電力変換装置の保護方式
【課題】ＩＧＢＴなどの電圧駆動型半導体素子を、アーム短絡等による過電流破壊から防止できるようにする。
【解決手段】１段目のゲート駆動回路１５には過電流保護回路１１と、ＩＧＢＴに流れる電流を検出する電流検出器１９とを接続し、１段目以外のゲート駆動回路１６〜１８には過電流保護回路１２〜１４と、電圧検出回路８〜１０とをそれぞれ接続して構成し、電流検出器１９で検出される電流が過電流の場合は、ゲート駆動回路１５に保護信号を出力してＩＧＢＴ１にゲート電流を流し、その結果ＩＧＢＴ２にもゲート電流を流して両ＩＧＢＴ１，２のゲート電圧を下げ、ソフト遮断動作を開始させ保護を図る。
【解決手段】１段目のゲート駆動回路１５には過電流保護回路１１と、ＩＧＢＴに流れる電流を検出する電流検出器１９とを接続し、１段目以外のゲート駆動回路１６〜１８には過電流保護回路１２〜１４と、電圧検出回路８〜１０とをそれぞれ接続して構成し、電流検出器１９で検出される電流が過電流の場合は、ゲート駆動回路１５に保護信号を出力してＩＧＢＴ１にゲート電流を流し、その結果ＩＧＢＴ２にもゲート電流を流して両ＩＧＢＴ１，２のゲート電圧を下げ、ソフト遮断動作を開始させ保護を図る。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、各アームに電圧駆動型半導体素子を複数個直列接続した電力変換装置の保護に関する。
【背景技術】
【０００２】
図６は、各アームに電圧駆動型半導体素子を複数個直列接続した電力変換装置の一般的な例を示す。
図６において、２５は三相交流入力電源、２６はダイオードブリッジ回路などの整流回路、２７は平滑用コンデンサ、２８〜３３は複数個直列接続された電圧駆動型半導体素子、３４はモータ等の負荷である。
【０００３】
上記の構成において、アーム短絡などが発生した場合に、電圧駆動型半導体素子を過電流による破壊から保護する従来方式として、電流検出回路によって電圧駆動型半導体素子の過電流状態を検出し、電圧駆動型半導体素子を緩やかにオフさせることで破壊無く遮断する方法（ソフト遮断ともいう）が一般的である。このような保護方式は、例えば特許文献１，２に開示されている。
【０００４】
図７に保護方式の従来例を示す。これは、各アームに電圧駆動型半導体素子を複数個直列接続した電力変換装置の１アーム分を示す。また、電圧駆動型半導体素子としてＩＧＢＴ（絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ）素子を用い、ＩＧＢＴを４直列接続した例である。
図７において、１〜４（Ｑ１〜Ｑ４）はダイオードが逆並列に接続されたＩＧＢＴ、１１〜１４は過電流保護回路、１５〜１８はソフト遮断機能を有するゲート駆動回路、３５〜３８は電流検出器である。つまり、この回路では各ＩＧＢＴ１〜４にはそれぞれゲート駆動回路１５〜１８が接続され、各ゲート駆動回路１５〜１８には、過電流保護回路１１〜１４を介して電流検出器３５〜３８が接続されている。
【０００５】
その動作について、ＩＧＢＴが２直列接続された図８の場合を参照して説明する。
図８において、アーム短絡などによりＩＧＢＴ１，２に過電流が流れると、電流検出器３５，３６がそのことを検出し、過電流保護回路１１，１２に検出信号が入力される。過電流保護回路１１，１２に検出信号が入力されると、過電流保護回路１１，１２は過電流かどうかを判別し、過電流と判断すると保護信号をゲート駆動回路１５，１６に出力するので、ゲート駆動回路１５，１６はソフト遮断モードに切り替わり、これによってＩＧＢＴ１，２は破壊すること無く遮断される。
【０００６】
【特許文献１】特開平０４−０７９７５９号公報
【特許文献２】特開平０５−３０８７１７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
