JP2016152672A - 電力変換装置、及びこれを備える空気調和機 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】電力変換装置S1は、直流電源の正側に接続される上アームのスイッチング素子Qaと、直流電源の負側に接続される下アームのスイッチング素子Qbと、が接続されてなる第1レグG1を有し、直流電源から印加される直流電圧を交流電圧に変換するインバータ回路と、スイッチング素子Qa,Qbのゲートと一対一で接続されるゲート回路21,22と、ゲート回路21,22を介してスイッチング素子Qa,Qbを駆動する駆動回路3と、を備え、ゲート回路22は、順方向電圧が印加されることでスイッチング素子QbをセルフターンオンさせるダイオードD1を有する。
【選択図】図2
Description
<電力変換装置の構成>
図1は、第1実施形態に係る電力変換装置S1の構成図である。
電力変換装置S1は、直流電源E(例えば、コンバータ回路)から印加される直流電圧を三相交流電圧に変換するインバータである。電力変換装置S1は、インバータ回路1と、ゲート回路21〜26と、駆動回路3と、制御回路4と、を備えている。
第1レグG1は、直流電源Eの正側に接続される上アームのスイッチング素子Qaと、直流電源Eの負側に接続される下アームのスイッチング素子Qbと、を備えている。
第1レグG1、第2レグG2、及び第3レグG3は、互いに並列接続されている。そして、PWM(Pulse Width Modulation)制御に基づいてスイッチング素子Qa〜Qfがオン/オフされることで、配線u,v,wを介して三相交流電力がモータMに供給されるようになっている。
ダイオードD1は、アノードがゲート抵抗Rg5の一端に接続され、カソードがゲート抵抗Rg3を介してスイッチング素子Qbのゲートに接続されている。言い換えると、ダイオードD1は、アノードが駆動回路3側に接続され、カソードがスイッチング素子Qbのゲート側に接続されている。
ゲート抵抗Rg5は、前記したように、その一端がダイオードD1のアノードに接続され、他端が配線jにおいてゲート抵抗Rg4よりも駆動回路3側に接続されている。
例えば、駆動回路3が備えるスイッチング素子Q11がオン、スイッチング素子Q12がオフの期間にはスイッチング素子Qaのゲートに駆動電圧が印加され、スイッチング素子Qaがオンになる。スイッチング素子Q11,Q12のオン/オフが前記とは逆の場合、スイッチング素子Qaがオフになる。
制御回路4は、PWM制御に基づく駆動パルスを駆動回路3に出力することで、モータMの駆動/停止を制御する。なお、制御回路4に関する処理については周知の技術を用いればよいため、詳細な説明を省略する。
なお、PWM制御に関して、スイッチング素子Qbをオフ状態で維持しつつスイッチング素子Qaのオン/オフを繰り返す期間や、スイッチング素子Qa,Qbを交互にオン/オフする期間等、複数のスイッチングパターンがある。以下では、一例として、スイッチング素子Qbをオフ状態で維持しつつ、スイッチング素子Qaのオン/オフを繰り返す期間について説明する。
図18は、比較例における第1レグG1、ゲート回路21F,22F、駆動回路3、及び制御回路4の構成図である。図18に示すように、比較例では、ゲート回路22Fがバイアス部221(図2参照)を有しない構成になっている。
図19で示す例では、スイッチング素子Qaのドレイン電流Idが、所定値IdAを超えている時刻tA〜t3の時間だけ、逆回復電流Irrが流れている。
また、スイッチング素子Qbのドレイン−ソース間電圧Vds−Lowに注目すると、ドレイン電流Id(逆回復電流Irr)が急減したタイミングで大きなノイズ(リンギング、サージ電圧:符号K1を参照)が生じていることがわかる。ちなみに、逆回復電流Irrの変化率(dIrr/dt)の絶対値が大きいほど、ノイズも大きくなる。
