JP3979221B2 - 電力変換装置 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、電源から負荷に対し所望の交流電力を安定して供給するための電力変換装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
図６は従来技術を示す回路図であり、図において、１０１は交流電源、１０２は負荷、１１〜１４は半導体スイッチング素子等からなるスイッチ、５５，５６はリアクトル、７２，７５，７６はコンデンサである。
【０００３】
上記従来技術の動作を説明すると、交流電源１０１からリアクトル５５を介してスイッチ１１，１２に交流電力を供給し、これらのスイッチ１１，１２をＰＷＭ（パルス幅変調）制御して整流動作を行わせる。これによりコンデンサ７５，７６にエネルギーを蓄積し、コンデンサ７５，７６の電圧（直流中間電圧）を一定かつ平滑な直流電圧に維持する。
その後、スイッチ１３，１４をＰＷＭ制御してインバータとして動作させ、コンデンサ７５，７６の平滑された一定の直流電圧を任意の大きさ及び周波数の交流電圧に変換して負荷１０２に供給する。
ここで、リアクトル５６及びコンデンサ７２はフィルタを構成している。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
上述した従来技術では、直流中間電圧を一定かつ平滑にするために非常に大容量のコンデンサ７５，７６が必要となる。これらのコンデンサ７５，７６は主に電解コンデンサによって構成されており、電力変換装置内の唯一の寿命部品として取り扱わなければならず、定期的なメンテナンスや交換が必要となる。
このため、保守作業や部品交換による費用がかさみ、大きな負担となっていた。
【０００５】
そこで本発明は、電解コンデンサ等の大容量のコンデンサを用いることもなく、簡単な回路構成により従来と同様に所望の交流電力を負荷に安定して供給することができる電力変換装置を提供しようとするものである。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、請求項１記載の発明は、第１のスイッチと第２のスイッチとを直列接続した第１のスイッチ直列回路と、第３のスイッチと第４のスイッチとを直列接続した第２のスイッチ直列回路と、第１の巻線と第２の巻線とを共通の鉄心に同一極性で直列接続した巻線直列回路と、を互いに並列に接続し、
第１，第２のスイッチの直列接続点と第１，第２の巻線の直列接続点との間に、交流電源とコンデンサとを並列に接続し、
第３，第４のスイッチの直列接続点と第１，第２の巻線の直列接続点との間に、負荷とコンデンサとを並列に接続してなり、
交流電源電圧の極性に応じて第１〜第４のスイッチを選択的にオン、オフさせるものである。
【０００７】
請求項２記載の発明は、第１のスイッチと第２のスイッチとを直列接続した第１のスイッチ直列回路と、第３のスイッチと第４のスイッチとを直列接続した第２のスイッチ直列回路と、第１の巻線と第２の巻線とを共通の鉄心に同一極性で直列接続した巻線直列回路と、を互いに並列に接続し、
第１，第２のスイッチの直列接続点と第１，第２の巻線の直列接続点との間に、交流電源とコンデンサとを並列に接続し、
第１，第２のスイッチの直列接続点と第３，第４のスイッチの直列接続点との間に、負荷とコンデンサとを並列に接続してなり、
交流電源電圧の極性に応じて第１〜第４のスイッチを選択的にオン、オフさせるものである。
【０００８】
請求項３記載の発明は、第１のスイッチと第２のスイッチとを直列接続した第１のスイッチ直列回路と、第３のスイッチと第４のスイッチとを直列接続した第２のスイッチ直列回路と、第１の巻線と第２の巻線とを共通の鉄心に同一極性で直列接続した巻線直列回路と、を互いに並列に接続し、
