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1. (WO2015141160) 電力変換装置
Document

明 細 書

発明の名称 電力変換装置

技術分野

0001  

背景技術

0002   0003   0004   0005   0006   0007   0008   0009   0010  

先行技術文献

特許文献

0011  

非特許文献

0012  

発明の概要

発明が解決しようとする課題

0013   0014   0015   0016   0017   0018   0019   0020  

課題を解決するための手段

0021  

発明の効果

0022  

図面の簡単な説明

0023  

発明を実施するための形態

0024   0025   0026   0027   0028   0029   0030   0031   0032   0033   0034   0035   0036   0037   0038   0039   0040   0041   0042   0043   0044   0045   0046   0047   0048   0049   0050  

符号の説明

0051  

請求の範囲

1   2   3   4   5   6   7   8   9   10  

図面

1   2   3   4   5   6   7   8   9   10   11   12   13   14  

明 細 書

発明の名称 : 電力変換装置

技術分野

[0001]
 本発明は、保護回路を有する電力変換装置に関する。

背景技術

[0002]
 図6に直流から交流に変換する電力変換回路である3レベルインバータの回路例を示す(特許文献1)。
[0003]
 501、502は直列に接続された直流電源で、正側電位を+E1、負側電位を-E2、中間電位をOとしている。通常動作時は直流電圧変動が少ない平滑化された直流電圧である。Q501、504が+E1電位に接続されているIGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)とダイオードであり、Q502、506が-E2側電位に接続されているIGBTとダイオードで、これらを3組用いて3相回路を構成する。
[0004]
 Q503、Q504は0電位と、IGBTQ501とIGBTQ502の直列接続点である交流接続端子509との間に接続された双方向性の交流スイッチ素子で、逆耐圧を有するIGBTQ503、IGBTQ504を逆並列接続した構成である。510、511、512が出力フィルタ用のリアクトル、513が負荷、519が制御回路である。制御回路519からの信号で、各スイッチ素子(IGBT)を適切に駆動し、出力端子509、509‘、509“はそれぞれ+E1電位、-E2電位、および0電位を出力する。
[0005]
 図7は3レベルインバータの出力電圧波形例である。
2レベルタイプのインバータに比べて低次の高調波成分が少ないため、出力フィルタ510、511、512の小型化が可能となる。515、516、517、518などが各IGBTを駆動するためのゲート駆動回路であり、制御回路519がこれらの駆動回路にゲート駆動信号を出力する。
[0006]
 図8は図6の3レベルインバータのIGBTモジュール1相分を抽出した図である。IGBTモジュール1相分は、IGBTQ501とIGBTQ502の直列回路と、逆阻止形IGBTQ503、IGBTQ504を逆並列接続した交流スイッチ素子で構成され、主端子P、N、O、Xを備えている。
[0007]
 図9は、図8に示した一相分のIGBTモジュールの出力端子Xに、3レベルの電圧を出力する際の、各IGBTのスイッチングパターンである。
例えば電圧E1を出力したい場合は、IGBTQ501とQ504がONし、IGBTQ502とIGBTQ503がOFFするようにゲート駆動回路515~518で各IGBTを駆動する。電圧0、-E2を出力したい場合も図9に従ってゲート駆動回路で各IGBTを駆動する。
[0008]
 図10はIGBT(T)の過電流保護回路を備えたゲート駆動回路の例である(特許文献1)。本回路方式は図11に示すように、何らかの原因でIGBTQ501とQ502が同時にオン状態となり電源短絡状態になった場合に過電流状態を検出し、Q501とQ502を強制遮断する方式である。図10のIGBT(T)が図11のQ501またはQ502に該当する。本明細書ではこの過電流を「インバータ回路に流れる過電流」と称する。
[0009]
 この過電流保護回路は、IGBTのコレクタとゲート駆動回路の間に、IGBTのコレクタ端子側Cをカソードとしたダイオード920を接続している。ダイオード920のアノード側電位がある設定値以上(ツェナーダイオード921のツェナー電圧以上)となった場合に過電流状態であると判定する回路を設け、トランジスタ922のオンによって強制遮断するものである。
[0010]
 なお3レベルインバータとそのゲート駆動回路は特許文献2、3にも記載されている。

