JP2023128422A - Electric power convertor - Google Patents
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Abstract
Description
本発明の実施形態は、負荷が接続される三相交流電源の各電源ラインにその負荷とは並列の関係に接続される電力変換装置に関する。 Embodiments of the present invention relate to a power conversion device that is connected in parallel to each power line of a three-phase AC power source to which the load is connected.
電気機器等の負荷が接続される三相交流電源の各電源ラインにその負荷と並列に接続され、負荷に流れる電流に含まれる高調波成分を抑制するアクティブフィルタ等の電力変換装置が知られている。 Power conversion devices such as active filters are known, which are connected in parallel to each power line of a three-phase AC power supply to which loads such as electrical equipment are connected, and which suppress harmonic components contained in the current flowing through the loads. There is.
この電力変換装置は、スイッチ素子を含み、スイッチ素子のスイッチングにより、負荷から生じる高調波成分を抑制するための補償電流(負荷電流に足し合わせるべき補償電流)を各電源ラインに供給する。 This power conversion device includes a switch element, and supplies a compensation current (a compensation current to be added to the load current) to suppress harmonic components generated from the load to each power supply line by switching the switch element.
三相交流電源の線間電圧が200Vの場合、電力変換装置の各スイッチ素子として、耐圧が例えば600Vの半導体スイッチ素子が用いられる。
このような、高耐圧の半導体スイッチ素子では発熱量が大きくなり、それに対応するための大きな放熱用フィンやこのフィンに通風するための冷却用ファンを設けることが必要で装置の大型化や複雑化、それによるコストの上昇を招くことになる。
When the line voltage of the three-phase AC power supply is 200V, a semiconductor switch element with a withstand voltage of, for example, 600V is used as each switch element of the power conversion device.
Such high-voltage semiconductor switch elements generate a large amount of heat, and it is necessary to provide large heat dissipation fins and cooling fans to ventilate these fins, making the device larger and more complex. , which will lead to an increase in costs.
本発明の実施形態の目的は、大型化やコスト上昇を抑えることができる電力変換装置を提供することである。 An object of the embodiments of the present invention is to provide a power conversion device that can suppress increase in size and cost.
実施形態の電力変換装置は、負荷が接続される三相交流電源の各電源ラインにその負荷とは並列の関係に接続されるものであって;前記各電源ラインに接続され、かつ前記三相交流電源の線間電圧より耐圧が低く回路基板の実装面に直接的に取付けられる複数の半導体スイッチ素子を含み、前記負荷に流れる電流の高調波成分を抑制する変換器を備える。 The power conversion device of the embodiment is connected to each power line of a three-phase AC power supply to which a load is connected in a parallel relationship with the load; The converter includes a plurality of semiconductor switch elements having a withstand voltage lower than the line voltage of the AC power supply and is directly attached to the mounting surface of the circuit board, and includes a converter that suppresses harmonic components of the current flowing through the load.
本発明の一実施形態について図面を参照しながら説明する。
図1に示すように、三相交流電源1のU相,V相,W相電源ライン(第1,第2,第3電源ライン)Lu,Lv,Lwに負荷である例えば空気調和機2が接続されている。空気調和機2は、ブリッジ接続した複数のダイオードにより電源ラインLu,Lv,Lwの電源電圧Eu,Ev,Ewを整流する整流回路3、この整流回路3の出力電圧が直流リアクトル4を介して印加されるコンデンサ5、このコンデンサ5の両端間に接続されその直流電圧を所定周波数の交流電圧に変換し出力するインバータ6、このインバータ6の出力により動作する圧縮機モータ7などを含む。
An embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings.
As shown in FIG. 1, a load such as an
この空気調和機2が接続されている電源ラインLu,Lv,Lwに、本実施形態の電力変換装置10が、空気調和機2とは並列の関係に接続されている。
The
ここで、電力変換装置10は、アクティブフィルタであり(以下、アクティブフィルタ10ともいう)、パッシブフィルタ11、リアクトル14u,14v,14w、これらパッシブフィルタ11およびリアクトル14u,14v,14wを介して電源ラインLu,Lv,Lwに接続されたマルチレベル変換器20、電源ラインLu,Lv,Lwにおけるパッシブフィルタ11の接続位置より空気調和機2側の位置に配置され空気調和機2に流れる電流(負荷電流という)Iu,Iv,Iwを検出する検出部15、リアクトル14u,14v,14wとマルチレベル変換器20との間の通電路に流れる電流Icu,Icv,Icwを検出する検出部16、三相交流電源1の電源電圧Eu,Ev,Ewの位相を検出する検出部17、これら検出部15,16,17の検出結果に応じてマルチレベル変換器20を制御する制御部18を含む。
Here, the
パッシブフィルタ11は、リアクトル12uとコンデンサ13uから成るLC回路、リアクトル12vとコンデンサ13vから成るLC回路、リアクトル12wとコンデンサ13wから成るLC回路を含む。なお、抑制する高調波が小さければ、リアクトルの代わりとして電力配線に生じるリアクタンスでまかなうことができるため、パッシブフィルタ11とリアクトル14u,14v,14wは設けなくてもよい。
The
マルチレベル変換器20は、電源ラインLu,Lv,Lwの相ごとに3つ以上のレベルの直流電圧を選択的に生成し出力する第1,第2,第3クラスタ21u,21v,21wを含む。
The
アクティブフィルタ10は、補償対象となる上記ダイオード整流の整流回路3の転流時における急峻な電流に対応するため、高速な電流制御性が求められる。ただし、アクティブフィルタ10では後述のPWM制御のスイッチングに伴う矩形波成分を平滑化するための連系用リアクトルとしてリアクトル14u,14v,14wを備えており、そのリアクトル14u,14v,14wのインダクタンスが大きいほど電流変化率が悪化する。
The
そこで、電源ラインLu,Lv,Lwの相ごとに3つ以上のレベルの直流電圧を選択的に生成し出力するクラスタ21u,21v,21wを採用することで、リアクトル14u,14v,14wに印加される電圧の変化幅を小さくすることが可能となり、結果として、インダクタンスの小さなリアクトル14u,14v,14wを採用することが可能となる。これは、EMIノイズの低減にも寄与する。
Therefore, by adopting
クラスタ21uは、それぞれが複数レベル(マルチレベル)の直流電圧をスイッチングにより選択的に生成し出力する複数(3つ)の単位変換器(セル)31u,32u,33uを直列接続(カスケード接続)してなるいわゆる多直列変換器クラスタであり、単位変換器31u~33uの出力電圧(セル出力電圧)Vcu1,Vcu2,Vcu3を足し合わせることにより高調波を低減するための正弦波に近い波形の交流電圧Vcu0(=Vcu1+Vcu2+Vcu3)を生成し出力する。
The
クラスタ21vは、それぞれが複数レベルの直流電圧をスイッチングにより選択的に生成し出力する複数(3つ)の単位変換器31v,32v,33vを直列接続してなるいわゆる多直列変換器クラスタであり、単位変換器31v~33vの出力電圧Vcv1,Vcv2,Vcv3を足し合わせることにより高調波を低減するための正弦波に近い波形の交流電圧Vcv0(=Vcv1+Vcv2+Vcv3)を生成し出力する。
The
クラスタ21wは、それぞれが複数レベルの直流電圧をスイッチングにより選択的に生成し出力する複数(3つ)の単位変換器31w,32w,33wを直列接続してなるいわゆる多直列変換器クラスタであり、単位変換器31w~33wの出力電圧Vcw1,Vcw2,Vcw3を足し合わせることにより高調波を低減するための正弦波に近い波形の交流電圧Vcw0(=Vcw1+Vcw2+Vcw3)を生成し出力する。
The
クラスタ21uの単位変換器31u,32u,33uは、1つの回路基板40uに実装されている。同様にクラスタ21vの単位変換器31v,32v,33v、およびクラスタ21wの単位変換器31w,32w,33wも、各々が1つの回路基板40v,40wに実装されている。マイクロコンピュータ及びその周辺回路等で構成される制御部18は、上記クラスタ21u,21v,21wが実装されている回路基板40u,40y,40wとは別の1つの制御回路基板60に設けられている。
クラスタ21u、21v、21wの構成は同一であるため、クラスタ21uを例にとって説明する。単位変換器31u,32u,33uの直列回路の一端がパッシブフィルタ11およびリアクトル14uを介して電源ラインLuに接続され、単位変換器31v,32v,33vの直列回路の一端が電源ラインLvに接続され、単位変換器31w,32w,33wの直列回路の一端が電源ラインLwに接続されている。そして、単位変換器31u,32u,33uの直列回路の他端、単位変換器31v,32v,33vの直列回路の他端、単位変換器31w,32w,33wの直列回路の他端が相互接続(N端子:スター結線)されている。
Since the
単位変換器31u,32u,33uの具体的な構成を図2に示す。
単位変換器31uは、一対の出力端子、それぞれ還流ダイオードDを有する半導体スイッチ素子Q1a,Q1b,Q1c,Q1d、これら半導体スイッチ素子Q1a~Q1dを介して上記出力端子に接続されたコンデンサ(直流コンデンサ)C1、制御部18からの制御信号に応じて半導体スイッチ素子Q1a~Q1dを駆動するゲートドライブ回路31a、このゲートドライブ回路31aの動作用電圧をコンデンサC1の電圧(コンデンサ電圧)から得る給電回路31b、コンデンサC1の電圧を検出して制御部18に知らせる電圧検出回路31cを含み、半導体スイッチ素子Q1~Q1dのスイッチング(オン,オフ)による複数の通電路の選択的な形成により複数レベルの直流電圧を生成し出力する。なお、半導体スイッチ素子Q1にMOSFETを用いる場合には、還流ダイオードDは、寄生ダイオードで兼用することができる。
