专利名称：带保护功能的电力转换装置以及控制方法
技术领域：
本发明涉及带保护功能的电力转换装置以及控制方法。
背景技术：
作为控制电流的装置，公知有全桥式磁能再生开关(MERS :Magnetic EnergyRecovery Switch)(以下称为“全桥式 MERS”。)。全桥式MERS具备4个反向导通式半导体开关和I个电容器。全桥式MERS可以通过简单的控制来控制电流。 专利文献I记载了使用全桥式MERS从直流电源向感性负载供给交流电流的电路。在该电路中，对构成全桥式MERS的4个反向导通式半导体开关的导通/断开进行切换，由此使全桥式MERS的电容器和感性负载的电感串联谐振，通过电容器中产生的电压将交流电流供给到感性负载。在先技术文献专利文献专利文献I :日本特开2008-092745号公报
发明内容
发明要解决的问题但是，在专利文献I记载的电路中，例如，当感性负载发生故障而短路(以下称为短路故障)时，超过额定值的电流/电压被供给到反向导通式半导体开关，有时导致反向导通式半导体开关发生故障。本发明正是鉴于上述课题而完成的，其目的在于，提供反向导通式半导体开关不易发生故障的、带保护功能的电力转换装置以及控制方法。解决问题的手段为了达成上述目的，本发明的第一方面的带保护功能的电力转换装置具备磁能再生开关，其具备第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 二极管部、第I至第4开关部、以及连接在所述第I直流端子与第2直流端子之间或者所述第I交流端子与第2交流端子之间的电容器，在所述第I直流端子与第2直流端子之间连接有直流电流源，在所述第I交流端子与第2交流端子之间连接有感性负载，所述第I 二极管部的阳极以及所述第2 二极管部的阴极与所述第I交流端子连接，所述第I 二极管部的阴极以及所述第3 二极管部的阴极与所述第I直流端子连接，所述第2 二极管部的阳极以及所述第4 二极管部的阳极与所述第2直流端子连接，所述第3 二极管部的阳极以及所述第4 二极管部的阴极与所述第2交流端子连接，所述第I开关部与所述第I 二极管部并联连接，所述第2开关部与所述第2 二极管部并联连接，所述第3开关部与所述第3 二极管部并联连接，所述第4开关部与所述第4 二极管部并联连接；控制单元，其以规定的频率，切换由所述第I开关部和所述第4开关部构成的对的导通/断开、与由所述第2开关部和所述第3开关部构成的对的导通/断开，以使得当一方的对为导通时、另一方的对为断开；以及电流检测单元，其检测流过所述感性负载的电流值，输出检测到的电流值，在所述电流检测单元输出的所述电流 值成为第I规定电流值以上后，所述控制单元向全部的所述开关部提供用于使这些开关部断开的断开信号。例如，所述规定的频率是在由所述感性负载的电感与所述电容器的电容决定的谐振频率以下的频率。例如，在所述电流检测单元输出的电流值成为所述第I规定电流值以上后，当经过规定的时间时，所述控制单元向全部的所述开关部提供所述断开信号。例如，在所述电流检测单元输出的电流值成为第I规定电流值以上后，当所述电流检测单元输出的电流值成为第2规定电流值以下时，所述控制单元向全部的所述开关部提供所述断开信号。例如，也可以是，带保护功能的电力转换装置还具备电压检测单元，该电压检测单元检测所述电容器的两端电压，输出检测到的电压值，在所述电流检测单元输出的电流值成为所述第I规定电流值以上后，当所述电压检测单元输出的电压值成为规定的电压值以下时，所述控制单元向全部的所述开关部提供所述断开信号。例如，在所述电流检测单元输出的电流值成为所述第I规定电流值以上后，当所述电压检测单元输出的电压值大致成为O时，所述控制单元向全部的所述开关部提供所述断开信号。此外，为了达成上述目的，本发明的第二方面的带保护功能的电力转换装置具备磁能再生开关，其具备第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 二极管部、第I至第4开关部、以及连接在所述第I直流端子与第2直流端子之间或者所述第I交流端子与第2交流端子之间的电容器，在所述第I直流端子与第2直流端子之间连接有直流电流源，在所述第I交流端子与第2交流端子之间连接有感性负载，所述第I二极管部的阳极以及所述第2 二极管部的阴极与所述第I交流端子连接，所述第I 二极管部的阴极以及所述第3 二极管部的阴极与所述第I直流端子连接，所述第2 二极管部的阳极以及所述第4 二极管部的阳极与所述第2直流端子连接，所述第3 二极管部的阳极以及所述第4 二极管部的阴极与所述第2交流端子连接，所述第I开关部与所述第I 二极管部并联连接，所述第2开关部与所述第2 二极管部并联连接，所述第3开关部与所述第3 二极管部并联连接，所述第4开关部与所述第4 二极管部并联连接；控制单元，其以规定的频率，切换由所述第I开关部和所述第4开关部构成的对的导通/断开、与由所述第2开关部和所述第3开关部构成的对的导通/断开，以使得当一方的对为导通时、另一方的对为断开；以及电压检测单元，其检测所述电容器的两端电压，输出检测到的电压值，当所述电压检测单元输出的电压值大致为O的时间超过规定的时间时，所述控制单元向全部的所述开关部提供使这些开关部断开的断开信号。