JP2010514397A - 短絡電流制限部を有するコンバータ - Google Patents

Abstract

１つの交流電圧端子（３）と少なくとも１つの直流電圧端子（ｐ、ｎ）とを有する少なくとも１つの相モジュール（２）を備えた電流変換装置（６）であって、電流を開閉するための半導体バルブが直列回路の半導体モジュール（７）を有して交流電圧端子（３）と各直流電圧端子（ｐ、ｎ）との間に設けられ、電気エネルギを蓄積するための少なくとも１つのエネルギ蓄積部（５）が設けられているものにおいて、ブリッジ短絡の否定的作用を効果的かつ確実に減少するために、各半導体モジュールが相互に並列に接続された半導体素子群（８ａ、８ｂ、８ｃ）を有し、半導体モジュールの各半導体素子群が個別の半導体素子群電流路（１０ａ、１０ｂ、１０ｃ）を介してエネルギ蓄積部（５）の少なくとも１つと接続される。
【選択図】 図２

Description

本発明は、１つの交流電圧端子と少なくとも１つの直流電圧端子とを有する少なくとも１つの相モジュールを備えた電流変換装置であって、電流を開閉するための半導体バルブが直列回路の半導体モジュールを有して交流電圧端子と各直流電圧端子の間に設けられ、電気エネルギを蓄積するための少なくとも１つのエネルギ蓄積部が設けられている電流変換装置に関する。

このような装置は特許文献１により既に公知である。そこには直流電圧側で互いに結合された２つのコンバータが述べられており、電流を開閉するための半導体バルブが設けられている。半導体バルブはサブモジュールの直列回路から成り、各サブモジュールが少なくとも１つの半導体モジュールを有し、該モジュールは遮断可能な電力半導体素子とこれに逆並列接続されたフライホイールダイオードとを含む。直流電圧回路中には中央コンデンサが設けられている。電力半導体素子が遮断されない場合、例えば故障によって電力半導体素子の遮断が機能しないとき、故障した電力半導体素子の分岐中にブリッジ短絡が発生することがあり、このブリッジ短絡によって単数又は複数の中間コンデンサは直ちに放電する。そのためコンバータ内でアークが生じ、こうしてコンバータ全体の爆発を生じることがある。爆発の否定的作用を防止又は少なくとも低減すべく、特許文献１には、ＤＣリンクの単数又は複数のコンデンサと直列に配置された所謂可逆的短絡電流制限器が述べられている。この可逆的短絡電流制限器はバリスタおよびオーム抵抗の他にＰＴＣサーミスタを有する。単数又は複数のＰＴＣサーミスタの応答時間、即ち短絡電流が引き起こす温度上昇によって抵抗が増大する迄に経過する時間は、約１００μｓである。しかしながらこの長い応答時間の故に、半導体モジュールの破壊は何れにしても確実に防止することができない。それはこの破壊が短い時間後に既に発生し得るからである。

独国特許出願公開第４３３０３８１号明細書

そこで本発明の課題は、ブリッジ短絡の否定的作用を効果的かつ確実に減少させることのできる冒頭に指摘した種類の装置を提供することである。

本発明はこの課題を、各半導体モジュールが相互に並列に接続された半導体素子群を有し、半導体モジュールの各半導体素子群を個別の半導体素子群電流路を介してエネルギ蓄積部の少なくとも１つと接続することによって解決する。

