JP2001037244A - 電力変換装置 - Google Patents

電力変換装置

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JP2001037244A
JP2001037244A JP11210006A JP21000699A JP2001037244A JP 2001037244 A JP2001037244 A JP 2001037244A JP 11210006 A JP11210006 A JP 11210006A JP 21000699 A JP21000699 A JP 21000699A JP 2001037244 A JP2001037244 A JP 2001037244A
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phase
switching element
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arm
voltage
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JP11210006A
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English (en)
Inventor
Keiichi Shogawa
桂一 書川
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Mitsubishi Electric Corp
Original Assignee
Mitsubishi Electric Corp
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 電流耐量に関係なく地絡等を高速度に検出す
ることができ、半導体スイッチング素子を過電流から確
実に保護することが可能な電力変換装置を得ることを目
的とする。 【解決手段】 IGBT6のコレクタとIGBT8のエ
ミッタとの間の電圧を検出する電圧センサ23と、IG
BT7のコレクタとIGBT9のエミッタとの間の電圧
を検出する電圧センサ24とを備える。そして、電圧セ
ンサ23の電圧Vc1が所定の設定値A以下となりその
状態が所定の設定時間T継続すると、点Pの地絡と判断
してIGBT6を速やかにオフする。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】この発明は、インバータ等の
電力変換装置において、地絡やアーム短絡により生じる
過電流から半導体スイッチング素子を保護する機能を具
備した電力変換装置に関するものである。
【0002】
【従来の技術】図18は、例えば特開昭61−4222
8号公報に開示された従来の電力変換装置を本発明の説
明用に簡略化して示した構成図である。図において、1
は電車のパンタグラフ、2はスイッチ、3および4はフ
ィルタ用の直流リアクトルおよびコンデンサ、5は電圧
センサ、6〜9はブリッジ接続されたIGBT、10〜
13は各IGBT6〜9を駆動するゲート駆動回路、1
4は負荷、15〜18はそれぞれIGBT6〜9と直列
に挿入された電流センサ、19〜22はヒューズであ
る。
【0003】次に動作について説明する。図の回路は、
IGBTを用いたPWM制御で直流電圧を単相交流電圧
に変換するインバータで、この変換の動作は周知である
ので説明は省略し、以下、事故時の保護動作について説
明する。即ち、直流回路は一端が接地されているので、
ブリッジ回路の各部はIGBTのスイッチング動作に応
じて高電位となる。従って、配線の経年的絶縁劣化や異
物の混入等により、地絡が発生する可能性がある。ま
た、IGBTのゲート信号にノイズが混入して上下アー
ムのIGBTが同時にターンオンしたときや、一方のI
GBTがターンオンしているときに他方のIGBTが偶
発故障で壊れオン状態になった場合等にはアーム短絡が
発生する可能性がある。
【0004】以上のような、地絡やアーム短絡が発生し
て過電流が流れると、これを電流センサ15〜18から
の信号により検出してゲート駆動回路10〜13から各
IGBT6〜9にターンオフの信号を送出して過電流の
増大を防止する。また、電流センサによるターンオフ動
作で過電流を十分抑制できない場合は、ヒューズ19〜
22が動作し、当該回路を遮断する。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】従来の電力変換装置は
以上のように構成されており、地絡等の事故を、それに
よって発生する過電流を電流センサで検出することによ
り判別する方式を採用しているので、過電流によって当
該電流センサに生じ得る磁気飽和による感度低下の現象
は、そのまま保護動作の信頼性低下につながる。また、
IGBTと直列に電流センサを設置する必要があり、主
回路構成が大形化し、複雑高価となる問題がある。更
に、バックアップ保護のためのヒューズを設けると、そ
のメンテナンスのためのスペースが必要となって装置外
