TWI631809B - Power conversion device - Google Patents

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Abstract

提供可將並聯設置之複數電力轉換單元中故障之電力轉換單元，從直流電源單元迅速切離，並持續運轉其他健全之電力轉換單元的簡易構造的電力轉換裝置。
在透過直流連結部而並聯設置之複數電力轉換單元，與分別對該等電力轉換單元供給直流電力的直流電源單元之間，分別安裝限制分別供給給前述各電力轉換單元之直流電力的半導體開關元件。然後，於控制電路中，分別監視前述各電力轉換單元所產生之短路電流，對連接於流通短路電流之電力轉換單元的前述半導體開關元件進行關閉控制，遮斷對於該電力轉換單元的電力供給。

Description

電力轉換裝置
本發明係關於可將並聯設置之複數電力轉換單元中故障之電力轉換單元，從直流電源單元迅速切離，並持續運轉其他健全之電力轉換單元的電力轉換裝置。
作為將直流電源作為電力源，驅動電動機等之大容量的交流負載，或並聯驅動複數台之交流負載的電源裝置，使用並聯設置複數電力轉換單元的電力轉換裝置。圖3係此種電力轉換裝置的概略構造圖，1為直流電源單元。該直流電源單元1係例如由整流‧平滑化商用交流電源的二極體電路及電池等所成。
又，2(2a~2n)係透過直流連結部3，連接於前述直流電源單元1，且並聯設置的複數電力轉換單元。該等電力轉換單元2(2a~2n)係由將從前述直流電源單元1供給的直流電力，分別轉換成交流電力，並予以輸出的反向器單元所成。前述電力轉換單元2(2a~2n)的各輸出端子4(4a~4n)係例如使用來作為並聯連接，對於大容量的交流負載的電力輸出端子。或者於前述複數 電力轉換單元2(2a~2n)的各輸出端子4(4a~4n)，分別個別連接複數交流負載。
也就是說，前述各電力轉換單元2(2a~2n)係如圖3揭示之電力轉換單元2a的構造例，例如將複數(6個)半導體開關元件(IGBT)Q1~Q6，分別各兩個串聯連接，並聯具備安裝在直流輸入端子的正極與負極之間的3組半橋式電路所構成。該等各半導體開關元件Q1~Q6係利用對應前述各半橋式電路，以所定相位差，交互開啟‧關閉(on/off)驅動，對施加於該各半橋式電路之直流電壓進行開關。然後，以將前述半橋式電路的各串聯連接點(中點)連接於前述輸出端子4(4a~4n)，輸出所定電壓的三相交流電力之方式構成。
再者，D1~D6係反並聯連接前述各半導體開關元件Q1~Q6的續流二極體。又，5係設置於前述電力轉換單元2(2a~2n)的前述各直流輸入端子之間，使供給給該電力轉換單元2(2a~2n)的直流電壓穩定化的電容器。然後，6係對前述半導體開關元件Q1~Q6，如前述般進行開啟‧關閉控制的控制電路。關於如此構成的電力轉換裝置，例如像專利文獻1等詳細介紹般。
然而，於前述專利文獻1，揭示於前述複數電力轉換單元2(2a~2n)的直流輸入部，設置開關(電路開閉器)7，並且在與前述直流電源單元1之間的直流連結部3，分別安裝直流電抗器8。前述開關(電路開閉器)7係擔任在前述複數電力轉換單元2(2a~2n)任一 中發生短路等的故障時，利用從前述直流電源單元1切離故障的電力轉換單元2(2a~2n)，僅使剩下之其他健全的電力轉換單元2(2a~2n)運轉的作用。
但是，故障的電力轉換單元2(2a~2n)藉由前述開關(電路開關器)7切離為止之間，於該故障之電力轉換單元2(2a~2n)的短路點，從其他健全的電力轉換單元2(2a~2n)流入過大的電流，因此，有其他健全的電力轉換單元2(2a~2n)陷於過電流狀態之虞。前述直流電抗器8係擔任利用陷至此種短路故障的發生時流通於其他健全的電力轉換單元2(2a~2n)之電流的上揚，防止該等健全的電力轉換單元2(2a~2n)陷於過電流狀態的作用。
