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JP3160414B2 - 変換装置 - Google Patents

変換装置

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Publication number
JP3160414B2
JP3160414B2 JP05618093A JP5618093A JP3160414B2 JP 3160414 B2 JP3160414 B2 JP 3160414B2 JP 05618093 A JP05618093 A JP 05618093A JP 5618093 A JP5618093 A JP 5618093A JP 3160414 B2 JP3160414 B2 JP 3160414B2
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JP
Japan
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current
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circuit
reactor
hsd
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JP05618093A
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長隆 関
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Toshiba Corp
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Toshiba Corp
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Publication date
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Priority to EP93309892A priority patent/EP0616416B1/en
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    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02H—EMERGENCY PROTECTIVE CIRCUIT ARRANGEMENTS
    • H02H7/00—Emergency protective circuit arrangements specially adapted for specific types of electric machines or apparatus or for sectionalised protection of cable or line systems, and effecting automatic switching in the event of an undesired change from normal working conditions
    • H02H7/10—Emergency protective circuit arrangements specially adapted for specific types of electric machines or apparatus or for sectionalised protection of cable or line systems, and effecting automatic switching in the event of an undesired change from normal working conditions for converters; for rectifiers
    • H02H7/12—Emergency protective circuit arrangements specially adapted for specific types of electric machines or apparatus or for sectionalised protection of cable or line systems, and effecting automatic switching in the event of an undesired change from normal working conditions for converters; for rectifiers for static converters or rectifiers
    • H02H7/122—Emergency protective circuit arrangements specially adapted for specific types of electric machines or apparatus or for sectionalised protection of cable or line systems, and effecting automatic switching in the event of an undesired change from normal working conditions for converters; for rectifiers for static converters or rectifiers for inverters, i.e. dc/ac converters
    • H02H7/1225—Emergency protective circuit arrangements specially adapted for specific types of electric machines or apparatus or for sectionalised protection of cable or line systems, and effecting automatic switching in the event of an undesired change from normal working conditions for converters; for rectifiers for static converters or rectifiers for inverters, i.e. dc/ac converters responsive to internal faults, e.g. shoot-through
    • G—PHYSICS
    • G05—CONTROLLING; REGULATING
    • G05F—SYSTEMS FOR REGULATING ELECTRIC OR MAGNETIC VARIABLES
    • G05F1/00—Automatic systems in which deviations of an electric quantity from one or more predetermined values are detected at the output of the system and fed back to a device within the system to restore the detected quantity to its predetermined value or values, i.e. retroactive systems
    • G05F1/10—Regulating voltage or current
    • G05F1/46—Regulating voltage or current wherein the variable actually regulated by the final control device is dc
    • G05F1/56—Regulating voltage or current wherein the variable actually regulated by the final control device is dc using semiconductor devices in series with the load as final control devices
    • G05F1/565—Regulating voltage or current wherein the variable actually regulated by the final control device is dc using semiconductor devices in series with the load as final control devices sensing a condition of the system or its load in addition to means responsive to deviations in the output of the system, e.g. current, voltage, power factor
    • G05F1/569—Regulating voltage or current wherein the variable actually regulated by the final control device is dc using semiconductor devices in series with the load as final control devices sensing a condition of the system or its load in addition to means responsive to deviations in the output of the system, e.g. current, voltage, power factor for protection
    • G05F1/573—Regulating voltage or current wherein the variable actually regulated by the final control device is dc using semiconductor devices in series with the load as final control devices sensing a condition of the system or its load in addition to means responsive to deviations in the output of the system, e.g. current, voltage, power factor for protection with overcurrent detector
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M7/00—Conversion of ac power input into dc power output; Conversion of dc power input into ac power output
    • H02M7/42—Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal
    • H02M7/44—Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal by static converters
    • H02M7/48—Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode

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Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、ラッチタイプとノンラ
ッチタイプの二つの機能を有する高速デバイス（以下、
ＨＳＤと略称する）を用いた変換装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】従来、直流を交流に、交流を直流に、交
流を周波数の異なる交流に、或いは直流を値の異る直流
に変換する変換装置に用いられているパワ―デバイスに
はＧＴＯサイリスタ（以下ＧＴＯと記す）とかトランジ
スタがある。ＧＴＯはラッチタイプのデバイスである。
ラッチとは、一旦ＧＴＯにゲ―ト信号を加えオン状態に
すると、ゲ―ト信号を「０」にしても陽極電流は流れ続
けることを言う。
【０００３】他方、トランジスタはベ―ス信号を与える
と導通し、ベ―ス信号を取去るとコレクタ電流は「０」
になる。このようなデバイスをノンラッチタイプとここ
では呼ぶ。
【０００４】ＧＴＯはオン電圧が比較的低く高電圧高電
流の素子として広く使用されているが、オフする際に電
流集中が生じるので破壊耐量が低く大きなスナバ回路が
必要である。スイッチング速度は速くない。
【０００５】一方、ＩＧＢＴは電流集中が無く破壊し難
く、スイッチング速度も速いが、高電圧向ではない。高
電圧でスイッチング速度の速いデバイスの開発が進めら
れているが、その一つの候補にオン状態ではオン損失を
減すためにラッチタイプのデバイス構造とし、タ―ンオ
フの直前にノンラッチタイプにデバイス構造を切換えて
電流集中を回避する考え方のデバイスである。具体例と
しては、特開昭６４―７５８号のものがある。
【０００６】ラッチタイプのデバイスであるＧＴＯを使
った変換装置の代表的な回路例を図６に示す。ここで１
は直流電源、２P ，２N は直流しゃ断器、３は直流リア
クトル、４は直流コンデンサ、５はリアクトル、６はダ
イオ―ド、７，８は直流ブス、１１，１２，１３，１
４，１５及び１６はＧＴＯ、１７，１８，１９，２０，
２１及び２２は帰還ダイオ―ド、２５U ，２５V ，２５
W は交流しゃ断器である。この回路はインバ―タとして
広く使われ周知のもので、図示していないがスナバ回
路、ゲ―ト回路などを必要とするが、ここでは、この回
路の動作説明は省略する。
【０００７】今、ＧＴＯ１１と１２が誤って同時にオン
状態になると直流ブス７と８が短絡されるので、最初に
直流コンデンサ４の電荷がリアクトル５を介して、次い
で直流電源１からの電流が直流リアクトル３，リアクト
ル５を介してＧＴＯ１１，１２に流れ込む。
【０００８】このような回路の場合デバイスの過電流保
護は、デバイス自体が耐えることが出来るＩサ―ジ耐量
以下に電流の大きさを制限するもの、通常リアクトルと
かヒュ―ズとかを入れて行う。Ｉサ―ジ耐量は例えば遮
断可能な電流が１０００ＡのＧＴＯの場合、１０ｍｓ幅
のパルス電流で７０００Ａである。図６ではリアクトル
５がＧＴＯ１１，１２等のＩサ―ジ耐量以下になるよう
な値に短絡電流を抑制し、直流リアクトル３は直流しゃ
断器２が開放される迄の間直流電源１からの電流の流れ
込みを抑える。この間リアクトル５はそのとき流れる過
大な電流で飽和しないように設計されていなければなら
ない。直流リアクトル３は短絡期間中に加わる電圧時間
積に対して飽和しないものでなければならない。従っ
て、いずれも大きなリアクトルとなる。交流しゃ断器２
５U ，２５V ，２５W は図示しない負荷からの電流の流
れ込み或いは異常回路と負荷との切離しを目的に直ちに
開放される。
【０００９】一方、図６の回路でノンラッチタイプのデ
バイス即ちトランジスタを使う場合は、デバイスの過電
流はデバイス自体が抑制する働きを持つので、短絡が生
じた場合は直ちにベ―スを逆バイアスして過電流を止め
ることができる。リアクトル５は必ずしも必要としない
が、リアクトル５があると電流を抑制する働きがあるの
で、短絡から保護動作までの時間遅れが許容される。短
絡時の電流は通常動作時の高々２倍程度であり、リアク
