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公開番号2024151750
公報種別公開特許公報(A)
公開日2024-10-25
出願番号2023065394
出願日2023-04-13
発明の名称電力変換装置
出願人三菱電機株式会社
代理人弁理士法人ぱるも特許事務所
主分類H02M 7/48 20070101AFI20241018BHJP(電力の発電,変換,配電)
要約【課題】半導体スイッチング素子の短絡の誤判定を防止し、短絡検出時間を短くする電力変換装置を提供する。
【解決手段】第一主電極と第二主電極との間に流れる電流をオンオフ制御するゲートを有する半導体スイッチング素子を備えた電力変換装置において、カソードが第一主電極に接続された第一ダイオードと、アノードが第一ダイオードのアノードと接続され、カソードがゲートに接続された第二ダイオードと、第一ダイオードのアノードと第二ダイオードのアノードとの接続点に、第一ダイオードのアノードおよび第二ダイオードのアノードからそれぞれのカソード方向に電流を供給する電流源とを備え、第一ダイオードと第二アノードの接続点の電圧が閾値電圧より高いときに半導体スイッチング素子が短絡していると判定し、半導体スイッチング素子のゲートをオフ電圧にするよう構成した。
【選択図】図2
特許請求の範囲【請求項１】
第一主電極と第二主電極とゲートとを備えた半導体スイッチング素子の前記第二主電極を基準とする前記ゲートの電圧を制御することにより、前記第一主電極と前記第二主電極との間に流れる電流をオンオフ制御して直流電力と交流電力との間の電力変換を行う電力変換装置において、
カソードが前記第一主電極に接続された第一ダイオードと、アノードが前記第一ダイオードのアノードと接続され、カソードが前記ゲートに接続された第二ダイオードと、
前記第一ダイオードのアノードと前記第二ダイオードのアノードとの接続点に、前記第一ダイオードのアノードおよび前記第二ダイオードのアノードからそれぞれのカソード方向に電流を供給する電流源と、
前記半導体スイッチング素子の前記ゲートの電圧を制御する駆動部と、前記半導体スイッチング素子が短絡しているか否かを判定する短絡判定部と、を備え、
前記短絡判定部は前記第一ダイオードと前記第二ダイオードの接続点の電圧が閾値電圧よりも高いときに前記半導体スイッチング素子が短絡していると判定し、
前記駆動部は、前記短絡判定部において短絡していると判定した場合に、前記ゲートの電圧を前記半導体スイッチング素子がオフする電圧に設定する電力変換装置。
続きを表示（約 1,200 文字）【請求項２】
前記閾値電圧は、前記半導体スイッチング素子がオンを開始するときの前記ゲートのミラー電圧と、前記第二ダイオードの導通時の降下電圧との和よりも高い電圧に設定された請求項１に記載の電力変換装置。
【請求項３】
第一主電極と第二主電極とゲートとを備えた半導体スイッチング素子の前記第二主電極を基準とする前記ゲートの電圧を制御することにより、前記第一主電極と前記第二主電極との間に流れる電流をオンオフ制御して直流電力と交流電力との間の電力変換を行う電力変換装置において、
カソードが前記第一主電極に接続された第一ダイオードと、前記第一ダイオードのアノードと前記ゲートの間に接続された抵抗素子と、
前記半導体スイッチング素子の前記ゲートの電圧を制御する駆動部と、前記半導体スイッチング素子が短絡しているか否かを判定する短絡判定部と、を備え、
前記短絡判定部は前記第一ダイオードのアノードの電圧が閾値電圧よりも高いときに前記半導体スイッチング素子が短絡していると判定し、
前記駆動部は、前記短絡判定部において短絡していると判定した場合に、前記ゲートの電圧を前記半導体スイッチング素子がオフする電圧に設定する電力変換装置。
【請求項４】
前記閾値電圧は、前記半導体スイッチング素子がオンを開始するときの前記ゲートのミラー電圧よりも高く設定された請求項３に記載の電力変換装置。
【請求項５】
前記第一ダイオードのアノードと前記ゲートの間に前記抵抗素子と直列に、前記ゲート側がアノードとなるよう接続された第三ダイオードを備えた請求項３に記載の電力変換装置。
【請求項６】
前記閾値電圧は、前記半導体スイッチング素子がオンを開始するときの前記ゲートのミラー電圧から、前記第三ダイオードの導通時の降下電圧を引いた電圧値よりも高く設定された請求項５に記載の電力変換装置。
【請求項７】
前記第一ダイオードは、前記半導体スイッチング素子が正常な状態のときに、前記第一ダイオードのアノードの電圧が前記閾値電圧以下に維持されるように予め定めた容量値以上の寄生容量をアノードとカソードの間に有するダイオードである請求項１から６のいずれか１項に記載の電力変換装置。
【請求項８】
前記第一ダイオードと並列に接続されたコンデンサを有する請求項１から６のいずれか１項に記載の電力変換装置。
【請求項９】
前記半導体スイッチング素子の材料が、ワイドバンドギャップ半導体である請求項１から６のいずれか１項に記載の電力変換装置。
【請求項１０】
前記半導体スイッチング素子の材料が、ワイドバンドギャップ半導体である請求項７に記載の電力変換装置。
（【請求項１１】以降は省略されています）
発明の詳細な説明【技術分野】
【０００１】
本願は、電力変換装置に関するものである。
続きを表示（約 2,800 文字）【背景技術】
【０００２】
自動車などのモータを駆動するための電力変換装置において、電力変換装置の主要部品である半導体スイッチング素子の短絡検出方法が種々提案されている。例えば特許文献１に開示されているように、半導体スイッチング素子の短絡検出機能として、半導体スイッチング素子の高電位側の電圧が、通常のオン状態では発生し得ない異常な高電圧となっているか否かを検出し短絡と判定する方法が知られている。これをＤＥＳＡＴ方式と呼び、この方式では、半導体スイッチング素子のゲート電圧が上昇し始めてからミラー電圧に達するまでの間はドレイン電圧が高いため、この間は短絡の誤判定を防止する必要がある。
