JP5982289B2 - 過電圧保護回路 - Google Patents

Description

本発明は、過電圧保護回路に関する。

一般に、電力変換装置では、コンデンサを過電圧から保護するための過電圧保護回路を設けることが知られている。

例えば、コンデンサと並列に接続された過電圧保護回路において、負荷に印加される電圧が一定電圧以上になったときには、コンデンサをサイリスタで短絡することが開示されている（特許文献１参照）。また、スイッチングトランスの制御電圧用の巻線の経路が断線したときに出力電圧が上昇するのを抑制し、平滑コンデンサ等の破壊を防止する過電圧保護回路が開示されている（特許文献２参照）。さらに、ＩＧＢＴ(insulated gate bipolar transistor)のコレクタ電圧が所定の電圧を超えるとＩＧＢＴのゲート電圧をゲートしきい値電圧より高くして、ＩＧＢＴのコレクタ電圧への過電圧印加を防止することが開示されている（特許文献３参照）。また、コンデンサの過電圧を検出するとオンになるスイッチを介して接続された抵抗器により、コンデンサに蓄えられた電荷を放電することが開示されている（特許文献４参照）。

特開平７−１６３０４４号公報 特開平１１−１７８３３１号公報 特開２００３−１３４７９６号公報 特開２０１０−１７８５４０号公報

しかしながら、コンデンサの過電圧を検出して、保護動作を行う場合、保護動作の高速化には限界がある。例えば、コンデンサの過電圧を絶縁アンプを介して検出する場合、絶縁アンプの動作速度により、保護動作の高速化が制限される。

そこで、本発明の目的は、過電圧保護動作を高速化した過電圧保護回路を提供することにある。

本発明の観点に従った過電圧保護回路は、コンデンサを過電圧から保護するための過電圧保護回路であって、抵抗と、前記抵抗と直列に接続され、ターンオンすると前記コンデンサが放電する電圧駆動型スイッチング素子と、前記コンデンサの過電圧が検出されると送信される前記電圧駆動型スイッチング素子をターンオンする信号を受信する信号受信手段と、前記電圧駆動型スイッチング素子に設けられたアクティブクランプ回路と、前記アクティブクランプ回路の動作を検出するアクティブクランプ回路動作検出手段と、前記信号受信手段により前記電圧駆動型スイッチング素子をターンオンする信号を受信した場合又は前記アクティブクランプ回路動作検出手段により前記アクティブクランプ回路の動作を検出した場合、前記電圧駆動型スイッチング素子をターンオンするターンオン手段とを備える。

本発明によれば、過電圧保護動作を高速化した過電圧保護回路を提供することができる。

本発明の第１の実施形態に係る過電圧保護回路の構成を示す構成図。 本発明の第２の実施形態に係る過電圧保護回路の構成を示す構成図。 本発明の第３の実施形態に係る過電圧保護回路の構成を示す構成図。 本発明の第４の実施形態に係る過電圧保護回路の構成を示す構成図。 本発明の第５の実施形態に係る過電圧保護回路の構成を示す構成図。

以下図面を参照して、本発明の実施形態を説明する。

（第１の実施形態）
図１は、本発明の第１の実施形態に係る過電圧保護回路１０の構成を示す構成図である。なお、図面における同一部分には同一符号を付してその詳しい説明を省略し、異なる部分について主に述べる。

コンデンサ３１は、過電圧保護回路１０の保護対象である。コンデンサ３１は、電力変換装置の電力変換回路を構成する素子である。例えば、コンデンサ３１は、インバータ回路の直流側に設けられるコンデンサである。

コンデンサ電圧検出器３２は、コンデンサ３１の電圧を検出する。コンデンサ電圧検出器３２は、検出したコンデンサ電圧を制御装置２０に出力する。

制御装置２０は、コンデンサ３１が設けられている電力変換装置を制御する装置である。制御装置２０には、コンデンサ３１の過電圧保護機能が設けられている。ここでは、制御装置２０は、過電圧保護機能について主に説明し、他の部分（電力変換制御など）については説明を省略する。

