(57)【要約】【課題】電力変換装置に設けられた平滑コンデンサを放電させることに優れた電力変換装置を提供することにある。【解決手段】直流電源ＰＷの正側と負側との間に平滑コンデンサＣＮが接続され、直流電源ＰＷの正側と負側との間に接続されたスイッチング素子Ｓ１１〜Ｓ３２を備えた電力変換装置１であって、平滑コンデンサＣＮに蓄えられた電荷を放電するために、全スイッチング素子Ｓ１１〜Ｓ３２をオン状態にし、過電流となる前にオフにする制御をする制御装置２を備えた電力変換装置。【選択図】      図１
2009232620.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
直流電源の正側と負側との間に平滑コンデンサが接続され、前記直流電源の正側と負側との間に直列に接続された２以上のスイッチング素子を備えた電力変換装置であって、
全ての前記２以上のスイッチング素子をオン状態にし、前記スイッチング素子に流れる電流が過電流となる前に、前記２以上のスイッチング素子のうち少なくとも１の前記スイッチング素子をオフにする制御をする制御手段を備えたことを特徴とする電力変換装置。
【請求項２】
前記制御手段による制御を繰り返し、前記平滑コンデンサを放電させる運転をする放電運転手段を備えた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】
直流電源の正側と負側との間に平滑コンデンサが接続され、前記直流電源の正側と負側との間に直列に接続された２以上のスイッチング素子を備えた電力変換装置であって、
前記各スイッチング素子のオン電圧を、該スイッチング素子を流れる電流が過電流とならない電圧に低減する電圧低減手段と、
前記電圧低減手段により前記オン電圧が低減されている場合、全ての前記２以上のスイッチング素子をオン状態にする制御をする制御手段と
を備えたことを特徴とする電力変換装置。
【請求項４】
前記スイッチング素子を流れる電流を検出する電流検出手段を備え、
前記電圧低減手段は、前記電流検出手段により検出した電流値に基づいて、前記オン電圧を低減すること
と特徴とする請求項３に記載の電力変換装置。
【請求項５】
前記制御手段による全ての前記２以上のスイッチング素子をオン状態にした状態を所定時間継続させ、前記平滑コンデンサを放電させる運転をする放電運転手段を備えたことを特徴とする請求項３又は請求項４に記載の電力変換装置。
【請求項６】
直流電源の正側と負側との間に平滑コンデンサが接続され、前記直流電源の正側と負側との間に直列に接続された２以上のスイッチング素子を備えた電力変換装置を制御する制御装置であって、
全ての前記２以上のスイッチング素子をオン状態にし、前記スイッチング素子に流れる電流が過電流となる前に、前記２以上のスイッチング素子のうち少なくとも１の前記スイッチング素子をオフにする制御をする制御手段を備えたことを特徴とする電力変換装置の制御装置。
【請求項７】
直流電源の正側と負側との間に平滑コンデンサが接続され、前記直流電源の正側と負側との間に直列に接続された２以上のスイッチング素子を備えた電力変換装置を制御する制御装置であって、
前記各スイッチング素子のオン電圧を、該スイッチング素子を流れる電流が過電流とならない電圧に低減する電圧低減手段と、
前記電圧低減手段により前記オン電圧が低減されている場合、全ての前記２以上のスイッチング素子をオン状態にする制御をする制御手段と
を備えたことを特徴とする電力変換装置の制御装置。
【請求項８】
直流電源の正側と負側との間に平滑コンデンサが接続され、前記直流電源の正側と負側との間に直列に接続された２以上のスイッチング素子を備えた電力変換装置を制御する制御方法であって、
全ての前記２以上のスイッチング素子をオン状態にする手順と、
前記オン状態にする手順後、前記スイッチング素子に流れる電流が過電流となる前に、前記２以上のスイッチング素子のうち少なくとも１の前記スイッチング素子をオフにする手順と
