JP5661694B2 - Multi-level power converter - Google Patents

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Description

本発明は、改良された過電流保護機能を有する多レベル電力変換装置に関する。   The present invention relates to a multi-level power conversion device having an improved overcurrent protection function.

直流を交流に変換する電力変換装置として、従来は通常の2レベルのインバータ装置が用いられていた。最近になって、高電圧で大容量の電力変換装置のニーズが拡大し、3レベル以上の所謂多レベルのインバータ装置が、例えばモータ駆動用のインバータ装置に適用されるようになってきた。   Conventionally, an ordinary two-level inverter device has been used as a power conversion device that converts direct current to alternating current. Recently, the need for a high-voltage, large-capacity power conversion device has expanded, and so-called multi-level inverter devices of three or more levels have been applied to, for example, inverter devices for driving motors.

3レベルのインバータ装置は、文字通り3つの直流電位を出力する装置である。これに対し、従来の2レベルのインバータ装置は2つの直流電位を出力する。インバータの構成の違いは、2レベルのインバータ装置が、直流電源に対して直列接続された2個のスイッチング素子を並列に接続してその中間点から交流出力を得るのに対し、3レベルのインバータ装置は、正、ゼロ及び負の3つの電位を持つ直流電源に対して4個のスイッチング素子を直列接続して直列接続体を構成し、その中点から交流出力を得る。3レベルのインバータ装置の直列接続体の両端は正、負の直流電位に接続され、正側及び負側の端部のスイッチング素子と中間のスイッチング素子の中間点は夫々ダイオードを介してゼロ電位にクランプされる。直列接続体を構成するスイッチング素子は各々フライホイルダイオードが逆並列接続されている。そして直列接続体と上記クランプダイオードを含めた部分をスイッチングレグと呼称する。   A three-level inverter device is a device that literally outputs three DC potentials. In contrast, the conventional two-level inverter device outputs two DC potentials. The difference in the configuration of the inverter is that a two-level inverter device connects two switching elements connected in series to a DC power supply in parallel and obtains an AC output from the intermediate point, whereas a three-level inverter device In the apparatus, four switching elements are connected in series to a DC power source having three potentials of positive, zero, and negative to form a series connection body, and an AC output is obtained from the middle point. Both ends of the series connection body of the three-level inverter device are connected to positive and negative DC potentials, and the intermediate points of the switching elements on the positive and negative ends and the intermediate switching elements are respectively set to zero potential via diodes. Clamped. Each of the switching elements constituting the series connection body has flywheel diodes connected in reverse parallel. A portion including the series connection body and the clamp diode is referred to as a switching leg.

2レベル、3レベル何れのインバータ装置であっても、2つのスイッチングレグを並列接続することによって単相の交流出力を得、3つのスイッチングレグを並列接続することによって3相の交流出力を得ることができる。   For two-level and three-level inverter devices, a single-phase AC output is obtained by connecting two switching legs in parallel, and a three-phase AC output is obtained by connecting three switching legs in parallel. Can do.

従来の2レベルインバータ装置では、スイッチング素子の過電流保護を目的に、スイッチング素子の主電極間の電圧を検出し、スイッチング素子をオンしたときに、スイッチング素子の主電極間の電圧が基準電圧以上あった場合は、ゲート電圧の低減または装置停止を行なう方法が用いられていた。   In a conventional two-level inverter device, the voltage between the main electrodes of the switching element is detected for the purpose of overcurrent protection of the switching element, and when the switching element is turned on, the voltage between the main electrodes of the switching element is higher than the reference voltage If so, a method of reducing the gate voltage or stopping the apparatus has been used.

即ち、正常運転状態ではスイッチング素子の制御極にオンパルスが与えられたとき、素子の主電極間の電圧は若干の遅れ時間を持って飽和電圧まで減少する。一方素子をオンしたときに過電流が流れた場合、素子の内部抵抗があるため、素子の主電極間の電圧は低下しない。よってオンパルスが与えられて所定の遅延時間後に素子の主電極間の電圧が検出レベル以上であるとき過電流が流れていると判定し、装置を停止すれば過電流保護が可能となる。   That is, in the normal operation state, when an ON pulse is applied to the control electrode of the switching element, the voltage between the main electrodes of the element decreases to a saturation voltage with a slight delay time. On the other hand, when an overcurrent flows when the element is turned on, the voltage between the main electrodes of the element does not decrease because of the internal resistance of the element. Therefore, when an on-pulse is given and the voltage between the main electrodes of the element is equal to or higher than the detection level after a predetermined delay time, it is determined that an overcurrent is flowing, and overcurrent protection is possible if the device is stopped.

この考え方を3レベルインバータ装置に適用した提案も各種為されている(例えば特許文献1参照。)。   Various proposals in which this concept is applied to a three-level inverter device have been made (see, for example, Patent Document 1).

特開2000−354383号公報(第5頁、図3)JP 2000-354383 A (page 5, FIG. 3)

特許文献1に示された手法は電流検出手段が不要であるので装置の実装が容易な構成となる。しかしながら、スイッチング素子の主電極間の電圧が低下する速度は、素子の特性や負荷電流によって左右され、その調整/設定が困難であると共に動作遅れの問題があった。   Since the method disclosed in Patent Document 1 does not require a current detection unit, the apparatus can be easily mounted. However, the speed at which the voltage between the main electrodes of the switching element decreases depends on the characteristics of the element and the load current, and its adjustment / setting is difficult and there is a problem of operation delay.

また、3レベルインバータ装置のスイッチングレグの両端に接続されない中間部のスイッチング素子においては、還流モードの時に素子にオンパルスを与えても素子に電流が流れていないため、素子の主電極間の電位を積極的に固定できず、結局、主電極間の電圧検出による過電流保護を用いることができないという問題があった。   In addition, in the intermediate switching element that is not connected to both ends of the switching leg of the three-level inverter device, no current flows through the element even if an on-pulse is applied to the element in the reflux mode. There is a problem in that it cannot be positively fixed, and eventually, overcurrent protection based on voltage detection between the main electrodes cannot be used.

更に、直流短絡は必ずしもスイッチング素子の誤点弧のようにスイッチング素子が健全な状態で生ずるとは限らず、短絡した状態でインピーダンスが低下すれば、場合によってはこの方法では検出できないという問題もあった。   Furthermore, a DC short-circuit does not necessarily occur in a healthy state as the switching element is erroneously ignited, and if the impedance decreases in the short-circuited state, there is a problem that this method cannot be detected in some cases. It was.

この発明は上記のような問題に鑑みて為されたものであり、主回路素子の過電流異常を素早く確実に検出して過電流保護を行なうことが可能な多レベル電力変換装置を提供することを目的とする。   The present invention has been made in view of the above problems, and provides a multilevel power conversion device capable of detecting an overcurrent abnormality of a main circuit element quickly and surely and performing overcurrent protection. With the goal.

上記目的を達成するために、本発明の多レベル電力変換装置は、N(Nは3以上の整数)レベルの電位を有する直流電源と、前記直流電源に並列接続され、夫々フライホイルダイオードを逆並列接続した(N−1)×2個のスイッチング素子の直列接続体と、前記直流電源の(N−2)個の中間電位に前記直列接続体の中間部を固定するように接続された(N−2)×2個のクランプダイオードで構成される複数個のスイッチングレグと、前記直列接続体の中点からNレベルの相電圧を得るため、前記スイッチング素子の制御極にゲートパルスを供給する制御手段と、前記制御手段から各々のスイッチング素子をオンするためのオンパルスが与えられたとき、当該スイッチング素子の主電極間の電圧が所定値以上であるとき異常信号を出力する電圧監視手段と、前記スイッチングレグ毎に前記電圧監視手段の出力を論理演算して当該スイッチングレグ内の主回路素子の異常を判定する演算手段とを有し、前記演算手段は、前記電圧監視手段から何れか必ず2個の前記異常信号が入力されたとき、異常と判断することを特徴としている。 In order to achieve the above object, a multilevel power conversion device according to the present invention includes a DC power supply having a potential of N (N is an integer of 3 or more) level and a parallel connection to the DC power supply, and reverses a flywheel diode. A series connection body of (N-1) × 2 switching elements connected in parallel and (N-2) intermediate potentials of the DC power supply were connected so as to fix the intermediate portion of the series connection body ( N-2) A gate pulse is supplied to the control pole of the switching element in order to obtain an N-level phase voltage from a plurality of switching legs composed of 2 clamp diodes and the midpoint of the series connection body When an ON pulse for turning on each switching element is given from the control means and the control means, an abnormal signal is output when the voltage between the main electrodes of the switching element is a predetermined value or more. Voltage monitoring means; and calculation means for logically calculating an output of the voltage monitoring means for each switching leg to determine abnormality of a main circuit element in the switching leg, wherein the calculation means includes the voltage monitoring means. When any two of the abnormal signals are always input, it is determined that an abnormality has occurred.

