CN104253555A - 多电平功率转换电路 - Google Patents

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Abstract

在使用飞跨电容器，并在直流电源的中间点与使用了半导体开关的转换电路之间使用双向开关的多电平转换电路中，存在若双向开关发生短路故障，则会造成其它半导体开关、电容器被破坏的问题。在使用飞跨电容器，并在直流电源的中间点与使用了半导体开关的转换电路之间使用双向开关的多电平转换电路中，串联连接两个双向开关，并在栅极驱动电路中设置在截止信号时对构成双向开关电路的半导体开关元件的短路进行检测的短路故障检测电路，在检测到短路故障时，将所有半导体开关元件切断，停止系统。

Description

多电平功率转换电路
技术领域
本发明涉及以交流电动机驱动等为目的的多电平功率转换电路的电路方式，尤其涉及在使用双向开关的飞跨电容器型多电平功率转换电路中，构成双向开关的半导体开关元件产生故障时的保护。
背景技术
图6中示出专利文献1、2等所记载的将直流转换成交流的功率转换电路，即五电平逆变器的电路例。DP1、DP2分别是电压为2Ed的直流电源，它们串联连接，且正电位端子设为P，负电位端子设为N，中间电位端子设为M。通常，在由交流电源系统构成本直流电源的情况下，可以通过将未图示的整流器与大容量的电容器进行串联连接等来构成。
S1a～S1c、S2、S3、S4a～S4c是由串联连接在P侧电位与N侧电位之间的8个与二极管反向并联连接的IGBT构成的半导体开关。S1a～S1c的半导体开关的串联电路为第一半导体开关组，S4a～S4c的半导体开关的串联电路为第二半导体开关组，S2为第一半导体开关，S3为第二半导体开关。第一半导体开关组(S1a～S1c)、第一半导体开关S2、第二半导体开关S3、第二半导体开关组(S4a～S4c)串联连接，成为第一半导体开关串联电路。
第一半导体开关组中的半导体开关S1c和第一半导体开关S2的连接点与第二半导体开关S3和第二半导体开关组中的半导体开关S4a的连接点之间连接有半导体开关S5与S6的串联电路与电容器C1的并联电路。直流电源DP1和DP2的串联连接点即M点与半导体开关S5和S6的串联连接点之间连接有由反向阻断型IGBTS11与S12反向并联连接而构成的能在双向上进行开关的双向开关。作为双向开关，除了图6所示的电路结构以外，还可以由图7(a)、(b)所示的不具有反向耐压的IGBT与二极管组合而构成。图7(a)是将与二极管反向并联连接的半导体开关Sa、Sb共用集电极端子来反向串联连接的电路结构，图7(b)是将与二极管反向并联连接的半导体开关Sa、Sb共用发射极端子来反向串联连接的电路结构。
此外，电容器C1为飞跨电容器，其两端的平均电压被控制为一个单位的电压Ed，并利用其充放电现象来实现直流电源的中间电位的输出。这里，连接在P电位或N电位与飞跨电容器的正侧端子或负侧端子之间的第一及第二半导体开关组三者串联的理由在于，根据施加在它们之间的电压的最大值来使所有构成半导体开关的元件的耐压为相同的额定电压(一个单位的电压Ed所对应的额定电压，通常需要2Ed左右的额定电压)。若在该部分应用三倍额定电压的开关元件，则不需要进行串联连接。
此外，GDU-S1a、GDU-S4c为栅极驱动电路，将来自控制电路CNT的导通截止信号提供给各IGBT的栅极，还具有将由栅极驱动电路检测到的短路故障信号发送给控制电路CNT的功能。图中仅记载了两个栅极驱动电路，但实际上对所有IGBT设置栅极驱动电路，这里省略了图示。因此，控制电路CNT向每一个相提供12个信号。
