JP2012110125A - Protection device for 3-level power converter - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、正、零、負の3レベルの電圧を出力することが可能な3レベル電力変換器の保護装置に関するものである。 The present invention relates to a protection device for a three-level power converter capable of outputting positive, zero, and negative three-level voltages.
図6は、従来の3レベル電力変換器の保護装置の構成を示す図である。
図6において、符号101a〜101dは、電力変換器の1相分を構成する半導体スイッチング素子(IGBT)である。この電力変換器は、素子101a〜101dを駆動させる箇所を変えることで、正、零、負の3レベルの電圧を出力することが可能となっている。例えば、素子101aと101bとをオンすることで正電圧を出力し、素子101bと101cとをオンすることで零電圧を出力し、素子101cと101dとをオンすることで負電圧を出力する。
FIG. 6 is a diagram illustrating a configuration of a protection device for a conventional three-level power converter.
In FIG. 6,
符号102a〜102dは、素子101a〜101dを駆動するゲート駆動装置であり、それぞれ短絡検知装置および短絡保護装置を有する。なお、短絡検知装置と短絡保護装置とはゲート駆動装置内で繋がっており、短絡検知装置が素子の短絡を検出した場合に、その検出信号を受けた短絡保護装置が点弧信号を遮断するよう動作し、前記素子を遮断させる。
また、符号103a〜103dは、点弧信号を発生ないし制御するゲート信号制御装置104から、素子101a〜101dを駆動する点弧信号をゲート駆動装置102a〜102dに伝えるための信号線である。さらに、符号105は、短絡検知装置で短絡検出した信号をゲート信号制御装置104に伝えるための信号線である。
3レベル電力変換器には、半導体スイッチング素子を遮断させる際の禁止条件がある。例えば、図6における素子101aと101bとが導通している状態において、素子101bを先に遮断させた場合、負荷の電流は素子101c及び101dに付随する還流素子(素子101c,101dに並列接続された還流ダイオード)を通り処理される。このとき、素子101aはまだ導通状態であることから、素子101bの入力側は正の電圧まで上昇する。さらに、素子101c及び101dには付随する還流素子を通り負荷の電流を流していることから、素子101bの出力側には負の電圧がかかる。その結果、変換器入力にある二つの直流電源の合算電圧が素子101bの素子両端に印加されるという問題が生じる。
The three-level power converter has a prohibition condition when the semiconductor switching element is shut off. For example, in the state where the
また、素子101cと101dとが導通している状態において、素子101cを先に遮断させた場合でも、素子101cには二つの直流電源の合算電圧が印加されることになり、同様の問題が生じる。
したがって、このような禁止条件にならないように、短絡検出時において、素子101aと101dとを優先的に遮断させ、その後に素子101bと101cとを遮断させるようにして、素子を保護する必要がある。
Further, even when the
Therefore, in order to prevent such a prohibition condition, it is necessary to protect the elements by preferentially blocking the
ところが、図6に示す短絡保護装置では、短絡検出をした場合に素子を直ちに遮断するのみで、上記禁止条件とならないように遮断順序を考えて素子を遮断するような措置は取られていない。
この対策として、例えば、特許文献1に記載の技術がある。この技術は、短絡検出時、素子の駆動状態を把握して素子を遮断させる順序を制御するというものである。
However, in the short-circuit protection device shown in FIG. 6, when a short-circuit is detected, the device is immediately shut off, and no measures are taken to shut off the device in consideration of the shut-off order so as not to satisfy the forbidden conditions.
As a countermeasure, for example, there is a technique described in Patent Document 1. In this technique, when a short circuit is detected, the driving state of the elements is grasped and the order in which the elements are shut off is controlled.
すなわち、図7に示すように、ゲート信号制御装置104をゲート駆動オンオフ信号発生装置104aとロジック回路104bとで構成し、ゲート駆動オンオフ信号発生装置104aからゲート駆動装置102a〜102dに向かう点弧信号をロジック回路104bに通している。これにより、ロジック回路104bで、素子101a〜101dの駆動状態を把握する。また、ゲート駆動装置102a〜102d内の短絡検知装置から信号線105a〜105dを通して送信される短絡検出信号をロジック回路104bに入力することにより、ロジック回路104bで素子101a〜101dの短絡状態を把握する。そして、このロジック回路104bで、短絡検出時における上記駆動状態及び上記短絡状態に基づいて、素子101a〜101dの遮断順序を判断する。
That is, as shown in FIG. 7, the gate
そして、ロジック回路104bは、上記遮断順序の判断結果に基づいて、信号線106a〜106dを介してゲート駆動装置102a〜102d内の短絡保護装置を動作し、点弧信号を遮断して各素子を遮断する。なお、このとき、ゲート駆動オンオフ信号発生装置104aからの正規の点弧信号は、ロジック回路104b内でロックされており、ゲート駆動装置102a〜102dには伝送しないようになっている。
このように、短絡検出後において禁止条件とならないように素子を遮断する措置をとっている。
Then, the
In this way, measures are taken to shut off the element so as not to become a forbidden condition after detection of a short circuit.