【０００３】
これに対し、例えば特許文献１では、ゲート電圧が上昇し始めてから所定の時間は短絡判定を行わないことで、誤判定を防止する方法が示されている。しかしこの方法では、半導体スイッチング素子のばらつきにより、半導体スイッチング素子のターンオン速度が速い場合、故障で短絡電流が流れ始めているにも関わらず、短絡判定が行われていない時間帯が発生してしまい、結果として半導体スイッチング素子に生じる短絡損失が増加する。
【０００４】
これに対し、例えば特許文献２では、ゲート電圧を判定する回路を備え、ゲート電圧がオン電圧に達した後に短絡判定に移行する方法が示されている。この方法ではターンオン速度に応じて短絡判定が開始されることから、所定の時間を設ける特許文献１の方法よりも相対的に短い時間での短絡検出に期待ができる。しかし、一般的に電圧の判定に用いられるコンパレータは、構成部品にもよるが概ね１００～２００ｎｓの反応の遅れを有している。この遅れはそのまま短絡損失を増加させる要因となることから、半導体スイッチング素子を短絡から保護する観点ではまだ短絡検出時間に改善の余地がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
特許第５８６１７８７号
特開２０２１－５７９７６号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
短絡をいち早く検出し保護する必要のある半導体スイッチング素子で、特に近年主流となりつつあり、短絡時により多くの電流を流す特徴を持ったワイドバンドギャップ半導体（ＳｉＣ、ＧａＮなど）がある。ワイドバンドギャップ半導体の場合には、上記短絡検出の遅れをさらに改善していくことが求められる。
【０００７】
本願は、上記の課題を解決するものであり、半導体スイッチング素子のスイッチング動作において、短絡の誤判定を防止し、短時間で短絡を検出できる電力変換装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本願に開示される電力変換装置は、第一主電極と第二主電極とゲートとを備えた半導体スイッチング素子の前記第二主電極を基準とする前記ゲートの電圧を制御することにより、前記第一主電極と前記第二主電極との間に流れる電流をオンオフ制御して直流電力と交流電力との間の電力変換を行う電力変換装置において、
カソードが前記第一主電極に接続された第一ダイオードと、アノードが前記第一ダイオードのアノードと接続され、カソードが前記ゲートに接続された第二ダイオードと、
前記第一ダイオードのアノードと前記第二ダイオードのアノードとの接続点に、前記第一ダイオードのアノードおよび前記第二ダイオードのアノードからそれぞれのカソード方向に電流を供給する電流源と、
前記半導体スイッチング素子の前記ゲートの電圧を制御する駆動部と、前記半導体スイッチング素子が短絡しているか否かを判定する短絡判定部と、を備え、
前記短絡判定部は前記第一ダイオードと前記第二ダイオードの接続点の電圧が閾値電圧より高いときに前記半導体スイッチング素子が短絡していると判定し、
前記駆動部は、前記短絡判定部において短絡していると判定した場合に、前記ゲートの電圧を前記半導体スイッチング素子がオフする電圧に設定するよう構成されたものである。
【発明の効果】
【０００９】
本願に開示される電力変換装置によれば、誤判定を防止でき、短時間で短絡を検出できる電力変換装置を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
実施の形態１による電力変換装置の概略構成を示す回路図である。
実施の形態１による電力変換装置の要部の一例を示す回路図である。
実施の形態１による電力変換装置の、半導体スイッチング素子が正常なときのオン時の動作を説明する線図である。
比較例の電力変換装置の、半導体スイッチング素子が正常なときのオン時の動作を説明する線図である。
比較例の電力変換装置の、半導体スイッチング素子が短絡破壊したときのオン時の動作を説明する線図である。
実施の形態１による電力変換装置の、半導体スイッチング素子が短絡状態のときの動作を説明する線図である。
実施の形態１による電力変換装置の、半導体スイッチング素子が正常なときの動作であって、図３よりもターンオン速度が速いときの動作を説明する線図である。
実施の形態１による電力変換装置の、半導体スイッチング素子が正常なときの動作であって、図３よりもターンオン速度が遅いときの動作を説明する線図である。
実施の形態１による電力変換装置の、半導体スイッチング素子が短絡状態のときの動作であって、図５Ｂよりもターンオン速度が速いときの動作を説明する線図である。
実施の形態１による電力変換装置の、半導体スイッチング素子が短絡状態のときの動作であって、図５Ｂよりもターンオン速度が遅いときの動作を説明する線図である。
実施の形態１による電力変換装置の、半導体スイッチング素子が正常なときの動作であって、第一ダイオード２２の寄生容量の違いによる動作を説明する線図である。
実施の形態１による電力変換装置の要部の別の例を示す回路図である。
実施の形態２による電力変換装置の要部の一例を示す回路図である。
実施の形態２による電力変換装置の要部の別の例を示す回路図である。
実施の形態２による電力変換装置の、半導体スイッチング素子が正常なときのオン時の動作を説明する線図である。
実施の形態２による電力変換装置の、半導体スイッチング素子が短絡状態のときの動作を説明する線図である。
【発明を実施するための形態】
（【００１１】以降は省略されています）

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