JPH10262376A

JPH10262376A - 電力変換装置

Info

Publication number: JPH10262376A
Application number: JP9065637A
Authority: JP
Inventors: Tetsuo Watanabe; 鉄雄渡辺
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1997-03-19
Filing date: 1997-03-19
Publication date: 1998-09-29

Abstract

(57)【要約】【課題】放電回路を構成するスイッチング用半導体素
子の導通状態を確実に検知して、保護動作を確実に行う
ことを目的とする。【解決手段】放電回路７は放電用抵抗器８とスイッチ
ング用半導体素子９との直列回路で、コンデンサ５に並
列に接続される。コンデンサ５の過充電などの保護は接
触器２を開放し、スイッチング用半導体素子９を導通す
ることにより行う。スイッチング用半導体素子９はゲー
ト駆動部10からの導通信号により導通する。ゲート電圧
検出部11はゲート部の誘起電圧を検出し、所定値を下ま
わった時にコンデンサ５からの放電回路７への放電が完
了してスイッチング用半導体素子９が非導通となったと
判断し、接触器２が再投入される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、電力変換装置に関
する。

【０００２】

【従来の技術】図13は電力変換装置の構成図である。直
流電源１は接触器２等を介してインバータ部３に電力を
供給し、インバータ部３は負荷である誘導電動機６に交
流電力を供給している。インバータ部３はインバータブ
リッジ４と安定化等のためにコンデンサ５から構成され
る。

【０００３】インバータブリッジ４を構成するスイッチ
ング素子は、通常半導体素子が用いられている。そして
この半導体素子の渦電圧やインバータブリッジ駆動部故
障時などに対する保護ならびにコンデンサ５の過電圧保
護のために、放電回路７が備えられている。

【０００４】この放電回路７は、放電用抵抗器８とスイ
ッチとしてのスイッチング用半導体素子９と、このスイ
ッチング用半導体素子９の導通、非導通状態を制御する
ゲート駆動部10から構成される。そして、スイッチング
用半導体素子９としては、自ゲート駆動部の電源停止を
考慮して自己電流保持能力を有する半導体素子、例えば
サイリスタなどが用いられている。このようにスイッチ
ング用半導体素子９として自己電流保持能力を有する素
子を用いているので、導通状態を検知するために電流継
電器20又は電圧検出器21が備えられる。

【０００５】いま、電流電源１の電圧が上昇するかある
いは事故、故障などにより、コンデンサ５の電圧が上昇
し、インバータブリッジ４を構成する半導体素子やコン
デンサ５が破壊されうる電圧に近づいたとする。この時
これらの破壊を防ぐために放電回路７のスイッチング用
半導体素子９を導通状態とし、放電回路７を通してコン
デンサ５の電荷を急速に放電し、インバータ部３に加え
られている電圧を急速に降下させると同時に接触器２を
開放し電力供給を停止する。その後、直流電源１の電圧
が正常な範囲に復帰するか、故障および事故に対する一
連の保護動作が終了したら、再度接触器２を投入しイン
バータ部３に電力を供給し、運転を再開する。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】このような放電回路７
による放電動作開始後、放電電流がスイッチング用半導
体素子９の自己保持電流以下となる前、すなわち放電回
路７が構成されたままの状態で接触器２が再投入される
と放電回路７に電流が流れる。この結果、放電用抵抗器
８が過負荷となり、異常加熱、破壊される問題が生じ
る。

【０００７】これを防ぐために、放電回路７に電流が存
在する間は接触器２の再投入がされないようにするた
め、上述したようにスイッチング用半導体素子９の導通
状態を検知する電流継電器20や電圧検出器21が放電回路
に挿入されている。しかしながら、電流継電器20による
検出方法では、放電動作時のピーク電流が数 100〜千数
100Ａとなるのに対し、スイッチング用半導体素子９の
保持電流は数Ａ〜数10Ａと小さいため、電流継電器20で
は的確にスイッチング用半導体素子９の導通状態を検出
できない場合がある。さらに、誘導電動機６が発電、電
力供給能力を持つものである場合、接触器２が開放さ
れ、直流電源１側からの電力供給が停止しているにも関
わらず、誘導電動機６側から数10Ａ程度の放電電流が流
れ続けたままの状態で再起動をし、放電抵抗器８の異常
加熱、破壊を生じるという問題がある。

【０００８】一方、電圧検出器21によるスイッチング用
半導体素子９の導通状態の検出方法では、コンデンサ５
に電圧がないかその電圧が低い場合、導通状態との判別
が難しく、スイッチング用半導体素子９の導通状態の検
出を正確にできないという問題がある。加えて、当然の
ことながら放電動作終了時点に近接するに従い、コンデ
ンサ５の電圧も減少するので原理的にこの方法ではスイ
ッチング用半導体素子９の導通、非導通状態を正確に検
出することが困難になるという問題もある。

