JP2012029429A - 3レベル電力変換装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】3レベル変換回路でヒューズを接続すると、インダクタンスの増加によりスイッチング時に高いサージ電圧が発生するため、耐圧の高いモジュールの適用や、スナバ回路の接続などが必要となり、装置の大型化やコストアップの課題が発生する。
【解決手段】第1のIGBTと第2のIGBTとの直列回路の直列接続点と直流電源の中間極に接続され双方向スイッチ素子とを1相分とした3レベル電力変換器で、前記いずれかのIGBT又はダイオードが短絡故障した場合に発生する電源短絡現象からの保護として、双方向スイッチ素子と直流電源の中間極との間に接続するヒューズと、第1及び第2のIGBTの各々のゲート駆動回路に備えた過電流遮断手段とを備える。
【選択図】図1
【解決手段】第1のIGBTと第2のIGBTとの直列回路の直列接続点と直流電源の中間極に接続され双方向スイッチ素子とを1相分とした3レベル電力変換器で、前記いずれかのIGBT又はダイオードが短絡故障した場合に発生する電源短絡現象からの保護として、双方向スイッチ素子と直流電源の中間極との間に接続するヒューズと、第1及び第2のIGBTの各々のゲート駆動回路に備えた過電流遮断手段とを備える。
【選択図】図1
Description
本発明は、3レベルインバータ又はコンバータのアーム短絡保護方式に関する。
特許文献1に3レベルコンバータにヒューズを用いた保護回路が示されている。ここに示される3レベルコンバータ回路は直流電源としてのコンデンサを直列接続し、正極、中間極、負極を直流端子として、正極と負極間にダイオード逆並列接続したIGBTを4個(上アームに2個、下アームに2個)の直列接続回路を接続し、上アームの2個のIGBTの直列接続点と直流電源の中間極との間及び下アームの2個のIGBTの直列接続点と直流電源の中間極との間に各々中間極にクランプするためのダイオードを接続した回路を1相分とした構成である。この回路構成において、保護用ヒューズの挿入位置は下記(1)〜(3)の3つの構成が示されている。
(1)上アームのIGBTと直流電源の正極との間、及び下アームのIGBTと直流電源の負極との間
(2)直流電源の中間極にクランプするためのダイオードと直流電源の中間極との間、及び上アームのIGBTと直流電源の正極との間
(3)直流電源の中間極にクランプするためのダイオードと直流電源の中間極との間
上記(1)の構成を、本発明が対称とする特許文献2に示される3レベル電力変換回路(ここでは三相インバータ回路)に適用した回路構成を図6に示す。直流電源としてのコンデンサC1とC2の直列回路で構成した直流電源回路の正極Pdと負極Nd間に図7に示す3レベル用IGBTモジュールを3相分並列接続した構成である。各相回路構成は同じであるので、以下U相について説明する。U相回路は、ダイオードD1を逆並列接続したIGBTT1とダイオードD2を逆並列接続したIGBTT2との直列回路とIGBTT1のエミッタとIGBTT2のコレクタとの接続点に接続される逆阻止型IGBTT3とT4の逆並列回路を内蔵した3レベル用IGBTモジュールMJ1と、IGBTモジュールMJ1の端子Pと直流電源の正極Pdとの間に接続されるヒューズF1と、IGBTモジュールMJ1の端子Nと直流電源の負極Ndとの間に接続されるヒューズF2とで構成され、IGBTモジュールMJ1の端子Mは直流電源の中間極Mdに接続される。V相回路とW相回路はU相回路と同様の構成である。交流出力は図8に示すような3レベルの電圧波形となり、フィルタ用リアクトルLo、フィルタコンデンサなどを介して負荷LDには波形歪の小さな正弦波電圧を供給する。
このような構成における保護動作をU相を中心に説明する。
(1)上アームのIGBTと直流電源の正極との間、及び下アームのIGBTと直流電源の負極との間
