JP4847710B2 - 電力変換装置 - Google Patents

Description

この発明は、直流電圧から交流電圧へ、交流電圧から直流電圧へ、直流電圧から直流電圧へ、電力を変換する電力変換装置に関するものである。

従来の電力変換装置は、主回路配線の寄生インダクタンスに起因するサージ電圧、およびサージエネルギ損失を低減するために、主回路スイッチング素子の主端子間にスナバ用ダイオードとスナバ用コンデンサの直列接続体を接続し、スナバ用ダイオードとスナバ用コンデンサとの接続点と直流電源との間に接続された、回生用インダクタと回生用スイッチング素子と回生用ダイオードの直列接続体を備え、主回路スイッチング素子のオン期間内で回生用スイッチング素子をオンすることにより、スナバ用コンデンサに蓄積されていたサージエネルギを、コンデンサとインダクタとの共振現象を利用して直流電源に回生していた。（例えば特許文献１参照）。
特開２００１−５４２７９号公報（段落００３６−０１２３）

従来の電力変換装置は上記のように構成され、電力変換用スイッチング素子毎に、回生用インダクタと回生用スイッチング素子と回生用ダイオードの直列接続体が必要となり、装置が大形化するという問題点があった。

この発明は上記のような問題点を解消するためになされたもので、主回路スイッチング素子の個数に係わらず、回生用インダクタと回生用スイッチング素子の直列接続体を高電圧側と低電圧側の２つ設けるだけでエネルギ回生動作を実現することができ、装置を小形化することができる電力変換装置を提供することを目的とする。

この発明に係る電力変換装置は、直流電源に接続された直流高電圧端子と直流低電圧端子との間に、高電圧側主回路スイッチング素子と低電圧側主回路スイッチング素子との直列接続体を２つ以上並列接続すると共に、上記各高電圧側主回路スイッチング素子と各低電圧側主回路スイッチング素子のそれぞれにスナバ用コンデンサとスナバ用ダイオードとの直列接続体を並列接続した電力変換装置において、上記各高電圧側主回路スイッチング素子のスナバ用コンデンサとスナバ用ダイオードとの接続点に一端が接続され、他端が高電圧側共通接続点に接続された高電圧側回生用ダイオード、高電圧側回生用インダクタと高電圧側回生用スイッチング素子とを直列接続し、上記高電圧側回生用インダクタの端子が上記高電圧側共通接続点に接続され、上記高電圧側回生用スイッチング素子の端子が上記直流低電圧端子に接続された回生用高電圧側直列接続体、上記各低電圧側主回路スイッチング素子のスナバ用コンデンサとスナバ用ダイオードとの接続点に一端が接続され、他端が低電圧側共通接続点に接続された低電圧側回生用ダイオード、及び低電圧側回生用インダクタと低電圧側回生用スイッチング素子とを直列接続し、上記低電圧側回生用インダクタの端子が上記低電圧側共通接続点に接続され、上記低電圧側回生用スイッチング素子の端子が上記直流高電圧端子に接続された回生用低電圧側直列接続体を備え、上記高電圧側回生用スイッチング素子を上記高電圧側主回路スイッチング素子が全て導通状態の期間内に導通させると共に、上記低電圧側回生用スイッチング素子を上記低電圧側主回路スイッチング素子が全て導通状態の期間内に導通させることにより、上記高電圧側または低電圧側主回路スイッチング素子の非導通時にそれぞれ上記スナバ用コンデンサに蓄積されたサージエネルギを上記スナバ用コンデンサの容量と上記高電圧側または上記低電圧側回生用インダクタのインダクタンスとの共振現象を利用して上記直流電源に回生させるものである。

この発明に係る電力変換装置は上記のように構成されているため、複数の高電圧側（低電圧側）主回路スイッチング素子が全て導通している場合、高電圧側（低電圧側）回生用スイッチング素子を導通とし、この期間スナバ用コンデンサのエネルギを回生するので、スナバ用コンデンサの電圧が電源電圧より小さくなっても、この期間に直流電源からスナバ用コンデンサを再度充電することを防ぐことができ、また、主回路スイッチング素子の個数に係わらず、回生用インダクタと回生用スイッチング素子の直列接続体を高電圧側、低電圧側の２つ設けるだけでエネルギ回生動作を実現することができるため、電力変換装置を小形に構成することができる。

