電力変換装置
【課題】 電力変換用スイッチング素子を異常電流から保護する際、当該スイッチング素子の制御端子に印加する電圧制御信号のレベルを下げることなく、またバラつきも少ないスイッチング素子を保護する機能を有する電力変換装置を提供する。
【解決手段】 本発明の電力変換装置１は、一対の主端子と主端子対に流れる電流を制御する制御端子とをもち、主端子の低電位側端子が低電位側に接続される電力変換用スイッチング素子１３４〜１３９と、主端子対に流れる主電流を検出する電流検出回路４と、制御端子と低電位側との間に位置する主コンデンサ５と、電流検出回路４によって検出された主電流がスイッチング素子１３４〜１３９の所定値を超えた場合に、制御端子と低電位側との間に主コンデンサ５が電気的に接続されるようにスイッチング動作する保護用スイッチング素子６と、を有することを特徴とする。
【解決手段】 本発明の電力変換装置１は、一対の主端子と主端子対に流れる電流を制御する制御端子とをもち、主端子の低電位側端子が低電位側に接続される電力変換用スイッチング素子１３４〜１３９と、主端子対に流れる主電流を検出する電流検出回路４と、制御端子と低電位側との間に位置する主コンデンサ５と、電流検出回路４によって検出された主電流がスイッチング素子１３４〜１３９の所定値を超えた場合に、制御端子と低電位側との間に主コンデンサ５が電気的に接続されるようにスイッチング動作する保護用スイッチング素子６と、を有することを特徴とする。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電力変換装置に関し、特にスイッチング素子を保護する保護回路を有する電力変換装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
電力変換装置のインバータ回路で用いられるスイッチング素子には、定格電流以上の電流が流れる過電流やショートなどによる短絡電流により、スイッチング素子が破壊する場合がある。そのため、スイッチング素子の電流や電圧を検出し、それらの値がスイッチング素子に予め決められている許容量より小さい電流値（所定値）を超えた場合に電流を制限若しくは遮断し、スイッチング素子を保護するための保護回路が種々提案されている。短絡の状態を検知する手段としては、主電流を検出する電流トランス法や主電流が流れる位置に低抵抗値のシャント抵抗を挿入して電圧を検出するシャント抵抗法や、ＩＧＢＴやＭＯＳＦＥＴで見られるセンス端子（主電流より低電流が流される端子）付きの電流を検出する補助エミッタ法などがある。そして、異常電流（過電流や短絡電流）あるいは異常電圧などが検出された場合に、どのように保護するかも種々提案されている。
【０００３】
例えば、特許文献１では、主回路電流が所定値以上になると３端子半導体装置がＯＮして、インバータ制御のスイッチング素子の制御端子に接続されているツェナダイオードが導通することで、当該制御端子に加わる電圧制御信号のレベルを制限し、主回路過電流を抑制する方法が開示されている。
【特許文献１】特開平２−２６６７１２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、上記の方法では、制御端子に印加する電圧制御信号のレベルを下げるため、電圧制御信号の遮断によるエネルギーが増加する。つまり、損失が悪化する。また、公差（バラつき）が大きくなることがある。
【０００５】
本発明は、上記課題に鑑みてなされたもので、電力変換用スイッチング素子を異常電流などから保護する際に、当該スイッチング素子の制御端子に印加する電圧制御信号のレベルを下げることなく、またバラつきも少ないスイッチング素子を保護する機能を有する電力変換装置を提供することを解決すべき課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記課題を解決するための請求項１に係る発明の構成上の特徴は、
一対の主端子と前記主端子対に流れる電流を制御する制御端子とをもち、前記主端子の低電位側端子が低電位側に接続される電力変換用スイッチング素子と、
前記主端子対に流れる主電流を検出する電流検出回路と、
前記制御端子と前記低電位側との間に位置する主コンデンサと、
前記電流検出回路によって検出された前記主電流が所定値を超えた場合に、前記制御端子と前記低電位側との間に前記主コンデンサが電気的に接続されるようにスイッチング動作する保護用スイッチング素子と、を有することである。
【０００７】
また請求項２に係る発明の構成上の特徴は、請求項１において、前記電力変換用スイッチング素子は、前記主端子対に流れる前記主電流より小さい副電流が流れる低電流端子を有し、前記電流検出回路は、前記主端子対に流れる前記主電流より小さい前記副電流を検出することで、前記主端子対の前記主電流を検出することである。
【０００８】
また請求項３に係る発明の構成上の特徴は、請求項１又は２において、前記電力変換用スイッチング素子の駆動回路は、前記電力変換用スイッチング素子の前記制御端子に電圧制御信号を送出するゲート駆動回路を有し、前記ゲート駆動回路は、前記電流検出回路によって検出された前記主電流が前記所定値を超えた場合に、前記制御端子に送出する前記電圧制御信号を調整することである。
【０００９】
また請求項４に係る発明の構成上の特徴は、請求項１〜３の何れか１項において、前記主コンデンサは、一端が前記保護用スイッチング素子を介して前記電力変換用スイッチング素子の前記制御端子に接続され、他端が前記低電位側に前記保護用スイッチング素子を介さずに接続されることである。
【００１０】
また請求項５に係る発明の構成上の特徴は、請求項１〜３の何れか１項において、前記主コンデンサは、一端が前記電力変換用スイッチング素子の前記制御端子に前記保護用スイッチング素子を介さずに接続され、他端が前記保護用スイッチング素子を介して前記低電位側に接続されることである。
【００１１】
また請求項６に係る発明の構成上の特徴は、請求項１〜５の何れか１項において、前記電力変換装置は、さらに、前記主コンデンサに並列接続され、且つ、前記保護用スイッチング素子に直列接続される放電用抵抗を有することである。
【００１２】
また請求項７に係る発明の構成上の特徴は、請求項１〜６の何れか１項において、前記電力変換装置は、さらに、一端が前記制御端子と接続され、直列に接続される前記保護用スイッチング素子及び前記主コンデンサに並列接続される補助コンデンサを有することである。
【００１３】
また請求項８に係る発明の構成上の特徴は、請求項７において、前記電力変換用スイッチング素子は、少なくとも前記低電位側端子と前記制御端子との間に寄生容量を有し、前記補助コンデンサは、前記寄生容量より容量が大きいことである。
【００１４】
また請求項３に係る発明の構成上の特徴は、請求項１又は２において、前記主コンデンサは、前記補助コンデンサより容量が大きいことである。
【発明の効果】
【００１５】
請求項１に係る発明においては、電力変換用スイッチング素子の主端子対に流れる主電流を電流検出回路で検出し、主電流が所定値（例えば、電力変換用スイッチング素子の許容量より小さい値）を超えた場合に、保護用スイッチング素子のスイッチング動作により制御端子と低電位側との間に位置する主コンデンサが電気的に接続されるため、制御端子に印加される電圧が主コンデンサにも印加され、主端子対に流れる電流の急上昇を抑えることができ、電力変換用スイッチング素子を異常電流から保護でき破壊を防止できる。そして、制御端子に印加される電圧制御信号を遮断しないため、信号レベルが低下せず、バラつきも少なくなる。なお、主コンデンサが電気的に接続し得る「低電位側」の電位は、電力変換用スイッチング素子の低電位側端子の電位と同電位であり、いわゆる基準電位である。例えば、電力変換用スイッチング素子が上下に直列接続され、且つ、一方をバッテリーのプラス端子に接続され、他方をバッテリーのマイナス端子に接続される場合において、上アーム用電力変換用スイッチング素子の基準電位とは、当該上アーム用電力変換用スイッチング素子と下アーム用電力変換用スイッチング素子との間の電位である。また、下アーム用電力変換用スイッチング素子の基準電位は、バッテリーのマイナス端子と同電位である。
【００１６】
