JP2011182567A

JP2011182567A - インバータの保護方法及び保護装置

Info

Publication number: JP2011182567A
Application number: JP2010045042A
Authority: JP
Inventors: Kenichiro Ueki; 健一郎植木; Yukio Kato; 行夫加藤
Original assignee: Fuji Electric Co Ltd
Current assignee: Fuji Electric Co Ltd
Priority date: 2010-03-02
Filing date: 2010-03-02
Publication date: 2011-09-15

Abstract

【課題】直流中間コンデンサの異常検出・保護機能の一部を、インバータにおける過電流保護用の回路によって実現し、回路構成部品の有効利用、部品数の減少による構成の簡略化、コストの低減を可能にする。
【解決手段】直列または並列に接続された複数の直流中間コンデンサを有し、かつ、回路に流れる過電流を検出して電源を遮断することにより回路を保護する保護機能を備えたインバータにおいて、直流中間コンデンサが短絡故障した際に、インバータを構成する上下アームの半導体スイッチング素子をオンさせて上下アームを強制的に短絡し、その際に流れる過電流を検出して前記保護機能を働かせる。
【選択図】図１

Description

本発明は、直流中間コンデンサの短絡破壊からインバータを保護するためのインバータの保護方法及び保護装置に関するものである。

通常、インバータでは、特許文献１に記載されているように、過電流が流れた場合に半導体スイッチング素子をオフさせたり電源を遮断することにより、半導体スイッチング素子を含むインバータや負荷を保護する対策が採られている。この場合、過電流検出レベルとしては、通常動作時に過電流保護動作が働かないように、十分に余裕を持った値に設定されている。

一方、インバータの主回路に設けられる直流中間コンデンサとしては、所定の耐圧に対応させるために複数個が直列に接続され、また、所定の容量を確保するために複数個が並列に接続される場合がある。ここで、仮に直列または並列に接続された複数のコンデンサのうち１個が短絡故障したとしても、そのことによるインバータ主回路の電流変化量は小さいため、前述したような過電流保護動作が働かないことも多い。
このような場合には、１個のコンデンサが短絡故障している状態でインバータの運転が継続されることになり、その結果、他のコンデンサが過電流または過電圧状態となってこれらが順次破壊され、最悪の場合にはインバータが焼損する等の事態を招いてしまう。

上記の点にかんがみ、例えば特許文献２には、直列に接続された２個の直流中間コンデンサに電圧検出回路をそれぞれ接続し、これらの電圧検出回路により検出される各コンデンサの両端電圧を所定値と比較することにより、コンデンサの劣化による異常信号を出力して電力変換器の保護動作を行うことが記載されている。

特開２００７−１３９３１６号公報（段落［００１５］，［００１６］、図１等）特開平７−２５５１７９号公報（段落［０００９］〜［００２３］、図１，図２等）

特許文献２に記載された従来技術では、各コンデンサの電圧検出値を比較回路により所定値と比較して異常信号を発生させているが、これらの回路はもっぱらコンデンサの異常検出を行うための専用回路として設けられており、前述したような過電流保護を行うための回路とは別個独立に形成されている。
このため、コンデンサの異常検出・保護機能の一部を、過電流保護を行うための回路によって実現することにより、回路構成部品を有効に利用することが望まれていた。

そこで、本発明の解決課題は、直流中間コンデンサの異常検出・保護機能の一部を、インバータにおける過電流保護を行うための回路によって実現することにより、回路構成部品を有効利用し、部品数の減少による構成の簡略化、コストの低減を可能にしたインバータの保護方法及び保護装置を提供することにある。

上記課題を解決するため、請求項１に係るインバータの保護方法は、直列または並列に接続された複数の直流中間コンデンサを有し、かつ、回路に流れる過電流を検出して電源を遮断することにより回路を保護する保護機能を備えたインバータにおいて、
前記直流中間コンデンサが短絡故障した際に、前記インバータを構成する上下アームの半導体スイッチング素子をオンさせて上下アームを強制的に短絡し、その際に流れる過電流を検出して前記保護機能を働かせるものである。

請求項２に係るインバータの保護装置は、直列または並列に接続された複数の直流中間コンデンサを有し、かつ、回路に流れる過電流を検出して電源を遮断することにより回路を保護する保護機能を備えたインバータにおいて、
前記直流中間コンデンサの電圧を検出する電圧検出手段と、
前記電圧検出手段の出力により前記直流中間コンデンサが短絡故障したことを判定し、異常検出信号を出力する判定手段と、
前記異常検出信号が出力された時に前記インバータを構成する上下アームの半導体スイッチング素子をオンさせて上下アームを強制的に短絡させ、その際に流れる過電流を検出して前記保護機能を働かせるための保護信号を生成する制御手段と、を備えたものである。

