JP5423264B2 - 電力変換装置 - Google Patents

Description

本発明は、単方向のスイッチング素子を組み合わせた双方向スイッチ、逆耐圧を有するスイッチング素子で構成された双方向スイッチなどを用いる力率改善回路、インバータ回路などの電力変換装置のゲート駆動回路に関する。

図３に特許文献１に示された従来技術に基づく実施例を示す。本従来例は、ダイオード１〜６で構成されたダイオ−ド整流回路の交流入力にリアクトル７〜９を、直流出力にコンデンサ１６と１７で構成したコンデンサ直列接続回路を、各々接続した交流電圧を直流電圧に変換する交流−直流変換回路である。さらに、１０〜１５は逆耐圧を有するスイッチ素子であり、１０と１１、１２と１３、１４と１５は、各々双方向スイッチを構成しており、ダイオード整流回路の交流入力点とコンデンサ１６と１７の接続点に、各々接続されている。これらのスイッチ素子を制御することにより、交流入力電流を正弦波状に制御することができる。

ここで、２８はスイッチ素子１１を駆動するゲート駆動回路、２９はスイッチ素子１３を駆動するゲート駆動回路、３０はスイッチ素子１５を駆動するゲート駆動回路、３１はスイッチ素子１０を駆動するゲート駆動回路、３２はスイッチ素子１２を駆動するゲート駆動回路、３３はスイッチ素子１４を駆動するゲート駆動回路である。また、１８、２０、２１、２２は各ゲート駆動回路電源用の平滑用コンデンサである。

以下に動作を説明する。逆阻止型スイッチ素子１１と１２がオンすると、リアクトル７と８に流れる入力電流は増加し、オフすると減少する。従って、スイッチ素子のオン・オフ比を適切に制御しながら、高周波でスイッチング動作させることによって、入力電流を正弦波状に制御できる。その他のスイッチ素子についても同様にオン・オフ制御することにより、各相の交流入力電流を正弦波上に制御することができる。ここで、それぞれの双方向スイッチは、図４(ａ)に示す逆阻止型スイッチ素子を逆並列接続した構成の他に、図４（ｂ）示す通常の逆耐圧を有さないスイッチ素子とダイオードでも実現することができる。

一般に、１０〜１５のスイッチ素子を制御するためのゲート電圧は主回路の出力電圧と異なり、スイッチ素子１０〜１５のゲート電圧を得るための電源をＤＣ−ＤＣコンバータを用いて生成し、各ゲート駆動回路に供給している。ここでは、主回路の直流出力電圧からＤＣ−ＤＣコンバータ４９を用いてエミッタ電位が共通のスイッチ素子１１、１３、１５用のゲート駆動回路２８、２９、３０に、ＤＣ−ＤＣコンバータ５０を用いてゲート駆動回路３３に、ＤＣ−ＤＣコンバータ５１を用いてゲート駆動回路３２に、ＤＣ−ＤＣコンバータ５２を用いてゲート駆動回路３１に、各々電源を供給している。

また、特許文献２は、直流電源から交流を作り出す３レベルインバータ回路の構成である。ダイオードを逆並列接続したスイッチ素子直列接続回路３個を直列接続された直流電源と並列接続し、直流電源の直列接続点とスイッチ素子直列接続点との間にそれぞれ双方向スイッチを接続した３相出力３レベルインバータ回路である。スイッチ素子直列接続回路３個の各々の直列接続点が交流出力であり、この例ではリアクトルを介して負荷に接続されている。

ゲート駆動回路の電源構成については記載がないが、双方向スイッチ素子のゲート駆動回路の電源構成は特許文献１と同様に構成されていると推測できる。また、インバータ回路を構成している単方向スイッチ素子のゲート駆動回路の電源については、下アーム素子用は共通電位の駆動回路用電源で、上アーム素子用の駆動回路用電源は、個別の絶縁電源で作られるのが一般的である。

特開２０００−２９５８５３号公報 特開２００９−２７８１８号公報

上述のように、双方向スイッチのスイッチ素子１１、１３および１５はエミッタが共通接続されているので、各ゲート回路は一つのゲート駆動用電源（ここでは４９）から電力を供給することができる。しかし、スイッチ素子１０、１２および１４はそれぞれエミッタ電位が異なり、ゲート駆動回路用として個別に絶縁されたゲート駆動用電源（ここでは５０、５１、５２）を作成しなければならない。従って、ゲート駆動用電源を作成するために４つのＤＣ−ＤＣコンバータが必要となる。

