JP4514496B2

JP4514496B2 - Ｐｗｍサイクロコンバータ装置、検出装置及び制御方法

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Publication number: JP4514496B2
Application number: JP2004115716A
Authority: JP
Inventors: 宣明妻木
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2004-04-09
Filing date: 2004-04-09
Publication date: 2010-07-28
Anticipated expiration: 2024-04-09
Also published as: JP2005304160A

Description

本発明は、ＰＷＭサイクロコンバータ装置、検出装置及び制御方法に係り、さらに詳しくは、交流電源側の入力各相と出力側の各相とを一対の単方向半導体スイッチング素子からなる複数の双方向スイッチによりマトリックス状に直接接続し、入力電圧に基づいて単方向半導体スイッチング素子をＰＷＭにより開閉制御するとともに、各双方向スイッチに対する過電圧の検出を行うＰＷＭサイクロコンバータ装置の改良に関する。

交流電源の電圧や周波数を変換して交流モーターなどに出力するのにＰＷＭサイクロコンバータ装置が従来から用いられている。このＰＷＭ（Pulse Width Modulation）サイクロコンバータ（マトリックスコンバータともいう）装置は、３相交流を３相交流に直接変換するパワー変換装置であり、交流電源側の入力各相と出力側の各相とをマトリックス状に接続する複数の双方向スイッチにより構成される。

各双方向スイッチは、一対の単方向半導体スイッチング素子からなり、入力電圧及び出力電流に基づいて各単方向半導体スイッチング素子の開閉制御が行われる。単方向半導体スイッチング素子は、ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor：絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ）などの電圧制御方式のトランジスタからなり、閉状態の場合に電流を一方向（順方向）に流すことができる。各単方向半導体スイッチング素子は、出力電圧を安定化させるためのＰＷＭ制御に基づいて開閉駆動される。ＰＷＭ制御では、入力電圧及び出力電流に基づいて、各単方向半導体スイッチング素子を開状態に保持する期間と閉状態に保持する期間との割合を調節することにより、出力電圧が安定化される。

一般に、この様なＰＷＭサイクロコンバータ装置において、各単方向半導体スイッチング素子に対してＰＷＭ制御を行うためには、入力相間の電圧を入力電圧としてそれぞれ検出する必要があった。また、各単方向半導体スイッチング素子を過電圧から保護しようとすると、スイッチング素子両端の電圧をそれぞれ検出しなければならない。また、各単方向半導体スイッチング素子を過電流から保護したい場合、スイッチング素子が閉状態を保持したまま動作しなくなるようなオン故障を考慮すれば、交流電源側の入力ラインにおいて電流をそれぞれ検出しなければならなかった。
特開平１１−１４６６４９号公報特開２０００−１３９０７６号公報

上述した従来のＰＷＭサイクロコンバータ装置では、各単方向半導体スイッチング素子に対してＰＷＭ制御や、過電圧保護、過電流保護を行おうとすると、それぞれの動作に応じて電圧及び電流の検出を行わなければならなかった。このため、多数の検出装置が必要となるなどシステムが複雑化するので、システムが大型化するとともに、製造コストが増大してしまうという問題があった。

本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、各単方向半導体スイッチング素子に対してＰＷＭ制御や過電圧保護を行うことができるとともに、システムの小型化及び製造コストの削減が可能であるＰＷＭサイクロコンバータ装置、検出装置及び制御方法を提供することを目的としている。特に、各双方向スイッチ両端の電圧に基づいて、ＰＷＭ制御、過電圧保護及び過電流保護を実現することができるＰＷＭサイクロコンバータ装置を提供することを目的としている。

また、電源入力が短絡した場合に各単方向半導体スイッチング素子に過電流が流れるのを防止することができるＰＷＭサイクロコンバータ装置を提供することを目的としている。特に、単方向半導体スイッチング素子にオン故障が生じた場合であっても、当該スイッチング素子に過電流が流れるのを防止することができるＰＷＭサイクロコンバータ装置を提供することを目的としている。

本発明によるＰＷＭサイクロコンバータ装置は、交流電源側の入力各相と出力側の各相とを一対の単方向半導体スイッチング素子からなる複数の双方向スイッチによりマトリックス状に直接接続し、入力電圧に基づいて上記単方向半導体スイッチング素子の開閉制御を行うＰＷＭサイクロコンバータ装置であって、上記各双方向スイッチ両端の電圧を検出するスイッチ両端電圧検出手段と、検出された上記各双方向スイッチの両端電圧に基づいて、上記各単方向半導体スイッチング素子をＰＷＭにより開閉制御するＰＷＭ開閉制御手段と、検出された上記双方向スイッチの両端電圧に基づいて、上記各双方向スイッチに対する過電圧を検出し、スイッチ過電圧保護信号を生成する過電圧検出手段とを備え、上記ＰＷＭ開閉制御手段が、上記スイッチ過電圧保護信号に基づいて上記単方向半導体スイッチング素子の開閉制御を行うように構成される。

この様な構成によれば、各双方向スイッチ両端の電圧が検出され、この双方向スイッチの両端電圧に基づいて各単方向半導体スイッチング素子に対するＰＷＭ制御及び過電圧検出が行われるので、それぞれの動作に応じて電圧検出を行わなくても、ＰＷＭ制御及び過電圧保護を同時に実現することができる。従って、ＰＷＭサイクロコンバータ装置を簡素化することができるので、システムを小型化することができるとともに、製造コストを削減することができる。