(2)直流電源の中間極にクランプするためのダイオードと直流電源の中間極との間、及び上アームのIGBTと直流電源の正極との間
(3)直流電源の中間極にクランプするためのダイオードと直流電源の中間極との間
上記(1)の構成を、本発明が対称とする特許文献2に示される3レベル電力変換回路(ここでは三相インバータ回路)に適用した回路構成を図6に示す。直流電源としてのコンデンサC1とC2の直列回路で構成した直流電源回路の正極Pdと負極Nd間に図7に示す3レベル用IGBTモジュールを3相分並列接続した構成である。各相回路構成は同じであるので、以下U相について説明する。U相回路は、ダイオードD1を逆並列接続したIGBTT1とダイオードD2を逆並列接続したIGBTT2との直列回路とIGBTT1のエミッタとIGBTT2のコレクタとの接続点に接続される逆阻止型IGBTT3とT4の逆並列回路を内蔵した3レベル用IGBTモジュールMJ1と、IGBTモジュールMJ1の端子Pと直流電源の正極Pdとの間に接続されるヒューズF1と、IGBTモジュールMJ1の端子Nと直流電源の負極Ndとの間に接続されるヒューズF2とで構成され、IGBTモジュールMJ1の端子Mは直流電源の中間極Mdに接続される。V相回路とW相回路はU相回路と同様の構成である。交流出力は図8に示すような3レベルの電圧波形となり、フィルタ用リアクトルLo、フィルタコンデンサなどを介して負荷LDには波形歪の小さな正弦波電圧を供給する。
このような構成における保護動作をU相を中心に説明する。
図6の回路方式の場合、半導体素子短絡故障時の際に短絡電流が流れる経路は3経路ある。図9に第1の短絡経路を示す。本図は、IGBTT1またはダイオードD1が短絡故障した状態で、IGBTT3がターンオンする場合、又はIGBTT3又はT4が短絡故障している状態でIGBTT1がターンオンする時の短絡電流経路である。これらの場合、上側の電源C1の電圧Edpが短絡される経路となり、経路中のヒューズF1が溶断することにより保護が可能である。
図10に第2の短絡経路を示す。本図は、IGBTT2またはダイオードD2が短絡故障した状態で、IGBTT4がターンオンする時、又はIGBTT3又はT4が短絡故障している状態でIGBTT2がターンオンする時の短絡電流経路である。これらの場合、下側の電源C2の電圧Ednが短絡される経路となり、経路中のヒューズF2が溶断することにより保護が可能である。
図11に第3の短絡経路を示す。本図は、3レベルの動作時ではなく、T1とT2のスイッチングによる2レベル動作時に発生する場合で、IGBTT1またはダイオードD1が短絡故障した状態で、IGBTT2がターンオンする場合、又はIGBTT2またはダイオードD2が短絡故障した状態で、IGBTT1がターンオンする場合の電流経路図である。これらの場合、上側電源C1の電圧Edpと下側電源C2の電圧Ednとの和の電圧が短絡される経路となり、経路中のヒューズF1又はF2の溶断によって保護が可能である。
特許文献1の上記(2)の構成の1相分の回路を図15に示す。上記(1)の構成と同様に上側電源C1を短絡する半導体素子の故障の場合はヒューズF1又はF3が、下側電源C2を短絡する半導体素子の故障の場合はヒューズF3が、上側電源C1と下側電源C2の和が短絡される経路の場合はヒューズF1が、各々溶断することにより保護が可能である。
次に、特許文献1の上記(3)の構成の1相分の回路を図16に示す。上側電源C1を短絡する半導体素子の故障の場合、及び下側電源C2を短絡する半導体素子の故障の場合共にヒューズF3が溶断することにより保護が可能であるが、T1とT2のスイッチングによる2レベル動作時に発生する短絡故障の場合は保護ができない。
図12、図13に、図6のシステムにおける通常運転時での動作例を示す。本例はIGBTT1がオン状態(図12)からターンオフする場合(図13)を示している。
