JP2001016866A - 多レベル中性点電位固定型電力変換装置 - Google Patents
多レベル中性点電位固定型電力変換装置Info
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Abstract
峻な電流の立ち上がり(dI/dt)、電圧急変(dV
/dt)、またゲート回路への外乱を抑制すると共に、
小型化、経済性、および信頼性の向上を図ること。 【解決手段】互いに直列接続された2組のコンデンサC
1,C2の接続点を中性点Cとし、正極Pおよび負極N
を有する直流電源Vと、複数個の半導体素子US1,U
S2,US3,US4をブリッジ接続してなり、直流電
源Vを交流電圧に逆変換して負荷に交流電力を供給する
多レベル逆変換回路とを備えて構成される多レベル中性
点電位固定型電力変換装置において、多レベル逆変換回
路と直流電源Vの正極P、負極N、および中性点Cとの
間に、それぞれ可飽和リアクトルLP、LN、LCを接
続する。
Description
る直流電源と、複数個の半導体素子からなる多レベル逆
変換回路とから構成される多レベル中性点電位固定型電
力変換装置に係り、特に多レベル逆変換回路を構成する
半導体素子の安全な動作を確保すると共に損失の低減を
図れるようにした多レベル中性点電位固定型電力変換装
置に関するものである。
点電位固定型電力変換装置の構成例を示す回路図であ
る。
インバータ装置の1相分のみの構成例について示してい
る。
は、直流電源と、多レベル逆変換回路である3レベルイ
ンバータ回路とから構成されている。
直流電源1a,1bの接続点を中性点とし、正極P、お
よび負極Nを有する。
制御付き半導体素子(以下、単に半導体素子と称する)
US1,US2,US3,US4と、2個のダイオード
UD1,UD2とを、図示のように接続して構成され、
直流電源を交流電圧に逆変換して、図示しない負荷に交
流電力を供給する。
良く知られているので、ここではその説明については省
略する。
いる半導体素子US1,US2,US3,US4、ダイ
オードUD1,UD2を過電圧から保護するために、一
般に用いられるスナバ回路が設けられている。
が大きくなると、図12のA部に示すように、充放電ス
ナバ回路S11a,S11b,S12a,S12bを、
図示のように半導体素子毎に個別に設けるか、B部に示
すように、クランプ式スナバ回路S21a,S21b,
S22a,S22bを図示のように設けるか、いずれか
または両方が採用される場合が多い。
の大容量化(例えば、4.5KV−4KA遮断)に伴な
い、大電流を高速でターンオン、ターンオフすることが
可能になってきている。
立ち上がりdI/dt(特に、フリーホイールダイオー
ド還流時の反対側半導体素子のターンオンによるダイオ
ードの逆回復時)による半導体素子の破損防止を防止す
るため、3レベルインバータ回路と直流電源の正極Pお
よび負極Nとの間に、それぞれdI/dt抑制用リアク
トルである非飽和リアクトル2aおよび2bが設けられ
る場合が多い。
dt抑制用リアクトルは、装置の高圧大容量化に伴なっ
て、それぞれの外形が大きくなること、また価格も高騰
することが余儀なくされており、経済的ではない。
駆動型半導体素子の発展に伴なって、高電圧大電流を高
速でスイッチングすることが可能となり、例えば多レベ
ルインバータ装置では、直流電圧が数KVの高圧大容量
インバータ装置が実用化されてきている。
子保護用のスナバ回路やdI/dt抑制リアクトルは、
電力変換装置の部品数も多く、また外形も大きくなるこ
とから、信頼性や経済性の点で問題があり、その改良が
強く望まれてきている。
成する半導体素子の急峻な電流の立ち上がり(dI/d
t)を抑制することができ、小型化、経済性、および信
頼性の向上を図ることが可能な多レベル中性点電位固定
型電力変換装置を提供することにある。
めに、互いに直列接続された2組のコンデンサの接続点
を中性点とし、正極および負極を有する直流電源と、複
数個の半導体素子をブリッジ接続してなり、直流電源を
交流電圧に逆変換して負荷に交流電力を供給する多レベ
ル逆変換回路とを備えて構成される多レベル中性点電位
固定型電力変換装置において、請求項1の発明では、多
レベル逆変換回路と直流電源の正極および負極との間
に、それぞれ可飽和リアクトルを接続している。
電位固定型電力変換装置においては、多レベル逆変換回
路と直流電源の正極および負極との間にそれぞれ可飽和
リアクトルを接続することにより、これら正極および負
極に設けた可飽和リアクトルに電流が流れ始める時に、
電流の立ち上りを抑制することができ、電力変換装置を
構成する半導体素子の立ち上り電流(dI/dt)を抑
制して、ストレスを軽減することが可能となる。
換回路と直流電源の中性点との間に、可飽和リアクトル
を接続している。
電位固定型電力変換装置においては、多レベル逆変換回
路と直流電源の中性点との間に可飽和リアクトルを接続
することにより、中性点に設けた可飽和リアクトルに電
流が流れ始める時に、電流の立ち上りを抑制することが
でき、電力変換装置を構成する半導体素子の立ち上り電
流(dI/dt)を抑制して、ストレスを軽減すること
が可能となる。
変換回路と直流電源の正極、負極、および中性点との間
に、それぞれ可飽和リアクトルを接続している。
電位固定型電力変換装置においては、多レベル逆変換回
路と直流電源の正極、負極、および中性点との間に、そ
れぞれ可飽和リアクトルを接続することにより、これら
