CN1271983A - 电力变换器保护装置 - Google Patents
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Abstract
对于用到模块式半导体元件的电力变换器,可以防止电源短路事故时发生的模块式半导体元件开路损坏造成事故波及损害,以免随之而来的电力变换器成本升高或变换效率下降。在发生相短路的串联半导体元件端子间设置在模块式半导体元件开路损坏时产生弧光放电这种异常电压情况下穿通或击穿的半导体元件和熔断器的串联体,或设置由异常电压的检测器输出所触发的半导体开关元件和熔断器的串联体。
Description
本发明涉及一种用IGBT或功率晶体管等模块式半导体元件将直流变换为交流或进行其逆变换的电力变换器的保护装置。
近年来,电动车控制装置大多采用用到GTO、IGBT、功率晶体管等半导体开关元件的逆变器或变换器等电力变换器。这当中,采用用到IGBT或功率晶体管等模块式半导体开关元件的电力变换器(例如逆变器)的电动车,往往因该逆变器相短路等电源短路事故所产生的过大电流,造成模块内的焊锡连接部剥离,半导体开关元件形成开路故障。造成这种开路故障的相短路电流均达到几万至十几万安培,焊锡连接部开路时,外围器件随弧光放电而损坏,甚至形成火灾等事故波及损害问题。
以往,作为一种解决措施,例如日本专利公报特开平3-78432号所记载的那样,可在逆变器各相支路中接入高速熔断器。该高速熔断器,记载的是防止电源短路等造成元件损坏而引起模块元件外壁破裂的器件,利用高速熔断器连接使配线电感增加或此用途的减振设置。
上述现有技术可考虑到存在以下问题,需要某种通电容量的大容量高速熔断器,该熔断器成本相对较高,而且,熔断器本身的内部电感、其装配所用的配线电感增加,造成半导体开关元件减振加强、由此损耗增加,故而电力变换器成本升高、变换效率差。
本发明目的在于,鉴于上述问题,对用到模块式半导体元件的电力变换器,利用简单构成实现一种针对电源短路事故等引起上述模块式半导体元件开路损坏造成的事故波及损害的保护装置,防止电力变换器整体成本上升、变换效率下降。
本发明目的是这样达成的,即对于一种在直流电源两端作为1相的上下分支连接有串联连接的模块式半导体元件、该元件的串联连接点具有交流输出端子的电力变换器,设置一保护装置,其中,所述串联连接的模块式半导体元件的两端,并联连接着超过规定电压便击穿或穿通而处于导通状态的半导体元件和熔断器的串联体。
而且,上述发明目的是这样达成的,即对于一种在直流电源两端作为1相的上下分支连接有串联连接的模块式半导体元件、该元件的串联连接点具有交流输出端子的电力变换器,设置一保护装置,其中,所述串联连接的模块式半导体元件的两端,并联连接着因该模块式半导体元件过大电流便形成开路故障时的异常电压而受到触发控制的晶闸管元件和熔断器的串联体。
附图简要说明
图1是示意本发明一实施例模块式半导体元件电力变换器的保护装置的构成图。
图2是示意本发明另一实施例模块式半导体元件电力变换器的保护装置的构成图。
图3是示意本发明另一实施例模块式半导体元件电力变换器的保护装置的构成图。
图4是示意本发明另一实施例模块式半导体元件电力变换器的保护装置的构成图。
图1示出本发明一实施例用到模块式半导体元件的电力变换器的保护装置应用于2电平逆变式电动车的例子。
1是由未图示直流电源所连接的架线向电动车供电的导电弓架,2为断流器,3为下一级滤波电路的充电电阻(或限流电阻),4为高速断路器。5是上述滤波电路的电抗器,与后面提及的各相分别设置的电容器构成LC滤波器。6、7、8相应于靠未图示PWM控制电路对模块式半导体元件进行开关,由直流变换为2电平电位的3相交流或进行其逆变换的2电平3相逆变器以构成电力变换器的U相、V相、W相的各变换器,其具体电路在U相变换器6示出。