上記のような方法によれば、アーム短絡などが発生した場合に直列接続された電圧駆動型半導体素子を、過電流による破壊から保護することができるが、各電流検出器のばらつきなどにより、ソフト遮断時の電圧分担が不平衡となる（図９のゲート電圧Ｑ１，Ｑ２参照）問題があり、最悪の場合には過電圧を印加された電圧駆動型半導体素子が破壊するというおそれがある。
したがって、この発明の課題は、電圧駆動型半導体素子の破壊を回避し得る保護方式を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
このような課題を解決するため、請求項１の発明では、最も低圧側に接続された電圧駆動型半導体素子を１段目とし、最も高圧側に接続された電圧駆動型半導体素子をｎ段目（ｎは整数）として、各アームに電圧駆動型半導体素子がｎ個直列接続された電力変換装置に対し、
各電圧駆動型半導体素子には過電流検出時に電圧駆動型半導体素子を緩やかにオフさせる機能を有するゲート駆動回路をそれぞれ設け、電圧駆動型半導体素子とゲート駆動回路を接続するゲート線をそれぞれ互いに磁気結合回路により接続し、ｍ（ｍ＝１〜ｎ）段目のゲート駆動回路には、ｍ段目の電圧駆動型半導体素子に流れる電流を検出する電流検出器と、この電流検出器の検出結果に応じて保護信号を出力する過電流保護回路とを接続し、ｍ段目以外のゲート駆動回路には、前記磁気結合回路に基づいて発生する電圧を検出する電圧検出回路と、この電圧検出回路の検出結果に応じて保護信号を出力する過電流保護回路とをそれぞれ接続したことを特徴とする。
【発明の効果】
【０００９】
この発明によれば、各アームに電圧駆動型半導体素子が複数個直列接続された電力変換装置において、過電流遮断時に各電圧駆動型半導体素子の電圧分担に不平衡を発生させることなく同時に緩やかにオフさせる（ソフト遮断させる）ことができるため、アーム短絡などが発生した場合に、電圧駆動型半導体素子を過電流破壊から確実に防ぐことができる。また、１個の電流検出回路で複数個の電圧駆動型半導体素子を保護できるため、保護が低コストに提供可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
図１はこの発明の実施の形態を示す回路構成図で、ＩＧＢＴが４直列接続された場合の例である。図１において、１〜４はダイオードが逆並列に接続されたＩＧＢＴ、５〜７は磁気結合回路、８〜１０は電圧検出回路、１１〜１４は過電流保護回路、１５〜１８はソフト遮断機能を有するゲート駆動回路、１９は電流検出器である。
【００１１】
図１より、各ＩＧＢＴ１〜４にはゲート駆動回路１５〜１８が接続され、ＩＧＢＴとゲート駆動回路を接続するゲート線がそれぞれ、互いに磁気結合回路５〜７によって接続されている。そして、１段目のゲート駆動回路１５には過電流保護回路１１と、ＩＧＢＴに流れる電流を検出する電流検出器１９を接続し、１段目以外のゲート駆動回路１６〜１８には過電流保護回路１２〜１４と、電圧検出回路８〜１０とを接続して構成する。
【００１２】
図１の動作について、図２，図３を参照して説明する。図２は図１を簡略化してＩＧＢＴを２直列接続した場合を示し、図３はその各部波形例を示す。
いま、図２のＩＧＢＴ１，２に過電流が流れると、電流検出器１９がそれを検出し、過電流保護回路１１に検出信号が入力される。過電流保護回路１１に検出信号が入力され、過電流保護回路１１が過電流と判別すると、ゲート駆動回路１５へ保護信号を出力するので、ゲート駆動回路１５がソフト遮断モードに切り替わり、ゲート駆動回路１５→ＩＧＢＴ１のエミッタ→ＩＧＢＴ１ゲート→磁気結合回路５→ゲート駆動回路１５の経路で、ＩＧＢＴ１のゲート電流が流れる。
【００１３】
