JP2008220109A - 電力変換機器に適用されるコモンモード漏れ電流抑制回路 - Google Patents

Abstract

【課題】各種電力変換機器において、負荷寄生容量に起因するコモンモード漏れ電流とともに、スイッチ寄生容量に起因するコモンモード漏れ電流をも抑制する。
【解決手段】第１の発明に係るＰＷＭインバータ１は、出力平均電圧を検知する検知部４と、出力平均電圧と等しい重畳電圧を発生する電圧生成部５と、重畳電圧と逆極性の電圧をインバータの上下アーム電源ラインＥ_Ｕ、Ｅ_Ｄに重畳する重畳部６を備え、負荷寄生容量及び下アーム側スイッチ寄生容量に起因するコモンモード漏れ電流を抑制する。また、第２の発明に係るＰＷＭインバータ１’は、上アーム側スイッチ寄生容量の漏れ電流に相当する補償電流を発生する補償電流発生部７をさらに備え、上アーム側スイッチ寄生容量に流れる漏れ電流をインバータ内で循環させ、上アーム側スイッチ寄生容量に起因するコモンモード漏れ電流を抑制する。
【選択図】図１

Description

本発明は、各種電力変換機器において、電力用半導体スイッチング素子のスイッチング動作に応じて発生するコモンモード漏れ電流の抑制回路に関する。

近年の電力用半導体スイッチング素子の高速化により、ＰＷＭインバータに代表される各種電力変換機器においてスイッチング周波数の高速化が進んでいる。スイッチング周波数の高速化は、モーター等の負荷をきめ細かく制御できるというメリットがある。しかしながら、その一方で、高速スイッチング時の急峻な電流、電圧の変化によって生じる電磁波が他の電子機器に影響を及ぼす電磁波干渉（ＥＭＩ）が問題となってきている。

このＥＭＩを引き起こす要因の１つにコモンモード漏れ電流がある。コモンモード漏れ電流は、主に、負荷の寄生容量によるものと、スイッチング素子の寄生容量によるものがある。

このうち、スイッチング素子の寄生容量について、図８（Ａ）〜（Ｃ）を参照して説明する。図８（Ａ）は、三相負荷３を制御する最も基本的な三相のＰＷＭインバータ１０の回路図である。ＰＷＭインバータ１０は、Ｅ［Ｖ］を出力する直流電源２と、上アーム電源ラインＥ_Ｕ及び下アーム電源ラインＥ_Ｄを介して直流電源２に接続されるインバータＩＮＶで構成される。インバータＩＮＶは、Ｕ相を制御する一対のスイッチＳＷ_ｕ及びＳＷ_ｘ、Ｖ相を制御する一対のスイッチＳＷ_ｖ及びＳＷ_ｙ、Ｗ相を制御する一対のスイッチＳＷ_ｗ及びＳＷ_ｚからなる。また、図９に示されるように、直流電源２が出力するＥ［Ｖ］は、通常、三相交流電圧を整流して生成される。

通常、インバータＩＮＶの各相のスイッチは電力用半導体スイッチで構成されており、図８（Ｂ）に示す一例において、各スイッチはＮ型ＩＧＢＴトランジスタである。図８（Ｂ）のトランジスタＴｒ_ｕは図８（Ａ）のスイッチＳＷ_ｕに対応し、トランジスタＴｒ_ｘはスイッチＳＷ_ｘに対応している。
スイッチを構成するこれらのトランジスタは、複数の素子が一体的にモジュール化された状態で使用されることが多く、例えば、一相分のトランジスタ（２個）を含む「２ ｉｎ １」タイプや、三相分のトランジスタ（６個）を含む「６ ｉｎ １」タイプ等がある。

図８（Ｃ）は、２個のトランジスタＴｒ_ｕ及びＴｒ_ｘからなる「２ ｉｎ １」モジュールの断面模式図である。各トランジスタにおいて、コレクタ電極１４は絶縁基板１１に接続され、各絶縁基板１１は、放熱の役割を果たす金属板１２にはんだ付け等によってそれぞれ接続されている。そして、トランジスタＴｒ_ｕのエミッタ電極１３と、トランジスタＴｒ_ｘのコレクタ電極１４とが適当な導体で相互に接続されて、インバータ出力（Ｕ相）となる（例えば、非特許文献１参照）。
この構造では、コレクタ電極１４と金属板１２が絶縁基板１１を挟んだ並行平板状の電極となっているので、コレクタ電極１４と金属板１２の間には寄生のコンデンサが形成されることになる。図８（Ｂ）において、この寄生のコンデンサはスイッチ寄生容量Ｃ_Ｓで表される。

