JP2013247788A - 電源装置 - Google Patents

Abstract

【課題】１つのコンバータモジュールに２つの半導体スイッチング素子の回路を搭載した電源装置において、電源装置の小型化を図ることを目的とする。
【解決手段】コンバータモジュールは、第１，第２のリアクタに各々接続された第１，第２の接続端子と、第１，第２の接続端子に各々コレクタが接続された第１，第２の半導体スイッチング素子と、第１，第２の半導体スイッチング素子のエミッタにそれぞれ接続された第１，第２の電流検出手段と、第１，第２の電流検出手段に接続された出力端子の負極端子と、第１，第２の接続端子及び第１，第２の半導体スイッチング素子のエミッタに各々アノードが接続された第１，第２の逆阻止ダイオードと、第１，第２の逆阻止ダイオードのカソードに接続された出力端子の正極端子と、を有し、出力端子の負極端子はバイパス回路を介して交流電源に接続される。
【選択図】 図１

Description

本発明は、モータを駆動する電源装置に関する。

特許文献１は、同一仕様の小さな容量のコンバータモジュールを１つ以上組み合わせ、電源の力率を改善して高調波を抑制することを開示している。特許文献１によれば、入力容量に応じて同一仕様のコンバータモジュールを複数使用して所望の容量の電源装置を達成することで、装置全体の材料費、開発費、在庫管理などの手間を大幅に削減することができる。

また、特許文献２は、１つのコンバータモジュールに２つの半導体スイッチング素子の回路を搭載した電源装置を開示している。特許文献２によれば、２つのコンバータモジュールを使用する場合に比較して電源装置を小型化することができる。

特開２００２−３３０５８８号公報 特開２０１１−１４７１９７号公報

特許文献１は、入力容量によっては多くのコンバータモジュールを設けなければならず、電源装置が大型化する課題がある。

特許文献２は、パワーモジュールのリアクタ側の接続端子及び整流ダイオードの負極側の接続端子を複数設けなければならず、コストアップ及び大型化の要因となる。

また、これらの接続端子を電流の合計値に対応した大容量の端子とすることも考えられるが、大容量の端子は大型化が必要であり、リアクタの端子等との共通化を図ることができず、コストアップ及び大型化の要因となる。

つまり、特許文献２のパワーモジュールを実用化するためには、大電流を流すために接続端子を複数設ける必要があり、電源装置の小型化の妨げとなる。

また、接続端子を複数設ける代わりに、大容量の端子をコンバータモジュールに実装することも考えられるが、実装面積が大きくなり、電源装置の小型化の妨げとなる。

本発明は、１つのコンバータモジュールに２つの半導体スイッチング素子の回路を搭載した電源装置において、電源装置の小型化を図ることを目的とする。

本発明の電源装置は、交流電源に接続された第１のリアクタ及び第２のリアクタと、第１のリアクタ及び第２のリアクタに接続されたコンバータモジュールと、コンバータモジュールの外部に位置するバイパス回路と、を備え、コンバータモジュールは、第１のリアクタ及び第２のリアクタに各々接続された第１の接続端子及び第２の接続端子と、第１の接続端子及び第２の接続端子に各々コレクタが接続された第１の半導体スイッチング素子及び第２の半導体スイッチング素子と、第１の半導体スイッチング素子及び第２の半導体スイッチング素子のエミッタにそれぞれ接続された第１の電流検出手段及び第２の電流検出手段と、第１の電流検出手段及び第２の電流検出手段に接続された出力端子の負極端子と、第１の接続端子及び第２の接続端子及び第１の半導体スイッチング素子及び第２の半導体スイッチング素子のエミッタに各々アノードが接続された第１の逆阻止ダイオード及び第２の逆阻止ダイオードと、第１の逆阻止ダイオード及び第２の逆阻止ダイオードのカソードに接続された出力端子の正極端子と、を有し、出力端子の負極端子はバイパス回路を介して交流電源に接続される。

