JP4862616B2 - 電力変換装置 - Google Patents

Description

本発明は、IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)等のスイッチング素子を具えた電力変換装置の素子温度を測定するにあたって、熱電対などの感温素子をスイッチング素子近傍に配置する必要をなくして電力変換装置を小型化する技術に関するものである。

電力変換装置としては一般に、直流電圧源と負荷とを接続するインバータ装置がある。インバータ装置に設けられた半導体よりなるスイッチング素子は高温に弱く、温度上昇によりインバータ装置が破壊しないよう、スイッチング素子の温度を検出する発明としては従来、例えば特許文献１および特許文献２に記載のごときものが知られている。
特許文献１に記載のIGBTのゲートドライブ回路は、スイッチング素子がオフしているときに、IGBTのゲート・エミッタ端子間に高周波の交流電圧を印加し、この交流電圧によってIGBTのゲート端子に流れる電流に基づいて動作中のIGBTの静電容量を計測する。この静電容量は温度に対して相関関係を持っているため、静電容量を検出することによってIGBTの素子温度を計測するものである。
特許文献２に記載のオンチップ温度検出装置は、スイッチング素子がオフしているときに、スイッチング素子がオンしない程度の微小な一定電流をベースに流し、ベース・エミッタ端子間ダイオードの順方向電圧の温度特性を利用して素子温度を検出するように構成したものである。
特開平５−５６５５３号公報 特開２００２−２８９８５６号公報

しかし、上記従来のような温度検出装置にあっては、以下に説明するような問題を生ずる。つまりスイッチング素子の通常駆動に影響を与えないよう、素子がオフしている期間においてのみスイッチング素子の温度測定が可能になる。そうすると、オンの時間が長くオフの時間が短い電力変換装置の大出力時には、充分な測定期間を確保することができない。したがって従来技術では、電力変換装置の小出力時にスイッチング素子の温度を測定し、大出力時にはスイッチング素子の温度を推定に頼るしかなかった。この結果、スイッチング素子の温度が上昇する大出力時こそ正確な温度測定の必要が高いにもかかわらず、当該正確な温度測定ができなかった。

また、インバータ装置のような電力変換装置においては、スイッチング素子に測定用信号を印加することでスイッチが動作し電源が短絡してしまうことを防止するため、温度測定されるアームとは逆側のアームをオフ状態にする必要がある。このときにアームをオンオフする際のスイッチング損失が発生する。

本発明は、電力変換装置の出力の大小に関わらず正確に素子温度を検出することができる電力変換装置を提案することを目的とする。

この目的のため本発明による電力変換装置は、請求項１に記載のごとく、
直流電圧源と負荷とを電気的に接続するスイッチング素子と、該スイッチング素子にオンオフ動作のためのゲート信号を与える素子駆動回路とを具え、前記スイッチング素子をオンオフしてパルス状電圧を生成することにより負荷の駆動電流を制御する電力変換装置において、
前記素子駆動回路がスイッチング素子のゲート端子に前記ゲート信号を与えて前記スイッチング素子をオフからオンにする際に、前記ゲート信号の電圧値と前記スイッチング素子から前記負荷へ流れる素子電流の電流値との関係を規定するマップあるいは計算式から、前記スイッチング素子の温度状態を判断するよう構成したことを特徴としたものである。

かかる本発明の電力変換装置によれば、スイッチング素子のオフ期間の長短にかかわらず、正確な温度測定が可能になる。したがって、オフ期間が短い電力変換装置の大出力時でも、素子温度を正確に検出することが可能となり、素子保護を適宜に図ることができる。
また、温度測定されるアームとは逆側のアームをオフ状態にする必要がなくなり、スイッチング損失を低減することができる。

以下、本発明の実施の形態を、図面に示す実施例に基づき詳細に説明する。
図１は本発明の一実施例になる電力変換装置、電圧源および負荷の全体概略を示す回路構成図である。直流の電圧源１0の正極側端子および負極側端子間には、６個のスイッチング素子４１〜４６を電気的に接続する。スイッチング素子２１〜２６はIGBTであり、これらスイッチング素子４１〜４６の接続および配置は周知のインバータ装置と同様である。スイッチング素子４１〜４６には負荷である三相交流モータ３０を電気的に接続する。
各スイッチング素子４１〜４６のゲート端子には、これらスイッチング素子４１〜４６をオンオフ動作させる素子駆動回路２０を接続する。スイッチング素子４１〜４６および素子駆動回路２０は電力変換装置を構成する。