A specific configuration of the
The
単位変換器31vは、一対の出力端子、それぞれ還流ダイオードDを有する半導体スイッチ素子Q2a,Q2b,Q2c,Q2d、これら半導体スイッチ素子Q2a~Q2dを介して上記出力端子に接続されたコンデンサ(直流コンデンサ)C2、制御部18からの制御信号に応じて半導体スイッチ素子Q2a~Q2dを駆動するゲートドライブ回路32a、このゲートドライブ回路32aの動作用電圧をコンデンサC2の電圧(コンデンサ電圧)から得る給電回路32b、コンデンサC2の電圧を検出して制御部18に知らせる電圧検出回路32cを含み、半導体スイッチ素子Q2a~Q2dのスイッチング(オン,オフ)による複数の通電路の選択的な形成により複数レベルの直流電圧を生成し出力する。
The
単位変換器31wは、一対の出力端子、それぞれ還流ダイオードDを有する半導体スイッチ素子Q3a,Q3b,Q3c,Q3d、これら半導体スイッチ素子Q3a~Q3dを介して上記出力端子に接続されたコンデンサ(直流コンデンサ)C3、制御部18からの制御信号に応じて半導体スイッチ素子Q3a~Q3dを駆動するゲートドライブ回路33a、このゲートドライブ回路33aの動作用電圧をコンデンサC3の電圧(コンデンサ電圧)から得る給電回路33b、コンデンサC3の電圧を検出して制御部18に知らせる電圧検出回路33cを含み、半導体スイッチ素子Q3a~Q3dのスイッチング(オン,オフ)による複数の通電路の選択的な形成により複数レベルの直流電圧を生成し出力する。
The
半導体スイッチ素子Q1a~Q3dに対し例えば2レベル変調によるスイッチングを行う場合の制御部18によるパルス幅変調制御(PMW制御)を図3に示す。
制御部18は、三相交流電源1の交流電圧Euとほぼ同じ波形の交流電圧をクラスタ12uで生成させるための交流電圧指令値Vcu sinθを設定し、単位変換器31u,32u,33uの個数と同じ個数で互いに位相が異なる三角波状のキャリア信号V1,V2,V3の電圧レベルとその交流電圧指令値Vcu sinθの電圧レベルとを比較するパルス幅変調により、単位変換器31u,32u,33uの半導体スイッチ素子Q1a~Q3dに対するスイッチング用の制御信号(ゲート信号ともいう)を生成する。
FIG. 3 shows pulse width modulation control (PMW control) by the
The
この制御信号の生成に際し、制御部18は、単位変換器31uにおいて互いに直列に配置されているスイッチ素子Q1a,Q1bのオンとオフの間、および互いに直列に配置されているスイッチ素子Q1c,Q1dのオンとオフの間に、それぞれ短絡防止のためにオフ状態となるデッドタイムを確保する。同様に、単位変換器31vにおいて互いに配置されているスイッチ素子Q2a,Q2bのオンとオフの間、および互いに直列に配置されているスイッチ素子Q2c,Q2dのオンとオフの間に、それぞれ短絡防止のためにオフ状態となるデッドタイムを確保する。単位変換器31wにおいて互いに直列に配置されているスイッチ素子Q3a,Q3bのオンとオフの間、および互いに直列に配置されているスイッチ素子Q3c,Q3dのオンとオフの間に、それぞれ短絡防止のためにオフ状態となるデッドタイムを確保する。
When generating this control signal, the
2レベル変調によるスイッチングの場合、単位変換器31u,32u,33uはそれぞれ“正レベル”“負レベル”の2レベルの直流電圧を選択的に生成し出力する。3レベル変調によるスイッチングであれば、単位変換器31u,32u,33uはそれぞれ“正レベル”“零レベル”“負レベル”の3レベルの直流電圧を選択的に生成し出力する。
In the case of switching by two-level modulation, the
以上述べたクラスタ21uの単位変換器31u,32u,33uの構成およびスイッチングは、クラスタ21vの単位変換器31v,32v,33vの構成およびスイッチングについても同様であり、クラスタ21wの単位変換器31w,32w,33wの構成およびスイッチングについても同様である。
The configuration and switching of the
制御部18は、三相交流電源1の交流電圧Evとほぼ同じ波形の交流電圧をクラスタ12vで生成させるための交流電圧指令値Vcv sinθを設定し、三相交流電源1の交流電圧Ewとほぼ同じ波形の交流電圧をクラスタ変換器12wで生成させるための交流電圧指令値Vcw sinθを設定する。交流電圧指令値Vcu sinθ,Vcv sinθ,Vcw sinθは、互いの位相が120°ずれている。
The
[半導体スイッチ素子の耐圧]
クラスタ21u,21v,21wにおけるすべての半導体スイッチ素子Q1a~Q3dは、例えばMOSFETやIGBTなどのシリコン製半導体スイッチ素子であり、三相交流電源1の線間電圧Eu,Ev,Ewより耐圧が低いものを用いている。例えば、三相交流電源1の線間電圧Eu,Ev,Ewが200Vの場合、耐圧が200V未満のいわゆる低耐圧の半導体スイッチ素子Q1a~Q3dを用いる。この低耐圧の半導体スイッチ素子Q1a~Q3dは、回路基板40u,40v,40wのそれぞれ実装面に直接的に取付けられ、配線される。回路基板40u,40v,40wの導電パターンが、直接的に取付けられた半導体スイッチ素子Q1a~Q3dの放熱用部材として機能する。
[Withstand voltage of semiconductor switch element]
All the semiconductor switching elements Q1a to Q3d in the
低耐圧の半導体スイッチ素子Q1a~Q3dは、耐圧が例えば600Vのいわゆる高耐圧の半導体スイッチ素子よりもオン抵抗が小さくスイッチング速度も速いので、電力変換効率が高い。このため、低耐圧の半導体スイッチ素子Q1a~Q3dは、高耐圧の半導体スイッチ素子に比べて発熱量が少なく、上記のように回路基板40u,40v,40wのそれぞれ実装面に直接的に取付けるだけで、素子の取付面にある銅箔などで形成された導電パターンで十分に放熱することができる。よって、高耐圧の半導体スイッチ素子の採用に際して必須となる放熱用フィンや冷却用ファンが不要となり、ひいては装置の大型化やコストの上昇を抑えることができる。半導体スイッチ素子の個々に放熱用フィンを取付ける作業が不要となるので、装置の製造時の作業効率が向上する。
