JP2005229663A

JP2005229663A - 電力変換回路における電位差測定方法

Info

Publication number: JP2005229663A
Application number: JP2004033245A
Authority: JP
Inventors: Masayasu Furuya; 正保降矢
Original assignee: Fuji Electric Holdings Ltd
Current assignee: Fuji Electric Co Ltd
Priority date: 2004-02-10
Filing date: 2004-02-10
Publication date: 2005-08-25

Abstract

【課題】選定した端子間の電位変動を、任意の電位位置で監視できるようにし、故障等の検出を容易にする。
【解決手段】例えば２つのスイッチング素子１３を備え、電力供給端子対１１と出力端子対１２を有する電力変換回路１０の、測定対象とする端子１４と１５との間にコンデンサ１６を接続し、そのコンデンサ配線に対し電気的に非接触の電流測定手段１７を設けることにより、出力信号１８を任意の電位位置に伝達し得るようにする。電流測定手段１７としては、変流器や磁気センサが用いられる。
【選択図】図１

Description

この発明は、電源からの入力電力を所定の交流電力に変換して負荷に供給する電力変換回路、特に回路の故障検知等に用いて好適な任意端子間の電位差測定方法に関する。

大容量の電力変換回路のスイッチング素子として、最近はＩＧＢＴ（絶縁ゲートバイポーラトランジスタ）が良く用いられる。これは、電圧駆動型素子であり、ゲートの供給がスイッチング時のみでよく、その駆動電力が小さくて簡単にできるためである。
このようなＩＧＢＴを用いた電力変換回路における、ＩＧＢＴの故障検知方法が例えば特許文献１に開示されている。

その概要を図７に示す。
図示のようにＩＧＢＴ１は、そのゲート端子にはゲート抵抗２が接続されており、ゲート駆動回路３により駆動される。ここで、ＩＧＢＴ１が劣化してくると、ゲート−エミッタ間の抵抗値が低下して、静電容量と抵抗の並列回路が形成されるので、これにより、ゲートに供給される電流波形が変化する。したがって、ゲートの駆動状態は、ゲート抵抗２の端子間の電圧を検出して、ゲート駆動時のゲート電流の時間変化を求め、正常／異常判定回路４で基準値と比較して行なわれる。また、正常／異常判定回路４の中にゲート電流積分回路を設けてゲート電圧の時間変化を求め、基準値と比較する方法も提案されている。

しかし、上記従来例では基準電位がＩＧＢＴのゲート電位であるため、該当するＩＧＢＴのみを閉ループで制御することは可能であるが、複数個のＩＧＢＴで構成されている電力変換回路内の任意端子間の電位変化を評価したり、高電位部の電位差を低電位で計測するのは困難であるという問題がある。
そこで、特許文献２のように、コンデンサ電流を検出して相短絡を検知するものも提案されている。

特開２００３−１４３８３３号公報（第４頁、図１）特開２００２−２９１２５９号公報（第６−７頁、図１−図２）

しかしながら、上記特許文献２に記載のものは、外部母線を設けてそこへの電力変換器の正，負端子の接続態様を考慮することで、インピーダンスを均一化し検出時間差をなくして短絡検出するもので、この発明のように、複数個のＩＧＢＴで構成されている電力変換回路内の任意端子間の電位変化を評価したり、高電位部の電位差を低電位で計測するものではなく、また、そのような評価，計測は困難であるという問題がある。
したがって、この発明は選定した端子間の電位変動を、任意の電位位置で電気的に非接触で検出できるようにすることにある。

このような課題を解決するため、請求項１の発明では、複数のスイッチング素子からなり電源からの電力を所定の電力に変換して負荷に供給する電力変換回路の、測定対象とする内部端子間にコンデンサを接続し、非接触式電流測定手段を用いて前記コンデンサに流れる電流を電気的に非接触で測定し、電位差出力を得ることを特徴とする。
上記請求項１の発明においては、前記非接触式電流測定手段は、電磁気的結合手段であることができる（請求項２の発明）。この請求項２の発明においては、前記電磁気的結合手段は変流器であることができ（請求項３の発明）、または、磁気センサであることができる（請求項４の発明）。

また、上記請求項４の発明において、前記磁気センサは、ホール素子であることができ（請求項５の発明）、または、磁気インピーダンス素子であることができ（請求項６の発明）、もしくは、電流経路を環状に取り囲む磁性体の一部を切り欠いた切欠部に取付けることができる（請求項７の発明）。
さらに、上記請求項１の発明において、前記測定した電流信号を積分する積分器を用いることができ（請求項８の発明）、または、前記コンデンサを前記スイッチング素子基板上に取り付けることができる（請求項９の発明）。

この発明によれば、電力変換回路のスイッチング素子群の任意の端子間にコンデンサを接続し、このコンデンサに流れる電流を電気的に非接触で測定するようにしたので、選定した端子間の電位変動を任意の電位位置で検出することが可能になるという利点がもたらされる。

