JP4720941B1 - 電力変換装置 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】電源供給部Cby1はインバータ3のスイッチング素子Ty1の動作電源であって、その低電位側の一端がスイッチング素子Ty1の直流電源線LL側の一端に接続される。ブートコンデンサCbx1はスイッチング素子Tx1の直流電源線LH側の一端に接続され、他端は電源供給部Cby1の高電位側の一端と電気的に接続される。ダイオードDbx1は電源供給部Cby1の高電位側の一端からブートコンデンサCbx1を経由して直流電源線LHに至るまでの経路に設けられる。ダイオードDbx1は電源供給部Cby1からブートコンデンサCbx1へと向かう電流のみを流す。
【選択図】図2
Description
<電力変換装置の一例>
図1に例示するように、本電力変換装置は、その構成要素としての電力変換部である、コンバータ1とクランプ回路2とインバータ3とを備えている。
次に、図2を参照して、スイッチング素子Tx1,Tx2,Ty1,Ty2へとスイッチ信号を出力するための動作電源について説明する。なお、図2の例示では、代表的に、コンバータ1の一つのスイッチングレグとインバータ3の一つのスイッチングレグについてのみ図示している。スナバ・クランプ回路2についての動作電源については後述する。
次に、図6の例示を参照して、スイッチング素子S1の動作電源について説明する。図6の例示では、コンバータ1の図示を省略し、インバータ3については一つのスイッチングレグのみ図示している。またスイッチング素子Ty1,Ty2についての動作電源については図2を参照した説明と同様である。
図8の電力変換装置は図1の電力変換装置と比較してコンバータ1の構成が相違している。なお、図8の例示ではクランプ回路2として図1のクランプ回路2が採用されているが、この構成に限るものではなく、例えば図7のクランプ回路2が採用されてもよい。また、クランプ回路2が設けられていなくても構わない。
次に、図9を参照して、スイッチング素子Tx,Ty1,Ty2の動作電源について説明する。なお、図9の例示では、代表的に、コンバータ1の一つのスイッチングレグとインバータ3の一つのスイッチングレグについてのみ図示している。またスイッチング素子Ty1,Ty2の動作電源については図1を参照した説明と同様であるので説明を省略する。
第1の実施の形態では、各スイッチング素子の動作電源の電圧についてばらつきが生じえる。また、後段の動作電源ほど電圧が低くなってしまう。
Vcbx1=Vcby1−Vf−Vce=Ved−2Vf−2Vce ・・・(2)
Vcbx2=Vcbx1−2Vf−Vce=Ved−4Vf−3Vce ・・・(3)
Vcbx1=Vcby1−Vf−Vce=Ved−2Vf−2Vce ・・・(5)
Vcbx2=Vcby1−2Vf−2Vce=Ved−3Vf−3Vce・・・(6)
図1,2において、スイッチング素子Tr1,Ts1,Tt1は直接に直流電源線LHと接続されている。換言すれば、ダイオードDr1,Ds1,Dt1がそれぞれスイッチング素子Tr1,Ts1,Tt1よりも入力端Pr,Ps,Pt側に位置している。これによって直流電源線LHがスイッチング素子Tr1,Ts1,Tt1の共通電位として機能する。よって、一のブートコンデンサを、3つのスイッチング素子Tx1へとスイッチ信号を出力するための動作電源として機能させることができる。即ち、3つのスイッチング素子Tx1をそれぞれ駆動する3つのドライブ回路Drx1は、一つのブートコンデンサの両端電圧が動作電源として供給される。これによって、ブートコンデンサの個数を低減することができる。
図1,2,4の例示では、スイッチング素子Tx1とダイオードDx1とが相互に直列接続されているが、これらの機能を一つのスイッチング素子で実現してもよい。例えばメサ型又は分離阻止型の逆阻止絶縁ゲートバイポーラトランジスタを採用してもよい。なお、かかるスイッチング素子は逆阻止構造を持つと把握できる。