这些电路组成为一个相(U相)，并且通过连接三组各电路组，从而能构成三相(U相、V相、W相)的逆变器。LM是作为本系统的负载例的交流电动机。通过采用本电路结构，转换器的交流输出端子的电位能输出P电位、N电位、M电位、以及利用开关元件的导通截止和电容器C1的电压输出P-Ed和N+Ed的电位，因此构成五电平输出的逆变器。图8示出输出电压(Vout)波形例。本方式相对于通常的双电平型的逆变器而言，其低阶的高次谐波分量较少、且降低了开关元件的开关损耗，因此能构件高效率系统。
此外，图9、图10示出成为图6的五电平转换电路等多电平转换电路的基本形式的电路。图9是将图6的电路中半导体开关S2和S3去除，并将半导体开关S1a～S1c和S4a～S4c分别作为一个开关(Q1、Q4)的结构。此外，图10是将图6中由半导体开关S5和S11、S12构成的双向开关的功能设为双向开关BS1、并将由半导体开关S6和S11、S12构成的双向开关的功能设为双向半导体开关BS2的结构。通过对图9的端子部TA1、TB1或图10的端子部TA2、TB2添加由半导体开关元件等构成的转换电路，从而能实现五电平以上的多电平化(图6是将半导体开关S2与S3相连的示例)。
图15示出了作为其应用电路，使所有半导体开关元件的额定电压(一个单位的电压Ed所对应的额定电压，通常需要2Ed左右的额定电压)均相等时的七电平逆变器的一个相的电路例。DP1、DP2分别是电压为3Ed的直流电源，它们串联连接，且正侧电位设为P，负侧电位设为N，中点电位设为M。S1a～S1d、S2、S3、S4、S5、S6a～S6d是由串联连接在正侧电位P与负侧电位N之间的12个与二极管反向并联连接的IGBT构成的半导体开关。S1a～S1d的半导体开关的串联电路为第一半导体开关组，S6a～S6d的半导体开关的串联电路为第二半导体开关组，S2为第一半导体开关，S3为第二半导体开关，S4为第三半导体开关，S5为第四半导体开关。第一半导体开关组(S1a～S1d)、第一半导体开关S2、第二半导体开关S3、第三半导体开关S4、第四半导体开关S5、第二半导体开关组(S6a～S6d)串联连接，成为第一半导体开关串联电路。
第一半导体开关组中的半导体开关S1d和第一半导体开关S2的连接点与第四半导体开关S5和第二半导体开关组中的半导体开关S6a的连接点之间分别连接有半导体开关S7～S10的串联电路(第二半导体开关串联电路)与电容器C1的并联电路、与第二半导体开关S3和第三半导体开关S4的串联电路并联连接的电容器C2、以及与半导体开关S8和S9的串联电路并联连接的电容器C3。直流电源DP1和DP2的串联连接点即中点电位M与半导体开关S8和S9的串联连接点之间连接有由反向阻断型IGBTS11与S12反向并联连接而构成的能在双向上进行开关的双向开关。作为双向开关，除了图15所示的电路结构以外，还可以由图7(a)、图7(b)所示的不具有反向耐压的IGBT与二极管组合而构成。
对于直流电源电压(3Ed×2)，以一个单位的电压(Ed)对连接在半导体开关S3的集电极与半导体开关S4的发射极之间的电容器C2的电压进行充电，以两个单位的电压(2Ed)对连接在半导体开关S2的集电极与半导体开关S5的发射极之间的电容器C1的电压进行充电，以一个单位的电压(Ed)对连接在半导体开关S8的集电极与半导体开关S9的发射极之间的电容器C3的电压进行充电，从而能向交流端子输出七电平的电位。如图15所示，在使所有半导体开关为相同额定电压的情况下，半导体开关S1和S6分别能由四个(S1a～S1d、S6a～S6d)串联连接而形成。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本国专利特表2009-525717号公报
专利文献2：日本专利特开2012-182974号公报
发明内容
发明所要解决的技术问题
