電力変換装置及びその異常検出方法
【課題】複数のＩＧＢＴ素子で構成される電力変換装置において、ゲート駆動回路の異常及びＩＧＢＴ素子の異常を確実に検出して保護を行う。
【解決手段】電力変換装置の制御回路１００と、各ＩＧＢＴに対する指令パルスを発生するパルス発生回路２００と、入力された指令パルスに応じてＩＧＢＴのオン・オフ動作制御を行う複数のゲート駆動回路４００ａ〜４００ｎと、各ゲート駆動回路に接続するＩＧＢＴ５００ａ〜５００ｎと、異常検出回路３００から構成し、異常検出回路にて、指令パルスＲＰａ〜ＲＰｎとゲート駆動回路から出力されるゲートフィードバック信号ＦＢＰａ〜ＦＢＰｎとの不一致を判定し、不一致状態が一定時間継続した場合に異常と判定し、パルス発生回路に全指令パルスをオフさせる信号ＳＵＰを出力する。
【解決手段】電力変換装置の制御回路１００と、各ＩＧＢＴに対する指令パルスを発生するパルス発生回路２００と、入力された指令パルスに応じてＩＧＢＴのオン・オフ動作制御を行う複数のゲート駆動回路４００ａ〜４００ｎと、各ゲート駆動回路に接続するＩＧＢＴ５００ａ〜５００ｎと、異常検出回路３００から構成し、異常検出回路にて、指令パルスＲＰａ〜ＲＰｎとゲート駆動回路から出力されるゲートフィードバック信号ＦＢＰａ〜ＦＢＰｎとの不一致を判定し、不一致状態が一定時間継続した場合に異常と判定し、パルス発生回路に全指令パルスをオフさせる信号ＳＵＰを出力する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、素子の制御入力に加える電圧により導通状態を制御できる、電圧駆動型半導体素子を複数使用して電力変換を行う電力変換装置に関わり、特に電圧駆動型半導体素子の異常を検出する手段を備えた電力変換装置及びその異常検出方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
電圧駆動型半導体素子の代表的なものに絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（Insulated Gate Bipolar Transistor:ＩＧＢＴと略称）があり、電力変換装置に広く使用されている。以後、本明細書では、電圧駆動型半導体素子全般を指す言葉としてＩＧＢＴを用い、説明を行う。
【０００３】
電力変換装置の保護として、電力変換装置の負荷短絡などにより発生する過電流を検出し、ＩＧＢＴ自身により過電流を遮断して保護する方式が広く行われている。例えば、過大電流時の飽和電圧上昇をＩＧＢＴのコレクタ電圧から検出し、ゲート電圧を低下させて過電流をＩＧＢＴ自身により遮断して保護するものがある。また、ＩＧＢＴ内に専用の電流検出用エミッタ電極を設けて過電流を検出し、ゲート電圧を低下させて過電流をＩＧＢＴ自身により遮断して保護するものもある。
【０００４】
ところが、飽和電圧上昇を検出する方式では、過大電流が流れないとコレクタ電圧が上昇しないため、必然的に検出が遅れてしまう。また、高圧のコレクタ電圧をゲート駆動回路に接続するので、回路構成が複雑になるとともに、ＩＧＢＴのオン・オフ動作により急激に変動するコレクタ電圧を用いるために誤動作する場合もあった。一方、電流検出用エミッタ電極を設ける方式は、ＩＧＢＴの回路自体に電極を設ける必要があり、汎用品のＩＧＢＴを用いる電力変換装置では用いることができない。
【０００５】
特許文献１には、絶縁ゲート型半導体素子のゲート電流を検出し、ゲート電流の立ち上がり信号からオン相当の時間を求め、当該時間をゲート指令信号と比較して両者の不一致を検出することで素子の故障を速やかに検出する絶縁ゲート型半導体素子の故障検出方法の例についての開示がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００２−２８１７３６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
ところで、従来の方式では、いずれもＩＧＢＴ自身で過電流を遮断する方式のために、ＩＧＢＴ自体の故障などにより電流遮断機能が失われた場合には、保護できないという問題があった。更に、ゲート駆動回路の誤動作、故障などにより、ＩＧＢＴに対して誤ったオン・オフ制御が行われた場合にも保護できない問題があった。
【０００８】
一方、複数のＩＧＢＴで構成される電力変換装置では、１つのＩＧＢＴ素子の電流遮断失敗が他のＩＧＢＴ素子の過電流の原因となり、複数のＩＧＢＴ素子の破損へと波及する問題があった。
【０００９】
本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、複数のＩＧＢＴ素子で構成される電力変換装置において、ゲート駆動回路の異常及びＩＧＢＴ素子の異常を確実に検出して保護を行うことにより、１つのＩＧＢＴ素子の故障が他のＩＧＢＴ素子の破損へと波及することを防止する保護機能を備えた、電力変換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】
【００１０】
本発明は、電力変換装置の制御処理を行い、パルス発生手段にパルス発生を指示する制御回路と、制御回路からの指令に基づき、各ＩＧＢＴに対するオン・オフ状態を指定する指令パルスを発生するパルス発生手段と、入力された指令パルスの状態に応じてＩＧＢＴのゲートに印加するゲート電圧の大きさを変えることにより、ＩＧＢＴをオンまたはオフ動作を行わせる複数のゲート駆動手段と、各ゲート駆動手段に接続するＩＧＢＴと、ゲート駆動手段及びＩＧＢＴの異常を検出する異常検出手段から構成する。
【００１１】
ゲート駆動手段であるゲート駆動回路は、指令パルスの状態に応じてＩＧＢＴのゲートに印加するゲート電圧の大きさを変えるゲート駆動部と、ゲート電圧を検出し、その大きさを閾値と比較し、閾値より高い（Ｈ）または低い（Ｌ）を示す信号を出力するゲート電圧判別部と、ゲート電流を検出し、その大きさを閾値と比較し、閾値より大きい（Ｈ）または小さい（Ｌ）を示す信号を出力するゲート電流判別部と、ゲート電圧判別部の出力とゲート電流判別部の出力とを入力してＩＧＢＴのオン・オフ状態を示すゲートフィードバック信号を出力するゲートフィードバック作成部及び電源部より構成する。
【００１２】
また、異常検出手段である異常検出回路は、パルス発生手段が各ゲート駆動手段に対して出力した指令パルスと、パルス発生回路に接続する複数のゲート駆動手段から出力されるゲートフィードバック信号とを入力し、指令パルスと各ゲートフィードバック信号とが一致しているかを判定する。判定の結果、異常を検出した場合は、パルス発生手段に全指令パルスをオフさせる信号（サプレス信号）を発生させる指令を出力する。それにより、電力変換装置を構成する各ＩＧＢＴが全てオフ状態となり、電力変換装置が停止する。
【００１３】
このように本発明では、異常検出時に電力変換装置を構成する全てのＩＧＢＴでオフ動作を行うので、たとえ一個のＩＧＢＴが電流遮断を行えなくとも、その電流経路にある他のＩＧＢＴがオフ状態になり電流を遮断するため、他のＩＧＢＴを保護することができる。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によると、複数のＩＧＢＴで構成される電力変換装置において、ＩＧＢＴの異常を検出するとともに、電力変換装置を構成する全てのＩＧＢＴでオフ動作を行うことにより、１つのＩＧＢＴ素子の故障が他のＩＧＢＴ素子の破損へと波及することを防止することができる。また、異常検出時には、パルス発生手段によりオフ動作を行うため、ゲート駆動手段またはＩＧＢＴ自身に異常がある場合でも、全てのＩＧＢＴを確実にオフ状態とすることができ、他のＩＧＢＴを保護することができる。
