説明

電力変換装置の過電流保護装置

【課題】 直流電圧が高い場合、低い場合、一定の場合においても任意のタイミングでコレクタ短絡検出の検知電圧の設定レベルを変えることができ、電圧駆動素子を過電流から確実に保護することができる電力変換装置の過電流保護装置を提供する。
【解決手段】 電圧駆動形の電力用スイッチング素子4を有する電力変換装置と、上記電力用スイッチング素子4の入力側主端子の電圧を検出し、上記電圧が所定値を超えた時、上記電力用スイッチング素子にオフ信号を与える過電流検知部5、6、7、8と、上記過電流検知部に任意のタイミングで並列関係に接続し得るようにされ、上記所定値を変更し得るようにした過電流設定部21、22とを備えた構成とする。

【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
この発明は、電力変換装置、例えばIGBT(絶縁ゲートバイポーラトランジスタ)やパワーMOSFET等の電圧駆動形素子を電力用スイッチング素子として使用する電力変換装置において、何らかの理由で過大な電流が流れたときや短絡事故などによって生じる過電流を検出し、電力変換装置を保護する電力変換装置の過電流保護装置に関するものである。
【背景技術】
【0002】
従来のIGBT等の電力半導体素子を使用した電力変換装置の過電流保護装置は、過電流がIGBTに流れたときにIGBTのコレクタ・エミッタ間電圧(VCE)が上昇する特性を利用している。(例えば特許文献1及び2参照)。
これらの過電流保護は、過大となったコレクタ電流をゲート電圧を低下させることによって低減しIGBTを破壊しないように保護している。代表的なIGBTの外観構成を図1に示す。
【0003】
また、このようなIGBTを用いた一般的な電力変換装置の過電流保護装置の構成を図10に示す。図10においては、主スイッチング素子としてのIGBT4、ゲート抵抗回路19及びドライブ回路18を図示のように接続して回路を構成している。
【0004】
ドライブ回路18には、オンオフ指令信号発生回路1、オンゲート用電圧源V1及びオフゲート用電圧源V2を有する電圧源12を有し、この電圧源にはオンオフ指令信号発生回路1により動作する1対のトランジスタ15、16が接続されている。これらの出力段トランジスタ15、16のエミッタ同士は接続され、ゲート抵抗回路19の抵抗13を介してIGBT4のゲートに、また、電圧源12のV1、V2の接続中点はIGBT4のエミッタに接続されている。
【0005】
IGBT4のゲート・エミッタ間に接続されている抵抗14は、ゲート・エミッタ間の電位固定用抵抗である。また、トランジスタ5、ツェナーダイオード8、ダイオード6、抵抗7によりIGBT4のコレクタ端子の電圧を監視すると共に、この電圧がツェナーダイオードのツェナー電圧によって定まる所定の値を超えたかどうかを検出する過電流検知部を構成している。さらに、この過電流検知部の前段には、抵抗9、10とコンデンサ11とからなる遅延回路が形成されている。
【0006】
まず通常の動作について説明する。オンオフ指令信号発生回路1によりオン信号が出力されると抵抗2を介してトランジスタ15がオン、トランジスタ16がオフとなってIGBT4のゲート・エミッタ間には抵抗13を介してオンゲート電圧V1が印加される。
IGBT4のゲート・エミッタ間にオンゲート電圧V1が与えられると、このIGBT4はオンし、そのコレクタ・エミッタ間電圧はオン電圧(VCE(on)とする)まで低下する。
【0007】
また、抵抗10と9、ツェナーダイオード8を介してトランジスタ5にベース電流が流れようとするが、抵抗7を設けることによってトランジスタ5が動作するタイミングを遅らせている。従って、
VZD1+VBE>V1+VCE(0N)+VF
ただし VZD1:ツェナーダイオード8のツェナー電圧
VBE:トランジスタ5のベース・エミッタ間電圧
VF:ダイオード6の順方向電圧
となるように部品の特性を選定しておくことにより、IGBT4のオン状態ではトランジスタ5をオフに保つ。
【0008】
次に、オンオフ指令信号発生回路1によりオフ信号が出力されると、トランジスタ15がオフ、トランジスタ16がオンとなって、IGBT4のゲート、エミッタ間には抵抗13を介してオフゲート電圧V2が印加され、IGBT4はオフとなる。
このとき、コンデンサ11は電荷を放電してターンオン動作に備えている。
【0009】
IGBT4のオン期間中に短絡事故が発生した場合には、コレクタ・エミッタ間電圧の増大に伴い、VZD1+VBE<V1+VCE(ON)十VFとなりトランジスタ5が導通し、IGBT4のゲート・エミッタ間にオフゲート電圧を印加してIGBT4をオフし、過電流を遮断する。ドライブ回路内のダイオード3、17はトランジスタ誤動作防止用である。
【0010】
【特許文献1】特開昭59−103567号公報(第5図)
【特許文献2】特開平10−276075号公報(第1図)
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【0011】
