JPH06217558A

JPH06217558A - 電力変換装置

Info

Publication number: JPH06217558A
Application number: JP5021867A
Authority: JP
Inventors: Minoru Yanagisawa; 実柳沢; Shinichi Morita; 慎一森田
Original assignee: Sanyo Electric Co Ltd; Sanyo Denki Co Ltd
Current assignee: Sanyo Electric Co Ltd; Sanyo Denki Co Ltd
Priority date: 1993-01-14
Filing date: 1993-01-14
Publication date: 1994-08-05

Abstract

(57)【要約】【目的】電力変換装置において、高速で電流耐量の大
きい過電流保護回路を提供すること。【構成】半導体スイッチＱ１，Ｑ２で構成したブリッ
ジ回路とこのブリッジの直流部に設けたコンデンサＣで
構成した電力を変換する装置において、ブリッジ回路と
コンデンサとを結線してつくる閉ループの中の導体Ｓに
生じるリアクタンス電圧ドロップの大きさから半導体ス
イッチに流れる電流が正常か否かを判定する電流センシ
ング装置を備えた電力変換装置。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は電力用半導体スイッチを
用いた電力変換装置に関する。電力変換装置に生じる重
大な故障の１つに内部で短絡事故が発生して半導体スイ
ッチに過大な電流が流れこれを破壊し、また他にも波及
障害をもたらす例がある。本発明はこの対策に使う信頼
性の高い大電流センサを提供するもので、配線の持つ自
己インダクタンスをセンサとして使う。つまり、流れる
電流の増加率から短絡事故の発生を予見する電流センサ
である。実際に流れる電流のレベルをセンシングする従
来の電流センサに較べて、過電流のレベルに至る前に、
すなわち電流レベルがまだ小さい時期に短絡事故の発生
を知り得るので極めて高速なセンサを構成できる。電流
の増加率が大きいと、その微分値ｄｉ／ｄｔが大きく
なり、僅かでもインダクタンスＬがあればそれらの積
Ｌ×ｄｉ／ｄｔは大きくなり、センシング情報として十
分活用できるレベルをもつ。このセンシング電圧は流れ
る電流の大きさに影響されずリニアな特性を示し、また
信号レベルが高いのでＳ／Ｎ比が高くなりノイズとの識
別も容易である、つまり信頼性も高いものとなる。すな
わち本発明はこのようなセンサを用いて電力用半導体ス
イッチに流れる電流が短絡事故等で過大になるか否かを
判断する過電流センシング装置を備えた電力変換装置に
関する。

【０００２】

【従来の技術】電力用半導体スイッチ、例えばバイポー
ラ・トランジスタ，ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar
transister ）等（以下、代表的なバイポーラ・トラン
ジスタを例にとって説明する。以下、単にトランジスタ
と略称する。）を使って交流電力を直流電力に（整流装
置）、あるいは直流電力を交流電力に変換する（インバ
ータ）ことは今日、一般的に行われている。この電力変
換装置では図５に示すように直列接続されたトランジス
タが直流電源（ここではコンデンサＣが電荷を蓄えてい
るのでこれを直流電源とみてよい）に並列に接続されて
いるために、故障あるいは誤動作によって両方のトラン
ジスタが同時にオンとなるようなことがあると直流電源
を短絡することになり、両トランジスタの過電流破壊に
とどまらず大きな波及障害を引き起こす。このためトラ
ンジスタを破壊に至る過電流から守り、障害を最小限に
抑えることが重要な課題になる。ここで重要な働きをす
るのは本発明に関わる過電流情報を得る電流センサであ
る。

【０００３】図５に電力変換装置の１つであるＵＰＳ
（交流無停電電源装置）を示す。ブロックＲＥＣは整流
器部で商用の交流電源からの電力を受電しこれを直流電
力に変換する。ブロックＲＥＣは、トランジスタとダイ
オードとを逆並列に接続した半導体スイッチを２組直列
接続してブリッジ回路とし、このブリッジを３組並列接
続して三相整流器としている。このトランジスタを使っ
た整流器は入力整流波形の正弦波化、および入力力率を
改善するために一般に使われているものである。ブロッ
クＦｉｌは電解コンデンサＣを主として構成し平滑フィ
ルターと電気エネルギー蓄積の機能を持つ。必要によっ
てはバッテリーを電解コンデンサＣに並列接続しエネル
ギー蓄積の能力を高める。ブロックＩＮＶはインバータ
部で直流電力を所望の周波数，電圧レベルをもつ交流電
力に変換し外部の交流負荷に給電する。ブロックＩＮＶ
はブリッジを３組使って三相インバータとしている。各
ブリッジを構成する２組の半導体スイッチは外部の制御
装置の指令に従って、オン，オフ動作し、同時にオンし
ないようにして使用する。電解コンデンサＣの回路に接
続してあるＳは電流センサである。一般にホール素子を
使って電流を計測するＤＣＣＴ（直流変流器）や電流メ
ータ等で計測する際に使う分流器が使われる。

