JP4518971B2 - 直流電源装置 - Google Patents

Description

本発明は、直流電源を降圧して使用する直流電源装置に係り、特に改善された過電圧保護機能を有する直流電源装置に関する。

一般に直流電源装置、特に負荷として誘導性負荷を持つ直流電源装置においては、直流を作るための変換器の故障などに起因して負荷に蓄積されたエネルギーが放出して回路電圧が急激に上昇し、過電圧となり機器の損傷を招く恐れがある。

このような過電圧の保護は、高速性が要求されるため、過電圧保護用サイリスタ素子によって還流路を設け、回路の過電圧によって過電圧保護用サイリスタ素子が点弧するようにする方法が提案されている（例えば特許文献１参照。）。
実開平６−２６２５号公報（第５−６頁、図１）

特許文献１に示された保護回路を直流−直流変換方式の直流電源装置に適用する場合、以下のような問題がある。

即ち、変換用主回路素子が異常になり入出力が短絡した場合は、過電圧の自動検出により保護用サイリスタがオンするが、主回路に直列に設けたヒューズが切れるまでの間（数ｍｓ間）は保護用サイリスタに短絡電流が流れる。従って、保護用サイリスタにはこの間の短絡電流が流れても問題ない素子容量が必要となる。また、保護用サイリスタに短絡電流が流れると直流電源が短絡状態になるため直流電源の寿命に影響を与える等の問題も有る。

本発明は上記に鑑み為されたもので、変換用主回路素子が異常な場合であっても、短絡電流を最小に抑える過電圧保護回路を備えた直流電源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、本発明の第１の発明である直流電源装置は、直流電圧源と、
この直流電圧源に直列に２直列接続された主回路素子と、この主回路素子の出力側に並列接続された還流ダイオードと、前記主回路素子の出力側の電圧を平滑するための直列リアクトル及びこの直列リアクトルの出力側に並列接続された平滑コンデンサと、この平滑コンデンサに並列に接続された保護用主回路素子と、この保護用主回路素子に印加される電圧を検出する出力電圧検出手段と、前記主回路素子及び前記保護用主回路素子を制御するための制御部とから構成され、前記制御部は、前記出力電圧検出手段による検出電圧を所望の値にするため前記主回路素子をオンオフ制御するゲートパルス供給手段と、前記出力電圧検出手段による検出電圧が所定値を超えたとき、前記保護用主回路素子をオンさせる過電圧保護手段と、前記出力電圧検出手段による検出電圧が所定値を超えたとき、前記ゲートパルス供給手段を遮断する第１のゲートブロック手段とを有することを特徴としている。

また、本発明の第２の発明である直流電源装置は、直流電圧源と、この直流電圧源に直列に２直列接続された主回路素子と、この主回路素子の出力側に並列接続された還流ダイオードと、前記主回路素子の出力側の電圧を平滑するための直列リアクトル及びこの直列リアクトルの出力側に並列接続された平滑コンデンサと、この平滑コンデンサに印加される電圧を検出する出力電圧検出手段と、前記主回路素子を制御するための制御部とから構成され、前記制御部は、前記出力電圧検出手段による検出電圧を所望の値にするため前記主回路素子をオンオフ制御するゲートパルス供給手段と、前記主回路素子の通常運転時のオンオフ動作を監視する第１のスイッチング監視手段と、この第１のスイッチング監視手段が前記２直列接続された主回路素子の何れかの異常を検出したとき、前記ゲートパルス供給手段を遮断する第２のゲートブロック手段とを有することを特徴としている。

本発明によれば、変換用主回路素子が異常な場合であっても、短絡電流を最小に抑える過電圧保護回路を備えた直流電源装置を提供することが可能となる。

以下、図面を参照して本発明の実施例を説明する。

以下、本発明の実施例１に係る直流電源装置を図１及び図２を参照して説明する。図１は本発明の実施例１に係る直流電源装置のブロック構成図である。

直流電圧源１の直流電圧Ｖｄ１は、ヒューズ２を介して２直列接続された主回路素子３Ａ及び主回路素子３Ｂに供給されている。主回路素子３Ａ、３Ｂは各々ＩＧＢＴ等に代表される主スイッチング素子とこれに逆並列に接続された還流ダイオードで構成されている。主回路素子３Ａ及び主回路素子３Ｂの直列回路の出力は、並列に接続された還流ダイオード４を介し、直列リアクトル５と平滑コンデンサ６によってリップル分が平滑され、その直流出力電圧Ｖｄ２が負荷７に給電される。また、負荷７の入力側には出力電圧Ｖｄ２を検出するための電圧検出器８が設けられ、過電圧保護用の保護用主回路素子９が並列に接続されている。更に保護用主回路素子９と逆並列に逆電圧保護用ダイオード８Ｂが接続されている。

