JP2020137302A

JP2020137302A - 電力変換装置

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Publication number: JP2020137302A
Application number: JP2019029728A
Authority: JP
Inventors: 高田　直樹; Naoki Takada; 直樹高田
Original assignee: Hitachi Industrial Equipment Systems Co Ltd
Current assignee: Hitachi Industrial Equipment Systems Co Ltd
Priority date: 2019-02-21
Filing date: 2019-02-21
Publication date: 2020-08-31
Anticipated expiration: 2039-02-21
Also published as: JP7252004B2

Abstract

【課題】サイリスタとサイリスタ駆動回路との間の配線不具合による故障を未然に防ぐ電力変換装置を提供する。【解決手段】電力変換装置は、整流器と、整流器の出力電圧を平滑化する平滑手段と、電源投入時に前記平滑手段への突入電流を抑制する抵抗と、サイリスタと、基板とを有し、基板は、サイリスタを駆動するサイリスタ駆動回路と、サイリスタ駆動回路を制御する制御回路とを有し、基板と前記サイリスタとは配線により接続されており、サイリスタ駆動回路は、制御回路からの信号に従い、サイリスタのゲート信号を流すスイッチと、サイリスタのゲートとカソードとの間の電圧の異常を検出する電圧検出器とを有する。【選択図】図３

Description

本発明は、電力変換装置に関し、特に、サイリスタを備えた電力変換装置に関する。

交流電力を受電し整流回路にて直流電力に変換した後、逆変換器によって交流に変換する電力変換装置において、その整流回路部はダイオードおよびコンデンサにより直流に変換される。この回路構成において電源投入時にコンデンサにむけて過大な充電電流が電源系統およびダイオードに流れることから、充電電流を抑制するためにスイッチと抵抗を使用した限流回路を備えることが一般的に行われている。電源投入時にはスイッチをオフ状態とし一時的に抵抗を通してコンデンサに充電を行い、充電電流の抑制を行う。充電完了後スイッチをオンにし、抵抗をバイパスさせ通常運転時の電流はスイッチを通して逆変換器へ給電が行われる。

このスイッチには電磁接触器やリレー等の機械接点が使用される場合がある他、パワー半導体であるサイリスタが用いられる場合がある。限流抵抗に対して並列にサイリスタを接続した従来技術として特許文献１が知られている。

特許文献１は、電源投入時に平滑回路に突入電流が流入するのを防止するための突入防止回路を有するインバータ装置及び電動機駆動装置に関する発明である。その中で、突入防止回路は、突入電流を制限する限流手段と、複数の半導体スイッチング素子と、この半導体スイッチング素子を駆動する突入防止回路用駆動回路とを有し、半導体スイッチング素子を並列に接続する構成を開示している。

特開２００１−１１２２６５

サイリスタはパッケージに封入されたモジュール形状として提供されることが一般的であり、パッケージにはゲート信号を印加するゲート端子が用意されている。

一方、電力変換装置の制御をする制御回路やスイッチング素子を制御する回路は、基板に実装されることが一般的である。そして、サイリスタを駆動するサイリスタ駆動回路も基板実装されることが一般的である。

サイリスタと、電力変換装置の制御やドライブをつかさどる回路を実装した基板との間のゲート信号の接続には電線による配線にて接続されることが多い。

配線に不具合があった場合にサイリスタがオンしない状態で運転となり、電流が並列に接続される抵抗を通過することにより過大な熱ストレスが加わり抵抗の故障にいたるおそれがある。

また、電力変換装置の電力容量が大きい場合、サイリスタの容量をあわせて大きくする必要があるが、サイリスタの容量をかせぐ方法として、サイリスタを並列に使用する場合がある。サイリスタを並列にした場合において、仮にサイリスタのゲート配線が並列のうち一方に、前記のようなゲート信号配線に不具合があると、不具合のある側のサイリスタはゲート信号をオンにすることができないため電流が流れず、もう一方の配線が正常な側のサイリスタにのみに全電流が流れることになる。

