JP6618081B2

JP6618081B2 - 電力変換装置

Info

Publication number: JP6618081B2
Application number: JP2016176878A
Authority: JP
Inventors: 祐司松岡
Original assignee: Toshiba Mitsubishi Electric Industrial Systems Corp
Current assignee: Toshiba Mitsubishi Electric Industrial Systems Corp
Priority date: 2016-09-09
Filing date: 2016-09-09
Publication date: 2019-12-11
Anticipated expiration: 2036-09-09
Also published as: JP2018042439A

Description

本発明は、電力変換装置に関する。

一般に、ゲート駆動回路によりスイッチング素子を駆動することにより電力変換装置を制御することが知られている。また、複数のゲート駆動回路に電源を供給するゲート電源系統を備えた電力変換装置が開示されている（特許文献１参照）。

特開２００８−２３６９９４号公報

しかしながら、ゲート駆動回路の数が多い場合、ゲート駆動回路のそれぞれの電源経路で、短絡保護等のために過電流検出器又は切り離し装置等を設けると、電力変換装置を構成する部品類が多くなる。これは、電力変換装置全体の大型化又は製造コストの増加などを招き、好ましくない。また、ゲート電源系統の上位のみに過電流検出器及び切り離し装置等を設けた場合、下位で分岐した電源経路の１つで短絡等の故障が発生しても、電源経路のインピーダンス等により、上位で過電流を検出できない可能性がある。

そこで、本発明の目的は、ゲート駆動回路毎に、簡易な構成で故障を検出する電力変換装置を提供することにある。

本発明の観点に従った電力変換装置は、スイッチング素子と、前記スイッチング素子にゲートトリガを印加するゲート駆動回路と、前記スイッチング素子のゲートの状態に対応したフィードバック信号を出力するゲート状態検出手段と、を含むゲート駆動部と、前記スイッチング素子をスイッチング制御するためのコントローラであって、前記ゲート駆動回路にゲート信号を供給するスイッチング制御部と、前記スイッチング素子の故障の有無を判定する故障検出部と、を含むコントローラと、を備える。前記ゲート駆動回路は、前記スイッチング制御部から供給された前記ゲート信号に基づいて、前記スイッチング素子にゲートトリガを印加し、前記ゲート状態検出手段は、前記スイッチング素子のゲートの状態に対応したフィードバック信号を出力する。前記故障検出部は、前記ゲート信号と前記フィードバック信号とを同期させ、前記ゲート信号と前記フィードバック信号とを比較することにより、前記スイッチング素子の故障の有無を検出する。

本発明によれば、ゲート駆動回路毎に、簡易な構成で故障を検出する電力変換装置を提供することにある。

本発明の第１の実施形態に係る電力変換装置の故障を検出する構成を示す構成図。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。第１の実施形態に係る故障検出部による故障の検出方法を示す波形図。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。本発明の第３の実施形態に係る電力変換装置の構成を示す構成図。

（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１０の故障を検出する構成を示す構成図である。図２は、第１の実施形態に係る電力変換装置１０の構成を示す構成図である。なお、図面における同一部分には同一符号を付して、異なる部分を主に説明する。

電力変換装置１０は、制御装置１、Ｎ個のゲートドライブ基板２、電力変換回路３、Ｎ個の変圧器４、開閉器５、及び、ゲート電源６を備える。なお、ここでは、ゲートドライブ基板２に供給されるゲート電源が交流電力の場合について説明するが、直流電力の場合についても同様に構成することができる。

Ｎ個の変圧器４、開閉器５、及び、ゲート電源６は、ゲート電源系統を構成する。ゲート電源６は、各ゲートドライブ基板２に電源を供給するための交流電力を出力する。ゲート電源６は、交流電力を出力するものであれば、発電機又はインバータなど何でもよい。ゲート電源６から出力された交流電力は、開閉器５を介して、各ゲートドライブ基板２に分岐するそれぞれの電源系統に供給される。開閉器５は、ＭＣＣＢ(molded case circuit breaker)などの遮断器でもよいし、サーマルコンタクタ（電磁開閉器）又はサーキットプロテクタでもよい。各変圧器４は、分岐したそれぞれの電源系統に設けられる。各変圧器４は、入力された交流電力を各ゲートドライブ基板２に供給するのに適した電圧に変圧する。各ゲートドライブ基板２には、各変圧器４を介して、ゲート電源６から交流電力が供給される。