形が更に大形化するとともに、メンテナンス作業も増大
してコスト増となる。また、ヒューズとIGBTとの保
護協調を考慮する必要があり、その設定は必ずしも容易
でない。
【0006】この発明は以上のような問題点を解消する
ためになされたもので、電流耐量に関係なく地絡等を高
速度に検出することができ、半導体スイッチング素子を
過電流から確実に保護することが可能な電力変換装置を
得ることを目的とする。
【0007】
【課題を解決するための手段】この発明に係る電力変換
装置は、スイッチング素子から成る上下一対のアームを
複数相、一端が接地された直流電源の両端に接続し、上
記各相アームの中央接続点から交流電力を負荷へ出力す
る電力変換器、および上記スイッチング素子をオンオフ
する信号を供給する制御回路を備えた電力変換装置にお
いて、上記スイッチング素子の端子間の電圧を検出する
電圧センサを備え、この電圧センサの出力から上記電力
変換器内の地絡またはアーム短絡を判定し、必要なスイ
ッチング素子をオフする信号を送出して上記地絡または
短絡に伴う過電流を抑制するようにしたものである。
【0008】また、この発明に係る電力変換装置は、上
アームのスイッチング素子の正極端子と当該相の下アー
ムのスイッチング素子の負極端子との間の電圧を検出す
る電圧センサを備え、この電圧センサの出力が所定の設
定値以下となったとき当該相アームの中央接続点の地絡
と判断して当該相の上アームのスイッチング素子をオフ
するようにしたものである。
【0009】また、この発明に係る電力変換装置は、下
アームのスイッチング素子の正極端子と負極端子との間
の電圧を検出する電圧センサを備え、当該相の上アーム
のスイッチング素子がオン動作中に上記電圧センサの出
力が所定の設定値以下になったとき当該相アームの中央
接続点の地絡と判断して当該上アームのスイッチング素
子をオフするようにしたものである。
【0010】また、この発明に係る電力変換装置は、上
アームのスイッチング素子の正極端子と負極端子との間
の電圧を検出する電圧センサを備え、当該上アームのス
イッチング素子がオン動作中に上記電圧センサの出力が
所定の設定値以上になったとき当該相アームの中央接続
点の地絡と判断して当該上アームのスイッチング素子を
オフするようにしたものである。
【0011】また、この発明に係る電力変換装置は、上
アームのスイッチング素子の負極端子と当該相と異なる
他相の上アームのスイッチング素子の負極端子との間の
電圧を検出する電圧センサを備え、この電圧センサの出
力が、所定の設定時間以上にわたって所定の設定値以下
となったとき、上記当該相か他相かのいずれかであって
その上アームのスイッチング素子がオン動作中の相のア
ーム中央接続点の地絡と判断して当該地絡相の上アーム
のスイッチング素子をオフするようにしたものである。
【0012】また、この発明に係る電力変換装置は、第
1と第2の2相のアームから成る電力変換器において、
上記第1、第2相各上下アームの各スイッチング素子の
正負両極間の電圧を検出する電圧センサ、上記第1相上
アームと第2相下アームの電圧センサの出力を入力とし
て動作する第1の比較回路、および上記第2相上アーム
と第1相下アームの電圧センサの出力を入力として動作
する第2の比較回路を備え、上記第1の比較回路の出力
が立ち上がったときは上記第2相アームの中央接続点の
地絡と判断して上記第2相上アームのスイッチング素子
をオフし、上記第2の比較回路の出力が立ち上がったと
きは上記第1相アームの中央接続点の地絡と判断して上
記第1相上アームのスイッチング素子をオフするように
したものである。
【0013】また、この発明に係る電力変換装置は、第
1の比較回路の出力と第2の比較回路の出力とを入力と
して動作するOR回路を備え、このOR回路の出力が立
ち上がったとき第1第2両相の上アームのスイッチング
素子をオフするようにしたものである。
【0014】また、この発明に係る電力変換装置は、第
1と第2の2相のアームから成る電力変換器において、
上下アームの各スイッチング素子の正負両極間の電圧を
検出する電圧センサ、および上記上アームの電圧センサ
の出力と上記下アームの電圧センサの出力とを加算する
加算回路を備え、この加算回路の出力が、所定の設定時
間以上にわたって所定の設定値以下となったとき、上記
上下アームのいずれかのアーム短絡と判断して上記上下
アームのスイッチング素子をオフするようにしたもので
ある。
【0015】また、この発明に係る電力変換装置は、第
1と第2の2相のアームから成る電力変換器において、
上下アームの各スイッチング素子の正負両極間の電圧を
検出する電圧センサ、および上記上アームの電圧センサ
の出力と上記下アームの電圧センサの出力との差の絶対
値を演算する減算回路を備え、この減算回路の出力が、
所定の設定時間以上にわたって所定の設定値以下となっ
たとき、上記上下アームのいずれかのアーム短絡と判断
して上記上下アームのスイッチング素子をオフするよう
にしたものである。
【0016】
【発明の実施の形態】実施の形態1.図1はこの発明の
実施の形態1における電力変換装置を示す構成図で、こ
の電力変換装置は電気車両に搭載されるものである。図