トル５を入れるとしても小さいもので良い。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】一方、ラッチタイプの
デバイスを使用した変換装置と、ノンラッチタイプのデ
バイスを用いた変換装置のそれぞれの長所を活かした変
換装置を提供するために開発された、前記ＨＳＤを用い
た変換装置においては、通常の運転状態においては、そ
れぞれの長所が活かされている。通常の動作ではオフす
る直前にノンラッチタイプに切換え後オフ動作を行う
が、定常のオン状態ではラッチ状態にあるので、万一こ
のときに、例えば転流失敗等で直流短絡を生じ過電流が
流れると、デバイスの状態をノンラッチタイプに移すこ
とが出来ない。そのためトランジスタのように、ベ―ス
またはゲ―トではオフ動作を行うことが出来ないためサ
イリスタあるいはＧＴＯ使用時と同様な大きなリアクト
ルを使用して、電流の増加を抑えているのが現状であ
る。
【００１１】従って、本発明の目的は、ノンラッチタイ
プとラッチタイプの機能を有するＨＳＤを使用した変換
装置において、ラッチ状態における過電流に対して大き
なリアクトルを使用せずにデバイスを確実に保護するこ
とができる変換装置を提供することにある。
【００１２】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に請求項１の変換装置は、ＨＳＤを介して流れる電流が
所定値を超えた時点から該電流の増加率を抑制する限流
機能を持つ素子又は回路を前記ＨＳＤの電流経路に備
え、前記素子又は回路の限流動作中に、前記ＨＳＤをラ
ッチタイプからノンラッチタイプに切換えてタ―ンオフ
動作を行わせることを特徴とするものである。
【００１３】又、上記目的を達成するために請求項２の
変換装置は、ＨＳＤを介して流れる電流が所定値を超え
た時点からインピ―ダンスが増加し、前記電流が所定値
を超えないように制限したり、或いは所定の電流値以下
に低減させる機能を持つ素子又は回路を、前記ＨＳＤの
電流経路に備え、前記素子又は回路の限流動作中に、前
記ＨＳＤをラッチタイプからノンラッチタイプに切換え
てタ―ンオフ動作を行わせることを特徴とするもので
あ。
【００１４】
【００１５】
【作用】前述のように構成された請求項１の発明によれ
ば、通常の運転状態においては、ラッチタイプの持つ低
オン損と、ノンラッチタイプの持つ高破壊耐量および低
スイッチング損と言うメリットを活かしながら直流短絡
保護に対しては、ＨＳＤを介して流れる電流が所定値を
超えた時点から、該電流の増加率を抑制する限流機能を
持つ素子又は回路が働くため、この間にＨＳＤをラッチ
タイプからノンラッチタイプに切換えることができるの
で、電流の増加を抑制する大きなリアクトルを使用する
ことなく過電流保護ができる。
【００１６】又、前述のように構成された請求項２の発
明によれば、通常の運転状態においては、ラッチタイプ
の持つ低オン損と、ノンラッチタイプの持つ高破壊耐量
および低スイッチング損と言うメリットを活かしながら
直流短絡保護に対しては、高速デバイスを介して流れる
電流が所定値を超えた時点から、インピ―ダンスが増加
し、前記電流が所定値を超えないように制限したり、或
いは所定の電流値以下に低減させる機能を持つ素子又は
回路が働くため、この間に高速デバイスをラッチタイプ
からノンラッチタイプに切換えることができるので、電
流の増加を抑制する大きなリアクトルを使用することな
く過電流保護ができる。
【００１７】
【００１８】
【実施例】図１は本発明の一実施例を示す構成図で、図
６と同一部には同一の記号を付しており、その説明は省
略する。図１において、３０は後述する非線形インピ―
ダンス回路である。３１と３２はその主端子部を示す。
５１から５６はラッチタイプとノンラッチタイプの切換
え可能なＨＳＤであるが、シンボルは便宜上ＧＴＯとト
ランジスタの複合シンボルを用いる。このＨＳＤの使い
方はオン状態ではラッチタイプとなるようにゲ―トを選
択し、オフの動作を行う数μｓ前にノンラッチタイプと
なるようにゲ―トを選択する。 選択のやり方はデバイ
スの構造によるが、例えばタ―ンオンさせるためには、
