多电平逆变器的制造方法
【专利摘要】本发明涉及一种3电平以上的多电平逆变器，其避免开关元件的损坏，并抑制故障造成的安全性下降。本发明的多电平逆变器（100）具有：串联在与正端子（P1）和负端子（N）之间的开关元件（U1、V1、W1、X2、Y2、Z2）；分别连接在开关元件彼此的各连接点与中间端子（G）之间的反向阻断型开关元件（110）；交流输出端子（OU、OV、OW）；生成用于切换多个开关元件通/断的控制信号的控制部（120）；在有切断交流输出端子的输出电压的切断信号输入时，无论控制信号的状态如何，分别切断对第1开关元件（U1、V1、W1）和第2开关元件（X2、Y2、Z2）的控制信号的控制信号切断电路（140）；和诊断控制信号切断电路的故障的监视部（160）。
【专利说明】多电平逆变器
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种将直流电转换为交流电的多电平逆变器。
【背景技术】
[0002]关于将直流电转换为交流电的逆变器，已普及有多电平逆变器，其利用开关元件(半导体开关)来切换施加有直流电压的正端子、负端子和中间端子之间的连接。对于连接于中间端子的开关元件而言，由于和连接于正端子/负端子的开关元件相比开关电压小，因此可选择低耐压元件，能够采用电子特性较好的元件。
[0003]但是，当试图紧急停止连接于逆变器的电动机时，如果所有的开关元件同时断开，则与正端子、和与负端子的电位差作用在连接于耐压低的中间端子的开关元件上，可能导致损坏。因此，有人提出，当紧急停止电动机时，先将连接于正端子和负端子的开关元件断开，稍后再将连接于中间端子的开关元件断开(例如，专利文献I)。
[0004]另外，近年，对于电子设备等，为避免由于故障引起的人身伤害事故，制定有将风险纳入允许范围内的各种国际标准。例如，在IEC61800-5-2标准中，要求搭载当紧急停止电动机时，确保电动机停止的STO (安全力矩关闭Safe Torque OFF)功能。
[0005]关于2电平逆变器，有人提出，作为适合于IEC61800-5-2标准的结构，分别设置使连接于正端子的开关元件失效的电路、和使连接于负端子的开关元件失效的电路(例如，专利文献2)。在2电平逆变器中，如果使正端子和负端子中任一一方的开关元件失效，则切断
向电动机的供电，因此即使上述任--方的电路发生故障，若另一方的电路正常工作，电动
机也可被停止。`
[0006]现有技术文献
[0007]专利文献
[0008]专利文献1:日本发明申请公开2002-078351号公报
[0009]专利文献2:日本发明申请公开2010-284051号公报
【发明内容】
[0010]例如，对于专利文献I中记载的3级以上的多电平逆变器，像专利文献2中记载的2电平逆变器那样，将使连接于各端子的开关元件失效的电路分别设置于各端子。此时，即使在正端子、负端子、中间端子中，使连接于任一一端子的开关元件失效，也会由于其余两端子间通电，造成必须使至少和两个端子连接的开关元件失效才能安全地停止功能。
[0011]另外，如上所述，通过以根据专利文献I所记载技术的顺序使开关元件失效，使能避免开关元件损坏的可能性提高。但是，在3级以上的多电平逆变器中，与2电平逆变器相t匕，由于用于停止功能的电路复杂化，因此可能导致故障率升高、安全性下降。
[0012]因此，鉴于上述问题，本发明的目的在于提供一种多电平逆变器，其对于3级以上的多电平逆变器，可以避免开关元件的损坏，且抑制由故障引起的安全性下降。
[0013]为解决上述课题，本发明的多电平逆变器，其特征在于，具有，多个直流输入端子，其按照电位从高到低的顺序从第I?第η配置，其中η为3以上的奇数；第I?第η_1开关元件，其串联在所述第I直流输入端子及所述第η直流输入端子之间；第η?第(η-1)(3/2 )开关元件，其分别连接在作为第I?第η-1开关元件彼此的连接点的第I?第n-2连接点与第2?第η-1所述直流输入端子之间；交流输出端子，其与所述第I?第η-1开关元件彼此的任一连接点连接；控制部，其生成用于切换所述第I?第(η-1) (3/2)开关元件通断的控制信号；控制信号切断电路，当有用于切断所述交流输出端子的输出电压的输出切断信号输入时，无论所述控制信号的状态如何，该控制信号切断电路按照从直接连接于与第(η+1)/2所述直流输入端子的电位差最大的所述直流输入端子的所述开关元件，到直接连接于与第(η+1) /2所述直流输入端子的电位差最小的所述直流输入端子的所述开关元件的顺序，分别切断所述控制信号；和监视部，其对所述控制信号切断电路输出用于对该控制信号切断电路进行故障诊断的诊断信号，根据由该控制信号切断电路对该诊断信号做出的应答，诊断所述控制信号切断电路的故障。
[0014]优选当有诊断信号输入时，无论控制信号的状态如何，控制信号切断电路按照从直接连接于与第(η+1)/2直流输入端子的电位差最大的直流输入端子的开关元件，到直接连接于与第(η+1) /2直流输入端子的电位差最小的直流输入端子的开关元件的顺序，分别切断控制信号。
[0015]优选在控制信号切断电路对诊断信号做出的应答表示该控制信号切断电路发生故障时，无论控制信号的状态如何，监视部按照从直接连接于与第(η+1)/2直流输入端子的电位差最大的直流输入端子的开关元件，到直接连接于与第(η+1)/2直流输入端子的电位差最小的直流输入端子的开关元件的顺序，分别使控制信号切断。
