特許 7087471 電力変換装置及びインバータの制御方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2022-06-13

(45)【発行日】2022-06-21

(54)【発明の名称】電力変換装置及びインバータの制御方法

(51)【国際特許分類】

   H02M 7/48 20070101AFI20220614BHJP

【ＦＩ】

H02M7/48 M

【請求項の数】 2

(21)【出願番号】P 2018041795

(22)【出願日】2018-03-08

(65)【公開番号】P2019161725

(43)【公開日】2019-09-19

【審査請求日】2021-01-08

(73)【特許権者】

【識別番号】000002945

【氏名又は名称】オムロン株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100123319

【弁理士】

【氏名又は名称】関根 武彦

(74)【代理人】

【識別番号】100125357

【弁理士】

【氏名又は名称】中村 剛

(74)【代理人】

【識別番号】100123098

【弁理士】

【氏名又は名称】今堀 克彦

(74)【代理人】

【識別番号】100106622

【弁理士】

【氏名又は名称】和久田 純一

(74)【代理人】

【識別番号】100138357

【弁理士】

【氏名又は名称】矢澤 広伸

(72)【発明者】

【氏名】田邊 勝隆

(72)【発明者】

【氏名】溝上 恭生

(72)【発明者】

【氏名】熊谷 卓志

【審査官】柳下 勝幸

(56)【参考文献】

【文献】特開２０１７－１３９９０１（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開昭６３－０９９７７８（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開昭６０－０８４９７２（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開平０１－１２９７７８（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｈ０２Ｍ ７／４８

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

直列に接続された一対のスイッチング素子で構成されるレグを複数備え、これら複数のスイッチング素子を駆動制御することで、直流電力を交流電力に変換するインバータと、
前記スイッチング素子を駆動する駆動回路と、
前記スイッチング素子の制御信号を出力する制御回路と、
前記インバータに入力される直流電流を検出する電流検出手段と、
前記電流検出手段によって検出された電流に基づいて過電流を検出する過電流検出回路と、
前記制御回路と前記駆動回路の間に設けられた保護回路と、
を備えた電力変換装置であって、
前記過電流検出回路は、過電流を検出した場合に、前記保護回路に過電流の検出を示す検出信号を出力し、
前記検出信号を受けた前記保護回路は、前記制御回路からの制御信号によりオン制御されてから所定時間を経過したスイッチング素子をオフさせる信号として、所定時間遅延させた前記制御信号と前記検出信号との論理積と、前記制御信号との排他的論理和を前記駆動回路に出力することを特徴とする電力変換装置。

【請求項2】

前記保護回路は、前記制御信号を所定時間遅延させるＲＣ回路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。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、直流電力を交流電力に変化する電力変換装置及びインバータの制御方法に関する。

【背景技術】

【0002】

従来、インバータを過電流から保護するために、図４に示す電力変換装置が提案されていた。
図４は、電力変換装置１００を示す。スイッチング素子の一例である還流ダイオードを有する４つのＩＧＢＴ１０５－１～１０５－４からなるフルブリッジ方式のインバータ１０４を含む。各ＩＧＢＴのゲートには、ＤＥＳＡＴ（Ｄｅｓａｔｕｒａｔｉｏｎ Ｐｒｏｔｅｃｔｉｏｎ）機能を有する駆動回路１０８－１～１０８－４が接続されている。各ＩＧＢＴ１０５－１～１０５－４は、電力変換装置の制御回路１１１から各駆動回路１０８－１～１０８－４に出力されるＰＷＭ信号に応じて駆動されることにより、電力変換を行う。ＤＥＳＡＴ機能を有する駆動回路１０８－１～１０８－４では、ＩＧＢＴ１０５－１～１０５－４のＯＮ時のコレクタ電流に起因するオン電圧降下（Ｖｓｅ（ｓａｔ））の上昇により過電流を検知し、ゲート駆動信号を停止させるとともに、制御回路１１１に対してＦＡＵＬＴ信号を送出して、ＰＷＭ信号の出力を停止させる（特許文献１参照）。
しかし、このような駆動回路１０８－１～１０８－４は、ＤＥＳＡＴ機能を有する分だけコストが高くなる。また、ＩＧＢＴの特性に合わせて、誤動作が発生しないようにチューニングする必要もあり、設計の自由度が制限されることにもなっていた。

