(57)【要約】    制御回路（６）は、過電流検知部が過電流を検知したとき、順方向および逆方向にスイッチング可能なスイッチング素子のオンオフ制御を、それまでに流れていた電流が低減するモードであって、当該モードがダイオードのいずれかを通電させるモードである場合は、当該通電ダイオードに並列に接続されているスイッチング素子をオンするように制御する。具体的には、電流が上下アームの直列接続点からモータ（２）へ流れ出す相の上アームのスイッチング素子（４ａ）をオフし、下アームのスイッチング素子（４ｄ）をオン、モータ（２）から直列接続点を通して流れ込む相の下アームのスイッチング素子（４ｅ）、（４ｆ）をオフし、上アームのスイッチング素子（４ｂ）、（４ｃ）をオンする。これにより、過電流が発生した場合でも、スイッチング素子と並列に接続されたダイオードに流れる電流を抑制し、過電流による劣化や破壊から保護する。
2012056766.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の入出力端を構成する正極および負極と、互いに直列にして前記第１の入出力端の前記正極から前記負極までの間に接続された上アームおよび下アームとを備え、前記上アームと前記下アームとの直列接続点を第２の入出力端に接続する電力変換装置であって、
前記上アームおよび前記下アームは、それぞれ順方向および逆方向にスイッチング可能なスイッチング素子と前記スイッチング素子に並列に接続されたダイオードとを有し、
前記スイッチング素子のオンオフ制御を行う制御回路、前記直列接続点と前記第２の入出力端との接続部に流れる電流を検出する電流検出器、および前記電流検出器からの電流検出値が所定の過電流設定値を越えたことを検知する過電流検知部を備え、
前記制御回路は、前記過電流検知部が過電流を検知したとき、前記スイッチング素子のオンオフ制御を、それまでに流れていた電流が低減するモードであって、当該モードが前記ダイオードのいずれかを通電させるモードである場合は、当該通電ダイオードに並列に接続されている前記スイッチング素子をオンさせる電流低減オンオフ制御モードに切り換える電力変換装置。
【請求項２】
前記正極と前記負極との間にコンデンサが接続され、前記上アームおよび前記下アームは各相毎に設けられ、直流電圧が印加される前記第１の入出力端と交流電圧が印加される前記第２の入出力端との間で直流／交流変換を行う請求項１記載の電力変換装置。
【請求項３】
前記正極と前記負極との間に第１のコンデンサが接続され、前記第２の入出力端を構成する正極および負極との間に第２のコンデンサが接続され、前記直列接続点と前記第２の入出力端の前記正極との間にリアクトルが挿入接続され、直流電圧が印加される前記第１の入出力端と直流電圧が印加される前記第２の入出力端との間で直流／直流変換を行う請求項１記載の電力変換装置。
【請求項４】
前記電流低減オンオフ制御モードは、前記コンデンサの充電動作を行う充電オンオフ制御モードである請求項２記載の電力変換装置。
【請求項５】
前記電流低減オンオフ制御モードは、通電路に前記コンデンサが含まれない還流動作を行う還流オンオフ制御モードである請求項２記載の電力変換装置。
【請求項６】
前記電流低減オンオフ制御モードは、一旦通電路に前記コンデンサが含まれない還流動作を行う還流オンオフ制御モードにした後、前記コンデンサの充電動作を行う充電オンオフ制御モードに移行するものである請求項２記載の電力変換装置。
【請求項７】
前記正極および前記負極に加えて中間電極を備え、前記コンデンサとして前記正極と前記中間電極との間に接続された正極側コンデンサおよび前記中間電極と前記負極との間に接続された負極側コンデンサを備え、前記スイッチング素子と前記ダイオードとの並列体として前記上アームおよび前記下アームに加えて前記中間電極と前記各相の直列接続点との間に接続された中間アームを備え、前記第２の入出力端に３レベルの電位を出力可能とした請求項２記載の電力変換装置。
【請求項８】
前記正極および前記負極に加えて中間電極を備え、前記コンデンサとして前記正極と前記中間電極との間に接続された正極側コンデンサおよび前記中間電極と前記負極との間に接続された負極側コンデンサを備え、前記上アームとして、それぞれ前記ダイオードが並列に接続された前記スイッチング素子であって互いに直列に接続された第１および第２のスイッチング素子を備え、前記下アームとして、それぞれ前記ダイオードが並列に接続された前記スイッチング素子であって互いに直列に接続された第３および第４のスイッチング素子を備え、前記第１および第２のスイッチング素子の接続点と前記中間電極との間、前記第３および第４のスイッチング素子の接続点と前記中間電極との間にそれぞれ挿入されたクランプダイオードを備え、前記第２の入出力端に３レベルの電位を出力可能とした請求項２記載の電力変換装置。
【請求項９】
前記電流低減オンオフ制御モードは、前記正極側コンデンサと前記負極側コンデンサとのいずれか一方の充電動作を行う充電オンオフ制御モードである請求項７または８に記載の電力変換装置。
【請求項１０】
前記電流検出器からの検出電流の電流方向を検知する電流方向検知部を備え、
前記充電オンオフ制御モードは、前記電流方向検知部で検知した電流方向が前記直列接続点から流れ出す相のそれぞれ前記上アームのスイッチング素子をオフ、前記下アームのスイッチング素子をオンとし、前記電流方向検知部で検知した電流方向が前記直列接続点に流れ込む相のそれぞれ前記下アームのスイッチング素子をオフ、前記上アームのスイッチング素子をオンとするものであり、さらに前記中間アームを備える場合には、全ての相の前記中間アームをオフとする請求項４、６、７、８のいずれか１項に記載の電力変換装置。
【請求項１１】
前記還流オンオフ制御モードは、全ての相のそれぞれ前記上アームのスイッチング素子をオフ、前記下アームのスイッチング素子をオンとする、または、前記全ての相のそれぞれ前記上アームのスイッチング素子をオン、前記下アームのスイッチング素子をオフとするものであり、さらに前記中間アームを備える場合には、全ての相の前記中間アームをオフとする請求項５または６に記載の電力変換装置。
【請求項１２】
前記制御回路は、前記電流低減オンオフ制御モードに切り換えた後、前記電流検出器からの電流検出値が所定の下限値以下になったとき、前記通電ダイオードに並列に接続された前記スイッチング素子をオフする請求項１ないし８のいずれか１項に記載の電力変換装置。
【請求項１３】
前記制御回路は、前記電流低減オンオフ制御モードに切り換えた後、前記電流検出器からの電流検出値が所定の下限値以下になった相から順次、前記通電ダイオードに並列に接続された前記スイッチング素子をオフする請求項２、４ないし８のいずれか１項に記載の電力変換装置。
【請求項１４】
前記スイッチング素子および前記ダイオードを構成する半導体素子の全部または一部が、ワイドギャップ半導体で形成されている請求項１ないし８のいずれか１項に記載の電力変換装置。
【請求項１５】
前記ワイドギャップ半導体は、炭化珪素、窒化ガリウムまたはダイヤモンドである請求項１４記載の電力変換装置。  
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、電力用半導体素子を用いた電力変換装置に関するものであり、特に過電流が流れた場合における、スイッチング素子と並列に接続されたダイオードの保護に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来の電力変換装置として、例えば、特許文献１に同期整流方式に関するものが示されている。この特許文献１には、誘導性負荷を駆動する場合において、スイッチング素子の順方向とは逆方向に電流が流れる還流モード時にパワースイッチング素子をオン駆動させ、パワースイッチング素子における電圧降下を極力低減する同期整流方式に関し、デッドタイムを最小限に短縮し、それにより、フリーホイールダイオードを削減することが可能な回路方式が示されている。【０００３】
