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JP7782159B2 - Short-circuit fault detection device and power conversion device - Google Patents
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JP7782159B2 - Short-circuit fault detection device and power conversion device - Google Patents

Short-circuit fault detection device and power conversion device

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JP7782159B2
JP7782159B2 JP2021127745A JP2021127745A JP7782159B2 JP 7782159 B2 JP7782159 B2 JP 7782159B2 JP 2021127745 A JP2021127745 A JP 2021127745A JP 2021127745 A JP2021127745 A JP 2021127745A JP 7782159 B2 JP7782159 B2 JP 7782159B2
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Description

本発明は、短絡故障検出装置および同装置を備えた電力変換装置に関する。 The present invention relates to a short-circuit fault detection device and a power conversion device equipped with the same.

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 power conversion devices that drive loads such as motors, excessive currents can flow through the semiconductor switching elements that make up the power conversion device. If such excessive currents flow for a long period of time, the semiconductor switching elements may be destroyed. Therefore, power conversion devices are equipped with short-circuit fault detection devices that detect excessive currents flowing through the semiconductor switching elements and shut down 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。 This type of short-circuit fault detection device uses shunt resistors, current transformers (CTs), or Rogowski coils to detect the current flowing through the semiconductor switching elements. Among these, Rogowski coils have the advantage of being coreless, allowing for the short-circuit fault detection device to be made smaller, and also being able to measure large currents.

特許文献1に開示の技術では、半導体スイッチング素子を各々含む複数のアームを備え、複数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、複数のアームの各々に対し、ロゴスキーコイルと、ロゴスキーコイルの出力電圧に基づく短絡判定回路を設け、電力変換装置の短絡故障を検出している。 The technology disclosed in Patent Document 1 is a power conversion device that has multiple arms, each containing a semiconductor switching element, and supplies power to a load via the multiple arms. Each of the multiple arms is provided with a Rogowski coil and a short-circuit detection circuit based on the output voltage of the Rogowski coil, and short-circuit faults in the power conversion device are detected.

特開2019-216540号公報Japanese Patent Application Laid-Open No. 2019-216540

上述した特許文献1に開示された技術は、複数のアームの各々に対し、ロゴスキーコイルと短絡判定回路を設けるので、コストが増加し、電力変換装置全体の大型化を招く問題がある。また、SiC等の高速の半導体スイッチング素子を備えた電力変換装置では、負荷短絡時の短絡電流の時間勾配di/dtがμs程度であるのに対し、アーム短絡時の短絡電流の時間勾配di/dtがns程度になるため、負荷短絡およびアーム短絡のそれぞれの検知に最適なロゴスキーコイルの巻き数が大きく異なる。このため、負荷短絡およびアーム短絡のそれぞれの検知を両立させた設計が必要になり、ロゴスキーコイルの大型化と、短絡判定回路の大型化および複雑化を招く問題がある。 The technology disclosed in the aforementioned Patent Document 1 requires a Rogowski coil and short-circuit detection circuit for each of the multiple arms, which increases costs and leads to the problem of the overall size of the power conversion device. Furthermore, in power conversion devices equipped with high-speed semiconductor switching elements such as SiC, the time gradient di/dt of the short-circuit current during a load short circuit is on the order of μs, while the time gradient di/dt of the short-circuit current during an arm short circuit is on the order of ns. This means that the number of turns of the Rogowski coil optimal for detecting load short circuits and arm short circuits differs significantly. This requires a design that can detect both load short circuits and arm short circuits, which leads to problems such as larger Rogowski coils and larger, more complex short-circuit detection circuits.

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、電力変換装置全体の大型化および複雑化を回避しつつ電力変換装置における短絡故障を検出する技術的手段を提供することを目的とする。 This invention was made in consideration of the above-described problems, and aims to provide a technical means for detecting short-circuit faults in a power conversion device while avoiding the overall size and complexity of the power conversion device.

この発明の一態様である短絡故障検出装置は、半導体スイッチング素子を各々含む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の短絡故障検出装置において、前記2以上のアームのうちの第1のアームおよび前記負荷に共通に流れる第1の電流が通過する第1の電流路と、前記2以上のアームのうちの第2のアームおよび前記負荷に共通に流れる第2の電流が通過する第2の電流路の両方の電流路に挿入されたロゴスキーコイルを具備し、前記ロゴスキーコイルから得られる検出信号に基づいて、前記電力変換装置のアームまたは前記負荷の短絡故障を検出することを特徴とする。 One aspect of the present invention is a short-circuit fault detection device for a power conversion device that supplies power to a load via two or more arms, each of which includes a semiconductor switching element. The short-circuit fault detection device includes a Rogowski coil inserted in both a first current path through which a first current flows commonly to a first arm of the two or more arms and the load, and a second current path through which a second current flows commonly to a second arm of the two or more arms and the load, and detects a short-circuit fault in an arm of the power conversion device or the load based on a detection signal obtained from the Rogowski coil.

この発明の他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各々含む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第1のアームおよび第2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、前記第1のアームおよび前記負荷に共通に流れる第1の電流が通過する第1の電流路と、前記第2のアームおよび前記負荷に共通に流れる第2の電流が通過する第2の電流路の両方の電流路に挿入されたロゴスキーコイルと、前記ロゴスキーコイルから得られる検出信号に基づいて、前記電力変換装置のアームまたは前記負荷の短絡故障を検出する短絡判定回路と、を具備することを特徴とする。 Another aspect of the present invention is a power conversion device that supplies power to a load via two or more arms, each of which includes a semiconductor switching element. A short-circuit fault detection device is provided in a first arm and a second arm of the two or more arms. The short-circuit fault detection device includes a Rogowski coil inserted in both a first current path through which a first current flows commonly to the first arm and the load, and a second current path through which a second current flows commonly to the second arm and the load, and a short-circuit determination circuit that detects a short-circuit fault in an arm of the power conversion device or the load based on a detection signal obtained from the Rogowski coil.

この発明によれば、第1のアームおよび第2のアームに設けられたロゴスキーコイルおよび短絡判定回路により短絡故障を検出するので、電力変換装置全体の大型化および複雑化を回避しつつ電力変換装置における短絡故障を検出することができる。 According to this invention, short-circuit faults are detected using a Rogowski coil and a short-circuit determination circuit provided in the first arm and second arm, making it possible to detect short-circuit faults in a power conversion device while avoiding the overall size and complexity of the power conversion device.

この発明の一実施形態である短絡故障検出装置を備えた電力変換装置の構成を示す回路図である。1 is a circuit diagram showing the configuration of a power conversion device including a short-circuit fault detection device according to an embodiment of the present invention. 同電力変換装置の動作を示す回路図である。FIG. 2 is a circuit diagram showing the operation of the power conversion device. 同実施形態の通常ターンオン時の動作を示す波形図である。FIG. 4 is a waveform diagram showing the operation at normal turn-on in the embodiment. 同実施形態の通常ターンオン時の動作を示す回路図である。FIG. 2 is a circuit diagram showing the operation of the embodiment at normal turn-on. 同実施形態のアーム短絡発生時の動作を示す波形図である。FIG. 4 is a waveform diagram showing the operation when an arm short circuit occurs in the embodiment. 同実施形態のアーム短絡発生時の動作を示す回路図である。FIG. 4 is a circuit diagram showing the operation of the embodiment when an arm short circuit occurs. 同実施形態の負荷短絡発生時の動作を示す波形図である。4 is a waveform diagram showing the operation of the embodiment when a load short circuit occurs. FIG. 同実施形態の負荷短絡発生時の動作を示す回路図である。FIG. 2 is a circuit diagram showing the operation of the embodiment when a load short circuit occurs. この発明の他の実施形態である短絡故障検出装置を備えた電力変換装置の構成を示す回路図である。FIG. 10 is a circuit diagram showing the configuration of a power conversion device including a short-circuit fault detection device according to another embodiment of the present invention. 図1に示す電力変換装置の実装例を示す側面図である。FIG. 2 is a side view showing an example of mounting the power conversion device shown in FIG. 1 . 同実装例の平面図である。FIG. 図9に示す電力変換装置の実装例を示す側面図である。FIG. 10 is a side view showing an example of mounting the power conversion device shown in FIG. 9 . 同実装例の平面図である。FIG. 図9に示す電力変換装置の他の実装例を示す平面図である。10 is a plan view showing another implementation example of the power conversion device shown in FIG. 9 . 同実装例の側面図である。FIG. 図14および図15の実装例の変形例を示す側面図である。FIG. 16 is a side view showing a modification of the mounting example of FIGS. 14 and 15.

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故障検出装置50を備えた電力変換装置100の構成を示す回路図である。この電力変換装置100は、インバータ1相分に相当する装置であり、第1のアームである上アーム110と、第2のアームである下アーム120とを有する。ここで、上アーム110および下アーム120は、図示しない電源の正極に接続された高電位電源線101Pおよび同電源の負極に接続された低電位電源線101N間に直列接続されており、その共通接続点が電力変換装置100のAC出力端子102となっている。このAC出力端子102にはモータの巻線等の負荷Zが接続される。なお、電力変換装置100は、複数相分の上アーム110および下アーム120が高電位電源線101Pおよび低電位電源線101N間に並列接続されることでインバータを構成する。
Hereinafter, an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings.
FIG. 1 is a circuit diagram showing the configuration of a power conversion device 100 including a short-circuit fault detection device 50 according to an embodiment of the present invention. The power conversion device 100 corresponds to one phase of an inverter and includes an upper arm 110, which is a first arm, and a lower arm 120, which is a second arm. The upper arm 110 and the lower arm 120 are connected in series between a high-potential power supply line 101P connected to the positive pole of a power supply (not shown) and a low-potential power supply line 101N connected to the negative pole of the power supply, with their common connection point serving as an AC output terminal 102 of the power conversion device 100. A load Z, such as a motor winding, is connected to the AC output terminal 102. The power conversion device 100 configures an inverter by connecting the upper arms 110 and the lower arms 120 for multiple phases in parallel between the high-potential power supply line 101P and the low-potential power supply line 101N.

上アーム110は、半導体スイッチング素子Q1とこれに対して逆並列接続されたダイオードD1により構成されている。同様に、下アーム120は、半導体スイッチング素子Q2とこれに対して逆並列接続されたダイオードD2により構成されている。半導体スイッチング素子Q1およびQ2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)等のトランジスタであり、炭化ケイ素、窒化ガリウム、酸化ガリウムおよびダイアモンドの少なくとも1つを主材料とするワイドバンドギャップ半導体素子により構成されている。 The upper arm 110 is composed of a semiconductor switching element Q1 and a diode D1 connected in anti-parallel to it. Similarly, the lower arm 120 is composed of a semiconductor switching element Q2 and a diode D2 connected in anti-parallel to it. The semiconductor switching elements Q1 and Q2 are transistors such as MOSFETs (Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistors), and are composed of wide bandgap semiconductor elements whose main material is at least one of silicon carbide, gallium nitride, gallium oxide, and diamond.

