JP2022542131A - 過電流保護装置およびこれを使う電力変換装置 - Google Patents

過電流保護装置およびこれを使う電力変換装置 Download PDF

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Abstract

過電流保護装置およびこれを使う電力変換装置が開示される。本発明の一実施例の電力変換装置は、第１出力ノードを通じてスイッチング素子にコレクタ－エミッタ電圧を提供する制御部と、前記第１出力ノードと前記スイッチング素子の間に直列で連結されて前記スイッチング素子の過電流を制限する過電流保護回路を含む。

Description

本発明は過電流保護装置およびこれを使う電力変換装置に関する。
一般的に電力変換装置はある電力を電流、電圧、周波数などが異なる電力に変換する装置であり、電気的に直流（ＤＣ）を交流（ＡＣ）に変換するインバータとＡＣをＤＣに変換するコンバータで代弁される。
図１は一般的な電力変換装置の回路構成図であり、インバータの場合を示したものである。
電力変換装置１００は３相の交流電源が印加されて整流部１１０がこれを整流し、平滑部１２０は整流部１１０が整流した直流電圧を平滑して貯蔵する。インバータ部１３０は平滑部１２０の直流リンクキャパシタに貯蔵された直流電圧をパルス幅変調（ｐｕｌｓｅ ｗｉｄｔｈ ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ、ＰＷＭ）制御信号によって所定電圧および周波数を有する交流電圧を出力して、これを電動機に提供する。
この時、インバータ部１３０は複数のスイッチング素子が所定トポロジーによって配列され、各スイッチング素子はゲート制御部が連結されてＰＷＭ制御信号を該当ゲート制御部から受信する。
図２はゲート制御部の動作を説明するための例示図であり、スイッチング素子のコレクタ－エミッタ電圧ＶＣＥによる遮断動作及びモニター部２１０として抵抗とダイオードを使用した回路を示したものである。
モニター部２１０の抵抗とダイオードは、インバータ部１３０のスイッチング素子のコレクタ－エミッタ電圧ＶＣＥの飽和レベル（ｓａｔｕｒａｔｉｏｎ ｌｅｖｅｌ）をモニタリングして、過電流が検出されるとこれをゲート制御部２００に知らせる。
過電流が検出される場合、ゲート制御部２００は出力電圧を遮断し、故障信号（ｆａｕｌｔ ｓｉｇｎａｌ）を上位制御部に提供する。
このようなゲート制御部の回路で、遮断検出臨界電圧を減らすためにスイッチング素子に直列で複数のダイオードまたはツェナーダイオードを連結する。
図３は遮断検出臨界電圧を減らすために複数のダイオードを連結した様子を説明するためのものであり、図４は遮断検出臨界電圧を減らすためにツェナーダイオードを連結した様子を説明するためのものである。
図３を参照すると、複数のダイオードによって電圧が降下してスイッチング素子の電圧臨界値が修正され、図４を参照すると、ダイオードとツェナーダイオードによって電圧が降下してスイッチング素子の電圧臨界値が修正される。
しかし、前者の場合はダイオードの数量が多くなると温度による偏差が大きくなって回路に影響を及ぼすことになる問題点があり、後者の場合にはゲート制御部の出力電流が小さいとツェナーダイオードが降伏電圧に到達できなくなって電圧誤差が大きくなる問題点がある。
本発明が解決しようとする技術的課題は、簡単な構成によってゲート制御部の電圧臨界値を修正する、過電流保護装置およびこれを使う電力変換装置を提供することである。
前記のような技術的課題を解決するために、本発明の一実施例の過電流保護装置は、第１出力ノードを通じてスイッチング素子にコレクタ－エミッタ電圧を提供する制御部；および前記第１出力ノードと前記スイッチング素子の間に直列で連結されて前記スイッチング素子の過電流を制限する過電流保護回路を含むことができる。