ゲ―ト（Ｇ1)，ゲ―ト（Ｇ2)に同時にゲ―ト信号を加
え、タ―ンオフさせるためには、ゲ―ト（Ｇ2)のゲ―ト
信号をオフした後にゲ―ト（Ｇ1)のゲ―ト信号をオフす
る方法とか、ゲ―ト回路に印加する電圧のレベルで選択
するとかの方法が考えられる。
【００１９】ＨＳＤがラッチタイプからノンラッチタイ
プへの切換可能な陽極電流には限界がある。この限界値
をＩ1 とする。図１の回路では上記のようなデバイスの
特性上、ラッチタイプからノンラッチタイプに切換えて
タ―ンオフさせると言う手順の違いはあるが、通常の回
路動作は一般のインバ―タと変らない。
【００２０】次に、直流短絡等で過電流が生じたときの
保護動作について説明する。非線形インピ―ダンス回路
３０はそこを流れる電流がＩ2 未満では０インピ―ダン
ス、Ｉ2 以上Ｉ3 （Ｉ2 ＜Ｉ3 ＜Ｉ1 ）未満では大きな
インダクタンスＬを示す。Ｉ3 以上ではまた０インピ―
ダンスに戻る。Ｉ2 はＩ1 の１／２程度に選ばれてい
る。
【００２１】今、ＨＳＤ５１がオン状態で、誤ってＨＳ
Ｄ５２もオンすると、直流ブス７と８が短絡されるの
で、直流コンデンサ４の電荷は非線形インピ―ダンス回
路３０、ＨＳＤ５１及び５２を介して放電しようとす
る。非線形インピ―ダンス回路３０は０インピ―ダンス
であるから放電電流Ｉc は急激に上昇するが、Ｉc ＝Ｉ
2に達すると非線形インピ―ダンス回路３０のインダク
タンスがＬに変るため電流の増加率はＥ／Ｌに変る。こ
こでＥは直流コンデンサの充電電圧である。ＨＳＤ５１
と５２に流れる電流値は最大でも、Ｉ2 ＋（Ｅ／Ｌ）ｔ
であるからこの値がＩ1 に達しないうちにＨＳＤ５１と
５２及び残りのＨＳＤをラッチタイプからノンラッチタ
イプに移してこれらをタ―ンオフさせる。
【００２２】次に非線形インピ―ダンス回路３０の実施
例を図２に示す。同図において３３は高速ダイオ―ド、
３４はリアクトル、３５は整流器、３６は変圧器であ
る。変圧器３６の１次側は図示しない電源に接続されて
いる。ダイオ―ド３３は主端子３１から３２方向の電流
は阻止するが、もし整流器３５によりダイオ―ド３３と
リアクトル３４の直列回路に直流電流Ｉ2 が流れている
状態では、ダイオ―ド３３はＩ2 以下の任意の電流に対
しては阻止能力がない。即ち外部から見れば０インピ―
ダンスである。しかしＩ2 以上の電流に対してはダイオ
―ド３３が逆バイアスされるので、３１から流入する電
流はリアクトル３４と整流器３５を経て３２より外部に
流出していく。この間電流経路にはリアクトル３４のイ
ンダクタンスＬが直列に加わることになる。リアクトル
３４を小形化するために、或電流値Ｉ3 を超えるとイン
ダクタンスは激減して実質的には０インピ―ダンスを呈
する。なお主端子３２から３１方向の電流に対しては回
路保護上は０インピ―ダンスで良い。
【００２３】図３は非線形インピ―ダンス回路３０の他
の実施例を示したものである。ダイオ―ド３３の代りに
可飽和リアクトル３７とダイオ―ド３８が使用される。
可飽和リアクトル３７の２次巻線３７2 には直流電流Ｉ
2 ´が流れているので、可飽和リアクトル３７は飽和し
ており、主端子３１と３２のインピ―ダンスは実質的に
は０である。主端子３１から３２に流れる電流値がＩ2
に達すると、可飽和リアクトル３７が不飽和状態とな
り、インダクタンスＬのリアクトル特性を示す。リアク
トル３４´は可飽和リアクトル３７が不飽和時に発生す
る電圧でリアクトル３４´の電流値が余り変化しないよ
うに挿入される。ダイオ―ド３８は必ずしも必要と言う
訳でないが、可飽和リアクトル３７が飽和状態で示す極
小さなインダクタンスにより発生する電圧を吸収して、
ＨＳＤ５１から５６と帰還ダイオ―ド１７から２２に加
わるスイッチングサ―ジ電圧を減らす働きがある。
【００２４】図４は非線形インピ―ダンス回路３０の更
に他の実施例を示すものである。リアクトル３９は永久
磁石を埋め込んだ特殊なリアクトルで、永久磁石により
巻線に流れる電流がＩ2 未満ではリアクトルのインダク
タンスは実質的に０であるが、Ｉ2 に達するとインダク
タンスがＬになる。短絡を検出してＨＳＤをラッチタイ
プからノンラッチタイプに切換えてオフ動作を行わせる
