(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
電力変換装置中の任意の二端子(x)(y)間の電圧電流極性を検出する電圧電流極性検出装置において、
カソードが前記端子(x) に接続された第１のダイオード(1) と、
カソードが前記端子(y) に接続された第２のダイオード(2) と、
カソードが前記端子(x) に接続された第３のダイオード(3) と、
カソードが前記端子(y) に接続された第４のダイオード(4) と、
負極が前記第１のダイオード(1) および前記第２のダイオード(2) のアノードに接続された直流電源(13)と、
一端が前記第３のダイオード(3) のアノードに接続され他端が前記直流電源(13)の正極に接続された第１の抵抗(5) と、
一端が前記第４のダイオード(4) のアノードに接続され他端が前記直流電源(13)の正極に接続された第２の抵抗(6) と、
前記第１の抵抗(5) の前記一端と前記第２の抵抗(6) の前記一端との間の電圧の極性に基づいて、前記端子(x) と前記端子(y) との間に印加される電圧の極性を判別する電圧極性判別部とを設けたことを特徴とする電圧電流極性検出装置。
【請求項２】
前記第１のダイオード(1) に並列接続された第３の抵抗(7) と、
前記第２のダイオード(2) に並列接続された第４の抵抗(8) と、
を設けたことを特徴とする請求項１記載の電圧電流極性検出装置。
【請求項３】
電力変換装置中の任意の二端子(x)(y)間の電圧電流極性を検出する電圧電流極性検出装置において、
アノードが前記端子(x) に接続された第１のダイオード(1) と、
アノードが前記端子(y) に接続された第２のダイオード(2) と、
アノードが前記端子(x) に接続された第３のダイオード(3) と、
アノードが前記端子(y) に接続された第４のダイオード(4) と、
正極が前記第１のダイオード(1) および前記第２のカソードに接続された直流電源(13)と、
一端が前記第３のダイオード(3) のカソードに接続され他端が前記直流電源(13)の負極に接続された第１の抵抗(5) と、
一端が前記第４のカソードに接続され他端が前記直流電源(13)の負極に接続された第２の抵抗(6) と、
前記第１の抵抗(5) の前記一端と前記第２の抵抗(6) の前記一端との間の電圧の極性に基づいて、前記端子(x) と前記端子(y) との間に印加される電圧の極性を判別する電圧極性判別部とを設けたことを特徴とする電圧電流極性検出装置。
【請求項４】
前記電圧極性判別部から出力される電圧極性に基づいて前記二端子間の電流極性を判別することを特徴とする請求項１または３に記載の電圧電流極性検出装置。
【請求項５】
一端が前記端子(x) に接続され、他端が前記端子(y) に接続され電流が双方向に流せる半導体スイッチを前記電力変換装置中に備え、
前記電圧極性判別部から出力された電圧の極性の信号に基づいて前記半導体スイッチの両端に印加される電圧の極性または前記半導体スイッチの電流極性を判別することを特徴とする請求項１または３に記載の電圧電流極性検出装置。
【請求項６】
コレクタが前記端子(x) に接続されエミッタが前記直流電源(13)の負極に接続された第１の半導体スイッチ手段(9) と、
コレクタが前記端子(y) に接続されエミッタが前記直流電源(13)の負極に接続された第２の半導体スイッチ手段(10)とを備え、
前記第１の半導体スイッチ手段(9) と前記第２の半導体スイッチ手段(10)と前記第１のダイオード(1)と前記第２のダイオード(2)により電流が双方向に流せる半導体スイッチを構成したことを特徴とする請求項１記載の電圧電流極性検出装置。
【請求項７】
前記第１のダイオード(1) に並列接続された第３の抵抗(7) と、
前記第１のダイオード(2) に並列接続された第４の抵抗(8) と、
を設けたことを特徴とする請求項６記載の電圧電流極性検出装置。
【請求項８】
エミッタが前記端子(x) に接続されコレクタが前記直流電源(13)の正極に接続された第１の半導体スイッチ手段(9) と、