磁気結合回路５の一次巻線にゲート電流が流れると、磁気結合回路５の二次巻線にもゲート電流が流れる。その結果、ＩＧＢＴ１のゲート電圧ＶＧＥ（Ｑ１）とＩＧＢＴ２のゲート電圧ＶＧＥ（Ｑ２）が下降し、ＩＧＢＴ１とＩＧＢＴ２がソフト遮断を開始する。これと同時に、電圧検出回路８が磁気結合回路５の二次巻線に発生する電圧ＶＴｒ２を検出し、その検出結果を受けて過電流保護回路１２がゲート駆動回路１６に保護信号を出力し、ＩＧＢＴ２がソフト遮断を継続する。
【００１４】
このとき、電圧検出回路８に動作遅れΔｔ２（図３参照）を生じる可能性があるが、磁気結合回路５によってスイッチングタイミングが調整される（ＩＧＢＴ１とＩＧＢＴ２は既にソフト遮断動作を開始している）ため、問題は無い。なお、このような磁気結合によってスイッチングタイミング調整する方法は、例えば特開２００２−２０４５７８号公報などにより周知である。このような動作により、過電流検出時にＩＧＢＴ１とＩＧＢＴ２を同時にソフト遮断することができる。
以上のように、過電流検出時にＩＧＢＴ１とＩＧＢＴ２を同時にソフト遮断できるため、電圧分担が不平衡となる問題を解決することが可能となる。
【００１５】
図４に別の実施の形態を示す。
図１では１段目のゲート駆動回路１５には過電流保護回路１１と、ＩＧＢＴに流れる電流を検出する電流検出器１９を接続し、１段目以外のゲート駆動回路１６〜１８には過電流保護回路１２〜１４と、電圧検出回路８〜１０を接続したのに対し、図４では４段目のゲート駆動回路１８には過電流保護回路１４と、ＩＧＢＴに流れる電流を検出する電流検出器２３を接続し、４段目以外のゲート駆動回路１５〜１７には過電流保護回路１１〜１３と、電圧検出回路２０〜２２をそれぞれ接続した他は図１と全く同様であるので、詳細は省略する。
【００１６】
図５に別の実施の形態を示す。
図１では１段目のゲート駆動回路１５には過電流保護回路１１と、ＩＧＢＴに流れる電流を検出する電流検出器１９を接続し、１段目以外のゲート駆動回路１６〜１８には過電流保護回路１２〜１４と、電圧検出回路８〜１０を接続したのに対し、図５では２段目のゲート駆動回路１６には過電流保護回路１２と、ＩＧＢＴに流れる電流を検出する電流検出器２４を接続し、２段目以外のゲート駆動回路１５，１７，１８には過電流保護回路１１，１３，１４と、電圧検出回路２０，９，１０をそれぞれ接続した他は図１と全く同様なので、詳細は省略する。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】この発明の実施の形態を示す回路構成図
【図２】図１を簡略化した構成図
【図３】図２の動作説明図
【図４】図１の変形例を示す回路構成図
【図５】図１の別の変形例を示す回路構成図
【図６】電力変換装置の一般的な例を示す構成図
【図７】過電流保護方式の従来例を示す構成図
【図８】図７を簡略化した構成図
【図９】図８の動作説明図
【符号の説明】
【００１８】
１〜４（Ｑ１〜Ｑ４）…ＩＧＢＴ、５〜７…磁気結合回路、８〜１０，２０〜２２…電圧検出回路、１１〜１４…過電流保護回路、１５〜１８…ゲート駆動回路、１９，２４…電流検出器。
【技術分野】
【０００１】
この発明は、各アームに電圧駆動型半導体素子を複数個直列接続した電力変換装置の保護に関する。
【背景技術】
【０００２】
図６は、各アームに電圧駆動型半導体素子を複数個直列接続した電力変換装置の一般的な例を示す。
図６において、２５は三相交流入力電源、２６はダイオードブリッジ回路などの整流回路、２７は平滑用コンデンサ、２８〜３３は複数個直列接続された電圧駆動型半導体素子、３４はモータ等の負荷である。
【０００３】
上記の構成において、アーム短絡などが発生した場合に、電圧駆動型半導体素子を過電流による破壊から保護する従来方式として、電流検出回路によって電圧駆動型半導体素子の過電流状態を検出し、電圧駆動型半導体素子を緩やかにオフさせることで破壊無く遮断する方法（ソフト遮断ともいう）が一般的である。このような保護方式は、例えば特許文献１，２に開示されている。
