JP2024092125A - Gate Drive Controller - Google Patents
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Abstract
【課題】 異常発生から保護動作までの遅延時間を短縮し、またパワーモジュールの故障が電力変換装置を構成する他のパワーモジュールに故障波及することを抑制する。【解決手段】 ゲートドライブ制御装置は、スイッチング素子が収められたパワーモジュールに接続され、スイッチング素子のオンオフを制御する制御部からのゲート指令電圧をスイッチング素子に印加すると共に、スイッチング素子のゲート電圧を制御部にフィードバックし、制御部から保護信号が与えられたときはスイッチング素子の保護動作を行う。【選択図】 図３[Problem] To reduce the delay time from the occurrence of an abnormality to a protective operation, and to prevent a failure in a power module from spreading to other power modules that constitute a power conversion device. [Solution] A gate drive control device is connected to a power module containing a switching element, applies a gate command voltage from a control unit that controls the on/off of the switching element to the switching element, and feeds back the gate voltage of the switching element to the control unit, and performs a protective operation for the switching element when a protection signal is given from the control unit. [Selected Figure] Figure 3
Description
本発明の実施形態は、半導体スイッチング素子のゲートドライブ制御装置に関する。 An embodiment of the present invention relates to a gate drive control device for a semiconductor switching element.
電力変換装置を構成するパワーモジュールのゲートドライブ制御装置は、上位の制御部、ゲートドライバにより構成される。パワーモジュールのスイッチングのタイミングは上位の制御部により演算し、適切なタイミングでゲート指令信号をゲートドライバに送信する。ゲートドライバは制御部からのゲート指令信号を電気的に絶縁および増幅し、半導体スイッチング素子のゲートに出力する基板である。これに加え、ゲートドライバにはパワーモジュールのゲート電圧を監視することによって、パワーモジュールで正常にスイッチングがなされたか監視するゲートフィードバック機能を有する。ゲートドライバはゲートフィードバック信号により制御部へゲートのオンないしはオフの状態を返す。制御部でのパワーモジュールの状態監視はゲート指令信号とゲートフィードバック信号の論理を比較することにより行われ、制御部からターンオンないしはターンオフ指令を送信した後、ある一定の時素が経過した際にゲート指令信号とゲートフィードバック信号の論理に不一致が認められる場合、パワーモジュールでの異常発生と判定する。 The gate drive control device for the power module that constitutes the power conversion device is composed of a host control unit and a gate driver. The switching timing of the power module is calculated by the host control unit, and a gate command signal is sent to the gate driver at the appropriate timing. The gate driver is a board that electrically insulates and amplifies the gate command signal from the control unit and outputs it to the gate of the semiconductor switching element. In addition, the gate driver has a gate feedback function that monitors whether switching has been performed normally in the power module by monitoring the gate voltage of the power module. The gate driver returns the gate on or off state to the control unit by a gate feedback signal. The control unit monitors the state of the power module by comparing the logic of the gate command signal and the gate feedback signal. If a discrepancy is found between the logic of the gate command signal and the gate feedback signal after a certain period of time has elapsed after the control unit sends a turn-on or turn-off command, it is determined that an abnormality has occurred in the power module.
パワーモジュールにて過電流や過温度による異常が認められた際には、保護動作としてパワーモジュールをターンオフないしはソフトターンオフする。ターンオフは、通常動作と同様に主回路電流を遮断する動作で、主にパワーモジュールの過温度が発生した際や、健全なパワーモジュールへの故障波及を抑制する場合の動作である。ソフトターンオフは、パワーモジュールに過電流が流れた際に前記のターンオフに比べ低速でターンオフする動作であり、過電流遮断での電圧サージ発生によるパワーモジュールの故障を抑制する。 When an abnormality due to overcurrent or overtemperature is detected in the power module, the power module is turned off or soft turned off as a protective action. Turning off is an action to cut off the main circuit current, similar to normal operation, and is mainly performed when the power module becomes overheated or to prevent the spread of the fault to healthy power modules. Soft turn off is an action to turn off the power module slower than the above turn off when an overcurrent flows through it, and prevents the power module from failing due to a voltage surge caused by cutting off the overcurrent.