エミッタが前記端子(y) に接続されコレクタが前記直流電源(13)の正極に接続された第２の半導体スイッチ手段(10)とを備え、
前記第１の半導体スイッチ手段(9) と前記第２の半導体スイッチ手段(10)と前記第１のダイオード(1)と前記第２のダイオード(2)により電流が双方向に流せる半導体スイッチを構成したことを特徴とする請求項１記載の電圧電流極性検出装置。
【請求項９】
前記第１のダイオード(1) に並列接続された第３の抵抗(7) と、
前記第１のダイオード(2) に並列接続された第４の抵抗(8) と、を設けたことを特徴とする請求項８記載の電圧電流極性検出装置。
【請求項１０】
前記直流電源(13)を前記第１の半導体スイッチ手段(9) と前記第２の半導体スイッチ手段(10)のゲート駆動電源として共用し同一電源としたことを特徴とする請求項６または８に記載の電圧電流極性検出装置。
【請求項１１】
前記電力変換装置は、請求項１から１０のいずれかの電圧電流極性検出装置を備えたことを特徴とする電力変換装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は電力変換装置に特定の両端子の間に、特に双方向半導体スイッチの両端に印加される電圧の極性を検出することおよび双方向半導体スイッチに流れる電流方向を検出することに関する。
【０００２】
【従来の技術】
電力変換装置、または半導体スイッチ、特に双方向半導体スイッチを制御したりあるいは保護するために、電力変換装置に特定の両端子の間に、例えば双方向半導体スイッチの両端に印加される電圧の極性および双方向半導体スイッチの電流方向を検出する必要がある。一般に図5 に示すような電圧極性検出回路を使用している。図5 において、101 、102 は発光ダイオード、103 、104 は抵抗である。発光ダイオード101 が発光するか発光ダイオード102 が発光するかによってx 、y の間の電圧極性を判別する。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、上述の電圧極性検出回路では、x 、y の間に高い電圧がある場合には、抵抗104 は高抵抗ではなければならない。抵抗104 の抵抗値は高いと、x 、y の間の低電圧極性を検出することができないという問題があった。
そこで、本発明は電力変換装置に特定の両端子の間の電圧極性と電流の方向の検出について、この電圧が広い範囲に変化しても、この電圧が高い時にも低い時にもこの電圧極性と電流の方向を検出できる電圧電流極性検出装置を提供する。特に双方向半導体スイッチの両端に印加される電圧の極性のおよびこの双方向半導体スイッチに流れる電流の方向を検出できる電圧電流極性検出装置を提供することを目的とする。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
上記問題を解決するため、本発明は電力変換装置中の任意の二端子(x)(y)間の電圧電流極性を検出する電圧電流極性検出装置において、カソードが前記端子(x) に接続された第１のダイオード(1) と、カソードが前記端子(y) に接続された第２のダイオード(2) と、カソードが前記端子(x) に接続された第３のダイオード(3) と、カソードが前記端子(y) に接続された第４のダイオード(4) と、負極が前記第１のダイオード(1) および前記第２のダイオード(2) のアノードに接続された直流電源(13)と、一端が前記第３のダイオード(3) のアノードに接続され他端が前記直流電源(13)の正極に接続された第１の抵抗(5) と、一端が前記第４のダイオード(4) のアノードに接続され他端が前記直流電源(13)の正極に接続された第２の抵抗(6) と、前記第１の抵抗(5) の前記一端と前記第２の抵抗(6) の前記一端との間の電圧の極性に基づいて、前記端子(x) と前記端子(y) との間に印加される電圧の極性を判別する電圧極性判別部とを設けたものである。