正極および負極、およびに設けた可飽和リアクトルに電
流が流れ始める時に、電流の立ち上りを抑制することが
でき、電力変換装置を構成する半導体素子の立ち上り電
流(dI/dt)を抑制して、ストレスを軽減すること
が可能となる。
求項1乃至請求項3のいずれか1項の発明の多レベル中
性点電位固定型電力変換装置において、直流電源の正極
と中性点との間、および負極と中性点との間に、それぞ
れサージ電圧抑制回路を設けている。
電位固定型電力変換装置においては、上記請求項1乃至
請求項3のいずれか1項の発明と同様の作用を奏するの
に加えて、直流電源の正極と中性点との間、および負極
と中性点との間にそれぞれサージ電圧抑制回路を設ける
ことにより、直流電源から電力変換回路までの配線イン
ダクタンスと可飽和リアクトルのエネルギーによるサー
ジ電圧を吸収して、サージ電圧を抑制することが可能と
なる。
換回路の各相毎に、直流電源の正極および負極との間
に、それぞれ可飽和リアクトルを接続している。
電位固定型電力変換装置においては、多レベル逆変換回
路の各相毎に、直流電源の正極および負極との間にそれ
ぞれ可飽和リアクトルを接続することにより、これら正
極および負極に設けた可飽和リアクトルに電流が流れ始
める時に、各相間の干渉なく電流の立ち上りを抑制する
ことができ、電力変換装置を構成する半導体素子の立ち
上り電流(dI/dt)を抑制して、ストレスを軽減す
ることができると共に、装置の容量を大きくすることが
可能となる。
換回路の各相毎に、直流電源の中性点との間に、可飽和
リアクトルを接続している。
電位固定型電力変換装置においては、多レベル逆変換回
路の各相毎に、直流電源の中性点との間に可飽和リアク
トルを接続することにより、中性点に設けた可飽和リア
クトルに電流が流れ始める時に、各相間の干渉なく電流
の立ち上りを抑制することができ、電力変換装置を構成
する半導体素子の立ち上り電流(dI/dt)を抑制し
て、ストレスを軽減することができると共に、装置の容
量を大きくすることが可能となる。
変換回路の各相毎に、直流電源の正極、負極、および中
性点との間に、それぞれ可飽和リアクトルを接続してい
る。
電位固定型電力変換装置においては、多レベル逆変換回
路の各相毎に、直流電源の正極、負極、および中性点と
の間にそれぞれ可飽和リアクトルを接続することによ
り、正極、負極、および中性点に設けた可飽和リアクト
ルに電流が流れ始める時に、各相間の干渉なく電流の立
ち上りを抑制することができ、電力変換装置を構成する
半導体素子の立ち上り電流(dI/dt)を抑制して、
ストレスを軽減することができると共に、装置の容量を
大きくすることが可能となる。
求項5乃至請求項7のいずれか1項の発明の多レベル中
性点電位固定型電力変換装置において、多レベル逆変換
回路の各相毎に、直流電源の正極と中性点との間、およ
び負極と中性点との間に、それぞれサージ電圧抑制回路
を設け、多レベル逆変換回路を構成する個々の半導体素
子にはスナバ回路を設けないようにしている。
電位固定型電力変換装置においては、上記請求項5乃至
請求項7のいずれか1項の発明と同様の作用を奏するの
に加えて、直流電源の正極と中性点との間、および負極
と中性点との間にそれぞれサージ電圧抑制回路を設ける
ことにより、直流電源から電力変換回路までの配線イン
ダクタンスと可飽和リアクトルのエネルギーによるサー
ジ電圧を吸収して、サージ電圧を抑制することが可能と
なる。
乃至請求項8のいずれか1項の発明の多レベル中性点電
位固定型電力変換装置において、可飽和リアクトルは、
比透磁率が大きく角型B−H特性を有し、その電圧時間
積は多レベル逆変換回路を構成する半導体素子の電圧降
下時間(tr)、逆回復時間(trr)、または順回復
時間(tfr)以上の時間積を確保するように選定して
いる。
電位固定型電力変換装置においては、可飽和リアクトル
は、比透磁率が大きく角型B−H特性を有し、その電圧
時間積は多レベル逆変換回路を構成する半導体素子の電
圧降下時間(tr)、逆回復時間(trr)、または順
回復時間(tfr)以上の時間積を確保するように選定
することにより、半導体素子のオン後に電流が流れ始め
るため、スイッチング損失を軽減することができる。
4または請求項8の発明の多レベル中性点電位固定型電
力変換装置において、サージ電圧抑制回路を、コンデン
サと直列にダイオードを接続し、かつ当該ダイオードと
並列に抵抗を接続して構成している。
点電位固定型電力変換装置においては、サージ電圧抑制
回路を、コンデンサと直列にダイオードを接続し、かつ
ダイオードと並列に抵抗を接続して構成することによ
り、充電はコンデンサとダイオードを介して行なわれ、
放電はコンデンサから抵抗を介して行なわれるため、上
記請求項4または請求項8の発明の作用を、より一層効
果的に奏することができる。
項4または請求項8の発明の多レベル中性点電位固定型
電力変換装置において、サージ電圧抑制回路と並列にサ
ージ電圧クリップ素子を設けている。
点電位固定型電力変換装置においては、サージ電圧抑制
回路と並列にサージ電圧クリップ素子を設けることによ
り、サージ電圧クリップ素子は、サージ電圧抑制回路で
抑え切れない大きなサージ電圧、例えば過電流を遮断し
た場合の大きな単発的サージ電圧を所定レベルでクリッ
プするため、サージ電圧抑制回路の部品定格を低減し
て、小型化することができる。
変換回路と直流電源の正極および負極との間に、それぞ
