JP2009207263A - 電力変換装置 - Google Patents

Abstract

【課題】電力変換装置が電力供給する交流負荷や電力変換装置自体に対する信頼性と安全性とを向上する。
【解決手段】交流電源１から供給される交流を整流器３で直流に変換し、この直流をインバータ５で交流に変換して交流負荷９に供給する電力変換部２と、インバータの各スイッチング素子７に対してＰＷＭ信号ａを印加して交流負荷に対する供給電力を制御するインバータ制御部１１とを有する電力変換装置において、インバータ制御部１１から各スイッチング素子７に対する各ＰＷＭ信号の信号路１３に介挿された抵抗の抵抗値を示すゲート抵抗Ｒｇを、交流負荷の運転、漏れ電流、スイッチング素子の温度等の状況に応じて調整する。
【選択図】図１

Description

本発明は、交流を整流器で直流に変換し、この直流をインバータで交流に変換して交流負荷に供給する電力変換装置に係わり、特にインバータに組込まれた電力用のスイッチング素子に起因する特性劣化を防止する電力変換装置に関する。

例えば、負荷としての交流電動機における速度やトルクを広範囲に亘って制御する手法として、交流を整流器で直流に変換し、この直流をインバータで交流に変換して交流電動機等の交流負荷に供給する電力変換装置が実用化されている。

図６は、一般的な電力変換装置の構成図である。交流電源１から供給される三相交流は電力変換部２の整流器３で直流に全波整流され、平滑コンデンサ４でリップル分が吸収されインバータ５に供給される。このインバータ５においては、ダイオード６とスイッチング素子７との並列回路８が６個、ブリッジ接続されている。インバータ５は入力された直流を三相交流に変換して、交流負荷としての交流電動機９へ供給する。

交流電動機９に対する運転制御部１０は、交流電動機９に対する起動、停止、速度（回転速度）、トルク等をインバータ制御部としてのＰＷＭ（パルス幅変調）信号発生部１１へ送出する。このＰＷＭ信号発生部１１は、インバータ５の６個の各スイッチング素子７へそれぞれ、抵抗（ゲート抵抗）１２を介して、タイミングをずらせて各ＰＷＭ信号ａを印加する。したがって、各スイッチング素子７は、ベース（ゲート）にＰＷＭ信号ａが印加している期間のみ導通する。

ＰＷＭ信号発生部１１は、各ＰＷＭ信号ａの送信時間間隔、パルス幅を変更することによって、インバータ５から交流電動機９へ出力される交流の周波数ｆ、及び振幅Ａを任意に設定可能である。

このような構成の電力変換装置においては、交流電動機９の定格が大きい場合は、各スイッチング素子７として、大容量の半導体スイッチング素子が使用される。例えば、ＩＧＢＴ（絶縁ゲート型バイポーラ・トランジスタ）が採用されている。このような大容量の半導体スイッチング素子においては端子間容量が無視できない値となる。前述したように、各ＰＷＭ信号ａの信号線１３にはスイッチング素子７を過電流から保護するための抵抗１２（ゲート抵抗）が設けられている。したがって、この端子間容量と抵抗１２の抵抗値とで形成されるインピーダンス成分によって、図７に示すように、このスイッチング素子の導通時の電流ｂが、ＰＷＭ信号発生部１１から出力されてスイッチング素子のゲートに印加されるＰＷＭ信号ａに比較して遅れることになる。

したがって、スイッチング素子のスイッチング速度（電流の立ち上がり速度）が低下するので、ＰＷＭ（パルス幅変調）信号ａの周波数（送信間隔）を一定以上上昇できない。すなわち、交流電動機７の回転速度や応答性が制限される。

また、抵抗１２（ゲート抵抗）の抵抗値が小さい場合は、図７に示すように、スイッチング素子の導通時の電流ｃがオーバシュート現象を起す。

したがって、インバータ５から出力される交流の波形に乱れが生じて、他の機器の誤動作の発生、オーバシュートによるサージ発生に起因する電動機巻線の劣化等が発生する可能性がある。

なお、特許文献１には、インバータを構成する単相ブリッジ接続された４個の各スイッチング素子へ各ゲート信号を出力するゲート駆動回路の各出力端に、３個の抵抗をＴ型に接続したＴ型抵抗回路を設け、このＴ型抵抗回路及びゲート抵抗を介して各スイッチング素子へゲート信号を印加している。このＴ型抵抗回路を設けることによって、ゲート信号の発振を抑制している。
特願２００３―８８０９８号公報

