JP2001238433A - 半導体電力変換装置 - Google Patents

半導体電力変換装置

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JP2001238433A
JP2001238433A JP2000048428A JP2000048428A JP2001238433A JP 2001238433 A JP2001238433 A JP 2001238433A JP 2000048428 A JP2000048428 A JP 2000048428A JP 2000048428 A JP2000048428 A JP 2000048428A JP 2001238433 A JP2001238433 A JP 2001238433A
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reactor
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Akifumi Ichihara
昌文 市原
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Meidensha Corp
Meidensha Electric Manufacturing Co Ltd
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Meidensha Corp
Meidensha Electric Manufacturing Co Ltd
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 3相電力変換器のコモンモード漏洩電流を抑
制する。 【解決手段】 3相電力変換器のコモンモード電流抑制
用リアクタンスLの出力側にCRの直列回路をY接続し
たバイパス回路3を接続し、その中性点Nを3相電力変
換器1の直流側に接続し、コモンモード電流を装置内部
で環流させることによって装置負荷側に流れるコモンモ
ード電流を抑制する。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】この発明は、コモンモード漏
洩電流の少ない半導体電力変換器に関するものである。
【0002】
【従来の技術】3相電力変換器は図9に示すように半導
体スイッチ素子S1〜S6のスイッチングによって、直
流電圧Vdcを3相電圧Vu〜Vwに変換して出力して
いるが、一般的な正弦波出力可能な3相電圧源の場合と
異なり、瞬時の出力相電圧の合計は表1のように3相各
相の相電圧Vu〜Vwのスイッチングの状態によって変
化する(正弦波出力3相電源では一定値)。
【0003】
【表1】
【0004】このため、3相電力変換器2はコモンモー
ド電圧(零相電圧)Vcを入出力間に発生させている場
合が殆どである。このコモンモード電圧Vcは変圧器な
どの接地線や負荷の浮遊キャパシタンス、3相電力変換
器を構成する素子とヒートシンクの間の浮遊キャパシタ
ンスなどに印加されるため、コモンモード電圧Vcの周
波数が高い場合は図10のように浮遊キャパシタンスC
1〜Cs3を介してコモンモード電流Ic1〜Ic3が流
れることになり、コモンモード電流経路となってしまっ
た機器に障害を与える。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】上記コモンモード電流
障害への対策としては、コモンモード電流経路のコモン
モードインダクタンスを増加させ、漏洩しやすい高周波
コモンモード電流を制限する方式が利用されている。し
かし、コモンモード電流経路の配線の電流容量が大きい
場合は大きなインダクタンスの確保が容易でない。
【0006】この発明は、このような課題に鑑みてなさ
れたものであり、その目的とするところはコモンモード
漏洩電流の少ない半導体電力変換器を提供することにあ
る。
【0007】
【課題を解決するための手段】この発明は、3相電力変
換器の交流側に、リアクトルが直列に接続された半導体
電力変換装置において、リアクトルの反電力変換器側に
キャパシタンスと抵抗の直列回路をY接続したバイパス
回路を接続し、バイパス回路の中性点を3相電力変換器
の直流側に接続して、コモンモード電流をバイパスさせ
る。直流側に直流電圧の中間点のある場合はバイパス回
路の中性点を直流電圧の中間点に接続する。
【0008】または、3相電力変換器の交流側にリアク
