特許 6835275 短絡判定装置、スイッチ装置、および、短絡判定方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B1)

(11)【特許番号】6835275

(24)【登録日】2021年2月8日

(45)【発行日】2021年2月24日

(54)【発明の名称】短絡判定装置、スイッチ装置、および、短絡判定方法

(51)【国際特許分類】

   H02M 1/00 20070101AFI20210215BHJP

【ＦＩ】

   H02M1/00 H

【請求項の数】9

【全頁数】12

(21)【出願番号】特願2020-47251(P2020-47251)

(22)【出願日】2020年3月18日

【審査請求日】2020年3月30日

【早期審査対象出願】

(73)【特許権者】

【識別番号】000005234

【氏名又は名称】富士電機株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110000877

【氏名又は名称】龍華国際特許業務法人

(72)【発明者】

【氏名】松原 邦夫

(72)【発明者】

【氏名】木口 龍雅

【審査官】 山崎 雄司

(56)【参考文献】

【文献】 国際公開第２０１８／１９３５２７（ＷＯ，Ａ１）

【文献】 特許第３４０９６２０（ＪＰ，Ｂ２）

【文献】 特開２０１５−１３９２７１（ＪＰ，Ａ）

【文献】 国際公開第２０１９／２２５１２１（ＷＯ，Ａ１）

【文献】 国際公開第２０１３／０９４２４１（ＷＯ，Ａ１）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｈ０２Ｈ ７／００

Ｈ０２Ｈ ７／１０−７／２０

Ｈ０２Ｍ １／００−１／４４

Ｈ０２Ｍ ７／４２−７／９８

Ｈ０３Ｋ １７／００−１７／７０

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

制御端子、第１主端子、および、第２主端子を有するスイッチング素子における、前記第１主端子および前記第２主端子間に流れる主電流の時間変化を検出するセンサと、
前記制御端子を駆動するための制御信号がオンした後における第１のタイミング以降にのみ、前記主電流の時間変化が第１のしきい値以上となった場合に、前記スイッチング素子が短絡したと判定する第１の判定部を有する短絡判定部と
を備え、
前記短絡判定部は、前記主電流の時間変化と第２のしきい値とを比較し、前記主電流の時間変化が前記第２のしきい値以下となった場合に、前記第１のタイミングを検出するタイミング検出部を有する、短絡判定装置。

【請求項2】

前記第１の判定部は、前記タイミング検出部が前記第１のタイミングを検出した場合に、前記主電流の時間変化が前記第１のしきい値以上となったか否かの判定を開始する、請求項１に記載の短絡判定装置。

【請求項3】

前記短絡判定部は、
前記主電流の時間変化を積分する積分器と、
前記積分器の出力に基づいて、前記スイッチング素子の短絡を判定する第２の判定部とを更に有する、請求項１または２に記載の短絡判定装置。

【請求項4】

前記スイッチング素子が短絡したと判定された場合に、短絡電流を遮断する短絡電流遮断部を更に備える、請求項１から３のいずれか一項に記載の短絡判定装置。

【請求項5】

前記センサは、ロゴスキーコイルである、請求項１から４のいずれか一項に記載の短絡判定装置。

【請求項6】

前記スイッチング素子は、ワイドバンドギャップ半導体素子である、請求項１から５のいずれか一項に記載の短絡判定装置。

【請求項7】

前記ワイドバンドギャップ半導体素子は、炭化ケイ素、窒化ガリウム、酸化ガリウム、および、ダイアモンドの少なくともいずれかを含む、請求項６に記載の短絡判定装置。

【請求項8】

請求項１から７のいずれか一項に記載の短絡判定装置と、
前記スイッチング素子と
を備える、スイッチ装置。

【請求項9】

制御端子、第１主端子、および、第２主端子を有するスイッチング素子の短絡を判定する短絡判定方法であって、
前記第１主端子および前記第２主端子間に流れる主電流の時間変化を検出することと、
前記主電流の時間変化と第２のしきい値とを比較し、前記主電流の時間変化が前記第２のしきい値以下となった場合に、第１のタイミングを検出することと、
前記制御端子を駆動するための制御信号がオンした後における前記第１のタイミング以降にのみ、前記主電流の時間変化が第１のしきい値以上となった場合に、前記スイッチング素子が短絡したと判定することと
を備える短絡判定方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、短絡判定装置、スイッチ装置、および、短絡判定方法に関する。

