JP2017060265A - Power conversion device - Google Patents
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Abstract
Description
この発明は、並列接続して使用する複数の半導体電力変換器で発生するノイズおよび横流を抑制するようにした電力変換装置に関する。 The present invention relates to a power conversion device that suppresses noise and cross current generated in a plurality of semiconductor power converters used in parallel connection.
電力変換素子に半導体素子を使用した半導体電力変換器は、特に、電力変換素子として、SiC(炭化シリコン)の基材としたSiC半導体素子を使用すると、半導体素子が高速動作するため、EMI(Electro Magnetic Interference)ノイズが発生しやすくなるため、他の電子機器に電磁的障害を与えることが多くなる。 In a semiconductor power converter using a semiconductor element as a power conversion element, in particular, when a SiC semiconductor element using a SiC (silicon carbide) base material is used as the power conversion element, the semiconductor element operates at high speed. Magnetic Interference) is likely to generate noise, which often causes electromagnetic interference to other electronic devices.
その対策の一例として、半導体電力変換器の入出力導線にコモンモードコアを磁気的に結合して構成したコモンモードチョークコイルを設けることにより、ノイズ電流を抑制することが特許文献1および2により提案されている。
As an example of the countermeasure,
ノイズ抑制の観点から考えると、コモンモードコア(コモンモードチョークコイル)のインダクタンスは大きいほど抑制効果が高くなる反面、次の(1)式で示すコモンモードコアの発生損失が増大する不都合がある。 From the viewpoint of noise suppression, the larger the inductance of the common mode core (common mode choke coil), the higher the suppression effect, but there is a disadvantage that the generation loss of the common mode core expressed by the following equation (1) increases.
コモンモードコアの発生損失=1/2×L×I2 (1)
ここで、Lはコモンモードコアのインダクタンス、Iは、コモンモード(零相)電流である。
Loss of common mode core = 1/2 x L x I 2 (1)
Here, L is the inductance of the common mode core, and I is the common mode (zero phase) current.
このため、実際には、コモンモードコアにギャップを形成する等して、コモンモードコアのインダクタンスLを低減し、かつ、コアに磁気飽和が生じないようにするのが一般的である。 Therefore, in practice, it is common to reduce the inductance L of the common mode core and prevent magnetic saturation in the core by forming a gap in the common mode core.
また、半導体電力変換器の容量増大する方法として、半導体電力変換器を複数台並列接続して使用する方法がある。この方法は、特許文献3に示されている。
As a method for increasing the capacity of a semiconductor power converter, there is a method of using a plurality of semiconductor power converters connected in parallel. This method is shown in
半導体電力変換器を並列接続して構成する場合、電力変換器を構成するIGBT(絶縁ゲート形バイポーラトランジスタ)等の半導体スイッチ素子の特性を揃えて均一化し、接続するブスバー等の接続導体の長さを揃えることで、接続線のインダクタンスを均一化し、さらに、ゲート信号も同一のゲートパルスを使用することで、複数の半導体電力変換器をあたかも1つの電力変換器として動作させている。しかし、実際には、各半導体電力変換器内の制御装置のロジック回路の遅延のバラツキや、同期用クロック信号の位相のずれがあることから、半導体スイッチ素子のスイッチングのタイミングを正確に合わせることができず、スイッチングのタイミングにずれが生じ、一方の電力変換器から他方の電力変換器に電流が流れる、いわゆる横流が発生する。この横流は、直流電源を短絡する電流となり、過大となるので、これによって、電力変換器を構成する半導体スイッチ素子が焼損する恐れがある。 When semiconductor power converters are connected in parallel, the characteristics of semiconductor switch elements such as IGBTs (insulated gate bipolar transistors) that make up the power converter are made uniform and the lengths of connecting conductors such as bus bars to be connected By making the connection lines uniform, the inductance of the connection line is made uniform, and the same gate pulse is used for the gate signal, so that a plurality of semiconductor power converters are operated as if they were one power converter. However, in practice, the switching timing of the semiconductor switch elements can be accurately adjusted because of the delay variation of the logic circuit of the control device in each semiconductor power converter and the phase shift of the synchronization clock signal. This is not possible, and the switching timing is shifted, so that a so-called cross current occurs in which a current flows from one power converter to the other power converter. This cross current becomes a current that short-circuits the DC power supply and becomes excessive, which may cause the semiconductor switch element constituting the power converter to burn out.