を含むことを特徴とする電力変換装置の制御方法。
【請求項９】
直流電源の正側と負側との間に平滑コンデンサが接続され、前記直流電源の正側と負側との間に直列に接続された２以上のスイッチング素子を備えた電力変換装置を制御する制御装置を制御する制御方法であって、
前記各スイッチング素子のオン電圧を、該スイッチング素子を流れる電流が過電流とならない電圧に低減する手順と、
前記オン電圧を低減する手順により前記オン電圧が低減されている場合、全ての前記２以上のスイッチング素子をオン状態にする手順と
を含むことを特徴とする電力変換装置の制御方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電力変換装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般的に、電力変換装置には、直流電源からの直流電力を交流電力に変換するために、直流電力を平滑する平滑コンデンサが設けられている。このため、直流電源からの直流電力の供給の停止又は直流電力が供給される回路の切り離しの際に、メンテナンス等のために平滑コンデンサに蓄えられた電荷を放電させる必要がある。
【０００３】
このため、このような平滑コンデンサを放電させる方法としては、放電抵抗を直流回路に挿入して放電させる方法や負荷である電動機の巻線抵抗で消費させる方法などが知られている（例えば、特許文献１参照）。
【特許文献１】特開平９−７０１９６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、上述のような平滑コンデンサを放電させる方法では、以下のような問題がある。
【０００５】
放電抵抗を直流回路に挿入する方法では、通常運転時でも電力を消費するため、装置効率が落ちる。このため、放電抵抗値を大きくすることができない。また、切替スイッチなどで停止時だけ放電抵抗を挿入する場合では、回路を小型化することができなくなる。
【０００６】
一方、電動機の巻線抵抗で消費させる方法では、電動機と電力変換装置との間に遮断機や断路スイッチ等がなく常時接続されている必要がある。
【０００７】
そこで、本発明の目的は、電力変換装置に設けられた平滑コンデンサを放電させることに優れた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】
【０００８】
本発明の観点に従った電力変換装置は、直流電源の正側と負側との間に平滑コンデンサが接続され、前記直流電源の正側と負側との間に直列に接続された２以上のスイッチング素子を備えた電力変換装置であって、全ての前記２以上のスイッチング素子をオン状態にし、前記スイッチング素子に流れる電流が過電流となる前に、前記２以上のスイッチング素子のうち少なくとも１の前記スイッチング素子をオフにする制御をする制御手段を備えた構成である。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、電力変換装置に設けられた平滑コンデンサを放電させることに優れた電力変換装置を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
以下、図面を参照して、本発明の各実施形態を説明する。
【００１１】
まず、図２を参照して、各実施形態に共通する電力変換回路３について説明する。
【００１２】
図２は、本発明の各実施形態に係る電力変換回路３の構成を示す構成図である。なお、以降の図における同一部分には同一符号を付してその詳しい説明を省略し、異なる部分について主に述べる。以降の実施形態も同様にして重複した説明を省略する。
【００１３】
