JP2006042565A - 電力スイッチング回路、電力変換装置及び電力用半導体スイッチング素子の駆動方法 - Google Patents

電力スイッチング回路、電力変換装置及び電力用半導体スイッチング素子の駆動方法 Download PDF

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Abstract

【課題】 制御遅れを解消して電力用半導体スイッチング素子のターンオフ時における過電圧を確実に抑制する。
【解決手段】 ターンオフ時における電力用半導体スイッチング素子の動作状態を示す動作状態データを時系列データとして順次記憶する動作状態記憶部と、該動作状態記憶部に予め記憶された動作状態データに基づいて次のターンオフ時における電力用半導体スイッチング素子の動作状態を予測し、この予測結果に基づいてオーバーシュートが低減するように次のターンオフ電圧を設定する駆動信号生成部とを備えた制御駆動手段を有する。
【選択図】 図1

Description

本発明は、電力スイッチング回路、電力変換装置及び電力用半導体スイッチング素子の駆動方法に関する。
周知のように電力変換装置はIGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)等の電力用半導体スイッチング素子を用いて入力電力をスイッチングすることにより電力変換を行う装置である。このような電力変換装置において電力用半導体スイッチング素子がON状態からOFF状態に切り替わる際(ターンオフ時)に発生するオーバーシュートに起因する過電圧から電力用半導体スイッチング素子を保護するための技術(過電圧保護方式)として、アクティブゲート制御方式がある。例えば下記の公知文献には、アクティブゲート制御方式の各種変形技術が開示されている。
「スナバレスIGBT直列接続時の過電圧保護」(平成12年電気学会全国大会) 特開2002−44934号公報
ところで、上記アクティブゲート制御方式は、ターンオフ時における電力用半導体スイッチング素子の制御電圧(IGBTの場合はゲート電圧)を電力用半導体スイッチング素子の主端子間電圧(IGBTの場合はコレクタ−エミッタ間電圧)に基づいてフィードバック制御することにより主端子間電圧の過電圧を抑制する技術であり、すなわち本質的にフィードバック制御であるが故に制御遅れが必然的に生じるため、例えばスイッチング周波数を高周波化した場合に確実に過電圧を抑制することが困難である。
本発明は、上述した事情に鑑みてなされたものであり、制御遅れを解消して電力用半導体スイッチング素子のターンオフ時における過電圧を確実に抑制することを目的とするものである。
上記目的を達成するために、本発明では、ターンオンとターンオンとを繰り返すことにより一対の主端子に印加された電力をスイッチングする電力用半導体スイッチング素子と、電力用半導体スイッチング素子をターンオンさせるためのターンオン電圧とターンオフさせるためのターンオフ電圧と該ターンオフ電圧に付加され主端子の端子間電圧(主端子間電圧)に基づいて生成された補正電圧とからなる駆動信号を生成し、ターンオン電圧とターンオフ電圧とによって電力用半導体スイッチング素子をスイッチング駆動すると共に、補正電圧を前記ターンオフ電圧に付加することによりターンオフ時における主端子間電圧のオーバーシュートを低減する制御駆動手段とを備える電力スイッチング回路において、制御駆動手段は、ターンオフ時における電力用半導体スイッチング素子の動作状態を示す動作状態データを時系列データとして順次記憶する動作状態記憶部と、該動作状態記憶部に予め記憶された動作状態データに基づいて次のターンオフ時における電力用半導体スイッチング素子の動作状態を予測し、この予測結果に基づいてオーバーシュートが低減するように次のターンオフ電圧を設定する駆動信号生成部とを具備する、という解決手段を採用する。