実施の形態１．
以下、この発明の実施の形態１を図にもとづいて説明する。図１は、実施の形態１による電力変換装置の構成を示す回路図である。この図は直流電圧を単相の交流電圧（交流電流）に変換する電力変換装置１の例を示す。電力変換装置１は直流高電圧端子を構成する入力端子VH（以下、入力端子VHという）と直流低電圧端子を構成する入力端子VL（以下、入力端子VLという）を有し、この両入力端子間に直流電源２が接続されている。また、電力変換装置の出力端子Out1、Out2を有し、両出力端子間に負荷4が接続されている。

次に、電力変換装置1の構成について説明する。電力変換装置１は、入力端子VHおよびVLと出力端子Out1、Out2との間の接続を制御する高電圧側主回路スイッチング素子SH1と低電圧側主回路スイッチング素子SL1（以下、いずれも主回路スイッチング素子または単にスイッチング素子という）の直列接続体および高電圧側主回路スイッチング素子SH2と低電圧側主回路スイッチング素子SL2（以下、いずれも主回路スイッチング素子または単にスイッチング素子という）の直列接続体からなる２つの直列接続体と、各主回路スイッチング素子SH1、SH2、SL1、SL2にそれぞれ備えられたスナバ回路と、入力端子VH側に配置された主回路スイッチング素子側のサージエネルギを回生するための高電圧側エネルギ回生回路（詳細後述）と、入力端子VL側に配置された主回路スイッチング素子側のサージエネルギを回生するための低電圧側エネルギ回生回路（詳細後述）と、各スイッチング素子へ入力するゲート信号を形成する制御回路3とから構成されている。

以下、各部分の接続構成について詳細に説明する。先ず、スナバ回路を有する主回路スイッチング素子SH1、SL1とSH2、SL2の直列接続体の構成について説明する。MOSFETで構成される主回路スイッチング素子SH1、SH2のドレイン端子は、それぞれを共通接続して入力端子VHに接続すると共に、SH1はスナバ用コンデンサCsH1の一方の端子に、SH2はスナバ用コンデンサCsH2の一方の端子に接続し、SH1のゲート端子はゲート抵抗RgH1の一方の端子に、SH2のゲート端子はゲート抵抗RgH2にそれぞれ接続されている。

また、主回路スイッチング素子SH1のソース端子は出力端子Out1およびスナバ用ダイオードDsH1のカソード端子に接続され、主回路スイッチング素子SH2のソース端子は出力端子Out2およびスナバ用ダイオードDsH2のカソード端子に接続されている。更に、ダイオードDsH1のアノード端子とコンデンサCsH1の他方の端子とが接続され、ダイオードDsH2のアノード端子とコンデンサCsH2の他方の端子とが接続されている。

MOSFETで構成される主回路スイッチング素子SL1、SL2のドレイン端子は、それぞれ出力端子Out1、Out2に接続すると共に、SL1はスナバ用ダイオードDsL1のアノード端子に、SL2はスナバ用ダイオードDsL2のアノード端子にそれぞれ接続され、SL1のゲート端子はゲート抵抗RgL1の一方の端子に、SL2のゲート端子はゲート抵抗RgL2の一方の端子に接続されている。

また、主回路スイッチング素子SL1のソース端子は入力端子VLおよびスナバ用コンデンサCsL1の一方の端子に接続され、主回路スイッチング素子SL2のソース端子は入力端子VLおよびスナバ用コンデンサCsL2の一方の端子に接続されている。

更に、ダイオードDsL1のカソード端子とコンデンサCsL1の他方の端子とが接続され、ダイオードDsL2のカソード端子とコンデンサCsL2の他方の端子とが接続されている。ゲート抵抗RgH1、RgH2、RgL1、RgL2の他方の端子は、それぞれ制御回路3に接続されている。