例如，所述带保护功能的电力转换装置还具备线圈，所述直流电流源是该线圈与直流电压源的串联电路。此外，为了达成上述目的，本发明的第三方面的控制方法是磁能再生开关的控制方法，所述磁能再生开关具备第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 二极管部、第I至第4开关部、以及连接在所述第I直流端子与第2直流端子之间或者所述第I交流端子与第2交流端子之间的电容器，在所述第I直流端子与第2直流端子之间连接有直流电流源，在所述第I交流端子与第2交流端子之间连接有感性负载，第I 二极管部的阳极以及第2 二极管部的阴极与所述第I交流端子连接，所述第I 二极管部的阴极以及所述第3 二极管部的阴极与所述第I直流端子连接，所述第2 二极管部的阳极以及所述第4 二极管部的阳极与所述第2直流端子连接，所述第3 二极管部的阳极以及所述第4 二极管部的阴极与所述第2交流端子连接，所述第I开关部与所述第I 二极管部并联连接，所述第2开关部与所述第2 二极管部并联连接，所述第3开关部与所述第3 二极管部并联连接，所述第4开关部与所述第4 二极管部并联连接，该控制方法具有以下步骤以规定的频率，切换由所述第I开关部和所述第4开关部构成的对的导通/断开、与由所述第2开关部和所述第3开关部构成的对的导通/断开，以使得当一方的对为导通时、另一方的对为断开，并且，检测流过所述感性负载的电流，输出检测到的电流值；以及在所述电流值成为第I规定电流值以上后，向全部的所述开关部提供使这些开关部断开的断开信号。此外，为了达成上述目的，本发明的第四方面的控制方法是磁能再生开关的控制方法，所述磁能再生开关具备第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 二极管部、第I至第4开关部、以及连接在所述第I直流端子与第2直流端子之间或者所述第I交流端子与第2交流端子之间的电容器，在所述第I直流端子与第2直流端子之间连接有直流电流源，在所述第I交流端子与第2交流端子之间连接有感性负载，所述第I二极管部的阳极以及所述第2 二极管部的阴极与所述第I交流端子连接，所述第I二极管部的阴极以及所述第3 二极管部的阴极与所述第I直流端子连接，所述第2 二极管部的阳极以及所述第4 二极管部的阳极与所述第2直流端子连接，所述第3 二极管部的阳极以及所述第4 二极管部的阴极与所述第2交流端子连接，所述第I开关部与所述第I二极管部并联连接，所述第2开关部与所述第2 二极管部并联连接，所述第3开关部与所述第3 二极管部并联连接，所述第4开关部与所述第4 二极管部并联连接，该控制方法具有以下步骤以规定的频率，切换由所述第I开关部和所述第4开关部构成的对的导通/断开、与由所述第2开关部和所述第3开关部构成的对的导通/断开，以使得当一方的对为导通时、另一方的对为断开，并且，检测所述电容器的两端电压，输出检测到的电压值；以及当所述电压值大致为O的时间超过规定的时间时，向全部的所述开关部提供使这些开关部断开的断开信号。根据上述结构，反向导通式半导体开关不易发生故障。
图I是示出本发明的一个实施方式的带保护功能的电力转换装置的结构的图。图2是示出图I的带保护功能的电力转换装置的电流的路径的图。图3是示出图I的带保护功能的电力转换装置的电流的路径的图。图4是示出图I的带保护功能的电力转换装置的电流的路径的图。图5是示出图I的带保护功能的电力转换装置的电流的路径的图。图6是示出图I的带保护功能的电力转换装置的电流的路径的图。图7是示出图I的带保护功能的电力转换装置的电流的路径的图。图8是示出图I的带保护功能的电力转换装置的电流的路径的图。
图9是示出图I的带保护功能的电力转换装置的电流的路径的图。图10是示出与图I的带保护功能的电力转换装置的动作相伴的负载电流和负载电压的变化的图。图11是示出图I的带保护功能的电力转换装置的应用例的图。图12是示出图I的带保护功能的电力转换装置的应用例的图。图13是示出图I的带保护功能的电力转换装置的应用例的图。
具体实施例方式以下，参照附图对本发明的一个实施方式的带保护功能的电力转换装置I进行说 明。如图I所示，带保护功能的电力转换装置I由全桥式MERS100、控制电路200以及电流计300构成，并连接在直流电流源2与感性负载3之间。全桥式MERS100具备4个反向导通式半导体开关SWl至SW4、电容器CM、交流端子 AC1、AC2 (AC Alternating Current (交流电流))以及直流端子 DCP、DCN (DC DirectCurrent (直流电流))。全桥式MERS100的反向导通式半导体开关SWl至SW4具备作为二极管发挥作用的二极管部DSWl至DSW4、以及与二极管部DSWl至DSW4并联连接的开关部(在本实施方式中为自消弧式元件)SSffl至SSW4。