(57)【要約】【課題】  アーム短絡を確実に回避した高い信頼性の電力変換装置の提供。【解決手段】  本発明の電力変換装置は、直流電圧端子と交流電圧端子とを接続するスイッチング素子と、前記スイッチング素子を駆動する信号を生成する信号生成部と、前記信号生成部からの信号により前記スイッチング素子を駆動する駆動回路と、前記駆動回路間を接続する通信回路とを有し、前記駆動回路はオフ信号が入力されてからスイッチング素子がオフするまでの遅延時間よりもオン信号が入力されてからスイッチング素子がオンするまでの遅延時間の方が長い。【選択図】図１
2006034077.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の直流電圧端子と、交流電圧端子と、前記直流電圧端子と交流電圧端子とを接続するスイッチング素子と、前記スイッチング素子に逆並列に接続される整流素子と、スイッチング素子を駆動する信号を生成する信号生成部と、前記信号生成部からの駆動信号により前記スイッチング素子を駆動する駆動回路と、前記駆動回路間を接続する通信回路とを有し、
前記駆動回路はオフ信号が入力されてからスイッチング素子がオフするまでの遅延時間より、オン信号が入力されてからスイッチング素子がオンするまでの遅延時間の方が長いことを特徴とする電力変換装置。
【請求項２】
請求項１に記載の電力変換装置において、前記信号生成部と駆動回路とが光ファイバで接続され、前記駆動信号が光伝達されていることを特徴とする電力変換装置。
【請求項３】
複数の直流電圧端子と、交流電圧端子と、前記直流電圧端子と交流電圧端子とを接続するスイッチング素子と、前記スイッチング素子に逆並列に接続される整流素子と、スイッチング素子を駆動する信号を生成する信号生成部と、前記信号生成部からの駆動信号により前記スイッチング素子を駆動する駆動回路と、前記駆動回路間を接続し、お互いの動作状態を伝達する通信回路とを有し、
前記通信回路で接続された対となる駆動回路が、一方の駆動回路にオン信号が入力された時に他方の駆動回路の動作を禁止する制御回路を有し、
前記一方の駆動回路にオン信号が入力されてから他方の駆動回路の動作が禁止されるまでの遅延時間が、他方の駆動回路にオン信号が入力されてから他方の駆動回路に接続されたＩＧＢＴが動作するまでの遅延時間よりも短いことを特徴とする電力変換装置。
【請求項４】
請求項３に記載の電力変換装置において、前記一方の駆動回路にオン信号が入力されてから他方の駆動回路の動作が禁止されるまでの遅延時間が、前記一方の駆動回路にオフ信号が入力されてから他方の駆動回路の動作が許可されるまでの遅延時間よりも短いことを特徴とする電力変換装置。
【請求項５】
請求項３に記載の電力変換装置において、前記通信回路で接続された対となる駆動回路が、前記スイッチング素子の動作状態を検出してオン、オフを判定する回路と、一方の判定回路が一方のスイッチング素子のオンを検出した時に他方のスイッチング素子のオンを禁止する制御回路とを備え、
前記一方の判定回路が一方のスイッチング素子のオンを検出してから、前記他方のスイッチング素子のオンを禁止するまでの遅延時間が、前記他方の駆動回路にオン信号が入力されてから他方の駆動回路に接続されたＩＧＢＴが動作するまでの遅延時間よりも短いことを特徴とする電力変換装置。
【請求項６】
請求項３に記載の電力変換装置において、前記信号生成部と駆動回路とが光ファイバで接続され、駆動信号が光伝達されていることを特徴とする電力変換装置。
【請求項７】
直列接続される第１と第２の直流電圧源と、前記直流電圧源の両端の端子および中間端子の３つの端子と、スイッチング素子と前記スイッチング素子に逆並列に接続される整流素子により構成されるスイッチング回路を一相当り少なくとも４個用い、そのうち直列接続される第１のスイッチング回路と第２のスイッチング回路と、前記第１と第２のスイッチング回路を前記直流電圧源の両端の端子に接続するとともに前記第１と第２のスイッチング素子の接続点を交流出力端子とする第１の回路と、逆直列接続される第３のスイッチング回路と第４のスイッチング回路と、前記第３と第４のスイッチング回路を前記直流電圧の中間端子と前記交流出力端子に接続する第２の回路と、