また、別の電力変換装置として、例えば、特許文献２には、インバータ装置の過電流保護に関するものが示されている。この特許文献２では、異常電流が流れた場合にはゲート電圧制御回路が作動し、作動中は出力遮断信号が電流を急激に遮断することはないのが特徴であるが、過電流が発生した時には、全スイッチング素子をオフする例が示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００８−２１１７０３号公報
【特許文献２】特開平０６−０５４５５２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
特許文献２のように、過電流時に全スイッチング素子をオフすると、スイッチング素子と並列に接続されたダイオードに過電流が流れる。特許文献１に示されたような同期整流方式を用いる場合、特にフリーホイールダイオードを削減し、ボディダイオードに電流を流す場合等、スイッチング素子と並列に接続されたダイオードの過電流耐量が低いと、ダイオードの劣化や、最悪の場合、破壊に至る可能性がある。【０００６】
この発明は、上記のような問題点を解決するためになされたものであり、過電流が発生した場合でも、スイッチング素子と並列に接続されたダイオードに流れる電流を抑制し、過電流による劣化や破壊から保護することが可能な電力変換装置を得ることを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
この発明に係る電力変換装置は、第１の入出力端を構成する正極および負極と、互いに直列にして第１の入出力端の正極から負極までの間に接続された上アームおよび下アームとを備え、上アームと下アームとの直列接続点を第２の入出力端に接続する電力変換装置であって、
上アームおよび下アームは、それぞれ順方向および逆方向にスイッチング可能なスイッチング素子とスイッチング素子に並列に接続されたダイオードとを有し、
スイッチング素子のオンオフ制御を行う制御回路、直列接続点と第２の入出力端との接続部に流れる電流を検出する電流検出器、および電流検出器からの電流検出値が所定の過電流設定値を越えたことを検知する過電流検知部を備え、
制御回路は、過電流検知部が過電流を検知したとき、スイッチング素子のオンオフ制御を、それまでに流れていた電流が低減するモードであって、当該モードがダイオードのいずれかを通電させるモードである場合は、当該通電ダイオードに並列に接続されているスイッチング素子をオンさせる電流低減オンオフ制御モードに切り換えるものである。
【発明の効果】
【０００８】
以上のように、この発明に係る電力変換装置の制御回路は、過電流検知部が過電流を検知したとき、スイッチング素子のオンオフ制御を、それまでに流れていた電流が低減するモードであって、当該モードがダイオードのいずれかを通電させるモードである場合は、当該通電ダイオードに並列に接続されているスイッチング素子をオンさせる電流低減オンオフ制御モードに切り換えるようにしたので、過電流が発生しても、ダイオードに流れる電流は確実に抑制され、劣化や破壊から保護することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】本発明の実施の形態１による電力変換装置を示す回路図である。
【図２】本発明の実施の形態１による電力変換装置の過電流検知時の動作を示す回路図である。
【図３】本発明の実施の形態２による電力変換装置を示す回路図である。
【図４】本発明の実施の形態２による電力変換装置の過電流検知時の動作を示す回路図である。
【図５】本発明の実施の形態３による電力変換装置の過電流検知時の動作を示す回路図である。
【図６】本発明の実施の形態４による電力変換装置を示す回路図である。
【図７】本発明の実施の形態４による電力変換装置の過電流検知時の動作を示す回路図である。
【図８】本発明の実施の形態５による電力変換装置の過電流検知時の動作を示す回路図である。
【図９】本発明の実施の形態６による電力変換装置の過電流検知時の動作を示す回路図である。
【図１０】本発明の実施の形態７による電力変換装置の過電流検知時の動作を示す回路図である。
【図１１】本発明の実施の形態７による電力変換装置の過電流検知時の図１０と異なる動作を示す回路図である。
【図１２】本発明の実施の形態８による電力変換装置の過電流検知時の動作を示す回路図である。
【図１３】本発明の実施の形態８による電力変換装置の過電流検知時の図１２と異なる動作を示す回路図である。
【図１４】本発明の実施の形態９による電力変換装置を示す回路図である。
【図１５】本発明の実施の形態９による電力変換装置の過電流検知時の動作を示す回路図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
実施の形態１．
図１に、本発明の実施の形態１による電力変換装置の回路図を示す。電力変換装置の代表例として、３相２レベルインバータを用いて説明する。電力変換装置１００は、その第１の入出力端１０１に直流電源１が接続され、直流電源１の直流電圧を３相交流電圧に変換して第２の入出力端１０２に接続された、交流側のモータ２を駆動する。電力変換装置１００の第１の入出力端１０１にはフィルタコンデンサ３が接続されている。第１の入出力端１０１の正極と負極との間には３相分のスイッチング素子４ａ〜４ｃ、４ｄ〜４ｆが直列に接続されている。スイッチング素子４ａ〜４ｆは、ＭＯＳＦＥＴ等、順方向および逆方向にスイッチング可能な素子を用いて構成される。スイッチング素子４ａ〜４ｆと並列にダイオード５ａ〜５ｆが接続され、正極側に取り付けられたスイッチング素子４ａ〜４ｃとダイオード５ａ〜５ｃとで各相の上アームを構成し、負極側に取り付けられたスイッチング素子４ｄ〜４ｆとダイオード５ｄ〜５ｆとで各相の下アームを構成する。
【００１１】
上アームのスイッチング素子４ａ〜４ｃと下アームのスイッチング素子４ｄ〜４ｆとの直列接続点は出力点となっており、モータ２に接続されている。制御回路６は、スイッチング素子４ａ〜４ｆをオン、オフする制御信号を駆動回路７ａ〜７ｆに出力し、駆動回路７ａ〜７ｆは、制御信号にもとづき、スイッチング素子４ａ〜４ｆを駆動する。モータ２とスイッチング素子４ａ〜４ｆの直列接続点との間には各相の電流を検出する電流検出器８ａ〜８ｃが挿入されており、電流検出器８ａ〜８ｃの検出信号は、制御回路６に入力される。制御回路６は、電流検出器８ａ〜８ｃの検出信号を受け、過電流が流れているか否か、すなわち、電流検出値が予め設定された所定の過電流設定値を越えることを判断する過電流検知部および電流検出器８ａ〜８ｃからの検出電流の電流方向を検知する電流方向検知部を備えている。
【００１２】
正常状態においては、上アームのスイッチング素子と下アームのスイッチング素子とを、両アームのスイッチング素子が同時にオンしないようにデッドタイムを挟んで交互にオン駆動する同期整流方式が用いられる。例えば、上アームのスイッチング素子４ａを通して、正極側から、モータ２側へ電流が流れている状態から、スイッチング素子４ａをオフすると、スイッチング素子４ａに流れていた電流は、下アームのダイオード５ｄに転流する。デッドタイム期間、すなわち、上アームのスイッチング素子４ａも下アームのスイッチング素子４ｄもオフしている期間は下アームのダイオード５ｄに流れるが、その後、下アームのスイッチング素子４ｄがオンし、電流は下アームのスイッチング素子４ｄとダイオード５ｄに分流して流れる。なお、スイッチング素子４ｄとダイオード５ｄとの分流比は素子特性によって決まり、素子特性によってはスイッチング素子のみに電流が流れる場合もある。また、特許文献１にあるように、デッドタイムを極力短くする手法を用いれば、スイッチング素子に電流が流れず、ダイオードにのみ電流が流れる期間を短縮することもできる。
【００１３】
このような同期整流方式を用いる場合、ダイオードのみに電流が流れる期間は短く、それ以外の期間も電流が流れたとしてもスイッチング素子と分流して流れるため、同期整流方式を用いない場合に比べ、ダイオードを小容量化することが可能で、場合によっては、スイッチング素子のボディダイオードを用いることも可能となる。
なお、この発明の適用上、正常状態における制御動作として、必ずしも、同期整流方式を採用しなくてもよい。実施の形態２以降の場合も同様である。
【００１４】