【０００４】次に電力変換装置の故障について述べる。
６個あるブリッジの内、例えばトランジスタＱ１，Ｑ２
からなるブリッジについて述べる。正常なスイッチング
動作状態ではトランジスタＱ１とＱ２は外部から与えら
れる制御信号に従って交互にオン・オフ動作を繰り返
し、流れる電流はトランジスタの電流定格容量より小さ
いレベルに抑えられている。このときブリッジのトラン
ジスタＱ１，Ｑ２が同時にオンしてしまったとする。
（これは、例えばＱ２が正常動作でオンしている期間
に、正常ならオフしているべきＱ１が偶発故障で壊れオ
ンしてしまった場合や、制御回路の誤動作あるいはノイ
ズの侵入によってＱ１がオンした場合などに起こるトラ
ブルである。）この時、電解コンデンサＣに蓄えられた
電荷がトランジスタＱ１，Ｑ２の同時オンによって生じ
た短絡ループに流れ出し、電流ｉ_sは大電流となる。放
置すれば、正常なトランジスタＱ２，Ｑ１（外部から誤
った制御信号が侵入したのであればＱ１そのものは正常
品である）は過電流による破壊に至る。トランジスタＱ
１，Ｑ２は過電流によって破壊すると内部が熱的に溶融
して最後にはオープンになり、結果として短絡電流ｉ_s
はゼロに減少する。この電流ｉ_sの急激な減少が問題を
発生する。すなわち、短絡ループの配線が僅かではある
が持つインダクタンスＬと電流の変化分によって生じる
スパイク状サージ電圧Ｌ×ｄ（ｉ_s）／ｄｔが大きくなり、このサージ電圧が電解コンデンサＣの電
圧に重畳されて他のブリッジに加わりこれらを過電圧破
壊にいたらしめる。そこで短絡電流ｉ_sが過大に増加す
る前に電流センサＳによって得たセンシング情報を基に
過電流を判定してトランジスタＱ１，Ｑ２を強制的にオ
フさせることによってトランジスタＱ１，Ｑ２の過電流
破壊および他のトランジスタの過電圧破壊から保護する
処置がとられる。

【０００５】短絡事故が生じたときの電流等を図６を使
って説明する。それまでブリッジのトランジスタＱ１，
Ｑ２に正常な電流ｉ₀が流れているとき、期間ｔ₀で短
絡が発生し、トランジスタＱ１，Ｑ２の両方が通電を始
めると、短絡電流ｉ_sが増加を始める。この短絡電流が
ステップ状に急峻に増加せずに一定の勾配をもって増加
しているのは電流ｉ_sの流れるループに配線材の抵抗，
インダクタンス等のインピーダンスがあるためである。
短絡電流ｉ_sが増加して時間ｔ₁で過電流判定レベルｉ
_smax に達すると過電流になったと判定する。その後セ
ンシング情報の処理による遅れがでて時間ｔ₂でトラン
ジスタＱ１，Ｑ２をオフさせる処理がとられる。従来例
ではこのような短絡電流ｉ_sが過電流判定レベルｉ_sma
x まで増加した結果を見て判定しているのでｉ_smax を
実際にトランジスタが破壊する電流値より余裕をみて小
さく設定する必要がある。これは通常の状態で流れる電
流ｉ₀のレベルをｉ_smax より十分下げて使うことにな
り、トランジスタの利用率が悪くなる。（ｉ_sをｉ_sma
x に近い値に設定するとノイズによる誤動作が起こり易
くなるので実用上はｉ_sとｉ_smax の差を大きく取
る。）また、トランジスタを緊急遮断する電流がｉ_sma
x を超えた大きな値であり、かつ、遮断電流は急速に減
少する（ｔ₂，ｔ₃の期間）ので、先に述べたサージ電
圧Ｌ×ｄ（ｉ_s）／ｄｔが大きくなり、他の健全なブ
リッジのトランジスタを過電圧破壊に至らしめる危険性
が高くなる。このため強力な過電圧抑制処置をとる必要
がある。また、次に述べるように信頼性も十分高いとは
いえない。電流センサーにＤＣＣＴを使った場合には電
流値が過大になると内部のホールセンサが飽和して感度
が鈍くなること、また分流器を使った場合には分流器の
直流電圧降下が小さく（分流器の抵抗分を大きくすると
電解コンデンサの効果が損なわれるので、抵抗値は小さ
い値で使わざるを得ない）そのため、得られる電流セン
シング情報が小さなレベルしかなくノイズとの識別がで
きないで誤ったセンシング情報を与え易い。つまり、信
頼性が十分に高くない。これらが従来の過電流保護系の
欠点であった。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】本発明は上記の欠点を
改善するために提案されたもので、その目的は、高速で
あり、電流耐量の大きい、またノイズの影響を受けにく
い過電流保護回路を提供することにある。

