パワーデバイス短絡検出回路
【課題】パワーデバイスを駆動するドライブ基板内に設け、ドライブ基板につながるパワーデバイスのゲート・エミッタ間電圧の変化を利用して短絡故障を検出することができるパワーデバイス短絡検出回路を得る。
【解決手段】パワーデバイス１と、パワーデバイスを駆動するドライブ基板２に設けられたゲート抵抗４と、パワーデバイスのゲート・エミッタ間に設けられ、必要なゲート電圧の変動を利用してパワーデバイスが短絡故障を起こしたことを検出する短絡検出回路５とを備える。
【解決手段】パワーデバイス１と、パワーデバイスを駆動するドライブ基板２に設けられたゲート抵抗４と、パワーデバイスのゲート・エミッタ間に設けられ、必要なゲート電圧の変動を利用してパワーデバイスが短絡故障を起こしたことを検出する短絡検出回路５とを備える。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、ＩＧＢＴやＦＥＴなどの自励式電圧駆動パワーデバイスの短絡故障を検出するパワーデバイス短絡検出回路に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来のパワーデバイスを用いた電力変換装置においては、パワーデバイスの短絡故障の対処方法として、デバイス内に電流センスＩＧＢＴチップやＲＴＣ回路を内蔵したパワーモジュールを用いて短絡電流をデバイス自体が絞る方法や、各パワーデバイスのゲート・エミッタ間へシャント抵抗を外付けして、その間の電圧異常を検出し、故障と判別して変換装置自体が停止する方法などがあった（例えば、特許文献１、２参照）。
【０００３】
【特許文献１】特開２００２−３１５３０３号公報
【特許文献２】特開平６−１２０７８７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかし、従来のパワーデバイスの短絡故障の対処方法では、各パワーモジュール内に過電流検出チップや検出回路を設けるため、パワーモジュールの小型化・低コスト化の弊害となり、また、各パワーモジュールへ外付けでゲート電圧異常検出回路を設けるため、回路の部品点数が多く、複雑化することになり、誤検出などドライブ回路の信頼性の低下となる恐れがあった。
【０００５】
この発明は上記のような課題を解決するためになされたもので、パワーデバイスを駆動するドライブ基板内に設け、ドライブ基板につながるパワーデバイスのゲート・エミッタ間電圧の変化を利用して短絡故障を検出することができるパワーデバイス短絡検出回路を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
この発明に係わるパワーデバイス短絡検出回路は、パワーデバイスを駆動するドライブ基板に設けられたゲート抵抗と、パワーデバイスのゲート・エミッタ間に設けられ、必要なゲート電圧の変動を利用してパワーデバイスが短絡故障を起こしたことを検出する短絡検出回路とを備えたものである。
【発明の効果】
【０００７】
この発明によれば、抵抗・フォトカプラ・ダイオードといった部品で構成した短絡検出回路をドライブ基板へ設けることにより、単体のパワーデバイスでも、複数並列されたパワーデバイスでも、短絡故障を検出して、制御基板へドライブ回路とは絶縁した故障信号を伝達することにより、パワーデバイスの駆動を停止させることにより、健全なパワーデバイスや、他の装置構成部品の破損等被害拡大を阻止することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
実施の形態１．
以下、この発明の実施の形態１におけるパワーデバイス短絡検出回路を図１により説明する。