【００１５】
ここで、ゲート駆動手段は、指令パルスがＨレベル時にはＩＧＢＴのゲートに正の一定電圧を印加し、Ｌレベル時には負の一定電圧を印加する動作を行う。そのため、ＩＧＢＴのゲート電圧と指令パルスのレベルが対応しない場合は、ゲート駆動手段の異常またはＩＧＢＴの異常であると考えられる。また、一般に、ＩＧＢＴなどの電圧駆動型半導体素子は、印加するゲート電圧を変化させた直後の短時間には、ゲート容量を充放電するためのゲート電流が流れるが、その他の定常時には流れない。そのため、印加するゲート電圧を変化させていないにもかかわらず一定時間以上ゲート電流が流れる場合には、ＩＧＢＴの異常状態であると判定できる。
【００１６】
本発明では、以上のようなＩＧＢＴの特性を利用して異常検出するために、ゲート駆動手段にゲート電圧判定部及びゲート電流判定部を設け、ＩＧＢＴのゲート電圧と指令パルスとが一致しない場合に加え、ゲート電流と指令パルスとの不一致も検出することができるため、ゲート駆動手段の異常またはＩＧＢＴ素子の異常を確実に検出して保護することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本発明の一実施の形態による全体構成例を示すブロック図である。
【図２】本発明の一実施の形態によるゲート電圧判別部の動作特性例を示す説明図である。
【図３】本発明の一実施の形態によるゲート電流判別部の動作特性例を示す説明図である。
【図４】本発明の一実施の形態によるゲートフィードバック作成部の構成例を示す説明図である。
【図５】本発明の一実施の形態による異常検出回路の構成例を示すブロック図である。
【図６】本発明の一実施の形態による正常時の動作例を示す説明図である。
【図７】本発明の一実施の形態による異常時の動作例（１）を示す説明図である。
【図８】本発明の一実施の形態による異常時の動作例（２）を示す説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
以下、本発明の一実施の形態を、添付図面を参照して説明する。
【００１９】
図１は、本発明の一実施の形態による電力変換装置の構成例を示すブロック図である。図１を参照して本例の一実施の形態による全体構成について説明する。
【００２０】
本例は、電力変換装置の動作を制御する制御回路１００と、制御回路１００の指示に従い、ＩＧＢＴのオン・オフを指令する指令パルス発生を行うパルス発生手段であるパルス発生回路２００と、パルス発生回路２００から指令パルスを入力し、指令パルスの状態に応じてＩＧＢＴのゲートに印加するゲート電圧の大きさを変えることにより、ＩＧＢＴをオンまたはオフ動作を行わせるゲート駆動手段であるゲート駆動回路４００ａと、ＩＧＢＴ素子５００ａと、ゲート駆動回路またはＩＧＢＴの異常を検出し、異常発生時にはパルス発生回路２００のパルス発生を停止するための信号ＳＵＰを出力する異常検出手段である異常検出回路３００から構成する。なお、電力変換装置は、複数のＩＧＢＴ（５００ａ〜５００ｎ）及び複数のゲート駆動回路（４００ａ〜４００ｎ）で構成するが、それらの構成や動作はすべて同一であるので、図１では一個のＩＧＢＴ５００ａとそのゲート駆動回路４００ａのみ示し、他は省略する。
【００２１】
ゲート駆動回路４００ａは、パルス発生回路２００が発生する指令パルスＲＰａを入力し、指令パルスＲＰａに応じた電圧をゲート電圧として印加し、ＩＧＢＴ５００ａのオン・オフ動作を制御するゲート駆動部４０１ａと、ゲート駆動回路４００ａの各部で必要とする電源を供給する電源部４０２ａと、ゲート電圧Ｖｇａを入力し、ゲート電圧の判別を行うゲート電圧判別部４０３ａと、ゲート電流Ｉｇａを入力し、ゲート電流を判別するゲート電流判別部４０４ａと、ゲート電圧判別部４０３ａから出力されるゲート電圧フィードバックパルスＶＦＢａ及びゲート電流判別部４０４ａから出力されるゲート電流フィードバックパルスＩＦＢａを入力し、ゲートフィードバックパルスＦＢＰａを出力するゲートフィードバック作成部４０５ａと、ゲート抵抗４０６ａから構成する。
【００２２】
次に、ゲート駆動回路４００ａの各部の動作について説明する。
【００２３】
ゲート駆動部４０１ａは、パルス発生回路２００が発生する指令パルスＲＰａを入力し、指令パルスＲＰａがＨレベルの場合は、ＩＧＢＴ５００ａのゲートに正の一定電圧を印加してオン動作させ、指令パルスＲｐａがＬレベルの場合は、負の一定電圧を印加してオフ動作させるよう制御する。
【００２４】
ゲート電圧判別部４０３ａは、ＩＧＢＴ５００ａのゲート電圧Ｖｇａを入力し、ゲート電圧フィードバックパルスＶＦＢａを発生する。図２にゲート電圧判別部４０３ａの動作特性を示す。本例では、ゲート電圧を判定するために一定の判定レベルＶｔｈを設定し、入力したゲート電圧Ｖｇａが、Ｖｔｈより小さい場合（Ｖｇａ＜Ｖｔｈ）にはＬレベル、Ｖｇａが、Ｖｔｈ以上の場合（Ｖｇａ≧Ｖｔｈ）にはＨレベルと判定し、その判定結果に対応するゲート電圧フィードバックパルスＶＦＢａを生成し、出力する。
【００２５】
ゲート電流判別部４０４ａは、ＩＧＢＴ５００ａのゲート電流Ｉｇａをゲート抵抗４０６ａの電圧として入力し、ゲート電流フィードバックパルスＩＦＢａを発生する。図３にゲート電流判別部４０４ａの動作特性を示す。本例では、ゲート電流を判定するために一定の判定レベルＩｔｈを設定し、入力したゲート電流Ｉｇａの絶対値が、Ｉｔｈより小さい場合（−Ｉｔｈ＜Ｉｇａ＜＋Ｉｔｈ）にはＬレベル、ゲート電流Ｉｇａの絶対値が、Ｉｔｈ以上の場合（Ｉｇａ≦−Ｉｔｈ、Ｉｇａ≧＋Ｉｔｈ）にはＨレベルと判定し、その判定結果に対応するゲート電流フィードバックパルスＩＦＢａを生成し、出力する。
【００２６】
次に、ゲートフィードバック作成部４０５ａの動作について説明する。図４に本例のゲートフィードバック作成部４０５ａの構成例を示す。ゲートフィードバック作成部４０５ａには、ゲート電圧判別部４０３ａが出力するゲート電圧フィードバックパルスＶＦＢａと、ゲート電流判別部４０４ａが出力するゲート電流フィードバックパルスＩＦＢａとを入力し、入力したパルスの排他的論理和をとり、その結果をＨレベルまたはＬレベルの信号であるゲートフィードバックパルスＦＢＰａとして出力する。ゲートフィードバックパルスＦＢＰａは、ＩＧＢＴ５００ａのオン・オフ状態を異常検出回路３００に通知する信号となる。ゲートフィードバック作成部４０５ａの動作の詳細については、図６〜図８を用いて説明する。
【００２７】
図５に、本例における異常検出回路３００の構成例を示す。図５を参照して、異常検出回路３００の構成と動作について説明する。
【００２８】