本発明の一実施例において、前記制御部は、第２出力ノードを通じてパルス幅変調（ＰＷＭ）制御信号を前記スイッチング素子のゲートに提供することができる。
本発明の一実施例において、前記過電流保護回路は、第１出力が前記第１出力ノードと連結され、第２出力が前記スイッチング素子と連結されて、前記第１出力ノードと前記スイッチング素子の間に直列で接続する第１ダイオード；第１抵抗；および第２抵抗を含み、前記第１抵抗および第２抵抗の直列連結が前記第１ダイオードに並列で連結され、前記第１抵抗と第２抵抗の間のノードと前記第１ダイオードの第３出力が連結され得る。
本発明の一実施例において、前記過電流保護回路は、シャントレギュレータを含むことができる。
本発明の一実施例の過電流保護装置は、前記過電流保護回路と前記スイッチング素子の間に配置されて前記スイッチング素子に流れる過電流をモニタリングするモニター部をさらに含むことができる。
本発明の一実施例において、前記モニター部は、直列で連結される第３抵抗および第２ダイオードを含むことができる。
本発明の一実施例において、前記制御部は、前記モニター部によって過電流が検出される場合、前記ＰＷＭ制御信号を遮断することができる。
本発明の一実施例において、前記制御部は、前記第１出力ノードの電圧が所定の大きさ以上の場合、前記ＰＷＭ制御信号を遮断することができる。
また、前記のような技術的課題を解決するために、本発明の一実施例の電力変換装置は、直流電圧を提供する直流電圧提供部；ＰＷＭ制御信号によりそれぞれオン／オフされて前記直流電圧を変換して出力する複数のスイッチング素子；第１出力ノードを通じて前記複数のスイッチング素子のそれぞれのゲートに前記ＰＷＭ制御信号を提供し、第２出力ノードを通じて前記複数のスイッチング素子それぞれにコレクタ－エミッタ電圧を提供する制御部；および前記第１出力ノードと前記スイッチング素子の間に直列で連結されて前記スイッチング素子の過電流を制限する過電流保護回路を含むことができる。
本発明の一実施例において、前記過電流保護回路は、第１出力が前記第１出力ノードと連結され、第２出力が前記スイッチング素子と連結されて、前記第１出力ノードと前記スイッチング素子の間に直列で接続するダイオード；第１抵抗；および第２抵抗を含み、前記第１抵抗および第２抵抗の直列連結が前記ダイオードに並列で連結され、前記第１抵抗と第２抵抗の間のノードと前記ダイオードの第３出力が連結され得る。
本発明の一実施例において、前記過電流保護回路は、シャントレギュレータを含むことができる。
また、前記のような技術的課題を解決するために、本発明の一実施例の電力変換装置は、直流電圧を提供する直流電圧提供部；ＰＷＭ制御信号によりそれぞれオン／オフされて前記直流電圧を変換して出力する複数のスイッチング素子；第１出力ノードを通じて前記複数のスイッチング素子のそれぞれのゲートに前記ＰＷＭ制御信号を提供し、第２出力ノードを通じて前記複数のスイッチング素子それぞれにコレクタ－エミッタ電圧を提供する制御部；および前記第１出力ノードと前記スイッチング素子の間に直列で連結されて前記スイッチング素子の過電流を制限する過電流保護回路を含むことができる。
本発明の一実施例において、前記過電流保護回路は、第１出力が前記第１出力ノードと連結され、第２出力が前記スイッチング素子と連結されて、前記第１出力ノードと前記スイッチング素子の間に直列で接続するダイオード；第１抵抗；および第２抵抗を含み、前記第１抵抗および第２抵抗の直列連結が前記ダイオードに並列で連結され、前記第１抵抗と第２抵抗の間のノードと前記ダイオードの第３出力が連結され得る。
本発明の一実施例において、前記過電流保護回路は、シャントレギュレータを含むことができる。
