專利名稱：帶保護功能的電力轉換裝置以及控制方法
技術領域：
本發明涉及帶保護功能的電力轉換裝置以及控制方法。
背景技術：
作為控制電流的裝置，公知有全橋式磁能再生開關(MERS :Magnetic EnergyRecovery Switch)(以下稱為“全橋式 MERS”。)。全橋式MERS具備4個反向導通式半導體開關和I個電容器。全橋式MERS可以通過簡單的控制來控制電流。 專利文獻I記載了使用全橋式MERS從直流電源向感性負載供給交流電流的電路。在該電路中，對構成全橋式MERS的4個反向導通式半導體開關的導通/斷開進行切換，由此使全橋式MERS的電容器和感性負載的電感串聯諧振，通過電容器中產生的電壓將交流電流供給到感性負載。在先技術文獻專利文獻專利文獻I :日本特開2008-092745號公報
發明內容
發明要解決的問題但是，在專利文獻I記載的電路中，例如，當感性負載發生故障而短路(以下稱為短路故障)時，超過額定值的電流/電壓被供給到反向導通式半導體開關，有時導致反向導通式半導體開關發生故障。本發明正是鑒于上述課題而完成的，其目的在于，提供反向導通式半導體開關不易發生故障的、帶保護功能的電力轉換裝置以及控制方法。解決問題的手段為了達成上述目的，本發明的第一方面的帶保護功能的電力轉換裝置具備磁能再生開關，其具備第I交流端子和第2交流端子、第I直流端子和第2直流端子、第I至第4 二極管部、第I至第4開關部、以及連接在所述第I直流端子與第2直流端子之間或者所述第I交流端子與第2交流端子之間的電容器，在所述第I直流端子與第2直流端子之間連接有直流電流源，在所述第I交流端子與第2交流端子之間連接有感性負載，所述第I 二極管部的陽極以及所述第2 二極管部的陰極與所述第I交流端子連接，所述第I 二極管部的陰極以及所述第3 二極管部的陰極與所述第I直流端子連接，所述第2 二極管部的陽極以及所述第4 二極管部的陽極與所述第2直流端子連接，所述第3 二極管部的陽極以及所述第4 二極管部的陰極與所述第2交流端子連接，所述第I開關部與所述第I 二極管部并聯連接，所述第2開關部與所述第2 二極管部并聯連接，所述第3開關部與所述第3 二極管部并聯連接，所述第4開關部與所述第4 二極管部并聯連接；控制單元，其以規定的頻率，切換由所述第I開關部和所述第4開關部構成的對的導通/斷開、與由所述第2開關部和所述第3開關部構成的對的導通/斷開，以使得當一方的對為導通時、另一方的對為斷開；以及電流檢測單元，其檢測流過所述感性負載的電流值，輸出檢測到的電流值，在所述電流檢測單元輸出的所述電流 值成為第I規定電流值以上后，所述控制單元向全部的所述開關部提供用于使這些開關部斷開的斷開信號。例如，所述規定的頻率是在由所述感性負載的電感與所述電容器的電容決定的諧振頻率以下的頻率。例如，在所述電流檢測單元輸出的電流值成為所述第I規定電流值以上后，當經過規定的時間時，所述控制單元向全部的所述開關部提供所述斷開信號。例如，在所述電流檢測單元輸出的電流值成為第I規定電流值以上后，當所述電流檢測單元輸出的電流值成為第2規定電流值以下時，所述控制單元向全部的所述開關部提供所述斷開信號。例如，也可以是，帶保護功能的電力轉換裝置還具備電壓檢測單元，該電壓檢測單元檢測所述電容器的兩端電壓，輸出檢測到的電壓值，在所述電流檢測單元輸出的電流值成為所述第I規定電流值以上后，當所述電壓檢測單元輸出的電壓值成為規定的電壓值以下時，所述控制單元向全部的所述開關部提供所述斷開信號。例如，在所述電流檢測單元輸出的電流值成為所述第I規定電流值以上后，當所述電壓檢測單元輸出的電壓值大致成為O時，所述控制單元向全部的所述開關部提供所述斷開信號。此外，為了達成上述目的，本發明的第二方面的帶保護功能的電力轉換裝置具備磁能再生開關，其具備第I交流端子和第2交流端子、第I直流端子和第2直流端子、第I至第4 二極管部、第I至第4開關部、以及連接在所述第I直流端子與第2直流端子之間或者所述第I交流端子與第2交流端子之間的電容器，在所述第I直流端子與第2直流端子之間連接有直流電流源，在所述第I交流端子與第2交流端子之間連接有感性負載，所述第I二極管部的陽極以及所述第2 二極管部的陰極與所述第I交流端子連接，所述第I 二極管部的陰極以及所述第3 二極管部的陰極與所述第I直流端子連接，所述第2 二極管部的陽極以及所述第4 二極管部的陽極與所述第2直流端子連接，所述第3 二極管部的陽極以及所述第4 二極管部的陰極與所述第2交流端子連接，所述第I開關部與所述第I 二極管部并聯連接，所述第2開關部與所述第2 二極管部并聯連接，所述第3開關部與所述第3 二極管部并聯連接，所述第4開關部與所述第4 二極管部并聯連接；控制單元，其以規定的頻率，切換由所述第I開關部和所述第4開關部構成的對的導通/斷開、與由所述第2開關部和所述第3開關部構成的對的導通/斷開，以使得當一方的對為導通時、另一方的對為斷開；以及電壓檢測單元，其檢測所述電容器的兩端電壓，輸出檢測到的電壓值，當所述電壓檢測單元輸出的電壓值大致為O的時間超過規定的時間時，所述控制單元向全部的所述開關部提供使這些開關部斷開的斷開信號。