JP2007184999A

JP2007184999A - 電力変換装置

Info

Publication number: JP2007184999A
Application number: JP2005380584A
Authority: JP
Inventors: Makoto Nakanishi; 誠中西; Masahiro Kinoshita; 雅博木下
Original assignee: Toshiba Mitsubishi Electric Industrial Systems Corp
Current assignee: Toshiba Mitsubishi Electric Industrial Systems Corp
Priority date: 2005-12-29
Filing date: 2005-12-29
Publication date: 2007-07-19

Abstract

【課題】短絡検出用の電流センサを設けることなしに短絡検出できる電力変換装置を得る。
【解決手段】交流電力を直流電力に変換する第１〜第３の半導体スイッチ、各半導体スイッチに並列に接続される第１〜第３の直流コンデンサ、各半導体スイッチと各直流コンデンサの接続点にそれぞれ接続される上下一組の第１〜第３のヒューズからなる第１〜第３の半導体スイッチアームユニットと、交流電力を直流電力に変換する第４〜第６の半導体スイッチ、各半導体スイッチに並列に接続される第４〜第６の直流コンデンサ、各半導体スイッチと各直流コンデンサの接続点にそれぞれ接続される上下一組の第４〜第６のヒューズからなる第４〜第６の半導体スイッチアームユニットとを備える。
【選択図】図１

Description

この発明は、交流電源を所望の電圧、周波数に変換する電力変換装置に関するものである。

図１８は、従来の電力変換器の回路図であり、図１８において、２ｂは直流コンデンサ、１ｃｕ、１ｃｖ、１ｃｗはオン／オフ動作によって交流入力を直流電圧に変換する半導体スイッチ、１ｉｕ、１ｉｖ、１ｉｗはオン／オフ動作によって直流電圧を交流出力に変換する半導体スイッチ、３ｕ１、３ｖ１、３ｗ１、３ｘ１、３ｙ１、３ｚ１、３ｕ２、３ｖ２、３ｗ２、３ｘ２、３ｙ２、３ｚ２は上記半導体スイッチと直流コンデンサ２ｂを接続する位置に挿入されるヒューズ、４は上記半導体スイッチの上下アームが同時オンした状態（直流短絡状態）を検出する電流センサ、１１は直流コンデンサ２ｂの電圧を検出する電圧センサである。
図１８において、図の左側から供給される電力は、半導体スイッチ１ｃｕ、１ｃｖ、及び１ｃｗのオン／オフ動作によって、ヒューズ３ｕ１、３ｖ１、３ｗ１、３ｘ１、３ｙ１、及び３ｚ１を通り、直流コンデンサ２ｂに蓄積される。また、直流コンデンサ２ｂに蓄積された電力は、半導体スイッチ１ｉｕ、１ｉｖ、及び１ｉｗのオン／オフ動作によって、ヒューズ３ｕ２、３ｖ２、３ｗ２、３ｘ２、３ｙ２、及び３ｚ２を通り、図１８の右側へ出力される。図１９に直流短絡時の電流の流れを示す。例えば、半導体スイッチ１ｃｕの上下アームが同時オンした場合、直流コンデンサ２ｂより、ヒューズ３ｕ１、半導体スイッチ１ｃｕ、ヒューズ３ｘ１を介して短絡電流が流れる。この短絡電流を電流センサ４にて検出し、半導体スイッチ全てをオフすることで回路を保護している。

