JP7613125B2 - Power Conversion Equipment - Google Patents
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Description
本発明は、短絡故障検出装置を備えた電力変換装置に関する。 The present invention relates to a power conversion device equipped with a short circuit fault detection device.
モータ等の負荷を駆動する電力変換装置では、電力変換装置を構成する半導体スイッチング素子に過大電流が流れる場合がある。このような過大電流が長時間に亙って流れると、半導体スイッチング素子が破壊に至る恐れがある。そこで、半導体スイッチング素子に流れる過大電流を検知し、電力変換装置を停止させる短絡故障検出装置が電力変換装置に設けられる。 In a power conversion device that drives a load such as a motor, an excessive current may flow through the semiconductor switching elements that make up the power conversion device. If such an excessive current flows for a long period of time, there is a risk that the semiconductor switching elements will be destroyed. Therefore, a short circuit fault detection device is provided in the power conversion device to detect the excessive current flowing through the semiconductor switching elements and stop the power conversion device.
この種の短絡故障検出装置では、半導体スイッチング素子に流れる電流を検出するために、シャント抵抗、CT(Current Transformer;変流器)、またはロゴスキーコイル等が利用される。その中で、ロゴスキーコイルは、コアがないため、短絡故障検出装置を小型にすることが可能であり、また、大電流の測定が可能であるという利点がある。 In this type of short circuit fault detection device, a shunt resistor, a current transformer (CT), a Rogowski coil, or the like is used to detect the current flowing through the semiconductor switching element. Among these, the Rogowski coil has the advantage that it is possible to make the short circuit fault detection device compact because it does not have a core, and that it is also possible to measure large currents.
特許文献1は、半導体スイッチング素子を含むアームを介して負荷を駆動する電力変換装置において、ロゴスキーコイルによりアームの短絡故障を検出する技術を開示している。図9はこの特許文献1に開示された装置の構成を示す回路図である。図9において、ゲート駆動回路96は、ゲート抵抗95を介して半導体スイッチング素子91にゲート電圧を供給し、半導体スイッチング素子91を駆動する。ロゴスキーコイル97は、半導体スイッチング素子91を流れる電流の時間勾配di/dtに比例した端子間電圧を出力する。短絡検出器98は、ロゴスキーコイル97の端子間電圧が一定時間以上に亘って大きな値を継続したことを捉えることにより、アーム短絡が発生したと判別し、ゲート駆動回路96による半導体スイッチング素子91の駆動を停止させる。
しかしながら、電力変換装置において発生し得る短絡故障には、上述したアーム短絡の他、電力変換装置の出力側に接続された負荷が短絡状態となる負荷短絡がある。そこで、特許文献2は、アーム短絡電流を空芯コイルにより検出し、負荷短絡電流をCT(Current Transformer;変流器)により検出する技術を開示している。
However, in addition to the arm short circuit described above, short circuit faults that can occur in power conversion equipment include load short circuit, in which a load connected to the output side of the power conversion equipment is short-circuited. Therefore,
上述した特許文献1に開示の技術は、アーム短絡の検出には有効であるが、負荷短絡の検出が困難であるという問題がある。以下、この問題について説明する。
The technology disclosed in the above-mentioned
図10は電力変換装置においてアーム短絡が発生した場合の短絡電流の電流経路RT1を例示する回路図である。また、図11は同電力変換装置において負荷短絡が発生した場合の短絡電流の電流経路RT2を例示する回路図である。 Figure 10 is a circuit diagram illustrating a current path RT1 of a short-circuit current when an arm short circuit occurs in a power conversion device. Also, Figure 11 is a circuit diagram illustrating a current path RT2 of a short-circuit current when a load short circuit occurs in the same power conversion device.
図10および図11に例示する電力変換装置では、直流電圧Eを蓄えたコンデンサの端子間に、逆並列接続された半導体スイッチング素子SW1およびフライホイールダイオードD1からなるアームと、逆並列接続された半導体スイッチング素子SW2およびフライホイールダイオードD2からなるアームとが直列接続されている。また、同コンデンサの端子間には、逆並列接続された半導体スイッチング素子SW3およびフライホイールダイオードD3からなるアームと、逆並列接続された半導体スイッチング素子SW4およびフライホイールダイオードD4からなるアームとが直列接続されている。そして、半導体スイッチング素子SW1およびSW2の共通接続ノードと、半導体スイッチング素子SW3およびSW4の共通接続ノードとの間にモータの巻き線等の負荷Zが接続されている。また、図10および図11において、L1はアーム短絡の際の短絡電流の電流経路に介在する自己インダクタンスである。また、L2は半導体スイッチング素子SW1およびSW2の共通接続ノードから負荷Zを介して半導体スイッチング素子SW3およびSW4の共通接続ノードに至る電流経路に介在する自己インダクタンスである。 10 and 11, an arm consisting of an anti-parallel connected semiconductor switching element SW1 and a flywheel diode D1, and an arm consisting of an anti-parallel connected semiconductor switching element SW2 and a flywheel diode D2 are connected in series between the terminals of a capacitor storing a DC voltage E. In addition, an arm consisting of an anti-parallel connected semiconductor switching element SW3 and a flywheel diode D3, and an arm consisting of an anti-parallel connected semiconductor switching element SW4 and a flywheel diode D4 are connected in series between the terminals of the capacitor. A load Z such as a motor winding is connected between the common connection node of the semiconductor switching elements SW1 and SW2 and the common connection node of the semiconductor switching elements SW3 and SW4. In addition, in FIG. 10 and FIG. 11, L1 is a self-inductance that is interposed in the current path of the short-circuit current when the arm is short-circuited. Furthermore, L2 is a self-inductance present in the current path from the common connection node of the semiconductor switching elements SW1 and SW2 through the load Z to the common connection node of the semiconductor switching elements SW3 and SW4.
図10に示す例では、半導体スイッチング素子SW1がOFF、半導体スイッチング素子SW2がONであるときに、半導体スイッチング素子SW1の短絡故障が発生し、直流電圧Eを出力するコンデンサ→半導体スイッチング素子SW1→半導体スイッチング素子SW2→コンデンサという電流経路RT1を介してアーム短絡電流iaが流れる。この場合、アーム短絡電流iaに関して次式が成立する。
E=L1×dia/dt ……(1)
10, when the semiconductor switching element SW1 is OFF and the semiconductor switching element SW2 is ON, a short-circuit failure occurs in the semiconductor switching element SW1, and an arm short-circuit current ia flows through a current path RT1 from the capacitor that outputs the DC voltage E to the semiconductor switching element SW1 to the semiconductor switching element SW2 to the capacitor. In this case, the following equation is established for the arm short-circuit current ia.
E=L1×dia/dt...(1)
図11に示す例では、半導体スイッチング素子SW1およびSW4がON、半導体スイッチング素子SW2およびSW3がOFFであるときに、負荷Zの短絡故障が発生し、直流電圧Eを出力するコンデンサ→半導体スイッチング素子SW1→負荷Z→半導体スイッチング素子SW4→コンデンサという電流経路RT2を介して負荷短絡電流irが流れる。この場合、負荷短絡電流irに関して次式が成立する。
E=(L1+L2)×dir/dt ……(2)
11, when the semiconductor switching elements SW1 and SW4 are ON and the semiconductor switching elements SW2 and SW3 are OFF, a short-circuit fault occurs in the load Z, and a load short-circuit current ir flows through a current path RT2 from the capacitor that outputs the DC voltage E to the semiconductor switching element SW1 to the load Z to the semiconductor switching element SW4 to the capacitor. In this case, the following equation is established for the load short-circuit current ir.
