JP5661694B2 - 多レベル電力変換装置 - Google Patents

Description

本発明は、改良された過電流保護機能を有する多レベル電力変換装置に関する。

直流を交流に変換する電力変換装置として、従来は通常の２レベルのインバータ装置が用いられていた。最近になって、高電圧で大容量の電力変換装置のニーズが拡大し、３レベル以上の所謂多レベルのインバータ装置が、例えばモータ駆動用のインバータ装置に適用されるようになってきた。

３レベルのインバータ装置は、文字通り３つの直流電位を出力する装置である。これに対し、従来の２レベルのインバータ装置は２つの直流電位を出力する。インバータの構成の違いは、２レベルのインバータ装置が、直流電源に対して直列接続された２個のスイッチング素子を並列に接続してその中間点から交流出力を得るのに対し、３レベルのインバータ装置は、正、ゼロ及び負の３つの電位を持つ直流電源に対して４個のスイッチング素子を直列接続して直列接続体を構成し、その中点から交流出力を得る。３レベルのインバータ装置の直列接続体の両端は正、負の直流電位に接続され、正側及び負側の端部のスイッチング素子と中間のスイッチング素子の中間点は夫々ダイオードを介してゼロ電位にクランプされる。直列接続体を構成するスイッチング素子は各々フライホイルダイオードが逆並列接続されている。そして直列接続体と上記クランプダイオードを含めた部分をスイッチングレグと呼称する。

２レベル、３レベル何れのインバータ装置であっても、２つのスイッチングレグを並列接続することによって単相の交流出力を得、３つのスイッチングレグを並列接続することによって３相の交流出力を得ることができる。

従来の２レベルインバータ装置では、スイッチング素子の過電流保護を目的に、スイッチング素子の主電極間の電圧を検出し、スイッチング素子をオンしたときに、スイッチング素子の主電極間の電圧が基準電圧以上あった場合は、ゲート電圧の低減または装置停止を行なう方法が用いられていた。

即ち、正常運転状態ではスイッチング素子の制御極にオンパルスが与えられたとき、素子の主電極間の電圧は若干の遅れ時間を持って飽和電圧まで減少する。一方素子をオンしたときに過電流が流れた場合、素子の内部抵抗があるため、素子の主電極間の電圧は低下しない。よってオンパルスが与えられて所定の遅延時間後に素子の主電極間の電圧が検出レベル以上であるとき過電流が流れていると判定し、装置を停止すれば過電流保護が可能となる。

この考え方を３レベルインバータ装置に適用した提案も各種為されている（例えば特許文献１参照。）。

特開２０００−３５４３８３号公報（第５頁、図３）

特許文献１に示された手法は電流検出手段が不要であるので装置の実装が容易な構成となる。しかしながら、スイッチング素子の主電極間の電圧が低下する速度は、素子の特性や負荷電流によって左右され、その調整／設定が困難であると共に動作遅れの問題があった。

また、３レベルインバータ装置のスイッチングレグの両端に接続されない中間部のスイッチング素子においては、還流モードの時に素子にオンパルスを与えても素子に電流が流れていないため、素子の主電極間の電位を積極的に固定できず、結局、主電極間の電圧検出による過電流保護を用いることができないという問題があった。

更に、直流短絡は必ずしもスイッチング素子の誤点弧のようにスイッチング素子が健全な状態で生ずるとは限らず、短絡した状態でインピーダンスが低下すれば、場合によってはこの方法では検出できないという問題もあった。

この発明は上記のような問題に鑑みて為されたものであり、主回路素子の過電流異常を素早く確実に検出して過電流保護を行なうことが可能な多レベル電力変換装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明の多レベル電力変換装置は、Ｎ（Ｎは３以上の整数）レベルの電位を有する直流電源と、前記直流電源に並列接続され、夫々フライホイルダイオードを逆並列接続した（Ｎ−１）×２個のスイッチング素子の直列接続体と、前記直流電源の（Ｎ−２）個の中間電位に前記直列接続体の中間部を固定するように接続された（Ｎ−２）×２個のクランプダイオードで構成される複数個のスイッチングレグと、前記直列接続体の中点からＮレベルの相電圧を得るため、前記スイッチング素子の制御極にゲートパルスを供給する制御手段と、前記制御手段から各々のスイッチング素子をオンするためのオンパルスが与えられたとき、当該スイッチング素子の主電極間の電圧が所定値以上であるとき異常信号を出力する電圧監視手段と、前記スイッチングレグ毎に前記電圧監視手段の出力を論理演算して当該スイッチングレグ内の主回路素子の異常を判定する演算手段とを有し、前記演算手段は、前記電圧監視手段から何れか必ず２個の前記異常信号が入力されたとき、異常と判断することを特徴としている。