【背景技術】

【0002】

従来、ロゴスキーコイルを用いてスイッチング素子の短絡を検出する電力変換装置が知られている。（例えば、特許文献１参照）。
［先行技術文献］
［特許文献］
［特許文献１］ 特開２００１−１６９５３３

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0003】

特許文献１の電力変換装置では、ロゴスキーコイルの端子間電圧を積分し、積分出力の値がある一定レベル以上であることを検出した場合にスイッチング素子が短絡していると判定している。しかしながら、スイッチング素子が短絡したことを、可能な限り早く判定することが望まれている。

【課題を解決するための手段】

【0004】

上記課題を解決するために、本発明の第１の態様においては、短絡判定装置を提供する。短絡判定装置は、制御端子、第１主端子、および、第２主端子を有するスイッチング素子における、第１主端子および第２主端子間に流れる主電流の時間変化を検出するセンサを備えてよい。短絡判定装置は、制御端子を駆動するための制御信号がオンした後における第１のタイミング以降において、主電流の時間変化が第１のしきい値以上となった場合に、スイッチング素子が短絡したと判定する短絡判定部を備えてよい。

【0005】

短絡判定部は、第１のタイミングを検出するタイミング検出部と、タイミング検出部が第１のタイミングを検出した場合に、主電流の時間変化が第１のしきい値以上となったか否かの判定を開始する第１の判定部とを有してよい。

【0006】

タイミング検出部は、主電流の時間変化が第２のしきい値以下となったタイミングを、第１のタイミングとして検出してよい。

【0007】

タイミング検出部は、制御信号がオンしてから予め定められた期間が満了したタイミングを、第１のタイミングとして検出してよい。

【0008】

短絡判定部は、主電流の大きさ、スイッチング素子の温度、および、スイッチング素子の特性の少なくともいずれかに基づいて、予め定められた期間の長さを変更するタイミング変更部を更に有してよい。

【0009】

短絡判定部は、主電流の時間変化を積分する積分器と、積分器の出力に基づいて、スイッチング素子の短絡を判定する第２の判定部とを更に有してよい。

【0010】

スイッチング素子が短絡したと判定された場合に、短絡電流を遮断する短絡電流遮断部を更に備えてよい。

【0011】

センサは、ロゴスキーコイルであってよい。

【0012】

スイッチング素子は、ワイドバンドギャップ半導体素子であってよい。

【0013】

ワイドバンドギャップ半導体素子は、炭化ケイ素、窒化ガリウム、酸化ガリウム、および、ダイアモンドの少なくともいずれかを含んでよい。

【0014】

本発明の第２の態様においては、スイッチ装置を提供する。スイッチ装置は、短絡判定装置を備えてよい。スイッチ装置は、スイッチング素子を備えてよい。

【0015】

本発明の第３の態様においては、短絡判定方法を提供する。短絡判定方法は、制御端子、第１主端子、および、第２主端子を有するスイッチング素子の短絡を判定してよい。短絡判定方法は、第１主端子および第２主端子間に流れる主電流の時間変化を検出することを備えてよい。短絡判定方法は、制御端子を駆動するための制御信号がオンした後における第１のタイミング以降において、主電流の時間変化が第１のしきい値以上となった場合に、スイッチング素子が短絡したと判定することを備えてよい。

【0016】

なお、上記の発明の概要は、本発明の必要な特徴の全てを列挙したものではない。また、これらの特徴群のサブコンビネーションもまた、発明となりうる。

【図面の簡単な説明】

【0017】

【図1】本実施形態に係る短絡判定装置１００を備えるスイッチ装置１０のブロック図の一例を示す。

【図2】ターンオン時に短絡が発生した場合における各種信号波形の一例を示す。

【図3】定常動作時に短絡が発生した場合における各種信号波形の一例を示す。

【図4】本実施形態の変形例に係る短絡判定装置１００を備えるスイッチ装置１０のブロック図の一例を示す。

【発明を実施するための形態】

【0018】

以下、発明の実施の形態を通じて本発明を説明するが、以下の実施形態は特許請求の範囲にかかる発明を限定するものではない。また、実施形態の中で説明されている特徴の組み合わせの全てが発明の解決手段に必須であるとは限らない。