コモンモード漏れ電流を引き起こすもう一つの寄生容量である負荷寄生容量Ｃ_Ｌは、主に、モーター巻線と接地されたフレームとの間の浮遊容量である。

上記スイッチ寄生容量及び負荷寄生容量を、図８（Ａ）に示す三相のＰＷＭインバータ１０に反映させると図１０のようになる。図１０に示されるように、ＰＷＭインバータ１０には、上アーム側スイッチＳＷ_ｕ〜ＳＷ_ｗのコレクタ側に付随するスイッチ寄生容量Ｃ_ＳＵ、下アーム側スイッチＳＷ_ｘ〜ＳＷ_ｚのコレクタ側に付随するスイッチ寄生容量Ｃ_ＳＤ、及び三相負荷３に付随する負荷寄生容量Ｃ_Ｌが存在する。
なお、接地点は様々に設定可能であるが、本明細書及び各添付図面では直流電源２の中間点を接地し、ここを基準電位として説明する。

図１１は、図１０に示した最も基本的なＰＷＭインバータ１０の動作波形の一例である。図１１に示す動作において、インバータＩＮＶは、時間Ｔ_１、Ｔ_２、Ｔ_３、Ｔ_４に各スイッチが切り替わる。また、図１１に図示されていない上アーム側スイッチＳＷ_ｗはＯＦＦ、下アーム側スイッチＳＷ_ｚはＯＮである。
なお、ＰＷＭインバータの動作波形を示す各添付図面において、例えば“↑Ｅ［Ｖ］”は、スイッチ状態の変化に応じて電圧がＥ［Ｖ］上昇したことを示し、“↓Ｅ［Ｖ］”はＥ［Ｖ］下降したことを示す。

時間０の初期状態において、上アーム側スイッチＳＷ_ｕ、ＳＷ_ｖ、ＳＷ_ｗはいずれもＯＦＦ、下アーム側スイッチＳＷ_ｘ、ＳＷ_ｙ、ＳＷ_ｚはいずれもＯＮである。このとき、インバータＩＮＶの各相（Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相）出力は、接続された直流電源２にしたがって−Ｅ／２［Ｖ］であり、三相負荷３のコモンモード電圧Ｖ_ＣＯＭは各相出力の平均電圧（−Ｅ／２［Ｖ］）である。

時間Ｔ_１において、スイッチＳＷ_ｕがＯＦＦからＯＮに、スイッチＳＷ_ｘがＯＮからＯＦＦにそれぞれ変化すると、インバータＩＮＶのＵ相出力が−Ｅ／２［Ｖ］からＥ／２［Ｖ］まで＋Ｅ［Ｖ］変動し、これに応じて、コモンモード電圧Ｖ_ＣＯＭが＋Ｅ／３［Ｖ］変動する。そして、この変動に伴って、負荷寄生容量Ｃ_Ｌに漏れ電流Ｉ_Ｌが流れ、さらに、スイッチＳＷ_ｘの寄生容量Ｃ_ＳＤに漏れ電流Ｉ_ＳＤが流れる。

同様に、時間Ｔ_２、Ｔ_３・・・においても、各スイッチの変化に伴って各相出力及びコモンモード電圧Ｖ_ＣＯＭが変動し、漏れ電流Ｉ_Ｌ及びＩ_ＳＤが流れる。
なお、図１０に示すＰＷＭインバータ１０では、各スイッチが変化しても上アーム電源ラインＥ_Ｕは変化しない。したがって、ＰＷＭインバータ１０では、各スイッチが変化しても上アーム側スイッチ寄生容量Ｃ_ＳＵに印加される電圧は一定に保たれ、スイッチ寄生容量Ｃ_ＳＵに漏れ電流Ｉ_ＳＵは流れない。

以上のように、図１０に示す従来のＰＷＭインバータ１０では、各スイッチが変化する度に、負荷寄生容量Ｃ_Ｌ及び下アーム側スイッチ寄生容量Ｃ_ＳＤにそれぞれ漏れ電流Ｉ_Ｌ及びＩ_ＳＤが流れ、これらがコモンモード漏れ電流の一因となっていた。