E=(L1+L2)×dir/dt...(2)
ここで、自己インダクタンスL1およびL2間にはL1≪L2の関係が成立する。従って、上記式(1)および(2)から次式の成立することが分かる。
dir/dt≪dia/dt ……(3)
Here, the self-inductances L1 and L2 have the relationship L1<<L2. Therefore, it can be seen from the above equations (1) and (2) that the following equation holds:
dir/dt≪dia/dt...(3)
図12はアーム短絡電流iaおよび負荷短絡電流irの電流波形を例示する図である。図12において横軸は時間t、縦軸は電流値iである。アーム短絡電流iaの電流経路RT1に介在する自己インダクタンスL1は小さい。このため、t=0において半導体スッチング素子SW2がターンオンしたとすると、アーム短絡電流iaは短時間のうちに大きな電流値に立ち上がり、直流電圧Eを出力するコンデンサに蓄積された電荷を短時間のうちに放電させる。このため、アーム短絡電流iaは、半導体スッチング素子SW2のターンオン後の短時間のうちに発生する。一方、負荷短絡電流irの電流経路RT2に介在する自己インダクタンスL2は自己インダクタンスL1に比べて非常に大きい。このため、負荷短絡電流irは、半導体スイッチング素子SW1およびSW4のターンオン後、非常に緩やかな時間勾配で増加する。そして、周波数領域に着目すると、アーム短絡電流の周波数帯域の上限周波数は、負荷短絡電流の周波数帯域の上限周波数に比べて桁違いに高い。 12 is a diagram illustrating the current waveforms of the arm short circuit current ia and the load short circuit current ir. In FIG. 12, the horizontal axis is time t, and the vertical axis is current value i. The self-inductance L1 intervening in the current path RT1 of the arm short circuit current ia is small. Therefore, if the semiconductor switching element SW2 is turned on at t=0, the arm short circuit current ia rises to a large current value in a short time, and the charge stored in the capacitor that outputs the DC voltage E is discharged in a short time. Therefore, the arm short circuit current ia is generated in a short time after the semiconductor switching element SW2 is turned on. On the other hand, the self-inductance L2 intervening in the current path RT2 of the load short circuit current ir is very large compared to the self-inductance L1. Therefore, the load short circuit current ir increases with a very gentle time gradient after the semiconductor switching elements SW1 and SW4 are turned on. And, when focusing on the frequency domain, the upper limit frequency of the frequency band of the arm short circuit current is an order of magnitude higher than the upper limit frequency of the frequency band of the load short circuit current.
時間勾配の小さな負荷短絡電流irを検出するためには、例えばロゴスキーコイルの巻き数を多くし、ロゴスキーコイルの感度を高くする必要がある。従って、負荷短絡電流をロゴスキーコイルにより検出しようとすると、ロゴスキーコイルが大型化し、電力変換装置の大型化および複雑化を招く問題がある。 To detect a load short circuit current ir with a small time gradient, it is necessary to increase the number of turns of the Rogowski coil, for example, to increase the sensitivity of the Rogowski coil. Therefore, if an attempt is made to detect a load short circuit current using a Rogowski coil, the Rogowski coil becomes larger, which leads to a problem of the power conversion device becoming larger and more complicated.
また、ロゴスキーコイルの巻き数を多くすると、ロゴスキーコイルの自己インダクタンスが高くなる。しかしながら、アーム短絡時および負荷短絡時の双方において、ロゴスキーコイルの端子間電圧を精度よく検出するためには、ロゴスキーコイルの自己インダクタンスを低くして、ロゴスキーコイルの自己インダクタンスと寄生容量とからなるLC共振回路の共振周波数を十分に高くする必要がある。具体的には共振周波数をアーム短絡時におけるロゴスキーコイルの端子間電圧の周波数帯域の上限周波数よりも高くする必要がある。この共振周波数が当該周波数帯域内にあると、共振の影響によりロゴスキーコイルの端子間電圧波形が歪み、アーム短絡を検出することが困難になるからである。そこで、共振の影響を受けないようにするために、ロゴスキーコイルの自己インダクタンスを小さくし、共振周波数を高くする必要がある。しかし、ロゴスキーコイルの自己インダクタンスを小さくするためには、ロゴスキーコイルの感度を低下させざるを得ない。この場合、負荷短絡電流iaの時間勾配dia/dtが極めて小さいので、ロゴスキーコイルの端子間電圧がノイズに埋もれ、負荷短絡の検出が極めて困難である。 In addition, when the number of turns of the Rogowski coil is increased, the self-inductance of the Rogowski coil increases. However, in order to accurately detect the terminal voltage of the Rogowski coil both when the arm is short-circuited and when the load is short-circuited, it is necessary to reduce the self-inductance of the Rogowski coil and to sufficiently increase the resonant frequency of the LC resonant circuit consisting of the self-inductance and parasitic capacitance of the Rogowski coil. Specifically, the resonant frequency must be higher than the upper limit frequency of the frequency band of the terminal voltage of the Rogowski coil when the arm is short-circuited. If this resonant frequency is within the frequency band, the terminal voltage waveform of the Rogowski coil is distorted due to the effect of resonance, making it difficult to detect the arm short-circuit. Therefore, in order to avoid the effect of resonance, it is necessary to reduce the self-inductance of the Rogowski coil and increase the resonant frequency. However, in order to reduce the self-inductance of the Rogowski coil, the sensitivity of the Rogowski coil must be reduced. In this case, since the time gradient dia/dt of the load short-circuit current ia is extremely small, the terminal voltage of the Rogowski coil is buried in noise, making it extremely difficult to detect the load short-circuit.
特許文献2に開示の技術では、アーム短絡電流を空芯コイルにより検出し、負荷短絡電流をCTにより検出する。しかし、CTを用いると、コストが増加するとともに、ディスクリート部品が多くなって電力変換装置の構成が複雑になる問題がある。
In the technology disclosed in
この発明は以上に説明した課題に鑑みてなされたものであり、その第1の目的は、装置の複雑化を招くことなく、ロゴスキーコイルを利用して負荷短絡を検出可能な短絡故障検出装置を備えた電力変換装置を提供することにある。また、この発明の第2の目的は、装置の複雑化を招くことなく、ロゴスキーコイルを利用して負荷短絡およびアーム短絡の両方を検出可能な短絡故障検出装置を備えた電力変換装置を提供することにある。 This invention has been made in consideration of the problems described above, and its first object is to provide a power conversion device equipped with a short circuit fault detection device capable of detecting a load short circuit using a Rogowski coil without complicating the device. Also, the second object of the invention is to provide a power conversion device equipped with a short circuit fault detection device capable of detecting both a load short circuit and an arm short circuit using a Rogowski coil without complicating the device.
この発明の第1の態様である電力変換装置は、半導体スイッチング素子を含む2以上のアームを介して負荷に電力を供給する電力変換装置において、前記2以上のアームのうちの一部のアームに短絡故障検出装置が設けられ、前記短絡故障検出装置は、前記負荷の短絡により、当該短絡故障検出装置が設けられたアームに流れる電流に応じた第1の検出信号を出力する第1のロゴスキーコイルを具備し、前記第1の検出信号に基づいて短絡故障を検出することを特徴とする。 The first aspect of the power conversion device of the present invention is a power conversion device that supplies power to a load through two or more arms including semiconductor switching elements, and is characterized in that a short circuit fault detection device is provided in some of the two or more arms, and the short circuit fault detection device has a first Rogowski coil that outputs a first detection signal corresponding to a current flowing in the arm in which the short circuit fault detection device is provided due to a short circuit in the load, and detects a short circuit fault based on the first detection signal.
この発明の第2の態様である電力変換装置は、半導体スイッチング素子を含むアームを介して負荷に電力を供給する電力変換装置において、前記負荷の短絡故障により前記アームに流れる電流に応じた第1の検出信号を出力する第1のロゴスキーコイルと、前記アームに直列接続されたダイオードの短絡故障により前記アームに流れる電流に応じた第2の検出信号を出力する第2のロゴスキーコイルと、を具備し、前記第1の検出信号または前記第2の検出信号に基づいて短絡故障を検出する短絡故障検出装置を含むことを特徴とする。 A second aspect of the power conversion device of the present invention is a power conversion device that supplies power to a load through an arm including a semiconductor switching element, and is characterized in that it comprises a first Rogowski coil that outputs a first detection signal corresponding to a current flowing through the arm due to a short-circuit fault in the load, and a second Rogowski coil that outputs a second detection signal corresponding to a current flowing through the arm due to a short-circuit fault in a diode connected in series to the arm, and includes a short-circuit fault detection device that detects a short-circuit fault based on the first detection signal or the second detection signal.