図において、１は自励式電圧駆動パワーデバイス（ＩＧＢＴ）、２はこのパワーデバイス１を駆動させるドライブ基板、３は制御基板、４はドライブ基板２の上に設けられたゲート抵抗で、パワーデバイス１のゲート電流を調節するものである。５はドライブ基板２の上に設けられた短絡検出回路で、ゲート抵抗４とパワーデバイス１のゲート・エミッタ間に設けられ、必要なゲート電圧の変動を利用して前記パワーデバイスが短絡故障を起こしたことを検出する。
【０００９】
次に、実施の形態１の動作について説明する。
正常時には、パワーデバイス１のゲート電流は、パワーデバイス１がターンＯＮ、ターンＯＦＦする時にだけ流れる。しかし、パワーデバイス１が短絡故障を発生すると、パワーデバイス１のゲートが短絡状態となり、ゲート電流が常時流れるようになる。よって、このゲート電流の変化を用いて、短絡検出回路５はパワーデバイス１の短絡故障を検出する。そして、短絡検出回路５で短絡故障を検出した時、制御基板３へ故障信号として伝達してゲート駆動を停止する。
これにより、標準のパワーデバイスを使用でき、またパワーデバイス毎に設けていた煩雑な短絡検出回路をシンプルにまとめることができる。
【００１０】
実施の形態２．
次に、この発明の実施の形態２におけるパワーデバイス短絡検出回路を図２により説明する。
この実施の形態２においては、短絡検出回路５をフォトカプラ５ａと抵抗５ｂにより構成し、ドライブ基板につながった単体のパワーデバイスが短絡故障を発生したとき、ゲート電圧変動が起こることにより、フォトカプラ５ａに流れる電流の変化を利用してパワーデバイスが短絡故障を起こしたことを検出する。これ以外の構成は実施の形態１と同様である。
【００１１】
次に、実施の形態２の動作について、図３により説明する。
正常時には、パワーデバイス１のゲート電流は、パワーデバイス１がターンＯＮ、ターンＯＦＦする時にだけ流れる。そのため、ターンＯＮ、ターンＯＦＦする時以外、フォトカプラ５ａへ流れる一次側順電流Ｉｆは、ゲート抵抗４と抵抗５ｂにより調節された電流値が流れている。
図３の左側が正常時のパワーデバイス１のゲート電圧波形と、フォトカプラ５ａの順電流Ｉｆを示している。（ターンＯＮ時、ターンＯＦＦ時のＩｆの変化の図示は省略している。）
しかし、パワーデバイス１が短絡故障を発生すると、パワーデバイス１のゲートが短絡状態となり、ゲート電流が常時流れるようになり、フォトカプラ５ａの一次側順電流Ｉｆ値が下がる。
図３の右側が短絡発生時のパワーデバイス１のゲート電圧波形と、フォトカプラ５ａの順電流Ｉｆを示している。
このＩｆ値の変化を用いて、短絡検出回路５はパワーデバイス１の短絡故障として、ドライブ回路とは絶縁して検出することができる。
これにより、短絡検出回路を、抵抗とフォトカプラを用いたシンプルな回路構成とすることができる。また、短絡発生時、パワーデバイスのゲートが短絡状態となりゲート電圧が低下、フォトカプラに流れる電流が変化するので、パワーデバイスが短絡したことをドライブ回路とは絶縁して検出することができる。
【００１２】
実施の形態３．
次に、この発明の実施の形態３におけるパワーデバイス短絡検出回路を図４により説明する。
この実施の形態３においては、短絡検出回路５を更に２個以上の並列パワーデバイス短絡故障検出できるようにしたものである。すなわち、自励式電圧駆動パワーデバイス（ＩＧＢＴ）１を例えば図４のような３個並列とし、３個の並列パワーデバイス１を駆動させるドライブ基板２としている。そして、ドライブ基板２の上には、３個のゲート抵抗４と、短絡検出回路５が設けられており、この短絡検出回路５は、フォトカプラ５ａと、抵抗５ｂと、パワーデバイス１の並列間でゲート電流の干渉を防止する３個の干渉防止用ダイオード５ｃと、同じくパワーデバイス１のＯＦＦ時のみ一次側順電流Ｉｆを流して、パワーデバイス１の並列間でゲート電流の干渉を防止する３個の干渉防止用ダイオード５ｄと、短絡故障が発生した時に正常なゲートから上記ダイオード５ｃ、５ｄを通り、短絡故障したゲートへ短絡電流が流れ込まないように抑制する抑制抵抗５ｅ、５ｆとから構成したものである。