また、異なる点を基準電位としたゲート駆動電源が必要なため、各ＤＣ−ＤＣコンバータには絶縁機能が必要である。第５図(a)に示す回路が代表的な絶縁形ＤＣ−ＤＣコンバータ（フライバック型コンバータ）である。ここで、スイッチング素子５５がオンすると、リアクトル５３にエネルギーが蓄えられ、スイッチ素子５５がオフするとそのエネルギーがダイオード５４を介して出力されるものである。また、図５(b)は非絶縁型のＤＣ−ＤＣコンバータの例である。一般的な降圧形チョッパ回路で、絶縁機能がないので、小型化できる。

上述の課題を解決するために、第1の発明においては、ダイオード直列接続回路を複数個並列接続したダイオード整流回路の交流入力にリアクトルを、主直流出力間にコンデンサの直列接続回路を、前記ダイオード直列接続回路の直列接続点と前記コンデンサ直列接続点との間に双方向スイッチを、各々接続した交流−直流電力変換装置において、前記コンデンサ直列接続点である主直流電圧中性点と主直流正極端子との間に第１の直流電圧を作る第１のＤＣ−ＤＣコンバータを、前記コンデンサ直列接続点の主直流電圧中性点と主直流負極端子との間に第２の直流電圧を作る第２のＤＣ−ＤＣコンバータを、各々接続する。

前記第１のＤＣ−ＤＣコンバータは前記主直流電圧中性点にエミッタが接続されている双方向スイッチ素子駆動用のゲート駆動回路各々に直接直流電力を供給し、前記第２のＤＣ−ＤＣコンバータは主直流電圧中性点にエミッタが接続されていない双方向スイッチ素子駆動用のゲート駆動回路各々に電力分配手段を用いて直流電力を供給する。

第２の発明においては、前記電力分配手段は、第２のＤＣ−ＤＣコンバータ出力と主直流電圧中性点にエミッタが接続されていない双方向スイッチ素子駆動用のゲート駆動回路各々との間に、それぞれダイオードを接続し、さらに前記ゲート駆動回路各々の電源端子間にコンデンサを接続する。
第３の発明においては、前記第２のＤＣ−ＤＣコンバータ出力と前記電力分配手段との間に、電流抑制素子を接続する。

第４の発明においては、ダイオードを逆並列接続したスイッチ素子直列接続回路を複数個並列接続した電力変換回路の交流端子にリアクトルを、直流端子間にコンデンサの直列接続回路を、前記スイッチ素子直列接続回路の直列接続点と前記コンデンサ直列接続点との間に双方向スイッチを、各々接続した電力変換装置において、 前記コンデンサ直列接続点である主直流電圧中性点と主直流正極端子との間に第１の直流電圧を作る第１のＤＣ−ＤＣコンバータを、前記コンデンサ直列接続点の主直流電圧中性点と主直流負極端子との間に第２の直流電圧を作る第２のＤＣ−ＤＣコンバータを、各々接続する。

前記第１のＤＣ−ＤＣコンバータは前記主直流電圧中性点にエミッタが接続されている双方向スイッチ素子駆動用のゲート駆動回路に直接直流電力を供給し、前記第２のＤＣ−ＤＣコンバータは前記主直流電圧中性点にエミッタが接続されていない双方向スイッチ素子駆動用のゲート駆動回路各々と、前記電力変換回路を構成する主直流正極端子に接続されたスイッチ素子用のゲート駆動回路各々と、に電力分配手段を用いて直流電力を供給し、前記電力変換回路を構成する主直流負極端子に接続されたスイッチ素子駆動用のゲート駆動回路各々に直接直流電力を供給する。

第５の発明においては、前記電力分配手段は、第２のＤＣ−ＤＣコンバータ出力と主直流電圧中性点にエミッタが接続されていない双方向スイッチ素子駆動用のゲート駆動回路各々と、前記ＰＷＭ整流回路を構成する主直流正極端子に接続されたスイッチ素子用のゲート駆動回路各々と、の間に、それぞれダイオードを接続し、さらに前記ゲート駆動回路各々の電源端子間にコンデンサを接続する。

第６の発明においては、前記ダイオード及びコンデンサは、主直流電圧中性点にエミッタが接続されていない双方向スイッチ素子駆動用のゲート駆動回路と、前記電力変換回路を構成する主直流正極端子に接続されたスイッチ素子用のゲート駆動回路と、に共用する。
第７の発明においては、前記第２のＤＣ−ＤＣコンバータ出力と前記電力分配手段との間に、電流抑制素子を接続する。

