CN111357184A - 电力转换装置 - Google Patents

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Abstract

本发明的电力转换装置具备：单相全波整流部(2)；电解电容器(6)；多个斩波电路，它们设置于单相全波整流部(2)与电解电容器(6)之间，并分别具有电抗器(31、32)、与单相全波整流部(2)并联连接的第一MOSFET(41、51)、以及一端与电解电容器(6)的正极侧的端子连接并且另一端与电抗器(31、32)及第一MOSFET(41、51)连接的第二MOSFET(42、52)；第一电流检测部(80)，其在两个方向上检测在电抗器(31、32)流动的电流；以及控制部(9)，其使用第一电流检测部(80)的检测结果，控制第一MOSFET(41、51)的动作。

Description

电力转换装置
技术领域
本发明涉及将交流电转换为直流电的电力转换装置。
背景技术
以往，在将交流电转换为直流电的电力转换装置中，使用由电抗器、反向阻断二极管以及半导体开关元件构成的有源转换器电路。作为有源转换器电路的一个例子，存在交错方式的功率因数调整电路。交错方式的功率因数调整电路具备多个由电抗器、反向阻断二极管以及半导体开关元件构成的升压斩波电路。在交错方式的功率因数调整电路中，错开相位来驱动各升压斩波电路的半导体开关元件。另外，根据近年来半导体设备的发展，作为损失较少的功率因数调整电路，提出有代替反向阻断二极管而使用了作为低损失半导体的MOSFET(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor-金属氧化物半导体场效应管)的同步整流方式的功率因数调整电路(参照专利文献1)。
专利文献1：日本特开2015-23606号公报
使用了MOSFET的上述以往的功率因数调整电路，检测在各电抗器中流动的电流，在电流从电抗器流向电解电容器时进行使MOSFET导通的控制。然而，在上述以往的功率因数调整电路中，在因由MOSFET的短路故障或者噪声等引起的误动作而在上述的控制以外的时机MOSFET成为导通的情况下，过电流流向内部的部件。因此，在具备上述以往的功率因数调整电路的电力转换装置中，为了防止由过电流引起的半导体开关元件等的故障或者电抗器等的异常过热，即为了保护内部的部件而需要另外设置保护电路。因此，具备上述以往的功率因数调整电路的电力转换装置存在部件件数增大、基板尺寸扩大而导致装置大型化的问题。
发明内容
本发明是鉴于上述问题所做出的，目的在于获得一种能够抑制使用部件的增加并且保护内部的部件的电力转换装置。
为了解决上述的课题并实现目的，本发明的电力转换装置具备：整流器，其将交流电压转换为直流电压；和电容器，其与整流器并联连接。另外，电力转换装置具备多个斩波电路，该斩波电路设置于整流器与电容器之间，并分别具有：与整流器的正极侧的输出端子连接的电抗器、与整流器并联连接的第一开关元件、以及一端与电容器的正极侧的端子连接并且另一端与电抗器及第一开关元件连接的第二开关元件。另外，电力转换装置具备第一电流检测部，该第一电流检测部设置于电抗器、与配设于第一开关元件和第二开关元件之间的连接点之间，并在两个方向上检测在电抗器流动的电流。另外，电力转换装置的特征在于，具备控制部，该控制部使用第一电流检测部的检测结果来控制第一开关元件的动作。
本发明的电力转换装置发挥能够抑制使用部件的增加并且保护内部的部件的效果。
附图说明
图1是表示实施方式1的电力转换装置的构成例的图。
图2是表示在实施方式1的电力转换装置中在平常时向控制部输入的各检测值和从控制部输出的驱动信号的例子的图。
图3是表示在实施方式1的电力转换装置中第二MOSFET因误动作而成为导通状态时的动作的图。
图4是表示实施方式1的电力转换装置的电流检测部的动作的流程图。
图5是表示实施方式1的电力转换装置的控制部的动作的流程图。
图6是表示实施方式2的电力转换装置的构成例的图。
图7是表示在实施方式2的电力转换装置中第二MOSFET因误动作而成为导通状态时的动作的图。
图8是表示实施方式2的电力转换装置的电流检测部的异常检测方法的图。
图9是表示实施方式2的电力转换装置的电流检测部的动作的流程图。
图10是表示实施方式2的电力转换装置的控制部的动作的流程图。
具体实施方式
以下，基于附图对本发明的实施方式的电力转换装置进行详细地说明。另外本发明不限定于该实施方式。
实施方式1.