特開平８−２１４５３７号公報（第２図）

従来の電力変換装置は以上のように構成されているので、短絡検出用に電流センサを設けているため、経済的でない装置構成であるという問題点があった。

この発明は上記のような課題を解決するためになされたものであり、短絡検出用の電流センサを設けることなしに短絡検出できる電力変換装置を得ることを目的とする。

この発明に係る電力変換装置においては、交流電力を直流電力に変換する第１の半導体スイッチ、この第１の半導体スイッチに並列に接続される第１の直流コンデンサ、第１の半導体スイッチと第１の直流コンデンサの接続点にそれぞれ接続される上下一組の第１のヒューズからなる第１の半導体スイッチアームユニットと、交流電力を直流電力に変換する第２の半導体スイッチ、この第２の半導体スイッチに並列に接続される第２の直流コンデンサ、第２の半導体スイッチと第２の直流コンデンサの接続点にそれぞれ接続される上下一組の第２のヒューズからなる第２の半導体スイッチアームユニットと、交流電力を直流電力に変換する第３の半導体スイッチ、この第３の半導体スイッチに並列に接続される第３の直流コンデンサ、第３の半導体スイッチと第３の直流コンデンサの接続点にそれぞれ接続される上下一組の第３のヒューズからなる第３の半導体スイッチアームユニットと、直流電力を所望の交流電力に変換する第４の半導体スイッチ、この第４の半導体スイッチに並列に接続される第４の直流コンデンサ、第４の半導体スイッチと第４の直流コンデンサの接続点にそれぞれ接続される上下一組の第４のヒューズからなる４の半導体スイッチアームユニットと、直流電力を所望の交流電力に変換する第５の半導体スイッチ、この第５の半導体スイッチに並列に接続される第５の直流コンデンサ、第５の半導体スイッチと第５の直流コンデンサの接続点にそれぞれ接続される上下一組の第５のヒューズからなる第５の半導体スイッチアームユニットと、直流電力を所望の交流電力に変換する第６の半導体スイッチ、この第６の半導体スイッチに並列に接続される第６の直流コンデンサ、第６の半導体スイッチと第６の直流コンデンサの接続点にそれぞれ接続される上下一組の第６のヒューズからなる第６の半導体スイッチアームユニットとを備え、上下一組の第１のヒューズ、上下一組の第２のヒューズ、上下一組の第３のヒューズにおけるそれぞれの半導体スイッチと反対側の上下接続点はそれぞれ１点に接続されており、上下一組の第４のヒューズ、上下一組の第５のヒューズ、上下一組の第６のヒューズにおけるそれぞれの半導体スイッチと反対側の上下接続点はそれぞれ１点に接続されており、第１のヒューズ、第２のヒューズ、第３のヒューズの上側の１点に接続された上側接続点と、上記第４のヒューズ、第５のヒューズ、第６のヒューズの上側の１点に接続された上側接続点は直接接続されており、同様に第１のヒューズ、第２のヒューズ、第３のヒューズの下側の１点に接続された下側接続点と、第４のヒューズ、第５のヒューズ、第６のヒューズの下側の１点に接続された下側接続点は直接接続されているものである。

この発明によれば、直流電圧センサを用いて直流短絡状態を検出できるため、短絡検出用の電流センサを設ける必要がなく、経済的に優れた装置を得ることができる。

実施の形態１.
以下、この発明の実施の形態１を図１に基づいて説明する。
図１において、２ｂ１１は第１の直流コンデンサ、２ｂ２１は第２の直流コンデンサ、２ｂ３１は第３の直流コンデンサ、２ｂ１２は第４の直流コンデンサ、２ｂ２２は第５の直流コンデンサ、２ｂ３２は第６の直流コンデンサ、１ｃｕはオン／オフ動作によって交流入力を直流電圧に変換する第１の半導体スイッチ、１ｃｖはオン／オフ動作によって交流入力を直流電圧に変換する第２の半導体スイッチ、１ｃｗはオン／オフ動作によって交流入力を直流電圧に変換する第３の半導体スイッチ、１ｉｕはオン／オフ動作によって直流電圧を所望の交流出力に変換する第４の半導体スイッチ、１ｉｖはオン／オフ動作によって直流電圧を所望の交流出力に変換する第５の半導体スイッチ、１ｉｗはオン／オフ動作によって直流電圧を所望の交流出力に変換する第６の半導体スイッチ、３ｕ１、３ｘ１は上記第１の半導体スイッチ１ｃｕと第１の直流コンデンサ２ｂ１１を接続する位置に挿入される上下一組の第１のヒューズ、３ｖ１、３ｙ１は上記第２の半導体スイッチ１ｃｖと第２の直流コンデンサ２ｂ２１を接続する位置に挿入される上下一組の第２のヒューズ、３ｗ１、３ｚ１は上記第３の半導体スイッチ１ｃｗと第３の直流コンデンサ２ｂ３１を接続する位置に挿入される上下一組の第３のヒューズ、３ｕ２、３ｘ２は上記第４の半導体スイッチ１ｉｕと第４の直流コンデンサ２ｂ１２を接続する位置に挿入される上下一組の第４のヒューズ、３ｖ２、３ｙ２は上記第５の半導体スイッチ１ｉｖと第５の直流コンデンサ２ｂ２２を接続する位置に挿入される上下一組の第５のヒューズ、３ｗ２、３ｚ２は上記第６の半導体スイッチ１ｉｗと第６の直流コンデンサ２ｂ３２を接続する位置に挿入される上下一組の第６のヒューズ、１１は各直流コンデンサ２ｂの電圧を検出する電圧センサ、５は電圧センサ１１の出力を入力とする直流短絡検出回路、６は直流短絡検出回路５の構成要素であるハイパスフィルタ、７は上記ハイパスフィルタの出力と検出レベル１の比較をする比較器、８は直流短絡検出回路５の出力信号により半導体スイッチを全数オフするゲートパルス発生回路である。なお、第１の半導体スイッチ１ｃｕ、第１の直流コンデンサ２ｂ１１、第１のヒューズ３ｕ１、３ｘ１により第１の半導体アームユニットが構成されている。以下、第２〜第６の半導体アームユニットも同様に構成されている。

