JP2003134796A

JP2003134796A - 半導体電力変換装置

Info

Publication number: JP2003134796A
Application number: JP2001327095A
Authority: JP
Inventors: Shuji Kato; 修治加藤; Takashi Ikimi; 高志伊君; Tomomichi Ito; 智道伊藤
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 2001-10-25
Filing date: 2001-10-25
Publication date: 2003-05-09

Abstract

(57)【要約】【課題】ＩＧＢＴ素子の過電圧保護機能を有する電力変
換器において、直流電圧が上昇して直列接続したアーム
間に短絡電流が通流することを防止する。【解決手段】本発明の半導体電力変換装置は、各アーム
を形成するＩＧＢＴ素子のコレクタ電圧が前もって設定
した所定の電圧（設定電圧１）を越えるとＩＧＢＴのゲ
ート電圧をゲートしきい値電圧より高くして、ＩＧＢＴ
のコレクタ電圧への過電圧印加を防止し、かつ、電力変
換器の直流電圧が、前もって設定した設定電圧１より低
い別の所定の設定電圧（設定電圧２と以後呼ぶ）とアー
ムのＩＧＢＴの直列数との積である電圧値を越えた場合
に、全てのアームのＩＧＢＴにオフ指令を伝達し、上下
アームがオン状態となって直流電圧を短絡することを防
ぐ。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は半導体電力変換装置
に係り、該半導体の過電圧保護機能を有する半導体電力
変換装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】一般的に電力変換器は、２直列に接続さ
れたアームが２並列もしくは３並列されていて、該２直
列接続されたアームの両端に直流電圧が印加され、該２
直列接続されたアームの中点が交流配線に接続される。
各アームは半導体スイッチング素子であるＩＧＢＴと該
ＩＧＢＴに並列に接続された還流ダイオードとからなる
並列体と該ＩＧＢＴを駆動するゲート回路などにより構
成される。パルス幅変調（ＰＷＭ）で制御したオンまた
はオフ指令などのゲート信号を、各アームを形成するＩ
ＧＢＴのゲート回路に伝達して、アームをオン（導通）
もしくはオフ（非導通）にして直流配線側から交流配線
側に電力を供給したり、交流配線側から直流配線側に電
力を供給する。原則、同一アームのＩＧＢＴには同一の
ゲート信号を入力し、２直列接続したアームが短絡状態
とならないよう、２直列に接続したアームのゲート回路
には異なるゲート信号を入力する。すなわち、一方のア
ームにオン信号指令が伝達された時には、他方のアーム
にオフ電圧指令が伝達し、直流電圧はオフ状態のアーム
によって阻止する。

【０００３】ＩＧＢＴに過電圧が印加することを防止す
る機能を有する電力変換器が、平成１２年産業応用部門
全国大会講演論文集「ＩＧＢＴ直列接続時の電圧クラン
プ回路の検討」や、特開２００１−１３６７３２号公報
等に開示されている。これらの従来技術では、ＩＧＢＴ
のコレクタ電圧が前もって設定した特定の電圧より高く
なるとゲート電圧をゲートしきい値電圧よりも高める動
作をする外部回路を、電力変換器の各アームを構成する
ＩＧＢＴに付加して、ＩＧＢＴに過電圧が印加すること
を防止する。なお前記、ゲート電圧がゲートしきい値電
圧を越えるように前もって設定した特定のコレクタ電圧
を、本明細書では以後設定電圧１と呼ぶ。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】上記のように、電力変
換器のオフ状態のアームには直流電圧が印加される。各
アームを構成するＩＧＢＴの直列数をｎ個とすると各Ｉ
ＧＢＴには、前記直流電圧の１／ｎの電圧が印加され
る。直流電圧の１／ｎの電圧が前記設定電圧１を越える
と、ＩＧＢＴの過電圧印加防止のためにオフ信号指令が
入力されているアームのＩＧＢＴのゲート電圧が、ゲー
トしきい値電圧を越え、ＩＧＢＴが導通する。この際、
対アームは既に導通しているので、２直列に接続された
上下両アームがいずれも導通状態となり、短絡電流が通
流する。