において、直流饋電回路の直流架線と接触して直流電源
の正極側供給端となるパンタグラフで、直流電源の負極
側は図示しない車輪、レールを経て接地させる。2はス
イッチ、3および4はフィルタ用の直流リアクトルおよ
びコンデンサ、5は電圧センサである。
【0017】6〜9はブリッジ接続され、PWM制御で
直流電圧を可変周波数の単相交流電圧に変換するインバ
ータを構成するスイッチング素子としてのIGBTで、
それぞれIGBT6、8がU相上下アーム、IGBT
7、9がV相上下アームを構成する。14は交流負荷で
ある。23は、IGBT6のコレクタ(正極端子)とI
GBT8のエミッタ(負極端子)との間の電圧を検出す
る電圧センサ、24はIGBT7のコレクタとIGBT
9のエミッタとの間の電圧を検出する電圧センサ、25
はIGBT6にそのオンオフを制御するゲート信号を供
給するとともに、電圧センサ23の出力Vc1からP点
での地絡発生の有無を判別してゲート信号に必要な処理
を施す故障判定機能付ゲート駆動回路、26はIGBT
7にゲート信号を供給するとともに、電圧センサ24の
出力Vc2からQ点での地絡発生の有無を判別してゲー
ト信号に必要な処理を施す故障判定機能付ゲート駆動回
路、12、13はIGBT8、9にゲート信号を供給す
るゲート駆動回路である。
【0018】故障判定機能付ゲート駆動回路25および
26の前者25を例にとり、その内部構成を図2に示
す。図2において、51は電圧センサ23の出力Vc1
が所定の設定値A以下となったときP点で地絡が発生し
たと判断して出力する故障判定回路、52は故障判定回
路51の出力が所定の設定時間継続したときゲート停止
指令Sを出力するタイマー回路で、瞬時判定による誤検
出を避けるためのものであり、その意味では必ず必要と
するものではない。53はゲート駆動回路で、通常は、
ゲート制御回路からのPWM制御に基づくゲート信号G
をそのままIGBT6へ供給するが、タイマー回路52
からゲート停止指令Sが入力されると、ゲート信号Gの
状態にかかわらず、オフ信号をIGBT6へ送出する。
【0019】次に、故障が発生した場合の動作を図3の
タイミングチャートを参照して説明する。同図(a)〜
(d)は各ゲート駆動回路25、26、12、13の出
力で、この信号に従って各IGBT6、7、8、9がオ
ンオフ動作を繰り返している。今、ゲート駆動回路25
および13がオン信号を出力している途中の時間t=t
1で、P点に地絡が発生したとすると、それまで直流電
源の電圧Eに近い値であった電圧センサ23の出力Vc
1が零に近い値にまで降下し設定値A以下となって故障
判定回路51が故障判定を出力する(同図(g))。こ
の地絡によってIGBT6の電流は急増する(同図
(e))。
【0020】P点の地絡によって電圧センサ24の出力
Vc2も降下するが、図1では特に図示していないが、
各部配線部分の抵抗や浮遊インダクタンスにおける電圧
降下の影響で電圧センサ23の出力Vc1に比較してそ
の降下量は少ない(図3(h))。従って、設定値Aを
適当に設定することにより、電圧センサ23および24
の出力から点Pの地絡であるが点Qの地絡であるかの判
別が可能となる。そして、この出力Vc1の低下がタイ
マー回路52の設定時間T継続した時間t=t2に至る
と、直ちにゲート停止指令Sが出力され、IGBT6は
ターンオフし、地絡による過電流から保護される。
【0021】以上のように、この実施の形態1において
は、電圧センサ23、24を設け、その出力から地絡の
発生を判断して必要なIGBTをオフするようにしたの
で、図3では、タイマー時間Tを説明の便宜上長目に誇
張して図示しているが、実際は、電圧判定方式であるの
で、従来の電流判定方式に比較して極めて短時間での判
別が可能となり、IGBTをその電流増大が極低い段階
でオフすることにより過電流からの保護を確実なものと
することができる。また、従来の電流センサは、大電流
が流れる主回路に直列に挿入する必要があるため、装置
の大形化、コスト上昇につながる欠点があるが、この発
明における電圧センサは、主回路(IGBT)に並列に
接続すれば足り、電流耐量を必要としないので、その設
置のための構成は簡便でコストも低減する。
【0022】なお、上記故障判定回路51は、電圧セン
サ23の出力Vc1自体の変化から地絡発生の判断をし
たが、電圧センサ5(図1参照)からの直流電源の電圧
Eを同時に入力し、(E−Vc1)/Eを演算して電圧
低下率を求め、この電圧低下率の変化から地絡発生の判
断をするようにしてもよい。この場合、直流電源の電圧
Eの変動分が相殺され、地絡発生判別の精度向上が期待
できる。また、以上の方式は3相インバータにも同様に
適用でき同等の効果を奏する。
【0023】実施の形態2.図4はこの発明の実施の形
態2における電力変換装置を示す構成図である。IGB
T6、8によってU相上下アーム、およびIGBT7、
9によってV相上下アームを構成する点は実施の形態1
と同様であるが、ここでは、U相下アームのIGBT8
のコレクタ−エミッタ間の電圧Vc3を検出する電圧セ
ンサ27およびV相下アームのIGBT9のコレクタ−