次に、過電流発生時の動作について図２にもとづき説明する。特許文献２のように、過電流検知時に全スイッチング素子をオフすると、ダイオードに過電流が流れるという問題があるが、過電流が流れるダイオードと並列に接続されたスイッチング素子をオンすることでダイオードの保護が可能となる。図２（ａ）は、過電流が流れている状態を示しており、スイッチング素子４ａ、４ｅ、４ｆがオン状態で、スイッチング素子４ａ、４ｅ、４ｆの順方向に電流が流れている場合を想定している。過電流が流れると、電流検出器８ａ〜８ｃからの検出信号を受けて、制御回路６はその過電流検知部が過電流の発生を検知し、その電流方向検知部により検知される、過電流が流れている向きから、どのスイッチング素子をオンし、どのスイッチング素子をオフするかを判断する。すなわち、電流が電力変換装置１００内の上下アームの直列接続点から交流側のモータ２へ流れ出す相の上アームのスイッチング素子をオフ、下アームのスイッチング素子をオン、交流側のモータ２から直列接続点を通して電力変換装置１００内へ流れ込む相の下アームのスイッチング素子をオフ、上アームのスイッチング素子をオンする。
【００１５】
図２（ｂ）は、以上で示す保護動作後の状態を示しており、この例では、過電流検知時（図２（ａ））において、電流が電力変換装置１００内の直列接続点から交流側のモータ２へ流れ出す相の上アームのスイッチング素子４ａをオフし、下アームのスイッチング素子４ｄをオン、交流側のモータ２から直列接続点を通して電力変換装置１００内へ流れ込む相の下アームのスイッチング素子４ｅ、４ｆをオフし、上アームのスイッチング素子４ｂ、４ｃをオンする。このように制御することにより、電流はダイオードとスイッチング素子に分流して流れつつ、フィルタコンデンサ３を充電する回路動作となり、電流は減衰する。
【００１６】
すなわち、制御回路６は、その過電流検知部が過電流の発生を検知すると、各スイッチング素子のオンオフ制御を、それまでに流れていた電流が低減するモードであって、当該モードがダイオードのいずれかを通電させるモードである場合は、当該通電ダイオードに並列に接続されているスイッチング素子をオンさせる電流低減オンオフ制御モードに切り換える。ここでは、この電流低減オンオフ制御モードは、フィルタコンデンサ３を充電する、充電オンオフ制御モードになっており、同制御モードにおいてオン動作させるスイッチング素子（４ｂ、４ｃ、４ｄ）は、いずれも各並列接続されたダイオード（５ｂ、５ｃ、５ｄ）と分流して、当該ダイオードに流れる電流を一層軽減させる役割を担っている。
【００１７】
その後、電流がダイオードの劣化や、破壊に影響しない程度まで低下し、予め設定した所定の下限値以下になった後、オンしているスイッチング素子をオフすることで電流を遮断することができる。３相の場合には、電流がダイオードの劣化や、破壊に影響しない程度まで低下した相からスイッチング素子をオフしても良い。
【００１８】
特許文献２のように、過電流検知時に全スイッチング素子をオフした場合には、スイッチング素子に電流が流れず、ダイオードのみに電流が流れるのに対し、本発明では、電流は、スイッチング素子とダイオードとに分流して流れるため、ダイオードの劣化や破壊を防止することができる。特に、同期整流方式を採用する等により、ダイオードにスイッチング素子のボディダイオードを用いる場合等、ダイオードの過電流耐量が低い場合は、この発明の効果は大きくなる。
【００１９】
以上のように、この発明の実施の形態１では、電力変換装置としての３相２レベルインバータにおいて、過電流を検知すると、スイッチング素子のそれまでのオンオフ制御モードを、それまでに流れていた電流が低減する電流低減オンオフ制御モードである、フィルタコンデンサを充電する充電オンオフ制御モードに切り換え、これにより、同時に通電するダイオードはそれに並列に接続されたスイッチング素子がオンされ当該スイッチング素子にも分流されるので、ダイオードに流れる電流が大幅に低減し、過電流発生によるダイオードの劣化や破壊が防止され耐久性が向上する。
【００２０】
なお、この例では電力変換装置として直流を交流に変換するインバータの例を示したが、上アームと下アームにスイッチング素子とスイッチング素子と並列にダイオードを備えていれば、交流を直流に変換するコンバータであっても良い。
【００２１】
実施の形態２．
先の実施の形態１では、２レベル電力変換装置の場合を示したが、本実施の形態では、正極および負極に加えて中間電極を有する３レベル電力変換装置の場合について説明する。図３に、本実施の形態２による電力変換装置の回路図を示す。図３の電力変換装置２００は、第２の入出力端２０２に接続された単相交流電源１０の交流を直流に変換して第１の入出力端２０１から出力する単相３レベルコンバータで、先の実施の形態１で示した電力変換装置１００の直流電源として用いた場合を示している。
【００２２】
３レベル電力変換装置２００では、正極、負極と中間電極を有するため、正極側フィルタコンデンサ１１ａと負極側フィルタコンデンサ１１ｂとを用いている。正極側と負極側との間には、上アームのスイッチング素子１２ａ、１２ｅと下アームのスイッチング素子１２ｄ、１２ｈとが互いに直列に接続して取り付けられ、これらの直列接続点が単相交流電源１０に接続されている。また、これら直列接続点と、正極側フィルタコンデンサ１１ａと負極側フィルタコンデンサ１１ｂの接続点（中間電極）との間には、それぞれ中間電位を出力する中間アームを構成する、スイッチング素子１２ｂと１２ｃ、１２ｆと１２ｇが互いに逆直列にして取り付けられている。
スイッチング素子１２ａ〜１２ｈは、ＭＯＳＦＥＴ等、順方向および逆方向にスイッチング可能な素子を用いて構成される。また、各スイッチング素子には、ダイオード１３ａ〜１３ｈが並列に接続される。
【００２３】
制御回路１４は、スイッチング素子１２ａ〜１２ｈをオン、オフする制御信号を駆動回路１５ａ〜１５ｈに出力し、駆動回路１５ａ〜１５ｈは、制御信号にもとづき、スイッチング素子１２ａ〜１２ｈを駆動する。単相交流電源１０の各相の電流を検出する電流検出器１６ａ、１６ｂが取り付けられており、電流検出器１６ａ、１６ｂの検出信号は、制御回路１４に入力される。制御回路１４は、電流検出器１６ａ、１６ｂの検出信号を受け、過電流が流れているか否か、すなわち、電流検出値が予め設定された所定の過電流設定値を越えることを判断する過電流検知部および電流検出器１６ａ、１６ｂからの検出電流の電流方向を検知する電流方向検知部を備えている。
【００２４】
このような３レベル電力変換装置においても、正常状態においてはダイオードの順方向に電流が流れる場合にダイオードと並列に接続されたスイッチング素子をオンする同期整流方式を用いることにより、ダイオードに流れる電流をスイッチング素子に分流させることができ、ダイオードを小容量化することが可能で、場合によっては、スイッチング素子のボディダイオードを用いることもできる。
【００２５】
図４を用いて３レベル電力変換装置２００の過電流発生時の動作について説明する。図４（ａ）は、過電流が流れている場合を想定しており、スイッチング素子１２ａを通して電力変換装置２００側から単相交流電源１０側へ、スイッチング素子１２ｆ、１２ｇを通して単相交流電源１０側から電力変換装置２００側へ流れている。過電流が流れると、電流検出器１６ａ、１６ｂからの検出信号を受けて、制御回路１４は、その過電流検知部により過電流を検知すると、電流低減オンオフ制御モードに切り換えるため、その電流方向検知部により検知した、電流が流れている向きから、どのスイッチング素子をオンし、どのスイッチング素子をオフするかを判断する。
【００２６】
先の実施の形態１においては、上アームと下アームのスイッチング素子のオン、オフ制御であったが、３レベル電力変換装置の場合、中間アームのスイッチング素子のオンオフ制御も考慮する必要がある。
電流の減衰を早くするためには、フィルタコンデンサ１１ａ、１１ｂの両方に電流を戻す充電動作とした方が良く、そのためには、中間アームのスイッチング素子１２ｂ、１２ｃ、１２ｆ、１２ｇ、および、ダイオード１３ｂ、１３ｃ、１３ｆ、１３ｇに電流を流さない方が良い。よって、電流が電力変換装置２００内の上下アームの直列接続点から単相交流電源１０側へ流れ出す相については、上アームのスイッチング素子をオフ、下アームのスイッチング素子をオン、単相交流電源１０側から直列接続点を通じて電力変換装置２００内に流れ込む相については、下アームのスイッチング素子をオフ、上アームのスイッチング素子をオン、中間アームのスイッチング素子はオフ制御する。
