JP3680538B2 - 電力変換回路の制御方法 - Google Patents
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【発明の属する技術分野】
この発明は、単相商用電源などの単相交流電源から所望の周波数,電圧の単相交流電圧に変換して出力する電力変換回路の制御方法に関する。
【0002】
【従来の技術】
図6は、この種の電力変換回路の従来例を示す回路構成図である。
図6において、1は単相商用電源などの単相交流電源、2は電力変換回路、3は電力変換回路2の負荷を示す。
この電力変換回路2にはコンデンサ21aとリアクトル21bとからなる入力フィルタ21と、IGBT22aとダイオード22bとを逆並列接続してなる半導体スイッチ22と、IGBT23aとダイオード23bとを逆並列接続してなる半導体スイッチ23と、コンデンサ24,25と、IGBT26aとダイオード26bとを逆並列接続してなる半導体スイッチ26と、IGBT27aとダイオード27bとを逆並列接続してなる半導体スイッチ27と、リアクトル28aとコンデンサ28bとからなる出力フィルタ28とを備え、半導体スイッチ22と半導体スイッチ23とでハーフブリッジ回路のコンバータを形成し、コンデンサ24とコンデンサ25とで前記コンバータの出力電圧を平滑する平滑コンデンサを形成し、半導体スイッチ26と半導体スイッチ27とでハーフブリッジ回路のインバータを形成している。
【0003】
図6に示した電力変換回路2において、図示しない制御回路によりIGBT22aとIGBT23aとをPWM制御に基づいて個別にオン又はオフさせることで、交流電源1から見た力率(cosφ)をほぼ1に保ちつつ、前記平滑コンデンサの両端電圧を所望の値に調整することができる。また、前記制御回路によりIGBT26aとIGBT27aとをPWM制御に基づいて個別にオン又はオフさせることで、負荷3には所望の周波数,電圧の交流電圧を供給することができる。なお、上述の制御方法は周知の技術によるものである。
【0004】
さらに図6に示した電力変換回路2において、交流電源1の一端と、コンデンサ24とコンデンサ25の接続点と、負荷3の一端とをそれぞれ並列接続したことで、半導体スイッチ22,23,26,27のスイッチング動作に基づいた高周波の電位差が前記平滑コンデンサの両端,交流電源1の両端,負荷3の両端に生ぜず、且つ入力フィルタ21及び出力フィルタ28の作用により、交流電源1側及び負荷3側に擾乱を与えるコモンモードノイズの発生を抑制している。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら図6に示した従来の電力変換回路2によると、コンバータは半導体スイッチ22,23からなるハーフブリッジ回路であり、インバータも半導体スイッチ26,27からなるハーフブリッジ回路であることから、周知の如く、半導体スイッチ22,23,26,27を構成する各デバイスは比較的耐電圧の高いデバイスを必要とし、その結果、電力変換回路2の変換効率が低下し、該電力変換回路が高価格化,大形化するという問題があった。
【0006】
この発明の目的は前述のコモンモードノイズの発生を抑制しつつ、上記問題点を解決する電力変換回路とその制御方法を提供することにある。
【0007】
【課題を解決するための手段】
この発明は、入力される単相交流電源の電圧を直流に変換するコンバータと、該コンバータの出力電圧を平滑する平滑コンデンサと、該コンデンサの両端電圧を所望の周波数,電圧の単相交流電圧に変換して負荷に給電するインバータとを備えた電力変換回路において、
前記コンバータは4組のダイオードからなるフルブリッジ回路とし、前記インバータは自己消弧形素子とダイオードとを逆並列接続したものからなるフルブリッジ回路とし、前記平滑コンデンサは第1コンデンサと第2コンデンサとを直列接続してなる回路とし、前記単相交流電源が接続される入力端子の両端に第3コンデンサと第4コンデンサとを直列接続してなる回路を接続し、前記入力端子の一端と前記コンバータの入力の一端との間に第1リアクトルを接続し、前記入力端子の他端と前記コンバータの入力の他端との間に第2リアクトルを接続し、前記インバータの出力の一端と前記電力変換回路の出力端子の一端との間に第3リアクトルを接続し、前記インバータの出力の他端と前記電力変換回路の出力端子の他端との間に第4リアクトルを接続し、前記出力端子の両端に第5コンデンサと第6コンデンサとを直列接続してなる回路を接続し、第1コンデンサと第2コンデンサの中間接続点と、第3コンデンサと第4コンデンサの中間接続点と、第5コンデンサと第6コンデンサの中間接続点とをそれぞれ並列接続し、