本発明によれば、１つのコンバータモジュールに２つの半導体スイッチング素子の回路を搭載した電源装置において、電源装置の小型化を図ることができる。

本発明による電源装置の構成図の例である。 本発明による電源装置の他の構成図の例である。

以下、実施例を図面を用いて説明する。

本実施例では、コンバータモジュール１０を１つ使用する電源装置の例を説明する。

本実施例はコンバータモジュール１０をインターリーブ方式で使用するものであり、２系統の昇圧チョッパを１８０°位相シフトさせることにより、リプル電流を低減して、スイッチング損失の低減、リプル成分を除去するためのフィルタ回路の小型化を実現するものである。

図１は、本実施例の電源装置１００の全体構成図である。

コイル３とキャパシタ４は交流電源１に接続されており、電流のリプルが交流電源１に漏洩することを防止する。

整流ダイオード５は、コイル３とキャパシタ４にブリッジ接続されており、交流電源１を整流して全波整流波形とする。

コンバータモジュール１０はリアクタ６を介して整流ダイオード５に接続されており、２系統の昇圧チョッパ回路を搭載している。

コンバータモジュール１０は、２つの逆阻止ダイオード７、２つの半導体スイッチング素子８、２つの電流検出手段９、制御ＩＣ１１から構成されている。具体的には、半導体スイッチング素子８のコレクタはリアクタ６と逆阻止ダイオード７の接続点に接続されている。半導体スイッチング素子８のエミッタは電流検出手段９を介してコンバータモジュール１０の出力端子の負極端子１５に接続されている。

また、コンバータモジュール１０の出力端子の負極端子１５はバイパス回路１８を介してブリッジ接続した整流ダイオード５の負極に接続されている。

なお、逆阻止ダイオード７は第１の逆阻止ダイオード７ａ、第２の逆阻止ダイオード７ｂから構成されており、半導体スイッチング素子８は第１の半導体スイッチング素子８ａ、第２の半導体スイッチング素子８ｂから構成されており、電流検出手段９は第１の電流検出手段９ａ、第２の電流検出手段９ｂから構成されている。

制御ＩＣ１１は、コンバータモジュール１０内の２系統の昇圧チョッパを１８０°位相シフトさせて動作させる。制御ＩＣ１１は２つの半導体スイッチング素子８ａ、８ｂを１８０°位相シフトさせて動作させる独立した２つの駆動出力端子と、２つの半導体スイッチング素子８ａ、８ｂを流れる電流を独立して入力する２つの電流検出端子を有する。また、コンバータモジュール１０の出力電圧を所望の電圧に制御するための出力電圧のフィードバック端子を有する。

コンバータモジュール１０は平滑キャパシタ１２を介して負荷２に接続されている。

半導体スイッチング素子８がオンするとリアクタ６を介して交流電源１の全波整流波形を短絡してリアクタ６にエネルギーを蓄積する。半導体スイッチング素子８をオフさせるとリアクタ６に蓄積させたエネルギーは逆阻止ダイオード７を介して平滑キャパシタ１２に開放される。

半導体スイッチング素子８をオンさせてリアクタ６を介して交流電源１の全波整流波形を短絡してリアクタ６にエネルギーを蓄積させる。そして、半導体スイッチング素子８をオフさせることで、リアクタ６に蓄積させたエネルギーを逆阻止ダイオード７を介して平滑キャパシタ１２に開放する昇圧チョッパ動作を行っている。

また、制御ＩＣ１１により昇圧チョッパ動作を行い、平滑キャパシタ１２の電圧すなわち電源装置１００の出力電圧が所望の電圧になるように、また、電源電流波形が正弦波になるように制御される。

このとき、半導体スイッチング素子８がオンのときの電流はリアクタ６から半導体スイッチング素子８、電流検出手段９、コンバータモジュール１０の出力端子の負極端子１５、バイパス回路１８、ブリッジ接続した整流ダイオード５の負極、交流電源１の順に流れる。

半導体スイッチング素子８がオフのときの電流はリアクタ６、逆阻止ダイオード７、コンバータモジュール１０の出力端子の正極端子１４、平滑キャパシタ１２を流れる。

ここで、電源電流の全電流はバイパス回路１８を介して交流電源１に流れるため、コンバータモジュール１０の内部を流れない。そのため、コンバータモジュール１０は大容量の端子を設ける必要がない。従って、コンバータモジュール１０の端子を共通化することができ、コストダウンおよびコンバータの小型化が可能になる。

