JP2019030032A - Electric power converter - Google Patents
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Abstract
Description
この発明は、電力変換装置に関し、特に、過電流の検出を行うことが可能な電力変換装置に関する。 The present invention relates to a power conversion device, and more particularly to a power conversion device capable of detecting an overcurrent.
一般的に、電力変換装置は、電源と負荷との間に接続され、電源からの電力を変換して負荷に供給する役目を果たしている。負荷には、回路の故障または動作不良などに起因して過電流が流れる場合がある。過電流が流れた場合には、負荷において何らかのトラブルが発生する可能性があるため、そのようなトラブルの発生を回避するために、過電流を検出して、負荷または電力変換装置に設けられた半導体スイッチなどの部品を保護する必要がある。 In general, a power conversion device is connected between a power source and a load, and plays a role of converting power from the power source and supplying it to the load. An overcurrent may flow in the load due to a circuit failure or malfunction. When an overcurrent flows, some trouble may occur in the load. Therefore, in order to avoid such trouble, the overcurrent was detected and provided in the load or the power converter. It is necessary to protect components such as semiconductor switches.
電力変換装置の過電流を検出して保護を行う装置として、例えば下記の特許文献1に記載の半導体素子の保護装置がある。特許文献1に記載の保護装置は、半導体スイッチにおける電圧降下を検出する制御回路と、降下電圧と閾値とを比較する比較回路と、比較回路の比較結果に応じて半導体スイッチを遮断する遮断回路とを有し、過電流による半導体スイッチの破壊の防止を実現している。なお、特許文献1では、半導体スイッチのチャネル温度が許容温度の上限のときのオン抵抗値と、ジュール熱による自己発熱によりチャネル温度が許容温度の上限に到達する最小の電流値との積を臨界電圧とし、比較回路で使用する閾値を、当該臨界電圧以下に設定している。 As a device for detecting and protecting an overcurrent of a power conversion device, for example, there is a semiconductor device protection device described in Patent Document 1 below. A protection device described in Patent Document 1 includes a control circuit that detects a voltage drop in a semiconductor switch, a comparison circuit that compares the drop voltage with a threshold value, and a cutoff circuit that shuts down the semiconductor switch according to a comparison result of the comparison circuit. And prevents destruction of the semiconductor switch due to overcurrent. In Patent Document 1, the product of the on-resistance value when the channel temperature of the semiconductor switch is the upper limit of the allowable temperature and the minimum current value at which the channel temperature reaches the upper limit of the allowable temperature due to self-heating due to Joule heat is critical. The threshold value used in the comparison circuit is set below the critical voltage.
このように、特許文献1に記載の従来の保護装置によれば、半導体スイッチのオン抵抗の最大値と半導体スイッチが熱破壊に到達する最小の電流値との積で決定される閾値によって過電流判定を行って、判定結果に応じて回路の動作を停止させることで、半導体スイッチを保護している。 Thus, according to the conventional protection device described in Patent Document 1, an overcurrent is detected by a threshold value determined by the product of the maximum value of the on-resistance of the semiconductor switch and the minimum current value at which the semiconductor switch reaches thermal breakdown. The semiconductor switch is protected by performing the determination and stopping the operation of the circuit according to the determination result.
しかしながら、特許文献1に記載の従来の保護装置においては、閾値を半導体スイッチのオン抵抗と電流値とから一意に決定しているので、オン抵抗および電流を検出する検出系の変動に伴って、閾値が変動することになる。特に、正常動作時に流れる電流が半導体スイッチの上限電流に近い条件で半導体スイッチを使用する場合、閾値の変動に起因して、過電流の誤検出が発生する可能性があるという課題があった。 However, in the conventional protection device described in Patent Document 1, since the threshold value is uniquely determined from the on-resistance and current value of the semiconductor switch, along with the variation of the detection system for detecting the on-resistance and current, The threshold value will fluctuate. In particular, when a semiconductor switch is used under the condition that the current flowing during normal operation is close to the upper limit current of the semiconductor switch, there is a problem that erroneous detection of overcurrent may occur due to fluctuations in the threshold value.
この発明は、上記のような課題を解決するためになされたものであり、過電流の誤検出を防止することが可能な、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 to solve the above-described problems, and an object of the present invention is to provide a power conversion device that can prevent erroneous detection of overcurrent.
この発明に係る電力変換装置は、電源と負荷とを接続している経路に接続された半導体スイッチと、上記半導体スイッチに印加される電圧を検出する電圧検出部と、上記半導体スイッチの温度を検出する温度検出部と、上記電圧検出部の構成要素の特性を示す電圧検出パラメータと、上記温度検出部で検出された上記半導体スイッチの温度とが入力され、上記電圧検出パラメータおよび上記温度と、上記半導体スイッチにおいて過電流として判定される電流の下限値との相関に基づいて、入力された上記電圧検出パラメータおよび上記温度に対する、上記過電流として判定される電流の下限値を求める過電流演算部と、上記過電流演算部によって演算された上記電流の下限値に対応する電圧値を求めて過電流判定閾値として出力する閾値演算部と、上記閾値演算部によって演算された過電流判定閾値と、上記電圧検出部によって検出された上記電圧とを比較して、上記電圧が上記過電流判定閾値以上の場合に、駆動制御信号を出力する比較部と、上記比較部からの上記駆動制御信号に基づいて、上記半導体スイッチをオフする制御部とを備え、上記過電流演算部は、上記過電流として判定される上記電流の上記下限値が、正常動作時に上記半導体スイッチに通流される最大電流値より大きく、且つ、上記半導体スイッチに通流可能な上限電流値より小さい範囲内になるように、上記過電流として判定される上記電流の上記下限値を求める。 The power conversion device according to the present invention includes a semiconductor switch connected to a path connecting a power source and a load, a voltage detection unit that detects a voltage applied to the semiconductor switch, and a temperature of the semiconductor switch. Temperature detection unit, a voltage detection parameter indicating the characteristics of the components of the voltage detection unit, and the temperature of the semiconductor switch detected by the temperature detection unit, the voltage detection parameter and the temperature, An overcurrent calculating unit for obtaining a lower limit value of the current determined as the overcurrent with respect to the input voltage detection parameter and the temperature based on a correlation with a lower limit value of the current determined as an overcurrent in the semiconductor switch; Threshold calculation for obtaining a voltage value corresponding to the lower limit value of the current calculated by the overcurrent calculation unit and outputting it as an overcurrent determination threshold And the overcurrent determination threshold calculated by the threshold calculation unit and the voltage detected by the voltage detection unit, and if the voltage is equal to or higher than the overcurrent determination threshold, a drive control signal is output. And a control unit that turns off the semiconductor switch based on the drive control signal from the comparison unit, and the overcurrent calculation unit includes the lower limit value of the current that is determined as the overcurrent. Of the current determined as the overcurrent is within a range that is larger than a maximum current value that can be passed through the semiconductor switch during normal operation and smaller than an upper limit current value that can be passed through the semiconductor switch. The lower limit value is obtained.