【０００４】
図７に保護方式の従来例を示す。これは、各アームに電圧駆動型半導体素子を複数個直列接続した電力変換装置の１アーム分を示す。また、電圧駆動型半導体素子としてＩＧＢＴ（絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ）素子を用い、ＩＧＢＴを４直列接続した例である。
図７において、１〜４（Ｑ１〜Ｑ４）はダイオードが逆並列に接続されたＩＧＢＴ、１１〜１４は過電流保護回路、１５〜１８はソフト遮断機能を有するゲート駆動回路、３５〜３８は電流検出器である。つまり、この回路では各ＩＧＢＴ１〜４にはそれぞれゲート駆動回路１５〜１８が接続され、各ゲート駆動回路１５〜１８には、過電流保護回路１１〜１４を介して電流検出器３５〜３８が接続されている。
【０００５】
その動作について、ＩＧＢＴが２直列接続された図８の場合を参照して説明する。
図８において、アーム短絡などによりＩＧＢＴ１，２に過電流が流れると、電流検出器３５，３６がそのことを検出し、過電流保護回路１１，１２に検出信号が入力される。過電流保護回路１１，１２に検出信号が入力されると、過電流保護回路１１，１２は過電流かどうかを判別し、過電流と判断すると保護信号をゲート駆動回路１５，１６に出力するので、ゲート駆動回路１５，１６はソフト遮断モードに切り替わり、これによってＩＧＢＴ１，２は破壊すること無く遮断される。
【０００６】
【特許文献１】特開平０４−０７９７５９号公報
【特許文献２】特開平０５−３０８７１７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
上記のような方法によれば、アーム短絡などが発生した場合に直列接続された電圧駆動型半導体素子を、過電流による破壊から保護することができるが、各電流検出器のばらつきなどにより、ソフト遮断時の電圧分担が不平衡となる（図９のゲート電圧Ｑ１，Ｑ２参照）問題があり、最悪の場合には過電圧を印加された電圧駆動型半導体素子が破壊するというおそれがある。
したがって、この発明の課題は、電圧駆動型半導体素子の破壊を回避し得る保護方式を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
このような課題を解決するため、請求項１の発明では、最も低圧側に接続された電圧駆動型半導体素子を１段目とし、最も高圧側に接続された電圧駆動型半導体素子をｎ段目（ｎは整数）として、各アームに電圧駆動型半導体素子がｎ個直列接続された電力変換装置に対し、
各電圧駆動型半導体素子には過電流検出時に電圧駆動型半導体素子を緩やかにオフさせる機能を有するゲート駆動回路をそれぞれ設け、電圧駆動型半導体素子とゲート駆動回路を接続するゲート線をそれぞれ互いに磁気結合回路により接続し、ｍ（ｍ＝１〜ｎ）段目のゲート駆動回路には、ｍ段目の電圧駆動型半導体素子に流れる電流を検出する電流検出器と、この電流検出器の検出結果に応じて保護信号を出力する過電流保護回路とを接続し、ｍ段目以外のゲート駆動回路には、前記磁気結合回路に基づいて発生する電圧を検出する電圧検出回路と、この電圧検出回路の検出結果に応じて保護信号を出力する過電流保護回路とをそれぞれ接続したことを特徴とする。
【発明の効果】
【０００９】
この発明によれば、各アームに電圧駆動型半導体素子が複数個直列接続された電力変換装置において、過電流遮断時に各電圧駆動型半導体素子の電圧分担に不平衡を発生させることなく同時に緩やかにオフさせる（ソフト遮断させる）ことができるため、アーム短絡などが発生した場合に、電圧駆動型半導体素子を過電流破壊から確実に防ぐことができる。また、１個の電流検出回路で複数個の電圧駆動型半導体素子を保護できるため、保護が低コストに提供可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
