JP5611496B1 - 電力変換装置 - Google Patents

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Abstract

整流回路およびインバータを形成した主回路を用いた構成において、装置の大型化や高コスト化を招くことなく、モータからの回生電力を消費する回生電力消費動作を行う構成とインバータに供給する直流電力を昇圧する昇圧動作を行う構成とを実現可能とする電力変換装置を得る。整流回路３とインバータ４との正側電力供給経路にカソードが接続されたダイオード５、および、ダイオード５のアノードおよび整流回路３とインバータ４との負側電力供給経路の間に接続されたスイッチング素子６を含み形成された主回路１００において、正側電力供給経路に設けられた第１の端子Ｐと第２の端子Ｐ１との間を開放し、第２の端子Ｐ１とダイオード５およびスイッチング素子６の接続点に設けられた第３の端子ＰＲとの間にリアクトル１３を設けることにより、昇圧チョッパ回路を構成するようにした。

Description

本発明は、電力変換装置に関する。
交流電源から供給される交流を整流し、整流後の直流を交流に変換してモータを駆動するモータ駆動用の電力変換装置においては、モータ減速時における回生エネルギーを外付けの抵抗に電流を流すことで消費するためのブレーキトランジスタ備える構成が一般的である。一方で、交流電源の電圧が変動し、電圧低下が発生した場合であっても安定動作する構成や、モータのトルク・出力向上を可能とした構成が求められている。
従来、電動パワーステアリング用のモータを駆動する電動パワーステアリング装置において、昇圧動作と回生動作とを切り換えて使用可能な構成が開示されている（例えば、特許文献１）。
特開２００４−１６６４４１号公報
しかしながら、上記従来技術は、スイッチング素子を含む昇圧回路あるいは回生電力消費回路を内部で切り替えて使用することが前提となっており、切替のためのスイッチング素子が必要となる。特に、直流電圧供給経路に設けられたスイッチング素子としては、定常的に定格電流が流せるものである必要があるため、装置の大型化や高コスト化を招く、という問題があった。
本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、装置の大型化や高コスト化を招くことなく、モータからの回生電力を消費する回生電力消費動作を行う構成とインバータに供給する直流電力を昇圧する昇圧動作を行う構成とを排他的にあるいは同時に実現可能とする電力変換装置を提供することを目的とする。
上述した課題を解決し、目的を達成するため、本発明にかかる電力変換装置は、交流電源から供給される交流を整流する整流回路とモータを駆動するインバータとを含み形成された主回路を具備した電力変換装置であって、前記主回路は、前記整流回路と前記インバータとの間の正側電力供給経路にカソードが接続されたダイオードと、前記整流回路と前記インバータとの間の負側電力供給経路と前記ダイオードのアノードとの間に接続されたスイッチング素子と、前記正側電力供給経路上に設けられた第１の端子と、前記第１の端子よりも前記整流回路側の前記正側電力供給経路上に設けられ、前記第１の端子との間が切り離された第２の端子と、前記ダイオードと前記スイッチング素子との接続点から引き出された第３の端子と、を備え、前記第２の端子と前記第３の端子との間に設けられたリアクトルを備え、前記ダイオード、前記スイッチング素子、および前記リアクトルにより前記インバータに供給する直流電力を昇圧する昇圧チョッパ回路を構成することを特徴とする。
本発明によれば、整流回路およびインバータ回路による構成において、装置の大型化や高コスト化を招くことなく、モータからの回生電力を消費する回生電力消費動作を行う構成とする際に第１の端子と第２の端子との間を短絡する短絡回路と第１の端子と第３の端子との間に接続する抵抗とを設けることに代えて、第２の端子と第３の端子との間に接続するリアクトルを設けることにより、インバータに供給する直流電力を昇圧する昇圧動作を行う構成とすることができる、という効果を奏する。
図１は、実施の形態１にかかる電力変換装置の一構成例を示す図である。 図２は、図１に示す電力変換装置を構成する主回路の一構成例を示す図である。 図３は、図２に示す構成の主回路において、回生電力消費動作を行う場合の一構成例を示す図である。 図４は、実施の形態１にかかる電力変換装置の図１とは異なる一構成例を示す図である。 図５は、図４に示す電力変換装置を構成する主回路の一構成例を示す図である。 図６は、図５に示す構成の主回路において、回生電力消費動作を行う場合の一構成例を示す図である。 図７は、実施の形態２にかかる電力変換装置の一構成例を示す図である。 図８は、図７に示す電力変換装置を構成する主回路の一構成例を示す図である。 図９は、図８に示す構成の主回路において、回生電力消費動作を行う場合の一構成例を示す図である。 図１０は、実施の形態２にかかる電力変換装置の図７とは異なる一構成例を示す図である。 図１１は、図１０に示す電力変換装置を構成する主回路の一構成例を示す図である。 図１２は、図１１に示す構成の主回路において、回生電力消費動作を行う場合の一構成例を示す図である。 図１３は、実施の形態３にかかる電力変換装置の一構成例を示す図である。 図１４は、実施の形態３にかかる電力変換装置の図１３とは異なる一構成例を示す図である。
