JP2020014295A - 電力変換装置及び電力変換装置における電流制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】対アームをなすパワー半導体素子の破損を防止して省エネルギー化及び高信頼化を図ることができる電力変換装置及び電力変換装置における電流制御方法を提案する。【解決手段】電力変換装置４は、対アームを構成するパワー半導体素子４１〜４２と、パワー半導体素子４１〜４２のゲートの制御指令を出力する制御部１１と、制御指令に応じてゲートに電圧を印可してパワー半導体素子４１〜４２を駆動するゲート駆動装置２１〜２２と、を有する。制御部１１は、パワー半導体素子４１〜４２の逆方向に還流電流を導通させるための還流動作指令をゲート駆動装置２１〜２２に出力し、ゲート駆動装置２１〜２２は、還流動作指令に応じて対アームの全てのパワー半導体素子４１〜４２に所定電圧を印加するようにした。【選択図】図２

Description

本発明は電力変換装置及び電力変換装置における電流制御方法に関し、例えば、ボディダイオードを有するパワー半導体素子を駆動する電力変換装置に適用して好適なるものである。

パワー半導体素子を用いた電力変換装置がある。例えば鉄道車両の駆動装置は、架線から取り込んだ電力を、インバータ等の電力変換装置により所望の周波数及び電圧に変換した３相交流電力で電動機を回転させて駆動力を得る構成が主流となっている。

近年、かかる電力変換装置では、更なる省エネルギー化のため、パワー半導体素子に、ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）に代え、例えばＳｉＣ−ＭＯＳＦＥＴ（Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor）が用いられてきている。ＳｉＣは、シリコンよりもバンドギャップが大きく絶縁耐圧がシリコンの１０倍程度である。このため、ＳｉＣ−ＭＯＳＦＥＴは、ＩＧＢＴと比較して、素子の厚みを１／１０程度に小さくでき、導通時の抵抗が１／１０程度に抑えられ、導通損失を低減できる。

また、ＳｉＣ−ＭＯＳＦＥＴは、導通時の抵抗を下げられるため、定格電圧が例えば３．３ｋＶの鉄道車両の高耐圧素子として用いる場合でも、ＩＧＢＴのように電荷を蓄積して導通抵抗を下げるバイポーラデバイス構造にする必要がない。つまり、ＳｉＣ−ＭＯＳＦＥＴは、ＭＯＳＦＥＴ（Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor）やＪＦＥＴ（Junction ＦＥＴ）のようなユニポーラデバイス構造にできる。ユニポーラデバイスは、バイポーラデバイスに比べて電荷の蓄積がないことによりスイッチング損失が小さく、電力変換装置の更なる省エネルギー化に貢献できる。

また、ＳｉＣ−ＭＯＳＦＥＴは、ＩＧＢＴと異なり、ゲートに所定電圧を印加することで逆方向にも電流を導通させることができる（例えば特許文献１参照）。このため、ＳｉＣ−ＭＯＳＦＥＴは、フリーホイールダイオードが不要となり、素子を小型化できるという特長を持つ。

特開２０１３−２０７８２１号公報

一般的に、電力変換装置において、パワー半導体素子に何らかの異常（オンオフのゲート指令と実際のオンオフ状態との不整合等）が検知されると、パワー半導体素子が故障したと判断し、パワー半導体素子を全オフにして電力変換装置を停止させることが行われている。このようにして、電力変換装置において、他のパワー半導体素子に故障が波及して素子破壊が拡大することを防止している。

しかしながら、例えば鉄道車両において、ＳｉＣ−ＭＯＳＦＥＴに何らかの異常が検知され、ＳｉＣ−ＭＯＳＦＥＴを全オフにして電力変換装置を停止させた際、回転し続ける永久磁石型同期電動機により発電された電流が電力変換装置に流れ込む。この電流は、ゲートがオフとなっていることでＳｉＣ−ＭＯＳＦＥＴが逆方向に電流を流すことができないために、ＳｉＣ−ＭＯＳＦＥＴの寄生ダイオードであるボディダイオードを流れる。ボディダイオードは、順方向の電圧降下が大きく、通電すると大きな損失を発生し、ＳｉＣ−ＭＯＳＦＥＴが熱破壊するという問題がある。

この問題の対応策として、ＳｉＣ−ＭＯＳＦＥＴに何らかの異常が検知されると、ＳｉＣ−ＭＯＳＦＥＴを全オンにして電流をボディダイオードではなくＳｉＣ−ＭＯＳＦＥＴのスイッチング素子側（ソース−ドレイン間）に流す、いわゆる同期整流駆動を行う方法がある。しかし、何らかの異常で停止している電力変換装置では、何れかのＳｉＣ−ＭＯＳＦＥＴが故障している可能性があるため、ＳｉＣ−ＭＯＳＦＥＴを全オンにするゲートオン指令により、故障したＳｉＣ−ＭＯＳＦＥＴと、このＳｉＣ−ＭＯＳＦＥＴと対アームをなすＳｉＣ−ＭＯＳＦＥＴとが同時にオンされてプラスとマイナスの電源線を短絡させるいわゆるアーム短絡が生じ、大きな障害を引き起こす場合がある。

本発明は以上の点を考慮してなされたもので、対アームをなすパワー半導体素子のボディダイオードを流れる還流電流の一部又は大半をスイッチング素子側に流すことにより、パワー半導体素子の破損を防止して省エネルギー化及び高信頼化を図ることができる電力変換装置及び電力変換装置における電流制御方法を提案しようとするものである。