図１はこの発明の実施の形態を示す回路構成図で、ＩＧＢＴが４直列接続された場合の例である。図１において、１〜４はダイオードが逆並列に接続されたＩＧＢＴ、５〜７は磁気結合回路、８〜１０は電圧検出回路、１１〜１４は過電流保護回路、１５〜１８はソフト遮断機能を有するゲート駆動回路、１９は電流検出器である。
【００１１】
図１より、各ＩＧＢＴ１〜４にはゲート駆動回路１５〜１８が接続され、ＩＧＢＴとゲート駆動回路を接続するゲート線がそれぞれ、互いに磁気結合回路５〜７によって接続されている。そして、１段目のゲート駆動回路１５には過電流保護回路１１と、ＩＧＢＴに流れる電流を検出する電流検出器１９を接続し、１段目以外のゲート駆動回路１６〜１８には過電流保護回路１２〜１４と、電圧検出回路８〜１０とを接続して構成する。
【００１２】
図１の動作について、図２，図３を参照して説明する。図２は図１を簡略化してＩＧＢＴを２直列接続した場合を示し、図３はその各部波形例を示す。
いま、図２のＩＧＢＴ１，２に過電流が流れると、電流検出器１９がそれを検出し、過電流保護回路１１に検出信号が入力される。過電流保護回路１１に検出信号が入力され、過電流保護回路１１が過電流と判別すると、ゲート駆動回路１５へ保護信号を出力するので、ゲート駆動回路１５がソフト遮断モードに切り替わり、ゲート駆動回路１５→ＩＧＢＴ１のエミッタ→ＩＧＢＴ１ゲート→磁気結合回路５→ゲート駆動回路１５の経路で、ＩＧＢＴ１のゲート電流が流れる。
【００１３】
磁気結合回路５の一次巻線にゲート電流が流れると、磁気結合回路５の二次巻線にもゲート電流が流れる。その結果、ＩＧＢＴ１のゲート電圧ＶＧＥ（Ｑ１）とＩＧＢＴ２のゲート電圧ＶＧＥ（Ｑ２）が下降し、ＩＧＢＴ１とＩＧＢＴ２がソフト遮断を開始する。これと同時に、電圧検出回路８が磁気結合回路５の二次巻線に発生する電圧ＶＴｒ２を検出し、その検出結果を受けて過電流保護回路１２がゲート駆動回路１６に保護信号を出力し、ＩＧＢＴ２がソフト遮断を継続する。
【００１４】
このとき、電圧検出回路８に動作遅れΔｔ２（図３参照）を生じる可能性があるが、磁気結合回路５によってスイッチングタイミングが調整される（ＩＧＢＴ１とＩＧＢＴ２は既にソフト遮断動作を開始している）ため、問題は無い。なお、このような磁気結合によってスイッチングタイミング調整する方法は、例えば特開２００２−２０４５７８号公報などにより周知である。このような動作により、過電流検出時にＩＧＢＴ１とＩＧＢＴ２を同時にソフト遮断することができる。
以上のように、過電流検出時にＩＧＢＴ１とＩＧＢＴ２を同時にソフト遮断できるため、電圧分担が不平衡となる問題を解決することが可能となる。
【００１５】
図４に別の実施の形態を示す。
図１では１段目のゲート駆動回路１５には過電流保護回路１１と、ＩＧＢＴに流れる電流を検出する電流検出器１９を接続し、１段目以外のゲート駆動回路１６〜１８には過電流保護回路１２〜１４と、電圧検出回路８〜１０を接続したのに対し、図４では４段目のゲート駆動回路１８には過電流保護回路１４と、ＩＧＢＴに流れる電流を検出する電流検出器２３を接続し、４段目以外のゲート駆動回路１５〜１７には過電流保護回路１１〜１３と、電圧検出回路２０〜２２をそれぞれ接続した他は図１と全く同様であるので、詳細は省略する。
【００１６】
図５に別の実施の形態を示す。
図１では１段目のゲート駆動回路１５には過電流保護回路１１と、ＩＧＢＴに流れる電流を検出する電流検出器１９を接続し、１段目以外のゲート駆動回路１６〜１８には過電流保護回路１２〜１４と、電圧検出回路８〜１０を接続したのに対し、図５では２段目のゲート駆動回路１６には過電流保護回路１２と、ＩＧＢＴに流れる電流を検出する電流検出器２４を接続し、２段目以外のゲート駆動回路１５，１７，１８には過電流保護回路１１，１３，１４と、電圧検出回路２０，９，１０をそれぞれ接続した他は図１と全く同様なので、詳細は省略する。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】この発明の実施の形態を示す回路構成図
