JP4331009B2

JP4331009B2 - インバータ制御装置

Info

Publication number: JP4331009B2
Application number: JP2004028439A
Authority: JP
Inventors: 友由牧野; 和敏三浦
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 2004-02-04
Filing date: 2004-02-04
Publication date: 2009-09-16
Anticipated expiration: 2024-02-04
Also published as: JP2005223992A

Description

本発明は、電気車用のインバータ等に使用される過電圧抑制回路についてＩＧＢＴ素子等の自己消弧可能な半導体スイッチング素子を使用した場合に安定したゲート信号を供給することのできるインバータ制御装置に関する。

インバータ装置には、インバータ回路を構成する半導体スイッチング素子を保護するための過電圧抑制回路が設けられているのが一般的である。この過電圧抑制回路は、運転時においてインバータ回路の入力側に設けられたフィルタコンデンサの充電電圧が過電圧と成った場合にサイリスタ等のスイッチング素子をオンさせてフィルタコンデンサの充電電圧を放電させる機能と、電源オフ時においてフィルタコンデンサに充電されている電圧を放電させる機能とを持つ。

図３は従来のインバータ制御装置が使用された電気車制御装置の構成を示している。

同図において、交流架線からパンタグラフ１を介して集電された交流電力は、断流器（ＶＣＢ）２、メイントランス３を通してコンバータ回路５内に取り込まれ、交直変換された後、インバータ回路６に供給される。なお、図中４はアースブラシを示す。

コンバータ回路５は、３レベルのＰＷＭコンバータであり、ＩＧＢＴなどの自己消弧形の半導体スイッチング素子５０１〜５０４，５０５〜５０８と、各スイッチング素子５０１〜５０８にそれぞれ並列に接続されたダイオード５１１〜５１８と、クランプダイオード５２１〜５２４で構成されている。

インバータ回路６は、３相出力の中性点クランプ形ＶＶＶＦインバータであり、ＩＧＢＴなどの自己消弧形の半導体スイッチング素子６０１〜６０４（Ｕ相），６０５〜６０８（Ｖ相），６０９〜６１２（Ｗ相）と、各スイッチング素子６０１〜６１２にそれぞれ並列に接続されたダイオード６２１〜６２４（Ｕ相），６２５〜６２８（Ｖ相），６２９〜６３２（Ｗ相）と、直流電圧中性点クランプダイオード６４１，６４２，６４３，６４４，６４５，６４６で構成され、コンバータ回路５から出力される直流電圧を３レベルの交流電圧に変換し、位相が相互に１２０°ずれたＵ相、Ｖ相、Ｗ相の３相交流を生成した各誘導電動機ＭＭ１〜ＭＭ４に出力する。

インバータ回路６の入力側には中性点を挟んで両側にフィルタコンデンサＦＣ１，ＦＣ２が設置された形で接続されている。また、これらフィルタコンデンサＦＣ１，ＦＣ２と並列して過電圧抑制サイリスタＯＶＣＲｆと過電圧抑制抵抗（限流抵抗）ＯＶＲｅから成る過電圧抑制回路が接続されている。フィルタコンデンサＦＣ１，ＦＣ２は、電源周波数のリップル分を吸収して電圧の変動を抑制する機能を持っている。また、過電圧抑制回路は、故障発生時にフィルタコンデンサＦＣ１，ＦＣ２に耐電圧以上の電圧が印加されるとコンデンサの破壊につながるため、サイリスタＯＶＣＲｆをオンしてコンデンサを放電させて限流抵抗ＯＶＲｅで消費させる機能と、制御電源をオフしたとき、コンデンサに蓄積された電圧を放電させる機能を持っている。

コンバータ回路５，インバータ回路６および過電圧抑制回路を制御するためのインバータ制御装置７はインバータ制御部８と、ゲートアンプ部９とを備えている。

インバータ制御部８は、コンバータ回路５、インバータ回路６および過電圧抑制回路のそれぞれのスイッチング素子に対するゲート指令を生成する。また、制御電源から直流成分を生成する整流器８１と、この整流器８１で生成された直流成分を平滑するとともに制御電源オフ時にはバックアップを行うコンデンサ８２とを備えてインバータ制御部８に直流電力が供給されるようになっている。