れ非飽和リアクトルと可飽和リアクトルの両方を接続
し、多レベル逆変換回路と直流電源の中性点との間に、
可飽和リアクトルを接続し、直流電源の正極と中性点と
の間、および負極と中性点との間に、それぞれサージ電
圧抑制回路を設けている。
点電位固定型電力変換装置においては、多レベル逆変換
回路と直流電源の正極および負極との間にそれぞれ非飽
和リアクトルと可飽和リアクトルの両方を接続し、多レ
ベル逆変換回路と直流電源の中性点との間に可飽和リア
クトルを接続し、直流電源の正極と中性点との間、およ
び負極と中性点との間にそれぞれサージ電圧抑制回路を
設けることにより、非飽和リアクトルと可飽和リアクト
ルの両方は、多レベル逆変換回路の半導体素子の電流の
立ち上りを抑制するため、短絡電流耐量の比較的小さい
半導体素子の場合にも、短絡電流のピーク値を低減する
ことができる。
1乃至請求項8、または請求項12のいずれか1項の発
明の多レベル中性点電位固定型電力変換装置において、
可飽和リアクトルに、当該可飽和リアクトルのリセット
時に発生する逆電圧を吸収する逆電圧抑制スナバ回路を
設けている。
点電位固定型電力変換装置においては、可飽和リアクト
ルに逆電圧抑制スナバ回路を設けることにより、サージ
電圧抑制回路を小さくすることができ、また削除するこ
とが可能となる。
項13の発明の多レベル中性点電位固定型電力変換装置
において、可飽和リアクトルに設けた逆電圧抑制スナバ
回路は、ダイオードと直列にコンデンサを接続し、かつ
当該コンデンサと並列に抵抗を接続してなる。
点電位固定型電力変換装置においては、可飽和リアクト
ルに設けた逆電圧抑制スナバ回路は、ダイオードと直列
にコンデンサを接続し、かつコンデンサと並列に抵抗を
接続することにより、可飽和リアクトルの逆電圧エネル
ギーは、ダイオードを介してコンデンサに充電された後
に抵抗で放電されるため、上記請求項の発明の作用を、
より一層効果的に奏することができる。
接続された2組のコンデンサの接続点を中性点とし、正
極および負極を有する直流電源と、複数個の半導体素子
をブリッジ接続して構成され、直流電源を交流電圧に逆
変換して負荷に交流電力を供給する多レベル逆変換回路
とを備えて構成される多レベル中性点電位固定型電力変
換装置において、多レベル逆変換回路と直流電源の正極
および負極との間に、それぞれ可飽和リアクトルを設
け、直流電源の中性点からは、ダイオードを介して可飽
和リアクトルをリセットできるように逆方向に電流を流
すように接続し、直流電源の正極と中性点との間、およ
び負極と中性点との間に、それぞれサージ電圧抑制回路
を設けている。
点電位固定型電力変換装置においては、多レベル逆変換
回路と直流電源の正極および負極との間に、それぞれ可
飽和リアクトルを設け、直流電源の中性点からは、ダイ
オードを介して可飽和リアクトルをリセットできるよう
に逆方向に電流を流すように接続し、直流電源の正極と
中性点との間、および負極と中性点との間に、それぞれ
サージ電圧抑制回路を設けることにより、中性点に可飽
和リアクトルを設ける必要がなく、中性点に可飽和リア
クトルを設けた場合と同様の作用を奏することができ
る。
12の発明の多レベル中性点電位固定型電力変換装置に
おいて、非飽和リアクトルは、直流電源の正極および負
極の共通母線に、可飽和リアクトルは、多レベル逆変換
回路の各相毎に設けている。
点電位固定型電力変換装置においては、非飽和リアクト
ルを、直流電源の正極および負極の共通母線に、可飽和
リアクトルを、多レベル逆変換回路の各相毎に設けるこ
とにより、非飽和リアクトルは共通母線に2個設けるこ
とで、上記請求項12の発明の作用を、より一層効果的
に奏することができる。
項16の発明の多レベル中性点電位固定型電力変換装置
において、非飽和リアクトルに代えて、可飽和リアクト
ルを設けている。
点電位固定型電力変換装置においては、非飽和リアクト
ルに代えて、可飽和リアクトルを設けることにより、上
記請求項16の発明の作用を、より一層効果的に奏する
ことができる。
る半導体素子の急峻な電流の立ち上がり(dI/d
t)、電圧急変(dV/dt)、またゲート回路への外
乱を抑制することができると共に、小型化、経済性、お
よび信頼性の向上を図ることが可能となる。
までの配線インダクタンスと可飽和リアクトルのエネル
ギーによるサージ電圧を吸収して抑制することが可能と
なる。
て図面を参照して詳細に説明する。
4、請求項10に対応)図1は、本実施の形態による多
レベル中性点電位固定型インバータ装置の構成例を示す
回路図であり、図12と同一要素には同一符号を付して
その説明を省略し、ここでは異なる部分についてのみ述
べる。
点電位固定型インバータの場合について示してあり、イ
ンバータ装置の容量が比較的小さい場合に適用すること
ができる。
電位固定型インバータ装置は、図1に示すように、図1
2における直流電源1a,1bに代えて、互いに直列接
続された2組のコンデンサC1,C2の接続点を中性点
Cとし、正極Pおよび負極Nを有する直流電源Vを備え
ている。
負極Nに設けられている非飽和リアクトル2aおよび2
bを省略し、これらに代えて、U,V,Wの3相構成の
3レベル逆変換回路と直流電源Vの正極Pおよび負極N
との間(正極Pおよび負極Nの共通ライン)に、それぞ
れ可飽和リアクトル(コア)LPおよびLNを設け、か
つ中性点Cラインにも可飽和リアクトルLCを設けてい
る。
3,US4(VS1,VS2,VS3,VS4、WS
