ｂがオン（図ではＶｇｓ＝１５Ｖ）の場合、出力電圧Ｖｃｅが低ければ正常な電流で、出力電圧Ｖｃｅが高ければ大きな電流が流れていると判断できる。なお、図６中、Ｖｃｅ(max)およびｉｃ(max)はそれぞれ最大定格電圧および電流、Ｖｃｅ(sc)およびｉｃ(sc)はそれぞれ短絡時電圧および電流を示す。
【０００５】
図７に短絡ではない正常状態の従来の短絡検出回路の各部の波形を示す。
ゲート駆動信号７ｂがオフからオンになった時、ゲート抵抗６を通って電荷がＩＧＢＴ４ｆの入力容量に充電され、それに応じてゲート電圧６ｂが徐々に高くなる。ゲート電圧６ｂがしきい値になるまでスイッチングが開始されず出力電圧検出信号９ｂは高いままである。ゲート電圧６ｂがしきい値に達するとスイッチングが始まる。スイッチング時はゲート電圧６ｂは一定値に保持される。スイッチングが完了すると再びゲート電圧６ｂは上昇する。
【０００６】
このように、従来の短絡検出回路では、ゲートのオンオフをゲート駆動信号７ｂの大きさで判定している。
そのため、ターンオン時に必ずゲート判定信号８ｂと出力電圧判定信号１０ｂがともにアクティブとなり、短絡判定信号がアクティブとなる。
正常状態のターンオン時、誤検出を防止するために、短絡判定信号は、正常状態のターンオン時にアクティブになる期間マスクするようローパスフィルタ１２を通される。
【０００７】
図８に短絡時の従来の短絡検出回路の各部波形を示す。短絡が発生するまでは、図７と同じ波形である。短絡発生時、出力電圧検出値９ｂは出力判定基準値１０ａより高くなり、ゲート駆動信号７ｂはゲート判定基準値８ａより高い。よって短絡判定信号１１ｂは、短絡期間中アクティブとなっている。
【０００８】
【特許文献１】特開平５−２１９７５２号公報（段落００１６−００２１、図１）
【特許文献２】特開平７−２５０４８２号公報（段落００２１−００２６、図１）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
ところが、上記の従来技術において、短絡判定信号１１ｂは、スイッチングオン時の誤検出を防止のため、ローパスフィルタ１２を通されるので、短絡の検出が遅れるという問題がある。
また、ゲート駆動用の電源電圧やゲート抵抗６の特性変化や、発熱を抑えたりノイズを抑える目的のためゲート抵抗６を交換した場合、スイッチング時のゲート電圧６ｂの立ち上がり遅れが変化する。ＩＧＢＴの入力容量をＣｉｎ、ゲート抵抗をｒｇ、ゲート駆動電圧をＥｇとすると、ゲート電圧Ｖｇは次式で表される。
【００１０】
【数１】
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【００１１】
ここで、ゲート駆動電圧Ｅｇが低くなった場合や、ゲート抵抗Ｒｇが大きくなった場合、ゲート電圧Ｖｇの立ち上がりは遅くなる。
ゲート電圧Ｖｇの立ち上がりが遅くなった場合の各部波形を図９に示す。ゲート電圧Ｖｇの立ち上がりが遅くなったことにより、出力電圧検出信号９ｂの立ち下がりもゲート駆動信号７ｂから遅れるため、短絡判定信号１１ｂの誤検出時間も長くなる。
そのため、ローパスフィルタ１２で十分マスクできず誤検出してしまうという問題もある。
【００１２】
その対策として、ゲート電圧６ｂの変化を考慮して、ローパスフィルタ１２のフィルタ時定数を十分長くすることが考えられる。
図１０は、ローパスフィルタ１２のフィルタ時定数を大きくしたときの短絡状態の各部波形を示すものである。短絡発生時、出力電圧検出値９ｂは出力判定基準値１０ａより高くなり、ゲート駆動信号７ｂはゲート判定基準値８ａより高い。よって短絡判定信号１１ｂは短絡期間中アクティブとなっている。しかし、ローパスフィルタ１２のフィルタ時定数が大きいため、ローパスフィルタ出力１２ｂが保持回路基準電圧に達せず、保持回路１３はオン出力を出すことができない。短絡時に検出が遅れると、最悪の場合、スイッチング素子であるＩＧＢＴが破壊するという問題がある。
【００１３】
そこで本発明は、スイッチング遅れが変化してもスイッチングオン時に誤検出することがなく、スイッチング素子を破壊から確実に保護することのできるスイッチング素子短絡検出回路を提供することを目的とするものである。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
