CN105027415B - 电力变换装置 - Google Patents

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Abstract

在经由直流联动部并联地设置的多个电力变换单元、与对这些电力变换单元分别供给直流电力的直流电源单元之间，分别个别地安装限制向上述各电力变换单元分别供给的直流电力的半导体开关元件。另外，在控制电路中，分别监视上述各电力变换单元中产生的短路电流，对与有短路电流流过的电力变换单元连接的上述半导体开关元件进行OFF控制，切断对该电力变换单元的电力供给。

Description

电力变换装置
技术领域
本发明涉及一种电力变换装置，能够将并联设置了的多个电力变换单元中的发生了故障的电力变换单元从对上述各电力变换单元供给直流电力的直流电源单元迅速地切离，而使其他健全的电力变换单元继续运转。
背景技术
作为将直流电源作为电力源而驱动马达等大容量的交流负载、或者对多台交流负载进行并联驱动的电源装置，使用并联设置了多个电力变换单元的电力变换装置。图3是这种电力变换装置的概略结构图，1是直流电源单元。该直流电源单元1由例如对商用交流电源进行整流/平滑化的二极管电路、电池等构成。
另外，2(2a～2n)是经由直流联动部3而与上述直流电源单元1连接而并联设置的多个电力变换单元。这些电力变换单元2(2a～2n)由将从上述直流电源单元1供给的直流电力分别变换为交流电力并输出的逆变器单元构成。上述电力变换单元2(2a～2n)的各输出端子4(4a～4n)例如并联连接而被用作针对大容量的交流负载的电力输出端子。或者，对上述多个电力变换单元2(2a～2n)的各输出端子4(4a～4n)分别个别地连接多个交流负载。
图3示出电力变换单元2a的结构例。上述各电力变换单元2(2a～2n)是并联地具备将例如由IGBT等构成的6个半导体开关元件Q1～Q6按每2个串联连接而安装在直流输入端子的正极与负极之间的3组半桥电路而构成的。针对上述各半桥电路的每一个按照规定的相位差交替地对各个上述半导体开关元件Q1～Q6进行ON/OFF驱动，从而对施加到该半桥电路的直流电压进行切换。另外，上述各电力变换单元2(2a～2n)构成为将作为上述半桥电路的中点的各串联连接点连接到上述输出端子4(4a～4n)，并输出规定电压的三相交流电力。
另外，D1～D6是与上述各半导体开关元件Q1～Q6反向并联地连接的续流二极管(freewheeling diode)。另外，5是设置于上述电力变换单元2(2a～2n)的上述各直流输入端子之间而用于使对该电力变换单元2(2a～2n)供给的直流电压稳定化的电容器。另外，6是对上述半导体开关元件Q1～Q6如上所述那样进行ON/OFF控制的控制电路。关于这样构成了的电力变换装置，例如如在专利文献1等中详细介绍的那样。
但是，在上述专利文献1中，在上述多个电力变换单元2(2a～2n)的直流输入部中，分别设置了使用了机械性接点的开关7作为电路开闭器。进而，在上述专利文献1中，公开了在与上述直流电源单元1之间的直流联动部3中分别安装直流电抗器8。在上述多个电力变换单元2(2a～2n)中的某一个中发生了短路等故障时，上述开关7将故障了的电力变换单元2(2a～2n)从上述直流电源单元1切离。由此，能够仅使剩余的其他健全的电力变换单元2(2a～2n)运转。
但是，在直至故障了的电力变换单元2(2a～2n)通过上述开关7而被切离为止的期间，从其他健全的电力变换单元2(2a～2n)向该故障了的电力变换单元2(2a～2n)的短路点流入过大的电流。于是，存在通过该过大的电流的流入而其他健全的电力变换单元2(2a～2n)陷入到过电流状态的担心。上述直流电抗器8承担如下作用：在发生这样的短路故障时限制流过其他健全的电力变换单元2(2a～2n)的电流的上升，从而防止这些健全的电力变换单元2(2a～2n)陷入到过电流状态。