数１０μｓの間リアクトル３９が飽和しない程度の小さ
なリアクトルで良い。ダイオ―ド３８の役割は図３と同
じである。
【００２５】図５は非線形インピ―ダンス回路３０1 〜
３０6 をＨＳＤ５１〜５６のそれぞれに個別に挿入した
ものである。図１に示す３相回路ではＩ2 はＨＳＤのＩ
1 より低くしなければならない。その理由はＨＳＤには
非線形インピ―ダンス回路３０からの電流と負荷、ＨＳ
Ｄ及び帰還ダイオ―ドを還流する電流とが重畳するため
である。これに対して、図５のようにＨＳＤ個別に設け
ればＨＳＤに流れる電流と非線形インピ―ダンス回路３
０に流れる電流が一致するので、ＨＳＤの限界まで利用
できる。
【００２６】前述説明では、ＨＳＤを介して流れる電流
が所定値を超えた時点から該電流の増加率を抑制する限
流機能を持つ素子又は回路として、非線形インピ―ダン
ス回路３０を例として述べているが、ＨＳＤを介して流
れる電流が所定値を超えた時点からインピ―ダンスが増
加し、所定値を超えないように電流を制限したり、或い
は所定の電流値以下に低減する機能を持つ素子又は回路
を用いても良い。
【００２７】又、変換装置として自励式３相インバ―タ
を用いたが、変換装置の相数や変換装置の形式はこれに
限定されないことは明らかである。図１、図５に示す変
換装置において、短絡などの過電流を検出する方法は、
通常変流器で電流を検出して行うが、非線形インピ―ダ
ンス回路に発生する電圧を検出する方法もある。
【００２８】非線形インピ―ダンス回路は小形化するた
めにある電流値において高インピ―ダンスを示すので、
万一そのレベルを超える電流値になっている状態ではＨ
ＳＤにオフ信号を加えないようにする方がＨＳＤの保護
上望ましい。又、ＨＳＤがラッチ状態にある時に前述の
ような事態が発生すればデバイスの状態をノンラッチタ
イプに移すことが出来なくなり、ＨＳＤを破損する危険
があるがこのような場合には、変換装置を構成する全て
のＨＳＤをタ―ンオンすれば、過電流が特定のＨＳＤに
集中して流れることなく分流するため破損の危険性を低
減でき、又、過電流を分流させると共に変換装置の入力
側の直流しゃ断器２P ，２N 及び必要に応じて交流側し
ゃ断器２５U ，２５V ，２５W を遮断すればより一層確
実な保護ができる。
【００２９】
【発明の効果】以上説明したように、請求項１及び請求
項２の発明によれば、変換装置を、ラッチタイプからノ
ンラッチタイプに切換えた後タ―ンオフ動作を行う高速
デバイスを用いて構成することにより、デバイスの確実
な短絡保護が出来るので変換装置の信頼性を向上出来
る。又、短絡電流抑制用のリアクトルがラッチタイプの
デバイスを使用した場合に比べ小形化出来る。更に、ノ
ンラッチタイプのデバイスを使用した場合に比べデバイ
スの発生する損失を低減出来る等の優れた効果が得られ
る。
【００３０】
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による変換装置の一実施例を示す構成
図。
【図２】［図１］の非線形インピ―ダンス回路の一実施
例を示す構成図。
【図３】［図１］の非線形インピ―ダンス回路の他の実
施例を示す構成図。
【図４】［図１］の非線形インピ―ダンス回路の更に他
の実施例を示す構成図。
【図５】本発明による変換装置の他の実施例を示す構成
図。
【図６】従来の変換装置を示す構成図。
【符号の説明】
１ …直流電源 ２P ，２N
…直流しゃ断器 ３ …直流リアクトル ４
…直流コンデンサ ５ …リアクトル ６
…ダイオ―ド ７，８ …直流ブス １１〜１６
…ＧＴＯ １７〜２２ …帰還ダイオ―ド ２５U 〜２５
W …交流しゃ断器 ３０ …非線形インピ―ダンス ３１，３２
…端子 ３３，３８ …ダイオ―ド ３４，３４´
…リアクトル ３５，３５´…整流器 ３６
…変圧器 ３７ …可飽和リアクトル ３９
…特殊リアクトル ５１〜５６ …ラッチタイプ，ノンラッチタイプ切換機
能付き高速デバイス
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) H02M 7/515 H02M 1/16 H02M 7/48 H02M 7/537

