JP2012029429A

JP2012029429A - ３レベル電力変換装置

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Publication number: JP2012029429A
Application number: JP2010164738A
Authority: JP
Inventors: Akitake Takizawa; 聡毅滝沢
Original assignee: Fuji Electric Co Ltd
Current assignee: Fuji Electric Co Ltd
Priority date: 2010-07-22
Filing date: 2010-07-22
Publication date: 2012-02-09
Also published as: CN102347685A; US20120018777A1

Abstract

【課題】３レベル変換回路でヒューズを接続すると、インダクタンスの増加によりスイッチング時に高いサージ電圧が発生するため、耐圧の高いモジュールの適用や、スナバ回路の接続などが必要となり、装置の大型化やコストアップの課題が発生する。
【解決手段】第１のＩＧＢＴと第２のＩＧＢＴとの直列回路の直列接続点と直流電源の中間極に接続され双方向スイッチ素子とを１相分とした３レベル電力変換器で、前記いずれかのＩＧＢＴ又はダイオードが短絡故障した場合に発生する電源短絡現象からの保護として、双方向スイッチ素子と直流電源の中間極との間に接続するヒューズと、第1及び第２のＩＧＢＴの各々のゲート駆動回路に備えた過電流遮断手段とを備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、３レベルインバータ又はコンバータのアーム短絡保護方式に関する。

特許文献1に３レベルコンバータにヒューズを用いた保護回路が示されている。ここに示される３レベルコンバータ回路は直流電源としてのコンデンサを直列接続し、正極、中間極、負極を直流端子として、正極と負極間にダイオード逆並列接続したＩＧＢＴを４個（上アームに２個、下アームに２個）の直列接続回路を接続し、上アームの２個のＩＧＢＴの直列接続点と直流電源の中間極との間及び下アームの２個のＩＧＢＴの直列接続点と直流電源の中間極との間に各々中間極にクランプするためのダイオードを接続した回路を１相分とした構成である。この回路構成において、保護用ヒューズの挿入位置は下記（１）〜（３）の３つの構成が示されている。
（１）上アームのＩＧＢＴと直流電源の正極との間、及び下アームのＩＧＢＴと直流電源の負極との間
（２）直流電源の中間極にクランプするためのダイオードと直流電源の中間極との間、及び上アームのＩＧＢＴと直流電源の正極との間
（３）直流電源の中間極にクランプするためのダイオードと直流電源の中間極との間
上記（１）の構成を、本発明が対称とする特許文献２に示される３レベル電力変換回路（ここでは三相インバータ回路）に適用した回路構成を図６に示す。直流電源としてのコンデンサＣ１とＣ２の直列回路で構成した直流電源回路の正極Ｐｄと負極Ｎｄ間に図７に示す３レベル用ＩＧＢＴモジュールを３相分並列接続した構成である。各相回路構成は同じであるので、以下Ｕ相について説明する。Ｕ相回路は、ダイオードＤ１を逆並列接続したＩＧＢＴＴ１とダイオードＤ２を逆並列接続したＩＧＢＴＴ２との直列回路とＩＧＢＴＴ１のエミッタとＩＧＢＴＴ２のコレクタとの接続点に接続される逆阻止型ＩＧＢＴＴ３とＴ４の逆並列回路を内蔵した３レベル用ＩＧＢＴモジュールＭＪ１と、ＩＧＢＴモジュールＭＪ１の端子Ｐと直流電源の正極Ｐｄとの間に接続されるヒューズＦ１と、ＩＧＢＴモジュールＭＪ１の端子Ｎと直流電源の負極Ｎｄとの間に接続されるヒューズＦ２とで構成され、ＩＧＢＴモジュールＭＪ１の端子Ｍは直流電源の中間極Ｍｄに接続される。Ｖ相回路とＷ相回路はＵ相回路と同様の構成である。交流出力は図８に示すような３レベルの電圧波形となり、フィルタ用リアクトルＬｏ、フィルタコンデンサなどを介して負荷ＬＤには波形歪の小さな正弦波電圧を供給する。