以上が直流電源装置の主回路構成である。次に、直流電源装置の主回路素子３Ａ及び主回路素子３Ｂ並びに保護用主回路素子９を制御するための制御部１０の内部構成について説明する。

出力制御装置１１は、電圧検出器８で検出された出力電圧Ｖｄ２が所望の値となるように主回路素子３Ａ及び主回路素子３Ｂをオンオフ制御する。出力制御装置１１の出力であるゲートパルスＧｃｈはパルス分配器１２に与えられ、パルス分配器１２から主回路素子３Ａ及び主回路素子３Ｂの夫々のゲートパルスＧｃｈ＿ａ及びＧｃｈ＿ｂが供給される。

電圧検出器８で検出された出力電圧Ｖｄ２は、過電圧検出器１３に与えられ、この出力電圧Ｖｄ２が所定値以上となったとき、短絡パルス発生器１４を介して保護用主回路素子９をオンさせてこの短絡動作によって過電圧を防止する。尚、逆電圧保護ダイオードはこのとき平滑コンデンサ６に蓄えられていたエネルギーを還流する。また、電圧検出器８で検出された出力電圧Ｖｄ２が所定値以上となったとき、過電圧検出器１３はパルス分配器１２にゲートブロック信号を出力し主回路素子３Ａ及び主回路素子３Ｂのゲートパルスを遮断する。

以上説明した制御部１０の詳細動作を図２を参照して説明する。図２は実施例１の制御動作説明図である。

出力制御装置１１は、出力電圧Ｖｄ２が得られるように、主回路素子が直列構成でなく１個の素子で構成されている場合のオンオフ信号であるゲートパルスＧｃｈを出力し、パルス分配器１２はこの信号を受け、周波数が半分で位相が半周期ずれた２つのオンオフゲート信号を作り、これらをゲートパルスＧｃｈ＿ａ及びゲートパルスＧｃｈ＿ｂとして主回路素子３Ａ及び主回路素子３Ｂの夫々のゲートに供給している。そしてゲートパルスＧｃｈ＿ａ及びゲートパルスＧｃｈ＿ｂは過電圧検出器１３からの過電圧保護信号を受けたとき、ゲートブロックされて遮断される。

以上説明した実施例１の構成によれば、直列接続された主回路素子３Ａ及び主回路素子３Ｂの両方が同時に短絡故障する確率は極めて少ないので、直流出力Ｖｄ２が過電圧になったとき上述のゲートブロック動作により直流電圧源１の直流電圧Ｖｄ１が出力電圧Ｖｄ２側に印加されるのを防止する。

また、上記のゲートブロック動作はヒューズ２が遮断される動作に対し、１桁以上速いため、保護用主回路素子９がオンする時間は、上記高電圧の印加防止をヒューズ２の遮断動作に頼っていた場合に比べて１桁以上短くなり、従って保護用主回路素子９の素子定格を低減できる。

更に、直列接続された主回路素子３Ａ及び主回路素子３Ｂを交互にスイッチングするようにしたので、スイッチング時の損失を主回路素子３Ａと主回路素子３Ｂに均等に分担させて最小化することができる。

以下、本発明の実施例２に係る直流電源装置を図３及び図４を参照して説明する。図３は本発明の実施例２に係る直流電源装置のブロック構成図である。

この実施例２の各部について、図１の実施例１に係る直流電源装置の各部と同一部分は同一符号で示し、その説明を省略する。この実施例２が実施例１と異なる点は、保護用主回路素子９、逆電圧保護用ダイオード８Ａ及び短絡パルス発生器１４を省いた点、また、制御部１０Ａに主回路素子３Ａの入力電圧Ｖｆａ、主回路素子３Ａの出力電圧Ｖｆｂ及び主回路素子３Ｂの出力電圧Ｖｆｃ並びにゲートパルスＧｃｈ＿ａ及びＧｃｈ＿ｂの５つの信号を入力として動作するスイッチング監視装置１５及び、このスイッチング監視装置１５の出力でゲートパルスＧｃｈ＿ａ及びＧｃｈ＿ｂの遮断動作を行う保護装置１６Ａ及び１６Ｂを追加した点である。