電力変換回路３は、Ｎ個のスイッチング素子ＳＷ１，ＳＷ２，…，ＳＷＮで構成される。ここでは、電力変換回路３は、１つとして説明するが、複数の電力変換回路で構成されてもよい。スイッチング素子ＳＷ１〜ＳＷＮは、例えば、ＩＧＢＴ(insulated gate bipolar transistor)である。電力変換回路３は、複数のスイッチング素子を用いるのであれば、どのような回路でもよい。例えば、電力変換回路３は、交流電力を直流電力に変換するコンバータでもよいし、直流電力を交流電力に変換するインバータでもよい。また、電力変換回路３は、有効電力を扱うものに限らず、無効電力を扱う無効電力補償回路でもよい。

ゲートドライブ基板２は、スイッチング素子ＳＷ１〜ＳＷＮに対応して設けられる。ゲートドライブ基板２は、制御装置１から受信するゲート信号Ｓｇに応じて、対応するスイッチング素子ＳＷ１〜ＳＷＮを駆動（スイッチング）する。また、ゲートドライブ基板２は、対応するスイッチング素子ＳＷ１〜ＳＷＮの状態を判断し、判断した状態をフィードバック信号Ｓｆとして、制御装置１に出力する。

ゲートドライブ基板２は、ゲート駆動回路２１及びゲート状態判断部２２を備える。

ゲート駆動回路２１は、オン指令を示すゲート信号Ｓｇを受信すると、正バイアスとなるゲート電圧を、対応するスイッチング素子ＳＷ１〜ＳＷＮに印加する。これにより、対応するスイッチング素子ＳＷ１〜ＳＷＮはオンされる。ゲート駆動回路２１は、オフ指令を示すゲート信号Ｓｇを受信すると、負バイアスとなるゲート電圧を、対応するスイッチング素子ＳＷ１〜ＳＷＮに印加する。これにより、対応するスイッチング素子ＳＷ１〜ＳＷＮはオフされる。なお、ここでは、スイッチング素子ＳＷ１〜ＳＷＮは、ターンオンさせるためにゲートに印加するゲートトリガを電圧とするものについて説明するが、ゲートトリガを電流とするスイッチング素子についても同様に構成することができる。

ゲート状態判断部２２は、対応するスイッチング素子ＳＷ１〜ＳＷＮのゲート電圧を検出し、ゲートの状態を判断する。ゲートの状態は、正バイアス有、負バイアス有、及び、バイアス無の３種類である。正バイアス有は、スイッチング素子ＳＷ１〜ＳＷＮがオン状態であることを示す。負バイアス有は、スイッチング素子ＳＷ１〜ＳＷＮがオフ状態であることを示す。バイアス無は、スイッチング素子ＳＷ１〜ＳＷＮのゲート電源が喪失した状態であることを示す。

例えば、ゲート状態判断部２２は、予め設定された正極の閾値よりも検出したゲート電圧が高い場合は、正バイアス有と判断し、予め設定された負極の閾値よりも検出したゲート電圧が低い場合は、負バイアス有と判断する。いずれにも該当しない場合は、ゲート状態判断部２２は、バイアス無と判断する。ゲート状態判断部２２は、ゲートの状態の判断結果に基づいて、故障を検出するためのフィードバック信号Ｓｆを生成する。

ゲート状態判断部２２は、正バイアス有のときは、フィードバック信号Ｓｆを１にし、それ以外（負バイアス有又はバイアス無）のときは、フィードバック信号Ｓｆを０にする。ゲート状態判断部２２は、常時、ゲートの状態を判断して、生成したフィードバック信号Ｓｆを制御装置１に出力する。なお、ここでは、フィードバック信号Ｓｆを二値化された値として説明するが、これに限らない。例えば、負バイアス有のときとバイアス無のときも区別できるように、フィードバック信号Ｓｆを３種類以上の状態を示すようにしてもよい。

