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JP2000316232A - Protective device for power converter - Google Patents

Protective device for power converter

Info

Publication number
JP2000316232A
JP2000316232A JP11121276A JP12127699A JP2000316232A JP 2000316232 A JP2000316232 A JP 2000316232A JP 11121276 A JP11121276 A JP 11121276A JP 12127699 A JP12127699 A JP 12127699A JP 2000316232 A JP2000316232 A JP 2000316232A
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
semiconductor element
fuse
series
phase
power converter
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
JP11121276A
Other languages
Japanese (ja)
Inventor
Hiroshi Narita
博 成田
Satoru Sagawa
哲 佐川
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Hitachi Ltd
Original Assignee
Hitachi Ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Hitachi Ltd filed Critical Hitachi Ltd
Priority to JP11121276A priority Critical patent/JP2000316232A/en
Priority to AU22332/00A priority patent/AU731178B2/en
Priority to CN 00104159 priority patent/CN1271983A/en
Publication of JP2000316232A publication Critical patent/JP2000316232A/en
Pending legal-status Critical Current

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  • Protection Of Static Devices (AREA)
  • Power Conversion In General (AREA)

Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To simplify the constitution of a protective device for power converter with respect to the secondary failure of the accident caused by the break of open module semiconductor elements which occurs when a power supply short- circuiting fault, etc., occurs, by connecting a serial body of a semiconductor element which is energized with a prescribed voltage or higher and a fuse in parallel with both ends of the module semiconductor elements. SOLUTION: A serial body of a semiconductor element 66 which is energized through breakover or breakdown at a prescribed voltage or higher and a fuse 67 is connected in parallel with both ends of module semiconductor elements (IGBTs) 61 and 62 constituting the upper and lower arms of the converters 6, 7, and 8 in three phases of the power converter of a two-level three-phase inverter. When a power supply short-circuiting fault where both the IGBTs 61 and 62 are conducted by noise malfunctions, etc., occurs, the arc discharge energy generated in the IGBTs 61 and 62 is consumed by introducing the energy to the fuse 67 through the semiconductor element 66. Therefore, the secondary failure of the accident caused by the break of the open IGBTs 61 and 62 can be prevented.

Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明はIGBTやパワート
ランジスタ等のモジュール型半導体素子を用いて直流を
交流に変換又はその逆変換を行う電力変換器の保護装置
に関するものである。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a protection device for a power converter that converts DC into AC or vice versa using a modular semiconductor device such as an IGBT or a power transistor.

【0002】[0002]

【従来の技術】近年、電気車制御装置にはGTOやIG
BT,パワートランジスタ等の半導体スイッチング素子
を用いたインバータやコンバータ等の電力変換器が多用
されている。このうち、IGBTやパワートランジスタ
等のモジュール型半導体スイッチング素子を用いた電力
変換器、例えばインバータを用いた電気車では、該イン
バータ相短絡等の電源短絡事故時に発生する過大電流に
よりモジュール内の半田接続部が剥がれて、半導体スイ
ッチング素子は開放故障となることが多い。この開放故
障の原因である相短絡電流は数万から十数万Aにもな
り、半田接続部開放時に、アーク放電を伴って周辺装置
が破損したり、火災になる等の事故波及による被害が問
題となってくる。
2. Description of the Related Art In recent years, GTO and IG have been used in electric vehicle control devices.
Power converters such as inverters and converters using semiconductor switching elements such as BTs and power transistors are frequently used. Among them, in a power converter using a module-type semiconductor switching element such as an IGBT or a power transistor, for example, in an electric car using an inverter, an excessive current generated at the time of a power supply short-circuit accident such as an inverter phase short-circuit causes a solder connection in the module. The part is peeled off, and the semiconductor switching element often causes an open failure. The phase short-circuit current, which is the cause of this open-circuit failure, can be tens of thousands to hundreds of thousands of amps, and when the solder joint is opened, the damage caused by accidents such as damage to peripheral devices due to arc discharge or fire may occur. It becomes a problem.

【0003】この解決策の一つとして、従来、例えば特
開平3−78432号公報に記載のように、インバータ各相ア
ームに高速ヒューズを挿入することが行われていた。こ
の高速ヒューズは、電源短絡等による素子破損で生ずる
モジュール素子の外壁破裂を防ぐもので、高速ヒューズ
接続による配線インダクタンス増やそのためのスナバ設
置が記載されている。
As one of the solutions, a high-speed fuse has been conventionally inserted into each phase arm of an inverter as described in Japanese Patent Application Laid-Open No. 3-78432. This high-speed fuse is for preventing the outer wall of a module element from being ruptured due to element damage due to a power supply short-circuit or the like, and describes an increase in wiring inductance due to high-speed fuse connection and installation of a snubber therefor.

