JP2013102697A

JP2013102697A - 半導体電力変換装置

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Publication number: JP2013102697A
Application number: JP2013046276A
Authority: JP
Inventors: Hiroyuki Matsumoto; 寛之松本
Original assignee: Fuji Electric Co Ltd
Current assignee: Fuji Electric Co Ltd
Priority date: 2013-03-08
Filing date: 2013-03-08
Publication date: 2013-05-23

Abstract

【課題】本発明の目的は、突入電流抑制回路のバイパス手段（サイリスタ）の制御線から商用電源側へ流出するノイズを抑制することが可能な半導体電力変換装置を提供することである。
【解決手段】本発明では、整流回路４と、整流回路４からの入力を平滑化する平滑コンデンサ５と、半導体素子６ａのスイッチングにより平滑コンデンサ５の電圧を変換する電力変換回路６と、整流回路４と平滑コンデンサ５との間に配置されている突入電流抑制回路７とを備えている半導体電力変換装置１において、バイパス手段７ｂの切替動作を制御する制御線Ｖ，Ｗに配置され、バイパス手段７ｂの制御線Ｖ，Ｗから商用電源２側へ伝播するノイズを低減させるように構成された第１のノイズフィルタ回路１１と、突入電流抑制回路７と前記平滑コンデンサ５との間に配置され、電力変換回路６から商用電源２側へ伝播するノイズを低減させるように構成された第２のノイズフィルタ回路１２とを備えている半導体電力変換装置１が提供される。
【選択図】図３

Description

本発明は、商用電源から供給される交流電力を直流電流に変換するとともに半導体素子のスイッチングにより負荷の要求する電力を供給するように構成された半導体電力変換装置に関する。

図５は、従来の一般的な半導体電力変換装置を示した回路図であり、半導体電力変換装置２１は、三相の商用電源２２の電圧・電流を所望の値に変換し、負荷２３へ供給するものである。

半導体電力変換装置２１は、商用電源２２から入力された交流を全波整流するように構成された全波整流回路２４と、全波整流回路２４の出力する脈動波形を平滑にするように構成された平滑コンデンサ２５と、平滑コンデンサ２５の出力側に接続され、少なくとも一つ以上の半導体素子のスイッチングにより負荷２３の要求する電圧・電流を出力するように構成された電力変換回路２６と、半導体電力変換装置２１内で発生したノイズが商用電源２２に伝わらないように構成されたノイズフィルタ回路２７とを備えている。

図６は、図５のノイズフィルタ回路２７の一例を示した回路図である。
ノイズフィルタ回路２７は、商用電源２２から延びる三相交流の各配線Ｒ，Ｓ，Ｔ間をバイパスするように構成された線間用コンデンサ２７ａと、三相交流の各配線Ｒ，Ｓ，Ｔ上に配置され、所定の自己インダクタンスを有するコイル２７ｂと、三相交流の各配線Ｒ，Ｓ，Ｔと接地との間をバイパスするように構成された接地用コンデンサ２７ｃとを備えている。このように、従来のノイズフィルタ回路２７では多くの部品が必要となるので、ノイズフィルタ回路２７が半導体電力変換装置２１内に占める容積が大きくなり、コストが増大するという問題があった。

図７は、特許文献１における半導体電力変換装置を示した回路図である。ここで、図５と同様の構成要素については同じ符号を付し、説明を省略する。

特許文献１では上述の問題を解決するために、図７に示すように、半導体電力変換装置３１のノイズフィルタ回路２８が全波整流回路２４の出力側に配置されている。
この構成によれば、全波整流回路２４のダイオードの接合容量をノイズフィルタ回路２８の線間用コンデンサとして利用できるので、新たに設置する線間用コンデンサの容量が小さくなり、ノイズフィルタ回路２８を小型化することができる。

一方、特許文献２では、特許文献１の構成では、全波整流回路２４で生じるノイズを抑制できないことを指摘し、全波整流回路２４のダイオードの逆回復時間が１μｓ以下の高速なダイオードを用いる構成を提案している。

この構成によれば、逆回復時間に流れる短絡電流を抑制し、全波整流回路２４から流出するノイズを低減することができる。
図８は、図７のノイズフィルタ回路２８の一例を示した回路図である。