しかしながら、図６、図７に示す従来の電力変換装置、及び特許文献１に記載された電力変換装置においても、まだ改良すべき次のような課題があった。

すなわち、図６、図７に示す従来の電力変換装置においては、インバータ制御部１１の各出力端と各スイッチング素子とを接続する信号線１３に介挿された抵抗１２の抵抗値は固定であるので、この電力変換装置における使用条件によっては、上述した各種の弊害が現れることがある。

また、特許文献１に記載された電力変換装置においても、Ｔ型抵抗回路のみでは、発振等の問題は解消できるが、各スイッチング素子のスイッチング速度を上昇できない問題が残る。

本発明はこのような事情に鑑みてなされたものであり、インバータの各スイッチング素子のゲート抵抗を必要に応じて調整可能にすることにより、交流電動機等の交流負荷の運転状況や、自己装置の運転状況に応じた各スイッチング素子におけるスイッチング特性を実現でき、交流負荷における幅広い運転条件範囲に亘って良好な運転を実現でき、さらに、電力供給装置としての信頼性を向上できる電力変換装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明は、交流電源から供給される交流を整流器で直流に変換し、この直流をスイッチング素子をブリッジ接続してなるインバータで交流に変換して交流負荷に供給する電力変換部と、インバータの各スイッチング素子に対してＰＷＭ信号を印加して交流負荷に対する供給電力を制御するインバータ制御部とを有する電力変換装置において、インバータ制御部から各スイッチング素子に対する各ＰＷＭ信号の信号路に介挿された抵抗の抵抗値を示すゲート抵抗を調整可能とするゲート抵抗調整部を備えている。

このように構成された電力変換装置においては、例えば、操作者は、この電力変換装置から交流電力が供給される例えば交流電動機等の交流負荷の使用状況に応じて、各スイッチング素子のゲート抵抗を調整して、各スイッチング素子のスイッチング速度を最適値に設定可能である。よって、交流負荷を最適状態で運転可能となる。

また、別の発明は、上記発明の電力変換装に対して、交流負荷のアースに対する漏れ電流を検出する漏れ電流検出部と、漏れ電流検出部で検出された漏れ電流の増加に応じてゲート抵抗調整部に対してゲート抵抗の上昇を指示するゲート抵抗指示部とを備えている。

一般に、電力変換装置に組込まれたインバータから交流負荷に供給される交流の波形は、スイッチング素子の高速スイッチングにおけるパルス波形の合成波形であるので、電動機の巻線とフレーム間の静電容量を介してアースに電流が漏れる。この漏れ電流はスイッチング素子のスイッチング速度（パルス波形の立ち上がり）に依存する。

よって、この漏れ電流を検出して、漏れ電流が増大すると、ゲート抵抗を増大して、スイッチング素子のスイッチング速度を低下させて、漏れ電流を抑制する。

また、別の発明は、上記発明の電力変換装に対して、各スイッチング素子の温度を検出する温度検出部と、検出部で検出された温度の上昇に応じてゲート抵抗調整部に対してゲート抵抗の低下を指示するゲート抵抗指示部とを備えている。

スイッチング素子の温度が上昇する要因の一つとしてスイッチング損失（抵抗損失）があるので、この熱損失を低減させるために、各スイッチング素子の温度を測定して温度が上昇すると、ゲート抵抗を低下させる。

また、別の発明は、上記発明の電力変換装におけるゲート抵抗調整部を、印刷配線基板上に配置された複数の抵抗を挿脱可能な接点部材を介してスイッチング素子とＰＷＭ信号の出力端子との間を並列接続し、各接点部材を選択的に挿脱するようにしている。

このような構成のゲート抵抗調整部においては、操作者は簡単にゲート抵抗を手動で調整可能である。

本発明においては、インバータの各スイッチング素子のゲート抵抗を必要に応じて調整可能にすることにより、交流電動機等の交流負荷の運転状況や、自己装置の運転状況に応じた各スイッチング素子におけるスイッチング特性を実現でき、交流負荷における幅広い運転条件範囲に亘って良好な運転を実現でき、さらに、電力供給装置としての信頼性を向上できる。

以下、本発明の各実施形態を図面を用いて説明する。

（第１実施形態）
図１は本発明の第１実施形態に係わる電力変換装置の概略構成図である。図６に示す従来の電力変換装置と同一部分には、同一符号を付して重複部分の詳細説明を省略する。

交流電源１から供給される三相交流は電力変換部２の整流器３で直流に全波整流され、平滑コンデンサ４でリップル分が吸収されインバータ５に供給される。このインバータ５においては、ダイオード６とスイッチング素子７との並列回路８が６個、ブリッジ接続されている。インバータ５は入力された直流を三相交流に変換して、交流負荷としての交流電動機９へ供給する。