本発明によれば、主回路素子の過電流異常を素早く確実に検出して過電流保護を行なうことが可能な多レベル電力変換装置を提供することができる。

本発明の実施例１に係る電力変換装置の回路構成図。 実施例１の電力変換装置に使用される電圧検出器の内部構成図。 実施例１の電力変換装置に使用される演算回路の内部構成図。 ３レベルインバータの短絡モード解析図。 本発明の実施例２に係る電力変換装置に使用される電圧検出器の内部構成図。 実施例２の電力変換装置に使用される演算回路の内部構成図。 ３レベルインバータのクランプダイオード故障時の短絡モード解析図。 本発明の実施例３に係る電力変換装置に使用される電圧検出器の内部構成図。 実施例３の電力変換装置に使用される演算回路の内部構成図。 本発明の実施例４に係る電力変換装置の回路構成図。 ４レベルインバータの短絡モード解析図。 ４レベルインバータのクランプダイオード故障時の短絡モード解析図。 実施例４の電力変換装置に使用される演算回路の内部構成図。

以下、図面を参照して本発明の実施例を説明する。

本発明の実施例１に係る電力変換装置を図１乃至図４を参照して説明する。図１は本発明の実施例１に係る電力変換装置の回路構成図である。

直流電源１から得られる直流電圧を、直流分圧コンデンサ２ｐ及び２ｎで構成される直列回路に供給する。直流電源１は２Ｅの電圧を有している。従って、直流分圧コンデンサ２ｐの正側電位を＋Ｅとすると、直流分圧コンデンサ２ｐ及び２ｎの中点の電位は０、直流分圧コンデンサ２ｎの負側の電位は−Ｅとなる。

このようにして得られた３レベルの電位を有する直流電圧はスイッチングレグ３ｕ、３ｖ及び３ｗに供給される。図１においてはスイッチングレグ３ｕの内部構成が図示してある。他のスイッチングレグ３ｖ及び３ｗの内部構成は、基本的にスイッチングレグ３ｕと同一であるので、それらの図示及び説明は省略する。

スイッチングレグ３ｕは、直列接続された４個のスイッチング素子Ｑ１、Ｑ２、Ｑ３及びＱ４、これ等のスイッチング素子に夫々逆並列接続されたフライホイルダイオードＤ１、Ｄ２、Ｄ３及びＤ４、更に平滑コンデンサ２ｐ及び２ｎの中点からスイッチング素子Ｑ１及びＱ２の中点に接続されたクランプダイオードＤＰ、平滑コンデンサ２ｐ及び２ｎの中点からスイッチング素子Ｑ３及びＱ４の中点に接続されたクランプダイオードＤＮから構成されている。ここで、スイッチング素子Ｑ１及びスイッチング素子Ｑ４は夫々直流電源の＋Ｅ電位及び−Ｅ電位に接続されている。そして、スイッチング素子Ｑ１及びスイッチング素子Ｑ４はスイッチングレグ３ｕの端部を形成しているので、両端部のスイッチング素子と呼ぶ。これに対して、スイッチング素子Ｑ２及びスイッチング素子Ｑ３はスイッチングレグ３ｕの中間部を形成しているので、中間部のスイッチング素子と呼ぶ。そしてスイッチングレグ内のスイッチング素子、フライホイルダイオード及びクランプダイオードを総称して主回路素子と呼称する。

スイッチングレグ３ｕを構成するスイッチング素子Ｑ１、Ｑ２、Ｑ３及びＱ４の制御極には、制御回路６からゲートパルスが与えられる。そして、スイッチング素子Ｑ１、Ｑ２、Ｑ３及びＱ４は例えばＰＷＭ制御によって所望のＵ相出力電圧をスイッチング素子Ｑ２及びＱ３の中点に出力する。このＵ相出力電圧は、負荷である交流電動機４の１次巻線に供給される。同様にして、スイッチングレグ３ｖ及び３ｗから交流電動機４の１次巻線にＶ相出力電圧及びＷ相出力電圧が夫々供給される。

スイッチング素子Ｑ１、Ｑ２、Ｑ３及びＱ４の主電極間の電圧Ｖｃｅは夫々電圧監視器５１、５２、５３及び５４に与えられる。この電圧監視器５１、５２、５３及び５４には制御回路６から当該スイッチング素子用のゲートパルスも併せて供給される。電圧監視器５１、５２、５３及び５４の出力は演算回路７に与えられる。演算回路７において、後述する条件演算を行なうことにより、スイッチングレグ３ｕ内のスイッチング素子及びダイオードの過電流異常を検出する。同様に、スイッチングレグ３ｖ及び３ｗを構成する各スイッチング素子の主電極間の電圧も対応する電圧監視器で監視され、過電流異常が検出される構成となっているが、図示を省略している。

