JP2007330028A - Power conversion device and protection method for power conversion device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、複数の半導体スイッチング素子で構成され、直流を交流に、又は交流を直流に変換する変換部を並列に複数接続し、各変換部で入力電力を出力電力に変換する電力変換装置及び該電力変換装置の保護方法に関する。 The present invention comprises a plurality of semiconductor switching elements, a plurality of converters connected in parallel to convert direct current to alternating current or alternating current to direct current, and a power converter that converts input power to output power in each converter, and The present invention relates to a method for protecting the power converter.
交流直流変換、直流交流変換、周波数変換などを行う電力変換装置は、工場設備用、鉄道車両用、電力系統用と様々な分野で用いられており、近年は電力変換装置の大電流容量化のニーズに伴って、電力変換装置に使用される半導体スイッチング素子(電力変換素子)も大電流容量のものが製品化されている。 Power converters that perform AC / DC conversion, DC / AC conversion, frequency conversion, and the like are used in various fields such as factory equipment, railway vehicles, and power systems. In accordance with needs, semiconductor switching elements (power conversion elements) used in power conversion devices have been commercialized with large current capacities.
また、電力変換装置で使用される半導体スイッチング素子の定格電流以上の大電流容量を必要とする場合には、複数の半導体スイッチング素子で構成される電力変換部(例えば、コンバータ回路、整流回路など)を複数個並列に接続し、装置全体としての大電流容量化を図っている。 In addition, when a large current capacity equal to or higher than the rated current of the semiconductor switching element used in the power conversion device is required, a power conversion unit including a plurality of semiconductor switching elements (for example, a converter circuit, a rectifier circuit, etc.) Are connected in parallel to increase the current capacity of the entire device.
しかし、例えば、コンバータ回路を複数並列運転するような電力変換装置にあっては、半導体スイッチング素子に異常が発生してコンバータ回路が動作不良になった場合、装置全体の出力電流値を所定の値に維持するために、他の正常なコンバータ回路への電流分担が大きくなる。このため、正常に動作しているコンバータ回路の半導体スイッチング素子の過負荷又は異常な温度上昇を招き、半導体スイッチング素子のスイッチング特性の悪化又は半導体スイッチング素子の熱劣化などを生じ、半導体スイッチング素子の絶縁破壊、コンバータ回路のアーム短絡故障など重大故障に至る虞があった。 However, for example, in a power conversion device that operates a plurality of converter circuits in parallel, when an abnormality occurs in the semiconductor switching element and the converter circuit malfunctions, the output current value of the entire device is set to a predetermined value. Therefore, current sharing to other normal converter circuits is increased. For this reason, the semiconductor switching element of the converter circuit that is operating normally is overloaded or has an abnormal temperature rise, resulting in deterioration of the switching characteristics of the semiconductor switching element or thermal deterioration of the semiconductor switching element. There was a risk of serious failure such as destruction or short circuit failure of the converter circuit.
そこで、電力変換装置の運転信頼性を確保するために、電力変換装置の入力側の電流と出力側の電流を検出し、入力電流に相当する電流に足る出力電流が出力されていない場合、又は入力電流に相当する電流より大きい出力電流が設定限度を超えた場合に装置の運転を停止させることにより、装置故障の検出を早めて故障波及を防止する半導体電力変換システムが提案されている(特許文献1参照)。
しかしながら、特許文献1の半導体電力変換システムは、電力変換装置の入力側の電流値と出力側の電流値を検出することにより、電力変換装置の故障判定を行う技術であり、複数のコンバータ回路が並列に接続されて並列運転を行っている場合において、コンバータ回路の1つが故障したときに、他の正常に動作しているコンバータ回路の半導体スイッチング素子のスイッチング特性の悪化、熱劣化などの発生を未然に防止することができないという問題があった。
However, the semiconductor power conversion system of
本発明は斯かる事情に鑑みてなされたものであり、並列に複数接続された変換部(例えば、直流交流変換、交流直流変換、周波数変換など)夫々の出力電流を検出し、検出された出力電流に基づいて前記変換部の異常を判定し、判定結果に基づいて前記変換部の出力電流の合計値を所定値以下に制限することにより、並列運転される変換部の1つが故障した場合であっても、他の正常に動作している変換部の半導体スイッチング素子(電力変換素子)のスイッチング特性の悪化又は熱劣化を未然に防止して、半導体スイッチング素子の絶縁破壊又は装置のアーム短絡故障などの重大故障への波及を防止することができる電力変換装置及び該電力変換装置の保護方法を提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of such circumstances, and detects the output current of each of a plurality of converters connected in parallel (for example, DC / AC conversion, AC / DC conversion, frequency conversion, etc.), and the detected output In the case where one of the conversion units operated in parallel fails, by determining abnormality of the conversion unit based on the current and limiting the total value of the output current of the conversion unit to a predetermined value or less based on the determination result Even if there is, the switching characteristics of the semiconductor switching element (power conversion element) of the other normally operating converter (power conversion element) can be prevented from deteriorating or thermal deterioration, and the semiconductor switching element insulation breakdown or the arm short circuit failure of the device It is an object of the present invention to provide a power conversion device that can prevent the occurrence of a serious failure such as the above and a method for protecting the power conversion device.
また、本発明の他の目的は、変換部の各半導体スイッチング素子のオン/オフ期間を調整して出力電流を制御する制御手段を備え、異常と判定された変換部を除く他の変換部の出力電流が所定の上限値を超えないように制御することにより、1つの変換部に異常が生じた場合に、正常に動作している他の変換部の半導体スイッチング素子のスイッチング特性の悪化又は熱劣化を未然に防止して、例えば、異常と判定された変換部の保守、点検が行われるまでの間、継続して稼動させることができる電力変換装置を提供することにある。 Another object of the present invention is to provide a control means for controlling the output current by adjusting the on / off period of each semiconductor switching element of the conversion section, and for other conversion sections excluding the conversion section determined to be abnormal. By controlling so that the output current does not exceed a predetermined upper limit value, when an abnormality occurs in one conversion unit, the switching characteristics of the semiconductor switching elements of other conversion units that are operating normally deteriorate or heat An object of the present invention is to provide a power conversion device that prevents deterioration before it can be operated continuously until, for example, maintenance and inspection of a conversion unit determined to be abnormal is performed.
