JP2008236994A - 半導体電力変換装置の故障検出装置 - Google Patents

Abstract

【課題】ゲート電源系統を冗長化した半導体電力変換装置の信頼性を向上させることができる故障検出装置を得る。
【解決手段】ゲート生成回路４ａからのゲート信号１３ａを検出して１３ａのオンオフ状態に応じた信号を出力するゲート信号検出回路５ａと、ゲート電源回路３１ａ、３２ａ毎に設け、３１ａ、３２ａが正常の場合は、１３ａのオフ状態に応じた信号を出力し、かつ３１ａ、３２ａが異常の場合は、１３ａのオン状態に応じた信号を出力する電源故障検出回路６１ａ、６２ａと、５ａの出力及び６１ａ、６２ａの出力をまとめてゲート基板１ａにフィードバック信号９ａとして出力する出力回路と、出力回路からのフィードバック信号９ａを入力し、ゲート駆動回路のフィードバック信号がアーム短絡状態を継続している場合、ゲート電源回路３１ａ、３２ａの故障と判断する論理積回路８ａを具備したもの。
【選択図】 図２

Description

本発明は、冗長化したゲート電源系統を有し、ゲート電源系統の健全性確認が可能な半導体電力変換装置の故障検出装置に関する。

特許文献１には、電力変換器のゲートパルス異常検出回路として、電力変換器の各アームを構成するスイッチング素子への供給状態の異常を検出するものであり、冗長化したゲート電源系統の故障を検出する点については記載がない。

ゲート駆動回路を構成するゲート基板のゲート電源系統の電源喪失は素子の破損につながる可能性があるため、高信頼化を図るためにゲート電源系統(電源回路)を冗長化する場合がある。ゲート電源系統を複数として冗長化することで、ゲート電源系統が故障しても、電力変換装置を運転継続することができる。

しかし、ゲート駆動回路を構成するゲート基板は高圧回路に設置されており、故障信号を送信するためには光等で絶縁する必要がある。また、ゲート基板上に故障信号を送信する回路を設置できない場合、発光回路を基板上に設けて、故障を目視で確認していた。
特開平５−２７６７３５号公報

ゲート基板上の発光回路を目視で確認するため、半導体素子の数が多くなると作業量が多くなり、故障を検出していても見落とす危険性がある。

そこで、本発明はゲート電源系統を冗長化した半導体電力変換装置の信頼性を向上させることができる故障検出装置を提供することを目的とする。

前記目的を達成するため、請求項１に対応する発明は、主回路の複数のアーム毎に接続される半導体素子からなり、各半導体素子のゲートに各々接続されるゲート駆動回路に有するゲート生成回路により生成されるゲート信号を与えることで、交流電力−直流電力、直流電力−交流電力に変換するものであって、前記各ゲート駆動回路には各々冗長化するために複数のゲート電源系統を備えた半導体電力変換装置において、
前記ゲート生成回路からのゲート信号を検出して前記ゲート信号のオンオフ状態に応じた信号を出力するゲート信号検出回路と、
前記ゲート電源系統毎に設け、前記ゲート電源系統が正常の場合は、前記ゲート信号のオフ状態に応じた信号を出力し、かつ前記ゲート電源系統が異常の場合は、前記ゲート信号のオン状態に応じた信号を出力する電源故障検出回路と、
前記ゲート信号検出回路の出力及び前記各電源故障検出回路の出力をまとめて前記ゲート駆動回路にフィードバック信号として出力する出力回路と、
前記出力回路からのフィードバック信号を入力し、前記ゲート駆動回路のフィードバック信号がアーム短絡状態を継続している場合、前記ゲート電源系統の故障と判断する故障判断回路とを具備した半導体電力変換装置の故障検出装置である。

本発明によれば、ゲート電源系統を冗長化した半導体電力変換装置の信頼性を向上させることができる故障検出装置を提供できる。

（第１の実施形態）
図１乃至図４は本発明の半導体電力変換装置の故障検出装置に係る第１の実施形態を説明するためのものであって、図１は三相の半導体電力変換装置の主回路を説明するための図であり、図２は図１の一部であって本発明の重要な構成を説明するための概略構成図である。図３は図２の故障検出装置を説明するための概略構成図であり、図４は図３の作用効果を説明するためのタイムチャートである。