上記課題を解決するために、本発明は、電力変換装置の出力部を構成する３相ブリッジ接続されたスイッチング素子の出力電圧を検出する出力電圧検出部と、前記出力電圧検出部の出力信号と出力判定基準値を比較する出力電圧判定部と、前記スイッチング素子のゲートのオンオフを判定するゲート判定部と、前記ゲート判定部の出力信号と前記出力電圧判定部の出力信号により短絡を判定する短絡判定部と、前記短絡判定部の出力信号のアクティブ状態を一定期間保持する保持部を備える短絡検出回路において、前記ゲート判定部を、ゲート電圧とゲート判定基準値を比較して前記ゲートのオンオフを判定する構成としたことを特徴とする。
本発明においては、ゲート信号の状態を、ゲート抵抗の前のゲート駆動信号でなく、ゲート抵抗の後ゲート信号により判定するので、ゲート駆動電圧やゲート抵抗が変化してスイッチング遅れが変化しても、スイッチングオン時に誤検出することがない。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によるスイッチング素子短絡検出回路によれば、ゲート判定部を、ゲート電圧とゲート判定基準値を比較してスイッチング素子のゲートのオンオフを判定する構成としたことにより、スイッチング素子の正常状態のターンオン時に短絡判定信号がアクティブになることがなく、短絡時のみにアクティブになるので、短絡検出遅れを小さくできる。
また、ゲート駆動部の電源の低下や、ゲート抵抗の特性変化、ゲート抵抗の交換などにより、ゲート電圧の立ち上がりが遅くなっても、正常状態のターンオン時に短絡判定信号がアクティブになることがなく、従来のように短絡判定信号がアクティブになる期間が長くなくことがない。そのため、従来のようにローパスフィルタの時定数を変化させなくても、短絡誤検出を防止できる。
さらに、従来のように、ローパスフィルタ時定数を大きくすることで、短絡検出が遅れ、スイッチング素子を破壊するということもなく、良好な短絡検出特性が得られる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
以下、本発明の実施形態を説明する。
図１は本発明の一実施形態であるＩＧＢＴ短絡保護回路である。
同図において、１は３相交流電源、２は三相交流電圧を整流するダイオード整流器、３はダイオード整流器２の出力に接続された平滑コンデンサ、４ａ〜４ｆはダイオードが逆並列に接続されたＩＧＢＴ、５は負荷となるモータ、６はＩＧＢＴ４ａ〜４ｆ（図面では、ＩＧＢＴ４ｆの回路のみ示す）のゲート端子に接続されたゲート抵抗、７は制御部（図示せず）より出力されたＰＷＭ信号７ａに応じてＩＧＢＴ４ｆのゲートを駆動するゲート駆動信号７ｂを出力するゲート駆動部、８はＩＧＢＴ４ｆのゲートのオンオフを判定するゲート判定部、９は出力電圧９ａを検出する出力電圧検出部、１０は、出力電圧検出部９の出力信号９ｂと出力電圧判定基準値１０ａとを比較する出力電圧判定部、１１はゲート判定部８の出力８ｂと出力電圧判定部１０の出力１０ｂにより短絡を判定する短絡判定部、１２はローパスフィルタ、１３はローパスフィルタの出力信号がアクティブとなった時、状態を保持する保持回路である。
なお、図１では、便宜上、ＩＧＢＴ４ｆのみの短絡保護回路を示しているが、実際は全てのＩＧＢＴ４ａ〜４ｆに短絡保護回路が設けられている。
【００１７】
本実施形態のＩＧＢＴ短絡保護回路が図５の従来例と相違する点は、ゲート判定部８での判定に、ゲート抵抗６の前のゲート駆動信号７ｂではなく、ゲート抵抗６の後のゲート電圧６ｂを使用する点である。
図２に本実施形態の正常状態の各部の波形を示す。
ゲート駆動信号７ｂがオフからオンになった時、ゲート抵抗６を通って電荷がＩＧＢＴ４ｆの入力容量に充電され、それに応じてゲート電圧６ｂが徐々に高くなる。ゲート電圧６ｂがしきい値になるまでスイッチングが開始されず出力電圧検出信号９ｂは高いままである。ゲート電圧６ｂがしきい値に達するとスイッチングが始まる。スイッチング中はゲート電圧６ｂが一定値に保持される。スイッチングが完了すると再びゲート電圧６ｂは上昇する。
【００１８】
