電力変換器
【課題】スイッチング素子が故障に至る前に、短絡保護や過電圧抑制が可能で応答性能の高い電力変換器を提供することである。
【解決手段】短絡判定手段５は、第１の比較手段７ａによりゲート電流検出手段４で検出されたゲート電流Ｉｇに対応した電圧が第１の基準電圧発生手段６ａの正基準電圧以上となってから所定時間内に、第２の比較手段７ｂによりゲート電流検出手段４で検出されたゲート電流Ｉｇに対応した電圧が第２の基準電圧発生手段６ａの負基準電圧以下となったときは、スイッチング素子１の短絡と判定する。
【解決手段】短絡判定手段５は、第１の比較手段７ａによりゲート電流検出手段４で検出されたゲート電流Ｉｇに対応した電圧が第１の基準電圧発生手段６ａの正基準電圧以上となってから所定時間内に、第２の比較手段７ｂによりゲート電流検出手段４で検出されたゲート電流Ｉｇに対応した電圧が第２の基準電圧発生手段６ａの負基準電圧以下となったときは、スイッチング素子１の短絡と判定する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電力用スイッチング素子を用いた電力変換器に関する。
【背景技術】
【０００２】
電力用スイッチング素子を応用した電力変換器は、スイッチング素子の大容量化・高速化に伴い、その応用範囲を着実に広げている。このような電力用スイッチング素子において、特に、最近応用分野を伸ばしてきたのがＭＯＳゲート型のスイッチング素子であるＩＧＢＴやＭＯＳＦＥＴである。
【０００３】
ＩＧＢＴやＭＯＳＦＥＴは、オン・オフ状態を自己継続しないノンラッチング型のスイッチング素子であり、サイリスタ等のラッチング型のスイッチング素子に比べて、ゲート駆動による高い制御性が可能な点が大きな利点である。短絡時においても、ゲート電圧を絞ることにより短絡電流を減じることができるため、ＩＧＢＴのゲート電圧を絞ることによる短絡保護方式を適用した電力変換器が実用化されている。
【０００４】
短絡事故が発生した際のスイッチング素子を保護するものとして、スイッチング素子がオン状態の時のコレクタ電圧を検出し、このコレクタ電圧が基準値よりも高い時に過電流や短絡状態であると検出するものがある（例えば、特許文献１参照）。
【０００５】
また、半導体素子のゲート駆動回路からゲートに流れ込むオンゲート電流または半導体素子のゲートよりゲート駆動回路へ流れ込むオフゲート電流を健全時の電流と比較して短絡故障を検出するようにしたものがある（例えば、特許文献２参照）。
【特許文献１】特開２００１−１９７７２４号公報
【特許文献２】特開２００７−２０２２３８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかし、特許文献１のものでは、スイッチング素子のコレクタ電圧を検出することで短絡を検出し遮断を行うものであるが、短絡を検出するまでの時間が長く、スイッチング素子が破壊する可能性がある。
【０００７】
また、特許文献２のものは、スイッチング素子が破壊などして短絡状態で動作できない状態（故障）になったことを検出するものであり、スイッチング素子が通常動作ができる状態において短絡をできるようにしたものではない。
【０００８】
通常、スイッチング素子がターンオンすると、スイッチング素子の主電極間の電圧はスイッチング素子で決まる非常に低い電圧となるが、スイッチング素子の短絡時には、直流電圧および主回路のインダクタンスと短絡電流で決まる電圧が発生する。短絡電流はスイッチング素子の特性によって決まるが、定格電流の数倍から十数倍の非常に大きな電流であり、大きな電流が流れると大きな損失が発生し、スイッチング素子が破壊してしまうことになる。そこで、早期に短絡を検出し保護動作を行う必要がある。
【０００９】
しかし、ターンオンの過渡時には高耐圧のスイッチング素子ほどコレクタ電圧が減少するのに時間がかかるので、コレクタ電圧を検出して短絡検出するものでは、スイッチング素子がオンするまでの一定期間はマスクする必要がある。この結果、短絡や過電流を検出するまでの時間が比較的長くかかってしまい、スイッチング素子が破壊する可能性がある。さらに、過大な電流を遮断するために、サージ電圧が発生しスイッチング素子が破壊する可能性もある。
【００１０】
また、通常動作時においては、スイッチング素子をオンさせるために、スイッチング素子のゲート端子にゲート抵抗を介して約＋１５Ｖ程度の電圧を印加する。そうすると、ゲート抵抗によって制限されたゲート電流がゲート端子へ流れ、スイッチング素子はオンを行う。オフさせるためには、スイッチング素子のゲート端子にゲート抵抗を介して約−１５Ｖ程度の電圧を印加する。そうすると、スイッチング素子のゲート電荷がゲート端子から流れ出し、スイッチング素子はオフを行う。このとき、ゲート電流は検出されておらず制御はしていない。
【００１１】
従って、オン・オフ時のゲート電流はゲート抵抗で決まり、オン時の突入電流やオフ時の過電圧が発生し、スイッチング素子が破壊する可能性がある。また、スイッチング素子の応答速度もゲート抵抗で決まる。ゲート抵抗を下げると過電圧や損失などにも影響するため、抵抗値の小さいゲート抵抗を使って応答速度を上げることは困難である。
【００１２】
本発明の目的は、スイッチング素子が故障に至る前に、短絡保護や過電圧抑制が可能で応答性能の高い電力変換器を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本発明に係わる電力変換器は、スイッチング素子のゲート電流を検出するためのゲート電流検出手段と、正の基準電圧を発生する第１の基準電圧発生手段と、負の基準電圧を発生する第２の基準電圧発生手段と、前記ゲート電流検出手段で検出されたゲート電流に対応した電圧と前記第１の基準電圧発生手段の正の基準電圧とを比較する第１の比較手段と、前記ゲート電流検出手段で検出されたゲート電流に対応した電圧と前記第２の基準電圧発生手段の負の基準電圧とを比較する第２の比較手段と、前記第１の比較手段により前記ゲート電流検出手段で検出されたゲート電流に対応した電圧が前記第１の基準電圧発生手段の正基準電圧以上となってから所定時間内に前記第２の比較手段により前記ゲート電流検出手段で検出されたゲート電流に対応した電圧が前記第２の基準電圧発生手段の負基準電圧以下となったときは前記スイッチング素子の短絡と判定する短絡判定手段とを具備することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、スイッチング素子が故障に至る前に、短絡保護や過電圧抑制が可能で応答性能の高い電力変換器を提供できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
（第１の実施の形態）
図１は、本発明の第１の実施の形態に係わる電力変換器の構成図である。スイッチング素子１にはフライホイールダイオード２が並列接続され、スイッチング素子１はゲート回路３によって駆動される。これによりスイッチング素子１の素子電流Ｉｃが制御される。ゲート回路３からスイッチング素子１のゲートに与えられるゲート電流Ｉｇは、ゲート電流検出手段４で検出され、第１の比較手段７ａ及び第２の比較手段７ｂに入力される。
【００１６】
第１の比較手段７ａは、ゲート電流検出手段４で検出されたゲート電流Ｉｇに対応した電圧と第１の基準電圧発生手段６ａの正の基準電圧とを比較する。また、第２の比較手段７ｂは、ゲート電流検出手段４で検出されたゲート電流Ｉｇに対応した電圧と第２の基準電圧発生手段６ｂの負の基準電圧とを比較する。
【００１７】