本発明によるＰＷＭサイクロコンバータ装置は、上記構成に加え、上記各単方向半導体スイッチング素子に対する制御信号に基づいて上記ＰＷＭによる開閉制御を監視し、入力相間を短絡させる開閉の組み合わせの場合にスイッチ過電流保護信号を生成するＰＷＭ制御監視手段により構成される。この様な構成によれば、各単方向半導体スイッチング素子に対する制御信号に基づいて開閉制御が監視されるので、入力相間を短絡させる開閉の組み合わせの場合に各スイッチング素子に対する過電流保護を実行させることができる。従って、新たに電流検出を行わなくても、電源入力が短絡した場合に各単方向半導体スイッチング素子に過電流が流れるのを防止することができ、ＰＷＭ制御、過電圧保護及び過電流保護を同時に実現することができる。

また、本発明によるＰＷＭサイクロコンバータ装置は、上記構成に加え、上記単方向半導体スイッチング素子が閉状態である場合、当該単方向半導体スイッチング素子について検出された両端電圧に基づいて上記各単方向半導体スイッチング素子に対する過電流を検出し、スイッチ過電流保護信号を生成する第１の過電流検出手段により構成される。この様な構成によれば、単方向半導体スイッチング素子について検出された両端電圧に基づいて各単方向半導体スイッチング素子に対する過電流の検出が行われるので、新たに電流検出を行わなくても、単方向半導体スイッチング素子にオン故障が生じた場合に当該スイッチング素子に過電流が流れるのを防止することができ、ＰＷＭ制御、過電圧保護及び過電流保護を同時に実現することができる。

本発明による検出装置は、交流電源側の入力各相と出力側の各相とを一対の単方向半導体スイッチング素子からなる複数の双方向スイッチによりマトリックス状に直接接続し、入力電圧に基づいて上記単方向半導体スイッチング素子の開閉制御を行うＰＷＭサイクロコンバータ装置に設けられる検出装置であって、上記各双方向スイッチの両端の電圧に基づいて、上記単方向半導体スイッチング素子の開閉制御に用いられる入力相間の電圧を求めるように構成される。

本発明による検出装置は、交流電源側の入力各相と出力側の各相とを一対の単方向半導体スイッチング素子からなる複数の双方向スイッチによりマトリックス状に直接接続し、入力電圧に基づいて上記単方向半導体スイッチング素子の開閉制御を行うＰＷＭサイクロコンバータ装置に設けられる検出装置であって、上記各単方向半導体スイッチング素子に対する制御信号に基づいて上記単方向半導体スイッチング素子の開閉制御を監視し、入力相間を短絡させる開閉の組み合わせの場合にスイッチ過電流保護信号を生成するように構成される。

本発明による検出装置は、交流電源側の入力各相と出力側の各相とを一対の単方向半導体スイッチング素子からなる複数の双方向スイッチによりマトリックス状に直接接続し、入力電圧に基づいて上記単方向半導体スイッチング素子の開閉制御を行うＰＷＭサイクロコンバータ装置に設けられる検出装置であって、上記単方向半導体スイッチング素子が閉状態である場合、当該単方向半導体スイッチング素子の両端の電圧に基づいて上記各単方向半導体スイッチング素子に対する過電流を検出し、スイッチ過電流保護信号を生成するように構成される。

本発明による制御方法は、交流電源側の入力各相と出力側の各相とを一対の単方向半導体スイッチング素子からなる複数の双方向スイッチによりマトリックス状に直接接続し、入力電圧に基づいて上記単方向半導体スイッチング素子の開閉制御を行うＰＷＭサイクロコンバータ装置による過電流検出時における制御方法であって、上記各双方向スイッチの両端の電圧に基づいて、上記各単方向半導体スイッチング素子をＰＷＭにより開閉制御するＰＷＭ開閉制御ステップと、上記ＰＷＭによる開閉制御に基づいて、上記各単方向半導体スイッチング素子を開閉駆動するスイッチング素子開閉駆動ステップと、上記各単方向半導体スイッチング素子に対する過電流を検出し、スイッチ過電流保護信号を生成する過電流検出ステップとからなり、上記スイッチング素子開閉駆動ステップが、上記スイッチ過電流保護信号に基づいて上記各単方向半導体スイッチング素子を所定期間開状態に保持するステップであるように構成される。

本発明によるＰＷＭサイクロコンバータ装置、検出装置及び制御方法によれば、各双方向スイッチ両端の電圧に基づいて、各単方向半導体スイッチング素子に対するＰＷＭ制御及び過電圧検出が行われるので、それぞれの動作に応じて電圧検出を行わなくても、ＰＷＭ制御及び過電圧保護を同時に実現することができる。従って、ＰＷＭサイクロコンバータ装置を簡素化することができるので、システムを小型化することができるとともに、製造コストを削減することができる。

また、各単方向半導体スイッチング素子に対する制御信号に基づいて、各単方向半導体スイッチング素子に対する過電流保護を実行させることができるので、新たに電流検出を行わなくても、電源入力が短絡した場合に各単方向半導体スイッチング素子に過電流が流れるのを防止することができる。また、単方向半導体スイッチング素子について検出された両端電圧に基づいて各単方向半導体スイッチング素子に対する過電流の検出が行われるので、新たに電流検出を行わなくても、単方向半導体スイッチング素子にオン故障が生じた場合に当該スイッチング素子に過電流が流れるのを防止することができる。

実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１によるＰＷＭサイクロコンバータ装置の概略構成の一例を示したブロック図である。本実施の形態によるＰＷＭサイクロコンバータ装置１は、交流電源２の電圧や周波数を変換して交流モーター５に出力するパワー変換装置であり、例えば、３相交流を３相交流に直接変換している。その際、入出力相間の各電圧に基づいてＰＷＭ制御及び過電圧検出が行われる。

