JP3406828B2 - 電力変換装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 【０００１】 【発明の属する技術分野】本発明は、自己消弧形素子を
多数直列接続して構成される電力変換装置に関する。 【０００２】 【従来の技術】電力系統や産業用ドライブなどに使用さ
れる大容量電力変換装置では、電力変換装置の直流電圧
がＧＴＯやサイリスタなどのスイッチング素子の耐電圧
より高いため、スイッチング素子を多数多数直列接続し
て構成されている。 【０００３】図７は、サイリスタを多数直列接続して構
成する電力変換装置の従来例である。このようにサイリ
スタ３０を多数直列接続して構成された電力変換装置で
は、直列接続するときに、必要最小限の直列数よりも１
個から数個多く直列接続しており、図７では、必要最小
限直列数を５個とし、１個多く接続し全部で６個直列接
続している。これは、スイッチング素子の直列数に余裕
分をもたせることにより、万一、スイッチング素子が１
つ短絡故障等した場合でも、電力変換装置の運転を継続
できるようにするためである。 【０００４】 【発明が解決しようとする課題】しかし、現状では、Ｇ
ＴＯ等の自己消弧形素子を多数直列接続して構成する電
力変換装置では、サイリスタの場合のように直列接続の
個数に余裕分を持たせることをしておらず、ＧＴＯ等の
自己証拠形素子が１つでも故障した場合は、即運転を停
止している。 【０００５】ＧＴＯ等の自己証拠形素子やサイリスタが
故障した場合には、アノード、カソード、ゲートがすべ
て短絡状態になる。サイリスタでは、ターンオンさせる
ためのゲートパワーは小さく、かつゲート抵抗でゲート
電流を制限しているため、ゲート・カソード間（以下Ｇ
Ｋ間とする）が短絡した状態であっても、ゲートパワー
を供給するゲート回路にそれほど問題はない。ただし、
ＧＴＯの場合には、ターンオンさせるための回路に関し
てはサイリスタのゲート回路と同様にゲート抵抗などの
ゲート電流を制限する回路を使用しているので問題はな
いが、ターンオフするための回路には、大きなパワーを
必要とするため、ゲート電流を制限する回路がなく、Ｇ
ＴＯがオフすることによって、ゲート電流は自然に制限
されることとなる。従って、ＧＴＯのＧＫ間が常時短絡
した状態では、大きなゲート電流が、ゲート回路電流に
流れ続けることになり、ゲート回路が焼損するおそれが
ある。以上の理由により、ＧＴＯ等の自己証拠形素子の
場合においては、直列数に余裕分を持たせた構成を採用
していなかった。 【０００６】そこで、本発明は、自己証拠形素子の直列
数に余裕分をもたせて多数直列接続し、ＧＴＯが短絡故
障したときに、ゲート回路の焼損のおそれを防止すると
ともに、ＧＴＯの直列接続数の余裕分を越えてＧＴＯが
破損した場合であっても安全に停止する電力変換装置を
提供することを目的とする。 【０００７】 【０００８】 【０００９】【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、請求項１記載の発明は、必要最小限の直列数より多
く直列接続された自己消弧形素子と、前記自己消弧形素
子にゲートパルスを送信するゲート回路と、前記自己消
弧形素子の故障を検出する故障検出手段と、 前記故障検
出手段によって自己消弧形素子の故障を検出した場合に
当該故障した自己消弧形素子の数をカウントし、所定の
数以上になった場合に、すべての自己消弧形素子にゲー
トパルスを送信することを停止する送信停止手段と、を
