JP2008067427A

JP2008067427A - 電力変換装置

Info

Publication number: JP2008067427A
Application number: JP2006239666A
Authority: JP
Inventors: Hiroyuki Haga; 浩之芳賀
Original assignee: Shindengen Electric Manufacturing Co Ltd
Current assignee: Shindengen Electric Manufacturing Co Ltd
Priority date: 2006-09-05
Filing date: 2006-09-05
Publication date: 2008-03-21

Abstract

【課題】本発明は、電力損失を抑えることが可能な電力変換装置を提供する。
【解決手段】交流電力を直流電力に変換する三相の電力変換装置において、交流入力源と入力チョークＬｕ，Ｌｖ，Ｌｗを介して接続された６個のスイッチ素子Ｑ１〜Ｑ６を備えるブリッジ回路１０を備え、このブリッジ回路を構成する三つの第一のアーム１１〜１３とそれぞれ並列に第二のアーム２１〜２３を接続し、それぞれの前記第一のアームの中点とこれら第一のアームと並列に接続するそれぞれの前記第二のアームの中点とをチョークＬ１〜Ｌ３を介して接続し、前記第一のアーム及び前記第二のアームの両端を直流出力に接続してあることを特徴とする電力変換装置。
【選択図】図１

Description

本発明は、交流電力を直流電力若しくは直流電力を交流電力に変換する電力変換装置に関するものである。

従来のコンバータにおいて、図６に示すように、交流入力源と入力チョークＬｕ，Ｌｖ，Ｌｗを介して接続された６個のスイッチ素子Ｑ１〜Ｑ６を備えるブリッジ回路１０を備えてある。ブリッジ回路１０と負荷Ｒとの間に補助回路３０を備えてある。この補助回路３０はブリッジ回路１０のアーム１１〜１３と並列に補助スイッチＱ７とチョークＬ１１とを直列に接続した直列回路３１を備えてある。この直列回路３１の中点と出力コンデンサＣｏを、補助ダイオードＤ２を介して接続してある。ＤＣレールダイオードＤ１がチョークＬ１１と補助ダイオードＤ２の直列回路と並列に接続されている。これによりソフトスイッチングを実現している。

また、従来のインバータにおいて、図７に示すように、直流入力源の両端に６個のスイッチ素子Ｑ１〜Ｑ６を備えるブリッジ回路１０を備えてある。直流入力源Ｖｉｎとブリッジ回路１０との間に補助回路４０を備えてある。この補助回路４０は直流入力源Ｖｉｎとブリッジ回路１０の一端との間にＤＣレールスイッチＱ８を接続してある。直流入力源ＶｉｎとＤＣレールスイッチＱ８の入力端に補助スイッチＱ７と補助ダイオードＤ２とを直列に接続した直列回路４１の一端を接続してある。この直列回路４１の中点とＤＣレールスイッチＱ８の出力端との間にチョークＬ１１を接続してある。これによりソフトスイッチングを実現している公知のものが存在する（例えば、特許文献１参照）。
特表平１１−５０６５９９号公報

しかし、図６の回路方式では、このＤＣレールダイオードには出力電流に相当する電流が流れるため、電力損失が大きい問題がある。例えば５６Ｖ２００Ａ出力整流器の場合、電力変換装置の出力が４００Ｖとすると、効率を考慮しない単純計算で２８Ａもの電流が流れる。ＤＣレールダイオードの順方向電圧を１Ｖとすると、ここで２８Ｗもの電力損失が発生することになる問題があった。図７の回路方式でもＤＣレールスイッチＱ８で同様の問題が発生する。

本発明は、上記問題に鑑みてなされたものであり、電力損失を抑えることが可能な電力変換装置を提供する。

上記課題を解決するために、本発明に係る電力変換装置は、交流電力を直流電力に変換する電力変換装置において、交流入力源と入力チョークを介して接続された偶数個のスイッチ素子を備えるブリッジ回路を備え、このブリッジ回路を構成する複数の第一のアームのそれぞれに並列に第二のアームを接続し、それぞれの前記第一のアームの中点とこれら第一のアームと並列に接続するそれぞれの前記第二のアームの中点とをチョークを介して接続し、前記第一のアーム及び前記第二のアームの両端を直流出力に接続してあることを特徴とする。

また、本発明に係る電力変換装置は、直流電力を交流電力に変換する単相の電力変換装置において、直流入力源の両端に偶数個のスイッチ素子を備えるブリッジ回路を備え、このブリッジ回路を構成する複数の第一のアームのそれぞれに並列に第二のアームを接続し、それぞれの前記第一のアームの中点とこれら第一のアームと並列に接続するそれぞれの前記第二のアームの中点とをチョークを介して接続し、前記第一のアームの中点を交流出力に接続してあることを特徴とする。