1,WS2,WS3,WS4)にそれぞれ個別に設けて
いる抵抗、ダイオード、コンデンサからなる充放電スナ
バ回路S11a,S11b,S12a,S12bと各ア
ームに設けられたクランプ式スナバ回路S21a,S2
1b,S22a,S22bを省略し、これらに代えて、
正極Pと中性点Cとの間、および負極Nと中性点Cとの
間に、それぞれコンデンサCSP,CSNと直列にダイ
オードDSP,DSNを接続し、かつこのダイオードD
SP,DSNと並列にそれぞれ抵抗RSP,RSNを接
続してなるサージ電圧抑制回路を設けている。
の3レベル中性点電位固定型インバータ装置の動作につ
いて、図2乃至図4を用いて説明する。
は、U相)の回路動作における可飽和リアクトルの効果
を主体として述べる。
US2がオンして電流I1が負荷へ流れている状態で半
導体素子US1をオフすると、クランプダイオードUD
1を介して中性点Cから電流I2として流れる。
子US3をオンしても、力行時には中性点Cからクラン
プダイオードUD1を介して電流は流れ続ける。
子US1をオンすると、クランプダイオードUD1の蓄
積電荷によって、逆回復電流Ir1が直流電源Vの正極
P、可飽和リアクトルLP、半導体素子US1、クラン
プダイオードUD1、可飽和リアクトルLC、中性点C
のループで、短絡電流が図2(b)のI1に示すように
流れる(実線)が、この時、可飽和リアクトルLP,L
Cによって、急峻な電流の立ち上がり(dI/dt)が
抑えられる(破線)。
ダイオードUD1のスイッチング損失を低減することが
でき、半導体素子の高dI/dtによる破損を防止する
ことができる。
1,US2がオンしている時、回生電流I3が流れてい
る状態で、半導体素子US1オフして半導体素子US3
をオンすると、半導体素子US1のフリーホイールダイ
オードD1の逆回復電流Ir3によって、直流電源Vの
正極P、可飽和リアクトルLP、フリーホイールダイオ
ードD1、半導体素子US2,US3、クランプダイオ
ードUD2、可飽和リアクトルLC、中性点Cのループ
で、正側電源短絡電流が流れて負荷電流I4に重畳され
るが、この時可飽和リアクトルLP,LCによって、急
峻な逆回復電流Ir3の立ち上がり(dI/dt)が抑
えられる。
Cの可飽和リアクトルLCがない場合には、力行時の中
性点クランプダイオードの逆回復電流が可飽和リアクト
ルLPにとって力行時と同一方向電流のため、飽和状態
にあるので、dI/dtを抑える効果はほとんどない。
けでは、回生時にはやはり同一方向の電流となるため、
半導体素子US1、またはUS4のフリーホイールダイ
オードの逆回復電流の立ち上がり(dI/dt)を抑え
ることはできない。
正極P、中性点C、電源Vの負極Nの各ラインに可飽和
リアクトルLP,LC,LNを設けることにより、負荷
電流のあらゆるモードの電流に対してdI/dtを抑制
することができる。
フする時の可飽和リアクトルLP,LC,LNのエネル
ギーによるサージ電圧は、直流電源Vの正極Pと中性点
Cとの間、直流電源Vの負極Nと中性点Cとの間に設け
たサージ電圧抑制回路により抑制することができる。
はコンデンサCSP,CSNとダイオードダイオードD
SP,DSNを介して行なわれ、放電はコンデンサCS
P,CSNから抵抗RSP,RSNを介して行なわれ
る。
験結果によれば、図4に示すように、時刻t1で半導体
素子の電流ICがオフされると、時刻t2でサージ電圧
抑制回路のダイオードの逆回復時の電圧急変(dV/d
t)が発生するが、可飽和リアクトルLP,LC,LN
によってdV/dtも抑制できる効果もあり、負のゲー
ト電圧が正方向へ持上がると言う外乱がなくなるという
副次的効果も得られる。
上記U相の回路動作の場合と同様となる。
中性点電位固定型インバータ装置では、3レベル逆変換
回路と、中性点Cを有する直流電源Vの正極P、負極N
および中性点Cとの間に、それぞれ可飽和リアクトルL
P,LN,LCを接続するようにしているので、3レベ
ル逆変換回路を構成する半導体素子US1,US2,U
S3,US4(VS1,VS2,VS3,VS4、WS
1,WS2,WS3,WS4)の急峻な電流の立ち上が
り(dI/dt)、電圧急変(dV/dt)、またゲー
ト回路への外乱を抑制することができると共に、小型
化、経済性、および信頼性の向上を図ることが可能とな
る。
Pと中性点Cとの間、および負極Nと中性点Cとの間
に、それぞれサージ電圧抑制回路を設けるようにしてい
るので、直流電源Vから3レベル逆変換回路までの配線
インダクタンスと可飽和リアクトルLP,LN,LCの
エネルギーによるサージ電圧を吸収して抑制することが
可能となる。
8、請求項10に対応)図5は、本実施の形態による多
レベル中性点電位固定型インバータ装置の構成例を示す
回路図であり、図1と同一要素には同一符号を付してそ
の説明を省略し、ここでは異なる部分についてのみ述べ
る。
点電位固定型インバータの場合について示してあり、イ
ンバータ装置の容量が比較的大きい場合に適用すること
ができる。
電位固定型インバータ装置は、図5に示すように、図1
における3レベル逆変換回路の各相毎に、図6に示すよ
うな構成(図6では、3レベル逆変換回路の1相分(U
相)のみについて示している)を有する前述の可飽和リ
アクトルLP,LN,LC、およびサージ電圧抑制回路
を設け、3レベル逆変換回路を構成する個々の半導体素
子US1,US2,US3,US4(VS1,VS2,
VS3,VS4、WS1,WS2,WS3,WS4)に
