JP7703993B2 - Short circuit protection device for power conversion equipment - Google Patents
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Description
本発明は、電力変換装置の短絡保護装置に関する。 The present invention relates to a short-circuit protection device for a power conversion 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保護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 protection device is provided in the power conversion device to detect excessive current flowing through the semiconductor switching elements and stop the power conversion device.
特許文献1に開示の技術では、電圧駆動型半導体素子を各々含む複数のアームに対して、各アームに流れる電流を検出する電流検出器を各々設け、各々が駆動する電圧駆動型半導体素子のアーム電流が所定値を越えたとき、ゲート駆動手段が出力するゲートパルスをオフすることで短絡保護を行っている。
In the technology disclosed in
ところで、電力変換装置では、大容量化のために、複数のスイッチング素子を並列接続して個々のアームを構成する場合がある。この場合、各スイッチング素子に電流検出器が必要となるため、コストの増加・装置の大型化を招くことが懸念される。 However, in order to increase capacity in power conversion devices, multiple switching elements may be connected in parallel to form individual arms. In this case, a current detector is required for each switching element, which raises concerns about increased costs and larger equipment.
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、複数のスイッチング素子を並列接続した場合に短絡保護のために発生する電力変換装置のコストの増加・装置の大型化を低減することを目的とする。 This invention was made in consideration of the problems described above, and aims to reduce the increase in cost and size of a power conversion device that occurs for short circuit protection when multiple switching elements are connected in parallel.
この発明による電力変換装置の短絡保護装置は、並列接続された複数のスイッチング素子部を介して負荷に電力を供給する電力変換装置の短絡保護装置において、前記複数のスイッチング素子部の個数Mよりも1だけ少ないMa=M-1個の電流検出器であって、前記複数のスイッチング素子部における2以上のスイッチング素子部の電流路を各々囲むMa個のロゴスキーコイルを各々含むMa個の電流検出器と、前記Ma個の電流検出器から得られる検出信号に基づき、前記複数のスイッチング素子部に短絡故障があったと判断し、前記複数のスイッチング素子部のオンオフ駆動を停止させる遮断指示信号を出力する短絡判断部とを有し、前記Ma個の電流検出器におけるN番目(Nは1~Maまでの整数)の電流検出器は、1番目からM番目までのスイッチング素子部のうちN番目のスイッチング素子部以外の全てのスイッチング素子部に流れる電流の総和を検出し、前記短絡判断部は、前記Ma個の電流検出器による電流検出値の全てが閾値を越えている場合に、前記M番目のスイッチング素子部に短絡故障があったと判断し、前記Ma個の電流検出器のうち1個の電流検出器の電流検出値が閾値を越えておらず、他のMa-1個の電流検出器の電流検出値が閾値を越えている場合に、当該1個の電流検出器において電流検出対象となっていないスイッチング素子部に短絡故障があったと判断するものであり、前記Maは3以上であり、前記Ma個のロゴスキーコイルは多層プリント基板に実装され、前記多層プリント基板には、前記Ma個のロゴスキーコイルが深さ方向に並んだ重なり部分があり、前記多層プリント基板の最表層側のロゴスキーコイルの戻り線を、当該ロゴスキーコイルの中心軸より前記最表層側に位置させ、前記多層プリント基板の最裏層側のロゴスキーコイルの戻り線を、当該ロゴスキーコイルの中心軸より前記最裏層側に位置させることにより、前記深さ方向に隣り合ったロゴスキーコイルの戻り線間の距離が当該隣り合ったロゴスキーコイル間の中心軸間の距離より長い領域を前記重なり部分に形成したことを特徴とする。 The short-circuit protection device for a power conversion device according to the present invention is a short-circuit protection device for a power conversion device that supplies power to a load via a plurality of switching element units connected in parallel, and includes Ma=M-1 current detectors, one less than the number M of the plurality of switching element units, each including Ma Rogowski coils that surround the current paths of two or more switching element units in the plurality of switching element units, and a short-circuit determination unit that determines that a short-circuit fault has occurred in the plurality of switching element units based on detection signals obtained from the Ma current detectors and outputs a cut-off instruction signal to stop the on-off drive of the plurality of switching element units, and the Nth (N is an integer from 1 to Ma) current detector in the Ma current detectors detects the sum of currents flowing in all switching element units other than the Nth switching element unit among the 1st to Mth switching element units, and the short-circuit determination unit detects the sum of currents flowing in the Mth switching element unit when all of the current detection values by the Ma current detectors exceed a threshold value. It is determined that a short circuit has occurred in the switching element part that is not the target of current detection in the one current detector when the current detection value of one of the Ma current detectors does not exceed the threshold value and the current detection value of the other Ma-1 current detectors exceeds the threshold value, and it is determined that a short circuit has occurred in the switching element part that is not the target of current detection in that one current detector, and the Ma is 3 or more, the Ma Rogowski coils are mounted on a multilayer printed circuit board, and the multilayer printed circuit board has an overlapping portion in which the Ma Rogowski coils are lined up in the depth direction, and the return wire of the Rogowski coil on the top layer side of the multilayer printed circuit board is positioned on the top layer side of the central axis of the Rogowski coil, and the return wire of the Rogowski coil on the bottom layer side of the multilayer printed circuit board is positioned on the bottom layer side of the central axis of the Rogowski coil, thereby forming an area in the overlapping portion where the distance between the return wires of adjacent Rogowski coils in the depth direction is longer than the distance between the central axes of the adjacent Rogowski coils.
この発明によれば、スイッチング素子部の個数よりも少ない個数の電流検出器により電流検出器の短絡故障を検出し、かつ、短絡故障の発生したスイッチング素子部を特定することができ、複数のスイッチング素子部を並列接続した場合に短絡保護のために発生する電力変換装置のコストの増加・装置の大型化を低減することができる。また、Ma個のロゴスキーコイルが深さ方向に並んだ重なり部分において、深さ方向に隣り合ったロゴスキーコイルの戻り線間の距離が当該隣り合ったロゴスキーコイル間の中心軸間の距離より長い領域が重なり部分に形成されているので、1本の戻り線に電流が流れた場合にその電流が当該戻り線と隣り合った他の戻り線に与える影響を少なくし、電流計測の精度を高めることができる。 According to this invention, it is possible to detect short-circuit failures of current detectors using a number of current detectors that is less than the number of switching element units, and to identify the switching element unit in which a short-circuit failure has occurred, thereby reducing the increase in cost and size of the power conversion device that occurs for short-circuit protection when multiple switching element units are connected in parallel. Also, in the overlapping portion where Ma Rogowski coils are lined up in the depth direction, a region is formed in the overlapping portion where the distance between the return wires of adjacent Rogowski coils in the depth direction is longer than the distance between the central axes of the adjacent Rogowski coils, so that when a current flows through one return wire, the effect of that current on other return wires adjacent to that return wire can be reduced, and the accuracy of current measurement can be improved.
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短絡保護装置50を備えた電力変換装置100の構成を示す回路図である。電力変換装置100は、上位装置200からの指令に従って電力変換装置100の各部を制御する制御部1と、電力を変換する駆動部2aおよび2bを備える。
Hereinafter, an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings.