【００２７】
図４（ｂ）は、以上で示す保護動作後の状態を示しており、この例では、過電流検知時（図４（ａ））において、電流が電力変換装置２００内の直列接続点から単相交流電源１０側に流れ出す相については、上アームのスイッチング素子１２ａをオフし、下アームのスイッチング素子１２ｄをオン、中間アームのスイッチング素子１２ｃをオンからオフに制御する。電流が単相交流電源１０側から直列接続点を通じて電力変換装置２００内へ流れ込む相については、下アームのスイッチング素子１２ｈはオフ状態を保ち、中間アームのスイッチング素子１２ｆ、１２ｇをオフし、上アームのスイッチング素子１２ｅをオン制御する。このように制御することにより、それまでのオンオフ制御モードが、両フィルタコンデンサ１１ａ、１１ｂを充電する、電流低減オンオフ制御モードである充電オンオフ制御モードに切り換わって過電流状態から電流が低減していくと同時に、電流はスイッチング素子１２ｄ、１２ｅとダイオード１３ｄ、１３ｅとに分流するので、通電ダイオードの電流は一層減衰する。その後、電流がダイオードの劣化や、破壊に影響しない程度まで低下した時点でオンしているスイッチング素子をオフすることで電流を遮断することができる。
【００２８】
以上のように、この発明の実施の形態２では、電力変換装置としての単相３レベルコンバータにおいて、過電流を検知すると、スイッチング素子のそれまでのオンオフ制御モードを、それまでに流れていた電流が低減する電流低減オンオフ制御モードである、正極側フィルタコンデンサおよび負極側フィルタコンデンサを充電する充電オンオフ制御モードに切り換え、これにより、同時に通電するダイオードはそれに並列に接続されたスイッチング素子がオンされ当該スイッチング素子にも分流されるので、ダイオードに流れるが大幅に低減し、過電流発生によるダイオードの劣化や破壊が防止され耐久性が向上する。特に、両フィルタコンデンサを充電する動作となるので、電流の減衰が速くなるという利点がある。
【００２９】
なお、本実施の形態では電力変換装置として単相交流を直流に変換する単相３レベルコンバータの例を示したが、３相交流を直流に変換する場合や、直流を単相または３相交流に変換する３レベルインバータとして用いる場合にも適用できる。
【００３０】
実施の形態３．
図５に、本発明の実施の形態３による電力変換装置の回路図を示す。本実施の形態も先の実施の形態２と同様、３レベル電力変換装置の場合である。３レベル電力変換装置では正極、負極と中間電極を有するため、実施の形態２のように、電流低減オンオフ制御モードとして、電流を正極、負極間に直列接続された正極側および負極側フィルタコンデンサの両方を充電する方向に電流を流し、電流を減衰させることもできるが、片側のコンデンサを充電する方向に電流を流して電流を減衰させることもできる。本実施の形態ではそのような制御方法に関するものである。
【００３１】
図５（ａ）、（ｂ）は、片側のフィルタコンデンサを充電する方向に電流を流すように制御する例で、図５（ａ）は、正極側フィルタコンデンサ１１ａを、図５（ｂ）は、負極側フィルタコンデンサ１１ｂを充電する方向に電流が流れるよう制御している。ここでも、実施の形態２の場合と同様、図４（ａ）の状態での過電流を想定しており、その状態から、保護動作した後の制御方法、すなわち、電流低減オンオフモードとしての充電オンオフ制御モードを示している。
【００３２】
先ず、正極側フィルタコンデンサ１１ａを充電する方向に電流を流すには、電流が電力変換装置内の直列接続点から単相交流電源側に流れ出す相については、上アーム、下アームのスイッチング素子をオフ、中間アームの２個のスイッチング素子をオンとし、電流が単相交流電源側から直列接続点を通じて電力変換装置内へ流れ込む相については、下アームのスイッチング素子、中間アームの２個のスイッチング素子をオフ、上アームのスイッチング素子がオン状態となるよう制御する。
【００３３】
図５（ａ）の例では、電力変換装置内の直列接続点から単相交流電源側へ電流が流れ出る相の上アームのスイッチング素子１２ａをオンからオフにし、中間アームのスイッチング素子１２ｂをオフからオンにし、下アームのスイッチング素子１２ｄはオフ状態を、中間アームのもう一つのスイッチング素子１２ｃはオン状態を保つ。単相交流電源側から直列接続点を通じて電力変換装置内へ電流が流れ込む相の中間アームの２個のスイッチング素子１２ｆ、１２ｇをオンからオフにし、上アームのスイッチング素子１２ｅをオフからオンにし、下アームのスイッチング素子１２ｈはオフ状態を保つ。
【００３４】
負極側のフィルタコンデンサ１１ｂを充電する方向に電流を流すには、電流が電力変換装置内の直列接続点から単相交流電源側に流れ出す相については、上アーム、中間アームの２個のスイッチング素子をオフ、下アームのスイッチング素子をオンとし、電流が単相交流電源側から直列接続点を通じて電力変換装置内へ流れ込む相については、上アーム、下アームのスイッチング素子をオフ、中間アームの２個のスイッチング素子をオン状態となるよう制御する。
【００３５】
図５（ｂ）の例では、電力変換装置内の直列接続点から単相交流電源側へ電流が流れ出る相の上アームのスイッチング素子１２ａ、中間アームのスイッチング素子１２ｃをオンからオフ、下アームのスイッチング素子１２ｄをオフからオン、中間アームのスイッチング素子１２ｂはオフ状態を保つ。単相交流電源側から直列接続点を通じて電力変換装置内へ電流が流れ込む相の上アームのスイッチング素子１２ｅ、下アームのスイッチング素子１２ｈはオフ状態を、中間アームの２個のスイッチング素子１２ｆ、１２ｇはオン状態を保つ。
【００３６】
本実施の形態では、実施の形態２に比べ、充電オンオフ制御モードが、正極側フィルタコンデンサ１１ａまたは負極側フィルタコンデンサ１１ｂのいずれか一方のみを充電するものであるので、電流の減衰は遅くなるが、本実施の形態でもダイオードのみに電流が流れることはなく、スイッチング素子とダイオードとに分流して流れるため、通電ダイオードの劣化や破壊から保護することができる。特に、ダイオードにスイッチング素子のボディダイオードを用いる場合、ボディダイオードは過電流耐量が低いため、その効果は大きくなる。
【００３７】
なお、本実施の形態における充電オンオフ制御モードとして、正極側フィルタコンデンサ１１ａまたは負極側フィルタコンデンサ１１ｂのいずれを充電対象に選択するかの判定方式としては、以下の方法が考えられる。
例えば、過電流検知部が過電流を検知したときの正極側フィルタコンデンサ１１ａと負極側フィルタコンデンサ１１ｂとの電圧を比較するコンデンサ電圧比較部を備え、正極側フィルタコンデンサ１１ａと負極側フィルタコンデンサ１１ｂとのいずれか、コンデンサ電圧比較部で比較した電圧が低い方のコンデンサを選択して充電動作を行う方式が考えられる。この場合、この充電動作により、両コンデンサの電圧がバランスする方向への動作になるという利点がある。
【００３８】
また、他の方式として、過電流検知部が過電流を検知したときの正極側フィルタコンデンサ１１ａと負極側フィルタコンデンサ１１ｂとの放電動作を、スイッチング素子のオンオフ状態、および、過電流が流れている向き等から検出するコンデンサ放電検出部を備え、コンデンサ放電検出部で正極側フィルタコンデンサ１１ａと負極側フィルタコンデンサ１１ｂとのいずれか一方の放電が検出されたときは、当該放電が検出された一方のコンデンサを選択して充電動作を行う方式が考えられる。
なお、両コンデンサの電圧が同程度の場合や、両コンデンサの放電が検出されたときは、先の実施の形態２の場合と同様、両コンデンサを充電するようにして電流低減を速めるようにしてもよく、また、片側のコンデンサの電圧が高く、両コンデンサを充電すると電圧が高くなり過ぎるときは電圧の低いコンデンサのみを充電するようにしてもよい。
【００３９】
