CN101953062A - 电力转换装置 - Google Patents

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Abstract

一种三电平PWM转换器(3)，包括：第一熔断器至第三熔断器(F1R～F3R)，其各自的一个端子连接至DC正母线(13)、DC负母线(14)及DC中性点母线(15)；第一IGBT元件(Q1R)和第二IGBT元件(Q2R)，其分别连接在第一熔断器(F1R)的另一个端子和第二熔断器(F2R)的另一个端子与AC线(RL)之间；AC开关(Q3R，Q4R，D3R，D4R)，其连接在AC线(RL)和第三熔断器(F3R)的另一个端子之间；第一二极管(D1R)和第二二极管(D2R)，其分别与第一IGBT元件(Q1R)和第二IGBT元件(Q2R)反向并联连接；第一电容器(C1R)，其连接在第一熔断器(F1R)的另一个端子和第三熔断器(F3R)的另一个端子之间；以及第二电容器(C2R)，其连接在第二熔断器(F2R)的另一个端子和第三熔断器(F3R)的另一个端子之间。

Description

电力转换装置
技术领域
本发明涉及一种电力转换装置，尤其涉及一种用于将DC电力和AC电力相互转换的电力转换装置。
背景技术
传统上，已经广泛将不间断电源系统用作以稳定的方式向计算机系统等的重要负载供给AC电力的电源装置。例如，如日本特开2006-109603(专利文献1)所示，不间断电源系统通常包括用于将AC电力转换成DC电力的转换器和用于将DC电力转换成AC电力的逆变器。通常，转换器将来自商用AC电源的AC电力转换成DC电力，并且在对蓄电池等的电力存储装置充电时将该DC电力供给至逆变器。逆变器将DC电力转换成AC电力，并且将该AC电力供给至负载。当商用AC电源故障时，向逆变器供给来自蓄电池等的电力存储装置的电力，该逆变器继续向负载供给AC电力。
另外，还可以利用包括用于将来自商用AC电源的AC电力转换成DC电力的转换器和用于将该DC电力转换成具有期望频率和电压的AC电力的逆变器的电力转换装置。例如，日本特开2003-070262(专利文献2)公开了包括三电平PWM转换器和三电平PWM逆变器的电力转换装置。在该电力转换装置中，三电平PWM转换器包括串联连接的4个开关和平滑电容器，并且三电平PWM逆变器包括串联连接的4个开关。另外，为了防止因热生成而损坏这8个开关中使用频率高的开关，该使用频率高的开关包括并联连接的两个半导体开关元件。
专利文献1：日本特开2006-109603
专利文献2：日本特开2003-070262
发明内容
发明要解决的问题
然而，在传统的电力转换装置中，当开关由于热生成而被损坏并且发生短路时，大的短路电流流动，平滑电容器被过充电至为正常状态下的电压的√2倍高的电压，并且甚至其它的电路组件也被损坏。
另外，当易被损坏的开关包括两个半导体开关元件时，半导体开关元件的数量增加，这导致成本高。
因此，本发明的主要目的是提供一种能够防止过电流和过电压发生的价廉的电力转换装置。
用于解决问题的方案
根据本发明的电力转换装置是一种设置在AC线与DC正母线、DC负母线及DC中性点母线之间的电力转换装置，其用于将DC电力和AC电力中的一种电力转换成另一种电力。所述电力转换装置包括第一熔断器至第三熔断器、第一半导体开关元件和第二半导体开关元件、AC开关、第一二极管和第二二极管以及第一电容器和第二电容器。所述第一熔断器的一个端子连接至所述DC正母线。所述第二熔断器的一个端子连接至所述DC负母线。所述第三熔断器的一个端子连接至所述DC中性点母线。所述第一半导体开关元件连接在所述第一熔断器的另一个端子和所述AC线之间。所述第二半导体开关元件连接在所述AC线和所述第二熔断器的另一个端子之间。所述AC开关连接在所述AC线和所述第三熔断器的另一个端子之间。所述第一二极管和所述第二二极管分别与所述第一半导体开关元件和所述第二半导体开关元件反向并联连接。所述第一电容器连接在所述第一熔断器的另一个端子和所述第三熔断器的另一个端子之间。所述第二电容器连接在第二熔断器的另一个端子和所述第三熔断器的另一个端子之间。
发明的效果
在根据本发明的电力转换装置中，当半导体开关元件或AC开关被损坏并且发生短路时，熔断器被烧断并且电流流经的路径被切断。因此，没有引起过电流或过电压。另外，与增加半导体开关元件的数量以防止开关被损坏的传统例子相比较，该电路可以更加便宜。