本発明では、直流中性点と直流正極との間に１台の非絶縁型ＤＣ−ＤＣコンバータを設け、エミッタを共通接続した双方向スイッチ素子用のゲート駆動回路に電力を供給し、直流中性点と直流負極との間に１台の非絶縁型ＤＣ−ＤＣコンバータを設け、エミッタが共通電位でない双方向スイッチ素子用のゲート駆動回路に電力分配手段を用いて電力を供給している。

この結果、本発明により、力率改善回路やインバータ回路におけるゲート駆動電源を生成するために用いられるＤＣ−ＤＣコンバータやゲート駆動回路の数を減らすことができる。さらに、非絶縁のＤＣ−ＤＣコンバータを適用することができ、低耐圧のスイッチング素子を適用することができる。従って、装置の小形、低コスト化、高効率化が可能となる。

本発明の第１の実施例を示す回路図である。 本発明の第２の実施例を示す回路図である。 従来例を示す回路図である。 双方向スイッチの構成例を示す回路図である。 ＤＣ−ＤＣコンバータの回路例である。

本発明の要点は、整流回路又はインバータ回路の交流端子と直流中性点との間に双方向スイッチを接続した３レベル変換装置において、直流中性点と直流正極との間に１台の非絶縁型ＤＣ−ＤＣコンバータを設け、エミッタを共通接続した双方向スイッチ素子用のゲート駆動回路に電力を供給し、直流中性点と直流負極との間に１台の非絶縁型ＤＣ−ＤＣコンバータを設け、エミッタが共通電位でない双方向スイッチ素子用のゲート駆動回路に電力分配手段を用いて電力を供給している点である。

図１に本発明の第1の実施例を示す。
ダイオード１〜６で構成されたダイオ−ド整流回路の交流入力にリアクトル７〜９を、直流出力にコンデンサ１６と１７で構成したコンデンサ直列接続回路を、各々接続した交流電圧を直流電圧に変換する交流−直流電力変換回路である。さらに、１０〜１５は逆耐圧を有するスイッチ素子であり、１０と１１、１２と１３、１４と１５は、各々双方向スイッチを構成しており、ダイオード整流回路の交流入力点とコンデンサ１６と１７の接続点に、各々接続されている。これらのスイッチ素子を制御することにより、交流入力電流を正弦波状に制御することができる。

また、２８はスイッチ素子１１を駆動するゲート駆動回路、２９はスイッチ素子１３を駆動するゲート駆動回路、３０はスイッチ素子１５を駆動するゲート駆動回路、３１はスイッチ素子１０を駆動するゲート駆動回路、３２はスイッチ素子１２を駆動するゲート駆動回路、３３はスイッチ素子１４を駆動するゲート駆動回路である。また、１８、２０、２１、２２は各ゲート駆動回路電源用の平滑用コンデンサである。

コンデンサ直列接続回路の接続点（中性点）と整流回路直流出力の主直流正極端子との間には、非絶縁型のＤＣ−ＤＣコンバータ２６が、コンデンサ直列接続回路の接続点（中性点）と整流回路直流出力の主直流負極端子との間には、非絶縁型のＤＣ−ＤＣコンバータ２７が、各々接続される。ＤＣ−ＤＣコンバータ２６の出力は、ゲート駆動回路２８、２９、３０に、ＤＣ−ＤＣコンバータ２７の出力は電流抑制用抵抗５８、ダイオード２３、２４、２５を介してゲート駆動回路３１、３２、３３に接続される。また、各ゲート駆動回路の電源端子間には平滑用コンデンサ２０、２１、２２が各々接続される。

ＤＣ−ＤＣコンバータ２６は、コンデンサ直列接続回路の接続点（中性点）と整流回路直流出力の主直流正極端子との間に接続される。直流出力の中性点電位、ＤＣ−ＤＣコンバータ２６の負極電位、ゲート駆動回路２８、２９、３０の負極電位は同じ電位であるので、ＤＣ−ＤＣコンバータ回路として、図５（b）に示すような入出力非絶縁型の回路を適用できる。この非絶縁形ＤＣ−ＤＣコンバータに適用されるスイッチ素子５５やダイオード５６に印加される電圧は、オフ時にＤＣ−ＤＣコンバータの入力電圧（Ｐｉ−Ｎｉ間電圧）でクランプされるので、絶縁形（第５(a)）と比較して、低耐圧の素子を適用することができる。従って、ＤＣ−ＤＣコンバータを低コスト化、小形化、高効率化することが可能となる。