電圧源１０は三相交流モータ３０の電源である。図１に示すようにスイッチング素子４１〜４６はこれら電圧源１０と三相交流モータ３０とを電気的に接続する。素子駆動回路２０はスイッチング素子４１〜４６のゲート端子にオンオフ動作のためのゲート信号を与え、スイッチング素子４１〜４６をオンオフする。これによりパルス状電圧を生成して三相交流モータ３０の駆動電流を制御する。

図２は素子駆動回路２０の構成を示すブロック図である。素子駆動回路２０はスイッチング素子４１〜４６に共通であることから、図２にはスイッチング素子４１〜４６のうちの１個を代表して示し、説明の重複を避けるためスイッチング素子４１のみにつき代表して示す。

駆動信号生成器２０１は、パルス幅変調制御のための指令信号sig_PWMをパルス動作用ゲート駆動回路２０２に出力し、スイッチング素子４１〜４６の温度検出のための指令信号sig_test1を温度検出用ゲート駆動回路２０３に出力する。指令信号sig_PWMは通常、目標となる電力変換装置の出力を実現するものである。しかしながら、後述する素子保護モードの間は、電力変換装置の出力を目標よりも小さくするよう制限する。

また駆動信号生成器２０１は後述する素子温度検出期間αを規定しており、素子温度検出期間α中はsig_search＝１をゲート駆動回路選択回路２０４へ出力し、期間α以外ではsig_search＝０をゲート駆動回路選択回路２０４へ出力する。

パルス動作用ゲート駆動回路２０２は指令信号sig_PWMに基づき、スイッチング素子４１のゲート端子に駆動用のゲート信号を出力する。温度検出用ゲート駆動回路２０３は指令信号sig_test1に基づき、スイッチング素子４１のゲート端子および素子温度判断器２０８に検出用のゲート信号を出力する。

ゲート駆動回路選択回路２０４は、受信した信号sig_searchに基づき、パルス動作用ゲート駆動回路２０２または温度検出用ゲート駆動回路２０３の一方を選択するための信号sig_selectを選択器２０５に出力する。具体的には、sig_search＝１のときは切り替え信号sig_select＝１を出力する。またsig_search＝０のときは切り替え信号sig_select＝０を出力する。

選択器２０５はゲート信号を駆動用または検出用に切り替える。具体的には、受信した切り替え信号sig_select＝１のとき温度検出用ゲート駆動回路２０３をスイッチング素子４１のゲート端子に接続する。また切り替え信号sig_select＝０のときパルス動作用ゲート駆動回路２０２をスイッチング素子４１のゲート端子に接続する。
選択器２０５が前述したパルス動作用ゲート駆動回路２０２を選択する間、パルス動作用ゲート駆動回路２０２からの駆動用のゲート信号がスイッチング素子４１に入力される。この間、スイッチング素子４１はパルス幅変調制御を実行するためのパルス状電圧を生成する。これに対し、選択器２０５が前述した温度検出用ゲート駆動回路２０３を選択する間、温度検出用ゲート駆動回路２０３からの検出用のゲート信号がスイッチング素子４１に入力される。これらパルス動作用ゲート駆動回路２０２、温度検出用ゲート駆動回路２０３および選択器２０５はゲート駆動回路部２０６を構成する。
上述したように選択器２０５が検出用のゲート信号から駆動用のゲート信号にゲート信号を切り替えるため、ゲート駆動回路部２０６は異なる波形のゲート信号を連続して出力することができる。

素子電流値検出器２０７は、スイッチング素子４１からモータ３０へ流れる電流を検知する。具体的にはスイッチング素子４１のコレクタ端子に流れるスイッチング素子４１の素子電流が所定値i_swに達したかチェックして、達していれば結果を素子温度判断器２０８に出力する。所定値i_swはスイッチング素子がオフからオンになってコレクタ電流が流れていると判断するための電流値である。素子温度判断器２０８はゲート電圧Vgを監視し、所定電流値i_swに達したときゲート電圧を読み込むことにより、スイッチング素子がオフからオンになるゲートオン電圧値Vg1を測定することができる。このゲートオン電圧値Vg1は素子温度によって変化するという特性から、素子温度判断器２０８はスイッチング素子４１の温度を判断する。破損危険領域にあると判断すればsig_result＝０を駆動信号生成器２０１に出力する。これに対し、素子温度が安全領域にあると判断すればsig_result＝１を駆動信号生成器２０１に出力する。