专利文献1：日本专利第4726624号公报
发明内容
但是，在上述直流联动部3中分别安装了上述直流电抗器8的情况下，不能否认上述各电力变换单元2(2a～2n)的应答特性变差。换言之，针对上述各电力变换单元2(2a～2n)的正常动作时的输入直流电压的变动的应答性变差。而且，上述开关7的动作应答延迟一般是几毫秒等级，难以说针对短路故障的应答性高。
本发明是考虑这样的情况而完成的，其目的在于提供一种简易的结构且应答性高的电力变换装置，能够将并联设置的多个电力变换单元中的发生了故障的电力变换单元从直流电源单元迅速地切离，而使其他健全的电力变换单元继续运转。
为了实现上述目的，本发明的电力变换装置具备：直流电源单元；以及多个电力变换单元，经由直流联动部并联设置，将从上述直流电源单元供给的直流电力分别变换为交流电力并输出。
特别地，本发明的电力变换装置的特征在于，在上述各电力变换单元和上述直流电源单元之间，分别个别地安装限制向上述各电力变换单元供给的电力的多个半导体开关元件，并且通过分别监视上述各电力变换单元中产生的短路电流的控制电路，对与有短路电流流过的电力变换单元连接的上述半导体开关元件进行OFF控制，切断对该电力变换单元的电力供给。
此外，上述控制电路构成为检测例如以下那样的电流而对上述半导体开关元件进行OFF控制：从上述直流电源单元对上述电力变换单元供给的电流、或者构成上述电力变换单元的主体部的半导体开关元件中流过的电流、或者由于对上述半导体开关元件施加的直流电压的降低而产生的该电力变换单元的短路故障所伴随的短路电流。
另外，上述直流电源单元由使用例如IGBT、MOS-FET等半导体开关元件来生成规定的直流电压的电压控制型的PWM转换器等构成。另外，上述多个电力变换单元的各个由例如生成三相交流电力的逆变器单元构成。进而，上述半导体开关元件由例如反向并联地连接了二极管的IGBT、或者能够在双方向流过电流的反向导通IGBT构成。另外，上述半导体开关元件安装于上述各电力变换单元中的直流输入部的正极侧以及负极侧的至少一方。
根据上述结构的电力变换装置，能够有效地利用安装在上述各电力变换单元与上述直流电源单元之间的半导体开关元件的元件特性自身，限制对上述各电力变换单元分别供给的电力、特别是电流。因此，能够有效地阻止过电流非本意地流过构成上述各电力变换单元的半导体开关元件。
此外，在上述电力变换单元中发生了短路故障的情况下，在上述控制电路的控制下对与发生了该故障的电力变换单元连接的上述半导体开关元件进行OFF控制，从而能够将该电力变换单元从上述直流电源单元迅速地切离。而且，上述半导体开关元件的应答延迟一般是几微秒等级，所以相比于将使用了以往一般的机械性接点的开关用作电路开闭器的情况，能够充分高速地将发生了上述故障的电力变换单元从上述直流电源单元切离。
因此，根据本发明的电力变换装置，不会如在上述各电力变换单元的直流输入部中分别安装了直流电抗器的以往装置那样，导致正常时的上述各电力变换单元的动作应答延迟的问题。而且，不需要直流电抗器，所以无需调整其电感，能够使上述各电力变换单元的动作应答性充分快。
另外，在上述各电力变换单元中的短路电流的检测时，能够仅通过对上述半导体开关元件进行OFF控制，来将发生了短路故障的电力变换单元从上述直流电源单元迅速地切离。因此，能够在不导致上述过电流的问题的情况下使其他健全的电力变换单元稳定地继续运转。因此，通过使用具有电流限制功能和直流联动电路的切离功能的半导体开关元件，来简化电力变换装置的整体结构，同时保证其动作特性，可以起到使健全的电力变换单元能够继续运转等实用上显著的效果。
附图说明