【０００９】そこで本発明は上述した問題点を解決する
ためになされたもので、放電回路を構成するスイッチン
グ用半導体素子の導通状態を確実に検知して保護動作を
確実に行う電力変換装置を提供することを目的とする。

【００１０】

【課題を解決するための手段】上述した目的を達成する
ために請求項１に記載の発明は、直流電力を入力し交流
電力に変換するインバータと、このインバータの入力側
に並列に接続されたコンデンサと、前記インバータへの
直流電力の入力を遮断する接触器と、放電用抵抗器とス
イッチング用半導体素子とを直列に接続してなり、前記
コンデンサに並列に接続される放電回路と、前記接触器
の開放・投入を制御する制御手段と、前記接触器の開放
とともに前記スイッチング用半導体素子の制御端子に導
通指令を与え、前記スイッチング用半導体素子を導通さ
せる駆動手段と、前記スイッチング用半導体素子の制御
端子に誘起される電圧を検出し、この誘起電圧があらか
じめ定められた第１の所定値を下まわった際に前記制御
手段によって前記接触器を投入させる第１の電圧検出手
段とを有してなる。

【００１１】又請求項２に記載の発明は、請求項１に記
載の発明において、前記スイッチング用半導体素子は自
己消弧形素子からなり、前記第１の電圧検出手段により
前記誘起電圧が前記第１の所定値を下まわった事を検出
した際に、前記駆動手段により前記スイッチング用半導
体素子の制御端子に非導通指令を与え、前記スイッチン
グ用半導体素子を非導通させることを特徴とする。

【００１２】又請求項３に記載の発明は、請求項１に記
載の発明において、前記スイッチング用半導体素子は自
己消弧形素子からなり、前記スイッチング用半導体素子
の制御端子に誘起される電圧を検出し、この誘起電圧が
あらかじめ定められた第２の所定値を上まわる間は前記
スイッチング用半導体素子の非導通を禁止させる第２の
電圧検出手段を有してなる。

【００１３】又請求項４に記載の発明は、請求項２又は
請求項３に記載の発明において、前記スイッチング用半
導体素子が非導通状態の時の前記スイッチング用半導体
素子の制御端子に誘起される電圧を検出し、この誘起電
圧があらかじめ定められた電圧範囲にある時前記スイッ
チング用半導体素子の故障を検知する第３の電圧検出手
段を有してなる。

【００１４】

【発明の実施の形態】本発明の一実施の形態を図面を参
照して詳細に説明する。図１は本発明の第１の実施の形
態を示す電力変換装置の構成図で、スイッチング用半導
体素子９としてサイリスタを使用した例を示す。この場
合、サイリスタに変わって自己消弧サイリスタ（以下、
ＧＴＯという。）を用いても同様の機能の放電回路を構
成できる。また、本図面ではスイッチング用半導体素子
９がオフするときに発生する電圧を抑制するためのスナ
バ回路は省略してある。

【００１５】図２は図１におけるゲート制御部12ならび
にスイッチング用半導体素子９の導通状態の指令信号の
流れの一例を示す図である。又図３はスイッチング用半
導体素子９のゲート部の電圧、電流とスイッチング用半
導体素子９の主回路電流の波形の一例を示す図である。

【００１６】図１は、主回路の電源が直流電源１であ
り、負荷として誘導電動機６を駆動する３相交流出力イ
ンバータブリッジ４を適用した場合の本発明の第１の実
施の形態である。インバータ部３は接触器２を介して直
流電源１から電力を供給され、３相交流の電圧、周波数
を変化させて誘導電動機６を駆動する。また、誘導電動
機６の減速操作時には誘導電動機６を発電機動作させ、
そのエネルギーをインバータ部３を通して直流電源１側
に送り込む。このインバータ部３に並列に放電回路７を
接続する。放電回路７は放電用抵抗器８とスイッチング
用半導体素子９を直列に接続して構成される。スイッチ
ング用半導体素子９のゲート部には、ゲート制御部12が
備えられる。このゲート制御部12は、主な構成としてゲ
ート駆動部10とゲート電圧検出器11が並列に接続されて
なる。さらに図２に示すようにゲート制御部12には図１
には図示しなかったインバータ部３の制御装置15との間
の信号の受信部13ならびに送信部14、スイッチング用半
導体素子９のゲートに適切なパルス幅を持ったゲート信
号を与えるためのゲート論理部16が備えられている。