制御装置２０の過電圧保護機能は、絶縁アンプ２１、比較器２２、及びゲートパルス信号出力部２３で構成される。

絶縁アンプ２１は、コンデンサ電圧検出器３２により検出されたコンデンサ電圧Ｖｃを絶縁して、比較器２２に出力する。比較器２２は、絶縁アンプ２１から入力されたコンデンサ電圧Ｖｃと予め設定された基準電圧Ｖｒ１を比較する。比較器２２による比較結果が基準電圧Ｖｒ１よりもコンデンサ電圧Ｖｃの方が高い場合、比較器２２は、過電圧であると判断して、コンデンサ３１を保護するための信号をゲートパルス信号出力部２３に出力する。ゲートパルス信号出力部２３は、比較器２２から信号を受信すると、過電圧保護回路１０のＩＧＢＴ３をターンオンさせるためのゲートパルス信号を過電圧保護回路１０に出力する。

過電圧保護回路１０は、過電圧保護制御部１、抵抗２、ＩＧＢＴ(insulated gate bipolar transistor)３、アクティブクランプ回路４、ゲート回路５、及びゲート電圧検出器６を備える。

抵抗２は、コンデンサ３１から放電された電力を消費するための素子である。ＩＧＢＴ３は、電圧駆動型のスイッチング素子である。抵抗２及びＩＧＢＴ３は、直列に接続されている。直列に接続された抵抗２及びＩＧＢＴ３は、コンデンサ３１に並列に接続されている。抵抗２及びＩＧＢＴ３で構成される回路は、過電圧保護回路１０の基本構成である。ＩＧＢＴ３がオンされると、コンデンサ３１が放電する。放電された電力が抵抗２により消費されることで、コンデンサ電圧Ｖｃが低下する。

アクティブクランプ回路４は、ＩＧＢＴ３のコレクタ―エミッタ間のサージ電圧を抑制するための回路である。アクティブクランプ回路４は、ＩＧＢＴ３のゲートとコレクタを接続するように設けられている。アクティブクランプ回路４は、ツェナーダイオード４１及び抵抗４２が直列に接続された回路である。ＩＧＢＴ３のコレクタ―エミッタ間にツェナーダイオード４１のツェナー電圧以上の電圧が印加されると、アクティブクランプ回路４は、コレクタ―エミッタ間の電圧がツェナー電圧とほぼ等しくなるまで、ＩＧＢＴ３をターンオンするように電流を流す。ツェナーダイオード４１のツェナー電圧は、コンデンサ３１が過電圧とならない上限値（または、過電圧となる下限値）とほぼ等しくなるようにしている。

ゲート回路５は、ＩＧＢＴ３を駆動するための回路である。ゲート回路５は、入力された信号に基づいて、ＩＧＢＴ３をターンオン又はターンオフするためのゲート信号を出力する。

ゲート電圧検出器６は、ＩＧＢＴ３のゲート電圧Ｖｇを検出する。ゲート電圧検出器６は、検出したゲート電圧Ｖｇを過電圧保護制御部１に出力する。

過電圧保護制御部１は、ゲート電圧検出器６により検出されたゲート電圧Ｖｇに基づいて、コンデンサ３１の過電圧保護をするための制御をする。また、過電圧保護制御部１は、制御装置２０から入力されたゲートパルス信号に基づいて、コンデンサ３１の過電圧保護をするための制御をする。

過電圧保護制御部１は、比較器１１、ターンオン信号出力部１２、及びＯＲ回路１３で構成されている。

比較器１１は、ゲート電圧検出器６により検出されたゲート電圧Ｖｇと予め設定されている基準電圧Ｖｒ２を比較する。例えば、基準電圧Ｖｒ２は、ＩＧＢＴ３のゲート閾値電圧に設定されている。ゲート電圧Ｖｇが基準電圧Ｖｒ２よりも高い場合、比較器１１は、アクティブクランプ回路４が動作したと判断して、コンデンサ３１を保護するための信号をターンオン信号出力部１２に出力する。