エミッタ間の電圧Vc4を検出する電圧センサ28を設
けている。そして、29はIGBT6にゲート信号を供
給するとともに、電圧センサ27の出力Vc3からP点
での地絡発生の有無を判別してゲート信号に必要な処理
を施す故障判定機能付ゲート駆動回路、30はIGBT
7にゲート信号を供給するとともに、電圧センサ28の
出力Vc4からQ点での地絡発生の有無を判別してゲー
ト信号に必要な処理を施す故障判定機能付ゲート駆動回
路である。
【0024】故障判定機能付ゲート駆動回路29および
30の後者30を例にとり、その内部構成を図5に示
す。図5において、51は電圧センサ28の出力Vc4
が所定の設定値(≒0)以下となると出力する故障判定
回路、54は検出電圧Vc4が急減したときに過渡的に
電圧が振動して故障判定回路51の判定出力が短時間反
転を繰り返す恐れがあるので、これを阻止して安定した
判定出力を取り出すための誤動作防止用ヒステレシス回
路、52はヒステレシス回路54の出力が所定の設定時
間継続したときゲート停止指令Sを出力するタイマー回
路であるが、ゲート信号のリセットがオンのときはタイ
マー動作を行わない。即ち、ヒステレシス回路54から
の判定出力はあってもゲート停止指令Sを出力しない。
53はゲート駆動回路で、通常は、ゲート制御回路から
のPWM制御に基づくゲート信号GをそのままIGBT
6へ供給するが、タイマー回路52からのゲート停止指
令Sが入力されると、ゲート信号Gの状態にかかわら
ず、オフ信号をIGBT7へ送出する。
【0025】次に、故障が発生した場合の動作を図6の
タイミングチャートを参照して説明する。同図(a)〜
(d)は、各ゲート駆動回路29、30、12、13の
出力で、この信号に従ってIGBT6、7、8、9がオ
ンオフ動作を繰り返している。同図(g)(h)はゲー
ト駆動回路29および30のリセット信号で、それぞれ
のIGBTがオンのときはオフ、オフのときはオンとな
っており、このリセット信号が先に説明した図5のタイ
マー回路52に入力される。
【0026】今、図6の時間t=t1においてQ点で地
絡が発生したとすると、電圧センサ27の出力Vc3は
IGBT8が通電期間にあるのでその順方向電圧降下分
がほぼ零に低下し故障判定機能付ゲート駆動回路29の
故障判定回路51が判定出力を出す(図6(i))。し
かるに、この期間ではそのリセット信号がオンである
(図6(g))ので、ゲート停止指令Sは出力されな
い。一方、電圧センサ28の出力Vc4はIGBT9が
非通電期間にあるのでほぼ直流電源電圧Eから零に低下
し(図6(j))故障判定機能付ゲート駆動回路30の
故障判定回路51が判定出力を出す。そして、この期間
ではそのリセット信号がオフである(図6(h))の
で、タイマー回路52が動作し、設定時間T経過後、時
間t=t2でゲート停止指令Sを出力する。
【0027】以上の検出動作に基づき、故障はQ点の地
絡と判断され、IGBT7を速やかにオフして過電流か
ら保護する。なお、以上の方式は、3相インバータにも
同様に適用でき同等の効果を奏する。
【0028】実施の形態3.図7はこの発明の実施の形
態3における電力変換装置を示す構成図である。ここで
は、U相上アームのIGBT6のコレクタ−エミッタ間
の電圧を電圧センサ31で検出してその出力Vc1を故
障判定機能付ゲート駆動回路33に送出する。また、V
相上アームのIGBT7のコレクタ−エミッタ間の電圧
を電圧センサ32で検出してその出力Vc2を故障判定
機能付ゲート駆動回路34に送出する。
【0029】図8は故障判定機能付ゲート駆動回路33
の内部構成を示す図である。図において51は電圧セン
サ31の出力Vc1が、IGBT6の順方向電圧降下分
より高い所定の設定値B以上となったとき故障判定を出
力する故障判定回路、52、53は先の図5のものと同
様のものである。
【0030】次に、故障が発生した場合の動作を図9の
タイミングチャートを参照して説明する。同図(a)〜
(d)は、各ゲート駆動回路33、34、12、13の
出力、(g)(h)はゲート駆動回路33および34の
リセット信号である。今、図9の時間t=t1において
P点で地絡が発生したとすると、電圧センサ32の出力
Vc2はIGBT7が非通電期間にあるので、ほぼ直流
電源電圧Eの状態からU相における地絡に伴う過電流に
よる電圧降下分だけ下がるが設定値B以上である(図9
(j))ので、図8の故障判定回路51は故障判定を出
力する。しかし、この期間ではリセット信号がオンであ
る(図9(h))ので、タイマー回路52はカウント動
作はせずゲート停止指令Sは出力されない。
【0031】一方、電圧センサ31の出力Vc1はIG
BT6の通電期間にあるので、P点の地絡により、その
順方向電圧降下分から上昇し設定値B以上となり(図9
(i))その故障判定回路51が故障判定を出力する。
そして、この期間ではそのリセット信号はオフである
(図9(g))ので、タイマー回路52が動作し、設定
時間T経過後、時間t=t2でゲート停止指令Sを出力
する。なお、例えば、三菱電機株式会社製IGBTモジ
ュールCM600HA−28Hの場合、順方向電圧降下