图1是表示本发明的实施方式1的电力转换装置200的构成例的图。如图1所示，实施方式1的电力转换装置200具备：单相全波整流部2、电抗器31、32、第一MOSFET41、51、第二MOSFET42、52、电解电容器6、电压检测部7、电流检测部81、82以及控制部9。电力转换装置200将从单相交流电源1供给的交流电压转换为直流电压，改善直流电压的功率因数，并将功率因数改善后的直流电压向输出负载10供给。在图1中，与电力转换装置200一起也图示出与电力转换装置200连接的单相交流电源1和输出负载10。
单相全波整流部2是将从单相交流电源1输出的交流电压整流并转换为直流电压的整流器。单相全波整流部2具有未图示的正极侧的输出端子和负极侧的输出端子。
由电抗器31、第一MOSFET41以及第二MOSFET42构成第一斩波电路111。同样，由电抗器32、第一MOSFET51以及第二MOSFET52构成第二斩波电路112。第一斩波电路111和第二斩波电路112设置于单相全波整流部2与电解电容器6之间。第一斩波电路111、第二斩波电路112以及电解电容器6基于控制部9的控制，作为所谓的交错方式的功率因数改善电路进行动作。因此，第一MOSFET41和第一MOSFET51以错开180度的相位被驱动。第一MOSFET41和第一MOSFET51分别是在功率因数改善电路中通过交错方式驱动的第一开关元件。第二MOSFET42和第二MOSFET52分别是在功率因数改善电路中作为防回流元件发挥功能的第二开关元件。另外，有时将第一斩波电路111和第二斩波电路112统一简称为斩波电路。
电抗器31的一端与单相全波整流部2的正极侧的输出端子连接，另一端与电流检测部81连接。电抗器32的一端与单相全波整流部2的正极侧的输出端子连接，另一端与电流检测部82连接。
第一MOSFET41的一端经由电流检测部81与电抗器31连接，另一端与单相全波整流部2的负极侧的输出端子连接。第一MOSFET51的一端经由电流检测部82而与电抗器32连接，另一端与单相全波整流部2的负极侧的输出端子连接。第一MOSFET41、51与单相全波整流部2并联连接。第二MOSFET42的一端与电解电容器6连接，另一端经由电流检测部81而与电抗器31连接。第二MOSFET52的一端与电解电容器6连接，另一端经由电流检测部82而与电抗器32连接。第一MOSFET41与第二MOSFET42串联连接，第一MOSFET41的一端与第二MOSFET42的另一端在连接点121处连接。第一MOSFET51与第二MOSFET52串联连接，第一MOSFET51的一端与第二MOSFET52的另一端在连接点122处连接。
另外，将第一MOSFET41、51统一作为第一MOSFET部101。同样，将第二MOSFET42、52统一作为第二MOSFET部102。另外，有时将第一MOSFET41、51和第二MOSFET42、52统一简称为MOSFET。
作为电容器的一个例子的电解电容器6具有正极侧的端子和负极侧的端子，正极侧的端子与第二MOSFET42、52各自的一端连接，负极侧的端子与单相全波整流部2的负极侧的输出端子连接。电解电容器6与单相全波整流部2并联连接，并将从上述的斩波电路输出的直流电压平滑化。电压检测部7检测电解电容器6的端子间的直流电压。
电流检测部81设置于电抗器31与连接点121之间，在两个方向上检测在电抗器31中流动的电流。两个方向的电流是从电抗器31向第二MOSFET42的方向流动的电流、和从第二MOSFET42向电抗器31的方向流动的电流。电流检测部82设置于电抗器32与连接点122之间，在两个方向上检测在电抗器32中流动的电流。两个方向的电流是从电抗器32向第二MOSFET52的方向流动的电流、和从第二MOSFET52向电抗器32的方向流动的电流。另外，将电流检测部81、82统一作为第一电流检测部80。