开关部SSWl至SSW4包含门极(gate) GSffl至GSW4。反向导通式半导体开关SWl至SW4例如是N沟道型硅MOSFET (MOSFET =MetalOxide Semiconductor Field Effect Transistor (金属氧化物半导体场效应晶体管))。直流电流源2由线圈Ldc与直流电压源VS的串联电路构成。线圈Ldc与直流电压源VS的串联电路连接在全桥式MERS100的直流端子DCP-DCN之间。感性负载3连接在全桥式MERS100的交流端子AC1-AC2之间。二极管部DSWl的阳极以及二极管部DSW2的阴极与全桥式MERS100的交流端子ACl连接，二极管部DSWl的阴极、二极管部DSW3的阴极以及电容器CM的正极与直流端子DCP连接，二极管部DSW2的阳极、二极管部DSW4的阳极以及电容器CM的负极与直流端子DCN连接，二极管部DSW3的阳极以及二极管部DSW4的阴极与交流端子AC2连接。直流电压源VS例如是输出直流电压的蓄电池。直流电压源VS的输出电压例如是175V。线圈Ldc使直流电压源VS的输出电力稳定地提供给全桥式MERS100。线圈Ldc的电感例如是10mH。感性负载3例如由感应加热线圈、电动机等感性负载构成，由电感L和电阻R的串联电路来表示。电流计300检测流过感性负载3的电流值，将检测到的电流值输出到控制电路200。电流计300例如输出与流过感性负载3的电流值对应的电压值，由此检测电流值，并将检测到的电流值输出。在全桥式MERS100中，反向导通式半导体开关SWl至SW4的导通/断开周期地进行切换，由此将从直流端子DCP-DCN间提供的电流转换为交流电流，从交流端子AC1-AC2间输出。
通过对开关部SSWl至SSW4的导通/断开进行切换，来对反向导通式半导体开关Sffl至SW4的导通/断开进行切换。当导通信号输入到门极GSWl时，开关部SSWl导通，当断开信号输入到门极GSWl时，开关部SSWl断开。这样的动作对于反向导通式半导体开关SW2至SW4也是相同的。在反向导通式半导体开关SWl中，在开关部SSWl导通的情况下，二极管部DSWl的两端通过导通的开关部SSWl被短路。在开关部SSWl断开的情况下，反向导通式半导体开关SWl的二极管部DSWl发挥作用。这对于反向导通式半导体开关SW2至SW4也是相同的。分别利用控制电路200输出的门极信号SGl至SG4，对反向导通式半导体开关SWl至SW4各自的导通/断开进行切换。 电容器CM与感性负载3的内部电抗在谐振频率fr下进行谐振。通过电容器CM与感性负载3的内部电抗进行谐振，将蓄积在感性负载3中的磁能以电荷的形式作为静电能量进行蓄积/再生。电容器CM的电容例如是I. 6mF。控制电路200将门极信号SGl至SG4提供给构成全桥式MERS100的4个反向导通式半导体开关SWl至SW4的门极GSWl至GSW4。门极信号SGl至SG4由导通信号和断开信号构成，对反向导通式半导体开关SWl至SW4的导通/断开进行切换。控制电路200例如是由比较器、触发器、计时器、振荡器等构成的电子电路。门极信号SGl至SG4是具有预先设定的频率f、且其占空比为O. 5的信号，门极信号SGl以及门极信号SG4与门极信号SG2以及门极信号SG3是彼此大致反相的信号。频率f被设定为小于电容器CM与感性负载3的内部电抗的谐振频率fr。由于频率f比谐振频率fr小，所以在频率f的半周期内，电容器CM将蓄积在感性负载3的内部电抗中的磁能暂时作为静电能量蓄积，在理想情况下将蓄积的静电能量完全地再生。此外，当反向导通式半导体开关SWl至SW4全部导通时，电容器CM会发生短路，因此以使得反向导通式半导体开关SWl至SW4不会全部导通的方式控制门极信号SGl至SG4。此外，在从电流计300输出的电流值的绝对值超过预先设定的阈值后，当经过预先设定的规定时间时，控制电路200将断开信号提供给全部的反向导通式半导体开关SWl至SW4，使全部的反向导通式半导体开关SWl至SW4断开。例如，当从电流计300输出的电流值的绝对值超过300A时，控制电路200使用计时器来计测时间，当计测了 2微秒时，将断开信号输出到门极SWl至SW4，使全部的反向导通式半导体开关SWl至SW4断开。另外，在从电流计300输出的电流值的绝对值超过300A后直到经过2微秒之前的期间内，控制电路200不对门极信号SGl至SG4进行切换，导通的反向导通式半导体开关维持导通，断开的反向导通式半导体开关维持断开。当超过阈值的电流流过感性负载3时，带保护功能的电力转换装置I使全部的反向导通式半导体开关SWl至SW4断开，由此，自动地切断提供给感性负载3的电流，保护感性负载3以及各元件(特别是保护反向导通式半导体开关SWl至SW4)。当感性负载3发生故障而短路时(短路故障)，可能在反向导通式半导体开关SWl至SW4的至少一个中持续流过超过其额定值的电流。持续流过超过额定值的电流是反向导通式半导体开关SWl至SW4中的至少一个发生故障、或者反向导通式半导体开关SWl至SW4中的至少一个的导通/断开的控制失效的一个原因。