JP2011091927A

JP2011091927A - 交流−直流変換装置

Info

Publication number: JP2011091927A
Application number: JP2009242962A
Authority: JP
Inventors: Kazuaki Mino; 和明三野
Original assignee: Fuji Electric Holdings Ltd
Current assignee: Fuji Electric Co Ltd
Priority date: 2009-10-22
Filing date: 2009-10-22
Publication date: 2011-05-06
Anticipated expiration: 2029-10-22
Also published as: JP5407744B2

Abstract

【課題】高力率コンバータ入力リアクトルの交流電源側と直流出力との間に初期充電用ダイオードやサイリスタを接続する構成では、大きな充電電流が流れ、印加電圧も高くなるため、装置が大型で高コストとなる。
【解決手段】交流−直流変換回路の交流入力に接続されたリアクトルに中間端子を設け、直流正極と負極との間に接続されたダイオードとサイリスタの直列回路の内部接続点に中間端子を接続する。
【選択図】図１

Description

本発明は、交流電圧を直流電圧に変換する交流−直流変換装置、交流−交流変換装置などで使用する直流回路を有する変換回路に用い、特に電源電圧が停電後に復電した時や電源投入時に前記変換回路内の半導体スイッチやダイオードなどサージ電流耐量の小さな部品に過大な突入電流が流れることによって装置が破損することを防ぐための技術に関する。

図６に、従来の技術を用いた交流−直流変換回路を示す。ダイオード２とダイオード（ボディダイオード）が逆並列接続された半導体スイッチ４との直列回路と、ダイオード３とダイオード（ボディダイオード）が逆並列接続された半導体スイッチ５との直列回路と、を並列接続したコンバータ回路の交流入力にリアクトル８と９の一端が、直流出力の正極と負極の間にコンデンサ６と負荷７が、リアクトル８の他端とリアクトル９の他端との間に交流電源１が接続された一般的な高力率コンバータ回路である。

さらに直流出力の正極と負極との間にダイオード１０とサイリスタ１４の直列回路及びダイオード１１とサイリスタ１５の直列回路が、各々接続され、ダイオード１０とサイリスタ１４の直列回路の内部接続点とリアクトル８の他端が、ダイオード１１とサイリスタ１５の直列回路の内部接続点とリアクトル９の他端が、各々接続されている点が特徴的である。この回路構成は特許文献1に記載されている。

この構成における動作を以下に説明する。交流電源1の電圧が正の場合、半導体スイッチ4をオンすると交流電源１→リアクトル8 →半導体スイッチ4→半導体スイッチ5のボディダイオード→ リアクトル9→交流電源1の経路で電流が流れて増加する。次に、半導体スイッチ4をオフするとリアクトル8と9に流れている電流はリアクトル8→高速ダイオード2→コンデンサ6→半導体スイッチ5のボディダイオード→リアクトル9→交流電源1→リアクトル8の経路に転流して減少し、負荷にエネルギーが供給される。交流電源電圧が負の場合にも回路の対称性から半導体スイッチ5をオン・オフさせることにより同様な動作となる。従って、半導体スイッチ4と5を適切な制御信号で駆動することで入力電流を正弦波状に制御しながら、所望の直流電圧を得ることができる。

しかし、半導体スイッチ4や5がオンした時にコンデンサ6→ダイオード2→半導体スイッチ４→コンデンサ6の経路、又はコンデンサ6→ダイオード3→半導体スイッチ５→コンデンサ6の経路でダイオード2と3に逆回復電流が流れ、大きな損失とノイズが発生してしまうため、ダイオード2と3には逆回復時間の短い高速ダイオードが必要となる。また、本回路では昇圧動作となるので、通常動作において出力電圧は交流電圧の最大値以上となる。なお、通常動作時にはサイリスタ14と15はオフし、突入電流が流れる時にオンする。

交流電源投入時や停電後に復電した場合など、コンデンサ6の電圧よりも交流電源1 の電圧の方が大きくなる場合がある。この時、交流電源1からコンデンサ6を充電するために過大な突入電流が流れる。一般的に、高速ダイオードや半導体スイッチは突入電流のような過大な電流が流れると破損してしまう危険性がある。