The low-voltage semiconductor switching elements Q1a to Q3d have lower on-resistance and faster switching speed than so-called high-voltage semiconductor switching elements with a breakdown voltage of, for example, 600V, and therefore have higher power conversion efficiency. Therefore, the low-voltage semiconductor switch elements Q1a to Q3d generate less heat than the high-voltage semiconductor switch elements, and can be mounted directly on the respective mounting surfaces of the
なお、必要があれば、回路基板40u,40v,40wの半導体スイッチ素子Q1a~Q3dが接続される導電パターン部分に小形の放熱用フィンを基板実装として半田付けする構成としてもよい。この場合、半導体スイッチ素子Q1a~Q3dと同じように自動半田付けが可能であるため、半導体スイッチ素子の個々にヒートシンクを作業者が手作業でネジ止めする場合に比べ格段に作業効率が向上する。
If necessary, a small heat dissipation fin may be soldered to the conductive pattern portions of the
[スイッチング周波数]
リアクトル12u,12v,12wおよびコンデンサ13u,13v,13wから成るパッシブフィルタ11と、リアクトル14u,14v,14wとにより、PWM制御のスイッチングに伴う矩形波成分を除去するためのLCLの共振回路が形成される。この共振回路のゲイン特性を図4に示す。
リアクトル12u,12v,12wのインダクタンスをLf、コンデンサ13u,13v,13wの容量をCf、リアクトル14u,14v,14wのインダクタンスをLbとすると、この共振回路の共振周波数fcは下式で表わされる。
[Switching frequency]
A
When the inductance of the
一般にPWM制御のスイッチングに伴う矩形波成分を除去するための共振回路では、設計上、アクティブフィルタ10のスイッチング周波数よりも低いカットオフ周波数つまり共振周波数fcが設定される。言い換えると、従来のアクティブフィルタでは、そのスイッチング周波数を共振周波数fcより高くする必要がある。このため、アクティブフィルタにおける半導体スイッチ素子のスイッチング周波数を高くせざるをえず、損失が大きくなる。
Generally, in a resonant circuit for removing rectangular wave components associated with PWM control switching, a cutoff frequency, that is, a resonant frequency fc, which is lower than the switching frequency of the
これに対し、本実施形態のアクティブフィルタ10は、クラスタ21u,21v,21wの採用によって相ごとの出力電圧をマルチレベル化しているので、実際のスイッチング周波数fs、すなわち各単位変換器31内の各々の半導体スイッチ素子Q1のスイッチング周波数、を共振周波数fcより低くしても、等価的なスイッチング周波数は共振周波数fcより高い“N×fs”(ここで、Nは、1つのクラスタの単位変換器の段数を意味し、図1,図3に示すクラスタにおいては3段である)とすることができる。例えば、共振周波数fcが8kHzの場合、スイッチング周波数fsをこの共振周波数fcよりも低い5kHzとしても、等価的なスイッチング周波数“N×fs”は3×5=15kHzとなることから、実質的なアクティブフィルタ10のスイッチング周波数を共振周波数fcよりも高くして、共振を避けることができる。
On the other hand, the
このようにアクティブフィルタ10の実際のスイッチング周波数fsを共振周波数fcより低くすることで、マルチレベル変換器20のクラスタ21u,21v,21wにおける半導体スイッチ素子Q1a~Q3dのスイッチング損失を低減することができる。これにより、半導体スイッチ素子Q1a~Q3dの温度上昇を抑えることができる。半導体スイッチ素子Q1a~Q3dの温度上昇を抑えることができるので、本実施形態のように、回路基板40u,40v,40wを半導体スイッチ素子Q1a~Q3dの放熱用部材として用いる構成であっても、すなわち放熱用フィンや冷却用ファンを設けることなく、半導体スイッチ素子Q1a~Q3dに対する十分な放熱作用を得ることができる。
By making the actual switching frequency fs of the
[回路基板]
マルチレベル変換器20におけるクラスタ21u、21v、21wはそれぞれが同一の1枚の基板上に構成される。各基板の構成は共通であるので、ここでは図5を用いて、クラスタ変換器21uの回路基板を例にとって説明する。回路基板40uの実装面である上面に、制御部18とクラスタ21uの単位変換器31u,32u,33uとの間の信号を中継する細長形状のコネクタ(第1コネクタ)50が配置されるとともに、クラスタ21uの外部接続端子(L端子という)51aおよび外部接続端子(N端子という)51bが配置されている。
[Circuit board]
The