61、62是构成2电平逆变器上下分支的模块式半导体元件IGBT,63为按每一相分别配置的滤波电容器。该电容器63通常充电具有架线电压,成为U相变换器6的电源电压。该滤波电容器电压同样对于V相、W相分别为各自的电源电压。64、65是连接上述IGBT、滤波电容器构成变换器时产生的配线电感等。
这里,66、67是与本发明相关联部分,66是在规定电压下击穿或穿通而处于导通状态的半导体元件,67为熔断器。上述两者串联连接,该串联体与串联连接的IGBT61、62的两端并联连接。
而68是串联连接的IGBT61、62的连接点所连接的U相交流输出端子,和其他V相、W相交流输出端子78、88一起与作为逆变器负载的3相感应电动机(图中省略)连接。
如上所述构成的逆变式电动车中,由于例如噪声误动作、元件损坏等原因,U相变换器6的上下分支IGBT61、62均处于导通状态的话,便形成上述滤波电容器63短路这种电源短路事故。
但该U相滤波电容器63通过配线电感64、65与其他V相、W相连接。一般来说,各相配线电感较小,低于几μH,因此U相滤波电容器的电源短路,立即发展成V相、W相滤波电容器也短路的电源短路事故。因此,造成电源短路事故的U相上下支路IGBT61、62所流的电源短路电流,对于架线电压高的电动车均达到十几万至几十万安培,IGBT模块内的焊锡连接部剥落,该IGBT元件往往形成开路故障。而且,该焊锡连接部开路时伴有弧光放电,因而外围器件随情形有损坏,或形成火灾等事故波及损害方面的问题。因此,以往提出如上所述在逆变器各相分支中接入熔断器、防止元件损坏造成开路故障的方案,由于流过的是通常电流,因而熔断器需要有规定电流容量,成本升高,以及随着安装熔断器不得不由于配线电感增加而增强元件的减振,因此存在所发生的损耗增加等问题。本发明与上述现有例相同,并不能防止元件损坏造成的开路故障,而是防止该开路故障时所发生的弧光放电造成外围器件损坏或火灾等事故波及。
接下来说明图1实施例中发明部分的动作和作用。若U相上下支路的IGBT61、62由于噪声误动作等均处于导通状态的话,便如前文所述有十几万至几十万安培的电源短路电流流过,上述配线电感64、65等存储有基于电源短路电流的能量。而流过上述电源短路电流的IGBT61、62模块内,由于该过大电流产生的焦耳热使焊锡连接部剥离,这些IGBT元件便形成开路故障。IGBT元件(61或62单独,或61和62两者)的开路状态,便变成对上述电源短路电流不适当的切断,其开路端子间便发生上述配线电感64、65等存储的能量引起的弧光放电。即便是例如配线电感较小,该弧光在电能量也因电源短路电流非常大达到十几万至几十万安培而变得很庞大,造成模块损坏波及外围器件的事故。
图1所示的本发明实施例,利用随上述弧光放电所产生的异常电压,靠在该异常电压下击穿或穿通而处于导通状态的半导体元件66,通过与处于上述开路状态的IGBT61、62并联接入熔断器67来抑制上述弧光放电产生,并且用熔断器67消耗上述配线电感所存储能量。
具体来说,发生开路故障的IGBT元件的弧光放电能量分流至在该异常电压下处于导通状态的半导体元件66和熔断器67的串联电路,在该分流作用使弧光放电受到抑制的状态下进行到IGBT元件损坏部位的开路,弧光放电能量便立即全部转移流过上述串联电路的场合,IGBT元件损坏部位的开路动作和弧光放电便停止。而对于全部转移流过上述弧光放电能量的熔断器67来说,加上在此之前熔断器内所消耗能量,该值超过熔断器67的i2t耐量便开始熔断,通过在熔断器内消耗上述弧光放电能量,来防止熔断器67本身的弧光放电。靠以上动作和作用,可防止IGBT元件开路损坏引起的事故波及损害。
