JP2014236530A - 電力変換装置 - Google Patents

Abstract

【課題】並列に設けられた複数の電力変換ユニットの中の故障した電力変換ユニットを直流電源ユニットから速やかに切り離して、他の健全な電力変換ユニットを継続運転することのできる簡易な構成の電力変換装置を提供する。
【解決手段】直流リンク部を介して並列に設けられた複数の電力変換ユニットと、これらの電力変換ユニットにそれぞれ直流電力を供給する直流電源ユニットとの間に、前記各電力変換ユニットにそれぞれ供給される直流電力を制限する半導体スイッチ素子をそれぞれ個別に介装する。そして制御回路において前記各電力変換ユニットに生じる短絡電流をそれぞれ監視し、短絡電流が流れた電力変換ユニットに接続された前記半導体スイッチ素子をオフ制御して当該電力変換ユニットに対する電力供給を遮断する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、並列に設けられた複数の電力変換ユニットの中の故障した電力変換ユニットを直流電源ユニットから速やかに切り離して、他の健全な電力変換ユニットを継続運転することのできる電力変換装置に関する。

直流電源を電力源としてモータ等の大容量の交流負荷を駆動し、或いは複数台の交流負荷を並列駆動する電源装置として、複数の電力変換ユニットを並列に設けた電力変換装置が用いられる。図３はこの種の電力変換装置の概略構成図で、１は直流電源ユニットである。この直流電源ユニット１は、例えば商用交流電源を整流・平滑化するダイオード回路やバッテリ等からなる。

また２（２ａ〜２ｎ）は、直流リンク部３を介して前記直流電源ユニット１に接続されて並列に設けられた複数の電力変換ユニットである。これらの電力変換ユニット２（２ａ〜２ｎ）は、前記直流電源ユニット１から供給される直流電力をそれぞれ交流電力に変換して出力するインバータ・ユニットからなる。前記電力変換ユニット２（２ａ〜２ｎ）の各出力端子４（４ａ〜４ｎ）は、例えば並列に接続されて大容量の交流負荷に対する電力出力端子として用いられる。或いは前記複数の電力変換ユニット２（２ａ〜２ｎ）の各出力端子４（４ａ〜４ｎ）には、複数の交流負荷がそれぞれに個別に接続される。

ちなみに前記各電力変換ユニット２（２ａ〜２ｎ）は、図３に電力変換ユニット２ａの構成例を示すように、例えば複数（６個）の半導体スイッチング素子（ＩＧＢＴ）Ｑ１〜Ｑ６を２個ずつ直列に接続して直流入力端子の正極と負極との間に介装された３組のハーフブリッジ回路を並列に備えて構成される。これらの各半導体スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ６は、前記各ハーフブリッジ回路毎に所定の位相差で交互にオン・オフ駆動されることで該各ハーフブリッジ回路に印加される直流電圧をスイッチングする。そして前記ハーフブリッジ回路の各直列接続点（中点）を前記出力端子４（４ａ〜４ｎ）に接続し、所定電圧の三相交流電力を出力するように構成される。

尚、Ｄ１〜Ｄ６は、前記各半導体スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ６に逆並列に接続されたフリーホイリング・ダイオードである。また５は前記電力変換ユニット２（２ａ〜２ｎ）の前記各直流入力端子間に設けられて該電力変換ユニット２（２ａ〜２ｎ）に供給される直流電圧を安定化する為のコンデンサである。そして６は前記半導体スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ６を前述したようにオン・オフ制御する制御回路である。このように構成された電力変換装置については、例えば特許文献１等に詳しく紹介されている通りである。

ところで前記特許文献１には、前記複数の電力変換ユニット２（２ａ〜２ｎ）の直流入力部にスイッチ（回路開閉器）７を設けると共に、前記直流電源ユニット１との間の直流リンク部３にそれぞれ直流リアクトル８を介装することが開示される。前記スイッチ（回路開閉器）７は、前記複数の電力変換ユニット２（２ａ〜２ｎ）のいずれかに短絡等の故障が生じたとき、故障した電力変換ユニット２（２ａ〜２ｎ）を前記直流電源ユニット１から切り離すことで、残された他の健全な電力変換ユニット２（２ａ〜２ｎ）だけを運転する役割を担う。

