JP3765157B2 - コンバータ装置およびコンバータシステム装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、交流入力電圧を直流電圧に変換して出力する整流用半導体素子群の直流出力部の正極側と負極側との間に、第１の平滑用コンデンサと第２の平滑用コンデンサの直列接続回路を接続したコンバータ装置に関するもので、特に、前記両平滑用コンデンサの負担する電圧バランスを常に平衡させる機能を持ったコンバータ装置に関する。
この種のコンバータ装置は、従来、映写機器・音響機器・各種コンピュータ機器等の電子機器類、あるいは、複写機・ファン・ブロア・エアコン等のモータドライブコントロール機器類等の電源として好適に用いられている。
【０００２】
【従来の技術】
交流入力電圧を直流電圧に変換する整流用半導体素子群の直流出力部の正極側と負極側との間に、第１の平滑用コンデンサと第２の平滑用コンデンサとの直列接続回路を接続したコンバータ装置においては、直列接続した第１・第２の平滑用コンデンサの固有の漏れ電流によって、第１・第２の平滑用コンデンサに印加される電圧のバランスが崩れ、直列接続した平滑用コンデンサのいずれか一方に定格値よりも大きな電圧が印加される状態となり、高電圧が印加された平滑用コンデンサを破壊に追いやる場合が多かった。
また、直列接続した第１・第２の平滑用コンデンサの負極側の平滑用コンデンサに負荷を接続して使用した場合、負極側の平滑用コンデンサの電圧負担が急激に低下し、それによって正極側の平滑用コンデンサの電圧負担が上昇して、電圧値のアンバランスが急激に大きくなり、正極側の平滑用コンデンサの負担電圧が定格値を超過してしまい、破壊に至る場合もあった。
【０００３】
このような不都合を解決するため、従来は、直列接続した第１・第２の平滑用コンデンサと並列に電圧値のアンバランスを常時解消するような抵抗器を接続していた。しかし、上記の抵抗器では直列接続した第１・第２の平滑用コンデンサの電圧アンバランスを解消するような電流が常時流れてしまうため、抵抗器で消費される電力損失が大きくなってしまう。このため、抵抗器の形状も大きくなり、さらにこの抵抗器が第１・第２の平滑用コンデンサに近接して配設されると、平滑用コンデンサの劣化時間も短くなり、負担電圧値のアンバランスがより大きくなってしまった。
【０００４】
この状態を解消するため、例えば、特開昭６１−７６０６９号公報に記載の発明においては、第１の平滑用コンデンサと第２の平滑用コンデンサとの直列接続回路の第１の平滑用コンデンサの正極側と、第２の平滑用コンデンサの負極側との間に第１の負荷を接続し、第２の平滑用コンデンサの正極側と負極側の間に第２の負荷を接続して、直列接続した第１・第２の平滑用コンデンサの接続部に流入電流検出回路を設け、第２の負荷が接続されない第１の平滑用コンデンサと並列に流入電流検出回路の信号を受けて動作する半導体素子とダミー抵抗器とで電圧アンバランスを補正する回路を形成し、両平滑用コンデンサの接続部に流入する電流が零または少量であるときは電圧アンバランス補正回路は動作せず、回路は切り放されているが、第２の負荷に電力供給があると両平滑用コンデンサの接続部への流入電流を検出して第２の負荷が接続されていない側の第１の平滑用コンデンサと並列にダミー抵抗器を接続するよう半導体素子が動作し、直列接続した第１・第２の平滑用コンデンサの負荷電流を制御することで比較的小電力で電圧バランスの補正を行っていた。
【０００５】
また、特公昭６２−１７９５９号公報に記載の発明によると、交流入力電圧を直流電圧に変換する整流用半導体素子群の直流出力部の正極側と負極側との間に第１の平滑用コンデンサと第２の平滑用コンデンサとの直列接続回路を接続し、これと並列に第１・第２の主スイッチング用半導体素子の直列接続回路を接続して構成した４００ボルトを越える高電圧回路において、平滑用コンデンサの定格電圧値を超えずに使用可能であるが、直列接続した第１・第２の主スイッチング用半導体素子の何れか一方にターンオフの遅れが生ずると、第１または第２の主スイッチング用半導体素子の一方に高電圧が印加され、主スイッチング用半導体素子の電圧定格値を越えて破壊に至った。直列接続した第１・第２の主スイッチング用半導体素子の接続部と、この半導体素子と並列に接続された第１・第２の平滑用コンデンサの直列接続回路の接続部とを連結してやれば、上記ターンオフの遅れによる高電圧を第１もしくは第２の平滑用コンデンサに分担させて上記第１・第２の主スイッチング用半導体素子の電圧破壊を防止すること可能である。
【０００６】
しかしながら、上記高電圧が直列接続した第１・第２の平滑用コンデンサの何れか一方に印加されてその定格値を越えると、その平滑用コンデンサは電圧破壊に至る。直列接続した第１・第２の平滑用コンデンサの何れか一方に印加される高電圧は、直列接続した第１・第２の主スイッチング用半導体素子の何れか一方のターンオフの遅れ時間に発生するので、上記遅れ時間の間に印加される高電圧を補正してやれば平滑用コンデンサの電圧破壊を防止できる。前記のごとく、電圧アンバランスを常時解消するような抵抗器を用いて、直列接続した第１・第２の平滑用コンデンサの何れか一方に印加される高電圧を補正させれば良いが、前記と同ように、直列接続した第１・第２の平滑用コンデンサの電圧アンバランスを解消するような電流が常時抵抗器に流れているので、消費される電力損失が大きくなる。
【０００７】
直列接続した第１・第２の平滑用コンデンサの何れか一方に印加される高電圧によって生じる電圧アンバランスで動作する半導体素子と抵抗器とを直列接続し、半導体素子（この場合ＮＰＮトランジスタ）のエミッタを直列接続した第１・第２の平滑用コンデンサの接続部に接続し、整流用半導体素子群の直流出力部の正極側と負極側との間に接続した２個の抵抗器の直列接続回路の接続部に該ＮＰＮトランジスタのベースを接続し、直列接続した２個の抵抗器の電圧バランス差によって上記半導体がオンし、半導体素子と直列接続した抵抗器でターンオフの遅れ時間に発生する高電圧を補正する。また、上記直列接続した第１・第２の平滑用コンデンサの接続部に半導体素子（この場合ＰＮＰトランジスタ）のエミッタ側を接続し、コレクタ側に抵抗器を接続し、その抵抗器の他端を整流用半導体素子群の直流出力部の負極側に接続する。直列接続した２個の抵抗器の接続部と上記ＰＮＰトランジスタのベースとを接続して第２の平滑用コンデンサの電圧バランスを補正していた。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
上記の通り、従来のコンバータ装置においては、直列接続した第１・第２の平滑用コンデンサの電圧定格値異常による破壊を防ぐため、第１・第２の平滑用コンデンサの直列接続回路と並列に電圧値のアンバランスを常時解消するような抵抗器を接続していた。しかしながら、この抵抗器には直列接続した第１・第２の平滑用コンデンサの電圧アンバランスを解消するような電流が常時流れ、しかも交流入力電圧を直流電圧に変換する整流用半導体素子群の直流出力部の正極側と負荷側との間に接続されているため、消耗される電力損失が大きいので抵抗器の形状も大きくなり、直列接続した第１・第２の平滑用コンデンサの近傍に上記の抵抗器を配設すると抵抗器の発生する熱によって平滑用コンデンサが劣化してしまい、さらに電圧アンバランスをもたらしていた。また、電圧値のアンバランスを解消するために接続した抵抗器のみでは消費電力損失が大きいので、消費電力損失を少なくするために、直列接続した第１・第２の平滑用コンデンサの接続部に流入する電流もしくは電圧を検出する装置の付加が必要になり、その制御もしなければならなかった。
【０００９】
そこでこの発明は、直列接続した第１・第２の平滑用コンデンサの電圧アンバランスを解消するために用いる抵抗器の電力消費を最小にすると共に、直列接続した第１・第２の平滑用コンデンサの接続部に流入する電流もしくは電圧の検出、並びに第１・第２の平滑用コンデンサの電圧値異常を検出する手段を付加することなしに、平滑用コンデンサの電圧アンバランスのみを補正することで装置を小型化することを目的とするものである。
また、この発明はコンバータ装置の負荷としてインバータ装置が接続された場合のコンバータ装置の異常時においてインバータ装置動作による二次破壊を防止するコンバータ装置を提供することを目的とするものである。
さらにこの発明は、負荷として接続されるスイッチング電源回路内の一部の回路部品をコンバータ装置内の一部の回路部品と兼用できるコスト安・小型化のコンバータ装置を提供することを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