また、電力変換装置100は、図示しない制御部から供給される上アーム制御信号に基づいて、上アーム110の半導体スイッチング素子Q1をオン/オフ駆動する上アーム用ゲート駆動回路10と、同制御部から供給される下アーム制御信号に基づいて、下アーム120の半導体スイッチング素子Q2をオン/オフ駆動する下アーム用ゲート駆動回路20とを有する。電力変換装置100は、上アーム用ゲート駆動回路10と下アーム用ゲート駆動回路20によりオン/オフ駆動される半導体スイッチング素子Q1およびQ2を含む上アーム110および下アーム120を介して、負荷Zに交流電力を供給する。 The power conversion device 100 also has an upper arm gate drive circuit 10 that drives the semiconductor switching element Q1 of the upper arm 110 on/off based on an upper arm control signal supplied from a control unit (not shown), and a lower arm gate drive circuit 20 that drives the semiconductor switching element Q2 of the lower arm 120 on/off based on a lower arm control signal supplied from the control unit. The power conversion device 100 supplies AC power to the load Z via the upper arm 110 and the lower arm 120, which include semiconductor switching elements Q1 and Q2 that are driven on/off by the upper arm gate drive circuit 10 and the lower arm gate drive circuit 20.

図1に示す電力変換装置100において、例えば上アーム110に短絡故障が発生すると、下アーム120がオンになったときに上アーム110および下アーム120の両方にアーム短絡電流が流れる。また、下アーム120に短絡故障が発生すると、上アーム110がオンになったときに上アーム110および下アーム120の両方にアーム短絡電流が流れる。また、電力変換装置100において、負荷Zの短絡故障が発生すると、上アーム110または下アーム120に負荷短絡電流が流れる。 In the power conversion device 100 shown in FIG. 1, for example, if a short-circuit fault occurs in the upper arm 110, an arm short-circuit current will flow in both the upper arm 110 and the lower arm 120 when the lower arm 120 is turned on. Furthermore, if a short-circuit fault occurs in the lower arm 120, an arm short-circuit current will flow in both the upper arm 110 and the lower arm 120 when the upper arm 110 is turned on. Furthermore, in the power conversion device 100, if a short-circuit fault occurs in the load Z, a load short-circuit current will flow in the upper arm 110 or the lower arm 120.

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上アーム110または下アーム120に流れると、上アーム110の半導体スイッチング素子Q1または下アーム120の半導体スイッチング素子Q2が破壊に至る恐れがある。そこで、アーム短絡または負荷短絡の発生を検知し、上アーム用ゲート駆動回路10による半導体スイッチング素子Q1の駆動と、下アーム用ゲート駆動回路20による半導体スイッチング素子Q2の駆動とを停止させる短絡故障検出装置50が電力変換装置100に設けられている。 If such an arm short-circuit current or load short-circuit current flows through the upper arm 110 or the lower arm 120 for a long period of time, there is a risk that the semiconductor switching element Q1 of the upper arm 110 or the semiconductor switching element Q2 of the lower arm 120 will be destroyed. Therefore, the power conversion device 100 is provided with a short-circuit fault detection device 50 that detects the occurrence of an arm short-circuit or load short-circuit and stops the driving of semiconductor switching element Q1 by the upper arm gate drive circuit 10 and the driving of semiconductor switching element Q2 by the lower arm gate drive circuit 20.

短絡故障検出装置50は、第1のアームである上アーム110および第2のアームである下アーム120に対して設けられたロゴスキーコイル40と、このロゴスキーコイル40から得られる検出信号である誘起電圧Vmに基づいて電力変換装置100における短絡故障を検出する短絡判定回路30とを有する。 The short-circuit fault detection device 50 has a Rogowski coil 40 provided for the upper arm 110 (first arm) and the lower arm 120 (second arm), and a short-circuit determination circuit 30 that detects a short-circuit fault in the power conversion device 100 based on the induced voltage Vm, which is a detection signal obtained from the Rogowski coil 40.

本実施形態において、ロゴスキーコイル40は、上アーム110および負荷Zに共通に流れる第1の電流が通過する第1の電流路103Pと、下アーム120および負荷Zに共通に流れる第2の電流が通過する第2の電流路103Nの両方の電流路に挿入されている。具体的には、上述のように上アーム110および下アーム120は、高電位電源線101Pおよび低電位電源線101N間に直列接続され、負荷Zは上アーム110および下アーム120の共通接続点であるAC出力端子102に接続されている。そして、第1の電流路103Pは、上アーム110とAC出力端子102との間の電流路であり、第2の電流路103Nは、下アーム120とAC出力端子102との間の電流路である。そして、第1の電流路103Pおよび第2の電流路103Nは、第1の電流路103Pにおける上アーム110から負荷Zに向かう方向と、第2の電流路103Nにおける下アーム120から負荷Zに向かう方向とが、ロゴスキーコイル40内において同一方向になるように、ロゴスキーコイル40に挿通されている。 In this embodiment, the Rogowski coil 40 is inserted into both the first current path 103P, through which a first current flows commonly to the upper arm 110 and the load Z, and the second current path 103N, through which a second current flows commonly to the lower arm 120 and the load Z. Specifically, as described above, the upper arm 110 and the lower arm 120 are connected in series between the high-potential power supply line 101P and the low-potential power supply line 101N, and the load Z is connected to the AC output terminal 102, which is the common connection point of the upper arm 110 and the lower arm 120. The first current path 103P is the current path between the upper arm 110 and the AC output terminal 102, and the second current path 103N is the current path between the lower arm 120 and the AC output terminal 102. The first current path 103P and the second current path 103N are inserted through the Rogowski coil 40 so that the direction from the upper arm 110 of the first current path 103P toward the load Z and the direction from the lower arm 120 of the second current path 103N toward the load Z are the same within the Rogowski coil 40.

このような構成において、第1の電流路103Pまたは第2の電流路103Nに電流が流れると、同電流路を中心とする円状の磁界が発生する。そして、同電流路に流れる電流が変化すると、その電流の時間勾配di/dtに比例した誘起電圧Vmがロゴスキーコイル40から出力される。この誘起電圧Vmがロゴスキーコイル40から得られる検出信号である。 In this configuration, when a current flows through the first current path 103P or the second current path 103N, a circular magnetic field is generated centered on that current path. When the current flowing through that current path changes, an induced voltage Vm proportional to the time gradient di/dt of that current is output from the Rogowski coil 40. This induced voltage Vm is the detection signal obtained from the Rogowski coil 40.

短絡判定回路30は、誘起電圧検出回路31と、零電圧期間判定回路32と、電圧値比較回路33と、ORゲート34とを含む。 The short-circuit determination circuit 30 includes an induced voltage detection circuit 31, a zero-voltage period determination circuit 32, a voltage value comparison circuit 33, and an OR gate 34.

誘起電圧検出回路31は、ロゴスキーコイル40から得られる検出信号である誘起電圧値Vmを検出し、電圧値比較回路33に出力する。また、誘起電圧検出回路31は、誘起電圧値Vmが零電圧である期間、具体的には誘起電圧値Vmの絶対値が微小な閾値未満である間、零電圧期間信号E0を出力する。 The induced voltage detection circuit 31 detects the induced voltage value Vm, which is a detection signal obtained from the Rogowski coil 40, and outputs it to the voltage value comparison circuit 33. The induced voltage detection circuit 31 also outputs a zero voltage period signal E0 during the period when the induced voltage value Vm is zero voltage, specifically, while the absolute value of the induced voltage value Vm is less than a small threshold value.

零電圧期間判定回路32は、零電圧期間信号E0に基づいてアーム短絡を検出する回路である。さらに詳述すると、本実施形態において、上アーム110または下アーム120の一方に短絡故障や誤オンといった異常が生じ、アーム短絡が発生すると、他方のアームのターンオン時、第1の電流路103Pおよび第2の電流路103Nに互いに逆極性の同じ大きさの電流が長時間継続して流れ、ロゴスキーコイル40から得られる誘起電圧Vmが長時間継続して零電圧となる。そこで、零電圧期間判定回路32は、上アーム110または下アーム120のターンオン開始タイミングから所定の基準時間Δt0以上に亙って零電圧期間信号E0が継続した場合に、アーム短絡の発生を示すアーム短絡検知信号E1を出力する。 The zero voltage period determination circuit 32 is a circuit that detects an arm short circuit based on the zero voltage period signal E0. More specifically, in this embodiment, if an abnormality such as a short circuit or false turn-on occurs in one of the upper arm 110 or the lower arm 120, causing an arm short circuit, when the other arm is turned on, currents of the same magnitude but opposite polarity continue to flow through the first current path 103P and the second current path 103N for a long period of time, causing the induced voltage Vm obtained from the Rogowski coil 40 to remain at zero voltage for a long period of time. Therefore, the zero voltage period determination circuit 32 outputs an arm short circuit detection signal E1 indicating the occurrence of an arm short circuit when the zero voltage period signal E0 continues for a predetermined reference time Δt0 or longer from the start of turn-on of the upper arm 110 or the lower arm 120.

電圧値比較回路33は、誘起電圧値Vmに基づいて、負荷短絡を検出する回路である。さらに詳述すると、本実施形態において、負荷Zの短絡が起こると、通常時よりも過大な電流が第1の電流路103Pまたは第2の電流路103Nに流れ、かつ、その電流値が時間経過に伴って増加するため、通常よりも過大な誘起電圧Vmがロゴスキーコイル40から出力される。そこで、電圧値比較回路33は、誘起電圧検出回路31により検出される誘起電圧Vmの絶対値が第2の閾値である基準値V0以上になったとき、負荷短絡検知信号E2を出力する。 The voltage value comparison circuit 33 is a circuit that detects a load short circuit based on the induced voltage value Vm. More specifically, in this embodiment, when a short circuit occurs in the load Z, a current greater than normal flows through the first current path 103P or the second current path 103N, and the current value increases over time, causing an induced voltage Vm greater than normal to be output from the Rogowski coil 40. Therefore, the voltage value comparison circuit 33 outputs a load short circuit detection signal E2 when the absolute value of the induced voltage Vm detected by the induced voltage detection circuit 31 exceeds the reference value V0, which is the second threshold value.

ORゲート34は、アーム短絡検知信号E1が出力された場合または負荷短絡検知信号E2が出力された場合に、短絡検知信号Eを上アーム用ゲート駆動回路10および下アーム用ゲート駆動回路20を出力し、上アーム用ゲート駆動回路10による半導体スイッチング素子Q1の駆動および下アーム用ゲート駆動回路20による半導体スイッチング素子Q2の駆動を停止させる。 When an arm short-circuit detection signal E1 or a load short-circuit detection signal E2 is output, the OR gate 34 outputs a short-circuit detection signal E to the upper arm gate drive circuit 10 and the lower arm gate drive circuit 20, stopping the upper arm gate drive circuit 10 from driving the semiconductor switching element Q1 and the lower arm gate drive circuit 20 from driving the semiconductor switching element Q2.