ターンオン信号出力部１２は、比較器１１から信号を受信すると、過電圧保護回路１０のＩＧＢＴ３をターンオンさせるためのターンオン信号をＯＲ回路１３に出力する。

ＯＲ回路１３には、ターンオン信号出力部１２から出力されたターンオン信号及び制御装置２０から出力されたゲートパルス信号が入力される。ＯＲ回路１３は、入力された２つの信号の論理和に従って、ゲート回路５にＩＧＢＴ３を駆動するための信号を出力する。即ち、ＯＲ回路１３は、制御装置２０からのゲートパルス信号がターンオンを示しているか、ターンオン信号出力部１２からターンオン信号が入力されると、ＩＧＢＴ３をターンオンする。

次に、過電圧保護回路１０による保護動作について説明する。

ＩＧＢＴ３は、通常時（コンデンサ３１が過電圧でない時）はオフされている。このとき、ＩＧＢＴ３のゲート電圧Ｖｇは、オフレベルである。

コンデンサ３１が過電圧になると、ＩＧＢＴ３のコレクタ−エミッタ間にも、通常より高い電圧が印加される。これにより、アクティブクランプ回路４のツェナーダイオード４１が降伏する。即ち、アクティブクランプ回路４が動作する。ツェナーダイオード４１が降伏すると、ＩＧＢＴ３のコレクタ−エミッタ間の電圧がツェナー電圧とほぼ等しくなるまで、ＩＧＢＴ３をターンオンする。このとき、ＩＧＢＴ３のゲート電圧は、通常時のオフレベルよりも高くなる。

アクティブクランプ回路４が動作すると、コンデンサ３１の電圧上昇が抑制される。しかし、アクティブクランプ回路４の動作では、ツェナーダイオード４１にコンデンサ電圧Ｖｃがクランプされるだけで、コンデンサ３１は、ほとんど放電されない。

過電圧保護制御部１は、ゲート電圧Ｖｇがオフレベルよりも上昇したことを検出することで、アクティブクランプ回路４が動作したと判断する。過電圧保護制御部１は、アクティブクランプ回路４の動作を検出すると、ＩＧＢＴ３をターンオンさせる。

ＩＧＢＴ３がターンオンすると、コンデンサ３１の電荷が抵抗２により消費されることで、コンデンサ電圧Ｖｃが下がる。これにより、コンデンサ３１の過電圧状態が解消される。

本実施形態によれば、ＩＧＢＴ３にアクティブクランプ回路４を設け、アクティブクランプ回路４の動作をＩＧＢＴ３のゲート電圧Ｖｇにより検出することで、コンデンサ３１の過電圧の検出を高速化することができる。これにより、過電圧保護回路１０は、コンデンサ３１の過電圧保護を高速化することができる。

（第２の実施形態）
図２は、本発明の第２の実施形態に係る過電圧保護回路１０Ａの構成を示す構成図である。

過電圧保護回路１０Ａは、図１に示す第１の実施形態に係る過電圧保護回路１０において、ゲート電圧検出器６の代わりに電圧検出器６Ａを設け、過電圧保護制御部１の代わりに過電圧保護制御部１Ａを設けたものである。その他の点は、第１の実施形態に係る過電圧保護回路１０と同様である。

電圧検出器６Ａは、アクティブクランプ回路４の抵抗４２の電圧Ｖａを検出する。なお、電圧検出器６Ａにより検出される電圧は、アクティブクランプ回路４の動作を判断できるような電圧であれば、どの箇所の電圧でもよい。従って、アクティブクランプ回路４に抵抗が素子として設けられていなければ、他の素子の電圧でもよい。

過電圧保護制御部１Ａは、図１に示す第１の実施形態に係る過電圧保護制御部１において、比較器１１の代わりに比較器１１Ａを設けた構成である。その他の点は、第１の実施形態に係る過電圧保護制御部１と同様である。

比較器１１Ａは、電圧検出器６Ａにより検出された電圧Ｖａと予め設定されている基準電圧Ｖｒ３を比較する。基準電圧Ｖｒ３は、アクティブクランプ回路４が動作したと判断できる電圧の下限値（又は、アクティブクランプ回路４が動作していないと判断できる電圧の上限値）である。電圧Ｖａが基準電圧Ｖｒ３よりも高い場合、比較器１１Ａは、アクティブクランプ回路４が動作したと判断して、コンデンサ３１を保護するための信号をターンオン信号出力部１２に出力する。

