JP7111442B2 - 電力変換装置 - Google Patents

Description

本発明の実施形態は、電力変換装置に関する。

交流と直流の間、あるいは直流間、交流間で電力を変換する電力変換器は、主幹制御装置や制御盤等の側で生成されるゲート信号により駆動され、制御される。変換器や制御装置等に不具合が生じ、ゲート信号が異常状態となった場合に、ゲート信号の出力を適切に停止して、電力変換装置全体を保護する必要がある。

ゲート信号の異常時にゲート信号の出力を停止する保護回路には、小容量のサイリスタが用いられることがある。小容量のサイリスタは、応用される用途の縮小、需要の減少にともない、集約傾向にある。

一方、上述のような電力変換装置は、運転年数が長く、製品寿命が長い場合がある。このような電力変換装置を修理し、あるいは将来にわたって安定してユーザに供給するには、ゲート信号の保護回路に集約傾向の電子部品を採用するのを避け、あるいは置き換えて利用できるようにすることが望まれている。

特開平４－３４４１７１号公報

実施形態は、サイリスタを用いないゲート信号の保護回路を備えた電力変換装置を提供する。

実施形態に係る電力変換装置は、直流または交流を他の形式の交流または直流に変換する電力変換器と、前記電力変換器を制御するゲートパルスを生成する制御装置と、を備える。前記制御装置は、光ファイバケーブルを介して前記電力変換器に前記ゲートパルスを送信する発光回路および前記発光回路を駆動する駆動回路の直列回路と、前記直列回路に並列に接続され、異常を検出したときに生成される異常検出信号によって導通する短絡スイッチと、第１接続部および前記第１接続部よりも低電位を有する第２接続部を含み、前記第１接続部および前記第２接続部を介して前記直列回路および前記短絡スイッチに電力を供給する電源回路と、を含む。前記短絡スイッチは、前記第１接続部と前記第２接続部との間に接続されたコンデンサと、前記直列回路に並列に接続された第１導電形の第１トランジスタと、前記第１接続部と前記第１トランジスタの制御端子との間に直列に接続された第２導電形の第２トランジスタと、前記第２トランジスタの制御端子と前記第２接続部との間に接続され、前記異常検出信号を入力したときに導通する前記第１導電形の第３トランジスタと、前記第１トランジスタの制御端子と前記第３トランジスタの制御端子との間に接続された抵抗器と、を含む。

本実施形態では、サイリスタを用いないゲート信号の保護回路を備えた電力変換装置が実現される。

実施形態に係る電力変換装置を例示する模式的なブロック図である。 実施形態の電力変換装置の一部を例示する模式的な回路図である。 実施形態の電力変換装置の動作を説明するための模式的な回路図である。 実施形態の電力変換装置の動作を説明するための模式的な回路図である。 実施形態の電力変換装置の動作を説明するための模式的な回路図である。 比較例の電力変換装置の一部を例示する模式的なブロック図である。

以下、図面を参照しつつ、本発明の実施形態について説明する。
なお、図面は模式的または概念的なものであり、各部分の厚みと幅との関係、部分間の大きさの比率などは、必ずしも現実のものと同一とは限らない。また、同じ部分を表す場合であっても、図面により互いの寸法や比率が異なって表される場合もある。
なお、本願明細書と各図において、既出の図に関して前述したものと同様の要素には、同一の符号を付して詳細な説明を適宜省略する。

図１は、実施形態に係る電力変換装置を例示する模式的なブロック図である。
図１に示すように、実施形態の電力変換装置１０は、ゲート制御装置３０を備える。電力変換装置１０は、電力変換器２０と、変換器制御装置７０と、をさらに備える。

ゲート制御装置（制御装置）３０は、光ファイバケーブル４２を介して電力変換器２０に接続されている。電力変換器２０は、たとえばサイリスタバルブである。ゲート制御装置３０は、端子３１ｃを含み、端子３１ｃを介して変換器制御装置７０に接続されている。

