CN102263489B - 电力变换装置及其异常检测方法 - Google Patents

电力变换装置及其异常检测方法 Download PDF

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Abstract

本发明的目的在于，在多个IGBT元件所构成的电力变换装置中，可靠地检测出栅驱动电路的异常与IGBT元件的异常并进行保护。由电力变换装置的控制电路(100)、产生对各个IGBT的指令脉冲的脉冲发生电路(200)、对应于所输入的指令脉冲的状态，进行IGBT的通/断动作控制的多个栅驱动电路(400a～400n)、与各个栅驱动电路相连接的IGBT(500a～500n)、以及异常检测电路(300)构成，异常检测电路中，判定指令脉冲RPa～RPn与栅驱动电路所输出的栅反馈脉冲FBPa～FBPn的不一致，在不一致状态持续了一定时间的情况下，判定为异常，给脉冲发生电路输出让所有指令脉冲截止的信号SUP。

Description

电力变换装置及其异常检测方法
本申请是申请日为2007年8月9日、申请号为2007101407636的发明申请的分案申请，该申请的发明创造名称为电力变换装置及其异常检测方法。
技术领域
本发明涉及一种能够通过施加给元件的控制输入的电压来控制导通状态并且使用多个电压驱动式半导体元件进行电力变换的电力变换装置，特别是具有检测出电压驱动式半导体元件的异常的机构的电力变换装置及其异常检测方法。
背景技术
电压驱动式半导体元件中代表性的有绝缘栅双极晶体管(InsulatedGate Bipolar Transistor：IGBT)，在电力变换装置中广泛使用。以下，本说明书中使用IGBT作为指代电压驱动式半导体元件全体的语言，来进行说明。
作为电力变换装置的保护，广泛进行的是检测出因电力变换装置的负荷短路等所产生的过电流，并通过IGBT自身来切断过电流进行保护的方式。例如，从IGBT的集电极电压检测出过大电流时的饱和电压上升，使得栅电压下降，通过IGBT自身来切断过电流，进行保护。另外，还有的在IGBT内设置专用的电流检测用发射电极，检测出过电流，使得栅电压下降，通过IGBT自身来切断过电流，进行保护。
但是，检测出饱和电压的上升的方式中，如果没有流通过大电流，集电极电压就不会上升，因此必然会检测延迟。另外，由于高压的集电极电压与栅(gate)驱动电路相连接，因此电路结构变得复杂，并且使用因IGBT的通/断动作而急剧地变动的集电极电压，因此有时候会发生误动作。另外，设置电流检测用发射极的方式，需要在IGBT电路自身中设置电极，在使用通用IGBT的电力变换装置中无法应用。
专利文献1中，公开了一种绝缘栅式半导体元件的故障检测方法，检测出绝缘栅式半导体元件的栅电流，从栅电流的上升信号中求出相当于导通的时间，将该时间与栅极指令信号进行比较，检测出两者的不一致，通过这样来迅速检测出元件的故障。
【专利文献1】特开2002-281736号公报
但是，以前的方式中，均采用通过IGBT自身切断过电流的方式，因此在因IGBT自身的故障等而失去了电流切断功能的情况下，存在无法进行保护的问题。进而，在因栅驱动电路的误动作、故障等，而对IGBT进行了错误的通/断控制的情况下，也存在无法保护的问题。
另外，在多个IGBT所构成的电力变换装置中，1个IGBT元件的电流切断失败成为其他IGBT元件的过电流的原因，存在会波及到多个IGBT元件的破损的问题。
发明内容
本发明立足于以上问题，目的在于提供一种电力变换装置，在这种多个IGBT元件所构成的电力变换装置中，具有可靠地检测出栅驱动电路的异常以及IGBT元件的异常并进行保护，通过这样来防止1个IGBT元件的故障波及到其他IGBT元件的损坏的保护功能。