しかし、ゲートドライバにてパワーモジュールの異常を検出し、制御部からからパワーモジュール単位でのターンオフを行う保護動作では、パワーモジュールを複数個有する電力変換装置において、異常発生後に健全モジュールへの故障波及を抑制するための保護動作を行うためには、故障モジュールのゲートドライブ制御ブロックからのアラーム信号を制御部にて一旦受信してから他の健全モジュールのゲート制御ブロックを介してターンオフさせる必要があるため、故障波及の抑制に時間を要する。特に、近年電力変換装置への適用が進むSiC-MOSFET素子を使用したパワーモジュールは、従来のIGBTモジュールに比べ高価で、短絡耐量やサージ耐量が少なくなっている。よって、電力変換装置においては遅延時間を削減し、より高速な異常検出と保護動作、および他素子への故障波及の抑制が求められる。 However, in a power conversion device having multiple power modules, in which the gate driver detects an abnormality in a power module and the control unit turns off each power module, in order to perform protective operations to prevent the spread of the fault to healthy modules after an abnormality occurs, the control unit must first receive an alarm signal from the gate drive control block of the faulty module and then turn off the other healthy modules via the gate control blocks, which takes time to prevent the fault from spreading. In particular, power modules using SiC-MOSFET elements, which have been increasingly used in power conversion devices in recent years, are more expensive than conventional IGBT modules and have lower short-circuit and surge resistance. Therefore, there is a demand for power conversion devices that can reduce delay times, detect abnormalities and perform protective operations more quickly, and prevent the fault from spreading to other elements.
本発明は上記に鑑みてなされたものであり、異常発生から保護動作までの遅延時間を短縮し、またパワーモジュールの故障が電力変換装置を構成する他のパワーモジュールに故障波及することを抑制するゲートドライブ制御装置を提供する。 The present invention has been made in consideration of the above, and provides a gate drive control device that shortens the delay time from the occurrence of an abnormality to protective action, and prevents a failure in a power module from spreading to other power modules that make up a power conversion device.
実施形態のゲートドライブ制御装置は、スイッチング素子が収められたパワーモジュールに接続され、スイッチング素子のオンオフを制御する制御部からのゲート指令電圧をスイッチング素子に印加すると共に、スイッチング素子のゲート電圧を制御部にフィードバックし、制御部から保護信号が与えられたときはスイッチング素子の保護動作を行う。 The gate drive control device of the embodiment is connected to a power module that houses a switching element, applies a gate command voltage from a control unit that controls the on/off of the switching element to the switching element, and feeds back the gate voltage of the switching element to the control unit. When a protection signal is given from the control unit, the gate drive control device performs a protection operation for the switching element.
以下、実施の形態について図面を参照して説明する。
図１は、第１の実施形態に係るゲートドライブの全体構成図である。
図１の構成は、制御部１とゲートドライバ２とゲートドライブ制御装置３ａ～３ｃとパワーモジュール４ａ～４ｃを有する。
制御部１は、パワーモジュール４をスイッチングするゲート指令信号を生成して電力変換装置の出力電力を制御する。ゲート指令信号の信号レベルは、ゲートオン指令は正電圧、ゲートオフ指令は負電圧とする。
ゲートドライバ２は、制御部１からのゲート指令信号を電気的に絶縁およびパワーモジュール４を駆動する電圧レベルまで増幅してゲートドライブ制御装置３へ伝送する。
ゲートドライブ制御装置３は、ゲートドライバ２からのゲート駆動電圧をパワーモジュール４へ供給して、パワーモジュール４をオンオフする。
また、パワーモジュール４のゲート電圧は、ゲートドライブ制御装置３、ゲートドライバ１を介して制御部１にフィードバックされる。制御部１では、フィードバックされたゲート電圧を、パワーモジュール４の異常を判断する等の保護動作に用いる。
さらに、ゲートドライブ制御装置３は、それぞれ信号線で接続されており、各ゲートドライブ制御装置３での保護信号を共有する。保護信号は、通常時は信号レベルをＨレベルに加圧し、パワーモジュールでの異常が発生した際には信号レベルをＬレベルとする。これにより、信号線の断線検出も可能となる。
本実施形態においては、制御部１とゲートドライバ２は一般的なゲートドライブに用いられている構成であり、図２に示すようにゲートドライブ制御装置３がパワーモジュール４の直上に設けられ、ゲートドライバ２とパワーモジュール４との間で信号のやり取りを行う構成となっている。
Hereinafter, an embodiment will be described with reference to the drawings.
FIG. 1 is a diagram showing the overall configuration of a gate driver according to the first embodiment.
The configuration in FIG. 1 includes a control unit 1, a gate driver 2, gate drive control devices 3a to 3c, and power modules 4a to 4c.
The control unit 1 controls the output power of the power conversion device by generating a gate command signal for switching the power module 4. Regarding the signal level of the gate command signal, a gate-on command is a positive voltage, and a gate-off command is a negative voltage.
The gate driver 2 amplifies the gate command signal from the control unit 1 to a voltage level sufficient to electrically insulate and drive the power module 4 , and transmits it to the gate drive control device 3 .
The gate drive control device 3 supplies the gate drive voltage from the gate driver 2 to the power module 4 to turn the power module 4 on and off.
In addition, the gate voltage of the power module 4 is fed back to the control unit 1 via the gate drive control device 3 and the gate driver 1. The control unit 1 uses the fed back gate voltage for protective operations such as determining whether the power module 4 is abnormal.