先行技術文献

特許文献

[0011]
特許文献1 : 特開2011-30350号公報
特許文献2 : 特開2008-193779号公報
特許文献3 : 特開2008-17650号公報

非特許文献

[0012]
非特許文献1 : 富士電機株式会社テクニカルノート第5章「保護回路設計方法」5-5http://www.fujielectric.co.jp/products/semiconductor/technical/application/pdf/RH984b/RH984b_05.pdf (検索日 2014.2.21)

発明の概要

発明が解決しようとする課題

[0013]
 しかし上述の過電流保護回路を単純に3ベルインバータのスイッチ素子に適用し動作させると、インバータ回路と過電流保護回路を通じて過電流が発生してしまい、故障および正常な過電流検出ができないといった課題が発生する。特にインバータの直流電源が高電圧になるほど故障の可能性は高く、対策が必要となる。
[0014]
 過電流が発生してしまう原因は、過電流保護回路とインバータ主回路とを通じて電流経路が発生し、インバータの直流電源電圧が過電流保護回路に印加されてしまうためである。この時、過電流保護回路の耐圧が直流電源電圧以下だと故障の危険性が高い。
[0015]
 このような過電流経路が発生する条件は本回路では2通り存在する。1つは出力端子Xに+E1を出力する時であり、この様子を図12に示す。図中の太線の電流経路が発生し、ゲート駆動回路GDU114に電圧E1が印加されてしまう。電流経路は、交流スイッチの一方を駆動するGDU114のコレクタ接続端子C114→交流スイッチの中点電位側端子→電源+E1→+E1側のIGBT→交流スイッチの出力電位側端子→GDU114のエミッタ接続端子E114を結ぶものである。
[0016]
 もう1つは出力端子Xに-E2を出力する時であり、この様子を図13中の太線に示す。この場合も同様にGDU123に電圧E2が印加されてしまう。電流経路は、交流スイッチの他方を駆動するGDU123のコレクタ端子C123→交流スイッチの出力側電位端子→-E2側のIGBT→交流スイッチの中点電位側端子→GDU123のエミッタ接続端子E123を結ぶ電流経路が発生してしまう。
[0017]
 図12、13の過電流は、図11で述べた過電流とは別の過電流であり、本明細書ではこの過電流を「インバータ回路と保護回路を通じて流れる過電流」と称する。
[0018]
 ゲート駆動回路の駆動電圧は通常10Vのオーダーであるが、直流電源+E1、-E2の値は通常数百Vから1000Vのオーダーであり、通常は過電流保護回路とゲート駆動回路の耐圧よりも高い。そのため過電流保護回路とゲート駆動回路は破壊され、インバータ回路が駆動できなくなる。
[0019]
 なお特許文献1では、同文献の図1等でダイオード33と直列に抵抗34が接続されている(本願図14)。しかしこの抵抗は、同文献(0027)段落に記載されているように、「IGBTT3BとT4Bから構成された交流スイッチ素子の両端に印加される正負の電圧によって生じる順方向電流の抑制用」であり、図12、13で述べた過電流の抑制用ではない。
[0020]
 本発明の目的は3レベルインバータを始めとしたマルチレベルインバータを用いた電力変換装置において、インバータ回路と保護回路を通じて流れる過電流を抑制することである。

課題を解決するための手段

[0021]
 本発明は、直流電源の正極と負極の間に複数のスイッチ素子が直列に接続され、前記複数のスイッチ素子の接続点と前記直流電源の中間電位点との間に交流スイッチが接続され、前記複数のスイッチ素子の接続点が出力端子に接続され、前記複数のスイッチ素子、前記交流スイッチをそれぞれ駆動ししかも過電流保護回路を持つ駆動回路を備え、前記過電流保護回路は、前記交流スイッチを駆動する駆動回路の出力に前記スイッチ素子の電流端子の電圧を検出する検出素子を備えたマルチレベルインバータ、を3相分備え、前記検出素子に直列に遮断スイッチを設けたことを特徴とする電力変換装置、である。