短絡判定手段５は、第１の比較手段７ａによりゲート電流検出手段４で検出されたゲート電流が第１の基準電圧発生手段６ａの正基準電圧以上となってから所定時間内に、第２の比較手段７ｂによりゲート電流検出手段４で検出されたゲート電流が第２の基準電圧発生手段６ｂの負基準電圧以下となったときはスイッチング素子２の短絡と判定するものである。
【００１８】
次に、動作を説明する。図２は本発明の実施の形態における電力変換器の通常動作時のゲート電流Ｉｇ及び素子電流Ｉｃの波形図である。電力変換器はゲート回路３によって、スイッチング素子１を駆動して電流をオンオフしている。図２に示すように、ゲート電流Ｉｇが時点ｔ１で正方向に流れると、スイッチング素子１はオンし、素子電流Ｉｃは急峻な傾きで流れる。このときの急峻な電流は、スイッチング素子１と対となるアームのフライホイールダイオード（ＦＷＤ）２が逆回復状態にあり、スイッチング素子１と対となるアームのＦＷＤ２とで直流回路を短絡した状態にあるためである。
【００１９】
一方、図３は、本発明の実施の形態における電力変換器の短絡時のゲート電流Ｉｇ及び素子電流Ｉｃの波形図である。
【００２０】
スイッチング素子１が直流電圧を短絡したときには、ゲート電流Ｉｇが時点ｔ１で正方向に流れると、定格電流の何倍もの電流がスイッチング素子に流れる。ここで、スイッチング素子１の素子電流Ｉｃとスイッチング素子１のゲート電圧には深い関係があり、一般にゲート電圧が高いほど大きな素子電流Ｉｃを流すことができる。
【００２１】
逆に、スイッチング素子１に短絡電流のような大電流が流れると、ゲート電圧は上昇する。一方で、ゲート回路３の電圧はスイッチング素子１がオンしているときは約１５Ｖ程度である。このため、スイッチング素子１の短絡時に過大な電流が流れると、スイッチング素子１のゲート電圧がゲート回路３の電圧よりも高くなり、スイッチング素子１からゲート回路３へ電流が流れ込む。
【００２２】
この結果、短絡時には図３に示すように、スイッチング素子１をオンさせるためのゲート電流が時点ｔ１で流れた後、短絡したためにオンさせる電流とは逆方向のゲート電流時点ｔ２でが流れることになる。つまり、オン時のゲート電流Ｉｇが正負に振れたかを判定することで、通常のオンか短絡かを判定できることになる。
【００２３】
この判定を実現するために、第１の実施の形態では、ゲート電流検出手段４の出力を二つの比較手段７ａ、７ｂに入力する。比較手段７ａ、７ｂには、それぞれ基準電圧発生手段６ａ、６ｂの出力も入力され、ゲート電流検出手段４の信号と比較される。基準電圧発生手段６ａ、６ｂはそれぞれ正負の基準電圧を発生し、そのレベルよりもゲート電流検出手段４の出力が大きいかを比較し、短絡判定手段５へ結果を出力する。短絡判定手段５では、まず正の基準電圧よりもゲート電流検出手段４の出力が大きいかを検出する。そして、検出された場合には、そこから指定した所定時間の間に、負の基準電圧よりゲート電流検出手段４の出力が小さい信号があれば短絡とみなし、ゲート回路３によりゲート電圧を絞り短絡保護を行うことが可能になる。
【００２４】
以上の説明では、ゲート電流検出手段４でゲート電流Ｉｇを電圧で検出し、第１の基準電圧発生手段６ａの正の基準電圧、第２の基準電圧発生手段６ｂの負の基準電圧と比較するようにしたが、ゲート電流検出手段４でゲート電流Ｉｇを電流で検出し、正の基準電流、負の基準電流と比較するようにしてもよい。
【００２５】
第１の実施の形態によれば、ゲート電流検出手段の出力の時間変化を検出することで、スイッチング素子が故障に至る前に早期に短絡を検出し、スイッチング素子を保護することが可能になる。
【００２６】
（第２の実施の形態）
図４は本発明の第２の実施の形態に係わる電力変換器の構成図である。この第２の実施の形態は、第１の実施の形態に対し、ゲート電流検出手段４に加えてゲート電圧検出手段８を設け、ミラー期間判定手段９により、ゲート電流が流れ込んでいて、かつゲート電圧が一定となっているときにミラー期間と判定し、スイッチング素子１のオフ時の電圧を抑制するようにしたものである。
【００２７】
スイッチング素子１にはフライホイールダイオード２が並列接続され、スイッチング素子１はゲート回路３によって駆動される。これによりスイッチング素子１の素子電流Ｉｃが制御される。ゲート回路３からスイッチング素子１のゲートに与えられるゲート電流Ｉｇは、ゲート電流検出手段４で検出され、比較手段７に入力される。基準電圧発生手段６は、スイッチング素子１のオフ時基準電圧を発生する。比較手段７は、ゲート電流検出手段４で検出されたゲート電流Ｉｇに対応した電圧と基準電圧発生手段６からのオフ時基準電圧（負の基準電圧）とを比較する。
【００２８】
ミラー期間判定手段９は、比較手段７によりゲート電流検出手段４で検出されたゲート電流が基準電圧発生手段６のオフ時基準電圧以下となっている状態で、ゲート電圧検出手段８で検出されたゲート電圧がほぼ一定となるミラー期間を検出したときは、スイッチング素子１のオフ時の電圧を抑制するようにゲート回路３に指令を出力する。
【００２９】
次に、動作を説明する。スイッチング素子１がオフするとき、ゲート回路３は約−１５Ｖを印加してゲート電流を負方向に流す。これにより、スイッチング素子１のゲート・エミッタ間容量に蓄えられていた電荷が放電され、スイッチング素子１のゲート電圧は減少していく。次に、ゲート・コレクタ間の帰還容量からゲート電流が流れ込んでくる。このとき、ゲート・エミッタ間容量の放電はほとんど行われなくなるため、ゲート電圧はほぼ一定となる。最後に、ゲート・エミッタ間容量が放電され、コレクタ電圧が増加し始め、ゲート電圧は−１５Ｖまで低下しオフが完了する。
【００３０】
ここで、ゲート電圧がほぼ一定となる期間をミラー期間と呼ぶ。図４では、ゲート電流検出手段４により、オフ時のゲート電流Ｉｇが流れ込んでいることを検出している。また、ゲート電圧検出手段８により、ゲート電圧Ｖｇを検出し、ミラー期間判定手段９に入力する。ミラー期間判定手段９はゲート電流Ｉｇが流れ込んでいて、かつ、ゲート電圧Ｖｇが一定となっているとき、ミラー期間と判定する。
【００３１】
ミラー期間と判定されたとき、ゲート回路３のゲート抵抗を大きくしたり、スイッチング素子１から引き出すゲート電流Ｉｇを小さくしたりすることで、オフ時のサージ電圧を抑制することが可能になる。特に、過電流時には通常よりも大きな電流を遮断することになるため、短絡検出後の遮断ではミラー期間を検出したらオフ条件を変えることにより、スイッチング素子１が破壊することなくオフすることが可能になる。
【００３２】
第２の実施の形態によれば、ゲート電流とゲート電圧とを検出することでミラー期間を判定し、スイッチング素子１のオフ時の電圧を抑制することが可能になる。
【００３３】
（第３の実施の形態）
図５は本発明の第３の実施の形態に係わる電力変換器の構成図である。この第３の実施の形態は、ゲート電圧検出手段８で検出されたゲート電圧を微分する微分手段１０を設け、ミラー期間判定手段９は、微分手段１０で得られたゲート電圧の微分値が零である期間をミラー期間として検出するようにしたものである。図４と同一要素には同一符号を付し重複する説明は省略する。
【００３４】
図５に示すように、ゲート電圧検出手段８にで検出されたゲート電圧を微分する微分手段１０が追加され、その微分手段１０の出力がミラー期間判定手段９に入力されている。
【００３５】
第２の実施の形態では、ゲート電流が負方向に流れていて、かつ、ゲート電圧が一定となったときにミラー期間であると判定していた。しかし、この一定となる電圧は素子特性や素子電流Ｉｃなどによって変化するため、ある設定電圧値と単純に比較してミラー期間であると判断すると信頼性が保てない場合がある。その信頼性を持たせるためには、ゲート電圧検出手段８の回路構成が複雑になる。
【００３６】