異常検出回路３００は、パルス発生回路２００から出力された指令パルスＲＰａ〜ＲＰｎと、ゲートフィードバックパルスＦＢＰａ〜ＦＢＰｎとを入力し、それらの不一致を検出するための排他的論理和演算回路３０４a〜３０４ｎと、論理和演算回路３０３と、不一致が発生した場合にその不一致が一定時間継続することを検知する手段として、一定周波数のクロック信号を発生する発振回路３０１と、クロック信号をカウントするカウンタ３０２から構成する。排他的論理和演算回路３０４a〜３０４ｎには、パルス発生回路２００から各ゲート駆動回路４００ａ〜４００ｎに対して出力された指令パルスＲＰａ〜ＲＰｎと、各ゲート駆動回路のゲートフィードバック作成部４０５ａ〜４０５ｎから出力されるゲートフィードバックパルスＦＢＰａ〜ＦＢＰｎをそれぞれ入力し、指令パルスＲＰａ〜ＲＰｎとゲートフィードバックパルスＦＢＰａ〜ＦＢＰｎとの排他的論理和をとる。論理和演算回路３０３には、排他的論理和演算回路３０４a〜３０４ｎの結果を入力し、それらの論理和をとる。
【００２９】
カウンタ３０２は、発振回路３０１から入力されるクロック入力ＣＬＫ、カウント動作許可入力ＥＮ、カウンタクリア入力ＣＬＲ、カウンタオーバフロー出力ＯＶＦを備える。カウンタ３０２は、カウント動作許可入力ＥＮがＨレベルかつカウンタクリア入力ＣＬＲがＨレベルのときに、クロック入力ＣＬＫが変化する毎にカウント動作を行う。また、カウンタクリア入力ＣＬＲにＬレベル信号が入力されると、カウンタをゼロクリアする。カウンタにはオーバフローを検出するための上限値を設定しておき、カウント値が上限値に達すると、カウンタオーバフロー出力ＯＶＦをＨレベル信号として出力する。カウンタオーバフロー出力は、パルス発生回路２００のパルス発生を停止するための信号ＳＵＰとなる。
【００３０】
ここで、カウンタクリア入力ＣＬＲとカウント動作許可入力ＥＮは、論理和演算回路３０３の出力信号を入力している。論理和演算回路３０３は、排他的論理和演算回路３０４a〜３０４ｎの結果を入力しており、この排他的論理和演算回路３０４a〜３０４ｎの結果のいずれかがＨレベルの場合に、論理和演算回路３０３の出力信号がＨレベルとなる。そのため、論理和演算回路３０３の出力信号がＨレベルの場合は、指令パルスＲＰａ〜ＲＰｎとゲートフィードバックパルスＦＢＰａ〜ＦＢＰｎのいずれかに不一致が発生している状態であると判断できる。
【００３１】
指令パルスとゲートフィードバックパルスが一致しない状態として、指令パルスとＩＧＢＴのオン・オフ状態が一致しない場合がある。また、一般に、ＩＧＢＴでは、印加するゲート電圧を変化させた直後の短時間には、ゲート容量を充放電するためのゲート電流が流れるが、その他の定常時には流れない。そのため、ゲート電圧の変化に伴うゲート電流の発生中には、指令パルスとゲートフィードバックパルスとの不一致が発生する場合がある。しかし、これらの不一致状態が復帰せず、一定時間継続した場合には、何らかの異常が発生したものと判断することができる。そこで、本例では、異常発生を判定するための閾値としてカウンタの上限値を設けた。カウンタ３０２は、論理和演算回路３０３の出力がＨレベルの間カウントを続け、Ｈレベルの状態が一定時間継続すると、カウント値が上限値に達してカウンタオーバフロー出力ＯＶＦがＨレベルとなるように構成した。カウンタオーバフロー出力ＯＶＦは、パルス発生回路２００への出力信号ＳＵＰとして出力し、Ｈレベルの出力信号ＳＵＰを入力したパルス発生回路２００は、全指令パルスを停止し、その結果、電力変換装置を構成する各ＩＧＢＴが全てオフ状態となり、電力変換装置が停止する。
【００３２】
このように、本例では、異常検出回路３００により異常を確実に検出すると共に、パルス発生回路２００が全指令パルスを停止してＩＧＢＴを全てオフ状態とすることで、健全なＩＧＢＴを保護することができる。
【００３３】
なお、本例では、指令パルスとゲートフィードバックパルスとの不一致状態が一定時間継続したことを検知する手段として発振回路とカウンタを設けたが、論理和演算回路３０３の出力がＨレベルの状態が継続する時間を判定し、閾値を超えたことを通知することができれば、他の手段でもよい。
【００３４】
次に、図６〜図８を参照して本例の動作について説明する。図６は正常時の動作を、図７、図８は異常時の動作を示している。
【００３５】
まず、図６を参照して正常時の動作について説明する。図６には、上からパルス発生回路２００から出力する指令パルスＲＰａ、ＩＧＢＴ５００ａのゲート電圧Ｖｇａ、ゲート電流Ｉｇａ、ゲート電圧判別部４０３ａから出力されるゲート電圧フィードバックパルスＶＦＢａ、ゲート電流判別部４０４ａから出力されるゲート電流フィードバックパルスＩＦＢａ、ゲートフィードバック作成部４０５ａから出力されるゲートフィードバックパルスＦＢＰａ、排他的論理和演算回路３０４ａの出力信号、論理和演算回路３０３の出力信号、カウンタ３０２のカウント値、異常検出回路３００の出力信号ＳＵＰを表している。
【００３６】
ｔ１において、指令パルスＲＰａがＬレベルからＨレベルに変化すると、ゲート電圧Ｖｇａは−Ｖから＋Ｖに変化する。このとき、ＩＧＢＴ５００ａのゲート容量を充電するために正のゲート電流Ｉｇａが流れる。ゲート電圧Ｖｇａが−Ｖから＋Ｖに変化したため、ゲート電圧Ｖｇａが判定レベルＶｔｈ以上になった時点で、ゲート電圧判別部４０３ａの出力信号であるゲート電圧フィードバックパルスＶＦＢａはＬレベルからＨレベルとなる。
【００３７】
一方、ゲート電流Ｉｇａが一定値＋Ｉｔｈ以上流れている間、ゲート電流判別部４０４ａの出力信号であるゲート電流フィードバックパルスＩＦＢａがＨレベルとなり、充電が終了してゲート電流Ｉｇａが一定値＋Ｉｔｈより小さくなると、ゲート電流フィードバックパルスＩＦＢａはＬレベルとなる。
【００３８】
ゲートフィードバック作成部４０５ａは、ゲート電圧フィードバックパルスＶＦＢａとゲート電流フィードバックパルスＩＦＢａの排他的論理和をとるため、出力信号であるゲートフィードバックパルスＦＢＰａは図示したようになる。
【００３９】
異常検出回路３００の排他的論理和演算回路３０４ａは、指令パルスＲＰａとゲートフィードバックパルスＦＢＰａを入力し、排他的論理和をとるため、その出力信号は図示したようになる。また、排他的論理和演算回路３０４ａの出力信号を入力とする論理和演算回路３０３の出力も図示したようになる。ここでは、例として排他的論理和演算回路がひとつの場合を示しているため、排他的論理和演算回路３０４ａの出力信号と同様の出力となる。
【００４０】
カウンタ３０２は、論理和演算回路３０３の出力信号がＨレベルの間、カウント値を増加させるが、オーバフローを検出するための上限値に達する前にＬレベルに戻るので、カウント値はクリアされる。その結果、異常検出回路３００の出力信号ＳＵＰは、Ｈレベルとはならない。
【００４１】
ｔ２において、指令パルスＲＰａがＨレベルからＬレベルに変化すると、ゲート電圧Ｖｇａは＋Ｖから−Ｖに変化する。このとき、ＩＧＢＴ５００ａのゲート容量を放電するために負のゲート電流Ｉｇａが流れる。ゲート電圧Ｖｇａが＋Ｖから−Ｖに変化したため、ゲート電圧Ｖｇａが判定レベルＶｔｈより低くなった時点で、ゲート電圧判別部４０３ａの出力信号であるゲート電圧フィードバックパルスＶＦＢａはＨレベルからＬレベルとなる。
【００４２】
一方、ゲート電流Ｉｇａが一定値−Ｉｔｈ以下となっている間、ゲート電流判別部４０４ａの出力信号であるゲート電流フィードバックパルスＩＦＢａはＨレベルとなり、充電が終了してゲート電流Ｉｇａが一定値−Ｉｔｈより大きくなると、ゲート電流フィードバックパルスＩＦＢａはＬレベルとなる。
【００４３】
以降は同様に動作して、異常検出回路３００の出力信号ＳＵＰはＨレベルとはならない。