[0016]优选控制信号切断电路具有两组逻辑电路，其在有输出切断信号或诊断信号中任一方输入时，各输出用于切断控制信号的控制切断信号，监视部对两组逻辑电路的任一方输出诊断信号。在作为由逻辑电路对该诊断信号做出的应答的控制切断信号表示控制信号切断电路发生故障时，在该两组逻辑电路任一的另一方，无论控制信号的状态如何，监视部按照从直接连接于与第(η+1) /2直流输入端子的电位差最大的直流输入端子的开关元件，到直接连接于与第(η+1)/2直流输入端子的电位差最小的直流输入端子的开关元件的顺序，分别使控制信号切断。
[0017]本发明的多电平逆变器，在有输出切断信号输入到控制信号切断电路时，向控制部输出控制切断信号。优选地，在输出切断信号输入后经过规定时间，无论控制信号的状态如何，控制信号切断电路按照从直接连接于与第(η+1)/2直流输入端子的电位差最大的直流输入端子的开关元件，到直接连接于与第(η+1)/2直流输入端子的电位差最小的直流输入端子的开关元件的顺序，分别切断控制信号。优选此时，若有控制切断信号输入，则在经过规定时间之前，控制部使多个开关元件中第I开关元件和第η-1开关元件以外的开关元件接通。
[0018]本发明的多电平逆变器优选还具有光电耦合器，其设置在控制部、和直接连接于第(η+1) /2直流输入端子以外的直流输入端子的开关元件之间的控制信号的输入路径，包括发光元件和受光元件。此时，通过停止向发光元件施加电源电压，无论控制信号的状态如何，控制信号切断电路按照从直接连接于与第(η+1)/2直流输入端子的电位差最大的直流输入端子的开关元件，到直接连接于与第(η+1)/2直流输入端子的电位差最小的直流输入端子的开关元件的顺序，分别切断控制信号。
[0019]优选地，本发明的多电平逆变器还具有三态电路，其设置在控制部、和直接连接于第(n+1) /2直流输入端子以外的直流输入端子的开关元件之间的控制信号的输入路径，可将输出切换为高阻抗。此时，通过将控制信号切断电路的全部输出切换为高抗阻，无论控制信号的状态如何，控制信号切断电路按照从直接连接于与第(n+1)/2直流输入端子的电位差最大的直流输入端子的开关元件，到直接连接于与第(n+1)/2直流输入端子的电位差最小的直流输入端子的开关元件的顺序，分别切断所述控制信号。
[0020]优选地，本发明的多电平逆变器还具有设置在控制部、和直接连接于第(n+1)/2直流输入端子以外的直流输入端子的开关元件之间的控制信号的输入路径上的光电耦合器和三态电路的串联电路，光电耦合器包括发光元件和受光元件，三态电路可将输出切换为高抗阻。此时，通过停止向发光元件施加电源电压，并将控制信号切断电路的全部输出切换为高抗阻，无论控制信号的状态如何，控制信号切断电路按照从直接连接于与第(n+l)/2直流输入端子的电位差最大的直流输入端子的开关元件，到直接连接于与第(n+1)/2直流输入端子的电位差最小的直流输入端子的开关元件的顺序，分别切断控制信号。
[0021]如上所述，在本发明中，对于3级以上的多电平逆变器，即使发生故障也能安全地切断输出电压，并且避免开关元件损坏。
【专利附图】
【附图说明】
[0022]图1为表示第一实施方式的逆变器的示意结构的说明图。
[0023]图2为说明输出电压的切断处理的说明图。
[0024]图3为说明监视部的故障诊断处理的说明图。
[0025]图4为表示第二实施方式的逆变器的示意结构的说明图。
[0026]图5为表示变形例的逆变器的示意结构的说明图。
[0027]图6为表示第三实施方式的逆变器的示意结构的第一图。
[0028]图7为表示第三实施方式的逆变器的示意结构的第二图。
[0029]附图标记说明
[0030]Id1第I直流输入端子
[0031]b2第2直流输入端子
[0032]b3第3直流输入端子
[0033]b4第4直流输入端子
[0034]b5第5直流输入端子
[0035]M 电动机
[0036]N 负端子(第3直流输入端子)
[0037]G 中间端子(第2直流输入端子)
[0038]P1正端子(第I直流输入端子)
[0039]Ou, Ov, Off交流输出端子
[0040]U1, V1, W1第I开关元件
[0041]X2、Y2、Z2、U4、V4、W4 第 2 开关元件
[0042]X1, Y1, Z1第3开关元件[0043]X4, Y4, Z4第4开关元件
[0044]U5, V5, W5第5开关元件
[0045]X5> Y5, Z5第6开关元件
[0046]100、200、200a、300逆变器(多电平逆变器)
[0047]110,310反向阻断型开关元件
[0048]120,320 控制部
[0049]130,330 (330a、330b)光电耦合器
[0050]132发光元件
[0051]134受光元件
[0052]140、240、240a控制信号切断电路
[0053]142、144、242、244 逻辑电路
[0054]150、152 延迟电路
[0055]160监视部
[0056]230、232 三态电路
【具体实施方式】
[0057]以下参照附图，说明本发明的优选实施方式。该实施方式中所示的尺寸、材料、其他具体数值等，是用来使发明便于理解的示例，除非有特殊说明，否则不作为对本发明的限定。在本说明书和附图中，对于功能、结构实质相同的要素，使用相同的附图标记，省略重复说明，并省略与本发明没有直接关系的要素的图示。
[0058](第一实施方式:逆变器100)
[0059]图1为表示第一实施方式的逆变器100的示意性结构的说明图。逆变器100包括:直流输入端子(正端子P1、负端子N、中间端子G)、开关元件(第I开关元件U1 JpW1、第2开关元件X2、Y2、Z2)、反向阻断型开关元件110、续流二极管(freewheeling diodes) 112、控制部120、光电耦合器130、控制信号切断电路140、延迟电路150、152和监视部160。开关元件的各端子称为绝缘栅双极型晶体管(IGBT)。