また、本発明の他の目的は、電流検出部で検出された出力電流が所定の下限値以下である期間を特定し、特定された期間が変換部のいずれの半導体スイッチング素子のオン期間であるかを判定し、該オン期間でオンされる半導体スイッチング素子の異常を報知することにより、変換部のいずれの半導体スイッチング素子が故障しているのかを容易に判別することができる電力変換装置を提供することにある。 Another object of the present invention is to specify a period during which the output current detected by the current detection unit is equal to or lower than a predetermined lower limit, and the specified period is an ON period of any semiconductor switching element of the conversion unit. Provided is a power conversion device that can easily determine which semiconductor switching element of a conversion unit is faulty by determining whether or not a semiconductor switching element that is turned on in the ON period is abnormal There is to do.
また、本発明の他の目的は、異常と判定された変換部の半導体スイッチング素子のスイッチング動作を停止することにより、異常と判定された変換部を停止させて、半導体スイッチング素子の絶縁破壊又は装置のアーム短絡故障などの重大故障への波及を防止することができる電力変換装置を提供することにある。 Another object of the present invention is to stop the switching operation of the semiconductor switching element of the conversion unit determined to be abnormal so as to stop the conversion unit determined to be abnormal, thereby causing a breakdown or device of the semiconductor switching element. It is an object of the present invention to provide a power conversion device that can prevent a serious failure such as an arm short circuit failure.
また、本発明の他の目的は、並列に複数接続された変換部(例えば、直流交流変換、交流直流変換、周波数変換など)の半導体スイッチング素子夫々に流れる素子電流を検出し、検出された素子電流に基づいて、前記半導体スイッチング素子の異常を判定し、判定結果に基づいて、前記変換部の出力電流の合計値を所定値以下に制限することにより、並列運転される変換部の1つが故障した場合であっても、正常に動作している他の変換部の半導体スイッチング素子のスイッチング特性の悪化又は熱劣化を未然に防止して、半導体スイッチング素子の絶縁破壊又は装置のアーム短絡故障などの重大故障への波及を防止することができる電力変換装置を提供することにある。 Another object of the present invention is to detect an element current flowing in each semiconductor switching element of a plurality of converters connected in parallel (for example, DC / AC conversion, AC / DC conversion, frequency conversion, etc.), and the detected element An abnormality of the semiconductor switching element is determined based on the current, and based on the determination result, the total value of the output current of the conversion unit is limited to a predetermined value or less, so that one of the conversion units operated in parallel fails. Even in such a case, it is possible to prevent deterioration of the switching characteristics or thermal deterioration of the semiconductor switching elements of other conversion units that are operating normally, such as breakdown of the semiconductor switching elements or failure of the arm short circuit of the device. An object of the present invention is to provide a power conversion device that can prevent a spillover to a serious failure.
第1発明に係る電力変換装置は、複数の半導体スイッチング素子で構成され、直流を交流に、又は交流を直流に変換する変換部を並列に複数接続してあり、入力電力を該変換部夫々で出力電力に変換する電力変換装置において、前記変換部夫々の出力電流を検出する電流検出部と、該電流検出部で検出された出力電流に基づいて、前記変換部の異常を判定する判定手段と、該判定手段の判定結果に基づいて、前記変換部夫々の出力電流の合計値を所定値以下に制限する電流制限部とを備えることを特徴とする。 The power conversion device according to the first aspect of the present invention includes a plurality of semiconductor switching elements, wherein a plurality of conversion units that convert direct current to alternating current or alternating current to direct current are connected in parallel, and input power is converted by each of the conversion units. In the power conversion device that converts the output power, a current detection unit that detects an output current of each of the conversion units, and a determination unit that determines abnormality of the conversion unit based on the output current detected by the current detection unit; And a current limiting unit that limits a total value of output currents of the respective conversion units to a predetermined value or less based on a determination result of the determination unit.
第2発明に係る電力変換装置は、第1発明において、前記変換部の各半導体スイッチング素子のオン/オフ期間を調整して該変換部の出力電流を制御する制御手段を備え、該制御手段は、前記判定手段で異常と判定された変換部を除く他の変換部夫々の出力電流が所定の上限値を超えないように制御すべく構成してあることを特徴とする。 A power conversion device according to a second aspect of the present invention includes, in the first aspect of the invention, control means for controlling an output current of the conversion unit by adjusting an on / off period of each semiconductor switching element of the conversion unit. The output current of each of the conversion units other than the conversion unit determined to be abnormal by the determination unit is controlled so as not to exceed a predetermined upper limit value.
第3発明に係る電力変換装置は、第2発明において、前記判定部で変換部が異常であると判定した場合、前記電流検出部で検出された出力電流が所定の下限値以下である期間を特定する手段と、該手段で特定された期間が前記変換部のいずれの半導体スイッチング素子のオン期間であるかを判定する手段と、該手段で判定されたオン期間でオンされる半導体スイッチング素子の異常を報知する報知手段とを備えることを特徴とする。 The power conversion device according to a third aspect of the present invention is the power conversion device according to the second aspect, wherein when the conversion unit determines that the conversion unit is abnormal, the output current detected by the current detection unit is less than or equal to a predetermined lower limit value. A means for identifying, a means for determining which semiconductor switching element of the conversion unit the on-period is specified by the means, and a semiconductor switching element that is turned on in the on-period determined by the means An informing means for informing the abnormality is provided.
第4発明に係る電力変換装置は、第1発明乃至第3発明のいずれか1つにおいて、前記判定手段で異常と判定された変換部の半導体スイッチング素子のスイッチング動作を停止する停止手段を備えることを特徴とする。 A power conversion device according to a fourth aspect of the present invention includes the stop means for stopping the switching operation of the semiconductor switching element of the conversion unit determined to be abnormal by the determination means in any one of the first to third inventions. It is characterized by.