は、スナバ回路を設けないようにしている。
の3レベル中性点電位固定型インバータ装置において
も、前述した第1の実施の形態の場合と同様に動作する
ので、ここではその説明を省略する。
逆変換回路の各相毎に、直流電源Vの正極P、負極N、
および中性点Cとの間に、それぞれ可飽和リアクトルL
P,LN,LCを接続していることにより、正極P、負
極N、および中性点Cに設けた可飽和リアクトルLP,
LN,LCに電流が流れ始める時に、各相間の干渉なく
電流の立ち上りを抑制することができ、3レベル逆変換
回路を構成する半導体素子US1,US2,US3,U
S4(VS1,VS2,VS3,VS4、WS1,WS
2,WS3,WS4)の急激な立ち上り電流(dI/d
t)を抑制して、ストレスを軽減することができると共
に、装置の容量を大きくすることができる。
中性点電位固定型インバータ装置では、前述した第1の
実施の形態の場合と同様の効果を得ることができるのに
加えて、各相間の干渉なく電流の立ち上りを抑制するこ
とができ、3レベル逆変換回路を構成する半導体素子U
S1,US2,US3,US4(VS1,VS2,VS
3,VS4、WS1,WS2,WS3,WS4)の立ち
上り電流(dI/dt)を抑制して、ストレスを軽減す
ることができると共に、装置の容量を大きくすることが
可能となる。
実施の形態による3レベル中性点電位固定型インバータ
装置は、前述した第1または第2の実施の形態におい
て、可飽和リアクトルLP,LN,LCは、比透磁率が
大きく角型B−H特性を有し、その電圧時間積は3レベ
ル逆変換回路を構成する半導体素子の電圧降下時間(t
r)、逆回復時間(trr)、または順回復時間(tf
r)以上の時間積を確保するように選定している。
の3レベル中性点電位固定型インバータ装置の動作につ
いて、図7を用いて説明する。
N,LCの磁束(B)と電界の強さ(H)との関係を示
したBHカーブを、図7(b)はダイオードの逆回復特
性を、図7(c)はダイオードの電流通電時の順回復特
性をそれぞれ示したものである。
カーブは角型の特性を有しているものが好ましい。
の逆回復時間(trr)の間、可飽和リアクトルLP,
LN,LCの効果によって電流は破線のように抑えられ
るため、逆回復時の電流Irr)は低減される。
子が完全にターンオンするまでの時間、すなわち電圧降
下時間(tr)の間、ダイオードが通電時に電流の立上
がりが早いと過渡的に電圧(vfr)が順回復時間(t
fr)の間は、ターンオン損失が大きく発生するが、可
飽和リアクトルLP,LN,LCの効果によって電流の
立上がりが抑えられるため、損失が低減される。
Cが作用する時間としては、半導体素子の逆回復時間
(trr)、電圧降下時間(tr)、順回復時間(tf
r)を少なくとも確保することが必要であり、これを満
足する電圧時間積を有する可飽和リアクトルを選定して
おり、その時間は、数μ秒程度あれば充分に効果が得ら
れる。
中性点電位固定型インバータ装置では、前述した第1ま
たは第2の実施の形態の場合と同様の効果を得ることが
できるのに加えて、半導体素子のオン後に電流が流れ始
めるため、スイッチング損失を軽減することが可能とな
る。
図8は、本実施の形態による多レベル中性点電位固定型
インバータ装置の構成例を示す回路図であり、図1また
は図6と同一要素には同一符号を付してその説明を省略
し、ここでは異なる部分についてのみ述べる。
ンバータ装置の1相分(U相)のみの構成例について示
している。
電位固定型インバータ装置は、図8に示すように、図1
または図6におけるサージ電圧抑制回路と並列に、それ
ぞれサージ電圧クリップ素子(例えば、非線形抵抗から
なるもの)20,21を設けた構成としている。
の3レベル中性点電位固定型インバータ装置において
も、前述した第1または第2の実施の形態の場合と同様
に動作するので、ここではその説明を省略する。
圧抑制回路と並列にサージ電圧クリップ素子20,21
を設けていることにより、サージ電圧クリップ素子2
0,21は、サージ電圧抑制回路で抑え切れない大きな
サージ電圧、例えば過電流を遮断した場合の大きな単発
的サージ電圧を、所定レベル(規定電圧)でクリップす
るため、サージ電圧抑制回路の部品定格を低減して、小
型化することができる。
中性点電位固定型インバータ装置では、前述した第1ま
たは第2の実施の形態の場合と同様の効果を得ることが
できるのに加えて、サージ電圧抑制回路の部品定格を低
減して、小型化することが可能となる。
図9は、本実施の形態による多レベル中性点電位固定型
インバータ装置の構成例を示す回路図であり、図1また
は図6と同一要素には同一符号を付してその説明を省略
し、ここでは異なる部分についてのみ述べる。
ンバータ装置の1相分(U相)のみの構成例について示
している。
電位固定型インバータ装置は、図9に示すように、図1
または図6における3レベル逆変換回路と直流電源Vの
正極Pおよび負極Nとの間に、それぞれ非飽和リアクト
ルL1およびL2と可飽和リアクトルLPおよびLNの
両方を接続し、3レベル逆変換回路と直流電源Vの中性
点Cとの間に、可飽和リアクトルLCを接続し、直流電
源Vの正極Pと中性点Cとの間、および負極Nと中性点
Cとの間に、それぞれ前述のサージ電圧抑制回路を設け
た構成としている。
の3レベル中性点電位固定型インバータ装置において
も、前述した第1または第2の実施の形態の場合と同様
に動作するので、ここではその説明を省略する。
