JPH0691752B2 - 電力変換装置のア−ム短絡電流検出回路 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 この発明は、電力変換装置を構成している半導体スイッ
チ素子のそれぞれに、電流上昇率抑制用のリアクトルを
直列に接続し、また電圧変化率抑制用のスナバ回路を並
列に接続し、これらリアクトルとスナバ回路とに蓄積さ
れたエネルギーを、電源側に返還するようにしている電
力変換装置が、アーム短絡事故を生じたときの事故電流
を素早く検出する回路に関する。

〔従来例〕

第４図は電力変換装置の基本概念をあらわした主回路接
続図であって、直流を単相交流に変換する場合に示して
いる。

この第４図において、符号３から６までの４個のスイッ
チ素子を単相ブリッジ接続することで、単相インバータ
２が形成されている。この単相インバータ２において、
スイッチ素子３と６とを同時にオン・オフ動作を繰返え
させるとともに、スイッチ素子４と５とを同時に、上記
とは逆位相でオフ・オン動作を繰返えさせることによ
り、直流電源１からの直流電力が、交流電力に変換され
て負荷７へ供給されるのは周知である。

第５図は第４図に図示の単相インバータのスイッチ素子
部分の従来例をあらわした回路図であって、第４図に示
す単相インバータ２の第１相正極側アームを構成してい
る符号３なるスイッチ素子の詳細回路図であるが、他の
スイッチ素子も同様の構成である。

この第５図において、符号30は自己消弧能力を有する半
導体スイッチ素子としてのゲートターンオフサイリスタ
（以下ではGTOサイリスタと略記する）であって、このG
TOサイリスタ30には、無効電流を通流させるための還流
ダイオード31が逆並列接続されている。このGTOサイリ
スタ30には、これが消弧したときの電圧の立上り速度を
適当な値に抑制するとともに、配線の浮遊インダクタン
スに蓄えられていたエネルギーを吸収して、当該GTOサ
イリスタ30に印加される電圧を適当な値に抑制するため
の、スナバコンデンサ32が並列に接続されている。なお
このスナバコンデンサ32には、直列にスナバダイオード
32Dが設けられ、さらにスナバコンデンサ32に蓄えられ
たエネルギーを、GTOサイリスタ30が次回に点弧したと
きに消費させるための、スナバ抵抗32Rが設けられてい
る。またこのGTOサイリスタ30には、これが点弧したと
きの電流の立上り速度を適当な値に抑制するための、ア
ノードリアクトル33が直列に接続されており、このアノ
ードリアクトル33に蓄えられたエネルギーを、当該GTO
サイリスタ30が次回に点弧するまでに消費費させるため
の、放電抵抗33Rと放電ダイオード33Dとの直列回路が、
当該アノードリアクトル33に並列接続されている。

ところで、これらスナバ抵抗32Rと放電抵抗33Rで消費さ
れるエネルギーは、GTOサイリスタ30の単位時間当りの
オン・オフの回数、すなわちスイッチング周波数の上昇
に伴って増大する性質を有する。それ故、スイッチング
周波数が高い電力変換装置では、大きなエネルギーを消
費させるための、これら抵抗器の体積はきわめて大であ
り、またこれに発生する熱を放散させるために、各種の
工夫と費用が必要となるし、当該電力変換装置の効率も
低下することとなる。

そこで、これらスナバコンデンサ32やアノードリアクト
ル33に蓄えられたエネルギーを、抵抗器により熱にして
無駄に放散させることなく、なんらかのエネルギー回収
手段によって回収し、これを有効利用できる方法が望ま
れることになる。

第６図はスナバコンデンサとアノードリアクトルの蓄積
エネルギーを回収する従来例を示した回路図であって、
第４図に示す単相インバータ２の第１相正極側アームの
詳細回路図である。なお、この第６図における負荷７、
半導体スイッチ素子としてのGTOサイリスタ30、還流ダ
イオード31、スナバコンデンサ32、スナバダイオード32
Dおよびアノードリアクトル33は、第５図において既述
のものと、その名称・用途・機能は同じであるから、こ
れらの説明は省略する。