Furthermore, the gate drive control devices 3 are connected to each other by signal lines, and share a protection signal in each gate drive control device 3. The protection signal normally has a high signal level, and when an abnormality occurs in the power module, the signal level is set to a low level. This also makes it possible to detect a break in the signal line.
In this embodiment, the control unit 1 and gate driver 2 have a configuration used in a general gate drive, and as shown in FIG. 2 , the gate drive control device 3 is provided directly above the power module 4 and is configured to exchange signals between the gate driver 2 and the power module 4.
図３は、ゲートドライブ制御装置の構成図である。
ゲートドライブ制御装置は、上アーム用回路１１ａと下アーム用回路１１ｂとを有し、パワーモジュールのスイッチング素子３０ａとスイッチング素子３０ｂを制御する。
上アーム用回路１１ａは、過電流検出部１２ａとソフトターンオン処理部１３ａとターンオン処理部１４ａとフォトカプラ２０を有する。
下アーム用回路１１ｂは、過電流検出部１２ｂとソフトターンオン処理部１３ｂとターンオン処理部１４ｂと過温度検出部１５と保護信号生成部１６と保護信号検出部１７を有する。
過電流検出部１２は、スイッチング素子３０に過電流が発生したとき、ソフトターンオフ処理部１４、保護信号生成部１６およびフォトカプラ２０に検出信号を出力する。例えば、電力変換装置の出力短絡に起因する過電流を検出する。
ソフトターンオン処理部１３は、過電流検出部１２からの信号を受信したときに、ゲートドライバ２からのゲート指令信号を遮断し、かつスイッチング素子３０を保護するためソフトターンオフを行う。
ターンオン処理部１４は、過温度検出部１６の信号または保護信号を受信したときに、ゲートドライバ２からのゲート指令信号を遮断し、かつスイッチング素子のターンオフを行う。
FIG. 3 is a block diagram of the gate drive control device.
The gate drive control device has an upper arm circuit 11a and a lower arm circuit 11b, and controls the switching elements 30a and 30b of the power module.
The upper arm circuit 11 a has an overcurrent detection unit 12 a , a soft turn-on processing unit 13 a , a turn-on processing unit 14 a , and a photocoupler 20 .
The lower arm circuit 11 b has an overcurrent detection unit 12 b, a soft turn-on processing unit 13 b, a turn-on processing unit 14 b, an overtemperature detection unit 15, a protection signal generation unit 16, and a protection signal detection unit 17.
When an overcurrent occurs in the switching element 30, the overcurrent detection unit 12 outputs a detection signal to the soft turn-off processing unit 14, the protection signal generation unit 16, and the photocoupler 20. For example, the overcurrent detection unit 12 detects an overcurrent caused by an output short circuit of the power conversion device.
When the soft turn-on processing unit 13 receives a signal from the overcurrent detection unit 12 , it blocks the gate command signal from the gate driver 2 and performs a soft turn-off to protect the switching element 30 .
When the turn-on processing unit 14 receives a signal from the over-temperature detection unit 16 or a protection signal, it cuts off the gate command signal from the gate driver 2 and turns off the switching element.
過温度検出部１５は、パワーモジュール内またはスイッチング素子近傍に設けられた電流センサ３１によりスイッチング素子３０の温度を監視して、所定値を超過したときに、ターンオン処理部１４および保護信号生成部１６に検出信号を出力する。
保護信号生成部１６は、過電流検出部１２または過温度検出部１５またはフォトカプラ２０からの信号を受信したときに、保護信号の信号レベルを出力する。保護信号は、Ｌレベル信号の電位を下側スイッチング素子３０ｂのエミッタ(ソース)とすることにより、ゲートドライブ制御装置３間を接続する保護信号線の電気的な絶縁を不要とし、フォトカプラの通過個数を最小化し、遅延時間の削減を図ることができる。また、保護信号は、１本の信号線による双方向の信号伝達、および断線検出を可能とすべく、通常時は信号レベルをＨレベルに加圧し、パワーモジュールでの異常が発生したときには保護信号生成部１６により信号レベルをＬレベルとする。
保護信号検出部１７は、保護信号の信号レベルを監視し、信号レベルがＬレベルとなったときにターンオフ処理部１４ｂおよびフォトカプラ２０に信号を出力する。
フォトカプラ２０は、上アーム用回路１１ａと下アーム用回路１１ｂを電気的に絶縁するために設けられ、保護信号をターンオフ処理部１４ａに出力し、かつ過電流検出部１２ａからの信号を保護信号生成部１６へ出力する。
The over-temperature detection unit 15 monitors the temperature of the switching element 30 using a current sensor 31 provided in the power module or near the switching element, and outputs a detection signal to the turn-on processing unit 14 and the protection signal generation unit 16 when the temperature exceeds a predetermined value.