图1是本发明的一个实施方式的电力变换装置的主要部分概略结构图。
图2是本发明的其他实施方式的电力变换装置的主要部分概略结构图。
图3是以往的电力变换装置的主要部分概略结构图。
(符号说明)
1：直流电源单元；1a、1b：直流电源；2(2a～2n)：电力变换单元；3：直流联动部；5、5a、5b：电容器；6：控制电路；10：电力变换装置；11(11a～11n)：半导体开关元件；12(12a～12n)：二极管；13(13a～13n)：电流检测器；14(14a～14n)：半导体开关元件；15(15a～15n)：二极管；16(16a～16n)：电流检测器；17a、17b、17c：双方向开关；Q1～Q6：半导体开关元件；D1～D6：续流二极管。
具体实施方式
以下，参照附图，说明本发明的实施方式的电力变换装置。
图1是示出本发明的一个实施方式的电力变换装置10的主要部分概略结构的图，对与图3所示的以往的电力变换装置相同的部分附加同一符号而表示。另外，对于这些附加同一符号而示出的构成要素，省略其重复说明。另外，该实施方式中的上述直流电源单元1实现为使用例如IGBT、MOS-FET等半导体开关元件来对直流输入电压进行切换而生成规定的直流输出电压的电压控制型的PWM转换器等。
另外，该实施方式的电力变换装置10的特征在于如下方面：将例如由IGBT构成的半导体开关元件11(11a～11n)作为电路开闭器分别串联地安装到并联设置的上述多个电力变换单元2(2a～2n)的各直流输入部。对各个上述半导体开关元件11(11a～11n)反向并联地连接了二极管12(12a～12n)。这些二极管12(12a～12n)承担如下作用：流过起因于上述开关元件Q1～Q6的开关动作延迟、上述电力变换单元2(2a～2n)的构成部件的偏差等而重叠到直流电力的交流的横流分量。
另外，此处示出了在上述电力变换单元2(2a～2n)的各直流输入部中的正极侧分别串联地安装了上述半导体开关元件11(11a～11n)的例子。但是，当然也可以在上述电力变换单元2(2a～2n)的上述各直流输入部中的负极侧分别串联地安装上述半导体开关元件11(11a～11n)。另外，作为上述半导体开关元件11(11a～11n)，还可以使用能够在双方向流过电流的反向导通IGBT。
此外，在上述各电力变换单元2(2a～2n)中没有异常时、即在上述各电力变换单元2(2a～2n)正常地动作的情况下，上述半导体开关元件11(11a～11n)在上述控制电路6的控制下分别被ON控制。因此，从上述直流电源单元1经由上述直流联动部3供给的直流电力分别经由上述各半导体开关元件11(11a～11n)而被施加到上述各电力变换单元2(2a～2n)。
关于这样经由进行了ON控制的上述半导体开关元件11(11a～11n)而流入到上述各电力变换单元2(2a～2n)的直流电流，根据该半导体开关元件11(11a～11n)的元件特性来限制其最大电流。因此，对构成上述各电力变换单元2(2a～2n)的主体部的上述各半桥电路分别施加的直流电力受限制。因此，只要在构成上述各半桥电路的上述半导体开关元件Q1～Q6中未发生短路等异常，就不会在上述各半桥电路中流过过电流。
但是，在发生了上述半导体开关元件Q1～Q6短路等异常时，设置在该电力变换单元2(2a～2n)的直流输入部中的上述电容器5的端子电压、所谓直流联动电压(DC linkvoltage)降低。另外，伴随上述端子电压的降低，从上述直流电源单元1向该电力变换单元2(2a～2n)流入电流值异常大的短路电流。上述控制电路6经由例如设置在上述直流输入部中的电流检测器13(13a～13n)来监视这样的短路电流的发生。
