多電平功率轉換電路的制作方法
【專利摘要】在使用飛跨電容器，并在直流電源的中間點與使用了半導體開關的轉換電路之間使用雙向開關的多電平轉換電路中，存在若雙向開關發生短路故障，則會造成其它半導體開關、電容器被破壞的問題。在使用飛跨電容器，并在直流電源的中間點與使用了半導體開關的轉換電路之間使用雙向開關的多電平轉換電路中，串聯連接兩個雙向開關，并在柵極驅動電路中設置在截止信號時對構成雙向開關電路的半導體開關元件的短路進行檢測的短路故障檢測電路，在檢測到短路故障時，將所有半導體開關元件切斷，停止系統。
【專利說明】
多電平功率轉換電路
【技術領域】
[0001]本發明涉及以交流電動機驅動等為目的的多電平功率轉換電路的電路方式，尤其涉及在使用雙向開關的飛跨電容器型多電平功率轉換電路中，構成雙向開關的半導體開關元件產生故障時的保護。
【背景技術】
[0002]圖6中示出專利文獻1、2等所記載的將直流轉換成交流的功率轉換電路，即五電平逆變器的電路例。DP1、DP2分別是電壓為2Ed的直流電源，它們串聯連接，且正電位端子設為P，負電位端子設為N，中間電位端子設為M。通常，在由交流電源系統構成本直流電源的情況下，可以通過將未圖示的整流器與大容量的電容器進行串聯連接等來構成。
[0003]Sla?Slc、S2、S3、S4a?S4c是由串聯連接在P側電位與N側電位之間的8個與二極管反向并聯連接的IGBT構成的半導體開關。Sla?Slc的半導體開關的串聯電路為第一半導體開關組，S4a?S4c的半導體開關的串聯電路為第二半導體開關組，S2為第一半導體開關，S3為第二半導體開關。第一半導體開關組(Sla?Slc)、第一半導體開關S2、第二半導體開關S3、第二半導體開關組(S4a?S4c)串聯連接，成為第一半導體開關串聯電路。
[0004]第一半導體開關組中的半導體開關Slc和第一半導體開關S2的連接點與第二半導體開關S3和第二半導體開關組中的半導體開關S4a的連接點之間連接有半導體開關S5與S6的串聯電路與電容器Cl的并聯電路。直流電源DPl和DP2的串聯連接點即M點與半導體開關S5和S6的串聯連接點之間連接有由反向阻斷型IGBTS11與S12反向并聯連接而構成的能在雙向上進行開關的雙向開關。作為雙向開關，除了圖6所示的電路結構以外，還可以由圖7(a)、(b)所示的不具有反向耐壓的IGBT與二極管組合而構成。圖7(a)是將與二極管反向并聯連接的半導體開關Sa、Sb共用集電極端子來反向串聯連接的電路結構，圖7(b)是將與二極管反向并聯連接的半導體開關Sa、Sb共用發射極端子來反向串聯連接的電路結構。
[0005]此外，電容器Cl為飛跨電容器，其兩端的平均電壓被控制為一個單位的電壓Ed，并利用其充放電現象來實現直流電源的中間電位的輸出。這里，連接在P電位或N電位與飛跨電容器的正側端子或負側端子之間的第一及第二半導體開關組三者串聯的理由在于，根據施加在它們之間的電壓的最大值來使所有構成半導體開關的元件的耐壓為相同的額定電壓(一個單位的電壓Ed所對應的額定電壓，通常需要2Ed左右的額定電壓)。若在該部分應用三倍額定電壓的開關元件，則不需要進行串聯連接。
[0006]此外，⑶U-Sla、⑶U-S4c為柵極驅動電路，將來自控制電路CNT的導通截止信號提供給各IGBT的柵極，還具有將由柵極驅動電路檢測到的短路故障信號發送給控制電路CNT的功能。圖中僅記載了兩個柵極驅動電路，但實際上對所有IGBT設置柵極驅動電路，這里省略了圖示。因此，控制電路CNT向每一個相提供12個信號。
[0007]這些電路組成為一個相(U相)，并且通過連接三組各電路組，從而能構成三相(U相、V相、W相)的逆變器。LM是作為本系統的負載例的交流電動機。通過采用本電路結構，轉換器的交流輸出端子的電位能輸出P電位、N電位、M電位、以及利用開關元件的導通截止和電容器Cl的電壓輸出P-Ed和N+Ed的電位，因此構成五電平輸出的逆變器。圖8示出輸出電壓(Vout)波形例。本方式相對于通常的雙電平型的逆變器而言，其低階的高次諧波分量較少、且降低了開關元件的開關損耗，因此能構件高效率系統。