【００１７】直流電源１の電圧が上昇するか、インバー
タ部３において故障が起き、コンデンサ５の電圧が上昇
した場合、インバータブリッジ４を構成するスイッチン
グ素子やコンデンサ５等の保護のために制御装置15がコ
ンデンサ５の電圧の上昇を検知し、放電回路７に放電回
路形成指令をおくる。これと同時に接触器２に開放指令
を出し、接触器２を開放して直流電源１を切り放す。放
電回路７は放電回路形成指令を受信部13で受け取り、ス
イッチング用半導体素子９に適合したパルス幅にゲート
論理部16で信号を整形し、ゲート駆動部10からオン状態
への移行に適した電流を持つゲート信号を出力する。本
実施の形態ではサイリスタがスイッチング用半導体素子
９として用いられているので、ゲート電流は図３に示す
一般によく使われているHigherオンとNormalオンとで構
成されるオンゲート電流である。

【００１８】オン電流が入力されたスイッチング用半導
体素子９は放電回路７を形成し、図３の主回路電流に示
す電流を放電回路７に流し始める。その後、一定時間経
過後、ゲート駆動部10からのゲート信号の入力が終了
し、スイッチング用半導体素子９は自己電流保持能力に
よって放電電流を流し続ける。この時、接触器２が開放
され、直流電源１側からの電流の供給がなくなっている
ため、コンデンサ５の容量と放電用抵抗器８の抵抗値で
決まる時定数により放電電流は流れる。一方、スイッチ
ング用半導体素子９のゲート部の電圧はゲート信号が入
力している間はそれに見合った電圧が、ゲート信号終了
後は主回路電流に見合った電圧が図３のゲート電圧に示
すように誘起される。

【００１９】ここで、誘導電動機６側からの電力の流入
がないと考えるならば、スイッチング用半導体素子９に
流れる電流が減少して自己保持電流となったときにスイ
ッチング用半導体素子９は自然遮断をし、オフ状態に移
行する。このとき、ゲート部に誘起される電圧は図３に
示すように自己保持電流に見合った電圧から急速に０Ｖ
へと低下する。一方、ゲート電圧検出部11の比較用基準
電圧Ｖref はこの自己保持電流に見合った電圧値と０Ｖ
の間に設定されているので、ゲート部の電圧Ｖgateと比
較することによりスイッチング用半導体素子９の導通状
態を検知できる。この検知信号を送信部14より制御装置
15に送ることにより、放電回路７の導通状況が把握さ
れ、非導通状態であるときに接触器２を投入し、インバ
ータブリッジ４の再起動が可能となる。

【００２０】なお本実施の形態ではスイッチング用半導
体素子９を放電用抵抗器８よりも直流電源１電圧の負側
に設置したが、スイッチング用半導体素子９と放電用抵
抗器８の接続順序が逆であっても問題はない。この回路
構成とした場合でも動作は同一である。

【００２１】次に本発明の第２の実施の形態を説明す
る。本実施の形態は図１におけるスイッチング用半導体
素子９としてゲートより自己オフ能力を持った素子であ
るＧＴＯを使用した例である。

【００２２】図４はスイッチング用半導体素子としてＧ
ＴＯ91を使用した際のゲート指令信号の流れ図、図５は
ＧＴＯ91の主回路電流ならびにゲート部の電流、電圧の
一例を示す図である。

【００２３】本実施の形態は、第１の実施の形態では図
３に示される様に非導通状態においてゲート部の電圧が
０Ｖであったのに対し、図５に示される様にオフゲート
信号、例えばＧＴＯ91の場合マイナス電圧を印加するこ
とにある。また、ＧＴＯ91の電流自己保持能力を利用す
るので、ＧＴＯ91がオン状態になった後、一定時間はゲ
ート駆動部101 よりオフ信号をゲート部に入力しない点
が第１の実施の形態と異なっているのみで、他の動作、
作用は同一である。

【００２４】動作上は、ＧＴＯ91のオン状態への移行時
ならびにオフ状態への移行時が異なっている。ＧＴＯ91
をオン状態に移行するときは、オフ信号を停止すると同
時にオン信号をＧＴＯ91のゲート部にゲート駆動部101
より入力し、ＧＴＯ91を導通状態として放電回路７を形
成する。

【００２５】またＧＴＯ91をオフ状態に移行するときに
は、ゲート駆動部101 よりオフ信号をＧＴＯ91のゲート
部に入力する。その入力時期の一つとして図５に示した
ごとく、放電回路７を形成してから一定時間経過後、無
条件に入力する方法がある。