このような目的を達するために、この発明によれば、交流入力電圧を直流電圧に変換する整流用半導体素子群の直流出力部の正極側と負極側との間に、第１の平滑用コンデンサと第２の平滑用コンデンサとの直列接続回路を接続したコンバータ装置において、前記第１の平滑用コンデンサと第２の平滑用コンデンサとの直列接続回路と並列に接続される第１の抵抗器と第２の抵抗器との直列接続回路と、１入力端子と２出力端子を有する半導体スイッチング素子であって、前記第１の抵抗器と第２の抵抗器との接続部に前記入力端子が接続され、前記第１の平滑用コンデンサと第２の平滑用コンデンサとの接続部に一方の出力端子が接続される半導体スイッチング素子と、該半導体スイッチング素子の他方の出力端子と前記直流出力部の正極側との間に接続される第３の抵抗器と、および、前記半導体スイッチング素子の一方の出力端子と前記直流出力部の負極側との間に接続される負荷と、を備えることを特徴としている。
【００１１】
また、請求項２記載の発明によれば、交流入力電圧を直流電圧に変換する整流用半導体素子群の直流出力部の正極側と負極側との間に、第１の平滑用コンデンサと第２の平滑用コンデンサとの直列接続回路を接続したコンバータ装置において、前記第１の平滑用コンデンサと第２の平滑用コンデンサとの直列接続回路と並列に接続される第１の抵抗器と第２の抵抗器との直列接続回路と、１入力端子と２出力端子を有する半導体スイッチング素子であって、前記第１の抵抗器と第２の抵抗器との接続部に前記入力端子が接続され、前記第１の平滑用コンデンサと第２の平滑用コンデンサとの接続部に一方の出力端子が接続される半導体スイッチング素子と、該半導体スイッチング素子の他方の出力端子と前記直流出力部の負極側との間に接続される第３の抵抗器と、および、前記第１の平滑用コンデンサと第２の平滑用コンデンサとの接続部と前記直流出力部の正極側との間に接続される負荷と、を備えることを特徴としている。
【００１２】
さらに、請求項３記載の発明によれば、交流入力電圧を直流電圧に変換する整流用半導体素子群の直流出力部の正極側と負極側との間に、正極側に配置した第１の平滑用コンデンサと負極側に配置した第２の平滑用コンデンサとの直列接続回路を接続したコンバータ部と、前記直流出力部の正極側と負極側との間に接続したスイッチング電源回路部を備えるコンバータシステム装置において、
前記第１の平滑用コンデンサと第２の平滑用コンデンサとの直列接続回路と並列に、第１の抵抗器と第２の抵抗器との抵抗直列接続回路とスイッチング電源回路が接続され、前記抵抗直列接続回路が前記スイッチング電源回路部の起動用抵抗を兼ね、１入力端子と２出力端子を有する半導体スイッチング素子であって、前記第１の抵抗器と第２の抵抗器との接続部に前記入力端子が接続され、前記第１の平滑用コンデンサと第２の平滑用コンデンサとの接続部に一方の出力端子が接続される半導体スイッチング素子と、該半導体スイッチング素子の他方の出力端子と前記直流出力部の正極側との間に接続される第３の抵抗器と、前記第１の平滑用コンデンサと第２の平滑用コンデンサとの接続部と前記直流出力部の負極側との間に接続される負荷を備えることを特徴としている。
【００１３】
さらに、請求項４記載の発明によれば、交流入力電圧を直流電圧に変換する整流用半導体素子群の直流出力部の正極側と負極側との間に、正極側に配置した第１の平滑用コンデンサと負極側に配置した第２の平滑用コンデンサとの直列接続回路を接続したコンバータ部と、前記直流出力部の正極側と負極側との間に接続されるインバータ部を備えたコンバータシステム装置において、前記第１の平滑用コンデンサと第２の平滑用コンデンサとの直列接続回路と並列に接続される第１の抵抗器と第２の抵抗器との直列接続回路と、１入力端子と２出力端子を有する半導体スイッチング素子であって、前記第１の抵抗器と第２の抵抗器との接続部に前記入力端子が接続され、前記第１の平滑用コンデンサと第２の平滑用コンデンサとの接続部に一方の出力端子が接続される半導体スイッチング素子と、該半導体スイッチング素子の他方の出力端子と前記直流出力部の正極側との間に接続される第３の抵抗器と、前記第１の平滑用コンデンサと第２の平滑用コンデンサとの接続部と前記直流出力部の負極側との間に接続される負荷を備えることを特徴としている。
【００１４】
そして、請求項５記載の発明によれば、請求項４記載のコンバータシステム装置において、前記第１の平滑用コンデンサまたは第２の平滑用コンデンサの端子間電圧が所定値を越えるとインバータ部動作を停止させる保護手段を備えたことを特徴としている。
【００１５】
以上のように、この発明のコンバータ装置においては、交流入力電圧を直流電圧に変換する整流用半導体素子群の直流出力部の正極側と負極側との間に接続された直列接続した第１・第２の平滑用コンデンサの電圧バランスが、第２の平滑用コンデンサの電圧値よりも第１の平滑用コンデンサの電圧値のほうが常に大きくなる不平衡状態となるように前記半導体スイッチング素子の１方の出力端子と前記直流出力部の負極側との間に接続した負荷により設定し、前記直流出力部の正極側と負極側との間に接続された直列接続の第１の抵抗器と第２の抵抗器のそれぞれの抵抗値を同じ値の抵抗値としておき、この両抵抗器の直列接続部を半導体スイッチング素子のオン信号入力端子に接続し、両平滑用コンデンサの直列接続部を前記半導体スイッチング素子の一方の出力端子に接続しておくので、オン信号入力端子と一方の出力端子との間に正の電位差が生じ、それによって半導体スイッチング素子が導通状態となり、この半導体スイッチング素子の他方の出力端子と前記直流出力部の正極側との間に接続された補正抵抗器に電流を流して前記第１の平滑用コンデンサの端子間電圧を下げ、結果としてアンバランス電圧のみを補正抵抗器で補正するように半導体スイッチング素子が動作する。これにより、直列接続した第１・第２の平滑用コンデンサの接続部に流入する電流もしくは電圧の検出手段、並びに、第１・第２の平滑用コンデンサの電圧値異常を検出する手段を付加すること無しに、直列接続した第１・第２の平滑用コンデンサの電圧バランスを常に平衡させることが可能となる。
【００１６】
また、第１の平滑用コンデンサと第２の平滑用コンテンサの負担電圧が該半導体スイッチング素子の導通動作により等しくなった場合は、半導体スイッチング素子の一方の出力端子とオン信号入力端子との間の電位差が小さくなるので、半導体スイッチング素子は半導通状態となって前記の等しくなった状態を維持する。
かくして、予想される電圧上昇および平滑用コンデンサの漏れ電流のみを補正するように半導体スイッチング素子と第１・第２の抵抗器、前記半導体スイッチング素子の１方の出力端子と前記直流出力部の負極側との間に接続された負荷、並びに補正抵抗器を選択することで小容量化・小型化が可能となる。
【００１７】
コンバータ装置の半導体スイッチング素子の短絡や断線によって直列接続した第１・第２の平滑用コンテンサの電圧バランスが崩れた場合には、平滑用コンデンサと並列状態に接続された負荷としてのインバータ装置が停止状態にあるときは、設定された第１・第２の抵抗器、前記半導体スイッチング素子の１方の出力端子と前記直流出力部の負極側（請求項２記載のコンバータ装置においては正極側）との間に接続される負荷、補正抵抗器の抵抗値によって両平滑用コンデンサの端子間電圧が決定されるので、この決定された電圧が平滑用コンデンサの定格電圧を越えないようにこれらの値を設定してやれば、半導体スイッチング素子の異常時でも、インバータ装置を停止することによって平滑用コンデンサが保護される。しかしながら、インバータ装置が動作状態にあるときは、前記各値の適正設定にもかかわらず、平滑用コンデンサの端子間電圧が定格値を越えて破壊に至らないとは限らない。そこで、本発明においては、直列接続された第１・第２の平滑用コンデンサのそれぞれの端子間電圧を検出する第１の電圧検出回路と第２の電圧検出回路を設け、これらの電圧検出回路により検出した両平滑用コンデンサの端子間電圧の少なくとも一方の端子間電圧値が設定値を越えた場合にインバータ装置を停止する保護手段を設けることで、二次破壊を防いでいる。
【００１８】
このコンバータ装置の負荷にスイッチング電源回路を含んでいるような場合には、第１の抵抗器と第２の抵抗器との両抵抗器の抵抗値の和を選定して、スイッチング電源回路の起動用抵抗として共有できる。かくして、コンバータ装置の負荷用の第１・第２の抵抗器を負荷であるスイッチング電源回路の起動用抵抗として共有化できるので小型化が可能となる。
【００１９】
【発明の実施の形態】
本発明の実施の形態１：
