JP2014057520A - 電力変換回路 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】直流三端子と交流一端子の間で電力を変換する電力変換回路において、直流高電位端子と交流一端子との間に第一のスイッチング素子とこの第一のスイッチング素子に逆並列に接続された第一のダイオードとの第一の並列体を接続し、交流一端子と直流低電位端子との間に第二のスイッチング素子とこの第二のスイッチング素子に逆並列に接続された第二のダイオードとの第二の並列体を接続し、直流中間電位端子と交流一端子との間に、第三のスイッチング素子とこの第三のスイッチング素子に逆並列に接続された第三のダイオードとの第三の並列体と、第四のスイッチング素子とこの第四のスイッチング素子に逆並列に接続された第四のダイオードとの第四の並列体との直列体を接続するとともに、第一から第四のダイオードをワイドバンドギャップ半導体とした。
【選択図】 図17
Description
図1は、本発明に係る実施の形態1による電力変換回路を示す回路図である。すなわち、3レベルの出力をもつ電力変換装置の1相分の回路構成である。図1において、1〜4はスイッチング素子、6、7、9、10、105、108はダイオード、11及び12は電圧源としてのコンデンサである。ここで、スイッチング素子1とダイオード105は導通極性が逆となるように並列に、いわゆる逆並列に接続されている。他のスイッチング素子とダイオードも同様に逆並列に接続されている。また、Pは例えば正の電位を与える高電位端子、Nは高電位端子の電位より低い電位、例えば負の電位を与える低電位端子、Mは高電位端子の電位と低電位端子の電位の中間の電位を与える中間電位端子、ACは交流電位が出現する交流一端子である。単相出力の場合にはこれを2回路用い、三相出力の場合にはこれを3回路用いて電力変換装置を構成する。本実施の形態1においては、ダイオード105およびダイオード108をワイドバンドギャップ半導体のダイオードとし、その他のダイオードは、シリコン製など比較的逆回復は遅いが低コストのダイオードとしている。なお、図1においてワイドバンドギャップ半導体のダイオードは大きなダイオード記号で示しており、以下の図でも同様である。
図5は、本発明に係る実施の形態2による電力変換回路の回路図である。すなわち、3レベルの出力をもつ電力変換装置の1相分の回路構成である。図5において、図1と同様1〜4はスイッチング素子、5〜8、109、110はダイオード、11及び12は電圧源としてのコンデンサである。単相出力の場合にはこれを2回路用い、三相出力の場合にはこれを3回路用いて電力変換装置を構成する。本実施の形態2においては、ダイオード109およびダイオード110をワイドバンドギャップ半導体のダイオードとし、その他のダイオードは、シリコン製など比較的逆回復は遅いが低コストのダイオードとしている。
できる。ここでスイッチング素子4がオンしたときにはスイッチング素子2がオフするため、ダイオード110に逆電圧が印加され、ダイオード110が逆回復動作をする。なおスイッチング素子2がオンしたときには上記のような逆回復動作をするダイオードはない。ダイオード110が逆回復動作をするため、ダイオード110に逆回復が速いシリコンカーバイドなどのワイドバンドギャップ半導体のダイオードを用いることでリカバリ損失が少ない電力変換回路とすることができる。
図9は、本発明に係る実施の形態3による電力変換回路の回路図である。すなわち、3レベルの出力をもつ電力変換装置の1相分の回路構成である。図9において、大きなダイオード記号で示すダイオード105、108、109、110がシリコンカーバイド等のワイドバンドギャップ素材からなるダイオードである。実施の形態1および2で説明した、いずれの動作も含む双方向の電力変換装置においては、逆回復動作するダイオードはダイオード6及びダイオード7以外の全てのダイオードである。そこで、逆回復動作するダイオード105、108、109、110にシリコンカーバイド等のワイドバンドギャップ素材からなるダイオードを適用すれば、パワーフローが系統から電力変換装置、電力変換装置から系統のいずれの動作も行う双方向の電力変換装置の電力変換回路において、損失が少ない電力変換回路とすることができる。なおダイオードは逆回復電荷が無視できるショットキーバリアダイオードが好適である。これによりリカバリ損失が低減でき、電力変換回路の効率向上が達成できるという効果がある。
図10は本発明に係る実施の形態4による電力変換回路の回路図である。105〜108はダイオードであり、シリコンカーバイド等のワイドバンドギャップ素材からなる。ここでスイッチング素子1とダイオード105、スイッチング素子2とダイオード106、スイッチング素子3とダイオード107、スイッチング素子4とダイオード108がそれぞれペアとなり、ペア毎に1つのパワーモジュールを構成する。
ールを並べるため、逆回復しないダイオード106及び107もワイドバンドギャップ素材となるものの、単一のモジュールを並べることで主回路を構成でき、異種のモジュールを並べることが無いため、主回路接続のミスを未然に防止することができる。