上アーム用ゲート駆動回路10は、ドライブ回路11と、短絡電流遮断回路12と、切換回路13とを含む。ドライブ回路11には、半導体スイッチング素子Q1のオン/オフを指示する上アーム制御信号が与えられる。オンを指示する上アーム制御信号が与えられた場合、ドライブ回路11は、半導体スイッチング素子Q1をオンさせるゲート-ソース間電圧VGS(Q1)を出力する。また、オフを指示する上アーム制御信号が与えられた場合、ドライブ回路11は、半導体スイッチング素子Q1をオフさせるゲート-ソース間電圧VGS(Q1)を出力する。短絡電流遮断回路12は、半導体スイッチング素子Q1に短絡電流が流れるのを遮断することができるゲート-ソース間電圧VGS(Q1)を出力する。切換回路13は、短絡検知信号Eが出力されていない場合には、ドライブ回路11から出力されるゲート-ソース間電圧VGS(Q1)を半導体スイッチング素子Q1のゲート-ソース間に供給する。また、切換回路13は、短絡検知信号Eが出力された場合には、短絡電流遮断回路12から出力されるゲート-ソース間電圧VGS(Q1)を半導体スイッチング素子Q1のゲート-ソース間に供給する。 The upper arm gate drive circuit 10 includes a drive circuit 11, a short-circuit current interruption circuit 12, and a switching circuit 13. An upper arm control signal is supplied to the drive circuit 11 to instruct the semiconductor switching element Q1 to be on or off. When an upper arm control signal instructing the semiconductor switching element Q1 to be on is supplied, the drive circuit 11 outputs a gate-source voltage VGS(Q1) that turns on the semiconductor switching element Q1. When an upper arm control signal instructing the semiconductor switching element Q1 to be off is supplied, the drive circuit 11 outputs a gate-source voltage VGS(Q1) that turns off the semiconductor switching element Q1. The short-circuit current interruption circuit 12 outputs a gate-source voltage VGS(Q1) that can interrupt the flow of short-circuit current through the semiconductor switching element Q1. When the short-circuit detection signal E is not output, the switching circuit 13 supplies the gate-source voltage VGS(Q1) output from the drive circuit 11 between the gate and source of the semiconductor switching element Q1. Furthermore, when a short-circuit detection signal E is output, the switching circuit 13 supplies the gate-source voltage VGS (Q1) output from the short-circuit current interruption circuit 12 between the gate and source of the semiconductor switching element Q1.

下アーム用ゲート駆動回路20は、上アーム用ゲート駆動回路10に設けられたものと同様なドライブ回路21と、短絡電流遮断回路22と、切換回路23とを含む。切換回路23は、短絡検知信号Eが出力されていない場合には、ドライブ回路21から出力されるゲート-ソース間電圧VGS(Q2)を半導体スイッチング素子Q2のゲート-ソース間に供給する。また、切換回路23は、短絡検知信号Eが出力された場合には、短絡電流遮断回路22から出力されるゲート-ソース間電圧VGS(Q2)を半導体スイッチング素子Q1のゲート-ソース間に供給する。 The lower arm gate drive circuit 20 includes a drive circuit 21 similar to those provided in the upper arm gate drive circuit 10, a short-circuit current interruption circuit 22, and a switching circuit 23. When a short-circuit detection signal E is not output, the switching circuit 23 supplies the gate-source voltage VGS(Q2) output from the drive circuit 21 between the gate and source of the semiconductor switching element Q2. When a short-circuit detection signal E is output, the switching circuit 23 supplies the gate-source voltage VGS(Q2) output from the short-circuit current interruption circuit 22 between the gate and source of the semiconductor switching element Q1.

次に本実施形態の動作を説明する。図2は電力変換装置100の一般的な動作例を示す回路図である。この図2に示す例では、下アーム120がオフの状態において上アーム110および図示しない他相の下アームがオンとなる上アームオン動作、その後、上アーム110および図示しない他相の下アームがオフになる上アームオフ動作(還流モード)、および、下アーム120および図示しない他相の上アームがオンになる下アームオン動作、その後、下アーム120および図示しない他相の上アームがオフになる下アームオフ動作(還流モード)により負荷Zに電力を供給する。 Next, the operation of this embodiment will be described. Figure 2 is a circuit diagram showing a typical example of operation of the power conversion device 100. In the example shown in Figure 2, power is supplied to the load Z through an upper-arm ON operation in which the upper arm 110 and the lower arm of another phase (not shown) are turned on when the lower arm 120 is off, followed by an upper-arm OFF operation (freewheel mode) in which the upper arm 110 and the lower arm of another phase (not shown) are turned off, and a lower-arm ON operation in which the lower arm 120 and the upper arm of another phase (not shown) are turned on, followed by a lower-arm OFF operation (freewheel mode) in which the lower arm 120 and the upper arm of another phase (not shown) are turned off.

上アームオン動作では、半導体スイッチング素子Q1をオンにするゲート-ソース間電圧VGS(Q1)が上アーム用ゲート駆動回路10から出力される。このとき図示しない他相の下アームの半導体スイッチング素子が半導体スイッチング素子Q1と同時にオンされる。半導体スイッチング素子Q1と他相の下アームがオンすることで、高電位電源線101Pから半導体スイッチング素子Q1を介してドレイン電流である上アーム電流I110が流れ、この上アーム電流I110はロゴスキーコイル40内の第1の電流路103Pを介して負荷Zに流れる(実線矢印)。この上アームオン動作では、時間経過に伴って増加する上アーム電流I110が第1の電流路103Pを上アーム110側から負荷Z側に流れる。本実施形態では半導体スイッチング素子Q1を介して負荷Zに流れる電流が増加する際にロゴスキーコイル40が正の誘起電圧Vmを出力するようにロゴスキーコイル40を配置している。 When the upper arm is turned on, the gate-source voltage VGS (Q1) that turns on the semiconductor switching element Q1 is output from the upper arm gate drive circuit 10. At this time, the semiconductor switching element of the lower arm of the other phase (not shown) is turned on simultaneously with the semiconductor switching element Q1. When the semiconductor switching element Q1 and the lower arm of the other phase are turned on, an upper arm current I110 (which is a drain current) flows from the high-potential power line 101P through the semiconductor switching element Q1. This upper arm current I110 flows to the load Z via the first current path 103P in the Rogowski coil 40 (solid line arrow). During this upper arm on operation, the upper arm current I110, which increases over time, flows through the first current path 103P from the upper arm 110 to the load Z. In this embodiment, the Rogowski coil 40 is positioned so that when the current flowing to the load Z via the semiconductor switching element Q1 increases, the Rogowski coil 40 outputs a positive induced voltage Vm.

その後の上アームオフ動作では、半導体スイッチング素子Q1をオフにするゲート-ソース間電圧VGS(Q1)が上アーム用ゲート駆動回路10から出力され、半導体スイッチング素子Q1がオフになる。また、同時に図示しないオンしていた他相の下アームもオフになる。この結果、その時点まで負荷Zに流れていた電流を維持する起電力を負荷Zが発生し、低電位電源線101NからダイオードD2およびロゴスキーコイル40内の第2の電流路103Nを介して負荷Zに還流電流である下アーム電流I120が流れる(破線矢印)。この上アームオフ動作では、時間経過に伴って減少する下アーム電流I120(還流電流)が第2の電流路103Nを下アーム120側から負荷Z側に流れる。すなわち、上アームオフ動作は、上アームオン動作に対しロゴスキーコイル40を通過する電流の向きは同じであるが、電流の変化率はマイナスとなる。よって、ロゴスキーコイル40は負の誘起電圧Vmを出力する。 During the subsequent upper arm OFF operation, the upper arm gate drive circuit 10 outputs a gate-source voltage VGS(Q1) that turns off the semiconductor switching element Q1, turning it OFF. At the same time, the lower arm of the other phase (not shown), which was ON, also turns OFF. As a result, an electromotive force is generated in the load Z that maintains the current that had been flowing through the load Z up to that point. Lower arm current I120, a reflux current, flows from the low-potential power line 101N to the load Z via diode D2 and the second current path 103N in the Rogowski coil 40 (dashed arrow). During this upper arm OFF operation, the lower arm current I120 (reflux current), which decreases over time, flows through the second current path 103N from the lower arm 120 side to the load Z side. In other words, during the upper arm OFF operation, the current passing through the Rogowski coil 40 flows in the same direction as during the upper arm ON operation, but the rate of change of the current is negative. Therefore, the Rogowski coil 40 outputs a negative induced voltage Vm.

その後の下アームオン動作では、半導体スイッチング素子Q2をオンにするゲート-ソース間電圧VGS(Q2)が下アーム用ゲート駆動回路20から出力される。このとき図示しない他相の上アームの半導体スイッチング素子が、半導体スイッチング素子Q2と同時にオンされる。半導体スイッチング素子Q2と他相の上アームがオンすることで、負荷Zからロゴスキーコイル40内の第2の電流路103Nおよび半導体スイッチング素子Q2を介して低電位電源線101Nにドレイン電流である下アーム電流I120が流れる(実線矢印)。この下アームオン動作では、時間経過に伴って増加する下アーム電流I120が第2の電流路103Nを負荷Z側から下アーム120側に流れる。すなわち、下アームオン動作は、上アームオン動作に対しロゴスキーコイル40を通過する電流の変化率は同じ極性となるが、ロゴスキーコイル40を通過する電流の向きは逆方向となる。よって、ロゴスキーコイル40は負の誘起電圧Vmを出力する。 During the subsequent lower-arm ON operation, the gate-source voltage VGS (Q2) that turns on the semiconductor switching element Q2 is output from the lower-arm gate drive circuit 20. At this time, the semiconductor switching element of the upper arm of the other phase (not shown) is turned on simultaneously with the semiconductor switching element Q2. When the semiconductor switching element Q2 and the upper arm of the other phase are turned on, a drain current, or lower-arm current I120, flows from the load Z to the low-potential power line 101N via the second current path 103N in the Rogowski coil 40 and the semiconductor switching element Q2 (solid arrow). During this lower-arm ON operation, the lower-arm current I120, which increases over time, flows from the load Z side to the lower arm 120 side through the second current path 103N. In other words, during the lower-arm ON operation, the rate of change of the current passing through the Rogowski coil 40 has the same polarity as during the upper-arm ON operation, but the direction of the current passing through the Rogowski coil 40 is opposite. Therefore, the Rogowski coil 40 outputs a negative induced voltage Vm.