この発明の第1の態様では、電力変換装置の一部のアームに設けられた短絡故障検出装置が第1のロゴスキーコイルにより負荷短絡電流を検出する。この態様では、第1のロゴスキーコイルを一部のアーム設ければ済むので、電力変換装置の大型化および複雑化を招くことなく負荷短絡電流を検出することができる。また、この発明の第2の態様では、負荷の短絡故障をその検出に適した第1のロゴスキーコイルにより検出し、アームに直列接続されたダイオードの短絡故障をその検出に適した第2のロゴスキーコイルにより検出することができる。 In a first aspect of the present invention, a short circuit fault detection device provided in one arm of a power conversion device detects a load short circuit current using a first Rogowski coil. In this aspect, since it is only necessary to provide the first Rogowski coil in one arm, it is possible to detect a load short circuit current without increasing the size and complexity of the power conversion device. In a second aspect of the present invention, a short circuit fault in the load can be detected using a first Rogowski coil suitable for such detection, and a short circuit fault in a diode connected in series to an arm can be detected using a second Rogowski coil suitable for such detection.
以下、図面を参照しつつ本発明の実施形態について説明する。
図1はこの発明の一実施形態である電力変換装置1の構成を示す回路図である。この電力変換装置1において、コンデンサ30は、直流電源40によって充電され、直流電圧を出力する。コンデンサ30の両端子間にはアーム10_1および10_2が直列接続され、かつ、同端子間にはアーム10_3および10_4が直列接続され、かつ、同端子間にはアーム10_5および10_6が直列接続されている。そして、アーム10_1および10_2間の共通接続ノードと、アーム10_3および10_4間の共通接続ノードと、アーム10_5および10_6間の共通接続ノードと、に対し、モータの巻き線等の負荷Zが接続される。各アーム10_1~10_6は、半導体スイッチング素子を含む。ゲート駆動回路20_1~20_6は、アーム10_1~10_6の各半導体スイッチング素子に与えるゲート信号を発生することにより各半導体スイッチング素子を駆動する。このように電力変換装置1は、半導体スイッチング素子を含む2以上のアーム10_1~10_6を有しており、このアームを介して直流電源40から負荷Zに電力を供給するものである。
Hereinafter, an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings.
FIG. 1 is a circuit diagram showing a configuration of a
電力変換装置1において、ある1つのアーム(例えばアーム10_2とする)に着目すると、このアーム10_2には、当該アーム10_2に短絡故障が発生した場合、あるいは他のアーム10_1に短絡故障が発生した場合にアーム短絡電流が流れる。また、電力変換装置1において、負荷Zの短絡故障が発生した場合には、アーム10_2に負荷短絡電流が流れる場合がある。
In the
このようなアーム短絡電流または負荷短絡電流が長時間に亙ってアーム10_2に流れると、アーム10_2の半導体スイッチング素子が破壊に至る恐れがある。そこで、アーム10_2に流れる電流に基づいてアーム短絡または負荷短絡の発生を検知し、ゲート駆動回路10_2による半導体スイッチング素子の駆動を停止させる短絡故障検出装置100_2がアーム10_2に対して設けられる。他のアーム10_1、10_3~10_6にも同様なアーム短絡電流および負荷短絡電流が流れる可能性がある。そこで、本実施形態では、2以上のアーム10_1~10_6のうちの一部のアーム、具体的には全アームのうちの半数に当たるアーム10_2、10_4および10_6に対して、短絡故障検出装置100_2、100_4および100_6が各々設けられる。 If such an arm short-circuit current or load short-circuit current flows through arm 10_2 for a long period of time, the semiconductor switching element of arm 10_2 may be destroyed. Therefore, a short-circuit fault detection device 100_2 is provided for arm 10_2, which detects the occurrence of an arm short-circuit or load short-circuit based on the current flowing through arm 10_2 and stops the driving of the semiconductor switching element by gate drive circuit 10_2. There is a possibility that similar arm short-circuit currents and load short-circuit currents may flow through the other arms 10_1, 10_3 to 10_6. Therefore, in this embodiment, short-circuit fault detection devices 100_2, 100_4, and 100_6 are provided for some of the two or more arms 10_1 to 10_6, specifically, arms 10_2, 10_4, and 10_6, which are half of the total arms.
なお、以下では、各々を区別する必要がない場合に、アーム10_1~10_6をアーム10と総称し、ゲート駆動回路20_1~20_6をゲート駆動回路20と総称し、短絡故障検出装置100_2、100_4および1~100_6を短絡故障検出装置100と総称する。
In the following, when there is no need to distinguish between them, arms 10_1 to 10_6 are collectively referred to as
本実施形態において、アーム10_2、10_4および10_6に対して、短絡故障検出装置100_2、100_4および100_6を設けた理由は次の通りである。 In this embodiment, the reasons for providing short circuit fault detection devices 100_2, 100_4, and 100_6 for arms 10_2, 10_4, and 10_6 are as follows.
アーム短絡電流が通過する電流経路として次の3つがある。
アーム10_1および10_2を通過する電流経路R12:アーム10_1または10_2の一方に短絡故障が発生すると、この電流経路R12にアーム短絡電流が流れる。
アーム10_3および10_4を通過する電流経路R34:アーム10_3または10_4の一方に短絡故障が発生すると、この電流経路R34にアーム短絡電流が流れる。
アーム10_5および10_6を通過する電流経路R56:アーム10_5または10_6の一方に短絡故障が発生すると、この電流経路R56にアーム短絡電流が流れる。
There are three current paths through which the arm short-circuit current passes:
Current path R12 passing through arms 10_1 and 10_2: When a short-circuit fault occurs in one of arms 10_1 or 10_2, an arm short-circuit current flows through this current path R12.
Current path R34 passing through arms 10_3 and 10_4: When a short-circuit fault occurs in one of the arms 10_3 or 10_4, an arm short-circuit current flows through this current path R34.
Current path R56 passing through arms 10_5 and 10_6: When a short-circuit fault occurs in one of the arms 10_5 or 10_6, an arm short-circuit current flows through this current path R56.
全ての電流経路のアーム短絡電流を検出するためには、アーム10_1または10_2の一方と、アーム10_3または10_4の一方と、アーム10_5または10_6の一方に短絡故障検出装置100を設ける必要がある。これが条件1である。
To detect arm short-circuit currents in all current paths, it is necessary to provide a short-circuit
また、負荷短絡電流が通過する電流経路として次の6つがある。
アーム10_1および10_4を通過する電流経路R14:負荷Zにおいてアーム10_1および10_4に挟まされた区間に短絡故障が発生すると、この電流経路R14に負荷短絡電流が流れる。
アーム10_3および10_2を通過する電流経路R32:負荷Zにおいてアーム10_3および10_2に挟まされた区間に短絡故障が発生すると、この電流経路R32に負荷短絡電流が流れる。
アーム10_3および10_6を通過する電流経路R36:負荷Zにおいてアーム10_3および10_6に挟まされた区間に短絡故障が発生すると、この電流経路R36に負荷短絡電流が流れる。
アーム10_5および10_4を通過する電流経路R54:負荷Zにおいてアーム10_5および10_4に挟まされた区間に短絡故障が発生すると、この電流経路R54に負荷短絡電流が流れる。
アーム10_5および10_2を通過する電流経路R52:負荷Zにおいてアーム10_5および10_2に挟まされた区間に短絡故障が発生すると、この電流経路R52に負荷短絡電流が流れる。
アーム10_1および10_6を通過する電流経路R16:負荷Zにおいてアーム10_1および10_6に挟まされた区間に短絡故障が発生すると、この電流経路R16に負荷短絡電流が流れる。
In addition, there are six current paths through which the load short-circuit current passes:
Current path R14 passing through arms 10_1 and 10_4: When a short-circuit fault occurs in the section of load Z sandwiched between arms 10_1 and 10_4, a load short-circuit current flows through this current path R14.