ゲートアンプ部９は、前記制御電源から生成されるゲート電源を入力するトランス９１と、入力したゲート電源から直流電力を生成する整流器９２と、この整流器９２で生成された直流電力を平滑するとともに制御電源オフ時にはバックアップを行うコンデンサ９３を備えたアンプ電源部９０と、絶縁部９４を介してゲート指令線から供給されるゲート指令をＯＶＣＲｆゲート信号として過電圧抑制サイリスタＯＶＣＲｆへ供給するアンプ出力部９５とを備えている。なお、図１では、コンバータ回路５およびインバータ回路６を構成している各トランジスタへのゲート信号の供給については、図示が省略されている。

上記の構成において、制御電源を切る場合、主回路電圧の放電をする目的で過電圧抑制回路を使用して、サイリスタＯＶＣＲｆオンして主回路放電させている。

サイリスタはＯＮ信号により制御を行うことができ（点弧、ターンオン）、保持電流を流し続けることにより、ゲート信号がなくなってもＯＮ状態を維持することができる。従って、制御電源がオフされた場合、制御用の電源（ゲート指令）および、ゲートアンプ側の電源が消失しても、主回路の電圧放電は容易に可能である。
特開平０８−２７５５７０号公報

しかしながら、近年サイリスタ素子については、世界的に生産の規模が縮小しており、ＩＧＢＴ素子等の自己消弧可能な半導体スイッチング素子を用いた過電圧抑制回路の構成についての検討が必要であるが、ＩＧＢＴ素子はゲート供給を継続させないと、素子のオン状態が継続できず、このため、制御電源がオフされた場合に素子へ安定したゲート信号を供給することができないという不具合があった。

本発明は上記事情に鑑み、制御電源がオフされた場合にあっても過電圧抑制回路を構成する自己消弧可能な半導体スイッチング素子に対して安定的にゲート信号を供給できるようにしたインバータ制御装置を提供することを目的としている。

上記目的を達成するために本発明は、半導体スイッチング素子を備え、入力された直流電圧を交流電圧に変換して電動機に供給するインバータ回路、及びインバータ回路の入力側に設けられたフィルタコンデンサの充電電圧を放電させる自己消弧可能な半導体スイッチング素子を備えた過電圧抑制回路に対して、前記各半導体スイッチング素子のゲート信号を生成するインバータ制御装置において、前記過電圧抑制回路のゲート信号を生成するゲートアンプ部にシングルショット信号発生部を設け、当該ゲートアンプ部の電源遮断後の一定時間は前記ゲート信号の出力を可能にするように構成し、前記ゲートアンプ部の電源はインバータ制御装置の電源と連係してオン／オフされる一方、前記ゲートアンプ部およびインバータ制御装置の各電源部には電源遮断時におけるバックアップ用のコンデンサがそれぞれ設けられており、かつゲートアンプ部のコンデンサのバックアップ容量の方がインバータ制御部のコンデンサのバックアップ容量よりも大きく設定されていることを特徴としている。

本発明によれば、制御電源がオフされた場合にあっても過電圧抑制回路を構成する自己消弧可能な半導体スイッチング素子に対して安定的にゲート信号を供給できる。

また、ゲートアンプ部のコンデンサのバックアップ容量の方がインバータ制御部のコンデンサのバックアップ容量よりも大きく設定されているので、インバータ制御部のコンデンサを小型化することができる。

図１は本発明に係るインバータ制御装置の一実施形態である電気車制御装置を示すブロック図である。なお、同図において図３に示した従来例と同一構成部分には同一番号を付してその説明を省略する。

同図に示すように、この実施形態におけるコンバータ回路５およびインバータ回路６は図３に示した従来例と全く同一である。この実施形態の特徴は、過電圧抑制回路を構成するスイッチング素子としてＩＧＢＴ等で構成された過電圧抑制トランジスタＯＶＴ１，ＯＶＴ２を使用した点である。また、インバータ制御装置７において、制御電源オフ時に、これらのトランジスタＯＶＴ１，ＯＶＴ２を確実にオンさせるためのシングルショット発生部９６Ａ，９６Ｂをゲートアンプ部９内に設けた点である。

すなわち、インバータ制御装置７のインバータ制御部８はトランジスタＯＶＴ１，ＯＶＴ２のゲート指令を生成して出力点８３，８４からゲートアンプに出力する機能を有している。