本発明によれば、主回路素子の過電流異常を素早く確実に検出して過電流保護を行なうことが可能な多レベル電力変換装置を提供することができる。   ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the multilevel power converter device which can detect the overcurrent abnormality of a main circuit element quickly and reliably and can perform an overcurrent protection can be provided.

本発明の実施例1に係る電力変換装置の回路構成図。The circuit block diagram of the power converter device which concerns on Example 1 of this invention. 実施例1の電力変換装置に使用される電圧検出器の内部構成図。The internal block diagram of the voltage detector used for the power converter device of Example 1. FIG. 実施例1の電力変換装置に使用される演算回路の内部構成図。The internal block diagram of the arithmetic circuit used for the power converter device of Example 1. FIG. 3レベルインバータの短絡モード解析図。The short-circuit mode analysis diagram of a three-level inverter. 本発明の実施例2に係る電力変換装置に使用される電圧検出器の内部構成図。The internal block diagram of the voltage detector used for the power converter device which concerns on Example 2 of this invention. 実施例2の電力変換装置に使用される演算回路の内部構成図。The internal block diagram of the arithmetic circuit used for the power converter device of Example 2. FIG. 3レベルインバータのクランプダイオード故障時の短絡モード解析図。The short circuit mode analysis figure at the time of the clamp diode failure of a 3 level inverter. 本発明の実施例3に係る電力変換装置に使用される電圧検出器の内部構成図。The internal block diagram of the voltage detector used for the power converter device which concerns on Example 3 of this invention. 実施例3の電力変換装置に使用される演算回路の内部構成図。The internal block diagram of the arithmetic circuit used for the power converter device of Example 3. FIG. 本発明の実施例4に係る電力変換装置の回路構成図。The circuit block diagram of the power converter device which concerns on Example 4 of this invention. 4レベルインバータの短絡モード解析図。The short-circuit mode analysis diagram of a 4-level inverter. 4レベルインバータのクランプダイオード故障時の短絡モード解析図。The short circuit mode analysis figure at the time of the clamp diode failure of a 4 level inverter. 実施例4の電力変換装置に使用される演算回路の内部構成図。The internal block diagram of the arithmetic circuit used for the power converter device of Example 4. FIG.

以下、図面を参照して本発明の実施例を説明する。   Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.

本発明の実施例1に係る電力変換装置を図1乃至図4を参照して説明する。図1は本発明の実施例1に係る電力変換装置の回路構成図である。   A power converter according to a first embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. 1 to 4. FIG. 1 is a circuit configuration diagram of a power conversion apparatus according to Embodiment 1 of the present invention.

直流電源1から得られる直流電圧を、直流分圧コンデンサ2p及び2nで構成される直列回路に供給する。直流電源1は2Eの電圧を有している。従って、直流分圧コンデンサ2pの正側電位を+Eとすると、直流分圧コンデンサ2p及び2nの中点の電位は0、直流分圧コンデンサ2nの負側の電位は−Eとなる。   A DC voltage obtained from the DC power source 1 is supplied to a series circuit composed of DC voltage dividing capacitors 2p and 2n. The DC power source 1 has a voltage of 2E. Therefore, if the positive potential of the DC voltage dividing capacitor 2p is + E, the potential at the midpoint of the DC voltage dividing capacitors 2p and 2n is 0, and the negative potential of the DC voltage dividing capacitor 2n is -E.

このようにして得られた3レベルの電位を有する直流電圧はスイッチングレグ3u、3v及び3wに供給される。図1においてはスイッチングレグ3uの内部構成が図示してある。他のスイッチングレグ3v及び3wの内部構成は、基本的にスイッチングレグ3uと同一であるので、それらの図示及び説明は省略する。   The DC voltage having the three-level potential obtained in this way is supplied to the switching legs 3u, 3v and 3w. In FIG. 1, the internal structure of the switching leg 3u is shown. Since the internal configuration of the other switching legs 3v and 3w is basically the same as that of the switching leg 3u, their illustration and description are omitted.

スイッチングレグ3uは、直列接続された4個のスイッチング素子Q1、Q2、Q3及びQ4、これ等のスイッチング素子に夫々逆並列接続されたフライホイルダイオードD1、D2、D3及びD4、更に平滑コンデンサ2p及び2nの中点からスイッチング素子Q1及びQ2の中点に接続されたクランプダイオードDP、平滑コンデンサ2p及び2nの中点からスイッチング素子Q3及びQ4の中点に接続されたクランプダイオードDNから構成されている。ここで、スイッチング素子Q1及びスイッチング素子Q4は夫々直流電源の+E電位及び−E電位に接続されている。そして、スイッチング素子Q1及びスイッチング素子Q4はスイッチングレグ3uの端部を形成しているので、両端部のスイッチング素子と呼ぶ。これに対して、スイッチング素子Q2及びスイッチング素子Q3はスイッチングレグ3uの中間部を形成しているので、中間部のスイッチング素子と呼ぶ。そしてスイッチングレグ内のスイッチング素子、フライホイルダイオード及びクランプダイオードを総称して主回路素子と呼称する。   The switching leg 3u includes four switching elements Q1, Q2, Q3 and Q4 connected in series, flywheel diodes D1, D2, D3 and D4 connected in antiparallel to these switching elements, and a smoothing capacitor 2p and The clamp diode DP is connected from the midpoint of 2n to the midpoint of the switching elements Q1 and Q2, and the clamp diode DN is connected from the midpoint of the smoothing capacitors 2p and 2n to the midpoint of the switching elements Q3 and Q4. . Here, the switching element Q1 and the switching element Q4 are connected to the + E potential and the −E potential of the DC power supply, respectively. Since the switching element Q1 and the switching element Q4 form the end of the switching leg 3u, they are called switching elements at both ends. On the other hand, since the switching element Q2 and the switching element Q3 form an intermediate part of the switching leg 3u, they are referred to as an intermediate part switching element. The switching elements, flywheel diodes and clamp diodes in the switching leg are collectively referred to as main circuit elements.

スイッチングレグ3uを構成するスイッチング素子Q1、Q2、Q3及びQ4の制御極には、制御回路6からゲートパルスが与えられる。そして、スイッチング素子Q1、Q2、Q3及びQ4は例えばPWM制御によって所望のU相出力電圧をスイッチング素子Q2及びQ3の中点に出力する。このU相出力電圧は、負荷である交流電動機4の1次巻線に供給される。同様にして、スイッチングレグ3v及び3wから交流電動機4の1次巻線にV相出力電圧及びW相出力電圧が夫々供給される。   A gate pulse is applied from the control circuit 6 to the control poles of the switching elements Q1, Q2, Q3 and Q4 constituting the switching leg 3u. The switching elements Q1, Q2, Q3, and Q4 output a desired U-phase output voltage to the midpoint of the switching elements Q2 and Q3 by PWM control, for example. This U-phase output voltage is supplied to the primary winding of the AC motor 4 as a load. Similarly, the V-phase output voltage and the W-phase output voltage are respectively supplied from the switching legs 3v and 3w to the primary winding of the AC motor 4.

