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JP5849586B2 - 3レベル電力変換回路システム - Google Patents

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Description

本発明は、交流電動機駆動を目的とした3レベル電力変換回路システムに関する。
図3に、直流から交流に電力変換する3レベルインバータの回路構成例を示す。直流電源1と2が直列に接続され、正極電位をP、負極電位をN、中点電位をMとする。一般に本直流電源を交流電源システムより構成する場合は、図示していない整流器と大容量の電解コンデンサを2直列接続などによって構成することが可能である。
ダイオードD1が逆並列接続されたIGBTT1とダイオードD2が逆並列接続されたIGBTT2とを直列接続したU相用直列回路と、ダイオードD3が逆並列接続されたIGBTT3とダイオードD4が逆並列接続されたIGBTT4とを直列接続したV相用直列回路と、ダイオードD5が逆並列接続されたIGBTT5とダイオードD6が逆並列接続されたIGBTT6とを直列接続したW相用直列回路が、直流電源1と2の直列回路と並列に接続され、3相ブリッジインバータ回路を構成する。
U相用直列回路の直列接続点Uと直流電源1と2の接続点Mには逆阻止形IGBTT7とT8を逆並列接続したU相用双方向スイッチが、V相用直列回路の直列接続点Vと直流電源1と2の接続点Mには逆阻止形IGBTT9とT10を逆並列接続したV相用双方向スイッチが、W相用直列回路の直列接続点Wと直流電源1と2の接続点Mには逆阻止形IGBTT11とT12を逆並列接続したW相用双方向スイッチが、各々接続される。また、直列接続点U、V、Wは負荷である電動機10に接続される。ここで双方向スイッチとしては、図5(b)に示すように、逆耐圧を有しないIGBTとダイオードとを組み合わせた構成でも実現できる。
本回路構成とすることで、電動機10に印加される電位は、P電位、N電位、及びM電位を出力することが可能となるため、3レベル出力のインバータとなる。図4に出力電圧(Vout)波形例を示す。直流電圧0、Ed1、Ed1+Ed2の3つのレベルの電圧を出力できる。本方式は2レベルタイプのインバータに対して、低次の高調波成分が少ないことや、スイッチ素子のスイッチング損失が低減できることから、高効率システムの構築が可能となる。
図6にIGBTを駆動するゲート駆動回路と、ゲート駆動信号を生成する制御回路を含めた1相分のシステム図を示す。11a〜11dがゲート駆動回路で各IGBTのゲート・エミッタ間に接続され、制御回路12からのゲート駆動信号13a〜13dによってIGBTをオンオフ制御する。また、ダイオード14a〜14dは各IGBTのコレクタ部の電位を検出する目的で接続され、ゲート駆動回路内の検出回路15a〜15dによって、対応するIGBT又はダイオードが故障したことによって流れる電源短絡電流(アーム短絡電流)の検知を行う。その際、制御回路12へは故障検出信号16a〜16dを出力する。
図7はアーム短絡電流を検出する別の方式で、図7(a)がIGBTチップに内蔵のセンスIGBT17を利用し、その電流値を検出する方式(実際は直列に抵抗18を接続してその両端電圧を検出する)である。図7(b)はIGBTと直列にシャント抵抗19を接続してその両端の電圧値を検出する方式である。両方式ともアーム短絡電流によって抵抗の両端に発生した過大な電圧を検出することで検知を行う。
例えば図8(a)の状態(IGBTT3とT5からIGBTT7を介して、電圧Ed1を電動機に供給している状態)で、同図(b)のように中間側素子であるIGBTT7又はT8が故障した時に、同図(c)のようにIGBTT1がターンオンすると、過大な電源短絡電流22が流れる。一般にIGBTは10μs程度は電源短絡電流に対して非破壊保証されているため、正常なIGBTであるT1のゲート駆動回路によって10μs以内に電源短絡電流を検知し、ゲート遮断を行えば、2次被害が発生しない。
即ち、保護動作が行われたゲート駆動回路からの故障検出信号によって、どのアームの半導体素子が故障したかが判る。