本実施形態によれば、アクティブクランプ回路４の内部で発生する電圧Ｖａを検出することで、アクティブクランプ回路４の動作を検出することができる。これにより、第１の実施形態と同様の作用効果を得ることができる。

（第３の実施形態）
図３は、本発明の第３の実施形態に係る過電圧保護回路１０Ｂの構成を示す構成図である。

過電圧保護回路１０Ｂは、図１に示す第１の実施形態に係る過電圧保護回路１０において、電圧検出器６の代わりに電流検出器７を設け、過電圧保護制御部１の代わりに過電圧保護制御部１Ｂを設けたものである。その他の点は、第１の実施形態に係る過電圧保護回路１０と同様である。

電流検出器７は、アクティブクランプ回路４が動作したときに流れる電流Ｉａを検出する。なお、電流検出器７により検出される電流は、アクティブクランプ回路４の動作を判断できるような電流であれば、何処を流れる電流でもよい。

過電圧保護制御部１Ｂは、図１に示す第１の実施形態に係る過電圧保護制御部１において、比較器１１の代わりに比較器１１Ｂを設けた構成である。その他の点は、第１の実施形態に係る過電圧保護制御部１と同様である。

比較器１１Ｂは、電流検出器７により検出された電流Ｉａと予め設定されている基準電流Ｉｒを比較する。基準電流Ｉｒは、アクティブクランプ回路４が動作したと判断できる電流の下限値（又は、アクティブクランプ回路４が動作していないと判断できる電圧の上限値）である。電流Ｉａが基準電流Ｉｒよりも大きい場合、比較器１１Ｂは、アクティブクランプ回路４が動作したと判断して、コンデンサ３１を保護するための信号をターンオン信号出力部１２に出力する。

本実施形態によれば、アクティブクランプ回路４に流れる電流Ｉａを検出することで、アクティブクランプ回路４の動作を検出することができる。これにより、第１の実施形態と同様の作用効果を得ることができる。

（第４の実施形態）
図４は、本発明の第４の実施形態に係る過電圧保護回路１０Ｃの構成を示す構成図である。

過電圧保護回路１０Ｃは、図１に示す第１の実施形態に係る過電圧保護回路１０において、過電圧保護制御部１の代わりに過電圧保護制御部１Ｃを設けたものである。その他の点は、第１の実施形態に係る過電圧保護回路１０と同様である。

過電圧保護制御部１Ｃは、図１に示す第１の実施形態に係る過電圧保護制御部１において、比較器１１の代わりに比較器１１Ｃを設けた構成である。その他の点は、第１の実施形態に係る過電圧保護制御部１と同様である。

比較器１１Ｃは、コンデンサ３１を保護するための信号をターンオン信号出力部１２に出力し、過電圧保護回路１０Ｃの外部に設けられた制御装置２０Ｃにも、コンデンサ３１が過電圧であることを示す信号を出力する。その他の点は、第１の実施形態に係る比較器１１と同様である。

制御装置２０Ｃは、過電圧保護回路１０Ｃの過電圧保護制御部１Ｃから信号を受信することで、コンデンサ３１が過電圧状態であることを認識する。制御装置２０Ｃは、この信号を受信すると、正式な過電圧保護動作として、ＩＧＢＴ３をターンオンするためのゲートパルス信号をゲートパルス信号出力部２３から出力する。その他の点は、第１の実施形態に係る制御装置２０と同様である。

本実施形態によれば、第１の実施形態による作用効果に加え、以下の作用効果を得ることができる。

過電圧保護制御部１Ｃがアクティブクランプ回路４の動作を検出して、制御装置２０Ｃに出力することで、制御装置２０Ｃは、コンデンサ３１を過電圧保護するための正式なゲートパルス信号を、コンデンサ電圧Ｖｃを測定して検出するよりも早く出力することができる。また、制御装置２０Ｃから出力される正式なゲートパルス信号によりＩＧＢＴ３がターンオンされるまでは、過電圧保護制御部１Ｃにより、ＩＧＢＴ３をターンオンするため、ＩＧＢＴ３の過電圧保護を早い段階からすることができる。これにより、過電圧保護回路１０Ｃは、総合的にＩＧＢＴ３の過電圧保護を高速化することができる。