【0003】

また、ＤＥＳＡＴ機能を有しない、より低コストの汎用の駆動回路を使用する従来例として、図５に示す電力変換装置２００が提案されている。これは、インバータ２０４に入力される電流を検出するＣＴ等の電流検知センサ２０９を設け、この電流検知センサ２０９によって過電流を検出する。また、電流センサ２０９の出力により、過電流を検出する過電流検出回路２１０を設けている。さらに、制御回路２１１と各駆動回路２０８－１～２０８－４の間に、ゲートＩＣ回路２１２を設けている。ゲートＩＣ回路２１２は、制御回路２１１から出力されるＰＷＭ信号を、各駆動回路２０８－１～２０８－４に出力するとともに、各駆動回路２０８－１～２０８－４によるゲート駆動を停止させる信号を出力する機能を有する。過電流検出回路２１０において過電流を検出すると、過電流検出回路２１０から、ゲートＩＣ回路２１２と制御回路２１１にゲートブロック信号が出力される。ゲートブロック信号を受けたゲートＩＣ回路２１２では、各駆動回路２０８－１～２０８－４に対して一括してゲート駆動を停止させる信号を出力する。また、ゲートブロック信号を受けた制御装置２１１では、ＰＷＭ信号の出力を停止する。
また、図６に示すように、過電流検出回路３１０が過電流を検出した際に、上述の電力変換装置２００におけるゲートＩＣ回路による動作を、制御装置３１１のソフトウェアによって実現する電力変換装置３００も提案されている。

【0004】

ここで、上述のような従来の電力変換装置では、過電流が検出されてゲートの動作を停止させる場合に、オンされた後に短時間で、ゲートブロック信号に基づいてオフされると、ＩＧＢＴに接続された配線に寄生インダクタンスが存在するためにＩＧＢＴ両端に過電圧が発生し、ＩＧＢＴ等のスイッチング素子が故障する可能性があった。すなわち、過電流に対する保護動作によって、却ってスイッチング素子を故障させてしまうという不都合が生じる場合があった。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0005】

【文献】特開２０１３－１９８１８５号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0006】

本発明は、上記のような問題に鑑みてなされたものであり、過電流が発生した場合に、信頼性の高い制御が可能な電力変換装置及びインバータの制御方法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】

【0007】

上記の課題を解決するための本発明は、直列に接続された一対のスイッチング素子で構成されるレグを複数備え、これら複数のスイッチング素子を駆動制御することで、直流電力を交流電力に変換するインバータと、
前記スイッチング素子を駆動する駆動回路と、
前記スイッチング素子の制御信号を出力する制御回路と、
前記インバータに入力される直流電流を検出する電流検出手段と、
前記電流検出手段によって検出された電流に基づいて過電流を検出する過電流検出回路と、
前記制御回路と前記駆動回路の間に設けられた保護回路と、
を備えた電力変換装置であって、
前記過電流検出回路は、過電流を検出した場合に、前記保護回路に過電流の検出を示す検出信号を出力し、
前記検出信号を受けた前記保護回路は、前記制御回路からの制御信号によりオン制御されてから所定時間を経過したスイッチング素子をオフさせる信号を前記駆動回路に出力することを特徴とする電力変換装置である。

【0008】

本発明によれば、レグを構成する一対のスイッチング素子のうちオフ制御されているスイッチングの誤点弧等により過電流が発生した場合に、オン制御され正常に動作している他方のスイッチング素子をオフさせることにより、スイッチング素子に過大な電流が流れることを阻止することができる。さらに、過電流が発生した場合に、オン制御されてから所定時間を経過したスイッチング素子をオフさせるので、スイッチング素子をオンさせてから短時間でオフさせることによる過電圧の発生を防止することができ、過電流の影響を低減するために却ってスイッチング素子を故障させるようなことのない信頼性の高い制御を実現することが可能である。
ここで、スイッチング素子は、インバータによる電力変換のためにオンオフのスイッチングを行う。スイッチング素子は、例えば、ＩＧＢＴ，ＭＯＳ－ＦＥＴ，ＳｉＣ，ＧａＮ又はトランジスタであってもよい。

【0009】

また、本発明においては、前記検出信号を受けた前記保護回路は、所定時間遅延させた前記制御信号と前記検出信号との論理積と、前記制御信号との排他的論理和を前記駆動回路に出力するようにしてもよい。

【0010】

これによれば、簡単な構成により、信頼性の高い制御を実現できる。論理積はＡＮＤロジック回路によって演算することできる。また、排他的論理和はＸＯＲロジック回路によって演算することができる。