[0008]此外，圖9、圖10示出成為圖6的五電平轉換電路等多電平轉換電路的基本形式的電路。圖9是將圖6的電路中半導體開關S2和S3去除，并將半導體開關Sla?Slc和S4a?S4c分別作為一個開關(Q1、Q4)的結構。此外，圖10是將圖6中由半導體開關S5和S11、S12構成的雙向開關的功能設為雙向開關BS1、并將由半導體開關S6和S11、S12構成的雙向開關的功能設為雙向半導體開關BS2的結構。通過對圖9的端子部TAUTBl或圖10的端子部TA2、TB2添加由半導體開關元件等構成的轉換電路，從而能實現五電平以上的多電平化(圖6是將半導體開關S2與S3相連的示例)。
[0009]圖15示出了作為其應用電路，使所有半導體開關元件的額定電壓(一個單位的電壓Ed所對應的額定電壓，通常需要2Ed左右的額定電壓)均相等時的七電平逆變器的一個相的電路例。DP1、DP2分別是電壓為3Ed的直流電源，它們串聯連接，且正側電位設為P，負側電位設為N，中點電位設為M。Sla?SlcU S2、S3、S4、S5、S6a?S6d是由串聯連接在正側電位P與負側電位N之間的12個與二極管反向并聯連接的IGBT構成的半導體開關。Sla?Sld的半導體開關的串聯電路為第一半導體開關組，S6a?S6d的半導體開關的串聯電路為第二半導體開關組，S2為第一半導體開關，S3為第二半導體開關，S4為第三半導體開關，S5為第四半導體開關。第一半導體開關組(Sla?Sid)、第一半導體開關S2、第二半導體開關S3、第三半導體開關S4、第四半導體開關S5、第二半導體開關組(S6a?S6d)串聯連接，成為第一半導體開關串聯電路。
[0010]第一半導體開關組中的半導體開關Sld和第一半導體開關S2的連接點與第四半導體開關S5和第二半導體開關組中的半導體開關S6a的連接點之間分別連接有半導體開關S7?SlO的串聯電路(第二半導體開關串聯電路)與電容器Cl的并聯電路、與第二半導體開關S3和第三半導體開關S4的串聯電路并聯連接的電容器C2、以及與半導體開關S8和S9的串聯電路并聯連接的電容器C3。直流電源DPl和DP2的串聯連接點即中點電位M與半導體開關S8和S9的串聯連接點之間連接有由反向阻斷型IGBTS11與S12反向并聯連接而構成的能在雙向上進行開關的雙向開關。作為雙向開關，除了圖15所示的電路結構以夕卜，還可以由圖7(a)、圖7(b)所示的不具有反向耐壓的IGBT與二極管組合而構成。
[0011]對于直流電源電壓(3EdX2)，以一個單位的電壓(Ed)對連接在半導體開關S3的集電極與半導體開關S4的發射極之間的電容器C2的電壓進行充電，以兩個單位的電壓(2Ed)對連接在半導體開關S2的集電極與半導體開關S5的發射極之間的電容器Cl的電壓進行充電，以一個單位的電壓(Ed)對連接在半導體開關S8的集電極與半導體開關S9的發射極之間的電容器C3的電壓進行充電，從而能向交流端子輸出七電平的電位。如圖15所示，在使所有半導體開關為相同額定電壓的情況下，半導體開關SI和S6分別能由四個(Sla?Sld、S6a?S6d)串聯連接而形成。
現有技術文獻專利文獻
[0012]專利文獻1:日本國專利特表2009-525717號公報專利文獻2:日本專利特開2012-182974號公報
【發明內容】
發明所要解決的技術問題
[0013]通常在圖6所示的主電路的工作過程中，若為了切斷系統而使所有的IGBT截止，則如圖11的虛線所示，成為僅半導體開關SI (Sla?Slc)或S4(S4a?S4c)的二極管導通的電流路徑，存儲在負載的電感(Lu、Lv、Lw)中的能量向直流電源側再生。其結果，電流變為零，最終切斷系統。