しかしながら、上記特許文献1に記載の技術にあっては、図7に示すように、ゲート駆動回路102a〜102dから出力した短絡検出信号と、ゲート駆動オンオフ信号発生相地104aから出力した点弧信号とを一旦ロジック回路104bに通しており、ロジック回路104bで各々の素子101a〜101dの駆動状態及び短絡状態を把握し、遮断順序を判断して短絡保護動作を開始している。そのため、短絡を検出してから素子を遮断するまでに時間がかかる。
そこで、本発明は、短絡検出時に、適切な遮断順序で迅速に素子を遮断し保護することができる3レベル電力変換器の保護装置を提供することを課題としている。
However, in the technique described in Patent Document 1, as shown in FIG. 7, a short circuit detection signal output from the
Therefore, an object of the present invention is to provide a protection device for a three-level power converter that can quickly shut down and protect elements in an appropriate shut-off order when a short circuit is detected.
上記課題を解決するために、請求項1に係る3レベル電力変換器の保護装置は、直流電源の正極端子と中間端子との間に接続された第1の平滑コンデンサと、前記中間端子と前記直流電源の負極端子との間に接続された第2の平滑コンデンサと、前記正極端子と前記負極端子との間に順次直列に接続された第1〜第4のスイッチング素子と、前記第1〜第4のスイッチング素子にそれぞれ並列に接続された第1〜第4の還流ダイオードと、前記中間端子にアノード側を、前記第1のスイッチング素子と前記第2のスイッチング素子との接続点にカソード側を接続された第1のクランプダイオードと、前記第3のスイッチング素子と前記第4のスイッチング素子との接続点にアノード側を、前記中間端子にカソード側を接続された第2のクランプダイオードと、を備え、前記第2のスイッチング素子と前記第3のスイッチング素子との接続点を交流出力端子に接続して3レベルの電圧出力を得る3レベル電力変換器の保護装置であって、
前記第1〜第4のスイッチング素子をそれぞれオンオフ制御する第1〜第4の駆動手段と、前記第1〜第4のスイッチング素子のオンオフ制御を行うための制御信号を、前記第1〜第4の駆動手段に対して出力する制御手段と、を備え、前記第1〜第4の駆動手段は、自身がオンオフ制御するスイッチング素子の短絡を検出する短絡検出手段と、前記短絡検出手段で短絡を検出したことを前記制御手段に伝達する伝達手段と、をそれぞれ備えており、前記制御手段は、何れかの前記伝達手段から前記短絡を検出したことが伝達されたとき、先に第1及び第4のスイッチング素子をオフ状態とし、その後第2及び第3のスイッチング素子をオフ状態とするような制御信号を出力し、前記第1及び第4の駆動手段は、自身の前記短絡検出手段で短絡を検出したとき、前記制御手段からの制御信号とは無関係に、即時に自身がオンオフ制御するスイッチング素子をオフ状態とし、前記第2及び第3の駆動手段は、自身の前記短絡検出手段で短絡を検出したとき、前記制御手段から自身がオンオフ制御するスイッチング素子をオフ状態とする制御信号を入力したときに当該スイッチング素子をオフ状態とすることを特徴としている。
In order to solve the above-described problem, a protection device for a three-level power converter according to claim 1 includes a first smoothing capacitor connected between a positive terminal and an intermediate terminal of a DC power supply, the intermediate terminal, and the intermediate terminal. A second smoothing capacitor connected between a negative electrode terminal of a DC power source, first to fourth switching elements sequentially connected in series between the positive electrode terminal and the negative electrode terminal; First to fourth freewheeling diodes connected in parallel to the fourth switching element, the anode side to the intermediate terminal, and the cathode side to the connection point between the first switching element and the second switching element A first clamp diode connected to the first switching diode, and a second clamp connected to the connection point between the third switching element and the fourth switching element on the anode side and to the intermediate terminal on the cathode side Comprising a diode, a, a second three-level power converter protective devices for obtaining a voltage output of the three-level by connecting the connection point to the AC output terminal and the switching element and the third switching element,
First to fourth driving means for controlling on / off of the first to fourth switching elements, and a control signal for performing on / off control of the first to fourth switching elements, Control means for outputting to the drive means, wherein the first to fourth drive means detect a short circuit of a switching element that is controlled to turn on and off by itself, and the short-circuit detection means performs a short circuit. Transmitting means for transmitting the detection to the control means, and when the control means is notified that the short circuit is detected from any of the transmission means, the first and first 4 is turned off, and then a control signal is output to turn off the second and third switching elements. The first and fourth driving means are short-circuited by their own short-circuit detecting means. Regardless of the control signal from the control means, the switching element that is controlled to turn on and off immediately is turned off, and the second and third drive means are short-circuited by their own short-circuit detection means. When a control signal for turning off a switching element that is controlled to turn on and off is input from the control means, the switching element is turned off.