本发明具有：进行电力变换装置的控制处理，根据来自控制电路的指令，产生指定对各个开关元件(以下代表IGBT等的电压式驱动元件)的通/断状态的指令脉冲的脉冲发生部、对应于所输入的指令脉冲的状态，变更施加给IGBT的栅极的栅电压的大小，通过这样对IGBT进行通或断动作的多个栅驱动部、与各个栅驱动部相连接的IGBT、以及检测出栅驱动机构与IGBT的异常的异常检测部。
具体地说，栅驱动部(栅驱动电路)具有：对应于指令脉冲的状态，变更施加给IGBT的栅极的栅电压的大小的栅驱动部；检测出栅电压，将其大小与阈值进行比较，并输出表示大于阈值的(H)或小于阈值的(L)的信号的栅电压判断部；检测出栅电流，将其大小与阈值进行比较，并输出表示大于阈值的(H)或小于阈值的(L)的信号的栅电流判断部；输入栅电压判断部的输出与栅电流判断部的输出，输出表示IGBT的通/断状态的栅反馈信号的栅反馈生成部以及电源部。
另外，异常检测部(异常检测电路)，输入由脉冲发生部输出给各个栅驱动部的指令脉冲，以及与脉冲发生电路相连接的多个栅驱动部所输出的栅反馈信号，判断指令脉冲与各个栅反馈信号是否一致。在判断的结果是检测到了异常的情况下，输出让脉冲发生部例如将所有的指令脉冲设为截止的信号(抑制(suppress)信号)的指令。通过这样，构成电力变换装置的各个IGBT都变为截止状态，电力变换装置停止。
这样，本发明中，例如在异常检测时，构成电力变换装置的所有IGBT中都进行截止动作，因此即使例如1个IGBT没有进行电流切断，位于该电流路径中的其他IGBT也变为截止状态，切断电流，因此能够保护其他IGBT。
根据本发明，在多个IGBT所构成的电力变换装置中，检测出IGBT的异常，并且例如在构成电力变换装置的所有IGBT中都进行截止动作，通过这样，能够防止1个IGBT元件的故障波及到其他IGBT元件的破损。另外，在异常检测时，通过脉冲发生机构进行截止动作，因此即使在栅驱动机构或IGBT自身有异常的情况下，例如也能够将所有的IGBT可靠地设为截止状态，能够保护其他IGBT。
这里，栅驱动部进行以下动作：在指令脉冲为H电平时，给IGBT的栅极施加正的固定电压，在为L电平时进行施加负的固定电压的动作。因此，在IGBT的栅电压与指令脉冲的电平不对应的情况下，认为是栅驱动机构的异常或IGBT的异常。另外，一般来说，IGBT等电压驱动式半导体元件，在变更了所施加的栅电压之后的短时间内，流通用来对栅电容进行充放电的栅电流，而在其他的稳定时不流通。因此，在尽管没有让所施加的栅电压进行变化，但流通了一定时间以上的栅电流的情况下，能够判断是IGBT的异常状态。
为了利用如上所述的IGBT的特性，检测出异常，而在栅驱动部中设置栅电压判断部与栅电流判断部，除了IGBT的栅电压与指令脉冲不一致的情况，还能够检测出栅电流与指令脉冲的不一致，因此能够可靠地检测出栅驱动部的异常或IGBT元件的异常并进行保护。
附图说明
图1为表示本发明的一实施方式的整体结构例的方框图。
图2为表示本发明的一实施方式的栅电压判断部的动作特性例的说明图。
图3为表示本发明的一实施方式的栅电流判断部的动作特性例的说明图。
图4为表示本发明的一实施方式的栅反馈生成部的结构例的说明图。
图5为表示本发明的一实施方式的异常检测电路的结构例的方框图。
图6为表示本发明的一实施方式的正常时的动作例的说明图。
图7为表示本发明的一实施方式的异常时的动作例(1)的说明图。
图8为表示本发明的一实施方式的异常时的动作例(2)的说明图。
图中：100-控制电路，200-脉冲发生电路，300-异常检测电路，301-振荡电路，302-计数器，303-或运算电路，304-异或运算电路，400-栅驱动电路，401-栅驱动部，402-电源部，403-栅电压判断部，404-栅电流判断部，405-栅反馈生成部，406-栅电阻，500-IGBT