另外,还考虑到随IGBT元件损坏部位开路状态即开路端子距离,按上述熔断器熔断后该开路端子间所加上电压(几乎是这种场合的滤波电容器电压)发生弧光放电的情形,但该场合的弧光放电能量并非此前电源短路状态而是开路状态的放电能量,因而比上述电源短路电流产生的弧光放电电量小,不足以使模块破坏。而电源短路发生时,已经设置的其他保护装置也对此有作用,可进行电路切断或对滤波电容器电压进行放电,因而即便发生例如上述熔断器熔断后的弧光放电,这也是可自动保护的部分。
该图1实施例的半导体元件66和熔断器67,其特征在于,逆变器通常动作时没有电流流过,因而可以为小容量、低成本器件,而且不需要在分支内连接,因而配线电感增加,损耗未增加等。而且,上述半导体元件66采用所谓的穿通元件作为在规定电压下穿通处于导通状态的元件,或采用二极管作为在规定电压下击穿处于导通状态的元件,其电压容量选取为超过构成逆变器分支的元件通常所加上的最大峰值电压。
按照如上所述图1本发明一实施例,在用到模块式半导体元件的电力变换器中,其效果在于,可利用简单构成针对电源短路事故时所发生的所述模块式半导体开关元件开路损坏引起的的事故波及损害实现一保护装置,可防止包含该保护装置的电力变换器整体随之而来的成本升高或变换效率下降。
图2示出本发明另一实施例用到模块式半导体元件的电力变换器及其保护装置的构成图。与图1实施例不同之处在于,每一相(U、V、W相)变换器设置熔断器,改为每一相(U、V、W相)集中设置。另外,其他标号示出与图1实施例完全相同的组成。具体来说,U、V、W相串联连接的模块式半导体元件IGBT的一端,分别连接有在规定电压以上击穿或穿通处于导通状态的半导体元件66、76、86的一端,该半导体元件另一端连接有共用熔断器9的一端,该熔断器9另一端与串联连接的模块式半导体元件另一端连接。而且,对于例如U相电源短路事故,由半导体元件66和熔断器9的串联连接电路进行上述图1实施例详细说明的动作,抑制发生了开路故障的IGBT的弧光放电,防止外围器件损坏或火灾等事故波及。
按照该图2本发明另一实施例,将图1实施例中每一相(U、V、W相)变换器设置的熔断器,就每一相(U、V、W相)集中设置,因而具有可进一步降低用到模块式半导体元件的电力变换器中保护装置其成本的效果。
图3示出本发明另一实施例用到模块式半导体元件的电力变换器及其保护装置的构成图。与上述图1、图2实施例不同之处在于,将与熔断器串联连接的半导体元件替换为晶闸管元件,并设有使该晶闸管元件导通的控制电路。具体来说,该实施例中,661为晶闸管元件,69为该晶闸管661的控制电路,该控制电路69由异常电压检测器691和晶闸管元件控制极电路692构成。另外,其他标号示出与图1实施例完全相同的组成。该实施例由异常电压检测器691检测上述电源短路事故中IGBT61、62开路故障时产生的异常电压,由该异常电压检测器691的输出驱动晶闸管元件控制极电路692,使晶闸管元件661导通,也就是说使之处于导通状态,以构成晶闸管元件661和熔断器67的串联电路,靠上述图1实施例中详细说明的动作,来抑制发生了开路故障的IGBT造成弧光放电,防止外围器件损坏或火灾等事故波及。
另外,异常电压检测器691构成为检测电源短路后的异常电压,即因电源短路而使异常电压检测器其两端电压大致为零,可检测因此后元件开路故障所产生的异常电压。因而,与上述图1实施例场合不同,对异常电压的检测,不必受构成分支的半导体元件通常所加的最大峰值电压的影响,可任意选取,能够以较低的电压值进行异常电压检测,因而具有可以在较低能量状态对上述元件开路故障时的弧光放电进行切实抑制的效果。
