(57)【要約】【課題】電力用スイッチング素子の誤った短絡判定を防止して確実な短絡判定と保護ができる。【解決手段】ＩＧＢＴ駆動回路・短絡保護回路ＤＤは、ＩＧＢＴのコレクタ−エミッタ間の電圧とそのゲート指令のＯＮ／ＯＦＦの論理不一致にから短絡を判定する判定回路と、電流検出部ＨＣＴの検出電流が短絡電流レベルを超えたことを判定する判定回路との両判定回路に、共に判定出力が得られたときに短絡判定と保護出力を得る。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電力用スイッチング素子で主回路を構成した半導体電力変換装置において、
電力用スイッチング素子のコレクタ−エミッタ間電圧とそのゲート指令のＯＮ／ＯＦＦの論理不一致により短絡を判定する第１の判定手段と、
主回路の中間直流電流が短絡電流レベル以上にあることを判定する第２の判定手段と、
前記両判定手段に共に判定出力が得られたときのみ短絡と判定して短絡保護出力を発生する短絡保護出力手段とを備えたことを特徴とする電力用スイッチング素子の短絡保護装置。
【請求項２】
前記第１の判定手段と第２の判定手段のいずれか一方に判定出力が得られた場合は、短絡保護動作と異なる故障あるいは警報を出力する手段を備えたことを特徴とする請求項１に記載の電力用スイッチング素子の短絡保護装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、モータ可変速装置や電力変換用インバータ装置などの半導体電力変換装置に使用される電力用スイッチング素子の短絡保護装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
インバータ装置の主回路を構成するスイッチング素子（ＩＧＢＴ、ＧＯＴ、パワートランジスタ等）が誤動作もしくは故障により、上下アーム共にＯＮ状態になると、インバータ中間直流電源が短絡状態となり、このときの短絡電流によってスイッチング素子が壊滅的に破損する。この壊滅的な破損を防止するために、一般的には短絡保護回路が設置される（例えば、特許文献１、特許文献２参照）。短絡保護方式にはスイッチング素子の特性に合わせて種々の方式があるが、以下に説明するコレクタ電圧検出による保護方式がある。
【０００３】
図３に下アームのＩＧＢＴの駆動回路とその保護回路を示し、図４に短絡検出タイムチャートを示す。動作原理を簡単に説明すると、次のようになる。短絡状態の発生では、ＩＧＢＴゲート信号がＯＮにもかかわらず、ＩＧＢＴのコレクタ−エミッタ間電圧が短絡検出レベル以下にならない。この現象は通常の負荷電流に比べて短絡電流が非常に大きく、ＩＧＢＴが非飽和領域になると考えられる。この現象を利用し、ＩＧＢＴのコレクタ−エミッタ間電圧をダイオードＤを通してドライブ回路ＤＲＶに取り込み、この電圧異常を比較入力とする比較回路で検出し、ドライブ回路ＤＲＶからＩＧＢＴへのゲート信号を即時に絞ると共に、短絡保護検出信号を出力する。これをインバータ装置の制御ＣＰＵ（図示省略）が受けてドライブ回路ＤＲＶへのゲート指令を遮断することで、ＩＧＢＴの上下アーム短絡破損を防止する。
【特許文献１】特開２００１−６１２８１号公報
【特許文献２】特開平３−１８３２０９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
従来のＩＧＢＴ短絡保護方式は、次のような場合に短絡していないにもかかわらず、短絡保護検出信号を出力してしまう。
【０００５】
（１）ＩＧＢＴモジュールの製造不良等により、ＩＧＢＴコレクタ端子と内部チップの間に電気的な接触不良が一瞬でも生じた場合。例えば、上／下アームに接続されたＩＧＢＴではコレクタが常時、中間直流電位／出力電位になっているため、図３の（ａ）点で接触不良が発生すると、その度に検出電圧は高電圧になり、短絡を誤検出してしまう。
【０００６】