また、ゲートアンプ部９は、制御電源から生成されるゲート電源を入力するトランス９１Ａ，９１Ｂと、入力したゲート電源から直流電力を生成する整流器９２Ａ，９２Ｂと、この整流器９２Ａ，９２Ｂで生成された直流電力を平滑するとともに制御電源オフ時にはバックアップを行うコンデンサ９３Ａ，９３Ｂを備えたアンプ電源部９０と、絶縁部９４Ａ，９４Ｂを介してゲート指令線から供給されるゲート指令を入力してシングルショット信号を生成するシングルショット発生部９６Ａ，９６Ｂと、このシングルショット発生部９６Ａ，９６Ｂで生成されたシングルショット信号をＯＶＴ１、ＯＶＴ２ゲート信号として各過電圧抑制トランジスタＯＶＴ１，ＯＶＴ２のゲートへ供給するアンプ出力部９５Ａ，９５Ｂとを備えている。

ここで、本実施形態の更なる特徴は、ゲートアンプ部９のコンデンサ９３Ａ，９３Ｂのバックアップ容量の方がインバータ制御部８のコンデンサ８２のバックアップ容量よりも大きく設定されていることである。これは、制御電源オフ時において、ゲートアンプ部９のコンデンサ９３Ａ，９３Ｂをゲート指令のバックアップ専用の電源として使用することにより、インバータ制御部８のコンデンサ８２のバックアップ容量を制御に必要なバックアップ容量のみに抑えることができ、容積の小型化、電気車制御装置全体の容積の小型化を可能にするものである。

次に作用を説明する。

制御電源がオンされて図１に示す電気車制御装置が稼働すると、パンタグラフ１、ＶＣＢ２、メイントランス３を介して取り込まれた交流電力がコンバータ５によって直流電力に変換される。フィルタコンデンサＦＣ１，ＦＣ２では、コンバータ５の直流出力電圧中からリップル分が吸収されつつ平滑化されてインバータ６に供給される。インバータ回路６では、各スイッチング素子６０１〜６１２が順次スイッチング制御されることにより三相の可変電圧、可変周波数が生成され、これによって各三相誘導電動機ＭＭ１〜ＭＭ４の回転数が制御される。

装置の稼働中、各フィルタコンデンサＦＣ１，ＦＣ２の両端電圧は常に監視されており、何らかの故障や異常によってフィルタコンデンサＦＣ１，ＦＣ２の両端電圧が異常値となった場合には、インバータ制御部８からゲート指令が発生され、ゲートアンプ部９から各過電圧抑制トランジスタＯＶＴ１，ＯＶＴ２に対してＯＶＴ１ゲート信号、ＯＶＴ２ゲート信号が出力され、各トランジスタＯＶＴ２，ＯＶＴ２が導通される。これによって、フィルタコンデンサＦＣ１，ＦＣ２の両端電圧がアース電圧まで降下されるとともに、フィルタコンデンサＦＣ１，ＦＣ２に蓄積された電力が抵抗ＯＶＲｅ１，ＯＶＲｅ２で消費される。

また、制御電源がオフされると、インバータ制御部８ではコンデンサ８２を電源としてＯＶＴ１オン指令、およびＯＶＴ２オン指令が生成され、それぞれ出力部８３，８４からゲートアンプ部９に出力される。

ここで、前記制御電源のオフに連動してゲート電源もオフされるが、ゲート電源のオフに伴ってゲートアンプ部９では、ゲートアンプ部９のコンデンサ９３Ａ，９３Ｂを電源としてシングルショット発生部９６Ａ，９６Ｂおよびアンプ出力部９５Ａ，９５Ｂがバックアップされる。すなわち、ゲートアンプ部９では、ＯＶＴ１オン指令、およびＯＶＴ２オン指令の入力により、シングルショット発生部９６Ａ，９６Ｂから一定時間ゲートをオンさせるための各シングルショット信号が生成され、これら各シングルショット信号がアンプ出力部９５Ａ，９５Ｂを介して過電圧抑制トランジスタＯＶＴ１，ＯＶＴ２のゲート信号として出力される。