【００４４】
次に、図７を参照して異常発生時の動作について説明する。なお、図７に示す信号は図６に示したものと同様である。
【００４５】
図７において、ｔ３の時点で指令パルスＲＰａがＨレベルからＬレベルに変化した場合の動作については、図６で示した正常時の動作と同様である。
【００４６】
ここで、ｔ４の時点でＩＧＢＴ５００ａに故障が発生したとする。ＩＧＢＴ５００ａに故障が発生すると、ゲート電流Ｉｇａが流れ出す。この電流は、ＩＧＢＴのコレクタ、ゲート間の帰還容量を介して、または、コレクタとゲートが導通状態になりコレクタ電流がゲートに流出したもの、あるいはゲート、エミッタ間が導通状態となり、ゲート電流が流れたものなど、ＩＧＢＴの異常に起因するものである。
【００４７】
この結果、ゲート電流Ｉｇａが一定値−Ｉｔｈ以下になると、ゲート電流判別部４０４ａの出力信号であるゲート電流フィードバックパルスＩＦＢａはＨレベルとなり、ゲートフィードバック作成部４０５ａの出力信号であるゲートフィードバックパルスＦＢＰａもＨレベルとなる。そして、指令パルスＲＰａとゲートフィードバックパルスＦＢＰａを入力し排他的論理和をとる、異常検出回路３００の排他的論理和演算回路３０４ａもＨレベルとなり、論理和演算回路３０３の出力も同様になる。
【００４８】
カウンタ３０２は、論理和演算回路３０３の出力信号がＨレベルの間、カウント値を増加させ、論理和演算回路３０３の出力が一定時間以上Ｈレベルの状態を継続すると、ｔ５時点でカウンタ３０２のカウント値が上限値に達する。その結果、異常検出回路３００の出力信号ＳＵＰがＨレベルとなり、この時点で異常が発生したと判定される。
【００４９】
異常検出回路３００の出力信号ＳＵＰを入力したパルス発生回路２００は、パルス発生を停止し、指令パルスＲＰａ〜ＲＰｎの全てがＬレベルとなる。そのため、ＩＧＢＴ５００ａ〜ＩＧＢＴ５００ｎが全てオフ状態となり、電力変換装置は動作を停止する。これにより、異常が発生したＩＧＢＴを含むすべてのＩＧＢＴは停止するため、過電流を遮断することができ、正常なＩＧＢＴを保護することが可能となる。
【００５０】
次に、図８を参照して、他の異常発生時の動作について説明する。なお、図８に示す信号は図６に示したものと同様である。
【００５１】
ここで、ｔ６の時点でゲート駆動部４０１ａが誤動作し、指令パルスＲＰａに対応しないゲート電圧Ｖｇａが発生したとする。これにより、ゲート電圧判別部４０３ａの出力であるゲート電圧フィードバックパルスＶＦＢａがＨレベルとなり、ゲートフィードバック作成部４０５ａの出力信号であるゲートフィードバックパルスＦＢＰａもＨレベルとなる。その結果、図７で説明した動作と同様に動作し、異常検出回路３００の論理和演算回路３０３の出力もＨレベルとなり、ｔ７時点でカウンタ３０２のカウント値が上限値に達する。そして、異常検出回路３００の出力信号ＳＵＰがＨレベルとなり、パルス発生回路２００がパルス発生を停止することによってＩＧＢＴ５００ａ〜ＩＧＢＴ５００ｎが全てオフ状態となり、電力変換装置は動作を停止する。
【００５２】
また、上記異常例の他にも、電源部４０２ａに異常が生じた場合には、各回路部のいずれかが異常となる。その結果、ゲートフィードバックパルスＦＢＰａが正常時とは異なる波形となるため、異常検出回路３００で異常が検出され、電力変換装置は動作を停止する。更に、ゲート電圧判別部４０３ａ、ゲート電流判別部４０４ａ、ゲートフィードバック作成部４０５ａに異常が生じた場合にも、ゲートフィードバックパルスＦＢＰａが正常時とは異なる波形となることで検出される。
【００５３】
このように、本例では、ＩＧＢＴ素子、ＩＧＢＴ素子を駆動するゲート駆動回路のいずれに異常が生じた場合にも、確実に異常を検出することができ、異常検出時には、パルス発生回路のパルスを停止することで電力変換装置及びＩＧＢＴ素子を確実に保護することができる。
【符号の説明】
【００５４】
１００…制御回路、２００…パルス発生回路、３００…異常検出回路、３０１…発振回路、３０２…カウンタ、３０３…論理和演算回路、３０４…排他的論理和演算回路、４００…ゲート駆動回路、４０１…ゲート駆動部、４０２…電源部、４０３…ゲート電圧判別部、４０４…ゲート電流判別部、４０５…ゲートフィードバック作成部、４０６…ゲート抵抗、５００…ＩＧＢＴ
【技術分野】
【０００１】
本発明は、素子の制御入力に加える電圧により導通状態を制御できる、電圧駆動型半導体素子を複数使用して電力変換を行う電力変換装置に関わり、特に電圧駆動型半導体素子の異常を検出する手段を備えた電力変換装置及びその異常検出方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
電圧駆動型半導体素子の代表的なものに絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（Insulated Gate Bipolar Transistor:ＩＧＢＴと略称）があり、電力変換装置に広く使用されている。以後、本明細書では、電圧駆動型半導体素子全般を指す言葉としてＩＧＢＴを用い、説明を行う。
【０００３】
電力変換装置の保護として、電力変換装置の負荷短絡などにより発生する過電流を検出し、ＩＧＢＴ自身により過電流を遮断して保護する方式が広く行われている。例えば、過大電流時の飽和電圧上昇をＩＧＢＴのコレクタ電圧から検出し、ゲート電圧を低下させて過電流をＩＧＢＴ自身により遮断して保護するものがある。また、ＩＧＢＴ内に専用の電流検出用エミッタ電極を設けて過電流を検出し、ゲート電圧を低下させて過電流をＩＧＢＴ自身により遮断して保護するものもある。
【０００４】
ところが、飽和電圧上昇を検出する方式では、過大電流が流れないとコレクタ電圧が上昇しないため、必然的に検出が遅れてしまう。また、高圧のコレクタ電圧をゲート駆動回路に接続するので、回路構成が複雑になるとともに、ＩＧＢＴのオン・オフ動作により急激に変動するコレクタ電圧を用いるために誤動作する場合もあった。一方、電流検出用エミッタ電極を設ける方式は、ＩＧＢＴの回路自体に電極を設ける必要があり、汎用品のＩＧＢＴを用いる電力変換装置では用いることができない。
【０００５】
特許文献１には、絶縁ゲート型半導体素子のゲート電流を検出し、ゲート電流の立ち上がり信号からオン相当の時間を求め、当該時間をゲート指令信号と比較して両者の不一致を検出することで素子の故障を速やかに検出する絶縁ゲート型半導体素子の故障検出方法の例についての開示がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００２−２８１７３６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
ところで、従来の方式では、いずれもＩＧＢＴ自身で過電流を遮断する方式のために、ＩＧＢＴ自体の故障などにより電流遮断機能が失われた場合には、保護できないという問題があった。更に、ゲート駆動回路の誤動作、故障などにより、ＩＧＢＴに対して誤ったオン・オフ制御が行われた場合にも保護できない問題があった。
【０００８】
一方、複数のＩＧＢＴで構成される電力変換装置では、１つのＩＧＢＴ素子の電流遮断失敗が他のＩＧＢＴ素子の過電流の原因となり、複数のＩＧＢＴ素子の破損へと波及する問題があった。
【０００９】