【０００７】

【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
め、本発明は半導体スイッチで構成したブリッジ回路と
このブリッジの直流部に設けたコンデンサで構成した電
力を変換する装置において、ブリッジ回路とコンデンサ
とを結線してつくる閉ループの中の導体Ｓに生じるリア
クタンス電圧ドロップの大きさから半導体スイッチに流
れる電流が正常か否かを判定する電流センシング装置を
備えたことを特徴とする電力変換装置を発明の要旨とす
るものである。

【０００８】

【作用】本発明においては、短絡電流のレベルが小さい
時期に短絡を予知できるので、迅速に保護機構を動作さ
せて半導体素子を破壊から保護しうる作用を有するもの
である。

【０００９】

【実施例】次に本発明の実施例について説明する。図１
に本発明の第１の実施例を示す。図５で短絡電流の説明
に使った部分に相当する回路を抜き出してある。図５と
異なるのは電流センサＳに代わって配線材ＸＹ（インダ
クタンス分ｌ_xy）を使っているところにある。配線材Ｘ
Ｙは他の部分の配線材と同じ材料、例えばケーブルやバ
ー（板状配線材）でよい。ＸＹはインダクタンスを利用
するので導体であればよく材質や形状を問わない。つま
り、ＸＹにバーを使い、他はケーブルを使ってもよい。

【００１０】次に実施例の動作を説明する。図２は過電
流発生時の電流波形，検出情報等を示す。トランジスタ
Ｑ１，Ｑ２の何れか一方が電流ｉ₀を通電しているとき
に時間ｔ₀で両トランジスタが同時にオンする事故が生
じたとする。電解コンデンサＣからの短絡電流ｉ_sが流
れ始める（図２Ａ）。これは従来例と同じである。この
短絡電流ｉ_sの増加率ｄｉ_s／ｄｔをきめるのは短絡
ループの配線インピーダンスである。容量の大きい電力
変換装置であれば装置の効率を高めるために配線材の直
流抵抗を低く抑えて設計しているので配線インピーダン
スの主たる成分は配線のインダクタンス（ｌ₁，ｌ₂，
ｌ₃，ｌ₄，ｌ₅，ｌ_xy）である。短絡電流ｉ_sは次の
関係を満足するように増加する。（電解コンデンサの電圧）＝Ｌ×ｄｉ_s／ｄｔただしＬ＝ｌ₁＋ｌ₂＋ｌ₃＋ｌ₄＋ｌ₅＋ｌ_xy 短絡発生時にセンサＸＹに生じる電圧、つまりリアクタ
ンス電圧ドロップは電解コンデンサＣの電圧をインダク
タンスＬとｌ_xyで分圧した大きさでほぼ一定のレベルに
なる。（例えば電解コンデンサの電圧を３００Ｖ，Ｌが
１μＨでｌ_xyが０．１μＨであればセンサＸＹに生じる
電圧は３００×０．１／１＝３０Ｖの大きさになる。
これだけのレベルが得られればノイズレベルより十分に
高いのでＳ／Ｎ比の高いセンシング情報になる。）本発
明の電流センサは電流の増加率ｄｉ_s／ｄｔによって発
生するリアクタンス電圧ドロップ（ｄｉ_s／ｄｔが一定
ならリアクタンス電圧ドロップは一定値となる：図２
Ｂ）から判断するので従来の過電流判定レベルｉ_smax
に至る前であっても短絡事故が生じたことを知り得る。
つまり過電流に至る途中の段階で過電流に至ることを予
見し得る、予見形のセンサであり極めて高速に過電流情
報をキャッチできる。ちなみに１ｍのケーブルのつくる
ループは約１μＨのインダクタンスを有する。また短絡
時に流れる電流ｉ_sの増加率は３００，０００，０００
Ａ／sec （＝３００Ｖ／１μＨ）であり、１マイクロ秒
当たり３００Ａも増加するほど急速であるためセンシン
グが遅れるとトランジスタを保護できないことになる。
電流の増加した結果を見てそれから判断する従来のセン
シング法では処置の遅れが出やすいという問題がある。
本発明では電流レベルがまだ小さい時期に、その電流の
増加の勾配から過電流になることを予測判定するので極
めて高速に短絡事故の情報が得られる。従ってトランジ
スタの保護を時間的にゆとりを持って行うことができ
る。