在本实施方式中，使用全桥式MERS进行直流交流转换，另外，在大电流流过时自动地切断电流。接着，参照图2至图9，对具有上述结构的带保护功能的电力转换装置I的具体动作、和与该动作相伴的流过感性负载3的电流进行说明。图2至图9是定性地对流过带保护功能的电力转换装置I的电流的路径进行说明的图。图中的箭头用于说明电流流动的方向。以下，假定线圈Ldc的电感为10mH、感性负载3的电阻R为O. 6 Ω、线圈L的电感为6mH、电容器CM的电容为I. 6mF、直流电压源VS的输出为175V来进行说明。此外，假定当从电流计300输出的电流值超过300A时，控制电路200使用计时器对时间进行计测，在2微秒后使全部的反向导通式半导体开关SWl至SW4断开，而进行说明。初始状态是门极信号SG2和SG3为断开信号、门极信号SGl和SG4为导通信号、电 容器CM的电压Vcm与向感性负载3施加的电压Vload均大致为O、电流在后述的图7的路径中流过的时刻TO的状态。(时刻T1-T2)在通过频率f对门极信号SGl至SG4进行切换的时刻Tl，控制电路200使门极信号SG2和SG3成为导通信号，使门极信号SGl和SG4成为断开信号。反向导通式半导体开关SW2、SW3导通，反向导通式半导体开关SWl、SW4断开。如图2所示，电流从感性负载3通过交流端子AC2，经由导通的反向导通式半导体开关SW3并通过直流端子DCP，流入电容器CM的正极。从电容器CM的阴极流出的电流通过直流端子DCN，经由导通的反向导通式半导体开关SW2并通过交流端子AC1，流过感性负载3。(时刻T2-T3)在基于谐振的电容器CM的充电结束的时刻T2，电容器CM开始放电，电流如图3所示那样开始流动。电流从感性负载3通过交流端子AC1，经由导通的反向导通式半导体开关SW2并通过直流端子DCN，流入电容器CM的负极。从电容器CM的正极流出的电流通过直流端子DCP，经由导通的反向导通式半导体开关SW3并通过交流端子AC2，流过感性负载3。(时刻T3-T4)在电容器CM的电荷大致成为O的时刻T3，由于电容器CM的两端电压大致相等，因此电流如图4所示那样开始流动。电流在两条路径中流入感性负载3，这两条路径是通过交流端子AC1、经由断开的反向导通式半导体开关SWl和导通的反向导通式半导体开关SW3、并通过交流端子AC2的路径；以及通过交流端子AC1、经由导通的反向导通式半导体开关SW2和断开的反向导通式半导体开关SW4、并通过交流端子AC2的路径。(时刻T4-T5)在通过频率f对门极信号SGl至SG4进行切换的时刻T4，控制电路200使门极信号SG2和SG3成为断开信号，使门极信号SGl和SG4成为导通信号。反向导通式半导体开关SW2、SW3断开，反向导通式半导体开关SW1、SW4导通。电流如图5所示那样流动。电流从感性负载3通过交流端子ACl，经由导通的反向导通式半导体开关SWl并通过直流端子DCP，流入电容器CM的正极。从电容器CM的阴极流出的电流通过直流端子DCN，经由导通的反向导通式半导体开关SW4并通过交流端子AC1，流过感性负载3。(时刻T5-T6)在基于谐振的电容器CM的充电结束的时刻T5，电容器CM开始放电，电流如图6所示那样流动。电流从感性负载3通过交流端子AC2，经由导通的反向导通式半导体开关SW4并通过直流端子DCN，流入电容器CM的负极。从电容器CM的正极流出的电流通过直流端子DCP，经由导通的反向导通式半导体开关SWl并通过交流端子ACl，流过感性负载3。(时刻T6-T7)
在电容器CM的电荷大致成为O的时刻T6，由于电容器CM的两端电压大致相等，因此电流如图7所示那样开始流动。电流在两条路径中流入感性负载3，这两条路径是通过交流端子AC2、经由断开的反向导通式半导体开关SW3和导通的反向导通式半导体开关Sffl并通过交流端子ACl的路径；以及通过交流端子AC2、经由导通的反向导通式半导体开关SW4和断开的反向导通式半导体开关SW2并通过交流端子ACl的路径。(时刻T7-T8)在通过频率f对门极信号SGl至SG4进行切换的时刻T7，控制电路200再次使门极信号SG2和SG3成为导通信号，使门极信号SGl和SG4成为断开信号。电流再次在如图2所示的路径中流动。通过重复上述动作，带保护功能的电力转换装置I将交流电流提供给感性负载3。此处,在时刻T8，例如假定感性负载3产生金属短路，电阻R与电感L发生了短路。在时刻T8，例如假定门极信号SG2和SG3为导通信号，门极信号SGl和SG4为断开信号，在电容器CM中产生了电压，负载电流Iload为正。当感性负载3短路时，由感性负载3的电阻R产生的电压降消失，流过负载的负载电流Iload的量暂时急剧上升。负载电流Iload是通过释放蓄积在电容器CM中的电荷而流动的电流la、通过释放电路内的线路电感中蓄积的磁能而流动的电流Ib、以及从直流电流源2流出的电流Ic合并后的电流。由于电容器CM短路，蓄积在电容器CM中的电荷所产生的电流Ia在短时间内不再流动，从而谐振不再发生。由于线路电感较小，通过在电路内的线路电感中蓄积的磁能而流动的电流Ib在短时间内不再流动。