この対策として、例えば、特許文献１では、負荷寄生容量Ｃ_Ｌに着目したコモンモード漏れ電流の抑制が検討されている。
図１２に示す、特許文献１に記載された三相のＰＷＭインバータ１０’は、インバータＩＮＶの各相出力に接続されて出力平均電圧（＝各相の平均電圧）Ｖ_ｉｎｖを検知する３つのコンデンサＣ_０と、コンプリメンタリなＮＰＮトランジスタＴｒ_ｎ及びＰＮＰトランジスタＴｒ_ｐからなるプッシュプル型エミッタホロワ回路８と、この回路の出力に接続された一次コイルＬ_ｃｍ１と、インバータＩＮＶの各相出力と三相負荷３の間に直列に接続された３個の二次コイルＬ_ｃｍ２と、を含むコモンモードキャンセル回路２０を備えている。

上記構成によれば、コモンモード電圧Ｖ_ＣＯＭが一定に保たれ、負荷寄生容量Ｃ_Ｌの漏れ電流Ｉ_Ｌに起因するコモンモード漏れ電流を抑制することができる。

しかしながら、図１２に示すコモンモードキャンセル回路２０では、下アーム側スイッチ寄生容量Ｃ_ＳＤの漏れ電流Ｉ_ＳＤを抑制することはできず、これに起因するコモンモード漏れ電流を抑制することはできなかった。また、今までに、スイッチ寄生容量に着目し、これに起因するコモンモード漏れ電流を抑制する検討はあまりなされていない。
特開平１０−９４２４４号公報 清水、木村、広瀬、「トランジスタモジュールの浮遊静電容量に起因する高周波漏洩電流の解析と抑制法」：電学論Ｄ、１１６巻７号、ｐ７５８〜ｐ７５９、平成８年

したがって、本発明は、各種電力変換機器において、負荷寄生容量に起因するコモンモード漏れ電流とともに、スイッチ寄生容量に起因するコモンモード漏れ電流をも抑制可能なコモンモード漏れ電流抑制回路を提供することを課題とする。

上記課題を解決するために、本発明に係るコモンモード漏れ電流抑制回路は、上アーム電源ライン及び下アーム電源ラインを介して直流電源から電力が供給され、電力用半導体スイッチング素子のスイッチング動作によって電力変換を行う電力変換機器において、該スイッチング動作に応じて生じるコモンモード漏れ電流を抑制すべく備えられる回路であって、ｉ）前記電力変換機器の各相の出力に接続され、前記スイッチング動作に応じて変動する出力平均電圧を検知する検知部と、ｉｉ）前記検知部に接続され、前記出力平均電圧と等しい重畳電圧を発生する電圧生成部と、ｉｉｉ）前記電圧生成部に接続され、前記重畳電圧と変動量が等しい逆極性の電圧を、前記上アーム電源ライン及び下アーム電源ラインに重畳する重畳部とを備えたことを特徴とする。

なお、前記電圧生成部は、プッシュプル型エミッタホロワ回路からなることが好ましい。

さらに、前記重畳部は、ａ）前記電圧生成部に接続され、前記重畳電圧が入力される一次コイルと、ｂ）前記上アーム電源ライン及び下アーム電源ラインにそれぞれ直列に接続され、前記一次コイルと巻数が等しい２個の二次コイルとからなるトランスを含み、前記一次コイルと二次コイルの電磁誘導作用により、前記重畳電圧と変動量が等しい逆極性の電圧が前記上アーム電源ライン及び下アーム電源ラインに重畳されることが好ましい。

また、本発明に係るコモンモード漏れ電流抑制回路は、ｉｖ）前記重畳部に接続された補償電流発生部と、をさらに備え、前記補償電流発生部は、ａ）前記トランスに備えられ、前記一次コイルから電圧が誘起されるコイルであって、前記一次コイルのｎ倍（ただしｎ＞１）の巻数を有し、一端が接地された補助コイルと、ｂ）前記補助コイルの他端と前記上アーム電源ラインの間に接続され、容量値が、式“Ｃ_Ｃ＝（前記上アーム電源ラインに付随する寄生容量の総和）／（ｎ−１）”に基づいて決定される補償コンデンサとからなり、前記補償コンデンサの両端の電位差に応じた補償電流が発生するようにしたことを特徴とする。