なお、図示しないが、電力変換器２０と変換器制御装置７０は別の光ファイバケーブルによって接続されており、変換器制御装置７０は、電力変換器２０内のサイリスタや入出力される電圧の値や位相を検出し、これらにもとづいて、位相制御パルスを生成して、ゲート制御装置３０に供給する。

ゲート制御装置３０は、端子３１ａ，３１ｂを含み、端子３１ａ，３１ｂを介して直流電圧を入力する。ゲート制御装置３０は、端子３１ａ，３１ｂ間に接続される直流電源によって動作し、変換器制御装置７０によって生成された位相制御パルスを、光ファイバケーブル４２を介して電力変換器２０に供給するゲートパルスに変換する。

ゲート制御装置３０は、ＤＣ／ＤＣ電源回路３２と、停電補償回路３３と、ゲート電流調整回路３４と、短絡スイッチ５０と、監視回路３６と、短絡スイッチ駆動回路３８と、を含む。

ＤＣ／ＤＣ電源回路（電源回路）３２は、端子３１ａ，３１ｂに接続されており、端子３１ａ，３１ｂを介して直流電源が接続される。ＤＣ／ＤＣ電源回路３２の出力には、停電補償回路３３が接続されている。停電補償回路３３の出力には、ゲート電流調整回路３４が接続されている。ゲート電流調整回路（電源回路）３４の出力は、短絡スイッチ５０を介して、発光回路４０および駆動回路３９の直列回路に接続されている。

ＤＣ／ＤＣ電源回路３２は、端子３１ａ，３１ｂを介して入力された電源の直流電圧を、ゲート電流調整回路３４を駆動する直流電圧および電流に変換して供給する。ゲート電流調整回路３４は、駆動回路３９によって駆動された発光回路４０に、必要なパルス電流を供給する。

停電補償回路３３は、たとえば、バッテリや大容量のコンデンサを含んでおり、端子３１ａ，３１ｂ間の直流電圧が遮断されたり、ＤＣ／ＤＣ電源回路３２が正常な出力を出力できなくなったりしたときに、ゲート電流調整回路３４以降の回路に、必要な期間内で動作を継続できる電力を供給する。

短絡スイッチ５０は、発光回路４０および駆動回路３９の直列回路に並列に接続されている。短絡スイッチ５０は、短絡スイッチ駆動回路３８を介して監視回路３６からの信号によって動作する。監視回路３６は、ＤＣ／ＤＣ電源回路３２の入出力の電圧を監視し、これらに異常がある場合に異常検出信号を出力する。監視回路３６は、位相制御パルス等も監視し、位相制御パルス等に位相が発生したときにも、異常検出信号を出力する。短絡スイッチ駆動回路３８は、監視回路３６が出力した異常検出信号を、短絡スイッチ５０を動作させる信号に変換して、短絡スイッチ５０に供給する。

短絡スイッチ５０は、監視回路３６から異常検出信号が出力されると、導通することによって、発光回路４０および駆動回路３９の直列回路の両端を短絡する。そのため、ゲート電流調整回路３４が出力する電流は、短絡スイッチ５０でバイパスされ、発光回路４０の発光が停止される。したがって、ゲートパルスが停止される。

短絡スイッチ５０が短絡状態を維持できる期間内には、ゲートパルスが停止され、その期間内に、たとえば電力変換装置１０の保護連動により停止シーケンスが実行され、あるいは停止シーケンスが完了される。

後に詳述するように、短絡スイッチ５０が短絡状態を維持する期間は、停電補償回路３３が出力を供給できる期間以上とすることができる。そのため、電力変換装置１０の停止シーケンスを実行する十分な期間を確保することができる。

通常の運転状態では、短絡スイッチ５０は非導通状態である。通常の運転状態では、ゲート制御ロジック回路３７が変換器制御装置７０から供給される位相制御パルスにもとづいて、ゲート駆動信号を生成し、駆動回路３９に供給する。駆動回路３９は、ゲート駆動信号にもとづいて発光回路４０に発光のための電流を流すように動作する。