1 is a circuit diagram showing the configuration of a
本実施形態において、電力変換装置100は、インバータ1相分に相当する装置である。図1にはこのインバータにおける1相分の駆動部2aおよび2bが図示されている。駆動部2aは、図示しない直流電源の正極に接続された高電位電源線101と、図示しない負荷に接続された出力端子103との間に接続されている。また、駆動部2bは、同直流電源の負極に接続された低電位電源線102と、同出力端子103との間に接続されている。なお、電力変換装置100は、複数相分の駆動部2aおよび2bが高電位電源線101および低電位電源線102間に並列接続されることでインバータを構成する。
In this embodiment, the
以下、駆動部2aの内部構成について説明する。駆動部2bについてはその内部構成が基本的に駆動部2aと同一であるので、その説明は省略する。
The internal structure of
駆動部2aは、並列接続された複数のスイッチング素子部20_1、20_2、20_3および20_4と、駆動制御部24と、短絡保護装置50とを含む。
The
スイッチング素子部20_1、20_2、20_3および20_4の各々は、パワースイッチング素子27を含む。このパワースイッチング素子27は、MOSFET(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor;金属酸化膜半導体構造の電界効果トランジスタ)であり、SiC、GaN等のワイドギャップ半導体素子により構成されている。パワースイッチング素子27には、ダイオード28が逆並列接続されている。駆動部2bも、駆動部2aと同様、並列接続された複数のスイッチング素子部を含む。電力変換装置100は、これらの各駆動部2aおよび2bにおいて並列接続された複数のスイッチング素子部を介して、出力端子103に接続された負荷に電力を供給する。
Each of the switching element units 20_1, 20_2, 20_3, and 20_4 includes a
駆動制御部24は、制御部1から供給される制御信号Sm1に基づき、スイッチング素子部20_1、20_2、20_3および20_4のパワースイッチング素子27をオフからオンへまたはオンからオフへ切り換える駆動信号Son/offを出力する。また、駆動制御部24は、短絡保護装置50から遮断指示信号Fxが出力された場合に、スイッチング素子部20_1、20_2、20_3および20_4のパワースイッチング素子27をオフさせる駆動信号Son/offを出力する。
The
短絡保護装置50は、並列接続されたスイッチング素子部20_1、20_2、20_3および20_4における短絡故障の発生を検知し、スイッチング素子部20_1、20_2、20_3および20_4を短絡故障から保護する装置である。図1に示すように、短絡保護装置50は、ロゴスキーコイル21_1、21_2および21_3と、積分器22_1、22_2および22_3と、短絡判断部23とを含む。スイッチング素子部20_1等における短絡故障には、パワースイッチング素子27の誤オンや短絡故障と、ダイオード28の短絡故障があり得る。
The short-
ロゴスキーコイル21_1、21_2および21_3は、並列接続された複数のスイッチング素子部の個数M(この例ではM=4)より1だけ少ないMa個、具体的にはMa=M-1=3個の電流検出器であって、複数のスイッチング素子部における2以上のスイッチング素子部に流れる電流の総和を検出し、検出結果を示す検出信号を出力するMa個の電流検出器である。Ma個の電流検出器のMa個のロゴスキーコイルは、M個のスイッチング素子部における2以上のスイッチング素子部の電流路を各々囲む。本実施形態において、ロゴスキーコイル21_1、21_2および21_3は、スイッチング素子部20_1、20_2、20_3および20_4のパワースイッチング素子27のソース側の電流路に設けられている。
The Rogowski coils 21_1, 21_2, and 21_3 are Ma current detectors, which is one less than the number M (M=4 in this example) of the multiple switching element units connected in parallel, specifically Ma=M-1=3, and are Ma current detectors that detect the sum of currents flowing through two or more switching element units in the multiple switching element units and output a detection signal indicating the detection result. The Ma Rogowski coils of the Ma current detectors each surround the current paths of two or more switching element units in the M switching element units. In this embodiment, the Rogowski coils 21_1, 21_2, and 21_3 are provided in the current paths on the source side of the
本実施形態において、Ma個の電流検出器におけるN番目(Nは1~Maまでの整数)の電流検出器は、1番目からM番目までのスイッチング素子部のうちN番目のスイッチング素子部以外の全てのスイッチング素子部に流れる電流の総和を検出する。 In this embodiment, the Nth current detector (N is an integer from 1 to Ma) among the Ma current detectors detects the sum of the currents flowing through all switching element units other than the Nth switching element unit among the 1st to Mth switching element units.
具体的には、本実施形態において、1番目のスイッチング素子部はスイッチング素子部20_1、2番目のスイッチング素子部はスイッチング素子部20_2、3番目のスイッチング素子部はスイッチング素子部20_3、4番目のスイッチング素子部はスイッチング素子部20_4である。そして、1番目の電流検出器はロゴスキーコイル21_1、2番目の電流検出器はロゴスキーコイル21_2、3番目の電流検出器はロゴスキーコイル21_3である。 Specifically, in this embodiment, the first switching element unit is switching element unit 20_1, the second switching element unit is switching element unit 20_2, the third switching element unit is switching element unit 20_3, and the fourth switching element unit is switching element unit 20_4. The first current detector is Rogowski coil 21_1, the second current detector is Rogowski coil 21_2, and the third current detector is Rogowski coil 21_3.
1番目の電流検出器であるロゴスキーコイル21_1は、1番目のスイッチング素子部10_1を除いた他のスイッチング素子部20_2、20_3および20_4の電流路20_2a、20_3aおよび20_4aを囲んでおり、これらの電流路に流れる電流の総和を検出し、検出結果を示す検出信号Vi1を積分器22_1に出力する。この検出信号Vi1は、スイッチング素子部20_2、20_3および20_4に流れる電流の総和の時間微分を示す。積分器22_1は、検出信号Vi1を積分することにより、スイッチング素子部20_2、20_3および20_4に流れる電流の総和を示す電流検出値Si1を生成し、短絡判断部23に出力する。
The Rogowski coil 21_1, which is the first current detector, surrounds the current paths 20_2a, 20_3a, and 20_4a of the switching element units 20_2, 20_3, and 20_4 other than the first switching element unit 10_1, detects the sum of the currents flowing through these current paths, and outputs a detection signal Vi1 indicating the detection result to the integrator 22_1. This detection signal Vi1 indicates the time derivative of the sum of the currents flowing through the switching element units 20_2, 20_3, and 20_4. The integrator 22_1 integrates the detection signal Vi1 to generate a current detection value Si1 indicating the sum of the currents flowing through the switching element units 20_2, 20_3, and 20_4, and outputs it to the short
2番目の電流検出器であるロゴスキーコイル21_2は、2番目のスイッチング素子部20_2を除いた他のスイッチング素子部20_1、20_3および20_4の電流路20_1a、20_3aおよび20_4aを囲んでおり、これらの電流路に流れる電流の総和を検出し、検出結果を示す検出信号Vi2を積分器22_2に出力する。この検出信号Vi2は、スイッチング素子部20_1、20_3および20_4に流れる電流の総和の時間微分を示す。積分器22_2は、検出信号Vi2を積分することにより、スイッチング素子部20_1、20_3および20_4に流れる電流の総和を示す電流検出値Si2を生成し、短絡判断部23に出力する。
The Rogowski coil 21_2, which is the second current detector, surrounds the current paths 20_1a, 20_3a, and 20_4a of the other switching element units 20_1, 20_3, and 20_4 except for the second switching element unit 20_2, detects the sum of the currents flowing through these current paths, and outputs a detection signal Vi2 indicating the detection result to the integrator 22_2. This detection signal Vi2 indicates the time derivative of the sum of the currents flowing through the switching element units 20_1, 20_3, and 20_4. The integrator 22_2 integrates the detection signal Vi2 to generate a current detection value Si2 indicating the sum of the currents flowing through the switching element units 20_1, 20_3, and 20_4, and outputs it to the short
3番目の電流検出器であるロゴスキーコイル21_3は、3番目のスイッチング素子部20_3を除いた他のスイッチング素子部20_1、20_2および20_4の電流路20_1a、20_2aおよび20_4aを囲んでおり、これらの電流路に流れる電流の総和を検出し、検出結果を示す検出信号Vi3を積分器22_3に出力する。この検出信号Vi3は、スイッチング素子部20_1、20_2および20_4に流れる電流の総和の時間微分を示す。積分器22_3は、検出信号Vi3を積分することにより、スイッチング素子部20_1、20_2および20_4に流れる電流の総和を示す電流検出値Si3を生成し、短絡判断部23に出力する。