【００１１】なお、電流ｉ_sの変化率が急速であれば電
流レベル自体が小さくてもリアクタンス電圧ドロップは
大きくなる。従って、短絡事故発生時以外にこのような
リアクタンス電圧ドロップが生じる場合の誤った短絡電
流発生情報の発生を抑える必要がある。図２（Ｃ）およ
び図３でこの場合を説明する。半導体スイッチにおいて
トランジスタと逆並列に接続して使われるダイオードは
順方向に通電した直後は逆方向に電圧を印加すれば逆方
向に電流を流してしまうという欠点がある。従って、例
えば図４（Ａ）でトランジスタＱ_i2と逆並列接続してい
るダイオードＤ_i2が通電して出力端子Ｏ_iから電流が流
れ出ている状態でトランジスタＱ_i1をオンさせるとダイ
オードＤ_i2の特性が回復するまでの期間には疑似短絡電
流ｉ_sxが流れる。この現象は通常のスイッチング動作で
必ず見られるものである。（この場合の逆方向のインピ
ーダンスは極めて小さく一般に短絡とみなせる大きさで
ある。また、逆方向特性が回復して逆方向の通電が止ま
るまでの時間はシリコン・ダイオードの例で０．２〜
０．５マイクロ秒である）

【００１２】図２（Ｃ），図３（センサＸ_iＹ_iに生じ
たセンシング信号の処理回路例）で疑似短絡電流ｉ_sxの
検出をマスクする方法を説明する。センシングしたリア
クタンス電圧ドロップをＲ_s，Ｃ_s積分回路で受けＣ_s
の電圧が基準のツエナーダイオードＺｄの電圧に達する
時間ｔ₁（図２Ｃ）で初めて短絡故障発生と判定して短
絡発生情報を送出する。ツエナーダイオードＺｄが通電
すると、トランジスタＱ_s1がオンし、これにともないト
ランジスタＱ_s2のベース電流が流れこれをオンして出力
に信号がでる。コンデンサＣ_sの電圧はセンシング電圧
の入力時点ｔ₀にくらべ遅れて増加するのでＲ_s，Ｃ_s
の定数を選んで疑似短絡電流の発生している期間（０．
２〜０．５マイクロ秒）にはツエナーダイオードの作動
電圧に達しないようにする。時間ｔ₁で過電流センシン
グ情報を得て、その後処理にとられる時間ｔ′₁で両ト
ランジスタを緊急遮断する信号を発生する（図２Ｅ）。
このトランジスタ電流ｉ_sの緊急遮断時（時間ｔ₂）の
電流レベルは図６の過電流判定レベルｉ_smax に比べ十
分低いのでこれを遮断することによって生じるサージ電
圧はエネルギーが小さいので特別なサージ電圧抑制処置
をとらなくてもよい。この場合、リアクタンス電圧ドロ
ップが過大になってから一定時間は過電流センシング情
報の送出を停止させるのであるが、この一定時間は半導
体スイッチを構成するダイオードの逆方向の特性回復時
間より長くすることが必要である。

【００１３】図４は本発明の第２の実施例を示す。ブリ
ッジ回路，電流センサ，電解コンデンサでユニットを構
成して（図４Ａ）、このユニットを６個使ってＵＰＳを
構成している（図４Ｂ）。図１の実施例では電解コンデ
ンサとブリッジまでの距離、すなわち配線材の長さが異
なる（ｌ_xyは一定であるがＬが変わる）。このため短絡
を起こしたブリッジの違いによってセンシングする短絡
電流の大きさが変わってしまい、この変化分を制御回路
の方で見込んで使う必要がある。この欠点をなくすため
に配線長、従ってインダクタンスＬの大きさを一定にな
るようにしたのが図４の実施例である。電解コンデン
サ，ブリッジ，電流センサで図４（Ａ）のような実装ユ
ニットを構成する。電解コンデンサＣ_iの容量は図１の
実施例で必要とするコンデンサ容量を分割した容量でよ
い。あるいは、図４（Ｂ）のＣ₀のように一部のコンデ
ンサを共通に置き、一部を図４（Ａ）のように分散配置
してもよい。また、共通にＣ₀を置く場合には、分散し
て置くコンデンサの容量は大きくなくてもよいので電解
コンデンサに代わって寿命の長い、例えばフィルムコン
デンサを使ってもよい。電流センサＸ_iＹ_iはインダク
タンスを使うので材料は配線材でよい。電流センサの配
置は図４（Ａ）のようにブリッジ回路側でもよいし、図
１のように電解コンデンサ側でもよい。要は、トランジ
スタＱ_i1，Ｑ_i2が同時にオンした際の電解コンデンサＣ
_iからの短絡電流が流れるループに入っていればよい。
実装構造を同じとする図４（Ａ）のユニットをもって図
４（Ｂ）のように電力変換装置を構成すれば短絡電流の
センシングの条件は各ユニットとも同じであるから精度
の高い電流センシング装置が得られる。