かかる課題を解決するため本発明においては、電力変換装置は、対アームをなす複数のパワー半導体素子と、前記複数のパワー半導体素子のゲートの制御指令を出力する制御部と、前記制御指令に応じて前記ゲートに電圧を印可して前記パワー半導体素子を駆動するゲート駆動装置と、を有する。前記制御部は、前記電力変換装置で異常が検知された場合に、前記パワー半導体素子の逆方向に電流を導通させる所定電圧を印可するための還流動作指令を前記ゲート駆動装置に出力し、前記ゲート駆動装置は、前記還流動作指令に応じて前記対アームの全ての前記パワー半導体素子に前記所定電圧を印加するようにした。

また本発明においては、対アームをなす複数のパワー半導体素子と、前記複数のパワー半導体素子のゲートの制御指令を出力する制御部と、前記制御指令に応じて前記ゲートに電圧を印可して前記パワー半導体素子を駆動するゲート駆動装置と、を有する電力変換装置において実行される電流制御方法において、前記制御部が、前記パワー半導体素子の逆方向に電流を導通させる所定電圧を印可するための還流動作指令を前記ゲート駆動装置に出力し、前記ゲート駆動装置が、前記還流動作指令に応じて前記対アームの全ての前記パワー半導体素子に前記所定電圧を印加するようにした。

本電力変換装置及び電力変換装置における電流制御方法によれば、対アームをなすパワー半導体素子のボディダイオードを流れる還流電流の一部又は大半をスイッチング素子側に流すことができる。

本発明によれば、パワー半導体素子の破損を防止して省エネルギー化及び高信頼化を図ることができる電力変換装置及び電力変換装置における電流制御方法を実現できる。

第１の実施の形態の電力変換装置の構成を示す図である。 第１の実施の形態のゲート駆動装置の構成を示す図である。 第１の実施の形態のゲート電圧出力回路の構成を示す図である。 第１の実施の形態のスイッチング素子及び寄生ダイオードを流れる電流の変化を示すタイムチャートである。 第１の実施の形態の変形例の電力変換装置の構成を示す図である。 第１の実施の形態の変形例の電力変換装置の構成を示す図である。 第１の実施の形態の変形例の電力変換装置の構成を示す図である。 第１の実施の形態の変形例の電力変換装置の構成を示す図である。 第２の実施の形態のゲート駆動装置の構成を示す図である。 第２の実施の形態のゲート電圧出力回路の構成を示す図である。 第３の実施の形態のゲート電圧出力回路の構成を示す図である。 第３の実施の形態の変形例のゲート電圧出力回路の構成を示す図である。 第４の実施の形態の電力変換装置の構成を示す図である。

以下図面について、本発明の一実施の形態を詳述する。以下の各実施の形態及び各変形例の説明では、同一の要素に同一符号を付与して、後述の説明を省略する。なお、以下の各実施の形態及び各変形例は、矛盾しない範囲で、その一部又は全部を組合せてもよい。

（１）第１の実施の形態
（１−１）第１の実施の形態による電力変換装置の構成
図１は、第１の実施の形態の電力変換装置の構成を示す図である。第１の実施の形態の電力変換装置４を含む鉄道車両１００は、電動機の駆動装置が有する電力変換装置４として、例えば２レベルインバータを用いる。

鉄道車両１００は、図１に示すように、架線から電力を集電する集電装置（パンタグラフ）１、フィルタリアクトル２、フィルタコンデンサ３、電力変換装置４、電動機（モータ）５、車輪６、及び遮断器７を有する。

電力変換装置４は、プラス電源線及びマイナス電源線と接続される。プラス電源線は、集電装置１を介して架線に接続される。マイナス電源線は、車輪６を介してレールに接続される。フィルタリアクトル２及びフィルタコンデンサ３は、例えば数十Ｈｚで動作するフィルタ回路を構成する。

遮断器７は、過電流及び過電圧が発生した際、架線からの電力を遮断して電力変換装置４を保護する。電力変換装置４は、架線から取り込まれた電力を、Ｕ、Ｖ、及びＷの３相交流電力に変換して出力する。電動機５は、電力変換装置４のＵ、Ｖ、及びＷの各相の出力端子に接続され、電力変換装置４から出力された３相交流電力で駆動される。電動機５は、例えば永久磁石型同期電動機（Permanent Magnet Synchronous Motor：ＰＭＳＭ）である。

電力変換装置４は、制御部１１、ゲート駆動装置２１〜２６、及びパワー半導体素子４１〜４６を有する。制御部１１と、ゲート駆動装置２１〜２６とは、信号線１２を介して接続される。

制御部１１は、信号線１２を介して、パワー半導体素子４１〜４６の各ゲートをオンオフするゲート指令１１１（オンのゲート指令及びオフのゲート指令、図２参照）を、ゲート駆動装置２１〜２６それぞれに出力する。また、制御部１１は、信号線１２を介して、パワー半導体素子４１〜４６を還流動作させる還流動作指令１１７（図２参照）を、ゲート駆動装置２１〜２６それぞれに出力する。また、制御部１１は、信号線１２を介して、パワー半導体素子４１〜４６の各ゲートのオンオフの状態を示すフィードバック信号（図２参照）を、ゲート駆動装置２１〜２６それぞれから受信する。

パワー半導体素子４１〜４６は、ＳｉＣ−ＭＯＳＦＥＴ（ＳｉＣ−Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor）である。パワー半導体素子４１〜４２と、４３〜４４と、４５〜４６とのそれぞれは、２レベルインバータの各相の上下アームを構成する。

パワー半導体素子４１は、スイッチング素子４１ａ及びこのスイッチング素子４１ａに並列接続されたボディダイオード４１ｂを含む。本実施の形態では、ゲートがオンされることにより電流を導通させ、ゲートがオフされることにより電流を遮断するパワー半導体素子４１のソース−ドレイン間を、スイッチング素子４１ａと呼ぶ。ボディダイオード４１ｂは、パワー半導体素子４１の寄生ダイオードである。スイッチング素子４１ａのゲートには、ゲート駆動装置２１が接続される。同様に、パワー半導体素子４２〜４６は、図１に示すように、それぞれスイッチング素子４２ａ〜４６ａ及びボディダイオード４２ｂ〜４６ｂを有する。スイッチング素子４２ａ〜４６ａの各ゲートには、ゲート駆動装置２２〜２６がそれぞれ接続される。