【0011】

また、本発明においては、前記保護回路は、前記制御信号を所定時間遅延させるＲＣ回路を備えるようにしてもよい。

【0012】

これによれば、ＲＣ回路を構成する抵抗の抵抗値とコンデンサの容量により、遅延させる所定時間を適宜設定することができるので、設計の自由度が高い。

【0013】

また、直列に接続された一対のスイッチング素子で構成されるレグを複数備え、これら複数のスイッチング素子を駆動制御することで、直流電力を交流電力に変換するインバータの制御方法であって、
前記インバータに入力される過電流を検出した場合に、オン制御されてから所定時間を経過したスイッチング素子をオフさせることを特徴とするインバータの制御方法である。

【0014】

本発明によれば、インバータに入力される過電流が発生した場合に、オン制御されてから所定時間を経過したスイッチング素子をオフさせるので、スイッチング素子をオンさせてから短時間でオフさせることによる過電圧の発生を防止することができ、過電流の影響を低減するために却ってスイッチング素子を故障させるようなことのない信頼性の高い制御を実現することが可能である。

【発明の効果】

【0015】

本発明によれば、電力変換装置及びインバータの制御方法において、過電流が発生した場合に信頼性の高い制御が可能となる。

【図面の簡単な説明】

【0016】

【図1】本発明の実施例における電力変換装置の全体構成図である。

【図2】本発明の実施例における保護回路の一部を回路図である。

【図3】本発明の実施例における保護回路の全体構成を示す回路図である。

【図4】本発明の従来例における電力変換装置の全体構成図である。

【図5】本発明の他の従来例における電力変換装置の全体構成図である。

【図6】本発明のさらに他の従来例における電力変換装置の全体構成図である。

【発明を実施するための形態】

【0017】

〔適用例〕
以下、本発明の適用例について、図面を参照しつつ説明する。本発明は例えば、図１に示すような二つのレグを有するフルブリッジ方式のインバータ４を備えた電流変換装置１に適用される。過電流検出回路１０が電流センサ９の出力から過電流の発生を検知した場合に、過電流検出回路１０から出力されるゲートオフ信号に対して、保護回路１２では、制御回路１１からのＰＷＭ信号によってオン制御され、正常に動作しているＩＧＢＴのうち、オン制御されてから所定時間を経過したＩＧＢＴに対してのみオフ制御する駆動信号を、駆動回路に出力する。このようにすれば、オン制御した直後のＩＧＢＴをオフすることによるＩＧＢＴ両端の過大な電圧発生を防止することでき、過電流が発生した場合に信頼性の制御を行うことができる。

【0018】

〔実施例〕
以下では、本発明の実施例に係る電力変換装置について、図面を用いて、より詳細に説明する。

【0019】

＜装置構成＞
図１は、本実施例に係る電力変換装置の全体構成を示すブロック図である。

【0020】

図１に示すように、本実施例に係る電力変換装置１は、可変電源２から整流回路３を経て入力された直流電圧を交流電圧に変換するインバータ４を含む。インバータ４は、上下のアームに一対のスイッチング素子の一例である還流ダイオードを有するＩＧＢＴ５－１及び５－２から構成されるレグ６－１と、同様に上下のアームに還流ダイオードを有するＩＧＢＴ５－３及び５－４から構成されるレグ６－２を有し、それぞれのレグの出力端間に負荷７を接続したフルブリッジ方式を採用している。レグは図示のように二つに限られ
るものではなく、三つ以上のレグを有する構成であってもよい。

【0021】

また、各ＩＧＢＴ５－１～５－４のゲートには駆動回路８－１～８－４が設けられている。インバータ４に接続される可変電源２の正極側には、電流を検出する電流検出手段の一例であるＣＴセンサ９を設けている。ＣＴセンサ９の出力は、過電流検出回路１０に入力される。そして、インバータ４を制御する制御回路１１が設けられ、制御回路１０と各駆動回路８－１～８－４との間に保護回路１２が設けられている。制御回路１１は、各レグを構成する一対のＩＧＢＴを相補的に駆動制御する。すなわち、ＩＧＢＴ８－１とＩＧＢＴ８－２は交互にＯＮとＯＦＦを繰り返すように駆動制御され、ＩＧＢＴ８－１とＩＧＢＴ８－２のいずれか又は両方が必ずＯＦＦとなる。また、制御回路１１から出力されるＰＷＭ信号のディーティー比に応じてＩＧＢＴをオンオフ制御（スイッチング）するによって電力変換を行う。