半導体電力変換装置１７の主回路は、複数のアーム毎に接続され、半導体素子本体と逆並列に接続されたダイオードからなる半導体素子１２ａ、１２ｂ、１２ｃ、１２ｄ、１２ｅ、１２ｆをブリッジ接続してなり、各半導体素子のゲートに各々ゲート駆動回路を接続している。各ゲート駆動回路は具体的には基板に搭載されたゲート基板１ａ、１ｂ、１ｃ、１ｄ、１ｅ、１ｆとなっている。

ゲート基板１ａ、１ｂ、１ｃ、１ｄ、１ｅ、１ｆは、いずれも同一構成であるので、図２によりゲート基板１ａについて説明する。ゲート基板１ａには、ゲート制御信号１０ａを取り込む受信回路２ａと、例えば図示しない無停電電源装置によりゲート基板電源を構成する電源からの電圧１１１ａ、１１２ａのレベルを調整する例えばゲート電源回路３１ａ、３２ａと、ゲート電源回路３１ａ、３２ａの出力側にそれぞれダイオード１８１ａ、１８２ａを介して接続すると共に、受信回路２ａの出力側も接続し、半導体素子１２ａのゲートに与えるゲート信号１３ａを生成するゲート生成回路４ａを備えている。

このような構成において、ゲート基板１ａのゲート生成回路４ａにより生成されるゲート信号１３ａを半導体素子１２ａのゲートに与えることで、交流電力−直流電力、直流電力−交流電力に変換するものである。

このゲート基板１ａには冗長化するためにゲート電源系統例えばゲート電源回路３１ａ、３２ａを備えた半導体電力変換装置において、次のような故障検出装置を備えている。ゲート生成回路４ａからのゲート信号１３ａを検出してゲート信号１３ａのオンオフ状態に応じた検出信号７ａを出力するゲート信号検出回路５ａと、ゲート電源回路３１ａ、３２ａ毎に設け、ゲート電源回路３１ａ、３２ａが正常の場合は、ゲート信号１３ａのオフ状態に応じた信号を出力し、かつゲート電源回路３１ａ、３２ａが異常の場合は、ゲート信号１３ａのオン状態に応じた信号を出力する電源故障検出回路６１ａ、６２ａと、ゲート信号検出回路５ａの出力(検出信号７ａ)及び電源故障検出回路６１ａ、６２ａの出力をまとめてゲート基板１ａからフィードバック信号９ａとして出力する出力回路の１例である論理積回路８ａとを備え、これらはいずれもゲート基板１ａに搭載している。

フィードバック信号９ａは、次のようなとき論理信号「１」、「０」を出力する。すなわち、ゲート電源回路３１ａ、３２ａが正常の場合、フィードバック信号９ａはゲート信号１３ａに連動してオン、オフを繰り返す。また、ゲート電源回路３１ａが故障した場合、電源故障検出回路６１ａが故障を検出して論理信号「０」を出力して、フィードバック信号９ａを「０」に固定する。

以上述べた構成は、半導体素子１２ａのゲート基板１ａであるが、半導体素子１２ａとスイッチングペアである半導体素子１２ｄのゲート基板１ｄも、ゲート基板１ａと同一構成となっており、図３に示すようにゲート基板１ｄからもフィードバック信号９ｄを出力するようになっている。

故障検出回路１４ａｄには、ゲート基板１ａからのフィードバック信号９ａと、ゲート基板１ｄからのフィードバック信号９ｄを取り込み、ここで故障検出を行う。図３、図４に示すように、ゲート基板１ａ、１ｄは、正常運転時、同時オンして直流短絡にならないように制御されている。そのため、ゲート基板１ａ、１ｄのフィードバック信号９ａ、９ｄは同時にオン状態にならない。ゲート基板１ａのゲート電源回路３１ａ、３２ａが異常になったとすると、フィードバック信号９ａはオン状態となる。故障検出回路１４ａｄはフィードバック信号９ｄがオン状態のときにフィードバック信号９ａとの論理和をとり、この結果は「０」ならば異常と判断する。

図１の他のゲート基板１ｂと１ｅ、１ｃと１ｆも、前述のゲート基板１ａと１ｄと同様に構成され、各ゲート基板はフィードバック信号９ｂと９ｅ、９ｃと９ｆを出力するように構成され、フィードバック信号９ｂと９ｅ、９ｃと９ｆは、故障検出回路１４ｂｅ、１４ｃｆに入力して故障を検出するように構成されている。