ノイズフィルタ回路２８は、全波整流回路２４の出力側に配置されているので（図７参照）、二相の構成となっている。そして、ノイズフィルタ回路２８は、全波整流回路２４から延びる各配線Ｐ，Ｎ間をバイパスするように構成された線間用コンデンサ２８ａと、磁心に配線を巻き線して形成され、所定の自己インダクタンスを有するコモンモードチョークコイル２８ｂと、各配線Ｐ，Ｎと接地との間をバイパスするように構成された接地用コンデンサ２８ｃとを備えている。

この構成によれば、図６のノイズフィルタ回路２７の構成と比べて部品点数が減り、且
つ全波整流回路２４のダイオードを接合容量として利用できるので、線間用コンデンサの容量が小さくなり、ノイズフィルタ回路２８を小型化及び低コスト化をすることができる。

図９は、従来の別の一般的な半導体電力変換装置を示した回路図である。ここで、図５と同様の構成要素については同じ符号を付し、説明を省略する。
図９の半導体電力変換装置３１では、図７の構成に加えて、突入電流抑制回路２９が全波整流回路２４と平滑コンデンサ２５との間に配置されている。突入電流抑制回路２９は、商用電源２２の投入時に一時的に流れる電流（突入電流）を抑制するものであり、平滑コンデンサ２５の初期充電時の突入電流を抑制する抵抗２９ａと、充電完了後に抵抗２９ａをバイパスするバイパス手段２９ｂとを備えている。ここで、バイパス手段２９ｂとしては、リレーやサイリスタ等が使用されるが、以降では、バイパス手段２９ｂとしてサイリスタを使用した場合について説明する。なお、リレーや他のバイパス手段を用いた場合でも、同様のことが言える。
特開平１−２８６７７１号公報特開２００１−２７５３５８号公報

上述の図９の構成では、突入電流抑制回路２９のサイリスタ２９ｂは、一般的に、平滑コンデンサ２５の初期充電が完了した後は常にオン状態であるため、サイリスタ２９ｂを駆動する際のノイズ流出は非常に小さくなる。したがって、従来では、特許文献２のように全波整流回路のダイオードに着目したノイズ対策は行われていたが、突入電流抑制回路２９のサイリスタ２９ｂを駆動する際のノイズに着目したノイズ対策は行われていなかった。

しかしながら、半導体電力変換装置３１が、サイリスタの駆動用電源を生成する制御電源回路とノイズフィルタ回路とを直流中間部に備えている場合、以下に示すように、制御電源回路の駆動用電源に起因したノイズがサイリスタを経由して商用電源に流出するという問題が判明した。以下に、ノイズが商用電源へ流出する原理について説明する。

図１０は、制御電源回路の駆動用電源に起因したノイズが流出する原理を説明した図である。ここで、図５と同様の構成要素については同じ符号を付し、説明を省略する。
図１０に示すように、半導体電力変換装置３１は、突入電流抑制回路２９のサイリスタ２９ｂ等を駆動する制御電源回路４０と、サイリスタの駆動装置４１とを備えている。ここで、制御電源回路４０は、トランス４０ａ等から構成されるフライバックコンバータである。

なお、図１０では、突入電流抑制回路２９内のサイリスタ２９ｂを駆動する電源を形成するための回路のみを示しており、制御電源回路４０は、実際にはＣＰＵ電源や電力変換回路２６のスイッチング素子を駆動する電源等を一括して生成するようになっている。

図１０に示すように、制御電源回路４０のトランス４０ａの１次−２次間には浮遊容量４０ｂが形成されることから、制御電源回路４０の半導体素子のスイッチング周期に伴い、トランス４０ａの浮遊容量４０ｂを充放電する高周波漏れ電流（コモンモード成分のノイズ）が流れることになる。

ここで、図１０の太線で示すように、制御電源回路４０におけるスイッチング周期のノイズがトランス４０ａの浮遊容量４０ｂを通じて突入電流抑制回路２９のサイリスタ２９ｂのゲート端子に流出し、その後、制御電源回路４０へ戻るような電流経路が形成される。