The protection signal generating unit 16 outputs a signal level of a protection signal when receiving a signal from the overcurrent detecting unit 12, the overtemperature detecting unit 15, or the photocoupler 20. The protection signal makes it possible to eliminate the need for electrical insulation of the protection signal line connecting between the gate drive control devices 3 by setting the potential of the L-level signal to the emitter (source) of the lower switching element 30b, thereby minimizing the number of photocouplers through which the signal passes and reducing delay time. In addition, the protection signal normally increases the signal level to H level to enable bidirectional signal transmission and disconnection detection through a single signal line, and the protection signal generating unit 16 sets the signal level to L level when an abnormality occurs in the power module.
The protection signal detector 17 monitors the signal level of the protection signal, and outputs a signal to the turn-off processor 14 b and the photocoupler 20 when the signal level becomes an L level.
The photocoupler 20 is provided to electrically insulate the upper arm circuit 11a and the lower arm circuit 11b, and outputs a protection signal to the turn-off processing unit 14a, and also outputs a signal from the overcurrent detection unit 12a to the protection signal generation unit 16.
次に、本実施形態の動作について説明する。
まず、上アーム用回路１１ａは、パワーモジュールに異常が発生していないときは、ゲートドライバ２からのゲート電圧をターンオン処理部１４ａ、ソフトターンオン処理部１３ａを介してスイッチング素子３０ａに印加して、スイッチング素子３０ａをオンオフさせる。
また、パワーモジュールのうち、スイッチング素子３０ａに過電流が発生したときは、過電流検出部１２ａの検出信号に基づきソフトターンオン処理部１３ａが動作してスイッチング素子３０ａをソフトターンオフさせる。さらに、過電流の検出信号は、フォトカプラ２０を介して下アーム用回路１１ｂの保護信号検出部１７に出力される。
また、パワーモジュールのうち、スイッチング素子３０ｂに過電流が発生したときは、下アーム用回路１１ｂの過電流検出部１２ｂの検出信号が保護信号生成部１６およびフォトカプラ２０を介して伝達されターンオフ処理部１４ａが動作してスイッチング素子３０ａをターンオフさせる。
Next, the operation of this embodiment will be described.
First, when no abnormality has occurred in the power module, the upper arm circuit 11a applies a gate voltage from the gate driver 2 to the switching element 30a via the turn-on processing unit 14a and the soft turn-on processing unit 13a, thereby turning the switching element 30a on and off.
When an overcurrent occurs in the switching element 30a of the power module, the soft turn-on processing unit 13a operates based on the detection signal of the overcurrent detection unit 12a to soft-turn off the switching element 30a. The overcurrent detection signal is output to the protection signal detection unit 17 of the lower arm circuit 11b via the photocoupler 20.
In addition, when an overcurrent occurs in the switching element 30b of the power module, a detection signal from the overcurrent detection unit 12b of the lower arm circuit 11b is transmitted via the protection signal generation unit 16 and the photocoupler 20, and the turn-off processing unit 14a operates to turn off the switching element 30a.
また、パワーモジュールの近傍が過温度になったときは、下アーム用回路１１ｂの過温度検出部１５の検出信号が保護信号生成部１６およびフォトカプラ２０を介して伝達されターンオフ処理部１４ａが動作してスイッチング素子３０ａをターンオフさせる。
次に、下アーム用回路１１ｂは、パワーモジュールに異常が発生していないときは、ゲートドライバ２からのゲート電圧をターンオン処理部１４ｂ、ソフトターンオン処理部１３ｂを介してスイッチング素子３０ｂに印加して、スイッチング素子３０ｂをオンオフさせる。
また、パワーモジュールのうち、スイッチング素子３０ｂに過電流が発生したときは、過電流検出部１２ｂの検出信号に基づきソフトターンオン処理部１３ｂが動作してスイッチング素子３０ｂをソフトターンオフさせる。さらに、過電流の検出信号は、保護信号生成部１６を介してフォトカプラ２０に出力される。
また、パワーモジュールの近傍が過温度になったときは、過温度検出部１５の検出信号に基づきターンオフ処理部１４ｂが動作してスイッチング素子３０ｂをターンオフさせる。さらに、過温度の検出信号は、保護信号生成部１６を介してフォトカプラ２０に出力される。
また、パワーモジュールのうち、スイッチング素子３０ａに過電流が発生したときは、上アーム用回路１１ａの過電流検出部１２ａの検出信号がフォトカプラ２０および保護信号検出部１７を介して伝達されターンオフ処理部１４ｂが動作してスイッチング素子３０ｂをターンオフさせる。
In addition, when the vicinity of the power module becomes overtemperature, a detection signal from the overtemperature detection unit 15 of the lower arm circuit 11b is transmitted via the protection signal generation unit 16 and the photocoupler 20, and the turn-off processing unit 14a operates to turn off the switching element 30a.