電力変換回路３は、直流電源ＰＷから供給された直流電力を交流電力に変換して、負荷である電動機４に三相交流電力を供給する。電力変換回路３は、出力する交流電力を可変電圧・可変周波数（ＶＶＶＦ：Variable voltage variable frequency）にすることで、電動機４の駆動を制御する。
【００１４】
直流電源ＰＷは、正極が電力変換回路３の正側直流母線ＰＢに、負極が電力変換回路３の負側直流母線ＮＢに接続される。
【００１５】
平滑コンデンサＣＮは、正側直流母線ＰＢと負側直流母線ＮＢとの間に、直流電源ＰＷと並列に接続される。平滑コンデンサＣＮは、直流電源ＰＷから出力された直流電圧を平滑する。電力変換回路３は、平滑コンデンサＣＮにより平滑された直流電圧を交流電圧に変換する。
【００１６】
電力変換回路３は、正側直流母線ＰＢと負側直流母線ＮＢとの間に、３つのレグＬ１，Ｌ２，Ｌ３が並列に接続された構成である。
【００１７】
レグＬ１は、２つのスイッチング素子ＳＷ１１，ＳＷ１２と、２つのダイオードＤ１１，Ｄ１２により構成されている。
【００１８】
２つのスイッチング素子ＳＷ１１，ＳＷ１２は、正側直流母線ＰＢと負側直流母線ＮＢとの間に、直列に接続されている。スイッチング素子ＳＷ１１，ＳＷ１２は、例えばＩＧＢＴ（insulated gate bipolar transistor）である。
【００１９】
ダイオードＤ１１，Ｄ１２は、それぞれスイッチング素子ＳＷ１１，ＳＷ１２と逆並列に接続されている。
【００２０】
同様にして、レグＬ２は、２つのスイッチング素子ＳＷ２１，ＳＷ２２と、２つのダイオードＤ２１，Ｄ２２により構成されている。また、レグＬ３は、２つのスイッチング素子ＳＷ３１，ＳＷ３２と、２つのダイオードＤ３１，Ｄ３２により構成されている。
【００２１】
電力変換回路３は、３つのレグＬ１，Ｌ２，Ｌ３により三相交流電力を出力する。
【００２２】
（第１の実施形態）
図１は、本発明の第１の実施形態に係る電力変換装置１の構成を示す構成図である。
【００２３】
電力変換装置１は、電力変換回路３と、電力変換回路３を制御する制御装置２とを備えている。
【００２４】
制御装置２は、ゲート制御部５と、ゲート駆動部６とを備えている。
【００２５】
ゲート制御部５は、スイッチング素子ＳＷ１１，ＳＷ１２，ＳＷ２１，ＳＷ２２，ＳＷ３１，ＳＷ３２のそれぞれに対するオン・オフの信号Ｓ１１，Ｓ１２，Ｓ２１，Ｓ２２，Ｓ３１，Ｓ３２をスイッチングパターンとしてゲート駆動部６に出力する。
【００２６】
ゲート駆動部６は、ゲート制御部５から入力されたスイッチングパターンに従って、スイッチング素子ＳＷ１１〜ＳＷ３２をそれぞれスイッチングする。
【００２７】
次に、制御装置２による平滑コンデンサＣＮを放電させる動作について説明する。
【００２８】
直流電源部の遮断などの平滑コンデンサＣＮを放電させる必要のある状態を検出すると、ゲート制御部５に放電指令ＳＤが入力される。
【００２９】
ゲート制御部５は、放電指令ＳＤを受信すると、全てのスイッチング素子ＳＷ１１〜ＳＷ３２を極短時間オン状態にするスイッチングパターンを連続してゲート駆動部６に出力する。即ち、ゲート制御部５は、正側直流母線ＰＢと負側直流母線ＮＢとを、スイッチング素子ＳＷ１１〜ＳＷ３２を介して短絡した状態にするための指令を出力する。
【００３０】
ゲート制御部５は、過電流となる電流値に達しないように予め決まった時間だけ全てのスイッチング素子ＳＷ１１〜ＳＷ３２をオン状態にした後、全てのスイッチング素子ＳＷ１１〜ＳＷ３２をオフにする。ここで、過電流の基準となる電流値は、例えば、定格電流に基づいて決められ、スイッチング素子が熱破壊する電流値とならないように決められた電流値の限界値である。
【００３１】
次に、スイッチング素子（ＩＧＢＴ）の特性について説明する。
【００３２】
図３は、ＩＧＢＴのターンオン波形を示す波形図である。
【００３３】
図３は、ゲート電圧ＶＧＥ、コレクタ−エミッタ間電圧ＶＣＥ、コレクタ電流ＩＣ、消費電力ＥＯＮの相関関係を示している。
【００３４】