この発明に係る電力変換装置によれば、上記過電流演算部が、上記過電流として判定される上記電流の上記下限値が、正常動作時に上記半導体スイッチに通流される電流値のうちの最大値より大きく、且つ、上記半導体スイッチに通流可能な上限電流値より小さい範囲内になるように求めるため、過電流の誤検出を防止することができる。 According to the power conversion device of the present invention, the lower limit value of the current that is determined as the overcurrent by the overcurrent calculation unit is a maximum value of current values that are passed through the semiconductor switch during normal operation. Since it is determined to be larger and smaller than the upper limit current value that can be passed through the semiconductor switch, erroneous detection of overcurrent can be prevented.
実施の形態1.
図1は、この発明の実施の形態1に係る電力変換装置の構成を示したブロック図である。但し、図1においては、電力変換装置における過電流検出部100の構成のみを示している。電力変換装置は、実際には、電源1からの電力を変換するための電力変換処理部も備えているが、図1においては電力変換処理部の構成については図示を省略している。
Embodiment 1 FIG.
1 is a block diagram showing a configuration of a power conversion apparatus according to Embodiment 1 of the present invention. However, in FIG. 1, only the structure of the
図1において、電力変換装置の過電流検出部100は、電源1と負荷2とを接続する経路20に接続されている。電源1は、電力変換装置の外部に設置されており、例えば、バッテリ等の直流電源である。
In FIG. 1, the
電力変換装置の過電流検出部100は、半導体スイッチ3、電圧検出部4、温度検出部5、過電流演算部6、比較部7、制御部8、および、閾値演算部9を備えている。
The
半導体スイッチ3は、電源1と負荷2とを接続している経路20に接続されている。半導体スイッチ3は、例えば、FET(Field Effect Transistor)、MOSFET(Metal-Oxide-Semiconductor FET)、IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)などのトランジスタまたはその他のパワー素子から構成される。図1においては、半導体スイッチ3の高電圧側端子は負荷2に接続され、低電圧側端子は接地されている。
The
電圧検出部4は、半導体スイッチ3の高電圧側端子および低電圧側端子に接続されている。電圧検出部4は、半導体スイッチ3の高電圧側端子と低電圧側端子との間の電位差、すなわち、半導体スイッチ3に印加される電圧値を検出する。
The
温度検出部5は、半導体スイッチ3の温度を検出する。温度検出部5は、半導体スイッチ3の温度として、例えば半導体スイッチ3のチャネル温度を検出する。あるいは、半導体スイッチ3と同一チップ上に温度検出用ダイオードを設けておき、温度検出部5が、当該温度検出用ダイオードの温度を計測して、計測により得られた温度を、半導体スイッチ3の温度として出力するようにしてもよい。
The
過電流演算部6には、電圧検出部4の構成要素の特性を示す電圧検出パラメータPaと、温度検出部5で検出された半導体スイッチ3の温度とが入力される。電圧検出パラメータPa及び半導体スイッチ3の温度に対して、半導体スイッチ3に流れる電流は相関を有する。従って、過電流演算部6は、当該相関に基づいて、当該電圧検出パラメータPaの値および当該温度のそれぞれに対応した、過電流として判定される電流値のうち、その下限値を算出する。すなわち、当該電流値以上の電流が半導体スイッチ3に流れる場合に、「過電流」と判定される。また、上記相関については、後述する。なお、電圧検出パラメータPaは、各構成要素の特性の代表値と、例えば使用温度範囲における特性値の精度、つまり変動範囲が設計値として予め入力される。電圧検出パラメータPaとして、例えば半導体スイッチ3のオン抵抗、配線抵抗、信号増幅回路、およびこれらの製品バラツキ、部品精度、検出精度などのパラメータが挙げられる。電圧検出パラメータPaは、このうちの精度などの変動要素を除く1つのパラメータのみを含んでいても良いが、複数のパラメータを含んでいてもよい。但し、実施の形態1では、説明を分かりやすくするために、電圧検出パラメータPaが、このうちの精度などの変動要素を除く1つのパラメータのみを含んでいることとして説明する。
The overcurrent calculation unit 6 receives the voltage detection parameter Pa indicating the characteristics of the components of the
閾値演算部9は、過電流演算部6で算出された電流値の下限値が、半導体スイッチ3に通流可能な上限電流未満および正常動作時に半導体スイッチ3に通流する電流のうちの最大通流電流を超える範囲となる値に対応する電圧値を求め、求めた電圧値を過電流判定閾値Thとして出力する。閾値演算部9は、温度依存を持った過電流演算部6の出力から、誤検出と半導体スイッチの上限電流を超過しない閾値を選択して過電流判定閾値として出力する。
The threshold value calculation unit 9 is such that the lower limit value of the current value calculated by the overcurrent calculation unit 6 is less than the upper limit current that can flow to the
比較部7は、電圧検出部4によって検出された電圧値と閾値演算部9で演算された過電流判定閾値とを比較し、比較結果に応じて、制御部8に駆動制御信号を出力する。具体的には、比較部7は、比較の結果、電圧検出部4によって検出された電圧値が過電流判定閾値を以上の場合に、半導体スイッチ3をオフするための駆動制御信号を出力する。
The comparison unit 7 compares the voltage value detected by the
制御部8は、半導体スイッチ3の制御端子に接続されている。制御部8は、比較部7が出力する駆動制御信号に基づいて、半導体スイッチ3を駆動制御し、半導体スイッチ3のオン/オフを切り替える。
The control unit 8 is connected to the control terminal of the
次に、図1に示す電力変換装置の過電流検出部100のハードウエア構成について簡単に説明する。電力変換装置の過電流検出部100における、過電流演算部6、比較部7、制御部8、および、閾値演算部9の各機能は、処理回路によって実現される。処理回路がプロセッサの場合、過電流演算部6、比較部7、制御部8、および、閾値演算部9の各機能は、ソフトウエアによって実現される。ソフトウエアはプログラムによって記述され、メモリに格納されている。プロセッサは、メモリに記憶されたプログラムを読み出して実行することにより、過電流演算部6、比較部7、制御部8、および、閾値演算部9の各機能を実現する。また、電圧検出部4、および、温度検出部5は、センサなどの専用のハードウエアから構成される。
Next, the hardware configuration of the
次に、図2を用いて、上記相関について説明する。 Next, the correlation will be described with reference to FIG.