次に動作について説明する。上記電圧センサ１１により検出される直流電圧が急変した場合に、直流短絡検出回路５はゲートパルス発生回路８に半導体スイッチ全てをオフするように信号を出力する。図２に直流短絡時の電流の流れを示す。例えば、第１の半導体スイッチ１ｃｕの上下アームが同時オンした場合、各直流コンデンサ２ｂ１１、２ｂ２１、２ｂ３１、２ｂ１２、２ｂ２２、２ｂ３２より短絡点である第１の半導体スイッチ１ｃｕへ短絡電流が流れ込む。図１９に示した従来の場合に比べて短絡電流の経路が多く存在することになる。

今、図１９に示した従来の場合の回路と、図２に示したこの発明の回路とをそれぞれ簡単化したものを図３、図４に示す。
従来の場合を示す図３において、Ｌ１１、Ｌ１２は直流コンデンサ２ｂを含む変換ユニットから短絡点までの回路インダクタンス、Ｌ１３、Ｌ１４は直流コンデンサ２ｂを含む変換ユニット内の回路インダクタンスとする。この発明の回路を示す図４にお、Ｌ２１、Ｌ２２は直流コンデンサ２ｂ１１を含む変換ユニットから短絡点までの回路インダクタンス、Ｌ２３、Ｌ２４は直流コンデンサ２ｂ１１を含む変換ユニット内の回路インダクタンス、Ｌ３１、Ｌ３２は直流コンデンサ２ｂ２１を含む変換ユニットから短絡点までの回路インダクタンス、Ｌ３３、Ｌ３４は直流コンデンサ２ｂ２１を含む変換ユニット内の回路インダクタンス、Ｌ４１、Ｌ４２は直流コンデンサ２ｂ３１を含む変換ユニットから短絡点までの回路インダクタンス、Ｌ４３、Ｌ４４は直流コンデンサ２ｂ３１を含む変換ユニット内の回路インダクタンスとし、図２の直流コンデンサ２ｂ１２、２ｂ２２、２ｂ３２に関する回路に関しては省略している。相対的には、従来の場合の直流コンデンサ２ｂはこの発明の回路の直流コンデンサ２ｂ１１、２ｂ２１、２ｂ３１より大きなものであり、その為構造上、Ｌ１１＋Ｌ１２＞Ｌ２１＋Ｌ２２、Ｌ３１＋Ｌ３２、Ｌ４１＋Ｌ４２である。変換ユニット内の回路インダクタンスに関しては、ほぼ同等の値を考えられる。
（Ｌ１３＋Ｌ１４≒Ｌ２３＋Ｌ２４、Ｌ３３＋Ｌ３４、Ｌ４３＋Ｌ４４）。また、直流コンデンサ２ｂ、２ｂ１１、２ｂ２１、２ｂ３１に印加される電圧は同じであり、それぞれＶ１、Ｖ２、Ｖ３、Ｖ４、直流短絡時の電流をそれぞれｉ１、ｉ２、ｉ３、ｉ４とするとＶ１／（Ｌ１１＋Ｌ１２＋Ｌ１３＋Ｌ１４）＝ｄｉ１／ｄｔ、Ｖ２／（Ｌ２１＋Ｌ２２＋Ｌ２３＋Ｌ２４）＝ｄｉ２／ｄｔ、Ｖ３／（Ｌ３１＋Ｌ３２＋Ｌ３３＋Ｌ３４）＝ｄｉ３／ｄｔ、Ｖ４／（Ｌ４１＋Ｌ４２＋Ｌ４３＋Ｌ４４）＝ｄｉ４／ｄｔ、であるので電流変化分だけを比較するとｄｉ１／ｄｔ＜ｄｉ２／ｄｔ、ｄｉ３／ｄｔ、ｄｉ４／ｄｔとなる。直流コンデンサ２ｂの容量は、２ｂ１１、２ｂ２１、２ｂ３１より大きいこともあり直流短絡時の電圧の変化分を比較するとＶ１の変化分＜Ｖ２の変化分、Ｖ３の変化分、Ｖ４の変化分であり、まとめると従来回路図１８に比べて実施の形態１の回路（図１）の方が直流短絡時の直流電圧変化分が大きいことが解かる。つまり、直流短絡時に直流電圧の落ち込みが大きい分直流電圧の検出だけて短絡を検出できることになる。