スイッチング素子Q1、Q2、Q3及びQ4の主電極間の電圧Vceは夫々電圧監視器51、52、53及び54に与えられる。この電圧監視器51、52、53及び54には制御回路6から当該スイッチング素子用のゲートパルスも併せて供給される。電圧監視器51、52、53及び54の出力は演算回路7に与えられる。演算回路7において、後述する条件演算を行なうことにより、スイッチングレグ3u内のスイッチング素子及びダイオードの過電流異常を検出する。同様に、スイッチングレグ3v及び3wを構成する各スイッチング素子の主電極間の電圧も対応する電圧監視器で監視され、過電流異常が検出される構成となっているが、図示を省略している。   The voltage Vce between the main electrodes of the switching elements Q1, Q2, Q3 and Q4 is applied to the voltage monitors 51, 52, 53 and 54, respectively. The voltage monitor 51, 52, 53 and 54 is also supplied with a gate pulse for the switching element from the control circuit 6. Outputs of the voltage monitors 51, 52, 53 and 54 are given to the arithmetic circuit 7. In the arithmetic circuit 7, an overcurrent abnormality of the switching element and the diode in the switching leg 3 u is detected by performing a conditional calculation described later. Similarly, the voltage between the main electrodes of the switching elements constituting the switching legs 3v and 3w is also monitored by the corresponding voltage monitor, and an overcurrent abnormality is detected, but the illustration is omitted. .

図2は電圧監視器51の内部構成図である。   FIG. 2 is an internal configuration diagram of the voltage monitor 51.

スイッチング素子Q1の主電極間の電圧Vceの正電位側は、逆向きに接続された逆阻止用ダイオード511を介して比較器512の正側の入力に接続される。また、電圧Vceの負電位側は、検出レベル設定器513による電圧バイアスを介して比較器512の負側の入力に接続される。このようにして、電圧Vceが検出レベルを超えたとき、比較器512は1を出力する。比較器512の出力はAND回路514の一方の入力となる。AND回路514の他方の入力には、制御回路6から得られるスイッチング素子Q1用のゲートパルスが与えられる。このようにしてスイッチング素子Q1がオンしている時の主電極間の電圧Vceが過大となったかどうかを検出することが可能となる。   The positive potential side of the voltage Vce between the main electrodes of the switching element Q1 is connected to the positive input of the comparator 512 via a reverse blocking diode 511 connected in the reverse direction. The negative potential side of the voltage Vce is connected to the negative input of the comparator 512 through a voltage bias by the detection level setting unit 513. In this way, when the voltage Vce exceeds the detection level, the comparator 512 outputs 1. The output of the comparator 512 becomes one input of the AND circuit 514. The other input of the AND circuit 514 is supplied with a gate pulse for the switching element Q 1 obtained from the control circuit 6. In this way, it is possible to detect whether or not the voltage Vce between the main electrodes when the switching element Q1 is on is excessive.

この実施例1においては、電圧監視器51は、全てのスイッチングレグ内のスイッチング素子に適用される。従って電圧監視器52、53及び54も電圧監視器51と同一の構成となる。   In the first embodiment, the voltage monitor 51 is applied to switching elements in all the switching legs. Therefore, the voltage monitors 52, 53 and 54 have the same configuration as the voltage monitor 51.

図3は図1における演算回路7の内部構成図である。   FIG. 3 is an internal configuration diagram of the arithmetic circuit 7 in FIG.

電圧監視器51、52、53及び54の出力信号は夫々AND回路71、72、73及び74の一方の入力となる。そして、AND回路71、72、73の他方の入力には、OR回路81、82、83及び84の出力が与えられる。OR回路81の入力はAND回路71の一方の入力である電圧監視器51の出力信号以外の3つの信号、即ち電圧監視器52、53及び54の出力信号が与えられる。OR回路82、83及び84についても同様に夫々電圧監視器52、53及び54の出力信号以外の3つの信号が与えられる。そしてAND回路71、72、73及び74の出力信号はOR回路75に与えられる。このように構成すれば、電圧監視器51、52、53及び54の出力信号のうち、任意の2つ以上の信号が1となったとき、OR回路75の出力即ち演算回路7の出力が1となる。   The output signals of the voltage monitors 51, 52, 53 and 54 become one input of AND circuits 71, 72, 73 and 74, respectively. The other inputs of the AND circuits 71, 72, 73 are supplied with the outputs of the OR circuits 81, 82, 83, and 84. The input of the OR circuit 81 is supplied with three signals other than the output signal of the voltage monitor 51 which is one input of the AND circuit 71, that is, the output signals of the voltage monitors 52, 53 and 54. Similarly, three signals other than the output signals of the voltage monitors 52, 53, and 54 are applied to the OR circuits 82, 83, and 84, respectively. Output signals from the AND circuits 71, 72, 73 and 74 are supplied to the OR circuit 75. With this configuration, when any two or more of the output signals of the voltage monitors 51, 52, 53, and 54 become 1, the output of the OR circuit 75, that is, the output of the arithmetic circuit 7 is 1. It becomes.

以下、図4の短絡モード解析図を参照して本実施例1の動作について説明する。   The operation of the first embodiment will be described below with reference to the short-circuit mode analysis diagram of FIG.

図4(a)はスイッチングレグ内のフライホイルダイオードD1が短絡状態となったときの短絡電流の電流ルートを示したものである。フライホイルダイオードD1とスイッチング素子Q1は並列接続されているので、以下の議論は、スイッチング素子Q1が短絡状態となった場合にも適用される。   FIG. 4A shows the current route of the short-circuit current when the flywheel diode D1 in the switching leg is short-circuited. Since the flywheel diode D1 and the switching element Q1 are connected in parallel, the following discussion also applies when the switching element Q1 is in a short-circuit state.

図4(a)に示したように、スイッチング素子Q2とQ3が同時にオンしたとき、+E電位からD1(またはQ1)、Q2、Q3、DN、そして0電位のルートで短絡電流が流れる。従ってスイッチング素子Q2及びQ3のオン時主電極間電圧Vceが検出レベルを超えたとき、フライホイルダイオードD1またはスイッチング素子Q1が短絡状態になったと判定できる。   As shown in FIG. 4A, when the switching elements Q2 and Q3 are simultaneously turned on, a short-circuit current flows from the + E potential to the routes D1 (or Q1), Q2, Q3, DN, and 0 potential. Therefore, it can be determined that the flywheel diode D1 or the switching element Q1 is short-circuited when the main-electrode voltage Vce when the switching elements Q2 and Q3 are on exceeds the detection level.

ここで、図2に示した電圧監視器51の回路で、従来必要であった遅延要素が不要となる理由について説明する。上述したように、フライホイルダイオードD1またはスイッチング素子Q1の過電流異常を検出する場合、スイッチング素子Q2及びQ3の両方のオン時主電極間電圧Vceが検出レベルを超える条件が必要となる。スイッチング素子Q2及びQ3は同時にオフ状態からオン状態に変化することはないので、スイッチング素子Q2及びQ3の何れかが過渡オン状態にあってオン時電極間電圧Vceが検出レベルを超えていても、正常状態であれば他方の電極間電圧Vceは検出レベルを超えない。従って、遅延要素を省いてより素早い過電流異常の検出が可能となる。   Here, the reason why the delay element that has been conventionally required in the circuit of the voltage monitor 51 shown in FIG. 2 is unnecessary will be described. As described above, when detecting an overcurrent abnormality of the flywheel diode D1 or the switching element Q1, a condition is required in which the main-electrode voltage Vce when both the switching elements Q2 and Q3 are on exceeds the detection level. Since the switching elements Q2 and Q3 do not change from the OFF state to the ON state at the same time, even if any of the switching elements Q2 and Q3 is in the transient ON state and the inter-electrode voltage Vce exceeds the detection level, In the normal state, the other inter-electrode voltage Vce does not exceed the detection level. Accordingly, it is possible to quickly detect an overcurrent abnormality without the delay element.

図4(b)はスイッチングレグ内のフライホイルダイオードD2またはスイッチング素子Q2が短絡状態となったときの短絡電流の電流ルートを示したものである。図4(b)に示したように、スイッチング素子Q3とQ4が同時にオンしたとき、0電位からDP、D2(またはQ2)、Q3、Q4、そして−E電位のルートで短絡電流が流れる。従ってスイッチング素子Q3及びQ4のオン時主電極間電圧Vceが検出レベルを超えたとき、フライホイルダイオードD2またはスイッチング素子Q2が短絡状態となったと判定できる。   FIG. 4B shows a current route of the short-circuit current when the flywheel diode D2 or the switching element Q2 in the switching leg is short-circuited. As shown in FIG. 4B, when the switching elements Q3 and Q4 are simultaneously turned on, a short-circuit current flows from the 0 potential to the DP, D2 (or Q2), Q3, Q4, and -E potential routes. Accordingly, it can be determined that the flywheel diode D2 or the switching element Q2 is short-circuited when the main-electrode voltage Vce when the switching elements Q3 and Q4 are on exceeds the detection level.