駆動信号生成器２０１は、安全領域を示すsig_result＝１を受信する間、前述した指令信号sig_PWMを、電力変換装置の目標出力に対応する通常どおりのものとする。そして図６に沿って後述する素子温度検出期間αの終了後から連続して素子定格までスイッチング素子４１をオンさせるよう動作する。
これに対し、破損危険領域を示すsig_result＝０を受信する間、前述した指令信号sig_PWMを電力変換装置の出力を制限する素子保護モードとする。これにより、スイッチング素子４１の温度上昇を抑制することができる。

図３は、スイッチング素子４１の温度を判断する制御フローを示す。
まずステップS1において、コレクタ端子に流れる素子電流が所定値i_swに達しているかを判定する。素子電流が所定値i_swに達すると、次のステップS2に進む。ステップS2において、素子電流が所定値i_swに達したときのゲート電圧Vgを読み込み、この読み込み値をもってゲートオン電圧Vg1とする。次のステップS3において、ゲートオン電圧Vg１を素子温度が過温度状態における電圧値よりも高いか否かを判断するための閾値Vgthと比較する。比較の結果、Vg１＜Vgthである（YES）と判断すれば、素子温度が高く破損危険領域にあるため、sig_result＝０を出力して本制御フローを終える。これに対し、Vg１＜Vgthではない（NO）と判断すれば、素子温度が低く安全領域にあるため、sig_result＝１を出力して本制御フローを終える。このように本実施例によれば、破損危険領域にあるか、あるいは安全領域にあるか、ゲートオン電圧値から素子温度を正確に求めることができる。

ここで付言すると、素子電流の電流値が所定値i_swとなるゲートオン電圧Vg1はスイッチング素子の温度によって異なる。つまり、ゲート信号の電圧値と素子電流の電流値との関係を温度毎に規定するマップあるいは計算式がある。IGBT等のスイッチングに用いられる半導体素子には温度が上昇するにつれて、あるゲート電圧、例えば電圧Vg、に対する電流値が増加するという特性をもつ。この特性から、上述のマップあるいは計算式が得られる。
本実施例では、これらマップあるいは計算式を簡素化した閾値Vgthからスイッチング素子の温度状態を判断する。これらマップあるいは計算式を実験により求めて素子駆動回路２０に記憶しておき、これらマップあるいは計算式を直接に参照すれば、スイッチング素子４１〜４６の温度そのものを求めることもできる。

図４は、パルス動作用ゲート駆動回路２０２がスイッチング素子４１のゲート端子に出力する駆動用のゲート信号を示すグラフである。パルス動作用ゲート駆動回路２０２は図４に示すようなパルス動作のための矩形波を、必要なオンオフ時に応じて作成するのに適切な構成を有する。

図５は、温度検出用ゲート駆動回路２０３がスイッチング素子４１のゲート端子および素子温度判断器２０８に出力する検出用のゲート信号を示すグラフである。温度検出用ゲート駆動回路２０３は、図５に示すようにオフからオンにする際に応じて０から漸増するような波形を作成するのに適切な構成を有する。

本実施例のようにパルス動作のためのゲート信号を出力する手段と、検出用のゲート信号を出力する手段をゲート駆動回路２０２とゲート駆動回路２０３に分けることによって、同一の手段によって異なる信号を出力する構成よりも、簡素化することができる。

駆動信号生成器２０１は、図５に示す検出用のゲート信号と、図４に示す駆動用のゲート信号との周波数および位相が同期するよう指令信号sig_test1および指令信号sig_PWMを出力する。そして、図５に示す検出用のゲート信号が漸増してゲートオン電圧Vg1に達すると、信号sig_searchを出力する。このため、スイッチング素子４１のゲート信号は、これら図５および図４のゲート信号を連続させた図６に示すようなものとなる。

この図６はすなわち、ゲート駆動回路部２０６が出力するゲート信号の電圧波形を示す。図６におけるαは素子温度検出期間である。素子温度検出期間αのゲート信号は温度検出用ゲート駆動回路２０３からのゲート信号であり、時間経過とともにゲート電圧Vgが漸増する。また、βは、パルス動作期間である。期間βのゲート信号はパルス動作用ゲート駆動回路２０２からのゲート信号であり、ゲート電圧Vgが充分高い。期間βではスイッチング素子４１がオンになって、該スイッチング素子４１が１個のパルス状電圧を生成するようパルス動作する。
そして、パルス動作が終了し、スイッチング素子４１がオンからオフになると、オフの間に切り替え信号sig_selectを出力し、選択器２０５をパルス動作用ゲート駆動回路２０２から温度検出用ゲート駆動回路２０３に切り替えて、次の素子温度検出に備える。

