JP6696706B1 - Power converter - Google Patents
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Abstract
【課題】ワイドバンドギャップ半導体のスイッチング素子を保護する低コストの電力変換装置を提供する。【解決手段】電力変換装置１は、電力変換部３、４と、電力変換部３、４のスイッチング素子を制御する制御部６、７と、を備える。制御部６、７は、異常を検知したのちにスイッチング素子をオフにする指令を発する処理をハードウェアで行う第１保護部１７と、同じ処理をソフトウェアで行う第２保護部１８と、を有している。第１保護部１７における異常を検知してからスイッチング素子をオフにする指令を発するまでの第１処理時間が、第２保護部１８における同じ指令を発するまでの第２処理時間よりも短く設定されている。異常を検知したのちに、スイッチング素子をオフにして異常を回避するまでの許容時間に応じて、異常検知の対象が第１保護部１７と第２保護部１８とに振り分けられている。【選択図】図１PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a low cost power conversion device for protecting a switching element of a wide band gap semiconductor. A power conversion device 1 includes power conversion units 3 and 4 and control units 6 and 7 that control switching elements of the power conversion units 3 and 4. The control units 6 and 7 have a first protection unit 17 that performs a process of issuing a command to turn off the switching element after detecting an abnormality by hardware, and a second protection unit 18 that performs the same process by software. is doing. The first processing time from the detection of the abnormality in the first protection unit 17 to the command to turn off the switching element is set to be shorter than the second processing time from the second protection unit 18 to the same command. ing. After the abnormality is detected, the abnormality detection target is divided into the first protection unit 17 and the second protection unit 18 according to the allowable time until the switching element is turned off to avoid the abnormality. [Selection diagram] Figure 1
Description
本願は、電力変換装置に関する。 The present application relates to a power conversion device.
環境に配慮した自動車としてプラグインハイブリッド車（ＰＨＥＶ：Ｐｌｕｇ-ｉｎ Ｈｙｂｒｉｄ Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｖｅｈｉｃｌｅ）、電気自動車（ＥＶ：Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｖｅｈｉｃｌｅ）などが普及し始めている。このような車両には車載用充電装置が搭載されている。この車載用充電装置は、車両の外部に設置された家庭用交流電源もしくは専用の充電設備から車両に搭載された蓄電池を充電する機能を有した電力変換装置である。 BACKGROUND ART Plug-in hybrid vehicles (PHEV: Plug-in Hybrid Electric Vehicle), electric vehicles (EV: Electric Vehicle), etc. have begun to spread as environmentally friendly vehicles. A vehicle-mounted charging device is mounted on such a vehicle. This on-vehicle charging device is a power conversion device having a function of charging a storage battery mounted on the vehicle from a household AC power supply installed outside the vehicle or a dedicated charging facility.
従来のＳｉ（Ｓｉｌｉｃｏｎ）を用いたＭＯＳＦＥＴ（Ｍｅｔａｌ−Ｏｘｉｄｅ−Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ Ｆｉｅｌｄ−Ｅｆｆｅｃｔ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）などの自己消弧型半導体のスイッチング素子を有した電力変換装置は、機器性能の確保、機器の故障の防止などのために保護回路または故障検知回路を搭載している。その保護回路または故障検知回路は、一般にマイコンがその役割を担い、保護処理および故障検知を行うように構成されていた。 A power converter having a self-extinguishing type semiconductor switching element such as a conventional MOSFET (Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor) using Si (Silicon) secures device performance and prevents device failure. For this, a protection circuit or a failure detection circuit is installed. The protection circuit or the failure detection circuit is generally configured such that a microcomputer plays its role and performs protection processing and failure detection.
例えば、スイッチング素子を有するインバータと、スイッチング素子のオンオフ制御を行うマイコン（マイクロコンピュータ）と、スイッチング素子を流れる電流が入力されるシャント抵抗と、保護回路とを備え、保護回路は、シャント電流が過電流判定用閾値を超える場合にストップ信号をマイコンに出力し、スイッチング素子をオフにするモータ駆動装置が開示されている（例えば、特許文献１参照）。 For example, an inverter having a switching element, a microcomputer (microcomputer) for performing on / off control of the switching element, a shunt resistor to which a current flowing through the switching element is input, and a protection circuit are provided. There is disclosed a motor drive device that outputs a stop signal to a microcomputer to turn off a switching element when the current determination threshold value is exceeded (for example, see Patent Document 1).
近年、車載用充電装置に対してさらなる小型化と高効率化とが求められている。こうした要求に応えるために、ワイドバンドギャップ半導体をスイッチング素子に適用して高周波化を図るとともに、小型の磁性部品などを用いた電力変換装置が開発されつつある。ワイドバンドギャップ半導体（例えば、ＧａＮ：Ｇａｌｌｉｕｍ Ｎｉｔｒｉｄｅ）などの高速スイッチングが可能なスイッチング素子は、一般に短絡耐量が低く、過電流発生時にスイッチング素子を保護するために許容される時間は数十マイクロ秒（数十μｓ）と非常に短い。 In recent years, further miniaturization and higher efficiency have been demanded for vehicle-mounted charging devices. In order to meet such demands, a wide bandgap semiconductor is applied to a switching element to increase the frequency, and a power conversion device using a small magnetic component is being developed. A switching element capable of high-speed switching, such as a wide bandgap semiconductor (eg, GaN: Gallium Nitride), generally has a short circuit withstand capability, and an allowable time for protecting the switching element when an overcurrent occurs is several tens of microseconds ( Very short (tens of μs).
従来の電力変換装置においては、シャント電流が過電流判定用閾値を超える場合に保護回路がストップ信号をマイコンに出力してスイッチング素子をオフにしているので、Ｓｉ−ＭＯＳＦＥＴなどの自己消弧型半導体のスイッチング素子は保護することができる。しかしながら、このような方式をスイッチング素子にワイドバンドギャップ半導体を適用した電力変換装置に用いても、ワイドバンドギャップ半導体のスイッチング素子を保護するために許容される時間内にスイッチング素子をオフすることができない。 In a conventional power converter, a protection circuit outputs a stop signal to a microcomputer to turn off a switching element when a shunt current exceeds a threshold for overcurrent determination. Therefore, a self-extinguishing semiconductor such as Si-MOSFET is turned on. The switching element can be protected. However, even when such a method is used in a power conversion device in which a wide band gap semiconductor is applied to a switching element, the switching element can be turned off within a time allowed to protect the switching element of the wide band gap semiconductor. Can not.
また、従来のＳｉ-ＭＯＳＦＥＴを用いた電力変換装置のスイッチング周波数が数十ｋＨｚであるのに対して、ワイドバンドギャップ半導体を適用した電力変換装置のスイッチング周波数は数百ｋＨｚである。そのため、過電流以外の異常、故障などの検知に対して、従来のＣＰＵを用いた保護回路では応答が間に合わない。 Further, the switching frequency of the conventional power converter using Si-MOSFET is several tens of kHz, whereas the switching frequency of the power converter using the wide band gap semiconductor is several hundred kHz. Therefore, the conventional protection circuit using the CPU does not respond in time to detection of abnormalities or failures other than overcurrent.
このような問題に対処するひとつの方法として、ＣＰＵを用いたソフトウェア処理をＦＰＧＡ（Ｆｉｅｌｄ−Ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ Ｇａｔｅ Ａｒｒａｙ）などを用いたハードウェア処理に替えて、このＦＰＧＡ内にスイッチング素子に対するスイッチング制御機能と保護機能とを搭載する方法が考えられる。しかしながら、高速な処理速度が必要でない機能までＦＰＧＡに実装されるため、ＦＰＧＡのロジック量が膨大になる。ＦＰＧＡは、ロジック量に比例してコストが非常に高くなる。そのため、高速な処理速度が必要でない機能までＦＰＧＡに実装すると、電力変換装置が高コストになるという課題がある。 As one method of dealing with such a problem, software processing using a CPU is replaced with hardware processing using an FPGA (Field-Programmable Gate Array) or the like, and a switching control function and protection for a switching element are provided in the FPGA. It is conceivable to install the function and the function. However, since a function that does not require a high processing speed is mounted on the FPGA, the logic amount of the FPGA becomes enormous. FPGAs are very expensive in proportion to the amount of logic. Therefore, if a function that does not require a high processing speed is mounted on the FPGA, there is a problem that the power conversion device becomes expensive.