【０００５】本発明の目的は、ＩＧＢＴ素子の過電圧保
護機能を有する電力変換器において、直流電圧が上昇し
た際に、直列接続した上下アーム間に通流する短絡電流
を防止することである。

【０００６】

【課題を解決するための手段】本発明の半導体電力変換
装置では、各アームを形成するＩＧＢＴ素子のコレクタ
電圧が前もって設定した所定の電圧（設定電圧１）を越
えるとＩＧＢＴのゲート電圧をゲートしきい値電圧より
高くして、ＩＧＢＴのコレクタ電圧への過電圧印加を防
止し、かつ、電力変換器の直流電圧が、前もって設定し
た別の所定の設定電圧（設定電圧２と以後呼ぶ）と、ア
ームのＩＧＢＴの直列数との積である電圧値を越えた場
合に、全てのアームのＩＧＢＴにオフ指令を伝達し、該
設定電圧２を設定電圧１より低い電圧として、２直列に
接続された両アームがいずれもオン状態となって直流電
圧を短絡することを防ぐ。

【０００７】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施例を図面に基
づいて詳細に説明する。なお、実施例を説明する全図に
おいて、同じ機能を有するものには同じ符号をつけてあ
る。以下の実施例で、ＩＧＢＴをＭＯＳＦＥＴなどの他
の絶縁ゲート型半導体スイッチング素子に置き換えても
同様である。

【０００８】ここで、以後ＩＧＢＴのコレクタ・エミッ
タ間の電圧をＩＧＢＴのコレクタ電圧と定義する。但
し、ＩＧＢＴがオフ状態においては、ＩＧＢＴのコレク
タ電圧は、ゲート回路の電圧源１３１の電圧や電圧源１
３２の電圧やゲート耐圧より十分高いので、コレクタ・
ゲート間電圧や、ＩＧＢＴのコレクタとコレクタ・ゲー
ト回路の負電位線間の電圧もコレクタ電圧と見なす。ま
た、全てのアームのIGBTもしくはＩＧＢＴのゲート回路
にオフ指令を伝達することをゲートブロックと呼ぶ。

【０００９】（実施例１）図１と図３を用いて本実施例
の電力変換装置の構成を説明する。図１は本実施例の主
要部を示す。図１に示した半導体電力変換装置９９で
は、２直列接続されたアーム２０が３個並列に接続さ
れ、各アームは直流コンデンサ２１に接続される。２直
列接続されたアームの各中点は、交流配線２２１に接続
される。

【００１０】図３はアーム２０の構成例を示す。図３で
は、アーム２０はＩＧＢＴ１と該ＩＧＢＴに逆並列に接
続された還流ダイオード２とからなる並列体で構成さ
れ、ＩＧＢＴ１をスイッチングしてアーム２０の導通状
態を制御する。ＩＧＢＴ１はゲートドライバ１００で駆
動する。ゲートドライバ１００は、ＩＧＢＴ１のコレク
タ電圧が所定の電圧（設定電圧１）より高い場合にＩＧ
ＢＴ１のゲート電圧をゲートしきい値電圧より高くし
て、コレクタ電圧への過電圧印加を防止する。図３で
は、ＩＧＢＴ１のＣＧ間にクランプ素子８５を接続し
て、ＩＧＢＴ１を過電圧から保護する。ＩＧＢＴ１のＣ
Ｇ間の電圧がクランプ素子８５のクランプ電圧を越える
と、クランプ素子８５のインピーダンスが低下して、Ｉ
ＧＢＴ１のゲートにゲート電流が流れ込み、ＩＧＢＴ１
のゲート電圧を上昇させる。ＩＧＢＴ１のゲート電圧が
ゲートしきい値電圧を越えるとＩＧＢＴ１のインピーダ
ンスが低下し、ＩＧＢＴ１のＣＧ間の印加電圧が下が
る。