具体实施方式
下面，对照附图对本发明的一实施方式进行说明。
图1为表示本发明的一实施方式的电力变换装置的结构例的方框图。对照图1，对本例的一实施方式的整体结构进行说明。
本例具有：控制电力变换装置的动作的控制电路100；按照控制电路100的指示，进行指令IGBT的通/断的指令脉冲发生的指令脉冲发生机构即脉冲发生电路200；由脉冲发生电路200输入指令脉冲，对应于指令脉冲的状态，变更施加给IGBT的栅极的栅电压的大小，通过这样来进行IGBT的接通或断开动作的栅驱动机构即栅驱动电路400a；IGBT元件500a；以及检测出栅驱动电路或IGBT的异常，在异常发生时，输出用来将脉冲发生电路200的脉冲发生停止的信号SUP的异常检测机构即异常检测电路300。另外，电力变换装置由多个IGBT(500a～500n)以及多个栅驱动电路(400a～400n)构成，但由于其结构及动作都相同，因此图1中只示出了1个IGBT500a及其栅驱动电路400a，省略了其他。
栅驱动电路400a具有：输入由脉冲发生电路200所发生的指令脉冲RPa，并施加对应于指令脉冲RPa的电压作为栅电压，控制IGBT500a的通/断动作的栅驱动部401a；提供栅驱动电路400a的各部中所需要的电源的电源部402a；输入栅电压Vga，进行栅电压的判断的栅电压判断部403a；输入栅电流Iga，进行栅电流的判断的栅电流判断部404a；被输入由栅电压判断部403a所输出的栅电压反馈脉冲VFBa以及由栅电流判断部404a所输出的栅电流反馈脉冲IFBa，输出栅反馈脉冲FBpA的栅反馈生成部405a、以及栅电阻406a。
接下来，对栅驱动电路400a各部分的动作进行说明。
栅驱动部401a，输入由脉冲发生电路200所发生的指令脉冲RPa，在指令脉冲RPa是H电平的情况下，给IGBT500a的栅极施加正的固定电压，进行导通动作，在指令脉冲RPa是L电平的情况下，施加负的固定电压，进行截止动作。
栅电压判断部403a输入IGBT500a的栅电压Vga，产生栅电压反馈脉冲VFBa。图2中示出了栅电压判断部403a的动作特性。本例中，为了判断栅电压而设定固定的判断电平Vth，在所输入的栅电压Vga小于Vth的情况下(Vga＜Vth)，判断为L电平，在Vga为Vth以上的情况下(Vga≥Vth)，判断为H电平，生成对应于该判断结果的栅电压反馈脉冲VFBa并输出。
栅电流判断部404a，输入IGBT500a的栅电流Iga作为栅电阻406a的电压，产生栅电流反馈脉冲IFBa。图3中示出了栅电流判断部404a的动作特性。本例中，为了判断栅电流而设定固定的判断等级Ith，在所输入的栅电流Iga的绝对值小于Ith的情况下(-Ith＜Iga＜+Ith)，判断为L电平，在栅电流Iga的绝对值为Ith以上的情况下(Iga≤-Ith，Iga≥+Ith)，判断为H电平，生成对应于该判断结果的栅电流反馈脉冲IFBa并输出。
接下来对栅反馈生成部405a的动作进行说明。图4中示出了本例的栅反馈生成部405a的结构例。栅反馈生成部405a中，被输入由栅电压判断部403a所输出的栅电压反馈脉冲VFBa，与由栅电流判断部404a所输出的栅电流反馈脉冲IFBa，取所输入的脉冲的异或，并将结果作为H电平或L电平的信号即栅反馈脉冲FBPa输出。栅反馈脉冲FBPa是用来将IGBT500a的通/断状态通知给异常检测电路300的信号。关于栅反馈生成部405a的详细动作，将使用图6～图8进行说明。
图5中示出了本例中的异常检测电路300的结构例。参照图5，对异常检测电路300的结构与动作进行说明。