本発明は、各種電力変換機器において、負荷寄生容量、及びスイッチ寄生容量に起因するコモンモード漏れ電流の抑制回路を提供するものであって、まず第１の発明によれば、負荷寄生容量、及び下アーム側スイッチ寄生容量の漏れ電流を抑制し、これに起因するコモンモード漏れ電流を抑制することができる。さらに第２の発明によれば、上アーム側スイッチ寄生容量の漏れ電流を、これと同等の補償電流を発生させることによって電力変換機器内を循環させ、上アーム側スイッチ寄生容量に起因するコモンモード漏れ電流を抑制することができる。

本発明に係るコモンモード漏れ電流抑制回路の好ましい実施例を説明するにあたり、まず、図１を参照して、本発明に係るコモンモード漏れ電流抑制回路を備えた電力変換機器の概要につき説明する。なお、図１、２、４における電力変換機器は、一例として、三相負荷を駆動するＰＷＭインバータである。

本発明の第１の発明において、ＰＷＭインバータ１は、直流電源２、インバータＩＮＶ及び三相負荷３からなる従来のＰＷＭインバータに、検知部４、電圧生成部５及び重畳部６からなるコモンモード漏れ電流抑制回路９を付加して構成される。このＰＷＭインバータ１によれば、コモンモード電圧の変動をキャンセルすることによって、下アーム側スイッチＳＷ_ｘ〜ＳＷ_ｚに付随するスイッチ寄生容量の漏れ電流、及び負荷寄生容量の漏れ電流を抑制し、これらに起因するコモンモード漏れ電流を抑制することができる。

本発明の第２の発明に係るＰＷＭインバータ１’のコモンモード漏れ電流抑制回路９’は、上記第１の発明に係るコモンモード漏れ電流抑制回路９に、さらに、補償電流発生部７を付加して構成される。このＰＷＭインバータ１’によれば、上アーム側スイッチＳＷ_ｕ〜ＳＷ_ｗに付随するスイッチ寄生容量の漏れ電流を、この電流に等しい補償電流を発生させることによってインバータ内を循環させ、上アーム側スイッチ寄生容量に起因するコモンモード漏れ電流を抑制することができる。

以下、第１の発明を実現する実施例１、及び第２の発明を実現する実施例２の具体的な回路構成、及びその動作につき、図２〜図５を参照して説明する。

図２に示される実施例１に係るＰＷＭインバータ１において、検知部４は、一端がインバータＩＮＶの各相出力に接続され、他端が相互に接続される同一の３個のコンデンサＣ_０からなる。検知部４は、各コンデンサＣ_０の一端においてインバータＩＮＶの各相出力の電圧が入力され、各コンデンサＣ_０の他端である相互接続点において、上アーム電源ラインＥ_Ｕ及び下アーム電源ラインＥ_Ｄ間に直列接続される２つのコンデンサＣ_１間の電位（＝インバータ中性点電位Ｖ_ｃ）を基準とするインバータの出力平均電圧（＝各相の平均電圧）Ｖ_ｉｎｖを出力する。

電圧生成部５は、コンプリメンタリなＮＰＮトランジスタＴｒ_ｎ及びＰＮＰトランジスタＴｒ_ｐからなるプッシュプル型エミッタホロワ回路である。本回路は一例であり、高速応答性、低出力インピーダンス、高入力インピーダンスといった特性を有する他の回路に置き換えてもよい。
電圧生成部５は、各トランジスタのベースにおいて出力平均電圧Ｖ_ｉｎｖが入力され、この電圧と等しい重畳電圧Ｖ_ｏを出力する。

重畳部６は、主に、一次コイルＬ_１及び二次コイルＬ_２ｐ、Ｌ_２ｎからなるトランスで構成される。一次コイルＬ_１と二次コイルＬ_２ｐ、Ｌ_２ｎの巻数比は１：１で、一次コイルＬ_１に生じた電圧は、電磁誘導作用によって二次コイルＬ_２ｐ、Ｌ_２ｎのそれぞれに伝達されるようになっている。一次コイルＬ_１の一端は電圧生成部５に接続され、また、他端は上アーム電源ラインＥ_Ｕ及び下アーム電源ラインＥ_Ｄ間に直列接続される２つのコンデンサＣ_１の間に接続される。
一次コイルＬ_１の一端に入力される重畳電圧Ｖ_ｏが変動しても、一次コイルＬ_１の両端には電圧Ｖ_ｏが生じ、これと等しい電圧が二次コイルＬ_２ｐ、Ｌ_２ｎに誘起され、上アーム電源ラインＥ_Ｕ及び下アーム電源ラインＥ_Ｄにそれぞれ重畳電圧Ｖ_ｏと変動量が等しい逆極性の電圧が重畳される。結果的に、上アーム電源ラインＥ_Ｕ及び下アーム電源ラインＥ_Ｄは、検知された出力平均電圧Ｖ_ｉｎｖと変動量が等しく、かつ逆極性にシフトする。