高速ダイオード２，３や半導体スイッチ４，５に過大な突入電流を流さないように、本回路構成では、低速ダイオード10、11とサイリスタ14、15を用いている。交流電源投入時、交流電源電圧が正の場合、サイリスタ１５をオンさせておくと、突入電流は、交流電源１→低速ダイオード10→コンデンサ6→サイリスタ15→交流電源1の経路で流れる。

一方、交流電源電圧が負の場合は、サイリスタ１４をオンさせておくと、突入電流は、交流電源1→低速ダイオード11→コンデンサ6→サイリスタ14→交流電源1を通る経路で突入電流が流れる。従って、突入電流は高速ダイオード2、3やスイッチング素子4、5に流れることはなく、サージ電流耐量の大きな低速ダイオード10、11、サイリスタ14、15を流れるので、装置を破損させることなく、安全に動作させることができる。

特開２００４−７２８４６号公報

上述のように、突入電流が流れる経路はインピーダンスが小さいので過大な電流が低速ダイオード10、11、サイリスタ14、15、コンデンサ6に流れてしまう。従って、低速ダイオード10、11やサイリスタ14、15には大きなサージ電流耐量が要求され、装置が大形化、高コスト化してしまう課題がある。

また、低速ダイオード10、11に印加される電圧は高く、高耐圧の素子が必要となる。例えば、交流電源電圧が正の時に半導体スイッチ4がオンすると半導体スイッチ4と半導体スイッチ5のボディダイオードが導通するので、高速ダイオード2と3には出力直流電圧が印加され、リアクトル8と9には交流電源電圧の半分の電圧が印加される。ただし、ここではリアクトル8と9が同じインダクタンス値であるとする。

ここで、低速ダイオード11の電圧V_Dは高速ダイオード3の電圧（出力電圧Vo）とリアクトル9の電圧（交流電源電圧Vinの半分）の和となり、式１のように高い電圧となってしまう。
V_D＝Vo＋Vin/2 ・・・・・式１
同様に、交流電源電圧が負の時にスイッチング素子5がオンした場合には低速ダイオード10の電圧が高くなってしまう。従って、低速ダイオード10や11にはサージ電流耐量が大きいだけでなく、高耐圧の素子が必要となり、装置が大形化、高コスト化してしまう課題がある。

上述の課題を解決するために、第1の発明においては、半導体スイッチ素子とダイオードを用いて構成したコンバータ回路と、前記コンバータ回路の交流入力端子の一部又は全部に交流リアクトルを、前記コンバータ回路の直流出力端子の正極と負極との間にコンデンサを、各々接続した交流−直流変換装置において、前記交流リアクトルには中間端子を備え、前期直流出力の正極と負極との間に、さらにサイリスタとダイオードとの直列回路又はサイリスタ同士の直列回路のいずれか一つ又は複数個を接続し、前記サイリスタとダイオードとの直列回路の内部接続点又は前記サイリスタ同士の直列回路の内部接続点を前記交流リアクトルの中間端子に接続する。

第２の発明においては、前記コンバータ回路は、ダイオードを逆並列接続した半導体スイッチ素子とダイオードとの直列回路を並列接続した構成であることを特徴とする。

第３の発明においては、前記コンバータ回路は、ダイオードを逆並列接続した半導体スイッチ素子同士の直列回路とダイオード同士の直列回路を並列接続した構成であることを特徴とする。