【0022】

過電流検出回路１０が過電流を検出すると、保護回路１２と制御回路１１に向けて、過電流の検出を示す検出信号であるゲートブロック信号を出力する。

【0023】

保護回路は、具体的には、図２に示すように構成される。まず、制御回路１１から入力される各ＩＧＢＴの制御信号であるＰＷＭ信号の信号線（ア）は排他的論和演算を行うＸＯＲロジック回路１２１－１の入力端の一方に接続されるとともに、分岐して直列に接続された抵抗１２２－１と、グランドとの間で並列に接続されたコンデンサ１２３－１を介して論理積演算を行うＡＮＤロジック回路１２４－１の入力端の一方に接続される。抵抗１２２－１とコンデンサ１２３－１からなるＲＣ回路の時定数は、抵抗１２２－１の抵抗値及びコンデンサ１２３－１の容量によって適宜設定することができる。また、過電流検出回路１０から出力されるゲートブロック信号の信号線（イ）は、ＡＮＤロジック回路１２４－１の入力端の他方に接続される。そして、ＡＮＤロジック回路１２４－１の出力端は、ＸＯＲロジック回路１２１－１の入力端の他方に接続される。さらに、ＸＯＲロジック回路１２１－１の出力端から駆動回路８－１に駆動信号が出力される。ここでは、駆動回路８－１に対する駆動信号を出力する構成を例として保護回路１２の動作を説明する。

【0024】

各信号線の論理を表１に示す。

【表1】

まず、ステータス１は、ＰＷＭ信号がＬＯＷ（以下、「Ｌ」と略す。）すなわちＩＧＢＴ５－１のオフ制御としてゲートＯＦＦを指示する。これに伴い（イ）に現れるＲＣ出力信号もＬである。このとき、過電流検出信号がＬすなわち過電流が検出されていない。そうすると、このステータス１では、（イ）と（ウ）のＡＮＤ演算結果はＬであり、このＬと（ア）とのＸＯＲ演算結果もＬであるから、信号線（エ）には駆動信号としてＰＷＭ信号のＬがそのまま現れる。

【0025】

次に、ステータス２では、ＰＷＭ信号がＨＩＧＨ（以下、「Ｈ」と略す。）すなわちＩＧＢＴのオン制御としてゲートＯＮを指示する。このとき、ＰＷＭ信号がＨになってから、ＲＣ出力信号がＨとなるまでにはコンデンサ１３３が充電される時間（時定数）がかか
るため、時定数が経過するまではＲＣ出力信号はＬのままである。過電流が検出されないと、過電流検出信号はＬである。そうすると、（イ）と（ウ）のＡＮＤ演算結果はＬであり、このＬと（ア）とのＸＯＲ演算結果はＨであるから、信号線（エ）には駆動信号としてＰＷＭ信号のＨがそのまま現れる。

【0026】

次に、ステータス３では、ＰＷＭ信号はＨのままであるが、ＰＷＭ信号がＨになっていから時定数が経過すると、ＲＣ出力信号はＨとなる。過電流が検出されないと、過電流検出信号はＬである。そうすると、（イ）と（ウ）のＡＮＤ演算結果はＬであり、このＬと（ア）とのＸＯＲ演算結果はＨであるから、信号線（エ）には駆動信号としてＰＷＭ信号のＨがそのまま現れる。

【0027】

次に、ステータス４では、ＰＷＭ信号はＨであり、ＰＷＭ信号がＨとなってから時定数が経過し、ＲＣ出力信号はＨとなっている。このとき、過電流が検出され、過電流検出信号がＨとなる。そうすると、（イ）と（ウ）のＡＮＤ演算結果はＨであり、このＨと（ア）のＸＯＲ演算結果はＬであるから、信号線（エ）には駆動信号としてＬ、すなわちゲートをオフさせる駆動信号が出力される。

【0028】

次に、ステータス５では、ＰＷＭ信号はＨであり、ＲＣ出力はＬである。このとき、過電流が検出され、過電流検出信号はＨとなる。そうすると、（イ）と（ウ）のＡＮＤ演算結果はＬであり、このＬと（ア）とのＸＯＲ演算結果はＨであるから、信号線（エ）には駆動信号としてＰＷＭ信号のＨがそのまま現れる。