このような構成における保護動作をＵ相を中心に説明する。

図６の回路方式の場合、半導体素子短絡故障時の際に短絡電流が流れる経路は３経路ある。図９に第１の短絡経路を示す。本図は、ＩＧＢＴＴ１またはダイオードＤ１が短絡故障した状態で、ＩＧＢＴＴ３がターンオンする場合、又はＩＧＢＴＴ３又はＴ４が短絡故障している状態でＩＧＢＴＴ１がターンオンする時の短絡電流経路である。これらの場合、上側の電源Ｃ１の電圧Ｅｄｐが短絡される経路となり、経路中のヒューズＦ１が溶断することにより保護が可能である。

図１０に第２の短絡経路を示す。本図は、ＩＧＢＴＴ２またはダイオードＤ２が短絡故障した状態で、ＩＧＢＴＴ４がターンオンする時、又はＩＧＢＴＴ３又はＴ４が短絡故障している状態でＩＧＢＴＴ２がターンオンする時の短絡電流経路である。これらの場合、下側の電源Ｃ２の電圧Ｅｄｎが短絡される経路となり、経路中のヒューズＦ２が溶断することにより保護が可能である。

図１１に第３の短絡経路を示す。本図は、３レベルの動作時ではなく、Ｔ１とＴ２のスイッチングによる２レベル動作時に発生する場合で、ＩＧＢＴＴ１またはダイオードＤ１が短絡故障した状態で、ＩＧＢＴＴ２がターンオンする場合、又はＩＧＢＴＴ２またはダイオードＤ２が短絡故障した状態で、ＩＧＢＴＴ１がターンオンする場合の電流経路図である。これらの場合、上側電源Ｃ１の電圧Ｅｄｐと下側電源Ｃ２の電圧Ｅｄｎとの和の電圧が短絡される経路となり、経路中のヒューズＦ１又はＦ２の溶断によって保護が可能である。

特許文献１の上記（２）の構成の１相分の回路を図１５に示す。上記（１）の構成と同様に上側電源Ｃ１を短絡する半導体素子の故障の場合はヒューズＦ１又はＦ３が、下側電源Ｃ２を短絡する半導体素子の故障の場合はヒューズＦ３が、上側電源Ｃ１と下側電源Ｃ２の和が短絡される経路の場合はヒューズＦ１が、各々溶断することにより保護が可能である。

次に、特許文献１の上記（３）の構成の１相分の回路を図１６に示す。上側電源Ｃ１を短絡する半導体素子の故障の場合、及び下側電源Ｃ２を短絡する半導体素子の故障の場合共にヒューズＦ３が溶断することにより保護が可能であるが、Ｔ１とＴ２のスイッチングによる２レベル動作時に発生する短絡故障の場合は保護ができない。

図１２、図１３に、図６のシステムにおける通常運転時での動作例を示す。本例はＩＧＢＴＴ１がオン状態（図１２）からターンオフする場合（図１３）を示している。
ＩＧＢＴＴ１がオン状態の場合（点線で示す経路ＳＣ４で電流が流れている状態）から、ＩＧＢＴＴ１がターンオフすると、事前にオンさせておいたＩＧＢＴＴ４が導通し、電流経路ＳＣ５に転流される。その際過渡的に、ＳＣ６の経路の一点鎖線の電流が減少することにより、直流電源（Ｃ１又はＣ２）とＩＧＢＴモジュール間の配線インダクタンスＬＰＭ１、ＬＰＭ２にはＩＧＢＴの電流変化率（ｄｉ／ｄｔ）に応じて、図中の矢印の向きに電圧が発生する。