[0014]然而，若由于某種原因導致構成雙向開關的IGBTS12在短路狀態下被破壞，則在半導體開關S4a?S4c導通時，如圖12的虛線所示，經由飛跨電容器Cl流過使直流電源DP2短路的電流。該電流的路徑為直流電源DP2 — IGBTS12 —半導體開關S5的二極管一電容器Cl —半導體開關S4a?S4c —直流電源DP2。此外，在IGBTS11在短路狀態下被破壞的情況下，如圖13的虛線所示，在半導體開關Sla?Slc導通時，經由飛跨電容器Cl流過使直流電源DPl短路的電流。該電流的路徑為直流電源DPl —半導體開關Sla?Slc —電容器Cl —半導體開關S6的二極管一IGBTSlI —直流電源DPI。
[0015]在通常的雙電平轉換電路的主電路方式中，在上下橋臂的某個元件發生短路破壞而流過電源短路電流的情況下，由正常橋臂側的開關元件的柵極驅動電路來檢測短路電流，之后使所有柵極切斷(強制使所有IGBT截止)，進行切斷系統的動作。
[0016]另一方面，在使用圖6所示的多電平轉換電路的主電路方式中，即使利用構成半導體開關S4a?4c的IGBT或構成半導體開關Sla?Ic的IGBT的柵極驅動電路(以GDU-S4c或GDU-Sla為代表)來檢測圖12或圖13所示那樣的短路電流，并將發生短路故障的情況發送給控制電路CNT來使所有IGBT柵極截止，電流也會因為負載的電感(Lu、Lv、Lw)的能量而繼續流動，直到該能量消失。圖14是在U相中、構成雙向開關的IGBTS12發生短路破壞時切斷所有IGBT時的示例。由于IGBTS12變為短路狀態，因此會繼續流過對飛跨電容器Cl進行充電的電流，導致電容器Cl過充電。其結果會產生對與電容器Cl并聯連接的半導體開關S2也施加了過電壓的問題。由此，可能會產生這些半導體開關(IGBT或二極管)、電容器被破壞這種的二次損壞。
[0017]為了防止上述二次損壞，提高構成半導體開關的IGBT與二極管、電容器的額定電壓即可解決問題，但會導致成本上升。此外，由于無法事先掌握負載側的電感值，因此在現實中難以在設計上解決該問題。因此，本發明的課題在于提供一種在構成雙向開關的IGBT發生短路故障的情況下、構成其它半導體開關的IGBT與二極管、或電容器不會被破壞的保護單元。
解決技術問題所采用的技術方案
[0018]為了解決上述問題，第一發明在于一種多電平功率轉換電路，該多電平功率轉換電路將直流轉換為交流或將交流轉換為直流，其特征在于，使用多個由反向并聯連接有二極管的半導體開關元件構成的半導體開關來構成，作為一個相的電路，包括:第一半導體開關串聯電路，該第一半導體開關串聯電路連接在具有正電位端子、負電位端子、以及中間電位端子的直流電源電路的正電位端子與負電位端子之間，并且通過將串聯連接多個所述半導體開關而得的第一半導體開關組、第一半導體開關、第二半導體開關、以及串聯連接多個半導體開關而得的第二半導體開關組依序串聯連接而得；第二半導體開關串聯電路，該第二半導體開關串聯電路通過將連接在所述第一半導體開關串聯電路的所述第一半導體開關組和第一半導體開關的連接點、與所述第二半導體開關和所述第二半導體開關組的連接點之間的第三半導體開關和第四半導體開關串聯連接而得；電容器，該電容器與所述第二半導體開關串聯電路并聯連接；以及雙向開關電路，該雙向開關電路連接在所述第二半導體開關串聯電路的串聯連接點與所述直流電源電路的中間端子之間，且能進行雙向開關，將所述第一半導體開關與所述第二半導體開關的串聯連接點作為交流端子，在所述多電平功率轉換電路中，在相同通電方向上串聯連接至少兩個構成所述雙向開關電路的半導體開關元件。