本願は、上述の課題を解決するためになされたものであり、ワイドバンドギャップ半導体のスイッチング素子を適用した電力変換装置において、ワイドバンドギャップ半導体のスイッチング素子を保護する低コストの電力変換装置を得ることを目的とする。 The present application has been made to solve the above-described problems, and in a power conversion device to which a wide bandgap semiconductor switching element is applied, a low-cost power conversion device that protects a wide bandgap semiconductor switching element is obtained. The purpose is to
本願に係る電力変換装置は、ワイドバンドギャップ半導体で構成されたスイッチング素子を含む電力変換部と、電力変換部のスイッチング素子を制御する制御部とを備えており、制御部は、異常を検知したのちにスイッチング素子をオフにする指令を発する処理をハードウェアで行う第１保護部と、異常を検知したのちにスイッチング素子をオフにする指令を発する処理をソフトウェアで行う第２保護部とを有している。第１保護部における異常を検知してからスイッチング素子をオフにする指令を発するまでの第１処理時間が、第２保護部における異常を検知してからスイッチング素子をオフにする指令を発するまでの第２処理時間よりも短く設定されている。さらに、異常を検知したのちにスイッチング素子をオフにして異常を回避するまでの許容時間に応じて、異常検知の対象を第１保護部と第２保護部とに振り分けている。 The power conversion device according to the present application includes a power conversion unit including a switching element formed of a wide band gap semiconductor, and a control unit that controls the switching element of the power conversion unit, and the control unit detects an abnormality. There is a first protection unit that performs a process of issuing a command to turn off the switching element later by hardware, and a second protection unit that performs a process of issuing a command to turn off the switching element after detecting an abnormality by software. is doing. The first processing time from when the abnormality in the first protection unit is detected to when the command to turn off the switching element is issued is from the time when the abnormality in the second protection unit is detected to when the command to turn off the switching element is issued. It is set shorter than the second processing time. Further, the target of abnormality detection is divided into the first protection unit and the second protection unit according to the permissible time until the switching element is turned off and the abnormality is avoided after the abnormality is detected.
本願の電力変換装置は、異常を検知したのちにスイッチング素子をオフにする指令を発する処理をハードウェアで行う第１保護部と、異常を検知したのちにスイッチング素子をオフにする指令を発する処理をソフトウェアで行う第２保護部とを備えており、第１保護部における異常を検知してからスイッチング素子をオフにする指令を発するまでの第１処理時間が、第２保護部における異常を検知してからスイッチング素子をオフにする指令を発するまでの第２処理時間よりも短く設定し、異常を検知したのちにスイッチング素子をオフにして異常を回避するまでの許容時間に応じて、異常検知の対象を第１保護部と第２保護部とに振り分けているので、低コストの電力変換装置となる。 The power conversion device of the present application includes a first protection unit that performs a process of issuing a command to turn off a switching element after detecting an abnormality by hardware, and a process of issuing a command to turn off a switching element after detecting an abnormality. And a second protection unit that performs software, and the first processing time from when an abnormality in the first protection unit is detected to when a command to turn off the switching element is issued is detected as an abnormality in the second protection unit. Set the time shorter than the second processing time from when the switching element is turned off until the command is issued, and detect the abnormality according to the allowable time until the switching element is turned off and the abnormality is avoided after detecting the abnormality. Since the target of (1) is distributed to the first protection unit and the second protection unit, the power conversion device is low cost.
以下、本願を実施するための実施の形態に係る電力変換装置について図面を参照して詳細に説明する。なお、各図において同一符号は同一もしくは相当部分を示している。 Hereinafter, a power converter according to an embodiment for carrying out the present application will be described in detail with reference to the drawings. In the drawings, the same reference numerals indicate the same or corresponding parts.
実施の形態１．
図１は、実施の形態１に係る電力変換装置の構成を示すブロック図である。本実施の形態の電力変換装置１は、一対の入力端子２ａ、２ｂと、この入力端子２ａ、２ｂ側を入力側とする交流−直流電力変換部３と、交流−直流電力変換部３の出力側に配置された直流−直流電力変換部４と、直流−直流電力変換部４の出力側に接続された一対の出力端子５ａ、５ｂと、第１制御部６と、第２制御部７とを有している。一対の入力端子２ａ、２ｂには、例えば家庭用の交流電源８が接続されており、一対の出力端子５ａ、５ｂには、例えば車載用の蓄電池９が接続されている。この電力変換装置１は、車両の外部の交流電源８から蓄電池９を充電する電気自動車の充電装置として用いるものとして説明する。ただし、モータとエンジンとを併用して走行するハイブリッド自動車などの充電装置に適用しても何ら問題ない。また、車載用以外の他の充電システムに適用しても何ら問題ない。このことは、他の実施の形態についても同様である。
FIG. 1 is a block diagram showing the configuration of the power conversion device according to the first embodiment. The
交流−直流電力変換部３は、交流電源８から入力された交流電力を直流電力に変換する機能を有する。直流−直流電力変換部４は、交流−直流電力変換部３から出力された直流電力を蓄電池９を充電するために必要な所定の直流電力に変換する機能を有する。本実施の形態において、交流−直流電力変換部３および直流−直流電力変換部４は、いずれもワイドバンドギャップ半導体のスイッチング素子で構成されている。ワイドバンドギャップ半導体は、例えば窒化ガリウム（ＧａＮ）である。ワイドバンドギャップ半導体を適用した電力変換装置のスイッチング周波数は数百ｋＨｚである。また、交流−直流電力変換部３と直流−直流電力変換部４との間には、平滑コンデンサ１０が接続されている。
The AC-DC
一対の入力端子２ａ、２ｂと交流−直流電力変換部３との間には、入力電流を計測する第１電流センサ１１と入力電圧を計測する第１電圧センサ１２とが接続されている。一対の出力端子５ａ、５ｂと直流−直流電力変換部４との間には、出力電流を計測する第２電流センサ１３と出力電圧を計測する第２電圧センサ１４とが接続されている。交流−直流電力変換部３と直流−直流電力変換部４との間には、平滑コンデンサ１０流れる平滑コンデンサ電流を計測する第３電流センサ１５と、平滑コンデンサ電圧を計測する第３電圧センサ１６とが接続されている。
A first
第２制御部７は、外部より蓄電池９を充電するための充電指令を受け取る。第１制御部６は第２制御部７から交流−直流電力変換部３および直流−直流電力変換部４の制御に必要な指令を受けとり、交流電源８の電力を蓄電池９の充電に必要な直流電力に変換するための制御を行う。ここで、第１制御部６は、例えばＦＰＧＡ（Ｆｉｅｌｄ−Ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ Ｇａｔｅ Ａｒｒａｙ）で構成されている。また、第２制御部７は、例えばマイクロプロセッサ（以下、マイコンと記す）で構成されている。第２制御部に用いるマイコンと第１制御部に用いるＦＰＧＡとの違いは、マイコンが逐次処理であるのに対してＦＰＧＡが並列処理である点である。
The
マイコンは、ＣＰＵコアがもつ各命令用の専用機能の処理順をソフトウェアで制御する。そのためマイコンは、処理の度に処理結果をレジスタにデータを蓄積したり、複数の処理を同時に行うのが難しいため割り込み処理を行ったりすることで処理速度が遅い。一方、ＦＰＧＡはハードウェアの回路（ロジックセル、乗算器、ＲＡＭなど）を処理に合わせて組み合せたものであり、各処理を並列に実行できるため割り込み処理を行う必要がなく、処理結果をレジスタに蓄えることも必要ないため、リアルタイム処理に有利である。このため、ハードウェアで処理を行うＦＰＧＡは、ソフトウェアで処理を行うマイコンに比べ、きわめて高速に（１００倍〜１０００倍）処理を実行することができる。 The microcomputer controls the processing order of the dedicated function for each instruction of the CPU core by software. Therefore, the processing speed of the microcomputer is slow due to the fact that the processing result is stored in the register every time the processing is performed, or it is difficult to perform a plurality of processings simultaneously, and the interrupt processing is performed. On the other hand, the FPGA is a combination of hardware circuits (logic cells, multipliers, RAM, etc.) according to the processing. Since each processing can be executed in parallel, it is not necessary to perform interrupt processing, and the processing result is stored in a register. Since it does not need to be stored, it is advantageous for real-time processing. Therefore, the FPGA that performs processing by hardware can execute the processing at extremely high speed (100 times to 1000 times) as compared with the microcomputer that performs processing by software.