The Rogowski coil 21_3, which is the third current detector, surrounds the current paths 20_1a, 20_2a, and 20_4a of the other switching element units 20_1, 20_2, and 20_4 except for the third switching element unit 20_3, detects the sum of the currents flowing through these current paths, and outputs a detection signal Vi3 indicating the detection result to the integrator 22_3. This detection signal Vi3 indicates the time derivative of the sum of the currents flowing through the switching element units 20_1, 20_2, and 20_4. The integrator 22_3 integrates the detection signal Vi3 to generate a current detection value Si3 indicating the sum of the currents flowing through the switching element units 20_1, 20_2, and 20_4, and outputs it to the short
短絡判断部23は、電流検出値Si1、Si2およびSi3に基づいて、スイッチング素子部20_1、20_2、20_3および20_4の短絡故障に関する判断を行う。そして、短絡判断部23は、スイッチング素子部20_1に短絡故障が発生したと判断した場合には短絡故障信号F1を、スイッチング素子部20_2に短絡故障が発生したと判断した場合には短絡故障信号F2を、スイッチング素子部20_3に短絡故障が発生したと判断した場合には短絡故障信号F3を、スイッチング素子部20_4に短絡故障が発生したと判断した場合には短絡故障信号F4を制御部1に出力する。制御部1はこの短絡故障信号F1、F2、F3またはF4を上位装置200に送信する。これにより上位装置200は、短絡故障が発生したスイッチング素子部20_1、20_2、20_3または20_4を特定する情報を例えば表示部に表示する、といった処理を行う。また、短絡判断部23は、スイッチング素子部20_1、20_2、20_3または20_4のいずれかに短絡故障が発生したと判断した場合、駆動制御部24に遮断指示信号Fxを出力する。これにより駆動制御部24は、スイッチング素子部20_1、20_2、20_3および20_4のパワースイッチング素子27のオンオフ駆動を停止する。
The short
図2は短絡判断部23の構成例を示すブロック図である。図2に示すように、短絡判断部23は、コンパレータ301、302および303と、NOT演算子311、312および313と、AND演算子321、322、323および324と、オンディレイ演算子331、332、333および334と、OR演算子340とを有する。オンディレイ演算子331、332、333および334は、各々への入力信号の非アクティブレベルからアクティブレベルへの変化を所定時間遅らせて出力する演算子であり、短絡判断部23の動作を安定化させる役割を果たす。
Figure 2 is a block diagram showing an example of the configuration of the short
コンパレータ301は、スイッチング素子部20_2、20_3および20_4の電流の総和を示す電流検出値Si1が短絡電流判定閾値thを越えない場合に出力信号を非アクティブレベルとし、越えた場合にアクティブレベルとする。コンパレータ302は、スイッチング素子部20_1、20_3および20_4の電流の総和を示す電流検出値Si2が短絡電流判定閾値thを越えない場合に出力信号を非アクティブレベルとし、越えた場合にアクティブレベルとする。コンパレータ303は、スイッチング素子部20_1、20_2および20_4の電流の総和を示す電流検出値Si3が短絡電流判定閾値thを越えない場合に出力信号を非アクティブレベルとし、越えた場合にアクティブレベルとする。この場合、短絡電流判定閾値thは例えば定格パワースイッチング素子電流の300%等にして良い。
The
NOT演算子311は、コンパレータ301の出力信号のレベルを反転して出力する。NOT演算子312は、コンパレータ302の出力信号のレベルを反転して出力する。NOT演算子313は、コンパレータ303の出力信号のレベルを反転して出力する。
The
OR演算子340は、コンパレータ301、302および303の各出力信号の少なくとも1つがアクティブレベルである場合、すなわち、スイッチング素子部20_2、20_3および20_4の電流の総和と、スイッチング素子部20_1、20_3および20_4の電流の総和と、スイッチング素子部20_1、20_2および20_4の電流の総和とのうちの少なくとも1つが短絡電流判定閾値thを越えている場合に、スイッチング素子部20_1、20_2、20_3または20_4のいずれかに短絡故障が発生したと判断し、遮断指示信号Fxを駆動制御部24に出力する。
When at least one of the output signals of the
AND演算子321は、NOT演算子311の出力信号がアクティブレベルであり、かつ、コンパレータ302および303の出力信号がアクティブレベルである場合、すなわち、スイッチング素子部20_2、20_3および20_4の電流の総和が短絡電流判定閾値thを越えておらず、かつ、スイッチング素子部20_1、20_3および20_4の電流の総和とスイッチング素子部20_1、20_2および20_4の電流の総和の両方が短絡電流判定閾値thを越えている場合に、スイッチング素子部20_1に短絡故障が発生したと判断し、オンディレイ演算子331を介して短絡故障信号F1を制御部1に出力する。このようにAND演算子321は、Ma個の電流検出器のうち1個の電流検出器の電流検出値(この例ではロゴスキーコイル21_1により得られた電流検出値Si1)が閾値を越えておらず、他のMa-1個の電流検出器の電流検出値(この例ではロゴスキーコイル21_2および21_3により得られた電流検出値Si2およびSi3)が閾値を越えている場合に、当該1個の電流検出器において電流検出対象となっていないスイッチング素子部(この例ではスイッチング素子部20_1)に短絡故障があったと判断する。
When the output signal of the
AND演算子322は、NOT演算子312の出力信号がアクティブレベルであり、かつ、コンパレータ301および303の出力信号がアクティブレベルである場合、すなわち、スイッチング素子部20_1、20_3および20_4の電流の総和が短絡電流判定閾値thを越えておらず、かつ、スイッチング素子部20_2、20_3および20_4の電流の総和とスイッチング素子部20_1、20_2および20_4の電流の総和の両方が短絡電流判定閾値thを越えている場合に、スイッチング素子部20_2に短絡故障が発生したと判断し、オンディレイ演算子332を介して短絡故障信号F2を制御部1に出力する。このようにAND演算子322は、Ma個の電流検出器のうち1個の電流検出器の電流検出値(この例ではロゴスキーコイル21_2により得られた電流検出値Si2)が閾値を越えておらず、他のMa-1個の電流検出器の電流検出値(この例ではロゴスキーコイル21_1および21_3により得られた電流検出値Si1およびSi3)が閾値を越えている場合に、当該1個の電流検出器において電流検出対象となっていないスイッチング素子部(この例ではスイッチング素子部20_2)に短絡故障があったと判断する。
When the output signal of the
AND演算子323は、NOT演算子313の出力信号がアクティブレベルであり、かつ、コンパレータ301および302の出力信号がアクティブレベルである場合、すなわち、スイッチング素子部20_1、20_2および20_4の電流の総和が短絡電流判定閾値thを越えておらず、かつ、スイッチング素子部20_2、20_3および20_4の電流の総和とスイッチング素子部20_1、20_3および20_4の電流の総和の両方が短絡電流判定閾値thを越えている場合に、スイッチング素子部20_3に短絡故障が発生したと判断し、オンディレイ演算子333を介して短絡故障信号F3を制御部1に出力する。このようにAND演算子323は、Ma個の電流検出器のうち1個の電流検出器の電流検出値(この例ではロゴスキーコイル21_3により得られた電流検出値Si3)が閾値を越えておらず、他のMa-1個の電流検出器の電流検出値(この例ではロゴスキーコイル21_1および21_2により得られた電流検出値Si1およびSi2)が閾値を越えている場合に、当該1個の電流検出器において電流検出対象となっていないスイッチング素子部(この例ではスイッチング素子部20_3)に短絡故障があったと判断する。
When the output signal of the
AND演算子324は、コンパレータ301、302および303の全ての出力信号がアクティブレベルである場合、すなわち、スイッチング素子部20_2、20_3および20_4の電流の総和と、スイッチング素子部20_1、20_3および20_4の電流の総和と、スイッチング素子部20_1、20_2および20_4の電流の総和の全てが短絡電流判定閾値thを越えている場合に、スイッチング素子部20_4に短絡故障が発生したと判断し、オンディレイ演算子334を介して短絡故障信号F4を制御部1に出力する。このようにAND演算子324は、Ma個の電流検出器による電流検出値(この例ではロゴスキーコイル21_1、20_2および21_3により得られた電流検出値Si1、Si2およびSi3)の全てが閾値thを越えている場合に、M番目のスイッチング素子部(この例ではスイッチング素子部20_4)に短絡故障があったと判断する。
When all the output signals of the
図3~図6は、各々本実施形態における短絡故障検出時の動作例を示す波形図である。以下、これらの図を参照し、本実施形態の動作を説明する。 Figures 3 to 6 are waveform diagrams showing examples of operation when a short circuit fault is detected in this embodiment. Below, the operation of this embodiment will be explained with reference to these figures.
図3に示す動作例では、スイッチング素子部20_1に短絡故障が発生する。この短絡故障が発生する前の正常時において、スイッチング素子部20_2、20_3および20_4の電流の総和を示す電流検出値Si1は短絡電流判定閾値thよりも低い。また、スイッチング素子部20_1、20_3および20_4の電流の総和を示す電流検出値Si2も短絡電流判定閾値thよりも低い。また、スイッチング素子部20_1、20_2および20_4の電流の総和を示す電流検出値Si3も短絡電流判定閾値thよりも低い。 In the operation example shown in FIG. 3, a short circuit fault occurs in switching element unit 20_1. During normal operation before the short circuit fault occurs, current detection value Si1 indicating the sum of the currents of switching element units 20_2, 20_3, and 20_4 is lower than short circuit current determination threshold th. Current detection value Si2 indicating the sum of the currents of switching element units 20_1, 20_3, and 20_4 is also lower than short circuit current determination threshold th. Current detection value Si3 indicating the sum of the currents of switching element units 20_1, 20_2, and 20_4 is also lower than short circuit current determination threshold th.