上アーム電源ラインＥ_Ｕ及び下アーム電源ラインＥ_Ｄが出力平均電圧Ｖ_ｉｎｖと逆極性にシフトすると、それに応じて、各相（Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相）出力も出力平均電圧Ｖ_ｉｎｖと逆極性にシフトする。したがって、各スイッチの変化に伴って変動した出力平均電圧Ｖ_ｉｎｖの変動はキャンセルされ、コモンモード電圧Ｖ_ＣＯＭは一定に保たれる。

上記した実施例１に係るＰＷＭインバータ１において、各スイッチの変化に応じた各部の電圧、電流波形は図３のようになる。なお、図３において、出力平均電圧Ｖ_ｉｎｖはインバータ中性点電位Ｖ_ｃを基準とした電圧であり、他は接地点を基準とした電位である。また、図３において、図示しない上アーム側スイッチＳＷ_ｗはＯＦＦ、下アーム側スイッチＳＷ_ｚはＯＮである。

時間０の初期状態において、上アーム側スイッチＳＷ_ｕ、ＳＷ_ｖ、ＳＷ_ｗはいずれもＯＦＦ、下アーム側スイッチＳＷ_ｘ、ＳＷ_ｙ、ＳＷ_ｚはいずれもＯＮである。このとき、上アーム電源ラインＥ_Ｕ及び下アーム電源ラインＥ_Ｄは、それぞれＥ［Ｖ］、０［Ｖ］である。また、インバータＩＮＶの各相（Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相）出力は、下アーム電源ラインＥ_Ｄに等しい電圧０［Ｖ］で、三相負荷３のコモンモード電圧Ｖ_ＣＯＭは、各相出力の平均電圧（０［Ｖ］）である。

時間Ｔ_１において、スイッチＳＷ_ｕはＯＦＦからＯＮに、スイッチＳＷ_ｘはＯＮからＯＦＦにそれぞれ変化し、これとともに、出力平均電圧Ｖ_ｉｎｖは＋Ｅ／３［Ｖ］変動する。このとき、検知部４、電圧生成部５及び重畳部６は、この出力平均電圧Ｖ_ｉｎｖの変動をキャンセルすべく、上アーム電源ラインＥ_Ｕ及び下アーム電源ラインＥ_Ｄをそれぞれ−Ｅ／３［Ｖ］シフトさせことによって、インバータＩＮＶの各相出力を−Ｅ／３［Ｖ］シフトする。結局、出力平均電圧Ｖ_ｉｎｖの変動がキャンセルされ、コモンモード電圧Ｖ_ＣＯＭは一定に保たれる。
なお、本来、Ｕ相は０［Ｖ］からＥ［Ｖ］まで＋Ｅ［Ｖ］変動するところ、上アーム電源ラインＥ_Ｕ及び下アーム電源ラインＥ_Ｄがそれぞれ−Ｅ／３［Ｖ］シフトしたために、その変動は＋２Ｅ／３［Ｖ］に留まる。

他のスイッチ変化においても、検知部４、電圧生成部５及び重畳部６の働きによってコモンモード電圧Ｖ_ＣＯＭは一定に保たれる。例えば、時間Ｔ_３では、上アーム電源ラインＥ_Ｕ及び下アーム電源ラインＥ_Ｄを＋Ｅ／３［Ｖ］シフトさせることによって、インバータＩＮＶの各相出力が＋Ｅ／３［Ｖ］シフトし、−Ｅ／３［Ｖ］変動しようとするコモンモード電圧Ｖ_ＣＯＭの変動がキャンセルされる。

コモンモード電圧Ｖ_ＣＯＭが一定であれば、負荷寄生容量Ｃ_Ｌの両端の電位差は変化しないので、漏れ電流Ｉ_Ｌは流れない。また、例えば、図３の時間Ｔ_１のように、Ｕ相の変動量（＋２Ｅ／３［Ｖ］）とＶ相及びＷ相の変動量（それぞれ−Ｅ／３［Ｖ］）の和が０［Ｖ］で出力平均電圧Ｖ_ｉｎｖが一定であれば、下アーム側スイッチＳＷ_ｘ〜ＳＷ_ｚに付随するスイッチ寄生容量Ｃ_ＳＤの漏れ電流の和は０になる。
したがって、実施例１に係るＰＷＭインバータ１によれば、負荷寄生容量Ｃ_Ｌ、及び下アーム側スイッチ寄生容量Ｃ_ＳＤに起因するコモンモード漏れ電流を抑制することができる。