請求項２に係る発明においては、電力変換用スイッチング素子の主端子対に流れる主電流より小さい副電流が流れる低電流端子を用いて、主端子対に流れる主電流の検出を行うことができる。主端子対に流れる主電流が非常に大きく主電流を直接検出することが非常に難しい場合などは、低電流の副電流を検出し、電力変換用スイッチング素子のための保護回路を実現できる。また、副電流を用いることで、耐圧の小さな保護用スイッチング素子を用いることができる。従って、低コスト化を図ることができる。
【００１７】
請求項３に係る発明においては、主電流が所定値を超えた場合に、ゲート駆動回路が制御端子に印加する電圧制御信号を調整することで電力変換用スイッチング素子の破壊を防止することができる。ゲート駆動回路は、通常、電力変換用スイッチング素子の制御端子に電圧制御信号を送出する回路である。ゲート駆動回路により制御端子に印加される電圧が低下あるいは停止されるまでの間に、保護用スイッチング素子がＯＮし、主コンデンサが電気的に接続されることで急激に上昇する電荷を主コンデンサが吸収することができる。つまり、主コンデンサ及び保護用スイッチング素子で急激な電流の上昇を抑制し、抑制されている間にゲート駆動回路が電圧制御信号を低下あるいは停止することができるため、より確実に電力変換用スイッチング素子を破壊から守ることができる。
【００１８】
請求項４に係る発明においては、主コンデンサの一端が保護用スイッチング素子を介して制御端子に接続され、他端が何も介さず低電位側に接続されるため、主コンデンサに電圧が印加されていない状態となる。その結果、回路が安定化しやすい。
【００１９】
請求項５に係る発明においては、請求項４に係る発明に比べて、主コンデンサの一方電極に電圧が印加されている状態であることにより、安定性としては劣る。ただし、この場合も、確実に、上記した請求項１〜３による効果を発揮できる。
【００２０】
請求項６に係る発明においては、電力変換装置がさらに主コンデンサと並列接続され、且つ且つ、保護用スイッチング素子に直列接続される放電用抵抗を有するため、主コンデンサが電気的に接続され蓄電した電荷は放電用抵抗により放電させることができる。仮に、保護機能が実行されて主コンデンサに電荷がたまった状態のままでは、再び、保護機能を実行できない。そこで、放電用抵抗を設けることで、主コンデンサに一旦蓄電した後であっても、再び保護機能を発揮することができる。
【００２１】
請求項７に係る発明においては、一端が制御端子に接続し、直列に接続される保護用スイッチング素子及び主コンデンサに並列接続される補助コンデンサを有することで、保護用スイッチング素子のスイッチング動作により主コンデンサが電気的に接続された際、補助コンデンサから主コンデンサに電荷が供給されることで、電力変換用スイッチング素子の寄生容量の電荷を維持することができる。その結果、電力変換用スイッチング素子の電位の急激な低下を回避することができる。
【００２２】
請求項８に係る発明においては、補助コンデンサの容量を電力変換用スイッチング素子の寄生容量より大きくすることで、主コンデンサが電気的に接続された際、容量の小さい寄生容量からではなく、容量の大きい補助コンデンサ側から優先的に主コンデンサに電荷が供給される。従って、電力変換用スイッチング素子の電位の急激な低下をより確実に回避することができる。
【００２３】
請求項９に係る発明においては、主コンデンサの容量を補助コンデンサの容量より大きくすることで主コンデンサが電気的に接続された際、主コンデンサは電力変換用スイッチング素子及び補助コンデンサの両方の電荷を抜き取ることができるため、電力変換用スイッチング素子を急激な過剰電流による破壊から保護することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２４】
以下、実施形態を用いて本発明を具体的に説明する。
【００２５】
（実施形態１）
本実施形態１の電力変換装置１の回路図を図１に示す。本実施形態１の電力変換装置１は、バッテリー１１、昇降圧コンバータ１２、モータジェネレータＭＧ及びインバータ１３を備える。
【００２６】
バッテリー１１は、昇降圧コンバータ１２に接続されており、昇降圧コンバータ１２に直流電力を供給し、また昇降圧コンバータ１２から回生される直流電力を蓄電する。
【００２７】
昇降圧コンバータ１２は、バッテリー１１から供給された直流電力を昇圧して後述するインバータ１３に出力し、またインバータ１３から出力された直流電力を降圧してバッテリー１１に出力する。昇降圧コンバータ１２は、コンデンサ１２３、リアクトル１２４、高圧側の半導体素子である上アーム用スイッチング素子１２１及び低圧側の半導体素子である下アーム用スイッチング素子１２２、ダイオードＤ１、Ｄ２を含む。バッテリー１１の正極側にコンデンサ１２３及びリアクトル１２４の一端が接続され、負極側にコンデンサ１２３の他端と下アーム用スイッチング素子１２２のエミッタ端子が接続されている。上アーム用スイッチング素子１２１と下アーム用スイッチング素子１２２とは直接に接続されており、リアクトル１２４の他端は、上アーム用スイッチング素子１２１のエミッタ端子及び下アーム用スイッチング素子１２２のコレクタ端子に接続されている。上アーム用スイッチング素子１２１のコレクタ端子は、後述するインバータ１３の一端側に接続されている。下アーム用スイッチング素子１２２のエミッタ端子は、インバータ１３の他端側に接続されている。スイッチング素子１２１、１２２のコレクタ−エミッタ間には、エミッタ側からコレクタ側に電流を流すダイオードＤ１、Ｄ２が配置されている。
【００２８】
モータジェネレータＭＧはインバータ１３に接続されており、バッテリー１１から供給される電力により駆動する。そして、発電機として働く場合は、交流電力をそれぞれに接続されるインバータ１３に出力する。
【００２９】
インバータ１３は、昇降圧コンバータ１２によって昇圧された直流電力を三相交流に変換して、モータジェネレータＭＧに出力する。そして、モータジェネレータＭＧが発電機として働く場合は、モータジェネレータＭＧから出力される交流電力を直流に変換して昇降圧コンバータ１２に出力する。
【００３０】
インバータ１３は、Ｕ相１３１とＶ相１３２とＷ相１３３とからなり、Ｕ相１３１、Ｖ相１３２及びＷ相１３３は、昇降圧コンバータ１２に並列に接続されている。Ｕ相１３１は、高圧側の半導体素子の上アーム用スイッチング素子１３４と低圧側の半導体素子の下アーム用スイッチング素子１３５とが直接に接続されている。同様に、Ｖ相は上アーム用スイッチング素子１３６と下アーム用スイッチング素子１３７、Ｗ相は上アーム用スイッチング素子１３８と下アーム用スイッチング素子１３９が直列に接続されている。そして、各スイッチング素子１３４〜１３９のコレクタ−エミッタ間には、エミッタ側からコレクタ側へ電流を流すダイオードＤ３〜８がそれぞれ接続されている。各相の中間点は、モータジェネレータＭＧの各相コイル（図示略）の各相端に接続されている。ここで、昇降圧コンバータ１２及びインバータ１３にそれぞれ含まれるスイッチング素子は、ＩＧＢＴ、ＭＯＳＦＥＴ等のパワー素子を用いる。
【００３１】
本実施形態に係る電力変換装置１は、バッテリー１１の直流電力を昇降圧コンバータ１２で昇圧してインバータ１３で三相交流に変換し、モータジェネレータＭＧを駆動する。そして、モータジェネレータＭＧが発電機として働く場合は、モータジェネレータＭＧから出力される交流電力がインバータ１３で直流電力に変換され、昇降圧コンバータ１２で降圧し、バッテリー１１に回生される。
【００３２】
本発明の電力変換装置１において、昇降圧コンバータ１２及びインバータ１３で用いられる上下アーム用スイッチング素子１３４〜１３９には、図２に示されるように、１つのスイッチング素子（電力変換用スイッチング素子）に対してそれぞれにゲート駆動回路２、ゲート抵抗３、電流検出回路４、主コンデンサ５及び保護用スイッチング素子６が配置されている。ただし、図２は、Ｗ相１３３の下アーム用スイッチング素子１３９のみに関するゲート駆動回路２などについて図示している。なお、図示しないが、他のスイッチング素子１３４〜１３８についても、図２と同様に構成される。そこで、図２を参照して、インバータ１３のＷ相１３３の下アーム用スイッチング素子１３９について説明する。
【００３３】
