TW201939875A - 電力轉換裝置以及逆變器的控制方法 - Google Patents

電力轉換裝置以及逆變器的控制方法 Download PDF

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Abstract

本發明的目的在於提供一種在產生過電流時可實現高可靠性的控制的電力轉換裝置。所述電力轉換裝置包括：驅動控制複數個開關元件的逆變器、驅動電路、控制電路、電流檢測機構、過電流檢測電路、以及保護電路，接收到過電流檢測電路輸出的表示檢測到過電流的檢測訊號的保護電路將使經來自控制電路的控制訊號導通控制後經過規定時間的開關元件關斷的訊號朝驅動電路輸出。

Description

電力轉換裝置以及逆變器的控制方法
本發明是有關於一種將直流電力變化為交流電力的電力轉換裝置以及逆變器的控制方法。
先前以來，為了自過電流保護逆變器，而提議有圖4所示的電力轉換裝置。 圖4表示電力轉換裝置100。包含全橋式逆變器，所述逆變器包含作為開關元件的一例的具有續流二極體的4個絕緣閘雙極電晶體（Insulated Gate Bipolar Transistor，IGBT）105-1〜絕緣閘雙極電晶體105-4。於各IGBT的閘極，連接有具有去飽和（Desaturation Protection，DESAT）功能的驅動電路108-1〜驅動電路108-4。各IGBT 105-1〜IGBT 105-4藉由相應於自電力轉換裝置的控制電路111朝各驅動電路108-1〜驅動電路108-4輸出的脈衝寬度調變（Pulse Width Modulation，PWM）訊號而被驅動，進行電力轉換。在具有DESAT功能的驅動電路108-1〜108-4中，藉由由IGBT 105-1〜IGBT 105-4導通時的集電極電流引起的導通壓降（Vse（sat））的上升而檢測過電流，使閘極驅動訊號停止，且對控制電路111送出故障（FAULT）訊號，而停止PWM訊號的輸出（參照專利文獻1）。 然而，此種驅動電路108-1〜驅動電路108-4相應於具有DESAT功能而成本會變高。又，亦需要配合IGBT的特性進行調諧以不產生誤動作，而設計的自由度亦受到限制。
又，作為使用不具有DESAT功能的更低成本的通用驅動電路的先前例，提議有圖5所示的電力轉換裝置200。其設置檢測朝逆變器204輸入的電流的變流器（Current Transformer，CT）等電流檢測感測器209，藉由所述電流檢測感測器209檢測過電流。又，設置藉由電流檢測感測器209的輸出檢測過電流的過電流檢測電路210。進而，於控制電路211與各驅動電路208-1〜驅動電路208-4之間設置閘極積體電路（integrated circuit，IC）212。閘極IC電路212具有將自控制電路211輸出的PWM訊號朝各驅動電路208-1〜驅動電路208-4輸出，且輸出停止各驅動電路208-1〜驅動電路208-4進行的閘極驅動的訊號的功能。在過電流檢測電路210中，當檢測到過電流時，自過電流檢測電路210朝閘極IC電路212與控制電路211輸出有閘極封鎖訊號。在接收到閘極封鎖訊號的閘極IC電路212中，對於各驅動電路208-1〜驅動電路208-4一併輸出停止閘極驅動的訊號。又，在接收到閘極封鎖訊號的控制電路211中，停止PWM訊號的輸出。 又，亦提議有如圖6所示在過電流檢測電路210檢測到過電流時，藉由控制電路311的軟體實現所述電力轉換裝置200的閘極IC電路進行的動作的電力轉換裝置300。
