特許ウォッチ

公開番号2025002205
公報種別公開特許公報(A)
公開日2025-01-09
出願番号2023102219
出願日2023-06-22
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 20070101AFI20241226BHJP(電力の発電,変換,配電)
要約【課題】パワー半導体素子の過電流保護動作の際に、パワー半導体素子に流れる過電流を低減することを目的とする。
【解決手段】電力変換装置100は、パワー半導体素子3a～3fに素子駆動信号sdを出力する素子ドライブ回路40、過電流保護回路41を有する駆動回路14を制御する制御部10を備えている。制御部10が予め保存された電圧補正量86a、86b又は予め保存された電圧補正量データ55から演算された電圧補正量86a、86bに基づいて生成した補正指令信号scを過電流保護回路41に出力し、過電流が流れた際に過電流保護回路41が補正指令信号scに基づいて生成した過電流閾値電圧Vthp、Vthnと電流センサ21a、21b、21cが出力する検出電圧Viu、Viv、Viwとを比較して過電流停止信号stを生成する。
【選択図】図1
特許請求の範囲【請求項１】
複数のパワー半導体素子を有する電力変換部を制御して直流電力を交流電力に又は交流電力を直流電力に変換する電力変換装置であって、
複数の前記パワー半導体素子を駆動する素子駆動信号を出力する駆動回路と、前記駆動回路を制御する制御部と、前記電力変換部の交流電流を検出する電流センサと、を備えており、
前記駆動回路は、
前記パワー半導体素子に前記素子駆動信号を出力する素子ドライブ回路と、
前記パワー半導体素子に過電流が流れたことを判定して当該パワー半導体素子をオン状態からオフ状態にする前記素子駆動信号を出力させる過電流停止信号を前記素子ドライブ回路に出力する過電流保護回路と、を備えており、
前記過電流保護回路は、
前記電流センサが出力する検出電圧と過電流閾値電圧との比較により、前記パワー半導体素子に過電流が流れたことを判定して前記過電流停止信号を生成する比較器と、
前記過電流閾値電圧を出力する閾値出力部と、
前記閾値出力部に前記過電流閾値電圧を出力させる調整電圧を前記制御部から出力された補正指令信号に基づいて生成し、当該調整電圧を前記閾値出力部に出力する閾値電圧調整部と、を備えており、
前記パワー半導体素子をオフ状態にする予め定められた過電流設定値に対する、設計の際の電流センサの第一電圧と搭載されている前記電流センサの第二電圧との差を電圧補正量とし、
前記制御部は、
予め保存された前記電圧補正量又は予め保存された電圧補正量データから演算された前記電圧補正量に基づいて前記補正指令信号を生成する、
電力変換装置。
続きを表示（約 4,800 文字）【請求項２】
前記制御部は、
予め実測された、前記電流センサの検出する電流に対する出力電圧の特性データを前記電圧補正量データとして備えており、
前記電圧補正量データから演算された前記電圧補正量に基づいて前記補正指令信号を生成する、
請求項１記載の電力変換装置。
【請求項３】
前記電力変換部は、上アームの前記パワー半導体素子と下アームの前記パワー半導体素子とが直列接続されたフルブリッジ回路であり、
前記過電流保護回路は、
前記電流センサが出力する検出電圧と正側の前記過電流閾値電圧との比較により、上アームの前記パワー半導体素子に過電流が流れたことを判定して正側の前記過電流停止信号を生成する第一の前記比較器と、
前記電流センサが出力する検出電圧と負側の前記過電流閾値電圧との比較により、下アームの前記パワー半導体素子に過電流が流れたことを判定して負側の前記過電流停止信号を生成する第二の前記比較器と、
正側の前記過電流閾値電圧及び負側の前記過電流閾値電圧を出力する前記閾値出力部と、
前記閾値出力部に第一の前記調整電圧及び第二の前記調整電圧を出力する前記閾値電圧調整部と、を備えており、