第１制御部６および第２制御部７は、第１保護部１７および第２保護部１８をそれぞれ備えている。第１保護部１７は、異常を検知したのちに交流−直流電力変換部３および直流−直流電力変換部４のスイッチング素子をオフにする指令を発する。第２保護部１８は、異常を検知したのちに交流−直流電力変換部３および直流−直流電力変換部４のスイッチング素子をオフにする指令を発する。第１制御部６は、第１保護部１７および第２保護部から発生された指令に基づいて、スイッチング素子をオフにする。第１保護部１７において、異常を検知してからスイッチング素子をオフにする指令を発するまでの処理時間を第１処理時間Ｔ１とする。第２保護部１８において、異常を検知してからスイッチング素子をオフにする指令を発するまでの処理時間を第２処理時間Ｔ２とする。本実施の形態の電力変換装置１では、第１処理時間Ｔ１を第２処理時間Ｔ２よりも短く設定している。具体的な設定時間は後述する。
The
このような電力変換装置において、例えば以下のような異常および故障検知機能が搭載されている。これらの異常および故障検知機能は、第１制御部６または第２制御部７、さらには図示しない専用回路に実装される。
・入力電圧異常（過電圧、低電圧）
・入力電流異常（過電流）
・出力電圧異常（過電圧、低電圧）
・出力電流異常（過電流）
・平滑コンデンサ電圧異常（過電圧、低電圧）
・平滑コンデンサ電流異常（過電流）
・入力電源変動（瞬断）
・入力電源周波数異常
・制御異常
この中で制御異常は、例えば制御対象の電流値あるいは電圧値が目標値に追従しない場合などがあげられる。
In such a power converter, for example, the following abnormality and failure detection functions are installed. These abnormality and failure detection functions are implemented in the
・ Input voltage abnormality (overvoltage, low voltage)
・ Abnormal input current (overcurrent)
・ Abnormal output voltage (overvoltage, low voltage)
・ Abnormal output current (overcurrent)
・ Smoothing capacitor voltage error (overvoltage, low voltage)
・ Smoothing capacitor current abnormality (overcurrent)
・ Input power fluctuation (instantaneous interruption)
-Input power frequency abnormality / control abnormality Among these, the control abnormality is, for example, the case where the current value or voltage value of the controlled object does not follow the target value.
異常を検知するための計測対象は、具体的には入力電源、入力電流、入力電圧、出力電流、出力電圧、平滑コンデンサ電流、平滑コンデンサ電圧などである。この中で、ワイドバンドギャップ半導体で構成されたスイッチング素子の保護に必要な異常の検知を第１保護部１７で行い、それ以外の異常の検知を第２保護部１８で行う。以下、具体的に説明する。
Specifically, the measurement target for detecting the abnormality is an input power source, an input current, an input voltage, an output current, an output voltage, a smoothing capacitor current, a smoothing capacitor voltage, and the like. Among them, the
図２は、本実施の形態の第１制御部および第２制御部を示すブロック図である。図２に示すように、第２制御部７は、外部より蓄電池９を充電するための充電指令を受け取る。第１制御部６は、第１電流センサ１１で計測された入力電流Ｉ１、第１電圧センサ１２で計測された入力電圧Ｖ１、第２電流センサ１３で計測された出力電流Ｉ２、第２電圧センサ１４で計測された出力電圧Ｖ２、第３電流センサ１５で計測された平滑コンデンサ電流Ｉ３、および第３電圧センサ１６で計測された平滑コンデンサ電圧Ｖ３を受け取る。この中で、ワイドバンドギャップ半導体で構成されたスイッチング素子の保護に必要なＩ１、Ｉ２およびＩ３による過電流検知（スイッチング素子に発生する短絡電流の検知）は第１保護部１７で行なわれ、それ以外の異常検知は第２保護部１８で行われる。第１制御部６と第２制御部７とは、制御信号、各種センサからの入力信号などを相互に伝達する
FIG. 2 is a block diagram showing the first control unit and the second control unit of the present embodiment. As shown in FIG. 2, the
スイッチング素子に短絡電流が発生する要因の１つとして、交流−直流電力変換部３および直流−直流電力変換部４の内部で上下アームが短絡した場合がある。この場合、最も大きな短絡電流が流れる。図３は、ＧａＮを用いたスイッチング素子における短絡発生時の電流特性を示す特性図である。図３において、横軸は短絡発生後の経過時間、右縦軸は電流、左縦軸はエネルギーである。図３において、実線は短絡電流、破線はスイッチング素子に負荷されるエネルギー量、網掛けで示した領域はスイッチング素子が壊れないエネルギー領域である。図３の破線に示すように、短絡が発生したのちスイッチング素子に負荷されるエネルギーが増加する。このエネルギー量がスイッチング素子が壊れないエネルギー領域を超える時間をＴｍａｘとする。ＧａＮを用いたスイッチング素子では、Ｔｍａｘは数μｓ程度、例えば１０μｓ以下である。
One of the causes of the short-circuit current in the switching element is that the upper and lower arms are short-circuited inside the AC-
短絡が発生してＴｍａｘ経過後の短絡電流をＩｍａｘとする。このＩｍａｘは、短絡電流の許容最大値である。仮に異常検知の閾値をＩｔｈとする。そして、短絡電流がＩｔｈに到達する時間をＴｔｈとする。例えば、異常検知の対象を入力電流Ｉ１とした場合、Ｉ１がＩｔｈに到達した時間に異常を検知する。したがって、スイッチング素子を保護するために、異常を検知してからスイッチング素子をオフにして異常を回避するまでの許容時間はＴｍａｘ−Ｔｔｈである。指令を発してから実際にスイッチング素子のオフが完了するまでの遅延時間（ＦＰＧＡの処理速度およびワイドバンドギャップ半導体のスイッチング素子の応答速度など）も考慮すると、異常を検知してからスイッチング素子をオフにする指令を発するまでの処理時間Ｔｄは、Ｔｍａｘ−Ｔｔｈより短い時間である必要がある。例えば、このＴｄは４μｓ以下である。したがって、第１保護部１７における第１処理時間Ｔ１は、４μｓよりさらに短い値、例えば０．５μｓ以下に設定する必要がある。異常検知の閾値Ｉｔｈは、この条件を満足する値、例えばＩｍａｘの７０％となる電流値となるように設定する。なお、スイッチング素子が壊れないエネルギー領域はスイッチング素子が配置される箇所およびその周辺の回路構成で異なるため、各スイッチング素子のＴｍａｘに応じたＩｔｈを設定する。ただし、第１保護部と第２保護部とに検知対象を振り分けるための閾値は、電力変換装置内のスイッチング素子の中で最も遅いＴｍａｘを採用する。一方、第２保護部１８における第２処理時間Ｔ２は、４μｓを超える時間で問題ない。第２保護部１８は、異常を検知したのちにスイッチング素子をオフにする指令を発する処理をソフトウェアで行うため、通常Ｔ２は数ｍｓ以上、例えば１０ｍｓ以上に設定される。
Let Imax be the short-circuit current after a short circuit has occurred and Tmax has elapsed. This Imax is the allowable maximum value of the short circuit current. Suppose that the threshold for abnormality detection is Ith. The time required for the short circuit current to reach Ith is Tth. For example, when the target of abnormality detection is the input current I1, the abnormality is detected when I1 reaches Ith. Therefore, in order to protect the switching element, the allowable time from detecting the abnormality to turning off the switching element to avoid the abnormality is Tmax-Tth. Considering the delay time from when the command is issued until the switching element is actually turned off (eg, FPGA processing speed and wide bandgap semiconductor switching element response speed), the switching element is turned off after an abnormality is detected. It is necessary that the processing time Td until a command to turn on is issued is shorter than Tmax-Tth. For example, this Td is 4 μs or less. Therefore, the first processing time T1 in the
なお、Ｔｍａｘのときのエネルギー量Ｅｍａｘは許容最大値、Ｔｔｈのときのエネルギー量Ｅｔｈは異常検知までのエネルギー量、ＴｔｈからＴｄまでエネルギー増加量Ｅｔｄは異常検知からスイッチング素子をオフにする指令が出されるまでのエネルギー増加量である。 The energy amount Emax at Tmax is an allowable maximum value, the energy amount Eth at Tth is the energy amount until abnormality detection, and the energy increase amount Etd from Tth to Td is a command to turn off the switching element from abnormality detection. It is the amount of energy increase until it is released.