アクトルL1,L2と可飽和リアクトルLP,LN,L
Cとを併用していることにより、非飽和リアクトルL
1,L2と可飽和リアクトルLP,LN,LCの両方
は、3レベル逆変換回路の半導体素子の電流の立ち上り
を抑制するため、短絡電流耐量の比較的小さい半導体素
子の場合にも、短絡電流のピーク値を低減することがで
きる。
中性点電位固定型インバータ装置では、前述した第1ま
たは第2の実施の形態の場合と同様の効果を得ることが
できるのに加えて、短絡電流耐量の比較的小さい半導体
素子の場合にも、短絡電流のピーク値を低減することが
可能となる。
14に対応)本実施の形態による3レベル中性点電位固
定型インバータ装置は、前述した第1、第2または第5
の実施の形態において、図10に示すように、前記可飽
和リアクトルLP(LC,LN)に並列に、この可飽和
リアクトルLP(LC,LN)のリセット時に発生する
逆電圧を吸収する逆電圧抑制スナバ回路を設けた構成と
している。
ード31と直列にコンデンサ32を接続し、かつこのコ
ンデンサ32と並列に抵抗33を接続してなるものであ
る。
の3レベル中性点電位固定型インバータ装置において
も、前述した第1、第2または第5の実施の形態の場合
と同様に動作するので、ここではその説明を省略する。
アクトルLP(LC,LN)に並列に逆電圧抑制スナバ
回路を設けていることにより、サージ電圧抑制回路を小
さくすることができ、また削除することができる。
中性点電位固定型インバータ装置では、前述した第1、
第2または第5の実施の形態の場合と同様の効果を得る
ことができるのに加えて、サージ電圧抑制回路を小さく
することができ、また削除することが可能となる。
図11は、本実施の形態による多レベル中性点電位固定
型インバータ装置の構成例を示す回路図であり、図1ま
たは図6と同一要素には同一符号を付してその説明を省
略し、ここでは異なる部分についてのみ述べる。
インバータ装置の1相分(U相)のみの構成例について
示している。
電位固定型インバータ装置は、図11に示すように、図
1または図6における3レベル逆変換回路と直流電源V
の正極Pおよび負極Nとの間に、それぞれ可飽和リアク
トルLPおよびLNを設け、直流電源Vの中性点Cから
は、クランプダイオードUD1およびUD2を介して可
飽和リアクトルLPおよびLNをリセットできるように
逆方向に電流を流すように接続し、可飽和リアクトルL
PおよびLNの後段の直流電源Vの正極Pと中性点Cと
の間、および負極Nと中性点Cとの間に、それぞれサー
ジ電圧抑制回路を設けた構成としている。
の3レベル中性点電位固定型インバータ装置において
も、前述した第1または第2の実施の形態の場合と同様
に動作するので、ここではその説明を省略する。
逆変換回路と直流電源Vの正極Pおよび負極Nとの間
に、それぞれ可飽和リアクトルLPおよびLNを設け、
直流電源Vの中性点Cからは、クランプダイオードUD
1およびUD2を介して可飽和リアクトルLPおよびL
Nをリセットできるように逆方向に電流を流すように接
続し、可飽和リアクトルLPおよびLNの後段の直流電
源Vの正極Pと中性点Cとの間、および負極Nと中性点
Cとの間に、それぞれサージ電圧抑制回路を設けている
ことにより、中性点に可飽和リアクトル(LC)を設け
る必要がなく、中性点に可飽和リアクトル(LC)を設
けた場合と同様の作用を奏することができる。
中性点電位固定型インバータ装置では、前述した第1ま
たは第2の実施の形態の場合と同様の効果を得ることが
できるのに加えて、中性点に可飽和リアクトル(LC)
を設ける必要がなく、中性点に可飽和リアクトル(L
C)を設けた場合と同様の効果を得ることが可能とな
る。
本実施の形態による3レベル中性点電位固定型インバー
タ装置は、前述した第5の実施の形態において、非飽和
リアクトルL1およびL2を、直流電源Vの正極Pおよ
び負極Nの共通母線に、可飽和リアクトルLP,LN,
LCを、3レベル逆変換回路の各相毎に設けた構成とし
ている。
の3レベル中性点電位固定型インバータ装置において
も、前述した第5の実施の形態の場合と同様に動作する
ので、ここではその説明を省略する。
アクトルL1およびL2は、直流電源Vの正極Pおよび
負極Nの共通母線に、可飽和リアクトルLP,LN,L
Cは、3レベル逆変換回路の各相毎に設けていることに
より、非飽和リアクトルL1およびL2は、共通母線に
2個設けることで、前述した第5の実施の形態の場合の
作用を、より一層効果的に奏することができる。
中性点電位固定型インバータ装置では、前述した第5の
実施の形態の場合と同様の効果をより一層効果的に得る
ことが可能となる。
本実施の形態による3レベル中性点電位固定型インバー
タ装置は、前述した第8の実施の形態において、非飽和
リアクトルL1およびL2に代えて、可飽和リアクトル
を設けた構成としている。
の3レベル中性点電位固定型インバータ装置において
も、前述した第8の実施の形態の場合と同様に動作する
ので、ここではその説明を省略する。
アクトルL1およびL2に代えて、可飽和リアクトルを
設けている、すなわち直流電源Vの正極Pおよび負極N
の共通母線に可飽和リアクトルを設け、かつ各相毎にも
可飽和リアクトルを設けていることにより、前述した第
8の実施の形態の場合の作用を、より一層効果的に奏す
ることができる。
中性点電位固定型インバータ装置では、前述した第8の
実施の形態の場合と同様の効果をより一層効果的に得る
ことが可能となる。
