JP4661256B2 - 電力変換装置 - Google Patents
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図10(a1)〜(a3)は2レベルインバータ、同(b1)〜(b3)は3レベルインバータ、同(c1)〜(c3)は5レベルインバータの場合をそれぞれ示している。各IGBT素子Qu,Qxを任意にオン・オフさせることにより、出力電圧Voを図10(a1)ではP,Nの2電位、図10(b1)ではP,C,Nの3電位、図10(c1)ではP,P',C,N',Nの5電位をそれぞれ出力することができる。3つ以上の電位を出力できるインバータを総称して、マルチレベルインバータと呼ぶこともある。
また、図10において、P−N間の直流電圧Edが(a)〜(c)とも同じで、かつ適用されるIGBTの耐圧が同じであれば、図12に示すように同図(a)の2レベルインバータでは4直列、同図(b)の3レベルインバータでは2直列必要となる。さらに、3レベルインバータではクランプダイオードがそれぞれ直列接続され、5レベルインバータでは各クランプダイオードが接続される。
図13(b)の3レベルインバータの例では、INV−U,V,Wの3相構成として3相モータ(M)を駆動する。また、図13(c)は、各出力端子に電源Vsを接続することで、交流電力から直流電力に変換することも可能である。つまり、図13(c)では、3相電源VsにINV−U,V,Wと同じ回路構成のREC−U,V,Wを接続し、コンデンサに直流電力として変換している。こうすれば、ダイオード整流器と比べて電源電流Isを正弦波状に調整できるため、力率向上や高調波低減が可能で、さらには直流電圧の調整も可能となる。
したがって、この発明の課題は、使用する素子数をできるだけ少なくして簡素化と低コスト化を図ることにある。
前記直流電圧の正極・負極間に、ダイオードを複数直列接続された第1,第2,第3および第4のダイオード群を直列に接続するとともに、直流電圧の中性点と、この中性点と正極間の電位を二分する第1の電位点と、中性点と負極間の電位を二分する第2の電位点とを設け、前記第1と第2のダイオード群の接続点と直流電圧の中性点との間にスイッチング素子を直列接続した第1のスイッチング素子群を接続するとともに、前記第3と第4のダイオード群の接続点と直流電圧の中性点との間にスイッチング素子を直列接続した第2のスイッチング素子群を接続し、かつ前記第1のダイオード群内の任意の素子接続点と前記第1の電位点との間に第3のスイッチング素子群を、さらに前記第4のダイオード群内の任意の素子接続点と前記第2の電位点との間に第4のスイッチング素子群を接続したことを特徴とする。
前記直流電圧の正極・負極間に、ダイオードを複数直列接続した第1,第2,第3および第4のダイオード群を直列に接続するとともに、直流電圧の中性点と、この中性点と正極間の電位を二分する第1の電位点と、中性点と負極間の電位を二分する第2の電位点とを設け、前記第1と第2のダイオード群の接続点と直流電圧の中性点との間にスイッチング素子を複数直列接続した第1のスイッチング素子群を接続するとともに、前記第3と第4のダイオード群の接続点と直流電圧の中性点との間にスイッチング素子を複数直列接続した第2のスイッチング素子群を接続し、かつ前記第1のスイッチング素子群内の任意の素子接続点と前記第1の電位点との間に第5のダイオードを、さらに前記第2のスイッチング素子群内の任意の素子接続点と前記第2の電位点との間に第6のダイオードを接続したことを特徴とする。
上記請求項1〜3のいずれかに記載の電力変換装置は、インバータと組み合わせて用いることができる(請求項4の発明)。
これは、C11,C12,C21,C22からなる直流電圧の正極・負極間に、ダイオードを複数直列接続した第1,第2,第3および第4のダイオード群Du11,Du12〜Dx21,Dx22を直列に接続し、第1と第2のダイオード群の接続点と直流電圧の中性点との間にスイッチング素子を複数直列接続した第1のスイッチング素子群Qu1,Qu2を接続するとともに、第3と第4のダイオード群の接続点と直流電圧の中性点との間にスイッチング素子を複数直列接続した第2のスイッチング素子群Qx1,Qx2を接続し、かつ第1のダイオード群内の任意の素子接続点と直流電圧の正極側と中性点間の任意の接続点との間に第3のスイッチング素子Qu3を、さらに第4のダイオード群内の任意の素子接続点と直流電圧の正極側と中性点間の任意の接続点との間に第4のスイッチング素子Qx3を接続して構成されている。
図2は、電流が流入する場合を示す。図2(a)ではQu1,Qu2を同時にオンしている場合を示し、電源入力端子viよりDu22→Du21→Qu1→Qu2の経路で電流が流れる。したがって、整流器の入力端子はC電位となる。図2(b)ではQu1,Qu2はオフ、Qu3がオンしている場合であり、電源入力端子viよりDu22→Du21→Du12→Qu3の経路で電流が流れる。したがって、整流器の入力端子はP'電位となる。次に、図2(c)では、Qu1,Qu2,Qu3がオフしている場合であり、Du22→Du21→Du12→Du11の経路で電流が流れる。したがって、整流器の入力端子はP電位となる。
