JP4771125B2 - 無停電電源装置 - Google Patents

Description

本発明は、一相分の上下アームを共用したフルブリッジコンバータ及びフルブリッジインバータと、商用電源の異常時に使用されるバックアップ回路とを備え、前記フルブリッジコンバータ及びフルブリッジインバータを構成する半導体スイッチング素子を過電流から保護するようにした無停電電源装置に関するものである。

図２は、この種の無停電電源装置の従来技術を示す主回路構成図である。
図２において、１は商用電源（単相交流電源）、２は入力フィルタコンデンサである。また、３Ａ，３Ｂは共通上下アームを構成する上側，下側スイッチング素子、４Ａ，４Ｂはコンバータの一相分上下アームを構成する上側，下側スイッチング素子、５Ａ，５Ｂはインバータの一相分上下アームを構成する上側，下側スイッチング素子であり、スイッチング素子３Ａ，３Ｂ，４Ａ，４Ｂにより単相のフルブリッジコンバータが構成され、同３Ａ，３Ｂ，５Ａ，５Ｂにより単相のフルブリッジインバータが構成されている。ここで、各スイッチング素子３Ａ，３Ｂ，４Ａ，４Ｂ，５Ａ，５Ｂは、例えばＩＧＢＴ等に環流ダイオードを逆並列に接続して構成されている。

６は直流電力を平滑するための直流中間コンデンサであり、このコンデンサ６の両端にはバッテリー（図示せず）を備えたバックアップ回路１３が接続されている。このバックアップ回路１３は、上記バッテリーをスイッチング素子３Ａ，３Ｂ，４Ａ，４Ｂからなるコンバータにより充電可能であり、商用電源１の停電等による異常時にバッテリーの直流電圧を昇圧して直流中間コンデンサ６に供給可能となっている。

更に、７はスイッチング素子５Ａ，５Ｂの相互接続点と負荷（単相負荷）９の一端との間に接続されたインバータリアクトル、８は負荷９の両端に接続された平滑用の出力フィルタコンデンサ、１０はスイッチング素子４Ａ，４Ｂの相互接続点と負荷９の他端との間に接続されたコンバータリアクトルである。
また、インバータリアクトル７にはインバータ電流検出回路１１が直列に接続されていると共に、コンバータリアクトル１０にはコンバータ電流検出回路１２が直列に接続されている。

上記無停電電源装置の動作を述べると、商用電源１の健全時にはフルブリッジコンバータにより交流−直流変換を行うと共にバックアップ回路１３のバッテリーを充電し、フルブリッジインバータにより直流電力を交流電力に変換して負荷９に所定の大きさ、周波数の交流電力を供給する。
停電等による商用電源１の異常発生時には、フルブリッジインバータがバックアップ回路１３からの直流電力を交流電力に変換して負荷９に供給する。
なお、図２とほぼ同様に構成された電力変換装置は、例えば後述する特許文献１に記載されている。

次に、図４は図２の無停電電源装置における過電流保護回路の構成図である。
ＣＰＵ２１はスイッチング素子４Ａ，４Ｂ，５Ａ，５Ｂに対するゲート駆動ＰＷＭ信号を生成して出力し、これらのＰＷＭ信号は強制オフ回路２２，２３を介してゲート駆動回路２４，２５にそれぞれ入力されている。強制オフ回路２２，２３は、オン状態の時にＣＰＵ２１からのＰＷＭ信号をゲート駆動回路２４，２５に入力し、後述する過電流検出回路２６，２７からのゲート駆動強制オフ信号ａによってＣＰＵ２１からのＰＷＭ信号を遮断するように動作するものである。
前記ゲート駆動回路２４，２５からは、インバータを構成するスイッチング素子５Ａ，５Ｂ及びコンバータを構成するスイッチング素子４Ａ，４Ｂをオンオフするためのゲート駆動信号がそれぞれ出力される。

一方、電流検出回路１１によりインバータのスイッチング素子５Ａまたは５Ｂを流れる電流を検出し、その電流検出値が過電流検出回路２６に設定された過電流レベルを超えると、ゲート駆動強制オフ信号ａにより強制オフ回路２２をオフさせてＣＰＵ２１からのＰＷＭ信号を遮断し、ゲート駆動回路２４を介してスイッチング素子５Ａ，５Ｂをオフさせる。
コンバータ側についても同様であり、電流検出回路１２によりコンバータを構成するスイッチング素子４Ａまたは４Ｂを流れる電流を検出し、その電流検出値が過電流検出回路２７に設定された過電流レベルを超えると、ゲート駆動強制オフ信号ａにより強制オフ回路２３をオフさせてＣＰＵ２１からのＰＷＭ信号を遮断し、ゲート駆動回路２５を介してスイッチング素子４Ａ，４Ｂをオフさせる。