附图说明
图1是示出根据本发明的一个实施例的不间断电源系统的主要电路结构的示意框图。
图2是详细例示图1所示的三电平PWM转换器和三电平PWM逆变器的结构的电路图。
图3是用于例示图2所示的IGBT元件的通/断(ON/OFF)的时刻的波形图。
图4(a)～4(e)是示出图2所示的三电平PWM转换器的操作的电路图。
图5(a)～5(e)是示出图2所示的三电平PWM转换器的操作的另一电路图。
图6(a)～6(e)是示出图2所示的三电平PWM逆变器的操作的电路图。
图7(a)～7(e)是示出图2所示的三电平PWM逆变器的操作的另一电路图。
图8(a)～8(c)是示出图2所示的熔断器如何工作的电路图。
图9(a)～9(c)是示出本实施例的变形例的电路图。
图10(a)～10(c)是示出本实施例的其它变形例的电路图。
图11(a)～11(c)是示出本实施例的其它变形例的电路图。
图12是示出本实施例的其它变形例的电路图。
图13是示出本实施例的其它变形例的电路图。
图14是示出本实施例的其它变形例的电路图。
图15是示出本实施例的其它变形例的电路图。
图16(a)～16(c)是示出本实施例的其它变形例的电路图。
附图标记说明
1商用AC电源；2输入滤波器；3三电平PWM转换器；4三电平PWM逆变器；5输出滤波器；6负载；7DC电压转换器；8蓄电池；10控制装置；11，11R，11S，11T，19，19U，19V，19W，C1R，C2R，C 1S，C2S，C1T，C2T，C1U，C2U，C1V，C2V，C1W，C2W电容器；12，12R，12S，12T，18，18U，18V，18W电感器；13DC正母线；14DC负母线；15DC中性点母线；31，36电压传感器；32，32R，32S，32T，37，SR，SS电流传感器；33电力故障检测传感器；40短路检测保护电路；41过电流检测保护电路；100不间断电源系统；D1R～D4R，D1S～D4S，D1T～D4T，D1U～D4U，D1V～D4V，D1W～D4W，D3x，D4x二极管；F1R～F4R，F1S～F4S，F1T～F3T，F1U～F3U，F1V～F3V，F1W～F3W熔断器；Q1R～Q4R，Q1S～Q4S，Q1T～Q4T，Q1U～Q4U，Q1V～Q4V，Q1W～Q4W，Q3x～Q5x IGBT元件；RL R相线；SL S相线；TL T相线；UL U相线；VL V相线；以及WL W相线。
具体实施方式
图1是示出根据本发明的一个实施例的不间断电源系统100的主要电路结构的示意框图。参考图1，不间断电源系统100包括输入滤波器2、三电平PWM转换器3、三电平PWM逆变器4、输出滤波器5、DC电压转换器(在附图中表示为“DC/DC”)7、控制装置10、DC正母线13、DC负母线14、DC中性点母线15、电压传感器31和36、电流传感器32和37、电力故障检测电路33、R相线RL、S相线SL、T相线TL、U相线TL、V相线VL和W相线WL。
来自作为三相AC电源的商用AC电源1的三相AC电力经由R相线RL、S相线SL和T相线TL被供给至三电平PWM转换器3。R相线RL、S相线SL和T相线TL配置有输入滤波器2。输入滤波器2防止三电平PWM转换器3中生成的谐波泄漏至商用AC电源1。输入滤波器2是包括电容器11(电容器11R、11S和11T)以及电感器12(电感器12R、12S和12T)的三相LC滤波器电路。
三电平PWM转换器3将从商用AC电源1供给的三相AC电力转换成DC电力，并将该DC电力经由DC正母线13、DC负母线14和DC中性点母线15供给至三电平PWM逆变器4。三电平PWM逆变器4将来自三电平PWM转换器3的DC电力转换成三相AC电力。
由三电平PWM逆变器4生成的三相AC电力经由U相线UL、V相线VL和W相线WL被供给至负载6。U相线UL、V相线VL和W相线WL配置有输出滤波器5。输出滤波器5去除通过逆变器4的操作而生成的谐波。输出滤波器5是包括电感器18(电感器18U、18V和18W)以及电容器19(电容器19U、19V和19W)的三相LC滤波器电路。输入滤波器2的电容器11R、11S和11T的中性点与输出滤波器5的电容器19U、19V和19W的中性点彼此连接。
