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JP5840067B2 - Current detection device for power conversion device and semiconductor module provided with this current detection device - Google Patents
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Current detection device for power conversion device and semiconductor module provided with this current detection device Download PDF

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Description

この発明は、安価で高精度化を実現するロゴスキーコイルを用いた電力変換装置の電流検出装置、およびこの電流検出装置を備えた半導体モジュールに関する。   The present invention relates to a current detection device for a power conversion device using a Rogowski coil that realizes high accuracy at low cost, and a semiconductor module equipped with the current detection device.

従来より、モータなどの電気機器の駆動電流を制御するために電力変換装置が用いられており、この種の電力変換装置のスイッチング素子として、例えばIGBTなどの自己消弧型半導体素子が使用される。このようなスイッチング素子に過電流が流れると、素子破壊等が起こる恐れがあるので、過電流発生の有無を検出するために電流検出装置が設けられる場合がある。   Conventionally, a power converter is used to control the drive current of an electric device such as a motor, and a self-extinguishing semiconductor element such as an IGBT is used as a switching element of this type of power converter. . If an overcurrent flows through such a switching element, element destruction or the like may occur. Therefore, a current detection device may be provided to detect whether or not an overcurrent has occurred.

この場合の電流検出装置として、従来、電流検出センサ付きのスイッチング素子を用いたものや、スイッチング素子の外側にCT(変流器)を配置したものがある。前者の電流検出センサ付きのスイッチング素子は、センサ部にシャント抵抗器が接続されており、検出精度を高めるにはシャント抵抗器の抵抗値を大きくする必要があるため、消費電力の増大に伴って発熱が生じることや、素子自体が電流検出センスのないものに比べ高価になるなどの欠点がある。また、後者のCTを用いた電流検出装置は、CTで大電流や直流電流を検出するためには、CTに使用される磁性体からなるコアが磁気飽和しないようにする上で大きなコアが必要となり、装置の大型化やコスト高を招くという問題がある。   Conventionally, current detection devices in this case include those using a switching element with a current detection sensor and those in which a CT (current transformer) is arranged outside the switching element. In the former switching element with a current detection sensor, a shunt resistor is connected to the sensor unit, and it is necessary to increase the resistance value of the shunt resistor in order to increase detection accuracy. There are drawbacks such as generation of heat, and the element itself is more expensive than those without current detection sense. In addition, the latter current detection device using CT requires a large core to prevent magnetic saturation of the core made of a magnetic material used in CT in order to detect a large current or a direct current with CT. Thus, there is a problem that the apparatus is increased in size and cost.

また、従来より、信号線を流れる電流に比例した磁界強度の変化を検出するロゴスキーコイルを使用した電流検出装置がある。このようなロゴスキーコイルを使用した電流検出装置は、CTのようなコアが存在しないため、小型であり、かつ磁気飽和を生じないため、大電流や直流電流の測定に適している。このようなロゴスキーコイルを用いる場合、電流値に対応した起電力を電圧値に変換するために演算増幅器とコンデンサを組み合わせた積分回路が使用されている。   Conventionally, there is a current detection device using a Rogowski coil that detects a change in magnetic field intensity proportional to the current flowing through the signal line. A current detection device using such a Rogowski coil is suitable for the measurement of a large current or a direct current because it does not have a core such as a CT and is compact and does not cause magnetic saturation. When such a Rogowski coil is used, an integrating circuit combining an operational amplifier and a capacitor is used to convert an electromotive force corresponding to the current value into a voltage value.

このような積分回路は、比較的低周波電流も精度良く検出することが可能であるが、演算増幅器の特性上、低周波領域でのゲイン特性が悪いことや、ドリフト電圧により積分回路を構成するコンデンサに電荷が蓄積する。そのため、連続で使用する場合には、積分回路の検出出力が実際の電流値からずれるという問題がある。   Such an integration circuit can detect a relatively low frequency current with high accuracy. However, due to the characteristics of the operational amplifier, the gain characteristic in the low frequency region is poor, and the integration circuit is configured by a drift voltage. Charge accumulates in the capacitor. Therefore, when used continuously, there is a problem that the detection output of the integrating circuit deviates from the actual current value.

その対策として、従来、下記の特許文献1に記載のように、各アームに配置されたロゴスキーコイルを通過して流れる電流が零である期間(以下、単に零電流期間という)を予測する零電流予測回路と、この零電流予測回路で予測される零電流期間に積分回路を構成するコンデンサを放電するリセット回路とを設け、零電流予測回路で予測される零電流期間に積分回路をリセット回路でリセットすることで、積分回路の出力のずれを補正するものが提案されている。   As a countermeasure, conventionally, as described in Patent Document 1 below, a period in which a current flowing through a Rogowski coil arranged in each arm is zero (hereinafter simply referred to as a zero current period) is predicted. Provided is a current prediction circuit and a reset circuit that discharges a capacitor constituting the integration circuit during the zero current period predicted by the zero current prediction circuit, and resets the integration circuit during the zero current period predicted by the zero current prediction circuit There is a proposal that corrects the deviation of the output of the integration circuit by resetting at.

特許第4286413号公報Japanese Patent No. 4286413

しかし、上記の特許文献1記載の従来技術のものは、未だ次の課題が残されている。
すなわち、電力変換装置のスイッチング素子に加えるゲート制御信号のオンパルス直後からスイッチング素子に実際に電流が流れ始めるまでのターンオン遅れ時間内にリセット信号を出力するようにしているので、リセット回路から出力されるリセット信号自体の遅れ時間やスイッチング素子のターンオン遅れ時間を考慮すると、積分回路中のコンデンサを十分に放電しきれなかったり、リセット信号自体に遅れ時間が生じて零電流期間が経過して既に電流が流れ始めているときにリセット信号が出力されるなどして、正確な電流値を検出できないという課題がある。
However, the prior art described in Patent Document 1 still has the following problems.
That is, the reset signal is output from the reset circuit because the reset signal is output within the turn-on delay time from immediately after the ON pulse of the gate control signal applied to the switching element of the power conversion device to when the current actually starts to flow through the switching element. Considering the delay time of the reset signal itself and the turn-on delay time of the switching element, the capacitor in the integration circuit cannot be fully discharged, or the delay time is generated in the reset signal itself and the zero current period has passed and the current has already passed. There is a problem that an accurate current value cannot be detected because a reset signal is output when the flow starts.

また、電力変換装置は、各相毎に上下一対の正極側と負極側のアームが直列接続され、これらの各アームはスイッチング素子とこれと逆並列に接続された還流用のダイオードとから構成されているが、この場合、一方のアーム(例えば負極側のアーム)のスイッチング素子の電流検出用の積分回路をリセットする場合、他方のアーム(例えば正極側のアーム)のスイッチング素子に加わるゲート制御信号を用いてリセット信号を生成しているため、何らかの方法を用いて正極側と負極側のアーム間の電気的な絶縁を確保できるような回路とする必要があり、回路の複雑化による高コスト化やサイズの増大を招くという課題がある。   In addition, the power conversion device includes a pair of upper and lower positive and negative arms connected in series for each phase, and each of these arms is composed of a switching element and a reflux diode connected in reverse parallel thereto. However, in this case, when resetting the current detection integration circuit of the switching element of one arm (for example, the negative arm), the gate control signal applied to the switching element of the other arm (for example, the positive arm) Since the reset signal is generated by using this method, it is necessary to make a circuit that can secure electrical insulation between the positive and negative arms using some method. There is a problem of inviting an increase in size.

この発明は、上記の課題を解決するためになされたもので、小型で低コスト、かつ高精度の電力変換装置の電流検出装置、およびこの電流検出装置を備えた半導体モジュールを提供することを目的とする。   The present invention has been made to solve the above-described problems, and has an object to provide a small-sized, low-cost, high-accuracy power conversion device current detection device, and a semiconductor module including the current detection device. And