図４は、本実施の形態における第１制御部６と第２制御部７とにそれぞれ備えられた第１保護部１７および第２保護部１８での異常検知の対象を示した図である。
第１保護部１７は、以下の異常を検知する。
・入力電流異常（過電流）
・出力電流異常（過電流）
・平滑コンデンサ電流異常（過電流）
第２保護部１８は、以下の異常を検知する。
・入力電圧異常（過電圧、低電圧）
・出力電圧異常（過電圧、低電圧）
・平滑コンデンサ電圧異常（過電圧、低電圧）
・入力電源変動（瞬断）
・入力電源周波数異常
・制御異常
FIG. 4 is a diagram showing targets of abnormality detection by the
The
・ Abnormal input current (overcurrent)
・ Abnormal output current (overcurrent)
・ Smoothing capacitor current abnormality (overcurrent)
The
・ Input voltage abnormality (overvoltage, low voltage)
・ Abnormal output voltage (overvoltage, low voltage)
・ Smoothing capacitor voltage error (overvoltage, low voltage)
・ Input power fluctuation (instantaneous interruption)
・ Abnormal input power frequency ・ Abnormal control
交流−直流電力変換部３および直流−直流電力変換部４の内部で上下アームが短絡した場合、その短絡電流は、入力電流Ｉ１、出力電流Ｉ２および平滑コンデンサ電流Ｉ３で検知できる。したがって、本実施の形態の電力変換装置１では、入力電流Ｉ１、出力電流Ｉ２および平滑コンデンサ電流Ｉ３に対する過電流検知を第１制御部６の第１保護部１７で異常を検知するように構成されている。このとき、第１保護部１７は、入力電流Ｉ１、出力電流Ｉ２および平滑コンデンサ電流Ｉ３の少なくとも１つに基づいて異常を検知したのちにスイッチング素子をオフにする第１の指令を発する。この第１の指令に対する第１処理時間は、第１の値である２μｓ以下に設定される。それ以外は、第２制御部７の第２保護部１８で異常を検知するように構成されている。つまり、本実施の電力変換装置は、図４に示すように、入力電流異常（過電流）、出力電流異常（過電流）および平滑コンデンサ電流異常（過電流）の異常検知を第１保護部で行い、それ以外の異常検知を第２保護部で行うように振り分けている。
When the upper and lower arms are short-circuited inside the AC-
このように構成された電力変換装置は、スイッチング素子を保護することができる時間内にスイッチング素子をオフにする必要のある計測対象のみをハードウェアで処理する第１保護部で異常検知を行っているので、ワイドバンドギャップ半導体で構成されたスイッチング素子を保護することができる。また、速い処理時間が必要でない計測対象はソフトウェアで処理する第２保護部で異常検知を行っているので、高速な処理速度が必要でない機能はＦＰＧＡに実装されない。その結果、電力変換装置が高コストになるという問題もない。 The power conversion device configured as described above detects an abnormality in the first protection unit that processes only the measurement target that needs to turn off the switching element within a time period in which the switching element can be protected by hardware. Therefore, the switching element composed of the wide band gap semiconductor can be protected. Further, since the measurement target that does not require a fast processing time detects an abnormality in the second protection unit that is processed by software, a function that does not require a high processing speed is not implemented in the FPGA. As a result, there is no problem that the cost of the power converter becomes high.
なお、本実施の形態において、第１制御部６をＦＰＧＡで構成していたが、それ以外に例えばＡＳＩＣ（Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ Ｓｐｅｃｉｆｉｃ Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ Ｃｉｒｃｕｉｔ）、ＰＬＤ（Ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ Ｌｏｇｉｃ Ｄｅｖｉｃｅ）などのハードウェアであってもよい。
In the present embodiment, the
また、本実施の形態の電力変換装置１において、交流−直流電力変換部３と直流−直流電力変換部４との間に平滑コンデンサ１０が接続されている。この平滑コンデンサ１０は、交流−直流電力変換部３の出力電圧を平滑化するために接続されているが、直流−直流電力変換部４の出力電圧が安定するのであれば必ずしも必要ない。平滑コンデンサ１０がない場合、第１保護部１７は、入力電流Ｉ１および出力電流Ｉ２の少なくとも１つに基づいて異常を検知したのちにスイッチング素子をオフにする第１の指令を発する。
Further, in the
さらに、本実施の形態の電力変換装置１は、交流−直流電力変換部３と直流−直流電力変換部４との２つの電力変換部を備えていたが、必ずしも２つの電力変換部を備えている必要はなく、どちらか一方の変換部のみを備えていてもよい。あるいは、電力変換装置の変換部は、直流−交流電力変換部であってもよい。
Furthermore, the
実施の形態２．
高速停止が求められる電力変換装置として、実施の形態１では、スイッチング素子が短絡したときにスイッチング素子を高速に遮断することができる電力変換装置について説明した。短絡以外にスイッチング素子に過大な電流が流れる原因の１つに入力電源の電圧変動がある。実施の形態２の電力変換装置は、スイッチング素子に過大な電流が流れることを未然に防ぐことができる電力変換装置である。とくに、入力電源が瞬断した場合の電力変換装置の動作について説明する。本実施の形態に係る電力変換装置の構成は実施の形態１と同様であるので説明は省略する。なお、瞬断とは電源からの電力供給が短い時間（数百μｓから数ｍｓ）の間だけ絶たれてしまう電源障害現象をいう。
In the first embodiment, as a power converter that is required to stop at high speed, the power converter that can quickly shut off the switching element when the switching element is short-circuited has been described. Besides the short circuit, one of the causes of the excessive current flowing through the switching element is the voltage fluctuation of the input power supply. The power converter of the second embodiment is a power converter that can prevent an excessive current from flowing through the switching element. In particular, the operation of the power conversion device when the input power source is momentarily cut will be described. The configuration of the power conversion device according to the present embodiment is the same as that of the first embodiment, so description thereof will be omitted. The instantaneous interruption refers to a power failure phenomenon in which the power supply from the power supply is cut off for a short time (several hundred μs to several ms).