【0019】

ここで、本明細書において「…と…との間に設けられる」等の表現は、物理的な配置を限定するものではなく、「…と…とに電気的に接続される」ことを意味するものとする。また、本明細書において「接続される」等の表現は、他の素子を介さずに直接的に接続されることに限らず、他の素子を介して間接的に接続されることをも含むものとする。

【0020】

図１は、本実施形態に係る短絡判定装置１００を備えるスイッチ装置１０のブロック図の一例を示す。本図において、各ブロックは、それぞれ機能的に分離された機能ブロックを示しており、実際の構成とは必ずしも一致していなくてもよい。すなわち、本図において、１つのブロックとして示されているからといって、それが必ずしも１つの回路やデバイスにより構成されていなくてもよい。また、本図において、別々のブロックとして示されているからといって、それらが必ずしも別々の回路やデバイスにより構成されていなくてもよい。

【0021】

スイッチ装置１０は、スイッチング素子２０と、制御端子駆動部３０と、短絡判定装置１００とを備える。

【0022】

スイッチング素子２０は、一例として、ワイドバンドギャップ半導体素子であってよく、ワイドバンドギャップ半導体素子は、炭化ケイ素、窒化ガリウム、酸化ガリウム、および、ダイアモンドの少なくともいずれかを主材料として含んでよい。このようなスイッチング速度が速いデバイスは、一般に、短絡耐量が低い傾向がある。したがって、このような高速デバイスを短絡判定の対象とすることにより、短絡判定装置１００は、本実施形態による効果をより高めることができる。

【0023】

スイッチング素子２０は、制御端子２２、第１主端子２４、および、第２主端子２６を有し、制御端子２２に入力される電圧または電流に応じて、第１主端子２４と第２主端子２６との間を電気的に接続（オン）または切断（オフ）する。一例として、本実施形態において、スイッチング素子２０は、制御端子２２としてゲート、第１主端子２４としてドレイン、第２主端子２６としてソースを有するｎＭＯＳトランジスタであり、第２主端子２６を基準とした制御端子２２の電圧（「バイアス電圧」とも示す。）、すなわち、例えば、ゲート−ソース電圧Ｖｇｓがゲートしきい値電圧以下の場合にオフし、ゲート−ソース電圧Ｖｇｓがゲートしきい値電圧を超えるとオンする。

【0024】

以下、スイッチング素子２０がｎＭＯＳトランジスタである場合を例に説明するが、各実施形態は、制御端子をゲート、２つの主端子をドレインおよびソースと呼称するＭＯＳトランジスタ、制御端子をゲート、２つの主端子をコレクタおよびエミッタと呼称するＩＧＢＴ（絶縁ゲートバイポーラトランジスタ）、ならびに、制御端子をベース、２つの主端子をコレクタおよびエミッタと呼称するバイポーラトランジスタといった様々なタイプのスイッチング素子２０に適用可能である。

【0025】

制御端子駆動部３０は、スイッチング素子２０の制御端子２２、例えば、ゲートに接続されている。そして、制御端子駆動部３０は、図示せぬ電源から電源供給を受け、外部から入力される制御信号に応じてスイッチング素子２０の制御端子２２を駆動する。これにより、制御端子駆動部３０は、スイッチング素子２０の第１主端子２４および第２主端子２６の間、例えば、ドレイン−ソース間のオン／オフを切り替える。

【0026】

短絡判定装置１００は、スイッチング素子２０の主電流の時間変化を検出し、検出された結果に基づいて、スイッチング素子２０の短絡を判定する。この際、本実施形態に係る短絡判定装置１００は、制御信号がオンした後における第１のタイミング以降において、主電流の時間変化が予め定められたしきい値以上となった場合に、スイッチング素子２０が短絡したと判定する。

【0027】

短絡判定装置１００は、センサ１１０と、短絡判定部１２０と、短絡電流遮断部１６０とを備える。ここで、短絡判定装置１００は、１または複数の集積回路によって実現されていてもよく、複数のディスクリート部品の組み合わせによって実現されていてもよい。