本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、複数のＩＧＢＴ素子で構成される電力変換装置において、ゲート駆動回路の異常及びＩＧＢＴ素子の異常を確実に検出して保護を行うことにより、１つのＩＧＢＴ素子の故障が他のＩＧＢＴ素子の破損へと波及することを防止する保護機能を備えた、電力変換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】
【００１０】
本発明は、電力変換装置の制御処理を行い、パルス発生手段にパルス発生を指示する制御回路と、制御回路からの指令に基づき、各ＩＧＢＴに対するオン・オフ状態を指定する指令パルスを発生するパルス発生手段と、入力された指令パルスの状態に応じてＩＧＢＴのゲートに印加するゲート電圧の大きさを変えることにより、ＩＧＢＴをオンまたはオフ動作を行わせる複数のゲート駆動手段と、各ゲート駆動手段に接続するＩＧＢＴと、ゲート駆動手段及びＩＧＢＴの異常を検出する異常検出手段から構成する。
【００１１】
ゲート駆動手段であるゲート駆動回路は、指令パルスの状態に応じてＩＧＢＴのゲートに印加するゲート電圧の大きさを変えるゲート駆動部と、ゲート電圧を検出し、その大きさを閾値と比較し、閾値より高い（Ｈ）または低い（Ｌ）を示す信号を出力するゲート電圧判別部と、ゲート電流を検出し、その大きさを閾値と比較し、閾値より大きい（Ｈ）または小さい（Ｌ）を示す信号を出力するゲート電流判別部と、ゲート電圧判別部の出力とゲート電流判別部の出力とを入力してＩＧＢＴのオン・オフ状態を示すゲートフィードバック信号を出力するゲートフィードバック作成部及び電源部より構成する。
【００１２】
また、異常検出手段である異常検出回路は、パルス発生手段が各ゲート駆動手段に対して出力した指令パルスと、パルス発生回路に接続する複数のゲート駆動手段から出力されるゲートフィードバック信号とを入力し、指令パルスと各ゲートフィードバック信号とが一致しているかを判定する。判定の結果、異常を検出した場合は、パルス発生手段に全指令パルスをオフさせる信号（サプレス信号）を発生させる指令を出力する。それにより、電力変換装置を構成する各ＩＧＢＴが全てオフ状態となり、電力変換装置が停止する。
【００１３】
このように本発明では、異常検出時に電力変換装置を構成する全てのＩＧＢＴでオフ動作を行うので、たとえ一個のＩＧＢＴが電流遮断を行えなくとも、その電流経路にある他のＩＧＢＴがオフ状態になり電流を遮断するため、他のＩＧＢＴを保護することができる。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によると、複数のＩＧＢＴで構成される電力変換装置において、ＩＧＢＴの異常を検出するとともに、電力変換装置を構成する全てのＩＧＢＴでオフ動作を行うことにより、１つのＩＧＢＴ素子の故障が他のＩＧＢＴ素子の破損へと波及することを防止することができる。また、異常検出時には、パルス発生手段によりオフ動作を行うため、ゲート駆動手段またはＩＧＢＴ自身に異常がある場合でも、全てのＩＧＢＴを確実にオフ状態とすることができ、他のＩＧＢＴを保護することができる。
【００１５】
ここで、ゲート駆動手段は、指令パルスがＨレベル時にはＩＧＢＴのゲートに正の一定電圧を印加し、Ｌレベル時には負の一定電圧を印加する動作を行う。そのため、ＩＧＢＴのゲート電圧と指令パルスのレベルが対応しない場合は、ゲート駆動手段の異常またはＩＧＢＴの異常であると考えられる。また、一般に、ＩＧＢＴなどの電圧駆動型半導体素子は、印加するゲート電圧を変化させた直後の短時間には、ゲート容量を充放電するためのゲート電流が流れるが、その他の定常時には流れない。そのため、印加するゲート電圧を変化させていないにもかかわらず一定時間以上ゲート電流が流れる場合には、ＩＧＢＴの異常状態であると判定できる。
【００１６】
本発明では、以上のようなＩＧＢＴの特性を利用して異常検出するために、ゲート駆動手段にゲート電圧判定部及びゲート電流判定部を設け、ＩＧＢＴのゲート電圧と指令パルスとが一致しない場合に加え、ゲート電流と指令パルスとの不一致も検出することができるため、ゲート駆動手段の異常またはＩＧＢＴ素子の異常を確実に検出して保護することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本発明の一実施の形態による全体構成例を示すブロック図である。
【図２】本発明の一実施の形態によるゲート電圧判別部の動作特性例を示す説明図である。
【図３】本発明の一実施の形態によるゲート電流判別部の動作特性例を示す説明図である。
【図４】本発明の一実施の形態によるゲートフィードバック作成部の構成例を示す説明図である。
【図５】本発明の一実施の形態による異常検出回路の構成例を示すブロック図である。
【図６】本発明の一実施の形態による正常時の動作例を示す説明図である。
【図７】本発明の一実施の形態による異常時の動作例（１）を示す説明図である。
【図８】本発明の一実施の形態による異常時の動作例（２）を示す説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
以下、本発明の一実施の形態を、添付図面を参照して説明する。
【００１９】
図１は、本発明の一実施の形態による電力変換装置の構成例を示すブロック図である。図１を参照して本例の一実施の形態による全体構成について説明する。
【００２０】
本例は、電力変換装置の動作を制御する制御回路１００と、制御回路１００の指示に従い、ＩＧＢＴのオン・オフを指令する指令パルス発生を行うパルス発生手段であるパルス発生回路２００と、パルス発生回路２００から指令パルスを入力し、指令パルスの状態に応じてＩＧＢＴのゲートに印加するゲート電圧の大きさを変えることにより、ＩＧＢＴをオンまたはオフ動作を行わせるゲート駆動手段であるゲート駆動回路４００ａと、ＩＧＢＴ素子５００ａと、ゲート駆動回路またはＩＧＢＴの異常を検出し、異常発生時にはパルス発生回路２００のパルス発生を停止するための信号ＳＵＰを出力する異常検出手段である異常検出回路３００から構成する。なお、電力変換装置は、複数のＩＧＢＴ（５００ａ〜５００ｎ）及び複数のゲート駆動回路（４００ａ〜４００ｎ）で構成するが、それらの構成や動作はすべて同一であるので、図１では一個のＩＧＢＴ５００ａとそのゲート駆動回路４００ａのみ示し、他は省略する。
【００２１】
ゲート駆動回路４００ａは、パルス発生回路２００が発生する指令パルスＲＰａを入力し、指令パルスＲＰａに応じた電圧をゲート電圧として印加し、ＩＧＢＴ５００ａのオン・オフ動作を制御するゲート駆動部４０１ａと、ゲート駆動回路４００ａの各部で必要とする電源を供給する電源部４０２ａと、ゲート電圧Ｖｇａを入力し、ゲート電圧の判別を行うゲート電圧判別部４０３ａと、ゲート電流Ｉｇａを入力し、ゲート電流を判別するゲート電流判別部４０４ａと、ゲート電圧判別部４０３ａから出力されるゲート電圧フィードバックパルスＶＦＢａ及びゲート電流判別部４０４ａから出力されるゲート電流フィードバックパルスＩＦＢａを入力し、ゲートフィードバックパルスＦＢＰａを出力するゲートフィードバック作成部４０５ａと、ゲート抵抗４０６ａから構成する。
【００２２】
次に、ゲート駆動回路４００ａの各部の動作について説明する。
【００２３】