【0004】[0004]

【発明が解決しようとする課題】上記従来技術では、通
電容量のある大容量高速ヒューズが必要であり、このヒ
ューズは比較的高価なものである、またヒューズ自身の
内部インダクタンスやその取付けのための配線インダク
タンスが増えて半導体スイッチング素子のスナバ強化や
それに伴う損失増加が生じて、電力変換器のコスト高や
変換効率が悪くなる等の問題が考えられる。
In the above-mentioned prior art, a large-capacity high-speed fuse having a current-carrying capacity is required, and this fuse is relatively expensive. Problems such as an increase in the wiring inductance and an increase in the snubber of the semiconductor switching element and an increase in loss due to the snubber may increase the cost of the power converter and deteriorate the conversion efficiency.

【0005】本発明の目的は、上記に鑑み、モジュール
型半導体素子を用いた電力変換器において、電源短絡事
故時等に生ずる前記モジュール型半導体素子の開放破損
による事故波及被害に対する保護装置を簡単な構成で実
現し、電力変換器全体のコストアップや変換効率低下を
防止することにある。
SUMMARY OF THE INVENTION In view of the above, an object of the present invention is to provide, in a power converter using a modular semiconductor device, a simple protection device against accidental damage and damage caused by open breakage of the modular semiconductor device caused by a power supply short circuit accident or the like. It is an object of the present invention to prevent the power converter as a whole from increasing in cost and lowering in conversion efficiency.

【0006】[0006]

【課題を解決するための手段】本発明の目的は、直流電
源両端に1相分の上下アームとして直列接続されたモジ
ュール型半導体素子が接続され、該素子の直列接続点に
交流出力端子を備えた電力変換器において、前記直列接
続されたモジュール型半導体素子両端に、所定の電圧以
上でブレークダウン或いはブレークオーバして導通状態
となる半導体素子とヒューズの直列体を並列接続した保
護装置を設けることにより達成される。また、上記発明
の目的は、直流電源両端に1相分の上下アームとして直
列接続されたモジュール型半導体素子が接続され、該素
子の直列接続点に交流出力端子を備えた電力変換器にお
いて、前記直列接続されたモジュール型半導体素子両端
に、該モジュール型半導体素子の過大電流で開放故障と
なるときの異常電圧で点弧制御されるサイリスタ素子と
ヒューズの直列体を並列接続した保護装置を設けること
により達成される。
SUMMARY OF THE INVENTION An object of the present invention is to connect a module type semiconductor element connected in series as an upper and lower arm for one phase to both ends of a DC power supply, and to provide an AC output terminal at a serial connection point of the element. In the power converter, a protection device is provided at both ends of the series-connected modular semiconductor elements, in which a series connection of a semiconductor element and a fuse, which are brought into conduction by breakdown or breakover at a predetermined voltage or higher, is connected in parallel. Is achieved by Further, an object of the present invention is to provide a power converter in which a module type semiconductor element connected in series as an upper and lower arm for one phase is connected to both ends of a DC power supply and an AC output terminal is provided at a serial connection point of the element. At both ends of the module-type semiconductor element connected in series, a protection device is provided in which a series connection of a thyristor element and a fuse, which are controlled to be fired by an abnormal voltage when an open fault occurs due to an excessive current of the module-type semiconductor element, is connected in parallel. Is achieved by

【0007】[0007]

【発明の実施の形態】図1は、本発明の一実施例で、モ
ジュール型半導体素子を用いた電力変換器における保護
装置を2レベルインバータ式電気車に適用した例で示
す。
FIG. 1 shows an embodiment of the present invention, in which a protection device in a power converter using a modular semiconductor element is applied to a two-level inverter type electric vehicle.

【0008】1は図示しない直流電源に接続された架線
から電気車へ電力を供給するパンタグラフ、2は断流
器、3は次段のフィルタ回路への充電抵抗(或いは減流
抵抗)、4は高速度遮断器である。5は前記フィルタ回
路のリアクトルで、後述する各相に分割設置されたコン
デンサとでLCフィルタを構成する。6,7,8は、図
示しないPWM制御回路によりモジュール型半導体素子
をスイッチングして、直流から2レベル電位の3相交流
に変換若しくはその逆変換する2レベル3相インバータ
の電力変換器を構成するU相,V相,W相の各変換器に
該当し、その具体的回路はU相の変換器6に示される。
Reference numeral 1 denotes a pantograph for supplying electric power to an electric vehicle from an overhead line connected to a DC power supply (not shown), 2 denotes a disconnector, 3 denotes a charging resistance (or reduction resistance) to a next-stage filter circuit, and 4 denotes It is a high speed circuit breaker. Numeral 5 denotes a reactor of the filter circuit, which constitutes an LC filter with capacitors divided and installed in each phase described later. Reference numerals 6, 7, and 8 configure a power converter of a two-level three-phase inverter that switches a module type semiconductor element by a PWM control circuit (not shown) to convert DC to three-phase AC of two-level potential or vice versa. This corresponds to each of the U-phase, V-phase, and W-phase converters, and a specific circuit thereof is shown in the U-phase converter 6.

