專利名稱：包含開關(guān)元件的電力電路的故障檢測裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及用于檢測逆變電路等之中所使用的電力用半導(dǎo)體元件的故障的裝置。
背景技術(shù)：
作為對電力用半導(dǎo)體元件的過電流進(jìn)行檢測從而對于半導(dǎo)體元件的破壞做到防患于未然的技術(shù)，公知有特開平04-1852 號公報和特開2001-1977M號公報等記載的技術(shù)。特開平04-185228號公報中記載的短路保護(hù)裝置是由與構(gòu)成逆變器的開關(guān)元件并聯(lián)的短路檢測用的低壓電源、可變電阻器、僅在開關(guān)元件導(dǎo)通時由低壓電源向開關(guān)元件提供正向偏壓的二極管串聯(lián)連接而構(gòu)成的。大電流流過開關(guān)元件的結(jié)果是，從可變電阻器的電壓輸出端子提取的電壓值會超過閾值。這時，開關(guān)元件被強制性置為截止?fàn)顟B(tài)，對于開關(guān)元件的破損做到防患于未然。在特開2001-197724 號公報中記載的 IGBTansulated Gate Bipolar Transistor 絕緣柵雙極型晶體管)的柵極驅(qū)動電路中，IGBT的集電極和發(fā)射極間電壓經(jīng)由電阻器和二極管被檢測出。當(dāng)該檢測值超過了過電流判定電路中內(nèi)置的基準(zhǔn)電源的電壓時，就判定為IGBT處于過電流狀態(tài)，軟截止電路產(chǎn)生動作，IGBT平穩(wěn)地截止。另一方面，當(dāng)構(gòu)成功率模塊的IGBT或MOSFET (Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor :金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管)等電力用開關(guān)元件因某種原因發(fā)生了故障時，開關(guān)元件的主電極之間發(fā)生短路的可能性大。這時，如果連接在功率模塊上的負(fù)載是同步電機等感應(yīng)負(fù)載，則主電極之間的短路電流在負(fù)載上產(chǎn)生的反電動勢有可能會導(dǎo)致功率模塊過載。因此，為了保護(hù)使用了功率模塊的系統(tǒng)整體，必須持續(xù)地監(jiān)視電力用開關(guān)元件的耐壓，當(dāng)開關(guān)元件被擊穿時，則往往會切斷從功率模塊到負(fù)載的輸出電流。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種通過簡單的結(jié)構(gòu)就能夠檢測出功率模塊中所使用的電力用開關(guān)元件的故障的故障檢測裝置。概括地說，本發(fā)明涉及一種包含從第1主電極流向第2主電極的主電流隨著控制信號而變化的開關(guān)元件的電力電路中的故障檢測裝置，其具備第1整流元件、第1電阻元件和故障判定部。第1整流元件的陰極連接到第1主電極。第1電阻元件的一端連接到第1 整流元件的陽極，另一端上施加有相對于第2主電極為正的電壓。故障判定部判斷用于檢
3測開關(guān)元件的故障的故障判定條件是否成立。這里，故障判定條件包含第1整流元件的陽極和第2主電極之間的監(jiān)視電壓低于預(yù)先設(shè)定的第1基準(zhǔn)電壓的條件。此外，第1基準(zhǔn)電壓設(shè)定為低于導(dǎo)通狀態(tài)的開關(guān)元件的第1、第2主電極間電壓與第1整流元件的正向電壓 (forward voltage)之和、并高于第1整流元件的正向電壓。因此，本發(fā)明的主要優(yōu)點是，其通過第1整流元件監(jiān)視電力用開關(guān)元件的第1、第2 主電極間電壓，利用這樣的簡單結(jié)構(gòu)就能夠檢測出開關(guān)元件的故障。根據(jù)對本發(fā)明所作的下述詳細(xì)說明可以明確了解本發(fā)明的上述以及其他目的、特征、方面和優(yōu)點，下述說明應(yīng)參照附圖加以理解。


(注請將以下的“實施方式”理解為“實施例EMBODIMENT”)圖1是用于說明應(yīng)用了本發(fā)明第1實施方式的故障檢測裝置的電機驅(qū)動裝置10 的結(jié)構(gòu)的圖。圖2是用于說明圖1的IGBTQl中使用的故障檢測裝置IA的結(jié)構(gòu)的說明圖。圖3是表示圖2的柵極控制用計算機20中的故障檢測處理的流程圖。圖4是示意性地表示圖2的各部分的電壓-電流波形的一個實例的時序圖。圖5是表示本發(fā)明第2實施方式中的故障檢測裝置IB的結(jié)構(gòu)的電路圖。圖6是示意性地表示圖5的各部分的電壓-電流波形的一個實例的時序圖。圖7是表示本發(fā)明第3實施方式的故障檢測裝置IC的結(jié)構(gòu)的電路圖。圖8是示意性地表示圖7的各部分的電壓-電流波形的一個實例的時序圖。圖9是表示本發(fā)明第4實施方式的故障檢測裝置ID的結(jié)構(gòu)的框圖。圖10是表示IGBT的電流電壓特性的溫度依賴性的圖表。圖11是表示圖9的采樣保持電路沈的結(jié)構(gòu)的一個實例的框圖。圖12是示意性地表示圖9的各部分的電壓-電流波形的一個實例的時序圖。
具體實施例方式下面參照附圖詳細(xì)說明本發(fā)明的實施方式。其中，對于相同或相當(dāng)?shù)牟糠仲x予同一引用符號，對其說明不做重復(fù)。另外，以下的各實施方式中采用IGBT作為電力用開關(guān)元件的例子，但本發(fā)明也可以應(yīng)用于MOSFET或雙極性晶體管等其他的開關(guān)元件。[第1實施方式]在第1實施方式中說明用于檢測IGBT發(fā)生了短路故障的故障檢測裝置1A。圖1是用于說明應(yīng)用了本發(fā)明第1實施方式的故障檢測裝置的電機驅(qū)動裝置10 的結(jié)構(gòu)的圖。參照圖1，電機驅(qū)動裝置10從輸出節(jié)點U、V、W向電機18供給三相交流電力。電機18是三相交流電動機，使用各相的線圈電阻Rl、R2、R3和線圈電感Li、L2、L3進(jìn)行等效表不。電機驅(qū)動裝置10包含直流電源VI、與直流電源Vl并聯(lián)連接的平滑用電容器Cl、 逆變電路11和斷路器12、14、16。也可以使用交流電源和整流電路來取代直流電源VI。