【００１３】
次に、実施の形態３の動作について、図５により説明する。
正常時に、３個の並列パワーデバイス１のすべてがＯＮしていると、ゲート抵抗４→干渉防止用ダイオード５ｃ→抑制抵抗５ｅ→抵抗５ｂ→フォトカプラ５ａを順電流Ｉｆが流れる。ＯＦＦ時は、フォトカプラ５ａ→抵抗５ｂ→抑制抵抗５ｆ→干渉防止用ダイオード５ｄ→ゲート抵抗４を順電流Ｉｆが流れる。
図５の左側が正常時の並列パワーデバイス１のゲート電圧波形と、フォトカプラ５ａの順電流Ｉｆを示している。（ターンＯＮ時、ターンＯＦＦ時のＩｆの変化の図示は省略している。）
しかし、並列パワーデバイス１の内、一つでも短絡故障が発生すると、そのパワーデバイス１のゲート電圧が下がり、他の正常なゲート電圧がある並列パワーデバイスから干渉防止用ダイオード５ｃ、５ｄ、抑制抵抗５ｅ、５ｆを通る横流が発生する。そして、この横流分によってフォトカプラ５ａのＩｆ値が下がることになる。
図５の右側が短絡発生時の並列パワーデバイス１のゲート電圧波形と、フォトカプラ５ａの順電流Ｉｆを示している。
このＩｆ値の変化を用いて、短絡検出回路５は１個のパワーデバイス１の短絡故障をドライブ回路とは絶縁して検出することができる。
これにより、並列パワーデバイス分のフォトカプラを必要としない。また、並列に接続されたパワーデバイスの内、１個でも短絡故障が発生した場合、正常なパワーデバイスのゲート電圧と、短絡故障したパワーデバイスのゲート電圧との間にアンバランスが生じ、フォトカプラに流れる電流が変化するので、パワーデバイスが短絡したことをドライブ回路とは絶縁して検出することができる。
なお、２個以上のパワーデバイスの短絡故障も同様に検出できる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】この発明の実施の形態１におけるパワーデバイス短絡検出回路を示すブロック図である。
【図２】この発明の実施の形態２におけるパワーデバイス短絡検出回路を示すブロック図である。
【図３】この発明の実施の形態２におけるパワーデバイス短絡検出回路の動作を説明する動作説明図である。
【図４】この発明の実施の形態３におけるパワーデバイス短絡検出回路の要部を示すブロック図である。
【図５】この発明の実施の形態３におけるパワーデバイス短絡検出回路の動作を説明する動作説明図である。
【符号の説明】
【００１５】
１ パワーデバイス
２ ドライブ基板
３ 制御基板
４ ゲート抵抗
５ 短絡検出回路
５ａ フォトカプラ
５ｂ 抵抗
５ｃ、５ｄ 干渉防止用ダイオード
５ｅ、５ｆ 抑制抵抗
【技術分野】
【０００１】
この発明は、ＩＧＢＴやＦＥＴなどの自励式電圧駆動パワーデバイスの短絡故障を検出するパワーデバイス短絡検出回路に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来のパワーデバイスを用いた電力変換装置においては、パワーデバイスの短絡故障の対処方法として、デバイス内に電流センスＩＧＢＴチップやＲＴＣ回路を内蔵したパワーモジュールを用いて短絡電流をデバイス自体が絞る方法や、各パワーデバイスのゲート・エミッタ間へシャント抵抗を外付けして、その間の電圧異常を検出し、故障と判別して変換装置自体が停止する方法などがあった（例えば、特許文献１、２参照）。
【０００３】
【特許文献１】特開２００２−３１５３０３号公報
【特許文献２】特開平６−１２０７８７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかし、従来のパワーデバイスの短絡故障の対処方法では、各パワーモジュール内に過電流検出チップや検出回路を設けるため、パワーモジュールの小型化・低コスト化の弊害となり、また、各パワーモジュールへ外付けでゲート電圧異常検出回路を設けるため、回路の部品点数が多く、複雑化することになり、誤検出などドライブ回路の信頼性の低下となる恐れがあった。