図2は、過電流検出部100における過電流検出処理で用いられる温度対電流の関係を示す相関図である。図2において、横軸は、半導体スイッチ3の温度を示し、縦軸は、半導体スイッチ3に通流する電流値を示す。
FIG. 2 is a correlation diagram showing the relationship between temperature and current used in the overcurrent detection process in the
図2において、30は、半導体スイッチ3に通流可能な上限電流Cupperを示す。半導体スイッチ3は、上限電流Cupperを上回る電流が流れた場合に、熱破損する可能性がある。上限電流Cupper(符号30)は、図2に示されるように、半導体スイッチ3の温度の上昇に伴って、単調減少的に減少する。従って、半導体スイッチ3の温度が高い場合には、半導体スイッチ3の温度が低い場合に比べて、電流値があまり高くない場合でも、半導体スイッチ3が熱破損する可能性がある。なお、上限電流Cupper(符号30)は、半導体スイッチ3の仕様によって決定されるものである。
In FIG. 2,
また、図2において、31は、正常動作時に半導体スイッチ3に通流する電流のうちの最大通流電流Cmaxを示す。すなわち、正常動作においては、半導体スイッチ3には、最大通流電流Cmax以下の電流値の電流が通流する。以下では、最大通流電流Cmaxを、「正常時最大電流Cmax」と呼ぶこととする。正常時最大電流Cmax(符号31)は、図2に示されるように、半導体スイッチ3の温度の上昇に伴って、単調減少的に減少する。正常時最大電流Cmax(符号31)は、出荷時の電力変換装置の動作試験などにより取得できる値である。
In FIG. 2,
また、図2において、実線33と実線34との間が、過電流と判定される過電流判定相当電流36の電流範囲を示す。また、実線33と実線34との間の矢印32は、電圧検出パラメータPaの変動による過電流判定相当電流36の変動幅を示す。図2に示すように、電圧検出パラメータPaの値によっては、実線34が過電流判定相当電流36となり、実線34で示す電流値以上の場合に過電流と判定される場合もあり、あるいは、実線33が過電流判定相当電流36となって、実線33で示す電流値以上の場合に過電流と判定される場合もある。このように、電圧検出パラメータPaの変動によって、過電流と判定される過電流判定相当電流36の値が、矢印32で示される変動幅の範囲で変動する。このように、電圧検出パラメータPaと過電流判定相当電流36との間には相関がある。従って、過電流判定閾値Thは、電圧検出パラメータPaとの相関を反映させて決定されるべきである。
In FIG. 2, the current range of the overcurrent determination equivalent current 36 determined as an overcurrent is shown between the
また、図2に示されるように、半導体スイッチ3の温度によっても、過電流と判定される過電流判定相当電流36の値が変動する。全体的な傾向として、電圧検出パラメータPaの値が同一の場合、半導体スイッチ3の温度上昇に伴って、過電流判定相当電流36の値が低下する傾向がある。このように、半導体スイッチ3の温度と過電流判定相当電流36との間には相関のパターンがある。従って、過電流判定閾値Thは、半導体スイッチ3の温度との相関も反映させて決定されるべきである。例えば、図2に示す温度T2においては、過電流判定閾値Thをステップ状に変化させた場合の半導体スイッチ3の温度と過電流判定相当電流36の相関例が示されている。
Further, as shown in FIG. 2, the value of the overcurrent determination equivalent current 36 determined to be an overcurrent also varies depending on the temperature of the
そのため、本実施の形態1においては、過電流演算部6が、半導体スイッチ3の温度及び電圧検出パラメータPaと、半導体スイッチ3において過電流と判定される電流の下限値、すなわち、過電流判定相当電流36との相関を予め記憶しており、温度検出部5によって検出された半導体スイッチ3の温度および電圧検出パラメータPaと電流との相関に基づいて、当該温度および当該パラメータ値における「過電流」と判定される電流値の下限値を求める。具体的には、過電流演算部6が、電圧検出パラメータPaの値ごとに、図2の実線33,34で示されるような、温度によって変化する過電流判定相当電流36のデータパターンを有している。それにより、電圧検出パラメータPaの値および半導体スイッチ3の温度により、それに対応する電流値の値を一意に決定することができる。なお、過電流演算部6が、データパターンではなく、演算式を予め用意しておき、演算により求めるようにしてもよい。
Therefore, in the first embodiment, the overcurrent calculation unit 6 corresponds to the temperature and voltage detection parameter Pa of the
図2を用いて、上記相関について、さらに具体的に説明する。すなわち、図2の例で説明すると、例えば、電圧検出パラメータPaの値がPaAの場合、電流の下限値の変動のデータパターンが実線34であったとすると、半導体スイッチ3の温度がT1のときの「過電流」と判定される電流値の下限値は電流CAとなる。同様に、電圧検出パラメータPaの値がPaCの場合、電流の下限値の変動のデータパターンが実線33であったとすると、半導体スイッチ3の温度がT1のときの「過電流」と判定される電流値の下限値は電流CCとなる。また同様に、電圧検出パラメータPaの値がPaBの場合、電流の下限値の変動のデータパターンが実線33と実線34との中間であったとすると、半導体スイッチ3の温度がT1のときの「過電流」と判定される電流値の下限値は電流CBとなる。このように、図2に示される相関を過電流演算部6が予め記憶しておけば、過電流演算部6は、温度検出部5によって検出された半導体スイッチ3の温度および電圧検出パラメータPaと電流との相関に基づいて、当該温度および当該パラメータ値における「過電流」と判定される電流値の下限値を求めることができる。電流値の下限値の求め方としては、上述したように、例えば、電圧検出パラメータPaの値ごとに、図2の実線33,34で示されるような、温度によって変化する過電流判定相当電流36のデータパターンを用意しておき、データパターンから求めるようにしてもよいし、あるいは、半導体スイッチ3の温度、および、電圧検出パラメータPaの値を入力とする予め用意した演算式により求めてもよい。あるいは、半導体スイッチ3の温度ごと、および、電圧検出パラメータPaの値ごとに、「過電流」と判定される電流値の下限値を記憶したマップを用意しておき、当該マップから求めるようにしてもよい。あるいは、設定され得る過電流判定閾値が決まっている場合には、その過電流判定閾値ごとの上記データパターンまたは上記マップ用いて求めるようにしてもよい。過電流判定閾値が決まっている場合とは、例えば、0.2〜0.8までの0.2ステップ等で、過電流判定閾値が複数個設定されている場合をいう。なお、マップを用いた実施形態については、後述の実施の形態3で説明する。
The correlation will be described more specifically with reference to FIG. That is, in the example of FIG. 2, for example, when the value of the voltage detection parameter Pa is Pa A , if the data pattern of the fluctuation of the lower limit value of the current is a
