JP2012170318A - 電力変換器および動作方法 - Google Patents

Abstract

【課題】障害電流からの電力変換器を保護すること。
【解決手段】電力変換器１００は、第１のｄｉ／ｄｔリアクトル１２０と第１の制御部とを含む第１の位相レグ１０２を含み、第１のｄｉ／ｄｔリアクトルおよび第１の制御部は、活性線と中性線の間に結合される。電力変換器はまた、活性線と中性線の間に結合された第１の電流クローバー１２４と、第１のｄｉ／ｄｔリアクトル、制御部、および第１の電流クローバーに結合され、第１のｄｉ／ｄｔリアクトルの両端の電圧に基づいて電流クローバーを活動化するように構成されたコントローラとを含む。
【選択図】図１

Description

本明細書で開示される主題は、電力変換器に関し、詳細には障害電流からの電力変換器の保護に関する。

電力変換器（インバータとしても知られる）は、直流電流（ＤＣ）を交流電流（ＡＣ）に変換するために利用される。電力変換器は、それを通って破壊的に大きな障害電流が流れることを許容することができる障害モードを有する。障害電流は、電力変換器のバス構造体を損傷する、または障害経路内の電力用半導体（たとえば、一体化されたゲート転流型サイリスタ（ＩＧＣＴ））を破壊あるいは損傷するのに十分大きくなり得る。電力変換器およびその中のデバイスを通る障害電流のピーク値を制限するために、障害電流は遮断または迂回されなければならない。

ヒューズは、障害電流を遮断するための１つの方法である。ヒューズは、電力変換器のＤＣリンクコンデンサと位相レグの間に設置することができる。もう１つの手法は、いわゆる「電流クローバー」を利用するものである。１つのタイプの電流クローバーは、障害電流が検出された場合にターンオンされる高速シリコン制御整流器（ＳＣＲ）を利用する。電流クローバーは、活動化されたときに、障害電流を電力変換器の位相レグから迂回させる低インピーダンス経路を形成する。活動化された電流クローバーはまた、ＤＣリンクコンデンサを放電するための低インピーダンス経路を形成する。

ＳＣＲのゲート制御は通常は、ＤＣリンク組立体における導体内の電流の変化率を検知する回路によって制御される。電流の変化率は閾値と比較され、率が閾値レベルを超えたときに電流クローバーは活動化される。このような制御回路は、別個の制御ラックおよびセンサを必要とする。

本発明の一態様によれば、電力変換器が開示される。本態様の電力変換器は、第１の電流時間変化（ｄｉ／ｄｔ）リアクトルと第１の制御部とを含む第１の位相レグを含み、第１のｄｉ／ｄｔリアクトルおよび第１の制御部は、活性線と中性線の間に結合される。本態様の電力変換器はまた、活性線と中性線の間に結合された第１の電流クローバーと、第１のｄｉ／ｄｔリアクトル、制御部、および第１の電流クローバーに結合され、第１のｄｉ／ｄｔリアクトルの両端の電圧に基づいて電流クローバーを活動化するように構成されたコントローラとを含む。

本発明の他の態様によれば、電力変換器を動作させる方法が開示される。本態様の方法は、電力変換器のコントローラにて電流時間変化（ｄｉ／ｄｔ）変換器から電圧を受け取るステップと、電圧が閾値を超えた場合にコントローラに結合された電流クローバーを活動化するステップとを含む。

本発明の他の態様によれば、電力変換器を動作させる方法が開示される。本態様の方法は、電力変換器のコントローラにて電流時間変化（ｄｉ／ｄｔ）変換器から電圧を受け取るステップと、電圧から計算された値が閾値を超えた場合にコントローラに結合された電流クローバーを活動化するステップとを含む。

これらおよび他の利点および特徴は、図面と併せ読めば以下の説明からより明らかになるであろう。

本発明としてみなされる本主題は、本明細書の結びの「特許請求の範囲」で具体的に指摘され、明瞭に特許請求される。本発明の上記その他の特徴および利点は、添付の図面と併せ読めば以下の詳細な説明から明らかとなる。

