JP5730454B1

JP5730454B1 - 突入電流抑制回路

Info

Publication number: JP5730454B1
Application number: JP2015504440A
Authority: JP
Inventors: 竜一竹澤; 宏太朗小野
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2014-05-22
Filing date: 2014-05-22
Publication date: 2015-06-10
Anticipated expiration: 2034-05-22
Also published as: DE112014000288T5; WO2015177903A1; CN105308814B; JPWO2015177903A1; US20160254740A1; US9590490B2; CN105308814A; DE112014000288B4

Abstract

本発明は、インバータ回路と、インバータ回路を構成しているスイッチング素子の駆動回路に印加する駆動電圧として２レベルの直流電圧を生成する駆動電源回路とを備えた電力変換装置において、電源投入時に発生する突入電流を抑制する突入電流抑制回路であって、インバータ回路に供給する直流電力を生成するコンバータ回路と平滑回路との間に設けられた突入電流防止抵抗７１と、突入電流防止抵抗７１と並列に接続されたリレー７２と、リレー７２を閉状態へ遷移させる際に２レベルの直流電圧のうちのレベルが高い方の直流電圧をリレー７２に印加し、リレー７２が閉状態となった後には２レベルの直流電圧のうちのレベルが低い方の直流電圧をリレー７２に印加して閉状態を保持させるリレー制御回路と、を備えている。

Description

本発明は、インバータへの突入電流を抑制する突入電流抑制回路に関する。

従来の汎用インバータでは、主回路が備えている電解コンデンサに対し、電源投入時に大きな電流（突入電流）が流れるのを防止するため、突入電流抑制抵抗を備えている。電源投入時以外は突入電流抑制抵抗と並列に接続されたリレーが動作し、突入電流抑制抵抗に電流を流さないようにして損失を抑えている。また、アラームが発生したときは、リレーを切ることで、３相交流電流と切り離し、被害を抑える仕組みとなっている。ここで、リレーはインバータの中でも最も電流が流れる箇所に設置されており、リレーの温度は非常に高くなる。そのため、リレーの温度上昇を抑えることが重要となっている。

例えば、ある電圧をリレーのコイルに印加して吸着させた後、その状態を保持することが可能な範囲内でコイルに印加する電圧を下げるように制御し、温度上昇を抑える技術が存在する（例えば、特許文献１，２）。

特開平６−３８３５９号公報特開２００８−１８６６４５号公報

特許文献１に記載されたパワーリレーの駆動回路においては、定格電圧をリレーのコイルに印加してリレーを吸着させ、吸着後は定格電圧を分圧した電圧をコイルに印加して保持するようにして温度上昇を抑制している。しかしながら、定格電圧を分圧する回路において分圧抵抗を使用しており、この分圧抵抗において損失が発生するという問題があった。

また、特許文献２に記載された電磁リレー駆動装置においては、吸引時の電圧を生成する電源の他に保持用の電圧を生成する電源が別途必要になり、回路が増大するとともにコストが高くなるという問題があった。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、コストが上昇するのを抑制しつつ損失発生と温度上昇を防止することが可能な突入電流抑制回路を得ることを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明は、インバータ回路と、前記インバータ回路を構成しているスイッチング素子の駆動回路に印加する駆動電圧として２レベルの直流電圧を生成する駆動電源回路とを備えた電力変換装置において、電源投入時に発生する突入電流を抑制する突入電流抑制回路であって、前記インバータ回路に供給する直流電力を生成するコンバータ回路と平滑回路との間に設けられた突入電流防止抵抗と、前記突入電流防止抵抗と並列に接続されたリレーと、前記リレーを閉状態へ遷移させる際に前記２レベルの直流電圧のうちのレベルが高い方の直流電圧を前記リレーに印加し、前記リレーが閉状態となった後には前記２レベルの直流電圧のうちのレベルが低い方の直流電圧を前記リレーに印加して閉状態を保持させるリレー制御回路と、を備えることを特徴とする。