L端子51aは、交流電源ラインの1相、ここではU相、に接続され、N端子51bは、クラスタ変換器21u、21v、21wの相互接続点に繋がる配線接続部である。各単位変換器31u,32u,33uのスイッチング素子は、コネクタ50を介して送られてくる制御部18からの信号に基づいてオン,オフ動作する。また、各単位変換器31u,32u,33uの電圧検出回路31c、32c、33cの出力がコネクタ50を介して制御部18に送られる。そして、回路基板40uの実装面である上面において、コネクタ50を周りから囲んでそのコネクタ50とそれぞれ対峙する位置に、単位変換器31u,32u,33uおよび外部接続端子51a,51bが配置されている。
The
具体的には、コネクタ50の長手方向に沿う一方の側辺部50aと対峙する位置に一段目の単位変換器31uが配置され、コネクタ50の長手方向に沿う一端部50bと対峙する位置に二段目の単位変換器32uが配置され、コネクタ50の長手方向に沿う他方の側辺部50cと対峙する位置に最終段(三段目)の単位変換器33uが配置され、コネクタ50の長手方向に沿う他端部50dと対峙する位置にL端子端子51a,N端子51bが配置されている。
Specifically, the
このように、コネクタ50を囲む状態に単位変換器31u,32u,33uおよびL端子51a,N端子51bを配置することで、回路基板40uの面積をできるだけ縮小することができるとともに、コネクタ50と単位変換器31uとの間、コネクタ50と単位変換器32uとの間、コネクタ50と単位変換器33uとの間の各信号線路をそれぞれ短縮することができる。
In this way, by arranging the
一段目の単位変換器31uとL端子51aとが接近するので、単位変換器31uとL端子51aとの間の外部接続用通電路(後述の導電パターン41a)の長さをできるだけ短縮することができる。最終段の単位変換器33uとN端子51bとが接近するので、単位変換器33uとN端子51bとの間の外部接続用通電路(後述の導電パターン41b)の長さをできるだけ短縮することができる。
Since the first-
これら信号線路および通電路の短縮により、外部ノイズの影響をできるだけ排除できるとともに、装置の製造時の作業効率が向上する。L端子51a,N端子51bが隣接しているので、コモンモードのノイズフィルタを設ける場合にそのノイズフィルタの接続作業が容易となる。
By shortening these signal lines and current-carrying paths, the influence of external noise can be eliminated as much as possible, and work efficiency during device manufacturing can be improved. Since the
回路基板40uにおいて単位変換器31uが配置される領域およびその周辺には、半導体スイッチ素子Q1a,Q1bとL端子51aとの間の外部接続用通電路となる導電パターン41a、半導体スイッチ素子Q1a,Q1cとコンデンサC1の正極との間の正側通電路(+)となる正側導電パターン42、コンデンサC1の負極と半導体スイッチ素子Q1b,Q1dとの間の負側通電路(-)となる負側導電パターン43、半導体スイッチ素子Q1c,Q1dと後段の単位変換器32uとの間の外部接続用通電路となる導電パターン44が配置されている。
In the area where the
これら導電パターン41a,42,43,44は、回路基板の絶縁基板にエッチングなどで形成された銅配線パターンであり、回路基板40uにおける存在そのものを模式的に示したもので、実際には図5のX-X線に沿う断面を矢印方向に視た図6に示すように、回路基板40uの実装面である上面Aおよびその上面Aとは反対側の下面Bとに分けて配置される。すなわち、外部接続用通電路である導電パターン41aは、上面Aに配置されている。コンデンサC1の正極に導通する正側導電パターン42は、半導体スイッチ素子Q1aにつながる一部のみ上面Aに配置され、残りのほぼ全域が下面Bに配置されている。コンデンサC1の負極に導通する負側導電パターン43は、全域が上面Aに配置されている。
These
低耐圧の半導体スイッチ素子Q1a~Q1dを用いる場合、サージ電圧への余裕が少なくなるため、サージ電圧の主要因となる回路上の浮遊インダクタンスを低減する必要がある。浮遊インダクタンスを低減するには、半導体スイッチ素子Q1a~Q1dとコンデンサC1との間の導電パターンを短くすることが効果的であるこのため、まずは半導体スイッチ素子Q1a~Q1dおよびコンデンサC1を同じ1つの回路基板40uに実装している。さらに、コンデンサC1の正極に導通する正側導電パターン42のほぼ全域と、コンデンサC1の負極に導通する負側導電パターン43とを、回路基板40uを間に挟んでラミネート上に配置し、これにより生じる相互インダクタンスによって上記浮遊インダクタンスをさらに低減させている。
When using low-voltage semiconductor switching elements Q1a to Q1d, there is less margin for surge voltage, so it is necessary to reduce stray inductance on the circuit, which is the main cause of surge voltage. To reduce stray inductance, it is effective to shorten the conductive pattern between the semiconductor switch elements Q1a to Q1d and the capacitor C1. Therefore, first, connect the semiconductor switch elements Q1a to Q1d and the capacitor C1 in the same circuit. It is mounted on the
回路基板40uにおいて単位変換器32uが配置される領域およびその周辺には、前段の単位変換器31uと半導体スイッチ素子Q2a,Q2bとの間の外部接続用通電路となる上記導電パターン44、半導体スイッチ素子Q2a,Q2cとコンデンサC2の正極との間の正側通電路(+)となる正側導電パターン45、コンデンサC2の負極と半導体スイッチ素子Q2b,Q2dとの間の負側通電路(-)となる負側導電パターン46、半導体スイッチ素子Q2c,Q2dと後段の単位変換器33uとの間の外部接続用通電路となる導電パターン47が配置されている。