図２は電圧監視器５１の内部構成図である。

スイッチング素子Ｑ１の主電極間の電圧Ｖｃｅの正電位側は、逆向きに接続された逆阻止用ダイオード５１１を介して比較器５１２の正側の入力に接続される。また、電圧Ｖｃｅの負電位側は、検出レベル設定器５１３による電圧バイアスを介して比較器５１２の負側の入力に接続される。このようにして、電圧Ｖｃｅが検出レベルを超えたとき、比較器５１２は１を出力する。比較器５１２の出力はＡＮＤ回路５１４の一方の入力となる。ＡＮＤ回路５１４の他方の入力には、制御回路６から得られるスイッチング素子Ｑ１用のゲートパルスが与えられる。このようにしてスイッチング素子Ｑ１がオンしている時の主電極間の電圧Ｖｃｅが過大となったかどうかを検出することが可能となる。

この実施例１においては、電圧監視器５１は、全てのスイッチングレグ内のスイッチング素子に適用される。従って電圧監視器５２、５３及び５４も電圧監視器５１と同一の構成となる。

図３は図１における演算回路７の内部構成図である。

電圧監視器５１、５２、５３及び５４の出力信号は夫々ＡＮＤ回路７１、７２、７３及び７４の一方の入力となる。そして、ＡＮＤ回路７１、７２、７３の他方の入力には、ＯＲ回路８１、８２、８３及び８４の出力が与えられる。ＯＲ回路８１の入力はＡＮＤ回路７１の一方の入力である電圧監視器５１の出力信号以外の３つの信号、即ち電圧監視器５２、５３及び５４の出力信号が与えられる。ＯＲ回路８２、８３及び８４についても同様に夫々電圧監視器５２、５３及び５４の出力信号以外の３つの信号が与えられる。そしてＡＮＤ回路７１、７２、７３及び７４の出力信号はＯＲ回路７５に与えられる。このように構成すれば、電圧監視器５１、５２、５３及び５４の出力信号のうち、任意の２つ以上の信号が１となったとき、ＯＲ回路７５の出力即ち演算回路７の出力が１となる。

以下、図４の短絡モード解析図を参照して本実施例１の動作について説明する。

図４（ａ）はスイッチングレグ内のフライホイルダイオードＤ１が短絡状態となったときの短絡電流の電流ルートを示したものである。フライホイルダイオードＤ１とスイッチング素子Ｑ１は並列接続されているので、以下の議論は、スイッチング素子Ｑ１が短絡状態となった場合にも適用される。

図４（ａ）に示したように、スイッチング素子Ｑ２とＱ３が同時にオンしたとき、＋Ｅ電位からＤ１（またはＱ１）、Ｑ２、Ｑ３、ＤＮ、そして０電位のルートで短絡電流が流れる。従ってスイッチング素子Ｑ２及びＱ３のオン時主電極間電圧Ｖｃｅが検出レベルを超えたとき、フライホイルダイオードＤ１またはスイッチング素子Ｑ１が短絡状態になったと判定できる。

ここで、図２に示した電圧監視器５１の回路で、従来必要であった遅延要素が不要となる理由について説明する。上述したように、フライホイルダイオードＤ１またはスイッチング素子Ｑ１の過電流異常を検出する場合、スイッチング素子Ｑ２及びＱ３の両方のオン時主電極間電圧Ｖｃｅが検出レベルを超える条件が必要となる。スイッチング素子Ｑ２及びＱ３は同時にオフ状態からオン状態に変化することはないので、スイッチング素子Ｑ２及びＱ３の何れかが過渡オン状態にあってオン時電極間電圧Ｖｃｅが検出レベルを超えていても、正常状態であれば他方の電極間電圧Ｖｃｅは検出レベルを超えない。従って、遅延要素を省いてより素早い過電流異常の検出が可能となる。

図４（ｂ）はスイッチングレグ内のフライホイルダイオードＤ２またはスイッチング素子Ｑ２が短絡状態となったときの短絡電流の電流ルートを示したものである。図４（ｂ）に示したように、スイッチング素子Ｑ３とＱ４が同時にオンしたとき、０電位からＤＰ、Ｄ２（またはＱ２）、Ｑ３、Ｑ４、そして−Ｅ電位のルートで短絡電流が流れる。従ってスイッチング素子Ｑ３及びＱ４のオン時主電極間電圧Ｖｃｅが検出レベルを超えたとき、フライホイルダイオードＤ２またはスイッチング素子Ｑ２が短絡状態となったと判定できる。

図４（ｃ）はスイッチングレグ内のフライホイルダイオードＤ３またはスイッチング素子Ｑ３が短絡状態となったときの短絡電流の電流ルートを示したものである。図４（ｃ）に示したように、スイッチング素子Ｑ１とＱ２が同時にオンしたとき、＋Ｅ電位からＱ１、Ｑ２、Ｄ３（またはＱ３）、ＤＮ、そして０電位のルートで短絡電流が流れる。従ってスイッチング素子Ｑ１及びＱ２のオン時主電極間電圧Ｖｃｅが検出レベルを超えたとき、フライホイルダイオードＤ３またはスイッチング素子Ｑ３が短絡状態となったと判定できる。