スイッチング素子１３９のゲート端子（制御端子）は、主端子（コレクタ−エミッタ（低電位端子））間の電流を制御するための制御信号を送信する駆動ＰＷＭ信号出力部（図示略）とゲート駆動回路２及びゲート抵抗３を介して接続されている。ゲート駆動回路２は、ゲート端子に印加するゲート電圧を調整するための回路を含み、上下アーム用スイッチング素子１３８及び１３９が同時にＯＮにならないように、スイッチングタイミングに必要なデッドタイムが設定されるように調整している。そして、スイッチング素子１３９の設置される環境、運転条件などによりさらにゲート電圧を調整するために、ゲート駆動回路２とゲート端子との間にゲート抵抗３が接続されている。
【００３４】
スイッチング素子１３９のコレクタ端子が上アーム用スイッチング素子１３８のエミッタ端子と接続されており、さらにスイッチング素子１３８のコレクタ端子が６５０Ｖの主電源に接続されている状態も表している。スイッチング素子１３９のコレクタ−ゲート間のコンデンサＣｃｇ及びエミッタ−ゲート間のコンデンサＣｇｅは、いわゆる寄生容量を示している。エミッタは、このスイッチング素子１３９の基準電位（低電位）に接続されている。そして、コレクタ−エミッタ間に流れる主電流の例えば１万分の１の副電流が流れるセンスエミッタ端子は抵抗を介して基準電位に接続されている。２つの第１抵抗Ｒ１と第２抵抗Ｒ２とがセンスエミッタ端子に直列接続されており、２つの抵抗Ｒ１、Ｒ２との間が保護用スイッチング素子６のゲート端子に接続され、電流検出回路４を形成している。つまり、電流検出回路４を構成する抵抗Ｒ１とＲ２との間の電圧が、スイッチング素子１３９のコレクタ−エミッタ間に流れる主電流に対応したものとなる。
【００３５】
主コンデンサ５は、一端がスイッチング素子１３９のゲート端子に接続され、他端が保護用スイッチング素子６の端子の１つに接続され、保護用スイッチング素子６と直列接続されている。保護用スイッチング素子６は、ゲート端子とゲート端子に印加される電圧によりＯＮ状態になるとスイッチング素子１３９のゲート端子に主コンデンサ５が電気的に接続されるように電流が流れる２端子とを有する。保護用スイッチング素子６として、ゲート端子に印加される電圧によって電流を流すｎチャネルＭＯＳＦＥＴ（電解効果トランジスタ）を用いている。従って、ソース端子が主コンデンサ５の他端に接続され、ドレイン端子が基準電位に接続され、スイッチング動作によりソース−ドレイン間に電流が流れると主コンデンサ５に電流が流れ込む。なお、このｎチャネルＭＯＳＦＥＴである保護用スイッチング素子６は、このゲート端子に印加される電圧が基準電位に対して所定電位（後述する「主電流の許容量より小さい電流値」に相当する電位）より大きくなった場合に、ソース−ドレイン間に電流が流れるように動作する。ここで、主電流の許容量とはスイッチング素子１３９の主端子対に流れる主電流について、スイッチング素子１３９が正常動作することができる限界の電流量のことであり、異常電流とは主電流の許容量を超える電流のことである。
【００３６】
さらに、本実施形態１に係る電力変換装置１では、電流検出回路４によって出力される電圧がゲート駆動回路２にも入力される。ゲート駆動回路２は、スイッチング素子１３９の主端子間を流れる主電流が所定値より大きくなった異常電流の場合、スイッチング素子１３９の制御端子に印加する電圧制御信号を調整する。
【００３７】
次に、本実施形態１の電力変換装置１に係る回路における、スイッチング素子１３９の各間の電圧又は電流について図３を参照して説明する。図３は、本実施形態１の電力変換装置１に係る回路における、スイッチング素子１３９の各間の電圧又は電流についてのタイムチャートである。なお、図３は、比較のために、主コンデンサ５及び保護用スイッチング素子６を有しない回路における、スイッチング素子１３９の各間の電圧又は電流を図示する。
【００３８】
図３は、上から、スイッチング素子１３９のゲート−エミッタ間の電圧（ＶＧＥ）、スイッチング素子１３９のコレクト−エミッタ間に流れる電流（Ｉｃ）、スイッチング素子１３９のコレクタ−エミッタ間の電圧（ＶＣＥ）、スイッチング素子１３９のセンスエミッタ−エミッタ間の電圧（ＶＳＥ）、スイッチング素子１３９のゲート−センスエミッタ間の電圧（ＶＧＳ）を表している。そして、図３（ａ）がスイッチング素子１３９の主端子対に異常電流が流れない通常時の各値の様子を示し、図３（ｂ）が異常電流が流れた場合について示している。また、図３（ｂ）において、実線は本実施形態１の電力変換装置１、すなわち、主コンデンサ５及び保護用スイッチング素子６を有する回路のものであり、一点波線が比較例である主コンデンサ５及び保護用スイッチング素子６を有さない回路（従来の回路）のものである。
【００３９】
まず、スイッチング素子１３９の主端子対に異常電流が流れない通常時について説明する。時間ｔ１において、スイッチング素子１３９の制御端子に電圧制御信号が印加されはじめ、ＶＧＥの電圧が上昇しはじめる。時間ｔ２で制御端子に印加される電圧が所定値を越え、スイッチング素子１３９の主端子対に主電流Ｉｃが流れはじめる。（ＶＧＥの時間ｔ２から時間ｔ３の間はミラー期間である。）主電流Ｉｃが流れ出し、ＶＣＥの電圧も変化する。ＶＳＥ及びＶＧＳもスイッチング素子１３９のＯＮ動作により共に変化する。そして、時間ｔ４から時間ｔ５の一定期間、一定電流が主端子対に流れたのち、制御端子に印加される電圧制御信号が低下しはじめ、ＶＧＥ及びＩｃが低下しはじめる。（ＶＧＥの時間ｔ６から時間ｔ７の間はミラー期間である。）他の値も同様に変化し、時間ｔ７でスイッチング素子１３９がＯＦＦになり、主端子対にＩｃが流れなくなる。
【００４０】
次に、主端子対に異常電流が流れた場合の従来の回路では、時間ｔ１から時間ｔ３までＶＣＥ以外は通常時と同様の様子を示している。ＶＣＥの変化が異なるのは、スイッチング素子１３９がＯＮになれば主端子対には異常電流が流れる状態にあり、時間ｔ２でスイッチング素子１３９がＯＮになってすぐ、ＶＣＥは異常電流による異常電圧が印加されるため、初期値から電位が急激に下がり、すぐに電位が初期値に戻るからである。そして、時間ｔ３以降では、時間ｔ４において、通常時と比較し、Ｉｃがかなり上昇していることが分かる。Ｉｃに異常電流が流れ出してから一定時間後の時間ｔ４’に、ゲート駆動回路２により制御端子への電圧印加が停止され、ＶＧＥが低下し、それに伴いＩｃも急激に低下する。そのため、ＶＣＥに高いサージ電圧が発生している。
【００４１】
本実施形態１に係る回路は、時間ｔ１からｔ３に至るまで従来の回路と同様に動作する。そして、時間ｔ３’で電流検出回路４が主電流の異常値を検出し、保護用スイッチング素子６がＯＮになり、主コンデンサ５がスイッチング素子１３９の制御端子と電気的に接続される。従来の回路と比較し、ＶＧＥが時間ｔ４’までに緩やかに上昇し、それに伴いＩｃも緩やかに上昇している。つまり、主端子対の主電流が所定値を超えてからゲート駆動回路２により制御端子への電圧制御信号の印加が停止される時間ｔ４’まで、Ｉｃの急激な上昇が抑制されている。そのため、ピーク電流が減少している。よって、制御端子への電圧印加が停止されＩｃが急激に減少しても従来の回路と比較し、サージ電圧が減少する。
【００４２】
本実施形態の電力変換装置１によれば、電流検出回路４によりスイッチング素子１３９のコレクタに流れる主電流を電圧に変換して電圧制御信号として保護用スイッチング素子のゲート端子に入力し、主電流が所定値を超える場合には保護用スイッチング素子６がＯＮされ、ソース−ドレイン間に電流が流れる状態になる。それにより、スイッチング素子１３９のゲート端子に加えられる電圧が保護用スイッチング素子６に直列接続される主コンデンサ５に分配されることとなり、ゲート端子に加えられる電圧の上昇が制限され、結果スイッチング素子１３９のコレクタ−エミッタ間に流れる主電流が抑制されるため、電流の急激な上昇が抑止できスイッチング素子１３９の破壊が防止される。
【００４３】
そして、コレクタ−エミッタ間の主電流を直接検出するのではなく、主電流より非常に低い副電流を電圧に変換するため、大電流のコレクタ−エミッタ間の電流を検出するより電流の検出が確実に行え、スイッチング素子を保護するための回路を実現しやすい。また、副電流を用いることで、耐圧の小さな保護用スイッチング素子を用いることができ、コストも抑えられる。
【００４４】
（実施形態２）
本発明の実施形態２について具体的に説明する。本実施形態２は実施形態１と基本的には同様の構成及び同様の作用効果を有する。以下、異なる部分を中心に説明する。
【００４５】