第5発明に係る電力変換装置は、複数の半導体スイッチング素子で構成され、直流を交流又は交流を直流に変換する変換部を並列に複数接続してあり、入力電力を該変換部夫々で出力電力に変換する電力変換装置において、前記半導体スイッチング素子夫々に流れる素子電流を検出する素子電流検出部と、該素子電流検出部で検出された素子電流に基づいて、前記半導体スイッチング素子の異常を判定する判定部と、該判定部の判定結果に基づいて、前記変換部夫々の出力電流の合計値を所定値以下に制限する電流制限部とを備えることを特徴とする。 A power conversion device according to a fifth aspect of the present invention includes a plurality of semiconductor switching elements, wherein a plurality of conversion units that convert direct current into alternating current or alternating current into direct current are connected in parallel, and input power is output to each of the conversion units. In the power conversion device that converts the current to the semiconductor switching element, an element current detection unit that detects an element current flowing through each of the semiconductor switching elements, and an abnormality of the semiconductor switching element is determined based on the element current detected by the element current detection unit And a current limiting unit configured to limit a total value of output currents of the respective conversion units to a predetermined value or less based on a determination result of the determination unit.
第6発明に係る電力変換装置の保護方法は、複数の半導体スイッチング素子で構成され、直流を交流又は交流を直流に変換する変換部を並列に複数接続してあり、入力電力を該変換部夫々で出力電力に変換する電力変換装置の保護方法において、前記変換部夫々の出力電流を検出し、検出された出力電流に基づいて、前記変換部の異常を判定し、判定結果に基づいて、前記変換部夫々の出力電流の合計値を所定値以下に制限することを特徴とする。 According to a sixth aspect of the present invention, there is provided a method for protecting a power converter, comprising a plurality of semiconductor switching elements, wherein a plurality of converters for converting direct current to alternating current or alternating current to direct current are connected in parallel, and the input power is supplied to each of the converters. In the protection method for the power conversion device that converts the output power to the output power, the output current of each of the conversion units is detected, the abnormality of the conversion unit is determined based on the detected output current, and based on the determination result, The total value of the output current of each converter is limited to a predetermined value or less.
第1発明及び第6発明にあっては、並列に複数接続された変換部(例えば、直流交流変換、交流直流変換、周波数変換など)夫々の出力電流を検出し、検出された出力電流に基づいて、変換部の異常を判定する。例えば、検出された出力電流が、所定の値より小さい場合、又は出力電流が検出できない場合、その変換部を異常と判定する。異常と判定された場合、変換部夫々の出力電流の合計値を所定値以下に制限する。これにより、並列に接続されて並行運転している各変換部の1つが故障することにより、他の正常な変換部の負荷分担が大きくなり出力電流が増加することを防止し、該変換部の各半導体スイッチング素子のスイッチング特性の悪化又は熱劣化を未然に防止して、半導体スイッチング素子の絶縁破壊又は装置のアーム短絡故障などの重大故障への波及を防止する。 In the first invention and the sixth invention, the output current of each of the converters connected in parallel (for example, DC / AC conversion, AC / DC conversion, frequency conversion, etc.) is detected, and based on the detected output current Then, the abnormality of the conversion unit is determined. For example, when the detected output current is smaller than a predetermined value or when the output current cannot be detected, the conversion unit is determined to be abnormal. When it is determined that there is an abnormality, the total value of the output currents of the respective converters is limited to a predetermined value or less. This prevents one of the conversion units connected in parallel and operating in parallel from failing, thereby preventing the load sharing of other normal conversion units from increasing and the output current from increasing. Deterioration of the switching characteristics or thermal deterioration of each semiconductor switching element is prevented in advance to prevent the semiconductor switching element from spreading to a serious failure such as an insulation breakdown or an arm short circuit failure.
第2発明にあっては、制御手段は、変換部の各半導体スイッチング素子のオン/オフ期間を調整して出力電流を制御する。並列接続されて並行運転している各変換部の1つが異常と判定された場合、前記制御手段は、異常と判定された変換部を除く他の変換部の出力電流が所定の上限値を超えないように制御する。これにより、並列接続されて並行運転している各変換部の1つが故障することにより、他の正常な変換部の負荷分担が大きくなり出力電流が増加することを防止し、他の正常な変換部を継続して稼動させることができる。 In the second invention, the control means controls the output current by adjusting the on / off period of each semiconductor switching element of the converter. When it is determined that one of the converters connected in parallel and operating in parallel is abnormal, the control means outputs an output current of other converters excluding the converter determined to be abnormal exceeds a predetermined upper limit value. Control to not. This prevents one of the converters connected in parallel and operating in parallel from failing, thereby preventing the load sharing of other normal converters from increasing and the output current from increasing. The part can be operated continuously.
第3発明にあっては、電流検出部で検出された出力電流が所定の下限値以下である期間を特定する。特定された期間が変換部のいずれの半導体スイッチング素子のオン期間であるかを判定し、判定されたオン期間でオンされる半導体スイッチング素子が異常であるとして報知する。これにより、異常と判定された変換部のうち、いずれの半導体スイッチング素子が故障しているかが容易に判別される。 In the third aspect of the invention, a period in which the output current detected by the current detection unit is equal to or less than a predetermined lower limit value is specified. It is determined which semiconductor switching element of the conversion unit is the ON period of the conversion unit, and the semiconductor switching element that is turned ON in the determined ON period is notified as abnormal. Thereby, it is easily determined which semiconductor switching element is out of order in the conversion unit determined to be abnormal.
第4発明にあっては、異常と判定された変換部の半導体スイッチング素子のスイッチング動作を停止する。 In the fourth invention, the switching operation of the semiconductor switching element of the conversion unit determined to be abnormal is stopped.
