JP2014072850A

JP2014072850A - スイッチング装置

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Publication number: JP2014072850A
Application number: JP2012219620A
Authority: JP
Inventors: Kazuyasu Takimoto; 和靖瀧本; Yosuke Nakazawa; 洋介中沢; Hiroshi Mochikawa; 宏餅川; Hiromichi Tai; 裕通田井; Hiroshi Takenaka; 浩竹中; Atsuhiko Kuzumaki; 淳彦葛巻
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 2012-10-01
Filing date: 2012-10-01
Publication date: 2014-04-21
Anticipated expiration: 2032-10-01
Also published as: JP5917356B2

Abstract

【課題】還流ダイオードの代わりに逆回復を行う補助装置が過負荷となることを防止可能とする。
【解決手段】実施形態のスイッチング装置は、スイッチング素子、及びスイッチング素子に逆並列に接続された還流ダイオードを有する主素子と、主素子に並列に接続され、還流ダイオードの逆回復時に、その還流ダイオードの代わりに逆回復を行う補助装置と、補助装置に設けられた少なくとも一つの構成素子の負荷状態を検出する検出手段と、検出された負荷状態に基いて補助装置の動作を制御する制御手段と、を備える。
【選択図】図１

Description

本発明の実施形態は、スイッチング装置に関する。

従来、インダクタンスを有する機器についてのスイッチング装置には、スイッチング素子に逆並列接続された還流ダイオードに、スイッチング装置が入り切りを行う電圧源よりも低い電圧値の逆電圧を印加する補助装置を有するものがある。この補助装置は、還流ダイオードよりも逆回復時間が短く高速な補助ダイオードと、還流ダイオードの逆回復時にオンするスイッチング素子と、逆電圧を印加するための補助電源及びコンデンサとを備えており、還流ダイオードの逆回復時に逆電圧を印加して還流ダイオードの代わりに補助ダイオードが逆回復を起こすようにすることで、還流ダイオードに流れる逆方向電流を抑制し、還流ダイオードの逆回復におけるサージ電流を低減している。

特開２００６−１４１１６７号公報

しかしながら、上述した従来技術においては、補助装置の温度、逆回復時の電流又は電圧等の補助装置の負荷状態に関係なく、還流ダイオードの逆回復の際に常に補助装置が用いられることから、還流ダイオードよりも補助装置側が過負荷となる場合があった。

上述した課題を解決するために、実施形態のスイッチング装置は、スイッチング素子、及び前記スイッチング素子に逆並列に接続された還流ダイオードを有する主素子と、前記主素子に並列に接続され、前記還流ダイオードの逆回復時に、前記還流ダイオードの代わりに逆回復を行う補助装置と、前記補助装置に設けられた少なくとも一つの構成素子の負荷状態を検出する検出手段と、前記検出された負荷状態に基いて前記補助装置の動作を制御する制御手段と、を備える。

図１は、実施形態にかかるスイッチング装置の回路構成の一例を示す図である。図２は、実施形態にかかるスイッチング装置の回路構成の一例を示す図である。図３は、スイッチング装置の動作の一例を示す概念図である。図４は、スイッチング装置の動作の一例を示す概念図である。図５は、スイッチング装置の動作の一例を示す波形図である。図６は、温度検出値と時刻との関係を例示するグラフである。図７は、実施形態にかかるスイッチング装置の回路構成の一例を示す図である。図８は、スイッチング装置の動作の一例を示す波形図である。

以下、添付図面を参照して実施形態にかかるスイッチング装置を詳細に説明する。このスイッチング装置は、インダクタンスを有する機器についてのスイッチングに用いられ、例えば、鉄道車両の電動機に電力を供給する電力変換装置におけるブリッジ回路の１アームに用いられてよい。また、スイッチング装置内の素子については、ＳｉＣ（シリコンカーバイドデバイス）等の低損失デバイスを適用してよい。

図１は、実施形態にかかるスイッチング装置１の回路構成の一例を示す図である。図１に示すように、スイッチング装置１は、正極端子２、負極端子３の間の入り切りを行う電圧駆動型の主素子４と、主素子４と並列に接続された補助装置５と、補助装置５の駆動（動作）を制御する補助素子駆動回路７０とを備える。

主素子４は、スイッチング素子４１と、逆並列ダイオード４３とを備える。スイッチング素子４１は、自己消弧能力を有し、正極端子２、負極端子３の間のオン／オフを主素子制御端子４２に与える制御信号（ゲート電圧）によって任意に切り替える。逆並列ダイオード４３は、スイッチング素子４１に逆並列に接続された還流ダイオードである。