【0009】61,62は、2レベルインバータの上下
アームを構成するモジュール型半導体素子のIGBT、
63は各相毎に分割されたフィルタコンデンサである。
該コンデンサ63には、通常、架線電圧が充電され、U
相変換器6における電源電圧となる。このフィルタコン
デンサ電圧が、それぞれV相,W相においてもそれぞれ
の電源電圧になることは同じである。64,65は、前
記IGBTやフィルタコンデンサを接続して変換器を構
成する際に生ずる配線インダクタンス等である。
Reference numerals 61 and 62 denote IGBTs of modular semiconductor elements constituting upper and lower arms of a two-level inverter;
63 is a filter capacitor divided for each phase.
Normally, the overhead line voltage is charged in the capacitor 63,
It becomes the power supply voltage in the phase converter 6. It is the same that the filter capacitor voltages become the respective power supply voltages in the V phase and the W phase, respectively. Reference numerals 64 and 65 denote wiring inductances and the like that are generated when the IGBT and the filter capacitor are connected to form a converter.

【0010】ここで、66,67が本発明に関連する部
分で、66が所定電圧でブレークオーバ或いはブレーク
ダウンして導通状態になる半導体素子、67がヒューズ
である。この両者は直列接続され、その直列体は、直列
接続されたIGBT61,62の両端に並列接続され
る。
Here, 66 and 67 are parts related to the present invention, 66 is a semiconductor element which becomes conductive by breaking over or breaking down at a predetermined voltage, and 67 is a fuse. These are connected in series, and the series body is connected in parallel to both ends of the IGBTs 61 and 62 connected in series.

【0011】また、68は直列接続されたIGBT6
1,62の接続点に接続されるU相の交流出力端子で、
他のV相,W相の交流出力端子78,88とでインバー
タ負荷である3相誘導電動機(図は省略)に接続され
る。
Reference numeral 68 denotes an IGBT 6 connected in series.
A U-phase AC output terminal connected to the connection points 1 and 62,
The other V-phase and W-phase AC output terminals 78 and 88 are connected to a three-phase induction motor (not shown) which is an inverter load.

【0012】さて、以上のように構成されたインバータ
式電気車において、例えばノイズ誤動作や1素子破損等
の原因でU相変換器6の上下アームIGBT61,62
が共に導通状態になると、前記フィルタコンデンサ63
を短絡する電源短絡事故となる。
Now, in the inverter-type electric vehicle configured as described above, the upper and lower arms IGBTs 61 and 62 of the U-phase converter 6 due to, for example, noise malfunction or damage to one element.
When both become conductive, the filter capacitor 63
Power supply short circuit accident.

【0013】ところで、このU相フィルタコンデンサ6
3は、配線インダクタンス64,65を介して他のV
相,W相に接続されている。一般的に、各相における配
線インダクタンスは数μH以下と小さく、このためU相
フィルタコンデンサの電源短絡は、直ちにV相,W相の
フィルタコンデンサをも短絡する電源短絡事故へと発展
する。このため、電源短絡事故原因のU相上下アームI
GBT61,62に流れる電源短絡電流は、架線電圧の
高い電気車においては十数万〜数十万Aにもなり、IG
BTモジュール内の半田接続部が剥がれて、該IGBT
素子は開放故障となることが多い。そして、この半田接
続部の開放時にアーク放電を伴うので、場合によって
は、周辺装置が破損したり、火災になる等の事故波及に
よる被害が問題となる。このため、従来は、前述したよ
うにインバータ各相のアームにヒューズを挿入して、素
子破損による開放故障を防止することが提案されている
が、通常電流が流れるためヒューズには所定の電流容量
が必要でコスト高になること、及びヒューズ実装に伴う
配線インダクタンスの増加で素子のスナバを強化せざる
を得ず、そのために生ずる損失増加等の問題があった。
本発明は、前述した従来例と同様に素子破損による開放
故障は止むを得ないものとし、その開放故障時に生ずる
アーク放電による周辺装置の破損や火災等の事故波及を
防止するものである。
The U-phase filter capacitor 6
3 is connected to another V through wiring inductances 64 and 65.
Phase, W phase. Generally, the wiring inductance in each phase is as small as several μH or less, so that the power supply short-circuit of the U-phase filter capacitor immediately develops into a power supply short-circuit accident that also short-circuits the V-phase and W-phase filter capacitors. Therefore, the U-phase vertical arm I
The power supply short-circuit current flowing through the GBTs 61 and 62 is several hundred thousand to several hundred thousand A in an electric vehicle having a high overhead line voltage.
The solder connection in the BT module is peeled off,
The element often suffers from an open fault. Since arc discharge is caused when the solder connection is opened, peripheral devices may be damaged or a fire may cause damages due to an accident. For this reason, conventionally, as described above, it has been proposed to insert a fuse into the arm of each phase of the inverter to prevent an open failure due to element damage. However, since a normal current flows, the fuse has a predetermined current capacity. However, there is a problem that the cost is increased due to the necessity, and the snubber of the element has to be strengthened due to an increase in the wiring inductance due to the mounting of the fuse.
The present invention, as in the conventional example described above, is unavoidable in that an open failure due to element damage is unavoidable, and prevents accidents such as damage to peripheral devices and fire due to arc discharge occurring at the time of the open failure.