Next, when no abnormality has occurred in the power module, the lower arm circuit 11b applies the gate voltage from the gate driver 2 to the switching element 30b via the turn-on processing unit 14b and the soft turn-on processing unit 13b, thereby turning the switching element 30b on and off.
When an overcurrent occurs in the switching element 30b of the power module, the soft turn-on processing unit 13b operates based on the detection signal of the overcurrent detection unit 12b to soft-turn off the switching element 30b. Furthermore, the detection signal of the overcurrent is output to the photocoupler 20 via the protection signal generation unit 16.
When the vicinity of the power module becomes overtemperature, the turn-off processing unit 14b operates to turn off the switching element 30b based on the detection signal from the overtemperature detection unit 15. Furthermore, the overtemperature detection signal is output to the photocoupler 20 via the protection signal generation unit 16.
In addition, when an overcurrent occurs in the switching element 30a of the power module, a detection signal from the overcurrent detection unit 12a of the upper arm circuit 11a is transmitted via the photocoupler 20 and the protection signal detection unit 17, and the turn-off processing unit 14b operates to turn off the switching element 30b.
以上のように、本実施形態によれば、パワーモジュール近傍にゲートドライブ制御装置を設けることにより、制御部を介することなく保護動作を行うことができ、異常発生から保護動作までの遅延時間を短縮すると共に、パワーモジュールの故障が電力変換装置を構成する他のパワーモジュールに故障波及することを抑制することが可能となる。
また、既存のゲートドライブに対して、本ゲートドライブ制御装置を組み込むことにより、従来のゲートドライバの設計や電力変換装置における電気的構成を変更することなくパワーモジュールの異常検出から保護機能までの機能の付加を実現することが可能となる。
As described above, according to this embodiment, by providing a gate drive control device in the vicinity of the power module, protective operation can be performed without going through the control unit, shortening the delay time from the occurrence of an abnormality to the protective operation, and making it possible to prevent a failure of a power module from spreading to other power modules that constitute the power conversion device.
Furthermore, by incorporating this gate drive control device into an existing gate drive, it is possible to add functions ranging from abnormality detection to protection functions for the power module without changing the design of the conventional gate driver or the electrical configuration of the power conversion device.
次に、第２の実施形態について、図４および図５を用いて説明する。
図４は第２の実施形態に係るゲートドライブの全体構成図であり、図５は第２の実施形態のゲートドライブ制御装置の構成図である。本実施形態においては、図４に示すように上側アーム用回路および下側アーム用回路で保護信号線が並列に接続されており、また上側アーム用回路と下側アーム用回路との接続は、いずれかの回路間、図４においては一番上の回路間でフォトカプラを介して行うことで、絶縁して接続される構成となっている。
図５のゲートドライブ制御装置は、第１の実施形態のゲートドライブ制御装置に対して、上側アーム用回路のフォトカプラ２１の代わりに保護信号生成部２１と保護信号検出部２２とを備える構成となっている。なお、図５ではフォトカプラ２９も備えた構成としているが、先に記載したようにいずれかの回路間で絶縁されていれば良く、全ての回路に設ける必要はない。
Next, a second embodiment will be described with reference to FIGS.
Fig. 4 is an overall configuration diagram of a gate drive according to the second embodiment, and Fig. 5 is a configuration diagram of a gate drive control device according to the second embodiment. In this embodiment, as shown in Fig. 4, protective signal lines are connected in parallel in the upper arm circuit and the lower arm circuit, and the upper arm circuit and the lower arm circuit are connected via a photocoupler between any of the circuits, between the topmost circuits in Fig. 4, so that the connection is insulated.
The gate drive control device in Fig. 5 is configured to include a protection signal generating unit 21 and a protection signal detecting unit 22 instead of the photocoupler 21 in the upper arm circuit of the gate drive control device of the first embodiment. Note that, although Fig. 5 also includes a photocoupler 29, as described above, it is sufficient that any of the circuits are insulated from each other, and it is not necessary to include a photocoupler in all of the circuits.
ゲートドライブ制御装置は、上アーム用回路１１ａと下アーム用回路１１ｂとを有し、パワーモジュールのスイッチング素子３０ａとスイッチング素子３０ｂを制御する。
上アーム用回路１１ａは、過電流検出部１２ａとソフトターンオン処理部１３ａとターンオン処理部１４ａと保護信号生成部２１と保護信号検出部２２とフォトカプラ２９を有する。
下アーム用回路１１ｂは、過電流検出部１２ｂとソフトターンオン処理部１３ｂとターンオン処理部１４ｂと過温度検出部１５と保護信号生成部１６と保護信号検出部１７を有する。
過電流検出部１２は、スイッチング素子３０に過電流が発生したとき、ソフトターンオフ処理部１４、保護信号生成部１６およびフォトカプラ２０に検出信号を出力する。例えば、電力変換装置の出力短絡に起因する過電流を検出する。
The gate drive control device has an upper arm circuit 11a and a lower arm circuit 11b, and controls the switching elements 30a and 30b of the power module.