以上のように、この発明の実施の形態３では、電力変換装置としての単相３レベルコンバータにおいて、過電流を検知すると、スイッチング素子のそれまでのオンオフ制御モードを、それまでに流れていた電流が低減する電流低減オンオフ制御モードである、正極側フィルタコンデンサまたは負極側フィルタコンデンサのいずれか一方を充電する充電オンオフ制御モードに切り換え、これにより、同時に通電するダイオードはそれに並列に接続されたスイッチング素子がオンされ当該スイッチング素子にも分流されるので、ダイオードに流れるが大幅に低減し、過電流発生によるダイオードの劣化や破壊が防止され耐久性が向上する。
【００４０】
実施の形態４．
図６に、本発明の実施の形態４による電力変換装置の回路図を示す。本実施の形態も正極、負極と中間電極を有する３レベル電力変換装置であるが、回路構成が先の実施の形態２、３とは異なる場合を示している。正極と負極との間には各相、正極側から順に、第１のスイッチング素子１７ａ、１７ｅ、第２のスイッチング素子１７ｂ、１７ｆ、第３のスイッチング素子１７ｃ、１７ｇ、第４のスイッチング素子１７ｄ、１７ｈが４直列に接続され、第２と第３のスイッチング素子の接続点が単相交流電源１０に接続されている。
第１〜第４のスイッチング素子１７ａ〜１７ｈは、ＭＯＳＦＥＴ等、順方向および逆方向にスイッチング可能な素子を用いて構成される。
【００４１】
また、第１〜第４のスイッチング素子１７ａ〜１７ｈには並列にダイオード１８ａ〜１８ｈが接続される。また、正極側および負極側フィルタコンデンサ１１ａと１１ｂとの接続点と第１と第２のスイッチング素子との接続点、第３と第４のスイッチング素子との接続点との間にはクランプダイオード１９ａ〜１９ｄが接続されている。
第１と第２のスイッチング素子１７ａ、１７ｂ、１７ｅ、１７ｆとダイオード１８ａ、１８ｂ、１８ｅ、１８ｆとクランプダイオード１９ａ、１９ｃとが各相の上アームを形成し、第３と第４のスイッチング素子１７ｃ、１７ｄ、１７ｇ、１７ｈとダイオード１８ｃ、１８ｄ、１８ｇ、１８ｈとクランプダイオード１９ｂ、１９ｄとが各相の下アームを形成する。
【００４２】
このような３レベル電力変換装置を用いる場合、実施の形態２、３に比べ、クランプダイオード１９ａ〜１９ｄを備える分、素子数が増えるが、正負極間に素子が４直列で接続されるため、各スイッチング素子に印加される電圧が低くなり、定格電圧の低い素子を用いることができる利点がある。
【００４３】
このような３レベル電力変換装置においても、正常状態においてはダイオードの順方向に電流が流れる場合にダイオードと並列に接続されたスイッチング素子をオンする同期整流方式を用いることにより、ダイオードに流れる電流をスイッチング素子に分流させることができ、ダイオードを小容量化することが可能で、場合によっては、スイッチング素子のボディダイオードをダイオードとして用いることもできる。
【００４４】
図７を用いて、過電流発生時の動作について説明する。図７（ａ）は、過電流が流れる場合を想定しており、スイッチング素子１７ａ、１７ｂを通して電力変換装置２００側から単相交流電源１０側へ、スイッチング素子１７ｇ、クランプダイオード１９ｄを通して単相交流電源１０側から電力変換装置２００側へ流れている。過電流が流れると、電流検出器１６ａ、１６ｂからの検出信号を受けて、制御回路２１は、その過電流検知部により過電流を検知すると、電流低減オンオフ制御モードに切り換えるため、その電流方向検知部により検知した、電流が流れている向きから、どのスイッチング素子をオンし、どのスイッチング素子をオフするかを判断する。
【００４５】
スイッチング素子が直列に接続されている点が先の実施の形態２の場合と異なるが、本実施の形態でも電力変換装置２００側から単相交流電源１０側へ電流が流れ出る相については、上アームのスイッチング素子をオフ、下アームのスイッチング素子をオン制御する。単相交流電源１０側から電力変換装置２００内へ電流が流れ込む相については、下アームのスイッチング素子をオフ、上アームのスイッチング素子をオン制御する。
【００４６】
図７（ｂ）は、過電流保護動作後を示しており、この例では、過電流検知時（図７（ａ））において、電流が電力変換装置２００から単相交流電源１０側に流れ出る相の上アームのスイッチング素子である１７ａ、１７ｂをオフし、下アームのスイッチング素子である１７ｃ、１７ｄをオン制御する。電流が単相交流電源１０側から電力変換装置２００内へ流れ込む相については、下アームのスイッチング素子１７ｇをオフし、１７ｈについてはオフ状態を保ち、上アームのスイッチング素子である１７ｅをオン、１７ｆについてはオン状態を保つ。これにより、電流はスイッチング素子１７ｃ、１７ｄ、１７ｅ、１７ｆとダイオード１８ｃ、１８ｄ、１８ｅ、１８ｆとを通して流れつつ、減衰する。
その後、電流がダイオードの劣化や、破壊に影響しない程度まで低下した時点でオンしているスイッチング素子をオフすることで電流を遮断することができる。
【００４７】
以上のように、この発明の実施の形態４では、電力変換装置としての単相３レベルコンバータにおいて、過電流を検知すると、スイッチング素子のそれまでのオンオフ制御モードを、それまでに流れていた電流が低減する電流低減オンオフ制御モードである、正極側フィルタコンデンサおよび負極側フィルタコンデンサを充電する充電オンオフ制御モードに切り換え、これにより、同時に通電するダイオードはそれに並列に接続されたスイッチング素子がオンされ当該スイッチング素子にも分流されるので、ダイオードに流れる電流が大幅に低減し、過電流発生によるダイオードの劣化や破壊が防止され耐久性が向上する。特に、両フィルタコンデンサを充電する動作となるので、電流の減衰が速くなるという利点がある。
【００４８】
なお、本実施の形態では電力変換装置として単相３レベルコンバータの例を示したが、３相の場合や、インバータとして用いる場合にも適用できる。
【００４９】
実施の形態５．
図８に、本発明の実施の形態５による電力変換装置の回路図を示す。本実施の形態は先の実施の形態４と同様の回路構成の３レベル電力変換装置において、実施の形態３に示したように、正極側、負極側のフィルタコンデンサの片側を充電する方向に電流が流れるように制御する場合に関する。
【００５０】
図８（ａ）は、図７（ａ）の過電流状態から正極側フィルタコンデンサ１１ａを充電する方向に、図８（ｂ）は、負極側フィルタコンデンサ１１ｂを充電する方向に電流が流れるように制御した場合を示している。正極側フィルタコンデンサ１１ａを充電する方向に電流を流す場合には、電力変換装置２００側から単相交流電源１０側へ電流が流れ出る相については、第１、第３、第４のスイッチング素子をオフし、第２のスイッチング素子をオン、単相交流電源１０側から電力変換装置２００内へ電流が流れ込む相については、第３、第４のスイッチング素子をオフし、第１、第２のスイッチング素子をオンする。
【００５１】
負極側フィルタコンデンサ１１ｂを充電する方向に電流を流す場合には、電力変換装置２００側から単相交流電源１０側へ電流が流れ出る相については、第１、第２のスイッチング素子をオフし、第３、第４のスイッチング素子をオン、単相交流電源１０側から電力変換装置２００内へ電流が流れ込む相については、第１、第２、第４のスイッチング素子をオフし、第３のスイッチング素子をオンする。
【００５２】
具体的に、正極側フィルタコンデンサ１１ａを充電する方向に制御する図８（ａ）の場合では、電力変換装置２００側から単相交流電源１０側へ電流が流れ出る相の第１のスイッチング素子１７ａをオンからオフ、第３、第４のスイッチング素子１７ｃ、１７ｄはオフ状態を保ち、第２のスイッチング素子１７ｂはオン状態を保つ。単相交流電源１０側から電力変換装置２００内へ電流が流れ込む相の第３のスイッチング素子１７ｇをオンからオフ、第１のスイッチング素子１７ｅをオフからオン、第２のスイッチング素子１７ｆはオン状態を保ち、第４のスイッチング素子１７ｈはオフ状態を保つ。
【００５３】
また、負極側フィルタコンデンサ１１ｂを充電する方向に制御する図８（ｂ）の場合では、電力変換装置２００側から単相交流電源１０側へ電流が流れ出る相の第１、第２のスイッチング素子１７ａ、１７ｂをオンからオフ、第３、第４のスイッチング素子１７ｃ、１７ｄをオフからオンする。単相交流電源１０側から電力変換装置２００内へ電流が流れ込む相の第２のスイッチング素子１７ｆをオンからオフし、第１、第４のスイッチング素子１７ｅ、１７ｈはオフ状態を保ち、第３のスイッチング素子１７ｇはオン状態を保つ。