【００１４】

【発明の効果】電力変換装置の内部の短絡故障発生時に
これをセンシングする方法として、本発明は従来の増加
した電流値そのものをセンシングする方法に代わって、
電流の増加率をセンシングする方法を提案している。短
絡電流のレベルがまだ小さい時期に短絡したことが予見
できるので迅速に保護機構を動作させて半導体素子を破
壊から護ることができる。従来の方法は短絡電流が増加
した結果を見て判定するので処置が遅れることを前提に
して半導体素子に余裕を見込んで置く必要があったが、
本発明では保護動作が高速で、しかも実際の電流が危険
な過電流に至るまえにセンシングできるので半導体素子
は余裕を大きく取る必要がなくなり、半導体の利用率の
高い経済設計ができる。また、過電流遮断時に発生する
サージ電圧のエネルギーが小さいので従来のような特別
なサージ電圧抑制処置は必要としない。電流増加率を見
るセンサとしては導体のインダクタンスを使う。導体と
しては配線材そのものを使うことができ廉価であり、こ
れ自体の信頼性は極めて高い。しかもインダクタンスが
電流によって飽和することもなく、センシング情報のレ
ベルも十分に高いのでノイズに強い、信頼性の高いセン
シング装置が構成できる効果を有する。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の電力変換装置の第１の実施例を示す。

【図２】図１の例における短絡電流の検出を説明する図
である。（Ａ）はトランジスタに流れる電流、（Ｂ）は
リアクタンス電圧ドロップ、（Ｃ）はコンデンサＣ_sの
電圧、（Ｄ）は過電流センシング情報、（Ｅ）はトラン
ジスタの緊急オフ信号である。

【図３】センサ回路の一部を示す。

【図４】本発明の第２の実施例である。

【図５】従来例を示したものである。

【図６】従来例の短絡電流の検出を説明する図である。

【符号の説明】

ｌ₁〜ｌ₅，ｌ_xy インダクタンスＱ１，Ｑ２，Ｑ_s1,Ｑ_s2，Ｑ_i1,Ｑ_i2 トランジスタＲ_s 抵抗Ｃ_s,Ｃ₀ コンデンサＺｄツエナーダイオードＤ_{i1 ,}Ｄ_i2 ダイオード

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】半導体スイッチで構成したブリッジ回路
とこのブリッジの直流部に設けたコンデンサで構成した
電力を変換する装置において、ブリッジ回路とコンデンサとを結線してつくる閉ループ
の中の導体Ｓに生じるリアクタンス電圧ドロップの大き
さから半導体スイッチに流れる電流が正常か否かを判定
する電流センシング装置を備えたことを特徴とする電力
変換装置。
【請求項２】半導体スイッチとコンデンサとの組み合
わせをユニットとし、このユニットを複数用いて装置を
構成し、各ユニットにおいて導体のリアクタンス電圧ド
ロップを電流センシングの対象としたことを特徴とする
請求項１記載の電力変換装置。
【請求項３】リアクタンス電圧ドロップが過大になっ
てから一定期間は過電流センシングの情報の送出を停止
させ、この一定期間を半導体スイッチを構成するダイオ
ードの逆方向の特性回復時間より長くすることを特徴と
する請求項１または２記載の電力変換装置。
【請求項４】短絡電流が流れる回路からの短絡電流の
誘導電圧が印加される積分回路と、前記積分回路の出力
側に直列に挿入されたツエナーダイオードと、前記ツエ
ナーダイオードの出力が与えられる、スイッチ作動用の
トランジスタとを備えるセンサを具備することを特徴と
する請求項１記載の電力変換装置。