その際、突入電流抑制回路２９のサイリスタ２９ｂと平滑コンデンサ２５との間にはコ
モンモードチョークコイル２８ｂが存在しているので、コモンモードチョークコイル２８ｂへ向かう経路のインダクタンスが高くなり、高周波漏れ電流は商用電源２２側へ流出することになる。その後、高周波漏れ電流はアースラインから接地用コンデンサ２８ｃを経由して直流中間部へと到達する。

したがって、図１０に示した位置にコモンモードチョークコイル２８ｂが配置されると、サイリスタ２９ｂを介して高周波漏れ電流がかえって大きくなってしまう可能性がある（なお、コモンモードチョークコイル２８ｂがない場合には、物理的距離が近いＰラインを通って制御電源回路４０へ戻ることになる）。

以上から、上述の図９及び図１０の構成では、制御電源回路４０からサイリスタ２９ｂを経由して流出したノイズが商用電源２２側に流出することになるので、雑音端子電圧が所定の規定値を満たすことができなくなるという問題があった。

本発明は、このような実状に鑑みてなされたものであって、突入電流抑制回路のバイパス手段（サイリスタ）の制御線から商用電源側へ流出するノイズを抑制することが可能な半導体電力変換装置を提供することを目的とする。

上記従来技術の有する課題を解決するために、請求項１の本発明では、商用電源からの交流入力を整流する整流回路と、該整流回路からの入力を平滑化する平滑コンデンサと、少なくとも一つ以上の半導体素子のスイッチングにより前記平滑コンデンサの電圧を所望の電圧及び電流に変換する電力変換回路と、前記平滑コンデンサの初期充電時に流れる突入電力を抑制する突入電力抑制抵抗と、前記平滑コンデンサが充電された後に前記突入電力抑制抵抗と並列に接続されるように構成されたバイパス手段とを有し、前記整流回路と前記平滑コンデンサとの間に配置されている突入電流抑制回路とを備えている半導体電力変換装置において、前記バイパス手段の切替動作を制御する制御線に配置され、前記バイパス手段の前記制御線から前記商用電源側へ伝播するノイズを低減させるように構成された第１のノイズフィルタ回路と、前記突入電流抑制回路と前記平滑コンデンサとの間に配置され、前記電力変換回路から前記商用電源側へ伝播するノイズを低減させるように構成された第２のノイズフィルタ回路とを備えている。

さらに、本発明に係る半導体電力変換装置によれば、商用電源からの交流入力を整流する整流回路と、該整流回路からの入力を平滑化する平滑コンデンサと、少なくとも一つ以上の半導体素子のスイッチングにより前記平滑コンデンサの電圧を所望の電圧及び電流に変換する電力変換回路と、前記平滑コンデンサの初期充電時に流れる突入電力を抑制する突入電力抑制抵抗と、前記平滑コンデンサが充電された後に前記突入電力抑制抵抗と並列に接続されるように構成されたバイパス手段とを有し、前記整流回路と前記平滑コンデンサとの間に配置されている突入電流抑制回路とを備えている半導体電力変換装置において、前記バイパス手段の切替動作を制御する制御線に配置され、前記バイパス手段の前記制御線から前記商用電源側へ伝播するノイズを低減させるように構成された第１のノイズフィルタ回路と、前記突入電流抑制回路と前記平滑コンデンサとの間に配置され、前記電力変換回路から前記商用電源側へ伝播するノイズを低減させるように構成された第２のノイズフィルタ回路とを備えているので、第１のノイズフィルタ回路がバイパス手段の制御線から商用電源側へ伝播するノイズを抑制するとともに、第２のノイズフィルタ回路が電力変換回路から商用電源側へ伝播するノイズを抑制することができる。また、従来の構成に対してバイパス手段の制御線に第１のノイズフィルタ回路を設ければよいため、従来の構成に大きな設計変更がなく、半導体電力変換装置の小型化及び低コスト化を実現することができる。

さらに、整流回路と突入電流抑制用のバイパス手段とが１つのパッケージとなっているモジュールを使用する場合でも、バイパス手段の制御線にノイズフィルタ回路を設けることにより、装置の小型化を妨げることなく、バイパス手段の制御線から商用電源側へ伝播するノイズを抑制することができる。