[0060]本实施方式的逆变器100，具有按照电位从高到低顺序从第I~第n(n为3以上的奇数)配置的多个直流输入端子。这里，η为3，即，以具有第I直流输入端子(正端子P1X第2直流输入端子(中间端子G)和第3直流输入端子(负端子N)的3电平逆变器为例。η=3，开关元件为第I~第2 (=第η-1)开关元件。从分别与U相、V相、W相应的交流输出端子(V Ov, Off向电动机M输入由逆变器100从直流变换成3相交流的电力。
[0061]在逆变器100中，在正端子P1和负端子N之间串联有第I和第2开关元件。其中，第I开关元件UpVpW1集电极与正端子P1连接，发射极经反向阻断型开关元件110与中间端子G连接，栅极与后述的控制部120连接。第2开关元件\、Y2, Z2集电极与负端子N连接，发射极经反向阻断型开关元件110与中间端子G连接，栅极与控制部120连接。
[0062]交流输出端子(V Ov, Ow分别与第I~第η-1开关元件连接，即，与第I开关元件Up Vp W1、第2开关元件\、￥ 2、22之间的各连接点连接。即，交流输出端子CVCVOw与多个开关元件彼此的任一连接点连接。
[0063]反向阻断型开关元件110分别为第η~第(η-1) (3/2)开关元件。这里，逐一连接于第I开关元件UpVpW1、第2开关元件X2、Y2、Z2的之间各连接点；和第2~第η-1直流输入端子(这里，因为η为3所以仅有第2直流输入端子)，即，第2直流输入端子(中间端子G)之间。
[0064]反向阻断型开关元件110由反向耐压的两个开关元件(元件U2、V2、W2和元件XpYi> Z1)反向并列地连接而成。
[0065]通过将反向阻断型开关元件110连接于其他开关元件(第I开关元件Up'、W1、第2开关元件\、\、Z2)和中间端子G之间，与现有设置双向开关的情形相比，可减少用于反向耐压的二极管的数量。同时，可与减少的二极管相应地降低接通电压。
[0066]另外，对于各开关元件(第I开关元件Up%、W1、第2开关元件X2、Y2、Z2)，为避免反电动势引起的过电压，而配置有续流二极管112。续流二极管112的阴极连接于集电极，阳极连接于发射极。利用续流二极管112和开关元件的组合来构成桥臂(arm)。
[0067]控制部120包括FPGA(现场可编程逻辑门阵列，Field-Programmable Gate Array)和 ASIC (专用集成电路，Application Specific Integrated Circuit)。控制部 120 根据来自未图示的外部装置的外部信号，生成脉冲信号(门脉冲)的控制信号，切换开关元件(第
I开关元件Up Vp W1，第2开关元件X2、Y2、Z2)的通/断和反向阻断型开关元件110各方向的通/断。在图1中，为便于理解，对于从控制部120到开关元件的连接路径，省略其一部分。
[0068]控制部120，例如，对控制信号进行PWM(脉冲宽度调变，Pulse Width Modulation)控制，生成交流输出端 子Ou的输出电压波形、交流输出端子Ov的输出电压波形和交流输出端子Ow的输出电压波形。此时，控制部120近似地再现由外部装置的外部信号所指示的频率的交流电压波形。
[0069]在电动机M运转时，控制部120从外部装置接收停止电动机M的控制信号，并停止生成该控制信号，关闭开关元件。此时，控制部120在停止(将开关断开)生成向反向阻断型开关元件110 (元件队、^^^^^)的控制信号之前，先停止生成向第I开关元件UpV1J1和第2开关元件X2、Y2、Z2的控制信号。通过上述结构，可以抑制对反向阻断型开关元件110施加大电压。
[0070]如上所述，控制部120具有强计算能力，其基于PWM控制等来调整各开关元件的接通与断开的时间。但是，另一方面，为了应对如此复杂的处理，结构不得不变得复杂，存在故障风险。因此，在本实施方式中，在电动机M紧急停止时等，利用光电耦合器130和控制信号切断电路140实现准确的停止电动机M的STO (安全力矩关闭Safe Torque OFF)功能。
[0071]光电耦合器130设置于控制部120与第I开关元件U1J1J1、第2开关元件X2、Y2、Z2之间的控制信号的输入路径。光电稱合器130包括发光兀件132 (发光二极管)和受光元件134 (光电晶体管)，对发光元件132的阳极施加来自后述的控制信号切断电路140的电压。控制部120使用负逻辑，通过使与发光元件132阴极连接的端子的电压转为低电平(low level)而使发光元件132发光，来输出控制信号。另外，在受光元件134的集电极连接有正端子匕。利用上述光电耦合器130，可以在保持从控制部120向第I开关元件U1JpW1和第2开关元件X2、Y2、Z2的控制信号的路径绝缘的状态下传递信号。
[0072]在紧急停止电动机M时等，控制信号切断电路140响应来自外部装置的外部信号，对光电I禹合器130输出控制切断信号。在输入了输出切断信号，不管是否有控制信号输入，光电耦合器130切断对第I开关元件UpVpW1、和向第2开关元件X2、Y2、Z2的控制信号。此时，从外部装置输出的外部信号是用于切断交流输出端子0?、Ov, Off的输出电压的输出切断信号。作为输出切断信号发送端的外部装置，可以与向控制部120发送外部信号的外部装置为同一设备，也可以是单独的装置。
[0073]这里，通过停止向光电耦合器130的发光元件132的阳极施加电源电压，执行第I开关元件Up Vp W1及第2开关元件\、\、Z2的断开处理。即，控制信号切断电路140通过停止对光电耦合器130施加电压，分别切断向第I开关元件Up'、W1、第2开关元件Χ2、Υ2、Z2的控制信号。在本实施方式中，将停止向该光电耦合器130施加电压作为控制切断信号，用于切断从控制部120向开关元件的控制信号。