補助装置５は、補助素子駆動回路７０からの制御信号（補助素子制御端子５３に与えるゲート電圧）のもとで駆動して、逆並列ダイオード４３の逆回復時に、逆並列ダイオード４３の代わりに逆回復を行う。補助装置５は、逆並列ダイオード４３の代わりに逆回復を行うことで、逆並列ダイオード４３に流れる逆方向電流を抑制し、逆並列ダイオード４３の逆回復におけるサージ電流を低減して、逆並列ダイオード４３の逆回復特性を改善する。

具体的には、補助装置５は、高速還流ダイオード５１、補助素子５２、補助電源５４と、コンデンサ５５、充電抵抗器５６、温度検出器６０、電圧検出器６１、電流検出器６２を備える。ここで、高速還流ダイオード５１と、補助素子５２と、補助電源５４とは直接接続されている。

高速還流ダイオード５１は、逆並列ダイオード４３より逆回復時間が短く高速で、逆回復電荷が小さいダイオードである。補助素子５２は、スイッチング素子４１より耐圧が低く、補助素子駆動回路７０より補助素子制御端子５３に与えられるゲート電圧によって、オン／オフを切り替える。具体的には、補助素子５２は、逆並列ダイオード４３の逆回復時に補助素子制御端子５３に印加されるゲート電圧によってオンする。

補助電源５４は、正極端子２、負極端子３の間において、主素子４が入り切りする直流電圧源（図示しない）よりも小さな逆電圧を供給する。例えば、補助電源５４は、直流電圧源の電圧の約１／４より低い電圧を供給する。また、補助電源５４には、充電抵抗器５６を介して並列にコンデンサ５５が接続されている。

コンデンサ５５は、高周波域でも内部インピーダンスが低い、例えば、セラミックコンデンサやフィルムコンデンサ等の高周波用コンデンサを用いる。充電抵抗器５６は、補助電源５４によりコンデンサ５５を充電する際の負荷抵抗として機能する。なお、充電抵抗器５６は、プリント配線基板の銅箔パターンの配線抵抗や銅線や銅板などの配線抵抗を用いてもよい。

補助装置５では、逆並列ダイオード４３の逆回復時に補助素子５２をオンして逆電圧を印加し、逆並列ダイオード４３の代わりに高速還流ダイオード５１が逆回復を起こすようにすることで、逆並列ダイオード４３に流れる逆方向電流を抑制し、逆並列ダイオード４３の逆回復におけるサージ電流を低減している。

温度検出器６０は、高速還流ダイオード５１近傍に設置され、高速還流ダイオード５１の温度を検出する。電圧検出器６１は、高速還流ダイオード５１の端子間の電圧値を検出する。電流検出器６２は、高速還流ダイオード５１と直列に接続され、補助素子５２の電流値を検出する。すなわち、補助装置５では、温度検出器６０、電圧検出器６１、電流検出器６２により、補助装置５の構成素子の一つである高速還流ダイオード５１の負荷状態（温度、電圧、電流）を検出する。この温度検出器６０、電圧検出器６１、電流検出器６２の検出結果は補助素子駆動回路７０に出力される。なお、本実施形態では、高速還流ダイオード５１の負荷状態として温度、電圧、電流を検出する構成を例示したが、温度、電圧、電流の少なくとも一つの負荷状態を検出できればよい。

また、負荷状態の検出を行う補助装置５の構成素子は、高速還流ダイオード５１の他、補助素子５２、補助電源５４、コンデンサ５５であってもよく、上述した構成素子の中の少なくとも一つの負荷状態を検出できればよい。図２は、実施形態にかかるスイッチング装置１ａの回路構成の一例を示す図であり、より具体的には、補助素子５２の負荷状態を検出する回路構成を示す図である。

図２に示すように、スイッチング装置１ａの補助装置５ａでは、補助素子５２近傍に設置された温度検出器６０ａにより補助素子５２の温度を検出する。また、補助素子５２の端子間に接続された電圧検出器６１ａにより補助素子５２の電圧を検出する。また、補助素子５２に特列に接続された電流検出器６２により補助素子５２の電流を検出する。このように、補助装置５の構成素子の一つである補助素子５２の負荷状態（温度、電圧、電流）を検出してもよい。

次に、補助素子駆動回路７０の制御による補助装置５（５ａ）の動作について説明する。図３、４は、スイッチング装置１（１ａ）の動作の一例を示す概念図である。図５は、スイッチング装置１（１ａ）の動作の一例を示す波形図である。

図３に示すように、スイッチング素子４１がオフであるデットタイムにおいて、補助素子５２をオフにして補助装置５を動作させない場合、負極端子３から正極端子２に至る電流の経路７は、逆並列ダイオード４３を経由したものとなる。この時、ブリッジ回路におけるスイッチング装置１とは反対アームの主素子にオン信号が入力され、図５に示すように主素子ゲート電圧が印加されると、逆並列ダイオード４３が逆回復を起こし、大きなサージ電流（図５の点線）が逆並列ダイオード４３に生じることとなる。