制御装置１は、電力変換装置１０を制御する。例えば、制御装置１は、電力変換回路３を構成する各スイッチング素子ＳＷ１〜ＳＷＮにゲート信号Ｓｇを出力して、電力変換回路３の電力変換動作を制御する。また、制御装置１は、電力変換装置１０の短絡又は地絡などの故障を検出して、保護動作を行う。

制御装置１は、Ｎ個のゲートドライブ基板２にそれぞれ対応するＮ個の制御部Ｃ１，Ｃ２，…，ＣＮを備える。全ての制御部Ｃ１〜ＣＮは、同様に構成されているため、代表して第１のスイッチング素子ＳＷ１を駆動する制御を行う第１の制御部Ｃ１について説明する。

第１の制御部Ｃ１は、スイッチング制御部１１及び故障検出部１２を備える。

スイッチング制御部１１は、第１のスイッチング素子ＳＷ１をスイッチング制御するためのゲート信号Ｓｇを生成する。スイッチング制御部１１は、生成したゲート信号Ｓｇを第１のスイッチング素子ＳＷ１を駆動するための第１のゲートドライブ基板２に出力する。ゲート信号Ｓｇは、オン指令又はオフ指令のいずれかを示す。ゲート信号Ｓｇが１の場合は、オン指令を示している。ゲート信号Ｓｇが０の場合は、オフ指令を示している。ゲート信号Ｓｇは、電力変換回路３の出力などに対する指令値に応じて決定される。

故障検出部１２には、スイッチング制御部１１により生成されたゲート信号Ｓｇ、及び、ゲート状態判断部２２により生成されたフィードバック信号Ｓｆが入力される。故障検出部１２は、ゲート信号Ｓｇとフィードバック信号Ｓｆを常時比較して、故障か否かを判断する。故障検出部１２は、ゲート信号Ｓｇとフィードバック信号Ｓｆが一致している場合は、正常と判断し、一致していない場合は、故障と判断する。例えば、故障検出部１２は、ゲート信号Ｓｇとフィードバック信号Ｓｆを入力として、ＸＯＲ（排他的論理和）の演算結果が１のときに故障検出としてもよい。故障検出部１２は、故障を検出すると、保護動作として、開閉器５を開放（トリップ）させるためのトリップ信号ＴＰを出力する。

なお、故障検出部１２は、ゲート電源系統が短絡などの故障電流に耐える範囲で、故障を検出してから一定時間経過後にトリップ信号ＴＰを出力してもよい。開閉器５が開放すると、健全なゲート電源の経路も開放される。また、各ゲートドライブ基板２へのゲート電源の供給停止は、電力変換回路３の停止後にされるのが望ましい。そこで、故障を検出してから一定時間経過後にトリップ信号ＴＰを出力することで、開閉器５が開放される前に、電力変換回路３を停止させるための時間を確保することができる。

また、第１の制御部Ｃ１は、トリップ信号ＴＰを出力する前に、第１のスイッチング素子ＳＷ１をゲートブロックなどの停止させるための信号をゲートドライブ基板２に出力してもよいし、同時に、他の制御部Ｃ２〜ＣＮ又は健全なゲート電源が供給される他のゲートドライブ基板２にも、他のスイッチング素子ＳＷ２〜ＳＷＮを停止させるための信号を出力してもよい。

図３は、本実施形態に係る故障検出部１２による故障の検出方法を示す波形図である。図３は、時刻ｔ１に、変圧器４とゲートドライブ基板２との間で、ゲート電源の短絡故障が発生した場合を示している。なお、実際には、フィードバック信号Ｓｆは、ゲート信号Ｓｇよりも遅れて生成されるため、正常時でも、ゲート信号Ｓｇとフィードバック信号Ｓｆは必ずしも一致しない。ここでは、フィードバック信号Ｓｆが生成されてから故障検出部１２に入力されるまでの遅延時間を考慮して、ゲート信号Ｓｇとフィードバック信号Ｓｆが一致するように調整されているものとする。

時刻ｔ１よりも前では、ゲート信号Ｓｇとフィードバック信号Ｓｆは常に一致している。したがって、正常と判断される。

時刻ｔ１で生じた短絡故障により、ゲートドライブ基板２には、ゲート電源が入力されなくなる。これにより、ゲート信号Ｓｇが１（オン指令）か０（オフ指令）かにかかわらず、スイッチング素子ＳＷ１に印加されるゲート電圧を測定すると、ゲートの状態は、バイアス無となる。したがって、時刻ｔ１以降は、ゲート状態判断部２２は、フィードバック信号Ｓｆを０にして出力する。但し、時刻ｔ１直後では、ゲート信号Ｓｇが０であり、フィードバック信号Ｓｆの０と一致するため、故障とは判断されない。