[0074]本发明的多电平逆变器中，在切断向第I开关元件Up V1, W1和第2开关元件Χ2、Υ2、ζ2的控制信号的结构中使用光电耦合器130。由此，可以同时切断控制部120与第I开关元件Up Vp W1、第2开关元件\、\、Z2的连接，能够用简单的结构停止电动机Μ。在此基础上，即使万一从开关元件侧流过异常电流，由于通过光电耦合器130确保了绝缘性，因此可以避免控制部120的故障。另外，也能抑制因控制部120侧的时钟频率等的高频传递到开关元件侧而产生的干扰。[0075]另外，在本实施方式中，控制信号切断电路140包括两组逻辑电路142、144、延迟电路150、152、和晶体管154、156。分别对逻辑电路142、144单独输入输出切断信号。这里，将外部信号发送至逻辑电路142、144的外部装置可以分别对逻辑电路142、144单独设置，也可以为同一个装置。逻辑电路142、144分别为输入输出切断信号的电路和输出控制切断信号的电路，在该逆变器100中，使基于逻辑电路142、144的扭矩切断(Torque OFF)功能冗余。
[0076]延迟电路150、152被分别设置于从逻辑电路142、144向光电I禹合器130的电压传递路径上。延迟电路150被连接于集电极侧与正端子P2连接的晶体管154的基极，晶体管154的发射极与晶体管156的集电极连接。
[0077]延迟电路152与晶体管156的基极连接，光电耦合器130分别并联于晶体管156的发射极。如上所述，将串联的晶体管154、156的基极，分别经延迟电路150、152连接于逻辑电路142、144。
[0078]因此，如果停止对逻辑电路142、144的任何一方施加电压，则不对光电耦合器130施加电压。即，逻辑电路142、144能够分别单独实行扭矩切断功能。
[0079]延迟电路150、152使基于逻辑电路142、144的第I开关元件U1' V1, W1、及第2开关元件X2、Y2、Z2的断开处理，晚于基于控制部120的控制信号的开关元件断开处理。
[0080]图2为用于说明输出电压的切断处理的说明图。在输出交流电压使电动机M运转时，如图2(a)所示，令控制部120接收来自外部装置的使电动机M停止的外部信号。同时，构成控制信号切断电路140的逻辑电路142、144也分别接收输出切断信号。
[0081]在输入有输出切断信号时，控制信号切断电路140经延迟电路150、152向光电耦合器130输出控制切断信号。如图1所示，因为该控制切断信号与延迟电路150的输入并联输入到控制部120，所以即使在未正常输入外部信号的情形下，控制部120也能开始使电动机M停止的控制。
[0082]如图2(b)所示，在经过规定时间之前，控制部120输出使反向阻断型开关元件110维持接通的控制信号。之后，如图2(c)所示，控制部120输出使第I开关元件Up VpW1和第2开关兀件X2、Y2、Z2断开的控制信号。此时，在光电稱合器130的发光兀件132的阳极仍然施加有电源电压，控制信号通过光电耦合器130传递至第I开关元件Up V1, W1和第2开关元件X2、Y2、Z2。
[0083]此时，如果反向阻断型开关元件110正常切换为接通，使第I开关元件U1JpW1和第2开关元件Χ2、Υ2、Ζ2正常切换为断开，则可以避免开关元件的损坏。
[0084]另外，如图2(d)所示，设想控制部120不能正常使第I开关元件Up \、W1和第2开关元件X2、Y2> Z2断开(OFF)的情况。即使在这种情形下，如图2(e)所示，在向控制信号切断电路140输入了输出切断信号并经过规定时间时，向光电耦合器130传递从延迟电路150、152经过的控制切断信号。这样，停止向光电耦合器130的发光元件132阳极施加电压。如此，无论控制信号状态如何，控制信号切断电路140分别切断对第I开关元件U1JpW1和第2开关元件X2、Y2、Z2的控制信号(ST0 (安全扭矩切断)功能)。
[0085]在经过规定时间，第I开关元件Up \、W1和第2开关元件X2、Y2、Z2断开后，如图2(b)所示，控制部120输出使反向阻断型开关元件110断开的控制信号。
[0086]即使控制部120不能正常使反向阻断型开关元件110断开，也因为仅有中间端子G的电位被输出到电动机Μ,所以电动机M停止。
[0087]但是，如果控制信号切断电路140发生故障，则如上所述的STO功能无法启动。因此，逆变器100具有用于诊断控制信号切断电路140故障的监视部160。以下，对监视部160在电动机M停止时(控制部120未生成控制信号时)进行故障诊断的情形进行说明。
[0088]根据规定的时机(例如，规定的时间间隔)，监视部160分别向逻辑电路142、144输出用于诊断控制信号切断电路140故障的诊断信号。诊断信号与例如切断信号同样地，使逻辑电路142、144发挥作用。
[0089]然后，作为来自控制信号切断电路140的应答，经逻辑电路142、144、延迟电路150、152和晶体管154、156输出的控制切断信号，被输入监视部160。根据从该晶体管154、156输出的控制切断信号，进行故障诊断处理。
[0090]图3为用于说明监视部160的故障诊断处理的说明图。在电动机M停止时，启动由监视部160所进行的故障诊断处理，监视部160发送诊断信号I。在故障诊断处理中，若生成基于控制部120的控制信号，则中止故障诊断处理。