この逆並列ダイオード４３のサージ電流を低減するため、補助素子駆動回路７０は、デットタイムの期間中に補助素子５２をオンにする。具体的には、図４に示すように、補助素子ゲート電圧を印加して補助素子５２をオンにし、補助装置５を動作させる。補助装置５が動作することで、補助電源５４により充電されたコンデンサ５５からのエネルギーの供給により、負極端子３から正極端子２に至る電流の経路８は、高速還流ダイオード５１を経由するものとなる。すなわち、スイッチング装置１の主電流は、逆並列ダイオード４３から高速還流ダイオード５１へ転流する。この時、ブリッジ回路におけるスイッチング装置１とは反対アームの主素子にオン信号が入力され、図５に示すように主素子ゲート電圧が印加されると、逆並列ダイオード４３の代わりに高速還流ダイオード５１が逆回復を起こす。このため、図５の点線と実線とを比較しても明らかなように、逆並列ダイオード４３の逆回復におけるサージ電流を大幅に低減できる。

ここで、補助素子駆動回路７０は、温度検出器６０、電圧検出器６１、電流検出器６２により検出された補助装置５の構成素子（本実施形態では高速還流ダイオード５１）の負荷状態（温度、電圧、電流）に基いて、補助装置５の動作を制御する。具体的には、補助素子駆動回路７０は、検出された温度値、電圧値、電流値がレジスタなどに予め設定された所定の閾値を上回る場合、補助装置５が過負荷であることから、補助装置５の動作を制限するように制御する。なお、補助装置５の動作の制限は、補助素子５２をオンにする期間（補助素子ゲート電圧を印加する期間）を短くして補助装置５の動作時間を短くしてもよいし、補助素子ゲート電圧を印加することなく、補助装置５を強制的にオフとしてもよい。このように、補助装置５の動作を制限することで、スイッチング装置１は、逆並列ダイオード４３の代わりに逆回復を行う補助装置５が逆並列ダイオード４３よりも過負荷となることを防止できる。

なお、補助装置５の動作時間を短くするか否かを判定するための閾値（第１の閾値）と、その第１の閾値よりも大きな値として、補助装置５の動作を強制的にオフとするか否かを判定するための閾値（第２の閾値）とを予め設定し、補助素子駆動回路７０は、検出された温度値、電圧値、電流値をもとに、補助装置５の負荷状態に応じて段階的に補助装置５の動作を制限してもよい。

図６は、温度検出値と時刻との関係を例示するグラフである。図６に示すように、補助装置５の通電時間（動作時間）にかかる閾値と、その閾値よりも高い閾値（警告信号）とを予め設定しておき、補助素子駆動回路７０は、温度検出器６０による温度検出値と閾値とを比較して補助装置５の動作を制御する。例えば、通電時間にかかる閾値を温度検出値が上回る場合（時刻ｔ１）、補助素子駆動回路７０は、図５に示すように、通常の補助素子ゲート電圧の通電時間ａよりも短い通電時間ｂとする。これにより、補助装置５の動作時間が短くなることから、補助装置５の負荷を低減できる。

続いて、通電時間にかかる閾値よりも高い閾値（警告信号）を温度検出値が上回る場合（時刻ｔ２）、補助素子駆動回路７０は、デットタイムの期間中であっても補助装置５を強制的にオフとする。これにより、補助装置５が過負荷である場合には、補助装置５の動作を停止して発熱を抑えることができる。続いて、閾値（警告信号）を温度検出値が下回る場合（時刻ｔ３）には、動作時間を短くして補助装置５を動作させる。そして、通電時間にかかる閾値を温度検出値が下回ったところで（時刻ｔ４）、補助装置５を通常の動作に戻す。

なお、補助素子駆動回路７０は、検出された温度値、電圧値、電流値がレジスタなどに予め設定された所定の閾値を上回る場合、補助装置５が過負荷状態であることを警告して主素子４の動作を制限するための警告信号を、主素子４の制御を行う主素子駆動回路に出力してもよい。このように、補助素子駆動回路７０が警告信号を主素子駆動回路にフィードバックすることで、主素子４の運転状態を制御してもよい。

図７は、実施形態にかかるスイッチング装置１の回路構成の一例を示す図であり、具体的には、主素子４を制御する主素子駆動回路８０を含む回路構成を示す図である。図７に示すように、主素子駆動回路８０は、補助素子駆動回路７０より出力される警告信号７１を受けた場合、主素子４の動作を制限するように制御する。具体的には、主素子駆動回路８０は、補助素子駆動回路７０より出力された警告信号７１を受け付けた場合、主素子制御端子４２に主素子ゲート電圧を印加することなく、主素子４を強制的にオフとする。

