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１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、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それぞれダイオードを逆並列接続した第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、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、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それぞれダイオードを逆並列接続した第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、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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