JP5170075B2 - 電流型インバータ装置 - Google Patents

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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〜Q6 IGBT
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 (2)

  1. 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。
  2. 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。
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