なお、各スイッチング素子７として、大容量の半導体スイッチング素子が使用される。例えば、ＩＧＢＴ（絶縁ゲート型バイポーラ・トランジスタ）が採用されている。

交流電動機９に対する運転制御部１０は、交流電動機９に対する起動、停止、速度（回転速度）、トルク等をインバータ制御部としてのＰＷＭ信号発生部１１へ送出する。このＰＷＭ信号発生部１１は、インバータ５の６個の各スイッチング素子７へそれぞれ、信号線１３、及びゲート抵抗調整部１４を介して、タイミングをずらせて各ＰＷＭ信号ａを印加する。

インバータ制御部としてのＰＷＭ信号発生部１１は、各ＰＷＭ信号ａの送信時間間隔、パルス幅を変更することによって、インバータ５から交流電動機９へ出力される交流の周波数ｆ、及び振幅Ａを任意に設定可能である。

各ゲート抵抗調整部１４は、ＰＷＭ信号発生部１１の各ＰＷＭ信号ａの出力端子とスイッチング素子７とを接続する信号線１３に介挿された抵抗の抵抗値であるゲート抵抗Ｒｇを選択部１５の選択指示信号ｄが指定する値に調整する。選択部１５は、例えば、簡単なスイッチ装置等で構成されており、操作者が手動で、ゲート抵抗Ｒｇを指定する。この選択部１５から出力された選択指示信号ｄは６個のゲート抵抗調整部１４へ同時に送出される。

６個のゲート抵抗調整部１４は、は同一構成であり、図２に示す回路構成を有する。図２において、ＰＷＭ信号発生部１１の各ＰＷＭ信号ａの出力端子とインバータ５の一つのスイッチング素子７とを接続する信号線１３にフォトカプラ１６ａの受光素子１８ａ、及び抵抗１７ａの直列回路が介挿されている。

さらに、この直列回路に対して、別のフォトカプラ１６ｂの受光素子１８ｂ、及び抵抗１７ｂの直列回路が並列接続されている。さらに、フォトカプラ１６ｃの受光素子１８ｃ、抵抗１７ｃの直列回路が並列接続されている。各抵抗１７ａ、１７ｂ、１７ｃは互いに異なる抵抗値に設定されている。

そして、各フォトカプラ１６ａ、１６ｂ、１６ｃの発光素子１８ａ、１８ｂ、１８ｃは切替回路２０からの駆動信号ｅにて点灯する。切替回路２０は、図１の選択部１５からの選択指示信号ｄが指定するゲート抵抗Ｒｇになるように、各発光素子１８ａ、１８ｂ、１８ｃに駆動信号ｅを送出する。

その結果、指定されたフォトカプラ１６ａ、１６ｂ、１６ｃが導通し、ＰＷＭ信号発生部１１の各ＰＷＭ信号ａの出力端子とスイッチング素子７とを接続する信号線１３に介挿された抵抗の抵抗値であるゲート抵抗Ｒｇは、導通されたフォトカプラ１６ａ、１６ｂ、１６ｃに接続された各抵抗１７ａ、１７ｂ、１７ｃの抵抗値の合成抵抗値となる。この場合、各抵抗１７ａ、１７ｂ、１７ｃを単独で指定することも、複数の抵抗１７ａ、１７ｂ、１７ｃを指定することが可能である。すなわち、ゲート抵抗Ｒｇの選択範囲を広げることができる。

このように構成された第１実施形態の電力変換装置においては、操作者は、この電力変換装置から交流電力が供給される交流電動機９の運転状態に応じて選択部１５を操作して、スイッチング素子７のゲート抵抗Ｒｇを調整して、各スイッチング素子のスイッチング速度を最適値に設定する。例えば、この電力変換装置が電力を供給する電気システムに組込まれた電気機器に誤動作が発生したり、オーバシュートによるサージ発生に起因する電動機巻線の劣化等が発生の懸念がある場合は、ゲート抵抗Ｒｇを大きくするように調整する。また、高い応答性や高速性が要求される場合は、ゲート抵抗Ｒｇを小さく設定する。

（第２実施形態）
図３は本発明の第２実施形態に係わる電力変換装置の概略構成図である。図１に示す第１実施形態の電力変換装置と同一部分には、同一符号を付して重複部分の詳細説明を省略する。