（第５の実施形態）
図５は、本発明の第５の実施形態に係る過電圧保護回路１０Ｄの構成を示す構成図である。

過電圧保護回路１０Ｄは、図１に示す第１の実施形態に係る過電圧保護回路１０において、過電圧保護制御部１の代わりに過電圧保護制御部１Ｄを設けたものである。その他の点は、第１の実施形態に係る過電圧保護回路１０と同様である。

過電圧保護制御部１Ｄは、図１に示す第１の実施形態に係る過電圧保護制御部１において、比較器１１とターンオン信号出力部１２との間にワンショット回路１４を設けたものである。その他の点は、第１の実施形態に係る過電圧保護制御部１と同様である。

ワンショット回路１４は、ターンオン信号出力部１２からターンオン信号が入力されると、ＩＧＢＴ３をターンオンさせる信号を予め設定された一定期間出力する。一定期間の終了時点は、例えば、制御装置２０から出力された正式な過電圧保護のためのゲートパルス信号によりＩＧＢＴ３がターンオンするまでである。即ち、ワンショット回路１４は、制御装置２０による正式な過電圧保護によりＩＧＢＴ３がターンオンされるまでの間、ＩＧＢＴ３を仮にターンオンさせておくためものである。

ターンオン信号出力部１２は、ワンショット回路１４からターンオン信号が入力されている間、ＯＲ回路１３を介してゲート回路５にＩＧＢＴ３をターンオンする信号を出力し続ける。

本実施形態によれば、第１の実施形態による作用効果に加え、以下の作用効果を得ることができる。

ＩＧＢＴ３をターンオンするターンオン信号を、ワンショット回路１４から出力することで、ＩＧＢＴ３を一定期間確実にターンオンさせておくことができる。これにより、コンデンサ３１の過電圧保護を確実に行うことができる。

各実施形態において、制御装置２０の過電圧保護機能を説明したが、過電圧保護機能はどのように構成されていてもよいし、なくてもよい。

第１から第３の実施形態において、アクティブクランプ回路４の動作を検出する構成を説明したが、これらに限らない。アクティブクランプ回路４の動作が検出できれば、どのように構成してもよい。

第４の実施形態では、第１の実施形態を基にした構成で説明したが、他の実施形態を基にした構成でもよい。また、過電圧保護回路１０Ｃがアクティブクランプ回路４の動作を検出した場合に信号を出力する先は、制御装置２０Ｃに限らず、どのような装置又は機器に出力してもよい。さらに、この信号を受信した装置（制御装置２０Ｃも含む）は、ゲートパルス信号を出力することに限らず、どのような動作をさせてもよい。例えば、この信号を受信した装置は、コンデンサ３１が過電圧状態であることを表示器に表示させてもよい。

第５の実施形態では、第１の実施形態を基にした構成で説明したが、他の実施形態を基にした構成でもよい。例えば、第４の実施形態を基に、第５の実施形態を構成する場合、制御装置２０Ｃから正式なゲートパルス信号が出力される時点の予測がし易くなるため、ワンショット回路１４に設定するワンショットを出力する時間の長さを適切に決めることができる。

第５の実施形態では、ワンショット回路１４を用いて説明したが、ＩＧＢＴ３を一定期間ターンオンさせておくことができれば、どのように構成してもよい。例えば、ワンショット回路１４の代わりにオフディレイを用いてもよいし、ＡＮＤ（論理積）回路を用いて、他の条件と組み合わせてＩＧＢＴ３をターンオンさせる信号を出力してもよい。

なお、本発明は上記実施形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。また、上記実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組合せにより、種々の発明を形成できる。例えば、実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよい。さらに、異なる実施形態にわたる構成要素を適宜組み合わせてもよい。

