(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】
(24)【登録日】2022-12-15
(45)【発行日】2022-12-23
(54)【発明の名称】電力変換装置
(51)【国際特許分類】
H02M 1/08 20060101AFI20221216BHJP
H02M 1/00 20070101ALI20221216BHJP
H03K 17/0812 20060101ALI20221216BHJP
H03K 17/687 20060101ALI20221216BHJP
【ＦＩ】
H02M1/08 A
H02M1/00 H
H03K17/0812
H03K17/687 A
【請求項の数】
9
(21)【出願番号】P 2021122106
(22)【出願日】2021-07-27
【審査請求日】2021-07-27
(73)【特許権者】
【識別番号】000006013
【氏名又は名称】三菱電機株式会社
(74)【代理人】
【識別番号】110002941
【氏名又は名称】弁理士法人ぱるも特許事務所
(72)【発明者】
【氏名】吉川 英希
【審査官】土井 悠生
(56)【参考文献】
【文献】特開２００２－０８４１７３（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２０２０－１５０７９１（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２００４－２２２３６７（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２００１－１９７７２４（ＪＰ，Ａ）
【文献】実開昭６１－１８４３３２（ＪＰ，Ｕ）
【文献】特開２０１５－１９５７００（ＪＰ，Ａ）
【文献】米国特許出願公開第２００８／０２０４０８７（ＵＳ，Ａ１）
(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)
Ｈ０２Ｍ １／００－１／４４
Ｈ０３Ｋ １７／００－１７／７０
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
高電位側主電極端子、低電位側主電極端子、及び制御電極端子を備え、前記制御電極端子に印加された電圧に応じて前記高電位側主電極端子と前記低電位側主電極端子との間の導通をオンオフする半導体スイッチング素子と、入力された駆動指令信号に応じて駆動電圧を生成し、前記駆動電圧を前記制御電極端子に印加する駆動回路と、
前記高電位側主電極端子と前記低電位側主電極端子との間に接続され、前記低電位側主電極端子に対する前記高電位側主電極端子の電位差である主電圧の時間変化率に応じた検出信号を出力し、前記主電圧が時間の経過とともに低下しているときに、前記検出信号が、前記主電圧が時間の経過とともに変化していないときの前記検出信号よりも減少する時間変化検出回路と、
前記検出信号が第１の閾値を下回った場合に、前記高電位側主電極端子と前記低電位側主電極端子との間を正常な電流が流れていると判定して、正常電流の発生を表す正常電流状態の過電流発生信号を生成し、前記検出信号が前記第１の閾値を下回らなかった場合に、前記高電位側主電極端子と前記低電位側主電極端子との間を過電流が流れていると判定して、過電流の発生を表す過電流状態の前記過電流発生信号を生成する過電流判定回路と、を備え、
前記駆動回路は、前記駆動指令信号がオン状態であっても、前記過電流発生信号が過電流状態である場合に、オフ状態の前記駆動電圧を生成し、
前記過電流判定回路は、前記検出信号が、前記第１の閾値よりも高い値の第２の閾値を下回った後、前記検出信号が、前記第１の閾値を下回らずに、前記第２の閾値を上回ったときに、過電流が流れていると判定して、過電流状態の前記過電流発生信号を生成し、
前記検出信号が、前記第２の閾値を下回っている状態で、前記検出信号が、前記第１の閾値を下回ったときに、正常な電流が流れていると判定して、正常電流状態の前記過電流発生信号を生成する電力変換装置。
【請求項2】
高電位側主電極端子、低電位側主電極端子、及び制御電極端子を備え、前記制御電極端子に印加された電圧に応じて前記高電位側主電極端子と前記低電位側主電極端子との間の導通をオンオフする半導体スイッチング素子と、
入力された駆動指令信号に応じて駆動電圧を生成し、前記駆動電圧を前記制御電極端子に印加する駆動回路と、
前記高電位側主電極端子と前記低電位側主電極端子との間に接続され、前記低電位側主電極端子に対する前記高電位側主電極端子の電位差である主電圧の時間変化率に応じた検出信号を出力し、前記主電圧が時間の経過とともに低下しているときに、前記検出信号が、前記主電圧が時間の経過とともに変化していないときの前記検出信号よりも減少する時間変化検出回路と、
前記検出信号が第１の閾値を下回った場合に、前記高電位側主電極端子と前記低電位側主電極端子との間を正常な電流が流れていると判定して、正常電流の発生を表す正常電流状態の過電流発生信号を生成し、前記検出信号が前記第１の閾値を下回らなかった場合に、前記高電位側主電極端子と前記低電位側主電極端子との間を過電流が流れていると判定して、過電流の発生を表す過電流状態の前記過電流発生信号を生成する過電流判定回路と、を備え、
前記駆動回路は、前記駆動指令信号がオン状態であっても、前記過電流発生信号が過電流状態である場合に、オフ状態の前記駆動電圧を生成し、
前記過電流判定回路は、前記駆動電圧がオン状態にされ始めた後、予め設定された判定期間が経過するまでに、前記検出信号が、前記第１の閾値を下回らなかったときに、過電流が流れていると判定して、過電流状態の前記過電流発生信号を生成し、
前記駆動電圧がオン状態にされ始めた後、前記判定期間が経過するまでに、前記検出信号が、前記第１の閾値を下回ったときに、正常な電流が流れていると判定して、正常電流状態の前記過電流発生信号を生成する電力変換装置。
【請求項3】
高電位側主電極端子、低電位側主電極端子、及び制御電極端子を備え、前記制御電極端子に印加された電圧に応じて前記高電位側主電極端子と前記低電位側主電極端子との間の導通をオンオフする半導体スイッチング素子と、
入力された駆動指令信号に応じて駆動電圧を生成し、前記駆動電圧を前記制御電極端子に印加する駆動回路と、
前記高電位側主電極端子と前記低電位側主電極端子との間に接続され、前記低電位側主電極端子に対する前記高電位側主電極端子の電位差である主電圧の時間変化率に応じた検出信号を出力し、前記主電圧が時間の経過とともに低下しているときに、前記検出信号が、前記主電圧が時間の経過とともに変化していないときの前記検出信号よりも減少する時間変化検出回路と、
前記検出信号が第１の閾値を下回った場合に、前記高電位側主電極端子と前記低電位側主電極端子との間を正常な電流が流れていると判定して、正常電流の発生を表す正常電流状態の過電流発生信号を生成し、前記検出信号が前記第１の閾値を下回らなかった場合に、前記高電位側主電極端子と前記低電位側主電極端子との間を過電流が流れていると判定して、過電流の発生を表す過電流状態の前記過電流発生信号を生成する過電流判定回路と、を備え、
前記駆動回路は、前記駆動指令信号がオン状態であっても、前記過電流発生信号が過電流状態である場合に、オフ状態の前記駆動電圧を生成し、
前記過電流判定回路は、前記駆動電圧がオン状態にされ始めた後、前記検出信号が前記第１の閾値を下回らずに、前記駆動電圧が判定電圧を超えたときに、過電流が流れていると判定して、過電流状態の前記過電流発生信号を生成し、
前記駆動電圧がオン状態にされ始めた後、前記駆動電圧が前記判定電圧を下回っている状態で、前記検出信号が前記第１の閾値を下回ったときに、正常な電流が流れていると判定して、正常電流状態の前記過電流発生信号を生成する電力変換装置。
【請求項4】
高電位側主電極端子、低電位側主電極端子、及び制御電極端子を備え、前記制御電極端子に印加された電圧に応じて前記高電位側主電極端子と前記低電位側主電極端子との間の導通をオンオフする半導体スイッチング素子と、
入力された駆動指令信号に応じて駆動電圧を生成し、前記駆動電圧を前記制御電極端子に印加する駆動回路と、