分の正常時は約1.7Vで、限界値は4V程度であるの
で、上記設定値Bはこれら両値の間の適当な値に設定す
ることになる。
【0032】以上の検出動作に基づき、故障はP点の地
絡と判断され、IGBT6を速やかにオフして過電流か
ら保護する。なお、以上の方式は、3相インバータにも
適用でき同等の効果を奏する。
【0033】実施の形態4.図10はこの発明の実施の
形態4における電力変換装置を示す構成図である。ここ
では、U相上アームのIGBT6のエミッタとV相上ア
ームのIGBT7のエミッタとの間の電圧を電圧センサ
35で検出してその出力Vcを故障判定機能付ゲート駆
動回路36、37に送出する。
【0034】図11は故障判定機能付ゲート駆動回路3
6の内部構成を示す図である。図において、51は電圧
センサ35の出力Vcが所定の設定値(≒零)以下とな
ると故障判定を出力する故障判定回路、52〜54は先
の図5のものと同様のものである。
【0035】次に、故障が発生した場合の動作を図12
のタイミングチャートを参照して説明する。同図(a)
〜(d)は、各ゲート駆動回路36、37、12、13
の出力、(g)(h)はゲート駆動回路36および37
のリセット信号である。今、図12の時間t=t1にお
いてP点で地絡が発生したとすると、電圧センサ35の
出力Vcはほぼ零となり、ゲート駆動回路36、37の
故障判定回路51は共に故障判定を出力する。ところ
で、この期間、ゲート駆動回路36のリセット信号はオ
フ、ゲート駆動回路37のリセット信号はオンとなって
おり、結局、ゲート駆動回路36のタイマー回路52が
動作して設定時間T経過後、時間t=t2でゲート停止
指令Sを出力する。
【0036】以上の検出動作に基づき、故障はP点の地
絡と判断され、IGBT6を速やかにオフして過電流か
ら保護する。この実施の形態4においては、電圧センサ
は1個で済むのでその分経済性が改善される。
【0037】実施の形態5.図13はこの発明の実施の
形態5における電力変換装置を示す構成図である。ここ
ではU相、V相各上下の計4アームの各IGBT6〜9
毎にそのコレクタ−エミッタ間の電圧を検出する電圧セ
ンサ38〜41を設け、各出力Vu、Vv、Vx、Vy
を故障判定回路42へ送出する。
【0038】図14、図15はこの故障判定回路42の
内部構成を示す図である。図14の故障判定回路42A
は、地絡故障を検出して保護動作を行うもので、図にお
いて、55は電圧VuとVyとを入力として動作する第
1の比較回路、56は電圧VvとVxとを入力として動
作する第2の比較回路、57は比較回路55と56とを
入力として動作するOR回路、52はOR回路57の出
力が所定の設定時間T継続したときゲート駆動回路1
0、11へゲート停止指令Sを出力するタイマー回路で
ある。
【0039】図15の故障判定回路42Bは、アーム短
絡故障を検出して保護動作を行うもので、図において、
58は電圧VuとVxとの和を演算する第1の加算回
路、59は電圧VvとVyとの和を演算する第2の加算
回路、60は加算回路58の出力と所定のしきい値とを
入力として動作する第1の比較回路、61は加算回路5
9の出力と所定のしきい値とを入力として動作する第2
の比較回路、62および63はそれぞれ比較回路60お
よび61の出力を反転する反転回路、64は反転回路6
2および63を入力として動作するOR回路、52はO
R回路64の出力が所定の設定時間T継続したときゲー
ト駆動回路10〜13へゲート停止指令Sを出力するタ
イマー回路である。
【0040】次に、図14の故障判定回路42Aによる
地絡検出動作につき図16のタイミングチャートを参照
して説明する。同図(a)〜(d)は各ゲート駆動回路
10〜13の出力(e)〜(h)は各電圧Vu、Vv、
Vx、Vyの波形である。正常動作時は電圧Vu(同
(e))と電圧Vy(同(h))とは同一波形出力とな
るので、比較回路55の出力は0である。同様に比較回
路56の出力も0である。今、時間t=t1においてQ
点に地絡が発生したとすると、電圧Vyが零に低下する
(同(h))ので、比較回路55の出力が1に立ち上が
り(同(i))、OR回路57を経て(同(k))、タ
イマー回路52が動作して設定時間T後、時間t=t2
でゲート停止指令Sを出力する。
【0041】以上の検出動作に基づき、故障はQ点の地
絡と判断され、ゲート停止指令Sがゲート駆動回路1
0、11に送出され、実効的には、IGBT7を速やか
にオフして過電流から保護する(同(n))。P点の地
絡の場合は比較回路56の出力が立ち上がり同様にIG
BT6を速やかにオフする。なお、図14の故障判定回
路42Aでは、比較回路55および56の出力のOR出
力によりゲート駆動回路10と11とにゲート停止指令
Sを送出するようにしたが、比較回路55の出力に基づ
きゲート駆動回路11にゲート停止指令Sを送出し、比
較回路56の出力に基づきゲート駆動回路10にゲート
停止指令Sを送出する構成としてもよい。
【0042】次に図15の故障判定回路42Bによるア
ーム短絡検出動作につき図17のタイミングチャートを
参照して説明する。同図(a)〜(d)は各ゲート駆動
