JP5170075B2

JP5170075B2 - 電流型インバータ装置

Info

Publication number: JP5170075B2
Application number: JP2009297859A
Authority: JP
Inventors: 伸二佐藤
Original assignee: Sanken Electric Co Ltd
Current assignee: Sanken Electric Co Ltd
Priority date: 2009-12-28
Filing date: 2009-12-28
Publication date: 2013-03-27
Anticipated expiration: 2029-12-28
Also published as: US20110157948A1; JP2011139590A; US8760890B2

Description

本発明は、直流電力を３相交流電力に変換する電流型インバータ装置に関し、特に、異常時に電流型インバータ装置を安全且つ確実に停止させる技術に関する。

直流電力を交流電力に変換する電力変換装置は、例えば、モータ駆動用のインバータや無停電電源装置、力率改善回路などに利用される。これらの電力変換装置は、直流リンク部に平滑コンデンサを持つ電圧型インバータ装置と、直流リンク部に平滑リアクトルを持つ電流型インバータ装置とに大別される。

図３は従来の電流型インバータ装置の一例を示す回路構成図である。図３において、直流電源１の正極は平滑リアクトル２を介して陽極直流端子４に接続され、直流電源１の負極は負極直流端子５に接続されている。

三相負荷からなる交流負荷３には３つの交流端子６〜８が設けられ、陽極直流端子４と交流端子６との間には絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ）Ｑ１とダイオードＤ１との直列回路が接続されている。陽極直流端子４と交流端子７との間にはＩＧＢＴＱ２とダイオードＤ２との直列回路が接続されている。陽極直流端子４と交流端子８との間にはＩＧＢＴＱ３とダイオードＤ３との直列回路が接続されている。

陰極直流端子５と交流端子６との間にはＩＧＢＴＱ４とダイオードＤ４との直列回路が接続されている。陰極直流端子５と交流端子７との間にはＩＧＢＴＱ５とダイオードＤ５との直列回路が接続されている。陰極直流端子５と交流端子８との間にはＩＧＢＴＱ６とダイオードＤ６との直列回路が接続されている。

ゲート駆動回路１１〜１６は、ＩＧＢＴＱ１〜Ｑ６に対応して設けられ、ＩＧＢＴＱ１〜Ｑ６のゲートとエミッタとに接続され、ＩＧＢＴＱ１〜Ｑ６にゲート信号を印加することによりＩＧＢＴＱ１〜Ｑ６をオンオフ駆動する。

このように構成された図３に示す従来の電流型インバータ装置によれば、ゲート駆動回路１１〜１６が、ＩＧＢＴＱ１〜Ｑ６のゲート−エミッタ間に例えば＋１５Ｖのゲート信号を印加すると、ＩＧＢＴＱ１〜Ｑ６はオンし、ＩＧＢＴＱ１〜Ｑ６のゲート−エミッタ間に例えば０Ｖ又は負電圧を印加すると、ＩＧＢＴＱ１〜Ｑ６はオフする。

ゲート駆動回路１１〜１６は、図示しない制御回路からの制御信号（三相１２０度通電方式）に基づき、ＩＧＢＴＱ１〜Ｑ６をオンオフ制御し、交流負荷３に所望の電流を出力する。

具体的には、ある時刻（０度位相）に、ＩＧＢＴＱ１とＩＧＢＴＱ５とがオンし、交流端子６から交流負荷３を介して交流端子７に電流が流れる。次に、６０度位相で、ＩＧＢＴＱ１とＩＧＢＴＱ６とがオンし、交流端子６から交流負荷３を介して交流端子８に電流が流れる。

次に、１２０度位相で、ＩＧＢＴＱ２とＩＧＢＴＱ６とがオンし、交流端子７から交流負荷３を介して交流端子８に電流が流れる。次に、１８０度位相で、ＩＧＢＴＱ２とＩＧＢＴＱ４とがオンし、交流端子７から交流負荷３を介して交流端子６に電流が流れる。

次に、２４０度位相で、ＩＧＢＴＱ３とＩＧＢＴＱ４とがオンし、交流端子８から交流負荷３を介して交流端子６に電流が流れる。次に、３００度位相で、ＩＧＢＴＱ３とＩＧＢＴＱ５とがオンし、交流端子８から交流負荷３を介して交流端子７に電流が流れる。

また、従来の技術として、例えば特許文献１に記載された電流型インバータの保護装置が知られている。

この電流型インバータの保護装置は、交流電源を整流する順変換部と、この順変換部より出力される直流を高周波交流に変換する逆変換部と、この逆変換部と順変換部との間に配置され直流リップル分を平滑する直流リアクトルと、逆変換部より出力される高周波交流が供給される負荷とからなり、負荷を並列共振回路とし、逆変換部に自己消弧型素子を用いた電流型インバータにおいて、順変換部の各アームを自己消弧型素子及びダイオードの直列回路とし、順変換部の出力の正極側及び負極側の間に、正極側がカソードで負極側がアノードとなるようにダイオードを接続するものである。