しかし故障した電力変換ユニット２（２ａ〜２ｎ）が前記スイッチ（回路開閉器）７により切り離されるまでの間、当該故障した電力変換ユニット２（２ａ〜２ｎ）の短絡点に他の健全な電力変換ユニット２（２ａ〜２ｎ）から過大な電流が流れ込み、これに伴って他の健全な電力変換ユニット２（２ａ〜２ｎ）が過電流状態に陥る虞がある。前記直流リアクトル８は、このような短絡故障の発生時に他の健全な電力変換ユニット２（２ａ〜２ｎ）に流れる電流の立上りを制限することで、これらの健全な電力変換ユニット２（２ａ〜２ｎ）が過電流状態に陥ることを防止する役割を担う。

特許第４７２６６２４号公報

しかしながら前記直流リンク部３に前記直流リアクトル８をそれぞれ介装した場合、前記各電力変換ユニット２（２ａ〜２ｎ）の応答特性が悪くなることが否めない。換言すれば前記各電力変換ユニット２（２ａ〜２ｎ）の正常動作時における入力直流電圧の変動に対する応答性が悪くなる。しかも前記スイッチ（回路開閉器）７の動作応答遅れは一般的には数ミリ秒オーダーであり、短絡故障に対する応答性が高いとは言い難い。

本発明はこのような事情を考慮してなされたもので、その目的は、並列に設けられた複数の電力変換ユニットの中の故障した電力変換ユニットを直流電源ユニットから速やかに切り離し、他の健全な電力変換ユニットを継続運転することのできる簡易な構成で応答性の高い電力変換装置を提供することにある。

上述した目的を達成するべく本発明に係る電力変換装置は、直流電源ユニットと、直流リンク部を介して並列に設けられて前記直流電源ユニットから給電される直流電力をそれぞれ交流電力に変換して出力する複数の電力変換ユニットとを備えたものであって、
特に前記各電力変換ユニットと前記直流電源ユニットとの間に、前記各電力変換ユニットに給電される電力を制限する複数の半導体スイッチ素子をそれぞれ個別に介装すると共に、前記各電力変換ユニットに生じる短絡電流をそれぞれ監視する制御回路により、短絡電流が流れた電力変換ユニットに接続された前記半導体スイッチ素子をオフ制御して当該電力変換ユニットに対する電力供給を遮断するように構成したことを特徴としている。

ちなみに前記制御回路は、例えば前記直流電源ユニットから前記電力変換ユニットに供給される電流、または前記電力変換ユニットの主体部を構成する半導体スイッチング素子に流れる電流、若しくは前記半導体スイッチング素子に印加される直流電圧の低下から該電力変換ユニットの短絡電流（短絡故障）を検出して前記半導体スイッチ素子をオフ制御するように構成される。

尚、前記直流電源ユニットは、例えばＩＧＢＴやＭＯＳ-ＦＥＴ等の半導体スイッチング素子を用いて所定の直流電圧を生成する電圧制御型のＰＷＭコンバータ等からなる。また前記複数の電力変換ユニットのそれぞれは、例えば三相交流電力を生成するインバータ・ユニットからなる。更に前記半導体スイッチ素子は、例えばダイオードを逆並列に接続したＩＧＢＴ、または双方向に電流を流し得る逆阻止ＩＧＢＴからなる。そして前記半導体スイッチ素子は、前記各電力変換ユニットにおける直流入力部の正極側および負極側の少なくとも一方に介装される。

上記構成の電力変換装置によれば、前記各電力変換ユニットと前記直流電源ユニットとの間に介装された半導体スイッチ素子の素子特性自体を有効に活用して、前記各電力変換ユニットにそれぞれ給電される電力、特に電流を制限することができる。従って前記各電力変換ユニットを構成する半導体スイッチング素子に、不本意に過電流が流れることを効果的に阻止することができる。