此處，在所述先前的電力轉換裝置中，當檢測到過電流而停止閘極的動作時，若在被導通後短時間內基於閘極封鎖訊號被關斷，則由於在連接於IGBT的配線中存在寄生電感而在IGBT兩端產生過電壓，故IGBT等開關元件有可能發生故障。即，存在因針對過電流的保護動作反而產生使開關元件發生故障的不利的情形。 [現有技術文獻] [專利文獻]
[專利文獻1]日本專利特開2013-198185號公報
[發明所欲解決之課題] 本發明是鑒於此種問題而完成者，其目的在於提供一種在產生過電流時，可實現高可靠性的控制的電力轉換裝置以及逆變器的控制方法。 [解決課題之手段]
用於解決所述課題的本發明是一種電力轉換裝置，包括：逆變器，包括複數個由串聯連接的一對開關元件構成的橋臂，藉由驅動控制所述複數個開關元件，而將直流電力轉換為交流電力； 驅動電路，驅動所述開關元件； 控制電路，輸出所述開關元件的控制訊號； 電流檢測機構，檢測朝所述逆變器輸入的直流電流； 過電流檢測電路，基於藉由所述電流檢測機構檢測到的電流而檢測過電流；以及 保護電路，設置於所述控制電路與所述驅動電路之間；且 所述過電流檢測電路在檢測到過電流時，朝所述保護電路輸出表示檢測到過電流的檢測訊號， 接收到所述檢測訊號的所述保護電路將使經來自所述控制電路的控制訊號導通控制後經過規定時間的開關元件關斷的訊號朝所述驅動電路輸出。
根據本發明，在因構成橋臂的一對開關元件之中被關斷控制的開關元件的誤觸發等而產生過電流時，藉由使被導通控制而正常動作的另一開關元件關斷，而可阻止過大電流朝開關元件流動。進而，在產生過電流時，由於使被導通控制後經過規定時間的開關元件關斷，故而可防止因使開關元件導通後在短時間內關斷導致產生過電壓，而可實現不會為了降低過電流的影響反而使開關元件發生故障的高可靠性的控制。 此處，開關元件為了實現逆變器的電力轉換而進行導通關斷的開關。開關元件例如可為IGBT、金氧半場效電晶體（Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor，MOS-FET）、碳化矽（Silicon Carbide，SiC）、氮化鎵（GaN）或電晶體（Transistor）。
又，在本發明中，接收到所述檢測訊號的所述保護電路可將延遲規定時間的所述控制訊號和所述檢測訊號的邏輯積與所述控制訊號的互斥邏輯和朝所述驅動電路輸出。
藉此，可藉由簡單的構成實現高可靠性的控制。邏輯積可藉由及閘（AND）邏輯電路進行運算。又，互斥邏輯和可藉由互斥或閘（Exclusive-OR，XOR）邏輯電路進行運算。
又，在本發明中，所述保護電路可包括使所述控制訊號延遲規定時間的電阻電容（resistor capacitor，RC）電路。
藉此，由於可藉由構成RC電路的電阻的電阻值與電容器的電容而適當設定所延遲的規定時間，故而設計自由度較高。
又，本發明是一種逆變器的控制方法，用於控制逆變器，所述逆變器包括複數個由串聯連接的一對開關元件構成的橋臂，藉由驅動控制所述複數個開關元件，而將直流電力轉換為交流電力， 在檢測到朝所述逆變器輸入的過電流時，使經導通控制後經過規定時間的開關元件關斷。
根據本發明，在產生有朝逆變器輸入的過電流時，由於使被導通控制後經過規定時間的開關元件關斷，故而可防止因使開關元件導通後在短時間內關斷導致產生過電壓，而可實現不會為了降低過電流的影響反而使開關元件發生故障的高可靠性的控制。 [發明的效果]
根據本發明，在電力轉換裝置以及逆變器的控制方法中，在產生過電流時可實現高可靠性的控制。