時刻ｔ２で、短絡故障発生後、最初にゲート信号Ｓｇが１になった瞬間に、ゲート信号Ｓｇとフィードバック信号Ｓｆが不一致になる。これにより、故障検出部１２は、故障と判断して、故障を検出する。

また、ゲート信号Ｓｇが０（オフ指令）で、フィードバック信号Ｓｆが１（スイッチング素子ＳＷ１がオン状態）のときも同様に故障と判断される。

本実施形態によれば、各スイッチング素子ＳＷ１〜ＳＷＮについて、ゲート信号Ｓｇとゲートの状態を示すフィードバック信号Ｓｆを比較することで、各ゲートドライブ基板２に供給されるゲート電源の短絡又は地絡などを含む故障を検出することができる。これにより、各ゲートドライブ基板２にゲート電源が供給される電源経路毎に、過電流検出器又は切り離し装置等を設けなくても、各電源経路で生じる故障に対する保護動作を行うことができる。

また、ゲート信号Ｓｇとゲートの状態を反映したフィードバック信号Ｓｆを比較して、ゲート電源系統の故障を検出するため、過電流リレーなどで検出された故障信号を外部から受信するよりも、早く故障を検出することができる。

（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１０Ａの構成を示す構成図である。

電力変換装置１０Ａは、図１に示す第１の実施形態に係る電力変換装置１０において、制御装置１を制御装置１Ａに代え、Ｎ個の変圧器４を複数の変圧器４ａ，４ｂに代え、２つの開閉器５ａ，５ｂを追加したものである。その他の点については、第１の実施形態と同様である。

開閉器５ａ，５ｂは、開閉器５の下位系統で２つに分岐するそれぞれの電源経路に設けられる。変圧器４ａ，４ｂは、第１の実施形態に係る変圧器４の巻線の数よりも多い巻線を備えたものである。変圧器４ａ，４ｂは、負荷側の各巻線にそれぞれゲートドライブ基板２を接続している。これにより、各変圧器４ａ，４ｂから複数のゲートドライブ基板２にゲート電源が供給される。図２では、第１の実施形態に係る変圧器４の巻線の数を２つとし、図４では、本実施形態に係る変圧器４ａ，４ｂの巻線の数を４つとしているが、変圧器４ａ，４ｂの巻線の数は、３つ以上であればいくつでもよい。

制御装置１Ａは、第１の実施形態に係る制御装置１において、故障検出時に、開閉器５に加え、２つの開閉器５ａ，５ｂもトリップ信号ＴＰにより開放（トリップ）させるようにしたものである。その他の点については、第１の実施形態に係る制御装置１と同様である。

本実施形態によれば、第１の実施形態による作用効果に加え、ゲート電源系統の下位で分岐するそれぞれの電源経路にも開閉器５ａ，５ｂを設け、事故検出時にこれらの開閉器５ａ，５ｂも開放することで、より確実に故障電流を除去することができる。なお、開閉器５ａ，５ｂを設ける代わりに開閉器５を設けなくてもよい。この場合でも、２つの開閉器５ａ，５ｂが開閉器５と同様の役割を果すため、第１の実施形態と同様の作用効果を得ることができる。

また、巻線の数が多い変圧器４ａ，４ｂを用いることで、変圧器４ａ，４ｂの数を減らすことができる。

（第３の実施形態）
図５は、本発明の第３の実施形態に係る電力変換装置１０Ｂの構成を示す構成図である。

電力変換装置１０Ｂは、図４に示す第２の実施形態に係る電力変換装置１０Ａにおいて、複数の変圧器４ａ，４ｂを複数の変圧器４ａＢ，４ｂＢに代えたものである。その他の点については、第２の実施形態と同様である。