図４（ｄ）はスイッチングレグ内のフライホイルダイオードＤ４またはスイッチング素子Ｑ４が短絡状態となったときの短絡電流の電流ルートを示したものである。図４（ｄ）に示したように、スイッチング素子Ｑ２とＱ３が同時にオンしたとき、０電位からＤＰ、Ｑ２、Ｑ３、Ｄ４（またはＱ４）、そして−Ｅ電位のルートで短絡電流が流れる。従ってスイッチング素子Ｑ２及びＱ３のオン時主電極間電圧Ｖｃｅが検出レベルを超えたとき、フライホイルダイオードＤ４またはスイッチング素子Ｑ４が短絡状態となったと判定できる。

以上説明したように、スイッチングレグ内の任意の主回路素子が短絡状態となったときには必ず２つのスイッチング素子のオン時主電極間電圧Ｖｃｅが検出レベルを超える。従って図２に示した電圧監視器と図３に示した演算回路を組み合わせて用いればこの過電流異常の検出が可能になる。

尚、図３の演算回路は、任意の２つ以上のスイッチング素子のオン時主電極間電圧Ｖｃｅが検出レベルを超えたとき、過電流異常を検出するように構成したが、図４で故障モード解析を行ったように、スイッチングレグ内の隣り合う２つのスイッチング素子のオン時主電極間電圧Ｖｃｅが検出レベルを超えたとき、過電流異常を検出するように構成すれば、更に信頼性の高い過電流異常の検出が可能になることは明らかである。

以下、本発明の実施例２に係る電力変換装置を図５乃至図７を参照して説明する。

図５は本発明の実施例２に係る電力変換装置に使用される電圧監視器５１Ａの内部構成図である。この実施例２の各部について、図２の実施例１に係る電力変換装置に使用される電圧監視器の内部構成図の各部と同一部分は同一符号で示し、その説明は省略する。この実施例２が実施例１と異なる点は、電圧監視器５１Ａ内の比較器５１２の出力側に遅延器５１５を設け、この遅延器５１５の出力をＡＮＤ回路５１４に与える様に構成した点である。

前述したように遅延器５１５は、スイッチング素子Ｑ１がオンするときの過渡状態は検出しないようにする為である。この過渡状態においては、電圧Ｖｃｅは過電流異常の有無に拘らず検出レベルを超えているため、この実施例２においては誤検出の要因となる。

尚、この実施例２においては、図１におけるスイッチングレグの両端部のスイッチング素子の電圧監視器５１及び５４にこの遅延付の電圧監視器５１Ａを適用し、中間部のスイッチング素子用には図２に示した遅延なしの電圧監視器を適用する。

図６は本発明の実施例２に係る電力変換装置に使用される演算回路７Ａの内部構成図である。図６に示したように、電圧監視器５１及び５４の出力信号は直接ＯＲ回路７５Ａに与えられる。そして、電圧監視器５２及び５３の出力信号は、ＡＮＤ回路７６に与えられ、ＡＮＤ回路７６の出力信号はＯＲ回路７５Ａに与えられる。そしてＯＲ回路７５Ａの出力が演算回路７Ａの出力となるように構成されている。

以下、図７の短絡モード解析図を参照して本実施例２の動作について説明する。

図７（ａ）はスイッチングレグ内のクランプダイオードＤＰが短絡状態となったときの短絡電流の電流ルートを示したものである。図７（ａ）に示したように、スイッチング素子Ｑ１がオンしたとき、＋Ｅ電位からＱ１、ＤＰ、そして０電位のルートで短絡電流が流れる。従ってスイッチング素子Ｑ１のオン時主電極間電圧Ｖｃｅが検出レベルを超えたとき、クランプダイオードＤＰが短絡状態となったと判定できる。

図７（ｂ）はスイッチングレグ内のクランプダイオードＤＮが短絡状態となったときの短絡電流の電流ルートを示したものである。図７（ｂ）に示したように、スイッチング素子Ｑ４がオンしたとき、０電位からＤＮ、Ｑ４、そして−Ｅ電位のルートで短絡電流が流れる。従ってスイッチング素子Ｑ４のオン時主電極間電圧Ｖｃｅが検出レベルを超えたとき、クランプダイオードＤＮが短絡状態となったと判定できる。

図７の短絡モード解析図から言えることは、クランプダイオードの過電流異常を検出するためには、スイッチングレグ内の両端部の何れかのスイッチング素子のオン時主電極間電圧Ｖｃｅが検出レベルを超えたことによって行なえば良いことが分かる。

