JP4488824B2 - Power converter - Google Patents
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Description
本発明は産業機器や移動体等に搭載される電力変換装置に関し、特に、電力変換装置の異常検知技術に関する。 The present invention relates to a power conversion device mounted on an industrial device, a moving body, or the like, and particularly relates to an abnormality detection technique for a power conversion device.
従来、直流電圧が約１０００V以上の高電圧における電力変換装置の構成に関する技術として、図６に示すものがある。 Conventionally, there is a technique shown in FIG. 6 as a technique related to the configuration of a power conversion device at a high voltage of about 1000 V or higher DC voltage.
図６に示した構成図は、電力変換装置に関するものであり、図示していない外部の直流電源が接続された端子である、正極側端子３１と負極側端子３２の間に２個のパワー半導体Ｘ１，Ｘ２を直列に接続して構成してある。また、パワー半導体Ｘ１，Ｘ２の接続部には交流出力端子３０が接続してある。図６では、パワー半導体Ｘ１に対する駆動制御の構成を示してあるが、同様の構成がパワー半導体Ｘ２に対しても成される。ここで、パワー半導体Ｘ１又はＸ２に対してオン、オフさせるゲート制御信号を発生させる制御部１を備え、この制御部１が出力するゲート制御信号を、信号伝送部２を介してゲート駆動回路７に供給する構成としてある。このゲート駆動回路７に対してパワー半導体Ｘ１が接続してある。パワー半導体の構成は、例えば、トランジスタとダイオードの組み合わせによるものがある。なお、パワー半導体Ｘ１，Ｘ２について、共に、トランジスタが正極側端子３１からの正電流方向に接続してあり、一方、それぞれのトランジスタに対して並列に、ダイオードが逆方向に電流が流れるように接続してある。
The configuration diagram shown in FIG. 6 relates to a power converter, and two power semiconductors between a
ここで、制御部１からのゲート制御信号は、信号伝送部２内の電気信号を光信号に変換する電光変換部１５に供給される。電光変換部１５で変換された光信号は、光伝送手段８を介して光電変換部１３に供給され、電気信号に変換される。光電変換部１３で変換された電気信号は、ゲート駆動回路７内の増幅回路４に供給される。信号伝送部２内では、光信号に変換して伝送するため、電気絶縁性が高まることとなる。これにより、制御部１とゲート駆動回路７との間における高い絶縁性を確保できる。
Here, the gate control signal from the
増幅回路４で増幅されたゲート駆動信号は、パワー半導体Ｘ１のゲート端子に供給され、パワー半導体Ｘ１のオン・オフが制御される。ところで、パワー半導体Ｘ１，Ｘ２の間には、ゲート駆動回路７内の異常電流を検出する検出回路３が接続してある。そして、検出回路３の出力に基づいて、増幅回路４の増幅動作の制御を行うようにしてある。
The gate drive signal amplified by the
ここで、パワー半導体Ｘ１，Ｘ２のいずれかが短絡等の状態に到った場合、過電流が一気に印加され、パワー半導体の破壊を引き起こす可能性がある。この破壊を回避するため、図６に示した構成では、パワー半導体Ｘ１，Ｘ２間の電流を検出する検出回路３を有している。この検出回路３でパワー半導体Ｘ１，Ｘ２を流れる電流値をチェックし、過電流を検知した場合は、常にオフ信号を出力するよう指令する。このようにしてあることで、パワー半導体Ｘ１，Ｘ２をオフ状態に保ち続け、パワー半導体Ｘ１，Ｘ２を保護することが可能となる。
Here, when one of the power semiconductors X1 and X2 reaches a state such as a short circuit, an overcurrent is applied all at once, which may cause destruction of the power semiconductor. In order to avoid this destruction, the configuration shown in FIG. 6 includes a
特許文献１には、パワー半導体の保護のため、パワー半導体の過電流を検知し、速やかに電流の流入を停止させることについての記載がある。
大型産業装置や電車等の特に回路電圧の高い移動体に搭載される電力変換装置において、主回路電圧が、例えば、１５００Vである場合、パワー半導体の破壊による電力変換装置の破壊被害は大きいものとなる。 In a power converter mounted on a mobile body with a particularly high circuit voltage, such as a large industrial device or a train, when the main circuit voltage is 1500 V, for example, the damage of the power converter due to the breakdown of the power semiconductor is large. Become.
ところが電力変換装置の故障原因を調査したところ、制御部や駆動回路部等の数Ｖから数十Ｖ程度の低電圧回路の故障により、誤ったオン信号がパワー半導体に印加されてしまう。その結果として、パワー半導体に過電流、過電圧が印加され、パワー半導体が破壊される２次故障の場合が多い。 However, when the cause of the failure of the power converter is investigated, an erroneous ON signal is applied to the power semiconductor due to a failure of a low-voltage circuit of several V to several tens V such as a control unit and a drive circuit unit. As a result, there are many cases of secondary failures in which overcurrent and overvoltage are applied to the power semiconductor and the power semiconductor is destroyed.
しかしながら、従来技術のパワー半導体の保護機能は、図６に示した構成のように、パワー半導体に電圧が印加された状態でなければ異常を検知できないものであった。そのため、保護機能部の動作が遅れた場合、パワー半導体が破壊される可能性があった。また、保護機能部が故障した場合、パワー半導体を正常に保護することが出来ない可能性もある。 However, the conventional power semiconductor protection function cannot detect an abnormality unless a voltage is applied to the power semiconductor as in the configuration shown in FIG. Therefore, when the operation of the protection function unit is delayed, the power semiconductor may be destroyed. In addition, when the protection function unit fails, there is a possibility that the power semiconductor cannot be normally protected.
本発明はこのような状況に鑑みて成されたものであり、高電圧が印加される電力変換装置におけるパワー半導体の破壊を低減することを目的とする。 The present invention has been made in view of such a situation, and an object thereof is to reduce the destruction of power semiconductors in a power conversion device to which a high voltage is applied.