[0019]第二發明在于一種多電平功率轉換電路，該多電平功率轉換電路將直流轉換為交流或將交流轉換為直流，其特征在于，使用多個由反向并聯連接有二極管的半導體開關元件構成的半導體開關來構成，作為一個相的電路，包括:第一半導體開關串聯電路，該第一半導體開關串聯電路連接在具有正電位端子、負電位端子、以及中間電位端子的直流電源電路的正電位端子與負電位端子之間，并且通過將串聯連接多個所述半導體開關而得的第一半導體開關組、第一?第四半導體開關、以及串聯連接多個半導體開關而得的第二半導體開關組依序串聯連接而得；第二半導體開關串聯電路，該第二半導體開關串聯電路通過將連接在所述第一半導體開關串聯電路的所述第一半導體開關組和第一半導體開關的連接點、與第四半導體開關和所述第二半導體開關組的連接點之間的第五?第八半導體開關串聯連接而得；第一電容器，該第一電容器與所述第二半導體開關串聯電路并聯連接；第二電容器，該第二電容器與所述第二半導體開關和第三半導體開關的串聯電路并聯連接；第三電容器，該第三電容器與所述第六半導體開關和第七半導體開關的串聯電路并聯連接；以及雙向開關電路，該雙向開關電路連接在所述第六半導體開關和第七半導體開關的串聯連接點與所述直流電源電路的中間端子之間，且能進行雙向開關，將所述第二半導體開關與所述第三半導體開關的串聯連接點作為交流端子，在所述多電平功率轉換電路中，在相同通電方向上串聯連接至少兩個構成所述雙向開關電路的半導體開關元件。
[0020]第三發明在于，在第一或第二發明所記載的多電平功率轉換電路中，在相同的通電方向上串聯連接至少兩個半導體開關元件而構成的所述雙向開關電路中，設有在截止信號時對施加在主端子間的電壓進行檢測的電壓檢測單元，并設有如下單元:當電壓檢測單元在截止信號時檢測到的電壓接近零的情況下，判斷為構成所述雙向開關電路的半導體開關元件發生了故障，使該多電平功率轉換電路停止。
[0021]第四發明在于，在第三發明所記載的多電平功率轉換電路中，所述電壓檢測單元在截止信號時檢測是否有電流從驅動所述雙向開關電路的柵極驅動電路流入構成所述雙向開關電路的半導體開關元件的主端子，從而判斷電壓是否接近零。
[0022]第五發明在于將第一?第四發明的任一項所記載的多電平轉換電路應用于九電平以上的多電平功率轉換電路。
發明效果
[0023]本發明在使用飛跨電容器的多電平功率轉換電路中，在相同的通電方向上串聯連接至少兩個構成與直流電源的中間端子相連的雙向開關電路的半導體開關元件，并在構成雙向開關電路的一個半導體開關發生短路故障的情況下檢測該情況并使系統停止。其結果，能在構成雙向開關電路的半導體開關元件的其中一個發生短路故障的情況下，安全地停止系統，而不會導致其它半導體開關、電容器被破壞。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0024]圖1是表示本發明的第I實施例的電路圖。
圖2是能用于第I實施例的雙向開關電路例。
圖3是本發明的第I實施例的系統結構圖。
圖4是本發明的第I實施例的電路動作例。
圖5是表示本發明的第2實施例的電路圖。
圖6是作為現有例的五電平轉換電路的逆變器電路例。
圖7是現有例中的雙向開關電路例。
圖8是作為現有例的五電平轉換電路的逆變器電路的輸出波形例。
圖9是多電平轉換電路的基本形式I。
圖10是多電平轉換電路的基本形式2。
圖11表示使用五電平轉換電路的逆變器電路中的所有元件切斷時的電流路徑例。
圖12表示構成雙向開關的半導體開關S12短路時的短路電流路徑。
圖13表示構成雙向開關的半導體開關Sll短路時的短路電流路徑。
圖14是半導體開關S12故障時所有元件切斷時的電流路徑例。
圖15表不作為現有例的七電平轉換電路的一相的電路。
圖16表示具備截止時短路故障檢測功能的柵極驅動電路例。
【具體實施方式】
