CN112134256B - 电力转换装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种电力转换装置，能够避免一部分开关元件承载全部电压。其具备：多个开关元件，在各臂内串联连接；多个栅极电路，与多个开关元件分别对应地设置；以及切断信号生成电路，能够与多个栅极电路进行通信，多个栅极电路分别构成为，在对应的开关元件中流动了短路电流的情况下，检测出该短路电流，并将短路信号发送到切断信号生成电路，在接收到从切断信号生成电路发送的切断信号时，切断在对应的开关元件中流动的短路电流，切断信号生成电路构成为，能够接收从多个栅极电路输出的各个短路信号，在接收到来自多个栅极电路中的任意一个栅极电路的短路信号的情况下，对多个栅极电路分别同时发送切断信号。

Description

电力转换装置
技术领域
本发明实施方式涉及一种电力转换装置。
背景技术
近年来，各臂由多个半导体开关元件被串联连接而成的串联电路构成的高电压的电力转换装置的使用正在增加。
作为这种技术，存在日本专利公报、日本专利第4901083号公报(以下，称作专利文献1)。
在由于串联连接的一部分开关元件的故障而产生了短路电流的情况下，当串联连接的各个开关元件独立地检测短路电流并进行电流切断时，先切断的开关元件承载全部电压，有可能导致元件雪崩式破坏。
发明内容
本发明要解决的课题在于提供一种电力转换装置，在串联连接的开关元件中流动了短路电流的情况下，能够切断短路电流以免一部分开关元件承载全部电压。
实施方式的电力转换装置具备：多个开关元件，在各臂内串联连接；多个栅极电路，与上述多个开关元件分别对应地设置；以及切断信号生成电路，能够与上述多个栅极电路进行通信，上述多个栅极电路分别构成为，在对应的开关元件中流动了短路电流的情况下，检测出该短路电流并将短路信号发送到上述切断信号生成电路，且构成为，在接收到从上述切断信号生成电路发送的切断信号时，切断在上述对应的开关元件中流动的短路电流，上述切断信号生成电路构成为，能够接收从上述多个栅极电路输出的各个短路信号，在接收到来自上述多个栅极电路中的任意一个栅极电路的短路信号的情况下，对上述多个栅极电路分别同时发送切断信号。
根据本发明，在串联连接的开关元件中流动了短路电流的情况下，能够切断短路电流以免一部分开关元件承载全部电压。
附图说明
图1是表示第1实施方式的电力转换装置的一部分构成的图。
图2是表示图1的构成的变形例的图。
图3表示短路保护动作的一例的时序图。
图4是表示第2实施方式的电力转换装置的一部分构成的图。
图5是表示第3实施方式的电力转换装置的一部分构成的图。
图6是表示第4实施方式的电力转换装置的一部分构成的图。
图7是表示第5实施方式的电力转换装置的一部分构成的图。
符号的说明
1～4：开关元件；11～14：栅极电路；11’：栅极电路(主基板)；20：短路保护电路；31：电压检测电路；32：短路检测电路；33：栅极信号产生电路；34：过电压防止电路；35：电流检测器；41：短路信号汇集切断信号生成电路；50：无线通信路径。
具体实施方式
以下，参照附图对实施方式进行说明。
(第1实施方式)
首先，参照图1至图3对第1实施方式进行说明。
图1是表示第1实施方式的电力转换装置的一部分构成的图。
本实施方式的电力转换装置是将电力从直流转换成交流的设备，除了具备在臂内串联连接的多个半导体开关元件1～4(以下，称作“开关元件1～4”)之外，还具备与这些开关元件1～4分别对应地设置的多个栅极电路11～14、以及搭载有能够与这些栅极电路11～14进行通信的一个短路信号汇集切断信号生成电路41(以下，称作“切断信号生成电路41”)的短路保护电路20。