本発明は、少なくとも１相分として半導体素子の直列接続体が直流電源に並列接続され、直列接続された半導体素子を交互にスイッチング制御することによって半導体素子の直列接続部から交流を出力する電力変換回路と、半導体素子をスイッチング制御させるためのゲート制御信号を出力する制御部と、ゲート制御信号を増幅し半導体素子をスイッチング駆動させるためのゲート駆動信号を出力する駆動回路部と、駆動回路部に駆動回路に対する故障診断を行う故障診断手段と、半導体素子に電圧を印加しない状態で制御部から故障診断手段へ診断開始信号を通信し、又は半導体素子に電圧を印加しない状態で故障診断手段の診断結果信号を故障診断手段から制御部へ無線通信する無線通信手段と、を備え、無線通信手段を、制御部から駆動回路部へのゲート制御信号の通信とは別個の通信系統とする。
また、本発明は、少なくとも１相分として半導体素子の直列接続体が直流電源に並列接続され、直列接続された半導体素子を交互にスイッチング制御することによって半導体素子の直列接続部から交流を出力する電力変換回路と、半導体素子をスイッチング制御させるためのゲート制御信号を出力する制御部と、ゲート制御信号を増幅回路で増幅し半導体素子をスイッチング駆動させるためのゲート駆動信号を出力する駆動回路部と、増幅回路に機能動作のための擬似信号を入力した際の出力信号に基づき駆動回路部に対する故障診断を行う故障診断手段と、半導体素子に電圧を印加しない状態で制御部から故障診断手段へ診断開始信号を通信し、又は半導体素子に電圧を印加しない状態で故障診断手段の診断結果信号を故障診断手段から制御部へ無線通信する無線通信手段と、を備え、無線通信手段を、制御部から駆動回路部へのゲート制御信号の通信とは別個の通信系統とする。
The present invention relates to power conversion in which a series connection of semiconductor elements is connected in parallel to a DC power supply as at least one phase, and alternating current is output from the series connection of the semiconductor elements by alternately switching the semiconductor elements connected in series. A circuit, a control unit that outputs a gate control signal for switching control of the semiconductor element, a drive circuit unit that amplifies the gate control signal and outputs a gate drive signal for switching driving the semiconductor element, and a drive circuit unit a failure diagnosis means for performing a failure diagnosis for the drive circuit to communicate the diagnosis start signal to the fault diagnosis unit from the control unit in a state where no voltage is applied to the semiconductor element, or diagnosis of the failure diagnosis means in a state where no voltage is applied to the semiconductor element results with a wireless communication means for wirelessly communicating signals from the malfunction diagnosis means to the control unit, and the wireless communication means, drive from the control unit The communication of the gate control signal to the circuit section and separate communication system.
Further, according to the present invention, a series connection body of semiconductor elements is connected in parallel to a DC power source for at least one phase, and alternating current is output from the series connection portion of the semiconductor elements by alternately controlling the switching of the semiconductor elements connected in series. A power conversion circuit; a control unit that outputs a gate control signal for switching control of the semiconductor element; and a drive circuit unit that amplifies the gate control signal by an amplifier circuit and outputs a gate drive signal for switching driving the semiconductor element; , Failure diagnosis means for diagnosing the drive circuit section based on an output signal when a pseudo signal for functional operation is input to the amplifier circuit, and diagnosis from the control section to the failure diagnosis means without applying a voltage to the semiconductor element communicate a start signal, or control the diagnostic result signal of the failure diagnosis unit from the failure diagnosis means in a state where no voltage is applied to the semiconductor element And a wireless communication means for wireless communication to the parts, the wireless communication means, a separate communication line to the communication of the gate control signal from the controller to the drive circuit unit.
本発明によれば、駆動回路部内のオン・オフ機能やパワー半導体保護機能の故障を検知し、制御部に診断結果を送信できるので、故障検知時には、安全にパワー半導体をオフ状態にすることで、パワー半導体の破壊を防止できる。 According to the present invention, the failure of the on / off function and the power semiconductor protection function in the drive circuit unit can be detected and the diagnosis result can be transmitted to the control unit. Therefore, when the failure is detected, the power semiconductor can be safely turned off. , Power semiconductors can be prevented from being destroyed.
また、制御部と駆動回路部間における通信手段のうち、制御部と故障診断手段との間を無線通信手段で行うことで、制御部と駆動回路部間の高い絶縁性を確保することができる。 In addition, among the communication means between the control unit and the drive circuit unit, high insulation between the control unit and the drive circuit unit can be ensured by performing wireless communication between the control unit and the failure diagnosis unit. .
さらに、制御部と駆動回路部間における通信手段のうち、制御信号の通信手段を無線通信手段で行うことで、取り扱いの難しい光ファイバ等を使用することなく、制御部と駆動回路部の間で高い絶縁性を確保することができる。 Furthermore, among the communication means between the control unit and the drive circuit unit, the communication unit for the control signal is performed by the wireless communication unit, so that the control unit and the drive circuit unit can be connected without using difficult optical fibers. High insulation can be ensured.
また、制御部にこうした無線通信手段を駆動回路部毎に個別に備えることで、速やかに信号を送受信することができるし、あるいは、制御部の送受信回路を一つにして複数の駆動回路部から一括通信することで、制御部内の回路接続を簡単にすることもできる。 Also, by providing such a wireless communication means for each drive circuit unit in the control unit, signals can be transmitted and received quickly, or from a plurality of drive circuit units with a single transmission / reception circuit of the control unit. By performing batch communication, circuit connection in the control unit can be simplified.
また、故障診断手段の測定対象を駆動回路のダミー動作とすることに加えて、駆動回路部内の回路状態のフェール信号又は電圧値又は温度信号等を診断することもできる。 Further, in addition to setting the measurement target of the failure diagnosis means to the dummy operation of the drive circuit, it is also possible to diagnose a fail signal, a voltage value, a temperature signal, or the like of the circuit state in the drive circuit unit.
以下、本発明の第１の実施の形態を、図１及び図２を参照して説明する。本実施の形態では、鉄道車両に搭載される直流電圧を交流電圧に変換し、モータ駆動させる電力変換装置を例に説明する。 Hereinafter, a first embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. In the present embodiment, a power converter that converts a DC voltage mounted on a railway vehicle into an AC voltage and drives the motor will be described as an example.