［第１実施形態］
以下、本発明の第１実施形態に係る半導体電力変換装置を、図面を参照しながら説明する。図１は、本発明の第１実施形態に係る半導体電力変換装置を示した回路図である。

本発明の第１実施形態に係る半導体電力変換装置１は、三相の商用電源２の電圧・電流を所望の値に変換し、負荷３へ供給するものである。
図１に示すように、半導体電力変換装置１は、商用電源２からの交流入力を整流するように構成された全波整流回路４と、全波整流回路４の出力する脈動波形を平滑にするように構成された平滑コンデンサ５と、少なくとも一つ以上の半導体素子６ａのスイッチングにより平滑コンデンサ５の電圧を所望の電圧及び電流に変換するように構成された電力変換回路６と、全波整流回路４と平滑コンデンサ５との間に配置され、商用電源２の投入時に一時的に流れる電流（突入電流）を抑制するように構成された突入電流抑制回路７とを備えている。

ここで、突入電流抑制回路７は、図９の従来例と同様の構成となっており、平滑コンデンサ５の初期充電時の突入電流を抑制する抵抗７ａと、平滑コンデンサ５の充電完了後に抵抗７ａをバイパスするサイリスタ（バイパス手段）７ｂとを備えている。

本発明の第１実施形態に係る半導体電力変換装置１の特徴としては、半導体電力変換装置１が更に、商用電源２側へ伝播するノイズを抑制するように構成されたノイズフィルタ回路８を備え、このノイズフィルタ回路８が全波整流回路４と突入電流抑制回路７との間に配置されていることである。

ここで、ノイズフィルタ回路８は、上述した図８の従来例と同様の構成となっており、全波整流回路４から延びる各配線Ｐ，Ｎ間をバイパスするように構成された線間用コンデンサ８ａと、磁心に配線を巻き線して形成され、所定の自己インダクタンスを有するコモンモードチョークコイル８ｂと、各配線Ｐ，Ｎと接地との間をバイパスするように構成された接地用コンデンサ８ｃとを備えている（図２参照）。

そして、ノイズフィルタ回路８は、コモンモードチョークコイル８ｂと線間用コンデンサ８ａの漏れインダクタンス成分によりノーマルモードノイズ成分を低減させるとともに、接地用コンデンサ８ｃと結合されたコモンモードチョークコイル８ｂの相互インダクタンス成分によりコモンモードノイズ成分を低減させるようになっている。

次に、本発明の第１実施形態に係る半導体電力変換装置１におけるノイズの経路について説明する。図２は、第１実施形態に係る半導体電力変換装置１におけるノイズの経路を示した図である。

図２に示すように、半導体電力変換装置１は、突入電流抑制回路７のサイリスタ７ｂ等
を駆動する制御電源回路９と、サイリスタの駆動装置１０とを備えている。ここで、制御電源回路９は、トランス９ａ等から構成されるフライバックコンバータである。

なお、図２では、突入電流抑制回路７内のサイリスタ７ｂを駆動する電源を形成するための回路のみを示しており、実際にはＣＰＵ電源や電力変換回路６のスイッチング素子を駆動する電源等を一括して生成するようになっている。

図２の太線で示すように、トランス９ａの１次−２次間の浮遊容量９ｂの充放電に起因するノイズは、突入電流抑制回路７のサイリスタ７ｂから流出する。その際、サイリスタ７ｂと商用電源２との間にはコモンモードチョークコイル８ｂが存在しているため、コモンモードチョークコイル８ｂへ向かう経路のインピーダンスが高くなり、ノイズは平滑コンデンサ５側へ流れることになる。

このように、突入電流抑制回路７のサイリスタ７ｂの制御線Ｖ，Ｗから流出するノイズが商用電源２側へ流れるのを抑制することができる。
このように、第１実施形態に係る半導体電力変換装置１によれば、半導体電力変換装置１が、商用電源２側へ伝播するノイズを抑制するように構成されたノイズフィルタ回路８を備え、このノイズフィルタ回路８が全波整流回路４と突入電流抑制回路７との間に配置されているので、ノイズフィルタ回路８が、電力変換回路６から商用電源２側へ伝播するノイズだけでなく、サイリスタ７ｂの制御線Ｖ，Ｗから商用電源２側へ伝播するノイズも抑制することができる。また、従来の構成に対してノイズフィルタ回路８の配置を変更するだけでよいので、半導体電力変換装置１の小型化及び低コスト化を実現することができる。
［第２実施形態］
以下、本発明の第２実施形態に係る半導体電力変換装置を、図面を参照しながら説明する。図３は、本発明の第２実施形態に係る半導体電力変換装置を示した回路図である。