回路10〜13の出力、(e)〜(h)は各電圧Vu、
Vv、Vx、Vyの波形である。正常動作時は、電圧V
uと電圧Vxとの和は、転流時の極短時間における落ち
込みを除けば一定の電圧値であり、比較回路60は1を
出力し従って反転回路62は0出力である。同様に、反
転回路63の出力も0である。今、時間t=t1におい
て、U相下アームのIGBT8でアーム短絡が発生した
とすると、電圧Vxが零に低下する(同(g))ので、
反転回路62の出力が1に立ち上がり(同(i))、O
R回路64を経て(同(k))、タイマー回路52が動
作して設定時間T後、時間t=t2でゲート停止指令S
を出力する。
【0043】以上の検出動作に基づき、故障はU相下ア
ームの短絡と判断され、ゲート停止指令Sが全ゲート駆
動回路10〜13に送出され、実効的には、IGBT6
および8を速やかにオフして過電流から保護する(同
(m)(o))。U相上アームの短絡は同様に比較回路
60で検出し、V相上または下アームの短絡は比較回路
61で検出する。
【0044】なお、図15の故障判定回路42Bでは、
反転回路62および63の出力のOR出力によりゲート
駆動回路10〜13にゲート停止指令Sを送出するよう
にしたが、反転回路62の出力に基づきゲート駆動回路
10、12にゲート停止指令Sを送出し、反転回路63
の出力に基づきゲート駆動回路11、13にゲート停止
指令Sを送出する構成としてもよい。更に、図15の故
障判定回路42Bでは、電圧Vuと電圧Uxとの和を加
算回路58で演算しその出力を比較回路60の一方の入
力とする構成としたが、電圧VuとUxとの差の絶対値
を演算する減算回路を備え、その出力を比較回路60の
一方の入力とする構成としても、上述したと同様の動作
となり同等の効果を奏する。
【0045】なお、上記各形態例では、スイッチング素
子としてIGBTを使用した場合について説明したが、
GTOなど他の種類のスイッチング素子にも同様に適用
できることは言うまでもない。
【0046】
【発明の効果】以上のように、この発明に係る電力変換
装置は、スイッチング素子から成る上下一対のアームを
複数相、一端が接地された直流電源の両端に接続し、上
記各相アームの中央接続点から交流電力を負荷へ出力す
る電力変換器、および上記スイッチング素子をオンオフ
する信号を供給する制御回路を備えた電力変換装置にお
いて、上記スイッチング素子の端子間の電圧を検出する
電圧センサを備え、この電圧センサの出力から上記電力
変換器内の地絡またはアーム短絡を判定し、必要なスイ
ッチング素子をオフする信号を送出して上記地絡または
短絡に伴う過電流を抑制するようにしたので、装置の構
成が簡便安価となり、かつ、速やかな過電流保護動作が
実現する。
【0047】また、この発明に係る電力変換装置は、そ
の上アームのスイッチング素子の正極端子と当該相の下
アームのスイッチング素子の負極端子との間の電圧を検
出する電圧センサを備え、この電圧センサの出力が所定
の設定値以下となったとき当該相アームの中央接続点の
地絡と判断して当該相の上アームのスイッチング素子を
オフするようにしたので、各相1個の電圧センサによ
り、当該相アームの地絡に基づく過電流からスイッチン
グ素子を確実に保護することができる。
【0048】また、この発明に係る電力変換装置は、そ
の下アームのスイッチング素子の正極端子と負極端子と
の間の電圧を検出する電圧センサを備え、当該相の上ア
ームのスイッチング素子がオン動作中に上記電圧センサ
の出力が所定の設定値以下になったとき当該相アームの
中央接続点の地絡と判断して当該上アームのスイッチン
グ素子をオフするようにしたので、各相1個の電圧セン
サにより、当該相アームの地絡に基づく過電流からスイ
ッチング素子を確実に保護することができる。
【0049】また、この発明に係る電力変換装置は、そ
の上アームのスイッチング素子の正極端子と負極端子と
の間の電圧を検出する電圧センサを備え、当該上アーム
のスイッチング素子がオン動作中に上記電圧センサの出
力が所定の設定値以上になったとき当該相アームの中央
接続点の地絡と判断して当該上アームのスイッチング素
子をオフするようにしたので、各相1個の電圧センサに
より、当該相アームの地絡に基づく過電流からスイッチ
ング素子を確実に保護することができる。
【0050】また、この発明に係る電力変換装置は、そ
の上アームのスイッチング素子の負極端子と当該相と異
なる他相の上アームのスイッチング素子の負極端子との
間の電圧を検出する電圧センサを備え、この電圧センサ
の出力が、所定の設定時間以上にわたって所定の設定値
以下となったとき、上記当該相か他相かのいずれかであ
ってその上アームのスイッチング素子がオン動作中の相
のアーム中央接続点の地絡と判断して当該地絡相の上ア
ームのスイッチング素子をオフするようにしたので、2
相当り1個の電圧センサにより、地絡に基づく過電流か
らスイッチング素子を確実に保護することができる。
【0051】また、この発明に係る電力変換装置は、そ
の第1と第2の2相のアームから成る電力変換器におい
て、上記第1、第2相各上下アームの各スイッチング素
子の正負両極間の電圧を検出する電圧センサ、上記第1