通常在图6所示的主电路的工作过程中，若为了切断系统而使所有的IGBT截止，则如图11的虚线所示，成为仅半导体开关S1(S1a～S1c)或S4(S4a～S4c)的二极管导通的电流路径，存储在负载的电感(Lu、Lv、Lw)中的能量向直流电源侧再生。其结果，电流变为零，最终切断系统。
然而，若由于某种原因导致构成双向开关的IGBTS12在短路状态下被破坏，则在半导体开关S4a～S4c导通时，如图12的虚线所示，经由飞跨电容器C1流过使直流电源DP2短路的电流。该电流的路径为直流电源DP2→IGBTS12→半导体开关S5的二极管→电容器C1→半导体开关S4a～S4c→直流电源DP2。此外，在IGBTS11在短路状态下被破坏的情况下，如图13的虚线所示，在半导体开关S1a～S1c导通时，经由飞跨电容器C1流过使直流电源DP1短路的电流。该电流的路径为直流电源DP1→半导体开关S1a～S1c→电容器C1→半导体开关S6的二极管→IGBTS11→直流电源DP1。
在通常的双电平转换电路的主电路方式中，在上下桥臂的某个元件发生短路破坏而流过电源短路电流的情况下，由正常桥臂侧的开关元件的栅极驱动电路来检测短路电流，之后使所有栅极切断(强制使所有IGBT截止)，进行切断系统的动作。
另一方面，在使用图6所示的多电平转换电路的主电路方式中，即使利用构成半导体开关S4a～4c的IGBT或构成半导体开关S1a～1c的IGBT的栅极驱动电路(以GDU-S4c或GDU-S1a为代表)来检测图12或图13所示那样的短路电流，并将发生短路故障的情况发送给控制电路CNT来使所有IGBT栅极截止，电流也会因为负载的电感(Lu、Lv、Lw)的能量而继续流动，直到该能量消失。图14是在U相中、构成双向开关的IGBTS12发生短路破坏时切断所有IGBT时的示例。由于IGBTS12变为短路状态，因此会继续流过对飞跨电容器C1进行充电的电流，导致电容器C1过充电。其结果会产生对与电容器C1并联连接的半导体开关S2也施加了过电压的问题。由此，可能会产生这些半导体开关(IGBT或二极管)、电容器被破坏这种的二次损坏。
为了防止上述二次损坏，提高构成半导体开关的IGBT与二极管、电容器的额定电压即可解决问题，但会导致成本上升。此外，由于无法事先掌握负载侧的电感值，因此在现实中难以在设计上解决该问题。因此，本发明的课题在于提供一种在构成双向开关的IGBT发生短路故障的情况下、构成其它半导体开关的IGBT与二极管、或电容器不会被破坏的保护单元。
解决技术问题所采用的技术方案
为了解决上述问题，第一发明在于一种多电平功率转换电路，该多电平功率转换电路将直流转换为交流或将交流转换为直流，其特征在于，使用多个由反向并联连接有二极管的半导体开关元件构成的半导体开关来构成，作为一个相的电路，包括：第一半导体开关串联电路，该第一半导体开关串联电路连接在具有正电位端子、负电位端子、以及中间电位端子的直流电源电路的正电位端子与负电位端子之间，并且通过将串联连接多个所述半导体开关而得的第一半导体开关组、第一半导体开关、第二半导体开关、以及串联连接多个半导体开关而得的第二半导体开关组依序串联连接而得；第二半导体开关串联电路，该第二半导体开关串联电路通过将连接在所述第一半导体开关串联电路的所述第一半导体开关组和第一半导体开关的连接点、与所述第二半导体开关和所述第二半导体开关组的连接点之间的第三半导体开关和第四半导体开关串联连接而得；电容器，该电容器与所述第二半导体开关串联电路并联连接；以及双向开关电路，该双向开关电路连接在所述第二半导体开关串联电路的串联连接点与所述直流电源电路的中间端子之间，且能进行双向开关，将所述第一半导体开关与所述第二半导体开关的串联连接点作为交流端子，在所述多电平功率转换电路中，在相同通电方向上串联连接至少两个构成所述双向开关电路的半导体开关元件。