前記スイッチング素子を駆動する信号を生成する信号生成部と、前記信号生成部からの信号により前記スイッチング素子を駆動する駆動回路と、前記駆動回路間を接続する通信回路とを備え、
前記駆動回路がオフ信号が入力されてからスイッチング素子がオフするまでの遅延時間よりもオン信号が入力されてからスイッチング素子がオンするまでの遅延時間の方が長いことを特徴とする電力変換装置。
【請求項８】
請求項７に記載の電力変換装置において、前記一方の駆動回路にオン信号が入力されてから他方の駆動回路の動作が禁止されるまでの遅延時間が、前記一方の駆動回路にオフ信号が入力されてから他方の駆動回路の動作が許可されるまでの遅延時間よりも短いことを特徴とする電力変換装置。
【請求項９】
請求項８に記載の電力変換装置において、前記通信回路で接続された対となる駆動回路は、前記スイッチング素子の動作状態を検出し、オン、オフを判定する回路と、一方の判定回路が一方のスイッチング素子のオンを検出した時に他方のスイッチング素子のオンを禁止する制御回路を有し、
前記一方の判定回路が一方のスイッチング素子のオンを検出してから、前記他方のスイッチング素子のオンを禁止するまでの遅延時間が、他方の駆動回路にオン信号が入力されてから他方の駆動回路に接続されたＩＧＢＴが動作するまでの遅延時間よりも短いことを特徴とする電力変換装置。
【請求項１０】
請求項７に記載の電力変換装置において、前記信号生成部と駆動回路とが光ファイバで接続され、駆動信号が光伝達されていることを特徴とする電力変換装置。
【請求項１１】
直列接続される第１と第２の直流電圧源と、前記直流電圧源の両端の端子および中間端子の３つの端子と、スイッチング素子と前記スイッチング素子に逆並列に接続される整流素子により構成されるスイッチング回路を一相当り少なくとも４個用い、そのうち直列接続される第１のスイッチング回路と第２のスイッチング回路と、前記第１と第２のスイッチング回路を前記直流電圧源の両端の端子に接続するとともに前記第１と第２のスイッチング素子の接続点を交流出力端子とする第１の回路と、逆直列接続される第３のスイッチング回路と第４のスイッチング回路と、前記第３と第４のスイッチング回路を前記直流電圧の中間端子と前記交流出力端子に接続する第２の回路と、
前記スイッチング素子を駆動する信号を生成する信号生成部と、前記信号生成部からの信号により前記スイッチング素子を駆動する駆動回路と、前記駆動回路間を接続し、お互いの動作状態を伝達する通信回路とを備え、
前記通信回路で接続された対となる駆動回路は、一方の駆動回路にオン信号が入力された時に他方の駆動回路の動作を禁止する制御回路を有し、
前記一方の駆動回路にオン信号が入力されてから他方の駆動回路の動作が禁止されるまでの遅延時間が、他方の駆動回路にオン信号が入力されてから他方の駆動回路に接続されたＩＧＢＴが動作するまでの遅延時間よりも短いことを特徴とする電力変換装置。
【請求項１２】
請求項１１に記載の電力変換装置において、前記信号生成部と駆動回路とが光ファイバで接続され、駆動信号が光伝達されていることを特徴とする電力変換装置。
【請求項１３】
請求項１１に記載の電力変換装置において、前記通信回路で接続された対となる駆動回路は、前記スイッチング素子の動作状態を検出し、オン、オフを判定する回路と、一方の判定回路が一方のスイッチング素子のオンを検出した時に他方のスイッチング素子のオンを禁止する制御回路を有し、
前記一方の判定回路が一方のスイッチング素子のオンを検出してから、前記他方のスイッチング素子のオンを禁止するまでの遅延時間が、他方の駆動回路にオン信号が入力されてから他方の駆動回路に接続されたＩＧＢＴが動作するまでの遅延時間よりも短いことを特徴とする電力変換装置。
【請求項１４】