前記インバータの一方のブリッジの上アームの自己消弧形素子と、該インバータの他方のブリッジの下アームの自己消弧形素子とをそれぞれ同時にオン又はオフさせ、前記インバータの一方のブリッジの下アームの自己消弧形素子と、該インバータの他方のブリッジの上アームの自己消弧形素子とをそれぞれ同時にオン又はオフさせるものとする。
【0008】
この発明の電力変換回路によれば、交流電源側と負荷側と平滑コンデンサとにコンデンサを介した接続線路を設けることにより高周波的に結合させて、交流電源側及び負荷側に擾乱を与えるコモンモードノイズの発生を抑制することができる。
【0009】
また、コンバータをダイオード整流器とするとともに、インバータをフルブリッジ回路とし、インバータの一方のブリッジの半導体デバイスと他方のブリッジの半導体デバイスとを常に対称相対的にオン又はオフさせることにより、このスイッチング動作に伴う高周波の電位変動を少なくでき、その結果、交流電源側及び負荷側に擾乱を与えるコモンモードノイズの発生をさらに抑制することができる。
【0010】
【発明の実施の形態】
図1は、この発明の第1の実施例を示す電力変換回路の回路構成図である。
図1において、1は単相商用電源などの単相交流電源、4は電力変換回路、3は電力変換回路4の負荷を示す。
この電力変換回路4にはコンデンサ41a,41bとリアクトル41c,41dとからなる入力フィルタ41と、IGBT42aとダイオード42bとを逆並列接続してなる半導体スイッチ42と、IGBT43aとダイオード43bとを逆並列接続してなる半導体スイッチ43と、IGBT44aとダイオード44bとを逆並列接続してなる半導体スイッチ44と、IGBT45aとダイオード45bとを逆並列接続してなる半導体スイッチ45と、コンデンサ46,47と、IGBT48aとダイオード48bとを逆並列接続してなる半導体スイッチ48と、IGBT49aとダイオード49bとを逆並列接続してなる半導体スイッチ49と、IGBT50aとダイオード50bとを逆並列接続してなる半導体スイッチ50と、IGBT51aとダイオード51bとを逆並列接続してなる半導体スイッチ51と、リアクトル52a,52bとコンデンサ52c,52dとからなる出力フィルタ52とを備え、半導体スイッチ42〜45でフルブリッジ回路のコンバータを形成し、コンデンサ46とコンデンサ47とで前記コンバータの出力電圧を平滑する平滑コンデンサを形成し、半導体スイッチ48〜51でフルブリッジ回路のインバータを形成している。
【0011】
図2は図1に示した電力変換回路4の動作を説明するための波形図を示し、この種の電力変換回路に対して一般的に行われている動作の波形図である。
すなわち図1に示した電力変換回路4において、図示しない制御回路により半導体スイッチ42〜45から構成されたコンバータでは、図2(イ)に示す交流電源1の電圧位相に同期した正弦波と三角波のキャリア信号とによるPWM制御に基づき、前記正弦波の振幅を調整しつつ、IGBT42aに対して図2(ロ)に示す如くオン又はオフさせ、IGBT43aに対して図2(ハ)に示す如くオン又はオフさせ、IGBT44aに対して図2(ニ)に示す如くオン又はオフさせ、IGBT45aに対して図2(ホ)に示す如くオン又はオフさせることで前記コンバータの出力電圧と後述のインバータの出力電圧とを所望の値に調整することができ、且つ交流電源1から見た力率(cosφ)をほぼ1にできる。
【0012】