その後の下アームオフ動作では、半導体スイッチング素子Q2をオフにするゲート-ソース間電圧VGS(Q2)が下アーム用ゲート駆動回路20から出力され、半導体スイッチング素子Q2がオフになる。また、同時に図示しないオンしていた他相の上アームもオフになる。この結果、その時点まで負荷Zに流れていた電流を維持する起電力を負荷Zが発生し、負荷Zからロゴスキーコイル40内の第1の電流路103PおよびダイオードD1を介して高電位電源線101Pに還流電流である上アーム電流I110が流れる(破線矢印)。この下アームオフ動作では、時間経過に伴って減少する上アーム電流I110が第1の電流路103Pを負荷Z側から上アーム110側に流れる。すなわち、下アームオフ動作は、上アームオン動作に対しロゴスキーコイル40を通過する電流の向きが逆方向、電流の変化率もマイナスとなる。よって、ロゴスキーコイル40は正の誘起電圧Vmを出力する。以上が図2に示された電力変換装置100の一般的な動作例である。 During the subsequent lower-arm OFF operation, the gate-source voltage VGS(Q2) that turns off the semiconductor switching element Q2 is output from the lower-arm gate drive circuit 20, turning off the semiconductor switching element Q2. At the same time, the upper arm of the other phase (not shown) that was ON also turns OFF. As a result, an electromotive force is generated in the load Z that maintains the current that had been flowing through the load Z up to that point. A return current, the upper-arm current I110, flows from the load Z to the high-potential power line 101P via the first current path 103P and diode D1 in the Rogowski coil 40 (dashed arrow). During this lower-arm OFF operation, the upper-arm current I110, which decreases over time, flows from the load Z side to the upper arm 110 side through the first current path 103P. In other words, during the lower-arm OFF operation, the direction of the current passing through the Rogowski coil 40 is opposite to that during the upper-arm ON operation, and the current change rate is also negative. Therefore, the Rogowski coil 40 outputs a positive induced voltage Vm. The above is an example of the general operation of the power conversion device 100 shown in Figure 2.

図3は上アーム110のスイッチング時において短絡故障のない通常のターンオンが行われる動作例における各部の波形を示す波形図である。図4は図3の期間A、BおよびCにおける電力変換装置100の動作状態を示す回路図である。 Figure 3 is a waveform diagram showing the waveforms of each part in an example of operation in which normal turn-on without a short-circuit fault occurs during switching of the upper arm 110. Figure 4 is a circuit diagram showing the operating state of the power conversion device 100 during periods A, B, and C in Figure 3.

図3および図4に示す動作例では、上アーム110のスイッチング、すなわち、図2に示す上アームオン動作と上アームオフ動作(還流モード)を交互に繰り返している。図3および図4には、このように繰り返される一連の動作のうちの上アームオフ動作とそれに続く上アームオン動作が示されている。 In the operation example shown in Figures 3 and 4, switching of the upper arm 110, i.e., the upper arm ON operation and upper arm OFF operation (freewheel mode) shown in Figure 2, are alternately repeated. Figures 3 and 4 show the upper arm OFF operation and the subsequent upper arm ON operation from this repeated series of operations.

図3における期間Aと期間Bとの境界が上アーム110のターンオン開始タイミングである。上アーム110のターンオン開始前の期間Aでは、図4に示すように、低電位電源線101NからダイオードD2およびロゴスキーコイル40内の第2の電流路103Nを介して負荷Zに還流電流である下アーム電流I120が流れる。この動作モードは上アームオフ動作となるため、図3に示すように、期間Aではロゴスキーコイル40から負の誘起電圧Vmが出力される。 The boundary between Period A and Period B in Figure 3 is the timing when the upper arm 110 starts to turn on. During Period A before the upper arm 110 starts to turn on, as shown in Figure 4, a lower arm current I120, which is a reflux current, flows from the low-potential power line 101N to the load Z via diode D2 and the second current path 103N in the Rogowski coil 40. Since this operating mode results in upper arm off operation, as shown in Figure 3, a negative induced voltage Vm is output from the Rogowski coil 40 during Period A.

上アーム110のターンオンが開始され、期間Bになると、図4に示すように、高電位電源線101Pから半導体スイッチング素子Q1を介してドレイン電流である上アーム電流I110が流れる。期間Bでは、時間経過に伴って、スイッチング素子Q1のドレイン-ソース間電圧VDS(Q1)が減少し、ドレイン電流である上アーム電流I110が増加する。期間Bの開始タイミングにおいて、下アーム120では、ダイオードD2に還流電流が流れている。そして、期間Bにおいて、上アーム電流I110は、ロゴスキーコイル40内の第1の電流路103Pを通過した後、第2の電流路103Nを通過し、下アーム120に向かい、ダイオードD2の還流電流を減少させる。このため、期間Bでは、還流電流である負の下アーム電流I120が時間経過に伴って0に向かう。そして、上アーム電流I110の増加により、ダイオードD2に流れる下アーム電流(還流電流)120が0になると、それ以後の上アーム電流I110は、順方向バイアス時にダイオードD2に蓄積した小数キャリアを消滅させる逆回復電流となる。この逆回復電流が流れると、その後、下アーム電流120が正のピークに達し、減少し始める。このようにしてダイオードD2がオフに向かい、下アーム120の半導体スイッチング素子Q2のドレインーソース間電圧VDS(Q2)が増加する。 When the upper arm 110 begins to turn on and period B begins, as shown in FIG. 4, upper arm current I110, which is the drain current, flows from the high-potential power line 101P through the semiconductor switching element Q1. During period B, the drain-source voltage VDS(Q1) of switching element Q1 decreases over time, and upper arm current I110, which is the drain current, increases. At the start of period B, a reflux current flows through diode D2 in the lower arm 120. Then, during period B, upper arm current I110 passes through the first current path 103P in the Rogowski coil 40, then the second current path 103N, and flows toward the lower arm 120, reducing the reflux current of diode D2. Therefore, during period B, the negative lower arm current I120, which is the reflux current, tends toward zero over time. Then, as the upper arm current I110 increases, the lower arm current (freewheeling current) 120 flowing through diode D2 becomes zero. The upper arm current I110 then becomes a reverse recovery current that eliminates the minority carriers accumulated in diode D2 during forward bias. Once this reverse recovery current flows, the lower arm current 120 then reaches a positive peak and begins to decrease. In this way, diode D2 turns off, and the drain-source voltage VDS(Q2) of semiconductor switching element Q2 in the lower arm 120 increases.

ダイオードD2がオフになるまでの期間は、第1の電流路103Pを通過した上アーム電流I110は、第2の電流路103Nを通過して下アーム120に向かう。すなわち、第1の電流路103Pと第2の電流路103Nに逆極性の同じ変化率の電流が流れる。このような場合、ロゴスキーコイル40内で磁束が打消しあうため、ロゴスキーコイル40から誘起電圧Vmとして零電圧が出力される。ダイオードD2がオフになると、以後、第1の電流路103Pを通過した上アーム電流I110は、第2の電流路103Nに流れず、負荷Zに流れる。この期間が図3に示す期間Cである。この期間Cでは、上アームオン動作となるため、ロゴスキーコイル40から正の誘起電圧Vmが出力される。 During the period until diode D2 turns off, the upper arm current I110 that passed through the first current path 103P passes through the second current path 103N toward the lower arm 120. That is, currents of opposite polarity and the same rate of change flow through the first current path 103P and the second current path 103N. In this case, magnetic flux cancels out within the Rogowski coil 40, causing the Rogowski coil 40 to output zero voltage as the induced voltage Vm. After diode D2 turns off, the upper arm current I110 that passed through the first current path 103P no longer flows through the second current path 103N, but instead flows to the load Z. This period is period C shown in Figure 3. During this period C, the upper arm is turned on, causing the Rogowski coil 40 to output a positive induced voltage Vm.

アーム短絡のない状態では、誘起電圧Vmとして零電圧が発生する期間は、ダイオードD2の特性により定まる短い時間である。図3に示す例では、誘起電圧Vmとして零電圧が発生する時間が所定の基準時間Δt0よりも短いため、アーム短絡検知信号E1が出力されない。 When there is no arm short circuit, the period during which zero voltage occurs as the induced voltage Vm is a short period determined by the characteristics of diode D2. In the example shown in Figure 3, the period during which zero voltage occurs as the induced voltage Vm is shorter than the predetermined reference time Δt0, so the arm short circuit detection signal E1 is not output.

また、負荷短絡のない状態では、過大な上アーム電流I110または下アーム電流I120が流れないため、ロゴスキーコイル40から得られる誘起電圧Vmも大きな値とならない。図3に示す例では、ロゴスキーコイル40から得られる誘起電圧Vmが所定の基準値±V0の範囲から外れていないため、電圧値比較信号E2が出力されない。従って、図3に示す例では短絡検知信号Eが出力されない。 Furthermore, when there is no load short circuit, excessive upper arm current I110 or lower arm current I120 does not flow, and therefore the induced voltage Vm obtained from the Rogowski coil 40 does not become large. In the example shown in Figure 3, the induced voltage Vm obtained from the Rogowski coil 40 does not fall outside the range of the predetermined reference value ±V0, so the voltage value comparison signal E2 is not output. Therefore, in the example shown in Figure 3, the short circuit detection signal E is not output.

図5は上アーム110のスイッチング時において下アーム120に短絡故障が発生する動作例における各部の波形を示す波形図である。図6は図5の期間A、BおよびDにおける電力変換装置100の動作状態を示す回路図である。 Figure 5 is a waveform diagram showing waveforms at various parts in an example of operation in which a short-circuit fault occurs in the lower arm 120 during switching of the upper arm 110. Figure 6 is a circuit diagram showing the operating state of the power conversion device 100 during periods A, B, and D in Figure 5.

前掲図3および図4と同様、図5および図6に示す動作例では、上アーム110のスイッチング、すなわち、図2に示す上アームオン動作と上アームオフ動作(還流モード)を交互に繰り返している。 Similar to Figures 3 and 4 above, in the operation examples shown in Figures 5 and 6, switching of the upper arm 110, i.e., the upper arm ON operation and upper arm OFF operation (freewheel mode) shown in Figure 2, are alternately repeated.

図5における期間Aと期間Bとの境界が上アーム110のターンオン開始タイミングである。期間Aの動作は、上述した通常ターンオン時(図3および図4)の動作と同じである。 The boundary between Period A and Period B in Figure 5 is the timing when the upper arm 110 starts to turn on. The operation during Period A is the same as the operation during normal turn-on described above (Figures 3 and 4).

上アーム110のターンオンが開始され、期間Bになると、図6に示すように、高電位電源線101Pから半導体スイッチング素子Q1を介してドレイン電流である上アーム電流I110が流れる。上述した通常ターンオン時の動作と同様、期間Bでは、上アーム電流I110が第1の電流路103Pおよび第2の電流路103Nを介して下アーム120に向かい、ダイオードD2の還流電流を減少させ、その後、ダイオードD2の逆回復電流となる。 When the upper arm 110 starts to turn on and period B begins, as shown in Figure 6, upper arm current I110, which is a drain current, flows from the high-potential power line 101P through the semiconductor switching element Q1. Similar to the normal turn-on operation described above, during period B, upper arm current I110 flows through the first current path 103P and the second current path 103N toward the lower arm 120, reducing the reflux current of diode D2 and then becoming the reverse recovery current of diode D2.