図２（Ａ）は制御電源をオフしたときのインバータ制御部８のコンデンサ８２の信号波形を模式的に示したものである。制御電源をオフするとＣＲ回路の時定数で決まる出力波形を描いて減衰していく。しかし、インバータ制御部８のコンデンサ８２のバックアップ容量よりもゲートアンプ部９のコンデンサ９３Ａ，９３Ｂのバックアップ容量の方が大きいため、ゲートアンプ部９のコンデンサ９３Ａ，９３Ｂによってバックアップされたシングルショット発生部９６Ａ，９６Ｂからは、図２（Ｂ）に示すような一定時間Ｔだけ確実にオンされるシングルショット信号が生成され、これがＯＶＴ１ゲート信号、ＯＶＴ２ゲート信号として出力される。過電圧抑制トランジスタＯＶＴ１，ＯＶＴ２は、ＯＶＴ１ゲート信号、ＯＶＴ２ゲート信号により導通してフィルタコンデンサＦＣ１，ＦＣ２の充電電圧を抵抗ＯＶＲｅ１，ＯＶＲｅ２を介して放電させるのである。

以上説明したように、この実施形態によれば、制御電源がオフされた場合にあっても過電圧抑制回路を構成する自己消弧可能な半導体スイッチング素子に対して安定的にゲート信号を供給できる。

また、ゲートアンプ部９のコンデンサ９３Ａ，９３Ｂのバックアップ容量の方がインバータ制御部８のコンデンサ８２のバックアップ容量よりも大きく設定されているので、インバータ制御部８のコンデンサ８２を小型化することができ、電気車制御装置の小型化が可能となる。

なお、本実施形態では、対象となるインバータ回路６は、ＶＶＶＦインバータを例に説明したが、車両の照明やその他補助用として使用される低電圧低周波数インバータ（ＣＶＣＦインバータ）にも全く同様に適用することができる。また、インバータも３レベルに限定されず、５レベル等であっても良い。

また、過電圧抑制回路の過電圧抑制トランジスタＯＶＴ１，ＯＶＴ２も２個使用するようにしたが、インバータの入力に対して１個接続である場合等、その数は各々任意である。

さらに、本発明のインバータ制御装置は、車両用に限定されることはなく、種々の産業用インバータの制御装置に適用できることは勿論である。

以上、本発明は、上記説明および図面に示す実施の形態に限定されること無く、その主旨を変更しない範囲で種々変形して実施できるのは当然である。

本発明に係るインバータ制御装置の実施形態を示すブロック図。同実施形態のシングルショット発生部から出力されるゲート信号の一例を示す説明図。従来のインバータ制御装置の一例を示すブロック図。

符号の説明

１…パンタグラフ、２…断流器（ＶＣＢ）、３メイントランス、５…コンバータ装置、６…インバータ装置、７…インバータ制御装置、８…インバータ制御部、９…ゲートアンプ部、８１…整流器、８２…（インバータ制御部の）コンデンサ、８３，８４…出力点、９０…アンプ電源部、９１Ａ，９１Ｂ…トランス、９２Ａ，９２Ｂ…整流器、９３Ａ，９３Ｂ…（ゲートアンプ部の）コンデンサ、９４Ａ，９４Ｂ…絶縁部、９６Ａ，９６Ｂ…シングルショット発生部、９５Ａ，９６Ｂ…アンプ出力部、５０１〜５１８…半導体スイッチング素子（ＩＧＢＴ）、６０１〜６３２…半導体スイッチング素子（ＩＧＢＴ）、ＭＭ１〜ＭＭ４…誘導電動機、ＦＣ１，ＦＣ２…フィルタコンデンサ、ＯＶＴ１，ＯＶＴ２…過電圧抑制トランジスタ、ＯＶＲｅ１，ＯＶＲｅ２…過電圧抑制抵抗器。

Claims

半導体スイッチング素子を備え、入力された直流電圧を交流電圧に変換して電動機に供給するインバータ回路、及びインバータ回路の入力側に設けられたフィルタコンデンサの充電電圧を放電させる自己消弧可能な半導体スイッチング素子を備えた過電圧抑制回路に対して、前記各半導体スイッチング素子のゲート信号を生成するインバータ制御装置において、
前記過電圧抑制回路のゲート信号を生成するゲートアンプ部にシングルショット信号発生部を設け、当該ゲートアンプ部の電源遮断後の一定時間は前記ゲート信号の出力を可能にするように構成し、
前記ゲートアンプ部の電源はインバータ制御装置の電源と連係してオン／オフされる一方、前記ゲートアンプ部およびインバータ制御装置の各電源部には電源遮断時におけるバックアップ用のコンデンサがそれぞれ設けられており、かつゲートアンプ部のコンデンサのバックアップ容量の方がインバータ制御部のコンデンサのバックアップ容量よりも大きく設定されていることを特徴とするインバータ制御装置。