前記高電位側主電極端子と前記低電位側主電極端子との間に接続され、前記低電位側主電極端子に対する前記高電位側主電極端子の電位差である主電圧の時間変化率に応じた検出信号を出力し、前記主電圧が時間の経過とともに低下しているときに、前記検出信号が、前記主電圧が時間の経過とともに変化していないときの前記検出信号よりも減少する時間変化検出回路と、
前記検出信号が第１の閾値を下回った場合に、前記高電位側主電極端子と前記低電位側主電極端子との間を正常な電流が流れていると判定して、正常電流の発生を表す正常電流状態の過電流発生信号を生成し、前記検出信号が前記第１の閾値を下回らなかった場合に、前記高電位側主電極端子と前記低電位側主電極端子との間を過電流が流れていると判定して、過電流の発生を表す過電流状態の前記過電流発生信号を生成する過電流判定回路と、
定電流源と、を備え、
前記駆動回路は、前記駆動指令信号がオン状態であっても、前記過電流発生信号が過電流状態である場合に、オフ状態の前記駆動電圧を生成し、
前記時間変化検出回路は、前記主電圧を時間微分した前記検出信号を出力する微分回路を有し、
前記微分回路は、前記高電位側主電極端子と前記低電位側主電極端子との間に、直列に接続された静電容量素子と抵抗素子とにより構成され、
前記定電流源は、前記静電容量素子と前記抵抗素子との接続部分に接続され、前記駆動電圧がオン状態にされているときに、前記接続部分に一定の電流を供給する電力変換装置。
【請求項5】
高電位側主電極端子、低電位側主電極端子、及び制御電極端子を備え、前記制御電極端子に印加された電圧に応じて前記高電位側主電極端子と前記低電位側主電極端子との間の導通をオンオフする半導体スイッチング素子と、
入力された駆動指令信号に応じて駆動電圧を生成し、前記駆動電圧を前記制御電極端子に印加する駆動回路と、
前記高電位側主電極端子と前記低電位側主電極端子との間に接続され、前記低電位側主電極端子に対する前記高電位側主電極端子の電位差である主電圧の時間変化率に応じた検出信号を出力し、前記主電圧が時間の経過とともに低下しているときに、前記検出信号が、前記主電圧が時間の経過とともに変化していないときの前記検出信号よりも減少する時間変化検出回路と、
前記検出信号が第１の閾値を下回った場合に、前記高電位側主電極端子と前記低電位側主電極端子との間を正常な電流が流れていると判定して、正常電流の発生を表す正常電流状態の過電流発生信号を生成し、前記検出信号が前記第１の閾値を下回らなかった場合に、前記高電位側主電極端子と前記低電位側主電極端子との間を過電流が流れていると判定して、過電流の発生を表す過電流状態の前記過電流発生信号を生成する過電流判定回路と、を備え、
前記駆動回路は、前記駆動指令信号がオン状態であっても、前記過電流発生信号が過電流状態である場合に、オフ状態の前記駆動電圧を生成し、
前記時間変化検出回路は、前記主電圧を時間微分した前記検出信号を出力する微分回路を有し、
前記微分回路は、前記高電位側主電極端子と前記低電位側主電極端子との間に、直列に接続された静電容量素子と抵抗素子とにより構成され、
前記静電容量素子として、ダイオードの接合容量が用いられている電力変換装置。
【請求項6】
前記時間変化検出回路は、前記主電圧を時間微分した前記検出信号を出力する微分回路を有している請求項１から３のいずれか一項に記載の電力変換装置。
【請求項7】
前記微分回路は、前記高電位側主電極端子と前記低電位側主電極端子との間に、直列に接続された静電容量素子と抵抗素子とにより構成されている請求項６に記載の電力変換装置。
【請求項8】
前記駆動回路は、前記過電流発生信号が過電流状態になった場合に前記駆動電圧をオン状態からオフ状態に変化させる変化速度を、前記過電流発生信号が正常電流状態である場合の変化速度よりも遅くする請求項１から７のいずれか一項に記載の電力変換装置。
【請求項9】
前記半導体スイッチング素子は、ワイドバンドギャップ半導体からなるスイッチング素子である請求項１から８のいずれか一項に記載の電力変換装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本願は、電力変換装置に関するものである。
【背景技術】
【0002】
昨今、ハイブリッド自動車、プラグインハイブリッド自動車、電気自動車、および、燃料電池車といった電動パワートレインを搭載した自動車（以下、電動化車両と称す）が普及している。これらの電動化車両には、従来のガソリンエンジン車の構成に加えて、車輪を駆動するためのモータと当該モータを駆動するための電力変換装置、および、高圧バッテリ又は補機バッテリを充填するための電力変換装置が搭載されている。
【0003】
一般に、インバータ、ＤＣ－ＤＣコンバータ等の電力変換装置では、半導体スイッチング素子に流れる過電流を検出して半導体スイッチング素子のオン駆動を停止させる過電流保護回路が設けられている。この過電流保護回路は、半導体スイッチング素子を過電流から保護する役割を担う。例えば、半導体スイッチング素子として、高耐圧のＩＧＢＴ、ＭＯＳＦＥＴが用いられる。
【0004】
過電流保護回路として、例えば、半導体スイッチング素子に一体に組み込まれた電流検出素子（センス端子）から出力される、半導体スイッチング素子の主電流に比例したセンス電流を用いて、過電流検出を行う電流センス方式がある。しかし、この方法では半導体スイッチング素子に電流検出素子を作り込まなければならず、その費用がかかり、電流検出素子を組み込むことで半導体スイッチング素子の有効面積が減少する。そのため、その分を加味して、半導体スイッチング素子のサイズを大きくする必要があり、半導体スイッチング素子のコストが高くなる。
【0005】
さらに、過電流保護回路として、半導体スイッチング素子の主電極端子間の主電圧が分圧等により入力され、過電流の検出を行うＤＥＳＡＴ方式がある。この方法では、主電圧が閾値電圧以下になるか否かを判定するが、主電圧は０Ｖ付近では遷移時間が長くなり、誤検出しないように、スイッチング素子のターンオン後、過電流の検出を行わない期間であるブランキング時間が設けられている。そのため、電流検出素子を用いる方式と比べ、ターンオン後、過電流を検出するまでの時間が長くなる。過電流検出までの時間が長くなると、過電流により故障に至らないためのスイッチング素子の耐量も大きくなり、スイッチング素子のコストが高くなる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0006】
【文献】特開２００２－２０８８４７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0007】
そこで、特許文献１では、主電圧を検出する方式において、過電流検出までの時間を短縮し、半導体スイッチング素子を低コスト化するために、ゲート抵抗値をオン遷移中に低減することにより、特許文献１の図２に示されているように、主電極端子間の主電圧が定常状態になるまでの時間（過渡現象区間）が短縮されている。しかし、ブランキング時間（マスク時間）自体は設ける必要があり、抜本的な過電流検出までの時間の短縮とはならない。
【0008】
そこで、本願は、半導体スイッチング素子のターンオン後、過電流の検出を行わないブランキング時間を設けることなく、過電流の発生を早期に検出して、電力変換装置を保護することができる電力変換装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【0009】
本願に係る電力変換装置は、
高電位側主電極端子、低電位側主電極端子、及び制御電極端子を備え、前記制御電極端子に印加された電圧に応じて前記高電位側主電極端子と前記低電位側主電極端子との間の導通をオンオフする半導体スイッチング素子と、
入力された駆動指令信号に応じて駆動電圧を生成し、前記駆動電圧を前記制御電極端子に印加する駆動回路と、