【0014】次に、図1の実施例における発明部の動作
・作用について説明する。U相上下アームのIGBT6
1,62がノイズ誤動作等により共に導通状態になる
と、前記したように十数万〜数十万Aの電源短絡電流が
流れ、前記した配線インダクタンス64,65等にはこ
の電源短絡電流によるエネルギーが蓄積される。一方、
上記電源短絡電流が流れているIGBT61,62のモ
ジュール内では、その過大電流によるジュール熱で半田
接続部が剥がれ、これらIGBT素子は開放故障とな
る。IGBT素子の開放状態(61か62が単独で、或
いは61と62の両方)は、上記した電源短絡電流を無
理矢理遮断することになり、その開放端子間には上記配
線インダクタンス64,65等に蓄積されたエネルギー
によるアーク放電を生ずる。このアーク放電エネルギー
は、例え配線インダクタンスが小さくても、電源短絡電
流が十数万〜数十万Aと非常に大きいので膨大なものと
なり、モジュールが破裂して周辺装置への波及事故とな
るものである。
Next, the operation and operation of the invention unit in the embodiment of FIG. 1 will be described. U-phase upper and lower arm IGBT6
When the power supply circuits 1 and 62 become conductive due to noise malfunction or the like, a power supply short-circuit current of several hundred thousand to several hundred thousand A flows as described above, and the energy due to the power supply short-circuit current flows through the wiring inductances 64 and 65. Stored. on the other hand,
In the modules of the IGBTs 61 and 62 in which the power supply short-circuit current is flowing, the Joule heat due to the excessive current peels off the solder connection portion, and these IGBT elements are subjected to open failure. The open state of the IGBT element (61 or 62 alone or both 61 and 62) forcibly cuts off the above-mentioned power supply short-circuit current, and accumulates in the wiring inductances 64 and 65 between the open terminals. An arc discharge is caused by the applied energy. Even if the wiring inductance is small, this arc discharge energy is enormous because the power supply short-circuit current is very large, hundreds of thousands to hundreds of thousands of amps, and the module explodes, causing spillover to peripheral devices. It is.

【0015】図1に示す本発明の実施例では、上記アー
ク放電に伴い異常電圧が発生することを利用し、該異常
電圧でブレークオーバ或いはブレークダウンして導通状
態になる半導体素子66により、上記開放状態になるI
GBT61,62と並列にヒューズ67を挿入すること
で上記アーク放電の発生を抑制し、且つ上記配線インダ
クタンスの蓄積エネルギーをヒューズ67で消費させる
ものである。
The embodiment of the present invention shown in FIG. 1 utilizes the fact that an abnormal voltage is generated due to the above-mentioned arc discharge. I open
By inserting a fuse 67 in parallel with the GBTs 61 and 62, the occurrence of the arc discharge is suppressed, and the energy stored in the wiring inductance is consumed by the fuse 67.

【0016】すなわち、開放故障したIGBT素子のア
ーク放電エネルギーは、その異常電圧で導通状態となつ
た半導体素子66とヒューズ67の直列回路に分流さ
れ、この分流作用によりアーク放電が抑制された状態で
IGBT素子破損箇所の開放が進み、やがてアーク放電
エネルギーが全て上記直列回路に転流されたところで、
IGBT素子破損箇所の開放動作及びアーク放電が止ま
ることになる。そして、上記のアーク放電エネルギーが
全て転流されたヒューズ67においては、これまでのヒ
ューズ内消費エネルギーが加算されて、その値がヒュー
ズ67のi2t耐量を超えたところで熔断し始め、上記
アーク放電エネルギーをヒューズ内で消費することで、
ヒューズ67自体でのアーク放電を防止する。以上の動
作・作用により、IGBT素子開放破損による事故波及
被害を防止できるものである。
That is, the arc discharge energy of the IGBT element having an open fault is shunted to the series circuit of the semiconductor element 66 and the fuse 67 which are brought into conduction by the abnormal voltage. When the opening of the IGBT element breakage progressed and all the arc discharge energy was soon commutated to the series circuit,
The opening operation and the arc discharge of the IGBT element breakage are stopped. In the fuse 67 in which all of the arc discharge energy has been commutated, the energy consumption in the fuse so far is added, and when the value exceeds the i 2 t resistance of the fuse 67, the fuse 67 starts to be blown. By consuming discharge energy in the fuse,
Arc discharge at the fuse 67 itself is prevented. With the above operation and action, it is possible to prevent the accident spillover damage due to the IGBT element opening damage.

【0017】なお、IGBT素子破損箇所の開放状態つ
まり開放端子距離によっては、前記ヒューズ熔断後にそ
の開放端子間に印加される電圧(ほとんどの場合フィル
タコンデンサ電圧)によりアーク放電が発生する事が考
えられるが、この場合のアーク放電エネルギーはその前
に電源短絡状態がなく開放状態でのものなので、前記電
源短絡電流によるアーク放電エネルギーよりは小さく、
モジュールを破裂させる程のものではない。それに、電
源短絡発生時には、既設の他の保護装置も作用して回路
遮断やフィルタコンデンサ電圧の放電が行われるので、
例え上記ヒューズ熔断後のアーク放電が発生しても、そ
れは自動的に保護されるものである。
Depending on the open state of the damaged portion of the IGBT element, that is, the open terminal distance, arc discharge may occur due to the voltage (in most cases, the filter capacitor voltage) applied between the open terminals after the fuse is blown. However, since the arc discharge energy in this case is an open state without a power supply short-circuit state before it, it is smaller than the arc discharge energy due to the power supply short-circuit current,
Not enough to burst the module. In addition, when a power supply short circuit occurs, other existing protection devices also act to cut off the circuit and discharge the filter capacitor voltage.
Even if an arc discharge occurs after the fuse is blown, it is automatically protected.