なお、図示しないが、監視回路３６、ゲート制御ロジック回路３７および短絡スイッチ駆動回路３８は、ＤＣ／ＤＣ電源回路３２および停電補償回路３３からの電力供給によって動作する。つまり、異常検出信号が生成されるような異常を検出した場合には、これらの回路は、ＤＣ／ＤＣ電源回路３２または停電補償回路３３から供給される電力で動作するが、供給電力の低下により、動作を維持できなくなる場合がある。

図２は、実施形態の電力変換装置の一部を例示する模式的な回路図である。
図２には、制御装置２０が有する短絡スイッチ５０の詳細な回路が模式的に示されている。
図２に示すように、短絡スイッチ５０は、駆動用ｐ形トランジスタ５１と、駆動用ｎ形トランジスタ５２と、短絡トランジスタ５３と、抵抗器５４と、コンデンサ５５，５６と、スイッチ回路５７と、を含む。駆動用ｐ形トランジスタ５１、駆動用ｎ形トランジスタ５２および短絡トランジスタ５３は、好ましくはＭＯＳＦＥＴである。ＭＯＳＦＥＴに限らず、ＩＧＢＴやバイポーラトランジスタでもよいし、これらを混合して用いてもよい。

短絡スイッチ５０は、接続部３５ａ～３５ｄを含む。接続部３５ａ～３５ｄは、端子でもよいし、配線やプリント基板上で実際に接続された部分等でもよい。短絡スイッチ５０は、接続部３５ａ，３５ｂを介して、ゲート電流調整回路３４に接続され、接続部３５ｃ，３５ｄを介して、発光回路４０および駆動回路３９の直列回路に接続されている。接続部３５ａ，３５ｃおよび接続部３５ｂ，３５ｄは、それぞれ同電位であり、それぞれ１つの接続部であってもよい。これらの接続部３５ａ～３５ｄは、図１にも示されている。

短絡トランジスタ５３は、接続部３５ｃ，３５ｄ間に接続されている。短絡トランジスタ５３は、ｎ形のトランジスタである。短絡トランジスタ５３のドレイン端子は高電位側の接続部３５ｃに接続され、ソース端子は低電位側の接続部３５ｄに接続されている。

駆動用ｐ形トランジスタ５１は、高電位側の接続部３５ａと短絡トランジスタ５３のゲート端子との間に接続されている。駆動用ｐ形トランジスタ５１のソース端子は、逆流防止回路５８を介して、接続部３５ａに接続され、ドレイン端子は短絡トランジスタ５３のゲート端子に接続されている。

駆動用ｎ形トランジスタ５２は、駆動用ｐ形トランジスタ５１のゲート端子と低電位側の接続部３５ｂとの間に接続されている。駆動用ｎ形トランジスタ５２のドレイン端子は駆動用ｐ形トランジスタのゲート端子に接続され、ソース端子は接続部３５ｂに接続されている。

駆動用ｎ形トランジスタ５２のゲート端子は、スイッチ回路５７を介して接続部３５ａに接続されている。この例では、スイッチ回路５７と接続部３５ａとの間に分圧回路５９が接続されている。分圧回路５９は、接続部３５ａ，３５ｂ間に入力される電圧を分圧する。分圧される電圧は、駆動用ｎ形トランジスタ５２のゲート－ソース間にしきい値以上の適切な電圧が印加されるように設定されている。

駆動用ｎ形トランジスタ５２のゲート－ソース間には、コンデンサ５６が接続されている。分圧回路５９は、スイッチ回路５７を閉じたときに、コンデンサ５６に流入する電流を抑制する。分圧回路５９は逆流防止用ダイオードを有しており、短絡スイッチ５０閉じているときに、コンデンサ５６の両端電圧が分圧回路５９を介して放電されることを防止する。