ところで、実施例１に係るＰＷＭインバータ１では、負荷寄生容量Ｃ_Ｌ、及び下アーム側スイッチ寄生容量Ｃ_ＳＤに起因するコモンモード漏れ電流を抑制すべく、上アーム電源ラインＥ_Ｕがシフトするようにしたので、上アーム電源ラインＥ_Ｕに付随する寄生容量、すなわち、上アーム側スイッチ寄生容量Ｃ_ＳＵに漏れ電流が流れてしまう。
後述する実施例２に係るＰＷＭインバータは、図２に示される実施例１に係るＰＷＭインバータ１に追加回路を付加し、上記上アーム側スイッチ寄生容量Ｃ_ＳＵに起因するコモンモード漏れ電流を抑制するものである。

実施例２に係るＰＷＭインバータ１’の回路図を図４に示す。ＰＷＭインバータ１’は、実施例１に係るＰＷＭインバータ１（図２）に補償電流発生部７を追加したものである。なお、図４では、上アーム側スイッチＳＷ_ｕ〜ＳＷ_ｗのそれぞれに付随するスイッチ寄生容量をまとめて、１つの寄生容量“３×Ｃ_ＳＵ”とした。

補償電流発生部７は、補償コンデンサＣ_Ｃ、及び重畳部６のトランス（Ｌ_１、Ｌ_２ｐ、Ｌ_２ｎ）に設けられる補助コイルＬ_Ｃからなる。本実施例において、一次コイルＬ_１と補助コイルＬ_Ｃの巻数比は１：２で、一次コイルＬ_１に生じた電圧の２倍の電圧が、電磁誘導作用によって補助コイルＬ_Ｃに伝達されるようになっている。また、本実施例において、補償コンデンサＣ_Ｃと、上アーム側スイッチ寄生容量３×Ｃ_ＳＵは容量値が等しい。
補助コイルＬ_Ｃの一端は接地され、他端は補償コンデンサＣ_Ｃの一端に接続される。そして、補償コンデンサＣ_Ｃの他端は、上アーム電源ラインＥ_Ｕに接続される。

実施例２に係るＰＷＭインバータ１’において、各スイッチの変化に応じた各部の電圧、電流波形は図５のようになる。なお、図５においても、出力平均電圧Ｖ_ｉｎｖはインバータ中性点電位Ｖ_ｃを基準とした電圧であり、他は接地点を基準とした電位である。また、図示しない上アーム側スイッチＳＷ_ｗはＯＦＦ、下アーム側スイッチＳＷ_ｚはＯＮである。

ＰＷＭインバータ１’は、各スイッチが変化しても、検知部４、電圧生成部５及び重畳部６の働きによってコモンモード電圧Ｖ_ＣＯＭは一定に保たれ、負荷寄生容量Ｃ_Ｌ及びスイッチ寄生容量Ｃ_ＳＤに起因するコモンモード漏れ電流を抑制することができる。この動作は、実施例１に係るＰＷＭインバータ１と同様である。

補償電流発生部７は、例えば、図５の時間Ｔ_１において、次のように動作する。
スイッチＳＷ_ｕがＯＦＦからＯＮに、スイッチＳＷ_ｘがＯＮからＯＦＦにそれぞれ変化すると、上アーム電源ラインＥ_Ｕは−Ｅ／３［Ｖ］シフトする。このとき、上アーム側スイッチ寄生容量３×Ｃ_ＳＵには、その容量値（３×Ｃ_ＳＵ）と、その両端における電位差の変化量（Ｅ／３［Ｖ］）に応じた漏れ電流Ｉ_ＳＵが流れる。漏れ電流Ｉ_ＳＵは、当該電流が流れる寄生容量の容量値、及びその両端における電位差の変化量に比例して増加する。