[0025]本發明的要點在于，在包括正電位端子、負電位端子、以及中間電位端子的直流電源電路的正電位端子與負電位端子之間連接由以下部分依序串聯連接而成的第一半導體開關串聯電路:即，由多個半導體開關串聯連接而成的第一半導體開關組、第一半導體開關、第二半導體開關、由多個半導體開關串聯連接而成的第二半導體開關組；在上述第一半導體開關組與第一半導體開關的連接點和上述第二半導體開關與上述第二半導體開關組的連接點之間連接有第三半導體開關與第四半導體開關串聯連接而成的第二半導體開關串聯電路與電容器的并聯電路，在上述第二半導體開關串聯電路的串聯連接點與上述直流電源電路的中間端子之間連接有雙向開關電路，在將上述第一半導體開關與上述第二半導體開關的串聯連接點作為交流端子的五電平的多電平功率轉換電路或將該電路擴展為七電平以上的多電平功率轉換電路中，在相同的通電方向上串聯連接至少兩個構成上述雙向開關電路的半導體開關元件。
實施例1
[0026]圖1表示本發明的第I實施例。雖然是五電平功率轉換電路的一個相的電路結構，但若使用兩個該電路，則能構成單相逆變器電路，若使用三個該電路，則能構成三相逆變器電路。此外，若將交流端子與負載相連，則能作為直流-交流轉換電路進行工作，若將交流端子與交流電源以及電抗器等相連，則能作為交流-直流轉換電路進行工作。
[0027]DP1、DP2分別是電壓為2Ed的直流電源，它們串聯連接，且將正電位端子設為P，負電位端子設為N，中間電位端子設為M。
Sla?Sic、S2、S3、S4a?S4c是由串聯連接在正電位端子P與負電位端子N之間的8個與二極管反向并聯連接的IGBT構成的半導體開關。Sla?Slc的半導體開關的串聯電路為第一半導體開關組，S4a?S4c的半導體開關的串聯電路為第二半導體開關組，S2為第一半導體開關，S3為第二半導體開關。第一半導體開關組(Sla?Slc)、第一半導體開關S2、第二半導體開關S3、第二半導體開關組(S4a?S4c)依序串聯連接，成為第一半導體開關串聯電路。
[0028]第一半導體開關組中的半導體開關Slc和第一半導體開關S2的連接點與第二半導體開關S3和第二半導體開關組中的半導體開關S4a的連接點之間連接有半導體開關S5與S6的串聯電路(第二半導體開關串聯電路)與電容器Cl的并聯電路。直流電源DPl和DP2的串聯連接點即M點與半導體開關S5和S6的串聯連接點之間連接有將反向阻斷型IGBTSlla與S12a反向并聯連接而構成的能在雙向上進行開關的第一雙向開關與將反向阻斷型IGBTSllb與S12b反向并聯連接而構成的第二雙向開關的串聯電路。
[0029]作為雙向開關電路，除了圖1所示的電路結構以外，還可以由圖2(a)?圖2(d)所示的不具有反向耐壓的IGBT與二極管組合而構成。圖2 (a)是將與二極管反向并聯連接的半導體開關Sa及Sb共用集電極而反向串聯連接而成的電路和使與二極管反向并聯連接的半導體開關Sc及Sd共用集電極而反向串聯連接而成的電路串聯連接的結構。圖2(b)是將與二極管反向并聯連接的半導體開關Sa及Sb共用發射極而反向串聯連接而成的電路和使與二極管反向并聯連接的半導體開關Sc及Sd共用發射極而反向串聯連接而成的電路串聯連接的結構。圖2 (c)是將與二極管反向并聯連接的半導體開關Sb及Sd的串聯電路和與二極管反向并聯連接的半導體開關Sa及Sc的串聯電路共用發射極而反向串聯連接而成的電路結構。圖2(d)是將與二極管反向并聯連接的半導體開關Sa及Sc的串聯電路和與二極管反向并聯連接的半導體開關Sb及Sd的串聯電路共用集電極而反向串聯連接而成的電路結構。
[0030]電容器Cl為飛跨電容器，其兩端的平均電壓被控制為一個單位的電壓Ed，并利用其充放電現象來實現直流電源的中間電位的輸出。這里，連接在直流電源電路的正電位端子P或負電位端子N與飛跨電容器Cl的正側端子或負側端子之間的第一及第二半導體開關組三者串聯的理由在于，根據施加在它們之間的電壓的最大值來使所有構成半導體開關的元件的耐壓為相同的額定電壓(一個單位的電壓Ed所對應的額定電壓，通常需要2Ed左右的額定電壓)。若在該部分應用三倍額定電壓的開關元件，則不需要進行串聯連接。
