JP2001061275A - 電力変換装置、ｐｗｍサイクロコンバータおよび多重形ｐｗｍサイクロコンバータ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 ＰＷＭサイクロコンバータの回路設計、製造
工程の短縮化および小型化を計る。 【解決手段】 双方向スイッチ３０１、４０１、５０１
から成る双方向スイッチ群３００と、それらを駆動する
ドライブ回路群８００と、それらに電源を供給する絶縁
電源群７００とから３相入力／単相出力の電力変換装置
を構成し、その電力変換装置を複数組み合せて３相入力
／３相出力ＰＷＭサイクロコンバータや多重形ＰＷＭサ
イクロコンバータを構築する。また、双方向スイッチ群
３００の回路構成上エミッタ端子の電位が等電位となる
ＩＧＢＴ３０１、４０１、５０１を駆動するドライブ回
路８１１、８１２、８１３に電力を供給する電源を絶縁
電源７０１共通とし、絶縁電源の個数を従来の６個から
４個に減らす。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、交流電源の交流電
力を、任意の周波数の交流電力に変換する電力変換装置
に関し、特にパルス幅変調（以降ＰＷＭ）サイクロコン
バータ型の電力変換装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、交流電源から出力される交流電力
を、任意の周波数の交流電力に変換する電力変換装置と
して、ＰＷＭサイクロコンバータが知られている。

【０００３】ＰＷＭサイクロコンバータは、絶縁ゲート
形バイポーラトランジスタ（以降ＩＧＢＴ）などの自己
消孤形スイッチング素子とダイオードとを少なくとも１
個以上用いて構成され、入力から出力またはその逆へと
双方向に電流を流せる複数の双方向スイッチをＰＷＭ制
御により駆動して、任意の周波数の交流電力を出力して
いる。

【０００４】図６は、従来の３相入力／３相出力のＰＷ
Ｍサイクロインバータの構成を示すブロック図である。
３相電源１は、入力フィルタ２を介して双方向スイッチ
群３に接続され、双方向スイッチ群３は、誘導電動機４
に接続される。

【０００５】双方向スイッチ群３は、９個の双方向スイ
ッチ１１〜１９より構成されている。３相電源１の出力
Ｒは、双方向スイッチ１１、１４、１７に入力され、３
相電源１の出力Ｓは、双方向スイッチ１２、１５、１８
に入力され、３相電源１の出力Ｔは、双方向スイッチ１
３、１６、１９に入力される。

【０００６】また、双方向スイッチ１１、１２、１３の
出力が、誘導電動機４への入力Ｕとなり、双方向スイッ
チ１４、１５、１６の出力が、誘導電動機４への入力Ｖ
となり、双方向スイッチ１７、１８、１９の出力が、誘
導電動機４への入力Ｗとなる。

【０００７】双方向スイッチ１１〜１９は、図７（ａ）
もしくは図７（ｂ）に示される回路構成となっている。
図７（ａ）に示される双方向スイッチは、ＩＧＢＴ３１
と、ダイオード３３とから構成される片方向スイッチ
と、ＩＧＢＴ３２と、ダイオード３４とから構成される
片方向スイッチとから構成される。ダイオード３３のカ
ソード端子は、ＩＧＢＴ３１のコレクタ端子に接続さ
れ、ダイオード３３のアノード端子は、ＩＧＢＴ３１の
エミッタ端子に接続される。ダイオード３４のカソード
端子は、ＩＧＢＴ３２のコレクタ端子に接続され、ダイ
オード３４のアノード端子は、ＩＧＢＴ３２のエミッタ
端子に接続される。そして、ＩＧＢＴ３１とＩＧＢＴ３
２のエミッタ同士が接続され、双方向スイッチが形成さ
れている。

【０００８】図７（ｂ）に示される双方向スイッチは、
ＩＧＢＴ３１と、ダイオード３３とから構成される片方
向スイッチと、ＩＧＢＴ３２と、ダイオード３４とから
構成される片方向スイッチとから形成される。ダイオー
ド３３のカソード端子は、ＩＧＢＴ３１のコレクタ端子
に接続され、片方向スイッチが形成され、ダイオード３
４のカソード端子は、ＩＧＢＴ３２のコレクタ端子に接
続され、もう一方の片方向スイッチが形成される。ま
た、ＩＧＢＴ３２のエミッタ端子とダイオード３３のア
ノード端子が接続され、ＩＧＢＴ３１のエミッタ端子と
ダイオード３４のアノード端子が接続され、片方向スイ
ッチ同士が逆並列に接続されることによって、双方向ス
イッチが形成される。