１…過電圧保護制御部、２…抵抗、３…ＩＧＢＴ、４…アクティブクランプ回路、５…ゲート回路、６…ゲート電圧検出器、１０…過電圧保護回路、１１…比較器、１２…ターンオン信号出力部、１３…ＯＲ回路、２０…制御装置、２１…絶縁アンプ、２２…比較器、２３…ゲートパルス信号出力部、３１…コンデンサ、３２…コンデンサ電圧検出器。

Claims (8)

1. コンデンサを過電圧から保護するための過電圧保護回路であって、
   抵抗と、
   前記抵抗と直列に接続され、ターンオンすると前記コンデンサが放電する電圧駆動型スイッチング素子と、
   前記コンデンサの過電圧が検出されると送信される前記電圧駆動型スイッチング素子をターンオンする信号を受信する信号受信手段と、
   前記電圧駆動型スイッチング素子に設けられたアクティブクランプ回路と、
   前記アクティブクランプ回路の動作を検出するアクティブクランプ回路動作検出手段と、
   前記信号受信手段により前記電圧駆動型スイッチング素子をターンオンする信号を受信した場合又は前記アクティブクランプ回路動作検出手段により前記アクティブクランプ回路の動作を検出した場合、前記電圧駆動型スイッチング素子をターンオンするターンオン手段と
   を備えることを特徴とする過電圧保護回路。
2. 前記アクティブクランプ回路動作検出手段は、前記電圧駆動型スイッチング素子のゲート電圧に基づいて、前記アクティブクランプ回路の動作を検出すること
   を特徴とする請求項１に記載の過電圧保護回路。
3. 前記アクティブクランプ回路動作検出手段は、前記アクティブクランプ回路で発生する電圧に基づいて、前記アクティブクランプ回路の動作を検出すること
   を特徴とする請求項１に記載の過電圧保護回路。
4. 前記アクティブクランプ回路動作検出手段は、前記アクティブクランプ回路に流れる電流に基づいて、前記アクティブクランプ回路の動作を検出すること
   を特徴とする請求項１に記載の過電圧保護回路。
5. 前記アクティブクランプ回路動作検出手段により前記アクティブクランプ回路の動作を検出した場合、前記コンデンサが過電圧であることを示す信号を外部に出力するコンデンサ過電圧信号出力手段
   を備えることを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の過電圧保護回路。
6. 前記ターンオン手段は、予め設定された期間、前記電圧駆動型スイッチング素子をターンオンすること
   を特徴とする請求項１から請求項５のいずれか１項に記載の過電圧保護回路。
7. コンデンサを含む電力変換回路と、
   抵抗と、
   前記抵抗と直列に接続され、ターンオンすると前記コンデンサが放電する電圧駆動型スイッチング素子と、
   前記コンデンサの過電圧が検出されると送信される前記電圧駆動型スイッチング素子をターンオンする信号を受信する信号受信手段と、
   前記電圧駆動型スイッチング素子に設けられたアクティブクランプ回路と、
   前記アクティブクランプ回路の動作を検出するアクティブクランプ回路動作検出手段と、
   前記信号受信手段により前記電圧駆動型スイッチング素子をターンオンする信号を受信した場合又は前記アクティブクランプ回路動作検出手段により前記アクティブクランプ回路の動作を検出した場合、前記電圧駆動型スイッチング素子をターンオンするターンオン手段と
   を備えることを特徴とする電力変換装置。
8. 抵抗と電圧駆動型スイッチング素子を直列に接続した回路がコンデンサに並列に接続され、前記コンデンサを過電圧から保護するための過電圧保護方法であって、
   前記コンデンサの過電圧が検出されると送信される前記電圧駆動型スイッチング素子をターンオンする信号を受信し、
   前記電圧駆動型スイッチング素子にアクティブクランプ回路を設け、
   前記アクティブクランプ回路の動作を検出し、
   前記電圧駆動型スイッチング素子をターンオンする信号を受信した場合又は前記アクティブクランプ回路の動作を検出した場合、前記電圧駆動型スイッチング素子をターンオンすること
   を含むことを特徴とする過電圧保護方法。

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