前記高電位側主電極端子と前記低電位側主電極端子との間に接続され、前記低電位側主電極端子に対する前記高電位側主電極端子の電位差である主電圧の時間変化率に応じた検出信号を出力し、前記主電圧が時間の経過とともに低下しているときに、前記検出信号が、前記主電圧が時間の経過とともに変化していないときの前記検出信号よりも減少する時間変化検出回路と、
前記検出信号が第１の閾値を下回った場合に、前記高電位側主電極端子と前記低電位側主電極端子との間を正常な電流が流れていると判定して、正常電流の発生を表す正常電流状態の過電流発生信号を生成し、前記検出信号が前記第１の閾値を下回らなかった場合に、前記高電位側主電極端子と前記低電位側主電極端子との間を過電流が流れていると判定して、過電流の発生を表す過電流状態の前記過電流発生信号を生成する過電流判定回路と、を備え、
前記駆動回路は、前記駆動指令信号がオン状態であっても、前記過電流発生信号が過電流状態である場合に、オフ状態の前記駆動電圧を生成し、
前記過電流判定回路は、前記検出信号が、前記第１の閾値よりも高い値の第２の閾値を下回った後、前記検出信号が、前記第１の閾値を下回らずに、前記第２の閾値を上回ったときに、過電流が流れていると判定して、過電流状態の前記過電流発生信号を生成し、
前記検出信号が、前記第２の閾値を下回っている状態で、前記検出信号が、前記第１の閾値を下回ったときに、正常な電流が流れていると判定して、正常電流状態の前記過電流発生信号を生成するものである。
高電位側主電極端子、低電位側主電極端子、及び制御電極端子を備え、前記制御電極端子に印加された電圧に応じて前記高電位側主電極端子と前記低電位側主電極端子との間の導通をオンオフする半導体スイッチング素子と、
入力された駆動指令信号に応じて駆動電圧を生成し、前記駆動電圧を前記制御電極端子に印加する駆動回路と、
前記高電位側主電極端子と前記低電位側主電極端子との間に接続され、前記低電位側主電極端子に対する前記高電位側主電極端子の電位差である主電圧の時間変化率に応じた検出信号を出力し、前記主電圧が時間の経過とともに低下しているときに、前記検出信号が、前記主電圧が時間の経過とともに変化していないときの前記検出信号よりも減少する時間変化検出回路と、
前記検出信号が第１の閾値を下回った場合に、前記高電位側主電極端子と前記低電位側主電極端子との間を正常な電流が流れていると判定して、正常電流の発生を表す正常電流状態の過電流発生信号を生成し、前記検出信号が前記第１の閾値を下回らなかった場合に、前記高電位側主電極端子と前記低電位側主電極端子との間を過電流が流れていると判定して、過電流の発生を表す過電流状態の前記過電流発生信号を生成する過電流判定回路と、を備え、
前記駆動回路は、前記駆動指令信号がオン状態であっても、前記過電流発生信号が過電流状態である場合に、オフ状態の前記駆動電圧を生成し、
前記過電流判定回路は、前記検出信号が、前記第１の閾値よりも高い値の第２の閾値を下回った後、前記検出信号が、前記第１の閾値を下回らずに、前記第２の閾値を上回ったときに、過電流が流れていると判定して、過電流状態の前記過電流発生信号を生成し、
前記検出信号が、前記第２の閾値を下回っている状態で、前記検出信号が、前記第１の閾値を下回ったときに、正常な電流が流れていると判定して、正常電流状態の前記過電流発生信号を生成するものである。
【発明の効果】
【0010】
正常電流が流れる場合は、駆動電圧をオン状態にした後、主電圧の低下量が大きくなり、主電圧の時間変化率の低下量が大きくなる。一方、過電流が流れる場合は、駆動電圧をオン状態にした後、主電圧の低下量が比較的に小さくなり、主電圧の時間変化率の低下量が比較的に小さくなる。本願に係る電力変換装置によれば、主電圧の時間変化率に応じた検出信号が、第１の閾値を下回った場合に、正常電流が流れていると判定し、検出信号が第１の閾値を下回らなかった場合に、過電流が流れていると判定するので、過電流の発生の有無を精度よく判定することができる。
【0011】
そして、駆動回路は、駆動指令信号がオン状態であっても、過電流判定回路から出力された過電流発生信号が過電流状態である場合に、オフ状態の駆動電圧を生成するので、過電流の発生が継続しないようにでき、電力変換装置を保護することができる。
【0012】
また、主電圧の時間変化率の情報を用いているので、駆動電圧がオン状態になった後、主電圧が低下しているときに、判定を行うことができる。よって、従来のように、ブランキング時間を設け、主電圧が０Ｖ付近に安定するまで判定を待つ必要がなく、駆動電圧がオン状態になった後、早期に判定を行うことができる。そのため、過電流の発生期間を短縮することができ、過電流により故障しないようにするための半導体スイッチング素子の耐量を低減することができ、半導体スイッチング素子の低コスト化、小型化を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【0013】
【図1】実施の形態１に係る電力変換装置の概略構成図である。
【図2】実施の形態１に係る半導体スイッチング素子の主電圧と主電流との関係特性を示す図である。
【図3】実施の形態１に係る正常電流時と過電流時のオンオフ挙動を説明するタイムチャートである。
【図4】実施の形態１に係る正常電流時と過電流時の判定挙動を説明するタイムチャートである。
【図5】実施の形態１に係る過電流判定回路の回路構成図である。
【図6】実施の形態１に係る過電流時の判定挙動を説明するタイムチャートである。
【図7】実施の形態１に係る正常電流時と過電流時の判定挙動を説明するタイムチャートである。
【図8】実施の形態１に係る正常電流時と過電流時の転用例の判定挙動を説明するタイムチャートである。
【図9】実施の形態１に係る正常電流時と過電流時の転用例の判定挙動を説明するタイムチャートである。
【図10】実施の形態２に係る電力変換装置の概略構成図である。
【図11】実施の形態２に係る正常電流時と過電流時の判定挙動を説明するタイムチャートである。
【図12】転用例に係る電力変換装置の概略構成図である。
【図13】転用例に係る時間変化検出回路の回路構成図である。
【発明を実施するための形態】
【0014】
１．実施の形態１
実施の形態１に係る電力変換装置について図面を参照して説明する。図１は、本実施の形態に係る電力変換装置の概略構成図である。
実施の形態１に係る電力変換装置について図面を参照して説明する。図１は、本実施の形態に係る電力変換装置の概略構成図である。
【0015】
電力変換装置は、半導体スイッチング素子１、駆動回路２、時間変化検出回路４、及び過電流判定回路７を備えている。図１の例では、半導体スイッチング素子１及び各回路２、４、７が１組設けられているが、半導体スイッチング素子１及び各回路が複数組設けられてもよい。例えば、半導体スイッチング素子１及び各回路が複数組設けられた、インバータ、コンバータ等の各種の電力変換装置とされてもよい。各組の半導体スイッチング素子１及び各回路は、以下で説明する１組の半導体スイッチング素子１及び各回路と同様に構成される。
【0016】
＜半導体スイッチング素子１＞
半導体スイッチング素子１は、高電位側主電極端子１Ａ、低電位側主電極端子１Ｂ、及び制御電極端子１Ｃを備え、制御電極端子１Ｃに印加された電圧に応じて高電位側主電極端子１Ａと低電位側主電極端子１Ｂとの間の導通をオンオフする。高電位側主電極端子１Ａには、直流電源の高電位側電圧等の高電位電圧が印加され、低電位側主電極端子１Ｂには、直流電源の低電位側電圧等の低電位電圧が印加される。低電位側主電極端子１Ｂは、駆動回路２の基準電位、及び過電流判定回路７の基準電位とも接続される。
半導体スイッチング素子１は、高電位側主電極端子１Ａ、低電位側主電極端子１Ｂ、及び制御電極端子１Ｃを備え、制御電極端子１Ｃに印加された電圧に応じて高電位側主電極端子１Ａと低電位側主電極端子１Ｂとの間の導通をオンオフする。高電位側主電極端子１Ａには、直流電源の高電位側電圧等の高電位電圧が印加され、低電位側主電極端子１Ｂには、直流電源の低電位側電圧等の低電位電圧が印加される。低電位側主電極端子１Ｂは、駆動回路２の基準電位、及び過電流判定回路７の基準電位とも接続される。
【0017】