以上の3レベルインバータの回路例については、特許文献1に、またIGBTの電源短絡電流保護方式については特許文献2に、各々示されている。
特開2008−193779号公報 特開2010−288416号公報
一般に図3に示すようなインバータシステムでは,半導体スイッチ素子又はダイオードが故障した場合,そのアームは短絡状態又は開放状態となる。いずれの場合も,インバータ運転の継続は不可能であるため,図6に示すような故障検知後はインバータの半導体スイッチを全オフし,システム停止を行う必要があった。
ところが無停電電源装置(UPS)などのような運転継続が必要なシステムでは,インバータを並列接続し,一方のUPSが故障しても,もう一方のUPSにて運転を継続するシステム(待機冗長又は並列冗長システム)を構築している。しかし、このようなシステムでは装置の大型化やシステム価格の上昇といった課題を有する。
従って、本発明の課題は、半導体スイッチ素子が故障しても,小型・低価格で運転継続可能なシステムを提供することである。
上述の課題を解決するために、第の発明においては、直流から交流又は交流から直流に電力変換する電力変換回路であって、個直列接続された直流電源と、前記直流電源と並列接続されるそれぞれダイオードを逆並列接続した第1及び第の半導体スイッチを直列接続した半導体スイッチ直列回路と前記半導体スイッチ直列回路の直列接続点と前記直流電源の直列接続点との間に接続される双方向性の半導体スイッチ回路とからなる1相分のスイッチ回路を複数個用いた3レベルの電位が出力可能な電力変換回路において、前記いずれかの双方向性の半導体スイッチ回路を構成する半導体スイッチ又はダイオードが故障した場合に、前記半導体スイッチ又はダイオードの主電流が流れる経路を電気的に開放する開放手段を備え、故障発生時は前記経路を前記開放手段で切り離し、残りの双方向性の半導体スイッチ回路を常時オフ状態とし、前記半導体スイッチ直列回路の半導体スイッチはオフ状態に固定せずに運転を継続する。
第2の発明においては、第1の発明におけるいずれかの双方向性の半導体スイッチ回路を構成する半導体スイッチ又はダイオードが故障した後は、前記直流電源と並列に接続される複数の前記半導体スイッチ直列回路にて、2レベル出力のインバータシステムとして運転を継続する。
本発明では、双方向性の半導体スイッチ回路を構成する半導体スイッチ又はダイオードが故障してもインバータとして運転継続が可能となるため、並列冗長システムを構築する必要がなくなる。その結果,小型で低価格の電力変換回路システムの構築が可能となる。
特に、無停電電源装置(UPS)や電気自動車(EV)など,双方向性の半導体スイッチ回路の半導体スイッチ又はダイオードが故障しても運転動作継続が必要なシステムには有用となる。
本発明のインバータ運転における動作フローチャート図を示す。 双方向半導体スイッチ故障後の運転継続動作モード例である。 3レベルインバータの回路例である。 3レベルインバータの出力電圧波形例である。 双方向スイッチの構成例である。 3レベルインバータの制御システム図である。 短絡電流検出回路例である。 双方向半導体スイッチ故障時の動作説明図である。
本発明の要点は、2個直列接続された直流電源と、前記直流電源と並列接続される第1及び第2の半導体スイッチを直列接続した半導体スイッチ直列回路と前記半導体スイッチ直列回路の直列接続点と前記直流電源の直列接続点との間に接続される双方向性の半導体スイッチ回路とからなる1相分のスイッチ回路を複数個用いた3レベルの電位が出力可能な電力変換回路において、いずれかの双方向性の半導体スイッチ回路を構成する半導体スイッチ又はダイオードが故障した場合に、前記半導体スイッチ又はダイオードの主電流が流れる経路を電気的に開放する開放手段を備え、残りの双方向性の半導体スイッチ回路を常時オフ状態とし、2レベルインバータとして運転を続行させる点である。以下、双方向性の半導体スイッチ回路は双方向スイッチと記載する。
図1に、本発明の第1の実施例を示す。インバータ運転における動作フローチャート図である。図2に、逆阻止形IGBTT7とT8で構成された双方向スイッチが故障した場合の継続運転動作を説明するための回路図を示す。故障した双方向スイッチを開放するために、直流電源1と2の直列接続点とIGBTT1とT2の直列接続点との間に接続された双方向スイッチ(T7とT8の逆並列接続回路)と直列に機械式スイッチ24とヒューズ25を接続する。他の双方向スイッチにも必要であるが、省略してある。