【0018】さて、この図1の実施例における半導体素
子66及びヒューズ67には、インバータの通常動作時
に電流が流れないので小容量・安価なものでよく、また
アーム内に接続する必要がないので配線インダクタンス
が増えて損失が増加することがない等の特徴がある。そ
して、上記半導体素子66は、所定電圧でブレークオー
バして導通状態になる素子としていわゆるブレークオー
バ素子か、または所定電圧でブレークダウンして導通状
態になる素子としてダイオードを使用するもので、その
電圧容量はインバータのアームを構成する素子に通常印
加される最大ピーク電圧以上に選ばれるものである。
Since no current flows in the semiconductor element 66 and the fuse 67 in the embodiment of FIG. 1 during normal operation of the inverter, a small-capacity and inexpensive device can be used. There is such a feature that the wiring inductance does not increase and the loss does not increase. The semiconductor element 66 uses a so-called breakover element as an element that becomes conductive by breaking over at a predetermined voltage, or uses a diode as an element that breaks down at a predetermined voltage and becomes conductive. The capacity is selected to be equal to or higher than the maximum peak voltage normally applied to the elements constituting the arm of the inverter.

【0019】以上に述べた図1の本発明の一実施例によ
れば、モジュール型半導体素子を用いた電力変換器にお
いて、電源短絡事故時等に生ずる前記モジュール型半導
体スイッチング素子の開放破損による事故波及被害に対
して簡単な構成で保護装置が実現でき、その保護装置を
含めた電力変換器全体のコストアップや変換効率低下を
伴うことなく防止できる効果がある。
According to the embodiment of the present invention shown in FIG. 1 described above, in a power converter using a modular semiconductor device, an accident due to open breakage of the modular semiconductor switching device, which occurs when a power supply short circuit occurs or the like. It is possible to realize a protection device with a simple configuration against the ripple damage, and there is an effect of preventing the power converter including the protection device without increasing the cost and lowering the conversion efficiency.

【0020】図2は、本発明の他の実施例で、モジュー
ル型半導体素子を用いた電力変換器とその保護装置の構
成図を示す。図1の実施例と異なるところは、各相
(U,V,W)変換器に設けたヒューズを、各相(U,
V,W)にまとめて設けたことにある。なお、他の符号
は、全て図1の実施例と同じ要素を示してある。すなわ
ち、U,V,W各相の直列接続されたモジュール型半導
体素子IGBTの一端に、所定の電圧以上でブレークダ
ウン或いはブレークオーバして導通状態となる半導体素
子66,76,86の一端が夫々接続され、この半導体
素子の他端に共通のヒューズ9の一端が接続され、該ヒ
ューズ9の他端が直列接続されたモジュール型半導体素
子の他端に接続されてなる。そして、例えばU相の電源
短絡事故に対しては、半導体素子66とヒューズ9との
直列接続回路で前記図1の実施例に詳述した動作が行わ
れ、開放故障したIGBTのアーク放電を抑制し、周辺
装置の破損や火災等の事故波及を防止するものである。
FIG. 2 is a block diagram of another embodiment of the present invention showing a power converter using a modular semiconductor device and a protection device therefor. The difference from the embodiment of FIG. 1 is that a fuse provided in each phase (U, V, W) converter is replaced by a fuse provided in each phase (U, V, W).
V, W). It is to be noted that all the other symbols indicate the same elements as those in the embodiment of FIG. That is, one end of each of the semiconductor elements 66, 76, and 86 that are brought into conduction by breaking down or breaking over at a predetermined voltage or more is connected to one end of the module type semiconductor element IGBT connected in series for each of U, V, and W phases. One end of a common fuse 9 is connected to the other end of the semiconductor element, and the other end of the fuse 9 is connected to the other end of a modular semiconductor element connected in series. For example, in the case of a U-phase power short-circuit accident, the operation described in detail in the embodiment of FIG. 1 is performed by the series connection circuit of the semiconductor element 66 and the fuse 9 to suppress the arc discharge of the IGBT having the open failure. It also prevents the spread of accidents such as damage to peripheral devices and fire.

【0021】この図2の本発明の他の実施例によれば、
図1の実施例において各相(U,V,W)変換器に設け
たヒューズを各相(U,V,W)に纏めて設けたので、
モジュール型半導体素子を用いた電力変換器における保
護装置のコストをさらに低減できる効果がある。
According to another embodiment of the present invention shown in FIG.
In the embodiment of FIG. 1, the fuses provided in each phase (U, V, W) converter are collectively provided in each phase (U, V, W).
There is an effect that the cost of the protection device in the power converter using the module type semiconductor element can be further reduced.