発明の効果

[0022]
 本発明によればマルチレベルインバータを用いた電力変換装置において、インバータ回路と保護回路を通じて流れる過電流を抑制することが可能になる。

図面の簡単な説明

[0023]
[図1] 本発明の実施形態の3レベルインバータを示す回路構成図である。
[図2] 図1の3レベルインバータの出力電圧とスイッチングパターンを示す図である。
[図3] 本発明の実施形態に係る遮断スイッチをより詳細に示した回路構成図である。
[図4] 本発明の実施形態の5レベルインバータの回路構成図である。
[図5] 本発明の別のゲート駆動回路の例を示す回路図である。
[図6] 特許文献1の3レベルインバータの回路構成を示す図である。
[図7] 特許文献1の3レベルインバータの出力波形を示す図である。
[図8] 特許文献1の3レベルインバータの1相分の回路構成を抽出した図である。
[図9] 図7に示した特許文献1の3レベルインバータ1相分の出力電圧とスイッチングパターンを表す図である。
[図10] 特許文献1のIGBTの過電流保護回路を備えたゲート駆動回路図である。
[図11] 特許文献1の3レベルインバータにおいて、電源短絡状態を示す図である。
[図12] 正電圧+E1出力時に発生する過電流経路を示す図である。
[図13] 負電圧-E2出力時に発生する過電流経路を示す図である。
[図14] 特許文献1の、抵抗を用いて順方向電流を抑制する回路構成図である。