図2,4の電力変換装置においてダイオードDbx2は設けられていなくても構わない。ブートコンデンサCbx2の充電経路(直列回路A3,A5)上にダイオードDx1が設けられているので、かかるダイオードDx1はブートコンデンサCbx2がブートコンデンサCbx1側へと放電することを防止できる。換言すれば、ダイオードDx1はコンバータとしての逆阻止能力を発揮すると共に、ブートコンデンサCbx2の充電経路を介した放電を防止できる。したがって、個別にダイオードDx1,Dbx2を設ける場合と比べて、ダイオードの個数を低減でき、ひいては製造コストを低減できる。
図1,2,4の電力変換装置において、ダイオードDx2はスイッチング素子Tx2に対して直流電源線LL側に設けられている。より具体的には、スイッチング素子Tx2とドライブ回路Drx2とブートコンデンサCbx2とが共通して接続される点よりも直流電源線LL側に設けられている。これにより、ブートコンデンサCbx2の充電経路(直列回路A3,A5)上にダイオードDx2が介在しない。よって、ブートコンデンサCbx2の充電に際して、ダイオードDx2の順方向電圧による電圧低下を招かない。換言すればブートコンデンサCbx2の両端電圧を高めることができる。
ここでは、ブートコンデンサやスイッチング素子の性能について考察する。各スイッチング素子を導通できる値(オン電圧)以上の電圧が通常運転の期間に渡って、それぞれブートコンデンサに充電されているように、各ブートコンデンサの静電容量が設定される。またスイッチング素子Tx1,Ty1,Ty2,S30としてはそれぞれブートコンデンサCbx2,Cbx1,Cby1,Cb1,Cbxを十分に充電できる程度の導通期間を確保できるものが採用される。
図14に例示する電力変換装置はクランプ回路2の有無およびコンバータ1の構成という点で図1に示す電力変換装置と相違している。本電力変換装置はクランプ回路2を備えていない。これは後述するように、コンバータ1が入力端Pr,Ps,Pt側(以下、電源側とも呼ぶ)へと回生可能な構成を有しているからであるが、動作異常時の保護等のためにクランプ回路を設置することを妨げるものではない。
図19に例示する電力変換装置は、ブートコンデンサCbx1の接続先という観点で図2に例示する電力変換装置と相違する。なお図19においては、コンバータ1の一つのスイッチングレグを示し、インバータ3の2つのスイッチングレグ(ただし、上側のスイッチング素子のみ)を示している。
Dbx1,Dbx2,Dby1,Dx1 ダイオード
Ed 直流電源
LH,LL 直流電源線
Pr,Ps,Pt 入力端
Pu,Pv,Pw 出力端
VAx1,VAx2,VAy1 電圧調整部
Claims (15)
- 第1の電源線(LH)と、
前記第1の電源線よりも低い電位が印加される第2の電源線(LL)と、
出力端(Py)と、
前記出力端と前記第1の電源線との間に設けられた第1スイッチング素子(Ty1,S30)と、相互間で直流電圧が支持される両端を有し、前記両端のうち低電位側の一端が前記第2の電源線側で前記第1スイッチング素子に接続され、前記第1スイッチング素子へとスイッチ信号を出力するための動作電源となる電源供給部(Cby1)とを有する電力変換部と、
前記第1及び前記第2の電源線の間に設けられた第2スイッチング素子(Tx1,Tx2,S1,Tx)と、
前記第1の電源線側で第2スイッチング素子に接続された一端と、前記電源供給部の他端と電気的に接続される他端とを有し、充電されて前記第2スイッチング素子へとスイッチ信号を出力するための動作電源となるブートコンデンサ(Cbx1,Cbx2,Cb1,Cbx)と、
前記電源供給部の他端から前記ブートコンデンサを経由して前記第1の電源線に至るまでの間に設けられ、前記電源供給部から前記ブートコンデンサへと向かう方向のみ電流を流すダイオード(Dbx1,Dbx2,Db1,Dbx)と