第5発明にあっては、並列に複数接続された変換部(例えば、直流交流変換、交流直流変換、周波数変換など)の半導体スイッチング素子夫々に流れる素子電流を検出し、検出された素子電流に基づいて、半導体スイッチング素子の異常を判定する。例えば、検出された素子電流が、所定の値より小さい場合、又は素子電流が検出できない場合、その半導体スイッチング素子を異常と判定する。異常と判定された場合、変換部夫々の出力電流の合計値を所定値以下に制限する。これにより、並列接続されて並行運転している各変換部の1つが故障することにより、他の正常な変換部の負荷分担が大きくなり出力電流が増加することを防止し、該変換部の各半導体スイッチング素子のスイッチング特性の悪化又は熱劣化を未然に防止して、半導体スイッチング素子の絶縁破壊又は装置のアーム短絡故障などの重大故障への波及を防止する。 In the fifth invention, the element current flowing through each of the semiconductor switching elements of the converters connected in parallel (for example, DC / AC conversion, AC / DC conversion, frequency conversion, etc.) is detected, and the detected element current is detected. Based on this, an abnormality of the semiconductor switching element is determined. For example, when the detected element current is smaller than a predetermined value or when the element current cannot be detected, the semiconductor switching element is determined to be abnormal. When it is determined that there is an abnormality, the total value of the output currents of the respective converters is limited to a predetermined value or less. This prevents one of the converters connected in parallel and operating in parallel from failing, thereby preventing the load sharing of other normal converters from increasing and the output current from increasing. Deterioration of the switching characteristics or thermal deterioration of the semiconductor switching element is prevented in advance, thereby preventing the semiconductor switching element from spreading to a serious failure such as an insulation breakdown or an arm short circuit failure.
第1発明及び第6発明にあっては、並列に複数接続された変換部(例えば、直流交流変換、交流直流変換、周波数変換など)夫々の出力電流を検出し、検出された出力電流に基づいて前記変換部の異常を判定し、判定結果に基づいて前記変換部の出力電流の合計値を所定値以下に制限することにより、並列運転される変換部の1つが故障した場合であっても、他の正常に動作している変換部の半導体スイッチング素子のスイッチング特性の悪化又は熱劣化を未然に防止して、半導体スイッチング素子の絶縁破壊又は装置のアーム短絡故障などの重大故障への波及を防止することができる。 In the first invention and the sixth invention, the output current of each of the converters connected in parallel (for example, DC / AC conversion, AC / DC conversion, frequency conversion, etc.) is detected, and based on the detected output current Even if one of the converters operated in parallel fails, the abnormality of the converter is determined and the total value of the output current of the converter is limited to a predetermined value or less based on the determination result. , Preventing deterioration of switching characteristics or thermal degradation of semiconductor switching elements of other normally operating converters, and spreading to serious failures such as insulation breakdown of semiconductor switching elements or arm short circuit faults of equipment Can be prevented.
第2発明にあっては、変換部の各半導体スイッチング素子のオン/オフ期間を調整して出力電流を制御する制御手段を備え、異常と判定された変換部を除く他の変換部の出力電流が所定の上限値を超えないように制御することにより、1つの変換部に異常が生じた場合に、正常に動作している他の変換部の半導体スイッチング素子のスイッチング特性の悪化又は熱劣化を未然に防止して、例えば、異常と判定された変換部の保守、点検が行われるまでの間、継続して稼動させることができる。 In the second invention, there is provided control means for controlling the output current by adjusting the on / off period of each semiconductor switching element of the converter, and the output current of other converters excluding the converter determined to be abnormal Is controlled so as not to exceed a predetermined upper limit value, when an abnormality occurs in one converter, the switching characteristics of the semiconductor switching elements of other converters operating normally or thermal deterioration For example, the operation can be continued until the conversion unit determined to be abnormal is maintained and inspected.
第3発明にあっては、電流検出部で検出された出力電流が所定の下限値以下である期間を特定し、特定された期間が変換部のいずれの半導体スイッチング素子のオン期間であるかを判定し、該オン期間でオンされる半導体スイッチング素子の異常を報知することにより、変換部のいずれの半導体スイッチング素子が故障しているのかを容易に判別することができる。 In the third aspect of the invention, the period in which the output current detected by the current detection unit is equal to or less than the predetermined lower limit value is specified, and which semiconductor switching element of the conversion unit is the ON period is determined. By determining and notifying the abnormality of the semiconductor switching element that is turned on in the ON period, it is possible to easily determine which semiconductor switching element of the conversion unit is faulty.
第4発明にあっては、異常と判定された変換部の半導体スイッチング素子のスイッチング動作を停止することにより、異常と判定された変換部を停止させて、半導体スイッチング素子の絶縁破壊又は装置のアーム短絡故障などの重大故障への波及を防止することができる。 In the fourth invention, by stopping the switching operation of the semiconductor switching element of the conversion unit determined to be abnormal, the conversion unit determined to be abnormal is stopped, so that the breakdown of the semiconductor switching element or the arm of the device Ripple to a serious failure such as a short-circuit failure can be prevented.
第5発明にあっては、並列に複数接続された変換部(例えば、直流交流変換、交流直流変換、周波数変換など)の半導体スイッチング素子夫々に流れる素子電流を検出し、検出された素子電流に基づいて、前記半導体スイッチング素子の異常を判定し、判定結果に基づいて、前記変換部の出力電流の合計値を所定値以下に制限することにより、並列運転される変換部の1つが故障した場合であっても、正常に動作している他の変換部の半導体スイッチング素子のスイッチング特性の悪化又は熱劣化を未然に防止して、半導体スイッチング素子の絶縁破壊又は装置のアーム短絡故障などの重大故障への波及を防止することができる。 In the fifth invention, the element current flowing through each of the semiconductor switching elements of the converters connected in parallel (for example, DC / AC conversion, AC / DC conversion, frequency conversion, etc.) is detected, and the detected element current is detected. When one of the conversion units operated in parallel fails by determining abnormality of the semiconductor switching element based on the determination result and limiting the total value of the output current of the conversion unit to a predetermined value or less based on the determination result Even so, it is possible to prevent deterioration of the switching characteristics or thermal deterioration of the semiconductor switching elements of other converters that are operating normally, leading to serious failures such as insulation breakdown of the semiconductor switching elements or arm short circuit failure of the device. Can be prevented.