本発明によれば、予め記憶された動作状態データに基づいて次のターンオフ時における電力用半導体スイッチング素子の動作状態を予測し、この予測結果に基づいてオーバーシュートが低減するように次のターンオフ電圧を設定するので、つまり過去の動作状態データに基づいて次のターンオフ電圧をフィードフォワード的に先行設定するので、オーバーシュートをより確実に低減することが可能であり、よって電力用半導体スイッチング素子の過電圧を従来よりも確実に抑制することができる。
以下、図面を参照して、本発明の一実施形態について説明する。
図1は、本発明の第1実施形態に係る電力スイッチング回路の回路図である。
この回路図において、符号1はスイッチング信号発生回路、2はE/O変換器、3はO/E変換器、4はゲート電源(制御駆動手段)、5はIGBT(電力用半導体スイッチング素子)、6は抵抗分圧器、7は電流検出器、R1〜R3は抵抗器、D1はダイオードである。
スイッチング信号発生回路1は、IGBT5のスイッチングタイミングを規定するスイッチング信号を生成してE/O変換器2に供給する。E/O変換器2は、例えばフォトトランジスタであり、上記スイッチング信号を光電変換して光スイッチング信号に変換してO/E変換器3に出力する。O/E変換器3は、例えばフォトダイオードであり、上記光スイッチング信号を光電変換することによりスイッチング信号を再生してゲート電源4に出力する。ここで、E/O変換器2及びO/E変換器3は、スイッチング信号発生回路1を他の回路系と電気的に絶縁するための絶縁手段である。
ゲート電源4は、動作状態記憶部4a及びゲート信号生成部4bとから構成されており、上記O/E変換器3から入力されたスイッチング信号、抵抗分圧器6から入力された検出電圧Vk及び電流検出器7から入力されたコレクタ電流Icに基づいてIGBT5を駆動するためのゲート信号(駆動信号)を生成する。なお、上記動作状態記憶部4a及びゲート信号生成部4bの詳細については、説明の都合上後述する。
抵抗器R3は、ゲート電源4の出力端(つまりゲート信号生成部4bの出力端)とIGBT5のゲート端子Tgとの間に介挿されたゲート抵抗である。ゲート電源4から出力されたゲート信号は、このゲート抵抗R3を介してIGBT5のゲート端子Tg(制御端子)に入力される。
IGBT5は、主端子であるコレクタ端子Tcとエミッタ端子Teとの間に印加される交流あるいは直流の電力をスイッチングする電力用半導体スイッチング素子である。すなわち、このIGBT5は、ゲート端子Tgに入力されたゲート信号に基づいてターンオンとターンオフとを交互に繰り返すことにより主端子Tc,Te間に印加される電力をスイッチングする。
抵抗分圧器6は、IGBT5のコレクタ−エミッタ間電圧Vceを抵抗分圧し検出電圧Vkとしてゲート電源補正電圧発生器4に出力する。すなわち、抵抗分圧器6は、IGBT5の主端子つまりコレクタ端子Tcとエミッタ端子Teとの間に直列接続された2つの抵抗器R1,R2から構成されており、IGBT5のコレクタ−エミッタ間電圧Vceを抵抗器R1,R2の各々の抵抗値で分圧した検出電圧Vkを出力する。この検出電圧Vkは、当然にコレクタ−エミッタ間電圧Vceの変化に応じて変化するものであり、コレクタ−エミッタ間電圧Vceと同等と考えることができる。電流検出器7は、図示するようにエミッタ端子Te(主端子)を流れるコレクタ電流Ic(主端子電流)を検出して動作状態記憶部4aに出力する。
動作状態記憶部4aには、上記スイッチング信号、検出電圧Vk、コレクタ電流Ic及びゲート信号生成部4bが出力するゲート信号に含まれる補正電圧Vhが入力されるようになっている。この動作状態記憶部4aは、スイッチング信号に基づいてターンオフ時のコレクタ電流IcをサンプリングしてIGBT5の動作状態を示す動作状態データの1つとして、また検出電圧Vkのピーク電圧つまりコレクタ−エミッタ間電圧Vceにおけるオーバーシュートのピーク値(主端子間電圧ピーク値Vp)を動作状態データの1つとして、さらに当該主端子間電圧ピーク値Vpに対応する補正電圧Vhのピーク値(補正電圧ピーク値Vhp)を動作状態データの1つとして時系列的に順次記憶する。また、この動作状態記憶部4aは、自らが記憶した動作状態データをゲート信号生成部4bに出力する。