第４の発明においては、前記コンバータ回路は、ダイオードを逆並列接続した半導体スイッチ素子同士の直列回路を複数個並列接続した構成であることを特徴とする。

第５の発明においては、前記サイリスタとダイオードとの直列回路に使用するダイオードは、一般整流用ダイオードであることを特徴とする。

本発明では、停電からの複電時や電源投入時に流れる突入電流の経路において、インピーダンスを増加させることができ、突入電流を低減させることができる。従って、サージ電流耐量の小さい小形で安価な部品を使用できるので、装置の小型化、低価格化を実現できる。
さらに、突入電流のバイパス回路の部品に印加される電圧を低減させることができ、低耐圧で安価な部品を使用できる。なお、本発明ではリアクトルの巻線の途中から引き出し線を設け、バイパス回路の部品に接続させるだけで実現できるので、部品点数やコストを増加させることなく、上記の効果を得ることができる。

本発明の第1の実施例を示す回路図である。本発明の第２の実施例を示す回路図である。本発明の第３の実施例を示す回路図である。本発明の第４の実施例を示す回路図である。本発明の第５の実施例を示す回路図である。従来例を示す回路図である。

本発明の要点は、交流−直流変換回路の交流入力に接続されたリアクトルに中間端子を設け、直流正極と負極との間に接続されたダイオードとサイリスタの直列回路の内部接続点、又はサイリスタ同士の直列回路の内部接続点に中間端子を接続している点である。

図１に、本発明の第1の実施例を示す。ダイオード２とダイオード（ここではボディダイオード）が逆並列接続された半導体スイッチ４との直列回路とダイオード３とダイオード（ここではボディダイオード）が逆並列接続された半導体スイッチ５との直列回路を並列接続したコンバータ回路の交流入力に中間端子付リアクトル８と９の一端が、直流出力の正極と負極の間にコンデンサ６と負荷７が、リアクトル８の他端とリアクトル９の他端との間に交流電源１が接続された高力率コンバータ回路である。

さらに直流出力の正極と負極との間に低速ダイオード１０とサイリスタ１４の直列回路及び低速ダイオード１１とサイリスタ１５の直列回路が、各々接続され、低速ダイオード１０とサイリスタ１４の直列回路の内部接続点とリアクトル８の中間端子が、低速ダイオード１１とサイリスタ１５の直列回路の内部接続点とリアクトル９の中間端子が、各々接続されている点が特徴である。なお、サイリスタは従来技術と同様に、突入電流が流れる時にオンし、通常動作時にはオフとする。

通常動作時では、半導体スイッチ４と５をスイッチングさせることで従来技術と同様に入力電流や出力電圧を制御できる。一方、交流電源投入時の動作は、交流電源電圧が正の時にサイリスタ１５をオンとすると、突入電流は、交流電源1→リアクトル８のN1巻線→低速ダイオード１０→コンデンサ６→サイリスタ１５→リアクトル９のN1巻線→交流電源1の経路で流れる。交流電源電圧が負の時にサイリスタ１４をオンとすると、突入電流は、交流電源1→リアクトル９のN1巻線→低速ダイオード１１→コンデンサ６→サイリスタ１４→リアクトル８のN1巻線→交流電源1の経路で流れる。

従って、従来技術における突入電流の経路とは異なり、リアクトル８と９におけるそれぞれのN1巻線が突入電流の経路に含まれるので、経路内のインピーダンスが増加し、低速ダイオード１０、１１、サイリスタ１４、１５の電流が減少する。従って、従来技術よりもサージ電流耐量の小さい低速ダイオードやサイリスタを使用することができ、小形で安価な部品を適用できる。

さらに、本発明によって低速ダイオード１０と１１の印加電圧を低減させることができる。通常動作の交流電源電圧が正の場合おいて、半導体スイッチ４がオンした場合、ダイオード１１の電圧は出力電圧Vo（高速ダイオード3の電圧）とリアクトル９のN2巻線の電圧の和となり、式（２）となる。
V_D＝Vo＋Vin×N2/(2N1+2N2)) ・・・・・式（２）
なお、上記の式では従来技術の例と同様にリアクトル８と９のインダクタンス値は同じとし、それぞれ入力電圧Vinの半分の電圧が印加されることを想定している。

ここで、リアクトル９のN2巻線には全巻数（2N1＋2N2）に対して比例した電圧が発生し、その電圧は従来技術よりも低減される。従って、低速ダイオード１１の電圧は従来技術よりも低くなり、耐圧の低い安価で小形なダイオードを適用できる。