The upper arm circuit 11 a has an overcurrent detection unit 12 a , a soft turn-on processing unit 13 a , a turn-on processing unit 14 a , a protection signal generation unit 21 , a protection signal detection unit 22 , and a photocoupler 29 .
The lower arm circuit 11 b has an overcurrent detection unit 12 b, a soft turn-on processing unit 13 b, a turn-on processing unit 14 b, an overtemperature detection unit 15, a protection signal generation unit 16, and a protection signal detection unit 17.
When an overcurrent occurs in the switching element 30, the overcurrent detection unit 12 outputs a detection signal to the soft turn-off processing unit 14, the protection signal generation unit 16, and the photocoupler 20. For example, the overcurrent detection unit 12 detects an overcurrent caused by an output short circuit of the power conversion device.
ソフトターンオン処理部１３は、過電流検出部１２からの信号を受信したときに、ゲートドライバ２からのゲート指令信号を遮断し、かつスイッチング素子３０を保護するためソフトターンオフを行う。
ターンオン処理部１４は、過温度検出部１６の信号または保護信号を受信したときに、ゲートドライバ２からのゲート指令信号を遮断し、かつスイッチング素子のターンオフを行う。
保護信号生成部２１は、過電流検出部１２の信号を受信したときに、保護信号の信号レベルを出力する。保護信号のグランド電位はスイッチング素子３０ａのコレクタ（ドレイン）とする。
保護信号検出部２２は、保護信号の信号レベルを監視し、信号レベルがＬレベルとなったときにターンオフ処理部１４ｂに信号を出力する。
When the soft turn-on processing unit 13 receives a signal from the overcurrent detection unit 12 , it blocks the gate command signal from the gate driver 2 and performs a soft turn-off to protect the switching element 30 .
When the turn-on processing unit 14 receives a signal from the over-temperature detection unit 16 or a protection signal, it cuts off the gate command signal from the gate driver 2 and turns off the switching element.
The protection signal generating unit 21 outputs a signal level of a protection signal when it receives a signal from the overcurrent detecting unit 12. The ground potential of the protection signal is the collector (drain) of the switching element 30a.
The protection signal detector 22 monitors the signal level of the protection signal, and outputs a signal to the turn-off processor 14b when the signal level becomes L level.
フォトカプラ２９は、上アーム用回路１１ａと下アーム用回路１１ｂを電気的に絶縁するために設ける。なお、フォトカプラは、例えば図４の一番上にある上側アーム用回路と下側アーム用回路との接続を行うゲートドライブ制御装置にあれば良く、全てのゲートドライブ制御装置に設ける必要はない。
過温度検出部１５は、パワーモジュール内またはスイッチング素子近傍に設けられた電流センサ３１によりスイッチング素子３０の温度を監視して、所定値を超過したときに、ターンオン処理部１４および保護信号生成部１６に検出信号を出力する。
保護信号生成部１６は、過電流検出部１２または過温度検出部１５またはフォトカプラ２９からの信号を受信したときに、保護信号の信号レベルを出力する。
保護信号検出部１７は、保護信号の信号レベルを監視し、信号レベルがＬレベルとなったときにターンオフ処理部１４ｂおよびフォトカプラ２９に信号を出力する。
The photocoupler 29 is provided to electrically insulate the upper arm circuit 11 a from the lower arm circuit 11 b. Note that a photocoupler may be provided in the gate drive control device that connects the upper arm circuit and the lower arm circuit at the top of Fig. 4, for example, and it is not necessary to provide a photocoupler in all gate drive control devices.
The over-temperature detection unit 15 monitors the temperature of the switching element 30 using a current sensor 31 provided in the power module or near the switching element, and outputs a detection signal to the turn-on processing unit 14 and the protection signal generation unit 16 when the temperature exceeds a predetermined value.
The protection signal generating unit 16 outputs a signal level of a protection signal when it receives a signal from the overcurrent detecting unit 12, the overtemperature detecting unit 15, or the photocoupler 29.
The protection signal detector 17 monitors the signal level of the protection signal, and outputs a signal to the turn-off processor 14 b and the photocoupler 29 when the signal level becomes an L level.
次に、本実施形態の動作について説明する。
まず、上アーム用回路１１ａは、パワーモジュールに異常が発生していないときは、ゲートドライバ２からのゲート電圧をターンオン処理部１４ａ、ソフトターンオン処理部１３ａを介してスイッチング素子３０ａに印加して、スイッチング素子３０ａをオンオフさせる。
また、パワーモジュールのうち、スイッチング素子３０ａに過電流が発生したときは、過電流検出部１２ａの検出信号に基づきソフトターンオン処理部１３ａが動作してスイッチング素子３０ａをソフトターンオフさせる。さらに、過電流の検出信号は、保護信号生成部２１を介して他の上下アーム用回路に出力される。
Next, the operation of this embodiment will be described.