図4(c)はスイッチングレグ内のフライホイルダイオードD3またはスイッチング素子Q3が短絡状態となったときの短絡電流の電流ルートを示したものである。図4(c)に示したように、スイッチング素子Q1とQ2が同時にオンしたとき、+E電位からQ1、Q2、D3(またはQ3)、DN、そして0電位のルートで短絡電流が流れる。従ってスイッチング素子Q1及びQ2のオン時主電極間電圧Vceが検出レベルを超えたとき、フライホイルダイオードD3またはスイッチング素子Q3が短絡状態となったと判定できる。   FIG. 4C shows the current route of the short-circuit current when the flywheel diode D3 or the switching element Q3 in the switching leg is short-circuited. As shown in FIG. 4C, when the switching elements Q1 and Q2 are simultaneously turned on, a short-circuit current flows from the + E potential to the Q1, Q2, D3 (or Q3), DN, and 0 potential routes. Therefore, it can be determined that the flywheel diode D3 or the switching element Q3 is short-circuited when the main electrode voltage Vce when the switching elements Q1 and Q2 are on exceeds the detection level.

図4(d)はスイッチングレグ内のフライホイルダイオードD4またはスイッチング素子Q4が短絡状態となったときの短絡電流の電流ルートを示したものである。図4(d)に示したように、スイッチング素子Q2とQ3が同時にオンしたとき、0電位からDP、Q2、Q3、D4(またはQ4)、そして−E電位のルートで短絡電流が流れる。従ってスイッチング素子Q2及びQ3のオン時主電極間電圧Vceが検出レベルを超えたとき、フライホイルダイオードD4またはスイッチング素子Q4が短絡状態となったと判定できる。   FIG. 4D shows the current route of the short-circuit current when the flywheel diode D4 or the switching element Q4 in the switching leg is short-circuited. As shown in FIG. 4D, when the switching elements Q2 and Q3 are turned on at the same time, a short-circuit current flows from the 0 potential to the DP, Q2, Q3, D4 (or Q4), and -E potential routes. Therefore, it can be determined that the flywheel diode D4 or the switching element Q4 is short-circuited when the main-electrode voltage Vce when the switching elements Q2 and Q3 are on exceeds the detection level.

以上説明したように、スイッチングレグ内の任意の主回路素子が短絡状態となったときには必ず2つのスイッチング素子のオン時主電極間電圧Vceが検出レベルを超える。従って図2に示した電圧監視器と図3に示した演算回路を組み合わせて用いればこの過電流異常の検出が可能になる。   As described above, when any main circuit element in the switching leg is short-circuited, the main electrode voltage Vce when the two switching elements are on always exceeds the detection level. Therefore, if the voltage monitor shown in FIG. 2 and the arithmetic circuit shown in FIG. 3 are used in combination, this overcurrent abnormality can be detected.

尚、図3の演算回路は、任意の2つ以上のスイッチング素子のオン時主電極間電圧Vceが検出レベルを超えたとき、過電流異常を検出するように構成したが、図4で故障モード解析を行ったように、スイッチングレグ内の隣り合う2つのスイッチング素子のオン時主電極間電圧Vceが検出レベルを超えたとき、過電流異常を検出するように構成すれば、更に信頼性の高い過電流異常の検出が可能になることは明らかである。   The arithmetic circuit in FIG. 3 is configured to detect an overcurrent abnormality when the voltage Vce between the main electrodes when any two or more switching elements are on exceeds the detection level. As analyzed, if the configuration is such that an overcurrent abnormality is detected when the voltage Vce between the two main switching elements adjacent to each other in the switching leg exceeds the detection level, the reliability is further improved. Obviously, an overcurrent abnormality can be detected.

以下、本発明の実施例2に係る電力変換装置を図5乃至図7を参照して説明する。   Hereinafter, the power converter concerning Example 2 of the present invention is explained with reference to Drawing 5 thru / or Drawing 7.

図5は本発明の実施例2に係る電力変換装置に使用される電圧監視器51Aの内部構成図である。この実施例2の各部について、図2の実施例1に係る電力変換装置に使用される電圧監視器の内部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、電圧監視器51A内の比較器512の出力側に遅延器515を設け、この遅延器515の出力をAND回路514に与える様に構成した点である。   FIG. 5 is an internal configuration diagram of a voltage monitor 51A used in the power conversion apparatus according to the second embodiment of the present invention. About each part of this Example 2, the same part as each part of the internal structure figure of the voltage monitor used for the power converter device which concerns on Example 1 of FIG. 2 is shown with the same code | symbol, and the description is abbreviate | omitted. The second embodiment is different from the first embodiment in that a delay unit 515 is provided on the output side of the comparator 512 in the voltage monitor 51A, and the output of the delay unit 515 is provided to the AND circuit 514. is there.

前述したように遅延器515は、スイッチング素子Q1がオンするときの過渡状態は検出しないようにする為である。この過渡状態においては、電圧Vceは過電流異常の有無に拘らず検出レベルを超えているため、この実施例2においては誤検出の要因となる。   As described above, the delay unit 515 is configured not to detect a transient state when the switching element Q1 is turned on. In this transient state, the voltage Vce exceeds the detection level regardless of the presence or absence of an overcurrent abnormality, and thus causes erroneous detection in the second embodiment.

尚、この実施例2においては、図1におけるスイッチングレグの両端部のスイッチング素子の電圧監視器51及び54にこの遅延付の電圧監視器51Aを適用し、中間部のスイッチング素子用には図2に示した遅延なしの電圧監視器を適用する。   In the second embodiment, the voltage monitor 51A with a delay is applied to the voltage monitor 51 and 54 of the switching element at both ends of the switching leg in FIG. Apply the voltage monitor without delay shown in.

図6は本発明の実施例2に係る電力変換装置に使用される演算回路7Aの内部構成図である。図6に示したように、電圧監視器51及び54の出力信号は直接OR回路75Aに与えられる。そして、電圧監視器52及び53の出力信号は、AND回路76に与えられ、AND回路76の出力信号はOR回路75Aに与えられる。そしてOR回路75Aの出力が演算回路7Aの出力となるように構成されている。   FIG. 6 is an internal configuration diagram of an arithmetic circuit 7A used in the power conversion apparatus according to the second embodiment of the present invention. As shown in FIG. 6, the output signals of the voltage monitors 51 and 54 are directly supplied to the OR circuit 75A. The output signals of the voltage monitors 52 and 53 are supplied to the AND circuit 76, and the output signal of the AND circuit 76 is supplied to the OR circuit 75A. The output of the OR circuit 75A is configured to be the output of the arithmetic circuit 7A.

以下、図7の短絡モード解析図を参照して本実施例2の動作について説明する。   The operation of the second embodiment will be described below with reference to the short-circuit mode analysis diagram of FIG.

図7(a)はスイッチングレグ内のクランプダイオードDPが短絡状態となったときの短絡電流の電流ルートを示したものである。図7(a)に示したように、スイッチング素子Q1がオンしたとき、+E電位からQ1、DP、そして0電位のルートで短絡電流が流れる。従ってスイッチング素子Q1のオン時主電極間電圧Vceが検出レベルを超えたとき、クランプダイオードDPが短絡状態となったと判定できる。   FIG. 7A shows the current route of the short-circuit current when the clamp diode DP in the switching leg is short-circuited. As shown in FIG. 7A, when the switching element Q1 is turned on, a short-circuit current flows through the route from + E potential to Q1, DP, and 0 potential. Therefore, when the main electrode voltage Vce when the switching element Q1 is on exceeds the detection level, it can be determined that the clamp diode DP is short-circuited.

図7(b)はスイッチングレグ内のクランプダイオードDNが短絡状態となったときの短絡電流の電流ルートを示したものである。図7(b)に示したように、スイッチング素子Q4がオンしたとき、0電位からDN、Q4、そして−E電位のルートで短絡電流が流れる。従ってスイッチング素子Q4のオン時主電極間電圧Vceが検出レベルを超えたとき、クランプダイオードDNが短絡状態となったと判定できる。   FIG. 7B shows a current route of the short-circuit current when the clamp diode DN in the switching leg is short-circuited. As shown in FIG. 7B, when the switching element Q4 is turned on, a short-circuit current flows from the 0 potential to the DN, Q4, and -E potential routes. Therefore, when the main electrode voltage Vce when the switching element Q4 is on exceeds the detection level, it can be determined that the clamp diode DN is short-circuited.