この発明の電力変換装置の電流検出装置は、上下一対の正極側と負極側のアームが直列接続され、各々の上記アームは、スイッチング素子とこれに逆並列に接続された還流用のダイオードで構成されている電力変換装置の上記アームを通じて流れる電流を検出するものであって、各々の上記アームに個別に対応して、上記アームを流れる電流に比例した磁界強度の変化を検出するロゴスキーコイルと、上記ロゴスキーコイルの検出出力を積分する積分回路と、上記アームに流れる電流が零である零電流期間を予測し、この予測結果に基づいて上記零電流期間に上記積分回路を構成するコンデンサの蓄積電荷を放電するためのリセット信号を出力するリセット回路とが設けられており、上下一対の上記アームの内、電流検出対象となる一方のアームに着目したときを自アーム、これに対する他方のアームを逆アームと称すれば、上記リセット回路は、電流検出対象となる自アームのスイッチング素子に対するゲート制御信号のオフ後、デッドタイム、逆アームのスイッチング素子に対するゲート制御信号のオンに伴う当該スイッチング素子のターンオン遅れ時間、および自アームのダイオードのリカバリー時間が経過した時点から、その後、自アームのスイッチング素子に対するゲート制御信号がオンする時点からデッドタイム時間分手前の時点までの期間を上記自アームの零電流期間であると予測して、上記零電流期間中に上記リセット信号を出力するものである。 In the current detection device for a power converter according to the present invention, a pair of upper and lower positive and negative arms are connected in series, and each of the arms is composed of a switching element and a free-wheeling diode connected in antiparallel to the switching element. A Rogowski coil for detecting a current flowing through the arm of the power conversion device, and detecting a change in magnetic field strength proportional to the current flowing through the arm individually corresponding to each of the arms ; , An integration circuit for integrating the detection output of the Rogowski coil, and a zero current period in which the current flowing through the arm is zero. Based on the prediction result, a capacitor constituting the integration circuit in the zero current period is predicted. a reset circuit for outputting a reset signal for discharging the accumulated charges is provided, among the upper and lower pair of the arms, one of a to be current detected If the other arm is referred to as the reverse arm, the reset circuit performs the dead time, reverse arm after turning off the gate control signal for the switching element of the current arm to be detected. From the time when the turn-on delay time of the switching element and the recovery time of the diode of its own arm have elapsed when the gate control signal to the switching element of the current arm is turned on, and then from the time when the gate control signal to the switching element of its own arm is turned on A period up to the time point before the time is estimated to be the zero current period of the self arm, and the reset signal is output during the zero current period.

この発明によれば、リセット回路から出力されるリセット信号の出力タイミングについて十分に考慮し、リセット回路は、各アームに配置されたロゴスキーコイルを通過して流れる電流が零である零電流期間を確実に予測し、その零電流期間中にリセット信号を出力するので、従来よりも積分回路が一層確実にリセットされ、常に正確に各アームに流れる電流値を検出することが可能となる。   According to the present invention, sufficient consideration is given to the output timing of the reset signal output from the reset circuit, and the reset circuit has a zero current period in which the current flowing through the Rogowski coil arranged in each arm is zero. Since the prediction is reliably performed and the reset signal is output during the zero current period, the integration circuit is more reliably reset than before, and the current value flowing through each arm can always be detected accurately.

また、従来のように逆アームのゲート制御信号を利用して自アームに設けられた電流検出装置の積分回路をリセットすることはせず、自アームのゲート制御信号のみを利用して積分回路をリセットするので、電気的な絶縁が必要な逆アームのゲート制御信号を用いる必要がなく、回路の簡素化や小型化が可能となる。   In addition, the integration circuit of the current detection device provided in the own arm is not reset using the gate control signal of the reverse arm as in the prior art, and the integration circuit is used only by using the gate control signal of the own arm. Since resetting is performed, it is not necessary to use a gate control signal of the reverse arm that requires electrical insulation, and the circuit can be simplified and miniaturized.

この発明の実施の形態1に係る電流検出装置を有する電力変換装置を示す構成図である。It is a block diagram which shows the power converter device which has an electric current detection apparatus which concerns on Embodiment 1 of this invention. 図1に示す電流検出装置の具体的な構成を示す回路図である。It is a circuit diagram which shows the specific structure of the electric current detection apparatus shown in FIG. 同電力変換装置と電流検出装置の動作説明に供するタイミングチャートである。It is a timing chart with which it uses for operation | movement description of the same power converter device and a current detection apparatus. この発明の実施の形態2に係る電力変換装置と電流検出装置の動作説明に供するタイミングチャートである。It is a timing chart with which it uses for operation | movement description of the power converter device and electric current detection apparatus which concern on Embodiment 2 of this invention. この発明の実施の形態3に係る電流検出装置の構成図である。It is a block diagram of the electric current detection apparatus which concerns on Embodiment 3 of this invention. 図5に示す電流検出装置の過電流保護動作の一例を示すタイミングチャートである。6 is a timing chart illustrating an example of an overcurrent protection operation of the current detection device illustrated in FIG. 5. 同電流検出装置の変形例を示す構成図である。It is a block diagram which shows the modification of the same electric current detection apparatus. 図7に示す電流検出装置の過電流保護動作の一例を示すタイミングチャートである。It is a timing chart which shows an example of the overcurrent protection operation | movement of the current detection apparatus shown in FIG. この発明の実施の形態4に係る過電流保護回路付きの電流検出装置を有する半導体モジュールの外観を示す斜視図である。It is a perspective view which shows the external appearance of the semiconductor module which has a current detection apparatus with an overcurrent protection circuit which concerns on Embodiment 4 of this invention. 図9のA−A線に沿う断面図である。It is sectional drawing which follows the AA line of FIG.

実施の形態1.
図1はこの発明の実施の形態1に係る電流検出装置を有する電力変換装置を示す構成図、図2は図1に示す電流検出装置の具体的な構成を示す回路図である。
Embodiment 1 FIG.
1 is a configuration diagram showing a power conversion device having a current detection device according to Embodiment 1 of the present invention, and FIG. 2 is a circuit diagram showing a specific configuration of the current detection device shown in FIG.

この実施の形態1における電力変換装置は2レベルインバータで、ここでは1相分を示しており、上下一対のP側(正極側)とN側(負極側)の各アーム5a、5bが直列接続され、その両端は直流電源9に接続されている。また、両スイッチング素子10a、10bの接続点が交流端子ACに接続されている。この交流端子ACは、一般的にモータなどのインダクタンス成分の含まれる機器に接続される端子である。   The power conversion device according to the first embodiment is a two-level inverter, which shows one phase here, and a pair of upper and lower arms Pa (positive side) and N side (negative side) 5a, 5b are connected in series. Both ends thereof are connected to a DC power source 9. Moreover, the connection point of both switching elements 10a and 10b is connected to AC terminal AC. The AC terminal AC is generally a terminal connected to a device including an inductance component such as a motor.

上記の各アーム5a、5bは、IGBTやパワーMOSFETなどの自己消弧型半導体素子からなるスイッチング素子10a、10bと、これと逆並列に接続された還流用のダイオード11a、11bで構成されている。また、各スイッチング素子10a、10bのゲートには、各スイッチング素子10a、10bをオン/オフ駆動するゲートドライバ7a、7bが設けられ、各ゲートドライバ7a、7bには、各スイッチング素子10a、10bのオン/オフ制御用のゲート制御信号を出力するゲート制御信号発生回路8が接続されている。   Each of the arms 5a and 5b is composed of switching elements 10a and 10b made of self-extinguishing semiconductor elements such as IGBTs and power MOSFETs, and free-wheeling diodes 11a and 11b connected in reverse parallel thereto. . The gates of the switching elements 10a and 10b are provided with gate drivers 7a and 7b for driving the switching elements 10a and 10b on / off, and the gate drivers 7a and 7b include the switching elements 10a and 10b. A gate control signal generation circuit 8 that outputs a gate control signal for on / off control is connected.

また、各アーム5a、5bに対しては、個別に対応して電流検出装置1a、1bが設けられている。各電流検出装置1a、1bは、共に同じ構成のもので、ロゴスキーコイル2、スイッチ3、リセット回路4、および積分回路6を備えている。   In addition, current detection devices 1a and 1b are provided for the respective arms 5a and 5b individually. Each of the current detection devices 1a and 1b has the same configuration, and includes a Rogowski coil 2, a switch 3, a reset circuit 4, and an integration circuit 6.

上記のロゴスキーコイル2は、各アーム5a、5bを流れる電流に比例した磁界強度の変化を検出するものである。そのため、P側アーム5aのスイッチング素子10aもしくは逆並列に接続されたダイオード11aに流れる電流をIp、N側アーム5bのスイッチング素子10bもしくは逆並列に接続されたダイオード11bに流れる電流をInとすると、それらの電流Ip、Inが流れる各アーム5a、5bを囲うようにロゴスキーコイル2が配置されている。   The Rogowski coil 2 detects a change in magnetic field strength proportional to the current flowing through the arms 5a and 5b. Therefore, if the current flowing through the switching element 10a of the P-side arm 5a or the diode 11a connected in antiparallel is Ip, and the current flowing through the switching element 10b of the N-side arm 5b or the diode 11b connected in antiparallel is In, The Rogowski coil 2 is arranged so as to surround the arms 5a and 5b through which the currents Ip and In flow.

また、積分回路6は、演算増幅器Amp、コンデンサCa、Cb、C2、および抵抗R1〜R3、Ra、Rbを組み合わせて構成されている。そして、ロゴスキーコイル2から入力端子inに加わる電流値に対応した起電力Vinが積分回路6内で積分されて検出電圧Voutとして出力端子outから出力される。   The integration circuit 6 is configured by combining an operational amplifier Amp, capacitors Ca, Cb, and C2, and resistors R1 to R3, Ra, and Rb. Then, the electromotive force Vin corresponding to the current value applied from the Rogowski coil 2 to the input terminal in is integrated in the integration circuit 6 and output from the output terminal out as the detection voltage Vout.