図1の動作フローチャート図において、通常運転中,ブロック26において半導体スイッチ直列回路の素子であるメイン側素子がアーム短絡状態であることが判断されず,かつブロック27で2レベル運転中でない場合は,ブロック28となり,通常の3レベル運転が継続される。
一方,図6に示す信号16(16a〜16d)によってアーム短絡状態であることを判断し,かつブロック29で2レベル運転中でない場合は,ブロック30において,制御回路12から出力される信号23をトリガにして,故障したアームに通電が行われないように,機械的なスイッチ24によって強制的に電気的な開放を行う。また、電気的開放を行うパッシブな方法として,中間部の各アームにヒューズ25を接続すれば前記機械的スイッチは不要となる(図では1相分のみを記載しているが,実際は3相とも必要)。さらに、ブロック31では,制御回路12から双方向スイッチである中間部の全ての半導体スイッチに対してオフ指令信号を出力し,ブロック32でインバータ運転をメイン側素子のみによる2レベル運転に切換える。
また、ブロック27で2レベル運転中である時は,そのまま2レベル運転を継続する。
さらに、ブロック26でアーム短絡検知が行われ,さらにブロック29で2レベル運転中であった場合は,インバータ運転の継続は不可であるため,システム停止する(ブロック34)。以上の説明のように、双方向スイッチが故障した場合には、故障した双方向スイッチを機械的スイッチやヒューズなどで切り離し、残りの双方向スイッチにはオフ信号を与え、半導体スイッチ直列回路の素子(メイン素子)が健全であれば、2レベルインバータとして運転を継続する。
ところで2レベルインバータの主回路は極一般的であり,その制御方法については,従来から多数の方法で実施されているため,本稿ではその記載を省略する。
尚、本実施例では半導体スイッチ素子をIGBTとしたが,MOSFETやGTOなどでも実現できる。
また本発明は,5レベル以上のマルチレベル回路で,直流電源の中間電位点に双方向性のスイッチ回路が接続される方式においても適用可能である。
本発明は、双方向スイッチを使用した3レベル電力変換回路において、双方向スイッチの素子が故障した場合に、2レベルインバータとして運転継続が可能となるシステムの提案であり、無停電電源装置(UPS)や電気自動車などへの適用が可能である。
1、2・・・直流電源 10・・・電動機
11a〜11d・・・ゲート駆動回路 12・・・制御回路
15a〜15d・・・検出回路
17・・・センスIGBT
18、19・・・抵抗
T1〜T6・・・IGBT
T7〜T12・・・逆阻止形IGBT
D1〜D6、14a〜14d・・・ダイオード

Claims (2)

  1. 直流から交流又は交流から直流に電力変換する電力変換回路であって、個直列接続された直流電源と、前記直流電源と並列接続されるそれぞれダイオードを逆並列接続した第1及び第の半導体スイッチを直列接続した半導体スイッチ直列回路と前記半導体スイッチ直列回路の直列接続点と前記直流電源の直列接続点との間に接続される双方向性の半導体スイッチ回路とからなる1相分のスイッチ回路を複数個用いた3レベルの電位が出力可能な電力変換回路において、前記いずれかの双方向性の半導体スイッチ回路を構成する半導体スイッチ又はダイオードが故障した場合に、前記半導体スイッチ又はダイオードの主電流が流れる経路を電気的に開放する開放手段を備え、故障発生時は前記開放手段で前記経路を切り離し、残りの双方向性のスイッチ回路を常時オフ状態とし、前記半導体スイッチ直列回路の半導体スイッチはオフ状態に固定せずに運転を継続することを特徴とする3レベル電力変換回路システム。
  2. 前記いずれかの双方向性のスイッチ回路を構成する半導体スイッチ又はダイオードが故障した後は、前記直流電源と並列に接続される複数の前記半導体スイッチ直列回路にて、2レベル出力のインバータシステムとして運転を継続することを特徴とする請求項1に記載の3レベル電力変換回路システム。
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