第二发明在于一种多电平功率转换电路，该多电平功率转换电路将直流转换为交流或将交流转换为直流，其特征在于，使用多个由反向并联连接有二极管的半导体开关元件构成的半导体开关来构成，作为一个相的电路，包括：第一半导体开关串联电路，该第一半导体开关串联电路连接在具有正电位端子、负电位端子、以及中间电位端子的直流电源电路的正电位端子与负电位端子之间，并且通过将串联连接多个所述半导体开关而得的第一半导体开关组、第一～第四半导体开关、以及串联连接多个半导体开关而得的第二半导体开关组依序串联连接而得；第二半导体开关串联电路，该第二半导体开关串联电路通过将连接在所述第一半导体开关串联电路的所述第一半导体开关组和第一半导体开关的连接点、与第四半导体开关和所述第二半导体开关组的连接点之间的第五～第八半导体开关串联连接而得；第一电容器，该第一电容器与所述第二半导体开关串联电路并联连接；第二电容器，该第二电容器与所述第二半导体开关和第三半导体开关的串联电路并联连接；第三电容器，该第三电容器与所述第六半导体开关和第七半导体开关的串联电路并联连接；以及双向开关电路，该双向开关电路连接在所述第六半导体开关和第七半导体开关的串联连接点与所述直流电源电路的中间端子之间，且能进行双向开关，将所述第二半导体开关与所述第三半导体开关的串联连接点作为交流端子，在所述多电平功率转换电路中，在相同通电方向上串联连接至少两个构成所述双向开关电路的半导体开关元件。
第三发明在于，在第一或第二发明所记载的多电平功率转换电路中，在相同的通电方向上串联连接至少两个半导体开关元件而构成的所述双向开关电路中，设有在截止信号时对施加在主端子间的电压进行检测的电压检测单元，并设有如下单元：当电压检测单元在截止信号时检测到的电压接近零的情况下，判断为构成所述双向开关电路的半导体开关元件发生了故障，使该多电平功率转换电路停止。
第四发明在于，在第三发明所记载的多电平功率转换电路中，所述电压检测单元在截止信号时检测是否有电流从驱动所述双向开关电路的栅极驱动电路流入构成所述双向开关电路的半导体开关元件的主端子，从而判断电压是否接近零。
第五发明在于将第一～第四发明的任一项所记载的多电平转换电路应用于九电平以上的多电平功率转换电路。
发明效果
本发明在使用飞跨电容器的多电平功率转换电路中，在相同的通电方向上串联连接至少两个构成与直流电源的中间端子相连的双向开关电路的半导体开关元件，并在构成双向开关电路的一个半导体开关发生短路故障的情况下检测该情况并使系统停止。其结果，能在构成双向开关电路的半导体开关元件的其中一个发生短路故障的情况下，安全地停止系统，而不会导致其它半导体开关、电容器被破坏。
附图说明
图1是表示本发明的第1实施例的电路图。
图2是能用于第1实施例的双向开关电路例。
图3是本发明的第1实施例的系统结构图。
图4是本发明的第1实施例的电路动作例。
图5是表示本发明的第2实施例的电路图。
图6是作为现有例的五电平转换电路的逆变器电路例。
图7是现有例中的双向开关电路例。
图8是作为现有例的五电平转换电路的逆变器电路的输出波形例。
图9是多电平转换电路的基本形式1。
图10是多电平转换电路的基本形式2。
图11表示使用五电平转换电路的逆变器电路中的所有元件切断时的电流路径例。
图12表示构成双向开关的半导体开关S12短路时的短路电流路径。
图13表示构成双向开关的半导体开关S11短路时的短路电流路径。
图14是半导体开关S12故障时所有元件切断时的电流路径例。
图15表示作为现有例的七电平转换电路的一相的电路。
图16表示具备截止时短路故障检测功能的栅极驱动电路例。
具体实施方式