ゲート駆動部４０１ａは、パルス発生回路２００が発生する指令パルスＲＰａを入力し、指令パルスＲＰａがＨレベルの場合は、ＩＧＢＴ５００ａのゲートに正の一定電圧を印加してオン動作させ、指令パルスＲｐａがＬレベルの場合は、負の一定電圧を印加してオフ動作させるよう制御する。
【００２４】
ゲート電圧判別部４０３ａは、ＩＧＢＴ５００ａのゲート電圧Ｖｇａを入力し、ゲート電圧フィードバックパルスＶＦＢａを発生する。図２にゲート電圧判別部４０３ａの動作特性を示す。本例では、ゲート電圧を判定するために一定の判定レベルＶｔｈを設定し、入力したゲート電圧Ｖｇａが、Ｖｔｈより小さい場合（Ｖｇａ＜Ｖｔｈ）にはＬレベル、Ｖｇａが、Ｖｔｈ以上の場合（Ｖｇａ≧Ｖｔｈ）にはＨレベルと判定し、その判定結果に対応するゲート電圧フィードバックパルスＶＦＢａを生成し、出力する。
【００２５】
ゲート電流判別部４０４ａは、ＩＧＢＴ５００ａのゲート電流Ｉｇａをゲート抵抗４０６ａの電圧として入力し、ゲート電流フィードバックパルスＩＦＢａを発生する。図３にゲート電流判別部４０４ａの動作特性を示す。本例では、ゲート電流を判定するために一定の判定レベルＩｔｈを設定し、入力したゲート電流Ｉｇａの絶対値が、Ｉｔｈより小さい場合（−Ｉｔｈ＜Ｉｇａ＜＋Ｉｔｈ）にはＬレベル、ゲート電流Ｉｇａの絶対値が、Ｉｔｈ以上の場合（Ｉｇａ≦−Ｉｔｈ、Ｉｇａ≧＋Ｉｔｈ）にはＨレベルと判定し、その判定結果に対応するゲート電流フィードバックパルスＩＦＢａを生成し、出力する。
【００２６】
次に、ゲートフィードバック作成部４０５ａの動作について説明する。図４に本例のゲートフィードバック作成部４０５ａの構成例を示す。ゲートフィードバック作成部４０５ａには、ゲート電圧判別部４０３ａが出力するゲート電圧フィードバックパルスＶＦＢａと、ゲート電流判別部４０４ａが出力するゲート電流フィードバックパルスＩＦＢａとを入力し、入力したパルスの排他的論理和をとり、その結果をＨレベルまたはＬレベルの信号であるゲートフィードバックパルスＦＢＰａとして出力する。ゲートフィードバックパルスＦＢＰａは、ＩＧＢＴ５００ａのオン・オフ状態を異常検出回路３００に通知する信号となる。ゲートフィードバック作成部４０５ａの動作の詳細については、図６〜図８を用いて説明する。
【００２７】
図５に、本例における異常検出回路３００の構成例を示す。図５を参照して、異常検出回路３００の構成と動作について説明する。
【００２８】
異常検出回路３００は、パルス発生回路２００から出力された指令パルスＲＰａ〜ＲＰｎと、ゲートフィードバックパルスＦＢＰａ〜ＦＢＰｎとを入力し、それらの不一致を検出するための排他的論理和演算回路３０４a〜３０４ｎと、論理和演算回路３０３と、不一致が発生した場合にその不一致が一定時間継続することを検知する手段として、一定周波数のクロック信号を発生する発振回路３０１と、クロック信号をカウントするカウンタ３０２から構成する。排他的論理和演算回路３０４a〜３０４ｎには、パルス発生回路２００から各ゲート駆動回路４００ａ〜４００ｎに対して出力された指令パルスＲＰａ〜ＲＰｎと、各ゲート駆動回路のゲートフィードバック作成部４０５ａ〜４０５ｎから出力されるゲートフィードバックパルスＦＢＰａ〜ＦＢＰｎをそれぞれ入力し、指令パルスＲＰａ〜ＲＰｎとゲートフィードバックパルスＦＢＰａ〜ＦＢＰｎとの排他的論理和をとる。論理和演算回路３０３には、排他的論理和演算回路３０４a〜３０４ｎの結果を入力し、それらの論理和をとる。
【００２９】
カウンタ３０２は、発振回路３０１から入力されるクロック入力ＣＬＫ、カウント動作許可入力ＥＮ、カウンタクリア入力ＣＬＲ、カウンタオーバフロー出力ＯＶＦを備える。カウンタ３０２は、カウント動作許可入力ＥＮがＨレベルかつカウンタクリア入力ＣＬＲがＨレベルのときに、クロック入力ＣＬＫが変化する毎にカウント動作を行う。また、カウンタクリア入力ＣＬＲにＬレベル信号が入力されると、カウンタをゼロクリアする。カウンタにはオーバフローを検出するための上限値を設定しておき、カウント値が上限値に達すると、カウンタオーバフロー出力ＯＶＦをＨレベル信号として出力する。カウンタオーバフロー出力は、パルス発生回路２００のパルス発生を停止するための信号ＳＵＰとなる。
【００３０】
ここで、カウンタクリア入力ＣＬＲとカウント動作許可入力ＥＮは、論理和演算回路３０３の出力信号を入力している。論理和演算回路３０３は、排他的論理和演算回路３０４a〜３０４ｎの結果を入力しており、この排他的論理和演算回路３０４a〜３０４ｎの結果のいずれかがＨレベルの場合に、論理和演算回路３０３の出力信号がＨレベルとなる。そのため、論理和演算回路３０３の出力信号がＨレベルの場合は、指令パルスＲＰａ〜ＲＰｎとゲートフィードバックパルスＦＢＰａ〜ＦＢＰｎのいずれかに不一致が発生している状態であると判断できる。
【００３１】
指令パルスとゲートフィードバックパルスが一致しない状態として、指令パルスとＩＧＢＴのオン・オフ状態が一致しない場合がある。また、一般に、ＩＧＢＴでは、印加するゲート電圧を変化させた直後の短時間には、ゲート容量を充放電するためのゲート電流が流れるが、その他の定常時には流れない。そのため、ゲート電圧の変化に伴うゲート電流の発生中には、指令パルスとゲートフィードバックパルスとの不一致が発生する場合がある。しかし、これらの不一致状態が復帰せず、一定時間継続した場合には、何らかの異常が発生したものと判断することができる。そこで、本例では、異常発生を判定するための閾値としてカウンタの上限値を設けた。カウンタ３０２は、論理和演算回路３０３の出力がＨレベルの間カウントを続け、Ｈレベルの状態が一定時間継続すると、カウント値が上限値に達してカウンタオーバフロー出力ＯＶＦがＨレベルとなるように構成した。カウンタオーバフロー出力ＯＶＦは、パルス発生回路２００への出力信号ＳＵＰとして出力し、Ｈレベルの出力信号ＳＵＰを入力したパルス発生回路２００は、全指令パルスを停止し、その結果、電力変換装置を構成する各ＩＧＢＴが全てオフ状態となり、電力変換装置が停止する。
【００３２】
このように、本例では、異常検出回路３００により異常を確実に検出すると共に、パルス発生回路２００が全指令パルスを停止してＩＧＢＴを全てオフ状態とすることで、健全なＩＧＢＴを保護することができる。
【００３３】
なお、本例では、指令パルスとゲートフィードバックパルスとの不一致状態が一定時間継続したことを検知する手段として発振回路とカウンタを設けたが、論理和演算回路３０３の出力がＨレベルの状態が継続する時間を判定し、閾値を超えたことを通知することができれば、他の手段でもよい。
【００３４】
次に、図６〜図８を参照して本例の動作について説明する。図６は正常時の動作を、図７、図８は異常時の動作を示している。
【００３５】
まず、図６を参照して正常時の動作について説明する。図６には、上からパルス発生回路２００から出力する指令パルスＲＰａ、ＩＧＢＴ５００ａのゲート電圧Ｖｇａ、ゲート電流Ｉｇａ、ゲート電圧判別部４０３ａから出力されるゲート電圧フィードバックパルスＶＦＢａ、ゲート電流判別部４０４ａから出力されるゲート電流フィードバックパルスＩＦＢａ、ゲートフィードバック作成部４０５ａから出力されるゲートフィードバックパルスＦＢＰａ、排他的論理和演算回路３０４ａの出力信号、論理和演算回路３０３の出力信号、カウンタ３０２のカウント値、異常検出回路３００の出力信号ＳＵＰを表している。