【００５４】
本実施の形態では、実施の形態４に比べ、電流の減衰は遅くなるが、本実施の形態でもダイオードのみに電流が流れることはなく、スイッチング素子とダイオードとに分流して流れるため、通電ダイオードの劣化や破壊から保護することができる。特に、ダイオードにスイッチング素子のボディダイオードを用いる場合、ボディダイオードは過電流耐量が低いため、その効果は大きくなる。
【００５５】
なお、本実施の形態における充電オンオフ制御モードとして、正極側フィルタコンデンサ１１ａまたは負極側フィルタコンデンサ１１ｂのいずれを充電対象に選択するかの判定方式としては、先の実施の形態３で説明したと同様の方式を採用すればよい。
【００５６】
以上のように、この発明の実施の形態５では、電力変換装置としての単相３レベルコンバータにおいて、過電流を検知すると、スイッチング素子のそれまでのオンオフ制御モードを、それまでに流れていた電流が低減する電流低減オンオフ制御モードである、正極側フィルタコンデンサまたは負極側フィルタコンデンサのいずれか一方を充電する充電オンオフ制御モードに切り換え、これにより、同時に通電するダイオードはそれに並列に接続されたスイッチング素子がオンされ当該スイッチング素子にも分流されるので、ダイオードに流れるが大幅に低減し、過電流発生によるダイオードの劣化や破壊が防止され耐久性が向上する。
【００５７】
実施の形態６．
図９に、本発明の実施の形態６による電力変換装置の回路図を示す。図９は、先の実施の形態１において示した電力変換装置と同じ、２レベル電力変換装置の場合であるが、実施の形態１とは制御方法が異なる場合を示している。すなわち、実施の形態１では、過電流を検知して切り換える電流低減オンオフ制御モードとして充電オンオフ制御モードを採用し、制御回路６が、電流の流れる方向を検出し、スイッチング素子の制御をしていたが、電流の流れる方向を検出し、どの素子をスイッチングさせるかを判断する必要があるため、保護動作まで時間を要する場合がある。
これに対し、本実施の形態は、電流低減オンオフ制御モードとして、通電路にフィルタコンデンサ３が含まれない還流オンオフ制御モードを採用するもので、切り換えに伴う演算時間を短縮し、保護動作までの時間を速くするための方式である。
【００５８】
図９は、実施の形態１で示したと同じ図２（ａ）で示した過電流発生状態から、保護動作を行った後の電流経路を示している。本方式では、過電流を検知した場合に、上アームの全スイッチング素子をオフ制御し、下アームの全スイッチング素子をオン制御する。図９の例では、図２（ａ）でスイッチング素子４ａを通して過電流が流れていた状態から、過電流が流れているスイッチング素子４ａをオフし、下アームのスイッチング素子である４ｄをオン、その他の相については下アームのスイッチング素子４ｅ、４ｆがオンした状態であるので、その状態を保つ。電流は、スイッチング素子４ｄ、ダイオード５ｄ、スイッチング素子４ｅ、４ｆを通して還流する。この制御により、電流を抑えつつ、ダイオード５ｄにのみ電流が流れることなく、スイッチング素子４ｄとダイオード５ｄに分流して流れるため、ダイオードの劣化や破壊から防ぐことができる。また、本方式では、過電流か否かのみの判断で良く、電流の向きからどのスイッチング素子をオン、オフ制御するかを判断する必要がないため、切り換えに係る演算時間を短縮し、保護動作までの時間を短縮することができる。
【００５９】
また、還流オンオフ制御モードとして、図９では上アームの全スイッチング素子をオフ制御し、下アームの全スイッチング素子をオン制御した例を示したが、下アームの全スイッチング素子をオフ制御し、上アームの全スイッチング素子をオン制御してもよい。下アームの全スイッチング素子をオンするか、上アームの全スイッチング素子をオンするかについては、例えば、過電流を検知した相の上アームのスイッチング素子がオン状態の場合（図２（ａ）の場合が相当する）には下アームの全スイッチング素子をオン、過電流を検知した相の下アームのスイッチング素子がオン状態の場合には上アームの全スイッチング素子をオンする制御をしてもよい。
【００６０】
また、本方式では電流は還流し続けるため、実施の形態１〜５に比べ、電流の減衰は遅い。そのため、一旦、本保護方式で電流を還流させる還流オンオフ制御モードに切り換え、それから電流の向きを検出し、電流の減衰を早くする充電オンオフ制御モードを行っても良い。すなわち、図２（ｂ）に示したように、電流が電力変換装置１００側から交流側のモータ２へ流れ出る相の上アームのスイッチング素子をオフ、下アームのスイッチング素子をオン、交流側のモータ２から電力変換装置１００内へ流れ込む相の下アームのスイッチング素子をオフ、上アームのスイッチング素子をオンする。このような制御を行うことにより、電流の減衰を早くし、素子をより確実に過電流から保護することができる。
【００６１】
以上のように、この発明の実施の形態６では、電力変換装置としての３相２レベルインバータにおいて、過電流を検知すると、スイッチング素子のそれまでのオンオフ制御モードを、それまでに流れていた電流が低減する電流低減オンオフ制御モードである、通電路にフィルタコンデンサが含まれない還流オンオフ制御モードに切り換え、これにより、同時に通電するダイオードはそれに並列に接続されたスイッチング素子がオンされ当該スイッチング素子にも分流されるので、ダイオードに流れる電流が低減し、過電流発生によるダイオードの劣化や破壊が防止され耐久性が向上する。
【００６２】
なお、この例では電力変換装置として直流を交流に変換するインバータの例を示したが、上アームと下アームにスイッチング素子とスイッチング素子と並列にダイオードを備えていれば、交流を直流に変換するコンバータであっても良い。
【００６３】
実施の形態７．
図１０に、本発明の実施の形態７による電力変換装置の回路図を示す。先の実施の形態２や４で示した３レベル電力変換装置においても、実施の形態６と同様の制御方法が適用可能である。すなわち、本実施の形態は、先の実施の形態２、３と同様の回路構成の３レベル電力変換装置において、実施の形態６に示したように、電流低減オンオフ制御モードとして還流オンオフ制御モードに切り換える場合に関する。
図１０に示す３レベル電力変換装置に用いる場合には、正極、負極、中間電極を有するため、上アームのスイッチング素子をオンして、還流させる方法と、下アームのスイッチング素子をオンして還流させる方法に加え、中間アームのスイッチング素子をオンして還流させる方法がある。
【００６４】
実施の形態２の図４（ａ）に示す過電流発生状態から上アームをオンして還流オンオフ制御モードに切り換える場合、図１０に示すように、中間アームのスイッチング素子１２ｂ、１２ｃ、１２ｆ、１２ｇ、下アームのスイッチング素子１２ｄ、１２ｈをオフ、上アームのスイッチング素子１２ａ、１２ｅをオン制御する。下アームをオンして還流させる場合は、中間アームのスイッチング素子１２ｂ、１２ｃ、１２ｆ、１２ｇ、上アームのスイッチング素子１２ａ、１２ｅをオフ、下アームのスイッチング素子１２ｄ、１２ｈをオン制御する。
また、中間アームのスイッチング素子を通して還流する場合は、図１１に示すように、上アームのスイッチング素子１２ａ、１２ｅ、下アームのスイッチング素子１２ｄ、１２ｈをオフ、中間アームのスイッチング素子１２ｂ、１２ｃ、１２ｆ、１２ｇをオン制御する。
このような制御により、図１０に示したような３レベル電力変換装置でも過電流がダイオードのみに流れ続けることは無く、ダイオードの劣化や破壊から防ぐことができる。
なお、３レベル電力変換装置においても、一旦本方式で還流させた後、電流の方向を検出し、電流の減衰が速くなるような制御を行っても良い。
【００６５】
実施の形態８．
図１２に、本発明の実施の形態８による電力変換装置の回路図を示す。本実施の形態は、先の実施の形態４の図６と同様の回路構成の３レベル電力変換装置において、実施の形態６に示したように、電流低減オンオフ制御モードとして還流オンオフ制御モードに切り換える場合に関する。