[應用例] 以下，參照圖式對本發明的應用例進行說明。本發明例如應用於如圖1所示的包括具有兩個橋臂的全橋式逆變器4的電力轉換裝置1。在過電流檢測電路10自電流檢測感測器9的輸出檢測到過電流的產生時，對於自過電流檢測電路10輸出的閘極關斷訊號，而在保護電路12中，將僅對於經來自控制電路11的PWM訊號導通控制而正常動作的IGBT之中、被導通控制後經過規定時間的IGBT進行關斷控制的驅動訊號朝驅動電路輸出。藉此，可防止因關斷剛被導通控制後的IGBT所致的於IGBT兩端產生過大的電壓，而在產生過電流時可進行可靠性的控制。
[實施例] 以下，利用圖式對本發明的實施例的電力轉換裝置更詳細地進行說明。
＜裝置構成＞ 圖1是表示本實施例的電力轉換裝置的整體構成的方塊圖。
如圖1所示，本實施例的電力轉換裝置1包含將自可變電源2經由整流電路3輸入的直流電壓轉換為交流電壓的逆變器4。逆變器4具有：橋臂6-1，於上下臂包含一對作為開關元件的一例的具有續流二極體的IGBT 5-1以及IGBT 5-2；以及橋臂6-2，同樣地於上下臂包含具有續流二極體的IGBT 5-3以及IGBT 5-4；採用於各個橋臂的輸出端間連接負載7的全橋式。橋臂並非如圖示般限定於兩個，亦可為具有三個以上的橋臂的構成。
又，於各IGBT 5-1〜IGBT 5-4的閘極設置有驅動電路8-1〜驅動電路8-4。於連接於逆變器4的可變電源2的正極側，設置作為檢測電流的電流檢測機構的一例的CT感測器9。CT感測器9的輸出朝過電流檢測電路10輸入。而且，設置有控制逆變器4的控制電路11，於控制電路11與各驅動電路8-1〜驅動電路8-4之間設置有保護電路12。控制電路11互補地驅動控制構成各橋臂的一對IGBT。即，以IGBT 8-1與IGBT 8-2交互地重複導通與關斷的方式進行驅動控制，而使IGBT 8-1與IGBT 8-2的任一者或兩者一定為關斷。又，藉由相應於自控制電路11輸出的PWM訊號的佔空比將IGBT進行導通關斷控制（開關）而進行電力轉換。
當過電流檢測電路10檢測到過電流時，朝保護電路12與控制電路11輸出表示檢測到過電流的檢測訊號即閘極封鎖訊號。
保護電路具體而言如圖2所示般構成。首先，自控制電路11輸入的作為各IGBT的控制訊號的PWM訊號的訊號線（A）連接於進行互斥邏輯和運算的XOR邏輯電路121-1的輸入端的一者，且分支而連接於經由在串聯連接的電阻122-1與大地之間並聯連接的電容器123-1進行邏輯積運算的AND邏輯電路124-1的輸入端的一者。包含電阻122-1與電容器123-1的RC電路的時間常數可藉由電阻122-1的電阻值以及電容器123-1的電容而適當設定。又，自過電流檢測電路10輸出的閘極封鎖訊號的訊號線（B）連接於AND邏輯電路124-1的輸入端的另一者。而且，AND邏輯電路124-1的輸出端連接於XOR邏輯電路121-1的輸入端的另一者。進而，自XOR邏輯電路121-1的輸出端朝驅動電路8-1輸出有驅動訊號。此處，以輸出對於驅動電路8-1的驅動訊號的構成為例對保護電路12的動作進行說明。
表1表示各訊號線的邏輯。 【表1】 首先，狀態1為PWM訊號為低（以下簡稱為「L」）即作為IGBT 5-1的關斷控制而指示閘極關斷。相伴與此於（B）處顯現的RC輸出訊號亦為L。此時，過電流檢測訊號為L，即未檢測到過電流。如是，在所述狀態1中，由於（B）與（C）的AND運算結果為L，此L與（A）的XOR運算結果亦為L，故於訊號線（D）作為驅動訊號而PWM訊號的L保持原樣顯現。
其次，在狀態2中，PWM訊號為高（以下簡稱為「H」）即作為IGBT的導通控制而指示閘極導通。此時，由於自PWM訊號變為H後至RC輸出訊號變為H為止耗費將電容器充電的時間（時間常數），故而在經過時間常數之前RC輸出訊號為L不變。若未檢測到過電流，則過電流檢測訊號為L。如是，由於（B）與（C）的AND運算結果為L，此L與（A）的XOR運算結果為H，故於訊號線（D）作為驅動訊號而PWM訊號的H保持原樣顯現。
