(57)【要約】【課題】  ３レベルインバータの母線電流を流れる短絡電流を検出し、インバータの入力電源保護および故障していないスイッチ素子の即座の保護をできるようにした電力変換装置の保護装置を提供する。【解決手段】  高電圧（Ｐ）、中位電圧（Ｏ）、低電圧（Ｎ）の直流電圧を備え、相出力に前記３値のレベルを出力する３レベル電力変換装置において、中位電圧点を流れる電流を検出する第１の電流検出器１０１と、低電圧点を流れる電流を検出する第２の電流検出器１０２とを備え、前記第１または第２の電流検出器の電流レベルが第１の設定値を超えると、前記３レベル電力変換装置を停止させるようにした。【選択図】図１
2005185003.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
高電圧（Ｐ）、中位電圧（Ｏ）、低電圧（Ｎ）の直流電圧を備え、相出力に前記３値のレベルを出力する３レベル電力変換装置において、
中位電圧点を流れる電流を検出する第１の電流検出器と、低電圧点を流れる電流を検出する第２の電流検出器とを備え、前記第１または第２の電流検出器の電流レベルが第１の設定値を超えると、前記３レベル電力変換装置を停止させることを特徴とする電力変換装置の保護装置。
【請求項２】
直流電源に直列接続された４個のスイッチ素子と、このスイッチ素子にそれぞれ逆並列接続された還流ダイオードと、前記直流電源に直列接続された分圧コンデンサと、前記スイッチ素子のうち高圧側から第１及び第２のスイッチ素子の接続点と、前記分圧コンデンサの分圧点に接続された第１のクランプダイオードと、前記スイッチ素子のうち高圧側から第３及び第４のスイッチ素子の接続点と、前記分圧コンデンサの分圧点に接続された第２のクランプダイオードを備えた３レベル電力変換装置において、
中位電圧点を流れる電流を検出する第１の電流検出器と、低電圧点を流れる電流を検出する第２の電流検出器とを備え、前記第１または第２の電流検出器の電流レベルが第１の設定値を超えると、前記３レベル電力変換装置を停止させる
ことを特徴とする電力変換装置の保護装置。
【請求項３】
前記電力変換装置の構成を、単相以上の多相とし、前記第１の電流検出器と第２の電流検出器を各相共用とすることを特徴とする請求項１又は２記載の電力変換装置の保護装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はモータの可変速駆動をおこなうインバータ・サーボドライブや系統連系する電力変換装置保護装置に関するもので、特に中性点を有する直流電圧を交流電圧に変換する３レベルインバータの直流短絡故障発生時の保護装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
第１従来例に係る３レベルインバータは、図２のような回路構成をもち、高電圧側母線（Ｐ）と低電圧側母線（Ｎ）にヒューズを備えていた（例えば、特許文献１参照。）。
【特許文献１】特開平９−１８２４６１号公報（図４）。
【特許文献２】特許第３３９１０２５号（図１、図２、図３、図４）
【０００３】
図２は特許文献１記載の３レベルインバータを示す図である。
３レベルインバータは中性点Ｏを有する直流電圧を良質の交流電圧に変換するもので、一般に図２に示すような３レベルインバータ装置が実用化されている。
図２において、１は正電位線Ｐと負電位線Ｎ間に接続され直流電源、２および３は中性点Ｏを挟んで互いに直列接続されたコンデンサで一方の端子は正電位線Ｐに他方の端子は負電位線Ｎに接続されている。４及び５は中性点Ｏを挟んで互いに直列接続された中性点クランプダイオードで一方の端子は正側アームの中間に他方の端子は負側アームの中間に接続されている。６〜９はそれぞれフライホイールダイオードが逆並列接続されたスイッチ素子の直列接続回路で、そのうちスイッチ素子６と７の直列接続回路は一方の端子が正電位線Ｐに他方の端子がＵ相出力線に接続されており、他方、スイッチ素子８と９の直列接続回路は一方の端子がＵ相出力線に他方の端子が負電位線Ｎに接続されている。各スイッチ素子６〜９のゲートにはゲートドライバＧ６〜Ｇ９が接続されており、各ゲートドライバＧ６〜Ｇ９には図示のないゲート制御回路から指令信号が与えられる。以上のダイオード４、５およびスイッチ素子６〜９の直列接続回路でＵ相のアームブリッジが構成され、点線ブロックで図示するＶ相のアームブリッジおよびＷ相のアームブリッジもＵ相のアームブリッジの構成と全く同じ構成となっている。