図１は、本例の電力変換装置の構成例を示した図であり、パワー半導体Ｘ１，Ｘ２が、２個を一組とするハーフブリッジ構成を成してある。２個のパワー半導体Ｘ１，Ｘ２は、図示していない外部の直流電源が接続された端子である、正極側端子３１と負極側端子３２の間に直列に接続して構成してある。直流電源としては、例えば１５００Ｖの電源を使用する。また、パワー半導体Ｘ１，Ｘ２の接続部には交流出力端子３０が接続してある。図１では、パワー半導体Ｘ１に対する駆動制御の構成を示してあるが、同様の構成がパワー半導体Ｘ２に対しても成される。
FIG. 1 is a diagram showing a configuration example of the power conversion device of the present example, in which the power semiconductors X1 and X2 form a half-bridge configuration in which two power semiconductors are set as one set. The two power semiconductors X1 and X2 are connected in series between a
ここで、パワー半導体Ｘ１，Ｘ２をオン・オフさせるゲート制御信号を発生する制御部２２を用意し、その制御部２２から駆動回路部２０を介してパワー半導体Ｘ１にゲート制御信号を供給する。また、制御部２２から駆動回路部２１を介してパワー半導体Ｘ２にゲート制御信号を供給する。パワー半導体の構成は、例えば、トランジスタとダイオードの組み合わせによるものがある。なお、パワー半導体Ｘ１，Ｘ２について、共に、トランジスタが正極側端子３１からの正電流方向に接続してあり、一方、それぞれのトランジスタに対して並列に、ダイオードが逆方向に電流が流れるように接続してある。これらの制御部、駆動回路部、パワー半導体をまとめて本例における電力変換装置として構成してある。
Here, a control unit 22 that generates a gate control signal for turning on / off the power semiconductors X1 and X2 is prepared, and the gate control signal is supplied from the control unit 22 to the power semiconductor X1 via the drive circuit unit 20. Further, a gate control signal is supplied from the control unit 22 to the power semiconductor X <b> 2 through the
制御部２２内には、駆動回路部２０，２１に対して、それぞれオン・オフのゲート制御信号を供給し、あるいは、後述する故障診断演算部１０に故障診断指令を供給する主演算部１６がある。また、制御部２２内には、電気信号を光信号に変換する機能を有する電光変換部１５ａ，１５ｂと、駆動回路部２０内の故障診断演算部１０に対して診断開始指令を送信し、診断結果を受信する送受信回路１７ａ，１７ｂがそれぞれ設置してあり、主演算部１６と接続してある。
In the control unit 22, there is a
駆動回路部２０内には、光信号を電気信号に変換する機能を有する光電変換部１３があり、制御部２２内の電光変換部１５ａに対応している。電光変換部１５ａと光電変換部１３との間は光信号を伝送する光ファイバ１８ａで接続してあり、高い絶縁性を確保してある。なお、駆動回路部２１内の光電変換部は図示していないが、駆動回路部２０の場合と同様に、制御部２２内の電光変換部１５ｂに対して光ファイバ１８ｂで接続してある。
In the drive circuit unit 20, there is a
駆動回路部２０内には、光電変換部１３から供給されるゲート制御信号を増幅し、その増幅されたゲート駆動信号をパワー半導体Ｘ１のゲート端子に印加する増幅回路１１を備える。そして、回路が正常に動作するかどうかを検証する機能を有する故障診断演算部１０を備え、この故障診断演算部１０が、駆動回路部２０内の各回路が正常に機能するかどうかを検証するようにしてある。故障診断演算部１０が正常に機能するかどうか検証する回路としては、増幅回路１１や、パワー半導体素子保護回路を含めた機能回路１２などがある。
The drive circuit unit 20 includes an
また、駆動回路部２０内の故障診断演算部１０は、制御部２２側の主演算部１６からの診断開始指令が供給される構成としてある。即ち、主演算部１６からの診断開始指令を受信し、故障診断演算部１０から主演算部１６に対して診断結果を送信する送受信回路１４を備える。そして、制御部２２には、赤外線通信等の無線通信を行う送受信回路１７ａを設けてあり、送受信回路１７ａと送受信回路１４との間で、赤外線通信等の無線通信を行う。なお、駆動回路部２１内の送受信回路は図示していないが、同様に、送受信回路１７ｂと無線通信を行う送受信回路を設けてある。
Further, the failure
次に本例の構成でのパワー半導体の制御動作を、パワー半導体Ｘ１を代表して説明する。パワー半導体Ｘ１をオン状態にする場合、制御部２２内の主演算部１６からパワー半導体Ｘ１に対して、オン信号のゲート制御信号が供給される。ゲート制御信号は電気信号であるため、制御部２２内の電光変換部１５において電気信号から光信号に変換される。光信号に変換されたゲート制御信号は光ファイバ１８ａを通じて駆動回路部２０に伝送され、駆動回路部２０の光電変換部１３に送られる。この光電変換部１３において、ゲート制御信号は、光信号から電気信号に変換される。電気信号となったゲート制御信号は増幅回路１１で増幅され、ゲート駆動信号としてパワー半導体Ｘ１のゲート端子に印加される。こうして、パワー半導体Ｘ１はオン状態となり正電圧が正極側端子３１から交流出力端子３０に印加される。なお、この時、パワー半導体Ｘ２はオフ状態である。
Next, the control operation of the power semiconductor in the configuration of this example will be described using the power semiconductor X1 as a representative. When the power semiconductor X1 is turned on, an on signal gate control signal is supplied to the power semiconductor X1 from the
パワー半導体Ｘ１をオフ状態にする際には、制御部２２内の主演算部１６から駆動回路部２０に対して、オフ信号のゲート制御信号が出力される。オフ状態にする際のゲート制御信号の動作は、パワー半導体Ｘ１をオン状態にする場合の動作と同様である。こうして、パワー半導体Ｘ１はオフ状態となり、正極側端子３１から交流出力端子３０への電圧印加が停止する。
When the power semiconductor X1 is turned off, a gate control signal of an off signal is output from the
なお、パワー半導体Ｘ２をオン状態、オフ状態にする動作もパワー半導体Ｘ１をオン状態、オフ状態にする動作とそれぞれ同じである。 Note that the operation of turning the power semiconductor X2 on and off is the same as the operation of turning the power semiconductor X1 on and off.