本実施形態２の電力変換装置１は、図４に示されるように、各スイッチング素子１３４〜１３９のゲート端子に接続される主コンデンサ５と保護用スイッチング素子６とからなる構成において、主コンデンサ５の一端が保護用スイッチング素子６を介してスイッチング素子１３９のゲート端子に接続され、他端が基準電位に接続されている。このように、主コンデンサ５を基準電位側に接続することで回路が安定する。
【００４６】
（実施形態３）
本発明の実施形態３について具体的に説明する。本実施形態３は実施形態２と基本的には同様の構成及び同様の作用効果を有する。以下、異なる部分を中心に説明する。
【００４７】
本実施形態３の電力変換装置１は、図５に示されるように、各スイッチング素子１３４〜１３９のゲート端子に接続される主コンデンサ５と保護用スイッチング素子６とからなる構成において、主コンデンサ５と並列接続される放電用抵抗７を有する。放電用抵抗７は、一端が保護用スイッチング素子６のドレイン端子に接続され、他端が基準電位に接続され、主コンデンサ５と並列接続されている。このように、放電用抵抗７を主コンデンサ５と並列に回路に組み込むことで、保護用スイッチング素子６のＯＮにより主コンデンサ５に電流が流れ込み蓄電された場合、放電用抵抗７が主コンデンサ５に蓄積された電荷を放電することができる。そのため、再び保護機能が必要になり、主コンデンサ５が電気的に接続されても主コンデンサ５に電荷を蓄積させることができる。
【００４８】
また、放電用抵抗７を実施形態１の電力変換装置１に係る主コンデンサ５、つまりスイッチング素子１３９のゲート端子と保護用スイッチング素子６のソース端子間に位置する主コンデンサ５と並列接続させるものでもよい。
【００４９】
（実施形態４）
本発明の実施形態４について具体的に説明する。本実施形態４は実施形態２と基本的には同様の構成及び同様の作用効果を有する。以下、異なる部分を中心に説明する。
【００５０】
本実施形態４の電力変換装置１は、図６に示されるように、各スイッチング素子１３４〜１３９のゲート端子に接続される主コンデンサ５と保護用スイッチング素子６とからなる構成において、直列接続される主コンデンサ５及び保護用スイッチング素子６と並列接続される補助コンデンサ８を有する。補助コンデンサ８は、一端がスイッチング素子１３９のゲート端子に接続され、他端が基準電位に接続される。そして、補助コンデンサ８はスイッチング素子６のゲート端子とコレクタ端子間のいわゆる寄生容量Ｃｇｅより大きい容量であり、主コンデンサ５より小さい容量である。
【００５１】
このように、補助コンデンサ８を並列接続させることで、主コンデンサ５が電気的にゲート端子と接続した際、主コンデンサ５に流れ込む電荷がスイッチング素子１３９側から急激に奪うのではなく補助コンデンサ８側からも供給されることで、スイッチング素子１３９の急激な電位低下を防止することができる。また、補助コンデンサ８の容量を寄生容量より大きくすることで、スイッチング素子１３９の寄生容量Ｃｇｅより容量の大きい補助コンデンサ８から優先的に主コンデンサ５に流れ込みやすいため、より確実にスイッチング素子１３９の一時的な電位の低下を防止できる。さらに、補助コンデンサ８の容量が主コンデンサ５より小さくすることで、主コンデンサ５が蓄積できる容量より補助コンデンサ８の容量が大きいとスイッチング素子１３９に流れ込む電荷を吸収できなくならないようにするためである。
【００５２】
また、主コンデンサ５の接続位置が実施形態１の場合でも同様の効果が得られる。
【００５３】
（その他の実施形態）
以上、本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではない。例えば、電力変換装置用スイッチング素子の１例として、下アームのスイッチング素子１３９について説明したが、他の下アーム用スイッチング素子１３５、１３７及び上アーム用スイッチング素子１３４、１３６、１３８に対してもゲート駆動回路２、電流検出回路４、主コンデンサ５及び保護用スイッチング素子６からなる回路を構成できる。その際、基準電位は３相１３１〜１３３の下アームで同じ基準電位であり、上アームではそれぞれ別の基準電位であり、バッテリー１１のマイナス側と同電位である。
【００５４】
また、電流検出回路４は電流を電圧に変換して保護用スイッチング素子６に電圧制御信号として入力しているが、電流検出回路４が検出する電流によりスイッチング動作する保護用スイッチング素子６を用いることも考えられる。また、センスエミッタ端子を用いず、コレクタ−エミッタ間の電流又は電圧を検出するものでもよい。そして、電流検出回路４としては検出速度が速いことが望ましい。
【図面の簡単な説明】
【００５５】
【図１】本実施形態１の電力変換装置１の回路図である。
【図２】本実施形態１の電力変換装置１で用いられるスイッチング素子に係る回路図である。
【図３】（ａ）通常時における回路内の各間の電流及び電圧のタイムチャート図、（ｂ）本実施形態１の電力変換装置１に係るスイッチング素子のコレクタ−エミッタ間に異常電流が流れた場合の回路内の各間の電流及び電圧のタイムチャート図である。
【図４】本実施形態２の電力変換装置１で用いられるスイッチング素子に係る回路図である。
【図５】本実施形態３の電力変換装置１で用いられるスイッチング素子に係る回路図である。
【図６】本実施形態４の電力変換装置１で用いられるスイッチング素子に係る回路図である。
【符号の説明】
【００５６】
１：電力変換装置、１１：バッテリー 、１２：昇降圧コンバータ、１３：インバータ、
１２１，１２２，１３４〜１３９：スイッチング素子、
１２３：コンデンサ、１２４：リアクトル、
２：ゲート駆動回路、
３：ゲート抵抗、
４：電流検出回路、
５：主コンデンサ、
６：保護用スイッチング素子、
７：放電用抵抗、
８：補助コンデンサ、
Ｄ１〜Ｄ８：ダイオード、ＭＧ：モータジェネレータ、Ｒ１：第１抵抗、Ｒ２：第２抵抗。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電力変換装置に関し、特にスイッチング素子を保護する保護回路を有する電力変換装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
電力変換装置のインバータ回路で用いられるスイッチング素子には、定格電流以上の電流が流れる過電流やショートなどによる短絡電流により、スイッチング素子が破壊する場合がある。そのため、スイッチング素子の電流や電圧を検出し、それらの値がスイッチング素子に予め決められている許容量より小さい電流値（所定値）を超えた場合に電流を制限若しくは遮断し、スイッチング素子を保護するための保護回路が種々提案されている。短絡の状態を検知する手段としては、主電流を検出する電流トランス法や主電流が流れる位置に低抵抗値のシャント抵抗を挿入して電圧を検出するシャント抵抗法や、ＩＧＢＴやＭＯＳＦＥＴで見られるセンス端子（主電流より低電流が流される端子）付きの電流を検出する補助エミッタ法などがある。そして、異常電流（過電流や短絡電流）あるいは異常電圧などが検出された場合に、どのように保護するかも種々提案されている。
【０００３】
例えば、特許文献１では、主回路電流が所定値以上になると３端子半導体装置がＯＮして、インバータ制御のスイッチング素子の制御端子に接続されているツェナダイオードが導通することで、当該制御端子に加わる電圧制御信号のレベルを制限し、主回路過電流を抑制する方法が開示されている。
【特許文献１】特開平２−２６６７１２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、上記の方法では、制御端子に印加する電圧制御信号のレベルを下げるため、電圧制御信号の遮断によるエネルギーが増加する。つまり、損失が悪化する。また、公差（バラつき）が大きくなることがある。
【０００５】
本発明は、上記課題に鑑みてなされたもので、電力変換用スイッチング素子を異常電流などから保護する際に、当該スイッチング素子の制御端子に印加する電圧制御信号のレベルを下げることなく、またバラつきも少ないスイッチング素子を保護する機能を有する電力変換装置を提供することを解決すべき課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記課題を解決するための請求項１に係る発明の構成上の特徴は、
