JP5134839B2 - 電力変換器のゲートパルス発生回路 - Google Patents

Description

この発明は電力変換器のゲートパルス発生回路に係り、特に制御電源に異常があっても直流短絡に至らないような保護機能を有する電力変換器のゲートパルス発生回路に関する。

高電圧で大容量の電力変換器を実現するために、電力変換器を構成する主回路のアームを複数の自己消弧型素子を多直列接続した構成とすること行われている。このような場合のゲートパルス発生回路は、スイッチング素子である自己消弧型素子のゲートを直接駆動する高耐圧のゲート駆動回路とは絶縁された状態でゲート駆動回路にオン／オフのゲート信号を与える回路構成とする。従って、ゲートパルス発生回路とゲート駆動回路間はゲート信号を絶縁するために光信号などに変換して信号伝送を行なう。

ゲートパルス発生回路は、制御回路から与えられる基準ゲート信号に対して、スナバコンデンサに蓄えられている電荷を放電するための最小オンタイムや過渡的にアーム短絡を起こさないためのデッドタイム等を加味して各アームの多直列素子に対するオン／オフのゲート信号を作り出す。このようなゲートパルス発生回路においては、ゲートパルス発生回路に異常があっても、電力変換器がアーム短絡を起こさないような対策が求められる。そこで本発明者は、特許文献１によってゲートパルス発生回路内のＩＣが１個破損しても電力変換器のアーム短絡故障には至らないように工夫したゲートパルス発生回路を提案した。
特開平１１−２１５８０５号公報（全体）

特許文献１で提案した電力変換器のゲートパルス発生回路においては、このゲートパルス発生回路用の制御電源が喪失したとき、上アーム及び下アーム用のゲートパルス発生回路の両方の制御電源が喪失するため、制御不能となって上下アームが同時にオンする場合があり、直流短絡によって自己消弧型素子が破損して、故障の拡大に至る恐れがあった。

本発明は上記問題点に鑑みて為されたもので、その目的は、ゲートパルス発生回路用の制御電源が喪失したときであっても、上下アームが同時にオンすることがないような電力変換器のゲートパルス発生回路を提供することにある。

上記目的を達成するため、本発明の第１の発明である電力変換器のゲートパルス発生回路は、その両端に直流電圧が印加され、その中点が交流相に接続される上下対となるアームから成るスイッチングレグを有する電力変換器のゲートパルス発生回路において、上アーム用ゲートパルス発生回路への制御電源供給手段と、下アーム用ゲートパルス発生回路への制御電源供給手段とを個別に設けると共に、
各アーム用ゲートパルス発生回路は各々制御電源監視手段を有し、この制御電源監視手段が異常を検出したとき、対となるアーム用ゲートパルス発生回路のゲートパルスの出力をオフするようにしたことを特徴としている。

また、本発明の第２の発明である電力変換器のゲートパルス発生回路は、直流正極側から直流負極側に向かって、第１アーム、第２アーム、第３アーム及び第４アームの直列体で構成され、第１アームと第２アームの中点及び第３アームと第４アームの中点はクランプダイオードで直流零電位にクランプされ、第２アームと第３アームの中点が交流相に接続される構成のスイッチングレグを有する電力変換器のゲートパルス発生回路において、
少なくとも１つのアーム用ゲートパルス発生回路への制御電源供給手段と、他のアーム用ゲートパルス発生回路への制御電源供給手段とを個別に設けると共に、前記アーム用ゲートパルス発生回路は、前記制御電源供給手段によって分離された制御電源グループ毎に少なくとも１つの制御電源監視手段を有し、この制御電源監視手段が異常を検出したとき、当該制御電源グループの対となる制御電源グループに属するアーム用ゲートパルス発生回路のゲートパルスの出力をオフするようにしたことを特徴としている。

本発明によれば、ゲートパルス発生回路用の制御電源が喪失したときであっても、上下アームが同時にオンすることがないような電力変換器のゲートパルス発生回路を提供することが可能となる。

以下、図面を参照して本発明の実施例を説明する。

図１は本発明の実施例１に係る電力変換器のゲートパルス発生回路を示す回路構成図である。図１において、ゲートパルス発生回路１Ａ、１Ｂは夫々光ファイバ２Ａ、２Ｂを介してゲート駆動回路３Ａ、３Ｂに夫々ゲート信号を供給している。ゲート駆動回路３Ａは、電力変換器の１相分の上アームであるアーム４Ａを構成する自己消弧形素子のゲートを、またゲート駆動回路３Ｂは、電力変換器の１相分の下アームであるアーム４Ｂを構成する自己消弧形素子のゲートをドライブする。ここで、アーム４Ａとアーム４Ｂの直列回路はスイッチングレグを形成し、その両端には直流コンデンサ５が接続され、その中点は１相分の交流相に接続されている。そして電力変換器がコンバータとして動作する場合は交流端子からの交流を受けて直流コンデンサ５に対して直流電圧を出力し、インバータとして動作する場合は逆の変換動作を行なう。