リセット回路4は、各アーム5a、5bに流れる電流Ip、Inが零である零電流期間を予測し、この予測結果に基づいて上記零電流期間に積分回路6を構成するコンデンサCa、Cb、C2の蓄積電荷を放電するためのリセット信号を出力するものである。このリセット回路4は、ゲート制御信号発生回路8から出力されるゲート制御信号に基づいて各アーム5a、5bに流れる電流が零である零電流期間を予測する零電流予測回路41と、この予測結果に基づいて上記リセット信号を出力するリセット信号発生回路42とを有する。   The reset circuit 4 predicts a zero current period in which the currents Ip and In flowing through the arms 5a and 5b are zero, and based on the prediction result, the capacitors Ca, Cb and C2 constituting the integration circuit 6 in the zero current period. A reset signal for discharging the accumulated charge is output. The reset circuit 4 includes a zero current prediction circuit 41 that predicts a zero current period in which the current flowing through the arms 5a and 5b is zero based on the gate control signal output from the gate control signal generation circuit 8, and the prediction result. And a reset signal generating circuit 42 for outputting the reset signal based on the above.

この場合の零電流予測回路41は、例えば上記ゲート制御信号発生回路8から出力されるゲート制御信号に応じてトリガ信号を出力するトリガ回路と、このトリガ回路からのトリガ信号を各アームに流れる電流が零である零電流期間中まで遅延させるフィルタなどの遅延回路(いずれも図示せず)とを組み合わせて構成することができる。また、リセット信号発生回路42は、この遅延されたトリガ信号に応じてリセット信号を出力する。なお、このリセット回路4の動作については、後で詳述する。   In this case, the zero current prediction circuit 41 includes, for example, a trigger circuit that outputs a trigger signal according to the gate control signal output from the gate control signal generation circuit 8 and a current that flows the trigger signal from the trigger circuit to each arm. A delay circuit such as a filter (none of which is shown) that delays until a zero current period in which the current is zero can be combined. The reset signal generation circuit 42 outputs a reset signal in accordance with the delayed trigger signal. The operation of the reset circuit 4 will be described in detail later.

スイッチ3は、その接点が積分回路6を構成する各コンデンサCa、Cb、C2の両端に電気的に並列に接続されている。このスイッチ3は、リセット回路4からのリセット信号が入力されることによって、各コンデンサCa、Cb、C2に連なる接点が閉じ、これにより、各コンデンサCa、Cb、C2の両端がスイッチ3を経由して短絡することで蓄積電荷が放電して積分値の零点がずれるのを防ぐようになっている。   The switch 3 is electrically connected to both ends of the capacitors Ca, Cb, C2 constituting the integrating circuit 6 in parallel. When the reset signal from the reset circuit 4 is input to the switch 3, the contacts connected to the capacitors Ca, Cb, and C 2 are closed, whereby both ends of the capacitors Ca, Cb, and C 2 pass through the switch 3. By short-circuiting, the accumulated charge is prevented from being discharged and the zero point of the integrated value is prevented from shifting.

ここで、図1に示す構成の2レベルインバータにおいて、ゲート制御信号発生回路8からのゲート制御信号が出力されない場合は、P側とN側の両アーム5a、5bのスイッチング素子10a、10bは共に電流が流れないが、どちらかのアーム、例えばP側アーム5aのスイッチング素子10aがゲート制御信号によってオンすれば、P側アーム5aを通り、交流端子ACからインダクタンス成分(L)を含む図示しない機器を介して他相のN側アームのスイッチング素子を通り、直流電源9のN側を通るループで電流が流れる。この場合のP側アーム5aのスイッチング素子10aに流れる電流値は、機器のインダクタンス成分(L)に依存する。   Here, in the two-level inverter having the configuration shown in FIG. 1, when the gate control signal is not output from the gate control signal generation circuit 8, the switching elements 10a and 10b of both the P-side and N-side arms 5a and 5b are both Although no current flows, if one of the arms, for example, the switching element 10a of the P-side arm 5a is turned on by a gate control signal, the device passes through the P-side arm 5a and includes an inductance component (L) from the AC terminal AC. Through the switching element of the N-side arm of the other phase through the current, and a current flows in a loop passing through the N side of the DC power supply 9. In this case, the value of the current flowing through the switching element 10a of the P-side arm 5a depends on the inductance component (L) of the device.

そして、P側アーム5aのスイッチング素子10aがゲート制御信号によってオフされると、その後、デッドタイムを挟んでN側アーム5bのスイッチング素子10bがオンするが、直ぐにはこのスイッチング素子10bには電流が流れない。その理由は、P側アーム5aのスイッチング素子10aがオフすると、インダクタンス成分(L)を含む機器に流れていた電流がN側アーム5bのダイオード11bを介して還流するためである。   Then, when the switching element 10a of the P-side arm 5a is turned off by the gate control signal, the switching element 10b of the N-side arm 5b is turned on with the dead time interposed therebetween. Not flowing. The reason is that when the switching element 10a of the P-side arm 5a is turned off, the current flowing in the device including the inductance component (L) flows back through the diode 11b of the N-side arm 5b.

上記のようにして両アーム5a、5bのスイッチング素子10a、10bがオン/オフを繰り返す場合、交流端子ACに流れる電流Iacの向きによって、P側アーム5aとN側アーム5bの各スイッチング素子10a、10bのどちらに電流が流れるかが決まる。すなわち、電流Iacが図1に示す矢印と同方向の場合は、P側アーム5aのスイッチング素子10aに、図1に示す矢印と逆方向の場合は、N側アーム5bのスイッチング素子10bにそれぞれ電流が流れる。   When the switching elements 10a and 10b of both arms 5a and 5b are repeatedly turned on / off as described above, the switching elements 10a of the P-side arm 5a and the N-side arm 5b, depending on the direction of the current Iac flowing through the AC terminal AC. Which of the currents 10b is determined is determined. That is, when the current Iac is in the same direction as the arrow shown in FIG. 1, the current flows to the switching element 10a of the P-side arm 5a, and when the current Iac is the opposite direction to the arrow shown in FIG. Flows.

次に、リセット回路4がリセット信号を出力する場合のタイミング動作について図3を参照して説明する。   Next, a timing operation when the reset circuit 4 outputs a reset signal will be described with reference to FIG.

図3は2レベルインバータにより交流端子ACから正弦波状の相電圧が出力される場合に、その内の正極性側の電圧を発生する状態(ここでは正極性モードという)を示しており、この正極性モードでは、P側アーム5aのスイッチング素子10aがオン/オフされて図1に示す矢印方向に電流Iacが流れる。なお、この正極性モードの場合でもN側アーム5bのスイッチング素子10bがオン/オフされ、P側アーム5aのスイッチング素子10aがオフしている期間中、N側アーム5bのダイオード11bを通じて電流が還流する。   FIG. 3 shows a state in which a positive-side voltage is generated when a sinusoidal phase voltage is output from the AC terminal AC by the two-level inverter (referred to herein as a positive-polarity mode). In the sex mode, the switching element 10a of the P-side arm 5a is turned on / off, and the current Iac flows in the arrow direction shown in FIG. Even in this positive polarity mode, the current flows back through the diode 11b of the N-side arm 5b while the switching element 10b of the N-side arm 5b is turned on / off and the switching element 10a of the P-side arm 5a is turned off. To do.

この正極性モードにおいて、P側アーム5aのスイッチング素子10aがオフしてN側アーム5bのダイオード11bを通じて電流が還流している状態で、次に、P側アーム5aのスイッチング素子10aに対してゲート制御信号が入力されてスイッチング素子10aがオンすると、ターンオン遅れ時間後、スイッチング素子10aはオンし、N側アーム5bのダイオード11bはリカバリーしてオフに至る。その後、P側アーム5aのスイッチング素子10aに対するゲート制御信号がオフすると、ターンオフ遅れ時間後、スイッチング素子10aはオフし、N側アーム5bのダイオード11bに電流が流れ始める。   In this positive polarity mode, in a state where the switching element 10a of the P-side arm 5a is turned off and current is flowing back through the diode 11b of the N-side arm 5b, the gate is next to the switching element 10a of the P-side arm 5a. When the control signal is input and the switching element 10a is turned on, after the turn-on delay time, the switching element 10a is turned on, and the diode 11b of the N-side arm 5b is recovered and turned off. Thereafter, when the gate control signal for the switching element 10a of the P-side arm 5a is turned off, the switching element 10a is turned off after the turn-off delay time, and a current starts to flow through the diode 11b of the N-side arm 5b.