半導体電力変換装置１７内の同時オンした場合に直流短絡になる組合せのゲート基板１ａと１ｄ、１ｂと１ｅ、１ｃと１ｆのフィードバック信号９ａと９ｄ、９ｂと９ｅ、９ｃと９ｆを故障検出回路１４ａｄ、１４ｂｅ、１４ｃｆに入力して故障を検出する。

ここで、図３、図４に示すように、ゲート基板１ａ、１ｄは、正常運転時、同時オンして直流短絡にならないように制御されている。そのため、ゲート基板１ａ、１ｄのフィードバック信号９ａ、９ｄは同時にオン状態にならない。ゲート基板１ａのゲート電源回路３１ａ、３２ａが異常になったとすると、フィードバック信号９ａはオン状態となる。故障検出回路１４ａｄはフィードバック信号９ｄがオン状態のときにフィードバック信号９ａとの論理和をとり、この結果は「０」ならば異常と判断する。

ゲート信号の異常でゲート基板１ａと１ｄが同時オンとなった場合には、主回路の電圧又は電流が異常になるため、その異常を検出することで、ゲート基板１ａ、１ｄの電源故障と区別することができる。

また、ケート電源回路３１ａ、３２ａが正常の場合は、ゲート基板のフィードバック信号をゲート信号の記録に使用することができる。

（第２の実施形態）
図５は本発明の故障検出装置に係る第２の実施形態を説明するための概略構成図である。この実施形態は、半導体電力変換装置１７内の全てのゲート駆動回路、具体的にはゲート基板１ａ、１ｂ、１ｃ、１ｄ、１ｅ、１ｆからのフィードバック信号９ａ、９ｂ、９ｃ、９ｄ、９ｅ、９ｆが一つの故障検出回路１４に入力されるようになっている点のみが
第１の実施形態とは異なる点である。

このような構成において、ゲート基板が一つのみオン状態を継続していた場合、ゲート電源系統例えはゲート電源回路３１ａ、３２ａの故障と判断できるように構成したものである。

以下本実施形態の作用効果について説明する。例えば図１に示すゲート電源回路３１ａ、３２ａが正常の場合、フィードバック信号９はゲート信号１３に連動してオン、オフを繰り返す。ゲート電源回路３１ａが故障した場合、電源故障検出回路６１ａが故障を検出して「０」を出力して、フィードバック信号１６を「０」に固定する。

停止状態で、半導体電力変換装置１７内のゲート基板１ａ、１ｂ、１ｃ、１ｄ、１ｅ、１ｆのフィードバック信号１６を故障検出回路１４に入力して、１枚のゲート基板のフィードバック信号のみオン状態を継続していた場合、その基板のゲート電源回路の異常と判断して故障を検出できる。

この実施形態も前述の第１の実施形態と同様に、ゲート電源回路が正常の場合は、ゲート基板のフィードバック信号をゲート信号の記録に使用することができる。

（第３の実施形態）
図６乃至図８は本発明の故障検出装置に係る第３の実施形態を説明するための図である。半導体電力変換装置１７の主回路は、３レベルコンバータ回路又は３レベルインバータ回路である。そして、主回路内のスイッチングのペアに対応するゲート駆動回路例えばゲート基板１ａと１ｃ、１ｂと１ｄ、１ｅと１ｇ、１ｆと１ｈ、１ｉと１ｋ、１ｊと１ｌからのフィードバック信号９ａと９ｃ、９ｂと９ｄ、９ｅと９ｇ、９ｆと９ｈ、９ｉと９ｋ、９ｊと９ｌを、図６に示す故障検出回路１４ａｃ、１４ｂｄ、１４ｅｇ、１４ｆｈ、１４ｉｋ、１４ｊｌに入力するように構成する。そして、故障検出回路１４ａｃ、１４ｂｄ、１４ｅｇ、１４ｆｈ、１４ｉｋ、１４ｊｌの出力を論理積回路１５に入力して、スイッチングのペアとなる各ゲート基板のフィードバック信号が同時にオン状態を継続していた場合、ゲート電源系統例えはゲート電源回路３１ａ、３２ａの故障と判断し、するように構成したものである。