ゲートパルス発生回路１Ａ、１Ｂには、夫々制御電源６Ａ、６Ｂから制御電圧が供給されており、この夫々の制御電圧によってゲートパルス発生回路１Ａ、１Ｂは動作する。以下、ゲートパルス発生回路１Ａ、１Ｂの内部構成について説明する。

ゲートパルス発生回路１Ａに与えられる上アーム基準ゲート信号はＡＮＤ回路１０Ａの一方の入力となり、このＡＮＤ回路１０Ａの出力によって電気／光信号変換器１１Ａは上アーム基準ゲート信号を光信号に変換する。尚、図１においては、上アーム基準ゲート信号を直接電気／光信号変換器１１Ａに入力する構成となっているが、上アーム基準ゲート信号に対して所定の信号変形処理を行なった後、電気／光信号変換器１１Ａに供給するような構成としても良い。

ゲートパルス発生回路１Ｂには制御電源監視回路１２Ｂが設けられ、この制御電源監視回路１２Ｂは制御電源６Ｂの供給電圧が正常のとき正常信号Ｂを出力する。ここで正常であるとは、例えば制御電源６Ｂの供給電圧が所定の電圧以上の電圧を供給している状態を言う。そして、この正常信号Ｂは上記のＡＮＤ回路１０Ａの他方の入力となる。

同様に、ゲートパルス発生回路１Ｂに与えられる下アーム基準ゲート信号はＡＮＤ回路１０Ｂの一方の入力となり、このＡＮＤ回路１０Ｂの出力によって電気／光信号変換器１１Ｂは下アーム基準ゲート信号を光信号に変換する。ゲートパルス発生回路１Ａには制御電源監視回路１２Ａが設けられ、この制御電源監視回路１２Ａは制御電源６Ａの供給電圧が正常のとき正常信号Ａを出力する。そして、この正常信号Ａは上記のＡＮＤ回路１０Ｂの他方の入力となる。

次に動作について説明する。図１の構成において、アーム４Ａ用の制御電源６Ａの出力が喪失した場合について考える。この場合、アーム４Ｂ用の制御電源６Ｂは確立しているためアーム４Ｂのゲートパルス発生回路１Ｂの出力は正常に動作している。アーム４Ａの制御電源６Ａが喪失すると、アーム４Ａは制御不能となり、場合によってはアーム４Ａ内の自己消弧形素子が全てオンする恐れがある。しかしながら、制御電源監視回路１２Ａが素早く制御電源６Ａの異常を検出し、正常信号Ａがオフとなり、アーム４Ｂ内の全ての自己消弧形素子はゲートブロックされる。従ってアーム４Ａとアーム４Ｂの上下アームが短絡することはない。

以上は制御電源６Ａの出力が喪失した場合であるが、制御電源６Ｂの出力が喪失した場合においても全く同様の動作となり、制御電源監視回路１２Ｂが素早く制御電源６Ｂの異常を検出し、正常信号Ｂをオフし、アーム４Ａ内の全ての自己消弧形素子をゲートブロックして上下アームの短絡を防止する。

図２は本発明の実施例２に係る電力変換器のゲートパルス発生回路を示す回路構成図である。この実施例２の各部について、図１の本発明の実施例１に係る電力変換器のゲートパルス発生回路を示す回路構成図の各部と同一部分は同一符号で示し、その説明は省略する。この実施例２が実施例１と異なる点は、制御電源６Ｂを省き、制御電源６Ａから並列に、ブロッキングダイオード７Ａとコンデンサ８Ａから成る停電補償回路を介してゲートパルス発生回路１Ａに、またブロッキングダイオード７Ｂとコンデンサ８Ｂから成る停電補償回路を介してゲートパルス発生回路１Ｂに制御電源を供給するように構成した点である。

ブロッキングダイオード７Ａとコンデンサ８Ａから成る停電補償回路は、制御電源Ａが喪失しても、ゲートパルス発生回路１Ａ内の消費電力とコンデンサ８Ａの容量とで決まる所定の時間は必要な制御電圧が維持される。従って、実施例１の場合と同様に所定の時間内は上下アームの短絡を防止することが可能となる。そして、図示は省略しているが、この所定の時間内に上アーム基準ゲート信号及び下アーム基準ゲート信号をオフするようにすれば、上記所定の時間後も継続して上下アームの短絡を防止することが可能となる。