（１−２）第１の実施の形態によるゲート駆動装置の構成
図２は、第１の実施の形態のゲート駆動装置の構成を示す図である。図２は、第１の実施の形態のゲート駆動装置２１〜２６のうち、Ｕ、Ｖ、及びＷの３相のうちＵ相の上アームを構成するパワー半導体素子４１を駆動するゲート駆動装置２１を例示するが、Ｕ相の下アームを構成するパワー半導体素子４２を駆動するゲート駆動装置２２、並びに他の２相のパワー半導体素子４３〜４６及びゲート駆動装置２３〜２６についても同様である。

ゲート駆動装置２１は、絶縁回路１０１、ゲート電圧出力回路１０２、及びオンオフ状態判定回路１０３を有する。

絶縁回路１０１は、ゲート指令１１１、還流動作指令１１７、及びフィードバック信号１１６を絶縁する。また、絶縁回路１０１は、制御部１１から受信したゲート指令１１１をゲート指令１１２に変換してゲート電圧出力回路１０２及びオンオフ状態判定回路１０３に出力する。また、絶縁回路１０１は、制御部１１から受信した還流動作指令１１７を還流動作指令１１８に変換してゲート電圧出力回路１０２に出力する。また、絶縁回路１０１は、オンオフ状態判定回路１０３から受信したフィードバック信号１１５をフィードバック信号１１６に変換して制御部１１に出力する。

ゲート電圧出力回路１０２は、絶縁回路１０１からゲート指令１１２を受信し、ゲート指令１１２に応じたゲート電圧１１３をパワー半導体素子４１のゲートに印加する。また、ゲート電圧出力回路１０２は、絶縁回路１０１から還流動作指令１１８を受信し、還流動作指令１１８に応じたゲート電圧１１３をパワー半導体素子４１のゲートに印加する。また、ゲート電圧出力回路１０２は、パワー半導体素子４１のゲート電圧を監視し、このゲート電圧を示すゲート電圧監視信号１１４を、ゲート電圧１１３の出力と同時にオンオフ状態判定回路１０３に出力する。

ゲート電圧１１３は、オンのゲート指令１１２の場合には、パワー半導体素子４１のゲートをオンにして順方向に電流を導通させるための閾値電圧Ｖｔｈ以上の第１の電圧（ＶＤＤ１）である。また、ゲート電圧１１３は、オフのゲート指令１１２の場合には、パワー半導体素子４１のゲートをオフにして電流を遮断するための閾値電圧Ｖｔｈ未満の０又は所定の負電圧の第２の電圧（ＶＳＳ）である。また、ゲート電圧１１３は、還流動作指令１１８の場合には、パワー半導体素子４１の逆方向（ソース−ドレイン間）に電流を導通させるための、閾値電圧Ｖｔｈ未満かつ第２の電圧（ＶＳＳ）より大の第３の電圧（ＶＤＤ２）である。例えばパワー半導体素子４１の閾値電圧Ｖｔｈが４Ｖの場合は、第３の電圧(ＶＤＤ２)は４Ｖ未満に制御する。

ここで、パワー半導体素子４１〜４６に第３の電圧（ＶＤＤ２）を印加すると、パワー半導体素子４１〜４６の逆方向に電流が流れるのは、基板バイアス効果を利用したものである。基板バイアス効果とは、閾値電圧Ｖｔｈが、バックゲート（基板）の電圧により変動することである。基板バイアス効果により逆方向に電流が流れる場合、すなわちパワー半導体素子４１〜４６に逆方向電圧が印加されている場合には、ドレイン電圧が負になるために閾値電圧Ｖｔｈが等価的に下がり、ゲートに閾値電圧Ｖｔｈ未満の電圧を印加してもチャネルが形成されてパワー半導体素子４１〜４６に電流が流れる。一方、電流が順方向に流れる場合、すなわちパワー半導体素子４１〜４６に順方向電圧が印加されている場合には、基板バイアス効果が小さくなる又は発生しなくなり、閾値電圧Ｖｔｈは通常値に戻るため、ゲートに印加している電圧が閾値電圧Ｖｔｈ未満の場合にはパワー半導体素子４１〜４６には電流が流れない。

オンオフ状態判定回路１０３は、ゲート電圧出力回路１０２からゲート電圧監視信号１１４を受信し、ゲート電圧監視信号１１４をもとにパワー半導体素子４１のゲートの状態を判定する。例えばオンオフ状態判定回路１０３は、ゲート電圧監視信号１１４と基準電圧とを比較し、ゲート電圧監視信号１１４が基準電圧以上ならばパワー半導体素子４１のゲートがオンの状態、基準電圧未満ならばオフの状態であることを示すフィードバック信号１１５を生成して絶縁回路１０１に出力する。

制御部１１は、絶縁回路１０１でフィードバック信号１１５から変換されたフィードバック信号１１６をもとにパワー半導体素子４１の状態を監視し、ゲート指令１１１とフィードバック信号１１６との不一致（以後「ＦＢ不一致」と呼ぶ）を検知すると、パワー半導体素子４１が故障したと判定する。制御部１１は、ＦＢ不一致を検知すると、ゲート駆動装置２１〜２６にオフのゲート指令１１１を出力し、パワー半導体素子４１〜４６を全オフにして電力変換装置４を停止させる。なお、制御部１１は、例えば架線電圧の低下や過電圧等を監視し、これらに何らかの異常を検知した場合に、ゲート駆動装置２１〜２６にオフのゲート指令１１１を出力し、パワー半導体素子４１〜４６を全オフにして電力変換装置４を停止させてもよい。