本发明的要点在于，在包括正电位端子、负电位端子、以及中间电位端子的直流电源电路的正电位端子与负电位端子之间连接由以下部分依序串联连接而成的第一半导体开关串联电路：即，由多个半导体开关串联连接而成的第一半导体开关组、第一半导体开关、第二半导体开关、由多个半导体开关串联连接而成的第二半导体开关组；在上述第一半导体开关组与第一半导体开关的连接点和上述第二半导体开关与上述第二半导体开关组的连接点之间连接有第三半导体开关与第四半导体开关串联连接而成的第二半导体开关串联电路与电容器的并联电路，在上述第二半导体开关串联电路的串联连接点与上述直流电源电路的中间端子之间连接有双向开关电路，在将上述第一半导体开关与上述第二半导体开关的串联连接点作为交流端子的五电平的多电平功率转换电路或将该电路扩展为七电平以上的多电平功率转换电路中，在相同的通电方向上串联连接至少两个构成上述双向开关电路的半导体开关元件。
实施例1
图1表示本发明的第1实施例。虽然是五电平功率转换电路的一个相的电路结构，但若使用两个该电路，则能构成单相逆变器电路，若使用三个该电路，则能构成三相逆变器电路。此外，若将交流端子与负载相连，则能作为直流-交流转换电路进行工作，若将交流端子与交流电源以及电抗器等相连，则能作为交流-直流转换电路进行工作。
DP1、DP2分别是电压为2Ed的直流电源，它们串联连接，且将正电位端子设为P，负电位端子设为N，中间电位端子设为M。
S1a～S1c、S2、S3、S4a～S4c是由串联连接在正电位端子P与负电位端子N之间的8个与二极管反向并联连接的IGBT构成的半导体开关。S1a～S1c的半导体开关的串联电路为第一半导体开关组，S4a～S4c的半导体开关的串联电路为第二半导体开关组，S2为第一半导体开关，S3为第二半导体开关。第一半导体开关组(S1a～S1c)、第一半导体开关S2、第二半导体开关S3、第二半导体开关组(S4a～S4c)依序串联连接，成为第一半导体开关串联电路。
第一半导体开关组中的半导体开关S1c和第一半导体开关S2的连接点与第二半导体开关S3和第二半导体开关组中的半导体开关S4a的连接点之间连接有半导体开关S5与S6的串联电路(第二半导体开关串联电路)与电容器C1的并联电路。直流电源DP1和DP2的串联连接点即M点与半导体开关S5和S6的串联连接点之间连接有将反向阻断型IGBTS11a与S12a反向并联连接而构成的能在双向上进行开关的第一双向开关与将反向阻断型IGBTS11b与S12b反向并联连接而构成的第二双向开关的串联电路。
作为双向开关电路，除了图1所示的电路结构以外，还可以由图2(a)～图2(d)所示的不具有反向耐压的IGBT与二极管组合而构成。图2(a)是将与二极管反向并联连接的半导体开关Sa及Sb共用集电极而反向串联连接而成的电路和使与二极管反向并联连接的半导体开关Sc及Sd共用集电极而反向串联连接而成的电路串联连接的结构。图2(b)是将与二极管反向并联连接的半导体开关Sa及Sb共用发射极而反向串联连接而成的电路和使与二极管反向并联连接的半导体开关Sc及Sd共用发射极而反向串联连接而成的电路串联连接的结构。图2(c)是将与二极管反向并联连接的半导体开关Sb及Sd的串联电路和与二极管反向并联连接的半导体开关Sa及Sc的串联电路共用发射极而反向串联连接而成的电路结构。图2(d)是将与二极管反向并联连接的半导体开关Sa及Sc的串联电路和与二极管反向并联连接的半导体开关Sb及Sd的串联电路共用集电极而反向串联连接而成的电路结构。
电容器C1为飞跨电容器，其两端的平均电压被控制为一个单位的电压Ed，并利用其充放电现象来实现直流电源的中间电位的输出。这里，连接在直流电源电路的正电位端子P或负电位端子N与飞跨电容器C1的正侧端子或负侧端子之间的第一及第二半导体开关组三者串联的理由在于，根据施加在它们之间的电压的最大值来使所有构成半导体开关的元件的耐压为相同的额定电压(一个单位的电压Ed所对应的额定电压，通常需要2Ed左右的额定电压)。若在该部分应用三倍额定电压的开关元件，则不需要进行串联连接。