具備することを特徴とする。 【００１０】故障検出信号が短絡故障した自己消弧形素
子の数をカウントする手段に送られ、そのカウントした
数は、余裕度を越えている場合には、すべての自己消弧
形素子でゲートパルスを送信することを停止する手段に
より、すべての自己消弧形素子を停止させる。これによ
り、短絡故障した自己消弧形素子が多い場合であって
も、安全に電力変換装置を停止させることが可能とな
る。 【００１１】 【００１２】 【００１３】 【００１４】 【発明の実施の形態】本発明の第１の実施の形態につい
て図１、図２を用いて説明する。図１は、本来５直列で
十分な耐圧を確保できるが、１個余分に直列接続した場
合のＧＴＯ電力変換装置の構成例である。図２は、ゲー
ト回路の構成を示したものである。 【００１５】図１の１ａ〜１ｆはＧＴＯ、２ａ〜２ｆは
ゲート回路、３はＧＴＯを６直列しているＧＴＯアー
ム、４は直流電源である。ゲート回路２の構成が図２で
ある。図２において、ＧＴＯの短絡故障を検出する手段
は、波線Ａで囲まれた部分である。５は抵抗でゲート電
圧を測定し、６は、ＧＫ間の電圧レベル検出回路で、ゲ
ート電圧が正常の場合には０を出力し、異常の場合には
１を出力する。７はオフゲートパルスで下降エッジでト
リガするオフゲート検出信号用パルス発生器で、パルス
幅は例えば５０μsec に設定する。８はＡＮＤ回路であ
り、９は故障信号発生用パルス発生器でで、ＡＮＤ回路
８の出力が一瞬でも１となれば、例えば１００μsec 一
定幅のパルスを出力する。 【００１６】ＧＴＯへゲートパルスを送信することを停
止する手段は、波線Ｂで囲まれた部分である。１０は、
故障検出用フリップフロップで、故障信号を１に保持す
る。１１は、ＮＯＴ回路、１２はオンゲートブロック用
ＡＮＤ回路、１３はオフゲートブロック用ＡＮＤ回路で
ある。 【００１７】例えば、ＧＴＯ１ｆが短絡故障した場合を
考えてみる。この場合、ゲート回路２ｆは、次のように
作用する。図３を用いて説明する。図３では５つの信号
を示している。上から（ａ）オンパルス、（ｂ）オフパ
ルス、（ｃ）オフゲート信号、（ｄ）レベル検出信号、
（ｅ）故障信号、であり、それぞれ図２でいうところ
の、（ａ）オンゲート信号１４の出力、（ｂ）オフゲー
ト信号１５の出力、（ｃ）オフゲート検出信号用パルス
発生器７の出力、（ｄ）ＧＫ間電圧レベル検出回路６の
出力、（ｅ）故障信号保持用フリップフロップ１０の出
力と、対応している、図２のオンゲート信号１４は、制
御装置からの指令で、ＧＴＯをターンオンさせている期
間は１の信号を、それ以外の期間は０の信号を出してい
る。オフゲート信号１５は、オンゲート信号と同様、制
御装置からの指令を受けてＧＴＯをターンオフさせると
きに１の信号を、それ以外の期間では０の信号を出力す
る。この点に関しては、従来の回路と同じである。 【００１８】ＧＴＯが正常の時、図３の時刻ｔ０〜ｔ１
で、オンゲート信号をＧＴＯに送信しており、ＧＴＯの
ＧＫ間電圧が逆バイアスされていないためＧＫ間電圧レ
ベル検出回路出力６の出力（ｄ）が、異常を示す１を示
している。時刻ｔ１〜ｔ２では、オフゲート信号をＧＴ
Ｏに送信しており、ＧＫ間電圧が逆バイアスされている
ため、（ｄ）は、正常を示す０を出力する。時刻ｔ２の
オフゲート信号の出力の下降エッジでレベル検出信号が
設定時間５０μsec の間、１となる。 【００１９】図３のオフゲート信号（ｃ）とレベル検出
信号（ｄ）のＡＮＤをとった信号が故障信号（ｅ）であ
り、正常にＧＴＯがターンオフした場合には、時刻ｔ２
では既にレベル検出信号（ｄ）は０であるので、故障信