本実施の形態では、半導体スイッチング素子１として、ＭＯＳＦＥＴ（Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor）が用いられている。なお、半導体スイッチング素子１として、ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）等の各種の半導体スイッチング素子が用いられてもよい。高電位側主電極端子１Ａが、ドレイン端子１Ａであり、低電位側主電極端子１Ｂが、ソース端子１Ｂであり、制御電極端子１Ｃが、ゲート端子１Ｃである。
【0018】
＜駆動回路２＞
駆動回路２は、入力された駆動指令信号Ｖｃに応じて駆動電圧Ｖｇｓを生成し、駆動電圧Ｖｇｓをゲート端子１Ｃに印加する。駆動指令信号Ｖｃは、不図示の制御装置などから駆動回路２に入力される。駆動回路２は、ゲート駆動回路であり、例えば、絶縁型のものが用いられる。駆動回路２には、ＩＣ（Integrated Circuit）が用いられる。
駆動回路２は、入力された駆動指令信号Ｖｃに応じて駆動電圧Ｖｇｓを生成し、駆動電圧Ｖｇｓをゲート端子１Ｃに印加する。駆動指令信号Ｖｃは、不図示の制御装置などから駆動回路２に入力される。駆動回路２は、ゲート駆動回路であり、例えば、絶縁型のものが用いられる。駆動回路２には、ＩＣ（Integrated Circuit）が用いられる。
【0019】
駆動回路２は、基本的に、駆動指令信号Ｖｃがオン状態（Ｈｉｇｈ電圧）である場合に、オン状態（Ｈｉｇｈ電圧）の駆動電圧Ｖｇｓを生成し、駆動指令信号Ｖｃがオフ状態（Ｌｏｗ電圧）である場合に、オフ状態（Ｌｏｗ電圧）の駆動電圧Ｖｇｓを生成する。
【0020】
本実施の形態では、駆動回路２は、駆動指令信号Ｖｃがオン状態であっても、過電流判定回路７から出力された過電流発生信号Ｖｅｘｉが過電流状態である場合に、オフ状態の駆動電圧Ｖｇｓを生成する。すなわち、駆動回路２は、駆動指令信号Ｖｃがオン状態であり、過電流発生信号Ｖｅｘｉが正常電流状態である場合に、オン状態の駆動電圧Ｖｇｓを生成し、駆動指令信号Ｖｃがオン状態であり、過電流発生信号Ｖｅｘｉが過電流状態である場合に、オフ状態の駆動電圧Ｖｇｓを生成する。また、駆動回路２は、駆動指令信号Ｖｃがオフ状態である場合は、過電流発生信号Ｖｅｘｉが正常電流状態又は過電流状態であるかにかかわらず、オフ状態の駆動電圧Ｖｇｓを生成する。
【0021】
＜半導体スイッチング素子のオンオフ挙動＞
半導体スイッチング素子１のオンオフ挙動について、図２及び図３を用いて説明する。図２は、半導体スイッチング素子１のオン時における、ドレイン端子１Ａとソース端子１Ｂとの間を流れる主電流Ｉｄと、ドレイン端子１Ａとソース端子１Ｂとの間の電位差である主電圧Ｖｄｓとの関係特性を示す。主電流Ｉｄが増加するに従って、主電極端子間の電圧降下が増加し、主電圧Ｖｄｓが増加する。主電流Ｉｄが低い領域は、線形領域であり、主電流Ｉｄの増加に、概ね比例して、主電圧Ｖｄｓが増加する。一方、主電流Ｉｄが高い領域は、飽和領域であり、主電流Ｉｄの増加量に対して、主電圧Ｖｄｓ（電圧降下量）の増加量が増加する。
半導体スイッチング素子１のオンオフ挙動について、図２及び図３を用いて説明する。図２は、半導体スイッチング素子１のオン時における、ドレイン端子１Ａとソース端子１Ｂとの間を流れる主電流Ｉｄと、ドレイン端子１Ａとソース端子１Ｂとの間の電位差である主電圧Ｖｄｓとの関係特性を示す。主電流Ｉｄが増加するに従って、主電極端子間の電圧降下が増加し、主電圧Ｖｄｓが増加する。主電流Ｉｄが低い領域は、線形領域であり、主電流Ｉｄの増加に、概ね比例して、主電圧Ｖｄｓが増加する。一方、主電流Ｉｄが高い領域は、飽和領域であり、主電流Ｉｄの増加量に対して、主電圧Ｖｄｓ（電圧降下量）の増加量が増加する。
【0022】
図２には、正常電流の動作点の例と、過電流の動作点の例を示している。例えば、電気負荷が、ドレイン端子１Ａと直流電源の高電位側端子との間に接続されている場合は、何らかの要因でドレイン端子１Ａと直流電源の高電位側端子とが短絡した状態で、半導体スイッチング素子１がオン状態になったときに、過電流が流れる。一方、電気負荷が、ソース端子１Ｂと直流電源の低電位側端子との間に接続されている場合は、何らかの要因でソース端子１Ｂと直流電源の低電位側端子とが短絡した状態で、半導体スイッチング素子１がオン状態になったときに、過電流が流れる。
【0023】
なお、半導体スイッチング素子１のオフ時には、主電流Ｉｄは０Ａであり、主電圧Ｖｄｓは、ドレイン端子１Ａに印加されている電圧と、ソース端子１Ｂに印加されている電圧との電位差になる。そして、駆動電圧Ｖｇｓのオンオフにより、オン状態とオフ状態との間を遷移する。
【0024】
図３の左側に、正常電流が流れる場合の半導体スイッチング素子１のオンオフ挙動を示している。時刻ｔ０１で、駆動指令信号Ｖｃがオフ状態からオン状態になり、駆動回路２は、オン状態の駆動電圧Ｖｇｓの生成を開始する。その後、駆動電圧Ｖｇｓが次第に増加していき、時刻ｔ０２で、駆動電圧Ｖｇｓがオン電圧Ｖｏｎに到達すると、主電極端子間の導通が開始し、主電流Ｉｄが増加し始め、主電圧Ｖｄｓが低下し始める。
【0025】
時刻ｔ０３で、ドレイン端子１Ａとゲート端子１Ｃとの間のミラー容量の充電が開始する。ドレイン端子側のミラー容量の充電が開始すると、駆動電圧Ｖｇｓの上昇速度が低下する。ドレイン端子側のミラー容量が充電されている間に、主電圧Ｖｄｓが急速に低下していき、ドレイン端子側のミラー容量の充電が終了すると、主電圧Ｖｄｓの低下速度が遅くなる（時刻ｔ０４）。ドレイン端子側のミラー容量の充電が終了した後、駆動電圧Ｖｇｓは所定の電源電圧まで増加する。時刻ｔ０３において、ドレイン端子側のミラー容量の充電が開始するときの駆動電圧Ｖｇｓを、ミラー電圧Ｖｍｒと称す。
【0026】
このように、駆動電圧Ｖｇｓがミラー電圧Ｖｍｒに到達した後、主電圧Ｖｄｓが大きく低下し始める。正常電流の場合は、図２に示すように、線形領域で動作し、主電圧Ｖｄｓは、０Ｖ付近まで低下するため、主電圧Ｖｄｓの低下量が大きいため、主電圧Ｖｄｓの低下速度が大きくなり、主電圧Ｖｄｓの時間変化率ｄＶｄｓ／ｄｔの低下量が大きくなっている。このように、正常電流の場合は、半導体スイッチング素子１のオン時の主電圧Ｖｄｓの時間変化率ｄＶｄｓ／ｄｔの低下量が大きくなる特徴がある。
【0027】
一方、時刻ｔ０５で、駆動指令信号Ｖｃがオン状態からオフ状態になり、駆動回路２は、オフ状態の駆動電圧Ｖｇｓの生成を開始する。詳細な説明は省略するが、その後、駆動電圧Ｖｇｓが減少していき、時刻ｔ０６で、駆動電圧Ｖｇｓがオン電圧Ｖｏｎを下回ると、主電極端子間が非導通になり、主電流Ｉｄがゼロまで低下する。
【0028】
次に、図３の右側に、過電流が流れる場合の半導体スイッチング素子１のオンオフ挙動を示している。オンオフの原理は、正常電流の場合と同様であるが、主電流Ｉｄが過大になるので、波形が変形している。時刻ｔ１１で、駆動指令信号Ｖｃがオフ状態からオン状態になり、駆動回路２は、オン状態の駆動電圧Ｖｇｓの生成を開始する。その後、駆動電圧Ｖｇｓが次第に増加していき、時刻ｔ１２で、駆動電圧Ｖｇｓがオン電圧Ｖｏｎに到達すると、主電極端子間の導通が開始し、主電流Ｉｄが増加し始め、主電圧Ｖｄｓが低下し始める。
【0029】
時刻ｔ１３で、ドレイン端子側のミラー容量の充電が開始する。ドレイン端子側のミラー容量の充電が終了した後、駆動電圧Ｖｇｓは所定の電源電圧まで増加する（時刻ｔ１４以降）。
【0030】
過電流の場合も、駆動電圧Ｖｇｓがミラー電圧Ｖｍｒに到達した後、主電圧Ｖｄｓが大きく低下し始める。過電流の場合は、図２に示すように、飽和領域で動作し、主電圧Ｖｄｓは０Ｖ付近まで低下せず、主電圧Ｖｄｓの低下量が小さいため、主電圧Ｖｄｓの低下速度が比較的に小さくなり、主電圧Ｖｄｓの時間変化率ｄＶｄｓ／ｄｔの低下量が比較的に小さくなっている。このように、過電流の場合は、半導体スイッチング素子１のオン時の主電圧Ｖｄｓの時間変化率ｄＶｄｓ／ｄｔの低下量が比較的に小さくなる特徴がある。
【0031】