その結果、ＩＧＢＴＴ１のコレクタ−エミッタ間には最大で式（１）で示される電圧が印加されることとなる。図１４にＩＧＢＴＴ１ターンオフ時のコレクタ電流（ｉｃ）とコレクタエミッタ間電圧（Ｖｃｅ）波形を示す。

Ｖｃｅ（ｐｅａｋ）＝Ｅｄｐ＋（ＬＰＭ１＋ＬＰＭ２）・ｄｉ／ｄｔ・・式（１）
サージ電圧ΔＶ１＝（ＬＰＭ１＋ＬＰＭ２）・ｄｉ／ｄｔ・・式（２）
Ｅｄｐ：直流電源１の直流電圧
ｄｉ／ｄｔ：ＩＧＢＴターンオフ時のＩＧＢＴの電流変化率
ＬＰＭ１、ＬＰＭ２：各配線のインダクタンス値
一例として数１００ＡクラスのＩＧＢＴの場合、そのｄｉ/ｄｔは最大で５０００Ａ/μｓ程度となるため、ＬＰＭ１＋ＬＰＭ２＝１００ｎＨとすると、式（１）によるサージ分（（ＬＰＭ１＋ＬＰＭ２）・ｄｉ／ｄｔ）は５００Ｖとなる。

従って、配線インダクタンスＬＰＭ１、ＬＰＭ２の存在によって、ＩＧＢＴターンオフ時のＩＧＢＴに印加されるピーク電圧値は、直流電圧Ｅｄｐに対して上記式（２）のサージ電圧分高くなる。

一般に直流部の主回路導体は、並行平板構造（ラミネート構造）とすることで、発生する磁界がキャンセルされ、低配線インダクタンス化が図れるが、図６のシステムのようにヒューズを接続すると、その箇所は並行平板構造とすることができないため、配線の低インダクタンス化を図ることはできない。

また、図１５に示す構成でも２箇所にヒューズを用いるため、同様に配線インダクタンスが大きくなる。

特開２００４−２４８４７９号公報（図１〜図３）特開２００８−１９３７７９号公報（図３）

以上のようにヒューズを接続すると、インダクタンスの増加によりスイッチング時に高いサージ電圧が発生するため、耐圧の高いモジュールの適用や、スナバ回路の接続などが必要となり、装置の大型化やコストアップの課題が発生する。特に３レベルインバータの場合、２箇所にヒューズを接続する必要があるため、これらの課題は顕著となる。

また、図１６に示す回路構成では、２レベル動作での保護ができない。
従って、本発明の課題は、配線インダクタンスを極力小さくしてスイッチング時のサージ電圧を小さく抑えつつ、確実な保護動作を実現する保護回路を提供することである。

上述の課題を解決するために、第1の発明においては、二つの直流電源を直列接続して構成し、正極、中間極、負極を有する直流電源と、直流回路の正極にコレクタが接続されるダイオードが逆並列接続された第１のＩＧＢＴと、直流回路の負極にエミッタが接続されるダイオードが逆並列接続された第２のＩＧＢＴと、第１のＩＧＢＴのエミッタと第２のＩＧＢＴのコレクタとの接続点と前記直流電源の中間極に接続される第3のＩＧＢＴと第4のＩＧＢＴとを逆並列接続して構成した双方向スイッチ素子とを１相分とした電圧形の３レベル電力変換器であって、前記いずれかのＩＧＢＴ又はダイオードが短絡故障した場合に発生する電源短絡現象から装置を保護する過電流保護機能を備えた電力変換装置において、前記双方向スイッチ素子と直流電源の中間極との間に接続するヒューズと、前記第1及び第２のＩＧＢＴの各々のゲート駆動回路に備えた過電流遮断手段とを有する。

第２の発明においては、第1の発明における前記ヒューズは、前記３レベル電力変換器の複数相で共用化する。
第３の発明においては、第1の発明における前記過電流遮断手段は、前記第１又は第２のＩＧＢＴのコレクタ−エミッタ間のオン電圧を監視して、前記オン電圧が所定値以上に上昇した場合に過電流と判定し、ゲート信号を遮断する。