【０００９】ＩＧＢＴ３１およびＩＧＢＴ３２には、そ
れらへ入力されるゲート信号を駆動する駆動回路が必要
となる。また、それらのドライブ回路へ電力を供給する
電源が必要となる。この電源は他の電源から絶縁しなけ
ればならないため互いに絶縁されている絶縁電源を用い
る。

【００１０】図８に１つのＩＧＢＴとそのＩＧＢＴを駆
動する駆動回路であるドライブ回路と絶縁電源の接続の
様子を示す。ＩＧＢＴ４０のゲート端子Ｇ１は、ドライ
ブ回路Ｄ１に接続され、ドライブ回路Ｄ１の電力は、絶
縁電源ＰＳ１から供給される。絶縁電源ＰＳ１のグラン
ド端子ＰＳＧ１は、ＩＧＢＴのエミッタ端子Ｅ１とドラ
イブ回路のグランド端子ＤＧ１に接続されている。

【００１１】図８のように、ＩＧＢＴ１個につき、１個
のドライブ回路と１個のドライブ回路用絶縁電源が必要
となる。図６の電力変換装置は、スイッチング素子が１
８個存在する。このため、その素子を駆動するドライブ
回路も１８個必要であり、ドライブ回路用の絶縁電源も
１８個必要となる。

【００１２】また、上述のようなＰＷＭサイクロコンバ
ータでは、誘導電動機４に供給する電圧、電流を調整す
るために双方向スイッチが直列に接続されたり、並列に
接続されたりして双方向スイッチが多重化されることが
ある。双方向スイッチが多重化されたＰＷＭサイクロコ
ンバータでは、その接続形態に応じてドライブ回路や絶
縁電源などに関する部分を再設計し直す必要がある。

【００１３】

【発明が解決しようとする課題】従来のＰＷＭサイクロ
コンバータでは、以下に示す２つの問題点がある。 （１）双方向スイッチを多重化するために、回路の構成
を変更する場合、その都度ドライブ回路および絶縁電源
回路に関する部分を設計し直す必要があるため、回路設
計や、製造に要する時間が増大する。 （２）双方向スイッチを駆動するドライブ回路用の絶縁
電源が、双方向スイッチを構成する自己消孤形スイッチ
の個数分必要となるため、ＰＷＭサイクロコンバータ全
体が大型化する。

【００１４】よって、本発明は、双方向スイッチ群を多
重化するためにＰＷＭサイクロコンバータの構成の変更
を行う場合でも、ドライブ回路および絶縁電源まわりの
設計を変更することなく、ＰＷＭサイクロコンバータの
構成の変更を行うことが可能な電力変換装置を提供する
ことを目的としている。

【００１５】さらに本発明は、絶縁電源の共通化を計っ
て、ＰＷＭサイクロコンバータを小型化することが可能
な電力変換装置を提供することを目的としている。

【００１６】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明の電力変換装置は、前記交流電源の交流電力
を各相毎に入力する３個の入力端子と、前記単相交流電
力を出力する１個の出力端子と、少なくとも１個の自己
消孤形スイッチング素子を備える２つの片方向スイッチ
を逆向きに組み合せることによって形成される３個の双
方向スイッチとを備え、前記双方向スイッチが前記各入
力端子と前記出力端子との間に１つずつ挿入されている
双方向スイッチ群と、前記各自己消孤形スイッチング素
子を駆動する駆動回路を前記各自己消孤形スイッチング
素子毎に備える駆動回路群と、前記各駆動回路に電力を
供給する絶縁電源を複数備える絶縁電源回路群とから構
成される。