また、正電位線Ｐおよび負電位線ＮにはそれぞれヒューズＦ１、Ｆ２が設けられている。
【０００４】
このような構成の３レベルインバータにおいて、各スイッチ素子６〜９のうち、正側アームのスイッチ素子６と７が同時にオンしたとき正電位Ｐの電位が出力され、負側アームのスイッチ素子８と９が同時にオンしたとき負電位Ｎの電位が出力され、スイッチ素子６と９が共にオフしスイッチ素子７と８が同時にオンしたとき、中性点クランプダイオード４又は５のいずれかを介して中性点Ｏの電位が出力される。なお、正の交流電圧を出力するとき、スイッチ素子７はオン状態とされ、スイッチ素子６がオン・オフする。また、負の交流電圧を出力するとき、スイッチ素子８はオン状態とされ、スイッチ素子９がオン・オフする。また、スイッチ素子６と８及び７と９は互いに相補的にオン・オフし同時にオンすることはない。
【０００５】
しかしながら、このような３レベルインバータにおいて、非導通にあるべきスイッチ素子がなんらかの原因で短絡故障した場合に、他のスイッチ素子がオンすると、スイッチ素子に大きな短絡電流がながれることとなる。そのために、ヒューズＦ１又はＦ２が短絡電流によって溶断することで、インバータの入力電源の保護を行なっている。
【０００６】
また、第２従来例に係る３レベルインバータは、図３のような回路構成をもち、
短絡電流を検出する方式としては、特許文献２記載のように、各ＩＧＢＴに短絡電流検出回路を備え、短絡を検出したらＩＧＢＴのゲートを遮断し保護を行なうようにしていた。
図３においては、ヒューズＦ１およびＦ２を廃止して、代わりにゲートドライバ３２ａ〜３２ｄ内に短絡検知装置と短絡保護装置とを設け、かつゲート制御回路３６内にロジック回路３６Ａを設け、ゲート制御回路３６からゲートドライバ３２ａ〜３２ｄの短絡保護装置に信号を伝えるための信号線３４ａ〜３４ｄおよびゲートドライバ３２ａ〜３２ｄの短絡検知装置からゲート制御回路３６に信号を伝えるための信号線３５ａ〜３５ｄを付加した点が、図２と大きく異なる。
【０００７】
このような構成において、いま、スイッチ素子６と７を通るルートで通流時に、スイッチ素子８が誤オンしてアーム短絡が生じた場合を想定する。この場合、ゲートドライバ３２ａ〜３２ｃによって短絡が検知され、これが信号線３５ａ〜３５ｃを通してゲート制御回路３６に伝えられる。ゲート制御回路３６ではこれによってスイッチ素子６〜８に短絡が発生したことを知るとともに、ゲートドライバ３２ａ、３２ｂにはオン信号、ゲートドライバ３２ｃ、３２ｄにはオフ信号を出力していることから、スイッチ素子８が何らかの原因で誤点弧したことを判別することができる。したがって、ゲート制御回路３６はまずゲートドライバ３２ａに保護動作を開始させるとともに、他のスイッチ素子のゲート駆動が正規のオン、オフ信号によって動作しないようにロックする。
次に、一定時間後スイッチ素子７のゲートドライバ３２ｂに保護動作を開始させる。これらの保護動作およびロックの信号は、通常のオン、オフ信号と区別するために、専用に設けた信号線３４ａ〜４ｄにより行なうものである。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、第１従来例のヒューズを用いた保護装置は、ヒューズが溶断するまでの時間が長く、高速に保護することができないので、故障したスイッチ素子以外のスイッチ素子が短絡電流によって破壊させるという問題があった。
また、第２従来例の各スイッチ素子に短絡検出回路を備える方式は、検出回路が多く必要となり、装置も複雑になり、コスト高になるという問題があった。
本発明はこのような問題点に鑑みてなされたものであり、短絡電流を高速に検出するととともに、故障していないスイッチ素子を高速に保護することができる、さらに、短絡電流検出回路を少なく構成できるので、単純で信頼性が高く、小形・低コストな電力変換装置の保護装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記問題を解決するため、本発明は、次のように構成したのである。