【００３６】
ｔ１において、指令パルスＲＰａがＬレベルからＨレベルに変化すると、ゲート電圧Ｖｇａは−Ｖから＋Ｖに変化する。このとき、ＩＧＢＴ５００ａのゲート容量を充電するために正のゲート電流Ｉｇａが流れる。ゲート電圧Ｖｇａが−Ｖから＋Ｖに変化したため、ゲート電圧Ｖｇａが判定レベルＶｔｈ以上になった時点で、ゲート電圧判別部４０３ａの出力信号であるゲート電圧フィードバックパルスＶＦＢａはＬレベルからＨレベルとなる。
【００３７】
一方、ゲート電流Ｉｇａが一定値＋Ｉｔｈ以上流れている間、ゲート電流判別部４０４ａの出力信号であるゲート電流フィードバックパルスＩＦＢａがＨレベルとなり、充電が終了してゲート電流Ｉｇａが一定値＋Ｉｔｈより小さくなると、ゲート電流フィードバックパルスＩＦＢａはＬレベルとなる。
【００３８】
ゲートフィードバック作成部４０５ａは、ゲート電圧フィードバックパルスＶＦＢａとゲート電流フィードバックパルスＩＦＢａの排他的論理和をとるため、出力信号であるゲートフィードバックパルスＦＢＰａは図示したようになる。
【００３９】
異常検出回路３００の排他的論理和演算回路３０４ａは、指令パルスＲＰａとゲートフィードバックパルスＦＢＰａを入力し、排他的論理和をとるため、その出力信号は図示したようになる。また、排他的論理和演算回路３０４ａの出力信号を入力とする論理和演算回路３０３の出力も図示したようになる。ここでは、例として排他的論理和演算回路がひとつの場合を示しているため、排他的論理和演算回路３０４ａの出力信号と同様の出力となる。
【００４０】
カウンタ３０２は、論理和演算回路３０３の出力信号がＨレベルの間、カウント値を増加させるが、オーバフローを検出するための上限値に達する前にＬレベルに戻るので、カウント値はクリアされる。その結果、異常検出回路３００の出力信号ＳＵＰは、Ｈレベルとはならない。
【００４１】
ｔ２において、指令パルスＲＰａがＨレベルからＬレベルに変化すると、ゲート電圧Ｖｇａは＋Ｖから−Ｖに変化する。このとき、ＩＧＢＴ５００ａのゲート容量を放電するために負のゲート電流Ｉｇａが流れる。ゲート電圧Ｖｇａが＋Ｖから−Ｖに変化したため、ゲート電圧Ｖｇａが判定レベルＶｔｈより低くなった時点で、ゲート電圧判別部４０３ａの出力信号であるゲート電圧フィードバックパルスＶＦＢａはＨレベルからＬレベルとなる。
【００４２】
一方、ゲート電流Ｉｇａが一定値−Ｉｔｈ以下となっている間、ゲート電流判別部４０４ａの出力信号であるゲート電流フィードバックパルスＩＦＢａはＨレベルとなり、充電が終了してゲート電流Ｉｇａが一定値−Ｉｔｈより大きくなると、ゲート電流フィードバックパルスＩＦＢａはＬレベルとなる。
【００４３】
以降は同様に動作して、異常検出回路３００の出力信号ＳＵＰはＨレベルとはならない。
【００４４】
次に、図７を参照して異常発生時の動作について説明する。なお、図７に示す信号は図６に示したものと同様である。
【００４５】
図７において、ｔ３の時点で指令パルスＲＰａがＨレベルからＬレベルに変化した場合の動作については、図６で示した正常時の動作と同様である。
【００４６】
ここで、ｔ４の時点でＩＧＢＴ５００ａに故障が発生したとする。ＩＧＢＴ５００ａに故障が発生すると、ゲート電流Ｉｇａが流れ出す。この電流は、ＩＧＢＴのコレクタ、ゲート間の帰還容量を介して、または、コレクタとゲートが導通状態になりコレクタ電流がゲートに流出したもの、あるいはゲート、エミッタ間が導通状態となり、ゲート電流が流れたものなど、ＩＧＢＴの異常に起因するものである。
【００４７】
この結果、ゲート電流Ｉｇａが一定値−Ｉｔｈ以下になると、ゲート電流判別部４０４ａの出力信号であるゲート電流フィードバックパルスＩＦＢａはＨレベルとなり、ゲートフィードバック作成部４０５ａの出力信号であるゲートフィードバックパルスＦＢＰａもＨレベルとなる。そして、指令パルスＲＰａとゲートフィードバックパルスＦＢＰａを入力し排他的論理和をとる、異常検出回路３００の排他的論理和演算回路３０４ａもＨレベルとなり、論理和演算回路３０３の出力も同様になる。
【００４８】
カウンタ３０２は、論理和演算回路３０３の出力信号がＨレベルの間、カウント値を増加させ、論理和演算回路３０３の出力が一定時間以上Ｈレベルの状態を継続すると、ｔ５時点でカウンタ３０２のカウント値が上限値に達する。その結果、異常検出回路３００の出力信号ＳＵＰがＨレベルとなり、この時点で異常が発生したと判定される。
【００４９】
異常検出回路３００の出力信号ＳＵＰを入力したパルス発生回路２００は、パルス発生を停止し、指令パルスＲＰａ〜ＲＰｎの全てがＬレベルとなる。そのため、ＩＧＢＴ５００ａ〜ＩＧＢＴ５００ｎが全てオフ状態となり、電力変換装置は動作を停止する。これにより、異常が発生したＩＧＢＴを含むすべてのＩＧＢＴは停止するため、過電流を遮断することができ、正常なＩＧＢＴを保護することが可能となる。
【００５０】
次に、図８を参照して、他の異常発生時の動作について説明する。なお、図８に示す信号は図６に示したものと同様である。
【００５１】
ここで、ｔ６の時点でゲート駆動部４０１ａが誤動作し、指令パルスＲＰａに対応しないゲート電圧Ｖｇａが発生したとする。これにより、ゲート電圧判別部４０３ａの出力であるゲート電圧フィードバックパルスＶＦＢａがＨレベルとなり、ゲートフィードバック作成部４０５ａの出力信号であるゲートフィードバックパルスＦＢＰａもＨレベルとなる。その結果、図７で説明した動作と同様に動作し、異常検出回路３００の論理和演算回路３０３の出力もＨレベルとなり、ｔ７時点でカウンタ３０２のカウント値が上限値に達する。そして、異常検出回路３００の出力信号ＳＵＰがＨレベルとなり、パルス発生回路２００がパルス発生を停止することによってＩＧＢＴ５００ａ〜ＩＧＢＴ５００ｎが全てオフ状態となり、電力変換装置は動作を停止する。
【００５２】
また、上記異常例の他にも、電源部４０２ａに異常が生じた場合には、各回路部のいずれかが異常となる。その結果、ゲートフィードバックパルスＦＢＰａが正常時とは異なる波形となるため、異常検出回路３００で異常が検出され、電力変換装置は動作を停止する。更に、ゲート電圧判別部４０３ａ、ゲート電流判別部４０４ａ、ゲートフィードバック作成部４０５ａに異常が生じた場合にも、ゲートフィードバックパルスＦＢＰａが正常時とは異なる波形となることで検出される。
【００５３】
このように、本例では、ＩＧＢＴ素子、ＩＧＢＴ素子を駆動するゲート駆動回路のいずれに異常が生じた場合にも、確実に異常を検出することができ、異常検出時には、パルス発生回路のパルスを停止することで電力変換装置及びＩＧＢＴ素子を確実に保護することができる。
【符号の説明】
【００５４】
１００…制御回路、２００…パルス発生回路、３００…異常検出回路、３０１…発振回路、３０２…カウンタ、３０３…論理和演算回路、３０４…排他的論理和演算回路、４００…ゲート駆動回路、４０１…ゲート駆動部、４０２…電源部、４０３…ゲート電圧判別部、４０４…ゲート電流判別部、４０５…ゲートフィードバック作成部、４０６…ゲート抵抗、５００…ＩＧＢＴ
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の電圧制御型半導体素子を用いて構成された電力変換装置において、
制御回路からの指令に基づき、前記電圧制御型半導体素子のオン・オフを制御するための指令パルスを発生するパルス発生手段と、
