JP4471953B2 - 電力変換装置の保護装置 - Google Patents

Description

この発明は、直流電力間、交流電力間及び直流電力と交流電力との相互間で電力変換を行う電力変換装置の保護装置に関するものである。

従来の電力変換装置の保護装置は、電力変換装置の入力側に設けたフィルタコンデンサの電圧が過電圧レベルを超えると、電力変換装置へゲートオフ信号を与えると共に半導体スイッチとしての短絡用ＩＧＢＴ（Ｉｎｓｕｌａｔｅｄ Ｇａｔｅ Ｂｉｐｏｌａｒ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）をオンにして制限抵抗器を介してフィルタコンデンサを短絡し、直流電力を制限抵抗器に消費させる（例えば、特許文献１参照）。

特開平８−１２６１０１号公報（第４頁、図１）

従来の電力変換装置の保護装置では、電力変換装置を構成している半導体素子の温度に関わらずにフィルタコンデンサの電圧が過電圧レベルを超えると、直流電力を制限抵抗器に消費させるように一定の過電圧レベルが設定されている。従って、低温地域で電力変換装置を使用する場合に、半導体素子の温度が耐電圧値の低下が始まる温度以下で始動されるときに半導体素子が過電圧で破壊されるのを防止するために、過電圧レベルを電力変換装置が始動されるときの半導体素子の温度を考慮した耐電圧値に設定する必要がある。このため、過電圧レベルは電力変換装置が始動して半導体素子の温度が上昇しても耐電圧値の低下が始まる温度以下の耐電圧値を考慮した低い値に設定されているので、耐電圧値の低下が始まる温度以上においても電力変換装置の出力電力が抑制されるという問題点があった。

この発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、電力変換装置の始動時に検出された半導体素子の検出温度が半導体素子の耐電圧値が低下を始める温度以下のときの過電圧レベルを、検出温度を考慮した耐電圧値を設定し、検出温度が耐電圧値の低下が始まる温度以上では予め設定した過電圧レベルに設定することにより電力変換装置の出力電力の増大を図ることができる電力変換装置の保護装置を提供することを目的としたものである。

この発明に係わる電力変換装置の保護装置は、直流電力と交流電力との間の電力変換を行う半導体素子により構成され電力変換装置の直流端子間に接続された半導体スイッチと、前記半導体スイッチを導通させて前記直流電力を制限抵抗器に消費させることにより前記半導体素子を過電圧から保護するようにした電力変換装置の保護装置であって、前記電力変換装置の交流端子に流れる交流電流を検出する電流検出手段と、前記電力変換装置を構成する前記半導体素子の温度を検出する温度検出手段と、前記温度検出手段により検出された検出温度が前記半導体素子の耐電圧値が低下を始める温度以下のときは、交流電流を遮断したときに発生するオーバーシュート電圧を含めて前記半導体素子に印加される電圧が前記検出温度に対応した前記半導体素子の耐電圧値以下になるように過電流レベルを設定し、前記検出温度が前記耐電圧値の低下が始まる温度を越えているときは、予め設定した所定の過電流レベルに設定する過電流レベル設定手段と、前記電流検出手段により検出された前記交流電流と前記過電流レベル設定手段により設定された前記過電流レベルとを比較し、前記検出された交流電流が前記設定された過電流レベルを越えたとき前記半導体スイッチを導通させる過電流信号を出力する電流比較手段により構成された電流比較手段とを備えたものである。

この発明による電力変換装置の保護装置によれば、直流電力と交流電力との間の電力変換を行う半導体素子により構成され電力変換装置の直流端子間に接続された半導体スイッチと、前記半導体スイッチを導通させて前記直流電力を制限抵抗器に消費させることにより前記半導体素子を過電圧から保護するようにした電力変換装置の保護装置であって、前記電力変換装置の交流端子に流れる交流電流を検出する電流検出手段と、前記電力変換装置を構成する前記半導体素子の温度を検出する温度検出手段と、前記温度検出手段により検出された検出温度が前記半導体素子の耐電圧値が低下を始める温度以下のときは、交流電流を遮断したときに発生するオーバーシュート電圧を含めて前記半導体素子に印加される電圧が前記検出温度に対応した前記半導体素子の耐電圧値以下になるように過電流レベルを設定し、前記検出温度が前記耐電圧値の低下が始まる温度を越えているときは、予め設定した所定の過電流レベルに設定する過電流レベル設定手段と、前記電流検出手段により検出された前記交流電流と前記過電流レベル設定手段により設定された前記過電流レベルとを比較し、前記検出された交流電流が前記設定された過電流レベルを越えたとき前記半導体スイッチを導通させる過電流信号を出力する電流比較手段により構成された電流比較手段とを備えたので、半導体素子の温度が耐電圧値の低下が始まる温度以下で電力変換装置が始動されても半導体素子が過電圧で破壊されることなく、半導体素子の温度が耐電圧値の低下が始まる温度以上では電力変換装置の出力電力を増大させることができる。