電力変換装置では、運転中の過電流故障の中で、素子破壊につながる故障として負荷短絡や地絡がある。例えば図2にコレクタ・エミッタ間電圧VCEとコレクタ電流ICとの特性を示すように、短絡電流は直流定格電流の5〜6倍(高耐圧の素子では10倍程度)にも達する。従って短絡期間中に素子に印加される瞬時電力は極めて大きいため、短絡検知後、所定の時間(10μS)内にゲートをオフすることにより過電流を遮断する必要がある。
【0012】
電圧駆動形半導体素子としてIGBTを例にとり、電力変換装置における短絡事故時の模擬回路を図3に示す。また、図4に直流電圧20が高い場合の短絡時の概略波形の例を示す。この図の(a)は素子4AのVCE及びICの波形を示すものであり、(b)は素子4BのVCE及びICの波形を示すものである。
【0013】
図4において、tlの時刻に素子4Aのオン信号を与える。tl〜t2の期間経過後(駆動回路の遅れと素子のオン遅れを含む)に素子4Aがオンする。よって図4(b)における素子4Bの電圧VCEは、ほぼ直流の電圧となる。素子短絡を模擬するために、t3の時刻に素子4Bのオン信号を与える。t3〜t4の期間経過後(駆動回路の遅れと素子のオン遅れを含む)、時刻t4において素子の短絡が発生する。よってt4の時刻から短絡電流ICが流れ始める。この短絡電流の大きさは、直流電圧値と素子4A、4Bまでの配線のインダクタンスによって決まる。
【0014】
次に、時刻t5では、図3のドライブ回路18内の過電流検知回路が動作開始して過電流遮断動作が開始される。図4によれば時刻t4からt5の間に過電流を検出し保護動作をすれば、短絡電流が流れる時間を短くできると思われるが、過電流検知部は、図10の抵抗9、10、コンデンサ11からなる遅延回路(ターンオン動作初期の過渡現象発生期間時に過電流保護回路が動作しないようにマスク時間を設けている。)により時刻t5で動作を開始する。次に、時刻t6になると素子4Bはオフされ短絡電流はOとなり素子4Bの電圧VCEは直流電圧と同じになる。
【0015】
同様に模擬回路の図3において、直流電圧20が低い場合の短絡時の概略波形を図5に示す。この図の(a)は素子4AのVCE及びICの波形を示すものであり、(b)は素子4BのVCE及びICの波形を示すものである。図5においてtl〜t6は図4と同じタイミングのため、それぞれの説明は省略する。
図4、図5から分かるように直流電圧の大きさにより、素子短絡時の過大なコレクタ電流によるコレクタ・エミッタ間電圧(VCE)の上昇値は、同じ電力変換装置でも全く異なる波形となる。また、さらに直流電圧が低い場合においては、短絡時のコレクタ電圧は、監視するレベルまで上昇しないため過電流保護ができないという問題点があった。
【0016】
この問題は、監視するレベルを限りなく低い値に選定することで解決するようにも思われるが、図6に示す一般的なIGBTのコレクタ・エミッタ間飽和電圧特性からも分かるように、コレクタ電流によりコレクタ・エミッタ間飽和電圧も変化し一定な値ではない。
また、コレクタ・エミッタ間の電圧VCEが素子特性に依存しバラツキがあるため、短絡時のコレクタ電圧を監視するレベルの設定値の下限値を選定することが難しい。
【0017】
さらに、高速スイッチングを連続して行なう電力変換装置においては、ターンオン、ターンオフ時のスイッチングによるdv/dtやdi/dtが大きいため、高レベルのノイズを発生し、短絡検出レベルを下げ過ぎると、短絡事故が発生していない場合でも過電流保護装置が誤動作するといった問題点があった。
【0018】
この発明は上記のような問題点を解決するためになされたものであり、直流電圧が高い場合、低い場合、一定の場合においても任意のタイミングでコレクタ短絡検出の検知電圧の設定レベルを変えることができ、電圧駆動素子を過電流から確実に保護することができる電力変換装置の過電流保護装置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】
【0019】
この発明に係る電力変換装置の過電流保護装置は、電圧駆動形の電力用スイッチング素子を有する電力変換装置と、上記電力用スイッチング素子の入力側主端子の電圧を検出し、上記電圧が所定値を超えた時、上記電力用スイッチング素子にオフ信号を与える過電流検知部と、上記過電流検知部に任意のタイミングで並列関係に接続し得るようにされ、上記所定値を変更し得るようにした過電流設定部とを備えたものである。
【発明の効果】
【0020】
この発明に係る電力変換装置の過電流保護装置は上記のように構成されているため、直流電圧の大きさにかかわらず、短絡検知レベルの設定値を任意のタイミングで切り替え、短絡時のコレクタ検知電圧の設定値を変えることができ、直流電圧が高い場合、低い場合でも自由に短絡時のコレクタ検知電圧を変更することができる。
また、コレクタ電流の大きさにより短絡検知電圧の設定値を変えることができるため、信頼性の高い過電流遮断を行なうことができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【0021】
実施の形態1.