請求項１に記載の発明は、高電圧（Ｐ）、中位電圧（Ｏ）、低電圧（Ｎ）の直流電圧を備え、相出力に前記３値のレベルを出力する３レベル電力変換装置において、中位電圧点を流れる電流を検出する第１の電流検出器と、低電圧点を流れる電流を検出する第２の電流検出器とを備え、前記第１または第２の電流検出器の電流レベルが第１の設定値を超えると、前記３レベル電力変換装置を停止させることを特徴とする電力変換装置の保護装置とするものである。
また、請求項２に記載の発明は、直流電源に直列接続された４個のスイッチ素子と、このスイッチ素子にそれぞれ逆並列接続された還流ダイオードと、前記直流電源に直列接続された分圧コンデンサと、前記スイッチ素子のうち高圧側から第１及び第２のスイッチ素子の接続点と、前記分圧コンデンサの分圧点に接続された第１のクランプダイオードと、前記スイッチ素子のうち高圧側から第３及び第４のスイッチ素子の接続点と、前記分圧コンデンサの分圧点に接続された第２のクランプダイオードを備えた３レベル電力変換装置において、中位電圧点を流れる電流を検出する第１の電流検出器と、低電圧点を流れる電流を検出する第２の電流検出器とを備え、前記第１または第２の電流検出器の電流レベルが第１の設定値を超えると、前記３レベル電力変換装置を停止させることを特徴とする電力変換装置の保護装置とするものである。
また、請求項３に記載の発明は、請求項１又は２記載の電力変換装置の保護装置において、電力変換装置の構成を、単相以上の多相とし、前記第１の電流検出器と第２の電流検出器を各相共用とすることを特徴とするものである。
【発明の効果】
【００１０】
請求項１および２に記載の発明によると、母線に流れる短絡電流を検出器によって検出し、スイッチ素子をオフすることができ、故障していない他のスイッチが短絡電流で破壊してしまうことを防ぐことができる。
また、請求項３に記載の発明によると、多相構成で、電流検出器を共用することで、回路を簡単にすることができ、安価かつ信頼性を向上することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
以下、本発明の実施の形態について図を参照して説明する。
図１は、本発明の実施の形態に係る３相の３レベルインバータの保護装置の回路構成図である。
図において、１は正電位線Ｐと負電位線Ｎ間に接続され直流電源、２および３は中性点Ｏを挟んで互いに直列接続されたコンデンサで一方の端子は正電位線Ｐに他方の端子は負電位線Ｎに接続されている。４及び５は中性点Ｄ１を挟んで互いに直列接続された中性点クランプダイオードで一方の端子は正側アームの中間に他方の端子は負側アームの中間に接続されている。６〜９はそれぞれフライホイールダイオード６ａ〜９ａが逆並列接続されたスイッチ素子であり、これで直列接続回路を構成している。そのうちスイッチ素子６と７の直列接続回路は一方の端子が正電位線Ｐに他方の端子がＵ相出力線に接続されており、他方、スイッチ素子８と９の直列接続回路は一方の端子がＵ相出力線に他方の端子が負電位線Ｎに接続されている。スイッチ素子６〜９として、バイポーラトランジスタ、絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ ）、あるいはゲートターンオフサイリスタ（ＧＴＯ）等が用いられるが、ここではＩＧＢＴを用いている。
各スイッチ素子６〜９のゲートにはゲートドライバＧ６〜Ｇ９が接続されており、各ゲートドライバＧ６〜Ｇ９には図示のないゲート制御回路から指令信号が与えられる。
以上のダイオード４、５およびスイッチ素子６〜９の直列接続回路でＵ相のアームブリッジが構成され、点線ブロックで図示するＶ相のアームブリッジおよびＷ相のアームブリッジもＵ相のアームブリッジの構成と全く同じ構成となっている。
このような主回路構成において、本発明の特徴は、互いに直列接続された中性点クランプダイオード４と５の接続点Ｄ１と、互いに直列接続されたコンデンサ１と２の接続点Ｏとの間に第１電流検出器１０１を配設し、かつ、負電位線Ｎにも第２電流検出器１０２を配設し、各電流検出器１０１、１０２の検出値を信号処理回路１００に送っている点である。信号処理回路１００はその出力によって、ゲート制御回路からのターンオン信号を無効とし、スイッチ素子６〜９をターンオフさせることができる。