図２は、本例の故障診断演算部における故障診断手順を示す処理例のフローチャートである。以下に、故障診断手順の処理例をパワー半導体Ｘ１に対する動作を代表して説明する。 FIG. 2 is a flowchart of a processing example showing a failure diagnosis procedure in the failure diagnosis calculation unit of this example. Hereinafter, a processing example of the failure diagnosis procedure will be described on behalf of the operation on the power semiconductor X1.
まず、パワー半導体Ｘ１，Ｘ２に電圧を印加しない状態において、制御部２２内の主演算部１６より送信された診断開始指令を、送受信回路１７ａから無線通信手段で、駆動回路部２０内の送受信回路１４で受信する。この診断開始指令は駆動回路部２０内の故障診断演算部１０で受信され、故障診断を開始する（ステップＳ１）。
First, in a state where no voltage is applied to the power semiconductors X1 and X2, a diagnosis start command transmitted from the
次に、故障診断演算部１０は駆動回路部２０内の電源電圧や機能回路１２内の電圧値等が正常範囲に入っているか否か判定する（ステップＳ２）。次に、駆動回路部２０内の機能回路１２に機能動作のための擬似信号を入力し、正常な出力信号が得られるかどうか判定する（ステップＳ３）。次に、駆動回路部２０内の増幅回路１１に機能動作のための擬似信号を入力し、正常な出力信号が得られるかどうか判定する（ステップＳ４）。
Next, the failure
そして、ステップＳ２〜Ｓ４で得られた診断結果を送受信回路１４に送信する。送受信回路１４は、無線通信手段で、送受信回路１７ａに診断結果を送信し、送受信回路１７ａより、主演算部１６に診断結果を送信する。主演算部１６は診断結果から駆動回路２０内のいずれかの回路に異常が見受けられる場合は、パワー半導体Ｘ１のゲート制御信号をオフ信号にする（ステップＳ５）。
Then, the diagnosis result obtained in steps S <b> 2 to S <b> 4 is transmitted to the transmission /
以上のように、パワー半導体Ｘ１に電圧を印加せずに、駆動回路部２０内の各種回路に対する機能診断を行い、駆動回路部２０内の回路故障を検知することで、パワー半導体Ｘ１をオフ状態にし、パワー半導体Ｘ１の２次故障を防ぐことが出来る。 As described above, functional diagnosis is performed on various circuits in the drive circuit unit 20 without applying a voltage to the power semiconductor X1, and the power semiconductor X1 is turned off by detecting a circuit failure in the drive circuit unit 20. Thus, the secondary failure of the power semiconductor X1 can be prevented.
また、制御部２２と駆動回路部２０の間の無線通信する構成にすることで、設置取り扱いが難しく壊れやすい光ファイバの設置を回避できる。こうして制御部２２と駆動回路部２０間に高い絶縁性を確保することで、電力変換装置の絶縁破壊の可能性を低減させることが可能となる。 In addition, by adopting a configuration in which wireless communication is performed between the control unit 22 and the drive circuit unit 20, installation of an optical fiber that is difficult to install and easily broken can be avoided. By ensuring high insulation between the control unit 22 and the drive circuit unit 20 in this way, it is possible to reduce the possibility of dielectric breakdown of the power conversion device.
また、制御部２２と駆動回路部２０の間の通信を無線通信手段とすることで、速やかに信号を送受信することができる。 In addition, by using communication between the control unit 22 and the drive circuit unit 20 as wireless communication means, signals can be quickly transmitted and received.
次に、本発明の第２の実施の形態を、図３を参照して説明する。図３において、既に説明した第１の実施の形態の図１に対応する部分には同一符号を付す。 Next, a second embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. In FIG. 3, the same reference numerals are given to the portions corresponding to FIG. 1 of the first embodiment already described.
図３は、本例の電力変換装置の構成例を示した図であり、パワー半導体Ｘ１，Ｘ２が、２個を一組とするハーフブリッジ構成を成してある。２個のパワー半導体Ｘ１，Ｘ２は、図示していない外部の直流電源が接続された端子である、正極側端子３１と負極側端子３２の間に直列に接続して構成してある。また、パワー半導体Ｘ１，Ｘ２の接続部には交流出力端子３０が接続してある。図３では、パワー半導体Ｘ１に対する駆動制御の構成を示してあるが、同様の構成がパワー半導体Ｘ２に対しても成される。
FIG. 3 is a diagram illustrating a configuration example of the power conversion device of this example, in which the power semiconductors X1 and X2 form a half bridge configuration in which two power semiconductors are set as one set. The two power semiconductors X1 and X2 are connected in series between a
ここで、ゲート制御信号を発生する制御部２２から、駆動回路部２０，２１を介してパワー半導体Ｘ１，Ｘ２に、ゲート制御信号を供給する構成については、第１の実施の形態で説明した図１の構成と同じである。そして本例においては、制御部２２内に、駆動回路部２０，２１側の故障診断演算部１０と双方向に通信を行う送受信回路１７ａを、１組だけ設けた構成としてある。即ち、先に説明した第１の実施の形態で説明した図１の構成では、制御部２２内に、駆動回路部の数に対応した送受信回路１７ａ，１７ｂを設けた構成としたが、本例においては、１つの送受信回路１７ａで、全ての駆動回路部２０，２１側の送受信回路（送受信回路１４など）と無線通信を行うようにしてある。
Here, the configuration for supplying the gate control signal from the control unit 22 that generates the gate control signal to the power semiconductors X1 and X2 via the
その他の部分については、図１に示した構成と同様である。即ち、駆動回路部２０内には、光信号を電気信号に変換する機能を有する光電変換部１３があり、制御部２２内の電光変換部１５ａに対応している。電光変換部１５ａと光電変換部１３との間は光信号を伝送する光ファイバ１８ａで接続してあり、高い絶縁性を確保してある。なお、駆動回路部２１内の光電変換部は図示していないが、駆動回路部２０の場合と同様に、制御部２２内の電光変換部１５ｂに対して光ファイバ１８ｂで接続してある。