例如，所述帶保護功能的電力轉換裝置還具備線圈，所述直流電流源是該線圈與直流電壓源的串聯電路。此外，為了達成上述目的，本發明的第三方面的控制方法是磁能再生開關的控制方法，所述磁能再生開關具備第I交流端子和第2交流端子、第I直流端子和第2直流端子、第I至第4 二極管部、第I至第4開關部、以及連接在所述第I直流端子與第2直流端子之間或者所述第I交流端子與第2交流端子之間的電容器，在所述第I直流端子與第2直流端子之間連接有直流電流源，在所述第I交流端子與第2交流端子之間連接有感性負載，第I 二極管部的陽極以及第2 二極管部的陰極與所述第I交流端子連接，所述第I 二極管部的陰極以及所述第3 二極管部的陰極與所述第I直流端子連接，所述第2 二極管部的陽極以及所述第4 二極管部的陽極與所述第2直流端子連接，所述第3 二極管部的陽極以及所述第4 二極管部的陰極與所述第2交流端子連接，所述第I開關部與所述第I 二極管部并聯連接，所述第2開關部與所述第2 二極管部并聯連接，所述第3開關部與所述第3 二極管部并聯連接，所述第4開關部與所述第4 二極管部并聯連接，該控制方法具有以下步驟以規定的頻率，切換由所述第I開關部和所述第4開關部構成的對的導通/斷開、與由所述第2開關部和所述第3開關部構成的對的導通/斷開，以使得當一方的對為導通時、另一方的對為斷開，并且，檢測流過所述感性負載的電流，輸出檢測到的電流值；以及在所述電流值成為第I規定電流值以上后，向全部的所述開關部提供使這些開關部斷開的斷開信號。此外，為了達成上述目的，本發明的第四方面的控制方法是磁能再生開關的控制方法，所述磁能再生開關具備第I交流端子和第2交流端子、第I直流端子和第2直流端 子、第I至第4 二極管部、第I至第4開關部、以及連接在所述第I直流端子與第2直流端子之間或者所述第I交流端子與第2交流端子之間的電容器，在所述第I直流端子與第2直流端子之間連接有直流電流源，在所述第I交流端子與第2交流端子之間連接有感性負載，所述第I二極管部的陽極以及所述第2 二極管部的陰極與所述第I交流端子連接，所述第I二極管部的陰極以及所述第3 二極管部的陰極與所述第I直流端子連接，所述第2 二極管部的陽極以及所述第4 二極管部的陽極與所述第2直流端子連接，所述第3 二極管部的陽極以及所述第4 二極管部的陰極與所述第2交流端子連接，所述第I開關部與所述第I二極管部并聯連接，所述第2開關部與所述第2 二極管部并聯連接，所述第3開關部與所述第3 二極管部并聯連接，所述第4開關部與所述第4 二極管部并聯連接，該控制方法具有以下步驟以規定的頻率，切換由所述第I開關部和所述第4開關部構成的對的導通/斷開、與由所述第2開關部和所述第3開關部構成的對的導通/斷開，以使得當一方的對為導通時、另一方的對為斷開，并且，檢測所述電容器的兩端電壓，輸出檢測到的電壓值；以及當所述電壓值大致為O的時間超過規定的時間時，向全部的所述開關部提供使這些開關部斷開的斷開信號。根據上述結構，反向導通式半導體開關不易發生故障。
圖I是示出本發明的一個實施方式的帶保護功能的電力轉換裝置的結構的圖。圖2是示出圖I的帶保護功能的電力轉換裝置的電流的路徑的圖。圖3是示出圖I的帶保護功能的電力轉換裝置的電流的路徑的圖。圖4是示出圖I的帶保護功能的電力轉換裝置的電流的路徑的圖。圖5是示出圖I的帶保護功能的電力轉換裝置的電流的路徑的圖。圖6是示出圖I的帶保護功能的電力轉換裝置的電流的路徑的圖。圖7是示出圖I的帶保護功能的電力轉換裝置的電流的路徑的圖。圖8是示出圖I的帶保護功能的電力轉換裝置的電流的路徑的圖。
圖9是示出圖I的帶保護功能的電力轉換裝置的電流的路徑的圖。圖10是示出與圖I的帶保護功能的電力轉換裝置的動作相伴的負載電流和負載電壓的變化的圖。圖11是示出圖I的帶保護功能的電力轉換裝置的應用例的圖。圖12是示出圖I的帶保護功能的電力轉換裝置的應用例的圖。圖13是示出圖I的帶保護功能的電力轉換裝置的應用例的圖。
具體實施例方式以下，參照附圖對本發明的一個實施方式的帶保護功能的電力轉換裝置I進行說 明。如圖I所示，帶保護功能的電力轉換裝置I由全橋式MERS100、控制電路200以及電流計300構成，并連接在直流電流源2與感性負載3之間。全橋式MERS100具備4個反向導通式半導體開關SWl至SW4、電容器CM、交流端子 AC1、AC2 (AC Alternating Current (交流電流))以及直流端子 DCP、DCN (DC DirectCurrent (直流電流))。全橋式MERS100的反向導通式半導體開關SWl至SW4具備作為二極管發揮作用的二極管部DSWl至DSW4、以及與二極管部DSWl至DSW4并聯連接的開關部(在本實施方式中為自消弧式元件)SSffl至SSW4。開關部SSWl至SSW4包含門極(gate) GSffl至GSW4。