[发明专利]多电平功率转换电路

说明书

技术领域

本发明涉及以交流电动机驱动等为目的的多电平功率转换电路的电路方式，尤其涉及在使用双向开关的飞跨电容器型多电平功率转换电路中，构成双向开关的半导体开关元件产生故障时的保护。

背景技术

图6中示出专利文献1、2等所记载的将直流转换成交流的功率转换电路，即五电平逆变器的电路例。DP1、DP2分别是电压为2Ed的直流电源，它们串联连接，且正电位端子设为P，负电位端子设为N，中间电位端子设为M。通常，在由交流电源系统构成本直流电源的情况下，可以通过将未图示的整流器与大容量的电容器进行串联连接等来构成。

S1a～S1c、S2、S3、S4a～S4c是由串联连接在P侧电位与N侧电位之间的8个与二极管反向并联连接的IGBT构成的半导体开关。S1a～S1c的半导体开关的串联电路为第一半导体开关组，S4a～S4c的半导体开关的串联电路为第二半导体开关组，S2为第一半导体开关，S3为第二半导体开关。第一半导体开关组(S1a～S1c)、第一半导体开关S2、第二半导体开关S3、第二半导体开关组(S4a～S4c)串联连接，成为第一半导体开关串联电路。

第一半导体开关组中的半导体开关S1c和第一半导体开关S2的连接点与第二半导体开关S3和第二半导体开关组中的半导体开关S4a的连接点之间连接有半导体开关S5与S6的串联电路与电容器C1的并联电路。直流电源DP1和DP2的串联连接点即M点与半导体开关S5和S6的串联连接点之间连接有由反向阻断型IGBTS11与S12反向并联连接而构成的能在双向上进行开关的双向开关。作为双向开关，除了图6所示的电路结构以外，还可以由图7(a)、(b)所示的不具有反向耐压的IGBT与二极管组合而构成。图7(a)是将与二极管反向并联连接的半导体开关Sa、Sb共用集电极端子来反向串联连接的电路结构，图7(b)是将与二极管反向并联连接的半导体开关Sa、Sb共用发射极端子来反向串联连接的电路结构。

此外，电容器C1为飞跨电容器，其两端的平均电压被控制为一个单位的电压Ed，并利用其充放电现象来实现直流电源的中间电位的输出。这里，连接在P电位或N电位与飞跨电容器的正侧端子或负侧端子之间的第一及第二半导体开关组三者串联的理由在于，根据施加在它们之间的电压的最大值来使所有构成半导体开关的元件的耐压为相同的额定电压(一个单位的电压Ed所对应的额定电压，通常需要2Ed左右的额定电压)。若在该部分应用三倍额定电压的开关元件，则不需要进行串联连接。

此外，GDU-S1a、GDU-S4c为栅极驱动电路，将来自控制电路CNT的导通截止信号提供给各IGBT的栅极，还具有将由栅极驱动电路检测到的短路故障信号发送给控制电路CNT的功能。图中仅记载了两个栅极驱动电路，但实际上对所有IGBT设置栅极驱动电路，这里省略了图示。因此，控制电路CNT向每一个相提供12个信号。

这些电路组成为一个相(U相)，并且通过连接三组各电路组，从而能构成三相(U相、V相、W相)的逆变器。LM是作为本系统的负载例的交流电动机。通过采用本电路结构，转换器的交流输出端子的电位能输出P电位、N电位、M电位、以及利用开关元件的导通截止和电容器C1的电压输出P-Ed和N+Ed的电位，因此构成五电平输出的逆变器。图8示出输出电压(Vout)波形例。本方式相对于通常的双电平型的逆变器而言，其低阶的高次谐波分量较少、且降低了开关元件的开关损耗，因此能构件高效率系统。

此外，图9、图10示出成为图6的五电平转换电路等多电平转换电路的基本形式的电路。图9是将图6的电路中半导体开关S2和S3去除，并将半导体开关S1a～S1c和S4a～S4c分别作为一个开关(Q1、Q4)的结构。此外，图10是将图6中由半导体开关S5和S11、S12构成的双向开关的功能设为双向开关BS1、并将由半导体开关S6和S11、S12构成的双向开关的功能设为双向半导体开关BS2的结构。通过对图9的端子部TA1、TB1或图10的端子部TA2、TB2添加由半导体开关元件等构成的转换电路，从而能实现五电平以上的多电平化(图6是将半导体开关S2与S3相连的示例)。