このＰＷＭサイクロコンバータ装置１は、交流電源２、交流ラインフィルタ３、ＰＷＭサイクロコンバータ４、交流モーター（Ｍ）５、コントローラユニット６及びゲートドライバユニット７により構成される。

交流電源２は、３相交流電圧を生成する電力供給手段である。生成した３相交流電圧は、交流ラインフィルタ３へ出力され、相ごとのノイズ除去処理が行われる。ＰＷＭサイクロコンバータ４は、入力電圧の電圧レベルや周波数を変換するパワー変換回路であり、相ごとの入力ライン（Ｒ，Ｓ，Ｔ）を介して交流ラインフィルタ３から入力される３相入力電圧について変換処理を行っている。このＰＷＭサイクロコンバータ４は、各入力ラインと各出力ラインとをマトリックス状に直接接続する複数の双方向スイッチにより構成される。各双方向スイッチは、一対の単方向半導体スイッチング素子からなる。

３相入力電圧の変換処理は、ゲートドライバユニット７から入力されるゲート駆動信号に基づいて行われる。変換処理後の電圧は、相ごとの出力ライン（Ｕ，Ｖ，Ｗ）を介して交流モーター５へ出力される。交流モーター５は、この３相出力電圧に基づいて回転駆動を行っている。

コントローラユニット６は、各単方向半導体スイッチング素子の開閉制御（ゲート駆動制御）や、各双方向スイッチ両端の電圧検出、各双方向スイッチに対する過電圧検出を行う制御用ＩＣである。各双方向スイッチ両端の電圧検出は、入出力相間の各電圧を検出することにより行われる。すなわち、入力ライン及び出力ライン間の各電圧が双方向スイッチの両端電圧として検出される。これらの双方向スイッチの両端電圧に基づいて、単方向半導体スイッチング素子の開閉制御、及び双方向スイッチに対する過電圧検出が行われる。

単方向半導体スイッチング素子の開閉制御は、ＰＷＭ方式により行われ、ＰＷＭ制御信号がゲートドライバユニット７へ出力される。このＰＷＭ方式は、制御用の電圧信号のパルス幅を変調させることにより、単方向半導体スイッチング素子の出力電圧を安定化させる制御方式である。すなわち、単方向半導体スイッチング素子を開状態（ゲートオフ状態）に保持する期間と、閉状態（ゲートオン状態）に保持する期間との割合を調節することにより、各スイッチング素子の出力電圧を一定に保つことができる。

ゲートドライバユニット７は、各単方向半導体スイッチング素子を開閉駆動（ゲート駆動）するための複数のドライバ回路からなり、単方向半導体スイッチング素子ごとにゲート駆動信号を出力している。ゲート駆動信号は、コントローラユニット６からのＰＷＭ制御信号に基づいて生成され、各単方向半導体スイッチング素子のゲートをオンオフさせる電圧信号からなる。

図２及び図３は、図１のＰＷＭサイクロコンバータ装置における要部詳細の一例を示した回路図であり、図２には、各入力ライン（Ｒ，Ｓ，Ｔ）と各出力ライン（Ｕ，Ｖ，Ｗ）とをマトリックス状に直接接続する複数の双方向スイッチＳｘｙ（ｘ＝ｒ，ｓ，ｔ，ｙ＝ｕ，ｖ，ｗ）からなるＰＷＭサイクロコンバータ４が示され、図３には、一対の単方向半導体スイッチング素子Ｔ１及びＴ２からなる双方向スイッチＳｘｙが示されている。

このＰＷＭサイクロコンバータ４は、３つの入力ライン（Ｒ，Ｓ，Ｔ）と３つの出力ライン（Ｕ，Ｖ，Ｗ）とをマトリックス状に直接接続する９つの双方向スイッチＳｘｙ（ｘ＝ｒ，ｓ，ｔ，ｙ＝ｕ，ｖ，ｗ）からなる。各双方向スイッチＳｘｙは、互いに逆方向を順方向とする２つの単方向半導体スイッチング素子Ｔ１及びＴ２からなり、ゲートドライバユニット７からのゲート駆動信号をスイッチング素子ごとに伝送するためのゲートバスラインがそれぞれ設けられている。

単方向半導体スイッチング素子Ｔ１及びＴ２は、閉状態（ゲートオン状態）の場合に電流を一方向（順方向）に流すことができる半導体素子であり、ＩＧＢＴやＭＯＳＦＥＴ（Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor：金属酸化物半導体電界効果トランジスタ）などの電圧制御方式のトランジスタを用いることができる。ＩＧＢＴは、ＭＯＳＦＥＴをバイポーラトランジスタのゲートとして組み込んだ複合素子である。ここでは、高耐圧で大電流を流すことができるＩＧＢＴがスイッチング素子として用いられるものとする。各ＩＧＢＴは、ゲートドライバユニット７からゲートバスラインを介して入力されるゲート駆動信号によりオンオフされる。また、単方向半導体スイッチング素子Ｔ１は、入力ラインから出力ラインへ向けた方向を順方向とし、単方向半導体スイッチング素子Ｔ２は、出力ラインから入力ラインへ向けた方向を順方向としている。