実施の形態1
以下、本発明をその実施の形態を示す図面に基づいて説明する。図1は本発明に係る電力変換装置100の構成を示すブロック図である。電力変換装置100は、例えば、直流交流変換装置であって、入力側の直流電圧(直流電力)をPWM制御により所要の交流電圧(交流電力)に変換して出力側(負荷側)に供給するものである。
Hereinafter, the present invention will be described with reference to the drawings illustrating embodiments thereof. FIG. 1 is a block diagram showing a configuration of a
電力変換装置100は、スタック(コンバータ回路)1、2、3、4、総出力電流検出回路5、電流演算回路6、電流保護回路7、PWM制御回路8、ゲートドライブ回路9などを備えている。
The
スタック1、2、3、4夫々は、直流を交流に変換するためのコンバータ回路であり、図に示すように、並列に接続されている。これにより、入力側の直流電力は夫々のスタック1、2、3、4で交流電力に変換され出力側に供給される。
Each of the
スタック1、2、3、4夫々は、内部にスタック1、2、3、4の出力電流を検出する出力電流検出回路を備えており、出力電流検出回路で検出された出力電流に基づいた検出信号が電流演算回路6へ出力される。
Each of the
電流演算回路6は、スタック1、2、3、4夫々から入力された検出信号(例えば、電圧値)に基づいて、スタック1、2、3、4夫々の出力電流値を算出し、算出した出力電流の合計値を示す信号を電流保護回路7へ出力する。例えば、スタック1、2、3、4夫々の出力電流が300Aである場合、スタック1、2、3、4の出力電流の合計値が1200Aであることを示す信号を電流保護回路7へ出力する。
The current calculation circuit 6 calculates the output current values of the
また、電流演算回路6は、算出した出力電流値が下限値(例えば、正常時の出力電流の50%)以下である場合(出力電流が流れていない場合も含む)、それに対応するスタックに異常が発生したと判定して、そのスタックの動作を停止させるための停止信号をPWM制御回路8へ出力する。
Further, when the calculated output current value is equal to or lower than the lower limit value (for example, 50% of the normal output current) (including the case where the output current is not flowing), the current calculation circuit 6 has an abnormality in the corresponding stack. Is generated, and a stop signal for stopping the operation of the stack is output to the
また、電流演算回路6は、スタック1、2、3、4夫々から入力された検出信号に基づいて、出力電流のタイミングを示すタイミング信号をPWM制御回路8へ出力する。
Further, the current calculation circuit 6 outputs a timing signal indicating the timing of the output current to the
また、電流演算回路6は、算出した出力電流値に基づいて、スタック1、2、3、4のいずれかに異常が発生したと判定した場合、異常が発生する前に、残りの正常なスタック夫々の出力電流の合計値を示す信号を電流保護回路7へ出力する。例えば、正常動作時に、スタック1、2、3、4夫々の出力電流が300Aである場合、スタック1が故障してスタック1の出力電流が「0」になったときは、電流演算回路6は、故障前のスタック2、3、4の出力電流の合計電流が900Aであることを示す信号を電流保護回路7へ出力する。
If the current calculation circuit 6 determines that an abnormality has occurred in any one of the
総出力電流検出回路5は、スタック1、2、3、4夫々の出力電流を合計した総出力電流を検出して、検出信号(例えば、電圧値)を電流保護回路7へ出力する。
The total output
電流保護回路7は、電流演算回路6から入力された信号と総出力電流検出回路5から入力された検出信号とを比較することにより、スタック1、2、3、4の動作を制御するべくゲート停止信号をPWM制御回路8へ出力する。
The
例えば、スタックの異常が発生する前、スタック1、2、3、4夫々が300Aの電流を出力し、電力変換装置100が総出力電流1200Aを負荷に供給していたとする。電流保護回路7は、1200Aの総出力電流を100%として、この値を超えないように総出力電流を制御する。すなわち、電流保護回路7は、総出力電流が1200A(100%)を超えた場合、すべてのスタック1、2、3、4の動作を停止させるべくゲート停止信号をPWM制御回路8へ出力する。
For example, it is assumed that the
また、例えば、スタック1が故障してスタック1の出力電流が「0」になった場合、電流保護回路7は、残り3つのスタック2、3、4の出力電流の合計である900A、すなわち、総出力電流が900A(75%)を超えないように制御する。より具体的には、スタック2、3、4夫々の出力電流が300Aを超えないように制御される。
Further, for example, when the
PWM制御回路8は、スタック1、2、3、4夫々を並行して動作させるべく、スタック1、2、3、4夫々を構成するIGBT(絶縁ゲートバイポーラトランジスタ)を所定のタイミングでオン/オフさせるためのゲート制御信号をゲートドライブ回路9へ出力する。
The
PWM制御回路8は、電流演算回路6から停止信号が入力された場合、対応するスタックの動作を停止させるため、ゲート制御信号の出力を停止する。また、PWM制御回路8は、電流演算回路6からのタイミング信号の入力がない場合、タイミング信号の入力がない期間にPWM制御回路8から出力されるゲート制御信号を特定して、異常と判定されたスタック内のいずれのIGBTが故障しているかを判定し、表示装置(不図示)などを通じて判定したIGBTを報知する。これにより、電力変換装置100の並列運転しているスタック1、2、3、4のいずれかが異常となった場合でも、異常となったスタック内のどのIGBTが故障しているかを即座に判別することができる。
When the stop signal is input from the current calculation circuit 6, the
また、PWM制御回路8は、電流保護回路7からゲート停止信号が入力された場合、すべてのスタックの動作を停止させるため、ゲート制御信号の出力を停止する。
Further, when a gate stop signal is input from the
ゲートドライブ回路9は、PWM制御回路8から入力されるゲート制御信号に基づいて、スタック1、2、3、4内の各IGBT夫々のゲートに所定のタイミングでゲートパルス信号を出力する。
Based on the gate control signal input from the
図2はスタック1の構成を示すブロック図である。なお、スタック2、3、4は、スタック1と同様の構成を有しているので説明は省略する。スタック1は、IGBT11、12、13、14、出力電流検出回路15などを備えている。
FIG. 2 is a block diagram showing the configuration of the
スタック1は、4個のIGBT11、12、13、14で1個のブリッジ回路を構成する。より具体的には、IGBT11、12のコレクタには正側の直流入力が接続され、IGBT11、12のエミッタには、夫々IGBT13、14のコレクタが接続してある。IGBT13、14のエミッタには、負側(グランドレベル)の直流入力が接続されている。
The
IGBT11のエミッタ及びIGBT13のコレクタは、出力電流検出回路15を介して一方の出力側に接続され、IGBT12のエミッタ及びIGBT14のコレクタは、他方の出力側に接続されている。
The emitter of the IGBT 11 and the collector of the