この第２実施形態の電力変換装置においては、図１の第１実施形態の電力変換装置における操作者が操作する選択部１５の代わりに、電流検出コイル２１、漏れ電流検出部部２２、及びゲート抵抗指示部２３が設けられている。

この第２実施形態の電力変換装置においては、前述したこの電力変換装置に組込まれているインバータ５のスイッチング素子７の高速スイッチングに起因して、交流負荷としての交流電動機９の巻線とフレーム間の静電容量を介してアースに漏れる漏れ電流を直接検出しなくて、交流電源１から出力される三相交流のＲ、Ｓ、Ｔ相の相間の電流を、漏れ電流として、電流検出コイル２１で検出する。これは、交流電動機９からの漏れ漏れ電流はアースを経由して交流電源１に帰還するからである。

漏れ電流検出部２２は電流検出コイル２１で検出した漏れ電流値をゲート抵抗指示部２３へ送出する。ゲート抵抗指示部２３は、検出された漏れ電流が予め定められたしきい値を超えると、そのしきい値からの漏れ電流の増加量に対応した、ゲート抵抗Ｒｇの増加量ΔＲｇを決定して、現在時点で、ゲート抵抗調整部１４に選択指示している現在のゲート抵抗Ｒｇに加算して、加算後のゲート抵抗（Ｒｇ＋ΔＲｇ）を、各ゲート抵抗調整部１４の切替回路２０へ、新たなゲート抵抗Ｒｇ（＝Ｒｇ＋ΔＲｇ）の選択指示信号ｄとして送出する。

その結果、インバータ５の各スイッチング素子７のゲート抵抗Ｒｇが増加する。前述したように、漏れ電流はスイッチング素子７のスイッチング速度に依存するので、漏れ電流が増大すると、ゲート抵抗Ｒｇを増大して、スイッチング素子７のスイッチング速度を低下させるので、漏れ電流が低下する。

ゲート抵抗指示部２３は、漏れ電流がしきい値以下に低下すると、ゲート抵抗Ｒｇを元の値に戻す。

このように構成された第２実施形態の電力変換装置においては、漏れ電流が増加した場合は、自動的に、ゲート抵抗Ｒｇが調整されるので、この電力変換装置から電力供給されれる交流電動機等の交流負荷の信頼性と安全性とを向上できる。

（第３実施形態）
図４は本発明の第３実施形態に係わる電力変換装置の概略構成図である。図１に示す第１実施形態の電力変換装置と同一部分には、同一符号を付して重複部分の詳細説明を省略する。

この第３実施形態の電力変換装置においては、図１の第１実施形態の電力変換装置における操作者が操作する選択部１５の代わりに、各スイッチング素子７に取付けられた温度センサ２４、温度検出部２５、及びゲート抵抗指示部２６が設けられている。

温度検出部２５は、インバータ５のＩＧＢＴ等の電力用の半導体素子で構成された各スイッチング素子７に取付けられた例えば熱電対等の温度センサ２４を用いて、各スイッチング素子７の温度を検出して、検出した６個の温度の平均温度を算出して、ゲート抵抗指示部２６へ送出する。

ゲート抵抗指示部２６は、検出された平均の温度が予め定められたしきい値を超えると、そのしきい値からの温度の上昇量に対応した、ゲート抵抗Ｒｇの低下量ΔＲｇｔを決定して、現在時点で、ゲート抵抗調整部１４に選択指示している現在のゲート抵抗Ｒｇから減算して、減算後のゲート抵抗（Ｒｇ―ΔＲｇ）を、各ゲート抵抗調整部１４の切替回路２０に対して、新たなゲート抵抗Ｒｇ（＝Ｒｇ―ΔＲｇｔ）の選択指示信号ｄとして送出する。

その結果、インバータ５のスイッチング素子７のゲート抵抗Ｒｇが低下する。前述したように、インバータ５のスイッチング素子７の発熱に起因する温度上昇は、導通時の抵抗損失に大きく影響されるので、各スイッチング素子７の温度が上昇すると、ゲート抵抗Ｒｇを低下することによって、上昇した温度が低下する。

ゲート抵抗指示部２６は、温度がしきい値以下に低下すると、ゲート抵抗Ｒｇを元の値に戻す。

このように構成された第３実施形態の電力変換装置においては、インバータ５に組込まれた各スイッチング素子７の温度が上昇した場合は、自動的に、ゲート抵抗Ｒｇが調整されるので、この電力変換装置自体の信頼性と安全性とを向上できる。