[0091]如图3所示，诊断信号I和诊断信号2均为方波脉冲，监视部160按时间上不重复的时序输出诊断信号I和诊断信号2。并且，监视部160分别监视与诊断信号I相应的控制切断信号I和与诊断信号2相应的控制切断信号2。
[0092]具体来说，在开始输出诊断信号I后，监视部160对直到有控制切断信号I输入为止的延迟时间T1，与由逻辑电路142和延迟电路150确定的正常延迟时间范围进行比较。当延迟时间不在正常延迟时间范围内时，监视部160判断控制信号切断电路140(逻辑电路142、延迟电路150和晶体管154中任一个)发生故障。
[0093]同样地，在开始输出诊断信号2后，监视部160对直到有控制切断信号2输入为止的延迟时间T2，与由逻辑电路144和延迟电路152确定的正常延迟时间范围进行比较。当延迟时间不在正常延迟时间范围内时，监视部160判断控制信号切断电路140 (逻辑电路144、延迟电路152和晶体管156中任一个)发生故障。[0094]另外，诊断信号I和诊断信号2为方波。除上述延迟时间1\、T2，监视部160还测定从诊断信号I和诊断信号2的输出完成，到控制切断信号I和控制切断信号2的输入完成为止的延迟时间T3、T4。并且，与分别相应的正常延迟时间比较，判断故障。
[0095]另外，监视部160对从分别开始输出诊断信号I和诊断信号2，到输出完成的时间宽度范围T5、T6，从开始有控制切断信号I和控制切断信号2的输入，到输入完成的时间范围Τ7、Τ8。由此，根据比较的结果是否在允许误差范围内，来判断故障。
[0096]以上，说明了在电动机M停止时进行故障诊断的情形，但即使电动机M在工作中，也可以由监视部160进行故障诊断。例如，除了对控制信号切断电路140，还对监视部160输入该输出切断信号。此时，在故障诊断中，另外设置对光电耦合器130的发光元件132的阳极施加电压的单元，监视部160在有输出切断信号被输入时，进行故障诊断。另外，通过并联晶体管154、156，可以在使逻辑电路142、144中任一方执行运作的状态下，对任另一方执行故障诊断。
[0097]如上所述，监视部160向两组逻辑电路142、144中任一方输出诊断信号，检测作为逻辑电路142、144对该诊断信号做出的应答的控制切断信号。在控制切断信号表示控制信号切断电路140发生故障时，监视部160向两组逻辑电路142、144中任另一方输出诊断信号。如此，分别切断对第I开关元件Up'、W1和第2开关元件Χ2、Υ2、Ζ2的控制信号。
[0098]利用具有监视部160的结构，逆变器100可在控制信号切断电路140发生故障时，容易地检测、修复该故障。因为逻辑电路142、144两者同时发生故障的概率为两者的故障率的乘积，所以与单个逻辑电路的情形相比，能够显著提高安全性。
[0099]在本实施方式中，即使逻辑电路142、144中，任一方发生了故障，由于另一方也能够执行电动机M的扭矩切断功能，因此可进一步提高逆变器100的安全性。
[0100]在本实施方式中，对控制信号切断电路140具有两个逻辑电路142、144的情形进行了说明，但是，控制信号切断电路140也可以不具有两个逻辑电路。这种情形下，如果控制信号切断电路140对诊断信号做出的应答表示控制信号切断电路140发生故障，监视部160分别切断向第I开关元件U1J1' W1和第2开关元件\、\、Z2的控制信号切断。
[0101]具体来说，监视部160可以停止对光电耦合器130的发光元件132的阳极施加电压(未图示)。另外，监视部160也可以设置有能够向控制部120通知控制信号切断电路140发生故障的路径(未图示)，利用控制部120的控制信号使第I开关元件Up V1, W1和第2开关元件Χ2、Υ2、Ζ2断开。此外，对于当监视部160检测到控制信号切断电路140的故障时，使第I开关元件Up %、W1和第2开关元件X2、Y2、Z2断开的方法，并没有限定。
[0102](第2实施方式:逆变器200)
[0103]在上述第I实施方式中，具有光电耦合器130，由控制信号切断电路140停止对光电耦合器130施加电压。以此对实施第I开关元件U1' V1, W1和第2开关元件\、Y2> Z2的断开处理的情形进行了说明。在第2实施方式中，代替光电耦合器130，具有三态电路230、232。并且，对控制信号切断电路240经三态电路230、232，进行第I开关元件U1' V1'W1和第2开关元件Χ2、\、Z2的断开处理的情况进行说明。在第2实施方式中，对于与上述第I实施方式相同的结构使用相同的附图标记，并省略其详细说明。
[0104]图4为表示第2实施方式的逆变器200的示意结构的说明图。如图4所示，逆变器200包括直流输入端子(正端子P1、负端子N、中间端子G)、开关元件(第I开关元件U1J1J1和第2开关元件X2、Y2' Z2)、反向阻断型开关元件110、续流二极管112、控制部120、三态电路230、232、下拉电路234、或门电路236、238、控制信号切断电路240、延迟电路150、152和监视部160。以下，详细说明与第I实施方式结构不同的三态电路230、232、下拉电路234、或门电路236、238和控制信号切断电路240。
[0105]三态电路230、232分别具有可以将输出切换为高阻抗的逻辑电路，设置于控制部120，与第1开关元件仏、￥1、胃1和第2开关元件&、￥2、22之间。三态电路230被连接在比三态电路232靠近控制部120 —侧。
[0106]下拉电路234分别与三态电路230和三态电路232的连接路径，以及三态电路232和第I开关元件Up V1、W1、第2开关元件X2、Y2、Z2的连接路径连接。在三态电路230、232的输出为高抗阻时，下拉电路234将输出固定于低电平。其结果是，使得第I开关元件UpV1^ W1、第2开关元件X2、Y2> Z2断开。