変圧器４ａＢ，４ｂＢは、負荷側の１つの巻線に対して、複数のゲートドライブ基板２を接続したものである。これにより、変圧器４ａＢ，４ｂＢの１つの巻線から複数のゲートドライブ基板２にゲート電源が供給される。変圧器４ａＢ，４ｂＢの巻線の数はいくつでもよい。

本実施形態によれば、第２の実施形態と同様の作用効果を得ることができる。

なお、各実施形態において説明したゲート電源系統は一例であり、変圧器、開閉器、及び、ゲート電源は、どのようにいくつ配置してもよいし、変圧器は無くてもよい。また、系統の構成は、どのように分岐させてもよい。

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合せにより、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。

１…制御装置、２…ゲートドライブ基板、３…電力変換回路、１０…電力変換装置、１１…スイッチング制御部、１２…故障検出部、Ｃ１〜ＣＮ…制御部、ＳＷ１…スイッチング素子、ＴＰ…トリップ信号。

Claims

スイッチング素子と、
前記スイッチング素子にゲートトリガを印加するゲート駆動回路と、前記スイッチング素子のゲートの状態に対応したフィードバック信号を出力するゲート状態検出手段と、を含むゲート駆動部と、
前記スイッチング素子をスイッチング制御するためのコントローラであって、前記ゲート駆動回路にゲート信号を供給するスイッチング制御部と、前記スイッチング素子の故障の有無を判定する故障検出部と、を含むコントローラと、
を備え、
前記ゲート駆動回路は、前記スイッチング制御部から供給された前記ゲート信号に基づいて、前記スイッチング素子にゲートトリガを印加し、
前記ゲート状態検出手段は、前記スイッチング素子のゲートの状態に対応したフィードバック信号を出力し、
前記故障検出部は、前記ゲート信号と前記フィードバック信号とを同期させ、前記ゲート信号と前記フィードバック信号とを比較することにより、前記スイッチング素子の故障の有無を検出することを特徴とする電力変換装置。
前記故障検出部は、前記ゲート信号が前記スイッチング素子をオンさせるオン指令であり、前記スイッチング素子のゲートの状態がオン状態でない場合、前記スイッチング素子の故障を示すトリップ信号を出力することを特徴とする請求項１記載の電力変換装置。
前記ゲート駆動回路にゲート電源を供給するゲート電源系統をさらに備え、
前記ゲート電源系統は、前記ゲート電源の供給および停止を制御する開閉手段を含み、
前記故障検出部から出力された前記トリップ信号により前記開閉手段を開放し、前記ゲート駆動回路への前記ゲート電源の供給を停止することを特徴とする請求項２記載の電力変換装置。
前記スイッチング素子は、複数設けられ、
前記複数のスイッチング素子のそれぞれを駆動する前記ゲート駆動部が複数配置され、
前記コントローラは、前記複数のゲート駆動部のそれぞれのゲート駆動回路にゲート信号を供給する前記スイッチング制御部と、前記複数のゲート駆動部のそれぞれのゲート状態検出手段から出力されるフィードバック信号を受ける前記故障検出部と、をそれぞれ複数含み、
前記コントローラは、前記複数の故障検出部のいずれかよりトリップ信号が出力された場合に、前記トリップ信号を前記開閉手段に出力することを特徴とする請求項３記載の電力変換装置。
前記コントローラは、所定の時間遅れをもって前記トリップ信号を出力することを特徴とする請求項４記載の電力変換装置。
前記コントローラは、前記複数の故障検出部のうちの前記トリップ信号を出力していない故障検出部につながった前記ゲート状態検出手段を含む前記ゲート駆動部に対し、前記スイッチング制御部から前記スイッチング素子を停止させる信号を出力させた後、前記トリップ信号を出力することを特徴とする請求項４記載の電力変換装置。
前記ゲート電源系統は、前記開閉手段を複数含み、前記複数の開閉手段は、第１開閉手段と、第２開閉手段と、を含み、
前記複数のゲート駆動部は、前記第１開閉手段を介して前記ゲート電源を供給されるゲート駆動部を含む第１グループと、前記第２開閉手段を介して前記ゲート電源を供給されるゲート駆動部を含む第２グループと、を含み、
前記コントローラは、前記第１開閉手段および前記第２開閉手段に前記トリップ信号を出力することを特徴とする請求項３〜６のいずれか１つに記載の電力変換装置。