一方、時刻ｔ１５で、駆動指令信号Ｖｃがオン状態からオフ状態になり、駆動回路２は、オフ状態の駆動電圧Ｖｇｓの生成を開始する。その後、駆動電圧Ｖｇｓが減少していき、時刻ｔ１６で、駆動電圧Ｖｇｓがオン電圧Ｖｏｎを下回ると、主電極端子間が非導通になり、主電流Ｉｄがゼロまで低下する。
【0032】
＜時間変化検出回路４＞
以上で説明したように、正常電流の場合は、半導体スイッチング素子１のオン時の主電圧Ｖｄｓの時間変化率ｄＶｄｓ／ｄｔの低下量が大きくなり、過電流の場合は、半導体スイッチング素子１のオン時の主電圧Ｖｄｓの時間変化率ｄＶｄｓ／ｄｔの低下量が小さくなる特徴がある。よって、主電圧Ｖｄｓの時間変化率ｄＶｄｓ／ｄｔの挙動をモニタすることにより、正常電流又は過電流が発生していることを検出できる。
以上で説明したように、正常電流の場合は、半導体スイッチング素子１のオン時の主電圧Ｖｄｓの時間変化率ｄＶｄｓ／ｄｔの低下量が大きくなり、過電流の場合は、半導体スイッチング素子１のオン時の主電圧Ｖｄｓの時間変化率ｄＶｄｓ／ｄｔの低下量が小さくなる特徴がある。よって、主電圧Ｖｄｓの時間変化率ｄＶｄｓ／ｄｔの挙動をモニタすることにより、正常電流又は過電流が発生していることを検出できる。
【0033】
そこで、電力変換装置は、時間変化検出回路４を備えている。時間変化検出回路４は、ドレイン端子１Ａとソース端子１Ｂとの間に接続され、ソース端子１Ｂに対するドレイン端子１Ａの電位差である主電圧Ｖｄｓの時間変化率ｄＶｄｓ／ｄｔに応じた検出信号Ｖｄｅｔを出力する。
【0034】
時間変化検出回路４は、主電圧Ｖｄｓを時間微分した検出信号Ｖｄｅｔを出力する微分回路を有している。微分回路は、ドレイン端子１Ａとソース端子１Ｂとの間に、直列に接続された静電容量素子５と抵抗素子６とにより構成されている。本実施の形態では、静電容量素子５としてコンデンサが用いられる。静電容量素子５の一端が、ドレイン端子１Ａに接続され、静電容量素子５の他端が、抵抗素子６の一端に接続され、抵抗素子６の他端が、ソース端子１Ｂに接続されている。静電容量素子５と抵抗素子６との接続点が、過電流判定回路７に接続されており、接続点の電位が、検出信号Ｖｄｅｔとして過電流判定回路７に出力される。
【0035】
ドレイン端子１Ａとソース端子１Ｂとの間の主電圧Ｖｄｓの変化に応じて、静電容量素子５及び抵抗素子６に電流Ｉｄｅｔ（検出電流Ｉｄｅｔと称す）が流れる。図１の検出電流Ｉｄｅｔの向きは、主電圧Ｖｄｓが増加するときの電流の向きを示す。検出電流Ｉｄｅｔは、主電圧Ｖｄｓの時間変化率ｄＶｄｓ／ｄｔ、及び静電容量素子５の静電容量Ｃにより、次式のようになる。
Ｉｄｅｔ＝Ｃ×ｄＶｄｓ／ｄｔ ・・・（１）
Ｉｄｅｔ＝Ｃ×ｄＶｄｓ／ｄｔ ・・・（１）
【0036】
そして、静電容量素子５と抵抗素子６との接続点の電位とされた検出信号Ｖｄｅｔは、抵抗素子６の抵抗Ｒ、及び検出電流Ｉｄｅｔにより、次式のようになる。
Ｖｄｅｔ＝Ｒ×Ｉｄｅｔ ・・・（２）
Ｖｄｅｔ＝Ｒ×Ｉｄｅｔ ・・・（２）
【0037】
なお、時間変化検出回路４として、他の種類の回路が用いられてもよい。例えば、図１３に示すように、微分回路は、静電容量素子５、抵抗素子６、及びオペアンプ１０から構成されてもよく、或いは、微分機能を有するＩＣ、デジタル回路等から構成されてもよい。
【0038】
＜過電流判定回路７＞
過電流判定回路７は、検出信号Ｖｄｅｔが第１の閾値Ｖｔｈ１を下回った場合に、ドレイン端子１Ａとソース端子１Ｂとの間を正常な電流が流れていると判定して、正常電流の発生を表す正常電流状態の過電流発生信号Ｖｅｘｉを生成し、検出信号Ｖｄｅｔが第１の閾値Ｖｔｈ１を下回らなかった場合に、ドレイン端子１Ａとソース端子１Ｂとの間を過電流が流れていると判定して、過電流の発生を表す過電流状態の過電流発生信号Ｖｅｘｉを生成する。過電流判定回路７は、駆動電圧Ｖｇｓがオン状態にされているときに判定を行う。
過電流判定回路７は、検出信号Ｖｄｅｔが第１の閾値Ｖｔｈ１を下回った場合に、ドレイン端子１Ａとソース端子１Ｂとの間を正常な電流が流れていると判定して、正常電流の発生を表す正常電流状態の過電流発生信号Ｖｅｘｉを生成し、検出信号Ｖｄｅｔが第１の閾値Ｖｔｈ１を下回らなかった場合に、ドレイン端子１Ａとソース端子１Ｂとの間を過電流が流れていると判定して、過電流の発生を表す過電流状態の過電流発生信号Ｖｅｘｉを生成する。過電流判定回路７は、駆動電圧Ｖｇｓがオン状態にされているときに判定を行う。
【0039】
図３を用いて説明したように、正常電流が流れる場合は、駆動電圧Ｖｇｓをオン状態にした後、主電圧Ｖｄｓの低下量が大きくなり、主電圧の時間変化率ｄＶｄｓ／ｄｔの低下量が大きくなる。一方、過電流が流れる場合は、駆動電圧Ｖｇｓをオン状態にした後、主電圧Ｖｄｓの低下量が比較的に小さくなり、主電圧の時間変化率ｄＶｄｓ／ｄｔの低下量が比較的に小さくなる。上記の構成によれば、主電圧の時間変化率ｄＶｄｓ／ｄｔに応じた検出信号Ｖｄｅｔが、第１の閾値Ｖｔｈ１を下回った場合に、正常電流が流れていると判定し、検出信号Ｖｄｅｔが第１の閾値Ｖｔｈ１を下回らなかった場合に、過電流が流れていると判定するので、過電流の発生の有無を精度よく判定することができる。
【0040】
そして、駆動回路２は、駆動指令信号Ｖｃがオン状態であっても、過電流判定回路７から出力された過電流発生信号Ｖｅｘｉが過電流状態である場合に、オフ状態の駆動電圧Ｖｇｓを生成するので、過電流の発生が継続しないようにでき、電力変換装置を保護することができる。
【0041】
また、主電圧の時間変化率ｄＶｄｓ／ｄｔの情報を用いているので、駆動電圧Ｖｇｓがオン状態になった後、主電圧Ｖｄｓが低下しているときに、判定を行うことができる。よって、従来のように、ブランキング時間を設け、主電圧Ｖｄｓが０Ｖ付近に安定するまで判定を待つ必要がなく、駆動電圧Ｖｇｓがオン状態になった後、早期に判定を行うことができる。そのため、過電流の発生期間を短縮することができ、過電流により故障しないようにするための半導体スイッチング素子の耐量を低減することができ、半導体スイッチング素子の低コスト化、小型化を図ることができる。
【0042】
本実施の形態では、過電流の発生を表す過電流状態の過電流発生信号Ｖｅｘｉは、Ｌｏｗ電圧（例えば、０Ｖ）であり、正常電流の発生を表す正常電流状態の過電流発生信号Ｖｅｘｉは、Ｈｉｇｈ電圧（例えば、５Ｖ）である。なお、過電流状態の過電流発生信号Ｖｅｘｉが、Ｈｉｇｈ電圧であってもよく、正常電流状態の過電流発生信号Ｖｅｘｉが、Ｌｏｗ電圧であってもよい。また、過電流発生信号Ｖｅｘｉは、過電流の発生を表す過電流状態及び正常電流の発生を表す正常電流状態を表す任意の信号とされてもよく、例えば、デジタル信号とされもよい。
【0043】
本実施の形態では、過電流判定回路７は、検出信号Ｖｄｅｔが、第１の閾値Ｖｔｈ１よりも高い値の第２の閾値Ｖｔｈ２を下回った後、検出信号Ｖｄｅｔが、第１の閾値Ｖｔｈ１を下回らずに、第２の閾値Ｖｔｈ２を上回ったときに、過電流が流れていると判定して、過電流状態の過電流発生信号Ｖｅｘｉを生成する。一方、過電流判定回路７は、検出信号Ｖｄｅｔが、第２の閾値Ｖｔｈ２を下回っている状態で、検出信号Ｖｄｅｔが、第１の閾値Ｖｔｈ１を下回ったときに、正常な電流が流れていると判定して、正常電流状態の過電流発生信号Ｖｅｘｉを生成する。本実施の形態では、次式に示すように、第２の閾値Ｖｔｈ２は、０よりも小さく、第１の閾値Ｖｔｈ１は、第２の閾値Ｖｔｈ２よりも小さい。第１の閾値Ｖｔｈ１、及び第２の閾値Ｖｔｈ２は、過電流又は正常電流が適切に判定できるように、予め設定されている。
Ｖｔｈ１＜Ｖｔｈ２＜０ ・・・（３）
Ｖｔｈ１＜Ｖｔｈ２＜０ ・・・（３）
【0044】
この構成によれば、図４の左側に、図３の左側に対応する正常電流時の判定挙動を示し、図４の右側に、図３の右側に対応する過電流時の判定挙動を示すように、正常電流時及び過電流時の双方において、駆動電圧Ｖｇｓがオン状態になり、主電極端子間の導通が開始し、主電圧Ｖｄｓが低下すると、主電圧Ｖｄｓの時間変化率に応じた検出信号Ｖｄｅｔが、負方向に変化し、第２の閾値Ｖｔｈ２を下回る。その後、主電圧Ｖｄｓの低下量が安定すると、検出信号Ｖｄｅｔの負方向への変化量が減少し、検出信号Ｖｄｅｔが第２の閾値Ｖｔｈ２を上回る。すなわち、検出信号Ｖｄｅｔが、第２の閾値Ｖｔｈ２を下回っている場合は、駆動電圧Ｖｇｓがオン状態になった直後に主電圧Ｖｄｓが低下している状態である。