图4示出本发明另一实施例用到模块式半导体元件的电力变换器及其保护装置的构成图。与上述图3实施例不同之处在于,每一相(U、V、W)变换器设置熔断器,改为每一相(U、V、W)集中设置。另外,其他标号示出与图1实施例完全相同的组成。具体来说,U、V、W相串联连接的模块式半导体元件IGBT的一端分别连接有每一相晶闸管元件661、761、861的一端,该晶闸管元件另一端连接有共用熔断器9的一端,该熔断器9另一端与串联连接的模块式半导体元件另一端连接。而对于例如U相电源短路事故,可由晶闸管元件661和熔断器9的串联连接电路进行上述图3实施例详细说明的动作,抑制发生了开路故障的IGBT弧光放电,防止外围器件损坏或火灾等事故波及。按照本实施例,将图3实施例中每一相(U、V、W)设置的熔断器,按各相(U、V、W)集中设置,因而具有可降低用到模块式半导体元件的电力变换器中保护装置其成本的效果。
本发明实施例尽管示出的是2电平逆变器电路中分支元件为1个元件的情形,但不限于此,也可应用于分支元件为2个元件以上的串联体所构成的情形,或将直流变换为3电平电位交流的逆变器电路等。
而且,本发明实施例说明的是各相分别设置滤波电容器的情形,但也可应用于各相统一设置的场合。
按照如上所述的本发明,用到模块式半导体元件的电力变换器中,通过在发生电源短路的串联半导体元件端子间设置在电源短路事故发生的模块式半导体元件开路损坏时产生弧光放电这种异常电压情况下穿通或击穿的半导体元件和熔断器的串联体,或设置由所述异常电压的检测器输出所触发的半导体开关元件和熔断器的串联体,利用简单构成实现一种针对上述模块式半导体元件开路损坏所引起的事故波及损害的保护装置,因而可以在不需要加强减振等情况下防止电力变换器整体成本升高。与此同时,该保护装置还具有可以防止电力变换器通常动作时没有电流流过致使变换效率下降这种效果。
Claims (4)
1.一种电力变换器保护装置,该电力变换器在直流电源两端作为1相的上下分支连接有串联连接的模块式半导体元件,该元件的串联连接点具有交流输出端子,其特征在于,所述串联连接的模块式半导体元件的两端,并联连接着超过规定电压便击穿或穿通而处于导通状态的半导体元件和熔断器的串联体。
2.一种电力变换器保护装置,该电力变换器在直流电源两端连接有多个变换器,该变换器作为1相的上下分支连接有串联连接的模块式半导体元件,该元件的串联连接点具有交流输出端子,其特征在于,所述各相串联连接的模块式半导体元件的一端分别连接有超过规定电压便击穿或穿通而处于导通状态的半导体元件的一端,所述各个击穿或穿通而处于导通状态的半导体元件的另一端连接共用熔断器的一端,该熔断器的另一端与所述串联连接的模块式半导体元件的另一端连接。
3.一种电力变换器保护装置,该电力变换器在直流电源两端作为1相的上下分支连接有串联连接的模块式半导体元件,该元件的串联连接点具有交流输出端子,其特征在于,所述串联连接的模块式半导体元件的两端,并联连接着因该模块式半导体元件过大电流便形成开路故障时的异常电压而受到触发控制的晶闸管元件和熔断器的串联体。
4.一种电力变换器保护装置,该电力变换器在直流电源两端连接有多个变换器,该变换器作为1相的上下分支连接有串联连接的模块式半导体元件,该元件的串联连接点具有交流输出端子,其特征在于,所述各相串联连接的模块式半导体元件的一端分别连接有因该模块式半导体元件过大电流便形成开路故障时的异常电压而受到触发控制的晶闸管元件的一端,所述各晶闸管元件的另一端连接共用熔断器的一端,该熔断器的另一端与所述串联连接的模块式半导体元件的另一端连接。
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