その上で前記電力変換ユニットに短絡故障が発生した場合には、前記制御回路の制御の下で当該故障が生じた電力変換ユニットに接続された前記半導体スイッチ素子をオフ制御することで、該電力変換ユニットを前記直流電源ユニットから速やかに切り離すことができる。しかも前記半導体スイッチ素子の応答遅延は一般的に数マイクロ秒オーダーなので、従来一般的な機械的接点を使用したスイッチ（回路開閉器）に比較して十分高速に、前記故障が生じた電力変換ユニットを前記直流電源ユニットから切り離すことができる。

従って本発明に係る電力変換装置によれば、前記各電力変換ユニットの直流入力部にそれぞれ直流リアクトルを介装した従来装置のように、正常時における前記各電力変換ユニットの動作応答遅れの問題を招来することがない。しかも直流リアクトルを必要としないので、そのインダクタンスを調整する必要がなく、前記各電力変換ユニットの動作応答性を十分に速くすることができる。

また前記各電力変換ユニットにおける短絡電流の検出時には前記半導体スイッチ素子をオフ制御するだけで、短絡故障が生じた電力変換ユニットを前記直流電源ユニットから速やかに切り離すことができる。従って他の健全な電力変換ユニットを、過電流の問題を招来することなしに安定に継続して運転することが可能となる。故に電流制限機能と直流リンク回路の切り離し機能とを持たせた半導体スイッチ素子を用いることで、電力変換装置の全体構成の簡素化を図りながらその動作特性を保証し、健全な電力変換ユニットの継続運転を可能とする等の実用上多大なる効果が奏せられる。

本発明の一実施形態に係る電力変換装置の要部概略構成図。 本発明の他の実施形態に係る電力変換装置の要部概略構成図。 従来の電力変換装置の要部概略構成図。

以下、図面を参照して本発明の実施形態に係る電力変換装置について説明する。

図１は本発明の一実施形態に係る電力変換装置１０の要部概略構成を示す図で、図３に示した従来の電力変換装置と同一部分には同一符号を付して示してある。尚、こられの同一符号を付して示した構成要素については、その繰り返し説明を省略する。またこの実施形態における前記直流電源ユニット１は、例えばＩＧＢＴやＭＯＳ-ＦＥＴ等の半導体スイッチング素子を用いて直流入力電圧をスイッチングし、所定の直流出力電圧を生成する電圧制御型のＰＷＭコンバータ等として実現される。

さてこの実施形態に係る電力変換装置１０が特徴とするところは、並列に設けられた前記複数の電力変換ユニット２（２ａ〜２ｎ）の各直流入力部に、例えばＩＧＢＴからなる半導体スイッチ素子１１（１１ａ〜１１ｎ）をそれぞれ直列に介装した点にある。これらの各半導体スイッチ素子（ＩＧＢＴ）１１（１１ａ〜１１ｎ）には、ダイオード１２（１２ａ〜１２ｎ）が逆並列に接続されている。これらのダイオード１２（１２ａ〜１２ｎ）は、前述したスイッチング素子Ｑ１〜Ｑ６のスイッチング動作遅れや、前記電力変換ユニット２（２ａ〜２ｎ）の構成部品のバラツキ等に起因して直流電力に重畳する交流の横流成分を流す役割を担う。

尚、ここでは前記電力変換ユニット２（２ａ〜２ｎ）の各直流入力部における正極側に前記半導体スイッチ素子１１（１１ａ〜１１ｎ）をそれぞれ直列に介装した例について示すが、前記各直流入力部における負極側に前記半導体スイッチ素子１１（１１ａ〜１１ｎ）をそれぞれ直列に介装しても良いことは言うまでもない。また前記半導体スイッチ素子１１（１１ａ〜１１ｎ）として逆耐圧特性を有する双方向スイッチ素子、即ち、双方向に電流を流し得る逆阻止ＩＧＢＴを用いることも可能である。

ちなみに前記半導体スイッチ素子１１（１１ａ〜１１ｎ）は、前記各電力変換ユニット２（２ａ〜２ｎ）に異常がないとき、つまり前記各電力変換ユニット２（２ａ〜２ｎ）が正常に動作している場合には、前記制御回路６の制御の下でそれぞれオン制御される。従って前記電源ユニット１から前記直流リンク部３を介して供給される直流電力は、前記各半導体スイッチ素子１１（１１ａ〜１１ｎ）をそれぞれ介して前記各電力変換ユニット２（２ａ〜２ｎ）に加えられる。