このような、横流による半導体電力変換器の半導体スイッチ素子の焼損を防止する対策として電力変換装置の出力回路にコモンモードコアを磁気的に結合し、横流発生時にこのコモンモードコアの働きにより、インダクタンスを増加させて、横流を抑制することも従来から行われている。 As a countermeasure to prevent burning of the semiconductor switch element of the semiconductor power converter due to the cross current, the common mode core is magnetically coupled to the output circuit of the power converter, and the inductance of the common mode core is reduced by the function of the common mode core when the cross current is generated. In order to suppress the cross current, the conventional method is also used.
図4に、このようなコモンモードコアによる横流抑制装置を備えた従来の並列構成の電力変換装置の例を示す。 FIG. 4 shows an example of a conventional power converter having a parallel configuration provided with such a cross current suppressing device using a common mode core.
図4において、半導体電力変換器1、2は、IGBTで構成され、直流電源Eから供給される直流電力を交流電力または、直流電力に変換して負荷5に並列に供給する。電力変換器1、2の出力回路には、それぞれコモンモードコア3、4が設けられる。コモンモードコア3、4は、リング状のフェライトコアで構成され、その中空部に電力変換装置1,2の3相交流出力導体の全部を貫通させることにより出力導1a、2aに磁気的に結合される。これにより電力変換器1、2の出力回路にそれぞれコモンモードチョークコイルを挿入した構成となる。
In FIG. 4, the
電力変換器1、2の3相出力電流が平衡している場合は、コモンモードコア3、4内の合成磁束が零となるので、このコモンモードコア3、4は、インダクタンス、すなわちチョークコイルとしては作用しない。
When the three-phase output currents of the
例えば、電力変換器1、2から負荷5に対してコモンモードノイズ電流が流れた場合や、図5に点線矢印で示すように、電力変換器1の出力電流が、負荷5を介さず、電力変換器2に横流Icとして流れた場合は、コモンモードコア3、4を貫流する3相電流が不平衡となる。
For example, when a common mode noise current flows from the
横流Icは、半導体電力変換1と2のスイッチング動作の同期がずれて、例えば、電力変換器1を構成する直流電源Eの正極P側に接続されたIGBTQ11がオンし、電力変換器2の直流電源Eの負極N側に接続されたIGBTQ22がオンとなったときに、直流電源Eの正極P‐IGBTQ11‐コモンモードコア3‐コモンモードコア4−IGBTQ22‐直流電源Eの負極Nの経路で負荷5を経由しないで流れる。
In the cross current Ic, the switching operations of the
このようなノイズ電流または横流が生じることにより各電力変換器1、2の出力電流は不平衡となる。不平衡電流が発生するとその零相分の電流(コモンモード電流)によってコモンモードコア3、4に磁束が発生するので、このコモンモードコア3、4は、インダクタンス、すなわちチョークコイルとして作用し、ノイズ電流および横流を抑制することができる。
When such noise current or cross current is generated, the output currents of the
しかし、複数の半導体電力変換器を並列接続して構成した電力変換装置において、各半導体電力変換器の出力にコモンモードコアを磁気的に結合した場合、このコモンモードコアのインダクタンスは、コモンモードノイズ電流に対しては、低く抑え、横流に対しては、高くすることが望ましいという、相反する要求があり、対策が望まれていた。 However, in a power converter configured by connecting a plurality of semiconductor power converters in parallel, when a common mode core is magnetically coupled to the output of each semiconductor power converter, the inductance of the common mode core is equal to the common mode noise. There is a conflicting demand that it is desirable to keep the current low and the cross current high, and a countermeasure has been desired.
この発明は、このような要求に応えるため、複数の半導体電力変換器を並列接続して構成した電力変換装置において、前記各半導体電力変換器の出力にコモンモードコアを磁気的に結合し、このコモンモードコアが、電磁障害ノイズ電流のように前記各半導体電力変換器に同一方向のノイズ電流が流れる場合は、インダクタンスを低減し、前記各半導体電力変換器間に横流が流れる場合は、インダクタンスを高く維持することができるようにした電力変換装置を提供することを課題とするものである。 In order to meet such demands, the present invention provides a power converter configured by connecting a plurality of semiconductor power converters in parallel, and magnetically couples a common mode core to the output of each of the semiconductor power converters. The common mode core reduces the inductance when a noise current in the same direction flows through each of the semiconductor power converters as an electromagnetic interference noise current, and reduces the inductance when a cross current flows between the semiconductor power converters. It is an object of the present invention to provide a power conversion device that can be kept high.