また、請求項１において、前記第１のダイオード(1) に並列接続された第３の抵抗(7) と、前記第２のダイオード(2) に並列接続された第４の抵抗(8) と、
を設けたものである。
また、電力変換装置中の任意の二端子(x)(y)間の電圧電流極性を検出する電圧電流極性検出装置において、アノードが前記端子(x) に接続された第１のダイオード(1) と、アノードが前記端子(y) に接続された第２のダイオード(2) と、アノードが前記端子(x) に接続された第３のダイオード(3) と、アノードが前記端子(y) に接続された第４のダイオード(4) と、正極が前記第１のダイオード(1) および前記第２のカソードに接続された直流電源(13)と、一端が前記第３のダイオード(3) のカソードに接続され他端が前記直流電源(13)の負極に接続された第１の抵抗(5) と、一端が前記第４のカソードに接続され他端が前記直流電源(13)の負極に接続された第２の抵抗(6) と、前記第１の抵抗(5) の前記一端と前記第２の抵抗(6) の前記一端との間の電圧の極性に基づいて、前記端子(x) と前記端子(y) との間に印加される電圧の極性を判別する電圧極性判別部とを設けたものである。
また、請求項１または３において、前記電圧極性判別部から出力される電圧極性に基づいて前記二端子間の電流極性を判別するものである。
また、請求項１または３において、一端が前記端子(x) に接続され、他端が前記端子(y) に接続され電流が双方向に流せる半導体スイッチを前記電力変換装置中に備え、前記電圧極性判別部から出力された電圧の極性の信号に基づいて前記半導体スイッチの両端に印加される電圧の極性または前記半導体スイッチの電流極性を判別するものである。
また、コレクタが前記端子(x) に接続されエミッタが前記直流電源(13)の負極に接続された第１の半導体スイッチ手段(9) と、コレクタが前記端子(y) に接続されエミッタが前記直流電源(13)の負極に接続された第２の半導体スイッチ手段(10)とを備え、前記第１の半導体スイッチ手段(9) と前記第２の半導体スイッチ手段(10)と前記第１のダイオード(1)と前記第２のダイオード(2)により電流が双方向に流せる半導体スイッチを構成したものである。
また、請求項６において、前記第１のダイオード(1) に並列接続された第３の抵抗(7) と、前記第１のダイオード(2) に並列接続された第４の抵抗(8) と、を設けたものである。
また、請求項１において、エミッタが前記端子(x) に接続されコレクタが前記直流電源(13)の正極に接続された第１の半導体スイッチ手段(9) と、エミッタが前記端子(y) に接続されコレクタが前記直流電源(13)の正極に接続された第２の半導体スイッチ手段(10)とを備え、前記第１の半導体スイッチ手段(9) と前記第２の半導体スイッチ手段(10)と前記第１のダイオード(1)と前記第２のダイオード(2)により電流が双方向に流せる半導体スイッチを構成したものである。
また、請求項８において、 前記第１のダイオード(1) に並列接続された第３の抵抗(7) と、前記第１のダイオード(2) に並列接続された第４の抵抗(8) と、を設けたものである。
また、請求項６または８において、前記直流電源(13)を前記第１の半導体スイッチ手段(9) と前記第２の半導体スイッチ手段(10)のゲート駆動電源として共用し同一電源としたものである。
また、前記電力変換装置は、請求項１から１０のいずれかの電圧電流極性検出装置を備えたものである。
【０００５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図に基づいて説明する。図１は本発明の実施例の回路図である。図１中符号21は電力変換装置、x,y は電力変換装置21中の任意の両端子、1,2,3,4 はダイオード、5,6,7,8,11,12 は抵抗、13,15,16は直流電源、14は比較器である。各図面において同一の名称は、同一符号をつけ重複する説明を省略する。