図５は、本実施の形態の電力変換装置において、入力電源に瞬断が発生したときの入力電圧と平滑コンデンサ電圧との特性を示す図である。図５において、横軸は時間、縦軸は電圧である。図５（ａ）は保護部がない場合の特性、図５（ｂ）は保護部が機能した場合の特性を示している。図５において、時間Ｔ０で入力電源の供給が停止し、数百μｓ後のＴ１で入力電源の供給が再開したとする。このような現象は瞬断と言われる。図５（ａ）に示すように、入力電源電圧Ｖａは交流の電圧であり、瞬断が発生した場合、Ｔ０でゼロとなりＴ１で所定の電圧に復帰する。入力電源電圧がＴ０でゼロになると、一時的に平滑コンデンサへ電力が供給されなくなるが、電力変換装置が停止するまでは出力側から負荷への電力の供給が継続される。そのため、平滑コンデンサ電圧Ｖ３は徐々に減少し、例えば、Ｔ０から時間Ｔｍａｘ経過した時点で入力電源電圧Ｖａの最大値よりも小さくなる。Ｔ１で入力電源の供給が再開すると、平滑コンデンサ電圧Ｖ３が入力電源電圧Ｖａの最大値よりも小さいため、平滑コンデンサの電圧を所定の電圧まで上昇させるために過大な電流が平滑コンデンサおよびスイッチング素子に流れ込む。したがって、異常を検知してからスイッチング素子をオフにして異常を回避するまでの許容時間はＴｍａｘである。Ｔｍａｘの値は、電力変換装置の仕様によって決まるが、通常は数百μｓから１ｍ程度である。 FIG. 5 is a diagram showing the characteristics of the input voltage and the smoothing capacitor voltage when an instantaneous interruption occurs in the input power supply in the power converter of the present embodiment. In FIG. 5, the horizontal axis represents time and the vertical axis represents voltage. FIG. 5 (a) shows the characteristic when the protective portion is not provided, and FIG. 5 (b) shows the characteristic when the protective portion functions. In FIG. 5, it is assumed that the input power supply is stopped at time T0 and the input power supply is restarted at T1 after several hundreds of μs. Such a phenomenon is called a momentary interruption. As shown in FIG. 5A, the input power supply voltage Va is an AC voltage, and when a momentary interruption occurs, it becomes zero at T0 and returns to a predetermined voltage at T1. When the input power supply voltage becomes zero at T0, power is temporarily not supplied to the smoothing capacitor, but power is continuously supplied from the output side to the load until the power conversion device stops. Therefore, the smoothing capacitor voltage V3 gradually decreases, and becomes smaller than the maximum value of the input power supply voltage Va, for example, at the time when the time Tmax has elapsed from T0. When the supply of the input power is restarted at T1, the smoothing capacitor voltage V3 is smaller than the maximum value of the input power supply voltage Va. Therefore, an excessive current is applied to the smoothing capacitor and the switching element to raise the voltage of the smoothing capacitor to a predetermined voltage. Pour in. Therefore, the permissible time from detecting the abnormality to turning off the switching element to avoid the abnormality is Tmax. The value of Tmax depends on the specifications of the power conversion device, but is usually about several hundreds μs to 1 m.
このような平滑コンデンサに流れ込む過大な電流を抑制するためには、平滑コンデンサ電圧Ｖ３が入力電源電圧Ｖａの最大値よりも小さくならないようにすればよい。図５（ｂ）に示すように、Ｔ０以降に平滑コンデンサ電圧Ｖ３は徐々に減少するが、平滑コンデンサ電圧Ｖ３が入力電源電圧Ｖａの最大値まで下がる時間Ｔｍａｘより短い時間で電力変換装置を停止させれば、出力側から負荷への電力の供給が停止され、平滑コンデンサ電圧Ｖ３の減少が止まる。電力変換装置を停止させれば、それ以降の平滑コンデンサ電圧Ｖ３は入力電源電圧Ｖａの最大値よりも高い電圧で一定となる。そのため、Ｔ１で入力電源の供給が再開されても平滑コンデンサに過大な電流が流れ込むことはない。仮に異常検知の閾値をＶｔｈとする。すなわち、平滑コンデンサＶ３がＶｔｈに到達した時間に異常を検知する。そして、平滑コンデンサ電圧がＶｔｈに到達する時間をＴｓとする。したがって、スイッチング素子を保護するために、異常を検知してからスイッチング素子をオフにして異常を回避するまでの許容時間はＴｍａｘ−Ｔｓである。指令を発してから実際にスイッチング素子のオフが完了するまでの遅延時間（ＦＰＧＡの処理速度およびワイドバンドギャップ半導体のスイッチング素子の応答速度など）も考慮すると、異常を検知してからスイッチング素子をオフにする指令を発するまでの処理時間Ｔｄは、Ｔｍａｘ−Ｔｓより短い時間である必要がある。ＦＰＧＡの処理速度およびワイドバンドギャップ半導体のスイッチング素子の応答速度などを考慮すると、このＴｄは５００μｓ以下とする。本実施の形態の電力変換装置は、平滑コンデンサ電圧Ｖ３の異常検知は第１保護部１７で行なわれる。このとき、第１保護部１７は、平滑コンデンサ電圧Ｖ３の減少異常を検知したのちにスイッチング素子をオフにする第２の指令を発する。この第２の指令に対する第１処理時間は、第２の値である５００μｓ以下に設定される。
In order to suppress such an excessive current flowing into the smoothing capacitor, it suffices that the smoothing capacitor voltage V3 does not become smaller than the maximum value of the input power supply voltage Va. As shown in FIG. 5B, the smoothing capacitor voltage V3 gradually decreases after T0, but the power converter is stopped in a time shorter than the time Tmax in which the smoothing capacitor voltage V3 drops to the maximum value of the input power supply voltage Va. Then, the supply of power from the output side to the load is stopped, and the smoothing capacitor voltage V3 stops decreasing. If the power converter is stopped, the smoothing capacitor voltage V3 thereafter is constant at a voltage higher than the maximum value of the input power supply voltage Va. Therefore, even if the supply of the input power is restarted at T1, an excessive current does not flow into the smoothing capacitor. Let us assume that the threshold for abnormality detection is Vth. That is, the abnormality is detected when the smoothing capacitor V3 reaches Vth. The time required for the smoothing capacitor voltage to reach Vth is Ts. Therefore, in order to protect the switching element, the permissible time from detecting the abnormality to turning off the switching element to avoid the abnormality is Tmax-Ts. Considering the delay time from when the command is issued until the switching element is actually turned off (eg, FPGA processing speed and wide bandgap semiconductor switching element response speed), the switching element is turned off after an abnormality is detected. It is necessary that the processing time Td until the command to turn on is issued is shorter than Tmax-Ts. Considering the processing speed of the FPGA and the response speed of the switching element of the wide band gap semiconductor, this Td is set to 500 μs or less. In the power conversion device of the present embodiment, the
なお、実施の形態１で説明したように、第１保護部１７は、入力電流Ｉ１、出力電流Ｉ２および平滑コンデンサ電流Ｉ３に対しては、異常を検知したのちに第１の処理時間である０．５μｓ以下の間にスイッチング素子をオフにする第１の指令を発する。
As described in the first embodiment, the
図６は、本実施の形態における第１制御部６と第２制御部７とにそれぞれ備えられた第１保護部１７および第２保護部１８での異常検知の対象を示した図である。
第１保護部１７は、以下の異常を検知する。
・入力電流異常（過電流）
・出力電流異常（過電流）
・平滑コンデンサ電流異常（過電流）
・入力電源変動（瞬断）
第２保護部１８は、以下の異常を検知する。
・入力電圧異常（過電圧、低電圧）
・出力電圧異常（過電圧、低電圧）
・平滑コンデンサ電圧異常（過電圧、低電圧）
・入力電源周波数異常
・制御異常
FIG. 6 is a diagram showing targets of abnormality detection by the
The
・ Abnormal input current (overcurrent)
・ Abnormal output current (overcurrent)