一方、下アーム120の半導体スイッチング素子Q2に短絡故障があると、期間Bにおいて、上アーム電流I110は、第1の電流路103Pおよび第2の電流路103Nを介して半導体スイッチング素子Q2に流れる。ここで、半導体スイッチング素子Q2の短絡故障には、半導体スイッチング素子Q2のブレークダウン等の故障の他、ノイズ等の影響により誤ってオンになる故障が含まれる。 On the other hand, if there is a short-circuit fault in the semiconductor switching element Q2 of the lower arm 120, during period B, the upper arm current I110 flows to the semiconductor switching element Q2 via the first current path 103P and the second current path 103N. Here, a short-circuit fault in the semiconductor switching element Q2 includes faults such as breakdown of the semiconductor switching element Q2, as well as faults where the semiconductor switching element Q2 is erroneously turned on due to noise or other factors.

このように下アーム120のアーム短絡が発生した場合、期間Bにおいて、ダイオードD2の還流電流を減少させ、その後、ダイオードD2に逆回復電流を流す過程と、下アーム120の半導体スイッチング素子Q2に上アーム電流I110を流す過程とが同時並列に進行する。このため、第1の電流路103Pと第2の電流路103Nに逆極性の同じ変化率の電流が長期に亙って継続して流れ、ロゴスキーコイル40の誘起電圧Vmが零電圧を維持する期間が基準時間Δt0を越え、アーム短絡検知信号E1が出力される。この結果、短絡検知信号Eが出力される。 When an arm short circuit occurs in the lower arm 120 in this way, during period B, the reflux current of diode D2 is reduced, followed by the process of flowing a reverse recovery current through diode D2 and the process of flowing upper arm current I110 through semiconductor switching element Q2 of the lower arm 120, which proceed simultaneously and in parallel. As a result, currents of opposite polarity and the same rate of change continue to flow through first current path 103P and second current path 103N for a long period of time, the period during which induced voltage Vm of Rogowski coil 40 remains at zero voltage exceeds reference time Δt0, and arm short circuit detection signal E1 is output. As a result, short circuit detection signal E is output.

短絡検知信号Eが出力されると、上アーム用ゲート駆動回路10では、切換回路13によってゲート-ソース間電圧VGS(Q1)の供給元がドライブ回路11から短絡電流遮断回路12に切り換えられ、半導体スイッチング素子Q1をオフさせるゲート-ソース間電圧VGS(Q1)が上アーム用ゲート駆動回路10から出力される。また、短絡検知信号Eが出力されると、下アーム用ゲート駆動回路20では、切換回路23によってゲート-ソース間電圧VGS(Q2)の供給元がドライブ回路21から短絡電流遮断回路22に切り換えられ、半導体スイッチング素子Q2をオフさせるゲート-ソース間電圧VGS(Q2)が下アーム用ゲート駆動回路20から出力される。 When a short-circuit detection signal E is output, in the upper arm gate drive circuit 10, the switching circuit 13 switches the supply source of the gate-source voltage VGS (Q1) from the drive circuit 11 to the short-circuit current interruption circuit 12, and the upper arm gate drive circuit 10 outputs the gate-source voltage VGS (Q1) that turns off the semiconductor switching element Q1. When a short-circuit detection signal E is output, in the lower arm gate drive circuit 20, the switching circuit 23 switches the supply source of the gate-source voltage VGS (Q2) from the drive circuit 21 to the short-circuit current interruption circuit 22, and the lower arm gate drive circuit 20 outputs the gate-source voltage VGS (Q2) that turns off the semiconductor switching element Q2.

この結果、上アーム電流I110および下アーム電流I120の双方が減少する期間Dが開始される。このように本実施形態では、アーム短絡故障の検知により、アーム短絡電流が遮断される。 As a result, period D begins, during which both the upper arm current I110 and the lower arm current I120 decrease. In this manner, in this embodiment, the arm short-circuit current is interrupted upon detection of an arm short-circuit fault.

以上、上アームスイッチング時に下アームの短絡故障が発生した場合を例にアーム短絡検知の動作を説明したが、下アームスイッチング時に上アームの短絡故障が発生した場合にも同様な動作によりアーム短絡が検知される。すなわち、下アームスイッチング時に上アームの短絡故障が発生した場合にも、下アームのターンオン開始後、第1の電流路103Pおよび第2の電流路103Nに逆極性の同じ大きさの電流が流れ、ロゴスキーコイル40の誘起電圧Vmが基準時間Δt0以上に亘って零電圧になるので、この零電圧の継続時間に基づいてアーム短絡が検知される。 The operation of arm short-circuit detection has been explained above using the example of a short-circuit fault in the lower arm when the upper arm is switching, but an arm short-circuit can also be detected by a similar operation if a short-circuit fault in the upper arm occurs when the lower arm is switching. That is, even if a short-circuit fault in the upper arm occurs when the lower arm is switching, after the lower arm begins to turn on, currents of the same magnitude but opposite polarity flow through the first current path 103P and the second current path 103N, and the induced voltage Vm of the Rogowski coil 40 becomes zero voltage for a reference time Δt0 or more, and an arm short-circuit is detected based on the duration of this zero voltage.

図7は上アーム110のスイッチング時において負荷Zに短絡故障が発生する動作例における各部の波形を示す波形図である。図8は図7の期間A、B、CおよびEにおける電力変換装置100の動作状態を示す回路図である。 Figure 7 is a waveform diagram showing waveforms at various parts in an example of operation in which a short-circuit fault occurs in load Z during switching of upper arm 110. Figure 8 is a circuit diagram showing the operating state of power conversion device 100 during periods A, B, C, and E in Figure 7.

通常ターンオン時の動作を示す前掲図3および図4と同様、図7および図8に示す動作例では、上アーム110のスイッチング、すなわち、図2に示す上アームオン動作と上アームオフ動作(還流モード)を交互に繰り返している。 Similar to Figures 3 and 4, which show normal turn-on operation, the operation examples shown in Figures 7 and 8 alternate between switching the upper arm 110, i.e., the upper arm ON operation and upper arm OFF operation (freewheel mode) shown in Figure 2.

図7における期間Aと期間Bとの境界が上アーム110のターンオン開始タイミングである。期間A、BおよびCの動作は、上述した通常ターンオン時(図3および図4)の期間A、BおよびCの動作と同じである。 The boundary between period A and period B in Figure 7 is the timing when the upper arm 110 starts to turn on. The operations during periods A, B, and C are the same as those during periods A, B, and C during normal turn-on described above (Figures 3 and 4).

負荷Zに短絡故障が発生すると、期間Cにおいて、時間経過に伴って増加する上アーム電流I110が過大になり、第1の電流路103Pに流れる上アーム電流I110の時間勾配di/dtも過大になる。このため、ロゴスキーコイル40の誘起電圧Vmが閾値+V0以上になる。この結果、負荷短絡検知信号E2および短絡検知信号Eが出力され、期間Eとなる。 When a short-circuit fault occurs in load Z, during period C, the upper arm current I110, which increases over time, becomes excessive, and the time gradient di/dt of the upper arm current I110 flowing through the first current path 103P also becomes excessive. As a result, the induced voltage Vm of the Rogowski coil 40 exceeds the threshold value +V0. As a result, the load short-circuit detection signal E2 and short-circuit detection signal E are output, and period E begins.

期間Eでは、短絡検知信号Eに応じて、半導体スイッチング素子Q1をオフさせるゲート-ソース間電圧VGS(Q1)が上アーム用ゲート駆動回路10から出力され、半導体スイッチング素子Q2をオフさせるゲート-ソース間電圧VGS(Q2)が下アーム用ゲート駆動回路20から出力される。これにより負荷短絡電流が遮断される。 During period E, in response to short-circuit detection signal E, the upper arm gate drive circuit 10 outputs a gate-source voltage VGS (Q1) that turns off semiconductor switching element Q1, and the lower arm gate drive circuit 20 outputs a gate-source voltage VGS (Q2) that turns off semiconductor switching element Q2. This interrupts the load short-circuit current.

以上のように本実施形態によれば、上アーム110および下アーム120の両方に対して設けられた1個のロゴスキーコイル40および1個の短絡判定回路30により電力変換装置100におけるアーム短絡および負荷短絡を検知し、短絡電流を遮断することができる。よって、本実施形態によれば、電力変換装置100全体の大型化および複雑化を回避しつつ電力変換装置100における短絡故障を検出することができる。 As described above, according to this embodiment, arm short circuits and load short circuits in the power conversion device 100 can be detected and the short-circuit current can be cut off using one Rogowski coil 40 and one short-circuit determination circuit 30 provided for both the upper arm 110 and the lower arm 120. Therefore, according to this embodiment, it is possible to detect short-circuit faults in the power conversion device 100 while avoiding the overall size and complexity of the power conversion device 100.

<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 as follows.

(1)図9はこの発明の他の実施形態である短絡故障検出装置50’を備えた電力変換装置100の構成を示す回路図である。上記実施形態(図1)において、短絡故障検出装置50のロゴスキーコイル40には、上アーム110と上アーム110および下アーム120の共通接続点との間の第1の電流路103Pと、下アーム120と上アーム110および下アーム120の共通接続点との間の第2の電流路103Nが挿通された。これに対し、図9に示す短絡故障検出装置50’では、上アーム110と高電位電源線101Pとの間の第1の電流路103P’と、下アーム120と低電位電源線101Nとの間の第2の電流路103N’とがロゴスキーコイル40’に挿通されている。この態様においても、アーム短絡が発生した場合に第1の電流路103P’と第2の電流路103N’とに互いに逆極性の同じ大きさの電流が流れるため、アーム短絡を検知することができる。また、この態様においても、負荷短絡の発生時に、第1の電流路103P’または第2の電流路103N’に時間経過に伴った増加する過大な電流が流れるため、負荷短絡を検知することができる。 (1) Figure 9 is a circuit diagram showing the configuration of a power conversion device 100 equipped with a short-circuit fault detection device 50' according to another embodiment of the present invention. In the above embodiment (Figure 1), the Rogowski coil 40 of the short-circuit fault detection device 50 was inserted with a first current path 103P between the upper arm 110 and the common connection point of the upper arm 110 and the lower arm 120, and a second current path 103N between the lower arm 120 and the common connection point of the upper arm 110 and the lower arm 120. In contrast, in the short-circuit fault detection device 50' shown in Figure 9, the Rogowski coil 40' is inserted with a first current path 103P' between the upper arm 110 and the high-potential power supply line 101P and a second current path 103N' between the lower arm 120 and the low-potential power supply line 101N. In this embodiment, when an arm short circuit occurs, currents of the same magnitude but opposite polarity flow through the first current path 103P' and the second current path 103N', making it possible to detect the arm short circuit. Furthermore, in this embodiment, when a load short circuit occurs, an excessive current that increases over time flows through the first current path 103P' or the second current path 103N', making it possible to detect the load short circuit.