DC电压转换器7在DC正母线13和DC负母线14之间的DC电压与蓄电池8的电压之间执行转换。注意，可以被充电也可以放电的电力存储装置应当仅连接至DC电压转换器7，并且例如，双电层电容器可以连接至DC电压转换器7。另外，在本实施例中，尽管蓄电池8被安装在不间断电源系统100外部，但蓄电池8可以包含在不间断电源系统100中。
电压传感器31检测R相线的电压VR、S相线的电压VS和T相线的电压VT，并且将表示各个电压VR、VS和VT的三相电压信号输出至控制装置10和电力故障检测电路33。电流传感器32检测R相线的电流IR、S相线的电流IS和T相线的电流IT，并将表示各个电流IR、IS和IT的三相电流信号输出至控制装置10。
电力故障检测电路33基于来自电压传感器31的三相电压信号，检测商用AC电源1的电力故障。电力故障检测电路33将表示商用AC电源1的电力故障的电力故障信号输出至控制装置10。电压传感器36检测蓄电池8的正极和负极之间的电压VB，并将表示电压VB的信号输出至控制装置10。电流传感器37检测输入至蓄电池8的和从蓄电池8输出的电流IB，并将表示电流IB的信号输出至控制装置10。
控制装置10控制三电平PWM转换器3、三电平PWM逆变器4和DC电压转换器7的操作。后面提供了详细说明，由包括半导体开关元件的半导体开关来实现三电平PWM转换器3、三电平PWM逆变器4和DC电压转换器7中的每一个。在本实施例中，采用IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor，绝缘栅双极晶体管)作为半导体开关元件。另外，在本实施例中，采用PWM(Pulse Width Modulation，脉冲宽度调制)控制作为控制半导体开关元件的方法。控制装置10在接收来自电压传感器31的三相电压信号、来自电流传感器32的三相电流信号、来自电力故障检测电路33的电力故障信号、表示由电压传感器36检测到的电压VB的信号、和表示由电流传感器37检测到的电流IB的信号等时，执行PWM控制。
现在将说明根据本实施例的不间断电源系统100的操作。在商用AC电源1可以正常供给AC电力时，三电平PWM转换器3将来自商用AC电源1的AC电力转换成DC电力，而三电平PWM逆变器4将该DC电力转换成AC电力并将该AC电力供给至负载6。DC电压转换器7将来自三电平PWM转换器3的DC电压转换成适合于对蓄电池8充电的电压，从而对蓄电池8进行充电。另一方面，当商用AC电源故障时，控制装置10基于来自电力故障检测电路33的电力故障信号停止三电平PWM转换器3。另外，控制装置10操作DC电压转换器7，从而从蓄电池8向三电平PWM逆变器4供给DC电力，由此使三电平PWM逆变器4继续供给AC电力。这里，DC电压转换器7将蓄电池8的电压转换成适合于作为三电平PWM逆变器4的输入电压的电压。因而，可以以稳定方式向AC负载供给AC电力。
图2是详细例示图1所示的三电平PWM转换器3和三电平PWM逆变器4的结构的电路图。参考图2，三电平PWM转换器3包括IGBT元件Q1R～Q4R、Q1S～Q4S和Q1T～Q4T，二极管D1R～D4R、D1S～D4S和D1T～D4T，熔断器F1R～F3R、F1S～3S和F1T～F3T以及电容器C1R、C2R、C1S、C2S、C1T和C2T。三电平PWM逆变器4包括IGBT元件Q1U～Q4U、Q1V～Q4V和Q1W～Q4W，二极管DIU～D4U、D1V～D4V和D1W～D4W，熔断器F1U～F3U、F1V～F3V和F1W～F3W以及电容器C1U、C2U、C1V、C2V、C1W和C2W。
这里，为了统一说明三电平PWM转换器3和三电平PWM逆变器4的各相的结构，将附图标记R、S、T、U、V和W统一表示为附图标记“x”。IGBT元件Q1x的发射极连接至x相线xL，并且其集电极经由熔断器F1x连接至DC正母线13。IGBT元件Q2x的集电极连接至x相线xL，并且其发射极经由熔断器F2x连接至DC负母线14。IGBT元件Q3x的发射极连接至x相线xL，并且其集电极连接至IGBT Q4x的集电极。IGBT元件Q4x的发射极经由熔断器F3x连接至DC中性点母线15。二极管D1x～D4x分别与IGBT元件Q1x～Q4x反向并联连接(connected anti-parallel)。二极管D1x和D2x作为续流二极管(free-wheeling diode)工作，并且二极管D3x和D4x作为钳位二极管(clamp diode)工作。IGBT元件Q3x和Q4x以及二极管D3x和D4x构成AC开关。
