JP4788894B2 - 電力変換装置 - Google Patents
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Description
この電力変換装置は、三相交流電源200の交流電力をダイオード整流器150により直流電力に変換し、この直流電力をインバータ170により任意の振幅、周波数の交流電力に変換することができ、安価かつ小型であるため、電動機等の負荷300の電源として広く用いられている。しかし、ダイオード整流器150を用いるため、電力の回生を行うことができないと共に、直流部に大型の電解コンデンサ60を必要とするため、その体積を無視できないという問題がある。
この種の技術は非特許文献1に開示されており、電力の回生が可能であるだけでなく、直流部にコンデンサ等のエネルギーバッファを必要としないため、装置を小型化することができる。
各スイッチング素子101,102は負荷端の開放を防止するために電源電圧や直流電流idcの極性に応じて独立に制御する必要があるので、各スイッチング素子ごとに駆動ユニット110を設ける必要がある。なお、図5に示すように、インバータ190を構成する複数の半導体スイッチング素子103についても、同一構成の駆動ユニット110によって個々に駆動するように構成されている。
同様に、PWMインバータ190は6個の半導体スイッチング素子103から構成されるため、同数の駆動ユニット110が必要となり、装置全体では18個の駆動ユニット110が必要となる。
この従来技術は、例えば、交流入力相と交流出力相との間にそれぞれ接続される複数の交流スイッチ回路が互いに逆並列接続された第1,第2の半導体スイッチング素子を備え、複数の第1の半導体スイッチング素子の電流流出側電極を同一の交流入力相に接続すると共に、当該交流入力相の電位を基準電位とする第1の共通電源を用いて複数の第1の半導体スイッチング素子を駆動し、かつ、複数の第2の半導体スイッチング素子の電流流出側電極を同一の交流出力相に接続すると共に、当該交流出力相の電位を基準電位とする第2の共通電源を用いて複数の第2の半導体スイッチング素子を駆動するように構成されている。
しかし、特許文献1はあくまでマトリクスコンバータ等の1台の交流直接変換装置を対象として、この変換装置を構成する半導体スイッチング素子の駆動用電源の数を削減するためになされたものであり、非特許文献1に記載されている如く、交流スイッチを有する整流器とインバータという2台の変換器を組み合わせてなる電力変換装置にそのまま適用できるものではない。
前記整流器を構成し、かつ、その電流流出側電極が前記インバータの直流部負極側に接続されている全ての半導体スイッチング素子と、前記インバータを構成し、かつ、その電流流出側電極が前記直流部負極側に接続されている全ての半導体スイッチング素子とを、共通の絶縁電源を用いて駆動するものである。
前記整流器は、交流入力相と直流部正極との間にそれぞれ接続される複数の第1の交流スイッチと、交流入力相と直流部負極との間にそれぞれ接続される複数の第2の交流スイッチと、を備え、
第1の交流スイッチは、互いに逆並列接続された第1,第2の半導体スイッチング素子を備えると共に、第2の交流スイッチは、互いに逆並列接続された第3,第4の半導体スイッチング素子を備え、
複数の第1の半導体スイッチング素子の電流流出側電極を前記直流部正極側に接続して前記直流部正極側の電位を基準電位とする第1の絶縁電源により前記複数の第1のスイッチング素子を駆動し、かつ、複数の第4の半導体スイッチング素子の電流流出側電極を前記直流部負極側に接続して前記直流部負極側の電位を基準電位とする第2の絶縁電源により前記複数の第4のスイッチング素子を駆動し、更に、第2,第3の半導体スイッチング素子の電流流出側電極を同一の交流入力相に接続して当該交流入力相の電位を基準電位とする第3の絶縁電源により第2,第3の半導体スイッチング素子を駆動するものである。