本発明によれば、直列または並列に接続された複数の直流中間コンデンサのうちの一部が短絡故障した際の異常検出・保護機能の一部を、インバータの過電流保護を行うための回路を利用して実現することにより、回路構成部品の有効利用、回路構成の簡略化、コストの低減が可能である。

本発明の実施形態を示す回路構成図である。図１における判定部の構成図である。本発明の実施形態の動作説明図である。

以下、図に沿って本発明の実施形態を説明する。
図１は、この実施形態をインバータの主回路と共に示した図である。図１において、１０１は直流電源、あるいは交流電源からダイオードブリッジ整流回路を介して得られる直流電源であり、その両端には、スイッチ１０２を介して直流中間回路１０が接続されている。直流中間回路１０は、直列、並列に接続された複数の直流中間コンデンサ１１ａ，……，１１ｎ，１２ａ，……，１２ｎを備えており、この直流中間回路１０にはＩＧＢＴ等の半導体スイッチング素子Ｓ_１〜Ｓ_６からなるインバータブリッジ１０４が接続されている。なお、コンデンサ１１ａ，……，１１ｎ，１２ａ，……，１２ｎの容量はすべて等しいものとする。
また、インバータブリッジ１０４の出力端子には交流電動機等の負荷３００が接続されている。ここで、インバータブリッジ１０４及び負荷３００の相数は三相に限られず、単相であってもよい。

直流中間回路１０の正負直流母線間の電圧は電圧検出器１３により検出され、判定部２０に入力されている。また、正負直流母線間に直列に接続された二つのコンデンサのうちの一方、例えばコンデンサ１２ｎの両端電圧が電圧検出器１４により検出され、判定部２０に入力されている。直流電源１０１の電圧をＥ_ｄｃとすると、各コンデンサが健全な平常時における電圧検出器１３の検出電圧はＥ_ｄｃ、電圧検出器１４の検出電圧はＥ_ｄｃ／２である。

判定部２０からは異常検出信号Ｃが出力されるようになっており、この異常検出信号Ｃは制御回路２００に入力されている。更に、正負直流母線の一方、例えば負側直流母線には過電流検出回路１０３が接続されており、この検出回路１０３から出力される過電流検出信号Ｄも制御回路２００に入力されている。

制御回路２００は、通常運転時に、インバータブリッジ１０４内の半導体スイッチング素子Ｓ_１〜Ｓ_６をオンオフさせるためのゲート信号を生成すると共に、判定部２０からの異常検出信号Ｃが入力された際に、インバータブリッジ１０４内の上下アームの半導体スイッチング素子（例えばＳ_１，Ｓ_４）をオンさせて上下アームを強制的に短絡させるようなゲート信号を生成する機能を有する。
また、制御回路２００は、前記過電流検出信号Ｄが入力された場合に保護信号ａを出力し、入力側の前記スイッチ１０２をオフさせる機能も備えている。

次に、図２は図１における判定部２０の内部構成を示している。なお、図２では、インバータ主回路の正側直流母線をＰ（＋）、負側直流母線をＮ（−）として示してある。
図２に示す判定部２０において、電圧検出器１３による検出電圧は第１のゲイン乗算器１５を介して第１の比較器１７の非反転入力端子に入力されていると共に、第２のゲイン乗算器１６を介して第２の比較器１８の反転入力端子に入力されている。ここで、各ゲイン乗算器１５，１６のゲインは、例えば、それぞれ「０．８」，「０．２」に設定されている。

また、電圧検出器１４による検出電圧は第１の比較器１７の反転入力端子、及び、第２の比較器１８の非反転入力端子にそれぞれ入力されている。なお、電圧検出器１３による検出電圧をＶ_０、第１のゲイン乗算器１５の出力電圧をＶ_１（＝０.８Ｖ_０）、第２のゲイン乗算器１６の出力電圧をＶ_２（＝０.２Ｖ_０）、電圧検出器１４による検出電圧をＶ_３とする。
第１の比較器１７の出力信号Ａ、及び第２の比較器１８の出力信号Ｂは、ＮＯＲゲート１９を介し、異常検出信号Ｃとして図１の制御回路２００に入力されている。