同様に、図示しない制御回路により半導体スイッチ48〜51から構成されたインバータでは、図2(イ)に示す如くこの電力変換回路4の出力の周波数,電圧に対応する正弦波と三角波のキャリア信号とによるPWM制御に基づき、IGBT48aに対して図2(ロ)に示す如くオン又はオフさせ、IGBT49aに対して図2(ハ)に示す如くオン又はオフさせ、IGBT50aに対して図2(ニ)に示す如くオン又はオフさせ、IGBT51aに対して図2(ホ)に示す如くオン又はオフさせることで電力変換回路4の出力電圧を所望の値に調整することができる。
【0013】
電力変換回路4が図2に示した動作をする際に、フルブリッジ回路からなるコンバータ及びインバータでは構成する半導体デバイスの耐電圧は図6に示した従来例回路に比してより低くすることができる。また、コンデンサ41aとコンデンサ41bの接続点と、コンデンサ46とコンデンサ47の接続点と、コンデンサ52cとコンデンサ52dの接続点とをそれぞれ並列接続したことにより、図2(ロ)〜(ホ)に示す如くIGBT42aとIGBT44a又はIGBT43aとIGBT45aとが同時にオン状態になっても、同様に、IGBT48aとIGBT50a又はIGBT49aとIGBT51aとが同時にオン状態になっても、このスイッチング動作による高周波の電位変動が抑制され、その結果、交流電源1側及び負荷3側に擾乱を与えるコモンモードノイズの発生を抑制することができる。
【0014】
図3は、この発明の第2の実施例を示す電力変換回路の回路構成図であり、図1に示した実施例回路と同一機能を有するものには同一符号を付している。
すなわち図3に示した電力変換回路6では、コンバータがダイオード61〜64からなるフルブリッジ回路になっている。
図3に示した電力変換回路6において、図示しない制御回路により半導体スイッチ48〜51から構成されたインバータでは、図2(イ)に示す如くこの電力変換回路6の出力の周波数,電圧に対応する正弦波と三角波のキャリア信号とによるPWM制御に基づき、IGBT48aに対して図2(ロ)に示す如くオン又はオフさせ、IGBT49aに対して図2(ハ)に示す如くオン又はオフさせ、IGBT50aに対して図2(ニ)に示す如くオン又はオフさせ、IGBT51aに対して図2(ホ)に示す如くオン又はオフさせることで電力変換回路6の出力電圧を所望の値に調整することができる。また、コンデンサ41aとコンデンサ41bの接続点と、コンデンサ46とコンデンサ47の接続点と、コンデンサ52cとコンデンサ52dの接続点とをそれぞれ並列接続したことにより、図2(ロ)〜(ホ)に示す如くIGBT48aとIGBT50a又はIGBT49aとIGBT51aとが同時にオン状態になっても、このスイッチング動作による高周波の電位変動が抑制され、その結果、負荷3側に擾乱を与えるコモンモードノイズの発生を抑制することができる。
【0015】
また電力変換回路6のダイオード61〜64からなるコンバータが動作する際に、ダイオード61とダイオード64、又はダイオード62とダイオード63とが同時にオンした状態では、リアクトル41cと、リアクトル41cと同じインダクタンス値のリアクトル41dの作用によりコンデンサ41aとコンデンサ41bの接続点と、コンデンサ46とコンデンサ47の接続点との間に高周波的にも電位差が発生せず、その結果、交流電源1側に擾乱を与えるコモンモードノイズの発生をさらに抑制することができる。
【0016】
図4は、この発明の第3〜第5の実施例を示す電力変換回路の制御方法を説明する波形図である。
先ず、図4に示す制御方法を図1に示した電力変換回路4に適用したこの発明の第3の実施例について説明をする。
すなわち図1に示した電力変換回路4において、図示しない制御回路により半導体スイッチ42〜45から構成されたコンバータでは、図4(イ)に示す交流電源1の電圧位相に同期した正弦波と三角波のキャリア信号とによるPWM制御に基づき、前記正弦波の振幅を調整しつつ、IGBT42a,45aに対して図4(ロ)に示す如く同時にオン又はオフさせ、IGBT43a,44aに対して図4(ハ)に示す如く同時にオン又はオフさせることで前記コンバータの出力電圧と後述のインバータの出力電圧とを所望の値に調整することができ、且つ交流電源1から見た力率(cosφ)をほぼ1にできる。
【0017】