そこで、第３の実施の形態では、ゲート電圧検出手段８の出力を微分手段１０に入力し、微分手段１０はゲート電圧Ｖｇを微分してミラー期間判定手段９に入力している。ミラー期間判定手段９はゲート電流Ｉｇが流れていて、かつ、微分出力が零になったときミラー期間であると判定する。一定になるゲート電圧Ｖｇはスイッチング素子１や素子電流Ｉｃなどによって変化するが、微分出力は零になるため、スイッチング素子１や素子電流Ｉｃなどによらずミラー期間の判定することが可能になる。
【００３７】
第３の実施の形態によれば、ゲート電圧検出手段８の回路構成を複雑にすることなく、ミラー期間を判定することが可能になる。
【００３８】
（第４の実施の形態）
図６は本発明の第４の実施の形態に係わる電力変換器の構成図である。この第４の実施の形態は、ゲート電流検出手段４で検出されたゲート電流を積分手段１１で積分し、ミラー期間判定手段９は、積分手段１１で得られたゲート電流Ｉｇの積分である電荷量とゲート電圧検出手段８で検出されたゲート電圧との相関関係に基づいてミラー期間を検出するようにしたものである。
【００３９】
第３の実施の形態では、ゲート電流Ｉｇが負方向に流れていて、かつ、ゲート電圧Ｖｇの微分値が零となったときにミラー期間であると判定していたが、ゲート電圧Ｖｇの検出値にはノイズが乗り、正しく判定できない可能性がある。そこで、第４の実施の形態ではゲート電流検出手段Ｉｇの出力を積分手段１１に入力し、その結果をミラー期間判定手段９に入力している。
【００４０】
ここで、スイッチング素子１をオフする時には、まず、ゲート・エミッタ間容量に蓄えられていた電荷が放電している。このとき、ゲート・エミッタ間の容量に残っている電荷量Ｑと電圧ＶにはＱ＝ＣＶ(Ｃは定数)の関係がある。Ｃは定数であるので、電荷量Ｑと電圧Ｖは比例の関係にあることになる。例えば、ある電荷量Ｑが放電されれば、上記式で決定される電圧Ｖ＝Ｑ／Ｃだけ、ゲート電圧Ｖｇは低下する。電荷量とは電流の積分値であるため、ゲートから放電される電荷量はゲート電流Ｉｇを積分することで得られる。そして、積分値(電荷量)の上昇とゲート電圧Ｖｇの低下は比例関係のまま変化していく。
【００４１】
ミラー期間では、ゲート・エミッタ間容量からは放電されず、ゲート・コレクタ間の帰還容量からゲート電流が流れ込んでくる。このため、ゲート電流Ｉｇの積分値は上昇し続けるが、ゲート電圧Ｖｇは変化しなくなる。従って、ゲート電流Ｉｇの積分値から予想されるゲート電圧低下と実際のゲート電圧Ｖｇの低下が一致しなくなる。このとき、ミラー期間であると判定できることになる。
【００４２】
第４の実施の形態によれば、ゲート電圧Ｖｇの検出値にはノイズが乗った場合であっても、ミラー期間を正しく判定することが可能になる。
【００４３】
（第５の実施の形態）
図７は本発明の第５の実施の形態に係わる電力変換器の構成図である。この第５の実施の形態は、図６に示した第４の実施の形態に対し、ゲート電圧検出手段８を取り除いたものである。
【００４４】
第４の実施の形態では、ゲート電流Ｉｇの積分値とゲート電圧Ｖｇとを比較してミラー期間を判定したミラー期間におけるゲート電圧Ｖｇは素子電流Ｉｃによって変動する。また、ゲート電圧Ｖｇもある電圧で一定とはならず変動することも多い。このため、ゲート電圧Ｖｇとの比較ではミラー期間を判定できない可能性がある。
【００４５】
そこで、第５の実施の形態では、ゲート電流検出手段４の出力を積分手段１１で積分し、その出力のみをミラー期間判定手段９へ入力している。スイッチング素子１のゲート容量の電荷とゲート電圧Ｖｇの関係はスイッチング素子１によって決まる。例えば、スイッチング素子１がオンするとき、スイッチング素子１のゲートに電流を注入する。このときの電流値を積分するとゲートの電荷が得られる。ゲート電荷とゲート電圧との関係はデータシートから得られるため、ゲート電圧Ｖｇが一定となる期間のゲート電荷の範囲も容易に知ることができる。このため、ゲート電流Ｉｇを積分して得られた電荷量がある範囲にあるとき、ミラー期間であると判断できる。
【００４６】
第５の実施の形態によれば、ゲート電圧Ｖｇが変動した場合であっても、ゲート電流の積分出力を検出することでミラー期間を判定することが可能になる。
【００４７】
（第６の実施の形態）
図８は本発明の第６の実施の形態に係わる電力変換器のミラー期間判定手段及びゲート回路部分の構成図である。この第６の実施の形態は、第２の実施の形態乃至第５の実施の形態に対し、ミラー期間判定手段９で検出されたミラー期間中にゲート電流Ｉｇを調整するゲート電流調整手段１２を設けたものである。
【００４８】
スイッチング素子１がオンするとき、対となるフライホイールダイオード２は逆回復をするために過電圧が発生する。この過電圧はフライホイールダイオード２が導通状態からオフするために発生し、オンするスピードが速い方が過電圧も大きくなる。従って、ゲート回路３のゲート抵抗を大きくするなどしてゲート電流を小さくし、ゆっくりとオンさせることで、この過電圧を抑えることができるが、その場合、スイッチング素子１の損失が大きくなってしまう。
【００４９】
そこで、第５の実施の形態では、ミラー期間判定手段９によりミラー期間であると判定したときには、ゲート電流調整手段１２にてゲート電流を調整できるようにしている。これにより、まずゆっくりとオンさせて過電圧を抑え、ミラー期間になったとき、ゲート電流を大きくすることでオンの速度を上げ、損失を抑えることが可能になる。
【００５０】
第６の実施の形態によれば、ミラー期間であると判定したときにゲート電流調整するので、スイッチング素子１の損失を低減できる。
【００５１】
（第７の実施の形態）
図９は本発明の第７の実施の形態に係わる電力変換器のミラー期間判定手段及びゲート回路部分の構成図である。この第７の実施の形態は、図８に示した第６の実施の形態に対し、スイッチング素子１の素子電流Ｉｃを検出する電流検出手段１３を設け、ゲート電流調整手段１３は、電流検出手段１３で検出されたスイッチング素子１の素子電流Ｉｃの大きさに基づきゲート電流Ｉｇを調整するようにしたものである。
【００５２】
第６の実施の形態では、ミラー期間であるときにゲート電流を調整しているが、スイッチング素子１にかかる過電圧は素子電流Ｉｃにより変化する。例えば、スイッチング素子１がオフするとき、大きい電流を遮断するとき過電圧が大きくなる。このため、ミラー期間時に一律にゲート電流を調節するのでは、スイッチング素子１の損失が大きくなってしまう。
【００５３】
そこで、第７の実施の形態では、ゲート電流調整手段１２に電流検出手段１３の出力を入力し、素子電流Ｉｃの電流値が大きいときには過電圧が大きいため、ゲート電流Ｉｇの注入を抑える。一方、素子電流Ｉｃの電流値が小さいときには過電圧は小さいため、ゲート電流Ｉｇを多く注入して速やかに遮断し損失を抑えることができる。
【００５４】
第７の実施の形態によれば、スイッチング素子１の素子電流Ｉｃに応じてゲート電流の調整量を制御することで、適切にスイッチング素子１の損失を抑えることが可能になる。
【００５５】
（第８の実施の形態）
図１０は本発明の第８の実施の形態に係わる電力変換器のミラー期間判定手段及びゲート回路部分の構成図である。この第８の実施の形態は、図８に示した第６の実施の形態に対し、スイッチング素子１の素子電圧を検出する電圧検出手段１４を設け、ゲート電流調整手段１２は、電圧検出手段１４で検出されたスイッチング素子１の素子電圧の大きさに基づきゲート電流Ｉｇを調整するようにしたものである。
【００５６】
第６の実施の形態では、ミラー期間であるときに、ゲート電流を調整しているが、インバータなどの電力変換器では、通常よりも高い直流電圧が印加されることがある。直流電圧が高い時には、スイッチング素子１の耐量とのマージンが小さくなるため、通常と同じゲート注入では、スイッチング素子１が破壊する可能性がある。