前記閾値電圧調整部は、
前記制御部から出力された前記補正指令信号に基づいて、第一の前記調整電圧及び第二の前記調整電圧を生成する、
請求項１又は２に記載の電力変換装置。
【請求項４】
前記電力変換部は、上アームの前記パワー半導体素子と下アームの前記パワー半導体素子とが直列接続されたフルブリッジ回路であり、
前記過電流保護回路は、
前記電流センサが出力する検出電圧と正側の前記過電流閾値電圧との比較により、上アームの前記パワー半導体素子に過電流が流れたことを判定して正側の前記過電流停止信号を生成する第一の前記比較器と、
前記電流センサが出力する検出電圧と負側の前記過電流閾値電圧との比較により、下アームの前記パワー半導体素子に過電流が流れたことを判定して負側の前記過電流停止信号を生成する第二の前記比較器と、
正側の前記過電流閾値電圧を出力する第一の前記閾値出力部と、
負側の前記過電流閾値電圧を出力する第二の前記閾値出力部と、
第一の前記閾値出力部に第一の前記調整電圧を出力し、第二の前記閾値出力部に第二の前記調整電圧を出力する前記閾値電圧調整部と、を備えており、
前記制御部は、第一の前記補正指令信号及び第二の前記補正指令信号を前記過電流保護回路に出力し、
前記閾値電圧調整部は、
第一の前記補正指令信号に基づいて第一の前記調整電圧を生成し、第二の前記補正指令信号に基づいて第二の前記調整電圧を生成する、
請求項１又は２に記載の電力変換装置。
【請求項５】
前記電流センサの温度を検出する温度センサを更に備えており、
前記制御部は、
複数の温度毎に予め実測された、前記電流センサの検出する電流に対する出力電圧の特性データを温度マップとして備えており、
前記温度センサにより検出された温度情報と前記温度マップに基づいて抽出された温度補正量と前記電圧補正量とが加算された合計補正量に基づいて、前記補正指令信号を生成する、
請求項１又は２に記載の電力変換装置。
【請求項６】
前記温度補正量は、予め設定された基準温度を基準とした前記過電流設定値に対する前記電流センサが出力する前記検出電圧の変化量である、
請求項５記載の電力変換装置。
【請求項７】
前記補正指令信号は、デューティー比が変更可能なパルス信号であり、
前記閾値電圧調整部は、前記パルス信号又は前記パルス信号が反転した反転パルス信号を平滑して調整元電圧を出力する平滑回路を備えており、
前記閾値出力部は、電源電圧と接地との間に複数の抵抗が直列に接続された直列体であり、
前記直列体における前記抵抗間の接続点が前記比較器に接続され、前記調整元電圧が出力される出力点と前記接続点とが抵抗を介して接続されている、
請求項１又は２に記載の電力変換装置。
【請求項８】
前記電力変換部は、上アームの前記パワー半導体素子と下アームの前記パワー半導体素子とが直列接続されたフルブリッジ回路であり、
前記過電流保護回路は、
前記電流センサが出力する検出電圧と正側の前記過電流閾値電圧との比較により、上アームの前記パワー半導体素子に過電流が流れたことを判定して正側の前記過電流停止信号を生成する第一の前記比較器と、
前記電流センサが出力する検出電圧と負側の前記過電流閾値電圧との比較により、下アームの前記パワー半導体素子に過電流が流れたことを判定して負側の前記過電流停止信号を生成する第二の前記比較器と、
正側の前記過電流閾値電圧及び負側の前記過電流閾値電圧を出力する前記閾値出力部と、
前記閾値出力部に第一の前記調整電圧及び第二の前記調整電圧を出力する前記閾値電圧調整部と、を備えており、
前記閾値電圧調整部は、
前記パルス信号を平滑して第一の前記調整元電圧を出力する第一の前記平滑回路、及び前記パルス信号を平滑して第二の前記調整元電圧を出力する第二の前記平滑回路を備えており、
前記閾値出力部は、電源電圧と接地との間に第一抵抗、第二抵抗、第三抵抗が直列に接続された前記直列体であり、