ゲート判定部８は、ゲート判定基準値８ａとゲート電圧６ｂを比較してゲート電圧６ｂが高い場合アクティブとなるゲート判定信号８ｂを出力する。出力判定部１０は出力判定基準値１０ａと出力電圧検出信号９ｂを比較して出力電圧検出信号９ｂが高い場合にアクティブとなる出力判定信号１０ｂを出力する。
本実施形態では、従来例と違い、正常状態のターンオン時、ゲート判定信号８ｂと出力判定信号１０ｂがともにアクティブにならないので、短絡判定信号１１ｂもアクティブにならない。したがって、正常状態のターンオン時の誤検出がない。
【００１９】
図３に短絡時の各部の波形を示す。
短絡が発生するまでは、図２と同じ波形である。短絡時、ゲート電圧６ｂはゲート判定基準値８ａより高く、ゲート判定信号８ｂはアクティブである。短絡が発生すると、出力電圧検出信号９ｂは出力判定基準値１０ａより高くなり、出力判定信号１０ｂはアクティブとなる。短絡判定信号１１ｂは短絡時だけアクティブとなる。そのため従来回路より、ローパスフィルタ１２の時定数を小さくすることができ、短絡検出遅れを小さくできる。また、ローパスフィルタ１２を省略することもできる。
【００２０】
図４に、正常動作時において、ゲート電圧６ｂの立ち上がりが遅くなった場合の各部の波形を示す。ゲート駆動部の電源の低下や、ゲート抵抗の特性変化、ゲート抵抗の交換などにより、ゲート電圧６ｂの立ち上がりが遅くなってもゲート判定部８は、ゲート判定基準値８ａとゲート電圧６ｂを比較してゲート電圧６ｂが高い場合アクティブとなるゲート判定信号８ｂを出力するため、ゲート判定信号８ｂのアクティブになるタイミングが遅れるだけである。そのため、従来例のようにターンオン時に短絡判定信号１１ｂがアクティブになることはない。
したがって、ローパスフィルタ時定数を大きくすることで、短絡検出が遅れ、スイッチング素子を破壊するということがない。
【産業上の利用可能性】
【００２１】
本発明は、スイッチング遅れが変化してもスイッチングオン時に誤検出することがなく、スイッチング素子を破壊から確実に保護することのできるスイッチング素子短絡検出回路として、モータ駆動用電力変換装置に好適に利用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】本発明の実施形態に係るスイッチング素子短絡検出回路図である。
【図２】本実施形態の動作を説明するための正常状態の各部波形図である。
【図３】本実施形態の動作を説明するための短絡状態の各部波形図である。
【図４】本実施形態におけるゲート電圧の立ち上がりが遅くなった場合の各部波形図である。
【図５】従来のスイッチング素子短絡検出回路図である。
【図６】ＩＧＢＴの出力電圧と出力電流の関係を示す図である。
【図７】従来の動作を説明するための正常状態の各部波形図である。
【図８】従来の動作を説明するための短絡状態の各部波形図である。
【図９】従来の動作を説明するためのゲート信号立ち上がりが遅れた時の各部波形図である。
【図１０】従来の動作を説明するためのフィルタ時定数を大きくした時の短絡状態の各部波形図である。
【符号の説明】
【００２３】
１  ３相交流電源、
２  ダイオード整流器
３  平滑コンデンサ
４ａ〜４ｆ  ダイオードが逆並列に接続されたＩＧＢＴ
５  モータ
６  ゲート抵抗
６ｂ  ゲート電圧
７  ゲート駆動部、
７ａ  ＰＷＭ信号
７ｂ  ゲート駆動信号
８  ゲート判定部
８ａ  ゲート判定基準値
８ｂ  ゲート判定信号
９  出力電圧検出部
９ａ  出力電圧
９ｂ  出力電圧検出信号
１０  出力電圧判定部
１０ａ  出力判定基準値
１０ｂ  出力判定信号
１１  短絡判定部
１１ｂ  短絡判定信号
１２  ローパスフィルタ
１２ｂ  ローパスフィルタ出力
１３  保持回路
【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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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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