図１は、この発明を実施するための実施の形態１における鉄道車両に適用された電力変換装置の保護装置の構成図、図２は半導体素子の耐電圧特性を示す説明図である。図１及び図２において、地上側の変電所（図示せず）から架線１を通して送電された直流電力は、車上側のパンタグラフ２、高速度遮断器３、電磁接触器４、電磁接触器４と並列接続された抵抗器５、及びフィルタリアクトル６を介して電力変換装置７に供給され、車輪８からレール９を介して変電所へ帰還する。電力変換装置７はＩＧＢＴ等の半導体素子７ａで構成されている。電力変換装置７の直流電力側に電圧検出手段１０、フィルタコンデンサ１１、及び制限抵抗器１２とＩＧＢＴ等の半導体スイッチ１３との直列回路が接続されている。電力変換装置７の３相交流電力が車両駆動用３相誘導電動機１４に供給される。半導体素子７ａの近傍に配置された温度検出手段１５の検出温度が過電圧レベル設定手段１６に入力される。なお、温度検出手段１５は赤外線等を利用して半導体素子７ａの温度を検出する。過電圧レベル設定手段１６には半導体素子７ａが過電圧で破壊されるのを防止するために予め過電圧レベルが設定されている。なお、過電圧レベル設定手段１６は図２に示す半導体素子７ａの温度と耐電圧値とを対応させたテーブル表を備えている。過電圧レベル設定手段１６で設定された過電圧レベルが電圧比較手段１７に入力される。電圧比較手段１７から出力された過電圧信号により半導体スイッチ１３が導通される。

次に動作について説明する。図１及び図２において電力変換装置７が温度T_１〜T_３の範囲で運転されるとする。架線１からパンタグラグ２、高速度遮断器４及びフィルタリアクトル６を介して電力変換装置７に直流電力が供給されている。電力変換装置７から出力された３相交流電力により３相誘導電動機１４が駆動される。
過電圧レベルは半導体素子７ａの耐電圧値が低下を始める温度Ｔ_２ を超えているときは、温度Ｔ_２における耐電圧値Ｖ_２を参照して予め過電圧レベル設定手段１６で所定の過電圧レベルに設定されている。
しかし、例えば−４０℃等の極低温域温度Ｔ_１で電力変換装置７が始動されるときは、半導体素子７ａも同様に極低温となっているので耐電圧値が図２に示すようにＶ_１に低下している。
温度検出手段１５で検出された半導体素子７ａの検出温度が過電圧レベル設定手段１６に入力される。過電圧レベル設定手段１６は、検出温度が半導体素子７ａの耐電圧値が低下を始める温度Ｔ_２以下で、例えば温度Ｔ_１であれば過電圧レベルは検出温度Ｔ_１を考慮した耐電圧値Ｖ_１に設定される。電圧比較手段１７では電圧検出手段１０で検出された直
流電圧が過電圧レベルを超えると半導体スイッチ１３を導通させる過電圧信号を出力する。過電圧信号で半導体スイッチ１３が導通されることにより、電力変換装置７に供給されている直流電力が制限抵抗器１２で消費されるので、半導体素子７ａに耐電圧値Ｖ_１以上の過電圧が印加されるのを防止する。

以上のように、温度検出手段１５で検出された半導体素子７ａの検出温度が半導体素子７ａの耐電圧値が低下を始める温度以下で電力変換装置が始動されても半導体素子７ａが過電圧で破壊されることがなく、検出温度が耐電圧値の低下が始まる温度を超えると電力変換装置の出力電力の増大を図ることができる。
実施の形態１において、鉄道車両に適用された直流電力から交流電力に変換する電力変換装置の保護装置について説明したが、交流→直流に変換する電力変換装置に適用しても同様の効果を期待することができる。
また、直流電力から交流電力を介して直流電力に変換する電力変換装置に適用しても同様の効果を期待することができる。
さらに、実施の形態１において、鉄道車両に適用された電力変換装置の保護装置について説明したが、入力側又は出力側の少なくとも何れかが直流である電力変換装置７であれば、鉄道車両以外に適用しても同様の効果を期待することができる。