スタック1の動作は、IGBT11、14のゲートにオン信号(ゲートパルス信号)を印加するとともに、IGBT12、13のゲートにはオフ信号(ゲートパルス信号)を印加する。次のサイクルでは、反対にIGBT11、14のゲートにオフ信号(ゲートパルス信号)を印加するとともに、IGBT12、13のゲートにはオン信号(ゲートパルス信号)を印加する。これにより、1サイクルのうち、半サイクルにおいては、IGBT11、14を通じて一方の方向(IGBT11のアーム、IGBT14のアーム)に電流が流れ、次の半サイクルにおいては、IGBT12、13を通じて反対方向(IGBT12のアーム、IGBT13のアーム)に電流が流れることにより、直流が交流に変換される。
In the operation of the
次に、本発明の電力変換装置100の動作について説明する。図3は各スタックの出力電流及び総出力電流の変化を示すタイムチャートである。図中、縦軸は各スタックの出力電流及び総出力電流を示し、横軸は時間を示す。図3(a)は従来の出力電流及び総出力電流の変化を示し、図3(b)は本発明を適用した場合の出力電流及び総出力電流の変化を示す。なお、従来の電力変換装置のスタックは、本発明のスタックと同様に4個のIGBTで構成されるが、出力電流検出回路15は備えていない。従来のスタックも、便宜上本発明のスタックと同一符号で表記する。また、従来の電力変換装置は、電流演算回路6を備えていない。
Next, operation | movement of the
図3(a)に示すように、従来の例にあっては、スタック1、2、3、4夫々が、例えば、300Aの電流を出力している場合、総出力電流は1200Aとなる。時刻t1で、例えば、スタック1に異常が発生し、スタック1の出力電流が0Aになったとすると、従来の電力変換装置は、総出力電流1200Aを維持するために、正常に動作している他の3個のスタック2、3、4の出力電流の合計で1200Aの電流を出力すべく、スタック2、3、4の出力電流を300Aから400Aに増加させる。
As shown in FIG. 3A, in the conventional example, when each of the
仮に、スタック2、3、4を構成するIGBTの動作環境、周囲温度等から定められる定格電流が、350Aであるとすれば、スタック2、3、4の各IGBTは、定格電流を超えた電流を出力することになり、IGBTのスイッチング特性の悪化又は熱劣化を生じ、IGBTの絶縁破壊又はIGBTのアーム短絡故障などの重大故障に至る虞がある。
If the rated current determined from the operating environment, ambient temperature, etc. of the IGBTs constituting the
図3(b)に示すように、本発明を適用した場合には、スタック1、2、3、4夫々が、例えば、300Aの電流を出力し、総出力電流が1200Aであるときに、時刻t2で、例えば、スタック1に異常が発生し、スタック1の出力電流が0Aになったとすると、総出力電流を1200Aから75%の900Aに制限することにより、正常に動作している他の3個のスタック2、3、4夫々の出力電流は、300Aを維持することができる。これにより、IGBTのスイッチング特性の悪化又は熱劣化を防止し、IGBTの絶縁破壊又はIGBTのアーム短絡故障などの電力変換装置の大規模な破損事故を防止することができる。
As shown in FIG. 3B, when the present invention is applied, for example, each of the
図4はスタック1内のいずれのIGBTが故障しているかを特定する例を示すタイムチャートである。図4(a)はスタック1内のIGBT11、12、13、14をオン/オフするためのゲート制御信号及びスタック1のタイミング信号の関係を示す。図中、例えば、「A」の期間には、PWM制御回路8は、IGBT11、14をオンするためのゲート制御信号を出力し、「B」の期間は、IGBT12、13をオンするためのゲート制御信号を出力する。なお、ゲート制御信号の期間(タイミング)は、一例であってこれに限定されるものではない。
FIG. 4 is a time chart showing an example of specifying which IGBT in the
PWM制御回路8は、電流演算回路6から入力されるタイミング信号を取得する。すなわち、スタック1が正常に動作している場合、PWM制御回路8は、ゲート制御信号が出力される「A」の期間に対応して、タイミング信号「a」を取得し、ゲート制御信号が出力される「B」の期間に対応して、タイミング信号「b」を取得する。
The
図4(b)に示すように、IGBT12、13のいずれか又は両方に故障が発生して、スイッチング動作不良になった場合(例えば、ゲート、コレクタ、エミッタなどの端子接続不良)にIGBT12、13を流れる電流が「0」となったときには、この期間においてスタック1の出力電流が検出されないため、タイミング信号「b」が欠落する。したがって、PWM制御回路8は、電流演算回路6から入力されるタイミング信号のうち、欠落する期間を判定することにより、スタック1のいずれのIGBT(この場合、IGBT12、13)が故障しているかを判別することができる。
As shown in FIG. 4B, when one or both of the
また、図4(c)に示すように、IGBT11、14のいずれか又は両方に故障が発生して、スイッチング動作不良になった場合(例えば、ゲート、コレクタ、エミッタなどの端子接続不良)にIGBT11、14を流れる電流が「0」となったときには、この期間においてスタック1の出力電流が検出されないため、タイミング信号「a」が欠落する。したがって、PWM制御回路8は、電流演算回路6から入力されるタイミング信号のうち、欠落する期間を判定することにより、スタック1のいずれのIGBT(この場合、IGBT11、14)が故障しているかを判別することができる。
Further, as shown in FIG. 4C, when one or both of the
実施の形態2
実施の形態1では、各スタック1、2、3、4の出力電流を検出する構成であったが、これに限定されるものではなく、他の構成であってもよい。例えば、スタック1、2、3、4の出力電流を検出する代わりに、スタックを構成する各IGBTに流れる電流(アーム電流)を検出することもできる。
In the first embodiment, the output current of each of the
図5は実施の形態2のスタック30の構成を示すブロック図である。スタック30は、IGBT31、32、33、34、電流検出回路35、36、37、38などを備えている。
FIG. 5 is a block diagram illustrating a configuration of the
スタック30は、4個のIGBT31、32、33、34で1個のブリッジ回路を構成する。より具体的には、IGBT31、32のコレクタには正側の直流入力が接続され、IGBT31のエミッタは、電流検出回路35を介してIGBT33のコレクタが接続してある。また、IGBT32のエミッタには、電流検出回路36を介してIGBT34のコレクタが接続してある。IGBT33、34のエミッタには、夫々電流検出回路37、38を介して負側(グランドレベル)の直流入力が接続されている。
The
IGBT33のコレクタは、一方の出力側に接続され、IGBT34のコレクタは、他方の出力側に接続されている。電流検出回路35、36、37、37は、夫々IGBT31、32、33、34を流れる電流を検出する。なお、スタック30の動作は、実施の形態1と同様であるので説明は省略する。
The collector of the
上記の構成により、並列運転されるスタックの1つが故障した場合であっても、他のスタックを構成するIGBTのスイッチング特性の悪化又は熱劣化を未然に防止して、IGBTの絶縁破壊又は装置のアーム短絡故障などの重大故障への波及を防止することができる。 With the above configuration, even when one of the stacks operated in parallel fails, the deterioration of the switching characteristics or the thermal deterioration of the IGBTs constituting the other stacks can be prevented in advance, and the IGBT breakdown or device failure can be prevented. Ripple to a serious failure such as an arm short circuit failure can be prevented.