反向導通式半導體開關SWl至SW4例如是N溝道型硅MOSFET (MOSFET =MetalOxide Semiconductor Field Effect Transistor (金屬氧化物半導體場效應晶體管))。直流電流源2由線圈Ldc與直流電壓源VS的串聯電路構成。線圈Ldc與直流電壓源VS的串聯電路連接在全橋式MERS100的直流端子DCP-DCN之間。感性負載3連接在全橋式MERS100的交流端子AC1-AC2之間。二極管部DSWl的陽極以及二極管部DSW2的陰極與全橋式MERS100的交流端子ACl連接，二極管部DSWl的陰極、二極管部DSW3的陰極以及電容器CM的正極與直流端子DCP連接，二極管部DSW2的陽極、二極管部DSW4的陽極以及電容器CM的負極與直流端子DCN連接，二極管部DSW3的陽極以及二極管部DSW4的陰極與交流端子AC2連接。直流電壓源VS例如是輸出直流電壓的蓄電池。直流電壓源VS的輸出電壓例如是175V。線圈Ldc使直流電壓源VS的輸出電力穩定地提供給全橋式MERS100。線圈Ldc的電感例如是10mH。感性負載3例如由感應加熱線圈、電動機等感性負載構成，由電感L和電阻R的串聯電路來表示。電流計300檢測流過感性負載3的電流值，將檢測到的電流值輸出到控制電路200。電流計300例如輸出與流過感性負載3的電流值對應的電壓值，由此檢測電流值，并將檢測到的電流值輸出。在全橋式MERS100中，反向導通式半導體開關SWl至SW4的導通/斷開周期地進行切換，由此將從直流端子DCP-DCN間提供的電流轉換為交流電流，從交流端子AC1-AC2間輸出。
通過對開關部SSWl至SSW4的導通/斷開進行切換，來對反向導通式半導體開關Sffl至SW4的導通/斷開進行切換。當導通信號輸入到門極GSWl時，開關部SSWl導通，當斷開信號輸入到門極GSWl時，開關部SSWl斷開。這樣的動作對于反向導通式半導體開關SW2至SW4也是相同的。在反向導通式半導體開關SWl中，在開關部SSWl導通的情況下，二極管部DSWl的兩端通過導通的開關部SSWl被短路。在開關部SSWl斷開的情況下，反向導通式半導體開關SWl的二極管部DSWl發揮作用。這對于反向導通式半導體開關SW2至SW4也是相同的。分別利用控制電路200輸出的門極信號SGl至SG4，對反向導通式半導體開關SWl至SW4各自的導通/斷開進行切換。 電容器CM與感性負載3的內部電抗在諧振頻率fr下進行諧振。通過電容器CM與感性負載3的內部電抗進行諧振，將蓄積在感性負載3中的磁能以電荷的形式作為靜電能量進行蓄積/再生。電容器CM的電容例如是I. 6mF。控制電路200將門極信號SGl至SG4提供給構成全橋式MERS100的4個反向導通式半導體開關SWl至SW4的門極GSWl至GSW4。門極信號SGl至SG4由導通信號和斷開信號構成，對反向導通式半導體開關SWl至SW4的導通/斷開進行切換。控制電路200例如是由比較器、觸發器、計時器、振蕩器等構成的電子電路。門極信號SGl至SG4是具有預先設定的頻率f、且其占空比為O. 5的信號，門極信號SGl以及門極信號SG4與門極信號SG2以及門極信號SG3是彼此大致反相的信號。頻率f被設定為小于電容器CM與感性負載3的內部電抗的諧振頻率fr。由于頻率f比諧振頻率fr小，所以在頻率f的半周期內，電容器CM將蓄積在感性負載3的內部電抗中的磁能暫時作為靜電能量蓄積，在理想情況下將蓄積的靜電能量完全地再生。此外，當反向導通式半導體開關SWl至SW4全部導通時，電容器CM會發生短路，因此以使得反向導通式半導體開關SWl至SW4不會全部導通的方式控制門極信號SGl至SG4。此外，在從電流計300輸出的電流值的絕對值超過預先設定的閾值后，當經過預先設定的規定時間時，控制電路200將斷開信號提供給全部的反向導通式半導體開關SWl至SW4，使全部的反向導通式半導體開關SWl至SW4斷開。例如，當從電流計300輸出的電流值的絕對值超過300A時，控制電路200使用計時器來計測時間，當計測了 2微秒時，將斷開信號輸出到門極SWl至SW4，使全部的反向導通式半導體開關SWl至SW4斷開。另外，在從電流計300輸出的電流值的絕對值超過300A后直到經過2微秒之前的期間內，控制電路200不對門極信號SGl至SG4進行切換，導通的反向導通式半導體開關維持導通，斷開的反向導通式半導體開關維持斷開。當超過閾值的電流流過感性負載3時，帶保護功能的電力轉換裝置I使全部的反向導通式半導體開關SWl至SW4斷開，由此，自動地切斷提供給感性負載3的電流，保護感性負載3以及各元件(特別是保護反向導通式半導體開關SWl至SW4)。當感性負載3發生故障而短路時(短路故障)，可能在反向導通式半導體開關SWl至SW4的至少一個中持續流過超過其額定值的電流。持續流過超過額定值的電流是反向導通式半導體開關SWl至SW4中的至少一個發生故障、或者反向導通式半導體開關SWl至SW4中的至少一個的導通/斷開的控制失效的一個原因。在本實施方式中，使用全橋式MERS進行直流交流轉換，另外，在大電流流過時自動地切斷電流。