図１はこの発明の第１の実施の形態を示す構成図である。
電力変換回路には複数のスイッチング素子が用いられるが、例えば２素子の例で説明すると、このモジュールには電力供給端子対１１と、出力端子対１２とが存在する。そこで、測定対象とする端子１４と１５との間にはコンデンサ１６を接続し、そのコンデンサの配線に対し電気的に非接触な状態で電流測定手段１７を設置する。電流測定手段１７としては、後述のような変流器や磁気センサ等が用いられる。被測定部電位と電流検出部とは電気的に非接触なので、電流測定手段１７の出力信号は任意の位置に伝送できる。
このような構成において端子１４と１５との間の電位差が変化すると、コンデンサ配線には電位差変化に比例する電流が流れるので、これを検知することで電位差変化量を検出することができる。

図２はこの発明の第２の実施の形態を示す構成図である。
これは、電流測定手段１７からの電流検出信号１８に対し積分回路１９を設けたものであり、信号１８が電位差変化値なので、積分回路１９を設けることにより電圧差に比例する信号を直接得ることができる。
図３は変流器２１を設けた例で、その二次巻線２２から電流信号を取り出し、任意電位の位置に伝送するものである。コンデンサ配線と二次巻線の電気絶縁性能は、両者の電位の差分で決定する。

図４は磁気センサを用いた例である。コンデンサ配線２０に隣接して磁気センサ２３を配置し、その出力２４を取り出して任意電位の位置に伝送するものである。この磁気センサとしてはホール素子や磁気インピーダンス素子などを用いる。なお、磁気インピーダンス素子については、必要ならば、例えば比嘉外５名「パルス電流励磁によるスパッタ薄膜マイクロＭＩセンサ」日本応用磁気学会誌、ｖｏｌ．２１，Ｎｏ．４−２、１９９７年を参照されたい。

図５は図４の応用例を示し、コンデンサ配線２０に対し、一部に切り欠きを有する環状の磁性体コア２５で囲み、そのコア２５の切り欠き部分に磁気センサ２３を配置したものである。
磁性体コアを用いることで磁気抵抗が低減するので、感度が向上し外部磁界の影響を低減できる利点がある。

図６に電流検出部の設置例を示す。すなわち、絶縁基板３０の上に電極群３１を配置し、この電極群３１の上に複数のＩＧＢＴ群３２を設け、目的に応じた配線を施し、スイッチング素子ユニットとする。基板３０の上にコンデンサ用の第１の電極３３、コンデンサ３４およびコンデンサ用の第２の電極３５を順に配置する。第１の電極３３はスイッチング素子３２の第１の被測定端子に、また第２の電極３５はスイッチング素子３２の第２の被測定端子にそれぞれ接続する。電流検出部１９をコンデンサ３４の周囲または配線に取り付け、スイッチング素子群と検出または測定系をユニット化する。

この発明の第１の実施の形態を示す構成図この発明の第２の実施の形態を示す構成図この発明の第３の実施の形態を示す構成図この発明の第４の実施の形態を示す構成図図４の変形例を示す構成図この発明の別の実施の形態を示す構成図従来の電流検出部の例を示す構成図

符号の説明

１０…電力変換回路、１１…電力供給端子、１２…出力端子、１４，１５…測定端子、１３…スイッチング素子、１６，３４…コンデンサ、１７…電流測定手段、１８，２４…出力信号、１９…積分回路、２０…配線、２１…変流器、２２…二次巻線、２３…磁気センサ、２５…磁性体コア、３０…絶縁基板、３１，３３，３５…電極、３２…ＩＧＢＴ素子。

Claims

複数のスイッチング素子よりなり電源からの電力を所定の電力に変換して負荷に供給する電力変換回路の、測定対象とする内部端子間にコンデンサを接続し、非接触式電流測定手段を用いて前記コンデンサに流れる電流を電気的に非接触で測定し、電位差出力を得ることを特徴とする電力変換回路における電位差測定方法。
前記非接触式電流測定手段は、電磁気的結合手段であることを特徴とする請求項１に記載の電力変換回路における電位差測定方法。
前記電磁気的結合手段は変流器であることを特徴とする請求項２に記載の電力変換回路における電位差測定方法。
前記電磁気的結合手段は磁気センサであることを特徴とする請求項２に記載の電力変換回路における電位差測定方法。
前記磁気センサは、ホール素子であることを特徴とする請求項４に記載の電力変換回路における電位差測定方法。
前記磁気センサは、磁気インピーダンス素子であることを特徴とする請求項４に記載の電力変換回路における電位差測定方法。
前記磁気センサは、電流経路を環状に取り囲む磁性体の一部を切り欠いた切欠部に取付けることを特徴とする請求項４に記載の電力変換回路における電位差測定方法。
前記測定した電流信号を積分する積分器を用いることを特徴とする請求項１に記載の電力変換回路における電位差測定方法。
前記コンデンサを前記スイッチング素子基板上に取り付けることを特徴とする請求項１に記載の電力変換回路における電位差測定方法。