前記スイッチ素子としてＭＯＳＦＥＴを用いていることを特徴とする。
又は、前記スイッチ素子としてＩＧＢＴと逆並列ダイオードを組み合わせたものを用いていることを特徴とする。

本発明によれば、ＤＣレールダイオードを必要としないため、電力損失を減らすことができる。また、ブリッジ回路を構成する主スイッチがゼロ電圧、ゼロ電流でターンオンするため容量性のターンオン損失、電圧・電流の重なりによるスイッチング損失を抑えることができる。さらに、スイッチ素子としてＭＯＳＦＥＴを使う場合、逆方向電流をチョークに切り替えてからターンオフさせれば、ボディダイオードにリカバリー電流が流れないため、ＤＣレールダイオードがなくてもダイオードのリカバリー電流による損失を抑えることができる。

発明を実施するための最良の形態の回路図を図１に示す。図１図示の電力変換装置は、三相のコンバータの実施例である。このコンバータは交流入力源の一端に入力チョークＬｕ，Ｌｖ，Ｌｗを介して６個のスイッチ素子Ｑ１〜Ｑ６を備えるブリッジ回路１０を備えてある。このブリッジ回路１０を構成する三つの第一のアーム１１〜１３のそれぞれ並列に第二のアーム２１〜２３を接続してある。

第一のアーム１１の中点と第二のアーム２１の中点とをチョークＬ１を介して接続し、第一のアーム１２の中点と第二のアーム２２の中点とをチョークＬ２を介して接続し、第一のアーム１３の中点と第二のアーム２３の中点とをチョークＬ３を介して接続してある。これら第二のアーム２１〜２３にもそれぞれ二つずつスイッチ素子Ｑ１１〜Ｑ１６を備えてある。以上のように構成したアーム１１〜１３，２１〜２３の両端を直流出力に接続してある。また、直流出力と並列に出力コンデンサＣｏを接続してある。

以上のように構成してあるコンバータは以下のように作用する。第一のアーム１１〜１３に設けたハイサイドスイッチＱ１〜Ｑ３がターンオンする直前に、第二のアーム２１〜２３に設けたハイサイドスイッチＱ１１〜Ｑ１３をターンオンさせて、寄生容量を放電する。放電されたエネルギーはチョークＬ１〜Ｌ３に移動し、第二のアーム２１〜２３に設けたハイサイドスイッチＱ１１〜Ｑ１３がターンオフされたタイミングで第一のアーム１１〜１３に設けたハイサイドスイッチＱ１〜Ｑ３と、第二のアーム２１〜２３に設けたローサイドスイッチＱ１４〜Ｑ１６のボディダイオードを通して出力コンデンサＣｏに充電される。これによりハイサイドスイッチＱ１〜Ｑ３のゼロ電圧スイッチングが可能となり、スイッチング損失を抑えることができる。

また、第一のアーム１１〜１３に設けたローサイドスイッチＱ４〜Ｑ６がターンオンする直前に、第二のアーム２１〜２３に設けたローサイドスイッチＱ１４〜Ｑ１６をターンオンさせて、寄生容量を放電する。放電されたエネルギーはチョークＬ１〜Ｌ３に移動し、第二のアーム２１〜２３に設けたローサイドスイッチＱ１４〜Ｑ１６がターンオフされたタイミングで、第一のアーム１１〜１３に設けたローサイドスイッチＱ４〜Ｑ６と、第二のアーム２１〜２３に設けたローサイドスイッチＱ１４〜Ｑ１６のボディダイオードを通して出力コンデンサＣｏに充電される。これによりローサイドスイッチＱ４〜Ｑ６のゼロ電圧スイッチングが可能となり、スイッチング損失を抑えることができる。

以上の作用より、ブリッジ回路１０を構成するスイッチ素子Ｑ１〜Ｑ６がゼロ電圧、ゼロ電流でターンオンするため容量性のターンオン損失、電圧・電流の重なりによるスイッチング損失を抑えることができる。さらに、スイッチ素子Ｑ１〜Ｑ６の逆方向電流をチョークＬ１〜Ｌ３に切り替えてからターンオフさせれば、ボディダイオードにリカバリー電流が流れないため、ＤＣレールダイオードがなくてもリカバリー損失を抑えることができる。