相上アームと第2相下アームの電圧センサの出力を入力
として動作する第1の比較回路、および上記第2相上ア
ームと第1相下アームの電圧センサの出力を入力として
動作する第2の比較回路を備え、上記第1の比較回路の
出力が立ち上がったときは上記第2相アームの中央接続
点の地絡と判断して上記第2相上アームのスイッチング
素子をオフし、上記第2の比較回路の出力が立ち上がっ
たときは上記第1相アームの中央接続点の地絡と判断し
て上記第1相上アームのスイッチング素子をオフするよ
うにしたので、より精度の高い地絡検出が可能となる。
【0052】また、この発明に係る電力変換装置は、そ
の第1の比較回路の出力と第2の比較回路の出力とを入
力として動作するOR回路を備え、このOR回路の出力
が立ち上がったとき第1第2両相の上アームのスイッチ
ング素子をオフするようにしたので、装置全体としての
故障検出回路の構成が簡便となる。
【0053】また、この発明に係る電力変換装置は、そ
の第1と第2の2相のアームから成る電力変換器におい
て、上下アームの各スイッチング素子の正負両極間の電
圧を検出する電圧センサ、および上記上アームの電圧セ
ンサの出力と上記下アームの電圧センサの出力とを加算
する加算回路を備え、この加算回路の出力が、所定の設
定時間以上にわたって所定の設定値以下となったとき、
上記上下アームのいずれかのアーム短絡と判断して上記
上下アームのスイッチング素子をオフするようにしたの
で、アーム短絡を速やかに検出しスイッチング素子を過
電流から確実に保護することができる。
【0054】また、この発明に係る電力変換装置は、そ
の第1と第2の2相のアームから成る電力変換器におい
て、上下アームの各スイッチング素子の正負両極間の電
圧を検出する電圧センサ、および上記上アームの電圧セ
ンサの出力と上記下アームの電圧センサの出力との差の
絶対値を演算する減算回路を備え、この減算回路の出力
が、所定の設定時間以上にわたって所定の設定値以下と
なったとき、上記上下アームのいずれかのアーム短絡と
判断して上記上下アームのスイッチング素子をオフする
ようにしたので、アーム短絡を速やかに検出しスイッチ
ング素子を過電流から確実に保護することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】 この発明の実施の形態1における電力変換装
置を示す構成図である。
【図2】 図1の故障判定機能付ゲート駆動回路25の
内部構成を示す図である。
【図3】 図1の電力変換装置の故障検出保護動作を説
明するタイミングチャートである。
【図4】 この発明の実施の形態2における電力変換装
置を示す構成図である。
【図5】 図4の故障判定機能付ゲート駆動回路30の
内部構成を示す図である。
【図6】 図4の電力変換装置の故障検出保護動作を説
明するタイミングチャートである。
【図7】 この発明の実施の形態3における電力変換装
置を示す構成図である。
【図8】 図7の故障判定機能付ゲート駆動回路33の
内部構成を示す図である。
【図9】 図7の電力変換装置の故障検出保護動作を説
明するタイミングチャートである。
【図10】 この発明の実施の形態4における電力変換
装置を示す構成図である。
【図11】 図10の故障判定機能付ゲート駆動回路3
6の内部構成を示す図である。
【図12】 図10の電力変換装置の故障検出保護動作
を説明するタイミングチャートである。
【図13】 この発明の実施の形態5における電力変換
装置を示す構成図である。
【図14】 図13故障判定回路42Aの内部構成を示
す図である。
【図15】 図13故障判定回路42Bの内部構成を示
す図である。
【図16】 図14の故障判定回路42Aによる故障検
出保護動作を説明するタイミングチャートである。
【図17】 図15の故障判定回路42Bによる故障検
出保護動作を説明するタイミングチャートである。
【図18】 従来の電力変換装置を示す構成図である。
【符号の説明】
6〜9 IGBT、10〜13 ゲート駆動回路、2
3,24,27,28,31,32,35,38〜41
電圧センサ、25,26,29,30,33,34,36,
37 故障判定機能付ゲート駆動回路、42 故障判定
回路、51 故障判定回路、52 タイマー回路、53
ゲート駆動回路、55,56,60,61 比較回
路、57,64 OR回路、58,59 加算回路、6
2,63 反転回路。
フロントページの続き Fターム(参考) 5G004 AA05 AB02 BA01 BA03 DC01 DC04 EA01 FA01 5G053 AA01 AA02 AA06 BA04 CA02 EA03 EB01 EC03 FA05 5H007 AA05 AA06 AA17 CA01 CB04 CB05 CC23 DA01 DC05 EA02 FA08 FA09 FA13 FA19

Claims (9)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 スイッチング素子から成る上下一対のア
    ームを複数相、一端が接地された直流電源の両端に接続
    し、上記各相アームの中央接続点から交流電力を負荷へ