本発明によれば、回路における損失を抑えた突入電流抑制回路を低コストで実現できる、という効果を奏する。

図１は、本発明にかかる突入電流抑制回路を適用した電力変換装置の構成例を示す図である。図２は、突入電流抑制回路の構成例を示す図である。図３は、駆動電源回路の構成例を示す図である。図４は、突入電流抑制回路の動作の一例を示すタイムチャートである。

以下に、本発明にかかる突入電流抑制回路の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。

実施の形態．
図１は、本発明にかかる突入電流抑制回路を適用した電力変換装置の構成例を示す図である。

図１に示した電力変換装置は、交流電源１から電力供給を受け、モータ５を駆動するための交流電圧を生成する。図示したように、電力変換装置は、交流電源１から供給された交流電圧を整流して直流電圧を生成するコンバータ回路２と、コンバータ回路２で生成された直流電圧を平滑するコンデンサ３と、コンデンサ３で平滑された直流電圧を変換してモータ５を駆動するための交流電圧を生成するインバータ回路４と、インバータ回路４を構成している各スイッチング素子のゲートに印加する駆動電圧を生成する駆動電源回路６と、コンバータ回路２とコンデンサ３の間に設けられ、電力変換装置の起動時にコンデンサ３へ流れる電流（突入電流）を抑制する突入電流抑制回路７と、を備える。突入電流抑制回路７は、負極（Ｎ）側に設けられており、突入電流抑制抵抗７１およびこれと並列に接続されたリレー７２を含んでいる。本実施の形態では、インバータ回路４を構成しているスイッチング素子がＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）であるものとする。

図１においては詳細な記載を省略しているが、リレー７２の両端（ａ端子とｂ端子）に印加される電圧は駆動電源回路６から供給される。駆動電源回路６からインバータ回路４に供給される駆動電圧Ｖｃ１およびＶｃ２は、リレー７２にも供給される構成となっている。なお、駆動電圧Ｖｃ１およびＶｃ２は一定の電圧であり、インバータ回路４においては、制御する制御回路が、各スイッチング素子を駆動するためにゲートに印加する信号（駆動信号）を駆動電圧Ｖｃ１およびＶｃ２から生成する。

なお、図１においては記載を省略しているが、電力変換装置は、インバータ回路４の保護機能を備えており、何らかの異常を検知した場合にはアラームが発生して保護機能が働くように構成されている。

図２は、突入電流抑制回路７の構成例を示す図である。図２においては、説明の便宜上駆動電源回路６も併せて記載している。

突入電流抑制回路７は、突入電流抑制抵抗７１、リレー７２、制御部７３、ダイオード７４，７５およびトランジスタ７６，７７，７８を備えて構成されている。

突入電流抑制抵抗７１の一端はコンバータ回路２の負極側の端子に接続され、他端はコンデンサ３の負極側の端子に接続されている（図１参照）。リレー７２は、突入電流抑制抵抗７１に対して並列に接続されており、内部のコイルに一定の電圧が印加されると吸着して突入電流抑制抵抗７１の両端を短絡させる。制御部７３は、トランジスタ７６および７７を制御することによりリレー７２への印加電圧を切り替える。ダイオード７４は、駆動電源回路６とリレー７２の間に設けられており駆動電源回路６側へ電流が逆流するのを防止する。ダイオード７４のアノードには駆動電源回路６から駆動電圧Ｖｃ２が印加される。ダイオード７５は、トランジスタ７８とリレー７２の端子ｂの間に設けられておりトランジスタ７８側へ電流が逆流するのを防止する。トランジスタ７６はＮＰＮ型のトランジスタであり、コレクタはリレー７２の端子ａに接続され、エミッタは接地されている。ベースには制御部７３から出力されるＲＡ駆動信号＃１が入力される。トランジスタ７７は、Ｎ型のＦＥＴ（Field Effect Transistor）であり、ドレインはトランジスタ７８のゲートと接続され、ソースは接地されている。ゲートには制御部７３から出力されるＲＡ駆動信号＃２が入力される。トランジスタ７８は、Ｐ型のＦＥＴであり、ソースには駆動電源回路６から駆動電圧Ｖｃ１が印加される。ドレインはダイオード７５のアノードと接続され、ゲートはトランジスタ７７のドレインと接続されている。