図2は、上記動作状態記憶部4aに記憶される動作状態データのテーブル(動作状態テーブル)である。この図に示すように、動作状態テーブルには、各ターンオフ時刻t0,t1,t2,……,tnにおける主端子間電圧ピーク値Vp0〜Vpn、補正電圧ピーク値Vhp0〜Vhpn及びコレクタ電流Ic0〜Icnが(n+1)回のターンオフ時に関する時系列データとして格納されている。なお、動作状態テーブルに格納される動作状態データは、古いデータから順次上書き記憶されて更新されるようになっている。
ゲート信号生成部4bは、IGBT5をターンオンさせるためのターンオン電圧VonとIGBT5をターンオフさせるためのターンオフ電圧Voff、及びIGBT5のターンオフ時におけるコレクタ−エミッタ間電圧Vceのオーバーシュートにおけるピーク値つまり主端子間電圧ピーク値Vpを低減させるためにターンオフ電圧Voffに重畳される補正電圧Vhとからなるゲート信号を生成して出力する。このゲート信号生成部4bは、スイッチング信号に基づいてターンオン電圧Vonとターンオフ電圧Voffとの繰り返しタイミングを設定すると共に、上記検出電圧Vkに基づいて補正電圧Vhを生成する。
また、このゲート信号生成部4bは、特徴的な機能として上記動作状態記憶部4aに記憶された動作状態データ(過去の時系列データ)に基づいて次のターンオフ時におけるターンオフ電圧Voffをフィードフォワード的に設定する機能をも有している。
次に、このように構成された本電力スイッチング回路の動作について図3等を参照して詳しく説明する。
上述したようにゲート信号生成部4bは、O/E変換器から入力されたスイッチング信号に基づいてターンオン電圧Vonとターンオフ電圧Voffとが交互に繰り返すゲート信号を生成して出力する。そして、このゲート信号がゲート抵抗R3を介してゲート端子に供給されることによって、IGBT5は、ターンオンとターンオフとを交互に繰り返して主端子Tc,Teに印加された電力をスイッチングする。
図3は、このようなゲート信号の電圧(ゲート電圧Vg)の変化と、当該ゲート電圧Vgの変化に対応するコレクタ−エミッタ間電圧Vceの変化を示した波形図である。IGBT5のターンオフ時(時刻t0)には、ゲート電圧Vgはターンオン電圧Vonからターンオフ電圧Voffにステップ状に変化(低下)する。そして、このターンオフによってIGBT5のコレクタ−エミッタ間電圧Vceは急激に上昇して定常電圧Edcに収束するが、このコレクタ−エミッタ間電圧Vceには過度現象としてオーバーシュートが発生し、そのピーク値つまり主端子間電圧ピーク値Vpは、定常電圧Edcを超えるものとなる。
ゲート信号生成部4bは、図示するように検出電圧Vkつまりコレクタ−エミッタ間電圧Vceの大きさに応じた大きさの補正電圧Vhを生成してターンオフ電圧Voffに付加することにより、上記主端子間電圧ピーク値Vpを低減させる。すなわち、ゲート電圧Vgは、ターンオン電圧Vonからターンオフ電圧Voffにステップ状に変化した後、コレクタ−エミッタ間電圧Vceの大きさに応じて上昇し、主端子間電圧ピーク値Vpの時刻tpにおいてピーク(つまり補正電圧ピーク値Vhp)となり、これ以降ターンオフ電圧Voffに復帰する。
ここで、図4は、コレクタ電流Icの大きさに応じたコレクタ−エミッタ間電圧Vceのオーバーシュート(主端子間電圧ピーク値Vp)の変化を一例として示した波形図である。この図に示すように、上記主端子間電圧ピーク値Vpは、ターンオフ時におけるコレクタ電流Icの大きさに依存しており、コレクタ電流Icが大きい程大きな値となる。
このような主端子間電圧ピーク値Vpは、スイッチング周波数が比較的低い場合は検出電圧Vkに基づいて生成された補正電圧Vhによって十分に低減されるが、スイッチング周波数が高くなると十分に低減されない。すなわち、補正電圧Vhは検出電圧Vkに基づいてフィードバック制御されるので、制御遅れが必然的に発生し、よってスイッチング周波数が比較的高い場合には、主端子間電圧ピーク値Vpを確実に低減することができない。