この発明は、前記の課題を解決するため、複数の半導体電力変換器を並列接続して構成した電力変換装置において、前記各半導体電力変換器の出力導体にそれぞれコモンモードコアを磁気的に結合し、これらのコモンモードコアに共通に2次導体を貫通し、この2次導体の両端を結合して2次導体の閉回路を形成したことを特徴とするものである。 In order to solve the above-described problems, the present invention provides a power conversion device configured by connecting a plurality of semiconductor power converters in parallel, and magnetically coupling a common mode core to an output conductor of each of the semiconductor power converters. These common mode cores are commonly provided with a secondary conductor penetrating, and both ends of the secondary conductor are coupled to form a closed circuit of the secondary conductor.
この発明おいては、前記2次導体で形成した閉回路に直列に適宜の抵抗器を挿入することができる。 In the present invention, an appropriate resistor can be inserted in series in the closed circuit formed by the secondary conductor.
この発明によれば、複数の半導体電力変換器を並列接続して構成した電力変換装置における各半導体電力変換器の出力導体に磁気的に結合されたコモンモードコアに共通に2次導体を貫通し、この2次導体の両端を閉じて閉回路となる2次回路を設けることにより、電磁障害ノイズ電流のように各半導体電力変換器に同一方向となるコモンモード電流が流れる場合は、コモンモードコアのインダクタンスを低減することができ、かつ、半導体電力変換器間に横流が流れる場合は、コモンモードコアのインダクタンスを高く維持することができる。このため、コモンモードコアの途中にギャップを設ける等のインダクタンスを低減させる対策を施す必要がないので、装置のコストを低減できる効果が得られる。 According to the present invention, in the power conversion device configured by connecting a plurality of semiconductor power converters in parallel, the secondary conductor penetrates the common mode core magnetically coupled to the output conductor of each semiconductor power converter. When a common mode current flowing in the same direction flows through each semiconductor power converter like an electromagnetic interference noise current by providing a secondary circuit that is closed by closing both ends of the secondary conductor, a common mode core When the cross current flows between the semiconductor power converters, the inductance of the common mode core can be kept high. For this reason, since it is not necessary to take measures to reduce inductance such as providing a gap in the middle of the common mode core, an effect of reducing the cost of the apparatus can be obtained.
この発明の実施の形態を図に示す実施例について説明する。 Embodiments of the present invention will be described with reference to the embodiments shown in the drawings.
図1に、この発明の第1の実施例の構成を示す。この図1において、1、2は、直流電源Eから供給される直流電力を交流電力に変換して負荷5に並列に供給する半導体電力変換器である。3、4は、リング状のフェライトで構成されたコモンモードコアであり、電力変換器1、4の3相の出力導体1a、2aをそれぞれ全部共通に貫通することにより、この出力導体1a,2aに磁気的に結合されている。このコモンモードコア3、4には、共通に2次導体6が貫通され、この2次導体6は、両端を結合して1つの閉回路を形成する。
FIG. 1 shows the configuration of the first embodiment of the present invention. In FIG. 1,
このように構成した電力変換装置において、半導体電力変換器1、2が正常に動作し、半導体電力変換器1、2に電磁障害ノイズによるコモンモードノイズ電流Inも、横流電流Icも流れていない状態にあるときは、コモンモードコア3、4を貫流する3相出力電流は平衡しているため、コモンモードコア3、4を貫流するにコモンモード電流は発生しない。このため、コモンモードコア3、4には、コモンモード電流による磁束が発生しないので、コモンモードコア3、4は、インダクタンスとして作用せず、損失も発生しない。
In the power converter configured as described above, the
図1に示すように、電力変換器1、2に電磁障害ノイズが発生したとき、これによって電力変換器1、2の出力導体1a、2aを介してコモンモードノイズ電流In1、In2が負荷5に流れる。このコモンモードノイズ電流In1、In2は、矢印で示すように同一方向の電流となる。
As shown in FIG. 1, when electromagnetic interference noise occurs in the