トルが直列に接続され直流側に直流電圧の中間点を有す
る半導体電力変換装置において、リアクトルの反電力変
換器側にキャパシタンスと抵抗の直列回路をY接続しバ
イパス回路を接続しバイパス回路の中性点を直流電圧の
中間点に接続する。
【0009】あるいは交流側に入力リアクトルが接続さ
れた3相電力変換器と、この3相電力変換器と直流側を
共通とし交流側に出力リアクトルが接続された3相変換
器とを有する半導体電力変換装置において、入力リアク
トルの入力側と出力リアクトルの出力側にそれぞれキャ
パシタンスと抵抗の直列回路をY接続した第1、第2の
バイパス回路を接続し、第1、第2バイパス回路の中性
点同士を接続する。またはすべてのバイパス回路の中性
点を直流側に接続する。
【0010】または、交流側に入力リアクトルが接続さ
れた3相電力変換器と、この3相電力変換器と直流側を
共通としそれぞれ交流側に出力リアクトルが接続された
複数の3相電力変換器とを有する半導体電力変換装置に
おいて、入力リアクトルと各出力リアクトルの反電力変
換器側にそれぞれキャパシタンスと抵抗の直列回路をY
接続したバイパス回路を接続し、入力リアクトル側のバ
イパス回路の中性点と出力リアクトル側の1つのバイパ
ス回路の中性点同士を接続すると共に、出力リアクトル
側の他のバイパス回路の中性点を直流側に接続する。ま
たは、各バイパス回路の中性点をすべて直流側に接続す
る。
【0011】バイパス回路は入力リアクトルまたは出力
リアクトルとの共振周波数が3相電力変換器の出力成分
が少ない周波数帯域となるように構成する。
【0012】
【発明の実施の形態】3相電力変換器にコモンモード電
流をバイパスする回路を用意し、負荷などに印加される
コモンモード電圧が小さく、かつ低い周波数になるよう
にする。また、ノーマルモードリアクタンス成分を追加
することによって、純粋なコモンモードリアクタンス成
分が不足していてもコモンモード電圧の低減を実現す
る。
【0013】図1のような3相電力変換器1の出力する
コモンモード電圧Vcとすると、この回路のコモンモー
ド回路は図2のようになるが、ここにコモンモード電流
のバイパス回路3を接続する。バイパス回路3が無い場
合はコモンモード電圧Vcが直接装置出力になるが、バ
イパス回路3を接続することによってコモンモードバイ
パス電流ICがバイパス回路3に流れ、出力インピーダ
ンス(wL)によってコモンモード電圧降下が生じ3相
電力変換器1が出力するコモンモード電圧が小さくな
る。
【0014】環流させるコモンモード電流経路全体の周
波数特性を高域通過形にすれば、一般的な問題を引き起
こしている高い周波数のコモンモード電圧だけを除去す
ることができる。
【0015】コモンモード回路として見た場合にこのよ
うな特性を持つように実際の回路を構成する。
【0016】以下にこの発明の実施の形態について説明
する。実施の形態13相電力変換器1台の場合の半導体
電力変換装置の回路図を図3に示す。3相電力変換器
(逆変換器)1にコモンモード出力リアクトルLを接続
し、出力リアクトルLの負荷側と3相電力変換器1の直
流側2をバイパス回路3で接続する。
【0017】バイパス回路3はキャパスタンスCと抵抗
Rの直列回路をY接続し交流側の中性点Nを作り直す回
路になっていて、キャパシタンスCと抵抗Rを介して各
相を直流側2に接続する構成となっている。図3ではバ
イパス回路3の中性点Nを直流側2の0V側に接続して
いるが、点線で示すように+Vdc側に接続してもよ
い。
【0018】バイパス回路3で環流させようとしている
コモンモード電流Icは数kHz以上の高周波電流成分
であるため、0V側、+Vdc側のどちらに接続しても
ほぼ同等の特性が得られる。
【0019】なお、直流側2のコンデンサCDCが図5に
示すようにコンデンサCDC1,CDC2からなり中間点O
を持つ場合は、直流側中間点Oと交流側中性点Nを接続
することによってバイパス回路3の耐圧を低く設定でき
る。
【0020】バイパス回路3は以下のように設計する。
図3の回路のコモンモード回路は図4のようになり、3
相電力変換器1のコモンモード出力インダクタンスLと
バイパス回路3のキャパシタンスC、抵抗Rによって直
列共振回路が構成される。ここで、3相電力変換器1の
出力コモンモード電圧Vciと装置出力コモンモード電
圧Vcoの間には、
【0021】
【数1】
【0022】によって決まる共振回路のQによって決ま
る。
【0023】回路が直列共振回路になっている関係上、
共振周波数ではゲインが高くなっており、3相電力変換