したがって、正常側のサイリスタに容量をこえる電流が流れる状態で使用されることになり故障にいたるおそれがある。特許文献１では、前記したような配線不具合による故障を防ぐことについて、配慮されてはいない。

本発明の目的は、サイリスタとサイリスタ駆動回路との間の配線不具合による故障を未然に防ぐ電力変換装置を提供することにある。

本発明の好ましい一例は、整流器と、前記整流器の出力電圧を平滑化する平滑手段と、電源投入時に前記平滑手段への突入電流を抑制する抵抗と、サイリスタと、基板とを有し、前記基板は、前記サイリスタを駆動するサイリスタ駆動回路と、前記サイリスタ駆動回路を制御する制御回路とを有し、前記基板と前記サイリスタとは配線により接続されており、
前記サイリスタ駆動回路は、前記制御回路からの信号に従い、前記サイリスタのゲート信号を流すスイッチと、前記サイリスタのゲートとカソードとの間の電圧の異常を検出する電圧検出器とを有する電力変換装置である。

本発明によれば、サイリスタとサイリスタ駆動回路との間の配線不具合による故障を未然に防ぐ電力変換装置を実現できる。

実施例１の電力変換装置の全体回路を示す図である。実施例１の全体構造を示す図である。実施例１の回路を示す図である。実施例１のタイミングチャートである。実施例２の回路を示す図である。実施例３の回路を示す図である。実施例４の回路を示す図である。実施例５の回路を示す図である。実施例２の変形例１の回路図である。実施例２の変形例２の回路図である。

以下、本発明の実施例を、図面を用いて説明する。

図１は、実施例１の電力変換装置1の全体回路構成を示す図である。電力変換装置1は、交流電源2の電力を入力し、整流器としてのダイオード3、逆変換器としてのスイッチング素子5、抵抗7とサイリスタ8、コンデンサ4、スイッチング素子5を制御するスイッチング素子駆動回路13、サイリスタ8を制御するサイリスタ駆動回路12、スイッチング素子駆動回路13とサイリスタ駆動回路12を制御する制御回路11、制御電源回路14、操作パネル15を備える。電力変換装置1は、電力を負荷6に供給する。

交流電源2から供給される電流は、ブリッジ接続されたダイオード3が、整流器の役割をして全波整流する。整流器から出力された電圧は、コンデンサ4にて、平滑化される。コンデンサ4の出力は、直流電力となる。

複数のスイッチング素子5をONもしくはOFFに切替えることで、直流電力を任意の周波数、任意の電圧の交流電力に変換する逆変換器の役割を行う。そして、負荷6に交流電力が出力される。スイッチング素子は、IGBTやMOS FET等のパワー半導体が用いられる。

サイリスタ8と抵抗7は、電源投入時に、平滑手段としてのコンデンサ4に、充電電流として流す突入電流を抑制する為に設けられる。電源投入時には、サイリスタ8をオフ状態にしておく。その場合には、充電電流は抵抗7を流れることになるため、突入電流が抵抗7によって抑制される。

コンデンサ4の充電が終わると、サイリスタ8をオンさせ、抵抗7をバイパスさせる。通常の電力変換装置が運転時に通過する電流は、サイリスタ8を通過してコンデンサ4およびスイッチング素子5へ供給される。

電力変換装置1の制御を行うマイコンなどの制御回路11、サイリスタ8のゲート駆動を行うサイリスタ駆動回路12、スイッチング素子5のゲートの駆動を行うスイッチング素子駆動回路13、各回路の電源を給電する制御電源回路14などが、基板9に実装されている。本実施例は、基板9に備えられたサイリスタ駆動回路12の構成に特徴がある。

図２は、実施例１の電力変換装置の全体構造を示す図である。

ダイオード、サイリスタ、スイッチング素子の電力半導体は、ブリッジ接続した構成でパッケージに封入されたモジュールの状態で提供されることが多い。図２は、モジュールの状態での電力半導体を使用した例を示している。

冷却手段である冷却フィン21の上に、整流器であるダイオード3、サイリスタ8、逆変換器としてのスイッチング素子5が配置され、これらの電力半導体などから発生される熱を、冷却フィン21が冷却する。