ゲート駆動回路３１の電源は、ダイオード２がオンした時、ＤＣ−ＤＣコンバータ２７正極出力→抵抗５８→ダイオード２３→コンデンサ２０→ダイオード２→ＤＣ−ＤＣコンバータ２７負極電位の経路でコンデンサ２０を充電することにより、ゲート駆動回路３２の電源は、ダイオード４がオンした時、ＤＣ−ＤＣコンバータ２７正極出力→抵抗５８→ダイオード２４→コンデンサ２１→ダイオード４→ＤＣ−ＤＣコンバータ２７負極電位の経路でコンデンサ２１を充電することにより、ゲート駆動回路３３の電源は、ダイオード６がオンした時、ＤＣ−ＤＣコンバータ２７正極出力→抵抗５８→ダイオード２５→コンデンサ２２→ダイオード６→ＤＣ−ＤＣコンバータ２７負極電位の経路でコンデンサ２２を充電することにより、各々形成される。

従って、ダイオード２、４、６のいずれかが導通している時はＤＣ−ＤＣコンバータの負極電位とゲート駆動回路３１、３２、３２の電源の負極電位は同じであり、ＤＣ−ＤＣコンバータ２７にも入出力非絶縁型のＤＣ−ＤＣコンバータを適用することができる。従って、ＤＣ−ＤＣコンバータ２６と同様に低コスト化、小形化、高効率化することが可能となる。

図２に、本発明の第２の実施例を示す。第1の実施例（図1）との違いは、図1の整流回路のダイオード１〜６に替えて、スイッチ素子４０〜４５が接続され、各スイッチ素子にゲート駆動回路３４〜３９が接続されている点である。各ゲート駆動回路の電源構成は下記のようになる。スイッチ素子４０のエミッタ電位はスイッチ素子１０のエミッタ電位と同電位であるので、スイッチ素子４０用のゲート駆動回路３４の電源はコンデンサ２０の両端から、スイッチ素子４２のエミッタ電位はスイッチ素子１２のエミッタ電位と同電位であるので、スイッチ素子４２用のゲート駆動回路３５の電源はコンデンサ２１の両端から、スイッチ素子４４のエミッタ電位はスイッチ素子１４のエミッタ電位と同電位であるので、スイッチ素子４４用のゲート駆動回路３６の電源はコンデンサ２２の両端から、各々供給される。

また、エミッタ電位が共通のスイッチ素子４１、４３、４５各々の駆動回路３７、３８、３９の電源は、ＤＣ−ＤＣコンバータ２７から直接供給される。従って、ゲート駆動回路の電源は、第1の実施例と同様に、非絶縁型のＤＣ−ＤＣコンバータ２個で供給できるので、低コスト化、小形化、高効率化することが可能となる。

尚、双方向スイッチとしては、図４(a)に示す逆耐圧を有する素子を逆並列接続した構成で説明したが、他に、図４(b)に示すダイオードを逆並列接続したスイッチ素子を逆直列接続した構成の場合も同様である。

また、図２に示す回路構成は、交流Ｕ、Ｖ、Ｗを入力として、直流Ｐ、Ｎを出力とする場合は、高力率形交流−直流電力変換装置（ＰＷＭ整流器）として動作し、直流Ｐ、Ｎを入力として、交流Ｕ、Ｖ、Ｗを出力とする場合は、直流−交流電力変換装置（インバータ）として動作する。いずれの場合も、駆動回路の電源構成は同じであるが、ＰＷＭ整流器として動作させる場合は、交流入力Ｕ、Ｖ、Ｗから、変圧器、スイッチング電源などを用いて構成する電源を用いる方法や、本発明のＤＣ−ＤＣコンバータと交流入力Ｕ、Ｖ、Ｗから、変圧器、スイッチング電源などを用いて構成する電源とを併用する構成も可能である。

本発明は、双方向スイッチを用いたインバータ、ＰＷＭ整流器、マトリックスコンバータなどの回路を用いた電力変換装置への適用が可能である。

１〜６、５４、５６・・・ダイオード ７〜９、５７・・・リアクトル
１０〜１５・・・逆阻止型スイッチ素子 １６、１７・・・コンデンサ
１８〜２２・・・コンデンサ ２３〜２５・・・ダイオード
２６、２７・・・非絶縁型ＤＣ−ＤＣコンバータ
２８〜３９・・・ゲート駆動回路 ４０〜４７・・・スイッチ素子
４９〜５２・・・絶縁型ＤＣ−ＤＣコンバータ ５３・・・変圧器
５５・・・ＭＯＳＦＥＴ ５８・・・抵抗