【0045】
図４の右側に示すように、過電流が流れると、主電極端子間の電圧降下が大きくなり、主電圧Ｖｄｓの低下量が比較的に小さくなり、検出信号Ｖｄｅｔの負方向への変化量が比較的に小さくなる。一方、正常電流が流れると、主電極端子間の電圧降下が小さくなり、主電圧Ｖｄｓの低下量が比較的に大きくなり、検出信号Ｖｄｅｔの負方向への変化量が比較的に大きくなる。よって、検出信号Ｖｄｅｔが、第２の閾値Ｖｔｈ２を下回った後（時刻ｔ３１）、検出信号Ｖｄｅｔが、第１の閾値Ｖｔｈ１を下回らずに、第２の閾値Ｖｔｈ２を上回ったとき（時刻ｔ３２）に、過電流が流れていると精度よく判定することができる。
【0046】
一方、図４の左側に示すように、検出信号Ｖｄｅｔが、第２の閾値Ｖｔｈ２を下回っている状態で、検出信号Ｖｄｅｔが、第１の閾値Ｖｔｈ１を下回ったとき（時刻ｔ２２）に、正常な電流が流れていると精度よく判定することができる。
【0047】
また、正常電流及び異常電流の判定は、駆動電圧Ｖｇｓがオン状態になった直後に主電圧Ｖｄｓが変動している状態で行われるので、駆動電圧Ｖｇｓがオン状態になった直後に、早期に、過電流の発生を判定し、過電流状態の過電流発生信号Ｖｅｘｉを駆動回路に出力し、駆動電圧Ｖｇｓをオフ状態にさせ、過電流の発生が継続することを抑制できる。よって、過電流の発生時に早期に電力変換装置を保護することができる。
【0048】
図４は、判定挙動を説明するための図であり、過電流発生信号Ｖｅｘｉが過電流状態になった後、直ちに、駆動電圧Ｖｇｓをオン状態からオフ状態に変化させていない。しかし、後述するように、実際には、駆動回路２は、過電流発生信号Ｖｅｘｉが過電流状態になった後、直ちに、駆動電圧Ｖｇｓをオン状態からオフ状態に変化させる。
【0049】
次の半導体スイッチングのオンオフ制御に備えるため、過電流判定回路７は、駆動指令信号Ｖｃがオン状態からオフ状態になったとき、又は駆動指令信号Ｖｃがオフ状態からオン状態になったときに、過電流発生信号Ｖｅｘｉを正常電流状態にリセットしてもよい。負荷の短絡異常が生じている場合は、駆動指令信号Ｖｃがオン状態になるたびに、過電流が生じるが、短時間に抑制できるため、電力変換装置を保護することができる。その間に、駆動指令信号Ｖｃを生成する制御装置が、公知の方法により、負荷の短絡異常を判定し、半導体スイッチングのオンオフ制御を停止し、駆動指令信号Ｖｃをオン状態に変化させないようにすればよい。
【0050】
＜回路構成＞
図５に、過電流判定回路７の回路構成の例を示す。過電流判定回路７は、第１比較器８、第２比較器９、及び論理回路１２を備えている。第１比較器８及び第２比較器９には、コンパレータが用いられている。第１比較器８の非反転入力端子（＋）には、第１の閾値Ｖｔｈ１に対応する第１電位Ｖｔｈ１が入力され、第１比較器８の反転入力端子（－）には、検出信号Ｖｄｅｔが入力される。第１電位Ｖｔｈ１は、分圧抵抗等により生成される。第１比較器８の出力信号Ｖｏｕｔ１は、検出信号Ｖｄｅｔが第１電位Ｖｔｈ１を下回るとオン状態（Ｈｉｇｈ電圧）になり、第１比較器８の出力信号Ｖｏｕｔ１は、検出信号Ｖｄｅｔが第１電位Ｖｔｈ１を上回るとオフ状態（Ｌｏｗ電圧）になる。第１比較器８の出力信号Ｖｏｕｔ１は、論理回路１２に入力される。
図５に、過電流判定回路７の回路構成の例を示す。過電流判定回路７は、第１比較器８、第２比較器９、及び論理回路１２を備えている。第１比較器８及び第２比較器９には、コンパレータが用いられている。第１比較器８の非反転入力端子（＋）には、第１の閾値Ｖｔｈ１に対応する第１電位Ｖｔｈ１が入力され、第１比較器８の反転入力端子（－）には、検出信号Ｖｄｅｔが入力される。第１電位Ｖｔｈ１は、分圧抵抗等により生成される。第１比較器８の出力信号Ｖｏｕｔ１は、検出信号Ｖｄｅｔが第１電位Ｖｔｈ１を下回るとオン状態（Ｈｉｇｈ電圧）になり、第１比較器８の出力信号Ｖｏｕｔ１は、検出信号Ｖｄｅｔが第１電位Ｖｔｈ１を上回るとオフ状態（Ｌｏｗ電圧）になる。第１比較器８の出力信号Ｖｏｕｔ１は、論理回路１２に入力される。
【0051】
第２比較器９の非反転入力端子（＋）には、検出信号Ｖｄｅｔが入力され、第２比較器９の反転入力端子（－）には、第２の閾値Ｖｔｈ２に対応する第２電位Ｖｔｈ２が入力される。第２電位Ｖｔｈ２は、分圧抵抗等により生成される。第２比較器９の出力信号Ｖｏｕｔ２は、検出信号Ｖｄｅｔが第２電位Ｖｔｈ２を下回るとオフ状態（Ｌｏｗ電圧）になり、第２比較器９の出力信号Ｖｏｕｔ２は、検出信号Ｖｄｅｔが第２電位Ｖｔｈ２を上回るとオン状態（Ｈｉｇｈ電圧）になる。第２比較器９の出力信号Ｖｏｕｔ２は、論理回路１２に入力される。
【0052】
論理回路１２は、第２比較器９の出力信号Ｖｏｕｔ２がオフ状態（Ｌｏｗ電圧）である場合に、第１比較器８の出力信号Ｖｏｕｔ１がオフ状態（Ｌｏｗ電圧）からオン状態（Ｈｉｇｈ電圧）に変化したときに、論理回路１２の出力信号である過電流発生信号Ｖｅｘｉを、正常電流の発生を表す正常電流状態（Ｈｉｇｈ電圧）に設定する。一方、論理回路１２は、第２比較器９の出力信号Ｖｏｕｔ２がオフ状態（Ｌｏｗ電圧）になった後、第１比較器８の出力信号Ｖｏｕｔ１がオフ状態（Ｌｏｗ電圧）であるまま、第２比較器９の出力信号Ｖｏｕｔ２がオン状態（Ｈｉｇｈ電圧）になったときに、論理回路１２の出力信号Ｖｅｘｉを、過電流の発生を表す過電流状態（Ｌｏｗ電圧）に設定する。
【0053】
なお、過電流判定回路７として、他の種類の回路が用いられてもよい。例えば、ＩＣ、デジタル回路等から構成されてもよい。
【0054】
＜過電流判定時の駆動回路２＞
上述したように、駆動回路２は、駆動指令信号Ｖｃがオン状態であっても、過電流判定回路７から出力された過電流発生信号Ｖｅｘｉが過電流状態（Ｌｏｗ電圧）である場合に、オフ状態の駆動電圧Ｖｇｓを生成する。一方、駆動回路２は、駆動指令信号Ｖｃがオン状態であり、過電流発生信号Ｖｅｘｉが正常電流状態（Ｈｉｇｈ電圧）である場合に、オン状態の駆動電圧Ｖｇｓを生成する。また、駆動回路２は、駆動指令信号Ｖｃがオフ状態である場合は、過電流発生信号Ｖｅｘｉが正常電流状態又は過電流状態であるかにかかわらず、オフ状態の駆動電圧Ｖｇｓを生成する。
上述したように、駆動回路２は、駆動指令信号Ｖｃがオン状態であっても、過電流判定回路７から出力された過電流発生信号Ｖｅｘｉが過電流状態（Ｌｏｗ電圧）である場合に、オフ状態の駆動電圧Ｖｇｓを生成する。一方、駆動回路２は、駆動指令信号Ｖｃがオン状態であり、過電流発生信号Ｖｅｘｉが正常電流状態（Ｈｉｇｈ電圧）である場合に、オン状態の駆動電圧Ｖｇｓを生成する。また、駆動回路２は、駆動指令信号Ｖｃがオフ状態である場合は、過電流発生信号Ｖｅｘｉが正常電流状態又は過電流状態であるかにかかわらず、オフ状態の駆動電圧Ｖｇｓを生成する。
【0055】
本実施の形態では、駆動回路２は、駆動指令信号Ｖｃがオン状態であり、過電流発生信号Ｖｅｘｉが正常電流状態であるときは、オン状態の駆動電圧Ｖｇｓを生成し、駆動指令信号Ｖｃがオン状態であり、過電流発生信号Ｖｅｘｉが過電流状態であるときは、オフ状態の駆動電圧Ｖｇｓを生成する。図６に過電流時の挙動を示すように、時刻ｔ４１で、駆動回路２は、駆動指令信号Ｖｃがオン状態になったとき、過電流発生信号Ｖｅｘｉが正常電流状態であるので、オン状態の駆動電圧Ｖｇｓの生成を開始する。その直後、時刻ｔ４２で、過電流判定回路７が、過電流が発生したと判定し、過電流発生信号Ｖｅｘｉを、正常電流状態から過電流状態に変化させている。そして、時刻ｔ４２で、駆動回路２は、過電流発生信号Ｖｅｘｉが過電流状態になったので、駆動電圧Ｖｇｓをオン状態からオフ状態に変化させている。このように、駆動電圧Ｖｇｓがオン状態になった直後に、早期に、過電流の発生が判定され、過電流が判定された時点で、駆動電圧Ｖｇｓをオン状態からオフ状態に変化させているので、過電流の発生が継続することを抑制できる。よって、過電流の発生時に早期に電力変換装置を保護することができる。
【0056】