【００１７】本発明の電力変換装置では、双方向スイッ
チと、その双方向スイッチを駆動するのに必要な駆動回
路と、絶縁電源とを備えており、３相入力／３相出力の
ＰＷＭサイクロコンバータを設計する場合に、本発明の
電力変換装置を組み合わせて設計を行うことによって、
ＰＷＭサイクロコンバータの構成の変更を行う場合にお
いても、ドライブ回路および電源回路まわりの設計を変
更する必要がないため、回路設計や製造に要する時間が
短縮される。

【００１８】また、本発明の他の電力変換装置は、前記
各自己消孤形スイッチング素子としてＩＧＢＴが用いら
れ、前記双方向スイッチ群は、前記ＩＧＢＴのコレクタ
端子とダイオードのカソード端子とが接続されることに
よって構成される２つの片方向スイッチを、前記入力端
子と前記出力端子との間にそれぞれ逆向きに並列に挿入
することによって形成される３個の前記双方向スイッチ
により構成され、前記駆動回路群は前記各ＩＧＢＴを駆
動する６個の駆動回路から構成され、前記絶縁電源群は
前記ＩＧＢＴのうちのエミッタ端子が出力端子に接続さ
れているＩＧＢＴを駆動する３個の前記駆動回路へ電力
を供給する第１の絶縁電源と、前記駆動回路群を構成し
ている残りの３個の駆動回路に各々電力を供給する３個
の第２の絶縁電源とから構成される。

【００１９】本発明の電力変換装置では、エミッタ端子
同士が互いに接続されている各ＩＧＢＴを駆動する各駆
動回路が絶縁電源を共通とすることで、絶縁電源の個数
が従来必要な６個から４個に減らすことができるので、
ＰＷＭサイクロコンバータの小型化が可能となる。

【００２０】また、本発明の他の電力変換装置は、前記
各自己消孤形スイッチング素子としてＩＧＢＴが用いら
れ、前記双方向スイッチ群は、前記ＩＧＢＴのコレクタ
端子とダイオードのカソード端子とが接続され、前記Ｉ
ＧＢＴのエミッタ端子と前記ダイオードのアノード端子
とが接続されることによって形成される２つの片方向ス
イッチのＩＧＢＴのエミッタ端子同士が接続されること
によって形成される３個の前記双方向スイッチから構成
され、前記駆動回路群は、前記ＩＧＢＴを駆動する６個
の前記駆動回路から構成され、前記絶縁電源群は、１つ
の双方向スイッチを駆動する２個の駆動回路に各々電力
を供給する３個の前記絶縁電源から構成される。

【００２１】本発明の電力変換装置では、１個の双方向
スイッチを構成するＩＧＢＴのエミッタ端子同士が接続
されており、エミッタ端子同士は等電位となる。よっ
て、１個の双方向スイッチを構成する各ＩＧＢＴを駆動
する２個の駆動回路に電力を供給する絶縁電源を共通化
とした。従って、絶縁電源の数は３個となり、絶縁電源
の数を４個から３個に減らしことによって、さらなるＰ
ＷＭサイクロコンバータの小型化が可能となる。

【００２２】

【発明の実施の形態】本発明の一実施形態について図面
を参照して詳細に説明する。全図において、同一の符号
がつけられている構成要素は、すべて同一の構成要素で
ある。

【００２３】図１は、本実施形態の電力変換装置の構成
を示す回路図である。本実施形態の電力変換装置は、双
方向スイッチ群３００と、ドライブ回路群８００と、絶
縁電源群７００とから構成される。

【００２４】双方向スイッチ群３００は、３つの双方向
スイッチ３０１、４０１、５０１とから構成され、３相
電源１と接続される入力端子６１０、６１１、６１２と
出力端子６００とを備える。３つの双方向スイッチ３０
１，４０１、５０１は、一端が３つの入力端子６１０、
６１１、６１２にそれぞれ接続され、もう一端が出力端
子６００に接続されている。

【００２５】双方向スイッチ３０１は、２つのＩＧＢＴ
３１１、３２１と、２つのダイオード３３１、３４１と
から構成される。双方向スイッチ４０１は、２つのＩＧ
ＢＴ４１１、４２１と、２つのダイオード４３１、４４
１とから構成される。双方向スイッチ５０１は、２つの
ＩＧＢＴ５１１、５２１と、２つのダイオード５３１、
５４１とから構成される。双方向スイッチ３０１、４０
１、５０１の接続形態は図７（ｂ）と同じ接続形態とな
っている。