因此，负载电流Iload的量在暂时急剧上升之后，急剧下降。即，在感性负载3短路后，在带保护功能的电力转换装置I中瞬间流过大电流。另外，由于该大电流只是瞬间流过，因此在该阶段中，反向导通式半导体开关SWl至SW4的至少一个中不会持续流过超过额定值的电流，在该阶段中，反向导通式半导体开关SWl至SW4不易发生故障。从直流电流源2流过短路的感性负载3的电流Ic在如图8所示的路径中流动。直流电流源2输出的电流通过直流端子DCP，经由导通的反向导通式半导体开关SWl并通过交流端子AC1，经由短路的感性负载3并通过交流端子AC2，经由导通的反向导通式半导体开关SW4并通过直流端子DCN，返回直流电流源2。从感性负载3发生短路故障的时刻开始，产生从直流电流源2流过发生故障的感性负载3的电流Ic，电流Ic以由下式示出的增加量dlload/dt增加。
dlload/dt = Ed/Lldc(Ed :直流电压源VS输出的电压，Lldc :线圈Ldc的电感)S卩，通过线圈Ldc的电感Lldc，能够控制每单位时间的电流Ic的增加量。如果电感Lldc较小，则电流Ic急剧地增加，如果电感Lldc较大，则电流Ic缓慢地增加。因此，如果线圈Ldc的电感Lldc较大，则从感性负载3发生短路故障开始的短时间内，再次流过非瞬间的大电流，不会发生反向导通式半导体开关SWl至SW4破坏故障、或者无法控制导通/断开的情况。在本实施例中，Ed为175V，Lldc为10mH，因此，在从感性负载3短路开始的2微秒内，电流Ic大约为35mA。此时，电流Ia以及Ib不再流过(即，所述的瞬间的大电流不再流 过)，流过全桥式MERS100内的电流为电流Ic，最多为35mA。当电流计300检测的电流值的绝对值超过300A时，即，当大电流流过时,控制电路200使用计时器计测时间。秒控制电路200在计时器计测了 2微秒的时刻T9，使全部的门极信号SGl至SG4成为断开信号。此处，如果在反向导通式半导体开关SWl至SW4中流过的电流较多，则即便反向导通式半导体开关SWl至SW4被提供断开信号，也可能不会变成断开。如上所述，在本实施例中，从短路故障起2微秒后流过反向导通式半导体开关SWl至SW4的电流仅为与电流Ic相当的大小,最多为35mA,因此全部的反向导通式半导体开关Sffl至SW4被提供断开信号而变成断开。因此，从直流电压源VS经由线圈Ldc提供给感性负载3的电流被全桥式MERS100切断。在以往的电压型的逆变器中，由于没有发挥线圈Ldc的作用的器件，所以因短路故障而产生的电流的量在短时间内变为非常大。即便在短路故障发生的时刻切断电流，也可能在各开关元件的导通/断开进行切换之前的时间内流过极大的电流而超过各开关元件的电流容量。因此，在以往的电压型的逆变器中对应于电流值而切断电流的控制是不优选的。在本实施方式中，由于存在直流电流源的内部电感或线圈Ldc，短路电流在瞬间急剧地增加以及减少后，缓慢地增加。因此，能够可靠地切断由短路故障引起的电流的过大供
5口 O通过上述动作，带保护功能的电力转换装置I将交流电力提供给感性负载3，例如即便因短路故障而在感性负载3中流过大电流，也会在之后的电流变低时将断开信号提供给反向导通式半导体开关SWl至SW4，因此，能够高精度地切断提供给感性负载3的电流。另外，在反向导通式半导体开关SW1、SW4断开、反向导通式半导体开关SW2、SW3导通的情况下，当感性负载3发生短路故障时，从直流电流源2经由线圈Ldc在短路的感性负载3中流过的电流如图9那样流动。直流电流源2输出的电流通过直流端子DCP，经由导通的反向导通式半导体开关SW3并通过交流端子AC2，经由短路的感性负载3并通过交流端子AC1，经由导通的反向导通式半导体开关SW2并通过直流端子DCN，返回直流电流源2。在图10中示出在使上述结构的带保护功能的电力转换装置I动作的情况下的流过感性负载3的负载电流Iload、施加的负载电压Vload、电容器CM的电压Vcm、门极信号SGl至SG4之间的关系的概念图。另外，关于流过感性负载3的负载电流Iload，将从交流端子ACl经由感性负载3而流过交流端子AC2的方向设为正，流过感性负载3的负载电压Vload是交流端子ACl相对于交流端子AC2的电位。为了便于理解，在图10中将时刻T8-时刻T9在时间轴方向上放大来进行显示。如上所述，从时刻TO到时刻T8，对应于门极信号SGl至SG4的切换，重复电容器电压Vcm的充放电，将电容器电压Vcm作为负载电压Vload施加到感性负载3，交流电流流过感性负载3。在时刻T8，感性负载3短路，在从负载电流Iload超过阈值起大致2微秒后的时刻T9,门极信号SGl至SG4成为断开信号，负载电流Iload被自动地切断。如上所述，带保护功能的电力转换装置I与直流电流源连接，由此能够将交流电