异常检测电路300具有：输入由脉冲发生电路200所输出的指令脉冲RPa～RPn和栅反馈脉冲FBPa～FBPn，检测出其之间的不一致的异或运算电路304a～304n；或运算电路303；作为在发生了不一致的情况下检测出该不一致持续了一定时间的机构而产生固定频率的时钟信号的振荡电路301；以及对时钟信号进行计数的计数器302。异或运算电路304a～304n中，分别被输入从脉冲发生电路200输出给各个栅驱动电路400a～400n的指令脉冲RPa～RPn，和各个栅驱动电路的栅反馈生成部405a～405n所输出的栅反馈脉冲FBPa～FBPn，取指令脉冲RPa～RPn与栅反馈脉冲FBPa～FBPn的异或逻辑。或运算电路303中，输入异或运算电路304a～304n的结果，取其或逻辑。
计数器302具有从振荡电路301所输入的时钟输入CLK、计数器动作允许输入EN、计数器清空输入CLR、以及计数器溢出输出OVF。计数器302，在计数动作允许输入EN为H电平且计数器清空输入CLR为H电平时，在每一次时钟输入CLK变化时进行计数动作。另外，一旦给计数器清空输入CLR输入L电平信号，便对计时器清零。计时器中事先设有用来检测出溢出的上限值，一旦计数值达到了上限值，便输出H电平信号的计数器溢出输出OVF。计数器溢出输出成为用来将脉冲发生电路200的脉冲发生停止的信号SUP。
这里，计数器清空输入CLR与计数动作允许输入EN，被输入了或运算电路303的输出信号。或运算电路303被输入异或运算电路304a～304n的结果，在该异或运算电路304a～304n的结果的任一个为H电平的情况下，或运算电路303的输出信号变为H电平。因此，在或运算电路303的输出信号为H电平的情况下，能够判断是指令脉冲RPa～RPn与栅反馈脉冲FBPa～FBPn的任一个中发生了不一致的状态。
指令脉冲与栅反馈脉冲不一致的状态，有指令脉冲与IGBT的通/断状态不一致的情况。另外，一般来说，IGBT中，在变更了所施加的栅电压之后的短时间中，流过用来对栅电容进行充放电的栅电流，而在其他的恒定时不流通。因此，在伴随着栅电压的变化的栅电流的发生中，有些情况下会发生指令脉冲与栅反馈脉冲的不一致。但是，在该不一致状态持续了一定时间没有复原的情况下，能够判断为发出了某种异常。因此，本例中设有计时器的上限值作为用来判断异常发生的阈值。在或运算电路303的输出为H电平的期间内，计时器302持续计数，如果H电平的状态持续了一定时间，计数值就会达到上限值，计数器溢出输出OVF变为H电平。计数器溢出输出OVF作为对脉冲发生电路200的输出信号SUP输出，被输入了H电平的输出信号SUP的脉冲发生电路200，停止所有指令脉冲，其结果是构成电力变换装置的各个IGBT都变为截止状态，电力变换装置停止。
这样，本例中，通过异常检测电路300可靠地检测异常，并且脉冲发生电路200停止所有指令脉冲，将IGBT都设为截止状态，通过这样能够保护健全的IGBT。
另外，本例中设有振荡电路与计数器作为用来检测指令脉冲与栅反馈脉冲之间的不一致状态持续了一定时间的机构，但也可以是其他机构，只要能够判断或运算电路303的输出持续为H电平状态的时间，并对超出了阈值的情况进行通知就可以。
接下来，对照图6～图8，对本例的动作进行说明。图6示出了正常时的动作，图7、图8示出了异常时的动作。
首先，参照图6对正常时的动作进行说明。图6中，从上到下表示脉冲发生电路200所输出的指令脉冲RPa、IGBT500a的栅电压Vga、栅电流Iga、栅电压判断部403a所输出的栅电压反馈脉冲VFBa、栅电流判断部404a所输出的栅电流反馈脉冲IFBa、栅反馈生成部405a所输出的栅反馈脉冲FBPa、异或运算电路304a的输出信号、或运算电路303的输出信号、计时器302的计数值以及异常检测电路300的输出信号SUP。
