CN105765838A - 功率转换装置 - Google Patents

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Abstract

本发明的目的在于，在谐振逆变器电路(1)的谐振频率发生变化的情况下，保护谐振逆变器电路(1)的开关元件(14、15)，并且不会过多地使谐振逆变器电路(1)停止。谐振逆变器电路(1)包括2个以上的开关元件(14、15)。检测器(17)检测出开关元件(14、15)的输出电流。谐振频率判定部(22)在开关元件(14、15)的开关周期的2倍以上的规定期间内，在断开开关元件(14、15)时由检测器(17)检测出的电流的绝对值在阈值以上的次数是2以上的规定次数以上的情况下，判定为谐振逆变器电路(1)的谐振频率异常。控制部(23)在由谐振频率判定部(22)判定为谐振逆变器电路(1)的谐振频率异常的情况下，使谐振逆变器电路(1)的开关动作停止。

Description

功率转换装置
技术领域
本发明涉及使用电流谐振逆变器的功率转换装置。
背景技术
由使用了电流谐振的中高频率谐振逆变器将直流电压转换成交流电压的功率转换装置被使用于铁路车辆、太阳能发电等中(参照专利文献1)。电流谐振逆变器中，利用开关电路中的LC电路的谐振产生电流为0的瞬间，在该时刻通过断开功率半导体的开关元件来减小开关损耗。通过进行电流谐振，具有功率半导体的断开损耗几乎为零从而能够实现低损耗的功率转换装置的优点。
在谐振逆变器中，若用与逆变器电路的谐振频率不同的频率来使开关动作，则会发生非谐振，可能在开关中会流过过大的电流而导致开关元件破损。例如在专利文献2中，公开了防止由于串联谐振变换器中的非谐振而导致的开关元件的破损的控制方法。在专利文献2中，在半桥式的电流谐振变换器中，检测出正常动作时(正常的频率)不会流过的次级侧整流二极管的电流，判断非谐振的情况。
虽然专利文献3中公开了感应加热电源的控制方法，但是在全桥式的电流谐振逆变器中，在断开时的开关损耗超过允许设定值的情况下，会停止逆变器的动作。在专利文献4所记载的开关电源的控制电路中，若从复合电流谐振变换器的输出电流的检测值中检测出非谐振，则使开关元件成为断开状态。在专利文献4中还公开了2个开关元件均断开时，在检测出流过阻抗元件的电流的期间，阻止将开关元件导通的信号。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：美国专利申请公开第2008/0055941号说明书
专利文献2：日本专利特开2010-187478号公报
专利文献3：日本专利特开2010-153089号公报
专利文献4：日本专利特开2011-135723号公报
发明内容
发明所要解决的技术问题
在因为某种原因导致逆变器电路的谐振频率发生变化时，由于在功率半导体的开关元件中流过电流的状态下使其断开，所以断开损耗会增大。在此情况下，由于电流谐振逆变器是中高频率电路，所以功率半导体的损耗会急剧增大。此时，利用在用于冷却功率半导体的冷却器的基底面所安装的温度检测器无法捕捉功率半导体急剧的温度变化，在逆变器电路的过温度保护启动之前，有时功率半导体的结温(junctiontemperature)会超过临界点而导致破坏的情况。例如，在因变压器内的绕阻的一部分发生断开或短路等而导致电路的谐振频率降低的情况下，通常会发生切断电流的状态，但是必须保护开关元件的功率半导体不受该状态的影响。
由于在用热敏电阻等检测到的温度超过一定温度的情况下停止开关动作的温度保护无法保护功率半导体不受过温度的影响，所以会检测到功率半导体切断电流的状态并进行停止。例如若检测出非谐振就立刻使开关元件为断开状态，则即使在因噪声等的影响而检测出非谐振的情况下，也会暂时停止逆变器。然而，在诸如铁路的电车那样不希望频繁地停止电源的用途中，必须尽可能使电源持续工作。
本发明正是鉴于上述情况而完成的，其目的在于在谐振逆变器电路的谐振频率发生变化时，保护谐振逆变器电路的开关元件，并且不会过多地停止谐振逆变器电路。
解决技术问题所采用的技术手段
本发明所涉及的功率转换装置具备：谐振逆变器电路，该谐振逆变器电路包括2个以上的开关元件；检测器，该检测器检测出所述开关元件的输出电流；谐振判定部；以及控制部。谐振判定部在开关元件的开关周期的2倍以上的规定期间内，在断开开关元件时由检测器检测出的电流的绝对值在阈值以上的次数为2以上的规定次数以上的情况下，判定为谐振逆变器电路的谐振频率异常。控制部在由谐振判定部判定为谐振逆变器电路的谐振频率异常的情况下，使谐振逆变器电路的开关动作停止。