本発明の一実施形態による一体化された保護回路を含む電力変換器のブロック図である。 図１に示す電力変換器の一部分のブロック図である。 本発明の一実施形態による方法を示すフローチャートである。

図面を参照し例として詳細に述べることにより、利点および特徴と共に本発明の実施形態を説明する。

本発明の実施形態は、電力変換器用の一体化された障害電流保護をもたらす。一実施形態によれば、電力変換器の位相レグ内のｄｉ／ｄｔリアクトルの両端で検知された電圧は、位相レグ内の電流を判定し、電流に対する閾値レベルに達した場合に電流クローバーをトリガするための基礎として利用される。このような手法により、電力変換器においてコストを低減し、より簡単化することが可能になり、電流クローバーの動作のより正確な制御が可能になる。

図１は、本発明の一実施形態による電力変換器１００を示す。図示のように電力変換器１００は、位相レグ１０２、１０４を含む。当業者なら理解されるように、電力変換器１００内に含むことができる位相レグ１０２、１０４の数は、応用例に応じて変えることができる。たとえば電力変換器１００は、単一の位相レグ（たとえば位相レグ１０４）を含むことができ、したがって単相インバータとして動作することができる。他の実施形態では電力変換器は、多相電力入力を受け取る整流ブリッジ（図示せず）によって給電される、２つまたは３つの（またはより多くの）位相レグ１０４を含むことができる。たとえば電力変換器１００は、１２パルス源を含む３レベルインバータとすることもできる。位相レグ１０２は、ＡＣ電流を受け取り、それをＤＣ電流に変換し、それを位相レグ１０４に供給してＡＣに逆変換するように構成することもできることを理解されたい。それに関わらず１つまたは複数の位相レグ１０４は、負荷１０６に結合され負荷１０６を駆動する。もちろん一実施形態では位相レグ１０４の数は、負荷１０６を駆動するのに必要な相の数と同じとすることができる。

位相レグ１０２、１０４のそれぞれは同じ様に、かつ一般に知られているように形成することができる。たとえば位相レグ１０４は、正／負入力と中性線の間にそれぞれ結合されたＤＣリンクコンデンサ１０８、１１０を含む。すなわち、ＤＣリンクコンデンサ１０８はＶ＋とＶｎの間に結合され、ＤＣリンクコンデンサ１１０はＶ−とＶｎの間に結合される。図示のように位相レグ１０４は、それぞれＶ＋およびＶ−によって給電される正側半分１１２と、負側半分１１４とを含む。本明細書で用いられる場合、Ｖ＋およびＶ−は「活性線」と呼ぶことができ、ＶｎはＶ＋とＶ−の間の「中性線」と呼ぶことができる。ＤＣリンクコンデンサ１０８、１１０はそれぞれ、Ｖ＋およびＶ−から受け取った電力を蓄え、それを負荷１０６に供給する。各位相レグ１０２、１０４はまた、正制御部１１６と、負制御部１１８とを含む。

一実施形態では制御部１１６、１１８は、コントローラ１２２によってトリガされ制御される１つまたは複数のＩＧＣＴを含む。制御部１１６、１１８内のＩＧＣＴ（または他の素子）を動作させるためにコントローラ１２２によって実施される制御方式は、制御部１１６、１１８の構成に応じて、かつ当技術分野で知られているように変えることができる。一実施形態では電力変換器１００は、６個の位相レグのそれぞれに対して２つずつ、１２個の制御部１１６、１１８を含む。

当技術分野で知られているように各位相レグ１０２、１０４は、それぞれが少なくとも１つの誘導素子を含む２つの電流時間変化（ｄｉ／ｄｔ）リアクトル１２０を含む。たとえば制御部１１６内のＩＧＣＴの１つが故障した場合は、電力変換器１００を通る電流は、ｄｉ／ｄｔリアクトル１２０および電力接続の寄生抵抗によってのみ制限される。したがってＤＣリンクコンデンサ１０８、１１０（および故障したデバイス）からの電流は、制御部１１６内で急速に破壊的レベルに達し得る。