以下、制御部７３、ダイオード７４，７５およびトランジスタ７６，７７，７８からなる回路をリレー制御回路と称する。

図３は、駆動電源回路６の構成例を示す図である。駆動電源回路６は、ダイオード６１、コンデンサ６２，６５，６６、ツェナーダイオード６３および抵抗６４を備えて構成されている。

ダイオード６１およびコンデンサ６２は整流回路を構成しており、図示を省略した外部の交流電源から供給される交流電圧を変換して直流電圧を生成する。生成される直流電圧は例えば３０Ｖであり、駆動電圧Ｖｃ１としてインバータ回路４および突入電流抑制回路７へ供給される。

ツェナーダイオード６３、抵抗６４およびコンデンサ６５，６６は分圧回路を構成しており、ダイオード６１およびコンデンサ６２で生成された直流電圧を分圧する。分圧された直流電圧、すなわち、コンデンサ６６の両端電圧は駆動電圧Ｖｃ２としてインバータ回路４および突入電流抑制回路７へ供給される。

次に、本実施の形態の電力変換装置における突入電流抑制回路７の動作について、図１から図４を参照しながら説明する。図４は、突入電流抑制回路７の動作の一例を示すタイムチャートである。図４では、制御部７３が出力するＲＡ駆動信号＃１およびＲＡ駆動信号＃２と、リレー７２に印加される電圧（Ｖｃ１とＶｃ２の印加の有無）と、リレー７２の両端電圧とを示している。

交流電源１が投入され、交流電圧の供給が開始されると電力変換装置が起動し、コンバータ回路２からコンデンサ３に対して突入電流が流れる。そのため、リレー制御回路の制御部７３は、コンバータ回路２に対して交流電圧の供給が開始される時点では、ＲＡ駆動信号＃１および＃２をＬ（Low）レベルとし、リレー７２が開いたままの状態とする。この結果、突入電流抑制抵抗７１の作用により突入電流が抑制される。制御部７３は、電力変換装置が起動してから一定時間が経過すると、ＲＡ駆動信号＃１および＃２をＨ（High）レベルとする。ＲＡ駆動信号＃１および＃２をＨレベルとした場合、トランジスタ（以下、ＴＲ）７６およびＴＲ７７がＯＮとなり、これに伴いＴＲ７８がＯＮとなる。その結果、リレー７２には、駆動電源回路６からＶｃ１とＶｃ２が印加される。このときのリレー７２の両端電圧（ＲＡ両端電圧）はＶｃ１となり、リレー７２が吸着する（閉状態になる）。リレー７２が閉じると突入電流抑制抵抗７１には電流が流れなくなり、突入電流抑制抵抗７１での損失発生を回避できる。

制御部７３は、リレー７２が閉状態になると、すなわち、ＲＡ駆動信号＃１および＃２をＨレベルとしてからＲＡ吸引時間（リレー７２が閉状態となるまでの所要時間）が経過すると、ＲＡ駆動信号＃１をＨレベルとしたまま、ＲＡ駆動信号＃２をＬレベルにする。これにより、ＴＲ７７がＯＦＦとなり、さらに、ＴＲ７８もＯＦＦとなる。その結果、リレー７２には、駆動電源回路６からＶｃ２のみが印加され、リレー７２の両端電圧はＶｃ２となる。Ｖｃ２はリレー７２の保持電圧よりも高い電圧であり、リレー７２は閉状態を保持する。よって、突入電流抑制抵抗７１には電流が流れず、突入電流抑制抵抗７１での損失も発生しない。また、Ｖｃ２はＶｃ１よりも低い電圧であるため、リレー７２での発熱量を抑えることができるとともに、リレー７２で発生する損失を抑えることができる。さらに、駆動電源回路６がインバータ回路４に供給する２レベルの駆動電圧を使用してリレー７２へ印加する電圧を生成するので、リレー７２への印加電圧を生成する回路を別途設ける必要がなく、コストの上昇を抑えることができる。