・ Smoothing capacitor current abnormality (overcurrent)
・ Input power fluctuation (instantaneous interruption)
The
・ Input voltage abnormality (overvoltage, low voltage)
・ Abnormal output voltage (overvoltage, low voltage)
・ Smoothing capacitor voltage error (overvoltage, low voltage)
・ Abnormal input power frequency ・ Abnormal control
本実施の形態の電力変換装置において、第１保護部１７は、入力電流Ｉ１、出力電流Ｉ２および平滑コンデンサ電流Ｉ３に基づいて異常を検知したのちにスイッチング素子をオフにする第１の指令を発する。この第１の指令に対する第１処理時間は、第１の値である０．５μｓ以下に設定されている。また、第１保護部１７は、平滑コンデンサ電圧Ｖ３の減少異常を検知したのちにスイッチング素子をオフにする第２の指令を発する。この第２の指令に対する第１処理時間は、第２の値である５００μｓ以下に設定されている。つまり、本実施の電力変換装置は、図６に示すように、入力電流異常（過電流）、出力電流異常（過電流）および平滑コンデンサ電流異常（過電流）に加えて、入力電源変動（瞬断）の異常検知を第１保護部で行い、それ以外の異常検知を第２保護部で行うように振り分けている。
In the power converter of this embodiment, the
このように構成された電力変換装置は、スイッチング素子を保護することができる時間内にスイッチング素子をオフにする必要のある計測対象のみをハードウェアで処理する第１保護部で異常検知を行っているので、ワイドバンドギャップ半導体で構成されたスイッチング素子を保護することができる。また、速い処理時間が必要でない計測対象はソフトウェアで処理する第２保護部で異常検知を行っているので、高速な処理速度が必要でない機能はＦＰＧＡに実装されない。その結果、電力変換装置が高コストになるという問題もない。 The power conversion device configured as described above detects an abnormality in the first protection unit that processes only the measurement target that needs to turn off the switching element within a time period in which the switching element can be protected by hardware. Therefore, the switching element composed of the wide band gap semiconductor can be protected. Further, since the measurement target that does not require a fast processing time detects an abnormality in the second protection unit that is processed by software, a function that does not require a high processing speed is not implemented in the FPGA. As a result, there is no problem that the cost of the power converter becomes high.
なお、本実施の形態では、入力電源変動（瞬断）の異常検知を平滑コンデンサの電圧で検知しているが、入力電圧で検知しても、なんら問題はない。 In addition, in the present embodiment, the abnormality detection of the fluctuation (instantaneous interruption) of the input power source is detected by the voltage of the smoothing capacitor, but the detection by the input voltage does not cause any problem.
実施の形態３．
高速停止が求められる電力変換装置として、実施の形態１では、スイッチング素子が短絡したときに短絡電流を高速に遮断することができる電力変換装置について説明した。また、実施の形態２では、瞬断が発生したときに平滑コンデンサおよびスイッチング素子に過大な電流が流れることを未然に防ぐことができる電力変換装置について説明した。実施の形態３の電力変換装置は、平滑コンデンサに過大な電圧が印加されるのを未然に防ぐことができる電力変換装置である。
In the first embodiment, as a power conversion device that requires high-speed stop, the power conversion device that can interrupt the short-circuit current at high speed when the switching element is short-circuited has been described. Further, in the second embodiment, the power conversion device that can prevent an excessive current from flowing through the smoothing capacitor and the switching element when a momentary interruption occurs has been described. The power conversion device according to the third embodiment is a power conversion device that can prevent an excessive voltage from being applied to the smoothing capacitor.
電気自動車の充電装置に用いられるこのような電力変換装置では、平滑コンデンサとして主に電解コンデンサが使用される。一般に電解コンデンサは、定格電圧を超える過電圧が印加されると防爆弁が作動してその後はコンデンサとして使用できなくなる。本実施の形態は、平滑コンデンサに過大な電圧が印加されるのを未然に防ぐことを目的とする。 In such a power conversion device used for a charging device of an electric vehicle, an electrolytic capacitor is mainly used as a smoothing capacitor. Generally, when an overvoltage exceeding the rated voltage is applied to the electrolytic capacitor, the explosion-proof valve operates and cannot be used as a capacitor thereafter. The purpose of this embodiment is to prevent an excessive voltage from being applied to the smoothing capacitor.
平滑コンデンサに過大な電圧が印加される要因のひとつに、出力電圧の電圧変動がある。とくに、負荷がオープンになった場合の電力変換装置の動作について説明する。本実施の形態に係る電力変換装置の構成は実施の形態１と同様であるので説明は省略する。なお、負荷がオープンになるとは、電力変換装置の２つの出力端子間の抵抗値が無限大になること意味する。 One of the factors that causes an excessive voltage to be applied to the smoothing capacitor is the voltage fluctuation of the output voltage. In particular, the operation of the power converter when the load is opened will be described. The configuration of the power conversion device according to the present embodiment is the same as that of the first embodiment, so description thereof will be omitted. Note that the load being open means that the resistance value between the two output terminals of the power conversion device becomes infinite.
図７は、本実施の形態の電力変換装置において、負荷がオープンになったときの出力電圧と平滑コンデンサ電圧との特性を示す図である。図７において、横軸は時間、縦軸は電圧である。図７（ａ）は出力電圧Ｖ２の特性、図７（ｂ）は平滑コンデンサ電圧Ｖ３の特性を示している。図７において、時間Ｔ０で負荷がオープンになったとする。図７（ａ）および（ｂ）に示すように、時間Ｔ０で出力電圧Ｖ２は急激に増加し、電力変換装置が負荷のオープンを検知していない間は平滑コンデンサ電圧Ｖ３も増加する。出力電圧Ｖ２が平滑コンデンサの定格電圧（耐電圧）Ｖｃｌを超過すると、平滑コンデンサ電圧Ｖ３もＶｃｌを超過する場合がある。平滑コンデンサ電圧Ｖ３がＶｃｌに到達するまでの時間をＴｍａｘとする。したがって、異常を検知してからスイッチング素子をオフにして異常を回避するまでの許容時間はＴｍａｘである。Ｔｍａｘの値は、電力変換装置の仕様によって決まるが、通常は数ｍｓ程度である。 FIG. 7 is a diagram showing the characteristics of the output voltage and the smoothing capacitor voltage when the load is opened in the power converter of the present embodiment. In FIG. 7, the horizontal axis represents time and the vertical axis represents voltage. FIG. 7A shows the characteristic of the output voltage V2, and FIG. 7B shows the characteristic of the smoothing capacitor voltage V3. In FIG. 7, it is assumed that the load is opened at time T0. As shown in FIGS. 7A and 7B, the output voltage V2 sharply increases at the time T0, and the smoothing capacitor voltage V3 also increases while the power converter does not detect that the load is open. When the output voltage V2 exceeds the rated voltage (withstand voltage) Vcl of the smoothing capacitor, the smoothing capacitor voltage V3 may also exceed Vcl. Let Tmax be the time until the smoothing capacitor voltage V3 reaches Vcl. Therefore, the permissible time from detecting the abnormality to turning off the switching element to avoid the abnormality is Tmax. The value of Tmax is determined by the specifications of the power converter, but is usually about several ms.