図7の短絡モード解析図から言えることは、クランプダイオードの過電流異常を検出するためには、スイッチングレグ内の両端部の何れかのスイッチング素子のオン時主電極間電圧Vceが検出レベルを超えたことによって行なえば良いことが分かる。   What can be said from the short-circuit mode analysis diagram of FIG. 7 is that in order to detect an overcurrent abnormality of the clamp diode, the main-electrode voltage Vce when the switching element at either end of the switching leg is on exceeds the detection level. It can be seen that it is good to do.

従って、クランプダイオードを含む全ての主回路素子の過電流異常時の動作を考慮すれば、何れかのスイッチングレグ内の主回路素子が短絡状態となったときには、スイッチング素子Q1のオン時主電極間電圧Vceが大となるか、スイッチング素子Q4のオン時主電極間電圧Vceが大となるか、またはスイッチング素子Q2及びQ3のオン時主電極間電圧Vceが共に大となることが分かる。   Therefore, considering the operation at the time of overcurrent abnormality of all the main circuit elements including the clamp diode, when the main circuit element in any of the switching legs is short-circuited, the switching element Q1 is turned on between the main electrodes. It can be seen that the voltage Vce increases, the switching-element Q4 on-time main electrode voltage Vce increases, or the switching elements Q2 and Q3 on-time main electrode voltage Vce both increase.

以上の理由により、図6に示した演算回路7Aを用いれば、何れかの主回路素子が短絡状態になったことを素早く検出することが可能となる。スイッチング素子Q1のオン時主電極間電圧Vceが大のときは、スイッチング素子Q3またはフライホイルダイオードD3、或いはクランプダイオードDPが短絡状態になったと考えられる。スイッチング素子Q4のオン時主電極間電圧Vceが大のときは、スイッチング素子Q2またはフライホイルダイオードD2、或いはクランプダイオードDNが短絡状態になったと考えられる。そして、スイッチング素子Q2及びQ3のオン時主電極間電圧Vceが共に大のときは、スイッチング素子Q1またはフライホイルダイオードD1、或いはスイッチング素子Q4またはフライホイルダイオードD4が短絡状態となったと考えられる。   For the above reasons, if the arithmetic circuit 7A shown in FIG. 6 is used, it is possible to quickly detect that any of the main circuit elements is short-circuited. When the main electrode voltage Vce when the switching element Q1 is on is large, it is considered that the switching element Q3, the flywheel diode D3, or the clamp diode DP is short-circuited. When the main electrode voltage Vce when the switching element Q4 is on is large, it is considered that the switching element Q2, the flywheel diode D2, or the clamp diode DN is short-circuited. Then, when the on-state main electrode voltage Vce of the switching elements Q2 and Q3 is both large, it is considered that the switching element Q1 or the flywheel diode D1, or the switching element Q4 or the flywheel diode D4 is short-circuited.

以下、本発明の実施例3に係る電力変換装置を図8及び図9を参照して説明する。   Hereinafter, the power converter concerning Example 3 of the present invention is explained with reference to Drawing 8 and Drawing 9. FIG.

図8は本発明の実施例3に係る電力変換装置に使用される電圧監視器51Bの内部構成図である。この実施例3の各部について、図5の実施例2に係る電力変換装置に使用される電圧監視器の内部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2と異なる点は、比較器512の出力とゲート信号を入力とするAND回路514Aを設け、このAND回路514Aの出力も電圧監視器51Bのもう1つの出力とするように構成した点である。従って、電圧監視器51Bは、オン時主極間電圧Vce大の信号として遅延付と遅延なしの2信号を出力する。尚、この実施例3においては、図1におけるスイッチングレグの両端部のスイッチング素子用の電圧監視器51及び54にこの2信号を出力する電圧監視器51Bを適用する。   FIG. 8 is an internal configuration diagram of a voltage monitor 51B used in the power conversion apparatus according to Embodiment 3 of the present invention. About each part of this Example 3, the same part as each part of the internal block diagram of the voltage monitor used for the power converter device which concerns on Example 2 of FIG. 5 is shown with the same code | symbol, and the description is abbreviate | omitted. The third embodiment is different from the second embodiment in that an AND circuit 514A that inputs the output of the comparator 512 and the gate signal is provided, and the output of the AND circuit 514A is also used as another output of the voltage monitor 51B. This is the point that was configured. Therefore, the voltage monitor 51B outputs two signals with and without delay as a signal having a large main-electrode voltage Vce when on. In the third embodiment, the voltage monitor 51B that outputs these two signals is applied to the voltage monitor 51 and 54 for the switching element at both ends of the switching leg in FIG.

図9は本発明の実施例3に係る電力変換装置に使用される演算回路7Bの内部構成図である。この実施例3の各部について、図3の実施例1に係る電力変換装置に使用される演算回路の内部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、電圧監視器51B及び54の遅延付出力信号をOR回路75Bの入力に加えた点である。   FIG. 9 is an internal configuration diagram of an arithmetic circuit 7B used in the power conversion apparatus according to Embodiment 3 of the present invention. About each part of this Example 3, the same part as each part of the internal block diagram of the arithmetic circuit used for the power converter device which concerns on Example 1 of FIG. 3 is shown with the same code | symbol, and the description is abbreviate | omitted. The third embodiment differs from the first embodiment in that the delayed output signals of the voltage monitors 51B and 54 are added to the input of the OR circuit 75B.

実施例2の図6に示した演算回路7Aは簡単な回路構成ではあるが、スイッチングレグの両端部に遅延付の電圧監視器51Aを用いているため、スイッチングレグの中間部のスイッチング素子またはフライホイルダイオードの過電流異常時にも遅延器515で設定された遅延時間だけ過電流異常検出が遅れてしまう。この対策として、本実施例の電圧監視器51Bと演算回路7Bを組み合わせて使用すれば、スイッチングレグの中間部のスイッチング素子またはフライホイルダイオードの過電流異常時であっても時間遅れなしで検出することが可能となる。   Although the arithmetic circuit 7A shown in FIG. 6 of the second embodiment has a simple circuit configuration, since the voltage monitor 51A with a delay is used at both ends of the switching leg, the switching element or fly in the middle part of the switching leg is used. Even when the overcurrent of the wheel diode is abnormal, the overcurrent abnormality detection is delayed by the delay time set by the delay unit 515. As a countermeasure, if the voltage monitor 51B of this embodiment and the arithmetic circuit 7B are used in combination, even if an overcurrent abnormality occurs in the switching element or flywheel diode in the middle part of the switching leg, it is detected without a time delay. It becomes possible.

以下、本発明の実施例4に係る電力変換装置を図10乃至図13を参照して説明する。   Hereinafter, the power converter concerning Example 4 of the present invention is explained with reference to Drawing 10 thru / or Drawing 13.