図11は本発明に係る実施の形態5による電力変換回路の回路図である。図11において、41〜44はスイッチング素子、47、48、145、146はダイオードである。47、48、145、146のダイオードのうち、本実施の形態5では、ダイオード145及び146にシリコンカーバイド製のダイオードを適用し、その他のダイオード47及び48には例えば従来のシリコン製のダイオードを適用する。
図14は、本発明に係る実施の形態6による電力変換回路の回路図である。すなわち、3レベルの出力をもつ電力変換装置の1相分の回路構成である。図14において、図11と同様41〜44はスイッチング素子、45、46、147、148はダイオード、11及び12は電圧源としてのコンデンサである。単相出力の場合にはこれを2回路用い、三相出力の場合にはこれを3回路用いて電力変換装置を構成する。本実施の形態6においては、ダイオード147およびダイオード148をワイドバンドギャップ半導体のダイオードとし、その他のダイオードは、シリコン製など比較的逆回復は遅いが低コストのダイオードとしている。
図17は本発明に係る実施の形態7による電力変換回路の回路図である。本実施の形態7では、図17のダイオード145、146、147、148の全てにシリコンカーバイド等のワイドバンドギャップ素材からなるダイオードを適用する。実施の形態5および6で説明した、いずれの動作も含む双方向の電力変換装置においては、逆回復動作するダイオードは全てのダイオードである。そこで、逆回復動作するダイオード145、146、147、148にシリコンカーバイド等のワイドバンドギャップ素材からなるダイオードを適用すれば、パワーフローが系統から電力変換装置、電力変換装置から系統のいずれの動作も行う双方向の電力変換装置の電力変換回路において、損失が少ない電力変換回路とすることができる。なおダイオードは逆回復電荷が無視できるショットキーバリアダイオードが好適である。これによりリカバリ損失が低減でき、電力変換回路の効率向上が達成できるという効果がある。
実施の形態2では、図5において逆電圧が印加されるダイオード109、110のみをワイドバンドギャップ半導体のダイオードとした。図6に示すような電力変換装置において、直流母線電圧、すなわち図6における高電位端子Pと低電位端子Nとの間の電圧に対する出力電圧Vrcの比が高い場合、いわゆる変調率が高い運転を行う場合には、図18に
示すように出力電圧Vrcのパルス幅が広がり、ACの電位においてP点電位が発生する割
合はM点電位が発生する割合よりも高くなる。
実施の形態1〜6においては、逆回復動作しないダイオードを非ワイドバンドギャップ半導体によるダイオードとした。ここでダイオードが逆回復動作しないことを条件に、ダイオードをPINダイオード(p-intrinsic-n Diode)としてもよい。PINダイオードとは、PN間に電気抵抗の大きな半導体層をはさみ少数キャリア蓄積効果を大きくしたものであり、ダイオードに順方向電流を流したときのダイオード両端電圧を極めて低くすることができる。ただし逆回復電荷が大きくなるという欠点があるが、実施の形態1〜6においては逆回復するダイオードのみを、例えばシリコンカーバイドなどのワイドバンドギャップ半導体によるショットキーバリアダイオードで構成しており、逆回復動作しないダイオードをPINダイオードとしても問題とはならない。これよりダイオードに発生する導通損失を
更に抑制することができるため、電力変換回路の更なる高効率化を達成することができるという効果がある。
また、本発明では、実施の形態1〜4と実施の形態5〜7の2種類の3レベルの出力をもつ電力変換回路を示したが、それ以外の3レベルの出力をもつ電力変換回路についても同様に当てはまることは言うまでも無い。
5〜10、45〜48:ダイオード
105〜110、145〜148:ワイドバンドギャップ半導体のダイオード
P:高電位端子 N:低電位端子
M:中間電位端子 AC:交流一端子
Claims (3)
- 直流の高電位を与える高電位端子と直流の低電位を与える低電位端子と該高電位と該低電位との中間の電位である中間電位を与える中間電位端子とを備えた直流三端子と、交流一端子との間に設けられ、上記直流三端子と上記交流一端子の間で電力を変換する電力変換回路であって、
上記高電位端子と上記交流一端子との間に第一のスイッチング素子とこの第一のスイッチング素子に逆並列に接続された第一のダイオードとの第一の並列体を接続し、
上記交流一端子と低電位端子との間に第二のスイッチング素子とこの第二のスイッチング素子に逆並列に接続された第二のダイオードとの第二の並列体を接続し、
上記中間電位端子と上記交流一端子との間に、第三のスイッチング素子とこの第三のスイッチング素子に逆並列に接続された第三のダイオードとの第三の並列体と、第四のスイッチング素子とこの第四のスイッチング素子に逆並列に接続された第四のダイオードとの第四の並列体との直列体を接続するとともに、上記第一から第四のダイオードをワイドバンドギャップ半導体としたことを特徴とする電力変換回路。 - 上記第三のダイオードの電流容量が上記第二のスイッチング素子の電流容量よりも小さく、上記第四のダイオードの電流容量が上記第一のスイッチング素子の電流容量よりも小さいことを特徴とする請求項1に記載の電力変換回路。
- スイッチング素子がワイドバンドギャップ半導体のスイッチング素子であることを特徴とする請求項1または2に記載の電力変換回路。
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