従って、クランプダイオードを含む全ての主回路素子の過電流異常時の動作を考慮すれば、何れかのスイッチングレグ内の主回路素子が短絡状態となったときには、スイッチング素子Ｑ１のオン時主電極間電圧Ｖｃｅが大となるか、スイッチング素子Ｑ４のオン時主電極間電圧Ｖｃｅが大となるか、またはスイッチング素子Ｑ２及びＱ３のオン時主電極間電圧Ｖｃｅが共に大となることが分かる。

以上の理由により、図６に示した演算回路７Ａを用いれば、何れかの主回路素子が短絡状態になったことを素早く検出することが可能となる。スイッチング素子Ｑ１のオン時主電極間電圧Ｖｃｅが大のときは、スイッチング素子Ｑ３またはフライホイルダイオードＤ３、或いはクランプダイオードＤＰが短絡状態になったと考えられる。スイッチング素子Ｑ４のオン時主電極間電圧Ｖｃｅが大のときは、スイッチング素子Ｑ２またはフライホイルダイオードＤ２、或いはクランプダイオードＤＮが短絡状態になったと考えられる。そして、スイッチング素子Ｑ２及びＱ３のオン時主電極間電圧Ｖｃｅが共に大のときは、スイッチング素子Ｑ１またはフライホイルダイオードＤ１、或いはスイッチング素子Ｑ４またはフライホイルダイオードＤ４が短絡状態となったと考えられる。

以下、本発明の実施例３に係る電力変換装置を図８及び図９を参照して説明する。

図８は本発明の実施例３に係る電力変換装置に使用される電圧監視器５１Ｂの内部構成図である。この実施例３の各部について、図５の実施例２に係る電力変換装置に使用される電圧監視器の内部構成図の各部と同一部分は同一符号で示し、その説明は省略する。この実施例３が実施例２と異なる点は、比較器５１２の出力とゲート信号を入力とするＡＮＤ回路５１４Ａを設け、このＡＮＤ回路５１４Ａの出力も電圧監視器５１Ｂのもう１つの出力とするように構成した点である。従って、電圧監視器５１Ｂは、オン時主極間電圧Ｖｃｅ大の信号として遅延付と遅延なしの２信号を出力する。尚、この実施例３においては、図１におけるスイッチングレグの両端部のスイッチング素子用の電圧監視器５１及び５４にこの２信号を出力する電圧監視器５１Ｂを適用する。

図９は本発明の実施例３に係る電力変換装置に使用される演算回路７Ｂの内部構成図である。この実施例３の各部について、図３の実施例１に係る電力変換装置に使用される演算回路の内部構成図の各部と同一部分は同一符号で示し、その説明は省略する。この実施例３が実施例１と異なる点は、電圧監視器５１Ｂ及び５４の遅延付出力信号をＯＲ回路７５Ｂの入力に加えた点である。

実施例２の図６に示した演算回路７Ａは簡単な回路構成ではあるが、スイッチングレグの両端部に遅延付の電圧監視器５１Ａを用いているため、スイッチングレグの中間部のスイッチング素子またはフライホイルダイオードの過電流異常時にも遅延器５１５で設定された遅延時間だけ過電流異常検出が遅れてしまう。この対策として、本実施例の電圧監視器５１Ｂと演算回路７Ｂを組み合わせて使用すれば、スイッチングレグの中間部のスイッチング素子またはフライホイルダイオードの過電流異常時であっても時間遅れなしで検出することが可能となる。

以下、本発明の実施例４に係る電力変換装置を図１０乃至図１３を参照して説明する。

図１０は本発明の実施例４に係る電力変換装置の回路構成図である。この実施例４の各部について、図１の実施例１に係る電力変換装置の回路構成図の各部と同一部分は同一符号で示し、その説明は省略する。この実施例４が実施例１と異なる点は、直流電源部に直流分圧コンデンサ２ｃを直流分圧コンデンサ２ｐと直流分圧コンデンサ２ｎの中間に設け、電位＋Ｅ，−Ｅに加え電位＋Ｅ／３及び電位−Ｅ／３を出力可能な４レベル構成とした点、これに伴い、スイッチングレグ３ｕ１内にスイッチング素子Ｑ５及びフライホイルダイオードＤ５、並びにスイッチング素子Ｑ６及びフライホイルダイオードＤ６を直列に設けた点、出力電位を＋Ｅ／３にクランプするためのクランプダイオードＤＰ１及びＤＮ１を設け、夫々スイッチング素子Ｑ１とＱ２の中間点、スイッチング素子Ｑ４とＱ５の中間点を、また出力電位を−Ｅ／３にクランプするためのクランプダイオードＤＰ２及びＤＮ２を設け、夫々スイッチング素子Ｑ２とＱ３の中間点、スイッチング素子Ｑ５とＱ６の中間点をクランプする構成とした点、更にスイッチング素子Ｑ５及びＱ６のオン時主電極間電圧Ｖｃｅを検出する電圧監視器５５及び５６を設け、その出力を演算回路７Ｃに与えるように構成した点である。