逆變電路11是三相橋式電路，包含按照各相串聯(lián)連接在高壓節(jié)點P與低壓節(jié)點 N (接地點GND)之間的2個N溝道IGBT (與U相對應(yīng)的是IGBTQl、Q2，與V相對應(yīng)的是 IGBTQ3、Q4，與W相對應(yīng)的是IGBTQ5、Q6)。逆變電路11通過切換IGBTQl Q6的導(dǎo)通/截止，將直流電源Vl的輸出變換為交流電力。通過變換得到的交流電力從各相的輸出用節(jié)點Ni、N2、N3輸出。從直流到交流的變換方式使用例如脈沖幅度調(diào)制(PWM =Pulse Width Modulation)。逆變電路11進(jìn)一步包含與IGBTQl Q6并聯(lián)連接的續(xù)流二極管Dl D6、用于在 IGBTQl Q6的柵極-發(fā)射極之間施加?xùn)艠O電壓的柵極驅(qū)動電路OTl ⑶6。續(xù)流二極管Dl D6是為了當(dāng)對應(yīng)的IGBTQl Q6處于截止?fàn)顟B(tài)時對電機18產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢進(jìn)行回流而設(shè)置的。續(xù)流二極管Dl D6的陰極分別連接到IGBTQl Q6 的第1主電極即集電極C，續(xù)流二極管Dl D6的陽極分別連接到IGBTQl Q6的第2主電極即發(fā)射極E。柵極驅(qū)動電路⑶1 ⑶6相應(yīng)于輸入到輸入節(jié)點Sl S6中的控制信號，向 IGBTQl Q6的柵極-發(fā)射極之間輸出高電平/低電平的柵極電壓?？刂菩盘栍墒÷粤藞D示的控制用計算機(圖2的引用符號20)供給。斷路器12、14、16接收從后文敘述的故障檢測裝置的輸出，在IGBTQl Q6發(fā)生短路故障時，將從逆變電路11供給到電機18的各相的電流切斷。接著，參照圖2 圖4說明用于檢測上述逆變電路11中使用的IGBTQl Q6的短路故障的故障檢測裝置。對應(yīng)于IGBTQl Q6分別設(shè)置了相同結(jié)構(gòu)的故障檢測裝置，因此， 下面以設(shè)置在IGBTQl中的故障檢測裝置IA為代表進(jìn)行說明。圖2是用于說明圖1的IGBTQl中使用的故障檢測裝置IA的結(jié)構(gòu)的電路圖。在圖 2的電路圖中，成為電位基準(zhǔn)的公共電位VNl是IGBTQl的發(fā)射極E(節(jié)點Ni)的電位。參照圖2，故障檢測裝置IA包含上述的控制用計算機20、設(shè)置在柵極驅(qū)動電路⑶1 中的故障檢測電路3。故障檢測電路3包含高耐壓的二極管D7、電阻元件R4、R5、直流電源 V2、V3和帶集電極開路輸出的比較器CA1。此外，柵極驅(qū)動電路⑶1之中除了故障檢測電路 3之外，還包含對來自柵極控制用計算機20的控制信號進(jìn)行放大后輸出到IGBTQl的柵極G 的驅(qū)動器電路UA。這里，如圖2所示，比較器CAl在電源電壓VCCl (例如5伏)下工作，驅(qū)動器電路UA在電源電壓VCC2(例如15伏)下工作。在圖2的故障檢測電路3中，二極管D7的陰極連接到IGBTQl的集電極C。二極管 D7的陽極連接到電阻元件R4的一端和比較器CAl的反相輸入端子。直流電源V2連接到電阻元件R4的另一端與節(jié)點m之間。另外，直流電源V3連接到比較器CAl的非反相輸入端子與節(jié)點m之間。直流電源V3提供用于與二極管D7的陽極電位進(jìn)行比較的基準(zhǔn)電位。這里，直流電源V2的電壓設(shè)定為比施加在逆變電路11的節(jié)點P、N之間的數(shù)百伏的電壓充分小的電壓，例如5伏。另外，直流電源V3的電壓設(shè)定為比處于導(dǎo)通狀態(tài)的IGBTQl 的集電極-發(fā)射極間電壓(以下也稱之為“導(dǎo)通電壓”)與二極管D7的正向電壓之和低、并且比二極管D7的正向電壓高的電壓。例如，假設(shè)IGBTQl的導(dǎo)通電壓為0.6伏、二極管D7的正向電壓為0. 6伏，則直流電源V3的電壓設(shè)定為0. 6到1. 2伏之間的值，例如0. 8伏。此外，考慮到輸入電壓在0伏附近，連接到比較器CAl負(fù)端的電源節(jié)點VEE的電位被設(shè)定為比
5作為基準(zhǔn)的節(jié)點W的電位VNl更低的電位。比較器CAl的輸出端子經(jīng)由電阻元件R5連接到電源節(jié)點VCC1。當(dāng)非反相輸入端子的輸入電壓大于反相輸出端子的輸入電壓時，比較器CAl的輸出變?yōu)殚_路。此時，比較器 CAl的輸出端子的電位成為通過電阻元件R5上拉(pull-up)的高電平的電位。柵極控制用計算機20經(jīng)由光耦合器PC接收比較器CAl的輸出信號。光耦合器PC 是為了使故障檢測電路3與柵極控制用計算機20之間電氣式絕緣而設(shè)置的。在光耦合器 PC中，當(dāng)輸入信號為高電平時，光電晶體管PT接收到光電二極管PD發(fā)出的光而導(dǎo)通。柵極控制用計算機20基于提供給IGBTQl的柵極G的控制信號和比較器CAl的輸出，輸出用于切斷斷路器12的信號。柵極控制用計算機20和斷路器12通過光耦合器PC 相連接。接著，說明故障檢測裝置IA的動作。從功能上來看，故障檢測裝置IA之中的比較器CA1、直流電源V3、電阻元件R5和柵極控制用計算機20構(gòu)成了用于判定IGBTQl的故障的故障判定部2A。故障判定部2A監(jiān)視相對于節(jié)點m的二極管D7的陽極的電位。此外，故障判定部2A基于其監(jiān)視的二極管D7的陽極電位判定IGBTQl的短路故障。將故障判定部2A的具體動作模式劃分為以下的(i) (iv)這4個動作模式進(jìn)行說明。(i)在圖2的節(jié)點P、N之間施加了高電壓(例如數(shù)百伏)的狀態(tài)下IGBTQl處于正常的導(dǎo)通狀態(tài)的情形。在這種情況下，連接到二極管D7的陽極的比較器CAl的反相輸入端子上輸入 IGBTQl的導(dǎo)通電壓與二極管D7的正向電壓之和(例如1.2伏)。其結(jié)果是，比較器CAl的反相輸入端子的輸入電壓會大于直流電源V3的電壓(例如0. 8伏)，因此，比較器CAl的輸出成為低電平(公共電位VN1)。亦即，故障判定部2A判斷為未發(fā)生短路故障。