其次，在狀態3中，PWM訊號為H不變，若PWM訊號在變為H後經過時間常數時，則RC輸出訊號變為H。若未檢測到過電流，則過電流檢測訊號為L。如是，由於（B）與（C）的AND運算結果為L，此L與（A）的XOR運算結果為H，故而於訊號線（D）作為驅動訊號而PWM訊號的H保持原樣顯現。
其次，在狀態4中，PWM訊號為H，在PWM訊號變為H後經過時間常數，RC輸出訊號變為H。此時，檢測到過電流而過電流檢測訊號變為H。如是，由於（B）與（C）的AND運算結果為H，此H與（A）的XOR運算結果為L，故而於訊號線（D）作為驅動訊號而輸出L，即輸出使閘極關斷的驅動訊號。
其次，在狀態5中，PWM訊號為H，RC輸出為L。此時，檢測到過電流，而過電流檢測訊號為H。如是，由於（B）與（C）的AND運算結果為L，此L與（A）的XOR運算結果為H，故而於訊號線（D）作為驅動訊號而PWM訊號的H保持原樣顯現。
圖3表示保護電路12的整體構成。 自過電流檢測電路10輸出的閘極封鎖訊號的訊號線為共通，用於控制各IGBT 5-1〜IGBT 5-4的PWM訊號自控制電路11輸入，自保護電路12將各IGBT 5-1〜IGBT 5-4的驅動訊號朝各自的驅動電路8-1〜驅動電路8-4輸出。
藉此，根據本實施例的電力轉換裝置，在產生過電流時，即便對正常動作的、即被導通控制的IGBT進行關斷控制，由於僅將被導通控制後經過規定時間的狀態的IGBT進行關斷控制，故而不會使IGBT因過電壓所致的發熱等而發生故障，從而可降低過電流的影響，而能夠實現更高可靠性的控制。又，藉由開關元件的特性改善，在減小IGBT的短路耐量的現狀下，可藉由保護電路這一硬體構成高速且在不增加負載下使IGBT停止。又，由於決定使正常動作的IGBT直至閘極封鎖的延遲時間的RC電路的時間常數可藉由電阻的電阻值以及電容器的電容而適當設定，故而設計的自由度較高。又，可利用XOR邏輯電路、AND邏輯電路及RC電路這一簡單的構成而構成保護電路，從而可降低成本。又，由於可準備包含複數個XOR邏輯電路121-1〜XOR邏輯電路121-4的IC以及包含複數個AND邏輯電路124-1〜AND邏輯電路124-4的IC，故而可藉由追加所述較少的零件而實現保護電路12。 再者，本實施例的逆變器的控制方法亦可不是保護電路的硬體構成，而是藉由在控制電路中執行的軟體而實現。
再者，以下，為了能夠將本發明的構成要件與實施例的構成進行對比，而利用圖式的附帶符號預先記載本發明的構成要件。 ＜發明1＞ 一種電力轉換裝置，包括：逆變器（4），包括複數個由串聯連接的一對開關元件（5-1、5-2以及5-3、5-4）構成的橋臂（6-1、6-2），藉由驅動控制所述複數個開關元件（5-1、5-2以及5-3、5-4），而將直流電力轉換為交流電力； 驅動電路（8-1〜8-4），驅動所述開關元件（5-1、5-2以及5-3、5-4）； 控制電路（11），輸出所述開關元件（5-1、5-2以及5-3、5-4）的控制訊號； 電流檢測機構（9），檢測朝所述逆變器（4）輸入的直流電流； 過電流檢測電路（10），基於藉由所述電流檢測機構（9）檢測到的電流而檢測過電流；以及 保護電路（12），設置於所述控制電路（11）與所述驅動電路（8-1〜8-4）之間；且 所述過電流檢測電路（10）在檢測到過電流時，朝所述保護電路（12）輸出表示檢測到過電流的檢測訊號， 接收到所述檢測訊號的所述保護電路（12）將使經來自所述控制電路（11）的控制訊號導通控制後經過規定時間的開關元件（5-1、5-2以及5-3、5-4）關斷的訊號朝所述驅動電路（8-1〜8-4）輸出。 ＜發明2＞ 如發明1所述的電力轉換裝置，其中接收到所述檢測訊號的所述保護電路（12）將延遲規定時間的所述控制訊號和所述檢測訊號的邏輯積（124-1）與所述控制訊號的互斥邏輯和（121-1）朝所述驅動電路（8-1）輸出。 ＜發明3＞ 如發明2所述的電力轉換裝置，其中所述保護電路（12）包括使所述控制訊號延遲規定時間的RC電路（122-1、123-1）。 ＜發明4＞ 一種逆變器的控制方法，用於控制逆變器（4），所述逆變器（4）包括複數個由串聯連接的一對開關元件（5-1、5-2以及5-3、5-4）構成的橋臂（6-1、6-2），藉由驅動控制所述複數個開關元件（5-1、5-2以及5-3、5-4），而將直流電力轉換為交流電力， 在檢測到朝所述逆變器（4）輸入的過電流時，使經導通控制後經過規定時間的開關元件（5-1、5-2以及5-3、5-4）關斷。
1、100、200、300‧‧‧電力轉換裝置
2‧‧‧可變電源
3‧‧‧整流電路
4、204‧‧‧逆變器
5-1〜5-4、105-1〜105-4‧‧‧絕緣閘雙極電晶體
6-1、6-2‧‧‧橋臂
7‧‧‧負載
8-1〜8-4、108-1〜108-4、208-1〜208-4‧‧‧驅動電路
9‧‧‧CT感測器/電流檢測感測器
10、210‧‧‧過電流檢測電路
11、111、211、311‧‧‧控制電路
12‧‧‧保護電路
121-1〜121-4‧‧‧XOR邏輯電路
122-1〜122-4‧‧‧電阻
123-1〜123-4‧‧‧電容器
124-1〜124-4‧‧‧AND邏輯電路
209‧‧‧電流檢測感測器
212‧‧‧閘極IC電路
（A）~（D）‧‧‧訊號線
圖1是本發明的實施例的電力轉換裝置的整體構成圖。 圖2是表示本發明的實施例的保護電路的一部分的電路圖。 圖3是表示本發明的實施例的保護電路的整體構成的電路圖。 圖4是本發明的先前例的電力轉換裝置的整體構成圖。 圖5是本發明的另一先前例的電力轉換裝置的整體構成圖。 圖6是本發明的又一先前例的電力轉換裝置的整體構成圖。

Claims (4)

  1. 一種電力轉換裝置，包括： 逆變器，包括複數個由串聯連接的一對開關元件構成的橋臂，藉由驅動控制複數個所述開關元件，而將直流電力轉換為交流電力； 驅動電路，驅動所述開關元件； 控制電路，輸出所述開關元件的控制訊號； 電流檢測機構，檢測朝所述逆變器輸入的直流電流； 過電流檢測電路，基於藉由所述電流檢測機構檢測到的電流而檢測過電流；以及 保護電路，設置於所述控制電路與所述驅動電路之間；且 所述過電流檢測電路在檢測到過電流時，朝所述保護電路輸出表示檢測到過電流的檢測訊號， 接收到所述檢測訊號的所述保護電路將使經來自所述控制電路的所述控制訊號進行導通控制後經過規定時間的開關元件關斷的訊號朝所述驅動電路輸出。
  2. 如申請專利範圍第1項所述的電力轉換裝置，其中接收到所述檢測訊號的所述保護電路將延遲所述規定時間的所述控制訊號和所述檢測訊號的邏輯積與所述控制訊號的互斥邏輯和朝所述驅動電路輸出。
  3. 如申請專利範圍第2項所述的電力轉換裝置，其中所述保護電路包括使所述控制訊號延遲所述規定時間的電阻電容電路。
  4. 一種逆變器的控制方法，用於控制逆變器，所述逆變器包括複數個由串聯連接的一對開關元件構成的橋臂，藉由驅動控制複數個所述開關元件，而將直流電力轉換為交流電力， 在檢測到朝所述逆變器輸入的過電流時，使經進行導通控制後經過規定時間的開關元件關斷。
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