この第６図に示す従来例回路と第５図で既述の回路とを
比較すると、スナバ抵抗32R、放電抵抗33Rおよび放電ダ
イオード33Dが取除かれ、その代りに補助ダイオード34
と補助電源35とが新たに設けられ、スナバコンデンサ32
とアノードリアクトル33の蓄積エネルギーを、補助ダイ
オード34を介して補助電源35へ回収するようにしてい
る。

第７図は、第６図に示す従来例回路におけるGTOサイリ
スタが、導通状態から遮断状態へ移行するときの、各部
の動作をあらわした動作波形図であって、第７図（イ）
はスナバコンデンサ32に流れる電流の変化を、第７図
（ロ）はスナバコンデンサ32の電圧の変化を、第７図
（ハ）はアノードリアクトル33に流れる電流の変化を、
第７図（ニ）は補助電源35へ流れる電流の変化を、それ
ぞれがあらわしている。

当初、GTOサイリスタ30が導通状態にあるとき、電流は
正極Ｐ→アノードリアクトル33→GTOサイリスタ30→負
荷７の径路で流れているのが、T₁なる時刻にGTOサイリ
スタ30が遮断状態に移行すると、電流はスナバ回路に転
流するので、正極Ｐ→アノードリアクトル33→スナバダ
イオード32D→スナバコンデンサ32→負荷７の径路で電
流が流れ続ける。この電流によりスナバコンデンサ32の
電圧は上昇し、GTOサイリスタ30のアノード・カソード
間電圧が増大して、当該GTOサイリスタ30は遮断状態に
向う。この遮断状態に向う途中のT₂なる時刻に、補助ダ
イオード34は順バイアスされて導通し、アノードリアク
トル33に蓄積されていたエネルギーは、アノードリアク
トル33→スナバダイオード32D→補助ダイオード34→補
助電源35なる径路で、補助電源35へ回収されることにな
る。

第８図は、第６図に示す従来例回路におけるGTOサイリ
スタが、遮断状態から導通状態へ移行するときの、各部
の動作をあらわした動作波形図であって、第８図（イ）
はスナバコンデンサ32を流れる電流の変化を、第８図
（ロ）はスナバコンデンサ32の電圧の変化を、第８図
（ハ）はアノードリアクトル33に流れる電流の変化を、
第８図（ニ）は補助電源35へ流れる電流の変化を、それ
ぞれがあらわしている。

この第８図において、GTOサイリスタ30が遮断状態にあ
るとき、スナバコンデンサ32は充電された状態にある。
ここでT₄なる時刻にGTOサイリスタ30が導通状態に移行
すると、スナバコンデンサ32の蓄積電荷は、スナバコン
デンサ32→補助ダイオード34→補助電源35→アノードリ
アクトル33→GTOサイリスタ30の径路で放電されるの
で、結局このスナバコンデンサ32の蓄積エネルギーは補
助電源35へ返還されることになる。なお、このスナバコ
ンデンサ32の放電時間には、当該スナバコンデンサ32と
アノードリアクトル33とによる振動電流が実際には重量
されるのであるが、第８図においては、この振動電流の
図示は省略している。

ところで、第４図に図示の単相インバータ２において、
第１相正極側のスイッチ素子３が導通しているとき、こ
れに対向しているスイッチ素子、すなわち第１相負極側
のスイッチ素子５は非導通状態であらねばならない。も
しも制御装置の故障や、その他の原因で、負極側のスイ
ッチ素子５も導通状態になると、直流電源１は導通状態
にあるスイッチ素子３と５により短絡されることになる
が、これをアーム短絡と称する。

直流電源１の電圧をＥ、回路のインダクタンス値をＬと
すると、アーム短絡時にスイッチ素子３と５とに流れる
電流はE/Lなる上昇率で急速に増大し、ごく短時間でス
イッチ素子３と５を破損させてしまうことになる。アノ
ードリアクトル33は、この電流上昇率を緩和させるため
に挿入するのであるが、このアノードリアクトル33のイ
ンダクタンス値を大きくすることは、各種の不都合を生
じるのであまり大きな値にはできない。そこでスイッチ
素子3,5を過電流破壊から守るために、アーム短絡事故
の発生を素早く検出し、短絡電流が小さな値である期間
中に、当該スイッチ素子3,5を遮断状態にしたり、バイ
パス回路を形成させて短絡電流をバイパスさせるなどの
対策を講じる必要がある。