即ち、図１の３レベルインバータ装置を４レベルインバータ装置に変更したのが図１０の回路構成図である。尚、図１０においては、制御回路６から与えられる各スイッチング素子へのゲート信号を単線で図示している。

以下、図１１及び図１２の短絡モード解析図を参照して本実施例４の動作について説明する。

図１１（ａ）はスイッチングレグ内のフライホイルダイオードＤ１が短絡状態となった
ときの短絡電流の電流ルートを示したものである。フライホイルダイオードＤ１とスイッチング素子Ｑ１は並列接続されているので、以下の議論は、スイッチング素子Ｑ１が短絡状態となった場合にも適用される。

図１１（ａ）に示したように、スイッチング素子Ｑ２、Ｑ３及びＱ４が同時にオンしたとき、＋Ｅ電位からＤ１（またはＱ１）、Ｑ２、Ｑ３、Ｑ４，ＤＮ１、そして＋Ｅ／３電位のルートで短絡電流が流れる。従ってスイッチング素子Ｑ２、Ｑ３及びＱ４のオン時主電極間電圧Ｖｃｅが検出レベルを超えたとき、フライホイルダイオードＤ１またはスイッチング素子Ｑ１が短絡状態となったと判定できる。

図１１（ｂ）はスイッチングレグ内のフライホイルダイオードＤ２またはスイッチング素子Ｑ２が短絡状態となったときの短絡電流の電流ルートを示したものである。図１１（ｂ）に示したように、スイッチング素子Ｑ３、Ｑ４及びＱ５が同時にオンしたとき、＋Ｅ／３電位からＤＰ１、Ｄ２（またはＱ２）、Ｑ３、Ｑ４、Ｑ５、ＤＮ２そして−３／Ｅ電位のルートで短絡電流が流れる。従ってスイッチング素子Ｑ３、Ｑ４及びＱ５のオン時主電極間電圧Ｖｃｅが検出レベルを超えたとき、フライホイルダイオードＤ２またはスイッチング素子Ｑ２が短絡状態となったと判定できる。

図１１（ｃ）はスイッチングレグ内のフライホイルダイオードＤ３またはスイッチング素子Ｑ３が短絡状態となったときの短絡電流の電流ルートを示したものである。図１１（ｃ）に示したように、スイッチング素子Ｑ４、Ｑ５及びＱ６が同時にオンしたとき、−Ｅ／３電位から、Ｄ３（またはＱ３）、ＤＮ、Ｑ５、Ｑ６、そして−Ｅ電位のルートで短絡電流が流れる。従ってスイッチング素子Ｑ４、Ｑ５及びＱ６のオン時主電極間電圧Ｖｃｅが検出レベルを超えたとき、フライホイルダイオードＤ３またはスイッチング素子Ｑ３が短絡状態となったと判定できる。

図１１（ｄ）はスイッチングレグ内のフライホイルダイオードＤ４またはスイッチング素子Ｑ４が短絡状態となったときの短絡電流の電流ルートを示したものである。図１１（ｄ）に示したように、スイッチング素子Ｑ１、Ｑ２及びＱ３が同時にオンしたとき、＋Ｅ電位からＱ１、Ｑ２、Ｑ３、Ｄ４（またはＱ４）、ＤＮ１、そして＋Ｅ／３電位のルートで短絡電流が流れる。従ってスイッチング素子Ｑ１、Ｑ２及びＱ３のオン時主電極間電圧Ｖｃｅが検出レベルを超えたとき、フライホイルダイオードＤ４またはスイッチング素子Ｑ４が短絡状態となったと判定できる。

図１１（ｅ）はスイッチングレグ内のフライホイルダイオードＤ５またはスイッチング素子Ｑ５が短絡状態となったときの短絡電流の電流ルートを示したものである。図１１（ｅ）に示したように、スイッチング素子Ｑ２、Ｑ３及びＱ４が同時にオンしたとき、＋Ｅ／３電位からＤＰ１、Ｑ２、Ｑ３、Ｑ４、Ｄ５（またはＱ５）、ＤＮ２、そして−Ｅ／３電位のルートで短絡電流が流れる。従ってスイッチング素子Ｑ２、Ｑ３及びＱ４のオン時主電極間電圧Ｖｃｅが検出レベルを超えたとき、フライホイルダイオードＤ５またはスイッチング素子Ｑ５が短絡状態となったと判定できる。