図１は本発明の第１の実施の形態によるコンバータ装置の接続回路図である。３相交流電源１の各相が、整流用半導体素子２の直列接続部３ｕ・３ｖ・３ｗに入力されている。６個の整流用半導体素子２からなる整流用半導体素子群４の直流出力部の正極側５と負極側６の間には、第１の平滑用コンデンサ７と第２の平滑用コンデンサ８との直列接続回路が接続され、この第１・第２の平滑用コンデンサ７・８の直列接続回路と並列に、第１の抵抗器９と第２の抵抗器１０との直列接続回路が接続されている。この第１の抵抗器９と第２の抵抗器１０との接続部１１には、ＮチャンネルＭＯＳＦＥＴトランジスタ１２のゲート端子１３が接続されている。このＮチャンネルＭＯＳＦＥＴトランジスタ１２は出力端子がソース端子とドレイン端子の２つあって、一方の出力端子であるソース端子１４は、第１・第２の平滑用コンデンサ７・８の接続部１５に接続され、他方の出力端子であるドレイン端子１６と直流出力部の正極側５の間には第３の抵抗器である補正抵抗器１７が接続されている。また、平滑用コンデンサ７・８の接続部１５と、直流出力部の負極側６との間には負荷１８が接続されている。なお、ツェナーダイオード１９はＮチャンネルＭＯＳＦＥＴトランジスタ１２のゲート端子１３に過電圧が印加された場合にＮチャンネルＭＯＳＦＥＴトランジスタ１２を破損から保護するために設けられ、コンデンサ２０はノイズによりＮチャンネルＭＯＳＦＥＴトランジスタ１２が誤動作することを防ぐために接続されている。
【００２０】
このコンバータ装置において、第１・第２の抵抗器９・１０は等しい抵抗値に設定されているので、第１の平滑用コンデンサ７と第２の平滑用コンデンサ８の電圧バランスが平衡状態にあるときは、ゲート端子１３とソース端子１４との間には電位差が小さいので、ＮチャンネルＭＯＳＦＥＴトランジスタ１２は半導通状態となって電圧バランスの平衡状態を維持する。
【００２１】
第１の平滑用コンデンサ７の端子間電圧が第２の平滑用コンデンサ８の端子間電圧よりも高い場合（常にこのような状態とするために第２の平滑用コンデンサ８に並列に抵抗１８を接続している。）は、接続部１１・１５間に電位差が生じ、すなわちＮチャンネルＭＯＳＦＥＴトランジスタ１２のゲート端子１３に正の電位差が生じてＮチャンネルＭＯＳＦＥＴトランジスタ１２が導通状態となり、補正抵抗器１７及びＮチャンネルＭＯＳＦＥＴトランジスタ１２を流れる電流により第１の平滑用コンデンサ７の端子間電圧を下げて両コンデンサ７・８の端子間電圧が平衡するまでこのようなＮチャンネルＭＯＳＦＥＴトランジスタ１２の導通動作により自動調整する。この場合、第１の平滑用コンデンサ７と第２の平滑用コンデンサ８との端子間電圧の電圧アンバランスのみを補正できるように補正抵抗器１７と負荷（又は抵抗器）１８の抵抗値を設定することで消費電力の少ない装置が実現できる。
また、第１の平滑用コンデンサ７の端子間電圧が第２の平滑用コンデンサ８の端子間電圧よりも低い場合には、ＮチャンネルＭＯＳＦＥＴトランジスタ１２は不導通であり、補正抵抗器１７は無効であるので、この場合の電圧差は負荷（又は抵抗器）１８により第２の平滑用コンデンサ８の端子間電圧が下げられるのですぐに解消される。
【００２２】
本発明の実施の形態２：
図２は、本発明の実施の形態１のコンバータ装置の負荷１８として、スイッチング電源回路２１を接続した例を示している。スイッチング電源回路２１自体は公知の回路でよい。例えば、出力電圧を電圧検出回路で常時検出し、出力電圧が所定値以下になったとき制御回路に出力してスイッチング素子をオンにし、第２の平滑用コンデンサ８からトランスを介して電力を受け、出力電圧が所定値に達したとき、スイッチング素子をオフにするものである。
図２において、３相交流電源１より交流を入力する整流用半導体素子群４の直流出力部の正極側５と負極側６との間に、第１の平滑用コンデンサ７と第２の平滑用コンデンサ８の直列接続回路と、第１の抵抗器９と第２の抵抗器１０との直列接続回路とを接続し、ＮチヤンネルＭＯＳＦＥＴトランジスタ１２のゲート端子１３を接続部１１に接続し、ソース端子１４を接続部１５に接続し、ドレイン端子１６と正極側５との間に第３の抵抗器としての補正抵抗器１７を接続し、ソース端子１４と負極側６との間に負荷としてスイッチング電源回路２１を接続している。この場合も、第１の平滑用コンデンサ７の端子間電圧と第２の平滑用コンデンサ８の端子間電圧とのアンバランスのみを補正するように補正抵抗器１７を選べば小型化が達成できる。
【００２３】
本発明の実施の形態３：
図３はＰチャンネルＭＯＳＦＥＴトランジスタを用いた例を示している。
３相交流電源１の各相が、整流用半導体素子２の直列接続部３ｕ・３ｖ・３ｗに入力されている。６個の整流用半導体素子２からなる整流用半導体素子群４の直流出力部の正極側５と負極側６の間には、第１の平滑用コンデンサ７と第２の平滑用コンデンサ８の直列接続回路が接続され、この第１・第２の平滑用コンデンサ７・８の直列接続回路と並列に、第１の抵抗器９と第２の抵抗器１０との直列接続回路が接続されている。この第１の抵抗器９と第２の抵抗器１０との接続部１１には、ＰチャンネルＭＯＳＦＥＴトランジスタ２２のゲート端子２３が接続されている。
ＰチャンネルＭＯＳＦＥＴトランジスタ２２のソース端子２４は、第１・第２の平滑用コンデンサ７・８の接続部１５に接続され、ドレイン端子２５と直流出力部の負極側６の間には、第３の抵抗器としての補正抵抗器１７が接続されている。また、ＰチャンネルＭＯＳＦＥＴトランジスタ２２のソース端子（すなわち平滑用コンデンサ７・８の接続部１５）と直流出力部の正極側５との間には、負荷１８が接続されている。なお、ツェナーダイオード１９はＰチヤンネルＭＯＳＦＥＴトランジスタ２２のゲート端子２３に過電圧が印加される場合にＰチャンネルＭＯＳＦＥＴトランジスタ２２を破損から保護するために設けられ、コンデンサ２０はノイズによりＰチャンネルＭＯＳＦＥＴトランジスタ２２が誤動作することを防ぐために接続されている。
このコンバータ装置において、第１の平滑用コンデンサ７の端子間電圧が第２の平滑用コンデンサの端子間電圧よりも低い場合（常にこのような状態とするために第１の平滑用コンデンサ７に並列に抵抗１８を接続している。）は、平滑用コンデンサ７・８の接続部１５と抵抗器９・１０の接続部１１との間に電位差が生じ、ゲート端子２３とソース端子２４との間に負の電位差が発生し、ＰチャンネルＭＯＳＦＥＴトランジスタ２２が導通状態となる。その結果、第２の平滑用コンデンサ８の端子間電圧を降下させ、アンバランスが解消されるまで自動調整される。第１の平滑用コンデンサ７の端子間電圧が第２の平滑用コンデンサの端子間電圧よりも高くなった場合は、ＰチャンネルＭＯＳＦＥＴトランジスタ２２が不導通であるので、負荷１８により電圧アンバランスがすぐに補正される。ツェナーダイオード１９とコンデンサ２０とは前記と同ような働きをする。
【００２４】
本発明の実施の形態４：
図４は、平滑用コンデンサの負担する電圧アンバランスを補正すると共に、電圧アンバランスが生じたときに負荷としてのインバータ装置の動作を停止させる機能を持ったコンバータ装置の例を示している。
図４において、整流用半導体素子群の直流出力部の正極側５と負極側６との間には、第１の平滑用コンデンサ７と第２の平滑用コンデンサ８との直列接続回路と、第１の抵抗器９と第２の抵抗器１０との直列接続回路が接続されている。
ＮチヤンネルＭＯＳＦＥＴトランジスタ１２のゲート端子１３は前記第１・第２の抵抗器９・１０の直列接続部１１に接続され、ソース端子１４は両平滑用コンデンサ７・８の接続部１５に接続され、ドレイン端子１６と直流出力部の正極側５との間には補正抵抗器１７が接続されている。
この実施の形態では特に整流用半導体素子群の直流出力部の正極側と負極側との間に、負荷としてのインバータ装置２６が接続されている。また、抵抗器１８と一方の電圧検出抵抗器２７の直列接続回路が第２の平滑用コンデンサ８の端子間に接続されているので、この一方の電圧検出抵抗器２７は第２の平滑用コンデンサ８の端子間電圧Ｖ2 に比例する電圧を取り出すことができる。この電圧を第１の電圧検出回路２８で検出し、保護手段２９に出力している。また、高抵抗器３０と他方の電圧検出抵抗器３１との直列接続回路が直流出力部の正極側５と負極側６との間に接続されている。この電圧検出抵抗器３１は第１の平滑用コンデンサ７の端子間電圧Ｖ1 と第２の平滑用コンデンサ８の端子間電圧Ｖ2 の和に相当する全電圧ＶPNに比例する電圧を取り出すことができ、それを第２の電圧検出回路３２によって検出し保護手段２９に出力している。
保護手段２９は、マイクロプロセツサやＡ／Ｄ変換器等を含み、第２の平滑用コンデンサの端子間電圧Ｖ2 と全電圧ＶPNとを入力して、
ＶPN−Ｖ2 ＝Ｖ1 ・・・（１）
式（１）によって全電圧ＶPNと第２の平滑用コンデンサの端子間電圧Ｖ2 との差、すなわち第１の平滑用コンデンサの端子間電圧Ｖ1 を算出する。
そして、Ｖ1 とＶ2 の少なくとも一方の電圧が設定値を越えるとそれを判別し、インバータ装置２６の動作を停止させて、コンバータ装置の二次破壊を防止する。
【００２５】
本発明の実施の形態５：