端子x,y,a,b,o,p の電位をそれぞれVx,Vy,Va,Vb,Vo,Vp とする。抵抗7,8 の抵抗値はVx,Vy およびx,y 両端子の間の電流の影響が無視できるように高くなければならない。抵抗5 と抵抗6 の抵抗値は同じ、抵抗7 と抵抗8 の抵抗値は同じ、抵抗11と抵抗12の抵抗値は同じ、ダイオード3 とダイオード4 の順電圧は同じである。ダイオード1,2,3,4 の順電圧をそれぞれVF1,VF2,VF3,VF4 とする。
ダイオード1,2,3,4 の逆耐圧はx,y 両端子の最大電圧より高いことが必要である。
１．x,y 両端子の電圧が直流電源13の電圧E より高い場合
ダイオード3 とダイオード4 のうちに1 個だけが導通となる。抵抗7,8 の作用で、VoはVxとVyの中間である。ダイオード1,2 の作用で、VoはVx,Vy の中の低い方とほぼ同じである。例えばVx>Vy の時に、Vx>Vo>Vyとなる。よって、ダイオード2 が導通し、Vo=Vy+VF2 すなわち Vp=V0+E>Vy となる。よって、ダイオード4 が導通し、Vb=Vy+VF4 となる。また、Vx>Vy+E より、ダイオード3 が遮断され、Va=Vp=Vy+E+VF2>Vy+Vf4=Vbとなる。
Vx<Vy の時同様に、Va<Vb と得られる。V の絶対値をABS(V)と表わすことにする。
また、ABS(Vx-Vy)が高くても、ABS(Va-Vb)が(E+ ε) より低い。なお、εはABS(VF2-VF4)あるいはABS(VF1-VF3)である。
２．x,y 両端子の電圧が直流電源13の電圧E より低い場合
ダイオード3 、ダイオード4 両方は導通され、Va=Vx+VF3 、Vb=Vy+VF4 となる。よって、Va-Vb=Vx-Vy+VF3-VF4 と得られる。すなわち、ABS(Vx-Vy)>ABS(VF1-VF3) であれば、Va-Vb とVx-Vy の符号が同じである。ダイオード3 とダイオード4 の順電圧が近ければ近いほど、電圧極性検出の精度は高い。
つまり、a,b 両端の電圧の極性により、x,y 両端の電圧極性を判別できる。
【０００６】
抵抗11,12 と、直流電源15,16 と、比較器14とによってVaとVbのレベルを比較し、端子z の電圧レベルよりVaとVbのレベルを、すなわち、x,y 両端子の電圧極性を検出することができる。直流電源13と直流電源15は同一の電源でも良い。
【０００７】
図２に示すように電力変換装置21の両端子x,y の間には電流が双方向に流すことができる半導体スイッチ22が存在し、半導体スイッチ22に電流ixy(漏れ電流を除く) が一方向に流れると、端子x と端子y との間に一定極性の電圧Vxy が存在し、電流ixy(漏れ電流を除く) の方向が逆に変わると、電圧Vxy の極性も逆になる。本発明によって図２に示すように半導体スイッチ22に流れている電流ixy(漏れ電流を除く) の方向を検出することもできる。
図２の半導体スイッチ22は図３(a),(b),(c),(d) に示すような半導体スイッチでも良い、すなわち、図１に示す電圧極性検出回路によってそれぞれ図３(a),(b),(c),(d) に示すような半導体スイッチの両端の電圧極性および半導体スイッチに流れる電流( 漏れ電流を除く) の方向を検出することができる。
図３(a) は逆極性に並列に接続された半導体素子( 本図ではIGBT) とダイオードからなる半導体スイッチである。x からy に電流が流れる場合には半導体素子31を通り、Vx>Vy となる。y からx に電流が流れる場合にはダイオード32を通り、Vx<Vy となる。
図３(b) は逆耐圧ができる半導体素子( 本図ではGTO)2 個を逆極性に並列に接続した双方向半導体スイッチである。x からy に電流が流れる場合には半導体素子33を通り、Vx>Vy となる。y からx に電流が流れる場合には半導体素子34を通り、Vx<Vy となる。
図３(c) は順極性に直列に接続された半導体素子( 本図ではIGBT) とダイオードからなる半導体スイッチ2 組を逆極性に並列に接続した双方向半導体スイッチである。x からy に電流が流れる場合にはダイオード35と半導体素子36を通り、Vx>Vy となる。y からx に電流が流れる場合にはダイオード38と半導体素子37を通り、Vx<Vy となる。