この様な単方向半導体スイッチング素子Ｔ１及びＴ２からなる双方向スイッチＳｘｙの両端の電圧が入出力相間の電圧として検出される。すなわち、ＩＧＢＴにおけるコレクタ−エミッタ間の電圧が入力ライン及び出力ライン間の電圧（電位差）Ｖ_ＣＥとして検出される。ここでは、出力ラインに対する入力ラインの電圧（電位）を正とし、双方向スイッチＳｘｙごとにコレクタ−エミッタ間の電圧Ｖ_ＣＥがそれぞれ検出される。

図４は、図１のＰＷＭサイクロコンバータ装置における要部詳細の一例を示したブロック図であり、各双方向スイッチＳｘｙの両端電圧Ｖ_ＣＥを検出し、この両端電圧Ｖ_ＣＥに基づいて各ＩＧＢＴに対する開閉制御及び過電圧検出処理を行うコントローラユニット６が示されている。

このコントローラユニット６は、スイッチ両端電圧検出部１１、スイッチ過電圧検出部１２及びＰＷＭ開閉制御部１３により構成される。スイッチ両端電圧検出部１１は、各双方向スイッチＳｘｙの両端電圧（コレクタ−エミッタ間電圧）Ｖ_ＣＥを計測する電圧計測手段である。この両端電圧Ｖ_ＣＥは、入力ライン及び出力ライン間の電圧として双方向スイッチＳｘｙごとに検出され、スイッチ過電圧検出部１２及びＰＷＭ開閉制御部１３へ出力される。

スイッチ過電圧検出部１２は、スイッチ両端電圧検出部１１からの両端電圧Ｖ_ＣＥに基づいて各双方向スイッチＳｘｙに対する過電圧の判別を行う過電圧判別手段である。この過電圧判別は、両端電圧Ｖ_ＣＥを双方向スイッチＳｘｙごとに所定の閾値と比較することにより行われ、比較結果に基づいてスイッチ過電圧保護信号１４が生成される。Ｖ_ＣＥの閾値は、各単方向半導体スイッチング素子Ｔ１及びＴ２の耐圧に基づいて定められる。

例えば、ある双方向スイッチＳｘｙについて、両端電圧Ｖ_ＣＥの絶対値が一定レベルを超えた場合、当該双方向スイッチＳｘｙに関して過電圧状態であるとみなし、スイッチ過電圧保護信号１４が出力される。

ＰＷＭ開閉制御部１３は、スイッチ両端電圧検出部１１からの両端電圧Ｖ_ＣＥ及びスイッチ過電圧保護信号１４に基づいて、各単方向半導体スイッチング素子Ｔ１及びＴ２に対する開閉制御を行っている。ＰＷＭ開閉制御部１３は、両端電圧Ｖ_ＣＥを入力電圧としてＰＷＭ制御を行っており、ゲートドライバユニット７へＰＷＭ制御信号１５を出力している。

このＰＷＭ開閉制御部１３では、スイッチ過電圧検出部１２から入力されるスイッチ過電圧保護信号１４に基づいて過電圧保護処理が行われる。例えば、ある双方向スイッチＳｘｙについて過電圧状態が検出された場合、当該双方向スイッチＳｘｙを開状態に保持させる制御が行われる。或いは、当該双方向スイッチＳｘｙに対する入力電圧を遮断又は抑制する制御が行われる。もしくは、交流電源２からの電力供給を休止させる制御が行われる。これにより、双方向スイッチＳｘｙに過電圧が印加されるのを抑制することができるので、双方向スイッチＳｘｙが破損するのを防止することができる。

本実施の形態によれば、各双方向スイッチＳｘｙの両端電圧Ｖ_ＣＥが検出され、この両端電圧Ｖ_ＣＥに基づいて各単方向半導体スイッチング素子Ｔ１及びＴ２に対するＰＷＭ制御及び過電圧検出が行われるので、それぞれの動作に応じて電圧検出を行わなくても、ＰＷＭ制御及び過電圧保護を同時に実現することができる。従って、ＰＷＭサイクロコンバータ装置１を簡素化することができるので、システムを小型化することができるとともに、製造コストを削減することができる。

実施の形態２．実施の形態１では、各双方向スイッチＳｘｙの両端電圧Ｖ_ＣＥを入力電圧としてＰＷＭ制御が行われる場合の例について説明した。これに対し、本実施の形態では、各双方向スイッチＳｘｙの両端電圧Ｖ_ＣＥに基づいて入力相間の電圧を求め、この入力相間の各電圧に基づいてＰＷＭ制御を行う場合について説明する。

図５は、本発明の実施の形態２によるＰＷＭサイクロコンバータ装置におけるコントローラユニットの構成例を示したブロック図である。本実施の形態によるコントローラユニット２０は、図４のコントローラユニット６（実施の形態１）と比較すれば、入力電圧検出部２１を備えている点で異なる。

この入力電圧検出部２１は、各双方向スイッチＳｘｙの両端電圧Ｖ_ＣＥから入力相間の電圧を求める入力電圧算出手段である。すなわち、スイッチ両端電圧検出部１１により各双方向スイッチＳｘｙについて検出された両端電圧Ｖ_ＣＥのうち、出力ラインが共通である３つの両端電圧Ｖ_ＣＥに基づいて、入力ライン間の各電圧（相間電圧）が算出される。

例えば、出力ライン（Ｕ）に着目し、双方向スイッチＳｒｕ，Ｓｓｕ及びＳｔｕについて検出された両端電圧をそれぞれＶ_ＣＥｒｕ，Ｖ_ＣＥｓｕ及びＶ_ＣＥｔｕとすると、これらの両端電圧から相間電圧Ｖ_ＲＳ，Ｖ_ＳＴ及びＶ_ＴＲが次式（１）により算出される。