(ii)無論節(jié)點P、N之間是否施加電壓，IGBTQl或續(xù)流二極管Dl均發(fā)生了短路故障的情形。在這種情況下，IGBTQl的集電極C的電位大致接近0伏，因此，比較器CAl的反相輸入端子上輸入了二極管D7的正向電壓(例如0.6伏)。其結(jié)果是，比較器CAl的反相輸入端子的輸入電壓會小于直流電源V3的電壓(例如0. 8伏)，因此，比較器CAl的輸出成為高電平(通過電阻元件R5上拉而成的電位)。亦即，故障判定部2A判斷為發(fā)生了短路故障。(iii)節(jié)點P、N之間施加了高電壓(例如數(shù)百伏)的狀態(tài)下IGBTQl處于正常的截止?fàn)顟B(tài)、續(xù)流二極管Dl處于截止?fàn)顟B(tài)的情形。在這種情況下，利用高耐壓的二極管D7阻斷了節(jié)點P、N之間的高電壓，因此，比較器CAl的反相輸入端子上輸入了直流電源V2的電壓(例如5伏)。其結(jié)果是，反相輸入端子的輸入電壓會大于直流電源V3的電壓(例如0. 8伏)，因此，比較器CAl的輸出成為低電平(公共電位VN1)。亦即，故障判定部2A判斷為沒有發(fā)生短路故障。(iv)節(jié)點P、N之間施加了高電壓(例如數(shù)百伏)的狀態(tài)下IGBTQl處于正常的截止?fàn)顟B(tài)、續(xù)流二極管Dl處于導(dǎo)通狀態(tài)的情形。在這種情況下，IGBTQl的集電極C的電位成為大小與續(xù)流二極管Dl的正向電壓相當(dāng)、相對于公共電位VNl為負(fù)的電位。其結(jié)果是，比較器CAl的反相輸入端子的輸入電壓成為從二極管D7的正向電壓之中減去續(xù)流二極管Dl的正向電壓后的值(不足0伏)。因此，反相輸入端子的輸入電壓小于直流電源V3的電壓(例如0. 8伏)，因此，比較器CAl的輸出成為高電平。亦即，僅根據(jù)故障檢測電路3的檢測結(jié)果來看，與上述動作模式(ii)同樣地判斷為發(fā)生了短路故障。因此，在第1實施方式的故障檢測裝置IA中，為了在上述動作模式(iv)的情況下不至于判斷為短路故障，需要考慮由柵極控制用計算機20供給到IGBTQl的控制信號的邏輯電平，進(jìn)行故障判定。圖3是表示圖2的柵極控制用計算機20中的故障檢測處理的流程圖。參照圖3，在步驟Sl中，計算機20在比較器CAl的輸出達(dá)到高電平之前一直處于等待狀態(tài)。當(dāng)比較器CAl的輸出變?yōu)楦唠娖綍r(步驟Sl中的YES)，進(jìn)入步驟S2。在步驟S2中，計算機20判斷供給到IGBTQl的柵極G的控制信號是否是高電平。 上述動作模式(iv)是在控制信號為低電平、IGBTQl處于截止?fàn)顟B(tài)時產(chǎn)生的，因此，將控制信號為低電平的情形(步驟S2中的“否”)排除掉。當(dāng)步驟Sl和S2都是YES時，進(jìn)入步驟S3。在步驟S3中，計算機20判斷為IGBTQl 發(fā)生了短路故障。繼而，計算機20輸出使斷路器12斷路的信號，故障檢測處理結(jié)束。綜合以上內(nèi)容，第1實施方式的故障判定部2A為了檢測IGBTQl的故障，需要判斷以下的故障判定條件是否成立。此時的故障判定條件是，二極管D7的陽極和IGBTQl的發(fā)射極E之間的監(jiān)視電壓低于電源電壓V3、并且向IGBTQl提供了將IGBTQl置為導(dǎo)通狀態(tài)的控制信號。下面參照具體的電壓-電流波形說明故障檢測裝置IA的動作。圖4是示意性地表示圖2的各部分的電壓-電流波形的一個實例的時序圖。圖4 中的縱軸按照從上到下的順序表示IGBTQl的柵極電壓、IGBTQl的集電極電壓、二極管D7 的陽極電壓、比較器CAl的輸出電壓、IGBTQl的集電極電流(主電流)、續(xù)流二極管Dl的電流。圖4的橫軸表示經(jīng)過時間。參照圖4，在時刻t0 tl、t2 t3、t4 t5、t6 t738 til的區(qū)間(以下稱之為截止區(qū)間)內(nèi)，IGBTQl的柵極電壓為0伏，IGBTQl處于截止?fàn)顟B(tài)。在圖4的情況下，續(xù)流二極管Dl始終處于截止?fàn)顟B(tài)，因此，當(dāng)IGBTQl正常時，截止區(qū)間的集電極電壓成為600 伏的高電壓。該高電壓被二極管D7阻斷，因此，二極管D7的陽極電壓等于直流電源V2的電壓即5V。另一方面，在時刻tl t2、t3 t4、t5 t6、t7 W、tll tl2的區(qū)間(以下稱之為導(dǎo)通區(qū)間)內(nèi)，IGBTQl的柵極電壓為15伏，IGBTQl處于導(dǎo)通狀態(tài)。在圖4的導(dǎo)通區(qū)間內(nèi)，當(dāng)IGBTQl正常時，集電極電壓等于IGBTQl的導(dǎo)通電壓。因此，二極管D7的陽極電壓成為IGBTQl的導(dǎo)通電壓與二極管D7的正向電壓之和為1.2 2伏。另外，在圖4的導(dǎo)通區(qū)間內(nèi)，通過PWM控制使IGBTQl的集電極電流逐漸上升。集電極電流的大小約為10 300安培。在截止區(qū)間的時刻偽 til之間的時刻t9，IGBTQl發(fā)生了短路故障。其結(jié)果是，IGBTQl的集電極電壓逐漸下降到0伏，二極管D7的陽極電壓逐漸下降到正向電壓(0. 6 伏)。同時，產(chǎn)生了集電極電流(短路電流)。短路電流最大達(dá)到數(shù)千安培。在時刻tlO，當(dāng)二極管D7的陽極電壓變得低于基準(zhǔn)電壓即電源電壓V3 (0. 8伏)