【0028】

センサ１１０は、スイッチング素子２０における第１主端子２４および第２主端子２６間に流れる主電流の時間変化を検出する。一例として、センサ１１０は、ロゴスキーコイルであってよい。一般に、ロゴスキーコイルは、一次導体周辺に空芯のコイルを設置することにより、一次導体に流れる一次電流に対応した電圧が当該コイルの両端に誘起される。この際、誘起される電圧は、一次電流の時間変化、すなわち、微分波形（ｄｉ／ｄｔ）となる。このようなロゴスキーコイルは、磁気コアがなく、また、磁気損失による発熱、飽和、および、ヒステリシスがないため、好ましい。本実施形態において、センサ１１０は、一例として、スイッチング素子２０における第２主端子２６、例えば、ソースに接続された導体の周辺に設置されたロゴスキーコイルであってよい。そして、センサ１１０は、例えば、ロゴスキーコイルの両端に誘起された電圧、すなわち、スイッチング素子２０における第１主端子２４および第２主端子２６間に流れる主電流の時間変化を、短絡判定部１２０へ出力する。

【0029】

短絡判定部１２０は、センサ１１０の出力に基づいて、スイッチング素子２０の短絡を判定する。短絡判定部１２０は、定常動作時短絡判定部１３０と、ターンオン動作時短絡判定部１４０と、短絡信号出力部１５０とを有する。

【0030】

定常動作時短絡判定部１３０は、定常動作時に発生したスイッチング素子２０の短絡を判定するブロックである。定常動作時短絡判定部１３０は、制御端子２２を駆動するための制御信号がオンした後における第１のタイミング以降において、主電流の時間変化が第１のしきい値Ｔｈ１以上となった場合に、スイッチング素子２０が短絡したと判定する。より詳細には、定常動作時短絡判定部１３０は、タイミング検出部１３２と、第１の判定部１３４とを含む。

【0031】

タイミング検出部１３２は、第１のタイミングを検出する。本実施形態においては、タイミング検出部１３２は、主電流の時間変化が第２のしきい値Ｔｈ２以下となったタイミングを、第１のタイミングとして検出してよい。一例として、タイミング検出部１３２は、比較器等であってよく、一方の入力端子には、センサ１１０の出力が接続されてよい。そして、タイミング検出部１３２は、一方の入力端子に入力されたセンサ１１０の出力、すなわち、主電流の時間変化と、他方の入力端子に入力された第２のしきい値Ｔｈ２とを比較し、主電流の時間変化が第２のしきい値Ｔｈ２以下となった場合に、第１のタイミングを検出して検出信号を第１の判定部１３４へ出力してよい。

【0032】

第１の判定部１３４は、タイミング検出部１３２が第１のタイミングを検出した場合に、主電流の時間変化が第１のしきい値Ｔｈ１以上となったか否かの判定を開始する。一例として、第１の判定部１３４は、タイミング検出部１３２から検出信号が供給されると、検出信号のエッジをラッチし、センサ１１０の出力、すなわち、主電流の時間変化が第１のしきい値Ｔｈ１以上となったか否かの判定を開始する。そして、主電流の時間変化が第１のしきい値Ｔｈ１以上となったと判定された場合、第１の判定部１３４は、スイッチング素子２０が短絡したと判定して、第１の短絡検知信号を短絡信号出力部１５０へ出力する。

【0033】

このように、第１の判定部１３４は、タイミング検出部１３２から検出信号が供給されたことをトリガとして、短絡判定を開始する。換言すると、第１の判定部１３４は、タイミング検出部１３２から検出信号が供給されるまでは、短絡判定を行わない。したがって、第１の判定部１３４は、例えば、ターンオン時にスイッチング素子２０の短絡が発生し、センサ１１０の出力、すなわち、主電流の時間変化が第１のしきい値Ｔｈ１以上となった場合であっても、第１の短絡検知信号を出力しない。これについては、波形を用いて後述する。

【0034】

ターンオン動作時短絡判定部１４０は、ターンオン動作時に発生したスイッチング素子２０の短絡を判定するブロックである。ターンオン動作時短絡判定部１４０は、主電流が第３のしきい値Ｔｈ３以上となった場合に、スイッチング素子２０が短絡したと判定する。より詳細には、ターンオン動作時短絡判定部１４０は、積分器１４２と、第２の判定部１４４とを含む。