First, when no abnormality has occurred in the power module, the upper arm circuit 11a applies a gate voltage from the gate driver 2 to the switching element 30a via the turn-on processing unit 14a and the soft turn-on processing unit 13a, thereby turning the switching element 30a on and off.
When an overcurrent occurs in the switching element 30a of the power module, the soft turn-on processing unit 13a operates based on the detection signal of the overcurrent detection unit 12a to soft-turn off the switching element 30a. Furthermore, the detection signal of the overcurrent is output to other upper and lower arm circuits via the protection signal generation unit 21.
また、パワーモジュールのうち、他のスイッチング素子に過電流が発生したときは、保護信号検出部２２が保護信号を検出することでターンオフ処理部１４ａが動作してスイッチング素子３０ａをターンオフさせる。
また、パワーモジュールの近傍が過温度になったときは、保護信号検出部２２が保護信号を検出することでターンオフ処理部１４ａが動作してスイッチング素子３０ａをターンオフさせる。
Furthermore, when an overcurrent occurs in another switching element of the power module, the protection signal detection unit 22 detects a protection signal, and the turn-off processing unit 14a operates to turn off the switching element 30a.
Moreover, when the vicinity of the power module becomes overheated, the protection signal detection unit 22 detects a protection signal, and the turn-off processing unit 14a operates to turn off the switching element 30a.
次に、下アーム用回路１１ｂは、パワーモジュールに異常が発生していないときは、ゲートドライバ２からのゲート電圧をターンオン処理部１４ｂ、ソフトターンオン処理部１３ｂを介してスイッチング素子３０ｂに印加して、スイッチング素子３０ｂをオンオフさせる。
また、パワーモジュールのうち、スイッチング素子３０ｂに過電流が発生したときは、過電流検出部１２ｂの検出信号に基づきソフトターンオン処理部１３ｂが動作してスイッチング素子３０ｂをソフトターンオフさせる。さらに、過電流の検出信号は、保護信号生成部１６を介して他の上下アーム用回路に出力される。
Next, when no abnormality has occurred in the power module, the lower arm circuit 11b applies the gate voltage from the gate driver 2 to the switching element 30b via the turn-on processing unit 14b and the soft turn-on processing unit 13b, thereby turning the switching element 30b on and off.
When an overcurrent occurs in the switching element 30b of the power module, the soft turn-on processing unit 13b operates based on the detection signal of the overcurrent detection unit 12b to soft-turn off the switching element 30b. Furthermore, the detection signal of the overcurrent is output to other upper and lower arm circuits via the protection signal generation unit 16.
また、パワーモジュールの近傍が過温度になったときは、過温度検出部１５の検出信号に基づきターンオフ処理部１４ｂが動作してスイッチング素子３０ｂをターンオフさせる。さらに、過温度の検出信号は、保護信号生成部１６を介して他の上下アーム用回路に出力される。
また、パワーモジュールのうち、他のスイッチング素子３０に過電流が発生したときは、保護信号検出部１７が保護信号を検出することでターンオフ処理部１４ｂが動作してスイッチング素子３０ｂをターンオフさせる。
When the vicinity of the power module becomes overtemperature, the turn-off processing unit 14b operates to turn off the switching element 30b based on the detection signal from the overtemperature detection unit 15. Furthermore, the overtemperature detection signal is output to other upper and lower arm circuits via the protection signal generation unit 16.
Furthermore, when an overcurrent occurs in another switching element 30 of the power module, the protection signal detection unit 17 detects a protection signal, and the turn-off processing unit 14b operates to turn off the switching element 30b.
以上のように、本実施形態によれば、パワーモジュール近傍にゲートドライブ制御装置を設けることにより、制御部を介することなく保護動作を行うことができ、異常発生から保護動作までの遅延時間を短縮すると共に、パワーモジュールの故障が電力変換装置を構成する他のパワーモジュールに故障波及することを抑制することが可能となる。
また、既存のゲートドライブに対して、本ゲートドライブ制御装置を組み込むことにより、従来のゲートドライバの設計や電力変換装置における電気的構成を変更することなくパワーモジュールの異常検出から保護機能までの機能の付加を実現することが可能となる。
As described above, according to this embodiment, by providing a gate drive control device in the vicinity of the power module, protective operation can be performed without going through the control unit, shortening the delay time from the occurrence of an abnormality to the protective operation, and making it possible to prevent a failure of a power module from spreading to other power modules that constitute the power conversion device.
Furthermore, by incorporating this gate drive control device into an existing gate drive, it is possible to add functions ranging from abnormality detection to protection functions for the power module without changing the design of the conventional gate driver or the electrical configuration of the power conversion device.