【０００５】
この発明は上記のような課題を解決するためになされたもので、パワーデバイスを駆動するドライブ基板内に設け、ドライブ基板につながるパワーデバイスのゲート・エミッタ間電圧の変化を利用して短絡故障を検出することができるパワーデバイス短絡検出回路を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
この発明に係わるパワーデバイス短絡検出回路は、パワーデバイスを駆動するドライブ基板に設けられたゲート抵抗と、パワーデバイスのゲート・エミッタ間に設けられ、必要なゲート電圧の変動を利用してパワーデバイスが短絡故障を起こしたことを検出する短絡検出回路とを備えたものである。
【発明の効果】
【０００７】
この発明によれば、抵抗・フォトカプラ・ダイオードといった部品で構成した短絡検出回路をドライブ基板へ設けることにより、単体のパワーデバイスでも、複数並列されたパワーデバイスでも、短絡故障を検出して、制御基板へドライブ回路とは絶縁した故障信号を伝達することにより、パワーデバイスの駆動を停止させることにより、健全なパワーデバイスや、他の装置構成部品の破損等被害拡大を阻止することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
実施の形態１．
以下、この発明の実施の形態１におけるパワーデバイス短絡検出回路を図１により説明する。
図において、１は自励式電圧駆動パワーデバイス（ＩＧＢＴ）、２はこのパワーデバイス１を駆動させるドライブ基板、３は制御基板、４はドライブ基板２の上に設けられたゲート抵抗で、パワーデバイス１のゲート電流を調節するものである。５はドライブ基板２の上に設けられた短絡検出回路で、ゲート抵抗４とパワーデバイス１のゲート・エミッタ間に設けられ、必要なゲート電圧の変動を利用して前記パワーデバイスが短絡故障を起こしたことを検出する。
【０００９】
次に、実施の形態１の動作について説明する。
正常時には、パワーデバイス１のゲート電流は、パワーデバイス１がターンＯＮ、ターンＯＦＦする時にだけ流れる。しかし、パワーデバイス１が短絡故障を発生すると、パワーデバイス１のゲートが短絡状態となり、ゲート電流が常時流れるようになる。よって、このゲート電流の変化を用いて、短絡検出回路５はパワーデバイス１の短絡故障を検出する。そして、短絡検出回路５で短絡故障を検出した時、制御基板３へ故障信号として伝達してゲート駆動を停止する。
これにより、標準のパワーデバイスを使用でき、またパワーデバイス毎に設けていた煩雑な短絡検出回路をシンプルにまとめることができる。
【００１０】
実施の形態２．
次に、この発明の実施の形態２におけるパワーデバイス短絡検出回路を図２により説明する。
この実施の形態２においては、短絡検出回路５をフォトカプラ５ａと抵抗５ｂにより構成し、ドライブ基板につながった単体のパワーデバイスが短絡故障を発生したとき、ゲート電圧変動が起こることにより、フォトカプラ５ａに流れる電流の変化を利用してパワーデバイスが短絡故障を起こしたことを検出する。これ以外の構成は実施の形態１と同様である。
【００１１】
次に、実施の形態２の動作について、図３により説明する。
正常時には、パワーデバイス１のゲート電流は、パワーデバイス１がターンＯＮ、ターンＯＦＦする時にだけ流れる。そのため、ターンＯＮ、ターンＯＦＦする時以外、フォトカプラ５ａへ流れる一次側順電流Ｉｆは、ゲート抵抗４と抵抗５ｂにより調節された電流値が流れている。
図３の左側が正常時のパワーデバイス１のゲート電圧波形と、フォトカプラ５ａの順電流Ｉｆを示している。（ターンＯＮ時、ターンＯＦＦ時のＩｆの変化の図示は省略している。）