次に、高電圧側エネルギ回生回路の構成について説明する。高電圧側回生用ダイオードDkH1のカソードは、スナバ用ダイオードDsH1とスナバ用コンデンサCsH1の接続点に接続され、アノードは高電圧側共通接続点Hに接続されている。この高電圧側共通接続点Hには更に高電圧側回生用インダクタLkHの一方の端子および回生用ダイオードDkH2のアノード端子が接続されている。高電圧側回生用ダイオードDkH2のカソード端子は、スナバ用コンデンサCsH2とスナバ用ダイオードDsH2の接続点に接続されている。高電圧側回生用インダクタLkHの他方の端子は、MOSFETからなる高電圧側回生用スイッチング素子SkHのドレイン端子に接続され、そのソース端子は入力端子VLに、ゲート端子は制御回路3に接続され、LkHとSkHとで回生用高電圧側直列接続体を形成している。

次に、低電圧側エネルギ回生回路の構成について説明する。低電圧側回生用ダイオードDkL1のアノードは、スナバ用ダイオードDsL1とスナバ用コンデンサCsL1の接続点に接続され、カソードは低電圧側共通接続点Lに接続されている。この低電圧側共通接続点Lには更に低電圧側回生用インダクタLkLの一方の端子および低電圧側回生用ダイオードDkL2のカソード端子が接続されている。低電圧側回生用ダイオードDkL2のアノード端子は、スナバ用コンデンサCsL2とスナバ用ダイオードDsL2の接続点に接続されている。低電圧側回生用インダクタLkLの他方の端子は、MOSFETからなる低電圧側回生用スイッチング素子SkLのドレイン端子に接続され、そのソース端子は入力端子VHに、ゲート端子は制御回路3に接続され、LkLとSkLとで回生用低電圧側直列接続体を形成している。

次に、実施の形態１の動作について説明する。図2に各スイッチング素子のゲート信号を示す。図中のゲート信号ハイ電圧は、スイッチング素子のオン状態を意味している。また、図２の各期間毎の主回路電流の流れ、およびエネルギ回生電流の流れを表１に示す。

図２に示している各スイッチング素子のオンオフをコントロールするゲート信号は図１の制御回路３において形成され、スイッチング素子を駆動できる電圧に変換されて各スイッチング素子のゲートに入力される。主回路スイッチング素子SH1、SH2、SL1、SL2のゲート信号は、図２（ａ）に示すように、正弦波の基本波と三角波の搬送波との比較により形成され、高電圧側エネルギ回生回路の回生用スイッチング素子SkHのゲート信号は、主回路スイッチング素子SH1およびSH2のゲート信号のアンド出力を得ることにより形成される。同様に、低電圧側回生用スイッチング素子SkLのゲート信号は、主回路スイッチング素子SL1とSL2のゲート信号のアンド出力から形成される。

次に、期間毎の動作について説明する。入力端子VHと主回路スイッチング素子SH1、SH2のドレイン端子間に、寄生のインダクタンス（寄生L）が存在しているものとして説明する。実際は、主回路配線のさまざまな個所に寄生Lは存在しているが、ここでは説明を簡単にするために1箇所に寄生Lがあるとして説明する。

期間（１）においては、図２（ｂ）（ｅ）に示すように、主回路スイッチング素子SH1およびSL2がオン状態となり、主回路の電流は、電源2→寄生L→SH1→誘導性の負荷4→SL2→電源2の順に流れる。

期間（２）においては、図２（ｄ）（ｅ）に示すように、主回路スイッチング素子SL2がオフとなりSH2がオン状態となる。スナバ回路が具備されていない電力変換装置では、主回路スイッチング素子SL2がオフすると、寄生Lに流れていた電流の行き場がなくなり、そのサージエネルギが主回路スイッチング素子SL2のオフする過程で消費されることになるが、実施の形態１では、サージエネルギによる電流は、表１にも示すように、電源2→寄生L→SH2→DsL2→CsL2→電源2と流れ、一部のエネルギは主回路スイッチング素子SL2で消費されるが、残りのサージエネルギはスナバ用コンデンサCsL2に一時保存される。主回路電流は、誘導性負荷4が電流を維持するように働くため、表１にも示すように、誘導性の負荷4→SH2→SH1→誘導性の負荷4の順に流れる。この時のサージの種類をオフサージと呼ぶ。