具体的には、半導体電力変換装置１７内の同時オンした場合に直流短絡になる組合せのゲート基板１ａと１ｃ、１ｂと１ｄ、１ｅと１ｇ、１ｆと１ｈ、１ｉと１ｋ、１ｊと１ｌのフィードバック信号１６を、論理積回路１５を介して故障検出回路１４ａｃ、１４ｂｄ、１４ｅｇ、１４ｆｈ、１４ｉｋ、１４ｊｌにそれぞれ入力して、各故障検出回路において故障を検出するように構成したものである。

このような構成の作用効果は、次のようになる。すなわち、図１に示すゲート電源回路３１ａ、３２ａが正常の場合、フィードバック信号１６はゲート信号１３ａに連動してオン、オフを繰り返す。ゲート電源回路３１ａが故障した場合、電源故障検出回路６１ａが故障を検出して「０」を出力して、フィードバック信号１６を「０」に固定する。

半導体電力変換装置１７内の同時オンした場合に直流短絡になる組合せのゲート基板１ａと１ｃ、１ｂと１ｄ、１ｅと１ｇ、１ｆと１ｈ、１ｉと１ｋ、１ｊと１ｌのフィードバック信号を故障検出回路１４ａｃ、１４ｂｄ、１４ｅｇ、１４ｆｈ、１４ｉｋ、１４ｊｌにそれぞれ入力して故障を検出できる。

以上述べた故障検出方法について、図７及び図８を参照して説明する。ゲート基板１ａと１ｃ、１ｂと１ｄの組合せで、同時オンして直流短絡にならないように制御されている。そのため、ゲート基板１ａと１ｃ、１ｂと１ｄのフィードバック信号９ａと９ｃ、９ｂと９ｄは同時にオン状態にならない。ゲート基板１ａのゲート電源回路３１ａ、３２ａが異常になったとすると、フィードバック信号９ａはオン状態となる。故障検出器１４ａはフィードバック信号９ｃがオン状態のときにフィードバック信号９ａとの論理和をとり、「０」ならば異常と判断する。

ゲート信号の異常でゲート基板１ａと１ｃが同時オンとなった場合には、主回路の電圧又は電流が異常になるため、その異常を検出することで、ゲート基板のゲート電源回路３１ａ、３２ａと区別することができる。

また、この場合も前述の実施形態と同様にゲート電源回路３１ａ、３２ａが正常の場合は、ゲート基板のフィードバック信号をゲート信号の記録に使用することができる。

（第４の実施形態）
図９は本発明の故障検出装置に係る第４の実施形態を説明するための概略構成図である。この実施形態は、半導体電力変換装置１７の主回路は、３レベルコンバータ回路又は３レベルインバータ回路であり、主回路内のスイッチングのペアに対応するゲート駆動回路、例えばゲート基板の出力回路からのフィードバック信号を故障検出回路に入力し、スイッチングのペアとなるゲート基板のフィードバック信号が同時にオン状態を継続していた場合、ゲート電源系統例えばゲート電源回路３１ａ、３２ａの故障と判断するようにしたものである。

具体的には、半導体電力変換装置１７内の各相のゲート基板１ａ、１ｂ、１ｃ、１ｄ、１ｅ、１ｆ、１ｇ、１ｈ、１ｉ、１ｊ、１ｋ、１ｌ毎に故障検出回路１４ａｂｃｄ、１４ｅｆｇｈ、１４ｉｊｋｌにそれぞれ入力し、論理積回路１５から故障検出信号１５を出力するように構成したものである。これ以外の構成は、第１の実施形態と同一である。

図１に示すゲート電源回路３１ａ、３２ａが正常の場合、フィードバック信号９はゲート信号１３に連動してオン、オフを繰り返す。ゲート電源回路３１ａが故障した場合、電源故障検出回路６１ａが故障を検出して「０」を出力して、フィードバック信号９を「０」に固定する。

停止状態で、半導体電力変換装置１７内の各相のゲート基板毎に故障検出回路１４ａｂｃｄ、１４ｅｆｇｈ、１４ｉｊｋｌにそれぞれ入力して、各相のゲート基板のうち１枚のゲート基板のフィードバック信号のみオン状態を継続していた場合、その基板の電源回路の異常と判断して故障を検出する。

また、この実施形態も前述の実施形態と同様に、ゲート電源回路３１ａ、３２ａ電源回路が正常の場合は、ゲート基板のフィードバック信号をゲート信号の記録に使用することができる。