(2)この発明は、直流電力から交流電力への変換を行うインバータ以外の電力変換装置、例えばDC/DCコンバータやAC/ACコンバータ等に適用してもよい。 (2) This invention may also be applied to power conversion devices other than inverters that convert DC power to AC power, such as DC/DC converters and AC/AC converters.

(3)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。 (3) 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).

(4)上記実施形態において、基準時間Δt0および基準値±V0を操作子の操作により調整できるようにしてもよい。 (4) In the above embodiment, the reference time Δt0 and the reference value ±V0 may be adjustable by operating the controls.

(5)電力変換装置100を制御する上位装置から上アーム制御信号および下アーム制御信号の供給期間中はアクティブレベル、それ以外の期間は非アクティブレベルとなる制御信号を受け取り、この制御信号と短絡検知信号Eとの論理積を切換回路13、23に供給してもよい。この制御信号と短絡検知信号Eとの論理積を取ることで、半導体スイッチング素子Q1、Q2が動作していないときにロゴスキーコイル40の出力電圧Vmが基準時間Δt0を超えて零電圧を維持した場合に、切換回路13、23が半導体スイッチング素子Q1、Q2の駆動部をドライブ回路11、21から短絡電流遮断回路12、22に切り換えることを防ぐことができる。 (5) A control signal that is active during the supply period of the upper arm control signal and the lower arm control signal and inactive during other periods may be received from a higher-level device that controls the power conversion device 100, and the logical product of this control signal and the short-circuit detection signal E may be supplied to the switching circuits 13, 23. By taking the logical product of this control signal and the short-circuit detection signal E, it is possible to prevent the switching circuits 13, 23 from switching the drive section of the semiconductor switching elements Q1, Q2 from the drive circuits 11, 21 to the short-circuit current interruption circuits 12, 22 if the output voltage Vm of the Rogowski coil 40 remains at zero voltage for more than the reference time Δt0 when the semiconductor switching elements Q1, Q2 are not operating.

(6)図10は上述した図1の電力変換装置の実装例を示す側面図である。図10において、半導体モジュール210は、パッケージ210pとこのパッケージ210pの底面から突出した3本の端子211~213とを有する。また、半導体モジュール220は、パッケージ220pとこのパッケージ220pの底面から突出した3本の端子221~223とを有する。パッケージ210p内には図1に示す上アーム110を構成する半導体スイッチング素子Q1およびこれに逆並列接続されたダイオードD1が収容されている。ここで、端子211は、半導体スイッチング素子Q1のゲートに接続され、端子212は、半導体スイッチング素子Q1のドレインに接続され、端子213は、半導体スイッチング素子Q1のソースに接続されている。また、パッケージ220p内には図1に示す下アーム120を構成する半導体スイッチング素子Q2およびこれに逆並列接続されたダイオードD2が収容されている。ここで、端子221は、半導体スイッチング素子Q2のゲートに接続され、端子222は、半導体スイッチング素子Q2のドレインに接続され、端子223は、半導体スイッチング素子Q2のソースに接続されている。 (6) Figure 10 is a side view showing an example implementation of the power conversion device of Figure 1 described above. In Figure 10, semiconductor module 210 has package 210p and three terminals 211 to 213 protruding from the bottom surface of package 210p. Also, semiconductor module 220 has package 220p and three terminals 221 to 223 protruding from the bottom surface of package 220p. Package 210p houses semiconductor switching element Q1, which constitutes upper arm 110 shown in Figure 1, and diode D1 connected in anti-parallel thereto. Here, terminal 211 is connected to the gate of semiconductor switching element Q1, terminal 212 is connected to the drain of semiconductor switching element Q1, and terminal 213 is connected to the source of semiconductor switching element Q1. Also, package 220p houses semiconductor switching element Q2, which constitutes lower arm 120 shown in Figure 1, and diode D2 connected in anti-parallel thereto. Here, terminal 221 is connected to the gate of semiconductor switching element Q2, terminal 222 is connected to the drain of semiconductor switching element Q2, and terminal 223 is connected to the source of semiconductor switching element Q2.

半導体モジュール210の端子211~213と、半導体モジュール220の端子221~223は、間隔を空けて一直線に並んでおり、これらの端子の各々は、ゲート配線基板230と、ロゴスキー配線基板240と、主回路配線基板250とを貫通している。 The terminals 211-213 of the semiconductor module 210 and the terminals 221-223 of the semiconductor module 220 are aligned in a straight line with a gap between them, and each of these terminals penetrates the gate wiring board 230, the Rogowski wiring board 240, and the main circuit wiring board 250.

ゲート配線基板230には、図1に示す上アーム用ゲート駆動回路10と、下アーム用ゲート駆動回路20と、短絡判定回路30とが形成されている。また、ゲート配線基板230には、上アーム用ゲート駆動回路10の出力信号が与えられる導体パターンが形成されており、端子211はこの導体パターンに接続されている。また、ゲート配線基板230には、下アーム用ゲート駆動回路20の出力信号が与えられる導体パターンが形成されており、端子221はこの導体パターンに接続されている。 The gate wiring board 230 is formed with the upper arm gate drive circuit 10, the lower arm gate drive circuit 20, and the short circuit determination circuit 30 shown in Figure 1. The gate wiring board 230 also has a conductor pattern formed thereon to which the output signal of the upper arm gate drive circuit 10 is supplied, and terminal 211 is connected to this conductor pattern. The gate wiring board 230 also has a conductor pattern formed thereon to which the output signal of the lower arm gate drive circuit 20 is supplied, and terminal 221 is connected to this conductor pattern.

主回路配線基250には、図1に示す高電位電源線101Pに対応した導体パターンが形成されており、端子212はこの導体パターンに接続されている。また、主回路配線基250には、図1に示す低電位電源線101Nに対応した導体パターンが形成されており、端子223はこの導体パターンに接続されている。また、主回路配線基250には、図1に示す出力端子102に対応した導体パターンが形成されており、端子213および222はこの導体パターンに接続されている。すなわち、この例では端子213および222が図1における第1の電流路103Pおよび第2の電流路103Nとなっている。 A conductor pattern corresponding to the high-potential power line 101P shown in FIG. 1 is formed on the main circuit wiring board 250, and terminal 212 is connected to this conductor pattern. Furthermore, a conductor pattern corresponding to the low-potential power line 101N shown in FIG. 1 is formed on the main circuit wiring board 250, and terminal 223 is connected to this conductor pattern. Furthermore, a conductor pattern corresponding to the output terminal 102 shown in FIG. 1 is formed on the main circuit wiring board 250, and terminals 213 and 222 are connected to this conductor pattern. That is, in this example, terminals 213 and 222 are the first current path 103P and second current path 103N in FIG. 1.

ロゴスキー配線基板240には、図1に示すロゴスキーコイル40に相当するロゴスキーコイル243が形成されている。図11は半導体モジュール210および220側から見たロゴスキー配線基板240の平面図である。図11に示すように、ロゴスキーコイル243は渦巻き状のコイル241と、このコイル241内をその終了点から開始点に戻る戻り線242とからなる。そして、ロゴスキーコイル243は、端子213および222(すなわち、図1における第1の電流路103Pおよび第2の電流路103N)をまとめて囲っており、このロゴスキーコイル243のコイル241の端部および戻り線242の端部は、図示しないスルーホール配線を介してゲート配線基板230上の短絡判定回路30に接続されている。 A Rogowski coil 243 corresponding to the Rogowski coil 40 shown in FIG. 1 is formed on the Rogowski wiring board 240. FIG. 11 is a plan view of the Rogowski wiring board 240 as seen from the semiconductor modules 210 and 220. As shown in FIG. 11, the Rogowski coil 243 consists of a spiral coil 241 and a return wire 242 that runs from the end point of the coil 241 back to the start point. The Rogowski coil 243 surrounds terminals 213 and 222 (i.e., the first current path 103P and the second current path 103N in FIG. 1), and the ends of the coil 241 and the return wire 242 of the Rogowski coil 243 are connected to the short-circuit determination circuit 30 on the gate wiring board 230 via through-hole wiring (not shown).

従って、この態様によれば、上述した図1の実施形態と同様な効果が得られる。なお、この態様では、ロゴスキーコイル243が実装されるロゴスキー配線基板240と、ゲート配線基板230とを別個の基板としたが、同一の基板としてもよい。後述する図12および図13の実装例についても同様である。 Accordingly, this embodiment achieves the same effects as the embodiment shown in Figure 1 above. Note that, although the Rogowski wiring board 240 on which the Rogowski coil 243 is mounted and the gate wiring board 230 are separate boards in this embodiment, they may also be mounted on the same board. The same applies to the implementation examples shown in Figures 12 and 13, which will be described later.

(7)図12は上述した図9の電力変換装置の実装例を示す側面図である。前掲図10および図11の実装例と同様、電力変換装置は、半導体モジュール210および220と、ゲート配線基板230と、ロゴスキー配線基板240と、主回路配線基250とを有する。図13は半導体モジュール210および220側から見たロゴスキー配線基板240の平面図である。 (7) Figure 12 is a side view showing an example implementation of the power conversion device shown in Figure 9 above. Similar to the implementation examples shown in Figures 10 and 11 above, the power conversion device has semiconductor modules 210 and 220, a gate wiring board 230, a Rogowski wiring board 240, and a main circuit wiring board 250. Figure 13 is a plan view of the Rogowski wiring board 240 as seen from the semiconductor modules 210 and 220 side.

この実装例は、次の点のみが図10および図11の実装例と異なる。図10および図11の実装例において、ロゴスキー配線基板240上のロゴスキーコイル243は、端子213および222(すなわち、図1における第1の電流路103Pおよび第2の電流路103N)をまとめて囲っていた。これに対し、図12および図13の実装例において、ロゴスキー配線基板240上のロゴスキーコイル243は、端子212および223(すなわち、図9における第1の電流路103P’および第2の電流路103N’)をまとめて囲っている。 This implementation example differs from the implementation examples of Figures 10 and 11 only in the following respect. In the implementation examples of Figures 10 and 11, the Rogowski coil 243 on the Rogowski wiring board 240 collectively surrounds terminals 213 and 222 (i.e., first current path 103P and second current path 103N in Figure 1). In contrast, in the implementation examples of Figures 12 and 13, the Rogowski coil 243 on the Rogowski wiring board 240 collectively surrounds terminals 212 and 223 (i.e., first current path 103P' and second current path 103N' in Figure 9).

従って、この態様によれば、上述した図9の実施形態と同様な効果が得られる。 Therefore, this embodiment achieves the same effects as the embodiment shown in Figure 9 above.