抵抗器５４は、駆動用ｐ形トランジスタ５１のドレイン端子（つまり、短絡トランジスタ５３のゲート端子）と駆動用ｎ形トランジスタ５２のゲート端子との間に接続されている。後に詳述するが、駆動用ｐ形トランジスタ５２がオンしてドレイン端子の電位が上昇すると、抵抗器５４を介して駆動用ｎ形トランジスタ５２のゲート端子の電位を引き上げる。ゲート端子の電位が駆動用ｎ形トランジスタ５２のしきい値よりも高く引き上げられることによって、駆動用ｎ形トランジスタ５２はオン状態を継続することができる。そして、駆動用ｎ形トランジスタ５２がオンし続けることによって、駆動用ｐ形トランジスタ５１もオン状態を継続することができる。

スイッチ回路５７は、監視回路３６から異常検出信号が出力されたときに回路を閉じる。スイッチ回路５７が閉じることによって、駆動用ｎ形トランジスタ５２のゲート－ソース間に分圧回路５９の分圧比に応じた電圧が印加される。

コンデンサ５５は、接続部３５ａ，３５ｂの間に接続されている。コンデンサ５５の高電位側の端子および駆動用ｐ形トランジスタ５１のソース端子は、逆流防止回路５８を介して接続部３５ａに接続されている。逆流防止回路５８は、短絡スイッチ５０が動作中にコンデンサ５５の両端の電圧が低下しないように設けられている。この例では、逆流防止回路５８は、ゲート電流調整回路３４からコンデンサ５５に突入電流が流れるのを防止するために電流制限用の抵抗器が設けられている。

駆動用ｎ形トランジスタ５２、駆動用ｐ形トランジスタ５１および短絡トランジスタ５３は、任意の適切なトランジスタとすることができる。これらのトランジスタについては、駆動のための電流をほとんど必要としないことから、ＭＯＳＦＥＴやＩＧＢＴ等のゲート絶縁型のトランジスタとすることが好ましい。

実施形態の電力変換装置１０の短絡スイッチ５０の動作について説明する。
図３～図５は、実施形態の電力変換装置の動作を説明するための模式的な回路図である。
図３～図５には、図２とほぼ同じ回路図が示されており、電流経路Ａ～Ｃが示されている。

図３に示すように、異常検出信号が出力されると、スイッチ回路５７が回路を閉じる。異常検出信号は、後述する比較例の短絡スイッチをサイリスタとする場合に、サイリスタをターンオンできる程度のパルス幅を有するパルス信号である。つまり、パルス信号のパルス幅の期間だけスイッチ回路５７が閉じられる。

スイッチ回路５７が閉じることによって、電流経路Ａが形成される。電流経路Ａは、接続部３５ａ、分圧回路５９およびコンデンサ５６を含む経路である。コンデンサ５６は電流経路Ａによって充電される。コンデンサ５６には、駆動用ｎ形トランジスタ５２のゲート端子が並列に接続されており、コンデンサ５６の両端電圧の上昇に応じてゲートソース間の電圧Ｖｇｓが上昇する。

図４に示すように、駆動用ｎ形トランジスタ５２のゲート－ソース間電圧がしきい値電圧よりも十分高くなることによって、駆動用ｎ形トランジスタ５２がオンする。駆動用ｎ形トランジスタ５２がオンすることによって、電流経路Ｂが形成される。

電流経路Ｂは、コンデンサ５５、駆動用ｎ形トランジスタ５２および駆動用ｐ形トランジスタ５１のゲート端子を含む経路である。この経路で電流が流れることによって、駆動用ｐ形トランジスタ５１のソース－ゲート間の電圧Ｖｓｇが駆動用ｐ形トランジスタ５１のしきい値に達すると、駆動用ｐ形トランジスタ５１がオンする。

図５に示すように、駆動用ｐ形トランジスタ５１がオンすることによって、電流経路Ｃが形成される。電流経路Ｃは、コンデンサ５５、駆動用ｐ形トランジスタ５１および短絡トランジスタ５３のゲート端子を含んでいる。

電流経路Ｃによって、短絡トランジスタ５３のゲート－ソース間に短絡トランジスタ５３のしきい値を超える電圧Ｖｇｓが印加されると、短絡トランジスタ５３はオンする。短絡トランジスタ５３がオンすることによって、接続部３５ｃ，３５ｄ間が短絡される。