上式（１）では、両端電圧Ｖ_ＣＥｒｕ，Ｖ_ＣＥｓｕ及びＶ_ＣＥｔｕの差から各相間電圧Ｖ_ＲＳ，Ｖ_ＳＴ及びＶ_ＴＲを求めている。ＰＷＭ開閉制御部１３では、入力電圧検出部２１により算出された各相間電圧Ｖ_ＲＳ，Ｖ_ＳＴ及びＶ_ＴＲを制御用状態量としてＰＷＭ制御が行われる。

図６は、図５のコントローラユニットにおける要部詳細の一例を示した回路図であり、３つの両端電圧Ｖ_ＣＥｒｕ，Ｖ_ＣＥｓｕ及びＶ_ＣＥｔｕから相間電圧Ｖ_ＲＳ，Ｖ_ＳＴ及びＶ_ＴＲを生成する入力電圧検出部２１が示されている。両端電圧Ｖ_ＣＥｒｕ及びＶ_ＣＥｓｕから電圧計２２により相間電圧Ｖ_ＲＳが生成される。同様に、両端電圧Ｖ_ＣＥｓｕ及びＶ_ＣＥｔｕから電圧計２３により相間電圧Ｖ_ＳＴが生成され、両端電圧Ｖ_ＣＥｔｕ及びＶ_ＣＥｒｕから電圧計２４により相間電圧Ｖ_ＴＲが生成される。

本実施の形態によれば、両端電圧Ｖ_ＣＥから制御用状態量としての相間電圧が求められ、この相間電圧に基づいてＰＷＭ制御が行われるので、相間電圧を直接検出する必要がなく、ＰＷＭサイクロコンバータ装置の小型化に効果的である。

実施の形態３．実施の形態１及び２では、両端電圧Ｖ_ＣＥに基づいて双方向スイッチＳｘｙに対する過電圧保護処理が行われる場合の例について説明した。これに対し、本実施の形態では、ＰＷＭ開閉制御部１３により出力されるＰＷＭ制御信号１５に基づいて、各単方向半導体スイッチング素子Ｔ１及びＴ２に対する過電流保護を行う場合について説明する。

図７は、本発明の実施の形態３によるＰＷＭサイクロコンバータ装置におけるコントローラユニットの構成例を示したブロック図である。本実施の形態によるコントローラユニット３０は、図５のコントローラユニット２０（実施の形態２）と比較すれば、ＰＷＭ制御監視部３１を備えている点で異なる。

このＰＷＭ制御監視部３１は、ＰＷＭ開閉制御部１３により出力されるＰＷＭ制御信号１５に基づいてＰＷＭによる開閉制御の監視を行っている。すなわち、各単方向半導体スイッチング素子Ｔ１及びＴ２において、入力相間を短絡させる開閉の組み合わせの場合、ＰＷＭ制御エラーであるとしてスイッチ過電流保護信号３２が生成される。

一般に、ＰＷＭサイクロコンバータ４において許容範囲を超える電流が流れる可能性があるのは、入力相間、すなわち、入力ライン間が短絡したときであると考えられる。そこで、ＰＷＭによる開閉制御を監視し、入力相間を短絡させる開閉の組み合わせを検出することにより、各単方向半導体スイッチング素子Ｔ１及びＴ２に過電流が流れるのを防止することができる。

入力相間を短絡させる開閉の組み合わせは、各単方向半導体スイッチング素子Ｔ１及びＴ２に対するゲート駆動信号（電圧信号）をそれぞれＴ１ｘｙ及びＴ２ｘｙ（ｘ＝ｒ，ｓ，ｔ，ｙ＝ｕ，ｖ，ｗ）とし、入力相間の電圧（線間電圧）Ｖｘ_１ｘ_２における極性判定用の信号をＤＶｘ_１ｘ_２（ｘ_１，ｘ_２＝ｒ，ｓ，ｔ）とすれば、次式（２）に基づいて判別することができる。

上式（２）において、各ゲート駆動信号は、電圧レベルがハイ（High）である場合に閉状態（ゲートオン状態）を保持させる信号である。式（２）は、ソフトウェアにより生成されたマトリックスコンバータのスイッチングパターンと、線間電圧の関係から、電源短絡のパターンの発生を検出するためのものである。これによって、マトリックスコンバータへのスイッチングパターンを遮断し、短絡を未然に防ぐことができる。

ＰＷＭ制御監視部３１は、式（２）に基づいてＰＷＭ制御エラーを検出すると、スイッチ過電流保護信号３２をＰＷＭ開閉制御部１３へ出力する。ＰＷＭ開閉制御部１３では、このスイッチ過電流保護信号３２に基づいて各単方向半導体スイッチング素子Ｔ１及びＴ２に対する開閉制御が行われ、過電流保護処理が実行される。

図８及び図９は、図７のコントローラユニットにおける要部詳細の一例を示した回路図であり、図８には、論理積回路（ＡＮＤ回路）３３及び論理和回路（ＯＲ回路）３４からなるＰＷＭ制御エラー検出回路３５が示され、図９には、極性判定用の信号ＤＶｘ_１ｘ_２を出力するコンパレータ３６が示されている。このＰＷＭ制御エラー検出回路３５は、式（２）に基づいて構成される。各ゲート駆動信号の入力に対し、出力の電圧レベルがハイとなった場合に、ＰＷＭ制御エラーが検出される。図中の３６は、線間電圧Ｖｘ_１ｘ_２における極性判定用のコンパレータである。このコンパレータ３６により、極性判定用の信号ＤＶｘ_１ｘ_２が出力される。極性が＋（プラス）の場合、信号ＤＶｘ_１ｘ_２は正となる。