发明效果
根据本发明，在开关周期的2倍以上的规定期间内，在断开开关元件时由检测器检测出的电流的绝对值在阈值以上的次数为2以上的规定次数以上的情况下，判定为谐振逆变器电路的谐振频率异常，停止开关动作，因此，在谐振逆变器电路的谐振频率发生变化的情况下，保护谐振逆变器电路的开关元件，且不会过多地使谐振逆变器电路停止。
附图说明
图1是示出了本发明的实施方式所涉及的功率转换装置的结构示例的框图。
图2是示出了谐振逆变器电路的谐振频率为正常的情况下的电流波形的图。
图3是示出了谐振逆变器电路的谐振频率变低的情况下的电流波形的图。
图4是示出了谐振频率判定部的逻辑电路的一个示例的图。
图5是表示本发明的实施方式1的谐振频率异常时停止处理的动作的一个示例的流程图。
图6是表示本发明的实施方式2的谐振频率异常时停止处理的动作的一个示例的流程图。
具体实施方式
(实施方式1)
图1是示出了本发明的实施方式所涉及的功率转换装置的结构示例的框图。功率转换装置由谐振逆变器电路1和控制装置2构成。谐振逆变器1与直流电源3及接地4相连接，且从直流电源3提供有直流电力。控制装置2使谐振逆变器电路1动作，由谐振逆变器电路1将直流电压转换成交流电压，并向负载电路5提供交流电力。
谐振逆变器电路1具有滤波电容器11、谐振电容器12、13、开关元件14、15、谐振变压器16以及检测器17。滤波电容器11阻断直流电源3的噪声，从而抑制施加于开关元件14、15的电压的变动。
谐振电容器12、13串联连接。在谐振逆变器电路1开始驱动前，分别对谐振电容器12、13施加被分压后的直流电压。谐振电容器12、13的静电电容可以具有相同的值，也可以具有不同的值。在谐振电容器12、13的静电电容相同的情况下，谐振电容器12、13的电压值相同。也可以用串联连接的多个电容器以及/或者并联连接的多个电容器来构成谐振电容器12、13。在此情况下，谐振电容器12、13的静电电容是多个电容器的合成电容。另外，也可以用多个元件来构成开关元件14、15。
在图1的示例中，虽然开关元件14、15是IGBT(InsulatedGateBipolarTransistor：绝缘栅双极型晶体管)，但是开关元件14、15不仅限于IGBT，只要能用栅极信号进行控制即可。开关元件14、15串联连接，与谐振电容器12、13并联连接。
谐振变压器16具有初级线圈和次级线圈，谐振变压器16的初级线圈的两端分别连接至谐振电容器12、13的连接点、和开关元件14、15的连接点。检测器17配置于谐振变压器16的一端与开关元件14、15的连接点之间，输出与开关元件14、15的输出电流成比例的电压。
控制装置2对开关元件14、15交替地切换导通和断开，利用谐振电容器12、13和谐振变压器16在谐振变压器16的两端产生交流电压。控制装置2在例如未图示的输入电压检测器所检测出的输入至谐振逆变器电路1的输入电压在规定的范围内的情况下，开始谐振逆变器电路1的动作。控制装置2在例如输入至谐振逆变器电路1的输入电压超过阈值而成为过电压的情况下，停止谐振逆变器电路1。
谐振电容器12、13的静电电容设为相同的值，控制装置2在开始谐振逆变器电路1的驱动时，输出使开关元件14在规定的导通时间内成为导通状态的栅极信号。控制装置2在谐振逆变器电路1的动作过程中，输出栅极信号以使得开关元件14、15在导通时间内交替地成为导通状态。另外，设置有和开关元件14、15一起成为断开状态的短路防止时间。
在开关元件14为导通状态而开关元件15为断开状态的期间，电流从直流电源3经由开关元件14、谐振变压器16及谐振电容器13，流入接地4。在开关元件15为导通状态而开关元件14为断开状态的期间，电流从直流电源3经由谐振电容器12、谐振变压器16及开关元件15，流入接地4。
由于谐振变压器16与谐振电容器12串联连接，或者谐振变压器16与谐振电容器13串联连接，所以电流在由谐振变压器16的电感与谐振电容器12、13的电容所决定的谐振频率下进行振荡。在电流变为0的时刻，通过断开开关元件14、15，能够减小开关损耗。
图2是示出了谐振逆变器电路的谐振频率为正常的情况下的电流波形的图。图2的上半部分示出了开关元件14的电流。图2的下半部分示出了由检测器17检测出的电流。在开关元件14断开的期间，由于开关元件15变得导通，所以检测电流交替地出现正负。