前記整流器は、交流入力相と直流部正極との間にそれぞれ接続される複数の第1の交流スイッチと、交流入力相と直流部負極との間にそれぞれ接続される複数の第2の交流スイッチと、を備え、
第1の交流スイッチは、第1の半導体スイッチング素子と第1のダイオードとの順方向直列接続回路と、第2の半導体スイッチング素子と第2のダイオードとの順方向直列回路と、を逆並列接続して構成し、
第2の交流スイッチは、第3の半導体スイッチング素子と第3のダイオードとの順方向直列接続回路と、第4半導体スイッチング素子と第4のダイオードとの順方向直列回路と、を逆並列接続して構成し、
複数の第1の半導体スイッチング素子の電流流出側電極を前記直流部正極側に接続して前記直流部正極側の電位を基準電位とする第1の絶縁電源により前記複数の第1のスイッチング素子を駆動し、かつ、複数の第4の半導体スイッチング素子の電流流出側電極を前記直流部負極側に接続して前記直流部負極側の電位を基準電位とする第2の絶縁電源により前記複数の第4のスイッチング素子を駆動し、更に、第2,第3の半導体スイッチング素子の電流流出側電極を同一の交流入力相に接続して当該交流入力相の電位を基準電位とする第3の絶縁電源により第2,第3の半導体スイッチング素子を駆動するものである。
前記整流器は、交流入力相と直流部正極との間にそれぞれ接続される複数の第1の交流スイッチと、交流入力相と直流部負極との間にそれぞれ接続される複数の第2の交流スイッチと、を備え、
第1の交流スイッチは、第1の半導体スイッチング素子と第1のダイオードとの逆並列回路と、第2の半導体スイッチング素子と第2のダイオードとの逆並列回路と、を備え、かつ、第1,第2のダイオードのカソード同士を接続して構成し、
第2の交流スイッチは、第3の半導体スイッチング素子と第3のダイオードとの逆並列回路と、第4の半導体スイッチング素子と第4のダイオードとの逆並列回路と、を備え、かつ、第3,第4のダイオードのカソード同士を直列接続して構成し、
複数の第1の半導体スイッチング素子の電流流出側電極を前記直流部正極側に接続して前記直流部正極側の電位を基準電位とする第1の絶縁電源により前記複数の第1のスイッチング素子を駆動し、かつ、複数の第4の半導体スイッチング素子の電流流出側電極を前記直流部負極側に接続して前記直流部負極側の電位を基準電位とする第2の絶縁電源により前記複数の第4のスイッチング素子を駆動し、更に、第2,第3の半導体スイッチング素子の電流流出側電極を同一の交流入力相に接続して当該交流入力相の電位を基準電位とする第3の絶縁電源により第2,第3の半導体スイッチング素子を駆動するものである。
特に、本発明を、整流器及びインバータを同一ケース内に収納してなる電力変換装置に適用すれば、一層効果的である。
まず、図1は本発明の第1実施形態を示しており、請求項2に係る発明に相当する。なお、請求項1に係る発明は請求項2以下の発明を包括した発明であって以下の各実施形態により具現化されており、後述するように、整流器を構成する一部の半導体スイッチング素子とインバータを構成する一部の半導体スイッチング素子との双方にわたって駆動用の絶縁電源を共通化する着想に基づいている。
なお、PWMインバータ2の構成は実質的に図5と同様であって構成要素の符号のみが異なっており、20UP,20UN,20VP,20VN,20WP,20WNは半導体スイッチング素子、80は駆動ユニット、81は駆動回路、82は絶縁電源である。
ここで、交流スイッチ10RP,10SP,10TPを第1の交流スイッチといい、交流スイッチ10RN,10SN,10TNを第2の交流スイッチというものとする。また、半導体スイッチング素子11〜14をそれぞれ第1〜第4の半導体スイッチング素子というものとする。
この結果、図5に示した従来技術では各駆動回路に個別の絶縁電源が必要であったのに対し、本実施形態では絶縁電源64を共通化してその個数を削減できるため、駆動ユニットの小型化、装置のコスト低減が可能となる。