（２）ＯＮ側ドライブ電源（Ｖ＋）が何らかの要因で低下し、飽和領域での動作を継続できなくなった場合。例えば、ドライブ回路ＤＲＶの電源の正電圧（Ｖ＋）が著しく低下すると、飽和領域での動作ができずに、コレクタ・エミッタ間飽和電圧が上昇してしまう。これにより、本来ＯＮ時には低電圧（約３Ｖ以下）であるところが、それ以上となり、短絡保護を誤検出してしまう。
【０００７】
上記いずれの場合もＩＧＢＴの上下アーム短絡は起こっていないにもかかわらず、ゲート信号の論理とコレクタ検出電圧の論理が不一致となり、結果的に短絡保護検出信号を出力してしまう。これらの場合、インバータ装置に何らかの故障が発生していることに変わりはないが、最終結果として「ｌＧＢＴ短絡故障」を出力するため、真の故障要因を特定することが難しくなる。
【０００８】
また、ＩＧＢＴの短絡保証は、その短絡耐量範囲内で行わなければならないため、時間的な制約によりハードウェアのみで実現するのが一般的である。ＩＧＢＴの短絡保護が動作した場合は、一般に致命的な故障として扱われるため、誤動作であってもインバータ動作は強制的に停止されることが多い。しかし、ＩＧＢＴが本当に短絡故障していないのであれば、できるだけインバータを普通に動作させたい要求も多い。
【０００９】
本発明の目的は、誤った短絡判定を防止して確実な短絡判定と保護ができる電力用スイッチング素子の短絡保護装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明は、前記の課題を解決するため、電力用スイッチング素子のコレクタ−エミッタ間電圧とそのゲート指令のＯＮ／ＯＦＦの論理不一致による短絡判定と、主回路の中間直流電流が短絡電流レベル以上にあることの判定との両判定が共に得られたときのみ真の短絡と判定するようにしたもので、以下の構成を特徴とする。
【００１１】
（１）電力用スイッチング素子で主回路を構成した半導体電力変換装置において、
電力用スイッチング素子のコレクタ−エミッタ間電圧とそのゲート指令のＯＮ／ＯＦＦの論理不一致により短絡を判定する第１の判定手段と、
主回路の中間直流電流が短絡電流レベル以上にあることを判定する第２の判定手段と、
前記両判定手段に共に判定出力が得られたときのみ短絡と判定して短絡保護出力を発生する短絡保護出力手段とを備えたことを特徴とする。
【００１２】
（２）前記第１の判定手段と第２の判定手段のいずれか一方に判定出力が得られた場合は、短絡保護動作と異なる故障あるいは警報を出力する手段を備えたことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１３】
以上のとおり、本発明によれば、電力用スイッチング素子のコレクタ−エミッタ間電圧とそのゲート指令のＯＮ／ＯＦＦの論理不一致による短絡判定と、主回路の中間直流電流が短絡電流レベル以上にあることの判定との両判定が共に得られたときのみ真の短絡と判定するようにしたため、誤った短絡判定を防止して確実な短絡判定と保護ができる効果がある。具体的には、
・電力用スイッチング素子の製造不良等によりそのコレクタ端子と内部チップの間に電気的な接触不良が一瞬でも生じた場合には、短絡電流は検出されず、短絡故障信号は出力されない。
【００１４】
・ドライブ回路のＯＮ側ドライブ電源（Ｖ＋）が何らかの要因で低下し、飽和領域での動作を継続できなくなった場合でも、短絡電流は検出されず、短絡故障信号は出力されない。
【００１５】
・誤った短絡判定がなくなるため、上位コントローラ等による強制的な電力変換装置の運転停止が減り、電力変換装置としての信頼性を高めることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
図１は、本発明の実施形態を示す要部構成図である。インバータ装置等の半導体電力変換装置の主回路構成は、図１では１相分を示すが他の相も同様の構成にされ、その直流中間部にＩＧＢＴ１，ＩＧＢＴ２を直列接続し、それぞれには逆極性のフライホイールダイオードＤ１、Ｄ２を並列接続し、これらの直列接続点を出力部に接続する。両ＩＧＢＴ１，２はＩＧＢＴ駆動回路によって相補的にオン／オフ駆動される。