なお、駆動回路２は、次回以降の半導体スイッチング素子１のオンオフ制御時に、過電流の判定結果を反映させてもよい。
【0057】
図７に示すように、駆動回路２は、過電流発生信号Ｖｅｘｉが過電流状態になった場合に駆動電圧Ｖｇｓをオン状態からオフ状態に変化させる変化速度を、過電流発生信号Ｖｅｘｉが正常電流状態である場合の変化速度よりも遅くしてもよい。例えば、駆動回路２は、駆動電圧Ｖｇｓのオン状態とオフ状態を切り替えるスイッチング素子を有しており。スイッチング素子のＰＷＭ制御のデューティを１００％から０％（又は、０％から１００％）に変化させる変化速度を、過電流発生信号Ｖｅｘｉが正常電流状態である場合よりも、過電流発生信号Ｖｅｘｉが過電流状態である場合を遅くする。例えば、過電流発生信号が正常電流状態である場合は、スイッチング素子のデューティを１００％から０％にステップ的に変化させ、過電流発生信号が過電流状態である場合は、スイッチング素子のデューティを１００％から０％に次第に変化させればよい。
【0058】
過電流発生時に駆動電圧Ｖｇｓをオン状態からオフ状態に変化させる変化速度を遅くすることにより、過電流をオフする際に発生する主電圧Ｖｄｓのサージ電圧を抑制することができ、電力変換装置を保護することができる。
【0059】
＜過電流判定回路７の第１の転用例＞
図８の右側に示すように、過電流判定回路７は、駆動電圧Ｖｇｓがオン状態にされ始めた後、予め設定された判定期間ΔＴｄｔが経過するまでに、検出信号Ｖｄｅｔが、第１の閾値Ｖｔｈ１を下回らなかったときに、過電流が流れていると判定して、過電流状態の過電流発生信号Ｖｅｘｉを生成してもよい。また、図８の左側に示すように、過電流判定回路７は、駆動電圧Ｖｇｓがオン状態にされ始めた後、判定期間ΔＴｄｔが経過するまでに、検出信号Ｖｄｅｔが、第１の閾値Ｖｔｈ１を下回ったときに、正常な電流が流れていると判定して、正常電流状態の過電流発生信号Ｖｅｘｉを生成してもよい。
図８の右側に示すように、過電流判定回路７は、駆動電圧Ｖｇｓがオン状態にされ始めた後、予め設定された判定期間ΔＴｄｔが経過するまでに、検出信号Ｖｄｅｔが、第１の閾値Ｖｔｈ１を下回らなかったときに、過電流が流れていると判定して、過電流状態の過電流発生信号Ｖｅｘｉを生成してもよい。また、図８の左側に示すように、過電流判定回路７は、駆動電圧Ｖｇｓがオン状態にされ始めた後、判定期間ΔＴｄｔが経過するまでに、検出信号Ｖｄｅｔが、第１の閾値Ｖｔｈ１を下回ったときに、正常な電流が流れていると判定して、正常電流状態の過電流発生信号Ｖｅｘｉを生成してもよい。
【0060】
上述したように、駆動電圧Ｖｇｓがオン状態になった直後に低下する主電圧Ｖｄｓの時間変化率ｄＶｄｓ／ｄｔにより、過電流の発生を判定できる。よって、駆動電圧Ｖｇｓがオン状態にされ始めた後、判定期間ΔＴｄｔが経過するまでに、検出信号Ｖｄｅｔが、第１の閾値Ｖｔｈ１を下回らなかったときに、過電流が流れていると精度よく判定することができる。また、駆動電圧Ｖｇｓがオン状態にされ始めた後、判定期間ΔＴｄｔが経過するまでに、検出信号Ｖｄｅｔが、第１の閾値Ｖｔｈ１を下回ったときに、正常な電流が流れていると精度よく判定することができる。よって、判定期間ΔＴｄｔが経過したときに、早期に、過電流の発生の有無を判定することができる。
【0061】
主電圧Ｖｄｓが低下している期間は、過電流時及び正常電流時のそれぞれにおいて予めわかるので、判定期間ΔＴｄｔは、過電流時の主電圧Ｖｄｓの低下期間、及び正常電流時の主電圧Ｖｄｓの低下期間に合わせて予め設定されればよい。判定期間ΔＴｄｔは、過電流時の低下期間及び正常電流時の低下期間の双方よりも長すぎない、早期判定が行える適度な長さに設定されればよい。
【0062】
＜過電流判定回路７の第２の転用例＞
或いは、図９の右側に示すように、過電流判定回路７は、駆動電圧Ｖｇｓがオン状態にされ始めた後、検出信号Ｖｄｅｔが第１の閾値Ｖｔｈ１を下回らずに、駆動電圧Ｖｇｓが判定電圧Ｖｇｓｄｔを超えたときに、過電流が流れていると判定して、過電流状態の過電流発生信号Ｖｅｘｉを生成してもよい。一方、図９の左側に示すように、過電流判定回路７は、駆動電圧Ｖｇｓがオン状態にされ始めた後、駆動電圧Ｖｇｓが判定電圧Ｖｇｓｄｔを下回っている状態で、検出信号Ｖｄｅｔが第１の閾値Ｖｔｈ１を下回ったときに、正常な電流が流れていると判定して、正常電流状態の過電流発生信号Ｖｅｘｉを生成してもよい。
或いは、図９の右側に示すように、過電流判定回路７は、駆動電圧Ｖｇｓがオン状態にされ始めた後、検出信号Ｖｄｅｔが第１の閾値Ｖｔｈ１を下回らずに、駆動電圧Ｖｇｓが判定電圧Ｖｇｓｄｔを超えたときに、過電流が流れていると判定して、過電流状態の過電流発生信号Ｖｅｘｉを生成してもよい。一方、図９の左側に示すように、過電流判定回路７は、駆動電圧Ｖｇｓがオン状態にされ始めた後、駆動電圧Ｖｇｓが判定電圧Ｖｇｓｄｔを下回っている状態で、検出信号Ｖｄｅｔが第１の閾値Ｖｔｈ１を下回ったときに、正常な電流が流れていると判定して、正常電流状態の過電流発生信号Ｖｅｘｉを生成してもよい。
【0063】
図３を用いて説明したように、ドレイン端子側のミラー容量が充電されている間に、主電圧Ｖｄｓが急速に低下していき、ドレイン端子側のミラー容量の充電が終了すると、主電圧Ｖｄｓの低下速度が遅くなり、駆動電圧Ｖｇｓは所定の電源電圧まで増加する。よって、駆動電圧Ｖｇｓが、ドレイン端子側のミラー容量の充電が開始するときの駆動電圧Ｖｇｓであるミラー電圧Ｖｍｒよりもある程度高くなると、ドレイン端子側のミラー容量の充電が終了し、過電流の発生を判定するための主電圧Ｖｄｓの低下が終了したと判定できる。よって、主電圧Ｖｄｓの急速な低下が終了する駆動電圧Ｖｇｓに対応するように、判定電圧Ｖｇｓｄｔを、ミラー電圧Ｖｍｒよりも高く、電源電圧よりも低い電圧に、予め設定されるとよい。
【0064】
この構成によれば、駆動電圧Ｖｇｓの挙動により、主電圧Ｖｄｓが低下している期間を判定し、判定した期間において、検出信号Ｖｄｅｔが、第１の閾値Ｖｔｈ１を下回らなかったときに、過電流が流れていると精度よく判定することができる。また、判定した期間において、検出信号Ｖｄｅｔが、第１の閾値Ｖｔｈ１を下回ったときに、正常な電流が流れていると精度よく判定することができる。よって、主電圧Ｖｄｓが低下している期間が終了したときに、早期に、過電流の発生の有無を判定することができる。
【0065】
２．実施の形態２
実施の形態２に係る電力変換装置について図面を参照して説明する。上記の実施の形態１と同様の構成部分は説明を省略する。本実施の形態に係る電力変換装置の基本的な構成は実施の形態１と同様であるが、定電流源１３が備えられている点が実施の形態１と異なる。図１０に、本実施の形態に係る電力変換装置の概略構成図を示す。
実施の形態２に係る電力変換装置について図面を参照して説明する。上記の実施の形態１と同様の構成部分は説明を省略する。本実施の形態に係る電力変換装置の基本的な構成は実施の形態１と同様であるが、定電流源１３が備えられている点が実施の形態１と異なる。図１０に、本実施の形態に係る電力変換装置の概略構成図を示す。
【0066】
定電流源１３が、静電容量素子５と抵抗素子６との接続部分に接続され、駆動電圧Ｖｇｓがオン状態にされているときに、接続部分に一定の定電流Ｉｏを供給する。図１１の左側に、正常電流時の挙動を示し、図１１の右側に、過電流時の挙動を示す。時刻ｔ５１、又は図ｔ６１で、駆動電圧Ｖｇｓがオン状態にされ始めると、定電流源１３は、定電流Ｉｏを発生し始める。定電流Ｉｏが抵抗素子６に流れると、検出信号Ｖｄｅｔは、次式に示すように、静電容量素子５から流れる主電圧の時間変化率ｄＶｄｓ／ｄｔに応じた検出電流Ｉｄｅｔと、定電流Ｉｏとの合計電流に、抵抗素子６の抵抗Ｒを乗算した値になる。ここで、検出電流Ｉｄｅｔは、主電圧Ｖｄｓが低下している間は、負値になり、定電流Ｉｏは、正値になる。
Ｖｄｅｔ＝Ｒ×（Ｉｄｅｔ＋Ｉｏ） ・・・（４）
Ｖｄｅｔ＝Ｒ×（Ｉｄｅｔ＋Ｉｏ） ・・・（４）
【0067】
定電流Ｉｏの大きさは、正常電流時の判定期間の検出信号Ｖｄｅｔの最小値が、０よりも小さくなり、過電流時の判定期間の検出信号Ｖｄｅｔの最小値が、０よりも大きくなるように、予め設定されている。