现在说明三电平PWM转换器3和三电平PWM逆变器4的工作。图3是示出R相的AC电压VR和IGBT元件Q1R～Q4R的通/断之间的关系的波形图。将AC电压VR的幅度与参考信号φ1R和φ2R的幅度进行互相比较，并且基于比较结果来确定IGBR元件Q1R～Q4R的通/断的组合。参考信号φ1R具有相当于AC电压VR的频率5倍高的频率，并且是与AC电压VR同步的三角波信号。参考信号φ1R的最低值为0V，并且其最高值等于AC电压VR的正峰值电压。参考信号φ2R是与参考信号φ1R同相的三角波信号。参考信号φ2R的最低值是AC电压VR的负峰值电压，并且其最高值为0V。
在AC电压VR的电平处于参考信号φ1R和φ2R的电平之间的时段(t1、t3、t5、t7、t9、t11、t13)，IGBT元件Q3R和Q4R接通并且IGBT元件Q1R和Q2R断开。在AC电压VR的电平高于参考信号φ1R和φ2R的电平的时段(t2、t4、t10、t12)，IGBT元件Q1R和Q3R接通并且IGBT元件Q2R和Q4R断开。在AC电压VR的电平低于参考信号φ1R和φ2R的电平的时段(t6、t8)，IGBT元件Q2R和Q4R接通并且IGBT元件Q1R和Q3R断开。
实际上，例如，在IGBT元件Q1R接通的时段(t2等)，以远高于AC电压VR的频率(10kHz等)来接通/断开IGBT元件Q1R，并且基于安培表32和37以及伏特表31和36的测量结果来控制接通时段和断开时段之间的比。在IGBT元件Q1R断开的时段(t1等)，IGBT元件Q1R被固定至断开状态。其它的S相、T相、U相、V相和W相的电路与R相的电路仅在相位上不同，并且这些相的电路与R相的电路相同地工作。
图4(a)～4(e)是示出IGBT元件Q1R～Q4R在AC电压VR从正电压变为负电压的t4～t6时段的通/断状态以及电流路径的图。在时段t4，如图4(a)所示，IGBT元件Q1R和Q3R接通，正电流从R相线RL经由IGBT元件Q1R流入电容器C1R中，并且DC正母线13被充电至正电压。在进行从时段t4到t5的转变期间，如图4(b)所示，IGBT元件Q1R断开并且仅IGBT元件Q3R接通。
在时段t5，如图4(c)所示，IGBT元件Q3R和Q4R接通，正电流和负电流从R相线RL经由IGBT元件Q3R和Q4R流入电容器C1R和C2R中，并且DC中性点母线15被充电至中性点电压。在进行从时段t5到t6的转变期间，如图4(d)所示，IGBT元件Q3R断开并且仅IGBT元件Q4R接通。
在时段t6期间，如图4(e)所示，IGBT元件Q2R和Q4R接通，负电流从R相线RL经由IGBT元件Q2R流入电容器C2R中，并且DC负母线14被充电至负电压。
图5(a)～5(e)是示出IGBT元件Q1R～Q4R在AC电压VR从负电压变为正电压的t8～t10时段的通/断状态以及电流路径的图。在时段t8，如图5(a)所示，IGBT元件Q2R和Q4R接通，负电流从R相线RL经由IGBT元件Q2R流入电容器C2R中，并且DC负母线14被充电至负电压。在进行从时段t8到t9的转变期间，如图5(b)所示，IGBT元件Q2R断开并且仅IGBT元件Q4R接通。
在时段t9，如图5(c)所示，IGBT元件Q3R和Q4R接通，负电流和正电流从R相线RL经由IGBT元件Q3R和Q4R流入电容器C1R和C2R中，并且DC中性点母线15被充电至中性点电压。在进行从时段t9到t10的转变期间，如图5(d)所示，IGBT元件Q4R断开并且仅IGBT元件Q3R接通。
在时段t10，如图5(e)所示，IGBT元件Q1R和Q3R接通，正电流从R相线RL经由IGBT元件Q1R流入电容器C1R中，并且DC正母线13被充电至正电压。
IGBT元件Q1S～Q4S和Q1T～Q4T与IGBT元件Q1R～Q4R仅在相位上不同，并且它们与IGBT元件Q1R～Q4R相同地工作。因此，由三电平PWM转换器3将DC正母线13、DC负母线14和DC中性点母线15分别充电至DC正电压、DC负电压和DC中性点电压。
另外，图6(a)～6(e)是示出IGBT元件Q1U～Q4U在AC电压VR从正电压变为负电压的t4～t6时段的通/断状态以及电流路径的图。在时段t4，如图6(a)所示，IGBT元件Q1U和Q3U接通，并且从电容器C1U经由IGBT元件Q1U向U相线UL输出正电压。在进行从时段t4到t5的转变期间，如图6(b)所示，IGBT元件Q1U断开并且仅IGBT元件Q3U接通。