このように、制御手段は、第1〜第4の駆動手段の何れかの短絡検出手段から短絡を検出したことが伝達されたとき、各スイッチング素子の駆動状態及び短絡状態にかかわらず、先に外側の第1及び第4のスイッチング素子をオフし、次に内側の第2及び第3のスイッチング素子をオフする制御信号を出力する。したがって、従来装置のように、ロジック回路内でスイッチング素子の駆動状態及び短絡状態を取得し、遮断順序を判断してから短絡保護動作を開始させるといった措置が必要ない。そのため、短絡検出時に適切な順序でスイッチング素子を遮断させることができると共に、短絡検出してからスイッチング素子を遮断し保護するまでの時間を短縮させることができる。
また、第1及び第4の駆動手段で短絡を検出した場合には、短絡を検出した駆動手段内で自立してスイッチング素子を遮断するので、短絡が発生したスイッチング素子を直ちに遮断させることができる。
As described above, when it is transmitted from the short-circuit detection means of any one of the first to fourth drive means that the control means has detected that the short-circuit has been detected, the control means first precedes regardless of the drive state or short-circuit state of each switching element. A control signal for turning off the outer first and fourth switching elements and then turning off the inner second and third switching elements is output. Therefore, unlike the conventional device, there is no need to take measures such as acquiring the drive state and short-circuit state of the switching element in the logic circuit and determining the shut-off order before starting the short-circuit protection operation. Therefore, the switching elements can be shut off in an appropriate order when a short circuit is detected, and the time from when the short circuit is detected until the switching elements are shut off and protected can be shortened.
Further, when a short circuit is detected by the first and fourth driving means, the switching element is cut off independently in the driving means that has detected the short circuit, so that the switching element in which the short circuit has occurred can be immediately cut off. .
また、請求項2に係る3レベル電力変換器の保護装置は、請求項1に係る発明において、前記第1〜第4の駆動手段は、前記短絡検出手段で短絡を非検出である通常動作時では、予め設定した通常遮断速度でスイッチング素子をオフ状態とし、前記短絡検出手段で短絡を検出している短絡検出時では、前記通常遮断速度よりも遅い遮断速度で前記スイッチング素子をオフ状態とすることを特徴としている。
これにより、短絡検出時にスイッチング素子を遮断させる際、当該スイッチング素子に高電圧がかかるのを防止し、スイッチング素子にストレスがかかるのを防止することができる。
A protection device for a three-level power converter according to a second aspect is the invention according to the first aspect, wherein the first to fourth driving means are in a normal operation in which a short circuit is not detected by the short circuit detecting means. Then, the switching element is turned off at a preset normal cutoff speed, and the switching element is turned off at a cutoff speed slower than the normal cutoff speed when a short circuit is detected by the short detection means. It is characterized by that.
As a result, when the switching element is interrupted when a short circuit is detected, it is possible to prevent a high voltage from being applied to the switching element and to prevent the switching element from being stressed.
さらに、請求項3に係る3レベル電力変換器の保護装置は、請求項2に係る発明において、前記第1〜第4の駆動手段は、前記短絡検出時に前記スイッチング素子をオフ状態とするとき、前記スイッチング素子をオフ状態とするための遮断信号を、当該スイッチング素子の遮断開始レベルまでは前記通常遮断速度で減衰させ、その後前記通常遮断速度よりも遅い遮断速度で減衰させて前記スイッチング素子をオフ状態とすることを特徴としている。
これにより、スイッチング素子を遮断するまでの時間を短縮しつつ、遮断時のスイッチング素子へのストレスを防止することができる。
Furthermore, the protection device for a three-level power converter according to a third aspect is the invention according to the second aspect, wherein the first to fourth driving means turn the switching element off when the short circuit is detected. The shut-off signal for turning off the switching element is attenuated at the normal shut-off speed until the shut-off start level of the switching element, and then attenuated at a shut-off speed slower than the normal shut-off speed to turn off the switching element. It is characterized by a state.
Thereby, stress to the switching element at the time of interruption | blocking can be prevented, shortening time until interruption | blocking of a switching element.
本発明によれば、短絡検出時に3レベル電力変換器を停止させる際、禁止条件にならないような遮断順序で、迅速にスイッチング素子を遮断し保護することが可能となる。 According to the present invention, when the three-level power converter is stopped when a short circuit is detected, the switching elements can be quickly shut down and protected in a shut-off order that does not become a prohibition condition.
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
(第1の実施形態)
(構成)
図1は、本発明に係る3レベル電力変換器の保護装置の全体構成図である。
図中、符号10は3レベル電力変換装置(以下、単に電力変換装置と称す)である。この電力変換装置10は、正極端子Pと負極端子Nとの間に接続された直流電源11と、正極端子Pと中間端子Oとの間に接続された第1の平滑コンデンサ12と、中間端子Oと負極端子Nとの間に接続された第2の平滑コンデンサ13とを備える。すなわち、第1の平滑コンデンサ12と第2の平滑コンデンサ13とは、中間端子Oを挟んで互いに直列接続されている。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
(First embodiment)
(Constitution)
FIG. 1 is an overall configuration diagram of a protection device for a three-level power converter according to the present invention.