図３(d) は逆極性に並列に接続された半導体素子( 本図ではIGBT) とダイオードからなる半導体スイッチ2 組を逆極性に直列に接続した双方向半導体スイッチである。x からy に電流が流れる場合には半導体素子9 とダイオード40を通り、Vx>Vy となる。y からx に電流が流れる場合には半導体素子10とダイオード39を通り、Vx<Vy となる。
図1 あるいは図2 のダイオード1-4 と直流電源13の極性を反転しても良い。図１あるいは図２のダイオード1 とダイオード2 の漏れ電流を利用して抵抗7 、8 はないでも効果は変わらないが、あった方が良い。
【０００８】
本発明により、図１のダイオード1 とダイオード2 の代わりにそれぞれ図３(d) のダイオード39とダイオード40を使用して、図３(d) に示すような双方向半導体スイッチの両端の電圧極性あるいは電流方向を図１と同様に図4 に示すように検出することができる。図4 の場合には、直流電源13は半導体素子9 あるいは半導体素子10のゲートドライバ回路の直流電源と同一の電源でも良い。このように電源を共通化できることは電力変換装置全体を小形軽量化するのに重要である。例えば３相ＰＷＭサイクロコンバータでは、双方向半導体スイッチが９個あり、この各々の両端に印加される電圧の極性と、この半導体スイッチの電流方向を検出する必要があるので、半導体素子のゲートドライバ回路と前記直流電源(13)を共通化できることは部品点数を減らせるので、電力変換装置の小形軽量化、信頼性向上に有効である。双方向の半導体スイッチとして図３(d) を適用すれば半導体素子のゲートドライバ回路と前記直流電源(13)を共通化できるが、図３(a) 、(b) 、(c) を適用した場合は電源を共通化することはできない。
図４のダイオード39、40の漏れ電流あるいは半導体素子9 、10の漏れ電流を利用して抵抗7 、8 はないでも効果は変わらないが、あった方が良い。
【０００９】
【発明の効果】
以上述べたように、本発明では２個の逆方向に直列接続されるダイオードで半導体スイッチの両端の電位のうち低い方を基準電圧とし、別の２個のダイオードで高電圧を遮断することによって、電力変換装置中の特定の両端子の間に印加される電圧が広い範囲に変化しても、高い時にも低い時にも、この電圧の極性を確実に検出することができるという効果がある。よって、半導体スイッチの両端電圧の極性あるいは半導体スイッチに流れる電流（漏れ電流を除く) の方向を検出することができるという効果がある。特に双方向半導体スイッチを制御するためにこの半導体スイッチの両端に印加される電圧の極性とこの半導体スイッチの電流方向を検出する電圧電流極性検出装置を提供することができ、ＰＷＭサイクロコンバータにおける双方向半導体スイッチの制御に有用である。
【図面の簡単な説明】
【図１】電力変換装置に特定の両端子の間に印加される電圧の極性を検出する回路図である。
【図２】半導体スイッチの両端子の間に印加される電圧の極性および電流方向を検出する回路図である。
【図３】半導体スイッチの構成図である。
【図４】双方向半導体スイッチの両端電圧の極性および電流方向を検出する回路図である。
【図５】従来の電圧の極性を検出する回路図である。
【符号の説明】
１、２、３、４、３２、３５、３８、３９、４０  ダイオード
５、６、７、８、１１、１２、１０３、１０４  抵抗
９、１０、３１、３６、３７  半導体素子IGBT
３３、３６  逆耐圧できる半導体素子GTO
１３、１５、１６  直流電源
１４  比較器
２１  電力変換装置
２２  半導体スイッチ
１０１、１０２  発光ダイオード
ａ、ｂ、ｏ、ｐ、ｘ、ｙ、ｚ  端子
Ｖａ、Ｖｂ、Ｖｏ、Ｖｐ、Ｖｘ、Ｖｙ  端子の電位
【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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