【図２】図１を簡略化した構成図
【図３】図２の動作説明図
【図４】図１の変形例を示す回路構成図
【図５】図１の別の変形例を示す回路構成図
【図６】電力変換装置の一般的な例を示す構成図
【図７】過電流保護方式の従来例を示す構成図
【図８】図７を簡略化した構成図
【図９】図８の動作説明図
【符号の説明】
【００１８】
１〜４（Ｑ１〜Ｑ４）…ＩＧＢＴ、５〜７…磁気結合回路、８〜１０，２０〜２２…電圧検出回路、１１〜１４…過電流保護回路、１５〜１８…ゲート駆動回路、１９，２４…電流検出器。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
最も低圧側に接続された電圧駆動型半導体素子を１段目とし、最も高圧側に接続された電圧駆動型半導体素子をｎ段目（ｎは整数）として、各アームに電圧駆動型半導体素子がｎ個直列接続された電力変換装置に対し、
各電圧駆動型半導体素子には過電流検出時に電圧駆動型半導体素子を緩やかにオフさせる機能を有するゲート駆動回路をそれぞれ設け、電圧駆動型半導体素子とゲート駆動回路を接続するゲート線をそれぞれ互いに磁気結合回路により接続し、ｍ（ｍ＝１〜ｎ）段目のゲート駆動回路には、ｍ段目の電圧駆動型半導体素子に流れる電流を検出する電流検出器と、この電流検出器の検出結果に応じて保護信号を出力する過電流保護回路とを接続し、ｍ段目以外のゲート駆動回路には、前記磁気結合回路に基づいて発生する電圧を検出する電圧検出回路と、この電圧検出回路の検出結果に応じて保護信号を出力する過電流保護回路とをそれぞれ接続したことを特徴とする電力変換装置の保護方式。
【請求項１】
最も低圧側に接続された電圧駆動型半導体素子を１段目とし、最も高圧側に接続された電圧駆動型半導体素子をｎ段目（ｎは整数）として、各アームに電圧駆動型半導体素子がｎ個直列接続された電力変換装置に対し、
各電圧駆動型半導体素子には過電流検出時に電圧駆動型半導体素子を緩やかにオフさせる機能を有するゲート駆動回路をそれぞれ設け、電圧駆動型半導体素子とゲート駆動回路を接続するゲート線をそれぞれ互いに磁気結合回路により接続し、ｍ（ｍ＝１〜ｎ）段目のゲート駆動回路には、ｍ段目の電圧駆動型半導体素子に流れる電流を検出する電流検出器と、この電流検出器の検出結果に応じて保護信号を出力する過電流保護回路とを接続し、ｍ段目以外のゲート駆動回路には、前記磁気結合回路に基づいて発生する電圧を検出する電圧検出回路と、この電圧検出回路の検出結果に応じて保護信号を出力する過電流保護回路とをそれぞれ接続したことを特徴とする電力変換装置の保護方式。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【公開番号】特開２００７−２５９５６３（Ｐ２００７−２５９５６３Ａ）
【公開日】平成１９年１０月４日（２００７．１０．４）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００６−７９１１１（Ｐ２００６−７９１１１）
【出願日】平成１８年３月２２日（２００６．３．２２）
【出願人】（０００００５２３４）富士電機ホールディングス株式会社 (3,146)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１９年１０月４日（２００７．１０．４）
【国際特許分類】
【出願日】平成１８年３月２２日（２００６．３．２２）
【出願人】（０００００５２３４）富士電機ホールディングス株式会社 (3,146)
【Ｆターム（参考）】
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