また、交流スイッチ10RP内のスイッチング素子12と交流スイッチ10RN内のスイッチング素子13、交流スイッチ10SP内のスイッチング素子12と交流スイッチ10SN内のスイッチング素子13、交流スイッチ10TP内のスイッチング素子12と交流スイッチ10TN内のスイッチング素子13についても、それぞれエミッタ電位が等しいため、駆動ユニット70内の第3の絶縁電源73を共通化して各駆動回路72,71に電源を供給し、各スイッチング素子を駆動することができる。
このため、PWM整流器1Aの下アームの交流スイッチ10RN,10SN,10T内のスイッチング素子14,14,14と、PWMインバータ2の下アームのスイッチング素子20UN,20VN,20WNについては、同一の絶縁電源97によって駆動することが可能になる。
図2に示すPWM整流器1Bにおいて、上アームの30RP,30SP,30TPは何れも同一構成の交流スイッチであり、これらの交流スイッチ30RP,30SP,30TPはIGBTなどの単方向半導体スイッチング素子11,12とダイオード15,16とから構成されている。すなわち、スイッチング素子11のコレクタをダイオード15のカソードに接続し、ダイオード15のアノードをスイッチング素子12のエミッタに接続すると共に、スイッチング素子12のコレクタをダイオード16のカソードに接続し、更に、ダイオード16のアノードをスイッチング素子11のエミッタに接続した構成となっている。
また、下アームの交流スイッチ30RN,30SN,30TNについても、単方向半導体スイッチング素子13,14及びダイオード17,18により、上記交流スイッチ30RP,30SP,30TPと全く同一に構成されている。
ここで、ダイオード15〜18をそれぞれ第1〜第4のダイオードというものとする。
なお、PWMインバータ2側については第1実施形態と同様であり、下アームのスイッチング素子20UN,20VN,20WNの駆動回路94,95,96に対して、上記駆動回路91,92,93と共通の絶縁電源97を用いることができる。
この実施形態に係るPWM整流器1Cでは、上アームの交流スイッチ40RP,40SP,40TPが、何れも、IGBTなどの単方向半導体スイッチング素子11,12を逆方向に直列接続し、各スイッチング素子11,12に対してそれぞれダイオード16,15を逆並列に接続して構成されている。
また、下アームの交流スイッチ40RN,40SN,40TNについても、単方向半導体スイッチング素子13,14及びダイオード17,18により、上記交流スイッチ40RP,40SP,40TPと全く同一に構成されている。
なお、この実施形態では、便宜的に、ダイオード16を第1のダイオード,同15を第2のダイオード、同17を第3のダイオード,同18を第4のダイオードというものとする。
また、PWMインバータ2側も第1,第2実施形態と同様であり、下アームのスイッチング素子20UN,20VN,20WNの駆動回路94,95,96に対して、上記駆動回路91,92,93と共通の絶縁電源97を用いることができる。
2:PWMインバータ
10RP,10RN,10SP,10SN,10TP,10TN,30RP,30RN,30SP,30SN,30TP,30TN,40RP,40RN,40SP,40SN,40TP,40TN:交流スイッチ
11,12,13,14:単方向半導体スイッチング素子
15,16,17,18:ダイオード
20UP,20UN,20VP,20VN,20WP,20WN:半導体スイッチング素子
60,70,80,90:駆動ユニット
61,62,63,71,72,81,91,92,93,94,95,96:駆動回路
64,73,82,97:絶縁電源
200:三相交流電源
300:負荷
Claims (4)
- 交流スイッチのスイッチング動作により交流電力を直流電力に変換する整流器と、この整流器から出力された直流電力を交流電力に変換するインバータと、を備えた電力変換装置において、
前記整流器を構成し、かつ、その電流流出側電極が前記インバータの直流部負極側に接続されている全ての半導体スイッチング素子と、前記インバータを構成し、かつ、その電流流出側電極が前記直流部負極側に接続されている全ての半導体スイッチング素子とを、共通の絶縁電源を用いて駆動することを特徴とする電力変換装置。 - 請求項1に記載した電力変換装置において、