另外，上述控制电路6在检测到短路电流时，对该短路电流被检测到的电力变换单元2(2a～2n)中的上述半导体开关元件11(11a～11n)进行OFF控制。由此，上述控制电路6切断从上述直流电源单元1向该电力变换单元2(2a～2n)供给的直流电力。通过该半导体开关元件11(11a～11n)的OFF控制，将发生了该短路故障的电力变换单元2(2a～2n)从上述直流电源单元1切离。从该直流电源单元1的上述电力变换单元2(2a～2n)的切离依赖于上述半导体开关元件11(11a～11n)的元件特性，仅在例如几微秒等级的应答延迟下迅速地执行。
因此，在起因于上述短路故障而上述异常的电流流入到其他健全的电力变换单元2(2a～2n)之前，发生了上述短路故障的电力变换单元2(2a～2n)被切离。因此，上述短路故障所引起的过电流不会流入到上述其他健全的电力变换单元2(2a～2n)。另外，即使假设上述短路故障所引起的过电流将要流入到上述其他健全的电力变换单元2(2a～2n)，基于上述半导体开关元件11(11a～11n)的电流限制也发挥作用。这样，将在该健全的电力变换单元2(2a～2n)中的过电流的发生防止于未然。因此，能够将发生了短路故障的电力变换单元2(2a～2n)切离，使剩余的其他健全的电力变换单元2(2a～2n)继续稳定地运转。
特别地，根据上述结构的电力变换装置10，能够使用上述半导体开关元件11(11a～11n)来限制流入到上述各电力变换单元2(2a～2n)的直流电流(直流电力)。与此同时，上述结构的电力变换装置10能够在短路电流的检测时，使用上述半导体开关元件11(11a～11n)，将发生了短路故障的电力变换单元2(2a～2n)迅速地从上述直流电源单元1切离。因此，具有其结构简单，且也不会牺牲正常动作时的上述各电力变换单元2(2a～2n)的动作应答特性等优良的优点。
但是，在上述各电力变换单元2(2a～2n)的主体部例如如图2所示由3电平逆变器构成的情况下，优选以下那样的结构。是如下结构：除了在上述电力变换单元2(2a～2n)的各直流输入部中的正极侧分别串联地安装上述半导体开关元件11(11a～11n)以外，在上述各直流输入部中的负极侧也分别串联地安装上述半导体开关元件14(14a～14n)。此处，上述3电平逆变器还被称为中性点钳位逆变器。
即，3电平逆变器概略地从上述直流电源单元1输入对其直流输出电压进行了2分割而得到的中间点电压和上述正极电压及负极电压，在各个上述电压之间对该直流电压分别进行切换。另外，通过在上述各电压间切换而合成要求的输出电压，相比于图1所示的逆变器，生成更接近正弦波的交流电力。关于该3电平逆变器，例如如在日本特开2011-193646号公报等中详细介绍的那样。
另外，在图2中，15(15a～15n)是与上述各半导体开关元件14(14a～14n)分别反向并联地连接了的二极管。另外，16(16a～16n)是检测在上述各半导体开关元件14(14a～14n)中分别流过的电流的电流检测器。进而，17a、17b、17c表示用于控制上述3电平逆变器中的上述各半桥电路的串联连接点的电位的双方向开关。
另外，在图2中，将上述直流电源单元1等价地表示为输出1/2的直流电压的直流电源1a、1b，以使输出对上述3电平逆变器提供的上述中间点电压。进而，在上述3电平逆变器中，使用在上述正极电压与上述中间电压点之间、以及在上述中间电压点与上述负极电压点之间分别安装的2个电容器5a、5b。
因此，在将这样的3电平逆变器作为主体部而构成上述电力变换单元2(2a～2n)的情况下，如图2所示在上述电力变换单元2(2a～2n)的各直流输入部中的正极侧以及负极侧分别设置上述半导体开关元件11(11a～11n)、14(14a～14n)。另外，根据上述各半桥电路中的上臂侧或者下臂侧的短路故障，对上述正极侧的半导体开关元件11(11a～11n)或者负极侧的半导体开关元件14(14a～14n)进行OFF控制。然后，将上述电力变换单元2(2a～2n)从上述直流电源单元1中的直流电源1a、1b分别切离即可。