従来技術では、電力変換器１００内の電流を測定するために追加のセンサ（図示せず）が利用された。たとえば従来技術であれば、電流センサはノード１４０に配置された。障害電流を検出すると、別個のコントローラ（図示せず）は、適切なクローバー１２４をアクティブにし、制御部１１４、１１６内のＩＧＣＴを保護するように、ＤＣコンデンサ１０８、１１０が放電するための代わりの電流経路を形成させた。

本発明の実施形態では、従来技術の別個の障害電流保護センサ／コントローラは必要ない。代わりに本発明の実施形態によれば、制御部１１４、１１６を制御するコントローラ１２２はまた、クローバー１２４を活動化するために用いることができる。具体的にはコントローラ１２２は、ｄｉ／ｄｔリアクトル１２０を通る電圧を監視する。電流がｄｉ／ｄｔリアクトル１２０を通って流れるときは、それらの両端の電圧は、制御部１１４、１１６を通る電流の変化率に比例する。したがってｄｉ／ｄｔリアクトル１２０の両端の測定された電圧は、位相レグ１０２、１０４のそれぞれの半分１１２、１１４内の電流を計算し、電流に対する、または電流の変化率に対する閾値レベルを超えた場合に適切な電流クローバー１２４をトリガするために利用することができる。

コントローラ１２２は、任意のタイプの計算装置とすることができることを理解されたい。たとえばコントローラ１２２は、本明細書に開示されるいずれかの方法の１つまたは複数のステップをそれに実行させる命令を記憶するためのメモリを含む計算装置とすることができる。したがって本発明の技術的な効果は、電力変換器１００の位相レグ１０２、１０４を制御するのと同じコントローラを利用して電流クローバーを制御するためのシステムおよび方法を提供することである。

図２は、図１に示される電力変換器１００の一部分２００を示す。部分２００は、１つのｄｉ／ｄｔリアクトル１２０を含む。上述のように一実施形態では、各位相レグのそれぞれの半分はｄｉ／ｄｔリアクトル１２０を含む。ｄｉ／ｄｔリアクトル１２０は誘導素子２０１を含む。コントローラ１２２は、電圧センサ２０２を含むか、あるいは電圧センサ２０２に結合される。電圧センサ２０２は、誘導素子２０１の両端の電圧を測定する。もちろん誘導素子２０１は、１つまたは複数のインダクタまたは他の能動素子から形成することができる。一実施形態では電圧センサ２０２は、アナログ−デジタル変換器として実装される。一実施形態では電圧センサ２０２は、シグマ−デルタ変換器である。シグマ−デルタ変換器は、当技術分野で知られているように、アナログ入力電圧を受け取り、それをデジタル値に変換する特定のタイプのアナログ−デジタル変換器である。電圧センサ２０２によって出力されるデジタル値は、誘導素子２０１を通る電流の変化率に比例する。一実施形態では、次いで変換器２０４は、誘導素子２０１を通る電流を求めるために電圧を積分する。次いで論理ブロック２０６は、電流が閾値を超えたかどうかを判定し、閾値を超えた場合はＳＣＲ２０８のゲートにゲート信号を供給して電流クローバー１２４を活動化する。このようにして電力変換器１００（図１）を動作させるコントローラ１２２はまた、電流クローバー１２４の動作も制御する。

図３は、本発明の一実施形態による方法を示すフローチャートである。ブロック３０２では、電力変換器の位相レグに含まれるｄｉ／ｄｔリアクトルの両端の電圧が測定される。一実施形態では、測定を行うためにシグマ−デルタ変換器が用いられる。一実施形態では、いくつかのｄｉ／ｄｔリアクトルの両端の電圧を測定することができることを理解されたい。しかしこの図では簡単のために、単一のｄｉ／ｄｔリアクトルの測定を考察する。

ブロック３０４では測定された電圧は、電流に変換される。一実施形態ではこのような測定は、規定された期間にわたって電圧を積分することを含む。他の実施形態ではこのような変換は省略することができ、他の処理ブロックではスケーリングされた電流変化の率のみが利用される。