第４の発明においては、第1の発明における前記第１又は第２のＩＧＢＴとして、電流を検出するための電流センス端子付ＩＧＢＴを使用し、前記過電流遮断手段は、前記電流センス端子で過電流を検出し、ゲート信号を遮断する。

第５の発明においては、第1の発明における前記過電流遮断手段は、前記第１又は第２のＩＧＢＴのコレクタ又はエミッタの過電流を電流検出器で検出し、ゲート信号を遮断する。

本発明では、使用する保護ヒューズは相毎に1個又は複数相で1個とし、第1及び第２のＩＧＢＴのゲート駆動回路に過電流遮断機能を内蔵している。
この結果、配線インダクタンスが小さくなり、スイッチング時のサージ電圧を抑制できるとともに、確実な保護機能を実現できる。

本発明の第1の実施例を示す回路図である。本発明の第２の実施例を示す回路図である。本発明の第３の実施例を示す回路図である。本発明の第４の実施例を示す回路図である。本発明の第５の実施例を示す回路図である。従来の第1の実施例を示す回路図である。３レベル用ＩＧＢＴモジュールの外観を示す。３レベルインバータの出力電圧波形例である。図６の短絡電流の第1の経路を示す。図６の短絡電流の第２の経路を示す。図６の短絡電流の第３の経路を示す。図６の定常動作時の電流経路と配線インダクタンスを示す。図6の転流時の電流経路と配線インダクタンスの誘起電圧を示す。スイッチング時のＩＧＢＴの電圧−電流波形例を示す。従来の第２の実施例を示す。従来の第３の実施例を示す。

本発明の要点は、二つの直流電源を直列接続して構成し、正極、中間極、負極を有する直流電源と、直流回路の正極にコレクタが接続されるダイオードが逆並列接続された第１のＩＧＢＴと、直流回路の負極にエミッタが接続されるダイオードが逆並列接続された第２のＩＧＢＴと、第１のＩＧＢＴのエミッタと第２のＩＧＢＴのコレクタとの接続点と前記直流電源の中間極に接続される第3のＩＧＢＴと第4のＩＧＢＴとを逆並列接続して構成した双方向スイッチ素子とを１相分とした電圧形の３レベル電力変換器の半導体素子短絡故障時の電源短絡現象から装置を保護する過電流保護機能として、前記双方向スイッチ素子と直流電源の中間極との間に接続するヒューズを、前記第1及び第２のＩＧＢＴの各々のゲート駆動回路に過電流遮断回路を、各々備えた点である。

図１に、本発明の第1の実施例を示す。直流電源としての二つのコンデンサＣ１、Ｃ２を直列接続して構成し、正極、中間極、負極を有する直流電源と、直流回路の正極にコレクタが接続されるダイオードＤ１が逆並列接続された第１のＩＧＢＴＴ１と、直流回路の負極にエミッタが接続されるダイオードＤ２が逆並列接続された第２のＩＧＢＴＴ２と、第１のＩＧＢＴＴ１のエミッタと第２のＩＧＢＴＴ２のコレクタとの接続点と前記直流電源の中間極に接続される第3のＩＧＢＴＴ３と第4のＩＧＢＴＴ４とを逆並列接続して構成した双方向スイッチ素子とを１相分とした電圧形の３レベル電力変換器の回路構成である。本図には１相分の回路を示すが、複数個並列接続して単相変換装置や三相変換装置を構成する。