直列接続される第１と第２の直流電圧源と、前記直流電圧源の両端の端子および中間端子の３つの端子と、スイッチング素子と前記スイッチング素子に逆並列に接続される整流素子により構成されるスイッチング回路を一相当り少なくとも４個用い、そのうち直列接続される第１のスイッチング回路と第２のスイッチング回路と、前記第１と第２のスイッチング回路を前記直流電圧源の両端の端子に接続するとともに前記第１と第２のスイッチング素子の接続点を交流出力端子とする第１の回路と、逆直列接続される第３のスイッチング回路と第４のスイッチング回路と、前記第３と第４のスイッチング回路を前記直流電圧の中間端子と前記交流出力端子に接続する第２の回路と、
前記スイッチング素子を駆動する信号を生成する信号生成部と、前記信号生成部からの信号により前記スイッチング素子を駆動する駆動回路と、
前記第１のスイッチング回路のスイッチング素子の駆動回路と前記第３のスイッチング素子を接続する通信配線と、前記第２のスイッチング回路のスイッチング素子の駆動回路と前記第４のスイッチング回路のスイッチング素子の駆動回路を接続する通信配線と、前記第２のスイッチング回路のスイッチング素子の駆動回路と前記第３のスイッチング回路のスイッチング素子の駆動回路とを接続する通信配線を有し、
前記第１の駆動回路は前記第３の駆動回路及び前記第４の駆動回路にオン信号が入力された時に動作が禁止される制御回路を有し、
前記第４の駆動回路は前記第１の駆動回路及び前記第２の駆動回路にオン信号が入力された時に動作が禁止される制御回路を有し、
第３の駆動回路にオン信号が入力されてから第１の駆動回路の動作が禁止されるまでの遅延時間が、第１の駆動回路にオン信号が入力されてから第１の駆動回路に接続されたＩＧＢＴが動作するまでの遅延時間よりも短く、
第２の駆動回路にオン信号が入力されてから第４の駆動回路の動作が禁止されるまでの遅延時間が、第４の駆動回路にオン信号が入力されてから第４の駆動回路に接続されたＩＧＢＴが動作するまでの遅延時間よりも短いことを特徴とする電力変換装置。
【請求項１５】
請求項１４に記載の電力変換装置において、前記信号生成部と駆動回路間が光ファイバで接続され、前記駆動信号が光伝達されていることを特徴とする電力変換装置。
【請求項１６】
電源と、モーターと、電源から供給される電力を変換してモーターを駆動する電力変換装置と、前記電力変換装置を制御する制御部とを備えた車両システムにおいて、
前記電力変換装置が複数の直流電圧端子と、交流電圧端子と、前記直流電圧端子と交流電圧端子とを接続するスイッチング素子と、前記スイッチング素子に逆並列に接続される整流素子と、スイッチング素子を駆動する信号を生成する信号生成部と、前記信号生成部からの駆動信号により前記スイッチング素子を駆動する駆動回路と、前記駆動回路間を接続する通信回路とを有し、
前記駆動回路はオフ信号が入力されてからスイッチング素子がオフするまでの遅延時間より、オン信号が入力されてからスイッチング素子がオンするまでの遅延時間の方が長いことを特徴とする車両システム。
【請求項１７】
電源と、モーターと、電源から供給される電力を変換してモーターを駆動する電力変換装置と、前記電力変換装置を制御する制御部とを備えた車両システムにおいて、
前記電力変換装置が複数の直流電圧端子と、交流電圧端子と、前記直流電圧端子と交流電圧端子とを接続するスイッチング素子と、前記スイッチング素子に逆並列に接続される整流素子と、スイッチング素子を駆動する信号を生成する信号生成部と、前記信号生成部からの駆動信号により前記スイッチング素子を駆動する駆動回路と、前記駆動回路間を接続し、お互いの動作状態を伝達する通信回路とを有し、
前記通信回路で接続された対となる駆動回路が、一方の駆動回路にオン信号が入力された時に他方の駆動回路の動作を禁止する制御回路を有し、
前記一方の駆動回路にオン信号が入力されてから他方の駆動回路の動作が禁止されるまでの遅延時間が、他方の駆動回路にオン信号が入力されてから他方の駆動回路に接続されたＩＧＢＴが動作するまでの遅延時間よりも短いことを特徴とする車両システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、直流と交流を相互に変換する電力変換装置に係り、特に、電力変換装置の保護技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