一対の主端子と前記主端子対に流れる電流を制御する制御端子とをもち、前記主端子の低電位側端子が低電位側に接続される電力変換用スイッチング素子と、
前記主端子対に流れる主電流を検出する電流検出回路と、
前記制御端子と前記低電位側との間に位置する主コンデンサと、
前記電流検出回路によって検出された前記主電流が所定値を超えた場合に、前記制御端子と前記低電位側との間に前記主コンデンサが電気的に接続されるようにスイッチング動作する保護用スイッチング素子と、を有することである。
【０００７】
また請求項２に係る発明の構成上の特徴は、請求項１において、前記電力変換用スイッチング素子は、前記主端子対に流れる前記主電流より小さい副電流が流れる低電流端子を有し、前記電流検出回路は、前記主端子対に流れる前記主電流より小さい前記副電流を検出することで、前記主端子対の前記主電流を検出することである。
【０００８】
また請求項３に係る発明の構成上の特徴は、請求項１又は２において、前記電力変換用スイッチング素子の駆動回路は、前記電力変換用スイッチング素子の前記制御端子に電圧制御信号を送出するゲート駆動回路を有し、前記ゲート駆動回路は、前記電流検出回路によって検出された前記主電流が前記所定値を超えた場合に、前記制御端子に送出する前記電圧制御信号を調整することである。
【０００９】
また請求項４に係る発明の構成上の特徴は、請求項１〜３の何れか１項において、前記主コンデンサは、一端が前記保護用スイッチング素子を介して前記電力変換用スイッチング素子の前記制御端子に接続され、他端が前記低電位側に前記保護用スイッチング素子を介さずに接続されることである。
【００１０】
また請求項５に係る発明の構成上の特徴は、請求項１〜３の何れか１項において、前記主コンデンサは、一端が前記電力変換用スイッチング素子の前記制御端子に前記保護用スイッチング素子を介さずに接続され、他端が前記保護用スイッチング素子を介して前記低電位側に接続されることである。
【００１１】
また請求項６に係る発明の構成上の特徴は、請求項１〜５の何れか１項において、前記電力変換装置は、さらに、前記主コンデンサに並列接続され、且つ、前記保護用スイッチング素子に直列接続される放電用抵抗を有することである。
【００１２】
また請求項７に係る発明の構成上の特徴は、請求項１〜６の何れか１項において、前記電力変換装置は、さらに、一端が前記制御端子と接続され、直列に接続される前記保護用スイッチング素子及び前記主コンデンサに並列接続される補助コンデンサを有することである。
【００１３】
また請求項８に係る発明の構成上の特徴は、請求項７において、前記電力変換用スイッチング素子は、少なくとも前記低電位側端子と前記制御端子との間に寄生容量を有し、前記補助コンデンサは、前記寄生容量より容量が大きいことである。
【００１４】
また請求項３に係る発明の構成上の特徴は、請求項１又は２において、前記主コンデンサは、前記補助コンデンサより容量が大きいことである。
【発明の効果】
【００１５】
請求項１に係る発明においては、電力変換用スイッチング素子の主端子対に流れる主電流を電流検出回路で検出し、主電流が所定値（例えば、電力変換用スイッチング素子の許容量より小さい値）を超えた場合に、保護用スイッチング素子のスイッチング動作により制御端子と低電位側との間に位置する主コンデンサが電気的に接続されるため、制御端子に印加される電圧が主コンデンサにも印加され、主端子対に流れる電流の急上昇を抑えることができ、電力変換用スイッチング素子を異常電流から保護でき破壊を防止できる。そして、制御端子に印加される電圧制御信号を遮断しないため、信号レベルが低下せず、バラつきも少なくなる。なお、主コンデンサが電気的に接続し得る「低電位側」の電位は、電力変換用スイッチング素子の低電位側端子の電位と同電位であり、いわゆる基準電位である。例えば、電力変換用スイッチング素子が上下に直列接続され、且つ、一方をバッテリーのプラス端子に接続され、他方をバッテリーのマイナス端子に接続される場合において、上アーム用電力変換用スイッチング素子の基準電位とは、当該上アーム用電力変換用スイッチング素子と下アーム用電力変換用スイッチング素子との間の電位である。また、下アーム用電力変換用スイッチング素子の基準電位は、バッテリーのマイナス端子と同電位である。
【００１６】
請求項２に係る発明においては、電力変換用スイッチング素子の主端子対に流れる主電流より小さい副電流が流れる低電流端子を用いて、主端子対に流れる主電流の検出を行うことができる。主端子対に流れる主電流が非常に大きく主電流を直接検出することが非常に難しい場合などは、低電流の副電流を検出し、電力変換用スイッチング素子のための保護回路を実現できる。また、副電流を用いることで、耐圧の小さな保護用スイッチング素子を用いることができる。従って、低コスト化を図ることができる。
【００１７】
請求項３に係る発明においては、主電流が所定値を超えた場合に、ゲート駆動回路が制御端子に印加する電圧制御信号を調整することで電力変換用スイッチング素子の破壊を防止することができる。ゲート駆動回路は、通常、電力変換用スイッチング素子の制御端子に電圧制御信号を送出する回路である。ゲート駆動回路により制御端子に印加される電圧が低下あるいは停止されるまでの間に、保護用スイッチング素子がＯＮし、主コンデンサが電気的に接続されることで急激に上昇する電荷を主コンデンサが吸収することができる。つまり、主コンデンサ及び保護用スイッチング素子で急激な電流の上昇を抑制し、抑制されている間にゲート駆動回路が電圧制御信号を低下あるいは停止することができるため、より確実に電力変換用スイッチング素子を破壊から守ることができる。
【００１８】
請求項４に係る発明においては、主コンデンサの一端が保護用スイッチング素子を介して制御端子に接続され、他端が何も介さず低電位側に接続されるため、主コンデンサに電圧が印加されていない状態となる。その結果、回路が安定化しやすい。
【００１９】
請求項５に係る発明においては、請求項４に係る発明に比べて、主コンデンサの一方電極に電圧が印加されている状態であることにより、安定性としては劣る。ただし、この場合も、確実に、上記した請求項１〜３による効果を発揮できる。
【００２０】
請求項６に係る発明においては、電力変換装置がさらに主コンデンサと並列接続され、且つ且つ、保護用スイッチング素子に直列接続される放電用抵抗を有するため、主コンデンサが電気的に接続され蓄電した電荷は放電用抵抗により放電させることができる。仮に、保護機能が実行されて主コンデンサに電荷がたまった状態のままでは、再び、保護機能を実行できない。そこで、放電用抵抗を設けることで、主コンデンサに一旦蓄電した後であっても、再び保護機能を発揮することができる。
【００２１】
請求項７に係る発明においては、一端が制御端子に接続し、直列に接続される保護用スイッチング素子及び主コンデンサに並列接続される補助コンデンサを有することで、保護用スイッチング素子のスイッチング動作により主コンデンサが電気的に接続された際、補助コンデンサから主コンデンサに電荷が供給されることで、電力変換用スイッチング素子の寄生容量の電荷を維持することができる。その結果、電力変換用スイッチング素子の電位の急激な低下を回避することができる。
【００２２】
請求項８に係る発明においては、補助コンデンサの容量を電力変換用スイッチング素子の寄生容量より大きくすることで、主コンデンサが電気的に接続された際、容量の小さい寄生容量からではなく、容量の大きい補助コンデンサ側から優先的に主コンデンサに電荷が供給される。従って、電力変換用スイッチング素子の電位の急激な低下をより確実に回避することができる。
【００２３】
請求項９に係る発明においては、主コンデンサの容量を補助コンデンサの容量より大きくすることで主コンデンサが電気的に接続された際、主コンデンサは電力変換用スイッチング素子及び補助コンデンサの両方の電荷を抜き取ることができるため、電力変換用スイッチング素子を急激な過剰電流による破壊から保護することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２４】
以下、実施形態を用いて本発明を具体的に説明する。
【００２５】
（実施形態１）
本実施形態１の電力変換装置１の回路図を図１に示す。本実施形態１の電力変換装置１は、バッテリー１１、昇降圧コンバータ１２、モータジェネレータＭＧ及びインバータ１３を備える。