如图2所示，电流以在由谐振变压器16和谐振电容器12、13所决定的谐振频率下进行振荡的方式进行变化。此处，在开关元件电流为0的期间断开开关元件。此处，若由于某种原因导致由谐振变压器16和谐振电容器12、13所决定的谐振频率降低，则电流进行振荡的周期会变长。在此情况下，若在接通开关元件14、15之后在相同时刻断开开关元件14、15，则在断开时还处于有电流流过的状态。
图3是示出了谐振逆变器电路的谐振频率变低的情况下的电流波形的图。示出了谐振电流的周期变长、且在断开开关元件14、15时，还有电流流过的情况。
图1的控制装置2由电流检测部21、谐振频率判定部22以及控制部23构成。电流检测部21对与由检测器17检测出的电流成比例的电压进行A－D转换，输出电流值。谐振频率判定部22在开关元件14、15的开关周期的2倍以上的规定期间内，在断开开关元件14、15时由检测器17检测出的电流的绝对值在阈值以上的次数是2以上的规定次数以上的情况下，判定为谐振逆变器电路1的谐振频率发生异常。控制部23在由谐振频率判定部22判定为谐振逆变器电路1的谐振频率发生异常的情况下，使谐振逆变器电路1的开关动作停止。控制装置2还在检测器17检测出的流过谐振变压器16的电流超过阈值而成为过电流的情况下，停止谐振逆变器电路1。
能够基于谐振逆变器电路1的特性及用途，适当地确定由谐振频率判定部22判定为谐振频率发生异常的条件。将判定的期间设为开关周期的M倍(M为2以上的整数)，且将在断开开关元件14、15时由检测器17检测出的电流的绝对值在阈值以上的次数中的、用于判定为谐振频率发生异常的规定次数设为N(N为2以上的整数)，能够在M≧N≧2的范围内任意地进行设定。
图4是示出了谐振频率判定部的逻辑电路的一个示例的图。谐振频率判定部22例如在每次断开开关元件14、15时，用比较器26比较从电流检测部21输出的电流值和寄存器24的阈值，若电流值在阈值以上则向移位寄存器28和加法器29输出“1”，若电流值小于阈值，则向移位寄存器28和加法器29输出“0”。移位寄存器(触发器)28将所判定的开关周期期间设为M个周期(M为2以上的整数)，且与M－1个串联连接。末级的移位寄存器28的输出被输入至减法器30。减法器30中输入加法器29的结果，从加法器29的结果减去移位寄存器28末级的输出。
减法器30的结果被输入至比较器27，且在下一个周期再返回至加法器29。利用加法器29和减法器30，加上比较器26当前的结果，减去M个周期之前的比较器26的结果。在比较器27中，比较减法器30的结果和寄存器25的规定次数(例如为N)，若在规定次数以上，则向控制部23输出“1(谐振频率异常)”，若小于规定次数，则向控制部23输出“0(谐振频率正常)”。其结果是，谐振频率判定部22在开关周期的M倍的期间内，在断开开关元件14、15时由检测器17检测出的电流的绝对值在阈值以上的次数为规定次数(N)以上的情况下，判定为谐振频率异常。
另外，对于断开开关元件14、15时的电流，可以仅在断开开关元件14和开关元件15中的任一个时进行检测，也可以在断开开关元件14、15这两者时进行检测。在断开开关元件14、15这两者时检测电流来进行判定的情况下的周期是在断开开关元件14、15中的任一个时检测电流的情况下的一半。
图5是表示实施方式1的谐振频率异常时停止处理的动作的一个示例的流程图。谐振频率判定部22首先对表示在断开开关元件14、15时由检测器17检测出的电流的绝对值在阈值以上的次数的计数设置0(步骤S01)。然后，在每次断开开关元件14、15时，输入由检测器17检测出的电流值(步骤S02)。
比较电流值和阈值，若电流值在阈值以上(步骤S03：是)，则对计数加1(步骤S04)。若电流值小于阈值(步骤S03：否)，则维持计数的值。接着，若M个周期(M为2以上的整数)之前的电流值在阈值以上(步骤S05：是)，则从计数减去1(步骤S06)。若M个周期(M为2以上的整数)之前的电流值小于阈值(步骤S05：否)，则维持计数的值。
比较计数的值和规定次数，若计数值在规定次数以上(步骤S07：是)，则停止谐振逆变器电路1的开关动作(步骤S08)。若计数值小于规定次数(步骤S07：否)，则返回步骤S02，并从输入电流值开始重复各个步骤。