電力変換技術の中で最も重要な技術の一つに直流から交流を生成するインバータがある。特に電力半導体スイッチング素子にＩＧＢＴを使ったＩＧＢＴインバータは、家電品から鉄道車両まで広い分野で使われている。
【０００３】
ＩＧＢＴインバータの故障の一つにアーム短絡がある。アーム短絡とは、制御回路の誤動作等により誤って複数のＩＧＢＴが同時にオンしてしまい、直流電圧ライン間を短絡する現象である。アーム短絡が発生するとＩＧＢＴに過大な電流が流れて破壊し、インバータが動作を停止する。
【０００４】
アーム短絡を防止する技術に、特許文献１がある。図２は特許文献１に開示のアーム短絡防止回路を示す。図２で、２００はゲートパルス発生回路、２０１は上アームゲート駆動回路、２０２は下アームゲート駆動回路、２０３は上アームＩＧＢＴ、２０４は下アームＩＧＢＴ、２０５〜２０８はＡＮＤ回路、２０９は上アームゲートパルス、２１０は下アームゲートパルス、２１１は上アームゲート電圧、２１２は下アームゲート電圧、２１３は上アームインターロック信号、２１４は下アームインターロック信号、２１５は上アームフィードバック信号、２１６は下アームフィードバック信号である。
【０００５】
図２の回路では、対になるＩＧＢＴの状態とゲートパルスとの論理積をＡＮＤ回路２０７、２０８で行い、その結果でＩＧＢＴを駆動している。このために、同時にＩＧＢＴがオンになることを防止できる。
【０００６】
【特許文献１】特許３３３６４８８号(（０００７）段落〜（０００９）段落の記載)
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかし、特許文献１では、上下アームに同時にオン信号が入力された場合には、両方ともオンする問題があった。これを図２で詳細に説明する。初期状態が、上下アームともオフを考える。その場合、ゲートパルス発生回路２００からの入力はＬｏレベル（オフ信号）であり、ＩＧＢＴのゲート電圧２１１、２１２もＬｏレベル（オフ状態）となる。インターロック信号を生成するＡＮＤ回路２０５、２０６の入力は両入力とも１となり、ＡＮＤ回路２０５、２０６の出力はＨｉレベル（許可）となる。このため、ＡＮＤ回路２０７、２０８の入力の片方はＨｉレベル（許可）になり、ゲートパルス発生回路２００からオン信号が入力されれば、直ちにＩＧＢＴをオンできる状態になっている。この時、上下アーム同時にオン信号がゲートパルス発生回路２００から入力されると、上下両方のＩＧＢＴがオンになり、アーム短絡を起こす問題があった。
【０００８】
本発明の目的は、アーム短絡を確実に回避した高い信頼性の電力変換装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明の電力変換装置は、直流電圧を入力する直流端子と、交流電力を出力する交流端子と、直流端子と交流端子とを接続する複数のＩＧＢＴ及びＩＧＢＴと逆並列に接続されたダイオードと、ＩＧＢＴの駆動信号を生成する信号生成部と、信号生成部からの信号によりＩＧＢＴを駆動する駆動回路と、駆動回路間を接続する通信回路とを備え、前述の駆動回路はオフ信号が入力されてからＩＧＢＴがオフするまでの遅延時間よりもオン信号が入力されてからＩＧＢＴがオンするまでの遅延時間の方が長い。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、同時にオン信号が入力された場合でも確実にアーム短絡を防ぐことが可能となり、故障の無い高い信頼性の電力変換装置を提供できる。また、３レベルインバータに適用した場合にも、最小の回路構成でアーム短絡を確実に防止でき、信頼性の高いインバータシステムを提供できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