【００２６】また、放電回路７が形成され続ける場合、
インバータブリッジ４側で放電動作をさせ、放電回路７
のＧＴＯ91が自然消弧してからオフ信号を入力してもよ
い。次に本発明の第３の実施の形態を説明する。図６は
第２の実施の形態と同様、スイッチング用半導体素子と
してＧＴＯ91を使用した際のゲート指令信号の流れ図、
図７はＧＴＯ91の主回路電流とゲートの電流、電圧の関
係図である。

【００２７】本実施の形態と第２の実施の形態２との相
違点はゲート駆動部101 から出力されるオフ信号の入力
時期の設定である。本実施の形態においては、ゲート電
圧検出部11が、放電回路７が形成されることが許容され
る期間内にＧＴＯ91がオフ状態となったのを検知した場
合、ゲート論理部161 がゲート駆動部101 にオフ信号の
入力を開始させるように作用する。この作用によって、
オフ信号が入力されるためＧＴＯ91の自己遮断後、ただ
ちにインバータ部３の再起動が可能となる。

【００２８】次に本発明の第４の実施の形態を説明す
る。図８は第３の実施の形態と同様、スイッチング用半
導体素子としてＧＴＯ91を使用した際のゲート指令信号
の流れ図、図９はＧＴＯ91の主回路電流とゲートの電
流、電圧の関係図である。

【００２９】本実施の形態と第３の実施の形態との相違
点はゲート電圧検知部17でＧＴＯ91の通電電流を段階的
に検知し、この結果をゲート論理部161 に取り込みゲー
ト駆動部101 からのゲート信号の指令に用いる点であ
る。

【００３０】本実施の形態では第３の実施の形態に付加
して、使用しているスナバ回路で遮断可能な最大電流値
に対応するゲート電圧の基準電圧Ｖrer2を持つゲート電
圧検知部17を設け、ここで検知された信号をゲートオフ
信号論理に組み入れ、基準電圧Ｖref2以上ではオフ信号
の出力を禁止するようにしている。従って接触部２の開
放が正常にできなかったときなどの事故時に、ＧＴＯ91
を破壊するような主回路電流でのオフ動作を禁止し、放
電回路７の破壊を防止することができる。

【００３１】次に本発明の第５の実施の形態を説明す
る。図10は図２の実施の形態と同様、スイッチング用半
導体素子としてＧＴＯ91を使用した際のゲート指令信号
の流れ図である。

【００３２】本実施の形態では、ＧＴＯ91にオフゲート
信号が入力されている場合、ゲート部には次に記す負電
圧が印加されている。通常ＧＴＯ91のゲートには並列に
抵抗が挿入される。また、通常印加されているオフゲー
ト信号はゲート駆動部10のオン信号側の故障などを考慮
し、抵抗を介してＧＴＯ91のゲート部につながれてい
る。従って、ＧＴＯ91のゲート部にはこの抵抗の分圧比
によって決まる負電圧が印加されることになる。この電
圧とＧＴＯ91のゲートが壊れたときに生起するであろう
電圧（ＧＴＯ91などが壊れた場合、通常短絡状態となる
ので、例えば−１〜−３Ｖ程度）との間に基準電圧Ｖre
f3を設定したゲート電圧検出部19を設ける。このゲート
電圧検出部19の検出信号とゲート論理部16からの信号を
用いるゲート導通状態計算論理部18により、オフゲート
信号入力時にＧＴＯ91の故障を検知する。この結果、送
信部14より制御装置15に送信することによりＧＴＯ91の
故障を通知する。また、ゲート駆動部10の電源電圧が低
下し、正常な動作ができないときも同様に制御装置15側
に通知できる。

【００３３】また、信号の送信もＧＴＯ91が導通状態で
ある場合と同じく送信しても、インバータ部３の起動が
できないため、同様の効果が期待できる。又図11は本発
明の第６の実施の形態を示すゲート信号指令の流れ図
で、第５の実施の形態に対して非導通状態検知情報をゲ
ート論理部161 に入れるようにしてもよい。

【００３４】又図12は本発明の第７の実施の形態を示す
ゲート信号指令の流れ図で、第６の実施の形態に対して
大電流検知情報とゲート論理部161 に入れるようにして
もよい。

【００３５】このように第１乃至第７の実施の形態によ
れば、放電回路のスイッチング用半導体素子（ＧＴＯ）
の導通状態を、その素子のゲート電圧から直接検出する
ことにより、従来のように、放電回路中に直列に放電電
流を検知する装置を設けたり、スイッチング用半導体素
子の主回路両端電圧を検出する装置を設ける必要がなく
なり、放電回路の低価格化がなされると同時に、部品点
数が大幅に削減されるため信頼性を向上させることがで
きる。