[0031]圖3示出用于說明本發明的動作的系統結構。主電路結構與圖1相同。各半導體開關與柵極驅動電路相連，由控制電路CNT向各柵極驅動電路傳輸驅動信號。圖3中僅記載了一個柵極驅動電路GDU，但實際上對所有構成半導體開關的IGBT均設置柵極驅動電路GDU0因此，控制電路CNT向每一個相提供14個信號。此外，柵極驅動電路具備在檢測到半導體開關的短路故障時將故障信號發送給控制電路CNT的功能。
[0032]這些電路組成為一個相，并且通過連接三組各電路組，從而能構成三相(U相、V相、W相)的逆變器。在交流端子與負載連接的情況下，能作為直流-交流轉換電路進行工作，在交流端子與交流電源、電抗器等連接的情況，能作為交流-直流轉換電路進行工作。通過構成本電路，轉換電路的交流端子的電位能輸出P電位、N電位、M電位、以及利用開關兀件的導通截止和電容器Cl的電壓輸出P-Ed和N+Ed的電位,從而構成五電平輸出的逆變器。
[0033]對這種結構中，構成雙向開關電路的反向阻斷型IGBT12b產生短路故障時的保護動作進行說明。此外，作為保護動作，利用分別與串聯連接的IGBT相連的、內置于柵極驅動電路的截止時的故障檢測電路來檢測短路故障狀態，并將該信息傳輸給控制電路CNT —偵牝從而能迅速停止整個系統。
[0034]S卩，通過對兩個構成雙向開關電路的半導體開關元件進行串聯連接，從而即使串聯連接的兩個半導體開關元件內的某一個半導體開關元件發生短路破壞(圖3中為半導體開關元件S12b)，也能由該半導體開關元件(S12b)用的柵極驅動電路GDU檢測短路故障，之后經由控制電路CNT進行所有半導體開關的柵極信號的切斷，從而能以圖11所示那樣的電路動作來停止系統，而不會產生經由圖14所示那樣的電流路徑的電容器的過充電(過放電)現象。因此，該柵極驅動電路GDU中設有在截止時對短路狀態(處于短路故障的狀態)進行檢測的功能。
[0035]關于柵極驅動電路的通常的短路電流檢測電路、截止時的故障檢測(短路故障狀態檢測)電路、以及此后的系統切斷方法，記載在 申請人:在先提出的申請資料(日本專利申請2012-223842)中。圖16示出截止時的故障檢測(短路故障狀態檢測)的基本電路圖。圖16(a)表示通常導通時的動作，圖16(b)表示通常截止時的動作，圖16(c)表示短路故障時的動作。
[0036]PCl是帶柵極驅動功能的光耦合器，通過來自一次側的導通、截止指令信號來使IGBT導通、截止。PC2是將作為半導體開關的IGBTS產生短路故障的情況通知給控制電路的光耦合器，GPl和GP2為柵極驅動用的正負電源，RG為柵極電阻，對IGBT的開關速度進行調整。DD是具有與IGBT相同耐壓的二極管。晶體管QT是用于在導通信號時防止故障檢測用光耦合器PC2動作的電路，其基極端子與電阻Rl和R2相連，集電極與電阻R3和光耦合器PC2相連。這里，R3是用于對光耦合器PC2的電流進行限制的電阻。
[0037]在圖16(a)的通常導通時，由電流IGF使IGBTS導通，同時，晶體管QT導通，流過電流IQ。在該狀態下，由于沒有電流流過光I禹合器PC2的光電二極管，因此不會輸出信號。在圖16(b)的通常截止時，由電流IGR使IGBTS截止。在該狀態下，二極管DD處于反向偏置狀態，因此沒有電流流過光耦合器PC2，因此不會輸出信號。
[0038]在圖16(c)中，雖然IGBTS截止，但在IGBT的集電極-發射極之間未施加電壓的狀態下(短路故障時)，流過電流IGR、以及由正電源GPl提供的電流ISD。此時，與二極管DD串聯連接的光耦合器PC2的一次側二極管(光電二極管)中流過電流，因此若將二次側設為控制電路側，則能將處于故障狀態的情況傳輸給控制電路側。然而，即使在正常的空閑期間中等，與IGBTS反向并聯連接的二極管側流過電流那樣的狀態下也進行相同的動作，因此需要通過在控制電路側判別負載電流的極性來判定此時不是故障狀態的屏蔽(masking)處理。