In the figure,
また、電力変換装置10は、U相、V相、W相の3相構成であり、U相のアームブリッジ14Uと、V相のアームブリッジ14Vと、W相のアームブリッジ14Wとを有する。これら各相のアームブリッジはそれぞれ同一構成を有する。そして、電力変換装置10は、各相の出力線15U〜15Wから正、零、負の3レベルの電圧を出力可能となっている。
The
次に、各相のアームブリッジ14の内部構成について説明する。上述したように、各相のアームブリッジは同一構成を有するため、ここではU相のアームブリッジ14Uの内部構成について説明する。
図2は、U相のアームブリッジ14U内部を示す構成図である。
アームブリッジ14Uは、第1〜第4のスイッチング素子1a〜1dと、各スイッチング素子1a〜1dに逆並列接続された還流ダイオード2a〜2dとを有する。
Next, the internal configuration of the arm bridge 14 of each phase will be described. As described above, since the arm bridges of the respective phases have the same configuration, the internal configuration of the
FIG. 2 is a configuration diagram showing the inside of the
The
スイッチング素子1a〜1dは半導体スイッチング素子であり、例えばIGBT等で構成する。これら第1〜第4のスイッチング素子1a〜1dは順次直列に接続されており、そのうちスイッチング素子1aと1bとの直列接続回路は、一方の端子が正電位線P1に接続され、他方の端子がU相出力線15Uに接続されている。また、スイッチング素子1cと1dとの直列接続回路は、一方の端子がU相出力線15Uに接続され、他方の端子が負電位線N1に接続されている。
The switching elements 1a to 1d are semiconductor switching elements, and are composed of, for example, IGBTs. The first to fourth switching elements 1a to 1d are sequentially connected in series. Among these, the series connection circuit of the
このような構成により、スイッチング素子1aと1bとが同時にオンすると、U相出力線15Uから正電位線P1の電位が出力され、スイッチング素子1cと1dとが同時にオンすると、U相出力線15Uから負電位線N1の電位が出力される。また、スイッチング素子1bと1cとが同時にオンすると、U相出力線15Uから零の電位が出力される。
スイッチング素子1a〜1dには、それぞれに対応してゲート駆動装置3a〜3dが接続されている。ゲート駆動装置3a〜3dには、ゲート信号制御装置4から各スイッチング素子1a〜1dのオンオフ制御を行うための制御信号である素子駆動信号が入力される。そして、ゲート駆動装置3a〜3dは、入力された点弧指令信号に基づいて、各スイッチング素子1a〜1dを駆動制御する。
With such a configuration, when switching
Gate driving devices 3a to 3d are connected to the switching elements 1a to 1d, respectively. The gate drive devices 3a to 3d receive element drive signals, which are control signals for performing on / off control of the switching elements 1a to 1d, from the gate signal control device 4. Then, the gate drive devices 3a to 3d drive and control the switching elements 1a to 1d based on the input firing command signal.
ゲート駆動装置3a〜3dは、それぞれ短絡検知装置と短絡保護装置とを有する。短絡検知装置31a〜31dは、それぞれスイッチング素子1a〜1dの短絡状態を検知するものである。
ゲート駆動装置3aの短絡保護装置は、ソフト遮断部32aから構成する。また、ゲート駆動装置3dの短絡保護装置は、ゲート駆動装置3aの短絡保護装置と同一構成を有し、ソフト遮断部32dから構成する。一方、ゲート駆動装置3bの短絡保護装置は、ソフト遮断部32bと遮断マスク部33bとから構成する。また、ゲート駆動装置3cの短絡保護装置は、ゲート駆動装置3bの短絡保護装置と同一構成を有し、ソフト遮断部32cと遮断マスク部33cとから構成する。
Each of the gate drive devices 3a to 3d includes a short circuit detection device and a short circuit protection device. The short
The short-circuit protection device of the gate driving device 3a is composed of a soft shut-off
短絡検知装置31a,31dは、短絡状態を検知すると、信号線7を介してスイッチング素子が短絡状態にあることを示す短絡検出信号をゲート信号制御装置4に出力すると共に、短絡検出時のスイッチング素子を遮断するための遮断信号をソフト遮断部32a,32dに出力する。短絡検知装置31b,31cは、短絡状態を検知すると、信号線7を介して上記短絡検出信号をゲート信号制御装置4に出力すると共に、上記遮断信号を遮断マスク部33b,33cに出力する。
When the short
遮断マスク部33b,33cは、短絡検知装置33b,33cが短絡状態を検知して遮断信号を出力した際に、即時にスイッチング素子1b,1cの遮断動作に入らないように一旦マスクする機能を有する。
この遮断マスク部33b,33cは、遮断信号をマスクしている状態であるときに、後述するゲート駆動オンオフ信号発生部41からスイッチング素子1b,1cをオフするための素子駆動信号を入力すると、スイッチング素子1b,1cの遮断動作を行うべく遮断信号をソフト遮断部32b,32cに出力する。
ソフト遮断部32a〜32dは、スイッチング素子1a〜1dを遮断する際に、複数の遮断速度をもって遮断させる機能を有する。
When the short-
When the blocking
The
図3は、ソフト遮断機能を説明するための図である。
ソフト遮断機能とは、スイッチング素子1a〜1dを遮断させる遮断信号を、素子遮断開始レベルY点に達するまでは通常の遮断速度Xで減衰させ、遮断開始レベル後は通常の遮断速度Xよりも緩やかな遮断速度Zで減衰させるものである。このように、遮断速度を二つ用意し、これらの遮断速度を切り替えてスイッチング素子1a〜1dを遮断させる。
本実施形態では、スイッチング素子1a〜1dを通常遮断する場合には、一定の遮断速度Xで遮断し、短絡状態を検出して遮断する場合には、図3に示すソフト遮断を行うものとする。
FIG. 3 is a diagram for explaining the soft cutoff function.