第１，第２のスイッチの直列接続点と第３，第４のスイッチの直列接続点との間に、交流電源とコンデンサとを並列に接続し、
第３，第４のスイッチの直列接続点と第１，第２の巻線の直列接続点との間に、負荷とコンデンサとを並列に接続してなり、
交流電源電圧の極性に応じて第１〜第４のスイッチを選択的にオン、オフさせるものである。
【０００９】
請求項４記載の発明は、請求項１〜３の何れか１項に記載した電力変換装置において、
前記各スイッチを、通常のバイポーラトランジスタやＩＧＢＴ、ＭＯＳＦＥＴ等の自己消弧形半導体スイッチング素子とダイオードとを直列に接続して構成したものである。
【００１０】
請求項５記載の発明は、請求項１〜３の何れか１項に記載した電力変換装置において、
前記各スイッチを逆阻止形の自己消弧形半導体スイッチング素子により構成したものである。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下、図に沿って本発明の実施形態を説明する。
図１は本発明の第１実施形態を示す回路図であり、請求項１に記載した発明の実施形態に相当する。
【００１２】
図１において、後述するように半導体スイッチング素子等からなる第１のスイッチ１と第２のスイッチ２とを直列接続した第１のスイッチ直列回路Ｓ１と、同じく第３のスイッチ３と第４のスイッチ４とを直列接続した第２のスイッチ直列回路Ｓ２と、共通の鉄心に巻かれた同一極性の第１の巻線（リアクトル）５１と第２の巻線（リアクトル）５２とからなる巻線直列回路Ｌ１とが、すべて並列に接続されている。
また、スイッチ１，２の直列接続点と巻線５１，５２の直列接続点との間には、交流電源１０１とフィルタ用のコンデンサ７１との並列回路が接続され、スイッチ３，４の直列接続点と巻線５１，５２の直列接続点との間には、フィルタ用のコンデンサ７２と負荷１０２との並列回路が接続されている。
【００１３】
この実施形態の動作を説明すると、図１の回路構成において、スイッチ１〜４を所定のタイミングでオン、オフすることにより、負荷１０２に供給する交流電力を調整する。
例えば、交流電源電圧の正の半周期において、スイッチ１をオンすると交流電源１０１→スイッチ１→巻線５１→交流電源１０１の経路で電流が流れ、巻線５１にエネルギーが蓄積される。次に、スイッチ１をオフしてスイッチ４をオンすると、巻線５１に蓄えられたエネルギーは巻線５２を介して巻線５２→スイッチ４→負荷１０２→巻線５２の経路で放出され、負荷１０２にエネルギーが供給される。
【００１４】
また、交流電源電圧の負の半周期では、スイッチ２をオンすると交流電源１０１→巻線５２→スイッチ２→交流電源１０１の経路で電流が流れ、巻線５２にエネルギーが蓄積される。次に、スイッチ２をオフしてスイッチ３をオンすると、巻線５２に蓄えられたエネルギーは巻線５１を介して巻線５１→負荷１０２→スイッチ３→巻線５１の経路で放出され、負荷１０２にエネルギーが供給される。
【００１５】
このように各スイッチ１〜４をＰＷＭ制御により高周波でオン、オフさせることにより、出力電流が正弦波になるように制御すると共に、オンデューティーを変えれば振幅が変化するので、負荷１０２に供給する交流電力を調整することが可能となる。
【００１６】
上述した如く、本実施形態では、従来技術のように交流電圧を整流して一旦直流電圧に変換することなく、第１，第２のスイッチ直列回路Ｓ１，Ｓ２をＰＷＭ制御してオン、オフさせると共に、巻線直列回路Ｌ１によるエネルギーの蓄積、放出動作によって負荷１０２に対し直接的に交流電力を供給できるため、図６に示したような大容量のコンデンサ７５，７６を備える必要がない。
なお、フィルタ用のコンデンサ７１，７２としては、安価かつ長寿命のフィルムコンデンサ等を使用することが可能である。
【００１７】
次に、図２は本発明の第２実施形態を示す回路図であり、請求項２に記載した発明の実施形態に相当する。