したがって、いま、N側アーム5bに着目したとき、そのスイッチング素子10bに対するゲート制御信号がオフになった後、デッドタイムTd、P側アーム5aのスイッチング素子10aに対するゲート制御信号のオンに伴う当該スイッチング素子10aのターンオン遅れ時間To、およびN側アーム5bのダイオード11bのリカバリー期間Trが経過した時点から、その後にP側アーム5aのスイッチング素子10aに対するゲート制御信号がオフになる時点までの期間Tn中、N側アーム5bには電流Inが流れないので、この期間を零電流期間Tnとする。   Therefore, now, when focusing on the N-side arm 5b, after the gate control signal for the switching element 10b is turned off, the switching associated with the dead time Td and the turning on of the gate control signal for the switching element 10a of the P-side arm 5a. During a period Tn from the time when the turn-on delay time To of the element 10a and the recovery period Tr of the diode 11b of the N-side arm 5b elapse until the time when the gate control signal for the switching element 10a of the P-side arm 5a is turned off. Since no current In flows through the N-side arm 5b, this period is defined as a zero current period Tn.

よって、N側アーム5bに関しては、リセット回路4が生成するリセット信号を、N側アーム5bに流れる電流Inが零(In=0)である零電流期間Tn中にスイッチ3に与えれば、各コンデンサCa、Cb、C2の蓄積電荷を確実に放電(リセット)することができる。   Therefore, regarding the N-side arm 5b, if the reset signal generated by the reset circuit 4 is given to the switch 3 during the zero-current period Tn in which the current In flowing through the N-side arm 5b is zero (In = 0), each capacitor The accumulated charges of Ca, Cb, and C2 can be reliably discharged (reset).

一方、P側アーム5aに着目したとき、そのスイッチング素子10aに対するゲート制御信号がオフになった後、デッドタイムTd、N側アーム5bのスイッチング素子10bに対するゲート制御信号のオンに伴う当該スイッチング素子10bのターンオン遅れ時間、およびP側アーム5aのダイオード11aのリカバリー期間(ここでは、スイッチング素子10bのターンオン遅れ時間とダイオード11aのリカバリー期間を合わせて符号Tgで示す)が経過した時点から、その後にN側アーム5bのスイッチング素子10bに対するゲート制御信号がオフになる時点までの期間Tp中、P側アーム5aに電流Ipが流れないので、この期間を零電流期間Tpとする。   On the other hand, when attention is paid to the P-side arm 5a, after the gate control signal for the switching element 10a is turned off, the switching element 10b associated with the dead time Td and the turning on of the gate control signal for the switching element 10b of the N-side arm 5b. , And the recovery period of the diode 11a of the P-side arm 5a (here, the turn-on delay time of the switching element 10b and the recovery period of the diode 11a are collectively indicated by the symbol Tg), then N Since the current Ip does not flow through the P-side arm 5a during the period Tp until the gate control signal for the switching element 10b of the side arm 5b is turned off, this period is defined as a zero current period Tp.

よって、P側アーム5aに関しては、リセット回路4が生成するリセット信号を、P側アーム5aに流れる電流Ipが零(Ip=0)である零電流期間Tp中にスイッチ3に与えれば、各コンデンサCa、Cb、C2の蓄積電荷を確実に放電(リセット)することができる。   Therefore, regarding the P-side arm 5a, if the reset signal generated by the reset circuit 4 is given to the switch 3 during the zero current period Tp in which the current Ip flowing through the P-side arm 5a is zero (Ip = 0), each capacitor The accumulated charges of Ca, Cb, and C2 can be reliably discharged (reset).

このように、実質的な零電流期間Tn、Tpは、N側アーム5bよりもP側アーム5aの方が長いが、正極性モードの場合でもN側アーム5bのスイッチング素子10bがオン/オフされる場合を想定し、P側アーム5aの各積分回路6のリセットするタイミングと、N側アーム5bの各積分回路6のリセットするタイミングと考え方は同じとし、両アーム5a、5bの内、電流検出対象となる一方のアームに着目したときを自アーム、これに対する他方のアームを逆アームと称すれば、P側アーム5a、N側アーム5bのいずれに関しても、リセット信号の出力タイミングを総括的に次のように表現することができる。   Thus, although the substantial zero current periods Tn and Tp are longer in the P-side arm 5a than in the N-side arm 5b, the switching element 10b of the N-side arm 5b is turned on / off even in the positive polarity mode. The timing of resetting each integration circuit 6 of the P-side arm 5a is the same as the timing of resetting each integration circuit 6 of the N-side arm 5b, and the current detection is performed in both arms 5a and 5b. If we focus on one of the target arms and call the other arm the opposite arm, the output timing of the reset signal will be summarized for both the P-side arm 5a and the N-side arm 5b. It can be expressed as follows.

すなわち、リセット回路4は、電流検出対象となる自アームのスイッチング素子に対するゲート制御信号のオフ後、デッドタイム、逆アームのスイッチング素子に対するゲート制御信号のオンに伴う当該スイッチング素子のターンオン遅れ時間、および自アームのダイオードのリカバリー時間が経過した時点から、その後、逆アームのスイッチング素子に対するゲート制御信号が再度オフする時点、つまり自アームのスイッチング素子に対するゲート制御信号がオンする時点からデッドタイム時間分手前の時点までの期間を自アームの零電流期間であると予測して、その零電流期間中にリセット信号を出力する。これにより、積分回路6をリセットして検出信号のずれを確実に補正できることになる。   That is, the reset circuit 4 has a dead time after turning off the gate control signal for the switching element of its own arm as a current detection target, a turn-on delay time of the switching element when the gate control signal is turned on for the switching element of the reverse arm, and From the time when the recovery time of the diode of the self arm has elapsed, the time after which the gate control signal for the switching element of the reverse arm is turned off again, that is, the time before the dead time from the time when the gate control signal for the switching element of the self arm is turned on. The period up to this point is predicted to be the zero current period of its own arm, and a reset signal is output during the zero current period. As a result, the integration circuit 6 can be reset to reliably correct the detection signal deviation.

なお、この場合の自アームのダイオードのリカバリー時間は、ダイオードに還流していた電流値やダイオードに印加される電圧等によって異なるため、最大となるリカバリー時間に設定するのが望ましい。   In this case, the recovery time of the diode of its own arm varies depending on the current value flowing back to the diode, the voltage applied to the diode, and the like, so it is desirable to set the recovery time to the maximum.

また、図3では交流端子ACから正弦波状の相電圧が出力される場合に、その内の正極性側の電圧を発生する正極性モードの場合を示したが、これとは逆に、負極性の電圧を発生する状態(ここでは負極性モードという)の場合、N側アーム5bのスイッチング素子10bがオン/オフされて交流端子ACには図1に示す矢印方向と逆方向に電流Iacが流れる。この場合でも、P側アーム5aとN側アーム5bの動作状態が入れ替わるだけで、動作原理は同じである。したがって、この負極性モードの場合でも、リセット回路4から出力するリセット信号の出力タイミングは、正極性モードの場合と同様に総括的に表現することができる。   Further, FIG. 3 shows the case of the positive polarity mode in which the positive side voltage is generated when the sinusoidal phase voltage is output from the AC terminal AC. 1 is generated (here, referred to as negative polarity mode), the switching element 10b of the N-side arm 5b is turned on / off, and the current Iac flows through the AC terminal AC in the direction opposite to the arrow direction shown in FIG. . Even in this case, the operating principle is the same except that the operating states of the P-side arm 5a and the N-side arm 5b are switched. Accordingly, even in this negative polarity mode, the output timing of the reset signal output from the reset circuit 4 can be expressed generally as in the positive polarity mode.

以上のように、この実施の形態1では、リセット回路4から出力されるリセット信号の出力タイミングについて十分に考慮し、各アーム5a、5bに電流が流れない零電流期間Tn、Tp中にリセット信号を出力するようにしたので、各アーム5a、5bのスイッチング素子10a、10bが連続してオン/オフされる場合でも、従来よりも積分回路6を一層確実にリセットすることができ、常に正確に各アーム5a、5bに流れる電流値を検出することが可能となる。しかも、リセット回路4は、自アームのゲートドライバに加わるゲート制御信号のみ用いるので、逆アームのゲートドライバと電気的な絶縁をする必要がなく、回路の簡素化や小型化が可能となる。   As described above, in the first embodiment, the output timing of the reset signal output from the reset circuit 4 is sufficiently considered, and the reset signal is output during the zero current periods Tn and Tp in which no current flows through the arms 5a and 5b. Therefore, even when the switching elements 10a and 10b of the arms 5a and 5b are continuously turned on / off, the integration circuit 6 can be reset more reliably than in the past, and always accurately. It is possible to detect the current value flowing through each arm 5a, 5b. In addition, since the reset circuit 4 uses only the gate control signal applied to the gate driver of its own arm, it is not necessary to electrically insulate from the gate driver of the reverse arm, and the circuit can be simplified and downsized.

実施の形態2.
図4はこの発明の実施の形態2に係る電力変換装置と電流検出装置の動作説明に供するタイミングチャートである。なお、図4は、図3に示した実施の形態1の場合と同様、電力変換装置が2レベルインバータで、正極性モードの場合を示している。
Embodiment 2. FIG.
FIG. 4 is a timing chart for explaining operations of the power conversion device and the current detection device according to Embodiment 2 of the present invention. FIG. 4 shows a case where the power conversion device is a two-level inverter and is in the positive polarity mode, as in the case of the first embodiment shown in FIG.