力提供给电动机或感应加热装置等感性负载，在大电流流过感性负载的情况下(电流超过阈值的情况)，在超过阈值后将断开信号提供给反向导通式半导体开关SWl至SW4，即，在流过反向导通式半导体开关SWl至SW4中的至少一个的电流暂时上升后又下降时，将断开信号提供给反向导通式半导体开关SWl至SW4，由此能够可靠地使反向导通式半导体开关SWl至SW4断开，从而切断电流。因此，在全桥式MERS100内流过的电流被切断，所以在构成全桥式MERS100的反向导通式半导体开关SWl至SW4的至少一个中不易流过大电流，不容易发生大电流引起的故障。此外，在超过阈值起的2微秒后，将断开信号提供给门极SWl至SW4，因此，电容器CM的放电结束，反向导通式半导体开关SWl至SW4切断的电流的量较少。因此，带保护功能的电力转换装置I能够安全地切断电路。另外，在实施本发明时，可以考虑各种方式。例如，在上述实施方式中，将反向导通式半导体开关SWl至SW4作为由开关部和寄生二极管构成的N沟道型硅MOSFET进行了说明。但是，反向导通式半导体开关SWl至SW4只要是具有根据导通信号和断开信号来切换导通断开的开关部和二极管部的反向导电式的开关即可，也可以是场效应晶体管、或绝缘栅双极型晶体管(IGBT Jnsulated GateBipolar Transistor)、或门控晶闸管(GTO :Gate Turn-Off thyristor)、或二极管与开关的组合。此外，在上述实施例中，当提供给感性负载3的电流超过阈值时，在2微秒后，控制电路200使全部的反向导通式半导体开关SWl至SW4断开，但时间不限于2微秒。例如，也可以是5微秒后或10微秒后，可以进行调整。此外，在图I所示的带保护功能的电力转换装置I中，也可以是，当电流计300检测的提供给感性负载3的电流值超过阈值后，当电流计300检测的电流值成为规定的电流值以下时，控制电路200使全部的反向导通式半导体开关SWl至SW4断开。例如，在电流计检测到超过300A的电流后，当该电流成为IA以下时，控制电路200可以将断开信号输出到反向导通式半导体开关SWl至SW4。由此，当流过反向导通式半导体开关SWl至SW4中的至少一个的电流在额定值以下时，断开信号被提供给反向导通式半导体开关SWl至SW4，因此，能够高精度地使这些开关断开。此外，在上述实施例中，以感性负载3完全地短路的情况为例进行了说明，但是在感性负载3部分地短路的情况下，通过调整阈值也能够应用。此外，也可以如图11那样，连接用于检测电容器CM的两端电压的电压计400，在电流计300检测的电流值超过阈值后，当电压计400检测的电压值成为规定的电压值以下时，控制电路200使全部的反向导通式半导体开关SWl至SW4断开。该情况下，也可以是，响应于电容器CM的两端电压大致成为O的情况，控制电路200使反向导通式半导体开关SWl至SW4全部断开。此外，也可以是，在电流计300检测的电流值超过阈值后，当经过规定的时间、且电压计400计测的电压值成为规定的电压值以下时，控制电路200使全部的反向导通式半导体开关SWl至SW4断开。根据这些方法，当流过反向导通式半导 体开关SWl至SW4的至少一个中的电流较低时，断开信号被提供给反向导通式半导体开关SWl至SW4，因此能够高精度地使这些开关断开。此外，当感性负载3完全地短路时，感性负载3的线圈L与电容器CM不再谐振，因此在电容器CM放电后，不会再次蓄积电荷。因此，也可以不利用电流计300检测的电流值而在电压计400计测的电压值在一定时间以上保持大致为O的情况下，控制电路200使全部的反向导通式半导体开关SWl至SW4断开。由此，当流过反向导通式半导体开关SWl至SW4中的至少一个的电流较低时，断开信号被提供给反向导通式半导体开关SWl至SW4，能够高精度地使这些开关断开。由此，在感性负载3完全地短路的情况下，能够自动地切断向感性负载3的电力供给。在电容器CM中没有蓄积电荷的情况下发生了短路故障时，负载电流Iload有可能不成为规定的电压值以上，因此该方法在感性负载3完全地短路的情况下更加有效。此外，如图12所示，在全桥式MERS100中，可以代替配置在直流端子DCP-DCN之间的电容器CM，而在交流端子AC1-AC2之间连接无极性的电容器CP。门极信号等不变。伴随全桥式MERS100的反向导通式半导体开关SWl至SW4的导通/断开的切换，通过从直流电源2经由交流端子ACl或AC2而提供的电力，电感器L与电容器CP反复谐振。该情况下，不经由反向导通式半导体开关SWl至SW4而重复在图2至图7中说明的流路中的谐振，所以在反向导通式半导体开关SWl至SW4中电流负担减少。因此，反向导通式半导体开关SWl至SW4的寿命延长。当然，也可以具备电容器CP和电容器CM双方。该情况下的谐振频率由电容器CM与电容器CP的合成电容、以及电感器L的电感来决定。此外，如图13所示，也可以具备电容器CM和电容器CP双方。此外，将控制电路200作为进行上述控制的电子电路进行了说明，但也可以是具备 CPU (Central Processing Unit :中央处理单兀)以及 RAM (Random Access MemoryJiS机存取存储器)或ROM (Read Only Memory :只读存储器)等存储单元的微型控制器(以下称为“微机”。)