これによれば、順変換部に自己消弧型素子を用いることにより、ゲート遮断と同時に直流リアクトルへの電流注入を停止するとともに、順変換部の出力に接続したダイオードはフライホイール回路を形成し、逆変換部の自己消弧型素子の過電流責務を軽減することができる。

特開平５−２３６７５６号公報

図３において、図示しない制御回路が誤動作したとき、あるいは、ゲート駆動回路１１〜１６が異常である時には、電流型インバータ装置を停止させる必要がある。電圧型インバータ装置の場合には、各ＩＧＢＴをオフ状態で電圧型インバータ装置を停止させることができる。

しかしながら、図３に示すような電流型インバータ装置の場合には、例えばＩＧＢＴＱ１〜Ｑ３を同時にオフさせると、平滑リアクトル２に蓄積されたエネルギーの行き場がなくなり、ＩＧＢＴＱ１〜Ｑ３が破壊してしまう。同様に、ＩＧＢＴＱ４〜Ｑ６も同時にオフできない。このため、ＩＧＢＴＱ１〜Ｑ３及びＱ４〜Ｑ６の内のいずれかをオンさせておく必要があるが、ＩＧＢＴＱ１〜Ｑ６をオンさせるためには、ゲート駆動回路１１〜１６から正電圧を出力する必要がある。その結果、ゲート駆動回路１１〜１６が異常時にはＩＧＢＴＱ１〜Ｑ６をオンさせることができず、電流型インバータ装置を安全に停止できなくなることがあった。

また、特許文献１に記載された電流型インバータの保護装置も図３に示す電流型インバータ装置と同様な課題を有していた。

本発明は、ゲート駆動回路等の異常時においても安全且つ確実に停止することができる電流型インバータ装置を提供することにある。

前記課題を解決するために、請求項１の発明は、陽極直流端子と交流端子との間に直列に接続された上アームスイッチ及び上アームダイオードを有する上アームと、陰極直流端子と前記交流端子との間に直列に接続された下アームスイッチ及び下アームダイオードを有する下アームとからなるアーム部と前記交流端子とを、前記交流端子に接続される交流負荷に応じて複数備えてなるインバータ部、前記陽極直流端子と前記陰極直流端子との間に直列に接続された平滑リアクトル及び直流電源、前記複数の上アームスイッチ及び前記複数の下アームスイッチをオンオフ制御することにより前記複数の交流端子に交流電力を出力する駆動回路を備える電流型インバータ装置において、前記複数の上アームスイッチの内の１つ以上のスイッチ及び前記複数の下アームスイッチの内の１つ以上のスイッチは、ノーマリオン型のスイッチからなり、前記ノーマリオン型のスイッチの制御端子と２つの主端子の内の一方の主端子とを短絡させる保護回路を有し、前記保護回路は、外部指令又は前記陽極直流端子及び前記陰極直流端子間の電圧に基づき前記ノーマリオン型のスイッチの前記制御端子と前記一方の主端子とを短絡させることにより、前記ノーマリオン型のスイッチがオン状態になり、前記平滑リアクトルから前記ノーマリオン型のスイッチを介して前記直流電源までの電流経路が形成されることを特徴とする。

本発明によれば、ゲート駆動回路等が異常時にはノーマリオン型のスイッチがオンするので、平滑リアクトルに蓄積されたエネルギーは、ノーマリオン型のスイッチを介して直流電源側に還流される。このため、平滑リアクトルのエネルギーにより複数の上アームスイッチ及び複数の下アームスイッチが破壊しなくなる。従って、ゲート駆動回路等の異常時においても安全且つ確実に電流型インバータ装置を停止することができる。

実施例１の電流型インバータ装置を示す回路構成図である。実施例２の電流型インバータ装置を示す回路構成図である。従来の電流型インバータ装置の一例を示す回路構成図である。

以下、本発明の電流型インバータ装置の実施の形態を図面を参照しながら詳細に説明する。

図１は実施例１の電流型インバータ装置を示す回路構成図である。図１において、陽極直流端子４と交流端子６（ｕ相用交流端子）との間にはノーマリオン型のスイッチＱ７（上アームスイッチ）とダイオードＤ１（上アームダイオード）との直列回路が接続されている。陽極直流端子４と交流端子７（ｖ相用交流端子）との間には、ＩＧＢＴＱ２（上アームスイッチ）とダイオードＤ２（上アームダイオード）との直列回路が接続されている。陽極直流端子４と交流端子８（ｗ相用交流端子）との間にはＩＧＢＴＱ３（上アームスイッチ）とダイオードＤ３（上アームダイオード）との直列回路が接続されている。上アームスイッチ及び上アームダイオードで上アームを構成している。