実施の形態3
実施の形態1、2では、直流を交流に変換するコンバータ回路(スタック)の場合について説明したが、電力変換装置の構成は、これに限定されるものではなく、交流を直流に変換する電力変換装置にも、本発明を適用することができる。
In the first and second embodiments, the case of a converter circuit (stack) that converts direct current to alternating current has been described. However, the configuration of the power conversion device is not limited to this, and power conversion that converts alternating current to direct current is performed. The present invention can also be applied to an apparatus.
図6は実施の形態3の電力変換装置200の構成を示すブロック図である。電力変換装置200は、例えば、交流直流変換装置であって、入力側の交流電圧(交流電力)を整流して所要の直流電圧(直流電力)に変換して出力側(負荷側)に供給するものである。
FIG. 6 is a block diagram illustrating a configuration of the
電力変換装置200は、整流回路61、62、63、64、電流検出回路65、66、67、68、総出力電流検出回路69、電流保護回路70、電流制限回路71などを備えている。
The
整流回路61は、例えば、4個の電力制御用ダイオードでブリッジ回路を構成して全波整流を行う。整流回路62、63、64も整流回路61と同様の構成であり、整流回路61、62、63、64は、並列に接続されている。
For example, the
整流回路61、62、63、64の正側の出力端には、夫々電流検出回路65、66、67、68が接続され、整流回路61、62、63、64の出力電流を検出し、検出信号を電流保護回路70へ出力する。
総出力電流検出回路69は、整流回路61、62、63、64の出力電流が合計された総出力電流を検出し、検出信号を電流保護回路70へ出力する。
The total output
電流保護回路70は、電流検出回路65、66、67、68、総出力電流検出回路69から入力された検出信号に基づいて、電力変換装置200が出力する総出力電流を制限するための制御信号を電流制限回路71へ出力する。
The
電流制限回路71は、例えば、3端子レギュレータなどにより構成され、電流保護回路70からの制御信号に基づいて、総出力電流を所定値以下に制限する。
The current limiting
次に電力変換装置200の動作について説明する。例えば、整流回路の異常が発生する前、整流回路61、62、63、64夫々が300Aの電流を出力し、電力変換装置200が総出力電流1200Aを負荷に供給していたとする。電流保護回路70は、1200Aの総出力電流を100%として、この値を超えないように総出力電流を制御する。すなわち、電流保護回路70は、総出力電流が1200A(100%)を超えた場合、すべての整流回路61、62、63、64の動作を停止させるべく入力側のスイッチ(不図示)をオフにする。
Next, the operation of the
また、例えば、整流回路61が故障して整流回路61の出力電流が「0」になった場合、電流保護回路70は、残り3つの整流回路62、63、64の出力電流の合計である900A、すなわち、総出力電流が900A(75%)を超えないように電流制限回路71を制御する。
Further, for example, when the
以上説明したように、本発明にあっては、並列運転されるスタック(コンバータ回路)又は整流回路の1つが故障した場合であっても、正常に動作している他のスタック又は整流回路を構成するIGBT又はダイオードなどの半導体スイッチング素子のスイッチング特性の悪化又は熱劣化を未然に防止して、半導体スイッチング素子の絶縁破壊又は装置のアーム短絡故障などの重大故障への波及を防止することができる。また、1つのスタック又は整流回路に異常が生じた場合に、正常に動作している他のスタック又は整流回路の半導体スイッチング素子(IGBT、ダイオードなど)のスイッチング特性の悪化又は熱劣化を未然に防止して、例えば、異常と判定されたスタック又は整流回路の保守、点検が行われるまでの間、継続して稼動させることができる。また、スタックのいずれのIGBTが故障しているのかを容易に判別することができる。また、異常と判定されたスタック又は整流回路を停止させて、IGBT又はダイオードの絶縁破壊又は装置のアーム短絡故障などの重大故障への波及を防止することができる。 As described above, in the present invention, even when one of the stack (converter circuit) or rectifier circuit operated in parallel fails, another stack or rectifier circuit that is operating normally is configured. It is possible to prevent deterioration of switching characteristics or thermal deterioration of semiconductor switching elements such as IGBTs or diodes, and to prevent spillover to serious faults such as breakdown of semiconductor switching elements or arm short-circuit faults of devices. In addition, when an abnormality occurs in one stack or rectifier circuit, deterioration of switching characteristics or thermal deterioration of semiconductor switching elements (IGBT, diode, etc.) of other stacks or rectifier circuits that are operating normally can be prevented. Thus, for example, the stack or the rectifier circuit determined to be abnormal can be continuously operated until maintenance or inspection is performed. In addition, it is possible to easily determine which IGBT in the stack has failed. In addition, the stack or rectifier circuit that is determined to be abnormal can be stopped to prevent the IGBT or the diode from breaking down or causing a serious failure such as an arm short circuit failure of the device.