接著，參照圖2至圖9，對具有上述結構的帶保護功能的電力轉換裝置I的具體動作、和與該動作相伴的流過感性負載3的電流進行說明。圖2至圖9是定性地對流過帶保護功能的電力轉換裝置I的電流的路徑進行說明的圖。圖中的箭頭用于說明電流流動的方向。以下，假定線圈Ldc的電感為10mH、感性負載3的電阻R為O. 6 Ω、線圈L的電感為6mH、電容器CM的電容為I. 6mF、直流電壓源VS的輸出為175V來進行說明。此外，假定當從電流計300輸出的電流值超過300A時，控制電路200使用計時器對時間進行計測，在2微秒后使全部的反向導通式半導體開關SWl至SW4斷開，而進行說明。初始狀態是門極信號SG2和SG3為斷開信號、門極信號SGl和SG4為導通信號、電 容器CM的電壓Vcm與向感性負載3施加的電壓Vload均大致為O、電流在后述的圖7的路徑中流過的時刻TO的狀態。(時刻T1-T2)在通過頻率f對門極信號SGl至SG4進行切換的時刻Tl，控制電路200使門極信號SG2和SG3成為導通信號，使門極信號SGl和SG4成為斷開信號。反向導通式半導體開關SW2、SW3導通，反向導通式半導體開關SWl、SW4斷開。如圖2所示，電流從感性負載3通過交流端子AC2，經由導通的反向導通式半導體開關SW3并通過直流端子DCP，流入電容器CM的正極。從電容器CM的陰極流出的電流通過直流端子DCN，經由導通的反向導通式半導體開關SW2并通過交流端子AC1，流過感性負載3。(時刻T2-T3)在基于諧振的電容器CM的充電結束的時刻T2，電容器CM開始放電，電流如圖3所示那樣開始流動。電流從感性負載3通過交流端子AC1，經由導通的反向導通式半導體開關SW2并通過直流端子DCN，流入電容器CM的負極。從電容器CM的正極流出的電流通過直流端子DCP，經由導通的反向導通式半導體開關SW3并通過交流端子AC2，流過感性負載3。(時刻T3-T4)在電容器CM的電荷大致成為O的時刻T3，由于電容器CM的兩端電壓大致相等，因此電流如圖4所示那樣開始流動。電流在兩條路徑中流入感性負載3，這兩條路徑是通過交流端子AC1、經由斷開的反向導通式半導體開關SWl和導通的反向導通式半導體開關SW3、并通過交流端子AC2的路徑；以及通過交流端子AC1、經由導通的反向導通式半導體開關SW2和斷開的反向導通式半導體開關SW4、并通過交流端子AC2的路徑。(時刻T4-T5)在通過頻率f對門極信號SGl至SG4進行切換的時刻T4，控制電路200使門極信號SG2和SG3成為斷開信號，使門極信號SGl和SG4成為導通信號。反向導通式半導體開關SW2、SW3斷開，反向導通式半導體開關SW1、SW4導通。電流如圖5所示那樣流動。電流從感性負載3通過交流端子ACl，經由導通的反向導通式半導體開關SWl并通過直流端子DCP，流入電容器CM的正極。從電容器CM的陰極流出的電流通過直流端子DCN，經由導通的反向導通式半導體開關SW4并通過交流端子AC1，流過感性負載3。(時刻T5-T6)在基于諧振的電容器CM的充電結束的時刻T5，電容器CM開始放電，電流如圖6所示那樣流動。電流從感性負載3通過交流端子AC2，經由導通的反向導通式半導體開關SW4并通過直流端子DCN，流入電容器CM的負極。從電容器CM的正極流出的電流通過直流端子DCP，經由導通的反向導通式半導體開關SWl并通過交流端子ACl，流過感性負載3。(時刻T6-T7)
在電容器CM的電荷大致成為O的時刻T6，由于電容器CM的兩端電壓大致相等，因此電流如圖7所示那樣開始流動。電流在兩條路徑中流入感性負載3，這兩條路徑是通過交流端子AC2、經由斷開的反向導通式半導體開關SW3和導通的反向導通式半導體開關Sffl并通過交流端子ACl的路徑；以及通過交流端子AC2、經由導通的反向導通式半導體開關SW4和斷開的反向導通式半導體開關SW2并通過交流端子ACl的路徑。(時刻T7-T8)在通過頻率f對門極信號SGl至SG4進行切換的時刻T7，控制電路200再次使門極信號SG2和SG3成為導通信號，使門極信號SGl和SG4成為斷開信號。電流再次在如圖2所示的路徑中流動。通過重復上述動作，帶保護功能的電力轉換裝置I將交流電流提供給感性負載3。此處,在時刻T8，例如假定感性負載3產生金屬短路，電阻R與電感L發生了短路。在時刻T8，例如假定門極信號SG2和SG3為導通信號，門極信號SGl和SG4為斷開信號，在電容器CM中產生了電壓，負載電流Iload為正。當感性負載3短路時，由感性負載3的電阻R產生的電壓降消失，流過負載的負載電流Iload的量暫時急劇上升。負載電流Iload是通過釋放蓄積在電容器CM中的電荷而流動的電流la、通過釋放電路內的線路電感中蓄積的磁能而流動的電流Ib、以及從直流電流源2流出的電流Ic合并后的電流。由于電容器CM短路，蓄積在電容器CM中的電荷所產生的電流Ia在短時間內不再流動，從而諧振不再發生。由于線路電感較小，通過在電路內的線路電感中蓄積的磁能而流動的電流Ib在短時間內不再流動。