図10は本発明の実施例4に係る電力変換装置の回路構成図である。この実施例4の各部について、図1の実施例1に係る電力変換装置の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、直流電源部に直流分圧コンデンサ2cを直流分圧コンデンサ2pと直流分圧コンデンサ2nの中間に設け、電位+E,−Eに加え電位+E/3及び電位−E/3を出力可能な4レベル構成とした点、これに伴い、スイッチングレグ3u1内にスイッチング素子Q5及びフライホイルダイオードD5、並びにスイッチング素子Q6及びフライホイルダイオードD6を直列に設けた点、出力電位を+E/3にクランプするためのクランプダイオードDP1及びDN1を設け、夫々スイッチング素子Q1とQ2の中間点、スイッチング素子Q4とQ5の中間点を、また出力電位を−E/3にクランプするためのクランプダイオードDP2及びDN2を設け、夫々スイッチング素子Q2とQ3の中間点、スイッチング素子Q5とQ6の中間点をクランプする構成とした点、更にスイッチング素子Q5及びQ6のオン時主電極間電圧Vceを検出する電圧監視器55及び56を設け、その出力を演算回路7Cに与えるように構成した点である。   FIG. 10 is a circuit configuration diagram of the power conversion device according to the fourth embodiment of the present invention. In each part of the fourth embodiment, the same parts as those in the circuit configuration diagram of the power conversion apparatus according to the first embodiment of FIG. 1 are denoted by the same reference numerals, and the description thereof is omitted. The fourth embodiment is different from the first embodiment in that a DC voltage dividing capacitor 2c is provided in the DC power supply section between the DC voltage dividing capacitor 2p and the DC voltage dividing capacitor 2n, and in addition to the potentials + E and -E, the potential + E / 3 And a four-level configuration capable of outputting the potential −E / 3, and accordingly, a switching element Q5 and a flywheel diode D5, and a switching element Q6 and a flywheel diode D6 are provided in series in the switching leg 3u1. Clamp diodes DP1 and DN1 are provided for clamping the output potential to + E / 3. The intermediate points of switching elements Q1 and Q2, the intermediate points of switching elements Q4 and Q5, and the output potential are clamped to -E / 3. Clamping diodes DP2 and DN2 are provided for switching between the switching elements Q2 and Q3. Voltage monitoring devices 55 and 56 for detecting the main electrode voltage Vce when the switching devices Q5 and Q6 are turned on are provided, and the output is given to the arithmetic circuit 7C. It is the point comprised as follows.

即ち、図1の3レベルインバータ装置を4レベルインバータ装置に変更したのが図10の回路構成図である。尚、図10においては、制御回路6から与えられる各スイッチング素子へのゲート信号を単線で図示している。   That is, the circuit configuration diagram of FIG. 10 is obtained by changing the three-level inverter device of FIG. 1 to a four-level inverter device. In FIG. 10, the gate signal to each switching element given from the control circuit 6 is shown by a single line.

以下、図11及び図12の短絡モード解析図を参照して本実施例4の動作について説明する。   Hereinafter, the operation of the fourth embodiment will be described with reference to the short-circuit mode analysis diagrams of FIGS.

図11(a)はスイッチングレグ内のフライホイルダイオードD1が短絡状態となった
ときの短絡電流の電流ルートを示したものである。フライホイルダイオードD1とスイッチング素子Q1は並列接続されているので、以下の議論は、スイッチング素子Q1が短絡状態となった場合にも適用される。
FIG. 11A shows the current route of the short-circuit current when the flywheel diode D1 in the switching leg is short-circuited. Since the flywheel diode D1 and the switching element Q1 are connected in parallel, the following discussion also applies when the switching element Q1 is in a short-circuit state.

図11(a)に示したように、スイッチング素子Q2、Q3及びQ4が同時にオンしたとき、+E電位からD1(またはQ1)、Q2、Q3、Q4,DN1、そして+E/3電位のルートで短絡電流が流れる。従ってスイッチング素子Q2、Q3及びQ4のオン時主電極間電圧Vceが検出レベルを超えたとき、フライホイルダイオードD1またはスイッチング素子Q1が短絡状態となったと判定できる。   As shown in FIG. 11A, when the switching elements Q2, Q3 and Q4 are simultaneously turned on, they are short-circuited from the + E potential to the D1 (or Q1), Q2, Q3, Q4, DN1, and + E / 3 potential routes. Current flows. Therefore, it can be determined that the flywheel diode D1 or the switching element Q1 is short-circuited when the main-electrode voltage Vce when the switching elements Q2, Q3, and Q4 are on exceeds the detection level.

図11(b)はスイッチングレグ内のフライホイルダイオードD2またはスイッチング素子Q2が短絡状態となったときの短絡電流の電流ルートを示したものである。図11(b)に示したように、スイッチング素子Q3、Q4及びQ5が同時にオンしたとき、+E/3電位からDP1、D2(またはQ2)、Q3、Q4、Q5、DN2そして−3/E電位のルートで短絡電流が流れる。従ってスイッチング素子Q3、Q4及びQ5のオン時主電極間電圧Vceが検出レベルを超えたとき、フライホイルダイオードD2またはスイッチング素子Q2が短絡状態となったと判定できる。   FIG. 11B shows the current route of the short-circuit current when the flywheel diode D2 or the switching element Q2 in the switching leg is short-circuited. As shown in FIG. 11 (b), when the switching elements Q3, Q4 and Q5 are turned on at the same time, the DP1, D2 (or Q2), Q3, Q4, Q5, DN2 and -3 / E potentials from the + E / 3 potential. A short-circuit current flows through the route. Therefore, it can be determined that the flywheel diode D2 or the switching element Q2 is short-circuited when the main-electrode voltage Vce when the switching elements Q3, Q4, and Q5 are on exceeds the detection level.

図11(c)はスイッチングレグ内のフライホイルダイオードD3またはスイッチング素子Q3が短絡状態となったときの短絡電流の電流ルートを示したものである。図11(c)に示したように、スイッチング素子Q4、Q5及びQ6が同時にオンしたとき、−E/3電位から、D3(またはQ3)、DN、Q5、Q6、そして−E電位のルートで短絡電流が流れる。従ってスイッチング素子Q4、Q5及びQ6のオン時主電極間電圧Vceが検出レベルを超えたとき、フライホイルダイオードD3またはスイッチング素子Q3が短絡状態となったと判定できる。   FIG. 11C shows a current route of a short-circuit current when the flywheel diode D3 or the switching element Q3 in the switching leg is short-circuited. As shown in FIG. 11C, when the switching elements Q4, Q5, and Q6 are turned on at the same time, from the −E / 3 potential to the route of D3 (or Q3), DN, Q5, Q6, and −E potential. Short circuit current flows. Therefore, it can be determined that the flywheel diode D3 or the switching element Q3 is short-circuited when the main-electrode voltage Vce when the switching elements Q4, Q5, and Q6 are on exceeds the detection level.

図11(d)はスイッチングレグ内のフライホイルダイオードD4またはスイッチング素子Q4が短絡状態となったときの短絡電流の電流ルートを示したものである。図11(d)に示したように、スイッチング素子Q1、Q2及びQ3が同時にオンしたとき、+E電位からQ1、Q2、Q3、D4(またはQ4)、DN1、そして+E/3電位のルートで短絡電流が流れる。従ってスイッチング素子Q1、Q2及びQ3のオン時主電極間電圧Vceが検出レベルを超えたとき、フライホイルダイオードD4またはスイッチング素子Q4が短絡状態となったと判定できる。   FIG. 11D shows the current route of the short-circuit current when the flywheel diode D4 or the switching element Q4 in the switching leg is short-circuited. As shown in FIG. 11D, when the switching elements Q1, Q2 and Q3 are simultaneously turned on, they are short-circuited from the + E potential to the Q1, Q2, Q3, D4 (or Q4), DN1 and + E / 3 potential routes. Current flows. Therefore, it can be determined that the flywheel diode D4 or the switching element Q4 is short-circuited when the main-electrode voltage Vce when the switching elements Q1, Q2, and Q3 are on exceeds the detection level.

図11(e)はスイッチングレグ内のフライホイルダイオードD5またはスイッチング素子Q5が短絡状態となったときの短絡電流の電流ルートを示したものである。図11(e)に示したように、スイッチング素子Q2、Q3及びQ4が同時にオンしたとき、+E/3電位からDP1、Q2、Q3、Q4、D5(またはQ5)、DN2、そして−E/3電位のルートで短絡電流が流れる。従ってスイッチング素子Q2、Q3及びQ4のオン時主電極間電圧Vceが検出レベルを超えたとき、フライホイルダイオードD5またはスイッチング素子Q5が短絡状態となったと判定できる。   FIG. 11E shows a current route of a short-circuit current when the flywheel diode D5 or the switching element Q5 in the switching leg is short-circuited. As shown in FIG. 11E, when the switching elements Q2, Q3, and Q4 are simultaneously turned on, the DP1, Q2, Q3, Q4, D5 (or Q5), DN2, and -E / 3 from the + E / 3 potential. A short-circuit current flows through the potential route. Accordingly, it can be determined that the flywheel diode D5 or the switching element Q5 is short-circuited when the main-electrode voltage Vce when the switching elements Q2, Q3, and Q4 are on exceeds the detection level.

