JP2008154420A

JP2008154420A - 電力変換装置

Info

Publication number: JP2008154420A
Application number: JP2006342568A
Authority: JP
Inventors: Masahiro Kinoshita; 雅博木下
Original assignee: Toshiba Mitsubishi Electric Industrial Systems Corp
Current assignee: Toshiba Mitsubishi Electric Industrial Systems Corp
Priority date: 2006-12-20
Filing date: 2006-12-20
Publication date: 2008-07-03
Anticipated expiration: 2026-12-20
Also published as: JP4872652B2

Abstract

【課題】ヒューズの溶断を確実かつ高速に検出できるとともに、相毎のアームに接続された平滑コンデンサ電圧の過電圧検出機能を備えた電力変換装置を得る。
【解決手段】自己消弧可能な電力半導体を直列に接続してアーム対を構成し、アーム対と主回路平滑コンデンサが直接接続され、かつ主回路平滑コンデンサと直流電圧源との間にそれぞれヒューズを設けてなるものにおいて、負極（Ｎ極）側の電力半導体を駆動するゲート駆動回路の電位を基準としてアーム対に印加される電圧を検出する手段と、検出された電圧と正常範囲のレベルを比較する手段と、正常範囲を逸脱した場合に異常信号を送出する機能とを備えたゲートドライブ回路を設ける。
【選択図】図２

Description

この発明は、例えば無停電電源装置、モータ駆動用インバータ等に適用される自己消弧可能な電力半導体を使用した電力変換装置に係わり、特には電力半導体で構成されたアーム対と直流電圧源との間にヒューズを備えた電力変換装置に関するものである。

図３は、従来の電力半導体とヒューズの挿入方法を示す回路のＰＷＭコンバータ回路を抽出して表現した図であって、１ｕ〜１ｚはヒューズ、２ｕ、２Ｖ、２ｗは正極側ＩＧＢＴ素子、２ｘ、２ｙ、２ｚは負極側ＩＧＢＴ素子、３ｕ〜３ｚは主回路平滑コンデンサ、４はヒューズ溶断検出器である。ＩＧＢＴ素子２ｕと２ｘ、２Ｖと２ｙ、２ｗと２ｚを直列接続したアーム対に平滑コンデンサ３ｕ〜３ｚを直接接続するように相毎に構成し、このアーム対とＰ、Ｎ直流電圧源との間にヒューズ１ｕ〜１ｚを挿入している（例えば、特許文献１参照）。

次に、ＩＧＢＴ素子２ｕ、２Ｖ、２ｗ、２ｘ、２ｙ、２ｚのいずれかが故障等でアーム短絡を生じた場合、当該相に設けたヒューズ１ｕ〜１ｚのいずれかは短絡電流で溶断し、アーム短絡を生じたアームをＰ、Ｎ直流電圧源から切り離すように動作する。次に、ヒューズが溶断した場合はＰＷＭコンバータは正常動作が出来ないため、ＩＧＢＴ素子を早期にゲート遮断し、装置を停止する必要がある。このため、一般的には、図４に示すように、ヒューズ１ｕ、１ｘに溶断検出用マイクロスイッチ４ｕ、４ｘを設けて溶断有無をコンバータ装置の制御回路（図示せず）に入力し装置を停止させるようにしている。

特開２００６−１５８０６０号公報（図６）

従来の溶断検出用マイクロスイッチ４ｕ、４ｘによるヒューズ溶断検出器４は、機械的な検出方法のため、スイッチの接触不良や振動等により誤検出する恐れがあるため、制御装置の検出側でフィルタ回路を設ける必要があり、溶断検出が数１０ｍｓ以上遅れるという問題がある。また、ヒューズ溶断検出から装置停止までの遅延が大きいと、健全相はスイッチングを継続するため出力波形等に影響を及ぼす恐れがある。また、この遅延は、図３で示した回路においては特に影響があり、ＩＧＢＴ素子のアーム短絡ではなく経年的に特定のヒューズが切れた場合、該当相のアームに接続された平滑コンデンサの放電回路が限定されるため、該当相のＩＧＢＴ素子がゲート発振を継続すると、平滑コンデンサが過充電され過電圧破壊を生じる恐れがある。これは、該当相の平滑コンデンサは過充電されても、他相の平滑コンデンサはＰ、Ｎ直流電圧源をフィードバック制御しているため、正常電圧に維持されるので、システム的に検出するのは困難である。また、マイクロスイッチを設けることでコストアップするなどの問題がある。

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、ヒューズの溶断を確実かつ高速に検出できるとともに、相毎のアームに接続された平滑コンデンサ電圧の過電圧検出機能を備えた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、自己消弧可能な電力半導体を直列に接続してアーム対を構成し、アーム対と主回路平滑コンデンサが直接接続され、かつ主回路平滑コンデンサと直流電圧源との間にそれぞれヒューズを設けてなるものにおいて、負極（Ｎ極）側の電力半導体を駆動するゲート駆動回路の電位を基準としてアーム対に印加される電圧を検出する手段と、検出された電圧と正常範囲のレベルを比較する手段と、正常範囲を逸脱した場合に異常信号を送出する機能とを備えたゲートドライブ回路を設けたものである。

この発明によれば、ヒューズの溶断を確実かつ高速に検出できるとともに、平滑コンデンサ電圧の過電圧破壊を防止することができ、更には溶断検出用マイクロスイッチが不要となり、また配線数が削減されコストダウンが可能となる。