In the area where the
これら導電パターン44,45,46,47も、銅配線であり、回路基板40uにおける存在そのものを示したもので、実際には単位変換器31uの41a,42,43,44と同じく、回路基板40uの上面Aと下面Bとに分けて配置される。
この単位変換器32uの配置に関しても、単位変換器31uのところで述べた効果と同じく、浮遊インダクタンスを低減させることができる。
These
With regard to the arrangement of this
回路基板40uにおいて単位変換器33uが配置される領域およびその周辺には、前段の単位変換器32uと半導体スイッチ素子Q3a,Q3bとの間の外部接続用通電路となる上記導電パターン47、半導体スイッチ素子Q3a,Q3cとコンデンサC3の正極との間の正側通電路(+)となる正側導電パターン48、コンデンサC3の負極と半導体スイッチ素子Q3b,Q3dとの間の負側通電路(-)となる負側導電パターン49、半導体スイッチ素子Q3c,Q3dとN端子51bとの間の外部接続用通電路となる導電パターン41bが配置されている。
In the area where the
これら導電パターン47,48,49,41bも、銅配線であり、回路基板40uにおける存在そのものを示したもので、実際には単位変換器31uの41a,42,43,44と同じく、回路基板40uの上面Aと下面Bとに分けて配置される。
この単位変換器33uの配置に関しても、単位変換器31uのところで述べた効果と同じく、浮遊インダクタンスを低減させることができる。
These
With regard to the arrangement of the
以上述べた回路基板40uの構成は、クラスタ21vの単位変換器31v,32v,33vが実装される回路基板40vの構成についても同様であり、クラスタ21wの単位変換器31w,32w,33wが実装される回路基板40wの構成についても同様である。すなわち、回路基板40vには、制御部18と単位変換器31v,32v,33vとの間の信号を中継する細長形状のコネクタ(第2コネクタ)50が配置されるとともに、導電パターン41a,42~49,41bが配置される。回路基板40wには、制御部18と単位変換器31w,32w,33wとの間の信号を中継する細長形状のコネクタ(第3コネクタ)50が配置されるとともに、導電パターン41a,42~49,41bが配置される。
The configuration of the
[マルチレベル変換器について]
マルチレベル変換器20としてスター結線したクラスタ21u,21v,21wを採用しているので、クラスタ21u,21v,21wの各単位変換器に加わる電圧をできるだけ低下させることができる。この結果、低耐圧の各半導体スイッチ素子を用いることができるようになる。
[About multilevel converter]
Since the star-connected
マルチレベル変換器20として、図7に示すように、相ごとに、多数の半導体スイッチ素子S、多数のダイオードD、および多数のコンデンサCからなるダイオードクランプ型マルチレベル変換器の採用が考えられる。あるいは、図8に示すように、相ごとに、多数の半導体スイッチ素子Sおよび多数のコンデンサCからなるフライングキャパシタ型マルチレベル変換器の採用が考えられる。ただし、これらは、そもそも構成が複雑で部品数も多く、本実施形態のように大型化やコスト上昇を抑えることが目的の電力変換装置には適さない。
As the
[変形例]
上記実施形態では、クラスタ21u,21v,21wの各単位変換器の個数が相ごとに3つの場合について説明したが、その個数については適宜に設定することが可能である。この個数は、各単位変換器内のスイッチング素子の駆動信号の関係上、奇数であることが望ましい。例えば、各クラスタ内の各単位変換器を5個あるいは7個と増加する場合の回路基板構成としては、図5に示すコネクタ50の端子が増加してコネクタ50の形状が長手方向に延びるため、コネクタの長手方向に沿って、増加する単位変換器31を追加して配置すれば良い。すなわち、図5において、単位変換器31uおよび単位変換器33uの各々の図面上の上方、すなわち単位変換器31uと単位変換器32uの相互間と、単位変換器33uと単位変換器32uの相互間に、追加対称の単位変換器を単位変換器31u~33uの回路素子配置と同じ回路素子配置で設ければよい。
[Modified example]
In the above embodiment, a case has been described in which the number of unit converters in the
上記実施形態および変形例は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら実施形態および変形例は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、書き換え、変更を行うことができる。これら実施形態および変形例は、発明の範囲は要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。 The embodiments and modifications described above are presented as examples and are not intended to limit the scope of the invention. These embodiments and modifications can be implemented in various other forms, and various omissions, rewrites, and changes can be made without departing from the gist of the invention. The scope of these embodiments and modifications is included in the gist of the invention, and is also included in the scope of the invention described in the claims and its equivalents.