図11(f)はスイッチングレグ内のフライホイルダイオードD6またはスイッチング素子Q6が短絡状態となったときの短絡電流の電流ルートを示したものである。図11(f)に示したように、スイッチング素子Q3、Q4及びQ5が同時にオンしたとき、−E/3電位からDP2、Q3、Q4、Q5、D6(またはQ6)、そして−E電位のルートで短絡電流が流れる。従ってスイッチング素子Q3、Q4及びQ5のオン時主電極間電圧Vceが検出レベルを超えたとき、フライホイルダイオードD6またはスイッチング素子Q6が短絡状態となったと判定できる。   FIG. 11 (f) shows the current route of the short-circuit current when the flywheel diode D6 or the switching element Q6 in the switching leg is short-circuited. As shown in FIG. 11 (f), when the switching elements Q3, Q4, and Q5 are simultaneously turned on, the route from the −E / 3 potential to the DP2, Q3, Q4, Q5, D6 (or Q6), and the −E potential. A short circuit current flows. Therefore, it can be determined that the flywheel diode D6 or the switching element Q6 is short-circuited when the main-electrode voltage Vce when the switching elements Q3, Q4, and Q5 are on exceeds the detection level.

以上の短絡モード解析で分かるように、4レベルインバータの場合は隣接する3個のスイッチング素子のオン時主極間電圧Vceが検出レベルを超えたことを検出すれば、スイッチングレグ内の任意のスイッチング素子またはフライホイルダイオードの過電流異常の検出が可能となる。また、このように厳密に検出を行なえば、短絡状態となった部位をある程度特定できる。これをN(Nは整数でN>2)レベルインバータに拡張したときは、隣り合う(N−1)個のスイッチング素子のオン時主極間電圧Vceが検出レベルを超えたことを検出すれば良いことが分かる。   As can be seen from the above short-circuit mode analysis, in the case of a four-level inverter, if it is detected that the main inter-electrode voltage Vce of the three adjacent switching elements exceeds the detection level, any switching in the switching leg An overcurrent abnormality of the element or flywheel diode can be detected. In addition, if the detection is performed strictly in this way, it is possible to identify a portion in a short circuit state to some extent. When this is expanded to an N (N is an integer, N> 2) level inverter, if it is detected that the main-pole voltage Vce at the ON time of adjacent (N-1) switching elements exceeds the detection level. I know it ’s good.

上記は厳密な過電流異常検出の場合であるが、実施例1で述べたように、任意の2つのスイッチング素子のオン時主極間電圧Vceが検出レベルを超えたことを検出してもこの検出が可能であることは容易に考えられる。これをNレベルインバータに拡張すると、Nレベルインバータのスイッチングレグ内の任意の2つのスイッチング素子のオン時主極間電圧Vceが検出レベルを超えたことを検出すれば、スイッチングレグ内の任意のスイッチング素子またはフライホイルダイオードの過電流異常の検出が可能となると言える。   The above is a case of strict overcurrent abnormality detection. However, as described in the first embodiment, even if it is detected that the main-pole voltage Vce when any two switching elements are on exceeds the detection level, It is easily considered that detection is possible. When this is expanded to an N-level inverter, if it is detected that the main inter-electrode voltage Vce of any two switching elements in the switching leg of the N-level inverter has exceeded the detection level, any switching in the switching leg can be performed. It can be said that an overcurrent abnormality of the element or the flywheel diode can be detected.

図12はクランプダイオードが短絡状態となったときの故障モード解析図である。この図12は3レベルインバータにおける図7に対応している。   FIG. 12 is a failure mode analysis diagram when the clamp diode is short-circuited. FIG. 12 corresponds to FIG. 7 in the three-level inverter.

図12(a)はスイッチングレグ内のクランプダイオードDP1が短絡状態となったときの短絡電流の電流ルートを示したものである。図12(a)に示したように、スイッチング素子Q1がオンしたとき、+E電位からQ1、DP、そして+E/3電位のルートで短絡電流が流れる。従ってスイッチング素子Q1のオン時主電極間電圧Vceが検出レベルを超えたとき、クランプダイオードDPが短絡状態になったと判定できる。   FIG. 12A shows the current route of the short-circuit current when the clamp diode DP1 in the switching leg is short-circuited. As shown in FIG. 12A, when the switching element Q1 is turned on, a short-circuit current flows through a route from the + E potential to Q1, DP, and + E / 3 potential. Therefore, when the main electrode voltage Vce when the switching element Q1 is on exceeds the detection level, it can be determined that the clamp diode DP is short-circuited.

図12(b)はスイッチングレグ内のクランプダイオードDP2が短絡状態になったときの短絡電流の電流ルートを示したものである。図12(b)に示したように、スイッチング素子Q1及びQ2がオンしたとき、+E電位からQ1、Q2、DP2、そして−E/3電位のルートで短絡電流が流れる。従ってスイッチング素子Q1及びQ2のオン時主電極間電圧Vceが検出レベルを超えたとき、クランプダイオードDP2が短絡状態になったと判定できる。   FIG. 12B shows a current route of the short-circuit current when the clamp diode DP2 in the switching leg is short-circuited. As shown in FIG. 12B, when the switching elements Q1 and Q2 are turned on, a short-circuit current flows through the route from the + E potential to the Q1, Q2, DP2, and −E / 3 potential. Therefore, it can be determined that the clamp diode DP2 is short-circuited when the main-electrode voltage Vce when the switching elements Q1 and Q2 are on exceeds the detection level.

図12(c)はスイッチングレグ内のクランプダイオードDN1が短絡状態になったときの短絡電流の電流ルートを示したものである。図12(c)に示したように、スイッチング素子Q5及びQ6がオンしたとき、+E/3電位からDN1、Q5、Q6、そして−E電位のルートで短絡電流が流れる。従ってスイッチング素子Q5及びQ6のオン時主電極間電圧Vceが検出レベルを超えたとき、クランプダイオードDN1が短絡状態になったと判定できる。   FIG. 12C shows the current route of the short-circuit current when the clamp diode DN1 in the switching leg is short-circuited. As shown in FIG. 12C, when the switching elements Q5 and Q6 are turned on, a short-circuit current flows from the + E / 3 potential to the DN1, Q5, Q6, and -E potential routes. Therefore, it can be determined that the clamp diode DN1 is short-circuited when the main-electrode voltage Vce when the switching elements Q5 and Q6 are on exceeds the detection level.

図12(d)はスイッチングレグ内のクランプダイオードDN2が短絡状態になったときの短絡電流の電流ルートを示したものである。図12(d)に示したように、スイッチング素子Q6がオンしたとき、−E/3電位からDN2、Q6、そして−E電位のルートで短絡電流が流れる。従ってスイッチング素子Q6のオン時主電極間電圧Vceが検出レベルを超えたとき、クランプダイオードDN2が短絡状態になったと判定できる。   FIG. 12D shows a current route of the short-circuit current when the clamp diode DN2 in the switching leg is short-circuited. As shown in FIG. 12D, when the switching element Q6 is turned on, a short-circuit current flows from the −E / 3 potential to the routes DN2, Q6, and −E potential. Therefore, when the main electrode voltage Vce when the switching element Q6 is on exceeds the detection level, it can be determined that the clamp diode DN2 is short-circuited.

以上述べたように3レベルインバータの場合と同様、スイッチングレグ内の両端部のスイッチング素子のオン時主電極間電圧Vceを監視することによって、クランプダイオードの過電流異常を検出することが可能となる。更にこの両端部に隣り合うスイッチング素子のオン時主電極間電圧Vceを監視すれば、短絡故障したクランプダイオードを特定可能となる。Nレベルインバータの場合、両端部に隣り合う(N−3)個のスイッチング素子のオン時主電極間電圧Vceを監視すれば、短絡故障したクランプダイオードを特定可能となる。   As described above, as in the case of the three-level inverter, it is possible to detect the overcurrent abnormality of the clamp diode by monitoring the main electrode voltage Vce when the switching elements at both ends in the switching leg are on. . Further, by monitoring the main electrode voltage Vce when the switching elements adjacent to both ends are turned on, it is possible to identify the clamp diode having a short-circuit failure. In the case of an N-level inverter, a short-circuited clamp diode can be specified by monitoring the main-electrode voltage Vce when ON of (N-3) switching elements adjacent to both ends.