発明を実施するための形態

[0024]
 本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。
[0025]
 図1は本発明の実施の形態である3レベルインバータを示す構成図である。図1は一相分だけを示している。図1の回路を図5と同様に3組用いて3相回路を構成する。
[0026]
 1、2は直列に接続された直流電源で、正側電位を+E1、負側電位を-E2、中間電位を0としている。IGBTQ101とIGBTQ102は直列接続され、接続点は出力端子Xに接続されている。
[0027]
 IGBTQ101にはダイオード3が逆並列に接続され、コレクタ端子が+E1電位に接続され、エミッタ端子が出力端子Xに接続されている。またIGBTQ102にはダイオード4が逆並列に接続され、コレクタ端子が出力端子XとIGBTQ101のエミッタ端子に接続され、エミッタ端子が-E2側電位に接続されている。
[0028]
 逆耐圧を有するIGBTQ103とIGBTQ104が逆並列接続されて双方向性の交流スイッチを構成している。この交流スイッチは中性点Oと出力端子Xの間に設けられている。以下図1の破線内を主回路と総称する。
[0029]
 ゲート駆動回路GDU101、GDU102はそれぞれIGBTQ101、IGBTQ102の駆動用である。またゲート駆動回路GDU103、GDU104は共に交流スイッチの駆動用であり、GDU103はIGBTQ103、GDU104はIGBTQ104を駆動する。以下、ゲート駆動回路を駆動回路と略称する。
駆動回路GDU101~104には、過電流保護回路を含めて図10で説明したのと同様の回路を用いる。ダイオードD121~D124は、過電流が流れて過剰に上昇した電圧を検出する素子であり、図10の過電流保護回路のダイオード920に対応する。
[0030]
 再度図10を用いて説明する。ダイオード920はカソード側を前記スイッチ素子の電流端子に接続し、アノード側を前記スイッチ素子の制御端子を駆動する回路の駆動信号入力側に接続する。ダイオード920のカソード側にIGBT(T)のコレクタ端子を接続し、アノード側にツェナーダイオード921のカソード側を接続する。
ツェナーダイオード921のカソード側はトランジスタ922のベースに接続される。
[0031]
 トランジスタ922とダイオードD1が直列接続されて強制遮断素子を構成する。強制遮断素子は、IGBT(T)を駆動するトランジスタTon、ToffのベースとIGBT(T)のエミッタ端子に接続される。ダイオード920のアノード側電位がツェナーダイオード921のツェナー電圧以上になると、トランジスタ922がonして強制遮断される。
[0032]
 駆動回路GDU101の出力端子E101、G101、C101は、それぞれQ101のエミッタ、ゲート、コレクタに接続される。また駆動回路GDU102の出力端子E102、G102、C102はそれぞれQ102のエミッタ、ゲート、コレクタに接続される。
[0033]
 駆動回路GDU103の出力端子E103、G103、C103はそれぞれIGBTQ103のエミッタ、ゲート、コレクタに接続される。また駆動回路GDU104の出力端子E104、G104、C104はそれぞれIGBTQ104のエミッタ、ベース、コレクタに接続する。
[0034]
 フィルタ用のリアクトル、負荷は図6と同様のため図示していない。制御回路からの信号で、各スイッチ素子(IGBT)を適切に駆動すると、出力端子Xには+E1電位、-E2電位、および0電位が出力され、3レベル出力のインバータとなる。
[0035]
 駆動回路GDU103、GDU104の過電流保護回路にそれぞれ遮断スイッチIGBTQ105、同IGBTQ106を設ける。
駆動回路GDU103の過電流保護回路で、遮断スイッチQ105はダイオードD123のカソード側とGDU103のコレクタ端子C103の間に接続される。ダイオードD123のアノード側はツェナーダイオード921のカソード側に接続される。
[0036]
 GDU104の遮断スイッチQ106、ダイオードD124も同様に接続される。
[0037]
 以下本実施形態の3レベルインバータの動作を図2のスイッチングパターンで説明する。
[0038]
 Q101~Q104のon、offのスイッチングパターンは図9で説明した動作と同じである。例えば出力端子Xに電位+E1を出力する場合、図2に示すスイッチングパターンQ101:on、Q102:off、Q103:off、Q104:onになるよう、駆動回路GDU101~104でQ101~Q104を駆動する。
すると図12で説明したように、主回路とQ104の過電流保護回路を通じて過電流が流れる電流経路が発生する。
[0039]