因此，負載電流Iload的量在暫時急劇上升之后，急劇下降。即，在感性負載3短路后，在帶保護功能的電力轉換裝置I中瞬間流過大電流。另外，由于該大電流只是瞬間流過，因此在該階段中，反向導通式半導體開關SWl至SW4的至少一個中不會持續流過超過額定值的電流，在該階段中，反向導通式半導體開關SWl至SW4不易發生故障。從直流電流源2流過短路的感性負載3的電流Ic在如圖8所示的路徑中流動。直流電流源2輸出的電流通過直流端子DCP，經由導通的反向導通式半導體開關SWl并通過交流端子AC1，經由短路的感性負載3并通過交流端子AC2，經由導通的反向導通式半導體開關SW4并通過直流端子DCN，返回直流電流源2。從感性負載3發生短路故障的時刻開始，產生從直流電流源2流過發生故障的感性負載3的電流Ic，電流Ic以由下式示出的增加量dlload/dt增加。
dlload/dt = Ed/Lldc(Ed :直流電壓源VS輸出的電壓，Lldc :線圈Ldc的電感)S卩，通過線圈Ldc的電感Lldc，能夠控制每單位時間的電流Ic的增加量。如果電感Lldc較小，則電流Ic急劇地增加，如果電感Lldc較大，則電流Ic緩慢地增加。因此，如果線圈Ldc的電感Lldc較大，則從感性負載3發生短路故障開始的短時間內，再次流過非瞬間的大電流，不會發生反向導通式半導體開關SWl至SW4破壞故障、或者無法控制導通/斷開的情況。在本實施例中，Ed為175V，Lldc為10mH，因此，在從感性負載3短路開始的2微秒內，電流Ic大約為35mA。此時，電流Ia以及Ib不再流過(即，所述的瞬間的大電流不再流 過)，流過全橋式MERS100內的電流為電流Ic，最多為35mA。當電流計300檢測的電流值的絕對值超過300A時，即，當大電流流過時,控制電路200使用計時器計測時間。秒控制電路200在計時器計測了 2微秒的時刻T9，使全部的門極信號SGl至SG4成為斷開信號。此處，如果在反向導通式半導體開關SWl至SW4中流過的電流較多，則即便反向導通式半導體開關SWl至SW4被提供斷開信號，也可能不會變成斷開。如上所述，在本實施例中，從短路故障起2微秒后流過反向導通式半導體開關SWl至SW4的電流僅為與電流Ic相當的大小,最多為35mA,因此全部的反向導通式半導體開關Sffl至SW4被提供斷開信號而變成斷開。因此，從直流電壓源VS經由線圈Ldc提供給感性負載3的電流被全橋式MERS100切斷。在以往的電壓型的逆變器中，由于沒有發揮線圈Ldc的作用的器件，所以因短路故障而產生的電流的量在短時間內變為非常大。即便在短路故障發生的時刻切斷電流，也可能在各開關元件的導通/斷開進行切換之前的時間內流過極大的電流而超過各開關元件的電流容量。因此，在以往的電壓型的逆變器中對應于電流值而切斷電流的控制是不優選的。在本實施方式中，由于存在直流電流源的內部電感或線圈Ldc，短路電流在瞬間急劇地增加以及減少后，緩慢地增加。因此，能夠可靠地切斷由短路故障引起的電流的過大供
5口 O通過上述動作，帶保護功能的電力轉換裝置I將交流電力提供給感性負載3，例如即便因短路故障而在感性負載3中流過大電流，也會在之后的電流變低時將斷開信號提供給反向導通式半導體開關SWl至SW4，因此，能夠高精度地切斷提供給感性負載3的電流。另外，在反向導通式半導體開關SW1、SW4斷開、反向導通式半導體開關SW2、SW3導通的情況下，當感性負載3發生短路故障時，從直流電流源2經由線圈Ldc在短路的感性負載3中流過的電流如圖9那樣流動。直流電流源2輸出的電流通過直流端子DCP，經由導通的反向導通式半導體開關SW3并通過交流端子AC2，經由短路的感性負載3并通過交流端子AC1，經由導通的反向導通式半導體開關SW2并通過直流端子DCN，返回直流電流源2。在圖10中示出在使上述結構的帶保護功能的電力轉換裝置I動作的情況下的流過感性負載3的負載電流Iload、施加的負載電壓Vload、電容器CM的電壓Vcm、門極信號SGl至SG4之間的關系的概念圖。另外，關于流過感性負載3的負載電流Iload，將從交流端子ACl經由感性負載3而流過交流端子AC2的方向設為正，流過感性負載3的負載電壓Vload是交流端子ACl相對于交流端子AC2的電位。為了便于理解，在圖10中將時刻T8-時刻T9在時間軸方向上放大來進行顯示。如上所述，從時刻TO到時刻T8，對應于門極信號SGl至SG4的切換，重復電容器電壓Vcm的充放電，將電容器電壓Vcm作為負載電壓Vload施加到感性負載3，交流電流流過感性負載3。在時刻T8，感性負載3短路，在從負載電流Iload超過閾值起大致2微秒后的時刻T9,門極信號SGl至SG4成為斷開信號，負載電流Iload被自動地切斷。如上所述，帶保護功能的電力轉換裝置I與直流電流源連接，由此能夠將交流電