また、期間（２）では図２（ｆ）に示すように、回生用スイッチング素子SkHがオン状態となる。以降説明する動作により、スナバ用コンデンサCsH1、CsH2に一時保存されていたエネルギを、表１に示すように、CsH1‖CsH2（‖は並列を示す）→寄生L→電源2→SkH→LkH→DkH1‖DkH2→CsH1‖CsH2の順で電源2に回生する。

この時、一回のエネルギ移行で回生できるエネルギ量は、LC共振現象を利用しているため、スナバ用コンデンサに蓄積されていた電圧をVx、電源電圧をVsとすると、最大（回生電流が流れる経路の抵抗がゼロの場合）2（Vx−Vs）の電圧分回生できる。コンデンサ容量をCsとすると、0.5Cs(Vx²−(Vx−Vs)²)のエネルギが回生できる。例えば、スナバ用コンデンサの容量0.1μF、650Vの電源条件で400Aの電流を高速に（ゲート抵抗ほぼゼロで）スイッチングした場合、サージ電圧は900V程度になる。最大32.5mJ（900V→400V）のサージエネルギを回生できる。なお、主回路スイッチング素子SH1およびSH2がオン状態のときに、スナバ用コンデンサのエネルギを回生するようになっているので、スナバ用コンデンサの電圧が電源電圧Vsより小さくなっても、この期間電源から再度スナバ用コンデンサを充電してしまうことにはならない。

期間（３）においては、図２（ｄ）（ｅ）に示すように、主回路スイッチング素子SH2がオフし、SL2がオン状態となる。主回路スイッチング素子SH2がオフしてもスイッチング素子には寄生ダイオードがあるため、電流は出力端子Out2から入力端子VHへ電流が流れ続ける。主回路スイッチング素子SL2がオンとなり、主回路電流がSL2とSH2に分かれ、SH2に流れている電流が急激に減少しゼロになる。

電流がゼロになると、主回路スイッチング素子SH2のドレイン−ソース間電圧が上昇する。このとき、主回路スイッチング素子SH2のドレイン−ソース間の容量を電源2から寄生Lを介して充電するため、LC共振現象により主回路スイッチング素子SH2のドレイン−ソース間の電圧が電源電圧よりも大きく跳ね上がる。スナバ用コンデンサCsH2への電流は、表１にも示すように、電源2→寄生L→CsH2→DsH2→SL2→電源2の順に流れ、スナバ用コンデンサCsH2を充電する。主回路に流れる電流は、表１にも示すように、電源2→寄生L→SH1→誘導性負荷4→SL2→電源2の順に流れる。この時のサージの種類をオンサージと呼ぶ。

期間（４）においては、図２（ｂ）（ｃ）に示すように、主回路スイッチング素子SH1がオフし、SL1がオン状態となる。寄生Lに蓄積されたサージエネルギによる電流は、表１にも示すように、電源2→寄生L→CsH1→DsH1→SL1→電源2と流れ、一部のエネルギは主回路スイッチング素子SH1で消費されるが、残りのサージエネルギはスナバ用コンデンサCsH1に一時保存される。主回路電流は、誘導性負荷4が電流を維持するように働くため、表１にも示すように、誘導性の負荷4→SL2→SL1→誘導性の負荷4の順に流れる。

また、期間（４）では図２（ｇ）に示すように、回生用スイッチング素子SkLがオン状態となる。スナバ用コンデンサCsL1、CsL2に一時保存されていたエネルギを、表１にも示すように、CsL1‖CsL2→DkL1‖DkL2→LkL→SkL→寄生L→電源2→CsL1‖CsL2の順で電源2に回生する。回生するエネルギ量は上記と同様であり、主回路スイッチング素子SL1およびSL2がオン状態でのエネルギ回生動作であるため、電源からの再充電の心配もない。

期間（１）においては、上述のように主回路スイッチング素子SL1がオフし、SH1がオン状態となる。期間（３）と同様に、主回路スイッチング素子SH1のドレイン−ソース間電圧がゼロになると同時に主回路スイッチング素子SL1のドレイン−ソース間電圧が上昇する。このとき、期間（３）と同様に、主回路スイッチング素子SL1のドレイン−ソース間の容量を電源2から寄生Lを介して充電するため、LC共振現象により主回路スイッチング素子SL1のドレイン−ソース間の電圧が電源電圧よりも大きく跳ね上がる。主回路スイッチング素子SL1のスナバ用コンデンサCsL1への電流は、表１にも示すように、電源2→寄生L→SH1→DsL1→CsL1→電源2の順に流れ、スナバ用コンデンサCsL1を充電する。主回路に流れる電流は、上述の通りである。