ダイオード3、サイリスタ8、スイッチング素子5といった電力半導体と、コンデンサ4、および抵抗7とは、電線や銅バーといった配線材22で、配線される。制御回路11、サイリスタ駆動回路12、スイッチング素子駆動回路13などが搭載された基板9と、サイリスタ8、スイッチング素子5とは、電線などの配線材24、25で、配線される。

図３は、サイリスタ8と、サイリスタ駆動回路12、制御回路11とからなる実施例１の回路を示す図である。図３では、電力変換装置1のうち、抵抗7などの部品は、省略している。図５から図１０も同様である。

サイリスタ駆動回路12は、直流電源31、制御回路11からのサイリスタオン信号Sに従ってオンするスイッチ32、ゲート抵抗33、サイリスタのゲートとカソード間の電圧の状態を監視する電圧検出器35を備える。

直流電源31は、駆動用電源Vsを給電する。スイッチ32は、制御回路11からのサイリスタオン信号Sにてオンし、ゲート抵抗33を経由にてサイリスタ8のゲート端子に電流を供給し、サイリスタ8をオンさせる。スイッチ32にはトランジスタやリレーが一般的に使用される。

電圧検出器35は、サイリスタのゲートとカソード間の電圧の状態を監視し、あらかじめ設定され定められた電圧を超えた際に、異常が生じたとして制御回路11へ検出信号ｆを送る。検出信号ｆを受け取った制御回路11は、スイッチング素子駆動回路13の動作を停止させ運転を停止させるとともに、操作パネル15に異常が発生したこと、もしくはスイッチング素子駆動回路13の動作を異常により停止したことを表示させる。

次に、図３の回路の動作について説明する。図４は、図３に示したサイリスタ駆動回路のタイミングチャートを示す図である。図４は、横軸が時刻で、縦軸はそれぞれ、図３の回路におけるサイリスタオン信号S、サイリスタのゲートとカソード間の検出電圧V1、電圧検出器35からの検出信号ｆの信号状態を示す。

時刻t1で、サイリスタオン信号Sがオンになり、スイッチ32がオンとなり、サイリスタのゲートからカソードへゲート電流が流れ、サイリスタはオン状態となる。この時の電圧検出器35の検出電圧V1は、サイリスタのゲートとカソード間の正常時の電圧V_GTになる。

ここで、時刻t2で、サイリスタ8と基板9間のゲート配線24が断線したとすると、ゲート電流が流れなくなり、V1は電源電圧Vsまで上昇する。

ゲートカソード間電圧V_GTから電源電圧Vsまでの範囲の任意の値から選ばれて、定めておいた閾値電圧Vthを、電圧検出器35に設定し、検出電圧V1と比較することにより、検出電圧が閾値電圧以下の場合、つまり、V1≦Vthのときは正常であると判断する。そして、検出電圧が閾値電圧を超えた場合、つまりV1＞Vthのときは、配線不良による異常と判断する。

なお、Vthの値は、V_GTのバラツキや温度変化による最大値、Vsのバラツキや変動を考慮して正常時に動作しないように正常時におけるサイリスタのゲートとカソード間の電圧V_GTよりマージンをもった値とするのが良い。

実施例１によれば、サイリスタ駆動回路を実装した基板9と、サイリスタ8との間の配線不具合を検出でき、抵抗やサイリスタに故障を生じさせるといった、二次的な故障を未然に防止することができる。

図５は、サイリスタ駆動回路12、サイリスタ8、制御回路11からなる実施例２における回路を示す図である。実施例１と重複する説明は省略する。

電圧検出器35は、定電圧ダイオード51とフォトカプラ52を直列に接続することにより構成される。フォトカプラ52の二次側は制御回路に接続される。
定電圧ダイオード51の定電圧時の電圧Vz、フォトカプラ52一次側の順方向電圧Vfとする。