発生するアーク内で変換されるエネルギを減らすことで、ブリッジ短絡の作用は効果的に抑制できるとの認識が本発明の根底にある。本発明の枠内でこれを行うことができるのは、短絡事故時に発生する故障箇所からエネルギ蓄積部のエネルギの大部分を遠ざけ、又は少なくともアーク内で同じエネルギが長時間にわたって消散されるように考慮し、こうしてアーク電力を減少させることによってである。これは、例えばオーム抵抗を増大させ又は短絡分岐のインダクタンスを増大させることで引き起こし得る。短絡分岐中のオーム抵抗とインダクタンスとの増大は、単数又は複数のエネルギ蓄積器を半導体素子群に個別に電気結合することでもたらされる。このことは、市販の半導体モジュールが代表的には既に並列に接続された半導体素子群を有する点からも有利である。半導体モジュールの前記半導体素子群は、例えば共通する１つの制御線路を備えており、それ故に望ましい制御信号により、電力半導体素子又は半導体素子を介した電流の流れが可能な導通位置から、半導体素子を介した電流の流れが遮断される非導通位置へと一緒に移行可能であるにすぎない。遮断時の半導体モジュールの故障は普通、半導体モジュールの半導体素子群の１つでのみ発生する。それ故短絡事故時、短絡電流は実質的にまず１つの半導体素子群を経て流れるにすぎない。各半導体素子群をコンバータのエネルギ蓄積部と部分的に個別に電気結合することで、正常運転時の装置全体の低抵抗、低インダクタンス母線配列にも係らず発生した故障分岐内で抵抗とインダクタンスは大きい。それは、一定長さの短絡分岐の高い短絡電流に対し僅かな導体横断面が存在するに過ぎず、故障電流用電流路は大きなインダクタンスを有するからである。それ故に故障電流が全体として減少し、同時にアーク内で変換される電力が減少する。半導体モジュールは共通して駆動可能な半導体素子群を含む。更に、半導体モジュールは逆方向フライホイールダイオードも有し得る。１つのサブモジュールは少なくとも１つの半導体モジュールを含む。

少なくとも各半導体素子群電流路が部分的に特殊鋼から成るとよい。通常使用される銅の代わりに特殊鋼を使用することで、オーム抵抗が更に高まり、結果として短絡電流制限が改善される。

本発明に係る装置の他の１構成によれば、各エネルギ蓄積部が相互に並列に接続されたサブエネルギ蓄積部から成り、各サブエネルギ蓄積部が個別の半導体素子群電流路を介して半導体素子群と結合される。実際のエネルギ伝送分配において、コンデンサ等のエネルギ蓄積部はしばしば各種サブエネルギ蓄積部の並列回路から成り、エネルギ蓄積部は複数の接続端子を介してＤＣリンクの１つの極と結合される。本発明の枠内で、サブエネルギ蓄積部の個別端子の結合部は半導体素子群の上流側にではなく、半導体素子群の下流側に初めて配置されている。それ故、短絡事故時、１つのサブエネルギ蓄積部のみが放電し、該蓄積部は全サブエネルギ蓄積部の合計と比較して僅かな静電容量を有し、従って僅かなエネルギを蓄積したものである。短絡事故時、エネルギ蓄積部のエネルギのごく僅かが半導体モジュール内の故障箇所に作用するだけである。

半導体素子群電流路を半導体モジュールの前で既に結合することが回路技術上必要な場合、それは例えば誘導式に行うことができる。半導体素子群電流路を対称インピーダンスを介して互いに結合するとよい。対称インピーダンスは、例えばサブモジュールの構成要素である。それとは別に、対称インピーダンスはアームリアクトルとしてコンバータ内に設けられている。その場合、故障箇所と結合されていないエネルギ蓄積部に蓄積されたエネルギは大部分が対称インピーダンス内で消散される。この対称インピーダンスは、通常エネルギ蓄積部で各々低下する電圧の対称化に役立つ。

対称インピーダンスが抵抗、インダクタンスおよび／又は抵抗とインダクタンスとの組合せを含むとよい。

望ましくは、中央エネルギ蓄積部が直流電圧端子と結合して設けられる。中央エネルギ蓄積部を備えた電圧形コンバータは既に久しく知られており、市場で入手可能である。

しかしそれとは別に、半導体バルブはサブモジュールから成る直列回路を含んでよく、各サブモジュールは少なくとも１つの半導体モジュールと１つのエネルギ蓄積部とを有する。有利なこの構成によれば、エネルギ蓄積部が半導体モジュールに配設されており、こうして所謂マルチレベルコンバータが提供される。

本発明のその他の利点および諸構成を、図示の本発明の実施例に基づき説明する。図中同じ働きをする部材には同一の符号を付している。

先行技術による装置の１実施例を略図で示す。 本発明に係る装置の１実施例を略図で示す。 半導体モジュールの詳細図である。 半導体素子群から成る半導体モジュールの母線配列の例を示す。 サブエネルギ蓄積部を備えた本発明の他の実施例を示す。