図３は本発明の実施例３に係る電力変換器のゲートパルス発生回路を示す回路構成図である。この実施例３の各部について、図１の本発明の実施例１に係る電力変換器のゲートパルス発生回路を示す回路構成図の各部と同一部分は同一符号で示し、その説明は省略する。この実施例３が実施例１と異なる点は、制御電源６Ａからブロッキングダイオード７Ａとコンデンサ８Ａから成る停電補償回路を介してゲートパルス発生回路１Ａに、また制御電源６Ｂからブロッキングダイオード７Ｂとコンデンサ８Ｂから成る停電補償回路を介してゲートパルス発生回路１Ｂに制御電源を供給するように構成した点である。

実施例１で説明したように、制御電源１Ａが喪失したとき、制御電源監視回路１２Ａが素早く制御電源６Ａの異常を検出して正常信号Ａをオフとしてアーム４Ｂ内の全ての自己消弧形素子をゲートブロックするようにしているが、この制御電源監視回路１２Ａの異常検出動作に多少の遅れがあると、場合によっては上記ゲートブロックが間に合わない恐れがある。

これに対し、本実施例のように停電補償回路を設ければ、実施例２で説明したように、所定の時間はゲートパルス発生回路１Ａ、１Ｂは共に正常に動作することができるので、上記ゲートブロックが間に合わないことはない。従って、この実施例３によれば、より確実に上下アームの短絡を防止することが可能となる。

図４は本発明の実施例４に係る電力変換器のゲートパルス発生回路を示す回路構成図である。この実施例４の各部について、図１の本発明の実施例１に係る電力変換器のゲートパルス発生回路を示す回路構成図の各部と同一部分は同一符号で示し、その説明は省略する。この実施例４が実施例１と異なる点は、第１アームであるアーム４Ａと第４アームであるアーム４Ｂの中間に第２アームであるアーム４Ｃ及び第３アームであるアーム４Ｄを挿入し、正側直流コンデンサ５Ａの正極からこの正側直流コンデンサ５Ａと直列に接続された負側直流コンデンサの負極に向けてアーム４Ａ、４Ｃ、４Ｄ及び４Ｂの順に４個の直列アームから成るスイッチングレグを配置し、アーム４Ａとアーム４Ｃの中点及びアーム４Ｄとアーム４Ｂの中点をクランプダイオード９Ａ、９Ｂで夫々直流零電位にクランプするようにし、アーム４Ｃとアーム４Ｄの中点が交流相に接続するようにして電力変換器の１相分のスイッチングレグを３レベル構成とした点、制御電源６Ａ、６Ｂから夫々並列にゲートパルス発生回路１Ａ及び１Ｃ、ゲートパルス発生回路１Ｂ及び１Ｄに給電するようにした点、またゲートパルス発生回路１Ａ、１Ｂに夫々設けられた制御電源監視回路１２Ａ、１２Ｂが制御電源異常を検出したとき、ＡＮＤ回路１０Ｂ、１０Ｄへの正常信号Ａを、またＡＮＤ回路１０Ａ、１０Ｃへの正常信号Ｂを夫々オフするように構成した点である。尚、ゲートパルス発生回路１Ｃ、１Ｄは夫々第２アーム基準ゲート信号、第３アーム基準ゲート信号を受け、夫々ＡＮＤ回路１０Ｃ、１０Ｄ、電気／光信号変換器１１Ｃ、１１Ｄ、光ファイバ２Ｃ、２Ｄ、ゲート駆動回路３Ｃ、３Ｄを介して第２アームであるアーム４Ｃ、第３アームであるアーム４Ｄの自己消弧形素子のゲートを夫々駆動している。

上記のこの実施例４の構成によれば、ゲートパルス発生回路の制御電源は、第１アーム、第２アーム用の制御電源６Ａと、第３アーム、第４アーム用の制御電源６Ｂとで構成されている。このように通常の３レベルの電力変換器においては第１アームと第３アーム、第２アームと第４アームが各々対のアームとなっており、対のアームのゲートパルス発生回路を夫々別個の制御電源から給電する構成とする。しかしながら、本発明においては、少なくとも何れか１つのアームのゲートパルス発生回路用の制御電源を他の制御電源とは別に構成すれば、４アームの直列短絡は防止可能となる。