[0107]以下说明在逆变器200中配置下拉电路234的情形。但是，若设计成当三态电路230,232的输出为高抗阻时，第I开关元件UpVpW1和第2开关元件Χ2、Υ2、Ζ2断开，则也可以配置上拉电路来代替下拉电路234。
[0108]当接收到来自外部装置的输出切断信号时，不管有无控制信号输出，控制信号切断电路240分别切断对第I开关元件Up '、W1和向第2开关元件X2、Y2、Z2的控制信号，使其断开。
[0109]具体来说，控制信号切断电路240由逻辑电路242、244，下拉电路234，以及或门电路236、238构成。逻辑电路242、244分别连接于三态电路230、232。逻辑电路242、244进行控制，使该三态电路230、232的所有输出同时为高抗阻，来分别切断对第I开关元件Up%、W1、第2开关元件Χ2、Υ2、Ζ2的控制信号，使其断开。
[0110]因为三态电路230、232的两电路串联，所以如果任一方的输出为高抗阻，所连接的第I开关元件U1、V1、W1和第2开关元件X2、Y2、Z2即被断开。即，逻辑电路242、244均单独具有扭矩切断功能。
[0111]如此，与上述第I实施方式相同，在逆变器200中，切断信号被输入到控制信号切断电路240。无论由控制部120生成的控制信号的生成状态如何，控制信号切断电路240将使第I开关元件仏、'、11、第2开关元件&、￥2、22断开。因此，可抑制因反向阻断型开关元件110的过载电压造成的损坏，并且通过STO功能提高安全性。
[0112]尤其是，在第2实施方式中，将三态电路230、232应用于使第I开关元件U1J1Ji和第2开关元件X2、Y2、Z2断开的结构。因此，在逆变器200中，老化的影响小，能够确保实施电动机M的扭矩切断。
[0113]三态电路230的输出经下拉电路234输入到一个或门电路236，同样地，三态电路232的输出经下拉电路234输入到一个或门电路238。监视部160根据或门电路236、或门电路238各自的逻辑和输出进行故障诊断处理。即，无论是否设置三态电路230为高抗阻，如果或门电路236、238输出高电平，则判断与该输出相应的逻辑电路242、244发生故障。
[0114]如上所述，与上述第I实施方式相同，通过具有监视部160，即使逻辑电路242、244中任一方发生故障，逆变器200也能够容易地检测、修复其故障。因为逻辑电路242、244两者同时发生故障的概率 为两者故障率的乘积，所以与只有一个三态电路的情形相比，能大幅度提高安全性。[0115]图5为表示变形例的逆变器200a的示意结构的说明图。在图5中，对于与上述图1、图4所示结构实质上相同的各开关元件的结构，将控制部120侧的信号传输放大表示，以便于理解，因此省略图示。
[0116]如图5所示，在逆变器200a中，对上述第I实施方式和第2实施方式进行组合，同时具有光电耦合器130和三态电路232。
[0117]详细地说，在控制部120和第I开关元件U1J1J1、第2开关元件X2、Y2、Z2之间的控制信号输入路径上，设置有光电耦合器130和三态电路232的串联电路。
[0118]在光电耦合器130中，逻辑电路142经延迟电路150和晶体管154与发光元件132的阳极连接，由此施加来自控制信号切断电路240a的电压。另外，三态电路232经延迟电路152与逻辑电路144连接。
[0119]控制信号切断电路240a进行控制，停止对发光元件132的电源电压的施加，并使控制三态电路232的所有输出同时成为高抗阻。由此，分别切断对第I开关元件Up V1, W1和对第2开关元件\、\、Z2的控制信号。
[0120]对于光电耦合器130和三态电路232而言，因为结构不同，对温度、湿度、振动等环境条件的耐用性也不同。因此，光电耦合器130和三态电路232同时损坏的概率，低于两个光电耦合器130或者两个三态电路230、232同时损坏的概率。因此，能进一步提高逆变器200a的安全性。
[0121](第3实施方式:逆变器300)
[0122]在上述第1、第2实施方式中，说明了 3电平逆变器的逆变器100、200。在第3实施方式中，对5电平逆变器的逆变器300进行说明。在第3实施方式中，对于与上述第1、第2实施方式相同的结构使用相`同附图标记，并省略其说明。
[0123]图6为表示第3实施方式的逆变器300的示意结构的第I图。图7为表示第3实施方式的逆变器300的示意结构的第2图。这里，为便于理解，将各图放大表示，因此将一个逆变器300分成两个图表示。另外，在图6、图7中，为便于理解，省略从图6所示的控制部320到图7所示的各开关元件的连接路径中的一部分。
[0124]如图6和图7所示，逆变器300包括第I直流输入端子Id1~第5直流输入端子b5、开关元件(第I开关元件UpVpW1，第2开关元件^、胃4，第3开关元件XpYpZ1，第4开关元件X4、Y4、Z4,第5开关元件U5、V5, W5,第6开关元件X5、Y5> Ζ5)、反向阻断型开关元件310、续流二极管112、控制部320、光电耦合器330、控制信号切断电路140、延迟电路150、152、358和监视部160。这里，详细叙述与第I实施方式结构不同的第I直流输入端子h~第5直流输入端子b5、开关元件、反向阻断型开关元件310、控制部320、光电耦合器330和延迟电路358。
[0125]直流输入端子按电位从高到低顺序，从第I直流输入端子bl~第5直流输入端子b5进行配置。即，相对第I实施方式中η为3,在第3实施方式中η为5。