P側とN側の各アーム5a、5bのスイッチング素子10a、10bのスイッチング時のオン時間は、PWM制御を行う場合、長短があるのが特徴で、オン時間を調整することによって電力を直流から交流へと変換している。したがって、ゲート制御信号により各スイッチング素子10a、10bをスイッチングする場合、全動作モードのゲート制御信号のオン時間の内で、最小のオン時間(以下、単に最小オン時間という)Tminが設定される。そこで、この実施の形態2では、最小オン時間Tminを考慮して、リセット回路4からのリセット信号の出力タイミングを決定するようにしたものである。   The ON time during switching of the switching elements 10a and 10b of the P-side and N-side arms 5a and 5b is characterized in that it is long and short when PWM control is performed. It has been converted to AC. Therefore, when the switching elements 10a and 10b are switched by the gate control signal, the minimum on-time (hereinafter simply referred to as the minimum on-time) Tmin is set within the on-time of the gate control signal in all operation modes. Therefore, in the second embodiment, the output timing of the reset signal from the reset circuit 4 is determined in consideration of the minimum on-time Tmin.

例えば、図4において、N側アーム5bに着目したとき、P側アーム5aのスイッチング素子10aに与えるゲート制御信号の最小オン時間Tminが予め分かっておれば、N側アーム5bのスイッチング素子10bに対するゲート制御信号がオフになった後、デッドタイムTd、P側アーム5aのスイッチング素子10aに対するゲート制御信号のオンに伴う当該スイッチング素子10aのターンオン遅れ時間To、およびN側アーム5bのダイオード11bのリカバリー期間Trが経過した時点から、その後にP側アーム5aのスイッチング素子10aに対するゲート制御信号の最小オン時間Tminが経過する時点までの期間Tn中は、PWM制御によりゲート制御信号のオン時間が変化しても、常にN側アーム5bに電流Inが流れない零電流期間Tnが存在する。   For example, in FIG. 4, when focusing on the N-side arm 5b, if the minimum ON time Tmin of the gate control signal applied to the switching element 10a of the P-side arm 5a is known in advance, the gate of the N-side arm 5b with respect to the switching element 10b After the control signal is turned off, the dead time Td, the turn-on delay time To of the switching element 10a when the gate control signal is turned on for the switching element 10a of the P-side arm 5a, and the recovery period of the diode 11b of the N-side arm 5b During the period Tn from the time when Tr elapses until the time when the minimum on time Tmin of the gate control signal for the switching element 10a of the P-side arm 5a elapses, the on-time of the gate control signal is changed by PWM control. However, the current In always flows through the N-side arm 5b. It has zero current period Tn exists.

よって、N側アーム5bに関して、リセット回路4が生成するリセット信号を、N側アーム5bに流れる電流Inが零(In=0)である零電流期間Tn中にスイッチ3に与えれば、各コンデンサCa、Cb、C2を確実に放電(リセット)することができる。   Therefore, if the reset signal generated by the reset circuit 4 regarding the N-side arm 5b is given to the switch 3 during the zero-current period Tn in which the current In flowing through the N-side arm 5b is zero (In = 0), each capacitor Ca , Cb, C2 can be reliably discharged (reset).

上記の説明は、N側アーム5bに着目したときであるが、P側アーム5aに着目した場合も動作原理は同じである。さらに、ここでは正極性モードの場合について説明したが、負極性モードの場合でも動作原理は同じである。したがって、この実施の形態2の場合、リセット回路4からのリセット信号の出力タイミングは、総括的に次のように表現することができる。   The above explanation is when focusing on the N-side arm 5b, but the operating principle is the same when focusing on the P-side arm 5a. Furthermore, although the case of the positive polarity mode has been described here, the operation principle is the same even in the case of the negative polarity mode. Therefore, in the case of the second embodiment, the output timing of the reset signal from the reset circuit 4 can be generally expressed as follows.

すなわち、リセット回路4は、電流検出対象となる自アームのスイッチング素子に対するゲート制御信号のオフ後、デッドタイム、逆アームのスイッチング素子に対するゲート制御信号のオンに伴う当該スイッチング素子のターンオン遅れ時間、および自アームのダイオードのリカバリー時間が経過した時点から、その後、逆アームのスイッチング素子に対するゲート制御信号の最小オン時間が経過する時点、つまり自アームのスイッチング素子に対するゲート制御信号がオンする時点からデッドタイム時間分手前の時点までの期間を自アームの零電流期間であると予測して、その零電流期間中にリセット信号を出力する。   That is, the reset circuit 4 has a dead time after turning off the gate control signal for the switching element of its own arm as a current detection target, a turn-on delay time of the switching element when the gate control signal is turned on for the switching element of the reverse arm, and From the time when the recovery time of the diode of the own arm has elapsed, the dead time from the time when the minimum on-time of the gate control signal for the switching element of the reverse arm elapses, that is, the time when the gate control signal for the switching element of the own arm is turned on A period up to a time point before the time is predicted to be a zero current period of the self arm, and a reset signal is output during the zero current period.

このように、全動作モードの内の最小オン時間Tminが予め分かっておれば、リセット回路4から零電流期間中にリセット信号を出力すれば、必ず零電流期間中に積分回路6を構成するコンデンサCa、Cb、C2の蓄積電荷を放電でき、正確な電流値を検出することが可能となる。   As described above, if the minimum on-time Tmin in all the operation modes is known in advance, if the reset signal is output from the reset circuit 4 during the zero current period, the capacitor constituting the integration circuit 6 is always produced during the zero current period. Accumulated charges of Ca, Cb, and C2 can be discharged, and an accurate current value can be detected.

なお、自アームのダイオードのリカバリー時間は、実施の形態1と同様に、ダイオードに還流していた電流値やダイオードに印加される電圧等によって異なるため、最大リカバリー時間に設定するのが望ましい。   Since the recovery time of the diode of its own arm varies depending on the current value flowing back to the diode, the voltage applied to the diode, etc., as in the first embodiment, it is desirable to set the recovery time to the maximum recovery time.

以上のように、この実施の形態2では、ゲート制御信号の最小オン時間Tminを考慮してリセット信号を出力するので、各アーム5a、5bのスイッチング素子10a、10bが連続してオン/オフされる場合でも、実施の形態1の場合よりも積分回路6を一層確実にリセットすることができる。なお、その他の作用効果は実施の形態1の場合と同様である。   As described above, in the second embodiment, since the reset signal is output in consideration of the minimum on-time Tmin of the gate control signal, the switching elements 10a and 10b of the arms 5a and 5b are continuously turned on / off. Even in this case, the integration circuit 6 can be reset more reliably than in the first embodiment. Other functions and effects are the same as those in the first embodiment.

実施の形態3.
図5はこの発明の実施の形態3に係る電流検出装置の構成図である。なお、図5では、各アームに個別に対応して設けられる電流検出装置の内、一つの電流検出装置のみを取り出して示している。
Embodiment 3 FIG.
5 is a block diagram of a current detection device according to Embodiment 3 of the present invention. In FIG. 5, only one current detection device is extracted from the current detection devices provided corresponding to each arm individually.

図1の構成で、例えば一方のP側アーム5aのスイッチング素子10aがオンしていているときに、N側アーム5bのスイッチング素子10bが何らかの原因で短絡すると、電流が各スイッチング素子10a、10bの飽和電流まで流れる。そして、過電流保護もしくは短絡保護が短時間で実施できない場合、各スイッチング素子10a、10bに加わる電圧が電源電圧まで上がり、ついには発熱によってスイッチング素子10a、10bが破壊に至る。   In the configuration of FIG. 1, for example, when the switching element 10a of one P-side arm 5a is turned on and the switching element 10b of the N-side arm 5b is short-circuited for some reason, the current flows to the switching elements 10a and 10b. Flows up to saturation current. When overcurrent protection or short circuit protection cannot be performed in a short time, the voltage applied to each switching element 10a, 10b rises to the power supply voltage, and eventually the switching elements 10a, 10b are destroyed by heat generation.

そこで、このような不具合発生を防止するため、この実施の形態3では、図5に示すように、電流検出対象となるアーム(ここでは自アームという)5に対して設けられた電流検出装置1において、積分回路6による電流検出値に基づいて過電流発生の有無を検出し、自アーム5に過電流が継続して流れるのを防止する過電流保護回路13を設けている。   Therefore, in order to prevent the occurrence of such a problem, in the third embodiment, as shown in FIG. 5, a current detection device 1 provided for an arm 5 (referred to as its own arm here) that is a current detection target. , An overcurrent protection circuit 13 is provided for detecting the occurrence of overcurrent based on the current detection value by the integration circuit 6 and preventing the overcurrent from continuously flowing through the own arm 5.