このようにオン制御された前記半導体スイッチ素子１１（１１ａ〜１１ｎ）を介して前記各電力変換ユニット２（２ａ〜２ｎ）に流れ込む直流電流は、該半導体スイッチ素子１１（１１ａ〜１１ｎ）の素子特性に応じてその最大電流が制限される。従って前記各電力変換ユニット２（２ａ〜２ｎ）の主体部を構成する前述した各ハーフブリッジ回路にそれぞれ加えられる直流電力が制限される。従って前記各ハーフブリッジ回路を構成する前述した半導体スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ６に短絡等の異常が発生しない限り、前記各ハーフブリッジ回路に過電流が流れることがない。

ところで前記半導体スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ６が短絡する等の異常が発生したとき、その電力変換ユニット２（２ａ〜２ｎ）の直流入力部に設けられた前記コンデンサ５の端子電圧（直流リンク電圧）が低下する。そして上記端子電圧の低下に伴って前記直流電源ユニット１から当該電力変換ユニット２（２ａ〜２ｎ）に電流値が異常に大きい短絡電流が流れ込む。前記制御回路６は、このような短絡電流の発生を、例えば前記直流入力部に設けた電流検出器１３（１３ａ〜１３ｎ）を介して監視している。

そして前記制御回路６は短絡電流が検出されたとき、当該短絡電流が検出された電力変換ユニット２（２ａ〜２ｎ）における前記半導体スイッチ素子１１（１１ａ〜１１ｎ）をオフ制御し、これによって前記直流電源ユニット１から当該電力変換ユニット２（２ａ〜２ｎ）に供給される直流電力を遮断する。この半導体スイッチ素子１１（１１ａ〜１１ｎ）のオフ制御により、当該短絡故障が発生した電力変換ユニット２（２ａ〜２ｎ）が前記直流電源ユニット１から切り離される。この直流電源ユニット１からの前記電力変換ユニット２（２ａ〜２ｎ）の切り離しは前記半導体スイッチ素子１１（１１ａ〜１１ｎ）の素子特性に依存し、例えば数マイクロ秒オーダーの応答遅れだけで速やかに実行される。

従って前記短絡故障に起因して他の健全な電力変換ユニット２（２ａ〜２ｎ）に前述した異常な電流が流れ込む前に、前記短絡故障が発生した電力変換ユニット２（２ａ〜２ｎ）が切り離される。故に前記他の健全な電力変換ユニット２（２ａ〜２ｎ）に、上記短絡故障に起因する過電流が流れ込むことがない。また仮に前記他の健全な電力変換ユニット２（２ａ〜２ｎ）に、上記短絡故障に起因する過電流が流れ込もうとしても、前述した半導体スイッチ素子１１（１１ａ〜１１ｎ）による電流制限が作用するので、当該健全な電力変換ユニット２（２ａ〜２ｎ）における過電流の発生が未然に防がれる。故に、短絡故障が生じた電力変換ユニット２（２ａ〜２ｎ）を切り離し、残された他の健全な電力変換ユニット２（２ａ〜２ｎ）を継続して安定に運転することが可能となる。

特に上述した構成の電力変換装置１０によれば、前記半導体スイッチ素子１１（１１ａ〜１１ｎ）を用いて前記各電力変換ユニット２（２ａ〜２ｎ）に流れ込む直流電流（直流電力）を制限しながら、短絡電流の検出時には前記半導体スイッチ素子１１（１１ａ〜１１ｎ）を用いて短絡故障が発生した電力変換ユニット２（２ａ〜２ｎ）を前記直流電源ユニット１から速やかに切り離すことができる。従ってその構成が簡単であり、正常動作時における前記各電力変換ユニット２（２ａ〜２ｎ）の動作応答特性を犠牲にすることもない等の優れた利点がある。