【００２６】ドライブ回路群８００は、６個のドライブ
回路８０１、８０２、８０３、８１１、８１２、８１３
から構成される。ドライブ回路８０１〜８０３、８１１
〜８１３はそれぞれＩＧＢＴ３１１、４１１、５１１、
３２１、４２１、５２１のゲート端子に接続されてい
る。

【００２７】絶縁電源群７００は、４個の絶縁電源７０
１〜７０４から構成される。電源端子ＰＮ２およびグラ
ンド端子ＧＮＤ２はドライブ回路８０１と接続され、絶
縁電源７０２はドライブ回路８０１に電力を供給する。
グランド端子ＧＮＤ２はＩＧＢＴ３１１のエミッタ端子
にも接続される。

【００２８】電源端子ＰＮ３およびグランド端子ＧＮＤ
３はドライブ回路８０２と接続され、絶縁電源７０３は
ドライブ回路８０２に電力を供給する。グランド端子Ｇ
ＮＤ３はＩＧＢＴ４１１のエミッタ端子にも接続され
る。電源端子ＰＮ４およびグランド端子ＧＮＤ４はドラ
イブ回路８０２と接続され、絶縁電源７０４はドライブ
回路８０３に電力を供給する。グランド端子ＧＮＤ４は
ＩＧＢＴ５１１のエミッタ端子にも接続される。

【００２９】ＩＧＢＴ３２１のエミッタ端子と、ＩＧＢ
Ｔ４２１のエミッタ端子と、ＩＧＢＴ５２１のエミッタ
端子は互いに接続されており、常に等電位であるため、
ＩＧＢＴ３２１と、ＩＧＢＴ４２１と、ＩＧＢＴ５２１
とについては、それらを駆動するドライブ回路８１１、
８１２、８１３の絶縁電源を共有化することができる。
よって、電源端子ＰＮ１およびグランド端子ＧＮＤ１は
ドライブ回路８１１、８１２、８１３に接続され、絶縁
電源７０１は、ドライブ回路８１１、８１２、８１３に
電力を供給する。グランド端子ＧＮＤ１はＩＧＢＴ３２
１と、ＩＧＢＴ４２１と、ＩＧＢＴ５２１のエミッタ端
子にも接続される。

【００３０】本実施形態の電力変換装置では、ドライブ
回路８１１、８１２、８１３が同じ絶縁電源７０１を共
有することで、絶縁電源の個数を本来必要な６個から４
個に減らすことができる。

【００３１】次に本実施形態の電力変換装置を用いたＰ
ＷＭサイクロコンバータの構成について説明する。図２
は、本実施形態の電力変換装置を用いた３相入力／３相
出力ＰＷＭサイクロコンバータの構成を示すブロック図
である。

【００３２】ＰＷＭサイクロコンバータは本実施形態の
電力変換装置５を３個組み合わせて構成されたものであ
る。双方向スイッチと、その双方向スイッチを駆動する
のに必要なドライブ回路と、ドライブ回路を備える電力
変換装置５によって、ＰＷＭサイクロコンバータを構成
にすることによって、ドライブ回路および絶縁電源に関
する部分を設計し直す必要がなくなるため、３相入力／
３相出力のＰＷＭサイクロコンバータの回路設計が容易
になる。

【００３３】また、本実施形態の電力変換装置は、多重
形のＰＷＭサイクロコンバータにも適用できる。図３
は、本発明の一実施形態の電力変換装置を用いた直列多
重形ＰＷＭサイクロコンバータの構成を示すブロック図
である。

【００３４】このような直列多重形ＰＷＭサイクロコン
バータは、誘導電動機４が電力変換装置５から出力され
る電圧より大きい電圧を必要としている場合に、電力変
換装置５を直列に接続し、誘導電動機４への電圧を大き
くするために構成される。

【００３５】また、直列多重形ＰＷＭサイクロコンバー
タは、電力変換装置５を直列多重化することにより、誘
導電動機４へ入力される電流の波形を正弦波にさらに近
づけることができ、その電流に含まれる高調波を抑制す
ることができる。