また、コンバータモジュール１０の内部で入力側と出力側を接続する太い基板パターンも不要であり、コンバータモジュール１０の小型化が可能である。

本実施例においては、半導体スイッチング素子８はＩＧＢＴ（絶縁ゲート型バイポーラトランジスタをいう。）、逆阻止ダイオード７はＦＲＤ（ファーストリカバリダイオードをいう。）を用いて記述したが、半導体スイッチング素子８についてはＭＯＳＦＥＴ（Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transisterをいう。）、ＳＪ−ＭＯＳＦＥＴ（Super Junction MOSFETをいう。）、逆阻止ダイオード７についてはショットキーバリアダイオード（Schottky Barrier Diodeをいう。）、ＭＯＳＦＥＴを用いた同期整流等がある。また、半導体材料としてはＳｉ（シリコンをいう。）の他に、ＳｉＣ（シリコンカーバイドをいう。）、ＧａＮ（ガリウムナイトライドをいう。）、ダイアモンド等がある。

本実施例によれば、コンバータモジュール１０の内部を電源電流の全電流が流れないので、整流ダイオード５の負極側の接続端子を無くすことで、電源装置１００の小型化を図ることができる。また、基板パターンを太くする必要がない。

また、コンバータモジュール１０の動作基準電位を平滑キャパシタ１２の負極とすることが容易な配線になるため、動作を安定させることができる。

なお、本実施例の電源装置は、コンバータモジュール１０に接続された３相インバータ回路と、母線電流を検出する電流検出器と、電流検出器で検出した母線電流に基づいて３相インバータ回路を制御するマイコンと、を備え、冷蔵装置、冷凍装置、空気調和機等の圧縮機を駆動するためのものであるが、他の機器を駆動させるために用いても良い。

図２は、コンバータモジュール１０を２つ使用した場合における電源装置２００を示す全体構成図である。

図１の電源装置１００のうち、既に説明した図１に示された同一の符号を付された構成と、同一の機能を有する部分については、説明を省略する。

交流電源１を受電し、リプルが交流電源１に漏洩することを防止するためのコイル３とキャパシタ４およびブリッジ接続した整流ダイオード５は、２つのコンバータモジュール１０に接続される。

整流ダイオード５の正極端子の全波整流波形は４つのリアクタ６に接続されて、２つのコンバータモジュール１０に夫々接続される。

２つのコンバータモジュール１０の出力端子の正極端子１４ならびに負極端子１５は夫々平滑キャパシタ１２および負荷２に接続される。

２つのコンバータモジュール１０の出力端子の負極端子１５はバイパス回路１８を介して整流ダイオード５の負極端子に接続される。そのため、電源電流の合計値はバイパス回路１８を流れるため、コンバータモジュール１０の内部に流れない。

コンバータモジュール１０は内部に２つの昇圧チョッパ回路を有し、制御ＩＣ１１により１８０°位相シフトして動作する。

さらに、パルス発生器１７は、２つのコンバータモジュール１０を同期させて９０°位相シフトして動作させる。

パルスの形状は様々なものが考えられるが、例えば、コンバータモジュール１０のスイッチング周波数の２倍の周波数の方形波を発生させて、一方のコンバータモジュール１０にはそのまま、他方のコンバータモジュール１０には極性を反転させてパルスを入力させることにより、電源装置２００は９０°位相シフトした４相でコンバータモジュール１０を動作させることができる。

なお、コンバータモジュール１０は２系統の昇圧チョッパを１８０°位相シフトした場合は２相で動作するが、４系統の昇圧チョッパを９０°位相シフトした場合は４相で動作するため、さらなるリプル電流の低減が可能になる。