ところで前記各電力変換ユニット２（２ａ〜２ｎ）の主体部が、例えば図２に示すように３レベル・インバータ（中性点クランプ・インバータとも称される）により構成される場合、前記電力変換ユニット２（２ａ〜２ｎ）の各直流入力部における正極側に前記半導体スイッチ素子１１（１１ａ〜１１ｎ）をそれぞれ直列に介装することに加えて、前記各直流入力部における負極側にも前記半導体スイッチ素子１４（１４ａ〜１４ｎ）をそれぞれ直列に介装することが好ましい。

即ち、３レベル・インバータは、概略的には前記直流電源ユニット１からその直流出力電圧を２分割した中間点電圧と前述した正極電圧および負極電圧とを入力し、これらの各電圧間でその直流電圧をそれぞれスイッチングする。そして上記各電圧間でスイッチングして求められる出力電圧を合成することで、図１に示したインバータよりも、より正弦波に近い交流電力を生成するものである。この３レベル・インバータについては、例えば特開２０１１−１９３６４６号公報等に詳しく紹介される通りである。

尚、図２において１５（１５ａ〜１５ｎ）は、前記各半導体スイッチ素子（ＩＧＢＴ）１４（１４ａ〜１４ｎ）にそれぞれ逆並列に接続されたダイオードである。また１６（１６ａ〜１６ｎ）は前記各半導体スイッチ素子（ＩＧＢＴ）１４（１４ａ〜１４ｎ）にそれぞれ流れる電流を検出する電流検出器である。更に１７ａ,１７ｂ,１７ｃは、前記３レベル・インバータにおける前記各ハーフブリッジ回路の直列接続点の電位を制御する為の双方向スイッチを示している。

また図２では、前記３レベル・インバータに与える前記中間点電圧を出力するように前記直流電源ユニット１を、１／２の直流電圧を出力する直流電源１ａ,１ｂとして等価的に示している。更に前記３レベル・インバータでは、前記正極電圧と前記中間電圧点との間、および前記中間電圧点と前記負極電圧点との間にそれぞれ介装される２つのコンデンサ５ａ,５ｂが用いられる。

従ってこのような３レベル・インバータを主体部として前記電力変換ユニット２（２ａ〜２ｎ）が構成される場合には、図２に示すように前記電力変換ユニット２（２ａ〜２ｎ）の各直流入力部における正極側および負極側にそれぞれ前記半導体スイッチ素子（ＩＧＢＴ）１１（１１ａ〜１１ｎ）,１４（１４ａ〜１４ｎ）を設ける。そして前記各ハーフブリッジ回路における上アーム側または下アーム側の短絡故障に応じて前記正極側の半導体スイッチ素子（ＩＧＢＴ）１１（１１ａ〜１１ｎ）、または負極側の半導体スイッチ素子（ＩＧＢＴ）１４（１４ａ〜１４ｎ）をオフ制御する。そして前記電力変換ユニット２（２ａ〜２ｎ）を、前記電源ユニット１における直流電源１ａ,１ｂからそれぞれ切り離すようにすれば良い。

この際、短絡故障が発生した電力変換ユニット２（２ａ〜２ｎ）を前記電源ユニット１における直流電源１ａ,１ｂの一方から切り離すと同時に、前記制御回路６の制御の下で当該電力変換ユニット２（２ａ〜２ｎ）を他方の直流電源１ａ,１ｂからも切り離すことが望ましい。このようにすれば短絡故障が発生した電力変換ユニット２（２ａ〜２ｎ）を前記電源ユニット１から完全に切り離すことが可能となる。そして前述した実施形態と同様に、他の健全な電力変換ユニット２（２ａ〜２ｎ）を継続して安定に運転することが可能となる。

尚、本発明は上述した実施形態に限定されるものではない。例えば前記電力変換ユニット２（２ａ〜２ｎ）の電力容量にもよるが、前記半導体スイッチ素子１１（１１ａ〜１１ｎ）,１４（１４ａ〜１４ｎ）としてＭＯＳ-ＦＥＴやバイポーラ・トランジスタを用いることも可能であり、ＳiＣ（シリコンカーバイド）素子を使ったスイッチング素子を用いることも勿論可能である。また前記各実施形態では前記電力変換ユニット２（２ａ〜２ｎ）の直流入力部に設けた電流検出器１３（１３ａ〜１３ｎ）,１６（１６ａ〜１６ｎ）にて該電力変換ユニット２（２ａ〜２ｎ）に流れ込む電流から短絡電流を検出した。