実施の形態４の図７（ａ）に示す過電流発生状態から上アームをオンして還流オンオフ制御モードに切り換える場合、図１２に示すように、下アームのスイッチング素子１７ｃ、１７ｄ、１７ｇ、１７ｈをオフ、上アームのスイッチング素子１７ａ、１７ｂ、１７ｅ、１７ｆをオン制御する。下アームをオンして還流させる場合は、上アームのスイッチング素子１７ａ、１７ｂ、１７ｅ、１７ｆをオフ、下アームのスイッチング素子１７ｃ、１７ｄ、１７ｇ、１７ｈをオン制御する。クランプダイオードを通して還流する場合は、図１３に示すように、正極に接続されたスイッチング素子１７ａ、１７ｅ、負極に接続されたスイッチング素子１７ｄ、１７ｈをオフ、スイッチング素子１７ｂ、１７ｃ、１７ｆ、１７ｇをオン制御する。
【００６６】
このような制御により、図１２に示したような３レベル電力変換装置でも過電流がダイオードにのみに流れ続けることは無く、ダイオードの劣化や破壊から防ぐことができる。なお、３レベル電力変換装置においても、一旦本方式で還流させた後、電流の方向を検出し、電流の減衰が速くなるような制御を行っても良い。
【００６７】
実施の形態９．
図１４に、本発明の実施の形態９による電力変換装置の回路図を示す。先の実施の形態例は、いずれも直流と交流との間の変換を行う電力変換装置であったが、この実施の形態は、直流と直流との間の変換を行う電力変換装置の例として、高電圧側の直流電源３０の電圧を低電圧に降圧して負荷３１に供給するチョッパ装置３００を示す。
高電圧側の第１の入出力端３０１および低電圧側の第２の入出力端３０２には、それぞれ第１および第２のコンデンサ３２、３３が備えられている。高圧側の正極と負極間にはスイッチング素子３４ａ、３４ｂが互いに直列に接続されている。スイッチング素子３４ａ、３４ｂは、ＭＯＳＦＥＴ等、順方向および逆方向にスイッチング可能な素子を用いて構成される。スイッチング素子３４ａ、３４ｂには、並列にダイオード３５ａ、３５ｂが接続され、正極側に取り付けられたスイッチング素子３４ａとダイオード３５ａとで上アームを構成し、負極側に取り付けられたスイッチング素子３４ｂとダイオード３５ｂとで下アームを構成する。
【００６８】
上アームのスイッチング素子３４ａと下アームのスイッチング素子３４ｂとの直列接続点は出力点となっており、リアクトル３６を介して負荷３１に接続されている。制御回路３７は、スイッチング素子３４ａ、３４ｂをオン、オフする制御信号を駆動回路３８ａ、３８ｂに出力し、駆動回路３８ａ、３８ｂは、制御信号にもとづき、スイッチング素子３４ａ、３４ｂを駆動する。リアクトル３６を流れる電流は電流検出器３９により検出され、制御回路３７は、電流検出器３９の検出信号を受け、過電流が流れているか否か、すなわち、電流検出値が予め設定された所定の過電流設定値を越えることを判断する過電流検知部および電流検出器３９からの検出電流の電流方向を検知する電流方向検知部を備えている。
【００６９】
図１４に示したチョッパ装置３００では、上アームのスイッチング素子３４ａのオン、オフ動作および下アームのスイッチング素子のオン、オフ動作により、直流電源３０から負荷３１への電力供給および負荷３１からの電力回生を行う。このようなチョッパ装置においても正常状態においてはダイオードの順方向に電流が流れる場合にダイオードと並列に接続されたスイッチング素子をオンする同期整流方式を用いることにより、ダイオードに流れる電流をスイッチング素子と分流することができ、ダイオードを小容量化することが可能で、場合によっては、スイッチング素子のボディダイオードを用いることもできる。
【００７０】
次に、図１５を用いて過電流発生時の動作について説明する。図１５（ａ）は、過電流が流れている状態を示しており、スイッチング素子３４ａがオン状態で、スイッチング素子３４ａの順方向に電流が流れている場合を想定している。過電流が流れると電流検出器３９からの検出信号を受けて、制御回路３７は過電流を検知し、電流が流れている向きから、どのスイッチング素子をオンし、どのスイッチング素子をオフするかを判断する。
すなわち、電流が電力変換装置であるチョッパ装置３００内の上下アームの直列接続点から負荷３１側へ流れ出す場合は上アームのスイッチング素子をオフ、下アームのスイッチング素子をオン、負荷３１側から直列接続点を通してチョッパ装置３００側へ流れ込む場合は下アームのスイッチング素子をオフ、上アームのスイッチング素子をオンする。図１５（ｂ）、は過電流保護動作後を示しており、この例では上アームのスイッチング素子３４ａをオフし、下アームのスイッチング素子３４ｂをオンする。このように制御することにより、電流はダイオードとスイッチング素子に分流して流れつつ、第２のコンデンサ３３を充電する回路動作となり、電流は減衰する。
【００７１】
すなわち、制御回路３７は、その過電流検知部が過電流の発生を検知すると、各スイッチング素子のオンオフ制御モードを、それまでに流れていた電流が低減する電流低減オンオフ制御モードに切り換える。ここでは、この電流低減オンオフ制御モードは、第２のコンデンサ３３を充電する、充電オンオフ制御モードになっており、同制御モードにおいてオン動作させるスイッチング素子３４ｂは、並列接続されたダイオード３５ｂと分流して、当該ダイオードに流れる電流を一層軽減させる役割を担っている。
その後、電流がダイオードの劣化や、破壊に影響しない程度まで低下し、予め設定した所定の下限値以下になった後、オンしているスイッチング素子をオフすることで電流を遮断することができる。
【００７２】
以上のように、この発明の実施の形態９では、電力変換装置としてのチョッパ装置において、過電流を検知すると、スイッチング素子のそれまでのオンオフ制御モードを、それまでに流れていた電流が低減する電流低減オンオフ制御モードである、コンデンサを充電する充電オンオフ制御モードに切り換え、これにより、同時に通電するダイオードはそれに並列に接続されたスイッチング素子がオンされ当該スイッチング素子にも分流されるので、ダイオードに流れる電流が大幅に低減し、過電流発生によるダイオードの劣化や破壊が防止され耐久性が向上する。
特に、ダイオードにスイッチング素子のボディダイオードを用いる場合、ボディダイオードは過電流耐量が低いため、その効果は大きくなる。
【００７３】
なお、本実施の形態では高電圧側に配置した直流電源から低電圧側に配置した負荷へ電力を供給する場合を示したが、低電圧側に配置した直流電源を昇圧して高電圧側に配置した負荷へ供給する場合にも同様に適用できる。
【００７４】
実施の形態１０．
先の実施の形態１〜９にて用いたスイッチング素子、ダイオード、クランプダイオードは珪素によって形成されたものの他、珪素に比べてバンドギャップが大きいワイドギャップ半導体によって形成しても良い。ワイドギャップ半導体としては、例えば、炭化珪素、窒化ガリウム系材料またはダイヤモンドがある。ワイドギャップ半導体を用いた場合、許容電流密度が高く、電力損失も低いため、装置の小型化が可能となる。また、スイッチング素子にワイドギャップ半導体を用いた場合、ＭＯＳＦＥＴ等、双方向にスイッチング可能な素子の耐電圧が上がり、高電圧領域まで適用が可能となる。
なお、スイッチング素子、ダイオード、クランプダイオードの全てがワイドギャップ半導体で形成された場合に装置の小型化といった効果は大きいが、その一部のみがワイドギャップ半導体で形成された場合でも効果はある。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【手続補正書】
【提出日】平成25年3月26日(2013.3.26)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の入出力端を構成する正極および負極と、互いに直列にして前記第１の入出力端の前記正極から前記負極までの間に接続された上アームおよび下アームとを備え、前記上アームと前記下アームとの直列接続点を第２の入出力端に接続する電力変換装置であって、
前記上アームおよび前記下アームは、それぞれ順方向および逆方向にスイッチング可能なスイッチング素子と前記スイッチング素子に並列に接続されたダイオードとを有し、
前記スイッチング素子のオンオフ制御を行う制御回路、前記直列接続点と前記第２の入出力端との接続部に流れる電流を検出する電流検出器、および前記電流検出器からの電流検出値が所定の過電流設定値を越えたことを検知する過電流検知部を備え、