【００５７】
そこで、第８の実施の形態では、ゲート電流調整手段１２に電圧検出手段１４の出力を入力し、直流電圧が高い時には過電圧を通常よりも抑える必要があるため、ゲート電流の注入を通常よりも抑える。これにより、直流電圧が高いときでも、過電圧を抑制してオフすることが可能になる。
【００５８】
第８の実施の形態によれば、素子電圧に応じてゲート電流の調整量を制御することで、スイッチング素子１の過電圧を抑えることが可能になる。
【００５９】
（第９の実施の形態）
図１１は本発明の第９の実施の形態に係わる電力変換器のミラー期間判定手段及びゲート回路部分の構成図である。この第９の実施の形態は、図８に示した第６の実施の形態に対し、スイッチング素子１の素子温度を検出する素子温度検出手段１５を設け、ゲート電流調整手段１２は、素子温度検出手段１５で検出されたスイッチング素子１の素子温度の大きさに基づきゲート電流Ｉｇを調整するようにしたものである。
【００６０】
第６の実施の形態では、ミラー期間であるときにゲート電流を調整しているがスイッチング素子１は温度によって特性が変化し、規定値以下で使用する必要があり、ミラー期間であるときにゲート電流を調整するだけでは、温度には対応できない。
【００６１】
そこで、第９の実施の形態では、ゲート電流調整手段１２に素子温度検出手段１５の出力を入力し、スイッチング素子１の温度が高い時にはゲート電流Ｉｇを通常よりも多く注入して損失を抑え、スイッチング素子１の温度上昇を抑制することが可能になる。
【００６２】
第９の実施の形態によれば、素子温度に応じてゲート電流Ｉｇの調整量を制御することで、スイッチング素子１の損失を抑えることが可能になる。
【００６３】
以上の各実施の形態ににおいては、スイッチング素子１としてはＩＧＢＴを例にとって説明したが、ＩＧＢＴに限らず電圧で制御されるノンラッチング型のスイッチング素子であれば、ＭＯＳＦＥＴなどにも同様に適用できることは言うまでもない。
【図面の簡単な説明】
【００６４】
【図１】本発明の第１の実施の形態に係わる電力変換器の構成図。
【図２】本発明の実施の形態における電力変換器の通常動作時のゲート電流及び素子電流の波形図。
【図３】本発明の実施の形態における電力変換器の短絡時のゲート電流及び素子電流の波形図。
【図４】本発明の第２の実施の形態に係わる電力変換器の構成図。
【図５】本発明の第３の実施の形態に係わる電力変換器の構成図。
【図６】本発明の第４の実施の形態に係わる電力変換器の構成図。
【図７】本発明の第５の実施の形態に係わる電力変換器の構成図。
【図８】本発明の第６の実施の形態に係わる電力変換器のミラー期間判定手段及びゲート回路部分の構成図。
【図９】本発明の第７の実施の形態に係わる電力変換器のミラー期間判定手段及びゲート回路部分の構成図。
【図１０】本発明の第８の実施の形態に係わる電力変換器のミラー期間判定手段及びゲート回路部分の構成図。
【図１１】本発明の第９の実施の形態に係わる電力変換器のミラー期間判定手段及びゲート回路部分の構成図。
【符号の説明】
【００６５】
１…スイッチング素子、２…フライホイールダイオード、３…ゲート回路、４…ゲート電流検出手段、５…短絡判定手段、６…基準電圧発生手段、７…比較手段、８…ゲート電圧検出手段、９…ミラー期間判定手段、１０…微分手段、１１…積分手段、１２…ゲート電流調整手段、１３…電流検出手段、１４…電圧検出手段、１５…素子温度検出手段
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電力用スイッチング素子を用いた電力変換器に関する。
【背景技術】
【０００２】
電力用スイッチング素子を応用した電力変換器は、スイッチング素子の大容量化・高速化に伴い、その応用範囲を着実に広げている。このような電力用スイッチング素子において、特に、最近応用分野を伸ばしてきたのがＭＯＳゲート型のスイッチング素子であるＩＧＢＴやＭＯＳＦＥＴである。
【０００３】
ＩＧＢＴやＭＯＳＦＥＴは、オン・オフ状態を自己継続しないノンラッチング型のスイッチング素子であり、サイリスタ等のラッチング型のスイッチング素子に比べて、ゲート駆動による高い制御性が可能な点が大きな利点である。短絡時においても、ゲート電圧を絞ることにより短絡電流を減じることができるため、ＩＧＢＴのゲート電圧を絞ることによる短絡保護方式を適用した電力変換器が実用化されている。
【０００４】
短絡事故が発生した際のスイッチング素子を保護するものとして、スイッチング素子がオン状態の時のコレクタ電圧を検出し、このコレクタ電圧が基準値よりも高い時に過電流や短絡状態であると検出するものがある（例えば、特許文献１参照）。
【０００５】
また、半導体素子のゲート駆動回路からゲートに流れ込むオンゲート電流または半導体素子のゲートよりゲート駆動回路へ流れ込むオフゲート電流を健全時の電流と比較して短絡故障を検出するようにしたものがある（例えば、特許文献２参照）。
【特許文献１】特開２００１−１９７７２４号公報
【特許文献２】特開２００７−２０２２３８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかし、特許文献１のものでは、スイッチング素子のコレクタ電圧を検出することで短絡を検出し遮断を行うものであるが、短絡を検出するまでの時間が長く、スイッチング素子が破壊する可能性がある。
【０００７】
また、特許文献２のものは、スイッチング素子が破壊などして短絡状態で動作できない状態（故障）になったことを検出するものであり、スイッチング素子が通常動作ができる状態において短絡をできるようにしたものではない。
【０００８】
通常、スイッチング素子がターンオンすると、スイッチング素子の主電極間の電圧はスイッチング素子で決まる非常に低い電圧となるが、スイッチング素子の短絡時には、直流電圧および主回路のインダクタンスと短絡電流で決まる電圧が発生する。短絡電流はスイッチング素子の特性によって決まるが、定格電流の数倍から十数倍の非常に大きな電流であり、大きな電流が流れると大きな損失が発生し、スイッチング素子が破壊してしまうことになる。そこで、早期に短絡を検出し保護動作を行う必要がある。
【０００９】
しかし、ターンオンの過渡時には高耐圧のスイッチング素子ほどコレクタ電圧が減少するのに時間がかかるので、コレクタ電圧を検出して短絡検出するものでは、スイッチング素子がオンするまでの一定期間はマスクする必要がある。この結果、短絡や過電流を検出するまでの時間が比較的長くかかってしまい、スイッチング素子が破壊する可能性がある。さらに、過大な電流を遮断するために、サージ電圧が発生しスイッチング素子が破壊する可能性もある。
【００１０】
また、通常動作時においては、スイッチング素子をオンさせるために、スイッチング素子のゲート端子にゲート抵抗を介して約＋１５Ｖ程度の電圧を印加する。そうすると、ゲート抵抗によって制限されたゲート電流がゲート端子へ流れ、スイッチング素子はオンを行う。オフさせるためには、スイッチング素子のゲート端子にゲート抵抗を介して約−１５Ｖ程度の電圧を印加する。そうすると、スイッチング素子のゲート電荷がゲート端子から流れ出し、スイッチング素子はオフを行う。このとき、ゲート電流は検出されておらず制御はしていない。
【００１１】
従って、オン・オフ時のゲート電流はゲート抵抗で決まり、オン時の突入電流やオフ時の過電圧が発生し、スイッチング素子が破壊する可能性がある。また、スイッチング素子の応答速度もゲート抵抗で決まる。ゲート抵抗を下げると過電圧や損失などにも影響するため、抵抗値の小さいゲート抵抗を使って応答速度を上げることは困難である。