（第４実施形態）
図５は本発明の第４実施形態に係わる電力変換装置に組込まれた６個のゲート抵抗調整部１４ａの一つのゲート抵抗調整部１４ａの回路図である。このゲート抵抗調整部１４ａ以外の構成は、図１に示す第１実施形態の電力変換装置とほぼ同一であるので説明を省略する。また、第１実施形態における選択部１５は除去されている。

図５のゲート抵抗調整部１４ａにおいて、印刷配線基盤２７上に互いに抵抗値が異なる３個の抵抗１７ｄ、１７ｅ、１７ｆと、３個の挿脱可能な接点部材としてのジャンパ２８ａ、２８ｂ、２８ｃが取付けられている。そして、各抵抗１７ｄ、１７ｅ、１７ｆ及びジャンパ２８ａ、２８ｂ、２８ｃを、ＰＷＭ信号発生部１１のＰＷＭ信号ａの出力端子とスイッチング素子との間を並列接続する３本の配線２９ａ、２９ｂ、２９ｃが印刷されている。

このように構成されたゲート抵抗調整部１４ａが組込まれた第４の実施形態の電力変換装置においては、操作者はこの電力変換装置に交流電動機等の交流負荷を接続して、実際に稼働する前に、ゲート抵抗調整部１４ａにおける必要なジャンパ２８ａ、２８ｂ、２８ｃを残して他のジャンパを取り外して、交流負荷の予想される運転状況に対応したゲート抵抗Ｒｇに設定することができる。

なお、本発明は上述した各実施形態に限定されるものではない。例えば、ゲート抵抗調整部１４のみを、それぞれ異なるゲート抵抗Ｒｇを有した複数の基板で構成して、必要に応じて取替え可能とすることも可能である。この場合、電力変換装置のリニューアル等で主回路素子部が変わる場合でも低コストで変更対応可能となる。

本発明の第１実施形態に係わる電力変換装置の概略構成図 同実施形態の電力変換装置に組込まれたゲート抵抗調整部の回路図 本発明の第２実施形態に係わる電力変換装置の概略構成図 本発明の第３実施形態に係わる電力変換装置の概略構成図 本発明の第４実施形態に係わる電力変換装置に組込まれたゲート抵抗調整部の回路図 従来の電力変換装置の概略構成図 同従来の電力変換装置のＰＷＭ信号波形とスイッチング素子の導通時の電流波形を示す図

符号の説明

１…交流電源、２…電力変換部、３…整流器、４…平滑コンデンサ、５…インバータ、７…スイッチング素子、９…交流電動機、１０…運転制御部、１１…ＰＷＭ信号発生部、１２，１７ａ〜１７ｆ…抵抗、１３…信号線、１４，１４ａ…ゲート抵抗調整部、１５…選択部、１６ａ〜１６ｃ…フォトカプラ、２０…切替回路、２１…電流検出コイル、２２…漏れ電流検出部、２３，２６…ゲート電流指示部、２４…温度センサ、２５…温度検出部、２７…印刷配線基盤、２８ａ〜２８ｃ…ジャンパ、２９ａ〜２９ｃ…配線

Claims (4)

1. 交流電源から供給される交流を整流器で直流に変換し、この直流をスイッチング素子をブリッジ接続してなるインバータで交流に変換して交流負荷に供給する電力変換部と、前記インバータの各スイッチング素子に対してＰＷＭ信号を印加して前記交流負荷に対する供給電力を制御するインバータ制御部とを有する電力変換装置において、
   前記インバータ制御部から前記各スイッチング素子に対する前記各ＰＷＭ信号の信号路に介挿された抵抗の抵抗値を示すゲート抵抗を調整可能とするゲート抵抗調整部を備えたことを特徴とする電力変換装置。
2. 前記交流負荷のアースに対する漏れ電流を検出する漏れ電流検出部と、
   前記漏れ電流検出部で検出された漏れ電流の増加に応じて前記ゲート抵抗調整部に対してゲート抵抗の上昇を指示するゲート抵抗指示部と
   を備えたことを特徴とする請求項１記載の電力変換装置。
3. 前記各スイッチング素子の温度を検出する温度検出部と、
   前記検出部で検出された温度の上昇に応じて前記ゲート抵抗調整部に対してゲート抵抗の低下を指示するゲート抵抗指示部と
   を備えたことを特徴とする請求項１記載の電力変換装置。
4. 前記ゲート抵抗調整部は、印刷配線基板上に配置された複数の抵抗を挿脱可能な接点部材を介して前記スイッチング素子とＰＷＭ信号の出力端子との間を並列接続し、前記各接点部材を選択的に挿脱されることによってゲート抵抗を調整することを特徴とする請求項１記載の電力変換装置。

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