回生用スイッチング素子SkH、SkLがオンすることにより、スナバ用コンデンサに一時的に蓄えられていたサージエネルギを電源に回生する。このエネルギ回生に要する時間は、寄生L≪回生用インダクタと考え、エネルギ回生経路の抵抗を無視すると、回生用インダクタLkH、LkLのインダクタンスおよびスナバ用コンデンサの容量値から決まる。回生用インダクタのインダクタンスをLk、スナバ用コンデンサの容量値をCsとすると、エネルギ回生に必要な時間tは、

となる。

実施の形態１において、各主回路スイッチング素子のゲート信号の最小のパルス幅は、この時間tよりも大きな値となるように設定されている。このように電力変換装置の駆動条件を制限することにより、エネルギ回生を確実に行うことができる。言い換えると、電力変換装置の駆動信号の最小パルス幅に合わせてインダクタンス値Lk、容量値Csを設定している。

実施の形態１のように、三角波比較で正弦波出力を得るようにゲート信号を形成する場合には、それぞれの電圧側の主回路スイッチング素子が全オン状態となる時間と、対応する主回路スイッチング素子群のうちゲート信号パルス幅の狭い方のオン時間が一致するので、最小パルス幅を上記のように設定することで、確実なエネルギ回生が可能となる。

以上の説明では、主回路電流が出力端子Out1からOut2の向きの場合について説明したが、電流の向きが逆であっても、主回路スイッチング素子の電流の向きが逆になり、オンサージ、オフサージの発生するスイッチング素子が変わるだけであるので、主回路電流の向きが逆になった場合の説明は省略する。

実施の形態１の電力変換装置は上記のように構成されているため、スナバ用コンデンサのエネルギを回生するために、主回路スイッチング素子毎にエネルギ回生回路を必要とせず、装置を小形に構成することができる。
実施の形態２．
次に、この発明の実施の形態２を図にもとづいて説明する。図３は、実施の形態2による電力変換装置の構成を示す回路図である。この図において、電力変換装置10は、直流電圧を3相交流電圧（交流電流）に変換するものである。実施の形態1との相違点は、負荷が3相の交流モータ40になり、出力端子Out3が付加され、それに対応してOut1、Out2と同じ構成のスナバ回路を備えた主回路スイッチング素子SH3、SL3の直列接続体が１列増えた点である。出力端子Out1、Out2と同様に、出力端子Out3は負荷40に接続されている。

3列目のスナバ回路を備えた主回路スイッチング素子SH3、SL3の直列接続体と、エネルギ回生回路との接続構成について説明する。回生用ダイオードDkH3のカソード端子は、スナバ用コンデンサCsH3とダイオードDsH3の接続点に接続され、アノード端子は、回生用インダクタLkHに他の高電圧側回生用ダイオードと同様に接続されている。回生用ダイオードDkL3のアノード端子は、スナバ用コンデンサCsL3とダイオードDsL3の接続点に接続され、カソード端子は、回生用インダクタLkLに他の低電圧側の回生用ダイオードと同様に接続されている。

次に、実施の形態２の動作について説明する。実施の形態１と同様に、一方の回生用スイッチング素子SkHは、主回路スイッチング素子SH1、SH2、SH3が同時にオンしている期間内にオン状態となり、そして他方の回生用スイッチング素子SkLは主回路スイッチング素子SL1、SL2、SL3が同時にオンしている期間内にオン状態となるようにされている。スナバ用コンデンサCsH3、CsL3に蓄積されているサージエネルギは、この回生用スイッチング素子SkH、SkLがオン時にエネルギを電源20に回生する。スイッチング動作による主回路電流、回生電流の動きは、実施の形態１とは2相と3相の違いのみであるので、説明は省略する。

