JP2006211827A

JP2006211827A - 電力変換装置

Info

Publication number: JP2006211827A
Application number: JP2005020729A
Authority: JP
Inventors: Masanori Ogawa; 正則小川
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2005-01-28
Filing date: 2005-01-28
Publication date: 2006-08-10

Abstract

【課題】低騒音化および変換効率の低減を実現する共振ＤＣリンク回路を用いたＰＤＭ変調インバータシステムの電力変換装置を提供すること。
【解決手段】交流電力を直流電力へ変換する整流回路１と、前記直流出力を多相電力へ変換するインバータ回路２と、前記整流回路１と前記インバータ回路２との間に設けた共振ＤＣリンク回路３とを備え、前記共振ＤＣリンク回路３におけるスイッチング手段がＳｉＣトランジスタ１２であることを特徴とする電力変換装置で、ＳｉＣトランジスタ１２の高速スイッチング、高耐圧、低損失、大電流駆動の特徴により、従来の従来のＦＥＴトランジスタやＩＧＢＴトランジスタにおいては実現できなかったＰＤＭ共振ＤＣリンクインバータ回路の電力変換装置が実現可能となる。
【選択図】図１

Description

本発明は、電動機などの周波数変換インバータを具備した電力変換装置に関するものである。

従来、この種のＰＤＭ（パルス密度変調方式）共振ＤＣリンク電力変換装置は、整流手段とインバータ出力電力変換手段と共振ＤＣリンク回路とから構成されている。

上記内容について、以下図３に基づいて説明する。図３に示すように、整流回路（電源）１と、トランジスタ（Ｓ１〜Ｓ６）からなる３相インバータ回路２と、両回路の間に配設された共振ＤＣリンク回路３とから構成されている。また、共振ＤＣリンク回路３は、インダクタンス、コンデンサおよびスイッチトランジスタから構成されている（例えば、非特許文献１参照）。
電気学会半導体電力変換技術委員会著「ＰＷＭインバータ制御方式の最新技術動向」社団法人電気学会出版、１９９７年５月３０日、Ｐ．２４−３０

しかしながら、前記従来の構成では、スイッチングトランジスタに用いられていたトランジスタは共振動作であり、ＤＣ電圧リンク電圧以上の電圧が発生し、ピーク電流も平均電流以上のものとなり、制御すべきエネルギーが短時間に高周波パルス状になるために、高速応答、高耐圧、大電流ドライブ能力が必要であり、さらには低ロス、簡易ドライブ性能が必要でもある。

ＦＥＴトランジスタもしくはＩＧＢＴトランジスタが用いられてきたが、ＦＥＴトランジスタではおよそ４５０Ｖを超えると電流集中対応や高耐圧化によりチップサイズが大きくなり、コストＵＰとなっていた。また、ＩＧＢＴはスイッチングＯＦＦ時の電流テールによるオフ速度が遅い、損失が大きいなどという課題を有していたために、この共振ＤＣリンク回路は実用化されていなかった。

本発明は、前記従来の課題を解決するもので、低騒音化および変換効率の低減を実現する共振ＤＣリンク回路を用いたＰＤＭ変調インバータシステムの電力変換装置を提供することを目的とする。

前記従来の課題を解決するために、本発明の電力変換装置は、交流電力を直流電力へ変換する整流回路と、前記直流出力を多相電力へ変換するインバータ回路と、前記整流回路と前記インバータ回路との間に設けた共振ＤＣリンク回路とを備え、前記共振ＤＣリンク回路におけるスイッチング手段がＳｉＣトランジスタであることを特徴とするものである。

これによって、ＳｉＣトランジスタの高速スイッチング、高耐圧、低損失、大電流駆動の特徴により、従来の従来のＦＥＴトランジスタやＩＧＢＴトランジスタにおいては実現できなかったＰＤＭ共振ＤＣリンクインバータ回路の電力変換装置が実現可能となる。

また、ＰＤＭ共振ＤＣリンクインバータ回路における電力調整は、ＤＣリンク回路で制御することが可能であり、インバータ回路は負荷の電力に合わせた相切り替えの転流動作
のみを行うことで制御できるために、高周波キャリヤ周波数を用いたＰＷＭ方式とは異なり、低速でのスイッチングで電力変換装置を実現できるようになる。

本発明によれば、低騒音化および変換効率の低減を実現する共振ＤＣリンク回路を用いたＰＤＭ変調インバータシステムの電力変換装置を提供できる。

第１の発明は、交流電力を直流電力へ変換する整流回路と、前記直流出力を多相電力へ変換するインバータ回路と、前記整流回路と前記インバータ回路との間に設けた共振ＤＣリンク回路とを備え、前記共振ＤＣリンク回路におけるスイッチング手段がＳｉＣトランジスタであることを特徴とする電力変換装置で、ＳｉＣトランジスタの高速スイッチング、高耐圧、低損失、大電流駆動の特徴により、従来の従来のＦＥＴトランジスタやＩＧＢＴトランジスタにおいては実現できなかったＰＤＭ共振ＤＣリンクインバータ回路の電力変換装置が実現可能となる。

また、ＰＤＭ共振ＤＣリンクインバータ回路における電力調整は、ＤＣリンク回路で制御することが可能であり、インバータ回路は負荷の電力に合わせた相切り替えの転流動作のみを行うことで制御できるために、高周波キャリヤ周波数を用いたＰＷＭ方式とは異なり、低速でのスイッチングで電力変換装置を実現できるようになる。

第２の発明は、インバータ回路におけるトランジスタは、低オンロストランジスタであることを特徴とするもので、トランジスタにおける変換効率のロスを低減することができ、たとえば、ＢＪＴトランジスタや低オン抵抗を持つＦＥＴで実現できるものである。