IGBTT1がオン状態の場合(点線で示す経路SC4で電流が流れている状態)から、IGBTT1がターンオフすると、事前にオンさせておいたIGBTT4が導通し、電流経路SC5に転流される。その際過渡的に、SC6の経路の一点鎖線の電流が減少することにより、直流電源(C1又はC2)とIGBTモジュール間の配線インダクタンスLPM1、LPM2にはIGBTの電流変化率(di/dt)に応じて、図中の矢印の向きに電圧が発生する。
IGBTT1がオン状態の場合(点線で示す経路SC4で電流が流れている状態)から、IGBTT1がターンオフすると、事前にオンさせておいたIGBTT4が導通し、電流経路SC5に転流される。その際過渡的に、SC6の経路の一点鎖線の電流が減少することにより、直流電源(C1又はC2)とIGBTモジュール間の配線インダクタンスLPM1、LPM2にはIGBTの電流変化率(di/dt)に応じて、図中の矢印の向きに電圧が発生する。
その結果、IGBTT1のコレクタ−エミッタ間には最大で式(1)で示される電圧が印加されることとなる。図14にIGBTT1ターンオフ時のコレクタ電流(ic)とコレクタエミッタ間電圧(Vce)波形を示す。
Vce(peak)=Edp+(LPM1+LPM2)・di/dt ・・式(1)
サージ電圧ΔV1=(LPM1+LPM2)・di/dt ・・式(2)
Edp :直流電源1の直流電圧
di/dt :IGBTターンオフ時のIGBTの電流変化率
LPM1、LPM2: 各配線のインダクタンス値
一例として数100AクラスのIGBTの場合、そのdi/dtは最大で5000A/μs程度となるため、LPM1+LPM2=100nHとすると、式(1)によるサージ分((LPM1+LPM2)・di/dt)は500Vとなる。
サージ電圧ΔV1=(LPM1+LPM2)・di/dt ・・式(2)
Edp :直流電源1の直流電圧
di/dt :IGBTターンオフ時のIGBTの電流変化率
LPM1、LPM2: 各配線のインダクタンス値
一例として数100AクラスのIGBTの場合、そのdi/dtは最大で5000A/μs程度となるため、LPM1+LPM2=100nHとすると、式(1)によるサージ分((LPM1+LPM2)・di/dt)は500Vとなる。
従って、配線インダクタンスLPM1、LPM2の存在によって、IGBTターンオフ時のIGBTに印加されるピーク電圧値は、直流電圧Edpに対して上記式(2)のサージ電圧分高くなる。
一般に直流部の主回路導体は、並行平板構造(ラミネート構造)とすることで、発生する磁界がキャンセルされ、低配線インダクタンス化が図れるが、図6のシステムのようにヒューズを接続すると、その箇所は並行平板構造とすることができないため、配線の低インダクタンス化を図ることはできない。
また、図15に示す構成でも2箇所にヒューズを用いるため、同様に配線インダクタンスが大きくなる。
以上のようにヒューズを接続すると、インダクタンスの増加によりスイッチング時に高いサージ電圧が発生するため、耐圧の高いモジュールの適用や、スナバ回路の接続などが必要となり、装置の大型化やコストアップの課題が発生する。特に3レベルインバータの場合、2箇所にヒューズを接続する必要があるため、これらの課題は顕著となる。
また、図16に示す回路構成では、2レベル動作での保護ができない。
従って、本発明の課題は、配線インダクタンスを極力小さくしてスイッチング時のサージ電圧を小さく抑えつつ、確実な保護動作を実現する保護回路を提供することである。
従って、本発明の課題は、配線インダクタンスを極力小さくしてスイッチング時のサージ電圧を小さく抑えつつ、確実な保護動作を実現する保護回路を提供することである。