    出力する電力変換器、および上記スイッチング素子をオ
    ンオフする信号を供給する制御回路を備えた電力変換装
    置において、 上記スイッチング素子の端子間の電圧を検出する電圧セ
    ンサを備え、この電圧センサの出力から上記電力変換器
    内の地絡またはアーム短絡を判定し、必要なスイッチン
    グ素子をオフする信号を送出して上記地絡または短絡に
    伴う過電流を抑制するようにしたことを特徴とする電力
    変換装置。
  2. 【請求項2】 上アームのスイッチング素子の正極端子
    と当該相の下アームのスイッチング素子の負極端子との
    間の電圧を検出する電圧センサを備え、この電圧センサ
    の出力が所定の設定値以下となったとき当該相アームの
    中央接続点の地絡と判断して当該相の上アームのスイッ
    チング素子をオフするようにしたことを特徴とする請求
    項1記載の電力変換装置。
  3. 【請求項3】 下アームのスイッチング素子の正極端子
    と負極端子との間の電圧を検出する電圧センサを備え、
    当該相の上アームのスイッチング素子がオン動作中に上
    記電圧センサの出力が所定の設定値以下になったとき当
    該相アームの中央接続点の地絡と判断して当該上アーム
    のスイッチング素子をオフするようにしたことを特徴と
    する請求項1記載の電力変換装置。
  4. 【請求項4】 上アームのスイッチング素子の正極端子
    と負極端子との間の電圧を検出する電圧センサを備え、
    当該上アームのスイッチング素子がオン動作中に上記電
    圧センサの出力が所定の設定値以上になったとき当該相
    アームの中央接続点の地絡と判断して当該上アームのス
    イッチング素子をオフするようにしたことを特徴とする
    請求項1記載の電力変換装置。
  5. 【請求項5】 上アームのスイッチング素子の負極端子
    と当該相と異なる他相の上アームのスイッチング素子の
    負極端子との間の電圧を検出する電圧センサを備え、こ
    の電圧センサの出力が、所定の設定時間以上にわたって
    所定の設定値以下となったとき、上記当該相か他相かの
    いずれかであってその上アームのスイッチング素子がオ
    ン動作中の相のアーム中央接続点の地絡と判断して当該
    地絡相の上アームのスイッチング素子をオフするように
    したことを特徴とする請求項1記載の電力変換装置。
  6. 【請求項6】 第1と第2の2相のアームから成る電力
    変換器において、 上記第1、第2相各上下アームの各スイッチング素子の
    正負両極間の電圧を検出する電圧センサ、上記第1相上
    アームと第2相下アームの電圧センサの出力を入力とし
    て動作する第1の比較回路、および上記第2相上アーム
    と第1相下アームの電圧センサの出力を入力として動作
    する第2の比較回路を備え、上記第1の比較回路の出力
    が立ち上がったときは上記第2相アームの中央接続点の
    地絡と判断して上記第2相上アームのスイッチング素子
    をオフし、上記第2の比較回路の出力が立ち上がったと
    きは上記第1相アームの中央接続点の地絡と判断して上
    記第1相上アームのスイッチング素子をオフするように
    したことを特徴とする請求項1記載の電力変換装置。
  7. 【請求項7】 第1の比較回路の出力と第2の比較回路
    の出力とを入力として動作するOR回路を備え、このO
    R回路の出力が立ち上がったとき第1第2両相の上アー
    ムのスイッチング素子をオフするようにしたことを特徴
    とする請求項6記載の電力変換装置。
  8. 【請求項8】 第1と第2の2相のアームから成る電力
    変換器において、 上下アームの各スイッチング素子の正負両極間の電圧を
    検出する電圧センサ、および上記上アームの電圧センサ
    の出力と上記下アームの電圧センサの出力とを加算する
    加算回路を備え、この加算回路の出力が、所定の設定時
    間以上にわたって所定の設定値以下となったとき、上記
    上下アームのいずれかのアーム短絡と判断して上記上下
    アームのスイッチング素子をオフするようにしたことを
    特徴とする請求項1記載の電力変換装置。
  9. 【請求項9】 第1と第2の2相のアームから成る電力
    変換器において、 上下アームの各スイッチング素子の正負両極間の電圧を
    検出する電圧センサ、および上記上アームの電圧センサ
    の出力と上記下アームの電圧センサの出力との差の絶対
    値を演算する減算回路を備え、この減算回路の出力が、
    所定の設定時間以上にわたって所定の設定値以下となっ
    たとき、上記上下アームのいずれかのアーム短絡と判断
    して上記上下アームのスイッチング素子をオフするよう
    にしたことを特徴とする請求項1記載の電力変換装置。
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