 そこで、正電圧を出力する場合は制御回路(不図示)を用いて、駆動回路GDU104の過電流保護回路にある遮断スイッチIGBTQ106をoffにすることで、上記の電流経路を遮断する。その結果主回路の直流電源+E1による高電圧が駆動回路GDU104の過電流保護回路に印加されるのを防ぐことが可能となる。
[0040]
 同様に、出力端子Xに電位-E2を出力する場合はQ101:off、Q102:on、Q103:on、Q104:offとなり、主回路と交流スイッチIGBTQ103の駆動回路GDU103の過電流保護回路を通じて過電流が流れる電流経路が発生する。そこでQ105をoffにすることにより上記の電流経路を遮断し、直流電源-E1による高電圧印加に起因する過電流保護回路の故障を防ぐことができる。本実施形態の3レベルインバータでは、双方向スイッチ素子を構成する2つのスイッチ素子Q103、Q104のうち、導通させる側のスイッチ素子を駆動する駆動回路の遮断スイッチ(正電圧ではQ106、負電圧ではQ105)を遮断している。
[0041]
 なお出力端子Xに中間電位0を出力する場合は、図2に示すようにQ105、Q106は共にonにする。
[0042]
 本実施形態によれば、インバータ回路と保護回路を通じて流れる過電流を遮断することができる。そのため、過電流保護回路に高電圧が印加されることによる故障を防ぎ、確実に本来の機能を持たせることができる。
[0043]
 図3は遮断スイッチQ105、Q106をより具体的に示した図である。遮断スイッチQ105、Q106はIGBTとダイオードを逆並列接続したものである。
[0044]
 上記の実施形態では、3ベルインバータ回路を例に説明したが、4レベルインバータ、5レベルインバータといった多レベルインバータ回路などにも適用可能である。
[0045]
 図4は5レベルインバータに本発明の過電流保護回路を適用した例である。この場合は3つの双方向スイッチを構成するIGBTのゲートを駆動するGDU405~GDU410の過電流保護回路に、それぞれ遮断スイッチQ405~Q410を設けている。ダイオードD401、D404、D405~D410はそれぞれ駆動回路GDU401、GDU402、GDU405~GDU410の過電流保護回路で用いるダイオードである。
[0046]
 図4の5レベルインバータでは、直流電源を正電圧側2つと負電圧側2つの合計4つ(+V1、+V2、-V3、-V4)直列に接続し、+V2と-V3の間を中間電位0とする。またIGBT401~IGBT404を直列に接続する。双方向の交流スイッチは3つ用い、各直流電源の接続点と各IGBTの接続点の間に設ける。
[0047]
 図4中にインバータ回路と保護回路を通じて流れる過電流の経路を太い実線で示している。正電圧側の経路が出力端子Xに正電圧を出力している場合の経路、負電圧側の経路が出力端子Xに負電圧を出力している場合の経路である。出力端子Xに正電圧を出力している時は、駆動回路GDU406の遮断スイッチQ406をoffにして電流経路を遮断する。逆に負電圧を出力している時は、駆動回路GDU409の遮断スイッチQ409をoffにして電流経路を遮断する。
[0048]
 図5に図10とは別の駆動回路の回路例を示す。これは非特許文献1(富士電機株式会社テクニカルノート第5章「保護回路設計方法」5-5の図5-3http://www.fujielectric.co.jp/products/semiconductor/technical/application/pdf/RH984b/RH984b_05.pdf)に開示されている。この駆動回路は、検出用ダイオードD1とツェナーダイオードD2を用い、ツェナーダイオードD2を強制遮断用トランジスタT1に接続する点は図10の駆動回路と共通している。しかしIGBT(T10)を駆動するトランジスタT3、T4のベースを別々のトランジスタT5、T6で制御している点が異なる。
[0049]
 なお、上記の実施形態では遮断スイッチQ105、Q106はいずれも、ダイオードD123、D124とコレクタ側端子C103、C104の間に接続している。しかし接続順序を変え、ダイオードD103が遮断スイッチQ105とコレクタ側端子C103の間にあってもよい。同様にダイオードD104が遮断スイッチQ106とコレクタ側端子C102の間にあってもよい。
[0050]
 更に上記の実施形態では主回路にIGBTを用いたが、バイポーラトランジスタ、MOSFET等も用いることができる。
 以上、上述した実施形態を模範的な例として本発明を説明した。しかしながら、本発明は、上述した実施形態には限定されない。即ち、本発明は、本発明のスコープ内において、当業者が理解し得る様々な態様を適用することができる。
 この出願は、2014年3月18日に出願された日本出願特願2014-054450を基礎とする優先権を主張し、その開示の全てをここに取り込む。