【００３６】図４は、本発明の一実施形態の電力変換装
置を用いた並列多重形ＰＷＭサイクロコンバータの構成
を示すブロック図である。このような直列多重形ＰＷＭ
サイクロコンバータは、誘導電動機４の必要とする電流
の値が、１つの電力変換装置５から出力される電流より
大きい場合に電力変換装置５を並列に接続し、誘導電動
機４への入力電流を大きくするために構成される。

【００３７】図３、図４のいずれの場合においても、本
実施形態の電力変換装置５を組み合せることによって、
多重形ＰＷＭサイクロコンバータの回路設計を容易に行
うことができる。

【００３８】本実施形態の電力変換装置では、双方向ス
イッチの回路構成は、図７（ｂ）の回路構成と同等であ
ったが、双方向スイッチの回路構成は、図７（ａ）の回
路構成と同等であっても良い。

【００３９】図５は、双方向スイッチの回路構成が図７
（ａ）と同等であった場合の電力変換装置の構成を示す
回路図である。本電力変換装置の回路構成は、図１の電
力変換装置の回路構成とほぼ同等であるが、双方向スイ
ッチ３０１、４０１、５０１の代わりに、図７（ａ）の
回路構成と同等の回路構成を有する双方向スイッチ３５
１、４５１、５５１が入力端子６１０、６１１、６１２
と出力端子６００との間に挿入されている。

【００４０】本電力変換装置では、１個の双方向スイッ
チを構成するＩＧＢＴのエミッタ端子同士が接続されて
おり、接続されたエミッタ端子同士は等電位となる。よ
って、１個の双方向スイッチを構成する各ＩＧＢＴを駆
動する２個のドライブ回路に電力を供給する絶縁電源を
共通化することができる。従って、本電力変換装置に必
要な絶縁電源の数は３個となる。つまり、双方向スイッ
チの回路構成を図７（ａ）の構成にした方が、図７
（ｂ）の構成とするよりも、絶縁電源の数を１つ減らす
ことができる。

【００４１】また、図１および図５の電力変換装置で
は、ＩＧＢＴとダイオードが用いられているが、これら
については、ゲートターンオフサイリスタ（ＧＴＯ）等
に代表される逆耐圧を有する他の自己消孤形スイッチを
代わりに用いても良い。

【００４２】

【発明の効果】以上説明したように、ＰＷＭサイクロコ
ンバータを本発明の電力変換装置によって構成すること
によって、ＰＷＭサイクロコンバータの回路設計、製造
が簡単となり、それらの工程の時間短縮が可能となる。

【００４３】また、本発明の電力変換装置によって、Ｐ
ＷＭサイクロコンバータの小型化が可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施形態の電力変換装置の構成を示
す回路図である。