第９図はアーム短絡による事故電流を検出する従来例を
示した回路図であって、正極側と負極側とに設けられて
いる半導体スイッチ素子としてのGTOサイリスタ30と5
0、還流ダイオード31と51、スナバコンデンサ32と52、
スナバダイオード32Dと52D、スナバ抵抗32Rと52R、アノ
ードリアクトル33と53、放電ダイオード33Dと53D、放電
抵抗33Rと53R、および負荷７は、既に説明済みのものと
その名称・用途・機能は同じである。

この第９図においては、GTOサイリスタ30,50と、アノー
ドリアクトル33,53との間に、それぞれ電流検出器36,56
を設置し、その電流検出器36,56の出力を、それぞれコ
ンパレータ36A,56Aを介して論理積素子11へ入力させる
ようにしている。すなわち、GTOサイリスタ30と50が同
時に導通するアーム短絡事故時には、アーム短絡電流が
アノードリアクトル33,53などのインダクタンス値で定
まる時定数で上昇しつつ流れるのを、電流検出器36と56
とで検出し、このアーム短絡電流の大きさが、所定値を
上廻ったことをコンパレータ36Aと56Aがともに検出する
と、論理積素子11は、その出力がＬレベルからＨレベル
に変化して、アーム短絡事故を検出する。

ただし、電力変換装置が通常に運転しているとき、GTO
サイリスタ30と50のいずれか一方が遮断状態から導通状
態に移行するときに、他方のGTOサイリスタのスナバコ
ンデンサを充電する電流が短時間流れるが、この充電電
流は、コンパレータ36Aまたは56Aの動作レベル値よりも
大であることが普通であるため、アーム短絡事故と同様
な現象を呈する。そこでGTOサイリスタ30または50が遮
断状態から導通状態に移行する時点で、ごく短時間、こ
のアーム短絡事故の検出手段を無効にする必要があり、
そのために、前述のようにして得られた論理積素子11の
出力信号と、上述のごとく短時間をカバーするためのマ
スク信号とを論理積素子12へ入力させ、この論理積素子
12の出力がＨレベルに変化したことをもって、アーム短
絡事故と判定するようにしている。

〔発明が解決しようとする問題点〕

半導体スイッチ素子にアノードリアクトルとスナバ回路
とを付属させ、かつこれらアノードリアクトルとスナバ
回路とに蓄積されたエネルギーを回収しない場合には、
アーム短絡検知のための電流検出器の挿入位置は、第９
図に図示の位置でよいことは勿論であるが、この第９図
における正極側Ｐとアノードリアクトル33との間、ある
いはGTOサイリスタ30と負荷７への引出線との間でも差
支えない（これは正極側アームの場合であって、負荷側
アームの場合もこれに同じ）のであるが、構造的には前
者の方が好ましい。（なぜならば、後者の場合、GTOサ
イリスタ30のカソードと、GTOサイリスタ50のアノード
とは同電位であるため、両者を共通の冷却体に装着する
ことから、後者の位置に電流検出器を挿入することはほ
とんど不可能である。） 第10図はアノードリアクトルとスナバ回路の蓄積エネル
ギーを回収する場合の従来例回路である。この第10図に
おける負荷７、半導体スイッチ素子としてのGTOサイリ
スタ30と50、還流ダイオード31と51、スナバコンデンサ
32と52、スナバダイオード32Dと52D、アノードリアクト
ル33と53、補助ダイオード34と54、および補助電源35と
55は既述のとおりであるから、これらの名称・用途・機
能についての説明は省略する。