図５において、３相交流電源１に給電される整流用半導体素子群４の直流出力部の正極側５と負極側６の間には、第１の平滑用コンデンサ７と第２の平滑用コンデンサ８との直列接続回路が接続され、この平滑用コンデンサの直列接続回路と並列に、第１の抵抗器９と第２の抵抗器１０とスイッチング電源回路の起動部３４との直列接続回路が接続されている。ＮチヤンネルＭＯＳＦＥＴトランジスタ１２のゲート端子１３は前記第１・第２の抵抗器の接続部１１に接続され、ソース端子１４は前記第１・第２の平滑用コンデンサの接続部１５に接続されている。また、ドレイン端子１６と正極側５との間には補正抵抗器１７が接続され、ソース端子（すなわち、接続部１５）と負極側６の間には、前記スイッチング電源回路３３の回路が接続されている。このスイッチング電源回路３３の回路を構成するスイッチング素子３５を起動させるスイッチング電源回路起動部３４が前記第１の抵抗器９と第２の抵抗器１０の直列接続回路に直列接続されている。スイッチング素子３５のベース入力側は起動のためのベース電流供給源として高抵抗を必要とする。この実施の形態においては、その高抵抗を前記第１の抵抗器９と第２の抵抗器１０の直列接続回路に代替させるもので、このことにより、コスト安・小型化のコンバータ装置が得られることとなる。なお、ツェナーダイオード１９とコンデンサ２０とは、図１に示したツェナーダイオードとコンデンサと同じ作用をする。
ここで、第１の抵抗器９の抵抗値は第２の抵抗器１０の抵抗値と等しく定められるので、両平滑用コンデンサ７・８の端子間電圧が等しく、平衡している場合は、接続部１１と１５の間の電位差が小さいので、ＮチヤンネルＭＯＳＦＥＴトランジスタ１２は半導通状態のままである。
しかし、第１の平滑用コンデンサ７の端子間電圧が第２の平滑用コンデンサ８の端子間電圧よりも高くなると、接続部１１・１５間に電位差が生じ、ＮチヤンネルＭＯＳＦＥＴトランジスタ１２が導通し、第１の平滑用コンデンサ７の端子間電圧が下がり、平衡状態となるまでＮチヤンネルＭＯＳＦＥＴトランジスタ１２自身の導通状態を自動的に調整する。この場合も、平滑用コンデンサの端子間電圧のみを調整するように、補正抵抗器１７と、負荷とを設定することで消費電力の少ないコンバータ装置を実現できる。そればかりか負荷のスイッチング電源回路との回路の共有化も形成でき、機器の小型化に寄与できる。
【００２６】
本発明の実施の形態６：
図６において、３相交流電源１によって給電される整流用半導体素子群４の直流出力部の正極側５と負極側６の間には、第１の平滑用コンデンサ７と第２の平滑用コンデンサ８との直列接続回路が接続され、この平滑用コンデンサの直列接続回路と並列に、第１の抵抗器９と第２の抵抗器１０との直列接続回路及びスイッチング電源回路３３が接続されている。ＮチヤンネルＭＯＳＦＥＴトランジスタ１２のゲート端子１３は前記第１・第２の抵抗器の接続部１１に接続され、ソース端子１４は前記第１・第２の平滑用コンデンサの接続部１５に接続されている。また、ドレイン端子１６と正極側５との間には補正抵抗器１７が接続され、ソース端子（すなわち、接続部１５）と負極側６の間には、調整抵抗器３６が接続されている。この実施例では、前記スイッチング電源回路駆動部３４によってオンされるスイッチング素子３５を含むスイッチング電源回路３３の回路は、直流出力部の正極側５と負極側６との間に接続されている。なお、ツェナーダイオード１９とコンデンサ２０とは、図１に示したツェナーダイオードとコンデンサと同じ作用をする。
この実施例においては、第１の平滑用コンデンサ７と第２の平滑用コンデンサ８の電圧バランスを、ＮチヤンネルＭＯＳＦＥＴトランジスタ１２と、補正抵抗器１７と、調整抵抗器３６とで補正している。ここで、第１の抵抗器９の抵抗値は第２の抵抗器１０の抵抗値と等しく定められるので、両平滑用コンデンサ７・８の端子間電圧が等しく、平衡している場合は、接続部１１と１５の間の電位差が小さいのでＮチヤンネルＭＯＳＦＥＴトランジスタ１２は半導通状態のままである。
しかし何らかの要因で両平滑用コンデンサの電圧バランスが不平衡となり、第１の平滑用コンデンサ７の端子間電圧が第２の平滑用コンデンサ８の端子間電圧よりも高くなると、接続部１１・１５間に電位差が生じ、ＮチヤンネルＭＯＳＦＥＴトランジスタ１２が導通し、第１の平滑用コンデンサ７の端子間電圧が下がり、平衡状態となるまでＮチヤンネルＭＯＳＦＥＴトランジスタ１２は自身の導通状態を自動的に調整する。この場合も、平滑用コンデンサの端子間電圧のみを調整できるように、補正抵抗器１７と、調整抵抗器３６とを設定することで消費電力の少ないコンバータ装置を実現出来る。
なお、この実施例では、第１の抵抗器９と第２の抵抗器１０とを高抵抗値とすることでスイッチング電源回路３３の起動用抵抗として共用することが可能となる。また、ＰチャンネルＭＯＳＦＥＴトランジスタを用いた回路構成も可能である。
【００２７】
【発明の効果】
以上の通り、この発明によれば、平滑用コンデンサの電圧アンバランスのみを補正するので、小型小容量の電圧アンバランス補正回路を備えたコンバータ装置を提供できる。また、インバータ装置を負荷とする場合の二次破壊を阻止したコンバータ装置を提供できるばかりか、負荷としてのスイッチング電源回路との回路共有化も出来るので、機器の小型安全化に寄与するところ大となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態によるコンバータ装置の接続回路図である。
【図２】本発明の第２の実施の形態によるコンバータ装置の接続回路図である。
【図３】本発明の第３の実施の形態によるコンバータ装置の接続回路図である。
【図４】本発明の第４の実施の形態によるコンバータ装置の接続回路図である。
【図５】本発明の第５の実施の形態によるコンバータ装置の接続回路図である。
【図６】本発明の第６の実施の形態によるコンバータ装置の接続回路図である。
【符号の説明】
１ ３相交流電源
４ 整流用半導体素子群
５ 正極側
６ 負極側
７ 第１の平滑用コンデンサ
８ 第２の平滑用コンデンサ
９ 第１の抵抗器
１０ 第２の抵抗器
１１ 接続部
１２ ＮチャンネルＭＯＳＦＥＴトランジスタ
１３ ゲート端子
１４ ソース端子
１５ 接続部
１６ ドレイン端子
１７ 補正抵抗器
１８ 負荷
２２ ＰチャンネルＭＯＳＦＥＴトランジスタ
２３ ゲート端子
２４ ソース端子
２５ ドレイン端子
２６ インバータ装置
２７ 一方の電圧検出抵抗器
２８ 第１の電圧検出回路
２９ 保護手段
３０ 高抵抗器
３１ 他方の電圧検出抵抗器
３２ 第２の電圧検出回路
３３ スイッチング電源回路
３４ スイッチング電源回路の起動部
３５ 負荷用スイッチング素子
３６ 調整抵抗器
【発明の属する技術分野】
この発明は、交流入力電圧を直流電圧に変換して出力する整流用半導体素子群の直流出力部の正極側と負極側との間に、第１の平滑用コンデンサと第２の平滑用コンデンサの直列接続回路を接続したコンバータ装置に関するもので、特に、前記両平滑用コンデンサの負担する電圧バランスを常に平衡させる機能を持ったコンバータ装置に関する。
この種のコンバータ装置は、従来、映写機器・音響機器・各種コンピュータ機器等の電子機器類、あるいは、複写機・ファン・ブロア・エアコン等のモータドライブコントロール機器類等の電源として好適に用いられている。
【０００２】
【従来の技術】
交流入力電圧を直流電圧に変換する整流用半導体素子群の直流出力部の正極側と負極側との間に、第１の平滑用コンデンサと第２の平滑用コンデンサとの直列接続回路を接続したコンバータ装置においては、直列接続した第１・第２の平滑用コンデンサの固有の漏れ電流によって、第１・第２の平滑用コンデンサに印加される電圧のバランスが崩れ、直列接続した平滑用コンデンサのいずれか一方に定格値よりも大きな電圧が印加される状態となり、高電圧が印加された平滑用コンデンサを破壊に追いやる場合が多かった。
また、直列接続した第１・第２の平滑用コンデンサの負極側の平滑用コンデンサに負荷を接続して使用した場合、負極側の平滑用コンデンサの電圧負担が急激に低下し、それによって正極側の平滑用コンデンサの電圧負担が上昇して、電圧値のアンバランスが急激に大きくなり、正極側の平滑用コンデンサの負担電圧が定格値を超過してしまい、破壊に至る場合もあった。
【０００３】
このような不都合を解決するため、従来は、直列接続した第１・第２の平滑用コンデンサと並列に電圧値のアンバランスを常時解消するような抵抗器を接続していた。しかし、上記の抵抗器では直列接続した第１・第２の平滑用コンデンサの電圧アンバランスを解消するような電流が常時流れてしまうため、抵抗器で消費される電力損失が大きくなってしまう。このため、抵抗器の形状も大きくなり、さらにこの抵抗器が第１・第２の平滑用コンデンサに近接して配設されると、平滑用コンデンサの劣化時間も短くなり、負担電圧値のアンバランスがより大きくなってしまった。
【０００４】