The soft shut-off function attenuates a shut-off signal that shuts off the switching elements 1a to 1d at a normal shut-off speed X until reaching the element shut-off start level Y point, and is slower than the normal shut-off speed X after the shut-off start level. Attenuating at a proper shutoff speed Z. In this way, two cutoff speeds are prepared, and the switching elements 1a to 1d are shut off by switching these cutoff speeds.
In the present embodiment, when the switching elements 1a to 1d are normally shut off, they are shut off at a constant shutoff speed X, and when the short circuit state is detected and shut off, the soft shutoff shown in FIG. 3 is performed. .
ゲート信号制御装置4は、ゲート駆動オンオフ信号発生部41を備える。このゲート駆動オンオフ信号発生部41は、信号線6a〜6dを介して、ゲート駆動装置3a〜3dに対してスイッチング素子1a〜1dの素子駆動信号を出力する。
すなわち、ゲート駆動オンオフ信号発生部41は、正の電位を出力する際にはスイッチング素子1a及び1bをオン、スイッチング素子1c及び1dをオフとするための素子駆動信号を出力する。また、零の電位を出力する際にはスイッチング素子1a及び1bをオフ、スイッチング素子1c及び1dをオンとするための素子駆動信号を出力する。さらに、負の電位を出力する際には、スイッチング素子1a及び1dをオフ、スイッチング素子1b及び1cをオンとするための素子駆動信号を出力する。
The gate signal control device 4 includes a gate drive on / off
That is, the gate drive on / off
また、ゲート駆動オンオフ信号発生部41は、3レベル電力変換装置10を通常に停止させる場合には、先ず外側のスイッチング素子1a及び1dをオフするための素子駆動信号を出力し、その後内側のスイッチング素子1b及び1cをオフするための素子駆動信号を出力する。
本実施形態では、ゲート駆動オンオフ信号発生部41は、短絡検知装置31a〜31dの何れかから信号線7を介して短絡検出信号を入力した場合にも、上述した通常停止動作を行う場合と同様の素子駆動信号を出力する。
In addition, when the three-
In the present embodiment, the gate drive on / off
また、図2において、符号5a及び5bはクランプダイオードである。第1のクランプダイオード5aは、中間端子Oにアノード側を、スイッチング素子1aと1bとの接続点にカソード側を接続している。第2のクランプダイオード5bは、スイッチング素子1cと1dとの接続点にアノード側を、中間端子Oにカソード側を接続している。
図2において、スイッチング素子1a〜1dがそれぞれ第1〜第4のスイッチング素子に対応し、ゲート信号制御装置4が制御手段に対応し、ゲート駆動装置3a〜3dがそれぞれ第1〜第4の駆動手段に対応し、短絡検知装置31a〜31dがそれぞれ短絡検出手段に対応し、信号線7が伝達手段に対応している。
In FIG. 2,
In FIG. 2, the switching elements 1a to 1d correspond to the first to fourth switching elements, the gate signal control device 4 corresponds to the control means, and the gate drive devices 3a to 3d respectively correspond to the first to fourth drives. Corresponding to the means, the short-
(動作)
次に、本実施形態の動作について説明する。
図4は、本実施形態の動作を説明するためのタイミングチャートである。
ここでは、スイッチング素子1a及び1bが導通している状態で、電力変換装置10の出力が短絡した場合について説明する。
先ず、ゲート駆動装置3aの短絡検知装置31aが短絡状態を検知した場合について説明する。この場合、短絡検知装置31aは、短絡検出信号をゲート駆動オンオフ信号発生部41に出力すると共に、遮断信号をソフト遮断部32aに出力する。また、同時にゲート駆動オンオフ信号発生部41から入力される通常の素子駆動信号を受け付けないように、スイッチング素子1aのゲートと信号線6aとの接続を、スイッチング素子1aのゲートとソフト遮断部32aとの接続に切り替える。
(Operation)
Next, the operation of this embodiment will be described.
FIG. 4 is a timing chart for explaining the operation of the present embodiment.