半導体素子短絡故障時の電源短絡現象から装置を保護する過電流保護機能として、前記双方向スイッチ素子と直流電源の中間極との間に接続するヒューズを、前記第1及び第２のＩＧＢＴの各々のゲート駆動回路に過電流遮断回路を、各々備えている。ここで、第1のＩＧＢＴＴ１に接続されたゲート駆動回路ＧＤ１とダイオードＤ１ａ、及び第２のＩＧＢＴＴ２に接続されたゲート駆動回路ＧＤ２とダイオードＤ２ａは、各々過電流遮断回路を備えた構成である。過電流遮断の原理は、ダイオードＤ１ａ、Ｄ２ａでＩＧＢＴＴ１、Ｔ２のオン電圧を検知して、この電圧が過電流時上昇することを利用して、ゲート駆動回路ＧＤ１、ＧＤ２内のオン信号を遮断するものである。オン信号期間中ＩＧＢＴのコレクタ−エミッタ間の電圧Ｖｃｅは数ボルト程度であるが、過電流になると数十ボルト以上に増加するため、これをダイオードＤ１ａ、Ｄ２ａを介して検出し、ゲートのオン信号を遮断する。この過電流遮断回路については、特開平５−１６１３４２号公報などで公知であるので、詳細は省略する。

このような構成において、ＩＧＢＴＴ１またはダイオードＤ１が短絡故障した状態で、ＩＧＢＴＴ３がターンオンする場合、或いはＩＧＢＴＴ３又はＴ４が短絡故障している状態でＩＧＢＴＴ１がターンオンする時の短絡電流経路である第１の短絡電流経路においては、上側の電源Ｃ１が短絡される経路となり、経路中のヒューズＦ３が溶断することにより保護が可能である。また、ＩＧＢＴＴ２又はダイオードＤ２が短絡故障した状態で、ＩＧＢＴＴ４がターンオンする時、或いはＩＧＢＴＴ３又はＴ４が短絡故障している状態でＩＧＢＴＴ２がターンオンする時の短絡電流経路である第２の短絡電流経路においては、下側の電源Ｃ２の電圧が短絡される経路となり、経路中のヒューズＦ３が溶断することにより保護が可能である。

次に、３レベルの動作時ではなく、ＩＧＢＴＴ１とＴ２のスイッチングによる２レベル動作時の動作を説明する。ＩＧＢＴＴ１又はダイオードＤ１が短絡故障した状態で、ＩＧＢＴＴ２がターンオンする場合、及びＩＧＢＴＴ２又はダイオードＤ２が短絡故障した状態で、ＩＧＢＴＴ１がターンオンする場合の電流経路は、上側電源Ｃ１と下側電源Ｃ２の和の電源が短絡される経路となり、この時は、正常なＩＧＢＴＴ１又はＴ２が過電流を検出し遮断することにより保護される。このようなヒューズ溶断や過電流遮断などの過電流保護回路が動作した場合には、記載されていない制御回路に動作したことを故障信号として送信し、装置全体を停止させるため、装置全体の保護が実現される。

図２に、本発明の第２の実施例を示す。第１の実施例との違いは、ＩＧＢＴＴ１ａ、Ｔ２ａとして、電流を検出するための電流センス端子付ＩＧＢＴを使用し、前記過電流遮断手段は、前記電流センス端子で過電流を検出し、ゲート信号を遮断する点である。この過電流保護の方式は、特開平４−７９７５８号公報などで公知であるので、詳細は省略する。このような構成においても、実施例１と同様に、各過電流経路の保護を実現できる。

図３に、本発明の第３の実施例を示す。第１及び第２の実施例との違いは、過電流検出用にホールＣＴなどの電流検出器ＣＳ１、ＣＳ２を用いている点である。過電流を検出するとゲート駆動回路のオン信号を遮断する。このような構成においても、実施例１、２と同様に、各過電流経路の保護を実現できる。