すなわち、この実施の形態3の電流検出装置の過電流保護回路13は、積分回路6の出力電圧Voutと基準電圧Vocとを比較して積分回路6の出力電圧Voutが基準電圧Vocよりも大きい場合にはハイレベルのエラー信号FOを出力する比較器14、このエラー信号FOをレベル反転するノット回路15、およびこのノット回路15の出力とゲート制御信号発生回路8からのゲート制御信号とを共に入力するアンドゲート16を備え、アンドゲート16の出力側がゲートドライバ7に接続されている。   That is, the overcurrent protection circuit 13 of the current detection device according to the third embodiment compares the output voltage Vout of the integration circuit 6 with the reference voltage Voc, and the output voltage Vout of the integration circuit 6 is larger than the reference voltage Voc. The comparator 14 outputs a high level error signal FO, the knot circuit 15 for inverting the level of the error signal FO, and the output of the knot circuit 15 and the gate control signal from the gate control signal generation circuit 8 are input together. And an output side of the AND gate 16 is connected to the gate driver 7.

ここで、過電流が自アーム5に流れるような場合を例にとって、過電流保護回路13の動作について図6を参照して説明する。   Here, the operation of the overcurrent protection circuit 13 will be described with reference to FIG. 6, taking as an example a case where overcurrent flows through the own arm 5.

過電流保護回路13は、積分回路6の出力電圧Voutと基準電圧Vocを比較器14に入力し両電圧Vout、Vocを比較する。そして、過電流が自アーム5に流れるような場合、積分回路6の出力電圧Voutが基準電圧Vocを超えるので、ハイレベルのエラー信号FOが出力され、このエラー信号FOがゲート制御信号発生回路8に与えられるとともに、ノット回路15でレベル反転されてアンドゲート16に加わるため、アンドゲート16が閉じ、ゲート制御信号発生回路8からのゲート制御信号がゲートドライバ7に加わるのが阻止される。これにより、スイッチング素子10がオフして過電流が流れるのが保護される。   The overcurrent protection circuit 13 inputs the output voltage Vout of the integrating circuit 6 and the reference voltage Voc to the comparator 14 and compares the two voltages Vout and Voc. When an overcurrent flows through the own arm 5, the output voltage Vout of the integrating circuit 6 exceeds the reference voltage Voc, so that a high level error signal FO is output. This error signal FO is used as the gate control signal generation circuit 8. And the level is inverted by the knot circuit 15 and applied to the AND gate 16, so that the AND gate 16 is closed and the gate control signal from the gate control signal generating circuit 8 is prevented from being applied to the gate driver 7. Thereby, it is protected that the switching element 10 is turned off and an overcurrent flows.

なお、過電流保護回路13で過電流を検知して、ゲートドライバ7にゲート制御信号が加わるのを阻止する場合、通常のゲート抵抗のままでスイッチング素子10をオフすると、スイッチング素子10に流れる電流変化が大きくなり、遮断時に大きなサージ電圧がスイッチング素子10に印加されて素子が破壊するという事態が起こりかねない。そこで、過電流検知時にスイッチング素子10をオフする場合には、ゲート抵抗を通常の値よりも大きな値のものに切り替えるような回路を付属させるのが望ましい。   When the overcurrent protection circuit 13 detects an overcurrent and prevents the gate driver 7 from applying a gate control signal, if the switching element 10 is turned off while maintaining a normal gate resistance, the current flowing through the switching element 10 There is a possibility that the change becomes large, and a large surge voltage is applied to the switching element 10 at the time of shutoff, resulting in destruction of the element. Therefore, when switching element 10 is turned off when overcurrent is detected, it is desirable to attach a circuit for switching the gate resistance to a value larger than a normal value.

また、過電流の保護レベルによっては、ダイオード11がリカバリーする際に生じるピーク電流によって過電流保護回路13が誤って保護動作をすることがないように、積分回路6の出力側にフィルタを設け、このフィルタで積分回路6の出力電圧Voutが急峻に変化するのを緩和することによって誤動作を防ぐ一方、過電流の内の短絡保護を行う際には、保護精度を上げるために、フィルタなしで積分回路6の出力電圧Voutが急峻に変化するようにするなどの対策を講じるのが望ましい。   Depending on the overcurrent protection level, a filter is provided on the output side of the integration circuit 6 so that the overcurrent protection circuit 13 does not perform a protective operation accidentally due to the peak current generated when the diode 11 recovers. While this filter prevents the output voltage Vout of the integration circuit 6 from abruptly changing, the malfunction is prevented. On the other hand, when short-circuit protection of overcurrent is performed, integration is performed without a filter in order to increase protection accuracy. It is desirable to take measures such that the output voltage Vout of the circuit 6 changes abruptly.

また、この実施の形態3においても、前述の実施の形態1,2と同様に、リセット回路4は、自アーム5のゲートドライバ7に加えるゲート制御信号のみを用いており、他のアームのゲートドライバとは独立しているので回路が簡素化できる。過電流保護回路に関しても、過電流保護後のリセット回路4を自己のアーム5内で閉じていることにより、確実にリセットすることが可能となる。   Also in this third embodiment, as in the first and second embodiments, the reset circuit 4 uses only the gate control signal applied to the gate driver 7 of its own arm 5, and the gates of the other arms. Since it is independent of the driver, the circuit can be simplified. With respect to the overcurrent protection circuit, the reset circuit 4 after overcurrent protection is closed in its own arm 5 so that the overcurrent protection circuit can be reliably reset.

すなわち、逆アームのゲートドライバに加わるゲート制御信号を用いてリセット信号を生成する場合、逆アームのゲート制御信号がオフからオンに切り替わった後にリセット回路4からリセット信号が出力されるようになるが、両アームが共にオンしてアーム短絡が生じた場合、検出電流値がリセットされてしまい、正確な電流検出ができない。そのため、過電流保護が遅くなってスイッチング素子10が破壊に至る可能性がある。これに対して、この実施の形態3では、過電流保護回路13についても、自アーム5に対するゲート制御信号のみを用いることで、より確実に積分回路6をリセットすることが可能となる。   That is, when the reset signal is generated using the gate control signal applied to the gate driver of the reverse arm, the reset signal is output from the reset circuit 4 after the gate control signal of the reverse arm is switched from OFF to ON. When both arms are turned on and an arm short circuit occurs, the detected current value is reset, and accurate current detection cannot be performed. Therefore, there is a possibility that overcurrent protection is delayed and the switching element 10 is destroyed. On the other hand, in the third embodiment, the overcurrent protection circuit 13 can reset the integration circuit 6 more reliably by using only the gate control signal for the own arm 5.

また、過電流保護回路13を動作させた場合、前述のようにスイッチング素子10の破壊を防ぐために、通常よりも大きなゲート抵抗を挿入してスイッチング素子10をオフすると、スイッチング素子10のターンオフ遅れ時間などが長くなる。よって、リセット回路4から通常のタイミングでリセット信号を出力すると、アーム5に流れる電流が零になる前にリセット信号が積分回路6に入力される可能性がある。そこで、この不具合を回避するためには、過電流保護回路13を動作させる場合には、リセット信号の出力タイミングを変更する必要がある。   Further, when the overcurrent protection circuit 13 is operated, if the switching element 10 is turned off by inserting a larger gate resistance than usual in order to prevent the switching element 10 from being destroyed as described above, the turn-off delay time of the switching element 10 Etc. become longer. Therefore, if a reset signal is output from the reset circuit 4 at normal timing, the reset signal may be input to the integration circuit 6 before the current flowing through the arm 5 becomes zero. Therefore, in order to avoid this problem, it is necessary to change the output timing of the reset signal when the overcurrent protection circuit 13 is operated.

例えば、図6に示すように、通常の場合のリセット信号の出力タイミングが図中破線で示す位置にあったとすると、過電流保護回路13を動作させた場合には、リセット信号の出力タイミングを実線で示す位置まで遅らせる。そのためには、例えば、図2に示したリセット回路4内の零電流予測回路41において、これを構成する遅延回路のフィルタ定数を過電流保護回路13の動作に応じて変更するなどして対処することができる。   For example, as shown in FIG. 6, if the output timing of the reset signal in the normal case is at the position indicated by the broken line in the figure, the output timing of the reset signal is indicated by the solid line when the overcurrent protection circuit 13 is operated. Delay to the position indicated by. For this purpose, for example, in the zero current prediction circuit 41 in the reset circuit 4 shown in FIG. 2, the filter constant of the delay circuit constituting this is changed according to the operation of the overcurrent protection circuit 13. be able to.

なお、図7に示すように、過電流保護回路13で過電流が検知されると、エラー信号FOをゲート制御信号発生回路8に入力し、過電流が流れている情報をゲート制御にフィードバックさせる。そして、このエラー信号FOの出力は、過電流が遮断された後もシステムが復帰するまでのある一定の期間Tsにわたって継続され、新たなゲート制御信号に対してスイッチング素子10がオンしないように設定されている。   As shown in FIG. 7, when an overcurrent is detected by the overcurrent protection circuit 13, an error signal FO is input to the gate control signal generation circuit 8, and information on the overcurrent is fed back to the gate control. . The output of the error signal FO is continued for a certain period Ts until the system is restored even after the overcurrent is cut off, and the switching element 10 is set not to be turned on for a new gate control signal. Has been.