前記制御回路は、前記過電流検知部が過電流を検知したとき、前記スイッチング素子のオンオフ制御を、それまでに流れていた電流が低減するモードであって、当該モードが前記ダイオードのいずれかを通電させるモードである場合は、当該通電ダイオードに並列に接続されている前記スイッチング素子をオンさせ、前記流れていた電流を前記通電ダイオードと前記通電ダイオードに並列に接続されている前記スイッチング素子に分流させる電流低減オンオフ制御モードに切り換える電力変換装置。
【請求項２】
前記正極と前記負極との間にコンデンサが接続され、前記上アームおよび前記下アームは各相毎に設けられ、直流電圧が印加される前記第１の入出力端と交流電圧が印加される前記第２の入出力端との間で直流／交流変換を行う請求項１記載の電力変換装置。
【請求項３】
前記正極と前記負極との間に第１のコンデンサが接続され、前記第２の入出力端を構成する正極および負極との間に第２のコンデンサが接続され、前記直列接続点と前記第２の入出力端の前記正極との間にリアクトルが挿入接続され、直流電圧が印加される前記第１の入出力端と直流電圧が印加される前記第２の入出力端との間で直流／直流変換を行う請求項１記載の電力変換装置。
【請求項４】
前記電流低減オンオフ制御モードは、前記コンデンサの充電動作を行う充電オンオフ制御モードである請求項２又は請求項３に記載の電力変換装置。
【請求項５】
前記電流低減オンオフ制御モードは、通電路に前記コンデンサが含まれない還流動作を行う還流オンオフ制御モードである請求項２記載の電力変換装置。
【請求項６】
前記電流低減オンオフ制御モードは、一旦通電路に前記コンデンサが含まれない還流動作を行う還流オンオフ制御モードにした後、前記コンデンサの充電動作を行う充電オンオフ制御モードに移行するものである請求項２記載の電力変換装置。
【請求項７】
前記正極および前記負極に加えて中間電極を備え、前記コンデンサとして前記正極と前記中間電極との間に接続された正極側コンデンサおよび前記中間電極と前記負極との間に接続された負極側コンデンサを備え、前記スイッチング素子と前記ダイオードとの並列体として前記上アームおよび前記下アームに加えて前記中間電極と前記各相の直列接続点との間に接続された中間アームを備え、前記第２の入出力端に３レベルの電位を出力可能とした請求項２記載の電力変換装置。
【請求項８】
前記正極および前記負極に加えて中間電極を備え、前記コンデンサとして前記正極と前記中間電極との間に接続された正極側コンデンサおよび前記中間電極と前記負極との間に接続された負極側コンデンサを備え、前記上アームとして、それぞれ前記ダイオードが並列に接続された前記スイッチング素子であって互いに直列に接続された第１および第２のスイッチング素子を備え、前記下アームとして、それぞれ前記ダイオードが並列に接続された前記スイッチング素子であって互いに直列に接続された第３および第４のスイッチング素子を備え、前記第１および第２のスイッチング素子の接続点と前記中間電極との間、前記第３および第４のスイッチング素子の接続点と前記中間電極との間にそれぞれ挿入されたクランプダイオードを備え、前記第２の入出力端に３レベルの電位を出力可能とした請求項２記載の電力変換装置。
【請求項９】
前記電流低減オンオフ制御モードは、前記正極側コンデンサと前記負極側コンデンサとのいずれか一方の充電動作を行う充電オンオフ制御モードである請求項７または請求項８に記載の電力変換装置。
【請求項１０】
前記電流検出器からの検出電流の電流方向を検知する電流方向検知部を備え、
前記充電オンオフ制御モードは、前記電流方向検知部で検知した電流方向が前記直列接続点から流れ出す相のそれぞれ前記上アームのスイッチング素子をオフ、前記下アームのスイッチング素子をオンとし、前記電流方向検知部で検知した電流方向が前記直列接続点に流れ込む相のそれぞれ前記下アームのスイッチング素子をオフ、前記上アームのスイッチング素子をオンとするものであり、さらに前記中間アームを備える場合には、全ての相の前記中間アームをオフとする請求項４、請求項６、請求項７、請求項８のいずれか１項に記載の電力変換装置。
【請求項１１】
前記還流オンオフ制御モードは、全ての相のそれぞれ前記上アームのスイッチング素子をオフ、前記下アームのスイッチング素子をオンとする、または、前記全ての相のそれぞれ前記上アームのスイッチング素子をオン、前記下アームのスイッチング素子をオフとするものであり、さらに前記中間アームを備える場合には、全ての相の前記中間アームをオフとする請求項５または請求項６に記載の電力変換装置。
【請求項１２】
前記制御回路は、前記電流低減オンオフ制御モードに切り換えた後、前記電流検出器からの電流検出値が所定の下限値以下になったとき、前記通電ダイオードに並列に接続された前記スイッチング素子をオフする請求項１から請求項８のいずれか１項に記載の電力変換装置。
【請求項１３】
前記制御回路は、前記電流低減オンオフ制御モードに切り換えた後、前記電流検出器からの電流検出値が所定の下限値以下になった相から順次、前記通電ダイオードに並列に接続された前記スイッチング素子をオフする請求項２、請求項４から請求項８のいずれか１項に記載の電力変換装置。
【請求項１４】
前記スイッチング素子および前記ダイオードを構成する半導体素子の全部または一部が、ワイドギャップ半導体で形成されている請求項１から請求項８のいずれか１項に記載の電力変換装置。
【請求項１５】
前記ワイドギャップ半導体は、炭化珪素、窒化ガリウムまたはダイヤモンドである請求項１４記載の電力変換装置。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００７
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００７】
この発明に係る電力変換装置は、第１の入出力端を構成する正極および負極と、互いに直列にして第１の入出力端の正極から負極までの間に接続された上アームおよび下アームとを備え、上アームと下アームとの直列接続点を第２の入出力端に接続する電力変換装置であって、
上アームおよび下アームは、それぞれ順方向および逆方向にスイッチング可能なスイッチング素子とスイッチング素子に並列に接続されたダイオードとを有し、
スイッチング素子のオンオフ制御を行う制御回路、直列接続点と第２の入出力端との接続部に流れる電流を検出する電流検出器、および電流検出器からの電流検出値が所定の過電流設定値を越えたことを検知する過電流検知部を備え、
制御回路は、過電流検知部が過電流を検知したとき、スイッチング素子のオンオフ制御を、それまでに流れていた電流が低減するモードであって、当該モードがダイオードのいずれかを通電させるモードである場合は、当該通電ダイオードに並列に接続されているスイッチング素子をオンさせ、流れていた電流を通電ダイオードと通電ダイオードに並列に接続されているスイッチング素子に分流させる電流低減オンオフ制御モードに切り換えるものである。
【手続補正３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００８
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００８】
以上のように、この発明に係る電力変換装置の制御回路は、過電流検知部が過電流を検知したとき、スイッチング素子のオンオフ制御を、それまでに流れていた電流が低減するモードであって、当該モードがダイオードのいずれかを通電させるモードである場合は、当該通電ダイオードに並列に接続されているスイッチング素子をオンさせ、流れていた電流を通電ダイオードと通電ダイオードに並列に接続されているスイッチング素子に分流させる電流低減オンオフ制御モードに切り換えるようにしたので、過電流が発生しても、ダイオードに流れる電流は確実に抑制され、劣化や破壊から保護することが可能となる。
【国際調査報告】
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2012056766.tif 000019
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