しかし前記半導体スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ６として電流センス端子を備えたＩＧＢＴを用いるような場合には、該電流センス端子から前記半導体スイッチング素子（ＩＧＢＴ）Ｑ１〜Ｑ６に流れる電流を直接的に検出して短絡電流の発生を監視することも可能である。或いは前記半導体スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ６の印加される直流電圧（例えばＩＧＢＴのコレクタ電圧）から、当該半導体スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ６の短絡を検出することも可能である。

また本発明は三相交流電力を生成する電力変換ユニット２（２ａ〜２ｎ）のみならず、単相交流電力を生成する電力変換ユニット２（２ａ〜２ｎ）や、その他の電力変換回路を並列に設けた電力変換装置にも同様に適用可能である。また各実施形態においては前記制御回路６において前記各電力変換ユニット２（２ａ〜２ｎ）の短絡を検出して前記半導体スイッチ素子１１（１１ａ〜１１ｎ）,１４（１４ａ〜１４ｎ）をオン・オフ制御するものとして説明した。しかしこの短絡検出による前記半導体スイッチ素子１１（１１ａ〜１１ｎ）,１４（１４ａ〜１４ｎ）のオン・オフ制御機能を、前記各電力変換ユニット２（２ａ〜２ｎ）毎に個別に設けることも可能である。その他、本発明はその要旨を逸脱しない範囲で種々変形して実施することができる。

１ 直流電源ユニット
１ａ,１ｂ 直流電源
２（２ａ〜２ｎ） 電力変換ユニット
３ 直流リンク部
５,５ａ,５ｂ コンデンサ
６ 制御回路
１０ 電力変換装置
１１（１１ａ〜１１ｎ） 半導体スイッチ素子
１２（１２ａ〜１２ｎ） ダイオード
１３（１３ａ〜１３ｎ） 電流検出器
１４（１４ａ〜１４ｎ） 半導体スイッチ素子
１５（１５ａ〜１５ｎ） ダイオード
１６（１６ａ〜１６ｎ） 電流検出器
１７ａ,１７ｂ,１７ｃ 双方向スイッチ
Ｑ１〜Ｑ６ 半導体スイッチング素子
Ｄ１〜Ｄ６ フリーホイリング・ダイオード

Claims (5)

1. 直流電源ユニットと、
   直流リンク部を介して並列に設けられて前記直流電源ユニットから給電される直流電力をそれぞれ交流電力に変換して出力する複数の電力変換ユニットと、
   これらの各電力変換ユニットと前記直流電源ユニットとの間にそれぞれ個別に介装されて前記各電力変換ユニットに給電される電力を制限する複数の半導体スイッチ素子と、
   前記各電力変換ユニットに生じる短絡電流をそれぞれ監視し、短絡電流が流れた電力変換ユニットに接続された前記半導体スイッチ素子をオフ制御して当該電力変換ユニットに対する電力供給を遮断する制御回路と
   を具備したことを特徴とする電力変換装置。
2. 前記制御回路は、前記直流電源ユニットから前記電力変換ユニットに供給される電流、前記電力変換ユニットの主体部を構成する半導体スイッチング素子に流れる電流、または前記半導体スイッチング素子に印加される直流電圧の低下から該電力変換ユニットの短絡電流を検出して前記半導体スイッチ素子をオフ制御する請求項１に記載の電力変換装置。
3. 前記複数の電力変換ユニットは、それぞれ三相交流電力を生成するインバータ・ユニットである請求項１に記載の電力変換装置。
4. 前記半導体スイッチ素子は、前記各電力変換ユニットにおける直流入力部の正極側および負極側の少なくとも一方に介装される請求項１に記載の電力変換装置。
5. 前記半導体スイッチ素子は、ダイオードを逆並列に接続したＩＧＢＴ、または双方向に電流を流し得る逆阻止ＩＧＢＴからなる請求項１に記載の電力変換装置。

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