次に動作について説明する。図４の構成では、第１アーム、第２アーム用の制御電源６Ａの出力が喪失した場合においても、第３アーム、第４アーム用の制御電源６Ｂが確立しており、制御電源監視回路１２Ａの検出動作によって第３アーム、第４アームのゲートパルス発生回路の出力がゲートブロックされるので、上下アーム短絡などの拡大故障に至ることはない。尚、上記において、必ずしも第３アーム及び第４アームのゲートパルス発生回路の出力をゲートブロックする必要はなく、何れか一方のゲートパルス発生回路の出力をゲートブロックする構成としても良い。

また、図４において、ゲートパルス発生回路１Ｃ及び１Ｄには制御電源監視回路を設けていないが、これを設けて２重に監視する構成としても良く、また例えば制御電源監視回路１２Ａに代えてゲートパルス発生回路１Ｃ内に制御電源監視回路を設ける構成としても良い。

尚、以上の実施例４の構成を変形し、３レベル電力変換器用のゲートパルス発生回路に対して実施例２及び実施例３で述べた制御電源の供給を行なっても、上下アームの短絡を防止可能なことは明らかである。

本発明の実施例１に係る電力変換器のゲートパルス発生回路を示す回路構成図。 本発明の実施例２に係る電力変換器のゲートパルス発生回路を示す回路構成図。 本発明の実施例３に係る電力変換器のゲートパルス発生回路を示す回路構成図。 本発明の実施例４に係る電力変換器のゲートパルス発生回路を示す回路構成図。

符号の説明

１Ａ、１Ｂ、１Ｃ、１Ｄ ゲートパルス発生回路
２Ａ、２Ｂ、２Ｃ、２Ｄ 光ファイバ
３Ａ、３Ｂ、３Ｃ、３Ｄ ゲート駆動回路
４Ａ、４Ｂ、４Ｃ、４Ｄ アーム
５、５Ａ、５Ｂ 直流コンデンサ
６Ａ、６Ｂ 制御電源
７Ａ、７Ｂ ブロッキングダイオード
８Ａ、８Ｂ コンデンサ
９Ａ、９Ｂ クランプダイオード

１０Ａ、１０Ｂ、１０Ｃ、１０Ｄ ＡＮＤ回路
１１Ａ、１１Ｂ、１１Ｃ、１１Ｄ 電気／光信号変換器
１２Ａ、１２Ｂ 制御電源監視回路

Claims (6)

1. その両端に直流電圧が印加され、その中点が交流相に接続される上下対となるアームから成るスイッチングレグを有する電力変換器のゲートパルス発生回路において、
   上アーム用ゲートパルス発生回路への制御電源供給手段と、下アーム用ゲートパルス発生回路への制御電源供給手段とを個別に設けると共に、
   各アーム用ゲートパルス発生回路は各々制御電源監視手段を有し、
   この制御電源監視手段が異常を検出したとき、対となるアーム用ゲートパルス発生回路のゲートパルスの出力をオフするようにしたことを特徴とする電力変換器のゲートパルス発生回路。
2. 直流正極側から直流負極側に向かって、第１アーム、第２アーム、第３アーム及び第４アームの直列体で構成され、第１アームと第２アームの中点及び第３アームと第４アームの中点はクランプダイオードで直流零電位にクランプされ、第２アームと第３アームの中点が交流相に接続される構成のスイッチングレグを有する電力変換器のゲートパルス発生回路において、
   少なくとも１つのアーム用ゲートパルス発生回路への制御電源供給手段と他のアーム用ゲートパルス発生回路への制御電源供給手段とを個別に設けると共に、
   前記アーム用ゲートパルス発生回路は、前記制御電源供給手段によって分離された制御電源グループ毎に少なくとも１つの制御電源監視手段を有し、
   この制御電源監視手段が異常を検出したとき、当該制御電源グループの対となる制御電源グループに属するアーム用ゲートパルス発生回路のゲートパルスの出力をオフするようにしたことを特徴とする電力変換器のゲートパルス発生回路。
3. 前記アームは、
   複数個のスイッチング素子を直列に接続して構成したことを特徴とする請求項１または２に記載の電力変換器のゲートパルス発生回路。
4. 前記制御電源グループは、
   第１アーム用と第３アーム用を１グループ、第２アームと第４アーム用を他の１グループとしたことを特徴とする請求項２記載の電力変換器のゲートパルス発生回路。
5. 前記制御電源供給手段は、
   夫々ブロッキングダイオードとコンデンサから成る停電補償回路を介して供給するようにしたことを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれか１項に記載の電力変換器のゲートパルス発生回路。
6. 前記制御電源供給手段は、
   １つの制御電源から夫々ブロッキングダイオードとコンデンサから成る停電補償回路を介して供給するようにしたことを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれか１項に記載の電力変換器のゲートパルス発生回路。

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