同様に、図示しない制御回路により半導体スイッチ48〜51から構成されたインバータでは、図4(イ)に示す如くこの電力変換回路4の出力の周波数,電圧に対応する正弦波と三角波のキャリア信号とによるPWM制御に基づき、IGBT48a,51aに対して図4(ロ)に示す如く同時にオン又はオフさせ、IGBT49a,50aに対して図4(ハ)に示す如くオン又はオフさせることで電力変換回路4の出力電圧を所望の値に調整することができる。
【0018】
電力変換回路4が図4に示した動作をする際に、IGBT42aとIGBT45a、又はIGBT43aとIGBT44aとを同時にオンさせた状態では、リアクトル41cと、リアクトル41cとリアクトル41dの作用によりコンデンサ41aとコンデンサ41bの接続点と、コンデンサ46とコンデンサ47の接続点との間に高周波的にも電位差が発生せず、同様に、IGBT48aとIGBT51a、又はIGBT49aとIGBT50aとを同時にオンさせた状態では、リアクトル52aと、リアクトル52aと同じインダクタンス値のリアクトル52bの作用によりコンデンサ52cとコンデンサ52dの接続点と、コンデンサ46とコンデンサ47の接続点との間に高周波的にも電位差が発生せず、その結果、交流電源1側及び負荷3側に擾乱を与えるコモンモードノイズの発生をさらに抑制することができる。
【0019】
次に、図4に示す制御方法を図3に示した電力変換回路6に適用したこの発明の第4の実施例について説明をする。
すなわち図3に示した電力変換回路6において、図示しない制御回路により半導体スイッチ48〜51から構成されたインバータでは、図4(イ)に示す如くこの電力変換回路6の出力の周波数,電圧に対応する正弦波と三角波のキャリア信号とによるPWM制御に基づき、IGBT48a,51aに対して図4(ロ)に示す如く同時にオン又はオフさせ、IGBT49a,50aに対して図4(ハ)に示す如くオン又はオフさせることで電力変換回路6の出力電圧を所望の値に調整することができ、また、IGBT48aとIGBT51a、又はIGBT49aとIGBT50aとを同時にオンさせた状態では、リアクトル52a,52bの作用によりコンデンサ52cとコンデンサ52dの接続点と、コンデンサ46とコンデンサ47の接続点との間に高周波的にも電位差が発生せず、その結果、負荷3側に擾乱を与えるコモンモードノイズの発生をさらに抑制することができる。
【0020】
また電力変換回路6のダイオード61〜64からなるコンバータが動作する際に、ダイオード61とダイオード64、又はダイオード62とダイオード63とが同時にオンした状態では、リアクトル41cとリアクトル41dの作用によりコンデンサ41aとコンデンサ41bの接続点と、コンデンサ46とコンデンサ47の接続点との間に高周波的にも電位差が発生せず、その結果、交流電源1側に擾乱を与えるコモンモードノイズの発生をさらに抑制することができる。
【0021】
図5はこの発明の第5の実施例を示す電力変換回路の制御方法を説明する回路構成図であり、図1に示した実施例回路と同一機能を有するものには同一符号を付している。
すなわち図5に示した電力変換回路7では、入力フィルタ71はコンデンサ71aとリアクトル71b,71cとから形成され、平滑コンデンサはコンデンサ72からなり、出力フィルタ73はリアクトル73a,73bとコンデンサ73cとから形成されている。なおこの電力変換回路7の回路構成は公知である。
【0022】
この電力変換回路7の制御方法を、図4に示した波形図を参照しつつ、以下に説明をする。なお、半導体スイッチ42〜45から構成されたコンバータ及び半導体スイッチ48〜51から構成されたインバータの動作は、上述のこの発明の第3の実施例と同様であるので、ここではその説明を省略する。
すなわち電力変換回路7が図4に示した動作をする際に、IGBT42aとIGBT45a、又はIGBT43aとIGBT44aとを同時にオンさせた状態ではリアクトル71b,71cの作用によりコンデンサ71aの仮想中性点(コンデンサ71aの中間電圧)の電位は、コンデンサ72の仮想中性点(コンデンサ72の中間電圧)の電位とほぼ同じくなり、同様に、IGBT48aとIGBT51a、又はIGBT49aとIGBT50aとを同時にオンさせた状態ではリアクトル73a,73bの作用によりコンデンサ73cの仮想中性点(コンデンサ73cの中間電圧)の電位は、コンデンサ72の仮想中性点(コンデンサ72の中間電圧)の電位とほぼ同じくなり、その結果、交流電源1側及び負荷3側に擾乱を与えるコモンモードノイズの発生を抑制することができる。