図１１（ｆ）はスイッチングレグ内のフライホイルダイオードＤ６またはスイッチング素子Ｑ６が短絡状態となったときの短絡電流の電流ルートを示したものである。図１１（ｆ）に示したように、スイッチング素子Ｑ３、Ｑ４及びＱ５が同時にオンしたとき、−Ｅ／３電位からＤＰ２、Ｑ３、Ｑ４、Ｑ５、Ｄ６（またはＱ６）、そして−Ｅ電位のルートで短絡電流が流れる。従ってスイッチング素子Ｑ３、Ｑ４及びＱ５のオン時主電極間電圧Ｖｃｅが検出レベルを超えたとき、フライホイルダイオードＤ６またはスイッチング素子Ｑ６が短絡状態となったと判定できる。

以上の短絡モード解析で分かるように、４レベルインバータの場合は隣接する３個のスイッチング素子のオン時主極間電圧Ｖｃｅが検出レベルを超えたことを検出すれば、スイッチングレグ内の任意のスイッチング素子またはフライホイルダイオードの過電流異常の検出が可能となる。また、このように厳密に検出を行なえば、短絡状態となった部位をある程度特定できる。これをＮ（Ｎは整数でＮ＞２）レベルインバータに拡張したときは、隣り合う（Ｎ−１）個のスイッチング素子のオン時主極間電圧Ｖｃｅが検出レベルを超えたことを検出すれば良いことが分かる。

上記は厳密な過電流異常検出の場合であるが、実施例１で述べたように、任意の２つのスイッチング素子のオン時主極間電圧Ｖｃｅが検出レベルを超えたことを検出してもこの検出が可能であることは容易に考えられる。これをＮレベルインバータに拡張すると、Ｎレベルインバータのスイッチングレグ内の任意の２つのスイッチング素子のオン時主極間電圧Ｖｃｅが検出レベルを超えたことを検出すれば、スイッチングレグ内の任意のスイッチング素子またはフライホイルダイオードの過電流異常の検出が可能となると言える。

図１２はクランプダイオードが短絡状態となったときの故障モード解析図である。この図１２は３レベルインバータにおける図７に対応している。

図１２（ａ）はスイッチングレグ内のクランプダイオードＤＰ１が短絡状態となったときの短絡電流の電流ルートを示したものである。図１２（ａ）に示したように、スイッチング素子Ｑ１がオンしたとき、＋Ｅ電位からＱ１、ＤＰ、そして＋Ｅ／３電位のルートで短絡電流が流れる。従ってスイッチング素子Ｑ１のオン時主電極間電圧Ｖｃｅが検出レベルを超えたとき、クランプダイオードＤＰが短絡状態になったと判定できる。

図１２（ｂ）はスイッチングレグ内のクランプダイオードＤＰ２が短絡状態になったときの短絡電流の電流ルートを示したものである。図１２（ｂ）に示したように、スイッチング素子Ｑ１及びＱ２がオンしたとき、＋Ｅ電位からＱ１、Ｑ２、ＤＰ２、そして−Ｅ／３電位のルートで短絡電流が流れる。従ってスイッチング素子Ｑ１及びＱ２のオン時主電極間電圧Ｖｃｅが検出レベルを超えたとき、クランプダイオードＤＰ２が短絡状態になったと判定できる。

図１２（ｃ）はスイッチングレグ内のクランプダイオードＤＮ１が短絡状態になったときの短絡電流の電流ルートを示したものである。図１２（ｃ）に示したように、スイッチング素子Ｑ５及びＱ６がオンしたとき、＋Ｅ／３電位からＤＮ１、Ｑ５、Ｑ６、そして−Ｅ電位のルートで短絡電流が流れる。従ってスイッチング素子Ｑ５及びＱ６のオン時主電極間電圧Ｖｃｅが検出レベルを超えたとき、クランプダイオードＤＮ１が短絡状態になったと判定できる。

図１２（ｄ）はスイッチングレグ内のクランプダイオードＤＮ２が短絡状態になったときの短絡電流の電流ルートを示したものである。図１２（ｄ）に示したように、スイッチング素子Ｑ６がオンしたとき、−Ｅ／３電位からＤＮ２、Ｑ６、そして−Ｅ電位のルートで短絡電流が流れる。従ってスイッチング素子Ｑ６のオン時主電極間電圧Ｖｃｅが検出レベルを超えたとき、クランプダイオードＤＮ２が短絡状態になったと判定できる。

以上述べたように３レベルインバータの場合と同様、スイッチングレグ内の両端部のスイッチング素子のオン時主電極間電圧Ｖｃｅを監視することによって、クランプダイオードの過電流異常を検出することが可能となる。更にこの両端部に隣り合うスイッチング素子のオン時主電極間電圧Ｖｃｅを監視すれば、短絡故障したクランプダイオードを特定可能となる。Ｎレベルインバータの場合、両端部に隣り合う（Ｎ−３）個のスイッチング素子のオン時主電極間電圧Ｖｃｅを監視すれば、短絡故障したクランプダイオードを特定可能となる。