【００１１】次に、本実施例の電力変換装置の動作を説
明する。図１で、ＰＷＭ信号発生器２６からオンまたは
オフ指令信号を図３に示す各アーム２０のゲートドライ
バ１００に伝達し、各アームのＩＧＢＴ１をスイッチン
グさせて、各アーム２０をＰＷＭ制御し、交流配線２２
１から直流配線２１１１に電力を供給したり、逆に直流
配線２１１１から交流配線２２１に電力を供給する。

【００１２】各アーム２０の動作は次の通りである。Ｐ
ＷＭ信号発生器２６からの信号に基づき、パルス発生器
７がパルス信号を出力し、出力した信号をＩＧＢＴ１の
ゲートに伝達して、ＩＧＢＴ１をオンもしくはオフす
る。パルス発生器７とＩＧＢＴ１のゲートとの間にアン
プやバッファ回路を接続して、パルス発生器７の出力電
流や出力電圧を増幅してもよい。図３では、ｎｐｎトラ
ンジスタ６１とｐｎｐトランジスタ６２とからなるバッ
ファ回路を経由させ、出力電流を増幅してIGBT1のゲー
トに接続する。パルス発生器７の出力電流をバッファ回
路で増幅するとＩＧＢＴ１のゲートの電荷を素早く充放
電できるので、ＩＧＢＴ１のゲート電圧をより早く制御
できる。

【００１３】ここで、導通パルスを出力していたパルス
発生器７にオフ信号指令が入力した場合の、ＩＧＢＴ１
の過電圧保護動作を説明する。パルス発生器７の出力が
オンからオフに変わると、ＩＧＢＴ１のゲートに蓄積さ
れていた電荷がｐｎｐトランジスタ６２を経由して電源
線１３Ｎに流れ出すので、ＩＧＢＴ１のゲート電圧が低
下し、ＩＧＢＴ１のコレクタ電圧が上昇する。ＩＧＢＴ
１のＣＧ間の電圧がクランプ素子８５のクランプ電圧を
越えると、ＩＧＢＴ１のゲートにゲート電流が流れ込
む。ＩＧＢＴ１のゲート電圧がゲートしきい値電圧を越
えるとＩＧＢＴ１のインピーダンスが低下して、ＩＧＢ
Ｔへの過電圧印加を防止する。すなわち、クランプ素子
８５のクランプ電圧が設定電圧１となる。ここで、クラ
ンプ素子８５には、アバランシェダイオード，ツェナー
ダイオード，バリスタなどを用いればよい。

【００１４】本実施例の電力変換装置は、電力変換器へ
の直流過電圧印加を防止するために、ゲートブロック機
能を備えている。図１に示す半導体電力変換器９９の電
流と電圧の位相差が９０°から２７０°の範囲になるよ
うに各アーム２０をＰＷＭ動作させると、交流配線２２
１から直流側に電力が供給されて直流配線２１１１間の
電圧が上昇する。本実施例の電力変換装置には直流配線
２１１１間の電圧が前記の設定電圧２を越えると全ての
アーム２０のＩＧＢＴ１のゲート回路にオフ信号を伝達
しゲートブロックする。但し、設定電圧２は設定電圧１
より低い電圧である。このように設定電圧２が設定電圧
１より低いので、ＩＧＢＴ１のコレクタ電圧が設定電圧
１を越える前にゲートブロックできる。従って、ＩＧＢ
Ｔ１のゲート電圧がゲートしきい値電圧を越える前にゲ
ートブロックできるので、直流電圧が上昇してＩＧＢＴ
過電圧保護機能によりオフ状態のＩＧＢＴ１のゲート電
圧が上昇し、上下アームが同時にオンする前に、ゲート
ブロックできる。