しかしながら、本電力スイッチング回路では、図3にも示すように次のターンオフ時におけるターンオフ電圧Voffをダイナミックに調節設定する。ターンオフ電圧Voffは従来では固定電圧として設定されたが、本電力スイッチング回路では、動作状態データとして動作状態記憶部4aに記憶された過去のコレクタ電流Icの大きさに応じて次のターンオフ時におけるターンオフ電圧Voffをフィードフォワード的に可変調節することによって、スイッチング周波数が比較的高い場合であっても、主端子間電圧ピーク値Vpを確実に低減させる。
すなわち、ゲート信号生成部4bは、動作状態記憶部4aの動作状態テーブルを検索することにより過去のターンオフ時刻t0,t1,t2,……,tnにおけるコレクタ電流Ic0〜Icn(時系列データ)を取得し、これら時系列データとしてのコレクタ電流Ic0〜Icnに基づいて次のターンオフ時刻tn+1におけるコレクタ電流Icn+1推定し、この推定値に基づいて次のターンオフ電圧Voffn+1を設定する。
過去の時系列データに基づいて未来値を予測するアルゴリズムには種々のものが知られているが、最も簡単なものとして線形補間による外挿法が考えられる。つまり、現在時刻から直近の2つのターンオフ時刻tn-1,tnにおけるコレクタ電流Icn-1,Icnを結ぶ直線の延長線上の値として次のターンオフ時刻tn+1におけるコレクタ電流Icn+1を推定すると共に、現在時刻から直近の2つのターンオフ時刻tn-1,tnにおける主端子間電圧ピーク値Vpn-1,Vpnを結ぶ直線の延長線上の値として次のターンオフ時刻tn+1における主端子間電圧ピーク値Vpn+1を推定する。
そして、ゲート信号生成部4bは、このように求められたコレクタ電流Icn+1及び主端子間電圧ピーク値Vpn+1の各推定値に最も近いコレクタ電流Ic及び主端子間電圧ピーク値Vpに対応する補正電圧ピーク値Vhpを動作状態テーブルを検索することによって取得し、当該補正電圧ピーク値Vhpを次のターンオフ電圧Voffn+1を設定する。図4の最下段に示すゲート電圧Vgは、このようにしてフィードフォワード的手法によってダイナミックに可変設定されたターンオフ電圧Voffの変化を示している。
このような本実施形態によれば、フィードフォワード的手法によって次のターンオフ時におけるターンオフ電圧Voffをダイナミックに可変設定し、その上で検出電圧Vkつまりコレクタ−エミッタ間電圧Vceの大きさに応じた大きさの補正電圧Vhを設定するので、スイッチング周波数が比較的高い場合であっても主端子間電圧ピーク値Vpつまり過電圧を確実に低減させることができる。
ここで、上記電力スイッチング回路は、コレクタ電流Icn+1の推定値及び主端子間電圧ピーク値Vpn+1の推定値に基づいて動作状態テーブルを検索することによって特定した補正電圧ピーク値Vhpを次のターンオフ電圧Voffn+1に設定するが、この補正電圧ピーク値Vhpを用いた次のターンオフ電圧Voffn+1の設定方法には、さらに図5に示すような方法も考えられる。
すなわち、コレクタ−エミッタ間電圧Vceが定常電圧Edcを超えた時点taにおいて例えば−15Vに固定設定されたターンオフ電圧Voffn+1をステップ状に補正電圧ピーク値Vhpに変化させる。このような方法によっても、主端子間電圧ピーク値Vpつまり過電圧を確実に低減させることができる。なお、ターンオフ電圧Voffn+1をステップ状に補正電圧ピーク値Vhpに変化させるタイミングは、コレクタ−エミッタ間電圧Vceが定常電圧Edcを超えた時点taに限定されるものではなく、コレクタ−エミッタ間電圧Vceが定常電圧Edcに近づいてきた時点、例えばコレクタ−エミッタ間電圧Vceが定常電圧Edcの8割程度まで上昇した時点としても良い。
次に、このような本電力スイッチング回路を用いた電力変換装置について図6を参照して説明する。