以下、制御部１０Ａの詳細動作を図４を参照して説明する。図４は実施例２の制御動作説明図である。

スイッチング監視装置１５には図４に示すように、パルス分配器１２の出力であるゲートパルスＧｃｈ＿ａ及びＧｃｈ＿ｂによって主回路素子３Ａ及び３Ｂのオンオフのタイミングが入力される。一方、電圧検出器５１ＡによりＶｆａとＶｆｂの差から主回路素子３Ａの両端電圧が検出され、また電圧検出器５１ＢによりＶｆｂとＶｆｃの差から主回路素子３Ｂの両端電圧が検出される。

ゲートパルスＧｃｈ＿ａがオンのとき、主回路素子３Ａが正常に動作していればオンするので、監視回路５２ＡはＶｆａ−Ｖｆｂが所定のオン電圧以下であるとき０を出力するようにする。また、ゲートパルスＧｃｈ＿ａがオフのとき、主回路素子３Ａは正常動作でオフし、主回路素子３Ａの両端にはＶｄ１−Ｖｄ２の電圧が印加されるので、監視回路５２ＡはＶｆａ−Ｖｆｂが所定の電圧以上であるとき０を出力するようにする。このように構成すれば、監視回路５２Ａの出力は、主回路素子３Ａが正常動作しているとき０、主回路素子３Ａが異常となったとき１を出力する。

同様に、監視回路５２Ｂは主回路素子３Ｂが正常動作しているとき０、主回路素子３Ｂが異常となったとき１を出力する。監視回路５２Ａの出力と監視回路５２Ｂの出力をＯＲ回路５３を介してフリップフロップ回路５４の入力とすれば、フリップフロップ回路５４の出力は主回路素子３Ａ及び主回路素子３Ｂの何れかの素子が異常となったとき１を出力し、この信号で保護装置１６Ａ及び１６Ｂの両方を動作させてゲートパルスＧｃｈ＿ａ及びＧｃｈ＿ｂを遮断する。

尚、監視回路５２Ａ及び５２Ｂには、フィルタ機能を付加し、各主回路素子のスイッチングの過渡時に発生する振動電圧などによる誤動作を防止するように構成しても良い。

また、保護装置１６Ａ及び１６Ｂは、パルス分配器１２に設けられているゲートブロック機能を兼用して用いることも可能である。

以上の構成及び動作により、毎回のスイッチングにおいて主回路素子３Ａ及び主回路素子３Ｂの異常を監視するようにしたので、過電圧検出器１３が出力電圧Ｖｄ２の過電圧を検出する前に、保護動作を行うことが可能となる。従って、このときの過電圧はスイッチング１回分の僅かな増加分に制限できるため、実施例１で設けた保護用主回路素子８は不要となる。

以下、本発明の実施例３に係る直流電源装置を図５及び図６を参照して説明する。図５は本発明の実施例３に係る直流電源装置のブロック構成図である。

この実施例３の各部について、図３の実施例２に係る直流電源装置の各部と同一部分は同一符号で示し、その説明を省略する。この実施例３が実施例２と異なる点は、出力制御装置１１ＡのゲートパルスＧｃｈを入力とし、異常時に主回路素子の異常状態を再確認するためゲートパルスを切り替えるようにした異常時パルス分配器１７を、制御部１０Ｂ内の保護装置１６Ａ及び１６Ｂの出力側に挿入した点、スイッチング監視装置１５のゲートパルス入力信号を異常時パルス分配器１７の出力であるゲートパルスＧｃｈ＿ａ２及びＧｃｈ＿ｂ２とした点、また異常時にスイッチング監視装置１５Ａからの信号を受けて異常状態を再確認し、この異常状態がノイズ等の誤動作と判断できるとき、スイッチング監視装置１５Ａの異常出力をリセットする機能を出力制御装置１１Ａに持たせるようにした点である。