前記電源電圧側の前記第一抵抗と前記第二抵抗とが接続された第一接続点は、第一の前記比較器に接続され、
第一の前記調整元電圧が出力される第一の前記平滑回路の出力点と前記第一接続点とが抵抗を介して接続されており、
前記接地側の前記第三抵抗と前記第二抵抗とが接続された第二接続点は、第二の前記比較器に接続され、
第二の前記調整元電圧が出力される第二の前記平滑回路の出力点と前記第二接続点とが抵抗を介して接続されている、
請求項７記載の電力変換装置。
【請求項９】
前記電力変換部は、上アームの前記パワー半導体素子と下アームの前記パワー半導体素子とが直列接続されたフルブリッジ回路であり、
前記過電流保護回路は、
前記電流センサが出力する検出電圧と正側の前記過電流閾値電圧との比較により、上アームの前記パワー半導体素子に過電流が流れたことを判定して正側の前記過電流停止信号を生成する第一の前記比較器と、
前記電流センサが出力する検出電圧と負側の前記過電流閾値電圧との比較により、下アームの前記パワー半導体素子に過電流が流れたことを判定して負側の前記過電流停止信号を生成する第二の前記比較器と、
正側の前記過電流閾値電圧及び負側の前記過電流閾値電圧を出力する前記閾値出力部と、
前記閾値出力部に第一の前記調整電圧及び第二の前記調整電圧を出力する前記閾値電圧調整部と、を備えており、
前記閾値電圧調整部は、
前記パルス信号を平滑して第一の前記調整元電圧を出力する第一の前記平滑回路、及び前記パルス信号が反転器により反転された前記反転パルス信号を平滑して第二の前記調整元電圧を出力する第二の前記平滑回路を備えており、
前記閾値出力部は、電源電圧と接地との間に第一抵抗、第二抵抗、第三抵抗が直列に接続された前記直列体であり、
前記電源電圧側の前記第一抵抗と前記第二抵抗とが接続された第一接続点は、第一の前記比較器に接続され、
第一の前記調整元電圧が出力される第一の前記平滑回路の出力点と前記第一接続点とが抵抗を介して接続されており、
前記接地側の前記第三抵抗と前記第二抵抗とが接続された第二接続点は、第二の前記比較器に接続され、
第二の前記調整元電圧が出力される第二の前記平滑回路の出力点と前記第二接続点とが抵抗を介して接続されている、
請求項７記載の電力変換装置。
【請求項１０】
前記電圧補正量データは、
予め実測された、前記電流センサの検出する電流に対する出力電圧の第一特性データ、正側の前記過電流設定値における前記デューティー比に対する正側の前記過電流閾値電圧の第一閾値データ、及び負側の前記過電流設定値における前記デューティー比に対する負側の前記過電流閾値電圧の第二閾値データであり、
前記制御部は、
正側の前記過電流設定値に対する正側の前記過電流閾値電圧である第一過電流閾値を正側設定可能範囲内で前記第一特性データから演算し、かつ負側の前記過電流設定値に対する負側の前記過電流閾値電圧である第二過電流閾値を負側設定可能範囲内で前記第一特性データから演算し、
演算により得られた前記第一過電流閾値に対して前記電圧補正量である第一電圧補正量、及び演算により得られた前記第二過電流閾値に対して前記電圧補正量である第二電圧補正量を演算し、
前記補正指令信号を生成する際に、
前記第一過電流閾値が前記正側設定可能範囲の限界値である第一限界条件又は前記第二過電流閾値が前記負側設定可能範囲の限界値である第二限界条件が成立する条件Ａの場合は、
前記第一限界条件、前記第二限界条件の一方のみが成立していれば、当該限界値と、当該限界値に対応する前記第一閾値データ及び前記第二閾値データの一方と、に基づいて導出される前記デューティー比の値を選択デューティー比値と決定し、
前記第一限界条件及び前記第二限界条件が成立していれば、前記第一電圧補正量と前記第二電圧補正量とのうち、補正量が小さい方に対応する限界値を選択限界値とし、当該選択限界値と当該選択限界値に対応する前記第一閾値データ及び前記第二閾値データの一方と、に基づいて導出される前記デューティー比の値を選択デューティー比値と決定し、