在时段t5，如图6(c)所示，IGBT元件Q3U和Q4U接通，并且从电容器C1U和C2U经由IGBT元件Q3U和Q4U向U相线UL输出中性点电压。在进行从时段t5到t6的转变期间，如图6(d)所示，IGBT元件Q3U断开并且仅IGBT元件Q4U接通。在时段t6，如图6(e)所示，IGBT元件Q2U和Q4U接通，并且从电容器C2U经由IGBT元件Q2U向U相线UL输出负电压。
图7(a)～7(e)是示出IGBT元件Q1U～Q4U在AC电压VR从负电压变为正电压的t8～t10时段的通/断状态以及电流路径的图。在时段t8，如图7(a)所示，IGBT元件Q2U和Q4U接通，并且从电容器C2U经由IGBT元件Q2U向U相线UL输出负电压。在进行从时段t8到t9的转变期间，如图7(b)所示，IGBT元件Q2U断开并且仅IGBT元件Q4U接通。
在时段t9，如图7(c)所示，IGBT元件Q3U和Q4U接通，并且从电容器C1U和C2U经由IGBT元件Q3U和Q4U向U相线UL输出中性点电压。在进行从时段t9到t10的转变期间，如图7(d)所示，IGBT元件Q4U断开并且仅IGBT元件Q3U接通。在时段t10，如图7(e)所示，IGBT元件Q1U和Q3U接通，并且从电容器C1U经由IGBT元件Q1U向U相线UL输出正电压。
IGBT元件Q1V～Q4V和Q1W～Q4W与IGBT元件Q1U～Q4U仅在相位上不同，并且它们与IGBT元件Q1U～Q4U相同地工作。因此，由三电平PWM逆变器4向U相线UL、V相线VL和W相线WL分别输出3个电平的三相AC电压。
现在将说明熔断器F1R～F3R、F1S～F3S、F1T～F3T、F1U～F3U、F1V～F3V以及F1W～F3W如何工作。图8(a)是示出在IGBT元件Q1R和Q3S接通期间IGBT元件Q4R故障并且建立弧穿状态(arc-through state)的示例的图。这里，短路电流流过从R相线RL经由二极管D3R、IGBT元件Q4R、熔断器F3R和F3S、二极管D4S以及IGBT元件Q3S直至S相线SL的路径，并且熔断器F3R和F3S被烧断。另外，短路电流流过从电容器C1S的正极经由熔断器F1S和F1R、IGBT元件Q1R、二极管D3R、IGBT元件Q4R以及熔断器F3R和F3S直至电容器C1S的负极的路径，并且熔断器F1S、F1R、F3R和F3S被烧断。
另外，图8(b)是示出在IGBT元件Q2R和Q4S接通期间IGBT元件Q3R故障并且建立弧穿状态的示例的图。这里，短路电流流过从S相线SL经由二极管D3S、IGBT元件Q4S、熔断器F3S和F3R、二极管D4R以及IGBT元件Q3R直至R相线RL的路径，并且熔断器F3R和F3S被烧断。此外，短路电流流过从电容器C2S的正极经由熔断器F3S和F3R、二极管D4R、IGBT元件Q3R和Q2R以及熔断器F2R和F2S直至电容器C2S的负极的路径，并且熔断器F2R、F3R、F2S和F3S被烧断。
因而，如图8(c)所示，当熔断器F1R～F3R和F1S～F3S均被烧断时，R相和S相彼此完全断开，并且防止了过电流的流动或过电压的生成。例如，通常，R相线RL和S相线SL之间的电压施加至串联连接的两个电容器C1R和C2R。然而，如图8(c)所示，当IGBT元件Q3R和Q4R处于弧穿状态时，除非熔断器F1R～F3R和F1S～F3S被烧断，否则R相线RL和S相线SL之间的电压施加至电容器C1R和C2R之一并且使得电容器C1R或C2R被充入相当于正常电平的√2倍高的电平。然而，根据本申请的发明，由于熔断器F1R～F3R和F1S～F3S被烧断，电容器C1R和C2R未被过充电。尽管结合图8(a)～8(c)以R相和S相作为例子进行了说明，但以上说明还可应用于其它的相(T相、U相、V相和W相)。
下文将说明本实施例的各种变形例。图9(a)～9(c)是示出与图8(a)～8(c)进行比较的变形例的电路图。在本变形例中，熔断器F4x被置于x相线xL与IGBT元件Q1x和Q2x之间的连接节点之间。图9(a)～9(c)示出熔断器F4R被置于R相线RL与IGBT元件Q1R和Q2R之间的连接节点之间且熔断器F4S被置于S相线SL与IGBT元件Q1S和Q2S之间的连接节点之间的状态。当IGBT元件Q3R或Q4R在IGBT元件Q4S接通期间处于弧穿状态时，短路电流流动，并且熔断器F3R、F4R、F3S和F4S被烧断。根据本变形例，同样获得与上述实施例的效果相同的效果。