7時，比較器CAl的輸出電壓從低電平(0伏)切換為高電平(5伏)。在時刻tll，柵極控制用計算機20輸出使IGBTQl從截止?fàn)顟B(tài)切換為導(dǎo)通狀態(tài)的控制信號。在這一時刻，柵極控制用計算機20檢測到比較器CAl的輸出電壓為高電平，輸出使斷路器12斷路的信號。最終，IGBTQl的集電極電流被切斷，成為0安培。如上所述，利用第1實施方式的故障檢測裝置1A，通過二極管D7監(jiān)視IGBTQl的集電極-發(fā)射極間電壓。此時，當(dāng)IGBTQl處于截止?fàn)顟B(tài)時，施加在集電極-發(fā)射極之間的高電壓被高耐壓的二極管D7阻斷。因此，通過使用比較器CAl這樣的簡單的方法，就可以監(jiān)視IGBTQl的集電極-發(fā)射極間電壓。另外，故障檢測裝置IA將二極管D7的陽極電壓低于基準(zhǔn)電壓V3這一條件和柵極 G的控制信號的邏輯電平為高電平這一條件組合起來，判定IGBTQl的故障。因此，由于續(xù)流二極管Dl處于導(dǎo)通狀態(tài)，可以與IGBTQl的集電極-發(fā)射極間電壓處于低電壓的正常情形區(qū)別開，實現(xiàn)IGBTQl的短路判定。[第2實施方式]圖5是表示本發(fā)明第2實施方式中的故障檢測裝置IB的結(jié)構(gòu)的電路圖。圖5的故障檢測裝置IB是將第1實施方式的故障檢測裝置IA變形而成的，其用于檢測IGBTQl的短路故障。在圖5的電路圖中，成為電位基準(zhǔn)的公共電位VNl是IGBTQl的發(fā)射極E(節(jié)點 Ni)的電位。此外，對應(yīng)于IGBTQl Q6分別設(shè)置了相同結(jié)構(gòu)的柵極驅(qū)動電路和故障檢測裝置，因此，下面以設(shè)置在IGBTQl中的柵極驅(qū)動電路⑶IB及故障檢測裝置IB為代表進(jìn)行說明。參照圖5，柵極驅(qū)動電路⑶IB包含故障檢測裝置IB和驅(qū)動器電路UA。這里，故障檢測裝置IB包含高耐壓的二極管D7、電阻元件R4、直流電源V2和故障判定部2B。此外，故障判定部2B包含帶集電極開路輸出的比較器CA1、CA2和直流電源V3、V4及電阻元件R5。 另外，驅(qū)動器電路UA與第1實施方式中的相同，在電源電壓VCC2(例如15伏)下工作。在圖5的故障檢測電路IB中，二極管D7的陰極連接到IGBTQl的集電極C。二極管D7的陽極連接到電阻元件R4的一端和比較器CAl的反相輸入端子及比較器CA2的非反相輸入端子。直流電源V2連接到電阻元件R4的另一端與節(jié)點m之間。另外，直流電源V3連接到比較器CAl的非反相輸入端子與節(jié)點m之間。直流電源V4連接到比較器CA2的反相輸入端子與節(jié)點W之間。直流電源V3、V4提供用于與二極管D7的陽極電位進(jìn)行比較的基準(zhǔn)電位。這里，直流電源V2的電壓設(shè)定為比施加在逆變電路11的節(jié)點P、N之間的數(shù)百伏的電壓充分小的電壓，例如5伏。另外，直流電源V3的電壓設(shè)定為低于IGBTQl的導(dǎo)通電壓與與二極管D7的正向電壓之和、并且高于二極管D7的正向電壓的電壓。例如，假設(shè)IGBTQl 的導(dǎo)通電壓為0. 6伏、二極管D7的正向電壓為0. 6伏，則直流電源V3的電壓設(shè)定為0. 6到 1. 2伏之間的值，例如0. 8伏。另外，直流電源V4的電壓設(shè)定為高于從二極管D7的正向電壓之中減去續(xù)流二極管Dl的正向電壓之后的值、并低于二極管D7的正向電壓的值。例如， 不使用直流電源V4而將比較器CA2的反相輸入端子連接到節(jié)點附上，由此將反相輸入端子的電壓設(shè)定為0伏。此外，考慮到輸入電壓在0伏附近，連接到比較器CA1、CA2上的負(fù)端的電源節(jié)點VEE的電位設(shè)定為比作為基準(zhǔn)的節(jié)點m的電位vm更低的電位。另外，供給到
8比較器CA1、CA2上的正端的電源電壓VCCl例如為5V。比較器CAl和CA2的輸出端子經(jīng)由電阻元件R5連接到電源節(jié)點VCCl。比較器CAl 和CA2構(gòu)成了窗口比較器。因此，當(dāng)二極管D7的陽極電壓大于直流電源V4的電壓、并且小于直流電源V3的電壓時，比較器CAl和CA2的輸出端子的電壓經(jīng)由電阻元件R5上拉到高電平的電壓。比較器CAl和CA2的輸出端子進(jìn)一步經(jīng)由光耦合器PC連接到斷路器12。比較器 CAl和CA2的輸出端子的電位達(dá)到高電平后，斷路器12被切斷。接著說明故障檢測裝置IB的動作。故障檢測裝置IB與圖2的故障檢測裝置IA 的不同點在于，其進(jìn)一步包含比較器CA2和直流電源V4。由此，即使不使用柵極控制用計算機20，在續(xù)流二極管Dl處于導(dǎo)通狀態(tài)的情況下也能夠判定IGBTQl的故障。將故障判定部2B的具體動作模式劃分為以下的(i) (iv)這4個動作模式進(jìn)行說明。(i)在圖5的節(jié)點P、N之間施加了高電壓(例如數(shù)百伏)的狀態(tài)下IGBTQl處于正常的導(dǎo)通狀態(tài)的情形。在這種情況下，二極管D7的陽極電壓為IGBTQl的導(dǎo)通電壓與二極管D7的正向電壓之和(例如1.2伏)。比較器CAl的反相輸入端子的電壓大于直流電源V3的電壓(例如 0. 8伏)，因此，比較器CAl的輸出成為低電平(公共電位VNl)。另一方面，比較器CA2的非反相輸入端子的電壓大于電源電壓V4的電壓(例如0伏)，因此，比較器CA2的輸出變?yōu)殚_路。因此，布線(wired)AND形成的比較器CAl和CA2的輸出電壓成為低電平。亦即，故障判定部2A判斷為沒有發(fā)生短路故障。(ii)無論節(jié)點P、N之間有無施加電壓，IGBTQl或續(xù)流二極管Dl均發(fā)生了短路故障的情形。在這種情況下，IGBTQl的集電極C的電位接近0伏，因此，二極管D7的陽極電壓等于二極管D7的正向電壓(例如0.6伏)。比較器CAl的反相輸入端子的電壓小于直流電源V3的電壓(例如0. 8伏)，因此，比較器CAl的輸出成為開路。另外，比較器CA2的非反相輸入端子的電壓大于直流電源V4的電壓(例如0伏)，因此，比較器CA2的輸出也變?yōu)殚_路。其結(jié)果是，布線AND形成的比較器CAl和CA2的輸出端子的電壓成為高電平(通過電阻元件R5上拉而成的電壓)。亦即，故障判定部2A判斷為發(fā)生了短路故障。(iii)節(jié)點P、N之間施加了高電壓(例如數(shù)百伏)的狀態(tài)下IGBTQl正常并處于截止?fàn)顟B(tài)、續(xù)流二極管Dl處于截止?fàn)顟B(tài)的情形。在這種情況下，利用高耐壓的二極管D7阻斷了節(jié)點P、N之間的高電壓，因此，二極管D7的陽極電壓等于直流電源V2的電壓(例如5伏)。比較器CAl的反相輸入端子的電壓大于直流電源V3的電壓(例如0. 8伏)，因此，比較器CAl的輸出成為低電平(公共電位VN1)。另一方面，比較器CA2的非反相輸入端子的電壓大于電源電壓V4的電壓(例如0 伏)，因此，比較器CA2的輸出變?yōu)殚_路。其結(jié)果是，布線AND形成的比較器CAl和CA2的輸出電壓成為低電平。亦即，故障判定部2A判斷為未發(fā)生短路故障。