以上、本発明の実施形態を説明したが、この実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。
例えば、三相交流の電力変換装置だけでなく、単相交流のインバータやコンバータを組み合わせた電力変換装置に用いても良い。このとき、ゲートドライブ制御装置の基板は、適宜枚数を変更することで対応することができる。
Although the embodiment of the present invention has been described above, this embodiment is presented as an example and is not intended to limit the scope of the invention. These novel embodiments can be implemented in various other forms, and various omissions, substitutions, and modifications can be made without departing from the gist of the invention. These embodiments and their modifications are included in the scope and gist of the invention, and are included in the scope of the invention and its equivalents described in the claims.
For example, the present invention may be used not only in a three-phase AC power conversion device, but also in a power conversion device that combines a single-phase AC inverter and converter. In this case, the number of boards for the gate drive control device can be appropriately changed.
また、パワーモジュールの異常検出は、過電流や過温度に限らず、例えばスイッチング素子のゲート電圧およびコレクタ(ドレイン)～エミッタ(ソース)間電圧を検出して動作させる処理部を追加することで、素子特性を監視して保護動作を行うこともできる。
また、監視する対象はパワーモジュールのみに限らず、電力変換装置を構成する部品に流れる電流や印加される電圧や筐体内温度等を検出して、ゲートドライブ制御装置に通知することでスイッチング素子の保護動作を行うこともできる。
In addition, abnormality detection for the power module is not limited to overcurrent and overtemperature. For example, by adding a processing unit that detects and operates the gate voltage and collector (drain) to emitter (source) voltage of the switching element, it is also possible to monitor element characteristics and perform protective operations.
In addition, the objects to be monitored are not limited to power modules; the current flowing through the components that make up the power conversion device, the voltage applied, the temperature inside the housing, etc. can also be detected and notified to the gate drive control device to perform protection operations for the switching elements.
また、上側アーム用回路と下側アーム用回路とは、同一の基板に設けても良く、別の基板に設けても良い。例えば、上下のスイッチング素子を１つのパッケージに収めたパワーモジュールでは同一の基板に設け、上下のスイッチング素子を異なるパッケージに収めたパワーモジュールでは異なる基板に設けても良い。 The upper arm circuit and the lower arm circuit may be provided on the same board or on different boards. For example, in a power module in which the upper and lower switching elements are housed in a single package, they may be provided on the same board, whereas in a power module in which the upper and lower switching elements are housed in different packages, they may be provided on different boards.
１…制御部
２…ゲートドライバ
３…ゲートドライブ制御装置
４…パワーモジュール
１１…アーム用回路
１２…過電流検出部
１３…ソフトターンオフ処理部
１４…ターンオフ処理部
１５…過温度検出部
１６…保護信号生成部
１７…保護信号検出部
２０…フォトカプラ
２１…保護信号生成部
２２…保護信号検出部
２９…フォトカプラ
REFERENCE SIGNS LIST 1: control unit 2: gate driver 3: gate drive control device 4: power module 11: arm circuit 12: overcurrent detection unit 13: soft turn-off processing unit 14: turn-off processing unit 15: overtemperature detection unit 16: protection signal generation unit 17: protection signal detection unit 20: photocoupler 21: protection signal generation unit 22: protection signal detection unit 29: photocoupler
Claims (5)
スイッチング素子のオンオフを制御する制御部からのゲート指令電圧をスイッチング素子に印加すると共に、
スイッチング素子のゲート電圧を制御部にフィードバックし、制御部から保護信号が与えられたときはスイッチング素子の保護動作を行うゲートドライブ制御装置。 A gate drive control device connected to a power module containing a switching element,
A gate command voltage is applied to the switching element from a control unit that controls the on/off of the switching element,
A gate drive control device that feeds back the gate voltage of a switching element to a control unit and performs protection operations for the switching element when a protection signal is received from the control unit.
各ゲートドライブ制御装置は保護動作の信号を送受信して、他のゲートドライブ制御装置からの保護信号を受信するとスイッチング素子をオフ状態とする請求項１記載のゲートドライブ制御装置。 The gate drive control device is provided for each of a plurality of switching elements constituting the power conversion device,
2. The gate drive control device according to claim 1, wherein each gate drive control device transmits and receives a protection operation signal, and turns off the switching element when it receives a protection signal from another gate drive control device.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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| JP2022207834A JP2024092125A (en) | 2022-12-26 | 2022-12-26 | Gate Drive Controller |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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| JP2022207834A JP2024092125A (en) | 2022-12-26 | 2022-12-26 | Gate Drive Controller |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
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| JP2024092125A true JP2024092125A (en) | 2024-07-08 |
Family
ID=91802523
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
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| JP2022207834A Pending JP2024092125A (en) | 2022-12-26 | 2022-12-26 | Gate Drive Controller |
Country Status (1)
| Country | Link |
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| JP (1) | JP2024092125A (en) |
-
2022
- 2022-12-26 JP JP2022207834A patent/JP2024092125A/en active Pending
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