続いて図２図示の電力変換装置は、図１図示実施例と同様に三相のコンバータの実施例である。このコンバータは、スイッチ素子Ｑ１〜Ｑ６，Ｑ１１〜Ｑ１６としてＭＯＳＦＥＴの代わりにＩＧＢＴと逆並列ダイオードを組み合わせたものを用いている。なお、その他の構成並びに作用については図１図示実施例とほぼ同様であるため、割愛する。

続いて図３図示の電力変換装置は、単相のコンバータの実施例である。このコンバータは交流入力源の一端に入力チョークＬｕ，Ｌｖを介して４個のスイッチ素子Ｑ１，Ｑ２，Ｑ４，Ｑ５を備えるブリッジ回路１０を備えてある。このブリッジ回路１０を構成する二つの第一のアーム１１，１２とそれぞれ並列に第二のアーム２１，２２を接続してある。第一のアーム１１の中点と第二のアーム２１の中点とをチョークＬ１を介して接続し、第一のアーム１２の中点と第二のアーム２２の中点とをチョークＬ２を介して接続してある。これら第二のアーム２１，２２にもそれぞれ二つずつスイッチ素子Ｑ１１，Ｑ１４，Ｑ１２，Ｑ１５を備えてある。以上のように構成したアーム１１，１２，２１，２２の両端を直流出力に接続してある。また、直流出力と並列に出力コンデンサＣｏを接続してある。なお、作用については図１図示実施例とほぼ同様であるため、割愛する。

続いて、図４図示の電力変換装置は、単相のインバータの実施例である。このインバータは直流入力源Ｖｉｎの両端に４個のスイッチ素子Ｑ１，Ｑ２，Ｑ４，Ｑ５を備えるブリッジ回路１０を備えてある。このブリッジ回路１０を構成する二つの第一のアーム１１，１２とそれぞれ並列に第二のアーム２１，２２を接続してある。第一のアーム１１の中点と第二のアーム２１の中点とをチョークＬ１を介して接続し、第一のアーム１２の中点と第二のアーム２２の中点とをチョークＬ２を介して接続してある。これら第二のアーム２１，２２にもそれぞれ二つずつスイッチ素子Ｑ１１，Ｑ１４，Ｑ１２，Ｑ１５を備えてある。第一のアーム１１，１２の中点はＬＣフィルタを介して交流出力に接続する場合もあるが、モーターを駆動する場合はモーター自身が出力チョークとして働くので、ＬＣフィルタは不要である。

以上のように構成してあるインバータは以下のように作用する。第一のアーム１１，１２に設けたハイサイドスイッチＱ１，Ｑ２がターンオンする直前に、第二のアーム２１，２２に設けたハイサイドスイッチＱ１１，Ｑ１２をターンオンさせて、寄生容量を放電する。放電されたエネルギーはチョークＬ１，Ｌ２に移動し、第二のアーム２１，２２に設けたハイサイドスイッチＱ１１，Ｑ１２がターンオフされたタイミングで第一のアーム１１，１２に設けたハイサイドスイッチＱ１，Ｑ２と、第二のアーム２１，２２に設けたローサイドスイッチＱ１４，Ｑ１５のボディダイオードを通して直流入力源Ｖｉｎに返される。これにより、ローサイドスイッチＱ１，Ｑ２のゼロ電圧スイッチングが可能となり、スイッチング損失を抑えることができる。

また、第一のアーム１１，１２に設けたローサイドスイッチＱ４，Ｑ５がターンオンする直前に、第二のアーム２１，２２に設けたローサイドスイッチＱ１４，Ｑ１５をターンオンさせて、寄生容量を放電する。放電されたエネルギーはチョークＬ１，Ｌ２に移動し、第二のアーム２１，２２に設けたローサイドスイッチＱ１４，Ｑ１５がターンオフされたタイミングで、第一のアーム１１，１２に設けたローサイドスイッチＱ４，Ｑ５と、第二のアーム２１，２２に設けたハイサイドスイッチＱ１１，Ｑ１２のボディダイオードを通して直流入力源Ｖｉｎに返される。これによりローサイドスイッチＱ４，Ｑ５のゼロ電圧スイッチングが可能となり、スイッチング損失を抑えることができる。

以上の作用より、ブリッジ回路１０を構成するスイッチ素子Ｑ１，Ｑ２，Ｑ４，Ｑ５がゼロ電圧、ゼロ電流でターンオンするため容量性のターンオン損失、電圧・電流の重なりによるスイッチング損失を抑えることができる。さらに、スイッチ素子Ｑ１，Ｑ２，Ｑ４，Ｑ５の逆方向電流をチョークＬ１，Ｌ２に切り替えてからターンオフさせれば、ボディダイオードにリカバリー電流が流れないため、ＤＣレールダイオードがなくてもリカバリー損失を抑えることができる。