ここで、V1の電圧が上昇し、Vz+Vfよりも大きくなると定電圧ダイオード51とフォトカプラ52が導通状態となり、電流が流れフォトカプラ52の二次側がオンし制御回路11へ、検出信号ｆを伝送する。実施例1のVthは、Vz+Vfで設定できる。

実施例２では、定電圧ダイオード51やフォトカプラ52で、電圧検出器35を構成することにより、通常のコンパレータに比べて、部品点数やコストを低減できる。そして、基板9と、サイリスタ8との間の配線不具合を検出できる。

図９は、実施例２の変形例１の回路図を示す。図９では、定電圧ダイオード51とフォトカプラ52の接続位置が、図５の回路と比べて、逆の方向に配置している。そのような構成でも図５で示した回路と同様な効果を有する。

図１０は、実施例２の変形例２の回路図を示す。図９では、図５の回路に、電流制限用の抵抗53や動作安定用の抵抗54を追加した回路構成である。

動作安定用の抵抗54や電流制限用の抵抗53を、図１０に示すように備えることにより、漏れ電流による電圧検出の誤動作を防ぐことができる。

図６は、実施例３の回路例を示す図であり、サイリスタモジュールを２並列構成で使用する場合である。前記した実施例と重複する説明は省略する。図６では、符号35で示す電圧検出器1と符号63で示した電圧検出器2からの信号のＯＲを論理和回路64が出力することにより、どちらか一方に異常がある場合に検出が可能としている。

本実施例では、サイリスタを２並列にした例で説明したが、３並列以上にも適用できる。また、本実施例ではスイッチ32を一つで共用にしているがスイッチ部をサイリスタの数に応じて複数に並列構成としても構わない。

実施例３によれば、２つ以上並列に接続したサイリスタを備えた電力変換装置における、基板9と、サイリスタ8との間の配線不具合を検出でき、抵抗やサイリスタの故障など、二次的な故障を未然に防止することができる。

図７は、実施例４の回路を示す図であり、実施例３と同様に、サイリスタモジュールを２並列構成で使用する場合の例である。前記した実施例と重複する説明は省略する。

実施例４は、実施例２の回路をベースに、サイリスタを２並列構成にしている。一方のサイリスタ8のゲートとカソードとの間に、定電圧ダイオード51とフォトカプラ52を接続する。また、他方のサイリスタ62のゲートとカソードとの間に、定電圧ダイオード71とフォトカプラ72を接続している。

そして、フォトカプラ52の２次側と、フォトカプラ72の２次側とはワイヤードＯＲと接続し、ワイヤードＯＲの出力信号は、制御回路11へ送られる回路構成である。ワイヤードＯＲは、直流電圧電源と接続した抵抗を備えた回路であり、その抵抗の一端と、フォトカプラ52、72の二次側の２つの出力とは接続している。

実施例４によれば、２つ以上並列に接続したサイリスタ8、62を備えた電力変換装置における、基板9と、サイリスタ8、62との間の配線不具合を、簡素な回路で、検出することができる。

図８は、実施例５の電圧検出器を示す図である。実施例４を変形した回路で、サイリスタ8、62のゲート部に、それぞれダイオード81、82を接続し、ダイオード81、82のうち電圧が高い方が、定電圧ダイオード51およびフォトカプラ52に電圧を印加する構成である。前記した実施例と重複する説明は省略する。

ダイオード81および82の順方向電圧Vd、定電圧ダイオード51の電圧Vz、フォトカプラ52一次側の順方向電圧Vfとする。サイリスタ8のゲートとカソード間の電圧V1の電圧が上昇し、Vd+Vz+Vfよりも大きくなるとダイオード81、定電圧ダイオード51、フォトカプラ52に電流が流れ、フォトカプラ52の二次側がオンし、制御回路11等へ信号を伝送する。

検出の閾値電圧Vthは、Vd+Vz+Vfにて設定できる。一方、サイリスタ62のゲートとカソード間の電圧V2側の電圧が、Vd+Vz+Vfよりも大きくなった場合も同様にフォトカプラ52に電流が流れフォトカプラ52二次側がオンし、制御回路11等へ信号を伝送する。