另外，在图1中，例示了开关元件的数量以及栅极电路的数量分别为4个的情况，但并不限定于该例子。例如，也可以设置与该例子相比为更多数量的开关元件和栅极电路。
开关元件1～4分别例如由高耐压的IEGT(Injection Enhanced GateTransistor)构成。但是，并不限定于该例子。
栅极电路11～14分别构成为，在对应的开关元件中流动了短路电流的情况下，检测该短路电流，并将表示检测到短路电流的情况的短路电流检测信号(以下，称作“短路信号”)发送到切断信号生成电路41，且构成为，在从切断信号生成电路41接收到指示切断短路电流的短路电流切断指令信号(以下，称作“切断信号”)时，进行将在上述对应的开关元件中流动的短路电流切断的处理。
切断信号生成电路41是进行从栅极电路11～14输出的各个短路信号的汇集以及切断信号向栅极电路11～14的一并输出的电路。更具体而言，切断信号生成电路41构成为，能够接收从栅极电路11～14输出的各个短路信号，且构成为，在接收到来自栅极电路11～14中的任意一个栅极电路的短路信号的情况下，对栅极电路11～14分别同时发送切断信号。
栅极电路11包括电压检测电路31、短路检测电路32以及栅极信号产生电路33。另外，在图1中，省略了栅极电路12～14的详细构成的图示，但栅极电路12～14也分别包括与栅极电路11所具备的电压检测电路31、短路检测电路32以及栅极信号产生电路33相同的电路。
电压检测电路31检测对应的开关元件的集电极-发射极间电压(Vce)，并输出表示Vce的检测结果的电压信息。
短路检测电路32基于从电压检测电路31输出的电压信息(Vce的信息)，在对应的开关元件中流动了短路电流的情况下，检测该短路电流，并向切断信号生成电路41输出短路信号。在由于元件故障而产生短路时，流动大电流，根据元件的特性，尽管该元件处于接通状态，该元件的两端电压也上升，因此通过监视该电压，能够检测出短路电流。
栅极信号产生电路33产生用于对上述对应的开关元件的栅极进行控制的栅极信号，在接收到从切断信号生成电路41发送的切断信号时，进行用于将在上述对应的开关元件中流动的短路电流切断的信号操作。
从栅极电路11的短路检测电路32输出的短路信号，通过通信线T1输入到切断信号生成电路41。从栅极电路12的未图示的短路检测电路32输出的短路信号，通过通信线T2输入到切断信号生成电路41。从栅极电路13的未图示的短路检测电路32输出的短路信号，通过通信线T3输入到切断信号生成电路41。从栅极电路14的未图示的短路检测电路32输出的短路信号，通过通信线T4输入到切断信号生成电路41。
搭载有切断信号生成电路41的短路保护电路20，在每个臂仅设置有一个。
从切断信号生成电路41向栅极电路11输出的切断信号，通过通信线S1输入到栅极电路11的栅极信号产生电路33。从切断信号生成电路41向栅极电路12输出的切断信号，通过通信线S2输入到栅极电路12的未图示的栅极信号产生电路33。从切断信号生成电路41向栅极电路13输出的切断信号，通过通信线S3输入到栅极电路13的未图示的栅极信号产生电路33。从切断信号生成电路41向栅极电路14输出的切断信号，通过通信线S4输入到栅极电路14的未图示的栅极信号产生电路33。
另外，在本实施方式中，例示了为了检测在各开关元件中流动的短路电流而使用该开关元件的集电极-发射极间电压(Vce)的信息的情况，但并不限定于该例子。短路电流的检测也能够使用上述Vce以外的信息(例如，将对应的开关元件的栅极电流(Ig)进行积分而得到的栅极电荷(Qq)的信息、栅极-发射极间电压(Vge)的信息、或者在各个开关元件所构成的一个臂中流动的臂电流的信息等)来实现。