図６に示すようにゲート信号のゲート電圧Vgは、期間αにおいて漸増する波形であり、期間αのうちの瞬時でゲートオン電圧Vg1であり、期間αから期間βに移行する瞬時にゲート電圧Vgの波形が矩形波となって急増する。以上が素子温度検出における一連の動作である。

キャリア周波数10[kHz]のPWM駆動をする電力変換装置において変調率が０．９の場合、スイッチング素子がオンとなる期間は９０[μｓ]である。これにデッドタイムなどが加わるため、スイッチング素子がオフとなる期間は１０[μｓ] 未満となる。特許文献１および２に示す従来の素子温度検出手段では、充分な測定時間を確保できなかった。

しかし本実施例によれば、スイッチング素子４１〜４６のオフ状態からオン状態へ移行する際に素子温度を検出することができ、従来例のような温度測定用の充分な期間を設ける必要がない。したがって、通常のパルス幅変調制御を損なうことがなく、電力変換装置の大出力中に正確な温度測定が可能になる。
また温度測定されるアームとは逆側のアームをオフ状態にする必要がなくなり、スイッチング損失を低減することができる。

なお、図には示さなかったが素子温度検出期間αの開始時におけるゲート電圧値をゲート０よりも大きくゲート閾値Vgthよりも小さくして、ゲート信号の波形を台形にすれば、素子温度を検出するために要する時間を一層短くすることができる。

また図示しなかったが、前述した図３のフローチャート中のステップＳ３で、予め記憶させておいた素子温度とゲートオン電圧値との関係を示す特性図と、前記ステップＳ２で測定したゲートオン電圧値Vg1とを比較して、正確な素子温度を検出してもよい。

パルス幅変調制御を実行する電力変換装置にあっては、図７に示すように三角波比較法および変調率に基づき素子温度検出期間αを規定して信号sig_searchを生成するとよい。
図７中、三角波と交差する水平な直線のうち、γはパルス幅変調制御用（PWM）変調率であり、公知のパルス幅変調制御により設定される。そして上記γを具えた三角波の上に、PWM変調率γから所定の距離だけ離間させて素子温度検出用変調率δを設定する。

図７に示すように、γおよびδ間の所定距離は素子温度検出期間αを規定する。
これら変調率δから変調率γまでの素子温度検出期間αでは信号sig_search＝１を出力して、温度検出用ゲート駆動回路２０３を選択するものとし、前記以外の間は、信号sig_search＝０を出力して、パルス動作用ゲート駆動回路２０２を選択するものとする。

上述した三角波比較法および変調率に基づく信号sig_searchの生成によれば、信号sig_searchを容易に生成することが可能であるため、素子温度検出期間αの開始時点と期間αの長さを好適に実現することができ、素子温度検出期間αの管理が容易になる。

固定値であってもよいが、前回のパルス動作における所定距離およびスイッチング素子の温度を規定しておき、γおよびδ間の所定距離をフィードバック制御してもよい。例えば、最初はγおよびδ間の所定距離を初期値とする。前回のパルス動作で素子温度が破損危険領域にあると判断した場合など、求めた素子温度が高くなると、γおよびδ間の所定距離を前回値（初期値）よりも短くする。そして、前回のパルス動作で求めた素子温度が低い状態に戻ったと判断すると、γおよびδ間の所定距離を初期値に戻す。

このように、前回設定した素子温度検出用変調率δおよび前回求めたスイッチング素子温度に基づき素子温度検出用変調率をフィードバック制御で設定することにより、前回の素子温度検出期間αを次回の期間αの算出に反映させて、ゲートオン電圧値Vg1の測定に要する時間を最適化することができ、適切に素子温度を検出することができる。そして、素子温度検出期間αを適切に規定することが可能となり、余剰な素子温度検出期間を削減して電力損失を軽減することができる。

次に、素子温度を判断する別の実施例につき、図８および図９に沿って説明する。なお、上述した実施例と共通する部分については、説明を省略する。

本実施例における素子駆動回路２０の構成は、図２に示すブロック図と共通であるが、図２中のゲート駆動回路部２０６を図８に示すゲート駆動回路部２０９に置き換える。本実施例では、ゲート駆動回路部２０９が選択器を有さず、パルス動作用ゲート駆動回路２０２および温度検出用ゲート駆動回路２０３を並列に接続したことを特徴とする。パルス動作用ゲート駆動回路２０２とスイッチング素子との間には抵抗R1を介挿する。また温度検出用ゲート駆動回路２０３とスイッチング素子との間には抵抗R2を介挿する。

図９は、このゲート駆動回路部２０９が出力するゲート信号の電圧波形を示すグラフである。図８に示すような並列接続であることから、駆動用のゲート信号と温度検出用のゲート信号とを重畳して、素子温度検出期間αおよびパルス動作期間βを実現する。