しかし、パワーデバイス１が短絡故障を発生すると、パワーデバイス１のゲートが短絡状態となり、ゲート電流が常時流れるようになり、フォトカプラ５ａの一次側順電流Ｉｆ値が下がる。
図３の右側が短絡発生時のパワーデバイス１のゲート電圧波形と、フォトカプラ５ａの順電流Ｉｆを示している。
このＩｆ値の変化を用いて、短絡検出回路５はパワーデバイス１の短絡故障として、ドライブ回路とは絶縁して検出することができる。
これにより、短絡検出回路を、抵抗とフォトカプラを用いたシンプルな回路構成とすることができる。また、短絡発生時、パワーデバイスのゲートが短絡状態となりゲート電圧が低下、フォトカプラに流れる電流が変化するので、パワーデバイスが短絡したことをドライブ回路とは絶縁して検出することができる。
【００１２】
実施の形態３．
次に、この発明の実施の形態３におけるパワーデバイス短絡検出回路を図４により説明する。
この実施の形態３においては、短絡検出回路５を更に２個以上の並列パワーデバイス短絡故障検出できるようにしたものである。すなわち、自励式電圧駆動パワーデバイス（ＩＧＢＴ）１を例えば図４のような３個並列とし、３個の並列パワーデバイス１を駆動させるドライブ基板２としている。そして、ドライブ基板２の上には、３個のゲート抵抗４と、短絡検出回路５が設けられており、この短絡検出回路５は、フォトカプラ５ａと、抵抗５ｂと、パワーデバイス１の並列間でゲート電流の干渉を防止する３個の干渉防止用ダイオード５ｃと、同じくパワーデバイス１のＯＦＦ時のみ一次側順電流Ｉｆを流して、パワーデバイス１の並列間でゲート電流の干渉を防止する３個の干渉防止用ダイオード５ｄと、短絡故障が発生した時に正常なゲートから上記ダイオード５ｃ、５ｄを通り、短絡故障したゲートへ短絡電流が流れ込まないように抑制する抑制抵抗５ｅ、５ｆとから構成したものである。
【００１３】
次に、実施の形態３の動作について、図５により説明する。
正常時に、３個の並列パワーデバイス１のすべてがＯＮしていると、ゲート抵抗４→干渉防止用ダイオード５ｃ→抑制抵抗５ｅ→抵抗５ｂ→フォトカプラ５ａを順電流Ｉｆが流れる。ＯＦＦ時は、フォトカプラ５ａ→抵抗５ｂ→抑制抵抗５ｆ→干渉防止用ダイオード５ｄ→ゲート抵抗４を順電流Ｉｆが流れる。
図５の左側が正常時の並列パワーデバイス１のゲート電圧波形と、フォトカプラ５ａの順電流Ｉｆを示している。（ターンＯＮ時、ターンＯＦＦ時のＩｆの変化の図示は省略している。）
しかし、並列パワーデバイス１の内、一つでも短絡故障が発生すると、そのパワーデバイス１のゲート電圧が下がり、他の正常なゲート電圧がある並列パワーデバイスから干渉防止用ダイオード５ｃ、５ｄ、抑制抵抗５ｅ、５ｆを通る横流が発生する。そして、この横流分によってフォトカプラ５ａのＩｆ値が下がることになる。
図５の右側が短絡発生時の並列パワーデバイス１のゲート電圧波形と、フォトカプラ５ａの順電流Ｉｆを示している。
このＩｆ値の変化を用いて、短絡検出回路５は１個のパワーデバイス１の短絡故障をドライブ回路とは絶縁して検出することができる。
これにより、並列パワーデバイス分のフォトカプラを必要としない。また、並列に接続されたパワーデバイスの内、１個でも短絡故障が発生した場合、正常なパワーデバイスのゲート電圧と、短絡故障したパワーデバイスのゲート電圧との間にアンバランスが生じ、フォトカプラに流れる電流が変化するので、パワーデバイスが短絡したことをドライブ回路とは絶縁して検出することができる。
なお、２個以上のパワーデバイスの短絡故障も同様に検出できる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】この発明の実施の形態１におけるパワーデバイス短絡検出回路を示すブロック図である。