以下本発明の詳細を実施例と図面とを用いて説明する。
【実施例１】
【００１２】
図１に本実施例を示す。図１において１０１、１０２は遅延回路、１０３、１０４は判定回路である。本実施例の特徴は、インターロック信号に対してゲートパルスを遅らせる遅延回路を設けた点にある。この遅延回路は信号の伝達をあらかじめ設定した時間だけ遅らせる機能を持つ。
【００１３】
図３に図１の回路に同時にオン信号を入力した場合の動作波形を示す。図３の時刻ｔ１で上下アームのゲートパルスがＨｉレベル（オン信号）に反転する。続いて時刻ｔ２で上下それぞれのインターロック信号がＨｉレベル（許可）からＬｏレベル（禁止）に反転する。このｔ１〜ｔ２の遅れをｔｄ１とする。このｔｄ１はＡＮＤ回路での遅延やＡＮＤ回路から対アームへの伝送遅延などによって発生する。
【００１４】
時刻ｔ３では遅延回路の出力がＬｏレベル（オフ）からＨｉレベル（オン）に反転し、ゲートパルス発生回路２００からのオン信号が、ＡＮＤ回路２０７に伝達される。このｔ１〜ｔ３の遅れをｔｄ２とする。ｔｄ２は遅延回路１０１により生成される遅れであり、１０１の設定により任意に変えられる。そこで、図３に示すように、ｔｄ２＞ｔｄ１と設定すれば、オン信号がＡＮＤ回路２０７に伝達される前に、対アームからのインターロック信号２１４がＬｏレベル（禁止）になり、上下同時にオン信号が入力されてもアーム短絡を起こさない。
【００１５】
このｔｄ２の値は、ｔｄ１に比べて十分に大きく設定する必要がある。具体的にはｔｄ１はオペアンプなどの遅延プラス伝送遅延で５００ｎ秒〜２μ秒程度になるので、従って、ｔｄ２は２μ秒以上に設定することが望ましい。より好ましくは３μ秒以上に設定すればよい。
【００１６】
また、時刻ｔ４でゲートパルスがＨｉレベル（オン）からＬｏレベル（オフ）に反転してから、時刻ｔ５でゲートアーム遅延回路出力がＨｉレベル（オン）からＬｏレベル（禁止）に反転するまでの遅れｔｄ３はできるだけ短くすることが好ましい。なぜなら、信号生成部が図示はしていない他の異常検知用のセンサーにより異常を検知し、インバータの運転を停止しなければならない場合に、信号生成部からオフのゲートパルスが入力された場合には即座にＩＧＢＴを遮断しなければならないためである。このために、オフに反転する場合の遅延回路の遅れは最小限に抑えておくことが好ましい。
【００１７】
さらに本実施例では、ゲート駆動回路の誤動作によるアーム短絡の防止についても示してある。例えばゲート駆動回路２０１が誤動作し、ＩＧＢＴ２０４がオンしているにもかかわらずＩＧＢＴ２０３がオンになった場合には、ゲート電圧を監視している判定回路１０３の出力信号がＬｏレベル（オフ）からＨｉレベル（オン）に反転し、インターロック信号２１３をＬｏレベル（禁止）に反転させる。これにより、ＩＧＢＴ２０４のオンを停止し、アーム短絡を防止する。この判定回路１０３はゲート電圧を監視する他に、コレクタ電圧を監視しても良いし、あるいはコレクタ電流を監視してもよい。
【００１８】
本実施例では、ゲートパルス発生回路とゲート駆動回路との間に本発明による回路を配置する構成を示したが、これらの回路の実際の配置方法は、この他にいくつかが考えられる。例えば遅延回路１０１、ゲートパルス発生回路２００、ＡＮＤ回路２０５、２０７を同一の回路基板に配置する構成である。この構成によれば、異なるアーム間を接続するインターロックやフィードバックの配線を短くでき、回路を小型にできる。
【００１９】
また、遅延回路１０１、判定回路１０３、駆動回路２０１、ＡＮＤ回路２０５、２０７を同一の回路基板に配置する構成も考えられる。この構成によればアーム短絡防止回路と駆動回路をＩＧＢＴの直近におけるために高電圧電源でインバータを動作させた場合にノイズなどによる誤動作の影響を受けにくくなる。例えば、上記回路をＩＧＢＴから離して配置し、長い配線によりＩＧＢＴと接続すると、この配線がアンテナの働きをしてノイズを取り込んでしまい、ＩＧＢＴを誤動作させる可能性がある。ＩＧＢＴ直近に回路を配置すれば、ノイズの影響を受け難い、より信頼性が高いインバータを実現できる。