と直流電源Vの正極Pおよび負極Nとの間(正極Pおよ
び負極Nの共通ライン)に、それぞれ可飽和リアクトル
(コア)LPおよびLNを設け、かつ中性点Cラインに
も可飽和リアクトルLCを設ける場合について説明した
が、これに限らず、3レベル逆変換回路と直流電源Vの
正極Pおよび負極Nとの間(正極Pおよび負極Nの共通
ライン)のみにそれぞれ可飽和リアクトル(コア)LP
およびLNを設けるか、または中性点Cラインのみに可
飽和リアクトルLCを設けるようにしてもよい。
ル逆変換回路の各相毎に、直流電源Vの正極P、負極
N、および中性点Cとの間に、それぞれ可飽和リアクト
ルLP,LN,LCを接続する場合について説明した
が、これに限らず、3レベル逆変換回路の各相毎に、直
流電源Vの正極Pおよび負極Nとの間のみにそれぞれ可
飽和リアクトル(コア)LPおよびLNを設けるか、ま
たは中性点Cとの間のみに可飽和リアクトルLCを設け
るようにしてもよい。
中性点電位固定型電力変換装置によれば、多レベル逆変
換回路と、中性点を有する直流電源の正極および負極と
の間、または中性点との間、もしくは正極、負極および
中性点との間に、それぞれ可飽和リアクトルを接続する
ようにしているので、多レベル逆変換回路を構成する半
導体素子の急峻な電流の立ち上がり(dI/dt)、電
圧急変(dV/dt)、またゲート回路への外乱を抑制
することができると共に、小型化、経済性、および信頼
性の向上を図ることが可能となる。
中性点との間、および負極と中性点との間に、それぞれ
サージ電圧抑制回路を設けるようにしているので、直流
電源から多レベル逆変換回路までの配線インダクタンス
と可飽和リアクトルのエネルギーによるサージ電圧を吸
収して抑制することが可能となる。
ータ装置の第1の実施の形態を示す回路図。
型インバータ装置における動作を説明するための図。
型インバータ装置における動作を説明するための図。
型インバータ装置における効果を説明するための図。
ータ装置の第2の実施の形態を示す回路図。
型インバータ装置における3レベル逆変換回路の1相分
の可飽和リアクトルおよびサージ電圧抑制回路の構成例
を示す回路図。
ータ装置の第3の実施の形態を示す特性図。
ータ装置の第4の実施の形態を示す回路図。
ータ装置の第5の実施の形態を示す回路図。
バータ装置の第6の実施の形態を示す回路図。
バータ装置の第7の実施の形態を示す回路図。
置の構成例を示す回路図。
S3,VS4、WS1,WS2,WS3,WS4)…半
導体素子 CSP,CSN…コンデンサ DSP,DSN…ダイオード UD1,UD2…クランプダイオード S11a,S11b,S12a,S12b…充放電スナ
バ回路 S21a,S21b,S22a,S22b…クランプ式
スナバ回路 LP,LN,LC…可飽和リアクトル L1,L2…非飽和リアクトル 10,11…サージ電圧抑制回路 20,21…サージ電圧クリップ素子 31…ダイオード 32…コンデンサ 33…抵抗 C1,C2…コンデンサ C…中性点 P…正極 N…負極 V…直流電源。
Claims (17)
- 【請求項1】 互いに直列接続された2組のコンデンサ
の接続点を中性点とし、正極および負極を有する直流電
源と、複数個の半導体素子をブリッジ接続してなり、前
記直流電源を交流電圧に逆変換して負荷に交流電力を供
給する多レベル逆変換回路とを備えて構成される多レベ
ル中性点電位固定型電力変換装置において、 前記多レベル逆変換回路と前記直流電源の正極および負
極との間に、それぞれ可飽和リアクトルを接続したこと
を特徴とする多レベル中性点電位固定型電力変換装置。 - 【請求項2】 互いに直列接続された2組のコンデンサ
の接続点を中性点とし、正極および負極を有する直流電
源と、複数個の半導体素子をブリッジ接続してなり、前
記直流電源を交流電圧に逆変換して負荷に交流電力を供
給する多レベル逆変換回路とを備えて構成される多レベ
ル中性点電位固定型電力変換装置において、 前記多レベル逆変換回路と前記直流電源の中性点との間
に、可飽和リアクトルを接続したことを特徴とする多レ
ベル中性点電位固定型電力変換装置。 - 【請求項3】 互いに直列接続された2組のコンデンサ
の接続点を中性点とし、正極および負極を有する直流電
源と、複数個の半導体素子をブリッジ接続してなり、前
記直流電源を交流電圧に逆変換して負荷に交流電力を供
給する多レベル逆変換回路とを備えて構成される多レベ
ル中性点電位固定型電力変換装置において、 前記多レベル逆変換回路と前記直流電源の正極、負極、
および中性点との間に、それぞれ可飽和リアクトルを接
続したことを特徴とする多レベル中性点電位固定型電力
変換装置。 - 【請求項4】 前記請求項1乃至請求項3のいずれか1
項に記載の多レベル中性点電位固定型電力変換装置にお
いて、 前記直流電源の正極と中性点との間、および負極と中性
点との間に、それぞれサージ電圧抑制回路を設けたこと
を特徴とする多レベル中性点電位固定型電力変換装置。 - 【請求項5】 互いに直列接続された2組のコンデンサ
の接続点を中性点とし、正極および負極を有する直流電
源と、複数個の半導体素子をブリッジ接続してなり、前
記直流電源を交流電圧に逆変換して負荷に交流電力を供
給する多レベル逆変換回路とを備えて構成される多レベ
ル中性点電位固定型電力変換装置において、 前記多レベル逆変換回路の各相毎に、前記直流電源の正
極および負極との間に、それぞれ可飽和リアクトルを接
続したことを特徴とする多レベル中性点電位固定型電力