を備える、電力変換装置。 - 前記第1及び前記第2の電源線(LH,LL)の間において、前記第2の電源線側で前記第2スイッチング素子(Tx1)に直列に接続される第3スイッチング素子(Tx2)と、
前記第1の電源線側で前記第3スイッチング素子に接続された一端と、他端とを有し、充電されて前記第3スイッチング素子へとスイッチ信号を出力するための動作電源となる第2ブートコンデンサ(Cbx2)と、
前記ブートコンデンサ(Cbx1)の前記他端又は電源供給部(Cby1)の前記他端と、前記第2ブートコンデンサの前記他端との間で、カソードを前記第2ブートコンデンサ側に向けて設けられた第2ダイオード(Dbx2)と
を更に備える、請求項1に記載の電力変換装置。 - 前記第2スイッチング素子は逆阻止構造を有する、請求項1又は2に記載の電力変換装置。
- 前記第2の電源線(LL)側で前記第2スイッチング素子(Tx1)と直列に接続され、アノードを前記第2の電源線に向けて設けられる第2ダイオード(Dx1)と、
前記第2スイッチング素子及び前記第2ダイオードの直列体に対して前記第2の電源線側で直列接続される第3スイッチング素子(Tx2)と、
前記直列体に対して前記第2の電源線側で前記第3スイッチング素子と直列接続される第3ダイオード(Dx2)と、
前記第1の電源線側で前記第3スイッチング素子に接続された一端と、前記ブートコンデンサの前記他端と接続される他端とを有し、充電されて前記第3スイッチング素子へとスイッチ信号を出力するための動作電源となる第2ブートコンデンサ(Cbx2)と
を備える、請求項1に記載の電力変換装置。 - 前記第3ダイオード(Dx2)は前記第3スイッチング素子(Tx2)に対して前記第2の電源線(LL)側に位置する、請求項4に記載の電力変換装置。
- 前記ダイオード(Dx1)は前記第2スイッチング素子(Tx)と前記第1の電源線(LH)との間に設けられる、請求項1に記載の電力変換装置。
- 前記第2スイッチング素子(Tx1)と前記ブートコンデンサ(Cbx1)との接続点と前記第1の電源線との間に設けられる第2ダイオード(Dx1)を更に備え、
前記ダイオード(Dbx1)は、前記電源供給部(Cby1)と前記接続点との間に設けられる、請求項1に記載の電力変換装置。 - 前記第2スイッチング素子(Tx11)と直列に接続されて、カソードを前記第1の電源線(LH)に向けて配置される第2のダイオード(Dx11)と、
第3スイッチング素子(Tx12)と、
前記第3スイッチング素子と直列に接続され、カソードを前記第2の電源線(LL)に向けて配置され、前記第3スイッチング素子との直列体が前記第2スイッチング素子と前記第2ダイオードとの直列体と並列に接続される第3ダイオード(Dx12)と、
前記第2の電源線側で前記第3スイッチング素子と接続された一端と、前記ブートコンデンサ(Cbx11)の前記他端と接続される他端とを有し、充電されて前記第3スイッチング素子へとスイッチ信号を出力するための動作電源となる第2ブートコンデンサ(Cbx12)と、
前記ブートコンデンサと前記第2ブートコンデンサの間で、カソードを前記第2ブートコンデンサに向けて配置される第4ダイオード(Dbx12)と
を更に備える、請求項1に記載の電力変換装置。 - 前記第2スイッチング素子(Tx11)と直列に接続されて、カソードを前記第1の電源線に向けて配置される第2ダイオード(Dx11)と、
第3スイッチング素子(Tx12)と、
前記第3スイッチング素子と直列に接続され、カソードを前記第2の電源線に向けて配置され、前記第3スイッチング素子との直列体が前記第2スイッチング素子と前記第2ダイオードとの直列体と並列に接続される第3ダイオード(Dx12)と、
前記第2の電源線側で前記直列体と直列接続される双方向スイッチング素子(Tx21,Tx22,Dx21,Dx22)と、
前記出力端(Py)と前記第2の電源線(LL)との間に設けられた第4スイッチング素子(Ty2)と、