【００２０】
さらに、ゲートパルス発生回路２００と上述の基板との間を光ファイバで接続する構成も好ましい。鉄道車両用インバータの様に高電圧電源に接続して使用する場合には、上アームの駆動回路は高電圧のフローティング状態になり、ゲートパルス発生回路との間に大きな電位差が生じる。このために、これらを絶縁する必要があり、光ファイバなどにより、電気的に絶縁し、信号だけ伝達する構成が好ましい。
【実施例２】
【００２１】
図４に本実施例を示す。図４において、４０１、４０２は遅延回路である。本実施例の特徴は、インターロック信号を遅延させる回路４０１、４０２を設けた点にある。この回路の動作を図３を用いて説明する。
【００２２】
時刻ｔ１でゲートパルスがＬｏレベル（オフ）からＨｉ（レベル）に反転し、時刻ｔ２でインターロック信号がＨｉ（許可）からＬｏ（禁止）に反転するまでの遅延ｔｄ１は実施例１で説明した理由により短く設定する必要がある。従って、遅延回路４０１、４０２ではインターロック信号がＨｉレベル（許可）からＬｏレベル（禁止）に反転する場合には信号の伝達をＡＮＤ回路の遅延や伝送遅延などの最小限の遅延に抑える構成とする。
【００２３】
一方、時刻ｔ４でゲートパルスがＨｉレベル（オン）からＬｏレベル（オフ）に反転してから、時刻ｔ５でインターロック信号がＬｏレベル（禁止）からＨｉレベル（許可）に反転するまでの時間ｔｄ４は、ｔｄ３に比べて長くしなくてはならない。なぜなら、ｔｄ３よりｔｄ４の方が短いと遅延回路の出力がＨｉレベル（オン）の状態で、インターロックがＨｉレベル（許可）になることになりアーム短絡が発生するためである。
【００２４】
従って、ｔｄ３とｔｄ４はｔｄ３＜ｔｄ４に設定しなければならない。このため、遅延回路４０１、４０２ではインターロック信号がＬｏレベル（禁止）からＨｉレベル（許可）に反転する場合にはｔｄ３＜ｔｄ４を満たす遅延を発生させる構成とする。つまり、この遅延回路はインターロック信号がＨｉレベル（許可）からＬｏレベル（禁止）に反転する場合の遅延ｔｄ２よりも、Ｌｏレベル（禁止）からＨｉレベル（許可）に反転する場合の遅延ｔｄ４が長くなるよう構成されている。具体的な回路構成としては、充電抵抗と放電抵抗が異なるように接続された抵抗とコンデンサとの直列回路（ＣＲ回路）などがある。
【実施例３】
【００２５】
図５に本実施例を示す。本実施例の特徴は、中性点と交流出力をスイッチング素子で接続する中性点クランプ式３レベルインバータに、本発明によるアーム短絡防止回路を適用した点にある。図５において、５００はゲートパルス発生回路、５０１〜５０４はＩＧＢＴ駆動回路、５０５、５０６は電源コンデンサ、５０７は中性点、５０８は交流出力、５１１〜５１４はＩＧＢＴ、５２１〜５２４はフリーホイールダイオード、５３１〜５３４はＩＧＢＴ駆動回路基板、５４１〜５５０はＡＮＤ回路、５５１〜５５８は遅延回路である。
【００２６】
図５の回路は、ＩＧＢＴ５１１、５１２がオン、ＩＧＢＴ５１３、５１４がオフの時にプラス電圧が交流出力５０８に出力され、ＩＧＢＴ５１２、５１３がオン、ＩＧＢＴ５１１、５１４がオフの時は中性点電位が交流出力５０８に出力され、ＩＧＢＴ５１３、５１４がオン、ＩＧＢＴ５１１、５１２がオフの時にマイナスの電圧が交流出力５０８に出力される構成となっている。
【００２７】
この回路には２種類のアーム短絡モードが存在する。一つはＩＧＢＴ５１１とＩＧＢＴ５１４が同時にオンし、電源コンデンサ５０５のプラス端子と電源コンデンサ５０６のマイナス端子の間が短絡されるモードＡ、もう一つはＩＧＢＴ５１１と５１３が同時にオンし、電源コンデンサ５０５の両端が短絡されるモードＢである。ＩＧＢＴ５１２と５１４の短絡については５１１、５１３と相補の関係にあるので、モードＡと同じと考え、説明を省略する。
【００２８】