実施例５によれば、２つのサイリスタを並列に接続した場合に、１つの定電圧ダイオード51と１つのフォトカプラ52とで、異常を検出でき、実施例４に比べて、より簡素化した回路構成にできるという効果が有る。

１…電力変換装置、３…ダイオード、４…コンデンサ、５…スイッチング素子、６…負荷、７…抵抗、８…サイリスタ、９…基板、１１…制御回路、１２…サイリスタ駆動回路、１３…スイッチング素子駆動回路、１５…操作パネル、３５…電圧検出器、５１…定電圧ダイオード、５２…フォトカプラ

Claims

整流器と、
前記整流器の出力電圧を平滑化する平滑手段と、
電源投入時に前記平滑手段への突入電流を抑制する抵抗と、
サイリスタと、基板とを有し、
前記基板は、
前記サイリスタを駆動するサイリスタ駆動回路と、
前記サイリスタ駆動回路を制御する制御回路とを有し、
前記基板と前記サイリスタとは配線により接続されており、
前記サイリスタ駆動回路は、
前記制御回路からの信号に従い、前記サイリスタのゲート信号を流すスイッチと、
前記サイリスタのゲートとカソードとの間の電圧の異常を検出する電圧検出器とを有することを特徴とする電力変換装置。
請求項１に記載の電力変換装置において、
前記電圧検出器には、定めておいた、閾値電圧が設定されており、
前記ゲート信号を流した後、前記ゲートと前記カソードとの間の電圧が前記閾値電圧を超えた場合に、
前記電圧検出器から前記制御回路に信号を送ることを特徴とする電力変換装置。
請求項１に記載の電力変換装置において、
前記電圧検出器は、
定電圧ダイオードと、
前記定電圧ダイオードに直列に接続されたフォトカプラとを有し、
前記定電圧ダイオードの電圧と前記フォトカプラの一次側の電圧とで、閾値電圧が設定されていることを特徴とする電力変換装置。
請求項３に記載の電力変換装置において、
前記電圧検出器は、
前記フォトカプラに並列に接続された動作安定用の抵抗と、
前記定電圧ダイオードと直列に接続された電流制限用の抵抗とを有することを特徴とする電力変換装置。
請求項１に記載の電力変換装置において、
前記サイリスタは並列に複数接続されており、
複数の前記サイリスタそれぞれの前記ゲートと前記カソードとの間の電圧を検出する複数の電圧検出器を有し、
複数の電圧検出器からの出力信号の論理和をとる論理和回路を有することを特徴とする電力変換装置。
請求項５に記載の電力変換装置において、
前記論理和回路は、ワイヤードＯＲであり、
前記電圧検出器は、
定電圧ダイオードと、
前記定電圧ダイオードに直列に接続されたフォトカプラとを有することを特徴とする電力変換装置。
請求項１に記載の電力変換装置において、
前記サイリスタは複数並列に接続されており、
複数の前記サイリスタそれぞれに接続した複数のダイオードを、１つの定電圧ダイオードと１つのフォトカプラに対して直列に接続して、
複数の前記サイリスタそれぞれの前記ゲートと前記カソードとの間の電圧を検出することを特徴とする電力変換装置。
請求項１に記載の電力変換装置において、
前記サイリスタ駆動回路が前記異常を検出した場合には、
前記制御回路に信号を送り、
前記制御回路は、前記異常が発生したことを、操作パネルに表示させることを特徴とする電力変換装置。
請求項１に記載の電力変換装置において、
逆変換器としてのスイッチング素子を駆動するスイッチング素子駆動回路を有し、
前記サイリスタ駆動回路が前記異常を検出した場合には、
前記サイリスタ駆動回路から前記制御回路に信号を送り、
前記制御回路は、
前記スイッチング素子駆動回路の動作を停止することを特徴とする電力変換装置。
請求項１に記載の電力変換装置において、
逆変換器としてのスイッチング素子を有し、
前記整流器、前記サイリスタ、前記スイッチング素子を冷却する冷却手段を有することを特徴とする電力変換装置。