号（ｅ）は０となる。 【００２０】次にＧＴＯがターンオフで短絡故障した場
合を説明する。時刻ｔ３〜ｔ４のオンゲート信号をＧＴ
Ｏに送っている期間は、ＧＴＯが正常の時と同じ動作で
ある。しかし、時刻ｔ４〜ｔでオフゲート信号をＧＴＯ
に送っている途中の時刻ｔ５でＧＴＯが短絡故障した場
合には、ＧＴＯのＧＫ間が正常に逆バイアスされなくな
るので、レベル検出信号（ｄ）は異常を示す１となる。
時刻ｔ６のオフゲート信号の下降エッジでオフゲート検
出信号（ｃ）が１となったときには、（ｄ）が既に１と
なっているので、（ｅ）も１となり、短絡を検出するこ
とができる。 【００２１】また、この故障信号は、故障の時に１に保
持されるので、図２のＮＯＴ回路１１を通してＡＮＤ回
路１２、１３に入力することにより、オンゲート、オフ
ゲート共にＧＴＯ１に送ることを停止することができ
る。 【００２２】このように図２の構成によれば、ゲート回
路がＧＴＯの短絡故障を検出すると、当該ＧＴＯでのゲ
ートパルスを送ることを停止し、短絡故障したＧＴＯに
接続されたゲート回路の焼損を防止し、電力変換装置を
停止することなく継続して運転できる効果がある。 【００２３】次に、本発明の第２の実施の形態について
図４を用いて説明する。ゲート回路から出力される故障
信号を制御装置に送る場合の電力変換装置１相分の構成
図である。これは、故障したＧＴＯの数をカウントする
手段と、すべてのＧＴＯへゲートパルスを送信すること
を停止する手段とから成っている。 【００２４】故障したＧＴＯの数をカウントする手段と
してはカウンタ１６、すべてのＧＴＯへゲートパルスを
送信することを停止する手段としてはカウンタ１６から
の信号を受け、ＧＴＯを安全に停止させるためにすべて
のＧＴＯにオフゲート信号を送るゲートブロック回路１
７により構成される。１８は、電力変換装置全体を制御
する制御装置である。なお、ＧＴＯの必要最小限の直列
数が５個、余裕分が１個とする。 【００２５】ＧＴＯ１ｆが短絡故障した場合、ゲート回
路２ｆから故障信号が制御装置１８のカウンタ１６に送
られる。カウンタ１６でアーム毎のＧＴＯの短絡故障数
をカウントし、この場合は、短絡故障の数がＧＴＯの直
列余裕分の範囲内であり、ＧＴＯの耐電圧に問題がない
ので、電力変換装置の運転が継続される。 【００２６】次に、２つ目として、ＧＴＯ１ｄが短絡故
障したとすると、ゲート回路２ｄからカウンタ１６に故
障信号が送られる。この場合、短絡故障個数のカウント
が２となり、ＧＴＯの直列数が必要個数よりも少なくな
るので、電力変換装置の運転を停止する必要がある。こ
の場合、カウンタ１６からゲートブロック回路１７に、
ＧＴＯ停止信号を送り、ゲートブロック回路１７からす
べてのＧＴＯが停止するようにターンオフ信号を送信す
ると共に、オンゲートパルスをすべてのゲート回路２ａ
〜２ｆに送らないようにする。 【００２７】異常の動作により、短絡故障していないＧ
ＴＯが必要最小限の直列数より少なくなった場合であっ
ても、安全に電力変換装置を呈することが可能となる。
次に、本発明の第３の実施の形態について図５を用いて
説明する。 【００２８】ＧＴＯアーム３のうち、ＧＴＯ１ｆが故障
した場合、ゲート回路２ｆから故障信号が制御装置１８
に送られてくる、制御装置１８の中の表示装置１９のＬ
ＥＤは、ＧＴＯの一対一で対応しているので、故障した
ＧＴＯに対応したＬＥＤが点灯する。ゲート回路２ｆで
は故障信号保持し続けるので、表示装置１９のＬＥＤも
点灯し続ける。 【００２９】このように、本実施の形態においては、電
力変換装置のＧＴＯの故障している状況が運転継続中に