このような平滑コンデンサ電圧が耐電圧を超えるのを抑制するためには、耐電圧Ｖｃｌよりも低い電圧値の閾値電圧Ｖｔｈを設け、平滑コンデンサ電圧Ｖ３が耐電圧Ｖｃｌよりも低い時点で電力変換装置を停止させればよい。図７（ｂ）に示すように、耐電圧Ｖｃｌよりも低い電圧で電力変換装置を停止させれば、出力側から負荷への電力の供給が停止され、平滑コンデンサ電圧Ｖ３の増加が止まる。すなわち、平滑コンデンサＶ３がＶｔｈに到達した時間に異常を検知する。そして、平滑コンデンサ電圧がＶｔｈに到達する時間をＴｏとする。したがって、スイッチング素子を保護するために、異常を検知してからスイッチング素子をオフにして異常を回避するまでの許容時間はＴｍａｘ−Ｔｏである。指令を発してから実際にスイッチング素子のオフが完了するまでの遅延時間（ＦＰＧＡの処理速度およびワイドバンドギャップ半導体のスイッチング素子の応答速度など）も考慮すると、異常を検知してからスイッチング素子をオフにする指令を発するまでの処理時間Ｔｄは、Ｔｍａｘ−Ｔｏより短い時間である必要がある。また、平滑コンデンサ電圧Ｖ３は出力電圧を制御するための電圧であるため、Ｖｔｈをあまり低い値に設定すると、制御可能な範囲が狭くなり、製品としての価値がさがる。このため、耐電圧Ｖｃｌに出来る限り近い値で閾値電圧Ｖｔｈを設定することが望ましい。このためには、処理時間Ｔｄを十分小さい値に設定する必要がある。このＴｄは５μｓ以下とする。本実施の形態の電力変換装置は、平滑コンデンサ電圧Ｖ３の異常検知は第１保護部１７で行なわれる。このとき、第１保護部１７は、平滑コンデンサ電圧Ｖ３の増加異常を検知したのちにスイッチング素子をオフにする第３の指令を発する。この第３の指令に対する第１処理時間は、第３の値である５μｓ以下に設定される。
In order to prevent the smoothing capacitor voltage from exceeding the withstand voltage, a threshold voltage Vth having a voltage value lower than the withstand voltage Vcl is provided, and the power conversion device is provided when the smoothing capacitor voltage V3 is lower than the withstand voltage Vcl. Should be stopped. As shown in FIG. 7B, if the power conversion device is stopped at a voltage lower than the withstand voltage Vcl, the power supply from the output side to the load is stopped and the smoothing capacitor voltage V3 stops increasing. That is, the abnormality is detected when the smoothing capacitor V3 reaches Vth. Then, the time for the smoothing capacitor voltage to reach Vth is To. Therefore, in order to protect the switching element, the permissible time from detecting the abnormality to turning off the switching element to avoid the abnormality is Tmax-To. Considering the delay time from when the command is issued until the switching element is actually turned off (eg, FPGA processing speed and wide bandgap semiconductor switching element response speed), the switching element is turned off after an abnormality is detected. It is necessary that the processing time Td until the command to turn on is issued is shorter than Tmax-To. Further, since the smoothing capacitor voltage V3 is a voltage for controlling the output voltage, if Vth is set to a too low value, the controllable range becomes narrow and the value as a product becomes low. Therefore, it is desirable to set the threshold voltage Vth as close as possible to the withstand voltage Vcl. For this purpose, it is necessary to set the processing time Td to a sufficiently small value. This Td is 5 μs or less. In the power converter of the present embodiment, the abnormality of smoothing capacitor voltage V3 is detected by
なお、実施の形態１で説明したように、第１保護部１７は、入力電流Ｉ１、出力電流Ｉ２および平滑コンデンサ電流Ｉ３に対しては、異常を検知したのちに第１の処理時間である０．５μｓ以下の間にスイッチング素子をオフにする第１の指令を発する。また、実施の形態２で説明したように、第１保護部１７は、平滑コンデンサ電圧Ｖ３の減少異常に対しては、それを検知したのちに第２の処理時間である５００μｓ以下の間にスイッチング素子をオフにする第２の指令を発する。
As described in the first embodiment, the
図８は、本実施の形態における第１制御部６と第２制御部７とにそれぞれ備えられた第１保護部１７および第２保護部１８での異常検知の対象を示した図である。
第１保護部１７は、以下の異常を検知する。
・入力電流異常（過電流）
・出力電流異常（過電流）
・平滑コンデンサ電流異常（過電流）
・入力電源変動（瞬断）
・平滑コンデンサ電圧異常（過電圧）
第２保護部１８は、以下の異常を検知する。
・入力電圧異常（過電圧、低電圧）
・出力電圧異常（過電圧、低電圧）
・平滑コンデンサ電圧異常（低電圧）
・入力電源周波数異常
・制御異常
FIG. 8 is a diagram showing an object of abnormality detection by the
The
・ Abnormal input current (overcurrent)
・ Abnormal output current (overcurrent)
・ Smoothing capacitor current abnormality (overcurrent)
・ Input power fluctuation (instantaneous interruption)
・ Smoothing capacitor voltage abnormality (overvoltage)
The
・ Input voltage abnormality (overvoltage, low voltage)
・ Abnormal output voltage (overvoltage, low voltage)
・ Smoothing capacitor voltage error (low voltage)
・ Abnormal input power frequency ・ Abnormal control
本実施の形態の電力変換装置において、第１保護部１７は、入力電流Ｉ１、出力電流Ｉ２および平滑コンデンサ電流Ｉ３に基づいて異常を検知したのちにスイッチング素子をオフにする第１の指令を発する。この第１の指令に対する第１処理時間は、第１の値である０．５μｓ以下に設定されている。また、第１保護部１７は、平滑コンデンサ電圧Ｖ３の減少異常を検知したのちにスイッチング素子をオフにする第２の指令を発する。この第２の指令に対する第１処理時間は、第２の値である５００μｓ以下に設定されている。さらに、第１保護部１７は、平滑コンデンサ電圧Ｖ３の増加異常を検知したのちにスイッチング素子をオフにする第３の指令を発する。この第３の指令に対する第１処理時間は、第３の値である５μｓ以下に設定されている。つまり、本実施の電力変換装置は、図８に示すように、入力電流異常（過電流）、出力電流異常（過電流）および平滑コンデンサ電流異常（過電流）、入力電源変動（瞬断）に加えて、平滑コンデンサ電圧異常（過電圧）の異常検知を第１保護部で行い、それ以外の異常検知を第２保護部で行うように振り分けている。
In the power converter of this embodiment, the
このように構成された電力変換装置は、平滑コンデンサを保護することができる時間内にスイッチング素子をオフにする必要のある計測対象のみをハードウェアで処理する第１保護部で異常検知を行っているので、平滑コンデンサを保護することができる。また、速い処理時間が必要でない計測対象はソフトウェアで処理する第２保護部で異常検知を行っているので、高速な処理速度が必要でない機能はＦＰＧＡに実装されない。その結果、電力変換装置が高コストになるという問題もない。 The power conversion device configured as described above detects an abnormality in the first protection unit that processes only the measurement target that needs to turn off the switching element within the time when the smoothing capacitor can be protected by hardware. Therefore, the smoothing capacitor can be protected. Further, since the measurement target that does not require a fast processing time detects an abnormality in the second protection unit that is processed by software, a function that does not require a high processing speed is not implemented in the FPGA. As a result, there is no problem that the cost of the power converter becomes high.
なお、本実施の形態では、出力電圧（負荷オープン）の異常検知を平滑コンデンサの電圧で検知しているが、出力電圧で検知しても、なんら問題はない。 In the present embodiment, the abnormal detection of the output voltage (load open) is detected by the voltage of the smoothing capacitor, but even if it is detected by the output voltage, there is no problem.