【００３６】一方、負荷が誘導電動機等の発電能力を有
するものである場合、接触器を開放し直流電源を切り放
したにも関わらずインバータ部側から電力が供給され続
け、放電電流が流れ続ける場合がある。このときの電流
は数10Ａ程度と小さく、従来の技術ではＧＴＯの導通状
況が的確に検出できなかったが、本発明ではゲート電圧
を直接検出しているので、基準電圧を適切に設定するこ
とによりスイッチング用半導体素子の導通状態を確実に
検出でき、接触器の再投入を禁止、放電回路の破壊を防
止できる。

【００３７】また、コンデンサの電圧がない場合でもゲ
ートに誘起されている電圧を検出するので主回路電圧に
関わらず導通状態の検出ができる。更に、スイッチング
用半導体素子に非導通状態である期間オフゲート信号を
入力するので、素子の故障を確実に検知できる。

【００３８】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば放
電回路を構成するスイッチング用半導体素子の導通状態
を確実に検知して保護動作を確実に行う電力変換装置を
提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施の形態を示す電力変換装置
の構成図である。

【図２】ゲート制御信号指令概念図である。

【図３】スイッチング用半導体素子の主回路電流とゲー
ト電流、電圧関係図である。

【図４】本発明の第２の実施の形態を示すゲート制御信
号指令概念図である。

【図５】スイッチング用半導体素子の主回路電流とゲー
ト電流、電圧関係図である。

【図６】本発明の第３の実施の形態を示すゲート制御信
号指令概念図である。

【図７】スイッチング用半導体素子の主回路電流とゲー
ト電流、電圧関係図である。

【図８】本発明の第４の実施の形態を示すゲート制御信
号指令概念図である。

【図９】スイッチング用半導体素子の主回路電流とゲー
ト電流、電圧関係図である。

【図１０】本発明の第５の実施の形態を示すゲート制御
信号指令概念図である。

【図１１】本発明の第６の実施の形態を示すゲート制御
信号指令概念図である。

【図１２】本発明の第７の実施の形態を示すゲート制御
信号指令概念図である。

【図１３】従来の電力変換装置の構成図である。

【符号の説明】

１…直流電源２…接触器３…インバータ部４…インバータブリッジ５…コンデンサ６…誘導電動機７…放電回路８…放電用抵抗器９…スイッチング用半導体素子 91…ＧＴＯ 10…ゲート駆動部 11、17、19…ゲート電圧検出部 12…ゲート制御部 13…受信部 14…送信部 15…制御装置 16、161 …ゲート論理部 18…ゲート導通状態計算論理部

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】直流電力を入力し交流電力に変換するイ
ンバータと、このインバータの入力側に並列に接続されたコンデンサ
と、前記インバータへの直流電力の入力を遮断する接触器
と、放電用抵抗器とスイッチング用半導体素子とを直列に接
続してなり、前記コンデンサに並列に接続される放電回
路と、前記接触器の開放・投入を制御する制御手段と、前記接触器の開放とともに前記スイッチング用半導体素
子の制御端子に導通指令を与え、前記スイッチング用半
導体素子を導通させる駆動手段と、前記スイッチング用半導体素子の制御端子に誘起される
電圧を検出し、この誘起電圧があらかじめ定められた第
１の所定値を下まわった際に前記制御手段によって前記
接触器を投入させる第１の電圧検出手段とを有する電力
変換装置。
【請求項２】請求項１に記載の電力変換装置におい
て、前記スイッチング用半導体素子は自己消弧形素子からな
り、前記第１の電圧検出手段により前記誘起電圧が前記第１
の所定値を下まわった事を検出した際に、前記駆動手段
により前記スイッチング用半導体素子の制御端子に非導
通指令を与え、前記スイッチング用半導体素子を非導通
させることを特徴とする電力変換装置。
【請求項３】請求項１に記載の電力変換装置におい
て、前記スイッチング用半導体素子は自己消弧形素子からな
り、前記スイッチング用半導体素子の制御端子に誘起される
電圧を検出し、この誘起電圧があらかじめ定められた第
２の所定値を上まわる間は前記スイッチング用半導体素
子の非導通を禁止させる第２の電圧検出手段を有する電
力変換装置。
【請求項４】請求項２又は請求項３に記載の電力変換
装置において、前記スイッチング用半導体素子が非導通状態の時の前記
スイッチング用半導体素子の制御端子に誘起される電圧
を検出し、この誘起電圧があらかじめ定められた電圧範
囲にある時前記スイッチング用半導体素子の故障を検知
する第３の電圧検出手段を有する電力変換装置。