ところで、第10図に示す回路図では、アーム短絡検知の
ための電流検出器を挿入するのに適した場所が得られな
いという大きな問題点がある。

たとえば、アノードリアクトル33,53とGTOサイリスタ3
0,50との間、すなわち第10図におけるＡ点あるいはＢ点
に電流検出器を挿入しても、GTOサイリスタ30が遮断状
態から導通状態に移行したときに、エネルギー回収回路
があるために、電流検出器は大きな電流を長時間検出す
ることになる（第８図（ハ）参照）。すなわち、アーム
短絡事故が発生していなくても、GTOサイリスタ30また
は50が遮断状態から導通状態に変化するたびごとに、正
極側と負極側の過電流検知用コンパレータが、長い期間
動作することになる。そこでアーム短絡を誤認しないよ
うにしているマスク期間を長く設定しなければならず、
実際にアーム短絡事故が発生した場合に、マスク期間終
了後にこの事実を検知したときは、既にアーム短絡電流
が大きな値になっていて、素子破壊などを生じ、保護が
十分に行われないおそれがある。

なお第10図のＣ点あるいはＤ点に電流検出器を挿入する
のは、事実上不可能に近いことは、第９図において説明
済みである。

そこでこの発明の目的は、アノードリアクトルとスナバ
回路に蓄積されたエネルギーを回収するように構成され
ている電力変換装置の、アーム電流検出のために、適切
な手段を講じることにより、アーム短絡事故によるアー
ム短絡電流を、確実に検出しようとするものである。

〔問題点を解決するための手段〕

上記の目的を達成するために、この発明のアーム短絡電
流検出回路は、半導体スイッチ素子と環流ダイオードと
を逆並列接続してなるスイッチ回路の一端をリアクトル
を介して直流電源の一端に、前記スイッチ回路の他端を
負荷の一端に接続し、前記半導体スイッチ素子にはダイ
オードとコンデンサの直列回路からなるスナバ回路を並
列接続し、前記スナバ回路のダイオードとコンデンサの
接続点と補助電源の一方の直流入力端とを補助ダイオー
ドを介して接続し、前記補助電源の他方の直流入力端を
前記リアクトルが接続された直流電源端に接続してな
り、前記リアクトルとスナバコンデンサに蓄積されたエ
ネルギーを前記補助電源に回収する電力変換装置におい
て、前記リアクトルを流れる電流と前記補助ダイオード
を流れる電流とを一括して検出する一括電流検出手段
を、前記両電流を互いに逆方向の電流として検出できる
ように前記リアクトルおよび補助ダイオードに接続され
た両接続線に共通に設けるものとする。

〔作用〕

この発明は、アノードリアクトルとスナバ回路とに蓄積
されたエネルギーを、電源側へ回収できるよに構成され
ている電力変換装置において、この電力変換装置を構成
している半導体スイッチ素子が動作するのに伴って、ア
ノードリアクトルに流れる電流と、エネルギー回収回路
に流れる電流とは、ほぼ同一の変化をすることに着目し
たものであって、これらアノードリアクトル電流と、エ
ネルギー回収回路電流とが相互に打消し合う極性で、両
電流を一括して検出する一括電流検出手段を備えること
により、マスク信号の設定時間を長くしなくても、電力
変換装置が正常に動作している場合と、アーム短絡事故
を生じた場合との電流を弁別することができるので、こ
れにより、アーム短絡電流検出の遅れに起因する素子破
壊を、未然に防止するものである。

〔実施例〕

第１図は本発明の実施例を示す回路図であって、第４図
に示すインバータ２の第１相正極側のスイッチ素子３
と、第１相負極側スイッチ素子５の詳細をあらわしてい
る。

この第１図において、半導体スイッチ素子としてのGTO
サイリスタ30と50には、それぞれ還流ダイオード31と51
とを逆並列接続し、さらに印加電圧ならびに電圧変化率
を抑制するために、スナバコンデンサ32,52とスナバダ
イオード32D,52Dとで構成されたスナバ回路を並列に接
続し、また電流上昇率を抑制するためのアノードリアク
トル33,53を直列に接続していることと、これらアノー
ドリアクトル33と53、ならびにスナバコンデンサ32と52
とに蓄積されたエネルギーを、それぞれ補助ダイオード
34,54を介して、補助電源35,55へ回収するように構成し
ているのは、第６図や第10図において既述の従来例回路
の場合と同じである。なお符号７は当該インバータ２の
負荷である。