次に、上述の図2の説明を踏まえて、図1に示す電力変換装置の過電流検出部100の動作について説明する。図1に示す電力変換装置において、半導体スイッチ3が導通すると、半導体スイッチ3の通流電流とオン抵抗とに応じて、高電圧側端子と低電圧側端子との間に電位差が発生する。電圧検出部4は、当該電位差を検出して、比較部7に出力する。半導体スイッチ3のオン抵抗は、一般的に、固定値ではなく、半導体スイッチ3の温度の上昇に伴って、単調増加的に増加する傾向がある。
Next, based on the description of FIG. 2 described above, the operation of the
比較部7では、電圧検出部4が検出した電位差と過電流判定閾値Thとを比較することで、半導体スイッチ3に通流する電流が過電流か否かの検出を行う。具体的には、当該電位差が過電流判定閾値Th以上のときに、比較部7は、半導体スイッチ3に通流する電流が「過電流」であると判定する。このように、比較部7では、過電流判定閾値Thを用いて過電流か否かの判定を行っているが、過電流演算部6において過電流判定閾値Thを決定する過程において、何らかの変動要素が含まれると、上述したように、「過電流」として判定される電流値も、図2に示す幅32を持つことになる。実施の形態1では、当該変動要素として、電圧検出パラメータPaと半導体スイッチ3の温度とを挙げて説明している。
The comparison unit 7 detects whether the current flowing through the
このとき、例えば、半導体スイッチ3に、正常時最大電流Cmax(符号31)に近い電流を通流した場合、上記の変動要素を考慮していないと、過電流判定閾値Thが正常時最大電流Cmax(符号31)を下回る値に設定される可能性が生じる。もし、過電流判定閾値Thを、正常時最大電流Cmax(符号31)を下回る値に設定していた場合には、「過電流」でないにもかかわらず、「過電流」として検出されてしまうという誤検出を引き起こす。
At this time, for example, when a current close to the normal maximum current Cmax (reference numeral 31) is passed through the
また、逆に、もし、過電流判定閾値Thを、半導体スイッチ3の上限電流Cupper(符号30)を上回る値に設定していた場合には、半導体スイッチ3に通流する電流が過電流であるにもかかわらず、過電流であると判定されずに、半導体スイッチ3の破損に至る可能性がある。
Conversely, if the overcurrent determination threshold Th is set to a value that exceeds the upper limit current Cupper (reference numeral 30) of the
そこで、過電流演算部6は、電圧検出パラメータPaと温度検出部5で検出された半導体スイッチ3の温度とに基づいて、温度依存およびパラメータ依存を反映した温度対電流の相関を演算し、当該相関に基づいて、過電流判定閾値Thに相当する電流値を演算して出力する。これにより、過電流判定相当電流36が変動する範囲を算出可能となる。そのため、過電流演算部6では、「過電流」と判定される電流値の変動を含めた下限値を求める。そうして、閾値演算部9が、半導体スイッチ3の上限電流Cupper(符号30)と正常時最大電流Cmax(符号31)との間の範囲内に、矢印32で示す変動を含めた過電流判定相当電流36が収まるように、当該電流値の下限値に基づいて過電流判定閾値Thを演算することで、温度およびパラメータによる変動を含めた過電流判定閾値を求めることができる。その結果、過電流の誤検出の発生を防止して、精度よく過電流を検出することで、半導体スイッチ3を過電流から確実に保護することが可能となる。
Therefore, the overcurrent calculation unit 6 calculates a temperature-current correlation reflecting the temperature dependency and the parameter dependency based on the voltage detection parameter Pa and the temperature of the
なお、望ましくは、半導体スイッチ3の上限電流Cupper(符号30)を、半導体スイッチ3のアバランシェ耐量に基づく電流値に設定する。その場合には、過電流検出により、制御部8が半導体スイッチ3をオフした時に発生するアバランシェ現象により、半導体スイッチ3の破損を防止することが可能となる。なお、アバランシェ耐量は一般に、主にアバランシェ現象に関係するインダクタンスや半導体スイッチの遮断電流や遮断時間や印加電圧などから演算されるアバランシェエネルギー、または、寄生トランジスタが誤オンするアバランシェ電流などから決定される。
Preferably, the upper limit current Cupper (reference numeral 30) of the
あるいは、望ましくは、半導体スイッチ3の上限電流Cupper(符号30)を、安全動作領域に基づく電流値に設定する。その場合には、過電流により半導体スイッチ3の破損を防止することが可能となる。なお、安全動作領域は一般に、主に半導体スイッチを通流する電流とオン抵抗などから演算される、ジュール熱から決定される。
Alternatively, desirably, the upper limit current Cupper (reference numeral 30) of the
上述したように、実施の形態1に係る電力変換装置によれば、過電流判定閾値Thを、半導体スイッチ3の温度と電圧検出パラメータPaとの相関を考慮して決定するようにしたので、半導体スイッチ3に通流する電流が正常時最大電流Cmax(符号31)以下にもかかわらず、過電流であると誤検出されることを防止し、且つ、過電流およびアバランシェ現象で半導体スイッチ3が破損することを防止するという効果が得られる。
As described above, according to the power conversion device according to the first embodiment, the overcurrent determination threshold Th is determined in consideration of the correlation between the temperature of the
以上のように、実施の形態1によれば、過電流演算部6が、電圧検出パラメータPaの変動よる過電流判定相当電流36の変動および半導体スイッチ3の温度の変動による過電流判定相当電流36の変動を反映して、過電流判定閾値Thを設定することで、過電流の誤検出の発生を抑え、負荷2または電力変換装置に設けられた半導体スイッチなどの部品の破損を防止する電力変換装置を実現することが可能となる。
As described above, according to the first embodiment, the overcurrent calculation unit 6 causes the overcurrent determination equivalent current 36 due to the fluctuation of the overcurrent determination equivalent current 36 due to the fluctuation of the voltage detection parameter Pa and the temperature change of the
実施の形態2.