【0068】
そして、実施の形態１と同様に、過電流判定回路７は、検出信号Ｖｄｅｔが第１の閾値Ｖｔｈ１を下回った場合に、ドレイン端子１Ａとソース端子１Ｂとの間を正常な電流が流れていると判定して、正常電流の発生を表す正常電流状態の過電流発生信号Ｖｅｘｉを生成し、検出信号Ｖｄｅｔが第１の閾値Ｖｔｈ１を下回らなかった場合に、ドレイン端子１Ａとソース端子１Ｂとの間を過電流が流れていると判定して、過電流の発生を表す過電流状態の過電流発生信号Ｖｅｘｉを生成する。過電流判定回路７は、駆動電圧Ｖｇｓがオン状態にされているときに判定を行う。
【0069】
また、実施の形態１と同様に、過電流判定回路７は、駆動電圧Ｖｇｓがオン状態にされ始め、検出信号Ｖｄｅｔが、第１の閾値Ｖｔｈ１よりも高い値の第２の閾値Ｖｔｈ２を下回った後、検出信号Ｖｄｅｔが、第１の閾値Ｖｔｈ１を下回らずに、第２の閾値Ｖｔｈ２を上回ったときに、過電流が流れていると判定して、過電流状態の過電流発生信号Ｖｅｘｉを生成する。一方、過電流判定回路７は、駆動電圧Ｖｇｓがオン状態にされ始めた後、検出信号Ｖｄｅｔが、第２の閾値Ｖｔｈ２を下回っている状態で、検出信号Ｖｄｅｔが、第１の閾値Ｖｔｈ１を下回ったときに、正常な電流が流れていると判定して、正常電流状態の過電流発生信号Ｖｅｘｉを生成する。本実施の形態では、次式に示すように、第２の閾値Ｖｔｈ２は、０よりも大きく、第１の閾値Ｖｔｈ１は、０よりも小さい。第１の閾値Ｖｔｈ１、及び第２の閾値Ｖｔｈ２は、過電流又は正常電流が適切に判定できるように、定電流Ｉｏの設定と合わせて、予め設定されている。
Ｖｔｈ１＜０＜Ｖｔｈ２ ・・・（５）
Ｖｔｈ１＜０＜Ｖｔｈ２ ・・・（５）
【0070】
実施の形態１では、過電流時において、主電圧Ｖｄｓの緩やかな減少が継続する場合に、検出信号Ｖｄｅｔが第２の閾値Ｖｔｈ２を上回るまでの期間が比較的長くなる。一方、本実施の形態では、定電流Ｉｏの流入により、過電流時において、主電圧Ｖｄｓの緩やかな減少が継続する場合でも、検出信号Ｖｄｅｔを増加させることができ、検出信号Ｖｄｅｔが第２の閾値Ｖｔｈ２を上回るまでの期間を短縮することができる。また、実施の形態１では、過電流時において、主電圧Ｖｄｓの緩やかな減少が継続する場合に、検出信号Ｖｄｅｔの低下量が小さくなり、第２の閾値Ｖｔｈ２との比較が難しくなる。本実施の形態では、定電流Ｉｏの流入による検出信号Ｖｄｅｔの変化を加えることができ、第２の閾値Ｖｔｈ２との比較が容易になる。よって、過電流の発生時に、主電圧Ｖｄｓの緩やかな減少が継続する場合でも、早期に、確実に、過電流の発生を判定することができる。
【0071】
本実施の形態でも、過電流判定回路７は、実施の形態１の第１の転用例及び第２の転用例と同様に構成されてもよい。
【0072】
＜ダイオードの接合容量＞
各実施の形態において、静電容量素子５として、ダイオードの接合容量が用いられてもよい。ダイオードの接合容量は、Ｐ型半導体とＮ型半導体との接合境界の空乏層による静電容量である。図１２に示すように、静電容量素子５としてのダイオード５のカソードが、ドレイン端子１Ａに接続され、ダイオード５のアノードが、抵抗素子６の一端に接続される。例えば、１ｋＶクラスの耐圧の表面実装タイプの積層セラミックコンデンサは入手困難であるが、ダイオードは、１ｋＶクラスの耐圧の表面実装タイプは入手可能である。高電圧の電力変換装置にも適用可能である。
各実施の形態において、静電容量素子５として、ダイオードの接合容量が用いられてもよい。ダイオードの接合容量は、Ｐ型半導体とＮ型半導体との接合境界の空乏層による静電容量である。図１２に示すように、静電容量素子５としてのダイオード５のカソードが、ドレイン端子１Ａに接続され、ダイオード５のアノードが、抵抗素子６の一端に接続される。例えば、１ｋＶクラスの耐圧の表面実装タイプの積層セラミックコンデンサは入手困難であるが、ダイオードは、１ｋＶクラスの耐圧の表面実装タイプは入手可能である。高電圧の電力変換装置にも適用可能である。
【0073】
＜ワイドバンドギャップ半導体＞
各実施の形態において、半導体スイッチング素子１として、ワイドバンドギャップ半導体からなるスイッチング素子が用いられてもよい。ワイドバンドギャップ半導体からなるスイッチング素子は、高耐圧で、放熱性も良く、高速スイッチングが可能である。具体的には、ＳｉＣ（シリコンカーバイド、炭化珪素）系材料、ＧａＮ（窒化ガリウム）系材料、ダイヤモンド系材料が使用されたＭＯＳＦＥＴ等の半導体スイッチング素子である。ＳｉＣ－ＭＯＳＦＥＴは、従来のＳｉ（シリコン）半導体からなるスイッチング素子と比べ、高速スイッチングが可能であるが、過電流に対する耐量が低いため、過電流の発生を早期に判定できることが望まれる。よって、ワイドバンドギャップ半導体からなるスイッチング素子が用いられる場合は、本願の電力変換装置が好適である。
各実施の形態において、半導体スイッチング素子１として、ワイドバンドギャップ半導体からなるスイッチング素子が用いられてもよい。ワイドバンドギャップ半導体からなるスイッチング素子は、高耐圧で、放熱性も良く、高速スイッチングが可能である。具体的には、ＳｉＣ（シリコンカーバイド、炭化珪素）系材料、ＧａＮ（窒化ガリウム）系材料、ダイヤモンド系材料が使用されたＭＯＳＦＥＴ等の半導体スイッチング素子である。ＳｉＣ－ＭＯＳＦＥＴは、従来のＳｉ（シリコン）半導体からなるスイッチング素子と比べ、高速スイッチングが可能であるが、過電流に対する耐量が低いため、過電流の発生を早期に判定できることが望まれる。よって、ワイドバンドギャップ半導体からなるスイッチング素子が用いられる場合は、本願の電力変換装置が好適である。
【0074】
本願は、様々な例示的な実施の形態及び実施例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、本願明細書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。
【符号の説明】
【0075】
１ 半導体スイッチング素子、１Ａ 高電位側主電極端子（ドレイン端子）、１Ｂ 低電位側主電極端子（ソース端子）、１Ｃ 制御電極端子（ゲート端子）、２ 駆動回路、４ 時間変化検出回路、５ 静電容量素子、６ 抵抗素子、７ 過電流判定回路、１３ 定電流源、Ｖｃ 駆動指令信号、Ｖｄｅｔ 検出信号、Ｖｄｓ 主電圧、Ｖｅｘｉ 過電流発生信号、Ｖｇｓ 駆動電圧、Ｖｇｓｄｔ 判定電圧、Ｖｔｈ１ 第１の閾値、Ｖｔｈ２ 第２の閾値、ｄＶｄｓ／ｄｔ 主電圧の時間変化率、ΔＴｄｔ 判定期間
【要約】
【課題】半導体スイッチング素子のターンオン後、過電流の検出を行わないブランキング時間を設けることなく、過電流の発生を早期に検出して、電力変換装置を保護することができる電力変換装置を提供する。
【解決手段】主電極端子間の電位差である主電圧Ｖｄｓの時間変化率に応じた検出信号Ｖｄｅｔを出力する時間変化検出回路４と、検出信号Ｖｄｅｔが第１の閾値を下回った場合に、正常電流状態の過電流発生信号を生成し、検出信号Ｖｄｅｔが第１の閾値を下回らなかった場合に、過電流状態の過電流発生信号を生成する過電流判定回路７と、駆動指令信号Ｖｃがオン状態であっても、過電流発生信号が過電流状態である場合に、オフ状態の駆動電圧Ｖｇｓを生成する駆動回路２と、を備えた電力変換装置。
【選択図】図１
【解決手段】主電極端子間の電位差である主電圧Ｖｄｓの時間変化率に応じた検出信号Ｖｄｅｔを出力する時間変化検出回路４と、検出信号Ｖｄｅｔが第１の閾値を下回った場合に、正常電流状態の過電流発生信号を生成し、検出信号Ｖｄｅｔが第１の閾値を下回らなかった場合に、過電流状態の過電流発生信号を生成する過電流判定回路７と、駆動指令信号Ｖｃがオン状態であっても、過電流発生信号が過電流状態である場合に、オフ状態の駆動電圧Ｖｇｓを生成する駆動回路２と、を備えた電力変換装置。
【選択図】図１
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】
【図10】
【図11】
【図12】
【図13】