器1から出力されるコモンモード電圧Vciより大きな
電圧Vcoが出力されてしまう。よって、3相電力変換
器1から出力されるコモンモード電圧Vciが小さい周
波数帯域に共振周波数fを設定する。
【0024】通常の3相電力変換器では、三角波キャリ
ア比較PWMのように、出力される電圧のスペクトルが
キャリア周波数の整数倍近傍に集中する特徴がある。そ
こで、共振周波数をこの周波数の間に設定すれば、ゲイ
ンが高い周波数領域に含まれる電圧成分が少ない条件で
運転が可能である。仮にキャリア周波数が5kHzであ
れば、その整数倍の周波数の間の周波数、7.5kH
z、12.5kHz、17.5kHzなどを選択すれば
よい。
【0025】共振回路のQについては、ある程度低く設
定しないとノーマルモード回路への影響が大きくなるた
め、コモンモード回路に流れる電流がノーマルモード回
路に許容される範囲ですむような値にする。実施の形態
23相電力変換器2台組合せの半導体電力変換装置の回
路図を図6に示す。3相電力変換器(順変換器)1aの
コモンモード入力リアクトルLaの交流電源側および3
相電力変換器(逆変換器)1bのコモンモード出力リア
クトルLbの負荷側にそれぞれコモンモード電流のバイ
パス回路3aおよび3bを接続し、バイパス回路3a,
3bによって取り出した中性点Na,Nb同志を接続し
た。バイパス回路3a,3bはそれぞれ図3のバイパス
回路3と同様に設計してある。
【0026】コモンモード電流はバイパス回路3a,3
bにバイパスされるので、交流電源側や負荷側へのコモ
ンモード電流が減少する。
【0027】3相電力変換器1a,1bの出力している
コモンモード電圧が同じである場合は2台の3相電力変
換器1a,1bを通してみるとコモンモード電圧が0と
なり、その期間はバイパス回路3a,3bに流れる電流
は少なくなるためバイパス回路中の抵抗Rでの損失が減
少する。
【0028】なお、図6のように2台の3相電力変換器
1a,1bを接続した半導体電力変換装置に、図3(図
5)のようにバイパス回路3の中性点Nを直流側に接続
する方式を組み合わせることも可能であるが、その場
合、個々の3相電力変換器にコモンモード電流が環流さ
れてしまうので、効率の面で図6の方式の方が有利であ
る。 実施の形態33相電力変換器3台以上組合せの場合の半
導体電力変換装置の回路図を図7に示す。この半導体電
力変換装置は1つの3相電力変換器(順変換器)1aに
複数の3相電力変換器(逆変換器)1b1,1b2…を接
続し、3相電力変換器1aの交流側に接続されたコモン
モード入力インダクタンスLaの電源側にコモンモード
電流のバイパス回路3aを接続すると共に、3相電力変
換器1b1,1b2…に接続されたコモンモード出力イン
ダクタンスLaの負荷側にコモンモード電流のバイパス
回路3bを接続し、バイパス回路3a,3bの中性点N
a,Nbをそれぞれ直流側2に接続し、コモンモード電
流をバイパスさせて交流電源側や負荷側に流れるコモン
モード電流を抑制する。 実施の形態4図8について、この半導体電力変換装置は
図7と同様に、1つの3相電力変換器(順変換器)1a
に複数の3相電力変換器(逆変換器)1b1,1b2…が
接続されている。そして、3相電力変換器1aのバイパ
ス回路3aの中性点Naと第1の3相電力変換器1b1
のバイパス回路3bの中性点Nbは図6の場合と同様に
直接接続されている。また、第2、第3…の3相電力変
換器1b2,1b3…のバイパス回路3bの中性点Nb
図3の場合と同様に直流側2に接続してある。
【0029】しかして、3相電力変換器1aと1b1
より発生するコモンモード電圧に基づくコモンモード電
流は図6の場合と同様にバイパスされ、また、3相電力
変換器1b2,1b3…に発生するコモンモード電圧に基
づくコモンモード電流はそれぞれ図3の場合と同様にバ
イパスされるので、交流電源側および負荷側に流れるコ
モンモード電流が抑制される。
【0030】上記は順変換器、逆変換器などと呼ばれる
半導体電力変換装置の例であるが、この発明はそれらを
利用した無効電力補償装置やパワーアクティブフィル
タ、UPSなどの装置にも適用できる。
【0031】
【発明の効果】この発明によれば、不十分なコモンモー
ドインダクタンスしか確保できない場合でもバイパス回
路によって交流中性点を取り出し、これを入力側コモン
モード端子と接続してコモンモード電流を装置内部で環
流させることによって、より大きなコモンモード電圧削