Current path R32 passing through arms 10_3 and 10_2: When a short-circuit fault occurs in the section of load Z sandwiched between arms 10_3 and 10_2, a load short-circuit current flows through this current path R32.
Current path R36 passing through arms 10_3 and 10_6: When a short-circuit fault occurs in the section of load Z sandwiched between arms 10_3 and 10_6, a load short-circuit current flows through this current path R36.
Current path R54 passing through arms 10_5 and 10_4: When a short-circuit fault occurs in the section of load Z sandwiched between arms 10_5 and 10_4, a load short-circuit current flows through this current path R54.
Current path R52 passing through arms 10_5 and 10_2: When a short-circuit fault occurs in the section of load Z sandwiched between arms 10_5 and 10_2, a load short-circuit current flows through this current path R52.
Current path R16 passing through arms 10_1 and 10_6: When a short-circuit fault occurs in the section of load Z sandwiched between arms 10_1 and 10_6, a load short-circuit current flows through this current path R16.
全ての電流経路の負荷短絡電流を検出するためには、アーム10_1または10_4の一方と、アーム10_3または10_2の一方と、アーム10_3または10_6の一方と、アーム10_5または10_4の一方と、アーム10_5または10_2の一方と、アーム10_1または10_6の一方に短絡故障検出装置100を設ける必要がある。これが条件2である。
To detect the load short-circuit current of all current paths, it is necessary to provide a short-circuit
条件1および2の両方を満たすための手段として、次の2つが考えられる。第1の手段は、アーム10_1、10_3および10_5に短絡故障検出装置100を設けるという手段である。第2の手段は、アーム10_2、10_4および10_6に短絡故障検出装置100を設けるという手段である。本実施形態では、全ての電流経路のアーム短絡電流および全ての電流経路の負荷短絡電流を検出するために第2の手段を採用している。
There are two possible means for satisfying both
図2は本実施形態における短絡故障検出装置100の構成例を示す回路図である。なお、この図2には、短絡故障検出装置100に関する理解を容易にするため、アーム10およびゲート駆動回路20が短絡故障検出装置100とともに示されている。
Figure 2 is a circuit diagram showing an example of the configuration of the short-circuit
図2において、アーム10は、半導体スイッチング素子11と、この半導体スイッチング素子11に逆並列接続されたフライホイールダイオード12とを含む。この例において、半導体スイッチング素子11は、MOSFET(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor;金属-酸化膜-半導体構造の電解効果トランジスタ)である。半導体スイッチング素子11のドレインは導線51を介してコンデンサ30または他のアームに接続され、半導体スイッチング素子11のソースは導線52を介してコンデンサ30または他のアームに接続されている。ゲート駆動回路20は、半導体スイッチング素子11に対してゲート信号を供給することにより半導体スイッチング素子11のON/OFF駆動を行う。
In FIG. 2, the
図2に示す例では、第1のロゴスキーコイル101および第2のロゴスキーコイル102に導線52が挿入されている。ここで、第1のロゴスキーコイル101は、負荷短絡電流の検出を目的とし、第2のロゴスキーコイル102は、アーム短絡電流の検出を目的として設けられたものである。導線52に電流が流れると、この電流を中心として、円状に回る磁界が発生し、この磁界の強度の時間変化に応じた電圧が第1のロゴスキーコイル101および第2のロゴスキーコイル102に誘起される。この結果、導線52に流れる電流の時間勾配di/dtに比例した電圧波形の第1の検出信号S1および第2の検出信号S2が第1のロゴスキーコイル101および第2のロゴスキーコイル102から各々出力される。
In the example shown in FIG. 2, a
本実施形態において、第1のロゴスキーコイル101は負荷短絡電流の検出に最適化されたコイルであり、第2のロゴスキーコイル102はアーム短絡電流の検出に最適化されたコイルである。検出対象である電流の時間勾配di/dtに対する感度、すなわち、電流の時間勾配di/dtに対するロゴスキーコイルの出力電圧の比に着目すると、第2のロゴスキーコイル102の感度は、第1のロゴスキーコイル101の感度よりも低くなっている。具体的には、例えば第2のロゴスキーコイル102の巻き数は、第1のロゴスキーコイル101の巻き数よりも少ない。第2のロゴスキーコイル102の感度を、第1のロゴスキーコイル101の感度よりも低くするのは、第2のロゴスキーコイル102の自己インダクタンスを低くすることで、第2のロゴスキーコイル102の自己インダクタンスと寄生容量とからなるLC共振回路の共振周波数を高くし、この共振周波数をアーム短絡電流の周波数帯域の範囲外にするためである。また、第1のロゴスキーコイル101の感度を第2のロゴスキーコイル102の感度よりも高くするのは、時間勾配の小さな負荷短絡電流を精度よく検出するためである。
In this embodiment, the
アーム短絡判別回路112は、第2の検出信号S2に基づいて、電力変換装置1においてアーム短絡が発生したことを判別する回路である。具体的には、アーム短絡判別回路112は、第2の基準時間Tref2を超えて第2の検出信号S2が第2の基準レベルVref2よりも高いレベルを維持した場合に、アーム短絡が発生したことを判別する。アーム短絡判別回路112は、アーム短絡を判別した場合、短絡判別信号E2を非アクティブレベル“0”からアクティブレベル“1”にする。
The arm short-
負荷短絡判別回路111は、第1の検出信号S1に基づいて、電力変換装置1において負荷短絡が発生したことを判別する回路である。具体的には、負荷短絡判別回路111は、第1の基準時間Tref1を超えて第1の検出信号S1が第1の基準レベルVref1よりも高いレベルを維持した場合に、負荷短絡が発生したことを判別する。負荷短絡判別回路111は、負荷短絡が発生したことを判別した場合、短絡判別信号E1を非アクティブレベル“0”からアクティブレベル“1”にする。
The load short-
遮断制御回路120は、アーム短絡判別回路112が出力する短絡判別信号E2および負荷短絡判別回路111が出力する短絡判別信号E1に基づいて、電力変換装置1において何等かの短絡故障が発生したことを検出し、短絡検出信号Eを生成する。この例において、遮断制御回路120は、短絡判別信号E1と短絡判別信号E2の論理和を短絡検出信号Eとして生成するOR回路を含む。
The
また、遮断制御回路120は、短絡検出信号Eを生成した場合に、アーム短絡電流または負荷短絡電流を遮断するための制御を行う。さらに詳述すると、遮断制御回路120は、短絡判別信号E2が発生した場合には、短絡故障検出装置100が設けられたアーム10の半導体スイッチ11と、短絡故障検出装置100が設けられていない他のアーム10の半導体スイッチ11の駆動を停止させる遮断信号Cを出力する。具体的には、図1の短絡故障検出装置100_2において短絡判別信号E2が発生した場合、この短絡故障検出装置100_2の遮断制御回路120は、アーム短絡電流の検出されたアーム10_2および他のアーム10_1のゲート駆動回路20_2および20_1に対し、遮断信号C2およびC1を出力する。また、遮断制御回路120は、短絡判別信号E1が発生した場合には、負荷短絡電流が検出された当該アームのゲート駆動回路20に対し、同アームの半導体スイッチ11の駆動を停止させる遮断信号Cを出力する。
In addition, when the short circuit detection signal E is generated, the
また、遮断制御回路120は、短絡検出信号Eが発生した場合に、故障信号Fを制御装置1000に対して出力する。この故障信号Fを受け取った制御装置1000は、電力変換装置1を停止させる制御を開始する。
In addition, when a short circuit detection signal E is generated, the