ちなみに、他の下アームのスイッチング素子Qd,Qf(図1参照)でも、バイアス部(図示せず)によって「セルフターンオン」を発生させるようにしているが、以下では、スイッチング素子Qbでの「セルフターンオン」について説明する。
図3は、セルフターンオンの概要を示す説明図である。スイッチング素子Qb(SJ−MOSFET)は、寄生の容量成分を有している。すなわち、スイッチング素子Qbは、ゲート−ドレイン間容量Cgd、ゲート−ソース間容量Cgs、及びドレイン−ソース間容量Cdsを有している。
セルフターンオンは、一般的には回避したほうがよいとされる現象ではあるが、本実施形態では、逆回復電流が急減する非常に短い時間だけ、敢えてセルフターンオンを発生させることでノイズを低減するようにした。
図4(a)に示す符号Lp1,Lp2,Lp3は、インバータ回路1及びゲート回路22の基板パターン(回路配線や素子のリード部分)に存在するインダクタンス成分を表している。
この短絡電流の増加を妨げるように、インダクタンス成分Lp2,Lp3では、図4(a)に示す極性の電圧VLp2,VLp3が生じる。この電圧VLp2,VLp3によって、スイッチング素子Qbは、ゲートよりもソースの方が高電位になる。つまり、逆回復電流が増加する期間では(図4(b)参照)、スイッチング素子Qbにおいてセルフターンオンは発生しない。
図6(b)の斜線部分で示す期間では、ダイオードD1のカソードの電位VCよりもアノードの電位VAの方が低くなり(図6(a)参照)、ダイオードD1には逆方向電圧が印加される。したがって、この期間ではダイオードD1がオフ状態になる。
このように、ダイオードD1(バイアス部221)は、順方向電圧が印加されることでスイッチング素子Qbをセルフターンオンさせる機能を有している。
スイッチング素子Qbのゲートから駆動回路3を見たときのインピーダンス(ゲート抵抗Rg3,Rg4,Rg5の合成抵抗)が大きいほど、セルフターンオンが継続しやすくなる。前記したインピーダンスが大きいほど、セルフターンオンによってスイッチング素子Qbのゲートにチャージされた電荷が、駆動回路3側に移動しにくくなる(引き抜かれにくくなる)からである。
例えば、図7(a)の矢印で示す経路のインダクタンス成分Lp2,Lp3の合計値を100[nH]以上にすることで、セルフターンオンを発生させることが可能になる。
本実施形態によれば、逆回復電流の減少中、インダクタンス成分Lp2,Lp3の電圧変動をダイオードD1を介してスイッチング素子Qbのゲート−ソース間に伝えることで、セルフターンオンを発生させることができる。これによって、逆回復電流の変化率を小さくし(逆回復電流の減少を緩やかにし)、ノイズの発生を抑制できる。
また、スイッチング素子Qbのゲートに電荷がチャージされないため、ゲート−ソース間電圧Vgs−Lowの上昇分は小さくなっている(図8(a)の上向き矢印を参照)。
また、図8(b)に示すように、スイッチング素子Qbのゲート−ソース間電圧Vgs−Lowの上昇分(上向き矢印を参照)は、比較例(図8(a)参照)よりも高くなっている。これは、バイアス部221を設けたことで、スイッチング素子Qbのゲートに電荷がチャージされたためである。
なお、図9(b)、(c)は、図9(a)に示す基準波形に対してスイッチング素子Qaのオン時の抵抗値を+64%、+258%だけ増加させた場合の波形図である。
つまり、ノイズを低減するために上アームのスイッチング素子Qaのオンスピードを低速化すると、スイッチング素子Qaのオン時の損失が大きくなってしまう(損失の具体的な数値については後記する)。
図10(a)は、下アームの還流後に上アームのスイッチング素子Qaをオンに切り替えたときの基準波形の説明図である。なお、図10(a)の説明図は、図9(a)と同一である。
セルフターンオンを生じさせる本実施形態において、スイッチング素子Qbのゲートから駆動回路3を見た抵抗値を、図10(a)に示す基準波形から増やしていった場合、図10(b)、(c)のようにスイッチング損失が変化した。前記した抵抗値を大きくすることで、スイッチング素子Qbのゲートにチャージされた電荷が駆動回路3側に引き抜かれにくくなり、セルフターンオンが生じやすくなる。