すなわち、図４の回路では、インバータリアクトル７を流れる電流を電流検出回路１１を介しフィードバックしてスイッチング素子５Ａ，５Ｂの過電流保護を行い、また、コンバータリアクトル１０を流れる電流を電流検出回路１２を介しフィードバックしてスイッチング素子４Ａ，４Ｂの過電流保護を行っている。
ここで、図３は、共通上下アームを構成するスイッチング素子３Ａ，３Ｂとコンバータの一相分上下アームを構成するスイッチング素子４Ａ，４Ｂとを入れ替え、コンバータリアクトル１０及び電流検出回路１２を入力フィルタコンデンサ２とスイッチング素子４Ａ，４Ｂの相互接続点との間に接続してなる従来技術であるが、この場合の過電流保護回路の構成、動作も図２の場合と同様である。

特開２００４−３１２９７９号公報（［００１７］〜［００２４］、図１等）

図２，図４に示した従来技術において、例えばインバータのスイッチング素子５Ａまたは５Ｂに過電流が流れると、強制オフ回路２２の動作によりスイッチング素子５Ａ，５Ｂが強制的にオフされる。このとき、インバータのスイッチング素子５Ａ，５Ｂのオフによって負荷９の電流は減少方向にあるはずであるが、スイッチング素子３Ａ，３Ｂ，４Ａ，４ＢからなるコンバータがＣＰＵ２１からのＰＷＭ信号に従って動作していると、共通上下アームのスイッチング素子３Ａ，３Ｂの動作によってスイッチング素子５Ａ，５Ｂの環流ダイオード、インバータリアクトル７及び商用電源１を含む回路がチョッパ動作し、その電流によって上記環流ダイオードが破壊されるおそれがある。

同様に、コンバータを構成するスイッチング素子４Ａまたは４Ｂに過電流が流れてこれらのスイッチング素子４Ａ，４Ｂが強制的にオフした場合、スイッチング素子３Ａ，３Ｂ，５Ａ，５Ｂからなるインバータが動作していると、スイッチング素子３Ａ，３Ｂの動作によってスイッチング素子４Ａ，４Ｂの環流ダイオード、コンバータリアクトル１０及び商用電源１を含む回路がチョッパ動作し、その電流によってスイッチング素子４Ａ，４Ｂの環流ダイオードが破壊されるおそれがある。

例えば、商用電源１の電圧が正である時、インバータを構成するスイッチング素子５Ａ，５ＢのＰＷＭ制御により負荷９にも正の電圧が供給され、負荷９には正の電流が流れる。この状態で過負荷により負荷電流が瞬間的に増加すると、前述した動作によってスイッチング素子５Ａ，５Ｂは強制的にオフされる。しかし、この時、スイッチング素子３Ａ，３Ｂ，４Ａ，４ＢがＰＷＭ制御され、共通上下アームの下側スイッチング素子３Ｂがオン、オフすると、商用電源１→下側スイッチング素子３Ｂ→スイッチング素子５Ｂの環流ダイオード→インバータリアクトル７→負荷９→商用電源１の経路でチョッパ動作による過電流が流れ、これによってスイッチング素子５Ｂの環流ダイオードが破壊されるという問題があった。

そこで本発明の解決課題は、インバータまたはコンバータを構成するスイッチング素子に過電流が流れて強制オフされた際に、共通上下アームのスイッチングを遮断することでチョッパ動作による過電流が強制オフ状態のスイッチング素子の環流ダイオードを流れないようにしてその破壊を防止するようにした無停電電源装置を提供することにある。

上記課題を解決するため、請求項１に記載した発明は、交流電源の交流電力を直流電力に変換するフルブリッジコンバータと、前記直流電力を交流電力に変換して負荷に供給するフルブリッジインバータと、前記直流電力が供給される直流中間コンデンサと、前記直流電力によりバッテリーが充電されて前記交流電源の異常時に前記インバータに直流電力を供給するバックアップ回路と、を備え、前記コンバータの一相分の上下アームを共通上下アームとして前記インバータの一相分の上下アームと共用した無停電電源装置であって、
前記コンバータを構成する上下アームのうち前記共通上下アーム以外の他相上下アーム、または、前記インバータを構成する上下アームのうち前記共通上下アーム以外の他相上下アームを構成するスイッチング素子の過電流を検出して、当該他相上下アームのスイッチング素子に対する駆動信号を遮断するようにした過電流保護回路を備えてなる無停電電源装置において、
前記過電流保護回路の動作により前記コンバータまたは前記インバータのいずれか一方の前記他相上下アームのスイッチング素子に対する駆動信号を遮断し、かつ、前記共通上下アームを構成するスイッチング素子に対する駆動信号を遮断する遮断手段を備えたものである。

請求項２に記載した発明は、請求項１において、
単相構成の前記フルブリッジコンバータ及びフルブリッジインバータが、単相交流電源と単相負荷との間に接続されているものである。

本発明によれば、フルブリッジコンバータまたはフルブリッジインバータを構成するスイッチング素子が過電流により強制オフされた際に、共通上下アームを構成するスイッチング素子のオンオフを遮断することでチョッパ動作による過電流がコンバータまたはインバータにおける強制オフ状態のスイッチング素子の環流ダイオードに流れないようにし、これによって環流ダイオードの破壊を防止することができる。
従って、無停電電源装置の信頼性を向上させることが可能である。
また、本発明は、従来の過電流保護回路に若干の回路を追加するだけで実現可能であるため、低コストにて提供することができる。