Other parts are the same as those shown in FIG. That is, the drive circuit unit 20 includes a
駆動回路部２０内には、光電変換部１３とゲート制御信号を増幅し、ゲート駆動信号をパワー半導体Ｘ１に印加する機能を有する増幅回路１１が接続してある。そして、回路が正常に動作するかどうかを検証する機能を有する故障診断演算部１０が、増幅回路１１と、駆動回路部２０内の電圧等を検知可能な機能回路１２とにそれぞれ接続してある。
In the drive circuit unit 20, the
また、駆動回路部２０内には、主演算部１６から故障診断演算部１０に対して供給される診断開始指令を受信し、あるいは、故障診断演算部１０から主演算部１６に対して診断結果を送信する送受信回路１４と、故障診断演算部１０が接続してある。そして、赤外線通信等で無線通信を行う送受信回路１７ａと送受信回路１４を設けてある。なお、駆動回路部２１内の送受信回路は図示していないが、同様に、赤外線通信等で無線通信を行う送受信回路を設けてある。
In the drive circuit unit 20, a diagnosis start command supplied from the
このように構成したことで、第１の実施の形態の場合と同様に、故障診断演算部１０が駆動回路部２０内の故障診断を行うことができ、同様の効果を有する。本例の場合には、制御部２２側の１個の送受信回路１４が複数の駆動回路部２０，２１と通信を行う必要があるので、制御部２２と駆動回路部２０，２１間の通信に関して、インバータ駆動前の故障診断等、信号の伝送速度を要求されない場合に好適な構成である。また、制御部２２側の送受信回路１７ａを１つにして、複数の駆動回路部から一括通信することで、送受信回路１７ａと主演算部１６の回路接続を簡略化することが可能である。
With this configuration, as in the case of the first embodiment, the failure
次に、本発明の第３の実施の形態を、図４を参照して説明する。図４において、既に説明した第１の実施の形態の図１に対応する部分には同一符号を付す。 Next, a third embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. In FIG. 4, the same reference numerals are given to the portions corresponding to FIG. 1 of the first embodiment already described.
図４は、本例の電力変換装置の構成例を示した図であり、パワー半導体Ｘ１，Ｘ２が、２個を一組とするハーフブリッジ構成を成してある。２個のパワー半導体Ｘ１，Ｘ２は、図示していない外部の直流電源が接続された端子である、正極側端子３１と負極側端子３２の間に直列に接続して構成してある。また、パワー半導体Ｘ１，Ｘ２の接続部には交流出力端子３０が接続してある。図４では、パワー半導体Ｘ１に対する駆動制御の構成を示してあるが、同様の構成がパワー半導体Ｘ２に対しても成される。
FIG. 4 is a diagram illustrating a configuration example of the power conversion device of this example, in which the power semiconductors X1 and X2 form a half-bridge configuration in which two power semiconductors are set as one set. The two power semiconductors X1 and X2 are connected in series between a
ここで、パワー半導体Ｘ１，Ｘ２をオン・オフさせるゲート制御信号を発生する制御部２２を用意し、その制御部２２から駆動回路部２０を介してパワー半導体Ｘ１にゲート制御信号を供給する。また、制御部２２から駆動回路部２１を介してパワー半導体Ｘ２にゲート制御信号を供給する。パワー半導体の構成は、例えば、トランジスタとダイオードの組み合わせによるものがある。なお、パワー半導体Ｘ１，Ｘ２について、共に、トランジスタが正極側端子３１からの正電流方向に接続してあり、一方、それぞれのトランジスタに対して並列に、ダイオードが逆方向に電流が流れるように接続してある。これらの制御部、駆動回路部、パワー半導体をまとめて本例における電力変換装置として構成してある。
Here, a control unit 22 that generates a gate control signal for turning on / off the power semiconductors X1 and X2 is prepared, and the gate control signal is supplied from the control unit 22 to the power semiconductor X1 via the drive circuit unit 20. Further, a gate control signal is supplied from the control unit 22 to the power semiconductor X <b> 2 through the
制御部２２内には、駆動回路部２０，２１に対して、それぞれオン・オフのゲート制御信号を供給し、あるいは、駆動回路部２０内の回路に対して故障診断を行う故障診断演算部１０に故障診断指令を供給する主演算部１６がある。また、制御部２２内には、駆動回路部２０に対して、駆動回路部２０側の送受信回路１４と双方向の無線通信を行う送受信回路１７ａが設置してある。駆動回路部２０側の送受信回路１４は、増幅回路１１と故障診断演算部１０に接続してあり、送受信回路１４が受信したゲート制御信号を増幅回路１１に供給する。また、送受信回路１４が受信した故障診断指令を故障診断演算部１０に供給する。また、故障診断演算部１０が診断した結果を、送受信回路１４から制御部２２側の送受信回路１４に送る。
In the control unit 22, an on / off gate control signal is supplied to each of the
また、制御部２２内に、駆動回路部２１内の図示しない送受信回路と双方向の無線通信を行う送受信回路１７ｂが設置してある。
In addition, a transmission /
また、制御部２２内の送受信回路１７ａと、駆動回路部２０内の送受信回路１４との間は、赤外線通信等の無線通信を行う。制御部２２内の送受信回路１７ｂと、駆動回路部２１側の送受信回路との間についても、赤外線通信等の無線通信を行う。
In addition, wireless communication such as infrared communication is performed between the transmission /
なお、制御部２２から各駆動回路部２０へのゲート制御信号の伝送については、シリアル通信化するようにしてある。即ち、パワー半導体Ｘ１，Ｘ２は短絡しないように両方ともオフ状態になるタイミングを必ず設けなければならないので、シリアル信号はオフ時間＋オン時間の組み合わせで伝送するようにし、パワー半導体Ｘ１，Ｘ２間のオフタイミングを調整する構成としてある。 The transmission of the gate control signal from the control unit 22 to each drive circuit unit 20 is made serial communication. That is, since the power semiconductors X1 and X2 must both be provided with a timing at which both power semiconductors X1 and X2 are turned off, the serial signal is transmitted in a combination of the off time and the on time, and between the power semiconductors X1 and X2. The off timing is adjusted.