力提供給電動機或感應加熱裝置等感性負載，在大電流流過感性負載的情況下(電流超過閾值的情況)，在超過閾值后將斷開信號提供給反向導通式半導體開關SWl至SW4，即，在流過反向導通式半導體開關SWl至SW4中的至少一個的電流暫時上升后又下降時，將斷開信號提供給反向導通式半導體開關SWl至SW4，由此能夠可靠地使反向導通式半導體開關SWl至SW4斷開，從而切斷電流。因此，在全橋式MERS100內流過的電流被切斷，所以在構成全橋式MERS100的反向導通式半導體開關SWl至SW4的至少一個中不易流過大電流，不容易發生大電流引起的故障。此外，在超過閾值起的2微秒后，將斷開信號提供給門極SWl至SW4，因此，電容器CM的放電結束，反向導通式半導體開關SWl至SW4切斷的電流的量較少。因此，帶保護功能的電力轉換裝置I能夠安全地切斷電路。另外，在實施本發明時，可以考慮各種方式。例如，在上述實施方式中，將反向導通式半導體開關SWl至SW4作為由開關部和寄生二極管構成的N溝道型硅MOSFET進行了說明。但是，反向導通式半導體開關SWl至SW4只要是具有根據導通信號和斷開信號來切換導通斷開的開關部和二極管部的反向導電式的開關即可，也可以是場效應晶體管、或絕緣柵雙極型晶體管(IGBT Jnsulated GateBipolar Transistor)、或門控晶閘管(GTO :Gate Turn-Off thyristor)、或二極管與開關的組合。此外，在上述實施例中，當提供給感性負載3的電流超過閾值時，在2微秒后，控制電路200使全部的反向導通式半導體開關SWl至SW4斷開，但時間不限于2微秒。例如，也可以是5微秒后或10微秒后，可以進行調整。此外，在圖I所示的帶保護功能的電力轉換裝置I中，也可以是，當電流計300檢測的提供給感性負載3的電流值超過閾值后，當電流計300檢測的電流值成為規定的電流值以下時，控制電路200使全部的反向導通式半導體開關SWl至SW4斷開。例如，在電流計檢測到超過300A的電流后，當該電流成為IA以下時，控制電路200可以將斷開信號輸出到反向導通式半導體開關SWl至SW4。由此，當流過反向導通式半導體開關SWl至SW4中的至少一個的電流在額定值以下時，斷開信號被提供給反向導通式半導體開關SWl至SW4，因此，能夠高精度地使這些開關斷開。此外，在上述實施例中，以感性負載3完全地短路的情況為例進行了說明，但是在感性負載3部分地短路的情況下，通過調整閾值也能夠應用。此外，也可以如圖11那樣，連接用于檢測電容器CM的兩端電壓的電壓計400，在電流計300檢測的電流值超過閾值后，當電壓計400檢測的電壓值成為規定的電壓值以下時，控制電路200使全部的反向導通式半導體開關SWl至SW4斷開。該情況下，也可以是，響應于電容器CM的兩端電壓大致成為O的情況，控制電路200使反向導通式半導體開關SWl至SW4全部斷開。此外，也可以是，在電流計300檢測的電流值超過閾值后，當經過規定的時間、且電壓計400計測的電壓值成為規定的電壓值以下時，控制電路200使全部的反向導通式半導體開關SWl至SW4斷開。根據這些方法，當流過反向導通式半導 體開關SWl至SW4的至少一個中的電流較低時，斷開信號被提供給反向導通式半導體開關SWl至SW4，因此能夠高精度地使這些開關斷開。此外，當感性負載3完全地短路時，感性負載3的線圈L與電容器CM不再諧振，因此在電容器CM放電后，不會再次蓄積電荷。因此，也可以不利用電流計300檢測的電流值而在電壓計400計測的電壓值在一定時間以上保持大致為O的情況下，控制電路200使全部的反向導通式半導體開關SWl至SW4斷開。由此，當流過反向導通式半導體開關SWl至SW4中的至少一個的電流較低時，斷開信號被提供給反向導通式半導體開關SWl至SW4，能夠高精度地使這些開關斷開。由此，在感性負載3完全地短路的情況下，能夠自動地切斷向感性負載3的電力供給。在電容器CM中沒有蓄積電荷的情況下發生了短路故障時，負載電流Iload有可能不成為規定的電壓值以上，因此該方法在感性負載3完全地短路的情況下更加有效。此外，如圖12所示，在全橋式MERS100中，可以代替配置在直流端子DCP-DCN之間的電容器CM，而在交流端子AC1-AC2之間連接無極性的電容器CP。門極信號等不變。伴隨全橋式MERS100的反向導通式半導體開關SWl至SW4的導通/斷開的切換，通過從直流電源2經由交流端子ACl或AC2而提供的電力，電感器L與電容器CP反復諧振。該情況下，不經由反向導通式半導體開關SWl至SW4而重復在圖2至圖7中說明的流路中的諧振，所以在反向導通式半導體開關SWl至SW4中電流負擔減少。因此，反向導通式半導體開關SWl至SW4的壽命延長。當然，也可以具備電容器CP和電容器CM雙方。該情況下的諧振頻率由電容器CM與電容器CP的合成電容、以及電感器L的電感來決定。此外，如圖13所示，也可以具備電容器CM和電容器CP雙方。此外，將控制電路200作為進行上述控制的電子電路進行了說明，但也可以是具備 CPU (Central Processing Unit :中央處理單兀)以及 RAM (Random Access MemoryJiS機存取存儲器)或ROM (Read Only Memory :只讀存儲器)等存儲單元的微型控制器(以下稱為“微機”。)