等计算机。特别是在控制电路200为微机的情况下，如果以与微机输出的I和O的信号对应地使反向导通式半导体开关导通/断开的方式，将反向导通式半导体开关与微机组合，则能够使用微机的输出来切换反向导通式半导体开关的导通/断开，因此部件数较少。该情况下，例如，只要将使得输出上述门极信号的程序预先存储在微机中即可。此外，可以将用于使计算机执行上述控制的程序发布并存储在软盘、CD-ROM(Compact Disc-Read Only Memory)>DVD(Digital Versatile Disk)、M0(Magnet OpticalDisk)等计算机可读取的记录介质中，并将其安装在另外的计算机中，作为上述单元动作，或者，执行上述步骤。进而，也可以将程序存储在因特网上的服务器装置具有的外部存储装置等中，例如，与载波重叠，下载到计算机中等。另外，在不脱离本发明的广义的精神与范围的情况下，本发明可以进行各种实施方式以及变形。此外，上述实施方式只是用于说明本发明，并不限定本发明的范围。本申请基于在2010年I月15日申请的日本专利申请特愿2010-007487号。在本说明书中参照并引用了该说明书、专利请求的范围、以及全部附图。标号说明I :带保护功能的电力转换装置
2:直流电流源3:感性负载100:全桥式 MERS200:控制电路300:电流计400:电压计VS :直流电压源L:电感Ldc :线圈R:电阻AC1、AC2:交流端子DCP、DCN:直流端子SW1、SW2、Sff3, SW4 :反向导通式半导体开关DSffl、DSW2、DSW3、DSW4 : 二极管部SSffl、SSW2、SSW3、SSW4 开关部GSffl、GSW2、GSW3、GSW4 门极CM、CP:电容器
权利要求
1.一种带保护功能的电力转换装置，其特征在于，该带保护功能的电力转换装置具备 磁能再生开关，其具备第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 二极管部、第I至第4开关部、以及连接在所述第I直流端子与第2直流端子之间或者所述第I交流端子与第2交流端子之间的电容器，在所述第I直流端子与第2直流端子之间连接有直流电流源，在所述第I交流端子与第2交流端子之间连接有感性负载，所述第I二极管部的阳极以及所述第2 二极管部的阴极与所述第I交流端子连接，所述第I二极管部的阴极以及所述第3 二极管部的阴极与所述第I直流端子连接，所述第2 二极管部的阳极以及所述第4 二极管部的阳极与所述第2直流端子连接，所述第3 二极管部的阳极以及所述第4 二极管部的阴极与所述第2交流端子连接，所述第I开关部与所述第I 二极管部并联连接，所述第2开关部与所述第2 二极管部并联连接，所述第3开关部与所述第3 二极管部并联连接，所述第4开关部与所述第4 二极管部并联连接； 控制单元，其以规定的频率，切换由所述第I开关部和所述第4开关部构成的对的导通/断开、与由所述第2开关部和所述第3开关部构成的对的导通/断开，以使得当一方的对为导通时、另一方的对为断开；以及 电流检测单元，其检测流过所述感性负载的电流值，输出检测到的电流值， 在所述电流检测单元输出的所述电流值成为第I规定电流值以上后，所述控制单元向全部的所述开关部提供用于使这些开关部断开的断开信号。
2.根据权利要求I所述的带保护功能的电力转换装置，其特征在于， 所述规定的频率是在由所述感性负载的电感与所述电容器的电容决定的谐振频率以下的频率。
3.根据权利要求I所述的带保护功能的电力转换装置，其特征在于， 在所述电流检测单元输出的电流值成为所述第I规定电流值以上后，当经过规定的时间时，所述控制单元向全部的所述开关部提供所述断开信号。
4.根据权利要求I所述的带保护功能的电力转换装置，其特征在于， 在所述电流检测单元输出的电流值成为第I规定电流值以上后，当所述电流检测单元输出的电流值成为第2规定电流值以下时，所述控制单元向全部的所述开关部提供所述断开信号。
5.根据权利要求I所述的带保护功能的电力转换装置，其特征在于， 所述带保护功能的电力转换装置还具备电压检测单元，该电压检测单元检测所述电容器的两端电压，输出检测到的电压值， 在所述电流检测单元输出的电流值成为所述第I规定电流值以上后，当所述电压检测单元输出的电压值成为规定的电压值以下时，所述控制单元向全部的所述开关部提供所述断开信号。
6.根据权利要求5所述的带保护功能的电力转换装置，其特征在于， 在所述电流检测单元输出的电流值成为所述第I规定电流值以上后，当所述电压检测单元输出的电压值大致成为O时，所述控制单元向全部的所述开关部提供所述断开信号。