【0022】図3は、本発明の他の実施例で、モジュー
ル型半導体素子を用いた電力変換器とその保護装置の構
成図を示す。前記図1,図2の実施例と異なるところ
は、ヒューズに直列接続した半導体素子をサイリスタ素
子に置き換え、該サイリスタ素子をオンする制御回路を
設けたことにある。すなわち、同実施例において、661
はサイリスタ素子、69は該サイリスタ661の制御回
路で、該制御回路69は、691の異常電圧検出器と6
92のサイリスタ素子ゲート回路で構成される。なお、
他の符号は、全て図1の実施例と同じ要素を示してあ
る。同実施例は、前記電源短絡事故におけるIGBT6
1,62の開放故障時に生ずる異常電圧を異常電圧検出
器691で検出し、該異常電圧検出器691の出力でサ
イリスタ素子ゲート回路692を駆動してサイリスタ素
子661をオンつまり導通状態とすることで、サイリス
タ素子661とヒューズ67の直列回路を構成し、前記
図1の実施例に詳述した動作により、開放故障したIG
BTのアーク放電を抑制し、周辺装置の破損や火災等の
事故波及を防止するものである。
FIG. 3 is a block diagram showing a power converter using a module type semiconductor device and its protection device according to another embodiment of the present invention. The difference from the embodiments of FIGS. 1 and 2 is that a semiconductor element connected in series to a fuse is replaced with a thyristor element, and a control circuit for turning on the thyristor element is provided. That is, in the example, 661
Is a thyristor element, 69 is a control circuit of the thyristor 661, and the control circuit 69 is composed of the abnormal voltage detector 691
It is composed of 92 thyristor element gate circuits. In addition,
All other symbols indicate the same elements as in the embodiment of FIG. This embodiment is different from the IGBT 6 in the power supply short circuit accident.
An abnormal voltage generated at the time of the open failure of the abnormal voltage detectors 1 and 62 is detected by the abnormal voltage detector 691, and the output of the abnormal voltage detector 691 drives the thyristor element gate circuit 692 to turn on the thyristor element 661, that is, to make the thyristor element 661 conductive. , A series circuit of a thyristor element 661 and a fuse 67, and the IG with an open fault is operated by the operation described in detail in the embodiment of FIG.
The purpose of the present invention is to suppress the arc discharge of the BT and prevent the spread of accidents such as damage to peripheral devices and fire.

【0023】なお、異常電圧検出器691は、電源短絡
後の異常電圧、つまり電源短絡により異常電圧検出器の
両端電圧がほぼゼロになり、その後素子開放故障により
生ずる異常電圧を検出できる構成としてある。従って、
前記図1の実施例の場合と違って、異常電圧の検出は、
アームを構成する半導体素子に通常印加される最大ピー
ク電圧に左右されることなく任意に選ぶことができ、よ
り低い電圧値での異常電圧検出が可能となるので、前記
素子開放故障時のアーク放電の抑制がより低いエネルギ
ー状態で、確実に行うことができる効果がある。
The abnormal voltage detector 691 is configured to detect an abnormal voltage after the power supply is short-circuited, that is, the voltage across the abnormal voltage detector becomes almost zero due to the power supply short-circuit, and thereafter an abnormal voltage caused by an element open failure. . Therefore,
Unlike the case of the embodiment of FIG. 1, the detection of the abnormal voltage is performed as follows.
It can be arbitrarily selected without being influenced by the maximum peak voltage normally applied to the semiconductor element constituting the arm, and the abnormal voltage can be detected at a lower voltage value. There is an effect that the suppression can be reliably performed in a lower energy state.

【0024】図4は、本発明の他の実施例で、モジュー
ル型半導体素子を用いた電力変換器とその保護装置の構
成図を示す。前記図3の実施例と異なるところは、各相
(U,V,W)変換器に設けたヒューズを、各相(U,
V,W)にまとめて設けたことにある。なお、他の符号
は、全て図1の実施例と同じ要素を示してある。すなわ
ち、U,V,W各相の直列接続されたモジュール型半導
体素子IGBTの一端に、各相のサイリスタ素子66
1,761,861の一端が夫々接続され、このサイリ
スタ素子の他端に共通のヒューズ9の一端が接続され、
該ヒューズ9の他端が直列接続されたモジュール型半導
体素子の他端に接続されてなる。そして、例えばU相の
電源短絡事故に対しては、サイリスタ素子661とヒュ
ーズ9との直列接続回路で前記図3の実施例に詳述した
動作が行われ、開放故障したIGBTのアーク放電を抑
制し、周辺装置の破損や火災等の事故波及を防止するも
のである。この本実施例によれば、図3の実施例におい
て各相(U,V,W)に設けたヒューズを各相(U,
V,W)に纏めて設けたので、モジュール型半導体素子
を用いた電力変換器における保護装置のコストを低減で
きる効果がある。
FIG. 4 is a block diagram showing a power converter using a module type semiconductor device and a protection device therefor according to another embodiment of the present invention. The difference from the embodiment of FIG.
The fuse provided in the (U, V, W) converter is connected to each phase (U, V, W).
V, W). It is to be noted that all the other symbols indicate the same elements as those in the embodiment of FIG. That is, a thyristor element 66 of each phase is connected to one end of a series-connected module type semiconductor element IGBT of U, V, W phases.
1, 761, 861 are connected to one end, and the other end of the thyristor element is connected to one end of a common fuse 9,
The other end of the fuse 9 is connected to the other end of the module type semiconductor element connected in series. For example, in the event of a U-phase power short-circuit, the operation described in detail in the embodiment of FIG. 3 is performed by the series connection circuit of the thyristor element 661 and the fuse 9 to suppress the arc discharge of the IGBT having the open failure. It also prevents the spread of accidents such as damage to peripheral devices and fire. According to this embodiment, the fuse provided for each phase (U, V, W) in the embodiment of FIG.
V, W), there is an effect that the cost of the protection device in the power converter using the modular semiconductor element can be reduced.