等計算機。特別是在控制電路200為微機的情況下，如果以與微機輸出的I和O的信號對應地使反向導通式半導體開關導通/斷開的方式，將反向導通式半導體開關與微機組合，則能夠使用微機的輸出來切換反向導通式半導體開關的導通/斷開，因此部件數較少。該情況下，例如，只要將使得輸出上述門極信號的程序預先存儲在微機中即可。此外，可以將用于使計算機執行上述控制的程序發布并存儲在軟盤、CD-ROM(Compact Disc-Read Only Memory)>DVD(Digital Versatile Disk)、M0(Magnet OpticalDisk)等計算機可讀取的記錄介質中，并將其安裝在另外的計算機中，作為上述單元動作，或者，執行上述步驟。進而，也可以將程序存儲在因特網上的服務器裝置具有的外部存儲裝置等中，例如，與載波重疊，下載到計算機中等。另外，在不脫離本發明的廣義的精神與范圍的情況下，本發明可以進行各種實施方式以及變形。此外，上述實施方式只是用于說明本發明，并不限定本發明的范圍。本申請基于在2010年I月15日申請的日本專利申請特愿2010-007487號。在本說明書中參照并引用了該說明書、專利請求的范圍、以及全部附圖。標號說明I :帶保護功能的電力轉換裝置
2:直流電流源3:感性負載100:全橋式 MERS200:控制電路300:電流計400:電壓計VS :直流電壓源L:電感Ldc :線圈R:電阻AC1、AC2:交流端子DCP、DCN:直流端子SW1、SW2、Sff3, SW4 :反向導通式半導體開關DSffl、DSW2、DSW3、DSW4 : 二極管部SSffl、SSW2、SSW3、SSW4 開關部GSffl、GSW2、GSW3、GSW4 門極CM、CP:電容器
權利要求
1.一種帶保護功能的電力轉換裝置，其特征在于，該帶保護功能的電力轉換裝置具備 磁能再生開關，其具備第I交流端子和第2交流端子、第I直流端子和第2直流端子、第I至第4 二極管部、第I至第4開關部、以及連接在所述第I直流端子與第2直流端子之間或者所述第I交流端子與第2交流端子之間的電容器，在所述第I直流端子與第2直流端子之間連接有直流電流源，在所述第I交流端子與第2交流端子之間連接有感性負載，所述第I二極管部的陽極以及所述第2 二極管部的陰極與所述第I交流端子連接，所述第I二極管部的陰極以及所述第3 二極管部的陰極與所述第I直流端子連接，所述第2 二極管部的陽極以及所述第4 二極管部的陽極與所述第2直流端子連接，所述第3 二極管部的陽極以及所述第4 二極管部的陰極與所述第2交流端子連接，所述第I開關部與所述第I 二極管部并聯連接，所述第2開關部與所述第2 二極管部并聯連接，所述第3開關部與所述第3 二極管部并聯連接，所述第4開關部與所述第4 二極管部并聯連接； 控制單元，其以規定的頻率，切換由所述第I開關部和所述第4開關部構成的對的導通/斷開、與由所述第2開關部和所述第3開關部構成的對的導通/斷開，以使得當一方的對為導通時、另一方的對為斷開；以及 電流檢測單元，其檢測流過所述感性負載的電流值，輸出檢測到的電流值， 在所述電流檢測單元輸出的所述電流值成為第I規定電流值以上后，所述控制單元向全部的所述開關部提供用于使這些開關部斷開的斷開信號。
2.根據權利要求I所述的帶保護功能的電力轉換裝置，其特征在于， 所述規定的頻率是在由所述感性負載的電感與所述電容器的電容決定的諧振頻率以下的頻率。
3.根據權利要求I所述的帶保護功能的電力轉換裝置，其特征在于， 在所述電流檢測單元輸出的電流值成為所述第I規定電流值以上后，當經過規定的時間時，所述控制單元向全部的所述開關部提供所述斷開信號。
4.根據權利要求I所述的帶保護功能的電力轉換裝置，其特征在于， 在所述電流檢測單元輸出的電流值成為第I規定電流值以上后，當所述電流檢測單元輸出的電流值成為第2規定電流值以下時，所述控制單元向全部的所述開關部提供所述斷開信號。
5.根據權利要求I所述的帶保護功能的電力轉換裝置，其特征在于， 所述帶保護功能的電力轉換裝置還具備電壓檢測單元，該電壓檢測單元檢測所述電容器的兩端電壓，輸出檢測到的電壓值， 在所述電流檢測單元輸出的電流值成為所述第I規定電流值以上后，當所述電壓檢測單元輸出的電壓值成為規定的電壓值以下時，所述控制單元向全部的所述開關部提供所述斷開信號。
6.根據權利要求5所述的帶保護功能的電力轉換裝置，其特征在于， 在所述電流檢測單元輸出的電流值成為所述第I規定電流值以上后，當所述電壓檢測單元輸出的電壓值大致成為O時，所述控制單元向全部的所述開關部提供所述斷開信號。
