JP2009165348A - Power converter and its abnormality detecting method - Google Patents
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Abstract
Description
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。 The present invention relates to a power conversion apparatus that performs power conversion by using a plurality of voltage-driven semiconductor elements, which can control a conduction state by a voltage applied to an element control input, and in particular, means for detecting an abnormality in a voltage-driven semiconductor element The present invention relates to a power conversion device including the above and an abnormality detection method thereof.
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。 A typical voltage-driven semiconductor element is an insulated gate bipolar transistor (IGBT), which is widely used in power conversion devices. Hereinafter, in this specification, description will be made using IGBT as a term indicating all voltage-driven semiconductor elements.
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。 As a protection for the power conversion device, a method of detecting an overcurrent caused by a load short circuit of the power conversion device and blocking and protecting the overcurrent with the IGBT itself is widely used. For example, there is one that detects an increase in saturation voltage at the time of an excessive current from the collector voltage of the IGBT, reduces the gate voltage, cuts off the overcurrent by the IGBT itself, and protects it. Also, there is a type in which a dedicated current detection emitter electrode is provided in the IGBT to detect overcurrent, and the gate voltage is lowered to cut off and protect the overcurrent by the IGBT itself.
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。 However, in the method of detecting an increase in saturation voltage, the collector voltage does not increase unless an excessive current flows, so that detection is inevitably delayed. In addition, since a high-voltage collector voltage is connected to the gate drive circuit, the circuit configuration becomes complicated, and a malfunction may occur due to the use of a collector voltage that varies abruptly due to the on / off operation of the IGBT. On the other hand, the method of providing a current detection emitter electrode requires an electrode to be provided on the IGBT circuit itself, and cannot be used in a power conversion device using a general-purpose IGBT.
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。 In Patent Document 1, a gate current of an insulated gate semiconductor element is detected, a time corresponding to ON is obtained from a rising signal of the gate current, and the time is compared with a gate command signal to detect a mismatch between the two. There is a disclosure about an example of a failure detection method for an insulated gate semiconductor device that quickly detects a failure in the semiconductor device.
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。 By the way, in all the conventional systems, there is a problem that protection is not possible when the current interrupting function is lost due to a failure of the IGBT itself or the like because the IGBT itself interrupts the overcurrent. Furthermore, there has been a problem that protection cannot be performed even when the IGBT is erroneously turned on / off due to malfunction or failure of the gate drive circuit.
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。 On the other hand, in a power conversion device composed of a plurality of IGBTs, there has been a problem that a current interruption failure of one IGBT element causes an overcurrent of another IGBT element and spills over to damage of the plurality of IGBT elements.
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。 The present invention has been made in view of the above circumstances, and in a power conversion device composed of a plurality of IGBT elements, it is possible to reliably detect and protect an abnormality of a gate drive circuit and an abnormality of an IGBT element by An object of the present invention is to provide a power conversion device having a protection function that prevents a failure of one IGBT element from spreading to a failure of another IGBT element.
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。 The present invention relates to a control circuit that performs control processing of a power converter and instructs a pulse generation means to generate a pulse, and a pulse that generates a command pulse that specifies an on / off state for each IGBT based on a command from the control circuit. Generating means, a plurality of gate driving means for turning on or off the IGBT by changing the magnitude of the gate voltage applied to the gate of the IGBT according to the state of the input command pulse, and each gate driving means And an abnormality detecting means for detecting abnormality of the gate driving means and the IGBT.
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。 A gate drive circuit as a gate drive means detects a gate voltage that changes the magnitude of the gate voltage applied to the gate of the IGBT according to the state of the command pulse, compares the magnitude with a threshold value, A gate voltage discriminating unit that outputs a signal indicating higher (H) or lower (L) than the threshold value, and detecting the gate current, comparing the magnitude with the threshold value, and determining whether the magnitude is larger (H) or smaller (L) A gate current discriminating unit that outputs a signal indicating the output, a gate feedback generating unit that outputs the gate feedback signal indicating the on / off state of the IGBT by inputting the output of the gate voltage discriminating unit and the output of the gate current discriminating unit, and a power source unit Consists of.
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。 Also, the abnormality detection circuit, which is an abnormality detection means, receives the command pulse output from the pulse generation means to each gate drive means and the gate feedback signal output from the plurality of gate drive means connected to the pulse generation circuit. Then, it is determined whether the command pulse matches each gate feedback signal. As a result of the determination, if an abnormality is detected, a command for generating a signal (suppress signal) for turning off all command pulses is output to the pulse generating means. Thereby, each IGBT which comprises a power converter device will be in an OFF state, and a power converter device will stop.