在图1的构成中，考虑在开关元件1～4所构成的臂中流动了短路电流的情况。在该情况下，在与开关元件1～4分别对应的栅极电路11～14中，各个电压检测电路31分别检测出在对应的开关元件中流动的短路电流，但并不限于分别同时检测出短路电流。例如，存在首先检测出在开关元件1中流动的短路电流，然后依次检测出在开关元件2、3、4各自中流动的短路电流等，各个电压检测电路31分别在不同定时检测出短路电流的情况。在这种情况下，例如，会存在从栅极电路11的电压检测电路31输出的短路信号最先被输入到切断信号生成电路41，然后，从栅极电路12、13、14各自的电压检测电路31输出的短路信号依次被输入到切断信号生成电路41的情况。
切断信号生成电路41为，即使在不同定时接收到从栅极电路11～14输出的各个短路电流的情况下，也不会在不同定时对各个栅极电路11～14送出切断信号，而是在相同定时一并送出。
由此，栅极电路11～14的各个栅极信号产生电路33在相同定时输入切断信号，为了在相同定时进行对应的开关元件的电流切断而使栅极信号降低。在该情况下，各栅极信号产生电路33使栅极信号以规定的速度降低，以使对应的开关元件不会急剧地从栅极接通状态成为栅极断开状态，而是逐渐从栅极接通状态向栅极断开状态转移。开关元件1～4分别同时成为栅极断开状态，当电流被切断时，Vce成为正常电压电平。
通过如图1那样构成电力转换装置，由此当在串联连接的开关元件1～4中流动了短路电流的情况下，能够切断短路电流以免一部分开关元件承载全部电压。
此处，图2表示图1的构成的变形例。图2的构成为，在图1的构成中栅极电路11～14分别还具备过电压防止电路34。但是，该过电压防止电路34不是必须的要素，可以根据需要来设置。
栅极电路11～14分别具备的过电压防止电路34具有如下功能：在将在对应的开关元件中流动的短路电流切断了的情况下，抑制该开关元件的Vce上升。更具体而言，过电压防止电路34具有如下功能：在将在对应的开关元件中流动的短路电流切断的过程中，在该开关元件Vce超过预先确定的阈值(过电压防止动作阈值)的情况下，向栅极信号产生电路33发送电压调整指令(软切断指令)，该电压调整指令指示使该开关元件的Vce以更慢的速度降低。在该电压调整指令被输入到栅极信号产生电路33的情况下，在一定期间中，栅极信号产生电路33使下降过程中的栅极信号的电平的降低进一步变慢。由此，能够抑制由于浪涌电压而引起的电压上升，并且能够使对应的开关元件向栅极断开状态转移。
通过如图2那样构成电力转换装置，由此即使在某个开关元件可能成为过电压的状况下，也能够抑制其电压的上升。
此处，参照图3的时序图对本实施方式的电力转换装置进行的短路保护动作的一例进行说明。在本例中，以图2的构成为例对其动作进行说明。另外，此处，着眼于栅极电路11～14中的一个栅极电路(例如栅极电路11)与切断信号生成电路41之间的关系进行说明。
在本例中，虽然不会为了检测短路电流而使用臂电流的信息(电流信息)，但为了使动作容易理解而一并对电流信息进行说明。
例如，在栅极电路11中，栅极信号产生电路33对开关元件1的栅极赋予使“栅极电压(Vge)＝0”的栅极信号，开关元件1处于栅极断开状态。此时，在臂中不流动电流，电流信息示出“臂电流＝0”的状态。另外，从电压检测电路31输出的电压信息示出“Vce＝一定值(断开时正常电压电平)”。另外，短路信号以及切断信号处于断开的状态，电压调整指令也处于断开的状态。
当栅极电路11的栅极信号产生电路33的栅极信号使对应的开关元件1例如在时刻t1成为栅极接通状态时，电压信息所示的Vce降低到规定的电平。此时，如符号P1所示，电流信息所示的臂电流开始上升。电压信息所示的Vce在一段时间内持续维持了规定电平的状态。电流信息所示的臂电流最终达到饱和状态。