交流電源１からの電圧供給が停止すると、制御部７３は、ＲＡ駆動信号＃１および＃２をＬレベルとする。この結果、リレー７２への印加電圧は０Ｖとなり、リレー７２が開状態となる。

その後、電力変換装置が再起動すると、制御部７３は、ＲＡ駆動信号＃１および＃２をＨレベルとし、ＲＡ吸引時間が経過した後にＲＡ駆動信号＃２をＬレベルとして、リレー７２が閉じた状態（リレー７２への印加電圧がＶｃ２の状態）とする。この状態において、何らかの原因により駆動電源回路６が破損するなどして駆動電圧Ｖｃ１およびＶｃ２の出力が停止すると、突入電流抑制回路７に供給されるＶｃ１およびＶｃ２も０Ｖとなる。そして、リレー７２への印加電圧も０Ｖとなり、リレー７２が遮断して開状態となる。この結果、インバータ回路４を保護することができる。また、例えば、インバータ回路４が備えているＩＧＢＴが破損した場合、これに伴い駆動電源回路６が破損するケースがある。この場合においても駆動電圧Ｖｃ１およびＶｃ２の出力が停止し、リレー７２への印加電圧が０Ｖとなるので、リレー７２が遮断して開状態となる。リレー７２が開状態となることによりインバータ回路４が保護され、インバータ回路４がさらに破損してしまうのを防止できる。

上述したように、電力変換装置は、インバータ回路４の保護機能を備えており、異常を検知した場合にはアラームが発生して保護機能が働くように構成されているが、保護機能を実現する保護回路そのものが故障するなど、予期せぬ理由により保護機能が働かない、または、アラーム発生が遅れるケースも考えられる。本実施の形態によれば、仮に、駆動電源回路６の破損時に保護機能が働かなかったとしても、リレー７２を開いてインバータ回路４を保護することができ、装置の信頼性を高めることができる。

このように、本実施の形態の電力変換装置において、突入電流抑制回路７は、駆動電源回路６がインバータ回路４へ供給するために生成した駆動電圧を利用し、突入電流抑制抵抗７１と並列に接続されたリレー７２を制御することとした。また、リレー７２が閉状態となった後は、吸引時に印加した電圧よりも低い電圧を印加して閉状態を保持することとした。これにより、コストが上昇するのを抑制しつつリレー７２での損失量を抑えることができる。また、温度上昇を防止でき、安定した動作を実現できる。

また、突入電流抑制回路７をＮ側に配置したので、絶縁距離を考慮した設計が不要となる。

以上のように、本発明にかかる突入電流抑制回路は、電力変換装置に有用であり、特に、電力変換装置の起動時に発生する突入電流を抑制するための発明に適している。

１交流電源、２コンバータ回路、３，６２，６５，６６コンデンサ、４インバータ回路、５モータ、６駆動電源回路、７突入電流抑制回路、６１，７４，７５ダイオード、６３ツェナーダイオード、６４抵抗、７１突入電流抑制抵抗、７２リレー、７３制御部、７６，７７，７８トランジスタ。

Claims

インバータ回路と、前記インバータ回路を構成しているスイッチング素子の駆動回路に印加する駆動電圧として２レベルの直流電圧を生成する駆動電源回路とを備えた電力変換装置において、電源投入時に発生する突入電流を抑制する突入電流抑制回路であって、
前記インバータ回路に供給する直流電力を生成するコンバータ回路と平滑回路との間に設けられた突入電流防止抵抗と、
前記突入電流防止抵抗と並列に接続されたリレーと、
前記リレーを閉状態へ遷移させる際に前記２レベルの直流電圧のうちのレベルが高い方の直流電圧を前記リレーに印加し、前記リレーが閉状態となった後には前記２レベルの直流電圧のうちのレベルが低い方の直流電圧を前記リレーに印加して閉状態を保持させるリレー制御回路と、
を備えることを特徴とする突入電流抑制回路。
前記スイッチング素子をＩＧＢＴとすることを特徴とする請求項１に記載の突入電流抑制回路。
前記コンバータ回路の負極側に配置されていることを特徴とする請求項１または２に記載の突入電流抑制回路。