第2実施形態は、前記したバイアス部221(図2参照)に代えてダイオードD2(図12参照)を設置する点が、第1実施形態(図2参照)とは異なるが、その他については第1実施形態と同様である。したがって、第1実施形態と異なる部分について説明し、重複する部分については説明を省略する。
下アームのスイッチング素子Qbに接続されるゲート回路22Aは、ゲート抵抗Rg3,Rg4と、ダイオードD2と、を備えている。ダイオードD2のアノードは、スイッチング素子Qbのソースに接続されている。ダイオードD2のカソードは、スイッチング素子Qbのゲートと駆動回路3とを接続する配線j(ゲート抵抗Rg3,Rg4との接続点P2)に接続されている。
なお、図13(a)では、基板パターン(回路配線)のインダクタンス成分Lp1,Lp2,Lp3を記載した。また、図13(b)に示す斜線部分の期間と、図13(a)に示す電位VA,VCの関係と、は対応している。
図13(b)に示す斜線部分の期間では、ダイオードD2のカソードの電位VCよりもアノードの電位VAの方が低くなり(図13(a)参照)、ダイオードD2には逆方向電圧が印加される。したがって、この期間ではダイオードD2がオフ状態になる。
図14(b)に示す斜線部分の期間では、ダイオードD2のカソードの電位VCよりもアノードの電位VAの方が高くなり(図14(a)参照)、ダイオードD2には順方向電圧が印加される。したがって、この期間ではダイオードD2がオン状態になり、スイッチング素子Qbのゲートに電荷がチャージされる。
これによって、(Crss・dV/dt)の大きさの変位電流がスイッチング素子Qbのゲートに流れて電荷がチャージされ、セルフターンオンが発生する。前記したように、Crssは帰還容量であり、(dV/dt)は接続点P1の電位の変化率である。セルフターンオンが発生することで、逆回復電流が減少する際の変化率が小さくなり、ノイズを抑制することができる。
図12に示すように、ダイオードD2のアノードが配線hに接続されている接続点P3を駆動回路3側に寄せて、インダクタンス成分Lp3を与える回路配線の長さH1を長くするほど、セルフターンオンが発生しやすくなる。この長さH1が長いほどインダクタンス成分Lp3が大きくなり、その電圧VLp3も大きく変動するからである。
本実施形態によれば、前記したように、スイッチング素子Qbのオンスピードの高速化が抑制されるため、スイッチング素子Qbのノイズを抑制できる。
なお、第1実施形態では、並列接続されたゲート抵抗Rg4,Rg5の合成抵抗と、ゲート抵抗Rg3の抵抗値と、の和がスイッチング素子Qb(図2参照)のオン時の抵抗値になる。ここで、セルフターンオンを発生させるためにゲート抵抗Rg5の抵抗値を小さくすると(Rg4>>Rg5)、ゲート抵抗Rg4,Rg5の合成抵抗も小さくなり、スイッチング素子Qbのオン時の抵抗値も小さくなる。
第3実施形態は、上アームのゲート回路21B(図15参照)がダイオードD3及びゲート抵抗Rg6を備える点が第1実施形態と異なるが、その他については第1実施形態と同様である。したがって、第1実施形態と異なる部分について説明し、重複する部分については説明を省略する。
上アームのスイッチング素子Qaに接続されるゲート回路21Bは、ゲート抵抗Rg1,Rg2,Rg3と、ダイオードD3と、を備えている。
なお、下アームのゲート回路22については、第1実施形態と同様であるから説明を省略する。
本実施形態によれば、ゲート抵抗Rg6の抵抗値を小さくすることでスイッチング素子Qaのオフスピードを速め、スイッチング素子Qaで生じるオフ損失を低減できる。したがって、スイッチング素子Qbのセルフターンオンに伴うスイッチング損失の増加分を、スイッチング素子Qaにおけるオフ損失の低減分で補うことができる。