図１との相違点は、スイッチ１，２の直列接続点と巻線５１，５２の直列接続点とが入れ替わった点にあり、基本的な動作は図１と同等である。
【００１８】
すなわち、交流電源電圧の正の半周期において、スイッチ１をオンすると交流電源１０１→巻線５１→スイッチ１→交流電源１０１の経路で電流が流れ、巻線５１にエネルギーが蓄積される。次に、スイッチ１をオフしてスイッチ３をオンすると、巻線５１に蓄えられたエネルギーは巻線５１→スイッチ３→負荷１０２→交流電源１０１→巻線５１の経路で放出され、負荷１０２にエネルギーが供給される。
【００１９】
また、交流電源電圧の負の半周期では、スイッチ２をオンすると交流電源１０１→スイッチ２→巻線５２→交流電源１０１の経路で電流が流れ、巻線５２にエネルギーが蓄積される。次に、スイッチ２をオフしてスイッチ４をオンすると、巻線５２に蓄えられたエネルギーは巻線５２→交流電源１０１→負荷１０２→スイッチ４→巻線５２の経路で放出され、負荷１０２にエネルギーが供給される。
【００２０】
この実施形態においても、大容量のコンデンサを用いずに、第１，第２のスイッチ直列回路Ｓ１，Ｓ２をＰＷＭ制御してオン、オフさせると共に、巻線直列回路Ｌ１によるエネルギーの蓄積、放出動作により、負荷１０２に対して所望の大きさの交流電力を直接的に供給することができる。
【００２１】
図３は本発明の第３実施形態を示す回路図であり、請求項３に記載した発明の実施形態に相当する。
図１との相違点は、スイッチ３，４の直列接続点と巻線５１，５２の直列接続点とが入れ替わった点にあり、基本的な動作は図１と同等である。
【００２２】
例えば、交流電源電圧の正の半周期において、スイッチ１をオンすると交流電源１０１→スイッチ１→巻線５１→負荷１０２→交流電源１０１の経路で電流が流れ、巻線５１にエネルギーが蓄積される。次に、スイッチ１をオフしてスイッチ３をオンすると、巻線５１に蓄えられたエネルギーは巻線５１→負荷１０２→スイッチ３→巻線５１の経路で放出され、負荷１０２にエネルギーが供給される。
【００２３】
また、交流電源電圧の負の半周期では、スイッチ２をオンすると交流電源１０１→負荷１０２→巻線５２→スイッチ２→交流電源１０１の経路で電流が流れ、巻線５２にエネルギーが蓄積される。次に、スイッチ２をオフしてスイッチ４をオンすると、巻線５２に蓄えられたエネルギーは巻線５２→スイッチ４→負荷１０２→巻線５２の経路で放出され、負荷１０２にエネルギーが供給される。
【００２４】
この実施形態においても、第１，第２実施形態と同様に大容量のコンデンサを用いることなく、第１，第２のスイッチ直列回路Ｓ１，Ｓ２をＰＷＭ制御してオン、オフさせると共に、巻線直列回路Ｌ１によるエネルギーの蓄積、放出動作により、負荷１０２に対して所望の大きさの交流電力を直接的に供給することができる。
【００２５】
図４（ａ）〜（ｆ）は、各実施形態におけるスイッチ１〜４の構成例であり、自己消弧形半導体スイッチング素子としてのトランジスタ２１やＩＧＢＴ２２，ＭＯＳＦＥＴ２３とダイオード２４とを直列に接続した単方向スイッチとして構成される。
【００２６】
すなわち、図４（ａ）に示すように、通常のバイポーラトランジスタ２１のエミッタ端子Ｅにダイオード２４のアノード端子Ａを接続し、または、図４（ｄ）に示すように、トランジスタ２１のコレクタ端子Ｃにダイオード２４のカソード端子Ｋを接続する。
あるいは、図４（ｂ）に示すように、ＩＧＢＴ２２のエミッタ端子Ｅにダイオード２４のアノード端子Ａを接続し、または、図４（ｅ）に示すように、ＩＧＢＴ２２のコレクタ端子Ｃにダイオード２４のカソード端子Ｋを接続する。
もしくは、図４（ｃ）に示すように、ＭＯＳＦＥＴ２３のソース端子Ｓにダイオード２４のアノード端子Ａを接続し、または、図４（ｆ）に示すように、ＭＯＳＦＥＴ２３のドレイン端子Ｄにダイオード２４のカソード端子Ｋを接続する。
【００２７】