〔先前技術文獻〕 〔專利文獻〕
〔專利文獻1〕日本專利第4726624號公報
然而，於前述直流連結部3分別安裝前述直流電抗器8時，無法否定前述各電力轉換單元2(2a~2n)的回應特性會變差。換句話說，前述各電力轉換單元2(2a~2n)的正常動作時之輸入直流電壓的變動相對之回應性變差。而且，前述開關(電路開閉器)7的動作回 應延遲，係一般來說數毫秒階級，難謂對於斷路故障的回應性高。
本發明係有鑑於此種事情所發明者，其目的係提供可將並聯設置之複數電力轉換單元中故障之電力轉換單元，從直流電源單元迅速切離，並持續運轉其他健全之電力轉換單元的簡易構造且回應性高的電力轉換裝置。
為了達成上述的目的，關於本發明的電力轉換裝置，其特徵為具備：直流電源單元；及複數電力轉換單元，係透過直流連結部而並聯設置，將從前述直流電源單元供電之直流電力，分別轉換成交流電力並予以輸出；尤其，於該等各電力轉換單元與前述直流電源單元之間，各別安裝限制被供電給前述各電力轉換單元的電力的複數半導體開關元件，並且藉由分別監視前述各電力轉換單元所產生之短路電流的控制電路，對連接於流通短路電流之電力轉換單元的前述半導體開關元件進行關閉控制，遮斷對於該電力轉換單元的電力供給。
也就是說，前述控制電路，係例如以根據從前述直流電源單元供給給前述電力轉換單元的電流、或流通於構成前述電力轉換單元之主體部的半導體開關元件的電流、又或施加於前述半導體開關元件之直流電壓的降低，來檢測出該電力轉換單元的短路電流(短路故障)，對前述半導體開關元件進行關閉控制之方式構成。
再者，前述直流電源單元，係例如由使用IGBT或MOS-FET等的半導體開關元件，產生所定直流電壓的電壓控制型的PWM轉換器等所成。又，前述複數電力轉換單元，係例如由分別產生三相交流電力的反相器單元所成。進而，前述半導體開關元件，係例如由反並聯連接二極體的IGBT、或可往雙方向流通電流的反向阻斷IGBT所成。然後，前述半導體開關元件，係安裝於前述各電力轉換單元之直流輸入部的正極側及負極側的至少一方。
依據前述構造的電力轉換裝置，有效活用安裝於前述各電力轉換單元與前述直流電源單元之間的半導體開關元件的元件特性本身，可限制分別供電給前述各電力轉換單元的電力，尤其電流。所以，可有效地阻止構成前述各電力轉換單元的半導體開關元件，不得已流通過電流之狀況。
此外，前述電力轉換單元發生短路故障時，係在前述控制電路的控制下，利用對連接於發生該故障之電力轉換單元的前述半導體開關元件進行關閉控制，可從前述直流電源單元迅速切離該電力轉換單元。而且，因為前述半導體開關元件的回應延遲一般來說是數微秒階級，與先前使用一般機械性接點的開關(電路開閉器)相較，可充分高速地，從前述直流電源單元切離前述發生故障的 電力轉換單元。
所以，依據關於本發明的電力轉換裝置，並不會像於前述各電力轉換單元的直流輸入部，分別安裝直流電抗器的先前裝置，導致正常時之前述各電力轉換單元的動作回應延遲的問題。而且因為不需要直流電抗器，也不需要調整該電感，可充分提升前述各電力轉換單元的動作回應性。
又，在前述各電力轉換單元之短路電流的檢測時，可僅利用對前述半導體開關元件進行關閉控制，從前述直流電源單元迅速切離發生短路故障的電力轉換單元。所以，可使其他健全的電力轉換單元，不導致過電流的問題，穩定持續運轉。所以，利用使用具有電流限制功能與直流連結電路的切離功能的半導體開關元件，可一邊謀求電力轉換裝置的整體構造的簡潔化，一邊保證其動作特性，可進行健全的電力轉換單元的持續運轉等，發揮實用上許多的效果。