前記のような本発明は、抵抗によって電圧を調整できるシャントレギュレータの特性を利用して過電流検出臨界電圧の大きさを容易に調整することができ、温度などの外部要因による誤差を減らして正確な臨界電圧の設定が可能な効果がある。
一般的な電力変換装置の回路構成図である。 ゲート制御部の動作を説明するための例示図である。 遮断検出臨界電圧を減らすために複数のダイオードを連結した様子を説明するためのものである。 遮断検出臨界電圧を減らすためにツェナーダイオードを連結した様子を説明するためのものである。 電力変換装置に使われるスイッチング素子の特性を説明するための一例示図である。 本発明の一実施例の電力変換装置の過電流保護回路を説明するための一例示図である。
本発明の構成および効果を十分に理解するために、添付した図面を参照して本発明の望ましい実施例を説明する。しかし、本発明は以下で開示される実施例に限定されるものではなく、多様な形態で具現され得、多様な変更を加えることができる。ただし、本実施例に対する説明は本発明の開示を完全なものとし、本発明が属する技術分野の通常の知識を有する者に発明の範疇を完全に知らせるために提供されるものである。添付された図面で構成要素は説明の便宜のためにその大きさを実際より拡大して図示したものであり、各構成要素の比率は誇張または縮小され得る。
「第１」、「第２」等の用語は多様な構成要素の説明に使われ得るが、前記構成要素は前記用語によって限定されてはならない。前記用語は一つの構成要素を他の構成要素から区別する目的でのみ使われ得る。例えば、本発明の権利範囲を逸脱することなく「第１構成要素」は「第２構成要素」と命名され得、同様に「第２構成要素」も「第１構成要素」と命名され得る。また、単数の表現は文脈上明白に異なるように表現しない限り、複数の表現を含む。本発明の実施例で使われる用語は異なって定義されない限り、該当技術分野で通常の知識を有する者に通常的に知られている意味で解釈され得る。
以下では、図面を参照して本発明の一実施例の過電流保護回路およびこれを使う電力変換装置を説明することにする。
図５は電力変換装置に使われるスイッチング素子の特性を説明するための一例示図であり、スイッチング素子として絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ）が使われる場合の特性を示したものである。このようなスイッチング素子は、インバータまたはコンバータなどの多様な電力変換装置に使われ得る。
図面に図示された通り、ゲート－エミッタ電圧ＶＧＥによる、コレクタ－エミッタ電圧ＶＣＥ対比コレクタ電流ＩＣを示している。このようなＩＧＢＴ素子の特性上、過電流検出臨界値は４００Ａに設定され得る。
例えば、図５でＡはゲート－エミッタ電圧ＶＧＥが１５Ｖであり、コレクタ電流ＩＣが臨界値４００Ａである場合、コレクタ－エミッタ電圧ＶＣＥは３．２５Ｖであることを示している。すなわち、過電流検出臨界値が４００Ａに設定される場合、ゲート－エミッタ電圧ＶＧＥが１５Ｖであれば、コレクタ－エミッタ電圧ＶＣＥは３．２５Ｖであり得る。
図６は、本発明の一実施例の過電流保護回路を説明するための一例示図である。
図面に図示された通り、本発明の一実施例の過電流保護回路は、インバータ部１３０のスイッチング素子１０を保護するためのものであり、モニター部２０、制御部４０および過電流制限回路５０を含むことができる。
図６および図５を参照すると、制御部４０の出力ノードＡから出力される電圧Ｖｄｅｓａｔが９．２５Ｖを超過すると制御部４０はフォールト（ｆａｕｌｔ）信号を出力し、ＰＷＭ信号が出力されないように出力ノードＢを遮断することができる。また、制御部４０はフォールト信号が出力されたことを上位制御部（図示されず）に伝送して電力変換装置の動作をオフに制御することができる。
