JPH08298785A - 電力変換回路の保護回路 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【構成】スイッチング素子を直列に接続したアームを用
いた電力変換回路における(−)側に接続されたスイッチ
ング素子の短絡，開放を検出すること導通状態でのスイ
ッチング素子出力電圧がある規定値以上かどうかを検出
する回路を設ける。スイッチング素子を不導通信号でも
コレクタ電圧はゲートの（＋）電圧を有する回路構成と
して誤検出しないようにした。 【効果】保護回路の数を減らし、保護回路が動作した信
号を１個に出来、検出用の電線が不要になったので小さ
なスペースにすることが出来た。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は交流電動機駆動用のイン
バータやバッテリの充電装置にフルブリッジ回路にスイ
ッチング素子を直列に接続したアームを用いた電力変換
回路の保護回路に関する。

【０００２】

【従来の技術】スイッチング素子の保護回路として特開
平5−219752 号公報があり、アーム短絡出力の相間短絡
からスイッチング素子を保護するものである。

【０００３】（１）出力電圧が直流電源の（−）電位近
傍か（＋）電位近傍かを短時間（数マイクロ秒）で行う
ため（＋）電源線を配線する必要があり、高電圧に耐え
るよう絶縁するため沿面距離を大きくしなければならず
スペースが大きくなる。

【０００４】（２）電力変換装置の動作停止時は（−）
側（＋）側のスイッチング素子を共にオフしておくこと
がより確実である。共にオフではスイッチング素子は高
抵抗となり、出力側の電位は不安定となる。検出回路が
不安定となる。

【０００５】その他、負荷短絡からスイッチング素子の
破壊を防止する保護回路として、スイッチング素子が導
通したときコレクタ電圧が規定値を越えているか検出し
ベース電流を遮断する特開昭59−165961号公報があり、
トランジスタチョッパに用いられて負荷短絡で過大電流
がスイッチング素子に流れ続くのを防止してスイッチン
グ素子の破壊を無くする。

【０００６】この技術を三相インバータに適用すると６
個の保護回路を必要とする。特にコレクタ電圧は大きな
値であると絶縁耐圧を持たせるため沿面距離を大きくす
るため大きなスペースを必要とする。

【０００７】またスイッチング素子の保護回路として、
オン信号とアノード電圧の比較を行いスイッチング素子
の短絡を検出し過大電流を防止する特公昭53−34819 号
公報がありサイリスタチョッパ回路に用いられる。この
技術を３相インバータに適用すると６個の保護回路を必
要とする。

【０００８】このため制御回路のスペースが大きくなる
という問題があった。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】本発明の目的はスイッ
チング素子を直列に接続したアームから構成された電力
変換回路の保護回路を簡単な構成にし、装置組込のスペ
ースを小さくして小形化することと、保護動作を確実に
する回路構成を提供することにある。

【００１０】

【課題を解決するための手段】

（１）スイッチング素子を直列に接続したアームを用い
た電力変換回路における（−）側に接続されたスイッチ
ング素子の短絡（ショート）開放（オープン）を検出す
ること導通状態でのスイッチング素子出力電圧がある規
定値以上かどうかを検出する回路を設ける。

【００１１】（２）各々のアームの（−）側に接続され
たスイッチング素子の不具合を検出し、この各々の信号
を入力としたＯＲ回路の出力を別の電源と絶縁した信号
に換えインバータ制御回路に不具合の信号を１個のみ送
る。

【００１２】

【作用】（＋）側に接続されたスイッチング素子が正常
なとき負荷に過大電流が流れると、順方向コレクタ電圧
が増加し負荷が短絡していると十数Ｖ以上となる。

【００１３】（−）側に接続されたスイッチング素子の
順方向コレクタ電圧降下を、１０Ｖ以上（規定値）を過
大電流とするレベル検出値とし負荷短絡を検知すること
でスイッチング素子の破壊を保護することが出来る。

【００１４】（＋）側に接続されたスイッチング素子が
異常（ショート）なとき(−)側に接続されたスイッチン
グ素子の過大電流検出でアーム短絡を検知し保護するこ
とが出来る。

【００１５】（＋）側に接続されたスイッチング素子が
異常（オープン）なとき（−）側に接続されたスイッチ
ング素子のオープン状態を監視することで他の（−）側
に接続されたスイッチング素子がオンのとき異常と検知
し保護することが出来る。

【００１６】これらの関係を表１に示す。

【００１７】

【表１】

【００１８】つまり（−）側に接続されたスイッチング
素子のショート，オープン状態、過大電流検出を監視す
ることで（＋）側に接続されたスイッチング素子の異常
も保護することが出来る。それで（＋）側に接続された
スイッチング素子と同じ数の保護回路を減らすことが出
来る。