ここで、図３において、図１の第１実施形態と同じ構成要素については同じ番号を付して、説明は省略する。
図３に示すように、本発明の第２実施形態に係る半導体電力変換装置１では、第１のノイズフィルタ回路１１が突入電流抑制回路７のサイリスタ７ｂの制御線Ｖ，Ｗに配置され、第２のノイズフィルタ回路１２が、突入電流抑制回路７と平滑コンデンサ５との間に配置されている。ここで、第１のノイズフィルタ回路１１及び第２のノイズフィルタ回路１２は、第１実施形態のノイズフィルタ回路８と同様の構成であるため説明を省略する。

次に、本発明の第２実施形態に係る半導体電力変換装置１におけるノイズの経路について説明する。
第２実施形態に係る半導体電力変換装置１では、制御電源回路（図示せず）に起因するノイズの経路は、上述した図１０と同様である。しかしながら、第１のノイズフィルタ回路１１を突入電流抑制回路７のサイリスタ７ｂの制御線Ｖ，Ｗに配置しているので、制御電源回路に起因するノイズの周波数成分が低周波数側へとシフトされる。この際、ノイズの周波数成分が所定の周波数帯域よりも下がることになり、ノイズが流出した場合でも、所定の規格を満たすことができる（例えば、Ｌフィルタを第１のノイズフィルタ回路１１として使用する場合、フィルタのインダクタンスＬとトランスの浮遊容量Ｃで決まる共振周波数を基にシフト量を設計すればよい）。

このように、第２実施形態に係る半導体電力変換装置１によれば、第１のノイズフィルタ回路１１が突入電流抑制回路７のサイリスタ７ｂの制御線Ｖ，Ｗに配置され、第２のノイズフィルタ回路１２が、突入電流抑制回路７と平滑コンデンサ５との間に配置されているので、第１のノイズフィルタ回路１１がサイリスタ７ｂの制御線Ｖ，Ｗから商用電源２
側へ伝播するノイズを抑制するとともに、第２のノイズフィルタ回路１２が電力変換回路６から商用電源２側へ伝播するノイズを抑制することができる。また、従来の構成に対してサイリスタ７ｂの制御線Ｖ，Ｗに第１のノイズフィルタ回路１１を設ければよいため、従来の構成に大きな設計変更がなく、半導体電力変換装置１の低コスト化と小型化を実現することができる。

また、半導体電力変換装置１の小型化のために、全波整流回路４と突入電流抑制用のサイリスタ７ｂが１つのパッケージとなっているモジュールを使用する場合においては、第１実施形態のようにノイズフィルタ回路を全波整流回路４とサイリスタ７ｂとの間に配置することができないが、第２実施形態のようにサイリスタ７ｂの制御線Ｖ，Ｗに第１のノイズフィルタ回路１１を配置することにより、サイリスタ７ｂの制御線Ｖ，Ｗを伝播するノイズが商用電源２側へ伝播することを抑制することができる。

さらに、モジュールのサイリスタ７ｂの制御線Ｖ，Ｗの部分にノイズフィルタ回路を設けるだけでよいので、装置の小型化を妨げることもない。特に、第１のノイズフィルタ回路１１を例えばカットコアとすれば、従来の半導体電力変換装置の構成を大きく変更することなく、サイリスタ７ｂの制御線Ｖ，Ｗから流出するノイズを抑制することができる。
［第３実施形態］
以下、本発明の第３実施形態に係る半導体電力変換装置を、図面を参照しながら説明する。図４は、本発明の第３実施形態に係る半導体電力変換装置を示した回路図である。