次に、本例の構成でのパワー半導体の制御動作を、パワー半導体Ｘ１を代表して説明する。パワー半導体Ｘ１をオン状態にする場合、制御部２２内の主演算部１６からパワー半導体Ｘ１に対して、オン信号のゲート制御信号が出力され、制御部２２内の送受信回路１７ａから無線通信で駆動回路部２０内の送受信回路１４に到る。さらに、送受信回路１４から増幅回路１１にゲート制御信号は送信され、増幅回路１１で増幅され、ゲート駆動信号としてパワー半導体Ｘ１のゲート端子に印加される。こうして、パワー半導体Ｘ１はオン状態となり正電圧が正極側端子３１から交流出力端子３０に印加される。なお、この時、パワー半導体Ｘ２はオフ状態である。
Next, the control operation of the power semiconductor in the configuration of this example will be described using the power semiconductor X1 as a representative. When the power semiconductor X1 is turned on, a gate control signal of an on signal is output from the main
パワー半導体Ｘ１をオフ状態にする際には、制御部２２内の主演算部１６から駆動回路部２０に対して、オフ信号のゲート制御信号が出力される。オフ状態にする際のゲート制御信号の動作は、パワー半導体Ｘ１をオン状態にする場合の動作と同様である。こうして、パワー半導体Ｘ１はオフ状態となり、正極側端子３１から交流出力端子３０への電圧印加が停止する。
When the power semiconductor X1 is turned off, a gate control signal of an off signal is output from the
なお、パワー半導体Ｘ２をオン状態、オフ状態にする動作もパワー半導体Ｘ１をオン状態、オフ状態にする動作とそれぞれ同じである。 Note that the operation of turning the power semiconductor X2 on and off is the same as the operation of turning the power semiconductor X1 on and off.
なお、故障診断演算部１０の動作は、第１の実施の形態における図２の処理例によるフローチャートと同様である。
Note that the operation of the failure
本例では、制御部２２内の主演算部１６からパワー半導体Ｘ１に対して、ゲート制御信号を供給する通信手段と、主演算部１６が故障診断演算部１０側と通信を行う通信手段を、送受信回路１７ａで兼用した点が、特徴である。
In this example, a communication unit that supplies a gate control signal to the power semiconductor X1 from the
上述した第１の実施の形態においては、制御部２２から駆動回路部２０へのゲート制御信号は光ファイバ１８を介して伝送していたが、本例においては、無線通信手段を用いるため、光ファイバ等の信号伝送媒体を必要としない。例えば、光ファイバは折り曲げ限界があるので、設置の取り扱いが困難であるため、光伝送の故障が発生しやすいが、無線通信手段ではそうした問題が発生しない。 In the first embodiment described above, the gate control signal from the control unit 22 to the drive circuit unit 20 is transmitted via the optical fiber 18. No signal transmission medium such as fiber is required. For example, the optical fiber has a bending limit, so that it is difficult to handle the installation, so that an optical transmission failure is likely to occur, but such a problem does not occur in the wireless communication means.
ここで、制御部と駆動回路部を絶縁して信号を伝送する技術として、パルストランスが従来技術として上げられる。しかしながら、パルストランスの絶縁耐量を上げながら高速通信するのは難しく、また、パルストランスの場合、制御部と駆動回路部間の絶縁破壊の可能性があるので、絶縁の高信頼性を要求される高電圧電力変換装置においては使用しにくい。また、光ファイバを使用すると、ゲート制御信号のオンオフ幅に従った信号を伝送できるが、無線通信手段では数ミリ秒程度の長いオン信号を直接伝送することが出来ない。 Here, as a technique for transmitting a signal by insulating the control unit and the drive circuit unit, a pulse transformer is given as a conventional technique. However, it is difficult to perform high-speed communication while increasing the dielectric strength of the pulse transformer, and in the case of a pulse transformer, there is a possibility of dielectric breakdown between the control unit and the drive circuit unit, so high reliability of insulation is required. It is difficult to use in a high voltage power converter. If an optical fiber is used, a signal according to the on / off width of the gate control signal can be transmitted, but the wireless communication means cannot directly transmit an on signal as long as several milliseconds.
従って、ゲート制御信号をシリアル通信化する必要がある。パワー半導体Ｘ１，Ｘ２は短絡しないように両方ともオフ状態になるタイミングを必ず設けなければならないが、本例においては、シリアル信号はオフ時間＋オン時間の組み合わせで伝送するようにし、パワー半導体Ｘ１，Ｘ２間のオフタイミングを調整するようしたので、良好にパワー半導体Ｘ１，Ｘ２を制御できる。 Therefore, it is necessary to serialize the gate control signal. The power semiconductors X1 and X2 must be provided with a timing at which both power semiconductors X1 and X2 are turned off, but in this example, the serial signals are transmitted in a combination of off time + on time, Since the off timing between X2 is adjusted, the power semiconductors X1 and X2 can be controlled satisfactorily.
こうしたことから、制御部と駆動回路部間の絶縁信号伝送を無線通信手段で行う本例は電力変換装置の高信頼化に寄与できるものである。 For this reason, the present example in which the insulation signal transmission between the control unit and the drive circuit unit is performed by wireless communication means can contribute to high reliability of the power conversion device.
また、電光変換部、光電変換部、光ファイバを用いないため、制御部、駆動回路部ともに構成を簡略化することが可能である。 In addition, since the electro-optic conversion unit, the photoelectric conversion unit, and the optical fiber are not used, the configuration of both the control unit and the drive circuit unit can be simplified.
また、制御部２２と駆動回路部２０との間は完全に絶縁距離が確保できるため、電力変換装置の故障原因となりうる接触による短絡等の事故は発生しない。 Moreover, since the insulation distance can be completely ensured between the control part 22 and the drive circuit part 20, accidents, such as a short circuit by the contact which may cause a failure of a power converter device, do not occur.