本実施例によれば、選択器を削減してゲート駆動回路部の簡素化を図ることができる。

次に、素子温度を判断するさらに別の実施例につき、図１０に沿って説明する。さらに別の実施例では、前述した２個の構成要素２０２，２０３に代えて、１個の構成要素に２０５としたことを特徴とする。なお、上述した実施例と共通する部分については、説明を省略する。

本実施例における素子駆動回路２０の構成は、図２に示すブロック図と共通であるが、図２中のゲート駆動回路部２０６を図１０に示すゲート駆動回路部２１０に置き換える。ゲート駆動回路部２１０は、指令信号sig_PWMを受信してゲート信号を出力するゲートドライブ回路２１１と、切り替え信号sig_select＝０を受信して抵抗R3または抵抗R4を選択する選択器２１２とから構成される。

ゲートドライブ回路２１１は、前述したパルス動作用ゲート駆動回路２０２と同様に、駆動用のゲート信号を選択器２１２へ出力する。
選択器２１２は、並列接続した抵抗R3および抵抗R4を具える。抵抗R3の抵抗値は抵抗R4の抵抗値よりも大きい。そして、受信した駆動用のゲート信号を、抵抗R3または抵抗R4を経てスイッチング素子４１のゲート端子に出力する。

ゲート信号の電圧値がスイッチチング素子に作用する速度は、スイッチング素子の静電容量とゲート抵抗値によって定まる時定数を有するという特性がある。図１０に示すように、抵抗値が異なる２つの抵抗R3および抵抗R4を選択してスイッチング素子４１のゲート抵抗値に接続することにより、抵抗R3および抵抗R4はゲート信号の速度を異なせる素子として作用する。そして、ゲート抵抗値の異なる２つの状態を実現して、図２に示すゲート駆動回路部２０６と同様の機能を得ることが可能になる。

本実施例によれば、１つのゲート駆動回路で駆動用のゲート信号および温度検出用のゲート信号を出力することが可能になり、ゲート駆動回路部を一層簡素化して、コスト低減を図ることができる。

次に、素子温度を判断するさらに別の実施例につき、図１１に沿って説明する。なお、上述した実施例と共通する部分については、説明を省略する。

本実施例における素子駆動回路２０の構成を、図１１のブロック図に示す。この基本構成は図２に示すブロック図と共通である。図１１中の素子温度判断器２０４には、素子温度の判断が終了した時点で終了信号sig_endをゲート駆動回路２０４に出力する機能を付加する。そして、ゲート駆動回路２０４は、sig_search＝１を受信しても、終了信号sig_endを受信することを条件に切り替え信号sig_select＝０を出力する。

本実施例によれば、素子温度の判断に要した時間が短時間の場合に、素子判断終了後に余剰となる素子温度検出期間αを削減することが可能となり、余剰時間中の電力損失を防止することができる。特に、前述した三角波比較法および変調率に基づく素子温度検出期間αの規定において本実施例は有用である。

次に、素子温度を判断する他の実施例につき、図１２〜図１３に沿って説明する。なお、素子駆動回路２０の構成や駆動用のゲート信号の波形等、上述した実施例と共通する部分については、説明を省略する。

図１２は、スイッチング素子４１の温度を判断する制御フローを示し、前述した図３に示す制御フローに代わるものである。
まずステップS11において、温度検出用ゲート駆動回路２０３（図２参照）がスイッチング素子４１のゲート端子に判定ゲート電圧Vthを出力する。この判定ゲート電圧Vthは、図１３に示すような矩形波であり、１つの矩形波は極短時間である。判定ゲート電圧Vthは、素子温度が破損危険領域であるかあるいは安全領域にあるかを判断するための値である。またこの判定ゲート電圧Vthは、前述した図５に示す０から漸増するような波形に代わるものである。

次のステップS12において、素子電流値検出器２０７（図２参照）がスイッチング素子４１のコレクタ端子の電流ｉ_cを測定する。次のステップＳ13において、測定値i_cと、素子温度が高いか否かを判断するための閾値ithとを比較する。比較の結果、i_c＞ithである（YES）と判断すれば、素子温度が高く破損危険領域にあるため、sig_result＝０を出力して本制御フローを終える。これに対し、i_c＞ithではない（NO）と判断すれば、素子温度が低く安全領域にあるため、sig_result＝１を出力して本制御フローを終える。