以下、図に沿って本発明の実施形態を説明する。
まず、図１は本発明の実施形態における過電流保護回路の構成図である。図１において、図４と同一の構成要素には同一の番号を付して説明を省略し、以下では異なる部分を中心に説明する。

インバータ側の過電流検出回路２６の出力とコンバータ側の過電流検出回路２７の出力とはオア回路２８に入力されており、その出力は強制オフ回路２９に加えられている。強制オフ回路２９は、オン状態の時にＣＰＵ２１からのゲート駆動ＰＷＭ信号をゲート駆動回路３０に入力し、オア回路２８から出力されるゲート駆動強制オフ信号ａによってオフされた時に、ＣＰＵ２１からのゲート駆動ＰＷＭ信号を遮断するように動作するものである。ここで、オア回路２８及び強制オフ回路２９は、請求項１における遮断手段を構成している。
ゲート駆動回路３０は、共通上下アームを構成するスイッチング素子３Ａ，３Ｂをオンオフするためのゲート駆動信号を生成して出力する。

この過電流検出回路の動作を説明すると、例えば図２に示した主回路において、インバータを構成するスイッチング素子５Ａまたは５Ｂに過電流が流れると、過電流検出回路２６からのゲート駆動強制オフ信号ａが強制オフ回路２２に与えられてスイッチング素子５Ａ，５Ｂを強制的にオフさせると共に、この強制オフ信号ａはオア回路２８を介して強制オフ回路２９にも与えられる。
また、コンバータを構成するスイッチング素子４Ａまたは４Ｂに過電流が流れると、過電流検出回路２７からのゲート駆動強制オフ信号ａが強制オフ回路２３に与えられてスイッチング素子４Ａ，４Ｂを強制的にオフさせると共に、この強制オフ信号ａはオア回路２８を介して強制オフ回路２９にも与えられる。

このため、いずれの場合にもオア回路２８を介したゲート駆動強制オフ信号ａが強制オフ回路２９にも与えられることになり、平常時にＣＰＵ２１からゲート駆動回路３０に与えられていたゲート駆動ＰＷＭ信号を遮断して共通上下アームのスイッチング素子３Ａ，３Ｂを強制的にオフさせる。
これにより、スイッチング素子３Ａ，３Ｂのスイッチングによるチョッパ動作をなくし、インバータを構成するスイッチング素子５Ａ，５Ｂの環流ダイオード、またはコンバータを構成するスイッチング素子４Ａ，４Ｂの環流ダイオードに過電流が流れるのを防止することができる。
従って、これらの環流ダイオードが過電流により破壊されたり、隣接する各スイッチング素子が破壊されることもない。

なお、上述した過電流保護回路は、図３の主回路に対しても同様に適用可能であり、スイッチング素子４Ａ，４Ｂまたは５Ａ，５Ｂの環流ダイオードを過電流から保護することができる。

本発明の実施形態における過電流保護回路の構成図である。 無停電電源装置の従来技術を示す主回路構成図である。 無停電電源装置の他の従来技術を示す主回路構成図である。 図２の無停電電源装置における過電流保護回路の構成図である。

符号の説明

１：商用電源
２：入力フィルタコンデンサ
３Ａ，３Ｂ，４Ａ，４Ｂ，５Ａ，５Ｂ：半導体スイッチング素子
６：直流中間コンデンサ
７：インバータリアクトル
８：出力フィルタコンデンサ
９：負荷
１０：コンバータリアクトル
１１，１２：電流検出回路
２１：ＣＰＵ
２２，２３，２９：強制オフ回路
２４，２５，３０：ゲート駆動回路
２６，２７：過電流検出回路
２８：オア回路
ａ：ゲート駆動強制オフ信号

Claims (2)

1. 交流電源の交流電力を直流電力に変換するフルブリッジコンバータと、前記直流電力を交流電力に変換して負荷に供給するフルブリッジインバータと、前記直流電力が供給される直流中間コンデンサと、前記直流電力によりバッテリーが充電されて前記交流電源の異常時に前記インバータに直流電力を供給するバックアップ回路と、を備え、前記コンバータの一相分の上下アームを共通上下アームとして前記インバータの一相分の上下アームと共用した無停電電源装置であって、
   前記コンバータを構成する上下アームのうち前記共通上下アーム以外の他相上下アーム、または、前記インバータを構成する上下アームのうち前記共通上下アーム以外の他相上下アームを構成するスイッチング素子の過電流を検出して、当該他相上下アームのスイッチング素子に対する駆動信号を遮断するようにした過電流保護回路を備えてなる無停電電源装置において、
   前記過電流保護回路の動作により前記コンバータまたは前記インバータのいずれか一方の前記他相上下アームのスイッチング素子に対する駆動信号を遮断し、かつ、前記共通上下アームを構成するスイッチング素子に対する駆動信号を遮断する遮断手段を備えたことを特徴とする無停電電源装置。
2. 請求項１に記載した無停電電源装置において、
   単相構成の前記フルブリッジコンバータ及びフルブリッジインバータが、単相交流電源と単相負荷との間に接続されていることを特徴とする無停電電源装置。
   

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