JP2009095083A

JP2009095083A - 電力変換装置

Info

Publication number: JP2009095083A
Application number: JP2007260954A
Authority: JP
Inventors: Yasushi Abe; 康阿部
Original assignee: Fuji Electric Systems Co Ltd
Current assignee: Fuji Electric Co Ltd
Priority date: 2007-10-04
Filing date: 2007-10-04
Publication date: 2009-04-30

Abstract

【課題】エネルギーの回生を必要としない整流回路において、半導体スイッチから発生する損失を低減し、小型化と低コスト化を実現させる。
【解決手段】ダイオードの4直列回路と、内部の２直列ダイオードと並列に接続したスイッチング素子直列回路と、内部の２直列ダイオードの接続点と交流電源との間にリアクトルを接続した回路とで構成した１相分回路を複数相分用い、スイッチング素子直列接続点と直流コンデンサ直列接続点を接続した整流回路において、４直列ダイオードの両端の2個はスイッチング用を内部の2個は一般整流用を用いる。
【選択図】図１

Description

本発明は、交流電圧を直流電圧に変換する整流回路の構成方法に関する。

図６に、従来の回路構成例を示す。本回路は、整流回路の一相分を示しており、特許文献１の図４に示されている回路の一相分と同じである。この回路において、１は交流電源、L1は電圧を昇圧するためのリアクトル、D1〜D4はダイオード、Q1、Q2はスイッチング素子（ここでは、IGBT）、C1、C2は直流コンデンサであり、基本的に３レベル回路方式と同様な構成である。本回路の特徴は、図７に示すような一般的な３レベル整流回路と比較すると、エネルギーを直流側から交流側（入力側）に回生することはできないが、スイッチング素子の数を半減でき、また、これらの駆動回路も削減することができる。更に、図６の回路と同様に入力電流を高力率に制御することが可能であり、入力高調波を低減するためのフィルタ回路を小型化することができる。以上より、整流器で回生動作をさせない用途においては、低コスト化が可能である。本回路の詳細な動作原理は、特許文献１に記載されているため省略する。

また、特許文献２に、他の回路構成をもつ整流回路の従来例を示す。この回路も上記の従来特許と同様、３レベルの波形を形成することができ、更に、スイッチング素子数も低減できる。この回路は、エネルギーの回生動作も可能である。整流回路にスイッチング用ダイオードを用いる内容が、前記した特許文献２の請求項６に記されているが、これは、この特許文献２の図２に示されている回路構成に対するものであり、本特許とは、回路構成及び内容が異なる。
特開２００２−１４２４５８号公報（図４）特許第２８５７０９４号公報

上述のように、エネルギーの回生を必要としない用途に特許文献１に示された整流回路を適用することで、回路の低コスト化が可能であるが、ダイオードとスイッチング素子（これらを半導体スイッチという）から発生する総損失は、図７の３レベル整流回路と比較して、ほぼ同等である。そのため、これらの半導体素子を冷却するための冷却体の体積も大きな差がなく、同様な装置外形となる。また、特許文献２に示された整流回路は、エネルギーの回生を必要としない装置に対しては、ダイオードの数が多く、回路の大型化、高コスト化が問題となってしまう。
従って、解決しようとする課題は、エネルギーの回生を必要としない整流回路において、半導体スイッチから発生する損失を低減して、小型化とこれに伴う更なる低コスト化を実現させることである。

上述の課題を解決するために、第1の発明においては、第１のダイオードのアノード端子に第２のダイオードのカソード端子を接続し、第２のアノード端子に第３のダイオードのカソード端子を接続し、第３のアノード端子を第４のダイオードのカソード端子を接続して形成されたダイオード直列回路と、第２のダイオードと第３のダイオードの直列回路と並列に接続されたダイオードと逆の通流方向に直列接続された第１及び第２のスイッチング素子と、第２及び第３のダイオードの接続点と交流電源との間に接続されたリアクトルと、前記ダイオード直列回路と並列接続されたコンデンサ２直列回路とから構成され、前記コンデンサ２直列回路の内部接続点と、前記第１及び第２のスイッチング素子の直列接続点とを接続して構成される回路を一相分とし、これを複数相分用いて構成される整流回路において、第１および第４のダイオードには高速で逆回復動作に優れ逆回復時の損失の小さいスイッチング用ダイオードを、第２および第３のダイオードにはスイッチング動作は低速であるが順電圧降下が小さい一般整流用ダイオードを用いる。

第２の発明においては、前記1相分の回路を２相分用いる場合に、前記第２及び第３のダイオードの接続点と交流電源との間に接続されたリアクトルの一方を削除する。
第３の発明においては、前記1相分の回路を複数相用いる場合に、前記コンデンサ２直列回路同士を各々並列接続し、さらに、前記コンデンサ直列回路と並列に負荷を接続する。

第４の発明においては、前記1相分の回路を複数相用いる場合に、前記コンデンサ２直列回路同士を各々並列接続し、さらに、前記コンデンサ直列回路の各々のコンデンサと並列に負荷を接続する。

本発明では、図１に示した入力力率制御の機能がついた整流回路において、ダイオードの動作に応じて、適用するダイオードの種類として、スイッチング用或いは整流用を選択的に適用することにより、ダイオード及びスイッチング素子の発生損失を低減でき、冷却体の小型化とこれに伴う低コスト化が可能となる。