實施例2
[0039]圖5表不本發明的第2實施例。是應用于圖15所不的七電平轉換電路的應用例。DPUDP2分別是電壓為3Ed的直流電源，它們串聯連接，且直流電源電路的正電位端子設為P，負電位端子設為N，中間電位端子設為M。Sla?Sld、S2、S3、S4、S5、S6a?S6d是由串聯連接在正電位端子P與負電位端子N之間的12個與二極管反向并聯連接的IGBT構成的半導體開關。Sla?Sld的半導體開關的串聯電路為第一半導體開關組，S6a?S6d的半導體開關的串聯電路為第二半導體開關組，S2為第一半導體開關，S3為第二半導體開關，S4為第三半導體開關，S5為第四半導體開關。第一半導體開關組(Sla?Sld)、第一半導體開關S2、第二半導體開關S3、第三半導體開關S4、第四半導體開關S5、第二半導體開關組(S6a?S6d)依序串聯連接，成為第一半導體開關串聯電路。
[0040]第一半導體開關組中的半導體開關Sld和第一半導體開關S2的連接點與、第四半導體開關S5和第二半導體開關組中的半導體開關S6a的連接點之間分別連接有半導體開關S7?SlO的串聯電路(第二半導體開關串聯電路)與電容器Cl的并聯電路、與第二半導體開關S3和第三半導體開關S4的串聯電路并聯連接的電容器C3、以及與半導體開關S8和S9的串聯電路并聯連接的電容器C3。直流電源DPl和DP2的串聯連接點即中間電位端子M點與半導體開關S8和S9的串聯連接點之間連接有將反向阻斷型IGBTSlla與S12a反向并聯連接而構成的能在雙向上進行開關的第一雙向開關與將反向阻斷型IGBTSllb與S12b反向并聯連接而構成的第二雙向開關的串聯電路。作為雙向開關電路，除了圖5所示的電路結構以外，還可以將圖2(a)?圖2(d)所示的不具有反向耐壓的IGBT與二極管組合而構成。由于細節與第I實施例相同，因此省略說明。
[0041]對于直流電源電壓(3EdX2)，以一個單位的電壓(Ed)對連接在半導體開關S2的集電極與半導體開關S4的發射極之間的電容器C3的電壓進行充電，以兩個單位的電壓(2Ed)對連接在半導體開關S2的集電極與半導體開關S5的發射極之間的電容器Cl的電壓進行充電，以一個單位的電壓(Ed)對連接在半導體開關S8的集電極與半導體開關S9的發射極之間的電容器C3的電壓進行充電，從而能輸出七電平的電位。如圖5所示，在使所有半導體開關為相同額定電壓的情況下，半導體開關SI和S6分別將四個(Sla?Sld、S6a?S6d)串聯連接。
[0042]短路保護用的系統結構與第I實施例同樣，串聯連接兩個雙向開關的電路，且柵極驅動電路具備截止時的短路故障檢測電路，由此，在構成雙向開關的半導體開關元件發生短路故障的情況下，能在柵極驅動電路內檢測到該情況，將該檢測信號發送給控制電路，由控制電路對所有半導體開關發送切斷信號，從而能在不破壞其它完好的半導體開關元件、電容器的情況下使系統停止。柵極驅動電路與實施例1同樣，為圖16所示的電路結構和動作。
另外，在上述實施例中，對五電平轉換電路和七電平轉換電路進行了說明，但本發明也能應用于使用雙向開關的九電平以上的多電平轉換電路。此外，對使用IGBT作為半導體開關元件的示例進行了說明，但同樣也能應用M0SFET、GT0等。
工業上的實用性
[0043]本發明是涉及使用雙向開關的多電平轉換電路的保護的技術，能應用于高電壓電動機驅動裝置、系統互連用轉換裝置等。
標號說明
[0044]DP1、DP2…直流電源 Cl?C3...電容器
Sla?SlcU S2?S5、S6a?S6d、S7?SlO…半導體開關Sa?ScU Ql?Q4…半導體開關
SlUSlla, Sllb, S12、S12a、S12b …反向阻斷型 IGBT
CNT…控制電路
BS、BS1、BS2…雙向開關
⑶U、⑶U-Sla、⑶U-S4c...柵極驅動電路