【００２６】
バッテリー１１は、昇降圧コンバータ１２に接続されており、昇降圧コンバータ１２に直流電力を供給し、また昇降圧コンバータ１２から回生される直流電力を蓄電する。
【００２７】
昇降圧コンバータ１２は、バッテリー１１から供給された直流電力を昇圧して後述するインバータ１３に出力し、またインバータ１３から出力された直流電力を降圧してバッテリー１１に出力する。昇降圧コンバータ１２は、コンデンサ１２３、リアクトル１２４、高圧側の半導体素子である上アーム用スイッチング素子１２１及び低圧側の半導体素子である下アーム用スイッチング素子１２２、ダイオードＤ１、Ｄ２を含む。バッテリー１１の正極側にコンデンサ１２３及びリアクトル１２４の一端が接続され、負極側にコンデンサ１２３の他端と下アーム用スイッチング素子１２２のエミッタ端子が接続されている。上アーム用スイッチング素子１２１と下アーム用スイッチング素子１２２とは直接に接続されており、リアクトル１２４の他端は、上アーム用スイッチング素子１２１のエミッタ端子及び下アーム用スイッチング素子１２２のコレクタ端子に接続されている。上アーム用スイッチング素子１２１のコレクタ端子は、後述するインバータ１３の一端側に接続されている。下アーム用スイッチング素子１２２のエミッタ端子は、インバータ１３の他端側に接続されている。スイッチング素子１２１、１２２のコレクタ−エミッタ間には、エミッタ側からコレクタ側に電流を流すダイオードＤ１、Ｄ２が配置されている。
【００２８】
モータジェネレータＭＧはインバータ１３に接続されており、バッテリー１１から供給される電力により駆動する。そして、発電機として働く場合は、交流電力をそれぞれに接続されるインバータ１３に出力する。
【００２９】
インバータ１３は、昇降圧コンバータ１２によって昇圧された直流電力を三相交流に変換して、モータジェネレータＭＧに出力する。そして、モータジェネレータＭＧが発電機として働く場合は、モータジェネレータＭＧから出力される交流電力を直流に変換して昇降圧コンバータ１２に出力する。
【００３０】
インバータ１３は、Ｕ相１３１とＶ相１３２とＷ相１３３とからなり、Ｕ相１３１、Ｖ相１３２及びＷ相１３３は、昇降圧コンバータ１２に並列に接続されている。Ｕ相１３１は、高圧側の半導体素子の上アーム用スイッチング素子１３４と低圧側の半導体素子の下アーム用スイッチング素子１３５とが直接に接続されている。同様に、Ｖ相は上アーム用スイッチング素子１３６と下アーム用スイッチング素子１３７、Ｗ相は上アーム用スイッチング素子１３８と下アーム用スイッチング素子１３９が直列に接続されている。そして、各スイッチング素子１３４〜１３９のコレクタ−エミッタ間には、エミッタ側からコレクタ側へ電流を流すダイオードＤ３〜８がそれぞれ接続されている。各相の中間点は、モータジェネレータＭＧの各相コイル（図示略）の各相端に接続されている。ここで、昇降圧コンバータ１２及びインバータ１３にそれぞれ含まれるスイッチング素子は、ＩＧＢＴ、ＭＯＳＦＥＴ等のパワー素子を用いる。
【００３１】
本実施形態に係る電力変換装置１は、バッテリー１１の直流電力を昇降圧コンバータ１２で昇圧してインバータ１３で三相交流に変換し、モータジェネレータＭＧを駆動する。そして、モータジェネレータＭＧが発電機として働く場合は、モータジェネレータＭＧから出力される交流電力がインバータ１３で直流電力に変換され、昇降圧コンバータ１２で降圧し、バッテリー１１に回生される。
【００３２】
本発明の電力変換装置１において、昇降圧コンバータ１２及びインバータ１３で用いられる上下アーム用スイッチング素子１３４〜１３９には、図２に示されるように、１つのスイッチング素子（電力変換用スイッチング素子）に対してそれぞれにゲート駆動回路２、ゲート抵抗３、電流検出回路４、主コンデンサ５及び保護用スイッチング素子６が配置されている。ただし、図２は、Ｗ相１３３の下アーム用スイッチング素子１３９のみに関するゲート駆動回路２などについて図示している。なお、図示しないが、他のスイッチング素子１３４〜１３８についても、図２と同様に構成される。そこで、図２を参照して、インバータ１３のＷ相１３３の下アーム用スイッチング素子１３９について説明する。
【００３３】
スイッチング素子１３９のゲート端子（制御端子）は、主端子（コレクタ−エミッタ（低電位端子））間の電流を制御するための制御信号を送信する駆動ＰＷＭ信号出力部（図示略）とゲート駆動回路２及びゲート抵抗３を介して接続されている。ゲート駆動回路２は、ゲート端子に印加するゲート電圧を調整するための回路を含み、上下アーム用スイッチング素子１３８及び１３９が同時にＯＮにならないように、スイッチングタイミングに必要なデッドタイムが設定されるように調整している。そして、スイッチング素子１３９の設置される環境、運転条件などによりさらにゲート電圧を調整するために、ゲート駆動回路２とゲート端子との間にゲート抵抗３が接続されている。
【００３４】
スイッチング素子１３９のコレクタ端子が上アーム用スイッチング素子１３８のエミッタ端子と接続されており、さらにスイッチング素子１３８のコレクタ端子が６５０Ｖの主電源に接続されている状態も表している。スイッチング素子１３９のコレクタ−ゲート間のコンデンサＣｃｇ及びエミッタ−ゲート間のコンデンサＣｇｅは、いわゆる寄生容量を示している。エミッタは、このスイッチング素子１３９の基準電位（低電位）に接続されている。そして、コレクタ−エミッタ間に流れる主電流の例えば１万分の１の副電流が流れるセンスエミッタ端子は抵抗を介して基準電位に接続されている。２つの第１抵抗Ｒ１と第２抵抗Ｒ２とがセンスエミッタ端子に直列接続されており、２つの抵抗Ｒ１、Ｒ２との間が保護用スイッチング素子６のゲート端子に接続され、電流検出回路４を形成している。つまり、電流検出回路４を構成する抵抗Ｒ１とＲ２との間の電圧が、スイッチング素子１３９のコレクタ−エミッタ間に流れる主電流に対応したものとなる。
【００３５】
主コンデンサ５は、一端がスイッチング素子１３９のゲート端子に接続され、他端が保護用スイッチング素子６の端子の１つに接続され、保護用スイッチング素子６と直列接続されている。保護用スイッチング素子６は、ゲート端子とゲート端子に印加される電圧によりＯＮ状態になるとスイッチング素子１３９のゲート端子に主コンデンサ５が電気的に接続されるように電流が流れる２端子とを有する。保護用スイッチング素子６として、ゲート端子に印加される電圧によって電流を流すｎチャネルＭＯＳＦＥＴ（電解効果トランジスタ）を用いている。従って、ソース端子が主コンデンサ５の他端に接続され、ドレイン端子が基準電位に接続され、スイッチング動作によりソース−ドレイン間に電流が流れると主コンデンサ５に電流が流れ込む。なお、このｎチャネルＭＯＳＦＥＴである保護用スイッチング素子６は、このゲート端子に印加される電圧が基準電位に対して所定電位（後述する「主電流の許容量より小さい電流値」に相当する電位）より大きくなった場合に、ソース−ドレイン間に電流が流れるように動作する。ここで、主電流の許容量とはスイッチング素子１３９の主端子対に流れる主電流について、スイッチング素子１３９が正常動作することができる限界の電流量のことであり、異常電流とは主電流の許容量を超える電流のことである。
【００３６】
さらに、本実施形態１に係る電力変換装置１では、電流検出回路４によって出力される電圧がゲート駆動回路２にも入力される。ゲート駆動回路２は、スイッチング素子１３９の主端子間を流れる主電流が所定値より大きくなった異常電流の場合、スイッチング素子１３９の制御端子に印加する電圧制御信号を調整する。
【００３７】
次に、本実施形態１の電力変換装置１に係る回路における、スイッチング素子１３９の各間の電圧又は電流について図３を参照して説明する。図３は、本実施形態１の電力変換装置１に係る回路における、スイッチング素子１３９の各間の電圧又は電流についてのタイムチャートである。なお、図３は、比較のために、主コンデンサ５及び保護用スイッチング素子６を有しない回路における、スイッチング素子１３９の各間の電圧又は電流を図示する。
【００３８】