また、補助素子駆動回路７０は、検出された温度値、電圧値、電流値がレジスタなどに予め設定された所定の閾値を上回ることで補助装置５の動作を制限している場合、検出された温度値、電圧値、電流値がその閾値よりも低く設定された下降時閾値よりも低下するまでの間は、その制限を継続させるようにしてもよい。例えば、補助素子駆動回路７０は、レジスタに設定された上昇時閾値、下降時閾値の２つの閾値を参照する、又はシュミットトリガにより上述した制御を行う。

図８は、スイッチング装置１（１ａ）の動作の一例を示す波形図であり、具体的には、上昇時閾値と、その上昇時閾値よりも低く設定された下降時閾値とにより温度検出値を判定して動作する場合を例示する図である。図８に示すように、補助素子駆動回路７０は、警告信号の出力にかかる上昇時閾値を温度検出値が上回る場合に（時刻ｔ２ａ）、主素子駆動回路８０への警告信号の出力を開始して補助装置５を強制的にオフとする。これにより、補助装置５の負荷が軽減されることから、温度検出値は低下することとなる。そして、温度検出値が上昇時閾値よりも低く設定された下降時閾値を下回るまで（時刻ｔ３ａ）は、主素子駆動回路８０への警告信号の出力と、補助装置５のオフとを継続する。このように、温度検出値が上昇時閾値よりも低く設定された下降時閾値を下回るまで、補助装置５の動作の制限を継続することで、補助装置５のオン／オフが頻繁に切り替わることなく、安定的な負荷軽減を行うことができる。

なお、本発明は、上記実施形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化することができる。また、上記実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合わせにより、種々の発明を形成することができる。例えば、実施形態に示される全構成要素からいくつかの構成要素を削除してもよい。さらに、異なる実施形態にわたる構成要素を適宜組み合わせても良い。

１、１ａ…スイッチング装置、２…正極端子、３…負極端子、４…主素子、５、５ａ…補助装置、７、８…経路、４１…スイッチング素子、４２…主素子制御端子、４３…逆並列ダイオード、５１…高速還流ダイオード、５２…補助素子、５３…補助素子制御端子、５４…補助電源、５５…コンデンサ、５６…充電抵抗器、６０、６０ａ…温度検出器、６１、６１ａ…電圧検出器、６２…電流検出器、７０…補助素子駆動回路、７１…警告信号、８０…主素子駆動回路、ａ、ｂ…通電時間、ｔ１〜ｔ４、ｔ２ａ、ｔ３ａ…時刻

Claims

スイッチング素子、及び前記スイッチング素子に逆並列に接続された還流ダイオードを有する主素子と、
前記主素子に並列に接続され、前記還流ダイオードの逆回復時に、前記還流ダイオードの代わりに逆回復を行う補助装置と、
前記補助装置に設けられた少なくとも一つの構成素子の負荷状態を検出する検出手段と、
前記検出された負荷状態に基いて前記補助装置の動作を制御する制御手段と、
を備えるスイッチング装置。
前記検出手段は、前記構成素子にかかる温度、電圧、電流の少なくとも一つの値を検出し、
前記制御手段は、前記検出された値が所定の閾値を上回る場合に、前記補助装置の動作を制限するように制御する、
請求項１に記載のスイッチング装置。
前記制御手段は、前記検出された値が前記閾値を上回ることで前記補助装置の動作を制限している場合、前記検出された値が前記閾値よりも低く設定された下降時閾値よりも低下するまでの間は前記制限を継続させる、
請求項２に記載のスイッチング装置。
前記制御手段は、前記検出された値が第１の閾値を上回る場合に、前記補助装置の動作時間を短くする、
請求項２又は３に記載のスイッチング装置。
前記制御手段は、前記検出された値が前記第１の閾値よりも大きな第２の閾値を上回る場合に、前記補助装置をオフにする、
請求項４に記載のスイッチング装置。
前記制御手段は、前記検出された値が前記閾値を上回る場合に、前記補助装置が過負荷状態であることを警告して前記主素子の動作を制限するための警告信号を出力する、
請求項２乃至５のいずれか一項に記載のスイッチング装置。
前記構成素子は、前記逆電圧を供給する補助電源、前記補助電源に並列に接続されたコンデンサ、前記補助電源に直列に接続され、前記還流ダイオードよりも逆回復時間が短い高速還流ダイオード、又は前記逆回復時に前記補助装置をオンにするスイッチング素子である、
請求項１乃至６のいずれか一項に記載のスイッチング装置。