ここで、電動機５は、回転子（ロータ）内に磁石を有するため、電動機５の回転中に制御部１１が何らかの異常を検知して電力変換装置４を停止させた場合に、電動機５が発電機として動作し、電動機５の回転により発生した電流が電力変換装置４に流れ込む。この電流は、異常検知により停止したパワー半導体素子４１〜４６のボディダイオード４１ｂ〜４６ｂを通してフィルタコンデンサ３に流れこみ、フィルタコンデンサ３を充電する。

そこで、制御部１１は、電動機５が動作している時に何らかの異常で故障発生と判定してパワー半導体素子４１〜４６を全オフさせた後、還流動作指令１１７をゲート駆動装置２１〜２６に出力する。ゲート駆動装置２１〜２６は、還流動作指令１１７を受信すると、パワー半導体素子４１〜４６に第３のゲート電圧を印加する。パワー半導体素子４１〜４６は、第３のゲート電圧の印加に応じて逆方向に電流を流すことで、電動機５からの還流電流の一部もしくは大半をパワー半導体素子４１〜４６のスイッチング素子４１ａ〜４６ａ側に流す還流動作を行う。これにより、パワー半導体素子４１〜４６のボディダイオード４１ｂ〜４６ｂに流れる還流電流を抑制し、ボディダイオード４１ｂ〜４６ｂの発熱による破壊を防ぐことができる。

なお、制御部１１とゲート駆動装置２１間を電線で接続する場合、低電圧で駆動する制御部１１と高電圧で駆動するパワー半導体素子４１、ゲート電圧出力回路１０２及びオンオフ状態判定回路１０３を絶縁する必要があるため、絶縁回路１０１に絶縁機能を設ける。一方、制御部１１とゲート駆動装置２１との間を光回線で接続した場合には、絶縁回路１０１は、ゲート指令１１１、還流動作指令１１７及びフィードバック信号１１６を光信号から電気信号へ変換するだけであるので、この絶縁機能は必要ない。

（１−３）第１の実施の形態によるゲート電圧出力回路の構成
図３は、第１の実施の形態のゲート電圧出力回路の構成を示す図である。第１の実施の形態のゲート電圧出力回路１０２は、トランジスタ１２１、１２２、及び１２３、スイッチ１２５、抵抗１３１、１３２、及び１３３、レベル変換器１４１、１４２、及び１４３、電圧生成部１５１、１５２、及び１６１を有する。抵抗１３１は、パワー半導体素子４１〜４６のスイッチング特性を制御する。電圧生成部１５１及び１５２は、電圧ＶＤＤ１を出力する。電圧生成部１６１は、電圧ＶＤＤ２を出力する。レベル変換器１４１及び１４２、１４３、並びに、電圧生成部１５１及び１５２の間の中間電位は、ソース接地線１１０で接地されている。

ゲート電圧出力回路１０２は、ゲート指令１１２がオンのときはトランジスタ１２１をオンにし、第１の電圧（ＶＤＤ１）のゲート電圧１１３を出力する。また、ゲート電圧出力回路１０２は、ゲート指令１１２がオフのときはトランジスタ１２２をオンにし、第２の電圧（ＶＳＳ）のゲート電圧１１３を出力する。また、ゲート電圧出力回路１０２は、還流動作指令１１７がオンのときは、スイッチ１２５によりトランジスタ１２２をオフにし、第３の電圧（ＶＤＤ２）のゲート電圧１１３を出力する。

なお、図３は、トランジスタ１２１〜１２３にＭＯＳＦＥＴを用いた場合を例示しているが、バイポーラトランジスタを適用した場合でも同様の効果が得られる。

（１−４）第１の実施の形態のスイッチング素子及び寄生ダイオードを流れる電流の変化
図４は、第１の実施の形態のスイッチング素子及び寄生ダイオードを流れる電流の変化を示すタイムチャートである。図４は、制御部１１が、ゲート駆動装置２１及び２４にオン指令を出している状態で時刻ｔ１に制御部１１が異常を検知した場合を、電力変換装置４の３相のうちのＵ相上下アームのパワー半導体素子４１〜４２を例示して説明するが、他の相の対アームをなす直列接続されたパワー半導体素子４３〜４４及び４５〜４６についても同様である。

時刻ｔ２で、制御部１１は、ゲート駆動装置２１及び２４にオフのゲート指令１１１を出力する。オフのゲート指令１１１によりパワー半導体素子４１のゲート電圧１１３は低下を始め、ゲート電圧１１３が閾値電圧Ｖｔｈを下回る時刻ｔ３でパワー半導体素子４２のボディダイオード４１ｂに、電動機５からの還流電流である電流Ｉｄ２が流れ出す。パワー半導体素子４１のゲート電圧１１３が電圧ＶＳＳになっている時刻ｔ４で、制御部１１は、ゲート駆動装置２１〜２６の全てに還流動作指令１１７を出力する。

なお、ＭＯＳＦＥＴは、ＩＧＢＴの様な蓄積キャリアがないため、制御部１１がゲート指令１１１を出力してから例えば０．５μｓの所定時間が経過すれば、このゲート指令１１１に応じたスイッチングが終了する。そのため、制御部１１は、時刻ｔ２で全オフのゲート指令１１１を出力してから例えば０．５μｓの第１の所定時間が経過した時刻ｔ４以降に還流動作指令１１７を出力することが好ましい。これにより、全オフのゲート指令１１１に基づくスイッチングの影響を排除して還流動作を行うことができる。

制御部１１が還流動作指令１１７を出力すると、パワー半導体素子４１のゲート電圧１１３及びパワー半導体素子４２のゲート電圧１１３−２が上昇を始めるのと同時に、電動機５からの還流電流がパワー半導体素子４２のボディダイオード４２ｂからスイッチング素子４２ａ（パワー半導体素子４２のソース−ドレイン間）に転流し、ボディダイオード４２ｂを流れる電流Ｉｄ２は減少し、スイッチング素子４２ａを流れる電流Ｉｄｓ２が増加する。