1‧‧‧直流電源單元
1a，1b‧‧‧直流電源
2(2a~2n)‧‧‧電力轉換單元
3‧‧‧直流連結部
4(4a~4n)‧‧‧輸出端子
5，5a，5b‧‧‧電容器
6‧‧‧控制電路
10‧‧‧電力轉換裝置
11(11a~11n)‧‧‧半導體開關元件
12(12a~12n)‧‧‧二極體
13(13a~13n)‧‧‧電流檢測器
14(14a~14n)‧‧‧半導體開關元件
15(15a~15n)‧‧‧二極體
16(16a~16n)‧‧‧電流檢測器
17a，17b，17c‧‧‧雙方向開關
Q1~Q6‧‧‧半導體開關元件
D1~D6‧‧‧續流二極體
〔圖1〕關於本發明一實施形態之電力轉換裝置的要部概略構造圖。
〔圖2〕關於本發明其他實施形態之電力轉換裝置的要部概略構造圖。
〔圖3〕先前之電力轉換裝置的要部概略構造圖。
以下，參照圖面，針對本發明實施形態的電力轉換裝置進行說明。
圖1係揭示關於本發明一實施形態的電力轉換裝置10之要部概略構造的圖，對於與圖3所示之先前的電力轉換裝置相同部分，附加相同符號來揭示。再者，關於附加該等相同符號所揭示的構造要素，省略其重複說明。又，此實施形態之前述直流電源單元1，係例如作為使用IGBT或MOS-FET等的半導體開關元件，對直流輸入電壓進行開關，產生所定直流輸出電壓的電壓控制型的PWM轉換器等來實現。
首先，關於此實施形態的電力轉換裝置10具有的特徵，係於並聯設置之前述複數電力轉換單元2(2a~2n)的各直流輸入部，分別串聯安裝例如由IGBT所成的半導體開關元件11(11a~11n)之處。於該等各半導體開關元件(IGBT)11(11a~11n)，反並聯連接二極體12(12a~12n)。該等二極體12(12a~12n)係擔任流通起因於前述之開關元件Q1~Q6的開關動作延遲、及前述電力轉換單元2(2a~2n)的構成零件的不均等，重疊於直流電力之交流的橫流成分的作用。
再者，在此，針對於前述電力轉換單元2(2a~2n)的各直流輸入部之正極側，分別串聯安裝前述半導體開關元件11(11a~11n)的範例進行揭示，當然於前 述各直流輸入部之負極側，分別串聯安裝前述半導體開關元件11(11a~11n)亦可。又，作為前述半導體開關元件11(11a~11n)，也可使用具有反向耐壓特性的雙方向開關元件，亦即，可於雙方向流通電流的逆向阻隔IGBT。
也就是說，前述半導體開關元件11(11a~11n)係在前述各電力轉換單元2(2a~2n)無異常時，亦即，前述各電力轉換單元2(2a~2n)正常動作時，在前述控制電路6的控制下，分別導通控制。所以，從前述電源單元1，透過前述直流連結部3所供給的直流電力，係分別透過前述各半導體開關元件11(11a~11n)，施加於前述各電力轉換單元2(2a~2n)。
透過如此開啟控制之前述半導體開關元件11(11a~11n)，流入前述各電力轉換單元2(2a~2n)的直流電流，係因應該半導體開關元件11(11a~11n)的元件特性，限制該最大電流。所以，限制分別施加於構成前述各電力轉換單元2(2a~2n)之主體部的前述之各半橋式電路的直流電力。所以，只要構成前述各半橋式電路的前述之半導體開關元件Q1~Q6，不發生短路等的異常，過電流不會流通於前述各半橋式電路。
然而，在發生前述半導體開關元件Q1~Q6短路等的異常時，設置於該電力轉換單元2(2a~2n)的直流輸入部之前述電容器5的端子電壓(直流連結電壓)會降低。然後，伴隨前述端子電壓的降低，電流值異常大的 短路電流從前述直流電源單元1流入至該電力轉換單元2(2a~2n)。前述控制電路6係透過例如設置於前述直流輸入部的電流檢測器13(13a~13n)來監視此種短路電流的發生。