変換装置。 - 【請求項6】 互いに直列接続された2組のコンデンサ
の接続点を中性点とし、正極および負極を有する直流電
源と、複数個の半導体素子をブリッジ接続してなり、前
記直流電源を交流電圧に逆変換して負荷に交流電力を供
給する多レベル逆変換回路とを備えて構成される多レベ
ル中性点電位固定型電力変換装置において、 前記多レベル逆変換回路の各相毎に、前記直流電源の中
性点との間に、可飽和リアクトルを接続したことを特徴
とする多レベル中性点電位固定型電力変換装置。 - 【請求項7】 互いに直列接続された2組のコンデンサ
の接続点を中性点とし、正極および負極を有する直流電
源と、複数個の半導体素子をブリッジ接続してなり、前
記直流電源を交流電圧に逆変換して負荷に交流電力を供
給する多レベル逆変換回路とを備えて構成される多レベ
ル中性点電位固定型電力変換装置において、 前記多レベル逆変換回路の各相毎に、前記直流電源の正
極、負極、および中性点との間に、それぞれ可飽和リア
クトルを接続したことを特徴とする多レベル中性点電位
固定型電力変換装置。 - 【請求項8】 前記請求項5乃至請求項7のいずれか1
項に記載の多レベル中性点電位固定型電力変換装置にお
いて、 前記多レベル逆変換回路の各相毎に、前記直流電源の正
極と中性点との間、および負極と中性点との間に、それ
ぞれサージ電圧抑制回路を設け、 前記多レベル逆変換回路を構成する個々の半導体素子に
はスナバ回路を設けないようにしたことを特徴とする多
レベル中性点電位固定型電力変換装置。 - 【請求項9】 前記請求項1乃至請求項8のいずれか1
項に記載の多レベル中性点電位固定型電力変換装置にお
いて、 前記可飽和リアクトルは、比透磁率が大きく角型B−H
特性を有し、その電圧時間積は前記多レベル逆変換回路
を構成する半導体素子の電圧降下時間(tr)、逆回復
時間(trr)、または順回復時間(tfr)以上の時
間積を確保するように選定したことを特徴する多レベル
中性点電位固定型電力変換装置。 - 【請求項10】 前記請求項4または請求項8に記載の
多レベル中性点電位固定型電力変換装置において、 前記サージ電圧抑制回路は、コンデンサと直列にダイオ
ードを接続し、かつ当該ダイオードと並列に抵抗を接続
してなることを特徴とする多レベル中性点電位固定型電
力変換装置。 - 【請求項11】 前記請求項4または請求項8に記載の
多レベル中性点電位固定型電力変換装置において、 前記サージ電圧抑制回路と並列にサージ電圧クリップ素
子を設けたことを特徴とする多レベル中性点電位固定型
電力変換装置。 - 【請求項12】 互いに直列接続された2組のコンデン
サの接続点を中性点とし、正極および負極を有する直流
電源と、複数個の半導体素子をブリッジ接続してなり、
前記直流電源を交流電圧に逆変換して負荷に交流電力を
供給する多レベル逆変換回路とを備えて構成される多レ
ベル中性点電位固定型電力変換装置において、 前記多レベル逆変換回路と前記直流電源の正極および負
極との間に、それぞれ非飽和リアクトルと可飽和リアク
トルの両方を接続し、 前記多レベル逆変換回路と前記直流電源の中性点との間
に、可飽和リアクトルを接続し、 前記直流電源の正極と中性点との間、および負極と中性
点との間に、それぞれサージ電圧抑制回路を設けたこと
を特徴とする多レベル中性点電位固定型電力変換装置。 - 【請求項13】 前記請求項1乃至請求項8、または請
求項12のいずれか1項に記載の多レベル中性点電位固
定型電力変換装置において、 前記可飽和リアクトルに、当該可飽和リアクトルのリセ
ット時に発生する逆電圧を吸収する逆電圧抑制スナバ回
路を設けたことを特徴とする多レベル中性点電位固定型
電力変換装置。 - 【請求項14】 前記請求項13に記載の多レベル中性
点電位固定型電力変換装置において、 前記可飽和リアクトルに設けた逆電圧抑制スナバ回路
は、ダイオードと直列にコンデンサを接続し、かつ当該
コンデンサと並列に抵抗を接続してなることを特徴とす
る多レベル中性点電位固定型電力変換装置。 - 【請求項15】 互いに直列接続された2組のコンデン
サの接続点を中性点とし、正極および負極を有する直流
電源と、複数個の半導体素子をブリッジ接続してなり、
前記直流電源を交流電圧に逆変換して負荷に交流電力を
供給する多レベル逆変換回路とを備えて構成される多レ
ベル中性点電位固定型電力変換装置において、 前記多レベル逆変換回路と前記直流電源の正極および負
極との間に、それぞれ可飽和リアクトルを設け、 前記直流電源の中性点からは、ダイオードを介して前記
可飽和リアクトルをリセットできるように逆方向に電流
を流すように接続し、 前記直流電源の正極と中性点との間、および負極と中性
点との間に、それぞれサージ電圧抑制回路を設けたこと
を特徴とする多レベル中性点電位固定型電力変換装置。 - 【請求項16】 前記請求項12に記載の多レベル中性
点電位固定型電力変換装置において、 前記非飽和リアクトルは、前記直流電源の正極および負
極の共通母線に、前記可飽和リアクトルは、多レベル逆
変換回路の各相毎に設けたことを特徴とする多レベル中
性点電位固定型電力変換装置。 - 【請求項17】 前記請求項16に記載の多レベル中性
点電位固定型電力変換装置において、 前記非飽和リアクトルに代えて、可飽和リアクトルを設
けたことを特徴とする多レベル中性点電位固定型電力変
換装置。
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