なお、実施の形態１から３で説明した電力変換装置において、第１保護部で異常検知の対象となる計測対象は入力電流、出力電流、平滑コンデンサ電流で検知する過電流および平滑コンデンサ電圧で検知する平滑コンデンサ低電圧、平滑コンデンサ過電圧などであったが、これ以外にスイッチング素子、平滑コンデンサなどを含む電力変換回路を保護するためにスイッチング素子を高速でオフする必要のある他の計測対象であってもよい。 In the power converters described in the first to third embodiments, the measurement targets that are targets of abnormality detection by the first protection unit are input current, output current, overcurrent detected by smoothing capacitor current, and smoothing capacitor voltage. The smoothing capacitor has a low voltage, the smoothing capacitor has an overvoltage, etc., but in addition to this, it is another measurement target that requires the switching element to be turned off at high speed to protect the power conversion circuit including the switching element and the smoothing capacitor. May be.
本願は、様々な例示的な実施の形態が記載されているが、１つまたは複数の実施の形態に記載された様々な特徴、態様、及び機能は特定の実施の形態の適用に限られるのではなく、単独で、または様々な組み合わせで実施の形態に適用可能である。
従って、例示されていない無数の変形例が、本願に開示される技術の範囲内において想定される。例えば、少なくとも１つの構成要素を変形する場合、追加する場合または省略する場合、さらには、少なくとも１つの構成要素を抽出し、他の実施の形態の構成要素と組み合わせる場合が含まれるものとする。
Although the present application describes various exemplary embodiments, the various features, aspects, and functions described in one or more embodiments are limited to application of the particular embodiments. Instead, it is applicable to the embodiments alone or in various combinations.
Therefore, innumerable variations not illustrated are envisioned within the scope of the technology disclosed herein. For example, it is assumed that at least one component is modified, added or omitted, and at least one component is extracted and combined with the components of other embodiments.
１ 電力変換装置、 ２ａ、２ｂ 入力端子、 ３ 交流−直流電力変換部、 ４ 直流−直流電力変換部、 ５ａ、５ｂ 出力端子、 ６ 第１制御部、 ７ 第２制御部、 ８ 交流電源、 ９ 蓄電池、 １０ 平滑コンデンサ、 １１ 第１電流センサ、 １２ 第１電圧センサ、 １３ 第２電流センサ、 １４ 第２電圧センサ、 １５ 第３電流センサ、 １６ 第３電圧センサ、 １７ 第１保護部、 １８ 第２保護部。 1 power converter, 2a, 2b input terminal, 3 AC-DC power converter, 4 DC-DC power converter, 5a, 5b output terminal, 6 1st control part, 7 2nd control part, 8 AC power supply, 9 Storage battery, 10 smoothing capacitor, 11 1st current sensor, 12 1st voltage sensor, 13 2nd current sensor, 14 2nd voltage sensor, 15 3rd current sensor, 16 3rd voltage sensor, 17 1st protection part, 18th 2 protection section.
Claims (7)
前記電力変換部の前記スイッチング素子を制御する制御部と
を備えた電力変換装置であって、
前記制御部は、
異常を検知したのちに前記スイッチング素子をオフにする指令を発する処理をハードウェアで行う第１保護部と、
異常を検知したのちに前記スイッチング素子をオフにする指令を発する処理をソフトウェアで行う第２保護部とを有し、
前記第１保護部における異常を検知してから前記スイッチング素子をオフにする指令を発するまでの第１処理時間が、前記第２保護部における異常を検知してから前記スイッチング素子をオフにする指令を発するまでの第２処理時間よりも短く、
異常を検知したのちに前記スイッチング素子をオフにして異常を回避するまでの許容時間に応じて、異常検知の対象が前記第１保護部と前記第２保護部とに振り分けられている
ことを特徴とする電力変換装置。 A power conversion unit including a switching element composed of a wide band gap semiconductor,
A power conversion device comprising a control unit that controls the switching element of the power conversion unit,
The control unit is
A first protection unit that performs processing for issuing a command to turn off the switching element after detecting an abnormality by hardware,
A second protection unit that performs a process of issuing a command to turn off the switching element after detecting an abnormality by software,
The first processing time from the detection of the abnormality in the first protection unit to the issuing of the command to turn off the switching element is a command to turn off the switching element after the abnormality in the second protection unit is detected. Shorter than the second processing time until
The target of abnormality detection is distributed to the first protection unit and the second protection unit according to an allowable time until the switching element is turned off and the abnormality is avoided after the abnormality is detected. Power conversion device.
前記電力変換部の出力側の出力電流を計測する第２電流センサと、
を備え、
前記許容時間は、
前記第１電流センサで計測された前記入力電流または前記第２電流センサで計測された前記出力電流に基づいて異常を検知したのちに前記スイッチング素子をオフにして異常を回避するのに許容される時間である
ことを特徴とする請求項１に記載の電力変換装置。 A first current sensor that measures an input current on the input side of the power conversion unit;
A second current sensor that measures an output current on the output side of the power conversion unit;
Equipped with
The allowable time is
Allowed to avoid the abnormality by turning off the switching element after detecting the abnormality based on the input current measured by the first current sensor or the output current measured by the second current sensor It is time, The power converter device of Claim 1 characterized by the above-mentioned.
前記許容時間は、
前記第１電流センサで計測された前記入力電流または前記第２電流センサで計測された前記出力電流および前記第３電流センサで計測された前記平滑コンデンサ電流の少なくとも１つに基づいて異常を検知したのちに前記スイッチング素子をオフにして異常を回避するのに許容される時間である
ことを特徴とする請求項２に記載の電力変換装置。 The power conversion unit further includes a smoothing capacitor and a third current sensor that measures a smoothing capacitor current flowing through the smoothing capacitor,
The allowable time is
An abnormality is detected based on at least one of the input current measured by the first current sensor or the output current measured by the second current sensor and the smoothing capacitor current measured by the third current sensor. The power conversion device according to claim 2, wherein the power conversion device is allowed time to turn off the switching element later to avoid an abnormality.
前記許容時間は、
前記第３電圧センサで計測された前記平滑コンデンサ電圧に基づいて前記平滑コンデンサ電圧の減少異常を検知したのちに前記スイッチング素子をオフにして異常を回避するのに許容される時間である
ことを特徴とする請求項１に記載の電力変換装置 The power conversion unit includes a smoothing capacitor and a third voltage sensor that measures a smoothing capacitor voltage of the smoothing capacitor,
The allowable time is
It is a time allowed for turning off the switching element and then avoiding the abnormality after detecting a reduction abnormality of the smoothing capacitor voltage based on the smoothing capacitor voltage measured by the third voltage sensor. The power conversion device according to claim 1.
前記許容時間は、
前記第１電圧センサで計測された前記入力電圧に基づいて前記入力電圧の減少異常を検知したのちに前記スイッチング素子をオフにして異常を回避するのに許容される時間であることを特徴とする請求項１に記載の電力変換装置。 The power conversion unit includes a first voltage sensor that measures an input voltage on the input side,
The allowable time is
It is a time allowed for avoiding the abnormality by turning off the switching element after detecting a decrease abnormality of the input voltage based on the input voltage measured by the first voltage sensor. The power conversion device according to claim 1.
前記許容時間は、
前記第２電圧センサで計測された前記出力電圧に基づいて前記出力電圧の減少異常を検知したのちに前記スイッチング素子をオフにして異常を回避するのに許容される時間であることを特徴とする請求項１に記載の電力変換装置。 A second voltage sensor for measuring the output voltage of the output side of the power converter,
The allowable time is
It is a time allowed to turn off the switching element after detecting a decrease abnormality of the output voltage based on the output voltage measured by the second voltage sensor and avoid the abnormality. The power conversion device according to claim 1.
ＦＰＧＡ、ＡＳＩＣまたはＰＬＤで構成されたことを特徴とする請求項１から６のいずれか１項に記載の電力変換装置。 The first protection unit is
The power conversion device according to claim 1, wherein the power conversion device is configured by FPGA, ASIC, or PLD.
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