以下、この発明の実施の形態1を図にもとづいて説明する。図7は実施の形態1の構成を示す回路図である。この図において、図10と同一構成要素には同一符号を付し、その詳細説明を省略する。
トランジスタ5、ツェナーダイオード8、ダイオード6、抵抗7によって構成される過電流検知部によりIGBT4のコレクタ端子の電圧を監視すると共に、この電圧がツェナーダイオード8のツェナー電圧によって定まる所定の値を超えたかどうかを検出する点は図10と同様である。
【0022】
さらに、ツェナーダイオード8と並列にツェナーダイオード21及びスイッチ22の直列接続体からなる過電流設定部を設け、この過電流設定部のスイッチを任意のタイミングでオンすることにより上記所定値を切り替え、または変更することができるフォトカプラ23を設けている。
【0023】
次に、実施の形態1の動作について説明する。例えば、図3に示す電力変換装置において素子4Aがオン状態の故障の場合を想定して図7により説明する。素子4にオンオフ指令信号発生回路1からオン信号が出力されると、抵抗2を介してトランジスタ15がオン、トランジスタ16がオフとなってIGBT4のゲート・エミッタ間には抵抗13を介してオンゲート電圧V1が印加される。
【0024】
この際、抵抗10と9、ツェナーダイオード8を介してトランジスタ5にベース電流が流れようとするが、抵抗7を設けることによってトランジスタ5が動作するタイミングを遅らせている。IGBT4のゲート・エミッタ間にオンゲート電圧V1が与えられると、このIGBT4はオンし、そのコレクタ・エミッタ間電圧はオン電圧(VCE(on)とする)まで低下する。従って、
VZD1+VBE>V1+VCE(ON)十VF
の条件が成り立つ、IGBT4のオン状態ではトランジスタ5をオフに保っている。
【0025】
また、安定した定常状態(素子のターンオン後)においては、フォトカプラ23からオン信号を与えることでスイッチ22をオンし、ツェナーダイオード8とツェナーダイオード21を並列接続させる。
ツェナーダイオード8のツェナー電圧VZDl、ツェナーダイオード21のツェナー電圧VZD2の関係をVZDI>VZD2のように選定し、さらにVZD2>V1+VCE(0N)+VFの関係が成り立つようにしておけば、IGBT4がオンした状態で短絡時のコレクタ検知電圧を変更することができる。
【0026】
次に、オンオフ指令信号発生回路1によりオフ信号を出力する前に、フォトカプラ23をオフすることでスイッチ22をオフし、ツェナーダイオード21を切り離せば短絡検知電圧をツェナーダイオード8のツェナー電圧VZDlの状態に戻すことができる。
次に、オンオフ指令信号発生回路1によりオフ信号が出力されると、トランジスタ15がオフ、トランジスタ16がオンとなって、IGBT4のゲート、エミッタ間には抵抗13を介してオフゲート電圧V2が印加されIGBT4はオフとなる。このときコンデンサ11は電荷を放電して次のターンオン動作に備える。
【0027】
実施の形態1によれば、ツェナーダイオード8にツェナーダイオード21を並列接続することによって短絡検知レベルの設定値を切り替えることができる。しかも、この切り替えはフォトカプラ23をオンすることによって任意のタイミングで行なうことができ、直流電圧が高い場合、低い場合でも自由に短絡時のコレクタ検知電圧を変更することができる。また、コレクタ電流の大きさにより短絡検知電圧の設定値を変えることができるため信頼性の高い過電流遮断を行なうことができる。
【0028】
実施の形態2.