【００１２】
本発明の目的は、スイッチング素子が故障に至る前に、短絡保護や過電圧抑制が可能で応答性能の高い電力変換器を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本発明に係わる電力変換器は、スイッチング素子のゲート電流を検出するためのゲート電流検出手段と、正の基準電圧を発生する第１の基準電圧発生手段と、負の基準電圧を発生する第２の基準電圧発生手段と、前記ゲート電流検出手段で検出されたゲート電流に対応した電圧と前記第１の基準電圧発生手段の正の基準電圧とを比較する第１の比較手段と、前記ゲート電流検出手段で検出されたゲート電流に対応した電圧と前記第２の基準電圧発生手段の負の基準電圧とを比較する第２の比較手段と、前記第１の比較手段により前記ゲート電流検出手段で検出されたゲート電流に対応した電圧が前記第１の基準電圧発生手段の正基準電圧以上となってから所定時間内に前記第２の比較手段により前記ゲート電流検出手段で検出されたゲート電流に対応した電圧が前記第２の基準電圧発生手段の負基準電圧以下となったときは前記スイッチング素子の短絡と判定する短絡判定手段とを具備することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、スイッチング素子が故障に至る前に、短絡保護や過電圧抑制が可能で応答性能の高い電力変換器を提供できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
（第１の実施の形態）
図１は、本発明の第１の実施の形態に係わる電力変換器の構成図である。スイッチング素子１にはフライホイールダイオード２が並列接続され、スイッチング素子１はゲート回路３によって駆動される。これによりスイッチング素子１の素子電流Ｉｃが制御される。ゲート回路３からスイッチング素子１のゲートに与えられるゲート電流Ｉｇは、ゲート電流検出手段４で検出され、第１の比較手段７ａ及び第２の比較手段７ｂに入力される。
【００１６】
第１の比較手段７ａは、ゲート電流検出手段４で検出されたゲート電流Ｉｇに対応した電圧と第１の基準電圧発生手段６ａの正の基準電圧とを比較する。また、第２の比較手段７ｂは、ゲート電流検出手段４で検出されたゲート電流Ｉｇに対応した電圧と第２の基準電圧発生手段６ｂの負の基準電圧とを比較する。
【００１７】
短絡判定手段５は、第１の比較手段７ａによりゲート電流検出手段４で検出されたゲート電流が第１の基準電圧発生手段６ａの正基準電圧以上となってから所定時間内に、第２の比較手段７ｂによりゲート電流検出手段４で検出されたゲート電流が第２の基準電圧発生手段６ｂの負基準電圧以下となったときはスイッチング素子２の短絡と判定するものである。
【００１８】
次に、動作を説明する。図２は本発明の実施の形態における電力変換器の通常動作時のゲート電流Ｉｇ及び素子電流Ｉｃの波形図である。電力変換器はゲート回路３によって、スイッチング素子１を駆動して電流をオンオフしている。図２に示すように、ゲート電流Ｉｇが時点ｔ１で正方向に流れると、スイッチング素子１はオンし、素子電流Ｉｃは急峻な傾きで流れる。このときの急峻な電流は、スイッチング素子１と対となるアームのフライホイールダイオード（ＦＷＤ）２が逆回復状態にあり、スイッチング素子１と対となるアームのＦＷＤ２とで直流回路を短絡した状態にあるためである。
【００１９】
一方、図３は、本発明の実施の形態における電力変換器の短絡時のゲート電流Ｉｇ及び素子電流Ｉｃの波形図である。
【００２０】
スイッチング素子１が直流電圧を短絡したときには、ゲート電流Ｉｇが時点ｔ１で正方向に流れると、定格電流の何倍もの電流がスイッチング素子に流れる。ここで、スイッチング素子１の素子電流Ｉｃとスイッチング素子１のゲート電圧には深い関係があり、一般にゲート電圧が高いほど大きな素子電流Ｉｃを流すことができる。
【００２１】
逆に、スイッチング素子１に短絡電流のような大電流が流れると、ゲート電圧は上昇する。一方で、ゲート回路３の電圧はスイッチング素子１がオンしているときは約１５Ｖ程度である。このため、スイッチング素子１の短絡時に過大な電流が流れると、スイッチング素子１のゲート電圧がゲート回路３の電圧よりも高くなり、スイッチング素子１からゲート回路３へ電流が流れ込む。
【００２２】
この結果、短絡時には図３に示すように、スイッチング素子１をオンさせるためのゲート電流が時点ｔ１で流れた後、短絡したためにオンさせる電流とは逆方向のゲート電流時点ｔ２でが流れることになる。つまり、オン時のゲート電流Ｉｇが正負に振れたかを判定することで、通常のオンか短絡かを判定できることになる。
【００２３】
この判定を実現するために、第１の実施の形態では、ゲート電流検出手段４の出力を二つの比較手段７ａ、７ｂに入力する。比較手段７ａ、７ｂには、それぞれ基準電圧発生手段６ａ、６ｂの出力も入力され、ゲート電流検出手段４の信号と比較される。基準電圧発生手段６ａ、６ｂはそれぞれ正負の基準電圧を発生し、そのレベルよりもゲート電流検出手段４の出力が大きいかを比較し、短絡判定手段５へ結果を出力する。短絡判定手段５では、まず正の基準電圧よりもゲート電流検出手段４の出力が大きいかを検出する。そして、検出された場合には、そこから指定した所定時間の間に、負の基準電圧よりゲート電流検出手段４の出力が小さい信号があれば短絡とみなし、ゲート回路３によりゲート電圧を絞り短絡保護を行うことが可能になる。
【００２４】
以上の説明では、ゲート電流検出手段４でゲート電流Ｉｇを電圧で検出し、第１の基準電圧発生手段６ａの正の基準電圧、第２の基準電圧発生手段６ｂの負の基準電圧と比較するようにしたが、ゲート電流検出手段４でゲート電流Ｉｇを電流で検出し、正の基準電流、負の基準電流と比較するようにしてもよい。
【００２５】
第１の実施の形態によれば、ゲート電流検出手段の出力の時間変化を検出することで、スイッチング素子が故障に至る前に早期に短絡を検出し、スイッチング素子を保護することが可能になる。
【００２６】
（第２の実施の形態）
図４は本発明の第２の実施の形態に係わる電力変換器の構成図である。この第２の実施の形態は、第１の実施の形態に対し、ゲート電流検出手段４に加えてゲート電圧検出手段８を設け、ミラー期間判定手段９により、ゲート電流が流れ込んでいて、かつゲート電圧が一定となっているときにミラー期間と判定し、スイッチング素子１のオフ時の電圧を抑制するようにしたものである。
【００２７】
スイッチング素子１にはフライホイールダイオード２が並列接続され、スイッチング素子１はゲート回路３によって駆動される。これによりスイッチング素子１の素子電流Ｉｃが制御される。ゲート回路３からスイッチング素子１のゲートに与えられるゲート電流Ｉｇは、ゲート電流検出手段４で検出され、比較手段７に入力される。基準電圧発生手段６は、スイッチング素子１のオフ時基準電圧を発生する。比較手段７は、ゲート電流検出手段４で検出されたゲート電流Ｉｇに対応した電圧と基準電圧発生手段６からのオフ時基準電圧（負の基準電圧）とを比較する。
【００２８】
ミラー期間判定手段９は、比較手段７によりゲート電流検出手段４で検出されたゲート電流が基準電圧発生手段６のオフ時基準電圧以下となっている状態で、ゲート電圧検出手段８で検出されたゲート電圧がほぼ一定となるミラー期間を検出したときは、スイッチング素子１のオフ時の電圧を抑制するようにゲート回路３に指令を出力する。
【００２９】