如上所说明的那样，根据本实施方式1的功率转换装置，若在开关周期的2倍以上的规定期间内，在断开开关元件14、15时由检测器17检测出的电流的绝对值在阈值以上的次数是2以上的规定次数以上，则判定为谐振逆变器电路1的谐振频率发生异常，停止开关动作。其结果是，在谐振逆变器电路1的谐振频率发生变化的情况下，保护谐振逆变器电路1的开关元件14、15，并且不会过多地使谐振逆变器电路1停止。
(实施方式2)
在实施方式2中，若每次断开开关元件14、15时由检测器17检测出的电流的绝对值在阈值以上的次数连续且为规定次数以上，则判定为谐振频率异常。也就是说，在实施方式1的结构中，进行判定的期间的M周期(M为2以上的整数)等于判定为谐振频率发生异常的规定次数N(N为2以上的整数)，也即M＝N≧2的情况。
图6是表示实施方式2的谐振频率异常时停止处理的动作的一个示例的流程图。谐振频率判定部22首先对表示在断开开关元件14、15时由检测器17检测出的电流的绝对值在阈值以上的次数的计数设置0(步骤S11)。然后，在每次断开开关元件14、15时，输入由检测器17检测出的电流值(步骤S12)。
比较电流值和阈值，若电流值在阈值以上(步骤S13：是)，则对计数加1(步骤S14)。若电流值小于阈值(步骤S13：否)，则返回步骤S11，从计数的复位(设置0)开始重复各个步骤。
在步骤S14中对计数加1之后，比较计数的值和规定次数，若计数值在规定次数以上(步骤S15：是)，则停止谐振逆变器电路1的开关动作(步骤S16)。若计数值小于规定次数(步骤S15：否)，则不复位计数而返回步骤S12，并从输入电流值开始重复各个步骤。
如上述说明的那样，根据实施方式2，若每次断开开关元件14、15时由检测器17检测出的电流的绝对值在阈值以上的次数连续且为规定次数以上，则判定为谐振频率异常。因此，能够简化谐振频率判定部22的结构。
在实施方式中，为了便于理解，以由上臂(开关元件14)和下臂(开关元件15)构成的支路(leg)生成1个单相交流的功率转换装置为例进行了说明。实施方式的结构也能够适用于具有3个支路且生成三相交流的功率转换装置。在三相交流的功率转换装置的情况下，为了准确地检测并判定出谐振频率异常，希望在各个支路上设置检测器17来检测出各个支路的输出电流。
也可以利用带隙大于硅的宽带隙半导体所形成的开关元件来作为开关元件14、15，从而构成实施方式的功率转换装置。宽带隙半导体是指例如碳化硅、氮化镓类材料、或者金刚石。由宽带隙半导体所形成的开关元件的耐压性和容许电流密度较高。因此，开关元件能够小型化，通过使用小型化后的开关元件，能够使组装有开关元件的半导体模块小型化。
由于宽带隙半导体的耐热性较高，所以散热器的散热翅片能够小型化，水冷部能够空气冷却，从而能够使半导体模块进一步小型化。而且，由于降低了功率损耗，所以能够使开关元件实现高效化，进一步地能够使半导体模块实现高效化。
另外，虽然希望由宽带隙半导体来形成开关元件14、15这两者，但是也可以由宽带隙半导体来形成开关元件14、15中的任一个。即使在此情况下，也能够获得实施方式1所记载的效果。
标号说明
1谐振逆变器电路，2控制装置，3直流电源，4接地，5负载电路，11滤波电容器，12、13谐振电容器，14、15开关元件，16谐振变压器，17检测器，21电流检测部，22谐振频率判定部，23控制部，24、25寄存器，26、27比较器，28移位寄存器，29加法器，30减法器。

Claims (4)

1.一种功率转换装置，其特征在于，具有：
谐振逆变器电路，该谐振逆变器电路包括2个以上的开关元件；
检测器，该检测器检测出所述开关元件的输出电流；
谐振判定部，该谐振判定部在所述开关元件的开关周期的2倍以上的规定期间内，在断开所述开关元件时由所述检测器检测出的电流的绝对值在阈值以上的次数为2以上的规定次数以上的情况下，判定为所述谐振逆变器电路的谐振频率异常；以及
控制部，该控制部在由所述谐振判定部判定为所述谐振逆变器电路的谐振频率异常的情况下，使所述谐振逆变器电路的开关动作停止。
2.如权利要求1所述的功率转换装置，其特征在于，
所述谐振判定部在每次断开所述开关元件时由所述检测器检测出的电流的绝对值在所述阈值以上的状态连续且持续了规定的次数的情况下，判定为所述谐振逆变器电路的谐振频率异常。
3.如权利要求1或2所述的功率转换装置，其特征在于，
所述开关元件由宽带隙半导体来形成。
4.如权利要求3所述的功率转换装置，其特征在于，
所述宽带隙半导体是碳化硅、氮化镓类材料、或者金刚石。
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