【0025】ところで、本発明実施例は、2レベルイン
バータ回路でアーム素子が1素子の場合を示したが、こ
れに限定されることなく、アーム素子が2素子以上の直
列体で構成される場合や直流を3レベルの電位の交流に
変換するインバータ回路等にも適用されるものである。
Although the embodiment of the present invention has been described with reference to a case in which the two-level inverter circuit has one arm element, the present invention is not limited to this case. Also, the present invention can be applied to an inverter circuit or the like for converting a direct current into a three-level alternating current.

【0026】また、本発明実施例は、フィルタコンデン
サが各相に分割設置された場合で説明したが、各相一括
で設置される場合にも適用できるものである。
Although the embodiment of the present invention has been described with reference to the case where the filter capacitors are separately provided for each phase, the present invention is also applicable to the case where the filter capacitors are provided collectively for each phase.

【0027】[0027]

【発明の効果】以上に述べた本発明によれば、モジュー
ル型半導体素子を用いた電力変換器において、電源短絡
事故で生ずるモジュール型半導体素子の開放破損時に生
ずるアーク放電の異常電圧でブレークオーバ或いはブレ
ークダウンする半導体素子とヒューズの直列体を、また
は前記異常電圧の検出器出力で点弧される半導体スイッ
チング素子とヒューズの直列体を、電源短絡を生ずる直
列半導体素子端子間に設けることにより、前記モジュー
ル型半導体素子の開放破損による事故波及被害に対する
保護装置を簡単な構成で実現できるので、スナバ等を強
化する必要はなく電力変換器全体のコストアップを防止
できる。それと共にその保護装置には電力変換器の通常
動作時に電流が流れないので変換効率低下を防止できる
という効果が得られる。
According to the present invention described above, in a power converter using a modular semiconductor device, breakover or breakage due to an abnormal voltage of arc discharge occurring when the modular semiconductor device is opened and damaged due to a power supply short circuit accident. By providing a series body of a semiconductor element and a fuse that breaks down, or a series body of a semiconductor switching element and a fuse that is ignited at the detector output of the abnormal voltage, between the series semiconductor element terminals that cause a power supply short circuit, Since a protection device against accident and damage caused by open breakage of the modular semiconductor element can be realized with a simple configuration, it is not necessary to strengthen a snubber or the like, and it is possible to prevent an increase in the cost of the entire power converter. At the same time, since no current flows through the protection device during normal operation of the power converter, an effect is obtained that a reduction in conversion efficiency can be prevented.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図1】本発明の一実施例を示すモジュール型半導体素
子電力変換器の保護装置の構成図。
FIG. 1 is a configuration diagram of a protection device for a modular semiconductor device power converter according to an embodiment of the present invention.

【図2】本発明の他の実施例を示すモジュール型半導体
素子電力変換器の保護装置の構成図。
FIG. 2 is a configuration diagram of a protection device for a modular semiconductor device power converter according to another embodiment of the present invention.

【図3】本発明の他の実施例を示すモジュール型半導体
素子電力変換器の保護装置の構成図。
FIG. 3 is a configuration diagram of a protection device for a modular semiconductor device power converter according to another embodiment of the present invention.

【図4】本発明の他の実施例を示すモジュール型半導体
素子電力変換器の保護装置の構成図。
FIG. 4 is a configuration diagram of a protection device for a modular semiconductor device power converter according to another embodiment of the present invention.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1…パンタグラフ、2…断流器、3…充電抵抗、4…高
速度遮断器、5…フィルタリアクトル、6,7,8…U
相,V相,W相変換器、9,67…ヒューズ、61,6
2…モジュール型半導体素子(IGBT)、63…U相
フィルタコンデンサ、64,65…配線インダクタン
ス、66,76,86…半導体素子(ブレークオーバ素
子或いはダイオード)、68,78,88…U相,V
相,W相交流出力端子。
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Pantograph, 2 ... Disconnector, 3 ... Charge resistance, 4 ... High-speed circuit breaker, 5 ... Filter reactor, 6, 7, 8 ... U
Phase, V phase, W phase converter, 9, 67 ... fuse, 61, 6
2: Module type semiconductor element (IGBT), 63: U-phase filter capacitor, 64, 65: Wiring inductance, 66, 76, 86: Semiconductor element (breakover element or diode), 68, 78, 88: U-phase, V
Phase, W phase AC output terminal.