【００１５】図１の場合は、直流配線２１１１間の電圧
を直流電圧センサ２１１で検出し、論理演算器２５で検
出した直流電圧と、設定電圧２と各アーム２０を構成す
るＩＧＢＴの直列数ｎの積、とを比較する。検出した直
流電圧が、設定電圧２と各アーム２０を構成するＩＧＢ
Ｔの直列数ｎの積、を越えると、論理演算器２５がＰＷ
Ｍ信号発生器２６にゲートブロック指令を出し、ＰＷＭ
信号発生器２６が各アームのゲート回路にオフ指令を伝
達する。本実施例ではアームに接続しているＩＧＢＴの
直列数が１個なので、直流電圧が設定電圧２を越える
と、論理演算器２５がＰＷＭ信号発生器２６にゲートブ
ロック指令を出し、ＰＷＭ信号発生器２６が各アームの
ゲートドライバ１００にオフ指令を伝達する。

【００１６】本実施例によれば、ＰＷＭ信号発生器２６
の誤パルスなどにより直流電圧が上昇した場合、ゲート
ブロックして直流電圧上昇を防止するので、設定電圧２
を設定電圧１(クランプ素子８５のクランプ電圧)より低
い電圧に設定して、ＩＧＢＴ過電圧保護機能でオフ状態
のＩＧＢＴのゲート電圧上昇によるゲートしきい値電圧
を越えることを防止でき、上下アーム２０の同時導通を
回避できる。

【００１７】交流配線へのサージ電圧混入等で交流配線
２２１の線間電圧異常により直流電圧が上昇した場合、
半導体電力変換装置９９の各アームのダイオード２を介
して交流配線２２１から直流配線２１１１に電流が流入
して、直流電圧が上昇する可能性がある。しかし、半導
体電力変換装置９９はゲートブロックされると、以後、
ダイオード整流回路として動作するので、直流配線２１
１１間の電圧は交流配線の線間電圧のピーク電圧以下に
抑制される。

【００１８】従って、設定電圧２を設定電圧１（クラン
プ素子８５のクランプ電圧）よりも低い電圧に設定し、
かつ、設定電圧１と各アーム２０を構成するＩＧＢＴの
直列数ｎとの積、を交流配線の最大線間電圧よりも高い
電圧に設定すれば、ＩＧＢＴ過電圧保護機能によりオフ
状態のＩＧＢＴのゲート電圧が上昇してゲートしきい値
電圧を越えることを防止でき、上下アーム２０の同時導
通を防止できる。本実施例ではＩＧＢＴの直列数ｎが１
個であるが、直列数ｎが２個以上であっても、設定電圧
２を設定電圧１（クランプ素子８５のクランプ電圧）よ
りも低い電圧に設定し、かつ、設定電圧１を交流配線の
最大線間電圧よりも高い電圧とすれば、ＩＧＢＴ過電圧
保護機能によりオフ状態のＩＧＢＴのゲート電圧が上昇
してゲートしきい値電圧を越えることを防止でき、上下
アーム２０の同時導通を防止できる。

【００１９】なお、本実施例では３相交流に接続した場
合を示したが、単相交流に接続する場合でも、同様であ
る。

【００２０】（実施例２）通常電力変換器はトランスや
連系リアクトルなどのインダクタンスを介して交流系統
と接続する。本実施例は、図２に示すようにインダクタ
ンス２３１を介して半導体電力変換器９９を交流配線２
２１と接続した。アーム２０の構成は図３に示す通りで
ある。インダクタンス２３１を介して半導体電力変換器
９９を交流配線２２１に接続すると、各アームを構成す
るＩＧＢＴ１のゲートをオフにしても還流ダイオード２
を介してインダクタンス２３１に蓄えられたエネルギー
が直流コンデンサ２１に流れ込み、直流電圧が上昇す
る。

【００２１】交流配線のインダクタンス２３１に蓄えら
れたエネルギーが全て、直流コンデンサ２１に移った時
が直流電圧の上昇が最も大きい。従って、直流電圧上昇
の最大値ΔＶと、コンデンサ２１の容量Ｃファラッド
と、インダクタンス２３１のインダクタンスＬヘンリー
と、想定される最大の交流電流Ｉと、２直列接続された
アームの並列数ｍとは、（数１）式，（数２）式の関係
がある。