当电压信息所示的Vce例如在时刻t2超过预先确定的阈值(短路检测阈值)，视为在开关元件1中产生了短路电流，从短路检测电路32向切断信号生成电路41发送短路信号。在栅极电路12～14中也延迟地产生与该栅极电路11相同的动作。
当在时刻t2检测出短路电流之后，如符号P2所示，例如在时刻t3来自栅极电路11的短路信号首先被输入到切断信号生成电路41，同时从切断信号生成电路41对各个栅极电路11～14一并发送切断信号。这些切断信号被输入到栅极电路11～14各自的栅极信号产生电路33。
当在时刻t3切断信号被输入到栅极电路11～14各自的栅极信号产生电路33时，如符号P3所示，通过各栅极信号产生电路33使对应的开关元件的栅极信号以规定的速度降低，对应的开关元件逐渐从栅极接通状态向栅极断开状态转移。
此处，例如，考虑在电压信息所示的Vce开始上升的同时，电流信息所示的臂电流下降的情况。
例如，当在时刻t4电压信息所示的Vce超过预先确定的阈值(过电压防止动作阈值)的情况下，通过过电压防止电路34检测到该情况。在该情况下，如符号P4所示，例如，在时刻t5从过电压防止电路34向栅极信号产生电路33发送电压调整指令(软切断指令)，该电压调整指令指示使对应的开关元件的Vce以更慢的速度降低。
当该电压调整指令被输入到栅极信号产生电路33时，同时，如符号P5所示，下降过程中的栅极信号的电平的降低在一定期间中，通过栅极信号产生电路33的操作而进一步变慢。与此相伴，电流信息所示的臂电流的下降也进一步变慢。
由此，能够抑制由于浪涌电压而引起的电压上升，并且对应的开关元件缓慢地向栅极断开状态转移。
当从时刻t5经过一定期间时，例如，在时刻t6停止电压调整指令的送出，如符号P6所示，对应的开关元件的栅极信号通过栅极信号产生电路33而再次以原来的规定速度降低，对应的开关元件逐渐从栅极接通状态向栅极断开状态转移。
最终，开关元件1～4分别同时成为栅极断开状态，当电流被切断时，电压信息所示的Vce成为正常电压电平。
根据第一实施方式，通过采用图1的构成，在串联连接的开关元件1～4中流动了短路电流的情况下，能够切断短路电流以免一部分开关元件承载全部电压。另外，通过采用图2的构成，即使在某个开关元件可能成为过电压的状况下，也能够抑制其电压的上升。
另外，在本实施方式中构成为，为了检测在各开关元件中流动的短路电流，而使用由电压检测电路31检测到的Vce的信息，因此，如图2所示，能够将该Vce的信息直接输入到过电压防止电路34而进行应用以防止过电压，能够以简单的构成防止过电压。
(第2实施方式)
接着，参照图4对第2实施方式进行说明。也适当参照在上述说明中使用了的图1至图3。以下，省略与第1实施方式的图2的构成重复的部分的说明，以不同的部分为中心进行说明。
图4是表示第2实施方式的电力转换装置的一部分构成的图。
在上述第一实施方式的图2的构成中，例示了切断信号生成电路41搭载于相对于栅极电路11～14独立的一个短路保护电路20的情况，但在该第2实施方式中，切断信号生成电路41搭载于栅极电路11～14中的一个栅极电路。此处，例如，假设在上述图2的栅极电路11中搭载切断信号生成电路41，将该栅极电路称作代表栅极电路11’。将代表栅极电路11’的基板定位为主基板，在该主基板上搭载电路组31～33以及切断信号生成电路41。
其他的构成、动作与第一实施方式的情况相同。
根据第2实施方式，由于不需要短路保护电路20，因此也不需要设置用于装载短路保护电路20的基板，能够抑制电路的设置面积增大、制造成本增大。
(第3实施方式)