これらのアーム短絡を防止するために本実施例では以下に説明するように回路を構成している。ＩＧＢＴ５１１はゲートパルス発生回路５００からのオン信号により駆動されるが、この時、駆動回路５０１へのオン信号は、ゲートパルス発生回路５００からの信号を遅延回路５５１で遅延させた信号と、ＡＮＤ回路５４１の出力の論理積を取る構成としてある。このＡＮＤ回路５４１は、ＩＧＢＴ５１３の駆動回路基板５３３からのインターロック信号とＩＧＢＴ５１４の駆動回路基板５３４からのインターロック信号の論理積を取る構成となっており、ＩＧＢＴ５１３とＩＧＢＴ５１４が両方ともオフになった時にインターロック信号がともにＨｉレベルとなり、ＡＮＤ回路５４１の出力がＨｉレベル（許可）となって、ＡＮＤ回路５４２がゲートパルス発生回路５００からの信号により駆動回路５０１を駆動できるようになる。
【００２９】
同様にＩＧＢＴ５１４もＩＧＢＴ５１１とＩＧＢＴ５１２が両方オフした時にオンが許可されるように構成されている。これにより、ＩＧＢＴ５１１とＩＧＢＴ５１４によるモードＡ、モードＢのアーム短絡を防止できる。一方、ＩＧＢＴ５１２はＩＧＢＴ５１１がオフした時にオンするよう構成されており、これによりＩＧＢＴ５１２によるモードＢのアーム短絡を防止できる。同様にＩＧＢＴ５１３はＩＧＢＴ５１１がオフした時だけオンするように構成されており、ＩＧＢＴ５１３によるモードＢのアーム短絡を防止できる。
【００３０】
また、本実施例でも実施例１と同様に遅延回路５５１から５５４によりゲートパルスを遅延させ、複数のアームに同時にオン信号が入力された場合に発生するアーム短絡を防止している。また、実施例２と同じく、インターロック信号にも遅延回路５５５〜５５８を設けており、ゲートパルスがオフしてから、対となるアームに許可が出るまでの遅延を設け、アーム短絡を防止している。
【００３１】
本実施例では、ＩＧＢＴの駆動回路とアーム短絡防止回路を駆動回路基板に一体化した構成についても示している。例えば、ＩＧＢＴ５１１の駆動回路５０１とＡＮＤ回路５４１、５４２、５４７、及び遅延回路５５１を同一基板上に集積化し、ゲートパルス発生回路５００やＩＧＢＴの駆動回路基板５３３、５３４との間は電気的に絶縁された信号伝達手段を使う構成としている。なぜなら、インバータ動作時にそれぞれのＩＧＢＴ駆動回路基板はＩＧＢＴとともに電位が変動し、ＩＧＢＴ駆動回路基板間に電位差が生じるためである。絶縁の手段としては、絶縁トランスによる方法、光伝達素子を使う方法などが考えられる。例えば、ＩＧＢＴ駆動回路間の通信手段として光ファイバを使えば、異なる電位の回路間でも信号が安全に伝達でき、信頼性の高いインバータを提供できる。
【００３２】
なお、本実施例ではインターロック信号の遅延回路をインターロック信号を発生させる基板側に搭載したが、インターロック信号を受信する基板側に搭載しても良い。例えば、遅延回路５５５はＩＧＢＴ駆動回路基板５３１に搭載してあるが、ＩＧＢＴ駆動回路基板５３３と５３４にそれぞれ搭載しても良い。
【実施例４】
【００３３】
図６に本実施例の回路図を示す。本実施例の特徴は、ＩＧＢＴ５１１とＩＧＢＴ５１４の通信を、ＩＧＢＴ駆動回路基板５０２と５０３を介して行う点である。本実施例によれば、ＩＧＢＴ５１１と５１４間の通信をＩＧＢＴ駆動回路基板５３２と５３３を介して行うことで、これらの高絶縁の通信配線を４本ですませることができる。なぜなら、ＩＧＢＴ５１２と５１３の間はエミッタ共通の接続となるためにＩＧＢＴ駆動回路間の電位差が小さく、光ファイバなどによる絶縁が必要ないためである。このため、ＩＧＢＴ駆動回路基板５３２と５３３間は非絶縁で接続することが可能である。従って、ＩＧＢＴ５１１と５１４間の通信を、ＩＧＢＴ駆動回路基板５３２と５３３を介して行えば、高絶縁の配線が４本で済むことになる。
【００３４】