(iv)節(jié)點P、N之間施加了高電壓(例如數(shù)百伏)的狀態(tài)下IGBTQl處于正常的截止?fàn)顟B(tài)、續(xù)流二極管Dl處于導(dǎo)通狀態(tài)的情形。在這種情況下，IGBTQl的集電極C的電位成為大小與續(xù)流二極管Dl的正向電壓相當(dāng)、相對于公共電位VNl為負(fù)的電位。其結(jié)果是，二極管D7的陽極電壓成為從二極管D7 的正向電壓之中減去續(xù)流二極管D 1的正向電壓后的值(不足0伏)。因此，比較器CAl的反相輸入端子的輸入電壓小于直流電源V3的電壓(例如0. 8伏)，因此，比較器CAl的輸出成為開路。另一方面，比較器CA2的非反相輸入端子的電壓小于電源電壓V4的電壓(例如 0伏)，因而變?yōu)榈碗娖?公共電位VNl)。其結(jié)果是，布線AND形成的比較器CAl和CA2的輸出電壓成為低電平。亦即，故障判定部2A判斷為未發(fā)生短路故障。綜上所述，第2實施方式的故障判定部2B判定二極管D7的陽極和IGBTQl的發(fā)射極E之間的監(jiān)視電壓是否處于低于直流電源V3的電壓(以后也稱之為基準(zhǔn)電壓V3)、高于直流電源V4的電壓(以后也稱之為基準(zhǔn)電壓V4)的狀態(tài)。其結(jié)果是，能夠檢測出IGBTQl 和續(xù)流二極管Dl中的至少一方所產(chǎn)生的短路故障。圖6是示意性地表示圖5的各部分的電壓-電流波形的一個實例的時序圖。圖6 中的縱軸按照從上到下的順序表示IGBTQl的柵極電壓、IGBTQl的集電極電壓、二極管D7的陽極電壓、比較器CAl的輸出電壓、比較器CA2的輸出電壓、IGBTQl的集電極電流、續(xù)流二極管Dl的電流。不過，比較器CAl、CA2的輸出實際上是通過布線AND取邏輯與而輸出，但在圖6中為便于說明而分開表示。圖6的橫軸表示經(jīng)過時間。參照圖6，在時刻t0 tl、t2 t3、t4 t5、t6 t7、t8 til的區(qū)間(截止區(qū)間)內(nèi)，IGBTQl的柵極電壓為0伏，IGBTQl處于截止?fàn)顟B(tài)。另一方面，在時刻tl t2、 t3 t4、t5 t6、t7 t8、til tl2的區(qū)間(導(dǎo)通區(qū)間)內(nèi)，IGBTQl的柵極電壓為15 伏，IGBTQl處于導(dǎo)通狀態(tài)。在圖6所示的情況下，導(dǎo)通區(qū)間的時刻tl t2、t3 t4、t5 t6、t7 偽中，利用PWM控制使IGBTQl的集電極電流逐漸上升。IGBTQl的集電極電流約為10 300安培。 此時，IGBTQl的集電極電壓等于導(dǎo)通電壓，因此，二極管D7的陽極電壓成為約1. 2 2伏的值。在圖6的截止區(qū)間的時刻t0 tl內(nèi)，續(xù)流二極管Dl處于截止?fàn)顟B(tài)。此時，施加在IGBTQl的集電極-發(fā)射極之間的600伏的高電壓被二極管D7阻斷，因此，二極管D7的陽極電壓等于直流電源V2的電壓值，即5伏。另一方面，在截止區(qū)間的時刻t2 t3、t4 t5、t6 t7、t8 tll，負(fù)載所產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢導(dǎo)致續(xù)流二極管Dl中產(chǎn)生電流。此時，IGBTQl的集電極C的電位變?yōu)楸劝l(fā)射極E的電位低相當(dāng)于續(xù)流二極管Dl的正向電壓大小的電位。其結(jié)果是，二極管D7的陽極電壓約為-2 0伏。如上，在時刻t0 偽的區(qū)間內(nèi)，二極管D7的陽極電壓不會成為基準(zhǔn)電壓V4 (0伏) 與基準(zhǔn)電壓V3 (0.6伏)之間的值。在截止區(qū)間的時刻偽 tll之間的時刻t9，續(xù)流二極管Dl發(fā)生短路故障。其結(jié)果是，續(xù)流二極管Dl中產(chǎn)生短路電流。IGBTQl的集電極電壓在時刻偽 t9內(nèi)是負(fù)電壓， 但由于續(xù)流二極管Dl的短路故障而變?yōu)?伏。其結(jié)果是，二極管D7的陽極電壓從-2 0 伏最后變?yōu)槎O管D7的正向電壓即0. 6伏。在時刻tio，二極管D7的陽極電壓變得大于基準(zhǔn)電壓V4(0伏)，比較器CA2的輸出從低電平(0伏)切換為高電平(5伏)。其結(jié)果是，比較器CA1、CA2雙方的輸出都變?yōu)楦唠娖?，短路故障被檢測出。
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如上所述，利用第2實施方式的故障檢測裝置1B，與第1實施方式同樣地通過二極管D7監(jiān)視IGBTQl的集電極-發(fā)射極間電壓。其結(jié)果是，通過使用了比較器CAl、CA2的簡單的結(jié)構(gòu)，就能夠判定IGBTQl的短路故障。另外，故障檢測裝置IB判定IGBTQl的故障的判定條件是二極管D7的陽極電壓大于基準(zhǔn)電壓V4、小于基準(zhǔn)電壓V3。因此，能夠與續(xù)流二極管Dl處于導(dǎo)通狀態(tài)的正常情形區(qū)別開，進(jìn)行IGBTQl的故障判定。另外，由于是使用了比較器CA1、CA2進(jìn)行的故障判定，與使用控制用計算機20的第1實施方式的情形相比，其能夠迅速地進(jìn)行故障判定。[第3實施方式]圖7是表示本發(fā)明第3實施方式的故障檢測裝置IC的結(jié)構(gòu)的電路圖。圖7的故障檢測裝置IC是將第2實施方式的故障檢測裝置IB變形而成的，其用于檢測IGBTQl的短路故障。此外，對應(yīng)于IGBTQl Q6分別設(shè)置了相同結(jié)構(gòu)的柵極驅(qū)動電路和故障檢測裝置， 因此，下面以設(shè)置在IGBTQl中的柵極驅(qū)動電路⑶IC及故障檢測裝置IC為代表進(jìn)行說明。參照圖7，柵極驅(qū)動電路⑶IC包含故障檢測裝置IC和驅(qū)動器電路UA0這里，圖7 的故障檢測裝置IC與圖5的故障檢測裝置IB的不同點在于，其進(jìn)一步包含邏輯電路LAl。 在其他方面，圖7的故障檢測裝置IC與圖5的故障檢測裝置IB相同，因此，對于相同點的說明不再重復(fù)。另外，驅(qū)動器電路UA與第1、第2實施方式中的相同，在電源電壓VCC2(例如15伏)下工作。參照圖7，邏輯電路LAl是輸出2個輸入信號的邏輯與的AND電路。