第4実施形態は、上アームのゲート回路21B(図16参照)がダイオードD3及びゲート抵抗Rg6を備える点が第2実施形態と異なるが、その他については第2実施形態と同様である。したがって、第2実施形態と異なる部分について説明し、重複する部分については説明を省略する。
上アームのスイッチング素子Qaに接続されるゲート回路21Bは、ゲート抵抗Rg1,R2,R3と、ダイオードD3と、を備えている。なお、ゲート回路21Bの構成は、第3実施形態(図15参照)と同様であるから説明を省略する。
また、下アームのゲート回路22Aについては、第2実施形態と同様であるから説明を省略する。
本実施形態によれば、第2実施形態で説明したように、ダイオードD2を設けることで、スイッチング素子Qbのオンスピードの高速化を抑制し、スイッチング素子Qbでのノイズを抑制できる。
また、第4実施形態で説明したように、セルフターンオンによるスイッチング損失の増加分を、スイッチング素子Qaのオフ損失の低減分で補うことができる。
第5実施形態では、第1実施形態で説明した電力変換装置S1(図1、図2参照)を備える空気調和機W(図17参照)について説明する。なお、電力変換装置S1の構成については、第1実施形態と同様である。したがって、第1実施形態と異なる部分について説明し、重複する部分については説明を省略する。
空気調和機Wは、電力変換装置S1と、モータMと、空調回路(圧縮機51、室外熱交換器52、膨張弁53、室内熱交換器54等)と、を備えている。
圧縮機51は、冷媒を圧縮する装置であり、モータMの回転によって駆動する。
室外熱交換器52は、室外ファンF1から送り込まれる室内空気と、冷媒と、の熱交換を行うための熱交換器である。
なお、図17に示す例において、電力変換装置S1、モータM、圧縮機51、室外熱交換器52、及び室外ファンF1は、室外機U1に設置されている。
圧縮機51、室外熱交換器52、膨張弁53、及び室内熱交換器54が配管kを介して環状に順次接続されてなる空調回路において、周知のヒートポンプサイクルで冷媒を循環させるようになっている。
なお、空気調和機Wは、冷房用でもよいし、暖房用でもよい。また、冷房時と暖房時とで冷媒の流れる向きを切り替える四方弁(図示せず)を設けてもよい。
本実施形態によれば、空気調和機Wが電力変換装置S1を備えることで、エネルギ効率(APF:Annual Performance Factor)が高く、また、信頼性の高い空気調和機Wを提供できる。
以上、本発明に係る電力変換装置S1等について各実施形態により説明したが、本発明はこれらの記載に限定されるものではなく、種々の変更を行うことができる。
例えば、第1実施形態では、下アームのスイッチング素子Qbに接続されるゲート回路22(図2参照)がバイアス部221を備える構成について説明したが、これに限らない。すなわち、下アームのゲート回路22に代えて、上アームのゲート回路21がバイアス部を備える構成にしてもよい。なお、前記したバイアス部とゲート抵抗Rg1,Rg2との接続関係は、第1実施形態と同様である。これによって、上アームのスイッチング素子Qaでセルフターンオンを発生させ、スイッチング損失の増加を抑制しつつ、逆回復電流に伴うノイズを抑制できる。
また、スイッチング素子Qa〜Qfとして、シリコン・カーバイドMOSFET(SiC・MOSFET)、又はGaN−HEMT(GaN−High Electron Mobility Transistor、GaNパワー半導体)を用いてもよい。これらの素子は、逆回復電流が比較的小さいため、電力変換装置S1の損失をさらに低減できる。
また、第1実施形態では、バイアス部221(図2参照)がダイオードD1及びゲート抵抗Rg5を備える構成について説明したが、ゲート抵抗Rg3,Rg4の抵抗値を適宜調整することで、バイアス部221からゲート抵抗Rg5を省略することもできる。この場合においてダイオードD1は、配線jに設けられるゲート抵抗Rg4に並列接続され、アノードが駆動回路3側に接続され、カソードがスイッチング素子Qbのゲート側に接続される。