(変形例)
前述の実施形態では、半導体電力変換装置の主回路として三相回路例えば図２に示すように半導体素子１ａ、１ｂ、１ｃ、１ｄ、１ｅ、１ｆからなるものを例に挙げて説明したが、これを例えば図２の半導体素子１ａ、１ｂ、１ｃ、１ｄからなる単相回路であっても同様に実施できる。

本発明の故障検出装置の第１の実施形態を説明するための概略図。 図１の実施形態を使用した３相インバータの主回路図。 図１の実施形態の作用効果を説明するための概略図。 図１の実施形態の作用効果を説明するためのタイムチャート。 本発明の故障検出装置の第２の実施形態を説明するための概略図。 本発明の故障検出装置の第３の実施形態を説明するための概略図。 図６の実施形態の作用効果を説明するための概略図。 図６の実施形態の作用効果を説明するためのタイムチャート。 本発明の故障検出装置の第４の実施形態を説明するための概略図。

符号の説明

１ａ〜１ｌ…ゲート基板、２ａ…受信回路、４ａ…ゲート生成回路、５ａ…ゲート信号検出回路、８ａ…論理積回路、１２ａ〜１２ｌ…半導体素子、１４、１４ａｄ、１４ｂｅ、１４ｃｆ、１４ａｂｃｄ、１４ｅｆｇｈ、１４ｉｊｋｌ…故障検出回路、１５…論理積回路、 １７…半導体電力変換装置、３１ａ、３２ａ…ゲート電源回路、６１ａ、６２ａ…電源故障検出回路、１１１ａ、１１２ａ…電圧、１８１ａ．１８２ａ…ダイオード。

Claims (4)

1. 主回路の複数のアーム毎に接続される半導体素子からなり、各半導体素子のゲートに各々接続されるゲート駆動回路に有するゲート生成回路により生成されるゲート信号を与えることで、交流電力−直流電力、直流電力−交流電力に変換するものであって、前記各ゲート駆動回路には各々冗長化するために複数のゲート電源系統を備えた半導体電力変換装置において、
   前記ゲート生成回路からのゲート信号を検出して前記ゲート信号のオンオフ状態に応じた信号を出力するゲート信号検出回路と、
   前記ゲート電源系統毎に設け、前記ゲート電源系統が正常の場合は、前記ゲート信号のオフ状態に応じた信号を出力し、かつ前記ゲート電源系統が異常の場合は、前記ゲート信号のオン状態に応じた信号を出力する電源故障検出回路と、
   前記ゲート信号検出回路の出力及び前記各電源故障検出回路の出力をまとめて前記ゲート駆動回路にフィードバック信号として出力する出力回路と、
   前記出力回路からのフィードバック信号を入力し、前記ゲート駆動回路のフィードバック信号がアーム短絡状態を継続している場合、直流短絡となるゲート異常として前記ゲート電源系統の故障と判断する故障判断回路と、
   を具備したことを特徴とする半導体電力変換装置の故障検出装置。
2. 前記半導体電力変換装置内の全ての前記ゲート駆動回路の前記出力回路からのフィードバック信号を前記故障が一つのみオン状態を継続していた場合、停止状態に係わらずオンしているゲート信号の異常として、前記ゲート電源系統の故障と判断することを特徴とする請求項１記載の半導体電力変換装置の故障検出装置。
3. 前記半導体電力変換装置の主回路は、３レベルコンバータ回路又は３レベルインバータ回路であり、前記主回路内のスイッチングのペアに対応する前記ゲート駆動回路の前記出力回路からの前記フィードバック信号を前記故障検出回路に入力し、スイッチングのペアとなる前記ゲート駆動回路のフィードバック信号が同時にオン状態を継続していた場合、直流短絡となるゲート信号の異常として、前記ゲート電源系統の故障と判断することを特徴とする請求項１記載の半導体電力変換装置の故障検出装置。
4. 前記半導体電力変換装置の主回路は、３レベルコンバータ回路又は３レベルインバータ回路であり、前記主回路アーム毎に全ての前記ゲート駆動回路の前記出力回路からのフィードバック信号を監視し、前記フィードバック信号のうちの１つのみがオン状態を継続していた場合、停止状態に係わらずオンしているゲート信号の異常として、前記ゲート電源系統の故障と判断することを特徴とする請求項１記載の半導体電力変換装置の故障検出装置。

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