控制部9取得电压检测部7和电流检测部81、82的检测结果，即取得作为由电压检测部7检测出的检测值的直流电压值、和作为由电流检测部81、82检测出的检测值的电流值。控制部9是使用取得的检测结果来控制第一MOSFET部101和第二MOSFET部102的动作具体而言第一MOSFET41、51和第二MOSFET42、52的导通和断开的微型控制器。
接下来，对电力转换装置200的动作进行说明。首先，对在电力转换装置200中没有发生故障的平常时的动作进行说明。图2是表示在实施方式1的电力转换装置200中在平常时向控制部9输入的各检测值和从控制部9输出的驱动信号的例子的图。控制部9对第一MOSFET41、51和第二MOSFET42、52进行开关控制，以使由电压检测部7检测的直流电压值成为目标电压。具体而言，控制部9在tON期间输出驱动信号，将第一MOSFET41导通并将第二MOSFET42断开，从而使电抗器31积蓄电荷。控制部9在下一个tON期间，将第一MOSFET41断开，输出驱动信号并将第二MOSFET42导通，从而将积蓄至电抗器31的电荷向电解电容器6充电。控制部9根据电压检测部7的检测值，变更上述的期间的长度，并反复进行上述处理，由此控制为电压检测部7的检测值即向输出负载10输出的直流电压成为目标电压。
控制部9在平常时对第一MOSFET51和第二MOSFET52也进行交互导通的控制。控制部9在导通第一MOSFET51期间，断开第二MOSFET52，在导通第二MOSFET52期间，断开第一MOSFET51。另外，控制部9使导通第一MOSFET41期间与导通第一MOSFET51期间为不同的期间。如后述那样，在斩波电路的数量为三个以上的情况下，也为相同的控制。在电力转换装置200中，在电抗器31、32中流动的电流Ip的方向是从电抗器31、32朝向电解电容器6的一个方向。因此在平常动作时，电流检测部81、82仅检测从电抗器31、32向电解电容器6的一个方向流动的电流Ip，并将检测值向控制部9输出。控制部9将从电流检测部81、82取得的检测结果、即在电流检测部81、82中流动的电流值用于第一MOSFET41、51和第二MOSFET42、52的动作的控制。
接着，在电力转换装置200中，作为一个例子，对一个MOSFET因故障或者噪声等的影响而进行误动作而变为导通状态时的动作进行说明。图3是表示在实施方式1的电力转换装置200中第二MOSFET42因误动作而变为导通状态时的动作的图。在图3中为了使记载简洁而省略了表示第一斩波电路111和第二斩波电路112的虚线。
在电力转换装置200中，在第二MOSFET42由于误动作而成为导通状态时，若第一MOSFET51变为导通状态，则用图3的虚线的箭头表示的那样的电流流动。此时，电流检测部81检测在图2所示的平常动作时不产生的逆向的电流，即检测从第二MOSFET42流向电抗器31的电流。在检测到与平常动作时相反的方向的电流的情况下，电流检测部81判定为在电力转换装置200中发生了异常动作。电流检测部81对控制部9输出表示已检测到电力转换装置200的异常这一情况的第一异常检测信号。控制部9若取得第一异常检测信号，则进行使第一MOSFET41、51的动作停止的控制。
同样，在第二MOSFET52由于误动作而成为导通状态时，若第一MOSFET41变为导通状态，则电流检测部82检测从第二MOSFET52流向电抗器32的电流。在检测到与平常动作时相反的方向的电流的情况下，电流检测部82判定为在电力转换装置200中发生了异常动作。电流检测部82对控制部9输出第一异常检测信号。控制部9若取得第一异常检测信号，则进行使第一MOSFET41、51的动作停止的控制。