本実施の形態によれば、各単方向半導体スイッチング素子Ｔ１及びＴ２に対するＰＷＭ制御信号１５に基づいて開閉制御が監視され、入力相間を短絡させる開閉の組み合わせの場合に各スイッチング素子に対する過電流保護処理が実行されるので、新たに電流検出を行わなくても、電源入力が短絡した場合に各スイッチング素子に過電流が流れるのを防止することができる。

実施の形態４．実施の形態３では、ＰＷＭによる開閉制御を監視することにより双方向スイッチＳｘｙに対する過電流が検出される場合の例について説明した。これに対し、本実施の形態では、双方向スイッチＳｘｙの両端電圧Ｖ_ＣＥ及び出力側の負荷を流れる負荷電流を監視することにより過電流検出を行う場合について説明する。

図１０は、本発明の実施の形態４によるＰＷＭサイクロコンバータ装置におけるコントローラユニットの構成例を示したブロック図である。本実施の形態によるコントローラユニット４０は、図７のコントローラユニット３０（実施の形態３）と比較すれば、第１の過電流検出部４４、出力負荷電流検出部４１及び第２の過電流検出部４２を備えている点で異なる。

第１の過電流検出部４４は、双方向スイッチＳｘｙの両端電圧Ｖ_ＣＥに基づいて各双方向スイッチＳｘｙに対する過電流を判別し、スイッチ過電流保護信号４５を出力する過電流判別手段である。一般に、短絡電流のような大電流が双方向スイッチＳｘｙを流れる場合、各単方向半導体スイッチング素子Ｔ１及びＴ２の両端電圧Ｖ_ＣＥ、すなわち、ＩＧＢＴのコレクタ−エミッタ間電圧が通常のゲートオン時よりも高くなる。このことを利用して、双方向スイッチＳｘｙに対する過電流の検出が行われる。

第１の過電流検出部４４は、スイッチ両端電圧検出部１１から入力される各双方向スイッチＳｘｙの両端電圧Ｖ_ＣＥと所定の閾値Ｖ_ＲＥＦとを比較するとともに、閉状態（ゲートオン状態）が保持される双方向スイッチＳｘｙを判別することにより、過電流検出を行っている。

両端電圧Ｖ_ＣＥの閾値Ｖ_ＲＥＦは、通常のゲートオン時における各単方向半導体スイッチング素子Ｔ１及びＴ２の両端電圧Ｖ_ＣＥに基づいてスイッチング素子ごとに定められる。また、双方向スイッチＳｘｙにおける閉状態の判別は、ゲートドライバユニット７から入力されるゲート駆動信号に基づいて行われる。つまり、閉状態となる双方向スイッチＳｘｙについて両端電圧Ｖ_ＣＥが閾値Ｖ_ＲＥＦを超える場合に、当該双方向スイッチＳｘｙに対して過電流であるとみなされる。この過電流の判定条件は、次式（３）により表すことができる。
（Ｖ_ＣＥ＞Ｖ_ＲＥＦ）∩ゲートオン状態・・（３）

ＰＷＭ開閉制御部１３では、第１の過電流検出部４４から入力されるスイッチ過電流保護信号４５に基づいて各単方向半導体スイッチング素子Ｔ１及びＴ２に対する開閉制御が行われ、過電流保護処理が実行される。また、スイッチ過電流保護信号４５は、第１の過電流検出部４４から直接にゲートドライバユニット７へ出力され、ゲートドライバユニット７において、各単方向半導体スイッチング素子Ｔ１及びＴ２を所定期間開状態に保持するゲート駆動信号が生成される。

この様な過電流検出を行うことにより、スイッチング素子に対する過電流が直接に検出されるので、単方向半導体スイッチング素子Ｔ１及びＴ２がオン故障したり、ゲートドライバユニット７に不具合が生じた場合であっても、電源短絡時に短絡電流が流れるのを防止することができる。従って、開閉制御を監視することによる過電流の検出と、双方向スイッチＳｘｙの両端電圧Ｖ_ＣＥによる過電流の検出とを行うことにより、異常が生じた場合に、制御用ＩＣ（ソフト）側の不具合であるのか、スイッチング素子やゲートの駆動回路（ハード）側の不具合であるのかを容易に判別することができる。

また、スイッチ過電流保護信号４５が直接にゲートドライバユニット７に出力され、各スイッチング素子のゲートをオフ状態とするゲート駆動が行われるので、ＰＷＭ開閉制御部１３による過電流保護処理の開始に先立って過電流保護対策を行うことができる。例えば、ＰＷＭ開閉制御部１３に異常を伝達するのにタイムラグがある場合に、過電流保護をより早く実行することができる。

出力負荷電流検出部４１は、出力側の負荷を流れる電流の検出を行っている。この負荷電流の検出は、相ごとに、すなわち、出力ラインごとに行われる。例えば、図示しない変流器を介して負荷電流の検出が行われる。検出された負荷電流は、開閉制御に係る制御用状態量としてＰＷＭ開閉制御部１３へ出力されるとともに、第２の過電流検出部４２へ出力される。

第２の過電流検出部４２は、出力負荷電流検出部４１により検出された負荷電流に基づいて、各双方向スイッチＳｘｙに対する過電流を判別し、スイッチ過電流保護信号４３を出力する過電流判別手段である。一般に、電源短絡時以外にスイッチング素子に過電流が流れる場合、その過電流は出力側の負荷を介して流れると考えられる。そこで、この負荷電流を検出することにより過電流を判別することができる。例えば、出力負荷電流検出部４１から入力される負荷電流がある出力ラインについて所定の閾値を超える場合に、当該出力ラインに接続する双方向スイッチＳｘｙに対して過電流であるとみなされる。