以下、制御部１０Ｂの詳細動作を図６を参照して説明する。図６は実施例３の制御動作説明図である。

図６において、スイッチング監視装置１５Ａによって主回路素子３Ａ及び３Ｂの異常を監視し、異常時には保護装置１６Ａ及び１６Ｂによりゲートパルスを遮断する動作は、図４に示した実施例２と同一であるのでその説明は省略し、異常時に主回路素子３Ａ及び３Ｂの異常状態を再確認し、この異常状態がノイズ等の誤動作と判断できるとき、スイッチング監視装置１５Ａの異常出力をリセットする動作について説明する。

スイッチング監視装置１５Ａが主回路素子３Ａ及び３Ｂの何れかの異常を検出し、フリップフロップ回路５４Ａの出力が１となったとき、保護装置１６Ａ及び１６Ｂによりゲートパルスを遮断すると同時に、異常時パルス分配器１７に信号を与えて主回路素子３Ａ及び３Ｂのゲートパルスを切り替える。異常時における異常時パルス分配器１７の出力のうち、主回路素子３Ａ用のゲートパルスＧｃｈ＿ａ２は出力制御装置１１Ｂの出力であるＧｃｈがそのまま与えられ、主回路素子３Ｂ用のゲートパルスＧｃｈ＿ｂ２は出力制御装置１１Ｂの出力Ｇｃｈを遅れ回路６１によって所定時間遅らすように構成している。

スイッチング監視装置１５Ａが主回路素子３Ａ及び３Ｂの何れかの異常を検出し、フリップフロップ回路５４Ａの出力が１となったとき、この異常信号は出力制御回路１１Ｂに設けられた素子監視回路７１に入力される。そして、スイッチング監視装置１５Ａは上記の切り替えられたゲートパルスＧｃｈ＿ａ２及びＧｃｈ＿ｂ２が監視回路５２Ａ及び５２Ｂに与えられていることから、上記ゲートパルスが切り替えられた状態で実施例２で説明した監視動作と同様の監視動作を主回路素子３Ａ及び３Ｂに対して行う。

そして、スイッチング監視装置１５Ａ内のＯＲ回路５３の出力を素子監視回路７１で監視し、このＯＲ回路５３の出力が０であれば、素子監視回路７１はフリップフロップ回路５４Ａにリセット信号を与えて異常状態をリセットすると共に、異常時パルス分配器１７の出力をもとのパルス分配器１２の出力に切り替える。また、上記ゲートパルスが切り替えられた状態においてもＯＲ回路５３の出力が１であれば、ノイズ等による誤動作はなく主回路素子３Ａ及び３Ｂの何れかは異常と判断し、出力制御回路１１Ｂに設けられたゲートブロック回路７２を動作させてゲートパルスＧｃｈを遮断する。尚、安全のため過電圧保護信号によってもゲートブロック回路７２が動作するように構成しても良い。

この実施例３によれば、運転状態においてスイッチング監視装置１５Ａが作動して保護装置１６Ａ及び１６Ｂによりゲートパルスの遮断を行ったとき、主回路素子３Ａ及び３Ｂの健全性チェックを通常運転時のゲートパルスとは異なる他のゲートパルスで行い、主回路素子３Ａ及び３Ｂが健全である場合は再び元の通常運転状態に戻すことにより、ノイズ等により主回路素子が誤動作した場合においても運転継続を行うことができる。

本発明の実施例１に係る直流電源装置のブロック構成図。 本発明の実施例１に係る直流電源装置の制御動作説明図。 本発明の実施例２に係る直流電源装置のブロック構成図。 本発明の実施例２に係る直流電源装置の制御動作説明図。 本発明の実施例３に係る直流電源装置のブロック構成図。 本発明の実施例３に係る直流電源装置の制御動作説明図。