前記条件Ａ以外で、前記第一電圧補正量と前記第二電圧補正量とが異なっている条件Ｂの場合は、補正量が小さい方を選択電圧補正量として、前記選択電圧補正量と、前記選択電圧補正量に対応する前記第一閾値データ及び前記第二閾値データの一方と、に基づいて導出される前記デューティー比の値を選択デューティー比値と決定し、
前記条件Ａ及び前記条件Ｂ以外で、前記第一電圧補正量と前記第二電圧補正量とが同じである条件Ｃの場合は、前記第一電圧補正量及び前記第一閾値データに基づいて導出される前記デューティー比の値である第一デューティー比値と、前記第二電圧補正量及び前記第二閾値データに基づいて導出される前記デューティー比の値である第二デューティー比値と、のうち、
前記第一デューティー比値と前記第二デューティー比値とが同じであれば当該値の前記デューティー比を選択デューティー比値と決定し、
前記第一デューティー比値と前記第二デューティー比値とが異なっていれば、
前記第一デューティー比値に対する前記第二閾値データの電圧値から演算される前記電圧補正量である第三電圧補正量と、前記第二デューティー比値に対する前記第一閾値データの電圧値から演算される前記電圧補正量である第四電圧補正量と、を比較して補正量が減少する方のデューティー比値を選択デューティー比値と決定し、
決定された前記選択デューティー比値を有する前記パルス信号を前記補正指令信号として生成する、
請求項９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 2,600 文字）【背景技術】
【０００２】
近年、ハイブリッド自動車、電気自動車等の電動パワートレインに用いられる電力変換装置には、ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）、ＭＯＳＦＥＴ（Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor）等のパワー半導体素子が広く使用されている。パワー半導体素子は、一つの素子で、又は複数の素子が並列接続された構成で、パワー半導体モジュールに搭載されている。このようなパワー半導体モジュールが、電力変換装置に搭載されている。
【０００３】
パワー半導体素子は一般的に電圧及び電流に耐量を持っており、許容する電圧及び電流を超えると破壊に至るおそれがある。このため、電力変換装置には経路を流れる電流値を検出する電流センサが備えられており、過大な電流を検出し、パワー半導体素子に流れる電流を停止させることで、パワー半導体素子の過電流保護を行うことができる。
【０００４】
一般的に、パワー半導体素子のスイッチング速度（ｄｉ／ｄｔ）は、パワー半導体素子の耐圧（電圧許容値）を超過しないよう設計される。通常、サージが最も大きくなる条件となる過電流が発生した場合、例えば制御端子がゲート端子であるパワー半導体素子の制御回路は、サージ電圧が耐圧以下となるようにターンオンのスイッチング速度、駆動電圧値、制御端子抵抗値等の制御パラメータが設定されている。例えば制御端子がゲート端子であるパワー半導体素子では、制御パラメータとしてゲート抵抗値すなわちゲート定数がよく用いられる。このため、パワー半導体素子の制御回路は、過電流の許容値を大きく設定する場合、ゲート定数を大きくし、スイッチング速度を抑制する必要がある。ゲート定数が大きく設定された場合、通常の領域でもパワー半導体素子のスイッチング損失が悪化する。このため、電力変換装置の効率改善には、できる限り過電流の電流値自体を小さくする必要がある。
【０００５】