そして、パワー半導体素子４１〜４２間の電位がゼロクロスを超えた時刻ｔ５以降、電流Ｉｄ２及びＩｄｓ２は流れなくなり、パワー半導体素子４２のボディダイオード４１ｂの電流Ｉｄ１及びスイッチング素子４１ａ（パワー半導体素子４１のソース−ドレイン間）を流れる電流Ｉｄｓ１が流れる。このように、パワー半導体素子４１のスイッチング素子４１ａに還流電流の一部もしくは大半を流すことで、ボディダイオード４１ｂを流れる電流Ｉｄ１を減少させ、ボディダイオード４１ｂの発熱を抑えてパワー半導体素子４１の破壊を防ぐことができる。

なお、制御部１１は、パワー半導体素子４１〜４６のゲートをオンにする場合には、第３の電圧をパワー半導体素子４１〜４６に印加してから、例えば０．５μｓの第２の所定時間が経過した時刻以降に、ゲートをオンにする第１の電圧（ＶＤＤ１）をパワー半導体素子４１〜４６に印加するためのゲート指令１１１を出力する。第１及び第２の所定時間は、同一でも異なってもよい。

（１−５）第１の実施の形態の効果
第１の実施の形態によれば、パワー半導体素子の異常が検知された場合に、パワー半導体素子を全オフにした後に全てのパワー半導体素子に第３の電圧を印加して基板バイアス効果により逆方向に電流が流れるようにし、ボディダイオードを流れる還流電流の一部もしくは大半をスイッチング素子側に流す還流動作を行う。よって、パワー半導体素子がボディダイオードを流れる還流電流により熱破壊することを防止できる。また、対アームをなすパワー半導体素子で異常が発生した際に、対アームを構成する他のパワー半導体素子に故障が波及することを防止できる。

（１−６）第１の実施の形態の変形例
本実施の形態では、３相を出力する電力変換装置４を例示したが、これに限られず、１相の上下アームを構成する１対のパワー半導体素子を有する、または、２相の上下アームを構成する２対のパワー半導体素子を有する電力変換装置であってもよい。

また、本実施の形態では、制御部１１は、パワー半導体素子の全オフのゲート指令１１１を出力してから所定時間経過後の時刻で還流動作指令１１７を出力するとしたが、これに限られず、全オフのゲート指令１１１を出力してから直ちに還流動作指令１１７を出力してもよい。

また、本実施の形態では、パワー半導体素子４１〜４６としてＳｉＣ−ＭＯＳＦＥＴを例示して説明した。しかし、これに限られず、パワー半導体素子は、ボディダイオードをフリーホイールダイオードとして用いることができる、バンドギャップが所定値以上の他のワイドギャップ半導体素子、すなわちシリコン、ガリウムナイトライド、ダイヤモンド等のパワー半導体素子であってもよい。

また、本実施の形態では、パワー半導体素子４１〜４６のボディダイオード４１ｂ〜４６ｂをフリーホイールダイオードとして用いた場合を示した。しかし、これに限られず、図５にＵ相のパワー半導体素子４１〜４２で例示する電力変換装置４Ａのように、パワー半導体素子４１〜４２と並列にフリーホイールダイオード５１〜５２が接続されていてもよい。この場合もボディダイオード４１ｂ〜４２ｂに流れる電流を抑制してパワー半導体素子の破壊を防ぐことができる。

また、本実施の形態では、ゲート駆動装置２１〜２６によりそれぞれ１つのパワー半導体素子４１〜４６が駆動されるとした。しかし、これに限られず、図６にＵ相のパワー半導体素子４１−１〜４２−２で例示する電力変換装置４Ｂのように、並列接続された２つ以上のパワー半導体素子４１−１〜４１−２がゲート駆動装置２１−１により駆動され、並列接続された２つのパワー半導体素子４２−１〜４２−２がゲート駆動装置２２−１により駆動されてもよい。この場合、パワー半導体素子４１−１〜４１−２、４２−１〜４２−２の並列接続の各ボディダイオード４１ｂを流れる還流電流を分散させるとともに、各ボディダイオード４１ｂ〜４２ｂに流れる電流の一部もしくは大半を各スイッチング素子４１ａに流すことで、発熱を抑制してパワー半導体素子の破壊を防ぐ効果を高めることができる。図６に示す例では、パワー半導体素子４１−１〜４１−２が上アームを構成し、パワー半導体素子４２−１〜４２−２が下アームを構成し、これらの上アームと下アームとが対アームをなす。なお図６では、１つのゲートドライバ２１−１でパワー半導体素子４１−１〜４１−２を駆動し、１つのゲートドライバ２２−１でパワー半導体素子４２−１〜４２−２を駆動する例を示す。しかし、これに限られず、図７に示す電力変換装置４Ｂ−１のように、ゲートドライバ２１−１でパワー半導体素子４１−１を駆動し、ゲートドライバ２１−２でパワー半導体素子４１−２を駆動し、ゲートドライバ２２−１でパワー半導体素子４２−１を駆動し、ゲートドライバ２２−２でパワー半導体素子４２−２を駆動する構成であってもよい。

また、本実施の形態では、電力変換装置４は、２レベルインバータとした。しかし、これに限られず、図８にパワー半導体素子４１−３、４１−４、４２−５、４２−６で例示する電力変換装置４Ｃのように、３レベル以上のマルチレベルインバータであってもよい。図８では、３レベルインバータを例示し、ゲート駆動装置２１−３により駆動されるパワー半導体素子４１−３及びゲート駆動装置２１−４により駆動されるパワー半導体素子４１−４が対アームであり、また、ゲート駆動装置２２−３により駆動されるパワー半導体素子４２−５及びゲート駆動装置２２−４により駆動されるパワー半導体素子４２−６が対アームである。