本発明においては、各アームの電流を検出するための手
段は、アノードリアクトル33または53を流れる電流と、
エネルギー回収回路の電流、すなわち補助ダイオード3
4,35を経て補助電源35,55へ流入する電流とを、一括電
流検出器39またま59により、両者を一括して検出するこ
とにある。

このような一括電流検出器39,59としては、ホール変流
器あるいは可飽和リアクトルを用いた直流変流器など、
導体が窓を貫通する構造のものが適しており、アノード
リアクトル電流を流す導体と、エネルギー回収回路電流
が流れる導体とを、一括してこの窓を貫通させるのであ
るが、このときの両者の電流方向は、反対となるように
しておく、このような構成にすることで、たとえばGTO
サイリスタ30が遮断状態で、かつスナバコンデンサ32が
充電状態にあるときに、このGTOサイリスタ30が導通状
態に移行すると、スナバコンデンサ32の蓄積電荷は、ス
ナバコンデンサ32→補助ダイオード34→一括電流検出器
39→補助電源35→アノードリアクトル33→一括電流検出
器39→GTOサイリスタ32の径路で放電することになる
が、このとき、一括電流検出器39には、相互に逆方向の
電流が流れるので、両電流は相殺され、当該一括電流検
出器39から異常電流検出信号を出力することはない。す
なわち、この一括電流検出器39は、エネルギー回収回路
に電流が流れない場合にのみ、アーム電流を検出するこ
とになるので、GTOサイリスタ30のカソード側に、ある
いはGTOサイリスタ50のアノード側に電流検出手段を挿
入すると等価になる。

第２図は第１図に示す実施例回路において、GTOサイリ
スタが導通状態から遮断状態へ移行するときの、各部の
動作をあらわした動作波形図であって、第２図（イ）は
スナバコンデンサ32に流れる電流の変化を、第２図
（ロ）はスナバコンデンサ32の電圧の変化を、第２図
（ハ）はアノードリアクトル33に流れる電流の変化を、
第２図（ニ）は補助電源35へ流れる電流の変化を、第２
図（ホ）は一括電流検出器39の出力の変化を、それぞれ
があらわしている。

この第２図において、T₁なる時点でGTOサイリスタ30が
導通状態から遮断状態に移行しはじめ、T₂なる時刻に補
助ダイオード34が順バイアスされて補助電源へ電流を流
しはじめるのであるが、従来方式ではこのT₂時点からT₃
時点まで、第２図（ホ）において１点鎖線で示す電流が
電流検出器より取出されるのであるが、本発明によれ
ば、一括電流検出器39の出力は、T₂時点から急速に減少
して零となる（第２図（ホ）参照）。

第３図は第１図に示す実施例回路において、GTOサイリ
スタが遮断状態から導通状態へ移行するときの、各部の
動作をあらわした動作波形図であって、第３図（イ）は
スナバコンデンサ32を流れる電流の変化を、第３図
（ロ）はスナバコンデンサ32の電圧の変化を、第３図
（ハ）はアノードリアクトル33に流れる電流の変化を、
第３図（ニ）は補助電源35へ流れる電流の変化を、第３
図（ホ）は一括電流検出器39の出力の変化をそれぞれが
あらわしている。

この第３図においては、T₄なる時点にGTOサイリスタ30
が導通状態になるのであるが、一括電流検出器39は、ア
ノードリアクトル33に流れる電流のうちで、回生電流成
分はキャンセルされて、これの出力にはあらわれないよ
うになっているので、第３図（ホ）の実線に示すよう
に、一括電流検出器39の出力は負荷７へ供給する電流分
だけがあらわれており、アーム短絡電流と誤認するおそ
れはないことがわかる。