(8)図14は上述した図9の電力変換装置の他の実装例を示す平面図である。また、図15は同実装例の側面図である。図14および図15において半導体モジュール300は、2in1型半導体モジュールであり、図9の上アーム110および下アーム120を構成する各素子を収容している。半導体モジュール300の上面には絶縁体からなるスペーサ311、312および313がある。スペーサ311、312および313の上部には、それぞれ端子部361、362および363が形成されている。また、スペー312および313をまとめて囲うように回路基板320が配置されている。この回路基板320には駆動制御回路部330が実装されている。この駆動制御回路部330は、図9に示す上アーム用ゲート駆動回路10と、下アーム用ゲート駆動回路20と、短絡判定回路30とを含む。 (8) Figure 14 is a plan view showing another implementation example of the power conversion device of Figure 9 described above. Figure 15 is a side view of the same implementation example. In Figures 14 and 15, semiconductor module 300 is a 2-in-1 type semiconductor module and houses the elements that make up upper arm 110 and lower arm 120 of Figure 9. Spacers 311, 312, and 313 made of an insulator are provided on the upper surface of semiconductor module 300. Terminal portions 361, 362, and 363 are formed on the upper portions of spacers 311, 312, and 313, respectively. In addition, circuit board 320 is arranged to surround spacers 312 and 313. A drive control circuit unit 330 is mounted on this circuit board 320. This drive control circuit unit 330 includes upper arm gate drive circuit 10, lower arm gate drive circuit 20, and short-circuit determination circuit 30 shown in Figure 9.

半導体モジュール300内において、上アーム110の半導体スイッチング素子Q1のソースと下アーム120の半導体スイッチング素子Q2のドレインは共通接続されており、この共通接続点は端子部361に接続される。すなわち、端子部361は、図9の出力端子102に対応しており、図示しない負荷に接続される。 In the semiconductor module 300, the source of the semiconductor switching element Q1 of the upper arm 110 and the drain of the semiconductor switching element Q2 of the lower arm 120 are commonly connected, and this common connection point is connected to terminal 361. In other words, terminal 361 corresponds to output terminal 102 in Figure 9 and is connected to a load (not shown).

また、半導体モジュール300内において、上アーム110の半導体スイッチング素子Q1のドレインは、端子部362に接続される。この端子部362は、図9における高電位電源線101Pに対応している。すなわち、この例では、端子部362と半導体モジュール300に内包された上アーム110の半導体スイッチング素子Q1のドレインを接続する配線が、図9における第1の電流路103P’となる。 In addition, within the semiconductor module 300, the drain of the semiconductor switching element Q1 of the upper arm 110 is connected to the terminal 362. This terminal 362 corresponds to the high-potential power supply line 101P in FIG. 9. That is, in this example, the wiring connecting the terminal 362 and the drain of the semiconductor switching element Q1 of the upper arm 110 contained within the semiconductor module 300 becomes the first current path 103P' in FIG. 9.

また、半導体モジュール300内において、下アーム120の半導体スイッチング素子Q2のソースは、端子部363に接続される。この端子部363は、図9における低電位電源線101Nに対応している。すなわち、この例では、端子部363と半導体モジュール300に内包された半導体スイッチング素子Q2のソースを接続する配線が、図9における第2の電流路103N’となる。 In addition, within the semiconductor module 300, the source of the semiconductor switching element Q2 of the lower arm 120 is connected to terminal 363. This terminal 363 corresponds to the low-potential power supply line 101N in FIG. 9. In other words, in this example, the wiring connecting terminal 363 and the source of the semiconductor switching element Q2 contained within the semiconductor module 300 becomes the second current path 103N' in FIG. 9.

図14に示すように、回路基板320には、半導体モジュール300から端子部362に至る第1の電流路103P’と半導体モジュール300から端子部363に至る第2の電流路103N’の周囲を一巡するロゴスキーコイル340が形成されている。このロゴスキーコイル340は、渦巻き状のコイル341と、このコイル341内をその終了点から開始点に戻る戻り線342とからなる。そして、ロゴスキーコイル340のコイル341の端部と戻り線342の端部は、駆動制御回路部330内の短絡判定回路30に接続されている。 As shown in FIG. 14, a Rogowski coil 340 is formed on the circuit board 320, surrounding the first current path 103P' extending from the semiconductor module 300 to the terminal portion 362 and the second current path 103N' extending from the semiconductor module 300 to the terminal portion 363. This Rogowski coil 340 consists of a spiral coil 341 and a return wire 342 that runs from the end point of this coil 341 back to the start point. The ends of the coil 341 and the return wire 342 of the Rogowski coil 340 are connected to the short-circuit determination circuit 30 in the drive control circuit portion 330.

従って、この態様によれば、上述した図9の実施形態と同様な効果が得られる。また、この態様によれば、高電位電源線101Pに対応した端子部362と低電位電源線101Nに対応した端子部363とが図14に示すように隣り合っており、ロゴスキーコイル340は、この隣り合った端子部362および363に接続される第1の電流路103P’および第2の電流路103N’をまとめて囲うので、その構成が簡素なものとなるという効果がある。 Accordingly, this embodiment achieves the same effects as the embodiment shown in FIG. 9 described above. Furthermore, this embodiment has the terminal portion 362 corresponding to the high-potential power supply line 101P and the terminal portion 363 corresponding to the low-potential power supply line 101N adjacent to each other as shown in FIG. 14, and the Rogowski coil 340 surrounds the first current path 103P' and the second current path 103N' connected to these adjacent terminal portions 362 and 363, resulting in a simplified configuration.

(9)上記実装例では、半導体モジュールの外部にロゴスキーコイルを設けた。しかし、ロゴスキーコイルは、半導体モジュール内に埋め込んでも良い。 (9) In the above implementation example, the Rogowski coil is provided outside the semiconductor module. However, the Rogowski coil may also be embedded within the semiconductor module.

図16は図14および図15の実装例の変形例を示す側面図である。なお、図16において、図14および図15に示された部分と対応する部分には共通の符号を使用し、説明を省略する。 Figure 16 is a side view showing a modified example of the implementation example shown in Figures 14 and 15. Note that in Figure 16, parts corresponding to those shown in Figures 14 and 15 are designated by the same reference numerals, and their explanations will be omitted.

図16に示す実装例において、回路基板320aは、図14の回路基板320に相当するものであるが、図14におけるロゴスキーコイル340を有していない。その代わりに、図16に示す実装例では、半導体モジュール320a内にロゴスキーコイル340aが埋め込まれており、このロゴスキーコイル340aが回路基板320aの駆動制御回路部330(図14参照)に接続されている。 In the implementation example shown in Figure 16, the circuit board 320a corresponds to the circuit board 320 in Figure 14, but does not have the Rogowski coil 340 in Figure 14. Instead, in the implementation example shown in Figure 16, a Rogowski coil 340a is embedded in the semiconductor module 320a, and this Rogowski coil 340a is connected to the drive control circuit section 330 (see Figure 14) of the circuit board 320a.

さらに詳述すると、図16において、半導体モジュール300a内の素子形成領域370には、図9の上アーム110および下アーム120を構成する各素子が形成されている。そして、素子形成領域370では、上アーム110の半導体スイッチング素子Q1のソースと下アーム120の半導体スイッチング素子Q2のドレインとが共通接続され、この共通接続点が導体層361aを介して端子部361に接続される。 More specifically, in FIG. 16, the elements that make up the upper arm 110 and lower arm 120 in FIG. 9 are formed in element formation region 370 within semiconductor module 300a. In element formation region 370, the source of semiconductor switching element Q1 of upper arm 110 and the drain of semiconductor switching element Q2 of lower arm 120 are commonly connected, and this common connection point is connected to terminal portion 361 via conductor layer 361a.

また、素子形成領域370において、上アーム110の半導体スイッチング素子Q1のドレインは、導体層362aを介して端子部362に接続される。すなわち、この例では、端子部362と半導体モジュール300aに内包された上アーム110の半導体スイッチング素子Q1のドレインを接続する導体層362aが、図9における第1の電流路103P’となる。 Furthermore, in the element formation region 370, the drain of the semiconductor switching element Q1 of the upper arm 110 is connected to the terminal portion 362 via the conductor layer 362a. That is, in this example, the conductor layer 362a connecting the terminal portion 362 and the drain of the semiconductor switching element Q1 of the upper arm 110 included in the semiconductor module 300a serves as the first current path 103P' in FIG. 9.

また、素子形成領域370において、下アーム120の半導体スイッチング素子Q2のソースは、導体層363aを介して端子部363に接続される。すなわち、この例では、端子部363と半導体モジュール300aに内包された半導体スイッチング素子Q2のソースを接続する導体層363aが、図9における第2の電流路103N’となる。このように図16に示す実装例では、上アーム110および下アーム120に加えて、第1の電流路103P’および第2の電流路103N’が半導体モジュール300内に収容されている。 Furthermore, in the element formation region 370, the source of the semiconductor switching element Q2 of the lower arm 120 is connected to the terminal portion 363 via the conductor layer 363a. That is, in this example, the conductor layer 363a connecting the terminal portion 363 and the source of the semiconductor switching element Q2 contained in the semiconductor module 300a becomes the second current path 103N' in FIG. 9. Thus, in the implementation example shown in FIG. 16, in addition to the upper arm 110 and lower arm 120, the first current path 103P' and the second current path 103N' are housed within the semiconductor module 300.

そして、図16の実装例において、半導体モジュール300a内には、導体層362aおよび363a、すなわち、第1の電流路103P’および第2の電流路103N’の周囲を一巡するロゴスキーコイル340aが埋め込まれている。ロゴスキーコイル340aを半導体モジュール300a内に埋め込むための手段には各種の方法が考えられるが、例えば半導体モジュール内に、第1の電流路103P’および第2の電流路103N’の周囲を一巡するスペースを形成し、このスペース内にロゴスキーコイル340aを挿通してもよい。あるいは半導体モジュール300aに第1の電流路103P’および第2の電流路103N’の周囲を一巡するロゴスキーコイル340aを形成した後、樹脂等の絶縁部材により封止してもよい。 In the implementation example of Figure 16, a Rogowski coil 340a is embedded in the semiconductor module 300a, surrounding the conductor layers 362a and 363a, i.e., the first current path 103P' and the second current path 103N'. Various methods can be considered for embedding the Rogowski coil 340a in the semiconductor module 300a. For example, a space may be formed in the semiconductor module that surrounds the first current path 103P' and the second current path 103N', and the Rogowski coil 340a may be inserted into this space. Alternatively, the Rogowski coil 340a may be formed in the semiconductor module 300a that surrounds the first current path 103P' and the second current path 103N', and then sealed with an insulating material such as resin.

図16の実装例によれば、図14および図15の実装例と同様な効果が得られる。また、図16の実装例によれば、半導体モジュール300a内にロゴスキーコイル340aを埋め込むので、図14および図15の実装例に比べて、実装をより簡素にすることができる。また、図14および図15の実装例と比べ、スペーサ311、312間および、312、313間の沿面距離の減少を抑制することができる。 The implementation example of Figure 16 achieves the same effects as the implementation examples of Figures 14 and 15. Furthermore, the implementation example of Figure 16 embeds the Rogowski coil 340a within the semiconductor module 300a, making the implementation simpler than the implementation examples of Figures 14 and 15. Furthermore, compared to the implementation examples of Figures 14 and 15, it is possible to suppress a decrease in the creepage distance between spacers 311 and 312 and between spacers 312 and 313.