また、本実施の形態では、制御部１１は、オンオフ状態判定回路１０３が出力したフィードバック信号１１５を変換したフィードバック信号１１６をもとに個々のパワー半導体素子４１〜４６のゲートの状態を監視し、故障を判定するとした。しかし、これに限られるものではなく、個々のパワー半導体素子４１〜４６の状態を監視し、監視結果に基づいて故障を判定するために、種々の既知の手法を用いることができる。

また、本実施の形態では、制御部１１は、パワー半導体素子４１〜４６の故障が検知された場合に、パワー半導体素子４１〜４６を全オフにして電力変換装置４を停止させ、その後、全てのパワー半導体素子４１〜４６に還流動作を行わせるとした。しかし、これに限られず、制御部１１は、電力変換装置４を停止させる際には、パワー半導体素子４１〜４６の故障が検知されたか否かに関わらず、全てのパワー半導体素子４１〜４６に還流動作を行わせるとしてもよい。

（２）第２の実施の形態
図９は、第２の実施の形態のゲート駆動装置の構成を示す図である。図１０は、第２の実施の形態のゲート電圧出力回路の構成を示す図である。第２の実施の形態の電力変換装置４Ｄは、第１の実施形態と比較して、パワー半導体素子の温度を測定するサーミスタ等の温度センサ１０５を付加する点が異なる。図９は、Ｕ、Ｖ、及びＷの３相のうちＵ相の上アームを構成するパワー半導体素子４１を駆動するゲート駆動装置２１Ｄを例示するが、Ｕ相の下アームを構成するパワー半導体素子４２を駆動するゲート駆動装置２２Ｄ、並びに他の２相のパワー半導体素子４３〜４６及びゲート駆動装置についても同様である。

ＳｉＣ−ＭＯＳＦＥＴの閾値電圧Ｖｔｈは、高温では低下し、低温では上昇するという温度特性を持っている。このため、閾値電圧Ｖｔｈの変動に応じて第３の電圧（ＶＤＤ２）も温度に応じて補正する必要がある。図１０に示すように、本実施の形態では、ゲート電圧出力回路１０２Ｄの電圧生成部１１９が、パワー半導体素子４１の温度信号１２０が示す温度に依存して変化する閾値電圧Ｖｔｈより小さくかつ第２の電圧（ＶＳＳ）より大の第３の電圧（ＶＤＤ２）を生成する。

電圧生成部１１９は、ＰＬＤ（Programmable Logic Device）等のプログラミング可能な回路で実装してもよい。この場合、例えば電圧生成部１１９は、温度信号１２０をＡＤ（Analog to Digital）変換した温度データをもとに、予め用意されたテーブル等を参照してこの温度データに対応する第３の電圧を取得し、ＤＡ（Digital to Analog）変換して出力する。あるいは、例えば電圧生成部１１９は、温度信号１２０をＡＤ（Analog to Digital）変換した温度データをもとに、抵抗値が異なる並列な複数の抵抗を切り替えることにより、もしくはレギュレータで分圧抵抗を変化させることにより、第３の電圧を出力してもよい。

ゲート電圧出力回路１０２Ｄは、異常検知時に、このようにして生成した第３の電圧をパワー半導体素子４１のゲートに印加する。このように、第３の電圧を温度補正することで、温度に依存せずに基板バイアス効果でパワー半導体モジュールに還流電流を流すことができることから、パワー半導体素子の発熱や周辺温度に関わらず安定してボディダイオードの発熱を抑えてパワー半導体素子の破壊を防ぐことができる。

（３）第３の実施の形態
（３−１）第３の実施の形態のゲート電圧出力回路の構成
図１１は、第３の実施の形態のゲート電圧出力回路の構成を示す図である。第３の実施の形態の電力変換装置が有するゲート電圧出力回路１０２Ｆは、第１の実施形態と比較して、抵抗分圧で第３の電圧（ＶＤＤ２）を生成する点が異なる。ゲート電圧出力回路１０２Ｆは、還流動作指令１１８を受けると、トランジスタ１２１〜１２２をオフとし、トランジスタ１２３〜１２４をオンとして、抵抗１３３と抵抗１３４の抵抗分圧により、第３の電圧（ＶＤＤ２）のゲート電圧１１３を生成して出力する。本実施の形態によれば、実施の形態１における第３の電圧（ＶＤＤ２）を生成するための電圧生成部１６１を削減できるメリットがある。

（３−２）第３の実施の形態の変形例
また、抵抗分圧により第３の電圧（ＶＤＤ２）を生成する変形例を図１２に示す。図１２は、第３の実施の形態の変形例のゲート電圧出力回路の構成を示す図である。図１２に示すゲート電圧出力回路１０２Ｇの構成で第３の電圧（ＶＤＤ２）を出力できる条件は、抵抗１３２の抵抗値がトランジスタ１２２〜１２３のオンにした抵抗値である１０数ｍΩ程度に対して充分に大きい場合（例えば１０Ω以上）である。この条件下では、トランジスタ１２２〜１２３での損失が少なくトランジスタ１２２〜１２３の発熱による許容損失オーバや劣化が問題にならない。本変形例では、トランジスタ１２２〜１２３をオンとして抵抗１３２と抵抗１３３の抵抗分圧で第３の電圧（ＶＤＤ２）を生成して出力することができる。本変形例によれば、電圧生成部１６１を削減できるとともに、図１１のゲート電圧出力回路１０２Ｆの構成からトランジスタ１２４及び抵抗１３４を削減できるため、ゲート電圧出力回路及びゲート駆動装置のさらなる小型化が可能である。