前記第2の電源線側で前記第4スイッチング素子(Ty2)に接続され、前記第4スイッチング素子へとスイッチ信号を出力するための動作電源となる第2電源供給部(Ed)と、
前記第2の電源線側で前記第3スイッチング素子と接続された一端と、前記第2電源供給部の他端と接続される他端とを有し、充電されて前記第3スイッチング素子へとスイッチ信号を出力するための動作電源となる第2ブートコンデンサ(Cbx12)と、
前記第2ブートコンデンサと前記第2の電源供給部の間で、カソードを前記第2ブートコンデンサに向けて配置される第4ダイオード(Dbx12)と
を更に備える、請求項1に記載の電力変換装置。 - 前記第1の電源線(LH)側で前記第2スイッチング素子(Tx11)と接続する第3スイッチング素子(Tx12)と、
カソードを前記第1の電源線に向けて前記第3スイッチング素子と並列に接続される第2ダイオード(Dx11)と、
カソードを前記第2の電源線(LL)に向けて前記第2スイッチング素子と並列に接続される第3ダイオード(Dx12)と
を更に備え、
前記ブートコンデンサは前記第2スイッチング素子及び前記第3スイッチング素子の接続点に共通して接続されて、前記第2スイッチング素子及び前記第3スイッチング素子へとスイッチ信号を出力するための動作電源として機能する、請求項1に記載の電力変換装置。 - 前記第2スイッチング素子(Tr1,Ts1,Tt1)は複数あって、
前記第2スイッチング素子のいずれもが直接に前記第1の電源線(LH)に接続され、前記ブートコンデンサ(Cbx1)は前記複数の第2スイッチング素子のうち2つ以上の第2スイッチング素子へとスイッチ信号を出力するための動作電源として機能する、請求項1乃至5,8及び9のいずれか一つに記載の電力変換装置。 - 前記電力変換部は、前記電源供給部(Cby1)の電圧を降圧して前記第1スイッチング素子(Ty1)の動作電源として機能させる電圧調整部(VAy1)を更に備える、請求項1乃至11のいずれか一つに記載の電力変換装置。
- 前記第1スイッチング素子(Tu1,Tv1,Tw1)と前記電源供給部(Cbu1,Cbv1,Cbw1)とは複数あって、前記複数の電源供給部の一端は前記第2の電源線(LL)側でそれぞれ前記複数の第1スイッチング素子に接続され、
前記ダイオード(Dbx11)は一の前記複数の電源供給部(Cbu1)の他端と前記ブートコンデンサ(Cbx1)の他端との間に設けられ、
他の一の前記複数の電源供給部(Cbv1)の他端と前記ブートコンデンサの他端との間で、カソードを前記ブートコンデンサに向けて設けられたブートダイオード(Dbx12)
をさらに備える、請求項1乃至12のいずれか一つに記載の電力変換装置。 - 前記第1スイッチング素子(Tu1,Tv1,Tw1)と前記電源供給部(Cu1,Cv1,Cw1)とは複数あって、前記複数の電源供給部の一端は前記第2の電源線(LL)側でそれぞれ前記複数の第1スイッチング素子に接続され、
前記ダイオード(Dx1)は前記第2スイッチング素子(Tx1)と前記第1の電源線(LH)との間に設けられる、請求項1乃至11のいずれか一つに記載の電力変換装置。 - 前記電源供給部は第3ブートコンデンサ(Cby1)であって、
前記出力端(Py)と前記第2電源線(LL)との間に設けられた第4スイッチング素子(Ty2)と、
前記第2の電源線側で第4スイッチング素子に接続された一端と、他端とを有し、前記第4スイッチング素子へとスイッチ信号を出力するための動作電源となる直流電源(Ed)と、
前記第3ブートコンデンサの前記他端と前記直流電源の前記他端との間で、アノードを前記直流電源側にカソードを前記第3ブートコンデンサ側にそれぞれ向けて設けられたダイオード(Dby1)と
を備える、請求項1乃至14のいずれか一つに記載の電力変換装置。
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