此时，期望将发生了短路故障的电力变换单元2(2a～2n)从上述直流电源单元1中的直流电源1a、1b的一方切离，同时，在上述控制电路6的控制下，将该电力变换单元2(2a～2n)也从另一方的直流电源1a、1b切离。由此，能够将发生了短路故障的电力变换单元2(2a～2n)从上述直流电源单元1完全切离。另外，与上述实施方式同样地，能够使其他健全的电力变换单元2(2a～2n)继续稳定地运转。
另外，本发明不限于上述实施方式。例如，虽然还基于上述电力变换单元2(2a～2n)的电力容量，但还可以使用MOS-FET、双极型晶体管作为上述半导体开关元件11(11a～11n)、14(14a～14n)。进而，当然还可以使用使用了SiC(碳化硅)元件的开关元件。另外，在上述各实施方式中，通过在上述电力变换单元2(2a～2n)的直流输入部中设置了的电流检测器13(13a～13n)、16(16a～16n)，从流入到该电力变换单元2(2a～2n)的电流，检测了短路电流。
但是，在作为上述半导体开关元件Q1～Q6使用具备电流感测端子的IGBT那样的情况下，还能够直接地检测从该电流感测端子流到上述半导体开关元件Q1～Q6的电流来监视短路电流的发生。或者，还能够根据对上述半导体开关元件Q1～Q6施加的直流电压、例如IGBT的集电极电压，检测该半导体开关元件Q1～Q6的短路。
另外，本发明不仅能够应用于生成三相交流电力的电力变换单元2(2a～2n)，而且还能够同样地应用于生成单相交流电力的电力变换单元2(2a～2n)、并联地设置了其他电力变换电路的电力变换装置。另外，在各实施方式中，说明为在上述控制电路6中检测上述各电力变换单元2(2a～2n)的短路而对上述半导体开关元件11(11a～11n)、14(14a～14n)进行ON/OFF控制。但是，还能够针对上述各电力变换单元2(2a～2n)的每一个，个别地设置基于该短路检测的上述半导体开关元件11(11a～11n)、14(14a～14n)的ON/OFF控制功能。另外，本发明能够在不脱离其要旨的范围内进行各种变形而实施。

Claims (4)

1.一种电力变换装置，其特征在于，具备：
直流电源单元；
多个电力变换单元，经由直流联动部并联设置，将从所述直流电源单元供给的直流电力分别变换为交流电力并输出；
多个半导体开关元件，分别个别地安装在各个所述电力变换单元和所述直流电源单元之间，并且相对于从所述直流电源单元向所述电力变换单元供给的所述直流电力所伴随的电流的流向按正向配置，限制或切断向各个所述电力变换单元供给的电力；以及
控制电路，分别监视各个所述电力变换单元中产生的短路电流，对与有短路电流流过的电力变换单元连接的所述半导体开关元件进行OFF控制，切断对该电力变换单元的电力供给，从所述直流联动部电切离该电力变换单元，通过剩下的未产生短路的所述电力变换单元继续运转，
所述控制电路根据流过构成所述电力变换单元的主体部的半导体开关元件的电流或者施加到所述半导体开关元件的直流电压的降低来检测该电力变换单元的短路电流，对所述半导体开关元件进行OFF控制。
2.根据权利要求1所述的电力变换装置，其中所述多个电力变换单元分别是生成三相交流电力的逆变器单元。
3.根据权利要求1所述的电力变换装置，其中所述半导体开关元件安装在各个所述电力变换单元中的直流输入部的正极侧和负极侧中的至少一方。
4.根据权利要求1所述的电力变换装置，其中所述半导体开关元件由与二极管反向并联地连接的IGBT构成。
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