図3A、図3Bおよび図3Cは、本実施形態の動作例を示す波形図である。図3Aには、通常時、アーム短絡時および負荷短絡時の各々について、導線52に流れる電流iの波形、第2の検出信号S2の波形、アーム短絡判別回路112内で発生するレベル判定信号D2の波形、およびアーム短絡判別回路112が出力する短絡判別信号E2の波形が示されている。また、図3Bには、通常時、アーム短絡時および負荷短絡時の各々について、導線52に流れる電流iの波形、第1の検出信号S1の波形、負荷短絡判別回路111内で発生するレベル判定信号D1の波形、および負荷短絡判別回路111が出力する短絡判別信号E1の波形が示されている。また、図3Cには、通常時、アーム短絡時および負荷短絡時の各々について、導線52に流れる電流iの波形、アーム短絡判別回路112が出力する短絡判別信号E2の波形、負荷短絡判別回路111が出力する短絡判別信号E1の波形、および遮断制御回路120が出力する短絡検出信号Eの波形が示されている。これらの図において、横軸は時間tであり、縦軸は電圧値、電流値または真理値である。
3A, 3B, and 3C are waveform diagrams showing an example of the operation of this embodiment. FIG. 3A shows the waveform of the current i flowing through the
まず、図3Aを参照し、アーム短絡判別回路112の動作を説明する。アーム短絡判別回路112では、第2のロゴスキーコイル102から出力される第2の検出信号S2を第2の基準レベルVref2と比較し、第2の検出信号S2が第2の基準レベルVref2を超過した場合にレベル判定信号D2をアクティブレベル“1”とする。アーム短絡時には、時間勾配di/dtの大きな電流iが導線52に流れる。従って、アーム短絡判別回路112には、このような大きな時間勾配di/dtを検出することが求められる。このため、第2の基準レベルVref2は、アーム短絡が発生した場合の第2の検出信号S2と比較するのに適切な十分に大きな電圧値とされる。また、アーム短絡判別回路112では、レベル判定信号D2が第2の基準時間Tref2を超えてアクティブレベル“1”を維持した場合にアーム短絡判別信号E2をアクティブレベル“1”とする。アーム短絡時に導線52に流れる時間勾配di/dtの大きな電流iは瞬時に半導体スイッチング素子11を故障させる電流値となる。よって、アーム短絡時は半導体スイッチング素子11に流すことができる時間は短い。このため、第2の基準時間Tref2は、アーム短絡を検出することができる十分に短い時間、例えば数十ns~数百nsとされる。
First, the operation of the arm short-
通常時、半導体スイッチング素子11のターンオンより導線52に流れる電流iが立ち上がり、この電流iの立ち上がり期間、電流iの時間勾配di/dtを示す第2の検出信号S2が第2の基準レベルVref2を超え、レベル判定信号D2がアクティブレベル“1”となる。しかし、電流iの立ち上がり期間は短く、レベル判定信号D2がアクティブレベル“1”となる期間は、第2の基準時間Tref2より短い。従って、短絡判別信号E2がアクティブレベル“1”となることはない。
Under normal circumstances, when the
負荷短絡時は、半導体スイッチング素子11のターンオンより導線52に流れる電流iが立ち上がり、その後、負荷短絡電流の電流経路に介在する自己インダクタンスにより定まる時間勾配で電流iが増加する。この場合において、電流iの立ち上がり期間、電流iの時間勾配di/dtを示す第2の検出信号S2が第2の基準レベルVref2を超える。しかし、通常時と同様、電流iの立ち上がり期間は短く、レベル判定信号D2がアクティブレベル“1”となる期間は、第2の基準時間Tref2より短い。従って、短絡判別信号E2がアクティブレベル“1”となることはない。
When the load is short-circuited, the
アーム短絡時の動作は、次のようになる。アーム10の半導体スイッチング素子11のターンオン時に、半導体スイッチング素子11と直列接続された他のアーム10に短絡故障が発生していると、導線52に流れる電流iが当該電流iの電流経路に介在する自己インダクタンスにより定まる時間勾配で立ち上がる。この結果、電流iの時間勾配di/dtを示す第2の検出信号S2が第2の基準レベルVref2を超え、レベル判定信号D2がアクティブレベル“1”となる。この場合の電流iの立ち上がり期間は、通常動作における電流iの立ち上がり期間よりは長く、レベル判定信号D2は、第2の基準時間Tref2を超えてアクティブレベル“1”を維持する。このため、短絡判別信号E2がアクティブレベル“1”となる。
The operation when an arm is short-circuited is as follows. When the
この例において、第2のロゴスキーコイル102は、第2の検出信号S2が領域A2p内または領域A2n内となる場合の電流の時間勾配di/dtを高精度で検出する。そして、第2の基準レベルVref2は、領域A2p内にある。そのため、アーム短絡判別回路112は、精度よくアーム短絡を検出することができる。
In this example, the
次に図3Bを参照し、負荷短絡判別回路111の動作を説明する。負荷短絡判別回路111では、第1のロゴスキーコイル101から出力される第1の検出信号S1を第1の基準レベルVref1と比較し、第1の検出信号S1が第1の基準レベルVref1を超過した場合にレベル判定信号D1をアクティブレベル“1”とする。負荷短絡時には、時間勾配di/dtの小さな電流iが導線52に流れる。従って、負荷短絡判別回路111には、このような小さな時間勾配di/dtを検出することが求められる。このため、第1の基準レベルVref1は、負荷短絡が発生した場合の第1の検出信号S1と比較するのに適切な十分に小さな電圧値とされる。また、負荷短絡判別回路111では、レベル判定信号D1が第1の基準時間Tref1を超えてアクティブレベル“1”を維持した場合に短絡判別信号E1をアクティブレベル“1”とする。負荷短絡時において、導線52に流れる電流iの時間勾配di/dtが大きくなる時間は通常時およびアーム短絡時と比べて長い。このため、第1の基準時間Tref1は、通常動作あるいはアーム短絡を負荷短絡と誤認することがない十分に長い時間、例えば基準時間Tref2に対して数十倍~数百倍程度の値に設定する。
Next, referring to FIG. 3B, the operation of the load short-
通常時、半導体スイッチング素子11のターンオンにより導線52に流れる電流iが立ち上がり、この電流iの立ち上がり期間、電流iの時間勾配di/dtを示す第1の検出信号S1が第1の基準レベルVref1を超え、レベル判定信号D1がアクティブレベル“1”となる。しかし、レベル判定信号D1がアクティブレベル“1”となる期間は、第1の基準時間Tref1より短い。従って、短絡判別信号E1がアクティブレベル“1”となることはない。
Under normal circumstances, when the
半導体スイッチング素子11と直列接続された半導体スイッチング素子が短絡故障した状態で、半導体スイッチング素子11のターンオンが発生すると、アーム短絡が発生する。この時、導線52に流れる電流iはアーム短絡電流の電流経路に介在する自己インダクタンスにより定まる時間勾配で立ち上がる。この結果、電流iの時間勾配di/dtを示す第1の検出信号S1が第1の基準レベルVref1を超え、レベル判定信号D1がアクティブレベル“1”となる。しかしながら、アーム短絡時は第2の検出信号S2も第2の基準レベルVref2を超え、レベル判定信号D2がアクティブレベル“1”となる。各々の短絡検出時間はTref2<<Tref1であるため、アーム短絡が発生すると短絡判別信号E2が短絡判別信号E1より先にアクティブレベル“1”となる。このため、アーム短絡の発生により負荷短絡を検出することはない。
When the
負荷短絡時は、半導体スイッチング素子11のターンオンより導線52に流れる電流iが立ち上がり、その後、負荷短絡電流の電流経路に介在する自己インダクタンスにより定まる時間勾配で電流iが増加する。このように電流iが立ち上がり、その後、一定時間勾配で増加する間、電流iの時間勾配di/dtを示す第1の検出信号S1が第1の基準レベルVref1を超え、レベル判定信号D1がアクティブレベル“1”となる。負荷短絡時、このレベル判定信号D1は第1の基準時間Tref1を超えてアクティブレベル“1”を維持する。従って、短絡判別信号E1がアクティブレベル“1”となる。
When the load is short-circuited, the
この例において、第1のロゴスキーコイル101は、第1の検出信号S1が領域A1内の信号となる電流の時間勾配di/dtを高精度で検出する。そして、第1の基準レベルVref1は領域A1内にある。そのため、負荷短絡により発生する第1の検出信号S1を精度よく検出することができる。
In this example, the
次に図3Cを参照し、遮断制御回路120の動作を説明する。図3Cに示すように、遮断制御回路120は、短絡判別信号E1と短絡判別信号E2の論理和を短絡検出信号Eとして出力する。従って、アーム短絡または負荷短絡が発生した場合には、短絡検出信号Eがゲート駆動回路20に出力され、ゲート駆動回路20による半導体スイッチング素子11の駆動が停止される。
Next, the operation of the
次に本実施形態の全体的な動作例について説明する。図4は本実施形態の第1動作例を示す回路図である。この第1動作例では、アーム10_1に短絡故障が発生している。この短絡故障は、アーム10_1の半導体スイッチング素子11の故障である場合もあり、例えばノイズ等によって半導体スイッチング素子11が誤ってONになる事象でもあり得る。第1動作例では、このアーム10_1の短絡故障に起因したアーム短絡電流がON状態のアーム10_2に流れている。