符号の説明

[0051]
 501、502  直流電源
 Q101、Q102、Q103、Q104、Q105、Q106、Q501、Q502、Q503、Q504  IGBT
 3、4、504、506、D121~D124、D401、D404、D405~D410  ダイオード
 510、511、512  出力フィルタ用のリアクトル
 513  負荷
 GDU101~GDU104、GDU111~GDU114、GDU401、GDU402、GDU405~GDU410、515~518  ゲート駆動回路
 519  制御回路
 920  検出用ダイオード
 921  ツェナーダイオード

請求の範囲

[請求項1]
 直流電源の正極と負極の間に複数のスイッチ素子が直列に接続され、前記複数のスイッチ素子の接続点と前記直流電源の中間電位点との間に交流スイッチが接続され、前記複数のスイッチ素子の接続点が出力端子に接続され、前記複数のスイッチ素子、前記交流スイッチをそれぞれ駆動ししかも過電流保護回路を持つ駆動回路を備え、前記過電流保護回路は、前記交流スイッチを駆動する駆動回路の出力に前記スイッチ素子の電流端子の電圧を検出する検出素子を備えたマルチレベルインバータ、を3相分備え、
前記検出素子に直列に遮断スイッチを設けたことを特徴とする電力変換装置。
[請求項2]
 直流電源の正極と負極の間に第1、第2のスイッチ素子がこの順に直列に接続され、前記第1、第2のスイッチ素子の接続点と前記直流電源の中間電位点との間に交流スイッチが接続され、前記第1、第2のスイッチ素子の接続点が出力端子に接続され、前記第1、第2のスイッチ素子、前記交流スイッチをそれぞれ駆動ししかも過電流保護回路を持つ駆動回路を備え、
第1の過電流保護回路は、前記交流スイッチを駆動する第1の駆動回路の出力に前記第1のスイッチ素子の電流端子の電圧を検出する第1の検出素子を備え、
前記交流スイッチを駆動する第2の駆動回路の第2の過電流保護回路は、前記交流スイッチの中間電位点側の電圧を検出する第2の検出素子を備えたマルチレベルインバータ、を3相分備え、
前記第1の検出素子に直列に第1の遮断スイッチを設け、前記第2の検出素子に直列に第2の遮断スイッチを設けたことを特徴とする電力変換装置。
[請求項3]
前記電力変換回路が正電圧を出力するときは、前記第2の遮断スイッチを遮断し、前記電力変換回路が負電圧を出力するときは、前記第1の遮断スイッチを遮断する請求項2に記載の電力変換装置。
[請求項4]
 第1、第2の正電位と第1、第2の負電位が直列に接続された直流電源の正極と負極の間に第3、第4のスイッチ素子がこの順に直列に接続され、前記第3と第4のスイッチの接続点に出力端子が接続され、
前記第1の正電位と前記第2の正電位の接続点と前記出力端子の間に第1の交流スイッチが接続され、前記第1の正電位と前記第1の負電位の接続点である中間電位と前記出力端子の間に第2の交流スイッチが接続され、前記第1の負電位と前記第2の負電位との接続点と前記出力端子の間に第3の交流スイッチが接続され、
前記第3、第4のスイッチ素子及び前記第1、第2、第3の交流スイッチ素子をそれぞれ駆動ししかも過電流保護回路を持つ駆動回路を備え、
前記第1の交流スイッチを駆動する第1の駆動回路の過電流保護回路は、第1の駆動回路の出力に前記第3のスイッチ素子の電流端子の電圧を検出する第1の検出素子を備え、前記第3の交流スイッチを駆動する第2の駆動回路の過電流保護回路は、第2の駆動回路の出力に前記第4のスイッチ素子の電流端子の電圧を検出する第2の検出素子を備えた5レベルインバータ、を3相分備えた電力変換装置であって、
前記第1の検出素子に直列に第1の遮断スイッチを設け、前記第2の検出素子に直列に第2の遮断スイッチを設けたことを特徴とする電力変換装置。
[請求項5]
 前記電力変換回路が正電圧を出力するときは、前記第1の交流スイッチを駆動する駆動回路の遮断スイッチを遮断し、前記電力変換回路が負電圧を出力するときは、前記第3の交流スイッチを駆動する駆動回路の遮断スイッチを遮断する請求項4に記載の電力変換装置。
[請求項6]
 前記交流スイッチ素子は双方向スイッチ素子であり、双方向スイッチ素子を構成する各スイッチ素子はそれぞれ駆動回路を有する請求項1から5のいずれか1項に記載の電力変換装置。
[請求項7]
 前記出力端子に正電圧または負電圧を出力する場合、前記双方向スイッチ素子を構成するスイッチ素子のうち導通させる側のスイッチ素子を駆動する前記駆動回路の前記遮断スイッチを遮断する請求項6に記載の電力変換装置。
[請求項8]
 前記過電流保護回路は、カソード側を前記スイッチ素子の電流端子に接続し、アノード側を前記スイッチ素子の制御端子を駆動する回路の駆動信号入力側に接続したダイオード、前記ダイオードのアノード側にカソード側を接続したツェナーダイオード、前記ツェナーダイオードのカソード側と前記駆動信号入力の間に接続した強制遮断素子を含む請求項1から7のいずれか1項に記載の電力変換装置。
[請求項9]
 前記第1、第2の遮断スイッチはトランジスタとダイオードが逆並列に接続されている請求項1から8のいずれか1項に記載の電力変換装置。
[請求項10]
 前記検出素子はダイオードである請求項1から9のいずれか1項に記載の電力変換装置。

図面

[ 図 1]

[ 図 2]

[ 図 3]

[ 図 4]

[ 図 5]

[ 図 6]

[ 図 7]

[ 図 8]

[ 図 9]

[ 図 10]

[ 図 11]

[ 図 12]

[ 図 13]

[ 図 14]