また、制御部２２と駆動回路部２０の間の通信を無線通信とすることで、速やかに信号を送受信することができる。 Further, by making communication between the control unit 22 and the drive circuit unit 20 wireless communication, signals can be quickly transmitted and received.
こうして、パワー半導体Ｘ１に電圧を印加せずに、駆動回路部２０内の各種回路に対する機能診断を行い、駆動回路部２０内の回路故障を検知することで、パワー半導体Ｘ１をオフ状態にし、パワー半導体Ｘ１の２次故障を防ぐことが出来る。 In this way, functional diagnosis is performed on various circuits in the drive circuit unit 20 without applying a voltage to the power semiconductor X1, and a circuit failure in the drive circuit unit 20 is detected, so that the power semiconductor X1 is turned off. Secondary failure of the semiconductor X1 can be prevented.
また、制御部２２と駆動回路部２０の間を無線通信することで、設置取り扱いの難しく壊れやすい光ファイバの設置を回避できる。こうして制御部２２と駆動回路部２０間に高い絶縁性を確保することで、電力変換装置の絶縁破壊の可能性を低減させることが可能となる。 In addition, by performing wireless communication between the control unit 22 and the drive circuit unit 20, installation of an optical fiber that is difficult to install and easily broken can be avoided. By ensuring high insulation between the control unit 22 and the drive circuit unit 20 in this way, it is possible to reduce the possibility of dielectric breakdown of the power conversion device.
なお、上述した第１〜第３の実施の形態では、故障診断演算部１０による故障診断は、インバータ駆動つまりモータを回転させる前に診断するものであるが、インバータ駆動中に診断することも可能である。
In the first to third embodiments described above, the failure diagnosis by the failure
また、上述した第１〜第３の実施の形態では駆動回路部内の回路動作について診断を行ったが、例えば、電圧値又は駆動回路部温度又は機能回路のフェール信号等を故障診断演算部１０などで常時監視し、制御部２２の主演算部１６にデータを送信することにより、常時故障診断を行うことも可能である。
In the above-described first to third embodiments, the circuit operation in the drive circuit unit is diagnosed. For example, the failure
ここで、ここまで説明した各実施の形態の構成が適用される構成について説明する。図５は第１〜３の実施の形態に示した電力変換装置を鉄道車両１００に搭載した構成の例であり、以下にこの構成を説明する。本例の鉄道車両１００には、車輪１０１を回転駆動させるモータ１１２が取り付けてあり、モータ１１２は、高出力の直流電流を交流電流に変換する電力変換装置１１１で変換された交流電源が供給される。そして、電力変換装置１１１には、電力変換装置１１１内の図示していない内部回路の状態を診断可能な演算装置１１０が備えてある。
Here, a configuration to which the configuration of each embodiment described so far is applied will be described. FIG. 5 shows an example of a configuration in which the power conversion device shown in the first to third embodiments is mounted on the railcar 100, and this configuration will be described below. The railway vehicle 100 of this example is equipped with a
鉄道車両１００は、電力変換装置１１１によりモータ１１２を駆動して、車輪１０１を回転駆動させることができる。ここで、電力変換装置１１１からの故障診断結果を鉄道車両１００に搭載される演算装置１１０に伝送することで、電力変換装置１１１の外部で異常検知の判定を行うこともできる。
The railway vehicle 100 can drive the motor 101 by the power converter 111 to drive the wheels 101 to rotate. Here, by transmitting the failure diagnosis result from the power conversion device 111 to the
また、電力変換装置１１１内の図示していない故障診断演算部から、電力変換装置１１１内の図示していない駆動回路部の温度情報等を演算装置１１０に伝送し、演算装置１１０内で電力変換装置１１１の異常判定を行ってもよい。
Further, temperature information of a drive circuit unit (not shown) in the power conversion device 111 is transmitted to the
あるいは、電力変換装置１１１の内部に演算装置１１０を組み込んで異常検知の判定を行うこともできる。
Alternatively, the abnormality detection can be determined by incorporating the
この演算装置１１０による電力変換装置１１１の診断判定に従うことで、電力変換装置１１１が故障する前に交換することが可能となる。
By following the diagnostic determination of the power converter 111 by the
あるいは、発熱を抑制するために演算装置１１０による電力変換装置１１１への運転指令を変更することで、鉄道車両１００の故障を事前に防止することが可能となる。
Or it becomes possible to prevent a failure of the railway vehicle 100 in advance by changing the operation command to the power conversion device 111 by the
また、電力変換装置１１１と演算装置１１０の間の通信手段を光ファイバによる光信号、あるいは、無線通信手段を用いることで絶縁距離を確保し、電力変換装置１１１の短絡電流等による演算装置１１０に対する破壊を防止することが可能となる。
Further, the communication means between the power conversion device 111 and the
また、電力変換装置１１１の駆動中に電力変換装置１１１の内部回路を診断したり、電圧値又は駆動回路部温度又は機能回路のフェール信号等を常時監視することにより、常時故障診断を行ってもよい。 In addition, even if the failure diagnosis is performed constantly by diagnosing the internal circuit of the power conversion device 111 while driving the power conversion device 111, or constantly monitoring the voltage value, the temperature of the drive circuit unit, the failure signal of the functional circuit, or the like. Good.