然後，前述控制電路6係檢測出短路電流時，對檢測出該短路電流的電力轉換單元2(2a~2n)之前述半導體開關元件11(11a~11n)進行關閉控制，藉此，遮斷從前述直流電源單元1供給至該電力轉換單元2(2a~2n)的直流電力。藉由該半導體開關元件11(11a~11n)的關閉控制，將發生該短路故障的電力轉換單元2(2a~2n)從前述直流電源單元1切離。來自該直流電源單元1之前述電力轉換單元2(2a~2n)的切離，係依存於前述半導體開關元件11(11a~11n)的元件特性，例如僅數微秒階級的回應延遲，即迅速執行。
所以，起因於前述短路故障而前述異常電流流入其他健全的電力轉換單元2(2a~2n)之前，切離發生前述短路故障的電力轉換單元2(2a~2n)。所以，起因於前述短路故障的過電流，不會流入至前述其他健全的電力轉換單元2(2a~2n)。又，假設即使起因於前述短路故障的過電流流入前述其他健全的電力轉換單元2(2a~2n)，因為前述之半導體開關元件11(11a~11n)所致之電流限制會起作用，可未然防止該健全的電力轉換單元2(2a~2n)之過電流的發生。所以，切離發生短路故障的電力轉換單元2(2a~2n)，可持續穩定地運轉剩下 的其他健全的電力轉換單元2(2a~2n)。
尤其，依據前述之構造的電力轉換裝置10，可一邊使用前述半導體開關元件11(11a~11n)，限制流入前述各電力轉換單元2(2a~2n)的直流電流(直流電力)，一邊在短路電流的檢測時使用前述半導體開關元件11(11a~11n)，從前述直流電源單元1迅速切離發生短路故障的電力轉換單元2(2a~2n)。所以，該構造比較簡單，也有不會犧牲正常動作時之前述電力轉換單元2(2a~2n)的動作回應特性等的優點。
然而，前述各電力轉換單元2(2a~2n)的主體部，藉由例如圖2所示之3階反相器(也稱為中性點箝位反相器)所構成時，除了前述電力轉換單元2(2a~2n)的各直流輸入部之正極側，分別串聯安裝前述半導體開關元件11(11a~11n)之外，於前述各直流輸入部之負極側，也分別串聯安裝前述半導體開關元件14(14a~14n)為佳。
亦即，3階反相器係概略從前述直流電源單元1輸入將其直流輸出電壓2分割之中間點電壓與前述之正極電壓及負極電壓，在該等各電壓間，分別開關其直流電壓。然後，利用合成在前述各電壓間開關所求出之輸出電壓，可產生相較於圖1所示之反相器，更接近正弦波的交流電力。關於該3階反相器，例如像日本特開2011-193646號公報等詳細介紹般。
再者，於圖2中15(15a~15n)係分別反並 聯連接於前述各半導體開關元件(IGBT)14(14a~14n)的二極體。又，16(16a~16n)係檢測出分別流通於前述各半導體開關元件(IGBT)14(14a~14n)的電流檢測器。進而，17a、17b、17c係揭示用以控制前述3階反相器之前述各半橋式電路的串聯連接點之電位的雙方向開關。
又，在圖2中，等價揭示以輸出賦予前述3階反相器的前述中間點電壓之方式將前述直流電源單元1作為輸出1/2直流電壓的直流電源1a、1b。進而，在前述3階反相器中，使用分別安裝於前述正極電壓與前述中間電壓點之間，及前述中間電壓點與前述負極電壓點之間的兩個電容器5a、5b。
所以，將此種3階反相器作為主體部，構成前述電力轉換單元2(2a~2n)時，如圖2所示，於前述電力轉換單元2(2a~2n)的各直流輸入部之正極側及負極側，分別設置前述半導體開關元件(IGBT)11(11a~11n)、14(14a~14n)。然後，因應前述各半橋式電路之上臂側或下臂側的短路故障，對前述正極側的半導體開關元件(IGBT)11(11a~11n)，或負極側的半導體開關元件(IGBT)14(14a~14n)進行關閉控制。然後，從前述電源單元1之直流電源1a、1b，分別切離前述電力轉換單元2(2a~2n)即可。