图4是表示实施方式1的电力转换装置200的电流检测部81、82的动作的流程图。电流检测部81、82的动作相同，因此以电流检测部81为例进行说明。电流检测部81检测在电抗器31与第二MOSFET42之间流动的电流(步骤S1)。在未检测到从第二MOSFET42流向电抗器31的电流的情况下(步骤S2：否)，电流检测部81返回至步骤S1并继续进行电流的检测。在检测到从第二MOSFET42流向电抗器31的电流的情况下(步骤S2：是)，电流检测部81对控制部9输出第一异常检测信号(步骤S3)。
图5是表示实施方式1的电力转换装置200的控制部9的动作的流程图。在从电流检测部81或者电流检测部82未取得第一异常检测信号的情况下(步骤S11：否)，控制部9继续进行平常时的动作(步骤S12)，并返回至步骤S11。在从电流检测部81或者电流检测部82取得了第一异常检测信号的情况下(步骤S11：是)，控制部9进行使第一MOSFET41、51的动作停止的控制(步骤S13)。
另外，在构成MOSFET的二极管中现在一般使用将硅(Si)作为材料的半导体是主流。然而，也可以代替硅而使用将碳化硅(SiC)、氮化镓(GaN)、金刚石等作为材料的宽禁带半导体。
由这样的宽禁带半导体形成的MOSFET的耐电压性高，允许电流密度也高。因此，能够实现MOSFET的小型化，通过使用这些小型化后的MOSFET，能够实现组装了这些元件的半导体模块的小型化。另外，由这样的宽禁带半导体形成的MOSFET的耐热性也高。因此，能够实现散热用部件的小型化，因此能够实现半导体模块的进一步的小型化。此外，由这样的宽禁带半导体形成的MOSFET的电力损失低。因此，能够实现MOSFET的高效率化，进而能够实现半导体模块的高效率化。另外，能够实现在高频率的开关，因此能够使高频率的电流向输出负载10流动。另外，优选MOSFET双方由宽禁带半导体形成，但也可以是任意一个元件由宽禁带半导体形成，都能够获得在该实施方式中记载的效果。
如以上说明的那样，根据本实施方式，在电力转换装置200中，电流检测部81、82若根据电流流动的方向检测到第二MOSFET42、52的异常，则对控制部9输出第一异常检测信号，并且控制部9使第一MOSFET41、51的动作停止。由此，能够抑制过电流在电力转换装置200中流动。在具备功率因数改善电路的一般的电力转换装置中，使用与整流电路的负极侧的输出端子连接的电流检测器来检测在第一MOSFET41、51中流动的电流，并在平常时的控制中使用该检测值。在本实施方式中，通过在电抗器31与第二MOSFET42之间、以及电抗器32与第二MOSFET52之间分别设置电流检测部81、82，从而能够兼作用于平常时的电流测量的电流检测部和用于免受过电流影响的保护的电流检测部。即，电流检测部81、82兼有一般的电力转换装置中的电流检测部的功能、和保护电路的功能。由此，电力转换装置200能够防止由过电流引起的电抗器31、32的异常发热，并且能够防止第一MOSFET41、51的故障。这样，电力转换装置200能够抑制使用部件的增加，并且能够在过电流产生时保护内部的部件。另外，电力转换装置200能够抑制由部件件数的增大引起的成本的增大。
另外，在实施方式1中，电流检测部81、82判定有无异常动作的发生，在判定为发生了异常动作的情况下，将第一异常检测信号向控制部9输出，并且控制部9根据有无取得第一异常检测信号来进行控制，但并不限定于此。也可以构成为：电流检测部81、82将电流值和电流流动的方向的检测结果向控制部9输出，并且控制部9基于从电流检测部81、82取得的检测结果，判定有无发生异常动作。
另外，在实施方式1中，对具有两个斩波电路的电力转换装置200进行了说明，但这是一个例子，斩波电路的数量也可以是三个以上。在该情况下，电力转换装置200在每个斩波电路具备电流检测部，该电流检测部具有与电流检测部81、82相同的功能。
实施方式2.