続いて、図５図示の電力変換装置は、三相のインバータの実施例である。このインバータは直流入力源Ｖｉｎの両端に６個のスイッチ素子Ｑ１〜Ｑ６を備えるブリッジ回路１０を備えてある。このブリッジ回路１０を構成する三つの第一のアーム１１〜１３のそれぞれ並列に第二のアーム２１〜２３を接続してある。

第一のアーム１１の中点と第二のアーム２１の中点とをチョークＬ１を介して接続し、第一のアーム１２の中点と第二のアーム２２の中点とをチョークＬ２を介して接続し、第一のアーム１３の中点と第二のアーム２３の中点とをチョークＬ３を介して接続してある。これら第二のアーム２１〜２３にもそれぞれ二つずつスイッチ素子Ｑ１１〜Ｑ１６を備えてある。第一のアーム１１〜１３の中点はＬＣフィルタを介して交流出力に接続する場合もあるが、モーターを駆動する場合はモーター自身が出力チョークとして働くので、ＬＣフィルタは不要である。なお、作用については図４図示実施例とほぼ同様であるため、割愛する。

なお、本実施例に係るコンバータ及びインバータはいずれも単相並びに三相であるが、本発明はこれに限定されず、任意の相数で実施可能である。また、図２図示実施例を除く全ての実施例において、スイッチ素子Ｑ１〜Ｑ６としてＭＯＳＦＥＴを用いたが、本発明はこれに限定されず、いずれの電力変換装置において、ＩＧＢＴと逆並列ダイオードを組み合わせたものを用いることが可能である。

本発明によれば、ＤＣレールダイオードを必要としないため、電力損失を減らすことができる。また、ブリッジ回路を構成するスイッチ素子がゼロ電圧、ゼロ電流でターンオンするため容量性のターンオン損失、電圧・電流の重なりによるスイッチング損失を抑えることができる。さらに、スイッチ素子の逆方向電流をチョークに切り替えてからターンオフさせれば、ボディダイオードにリカバリー電流が流れないため、ＤＣレールダイオードがなくてもリカバリー損失を抑えることができ、産業上利用可能である。

本発明に係る電力変換装置における発明を実施するための最良の形態の回路図である。図１図示実施例とは別の実施例の回路図である。前記実施例とは別の実施例の回路図である。前記実施例とは別の実施例の回路図である。前記実施例とは別の実施例の回路図である。従来の電力変換装置の例を示した回路図である。図６図示従来例とは別の従来例の回路図である。

符号の説明

１０ブリッジ回路
１１〜１３第一のアーム
２１〜２３第二のアーム
Ｑ１〜Ｑ６，Ｑ１１〜Ｑ１６スイッチ素子
Ｌ１〜Ｌ３チョーク
Ｌｕ，Ｌｖ，Ｌｗ入力チョーク
Ｃｏ出力コンデンサ
Ｒ負荷
Ｖｉｎ直流入力源

Claims

交流電力を直流電力に変換する電力変換装置において、交流入力源と入力チョークを介して接続された偶数個のスイッチ素子を備えるブリッジ回路を備え、このブリッジ回路を構成する複数の第一のアームのそれぞれに並列に第二のアームを接続し、それぞれの前記第一のアームの中点とこれら第一のアームと並列に接続するそれぞれの前記第二のアームの中点とをチョークを介して接続し、前記第一のアーム及び前記第二のアームの両端を直流出力に接続してあることを特徴とする電力変換装置。
直流電力を交流電力に変換する電力変換装置において、直流入力源の両端に偶数個のスイッチ素子を備えるブリッジ回路を備え、このブリッジ回路を構成する複数の第一のアームのそれぞれに並列に第二のアームを接続し、それぞれの前記第一のアームの中点とこれら第一のアームと並列に接続するそれぞれの前記第二のアームの中点とをチョークを介して接続し、前記第一のアームの中点を交流出力に接続してあることを特徴とする電力変換装置。
前記スイッチ素子としてＭＯＳＦＥＴを用いていることを特徴とする請求項１又は２記載の電力変換装置。
前記スイッチ素子としてＩＧＢＴと逆並列ダイオードを組み合わせたものを用いていることを特徴とする請求項１又は２記載の電力変換装置。