陰極直流端子５と交流端子６との間にはノーマリオン型のスイッチＱ８（下アームスイッチ）とダイオードＤ４（下アームダイオード）との直列回路が接続されている。陰極直流端子５と交流端子７との間にはＩＢＧＴＱ５（下アームスイッチ）とダイオードＤ５（下アームダイオード）との直列回路が接続されている。陰極直流端子５と交流端子８との間にはＩＢＧＴＱ６（下アームスイッチ）とダイオードＤ６（下アームダイオード）との直列回路が接続されている。下アームスイッチ及び下アームダイオードで下アームを構成している。

即ち、上アームと下アームとからなるアーム部と交流端子とを、３相用の交流負荷３に応じて３個設けて、３相インバータ部を構成している。

陽極直流端子４と陰極直流端子５との間には平滑リアクトル２と直流電源１との直列回路が接続されている。ゲート駆動回路１１〜１６は、ノーマリオン型のスイッチＱ７，Ｑ８とノーマリオフ型のスイッチとしてのＩＧＢＴＱ２，Ｑ３，Ｑ５，Ｑ６とをオンオフ制御することにより交流端子６〜８に３相交流電力を出力する。

ノーマリオン型のスイッチＱ７，Ｑ８は、炭化ケイ素（ＳｉＣ）や窒化ガリウム（ＧａＮ）などのワイドバンドギャップ半導体からなり、ゲート−ソース間電圧が０Ｖで、オン状態となる。また、ノーマリオン型のスイッチＱ７，Ｑ８は、ゲート−ソース間電圧が＋１５Ｖでオン状態であり、ゲート−ソース間電圧が−１０Ｖでオフ状態である。

これらのワイドバンドギャップ半導体は、Ｓｉデバイスと比較して、ノーマリオン型のデバイスが作成し易い。なお、実施例１では、スイッチＱ７，Ｑ８はノーマリオン型のスイッチとしたが、スイッチＱ７，Ｑ２，Ｑ３の内の少なくとも１つのスイッチが、ノーマリオン型のスイッチであり、スイッチＱ８，Ｑ５，Ｑ６の内の少なくとも１つのスイッチが、ノーマリオン型のスイッチであっても良い。

外部指令部２０は、ノーマリオン型のスイッチＱ７，Ｑ８のゲート（制御端子）とソース（一方の主端子）とを短絡させるための指令信号をフォトカプラ２１，２２に出力する。フォトカプラ２１のフォトダイオード２１ａとフォトカプラ２２のフォトダイオード２２ａとは、直列に接続され、この直列回路の両端は外部指令部２０の両端に接続されている。

フォトカプラ２１のフォトトランジスタ２１ｂのコレクタはノーマリオン型のスイッチＱ７のソースに接続され、フォトカプラ２１のフォトトランジスタ２１ｂのエミッタはノーマリオン型のスイッチＱ７のゲートに接続されている。フォトカプラ２２のフォトトランジスタ２２ｂのコレクタはノーマリオン型のスイッチＱ８のソースに接続され、フォトカプラ２２のフォトトランジスタ２２ｂのエミッタはノーマリオン型のスイッチＱ８のゲートに接続されている。外部指令部２０とフォトカプラ２１，２２とは保護回路を構成する。

次にこのように構成された実施例１の電流型インバータ装置の動作を説明する。

まず、通常では、ゲート駆動回路１１〜１６から電圧（＋１５Ｖと−１０Ｖ）がノーマリオン型のスイッチＱ７，Ｑ８のゲートとＩＧＢＴＱ２，Ｑ３，Ｑ５，Ｑ６のゲートとに印加されて、各スイッチがオンオフして交流端子６〜８に３相交流電力が出力される。

次に、ゲート駆動回路１１〜１６又は図示しない制御回路が異常となったときには、外部指令部２０から指令信号がフォトダイオード２１ａとフォトダイオード２２ａとに印加される。このため、フォトダイオード２１ａとフォトダイオード２２ａとが発光するので、フォトトランジスタ２１ｂによりノーマリオン型のスイッチＱ７のゲート−ソース間に電流が流れる。即ち、ノーマリオン型のスイッチＱ７のゲートとソースとが短絡されて、ノーマリオン型のスイッチＱ７のゲート−ソース間電圧が０Ｖとなり、オン状態となる。

また、フォトトランジスタ２２ｂによりノーマリオン型のスイッチＱ８のゲート−ソース間に電流が流れる。即ち、ノーマリオン型のスイッチＱ８のゲートとソースとが短絡されて、ノーマリオン型のスイッチＱ８のゲート−ソース間電圧が０Ｖとなり、オン状態となる。

