JP5093452B2 - 電力変換機器に適用されるコモンモード漏れ電流抑制回路 - Google Patents
電力変換機器に適用されるコモンモード漏れ電流抑制回路 Download PDFInfo
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Description
スイッチを構成するこれらのトランジスタは、複数の素子が一体的にモジュール化された状態で使用されることが多く、例えば、一相分のトランジスタ(2個)を含む「2 in 1」タイプや、三相分のトランジスタ(6個)を含む「6 in 1」タイプ等がある。
この構造では、コレクタ電極14と金属板12が絶縁基板11を挟んだ並行平板状の電極となっているので、コレクタ電極14と金属板12の間には寄生のコンデンサが形成されることになる。図8(B)において、この寄生のコンデンサはスイッチ寄生容量CSで表される。
なお、接地点は様々に設定可能であるが、本明細書及び各添付図面では直流電源2の中間点を接地し、ここを基準電位として説明する。
なお、PWMインバータの動作波形を示す各添付図面において、例えば“↑E[V]”は、スイッチ状態の変化に応じて電圧がE[V]上昇したことを示し、“↓E[V]”はE[V]下降したことを示す。
なお、図10に示すPWMインバータ10では、各スイッチが変化しても上アーム電源ラインEUは変化しない。したがって、PWMインバータ10では、各スイッチが変化しても上アーム側スイッチ寄生容量CSUに印加される電圧は一定に保たれ、スイッチ寄生容量CSUに漏れ電流ISUは流れない。
図12に示す、特許文献1に記載された三相のPWMインバータ10’は、インバータINVの各相出力に接続されて出力平均電圧(=各相の平均電圧)Vinvを検知する3つのコンデンサC0と、コンプリメンタリなNPNトランジスタTrn及びPNPトランジスタTrpからなるプッシュプル型エミッタホロワ回路8と、この回路の出力に接続された一次コイルLcm1と、インバータINVの各相出力と三相負荷3の間に直列に接続された3個の二次コイルLcm2と、を含むコモンモードキャンセル回路20を備えている。
前記重畳部が、a)前記電圧生成部に接続され、前記重畳電圧が入力される一次コイルと、b)前記上アーム電源ライン及び下アーム電源ラインにそれぞれ直列に接続され、前記一次コイルと巻数が等しい2個の二次コイルとからなるトランスを含み、
前記補償電流発生部が、c)前記トランスに備えられ、前記一次コイルから電圧が誘起されるコイルであって、前記一次コイルのn倍(ただしn>1)の巻数を有し、一端が接地された補助コイルと、d)前記補助コイルの他端と前記上アーム電源ラインの間に接続され、容量値が、式“C C =(前記上アーム電源ラインに付随する寄生容量の総和)/(n−1)”に基づいて決定される補償コンデンサとからなり、
前記一次コイルと二次コイルの電磁誘導作用により、前記重畳電圧と変動量が等しい逆極性の電圧が前記上アーム電源ライン及び下アーム電源ラインに重畳されること、及び前記補償コンデンサの両端の電位差に応じた補償電流が発生することを特徴とする。
電圧生成部5は、各トランジスタのベースにおいて出力平均電圧Vinvが入力され、この電圧と等しい重畳電圧Voを出力する。
一次コイルL1の一端に入力される重畳電圧Voが変動しても、一次コイルL1の両端には電圧Voが生じ、これと等しい電圧が二次コイルL2p、L2nに誘起され、上アーム電源ラインEU及び下アーム電源ラインEDにそれぞれ重畳電圧Voと変動量が等しい逆極性の電圧が重畳される。結果的に、上アーム電源ラインEU及び下アーム電源ラインEDは、検知された出力平均電圧Vinvと変動量が等しく、かつ逆極性にシフトする。
なお、本来、U相は0[V]からE[V]まで+E[V]変動するところ、上アーム電源ラインEU及び下アーム電源ラインEDがそれぞれ−E/3[V]シフトしたために、その変動は+2E/3[V]に留まる。
したがって、実施例1に係るPWMインバータ1によれば、負荷寄生容量CL、及び下アーム側スイッチ寄生容量CSDに起因するコモンモード漏れ電流を抑制することができる。
後述する実施例2に係るPWMインバータは、図2に示される実施例1に係るPWMインバータ1に追加回路を付加し、上記上アーム側スイッチ寄生容量CSUに起因するコモンモード漏れ電流を抑制するものである。