（４）第４の実施の形態
図１３は、第４の実施の形態の電力変換装置の構成を示す図である。図１３に示すように、第４の実施の形態の鉄道車両１００Ｈは、架線から電力を集電する集電装置１、フィルタリアクトル２、フィルタコンデンサ３、電力変換装置４、電動機５、車輪６、遮断器７、変圧器（トランス）８、及びコンバータ９を有する。コンバータ９は、制御部６１、ゲート駆動装置２７〜３０、及びパワー半導体素子９１〜９４を有する。制御部６１と、ゲート駆動装置２７〜３０とは、信号線６２を介して接続される。

架線に接続された集電装置１から入力された交流電圧は、パワー半導体素子９１〜９４で整流され、フィルタコンデンサ３により平滑化された直流電圧に変換される。遮断器７は、過電流及び過電圧が発生した際、架線からの電力を遮断してコンバータ９を保護する。

制御部６１は、信号線６２を介して、パワー半導体素子９１〜９４の各ゲートをオンオフするゲート指令（オンのゲート指令及びオフのゲート指令）を、ゲート駆動装置２７〜３０それぞれに出力する。また、制御部６１は、信号線６２を介して、パワー半導体素子９１〜９４を還流動作させる還流動作指令を、ゲート駆動装置２７〜３０それぞれに出力する。また、制御部６１は、信号線１２を介して、パワー半導体素子９１〜９４の各ゲートのオンオフの状態を示すフィードバック信号を、ゲート駆動装置２７〜３０から受信する。

パワー半導体素子９１〜９４は、ＳｉＣ−ＭＯＳＦＥＴである。パワー半導体素子９１〜９２、９３〜９４のぞれぞれは、コンバータの各相の上下アームを構成する。

パワー半導体素子９１は、スイッチング素子９１ａ及びこのスイッチング素子９１ａに並列接続されたボディダイオード９１ｂを有する。本実施の形態では、ゲートがオンされることにより電流を導通させ、ゲートがオフされることにより電流を遮断するパワー半導体素子９１のソース−ドレイン間を、スイッチング素子９１ａと呼ぶ。ボディダイオード９１ｂは、パワー半導体素子９１の寄生ダイオードである。スイッチング素子９１ａのゲートには、ゲート駆動装置２７が接続される。同様に、パワー半導体素子９２〜９４は、図１３に示すように、それぞれスイッチング素子９２ａ〜９４ａ及びボディダイオード９２ｂ〜９４ｂを有する。スイッチング素子９２ａ〜９４ａの各ゲートには、ゲート駆動装置２８〜３０がそれぞれ接続される。

制御部６１は、パワー半導体素子９２〜９４の状態を監視し、ゲート指令とフィードバック信号との不一致（ＦＢ不一致）を検知したパワー半導体素子を故障と判定する。制御部６１は、ＦＢ不一致を検知すると、ゲート駆動装置２７〜３０にオフのゲート指令１１１を出力して、パワー半導体素子９１〜９４を全オフにしてコンバータ９を停止させる。

この時、パワー半導体素子９２〜９４には架線からの交流電流が流れ込んでくるため、全オフのままではパワー半導体素子９２〜９４のボディダイオード９１ｂ〜９４ｂに電流が流れてしまい、パワー半導体素子９１〜９４の破壊に至る。

そこで、第１の実施の形態の制御部１１と同様に、制御部６１は、パワー半導体素子９１〜９４の全オフ後、例えば０．５μｓ以上経過した時点で、ゲート駆動装置２７〜３０に還流動作指令を出力する。その結果、パワー半導体素子９２〜９４のスイッチング素子９１ａ〜９４ａに架線からの交流電流の一部もしくは大半が流れるので、ボディダイオード９１ｂ〜９４ｂに流れる電流が減少し発熱が抑えられることで、パワー半導体素子９１〜９４の破壊を防ぐこができる。

なお、コンバータ９は、２レベルコンバータに限らず、３レベル以上のマルチレベルコンバータであってもよい。

（５）第５の実施の形態
第１〜第４の実施の形態では、電力変換装置が有するパワー半導体素子に何らかの異常が発生した場合、電力変換装置が有する全てのパワー半導体素子をオフにするが、これに限られるものではない。第５の実施の形態では、制御部１１及び６２が、パワー半導体素子に何らかの異常が発生した場合、ＦＢ不一致を検知したパワー半導体素子と、このパワー半導体素子に直列に接続されたパワー半導体素子とから構成される対アームのパワー半導体素子に対して、第１〜第４の実施の形態同様に、還流動作指令を出力する。これにより、故障したパワー半導体素子に直列に接続されたパワー半導体素子がオンすることにより発生する短絡破壊を防止し、ボディダイオードに流れる電流を抑制してパワー半導体素子の破壊を防ぐ。

一方で、故障していない対アームのパワー半導体素子に対しては還流電流が流れるタイミングでゲート指令をオンとしてパワー半導体素子のスイッチング素子側に還流電流を流す同期整流動作を継続させる。これにより、故障と無関係なパワー半導体素子における損失及び発熱を抑えることができる。

本発明は、上述の各実施の形態及び各変形例に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない限り、本発明の技術思想の範囲内で考えられるその他の形態についても、本発明の範囲内に含まれる。また、本発明の趣旨を逸脱しない限り、様々な形態で実施することができる。例えば、上述の各実施の形態及び各変形例で例示した各構成及び各処理は、実装形態や処理効率に応じて適宜統合又は分離させてもよい。

４、４Ａ、４Ｂ、４Ｂ−１、４Ｃ、４Ｄ・・・電力変換装置、５・・・電動機、９・・・コンバータ、１１、６１・・・制御部、２１〜２６、２１−１〜２１−４、２２−２〜２２−４、２１Ｄ、２２Ｄ、２７〜３０・・・ゲート駆動装置、４１〜４６、４１−１〜４１−２、４２−１〜４２−２、４１−３〜４１−６、９１〜９４・・・パワー半導体素子、４１ａ〜４６ａ、９１ａ〜９４ａ・・・スイッチング素子、４１ｂ〜４６ｂ、９１ｂ〜９４ｂ・・・ボディダイオード、１０５・・・温度センサ、１１１、１１２・・・ゲート指令、１１３・・・ゲート出力電圧、１１４・・・ゲート電圧監視信号、１１５、１１６・・・フィードバック信号、１１７、１１８・・・還流動作指令。