图3示出用于说明本发明的动作的系统结构。主电路结构与图1相同。各半导体开关与栅极驱动电路相连，由控制电路CNT向各栅极驱动电路传输驱动信号。图3中仅记载了一个栅极驱动电路GDU，但实际上对所有构成半导体开关的IGBT均设置栅极驱动电路GDU。因此，控制电路CNT向每一个相提供14个信号。此外，栅极驱动电路具备在检测到半导体开关的短路故障时将故障信号发送给控制电路CNT的功能。
这些电路组成为一个相，并且通过连接三组各电路组，从而能构成三相(U相、V相、W相)的逆变器。在交流端子与负载连接的情况下，能作为直流-交流转换电路进行工作，在交流端子与交流电源、电抗器等连接的情况，能作为交流-直流转换电路进行工作。通过构成本电路，转换电路的交流端子的电位能输出P电位、N电位、M电位、以及利用开关元件的导通截止和电容器C1的电压输出P-Ed和N+Ed的电位，从而构成五电平输出的逆变器。
对这种结构中，构成双向开关电路的反向阻断型IGBT12b产生短路故障时的保护动作进行说明。此外，作为保护动作，利用分别与串联连接的IGBT相连的、内置于栅极驱动电路的截止时的故障检测电路来检测短路故障状态，并将该信息传输给控制电路CNT一侧，从而能迅速停止整个系统。
即，通过对两个构成双向开关电路的半导体开关元件进行串联连接，从而即使串联连接的两个半导体开关元件内的某一个半导体开关元件发生短路破坏(图3中为半导体开关元件S12b)，也能由该半导体开关元件(S12b)用的栅极驱动电路GDU检测短路故障，之后经由控制电路CNT进行所有半导体开关的栅极信号的切断，从而能以图11所示那样的电路动作来停止系统，而不会产生经由图14所示那样的电流路径的电容器的过充电(过放电)现象。因此，该栅极驱动电路GDU中设有在截止时对短路状态(处于短路故障的状态)进行检测的功能。
关于栅极驱动电路的通常的短路电流检测电路、截止时的故障检测(短路故障状态检测)电路、以及此后的系统切断方法，记载在申请人在先提出的申请资料(日本专利申请2012-223842)中。图16示出截止时的故障检测(短路故障状态检测)的基本电路图。图16(a)表示通常导通时的动作，图16(b)表示通常截止时的动作，图16(c)表示短路故障时的动作。
PC1是带栅极驱动功能的光耦合器，通过来自一次侧的导通、截止指令信号来使IGBT导通、截止。PC2是将作为半导体开关的IGBTS产生短路故障的情况通知给控制电路的光耦合器，GP1和GP2为栅极驱动用的正负电源，RG为栅极电阻，对IGBT的开关速度进行调整。DD是具有与IGBT相同耐压的二极管。晶体管QT是用于在导通信号时防止故障检测用光耦合器PC2动作的电路，其基极端子与电阻R1和R2相连，集电极与电阻R3和光耦合器PC2相连。这里，R3是用于对光耦合器PC2的电流进行限制的电阻。
在图16(a)的通常导通时，由电流IGF使IGBTS导通，同时，晶体管QT导通，流过电流IQ。在该状态下，由于没有电流流过光耦合器PC2的光电二极管，因此不会输出信号。在图16(b)的通常截止时，由电流IGR使IGBTS截止。在该状态下，二极管DD处于反向偏置状态，因此没有电流流过光耦合器PC2，因此不会输出信号。
在图16(c)中，虽然IGBTS截止，但在IGBT的集电极-发射极之间未施加电压的状态下(短路故障时)，流过电流IGR、以及由正电源GP1提供的电流ISD。此时，与二极管DD串联连接的光耦合器PC2的一次侧二极管(光电二极管)中流过电流，因此若将二次侧设为控制电路侧，则能将处于故障状态的情况传输给控制电路侧。然而，即使在正常的空闲期间中等，与IGBTS反向并联连接的二极管侧流过电流那样的状态下也进行相同的动作，因此需要通过在控制电路侧判别负载电流的极性来判定此时不是故障状态的屏蔽(masking)处理。
实施例2