[0126]在逆变器300中，在第I直流输入端子Id1和第5直流输入端子b5之间，连接有多个开关元件(第I开关元件U1、V1、W1，第2开关元件U4、V4、W4，第3开关元件X1、Y1、Z1，第4开关元件X4、Y4、Z4，第5开关元件％、￥5、胃5，第6开关元件X5、Y5、Z5)。
[0127]其中，在第I开关元件1'、11中，集电极连接于正端子P1，发射极通过反向阻断型开关元件310连接于第2直流输入端子b2，栅极连接于控制部320。另外，第4(=第η-1)开关元件\、\、24中，发射极连接于第5直流输入端子135，集电极通过反向阻断型开关元件310连接于第4直流输入端子b4，栅极连接于控制部320。
[0128]另外，第2开关元件U4、V4、W4和第3开关元件Xp Y1, Z1串联于第I开关元件U1'\、W1和第4开关元件X4、Y4、Z4之间。每相分别串联的第5开关元件U5' V5, W5和第6开关元件Χ5、Υ5、Ζ5并联于每相分别串联的第2开关元件1、^4和第3开关元件XpYpZ115交流输出端子(V Ov, Off分别连接于第5开关元件U5' V5, W5与第6开关元件X5、Y5、Z5的各连接点。
[0129]在多个开关元件，这里为第I开关元件Up %、W1和第2开关元件^、胃4的各相的连接点，与第2直流输入端子b2之间，分别逐个连接有反向阻断型开关元件310。进而，在第3开关元件Xp Y1, Z1和第4开关元件X4、Y4、Z4,与第4直流输入端子b4之间，也逐个连接有反向阻断型开关元件310。反向阻断型开关元件310为，将具有反向耐压性质的两个开关元件(元件U2、V2、W2和元件U3、V3、W3、元件X2、Y2、Z2和元件X3、Y3、Z3)反向并联而成。
[0130]控制部320具有与上述第I实施方式相同的结构，但由于增加了开关元件的数量，因此部分不同。具体来说，在电动机M运转时，若从外部装置收到停止电动机M的控制信号，则停止生成该控制信号，并使开关元件断开。此时，与反向阻断型开关元件310，以及第2开关元件U4、V4、W4，第3开关元件Xp Y:、Z1，第5开关元件仏^、.^和第6开关元件X5、Y5、Z5相比，控制部320先停止生成对第I开关元件Up'、W1和第4开关元件Χ4、Υ4、Ζ4的控制信号。
[0131]在此状态下，可能在从第2直流输入端子b2~第4直流输入端子b4与交流输出端子(V Ov, Ow之间通电。因此，若不经意地使其余的开关元件(反向阻断型开关元件310，以及第2开关元件U4、V4^ff4,第3开关元件Xp Yp Z1，第5开关元件U5' V5、W5和第6开关元件χ5、y5、z5)断开,贝U可能由于过电压而损坏。
[0132]因此，接下来，停止生成对反向阻断型开关元件310的控制信号。然后，停止生成对第2开关元件^、W4、第3开关元件Xp Yp Z1、第5开关元件仏、^^和第6开关元件Χ5、Υ5、Ζ5的控制信号。通过按此顺序使开关元件断开，来避免开关元件的损坏。
[0133]光电稱合器330具有与上述第I实施方式的光电稱合器130相同的结构。但是，除了设置在控制部320，与第I开关元件Up \、W1、第2开关元件U4、V4、W4之间，还设置在控制部320与反向阻断型开关元件310 (元件U2、V2、W2、元件U3、V3、W3、元件X2、Y2、Z2、元件X3、Y3、Z3)之间的控制信号的输入路径上。
[0134]光电稱合器330与上述光电稱合器130相同，并联于晶体管156的发射极。在此状态下，控制切断信号直接从晶体管156的发射极传送到用于切断对第I开关元件Up V1,W1和第2开关兀件114、￥4、胃4的控制信号的光电稱合器330a。
[0135]另一方面，从晶体管156的发射极，到用于切断对反向阻断型开关元件310的控制信号的光电耦合器310b的连接路径上，设置有延迟电路358。因此，在从晶体管156输出控制切断信号时，首先，利用光电耦合器330a切断对第I开关元件U1J1J1、第2开关元件U4、V4、W4的控制信号。然后，利用光电耦合器330b切断对反向阻断型开关元件310的控制信号。
[0136]在经过延迟电路150、152、358的延迟时间后，控制部320停止生成对其余开关元件(第2开关元件U4、V4、W4、第3开关元件Xp Yp Z1、第5开关元件U5、V5、W5和第6开关元件X5、Y5、Z5)的控制信号。
[0137]如上所述，根据第3实施方式的逆变器300，即使是5电平逆变器，也能避免开关元件的损坏，并且可实现STO功能。由于与上述第1、第2实施方式和变形例相同，也具有监视部160，因此在控制信号切断电路140发生故障时，能容易检测并修复其故障，可提高安全性。
[0138]以上，参照【专利附图】
【附图说明】了本发明的优选实施方式，但本发明不限于上述实施方式。作为本领域的技术人员，在权利要求所记载的范围内，能够想到各种变形例或修改例是不言而喻的，上述变形例或修改例无疑也属于本发明的技术范围。
[0139]在上述第I?第3实施方式中，说明了控制信号切断电路140、240具有两个逻辑电路142、144和242、244，构成冗余的情形。但是，也可以不使控制信号切断电路140、240冗余。
[0140]另外，在上述第1、第2的实施方式、变形例中，说明了 3电平逆变器的逆变器100、200、200a，在第3实施方式中，说明了 5电平逆变器的逆变器300。但是，逆变器为3电平以上即可，也可为7电平以上的逆变器。
[0141]本发明可用于将直流电转换为交流电的多电平逆变器。
【权利要求】