另外，图10(a)～10(c)是示出与图8(a)～8(c)进行比较的另一变形例的电路图。在本变形例中，熔断器F3x被置于IGBT元件Q1x和Q2x之间的连接节点与IGBT元件F3x的发射极之间，而不是被置于电容器C1x和C2x之间的连接节点与DC中性点母线15之间。图10(a)～10(c)示出熔断器F3R被置于IGBT元件Q1R和Q2R之间的连接节点与IGBT元件F3R的发射极之间且熔断器F3S被置于IGBT元件Q1S和Q2S之间的连接节点与IGBT元件F3S的发射极之间的状态。当IGBT元件Q3R或Q4R在IGBT元件Q4S接通期间处于弧穿状态时，短路电流流动，并且熔断器F3R和F3S被烧断。根据本变形例，同样获得与上述实施例的效果相同的效果。注意，由于AC电流流过熔断器F3x，因此熔断器F3x的电感不利地增大。
此外，图11(a)～11(c)是示出与图8(a)～8(c)进行比较的另一变形例的电路图。在本变形例中，熔断器F3x被置于IGBT元件Q4x的发射极与电容器C1x和C2x之间的连接节点之间，而不是被置于电容器C1x和C2x之间的连接节点与DC中性点母线15之间。图11(a)～11(c)示出F3R被置于IGBT元件Q4R的发射极与电容器C1R和C2R之间的连接节点之间以及熔断器F3S被置于IGBT元件Q4S的发射极与电容器C1S和C2S之间的连接节点之间的状态。当IGBT元件Q3R或Q4R在IGBT元件Q4S接通期间处于弧穿状态时，短路电流流动，并且熔断器F3R和F3S被烧断。根据本变形例，同样获得与上述实施例的效果相同的效果。注意，由于AC电流流过熔断器F3x，因此熔断器F3x的电感不利地增大。
此外，图12是示出与图8(a)进行比较的另一变形例的电路图。在本变形例中，添加有短路检测保护电路40。短路检测保护电路40监视IGBT元件Q3x和Q4x各自的集电极和发射极之间的电压，并且检测IGBT元件Q3x或Q4x是否已经故障以及是否发生了短路(弧穿)。图12示出短路检测保护电路40监视IGBT元件Q3R、Q4R、Q3S和Q4S各自的集电极和发射极之间的电压的状态。
例如，在IGBT元件Q3x(或Q4x)的断开期间，当IGBT元件Q3x(或Q4x)的集电极和发射极之间的电压低于规定电压时，短路检测保护电路40判断为IGBT元件Q3x(或Q4x)已经故障并且发生了短路，并且使短路检测信号φ40从表示不激活水平的“L”电平上升至表示激活水平的“H”电平。图1中的控制装置10响应于短路检测信号φ40上升至“H”电平，将IGBT元件Q1x～Q4x均固定至断开状态。因而，可以在熔断器F1x～F3x被烧断之前停止三电平PWM转换器3和三电平PWM逆变器4的操作，并且装置可通过熔断器F1x～F3x和短路检测保护电路40得到双重保护。
另外，图13是示出与图8(a)进行比较的另一变形例的电路图。在本变形例中，添加有过电流检测保护电路41和电流传感器Sx。电流传感器Sx检测流过在IGBT元件Q1x和Q2x之间的连接节点与电容器C1x和C2x之间的连接节点之间的IGBT元件Q3x和Q4x的电流，并且输出表示检测值的信号。过电流检测保护电路41基于来自电流传感器Sx的输出信号监视流过IGBT元件Q3x和Q4x的电流，并且检测IGBT元件Q3x或Q4x是否已经故障以及过电流是否流过。图13示出过电流检测保护电路41基于来自电流传感器SR的输出信号监视流过IGBT元件Q3R和Q4R的电流并且基于来自电流传感器SS的输出信号监视流过IGBT元件Q3S和Q4S的电流的状态。
当过电流流过IGBT元件Q3x和Q4x时，过电流检测保护电路41使过电流检测信号φ41从表示不激活水平的“L”电平上升至表示激活水平的“H”电平。图1中的控制装置10响应于过电流检测信号φ41上升至“H”电平，将IGBT元件Q1x～Q4x均固定至断开状态。因而，可以在熔断器F1x～F3x被烧断之前停止三电平PWM转换器3和三电平PWM逆变器4的操作，并且装置可通过熔断器F1x～F3x和过电流检测保护电路41得到双重保护。
如图14所示，可以将电流传感器Sx布置在电容器C1x和C2x之间的连接节点与DC中性点母线15之间的线路中，并且电流传感器Sx可以检测流过熔断器F3x的电流。