なお、ＩＧＢＴ駆動回路５０２と５０３間の接続に関しては、フォトカプラなどを使って低圧の絶縁をする構成も好ましい。ＩＧＢＴ５１２と５１３はエミッタ共通の接続となっているために電位差は定常状態ではほとんど生じないが、スイッチングの時だけ一時的に比較的低い電位差が生じる場合がある。電位差が生じると、ＩＧＢＴ駆動回路基板５３２と５３３間に電流が流れ、これが原因で誤動作を引き起こす可能性がある。これを防止するためにフォトカプラによりＩＧＢＴ駆動回路基板５３２と５３３間を絶縁する構成が考えられる。フォトカプラは、先に述べた光ファイバや絶縁トランスに比べて安価であり、低コストに上述のアーム短絡防止機能を実現できる。
【実施例５】
【００３５】
図７に本実施例の回路図を示す。図７において、７００は信号生成部、７０１はコンバータ、７０２はインバータ、７０３はモーター、７０４は車輪、７０５は平滑コンデンサ、７０６は変圧器、７０７は集電器、７０８は車体、７０９は架線である。図７は交流鉄道車両の構成を示しており、架線７０９から集電器７０７を介して変圧器７０６に入力された交流は変圧器７０６で降圧され、コンバータ７０１に送られる。コンバータ７０１では入力された電力を直流に変換する。インバータ７０２ではコンバータ７０１から出力された直流を再び任意の周波数の交流に変換する。この任意の周波数の交流によりモータ７０３が駆動される。
【００３６】
本実施例の特徴は、実施例１から４に記載した、アーム短絡防止機能を搭載したコンバータ及びインバータを鉄道車両に搭載した点にある。鉄道車両のように長期間に渡り過酷な状況で使用される場合には、部品の劣化などにより誤動作が発生する可能性があるので、これを予防するために鉄道車両では定期点検をしているが、点検の間隔が短いと車両の稼働率が低下し、ダイヤ編成などの制約になることが考えられる。また、誤動作でインバータ、コンバータが故障すると、車両の走行性能を低下させ、運行が停止する可能性もある。本実施例によれば、アーム短絡を防止できる電力変換装置を搭載するので、定期点検の間隔を長くでき、車両の稼働率が向上する。また、アーム短絡による故障が起きないので、鉄道システムの信頼性がより高まる。
【００３７】
以上、本発明を２レベルＩＧＢＴインバータ及び中性点クランプ方式の３レベルＩＧＢＴインバータに適用した実施例について説明したが、直流から交流への電力変換装置であるコンバータでも全く同様であることは当業者にとって明らかであろう。
【００３８】
また、３レベルに限らず、５レベルや７レベルなどいわゆるマルチレベルのインバータ装置に本発明を適用することにより、同様のアーム短絡回避効果を得ることができる。さらに、スイッチング素子としてＩＧＢＴの他にパワーＭＯＳＦＥＴやバイポーラトランジスタ、サイリスタ、ＧＴＯなどを用いても、同様である。
【図面の簡単な説明】
【００３９】
【図１】実施例１の電力変換装置の説明図。
【図２】従来技術の電力変換装置の説明図。
【図３】実施例１と実施例２の電力変換装置の動作波形の説明図。
【図４】実施例２の電力変換装置の説明図。
【図５】実施例３の電力変換装置の説明図。
【図６】実施例４の電力変換装置の説明図。
【図７】実施例５の交流鉄道車両の説明図。
【符号の説明】
【００４０】
１０１、１０２、４０１、４０２、５５１〜５５８…遅延回路、１０３、１０４…判定回路、２００、５００…ゲートパルス発生回路、２０１…上アームゲート駆動回路、２０２…下アームゲート駆動回路、２０３…上アームＩＧＢＴ、２０４…下アームＩＧＢＴ、２０５〜２０８…ＡＮＤ回路、２０９…上アームゲートパルス、２１０…下アームゲートパルス、２１１…上アームゲート電圧、２１２…下アームゲート電圧、２１３…上アームインターロック信号、２１４…下アームインターロック信号、２１５…上アームフィードバック信号、２１６…下アームフィードバック信号、５０１〜５０４…ＩＧＢＴ駆動回路、５０５、５０６…電源コンデンサ、５０７…中性点、５０８…交流出力、５１１〜５１４…ＩＧＢＴ、５２１〜５２４…フリーホイールダイオード、５３１〜５３４…ＩＧＢＴ駆動回路基板、５４１〜５５０…ＡＮＤ回路。
【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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