この状態を解消するため、例えば、特開昭６１−７６０６９号公報に記載の発明においては、第１の平滑用コンデンサと第２の平滑用コンデンサとの直列接続回路の第１の平滑用コンデンサの正極側と、第２の平滑用コンデンサの負極側との間に第１の負荷を接続し、第２の平滑用コンデンサの正極側と負極側の間に第２の負荷を接続して、直列接続した第１・第２の平滑用コンデンサの接続部に流入電流検出回路を設け、第２の負荷が接続されない第１の平滑用コンデンサと並列に流入電流検出回路の信号を受けて動作する半導体素子とダミー抵抗器とで電圧アンバランスを補正する回路を形成し、両平滑用コンデンサの接続部に流入する電流が零または少量であるときは電圧アンバランス補正回路は動作せず、回路は切り放されているが、第２の負荷に電力供給があると両平滑用コンデンサの接続部への流入電流を検出して第２の負荷が接続されていない側の第１の平滑用コンデンサと並列にダミー抵抗器を接続するよう半導体素子が動作し、直列接続した第１・第２の平滑用コンデンサの負荷電流を制御することで比較的小電力で電圧バランスの補正を行っていた。
【０００５】
また、特公昭６２−１７９５９号公報に記載の発明によると、交流入力電圧を直流電圧に変換する整流用半導体素子群の直流出力部の正極側と負極側との間に第１の平滑用コンデンサと第２の平滑用コンデンサとの直列接続回路を接続し、これと並列に第１・第２の主スイッチング用半導体素子の直列接続回路を接続して構成した４００ボルトを越える高電圧回路において、平滑用コンデンサの定格電圧値を超えずに使用可能であるが、直列接続した第１・第２の主スイッチング用半導体素子の何れか一方にターンオフの遅れが生ずると、第１または第２の主スイッチング用半導体素子の一方に高電圧が印加され、主スイッチング用半導体素子の電圧定格値を越えて破壊に至った。直列接続した第１・第２の主スイッチング用半導体素子の接続部と、この半導体素子と並列に接続された第１・第２の平滑用コンデンサの直列接続回路の接続部とを連結してやれば、上記ターンオフの遅れによる高電圧を第１もしくは第２の平滑用コンデンサに分担させて上記第１・第２の主スイッチング用半導体素子の電圧破壊を防止すること可能である。
【０００６】
しかしながら、上記高電圧が直列接続した第１・第２の平滑用コンデンサの何れか一方に印加されてその定格値を越えると、その平滑用コンデンサは電圧破壊に至る。直列接続した第１・第２の平滑用コンデンサの何れか一方に印加される高電圧は、直列接続した第１・第２の主スイッチング用半導体素子の何れか一方のターンオフの遅れ時間に発生するので、上記遅れ時間の間に印加される高電圧を補正してやれば平滑用コンデンサの電圧破壊を防止できる。前記のごとく、電圧アンバランスを常時解消するような抵抗器を用いて、直列接続した第１・第２の平滑用コンデンサの何れか一方に印加される高電圧を補正させれば良いが、前記と同ように、直列接続した第１・第２の平滑用コンデンサの電圧アンバランスを解消するような電流が常時抵抗器に流れているので、消費される電力損失が大きくなる。
【０００７】
直列接続した第１・第２の平滑用コンデンサの何れか一方に印加される高電圧によって生じる電圧アンバランスで動作する半導体素子と抵抗器とを直列接続し、半導体素子（この場合ＮＰＮトランジスタ）のエミッタを直列接続した第１・第２の平滑用コンデンサの接続部に接続し、整流用半導体素子群の直流出力部の正極側と負極側との間に接続した２個の抵抗器の直列接続回路の接続部に該ＮＰＮトランジスタのベースを接続し、直列接続した２個の抵抗器の電圧バランス差によって上記半導体がオンし、半導体素子と直列接続した抵抗器でターンオフの遅れ時間に発生する高電圧を補正する。また、上記直列接続した第１・第２の平滑用コンデンサの接続部に半導体素子（この場合ＰＮＰトランジスタ）のエミッタ側を接続し、コレクタ側に抵抗器を接続し、その抵抗器の他端を整流用半導体素子群の直流出力部の負極側に接続する。直列接続した２個の抵抗器の接続部と上記ＰＮＰトランジスタのベースとを接続して第２の平滑用コンデンサの電圧バランスを補正していた。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
上記の通り、従来のコンバータ装置においては、直列接続した第１・第２の平滑用コンデンサの電圧定格値異常による破壊を防ぐため、第１・第２の平滑用コンデンサの直列接続回路と並列に電圧値のアンバランスを常時解消するような抵抗器を接続していた。しかしながら、この抵抗器には直列接続した第１・第２の平滑用コンデンサの電圧アンバランスを解消するような電流が常時流れ、しかも交流入力電圧を直流電圧に変換する整流用半導体素子群の直流出力部の正極側と負荷側との間に接続されているため、消耗される電力損失が大きいので抵抗器の形状も大きくなり、直列接続した第１・第２の平滑用コンデンサの近傍に上記の抵抗器を配設すると抵抗器の発生する熱によって平滑用コンデンサが劣化してしまい、さらに電圧アンバランスをもたらしていた。また、電圧値のアンバランスを解消するために接続した抵抗器のみでは消費電力損失が大きいので、消費電力損失を少なくするために、直列接続した第１・第２の平滑用コンデンサの接続部に流入する電流もしくは電圧を検出する装置の付加が必要になり、その制御もしなければならなかった。
【０００９】
そこでこの発明は、直列接続した第１・第２の平滑用コンデンサの電圧アンバランスを解消するために用いる抵抗器の電力消費を最小にすると共に、直列接続した第１・第２の平滑用コンデンサの接続部に流入する電流もしくは電圧の検出、並びに第１・第２の平滑用コンデンサの電圧値異常を検出する手段を付加することなしに、平滑用コンデンサの電圧アンバランスのみを補正することで装置を小型化することを目的とするものである。
また、この発明はコンバータ装置の負荷としてインバータ装置が接続された場合のコンバータ装置の異常時においてインバータ装置動作による二次破壊を防止するコンバータ装置を提供することを目的とするものである。
さらにこの発明は、負荷として接続されるスイッチング電源回路内の一部の回路部品をコンバータ装置内の一部の回路部品と兼用できるコスト安・小型化のコンバータ装置を提供することを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
このような目的を達するために、この発明によれば、交流入力電圧を直流電圧に変換する整流用半導体素子群の直流出力部の正極側と負極側との間に、第１の平滑用コンデンサと第２の平滑用コンデンサとの直列接続回路を接続したコンバータ装置において、前記第１の平滑用コンデンサと第２の平滑用コンデンサとの直列接続回路と並列に接続される第１の抵抗器と第２の抵抗器との直列接続回路と、１入力端子と２出力端子を有する半導体スイッチング素子であって、前記第１の抵抗器と第２の抵抗器との接続部に前記入力端子が接続され、前記第１の平滑用コンデンサと第２の平滑用コンデンサとの接続部に一方の出力端子が接続される半導体スイッチング素子と、該半導体スイッチング素子の他方の出力端子と前記直流出力部の正極側との間に接続される第３の抵抗器と、および、前記半導体スイッチング素子の一方の出力端子と前記直流出力部の負極側との間に接続される負荷と、を備えることを特徴としている。
【００１１】
また、請求項２記載の発明によれば、交流入力電圧を直流電圧に変換する整流用半導体素子群の直流出力部の正極側と負極側との間に、第１の平滑用コンデンサと第２の平滑用コンデンサとの直列接続回路を接続したコンバータ装置において、前記第１の平滑用コンデンサと第２の平滑用コンデンサとの直列接続回路と並列に接続される第１の抵抗器と第２の抵抗器との直列接続回路と、１入力端子と２出力端子を有する半導体スイッチング素子であって、前記第１の抵抗器と第２の抵抗器との接続部に前記入力端子が接続され、前記第１の平滑用コンデンサと第２の平滑用コンデンサとの接続部に一方の出力端子が接続される半導体スイッチング素子と、該半導体スイッチング素子の他方の出力端子と前記直流出力部の負極側との間に接続される第３の抵抗器と、および、前記第１の平滑用コンデンサと第２の平滑用コンデンサとの接続部と前記直流出力部の正極側との間に接続される負荷と、を備えることを特徴としている。
【００１２】
さらに、請求項３記載の発明によれば、交流入力電圧を直流電圧に変換する整流用半導体素子群の直流出力部の正極側と負極側との間に、正極側に配置した第１の平滑用コンデンサと負極側に配置した第２の平滑用コンデンサとの直列接続回路を接続したコンバータ部と、前記直流出力部の正極側と負極側との間に接続したスイッチング電源回路部を備えるコンバータシステム装置において、