ブロック３０６では、電流（またはスケーリングされた電流変化の率）は閾値と比較される。閾値を超えた場合は（ブロック３０８）、クローバーが活動化される。そうでない場合は処理はブロック３０４に戻る。

本発明について限られた数の実施形態のみに関連して詳細に述べてきたが、本発明がこのような開示された実施形態に限定されないことは容易に理解されよう。むしろ本発明は、任意の数の変更、変形、置換、またはこれまで述べていないが本発明の趣旨および範囲と同等である等価な構成を組み入れるように変更することができる。さらに、本発明の様々な実施形態について述べてきたが、本発明の態様は、述べられた実施形態の一部のみを含み得ることを理解されたい。したがって本発明は、上記の説明によって限定されると見なされるべきではなく、添付の「特許請求の範囲」によってのみ限定されるものである。

１００ 電力変換器
１０２ 位相レグ
１０４ 位相レグ
１０６ 負荷
１０８ ＤＣリンクコンデンサ
１１０ ＤＣリンクコンデンサ
１１２ 正側半分
１１４ 負側半分
１１６ 正制御部
１１８ 負制御部
１２０ ｄｉ／ｄｔリアクトル
１２２ コントローラ
１２４ クローバー
１４０ ノード
２００ 電力変換器の一部分
２０１ 誘導素子
２０２ 電圧センサ
２０４ 変換器
２０６ 論理ブロック
２０８ ＳＣＲ

Claims (10)

1. 第１の電流時間変化（ｄｉ／ｄｔ）リアクトル（１２０）と第１の制御部とを含む第１の位相レグ（１０２）であって、前記第１のｄｉ／ｄｔリアクトル（１２０）および前記第１の制御部は活性線と中性線の間に結合される、第１の位相レグ（１０２）と、
   前記活性線と前記中性線の間に結合された第１の電流クローバー（１２４）と、
   前記第１のｄｉ／ｄｔリアクトル（１２０）、前記第１の制御部、および前記第１の電流クローバー（１２４）に結合されたコントローラ（１２２）であって、前記第１のｄｉ／ｄｔリアクトル（１２０）の両端の電圧に基づいて前記第１の電流クローバー（１２４）を活動化するように構成された、コントローラ（１２２）と
   を備える電力変換器（１００）。
2. 前記ｄｉ／ｄｔリアクトル（１２０）は、
   第１の誘導素子（２０１）を含み、
   前記電圧が、前記第１の誘導素子（２０１）の両端で測定される、請求項１記載の電力変換器（１００）。
3. 前記コントローラ（１２２）が、前記電圧に基づいてデジタル出力を生成するシグマ−デルタ変換器を含む、請求項１記載の電力変換器（１００）。
4. 前記コントローラ（１２２）が、電流を求めるために前記デジタル出力を積分する、請求項３記載の電力変換器（１００）。
5. 前記電流は閾値と比較され、前記コントローラ（１２２）は、前記電流が前記閾値を超えたときに前記電流クローバー（１２４）を活動化する、請求項４記載の電力変換器（１００）。
6. 前記デジタル出力は閾値と比較され、前記コントローラ（１２２）は、前記デジタル出力が前記閾値を超えたときに前記電流クローバー（１２４）を活動化する、請求項３記載の電力変換器（１００）。
7. 前記デジタル出力が、前記ｄｉ／ｄｔリアクトル（１２０）を通る電流の変化率に比例する、請求項６記載の電力変換器（１００）。
8. 前記活性線と前記中性線の間に結合されたＤＣリンクコンデンサ（１０８、１１０）をさらに備える、請求項１記載の電力変換器（１００）。
9. 前記第１の制御部が、１つまたは複数の一体化されたゲート転流型サイリスタ（ＩＧＣＴ）を含む、請求項１記載の電力変換器（１００）。
10. 前記活性線が正電圧を伝達し、
    負電圧を伝達する負の線と、
    前記負の線と前記中性線の間に結合された第２の電流クローバー（１２４）と
    をさらに備える、請求項１記載の電力変換器（１００）。

Images