邏輯電路LAl 的一個輸入端子與比較器CAl、CA2的輸出端子相連接。另外，邏輯電路LAl的另一個輸入端子與IGBTQl的控制信號的輸入節(jié)點Sl相連接。邏輯電路LAl的輸出端子連接到光耦合器PC。因此，當(dāng)比較器CA1、CA2的輸出信號為高電平、并且IGBTQl的控制信號為高電平時， 邏輯電路LAl輸出高電平的輸出信號。此時，故障判定部2C就會判定IGBTQl發(fā)生了短路故障。繼而，故障判定部2C將經(jīng)由光耦合器PC連接的斷路器12切斷。此外，邏輯電路LAl 在電源電壓VCCl (例如5伏)下工作。IGBTQl的導(dǎo)通電壓隨著集電極電流的變化而變動，另外，也隨著溫度不同而變動。 因此，難以設(shè)定用于判定短路故障的閾值，即直流電源V3的電壓值。因此，在圖7的故障檢測裝置IC中，通過求取比較器CA1、CA2的輸出與IGBTQl的控制信號的邏輯與，就可以以更高的精度檢測IGBTQl的短路故障。圖8是示意性地表示圖7的各部分的電壓-電流波形的一個實例的時序圖。圖8 中的縱軸按照從上到下的順序表示IGBTQl的柵極電壓、IGBTQl的集電極電壓、二極管D7 的陽極電壓、比較器CAl的輸出電壓、比較器CA2的輸出電壓、邏輯電路LAl的輸出電壓、 IGBTQl的集電極電流、續(xù)流二極管Dl的電流。不過，比較器CA1、CA2的輸出實際上是通過布線AND取邏輯與而輸出的，但在圖8中為便于說明而分開表示。圖8的橫軸表示經(jīng)過時間。參照圖8，在時刻t0 tl、t2 t3、t4 t5、t6 t7j8 til的區(qū)間(截止區(qū)間)內(nèi)，IGBTQl的柵極電壓為0伏，IGBTQl處于截止?fàn)顟B(tài)。在圖8的情況下，續(xù)流二極管Dl 始終處于截止?fàn)顟B(tài)，因此，當(dāng)IGBTQl正常時，截止區(qū)間的集電極電壓成為600伏的高電壓。 該高電壓被二極管D7阻斷，因此，二極管D7的陽極電壓等于直流電源V2的電壓5伏。另一方面，在時刻tl t2、t3 t4、t5 t6、t7 t8、til tl2的區(qū)間(導(dǎo)
11通區(qū)間)內(nèi)，IGBTQl的柵極電壓為15伏，IGBTQl處于導(dǎo)通狀態(tài)。在圖8的導(dǎo)通區(qū)間內(nèi)， 當(dāng)IGBTQl正常時，集電極電壓等于IGBTQl的導(dǎo)通電壓。因此，二極管D7的陽極電壓成為 IGBTQl的導(dǎo)通電壓與二極管D7的正向電壓之和，約為1. 2 2伏。另外，在圖8的導(dǎo)通區(qū)間內(nèi)，通過PWM控制使IGBTQl的集電極電流逐漸上升。集電極電流的大小約為10 300安培。由以上可知，在時刻to 偽的區(qū)間內(nèi)，二極管D7的陽極電壓不會成為基準(zhǔn)電壓 V4(0伏)與基準(zhǔn)電壓V3 (0.6伏)之間的值。因此，在時刻t0 偽內(nèi)，比較器CAl的輸出變?yōu)榈碗娖?0伏)，而比較器CA2的輸出則變?yōu)楦唠娖?5伏)。在截止區(qū)間的時刻偽 til之間的時刻t9，IGBTQl發(fā)生了短路故障。其結(jié)果是，IGBTQl的集電極電壓逐漸下降到0伏，二極管D7的陽極電壓逐漸下降到正向電壓(0. 6 伏)。同時，產(chǎn)生了集電極電流(短路電流)。短路電流最大達(dá)到數(shù)千安培。在時刻tlO，當(dāng)二極管D7的陽極電壓變得小于基準(zhǔn)電壓即電源電壓V3(0. 8伏) 時，比較器CAl的輸出電壓從低電平(0伏)切換為高電平(5伏)。其結(jié)果是，比較器CAl 的輸出與比較器CA2的輸出的邏輯與變?yōu)楦唠娖?。在時刻tll，柵極控制用計算機20輸出用于將IGBTQl從截止?fàn)顟B(tài)切換為導(dǎo)通狀態(tài)的高電平的控制信號，IGBTQl的柵極電壓變?yōu)?5伏。其結(jié)果是，邏輯電路LAl在時刻tll 切換為高電平。斷路器12接收到邏輯電路LAl的高電平輸出之后切斷流向負(fù)載的電流，因此，最終使IGBTQl的集電極電流變?yōu)?安培。如上所述，利用第3實施方式的故障檢測裝置1C，使用邏輯電路LAl求取比較器 CAUCA2的輸出和IGBTQl的控制信號的邏輯與，因此，除了第2實施方式的效果之外，能夠?qū)崿F(xiàn)精度更高的IGBTQl的短路故障的檢測。另外，與第1實施方式不同的是，其不使用柵極控制用計算機20，而是利用邏輯電路LAl進(jìn)行邏輯運算，因此，與第1實施方式相比，能夠?qū)崿F(xiàn)更高速的故障檢測。[第4實施方式]在第4實施方式中說明用于檢測電力用開關(guān)元件的老化的故障檢測裝置。—般說來，功率模塊中使用的開關(guān)元件大多是焊錫連接的。焊錫接合部會隨著功率模塊的常年使用而老化，因此，相對于相同的通電電流，開關(guān)元件的導(dǎo)通電壓會增加。進(jìn)而，電連接開關(guān)元件的金屬線也會隨著常年使用而老化，因此，同樣地也會導(dǎo)致相對于相同的通電電流的導(dǎo)通電壓的增加。第4實施方式的故障檢測裝置ID通過檢測相對于相同的通電電流的導(dǎo)通電壓的增加，來判定電力用開關(guān)元件的老化。故障檢測裝置ID就可以單獨使用，也可以與第1 3實施方式的故障檢測裝置1A、1B、1C結(jié)合起來使用。圖9是表示本發(fā)明第4實施方式的故障檢測裝置ID的結(jié)構(gòu)的框圖。在圖9的框圖中，成為電位基準(zhǔn)的公共電位Vm是IGBTQl的發(fā)射極E(節(jié)點Ni)的電位。此外，對應(yīng)于IGBTQl Q6分別設(shè)置了相同結(jié)構(gòu)的柵極驅(qū)動電路和故障檢測裝置，因此，下面以設(shè)置在 IGBTQl中的柵極驅(qū)動電路⑶ID及故障檢測裝置ID為代表進(jìn)行說明。參照圖9，柵極驅(qū)動電路⑶ID包含驅(qū)動器電路UA和故障檢測裝置ID中除了電阻元件R7之外的各構(gòu)成元素。這里，驅(qū)動器電路UA與第1 3實施方式中的相同，在電源電壓VCC2(例如15伏)下工作。故障檢測裝置ID包含高耐壓的二極管D7、電阻元件R4、直流電源V2和老化判定部2D。進(jìn)而，老化判定部2D包含帶集電極開路輸出的比較器CA3、CA4 ；邏輯電路LA2 ；直流電源V5、V6 ；單觸發(fā)脈沖發(fā)生電路M ；采樣保持電路沈；元件壽命警報器觀；電阻元件R6、 R7、R9。