另外，在本实施例中，已经说明了将本申请的发明应用于三电平电路的例子，然而，本申请的发明还可应用于针对DC电压和至少具有三个电压值的AC电压之间的转换的多电平电路。
此外，在本实施例中，已经示出可应用于三相三线式体系AC电源和负载的不间断电源系统，然而，本发明还可应用于三相四线式体系AC电源和负载。在三相四线式体系中，如图15所示，仅需要使各个电容器11和19的中性点连接至DC中性点母线15。此外，AC电源和AC负载不限于三相的AC电源和AC负载，而且还可以采用单相AC电源或负载。在这种情况下，在转换器和逆变器中均应当仅设置2个多电平电路。
另外，在本实施例中，在蓄电池和DC母线之间施加DC电压转换器，然而，显然可以省略DC电压转换器，只要可以选择在DC母线的额定运行范围内的蓄电池即可。
此外，在本实施例中，已经说明了将根据本发明的电力转换装置应用于包括蓄电池的不间断供电系统的示例，然而，可将包括多电平电路且实现了小型化、轻量化以及抑制接地电位波动的滤波器应用于基于DC电力来输出AC电力的电力转换装置，例如太阳电力生成系统、燃料电池电力生成系统或二次电池能量存储系统等。
此外，在本实施例中，采用包括发射极相互连接的两个IGBT元件Q3x和Q4x以及分别与IGBT元件Q3x和Q4x反向并联连接的两个二极管D3x和D4x的开关作为AC开关，然而，可以采用如图16(a)～16(c)所示的按不同方式配置成的AC开关。
图16(a)中的开关包括IGBT元件Q3x、IGBT元件Q4x和二极管D3x和D4x，其中：IGBT元件Q3x的发射极连接至节点N1，IGBT元件Q4x的集电极连接至IGBT元件Q3x的集电极且发射极连接至节点N2，以及二极管D3x和D4x分别与IGBT元件Q3x和Q4x反向并联连接。注意，节点N1连接至IGBT元件Q1x和Q2x之间的连接节点，而节点N2连接至电容器C1x和C2x之间的连接节点。
图16(b)中的AC开关包括二极管D3x、IGBT元件Q4x、IGBT元件Q3x和二极管D4x，其中：二极管D3x的正极连接至节点N1，IGBT元件Q4x的集电极连接至二极管D3x的负极并且发射极连接至节点N2，IGBT元件Q3x的发射极连接至节点N1，以及二极管D4x的负极连接至IGBT元件Q3x的集电极并且正极连接至节点N2。图16(c)中的AC开关包括连接在节点N1和N2之间的反向阻断IGBT元件Q5x。
应当理解，这里所公开的实施例在各方面均为示例性的，而非限制性的。由权利要求项而不是由以上说明来限定本发明的范围，并且本发明的范围包括落入权利要求项的范围和涵义内的任意变形例。

Claims (9)

1.一种电力转换装置(3)，其设置在AC线(RL)与DC正母线(13)、DC负母线(14)及DC中性点母线(15)之间，用于将DC电力和AC电力中的一种电力转换成另一种电力，所述电力转换装置(3)包括：
第一熔断器(F1R)，其一个端子连接至所述DC正母线(13)；
第二熔断器(F2R)，其一个端子连接至所述DC负母线(14)；
第三熔断器(F3R)，其一个端子连接至所述DC中性点母线(15)；
第一半导体开关元件(Q1R)，其连接在所述第一熔断器(F1R)的另一个端子和所述AC线(RL)之间；
第二半导体开关元件(Q2R)，其连接在所述AC线(RL)和所述第二熔断器(F2R)的另一个端子之间；
AC开关(Q3R，Q4R，D3R，D4R)，其连接在所述AC线(RL)和所述第三熔断器(F3R)的另一个端子之间；
第一二极管(D1R)和第二二极管(D2R)，其分别与所述第一半导体开关元件(Q1R)和所述第二半导体开关元件(Q2R)反向并联连接；
第一电容器(C1R)，其连接在所述第一熔断器(F1R)的另一个端子和所述第三熔断器(F3R)的另一个端子之间；以及
第二电容器(C2R)，其连接在所述第二熔断器(F2R)的另一个端子和所述第三熔断器(F3R)的另一个端子之间。
2.一种电力转换装置(3)，其设置在AC线(RL)与DC正母线(13)、DC负母线(14)及DC中性点母线(15)之间，用于将DC电力和AC电力中的一种电力转换成另一种电力，所述电力转换装置(3)包括：
第一熔断器(F1R)，其一个端子连接至所述DC正母线(13)；
第二熔断器(F2R)，其一个端子连接至所述DC负母线(14)；
第三熔断器(F3R)，其一个端子连接至所述AC线(RL)；