ＰＷＭ開閉制御部１３では、第２の過電流検出部４２から入力されるスイッチ過電流保護信号４３に基づいて各単方向半導体スイッチング素子Ｔ１及びＴ２に対する開閉制御が行われ、過電流保護処理が実行される。これにより、電源短絡時以外に過電流が流れるような場合であっても、各双方向スイッチＳｘｙに対して過電流が流れるのを効果的に防止することができる。なお、第２の過電流検出部４２によるスイッチ過電流保護信号４３が直接にゲートドライバユニット７へ出力されるようにしても良い。このようにすれば、より早く過電流保護対策を行うことができる。

図１１は、図１０のコントローラユニットにおける要部詳細の一例を示したブロック図であり、比較部４６及び電流短絡判定部４７からなる第１の過電流検出部４４が示されている。比較部４６は、スイッチ両端電圧検出部１１により検出された双方向スイッチＳｘｙの両端電圧Ｖ_ＣＥ、すなわち、コレクタ−エミッタ間電圧を閾値Ｖ_ＲＥＦと比較し、その比較結果を出力している。

電流短絡判定部４７は、この比較結果と、ゲートドライバユニット７から入力されるゲート駆動信号とに基づいて各双方向スイッチＴ１及びＴ２に対する過電流を判別し、スイッチ過電流保護信号４５の出力を行っている。

図１２のステップＳ１０１〜Ｓ１０５は、図１０のＰＷＭサイクロコンバータ装置における過電流保護動作の一例を示したフローチャートである。まず、第１の過電流検出部４４は、スイッチング素子のコレクタ−エミッタ間電圧に基づいて双方向スイッチＳｘｙに対する過電流を検出すると、スイッチ過電流保護信号４５を生成する（ステップＳ１０１，Ｓ１０２）。このスイッチ過電流保護信号４５は、ゲートドライバユニット７及びＰＷＭ開閉制御部１３に出力され、過電流保護処理が行われる。

ゲートドライバユニット７は、スイッチ過電流保護信号４５に基づいてスイッチング素子のゲートを所定期間だけオフ状態に保持するゲート駆動信号を出力する（ステップＳ１０３，Ｓ１０４）。所定期間が経過すると、ＰＷＭ開閉制御部１３による過電流保護動作が開始される（ステップＳ１０５）。

本実施の形態によれば、単方向半導体スイッチング素子Ｔ１及びＴ２について検出された両端電圧Ｖ_ＣＥに基づいて各スイッチング素子に対する過電流の検出が行われるので、新たに電流検出を行わなくても、スイッチング素子にオン故障が生じた場合や、ゲートの駆動回路に不具合が生じた場合であっても、スイッチング素子に過電流が流れるのを防止することができ、ＰＷＭ制御、過電圧保護及び過電流保護を同時に実現することができる。

本発明の実施の形態１によるＰＷＭサイクロコンバータ装置の概略構成の一例を示したブロック図である。図１のＰＷＭサイクロコンバータ装置における要部詳細の一例を示した回路図である。図１のＰＷＭサイクロコンバータ装置における要部詳細の一例を示した回路図である。図１のＰＷＭサイクロコンバータ装置における要部詳細の一例を示したブロック図である。本発明の実施の形態２によるＰＷＭサイクロコンバータ装置におけるコントローラユニットの構成例を示したブロック図である。図５のコントローラユニットにおける要部詳細の一例を示した回路図である。本発明の実施の形態３によるＰＷＭサイクロコンバータ装置におけるコントローラユニットの構成例を示したブロック図である。図７のコントローラユニットにおける要部詳細の一例を示した回路図である。図７のコントローラユニットにおける要部詳細の一例を示した回路図である。本発明の実施の形態４によるＰＷＭサイクロコンバータ装置におけるコントローラユニットの構成例を示したブロック図である。図９のコントローラユニットにおける要部詳細の一例を示したブロック図である。図９のＰＷＭサイクロコンバータ装置における過電流保護動作の一例を示したフローチャートである。

符号の説明

１ＰＷＭサイクロコンバータ装置、２交流電源、３交流ラインフィルタ、
４ＰＷＭサイクロコンバータ、５交流モーター、
６，２０，３０，４０コントローラユニット、７ゲートドライバユニット、
１１スイッチ両端電圧検出部、１２スイッチ過電圧検出部、１３ＰＷＭ開閉制御部、２１入力電圧検出部、３１ＰＷＭ制御監視部、３５ＰＷＭ制御エラー検出回路、
３６コンパレータ、４１出力負荷電流検出部、４２第２の過電流検出部、
４４第１の過電流検出部、４６比較部、４７電流短絡判定部、
Ｓｘｙ双方向スイッチ、Ｔ１，Ｔ２単方向半導体スイッチング素子