【図２】この発明の実施の形態２におけるパワーデバイス短絡検出回路を示すブロック図である。
【図３】この発明の実施の形態２におけるパワーデバイス短絡検出回路の動作を説明する動作説明図である。
【図４】この発明の実施の形態３におけるパワーデバイス短絡検出回路の要部を示すブロック図である。
【図５】この発明の実施の形態３におけるパワーデバイス短絡検出回路の動作を説明する動作説明図である。
【符号の説明】
【００１５】
１ パワーデバイス
２ ドライブ基板
３ 制御基板
４ ゲート抵抗
５ 短絡検出回路
５ａ フォトカプラ
５ｂ 抵抗
５ｃ、５ｄ 干渉防止用ダイオード
５ｅ、５ｆ 抑制抵抗
【特許請求の範囲】
【請求項１】
パワーデバイスを駆動するドライブ基板に設けられたゲート抵抗と、
前記パワーデバイスのゲート・エミッタ間に設けられ、必要なゲート電圧の変動を利用して前記パワーデバイスが短絡故障を起こしたことを検出することを特徴とするパワーデバイス短絡検出回路。
【請求項２】
ドライブ基板上へ抵抗とフォトカプラを用いた短絡検出回路を設け、前記ドライブ基板につながった単体のパワーデバイスが短絡故障を発生したとき、ゲート電圧変動が起こることにより、前記フォトカプラに流れる電流の変化を利用して前記パワーデバイスが短絡故障を起こしたことを検出することを特徴とする請求項１記載のパワーデバイス短絡検出回路。
【請求項３】
ドライブ基板につながった２個以上の並列パワーデバイスの内、１個でも短絡故障を発生したとき、各パワーデバイスのゲート電圧のアンバランスにより、前記フォトカプラに流れる電流の変化を利用してパワーデバイスが短絡故障を起こしたことを検出することを特徴とする請求項２記載のパワーデバイス短絡検出回路。
【請求項１】
パワーデバイスを駆動するドライブ基板に設けられたゲート抵抗と、
前記パワーデバイスのゲート・エミッタ間に設けられ、必要なゲート電圧の変動を利用して前記パワーデバイスが短絡故障を起こしたことを検出することを特徴とするパワーデバイス短絡検出回路。
【請求項２】
ドライブ基板上へ抵抗とフォトカプラを用いた短絡検出回路を設け、前記ドライブ基板につながった単体のパワーデバイスが短絡故障を発生したとき、ゲート電圧変動が起こることにより、前記フォトカプラに流れる電流の変化を利用して前記パワーデバイスが短絡故障を起こしたことを検出することを特徴とする請求項１記載のパワーデバイス短絡検出回路。
【請求項３】
ドライブ基板につながった２個以上の並列パワーデバイスの内、１個でも短絡故障を発生したとき、各パワーデバイスのゲート電圧のアンバランスにより、前記フォトカプラに流れる電流の変化を利用してパワーデバイスが短絡故障を起こしたことを検出することを特徴とする請求項２記載のパワーデバイス短絡検出回路。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【公開番号】特開２００８−１５４３７２（Ｐ２００８−１５４３７２Ａ）
【公開日】平成２０年７月３日（２００８．７．３）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００６−３３９９２６（Ｐ２００６−３３９９２６）
【出願日】平成１８年１２月１８日（２００６．１２．１８）
【出願人】（５０１１３７６３６）東芝三菱電機産業システム株式会社 (904)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２０年７月３日（２００８．７．３）
【国際特許分類】
【出願日】平成１８年１２月１８日（２００６．１２．１８）
【出願人】（５０１１３７６３６）東芝三菱電機産業システム株式会社 (904)
【Ｆターム（参考）】
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