本発明の一実施例において、電圧Ｖｄｅｓａｔが９．２５Ｖを超過すると制御部４０はフォールト（ｆａｕｌｔ）信号を出力するため、過電流制限回路５０とモニター部２０は３．２５Ｖを除いた６Ｖの電圧を降下してスイッチング素子１０に３．２５Ｖが印可されるようにするのである。
モニター部２０の抵抗Ｒｄｅｓａｔとダイオードはその大きさが決定されているものであり、過電流制限回路５０のＶｚｅｎｅｒはダイオード５１にシャントレギュレータの形式で接続されたＲ１およびＲ２の抵抗によって決定され得る。
すなわち、これを再度説明すると、図６の回路で、電圧Ｖｄｅｓａｔは下記のように決定され得る。
［数１］
Ｖｄｅｓａｔ＝Ｖｚｅｎｅｒ＋（ｉｄｅｓａｔ×Ｒｄｅｓａｔ）＋ＶＦ＋ＶＣＥ
ＶＣＥ、ＶＦ、Ｒｄｅｓａｔ、ｉｄｅｓａｔは予め決定されており、Ｖｚｅｎｅｒは下記の数学式によって求めることができる。
［数２］
Ｖｚｅｎｅｒ＝Ｖｒｅｆ（１＋（Ｒ２／Ｒ１））
本発明の一実施例において、過電流制限回路５０は出力ノードＡに直列で接続するダイオード５１に、第１抵抗５２および第２抵抗５３の直列連結が並列で接続され、ダイオード５１の第３出力端子と第１抵抗５２および第２抵抗５３の間のノードが連結され得る。
ただし、本発明の一実施例において、出力ノードＡに直列で接続される素子としてダイオード５１が使われるものを例にして説明しているが、ツェナーダイオードが使われてもよい。
このような回路構成によって、過電流制限回路５０はシャントレギュレータ（ｓｈｕｎｔ ｒｅｇｕｌａｔｏｒ）を構成し、数学式２のように、第１抵抗５２にかかる基準電圧（Ｖｒｅｆ）および第１および第２抵抗５２、５３の抵抗値によってダイオード５１にかかる電圧が決定され得る。
通常シャントレギュレータは定電圧を維持させる回路であり、基準電圧（Ｖｒｅｆ）が一定であり、直列で連結される抵抗の抵抗値によって全体的な電圧を可変できる回路をいう。
本発明の一実施例によると、過電流制限回路５０としてシャントレギュレータを使うことによって、過電流検出臨界電圧の大きさを容易に調整することができ、温度などの外部要因による誤差を減らして正確な臨界電圧を設定することができる。
一方、モニター部２０の抵抗Ｒｄｅｓａｔとダイオードは、スイッチング素子１０のコレクタエミッタ電圧ＶＣＥの飽和レベルをモニタリングして、過電流が検出されるとこれを制御部４０に知らせることができる。制御部４０は過電流検出によって故障信号を電力変換装置の上位制御部（図示されず）に伝送できるであろう。
また、制御部４０は出力ノードＢと連結された第３抵抗Ｒｇ（６０）を通じてスイッチング素子１０のゲートにＰＷＭ制御信号を提供できるであろう。
過電流検出によって故障信号が発生した場合、制御部４０はＰＷＭ制御信号の出力を遮断してスイッチング素子１０の動作が停止するように制御することができる。また、制御部４０は過電流の検出によってだけでなく、出力ノードＡの電圧Ｖｄｅｓａｔが所定の大きさ（例えば、９．２５Ｖ）以上の場合、出力ノードＢを通じてのＰＷＭ制御信号の出力を遮断してスイッチング素子１０の動作が停止するように制御することができる。
前述した数字の大きさは例示的なものであり、回路の素子によって多様に構成され得ることは自明である。
このような本発明の一実施例の回路構成によって、抵抗によって電圧を調整できるシャントレギュレータの特性を利用して過電流検出臨界電圧の大きさを容易に調整することができ、温度などの外部要因による誤差を減らして正確な臨界電圧の設定が可能である。
すなわち、図３のように、直列で連結された複数のダイオードを利用することに比べて、少ない素子で正確に感知電圧を設定することができ、温度による偏差を減らすことができる。また、図４のようにツェナーダイオードを使うことに比べて、小さい電流が流れる場合に降伏電圧に到達できないため正確な電圧降下が難しい問題を解決することができる。