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。 As described above, in the present invention, all the IGBTs constituting the power conversion device are turned off when an abnormality is detected. Therefore, even if one IGBT cannot cut off the current, the other IGBTs in the current path are turned off. Since the current is cut off, other IGBTs can be protected.
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。 According to the present invention, in a power conversion device composed of a plurality of IGBTs, an abnormality of an IGBT is detected, and a failure of one IGBT element is detected by performing an off operation on all the IGBTs constituting the power conversion device. It is possible to prevent the IGBT element from being damaged. In addition, when an abnormality is detected, the pulse generation means performs an off operation, so that even if there is an abnormality in the gate driving means or the IGBT itself, all IGBTs can be reliably turned off and other IGBTs can be protected. Can do.
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。 Here, the gate driving means performs an operation of applying a positive constant voltage to the gate of the IGBT when the command pulse is at the H level and applying a negative constant voltage when the command pulse is at the L level. Therefore, if the gate voltage of the IGBT does not correspond to the level of the command pulse, it is considered that the gate drive means is abnormal or the IGBT is abnormal. In general, in a voltage-driven semiconductor element such as an IGBT, a gate current for charging / discharging the gate capacitance flows in a short time immediately after changing a gate voltage to be applied, but does not flow in other steady state. Therefore, it can be determined that the IGBT is in an abnormal state when the gate current flows for a certain period of time even though the applied gate voltage is not changed.
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。 In the present invention, in order to detect an abnormality using the characteristics of the IGBT as described above, a gate voltage determination unit and a gate current determination unit are provided in the gate drive means, and the IGBT gate voltage and the command pulse do not match. In addition, since a mismatch between the gate current and the command pulse can also be detected, it is possible to reliably detect and protect the abnormality of the gate driving means or the abnormality of the IGBT element.
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。 Hereinafter, an embodiment of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings.
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。 FIG. 1 is a block diagram illustrating a configuration example of a power conversion device according to an embodiment of the present invention. An overall configuration according to an embodiment of the present example will be described with reference to FIG.
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。
This example includes a
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。
The gate drive circuit 400a receives a command pulse RPa generated by the
次に、ゲート駆動回路４００ａの各部の動作について説明する。 Next, the operation of each part of the gate drive circuit 400a will be described.
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。
The
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。
The gate
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。
The gate
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。
Next, the operation of the gate
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。
FIG. 5 shows a configuration example of the
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。
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。
The
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。
Here, the counter clear input CLR and the count operation permission input EN receive the output signal of the logical
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。
As a state where the command pulse and the gate feedback pulse do not match, the command pulse and the on / off state of the IGBT may not match. In general, in the IGBT, a gate current for charging / discharging the gate capacitance flows in a short time immediately after the applied gate voltage is changed, but does not flow in other steady state. For this reason, a mismatch between the command pulse and the gate feedback pulse may occur during the generation of the gate current accompanying the change in the gate voltage. However, if these disagreement states do not recover and continue for a certain period of time, it can be determined that some abnormality has occurred. Therefore, in this example, an upper limit value of the counter is provided as a threshold for determining occurrence of abnormality. The
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。
As described above, in this example, the
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。
In this example, an oscillation circuit and a counter are provided as means for detecting that the inconsistency state between the command pulse and the gate feedback pulse has continued for a certain period of time. However, the output of the
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。 Next, the operation of this example will be described with reference to FIGS. FIG. 6 shows the operation at the normal time, and FIGS. 7 and 8 show the operation at the abnormal time.
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。
First, the normal operation will be described with reference to FIG. In FIG. 6, the command pulse RPa output from the
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。
When the command pulse RPa changes from L level to H level at t1, the gate voltage Vga changes from −V to + V. At this time, a positive gate current Iga flows to charge the gate capacitance of the IGBT 500a. Since the gate voltage Vga has changed from −V to + V, the gate voltage feedback pulse VFBa, which is an output signal of the gate
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。
On the other hand, the gate current feedback pulse IFBa, which is the output signal of the gate current discriminating
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。
Since the gate
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。
Since the exclusive OR
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。
The
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。
When the command pulse RPa changes from H level to L level at t2, the gate voltage Vga changes from + V to -V. At this time, a negative gate current Iga flows to discharge the gate capacitance of the IGBT 500a. Since the gate voltage Vga has changed from + V to −V, when the gate voltage Vga becomes lower than the determination level Vth, the gate voltage feedback pulse VFBa that is an output signal of the gate
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。
On the other hand, while the gate current Iga is equal to or less than the constant value −Ith, the gate current feedback pulse IFBa, which is the output signal of the gate
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。
Thereafter, the same operation is performed, and the output signal SUP of the
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。 Next, the operation when an abnormality occurs will be described with reference to FIG. The signals shown in FIG. 7 are the same as those shown in FIG.