1…三相交流電源、Lu,Lv,Lw…電源ライン、3…空気調和機(負荷)、10…電力変換装置(アクティブフィルタ)、11…パッシブフィルタ、14u,14v,14w…リアクタ、18…制御部、20…マルチレベル変換機、21u…第1クラスタ、21v…第2クラスタ、21w…第3クラスタ、31u~31w…単位変換器、Q1a~Q3d…半導体スイッチ素子、C1~C3…コンデンサ 1... Three-phase AC power supply, Lu, Lv, Lw... Power line, 3... Air conditioner (load), 10... Power converter (active filter), 11... Passive filter, 14u, 14v, 14w... Reactor, 18... Control unit, 20... Multilevel converter, 21u... First cluster, 21v... Second cluster, 21w... Third cluster, 31u to 31w... Unit converter, Q1a to Q3d... Semiconductor switch element, C1 to C3... Capacitor
Claims (8)
前記各電源ラインに接続され、かつ前記三相交流電源の線間電圧より耐圧が低く回路基板の実装面に直接的に取付けられる複数の半導体スイッチ素子を含み、前記負荷に流れる電流の高調波成分を抑制する変換器と、
を備える電力変換装置。 A power conversion device that is connected in parallel to each power line of a three-phase AC power source to which the load is connected,
The harmonic component of the current flowing through the load includes a plurality of semiconductor switching elements connected to each of the power supply lines and having a withstand voltage lower than the line voltage of the three-phase AC power supply and directly attached to the mounting surface of the circuit board. a converter for suppressing
A power conversion device comprising:
請求項1に記載の電力変換装置。 The converter selectively generates and outputs DC voltages of three or more levels for each phase of each power supply line by switching each of the semiconductor switch elements.
The power conversion device according to claim 1.
前記各半導体スイッチ素子のスイッチング周波数は、前記パッシブフィルタおよび前記リアクトルにより形成される共振回路の共振周波数より低い、
請求項2に記載の電力変換装置。 A passive filter and a reactor are inserted between the converter and each of the power lines,
The switching frequency of each of the semiconductor switching elements is lower than the resonant frequency of a resonant circuit formed by the passive filter and the reactor.
The power conversion device according to claim 2.
前記三相交流電源の線間電圧より耐圧が低い複数の第1半導体スイッチ素子および1つの第1コンデンサから成りそれぞれが複数レベルの直流電圧を選択的に出力する複数の第1単位変換器を含み、これら第1単位変換器を直列接続するとともに1つの第1回路基板の実装面に直接的に取付けた第1クラスタと、
前記三相交流電源の線間電圧より耐圧が低い複数の第2半導体スイッチ素子および1つの第2コンデンサから成りそれぞれが複数レベルの直流電圧を選択的に出力する複数の第2単位変換器を含み、これら第2単位変換器を直列接続するとともに1つの第2回路基板の実装面に直接的に取付けた第2クラスタと、
前記三相交流電源の線間電圧より耐圧が低い複数の第3半導体スイッチ素子および1つの第3コンデンサから成りそれぞれが複数レベルの直流電圧を選択的に出力する複数の第3単位変換器を含み、これら第3単位変換器を直列接続するとともに1つの第3回路基板の実装面に直接的に取付けた第3クラスタと、
を含むマルチレベル変換器であり、
前記各第1単位変換器の直列回路の一端が前記パッシブフィルタおよび前記リアクトルを介して前記各電源ラインの第1電源ラインに接続され、前記各第2単位変換器の直列回路の一端が前記パッシブフィルタおよび前記リアクトルを介して前記各電源ラインの第2電源ラインに接続され、前記各第3単位変換器の直列回路の一端が前記パッシブフィルタおよび前記リアクトルを介して前記各電源ラインの第3電源ラインに接続され、
前記各第1単位変換器の直列回路の他端、前記各第2単位変換器の直列回路の他端、および前記各第3単位変換器の直列回路の他端が相互接続されている、
請求項1から請求項3のいずれか一項に記載の電力変換装置。 The converter is
A plurality of first unit converters each consisting of a plurality of first semiconductor switching elements having a withstand voltage lower than the line voltage of the three-phase AC power supply and one first capacitor, each of which selectively outputs a plurality of levels of DC voltage; , a first cluster in which these first unit converters are connected in series and attached directly to the mounting surface of one first circuit board;
A plurality of second unit converters each consisting of a plurality of second semiconductor switching elements having a withstand voltage lower than the line voltage of the three-phase AC power supply and one second capacitor, each selectively outputting a plurality of levels of DC voltage; , a second cluster in which these second unit converters are connected in series and attached directly to the mounting surface of one second circuit board;
A plurality of third unit converters each consisting of a plurality of third semiconductor switching elements having a withstand voltage lower than the line voltage of the three-phase AC power supply and one third capacitor, each of which selectively outputs a plurality of levels of DC voltage; , a third cluster in which these third unit converters are connected in series and attached directly to the mounting surface of one third circuit board;
It is a multi-level converter including
One end of the series circuit of each of the first unit converters is connected to the first power supply line of each of the power supply lines via the passive filter and the reactor, and one end of the series circuit of each of the second unit converters is connected to the first power supply line of each of the power supply lines through the passive filter and the reactor. It is connected to the second power supply line of each of the power supply lines through the filter and the reactor, and one end of the series circuit of each of the third unit converters is connected to the third power supply line of each of the power supply lines through the passive filter and the reactor. connected to the line,
The other end of the series circuit of each of the first unit converters, the other end of the series circuit of each of the second unit converters, and the other end of the series circuit of each of the third unit converters are interconnected;
The power conversion device according to any one of claims 1 to 3.