駆動用ｐ形トランジスタ５１がオンすると、駆動用ｐ形トランジスタ５１のドレイン端子の電位が上昇する。駆動用ｐ形トランジスタ５１のドレイン端子に接続された抵抗器５４によって、駆動用ｎ形トランジスタ５２のゲート－ソース間の電圧は駆動用ｎ形トランジスタ５１のしきい値以上に維持される。そのため、駆動用ｎ形トランジスタ５２はオン状態を維持し、駆動用ｐ形トランジスタ５２もオン状態を維持することができる。

駆動用ｎ形トランジスタ５２および駆動用ｐ形トランジスタ５１がオン状態を維持できる期間では、短絡トランジスタ５３のゲート－ソース間には、短絡トランジスタ５３のしきい値以上の電圧Ｖｇｓが印加される。そのため、短絡トランジスタ５３もオン状態を維持することができる。

コンデンサ５５には、ゲート電流調整回路３４を介して、停電補償回路３３から電力が供給される。コンデンサ５５は、供給された電荷で充電されており、停電補償回路３３の出力が低下しても、コンデンサ５５は、蓄積した電荷を維持することができる。

短絡トランジスタ５３のゲート側のインピーダンスを十分高くすることによって、コンデンサ５５から放電される電荷量を十分小さくすることができ、短絡トランジスタ５３のオン状態を十分長い時間維持することができる。

なお、短絡スイッチ５０の構成について、トランジスタの極性を入れ替えても、同様の動作および効果を実現することができる。

実施形態の電力変換装置の効果について、比較例の電力変換装置の場合と比較しつつ説明する。
図６は、比較例の電力変換装置の一部を例示する模式的なブロック図である。
図６に示すように、比較例の電力変換装置では、接続部３５ａ，３５ｃと接続部３５ｂ，３５ｄとの間に接続された短絡スイッチ１５０は、サイリスタ１５３を含む。サイリスタ１５３は、アノード端子を接続部３５ａ，３５ｃに接続され、カソード端子を接続部３５ｂ，３５ｄに接続されている。なお、図６では、接続部３５ａ，３５ｂよりも前の回路は、図１の場合と同様のため、図示が省略されている。

サイリスタ１５３のゲート端子は、短絡スイッチ駆動回路３８（図１）を介して、監視回路３６（図１）に接続されている。

サイリスタ１５３は、監視回路３６から異常検出信号が出力されると、導通することによって、発光回路４０および駆動回路３９の直列回路の両端を短絡する。サイリスタ１５３は、ゲート端子に入力されるパルスが消失しても、ゲート電流調整回路３４を介して、停電補償回路３３から供給される電流で動作する。サイリスタ１５３に流れる電流が、そのサイリスタ１５３の保持電流を下回ると、サイリスタ１５３は、ターンオフする。

つまり、比較例の場合には、サイリスタ１５３に流れる電流が、保持電流以上の場合に保護状態が維持されるが、保持電流を下回ると、保護状態が解除されてしまう。そのため、サイリスタ１５３の保持電流特性および停電補償回路３３の出力特性を適切に設定するために、十分な検討や合わせ込みが必要となる。

これに対して、実施形態の電力変換装置では、短絡スイッチ５０がコンデンサ５５を含んでいるため、コンデンサ５５に蓄積されたエネルギによって、短絡トランジスタ５３のオン状態が維持される。たとえば、停電補償回路３３の出力が低下しても、コンデンサ５５に蓄積されたエネルギによって、短絡スイッチ５０の動作状態が維持され、十分な時間の保護状態を確保することができる。そのため、停電補償回路３３の出力特性によらず、短絡スイッチ５０を設定することができる。

駆動用ｎ形トランジスタ５２、駆動用ｐ形トランジスタ５１および短絡トランジスタ５３には、ＭＯＳＥＦＥＴやＩＧＢＴ等の高入力抵抗を有するスイッチ素子を用いることによって、動作のための電力消費を十分小さくすることができる。そのため、コンデンサの静電容量値を小さくして小形にすることができ、実装スペースを十分小さくすることができる。