本発明の要点は、図１の回路構成において、適用するダイオードとして、スイッチング用ダイオード或いは一般整流用ダイオードを選択的に適用するようにしている点である。

図１に、本発明の第1の実施例を示す。回路構成は図６と同じである。まず、ダイオードD11〜D14の動作について説明する。図２は入力電流Iinが正、図３は入力電流Iinが負の時の動作である。Iinが正の時、スイッチング素子Q11がオンすると、図２（ａ）のように、ダイオードD12がオンし、リアクトルL11の電流が正の方向に増加する。次に、スイッチング素子Q11がオフすると、図２（ｂ）にように、ダイオードD11がオンして、リアクトルL11の電流がダイオードD12及びD11を通って直流コンデンサC11及びC12に流れ込む。再びスイッチング素子Q11がオンすると、図２（ｃ）のように、破線の経路でダイオードD11に逆回復電流が流れ、逆回復時間後にこれがオフし、最初の状態となる。

Iinが負の時は、スイッチング素子Q12がオンすると、図３（ａ）のように、ダイオードD13がオンして、リアクトルL11の電流が負の方向に増加する。次にQ12がオフすると、ダイオードD14がオンして直流コンデンサC11及びC12が充電される動作となる。スイッチング素子Q12を再びオンすると、図３（ｃ）のように、ダイオードD14に破線の経路で逆回復電流が流れ、逆回復時間後にこれがオフし、最初の状態に戻る。

以上の動作から判るように、ダイオードD11とD14は逆回復動作を行うが、ダイオードD12とD13は逆回復動作せず、入力電流の極性によって切り替わるだけの整流動作となる。従って、ダイオードD11とD14には、逆回復特性に優れた高速でスイッチングできるスイッチング用ダイオードを適用する必要がある。ダイオードD12とD13にはスイッチング用ダイオードを適用しても問題なく整流動作を行うが、これらダイオードの発生損失を低減するためには、一般整流用ダイオードを適用する。この理由は、ダイオードの逆回復動作時間と順電圧降下の特性には、トレードオフの関係があり、逆回復動作、すなわちスイッチング動作を行わず通流のみ行う場合には、逆回復動作に多くの時間を要するが、順電圧降下が小さい一般整流用ダイオードを用いた方が発生損失を抑制することができるためである。

例えば、交流電源が３相の場合、図1の回路を３回路用い、交流入力側は交流電源の各相に接続し、直流出力側は直流コンデンサを並列接続することにより、三相入力の整流装置が構成できる。

図４に、本発明の第２の実施例を示す。前記1相分の回路を２相分用いる場合に、前記第２及び第３のダイオードの接続点と交流電源との間に接続されたリアクトルの一方を削除する回路構成である。即ち、交流電源１とダイオードD12とD13の接続点との間にはリアクトルL11が接続されているが、交流電源１とダイオードD22とD23の接続点との間にはリアクトルがなく、直接接続された構成である。交流電源１が単相の場合、交流電源と第２及び第３のダイオードの接続点との間に接続するリアクトルは双方とも用いても良いが、一方だけでも同様の整流動作を実現できる。また、直流コンデンサC11とC12の直列回路と並列に負荷２が接続された構成である。回路動作は第１の実施例と同様である。

図５に、本発明の第３の実施例を示す。前記1相分の回路を複数相用いる場合に、前記コンデンサ２直列回路同士を各々並列接続し、さらに、前記コンデンサ直列回路と並列に負荷を接続した回路構成である。第２の実施例との違いは、負荷２及び３が各々の直流コンデンサと並列に接続されている点であり、回路動作は第１の実施例と同様である。

本発明は、電源回生動作を必要としない整流回路であり、産業用直流電源装置、無停電電源装置、電動機駆動用インバータなどへの適用が可能である。

本発明の第1の実施例を示す回路構成である。入力電流が正の時の実施例の回路動作である。入力電流が負の時の実施例の回路動作である。本発明の第２の実施例を示す回路構成である。本発明の第３の実施例を示す回路構成である。従来技術を示す回路構成である。回生可能な３レベル整流回路の回路構成である。

符号の説明

１・・・交流電源２、３・・・負荷
D11、D14、D21、D24・・・スイッチング用ダイオード
D12、D13、D22、D23・・・一般整流用ダイオード
D1〜D6・・・ダイオード
Q1〜Q6、Q11、Q12、Q21、Q22・・・スイッチング素子
L1、L2、L11・・・リアクトル
C1〜C4、C11、C12、C21、C22・・・直流コンデンサ

Claims

第１のダイオードのアノード端子に第２のダイオードのカソード端子を接続し、第２のアノード端子に第３のダイオードのカソード端子を接続し、第３のアノード端子を第４のダイオードのカソード端子を接続して形成されたダイオード直列回路と、第２のダイオードと第３のダイオードの直列回路と並列に接続されたダイオードと逆の通流方向に直列接続された第１及び第２のスイッチング素子と、第２及び第３のダイオードの接続点と交流電源との間に接続されたリアクトルと、前記ダイオード直列回路と並列接続されたコンデンサ２直列回路とから構成され、前記コンデンサ２直列回路の内部接続点と、前記第１及び第２のスイッチング素子の直列接続点とを接続して構成される回路を一相分とし、これを複数相分用いて構成される整流回路において、第１及び第４のダイオードにはスイッチング用ダイオードを、第２及び第３のダイオードには一般整流用ダイオードを用いることを特徴とする電力変換装置。
前記1相分の回路を２相分用いる場合に、前記第２及び第３のダイオードの接続点と交流電源との間に接続されたリアクトルの一方を削除することを特徴とする請求項１に記載の電力変換装置。
前記1相分の回路を複数相用いる場合に、前記コンデンサ２直列回路同士を各々並列接続し、さらに、前記コンデンサ直列回路と並列に負荷を接続することを特徴とする請求項１又は２に記載の電力変換装置。
前記1相分の回路を複数相用いる場合に、前記コンデンサ２直列回路同士を各々並列接続し、さらに、前記コンデンサ直列回路の各々のコンデンサと並列に負荷を接続することを特徴とする請求項１又は２に記載の電力変換装置。