在实施方式1中对第二MOSFET由于误动作而导通并且不同的斩波电路的第一MOSFET导通的情况下的动作进行了说明。在实施方式2中对第二MOSFET由于误动作而导通并且相同的斩波电路内的第一MOSFET导通的情况下的动作进行说明。对与实施方式1不同的部分进行说明。
图6是表示实施方式2的电力转换装置200a的构成例的图。如图6所示，实施方式2的电力转换装置200a相对于图1所示的实施方式1的电力转换装置200增加了电流检测部11。电流检测部11是设置于第一MOSFET41、51的另一端与单相全波整流部2的负极侧的输出端子之间，并检测从第一MOSFET41、51输出的电流的第二电流检测部。另外，对于电流检测部11，可以通过一个结构来检测与第一MOSFET41、51两个对应的电流，也可以是在每个第一MOSFET即在每个斩波电路具备专用的电流检测部的结构。
接下来，在电力转换装置200a中，作为一个例子对一个MOSFET由于故障或者噪声等的影响而进行误动作并成为导通状态时的动作进行说明。图7是表示在实施方式2的电力转换装置200a中第二MOSFET42由于误动作而成为导通状态时的动作的图。在图7中为了使记载简洁，省略了表示第一斩波电路111和第二斩波电路112的虚线。
在电力转换装置200a中，在第二MOSFET42由于误动作而成为导通状态时，若第一MOSFET41成为导通状态，则用图7的虚线的箭头表示的那样的电流流动。该电流不向电流检测部81、82流动，而从第二MOSFET42向第一MOSFET41流动。此时，比从第一MOSFET41在平常动作时流动的电流大的电流向电流检测部11流动。在检测到比平常动作时大的电流的情况下，电流检测部11判定为在电力转换装置200a中发生了异常动作。图8是表示实施方式2的电力转换装置200a的电流检测部11的异常检测方法的图。电流检测部11将大于从第一MOSFET41在平常动作时输出的电流的最大值并且小于MOSFET达到破损的电流水平的值设定为输出第二异常检测信号的水平即阈值。在从第一MOSFET41输出的电流的电流值超过了阈值的情况下，电流检测部11对控制部9输出表示检测到电力转换装置200a的异常的第二异常检测信号。控制部9若取得第二异常检测信号，则进行使第一MOSFET41、51的动作停止的控制。
同样，在第二MOSFET52由于误动作而成为导通状态时，若第一MOSFET51变为导通状态，则电流检测部11检测比平常动作时大的电流。在检测到超过阈值的电流的情况下，电流检测部11判定为在电力转换装置200a中发生了异常动作。电流检测部11对控制部9输出第二异常检测信号。控制部9若取得第二异常检测信号，则进行使第一MOSFET41、51的动作停止的控制。
图9是表示实施方式2的电力转换装置200a的电流检测部11的动作的流程图。电流检测部11检测从第一MOSFET41、51输出的电流(步骤S21)。在从第一MOSFET41、51输出的电流的电流值为阈值以下的情况下(步骤S22：否)，电流检测部11返回至步骤S21继续进行电流的检测。在从第一MOSFET41、51输出的电流的电流值大于阈值的情况下(步骤S22：是)，电流检测部11对控制部9输出第二异常检测信号(步骤S23)。
图10是表示实施方式2的电力转换装置200a的控制部9的动作的流程图。在从电流检测部11未取得第二异常检测信号的情况下(步骤S31：否)，控制部9继续进行平常时的动作(步骤S32)，并返回至步骤S31。在从电流检测部11取得了第二异常检测信号的情况下(步骤S31：是)，控制部9进行使第一MOSFET41、51的动作停止的控制(步骤S33)。