【００１９】また、電力変換回路（インバータ）の
（−）側に接続されたスイッチング素子のみを検出する
ので検出回路の電源は共用化できる。それで不具合が生
じたとき、従来方式では例えば３相インバータにおいて
は６個の信号をだしていたが、本方式では３個のスイッ
チング素子は同じ電圧からの信号なので外部には１個の
信号に低減出来る。従来３相インバータでは６個の信号
があった。本発明によれば不具合信号を集約して１個に
出来るので信号を高電圧から絶縁処理する回路が低減出
来る。

【００２０】さらに（＋）側に接続されたスイッチング
素子が異常かの検出線も不要となり高電圧配線が無くな
り制御回路のプリント基板のスペースを小さくすること
が出来る。

【００２１】

【実施例】以下、本発明を図２に示した充電回路に用い
ている電力変換回路（ＤＣ−ＤＣコンバータ）に含まれ
るフルブリッジ回路に従って説明する。

【００２２】スイッチング素子はＩＧＢＴ，ＦＥＴ，ト
ランジスタがあり以下ＦＥＴの場合を示す。

【００２３】商用電源１からリアクトルＬ１を接続し、
ダイオードＤ１・Ｄ２スイッチング素子Ｑ１，Ｑ２から
なる力率１制御回路１６に接続する。（＋）電源線３
（−）電源線４にコンデンサＣ１を接続し直流電源２を
構成する。

【００２４】スイッチング素子Ｑ３，Ｑ４を直列に接続
しアーム５−１を構成し、スイッチング素子Ｑ５，Ｑ６
を直列に接続しアーム５−２を構成して（＋）電源線
３，（−）電源線４に接続しこれらのアームでフルブリ
ッジ回路６（電力変換回路）を構成する。

【００２５】フルブリッジ回路６から高周波トランス７
の１次コイル８を接続する。２次コイル９はダイオード
Ｄ３，Ｄ４，Ｄ５，Ｄ６からなる整流ダイオードブリッ
ジ１１に接続しリアクトルＬ２充電コンタクタ１２−１
を介し主バッテリ１３の（＋）線１４に（−）線１５は
充電コンタクタ１２−２を介して（−）電源線４に接続
する。つまり、ＤＣ−ＤＣコンバータを構成する。

【００２６】充電コンタクタ１２−１および充電コンタ
クタ１２−２の接点を閉じ、フルブリッジ回路の制御回
路１７はゲートドライブ回路１８を駆動させてフルブリ
ッジ回路６を動作させて負荷（バッテリ）に電流を流
す。

【００２７】商用電源１の接続を止め走行コンタクタ２
０充電コンタクタ１２−２の接点を閉じ、また補助充電
コンタクタ２１の接点を閉じる。高周波トランス７の中
間タップ付コイル１０からの出力電圧をダイオードＤ
８，Ｄ９で整流しコンデンサＣ３で平滑されると共にリ
アクトルＬ３を介して補助バッテリ２２に充電電流を流
す。充電電流はフルブリッジ回路６を動作させて、制御
される。

【００２８】つまり充電コンタクタ１２−１充電コンタ
クタ１２−２走行コンタクタ２０および補助充電コンタ
クタ２１の切り替えとフルブリッジ回路６の動作によ
り、主バッテリ１３あるいは補助バッテリ２２に充電電
流を流しフルブリッジ回路の制御回路１７により充電電
流の値がコントロールされる。

【００２９】図３は図２のゲートドライブ回路１８を詳
しく説明したものである。

【００３０】ホトカプラＰＣ１，抵抗Ｒ１…Ｒ４，トラ
ンジスタＴ１，Ｔ２，Ｔ３からなるゲート回路２３が各
スイッチング素子Ｑ３…Ｑ６に接続されホトカプラＰＣ
の入力はフルブリッジ回路の制御回路１７に接続され
る。

【００３１】Ａ１，Ｂ１，Ａ２，Ｂ２，Ａ３，Ｂ３は独
立した（絶縁された）電源に接続される。ツェナダイオ
ードＺＤ１はゲート電圧の（＋）側電圧を示す。

【００３２】フルブリッジ回路の制御回路１７電源ｖｃ
ｃは一般に低電圧が用いられ、電気車では補助バッテリ
２２より供給される。

【００３３】インバートＩＮＶ１，ＩＮＶ２からゲート
回路２３のホトカプラＰＣ１までが低電圧で抵抗Ｒ１，
Ｒ４トランジスタＴＲ１，ＴＲ３は主バッテリ１３に接
続されているため高電圧である。

【００３４】ホトカプラＰＣ１で信号の授受を行い、各
スイッチング素子Ｑ３，…，Ｑ６のゲートに（＋）電圧
を印加して導通（オン）させ、（−）電圧を印加して不
導通（オフ）にさせる。