图5表示本发明的第2实施例。是应用于图15所示的七电平转换电路的应用例。DP1、DP2分别是电压为3Ed的直流电源，它们串联连接，且直流电源电路的正电位端子设为P，负电位端子设为N，中间电位端子设为M。S1a～S1d、S2、S3、S4、S5、S6a～S6d是由串联连接在正电位端子P与负电位端子N之间的12个与二极管反向并联连接的IGBT构成的半导体开关。S1a～S1d的半导体开关的串联电路为第一半导体开关组，S6a～S6d的半导体开关的串联电路为第二半导体开关组，S2为第一半导体开关，S3为第二半导体开关，S4为第三半导体开关，S5为第四半导体开关。第一半导体开关组(S1a～S1d)、第一半导体开关S2、第二半导体开关S3、第三半导体开关S4、第四半导体开关S5、第二半导体开关组(S6a～S6d)依序串联连接，成为第一半导体开关串联电路。
第一半导体开关组中的半导体开关S1d和第一半导体开关S2的连接点与、第四半导体开关S5和第二半导体开关组中的半导体开关S6a的连接点之间分别连接有半导体开关S7～S10的串联电路(第二半导体开关串联电路)与电容器C1的并联电路、与第二半导体开关S3和第三半导体开关S4的串联电路并联连接的电容器C3、以及与半导体开关S8和S9的串联电路并联连接的电容器C3。直流电源DP1和DP2的串联连接点即中间电位端子M点与半导体开关S8和S9的串联连接点之间连接有将反向阻断型IGBTS11a与S12a反向并联连接而构成的能在双向上进行开关的第一双向开关与将反向阻断型IGBTS11b与S12b反向并联连接而构成的第二双向开关的串联电路。作为双向开关电路，除了图5所示的电路结构以外，还可以将图2(a)～图2(d)所示的不具有反向耐压的IGBT与二极管组合而构成。由于细节与第1实施例相同，因此省略说明。
对于直流电源电压(3Ed×2)，以一个单位的电压(Ed)对连接在半导体开关S2的集电极与半导体开关S4的发射极之间的电容器C3的电压进行充电，以两个单位的电压(2Ed)对连接在半导体开关S2的集电极与半导体开关S5的发射极之间的电容器C1的电压进行充电，以一个单位的电压(Ed)对连接在半导体开关S8的集电极与半导体开关S9的发射极之间的电容器C3的电压进行充电，从而能输出七电平的电位。如图5所示，在使所有半导体开关为相同额定电压的情况下，半导体开关S1和S6分别将四个(S1a～S1d、S6a～S6d)串联连接。
短路保护用的系统结构与第1实施例同样，串联连接两个双向开关的电路，且栅极驱动电路具备截止时的短路故障检测电路，由此，在构成双向开关的半导体开关元件发生短路故障的情况下，能在栅极驱动电路内检测到该情况，将该检测信号发送给控制电路，由控制电路对所有半导体开关发送切断信号，从而能在不破坏其它完好的半导体开关元件、电容器的情况下使系统停止。栅极驱动电路与实施例1同样，为图16所示的电路结构和动作。
另外，在上述实施例中，对五电平转换电路和七电平转换电路进行了说明，但本发明也能应用于使用双向开关的九电平以上的多电平转换电路。此外，对使用IGBT作为半导体开关元件的示例进行了说明，但同样也能应用MOSFET、GTO等。
工业上的实用性
本发明是涉及使用双向开关的多电平转换电路的保护的技术，能应用于高电压电动机驱动装置、系统互连用转换装置等。
标号说明
DP1、DP2…直流电源
C1～C3…电容器
S1a～S1d、S2～S5、S6a～S6d、S7～S10…半导体开关
Sa～Sd、Q1～Q4…半导体开关
S11、S11a、S11b、S12、S12a、S12b…反向阻断型IGBT
CNT…控制电路
BS、BS1、BS2…双向开关
GDU、GDU-S1a、GDU-S4c…栅极驱动电路
LM…交流电动机

Claims (5)