また、各実施形態は、適宜組み合わせるいことができる。例えば、第2実施形態と第5実施形態とを組み合わせ、第2実施形態で説明した電力変換装置S2(図12参照)を空気調和機W(図17参照)に設置してもよい。
1 インバータ回路
21,21B,22,22A,23,24,25,26 ゲート回路
221 バイアス部
3 駆動回路
4 制御回路
D1,D2 ダイオード
i,j 配線
E 直流電源
G1 第1レグ(スイッチングレグ)
G2 第2レグ(スイッチングレグ)
G3 第3レグ(スイッチングレグ)
Qa,Qc,Qe スイッチング素子(上アームのスイッチング素子)
Qb,Qd,Qf スイッチング素子(下アームのスイッチング素子)
Rg4 ゲート抵抗(抵抗、別の抵抗)
Rg5 ゲート抵抗(抵抗)
W 空気調和機
M モータ
51 圧縮機
52 室外熱交換器
53 膨張弁
54 室内熱交換器
k 配管
Claims (7)
- 直流電源の正側に接続される上アームのスイッチング素子と、前記直流電源の負側に接続される下アームのスイッチング素子と、が接続されてなるスイッチングレグを有し、前記直流電源から印加される直流電圧を交流電圧に変換するインバータ回路と、
前記スイッチング素子のゲートと一対一で接続されるゲート回路と、
前記ゲート回路を介して前記スイッチング素子を駆動する駆動回路と、を備え、
前記ゲート回路は、順方向電圧が印加されることで、当該ゲート回路に接続される前記スイッチング素子をセルフターンオンさせるダイオードを有すること
を特徴とする電力変換装置。 - 前記ゲート回路は、前記ダイオードと抵抗とが直列接続されてなるバイアス部を備え、
前記バイアス部は、前記スイッチング素子のゲートと前記駆動回路とを接続する配線に設けられる別の抵抗に並列接続され、
前記ダイオードは、アノードが前記駆動回路側に接続され、カソードが前記スイッチング素子のゲート側に接続されること
を特徴とする請求項1に記載の電力変換装置。 - 前記ダイオードは、前記スイッチング素子のゲートと前記駆動回路とを接続する配線に設けられる抵抗に並列接続され、アノードが前記駆動回路側に接続され、カソードが前記スイッチング素子のゲート側に接続されること
を特徴とする請求項1に記載の電力変換装置。 - 前記ダイオードは、前記スイッチング素子のソースにアノードが接続され、前記スイッチング素子のゲートと前記駆動回路とを接続する配線にカソードが接続されること
を特徴とする請求項1に記載の電力変換装置。 - 前記ダイオードを介した経路において、前記駆動回路側から前記スイッチング素子のゲートを見た抵抗値が、100Ω以下であること
を特徴とする請求項1に記載の電力変換装置。 - 前記スイッチング素子は、スーパー・ジャンクション・MOSFET、SiC・MOSFET、又はGaNパワー半導体であること
を特徴とする請求項1から請求項5のいずれか一項に記載の電力変換装置。 - 直流電源の正側に接続される上アームのスイッチング素子と、前記直流電源の負側に接続される下アームのスイッチング素子と、が接続されてなるスイッチングレグを有し、前記直流電源から印加される直流電圧を交流電圧に変換するインバータ回路と、
前記スイッチング素子のゲートと一対一で接続され、順方向電圧が印加されることで当該スイッチング素子をセルフターンオンさせるダイオードを有するゲート回路と、
前記ゲート回路を介して前記スイッチング素子を駆動する駆動回路と、を有する電力変換装置を備えるとともに、
前記電力変換装置から印加される交流電圧で駆動するモータと、
前記モータの回転によって駆動する圧縮機、室外熱交換器、膨張弁、及び室内熱交換器が配管を介して環状に順次接続されてなる空調回路と、を備えること
を特徴とする空気調和機。
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