前記第2回路基板は、当該第2回路基板の実装面である上面およびその上面とは反対側の下面を有し、前記各第2半導体スイッチ素子と前記第2コンデンサとの間の正側通電路となる正側導電パターンおよび負側通電路となる負側導電パターンを、当該上面と当該下面とに分けて配置し、
前記第3回路基板は、当該第3回路基板の実装面である上面およびその上面とは反対側の下面を有し、前記各第3半導体スイッチ素子と前記第3コンデンサとの間の正側通電路となる正側導電パターンおよび負側通電路となる負側導電パターンを、当該上面と当該下面とに分けて配置している、
請求項4に記載の電力変換装置。 The first circuit board has an upper surface that is a mounting surface of the first circuit board and a lower surface opposite to the upper surface, and has a positive side communication between each of the first semiconductor switch elements and the first capacitor. A positive conductive pattern serving as an electric path and a negative conductive pattern serving as a negative conductive path are arranged separately on the upper surface and the lower surface,
The second circuit board has an upper surface that is a mounting surface of the second circuit board and a lower surface opposite to the upper surface, and has a positive side communication between each of the second semiconductor switch elements and the second capacitor. A positive conductive pattern serving as an electric path and a negative conductive pattern serving as a negative conductive path are arranged separately on the upper surface and the lower surface,
The third circuit board has an upper surface that is a mounting surface of the third circuit board and a lower surface opposite to the upper surface, and has a positive side communication between each of the third semiconductor switch elements and the third capacitor. A positive conductive pattern serving as an electric path and a negative conductive pattern serving as a negative conductive path are arranged separately on the upper surface and the lower surface,
The power conversion device according to claim 4.
前記第1回路基板の実装面に設けられ、前記制御部と前記各第1単位変換器との間の信号を中継する第1コネクタと、
前記第2回路基板の実装面に設けられ、前記制御部と前記各第2単位変換器との間の信号を中継する第2コネクタと、
前記第3回路基板の実装面に設けられ、前記制御部と前記各第3単位変換器との間の信号を中継する第3コネクタと、
をさらに備え、
前記各第1単位変換器は、前記第1回路基板の実装面において前記第1コネクタを囲む状態に配置され、
前記各第2単位変換器は、前記第2回路基板の前記実装面において前記第2コネクタを囲む状態に配置され、
前記各第3単位変換器は、前記第3回路基板の前記実装面において前記第3コネクタを囲む状態に配置されている、
請求項4または請求項5に記載の電力変換装置。 a control unit that is provided on one control circuit board and controls each of the first semiconductor switch elements, the second semiconductor switch elements, and the third semiconductor switch elements;
a first connector provided on a mounting surface of the first circuit board and relaying signals between the control section and each of the first unit converters;
a second connector provided on the mounting surface of the second circuit board and relaying signals between the control section and each of the second unit converters;
a third connector provided on the mounting surface of the third circuit board and relaying signals between the control section and each of the third unit converters;
Furthermore,
Each of the first unit converters is arranged to surround the first connector on the mounting surface of the first circuit board,
Each of the second unit converters is arranged to surround the second connector on the mounting surface of the second circuit board,
Each of the third unit converters is arranged to surround the third connector on the mounting surface of the third circuit board.
The power conversion device according to claim 4 or claim 5.
前記三相交流電源の線間電圧より耐圧が低い複数の半導体スイッチ素子および1つのコンデンサから成りそれぞれが複数レベルの直流電圧を選択的に出力する複数の単位変換器を含み、これら単位変換器を直列接続して成るクラスタを前記相ごとに設けた、
請求項2に記載の電力変換装置。 The converter is
It includes a plurality of unit converters each consisting of a plurality of semiconductor switching elements and one capacitor each having a withstand voltage lower than the line voltage of the three-phase AC power supply and selectively outputs a plurality of levels of DC voltage. A series-connected cluster is provided for each phase,
The power conversion device according to claim 2.
前記回路基板は、当該回路基板の実装面である上面およびその上面とは反対側の下面を有し、前記各半導体スイッチ素子と前記コンデンサとの間の正側通電路となる正側導電パターンおよび負側通電路となる負側導電パターンを、当該上面と当該下面とに分けて配置し、
さらに、前記回路基板の外に設けられた前記各半導体スイッチ素子を制御する制御部と、
前記回路基板の実装面に設けられ、前記制御部と前記各単位変換器との間の信号を中継するコネクタと、
を備え、
前記各単位変換器は、前記回路基板の実装面において前記コネクタを囲む状態に配置されている、
請求項7に記載の電力変換装置。 each semiconductor switch element of the at least one cluster is directly attached to a mounting surface of one circuit board;
The circuit board has a top surface that is a mounting surface of the circuit board and a bottom surface opposite to the top surface, and includes a positive conductive pattern that serves as a positive conduction path between each of the semiconductor switch elements and the capacitor; A negative conductive pattern serving as a negative conduction path is arranged separately on the upper surface and the lower surface,
Further, a control unit that controls each of the semiconductor switch elements provided outside the circuit board;
a connector provided on the mounting surface of the circuit board and relaying signals between the control unit and each unit converter;
Equipped with
Each of the unit converters is arranged to surround the connector on the mounting surface of the circuit board,
The power conversion device according to claim 7.
Priority Applications (1)
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