前記指令パルスを入力し、指令パルスに応じた電圧をゲート電圧として印加することにより、前記電圧制御型半導体素子のオン・オフ動作を制御し、前記電圧制御型半導体素子のオン・オフ状態を示すゲートフィードバック信号を出力する手段を備えたゲート駆動手段と、
前記指令パルスと前記ゲートフィードバック信号とを入力し、異常を検出する異常検出手段から構成し、
前記異常検出手段は、入力した前記指令パルスと前記ゲートフィードバック信号との不一致を検出する手段と、その不一致が一定時間継続したことを検知する手段と、一定時間継続した場合には前記パルス発生手段に対し、すべての電圧制御型半導体素子に対する指令パルスを停止するための信号を発生する手段とを備える電力変換装置。
【請求項２】
請求項１記載の電力変換装置において、
前記ゲート駆動手段が備えるゲートフィードバック信号を出力する手段は、
制御対象の電圧制御型半導体素子のゲート電圧を入力し、電圧の高低を判別する手段と、制御対象の電圧制御型半導体素子のゲート電流を入力し、電流の有無を判別する手段とを備え、
前記ゲート電圧とゲート電流の状態を基に、前記電圧制御型半導体素子の状態をゲートフィードバック信号として出力し、異常を検出することを特徴とする電力変換装置。
【請求項３】
パルス発生手段から発生された指令パルスを入力し、指令パルスに応じた電圧をゲート電圧として印加することにより、電圧制御型半導体素子のオン・オフ動作を制御するゲート駆動手段、及び前記ゲート駆動手段により制御される電圧制御型半導体素子の異常検出方法において、
前記指令パルスと、前記電圧制御型半導体素子のオン・オフ状態を示すゲートフィードバック信号とを比較して両者の不一致を検出し、その不一致が一定時間継続したことを検知することにより異常を検出する電力変換装置の異常検出方法。
【請求項４】
請求項３記載の異常検出方法において、
前記指令パルスと、前記電圧制御型半導体素子のオン・オフ状態を示すゲートフィードバック信号との不一致を判定する方法は、
前記電圧制御型半導体素子のゲート電圧及びゲート電流を検出し、ゲート電圧が一定値以上の場合はＨレベル、一定値より小さい場合はＬレベルと判定し、ゲート電流の絶対値が一定値以上の場合はＨレベル、一定値より小さい場合はＬレベルと判定し、
ゲート電圧及びゲート電流のいずれかがＨレベルの場合にＨレベルと判定し、その判定結果と、前記指令パルスとの排他的論理和をとり、その結果がＨレベルの場合は、両者が不一致であると判定することを特徴とする電力変換装置の異常検出方法。
【請求項５】
請求項３記載の異常検出方法において、
前記指令パルスと、前記ゲートフィードバック信号とが不一致である間、一定周期で時間経過を計測し、その計測回数が一定値以上になったことで不一致状態が一定時間継続したと判定することを特徴とする電力変換装置の異常検出方法。
【請求項１】
複数の電圧制御型半導体素子を用いて構成された電力変換装置において、
制御回路からの指令に基づき、前記電圧制御型半導体素子のオン・オフを制御するための指令パルスを発生するパルス発生手段と、
前記指令パルスを入力し、指令パルスに応じた電圧をゲート電圧として印加することにより、前記電圧制御型半導体素子のオン・オフ動作を制御し、前記電圧制御型半導体素子のオン・オフ状態を示すゲートフィードバック信号を出力する手段を備えたゲート駆動手段と、
前記指令パルスと前記ゲートフィードバック信号とを入力し、異常を検出する異常検出手段から構成し、
前記異常検出手段は、入力した前記指令パルスと前記ゲートフィードバック信号との不一致を検出する手段と、その不一致が一定時間継続したことを検知する手段と、一定時間継続した場合には前記パルス発生手段に対し、すべての電圧制御型半導体素子に対する指令パルスを停止するための信号を発生する手段とを備える電力変換装置。
【請求項２】
請求項１記載の電力変換装置において、
前記ゲート駆動手段が備えるゲートフィードバック信号を出力する手段は、
制御対象の電圧制御型半導体素子のゲート電圧を入力し、電圧の高低を判別する手段と、制御対象の電圧制御型半導体素子のゲート電流を入力し、電流の有無を判別する手段とを備え、
前記ゲート電圧とゲート電流の状態を基に、前記電圧制御型半導体素子の状態をゲートフィードバック信号として出力し、異常を検出することを特徴とする電力変換装置。
【請求項３】
パルス発生手段から発生された指令パルスを入力し、指令パルスに応じた電圧をゲート電圧として印加することにより、電圧制御型半導体素子のオン・オフ動作を制御するゲート駆動手段、及び前記ゲート駆動手段により制御される電圧制御型半導体素子の異常検出方法において、
前記指令パルスと、前記電圧制御型半導体素子のオン・オフ状態を示すゲートフィードバック信号とを比較して両者の不一致を検出し、その不一致が一定時間継続したことを検知することにより異常を検出する電力変換装置の異常検出方法。
【請求項４】
請求項３記載の異常検出方法において、
前記指令パルスと、前記電圧制御型半導体素子のオン・オフ状態を示すゲートフィードバック信号との不一致を判定する方法は、
前記電圧制御型半導体素子のゲート電圧及びゲート電流を検出し、ゲート電圧が一定値以上の場合はＨレベル、一定値より小さい場合はＬレベルと判定し、ゲート電流の絶対値が一定値以上の場合はＨレベル、一定値より小さい場合はＬレベルと判定し、
ゲート電圧及びゲート電流のいずれかがＨレベルの場合にＨレベルと判定し、その判定結果と、前記指令パルスとの排他的論理和をとり、その結果がＨレベルの場合は、両者が不一致であると判定することを特徴とする電力変換装置の異常検出方法。
【請求項５】
請求項３記載の異常検出方法において、
前記指令パルスと、前記ゲートフィードバック信号とが不一致である間、一定周期で時間経過を計測し、その計測回数が一定値以上になったことで不一致状態が一定時間継続したと判定することを特徴とする電力変換装置の異常検出方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【公開番号】特開２００９−１６５３４８（Ｐ２００９−１６５３４８Ａ）
【公開日】平成２１年７月２３日（２００９．７．２３）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−８９５４０（Ｐ２００９−８９５４０）
【出願日】平成２１年４月１日（２００９．４．１）
【分割の表示】特願２００６−２２５６００（Ｐ２００６−２２５６００）の分割
【原出願日】平成１８年８月２２日（２００６．８．２２）
【出願人】（０００００５１０８）株式会社日立製作所 (27,607)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２１年７月２３日（２００９．７．２３）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年４月１日（２００９．４．１）
【分割の表示】特願２００６−２２５６００（Ｐ２００６−２２５６００）の分割
【原出願日】平成１８年８月２２日（２００６．８．２２）
【出願人】（０００００５１０８）株式会社日立製作所 (27,607)
【Ｆターム（参考）】
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