【0035】

積分器１４２は、センサ１１０と第２の判定部１４４との間に設けられており、センサ１１０の出力を積分する。すなわち、積分器１４２は、主電流の時間変化（ｄｉ／ｄｔ）を積分する。そして、積分器１４２は、主電流の時間変化を積分した結果、すなわち、主電流の値を第２の判定部１４４へ出力する。

【0036】

第２の判定部１４４は、積分器１４２の出力に基づいて、スイッチング素子２０の短絡を判定する。一例として、第２の判定部１４４は、積分器１４２の出力、すなわち、主電流の値が第３のしきい値Ｔｈ３以上となったか否かを判定する。そして、積分器１４２の出力が第３のしきい値Ｔｈ３以上となったと判定された場合、第２の判定部１４４は、スイッチング素子２０が短絡したと判定して、第２の短絡検知信号を短絡信号出力部１５０へ出力する。

【0037】

ここで、上述のとおり、第１の判定部１３４は、タイミング検出部１３２から検出信号が供給されたことをトリガとして、短絡判定を開始する。これに対して、第２の判定部１４４は、このようなトリガを設けておらず、常時、短絡判定を行う。したがって、第２の判定部１４４は、ターンオン時にスイッチング素子２０の短絡が発生し、積分器１４２の出力が第３のしきい値Ｔｈ３以上となった場合に、スイッチング素子２０が短絡したと判定して、第２の短絡検知信号を出力する。これについても、波形を用いて後述する。

【0038】

短絡信号出力部１５０は、第１の判定部１３４および第２の判定部１４４に接続され、第１の短絡検知信号および第２の短絡検知信号を入力する。短絡信号出力部１５０は、例えば、論理和（ＯＲ）回路であってよい。そして、短絡信号出力部１５０は、第１の短絡検知信号および第２の短絡検知信号の少なくともいずれか一方が入力された場合、スイッチング素子２０が短絡したと判定して、短絡信号を短絡電流遮断部１６０へ出力する。

【0039】

短絡電流遮断部１６０は、一例として、短絡信号出力部１５０およびスイッチング素子２０の制御端子２２に接続されている。そして、短絡電流遮断部１６０は、短絡信号出力部１５０から短絡信号が供給された場合、すなわち、スイッチング素子２０が、ターンオン時または定常動作時の少なくともいずれかにおいて短絡したと判定された場合に、サージ電圧を抑制しながら短絡電流を遮断する。一例として、短絡電流遮断部１６０は、制御端子が短絡信号出力部１５０に接続され、主端子の一端がスイッチング素子２０の制御端子２２に接続され、他端がスイッチング素子２０の第２主端子２６に接続されたトランジスタを含んでよい。そして、短絡電流遮断部１６０は、短絡信号出力部１５０から短絡信号が供給された場合に、トランジスタをオンして、スイッチング素子２０の制御端子電圧、例えば、ゲート−ソース電圧Ｖｇｓを引き下げ、短絡電流を遮断してよい。この際、短絡電流遮断部１６０は、スイッチング素子２０の制御端子電圧を緩やかに引き下げることで、短絡電流を遮断する際にスイッチング素子２０に印加されるサージ電圧を軽減させて、スイッチング素子２０の破壊を防止してもよい。なお、本図においては、短絡電流遮断部１６０を制御端子駆動部３０とは別のブロックとして示したが、短絡電流遮断部１６０は、制御端子駆動部３０の一部として構成されていてもよい。

【0040】

図２は、ターンオン時に短絡が発生した場合における各種信号波形の一例を示す。時刻ｔ２１において、制御信号がオンすると、制御端子駆動部３０は、スイッチング素子２０の制御端子２２を駆動する。これに応じて、スイッチング素子２０の制御端子電圧、例えば、ゲートーソース電圧Ｖｇｓが上昇を始める。

【0041】

時刻ｔ２２において、制御端子電圧がゲートしきい値電圧を超えると、スイッチング素子２０がターンオンする。これに応じて、スイッチング素子２０の主電流が増加を始める。したがって、主電流の時間変化を検出するセンサ１１０の出力は、時刻ｔ２２において上昇する。本図は、このターンオンと同時に、何らかの理由でスイッチング素子２０が短絡した場合における各種信号波形の一例を示している。