Claims (2)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 ラッチタイプからノンラッチタイプに切
    換えた後タ―ンオフ動作を行う高速デバイスを用いた変
    換装置において、前記高速デバイスを介して流れる電流
    が所定値を超えた時点から該電流の増加率を抑制する限
    流機能を持つ素子又は回路を前記高速デバイスの電流経
    路に備え、前記素子又は回路の電流増加率抑制動作中
    に、前記高速デバイスをラッチタイプからノンラッチタ
    イプに切換えてタ―ンオフ動作を行わせることを特徴と
    する変換装置。
  2. 【請求項２】 ラッチタイプからノンラッチタイプに切
    換えた後タ―ンオフ動作を行う高速デバイスを用いた変
    換装置において、前記高速デバイスを介して流れる電流
    が所定値を超えた時点からインピ―ダンスが増加し、前
    記電流が所定値を超えないように制限したり、或いは所
    定の電流値以下に低減させる機能を持つ素子又は回路
    を、前記高速デバイスの電流経路に備え、前記素子又は
    回路の限流動作中に、前記高速デバイスをラッチタイプ
    からノンラッチタイプに切換えてタ―ンオフ動作を行わ
    せることを特徴とする変換装置。
JP05618093A 1993-03-16 1993-03-16 変換装置 Expired - Lifetime JP3160414B2 (ja)

Priority Applications (5)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP05618093A JP3160414B2 (ja) 1993-03-16 1993-03-16 変換装置
US08/099,326 US5355298A (en) 1993-03-16 1993-07-30 Conversion apparatus including latch and non-latch type functions
CA002106504A CA2106504C (en) 1993-03-16 1993-09-20 Conversion apparatus
EP93309892A EP0616416B1 (en) 1993-03-16 1993-12-08 Conversion apparatus
DE69326936T DE69326936T2 (de) 1993-03-16 1993-12-08 Wandlervorrichtung

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP05618093A JP3160414B2 (ja) 1993-03-16 1993-03-16 変換装置

Publications (2)

Publication Number Publication Date
JPH06276756A JPH06276756A (ja) 1994-09-30
JP3160414B2 true JP3160414B2 (ja) 2001-04-25

Family

ID=13019914

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP05618093A Expired - Lifetime JP3160414B2 (ja) 1993-03-16 1993-03-16 変換装置

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