なお、さらに相数を増やせば、よりリプル電流を低減することができる。

以上説明したように、本発明の電源装置は、交流電源に接続された第１のリアクタ及び第２のリアクタと、第１のリアクタ及び第２のリアクタに接続されたコンバータモジュールと、コンバータモジュールの外部に位置するバイパス回路と、を備え、コンバータモジュールは、第１のリアクタ及び第２のリアクタに各々接続された第１の接続端子及び第２の接続端子と、第１の接続端子及び第２の接続端子に各々コレクタが接続された第１の半導体スイッチング素子及び第２の半導体スイッチング素子と、第１の半導体スイッチング素子及び第２の半導体スイッチング素子のエミッタにそれぞれ接続された第１の電流検出手段及び第２の電流検出手段と、第１の電流検出手段及び第２の電流検出手段に接続された出力端子の負極端子と、第１の接続端子及び第２の接続端子及び第１の半導体スイッチング素子及び第２の半導体スイッチング素子のエミッタに各々アノードが接続された第１の逆阻止ダイオード及び第２の逆阻止ダイオードと、第１の逆阻止ダイオード及び第２の逆阻止ダイオードのカソードに接続された出力端子の正極端子と、を有し、出力端子の負極端子はバイパス回路を介して交流電源に接続される。

本発明によれば、１つのコンバータモジュール１０に２つの半導体スイッチング素子の回路を搭載した電源装置において、整流ダイオードの負極側の接続端子を無くすことで、電源装置の小型化を図ることができる。

また、本発明の電源装置は、コンバータモジュールは制御ＩＣを有し、制御ＩＣは第１の半導体スイッチング素子及び第２の半導体スイッチング素子を１８０°位相をシフトして動作させる。

本発明によれば、電源電流の全電流がコンバータモジュール１０の内部を流れない。したがって、コンバータモジュール１０の内部で入力側と出力側を接続する太い基板パターンも不要であり、コンバータモジュール１０の小型化が可能である。

また、本発明の電源装置は、コンバータモジュールを２つ備え、それぞれのコンバータモジュールを９０°位相をシフトして動作させる。

本発明によれば、相数を増やすほどリプル電流が低減するため、さらなるリプル電流を低減させることができる。

１ 交流電源
２ 負荷
３ コイル
４ キャパシタ
５ 整流ダイオード
６ リアクタ
７ 逆阻止ダイオード
８ 半導体スイッチング素子
９ 電流検出手段
１０ コンバータモジュール
１１ 制御ＩＣ
１２ 平滑キャパシタ
１３ リアクタ接続端子
１４ 出力端子の正極端子
１５ 出力端子の負極端子
１６ 入力端子の負極端子
１７ パルス発生器
１８ バイパス回路
１００、２００、３００ 電源装置

Claims (3)

1. 交流電源に接続された第１のリアクタ及び第２のリアクタと、
   前記第１のリアクタ及び第２のリアクタに接続されたコンバータモジュールと、
   前記コンバータモジュールの外部に位置するバイパス回路と、を備え、
   前記コンバータモジュールは、
   前記第１のリアクタ及び第２のリアクタに各々接続された第１の接続端子及び第２の接続端子と、
   前記第１の接続端子及び第２の接続端子に各々コレクタが接続された第１の半導体スイッチング素子及び第２の半導体スイッチング素子と、
   前記第１の半導体スイッチング素子及び第２の半導体スイッチング素子のエミッタにそれぞれ接続された第１の電流検出手段及び第２の電流検出手段と、
   前記第１の電流検出手段及び第２の電流検出手段に接続された出力端子の負極端子と、
   前記第１の接続端子及び第２の接続端子及び前記第１の半導体スイッチング素子及び第２の半導体スイッチング素子のエミッタに各々アノードが接続された第１の逆阻止ダイオード及び第２の逆阻止ダイオードと、
   前記第１の逆阻止ダイオード及び第２の逆阻止ダイオードのカソードに接続された出力端子の正極端子と、
   を有し、
   前記出力端子の負極端子は前記バイパス回路を介して前記交流電源に接続される電源装置。
2. 前記コンバータモジュールは制御ＩＣを有し、
   前記制御ＩＣは前記第１の半導体スイッチング素子及び第２の半導体スイッチング素子を１８０°位相をシフトして動作させることを特徴とする請求項１に記載の電源装置。
3. 前記コンバータモジュールを２つ備え、
   それぞれの前記コンバータモジュールを９０°位相をシフトして動作させることを特徴とする請求項１又は２に記載の電源装置。