コモンモードコア3、4に共通に貫通された2次導体6は、両方のコアを同じ方向に貫通されている。すなわちコモンモードコア3を電力変換器1側から負荷5側へ貫通した2次導体6の先端は、他方のコモンモードコア4を電力変換器2側から負荷5側へ貫通して後端と結合され、閉回路が形成される。
The
コモンモードコア3、4に、各変換器1、2の出力導体1a、2aに流れるコモンモードノイズ電流In1、In2が貫流すると、コモンモードコア3、4を貫通した2次導体6には、このコモンモードノイズ電流In1、In2と対向する方向の矢印I21、I22で示す2次電流が流れるため、この2次電流I21、I22によってコモンモードコア3、4に発生する磁束が、コモンモードノイズ電流In1,In2によって発生した磁束を打ち消すことになる。このため、コモンモードコア3、4のコモンモードノイズ電流In1、In2に対するインダクタンスを低減させることができる。
When the common mode noise currents In1 and In2 flowing through the
一方、図2に示すように、半導体電力変換器1、2間に、出力導体1a、2aを介して横流Icが流れた場合は、コモンモードコア3、4では、矢印で示すように、これらを貫流する横流Icの方向が互いに反対方向となる。このため、2次導体6には、コモンモードコア3を貫通する部分において矢印I23で示す方向の2次電流I23が誘導され、コモンモードコア4を貫通する部分において矢印I24で示す方向の2次電流I24が誘導される。2次導体6に誘導される2次電流I23とI24は方向が反対のため、相互に打消し合い、2次導体6を流れる2次電流I2は零となるので、横流Icによってコモンモードコア3、4に発生される磁束は低減されることなく維持される。このため、コモンモードコア3、4は、横流Icに対しては、高いインダクタンスを維持することができる。
On the other hand, as shown in FIG. 2, when a cross current Ic flows between the
この発明のように、複数の半導体電力変換器を並列接続して構成した電力変換装置において、各半導体電力変換器の出力導体にそれぞれコモンモードコアを磁気的に結合し、これらのコモンモードコアに共通に2次導体を貫通し、この2次導体により閉回路を形成することにより、コモンモードノイズ電流に対しては、コモンモードコアのインダクタンスを低減し、横流に対してはコモンモードコアのインダクタンスを維持し、低減されないようにすることができる。これにより、コモンモードコアにギャップを設けて予めインダクタンス値を下げる必要がなく、それぞれのモードで、自動的にコモンモードコアのインダクタンス値を調整することできる。 As in the present invention, in a power converter configured by connecting a plurality of semiconductor power converters in parallel, a common mode core is magnetically coupled to the output conductor of each semiconductor power converter, and these common mode cores are connected to each other. By penetrating the secondary conductor in common and forming a closed circuit with this secondary conductor, the common mode core inductance is reduced for common mode noise current, and the common mode core inductance for cross current. Can be maintained and not reduced. Accordingly, it is not necessary to previously reduce the inductance value by providing a gap in the common mode core, and the inductance value of the common mode core can be automatically adjusted in each mode.
図3にこの発明の第2の実施例を示す。この実施例2は、複数の半導体電力変換器1、2の出力導体のそれぞれに磁気的に結合した複数のコモンモードコア3、4に共通にした2次導体6によって形成した閉回路に直列に抵抗器7を挿入した点が、前記の実施例1とは異なる。
FIG. 3 shows a second embodiment of the present invention. The second embodiment is in series with a closed circuit formed by a
この実施例2における抵抗器7は、電力変換器1、2から負荷5にコモンモードノイズ電流In1、In2が流れるときは、コモンモードコア3、4において2次導体6に誘導される2次電流I21、I22が同一方向となり加算されるので、電流I21、I22の合成電流によって電力を消費する。この電力は、コモンモードコア3、4の1次回路、すなわち各電力変換器1、2の主回路の出力導体1a、2a側から、2次回路、すなわちコモンモード3、4を共通に貫通する2次導体6に供給されることで、零相電流のエネルギを消費する。抵抗器7の消費電力は、抵抗器7を流れる電流の2乗に抵抗器7の抵抗値を乗じたものであるので、抵抗値を適切に選定することにより零相電流のエネルギを適切に処理することができるので、ノイズ抑制効果を調整することが可能となる。
In the second embodiment, when the common mode noise currents In1 and In2 flow from the
なお、横流が生じた場合は、コモンモードコア3、4に貫通された2次導体6に誘導された2次電流は相互に打ち消されて、2次導体6の閉回路には2次電流は流れないので、抵抗器7による電力消費は生じない。
When a cross current occurs, the secondary currents induced in the
E:直流電源
1、2:半導体電力変換器
1a、2a:半導体電力変換器の出力導体
3、4:コモンモードコア
5:負荷
6:2次導体
7:抵抗器
E:
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