コレクタ電流ＩＣは、図３に示すように、立ち上がり時間には回路のインダクタンスＬで決まる遅れ時間がある。従って、コレクタ電流ＩＣの立ち上がりから過電流に到達する前までの極短時間であれば、直流回路を短絡するゲートパルスを与えても、過電流を検出することなく電流を遮断することができる。
【００３５】
本実施形態によれば、制御装置２により、直流回路をスイッチング素子を介して短絡することで、平滑コンデンサＣＮの端子間が短絡され、スイッチング素子の内部抵抗による通電ロスが発生する。従って、全てのスイッチング素子ＳＷ１１〜ＳＷ３２を極短時間オン状態にすることを繰り返すことで、平滑コンデンサＣＮに蓄えられた電荷を放電させることができる。また、極短時間の短絡状態であるため、スイッチング素子ＳＷ１１〜ＳＷ３２に過電流は流れない。
【００３６】
従って、電動機４の接続や放電抵抗の設置がされていなくても、予め備えられているスイッチング素子のスイッチングのみで、平滑コンデンサＣＮの放電をすることができる。
【００３７】
（第２の実施形態）
図４は、本発明の第２の実施形態に係る電力変換装置１Ａの構成を示す構成図である。
【００３８】
電力変換装置１Ａは、図１に示す第１の実施形態に係る電力変換装置１において、制御装置２を、制御装置２Ａに置き換えた点以外は、同様の構成である。制御装置２Ａは、制御装置２の構成に、ゲート電圧切替回路７を追加した構成である。
【００３９】
ゲート電圧切替回路７は、ゲート駆動部６にゲート電圧を供給する回路である。ゲート電圧切替回路７は、高い電圧を供給する電源ＶＨと、低い電圧を供給する電源ＶＬと、電源ＶＨと電源ＶＬとを切り替える切替スイッチＳＷＴとを備えている。ゲート電圧切替回路７は、電動機４の駆動時（通常時）は、ゲート駆動部６に電源ＶＨからの電圧を供給している。
【００４０】
次に、制御装置２Ａによる平滑コンデンサＣＮを放電させる動作について説明する。
【００４１】
直流電源部の遮断などの平滑コンデンサＣＮを放電させる必要のある状態を検出すると、ゲート制御部５及びゲート電圧切替回路７に放電指令ＳＤが入力される。
【００４２】
電圧切替回路７は、放電指令ＳＤを受信すると、切替スイッチＳＷＴにより電源ＶＨから電源ＶＬに切り替えて、ゲート駆動部６に電圧を供給する。
【００４３】
ゲート制御部５は、放電指令ＳＤを受信すると、全てのスイッチング素子ＳＷ１１〜ＳＷ３２をオン状態にするスイッチングパターンをゲート駆動部６に出力する。即ち、ゲート制御部５は、正側直流母線ＰＢと負側直流母線ＮＢとを、スイッチング素子ＳＷ１１〜ＳＷ３２を介して短絡した状態にするための指令を出力する。
【００４４】
次に、スイッチング素子（ＩＧＢＴ）の特性について説明する。
【００４５】
図５は、ゲート電圧（オン電圧）ＶＧＥに対するＩＧＢＴのコレクタ電流ＩＣとコレクタ−エミッタ間電圧ＶＣＥとの相関関係を示すグラフ図である。
【００４６】
図５中では、ゲート電圧ＶＧＥが７［Ｖ］、８［Ｖ］、９［Ｖ］、１０［Ｖ］、１５［Ｖ］、２０［Ｖ］のときのそれぞれのグラフを示している。
【００４７】
図５に示すように、ゲート電圧ＶＧＥが低くなると、コレクタ−エミッタ間電圧ＶＣＥが高くなっても、コレクタ電流ＩＣは増えなくなる。また、ゲート電圧ＶＧＥが低いほど、コレクタ電流ＩＣの流れる限界量（一定となる量）は少ない。
【００４８】
従って、コレクタ電流ＩＣの流れる限界量が過電流となる電流量よりも低くなるようなゲート電圧ＶＧＥ（電源ＶＬからの電圧）を供給することで、スイッチング素子１１〜ＳＷ３２を介して直流回路を短絡状態のままにしても、過電流が流れることはない。
【００４９】
本実施形態によれば、制御装置２Ａにより、直流回路をスイッチング素子を介して短絡することで、平滑コンデンサＣＮの端子間が短絡され、スイッチング素子の内部抵抗による通電ロスが発生する。また、ゲート電圧ＶＧＥを通常時よりも低減することで、スイッチング素子ＳＷ１１〜ＳＷ３２に過電流が流れないようにする。従って、全てのスイッチング素子ＳＷ１１〜ＳＷ３２をオン状態にしたままでも、過電流が流れることなく平滑コンデンサＣＮに蓄えられた電荷を放電させることができる。