フロントページの続き Fターム(参考) 5G053 AA03 AA04 AA09 AA14 CA03 EB01 EC05 EC06 FA05 5H007 CA01 CB05 CC07 FA03 FA06 FA13 FA19 5H740 BA11 BB05 BB08 BC01 BC02 MM12 Continued on front page F-term (reference) 5G053 AA03 AA04 AA09 AA14 CA03 EB01 EC05 EC06 FA05 5H007 CA01 CB05 CC07 FA03 FA06 FA13 FA19 5H740 BA11 BB05 BB08 BC01 BC02 MM12

Claims (4)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】直流電源両端に1相分の上下アームとして
直列接続されたモジュール型半導体素子が接続され、該
素子の直列接続点に交流出力端子を備えた電力変換器に
おいて、前記直列接続されたモジュール型半導体素子両
端に、所定の電圧以上でブレークダウン或いはブレーク
オーバして導通状態となる半導体素子とヒューズの直列
体を並列接続したことを特徴とする電力変換器の保護装
置。
1. A power converter having a module type semiconductor element connected in series as an upper and lower arm for one phase connected to both ends of a DC power supply, and having an AC output terminal at a serial connection point of the elements. A protection device for a power converter, wherein a series body of a semiconductor element and a fuse which are brought into conduction by breaking down or breaking over at a predetermined voltage or more is connected in parallel to both ends of the modular semiconductor element.
【請求項2】1相分の上下アームとして直列接続された
モジュール型半導体素子が接続され、該素子の直列接続
点に交流出力端子を有する変換器が直流電源両端に複数
個接続された電力変換器において、前記各相の直列接続
されたモジュール型半導体素子の一端に、所定の電圧以
上でブレークダウン或いはブレークオーバして導通状態
となる半導体素子の一端が夫々接続され、前記各ブレー
クダウン或いはブレークオーバして導通状態となる半導
体素子の他端に共通のヒューズの一端が接続され、該ヒ
ューズの他端が前記直列接続されたモジュール型半導体
素子の他端に接続されたことを特徴とする電力変換器の
保護装置。
2. A power converter in which a plurality of converters having an AC output terminal connected to a series connection point of a series connection of a plurality of converters are connected to both ends of a DC power supply. In one embodiment, one end of each of the series-connected modular semiconductor elements is connected to one end of a semiconductor element that is brought into a conductive state by breaking down or breaking over at a predetermined voltage or more, and An electric power characterized in that one end of a common fuse is connected to the other end of the semiconductor element which is turned on and becomes conductive, and the other end of the fuse is connected to the other end of the serially connected modular semiconductor element. Transducer protection device.
【請求項3】直流電源両端に1相分の上下アームとして
直列接続されたモジュール型半導体素子が接続され、該
素子の直列接続点に交流出力端子を備えた電力変換器に
おいて、前記直列接続されたモジュール型半導体素子両
端に、該モジュール型半導体素子の過大電流で開放故障
となるときの異常電圧で点弧制御されるサイリスタ素子
とヒューズの直列体を並列接続したことを特徴とする電
力変換器の保護装置。
3. A power converter in which a module type semiconductor element connected in series as an upper and lower arm for one phase is connected to both ends of a DC power supply and an AC output terminal is provided at a serial connection point of the elements. A power converter, wherein a series body of a thyristor element and a fuse that is controlled to be fired by an abnormal voltage when an open fault occurs due to an excessive current of the module semiconductor element is connected in parallel to both ends of the modular semiconductor element. Protection device.
【請求項4】1相分の上下アームとして直列接続された
モジュール型半導体素子が接続され、該素子の直列接続
点に交流出力端子を有する変換器が直流電源両端に複数
個接続された電力変換器において、前記各相の直列接続
されたモジュール型半導体素子の一端に、該モジュール
型半導体素子の過大電流で開放故障となるときの異常電
圧で点弧制御されるサイリスタ素子の一端が夫々接続さ
れ、前記各サイリスタ素子の他端に共通のヒューズの一
端が接続され、該ヒューズの他端が前記直列接続された
モジュール型半導体素子の他端に接続されたことを特徴
とする電力変換器の保護装置。
4. A power converter in which module type semiconductor elements connected in series as upper and lower arms for one phase are connected, and a plurality of converters having an AC output terminal at a serial connection point of the elements are connected to both ends of a DC power supply. One end of a thyristor element that is controlled to be fired at an abnormal voltage when an open fault occurs due to an excessive current of the module type semiconductor element is connected to one end of the module type semiconductor element connected in series in each phase, respectively. Wherein one end of a common fuse is connected to the other end of each of the thyristor elements, and the other end of the fuse is connected to the other end of the modular semiconductor element connected in series. apparatus.
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