電阻元件R6、R9用作分別連接到比較器CA3、CA4的輸出端子上的上拉電阻。電阻元件R6、R9的一端連接到電源節(jié)點VCCl (例如5伏)。此外，比較器CA3、CA4和邏輯電路 LA2在電源電壓VCCl下動作。在圖9中，二極管D7、電阻元件R4和直流電源V2的連接與第1 3實施方式相同。亦即，二極管D7的陰極連接到IGBTQl的集電極C，二極管D7的陽極連接電阻元件R4 的一端。在電阻元件的另一端上，利用直流電源V2對節(jié)點m施加正電壓。為了測量集電極電流，在第4實施方式中所使用的IGBTQl Q6中使用帶電流檢測電極的IGBT(以下稱為傳感Gense) IGBT)。傳感IGBT具有相應(yīng)于集電極電流(主電流) 而產(chǎn)生檢測電流的電流檢測電極(傳感電極)SE。傳感電極SE和發(fā)射極E之間設(shè)置有檢測電阻，在檢測電阻兩端產(chǎn)生的電壓被檢測出來。在圖9中，IGBTQl的傳感電極SE與節(jié)點 Nl之間設(shè)置有電阻元件R7，IGBTQ2的傳感電極SE與低壓節(jié)點N之間設(shè)置有電阻元件R8。如上所述，第4實施方式的故障檢測裝置ID對相同的通電電流下開關(guān)元件的導(dǎo)通電壓的增加進(jìn)行檢測。由于開關(guān)元件的導(dǎo)通電壓依賴于溫度，所以為了實現(xiàn)正確的老化判定，需要考慮導(dǎo)通電壓的溫度依賴性。圖10是表示IGBT的電流電壓特性的溫度依賴性的圖表。圖10中的橫軸表示集電極-發(fā)射極間電壓，縱軸表示集電極電流。參照圖10，對應(yīng)于不同溫度的IGBT的電流-電壓特性曲線中存在交叉點CP。此時，在電流小于交叉點CP上的電流值IX的區(qū)域內(nèi)，導(dǎo)通電壓隨著溫度的增加而減小。亦即， 導(dǎo)通電壓具有負(fù)的溫度依賴性。另一方面，在電流大于電流值IX的區(qū)域內(nèi)，導(dǎo)通電壓隨著溫度的增加而增大。亦即，導(dǎo)通電壓具有正的溫度依賴性。當(dāng)電流等于兩區(qū)域的邊界的電流值IX時，導(dǎo)通電壓基本不存在溫度依賴性。因此，將導(dǎo)通電壓的溫度依賴性為負(fù)的區(qū)域和導(dǎo)通電壓的溫度依賴性為正的區(qū)域的邊界的電流值IX作為基準(zhǔn)電流，測定基準(zhǔn)電流IX 所對應(yīng)的導(dǎo)通電壓VX隨著時間的變化。由此就能夠使電力用開關(guān)元件的老化判定中的溫度影響達(dá)到最小化。交叉點CP上的電流值IX因各個IGBT元件的不同而不同，但通常是集電極額定電流的0. 8 1. 2倍。另一方面，IGBT是在集電極電流最大為額定電流的1. 5倍這樣的條件下使用的。因此，當(dāng)IGBT中流動的電流接近最大值時，集電極電流即達(dá)到基準(zhǔn)電流IX，就可以利用故障檢測裝置ID進(jìn)行壽命判定。另一方面，當(dāng)集電極電流尚未達(dá)到基準(zhǔn)電流IX時， 無法利用故障檢測裝置ID進(jìn)行壽命判定。但是，在這種情況下，IGBT的發(fā)熱少，因此，可以認(rèn)為IGBT發(fā)生短路故障的可能性也小。再次參照圖9，比較器CA4是為了檢測集電極電流與上述的基準(zhǔn)電流IX的一致而設(shè)置的。比較器CA4的非反相輸入端子上連接傳感IGBTQl的傳感電極SE，輸入在電阻元件 R7的兩端所產(chǎn)生的電壓。比較器CA4的反相輸入端子上連接直流電源V6。直流電源V6的電壓值基于基準(zhǔn)電流IX的大小設(shè)定，當(dāng)傳感IGBTQl的集電極電流超過基準(zhǔn)電流IX時，使比較器CA4輸出高電平信號。邏輯電路LA2輸出IGBTQl的控制信號與比較器CA4的輸出信號的邏輯與。單觸發(fā)脈沖發(fā)生電路M以邏輯電路LA2的輸出的上升沿作為觸發(fā)器，向采樣保持電路沈輸出
13單觸發(fā)脈沖。圖11是表示圖9的采樣保持電路沈的結(jié)構(gòu)的一個實例的框圖。參照圖11，采樣保持電路沈包含運算放大器34、36 ；開關(guān)SW1、SW2 ；電壓保持用電容器C2。運算放大器34、36的輸出端子與反相輸入端子直接連接，用作電壓跟隨器。采樣保持電路26的輸入端子30和輸出端子32之間，運算放大器34、開關(guān)SWl和運算放大器 36按照這一順序串聯(lián)連接。運算放大器36的非反相輸入端子和節(jié)點m之間并聯(lián)連接電容器C2和開關(guān)SW2。在單觸發(fā)脈沖發(fā)生電路M輸出高電平信號的期間內(nèi)，開關(guān)SWl閉合，電容器C2被充電達(dá)到輸入端子30的電壓。電容器C2中充電形成的電壓從輸出端子32輸出。當(dāng)單觸發(fā)脈沖發(fā)生電路M輸出高電平信號的狀態(tài)持續(xù)一定時間之后，經(jīng)由延時電路38連接到單觸發(fā)脈沖發(fā)生電路M上的開關(guān)SW2閉合。其結(jié)果是，充入電容器C2中的電壓經(jīng)由開關(guān)SW2 放電。再次參照圖9，故障檢測裝置ID中的采樣保持電路沈在單觸發(fā)脈沖發(fā)生電路M 的輸出為高電平時保持二極管D7的陽極電壓。所保持的陽極電壓輸出到比較器CA3的非反相輸入端子。比較器CA3的反相輸入端子上連接直流電源V5。比較器CA3在二極管D7的陽極電壓超過了直流電源V5的電壓值時輸出高電平信號。其結(jié)果是，元件壽命警報器觀發(fā)出 IGBTQl已經(jīng)老化的通知。這里，直流電源V5的電壓值設(shè)定為與例如當(dāng)IGBTQl是新品時的基準(zhǔn)電流IX相對應(yīng)的導(dǎo)通電壓的1. 2倍左右。處于壽命末期的開關(guān)元件的導(dǎo)通電壓比新品時的導(dǎo)通電壓數(shù)值增大，因此，在相對于基準(zhǔn)電流IX的導(dǎo)通電壓超過了預(yù)先設(shè)定的基準(zhǔn)電壓V5的時刻，就判定為開關(guān)元件已經(jīng)達(dá)到了使用年限。圖12是示意性地表示圖9的各部分的電壓-電流波形的一個實例的時序圖。圖 12中的縱軸按照從上到下的順序表示IGBTQl的柵極電壓、IGBTQl的集電極電壓、二極管D7 的陽極電壓、采樣保持電路26的輸出電壓、比較器CA4的輸出電壓、邏輯電路LA2的輸出電壓、IGBTQl的集電極電流、續(xù)流二極管Dl的電流。