スイッチング素子部20_1に短絡故障が発生すると、スイッチング素子部20_1に流れる電流が正常時よりも大きくなる。この場合、スイッチング素子部20_1、20_3および20_4の電流の総和を示す電流検出値Si2と、スイッチング素子部20_1、20_2および20_4の電流の総和を示す電流検出値Si3が短絡電流判定閾値thを越え、スイッチング素子部20_2、20_3および20_4の電流の総和を示す電流検出値Si1は短絡電流判定閾値thを越えない。このため、遮断指示信号Fxと、短絡故障箇所としてスイッチング素子部20_1を特定する短絡故障信号F1がアクティブレベルとなる。 When a short circuit fault occurs in the switching element unit 20_1, the current flowing through the switching element unit 20_1 becomes larger than normal. In this case, the current detection value Si2 indicating the sum of the currents of the switching element units 20_1, 20_3, and 20_4 and the current detection value Si3 indicating the sum of the currents of the switching element units 20_1, 20_2, and 20_4 exceed the short circuit current determination threshold th, while the current detection value Si1 indicating the sum of the currents of the switching element units 20_2, 20_3, and 20_4 does not exceed the short circuit current determination threshold th. Therefore, the cutoff instruction signal Fx and the short circuit fault signal F1 identifying the switching element unit 20_1 as the short circuit fault location become active levels.
図4に示す動作例では、スイッチング素子部20_2に短絡故障が発生する。この短絡故障が発生する前の正常時の動作は、図3の動作例と同様である。 In the operation example shown in FIG. 4, a short circuit fault occurs in the switching element unit 20_2. The normal operation before the short circuit fault occurs is the same as the operation example in FIG. 3.
スイッチング素子部20_2に短絡故障が発生すると、スイッチング素子部20_2に流れる電流が正常時よりも大きくなる。この場合、スイッチング素子部20_2、20_3および20_4の電流の総和を示す電流検出値Si1と、スイッチング素子部20_1、20_2および20_4の電流の総和を示す電流検出値Si3が短絡電流判定閾値thを越え、スイッチング素子部20_1、20_3および20_4の電流の総和を示す電流検出値Si2は短絡電流判定閾値thを越えない。このため、遮断指示信号Fxと、短絡故障箇所としてスイッチング素子部20_2を特定する短絡故障信号F2がアクティブレベルとなる。 When a short circuit fault occurs in the switching element unit 20_2, the current flowing through the switching element unit 20_2 becomes larger than normal. In this case, the current detection value Si1 indicating the sum of the currents of the switching element units 20_2, 20_3, and 20_4 and the current detection value Si3 indicating the sum of the currents of the switching element units 20_1, 20_2, and 20_4 exceed the short circuit current determination threshold th, while the current detection value Si2 indicating the sum of the currents of the switching element units 20_1, 20_3, and 20_4 does not exceed the short circuit current determination threshold th. Therefore, the cutoff instruction signal Fx and the short circuit fault signal F2 identifying the switching element unit 20_2 as the short circuit fault location become active levels.
図5に示す動作例では、スイッチング素子部20_3に短絡故障が発生する。この短絡故障が発生する前の正常時の動作は、図3の動作例と同様である。 In the operation example shown in FIG. 5, a short circuit fault occurs in the switching element unit 20_3. The normal operation before the short circuit fault occurs is the same as the operation example in FIG. 3.
スイッチング素子部20_3に短絡故障が発生すると、スイッチング素子部20_3に流れる電流が正常時よりも大きくなる。この場合、スイッチング素子部20_2、20_3および20_4の電流の総和を示す電流検出値Si1と、スイッチング素子部20_1、20_3および20_4の電流の総和を示す電流検出値Si2が短絡電流判定閾値thを越え、スイッチング素子部20_1、20_2および20_4の電流の総和を示す電流検出値Si3が短絡電流判定閾値thを越えない。このため、遮断指示信号Fxと、短絡故障箇所としてスイッチング素子部20_3を特定する短絡故障信号F3がアクティブレベルとなる。 When a short circuit fault occurs in the switching element unit 20_3, the current flowing through the switching element unit 20_3 becomes larger than normal. In this case, the current detection value Si1 indicating the sum of the currents of the switching element units 20_2, 20_3, and 20_4 and the current detection value Si2 indicating the sum of the currents of the switching element units 20_1, 20_3, and 20_4 exceed the short circuit current determination threshold th, while the current detection value Si3 indicating the sum of the currents of the switching element units 20_1, 20_2, and 20_4 does not exceed the short circuit current determination threshold th. Therefore, the cutoff instruction signal Fx and the short circuit fault signal F3 identifying the switching element unit 20_3 as the short circuit fault location become active levels.
図6に示す動作例では、スイッチング素子部20_4に短絡故障が発生する。この短絡故障が発生する前の正常時の動作は、図3の動作例と同様である。 In the operation example shown in FIG. 6, a short circuit fault occurs in the switching element unit 20_4. The normal operation before the short circuit fault occurs is the same as the operation example in FIG. 3.
スイッチング素子部20_4に短絡故障が発生すると、スイッチング素子部20_4に流れる電流が正常時よりも大きくなる。この場合、スイッチング素子部20_2、20_3および20_4の電流の総和を示す電流検出値Si1と、スイッチング素子部20_1、20_3および20_4の電流の総和を示す電流検出値Si2と、スイッチング素子部20_1、20_2および20_4の電流の総和を示す電流検出値Si3の全てが短絡電流判定閾値thを越える。このため、遮断指示信号Fxと、短絡故障箇所としてスイッチング素子部20_4を特定する短絡故障信号F4がアクティブレベルとなる。 When a short circuit fault occurs in the switching element unit 20_4, the current flowing through the switching element unit 20_4 becomes larger than normal. In this case, the current detection value Si1 indicating the sum of the currents of the switching element units 20_2, 20_3, and 20_4, the current detection value Si2 indicating the sum of the currents of the switching element units 20_1, 20_3, and 20_4, and the current detection value Si3 indicating the sum of the currents of the switching element units 20_1, 20_2, and 20_4 all exceed the short circuit current determination threshold th. As a result, the cutoff instruction signal Fx and the short circuit fault signal F4 identifying the switching element unit 20_4 as the short circuit fault location become active levels.