Next, an overall operation example of this embodiment will be described. FIG. 4 is a circuit diagram showing a first operation example of this embodiment. In this first operation example, a short circuit fault occurs in arm 10_1. This short circuit fault may be a fault in the
アーム10_2に設けられた短絡故障検出装置100_2では、アーム短絡判別回路112が短絡判別信号E2を発生し、遮断制御回路120がアーム10_2のゲート駆動回路20_2に遮断信号C2を、アーム10_1のゲート駆動回路20_1に遮断信号C1を出力する。これによりアーム10_1および10_2を電流経路とするアーム短絡電流が遮断される。また、短絡故障検出装置100_2では、遮断制御回路120が制御装置1000に対して故障信号F2を出力する。これにより制御装置1000は、電力変換装置1を停止させるための制御を開始する。
In the short-circuit fault detection device 100_2 provided in the arm 10_2, the arm short-
図5は本実施形態の第2動作例を示す回路図である。この第2動作例では、アーム10_1がON状態であるときに、アーム10_1に接続されたアーム10_2に短絡故障が発生し、アーム短絡電流がアーム10_1を介してアーム10_2に流れている。 Figure 5 is a circuit diagram showing a second operation example of this embodiment. In this second operation example, when arm 10_1 is in the ON state, a short circuit fault occurs in arm 10_2 connected to arm 10_1, and an arm short circuit current flows to arm 10_2 via arm 10_1.
この場合も、アーム10_2に設けられた短絡故障検出装置100_2では、アーム短絡判別回路112が短絡判別信号E2を発生し、遮断制御回路120がアーム10_2のゲート駆動回路20_2に遮断信号C2を、アーム10_1のゲート駆動回路20_1に遮断信号C1を出力する。これによりON状態であったアーム10_1がOFF状態となり、アーム10_1および10_2を電流経路とするアーム短絡電流が遮断される。また、この場合も、短絡故障検出装置100_2では、遮断制御回路120が制御装置1000に対して故障信号F2を出力する。
In this case, too, in the short circuit fault detection device 100_2 provided in the arm 10_2, the arm short
図6は本実施形態の第3動作例を示す回路図である。この第3動作例では、負荷Zにおいてアーム10_1および10_4に挟まれた区間に短絡が発生し、アーム10_1および10_4がON状態であるときに、負荷短絡電流がアーム10_1および10_4に流れている。 Figure 6 is a circuit diagram showing a third operation example of this embodiment. In this third operation example, a short circuit occurs in the section between arms 10_1 and 10_4 in load Z, and when arms 10_1 and 10_4 are in the ON state, a load short-circuit current flows through arms 10_1 and 10_4.
アーム10_4に設けられた短絡故障検出装置100_4では、負荷短絡判別回路111が短絡判別信号E1を発生し、遮断制御回路120がアーム10_4のゲート駆動回路20_4に遮断信号C4を出力する。これによりアーム10_1および10_4を電流経路とする負荷短絡電流が遮断される。また、短絡故障検出装置100_4では、遮断制御回路120が制御装置1000に対して故障信号F2を出力する。
In the short circuit fault detection device 100_4 provided in the arm 10_4, the load short
以上説明したように、本実施形態によれば、ロゴスキーコイルを利用して、電力変換装置1において発生するアーム短絡および負荷短絡の両方を精度よく検出することができる。また、本実施形態によれば、短絡電流を検出するために、CT等のディスクリート部品を利用しないので、コストを下げ、かつ、短絡故障検出装置の大型化を回避することができる。
As described above, according to this embodiment, by using a Rogowski coil, it is possible to accurately detect both arm short circuits and load short circuits that occur in the
また、本実施形態では、電力変換装置1を構成する全てのアームのうちの一部のアームのみに短絡故障検出装置が設けられる。そして、短絡故障検出装置は、短絡故障を検出した場合に、短絡故障検出装置が設けられていない他のアームの半導体スイッチング素子の駆動を停止させる。従って、電力変換装置1の半導体スイッチング素子を短絡故障から保護しつつ電力変換装置1の小型化および低コスト化を実現することができる。
In addition, in this embodiment, a short-circuit fault detection device is provided in only some of the arms that constitute the
本実施形態では、負荷短絡時に適切な大きさの第1の検出信号S1を発生することが可能な第1のロゴスキーコイル101と、アーム短絡時に適切な大きさの第2の検出信号S2を発生することが可能な第2のロゴスキーコイル102とが必要である。以下、そのような第1のロゴスキーコイル101および第2のロゴスキーコイル102の具体例を挙げる。
In this embodiment, a
第1具体例では、アーム短絡を検出するための第2のロゴスキーコイル102の巻き数n2と負荷短絡を検出するための第1のロゴスキーコイル101の巻き数n1とが異なる。
In the first specific example, the number of turns n2 of the
ロゴスキーコイルに誘起される電圧vは、次式により与えられる。
v=-μ・(SQ・n/LG)・(di/dt) ……(4)
ここで、μは空気の透磁率(真空の透磁率と同じ)、SQはロゴスキーコイルの磁路断面積、nはロゴスキーコイルの巻き数、LGはロゴスキーコイルの磁路長、di/dtはロゴスキーコイルの検出対象である電流iの時間勾配である。磁路断面積SQとは、ロゴスキーコイルにより囲まれた空間の断面積である。磁路長は、ロゴスキーコイルにより囲まれた空間の長さである。
The voltage v induced in the Rogowski coil is given by:
v=-μ・(SQ・n/LG)・(di/dt)……(4)
Here, μ is the magnetic permeability of air (same as the magnetic permeability of a vacuum), SQ is the magnetic path cross-sectional area of the Rogowski coil, n is the number of turns of the Rogowski coil, LG is the magnetic path length of the Rogowski coil, and di/dt is the time gradient of the current i that is the object of detection by the Rogowski coil. The magnetic path cross-sectional area SQ is the cross-sectional area of the space surrounded by the Rogowski coil. The magnetic path length is the length of the space surrounded by the Rogowski coil.
上記式(5)を巻き数nについて解くと次式が得られる。
n=-(LG・v)/(μ・SQ・(di/dt)) ……(5)
この式(5)は、電流の時間勾配di/dtが小さい場合において、十分な大きさの電圧vをロゴスキーコイルから得るためには、巻き数nを増やす必要があることを示している。
By solving the above equation (5) for the number of turns n, the following equation is obtained.
n=-(LG・v)/(μ・SQ・(di/dt))...(5)
This equation (5) shows that when the time gradient di/dt of the current is small, in order to obtain a sufficient voltage v from the Rogowski coil, the number of turns n needs to be increased.