図１は先行技術による装置の１例を示す。そこに図示するコンバータ１は、２つの直流電圧端子ｐ、ｎを備えた相モジュール２を有する。更に交流電圧端子３を備え、該端子３と直流電圧端子ｐとの間に半導体バルブ４ｐ１が設けられ、負の直流電圧端子ｎと交流電圧端子３との間に他の半導体バルブ４ｎ１が設けられている。図１は、見易さのため１つの相モジュール２のみを図示している。しかし指摘しておくなら、コンバータ１に接続された交流電圧電源の各相ごとに１つの相モジュール２が設けられており、全ての相モジュール２は図１に示す相モジュールと同一に構成されている。一般に、半導体バルブによってブリッジ回路が実現されている。図１の装置１は、相モジュール２の他に更に、コンデンサ５として形成された中央エネルギ蓄積部を直流電圧回路ｐ、ｎ中に含む。

図示の例において各半導体バルブ４ｐ１はサブモジュールの直列回路から成り、サブモジュールがここでは遮断可能な電力半導体素子を備えた半導体モジュールを各々有し、遮断可能な各電力半導体素子にフライホイールダイオードが逆並列に接続されている。これを図１に回路記号で示している。直列接続される半導体モジュールの数は、直流電圧回路中にその都度存在する電圧に依存する。

ブリッジ短絡の発生を図１にジグザグの矢印で示す。例えば半導体モジュールの１つがもはや遮断できず、半導体バルブ４ｐ１の耐電圧に寄与しないことが有り得る。こうして交流電圧端子３と直流電圧端子ｐとの間の電圧は、残存する正常な半導体モジュールに加わる。この場合、残存する若干数の正常な半導体モジュールは、印加電圧を確実に遮断し得ない。換言すれば、交流電圧端子３が正の直流電圧端子ｐの電位になってしまう。コンバータの制御部が半導体バルブ４ｎ１をその導通位置に移すと、ブリッジ短絡が生じ、中央コンデンサ５が直ちに放電する。ボンディング型半導体モジュールが利用されているなら、半導体モジュールのボンディングワイヤが消滅し、数マイクロ秒以内にコンデンサエネルギを完全に消散するアークが発生する。半導体モジュールが爆発し、コンバータ１が故障する結果となる。

図２は本発明に係る装置６の１実施例を示す。半導体バルブ４ｐ１又は４ｎ１は互いに直列に接続された半導体モジュール７から成るが、この図は見易さのため半導体バルブ４ｐ１又は４ｎ１ごとに各々１つの半導体モジュール７のみを図示している。更に各半導体モジュール７が互いに並列に接続された３つの半導体素子群８ａ、８ｂ、８ｃから成り、１つの半導体モジュール７の半導体素子群８ａ、８ｂ、８ｃが共通する制御線路９を介して非導通位置から導通位置、又は導通位置から非導通位置へと一緒にのみ移行可能であることを示している。半導体素子群８ａ、８ｂ、８ｃは遮断可能な電力半導体素子、例えば所謂ＧＴＯ、ＩＧＢＴ等を含む。遮断可能なこの電力半導体素子の各々に、図１で既に示したように、図２に図示しないフライホイールダイオードを逆並列に接続している。図１に示した先行技術と異なり、中央エネルギ蓄積部５は単一の結合線路を介して各半導体バルブ６ｐ１又は６ｎ１の半導体モジュール７と結合されていない。本発明の枠内で中央エネルギ蓄積部５は複数の個別半導体素子群電流路１０ａ、１０ｂ、１０ｃを介して各１つの半導体素子群８ａ、８ｂ又は８ｃと結合されている。故障は一般に半導体素子群８ａ、８ｂ、８ｃの１つに発生するだけである。それ故、短絡電流は半導体素子群電流路を介してのみ流れるよう強いられる。それ故、半導体素子群８ｂの故障事故時、短絡電流は半導体素子群電流路１０ｂを介して流れる。全半導体素子群電流路の合計と比較して導体横断面が減少しているので、インダクタンスおよびオーム抵抗が高まり、その結果アーク内で消散されるエネルギおよび電力が低減する。それ故、アーク又はこれによって引き起こされる爆発の危険は本発明によって弱められる。

図３に再示するように、市販の半導体モジュールは普通並列に接続された半導体素子群から成り、半導体素子群は個別の接続端子を既に装備している。遮断可能な各電力半導体と逆並列に配置されるフライホイールダイオードは、見易さのため図３の右側部分には図示していない。