実施の形態２．
図３は、この発明を実施するための実施の形態２における鉄道車両に適用された電力変換装置の保護装置の構成図である。図３において、１〜９、１１〜１４は実施の形態１のものと同様のものである。温度検出手段１５の検出温度が過電流レベル設定手段１８に入力される。過電流レベル設定手段１８で設定された過電流レベルは、電流比較手段１９へ入力される。さらに、電力変換装置７の交流側の交流電流が電流検出手段２０で検出されて電流比較手段１９へ入力される。交流電流を検出することにより半導体素子７ａに流れている電流を検出できる。電流比較手段１９は交流電流が過電流レベルを超えると過電流信号を出力して半導体スイッチ１３を導通させる。
次に、動作について説明する。図４は電力変換装置の半導体素子の電流が遮断されたときに半導体素子に印加される電圧を示す説明図、図５は遮断された電流とオーバーシュート電圧との関係を示す説明図である。
図２から図５において、高速度遮断器３が投入されて電力変換装置７へ直流電力が供給れると、電力変換装置７で３相交流電力が出力されて３相誘導電動機１４が駆動される。
ここで、半導体素子７ａに流れている出力電流が遮断されると、図４に示すように直流側の定常時の直流電圧Ｖに対してオーバーシュート電圧ΔＶが発生し、半導体素子７ａにＶ＋ΔＶの電圧が印加される。このオーバーシュート電圧ΔＶは図５に示すように遮断された交流電流にほぼ比例する。
過電流レベル設定手段１８は、図５に示す遮断した交流電流とオーバーシュート電圧ΔＶとを対応させたテーブル表を備えている。温度検出手段１５で検出された検出温度が過電流レベル設定手段１８に入力されると、検出温度が半導体素子７ａの耐電圧値が低下を始める温度Ｔ２以下であれば、半導体素子７ａに流れている電流を遮断したときに半導体素子７ａに印加される電圧Ｖ＋ΔＶが検出温度における耐電圧値以下になるように過電流レベルを設定する。過電流レベル設定手段１８に入力された検出温度が半導体素子７ａの耐電圧値が低下を始める温度を超えると予め設定された所定の過電流レベルにする。
電流比較手段１９では過電流レベル設定手段１８で設定された過電流レベルと電流検出手段２０で検出された交流電流とを比較し、交流電流が過電流レベルを超えると半導体スイッチ１３へ過電流信号を与えて半導体スイッチ１３を導通させ、直流電力のエネルギーを制限抵抗器１２に消費させる。

以上のように、温度検出手段１５で検出された半導体素子７ａの検出温度が半導体素子７ａの耐電圧値が低下を始める温度以下で半導体素子７ａに流れている電流を遮断したときに半導体素子７ａに印加される電圧Ｖ＋ΔＶが検出温度における半導体素子７ａの耐電圧値以下になるように過電流レベルを設定することにより、半導体素子７ａが過電圧で破壊されるのを防止することができる。さらに、検出温度が耐電圧値の低下が始まる温度を超えると予め設定した過電流レベルに設定することにより、半導体素子７ａに印加される電圧を高くすることができるので出力電力の増大を図ることができる。

実施の形態２において、鉄道車両に適用された直流電力から交流電力に変換する電力変換装置の保護装置について説明したが、交流→直流に変換する電力変換装置に適用しても同様の効果を期待することができる。
また、直流電力から交流電力を介して直流電力に変換する電力変換装置に適用しても同様の効果を期待することができる。
さらに、実施の形態２において、鉄道車両に適用された電力変換装置の保護装置について説明したが、入力側又は出力側の少なくとも何れかが直流である電力変換装置７であれば、鉄道車両以外に適用しても同様の効果を期待することができる。

この発明を実施するための実施の形態１における鉄道車両に適用された電力変換装置の保護装置の構成図である。 半導体素子の耐電圧特性を示す説明図である。 この発明を実施するための実施の形態２における鉄道車両に適用された電力変換装置の保護装置の構成図である。 図３における電力変換装置の半導体素子の電流が遮断されたときに半導体素子に印加される電圧を示す説明図である。 図３の電力変換装置において遮断された電流とオーバーシュート電圧との関係を示す説明図である。

符号の説明

７ 電力変換装置、７ａ 半導体素子、１０ 電圧検出手段、１２ 制限抵抗器、
１３ 半導体スイッチ、１５ 温度検出手段、１６ 過電圧レベル設定手段、
１７ 電圧比較手段、１８ 過電流レベル設定手段、１９ 電流比較手段、
２０ 電流検出手段。

Claims (1)

1. 直流電力と交流電力との間の電力変換を行う半導体素子により構成され電力変換装置の直流端子間に接続された半導体スイッチと、前記半導体スイッチを導通させて前記直流電力を制限抵抗器に消費させることにより前記半導体素子を過電圧から保護するようにした電力変換装置の保護装置であって、
   前記電力変換装置の交流端子に流れる交流電流を検出する電流検出手段と、
   前記電力変換装置を構成する前記半導体素子の温度を検出する温度検出手段と、
   前記温度検出手段により検出された検出温度が前記半導体素子の耐電圧値が低下を始める温度以下のときは、交流電流を遮断したときに発生するオーバーシュート電圧を含めて前記半導体素子に印加される電圧が前記検出温度に対応した前記半導体素子の耐電圧値以下になるように過電流レベルを設定し、前記検出温度が前記耐電圧値の低下が始まる温度を越えているときは、予め設定した所定の過電流レベルに設定する過電流レベル設定手段と、
   前記電流検出手段により検出された前記交流電流と前記過電流レベル設定手段により設定された前記過電流レベルとを比較し、前記検出された交流電流が前記設定された過電流レベルを越えたとき前記半導体スイッチを導通させる過電流信号を出力する電流比較手段により構成された電流比較手段と、
   を備えたことを特徴とする電力変換装置の保護装置。

Images