以上のように、本実施形態によれば、スイッチング素子部20_1、20_2、20_3および20_4の並列数4よりも1個少ない3個のロゴスキーコイル21_1、21_2および21_3により各スイッチング素子部の短絡故障を検出してスイッチング素子部20_1、20_2、20_3および20_4の駆動を停止させ、かつ、短絡故障箇所であるスイッチング素子部を特定することができる。従って、複数のスイッチング素子部を並列接続した場合に短絡保護のために発生する電力変換装置100のコストの増加・装置の大型化を低減することができる。また、本実施形態において、3個のロゴスキーコイル21_1、21_2および21_3は、いずれも3個のスイッチング素子部の電流の総和を検出する。従って、各ロゴスキーコイルの電流検出精度を同じにすることができ、各スイッチング素子部の短絡故障を正確に判断することができる。
As described above, according to this embodiment, the three Rogowski coils 21_1, 21_2, and 21_3, which is one less than the number of parallel switching element units 20_1, 20_2, 20_3, and 20_4 (four), can detect short-circuit failures in each switching element unit, stop driving the switching element units 20_1, 20_2, 20_3, and 20_4, and identify the switching element unit that is the short-circuit failure location. Therefore, it is possible to reduce the increase in cost and size of the
次に本実施形態に好適なロゴスキーコイルの例を説明する。図7は基板400に実装されたロゴスキーコイル21_1、21_2および21_3を例示する斜視図である。この例では、ロゴスキーコイル21_1、21_2および21_3が重なり部分OVにおいて重なった状態で基板400に実装されている。
Next, an example of a Rogowski coil suitable for this embodiment will be described. FIG. 7 is a perspective view illustrating Rogowski coils 21_1, 21_2, and 21_3 mounted on a
この基板400において、ロゴスキーコイル21_2および20_3により囲まれており、かつ、ロゴスキーコイル21_1により囲まれていない領域に、スイッチング素子部20_1の電流路20_1aが挿通される。また、基板400において、ロゴスキーコイル21_1および21_3により囲まれており、かつ、ロゴスキーコイル21_2により囲まれていない領域に、スイッチング素子部20_2の電流路20_2aが挿通される。また、基板400において、ロゴスキーコイル21_1および21_2により囲まれており、かつ、ロゴスキーコイル21_3により囲まれていない領域に、スイッチング素子部20_3の電流路20_3aが挿通される。また、基板400において、ロゴスキーコイル21_1、21_2および21_3の全てに囲まれている領域に、スイッチング素子部20_4の電流路20_4aが挿通される。この場合、3個のロゴスキーコイル21_1、21_2および21_3が基板400の深さ方向に重なり合う重なり部分OVが、図7において、電流路20_2a、20_3aおよび20_4aの下側、電流路20_4aの右側、電流路20_4aの上側に生じる。
In this
ロゴスキーコイル21_1は、電流路20_2a、20_3aおよび20_4aを囲っており、これらの電流路に流れるスイッチング素子部20_2、20_3および20_4の電流の総和を検出する。また、ロゴスキーコイル21_2は、電流路20_1a、20_3aおよび20_4aを囲っており、これらの電流路に流れるスイッチング素子部20_1、20_3および20_4の電流の総和を検出する。また、ロゴスキーコイル21_3は、電流路20_1a、20_2aおよび20_4aを囲っており、これらの電流路に流れるスイッチング素子部20_1、20_2および20_4の電流の総和を検出する。 The Rogowski coil 21_1 surrounds the current paths 20_2a, 20_3a, and 20_4a, and detects the sum of the currents of the switching element units 20_2, 20_3, and 20_4 that flow through these current paths. The Rogowski coil 21_2 surrounds the current paths 20_1a, 20_3a, and 20_4a, and detects the sum of the currents of the switching element units 20_1, 20_3, and 20_4 that flow through these current paths. The Rogowski coil 21_3 surrounds the current paths 20_1a, 20_2a, and 20_4a, and detects the sum of the currents of the switching element units 20_1, 20_2, and 20_4 that flow through these current paths.
図8はロゴスキーコイル21_1を例示する平面図である。図8に示すように、ロゴスキーコイル21_1は、螺旋状に延びたコイル21_1_Cと、このコイル21_1_Cのコイル内をコイル21_1_Cの終了点から開始点に戻る戻り線21_1_Rとを有する。図示は省略したが、ロゴスキーコイル21_2および21_3もロゴスキーコイル21_1と同じ構成である。 Figure 8 is a plan view illustrating Rogowski coil 21_1. As shown in Figure 8, Rogowski coil 21_1 has coil 21_1_C extending in a spiral shape and return line 21_1_R that runs through coil 21_1_C from the end point of coil 21_1_C back to the start point. Although not shown in the figure, Rogowski coils 21_2 and 21_3 have the same configuration as Rogowski coil 21_1.
図9は図7の重なり部分OVにおけるロゴスキーコイル21_1、21_2および21_3の実装例を示す斜視図である。図9では多層プリント基板400aにロゴスキーコイル21_1、21_2および21_3が実装されている。
Figure 9 is a perspective view showing an example of mounting Rogowski coils 21_1, 21_2, and 21_3 in the overlapping portion OV of Figure 7. In Figure 9, Rogowski coils 21_1, 21_2, and 21_3 are mounted on a multilayer printed
多層プリント基板400aの第1層L1には、ロゴスキーコイル21_3のコイル21_3_Cの下側水平部分が形成されている。第1層L1の上層の第2層L2には、ロゴスキーコイル21_3の戻り線21_3_Rが形成されている。第2層L2の上層の第3層L3には、ロゴスキーコイル21_3のコイル21_3_Cの上側水平部分が形成されている。そして、第3層L3と第1層L1とを繋ぐスルーホールTH3-1を利用してコイル21_3_Cの上側水平部分と下側水平部分とを繋ぐ垂直部分が形成されている。
The lower horizontal portion of coil 21_3_C of Rogowski coil 21_3 is formed on the first layer L1 of multilayer printed
第3層L3の上層の第4層L4には、ロゴスキーコイル21_2のコイル21_2_Cの下側水平部分が形成されている。第4層L4の上層の第5層L5には、ロゴスキーコイル21_2の戻り線21_2_Rが形成されている。第5層L5の上層の第6層L6には、ロゴスキーコイル21_2のコイル21_2_Cの上側水平部分が形成されている。そして、第6層L6と第4層L4とを繋ぐスルーホールTH6-4を利用してコイル21_2_Cの上側水平部分と下側水平部分とを繋ぐ垂直部分が形成されている。 The lower horizontal portion of coil 21_2_C of Rogowski coil 21_2 is formed on the fourth layer L4 above the third layer L3. The return wire 21_2_R of Rogowski coil 21_2 is formed on the fifth layer L5 above the fourth layer L4. The upper horizontal portion of coil 21_2_C of Rogowski coil 21_2 is formed on the sixth layer L6 above the fifth layer L5. Then, a vertical portion is formed connecting the upper and lower horizontal portions of coil 21_2_C using through hole TH6-4 that connects the sixth layer L6 and the fourth layer L4.
第6層L6の上層の第7層L7には、ロゴスキーコイル21_1のコイル21_1_Cの下側水平部分が形成されている。第7層L7の上層の第8層L8には、ロゴスキーコイル21_1の戻り線21_1_Rが形成されている。第8層L8の上層の第9層L9には、ロゴスキーコイル21_1のコイル21_1_Cの上側水平部分が形成されている。そして、第9層L9と第7層L7とを繋ぐスルーホールTH9-7を利用してコイル21_1_Cの上側水平部分と下側水平部分とを繋ぐ垂直部分が形成されている。 The lower horizontal portion of coil 21_1_C of Rogowski coil 21_1 is formed on the seventh layer L7, which is the layer above the sixth layer L6. The return wire 21_1_R of Rogowski coil 21_1 is formed on the eighth layer L8, which is the layer above the seventh layer L7. The upper horizontal portion of coil 21_1_C of Rogowski coil 21_1 is formed on the ninth layer L9, which is the layer above the eighth layer L8. Then, a vertical portion is formed that connects the upper and lower horizontal portions of coil 21_1_C, using through hole TH9-7 that connects the ninth layer L9 and the seventh layer L7.
図10は図9に示すロゴスキーコイル21_1、21_2および21_3を抽象化して示した図である。図9に示す多層プリント基板400aの各層では、第9層L9が最表層側の層であり、第1層L1が最裏層側の層である。従って、図10に示すロゴスキーコイル21_1、21_2および21_3では、ロゴスキーコイル21_1が最表層側のロゴスキーコイル、ロゴスキーコイル21_3が最裏層側のロゴスキーコイル、ロゴスキーコイル21_2が最表層と最裏層の間の中間層のロゴスキーコイルである。
Figure 10 is an abstract view of the Rogowski coils 21_1, 21_2, and 21_3 shown in Figure 9. In each layer of the multilayer printed
この実装例では、ロゴスキーコイル21_1、21_2および21_3は、深さ方向(図10における上下方向)のサイズが同じである。また、ロゴスキーコイル21_1の中心軸M1およびロゴスキーコイル21_2の中心軸M2間の距離dと、ロゴスキーコイル21_2の中心軸M2およびロゴスキーコイル21_3の中心軸M3間の距離dは同じである。 In this implementation example, the Rogowski coils 21_1, 21_2, and 21_3 have the same size in the depth direction (the vertical direction in FIG. 10). In addition, the distance d between the central axis M1 of the Rogowski coil 21_1 and the central axis M2 of the Rogowski coil 21_2 is the same as the distance d between the central axis M2 of the Rogowski coil 21_2 and the central axis M3 of the Rogowski coil 21_3.