Here, the case where the output of the
First, the case where the short
すなわち、図4の時刻t1で短絡検知装置31aが短絡状態を検知すると、短絡検知装置31aはソフト遮断部32aに対して遮断信号を出力する。これにより、スイッチング素子1aは、ソフト遮断機能によって緩やかな遮断速度で遮断される(時刻t2)。また、この時刻t1では、短絡検出信号が短絡状態を検出していることを示すオン状態となり、この短絡検出信号が信号線7を介してゲート駆動オンオフ信号発生部41に入力される。
That is, when the short-
ゲート駆動オンオフ信号発生部41は、オン状態の短絡検出信号を入力したことで、時刻t3で、先ず外側のスイッチング素子1a及び1dの素子駆動信号をオフ状態とする。このとき、スイッチング素子1b及び1cの素子駆動信号は相補的にオン状態となる。そして、これら素子駆動信号を、信号線6a〜6dを介してゲート駆動装置3a〜3dに出力する。このとき、すでにスイッチング素子1aはソフト遮断機能によってオフ状態であり、スイッチング素子1dはもともとオフ状態である。そのため、このとき出力される素子駆動信号によってスイッチング素子1a,1dの遮断動作が行われることはない。
The gate drive on / off
この時刻t3から所定時間後の時刻t4では、ゲート駆動オンオフ信号発生部41は、スイッチング素子1bと1cとの素子駆動信号をオフ状態とし、これらを信号線6bと6cとを介してゲート駆動装置3bと3cとに出力する。これにより、スイッチング素子1bと1cとは遮断動作を行うことになる。このとき、ソフト遮断部32b,32cのソフト遮断機能により、スイッチング素子1b,1cをソフト遮断するようにする。
At a time t4, which is a predetermined time after the time t3, the gate drive on / off
このように、短絡検知装置31aで短絡状態を検知した場合には、ゲート駆動装置3aで自立してスイッチング素子1aを即遮断する。一方、内側のスイッチング素子1bについては、ゲート駆動オンオフ信号発生部41からスイッチング素子1bをオフ状態とする素子駆動信号が入力されるのを待って遮断する(素子遮断マスク)。ゲート駆動オンオフ信号発生部41は、短絡検知装置31a〜31dの何れかで短絡状態を検知したとき、先に外側のスイッチング素子1a及び1dを遮断し、次に内側のスイッチング素子1b及び1cを遮断する素子駆動信号を出力するので、確実に短絡検出時の禁止条件とならないような遮断順序でスイッチング素子1a〜1dを遮断することができる。
Thus, when a short circuit state is detected by the short
次に、スイッチング素子1a及び1bが導通している状態で、ゲート駆動装置3bの短絡検知装置31bが短絡状態を検知した場合について説明する。
図5は、本実施形態の動作を説明するためのタイミングチャートである。
図5の時刻t11で短絡検知装置31bが短絡状態を検知すると、短絡検知装置31bは、遮断マスク部33bに対して遮断信号を出力する。これにより、遮断信号は遮断マスク部33bでマスクされ、この時点ではスイッチング素子1bはすぐには遮断しない。また、この時刻t11では、短絡検出信号が短絡状態を検出していることを示すオン状態となり、この短絡検出信号が信号線7を介してゲート駆動オンオフ信号発生部41に入力される。
Next, a case where the short-
FIG. 5 is a timing chart for explaining the operation of the present embodiment.
When the short
ゲート駆動オンオフ信号発生部41は、オン状態の短絡検出信号を入力したことで、時刻t12で、先ず外側のスイッチング素子1a及び1dの素子駆動信号をオフ状態とする。このとき、スイッチング素子1b及び1cの素子駆動信号は相補的にオン状態となる。そして、これら素子駆動信号を、信号線6a〜6dを介してゲート駆動装置3a〜3dに出力する。これにより、スイッチング素子1aは遮断動作を行う。このとき、ソフト遮断部32aのソフト遮断機能により、スイッチング素子1aをソフト遮断するようにする。
The gate drive on / off
この時刻t12から所定時間後の時刻t13では、ゲート駆動オンオフ信号発生部41は、スイッチング素子1bと1cとの素子駆動信号をオフ状態とし、これらを信号線6bと6cとを介してゲート駆動装置3bと3cとに出力する。これにより、遮断マスク部33bはマスク状態を解除し、スイッチング素子1bの遮断動作を行う。すなわち、この時刻t13では、スイッチング素子1bと1cとの遮断動作を行うことになる。このとき、ソフト遮断部32b,32cのソフト遮断機能により、スイッチング素子1b,1cをソフト遮断するようにする。
At a time t13, which is a predetermined time after the time t12, the gate drive on / off
このように、ゲート駆動装置3bに遮断マスク部33bを設けて遮断信号をマスクするので、短絡検知装置31bで短絡状態を検知した場合には、スイッチング素子1bをすぐに遮断しないようにすることができる。
したがって、電力変換装置10の出力に短絡が発生した場合には、何れの短絡検知装置で短絡状態を検知した場合であっても、先ず外側のスイッチング素子1a,1dの遮断動作を行い、その後内側のスイッチング素子1b,1cの遮断動作を行うようにすることができ、短絡検出時に禁止条件とならないようにすることができる。
In this way, the
Therefore, when a short circuit occurs in the output of the
また、短絡検出装置31a,31dで短絡状態を検出した際には、ゲート駆動装置3a,3dで自立して直ちにスイッチング素子1a,1dの遮断動作を行うので、短絡検出してからスイッチング素子を遮断し保護するまでの時間を短縮することができる。
さらに、短絡状態を検出している場合には、スイッチング素子1a〜1dの遮断動作をソフト遮断とすることができる。
短絡検出時においては、スイッチング素子には過大な電流が流れており、通常動作時と同様にスイッチング素子を遮断すると、スイッチング素子に瞬時ではあるが高電圧がかかり、スイッチング素子にストレスがかかってしまう。本実施形態では、短絡検出時にはスイッチング素子1a〜1dの遮断動作をソフト遮断とするので、ストレスをかけずにスイッチング素子を遮断することができる。
Further, when the short-
Furthermore, when the short circuit state is detected, the shut-off operation of the switching elements 1a to 1d can be soft shut-off.