１…制御部、２…信号伝送部、４…増幅回路、３…検出回路、７…ゲート駆動回路、８…光伝送手段、１０…故障診断演算部、１１…増幅回路、１２…機能回路、１３…光電変換部、１４…送受信回路、１５，１５ａ，１５ｂ…電光変換部、１６…主演算部、１７ａ，１７ｂ…送受信回路、１８ａ，１８ｂ…光ファイバ、２０…駆動回路部、２１…駆動回路部、２２…制御部、３０…交流出力端子、３１…正極側端子、３２…負極側端子、Ｘ１…パワー半導体、Ｘ２…パワー半導体、１００…鉄道車両、１０１…車輪、１１０…演算装置、１１１…電力変換装置、１１２…モータ
DESCRIPTION OF
Claims (9)
前記半導体素子をスイッチング制御させるためのゲート制御信号を出力する制御部と、
前記ゲート制御信号を増幅し前記半導体素子をスイッチング駆動させるためのゲート駆動信号を出力する駆動回路部と、
前記駆動回路部に対する故障診断を行う故障診断手段と、
前記半導体素子に電圧を印加しない状態で前記制御部から前記故障診断手段へ診断開始信号を通信し、又は、前記半導体素子に電圧を印加しない状態で前記故障診断手段の診断結果信号を前記故障診断手段から前記制御部へ無線通信する無線通信手段と、を備え、
前記無線通信手段を、前記制御部から前記駆動回路部への前記ゲート制御信号の通信とは別個の通信系統とすることを特徴とする電力変換装置。 A power conversion circuit for outputting a alternating current from the series connection portion of the semiconductor elements by switching the series connection semiconductor elements alternately by switching a series connection body of the semiconductor elements in parallel to a DC power source as at least one phase; ,
A control unit that outputs a gate control signal for switching control of the semiconductor element;
A drive circuit unit for amplifying the gate control signal and outputting a gate drive signal for switching and driving the semiconductor element;
Fault diagnosis means for performing fault diagnosis on the drive circuit unit;
A diagnosis start signal is communicated from the control unit to the failure diagnosis unit without applying a voltage to the semiconductor element , or a diagnosis result signal of the failure diagnosis unit is applied to the failure diagnosis without applying a voltage to the semiconductor element. Wireless communication means for wirelessly communicating from the means to the control unit,
The power converter according to claim 1, wherein the wireless communication unit is a communication system separate from the communication of the gate control signal from the control unit to the drive circuit unit .
前記制御部から前記駆動回路部への前記ゲート制御信号の通信手段を光通信手段としたことを特徴とする電力変換装置。 The power conversion device according to claim 1,
A power conversion device characterized in that the communication means of the gate control signal from the control section to the drive circuit section is an optical communication means.
前記制御部から前記駆動回路部への前記ゲート制御信号の通信手段を無線通信手段としたことを特徴とする電力変換装置。 The power conversion device according to claim 1,
The power conversion apparatus according to claim 1, wherein the communication means of the gate control signal from the control section to the drive circuit section is a wireless communication means.
前記故障診断手段は、前記駆動回路部の診断結果を前記制御部に送信すると共に、前記駆動回路部のフェール信号又は電圧値又は温度信号を前記制御部に送信することを特徴とする電力変換装置。 In the power converter device according to any one of claims 1 to 3,
The failure diagnosis unit transmits a diagnosis result of the drive circuit unit to the control unit, and transmits a failure signal, a voltage value, or a temperature signal of the drive circuit unit to the control unit. .
前記半導体素子をスイッチング制御させるためのゲート制御信号を出力する制御部と、
前記ゲート制御信号を増幅回路で増幅し、前記半導体素子をスイッチング駆動させるためのゲート駆動信号を出力する駆動回路部と、
前記増幅回路に機能動作のための擬似信号を入力した際の出力信号に基づき前記駆動回路部に対する故障診断を行う故障診断手段と、
前記半導体素子に電圧を印加しない状態で前記制御部から前記故障診断手段へ診断開始信号を通信し、又は前記半導体素子に電圧を印加しない状態で前記故障診断手段の診断結果信号を前記故障診断手段から前記制御部へ無線通信する無線通信手段と、を備え、
前記無線通信手段を、前記制御部から前記駆動回路部への前記ゲート制御信号の通信とは別個の通信系統とすることを特徴とする電力変換装置。 A power conversion circuit for outputting a alternating current from the series connection portion of the semiconductor elements by switching the series connection semiconductor elements alternately by switching a series connection body of the semiconductor elements in parallel to a DC power source as at least one phase; ,
A control unit that outputs a gate control signal for switching control of the semiconductor element;
A drive circuit unit that amplifies the gate control signal by an amplifier circuit and outputs a gate drive signal for switching and driving the semiconductor element;
Fault diagnosis means for performing fault diagnosis on the drive circuit unit based on an output signal when a pseudo signal for functional operation is input to the amplifier circuit;
Wherein communicating a diagnosis start signal to the failure diagnosis unit from the control unit in a state where no voltage is applied to the semiconductor element, or the failure diagnosis means diagnose result signal of the failure diagnosis means in a state where no voltage is applied to the semiconductor element Wireless communication means for wirelessly communicating to the control unit from,
The power converter according to claim 1, wherein the wireless communication unit is a communication system separate from the communication of the gate control signal from the control unit to the drive circuit unit .
前記半導体素子を保護する保護回路とを備え、
前記故障診断手段は、前記駆動回路部の故障診断に加え、前記保護回路に機能動作のための擬似信号を入力した際の出力信号に基づき前記保護回路に対する故障診断を行うことを特徴とする電力変換装置。 The power conversion device according to claim 5, wherein
A protection circuit for protecting the semiconductor element,
The failure diagnosis means performs failure diagnosis on the protection circuit based on an output signal when a pseudo signal for functional operation is input to the protection circuit in addition to failure diagnosis of the drive circuit unit. Conversion device.
前記制御部から前記駆動回路部への前記ゲート制御信号の通信手段を光通信手段としたことを特徴とする電力変換装置。 The power converter according to claim 5 or 6,
A power conversion device characterized in that the communication means of the gate control signal from the control section to the drive circuit section is an optical communication means.
前記制御部から前記駆動回路部への前記ゲート制御信号の通信手段を無線通信手段としたことを特徴とする電力変換装置。 The power converter according to claim 5 or 6,
The power conversion apparatus according to claim 1, wherein the communication means of the gate control signal from the control section to the drive circuit section is a wireless communication means.
前記故障診断手段は、前記駆動回路部の診断結果を前記制御部に送信すると共に、前記駆動回路部のフェール信号又は電圧値又は温度信号を前記制御部に送信することを特徴とする電力変換装置。 In the power converter device according to any one of claims 5 to 8,
The failure diagnosis unit transmits a diagnosis result of the drive circuit unit to the control unit, and transmits a failure signal, a voltage value, or a temperature signal of the drive circuit unit to the control unit. .
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