如以上说明的那样，根据本实施方式，在电力转换装置200a中，在第二MOSFET42由于异常而成为导通状态并且第一MOSFET41成为导通的情况下，或者在第二MOSFET52由于异常而成为导通状态并且第一MOSFET51成为导通的情况下，若电流检测部11检测到比平常动作时流动的电流值大的电流值即过电流，则对控制部9输出第二异常检测信号，并且控制部9使第一MOSFET41、51的动作停止。由此，电力转换装置200a能够在过电流产生时保护内部的部件。另外，电力转换装置200a与实施方式1的电力转换装置200相同，通过在电流检测部81、82中检测第二MOSFET42、52的异常，从而能够防止由过电流引起的电抗器31、32的异常发热，并且能够防止第一MOSFET41、51的故障。
另外，在实施方式2中，电流检测部11判定有无异常动作发生，在判定为发生了异常动作的情况下，将第二异常检测信号向控制部9输出，并且控制部9通过有无取得第二异常检测信号来进行控制，但并不限定于此。也可以构成为：电流检测部11将电流值的检测结果向控制部9输出，控制部9基于从电流检测部11取得的检测结果，判定有无异常动作发生。
另外，在实施方式2中，对具有两个斩波电路的电力转换装置200a进行了说明，但这是一个例子，斩波电路的数量也可以是三个以上。在该情况下，在电力转换装置200a中，电流检测部11检测从各斩波电路的第一MOSFET输出的电流。如上述那样，电流检测部11也可以是在每个第一MOSFET即在每个斩波电路具备专用的电流检测部的结构。
以上的实施方式所示的构成是表示本发明的内容的一个例子，也能够与其他公知的技术组合，在不脱离本发明的主旨的范围内，也能够省略、变更构成的一部分。
附图标记说明
1…单相交流电源；2…单相全波整流部；6…电解电容器；7…电压检测部；9…控制部；10…输出负载；11、81、82…电流检测部；31、32…电抗器；41、51…第一MOSFET；42、52…第二MOSFET；80…第一电流检测部；101…第一MOSFET部；102…第二MOSFET部；111…第一斩波电路；112…第二斩波电路；121、122…连接点。

Claims (6)

1.一种电力转换装置，其特征在于，具备：
整流器，其将交流电压转换为直流电压；
电容器，其与所述整流器并联连接；
多个斩波电路，它们设置于所述整流器与所述电容器之间，并分别具有：与所述整流器的正极侧的输出端子连接的电抗器、与所述整流器并联连接的第一开关元件、以及一端与所述电容器的正极侧的端子连接并且另一端与所述电抗器及所述第一开关元件连接的第二开关元件；
第一电流检测部，其设置于所述电抗器、与配设于所述第一开关元件与所述第二开关元件之间的连接点之间，并在两个方向上检测在所述电抗器流动的电流；以及
控制部，其使用所述第一电流检测部的检测结果，控制所述第一开关元件的动作。
2.根据权利要求1所述的电力转换装置，其特征在于，
在检测到从所述第二开关元件流向所述电抗器的电流的情况下，所述第一电流检测部将表示检测到所述电力转换装置的异常这一情况的第一异常检测信号向所述控制部输出，
在取得了所述第一异常检测信号的情况下，所述控制部使全部的所述第一开关元件的动作停止。
3.根据权利要求1或2所述的电力转换装置，其特征在于，
具备第二电流检测部，其设置于所述第一开关元件的另一端与所述整流器的负极侧的输出端子之间，并检测从所述第一开关元件输出的电流。
4.根据权利要求3所述的电力转换装置，其特征在于，
在从所述第一开关元件流出的电流的电流值超过了阈值的情况下，所述第二电流检测部将表示检测到所述电力转换装置的异常这一情况的第二异常检测信号向所述控制部输出，
所述控制部在取得了所述第二异常检测信号的情况下，使全部的所述第一开关元件的动作停止。
5.根据权利要求1～4中的任一项所述的电力转换装置，其特征在于，
由宽禁带半导体形成构成所述第一开关元件和所述第二开关元件的二极管。
6.根据权利要求5所述的电力转换装置，其特征在于，所述宽禁带半导体是碳化硅、氮化镓或者金刚石。
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