そして、この実装例では、最表層側のロゴスキーコイル21_1の戻り線21_1_Rを当該ロゴスキーコイル21_1の中心軸M1よりも最表層側に位置させ、最裏層側のロゴスキーコイル21_3の戻り線21_3_Rを当該ロゴスキーコイル21_3の中心軸M3よりも最裏層側に位置させることにより、隣り合ったロゴスキーコイルの戻り線間の距離が当該ロゴスキーコイルの中心軸間の距離より長い領域を重なり部分OVに形成している。具体的には、この実装例では、中間層のロゴスキーコイル21_2の戻り線21_2_Rを当該ロゴスキーコイル21_2の中心軸M2に位置させ、隣り合ったロゴスキーコイルの戻り線21_1_Rおよび21_2_R間の距離と、隣り合ったロゴスキーコイルの戻り線21_2_Rおよび21_3_R間の距離を、隣り合ったロゴスキーコイルの中心軸間の距離dより長くしている。 In this implementation example, the return wire 21_1_R of the Rogowski coil 21_1 on the top layer side is positioned closer to the top layer than the central axis M1 of the Rogowski coil 21_1, and the return wire 21_3_R of the Rogowski coil 21_3 on the bottom layer side is positioned closer to the bottom layer than the central axis M3 of the Rogowski coil 21_3, forming an area in the overlapping portion OV where the distance between the return wires of adjacent Rogowski coils is longer than the distance between the central axes of the Rogowski coils. Specifically, in this implementation example, the return wire 21_2_R of the Rogowski coil 21_2 on the middle layer is positioned on the central axis M2 of the Rogowski coil 21_2, and the distance between the return wires 21_1_R and 21_2_R of adjacent Rogowski coils and the distance between the return wires 21_2_R and 21_3_R of adjacent Rogowski coils are longer than the distance d between the central axes of adjacent Rogowski coils.
この実装例では、重なり部分OVの全長に亙って、ロゴスキーコイル21_1の戻り線21_1_Rと、ロゴスキーコイル21_2の戻り線21_2_Rと、ロゴスキーコイル21_3の戻り線21_3_Rとが平行に延びる。従って、戻り線21_1_Rおよび21_2_Rが接近し、戻り線21_2_Rおよび21_3_Rが接近していると、これらのうちの1本の戻り線に電流が流れることによりその戻り線廻りに磁界が発生した場合に、この磁界と相殺する磁界を発生する電流が隣り合った他の戻り線に誘発され、電流計測の妨げとなる可能性がある。しかしながら、この実装例において戻り線21_1_Rおよび21_2_Rは互いに遠く離れ、戻り線21_2_Rおよび21_3_Rも互いに遠く離れており、各戻り線は隣り合った他の戻り線に流れる電流の影響を受け難い。このため、ロゴスキーコイル21_1、21_2および21_3による高精度な電流計測が可能である。 In this implementation example, the return wire 21_1_R of the Rogowski coil 21_1, the return wire 21_2_R of the Rogowski coil 21_2, and the return wire 21_3_R of the Rogowski coil 21_3 run in parallel over the entire length of the overlapping portion OV. Therefore, if the return wires 21_1_R and 21_2_R are close to each other and the return wires 21_2_R and 21_3_R are close to each other, when a magnetic field is generated around one of these return wires due to a current flowing through that return wire, a current that generates a magnetic field that cancels out this magnetic field may be induced in the other adjacent return wires, which may interfere with current measurement. However, in this implementation example, the return wires 21_1_R and 21_2_R are far away from each other, and the return wires 21_2_R and 21_3_R are also far away from each other, so that each return wire is less susceptible to the current flowing through the other adjacent return wires. This allows highly accurate current measurement using Rogowski coils 21_1, 21_2, and 21_3.
以上説明した実施形態では、並列接続されたスイッチング素子部の個数Mが4であり、ロゴスキーコイルの個数Ma=M-1が3であった。以下説明する実施形態では、並列接続されたスイッチング素子部の個数Mが5であり、ロゴスキーコイルの個数Ma=M-1が4である。図11は本実施形態において多層プリント基板400Aに実装されたロゴスキーコイル21_1、21_2、21_3および21_4を例示する平面図である。 In the embodiment described above, the number M of switching element parts connected in parallel is 4, and the number Ma = M-1 of Rogowski coils is 3. In the embodiment described below, the number M of switching element parts connected in parallel is 5, and the number Ma = M-1 of Rogowski coils is 4. Figure 11 is a plan view illustrating Rogowski coils 21_1, 21_2, 21_3, and 21_4 mounted on multilayer printed circuit board 400A in this embodiment.
多層プリント基板400Aにおいて、ロゴスキーコイル21_2、21_3および20_4により囲まれており、かつ、ロゴスキーコイル21_1により囲まれていない領域に、第1のスイッチング素子部の電流路20_1aが挿通される。また、多層プリント基板400Aにおいて、ロゴスキーコイル21_1、21_3および21_4により囲まれており、かつ、ロゴスキーコイル21_2により囲まれていない領域に、第2のスイッチング素子部の電流路20_2aが挿通される。また、多層プリント基板400Aにおいて、ロゴスキーコイル21_1、21_2および21_4により囲まれており、かつ、ロゴスキーコイル21_3により囲まれていない領域に、第3のスイッチング素子部の電流路20_3aが挿通される。また、多層プリント基板400Aにおいて、ロゴスキーコイル21_1、21_2および21_3により囲まれており、かつ、ロゴスキーコイル21_4により囲まれていない領域に、第4のスイッチング素子部の電流路20_4aが挿通される。また、多層プリント基板400Aにおいて、ロゴスキーコイル21_1、21_2、21_3および21_4の全てに囲まれている領域に、第5のスイッチング素子部の電流路20_5aが挿通される。この場合、4個のロゴスキーコイル21_1、21_2、21_3および21_4が多層プリント基板400Aの深さ方向に並んだ重なり部分OVが、図11において、電流路20_2a、20_3a、20_4aおよび20_5の上側、電流路20_5aの右側、電流路20_5aの下側に生じる。 In the multilayer printed circuit board 400A, the current path 20_1a of the first switching element unit is inserted into the area surrounded by the Rogowski coils 21_2, 21_3, and 20_4, but not surrounded by the Rogowski coil 21_1. In the multilayer printed circuit board 400A, the current path 20_2a of the second switching element unit is inserted into the area surrounded by the Rogowski coils 21_1, 21_3, and 21_4, but not surrounded by the Rogowski coil 21_2. In the multilayer printed circuit board 400A, the current path 20_3a of the third switching element unit is inserted into the area surrounded by the Rogowski coils 21_1, 21_2, and 21_4, but not surrounded by the Rogowski coil 21_3. In addition, in the multilayer printed circuit board 400A, the current path 20_4a of the fourth switching element unit is inserted into the area surrounded by the Rogowski coils 21_1, 21_2, and 21_3, but not surrounded by the Rogowski coil 21_4. In addition, in the multilayer printed circuit board 400A, the current path 20_5a of the fifth switching element unit is inserted into the area surrounded by all of the Rogowski coils 21_1, 21_2, 21_3, and 21_4. In this case, an overlapping portion OV where the four Rogowski coils 21_1, 21_2, 21_3, and 21_4 are arranged in the depth direction of the multilayer printed circuit board 400A is generated above the current paths 20_2a, 20_3a, 20_4a, and 20_5, to the right of the current path 20_5a, and below the current path 20_5a in FIG. 11.
ロゴスキーコイル21_1は、電流路20_2a、20_3a、20_4aおよび20_5aを囲っており、これらの電流路に流れる電流の総和を検出する。また、ロゴスキーコイル21_2は、電流路20_1a、20_3a、20_4aおよび20_5aを囲っており、これらの電流路に流れる電流の総和を検出する。また、ロゴスキーコイル21_3は、電流路20_1a、20_2a、20_4aおよび20_5aを囲っており、これらの電流路に流れる電流の総和を検出する。また、ロゴスキーコイル21_4は、電流路20_1a、20_2a、20_3aおよび20_5aを囲っており、これらの電流路に流れる電流の総和を検出する。 The Rogowski coil 21_1 surrounds the current paths 20_2a, 20_3a, 20_4a, and 20_5a, and detects the sum of the currents flowing through these current paths. The Rogowski coil 21_2 surrounds the current paths 20_1a, 20_3a, 20_4a, and 20_5a, and detects the sum of the currents flowing through these current paths. The Rogowski coil 21_3 surrounds the current paths 20_1a, 20_2a, 20_4a, and 20_5a, and detects the sum of the currents flowing through these current paths. The Rogowski coil 21_4 surrounds the current paths 20_1a, 20_2a, 20_3a, and 20_5a, and detects the sum of the currents flowing through these current paths.