1.一种多电平功率转换电路，该多电平功率转换电路将直流转换为交流或将交流转换为直流，其特征在于，使用多个由反向并联连接有二极管的半导体开关元件构成的半导体开关来构成，作为一个相的电路，包括：
第一半导体开关串联电路，该第一半导体开关串联电路连接在具有正电位端子、负电位端子、以及中间电位端子的直流电源电路的正电位端子与负电位端子之间，并且通过将串联连接多个所述半导体开关而得的第一半导体开关组、第一半导体开关、第二半导体开关、以及串联连接多个半导体开关而得的第二半导体开关组依序串联连接而得；
第二半导体开关串联电路，该第二半导体开关串联电路通过将连接在所述第一半导体开关串联电路的所述第一半导体开关组和第一半导体开关的连接点、与所述第二半导体开关和所述第二半导体开关组的连接点之间的第三半导体开关和第四半导体开关串联连接而得；
电容器，该电容器与所述第二半导体开关串联电路并联连接；以及
双向开关电路，该双向开关电路连接在所述第二半导体开关串联电路的串联连接点与所述直流电源电路的中间端子之间，且能进行双向开关，
将所述第一半导体开关与所述第二半导体开关的串联连接点作为交流端子，在所述多电平功率转换电路中，在相同通电方向上串联连接至少两个构成所述双向开关电路的半导体开关元件。
2.一种多电平功率转换电路，该多电平功率转换电路将直流转换为交流或将交流转换为直流，其特征在于，使用多个由反向并联连接有二极管的半导体开关元件构成的半导体开关来构成，作为一个相的电路，包括：
第一半导体开关串联电路，该第一半导体开关串联电路连接在具有正电位端子、负电位端子、以及中间电位端子的直流电源电路的正电位端子与负电位端子之间，并且通过将串联连接多个所述半导体开关而得的第一半导体开关组、第一～第四半导体开关、以及串联连接多个半导体开关而得的第二半导体开关组依序串联连接而得；
第二半导体开关串联电路，该第二半导体开关串联电路通过将连接在所述第一半导体开关串联电路的所述第一半导体开关组和第一半导体开关的连接点、与第四半导体开关和所述第二半导体开关组的连接点之间的第五～第八半导体开关串联连接而得；
第一电容器，该第一电容器与所述第二半导体开关串联电路并联连接；
第二电容器，该第二电容器与所述第二半导体开关和第三半导体开关的串联电路并联连接；
第三电容器，该第三电容器与所述第六半导体开关和第七半导体开关的串联电路并联连接；以及
双向开关电路，该双向开关电路连接在所述第六半导体开关和第七半导体开关的串联连接点与所述直流电源电路的中间端子之间，且能进行双向开关，
将所述第二半导体开关与所述第三半导体开关的串联连接点作为交流端子，在所述多电平功率转换电路中，在相同通电方向上串联连接至少两个构成所述双向开关电路的半导体开关元件。
3.如权利要求1或2所述的多电平功率转换电路，其特征在于，在相同的通电方向上串联连接至少两个半导体开关元件而构成的所述双向开关电路中，设有在截止信号时对施加在主端子间的电压进行检测的电压检测单元，并设有如下单元：当电压检测单元在截止信号时检测到的电压接近零的情况下，判断为构成所述双向开关电路的半导体开关元件发生了故障，使多电平功率转换电路停止。
4.如权利要求3所述的多电平功率转换电路，其特征在于，所述电压检测单元在截止信号时检测是否有电流从驱动所述双向开关电路的栅极驱动电路流入构成所述双向开关电路的半导体开关元件的主端子，从而判断电压是否接近零。
5.一种多电平功率转换电路，其特征在于，将权利要求1至4中任一项所述的多电平转换电路应用于九电平以上的多电平功率转换电路。
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Application publication date: 20141231

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