t1中，指令脉冲RPa从L电平变成H电平时，栅电压Vga从-V变成+V。此时，为了对IGBT500a的栅电容进行充电，流通正的栅电流Iga。由于栅电压Vga从-V变成了+V，因此在栅电压Vga变成了判断电平Vth以上的时刻，栅电压判断部403a的输出信号即栅电压反馈脉冲VFBa从L电平变成H电平。
另外，在栅电流Iga流通固定值+Ith以上的期间内，栅电流判断部404a的输出信号即栅电流反馈脉冲IFBa变为H电平，当充电结束且栅电流Iga变成了小于固定值+Ith之后，栅电流反馈脉冲IFBa变为L电平。
栅反馈生成部405a取栅电压反馈脉冲VFBa与栅电流反馈脉冲IFBa的异或逻辑，因此作为输出信号的栅反馈脉冲FBPa如图所示。
异常检测电路300的异或运算电路304a，输入指令脉冲RPa与栅反馈脉冲FBPa并取异或逻辑，因此其输出信号如图所示。另外，将异或运算电路304a的输出信号作为输入的异或运算电路300的输出也如图所示。这里，作为例子示出了异或运算电路为1个的情况，因此变为与异或运算电路304a的输出信号相同的输出。
计时器302在或运算电路303的输出信号为H电平的期间，增加计数值，但在达到用来检测出溢出的上限值之前，返回到L电平，因此计数值被清空。其结果是异常检测电路300的输出信号SUP不会变为H电平。
t2中，指令脉冲RPa从H电平变成L电平时，栅电压Vga从+V变成-V。此时，为了对IGBT500a的栅电容进行放电，流通负的栅电流Iga。由于栅电压Vga从+V变成了-V，因此在栅电压Vga变得比判断电平Vth低时，栅电压判断部403a的输出信号即栅电压反馈脉冲VFBa从H电平变成L电平。
另外，在栅电流Iga变为一定值-Ith以下的期间内，栅电流判断部404a的输出信号即栅电流反馈脉冲IFBa变为H电平，当充电结束且栅电流Iga变成了大于固定值-Ith之后，栅电流反馈脉冲IFBa变为L电平。
以后进行同样的动作，异常检测电路300的输出信号SUP不会变为H电平。
接下来，参照图7对异常发生时的动作进行说明。另外，图7中所示的信号与图6中所示的一样。
图7中，关于在t3时刻中指令脉冲RPa从H电平变成了L电平的情况下的动作，与图6中所示的正常时的动作相同。
这里，设t4时刻IGBT500a中发生了故障。一旦IGBT500a中发生故障，栅电流Iga便流出。该电流是由经IGBT的集电极、栅极间的反馈电容，或者集电极与栅极变为导通状态，集电极电流流到栅极，或栅极、发射级间变为导通状态，流通栅电流等IGBT的异常所引起的。
其结果是，一旦栅电流Iga变为固定值-Ith以下，则栅电流判断部404a的输出信号即栅电流反馈脉冲IFBa就变为H电平，栅反馈生成部405a的输出信号即栅反馈脉冲FBPa也变为H电平。并且，输入指令脉冲RPa与栅反馈脉冲FBPa并取异或逻辑的异常检测电路300的异或运算电路304a也变为H电平，异或运算电路303的输出也一样。
在或运算电路303的输出信号为H电平的期间内，计数器302增加计数值，如果或运算电路303的输出的H电平状态持续一定时间以上，t5时计数器302的计数值便达到上限值。其结果是，异常检测电路300的输出信号SUP变为H电平，此时判断发生了异常。
被输入了异常检测电路300的输出信号SUP的脉冲发生电路200，停止脉冲发生，指令脉冲RPa～RPn都变为L电平。因此IGBT500a～IGBT500n都变为截止状态，电力变换装置停止动作。通过这样，包括发生了异常的IGBT的所有IGBT停止，因此能够切断过电流，可保护正常的IGBT。
接下来，参照图8，对其他异常发生时的动作进行说明。另外，图8中所示的信号与图6中所示的一样。