圖12的橫軸表示經(jīng)過時間。參照圖12，在時刻t0 tl、t2 t3、t4 t5、t6 t7、t8 t9的區(qū)間(截止區(qū)間)內(nèi)，IGBTQl的柵極電壓為0伏，IGBTQl處于截止?fàn)顟B(tài)。在圖12的情況下，續(xù)流二極管Dl始終處于截止?fàn)顟B(tài)，因此，當(dāng)IGBTQl正常時，截止區(qū)間的集電極電壓成為600伏的高電壓。該高電壓被二極管D7阻斷，因此，二極管D7的陽極電壓等于直流電源V2的電壓，即 5伏。另一方面，在時刻tl t2、t3 t4、t5 t6、t7 t8、t9 til的區(qū)間(導(dǎo)通區(qū)間)內(nèi)，IGBTQl的柵極電壓為15伏，IGBTQl處于導(dǎo)通狀態(tài)。在導(dǎo)通區(qū)間內(nèi)，二極管D7的陽極電壓為IGBTQl的導(dǎo)通電壓與二極管D7的正向電壓之和。另外，在導(dǎo)通區(qū)間內(nèi)，通過PWM控制使IGBTQl的集電極電流逐漸上升。此外，在時刻t9 til之間的時刻tlO，集電極電流的大小達(dá)到基準(zhǔn)電流IX。此時，比較器CA4的輸出和邏輯電路LA2的輸出成為高電平(例如5伏)。其結(jié)果是，采樣保持電路沈保持時刻 tlO時二極管D7的陽極電壓。這里，假定當(dāng)IGBTQl是新品時，相對于基準(zhǔn)電流IX的二極管D7的陽極電壓為VDl (例如1. 2 2伏)，當(dāng)IGBTQl到了壽命末期時，二極管D7的陽極電壓為比VDl大的 VD2 (例如2. 8伏)。此時，如果直流電源V5設(shè)定為VDl與VD2之間的值(例如2. 5伏)，則在時刻tlO，比較器CA3的輸出達(dá)到高電平，判定為IGBTQl發(fā)生了老化。如上所述，利用第4實施方式的故障檢測裝置1D，以交叉點CP處的電流值為基準(zhǔn)檢測出導(dǎo)通電壓隨著時間的變化，因此，能夠在溫度影響最小化的條件下判定電力用開關(guān)元件的老化。當(dāng)判斷發(fā)現(xiàn)功率模塊中使用的開關(guān)元件已經(jīng)達(dá)到了使用年限時，能夠在功率模塊因使用年限達(dá)到極限而損壞之前發(fā)出更換信號，能夠防止功率模塊的損壞于未然。在上述第1 4實施方式中，針對逆變電路11的IGBTQl的故障檢測裝置IA進(jìn)行了說明，但對于IGBTQ2 Q6的故障判定裝置來說，除了公共電位的設(shè)定方法之外，使用同樣的結(jié)構(gòu)能夠獲得同樣的作用效果。這里，在IGBTQ3、IGBTQ5用的故障檢測裝置中，分別采用節(jié)點N2、N3的電位作為公共電位，以取代圖2的公共電位VN1。另外，在IGBTQ2、IGBTQ4 和IGBTQ6用的故障檢測裝置中，采用接地節(jié)點GND的電位作為公共電位，以取代圖2的公共電位vm。以上對本發(fā)明進(jìn)行了詳細(xì)說明和展示，但這只是示例，并不構(gòu)成限定，發(fā)明的范圍根據(jù)附帶的權(quán)利要求書進(jìn)行解釋，這是應(yīng)該明確理解的。
權(quán)利要求
1. 一種包含開關(guān)元件Oil)的電力電路(11)的故障檢測裝置(ID)，上述開關(guān)元件Oil) 使從第一主電極(C)流向第二主電極(E)的主電流根據(jù)控制信號進(jìn)行變化， 該故障檢測裝置具備第一整流元件(D7)，陰極連接到上述第一主電極(C)；第一電阻元件(R4)，一端連接到上述第一整流元件(D7)的陽極，另一端上施加有相對于上述第二主電極(E)為正的電壓；以及老化判定部(2D)，用于判定上述開關(guān)元件Oil)的老化，當(dāng)上述主電流的大小與預(yù)先設(shè)定的基準(zhǔn)電流(IX) —致時，上述老化判定部OD)檢測出上述第一整流元件(D7)的陽極與上述第二主電極(E)之間的監(jiān)視電壓，判定檢測出的上述監(jiān)視電壓是否超過了預(yù)先設(shè)定的第三基準(zhǔn)電壓(V5)，上述基準(zhǔn)電流(IX)被設(shè)定為上述主電流的大小為第一區(qū)域與第二區(qū)域的邊界的大上述第一區(qū)域是上述開關(guān)元件Oil)的上述第一、第二主電極間的電壓具有負(fù)的溫度依賴性的區(qū)域，上述第二區(qū)域是上述開關(guān)元件Oil)的上述第一、第二主電極間的電壓具有正的溫度依賴性的區(qū)域。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的故障檢測裝置(ID)，其中上述開關(guān)元件Oil)包含用于檢測上述主電流的傳感電極(SE)，上述老化判定部OD)包含第二電阻元件(R7)，連接在上述傳感電極(SE)與上述第二主電極(E)之間，并且用于測量上述主電流；第三比較器(CA4)，將上述第二電阻元件(R7)的兩端產(chǎn)生的電壓與對應(yīng)于上述基準(zhǔn)電流(IX)的電壓進(jìn)行比較；采樣保持電路(26)，當(dāng)上述主電流與上述基準(zhǔn)電流(IX) —致時，保持上述監(jiān)視電壓；以及第四比較器(CA!3)，將由上述采樣保持電路06)保持的上述監(jiān)視電壓與上述第三基準(zhǔn)電壓(V5)進(jìn)行比較。
全文摘要
本發(fā)明涉及包含開關(guān)元件的電力電路的故障檢測裝置。故障檢測裝置(1B)通過二極管(D7)檢測IGBT(Q1)的主電極間電壓。繼而，當(dāng)二極管(D7)的陽極電壓低于預(yù)先設(shè)定的基準(zhǔn)電壓(V3)時，故障檢測裝置(1B)就判定為IGBT(Q1)發(fā)生了短路故障。最好是，如果與二極管(D7)的陽極電壓高于預(yù)先設(shè)定的基準(zhǔn)電壓(V3)這一條件相結(jié)合進(jìn)行判定，就能夠排除續(xù)流二極管(D1)處于導(dǎo)通狀態(tài)的正常動作的情形。
文檔編號H02H7/122GK102222882SQ20111016680
公開日2011年10月19日 申請日期2008年8月25日 優(yōu)先權(quán)日2007年12月25日
發(fā)明者王丸武志 申請人:三菱電機株式會社