また、図3(b)はQx3がオンしている場合であり、Qx3→Dx21→Dx12→Dx11の経路で電流が流れ、整流器の入力端子はN'電位となる。
このように、図2,図3に示す各IGBTを適宜オン・オフ制御することでP,P',C,N',Nの5レベルの電位を得ることができる。したがって、ダイオード8個とスイッチング素子6個を用いて安価な5レベル整流器を実現可能となる。
また、図1(b)は図1(a)におけるQu1,Qu2とDu21,Du2の位置、Qx1,Qx2とDx11,Dx12の位置をそれぞれ変更した場合を示すが、図1(a)と同様の動作を行なうものである。
これは、図1(a)のQu3,Qx3の代わりに、Qu1とQu2の接続点と、直流電源の正極と中性点間の任意の点(ここではP')との間にDu3を、また、Qx1とQx2の接続点と、直流電源の中性点と負極間の任意の点(ここではN')との間にDx3をそれぞれ設けた点が特徴である。この図4の動作について、図5,図6を参照して以下に説明する。
また、図5,6から明らかなように、P'−C間の電圧を調整するときには、Qu1をオンし、Qu2のオン・オフ制御により、また、P−C間の電圧を調整するときには、Qu1とQu2のオン・オフ制御により、同様に、C−N' 間の電圧を調整するときには、Qx2をオンし、Qx1のオン・オフ制御により、さらにC−N 間の電圧を調整するときには、Qx1とQx2のオン・オフ制御により、それぞれ調整するものとする。
これは、図4のダイオードDu3,Dx3を、それぞれIGBTを逆並列に接続したスイッチング素子Qu3,Qx3で置き換えたものである。こうすることにより、図8(a)のようにQu3は双方向に電流を流すことができ、同様に図8(b)のようにQx3が双方向に電流を流すことができるため、直流電圧のバランス制御をより容易にすることが可能となる。
これは、図1に示す整流器Recを3相電源に接続し、整流器Recにより変換された直流電圧を、5レベルインバータInvで交流電圧に変換し交流負荷(例えばモータ)Mを駆動する例である。RecとInvとを組み合わせることで直流電圧の調整をより容易にするとともに、電源側および負荷側に高調波の少ない電力供給が可能となる。
また、図4,7,9では直列数nをn=2としたが、n=3,4,…と増やしても、その機能・動作はn=2の場合と同様なのは云うまでもない。
Claims (4)
- 交流電源に接続され、この交流電源の電圧を5レベルの直流電圧に変換する電力変換装置において、
前記直流電圧の正極・負極間に、ダイオードを複数直列接続された第1,第2,第3および第4のダイオード群を直列に接続するとともに、直流電圧の中性点と、この中性点と正極間の電位を二分する第1の電位点と、中性点と負極間の電位を二分する第2の電位点とを設け、前記第1と第2のダイオード群の接続点と直流電圧の中性点との間にスイッチング素子を直列接続した第1のスイッチング素子群を接続するとともに、前記第3と第4のダイオード群の接続点と直流電圧の中性点との間にスイッチング素子を直列接続した第2のスイッチング素子群を接続し、かつ前記第1のダイオード群内の任意の素子接続点と前記第1の電位点との間に第3のスイッチング素子群を、さらに前記第4のダイオード群内の任意の素子接続点と前記第2の電位点との間に第4のスイッチング素子群を接続したことを特徴とする電力変換装置。 - 交流電源に接続され、この交流電源の交流電圧を5レベルの直流電圧に変換する電力変換装置において、
前記直流電圧の正極・負極間に、ダイオードを複数直列接続した第1,第2,第3および第4のダイオード群を直列に接続するとともに、直流電圧の中性点と、この中性点と正極間の電位を二分する第1の電位点と、中性点と負極間の電位を二分する第2の電位点とを設け、前記第1と第2のダイオード群の接続点と直流電圧の中性点との間にスイッチング素子を複数直列接続した第1のスイッチング素子群を接続するとともに、前記第3と第4のダイオード群の接続点と直流電圧の中性点との間にスイッチング素子を複数直列接続した第2のスイッチング素子群を接続し、かつ前記第1のスイッチング素子群内の任意の素子接続点と前記第1の電位点との間に第5のダイオードを、さらに前記第2のスイッチング素子群内の任意の素子接続点と前記第2の電位点との間に第6のダイオードを接続したことを特徴とする電力変換装置。 - 前記第5のダイオードと第6のダイオードには、それぞれスイッチング素子を逆並列に
接続することを特徴とする請求項2項に記載の電力変換装置。 - 前記請求項1〜3のいずれか1つに記載の電力変換装置をインバータと組み合わせて用
いることを特徴とする電力変換装置。
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