〔発明の効果〕

この発明によれば、電流上昇率抑制用のアノードリアク
トルと、電圧変化率抑制用のスナバ回路とを付属してい
る半導体スイッチ素子を、ブリッジ接続することで構成
されている電力変換装置において、これらアノードリア
クトルおよびスナバ回路に蓄積されたエネルギーを回収
する回路を備えている場合には、当該電力変換装置が正
常に運転している場合でも、各アームに備えている電流
転している場合でも、各アームに備えている電流検出手
段が、アーム短絡事故時に生じるアーム短絡電流と誤認
する信号を検出してしまうのであるが、本発明によれ
ば、アノードリアクトル電流と、エネルギー回収回路電
流とを打消し合う極性で検出する、一括電流検出手段を
備えることにより、正常運転中にアーム短絡電流を誤検
出するおそれを抑制できることになった。従って、保護
回路の誤動作を防止するためのマスク信号の出力期間を
短縮できるので、アーム短絡電流の値が異常に大きくな
るまでに、素早く、かつ確実にアーム短絡事故を検出で
きるので、半導体スイッチ素子が破壊するなどの不都合
を未然に防止できる効果を発揮する。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の実施例を示す回路図であり、第２図は
第１図に示す実施例回路において、GTOサイリスタが導
通状態から遮断状態へ移行するときの、各部の動作をあ
らわした動作波形図、第３図は第１図に示す実施例回路
において、GTOサイリスタが遮断状態から導通状態へ移
行するときの、各部の動作をあらわした動作波形図であ
る。第４図は電力変換装置の基本概念をあらわした主回
路接続図、第５図は第４図に図示の単相インバータのス
イッチ素子部分の従来例をあらわした回路図、第６図は
スナバコンデンサとアノードリアクトルの蓄積エネルギ
ーを回収する従来例を示した回路図、第７図は第６図に
示す従来例回路におけるGTOサイリスタが、導通状態か
ら遮断状態へ移行するときの、各部の動作をあらわした
動作波形図、第８図は第６図に示す従来例回路における
GTOサイリスタが、遮断状態から導通状態へ移行すると
きの、各部の動作をあらわした動作波形図であり、第９
図はアーム短絡による事故電流を検出する従来例を示し
た回路図、第10図はアノードリアクトルとスナバ回路の
蓄積エネルギーを回収する場合の従来例回路である。 １……直流電源、２……単相インバータ、3,4,5,6……
スイッチ素子、７……負荷、11,12,……論理積素子、3
0,50……半導体スイッチ素子としてのGTOサイリスタ、3
1,51……還流ダイオード、32,52……スナバコンデン
サ、32D,52D……スナバダイオード、32R,52R……スナバ
抵抗、33,53……アノードリアクトル、33D,53D……放電
ダイオード、33R,53R……放電抵抗、34,54……補助ダイ
オード、35,55……補助電源、36,56……電流検出器、36
A,56A……コンパレータ、39,59……一括電流検出器。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭60−74975（ＪＰ，Ａ) 特開 昭57−122675（ＪＰ，Ａ) 実開 昭58−11993（ＪＰ，Ｕ)

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】半導体スイッチ素子と環流ダイオードとを
   逆並列接続してなるスイッチ回路の一端をリアクトルを
   介して直流電源の一端に、前記スイッチ回路の他端を負
   荷の一端に接続し、前記半導体スイッチ素子にはダイオ
   ードとコンデンサの直列回路からなるスナバ回路を並列
   接続し、前記スナバ回路のダイオードとコンデンサの接
   続点と補助電源の一方の直流入力端とを補助ダイオード
   を介して接続し、前記補助電源の他方の直流入力端を前
   記リアクトルが接続された直流電源端に接続してなり、
   前記リアクトルとスナバコンデンサに蓄積されたエネル
   ギーを前記補助電源に回収する電力変換装置において、 前記リアクトルを流れる電流と前記補助ダイオードを流
   れる電流とを一括して検出する一括電流検出手段を、前
   記両電流を互いに逆方向の電流として検出できるように
   前記リアクトルおよび補助ダイオードに接続された両接
   続線に共通に設けたことを特徴とする電力変換装置のア
   ーム短絡電流検出回路。