減効果を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】出力リアクタンス成分を含む3相電力変換器の
回路図。
【図2】コモンモード電流バイパス原理図。
【図3】実施の形態1にかかる半導体電力変換器の回路
図。
【図4】同回路のコモンモード回路図。
【図5】直流側に中点がある場合のバイパス回路接続
図。
【図6】実施の形態2にかかる半導体電力変換器の回路
図。
【図7】実施の形態3にかかる半導体電力変換器の回路
図。
【図8】実施の形態4にかかる半導体電力変換器の回路
図。
【図9】3相電力変換器を示す回路図。
【図10】コモンモード電流の説明図。
【符号の説明】
1…3相電力変換器 3…コモンモード電流のバイパス回路 L…コモンモード出力(入力)リアクトル Vc…コモンモード電圧 Ic…コモンモード電流

Claims (7)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 3相電力変換器の交流側にリアクトルが
    直列に接続された半導体電力変換装置において、 リアクトルの反電力変換器側にキャパシタンスと抵抗の
    直列回路をY接続したバイパス回路を接続し、バイパス
    回路の中性点を3相電力変換器の直流側に接続したこと
    を特徴とする半導体電力変換装置。
  2. 【請求項2】 3相電力変換器の交流側にリアクトルが
    直列に接続され直流側に直流電圧の中間点を有する半導
    体電力変換装置において、 リアクトルの反電力変換器側にキャパシタンスと抵抗の
    直列回路をY接続しバイパス回路を接続しバイパス回路
    の中性点を直流電圧の中間点に接続したことを特徴とす
    る半導体電力変換装置。
  3. 【請求項3】 交流側に入力リアクトルが接続された3
    相電力変換器と、この3相電力変換器と直流側を共通と
    し交流側に出力リアクトルが接続された3相変換器とを
    有する半導体電力変換装置において、 入力リアクトルの入力側と出力リアクトルの出力側にそ
    れぞれキャパシタンスと抵抗の直列回路をY接続した第
    1、第2のバイパス回路を接続し、第1、第2バイパス
    回路の中性点同士を接続したことを特徴とする半導体電
    力変換装置。
  4. 【請求項4】 交流側に入力リアクトルが接続された3
    相電力変換器と、この3相電力変換器と直流側を共通と
    し交流側に出力リアクトルが接続された3相変換器とを
    有する半導体電力変換装置において、 入力リアクトルの入力側と出力リアクトルの出力側にそ
    れぞれキャパシタンスと抵抗の直列回路をY接続した第
    1、第2のバイパス回路を接続し、第1、第2バイパス
    回路の中性点を直流側に接続したことを特徴とする半導
    体電力変換装置。
  5. 【請求項5】 交流側に入力リアクトルが接続された3
    相電力変換器と、この3相電力変換器と直流側を共通と
    しそれぞれ交流側に出力リアクトルが接続された複数の
    3相電力変換器とを有する半導体電力変換装置におい
    て、 入力リアクトルと各出力リアクトルの反電力変換器側に
    それぞれキャパシタンスと抵抗の直列回路をY接続した
    バイパス回路を接続し、 入力リアクトル側のバイパス回路の中性点と出力リアク
    トル側の1つのバイパス回路の中性点同士を接続すると
    共に、出力リアクトル側の他のバイパス回路の中性点を
    直流側に接続したことを特徴とする半導体電力変換装
    置。
  6. 【請求項6】 交流側に入力リアクトルが接続された3
    相電力変換器と、この3相電力変換器と直流側を共通と
    しそれぞれ交流側に出力リアクトルが接続された複数の
    3相電力変換器とを有する半導体電力変換装置におい
    て、 入力リアクトルと各出力リアクトルの反電力変換器側に
    それぞれキャパシタンスと抵抗の直列回路をY接続した
    バイパス回路を接続し、 各バイパス回路の中性点をすべて直流側に接続したこと
    を特徴とする半導体電力変換装置。
  7. 【請求項7】 請求項1ないし7のいずれか1つにおい
    て、 バイパス回路はリアクトルとの共振周波数が3相電力変
    換器の出力成分が少ない周波数帯域となるように構成さ
    れていることを特徴とする半導体電力変換装置。
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