次に、この発明の実施の形態2を図にもとづいて説明する。図8は、実施の形態2の構成を示す回路図である。この図において、図7と同一構成要素には同一符号を付し、その詳細説明を省略する。図7と異なる点は、2個のツェナーダイオードを逆直列に接続した電圧クランプ回路24及びドライブ回路18のオンゲート電圧源V1に配線27にて接続された抵抗26並びにこの抵抗26の一端とIGBT4のゲート間に接続されたダイオードと、同じく抵抗26の一端とIGBT4のエミッタ間に接続されたコンデンサとからなる電圧クランプ回路25を接続した点である。
【0029】
この実施の形態では、素子短絡や負荷短絡時のように過電流が流れる状態においては、IGBT4のコレクタ電流の過大な増大と共にコレクタ電圧も上昇する。コレクタ電圧が上昇すると素子のコレクタとゲート間の容量を介して、ゲート電圧がゲート電源以上に主電源側から充電される。このためコレクタ電流が再び増大するという問題があり、これを防止しようとするものである。
【0030】
図9は、短絡が起こる前のゲート・エミッタ間の電圧とそれぞれのクランプ回路を設けたときのゲート・エミッタ間の動作波形を示すもので、(c)は短絡が起こる前のゲート・エミッタ間電圧を示し、(d)は電圧クランプ回路25、抵抗26及び配線27からなる電源クランプ回路のみを設けた場合の動作状態を示し、(e)は上記の電源クランプ回路に電圧クランプ回路24を加えた複合形クランプ回路とした場合の動作状態を示す。
【0031】
図8において抵抗26は、配線27を介しオン期間のゲート電圧の最大値をゲート電圧にクランプするもので、ドライブ回路18のオンゲート電圧V1の発生と同時に素子のゲート端子をクランプする。抵抗26を備えることにより、初回の素子オン時に抵抗13により電圧クランプ回路25内のコンデンサを充電することを防止し、IGBT4に対しターンオン時間が増えないようにしている。
【0032】
電圧クランプ回路25と抵抗26と配線27からなる電源クランプ回路だけを設けた場合には、電圧クランプ回路25内のコンデンサの容量を十分に大きくしないと、電源クランプ電圧が上昇するため、さらに2個のツェナーダイオードを逆直列接続したクランプ回路24を備えることによって電圧クランプ回路25内のコンデンサ容量を小さくすることができる。
【0033】
また、コンデンサを複数個使用する必要がないためゲート回路の小型化を図ることができる。更に、過電流が流れた時のゲート電圧上昇を防止できることにより、短絡時のコレクタ電流の上昇を抑えることもできる。
【図面の簡単な説明】
【0034】
【図1】代表的なIGBTの外観を示す概略図である。
【図2】代表的なIGBTの出力特性を示す特性図である。
【図3】電力変換装置における短絡事故時の模擬回路を示す図である。
【図4】直流電圧が高いときの図3の電圧、電流波形を示す概略図である。
【図5】直流電圧が低いときの図3の電圧、電流波形を示す概略図である。
【図6】代表的なIGBTのコレクタ・エミッタ間飽和電圧特性を示す特性図である。
【図7】この発明の実施の形態1の構成を示す回路図である。
【図8】この発明の実施の形態2の構成を示す回路図である。
【図9】実施の形態2におけるゲート・エミッタ間の動作波形を示す概略図である。
【図10】IGBTを用いた一般的な電力変換装置の過電流保護装置の構成を示す回路図である。
【符号の説明】
【0035】
1 オンオフ指令信号発生回路、 3、6、17 ダイオード、 4 IGBT、
5、15、16 トランジスタ、 8、21 ツェナーダイオード、
11 コンデンサ、 12、V1、V2 直流電圧源、 18 ドライブ回路、
19 ゲート抵抗回路、 22 スイッチ、 23 フォトカプラ、
24、25 電圧クランプ回路、 27 配線。

【特許請求の範囲】
【請求項1】
電圧駆動形の電力用スイッチング素子を有する電力変換装置と、上記電力用スイッチング素子の入力側主端子の電圧を検出し、上記電圧が所定値を超えた時、上記電力用スイッチング素子にオフ信号を与える過電流検知部と、上記過電流検知部に任意のタイミングで並列関係に接続し得るようにされ、上記所定値を変更し得るようにした過電流設定部とを備えたことを特徴とする電力変換装置の過電流保護装置。
【請求項2】
上記過電流検知部は、上記所定値を設定するツェナーダイオードを有し、上記過電流設定部は別のツェナーダイオードとスイッチとの直列接続体及び上記スイッチを開閉するフォトカプラを有することを特徴とする請求項1記載の電力変換装置の過電流保護装置。
【請求項3】
上記電力用スイッチング素子のゲート・エミッタ間に接続され、2個のツェナーダイオードを逆直列に接続して構成された電圧クランプ回路と、上記電力用スイッチング素子のドライブ回路のオンゲート電圧源に抵抗を介して接続され、上記電力用スイッチング素子のゲートに接続されたダイオードとエミッタに接続されたコンデンサとから構成された別の電圧クランプ回路とを備えたことを特徴とする請求項1または請求項2記載の電力変換装置の過電流保護装置。

【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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【公開番号】特開2006−14402(P2006−14402A)
【公開日】平成18年1月12日(2006.1.12)
【国際特許分類】
【出願番号】特願2004−184040(P2004−184040)
【出願日】平成16年6月22日(2004.6.22)
【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)】