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。 In FIG. 7, the operation when the command pulse RPa changes from the H level to the L level at the time t3 is the same as the normal operation shown in FIG.
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。 Here, it is assumed that a failure has occurred in the IGBT 500a at time t4. When a failure occurs in the IGBT 500a, a gate current Iga flows out. This current flows through the feedback capacitance between the collector and gate of the IGBT, or when the collector and the gate become conductive and the collector current flows out to the gate, or the gate and emitter become conductive and the gate current flows. This is caused by an abnormality in the IGBT.
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。
As a result, when the gate current Iga falls below a certain value −Ith, the gate current feedback pulse IFBa that is the output signal of the gate current discriminating
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。
The
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。
The
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。 Next, with reference to FIG. 8, the operation when another abnormality occurs will be described. The signals shown in FIG. 8 are the same as those shown in FIG.
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。
Here, it is assumed that the
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。
In addition to the above abnormality examples, when an abnormality occurs in the
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。 As described above, in this example, even when an abnormality occurs in either the IGBT element or the gate drive circuit that drives the IGBT element, the abnormality can be reliably detected. When the abnormality is detected, the pulse of the pulse generation circuit is detected. By stopping, the power conversion device and the IGBT element can be reliably protected.
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
DESCRIPTION OF
Claims (5)
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。 In a power conversion device configured using a plurality of voltage-controlled semiconductor elements,
Based on a command from a control circuit, pulse generating means for generating a command pulse for controlling on / off of the voltage controlled semiconductor element;
By inputting the command pulse and applying a voltage according to the command pulse as a gate voltage, the on / off operation of the voltage controlled semiconductor element is controlled, and the on / off state of the voltage controlled semiconductor element is indicated. Gate drive means comprising means for outputting a gate feedback signal;
The command pulse and the gate feedback signal are input, and comprises an abnormality detection means for detecting an abnormality,
The abnormality detecting means includes means for detecting a mismatch between the input command pulse and the gate feedback signal, a means for detecting that the mismatch has continued for a certain period of time, and a pulse generating means if the mismatch has continued for a certain period of time. On the other hand, a power converter comprising: means for generating a signal for stopping command pulses for all voltage-controlled semiconductor elements.
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。 The power conversion device according to claim 1,
A means for outputting a gate feedback signal provided in the gate driving means,
A means for inputting a gate voltage of a voltage controlled semiconductor element to be controlled and determining a voltage level; and a means for inputting a gate current of a voltage controlled semiconductor element to be controlled and determining the presence or absence of a current;
Based on the state of the gate voltage and gate current, the state of the voltage-controlled semiconductor element is output as a gate feedback signal to detect an abnormality.
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。 A gate driving means for controlling an on / off operation of a voltage controlled semiconductor element by inputting a command pulse generated from the pulse generating means and applying a voltage corresponding to the command pulse as a gate voltage, and the gate driving means In the abnormality detection method of the voltage controlled semiconductor element controlled by
The command pulse is compared with a gate feedback signal indicating the on / off state of the voltage controlled semiconductor element to detect a mismatch between them, and an abnormality is detected by detecting that the mismatch has continued for a certain period of time. An abnormality detection method for a power converter.
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。 In the abnormality detection method according to claim 3,
A method for determining a mismatch between the command pulse and a gate feedback signal indicating an on / off state of the voltage-controlled semiconductor element,
The gate voltage and the gate current of the voltage controlled semiconductor element are detected. When the gate voltage is a certain value or more, it is determined to be H level, and when it is less than a certain value, it is determined to be the L level. If it is lower than a certain value, it is determined as L level.
When either the gate voltage or the gate current is at the H level, it is determined as the H level, and the result of the determination is exclusive-ORed with the command pulse. If the result is at the H level, the two are inconsistent. An abnormality detection method for a power conversion device, characterized in that it is determined to be present.
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。 In the abnormality detection method according to claim 3,
While the command pulse and the gate feedback signal are inconsistent, the passage of time is measured at a constant period, and it is determined that the disagreement state has continued for a certain period of time when the number of measurements exceeds a certain value. An abnormality detection method for the power converter.
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