这里，设t6时刻中栅驱动部401a误动作，产生了不对应指令脉冲RPa的栅电压Vga。通过这样，栅电压判断部403a的输出即栅电压反馈脉冲VFBa就变为H电平，栅反馈生成部405a的输出信号即栅反馈脉冲FBPa也变为H电平。结果与图7中所说明的动作一样进行动作，异常检测电路300的或运算电路303的输出也变为H电平，t7时刻中计数器302的计数值达到上限值。之后，异常检测电路300的输出信号SUP变为H电平，脉冲发生电路200停止脉冲发生，通过这样，IGBT500a～IGBT500n都变为截止状态，电力变换装置停止动作。
另外，除了上述异常例之外，在电源部402a中发生了异常的情况下，各个电路部的任一个都变得异常。其结果是栅反馈脉冲FBPa变成与正常时不同的波形，因此异常检测电路300中检测出异常，电力变换装置停止动作。进而，在栅电压判断部403a、栅电流判断部404a、栅反馈生成部405a中发生了异常的情况下，栅反馈脉冲FBPa也变为与正常时不同的波形，被检测出来。
这样，本例中在IGBT元件与驱动IGBT元件的栅驱动电路的任一个中发生了异常的情况下，都能够可靠地检测出异常，在异常检测时，停止脉冲发生电路的脉冲，通过这样能够可靠地保护电力变换装置与IGBT元件。

Claims (5)

1.一种电力变换装置，使用多个电压控制式半导体元件而构成，
具有：
指令信号发生部，根据来自控制电路的指令，发生用来控制上述电压控制式半导体元件的通/断的指令信号；
栅驱动部，输入上述指令信号，通过将对应于上述指令信号的栅电压施加到上述电压控制式半导体元件；
栅电阻，设置在上述栅驱动部和上述电压控制式半导体元件之间；
栅电压判断部，从上述栅驱动部和上述栅电阻之间检测上述栅电压，输出栅电压判断信号；
栅电流判断部，检测流过上述栅电阻的栅电流，输出栅电流判断信号；以及
异常检测部，基于上述栅电压判断信号和上述栅电流判断信号，来检测异常。
2.根据权利要求1所述的电力变换装置，其特征在于，
上述栅电压判断部输入控制对象的电压控制式半导体元件的栅电压，判断电压的高低，
上述栅电流判断部输入控制对象的电压控制式半导体元件的栅电流，判断电流的大小，
根据上述栅电压与栅电流的状态，将上述电压控制式半导体元件的状态作为栅反馈信号输出，检测异常。
3.一种电力变换装置的异常检测方法，该异常检测方法是输入脉冲发生部所发生的指令脉冲，通过将对应于指令脉冲的电压作为栅电压施加，来控制电压控制式半导体元件的通/断动作的栅驱动部，以及通过上述栅驱动部所控制的电压控制式半导体元件的异常检测方法，
比较上述指令脉冲与表示上述电压控制式半导体元件的通/断状态的栅反馈信号，检测出两者的不一致，通过检测出该不一致持续了一定时间，来检测异常。
4.根据权利要求3所述的电力变换装置的异常检测方法，其特征在于，
判断上述指令脉冲与表示上述电压控制式半导体元件的通/断状态的栅反馈信号的不一致的方法，
检测出上述电压控制式半导体元件的栅电压与栅电流，在栅电压为固定值以上的情况下，判断是H电平，在小于固定值的情况下，判断是L电平，在栅电流的绝对值为固定值以上的情况下，判断是H电平，在小于固定值的情况下，判断是L电平，
在栅电压与栅电流的任一个是H电平的情况下，判断是H电平，取该判断结果与上述指令脉冲的异或逻辑，在结果是H电平的情况下，判断两者不一致。
5.根据权利要求3所述的电力变换装置的异常检测方法，其特征在于，
在上述指令脉冲与上述栅反馈信号不一致的期间，以固定周期测量时间经过，通过其测量次数变为固定值以上，从而判断不一致状态持续了一定时间。
CN2011101195323A 2006-08-22 2007-08-09 电力变换装置及其异常检测方法 Expired - Fee Related CN102263489B (zh)

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