図３は、上から、スイッチング素子１３９のゲート−エミッタ間の電圧（ＶＧＥ）、スイッチング素子１３９のコレクト−エミッタ間に流れる電流（Ｉｃ）、スイッチング素子１３９のコレクタ−エミッタ間の電圧（ＶＣＥ）、スイッチング素子１３９のセンスエミッタ−エミッタ間の電圧（ＶＳＥ）、スイッチング素子１３９のゲート−センスエミッタ間の電圧（ＶＧＳ）を表している。そして、図３（ａ）がスイッチング素子１３９の主端子対に異常電流が流れない通常時の各値の様子を示し、図３（ｂ）が異常電流が流れた場合について示している。また、図３（ｂ）において、実線は本実施形態１の電力変換装置１、すなわち、主コンデンサ５及び保護用スイッチング素子６を有する回路のものであり、一点波線が比較例である主コンデンサ５及び保護用スイッチング素子６を有さない回路（従来の回路）のものである。
【００３９】
まず、スイッチング素子１３９の主端子対に異常電流が流れない通常時について説明する。時間ｔ１において、スイッチング素子１３９の制御端子に電圧制御信号が印加されはじめ、ＶＧＥの電圧が上昇しはじめる。時間ｔ２で制御端子に印加される電圧が所定値を越え、スイッチング素子１３９の主端子対に主電流Ｉｃが流れはじめる。（ＶＧＥの時間ｔ２から時間ｔ３の間はミラー期間である。）主電流Ｉｃが流れ出し、ＶＣＥの電圧も変化する。ＶＳＥ及びＶＧＳもスイッチング素子１３９のＯＮ動作により共に変化する。そして、時間ｔ４から時間ｔ５の一定期間、一定電流が主端子対に流れたのち、制御端子に印加される電圧制御信号が低下しはじめ、ＶＧＥ及びＩｃが低下しはじめる。（ＶＧＥの時間ｔ６から時間ｔ７の間はミラー期間である。）他の値も同様に変化し、時間ｔ７でスイッチング素子１３９がＯＦＦになり、主端子対にＩｃが流れなくなる。
【００４０】
次に、主端子対に異常電流が流れた場合の従来の回路では、時間ｔ１から時間ｔ３までＶＣＥ以外は通常時と同様の様子を示している。ＶＣＥの変化が異なるのは、スイッチング素子１３９がＯＮになれば主端子対には異常電流が流れる状態にあり、時間ｔ２でスイッチング素子１３９がＯＮになってすぐ、ＶＣＥは異常電流による異常電圧が印加されるため、初期値から電位が急激に下がり、すぐに電位が初期値に戻るからである。そして、時間ｔ３以降では、時間ｔ４において、通常時と比較し、Ｉｃがかなり上昇していることが分かる。Ｉｃに異常電流が流れ出してから一定時間後の時間ｔ４’に、ゲート駆動回路２により制御端子への電圧印加が停止され、ＶＧＥが低下し、それに伴いＩｃも急激に低下する。そのため、ＶＣＥに高いサージ電圧が発生している。
【００４１】
本実施形態１に係る回路は、時間ｔ１からｔ３に至るまで従来の回路と同様に動作する。そして、時間ｔ３’で電流検出回路４が主電流の異常値を検出し、保護用スイッチング素子６がＯＮになり、主コンデンサ５がスイッチング素子１３９の制御端子と電気的に接続される。従来の回路と比較し、ＶＧＥが時間ｔ４’までに緩やかに上昇し、それに伴いＩｃも緩やかに上昇している。つまり、主端子対の主電流が所定値を超えてからゲート駆動回路２により制御端子への電圧制御信号の印加が停止される時間ｔ４’まで、Ｉｃの急激な上昇が抑制されている。そのため、ピーク電流が減少している。よって、制御端子への電圧印加が停止されＩｃが急激に減少しても従来の回路と比較し、サージ電圧が減少する。
【００４２】
本実施形態の電力変換装置１によれば、電流検出回路４によりスイッチング素子１３９のコレクタに流れる主電流を電圧に変換して電圧制御信号として保護用スイッチング素子のゲート端子に入力し、主電流が所定値を超える場合には保護用スイッチング素子６がＯＮされ、ソース−ドレイン間に電流が流れる状態になる。それにより、スイッチング素子１３９のゲート端子に加えられる電圧が保護用スイッチング素子６に直列接続される主コンデンサ５に分配されることとなり、ゲート端子に加えられる電圧の上昇が制限され、結果スイッチング素子１３９のコレクタ−エミッタ間に流れる主電流が抑制されるため、電流の急激な上昇が抑止できスイッチング素子１３９の破壊が防止される。
【００４３】
そして、コレクタ−エミッタ間の主電流を直接検出するのではなく、主電流より非常に低い副電流を電圧に変換するため、大電流のコレクタ−エミッタ間の電流を検出するより電流の検出が確実に行え、スイッチング素子を保護するための回路を実現しやすい。また、副電流を用いることで、耐圧の小さな保護用スイッチング素子を用いることができ、コストも抑えられる。
【００４４】
（実施形態２）
本発明の実施形態２について具体的に説明する。本実施形態２は実施形態１と基本的には同様の構成及び同様の作用効果を有する。以下、異なる部分を中心に説明する。
【００４５】
本実施形態２の電力変換装置１は、図４に示されるように、各スイッチング素子１３４〜１３９のゲート端子に接続される主コンデンサ５と保護用スイッチング素子６とからなる構成において、主コンデンサ５の一端が保護用スイッチング素子６を介してスイッチング素子１３９のゲート端子に接続され、他端が基準電位に接続されている。このように、主コンデンサ５を基準電位側に接続することで回路が安定する。
【００４６】
（実施形態３）
本発明の実施形態３について具体的に説明する。本実施形態３は実施形態２と基本的には同様の構成及び同様の作用効果を有する。以下、異なる部分を中心に説明する。
【００４７】
本実施形態３の電力変換装置１は、図５に示されるように、各スイッチング素子１３４〜１３９のゲート端子に接続される主コンデンサ５と保護用スイッチング素子６とからなる構成において、主コンデンサ５と並列接続される放電用抵抗７を有する。放電用抵抗７は、一端が保護用スイッチング素子６のドレイン端子に接続され、他端が基準電位に接続され、主コンデンサ５と並列接続されている。このように、放電用抵抗７を主コンデンサ５と並列に回路に組み込むことで、保護用スイッチング素子６のＯＮにより主コンデンサ５に電流が流れ込み蓄電された場合、放電用抵抗７が主コンデンサ５に蓄積された電荷を放電することができる。そのため、再び保護機能が必要になり、主コンデンサ５が電気的に接続されても主コンデンサ５に電荷を蓄積させることができる。
【００４８】
また、放電用抵抗７を実施形態１の電力変換装置１に係る主コンデンサ５、つまりスイッチング素子１３９のゲート端子と保護用スイッチング素子６のソース端子間に位置する主コンデンサ５と並列接続させるものでもよい。
【００４９】
（実施形態４）
本発明の実施形態４について具体的に説明する。本実施形態４は実施形態２と基本的には同様の構成及び同様の作用効果を有する。以下、異なる部分を中心に説明する。
【００５０】
本実施形態４の電力変換装置１は、図６に示されるように、各スイッチング素子１３４〜１３９のゲート端子に接続される主コンデンサ５と保護用スイッチング素子６とからなる構成において、直列接続される主コンデンサ５及び保護用スイッチング素子６と並列接続される補助コンデンサ８を有する。補助コンデンサ８は、一端がスイッチング素子１３９のゲート端子に接続され、他端が基準電位に接続される。そして、補助コンデンサ８はスイッチング素子６のゲート端子とコレクタ端子間のいわゆる寄生容量Ｃｇｅより大きい容量であり、主コンデンサ５より小さい容量である。
【００５１】
このように、補助コンデンサ８を並列接続させることで、主コンデンサ５が電気的にゲート端子と接続した際、主コンデンサ５に流れ込む電荷がスイッチング素子１３９側から急激に奪うのではなく補助コンデンサ８側からも供給されることで、スイッチング素子１３９の急激な電位低下を防止することができる。また、補助コンデンサ８の容量を寄生容量より大きくすることで、スイッチング素子１３９の寄生容量Ｃｇｅより容量の大きい補助コンデンサ８から優先的に主コンデンサ５に流れ込みやすいため、より確実にスイッチング素子１３９の一時的な電位の低下を防止できる。さらに、補助コンデンサ８の容量が主コンデンサ５より小さくすることで、主コンデンサ５が蓄積できる容量より補助コンデンサ８の容量が大きいとスイッチング素子１３９に流れ込む電荷を吸収できなくならないようにするためである。
【００５２】
また、主コンデンサ５の接続位置が実施形態１の場合でも同様の効果が得られる。
【００５３】
（その他の実施形態）
以上、本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではない。例えば、電力変換装置用スイッチング素子の１例として、下アームのスイッチング素子１３９について説明したが、他の下アーム用スイッチング素子１３５、１３７及び上アーム用スイッチング素子１３４、１３６、１３８に対してもゲート駆動回路２、電流検出回路４、主コンデンサ５及び保護用スイッチング素子６からなる回路を構成できる。その際、基準電位は３相１３１〜１３３の下アームで同じ基準電位であり、上アームではそれぞれ別の基準電位であり、バッテリー１１のマイナス側と同電位である。