補助コイルLCの一端は接地され、他端は補償コンデンサCCの一端に接続される。そして、補償コンデンサCCの他端は、上アーム電源ラインEUに接続される。
スイッチSWuがOFFからONに、スイッチSWxがONからOFFにそれぞれ変化すると、上アーム電源ラインEUは−E/3[V]シフトする。このとき、上アーム側スイッチ寄生容量3×CSUには、その容量値(3×CSU)と、その両端における電位差の変化量(E/3[V])に応じた漏れ電流ISUが流れる。漏れ電流ISUは、当該電流が流れる寄生容量の容量値、及びその両端における電位差の変化量に比例して増加する。
また、本発明が適用されるPWMインバータは三相のものに限定されず、容易に単相(図6(A))または三相を超える多相(図6(B))のPWMインバータやマルチレベルPWMインバータ(図7)にも適用することができる。なお、図7に示すマルチレベルPWMインバータは一例として三相負荷を駆動するものであるが、本発明は、単相または三相を超える多相のマルチレベルPWMインバータにも適用することができる。
CC=上アーム電源ラインに付随する寄生容量の総和/(n−1)
としてもよい。上式に基づいて補償コンデンサCCを決定すれば、上アーム側スイッチ寄生容量に流れる漏れ電流に等しい補償電流を発生することができ、実施例2と同等の効果を得ることができる。例えば、一次コイルL1と補助コイルLCの巻数比を1:3とした場合、補償コンデンサCCの容量値を上アーム電源ラインに付随する寄生容量の半分にすることができる。
1’ PWMインバータ
2 直流電源
3 三相負荷
3’ 単相負荷
3” 多相負荷
4 検知部
5 電圧生成部
6 重畳部
7 補償電流発生部
8 プッシュプル型エミッタホロワ回路
9 コモンモード漏れ電流抑制回路
9’ コモンモード漏れ電流抑制回路
10 PWMインバータ
10’ PWMインバータ
11 絶縁基板
12 金属板
13 エミッタ電極
14 コレクタ電極
20 コモンモードキャンセル回路
EU 上アーム電源ライン
ED 下アーム電源ライン
INV インバータ
INV’ マルチレベルインバータ
SWu〜w 上アーム側スイッチ
SWx〜z 上アーム側スイッチ
Claims (2)
- 上アーム電源ライン及び下アーム電源ラインを介して直流電源から電力が供給され、電力用半導体スイッチング素子のスイッチング動作によって電力変換を行う電力変換機器において、該スイッチング動作に応じて生じるコモンモード漏れ電流を抑制すべく備えられる回路であって、
i)前記電力変換機器の各相の出力に接続され、前記スイッチング動作に応じて変動する出力平均電圧を検知する検知部と、
ii)前記検知部に接続され、前記出力平均電圧と等しい重畳電圧を発生する電圧生成部と、
iii)前記電圧生成部に接続され、前記重畳電圧と変動量が等しい逆極性の電圧を、前記上アーム電源ライン及び下アーム電源ラインに重畳する重畳部と、
iv)前記重畳部に接続された補償電流発生部と、
を備え、
前記重畳部が、
a)前記電圧生成部に接続され、前記重畳電圧が入力される一次コイルと、
b)前記上アーム電源ライン及び下アーム電源ラインにそれぞれ直列に接続され、前記一次コイルと巻数が等しい2個の二次コイルと、
からなるトランスを含み、
前記補償電流発生部が、
c)前記トランスに備えられ、前記一次コイルから電圧が誘起されるコイルであって、前記一次コイルのn倍(ただしn>1)の巻数を有し、一端が接地された補助コイルと、
d)前記補助コイルの他端と前記上アーム電源ラインの間に接続され、容量値が、
C C =(前記上アーム電源ラインに付随する寄生容量の総和)/(n−1)
に基づいて決定される補償コンデンサとからなり、
前記一次コイルと二次コイルの電磁誘導作用により、前記重畳電圧と変動量が等しい逆極性の電圧が前記上アーム電源ライン及び下アーム電源ラインに重畳されること、及び前記補償コンデンサの両端の電位差に応じた補償電流が発生することを特徴とするコモンモード漏れ電流抑制回路。 - 前記電圧生成部は、プッシュプル型エミッタホロワ回路からなることを特徴とする請求項1に記載のコモンモード漏れ電流抑制回路。
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