図１３は本発明の実施例４に係る電力変換装置に使用される演算回路７Ｃの内部構成図の１例である。この実施例４の各部について、図３の実施例１に係る電力変換装置に使用される演算回路の内部構成図の各部と同一部分は同一符号で示し、その説明は省略する。この実施例４が実施例１と異なる点は、電圧監視器５２乃至５５の出力をＡＮＤ回路７１乃至７４及びＯＲ回路８１乃至８４の入力となるように構成した点、また電圧監視器５１及び５６の出力をＯＲ回路７５Ｃの入力に追加した点である。ここでスイッチングレグの両端部のスイッチング素子の電圧監視器５１及び５６は、図５に示した遅延付電圧監視器を使用し、中間部のスイッチング素子の電圧監視器５２乃至５５は、図２に示した遅延なし電圧監視器を使用する。

以上の構成によれば、図６に示した３レベルインバータにおける演算回路７Ａと同様、比較的簡単な構成で、全ての主回路素子の過電流異常を検出することが可能である。これをＮレベルインバータに拡張すると、スイッチングレグ内の何れかの両端部のスイッチング素子のオン時主電極間電圧Ｖｃｅが検出レベルを超えたか、またはＮ個の中間部のスイッチング素子のうち任意の２つ以上のスイッチング素子のオン時主電極間電圧Ｖｃｅが検出レベルを超えたかによって過電流異常の検出が可能になる。

また、３レベルインバータにおける実施例３をＮレベルインバータに拡張すると、スイッチングレグ内の何れかの両端部のスイッチング素子の遅延付オン時主電極間電圧Ｖｃｅが検出レベルを超えたか、またはスイッチングレグ内のスイッチング素子のうち任意の２つ以上の遅延なしオン時主電極間電圧Ｖｃｅが検出レベルを超えたかによってより素早い過電流異常検出が可能となる。

通常、過電流異常が検出されたときには、ゲートパルスをブロックし、場合によっては電力変換装置の主回路の遮断器をオフして電力変換装置を停止する。このとき、前述したように電圧監視器からの異常信号が記憶されていれば、どの主回路素子が過電流異常となったのかをある程度特定することが可能となる。

１ 直流電源
２ｐ、２ｎ、２ｃ 直流分圧コンデンサ
３ｕ、３ｖ、３ｗ スイッチングレグ
３ｕ１、３ｖ１、３ｗ１ スイッチングレグ
Ｑ１、Ｑ２、Ｑ３、Ｑ４、Ｑ５、Ｑ６ スイッチング素子
Ｄ１、Ｄ２、Ｄ３、Ｄ４、Ｄ５、Ｄ６ フライホイルダイオード
ＤＰ、ＤＮ、ＤＰ１、ＤＮ１、ＤＰ２、ＤＮ２ クランプダイオード
４ 交流電動機
５１、５１Ａ、５１Ｂ、５２、５３、５４、５５、５６ 電圧監視器
５１１ 逆阻止用ダイオード
５１２ 比較器
５１３ 検出レベル設定器
５１４、５１４Ａ ＡＮＤ回路
５１５ 遅延器
６ 制御回路
７、７Ａ、７Ｂ、７Ｃ 演算回路
７１、７２，７３、７４ ＡＮＤ回路
７５、７５Ａ、７５Ｂ、７５Ｃ ＯＲ回路
８１、８２、８３，８４ ＯＲ回路

Claims (3)

1. Ｎ（Ｎは３以上の整数）レベルの電位を有する直流電源と、
   前記直流電源に並列接続され、夫々フライホイルダイオードを逆並列接続した（Ｎ−１）×２個のスイッチング素子の直列接続体と、前記直流電源の（Ｎ−２）個の中間電位に
   前記直列接続体の中間部を固定するように接続された（Ｎ−２）×２個のクランプダイオードで構成される複数個のスイッチングレグと、
   前記直列接続体の中点からＮレベルの相電圧を得るため、前記スイッチング素子の制御極にゲートパルスを供給する制御手段と、
   前記制御手段から各々のスイッチング素子をオンするためのオンパルスが与えられたとき、当該スイッチング素子の主電極間の電圧が所定値以上であるとき異常信号を出力する電圧監視手段と、
   前記スイッチングレグ毎に前記電圧監視手段の出力を論理演算して当該スイッチングレグ内の主回路素子の異常を判定する演算手段と
   を有し、
   前記演算手段は、前記電圧監視手段から何れか必ず２個の前記異常信号が入力されたとき、異常と判断することを特徴とする多レベル電力変換装置。
2. 前記演算手段は、
   前記スイッチングレグの中間部のスイッチング素子の何れか２個の前記異常信号が入力されたとき異常と判断することを特徴とする請求項１に記載の多レベル電力変換装置。
3. 前記演算手段が異常と判断したとき過電流保護動作を行い、装置を停止するようにしたことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の多レベル電力変換装置。

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