特に、電力変換装置が大電流容量になれば、電力変換装置自体の点検又は整備も高い頻度で行う必要があり、その都度、電力変換装置を解体して清掃する。このため、点検又は整備が行われる都度、整備不良による半導体スイッチング素子の動作不良、スタック又は整流回路などのユニットの動作不良が起こる可能性が高く、動作中の半導体スイッチング素子の出力電流を個別に監視し、半導体スイッチング素子の定格電流を超える電流が流れることによる熱劣化を防止することができる本発明の奏する効果は顕著である。 In particular, if the power converter has a large current capacity, the power converter itself needs to be inspected or maintained frequently, and the power converter is disassembled and cleaned each time. For this reason, every time inspection or maintenance is performed, there is a high possibility that a malfunction of the semiconductor switching element due to poor maintenance or malfunction of a unit such as a stack or a rectifier circuit will occur. The effects of the present invention that can be monitored and prevent thermal degradation due to the flow of current exceeding the rated current of the semiconductor switching element are remarkable.
上述の実施の形態では、直流交流変換、及び交流直流変換の電力変換装置の例について説明したが、電力変換装置は、これに限定されるものではなく、周波数変換を行うものについても本発明を適用することができる。周波数変換の場合は、交流直流変換の後に直流交流変換を行って周波数変換するため、交流直流変換又は直流交流変換のいずれか、あるいは両者に本発明を適用することができる。 In the above-described embodiment, examples of DC / AC conversion and AC / DC conversion power converters have been described. However, the power converter is not limited thereto, and the present invention is also applied to those that perform frequency conversion. Can be applied. In the case of frequency conversion, since AC / DC conversion is followed by DC / AC conversion to perform frequency conversion, the present invention can be applied to either AC / DC conversion or DC / AC conversion, or both.
上述の実施の形態では、IGBT、ダイオードを用いる構成であったが、これに限定されるものではなく、サイリスタなど他の電力変換素子、半導体スイッチング素子を用いてスイッチング動作、整流動作を行なうことができるものであれば、いずれの素子であってもよい。 In the above-described embodiment, the IGBT and the diode are used. However, the present invention is not limited to this, and the switching operation and the rectifying operation can be performed using another power conversion element such as a thyristor or a semiconductor switching element. Any element can be used as long as it is possible.
上述の実施の形態では、単相交流の場合について説明したが、これに限定されるものではなく、三相交流のように多相回路にも本発明を適用することができる。 In the above-described embodiment, the case of single-phase alternating current has been described. However, the present invention is not limited to this, and the present invention can also be applied to a multiphase circuit such as three-phase alternating current.
1、2、3、4 スタック
5、69 総出力電流検出回路
6 電流演算回路
7、70 電流保護回路
8 PWM制御回路
9 ゲートドライブ回路
11、12、13、14、31、32、33、34 IGBT
15 出力電流検出回路
35、36、37、38、65、66、67、68 電流検出回路
61、62、63、64 整流回路
71 電流制限回路
1, 2, 3, 4
15 Output
Claims (6)
前記変換部夫々の出力電流を検出する電流検出部と、
該電流検出部で検出された出力電流に基づいて、前記変換部の異常を判定する判定手段と、
該判定手段の判定結果に基づいて、前記変換部夫々の出力電流の合計値を所定値以下に制限する電流制限部と
を備えることを特徴とする電力変換装置。 In a power conversion device configured by a plurality of semiconductor switching elements, wherein a plurality of conversion units that convert direct current to alternating current or alternating current to direct current are connected in parallel, and each of the conversion units converts input power to output power.
A current detection unit for detecting an output current of each of the conversion units;
Determination means for determining an abnormality of the converter based on the output current detected by the current detector;
A power conversion device comprising: a current limiting unit that limits a total value of output currents of the respective conversion units to a predetermined value or less based on a determination result of the determination unit.
該制御手段は、
前記判定手段で異常と判定された変換部を除く他の変換部夫々の出力電流が所定の上限値を超えないように制御すべく構成してあることを特徴とする請求項1に記載の電力変換装置。 Control means for adjusting the on / off period of each semiconductor switching element of the converter to control the output current of the converter;
The control means includes
2. The power according to claim 1, wherein the output current of each of the other conversion units excluding the conversion unit determined to be abnormal by the determination unit is controlled so as not to exceed a predetermined upper limit value. Conversion device.
該手段で特定された期間が前記変換部のいずれの半導体スイッチング素子のオン期間であるかを判定する手段と、
該手段で判定されたオン期間でオンされる半導体スイッチング素子の異常を報知する報知手段と
を備えることを特徴とする請求項2に記載の電力変換装置。 Means for specifying a period during which the output current detected by the current detection unit is equal to or lower than a predetermined lower limit when the determination unit determines that the conversion unit is abnormal;
Means for determining which of the semiconductor switching elements of the conversion unit the period specified by the means is an on period;
The power conversion device according to claim 2, further comprising: a notification unit configured to notify an abnormality of the semiconductor switching element that is turned on in the on period determined by the unit.
前記半導体スイッチング素子夫々に流れる素子電流を検出する素子電流検出部と、
該素子電流検出部で検出された素子電流に基づいて、前記半導体スイッチング素子の異常を判定する判定部と、
該判定部の判定結果に基づいて、前記変換部夫々の出力電流の合計値を所定値以下に制限する電流制限部と
を備えることを特徴とする電力変換装置。 In a power conversion device configured by a plurality of semiconductor switching elements, connected in parallel to a plurality of conversion units that convert direct current to alternating current or alternating current to direct current, and to convert input power to output power in each of the conversion units,
An element current detector for detecting an element current flowing through each of the semiconductor switching elements;
A determination unit for determining abnormality of the semiconductor switching element based on the element current detected by the element current detection unit;
A power conversion device comprising: a current limiting unit that limits a total value of output currents of the respective conversion units to a predetermined value or less based on a determination result of the determination unit.
前記変換部夫々の出力電流を検出し、
検出された出力電流に基づいて、前記変換部の異常を判定し、
判定結果に基づいて、前記変換部夫々の出力電流の合計値を所定値以下に制限することを特徴とする電力変換装置の保護方法。 In a method for protecting a power conversion apparatus, comprising a plurality of semiconductor switching elements, wherein a plurality of converters for converting direct current to alternating current or alternating current to direct current are connected in parallel, and each of the converters converts input power to output power. ,
Detecting the output current of each of the converters;
Based on the detected output current, the abnormality of the conversion unit is determined,
A method for protecting a power conversion device, comprising: limiting a total value of output currents of the conversion units to a predetermined value or less based on a determination result.
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