したがって、過電流が検出されてエラー信号FOが出力された状態では、システムが復帰するまでの一定期間Tsにわたってスイッチング素子10には電流が流れない。そこで、図8に示すように、リセット回路4は、比較器14からのエラー信号FOを取り込み、上記期間Tsに合わせるように、期間Ts完了直前の数μsecの期間だけリセット信号を発生して積分回路6のコンデンサCa、Cb、C2を放電(リセット)するようにすれば、より高精度に電流検出が可能となる。 Therefore, in the state where the overcurrent is detected and the error signal FO is output, no current flows through the switching element 10 for a certain period Ts until the system is restored. Therefore, as shown in FIG. 8, the reset circuit 4 takes in the error signal FO from the comparator 14 and generates a reset signal for a period of several μsec immediately before completion of the period Ts so as to match the period Ts. If the capacitors Ca, Cb, and C2 of the circuit 6 are discharged (reset), the current can be detected with higher accuracy.

実施の形態4.
図9はこの発明の実施の形態4に係る過電流保護回路付きの電流検出装置を有する半導体モジュールの外観を示す斜視図、図10は図9のA−A線に沿う断面図であり、図5、図7に示した実施の形態3と対応もしくは相当する構成部分には同一の符号を付す。なお、この実施の形態4では、単独のアームを構成する1in1の高耐圧半導体モジュールを例として示すが、一対のアームを構成する2in1や6つのアームを構成する6in1の半導体モジュールであってもこの発明を適用することが可能である。
Embodiment 4 FIG.
9 is a perspective view showing an external appearance of a semiconductor module having a current detection device with an overcurrent protection circuit according to Embodiment 4 of the present invention, and FIG. 10 is a cross-sectional view taken along line AA of FIG. 5 and components corresponding to or corresponding to those of the third embodiment shown in FIG. In the fourth embodiment, a 1 in 1 high voltage semiconductor module that constitutes a single arm is shown as an example. However, even a 2 in 1 that constitutes a pair of arms or a 6 in 1 semiconductor module that constitutes six arms. The invention can be applied.

図9および図10を用いて、この実施の形態4に係る半導体モジュールの構造を説明する。   The structure of the semiconductor module according to the fourth embodiment will be described with reference to FIGS.

この実施の形態4の半導体モジュールは、モジュールケース20の下部に熱を放熱する金属放熱体である金属板25が取り付けられて内部が中空に形成され、この金属板25の上面に高熱伝導絶縁層である絶縁回路基板28が設けられている。この絶縁回路基板28の金属板25と接合された面と反対側の面には金属箔でできた配線パターンが形成されており、この配線パターンの上にスイッチング素子10やダイオード11が半田などの接合材によって接続されている。また、この配線パターン上には、スイッチング素子10のエミッタ面と配線パターンのエミッタ面、もしくは、ダイオード11のアノード面と配線パターンのエミッタ面とをワイヤボンド24を介して電気的に接続されている。   In the semiconductor module according to the fourth embodiment, a metal plate 25 that is a metal radiator that radiates heat is attached to the lower part of the module case 20 so that the inside is formed hollow. An insulating circuit board 28 is provided. A wiring pattern made of a metal foil is formed on the surface of the insulating circuit board 28 opposite to the surface bonded to the metal plate 25. On the wiring pattern, the switching element 10 and the diode 11 are made of solder or the like. Connected by a bonding material. On the wiring pattern, the emitter surface of the switching element 10 and the emitter surface of the wiring pattern, or the anode surface of the diode 11 and the emitter surface of the wiring pattern are electrically connected through a wire bond 24. .

さらに、絶縁回路基板28の配線パターン上には、コレクタ電極22とエミッタ電極23の一端が接続され、それらの電極22、23の他端はモジュールケース20の上面に露出している。それらの露出面で外部のブスバーやコンデンサなどを接続することによって電力変換装置が組み立てられる。   Further, one end of the collector electrode 22 and the emitter electrode 23 is connected on the wiring pattern of the insulating circuit board 28, and the other end of the electrodes 22 and 23 is exposed on the upper surface of the module case 20. The power converter is assembled by connecting external bus bars, capacitors, and the like on the exposed surfaces.

スイッチング素子10は、ゲート・エミッタの配線をワイヤボンド24を用いて、制御用ドライブ基板30の配線パターンに接続され、制御用ドライブ基板30は制御用端子31を介して、制御基板29の各ゲート・エミッタパターンへ接続されている。また、モジュール内部の絶縁を保つために、モジュールケース20と金属板25で囲まれた空間内の制御基板29よりも下方には絶縁性ゲル21が充填されている。   In the switching element 10, the gate / emitter wiring is connected to the wiring pattern of the control drive substrate 30 using wire bonds 24, and the control drive substrate 30 is connected to each gate of the control substrate 29 via the control terminal 31. • Connected to the emitter pattern. In order to maintain insulation inside the module, an insulating gel 21 is filled below the control board 29 in the space surrounded by the module case 20 and the metal plate 25.

また、モジュールケース20内において、制御基板29より上部に位置するエミッタ電極23には、ロゴスキーコイル2が挿入されている。さらに、ロゴスキーコイル2の出力は、制御基板29に接続されている。   In the module case 20, the Rogowski coil 2 is inserted into the emitter electrode 23 located above the control board 29. Further, the output of the Rogowski coil 2 is connected to the control board 29.

制御基板29には、図示しないが積分回路6や過電流保護回路13などがゲートドライバ7とともに実装、配線されている。また、モジュールケース20の外部にはコネクタ32が設けられて制御基板29と接続されている。そして、このコネクタ32を介してゲートドライバ7への駆動電源が接続される。また、このコネクタ32を介して図示しない外部のゲート制御信号発生回路8からのゲート制御信号が制御基板29側に入力されたり、過電流保護回路13からのエラー信号がゲート制御信号発生回路8に出力されたりする。   Although not shown, the control circuit 29 has the integration circuit 6 and the overcurrent protection circuit 13 mounted and wired together with the gate driver 7. Further, a connector 32 is provided outside the module case 20 and is connected to the control board 29. A drive power supply to the gate driver 7 is connected via the connector 32. In addition, a gate control signal from an external gate control signal generation circuit 8 (not shown) is input to the control board 29 via the connector 32, or an error signal from the overcurrent protection circuit 13 is input to the gate control signal generation circuit 8. Or output.

従来、過電流保護機能付きの半導体モジュールは、スイッチング素子に電流検出用のセンス抵抗が付属されており、スイッチング素子に流れる電流の一部をこのセンス抵抗を用いて検知しているものが多い。しかしながら、そのような半導体モジュールは、スイッチング素子のコストが高くなる欠点がある。これに対して、この実施の形態4の半導体モジュールは、ロゴスキーコイル2を用いてスイッチング素子10に流れる電流を検出するので、低コストで高精度な電流検出と過電流保護が可能となる。   Conventionally, a semiconductor module with an overcurrent protection function has a sense resistor for current detection attached to a switching element, and many of the currents flowing through the switching element are detected using this sense resistor. However, such a semiconductor module has a drawback that the cost of the switching element is increased. On the other hand, since the semiconductor module of the fourth embodiment detects the current flowing through the switching element 10 using the Rogowski coil 2, it is possible to detect the current with high accuracy and overcurrent protection at a low cost.

特に、上記の実施の形態3に示したように、リセット回路4や過電流保護回路13において、自アーム5に対するゲート制御信号からリセット信号の発生や過電流保護を行えるような構成とすれば、高電圧の絶縁が不要になるので、半導体ジュールの小型化とゲートドライバ回路の簡素化が一層可能となる。   In particular, as shown in the third embodiment, if the reset circuit 4 and the overcurrent protection circuit 13 are configured to generate a reset signal and overcurrent protection from the gate control signal for the own arm 5, Since high-voltage insulation is not required, it is possible to further reduce the size of the semiconductor module and simplify the gate driver circuit.

なお、上記の各実施の形態1〜4において、スイッチング素子10、10a、10bの半導体材料については特に限定していないが、一般的には珪素が使用できる。しかし、半導体材料を、ワイドバンドギャップ半導体材料、例えば、炭化珪素、窒化ガリウム系材料、またはダイヤモンドなどを使用すれば、この発明の効果を維持したまま低損失化が可能となり、電力変換装置の高効率化が可能となる。また、耐電圧性が高く、許容電流密度も高いため、電力変換装置の小型化が可能となる。さらにワイドバンドギャップ半導体素子は、耐熱性が高いので、高温動作が可能であり、ヒートシンクの放熱フィンの小型化や、水冷部の空冷化も可能となるので、電力変換装置の一層の小型化が可能になる。   In each of the above first to fourth embodiments, the semiconductor material of the switching elements 10, 10a, and 10b is not particularly limited, but generally silicon can be used. However, if a wide band gap semiconductor material such as silicon carbide, a gallium nitride-based material, or diamond is used as the semiconductor material, the loss can be reduced while maintaining the effect of the present invention. Efficiency can be improved. In addition, since the withstand voltage is high and the allowable current density is also high, the power converter can be downsized. In addition, wide band gap semiconductor elements have high heat resistance, so they can operate at high temperatures, and the heat sink fins can be downsized and the water cooling section can be air cooled. It becomes possible.