【0042】

なお、時刻ｔ２２において、スイッチング素子２０がターンオンすると、センサ１１０の出力が第１のしきい値Ｔｈ１以上となるが、この時点においては、未だタイミング検出部１３２が検出信号を出力していないため、第１の判定部１３４が第１の短絡検知信号を出力することはない。

【0043】

ここで、スイッチング素子２０が短絡していない場合においては、すなわち，正常なターンオン動作においては，図示しない対抗アーム素子のフライホイールダイオード（ＦＷＤ）の逆回復動作によって，スイッチング素子２０に流れる電流が減少するため、センサ１１０の出力が負の値をとる。しかしながら、何らかの理由でスイッチング素子２０が短絡した場合、センサ１１０の出力は上昇したままとなり、主電流は増加し続ける。

【0044】

時刻ｔ２３において、センサ１１０の出力を積分した積分器１４２の出力、すなわち、主電流の値が第３のしきい値Ｔｈ３以上となった場合、第２の判定部１４４は、スイッチング素子２０がターンオン時に短絡したとして、第２の短絡検知信号を短絡信号出力部１５０へ出力する。これに応じて、短絡信号出力部１５０は、短絡信号を短絡電流遮断部１６０へ出力する。

【0045】

時刻ｔ２４において、短絡信号出力部１５０による短絡信号の出力から遮断動作への移行の遅れを経て、短絡電流遮断部１６０は、短絡電流の遮断を開始する。この際、短絡電流遮断部１６０は、スイッチング素子２０の制御端子電圧を引き下げる。これに応じて、主電流は低下を始める。なお、この際、センサ１１０の出力が第２のしきい値Ｔｈ２以下となるため、タイミング検出部１３２は、検出信号を第１の判定部１３４へ出力する。

【0046】

時刻ｔ２５において、制御端子電圧がゲートしきい値電圧以下となると、スイッチング素子２０がオフする。これに応じて、スイッチング素子２０の主電流が０となる。したがって、主電流の時間変化を検出するセンサ１１０の出力も、このタイミングにおいて０となる。

【0047】

このように、本実施形態に係る短絡判定装置１００は、ターンオン時にスイッチング素子２０が短絡した場合に、スイッチング素子２０の短絡を検知し、短絡電流を遮断する。

【0048】

図３は、定常動作時に短絡が発生した場合における各種信号波形の一例を示す。時刻ｔ３１において、時刻ｔ２１と同様、制御信号がオンすると、制御端子駆動部３０は、スイッチング素子２０の制御端子２２を駆動する。これに応じて、スイッチング素子２０の制御端子電圧、例えば、ゲート−ソース電圧Ｖｇｓが上昇を始める。

【0049】

時刻ｔ３２において、時刻ｔ２２と同様、制御端子電圧がゲートしきい値電圧を超えると、スイッチング素子２０がターンオンする。これに応じて、スイッチング素子２０の主電流が増加を始める。したがって、主電流の時間変化を検出するセンサ１１０の出力は、時刻ｔ３２において上昇する。図２においては、このターンオンと同時にスイッチング素子２０が短絡した場合について説明したが、本図においては、スイッチング素子２０が短絡せずに、正常にターンオンしたものとする。

【0050】

なお、時刻ｔ３２において、スイッチング素子２０がターンオンすると、センサ１１０の出力が第１のしきい値Ｔｈ１以上となるが、この時点においては、未だタイミング検出部１３２が検出信号を出力していないため、第１の判定部１３４が第１の短絡検知信号を出力することはない。

【0051】

時刻ｔ３３において、図示しない対抗アーム素子のフライホイールダイオード（ＦＷＤ）の逆回復動作によって、スイッチング素子２０に流れる電流が減少するためセンサ１１０の出力が負の値をとる。これに応じて、センサ１１０の出力が第２のしきい値Ｔｈ２以下となるため、タイミング検出部１３２は、検出信号を第１の判定部１３４へ出力する。すなわち、タイミング検出部１３２は、時刻ｔ３３を第１のタイミングとして検出する。これにより、第１の判定部１３４は、短絡判定を開始する。なお、このように、スイッチング素子２０が短絡せずに正常にターンオンした場合には、時刻ｔ３３までの間において、センサ１１０の出力を積分した積分器１４２の出力、すなわち、主電流の値が第３のしきい値Ｔｈ３以上となることはない。