Claims (16)

1. 対アームをなす複数のパワー半導体素子と、前記複数のパワー半導体素子のゲートの制御指令を出力する制御部と、前記制御指令に応じて前記ゲートに電圧を印可して前記パワー半導体素子を駆動するゲート駆動装置と、を有する電力変換装置において、
   前記制御部は、前記パワー半導体素子の逆方向に電流を導通させる所定電圧を印可するための還流動作指令を前記ゲート駆動装置に出力し、
   前記ゲート駆動装置は、前記還流動作指令に応じて前記対アームの全ての前記パワー半導体素子に前記所定電圧を印加する
   ことを特徴とする電力変換装置。
2. 前記制御部は、前記電力変換装置で異常が検知された場合に、前記還流動作指令を前記ゲート駆動装置に出力する
   ことを特徴とする請求項１に記載の電力変換装置。
3. 前記制御部は、前記電力変換装置で異常が検知された場合に、前記パワー半導体素子の電流を遮断するための遮断指令を前記ゲート駆動装置に出力した後に前記還流動作指令を前記ゲート駆動装置に出力し、
   前記ゲート駆動装置は、前記対アームの全ての前記パワー半導体素子に、前記遮断指令に応じて電流を遮断する電圧を印加した後に、前記還流動作指令に応じて前記所定電圧を印加する
   ことを特徴とする請求項２に記載の電力変換装置。
4. 前記ゲート駆動装置は、前記ゲートの状態の監視結果を前記制御部に出力し、
   前記制御部は、前記監視結果が前記制御指令と一致しない異常を示す場合に、前記還流動作指令を前記ゲート駆動装置に出力する
   ことを特徴とする請求項２又は３に記載の電力変換装置。
5. 前記所定電圧は、前記パワー半導体素子の閾値電圧未満かつ前記パワー半導体素子の電流を遮断する電圧より大の、前記パワー半導体素子に基板バイアス効果を発生させる電圧である
   ことを特徴とする請求項３又は４に記載の電力変換装置。
6. 前記所定電圧は、前記パワー半導体素子において寄生ダイオードとともにソース−ドレイン間に還流電流を流す電圧である
   ことを特徴とする請求項５に記載の電力変換装置。
7. 前記制御部は、前記遮断指令を前記ゲート駆動装置に出力してから第１の所定時間が経過後に前記還流動作指令を前記ゲート駆動装置に出力する
   ことを特徴とする請求項３〜６の何れか１項に記載の電力変換装置。
8. 前記制御部は、前記パワー半導体素子の順方向に電流を導通させる場合に、前記パワー半導体素子に前記所定電圧を印加してから第２の所定時間が経過後に前記パワー半導体素子の順方向に電流を導通させるための導通指令を前記ゲート駆動装置に出力する
   ことを特徴とする請求項７に記載の電力変換装置。
9. 前記対アームを複数含み、
   前記制御部は、全ての前記対アームの前記パワー半導体素子に前記所定電圧を印加するための前記還流動作指令を前記ゲート駆動装置に出力し、
   前記ゲート駆動装置は、前記還流動作指令に応じて全ての前記対アームの前記パワー半導体素子に前記所定電圧を印加する
   ことを特徴とする請求項１〜８の何れか１項に記載の電力変換装置。
10. 前記対アームを複数含み、
    前記制御部は、前記監視結果が異常を示す前記パワー半導体素子が含まれる前記対アームの全ての前記パワー半導体素子に前記所定電圧を印加するための前記還流動作指令を前記ゲート駆動装置に出力し、
    前記ゲート駆動装置は、前記還流動作指令に応じて前記監視結果が異常を示す前記パワー半導体素子が含まれる前記対アームの全ての前記パワー半導体素子に前記所定電圧を印加する
    ことを特徴とする請求項４〜８の何れか１項に記載の電力変換装置。
11. 温度検知部により検知された前記パワー半導体素子の温度に応じて前記所定電圧を補正する
    ことを特徴とする請求項１〜１０の何れか１項に記載の電力変換装置。
12. 前記パワー半導体素子は、バンドギャップが所定値以上のワイドギャップ半導体である
    ことを特徴とする請求項１〜１１のいずれか１項に記載の電力変換装置。
13. 前記対アームの各アームにおいて前記パワー半導体素子が並列接続されている
    ことを特徴とする請求項１〜１２の何れか１項に記載の電力変換装置。
14. 前記電力変換装置は、直流電力を交流電力に変換するインバータである
    ことを特徴とする請求項１〜１３の何れか１項に記載の電力変換装置。
15. 前記電力変換装置は、交流電力を直流電力に変換するコンバータである
    ことを特徴とする請求項１〜１４の何れか１項に記載の電力変換装置。
16. 対アームをなす複数のパワー半導体素子と、
    前記複数のパワー半導体素子のゲートの制御指令を出力する制御部と、
    前記制御指令に応じて前記ゲートに電圧を印可して前記パワー半導体素子を駆動するゲート駆動装置と、を有する電力変換装置において実行される電流制御方法において、
    前記制御部が、前記パワー半導体素子の逆方向に電流を導通させる所定電圧を印可するための還流動作指令を前記ゲート駆動装置に出力し、
    前記ゲート駆動装置は、前記還流動作指令に応じて前記対アームの全ての前記パワー半導体素子に前記所定電圧を印加する
    ことを特徴とする電力変換装置における電流制御方法。

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