【００１７】
この回路構成において、インバータ装置の直流回路の電流を電流検出部ＨＣＴで検出する。ＩＧＢＴ駆動回路・短絡保護回路ＤＤは、従来のＩＧＢＴのコレクタ−エミッタ間の電圧から短絡を判定する判定回路と、電流検出部ＨＣＴの検出電流が短絡電流レベルを超えたことを判定する判定回路との両判定回路に、共に判定出力が得られたときに短絡判定と保護出力を得る短絡保護回路を内蔵する。
【００１８】
この短絡判定と保護出力は、図２に示す論理構成にされる。図２において、比較器ＣＯＭは、電流検出部ＨＣＴからの電流検出信号と予め設定される短絡電流検出レベルとを比較し、電流検出信号が短絡電流検出レベルを超えたことを短絡電流検出の判定出力を得る。論理積回路ＡＮＤは、比較器ＣＯＭから短絡電流検出信号が与えられ、かつ従来と同じの短絡保護検出信号が与えられたときに真の短絡と判定し、短絡保護出力を得る。
【００１９】
従来の方式では、図３に示すようにＩＧＢＴのコレクタ電圧を検出し、その電圧とゲート指令のＯＮ／ＯＦＦの論理不一致によるドライブ回路ＤＲＶの短絡保護検出信号出力のみから、「短絡」と判断している。それに対し、本実施形態では、中間直流部から主回路に流れる電流値が短絡電流相当になっている状態で、かつ従来の短絡保護方式による短絡保護検出信号が出力されている場合のみ短絡状態の判定出力を得、短絡保護動作出力を得る。
【００２０】
本実施形態によれば、例えばＩＧＢＴの製造不良等によりＩＧＢＴコレクタ端子と内部チップの間に電気的な接触不良が一瞬でも生じた場合、従来のＩＧＢＴのコレクタ−エミッタ間電圧からの短絡保護検出信号が発生するも、中間直流電流が設定レベルを超えないため、誤った短絡判定を防止できる。
【００２１】
また、ドライブ回路ＤＲＶのＯＮ側ドライブ電源（Ｖ＋）が何らかの要因で低下し、飽和領域での動作を継続できなくなった場合でも、中間直流電流が設定レベルを超えないため、誤った短絡判定を防止できる。
【００２２】
なお、誤判定が発生した場合（ＩＧＢＴのコレクタ−エミッタ間電圧からの短絡保護検出信号の発生と、中間直流電流による短絡電流検出信号の発生のいずれか一方のみが発生した場合）は、インバータ装置としては健全な状態ではないので、何らかの警報を出力することが望ましい。このような場合は短絡保護動作と異なる故障あるいは警報を出力するのが好ましい。
【００２３】
また、図１に示した電流検出部は、ホール素子を応用したホールＣＴ（ＨＣＴ）を用いるのが一般的であるが、コストダウンのため、シャント抵抗による電圧検出方式でも可能であることは言うまでもない。また、元々直流電流検出機能を有するインバータ装置等では、その機能を流用することができる。
【００２４】
また、電力用スイッチング素子としてＩＧＢＴの場合を示すが、ＧＴＯなどの他の電力用スイッチング素子をもつ半導体電力変換装置に適用して同等の作用効果を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】本発明の実施形態を示す要部構成図。
【図２】実施形態における短絡保護出力の論理。
【図３】従来のＩＧＢＴの駆動回路とその保護回路の要部構成図。
【図４】従来の短絡保護回路のタイムチャート。
【符号の説明】
【００２６】
ＩＧＢＴ１、ＩＧＢＴ２  ＩＧＢＴ
Ｄ１、Ｄ２  Ｄ  ダイオード
ＨＣＴ  電流検出部
ＤＤ  ＩＧＢＴ駆動回路・短絡保護回路
ＣＯＭ  比較器
ＡＮＤ  論理積回路
ＤＲＶ  ドライブ回路
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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