Claims (7)

1. ダイオード直列接続回路を複数個並列接続したダイオード整流回路の交流入力にリアクトルを、主直流出力間にコンデンサの直列接続回路を、前記ダイオード直列接続回路の直列接続点と前記コンデンサ直列接続点との間に双方向スイッチを、各々接続した交流−直流電力変換装置において、
   前記コンデンサ直列接続点である主直流電圧中性点と主直流正極端子との間に第１の直流電圧を作る第１のＤＣ−ＤＣコンバータを、前記コンデンサ直列接続点の主直流電圧中性点と主直流負極端子との間に第２の直流電圧を作る第２のＤＣ−ＤＣコンバータを、各々接続し、前記第１のＤＣ−ＤＣコンバータは前記主直流電圧中性点にエミッタが接続されている双方向スイッチ素子駆動用のゲート駆動回路各々に直接直流電力を供給し、前記第２のＤＣ−ＤＣコンバータは主直流電圧中性点にエミッタが接続されていない双方向スイッチ素子駆動用のゲート駆動回路各々に電力分配手段を用いて直流電力を供給することを特徴とする交流−直流電力変換装置。
2. 前記電力分配手段は、第２のＤＣ−ＤＣコンバータ出力と主直流電圧中性点にエミッタが接続されていない双方向スイッチ素子駆動用のゲート駆動回路各々との間に、それぞれダイオードを接続し、さらに前記ゲート駆動回路各々の電源端子間にコンデンサを接続することを特徴とする請求項１に記載の交流−直流電力変換装置。
3. 前記第２のＤＣ−ＤＣコンバータ出力と前記電力分配手段との間に、電流抑制素子を接続することを特徴とする請求項１又は２に記載の交流−直流電力変換装置。
4. ダイオードを逆並列接続したスイッチ素子直列接続回路を複数個並列接続した電力変換回路の交流端子にリアクトルを、直流端子間にコンデンサの直列接続回路を、前記スイッチ素子直列接続回路の直列接続点と前記コンデンサ直列接続点との間に双方向スイッチを、各々接続した電力変換装置において、
   前記コンデンサ直列接続点である主直流電圧中性点と主直流正極端子との間に第１の直流電圧を作る第１のＤＣ−ＤＣコンバータを、前記コンデンサ直列接続点の主直流電圧中性点と主直流負極端子との間に第２の直流電圧を作る第２のＤＣ−ＤＣコンバータを、各々接続し、前記第１のＤＣ−ＤＣコンバータは前記主直流電圧中性点にエミッタが接続されている双方向スイッチ素子駆動用のゲート駆動回路に直接直流電力を供給し、前記第２のＤＣ−ＤＣコンバータは前記主直流電圧中性点にエミッタが接続されていない双方向スイッチ素子駆動用のゲート駆動回路各々と、前記電力変換回路を構成する主直流正極端子に接続されたスイッチ素子用のゲート駆動回路各々と、に電力分配手段を用いて直流電力を供給し、前記電力変換回路を構成する主直流負極端子に接続されたスイッチ素子駆動用のゲート駆動回路各々に直接直流電力を供給することを特徴とする電力変換装置。
5. 前記電力分配手段は、第２のＤＣ−ＤＣコンバータ出力と主直流電圧中性点にエミッタが接続されていない双方向スイッチ素子駆動用のゲート駆動回路各々と、前記ＰＷＭ整流回路を構成する主直流正極端子に接続されたスイッチ素子用のゲート駆動回路各々と、の間に、それぞれダイオードを接続し、さらに前記ゲート駆動回路各々の電源端子間にコンデンサを接続することを特徴とする請求項４に記載の電力変換装置。
6. 前記ダイオード及びコンデンサは、主直流電圧中性点にエミッタが接続されていない双方向スイッチ素子駆動用のゲート駆動回路と、前記電力変換回路を構成する主直流正極端子に接続されたスイッチ素子用のゲート駆動回路と、に共用することを特徴とする請求項４又は５に記載の電力変換装置。
7. 前記第２のＤＣ−ＤＣコンバータ出力と前記電力分配手段との間に、電流抑制素子を接続することを特徴とする請求項４〜６のいずれかに記載の電力変換装置。