【0023】
なお、この発明の第3〜第5の実施例の説明をする図4の波形図において、PWM制御の際の正弦波と三角波キャリア信号とを同期させた例について現したが、正弦波と三角波キャリア信号とを同期させなくても、この発明は成立する。
【0024】
【発明の効果】
この発明によれば、コンバータをダイオード整流器とするとともに、インバータをフルブリッジ回路とし、インバータの一方のブリッジの半導体デバイスと他方のブリッジの半導体デバイスとを常に対称相対的にオン又はオフさせることにより、このスイッチング動作に伴う高周波の電位変動を少なくでき、その結果、交流電源側及び負荷側に擾乱を与えるコモンモードノイズの発生をさらに抑制することができる。
【0025】
その結果、電力変換回路の変換効率が改善され、該電力変換回路が低価格化,小形化され、例えば、コンピュータ電源としての単相無停電電源装置の電力変換回路に好適である。
【図面の簡単な説明】
【図1】 この発明の第1の実施例を示す電力変換回路の回路構成図
【図2】 図1の動作を説明する波形図
【図3】 この発明の第2の実施例を示す電力変換回路の回路構成図
【図4】 この発明の第3〜第5の実施例を示す電力変換回路の動作の波形図
【図5】 この発明の第5の実施例を説明する電力変換回路の回路構成図
【図6】 従来例を示す電力変換回路の回路構成図
【符号の説明】
1…交流電源、2,4,6,7…電力変換回路、3…負荷、21,41,71…入力フィルタ、22,23,26,27,42〜45,48〜51…半導体スイッチ、24,25,46,47,72…コンデンサ、28,52,73…出力フィルタ、22a,23a,26a,27a,42a〜45a,48a〜51a…IGBT、22b,23b,26b,27b,42b〜45b,48b〜51b,61〜64…ダイオード、21a,28b,41a,41b,52c,52d,,71a,73c…コンデンサ、21b,28a,41c,41d,52a,52b,71b,71c,73a,73b…リアクトル。
Claims (1)
- 入力される単相交流電源の電圧を直流に変換するコンバータと、該コンバータの出力電圧を平滑する平滑コンデンサと、該コンデンサの両端電圧を所望の周波数,電圧の単相交流電圧に変換して負荷に給電するインバータとを備えた電力変換回路において、
前記コンバータは4組のダイオードからなるフルブリッジ回路とし、前記インバータは自己消弧形素子とダイオードとを逆並列接続したものからなるフルブリッジ回路とし、前記平滑コンデンサは第1コンデンサと第2コンデンサとを直列接続してなる回路とし、前記単相交流電源が接続される入力端子の両端に第3コンデンサと第4コンデンサとを直列接続してなる回路を接続し、前記入力端子の一端と前記コンバータの入力の一端との間に第1リアクトルを接続し、前記入力端子の他端と前記コンバータの入力の他端との間に第2リアクトルを接続し、前記インバータの出力の一端と前記電力変換回路の出力端子の一端との間に第3リアクトルを接続し、前記インバータの出力の他端と前記電力変換回路の出力端子の他端との間に第4リアクトルを接続し、前記出力端子の両端に第5コンデンサと第6コンデンサとを直列接続してなる回路を接続し、第1コンデンサと第2コンデンサの中間接続点と、第3コンデンサと第4コンデンサの中間接続点と、第5コンデンサと第6コンデンサの中間接続点とをそれぞれ並列接続し、
前記インバータの一方のブリッジの上アームの自己消弧形素子と、該インバータの他方のブリッジの下アームの自己消弧形素子とをそれぞれ同時にオン又はオフさせ、前記インバータの一方のブリッジの下アームの自己消弧形素子と、該インバータの他方のブリッジの上アームの自己消弧形素子とをそれぞれ同時にオン又はオフさせることを特徴とする電力変換回路の制御方法。
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