1.一种多电平逆变器，其特征在于，具有: 多个直流输入端子，其按照电位从高到低的顺序从第I~第η配置，其中η为3以上的奇数； 第I~第η-1开关元件，其串联在所述第I直流输入端子及所述第η直流输入端子之间； 第η~第(η-1) (3/2)开关元件，其分别连接在作为第I~第η_1开关元件彼此的连接点的第I~第n-2连接点与第2~第η-1所述直流输入端子之间； 交流输出端子，其与所述第I~第η-1开关元件彼此的任一连接点连接； 控制部，其生成用于切换所述第I~第(η-1) (3/2)开关元件通断的控制信号； 控制信号切断电路，当有用于切断所述交流输出端子的输出电压的输出切断信号输入时，无论所述控制信号的状态如何，该控制信号切断电路按照从直接连接于与第(η+1)/2所述直流输入端子的电位差最大的所述直流输入端子的所述开关元件，到直接连接于与第(η+1) /2所述直流输入端子的电位差最小的所述直流输入端子的所述开关元件的顺序，分别切断所述控制信号；和 监视部，其对所述控制信号切断电路输出用于对该控制信号切断电路进行故障诊断的诊断信号，根据由该控制信号切断电路对该诊断信号做出的应答，诊断所述控制信号切断电路的故障。
2.根据权利要求1所述的多电平逆变器，其特征在于， 当有所述诊断信号输入时，无论所述控制信号的状态如何，所述控制信号切断电路按照从直接连接于与第(η+1)/2所述直流输入端子的电位差最大的所述直流输入端子的所述开关元件，到直接连接于与第(η+1) /2所述直流输入端子的电位差最小的所述直流输入端子的所述开关元件的顺序，分别切断所述控制信号。
3.根据权利要求1或2所述的多电平逆变器，其特征在于， 在所述控制信号切断电路对所述诊断信号做出的应答表示该控制信号切断电路发生故障时，无论所述控制信号的状态如何，所述监视部按照从直接连接于与第(η+1) /2所述直流输入端子的电位差最大的所述直流输入端子的所述开关元件，到直接连接于与第(η+1) /2所述直流输入端子的电位差最小的所述直流输入端子的所述开关元件的顺序，分别使所述控制信号切断。
4.根据权利要求1~3中任一项所述的多电平逆变器，其特征在于， 所述控制信号切断电路具有两组逻辑电路，其在有所述输出切断信号或所述诊断信号中任一方输入时，各输出用于切断所述控制信号的控制切断信号， 在对所述两组逻辑电路的任一方输出所述诊断信号，并且作为由逻辑电路对该诊断信号做出的应答的所述控制切断信号表示该控制信号切断电路发生故障时，在该两组逻辑电路任一的另一方，无论所述控制信号的状态如何，所述监视部按照从直接连接于与第(η+1)/2所述直流输入端子的电位差最大的所述直流输入端子的所述开关元件，到直接连接于与第(η+1) /2所述直流输入端子的电位差最小的所述直流输入端子的所述开关元件的顺序，分别使所述控制信号切断。
5.根据权利要求1~4中任一项所述的多电平逆变器，其特征在于， 在有所述输出切断信号输入时，所述控制信号切断电路向所述控制部输出所述控制切断信号，在该输出切断信号输入后经过规定时间，无论所述控制信号的状态如何，所述控制信号切断电路按照从直接连接于与第(η+1)/2所述直流输入端子的电位差最大的所述直流输入端子的所述开关元件，到直接连接于与第(η+1) /2所述直流输入端子的电位差最小的所述直流输入端子的所述开关元件的顺序，分别切断该控制信号， 当有所述控制切断信号输入时，在经过所述规定时间之前，所述控制部使所述多个开关元件中，所述第I开关元件和所述第η-1开关元件以外的开关元件接通。
6.根据权利要求1~5中任一项所述的多电平逆变器，其特征在于， 还具有光电耦合器，其设置在所述控制部、和直接连接于第(η+1) /2所述直流输入端子以外的所述直流输入端子的所述开关元件之间的所述控制信号的输入路径，包括发光元件和受光兀件， 通过停止向所述发光元件施加电源电压，无论所述控制信号的状态如何，所述控制信号切断电路按照从直接连接于与第(η+1)/2所述直流输入端子的电位差最大的所述直流输入端子的所述开关元件，到直接连接于与第(η+1)/2所述直流输入端子的电位差最小的所述直流输入端子的所述开关元件的顺序，分别切断所述控制信号。
7.根据权利要求1~5中任一项所述的多电平逆变器，其特征在于， 还具有三态电路，其设置在所述控制部、和直接连接于第(η+1)/2所述直流输入端子以外的所述直流输入端子的所述开关元件之间的所述控制信号的输入路径，可将输出切换为高阻抗， 通过将所述控制信号切断电路的全部输出切换为高抗阻，无论所述控制信号的状态如何，所述控制信号切断电路按照从直接连接于与第(η+1) /2所述直流输入端子的电位差最大的所述直流输入端子的所述开关元件，到直接连接于与第(η+1) /2所述直流输入端子的电位差最小的所述直流输入端子的所述开关元件的顺序，分别切断所述控制信号。`
8.根据权利要求1~5中任一项所述的多电平逆变器，其特征在于， 还具有设置在所述控制部、和直接连接于第(η+1) /2所述直流输入端子以外的所述直流输入端子的所述开关元件之间的所述控制信号的输入路径上的光电耦合器和三态电路的串联电路，所述光电耦合器包括发光元件和受光元件，所述三态电路可将输出切换为高抗阻， 通过停止向所述发光元件施加电源电压，并将所述控制信号切断电路的全部输出切换为高抗阻，无论所述控制信号的状态如何，所述控制信号切断电路按照从直接连接于与第(η+1) /2所述直流输入端子的电位差最大的所述直流输入端子的所述开关元件，到直接连接于与第(η+1) /2所述直流输入端子的电位差最小的所述直流输入端子的所述开关元件的顺序，分别切断所述控制信号。
【文档编号】H02M1/36GK103825443SQ201310571757
【公开日】2014年5月28日 申请日期:2013年11月13日 优先权日:2012年11月19日
【发明者】佐藤以久也 申请人:富士电机株式会社