次に、動作を説明する。スイッチング素子１がオフするとき、ゲート回路３は約−１５Ｖを印加してゲート電流を負方向に流す。これにより、スイッチング素子１のゲート・エミッタ間容量に蓄えられていた電荷が放電され、スイッチング素子１のゲート電圧は減少していく。次に、ゲート・コレクタ間の帰還容量からゲート電流が流れ込んでくる。このとき、ゲート・エミッタ間容量の放電はほとんど行われなくなるため、ゲート電圧はほぼ一定となる。最後に、ゲート・エミッタ間容量が放電され、コレクタ電圧が増加し始め、ゲート電圧は−１５Ｖまで低下しオフが完了する。
【００３０】
ここで、ゲート電圧がほぼ一定となる期間をミラー期間と呼ぶ。図４では、ゲート電流検出手段４により、オフ時のゲート電流Ｉｇが流れ込んでいることを検出している。また、ゲート電圧検出手段８により、ゲート電圧Ｖｇを検出し、ミラー期間判定手段９に入力する。ミラー期間判定手段９はゲート電流Ｉｇが流れ込んでいて、かつ、ゲート電圧Ｖｇが一定となっているとき、ミラー期間と判定する。
【００３１】
ミラー期間と判定されたとき、ゲート回路３のゲート抵抗を大きくしたり、スイッチング素子１から引き出すゲート電流Ｉｇを小さくしたりすることで、オフ時のサージ電圧を抑制することが可能になる。特に、過電流時には通常よりも大きな電流を遮断することになるため、短絡検出後の遮断ではミラー期間を検出したらオフ条件を変えることにより、スイッチング素子１が破壊することなくオフすることが可能になる。
【００３２】
第２の実施の形態によれば、ゲート電流とゲート電圧とを検出することでミラー期間を判定し、スイッチング素子１のオフ時の電圧を抑制することが可能になる。
【００３３】
（第３の実施の形態）
図５は本発明の第３の実施の形態に係わる電力変換器の構成図である。この第３の実施の形態は、ゲート電圧検出手段８で検出されたゲート電圧を微分する微分手段１０を設け、ミラー期間判定手段９は、微分手段１０で得られたゲート電圧の微分値が零である期間をミラー期間として検出するようにしたものである。図４と同一要素には同一符号を付し重複する説明は省略する。
【００３４】
図５に示すように、ゲート電圧検出手段８にで検出されたゲート電圧を微分する微分手段１０が追加され、その微分手段１０の出力がミラー期間判定手段９に入力されている。
【００３５】
第２の実施の形態では、ゲート電流が負方向に流れていて、かつ、ゲート電圧が一定となったときにミラー期間であると判定していた。しかし、この一定となる電圧は素子特性や素子電流Ｉｃなどによって変化するため、ある設定電圧値と単純に比較してミラー期間であると判断すると信頼性が保てない場合がある。その信頼性を持たせるためには、ゲート電圧検出手段８の回路構成が複雑になる。
【００３６】
そこで、第３の実施の形態では、ゲート電圧検出手段８の出力を微分手段１０に入力し、微分手段１０はゲート電圧Ｖｇを微分してミラー期間判定手段９に入力している。ミラー期間判定手段９はゲート電流Ｉｇが流れていて、かつ、微分出力が零になったときミラー期間であると判定する。一定になるゲート電圧Ｖｇはスイッチング素子１や素子電流Ｉｃなどによって変化するが、微分出力は零になるため、スイッチング素子１や素子電流Ｉｃなどによらずミラー期間の判定することが可能になる。
【００３７】
第３の実施の形態によれば、ゲート電圧検出手段８の回路構成を複雑にすることなく、ミラー期間を判定することが可能になる。
【００３８】
（第４の実施の形態）
図６は本発明の第４の実施の形態に係わる電力変換器の構成図である。この第４の実施の形態は、ゲート電流検出手段４で検出されたゲート電流を積分手段１１で積分し、ミラー期間判定手段９は、積分手段１１で得られたゲート電流Ｉｇの積分である電荷量とゲート電圧検出手段８で検出されたゲート電圧との相関関係に基づいてミラー期間を検出するようにしたものである。
【００３９】
第３の実施の形態では、ゲート電流Ｉｇが負方向に流れていて、かつ、ゲート電圧Ｖｇの微分値が零となったときにミラー期間であると判定していたが、ゲート電圧Ｖｇの検出値にはノイズが乗り、正しく判定できない可能性がある。そこで、第４の実施の形態ではゲート電流検出手段Ｉｇの出力を積分手段１１に入力し、その結果をミラー期間判定手段９に入力している。
【００４０】
ここで、スイッチング素子１をオフする時には、まず、ゲート・エミッタ間容量に蓄えられていた電荷が放電している。このとき、ゲート・エミッタ間の容量に残っている電荷量Ｑと電圧ＶにはＱ＝ＣＶ(Ｃは定数)の関係がある。Ｃは定数であるので、電荷量Ｑと電圧Ｖは比例の関係にあることになる。例えば、ある電荷量Ｑが放電されれば、上記式で決定される電圧Ｖ＝Ｑ／Ｃだけ、ゲート電圧Ｖｇは低下する。電荷量とは電流の積分値であるため、ゲートから放電される電荷量はゲート電流Ｉｇを積分することで得られる。そして、積分値(電荷量)の上昇とゲート電圧Ｖｇの低下は比例関係のまま変化していく。
【００４１】
ミラー期間では、ゲート・エミッタ間容量からは放電されず、ゲート・コレクタ間の帰還容量からゲート電流が流れ込んでくる。このため、ゲート電流Ｉｇの積分値は上昇し続けるが、ゲート電圧Ｖｇは変化しなくなる。従って、ゲート電流Ｉｇの積分値から予想されるゲート電圧低下と実際のゲート電圧Ｖｇの低下が一致しなくなる。このとき、ミラー期間であると判定できることになる。
【００４２】
第４の実施の形態によれば、ゲート電圧Ｖｇの検出値にはノイズが乗った場合であっても、ミラー期間を正しく判定することが可能になる。
【００４３】
（第５の実施の形態）
図７は本発明の第５の実施の形態に係わる電力変換器の構成図である。この第５の実施の形態は、図６に示した第４の実施の形態に対し、ゲート電圧検出手段８を取り除いたものである。
【００４４】
第４の実施の形態では、ゲート電流Ｉｇの積分値とゲート電圧Ｖｇとを比較してミラー期間を判定したミラー期間におけるゲート電圧Ｖｇは素子電流Ｉｃによって変動する。また、ゲート電圧Ｖｇもある電圧で一定とはならず変動することも多い。このため、ゲート電圧Ｖｇとの比較ではミラー期間を判定できない可能性がある。
【００４５】
そこで、第５の実施の形態では、ゲート電流検出手段４の出力を積分手段１１で積分し、その出力のみをミラー期間判定手段９へ入力している。スイッチング素子１のゲート容量の電荷とゲート電圧Ｖｇの関係はスイッチング素子１によって決まる。例えば、スイッチング素子１がオンするとき、スイッチング素子１のゲートに電流を注入する。このときの電流値を積分するとゲートの電荷が得られる。ゲート電荷とゲート電圧との関係はデータシートから得られるため、ゲート電圧Ｖｇが一定となる期間のゲート電荷の範囲も容易に知ることができる。このため、ゲート電流Ｉｇを積分して得られた電荷量がある範囲にあるとき、ミラー期間であると判断できる。
【００４６】
第５の実施の形態によれば、ゲート電圧Ｖｇが変動した場合であっても、ゲート電流の積分出力を検出することでミラー期間を判定することが可能になる。
【００４７】
（第６の実施の形態）
図８は本発明の第６の実施の形態に係わる電力変換器のミラー期間判定手段及びゲート回路部分の構成図である。この第６の実施の形態は、第２の実施の形態乃至第５の実施の形態に対し、ミラー期間判定手段９で検出されたミラー期間中にゲート電流Ｉｇを調整するゲート電流調整手段１２を設けたものである。
【００４８】
スイッチング素子１がオンするとき、対となるフライホイールダイオード２は逆回復をするために過電圧が発生する。この過電圧はフライホイールダイオード２が導通状態からオフするために発生し、オンするスピードが速い方が過電圧も大きくなる。従って、ゲート回路３のゲート抵抗を大きくするなどしてゲート電流を小さくし、ゆっくりとオンさせることで、この過電圧を抑えることができるが、その場合、スイッチング素子１の損失が大きくなってしまう。
【００４９】