これとともに、補償電流発生部７の補助コイルＬ_Ｃには、重畳電圧Ｖ_ｏの２倍の大きさで変動する電圧Ｖ_ＬＣが誘起される。図５の時間Ｔ_１において、電圧Ｖ_ＬＣは−２Ｅ／３［Ｖ］シフトし、上アーム電源ラインＥ_Ｕは−Ｅ／３［Ｖ］シフトする。このとき、補償コンデンサＣ_Ｃの両端の電位差Ｖ_ＣＣは、電圧Ｖ_ＬＣのシフト量（−２Ｅ／３［Ｖ］）から上アーム電源ラインＥ_Ｕのシフト量（−Ｅ／３［Ｖ］）を差し引いた分だけシフトする。つまり、図５に示されるように、補償コンデンサＣ_Ｃの両端の電位差Ｖ_ＣＣのシフト量は、上アーム電源ラインＥ_Ｕのシフト量と等しく−Ｅ／３［Ｖ］となる。

つまり、補償コンデンサＣ_Ｃと上アーム側スイッチ寄生容量３×Ｃ_ＳＵは、容量値が等しく、かつ両端における電位差の変化量が等しいので、補償コンデンサＣ_Ｃに流れる補償用電流Ｉ_Ｃは、上アーム側スイッチ寄生容量３×Ｃ_ＳＵに流れる漏れ電流Ｉ_ＳＵに等しくなる。

以上のように、実施例２に係るＰＷＭインバータ１’では、上アーム電源ラインＥ_Ｕに付随する寄生容量に漏れ電流が流れても、これに等しい補償電流として、漏れ電流が再びＰＷＭインバータ１’内に供給される。結局、ＰＷＭインバータ１’によれば、上アーム側スイッチ寄生容量の漏れ電流をＰＷＭインバータ内で循環させることができ、上アーム側スイッチ寄生容量に起因するコモンモード漏れ電流を抑制することができる。

以上、本発明の好ましい実施例について説明したが、本発明は上記構成に限定されるものではなく、当業者が種々の変形例を想到できることは自明である。

例えば、各実施例では、一例として、三相のＰＷＭインバータに第１の発明及び第２の発明に係るコモンモード漏れ電流抑制回路を適用したが、電力用スイッチング素子のスイッチングにより電力変換を行う他の電力変換機器（例えば、ＤＣ−ＤＣコンバータ）にも適用することができる。
また、本発明が適用されるＰＷＭインバータは三相のものに限定されず、容易に単相（図６（Ａ））または三相を超える多相（図６（Ｂ））のＰＷＭインバータやマルチレベルＰＷＭインバータ（図７）にも適用することができる。なお、図７に示すマルチレベルＰＷＭインバータは一例として三相負荷を駆動するものであるが、本発明は、単相または三相を超える多相のマルチレベルＰＷＭインバータにも適用することができる。

また、各実施例において、インバータの各スイッチを制御する制御回路がコモンモード電圧を演算し、それに応じた電圧を発生することができる場合には、その電圧を電圧生成部に入力することによって、各実施例と同等の効果を得ることもできる。この場合、検知部を省略することができる。

また、実施例２では、上アーム電源ラインに付随する寄生容量の総和と上アーム側スイッチ寄生容量３×Ｃ_ＳＵとが等しいとして補償コンデンサＣ_Ｃの容量値を決定したが、上アーム電源ラインにスイッチ寄生容量以外の寄生容量が存在する場合には、その容量値も加味して補償コンデンサＣ_Ｃの容量値が決定される。

また、実施例２では、一次コイルＬ_１と補助コイルＬ_Ｃの巻数比を１：２とし、補償コンデンサＣ_Ｃの容量値と、上アーム電源ラインに付随する寄生容量の総和の容量値を等しくしたが、巻数比を１：ｎ（ただし、ｎ＞１）とし、補償コンデンサＣ_Ｃの容量値を、
Ｃ_Ｃ＝上アーム電源ラインに付随する寄生容量の総和／（ｎ−１）
としてもよい。上式に基づいて補償コンデンサＣ_Ｃを決定すれば、上アーム側スイッチ寄生容量に流れる漏れ電流に等しい補償電流を発生することができ、実施例２と同等の効果を得ることができる。例えば、一次コイルＬ_１と補助コイルＬ_Ｃの巻数比を１：３とした場合、補償コンデンサＣ_Ｃの容量値を上アーム電源ラインに付随する寄生容量の半分にすることができる。