7.一种带保护功能的电力转换装置，其特征在于，该带保护功能的电力转换装置具备磁能再生开关，其具备第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 二极管部、第I至第4开关部、以及连接在所述第I直流端子与第2直流端子之间或者所述第I交流端子与第2交流端子之间的电容器，在所述第I直流端子与第2直流端子之间连接有直流电流源，在所述第I交流端子与第2交流端子之间连接有感性负载，所述第I二极管部的阳极以及所述第2 二极管部的阴极与所述第I交流端子连接，所述第I二极管部的阴极以及所述第3 二极管部的阴极与所述第I直流端子连接，所述第2 二极管部的阳极以及所述第4 二极管部的阳极与所述第2直流端子连接，所述第3 二极管部的阳极以及所述第4 二极管部的阴极与所述第2交流端子连接，所述第I开关部与所述第I 二极管部并联连接，所述第2开关部与所述第2 二极管部并联连接，所述第3开关部与所述第3 二极管部并联连接，所述第4开关部与所述第4 二极管部并联连接； 控制单元，其以规定的频率，切换由所述第I开关部和所述第4开关部构成的对的导通 /断开、与由所述第2开关部和所述第3开关部构成的对的导通/断开，以使得当一方的对为导通时、另一方的对为断开；以及 电压检测单元，其检测所述电容器的两端电压，输出检测到的电压值， 当所述电压检测单元输出的电压值大致为O的时间超过规定的时间时，所述控制单元向全部的所述开关部提供使这些开关部断开的断开信号。
8.根据权利要求I所述的带保护功能的电力转换装置，其特征在于， 所述带保护功能的电力转换装置还具备线圈， 所述直流电流源是该线圈与直流电压源的串联电路。
9.一种磁能再生开关的控制方法， 所述磁能再生开关具备第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 二极管部、第I至第4开关部、以及连接在所述第I直流端子与第2直流端子之间或者所述第I交流端子与第2交流端子之间的电容器，在所述第I直流端子与第2直流端子之间连接有直流电流源，在所述第I交流端子与第2交流端子之间连接有感性负载，第I 二极管部的阳极以及第2 二极管部的阴极与所述第I交流端子连接，所述第I 二极管部的阴极以及所述第3 二极管部的阴极与所述第I直流端子连接，所述第2 二极管部的阳极以及所述第4 二极管部的阳极与所述第2直流端子连接，所述第3 二极管部的阳极以及所述第4 二极管部的阴极与所述第2交流端子连接，所述第I开关部与所述第I 二极管部并联连接，所述第2开关部与所述第2 二极管部并联连接，所述第3开关部与所述第3 二极管部并联连接，所述第4开关部与所述第4 二极管部并联连接， 该控制方法具有以下步骤 以规定的频率，切换由所述第I开关部和所述第4开关部构成的对的导通/断开、与由所述第2开关部和所述第3开关部构成的对的导通/断开，以使得当一方的对为导通时、另一方的对为断开，并且，检测流过所述感性负载的电流，输出检测到的电流值；以及 在所述电流值成为第I规定电流值以上后，向全部的所述开关部提供使这些开关部断开的断开信号。
10.一种磁能再生开关的控制方法， 所述磁能再生开关具备第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 二极管部、第I至第4开关部、以及连接在所述第I直流端子与第2直流端子之间或者所述第I交流端子与第2交流端子之间的电容器，在所述第I直流端子与第2直流端子之间连接有直流电流源，在所述第I交流端子与第2交流端子之间连接有感性负载，所述第I二极管部的阳极以及所述第2 二极管部的阴极与所述第I交流端子连接，所述第I二极管部的阴极以及所述第3 二极管部的阴极与所述第I直流端子连接，所述第2 二极管部的阳极以及所述第4 二极管部的阳极与所述第2直流端子连接，所述第3 二极管部的阳极以及所述第4 二极管部的阴极与所述第2交流端子连接，所述第I开关部与所述第I 二极管部并联连接，所述第2开关部与所述第2 二极管部并联连接，所述第3开关部与所述第·3 二极管部并联连接，所述第4开关部与所述第4 二极管部并联连接， 该控制方法具有以下步骤 以规定的频率，切换由所述第I开关部和所述第4开关部构成的对的导通/断开、与由 所述第2开关部和所述第3开关部构成的对的导通/断开，以使得当一方的对为导通时、另一方的对为断开，并且，检测所述电容器的两端电压，输出检测到的电压值；以及 当所述电压值大致为O的时间超过规定的时间时，向全部的所述开关部提供使这些开关部断开的断开信号。
全文摘要
带保护功能的电力转换装置(1)由全桥式MERS(100)、控制电路(200)以及电流计(300)构成，连接在直流电流源(2)与感性负载(3)之间。电流计(300)对提供给感性负载(3)的电流值进行计测。控制电路(200)对构成全桥式MERS(100)的4个反向导通式半导体开关(SW1～SW4)进行切换，由此将从直流电流源(2)输出的电力转换为交流电力而提供给感性负载(3)。此外，当感性负载(3)发生短路故障等而流过大电流从而电流计(300)检测的电流值成为规定的值以上时，控制电路(200)使全部的反向导通式半导体开关(SW1～SW4)断开，从而切断电流。
文档编号H02H7/122GK102714470SQ20118000608
公开日2012年10月3日 申请日期2011年1月14日 优先权日2010年1月15日
发明者北原忠幸 申请人:莫斯科技株式会社