Claims

交流電源側の入力各相と出力側の各相とを一対の単方向半導体スイッチング素子からなる複数の双方向スイッチによりマトリックス状に直接接続し、入力電圧に基づいて上記単方向半導体スイッチング素子の開閉制御を行うＰＷＭサイクロコンバータ装置において、
上記各双方向スイッチ両端の電圧を検出するスイッチ両端電圧検出手段と、
検出された上記各双方向スイッチの両端電圧に基づいて、上記各単方向半導体スイッチング素子をＰＷＭにより開閉制御するＰＷＭ開閉制御手段と、
検出された上記双方向スイッチの両端電圧に基づいて、上記各双方向スイッチに対する過電圧を検出し、スイッチ過電圧保護信号を生成する過電圧検出手段とを備え、
上記ＰＷＭ開閉制御手段は、上記スイッチ過電圧保護信号に基づいて上記単方向半導体スイッチング素子の開閉制御を行うことを特徴とするＰＷＭサイクロコンバータ装置。
検出された上記各双方向スイッチの両端電圧に基づいて、入力相間の電圧を求める入力電圧検出手段を備え、
上記ＰＷＭ開閉制御手段は、求められた入力相間の相間電圧に基づいて上記単方向半導体スイッチング素子の開閉制御を行うことを特徴とする請求項１に記載のＰＷＭサイクロコンバータ装置。
上記各単方向半導体スイッチング素子に対する制御信号に基づいて上記ＰＷＭによる開閉制御を監視し、入力相間を短絡させる開閉の組み合わせの場合にスイッチ過電流保護信号を生成するＰＷＭ制御監視手段を備えたことを特徴とする請求項１に記載のＰＷＭサイクロコンバータ装置。
上記単方向半導体スイッチング素子が閉状態である場合、当該単方向半導体スイッチング素子について検出された両端電圧に基づいて上記各単方向半導体スイッチング素子に対する過電流を検出し、スイッチ過電流保護信号を生成する第１の過電流検出手段を備えたことを特徴とする請求項１に記載のＰＷＭサイクロコンバータ装置。
上記ＰＷＭ開閉制御手段は、上記スイッチ過電流保護信号に基づいて上記単方向半導体スイッチング素子の開閉制御を行うことを特徴とする請求項３又は４に記載のＰＷＭサイクロコンバータ装置。
上記ＰＷＭによる開閉制御に基づいて、上記各単方向半導体スイッチング素子を開閉駆動するスイッチング素子開閉駆動手段を備え、
上記スイッチング素子開閉駆動手段は、上記スイッチ過電流保護信号に基づいて上記各単方向半導体スイッチング素子を所定期間開状態に保持することを特徴とする請求項３又は４に記載のＰＷＭサイクロコンバータ装置。
出力側の負荷を流れる電流を相ごとに検出する負荷電流検出手段と、
検出された上記負荷電流に基づいて上記各双方向スイッチに対する過電流を検出し、スイッチ過電流保護信号を生成する第２の過電流検出手段とを備え、
上記ＰＷＭ開閉制御手段は、検出された上記負荷電流及び上記スイッチ過電流保護信号に基づいて上記単方向半導体スイッチング素子の開閉制御を行うことを特徴とする請求項１に記載のＰＷＭサイクロコンバータ装置。
交流電源側の入力各相と出力側の各相とを一対の単方向半導体スイッチング素子からなる複数の双方向スイッチによりマトリックス状に直接接続し、入力電圧に基づいて上記単方向半導体スイッチング素子の開閉制御を行うＰＷＭサイクロコンバータ装置に設けられる検出装置であって、
上記各双方向スイッチの両端の電圧に基づいて、上記単方向半導体スイッチング素子の開閉制御に用いられる入力相間の電圧を求めることを特徴とするＰＷＭサイクロコンバータ装置用の検出装置。
交流電源側の入力各相と出力側の各相とを一対の単方向半導体スイッチング素子からなる複数の双方向スイッチによりマトリックス状に直接接続し、入力電圧に基づいて上記単方向半導体スイッチング素子の開閉制御を行うＰＷＭサイクロコンバータ装置に設けられる検出装置であって、
上記各単方向半導体スイッチング素子に対する制御信号に基づいて上記単方向半導体スイッチング素子の開閉制御を監視し、入力相間を短絡させる開閉の組み合わせの場合にスイッチ過電流保護信号を生成することを特徴とするＰＷＭサイクロコンバータ装置用の検出装置。
交流電源側の入力各相と出力側の各相とを一対の単方向半導体スイッチング素子からなる複数の双方向スイッチによりマトリックス状に直接接続し、入力電圧に基づいて上記単方向半導体スイッチング素子の開閉制御を行うＰＷＭサイクロコンバータ装置に設けられる検出装置であって、
上記単方向半導体スイッチング素子が閉状態である場合、当該単方向半導体スイッチング素子の両端の電圧に基づいて上記各単方向半導体スイッチング素子に対する過電流を検出し、スイッチ過電流保護信号を生成することを特徴とするＰＷＭサイクロコンバータ装置用の検出装置。
交流電源側の入力各相と出力側の各相とを一対の単方向半導体スイッチング素子からなる複数の双方向スイッチによりマトリックス状に直接接続し、入力電圧に基づいて上記単方向半導体スイッチング素子の開閉制御を行うＰＷＭサイクロコンバータ装置による過電流検出時における制御方法であって、
上記各双方向スイッチの両端の電圧に基づいて、上記各単方向半導体スイッチング素子をＰＷＭにより開閉制御するＰＷＭ開閉制御ステップと、
上記ＰＷＭによる開閉制御に基づいて、上記各単方向半導体スイッチング素子を開閉駆動するスイッチング素子開閉駆動ステップと、
上記各単方向半導体スイッチング素子に対する過電流を検出し、スイッチ過電流保護信号を生成する過電流検出ステップとからなり、
上記スイッチング素子開閉駆動ステップは、上記スイッチ過電流保護信号に基づいて上記各単方向半導体スイッチング素子を所定期間開状態に保持するステップであることを特徴とするＰＷＭサイクロコンバータ装置における制御方法。