また、交流電源電圧が負の場合おいて、半導体スイッチ５がオンした場合、低速ダイオード１０の電圧は出力電圧Vo（高速ダイオード２の電圧）とリアクトル８のN2巻線の電圧の和となり、式（２）と同様となる。従って、交流電源電圧が正の場合と同様に、装置の小形化、低コスト化が可能となる。

尚、本発明ではリアクトルの中間端子とは、任意の巻数比の点から引出した端子を意味している。また、低速ダイオードとサイリスタの直列回路の接続順序は直流電源の正極側が低速ダイオードで、負極側がサイリスタの実施例が記載されているが、逆の順序でも同様の動作となる。

図２に、本発明の第２の実施例を示す。第1の実施例との違いは、突入電流を流すための回路構成である。本実施例では、サイリスタ１４と１５との直列回路とサイリスタ１６と１７の直列回路が直流出力電圧の正極と負極との間に接続されている。各直列回路の内部接続点は各々リアクトル８、９の中間端子に接続されている。

交流電源投入時の動作は、交流電源電圧が正の時にサイリスタ１４と１７をオンとすると、突入電流は、交流電源1→リアクトル８のN1巻線→サイリスタ１４→コンデンサ６→サイリスタ１７→リアクトル９のN1巻線→交流電源1の経路で流れる。また、交流電源電圧が負の時にはサイリスタ１５と１６をオンとすると、突入電流は、交流電源1→リアクトル９のN1巻線→サイリスタ１６→コンデンサ６→サイリスタ１５→リアクトル８のN1巻線→交流電源1の経路で流れる。

従って、従来技術における突入電流の経路とは異なり、リアクトル８と９におけるそれぞれのN1巻線が突入電流の経路に含まれるので、経路内のインピーダンスが増加し、サイリスタ１４〜１７の電流が減少する。さらに、本発明によってサイリスタ１４、１６の印加電圧を第1の実施例と同様に低減させることができる。従って、従来技術よりもサージ電流耐量と耐圧の小さいサイリスタを使用することができ、小形で安価な部品を適用できる。

図３に、本発明の第３の実施例を示す。第1の実施例との違いはコンバータ回路である。本発明の場合は、コンバータ回路はダイオード（ここではボディダイオード）が逆並列接続された半導体スイッチ４と５の直列回路とダイオード２と３の直列回路を並列接続した構成である。その他の構成は第1の実施例と同様である。

交流電源投入時の動作は、交流電源電圧が正の時にサイリスタ１５をオンとすると、突入電流は、交流電源1→リアクトル８のN1巻線→低速ダイオード１０→コンデンサ６→サイリスタ１５→リアクトル９のN1巻線→交流電源1の経路で流れる。また、交流電源電圧が負の時にはサイリスタ１４をオンとすると、突入電流は、交流電源1→リアクトル９のN1巻線→低速ダイオード１１→コンデンサ６→サイリスタ１４→リアクトル８のN1巻線→交流電源1の経路で流れる。

従って、従来技術における突入電流の経路とは異なり、リアクトル８と９におけるそれぞれのN1巻線が突入電流の経路に含まれるので、経路内のインピーダンスが増加し、サイリスタ１４、１５及び低速ダイオード１０、１１の電流が減少する。さらに、本発明によって低速ダイオード１０，１１の印加電圧を第1の実施例と同様に低減させることができる。従って、従来技術よりもサージ電流耐量と耐圧の小さいサイリスタを使用することができ、小形で安価な部品を適用できる。
また、低速ダイオードとサイリスタの直列回路の接続順序は直流電源の正極側が低速ダイオードで、負極側がサイリスタの実施例が記載されているが、逆の順序でも同様の動作となる。

図４に、本発明の第４の実施例を示す。第3の実施例との違いは、コンバータ回路のダイオード２、３の代わりに低速ダイオード２０、２１を使用し、リアクトルを1個とし、突入電流を流す回路として、サイリスタ１４と１５との直列回路１個を使用している点である。定常状態ではサイリスタ１４と１５をオフさせると、実施例３と同様の動作となる。