図４に、本発明の第４の実施例を示す。
実施例１〜３の実施例では１相毎の構成における例を説明したが、本実施例は複数の相で構成する単相フルブリッジ回路、三相V結線ブリッジ回路、三相フルブリッジ回路などにおけるヒューズの挿入方法に関する。図５は三相インバータ回路の各相にヒューズＦ４〜Ｆ６を挿入した構成であるが、図４は三相分合わせて１個のヒューズＦ３を挿入した実施例である。３相のいずれかの相でＩＧＢＴＴ１、Ｔ２、ダイオードＤ１、Ｄ２、逆阻止型ＩＧＢＴＴ３、Ｔ４のいずれかに短絡故障が発生するとヒューズＦ３が遮断され、回路が保護される。２レベル動作においては、ＩＧＢＴＴ１及びＩＧＢＴＴ２のゲート駆動回路に第１〜第３の実施例と同様に過電流保護回路を内蔵させることにより、同様に保護を実現できる。使用するヒューズが１個で済むため、３相分をまとめても配線インダクタンスが大きくならない小容量の装置では有効である。

尚、上記実施例には、３相の３レベル変換装置の例を示したが、単相のハーフブリッジ回路、単相のフルフリッジ回路、三相フルブリッジ回路、Ｖ結線回路などでも実現可能である。

本発明は、３レベルの交流−直流変換回路、直流−交流変換回路の保護に関する提案であり、直流電源装置、交流電源装置、無停電電源装置（ＵＰＳ）、電動機駆動装置などへの適用が可能である。

Ｃ１、Ｃ２・・・コンデンサＦ１〜Ｆ６・・・ヒューズ
Ｔ１、Ｔ２・・・ＩＧＢＴＴ１ａ、Ｔ２ａ・・・電流センス端子付ＩＧＢＴ
Ｄ１、Ｄ２、Ｄ１ａ、Ｄ２ａ・・・ダイオード
ＧＤ１〜ＧＤ６・・・ゲート駆動回路ＣＳ１、ＣＳ２・・・電流検出器
Ｔ３、Ｔ４・・・逆阻止型ＩＧＢＴＬｏ・・・リアクトル
ＬＤ・・・負荷ＭＪ１・・・ＩＧＢＴモジュール

Claims

二つの直流電源を直列接続して構成し、正極、中間極、負極を有する直流電源と、直流回路の正極にコレクタが接続されるダイオードが逆並列接続された第１のＩＧＢＴと、直流回路の負極にエミッタが接続されるダイオードが逆並列接続された第２のＩＧＢＴと、第１のＩＧＢＴのエミッタと第２のＩＧＢＴのコレクタとの接続点と前記直流電源の中間極に接続される第3のＩＧＢＴと第4のＩＧＢＴとを逆並列接続して構成した双方向スイッチ素子とを１相分とした電圧形の３レベル電力変換器であって、前記いずれかのＩＧＢＴ又はダイオードが短絡故障した場合に発生する電源短絡現象から装置を保護する過電流保護機能を備えた電力変換装置において、前記双方向スイッチ素子と直流電源の中間極との間に接続するヒューズと、前記第1及び第２のＩＧＢＴの各々のゲート駆動回路に備えた過電流遮断手段とを有することを特徴とする３レベル電力変換装置。
前記ヒューズは、前記３レベル電力変換器の複数相で共用化することを特徴とする請求項１に記載の３レベル電力変換装置。
前記過電流遮断手段は、前記第１又は第２のＩＧＢＴのコレクタ−エミッタ間のオン電圧を監視して、前記オン電圧が所定値以上に上昇した場合に過電流と判定し、ゲート信号を遮断することを特徴とする請求項１又は２に記載の３レベル電力変換装置。
前記第１又は第２のＩＧＢＴとして、電流を検出するための電流センス端子付ＩＧＢＴを使用し、前記過電流遮断手段は、前記電流センス端子で過電流を検出し、ゲート信号を遮断することを特徴とする請求項１又は２に記載の３レベル電力変換装置。
前記過電流遮断手段は、前記第１又は第２のＩＧＢＴのコレクタ又はエミッタの過電流を電流検出器で検出し、ゲート信号を遮断することを特徴とする請求項１又は２に記載の３レベル電力変換装置。