本実施形態において、ロゴスキーコイル21_1、21_2、21_3および21_4の実装の態様として2つの態様が考えられる。図12は第1の態様において多層プリント基板400Aの深さ方向に並んだロゴスキーコイル21_1、21_2、21_3および21_4を抽象化して示した図である。 In this embodiment, two implementation modes of the Rogowski coils 21_1, 21_2, 21_3, and 21_4 are considered. Figure 12 is an abstract diagram showing the Rogowski coils 21_1, 21_2, 21_3, and 21_4 arranged in the depth direction of the multilayer printed circuit board 400A in the first implementation mode.
図12に示すロゴスキーコイル21_1、21_2、21_3および21_4では、ロゴスキーコイル21_1が最表層側のロゴスキーコイル、ロゴスキーコイル21_4が最裏層側のロゴスキーコイル、ロゴスキーコイル21_2および21_3が最表層と最裏層の間の中間層のロゴスキーコイルである。 In the Rogowski coils 21_1, 21_2, 21_3, and 21_4 shown in FIG. 12, the Rogowski coil 21_1 is the Rogowski coil on the top layer side, the Rogowski coil 21_4 is the Rogowski coil on the bottom layer side, and the Rogowski coils 21_2 and 21_3 are the Rogowski coils in the intermediate layers between the top layer and the bottom layer.
この態様でも、ロゴスキーコイル21_1、21_2、21_3および21_4は、深さ方向(図12における上下方向)のサイズが同じである。また、ロゴスキーコイル21_1の中心軸M1およびロゴスキーコイル21_2の中心軸M2間の距離dと、ロゴスキーコイル21_2の中心軸M2およびロゴスキーコイル21_3の中心軸M3間の距離dと、ロゴスキーコイル21_3の中心軸M3およびロゴスキーコイル21_4の中心軸M4間の距離dは同じである。 Even in this embodiment, the Rogowski coils 21_1, 21_2, 21_3, and 21_4 have the same size in the depth direction (the vertical direction in FIG. 12). In addition, the distance d between the central axis M1 of the Rogowski coil 21_1 and the central axis M2 of the Rogowski coil 21_2, the distance d between the central axis M2 of the Rogowski coil 21_2 and the central axis M3 of the Rogowski coil 21_3, and the distance d between the central axis M3 of the Rogowski coil 21_3 and the central axis M4 of the Rogowski coil 21_4 are the same.
そして、第1の態様でも、最表層側のロゴスキーコイル21_1の戻り線21_1_Rを当該ロゴスキーコイル21_1の中心軸M1よりも最表層側に位置させ、最裏層側のロゴスキーコイル21_4の戻り線21_4_Rを当該ロゴスキーコイル21_4の中心軸M4よりも最裏層側に位置させることにより、隣り合ったロゴスキーコイルの戻り線間の距離が、隣り合ったロゴスキーコイルの中心軸間の距離dより長い領域を重なり部分OVに形成している。具体的には、この態様では、中間層のロゴスキーコイル21_2の戻り線21_2_Rを当該ロゴスキーコイル21_2の中心軸M2に位置させ、かつ、中間層のロゴスキーコイル21_3の戻り線21_3_Rを当該ロゴスキーコイル21_3の中心軸M3に位置させて、隣り合ったロゴスキーコイルの戻り線21_1_Rおよび21_2_R間の距離と、隣り合ったロゴスキーコイルの戻り線21_3_Rおよび21_4_R間の距離を、隣り合ったロゴスキーコイルの中心軸間の距離dより長くしている。従って、この態様によれば、戻り線21_1_Rおよび21_2_R間と、戻り線21_3_Rおよび21_4_R間において、一方の戻り線に流れる電流が他方の戻り線に与える影響を少なくし、電流計測の精度を高めることができる。 Also in the first aspect, the return wire 21_1_R of the Rogowski coil 21_1 on the top layer side is positioned closer to the top layer than the central axis M1 of the Rogowski coil 21_1, and the return wire 21_4_R of the Rogowski coil 21_4 on the bottom layer side is positioned closer to the bottom layer than the central axis M4 of the Rogowski coil 21_4, thereby forming an area in the overlapping portion OV where the distance between the return wires of adjacent Rogowski coils is longer than the distance d between the central axes of adjacent Rogowski coils. Specifically, in this embodiment, the return wire 21_2_R of the Rogowski coil 21_2 in the middle layer is positioned on the central axis M2 of the Rogowski coil 21_2, and the return wire 21_3_R of the Rogowski coil 21_3 in the middle layer is positioned on the central axis M3 of the Rogowski coil 21_3, so that the distance between the return wires 21_1_R and 21_2_R of adjacent Rogowski coils and the distance between the return wires 21_3_R and 21_4_R of adjacent Rogowski coils are longer than the distance d between the central axes of the adjacent Rogowski coils. Therefore, according to this embodiment, the influence of the current flowing through one return wire on the other return wire between the return wires 21_1_R and 21_2_R and between the return wires 21_3_R and 21_4_R is reduced, and the accuracy of current measurement can be improved.
図13は第2の態様において多層プリント基板400Aの深さ方向に並んだロゴスキーコイル21_1、21_2、21_3および21_4を抽象化して示した図である。 Figure 13 is an abstract diagram of Rogowski coils 21_1, 21_2, 21_3, and 21_4 arranged in the depth direction of multilayer printed circuit board 400A in the second embodiment.
図13においても、ロゴスキーコイル21_1が最表層側のロゴスキーコイル、ロゴスキーコイル21_4が最裏層側のロゴスキーコイル、ロゴスキーコイル21_2および21_3が最表層と最裏層の間の中間層のロゴスキーコイルである。また、各ロゴスキーコイルは、深さ方向のサイズが同じであり、ロゴスキーコイル21_1の中心軸M1およびロゴスキーコイル21_2の中心軸M2間の距離dと、ロゴスキーコイル21_2の中心軸M2およびロゴスキーコイル21_3の中心軸M3間の距離dと、ロゴスキーコイル21_3の中心軸M3およびロゴスキーコイル21_4の中心軸M4間の距離dは同じである。 In FIG. 13, Rogowski coil 21_1 is the Rogowski coil on the top layer side, Rogowski coil 21_4 is the Rogowski coil on the bottom layer side, and Rogowski coils 21_2 and 21_3 are Rogowski coils in the intermediate layers between the top layer and the bottom layer. Furthermore, each Rogowski coil has the same size in the depth direction, and the distance d between the central axis M1 of Rogowski coil 21_1 and the central axis M2 of Rogowski coil 21_2, the distance d between the central axis M2 of Rogowski coil 21_2 and the central axis M3 of Rogowski coil 21_3, and the distance d between the central axis M3 of Rogowski coil 21_3 and the central axis M4 of Rogowski coil 21_4 are the same.