更に、図５はスイッチ１〜４の他の構成例であり、図示するように、ＩＧＢＴ２５のコレクタ端子Ｃにダイオードを作り込んだ、いわゆる逆阻止形の自己消弧形半導体スイッチング素子によってスイッチ１〜４を構成しても良い。
【００２８】
【発明の効果】
以上のように本発明によれば、大容量のコンデンサを用いることなく、交流電源から直接的に任意の大きさを持つ交流電力を電流出力の形で負荷に供給することができる。このため、電解コンデンサ等の寿命部品が不要となり、保守作業や部品交換の頻度を少なくして電力変換装置の長寿命化、信頼性及び経済性の向上を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施形態を示す回路図である。
【図２】本発明の第２実施形態を示す回路図である。
【図３】本発明の第３実施形態を示す回路図である。
【図４】本発明の各実施形態に用いられるスイッチの構成図である。
【図５】本発明の各実施形態に用いられるスイッチの構成図である。
【図６】従来技術を示す回路図である。
【符号の説明】
１〜４ スイッチ
２１ トランジスタ
２２，２５ ＩＧＢＴ
２３ ＭＯＳＦＥＴ
２４ ダイオード
５１，５２ 巻線（リアクトル）
７１，７２ コンデンサ
１０１ 交流電源
１０２ 負荷
Ｓ１，Ｓ２ スイッチ直列回路
Ｌ１ 巻線直列回路
Claims (5)
- 第１のスイッチと第２のスイッチとを直列接続した第１のスイッチ直列回路と、第３のスイッチと第４のスイッチとを直列接続した第２のスイッチ直列回路と、第１の巻線と第２の巻線とを共通の鉄心に同一極性で直列接続した巻線直列回路と、を互いに並列に接続し、
第１，第２のスイッチの直列接続点と第１，第２の巻線の直列接続点との間に、交流電源とコンデンサとを並列に接続し、
第３，第４のスイッチの直列接続点と第１，第２の巻線の直列接続点との間に、負荷とコンデンサとを並列に接続してなり、
交流電源電圧の極性に応じて第１〜第４のスイッチを選択的にオン、オフさせることを特徴とする電力変換装置。 - 第１のスイッチと第２のスイッチとを直列接続した第１のスイッチ直列回路と、第３のスイッチと第４のスイッチとを直列接続した第２のスイッチ直列回路と、第１の巻線と第２の巻線とを共通の鉄心に同一極性で直列接続した巻線直列回路と、を互いに並列に接続し、
第１，第２のスイッチの直列接続点と第１，第２の巻線の直列接続点との間に、交流電源とコンデンサとを並列に接続し、
第１，第２のスイッチの直列接続点と第３，第４のスイッチの直列接続点との間に、負荷とコンデンサとを並列に接続してなり、
交流電源電圧の極性に応じて第１〜第４のスイッチを選択的にオン、オフさせることを特徴とする電力変換装置。 - 第１のスイッチと第２のスイッチとを直列接続した第１のスイッチ直列回路と、第３のスイッチと第４のスイッチとを直列接続した第２のスイッチ直列回路と、第１の巻線と第２の巻線とを共通の鉄心に同一極性で直列接続した巻線直列回路と、を互いに並列に接続し、
第１，第２のスイッチの直列接続点と第３，第４のスイッチの直列接続点との間に、交流電源とコンデンサとを並列に接続し、
第３，第４のスイッチの直列接続点と第１，第２の巻線の直列接続点との間に、負荷とコンデンサとを並列に接続してなり、
交流電源電圧の極性に応じて第１〜第４のスイッチを選択的にオン、オフさせることを特徴とする電力変換装置。 - 請求項１〜３の何れか１項に記載した電力変換装置において、
第１〜第４のスイッチを、自己消弧形半導体スイッチング素子とダイオードとを直列に接続して構成したことを特徴とする電力変換装置。 - 請求項１〜３の何れか１項に記載した電力変換装置において、
第１〜第４のスイッチを逆阻止形の自己消弧形半導体スイッチング素子により構成したことを特徴とする電力変換装置。
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