When a short circuit is detected, an excessive current flows through the switching element. If the switching element is cut off as in normal operation, a high voltage is applied to the switching element instantaneously, and the switching element is stressed. . In this embodiment, since the interruption | blocking operation | movement of switching element 1a-1d is made into soft interruption | blocking at the time of short circuit detection, a switching element can be interrupted | blocked, without applying a stress.
(効果)
上記実施形態では、各スイッチング素子のゲート駆動装置のうち何れかで短絡を検出したとき、短絡検出信号を受けたゲート信号制御装置で、先に外側のスイッチング素子をオフ状態とし、その後内側のスイッチング素子をオフ状態とするような素子駆動信号を出力する。このように、短絡検出時には、スイッチング素子の駆動状態や短絡状態にかかわらず、上記遮断動作を行うための素子駆動信号を出力するので、従来装置のように、スイッチング素子の駆動状態や短絡状態に基づいて短絡検出時の遮断順序を判断するロジック回路を設ける必要がない。また、ゲート駆動装置からゲート信号制御装置へ短絡検出信号を伝達するための信号線を1本にまとめることができる。したがって、制御の簡易化と回路の小型化とを実現することができる。
(effect)
In the above embodiment, when a short circuit is detected in any one of the gate drive devices of each switching element, the gate signal control apparatus that has received the short circuit detection signal first turns off the outer switching element and then switches the inner switching element. An element driving signal that turns off the element is output. As described above, when a short circuit is detected, an element drive signal for performing the above-described blocking operation is output regardless of the drive state or short circuit state of the switching element. Therefore, it is not necessary to provide a logic circuit for determining the interruption order when a short circuit is detected. Further, the signal lines for transmitting the short circuit detection signal from the gate driving device to the gate signal control device can be combined into one. Therefore, simplification of control and miniaturization of the circuit can be realized.
また、外側のスイッチング素子のゲート駆動装置で短絡を検出した場合には、そのゲート駆動装置で自立してスイッチング素子を遮断するので、短絡検出してから直ちにスイッチング素子を遮断させることができる。
さらに、内側のスイッチング素子のゲート駆動装置で短絡を検出した場合には、そのゲート駆動装置ですぐにスイッチング素子を遮断せず、ゲート信号制御装置からスイッチング素子をオフ状態とするための素子駆動信号が入力されるのを待って遮断するので、短絡検出時に禁止条件となるのを確実に防止することができる。
In addition, when a short circuit is detected by the gate driving device of the outer switching element, the switching element is shut off by the gate driving device so that the switching element can be shut off immediately after the short circuit is detected.
Furthermore, when a short circuit is detected by the gate driving device of the inner switching element, the element driving signal for turning off the switching element from the gate signal control device without immediately shutting off the switching element by the gate driving device. Therefore, it is possible to reliably prevent a prohibition condition from being detected when a short circuit is detected.
また、短絡検出時にスイッチング素子を遮断する場合には、通常動作時と比較して遮断速度を緩やかにするソフト遮断を行うので、ストレスをかけずにスイッチング素子を遮断することができる。さらにまた、ソフト遮断時には、遮断信号をスイッチング素子の遮断開始レベルまでは通常遮断速度で減衰させ、その後、通常遮断速度よりも遅い遮断速度で減衰させてスイッチング素子を遮断するようにするので、スイッチング素子を遮断するまでの時間を短縮しつつ、遮断時のスイッチング素子へのストレスを防止することができる。
(変形例)
なお、上記実施形態においては、本発明を、3相交流電圧を出力する3レベル電力変換器に適用する場合について説明したが、3相に限定されるものではない。
Further, when the switching element is shut off at the time of detecting the short circuit, the soft shut-off which makes the shut-off speed gentler than that in the normal operation is performed, so that the switching element can be shut off without applying stress. Furthermore, at the time of soft shut-off, the shut-off signal is attenuated at the normal shut-off speed up to the shut-off start level of the switching element, and then the switching element is shut off by being attenuated at a shut-off speed slower than the normal shut-off speed. While shortening the time until the element is shut off, it is possible to prevent stress on the switching element at the time of shutting down.