符号の説明

１ 直流電圧源
２ ヒューズ
３Ａ、３Ｂ 主回路素子
４ 還流ダイオード
５ 直列リアクトル
６ 平滑コンデンサ
７ 負荷
８ 保護用主回路素子
８Ａ 逆電圧保護用
９ 電圧検出器
１０、１０Ａ、１０Ｂ 制御部
１１、１１Ａ 出力制御装置
１２ パルス分配器
１３ 過電圧検出器
１４ 短絡パルス発生器
１５、１５Ａ スイッチング監視装置
１６Ａ、１６Ｂ 保護装置
１７ 異常時パルス分配器
５１Ａ、５１Ｂ 電圧検出器
５２Ａ、５２Ｂ 監視回路
５３ ＯＲ回路
５４、５４Ａ フリップフロップ回路
６１ 遅れ回路
７１ 素子監視回路
７２ ゲートブロック回路

Claims (6)

1. 直流電圧源と、
   この直流電圧源に直列に２直列接続された主回路素子と、
   この主回路素子の出力側に並列接続された還流ダイオードと、
   前記主回路素子の出力側の電圧を平滑するための直列リアクトル及びこの直列リアクトルの出力側に並列接続された平滑コンデンサと、
   この平滑コンデンサに並列に接続された保護用主回路素子と、
   この保護用主回路素子に印加される電圧を検出する出力電圧検出手段と、
   前記主回路素子及び前記保護用主回路素子を制御するための制御部と
   から構成され、
   前記制御部は、
   前記出力電圧検出手段による検出電圧を所望の値にするため前記主回路素子をオンオフ制御するゲートパルス供給手段と、
   前記出力電圧検出手段による検出電圧が所定値を超えたとき、前記保護用主回路素子をオンさせる過電圧保護手段と、
   前記出力電圧検出手段による検出電圧が所定値を超えたとき、前記ゲートパルス供給手段を遮断する第１のゲートブロック手段と
   を有することを特徴とする直流電源装置。
2. 直流電圧源と、
   この直流電圧源に直列に２直列接続された主回路素子と、
   この主回路素子の出力側に並列接続された還流ダイオードと、
   前記主回路素子の出力側の電圧を平滑するための直列リアクトル及びこの直列リアクトルの出力側に並列接続された平滑コンデンサと、
   この平滑コンデンサに印加される電圧を検出する出力電圧検出手段と、
   前記主回路素子を制御するための制御部と
   から構成され、
   前記制御部は、
   前記出力電圧検出手段による検出電圧を所望の値にするため前記主回路素子をオンオフ制御するゲートパルス供給手段と、
   前記主回路素子の通常運転時のオンオフ動作を監視する第１のスイッチング監視手段と、
   この第１のスイッチング監視手段が前記２直列接続された主回路素子の何れかの異常を検出したとき、前記ゲートパルス供給手段を遮断する第２のゲートブロック手段と
   を有することを特徴とする直流電源装置。
3. 前記制御部は、
   前記第２のゲートブロック手段が作動したとき、前記２直列接続された主回路素子の異常時のオンオフ動作を監視する第２のスイッチング監視手段を有し、
   この第２のスイッチング監視手段が前記２直列接続された主回路素子の正常動作を検出したとき、
   前記第２のゲートブロック手段によるゲート遮断を解除し、
   通常運転に復帰するようにしたことを特徴とする請求項２に記載の直流電源装置。
4. 前記ゲートパルス供給手段は、
   前記２直列接続された主回路素子用の基準ゲートパルスを発生する手段と、
   この基準ゲートパルスを周波数が半分で半周期ずれた２つのパルスに分配するパルス分配手段と
   を有し、
   前記パルス分配手段の２つのゲートパルス出力を前記２直列接続された主回路素子の夫々に通常運転時のゲートパルスとして与えるようにしたことを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載の直流電源装置。
5. 前記スイッチング監視手段は、
   前記２直列接続された主回路素子の各々にオンパルスを与えた状態で、当該主回路素子の両端電圧が所定値以上のとき、
   または、前記直列接続された主回路素子用の各々にオフパルスを与えた状態で、当該主回路素子の両端電圧が所定値以下のとき、
   当該主回路素子を異常と判断するようにしたことを特徴とする請求項２または請求項３に記載の直流電源装置。
6. 前記第２のスイッチング監視手段は、
   通常運転時の前記ゲートパルス供給手段とは異なる
   異常時のゲートパルス供給手段によって、前記主回路素子のオンオフ動作を監視するようにしたことを特徴とする請求項３に記載の直流電源装置。

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