【００５０】
従って、電動機４の接続や放電抵抗の設置がされていなくても、予め備えられているスイッチング素子のスイッチングのみで、平滑コンデンサＣＮの放電をすることができる。
【００５１】
なお、各実施形態において、放電抵抗を設けない構成としたが、設けてもよい。放電抵抗のみによる場合よりも、各実施形態による作用効果により、平滑コンデンサＣＮの放電をより早く完了させることができる。
【００５２】
各実施形態では、全てのスイッチング素子ＳＷ１１〜ＳＷ３２を同時にオン状態にする構成としたが、レグＬ１〜Ｌ３単位毎にスイッチング素子をオン状態にしてもよい。１つのレグを構成する全てのスイッチング素子をオン状態にすることでも、直流回路のスイッチング素子を介した短絡状態にすることができる。また、レグ単位で順次にオンすることで、温度の分散をさせることもできる。
【００５３】
第１の実施形態において、全てのスイッチング素子をオン状態にした後に、オフにするスイッチング素子は、直流回路の正側直流母線ＰＢと負側直流母線ＮＢとの短絡状態を解消できるのであれば、全てのスイッチング素子でなくともよく、例えば１つのスイッチング素子でもよい。また、平滑コンデンサＣＮを放電するために予め決まった時間だけオン状態にする構成としたが、これに限らない。直流回路の電流を検出する電流検出機能を持たせることで、検出した電流値が過電流となる前の所定のレべル以上に電流が達した場合にオフにし、所定の電流レべル以下の場合にオンにする構成としても、同様の効果が得られる。
【００５４】
第２の実施形態では、ゲート電圧ＶＧＥを予め決められた所定のレべルに低減する構成としたが、これに限らない。直流回路の電流を検出する電流検出機能を持たせることで、検出した電流値に応じてゲート電圧を低減・調整する構成としても、同様の効果が得られる。
【００５５】
なお、本発明は上記実施形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。また、上記実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合わせにより、種々の発明を形成できる。例えば、実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよい。さらに、異なる実施形態にわたる構成要素を適宜組み合わせてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００５６】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る電力変換装置の構成を示す構成図。
【図２】本発明の各実施形態に係る電力変換回路の構成を示す構成図。
【図３】ＩＧＢＴのターンオン波形を示す波形図。
【図４】本発明の第２の実施形態に係る電力変換装置の構成を示す構成図。
【図５】ゲート電圧に対するＩＧＢＴのコレクタ電流とコレクタ−エミッタ間電圧の相関関係を示すグラフ図。
【符号の説明】
【００５７】
１…電力変換装置、２…制御装置、３…電力変換回路、４…電動機、５…ゲート制御部、６…ゲート駆動部、７…ゲート電圧切替回路、Ｄ１１，Ｄ１２，Ｄ２１，Ｄ２２，Ｄ３１，Ｄ３２…ダイオード、Ｓ１１，Ｓ１２，Ｓ２１，Ｓ２２，Ｓ３１，Ｓ３２…信号、ＳＷ１１，ＳＷ１２，ＳＷ２１，ＳＷ２２，ＳＷ３１，ＳＷ３２…スイッチング素子。
【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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