従って、平滑リアクトル２に蓄積されたエネルギーは、Ｑ７→Ｄ１→Ｑ８→Ｄ４→直流電源１の経路で直流電源１側に還流されるので、平滑リアクトル２のエネルギーによりノーマリオン型のスイッチＱ７，Ｑ８やＩＧＢＴＱ２，Ｑ３，Ｑ５，Ｑ６が破壊しなくなる。従って、ゲート駆動回路１１〜１６や図示しない制御回路の異常時においても安全且つ確実に電流型インバータ装置を停止することができる。

図２は実施例２の電流型インバータ装置を示す回路構成図である。図２に示す実施例２の電流型インバータ装置は、図１に示す実施例１の電流型インバータ装置の外部指令部２０に代えて、陽極直流端子４と陰極直流端子５との間にツェナーダイオードＺＤ１とコンデンサＣ１との直列回路を接続し、コンデンサＣ１の両端に抵抗Ｒ１とフォトダイオード２１ａとフォトダイオード２２ａとの直列回路を接続したことを特徴とする。

その他の構成は、図１に示す構成と同一であるので、同一部分は同一符号を付し、その説明は省略する。

このように実施例２の電流型インバータ装置によれば、ゲート駆動回路１１〜１６又は図示しない制御回路が異常となったときには、ノーマリオン型のスイッチＱ７，Ｑ８及びＩＧＢＴＱ２，Ｑ３，Ｑ５，Ｑ６がオフするので、平滑リアクトル２に大きなエネルギーが蓄積される。

このとき、陽極直流端子４と陰極直流端子５との間の電圧をツェナーダイオードＺＤ１が検出し、検出された電圧がツェナー降伏電圧を越えると、ツェナーダイオードＺＤ１が降伏して、抵抗Ｒ１を介してフォトダイオード２１ａとフォトダイオード２２ａとに電流が流れる。このため、フォトダイオード２１ａとフォトダイオード２２ａとが発光する。

これ以降の動作は、実施例１の電流型インバータ装置の動作と同様である。従って、実施例２の電流型インバータ装置も実施例１の電流型インバータ装置と同様な効果が得られる。

なお、本発明は、実施例１，２の電流型インバータ装置に限定されるものでははない。実施例１，２の電流型インバータ装置では、３相の電流型インバータ装置について説明したが、本発明は単相の電流型インバータ装置にも適用可能である。この単相の電流型インバータ装置は、図１、図２に示す３相の電流型インバータ装置に対して、ゲート駆動回路１３，１６、ＩＧＢＴＱ３，Ｑ６、ダイオードＤ３，Ｄ６及び交流端子８とを削除して構成される。

本発明は、モータ駆動用のインバータ、無停電電源装置、力率改善回路等に適用可能である。

１直流電源
２平滑リアクトル
３交流負荷
４陽極直流端子
５負極直流端子
６〜８交流端子
Ｑ１〜Ｑ６ＩＧＢＴ
Ｑ７，Ｑ８ノーマリオン型のスイッチ
Ｄ１〜Ｄ６ダイオード
１１〜１６ゲート駆動回路
２０外部指令部
２１，２２フォトカプラ
２１ａ，２２ａフォトダイオード
２１ｂ，２２ｂフォトトランジスタ
ＺＤ１ツェナーダイオード
Ｒ１抵抗
Ｃ１コンデンサ

Claims

陽極直流端子と交流端子との間に直列に接続された上アームスイッチ及び上アームダイオードを有する上アームと、陰極直流端子と前記交流端子との間に直列に接続された下アームスイッチ及び下アームダイオードを有する下アームとからなるアーム部と前記交流端子とを、前記交流端子に接続される交流負荷に応じて複数備えてなるインバータ部、前記陽極直流端子と前記陰極直流端子との間に直列に接続された平滑リアクトル及び直流電源、前記複数の上アームスイッチ及び前記複数の下アームスイッチをオンオフ制御することにより前記複数の交流端子に交流電力を出力する駆動回路を備える電流型インバータ装置において、
前記複数の上アームスイッチの内の１つ以上のスイッチ及び前記複数の下アームスイッチの内の１つ以上のスイッチは、ノーマリオン型のスイッチからなり、
前記ノーマリオン型のスイッチの制御端子と２つの主端子の内の一方の主端子とを短絡させる保護回路を有し、
前記保護回路は、外部指令又は前記陽極直流端子及び前記陰極直流端子間の電圧に基づき前記ノーマリオン型のスイッチの前記制御端子と前記一方の主端子とを短絡させることにより、前記ノーマリオン型のスイッチがオン状態になり、前記平滑リアクトルから前記ノーマリオン型のスイッチを介して前記直流電源までの電流経路が形成されることを特徴とする電流型インバータ装置。
前記ノーマリオン型のスイッチは、ワイドバンドギャップ半導体からなることを特徴とする請求項１記載の電流型インバータ装置。