【００５４】
また、電流検出回路４は電流を電圧に変換して保護用スイッチング素子６に電圧制御信号として入力しているが、電流検出回路４が検出する電流によりスイッチング動作する保護用スイッチング素子６を用いることも考えられる。また、センスエミッタ端子を用いず、コレクタ−エミッタ間の電流又は電圧を検出するものでもよい。そして、電流検出回路４としては検出速度が速いことが望ましい。
【図面の簡単な説明】
【００５５】
【図１】本実施形態１の電力変換装置１の回路図である。
【図２】本実施形態１の電力変換装置１で用いられるスイッチング素子に係る回路図である。
【図３】（ａ）通常時における回路内の各間の電流及び電圧のタイムチャート図、（ｂ）本実施形態１の電力変換装置１に係るスイッチング素子のコレクタ−エミッタ間に異常電流が流れた場合の回路内の各間の電流及び電圧のタイムチャート図である。
【図４】本実施形態２の電力変換装置１で用いられるスイッチング素子に係る回路図である。
【図５】本実施形態３の電力変換装置１で用いられるスイッチング素子に係る回路図である。
【図６】本実施形態４の電力変換装置１で用いられるスイッチング素子に係る回路図である。
【符号の説明】
【００５６】
１：電力変換装置、１１：バッテリー 、１２：昇降圧コンバータ、１３：インバータ、
１２１，１２２，１３４〜１３９：スイッチング素子、
１２３：コンデンサ、１２４：リアクトル、
２：ゲート駆動回路、
３：ゲート抵抗、
４：電流検出回路、
５：主コンデンサ、
６：保護用スイッチング素子、
７：放電用抵抗、
８：補助コンデンサ、
Ｄ１〜Ｄ８：ダイオード、ＭＧ：モータジェネレータ、Ｒ１：第１抵抗、Ｒ２：第２抵抗。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
一対の主端子と前記主端子対に流れる電流を制御する制御端子とをもち、前記主端子の低電位側端子が低電位側に接続される電力変換用スイッチング素子と、
前記主端子対に流れる主電流を検出する電流検出回路と、
前記制御端子と前記低電位側との間に位置する主コンデンサと、
前記電流検出回路によって検出された前記主電流が所定値を超えた場合に、前記制御端子と前記低電位側との間に前記主コンデンサが電気的に接続されるようにスイッチング動作する保護用スイッチング素子と、
を有することを特徴とする電力変換装置。
【請求項２】
前記電力変換用スイッチング素子は、前記主端子対に流れる前記主電流より小さい副電流が流れる低電流端子を有し、
前記電流検出回路は、前記主端子対に流れる前記主電流より小さい前記副電流を検出することで、前記主端子対の前記主電流を検出する請求項１に記載の電力変換装置。
【請求項３】
前記電力変換用スイッチング素子の駆動回路は、前記電力変換用スイッチング素子の前記制御端子に電圧制御信号を送出するゲート駆動回路を有し、
前記ゲート駆動回路は、前記電流検出回路によって検出された前記主電流が前記所定値を超えた場合に、前記制御端子に送出する前記電圧制御信号を調整する請求項１又は２に記載の電力変換装置。
【請求項４】
前記主コンデンサは、一端が前記保護用スイッチング素子を介して前記電力変換用スイッチング素子の前記制御端子に接続され、他端が前記低電位側に前記保護用スイッチング素子を介さずに接続される請求項１〜３の何れか１項に記載の電力変換装置。
【請求項５】
前記主コンデンサは、一端が前記電力変換用スイッチング素子の前記制御端子に前記保護用スイッチング素子を介さずに接続され、他端が前記保護用スイッチング素子を介して前記低電位側に接続される請求項１〜３の何れか１項に記載の電力変換装置。
【請求項６】
前記電力変換装置は、さらに、前記主コンデンサに並列接続され、且つ、前記保護用スイッチング素子に直列接続される放電用抵抗を有する請求項１〜５の何れか１項に記載の電力変換装置。
【請求項７】
前記電力変換装置は、さらに、一端が前記制御端子と接続され、直列に接続される前記保護用スイッチング素子及び前記主コンデンサに並列接続される補助コンデンサを有する請求項１〜６の何れか１項に記載の電力変換装置。
【請求項８】
前記電力変換用スイッチング素子は、少なくとも前記低電位側端子と前記制御端子との間に寄生容量を有し、
前記補助コンデンサは、前記寄生容量より容量が大きい請求項７に記載の電力変換装置。
【請求項９】
前記主コンデンサは、前記補助コンデンサより容量が大きい請求項７又は８に記載の電力変換装置。
【請求項１】
一対の主端子と前記主端子対に流れる電流を制御する制御端子とをもち、前記主端子の低電位側端子が低電位側に接続される電力変換用スイッチング素子と、
前記主端子対に流れる主電流を検出する電流検出回路と、
前記制御端子と前記低電位側との間に位置する主コンデンサと、
前記電流検出回路によって検出された前記主電流が所定値を超えた場合に、前記制御端子と前記低電位側との間に前記主コンデンサが電気的に接続されるようにスイッチング動作する保護用スイッチング素子と、
を有することを特徴とする電力変換装置。
【請求項２】
前記電力変換用スイッチング素子は、前記主端子対に流れる前記主電流より小さい副電流が流れる低電流端子を有し、
前記電流検出回路は、前記主端子対に流れる前記主電流より小さい前記副電流を検出することで、前記主端子対の前記主電流を検出する請求項１に記載の電力変換装置。
【請求項３】
前記電力変換用スイッチング素子の駆動回路は、前記電力変換用スイッチング素子の前記制御端子に電圧制御信号を送出するゲート駆動回路を有し、
前記ゲート駆動回路は、前記電流検出回路によって検出された前記主電流が前記所定値を超えた場合に、前記制御端子に送出する前記電圧制御信号を調整する請求項１又は２に記載の電力変換装置。
【請求項４】
前記主コンデンサは、一端が前記保護用スイッチング素子を介して前記電力変換用スイッチング素子の前記制御端子に接続され、他端が前記低電位側に前記保護用スイッチング素子を介さずに接続される請求項１〜３の何れか１項に記載の電力変換装置。
【請求項５】
前記主コンデンサは、一端が前記電力変換用スイッチング素子の前記制御端子に前記保護用スイッチング素子を介さずに接続され、他端が前記保護用スイッチング素子を介して前記低電位側に接続される請求項１〜３の何れか１項に記載の電力変換装置。
【請求項６】
前記電力変換装置は、さらに、前記主コンデンサに並列接続され、且つ、前記保護用スイッチング素子に直列接続される放電用抵抗を有する請求項１〜５の何れか１項に記載の電力変換装置。
【請求項７】
前記電力変換装置は、さらに、一端が前記制御端子と接続され、直列に接続される前記保護用スイッチング素子及び前記主コンデンサに並列接続される補助コンデンサを有する請求項１〜６の何れか１項に記載の電力変換装置。
【請求項８】
前記電力変換用スイッチング素子は、少なくとも前記低電位側端子と前記制御端子との間に寄生容量を有し、
前記補助コンデンサは、前記寄生容量より容量が大きい請求項７に記載の電力変換装置。
【請求項９】
前記主コンデンサは、前記補助コンデンサより容量が大きい請求項７又は８に記載の電力変換装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【公開番号】特開２００９−２１３３０５（Ｐ２００９−２１３３０５Ａ）
【公開日】平成２１年９月１７日（２００９．９．１７）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００８−５５４６１（Ｐ２００８−５５４６１）
【出願日】平成２０年３月５日（２００８．３．５）
【出願人】（０００００４２６０）株式会社デンソー (27,639)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２１年９月１７日（２００９．９．１７）
【国際特許分類】
【出願日】平成２０年３月５日（２００８．３．５）
【出願人】（０００００４２６０）株式会社デンソー (27,639)
【Ｆターム（参考）】
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