そこで、第５の実施の形態では、ミラー期間判定手段９によりミラー期間であると判定したときには、ゲート電流調整手段１２にてゲート電流を調整できるようにしている。これにより、まずゆっくりとオンさせて過電圧を抑え、ミラー期間になったとき、ゲート電流を大きくすることでオンの速度を上げ、損失を抑えることが可能になる。
【００５０】
第６の実施の形態によれば、ミラー期間であると判定したときにゲート電流調整するので、スイッチング素子１の損失を低減できる。
【００５１】
（第７の実施の形態）
図９は本発明の第７の実施の形態に係わる電力変換器のミラー期間判定手段及びゲート回路部分の構成図である。この第７の実施の形態は、図８に示した第６の実施の形態に対し、スイッチング素子１の素子電流Ｉｃを検出する電流検出手段１３を設け、ゲート電流調整手段１３は、電流検出手段１３で検出されたスイッチング素子１の素子電流Ｉｃの大きさに基づきゲート電流Ｉｇを調整するようにしたものである。
【００５２】
第６の実施の形態では、ミラー期間であるときにゲート電流を調整しているが、スイッチング素子１にかかる過電圧は素子電流Ｉｃにより変化する。例えば、スイッチング素子１がオフするとき、大きい電流を遮断するとき過電圧が大きくなる。このため、ミラー期間時に一律にゲート電流を調節するのでは、スイッチング素子１の損失が大きくなってしまう。
【００５３】
そこで、第７の実施の形態では、ゲート電流調整手段１２に電流検出手段１３の出力を入力し、素子電流Ｉｃの電流値が大きいときには過電圧が大きいため、ゲート電流Ｉｇの注入を抑える。一方、素子電流Ｉｃの電流値が小さいときには過電圧は小さいため、ゲート電流Ｉｇを多く注入して速やかに遮断し損失を抑えることができる。
【００５４】
第７の実施の形態によれば、スイッチング素子１の素子電流Ｉｃに応じてゲート電流の調整量を制御することで、適切にスイッチング素子１の損失を抑えることが可能になる。
【００５５】
（第８の実施の形態）
図１０は本発明の第８の実施の形態に係わる電力変換器のミラー期間判定手段及びゲート回路部分の構成図である。この第８の実施の形態は、図８に示した第６の実施の形態に対し、スイッチング素子１の素子電圧を検出する電圧検出手段１４を設け、ゲート電流調整手段１２は、電圧検出手段１４で検出されたスイッチング素子１の素子電圧の大きさに基づきゲート電流Ｉｇを調整するようにしたものである。
【００５６】
第６の実施の形態では、ミラー期間であるときに、ゲート電流を調整しているが、インバータなどの電力変換器では、通常よりも高い直流電圧が印加されることがある。直流電圧が高い時には、スイッチング素子１の耐量とのマージンが小さくなるため、通常と同じゲート注入では、スイッチング素子１が破壊する可能性がある。
【００５７】
そこで、第８の実施の形態では、ゲート電流調整手段１２に電圧検出手段１４の出力を入力し、直流電圧が高い時には過電圧を通常よりも抑える必要があるため、ゲート電流の注入を通常よりも抑える。これにより、直流電圧が高いときでも、過電圧を抑制してオフすることが可能になる。
【００５８】
第８の実施の形態によれば、素子電圧に応じてゲート電流の調整量を制御することで、スイッチング素子１の過電圧を抑えることが可能になる。
【００５９】
（第９の実施の形態）
図１１は本発明の第９の実施の形態に係わる電力変換器のミラー期間判定手段及びゲート回路部分の構成図である。この第９の実施の形態は、図８に示した第６の実施の形態に対し、スイッチング素子１の素子温度を検出する素子温度検出手段１５を設け、ゲート電流調整手段１２は、素子温度検出手段１５で検出されたスイッチング素子１の素子温度の大きさに基づきゲート電流Ｉｇを調整するようにしたものである。
【００６０】
第６の実施の形態では、ミラー期間であるときにゲート電流を調整しているがスイッチング素子１は温度によって特性が変化し、規定値以下で使用する必要があり、ミラー期間であるときにゲート電流を調整するだけでは、温度には対応できない。
【００６１】
そこで、第９の実施の形態では、ゲート電流調整手段１２に素子温度検出手段１５の出力を入力し、スイッチング素子１の温度が高い時にはゲート電流Ｉｇを通常よりも多く注入して損失を抑え、スイッチング素子１の温度上昇を抑制することが可能になる。
【００６２】
第９の実施の形態によれば、素子温度に応じてゲート電流Ｉｇの調整量を制御することで、スイッチング素子１の損失を抑えることが可能になる。
【００６３】
以上の各実施の形態ににおいては、スイッチング素子１としてはＩＧＢＴを例にとって説明したが、ＩＧＢＴに限らず電圧で制御されるノンラッチング型のスイッチング素子であれば、ＭＯＳＦＥＴなどにも同様に適用できることは言うまでもない。
【図面の簡単な説明】
【００６４】
【図１】本発明の第１の実施の形態に係わる電力変換器の構成図。
【図２】本発明の実施の形態における電力変換器の通常動作時のゲート電流及び素子電流の波形図。
【図３】本発明の実施の形態における電力変換器の短絡時のゲート電流及び素子電流の波形図。
【図４】本発明の第２の実施の形態に係わる電力変換器の構成図。
【図５】本発明の第３の実施の形態に係わる電力変換器の構成図。
【図６】本発明の第４の実施の形態に係わる電力変換器の構成図。
【図７】本発明の第５の実施の形態に係わる電力変換器の構成図。
【図８】本発明の第６の実施の形態に係わる電力変換器のミラー期間判定手段及びゲート回路部分の構成図。
【図９】本発明の第７の実施の形態に係わる電力変換器のミラー期間判定手段及びゲート回路部分の構成図。
【図１０】本発明の第８の実施の形態に係わる電力変換器のミラー期間判定手段及びゲート回路部分の構成図。
【図１１】本発明の第９の実施の形態に係わる電力変換器のミラー期間判定手段及びゲート回路部分の構成図。
【符号の説明】
【００６５】
１…スイッチング素子、２…フライホイールダイオード、３…ゲート回路、４…ゲート電流検出手段、５…短絡判定手段、６…基準電圧発生手段、７…比較手段、８…ゲート電圧検出手段、９…ミラー期間判定手段、１０…微分手段、１１…積分手段、１２…ゲート電流調整手段、１３…電流検出手段、１４…電圧検出手段、１５…素子温度検出手段
【特許請求の範囲】
【請求項１】
スイッチング素子のゲート電流を検出するためのゲート電流検出手段と、正の基準電圧を発生する第１の基準電圧発生手段と、負の基準電圧を発生する第２の基準電圧発生手段と、前記ゲート電流検出手段で検出されたゲート電流に対応した電圧と前記第１の基準電圧発生手段の正の基準電圧とを比較する第１の比較手段と、前記ゲート電流検出手段で検出されたゲート電流に対応した電圧と前記第２の基準電圧発生手段の負の基準電圧とを比較する第２の比較手段と、前記第１の比較手段により前記ゲート電流検出手段で検出されたゲート電流に対応した電圧が前記第１の基準電圧発生手段の正基準電圧以上となってから所定時間内に前記第２の比較手段により前記ゲート電流検出手段で検出されたゲート電流に対応した電圧が前記第２の基準電圧発生手段の負基準電圧以下となったときは前記スイッチング素子の短絡と判定する短絡判定手段とを具備することを特徴とする電力変換器。
【請求項２】
スイッチング素子のゲート電流を検出するためのゲート電流検出手段と、前記スイッチング素子のオフ時基準電圧を発生する基準電圧発生手段と、前記ゲート電流検出手段で検出されたゲート電流に対応した電圧と前記基準電圧発生手段のオフ時基準電圧とを比較する比較手段と、前記スイッチング素子のオフ時ゲート電圧を検出するためのゲート電圧検出手段と、前記比較手段により前記ゲート電流検出手段で検出されたゲート電流に対応した電圧が前記基準電圧発生手段のオフ時基準電圧以下となっている状態で前記ゲート電圧検出手段で検出されたゲート電圧がほぼ一定となるミラー期間を検出したときは前記スイッチング素子のオフ時の電圧を抑制するミラー期間判定手段とを具備することを特徴とする電力変換器。