第2具体例では、負荷短絡を検出するための第1のロゴスキーコイル101の磁路断面積SQ1とアーム短絡を検出するための第2のロゴスキーコイル102の磁路断面積SQ2が異なる。具体的には磁路断面積SQ1およびSQ2間に、SQ1>SQ2の関係がある。
In the second specific example, the magnetic path cross-sectional area SQ1 of the
前掲式(5)を磁路断面積SQについて解くと次式が得られる。
SQ=-(LG・v)/(μ・n・(di/dt)) ……(7)
この式(7)は、電流の時間勾配di/dtが小さい場合において、十分な大きさの電圧vをロゴスキーコイルから得るためには、磁路断面席SQを増やす必要があることを示している。
By solving the above equation (5) for the magnetic path cross-sectional area SQ, the following equation is obtained.
SQ=-(LG・v)/(μ・n・(di/dt))...(7)
This equation (7) shows that when the time gradient di/dt of the current is small, in order to obtain a sufficient voltage v from the Rogowski coil, the magnetic path cross-sectional area SQ needs to be increased.
第3具体例では、負荷短絡を検出するための第1のロゴスキーコイル101の磁路長LG1とアーム短絡を検出するための第2のロゴスキーコイル102の磁路長LG2が異なる。具体的には磁路長LG1およびLG2間に、LG1<LG2の関係がある。
In the third specific example, the magnetic path length LG1 of the
前掲式(5)を磁路長LGについて解くと次式が得られる。
LG=-(μ・SQ・n・(di/dt))/v ……(8)
そこで、第3具体例では、式(8)において、アーム短絡時の電流の時間勾配di/dtを負荷短絡時の電流の時間勾配di/dtの例えば10倍程度に設定して必要な磁路長LG1およびLG2を計算し、求めた磁路長LG1およびLG2のロゴスキーコイル101および102を設けている。このようにすることで、アーム短絡および負荷短絡の両者を精度良く検出することができる。
When the above equation (5) is solved for the magnetic path length LG, the following equation is obtained.
LG=-(μ・SQ・n・(di/dt))/v……(8)
Therefore, in the third specific example, in equation (8), the time gradient di/dt of the current when the arm is short-circuited is set to, for example, about 10 times the time gradient di/dt of the current when the load is short-circuited, to calculate the required magnetic path lengths LG1 and LG2, and
第4具体例は第1のロゴスキーコイル101および第2のロゴスキーコイル102の実装に関する具体例である。図7Aおよび図7Bは第4具体例を示す図である。ここで、図7Aは図7Bの半導体スイッチング素子11側から見た第1のロゴスキーコイル101および第2のロゴスキーコイル102を示す図である。また、図7Bは図7AのA-A’線断面図である。
The fourth specific example is a specific example regarding the implementation of the
図7Bにおいて、半導体スイッチング素子11と主配線基板70との間には、第1層配線基板61と、第2層配線基板62と、第3層配線基板63とからなる多層配線基板が挟まれている。ここで、第1層配線基板61は主配線基板70から離間し、第2層配線基板62は第1層配線基板61から離間し、第3層配線基板63は第2層配線基板62から離間し、半導体スイッチング素子11は第3層配線基板63から離間している。
In FIG. 7B, a multilayer wiring board consisting of a first
導線51および52は、前掲図1の導線51および52に相当するものであり、半導体スイッチング素子11のソースおよびドレインに各々接続されている。これらの導線51および52は、半導体スイッチング素子11から延びて、第3層配線基板63と、第2層配線基板62と、第1層配線基板61とを通過し、主配線基板70に接続されている。半導体スイッチング素子11は、導線51または52と、主配線基板70とを介して、電力変換装置1内の他の半導体スイッチング素子または電源線に接続されている。
The
そして、アーム短絡検出用の第2のロゴスキーコイル102は、導線51を取り囲むように、第1層配線基板61と、第2層配線基板62と、第3層配線基板63に配置されている。また、負荷短絡検出用の第1のロゴスキーコイル101は、導線52を取り囲むように、第1層配線基板61と、第2層配線基板62と、第3層配線基板63に配置されている。
The
さらに詳述すると、第2のロゴスキーコイル102は、トロイダルコイル状に巻かれた往路41と、トロイダルコイルの巻き始めと巻き終わりを結んで巻き戻す復路42とで構成されている。復路42は、第2層配線基板62に形成される。また、往路41は、第1層配線基板61上の配線と、第2層配線基板62に形成されたスルーホールを介して第1層配線基板61から第3層配線基板63に至る配線と、第3層配線基板63上の配線とにより構成される。第1のロゴスキーコイル101も、第2のロゴスキーコイル102の往路41および復路42と同様な往路43および復路44により構成される。
More specifically, the
この第4具体例においても、アーム短絡および負荷短絡の双方を精度よく検出することができる。また、第4具体例によれば、前掲図1の構成と異なり、第2のロゴスキーコイル102と、第1のロゴスキーコイル101とを、半導体スイッチング素子11のソース側とドレイン側に分けて配置している。すなわち、第4具体例では、アームを経由する電流経路においてアームの一方側(例えば導線51)および他方側(例えば導線52)の各位置に第2のロゴスキーコイル102および第1のロゴスキーコイル101が配置されている。このため、第4具体例は、半導体スイッチング素子11とコンデンサ30(図1参照)との間の配線長を短くすることができるという利点がある。
In this fourth specific example, both arm short circuit and load short circuit can be detected with high accuracy. Moreover, in the fourth specific example, unlike the configuration of FIG. 1, the
第5具体例では、ブスバーなどの被測定電流経路を覆うようにアーム短絡検出用の第2のロゴスキーコイル102と、負荷短絡検出用の第1のロゴスキーコイル101が配置される。そして、第5具体例では、第1のロゴスキーコイル101と第2のロゴスキーコイル102との間に金属等からなるシールド板が配置される。この第5具体例によれば、第1のロゴスキーコイル101に流れる電流と第2のロゴスキーコイル102に流れる電流とが互いに干渉しあうのを防ぐことができる。
In the fifth concrete example, a
図8は本実施形態における短絡故障検出装置100の他の電力変換装置への適用例を示す回路図である。図8には適用例として降圧チョッパ1aが示されている。なお、図8において、上述した図1および図2に示された部分と対応する部分には同一の符号が付されている。
Figure 8 is a circuit diagram showing an example of application of the short circuit
図8において、アーム10は、半導体スイッチング素子11と、この半導体スイッチング素子11に逆並列接続されたフライホイールダイオード12とを含む。この例においても、半導体スイッチング素子11は、MOSFETである。半導体スイッチング素子11のドレインは導線51を介して直流電源40の正極およびコンデンサ30の一方の電極に接続され、半導体スイッチング素子11のソースは導線52を介してダイオード302のカソードに接続されている。ダイオード302のアノードは、直流電源40の負極およびコンデンサ30の他方の電極に接続されている。すなわち、ダイオード302は、アーム10に直列接続されている。ダイオード302は、リアクトル301および負荷Zaの直列回路に並列接続されている。ゲート駆動回路20は、半導体スイッチング素子11に対してゲート信号を供給することにより半導体スイッチング素子11のON/OFF駆動を行う。
8, the
半導体スイッチング素子11がONである期間、コンデンサ30から導線51、半導体スイッチング素子11、導線52およびリアクトル301を介して負荷Zaに電流が流れる。半導体スイッチング素子11がOFFになると、半導体スイッチング素子11がONである期間にリアクトル301に蓄積された電気エネルギーが放出され、リアクトル301、負荷Zaおよびダイオード302からなるループに電流が流れる。このように、電力変換装置である降圧チョッパ1aは、半導体スイッチング素子11を含むアーム10を介して負荷Zaに電力を供給する。
While the
図8に示す構成では、半導体スイッチング素子11およびダイオード302間の導線52が第1のロゴスキーコイル101および第2のロゴスキーコイル102に挿通されている。第1のロゴスキーコイル101は、負荷短絡電流の検出に最適化されたコイルであり、第2のロゴスキーコイル102は、ダイオード302の短絡故障によりアーム10に流れる短絡電流の検出に最適化されたコイルである。
In the configuration shown in FIG. 8, the
アーム短絡判別回路112は、第2のロゴスキーコイル102から得られる第2の検出信号S2に基づいて、降圧チョッパ1aにおいてダイオード302の短絡故障が発生したことを判別する回路である。具体的には、アーム短絡判別回路112は、第2の基準時間Tref2を超えて第2の検出信号S2が第2の基準レベルVref2よりも高いレベルを維持した場合に、ダイオード302の短絡が発生したことを判し、短絡判別信号E2を非アクティブレベル“0”からアクティブレベル“1”にする。
The arm short-
負荷短絡判別回路111は、第1のロゴスキーコイル101から得られる第1の検出信号S1に基づいて、降圧チョッパ1aにおいて負荷短絡が発生したことを判別する回路である。具体的には、負荷短絡判別回路111は、第1の基準時間Tref1を超えて第1の検出信号S1が第1の基準レベルVref1よりも高いレベルを維持した場合に、負荷短絡が発生したことを判別し、短絡判別信号E1を非アクティブレベル“0”からアクティブレベル“1”にする。
The load short-
遮断制御回路120は、短絡判別信号E1およびE2に基づいて、降圧チョッパ1aにおいて何等かの短絡故障が発生したことを検出し、半導体スイッチング素子11の駆動を停止させる遮断信号Cを出力するとともに、故障信号Fを制御装置1000(図1参照)に出力する。
The
この降圧チョッパ1aにおいても、前掲図1の電力変換装置1と同様な効果が得られる。
This step-down
<他の実施形態>
以上、この発明の一実施形態について説明したが、この発明には他にも実施形態が考えられる。例えば次の通りである。
<Other embodiments>
Although one embodiment of the present invention has been described above, other embodiments of the present invention are also possible. For example, the following embodiments are possible.