この電力変換装置は、例えば60Hzの三相交流電力(つまり交流系統Aの交流電力)を50Hzの三相交流電力(つまり交流系統Bの交流電力)に変換するものであり、60Hzの三相交流電力を直流電力に変換する合計10台のコンバータ回路K1〜K10とこの直流電力を50Hzの三相交流電力に変換する合計10台のインバータ回路M1〜M10とから構成されている。すなわち、この電力変換装置では、同一性能を有する合計10台のコンバータ回路K1〜K10を並列接続すると共に、同じく同一性能を有する合計10台のインバータ回路M1〜M10を並列接続することによって電力変換容量を例えば300MW程度に向上させている。
1つのコンバータ回路K1あるいはインバータ回路M1に着目すると、コンバータ回路K1及びインバータ回路M1は、図示するように三相交流の各相に対応スイッチアームつまり合計6個のスイッチアームを備えている。各スイッチアームは、合計100個のIGBTを直列接続することによって構成されている。各IGBTは、上述した電力スイッチング回路に対応しており、コレクタ-エミッタ間電圧におけるオーバーシュートのピーク電圧及び整定時間が所望値となるように設定されている。
このように構成された電力変換装置によれば、各IGBTのコレクタ-エミッタ間電圧におけるオーバーシュートのピーク電圧及び整定時間が所望値に設定されているので、スイッチング周波数を高周波数化することが可能であり、よって精度の良い電力変換制御を実現することができる。
なお、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、例えば以下のような変形例が考えられる。
(1)上記説明では、半導体スイッチング素子としてIGBTを用いる場合について説明したが、本発明は、IGBTに限定されることなく他の半導体スイッチング素子についても適用可能である。
(2)上記説明では、コレクタ電流Icn+1及び主端子間電圧ピーク値Vpn+1の各推定値に最も近いコレクタ電流Ic及び主端子間電圧ピーク値Vpに対応する補正電圧ピーク値Vhpを動作状態テーブルを検索することによって取得し、該補正電圧ピーク値Vhpを次のターンオフ電圧Voffn+1に設定することについて述べたが、コレクタ電流Icn+1の推定値のみによって補正電圧ピーク値Vhpを検索するようにしても良い。
(3)また、上述した電力スイッチング回路は、上述した交流電力を他の交流電力に変換する電力変換装置、交流電力を直流電力に変換するコンバータ回路及び直流電力を交流電力に変換するインバータ回路の他に、直流電力を他の直流電力に変換するチョッパ回路にも適用可能である。
本発明の一実施形態に係わる電力スイッチング回路の構成を示す回路図である。 本発明の一実施形態における動作状態テーブルの模式図である。 本発明の一実施形態に係わる電力スイッチング回路の動作を示す第1の波形図である。 本発明の一実施形態に係わる電力スイッチング回路の動作を示す第2の波形図である。 本発明の一実施形態に係わる電力スイッチング回路の動作変形例を示す波形図である。 本発明の一実施形態に係わる電力スイッチング回路を用いた電力変換装置の構成を示す回路図である。
符号の説明
1…スイッチング信号発生回路、2…E/O変換器、3…O/E変換器、4…ゲート電源(制御駆動手段)、4a…動作状態記憶部、4b…ゲート信号生成部、5…IGBT(電力用半導体スイッチング素子)、6…抵抗分圧器、7…電流検出器、R1〜R3…抵抗器、D1…ダイオード

Claims (11)

  1. ターンオンとターンオンとを繰り返すことにより一対の主端子に印加された電力をスイッチングする電力用半導体スイッチング素子と、電力用半導体スイッチング素子をターンオンさせるためのターンオン電圧とターンオフさせるためのターンオフ電圧と該ターンオフ電圧に付加され前記主端子の端子間電圧(主端子間電圧)に基づいて生成された補正電圧とからなる駆動信号を生成し、前記ターンオン電圧とターンオフ電圧とによって電力用半導体スイッチング素子をスイッチング駆動すると共に、前記補正電圧を前記ターンオフ電圧に付加することによりターンオフ時における前記主端子間電圧のオーバーシュートを低減する制御駆動手段とを備える電力スイッチング回路であって、