【００１２】
このような構成の３レベルインバータにおいて、
（１）  Ｕ相のスイッチ素子６がオフ、スイッチ素子７がオン、スイッチ素子８がオン、スイッチ素子９がオフ。Ｖ相又はＷ相のスイッチ素子６がオフ、スイッチ素子７がオン、スイッチ素子８がオン、スイッチ素子９がオフのときは出力電圧は０、
（２）  Ｕ相のスイッチ素子６がオン、スイッチ素子７がオン、スイッチ素子８がオフ、スイッチ素子９がオフ。Ｖ相又はＷ相のスイッチ素子６がオフ、スイッチ素子７がオン、スイッチ素子８がオン、スイッチ素子９がオフのときは出力電圧は＋Ｅレベル、
（３）  Ｕ相のスイッチ素子６がオン、スイッチ素子７がオン、スイッチ素子８がオフ、スイッチ素子９がオフ。Ｖ相又はＷ相のスイッチ素子６がオフ、スイッチ素子７がオフ、スイッチ素子８がオン、スイッチ素子９がオンのときは出力電圧は＋２Ｅレベル、
（４）  Ｕ相のスイッチ素子６がオフ、スイッチ素子７がオフ、スイッチ素子８がオン、スイッチ素子９がオン。Ｖ相又はＷ相のスイッチ素子６がオフ、スイッチ素子７がオン、スイッチ素子８がオン、スイッチ素子９がオフのときは出力電圧は−Ｅレベル、
（５）  Ｕ相のスイッチ素子６がオフ、スイッチ素子７がオフ、スイッチ素子８がオン、スイッチ素子９がオン。Ｖ相又はＷ相のスイッチ素子６がオン、スイッチ素子７がオン、スイッチ素子８がオフ、スイッチ素子９がオフのときは出力電圧は−２Ｅレベル、
（６）  Ｕ相のスイッチ素子６がオフ、スイッチ素子７がオフ、スイッチ素子８がオフ、スイッチ素子９がオフ。Ｖ相又はＷ相のスイッチ素子６がオフ、スイッチ素子７がオフ、スイッチ素子８がオフ、スイッチ素子９がオフのときは出力電圧はオープン（非導通状態）、となる。
【００１３】
以上のような使用形態中に、各スイッチ素子６〜９のうち、非導通にあるべきスイッチ素子がなんらかの原因で短絡故障した場合に、他のスイッチ素子がオンすると、スイッチ素子に大きな短絡電流が流れることとなる。
その短絡電流は第１電流検出器１０１および第２電流検出器１０２の少なくともどちらかを流れるので、その短絡電流を検出した第１電流検出器１０１又は第２電流検出器１０２は検出値を信号処理回路１００に送り、信号処理回路１００では、異常と判断して、各スイッチ素子のゲート信号をオフとし、短絡電流を即座に遮断するものである。
本発明が、第１従来例の図２と異なる部分は、ヒューズＦ１、Ｆ２を用いないので、スイッチ素子に流れる短絡電流を高速に遮断することができ、故障していないスイッチ素子の破壊を防ぐことができる。
また、第２従来例の図３と異なる部分は、短絡電流検出回路を２個で構成できるので、信頼性の向上と低コストな保護装置の提供が可能となる。
なお、スイッチ素子の電流容量が大きい場合は、その遮断順序を採り入れて、保護の急を要する順にスイッチ素子を遮断するようにしてもよい。
しかし、スイッチ素子の電流容量が小さい場合などでは、短絡電流が流れた時は、順序を付けるよりもむしろすべてのスイッチ素子を同時に高速に遮断する方がよい。
以上説明したように、本発明の保護装置をもつ電力変換装置ならば、高速にＩＧＢＴの短絡電流を検出しＩＧＢＴを遮断することができるので、故障していないＩＧＢＴの破壊と、電源短絡を防ぐことができ、したがって信頼性の高い、低コストな保護装置を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明の第１実施例を示す保護装置の構成図である。
【図２】第１従来例の保護装置の構成図である。
【図３】第２従来例の保護装置の構成図である。
【符号の説明】
【００１５】
１  直流電源
２、３  コンデンサ
４、５  中性点クランプダイオード
６〜９  スイッチ素子（ＩＧＢＴ）
６ａ〜９ａ  フライホイールダイオード
Ｇ６〜Ｇ９  ゲートドライバ
１００  信号処理回路
１０１、１０２  電流検出器
【図１】
2005185003.tif 000003
【図２】
2005185003.tif 000004
【図３】
2005185003.tif 000005