此時，從前述電源單元1之直流電源1a、1b的一方切離發生短路故障的電力轉換單元2(2a~2n)， 並且在前述控制電路6的控制下，也從另一方的直流電源1a、1b切離該電力轉換單元2(2a~2n)為佳。如此一來，可從前述電源單元1完全切離發生短路故障的電力轉換單元2(2a~2n)。然後，與前述之實施形態相同，可持續穩定地運轉其他健全的電力轉換單元2(2a~2n)。
再者，本發明並不限定於上述之實施形態。例如雖根據前述電力轉換單元2(2a~2n)的電力容量，作為前述半導體開關元件11(11a~11n)、14(14a~14n)，也可使用MOS-FET或雙極性電晶體，當然也可利用使用SiC(碳化矽)元件的開關元件。又，在前述各實施形態中，利用設置於前述電力轉換單元2(2a~2n)的直流輸入部的電流檢測器13(13a~13n)、16(16a~16n)，從流入該電力轉換單元2(2a~2n)的電流檢測出短路電流。
但是，作為前述半導體開關元件Q1~Q6，使用具備電流感測端子的IGBT時，也可直接檢測出從該電流感測端子流入前述半導體開關元件(IGBT)Q1~Q6的電流，監視短路電流的發生。或者，也可從前述半導體開關元件Q1~Q6所施加之直流電壓(例如IGBT的接觸電壓)，檢測出該半導體開關元件Q1~Q6的短路。
又，本發明係不僅產生三相交流電力的電力轉換單元2(2a~2n)，也可同樣適用於產生單相交流電力的電力轉換單元2(2a~2n)，及並聯設置其他電力轉換電路的電力轉換裝置。又，於各實施形態中，對於前述 控制電路6，已作為檢測出前述各電力轉換單元2(2a~2n)的短路，對前述半導體開關元件11(11a~11n)、14(14a~14n)進行開啟‧關閉控制者進行說明。但是，也可將該短路檢測所致之前述半導體開關元件11(11a~11n)、14(14a~14n)的開啟‧關閉控制功能，個別設置於前述各電力轉換單元2(2a~2n)。此外，本發明係在不脫離該要旨的範圍可進行各種變形來實施。

Claims (5)

  1. 一種電力轉換裝置，其特徵為具備：直流電源單元；複數電力轉換單元，係透過直流連結部而並聯設置，將從前述直流電源單元供電之直流電力，分別轉換成交流電力並予以輸出；複數半導體開關元件，係各別安裝於該等各電力轉換單元與前述直流電源單元之間，限制被供電給前述各電力轉換單元的電力；及控制電路，係分別監視前述各電力轉換單元所產生之短路電流，對連接於流通短路電流之電力轉換單元的前述半導體開關元件進行關閉控制，遮斷對於該電力轉換單元的電力供給。
  2. 如申請專利範圍第1項所記載之電力轉換裝置，其中，前述控制電路，係根據從前述直流電源單元供給給前述電力轉換單元的電流、流通於構成前述電力轉換單元之主體部的半導體開關元件的電流、或施加於前述半導體開關元件之直流電壓的降低，來檢測出該電力轉換單元的短路電流，對前述半導體開關元件進行關閉控制。
  3. 如申請專利範圍第1項所記載之電力轉換裝置，其中，前述複數電力轉換單元，係分別產生三相交流電力的反相器單元。
  4. 如申請專利範圍第1項所記載之電力轉換裝置，其中，前述半導體開關元件，係安裝於前述各電力轉換單元之直流輸入部的正極側及負極側的至少一方。
  5. 如申請專利範圍第1項所記載之電力轉換裝置，其中，前述半導體開關元件，係由反並聯連接二極體的IGBT、或可往雙方向流通電流的反向阻斷IGBT所成。
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