以上、本発明に係る実施例が説明されたが、これは例示的なものに過ぎず、当該分野で通常の知識を有する者であればこれから多様な変形および均等な範囲の実施例が可能であることが理解できるであろう。したがって、本発明の真の技術的保護範囲は次の特許請求の範囲によって定められるべきである。
本発明は、抵抗の変化を通じて電圧を変化させることができる自然法則を利用して過電流検出臨界電圧の大きさを容易に調整できるようにしたものであり、産業上利用可能性がある。
１０：スイッチング素子
２０：モニター部
４０：制御部
５０：過電流保護回路

Claims (12)

  1. 第１出力ノードを通じてスイッチング素子にコレクタ－エミッタ電圧を提供する制御部；および
    前記第１出力ノードと前記スイッチング素子の間に直列で連結されて前記スイッチング素子の過電流を制限する過電流制限回路を含む、過電流保護装置。
  2. 前記制御部は、
    第２出力ノードを通じてパルス幅変調（ＰＷＭ）制御信号を前記スイッチング素子のゲートに提供する、請求項１に記載の過電流保護装置。
  3. 前記過電流制限回路は、
    第１出力が前記第１出力ノードと連結され、第２出力が前記スイッチング素子と連結されて、前記第１出力ノードと前記スイッチング素子の間に直列で接続する第１ダイオード；
    第１抵抗；および
    第２抵抗を含み、
    前記第１抵抗および第２抵抗の直列連結が前記第１ダイオードに並列で連結され、
    前記第１抵抗と第２抵抗の間のノードと前記第１ダイオードの第３出力が連結される、請求項１に記載の過電流保護装置。
  4. 前記過電流制限回路は、
    シャントレギュレータを含む、請求項１に記載の過電流保護装置。
  5. 前記過電流制限回路と前記スイッチング素子の間に配置されて前記スイッチング素子に流れる過電流をモニタリングするモニター部をさらに含む、請求項２に記載の過電流保護装置。
  6. 前記制御部は、
    前記モニター部によって過電流が検出される場合、前記ＰＷＭ制御信号を遮断する、請求項５に記載の過電流保護装置。
  7. 前記モニター部は、
    直列で連結される第３抵抗および第２ダイオードを含む、請求項５に記載の過電流保護装置。
  8. 前記制御部は、
    前記モニター部によって過電流が検出される場合、前記ＰＷＭ制御信号を遮断する、請求項７に記載の過電流保護装置。
  9. 前記制御部は、
    前記第１出力ノードの電圧が所定の大きさ以上の場合、前記ＰＷＭ制御信号を遮断する、請求項１に記載の過電流保護装置。
  10. 直流電圧を提供する直流電圧提供部；
    ＰＷＭ制御信号によりそれぞれオン／オフされて前記直流電圧を変換して出力する複数のスイッチング素子；
    第１出力ノードを通じて前記複数のスイッチング素子のそれぞれのゲートに前記ＰＷＭ制御信号を提供し、第２出力ノードを通じて前記複数のスイッチング素子それぞれにコレクタ－エミッタ電圧を提供する制御部；および
    前記第１出力ノードと前記スイッチング素子の間に直列で連結されて前記スイッチング素子の過電流を制限する過電流制限回路を含む、電力変換装置。
  11. 前記過電流制限回路は、
    第１出力が前記第１出力ノードと連結され、第２出力が前記スイッチング素子と連結されて、前記第１出力ノードと前記スイッチング素子の間に直列で接続するダイオード；
    第１抵抗；および
    第２抵抗を含み、
    前記第１抵抗および第２抵抗の直列連結が前記ダイオードに並列で連結され、
    前記第１抵抗と第２抵抗の間のノードと前記ダイオードの第３出力が連結される、請求項９に記載の電力変換装置。
  12. 前記過電流制限回路は、
    シャントレギュレータを含む、請求項９に記載の電力変換装置。
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