【請求項３】
前記ゲート電圧検出手段で検出されたゲート電圧を微分する微分手段を設け、前記ミラー期間判定手段は、前記微分手段で得られたゲート電圧の微分値が零である期間をミラー期間として検出することを特徴とする請求項２記載の電力変換器。
【請求項４】
スイッチング素子のゲート電流を検出するためのゲート電流検出手段と、前記スイッチング素子のオフ時ゲート電圧を検出するためのゲート電圧検出手段と、前記ゲート電流検出手段で検出されたゲート電流に対応した電圧を積分する積分手段と、前記積分手段で得られたゲート電流の積分である電荷量と前記ゲート電圧検出手段で検出されたゲート電圧との相関関係に基づいてミラー期間を検出するミラー期間判定手段とを具備することを特徴とする電力変換器。
【請求項５】
スイッチング素子のゲート電流を検出するためのゲート電流検出手段と、前記スイッチング素子のオフ時ゲート電圧を検出するためのゲート電圧検出手段と、前記ゲート電流検出手段で検出されたゲート電流に対応した電圧を積分しゲート電荷を求める積分手段と、前記スイッチング素子のゲート容量の電荷とゲート電圧との関係を予め記憶しておき前記積分手段で得られたゲート電荷と予め記憶しておいたゲート容量の電荷とゲート電圧との関係に基づきミラー期間を検出するミラー期間判定手段とを具備することを特徴とする電力変換器。
【請求項６】
前記ミラー期間判定手段で検出されたミラー期間中にゲート電流を調整するゲート電流調整手段を具備することを特徴とする請求項２乃至５のいずれか１項に記載の電力変換器。
【請求項７】
前記スイッチング素子の素子電流を検出する電流検出手段を設け、前記ゲート電流調整手段は、前記電流検出手段で検出された前記スイッチング素子の素子電流の大きさに基づきゲート電流を調整することを特徴とする請求項６に記載の電力変換器。
【請求項８】
前記スイッチング素子の素子電圧を検出する電圧検出手段を設け、前記ゲート電流調整手段は、前記電圧検出手段で検出された前記スイッチング素子の素子電圧の大きさに基づきゲート電流を調整することを特徴とする請求項６に記載の電力変換器。
【請求項９】
前記スイッチング素子の素子温度を検出する素子温度検出手段を設け、前記ゲート電流調整手段は、前記素子温度検出手段で検出された前記スイッチング素子の素子温度の大きさに基づきゲート電流を調整することを特徴とする請求項６に記載の電力変換器。
【請求項１】
スイッチング素子のゲート電流を検出するためのゲート電流検出手段と、正の基準電圧を発生する第１の基準電圧発生手段と、負の基準電圧を発生する第２の基準電圧発生手段と、前記ゲート電流検出手段で検出されたゲート電流に対応した電圧と前記第１の基準電圧発生手段の正の基準電圧とを比較する第１の比較手段と、前記ゲート電流検出手段で検出されたゲート電流に対応した電圧と前記第２の基準電圧発生手段の負の基準電圧とを比較する第２の比較手段と、前記第１の比較手段により前記ゲート電流検出手段で検出されたゲート電流に対応した電圧が前記第１の基準電圧発生手段の正基準電圧以上となってから所定時間内に前記第２の比較手段により前記ゲート電流検出手段で検出されたゲート電流に対応した電圧が前記第２の基準電圧発生手段の負基準電圧以下となったときは前記スイッチング素子の短絡と判定する短絡判定手段とを具備することを特徴とする電力変換器。
【請求項２】
スイッチング素子のゲート電流を検出するためのゲート電流検出手段と、前記スイッチング素子のオフ時基準電圧を発生する基準電圧発生手段と、前記ゲート電流検出手段で検出されたゲート電流に対応した電圧と前記基準電圧発生手段のオフ時基準電圧とを比較する比較手段と、前記スイッチング素子のオフ時ゲート電圧を検出するためのゲート電圧検出手段と、前記比較手段により前記ゲート電流検出手段で検出されたゲート電流に対応した電圧が前記基準電圧発生手段のオフ時基準電圧以下となっている状態で前記ゲート電圧検出手段で検出されたゲート電圧がほぼ一定となるミラー期間を検出したときは前記スイッチング素子のオフ時の電圧を抑制するミラー期間判定手段とを具備することを特徴とする電力変換器。
【請求項３】
前記ゲート電圧検出手段で検出されたゲート電圧を微分する微分手段を設け、前記ミラー期間判定手段は、前記微分手段で得られたゲート電圧の微分値が零である期間をミラー期間として検出することを特徴とする請求項２記載の電力変換器。
【請求項４】
スイッチング素子のゲート電流を検出するためのゲート電流検出手段と、前記スイッチング素子のオフ時ゲート電圧を検出するためのゲート電圧検出手段と、前記ゲート電流検出手段で検出されたゲート電流に対応した電圧を積分する積分手段と、前記積分手段で得られたゲート電流の積分である電荷量と前記ゲート電圧検出手段で検出されたゲート電圧との相関関係に基づいてミラー期間を検出するミラー期間判定手段とを具備することを特徴とする電力変換器。
【請求項５】
スイッチング素子のゲート電流を検出するためのゲート電流検出手段と、前記スイッチング素子のオフ時ゲート電圧を検出するためのゲート電圧検出手段と、前記ゲート電流検出手段で検出されたゲート電流に対応した電圧を積分しゲート電荷を求める積分手段と、前記スイッチング素子のゲート容量の電荷とゲート電圧との関係を予め記憶しておき前記積分手段で得られたゲート電荷と予め記憶しておいたゲート容量の電荷とゲート電圧との関係に基づきミラー期間を検出するミラー期間判定手段とを具備することを特徴とする電力変換器。
【請求項６】
前記ミラー期間判定手段で検出されたミラー期間中にゲート電流を調整するゲート電流調整手段を具備することを特徴とする請求項２乃至５のいずれか１項に記載の電力変換器。
【請求項７】
前記スイッチング素子の素子電流を検出する電流検出手段を設け、前記ゲート電流調整手段は、前記電流検出手段で検出された前記スイッチング素子の素子電流の大きさに基づきゲート電流を調整することを特徴とする請求項６に記載の電力変換器。
【請求項８】
前記スイッチング素子の素子電圧を検出する電圧検出手段を設け、前記ゲート電流調整手段は、前記電圧検出手段で検出された前記スイッチング素子の素子電圧の大きさに基づきゲート電流を調整することを特徴とする請求項６に記載の電力変換器。
【請求項９】
前記スイッチング素子の素子温度を検出する素子温度検出手段を設け、前記ゲート電流調整手段は、前記素子温度検出手段で検出された前記スイッチング素子の素子温度の大きさに基づきゲート電流を調整することを特徴とする請求項６に記載の電力変換器。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【公開番号】特開２００９−２２５５０６（Ｐ２００９−２２５５０６Ａ）
【公開日】平成２１年１０月１日（２００９．１０．１）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００８−６４６４０（Ｐ２００８−６４６４０）
【出願日】平成２０年３月１３日（２００８．３．１３）
【出願人】（０００００３０７８）株式会社東芝 (54,554)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２１年１０月１日（２００９．１０．１）
【国際特許分類】
【出願日】平成２０年３月１３日（２００８．３．１３）
【出願人】（０００００３０７８）株式会社東芝 (54,554)
【Ｆターム（参考）】
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