前記第１の平滑用コンデンサと第２の平滑用コンデンサとの直列接続回路と並列に、第１の抵抗器と第２の抵抗器との抵抗直列接続回路とスイッチング電源回路が接続され、前記抵抗直列接続回路が前記スイッチング電源回路部の起動用抵抗を兼ね、１入力端子と２出力端子を有する半導体スイッチング素子であって、前記第１の抵抗器と第２の抵抗器との接続部に前記入力端子が接続され、前記第１の平滑用コンデンサと第２の平滑用コンデンサとの接続部に一方の出力端子が接続される半導体スイッチング素子と、該半導体スイッチング素子の他方の出力端子と前記直流出力部の正極側との間に接続される第３の抵抗器と、前記第１の平滑用コンデンサと第２の平滑用コンデンサとの接続部と前記直流出力部の負極側との間に接続される負荷を備えることを特徴としている。
【００１３】
さらに、請求項４記載の発明によれば、交流入力電圧を直流電圧に変換する整流用半導体素子群の直流出力部の正極側と負極側との間に、正極側に配置した第１の平滑用コンデンサと負極側に配置した第２の平滑用コンデンサとの直列接続回路を接続したコンバータ部と、前記直流出力部の正極側と負極側との間に接続されるインバータ部を備えたコンバータシステム装置において、前記第１の平滑用コンデンサと第２の平滑用コンデンサとの直列接続回路と並列に接続される第１の抵抗器と第２の抵抗器との直列接続回路と、１入力端子と２出力端子を有する半導体スイッチング素子であって、前記第１の抵抗器と第２の抵抗器との接続部に前記入力端子が接続され、前記第１の平滑用コンデンサと第２の平滑用コンデンサとの接続部に一方の出力端子が接続される半導体スイッチング素子と、該半導体スイッチング素子の他方の出力端子と前記直流出力部の正極側との間に接続される第３の抵抗器と、前記第１の平滑用コンデンサと第２の平滑用コンデンサとの接続部と前記直流出力部の負極側との間に接続される負荷を備えることを特徴としている。
【００１４】
そして、請求項５記載の発明によれば、請求項４記載のコンバータシステム装置において、前記第１の平滑用コンデンサまたは第２の平滑用コンデンサの端子間電圧が所定値を越えるとインバータ部動作を停止させる保護手段を備えたことを特徴としている。
【００１５】
以上のように、この発明のコンバータ装置においては、交流入力電圧を直流電圧に変換する整流用半導体素子群の直流出力部の正極側と負極側との間に接続された直列接続した第１・第２の平滑用コンデンサの電圧バランスが、第２の平滑用コンデンサの電圧値よりも第１の平滑用コンデンサの電圧値のほうが常に大きくなる不平衡状態となるように前記半導体スイッチング素子の１方の出力端子と前記直流出力部の負極側との間に接続した負荷により設定し、前記直流出力部の正極側と負極側との間に接続された直列接続の第１の抵抗器と第２の抵抗器のそれぞれの抵抗値を同じ値の抵抗値としておき、この両抵抗器の直列接続部を半導体スイッチング素子のオン信号入力端子に接続し、両平滑用コンデンサの直列接続部を前記半導体スイッチング素子の一方の出力端子に接続しておくので、オン信号入力端子と一方の出力端子との間に正の電位差が生じ、それによって半導体スイッチング素子が導通状態となり、この半導体スイッチング素子の他方の出力端子と前記直流出力部の正極側との間に接続された補正抵抗器に電流を流して前記第１の平滑用コンデンサの端子間電圧を下げ、結果としてアンバランス電圧のみを補正抵抗器で補正するように半導体スイッチング素子が動作する。これにより、直列接続した第１・第２の平滑用コンデンサの接続部に流入する電流もしくは電圧の検出手段、並びに、第１・第２の平滑用コンデンサの電圧値異常を検出する手段を付加すること無しに、直列接続した第１・第２の平滑用コンデンサの電圧バランスを常に平衡させることが可能となる。
【００１６】
また、第１の平滑用コンデンサと第２の平滑用コンテンサの負担電圧が該半導体スイッチング素子の導通動作により等しくなった場合は、半導体スイッチング素子の一方の出力端子とオン信号入力端子との間の電位差が小さくなるので、半導体スイッチング素子は半導通状態となって前記の等しくなった状態を維持する。
かくして、予想される電圧上昇および平滑用コンデンサの漏れ電流のみを補正するように半導体スイッチング素子と第１・第２の抵抗器、前記半導体スイッチング素子の１方の出力端子と前記直流出力部の負極側との間に接続された負荷、並びに補正抵抗器を選択することで小容量化・小型化が可能となる。
【００１７】
コンバータ装置の半導体スイッチング素子の短絡や断線によって直列接続した第１・第２の平滑用コンテンサの電圧バランスが崩れた場合には、平滑用コンデンサと並列状態に接続された負荷としてのインバータ装置が停止状態にあるときは、設定された第１・第２の抵抗器、前記半導体スイッチング素子の１方の出力端子と前記直流出力部の負極側（請求項２記載のコンバータ装置においては正極側）との間に接続される負荷、補正抵抗器の抵抗値によって両平滑用コンデンサの端子間電圧が決定されるので、この決定された電圧が平滑用コンデンサの定格電圧を越えないようにこれらの値を設定してやれば、半導体スイッチング素子の異常時でも、インバータ装置を停止することによって平滑用コンデンサが保護される。しかしながら、インバータ装置が動作状態にあるときは、前記各値の適正設定にもかかわらず、平滑用コンデンサの端子間電圧が定格値を越えて破壊に至らないとは限らない。そこで、本発明においては、直列接続された第１・第２の平滑用コンデンサのそれぞれの端子間電圧を検出する第１の電圧検出回路と第２の電圧検出回路を設け、これらの電圧検出回路により検出した両平滑用コンデンサの端子間電圧の少なくとも一方の端子間電圧値が設定値を越えた場合にインバータ装置を停止する保護手段を設けることで、二次破壊を防いでいる。
【００１８】
このコンバータ装置の負荷にスイッチング電源回路を含んでいるような場合には、第１の抵抗器と第２の抵抗器との両抵抗器の抵抗値の和を選定して、スイッチング電源回路の起動用抵抗として共有できる。かくして、コンバータ装置の負荷用の第１・第２の抵抗器を負荷であるスイッチング電源回路の起動用抵抗として共有化できるので小型化が可能となる。
【００１９】
【発明の実施の形態】
本発明の実施の形態１：
図１は本発明の第１の実施の形態によるコンバータ装置の接続回路図である。３相交流電源１の各相が、整流用半導体素子２の直列接続部３ｕ・３ｖ・３ｗに入力されている。６個の整流用半導体素子２からなる整流用半導体素子群４の直流出力部の正極側５と負極側６の間には、第１の平滑用コンデンサ７と第２の平滑用コンデンサ８との直列接続回路が接続され、この第１・第２の平滑用コンデンサ７・８の直列接続回路と並列に、第１の抵抗器９と第２の抵抗器１０との直列接続回路が接続されている。この第１の抵抗器９と第２の抵抗器１０との接続部１１には、ＮチャンネルＭＯＳＦＥＴトランジスタ１２のゲート端子１３が接続されている。このＮチャンネルＭＯＳＦＥＴトランジスタ１２は出力端子がソース端子とドレイン端子の２つあって、一方の出力端子であるソース端子１４は、第１・第２の平滑用コンデンサ７・８の接続部１５に接続され、他方の出力端子であるドレイン端子１６と直流出力部の正極側５の間には第３の抵抗器である補正抵抗器１７が接続されている。また、平滑用コンデンサ７・８の接続部１５と、直流出力部の負極側６との間には負荷１８が接続されている。なお、ツェナーダイオード１９はＮチャンネルＭＯＳＦＥＴトランジスタ１２のゲート端子１３に過電圧が印加された場合にＮチャンネルＭＯＳＦＥＴトランジスタ１２を破損から保護するために設けられ、コンデンサ２０はノイズによりＮチャンネルＭＯＳＦＥＴトランジスタ１２が誤動作することを防ぐために接続されている。
【００２０】
このコンバータ装置において、第１・第２の抵抗器９・１０は等しい抵抗値に設定されているので、第１の平滑用コンデンサ７と第２の平滑用コンデンサ８の電圧バランスが平衡状態にあるときは、ゲート端子１３とソース端子１４との間には電位差が小さいので、ＮチャンネルＭＯＳＦＥＴトランジスタ１２は半導通状態となって電圧バランスの平衡状態を維持する。
【００２１】
第１の平滑用コンデンサ７の端子間電圧が第２の平滑用コンデンサ８の端子間電圧よりも高い場合（常にこのような状態とするために第２の平滑用コンデンサ８に並列に抵抗１８を接続している。）は、接続部１１・１５間に電位差が生じ、すなわちＮチャンネルＭＯＳＦＥＴトランジスタ１２のゲート端子１３に正の電位差が生じてＮチャンネルＭＯＳＦＥＴトランジスタ１２が導通状態となり、補正抵抗器１７及びＮチャンネルＭＯＳＦＥＴトランジスタ１２を流れる電流により第１の平滑用コンデンサ７の端子間電圧を下げて両コンデンサ７・８の端子間電圧が平衡するまでこのようなＮチャンネルＭＯＳＦＥＴトランジスタ１２の導通動作により自動調整する。この場合、第１の平滑用コンデンサ７と第２の平滑用コンデンサ８との端子間電圧の電圧アンバランスのみを補正できるように補正抵抗器１７と負荷（又は抵抗器）１８の抵抗値を設定することで消費電力の少ない装置が実現できる。