上述の課題を解決するために、第1の発明においては、二つの直流電源を直列接続して構成し、正極、中間極、負極を有する直流電源と、直流回路の正極にコレクタが接続されるダイオードが逆並列接続された第1のIGBTと、直流回路の負極にエミッタが接続されるダイオードが逆並列接続された第2のIGBTと、第1のIGBTのエミッタと第2のIGBTのコレクタとの接続点と前記直流電源の中間極に接続される第3のIGBTと第4のIGBTとを逆並列接続して構成した双方向スイッチ素子とを1相分とした電圧形の3レベル電力変換器であって、前記いずれかのIGBT又はダイオードが短絡故障した場合に発生する電源短絡現象から装置を保護する過電流保護機能を備えた電力変換装置において、前記双方向スイッチ素子と直流電源の中間極との間に接続するヒューズと、前記第1及び第2のIGBTの各々のゲート駆動回路に備えた過電流遮断手段とを有する。
第2の発明においては、第1の発明における前記ヒューズは、前記3レベル電力変換器の複数相で共用化する。
第3の発明においては、第1の発明における前記過電流遮断手段は、前記第1又は第2のIGBTのコレクタ−エミッタ間のオン電圧を監視して、前記オン電圧が所定値以上に上昇した場合に過電流と判定し、ゲート信号を遮断する。
第3の発明においては、第1の発明における前記過電流遮断手段は、前記第1又は第2のIGBTのコレクタ−エミッタ間のオン電圧を監視して、前記オン電圧が所定値以上に上昇した場合に過電流と判定し、ゲート信号を遮断する。
第4の発明においては、第1の発明における前記第1又は第2のIGBTとして、電流を検出するための電流センス端子付IGBTを使用し、前記過電流遮断手段は、前記電流センス端子で過電流を検出し、ゲート信号を遮断する。
第5の発明においては、第1の発明における前記過電流遮断手段は、前記第1又は第2のIGBTのコレクタ又はエミッタの過電流を電流検出器で検出し、ゲート信号を遮断する。
本発明では、使用する保護ヒューズは相毎に1個又は複数相で1個とし、第1及び第2のIGBTのゲート駆動回路に過電流遮断機能を内蔵している。
この結果、配線インダクタンスが小さくなり、スイッチング時のサージ電圧を抑制できるとともに、確実な保護機能を実現できる。
この結果、配線インダクタンスが小さくなり、スイッチング時のサージ電圧を抑制できるとともに、確実な保護機能を実現できる。
本発明の要点は、二つの直流電源を直列接続して構成し、正極、中間極、負極を有する直流電源と、直流回路の正極にコレクタが接続されるダイオードが逆並列接続された第1のIGBTと、直流回路の負極にエミッタが接続されるダイオードが逆並列接続された第2のIGBTと、第1のIGBTのエミッタと第2のIGBTのコレクタとの接続点と前記直流電源の中間極に接続される第3のIGBTと第4のIGBTとを逆並列接続して構成した双方向スイッチ素子とを1相分とした電圧形の3レベル電力変換器の半導体素子短絡故障時の電源短絡現象から装置を保護する過電流保護機能として、前記双方向スイッチ素子と直流電源の中間極との間に接続するヒューズを、前記第1及び第2のIGBTの各々のゲート駆動回路に過電流遮断回路を、各々備えた点である。
図1に、本発明の第1の実施例を示す。直流電源としての二つのコンデンサC1、C2を直列接続して構成し、正極、中間極、負極を有する直流電源と、直流回路の正極にコレクタが接続されるダイオードD1が逆並列接続された第1のIGBTT1と、直流回路の負極にエミッタが接続されるダイオードD2が逆並列接続された第2のIGBTT2と、第1のIGBTT1のエミッタと第2のIGBTT2のコレクタとの接続点と前記直流電源の中間極に接続される第3のIGBTT3と第4のIGBTT4とを逆並列接続して構成した双方向スイッチ素子とを1相分とした電圧形の3レベル電力変換器の回路構成である。本図には1相分の回路を示すが、複数個並列接続して単相変換装置や三相変換装置を構成する。