【0052】

時刻ｔ３４において、スイッチング素子２０は、ターンオンに伴う遷移期間を経て、定常動作を開始する。

【0053】

時刻ｔ３５において、何らかの理由により、スイッチング素子２０が短絡したものとする。そうすると、主電流は急激に増加する。これに応じて、主電流の時間変化を検出するセンサ１１０の出力は上昇する。そして、主電流の時間変化が第１のしきい値Ｔｈ１以上となった場合、第１の判定部１３４は、スイッチング素子２０が定常動作時に短絡した判定として、第１の短絡検知信号を短絡信号出力部１５０へ出力する。これに応じて、短絡信号出力部１５０は、短絡信号を短絡電流遮断部１６０へ出力する。

【0054】

時刻ｔ３６において、短絡信号出力部１５０による短絡信号の出力から遮断動作への移行の遅れを経て、短絡電流遮断部１６０は、短絡電流の遮断を開始する。この際、短絡電流遮断部１６０は、スイッチング素子２０の制御端子電圧を引き下げる。これに応じて、主電流は低下を始める。

【0055】

時刻ｔ３７において、制御端子電圧がオン電圧以下となると、スイッチング素子２０がオフする。これに応じて、スイッチング素子２０の主電流が０となる。したがって、主電流の時間変化を検出するセンサ１１０の出力も、このタイミングにおいて０となる。

【0056】

このように、本実施形態に係る短絡判定装置１００は、定常動作時にスイッチング素子２０が短絡した場合に、スイッチング素子２０の短絡を検知し、短絡電流を遮断する。この際、本実施形態に係る短絡判定装置１００は、主電流の時間変化が第１のしきい値Ｔｈ１以上となった場合に、スイッチング素子２０が短絡したと判定する。これにより、本実施形態に係る短絡判定装置１００によれば、定常動作時においてスイッチング素子２０が短絡したことを比較的早い段階で判定することができる。すなわち、仮に、ターンオン動作時短絡判定部１４０を用いて定常動作時の短絡判定も行おうとした場合、センサ１１０の出力を積分した値、すなわち、主電流が第３のしきい値Ｔｈ３以上となった時刻ｔ３５'において、スイッチング素子２０が短絡したと判定される。これに対して、本実施形態に係る短絡判定装置１００によれば、時刻ｔ３５'よりも早い時刻ｔ３５において、スイッチング素子２０が短絡したと判定することができる。また、本実施形態に係る短絡判定装置１００は、第１の判定部１３４が第１のタイミングより前においては短絡判定を行わず、第１のタイミング以降において短絡判定を行う。これにより、本実施形態に係る短絡判定装置によれば、第１の判定部１３４が、正常にターンオンした場合においてまでスイッチング素子２０が短絡したと誤判定することを防止することができる。そして、本実施形態に係る短絡判定装置１００は、図２および図３において説明したように、ターンオン時に発生した短絡と、定常動作時において発生した短絡とを、それぞれ異なる判定部によって判定する。これにより、本実施形態に係る短絡判定装置１００によれば、いずれの場合において発生した短絡であっても、比較的早いタイミングで検知することができる。

【0057】

図４は、本実施形態の変形例に係る短絡判定装置１００を備えるスイッチ装置１０のブロック図の一例を示す。図４においては、図１と同じ機能および構成を有する部材に対して同じ符号を付すとともに、以下相違点を除き説明を省略する。上述の説明では、タイミング検出部１３２が、センサ１１０の出力、すなわち、主電流の時間変化に基づいて第１のタイミングを検出する場合を一例として示した。しかしながら、これに限定されるものではない。