本発明に係るＰＷＭインバータの概略図である。 実施例１に係るＰＷＭインバータの回路図である。 実施例１に係るＰＷＭインバータの動作波形の一例である。 実施例２に係るＰＷＭインバータの回路図である。 実施例２に係るＰＷＭインバータの動作波形の一例である。 本発明に係るＰＷＭインバータのその他の形態を示す回路図であって、（Ａ）は単相のＰＷＭインバータ、（Ｂ）は三相を超える多相のＰＷＭインバータである。 本発明に係るＰＷＭインバータのその他の形態（マルチレベルＰＷＭインバータ）を示す回路図である。 ＰＷＭインバータに付随する寄生容量について説明する図であって、（Ａ）は最も基本的な従来のＰＷＭインバータの回路図、（Ｂ）はスイッチの具体的な構成を示す回路図、（Ｃ）はスイッチの断面模式図である。 直流電源を具体的な構成で表したＰＷＭインバータの回路図である。 最も基本的な従来のＰＷＭインバータの回路図である。 最も基本的な従来のＰＷＭインバータの動作波形の一例である。 従来のＰＷＭインバータの回路図である。

符号の説明

１ ＰＷＭインバータ
１’ ＰＷＭインバータ
２ 直流電源
３ 三相負荷
３’ 単相負荷
３” 多相負荷
４ 検知部
５ 電圧生成部
６ 重畳部
７ 補償電流発生部
８ プッシュプル型エミッタホロワ回路
９ コモンモード漏れ電流抑制回路
９’ コモンモード漏れ電流抑制回路
１０ ＰＷＭインバータ
１０’ ＰＷＭインバータ
１１ 絶縁基板
１２ 金属板
１３ エミッタ電極
１４ コレクタ電極
２０ コモンモードキャンセル回路
Ｅ_Ｕ 上アーム電源ライン
Ｅ_Ｄ 下アーム電源ライン
ＩＮＶ インバータ
ＩＮＶ’ マルチレベルインバータ
ＳＷ_ｕ〜ｗ 上アーム側スイッチ
ＳＷ_ｘ〜ｚ 上アーム側スイッチ

Claims (4)

1. 上アーム電源ライン及び下アーム電源ラインを介して直流電源から電力が供給され、電力用半導体スイッチング素子のスイッチング動作によって電力変換を行う電力変換機器において、該スイッチング動作に応じて生じるコモンモード漏れ電流を抑制すべく備えられる回路であって、
   ｉ）前記電力変換機器の各相の出力に接続され、前記スイッチング動作に応じて変動する出力平均電圧を検知する検知部と、
   ｉｉ）前記検知部に接続され、前記出力平均電圧と等しい重畳電圧を発生する電圧生成部と、
   ｉｉｉ）前記電圧生成部に接続され、前記重畳電圧と変動量が等しい逆極性の電圧を、前記上アーム電源ライン及び下アーム電源ラインに重畳する重畳部と、
   を備えたことを特徴とするコモンモード漏れ電流抑制回路。
2. 前記電圧生成部は、プッシュプル型エミッタホロワ回路からなることを特徴とする請求項１に記載のコモンモード漏れ電流抑制回路。
3. 前記重畳部は、
   ａ）前記電圧生成部に接続され、前記重畳電圧が入力される一次コイルと、
   ｂ）前記上アーム電源ライン及び下アーム電源ラインにそれぞれ直列に接続され、前記一次コイルと巻数が等しい２個の二次コイルと、
   からなるトランスを含み、前記一次コイルと二次コイルの電磁誘導作用により、前記重畳電圧と変動量が等しい逆極性の電圧が前記上アーム電源ライン及び下アーム電源ラインに重畳されるようにしたことを特徴とする請求項１または２に記載のコモンモード漏れ電流抑制回路。
4. ｉｖ）前記重畳部に接続された補償電流発生部と、
   をさらに備え、前記補償電流発生部は、
   ａ）前記トランスに備えられ、前記一次コイルから電圧が誘起されるコイルであって、前記一次コイルのｎ倍（ただしｎ＞１）の巻数を有し、一端が接地された補助コイルと、
   ｂ）前記補助コイルの他端と前記上アーム電源ラインの間に接続され、容量値が、
   Ｃ_Ｃ＝（前記上アーム電源ラインに付随する寄生容量の総和）／（ｎ−１）
   に基づいて決定される補償コンデンサと、
   からなり、前記補償コンデンサの両端の電位差に応じた補償電流が発生するようにしたことを特徴とする請求項３に記載のコモンモード漏れ電流抑制回路。

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