前記整流器は、交流入力相と直流部正極との間にそれぞれ接続される複数の第1の交流スイッチと、交流入力相と直流部負極との間にそれぞれ接続される複数の第2の交流スイッチと、を備え、
第1の交流スイッチは、互いに逆並列接続された第1,第2の半導体スイッチング素子を備えると共に、第2の交流スイッチは、互いに逆並列接続された第3,第4の半導体スイッチング素子を備え、
複数の第1の半導体スイッチング素子の電流流出側電極を前記直流部正極側に接続して前記直流部正極側の電位を基準電位とする第1の絶縁電源により前記複数の第1のスイッチング素子を駆動し、かつ、複数の第4の半導体スイッチング素子の電流流出側電極を前記直流部負極側に接続して前記直流部負極側の電位を基準電位とする第2の絶縁電源により前記複数の第4のスイッチング素子を駆動し、更に、第2,第3の半導体スイッチング素子の電流流出側電極を同一の交流入力相に接続して当該交流入力相の電位を基準電位とする第3の絶縁電源により第2,第3の半導体スイッチング素子を駆動することを特徴とする電力変換装置。 - 請求項1に記載した電力変換装置において、
前記整流器は、交流入力相と直流部正極との間にそれぞれ接続される複数の第1の交流スイッチと、交流入力相と直流部負極との間にそれぞれ接続される複数の第2の交流スイッチと、を備え、
第1の交流スイッチは、第1の半導体スイッチング素子と第1のダイオードとの順方向直列接続回路と、第2の半導体スイッチング素子と第2のダイオードとの順方向直列回路と、を逆並列接続して構成し、
第2の交流スイッチは、第3の半導体スイッチング素子と第3のダイオードとの順方向直列接続回路と、第4半導体スイッチング素子と第4のダイオードとの順方向直列回路と、を逆並列接続して構成し、
複数の第1の半導体スイッチング素子の電流流出側電極を前記直流部正極側に接続して前記直流部正極側の電位を基準電位とする第1の絶縁電源により前記複数の第1のスイッチング素子を駆動し、かつ、複数の第4の半導体スイッチング素子の電流流出側電極を前記直流部負極側に接続して前記直流部負極側の電位を基準電位とする第2の絶縁電源により前記複数の第4のスイッチング素子を駆動し、更に、第2,第3の半導体スイッチング素子の電流流出側電極を同一の交流入力相に接続して当該交流入力相の電位を基準電位とする第3の絶縁電源により第2,第3の半導体スイッチング素子を駆動することを特徴とする電力変換装置。 - 請求項1に記載した電力変換装置において、
前記整流器は、交流入力相と直流部正極との間にそれぞれ接続される複数の第1の交流スイッチと、交流入力相と直流部負極との間にそれぞれ接続される複数の第2の交流スイッチと、を備え、
第1の交流スイッチは、第1の半導体スイッチング素子と第1のダイオードとの逆並列回路と、第2の半導体スイッチング素子と第2のダイオードとの逆並列回路と、を備え、かつ、第1,第2のダイオードのカソード同士を接続して構成し、
第2の交流スイッチは、第3の半導体スイッチング素子と第3のダイオードとの逆並列回路と、第4の半導体スイッチング素子と第4のダイオードとの逆並列回路と、を備え、かつ、第3,第4のダイオードのカソード同士を直列接続して構成し、
複数の第1の半導体スイッチング素子の電流流出側電極を前記直流部正極側に接続して前記直流部正極側の電位を基準電位とする第1の絶縁電源により前記複数の第1のスイッチング素子を駆動し、かつ、複数の第4の半導体スイッチング素子の電流流出側電極を前記直流部負極側に接続して前記直流部負極側の電位を基準電位とする第2の絶縁電源により前記複数の第4のスイッチング素子を駆動し、更に、第2,第3の半導体スイッチング素子の電流流出側電極を同一の交流入力相に接続して当該交流入力相の電位を基準電位とする第3の絶縁電源により第2,第3の半導体スイッチング素子を駆動することを特徴とする電力変換装置。
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