【００３５】図１は図２に示した保護検出回路１９の詳
細図である。

【００３６】ゲートドライブ回路の１８ゲート信号（端
子Ｄ）から抵抗Ｒ１４を介して排他的ＯＲ回路素子ＥＸ
−ＯＲ１の入力に接続する。

【００３７】抵抗Ｒ１１，Ｒ１２，Ｒ１３を直列にして
ツェナダイオードＺＤ１に接続する。抵抗Ｒ１１，Ｒ１
２の接続点からダイオードＤ１１のアノードを接続しカ
ソードをＦＥＴのドレインに接続する。

【００３８】抵抗Ｒ１１は抵抗Ｒ１２，Ｒ１３に対し小
さくしておく。検出電圧を１０Ｖとしツェナダイオード
ＺＤ１の電圧を１５Ｖとする。また排他的ＯＲ回路素子
ＥＸ−ＯＲ１はＣＭＯＳとし、スレッシュホールド電圧
は７.５Ｖ(電源電圧の半分）とする。

【００３９】１０＊Ｒ１３／（Ｒ１２＋Ｒ１３）が７.
５Ｖ になるよう抵抗Ｒ１２，Ｒ１３の値を決める。

【００４０】排他的ＯＲ回路素子ＥＸ−ＯＲ１の出力か
らダイオードＤ３１を接続しアノード側を端子Ｆとす
る。

【００４１】同じように、スイッチング素子Ｑ６に対し
てはダイオードＤ２１，抵抗Ｒ２２，Ｒ２３排他的ＯＲ
回路素子ＥＸ−ＯＲ２より、出力は端子Ｆに接続され
る。

【００４２】端子ＦよりダイオードＤ３０を介して図３
のゲートドライブ回路１８に含まれるオン信号ロック回
路２４のダイオードＤ１１−１，Ｄ１１−２によりオン
信号がロックされる。

【００４３】また端子Ｆより抵抗Ｒ１５を介してＰＮＰ
トランジスタＴ１１のベースに接続しコレクタより抵抗
Ｒ１６を経てホトカプラＰＣ２の発光ダイオードを通電
する。

【００４４】ホトカプラＰＣ２の出力側は抵抗Ｒ１７を
介してサイリスタＳＣＲ１のゲートに接続されアノード
はダイオードＤ３１，Ｄ３２を経てゲートドライブ回路
１８に含まれるゲート回路２３−１，２３ー２のホトカ
プラＰＣ１のダイオードに電流が流れないようにしゲー
ト入力信号を遮断する。

【００４５】端子ＦよりダイオードＤ３０が（−）側の
スイッチング素子Ｑ４，Ｑ６のオン信号を早く遮断す
る。サイリスタＳＣＲ１の点弧はスイッチング素子Ｑ
３，…,Ｑ６のオン信号を遮断し続ける。

【００４６】保護回路は（−）側のスイッチング素子の
数だけで検出可能である。

【００４７】オン信号を遮断し続けるにホトカプラ１個
の信号で行うことが出来る。

【００４８】抵抗Ｒ１１は抵抗Ｒ１２，Ｒ１３に対し小
さくしておくのでオフ信号では、ドレイン電圧はほぼツ
ェナダイオードＺＤ１の電圧１５Ｖを示し不安定になる
ことは無い。

【００４９】

【発明の効果】電力変換回路のスイッチング素子を負荷
短絡，アーム短絡から破壊するのを簡単な回路で保護出
来たので、スペースを小さくすることが出来た。

【００５０】オフ信号でもドレイン電圧は大きく誤検出
しない。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明から成る保護検出回路図。

【図２】図１の保護検出回路を含むインバータ回路図。

【図３】図２に示したゲートドライブ回路図。

【符号の説明】

１…商用電源、２…直流電源、３…（＋）電源線、４…
（−）電源線、５−１，５−２…アーム、６…フルブリ
ッジ回路、７…高周波トランス、８…１次コイル、９…
２次コイル、１０…中間タップ付きコイル、１１…整流
ダイオードブリッジ。

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】直流電源スイッチング素子を二個直列にし
   たアームを複数個用い、前記直流電源から入力した電力
   を変換して出力する電力変換装置において、前記直流電
   源のマイナス側の前記スイッチング素子の入力信号と前
   記スイッチング素子の出力信号を入力信号がロウレベル
   のとき前記スイッチング素子の出力信号はハイレベルと
   なり入力信号がハイレベルのとき前記スイッチング素子
   の出力信号はロウレベルとなりある規定値以下を正常と
   判断する保護検出回路を設け、前記保護検出回路の出力
   信号で入力信号を遮断する遮断回路を設けたことを特徴
   とする電力変換回路の保護回路。
2. 【請求項２】請求項１において、前記保護検出回路は排
   他的オア回路素子を用いたこと前記スイッチング素子の
   出力信号のハイレベルのある規定値はＣＭＯＳのスレシ
   ュホールド電圧を用いた電力変換回路の保護回路。
3. 【請求項３】請求項１において、前記直流電源のマイナ
   ス側の前記スイッチング素子の不具合信号を１個に纏め
   る回路と絶縁した信号に変換する回路とから成る電力変
   換回路の保護回路。