交流電源投入時の動作は、交流電源電圧が正の時にサイリスタ１４をオンとすると、突入電流は、交流電源1→リアクトル８のN1巻線→サイリスタ１４→コンデンサ６→低速ダイオード２１→交流電源1の経路で流れる。また、交流電源電圧が負の時にはサイリスタ１５をオンとすると、突入電流は、交流電源1→低速ダイオード２０→コンデンサ６→サイリスタ１５→リアクトル８のN1巻線→交流電源1の経路で流れる。

従って、従来技術における突入電流の経路とは異なり、リアクトル８のN1巻線が突入電流の経路に含まれるので、経路内のインピーダンスが増加し、サイリスタ１４、１５及び低速ダイオード２０、２１の電流が減少する。さらに、本発明によってサイリスタ１４、１５の印加電圧を第３の実施例と同様に低減させることができる。従って、従来技術よりもサージ電流耐量と耐圧の小さいサイリスタを使用することができ、小形で安価な部品を適用できる。

図５に、本発明の第５の実施例を示す。コンバータ回路として、ダイオードを逆並列接続した半導体スイッチ１８と４の直列回路及び半導体スイッチ１９と５の直列回路とを並列接続した場合の実施例である。交流リアクトル８，９及び突入電流を流すためのサイリスタを用いる回路構成及び動作は、第２の実施例と同様である。本構成は発電機のような回生電力のある負荷がある場合有効である。また、本構成は単相入力に限らず、三相入力のコンバータ回路にも適用可能である。

尚、本実施例では、サージ電流耐量の大きな整流素子として低速ダイオードやサイリスタを用いた例を示しているが、本発明はこれらに限定されるものではなく、例えば、バリスタやサージサプレッサなども適用可能である。
また、コンバータ回路の構成で、半導体スイッチと逆並列に接続されるダイオードとしては、外付部品を接続する構成とＭＯＳＦＥＴなどのように内部に寄生するボディダイオードを適用する構成とのいずれでも適用可能である。

本発明は、交流直流変換回路の突入電流抑制に関する回路技術であり、スイッチング電源、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。

１・・・交流電源２、３・・・ダイオード
４，５、１８，１９・・・半導体スイッチ６・・・コンデンサ
７・・・負荷８，９・・・リアクトル
１０，１１、２０、２１・・・低速ダイオード１４〜１７・・・サイリスタ

Claims

半導体スイッチとダイオードを用いて構成したコンバータ回路と、前記コンバータ回路の交流入力端子の一部又は全部に交流リアクトルを、前記コンバータ回路の直流出力端子の正極と負極との間にコンデンサを、各々接続した交流−直流変換装置において、前記交流リアクトルには中間端子を備え、前記直流出力の正極と負極との間に、さらにサイリスタとダイオードとの直列回路又はサイリスタ同士の直列回路のいずれか一つ又は複数個を接続し、前記サイリスタとダイオードとの直列回路の内部接続点又は前記サイリスタ同士の直列回路の内部接続点を、前記交流リアクトルの中間端子に接続したことを特徴とする交流−直流変換装置。
前記コンバータ回路は、ダイオードを逆並列接続した半導体スイッチとダイオードとの直列回路を並列接続した構成であることを特徴とする請求項１に記載の交流−直流変換装置。
前記コンバータ回路は、ダイオードを逆並列接続した半導体スイッチ同士の直列回路とダイオード同士の直列回路を並列接続した構成であることを特徴とする請求項１に記載の交流−直流変換装置。
前記コンバータ回路は、ダイオードを逆並列接続した半導体スイッチ同士の直列回路を複数個並列接続した構成であることを特徴とする請求項１に記載の交流−直流変換装置。
前記サイリスタとダイオードとの直列回路に使用するダイオードは、一般整流用ダイオードであることを特徴とする請求項１に記載の交流−直流変換装置。