次に、この実施形態において、直流中間コンデンサが短絡故障した場合の動作を、図３を参照しつつ説明する。図３は、図２における各部の電圧と、第１，第２の比較器１７，１８の出力信号Ａ，Ｂ、並びに、ＮＯＲゲート１９から出力される判定信号Ｃを示している。

例えば、図２における負側直流母線Ｎ（−）側のコンデンサ１２ｎが短絡故障した場合、電圧Ｖ_３は図３の実線で示すように低下していき、時刻ｔ_１において電圧Ｖ_３が電圧Ｖ_２を下回ると、出力信号Ｂはそれ以前の「High」レベルから「Low」レベルに変化する。この間、出力信号Ａは「High」レベルであるため、時刻ｔ_１以降、異常検出信号Ｃは図示するように「Low」レベルに変化する。

制御回路２００では、この異常検出信号Ｃに基づいて、インバータブリッジ１０４の上下アームの半導体スイッチング素子（例えばＳ_１，Ｓ_４）をオンさせて上下アームを強制的に短絡させる。これにより、インバータブリッジ１０４に流れる過電流（短絡電流）が過電流検出回路１０３により検出され、過電流検出信号Ｄが制御回路２００に入力される。
制御回路２００は、過電流検出信号Ｄに基づいて保護信号ａを出力し、スイッチ１０２を開放することにより電源供給を遮断する。このため、短絡故障したコンデンサ１２ｎを含む直流中間回路１０に電源電源が印加されなくなり、残りのコンデンサやインバータブリッジ１０４等を保護することができる。

また、図２における正側直流母線Ｐ（＋）側のコンデンサ１１ｎが短絡故障した場合、電圧Ｖ_３は図３の破線で示すように上昇していき、時刻ｔ_２において電圧Ｖ_３が電圧Ｖ_１を上回ると、出力信号Ａはそれ以前の「High」レベルから「Low」レベルに変化する。この間、出力信号Ｂは「High」レベルであるため、時刻ｔ_２以降、異常検出信号Ｃは破線で示すように「Low」レベルに変化する。
以後の制御回路２００における動作は、前述したコンデンサ１２ｎの短絡故障時と同様であり、インバータブリッジ１０４の上下アームを強制的に短絡させ、過電流検出信号Ｄが入力された制御回路２００が保護信号ａによってスイッチ１０２を開放することにより、電源供給を遮断して回路を保護することができる。

以上述べたように本実施形態によれば、直流中間コンデンサが短絡故障した際の異常検出・保護機能の一部を、インバータブリッジ１０４の上下アーム短絡時に過電流保護を行うための過電流検出回路１０３や制御回路２００を利用して実現することができる。このため、回路構成部品の有効利用が可能であり、部品数の減少による構成の簡略化、コストの低減を図ることができる。

１０：直流中間回路
１１ａ，１１ｎ，１２ａ，１２ｎ：直流中間コンデンサ
１３，１４：電圧検出器
１５，１６：ゲイン乗算器
１７，１８：比較器
１９：ＮＯＲゲート
２０：判定部
１０１：直流電源
１０２：スイッチ
１０３：過電流検出回路
１０４：インバータブリッジ
２００：制御回路
３００：負荷
Ｓ_１〜Ｓ_６：半導体スイッチング素子

Claims

直列または並列に接続された複数の直流中間コンデンサを有し、かつ、回路に流れる過電流を検出して電源を遮断することにより回路を保護する保護機能を備えたインバータにおいて、
前記直流中間コンデンサが短絡故障した際に、前記インバータを構成する上下アームの半導体スイッチング素子をオンさせて上下アームを強制的に短絡し、その際に流れる過電流を検出して前記保護機能を働かせることを特徴とするインバータの保護方法。
直列または並列に接続された複数の直流中間コンデンサを有し、かつ、回路に流れる過電流を検出して電源を遮断することにより回路を保護する保護機能を備えたインバータにおいて、
前記直流中間コンデンサの電圧を検出する電圧検出手段と、
前記電圧検出手段の出力により前記直流中間コンデンサが短絡故障したことを判定し、異常検出信号を出力する判定手段と、
前記異常検出信号が出力された時に前記インバータを構成する上下アームの半導体スイッチング素子をオンさせて上下アームを強制的に短絡させ、その際に流れる過電流を検出して前記保護機能を働かせるための保護信号を生成する制御手段と、
を備えたことを特徴とするインバータの保護装置。