図3は、この発明の実施の形態2に係る電力変換装置の構成を示したブロック図である。但し、図3においては、図1と同様に、電力変換装置における過電流検出部100Aの構成のみを示している。すなわち、図3においては、電力変換装置における電力変換処理部の構成については図示を省略している。また、図4は、過電流検出部100Aにおける過電流検出処理の温度対電流の関係を示す相関図である。図3および図4において、図1および図2に示した実施の形態1と対応もしくは相当する部分には、同一の符号を付すとともに、ここでは、その説明を省略し、相違点のみを説明する。
FIG. 3 is a block diagram showing the configuration of the power conversion apparatus according to
図3に示す実施の形態2に係る電力変換装置と、図1に示す実施の形態1に係る電力変換装置との構成の違いは、図3に示す実施の形態2においては、回路保護部10が追加されている点である。回路保護部10は、電源1と負荷2とが接続された経路20に接続されている。
The difference in configuration between the power conversion device according to the second embodiment shown in FIG. 3 and the power conversion device according to the first embodiment shown in FIG. 1 is the same as the
図3において、回路保護部10は、電源1と負荷2との間に接続されている。回路保護部10は、例えばヒューズ、ブレーカーなどで構成されている。
In FIG. 3, the
なお、以下では、半導体スイッチ3の上限電流Cupper(符号30)を、半導体スイッチ3のアバランシェ耐量に基づく電流値に設定していることとして説明する。
In the following description, it is assumed that the upper limit current Cupper (reference numeral 30) of the
図3に示す電力変換装置において、半導体スイッチ3のアバランシェ耐量が小さい場合、すなわち、半導体スイッチ3の上限電流Cupper(符号30)が小さい場合、あるいは、過電流判定相当電流36の変動幅が大きい場合、半導体スイッチ3の温度および電圧検出パラメータPaの値によっては、図4の実線33に示すように、過電流判定相当電流36が上限電流Cupper(符号30)を超過する場合がある。その場合には、半導体スイッチ3をオフしたときに発生するアバランシェ現象により、半導体スイッチ3の破損を引き起こす。
3, when the avalanche resistance of the
そこで、実施の形態2においては、回路保護部10を設けている。回路保護部10は、電源1と負荷2との間の経路20に、予め設定された動作電流35以上の電流が流れた場合に、半導体スイッチ3に当該電流が通流しないように、経路20に流れる電流を遮断する。当該遮断動作を、以下では、保護動作と呼ぶこととする。
Therefore, in the second embodiment, the
回路保護部10が保護動作を実行する動作電流35は、半導体スイッチ3の上限電流Cupper(符号30)よりも小さい値に設定されている。なお、上述したように、ここでは、半導体スイッチ3の上限電流Cupper(符号30)を、半導体スイッチ3のアバランシェ耐量に基づく電流値に設定している。そのため、回路保護部10の保護動作により、半導体スイッチ3のアバランシェ耐量を超過するような電流については遮断することができるため、半導体スイッチ3にアバランシェ耐量を超過するような短絡電流が通流することが無く、半導体スイッチ3を保護することが可能となる。
The operating current 35 at which the
上記の実施の形態1においては、図2に示すように、過電流演算部6が、半導体スイッチ3の上限電流Cupper(符号30)と正常時最大電流Cmax(符号31)との間の範囲内に、矢印32で示す変動を含めた過電流判定相当電流36が収まるように、温度および電圧検出パラメータPaに応じて過電流判定閾値Thを設定するようにした。
In the first embodiment, as shown in FIG. 2, the overcurrent calculation unit 6 is within the range between the upper limit current Cupper (reference numeral 30) of the
本実施の形態2においても、基本的には、実施の形態1と同様に、図4に示すように、過電流演算部6が、半導体スイッチ3の上限電流Cupper(符号30)と正常時最大電流Cmax(符号31)との間の範囲内に、矢印32で示す変動を含めた過電流判定相当電流36が収まるように、温度および電圧検出パラメータPaに応じて過電流判定閾値Thを設定する。
Also in the second embodiment, basically, as in the first embodiment, as shown in FIG. 4, the overcurrent calculation unit 6 has the upper limit current Cupper (reference numeral 30) of the
ただし、半導体スイッチ3の温度が高温の場合には、図4に示すように、半導体スイッチ3の上限電流Cupper(符号30)の方が、動作電流35を下回る場合がある。そこで、本実施の形態2においては、過電流演算部6が、半導体スイッチ3の上限電流Cupper(符号30)および動作電流35のうちのいずれか小さい方と、正常時最大電流Cmax(符号31)との間の範囲内に、矢印32で示す変動を含めた過電流判定相当電流36が収まるように、温度および電圧検出パラメータPaに応じて過電流判定閾値Thを設定するようにする。
However, when the temperature of the
しかしながら、そのように過電流判定閾値Thを設定したにもかかわらず、何らかの要因により、電源1と負荷2との間の経路20に、予め設定された動作電流35以上の電流が流れた場合には、回路保護部10が保護動作を実行することで、経路20に流れる電流を遮断するので、半導体スイッチ3の破損を防止することができる。
However, even when the overcurrent determination threshold Th is set as described above, a current higher than the preset operating current 35 flows in the
なお、上記の説明においては、回路保護部10の動作電流35を、半導体スイッチ3のアバランシェ耐量に基づく電流値よりも小さくするように設定すると説明したが、その場合に限らず、回路保護部10の動作電流35を、半導体スイッチ3の安全動作領域に基づく電流値よりも小さくなるように設定してもよい。その場合には、過電流による半導体スイッチ3の破損を防止することが可能となる。
In the above description, it has been described that the operating current 35 of the
上述したように、実施の形態2に係る電力変換装置においても、上記の実施の形態1と同様に、過電流判定閾値Thを、半導体スイッチ3の温度と電圧検出パラメータPaとの相関を考慮して決定するようにしたので、半導体スイッチ3に通流する電流が正常時最大電流Cmax(符号31)以下にもかかわらず、過電流であると誤検出されることを防止し、且つ、過電流およびアバランシェ現象で半導体スイッチ3が破損することを防止するという効果が得られる。
As described above, also in the power conversion device according to the second embodiment, as in the first embodiment, the overcurrent determination threshold Th is considered in consideration of the correlation between the temperature of the