ゲート信号をある電圧値Vthに固定した場合の素子電流の電流値i_cはスイッチング素子の温度によって異なる。つまり、図３の沿って前述したように、ゲート信号の電圧値と素子電流の電流値との関係を温度毎に規定するマップあるいは計算式がある。本実施例では、これらマップあるいは計算式を簡素化した閾値ithからスイッチング素子の温度状態を判断する。これらマップあるいは計算式を直接に参照すれば、スイッチング素子４１〜４６の温度そのものを求めることもできる。

スイッチング素子のゲート電圧で一定であれば、スイッチング素子の温度に応じてコレクタ端子の電流が変化するという温度特性に着目した本実施例によれば、破損危険領域にあるか、あるいは安全領域にあるか、コレクタ端子の電流ｉ_cの温度特性に基づき正確に素子温度を求めることができる。
また本実施例によれば、コレクタ端子の電流ｉ_cが微小であり、素子温度を検出するために要する時間が極短時間であるため、測定に伴う電力損失が問題となることがない。

なお本実施例は、図８に沿って前述したゲート駆動回路を並列接続する構成においても実施可能である。

ところで、上記した各実施例によれば、素子駆動回路２０がゲート信号を与えてスイッチング素子４１〜４６をオフからオンにする際に、ゲート信号の電圧値Vgとスイッチング素子４１〜４６から負荷であるモータ３０へ流れる素子電流の電流値i_swとの関係から、前記スイッチング素子の温度状態を判断する。つまり、素子駆動回路２０は、スイッチング素子４１〜４６からモータ３０へ流れる電流を検知する素子電流値検出器２０７と、スイッチング素子４１〜４６をオフからオンにする際のゲート信号の電圧値Vgを監視し、素子電流値検出器２０７が素子電流i_swを検知したときのゲート信号の電圧値Vgを、ゲートオン電圧値Vg1とする素子温度判断器２０８とを具え、素子温度判断器２０８はゲートオン電圧値Vg1に基づきスイッチング素子４１〜４６の温度を求めることから、
スイッチング素子のオフ期間の長短にかかわらず、正確な温度測定が可能になる。したがって、オフ期間が短い電力変換装置の大出力時でも、素子温度を正確に検出することが可能となり、素子保護を適宜に図ることができる。

また素子駆動回路２０は図６に示すように、スイッチング素子４１をオフからオンにする際のゲート信号の電圧値を漸増させ、スイッチング素子がオンした後にゲート信号の電圧値を急増させることから、
オフからオンになる通常のパルス状電圧生成の際に、素子温度を測定することが可能になり、パルス状電圧の生成に支障をきたすことがない。また、素子温度検出後、スイッチング素子を一旦オフに戻す必要がなく、素子温度検出に要する時間を最小化することができる。

また漸増におけるゲート信号の電圧値の波形を、台形にすれば、ゲート信号の電圧値Vgがゲートオン電圧値Vg1に達するまでの時間を短縮することが可能になり、素子温度を検出するために要する時間を一層短くすることができる。

また本実施例では、素子駆動回路２０が、ゲート信号の電圧値を前記漸増させる温度検出用ゲート駆動回路２０３と、ゲート信号の電圧値を矩形波で急増させるパルス動作用ゲート駆動回路２０２とを具えることから、
同一のゲート駆動回路で異なる２つのゲート信号を出力する構成よりもゲート信号を制御するための手法を簡素化することができる。

また本実施例では、素子駆動回路２０が、ゲート信号を温度検出用ゲート駆動回路２０３およびパルス動作用ゲート駆動回路２０２の一方から他方に切り替える選択器２０５を具え、選択器２０５は、駆動信号生成器２０１が規定する素子温度検出期間αに温度検出用ゲート駆動回路２０３を選択することから、
上述したような２つの駆動回路２０２，２０３を有する構成を好適に実現することができる。

また図７に示すように本実施例では、素子駆動回路２０の駆動信号生成器２０１がパルス幅変調制御用変調率γおよび三角波比較法に基づきパルス幅変調制御を実行し、この駆動信号生成器２０１は、素子温度検出用変調率δを設定し、これら素子温度検出用変調率δ、パルス幅変調制御用変調率γおよび三角波比較法に基づき素子温度検出期間αを規定して信号sig_search＝１を出力することから、素子温度検出期間αを好適に規定することができる。

図７に示す実施例では、素子温度検出用変調率δを設定する手段として、前回の素子温度検出期間αに相当するγおよびδ間の所定距離および前回求めたスイッチング素子温度に基づき素子温度検出用変調率δを設定することから、
素子温度検出期間αを適切に規定することが可能となり、パルス動作用ゲート駆動回路２０２へ速やかに切り替えて、余剰な素子温度検出期間を削減して電力損失を軽減を図ることができる。