【００２２】Ｃ×ΔＶ×ΔＶ＝ｍ×Ｌ×Ｉ×Ｉ …（数１） ΔＶ＝Ｉ×√（ｍ×Ｌ／Ｃ） …（数２）従って、（数２）式に示すように半導体電力変換器９９
をトランスや連系リアクトルなどのインダクタンス２３
１を介して交流配線２３１と接続した場合、ゲートブロ
ック時の直流電圧より直流電圧がΔＶ上昇する可能性が
ある。そこで、本実施例ではオフ状態のＩＧＢＴ１のコ
レクタ電圧が設定電圧１を越えないようにするために、
設定電圧１と各アームのＩＧＢＴの直列数ｎとの積であ
る電圧値を、設定電圧２と各アームのＩＧＢＴの直列数
ｎとの積である電圧値よりΔＶボルト以上高い電圧に設
定する。

【００２３】本実施例ではＩＧＢＴ１の直列数ｎが１で
あるので、設定電圧１を設定電圧２よりΔＶボルト以上
高い電圧に設定した。なお、本実施例では３相交流に接
続した場合を述べたが、単相交流に接続する場合でも同
様である。

【００２４】（実施例３）本実施例は、実施例１や実施
例２とＩＧＢＴ過電圧保護方法が異なる。本実施例で
は、図４に示すように、コレクタ電圧を高圧側分圧抵抗
体３と低圧側分圧抵抗体４とで分圧し、分圧点９をｎｐ
ｎトランジスタ６１とｐｎｐトランジスタ６２とからな
るバッファ回路を介してＩＧＢＴ１のゲートに接続す
る。ＩＧＢＴ１のコレクタ電圧が所定の電圧となった時
に分圧点９の電位がＩＧＢＴ１のゲートしきい値電圧を
越える分圧比に高圧側分圧抵抗体３と低圧側分圧抵抗体
４との抵抗値を選定してあるので、コレクタ電圧が所定
電圧を越えた時にＩＧＢＴのゲート電圧がゲートしきい
値電圧を越え、ＩＧＢＴをコレクタ電圧過電圧から保護
する。

【００２５】本実施例においても、実施例１や実施例２
と同様な設定で、上下アーム２０が同時に導通すること
を防止できる。本実施例では、ＩＧＢＴ１のコレクタ電
圧が設定電圧１を越える前からゲートを充電できるの
で、より確実にＩＧＢＴを過電圧から保護できる。

【００２６】（実施例４）本実施例は、図５に示すよう
に各アーム２０を構成する、ＩＧＢＴ１とIGBT1に逆並
列に接続した還流ダイオード２の並列体を４個直列に接
続し、各並列体が実施例３と同様のゲートドライバ１０
０を備えている。本実施例においても、実施例１から実
施例３と同様な設定で、上下のアーム２０が同時に導通
することを回避できる。本実施例では、ＩＧＢＴ素子を
直列に接続しており、高い耐圧の電力変換装置が実現で
きる。

【００２７】

【発明の効果】本発明の電力変換器は、直流電圧が上昇
した際に、直列接続したアーム間に通流する短絡電流を
確実に防止できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明を適用する電力変換器の主要部である。