図13は本発明の実施例4に係る電力変換装置に使用される演算回路7Cの内部構成図の1例である。この実施例4の各部について、図3の実施例1に係る電力変換装置に使用される演算回路の内部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、電圧監視器52乃至55の出力をAND回路71乃至74及びOR回路81乃至84の入力となるように構成した点、また電圧監視器51及び56の出力をOR回路75Cの入力に追加した点である。ここでスイッチングレグの両端部のスイッチング素子の電圧監視器51及び56は、図5に示した遅延付電圧監視器を使用し、中間部のスイッチング素子の電圧監視器52乃至55は、図2に示した遅延なし電圧監視器を使用する。   FIG. 13 is an example of an internal configuration diagram of an arithmetic circuit 7C used in the power conversion apparatus according to Embodiment 4 of the present invention. About each part of this Example 4, the same part as each part of the internal block diagram of the arithmetic circuit used for the power converter device which concerns on Example 1 of FIG. 3 is shown with the same code | symbol, and the description is abbreviate | omitted. The fourth embodiment is different from the first embodiment in that the outputs of the voltage monitors 52 to 55 are configured to be the inputs of the AND circuits 71 to 74 and the OR circuits 81 to 84, and the voltage monitors 51 and 56. Is added to the input of the OR circuit 75C. Here, the voltage monitor 51 and 56 of the switching element at both ends of the switching leg uses the voltage monitor with delay shown in FIG. 5, and the voltage monitor 52 to 55 of the switching element in the middle part is shown in FIG. Use the voltage monitor with no delay shown.

以上の構成によれば、図6に示した3レベルインバータにおける演算回路7Aと同様、比較的簡単な構成で、全ての主回路素子の過電流異常を検出することが可能である。これをNレベルインバータに拡張すると、スイッチングレグ内の何れかの両端部のスイッチング素子のオン時主電極間電圧Vceが検出レベルを超えたか、またはN個の中間部のスイッチング素子のうち任意の2つ以上のスイッチング素子のオン時主電極間電圧Vceが検出レベルを超えたかによって過電流異常の検出が可能になる。   According to the above configuration, it is possible to detect an overcurrent abnormality of all main circuit elements with a relatively simple configuration, like the arithmetic circuit 7A in the three-level inverter shown in FIG. When this is expanded to an N-level inverter, the ON-state main-electrode voltage Vce of the switching elements at either end of the switching leg exceeds the detection level, or any two of the N intermediate switching elements. An overcurrent abnormality can be detected depending on whether the main electrode voltage Vce exceeds the detection level when two or more switching elements are on.

また、3レベルインバータにおける実施例3をNレベルインバータに拡張すると、スイッチングレグ内の何れかの両端部のスイッチング素子の遅延付オン時主電極間電圧Vceが検出レベルを超えたか、またはスイッチングレグ内のスイッチング素子のうち任意の2つ以上の遅延なしオン時主電極間電圧Vceが検出レベルを超えたかによってより素早い過電流異常検出が可能となる。   Further, when the third embodiment in the three-level inverter is expanded to an N-level inverter, the voltage Vce between the main electrodes with delay of the switching elements at both ends in either of the switching legs exceeds the detection level, or in the switching leg. An overcurrent abnormality can be detected more quickly depending on whether or not any two or more of the switching elements in the ON state without delay when the main electrode voltage Vce exceeds the detection level.

通常、過電流異常が検出されたときには、ゲートパルスをブロックし、場合によっては電力変換装置の主回路の遮断器をオフして電力変換装置を停止する。このとき、前述したように電圧監視器からの異常信号が記憶されていれば、どの主回路素子が過電流異常となったのかをある程度特定することが可能となる。   Normally, when an overcurrent abnormality is detected, the gate pulse is blocked, and in some cases, the circuit breaker of the main circuit of the power converter is turned off to stop the power converter. At this time, as described above, if an abnormal signal from the voltage monitor is stored, it is possible to specify to some extent which main circuit element has an overcurrent abnormality.

1 直流電源
2p、2n、2c 直流分圧コンデンサ
3u、3v、3w スイッチングレグ
3u1、3v1、3w1 スイッチングレグ
Q1、Q2、Q3、Q4、Q5、Q6 スイッチング素子
D1、D2、D3、D4、D5、D6 フライホイルダイオード
DP、DN、DP1、DN1、DP2、DN2 クランプダイオード
4 交流電動機
51、51A、51B、52、53、54、55、56 電圧監視器
511 逆阻止用ダイオード
512 比較器
513 検出レベル設定器
514、514A AND回路
515 遅延器
6 制御回路
7、7A、7B、7C 演算回路
71、72,73、74 AND回路
75、75A、75B、75C OR回路
81、82、83,84 OR回路
1 DC power supply 2p, 2n, 2c DC voltage dividing capacitor 3u, 3v, 3w switching leg 3u1, 3v1, 3w1 switching leg Q1, Q2, Q3, Q4, Q5, Q6 switching elements D1, D2, D3, D4, D5, D6 Flywheel diode DP, DN, DP1, DN1, DP2, DN2 Clamp diode 4 AC motor 51, 51A, 51B, 52, 53, 54, 55, 56 Voltage monitor 511 Reverse blocking diode 512 Comparator 513 Detection level setting device 514, 514A AND circuit 515 delay circuit 6 control circuit 7, 7A, 7B, 7C arithmetic circuit 71, 72, 73, 74 AND circuit 75, 75A, 75B, 75C OR circuit 81, 82, 83, 84 OR circuit

Claims (3)

N(Nは3以上の整数)レベルの電位を有する直流電源と、
前記直流電源に並列接続され、夫々フライホイルダイオードを逆並列接続した(N−1)×2個のスイッチング素子の直列接続体と、前記直流電源の(N−2)個の中間電位に
前記直列接続体の中間部を固定するように接続された(N−2)×2個のクランプダイオードで構成される複数個のスイッチングレグと、
前記直列接続体の中点からNレベルの相電圧を得るため、前記スイッチング素子の制御極にゲートパルスを供給する制御手段と、
前記制御手段から各々のスイッチング素子をオンするためのオンパルスが与えられたとき、当該スイッチング素子の主電極間の電圧が所定値以上であるとき異常信号を出力する電圧監視手段と、
前記スイッチングレグ毎に前記電圧監視手段の出力を論理演算して当該スイッチングレグ内の主回路素子の異常を判定する演算手段と
を有し、
前記演算手段は、前記電圧監視手段から何れか必ず2個の前記異常信号が入力されたとき、異常と判断することを特徴とする多レベル電力変換装置。
A DC power source having a potential of N (N is an integer of 3 or more) level;
A series connection of (N−1) × 2 switching elements connected in parallel to the DC power supply and flywheel diodes connected in reverse parallel, and the series connection to (N−2) intermediate potentials of the DC power supply. A plurality of switching legs composed of (N−2) × 2 clamp diodes connected so as to fix an intermediate portion of the connection body;
Control means for supplying a gate pulse to the control pole of the switching element in order to obtain an N-level phase voltage from the midpoint of the series connection body;
Voltage monitoring means for outputting an abnormal signal when the voltage between the main electrodes of the switching element is a predetermined value or more when an ON pulse for turning on each switching element is given from the control means;
Calculating means for logically calculating the output of the voltage monitoring means for each switching leg to determine abnormality of the main circuit element in the switching leg;
The multi-level power converter according to claim 1, wherein when the two abnormal signals are necessarily input from the voltage monitoring unit, the arithmetic unit determines that an abnormality has occurred.
前記演算手段は、The computing means is
前記スイッチングレグの中間部のスイッチング素子の何れか2個の前記異常信号が入力されたとき異常と判断することを特徴とする請求項1に記載の多レベル電力変換装置。2. The multilevel power conversion device according to claim 1, wherein an abnormality is determined when any two of the abnormality signals of switching elements in an intermediate portion of the switching leg are input.
前記演算手段が異常と判断したとき過電流保護動作を行い、装置を停止するようにしたことを特徴とする請求項1または請求項2に記載の多レベル電力変換装置。The multi-level power converter according to claim 1 or 2, wherein when the arithmetic means determines that an abnormality has occurred, an overcurrent protection operation is performed and the apparatus is stopped.
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