第一半导体开关元件(Q1R)，其连接在所述第一熔断器(F1R)的另一个端子和所述AC线(RL)之间；
第二半导体开关元件(Q2R)，其连接在所述AC线(RL)和所述第二熔断器(F2R)的另一个端子之间；
AC开关(Q3R，Q4R，D3R，D4R)，其连接在所述第三熔断器(F3R)的另一个端子和所述DC中性点母线(15)之间；
第一二极管(D1R)和第二二极管(D2R)，其分别与所述第一半导体开关元件(Q1R)和所述第二半导体开关元件(Q2R)反向并联连接；
第一电容器(C1R)，其连接在所述第一熔断器(F1R)的另一个端子和所述DC中性点母线(15)之间；以及
第二电容器(C2R)，其连接在所述第二熔断器(F2R)的另一个端子和所述DC中性点母线(15)之间。
3.一种电力转换装置(3)，其设置在AC线(RL)与DC正母线(13)、DC负母线(14)及DC中性点母线(15)之间，用于将DC电力和AC电力中的一种电力转换成另一种电力，所述电力转换装置(3)包括：
第一熔断器(F1R)，其一个端子连接至所述DC正母线(13)；
第二熔断器(F2R)，其一个端子连接至所述DC负母线(14)；
第三熔断器(F3R)，其一个端子连接至所述DC中性点母线(15)；
第一半导体开关元件(Q1R)，其连接在所述第一熔断器(F1R)的另一个端子和所述AC线(RL)之间；
第二半导体开关元件(Q2R)，其连接在所述AC线(RL)和所述第二熔断器(F2R)的另一个端子之间；
AC开关(Q3R，Q4R，D3R，D4R)，其连接在所述AC线(RL)和所述第三熔断器(F3R)的另一个端子之间；
第一二极管(D1R)和第二二极管(D2R)，其分别与所述第一半导体开关元件(Q1R)和所述第二半导体开关元件(Q2R)反向并联连接；
第一电容器(C1R)，其连接在所述第一熔断器(F1R)的另一个端子和所述DC中性点母线(15)之间；以及
第二电容器(C2R)，其连接在所述第二熔断器(F2R)的另一个端子和所述DC中性点母线(15)之间。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的电力转换装置，其特征在于，还包括第四熔断器(F4R)，所述第四熔断器(F4R)置于所述第一半导体开关元件(Q1R)和所述第二半导体开关元件(Q2R)之间的连接节点与所述AC线(RL)之间。
5.根据权利要求1至3中任一项所述的电力转换装置，其特征在于，
所述AC开关包括：
串联连接的第三半导体开关元件(Q3R)和第四半导体开关元件(Q4R)，以及
分别与所述第三半导体开关元件(Q3R)和所述第四半导体开关元件(Q4R)反向并联连接的第三二极管(D3R)和第四二极管(D4R)。
6.根据权利要求5所述的电力转换装置，其特征在于，还包括保护电路(40)，所述保护电路(40)响应于所述第三半导体开关元件(Q3R)和所述第四半导体开关元件(Q4R)至少之一的损坏，使所述第一半导体开关元件至所述第四半导体开关元件(Q1R～Q4R)变得不导通。
7.根据权利要求5所述的电力转换装置，其特征在于，还包括保护电路(41)，所述保护电路(41)响应于过电流流过所述第三半导体开关元件(Q3R)和所述第四半导体开关元件(Q4R)，使所述第一半导体开关元件至所述第四半导体开关元件(Q1R～Q4R)变得不导通。
8.根据权利要求1至3中任一项所述的电力转换装置，其特征在于，所述电力转换装置是三电平PWM转换器(3)，所述三电平PWM转换器(3)将通过所述AC线(RL)供给的AC电压转换成正电压、负电压和中性点电压，并将这些电压分别提供给所述DC正母线(13)、所述DC负母线(14)和所述DC中性点母线(15)。
9.根据权利要求1至3中任一项所述的电力转换装置，其特征在于，所述电力转换装置是三电平PWM逆变器(4)，所述三电平PWM逆变器(4)将通过所述DC正母线(13)、所述DC负母线(14)和所述DC中性点母线(15)分别供给的正电压、负电压和中性点电压转换成AC电压，并将该AC电压提供给所述AC线(UL)。
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Inventor after: Kinoshita Masahiro

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