また、第１の平滑用コンデンサ７の端子間電圧が第２の平滑用コンデンサ８の端子間電圧よりも低い場合には、ＮチャンネルＭＯＳＦＥＴトランジスタ１２は不導通であり、補正抵抗器１７は無効であるので、この場合の電圧差は負荷（又は抵抗器）１８により第２の平滑用コンデンサ８の端子間電圧が下げられるのですぐに解消される。
【００２２】
本発明の実施の形態２：
図２は、本発明の実施の形態１のコンバータ装置の負荷１８として、スイッチング電源回路２１を接続した例を示している。スイッチング電源回路２１自体は公知の回路でよい。例えば、出力電圧を電圧検出回路で常時検出し、出力電圧が所定値以下になったとき制御回路に出力してスイッチング素子をオンにし、第２の平滑用コンデンサ８からトランスを介して電力を受け、出力電圧が所定値に達したとき、スイッチング素子をオフにするものである。
図２において、３相交流電源１より交流を入力する整流用半導体素子群４の直流出力部の正極側５と負極側６との間に、第１の平滑用コンデンサ７と第２の平滑用コンデンサ８の直列接続回路と、第１の抵抗器９と第２の抵抗器１０との直列接続回路とを接続し、ＮチヤンネルＭＯＳＦＥＴトランジスタ１２のゲート端子１３を接続部１１に接続し、ソース端子１４を接続部１５に接続し、ドレイン端子１６と正極側５との間に第３の抵抗器としての補正抵抗器１７を接続し、ソース端子１４と負極側６との間に負荷としてスイッチング電源回路２１を接続している。この場合も、第１の平滑用コンデンサ７の端子間電圧と第２の平滑用コンデンサ８の端子間電圧とのアンバランスのみを補正するように補正抵抗器１７を選べば小型化が達成できる。
【００２３】
本発明の実施の形態３：
図３はＰチャンネルＭＯＳＦＥＴトランジスタを用いた例を示している。
３相交流電源１の各相が、整流用半導体素子２の直列接続部３ｕ・３ｖ・３ｗに入力されている。６個の整流用半導体素子２からなる整流用半導体素子群４の直流出力部の正極側５と負極側６の間には、第１の平滑用コンデンサ７と第２の平滑用コンデンサ８の直列接続回路が接続され、この第１・第２の平滑用コンデンサ７・８の直列接続回路と並列に、第１の抵抗器９と第２の抵抗器１０との直列接続回路が接続されている。この第１の抵抗器９と第２の抵抗器１０との接続部１１には、ＰチャンネルＭＯＳＦＥＴトランジスタ２２のゲート端子２３が接続されている。
ＰチャンネルＭＯＳＦＥＴトランジスタ２２のソース端子２４は、第１・第２の平滑用コンデンサ７・８の接続部１５に接続され、ドレイン端子２５と直流出力部の負極側６の間には、第３の抵抗器としての補正抵抗器１７が接続されている。また、ＰチャンネルＭＯＳＦＥＴトランジスタ２２のソース端子（すなわち平滑用コンデンサ７・８の接続部１５）と直流出力部の正極側５との間には、負荷１８が接続されている。なお、ツェナーダイオード１９はＰチヤンネルＭＯＳＦＥＴトランジスタ２２のゲート端子２３に過電圧が印加される場合にＰチャンネルＭＯＳＦＥＴトランジスタ２２を破損から保護するために設けられ、コンデンサ２０はノイズによりＰチャンネルＭＯＳＦＥＴトランジスタ２２が誤動作することを防ぐために接続されている。
このコンバータ装置において、第１の平滑用コンデンサ７の端子間電圧が第２の平滑用コンデンサの端子間電圧よりも低い場合（常にこのような状態とするために第１の平滑用コンデンサ７に並列に抵抗１８を接続している。）は、平滑用コンデンサ７・８の接続部１５と抵抗器９・１０の接続部１１との間に電位差が生じ、ゲート端子２３とソース端子２４との間に負の電位差が発生し、ＰチャンネルＭＯＳＦＥＴトランジスタ２２が導通状態となる。その結果、第２の平滑用コンデンサ８の端子間電圧を降下させ、アンバランスが解消されるまで自動調整される。第１の平滑用コンデンサ７の端子間電圧が第２の平滑用コンデンサの端子間電圧よりも高くなった場合は、ＰチャンネルＭＯＳＦＥＴトランジスタ２２が不導通であるので、負荷１８により電圧アンバランスがすぐに補正される。ツェナーダイオード１９とコンデンサ２０とは前記と同ような働きをする。
【００２４】
本発明の実施の形態４：
図４は、平滑用コンデンサの負担する電圧アンバランスを補正すると共に、電圧アンバランスが生じたときに負荷としてのインバータ装置の動作を停止させる機能を持ったコンバータ装置の例を示している。
図４において、整流用半導体素子群の直流出力部の正極側５と負極側６との間には、第１の平滑用コンデンサ７と第２の平滑用コンデンサ８との直列接続回路と、第１の抵抗器９と第２の抵抗器１０との直列接続回路が接続されている。
ＮチヤンネルＭＯＳＦＥＴトランジスタ１２のゲート端子１３は前記第１・第２の抵抗器９・１０の直列接続部１１に接続され、ソース端子１４は両平滑用コンデンサ７・８の接続部１５に接続され、ドレイン端子１６と直流出力部の正極側５との間には補正抵抗器１７が接続されている。
この実施の形態では特に整流用半導体素子群の直流出力部の正極側と負極側との間に、負荷としてのインバータ装置２６が接続されている。また、抵抗器１８と一方の電圧検出抵抗器２７の直列接続回路が第２の平滑用コンデンサ８の端子間に接続されているので、この一方の電圧検出抵抗器２７は第２の平滑用コンデンサ８の端子間電圧Ｖ2 に比例する電圧を取り出すことができる。この電圧を第１の電圧検出回路２８で検出し、保護手段２９に出力している。また、高抵抗器３０と他方の電圧検出抵抗器３１との直列接続回路が直流出力部の正極側５と負極側６との間に接続されている。この電圧検出抵抗器３１は第１の平滑用コンデンサ７の端子間電圧Ｖ1 と第２の平滑用コンデンサ８の端子間電圧Ｖ2 の和に相当する全電圧ＶPNに比例する電圧を取り出すことができ、それを第２の電圧検出回路３２によって検出し保護手段２９に出力している。
保護手段２９は、マイクロプロセツサやＡ／Ｄ変換器等を含み、第２の平滑用コンデンサの端子間電圧Ｖ2 と全電圧ＶPNとを入力して、
ＶPN−Ｖ2 ＝Ｖ1 ・・・（１）
式（１）によって全電圧ＶPNと第２の平滑用コンデンサの端子間電圧Ｖ2 との差、すなわち第１の平滑用コンデンサの端子間電圧Ｖ1 を算出する。
そして、Ｖ1 とＶ2 の少なくとも一方の電圧が設定値を越えるとそれを判別し、インバータ装置２６の動作を停止させて、コンバータ装置の二次破壊を防止する。
【００２５】
本発明の実施の形態５：
図５において、３相交流電源１に給電される整流用半導体素子群４の直流出力部の正極側５と負極側６の間には、第１の平滑用コンデンサ７と第２の平滑用コンデンサ８との直列接続回路が接続され、この平滑用コンデンサの直列接続回路と並列に、第１の抵抗器９と第２の抵抗器１０とスイッチング電源回路の起動部３４との直列接続回路が接続されている。ＮチヤンネルＭＯＳＦＥＴトランジスタ１２のゲート端子１３は前記第１・第２の抵抗器の接続部１１に接続され、ソース端子１４は前記第１・第２の平滑用コンデンサの接続部１５に接続されている。また、ドレイン端子１６と正極側５との間には補正抵抗器１７が接続され、ソース端子（すなわち、接続部１５）と負極側６の間には、前記スイッチング電源回路３３の回路が接続されている。このスイッチング電源回路３３の回路を構成するスイッチング素子３５を起動させるスイッチング電源回路起動部３４が前記第１の抵抗器９と第２の抵抗器１０の直列接続回路に直列接続されている。スイッチング素子３５のベース入力側は起動のためのベース電流供給源として高抵抗を必要とする。この実施の形態においては、その高抵抗を前記第１の抵抗器９と第２の抵抗器１０の直列接続回路に代替させるもので、このことにより、コスト安・小型化のコンバータ装置が得られることとなる。なお、ツェナーダイオード１９とコンデンサ２０とは、図１に示したツェナーダイオードとコンデンサと同じ作用をする。
ここで、第１の抵抗器９の抵抗値は第２の抵抗器１０の抵抗値と等しく定められるので、両平滑用コンデンサ７・８の端子間電圧が等しく、平衡している場合は、接続部１１と１５の間の電位差が小さいので、ＮチヤンネルＭＯＳＦＥＴトランジスタ１２は半導通状態のままである。
しかし、第１の平滑用コンデンサ７の端子間電圧が第２の平滑用コンデンサ８の端子間電圧よりも高くなると、接続部１１・１５間に電位差が生じ、ＮチヤンネルＭＯＳＦＥＴトランジスタ１２が導通し、第１の平滑用コンデンサ７の端子間電圧が下がり、平衡状態となるまでＮチヤンネルＭＯＳＦＥＴトランジスタ１２自身の導通状態を自動的に調整する。この場合も、平滑用コンデンサの端子間電圧のみを調整するように、補正抵抗器１７と、負荷とを設定することで消費電力の少ないコンバータ装置を実現できる。そればかりか負荷のスイッチング電源回路との回路の共有化も形成でき、機器の小型化に寄与できる。
【００２６】
本発明の実施の形態６：