【0058】

本変形例においては、タイミング検出部１３２は、センサ１１０の出力を用いることなく第１のタイミングを検出する。一例として、タイミング検出部１３２は、制御端子駆動部３０に入力される制御信号を取得してよい。そして、タイミング検出部１３２は、制御信号がオンしてから予め定められた期間が満了したタイミングを、第１のタイミングとして検出する。より詳細には、タイミング検出部１３２は、例えば、タイマ等であってよく、制御信号がオンしたタイミングでタイマをスタートさせ、予め定められた期間が満了したタイミングを、第１のタイミングとして検出してよい。

【0059】

ここで、予め定められた期間は、例えば、スイッチング素子２０が短絡せずに、正常にターンオンした場合に、制御信号がオンしてからフライホイールダイオードの逆回復が完了するまでの期間としてよい。このような期間は、例えば、実験やシミュレーションに基づいて、予め定められた期間であってよい。

【0060】

また、本変形例において、定常動作時短絡判定部１３０は、タイミング変更部４１０を更に含んでもよい。

【0061】

タイミング変更部４１０は、タイミング検出部１３２に接続されてよい。タイミング変更部４１０は、一例として、主電流の大きさ、スイッチング素子２０の温度、および、スイッチング素子２０の特性の少なくともいずれかに基づいて、予め定められた期間の長さを変更してよい。そして、タイミング変更部４１０は、変更した期間の長さに関する情報を、タイミング検出部１３２に通知してよい。これにより、タイミング検出部１３２は、変更された期間に基づいて第１のタイミングを検出してよい。一般に、制御信号がオンしてからフライホイールダイオードの回復が完了するまでの期間は、スイッチング素子２０の使用環境や特性に依存する。したがって、タイミング変更部４１０が、これらのうちの少なくともいずれかに基づいて、期間を最適化することにより、本変形例に係る短絡判定装置１００は、第１の判定部１３４が短絡判定を開始するタイミングをスイッチング素子２０の使用環境や特性に合わせて最適化することができる。

【0062】

なお、検出信号は正常にスイッチング素子２０がターンオフした際に次のターンオンに備えて第１の判定部１３４への出力をリセットする必要がある。検出信号はある一定期間出力したら自動で出力をリセットしても良いし、スイッチング素子のターンオフにより、センサ１１０の出力が負の値となるタイミングをトリガとして出力をリセットしても良い。また、図４においては制御端子駆動部３０に入力される制御信号を利用して検出信号の第１の判定部１３４への出力をリセットしても良い。

【0063】

以上、本発明を実施の形態を用いて説明したが、本発明の技術的範囲は上記実施の形態に記載の範囲には限定されない。上記実施の形態に、多様な変更または改良を加えることが可能であることが当業者に明らかである。その様な変更または改良を加えた形態も本発明の技術的範囲に含まれ得ることが、特許請求の範囲の記載から明らかである。

【0064】

特許請求の範囲、明細書、および図面中において示した装置、システム、プログラム、および方法における動作、手順、ステップ、および段階等の各処理の実行順序は、特段「より前に」、「先立って」等と明示しておらず、また、前の処理の出力を後の処理で用いるのでない限り、任意の順序で実現しうることに留意すべきである。特許請求の範囲、明細書、および図面中の動作フローに関して、便宜上「まず、」、「次に、」等を用いて説明したとしても、この順で実施することが必須であることを意味するものではない。

【符号の説明】

【0065】

１０ スイッチ装置
２０ スイッチング素子
２２ 制御端子
２４ 第１主端子
２６ 第２主端子
３０ 制御端子駆動部
１００ 短絡判定装置
１１０ センサ
１２０ 短絡判定部
１３０ 定常動作時短絡判定部
１３２ タイミング検出部
１３４ 第１の判定部
１４０ ターンオン動作時短絡判定部
１４２ 積分器
１４４ 第２の判定部
１５０ 短絡信号出力部
１６０ 短絡電流遮断部
４１０ タイミング変更部

【要約】

【課題】スイッチング素子が短絡したことを、可能な限り早く判定することが望まれている。
【解決手段】制御端子、第１主端子、および、第２主端子を有するスイッチング素子における、第１主端子および第２主端子間に流れる主電流の時間変化を検出するセンサと、制御端子を駆動するための制御信号がオンした後における第１のタイミング以降において、主電流の時間変化が第１のしきい値以上となった場合に、スイッチング素子が短絡したと判定する短絡判定部とを備える短絡判定装置を提供する。
【選択図】図１

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】