この第2の態様でも、最表層側のロゴスキーコイル21_1の戻り線21_1_Rを当該ロゴスキーコイル21_1の中心軸M1よりも最表層側に位置させ、最裏層側のロゴスキーコイル21_4の戻り線21_4_Rを当該ロゴスキーコイル21_4の中心軸M4よりも最裏層側に位置させる。また、第2の態様では、最裏層側のロゴスキーコイル21_4の戻り線21_4_Rと最裏層側のロゴスキーコイル21_4の戻り線21_4_Rとの間の区間DをMa-1等分、すなわち、3等分する2つの位置に、中間層のロゴスキーコイル21_2の戻り線21_2_Rおよび中間層のロゴスキーコイル21_3の戻り線21_3_Rを各々位置させる。この態様によれば、隣り合った戻り線21_1_Rおよび21_2_R間の距離と、隣り合った戻り線21_2_Rおよび21_3_R間の距離と、隣り合った戻り線21_3_Rおよび21_4_R間の距離の全てを最大限に延ばし、隣り合った中心軸間の距離dより長くすることができる。従って、この態様によれば、戻り線21_1_Rおよび21_2_R間と、戻り線21_2_Rおよび21_3_R間と、戻り線21_3_Rおよび21_4_R間において、一方の戻り線に流れる電流が他方の戻り線に与える影響を少なくし、電流計測の精度を高めることができる。よって、4個のロゴスキーコイルによる電流計測の精度を高めることができる。 In this second embodiment, the return wire 21_1_R of the Rogowski coil 21_1 on the top layer side is positioned closer to the top layer than the central axis M1 of the Rogowski coil 21_1, and the return wire 21_4_R of the Rogowski coil 21_4 on the bottom layer side is positioned closer to the bottom layer than the central axis M4 of the Rogowski coil 21_4. In the second embodiment, the return wire 21_2_R of the Rogowski coil 21_2 in the middle layer and the return wire 21_3_R of the Rogowski coil 21_3 in the middle layer are positioned at two positions that divide the section D between the return wire 21_4_R of the Rogowski coil 21_4 on the bottom layer side and the return wire 21_4_R of the Rogowski coil 21_4 on the bottom layer side into two equal parts Ma-1, i.e., three. According to this embodiment, the distance between adjacent return lines 21_1_R and 21_2_R, the distance between adjacent return lines 21_2_R and 21_3_R, and the distance between adjacent return lines 21_3_R and 21_4_R can all be maximized and made longer than the distance d between adjacent central axes. Therefore, according to this embodiment, between the return lines 21_1_R and 21_2_R, between the return lines 21_2_R and 21_3_R, and between the return lines 21_3_R and 21_4_R, the influence of the current flowing through one return line on the other return line can be reduced, and the accuracy of current measurement can be improved. Therefore, the accuracy of current measurement using four Rogowski coils can be improved.
<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)上記実施形態では、並列接続されたパワースイッチング素子のソース側の電流路にロゴスキーコイルを設けたが、パワースイッチング素子のドレイン側の電流路にロゴスキーコイルを設けてもよい。 (1) In the above embodiment, a Rogowski coil is provided in the current path on the source side of the power switching elements connected in parallel, but a Rogowski coil may also be provided in the current path on the drain side of the power switching elements.
(2)上記実施形態では、ロゴスキーコイルから得られる検出信号を積分して電流検出値を求め、この電流検出値を閾値thと比較することにより短絡故障に関する判断を行った。しかし、そのようにする代わりに、ロゴスキーコイルから得られる検出信号を閾値と比較することにより短絡故障に関する判断を行ってもよい。 (2) In the above embodiment, the detection signal obtained from the Rogowski coil is integrated to obtain a current detection value, and the current detection value is compared with a threshold value th to determine whether a short circuit fault has occurred. However, instead of doing so, the detection signal obtained from the Rogowski coil may be compared with a threshold value to determine whether a short circuit fault has occurred.
(3)この発明は、DC/DCコンバータ等、インバータ以外の電力変換装置に適用してもよい。 (3) This invention may be applied to power conversion devices other than inverters, such as DC/DC converters.
(4)上記実施形態では、パワースインチング素子の例としてMOSFETを挙げたが、パワー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)等の他のパワースイッチング素子であってもよい。 (4) In the above embodiment, a MOSFET is given as an example of a power switching element, but the power switching element is not limited to this and may be another power switching element such as an IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor).
100……電力変換装置、200……上位装置、2a,2b……駆動部、1……制御部、20_1,20_2,20_3,20_4……スイッチング素子部、27……パワースイッチング素子、28……ダイオード、24……駆動制御部、50……短絡保護装置、21_1,21_2,21_3,21_4……ロゴスキーコイル、21_1_C,21_2_C,21_3_C……コイル、21_1_R,21_2_R,21_3_R,21_4_R……戻り線、22_1,22_2,22_3……積分器、23……短絡判断部、301,302,303……コンパレータ、340……OR演算子、311,312,313,314……NOT演算子、321,322,323,324……AND演算子、331,332,333,334……オンディレイ演算子、400……基板、400a……多層プリント基板、M1,M2,M3,M4……中心軸。 100...power conversion device, 200...upper device, 2a, 2b...drive unit, 1...control unit, 20_1, 20_2, 20_3, 20_4...switching element unit, 27...power switching element, 28...diode, 24...drive control unit, 50...short circuit protection device, 21_1, 21_2, 21_3, 21_4...Rogowski coil, 21_1_C, 21_2_C, 21_3_C...coil, 21_1_R, 21_2_R, 21_ 3_R, 21_4_R...return line, 22_1, 22_2, 22_3...integrator, 23...short circuit determination section, 301, 302, 303...comparator, 340...OR operator, 311, 312, 313, 314...NOT operator, 321, 322, 323, 324...AND operator, 331, 332, 333, 334...on-delay operator, 400...substrate, 400a...multilayer printed circuit board, M1, M2, M3, M4...center axis.
Claims (4)
前記複数のスイッチング素子部の個数Mよりも1だけ少ないMa=M-1個の電流検出器であって、前記複数のスイッチング素子部における2以上のスイッチング素子部の電流路を各々囲むMa個のロゴスキーコイルを各々含むMa個の電流検出器と、
前記Ma個の電流検出器から得られる検出信号に基づき、前記複数のスイッチング素子部に短絡故障があったと判断し、前記複数のスイッチング素子部のオンオフ駆動を停止させる遮断指示信号を出力する短絡判断部とを有し、
前記Ma個の電流検出器におけるN番目(Nは1~Maまでの整数)の電流検出器は、1番目からM番目までのスイッチング素子部のうちN番目のスイッチング素子部以外の全てのスイッチング素子部に流れる電流の総和を検出し、
前記短絡判断部は、前記Ma個の電流検出器による電流検出値の全てが閾値を越えている場合に、前記M番目のスイッチング素子部に短絡故障があったと判断し、前記Ma個の電流検出器のうち1個の電流検出器の電流検出値が閾値を越えておらず、他のMa-1個の電流検出器の電流検出値が閾値を越えている場合に、当該1個の電流検出器において電流検出対象となっていないスイッチング素子部に短絡故障があったと判断するものであり、
前記Maは3以上であり、
前記Ma個のロゴスキーコイルは多層プリント基板に実装され、
前記多層プリント基板には、前記Ma個のロゴスキーコイルが深さ方向に並んだ重なり部分があり、
前記多層プリント基板の最表層側のロゴスキーコイルの戻り線を、当該ロゴスキーコイルの中心軸より前記最表層側に位置させ、前記多層プリント基板の最裏層側のロゴスキーコイルの戻り線を、当該ロゴスキーコイルの中心軸より前記最裏層側に位置させることにより、前記深さ方向に隣り合ったロゴスキーコイルの戻り線間の距離が当該隣り合ったロゴスキーコイル間の中心軸間の距離より長い領域を前記重なり部分に形成したことを特徴とする短絡保護装置。 2. A short-circuit protection device for a power conversion device that supplies power to a load via a plurality of switching element units connected in parallel,
a number Ma=M-1 current detectors, the number Ma being one less than the number M of the plurality of switching element units, each of the Ma current detectors including a number Ma Rogowski coils surrounding current paths of two or more switching element units in the plurality of switching element units;
a short circuit determination unit that determines that a short circuit has occurred in the plurality of switching element units based on detection signals obtained from the Ma current detectors, and outputs a cutoff instruction signal to stop on/off driving of the plurality of switching element units,
an N-th current detector (N is an integer from 1 to Ma) among the Ma current detectors detects a sum of currents flowing through all switching element units other than the N-th switching element unit among the 1st to Mth switching element units;
the short circuit determination unit determines that a short circuit has occurred in the Mth switching element unit when all of the current detection values by the Ma current detectors exceed a threshold value, and determines that a short circuit has occurred in a switching element unit that is not the subject of current detection in the one current detector when the current detection value of one of the Ma current detectors does not exceed the threshold value and the current detection values of the other Ma-1 current detectors exceed the threshold value;
The Ma is 3 or more,
The Ma Rogowski coils are mounted on a multi-layer printed circuit board,
The multilayer printed circuit board has an overlapping portion in which the Ma Rogowski coils are aligned in a depth direction,
A short circuit protection device characterized in that the return wire of the Rogowski coil on the top layer side of the multilayer printed circuit board is positioned closer to the top layer than the central axis of the Rogowski coil, and the return wire of the Rogowski coil on the bottom layer side of the multilayer printed circuit board is positioned closer to the bottom layer than the central axis of the Rogowski coil, thereby forming an area in the overlapping portion in which the distance between the return wires of adjacent Rogowski coils in the depth direction is longer than the distance between the central axes of the adjacent Rogowski coils.
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