一般的な過電流保護回路として、電流センサで検出して出力された出力値をコンパレータ等の比較器に入力し、過電流値として設定している閾値と常に比較し、電流センサの出力値が過電流閾値を超過した場合に、比較器が電力変換装置を停止する過電流保護回路がある。この方法は、比較的簡単な回路で構成できるが、電流センサのばらつき、温度特性等によって電流センサの出力値がばらつく場合には、想定している過電流値すなわち予め設定された過電流値よりも大きな電流値で電力変換装置が停止することがある。
【０００６】
特許文献１には、一般的な過電流保護回路の構成を含む過電流検出回路が開示されている。特許文献１の過電流検出回路は、駆動用ＭＯＳＦＥＴに並列接続された電流検出用ＭＯＳＦＥＴ及び抵抗の直列回路を備えており、駆動用ＭＯＳＦＥＴの電流を直列回路の抵抗で検出した検出電圧と、駆動用ＭＯＳＦＥＴの温度特性が同一である温度特性補正用ＭＯＳＦＥＴの電流を抵抗で検出した閾値電圧とを比較して、検出電圧が閾値電圧を超えた場合にゲート制御部が駆動用ＭＯＳＦＥＴの駆動を停止する過電流検出信号を出力する。特許文献１の過電流検出回路は、検出電圧の温度特性と閾値電圧の温度特性とをキャンセルさせることで過電流の検出精度を向上させていた。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
特開２０１４－１５４６６９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、特許文献１の過電流検出回路は、駆動用ＭＯＳＦＥＴと同一の温度特性を有する温度特性補正用ＭＯＳＦＥＴを備えることで温度変動による閾値のばらつきを調整しているが、実際は同じサイズ及び同じ構造のＭＯＳＦＥＴを使用しても、各デバイス自体のばらつき、例えばオン抵抗のばらつきによって調整された閾値に誤差が生じる。また、特許文献１の過電流検出回路は温度変動による閾値の調整のみで、電流センサに相当する電流検出用ＭＯＳＦＥＴ及び抵抗の直列回路の出力ばらつき、例えば、ゲイン誤差、オフセット誤差等は考慮できていない。また、磁場検出型の電流センサでは、コア無し構成の場合、寸法公差、配置ばらつきによる誤差が大きい。このため、電流センサを用いて過電流を検出する場合、閾値を温度補正したとしても電流センサの出力ばらつきによる誤差を十分に吸収できず、想定を超える過電流が流れる場合がある。
【０００９】
本願明細書に開示される技術は、パワー半導体素子の過電流保護動作の際に、パワー半導体素子に流れる過電流を低減することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本願明細書に開示される一例の電力変換装置は、複数のパワー半導体素子を有する電力変換部を制御して直流電力を交流電力に又は交流電力を直流電力に変換する。複数のパワー半導体素子を駆動する素子駆動信号を出力する駆動回路と、駆動回路を制御する制御部と、電力変換部の交流電流を検出する電流センサと、を備えている。駆動回路は、パワー半導体素子に素子駆動信号を出力する素子ドライブ回路と、パワー半導体素子に過電流が流れたことを判定して当該パワー半導体素子をオン状態からオフ状態にする素子駆動信号を出力させる過電流停止信号を素子ドライブ回路に出力する過電流保護回路と、を備えている。過電流保護回路は、電流センサが出力する検出電圧と過電流閾値電圧との比較により、パワー半導体素子に過電流が流れたことを判定して過電流停止信号を生成する比較器と、過電流閾値電圧を出力する閾値出力部と、閾値出力部に過電流閾値電圧を出力させる調整電圧を制御部から出力された補正指令信号に基づいて生成し、当該調整電圧を閾値出力部に出力する閾値電圧調整部と、を備えている。パワー半導体素子をオフ状態にする予め定められた過電流設定値に対する、設計の際の電流センサの第一電圧と搭載されている電流センサの第二電圧との差を電圧補正量とし、制御部は、予め保存された電圧補正量又は予め保存された電圧補正量データから演算された電圧補正量に基づいて補正指令信号を生成する。
【発明の効果】
（【００１１】以降は省略されています）

関連特許