ここで、直流短絡検出回路５を更に詳しく説明する。図５に直流短絡検出回路５の詳細図を示す。図５において、６は直流短絡検出回路５の構成要素であるハイパスフィルタ、７は上記ハイパスフィルタ６の出力と検出レベル１の比較をする比較器、９は信号１を入力とし、信号２を出力する一次遅れフィルタ、１０はこの一次遅れフィルタ９の出力（信号２）と一次遅れフィルタ９の入力（信号１）を加算し信号３を出力する加算器である。比較器７はハイパスフィルタ６の出力である信号３が検出レベル１より大きい場合、ゲートパルス発生回路８に半導体スイッチ全てをオフするように信号を出力し回路を保護する。

ここでハイパスフィルタ６の入出力の関係を詳しく説明する。例えば、図６に示す入力があった時、一次遅れフィルタ９の出力は図７のようになり、加算器１０の出力（信号３ａ）は図８のようになる。図９に示すような検出レベル１であったなら、検出レベル１より信号３ａは大きいため比較器７はゲートパルス発生回路８に半導体スイッチ全てをオフするように信号を出力し回路を保護する。すなわち、図６のような急峻な入力の変化の場合、直流短絡状態と判断する。次に、図１０に示す入力があった時、一次遅れフィルタ９の出力は図１１のようになり、加算器１０の出力（信号３ｂ）は図１２のようになる。図９に示したと同じレベルの検出レベル１であったなら、図１３に示すように検出レベル１より信号３ｂは小さいため、比較器７はゲートパルス発生回路８に半導体スイッチ全てをオフするような信号を出力しない。すなわち、図１０のような緩やかな入力の変化の場合、直流短絡状態と判断しない。さらに、図１４に示す入力があった時、一次遅れフィルタ９の出力は図１５のようになり、加算器１０の出力（信号３ｃ）は図１６のようになる。図９に示したと同じレベルの検出レベル１であったなら、図１７に示すように検出レベル１より信号３ｃは大きいため、比較器７はゲートパルス発生回路８に半導体スイッチ全てをオフするように信号を出力し回路を保護する。すなわち、図１４のような急峻な入力の変化の場合、直流短絡状態と判断する。

以上のように、上記実施の形態１では、直流電圧センサを用いて直流短絡状態を検出できるため、短絡検出用の電流センサを設ける必要がなく、経済的に優れた装置を得ることができる。

この発明の実施の形態１における電力変換装置を示すシステム構成図である。この発明の実施の形態１における電力変換装置の直流短絡時の電流の経路を示す図である。比較対比のために従来の電力変換装置の回路を簡略化した図である。この発明の実施の形態１における電力変換装置の回路を簡略化した図である。この発明の実施の形態１における直流短絡検出回路を示す詳細図である。この発明の実施の形態１における直流短絡検出回路の入力信号例１を示す図である。この発明の実施の形態１における直流短絡検出回路の入力信号例１の時の内部信号１を示す図である。この発明の実施の形態１における直流短絡検出回路の入力信号例１の時の内部信号２を示す図である。この発明の実施の形態１における直流短絡検出回路の入力信号例１の時の内部信号３を示す図である。この発明の実施の形態１における直流短絡検出回路の入力信号例２を示す図である。この発明の実施の形態１における直流短絡検出回路の入力信号例２の時の内部信号１を示す図である。この発明の実施の形態１における直流短絡検出回路の入力信号例２の時の内部信号２を示す図である。この発明の実施の形態１における直流短絡検出回路の入力信号例２の時の内部信号３を示す図である。この発明の実施の形態１における直流短絡検出回路の入力信号例３を示す図である。この発明の実施の形態１における直流短絡検出回路の入力信号例３の時の内部信号１を示す図である。この発明の実施の形態１における直流短絡検出回路の入力信号例３の時の内部信号２を示す図である。この発明の実施の形態１における直流短絡検出回路の入力信号例３の時の内部信号３を示す図である。従来の電力変換装置を示すシステム構成図である。従来の電力変換装置の直流短絡時の電流の経路を示す図である。