半導体素子短絡故障時の電源短絡現象から装置を保護する過電流保護機能として、前記双方向スイッチ素子と直流電源の中間極との間に接続するヒューズを、前記第1及び第2のIGBTの各々のゲート駆動回路に過電流遮断回路を、各々備えている。ここで、第1のIGBTT1に接続されたゲート駆動回路GD1とダイオードD1a、及び第2のIGBTT2に接続されたゲート駆動回路GD2とダイオードD2aは、各々過電流遮断回路を備えた構成である。過電流遮断の原理は、ダイオードD1a、D2aでIGBTT1、T2のオン電圧を検知して、この電圧が過電流時上昇することを利用して、ゲート駆動回路GD1、GD2内のオン信号を遮断するものである。オン信号期間中IGBTのコレクタ−エミッタ間の電圧Vceは数ボルト程度であるが、過電流になると数十ボルト以上に増加するため、これをダイオードD1a、D2aを介して検出し、ゲートのオン信号を遮断する。この過電流遮断回路については、特開平5−161342号公報などで公知であるので、詳細は省略する。
このような構成において、IGBTT1またはダイオードD1が短絡故障した状態で、IGBTT3がターンオンする場合、或いはIGBTT3又はT4が短絡故障している状態でIGBTT1がターンオンする時の短絡電流経路である第1の短絡電流経路においては、上側の電源C1が短絡される経路となり、経路中のヒューズF3が溶断することにより保護が可能である。また、IGBTT2又はダイオードD2が短絡故障した状態で、IGBTT4がターンオンする時、或いはIGBTT3又はT4が短絡故障している状態でIGBTT2がターンオンする時の短絡電流経路である第2の短絡電流経路においては、下側の電源C2の電圧が短絡される経路となり、経路中のヒューズF3が溶断することにより保護が可能である。
次に、3レベルの動作時ではなく、IGBTT1とT2のスイッチングによる2レベル動作時の動作を説明する。IGBTT1又はダイオードD1が短絡故障した状態で、IGBTT2がターンオンする場合、及びIGBTT2又はダイオードD2が短絡故障した状態で、IGBTT1がターンオンする場合の電流経路は、上側電源C1と下側電源C2の和の電源が短絡される経路となり、この時は、正常なIGBTT1又はT2が過電流を検出し遮断することにより保護される。このようなヒューズ溶断や過電流遮断などの過電流保護回路が動作した場合には、記載されていない制御回路に動作したことを故障信号として送信し、装置全体を停止させるため、装置全体の保護が実現される。
図2に、本発明の第2の実施例を示す。第1の実施例との違いは、IGBTT1a、T2aとして、電流を検出するための電流センス端子付IGBTを使用し、前記過電流遮断手段は、前記電流センス端子で過電流を検出し、ゲート信号を遮断する点である。この過電流保護の方式は、特開平4−79758号公報などで公知であるので、詳細は省略する。このような構成においても、実施例1と同様に、各過電流経路の保護を実現できる。
図3に、本発明の第3の実施例を示す。第1及び第2の実施例との違いは、過電流検出用にホールCTなどの電流検出器CS1、CS2を用いている点である。過電流を検出するとゲート駆動回路のオン信号を遮断する。このような構成においても、実施例1、2と同様に、各過電流経路の保護を実現できる。
図4に、本発明の第4の実施例を示す。
実施例1〜3の実施例では1相毎の構成における例を説明したが、本実施例は複数の相で構成する単相フルブリッジ回路、三相V結線ブリッジ回路、三相フルブリッジ回路などにおけるヒューズの挿入方法に関する。図5は三相インバータ回路の各相にヒューズF4〜F6を挿入した構成であるが、図4は三相分合わせて1個のヒューズF3を挿入した実施例である。3相のいずれかの相でIGBTT1、T2、ダイオードD1、D2、逆阻止型IGBTT3、T4のいずれかに短絡故障が発生するとヒューズF3が遮断され、回路が保護される。2レベル動作においては、IGBTT1及びIGBTT2のゲート駆動回路に第1〜第3の実施例と同様に過電流保護回路を内蔵させることにより、同様に保護を実現できる。使用するヒューズが1個で済むため、3相分をまとめても配線インダクタンスが大きくならない小容量の装置では有効である。