接着，参照图5对第3实施方式进行说明。也适当参照在上述说明中使用了的图1至图4。以下，省略与第2实施方式的图4的构成重复的部分的说明，以不同的部分为中心进行说明。
图5是表示第3实施方式的电力转换装置的一部分构成的图。
该第3实施方式与上述第2实施方式的图4的构成的不同点在于，将切断信号生成电路41与栅极电路12～14进行连接的通信线的构成。
在第3实施方式中，铺设有从切断信号生成电路41依次经由代表栅极电路11’以外的栅极电路12～14而到达切断信号生成电路41的、形成环状的菊花链(daisy chain)的通信线C1、C2、C3、C4。
从栅极电路12的未图示的短路检测电路32输出的短路信号，通过通信线C2、C3、C4输入到切断信号生成电路41。从栅极电路13的未图示的短路检测电路32输出的短路信号，通过通信线C3、C4输入到切断信号生成电路41。从栅极电路14的未图示的短路检测电路32输出的短路信号，通过通信线C4输入到切断信号生成电路41。
从切断信号生成电路41向栅极电路12～14输出的切断信号，通过通信线C1输入到栅极电路12的未图示的栅极信号产生电路33，接着，通过通信线C2输入到栅极电路13的未图示的栅极信号产生电路33，接着，通过通信线C3输入到栅极电路14的未图示的栅极信号产生电路33。
如果在上述构成中在切断信号向栅极电路12～14的到达时刻产生一定以上的时间差的情况下，则优选对栅极电路12～14中的未图示的栅极信号产生电路33的响应速度进行调整等，以便在各开关元件中同时进行短路信号切断。
其他的构成、动作与第2实施方式的情况相同。
根据第3实施方式，能够减少通信线，还能够减少用于铺设通信线的面积、成本。
(第4实施方式)
接着，参照图6对第4实施方式进行说明。也适当参照在上述说明中使用了的图1至图5。以下，省略与第1实施方式的图2的构成重复的部分的说明，以不同的部分为中心进行说明。
图6是表示第4实施方式的电力转换装置的一部分构成的图。
该第4实施方式与上述第1实施方式的图2的构成的不同点在于，在将切断信号生成电路41与栅极电路11～14进行连接的通信线T1～T4、S1～S4上分别设置有无线通信路径50。
切断信号生成电路41与栅极电路11～14的各自，通过无线通信路径50传送短路信号或切断信号。
其他的构成、动作与第一实施方式的情况相同。
根据第4实施方式，能够通过无线通信路径50进行通信的连接状态/非连接状态的切换，因此制造、组装时、维护时的操作性提高。例如，在现场设置电力转换装置之前，能够在工厂等制造切断信号生成电路41而进行试验，并搬运到现场而组装到电力转换装置中。另外，在维护等时，也能够将包括切断信号生成电路41的短路保护电路20从电力转换装置拆卸而进行单体试验等。
(第5实施方式)
接着，参照图7对第5实施方式进行说明。也适当参照在上述说明中使用了的图1至图6。以下，省略与第1实施方式的图2的构成重复的部分的说明，以不同的部分为中心进行说明。
图7是表示第5实施方式的电力转换装置的一部分构成的图。
该第5实施方式与上述第一实施方式的图2的构成的不同点在于，电力转换装置还具备按照每个臂而设置在将开关元件1～4串联连接的多条线中的任意一条线上(例如设置在将开关元件1与开关元件2进行连接的线上)的一个或多个电流检测器35，短路检测电路32为了检测短路电流，不使用表示电压检测电路31对电压的检测结果的“电压信息”，而使用电流检测器35对电流的检测结果、即“电流信息”。
即，栅极电路11～14分别具备的短路检测电路32，基于电流检测器35对电流的检测结果、即“电流信息”，在对应的开关元件中流动了短路电流的情况下，检测该短路电流，并朝向切断信号生成电路41输出短路信号。例如，当电流信息所示的电流值超过预先确定的阈值(短路检测阈值)时，视为在对应的开关元件中产生了短路电流，从短路检测电路32向切断信号生成电路41发送短路信号。