図６において、３相交流電源１によって給電される整流用半導体素子群４の直流出力部の正極側５と負極側６の間には、第１の平滑用コンデンサ７と第２の平滑用コンデンサ８との直列接続回路が接続され、この平滑用コンデンサの直列接続回路と並列に、第１の抵抗器９と第２の抵抗器１０との直列接続回路及びスイッチング電源回路３３が接続されている。ＮチヤンネルＭＯＳＦＥＴトランジスタ１２のゲート端子１３は前記第１・第２の抵抗器の接続部１１に接続され、ソース端子１４は前記第１・第２の平滑用コンデンサの接続部１５に接続されている。また、ドレイン端子１６と正極側５との間には補正抵抗器１７が接続され、ソース端子（すなわち、接続部１５）と負極側６の間には、調整抵抗器３６が接続されている。この実施例では、前記スイッチング電源回路駆動部３４によってオンされるスイッチング素子３５を含むスイッチング電源回路３３の回路は、直流出力部の正極側５と負極側６との間に接続されている。なお、ツェナーダイオード１９とコンデンサ２０とは、図１に示したツェナーダイオードとコンデンサと同じ作用をする。
この実施例においては、第１の平滑用コンデンサ７と第２の平滑用コンデンサ８の電圧バランスを、ＮチヤンネルＭＯＳＦＥＴトランジスタ１２と、補正抵抗器１７と、調整抵抗器３６とで補正している。ここで、第１の抵抗器９の抵抗値は第２の抵抗器１０の抵抗値と等しく定められるので、両平滑用コンデンサ７・８の端子間電圧が等しく、平衡している場合は、接続部１１と１５の間の電位差が小さいのでＮチヤンネルＭＯＳＦＥＴトランジスタ１２は半導通状態のままである。
しかし何らかの要因で両平滑用コンデンサの電圧バランスが不平衡となり、第１の平滑用コンデンサ７の端子間電圧が第２の平滑用コンデンサ８の端子間電圧よりも高くなると、接続部１１・１５間に電位差が生じ、ＮチヤンネルＭＯＳＦＥＴトランジスタ１２が導通し、第１の平滑用コンデンサ７の端子間電圧が下がり、平衡状態となるまでＮチヤンネルＭＯＳＦＥＴトランジスタ１２は自身の導通状態を自動的に調整する。この場合も、平滑用コンデンサの端子間電圧のみを調整できるように、補正抵抗器１７と、調整抵抗器３６とを設定することで消費電力の少ないコンバータ装置を実現出来る。
なお、この実施例では、第１の抵抗器９と第２の抵抗器１０とを高抵抗値とすることでスイッチング電源回路３３の起動用抵抗として共用することが可能となる。また、ＰチャンネルＭＯＳＦＥＴトランジスタを用いた回路構成も可能である。
【００２７】
【発明の効果】
以上の通り、この発明によれば、平滑用コンデンサの電圧アンバランスのみを補正するので、小型小容量の電圧アンバランス補正回路を備えたコンバータ装置を提供できる。また、インバータ装置を負荷とする場合の二次破壊を阻止したコンバータ装置を提供できるばかりか、負荷としてのスイッチング電源回路との回路共有化も出来るので、機器の小型安全化に寄与するところ大となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態によるコンバータ装置の接続回路図である。
【図２】本発明の第２の実施の形態によるコンバータ装置の接続回路図である。
【図３】本発明の第３の実施の形態によるコンバータ装置の接続回路図である。
【図４】本発明の第４の実施の形態によるコンバータ装置の接続回路図である。
【図５】本発明の第５の実施の形態によるコンバータ装置の接続回路図である。
【図６】本発明の第６の実施の形態によるコンバータ装置の接続回路図である。
【符号の説明】
１ ３相交流電源
４ 整流用半導体素子群
５ 正極側
６ 負極側
７ 第１の平滑用コンデンサ
８ 第２の平滑用コンデンサ
９ 第１の抵抗器
１０ 第２の抵抗器
１１ 接続部
１２ ＮチャンネルＭＯＳＦＥＴトランジスタ
１３ ゲート端子
１４ ソース端子
１５ 接続部
１６ ドレイン端子
１７ 補正抵抗器
１８ 負荷
２２ ＰチャンネルＭＯＳＦＥＴトランジスタ
２３ ゲート端子
２４ ソース端子
２５ ドレイン端子
２６ インバータ装置
２７ 一方の電圧検出抵抗器
２８ 第１の電圧検出回路
２９ 保護手段
３０ 高抵抗器
３１ 他方の電圧検出抵抗器
３２ 第２の電圧検出回路
３３ スイッチング電源回路
３４ スイッチング電源回路の起動部
３５ 負荷用スイッチング素子
３６ 調整抵抗器
Claims (5)
- 交流入力電圧を直流電圧に変換する整流用半導体素子群の直流出力部の正極側と負極側との間に、正極側に配置した第１の平滑用コンデンサと負極側に配置した第２の平滑用コンデンサとの直列接続回路を接続したコンバータ装置において、
前記第１の平滑用コンデンサと第２の平滑用コンデンサとの直列接続回路と並列に接続される第１の抵抗器と第２の抵抗器との直列接続回路と、
１入力端子と２出力端子を有する半導体スイッチング素子であって、前記第１の抵抗器と第２の抵抗器との接続部に前記入力端子が接続され、前記第１の平滑用コンデンサと第２の平滑用コンデンサとの接続部に一方の出力端子が接続される半導体スイッチング素子と、
該半導体スイッチング素子の他方の出力端子と前記直流出力部の正極側との間に接続される第３の抵抗器と、
前記第１の平滑用コンデンサと第２の平滑用コンデンサとの接続部と前記直流出力部の負極側との間に接続される負荷と、を備えることを特徴とするコンバータ装置。 - 交流入力電圧を直流電圧に変換する整流用半導体素子群の直流出力部の正極側と負極側との間に、正極側に配置した第１の平滑用コンデンサと負極側に配置した第２の平滑用コンデンサとの直列接続回路を接続したコンバータ装置において、
前記第１の平滑用コンデンサと第２の平滑用コンデンサとの直列接続回路と並列に接続される第１の抵抗器と第２の抵抗器との直列接続回路と、
１入力端子と２出力端子を有する半導体スイッチング素子であって、前記第１の抵抗器と第２の抵抗器との接続部に前記入力端子が接続され、前記第１の平滑用コンデンサと第２の平滑用コンデンサとの接続部に一方の出力端子が接続される半導体スイッチング素子と、
該半導体スイッチング素子の他方の出力端子と前記直流出力部の負極側との間に接続される第３の抵抗器と、
前記第１の平滑用コンデンサと第２の平滑用コンデンサとの接続部と前記直流出力部の正極側との間に接続される負荷と、を備えることを特徴とするコンバータ装置。 - 交流入力電圧を直流電圧に変換する整流用半導体素子群の直流出力部の正極側と負極側との間に、正極側に配置した第１の平滑用コンデンサと負極側に配置した第２の平滑用コンデンサとの直列接続回路を接続したコンバータ部と、前記直流出力部の正極側と負極側との間に接続したスイッチング電源回路部を備えるコンバータシステム装置において、
前記第１の平滑用コンデンサと第２の平滑用コンデンサとの直列接続回路と並列に、第１の抵抗器と第２の抵抗器との抵抗直列接続回路とスイッチング電源回路が接続され、前記抵抗直列接続回路が前記スイッチング電源回路部の起動用抵抗を兼ね、
１入力端子と２出力端子を有する半導体スイッチング素子であって、前記第１の抵抗器と第２の抵抗器との接続部に前記入力端子が接続され、前記第１の平滑用コンデンサと第２の平滑用コンデンサとの接続部に一方の出力端子が接続される半導体スイッチング素子と、
該半導体スイッチング素子の他方の出力端子と前記直流出力部の正極側との間に接続される第３の抵抗器と、
前記第１の平滑用コンデンサと第２の平滑用コンデンサとの接続部と前記直流出力部の負極側との間に接続される負荷を備えることを特徴とするコンバータシステム装置。 - 交流入力電圧を直流電圧に変換する整流用半導体素子群の直流出力部の正極側と負極側との間に、正極側に配置した第１の平滑用コンデンサと負極側に配置した第２の平滑用コンデンサとの直列接続回路を接続したコンバータ部と、前記直流出力部の正極側と負極側との間に接続されるインバータ部を備えたコンバータシステム装置において、
前記第１の平滑用コンデンサと第２の平滑用コンデンサとの直列接続回路と並列に接続される第１の抵抗器と第２の抵抗器との直列接続回路と、
１入力端子と２出力端子を有する半導体スイッチング素子であって、前記第１の抵抗器と第２の抵抗器との接続部に前記入力端子が接続され、前記第１の平滑用コンデンサと第２の平滑用コンデンサとの接続部に一方の出力端子が接続される半導体スイッチング素子と、
該半導体スイッチング素子の他方の出力端子と前記直流出力部の正極側との間に接続される第３の抵抗器と、
前記第１の平滑用コンデンサと第２の平滑用コンデンサとの接続部と前記直流出力部の負極側との間に接続される負荷を備えることを特徴とするコンバータシステム装置。 - 前記第１の平滑用コンデンサまたは第２の平滑用コンデンサの端子間電圧が所定値を越えるとインバータ部動作を停止させる保護手段を備えたことを特徴とする請求項４記載のコンバータシステム装置。
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