また図８に示す実施例では、スイッチング素子４１〜４６のゲート端子に、温度検出用ゲート駆動回路２０３およびパルス動作用ゲート駆動回路２０２を並列に接続したことから、
検出器２０５等の、温度検出用のゲート信号とパルス動作用のゲート信号を切り分けて出力するための手段を省略することができ、低コスト化を図ることができる。

また図１０に示す実施例では、ゲート信号を出力する１つのゲートドライブ回路２１１と、２つの経路のうち１つを選択して出力されたゲート信号を伝達する選択器２１２とを具え、前記経路にはそれぞれ、ゲート信号の速度を互いに異なせる素子である抵抗R3および抵抗R4を設けたことから、
１つのゲート駆動回路に素子を付加するのみで、図６に示すようなゲート信号を生成することが可能になり、さらなる素子駆動回路の簡素化および低コスト化を図ることができる。

また図１１に示す実施例では、ゲートオン電圧値を測定する手段である素子温度判断器２０８が、素子電流を検知したときに素子温度検出の終了信号sig_endをゲート駆動回路選択回路２０４経由で選択器２０５に出力し、選択器２０５は、素子温度検出期間αであっても終了信号sig_end受信後はゲート信号を温度検出用ゲート駆動回路２０３からパルス動作用ゲート駆動回路２０２に切り替えることから、温度検出に要する時間を必要充分にして、素子判断終了後に余剰となる素子温度検出期間αを削減することが可能となり、余剰時間中の電力損失を防止することができる。

また図１２および図１３に示す実施例では、素子駆動回路２０は、スイッチング素子４１〜４６をオフからオンにする際のゲート信号を所定の電圧値Vthとする温度検出用ゲート駆動回路２０３と、所定の電圧値Vthにおける、スイッチング素子４１〜４６からモータ３０へ流れる電流値i_cを検出する素子電流値検出器２０７と、
電流値i_cに基づきスイッチング素子４１〜４６の温度を求める素子温度判断器２０８とを具えたことから、
スイッチング素子４１〜４６のオフ期間の長短にかかわらず、正確な温度測定が可能になる。したがって、オフ期間が短い電力変換装置の大出力時でも、素子温度を正確に検出することが可能となり、素子保護を適宜に図ることができる。
また、温度測定されるアームとは逆側のアームをオフ状態にする必要がなくなり、スイッチング損失を低減することができる。

なお、上述したのはあくまでも本発明の一実施例であり、本発明はその主旨に逸脱しない範囲において種々変更が加えられうるものである。請求項のスイッチング素子は、IGBTの他、GTOサイリスタや MOS FET等の半導体素子も含む。

本発明の一実施例になる電力変換装置、電圧源および負荷の全体概略を示す回路構成図である。 同実施例の素子駆動回路の構成を示すブロック図である。 同実施例のスイッチング素子の温度を判断する制御フローを示す。 パルス動作用ゲート駆動回路がスイッチング素子のゲート端子に出力する駆動用のゲート信号を示すグラフである。 温度検出用ゲート駆動回路がスイッチング素子のゲート端子および素子温度判断器に出力する検出用のゲート信号を示すグラフである。 ゲート駆動回路部が出力するゲート信号の電圧波形を示すグラフである。 三角波比較法および変調率に基づき素子温度検出期間を規定する機能を示す説明図である。 別の実施例になる素子駆動回路の構成を示すブロック図である。 同実施例におけるゲート信号の電圧値を示すグラフである。 さらに別の実施例になる素子駆動回路の構成を示すブロック図である。 さらに別の実施例になる素子駆動回路の構成を示すブロック図である。 他の実施例になるスイッチング素子の温度を判断する制御フローを示す。 同実施例のゲート駆動回路部が出力するゲート信号の電圧波形を示すグラフである。

符号の説明

10 直流電圧源
20 素子駆動回路
201 駆動信号生成器
202 パルス動作用ゲート駆動回路
203 温度検出用ゲート駆動回路
204 ゲート駆動回路選択回路
205 選択器
206 ゲート駆動回路部
207 素子電流値検出器
208 素子温度判断器
209 210 ゲート駆動回路部
211 ゲートドライブ回路
212 選択器
30 モータ
41 42 43 44 45 46 スイッチング素子

Claims (12)