また、ワイドバンドギャップ半導体材料は、高速スイッチングが可能であることから、スイッチング周波数の高周波化が可能となるが、スイッチング周波数の高周波化に伴い、積分回路6のコンデンサCa、Cb、C2の放電がより困難になる。このような場合でも、この発明を適用すれば、リセット回路4からのリセット信号の出力タイミングが適切に設定されるので、確実に積分回路6のコンデンサCa、Cb、C2を放電させることができる。   In addition, since the wide band gap semiconductor material can perform high-speed switching, the switching frequency can be increased. However, as the switching frequency is increased, the capacitors Ca, Cb, and C2 of the integration circuit 6 are discharged. It becomes more difficult. Even in such a case, if the present invention is applied, the output timing of the reset signal from the reset circuit 4 is set appropriately, so that the capacitors Ca, Cb, and C2 of the integrating circuit 6 can be reliably discharged.

なお、この発明は、上記の実施の形態1〜4に示した各々の構成に限定されるものではなく、この発明の趣旨を逸脱しない範囲で各種の変形を加えることができ、さらに、各実施の形態1〜4を適宜組み合わせた構成を採用することも可能である。   The present invention is not limited to the respective configurations shown in the first to fourth embodiments, and various modifications can be made without departing from the spirit of the present invention. It is also possible to adopt a configuration in which the first to fourth embodiments are appropriately combined.

1,1a,1b 電流検出装置、2 ロゴスキーコイル、3 スイッチ、
4 リセット回路、41 零電流予測回路、42 リセット信号発生回路、5 アーム、5a P側(正極側)アーム、5b N側(負極側)アーム、6 積分回路、
7,7a,7b ゲートドライバ、8 ゲート制御信号発生回路、
10,10a,10b スイッチング素子、11,11a,11b ダイオード、
13 過電流保護回路。
1, 1a, 1b Current detector, 2 Rogowski coil, 3 switches,
4 reset circuit, 41 zero current prediction circuit, 42 reset signal generation circuit, 5 arm, 5a P side (positive side) arm, 5b N side (negative side) arm, 6 integration circuit,
7, 7a, 7b gate driver, 8 gate control signal generation circuit,
10, 10a, 10b switching element, 11, 11a, 11b diode,
13 Overcurrent protection circuit.

Claims (8)

上下一対の正極側と負極側のアームが直列接続され、各々の上記アームは、スイッチング素子とこれに逆並列に接続された還流用のダイオードで構成されている電力変換装置の上記アームを通じて流れる電流を検出するものであって、
各々の上記アームに個別に対応して、上記アームを流れる電流に比例した磁界強度の変化を検出するロゴスキーコイルと、上記ロゴスキーコイルの検出出力を積分する積分回路と、上記アームに流れる電流が零である零電流期間を予測し、この予測結果に基づいて上記零電流期間に上記積分回路を構成するコンデンサの蓄積電荷を放電するためのリセット信号を出力するリセット回路とが設けられており、
上下一対の上記アームの内、電流検出対象となる一方のアームに着目したときを自アーム、これに対する他方のアームを逆アームと称すれば、上記リセット回路は、電流検出対象となる自アームのスイッチング素子に対するゲート制御信号のオフ後、デッドタイム、逆アームのスイッチング素子に対するゲート制御信号のオンに伴う当該スイッチング素子のターンオン遅れ時間、および自アームのダイオードのリカバリー時間が経過した時点から、その後、自アームのスイッチング素子に対するゲート制御信号がオンする時点からデッドタイム時間分手前の時点までの期間を上記自アームの零電流期間であると予測して、上記零電流期間中に上記リセット信号を出力するものである電力変換装置の電流検出装置。
A pair of upper and lower positive and negative arms are connected in series, and each of the arms has a current flowing through the arm of the power conversion device including a switching element and a return diode connected in reverse parallel to the switching element. Which detects
Corresponding to each of the arms individually, a Rogowski coil that detects a change in magnetic field strength proportional to the current flowing through the arm , an integration circuit that integrates the detection output of the Rogowski coil, and a current flowing through the arm And a reset circuit that outputs a reset signal for discharging the accumulated charge of the capacitor constituting the integration circuit during the zero current period based on the prediction result. ,
When one of the upper and lower arms is focused on one arm that is a current detection target, and the other arm is referred to as a reverse arm, the reset circuit is connected to the current detection target arm. After turning off the gate control signal for the switching element, from the time when the dead time, the turn-on delay time of the switching element accompanying the turning on of the gate control signal for the switching element of the reverse arm, and the recovery time of the diode of the own arm have passed, The period from the time when the gate control signal for the switching element of the own arm is turned on to the time before the dead time is predicted to be the zero current period of the own arm, and the reset signal is output during the zero current period. A current detection device for a power conversion device.
上記リセット回路が上記自アームの零電流期間であると予測する期間は、請求項1記載の期間に代えて、電流検出対象となる自アームのスイッチング素子に対するゲート制御信号のオフ後、デッドタイム、逆アームのスイッチング素子に対するゲート制御信号のオンに伴う当該スイッチング素子のターンオン遅れ時間、および自アームのダイオードのリカバリー時間が経過した時点から、その後、逆アームのスイッチング素子に対するゲート制御信号の最小オン時間が経過する時点までの期間である請求項1に記載の電力変換装置の電流検出装置。 The period for which the reset circuit predicts the zero current period of the self arm is replaced with the period of claim 1, the dead time after the gate control signal for the switching element of the self arm as a current detection target is turned off, The turn-on delay time of the switching element when the gate control signal is turned on for the switching element of the reverse arm and the recovery time of the diode of the self-arm, and then the minimum on time of the gate control signal for the switching element of the reverse arm The current detection device for a power conversion device according to claim 1, wherein the current detection device is a period up to a point in time when elapses. 上記リセット回路は、自アームに加わる上記ゲート制御信号を入力し、このゲート制御信号に応じてトリガ信号を出力するトリガ回路と、上記トリガ信号を自アームにおける上記零電流期間中まで遅延させて上記リセット信号として出力する遅延回路と、を備えている請求項1または請求項2に記載の電力変換装置の電流検出装置。 The reset circuit receives the gate control signal applied to the own arm, outputs a trigger signal in response to the gate control signal, and delays the trigger signal until the zero current period in the own arm. A current detection device for a power converter according to claim 1, further comprising a delay circuit that outputs the reset signal. 上記スイッチング素子は、ワイドバンドギャップ半導体によって形成されている請求項1から請求項3のいずれか1項に記載の電力変換装置の電流検出装置。 The switching element, a current detection system for a power conversion device according to any one of claims 1 to 3, which is formed by a wide band gap semiconductor. 上記ワイドバンドギャップ半導体は、炭化珪素、窒化ガリウム系材料、またはダイヤモンドである請求項4に記載の電力変換装置の電流検出装置。 The current detection device for a power converter according to claim 4, wherein the wide band gap semiconductor is silicon carbide, a gallium nitride-based material, or diamond. 上記積分回路の出力電圧と基準電圧とを比較し、上記積分回路の出力電圧が基準電圧よりも大きい場合には過電流が生じたものと判断して上記スイッチング素子に対するゲート制御信号の出力を阻止して上記スイッチング素子をオフにする過電流保護回路を備えている請求項1から請求項5のいずれか1項に記載の電力変換装置の電流検出装置。 The output voltage of the integration circuit is compared with a reference voltage, and if the output voltage of the integration circuit is higher than the reference voltage, it is determined that an overcurrent has occurred and output of the gate control signal to the switching element is blocked. and a current detecting system for a power conversion device according to any one of claims 1 to 5 which comprises an overcurrent protection circuit that turns off the switching element. 上記過電流保護回路が上記スイッチング素子に対するゲート制御信号の出力を阻止するエラー信号を出力した場合、これに応じて、上記リセット回路は、上記エラー信号の出力完了直前にリセット信号が出力されるようにその出力タイミングの切り替えを行うものである請求項6に記載の電力変換装置の電流検出装置。 When the overcurrent protection circuit outputs an error signal that prevents the gate control signal from being output to the switching element, the reset circuit outputs a reset signal immediately before completion of the output of the error signal. The current detection device for a power converter according to claim 6 , wherein the output timing is switched. 請求項6または請求項7に記載の上記電力変換装置を構成する上記スイッチング素子と上記ダイオード、および上記電流検出装置を構成する上記ロゴスキーコイルと上記過電流保護回路が一体的に組み立てられている半導体モジュール。 The switching element and the diode constituting the power conversion device according to claim 6 or 7, and the Rogowski coil and the overcurrent protection circuit constituting the current detection device are integrally assembled. Semiconductor module.
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