【図２】本発明の一実施形態の電力変換装置を用いた３
相入力／３相出力のＰＷＭサイクロコンバータの構成を
示すブロック図である。

【図３】本発明の一実施形態の電力変換装置を用いた直
列多重形ＰＷＭサイクロコンバータの構成を示すブロッ
ク図である。

【図４】本発明の一実施形態の電力変換装置を用いた並
列多重形ＰＷＭサイクロコンバータの構成を示すブロッ
ク図である。

【図５】本発明の他の実施形態の電力変換装置の構成を
示す回路図である。

【図６】従来の３相入力／３相出力ＰＷＭサイクロコン
バータの構成を示すブロック図である。

【図７】双方向スイッチの回路図である。

【図８】ＩＧＢＴとドライブ回路と絶縁電源の接続形態
を示すブロック図である。

【符号の説明】

１ ３相電源 ２ 入力フィルタ ３ 双方向スイッチ群 ４ 誘導電動機 ５ 電力変換装置 １１〜１９ 双方向スイッチ ３１、３２、４０、３１１、３２１、４１１、４２１、
５１１、５２１ ＩＧＢＴ ３３、３４、３３１、３４１、４３１、４４１、５３
１、５４１ ダイオード３００ 双方向スイッチ群 ３０１、４０１、５０１、３５１、４５１、５５１ 双
方向スイッチ ６００ 出力端子 ６１０、６１１、６１２ 入力端子 ７００ 絶縁電源群 ７０１、７０２、７０３、７０４ 絶縁電源 ８００ ドライブ回路群 ８０１，８０２、８０３、８１１、８１２、８１３ ド
ライブ回路 Ｃ１ コレクタ端子 Ｇ１ ゲート端子 Ｅ１ エミッタ端子 ＰＮ１、ＰＮ２、ＰＮ３、ＰＮ４ 電源端子 ＧＮＤ１、ＧＮＤ２、ＧＮＤ３、ＧＮＤ４ グランド端
子 ＰＳ１ 絶縁電源 Ｄ１ ドライブ回路 ＰＳＧ１ 絶縁電源ＰＳ１のグランド端子 ＤＧ１ ドライブ回路Ｄ１のグランド端子

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 原 英則 福岡県北九州市八幡西区黒崎城石２番１号 株式会社安川電機内 Ｆターム(参考） 5H750 AA10 BA01 BA06 BA09 CC06

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 ３相交流電源の交流電力を任意の周波数
   の単相交流電力に変換する電力変換装置において、 前記交流電源の交流電力を各相毎に入力する３個の入力
   端子と、前記単相交流電力を出力する１個の出力端子
   と、少なくとも１個の自己消孤形スイッチング素子を備
   える２つの片方向スイッチを逆向きに組み合せることに
   よって形成される３個の双方向スイッチとを備え、前記
   双方向スイッチが前記各入力端子と前記出力端子との間
   に１つずつ挿入されている双方向スイッチ群と、 前記各自己消孤形スイッチング素子を駆動する駆動回路
   を前記各自己消孤形スイッチング素子毎に備える駆動回
   路群と、 前記各駆動回路に電力を供給する絶縁電源を複数備える
   絶縁電源回路群とから構成されることを特徴とする３相
   入力／単相出力の電力変換装置。
2. 【請求項２】 前記各自己消孤形スイッチング素子とし
   てＩＧＢＴが用いられ、 前記双方向スイッチ群は、前記ＩＧＢＴのコレクタ端子
   とダイオードのカソード端子とが接続されることによっ
   て構成される２つの片方向スイッチを、前記入力端子と
   前記出力端子との間にそれぞれ逆向きに並列に挿入する
   ことによって形成される３個の前記双方向スイッチによ
   り構成され、 前記駆動回路群は前記各ＩＧＢＴを駆動する６個の駆動
   回路から構成され、 前記絶縁電源群は前記ＩＧＢＴのうちのエミッタ端子が
   出力端子に接続されているＩＧＢＴを駆動する３個の前
   記駆動回路へ電力を供給する第１の絶縁電源と、前記駆
   動回路群を構成している残りの３個の駆動回路に各々電
   力を供給する３個の第２の絶縁電源とから構成される請
   求項１に記載の電力変換装置。
3. 【請求項３】 前記各自己消孤形スイッチング素子とし
   てＩＧＢＴが用いられ、 前記双方向スイッチ群は、前記ＩＧＢＴのコレクタ端子
   とダイオードのカソード端子とが接続され、前記ＩＧＢ
   Ｔのエミッタ端子と前記ダイオードのアノード端子とが
   接続されることによって形成される２つの片方向スイッ
   チのＩＧＢＴのエミッタ端子同士が接続されることによ
   って形成される３個の前記双方向スイッチから構成さ
   れ、 前記駆動回路群は、前記ＩＧＢＴを駆動する６個の前記
   駆動回路から構成され、 前記絶縁電源群は、１つの双方向スイッチを駆動する２
   個の駆動回路に各々電力を供給する３個の前記絶縁電源
   から構成される請求項１に記載の電力変換装置。
4. 【請求項４】 請求項１から３のいずれか１項記載の電
   力変換装置を３つ組み合せることによって構成される３
   相入力／３相出力のＰＷＭサイクロコンバータ。
5. 【請求項５】 請求項１から３のいずれか１項記載の複
   数の電力変換装置が互いに直列接続されている多重形Ｐ
   ＷＭサイクロコンバータ。
6. 【請求項６】 請求項１から３のいずれか１項記載の複
   数の電力変換装置が互いに並列接続されている多重形Ｐ
   ＷＭサイクロコンバータ。