100……電力変換装置、101P……高電位電源線、101N……低電位電源線、110……上アーム、120……下アーム、Q1,Q2……半導体スイッチング素子、D1,D2……ダイオード、10……上アーム用ゲート駆動回路、20……下アーム用ゲート駆動回路、11,21……ドライブ回路、21,22……短絡電流遮断回路、13,23……切換回路、50,50’……短絡故障検出装置、40,40’……ロゴスキーコイル、102……AC出力端子、103P,103P’……第1の電流路、103N,103N’……第2の電流路、30……短絡判定回路、31……誘起電圧検出回路、32……零電圧期間判定回路、33……電圧値比較回路、34……ORゲート、210,220,300,300a……半導体モジュール、210p,220p……パッケージ、211~213,221~223……端子、240,320,320a……回路基板、243,340,340a……ロゴスキーコイル、241,341……コイル、242,342……戻り線、311~313……スペーサ、320……回路基板、330……駆動制御回路部、361~363……端子部、361a~363a……導体層、370……素子形成領域、230……ゲート配線基板、240……ロゴスキー配線基板、250……主回路配線基板。 100...power conversion device, 101P...high potential power supply line, 101N...low potential power supply line, 110...upper arm, 120...lower arm, Q1, Q2...semiconductor switching element, D1, D2...diode, 10...upper arm gate drive circuit, 20...lower arm gate drive circuit, 11, 21...drive circuit, 21, 22...short circuit current interruption circuit, 13, 23...switching circuit, 50, 50'...short circuit fault detection device, 40, 40'...Rogowski coil, 102...AC output terminal, 103P, 103P'...first current path, 103N, 103N'...second current path, 30...short circuit determination circuit, 31...induced voltage detection circuit, 32...zero current Pressure period determination circuit, 33...voltage value comparison circuit, 34...OR gate, 210, 220, 300, 300a...semiconductor module, 210p, 220p...package, 211-213, 221-223...terminals, 240, 320, 320a...circuit board, 243, 340, 340a...Rogowski coil, 241, 341...coil, 242, 342...return line, 311-313...spacer, 320...circuit board, 330...drive control circuit section, 361-363...terminal section, 361a-363a...conductor layer, 370...element formation region, 230...gate wiring board, 240...Rogowski wiring board, 250...main circuit wiring board.

Claims (10)

半導体スイッチング素子を各々含む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の短絡故障検出装置において、
前記2以上のアームのうちの第1のアームおよび前記負荷に共通に流れる第1の電流が通過する第1の電流路と、前記2以上のアームのうちの第2のアームおよび前記負荷に共通に流れる第2の電流が通過する第2の電流路の両方の電流路に挿入されたロゴスキーコイルを具備し、
前記ロゴスキーコイルから得られる検出信号に基づいて、前記電力変換装置のアームおよび前記負荷の短絡故障を検出し、
前記検出信号の絶対値が第1の閾値以内である状態の継続時間に基づいて前記アームの短絡故障を検出することを特徴とする短絡故障検出装置。
1. A short-circuit fault detection device for a power conversion device that supplies power to a load via two or more arms each including a semiconductor switching element,
a Rogowski coil inserted in both a first current path through which a first current flows commonly to a first arm of the two or more arms and the load, and a second current path through which a second current flows commonly to a second arm of the two or more arms and the load,
detecting a short-circuit fault in an arm of the power conversion device and the load based on a detection signal obtained from the Rogowski coil ;
A short-circuit fault detection device, characterized in that a short-circuit fault in the arm is detected based on the duration of a state in which the absolute value of the detection signal is within a first threshold value .
前記第1のアームおよび前記第2のアームは、高電位電源線および低電位電源線間に直列接続され、前記負荷は前記第1のアームおよび前記第2のアームの共通接続点に接続されており、
前記第1の電流路は、前記第1のアームと前記共通接続点との間の電流路であり、
前記第2の電流路は、前記第2のアームと前記共通接続点との間の電流路である
請求項1に記載の短絡故障検出装置。
the first arm and the second arm are connected in series between a high potential power supply line and a low potential power supply line, and the load is connected to a common connection point of the first arm and the second arm;
the first current path is a current path between the first arm and the common connection point;
The short-circuit fault detection device according to claim 1 , wherein the second current path is a current path between the second arm and the common connection point.
前記第1のアームは、第1の半導体モジュールに収容され、前記第1の半導体モジュールの端子により前記高電位電源線に接続され、
前記第2のアームは、第2の半導体モジュールに収容され、前記第2の半導体モジュールの端子により前記低電位電源線に接続され、
前記ロゴスキーコイルは、前記第1の半導体モジュールの端子と、前記第2の半導体モジュールの端子とをまとめて囲む
請求項2に記載の短絡故障検出装置。
the first arm is housed in a first semiconductor module and is connected to the high-potential power supply line by a terminal of the first semiconductor module;
the second arm is housed in a second semiconductor module and is connected to the low-potential power supply line by a terminal of the second semiconductor module;
The short-circuit fault detection device according to claim 2 , wherein the Rogowski coil surrounds a terminal of the first semiconductor module and a terminal of the second semiconductor module together.
前記第1のアームおよび前記第2のアームは、高電位電源線および低電位電源線間に直列接続され、前記負荷は前記第1のアームおよび前記第2のアームの共通接続点に接続されており、
前記第1の電流路は、前記第1のアームと前記高電位電源線との間の電流路であり、
前記第2の電流路は、前記第2のアームと前記低電位電源線との間の電流路である
請求項1に記載の短絡故障検出装置。
the first arm and the second arm are connected in series between a high potential power supply line and a low potential power supply line, and the load is connected to a common connection point of the first arm and the second arm;
the first current path is a current path between the first arm and the high potential power supply line,
The short-circuit fault detection device according to claim 1 , wherein the second current path is a current path between the second arm and the low-potential power supply line.
前記第1のアームは、第1の半導体モジュールに収容され、前記第1の半導体モジュールの端子により前記共通接続点に接続され、
前記第2のアームは、第2の半導体モジュールに収容され、前記第2の半導体モジュールの端子により前記共通接続点に接続され、
前記ロゴスキーコイルは、前記第1の半導体モジュールの端子と、前記第2の半導体モジュールの端子とをまとめて囲む
請求項4に記載の短絡故障検出装置。
the first arm is housed in a first semiconductor module and connected to the common connection point by a terminal of the first semiconductor module;
the second arm is housed in a second semiconductor module and is connected to the common connection point by a terminal of the second semiconductor module;
The short-circuit fault detection device according to claim 4 , wherein the Rogowski coil surrounds the terminals of the first semiconductor module and the terminals of the second semiconductor module together.
前記第1のアームおよび前記第2のアームは、半導体モジュールに収容され、前記第1のアームは、前記半導体モジュールの外部の前記高電位電源線に前記第1の電流路を介して接続され、前記第2のアームは、前記半導体モジュールの外部の前記低電位電源線に前記第2の電流を介して接続され、
前記半導体モジュールの外部において前記高電位電源線および前記低電位電源線は隣り合っており、
前記ロゴスキーコイルは、前記第1の電流路と、前記第2の電流路とをまとめて囲む
請求項4に記載の短絡故障検出装置。
the first arm and the second arm are housed in a semiconductor module, the first arm is connected to the high potential power supply line outside the semiconductor module via the first current path, and the second arm is connected to the low potential power supply line outside the semiconductor module via the second current path ;
the high potential power supply line and the low potential power supply line are adjacent to each other outside the semiconductor module;
The short-circuit fault detection device according to claim 4 , wherein the Rogowski coil surrounds the first current path and the second current path together.
前記第1のアームおよび前記第2のアームと、前記第1の電流路および前記第2の電流路とが半導体モジュールに収容され、前記第1のアームは、前記半導体モジュールの外部の前記高電位電源線に前記第1の電流路を介して接続され、前記第2のアームは、前記半導体モジュールの外部の前記低電位電源線に前記第2の電流を介して接続され、
前記ロゴスキーコイルは、前記半導体モジュールに埋め込まれており、前記第1の電流路と、前記第2の電流路とをまとめて囲む
請求項4に記載の短絡故障検出装置。
the first arm and the second arm, and the first current path and the second current path are housed in a semiconductor module, the first arm is connected to the high potential power supply line outside the semiconductor module via the first current path, and the second arm is connected to the low potential power supply line outside the semiconductor module via the second current path ;
The short-circuit fault detection device according to claim 4 , wherein the Rogowski coil is embedded in the semiconductor module and surrounds the first current path and the second current path together.
前記検出信号の絶対値が第2の閾値以上である場合に前記負荷の短絡故障を検出する請求項1~7のいずれか1項に記載の短絡故障検出装置。8. The short-circuit fault detection device according to claim 1, wherein a short-circuit fault in the load is detected when the absolute value of the detection signal is equal to or greater than a second threshold value. 短絡故障を検出した場合に前記第1のアームおよび前記第2のアームの各半導体スイッチング素子の駆動を停止させることを特徴とする請求項1~8のいずれか1項に記載の短絡故障検出装置。9. The short-circuit fault detection device according to claim 1, wherein when a short-circuit fault is detected, driving of each semiconductor switching element of the first arm and the second arm is stopped. 半導体スイッチング素子を各々含む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、1. A power conversion device that supplies power to a load via two or more arms each including a semiconductor switching element,
前記2以上のアームのうちの第1のアームおよび第2のアームに短絡故障検出装置が設けられ、a short-circuit fault detection device is provided in a first arm and a second arm of the two or more arms;
前記短絡故障検出装置は、The short circuit fault detection device includes:
前記第1のアームおよび前記負荷に共通に流れる第1の電流が通過する第1の電流路と、前記第2のアームおよび前記負荷に共通に流れる第2の電流が通過する第2の電流路の両方の電流路に挿入されたロゴスキーコイルと、a Rogowski coil inserted in both a first current path through which a first current flows commonly to the first arm and the load and a second current path through which a second current flows commonly to the second arm and the load;
前記ロゴスキーコイルから得られる検出信号に基づいて、前記電力変換装置のアームおよび前記負荷の短絡故障を検出する短絡判定回路と、を具備し、a short-circuit determination circuit that detects a short-circuit fault in an arm of the power conversion device and the load based on a detection signal obtained from the Rogowski coil,
前記短絡判定回路は、前記検出信号の絶対値が第1の閾値以内である状態の継続時間に基づいて前記アームの短絡故障を検出することを特徴とする電力変換装置。The power conversion device according to claim 1, wherein the short-circuit determination circuit detects a short-circuit fault in the arm based on a duration of a state in which the absolute value of the detection signal is within a first threshold value.
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