(Modification)
In the above embodiment, the case where the present invention is applied to a three-level power converter that outputs a three-phase AC voltage has been described. However, the present invention is not limited to three phases.
1a〜1d…スイッチング素子、2a〜2d…還流ダイオード、3a〜3d…ゲート駆動装置、4…ゲート信号制御装置、5a,5b…クランプダイオード、6a〜6d…信号線(点弧信号用)、7…信号線(短絡検出信号用)、10…3レベル電力変換器、11…直流電源、12…第1の平滑コンデンサ、13…第2の平滑コンデンサ、14U〜14W…アームブリッジ、15U〜15W…出力線、P…正極端子、N…負極端子、O…中間端子 DESCRIPTION OF SYMBOLS 1a-1d ... Switching element, 2a-2d ... Freewheeling diode, 3a-3d ... Gate drive device, 4 ... Gate signal control device, 5a, 5b ... Clamp diode, 6a-6d ... Signal line (for ignition signal), 7 ... Signal line (for short-circuit detection signal), 10 ... 3-level power converter, 11 ... DC power supply, 12 ... first smoothing capacitor, 13 ... second smoothing capacitor, 14U-14W ... arm bridge, 15U-15W ... Output line, P ... positive terminal, N ... negative terminal, O ... intermediate terminal
Claims (3)
前記中間端子と前記直流電源の負極端子との間に接続された第2の平滑コンデンサと、
前記正極端子と前記負極端子との間に順次直列に接続された第1〜第4のスイッチング素子と、
前記第1〜第4のスイッチング素子にそれぞれ並列に接続された第1〜第4の還流ダイオードと、
前記中間端子にアノード側を、前記第1のスイッチング素子と前記第2のスイッチング素子との接続点にカソード側を接続された第1のクランプダイオードと、
前記第3のスイッチング素子と前記第4のスイッチング素子との接続点にアノード側を、前記中間端子にカソード側を接続された第2のクランプダイオードと、を備え、
前記第2のスイッチング素子と前記第3のスイッチング素子との接続点を交流出力端子に接続して3レベルの電圧出力を得る3レベル電力変換器の保護装置であって、
前記第1〜第4のスイッチング素子をそれぞれオンオフ制御する第1〜第4の駆動手段と、
前記第1〜第4のスイッチング素子のオンオフ制御を行うための制御信号を、前記第1〜第4の駆動手段に対して出力する制御手段と、を備え、
前記第1〜第4の駆動手段は、自身がオンオフ制御するスイッチング素子の短絡を検出する短絡検出手段と、前記短絡検出手段で短絡を検出したことを前記制御手段に伝達する伝達手段と、をそれぞれ備えており、
前記制御手段は、何れかの前記伝達手段から前記短絡を検出したことが伝達されたとき、先に第1及び第4のスイッチング素子をオフ状態とし、その後第2及び第3のスイッチング素子をオフ状態とするような制御信号を出力し、
前記第1及び第4の駆動手段は、自身の前記短絡検出手段で短絡を検出したとき、前記制御手段からの制御信号とは無関係に、即時に自身がオンオフ制御するスイッチング素子をオフ状態とし、
前記第2及び第3の駆動手段は、自身の前記短絡検出手段で短絡を検出したとき、前記制御手段から自身がオンオフ制御するスイッチング素子をオフ状態とする制御信号を入力したときに当該スイッチング素子をオフ状態とすることを特徴とする3レベル電力変換器の保護装置。 A first smoothing capacitor connected between the positive terminal and the intermediate terminal of the DC power supply;
A second smoothing capacitor connected between the intermediate terminal and the negative terminal of the DC power source;
First to fourth switching elements sequentially connected in series between the positive terminal and the negative terminal;
First to fourth freewheeling diodes connected in parallel to the first to fourth switching elements, respectively.
A first clamp diode having an anode side connected to the intermediate terminal and a cathode side connected to a connection point between the first switching element and the second switching element;
A second clamp diode having an anode side connected to a connection point between the third switching element and the fourth switching element, and a cathode side connected to the intermediate terminal;
A protection device for a three-level power converter that obtains a three-level voltage output by connecting a connection point between the second switching element and the third switching element to an AC output terminal,
First to fourth driving means for controlling on / off of the first to fourth switching elements, respectively;
Control means for outputting a control signal for performing on / off control of the first to fourth switching elements to the first to fourth driving means,
The first to fourth driving means include a short-circuit detecting means for detecting a short-circuit of a switching element that is controlled to turn on and off, and a transmission means for transmitting to the control means that a short-circuit is detected by the short-circuit detecting means. Each has
When it is transmitted from any of the transmission means that the short circuit has been detected, the control means first turns off the first and fourth switching elements, and then turns off the second and third switching elements. Output a control signal that
When the first and fourth driving means detect a short circuit by their own short-circuit detection means, the switching elements that are immediately turned on and off independently of the control signal from the control means are turned off,
When the second and third driving means detect a short circuit by their own short-circuit detecting means, the switching means receives a control signal for turning off the switching element that is controlled to turn on and off from the control means. 3 is a protection device for a three-level power converter.
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