ここで、図４において、図１の第１実施形態と同じ構成要素については同じ番号を付して、説明は省略する。
図４に示すように、本発明の第３実施形態に係る半導体電力変換装置１では、第３のノイズフィルタ回路１３が、突入電流抑制回路７のサイリスタ７ｂの制御線Ｖ，Ｗに配置され、第４のノイズフィルタ回路１４が全波整流回路４と突入電流抑制回路７との間に配置されている。ここで、第３のノイズフィルタ回路１３及び第４のノイズフィルタ回路１４は、第１実施形態のノイズフィルタ回路８と同様の構成であるため説明を省略する。

このように、第３実施形態に係る半導体電力変換装置１によれば、第３のノイズフィルタ回路１３が、突入電流抑制回路７のサイリスタ７ｂの制御線Ｖ，Ｗに配置され、第４のノイズフィルタ回路１４が全波整流回路４と突入電流抑制回路７との間に配置されているので、サイリスタ７ｂの制御線Ｖ，Ｗから商用電源２側へ流出するノイズが、第３のノイズフィルタ回路１３だけでなく、第４のノイズフィルタ回路１４で更に抑制されることになる。すなわち、サイリスタ７ｂの制御線Ｖ，Ｗから商用電源２側へ流出するノイズが２段階で抑制されるので、より高いノイズの抑制効果を得ることができる。しかも、第４のノイズフィルタ回路は、従来の構成と同様に電力変換回路６から商用電源２側へ伝播するノイズも抑制することができる。

以上、本発明の実施の形態につき述べたが、本発明は既述の実施形態に限定されるものでなく、本発明の技術的思想に基づいて各種の変形及び変更が可能である。
なお、上述したノイズフィルタ回路８，１１，１２，１３，１４の構成は一例であり、電力変換回路６で発生するノイズやサイリスタ７ｂから流出するノイズを低減できる他の回路を用いてもよい。

また、電力変換回路６は、例えば、直流電圧を交流に変換して出力するように構成されたインバータ回路や、直流電圧を別の直流電圧に変換して出力するチョッパ回路を用いてもよい。

本発明の第１実施形態に係る半導体電力変換装置を示した回路図である。本発明の第１実施形態に係る半導体電力変換装置におけるノイズの経路を示した図である。本発明の第２実施形態に係る半導体電力変換装置を示した回路図である。本発明の第３実施形態に係る半導体電力変換装置を示した回路図である。従来の半導体電力変換装置を示した回路図である。図５の半導体電力変換装置におけるノイズフィルタ回路を示した回路図である。従来の特許文献１に記載された半導体電力変換装置を示した回路図である。図７の半導体電力変換装置におけるノイズフィルタ回路を示した回路図である。従来の別の半導体電力変換装置を示した回路図である。図９の半導体電力変換装置におけるノイズの経路を示した図である。

１半導体電力変換装置
２商用電源
３負荷
４全波整流回路
５平滑コンデンサ
６電力変換回路
６ａ半導体素子
７突入電流抑制回路
７ａ抵抗
７ｂサイリスタ
８，１１，１２，１３，１４ノイズフィルタ回路
８ａ線間用コンデンサ
８ｂコモンモードチョークコイル
８ｃ接地用コンデンサ
９制御電源回路
１０駆動装置

Claims

商用電源からの交流入力を整流する整流回路と、
該整流回路からの入力を平滑化する平滑コンデンサと、
少なくとも一つ以上の半導体素子のスイッチングにより前記平滑コンデンサの電圧を所望の電圧及び電流に変換する電力変換回路と、
前記平滑コンデンサの初期充電時に流れる突入電力を抑制する突入電力抑制抵抗と、前記平滑コンデンサが充電された後に前記突入電力抑制抵抗と並列に接続されるように構成されたバイパス手段とを有し、前記整流回路と前記平滑コンデンサとの間に配置されている突入電流抑制回路と
を備えている半導体電力変換装置において、
前記バイパス手段の切替動作を制御する制御線に配置され、前記バイパス手段の前記制御線から前記商用電源側へ伝播するノイズを低減させるように構成された第１のノイズフィルタ回路と、
前記突入電流抑制回路と前記平滑コンデンサとの間に配置され、前記電力変換回路から前記商用電源側へ伝播するノイズを低減させるように構成された第２のノイズフィルタ回路と
を備えていることを特徴とする半導体電力変換装置。