    前記制御駆動手段は、
    ターンオフ時における電力用半導体スイッチング素子の動作状態を示す動作状態データを時系列データとして順次記憶する動作状態記憶部と、
    該動作状態記憶部に予め記憶された動作状態データに基づいて次のターンオフ時における電力用半導体スイッチング素子の動作状態を予測し、この予測結果に基づいて前記オーバーシュートが低減するように次のターンオフ電圧を設定する駆動信号生成部と
    を具備することを特徴とする電力スイッチング回路。
  2. 動作状態記憶部は、ターンオフ時に前記主端子に流れている主端子電流と当該ターンオフ直後の前記補正電圧のピーク値とからなる動作状態データを時系列データとして順次記憶し、
    駆動信号生成部は、前記時系列データに基づいて電力用半導体スイッチング素子が次にターンオフする際の主端子電流を推定し、この推定値に符合する補正電圧のピーク値を時系列データから検索して次のターンオフ電圧に設定する
    ことを特徴とする請求項1記載の電力スイッチング回路。
  3. 半導体スイッチング素子がIGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)であることを特徴とする請求項1または2記載の電力スイッチング回路。
  4. 請求項1〜3いずれかの電力スイッチング回路を1あるいは複数直列接続して1つのスイッチアームを構成し、このスイッチアームを複数組み合わせることにより構成されることを特徴とする電力変換装置。
  5. 直流電力を交流電力に変換するインバータ回路であることを特徴とする請求項4記載の電力変換装置。
  6. 交流電力を直流電力に変換するコンバータ回路であることを特徴とする請求項4記載の電力変換装置。
  7. 直流電力を他の直流電力に変換するチョッパ回路であることを特徴とする請求項4記載の電力変換装置。
  8. コンバータ回路とインバータ回路とによって構成され、交流電力を他の交流電力に変換する交流変換回路であることを特徴とする請求項4記載の電力変換装置。
  9. ターンオンさせるためのターンオン電圧とターンオフさせるためのターンオフ電圧とを用いて1対の主端子に電力が印加される電力用半導体スイッチング素子をスイッチング駆動すると共に、前記主端子の端子間電圧(主端子間電圧)に基づいて発生させた補正電圧を前記ターンオフ電圧に付加することによりターンオフ時における主端子間電圧のオーバーシュートを低減する駆動方法であって、
    ターンオフ時における電力用半導体スイッチング素子の動作状態を示す動作状態データを時系列データとして順次記憶し、
    予め記憶された動作状態データに基づいて次のターンオフ時における電力用半導体スイッチング素子の動作状態を予測し、この予測結果に基づいて前記オーバーシュートが低減するように次のターンオフ電圧を設定する
    ことを特徴とする電力用半導体スイッチング素子の駆動方法。
  10. 動作状態データはターンオフ時に前記主端子に流れている主端子電流と当該ターンオフ直後の前記補正電圧のピーク値とであり、
    既に記憶された主端子電流に基づいて電力用半導体スイッチング素子が次にターンオフする際の主端子電流を推定し、この推定値に符合する補正電圧のピーク値を時系列データから検索して次のターンオフ電圧に設定する
    ことを特徴とする請求項9記載の電力用半導体スイッチング素子の駆動方法。
  11. 半導体スイッチング素子がIGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)であることを特徴とする請求項9または10記載の電力用半導体スイッチング素子の駆動方法。

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