も表示装置により一目で確認でき、ＧＴＯの故障状況を
把握し易くする効果がある。次に、本発明の第４の実施
の形態について図６を用いて説明する。 【００３０】図６は、ゲート回路から出力される故障信
号を制御装置に送る場合の電力変換装置の１相分のみの
構成図である。制御装置内に故障を記録する手段を含ん
だ構成となっている。図６において、故障を記録する手
段は、故障記録装置２０として示している。故障記録装
置２０では、ＧＴＯが故障した場合、故障したＧＴＯの
場所、ＧＴＯ故障時の電力変換装置の運転状態などを記
録する。故障記録装置２３は、半導体メモリや磁気記録
媒体装置などによって構成される。ゲート回路２が対応
するＧＴＯ１の故障を検知した場合には、ゲート回路か
らの故障信号が制御装置１８内の故障記録装置２０に送
られる。故障信号を受け取ると、記録装置２０内に、Ｇ
ＴＯが故障した日時、故障したＧＴＯの場所、ＧＴＯ故
障時の電力変換装置の運転状況などを記録する。故障記
録装置２０では、これら３つの情報の他にも、故障原因
究明に必要な情報を記録することもできる。 【００３１】このような作用によって、ＧＴＯが故障し
た場所、故障したときの運転状況の記録が残ることか
ら、ＧＴＯが故障した原因究明に大変有効であり、この
故障原因を回避する手段を講じることによって、電力変
換器の信頼性が向上し、電力変換装置の運転継続に効果
を発揮することができる。 【００３２】なお、本発明においては、自己消弧形素子
の例として、ＧＴＯを挙げたが、本発明は、これに限定
されることなく、ＩＧＢＴ、ＩＥＧＴ等にも同様に対応
することが可能である。 【００３３】 【発明の効果】以上のように、本発明によれば、自己消
弧形素子を必要最低限の直列数より余分に直列接続して
構成し、ＧＴＯが破損したときにゲート回路を保護する
ことにより、自己消弧形素子が短絡しても所定の場合に
は運転継続が出来るようにしたものである。さらに、短
絡故障した自己消弧形素子の数が余分の数より多くなっ
た場合には、電力変換装置をより安全に停止させること
が可能となる。

【図面の簡単な説明】 【図１】本発明第１の実施の形態の概要図。 【図２】本発明第１の実施の形態におけるゲート回路の
構成図。 【図３】本発明第１の実施の形態の信号波形図。 【図４】本発明第２の実施の形態の概要図。 【図５】本発明第３の実施の形態の概要図。 【図６】本発明第４の実施の形態の概要図。 【図７】従来の電力変換装置の概要図。 【符号の説明】 １ ＧＴＯ ２ ゲート回路 ３ ＧＴＯアーム ４ 直流電源 ５ 抵抗 ６ ＧＫ間電圧レベル検出回路 ７ オフゲート検出信号用パルス発生器 ８、１２、１３ ＡＮＤ回路 ９ 故障信号発生用パルス発生器 １０ 故障信号保持用フリップフロップ １１ ＮＯＴ回路 １４ オンゲート信号 １５ オフゲート信号 １６ カウンタ １７ ゲートブロック回路 １８ 制御装置 １９ 表示装置 ２０ 故障記録装置

Claims (1)

1. (57)【特許請求の範囲】【請求項１】 必要最小限の直列数より多く直列接続さ
   れた自己消弧形素子と、前記自己消弧形素子にゲートパ
   ルスを送信するゲート回路と、前記自己消弧形素子の故
   障を検出する故障検出手段と、 前記故障検出手段によっ
   て自己消弧形素子の故障を検出した場合に当該故障した
   自己消弧形素子の数をカウントし、所定の数以上になっ
   た場合に、すべての自己消弧形素子にゲートパルスを送
   信することを停止する送信停止手段と、を具備すること
   を特徴とする電力変換装置。