実施の形態２は実施の形態１と同様に、各主回路スイッチング素子のゲート信号の最小のパルス幅は、エネルギ回生に要する時間tよりも大きな値となるようにされている。3相交流の場合も2相の場合（実施の形態１）と同様に、それぞれの電圧側の主回路スイッチング素子の全オン時間と、それに対応する主回路スイッチング素子群の3相分のうちゲート信号パルス幅の一番狭い方のオン時間はほぼ一致するので、ゲート信号の最小パルス幅を上記のように設定することにより、確実なエネルギ回生が実現できるものである。

実施の形態2の電力変換装置は上記のように構成されているため、実施の形態１と同様に、スナバ用コンデンサのエネルギを回生するために、主回路スイッチング素子毎にエネルギ回生回路を必要とせず、装置を小形に構成することができる。

なお、以上の説明では、主回路スイッチング素子をMOSFETで構成した例を示したが、これに限られるものではなく、IGBTとダイオードで構成しても同様の効果が得られることは言うまでもない。

この発明の実施の形態１による電力変換装置の構成を示す回路図である。 実施の形態１の電力変換装置を構成するスイッチング素子のゲート信号波形を示す図である。 この発明の実施の形態２による電力変換装置の構成を示す回路図である。

符号の説明

1、10 電力変換装置、 2、20 電源、 3、30 制御回路、 4、40 負荷、
VH、VL 入力端子、 Out1、Out2、Out3 出力端子、
SH1、SH2、SH3、SL1、SL2、SL3 主回路スイッチング素子、
RgH1、RgH2、RgH3、RgL1、RgL2、RgL3 ゲート抵抗、
CsH1、CsH2、CsH3、CsL1、CsL2、CsL3 スナバ用コンデンサ、
DsH1、DsH2、DsH3、DsL1、DsL2、DsL3 スナバ用ダイオード、
DkH1、DkH2、DkH3、DkL1、DkL2、DkL3 回生用ダイオード、
LkH、LkL 回生用インダクタ、 SkH、SkL 回生用スイッチ素子。

Claims (2)

1. 直流電源に接続された直流高電圧端子と直流低電圧端子との間に、高電圧側主回路スイッチング素子と低電圧側主回路スイッチング素子との直列接続体を２つ以上並列接続すると共に、上記各高電圧側主回路スイッチング素子と各低電圧側主回路スイッチング素子のそれぞれにスナバ用コンデンサとスナバ用ダイオードとの直列接続体を並列接続した電力変換装置において、上記各高電圧側主回路スイッチング素子のスナバ用コンデンサとスナバ用ダイオードとの接続点に一端が接続され、他端が高電圧側共通接続点に接続された高電圧側回生用ダイオード、高電圧側回生用インダクタと高電圧側回生用スイッチング素子とを直列接続し、上記高電圧側回生用インダクタの端子が上記高電圧側共通接続点に接続され、上記高電圧側回生用スイッチング素子の端子が上記直流低電圧端子に接続された回生用高電圧側直列接続体、上記各低電圧側主回路スイッチング素子のスナバ用コンデンサとスナバ用ダイオードとの接続点に一端が接続され、他端が低電圧側共通接続点に接続された低電圧側回生用ダイオード、及び低電圧側回生用インダクタと低電圧側回生用スイッチング素子とを直列接続し、上記低電圧側回生用インダクタの端子が上記低電圧側共通接続点に接続され、上記低電圧側回生用スイッチング素子の端子が上記直流高電圧端子に接続された回生用低電圧側直列接続体を備え、上記高電圧側回生用スイッチング素子を上記高電圧側主回路スイッチング素子が全て導通状態の期間内に導通させると共に、上記低電圧側回生用スイッチング素子を上記低電圧側主回路スイッチング素子が全て導通状態の期間内に導通させることにより、上記高電圧側または低電圧側主回路スイッチング素子の非導通時にそれぞれ上記スナバ用コンデンサに蓄積されたサージエネルギを上記スナバ用コンデンサの容量と上記高電圧側または上記低電圧側回生用インダクタのインダクタンスとの共振現象を利用して上記直流電源に回生させることを特徴とする電力変換装置。
2. 上記高電圧側または低電圧側主回路スイッチング素子の最小導通時間τは、上記スナバ用コンデンサの容量値をCs、上記高電圧側または低電圧側回生用インダクタのインダクタンス値をLkとした時、
   

   

   
   
   としたことを特徴とする請求項１記載の電力変換装置。
   

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