【図２】本発明を適用する電力変換器の主要部である。

【図３】本発明の第１および第２の実施例である電力変
換器１アーム分の主要部である。

【図４】本発明の第３の実施例である電力変換器１アー
ム分の主要部である。

【図５】本発明の第４の実施例である電力変換器１アー
ム分の主要部である。

【符号の説明】

１…ＩＧＢＴ、１００…ゲートドライバ、１３１，１３
２…電圧源、１３Ｐ，１３Ｎ…電源線、２…還流ダイオ
ード、２０…アーム、２０（Ｐ）…アーム２０（Ｎ）の
対アーム、２０（Ｎ）…アーム２０（Ｐ）の対アーム、
２１…直流コンデンサ、２１１…直流電圧センサ、２１
１１１…直流配線、２２…交流電源、２２１…交流配
線、２３１…インダクタンス、２５…論理演算器、２６
…ＰＷＭ信号発生器、３…高圧側分圧抵抗、４…低圧側
分圧抵抗、６１…ｎｐｎトランジスタ、６２…ｐｎｐト
ランジスタ、７…パルス発生器、７３…ダイオード、７
４…入力インピーダンス、８，８１…ゲート抵抗、８３
…制限抵抗、８５…クランプ素子、８６…ツェナーダイ
オード、９…分圧点、９９…半導体電力変換装置。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者伊藤智道茨城県日立市大みか町七丁目１番１号株式会社日立製作所日立研究所内Ｆターム(参考） 5H007 CA01 CB05 DC05 EA02 FA01 FA06 FA13 5H740 BA11 BB05 BB08 HH05 LL03 LL05 MM01

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】絶縁ゲート型半導体スイッチング素子を備
えたアームと、該絶縁ゲート型半導体スイッチング素子
の駆動回路と、該駆動回路にスイッチング信号を与える
信号発生器と、を備えた半導体電力変換装置において、前記アームを形成する絶縁ゲート型半導体スイッチング
素子のコレクタ電圧が第１の所定の電圧を越えると絶縁
ゲート型半導体スイッチング素子のゲート電圧をゲート
しきい値電圧より高くし、かつ、電力変換器の直流電圧
が、第２の所定の電圧と前記アームの直列接続した絶縁
ゲート型半導体スイッチング素子の個数との積である電
圧値を越えた時に、前記アームの全ての絶縁ゲート型半
導体スイッチング素子にオフ指令を伝達する論理演算装
置を備えていて、前記第２の所定の電圧が前記第１の所
定の電圧より低い電圧であることを特徴とした半導体電
力変換装置。
【請求項２】請求項１に記載の半導体電力変換装置にお
いて、前記第１の所定の電圧と前記アームの直列接続し
た絶縁ゲート型半導体スイッチング素子の個数との積で
ある電圧値が、電力変換器の２直列接続したアームの中
点に接続した交流配線の線間電圧のピーク電圧より高い
ことを特徴とした半導体電力変換装置。
【請求項３】請求項１に記載の半導体電力変換装置にお
いて、該電力変換装置と交流配線の間のインダクタンス
がＬヘンリーであり、電力変換装置の直流コンデンサの
容量がＣファラッド、電力変換装置の最大交流電流がＩ
アンペア、電力変換装置の相数がｍであって、前記第１
の所定の電圧とアームの絶縁ゲート型半導体スイッチン
グ素子の直列数との積である電圧値が、前記第２の所定
の電圧とアームの絶縁ゲート型半導体スイッチング素子
の直列数との積である電圧値に下式のΔＶボルト ΔＶ＝Ｉ×√（ｍ×Ｌ／Ｃ）を加えた値より大きいことを特徴とした半導体電力変換
装置。
【請求項４】請求項１乃至３のいずれかに記載の半導体
電力変換装置において、前記絶縁ゲート型半導体装置の
ゲートとコレクタ間をクランプ素子を介して接続して過
電圧保護することを特徴とした半導体電力変換装置。
【請求項５】請求項１乃至４のいずれかに記載の半導体
電力変換装置において、前記絶縁ゲート型半導体装置の
コレクタ電圧を分圧し、分圧点の電圧を基にゲート電圧
を制御して過電圧保護することを特徴とした半導体電力
変換装置。
【請求項６】請求項１乃至５のいずれかに記載の半導体
電力変換装置において、前記アームが２個以上の絶縁ゲ
ート型半導体装置を直列に接続したことを特徴とした半
導体電力変換装置。
【請求項７】請求項１に記載の半導体電力変換装置にお
いて、前記絶縁ゲート型半導体装置がＩＧＢＴであるこ
とを特徴とする半導体電力変換装置。