図４は、例えば半導体素子群電流路１０ａ、１０ｂ、１０ｃを実現する溝付き接続板を示す。

図５は本発明の他の実施例を示し、この場合中央エネルギ蓄積器５は互いに並列に配置されたサブエネルギ蓄積部１１ａ、１１ｂ、１１ｃから成る。各サブエネルギ蓄積部１１ａ、１１ｂ又は１１ｃは個別の半導体素子群電流路１０ａ、１０ｂ又は１０ｃを介して半導体素子群８ａ、８ｂ又は８ｃと結合されている。半導体素子群８ｂに故障が発生すると全エネルギ蓄積部の総エネルギではなく、エネルギ蓄積部１１ｂに蓄積されたエネルギのみがアーク内で消散される。

半導体電流路間に対称インピーダンス１２が配置されている。該インピーダンス１２はオーム抵抗又はインダクタンス１３を含む。半導体素子群８ｃの短絡の結果として１つのサブエネルギ蓄積部、例えばサブエネルギ蓄積部１１ｂが放電すると、エネルギ蓄積部１１ａ、１１ｃに蓄積されたエネルギが対称インピーダンス１２を介して消散される。

図２と図５に示した実施例とは別に、半導体バルブ内にエネルギ蓄積部を配設することも本発明の枠内で可能である。その場合、各半導体バルブにサブモジュールから成る直列回路を設ける。各サブモジュールは少なくとも１つの半導体モジュールの他に１つのサブエネルギ蓄積部を含む。しかし、半導体バルブ内部の半導体モジュールの直列回路は、このような所謂マルチレベルコンバータにおいても維持される。

２ 相モジュール、３ 交流電圧端子、５ エネルギ蓄積部、６ 装置、７ 半導体モジュール、８ 半導体素子群、１０ 半導体素子群電流路、１１ サブエネルギ蓄積部、１２ 対称インピーダンス、ｎ、ｐ 直流電圧端子

Claims (8)

1. １つの交流電圧端子（３）と少なくとも１つの直流電圧端子（ｐ、ｎ）とを有する少なくとも１つの相モジュール（２）を備えた電流変換装置（６）であって、電流を開閉するための半導体バルブが直列回路の半導体モジュール（７）を有して交流電圧端子（３）と各直流電圧端子（ｐ、ｎ）との間に設けられ、電気エネルギを蓄積するための少なくとも１つのエネルギ蓄積部（５）が設けられている電流変換装置において、
   各半導体モジュール（７）が相互に並列接続された半導体素子群（８ａ、８ｂ、８ｃ）を有し、半導体モジュール（７）の各半導体素子群（８ａ、８ｂ、８ｃ）が個別の半導体素子群電流路（１０ａ、１０ｂ、１０ｃ）を介してエネルギ蓄積部（５）の少なくとも１つと結合されている電流変換装置。
2. 各半導体素子群電流路（１０ａ、１０ｂ、１０ｃ）が少なくとも部分的に特殊鋼から成る請求項１記載の電流変換装置。
3. 各エネルギ蓄積部（５）が相互に並列に接続されたサブエネルギ蓄積部（１１ａ、１１ｂ、１１ｃ）から成り、各サブエネルギ蓄積部（１１ａ、１１ｂ、１１ｃ）が個別の半導体素子群電流路（１０ａ、１０ｂ、１０ｃ）を介して半導体素子群（８ａ、８ｂ、８ｃ）と結合されている請求項１又は２記載の電流変換装置。
4. 半導体素子群電流路（１０ａ、１０ｂ、１０ｃ）が対称インピーダンス（１２）を介して互いに接続されている請求項３記載の電流変換装置。
5. 対称インピーダンス（１２）が抵抗（１３）、インダクタンス（１４）および／又は抵抗とインダクタンスとの組合せを含む請求項４記載の電流変換装置。
6. 半導体素子群電流路（１０ａ、１０ｂ、１０ｃ）がインダクタンス（１４）を介して互いに接続されている請求項３から５の１つに記載の電流変換装置。
7. 中央エネルギ蓄積部（５）が直流電圧端子（ｐ、ｎ）と接続されている請求項１から６の１つに記載の電流変換装置。
8. 半導体バルブがサブモジュールから成る直列回路を含み、各サブモジュールが少なくとも１つの半導体モジュールと１つのエネルギ蓄積部とを有する請求項１から６の１つに記載の電流変換装置。

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