第３の発明は、ＳｉＣトランジスタのスイッチング動作は、ゼロ電圧動作もしくはゼロ電流動作を行い、その基本スイッチング周波数を可聴周波数以上に設定したことを特徴とするもので、ＤＣリンク回路におけるスイッチングロスが低減化され、低騒音化およびトランジスタにおける変換効率のロスを低減することができる。

第４の発明は、負荷として電動機を備え、インバータ回路におけるトランジスタのスイッチング周波数は、前記電動機の極対数に前記電動機の運転周波数を乗じたものであることを特徴とするもので、電動機にキャリヤ成分を重畳することもなくなり、低騒音化およびトランジスタにおける変換効率のロスを低減することができる。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。なお、この実施の形態によって本発明が限定されるものではない。

（実施の形態１）
図１は、本発明の第１の実施の形態における電力変換装置の回路構成図を示すものである。

図１において、整流回路（電源）１は商用電源を全波整流したものであり、その出力が共振ＤＣリンク回路３を介して、インバータ回路２へ供給される構成となっている。とくに、共振ＤＣリンク回路３におけるトランジスタ（Ｓ７）は、ＳＩＣトランジスタ１２で構成されている。

以上のように構成された電力変換装置について、以下その動作、作用を説明する。

まず、整流回路（電源）１の出力は、共振ＤＣリンク回路３におけるＳＩＣトランジス
タ１２のゼロ電圧スイッチング動作により、図２に示すような波形の電流をインバータ回路２へ供給する。すなわち、インダクタンス１０とコンデンサ１１との直列共振回路の共振周波数と位相に同期して、ＳＩＣトランジスタ１２をスイッチングすることにより、直列回路における電流エネルギーをインバータ回路２へ移送するものである。

このために、ＳＩＣトランジスタ１２の端子間には、整流回路１の出力電圧の２倍以上の電圧が発生するとともに、直列共振回路のインピーダンスがゼロ時に流れる大電流を駆動することが必要となる。このために、従来型のＦＥＴやＩＧＢＴトランジスタでは、その耐圧およびドライブ能力面で大きな課題となっていたが、以上のように、本実施の形態においては共振ＤＣリンク回路３における共振トランジスタをＳＩＣトランジスタ１２とすることにより、容易に高耐圧化、大電流化が可能となり、低騒音化およびトランジスタにおける変換効率のロスを低減することができる。

また、負荷を駆動するインバータ回路２におけるトランジスタ（Ｓ１〜Ｓ６）は、低オンロストランジスタとすることにより、高速スイッチング化、高耐圧化、高電流駆動化が可能となり、低騒音化およびトランジスタにおける変換効率のロスを低減することができる。

また、共振ＤＣリンク回路３におけるＳＩＣトランジスタ１２のスイッチング動作は、ゼロ電圧動作もしくはゼロ電流動作を行い、その基本スイッチング周波数を可聴周波数以上に設定し、前記インバータ回路２におけるトランジスタ（Ｓ１〜Ｓ６）のスイッチング周波数は、（電動機の極対数）に（電動機の運転周波数）を乗じたものであることにより、電動機の転流動作のみを担保する。

すなわち、負荷である電動機への駆動電力（速度制御）は、共振ＤＣリンク回路３におけるＰＤＭ変調により調整を行い、電動機の整流子動作をインバータ回路２のトランジスタ（Ｓ1〜Ｓ６）にて転流動作することにより、電動機の速度制御を実現するものである。共振ＤＣリンク回路におけるＳＩＣトランジスタ１２は、ＳＩＣによる低ロス、高速スイッチング、大電流駆動を実現しながら、さらに電圧共振動作でオン時のロスが最小値となっている。

また、負荷電動機を駆動するインバータ回路２のトランジスタ（Ｓ１〜Ｓ６）は、電動機における整流子動作のみを行うことにより、ＰＷＭなどのスイッチングロスが最小となり、システムとして変換効率のロスの低減、低ノイズ化が実現できるものである。これにより、高速スイッチング化、高耐圧化、高電流駆動化が可能となり、変換効率のロスの低減、低騒音化を実現した電力変換装置を提供することができる。

以上のように、本発明にかかる電力変換装置は、低騒音・変換効率のロスの低減を実現する共振ＤＣリンク回路を用いたＰＤＭ変調インバータシステムの実現が可能となるので、昇圧回路を具備せずにＤＣブラシレスモータ、誘導電動機などの周波数変換インバータを具備した電力変換装置等の用途にも適用できる。

本発明の第一の実施の形態における電力変換装置の回路構成図同共振電流の概略図従来の電力変換装置の回路構成図

符号の説明

１整流回路（電源）
２インバータ回路
３共振ＤＣリンク回路
１０リアクタ
１１コンデンサ
１２ＳＩＣトランジスタ

Claims

交流電力を直流電力へ変換する整流回路と、前記直流出力を多相電力へ変換するインバータ回路と、前記整流回路と前記インバータ回路との間に設けた共振ＤＣリンク回路とを備え、前記共振ＤＣリンク回路におけるスイッチング手段がＳｉＣトランジスタであることを特徴とする電力変換装置。
インバータ回路におけるトランジスタは、低オンロストランジスタであることを特徴とする請求項１に記載の電力変換装置。
ＳｉＣトランジスタのスイッチング動作は、ゼロ電圧動作もしくはゼロ電流動作を行い、その基本スイッチング周波数を可聴周波数以上に設定したことを特徴とする請求項１または２に記載の電力変換装置。
負荷として電動機を備え、インバータ回路におけるトランジスタのスイッチング周波数は、前記電動機の極対数に前記電動機の運転周波数を乗じたものであることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の電力変換装置。
請求項１〜４のいずれか１項に記載の電力変換装置を有する空調調和機。