【0029】

図３に、保護回路１２の全体構成を示す。
過電流検出回路１０から出力されるゲートブロック信号の信号線は共通であり、各ＩＧＢＴ５－１～５－４を制御するためのＰＷＭ信号が制御回路１１から入力され、保護回路１２からは各ＩＧＢＴ５－１～５－４の駆動信号をそれぞれの駆動回路８－１～８－４に出力される。

【0030】

このように、本実施例の電力変換装置によれば、過電流が発生した場合に、正常に動作している、すなわちオン制御されているＩＧＢＴに対してオフ制御しても、オン制御されてから所定時間が経過している状態のＩＧＢＴのみがオフ制御されるので、ＩＧＢＴを過電圧による発熱等により故障させることなく、過電流による影響を低減することができ、より信頼性の高い制御が可能となる。また、スイッチング素子の特性改善により、ＩＧＢＴの短絡耐量が減少している現状において、保護回路というハードウェア構成により高速かつ負荷をかけることなくＩＧＢＴを停止させることができる。また、正常に動作するＩＧＢＴをゲートブロックするまでの遅延時間を決めるＲＣ回路の時定数は、抵抗の抵抗値及びコンデンサの容量を適宜設定することができるので、設計の自由度が高い。また、ＸＯＲロジック回路と、ＡＮＤロジック回路とＲＣ回路という簡単な構成で保護回路を構成することができ、コストを低減することができる。また、複数のＸＯＲロジック回路１２２－１～１２２－４を含んだＩＣ及び複数のＡＮＤロジック回路１２４－１～１２４－４を含んだＩＣを準備することができるので、保護回路１２をこれらの少ない部品の追加により実現することができる。
なお、本実施例によるインバータの制御方法は、保護回路によるハードウェア構成ではなく、制御回路において実行されるソフトウェアによって実現することもできる。

【0031】

なお、以下には本発明の構成要件と実施例の構成とを対比可能とするために、本発明の構成要件を図面の符号付きで記載しておく。
＜発明１＞
直列に接続された一対のスイッチング素子（５－１，５－２及び５－３，５－４）で構成されるレグ（６－１，６－２）を複数備え、これら複数のスイッチング素子（５－１，
５－２及び５－３，５－４）を駆動制御することで、直流電力を交流電力に変換するインバータ４と、
前記スイッチング素子（５－１，５－２及び５－３，５－４）を駆動する駆動回路（８－１～８－４）と、
前記スイッチング素子（５－１，５－２及び５－３，５－４）の制御信号を出力する制御回路１１と、
前記インバータ４に入力される直流電流を検出する電流検出手段９と、
前記電流検出手段９によって検出された電流に基づいて過電流を検出する過電流検出回路１０と、
前記制御回路１１と前記駆動回路（８－１～８－４）の間に設けられた保護回路１２と、
を備えた電力変換装置１であって、
前記過電流検出回路１０は、過電流を検出した場合に、前記保護回路１２に過電流の検出を示す検出信号を出力し、
前記検出信号を受けた前記保護回路１２は、前記制御回路１１からの制御信号によりオン制御されてから所定時間を経過したスイッチング素子（５－１，５－２及び５－３，５－４）をオフさせる信号を前記駆動回路（８－１～８－４）に出力することを特徴とする電力変換装置。
＜発明２＞
前記検出信号を受けた前記保護回路（１２）は、所定時間遅延させた前記制御信号と前記検出信号との論理積（１２４－１）と、前記制御信号との排他的論理和（１２１－１）を前記駆動回路（８－１）に出力することを特徴とする請求項１に記載の電力変換装置。＜発明３＞
前記保護回路（１２）は、前記制御信号を所定時間遅延させるＲＣ回路（１２２－１，１２３－１）を備えたことを特徴とする請求項２に記載の電力変換装置。
＜発明４＞
直列に接続された一対のスイッチング素子（５－１，５－２及び５－３，５－４）で構成されるレグ（６－１，６－２）を複数備え、これら複数のスイッチング素子（５－１，５－２及び５－３，５－４）を駆動制御することで、直流電力を交流電力に変換するインバータ４の制御方法であって、
前記インバータ４に入力される過電流を検出した場合に、オン制御されてから所定時間を経過したスイッチング素子（５－１，５－２及び５－３，５－４）をオフさせることを特徴とするインバータの制御方法。

【符号の説明】

【0032】

１：電流変換装置
４：インバータ
５－１～５－４：ＩＧＢＴ
６－１，６－２：レグ
８－１～８～４：駆動回路
９：電流センサ
１０：過電流検出回路
１１：制御回路
１２：保護回路

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】