駆動用ｎ形トランジスタ５２、駆動用ｐ形トランジスタ５１を上述のとおり接続し、抵抗器５４で正帰還をかけることによって、駆動用ｎ形トランジスタ５２および駆動用ｐ形トランジスタ５１のオン状態を維持することができる。駆動用ｎ形トランジスタ５２および駆動用ｐ形トランジスタ５１のオン状態が維持されることによって、短絡トランジスタ５３のゲートを駆動する電圧出力を維持することができる。

スイッチ回路５７の異常検出信号の入力インタフェースを適切に設定することによって、サイリスタ１５３による短絡スイッチ１５０をそのまま置き換えることができる。そのため、すでに設置された電力変換装置の点検や修理等の際に、少ない工数で短絡スイッチ１５０を短絡スイッチ５０に置き換えることができる。

上述の具体例では、主として、サイリスタバルブ用のゲート制御装置における保護回路について説明したが、上述の保護回路は、サイリスタバルブのような他励式の変換器に限らず、自励式の変換器にも適用することができる。上述のようなゲート制御回路を自励式に変換器に適用することによって、上述と同様の効果を得ること可能である。

以上説明した実施形態によれば、サイリスタを用いないゲート信号の保護回路を備えた電力変換装置を実現することができる。

以上、本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他のさまざまな形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明およびその等価物の範囲に含まれる。また、前述の各実施形態は、相互に組み合わせて実施することができる。

１０ 電力変換装置、２０ 電力変換器、３０ ゲート制御装置、３２ ＤＣ／ＤＣ電源回路、３３ 停電補償回路、３４ ゲート電流調整回路、３６ 監視回路、３７ ゲート制御ロジック回路、３８ 短絡スイッチ駆動回路、３９ 駆動回路、４０ 発光回路、４２ 光ファイバケーブル、７０ 変換器制御装置

Claims (5)

1. 直流または交流を他の形式の交流または直流に変換する電力変換器と、
   前記電力変換器を制御するゲートパルスを生成する制御装置と、
   を備え、
   前記制御装置は、
   光ファイバケーブルを介して前記電力変換器に前記ゲートパルスを送信する発光回路および前記発光回路を駆動する駆動回路の直列回路と、
   前記直列回路に並列に接続され、異常を検出したときに生成される異常検出信号によって導通する短絡スイッチと、
   第１接続部および前記第１接続部よりも低電位を有する第２接続部を含み、前記第１接続部および前記第２接続部を介して前記直列回路および前記短絡スイッチに電力を供給する電源回路と、
   を含み、
   前記短絡スイッチは、
   前記第１接続部と前記第２接続部との間に接続されたコンデンサと、
   前記直列回路に並列に接続された第１導電形の第１トランジスタと、
   前記第１接続部と前記第１トランジスタの制御端子との間に直列に接続された第２導電形の第２トランジスタと、
   前記第２トランジスタの制御端子と前記第２接続部との間に接続され、前記異常検出信号を入力したときに導通する前記第１導電形の第３トランジスタと、
   前記第１トランジスタの制御端子と前記第３トランジスタの制御端子との間に接続された抵抗器と、
   を含む電力変換装置。
2. 前記短絡スイッチは、前記コンデンサから前記電源回路への電流流出を防止する逆流防止手段を含む請求項１記載の電力変換装置。
3. 前記電源回路は、電源の供給が遮断された場合に、所定の期間、前記第１接続部および前記第２接続部を介して、電力供給する停電補償回路を含み、
   前記停電補償回路が動作した場合に、前記コンデンサの両端の電圧は、前記第１接続部および前記第２接続部の間に出力する電圧よりも高い値を維持する請求項１または２に記載の電力変換装置。
4. 前記第１トランジスタ、前記第２トランジスタおよび前記第３トランジスタは、絶縁ゲート型のトランジスタである請求項１～３のいずれか１つに記載の電力変換装置。
5. 前記第１導電形はｎ形であり、
   前記第２導電形はｐ形である請求項４記載の電力変換装置。

Images