(57)【要約】【課題】並列運転される変換部の１つが故障した場合、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、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電力変換装置の保護方法を提供する。【解決手段】スタック１、２、３、４夫々が、例えば、３００Ａの電流を出力し、電力変換装置１００が総出力電流１２００Ａを供給する場合、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を超えないように制御する。【選択図】図１
2007330028.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
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電力変換装置。
【請求項２】
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請求項１に記載の電力変換装置。
【請求項３】
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請求項２に記載の電力変換装置。
【請求項４】
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請求項１乃至請求項３のいずれかに記載の電力変換装置。
【請求項５】
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電力変換装置。
【請求項６】
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電力変換装置の保護方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
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。
【背景技術】
【０００２】
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。
【０００３】
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。
【０００４】
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。
【０００５】
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）。
【特許文献１】特許第２９２８２６４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
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。
【０００７】
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。
【０００８】
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。
【０００９】
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。
【００１０】
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。
【００１１】
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。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
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。
【００１３】
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。
【００１４】
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。
【００１５】
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。
【００１６】
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。
【００１７】
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。
【００１８】
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。
【００１９】
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。
【００２０】
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。
【００２１】
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。
【００２２】
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。
【発明の効果】
【００２３】
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。
【００２４】
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。
【００２５】
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。
【００２６】
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。
【００２７】
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。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２８】
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。
【００２９】
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。
【００３０】
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。
【００３１】
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。
【００３２】
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。
【００３３】
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。
【００３４】
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。
【００３５】
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。
【００３６】
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。
【００３７】
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。
【００３８】
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。
【００３９】
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。
【００４０】
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。
【００４１】
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。
【００４２】
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。
【００４３】
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。
【００４４】
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。
【００４５】
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。
【００４６】
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。
【００４７】
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。
【００４８】
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。
【００４９】
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。
【００５０】
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。
【００５１】
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。
【００５２】
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。
【００５３】
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。
【００５４】
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。
【００５５】
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。
【００５６】
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。
【００５７】
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。
【００５８】
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。
【００５９】
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。
【００６０】
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。
【００６１】
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。
【００６２】
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。
【００６３】
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。
【００６４】
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。
【００６５】
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。
【００６６】
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。
【００６７】
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。
【００６８】
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。
【００６９】
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。
【００７０】
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。
【００７１】
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。
【００７２】
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。
【００７３】
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。
【００７４】
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。
【００７５】
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。
【図面の簡単な説明】
【００７６】
【図１】本発明に係る電力変換装置の構成を示すブロック図である。
【図２】スタックの構成を示すブロック図である。
【図３】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４】スタック内のいずれの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５】実施の形態２のスタックの構成を示すブロック図である。
【図６】実施の形態３の電力変換装置の構成を示すブロック図である。
【符号の説明】
【００７７】
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
【図１】
2007330028.tif 000003
【図２】
2007330028.tif 000004
【図３】
2007330028.tif 000005
【図４】
2007330028.tif 000006
【図５】
2007330028.tif 000007
【図６】
2007330028.tif 000008