其他的构成、动作与第一实施方式的情况相同。
根据第5实施方式，能够通过电流检测器35直接检测出在各开关元件中流动的电流，因此能够高精度且更迅速地检测出短路电流。
(其他)
在上述第5实施方式中例示了如下构成的情况：对于第一实施方式的图2的构成，设置电流检测器35，并且为了检测短路电流，短路检测电路32使用“电流信息”来代替“电压信息”。此外，也可以构成为，对于第2实施方式的图4的构成、第3实施方式的图5的构成、第4实施方式的图6的构成，设置电流检测器35，并且为了检测短路电流，短路检测电路32使用“电流信息”来代替“电压信息”。
如以上详细叙述的那样，根据各实施方式，在串联连接的开关元件中流动了短路电流的情况下，能够切断短路电流以免一部分开关元件承载全部电压。
对本发明的几个实施方式进行了说明，但是这些实施方式是作为例子而提示的，并不意图对发明的范围进行限定。这些新的实施方式能够以其他各种方式加以实施，在不脱离发明的主旨的范围内能够进行各种省略、置换、变更。这些实施方式及其变形包含于发明的范围及主旨中，并且包含于权利要求所记载的发明和与其等同的范围中。

Claims (4)

1.一种电力转换装置，具备：
多个开关元件，在各臂内串联连接；
多个栅极电路，与上述多个开关元件分别对应地设置；以及
切断信号生成电路，能够与上述多个栅极电路进行通信，
上述多个栅极电路分别构成为，在对应的开关元件中流动了短路电流的情况下，检测出在该开关元件中流动的短路电流，并将短路信号发送到上述切断信号生成电路，且构成为，在接收到从上述切断信号生成电路发送的切断信号时，将在上述对应的开关元件中流动的短路电流切断，
上述切断信号生成电路构成为，能够接收基于被检测出的在对应的上述开关元件中流动的短路电流而从上述多个栅极电路输出的各个短路信号，在接收到来自上述多个栅极电路中的任意一个栅极电路的、基于被检测出的在对应的上述开关元件中流动的短路电流而输出的短路信号的情况下，对上述多个栅极电路分别同时发送切断信号，以在相同定时进行对应的串联连接的上述多个开关元件的电流切断，
上述切断信号生成电路配置在上述多个栅极电路中的一个栅极电路即代表栅极电路的基板上，
上述电力转换装置还具备通信线，该通信线从上述切断信号生成电路依次经由上述代表栅极电路以外的多个栅极电路而到达上述切断信号生成电路，
上述切断信号生成电路与上述代表栅极电路以外的多个栅极电路分别通过上述通信线来传送短路信号或切断信号。
2.如权利要求1所述的电力转换装置，其中，
上述多个栅极电路分别还具备过电压防止电路，该过电压防止电路为，在将在对应的开关元件中流动的短路电流切断了的情况下，抑制该开关元件的集电极-发射极间电压上升。
3.如权利要求1或2所述的电力转换装置，其中，
上述多个栅极电路分别具备：
电压检测电路，检测对应的开关元件的集电极-发射极间电压；以及
短路检测电路，基于上述电压检测电路的检测结果，在对应的开关元件中流动了短路电流的情况下，检测出该短路电流，并将短路信号发送到上述切断信号生成电路。
4.如权利要求1或2所述的电力转换装置，其中，
还具备至少一个电流检测器，该电流检测器设置在将上述多个开关元件串联连接的多条线中的任意一条线上，
上述多个栅极电路分别具备短路检测电路，该短路检测电路基于上述电流检测器的检测结果，在对应的开关元件中流动了短路电流的情况下，检测出该短路电流，并将短路信号发送到上述切断信号生成电路。
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