7.一種帶保護功能的電力轉換裝置，其特征在于，該帶保護功能的電力轉換裝置具備磁能再生開關，其具備第I交流端子和第2交流端子、第I直流端子和第2直流端子、第I至第4 二極管部、第I至第4開關部、以及連接在所述第I直流端子與第2直流端子之間或者所述第I交流端子與第2交流端子之間的電容器，在所述第I直流端子與第2直流端子之間連接有直流電流源，在所述第I交流端子與第2交流端子之間連接有感性負載，所述第I二極管部的陽極以及所述第2 二極管部的陰極與所述第I交流端子連接，所述第I二極管部的陰極以及所述第3 二極管部的陰極與所述第I直流端子連接，所述第2 二極管部的陽極以及所述第4 二極管部的陽極與所述第2直流端子連接，所述第3 二極管部的陽極以及所述第4 二極管部的陰極與所述第2交流端子連接，所述第I開關部與所述第I 二極管部并聯連接，所述第2開關部與所述第2 二極管部并聯連接，所述第3開關部與所述第3 二極管部并聯連接，所述第4開關部與所述第4 二極管部并聯連接； 控制單元，其以規定的頻率，切換由所述第I開關部和所述第4開關部構成的對的導通 /斷開、與由所述第2開關部和所述第3開關部構成的對的導通/斷開，以使得當一方的對為導通時、另一方的對為斷開；以及 電壓檢測單元，其檢測所述電容器的兩端電壓，輸出檢測到的電壓值， 當所述電壓檢測單元輸出的電壓值大致為O的時間超過規定的時間時，所述控制單元向全部的所述開關部提供使這些開關部斷開的斷開信號。
8.根據權利要求I所述的帶保護功能的電力轉換裝置，其特征在于， 所述帶保護功能的電力轉換裝置還具備線圈， 所述直流電流源是該線圈與直流電壓源的串聯電路。
9.一種磁能再生開關的控制方法， 所述磁能再生開關具備第I交流端子和第2交流端子、第I直流端子和第2直流端子、第I至第4 二極管部、第I至第4開關部、以及連接在所述第I直流端子與第2直流端子之間或者所述第I交流端子與第2交流端子之間的電容器，在所述第I直流端子與第2直流端子之間連接有直流電流源，在所述第I交流端子與第2交流端子之間連接有感性負載，第I 二極管部的陽極以及第2 二極管部的陰極與所述第I交流端子連接，所述第I 二極管部的陰極以及所述第3 二極管部的陰極與所述第I直流端子連接，所述第2 二極管部的陽極以及所述第4 二極管部的陽極與所述第2直流端子連接，所述第3 二極管部的陽極以及所述第4 二極管部的陰極與所述第2交流端子連接，所述第I開關部與所述第I 二極管部并聯連接，所述第2開關部與所述第2 二極管部并聯連接，所述第3開關部與所述第3 二極管部并聯連接，所述第4開關部與所述第4 二極管部并聯連接， 該控制方法具有以下步驟 以規定的頻率，切換由所述第I開關部和所述第4開關部構成的對的導通/斷開、與由所述第2開關部和所述第3開關部構成的對的導通/斷開，以使得當一方的對為導通時、另一方的對為斷開，并且，檢測流過所述感性負載的電流，輸出檢測到的電流值；以及 在所述電流值成為第I規定電流值以上后，向全部的所述開關部提供使這些開關部斷開的斷開信號。
10.一種磁能再生開關的控制方法， 所述磁能再生開關具備第I交流端子和第2交流端子、第I直流端子和第2直流端子、第I至第4 二極管部、第I至第4開關部、以及連接在所述第I直流端子與第2直流端子之間或者所述第I交流端子與第2交流端子之間的電容器，在所述第I直流端子與第2直流端子之間連接有直流電流源，在所述第I交流端子與第2交流端子之間連接有感性負載，所述第I二極管部的陽極以及所述第2 二極管部的陰極與所述第I交流端子連接，所述第I二極管部的陰極以及所述第3 二極管部的陰極與所述第I直流端子連接，所述第2 二極管部的陽極以及所述第4 二極管部的陽極與所述第2直流端子連接，所述第3 二極管部的陽極以及所述第4 二極管部的陰極與所述第2交流端子連接，所述第I開關部與所述第I 二極管部并聯連接，所述第2開關部與所述第2 二極管部并聯連接，所述第3開關部與所述第·3 二極管部并聯連接，所述第4開關部與所述第4 二極管部并聯連接， 該控制方法具有以下步驟 以規定的頻率，切換由所述第I開關部和所述第4開關部構成的對的導通/斷開、與由 所述第2開關部和所述第3開關部構成的對的導通/斷開，以使得當一方的對為導通時、另一方的對為斷開，并且，檢測所述電容器的兩端電壓，輸出檢測到的電壓值；以及 當所述電壓值大致為O的時間超過規定的時間時，向全部的所述開關部提供使這些開關部斷開的斷開信號。
全文摘要
帶保護功能的電力轉換裝置(1)由全橋式MERS(100)、控制電路(200)以及電流計(300)構成，連接在直流電流源(2)與感性負載(3)之間。電流計(300)對提供給感性負載(3)的電流值進行計測。控制電路(200)對構成全橋式MERS(100)的4個反向導通式半導體開關(SW1～SW4)進行切換，由此將從直流電流源(2)輸出的電力轉換為交流電力而提供給感性負載(3)。此外，當感性負載(3)發生短路故障等而流過大電流從而電流計(300)檢測的電流值成為規定的值以上時，控制電路(200)使全部的反向導通式半導體開關(SW1～SW4)斷開，從而切斷電流。
文檔編號H02H7/122GK102714470SQ20118000608
公開日2012年10月3日 申請日期2011年1月14日 優先權日2010年1月15日
發明者北原忠幸 申請人:莫斯科技株式會社