さらに、実施の形態2においては、回路保護部10を備え、半導体スイッチ3の上限電流Cupper(符号30)を超えるような短絡電流が半導体スイッチ3に流れないように、経路20に動作電流35以上の電流が流れた場合には、当該電流を遮断する保護動作を実行するようにした。これにより、過電流の誤検出の発生を抑え、負荷2または電力変換装置に設けられた半導体スイッチなどの部品の破損を防止する電力変換装置を実現することが可能となる。
Further, in the second embodiment, the
実施の形態3.
図5は、この発明の実施の形態3に係る電力変換装置の構成を示したブロック図である。但し、図5においては、図1と同様に、電力変換装置における過電流検出部100Bの構成のみを示している。すなわち、図5においては、電力変換装置における電力変換処理部の構成については図示を省略している。図5において、図1に示した実施の形態1と対応もしくは相当する部分には、同一の符号を付すとともに、ここでは、その説明を省略し、相違点のみを説明する。
FIG. 5 is a block diagram showing the configuration of the power conversion apparatus according to
実施の形態3の電力変換装置においては、図1に示した過電流演算部6と閾値演算部9との代わりに、図5に示すように、過電流判定閾値抽出部11が設けられている点が、実施の形態1と異なる。過電流判定閾値抽出部11は、温度対閾値マップ12を格納している。温度対閾値マップ12は、半導体スイッチ3の温度ごとに、過電流判定閾値Thを記憶している。
In the power conversion device of the third embodiment, an overcurrent determination threshold
電圧検出パラメータPaの数が多い場合、または、温度依存関係が複雑である場合、過電流演算部6による演算時間が増加し、演算結果の出力に遅延が発生することで、過電流判定閾値Thと半導体スイッチ3の上限電流Cupper(符号30)との大小関係に齟齬が生じる可能性がある。その場合には、過電流であるにもかかわらず、過電流であることが検出されずに、その結果、半導体スイッチ3の破損を引き起こすことが懸念される。
When the number of voltage detection parameters Pa is large or the temperature dependence is complicated, the calculation time by the overcurrent calculation unit 6 increases, and a delay occurs in the output of the calculation result, so that the overcurrent determination threshold Th There is a possibility that a flaw occurs in the magnitude relationship between the upper limit current Cupper (reference numeral 30) of the
そこで、本実施の形態においては、過電流判定閾値抽出部11が、過電流判定閾値Thを温度対閾値マップ12として保持しており、温度検出部5によって検出された半導体スイッチ3の温度に応じた過電流判定閾値Thを出力する。これにより、過電流判定閾値Thの出力において、温度依存などの演算を必要としないため、過電流判定閾値Thの演算時間および演算量を減らすことができる。その結果、演算結果の出力に遅延が発生することが無いので、過電流判定閾値Thと半導体スイッチ3の上限電流Cupper(符号30)との大小関係に齟齬が生じることもない。そのため、精度よく過電流を検出することができ、半導体スイッチ3を保護することが可能となる。
Therefore, in the present embodiment, the overcurrent determination threshold
なお、温度対閾値マップ12は、半導体スイッチ3の温度に対して1つの過電流判定閾値Thを格納するようにしてもよいが、図2に示すように、電圧検出パラメータPaにより過電流判定相当電流36の値は変動幅32の範囲で変動する。そのため、温度対閾値マップ12が、半導体スイッチ3の温度に対して過電流判定閾値Thの最大値と最小値とを格納するようにしてもよい。すなわち、図2の例で説明すれば、温度対閾値マップ12が、半導体スイッチ3の温度T1に対して、過電流判定閾値Thの最大値として電流CCに対応する電圧値、および、過電流判定閾値Thの最小値として電流CAに対応する電圧値を格納するようにしてもよい。その場合には、電圧検出部4で検出された電圧が、過電流判定閾値Thの最小値から、過電流判定閾値Thの最大値までの範囲に入っていた場合に、比較部7が「過電流」として検出する。
The temperature vs
また、上記の説明においては、温度対閾値マップ12の軸を、半導体スイッチ3の温度と過電流判定閾値Thとの2軸としたが、その場合に限らず、温度対閾値マップ12の軸を、3軸以上としてもよい。その場合には、各軸を、例えば電圧検出パラメータPa、半導体スイッチ3の温度、過電流判定閾値Thとする。この場合、電圧検出パラメータPaが、例えば、半導体スイッチ3のオン抵抗の製品バラツキ、配線抵抗の製品バラツキ、部品精度、検出精度などのうちの1つの場合は3軸となるが、2つ以上の場合には4軸以上となる。また、マップを3軸以上にした場合には、電圧検出パラメータPaを、過電流判定閾値抽出部11に入力する必要がある。また、過電流判定閾値Thの値そのものではなく、過電流判定閾値Thを求める演算の途中結果を温度対閾値マップ12に保持して、演算の負荷を低減する様に構成してもよい。
In the above description, the temperature
上述したように、実施の形態3に係る電力変換装置においても、上記の実施の形態1と同様に、過電流判定閾値Thを、半導体スイッチ3の温度および電圧検出パラメータPaの少なくとも1つとの相関を考慮して決定するようにしたので、半導体スイッチ3に通流する電流が正常時最大電流Cmax(符号31)以下にもかかわらず、過電流であると誤検出されることを防止し、且つ、過電流およびアバランシェ現象で半導体スイッチ3が破損することを防止し、負荷2または電力変換装置に設けられた半導体スイッチなどの部品を保護するという効果が得られる。
As described above, also in the power conversion device according to the third embodiment, as in the first embodiment, the overcurrent determination threshold Th is correlated with at least one of the temperature of the
さらに、実施の形態3においては、温度対閾値マップ12に過電流判定閾値Thを格納しておくようにしたので、過電流判定閾値Thの演算時間および演算量を減らすことができる。
Furthermore, in the third embodiment, since the overcurrent determination threshold Th is stored in the temperature versus