符号の説明

１ｃｕ、１ｃｖ、１ｃｗ、１ｉｕ、１ｉｖ、１ｉｗ第１〜第６の半導体スイッチ
２ｂ直流コンデンサ
２ｂ１１、２ｂ２１、２ｂ３１、２ｂ１２、２ｂ２２、２ｂ３２第１〜第６の直流コンデンサ
３ｕ１と３ｘ１、３ｖ１と３ｙ１、３ｗ１と３ｚ１、３ｕ２と３ｘ２、３ｖ２と３ｙ２、３ｗ２と３ｚ２上下一組の第１〜第６のヒューズ
４電流センサ
５直流短絡検出回路
６ハイパスフィルタ
７比較器
８ゲートパルス発生回路
９一次遅れフィルタ
１０加算器
１１電圧センサ

Claims

交流電力を直流電力に変換する第１の半導体スイッチ、この第１の半導体スイッチに並列に接続される第１の直流コンデンサ、上記第１の半導体スイッチと第１の直流コンデンサの接続点にそれぞれ接続される上下一組の第１のヒューズからなる第１の半導体スイッチアームユニットと、
交流電力を直流電力に変換する第２の半導体スイッチ、この第２の半導体スイッチに並列に接続される第２の直流コンデンサ、上記第２の半導体スイッチと第２の直流コンデンサの接続点にそれぞれ接続される上下一組の第２のヒューズからなる第２の半導体スイッチアームユニットと、
交流電力を直流電力に変換する第３の半導体スイッチ、この第３の半導体スイッチに並列に接続される第３の直流コンデンサ、上記第３の半導体スイッチと第３の直流コンデンサの接続点にそれぞれ接続される上下一組の第３のヒューズからなる第３の半導体スイッチアームユニットと、
直流電力を所望の交流電力に変換する第４の半導体スイッチ、この第４の半導体スイッチに並列に接続される第４の直流コンデンサ、上記第４の半導体スイッチと第４の直流コンデンサの接続点にそれぞれ接続される上下一組の第４のヒューズからなる第４の半導体スイッチアームユニットと、
直流電力を所望の交流電力に変換する第５の半導体スイッチ、この第５の半導体スイッチに並列に接続される第５の直流コンデンサ、上記第５の半導体スイッチと第５の直流コンデンサの接続点にそれぞれ接続される上下一組の第５のヒューズからなる第５の半導体スイッチアームユニットと、
直流電力を所望の交流電力に変換する第６の半導体スイッチ、この第６の半導体スイッチに並列に接続される第６の直流コンデンサ、上記第６の半導体スイッチと第６の直流コンデンサの接続点にそれぞれ接続される上下一組の第６のヒューズからなる第６の半導体スイッチアームユニットと、を備え、
上記上下一組の第１のヒューズ、上下一組の第２のヒューズ、上下一組の第３のヒューズにおけるそれぞれの半導体スイッチと反対側の上下接続点はそれぞれ１点に接続されており、
上記上下一組の第４のヒューズ、上下一組の第５のヒューズ、上下一組の第６のヒューズにおけるそれぞれの半導体スイッチと反対側の上下接続点はそれぞれ１点に接続されており、
上記第１のヒューズ、第２のヒューズ、第３のヒューズの上側の１点に接続された上側接続点と、上記第４のヒューズ、第５のヒューズ、第６のヒューズの上側の１点に接続された上側接続点は直接接続されており、
同様に上記第１のヒューズ、第２のヒューズ、第３のヒューズの下側の１点に接続された下側接続点と、上記第４のヒューズ、第５のヒューズ、第６のヒューズの下側の１点に接続された下側接続点は直接接続されていることを特徴とする電力変換装置。
直流コンデンサの電圧を検出する電圧センサと、
前記電圧センサの出力を入力とする直流短絡検出回路と、
前記直流短絡検出回路の出力信号により半導体スイッチを全数オフするゲートパルス発生器と、
を備えたことを特徴とする請求項１記載の電力変換装置。
直流短絡検出回路は、ハイパスフィルタと、前記ハイパスフィルタの出力と検出レベルを比較する比較器とから構成したことを特徴とする請求項２記載の電力変換装置。
ハイパスフィルタは、一次遅れフィルタと、前記一次遅れフィルタの出力と一次遅れフィルタの入力を加算し出力する加算器とから構成したことを特徴とする請求項３記載の電力変換装置。