LM…交流電動機
【權利要求】
1.一種多電平功率轉換電路，該多電平功率轉換電路將直流轉換為交流或將交流轉換為直流，其特征在于，使用多個由反向并聯連接有二極管的半導體開關元件構成的半導體開關來構成，作為一個相的電路，包括: 第一半導體開關串聯電路，該第一半導體開關串聯電路連接在具有正電位端子、負電位端子、以及中間電位端子的直流電源電路的正電位端子與負電位端子之間，并且通過將串聯連接多個所述半導體開關而得的第一半導體開關組、第一半導體開關、第二半導體開關、以及串聯連接多個半導體開關而得的第二半導體開關組依序串聯連接而得； 第二半導體開關串聯電路，該第二半導體開關串聯電路通過將連接在所述第一半導體開關串聯電路的所述第一半導體開關組和第一半導體開關的連接點、與所述第二半導體開關和所述第二半導體開關組的連接點之間的第三半導體開關和第四半導體開關串聯連接而得； 電容器，該電容器與所述第二半導體開關串聯電路并聯連接；以及雙向開關電路，該雙向開關電路連接在所述第二半導體開關串聯電路的串聯連接點與所述直流電源電路的中間端子之間，且能進行雙向開關， 將所述第一半導體開關與所述第二半導體開關的串聯連接點作為交流端子，在所述多電平功率轉換電路中，在相同通電方向上串聯連接至少兩個構成所述雙向開關電路的半導體開關元件。
2.一種多電平功率轉換電路，該多電平功率轉換電路將直流轉換為交流或將交流轉換為直流，其特征在于，使用多個由反向并聯連接有二極管的半導體開關元件構成的半導體開關來構成，作為一個相的電路，包括: 第一半導體開關串聯電路，該第一半導體開關串聯電路連接在具有正電位端子、負電位端子、以及中間電位端子的直流電源電路的正電位端子與負電位端子之間，并且通過將串聯連接多個所述半導體開關而得的第一半導體開關組、第一?第四半導體開關、以及串聯連接多個半導體開關而得的第二半導體開關組依序串聯連接而得； 第二半導體開關串聯電路，該第二半導體開關串聯電路通過將連接在所述第一半導體開關串聯電路的所述第一半導體開關組和第一半導體開關的連接點、與第四半導體開關和所述第二半導體開關組的連接點之間的第五?第八半導體開關串聯連接而得； 第一電容器，該第一電容器與所述第二半導體開關串聯電路并聯連接； 第二電容器，該第二電容器與所述第二半導體開關和第三半導體開關的串聯電路并聯連接； 第三電容器，該第三電容器與所述第六半導體開關和第七半導體開關的串聯電路并聯連接；以及 雙向開關電路，該雙向開關電路連接在所述第六半導體開關和第七半導體開關的串聯連接點與所述直流電源電路的中間端子之間，且能進行雙向開關， 將所述第二半導體開關與所述第三半導體開關的串聯連接點作為交流端子，在所述多電平功率轉換電路中，在相同通電方向上串聯連接至少兩個構成所述雙向開關電路的半導體開關元件。
3.如權利要求1或2所述的多電平功率轉換電路，其特征在于，在相同的通電方向上串聯連接至少兩個半導體開關元件而構成的所述雙向開關電路中，設有在截止信號時對施加在主端子間的電壓進行檢測的電壓檢測單元，并設有如下單元:當電壓檢測單元在截止信號時檢測到的電壓接近零的情況下，判斷為構成所述雙向開關電路的半導體開關元件發生了故障，使多電平功率轉換電路停止。
4.如權利要求3所述的多電平功率轉換電路，其特征在于，所述電壓檢測單元在截止信號時檢測是否有電流從驅動所述雙向開關電路的柵極驅動電路流入構成所述雙向開關電路的半導體開關元件的主端子，從而判斷電壓是否接近零。
5.一種多電平功率轉換電路，其特征在于，將權利要求1至4中任一項所述的多電平轉換電路應用于九電平以上的多電平功率轉換電路。
【文檔編號】H02M7/483GK104253555SQ201410257864
【公開日】2014年12月31日 申請日期:2014年6月11日 優先權日:2013年6月26日
【發明者】瀧澤聰毅 申請人:富士電機株式會社