実施例1〜3の実施例では1相毎の構成における例を説明したが、本実施例は複数の相で構成する単相フルブリッジ回路、三相V結線ブリッジ回路、三相フルブリッジ回路などにおけるヒューズの挿入方法に関する。図5は三相インバータ回路の各相にヒューズF4〜F6を挿入した構成であるが、図4は三相分合わせて1個のヒューズF3を挿入した実施例である。3相のいずれかの相でIGBTT1、T2、ダイオードD1、D2、逆阻止型IGBTT3、T4のいずれかに短絡故障が発生するとヒューズF3が遮断され、回路が保護される。2レベル動作においては、IGBTT1及びIGBTT2のゲート駆動回路に第1〜第3の実施例と同様に過電流保護回路を内蔵させることにより、同様に保護を実現できる。使用するヒューズが1個で済むため、3相分をまとめても配線インダクタンスが大きくならない小容量の装置では有効である。
尚、上記実施例には、3相の3レベル変換装置の例を示したが、単相のハーフブリッジ回路、単相のフルフリッジ回路、三相フルブリッジ回路、V結線回路などでも実現可能である。
本発明は、3レベルの交流−直流変換回路、直流−交流変換回路の保護に関する提案であり、直流電源装置、交流電源装置、無停電電源装置(UPS)、電動機駆動装置などへの適用が可能である。
C1、C2・・・コンデンサ F1〜F6・・・ヒューズ
T1、T2・・・IGBT T1a、T2a・・・電流センス端子付IGBT
D1、D2、D1a、D2a・・・ダイオード
GD1〜GD6・・・ゲート駆動回路 CS1、CS2・・・電流検出器
T3、T4・・・逆阻止型IGBT Lo・・・リアクトル
LD・・・負荷 MJ1・・・IGBTモジュール
T1、T2・・・IGBT T1a、T2a・・・電流センス端子付IGBT
D1、D2、D1a、D2a・・・ダイオード
GD1〜GD6・・・ゲート駆動回路 CS1、CS2・・・電流検出器
T3、T4・・・逆阻止型IGBT Lo・・・リアクトル
LD・・・負荷 MJ1・・・IGBTモジュール
Claims (5)
- 二つの直流電源を直列接続して構成し、正極、中間極、負極を有する直流電源と、直流回路の正極にコレクタが接続されるダイオードが逆並列接続された第1のIGBTと、直流回路の負極にエミッタが接続されるダイオードが逆並列接続された第2のIGBTと、第1のIGBTのエミッタと第2のIGBTのコレクタとの接続点と前記直流電源の中間極に接続される第3のIGBTと第4のIGBTとを逆並列接続して構成した双方向スイッチ素子とを1相分とした電圧形の3レベル電力変換器であって、前記いずれかのIGBT又はダイオードが短絡故障した場合に発生する電源短絡現象から装置を保護する過電流保護機能を備えた電力変換装置において、前記双方向スイッチ素子と直流電源の中間極との間に接続するヒューズと、前記第1及び第2のIGBTの各々のゲート駆動回路に備えた過電流遮断手段とを有することを特徴とする3レベル電力変換装置。
- 前記ヒューズは、前記3レベル電力変換器の複数相で共用化することを特徴とする請求項1に記載の3レベル電力変換装置。
- 前記過電流遮断手段は、前記第1又は第2のIGBTのコレクタ−エミッタ間のオン電圧を監視して、前記オン電圧が所定値以上に上昇した場合に過電流と判定し、ゲート信号を遮断することを特徴とする請求項1又は2に記載の3レベル電力変換装置。
- 前記第1又は第2のIGBTとして、電流を検出するための電流センス端子付IGBTを使用し、前記過電流遮断手段は、前記電流センス端子で過電流を検出し、ゲート信号を遮断することを特徴とする請求項1又は2に記載の3レベル電力変換装置。
- 前記過電流遮断手段は、前記第1又は第2のIGBTのコレクタ又はエミッタの過電流を電流検出器で検出し、ゲート信号を遮断することを特徴とする請求項1又は2に記載の3レベル電力変換装置。
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