なお、上記の説明においては、実施の形態1で示した図1の構成に本実施の形態3の構成を適用させる例について説明したが、その場合に限らず、実施の形態2で示した図3の構成に本実施の形態3の構成を適用させるようにしてもよい。その場合には、実施の形態2と同様の効果が得られることはいうまでもない。 In the above description, the example in which the configuration of the third embodiment is applied to the configuration of FIG. 1 described in the first embodiment has been described. However, the present invention is not limited to this, and the diagram illustrated in the second embodiment. The configuration of the third embodiment may be applied to the configuration of 3. In that case, it goes without saying that the same effect as in the second embodiment can be obtained.
1 電源、2 負荷、3 半導体スイッチ、4 電圧検出部、5 温度検出部、6 過電流演算部、7 比較部、8 制御部、9 閾値演算部、10 回路保護部、11 過電流判定閾値抽出部、12 温度対閾値マップ。
1 power supply, 2 load, 3 semiconductor switch, 4 voltage detection unit, 5 temperature detection unit, 6 overcurrent calculation unit, 7 comparison unit, 8 control unit, 9 threshold calculation unit, 10 circuit protection unit, 11 overcurrent determination
この発明に係る電力変換装置は、電源と負荷とを接続している経路に接続された半導体スイッチと、上記半導体スイッチに印加される電圧を検出する電圧検出部と、上記半導体スイッチの温度を検出する温度検出部と、上記電圧検出部の構成要素の変動要素を含む特性を示す電圧検出パラメータと、上記温度検出部で検出された上記半導体スイッチの温度とが入力され、上記電圧検出パラメータおよび上記温度と、上記半導体スイッチにおいて過電流として判定される電流の下限値との相関に基づいて、入力された上記電圧検出パラメータおよび上記温度に対する、上記過電流として判定される電流の下限値を求める過電流演算部と、上記過電流演算部によって演算された上記電流の下限値に対応する電圧値を求めて過電流判定閾値として出力する閾値演算部と、上記閾値演算部によって演算された過電流判定閾値と、上記電圧検出部によって検出された上記電圧とを比較して、上記電圧が上記過電流判定閾値以上の場合に、駆動制御信号を出力する比較部と、上記比較部からの上記駆動制御信号に基づいて、上記半導体スイッチをオフする制御部とを備え、上記過電流演算部は、上記過電流として判定される上記電流の上記下限値が、正常動作時に上記半導体スイッチに通流される最大電流値より大きく、且つ、上記半導体スイッチのアバランシェ耐量に基づいたアバランシェ電流値より小さい範囲内になるように、上記過電流として判定される上記電流の上記下限値を求める。 The power conversion device according to the present invention includes a semiconductor switch connected to a path connecting a power source and a load, a voltage detection unit that detects a voltage applied to the semiconductor switch, and a temperature of the semiconductor switch. Temperature detection unit, a voltage detection parameter indicating characteristics including a variable element of the component of the voltage detection unit, and the temperature of the semiconductor switch detected by the temperature detection unit are input, the voltage detection parameter and the above Based on the correlation between the temperature and the lower limit value of the current that is determined as an overcurrent in the semiconductor switch, an excessive value for determining the lower limit value of the current that is determined as the overcurrent with respect to the input voltage detection parameter and the temperature. A voltage value corresponding to a lower limit value of the current calculated by the current calculation unit and the overcurrent calculation unit is obtained and output as an overcurrent determination threshold value. The threshold value calculation unit, the overcurrent determination threshold value calculated by the threshold value calculation unit, and the voltage detected by the voltage detection unit are compared, and the drive is performed when the voltage is equal to or greater than the overcurrent determination threshold value. A comparator that outputs a control signal; and a controller that turns off the semiconductor switch based on the drive control signal from the comparator, and the overcurrent calculator determines the current that is determined as the overcurrent. Is determined as the overcurrent so that the lower limit value is within a range that is larger than the maximum current value passed through the semiconductor switch during normal operation and smaller than the avalanche current value based on the avalanche resistance of the semiconductor switch. The lower limit value of the current to be obtained is obtained.