1. 直流電圧源と負荷とを電気的に接続するスイッチング素子と、該スイッチング素子にオンオフ動作のためのゲート信号を与える素子駆動回路とを具え、前記スイッチング素子をオンオフしてパルス状電圧を生成することにより負荷の駆動電流を制御する電力変換装置において、
   前記素子駆動回路がスイッチング素子のゲート端子に前記ゲート信号を与えて前記スイッチング素子をオフからオンにする際に、前記ゲート信号の電圧値と前記スイッチング素子から前記負荷へ流れる素子電流の電流値との関係を規定するマップあるいは計算式から、前記スイッチング素子の温度状態を判断するよう構成したことを特徴とする電力変換装置。
2. 請求項１に記載の電力変換装置において、
   前記スイッチング素子から前記負荷へ流れる素子電流を検知する素子電流値検出手段と、
   前記スイッチング素子をオフからオンにする際の前記ゲート信号の電圧値を監視し、前記素子電流値検出手段が前記素子電流を検知したときのゲート信号の電圧値を、ゲートオン電圧値とするゲートオン電圧値測定手段と、
   前記ゲートオン電圧値に基づき前記スイッチング素子の温度を求める素子温度判断手段とを具えたことを特徴とする電力変換装置。
3. 請求項２に記載の電力変換装置において、
   前記素子駆動回路は、前記スイッチング素子をオフからオンにする際の前記ゲート信号の電圧値を漸増させ、スイッチング素子がオンした後にゲート信号の電圧値を急増させることを特徴とする電力変換装置。
4. 請求項３に記載の電力変換装置において、
   前記漸増におけるゲート信号の電圧値の波形を、台形にしたことを特徴とする電力変換装置。
5. 請求項３または４に記載の電力変換装置において、
   前記素子駆動回路は、前記ゲート信号の電圧値を前記漸増させる温度検出用ゲート駆動回路と、ゲート信号の電圧値を矩形波で急増させるパルス動作用ゲート駆動回路とを具えることを特徴とする電力変換装置。
6. 請求項５に記載の電力変換装置において、
   前記素子駆動回路は、前記ゲート信号の電圧値を前記漸増させる期間である素子温度検出期間を規定するものであり、
   ゲート信号を前記温度検出用ゲート駆動回路および前記パルス動作用ゲート駆動回路の一方から他方に切り替える選択器を具え、
   該選択器は、前記素子温度検出期間に前記温度検出用ゲート駆動回路を選択することを特徴とする電力変換装置。
7. 請求項６に記載の電力変換装置において、
   前記素子駆動回路は、パルス幅変調制御用変調率および三角波比較法に基づき前記パルス状電圧を制御してパルス幅変調制御を実行するパルス幅変調制御手段を具え、
   該パルス幅変調制御手段は、素子温度検出用変調率を設定する素子温度検出用変調率設定手段を具え、
   これら素子温度検出用変調率、パルス幅変調制御用変調率および三角波比較法に基づき前記素子温度検出期間を規定することを特徴とする電力変換装置。
8. 請求項７に記載の電力変換装置において、
   前記素子温度検出用変調率設定手段は、前回設定した素子温度検出用変調率および前回求めたスイッチング素子温度に基づき素子温度検出用変調率をフィードバック制御で設定することを特徴とする電力変換装置。
9. 請求項６に記載の電力変換装置において、
   前記スイッチング素子のゲート端子に、前記温度検出用ゲート駆動回路および前記パルス動作用ゲート駆動回路を並列に接続したことを特徴とする電力変換装置。
10. 請求項３または４に記載の電力変換装置において、
    前記素子駆動回路は、ゲート信号を出力する１つのゲート駆動回路と、２つの経路のうち１つを選択して前記出力されたゲート信号を伝達する選択器とを具え、
    前記経路にはそれぞれ、ゲート信号の速度を互いに異なせる素子を設けたことを特徴とする電力変換装置。
11. 請求項６に記載の電力変換装置において、
    前記ゲートオン電圧値測定手段は、前記素子電流を検知したときに素子温度検出の終了信号を前記選択器に出力し、
    前記選択器は、前記素子温度検出期間であっても終了信号受信後はゲート信号を温度検出用ゲート駆動回路からパルス動作用ゲート駆動回路に切り替えることを特徴とする電力変換装置。
12. 請求項１に記載の電力変換装置において、
    前記ゲート信号を所定の電圧値として前記スイッチング素子をオフからオンにする温度検出用ゲート駆動手段と、
    ゲート信号が前記所定の電圧値における、スイッチング素子から前記負荷へ流れる素子電流の電流値を検出する素子電流値検出手段と、
    前記電流値に基づき前記スイッチング素子の温度を求める素子温度判断手段とを具えたことを特徴とする電力変換装置。

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