DC/ACインバーターにトランスを接続すると

質問

DC48V入力AC200V8000W（２線）出力のインバーターに、1φ3w200V（100-0-100）を出力したく容量を選定し、トランスを制作して接続しました。
試験時に、トランス２次側に4000Wクラスの負荷（ドライヤー）を接続した状態では何の問題もなかったのですが、ほぼ無負荷状態（リレー、パイロットランプのみ）の場合、なぜか数分でインバーターのMOS-FETが爆発溶断します。
インバーターを２台駄目にして中を開けると、１台目のインバーターはDC昇圧側のMOS-FET２個が爆発、２台目はDC-AC変換部のIGBT（写真）が４個中３個破損しました。
原因が分からず非常に困っております。原因と解決方法、どなたかお知恵をお貸しください。

回答No.2

ninoue · ベストアンサー

先ずシンクロスコープ等を接続して負荷両端、DC昇圧部等の電圧(や電流等)を測定して確認されたら問題が明らかになるのではないでしょうか。

トランスや負荷にリアクタンス分を持っている場合、毎サイクル毎の電圧や電流の切換え時に思わぬ高電圧が発生しているのではと考えられます。

適当な回路が一寸見当たらなかったので次の図を参考に検討します。

http://www.ekouhou.net/disp-fterm-5H007AA02-p5.html
半導体モジュール及びこれを備える電源装置
(この一番右側のアームを省き、IGBTが四組組み込まれた形だと思われますが)

A:
DC-AC変換部のIGBTには逆並列にフライホイールダイオードが接続されている筈ですが、
IGBT, Diodeの耐圧や電流容量は100%負荷電流対応、電源投入時のラッシュ電流を考えるとその数倍程度?は必要だと思われますが、問題無いでしょうか。
(短時間許容電流カーブ等で確認下さい)

ソフトスタート回路が設けてあれば、これらの問題は緩和されると思います。

(最初のサイクルではトランスの磁束が0の状態から始まり、半サイクル:0-90度までの間で磁束は飽和する。更に90-180度の間、同じ極性の電圧が加えられるためトランス磁束は飽和し、過大励磁電流が流れ続ける。
但しこの問題はトランスにドライヤー負荷を接続した場合はOKとの事だから関係無いと思われる)

B:
DC昇圧回路の出力側のフィルタ用コンデンサ:Cfの容量は十分か

昇圧回路の高周波スイッチング:fs周波数10kHz?から考えて容量を決定されているのではないかと考えられます。

一方トランス等のインダクタンス負荷の場合、電圧を切換えても暫くは同じ方向に電流は流れ続けようとします。
この電流はIGBTと逆並列のダイオードを通して直流側へ還流して行く事になります。

従ってCfはこの負荷側周波数fo=50Hzの還流電流を受け止める容量が必要です。
この容量が小さい場合には過大な電圧が発生しているものと考えられます。

但しトランスに抵抗負荷が接続されている場合には、電源側に還流しなくてもかなりの割合はその抵抗側に流れ続ける事が出来ますので、無負荷状態よりも緩和されているものと思われます。
このCfに発生する電圧について考えてみます。

Cf*V=Q

V=250volt　? （出力電圧、IGBT許容電圧:余裕度を持って決定)

追記注:
昇圧部出力の電圧値の還流電流による余分な電圧上昇分としては、250Vでは困りますね
例えば昇圧部の元々の電圧が250V出力、これが更に250V上昇すると500Vになってしまいます。
以下の計算はこの事は考慮していませんので更に大きな容量が必要かも知れません。

Q=(1/4-cycle)*(1/50-sec)*(還流電流)
還流電流はソフトスタート機能があるものと考え、負荷電流の20%程度で見積ります。
Q=0.25*0.02*(8000watt/200volt)*0.2=0.005*40*0.2=0.04 (クーロン)

Cf>Q/V=0.04/250=0.16/1000=0.16*10^(-3)Farad
容量:2πCf*V^2=2*π*50*0.16*10^(-3)*200^2=1kva

200V-1kvaの力率改善用コンデンサ相当をDC昇圧回路出力に接続する必要があるようです。

また、コンデンサへの突入電流を制限しIGBTの破壊を防ぐ意味で、このコンデンサと直列に小容量の直列コイル:リアクターを接続する必要があると思われます。
またこのコンデンサに加わる電圧波形は高周波で歪も多いので、200V用では問題が発生する可能性も考えられますので、200V-1kva用ではなく、400V-2kvaが必要かも知れません。

但し概略直流電圧で、交流分の比率は小さいので、200v用のままでそんなに気にしないでも良いのかも知れません。
詳しくはコンデンサメーカに問い合わされると安心です。

以上の他にも問題があるかも知れませんが、電圧波形等を確認しながらテストして行って下さい。
出来れば出力電圧波形、ソフトスタート回路の有無、検討やテスト結果等をお知らせ下さい。

お礼

ご回答いただいてから大分時間が経ってしまいましたが、まずはお礼ということでどうもありがとうございました。大変参考になりました。

結果的に３台インバーターを爆発させてみたのですが、現場だと爆発、インバーター屋さんで同一環境を作り出して試験をすると何も起きないというバッドスパイラルに。
オシロスコープで見てもおかしな兆候もないのですが、壊れた状況から考えると、先にDC-ACのIGBTが破壊され、その結果DC-DC部に大電流が要求されMOSFETが爆発、直流側のブレーカーが落ちる。
という推測になりました。
ならばと、通常４個使いのIGBTを東芝からIR製に変更、さらに８個使いにしたところ、本日の現場でのテストでも問題が起きませんでした。
もう少し様子を見る必要はありそうですが、とりあえず経過観察という状況です。
しかしインバーターとトランス、あなどりがたし、そういう感じでした。
ありがとうございました。

回答No.1

fjnobu

トランスを無負荷で接続すると、インバータとしては純インダクタンス負荷となります。
インダクタンス負荷だと、ＯＦＦ時に逆起電力が発生して大電圧が出ます。
その電圧で、素子を破壊したものと思います。
トランスを繋ぐ必要があるなら、インダクタンス負荷に耐えるものを探さなければなりません。

お礼

大分遅くなりましたが、ご返信遅くなりまして失礼しました。
結果的にIGBTを強化するという方法で解決の糸口が見えました。
ご回答ありがとうございました。