Claims (8)
上記半導体スイッチに印加される電圧を検出する電圧検出部と、
上記半導体スイッチの温度を検出する温度検出部と、
上記電圧検出部の構成要素の変動要素を含む特性を示す電圧検出パラメータと、上記温度検出部で検出された上記半導体スイッチの温度とが入力され、上記電圧検出パラメータおよび上記温度と、上記半導体スイッチにおいて過電流として判定される電流の下限値との相関に基づいて、入力された上記電圧検出パラメータおよび上記温度に対する、上記過電流として判定される電流の下限値を求める過電流演算部と、
上記過電流演算部によって演算された上記電流の下限値に対応する電圧値を求めて過電流判定閾値として出力する閾値演算部と、
上記閾値演算部によって演算された過電流判定閾値と、上記電圧検出部によって検出された上記電圧とを比較して、上記電圧が上記過電流判定閾値以上の場合に、駆動制御信号を出力する比較部と、
上記比較部からの上記駆動制御信号に基づいて、上記半導体スイッチをオフする制御部と
を備え、
上記過電流演算部は、上記過電流として判定される上記電流の上記下限値が、正常動作時に上記半導体スイッチに通流される最大電流値より大きく、且つ、上記半導体スイッチに通流可能な上限電流値より小さい範囲内になるように、上記過電流として判定される上記電流の上記下限値を求める、
電力変換装置。 A semiconductor switch connected to the path connecting the power source and the load;
A voltage detector for detecting a voltage applied to the semiconductor switch;
A temperature detector for detecting the temperature of the semiconductor switch;
A voltage detection parameter indicating characteristics including a variable element of a component of the voltage detection unit, and a temperature of the semiconductor switch detected by the temperature detection unit are input, and the voltage detection parameter, the temperature, and the semiconductor switch are input. An overcurrent calculation unit for obtaining a lower limit value of the current determined as the overcurrent with respect to the input voltage detection parameter and the temperature based on a correlation with a lower limit value of the current determined as an overcurrent in
A threshold value calculation unit that obtains a voltage value corresponding to the lower limit value of the current calculated by the overcurrent calculation unit and outputs it as an overcurrent determination threshold value;
A comparison that compares the overcurrent determination threshold calculated by the threshold calculation unit with the voltage detected by the voltage detection unit, and outputs a drive control signal when the voltage is greater than or equal to the overcurrent determination threshold And
A control unit that turns off the semiconductor switch based on the drive control signal from the comparison unit, and
The overcurrent calculation unit is configured such that the lower limit value of the current determined as the overcurrent is larger than a maximum current value that is allowed to flow through the semiconductor switch during normal operation, and an upper limit current that can be passed through the semiconductor switch. Obtaining the lower limit value of the current determined as the overcurrent so as to be within a range smaller than the value;
Power conversion device.
請求項1に記載の電力変換装置。 The upper limit current value that can flow to the semiconductor switch is set to a current value based on the avalanche resistance of the semiconductor switch,
The power conversion device according to claim 1.
請求項1に記載の電力変換装置。 The upper limit current value that can flow to the semiconductor switch is set to a current value based on a safe operation region of the semiconductor switch,
The power conversion device according to claim 1.
をさらに備えた、
請求項1から3までのいずれか1項に記載の電力変換装置。 A circuit protection unit that is connected to the path connecting the power source and the load and that performs a shut-off operation that shuts off the current flow when a current that is equal to or greater than a preset operating current value flows. The
The power converter according to any one of claims 1 to 3.
請求項4に記載の電力変換装置。 The operating current value of the circuit protection unit is set to a value smaller than the current value based on the avalanche resistance of the semiconductor switch.
The power conversion device according to claim 4.
請求項4に記載の電力変換装置。 The operating current value of the circuit protection unit is set to a value smaller than the current value based on the safe operating area of the semiconductor switch.
The power conversion device according to claim 4.
請求項1から6までのいずれか1項に記載の電力変換装置。 The temperature detection unit detects the temperature of the semiconductor switch using a temperature detection diode arranged on the same chip as the semiconductor switch.
The power converter according to any one of claims 1 to 6.
上記過電流演算部は、上記マップを用いて、上記過電流として判定される上記電流の上記下限値を求める、
請求項1から7までのいずれか1項に記載の電力変換装置。 A map storage unit that stores a map in which the lower limit value of the current determined as the overcurrent is stored for each voltage detection parameter and for each temperature of the semiconductor switch;
The overcurrent calculation unit obtains the lower limit value of the current determined as the overcurrent using the map.
The power converter according to any one of claims 1 to 7.
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