(1)この発明は、3相以外のインバータや降圧チョッパ以外のDC/DCコンバータ等、他の種類の電力変換装置に適用してもよい。 (1) This invention may be applied to other types of power conversion devices, such as inverters other than three-phase and DC/DC converters other than step-down choppers.
(2)上記実施形態では、半導体スインチング素子の例としてMOSFETを挙げたが、半導体スイッチング素子はこれに限定されるものではなく、例えばIGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor;絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ)等の他の半導体スイッチング素子であってもよい。 (2) In the above embodiment, a MOSFET is given as an example of a semiconductor switching element, but the semiconductor switching element is not limited to this and may be another semiconductor switching element such as an IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor).
(3)上記実施形態ではアーム短絡判定回路111、負荷短絡判定回路112、遮断制御回路120をそれぞれ個別に設けたがこれらの回路を一つの回路として実装しても良い。
(3) In the above embodiment, the arm short-
(4)図1の構成では、電力変換装置が有する2以上のアームのうちの半数のアームに短絡故障検出装置100を設けたが、2以上のアームのうちの一部のアームであって、2以上のアームのうちの少なくとも半数のアームに短絡故障検出装置100を設けてもよい。このようにすることで、電力変換装置の冗長性は増すが、安全性を高めることができる。
(4) In the configuration of FIG. 1, the short-circuit
(5)図1の構成では、第1のロゴスキーコイル101および第2のロゴスキーコイル102の両方を具備する短絡故障検出装置100_2、100_4および100_6をいずれも下アームであるアーム10_2、100_4および100_6に設けることにより上述した条件1および2を満たした。しかし、第1のロゴスキーコイル101のみを具備する短絡故障検出装置と、第2のロゴスキーコイル102のみを具備する短絡故障検出装置を互いに異なるアームに設けることにより、上述した条件1および2を満たしてもよい。例えば負荷短絡故障の検出が可能な第1のロゴスキーコイル101を具備する短絡故障検出装置を、高電位電源と負荷Zとの間に設けられた上アームであるアーム10_1、10_3および10_5に各々設け、アーム短絡故障の検出が可能な第2のロゴスキーコイル102を具備する短絡故障検出装置を、低電位電源と負荷Zとの間に設けられた下アームであるアーム10_2、10_4および10_6に各々設けてもよい。この態様においても、上述した条件1および2が満たされる。
(5) In the configuration of Figure 1, the above-mentioned
1……電力変換装置、1a……降圧チョッパ、30……コンデンサ、40……直流電源、10_1~10_6,10……アーム、20_1~20_6,20……ゲート駆動回路、100_2,100_4,100_6,100……短絡故障検出装置、11,11D……半導体スイッチング素子、12……フライホイールダイオード、302……ダイオード、51,52……導線、101……第1のロゴスキーコイル、102……第2のロゴスキーコイル、41,43……往路、42,44……復路、70……主配線基板、61……第1層配線基板、62……第2層配線基板、63……第3層配線基板、112……アーム短絡判別回路、111……負荷短絡判別回路、120……遮断制御回路、Z,Za……負荷。 1...power conversion device, 1a...step-down chopper, 30...capacitor, 40...DC power supply, 10_1 to 10_6, 10...arm, 20_1 to 20_6, 20...gate drive circuit, 100_2, 100_4, 100_6, 100...short circuit fault detection device, 11, 11D...semiconductor switching element, 12...flywheel diode, 302...diode, 51, 52...conductor, 101...first Rogowski coil, 102...second Rogowski coil, 41, 43...forward path, 42, 44...return path, 70...main wiring board, 61...first layer wiring board, 62...second layer wiring board, 63...third layer wiring board, 112...arm short circuit determination circuit, 111...load short circuit determination circuit, 120...shutdown control circuit, Z, Za...load.
Claims (7)
前記2以上のアームのうちの一部のアームに短絡故障検出装置が設けられ、
前記一部のアームに設けられた短絡故障検出装置は、
前記負荷の短絡により、当該短絡故障検出装置が設けられたアームに流れる電流に応じた第1の検出信号を出力する第1のロゴスキーコイルを具備し、前記第1の検出信号に基づいて短絡故障を検出する回路と、
当該短絡故障検出装置が設けられた当該アームまたは他のアームの短絡により、当該アームに流れる電流に応じた第2の検出信号を出力する第2のロゴスキーコイルを具備し、前記第2の検出信号に基づいて短絡故障を検出する回路と、を含み、
前記第2のロゴスキーコイルの検出電流の時間勾配に対する検出信号の感度が前記第1のロゴスキーコイルの検出電流の時間勾配に対する検出信号の感度よりも低いことを特徴とする電力変換装置。 1. A power conversion device that supplies power to a load through two or more arms including semiconductor switching elements,
A short circuit fault detection device is provided in a part of the two or more arms,
A short circuit fault detection device provided in the part of the arms ,
a first Rogowski coil that outputs a first detection signal corresponding to a current flowing through an arm in which the short circuit fault detection device is provided due to a short circuit in the load, and a circuit that detects a short circuit fault based on the first detection signal;
a second Rogowski coil that outputs a second detection signal corresponding to a current flowing through the arm when a short circuit occurs in the arm provided with the short circuit fault detection device or in another arm, and a circuit that detects a short circuit fault based on the second detection signal;
A power conversion device, characterized in that the sensitivity of a detection signal to a time gradient of the detection current of the second Rogowski coil is lower than the sensitivity of the detection signal to a time gradient of the detection current of the first Rogowski coil .
前記負荷の短絡故障により前記アームに流れる電流に応じた第1の検出信号を出力する第1のロゴスキーコイルと、a first Rogowski coil that outputs a first detection signal corresponding to a current flowing through the arm due to a short-circuit fault in the load;
前記アームに直列接続されたダイオードの短絡故障により前記アームに流れる電流に応じた第2の検出信号を出力する第2のロゴスキーコイルと、a second Rogowski coil that outputs a second detection signal corresponding to a current flowing through the arm due to a short-circuit failure of a diode connected in series to the arm;
を具備し、Equipped with
前記第1の検出信号または前記第2の検出信号に基づいて短絡故障を検出する短絡故障検出装置を含むことを特徴とする電力変換装置。A power conversion device comprising: a short-circuit fault detection device that detects a short-circuit fault based on the first detection signal or the second detection signal.
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