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はこの発明をＵ相アームに適用した場合の例を示しているが、Ｖ相、Ｗ相も同様に構成されているものである。
図１において、１ｕ、１ｘはヒューズ、２ｕは正極側ＩＧＢＴ素子、２ｘは負極側ＩＧＢＴ素子、３ｕは主回路平滑コンデンサである。１０はこの発明による回路を備えた負極（Ｎ極）側ＩＧＢＴ素子２ｘのゲートドライブ回路であり、その接続方法を示しているが、その内部は図２に示すように構成されている。

次に、この発明の動作について、図２に基づいて説明する。Ｕ相を例に説明するが、Ｖ相、Ｗ相も同様の動作である。
図２において、ゲートドライブ回路１０は、ゲート駆動回路１１と異常検出回路１２から構成されている。ゲート駆動回路１１は一般的な回路構成を示した図であって、順バイアスゲート電圧源１３（Ｅ＿Ｐ）と逆バイアスゲート電圧源１４（Ｅ＿Ｎ）があり、ＩＧＢＴ素子２ｘをオンする場合は、半導体スイッチ１５（ＱＰ）をオンして順バイアス電圧を負極側ＩＧＢＴ素子２ｘのゲート（Ｇ）、エミッタ（Ｅ）に与え、オフする場合は半導体スイッチ１６（ＱＮ）をオンして逆バイアス電圧を与え、負極側ＩＧＢＴ素子２ｘをオン、オフするように動作する。次に、この発明に係わる異常検出回路１２について説明する。正極側ＩＧＢＴ素子２ｕのコレクタ電位であるＣＰとゲート駆動回路１１の逆バイアス電位（ＧＮ）間を抵抗Ｒ１、抵抗Ｒ２で分圧し、出力がワイヤードオア接続された第１比較器１７および第２比較器１８に入力する。ここで抵抗Ｒ２には並列にコンデンサＣ１を接続しノイズ除去用フィルタを構成している。次に、第１比較器１７は平滑コンデンサ３ｕの電圧耐量以下のレベル（ＯＶレベル）と抵抗Ｒ１、Ｒ２で分圧された電圧検出値を比較し、電圧検出値がＯＶレベルよりも高くなった場合は、フォトカプラ１９（ＰＣ）に順電流を流し、異常信号（Ｅｒｒ）を制御装置へ情報として送出する。同様に、第２比較器１８はＩＧＢＴ素子のアーム短絡により平滑コンデンサ３ｕは電圧が急減するため、ＰＷＭコンバータとして通常想定される電圧変動レベルよりも低くしたレベル（ＵＶレベル）を閾値として電圧検出値と比較し、電圧検出値がＵＶレベルよりも下がった場合に同様にフォトカプラ１９（ＰＣ）に順電流を流し、異常信号（Ｅｒｒ）を制御装置へ情報として送出する。なお、検出レベルの基準電位は逆バイアス電位ＧＮとしているが、逆バイアス電圧は通常１０Ｖ前後でありＩＧＢＴアームに印加される電圧に比較し十分低く基準電位としては何ら支障はない。

以上、この発明の実施の形態１によれば、負極（Ｎ極）側の電力半導体を駆動するゲート駆動回路の電位を基準としてアーム対に印加される電圧を検出し、検出された電圧と正常範囲のレベルを比較し、正常範囲を逸脱した場合に異常信号を送出する機能をゲートドライブ回路に設けたので、ヒューズの溶断を確実かつ高速に検出できるとともに、溶断検出用マイクロスイッチが不要となり、また配線数が削減されコストダウンが可能となる。また、ヒューズ溶断に限らず平滑コンデンサ電圧の異常を検知出来るため信頼性の高い装置を提供できる効果もある。

なお、上記実施の形態１ではコンバータ回路を用いて説明したが、インバータ側に用いても同様の効果がある。また実施の形態１では異常検出回路１２の電位を逆バイアス電位（ＧＮ）としたが、エミッタ電位（Ｅ）としても良い。

この発明の実施の形態１における電力変換装置のコンバータ回路のＵ相アームを示す構成図である。この発明の実施の形態１における電力変換装置のコンバータ回路のゲートドライブ回路を示す構成図である。従来の電力変換装置のコンバータ回路を示す構成図である。従来の電力変換装置のコンバータ回路のヒューズ溶断検出器を示す構成図である。

符号の説明

１ｕ〜１ｚヒューズ
２ｕ、２Ｖ、２ｗ正極側ＩＧＢＴ素子
２ｘ、２ｙ、２ｚ負極側ＩＧＢＴ素子
３ｕ〜３ｚ平滑コンデンサ
４ヒューズ溶断検出器
４ｕ、４ｘ溶断検出用マイクロスイッチ
１０ゲートドライブ回路
１１ゲート駆動回路
１２異常検出回路
１３順バイアスゲート電圧源（Ｅ＿Ｐ）
１４逆バイアスゲート電圧源（Ｅ＿Ｎ）
１５半導体スイッチ（ＱＰ）
１６半導体スイッチ（ＱＮ）
１７第１比較器
１８第２比較器
１９フォトカプラ（ＰＣ）

Claims

自己消弧可能な電力半導体を直列に接続してアーム対を構成し、アーム対と主回路平滑コンデンサが直接接続され、かつ主回路平滑コンデンサと直流電圧源との間にそれぞれヒューズを設けてなる電力変換装置において、
負極（Ｎ極）側の電力半導体を駆動するゲート駆動回路の電位を基準としてアーム対に印加される電圧を検出する手段と、検出された電圧と正常範囲のレベルを比較する手段と、正常範囲を逸脱した場合に異常信号を送出する機能とを備えたゲートドライブ回路を設けたことを特徴とする電力変換装置。
検出レベルの基準電位は逆バイアス電位であり、電力半導体に印加される電圧に比較して低いことを特徴とする請求項１記載の電力変換装置。