以下に添付図面を参照し、本発明の実施の形態にかかる電力変換装置について説明する。なお、以下に示す実施の形態により本発明が限定されるものではない。
実施の形態１．
図１は、実施の形態１にかかる電力変換装置の一構成例を示す図である。また、図２は、図１に示す電力変換装置を構成する主回路の一構成例を示す図である。図２に示すように、主回路１００は、複数の整流素子がフルブリッジ接続されて構成され、端子Ｒ，Ｓ，Ｔを介して交流電力が供給される整流回路３と、複数のスイッチング素子がフルブリッジ接続されて構成され、負荷を駆動するインバータ４と、インバータ４への正側電力供給経路にカソードが接続されたダイオード５と、整流回路３とインバータ４との間の負側電力供給経路とダイオード５のアノードとの間に接続されたスイッチング素子６とを備えている。スイッチング素子６としては、例えば、パワートランジスタ、パワーＭＯＳＦＥＴ、ＩＧＢＴ等で構成することができる。
また、主回路１００は、整流回路３とインバータ４との間の正側電力供給経路に設けられたＰ端子（第１の端子）と、Ｐ端子（第１の端子）よりも整流回路３側の正側電力供給経路に設けられ、Ｐ端子（第１の端子）との間が切り離されたＰ１端子（第２の端子）と、ダイオード５とスイッチング素子６との接続点から引き出されたＰＲ端子（第３の端子）と、整流回路３とインバータ４との間の負側電力供給経路に設けられたＮ端子とを備えている。なお、主回路１００には、インバータ４およびスイッチング素子６を制御するための制御手段７が接続される端子も設けられているが、ここでは図示を省略している。また、図２に示す例では、Ｐ１端子（第２の端子）と整流回路３との間に突入電流防止回路９を設けた例を示している。この突入電流防止回路９については後述する。
実施の形態１にかかる電力変換装置は、図１に示す例では、端子Ｒ，Ｓ，Ｔに交流電源１が接続され、インバータ４の負荷としてモータ４が接続された例を示している。インバータ４の入力端子には、インバータ４への直流電圧を平滑する平滑コンデンサ８が接続される。この平滑コンデンサ８は、実際にはＰ端子（第１の端子）とＮ端子との間に接続されるが、説明の便宜上、ここでは簡略化した図を示している。
本実施の形態では、Ｐ端子（第１の端子）、Ｐ１端子（第２の端子）、およびＰＲ端子（第３の端子）に外部素子を接続することにより、モータ２の減速時における回生エネルギー（回生電力）を消費する回生電力消費動作、および、インバータ４に供給する直流電力を昇圧する昇圧動作の何れかを行う例について説明する。
図３は、図２に示す構成の主回路において、回生電力消費動作を行う場合の一構成例を示す図である。
図３に示すように、回生電力消費動作を行う場合には、Ｐ端子（第１の端子）とＰ１端子（第２の端子）との間を短絡回路２００により接続し、Ｐ１端子（第２の端子）とＰＲ端子（第３の端子）との間にブレーキ抵抗１２を接続する。このブレーキ抵抗１２と、主回路１００に含まれるダイオード５およびスイッチング素子６とでブレーキ回路を構成する。
ここで、短絡回路２００としては、銅板や銅線等の金属導体であってもよいし、力率改善用の直流リアクトルであっても良い。インバータ４から発生する高周波ノイズを抑制するためのリアクトルを接続することも想定したものである。この短絡回路２００の構成により本発明が限定されるものではない。
また、上述した突入電流防止回路９は、交流電源１の投入時において平滑コンデンサ８への突入電流を防止する機能を有しており、充電用抵抗１０とスイッチ１１とにより構成されている。交流電源１投入時にはスイッチ１１が開放され充電用抵抗１０を介して平滑コンデンサ８に予備充電され、その後スイッチ１１が閉じられることにより通常運転に移行する。
回生電力消費動作では、制御手段７は、例えば、インバータ４の入力間電圧を監視し、この入力間電圧が予め設定した規定値を超えた場合に、スイッチング素子６をオン制御し、ブレーキ抵抗１２に電流を流すことで、モータ２の減速動作により発生した回生電力を消費させる。インバータ４の入力間電圧が規定値以下となると、スイッチング素子６をオフ制御する。これにより、インバータ４の入力直流電圧が高くなることで過電圧保護機能が動作することを避けることとなる。なお、この制御手段７による回生電力消費動作は、既知の従来技術であり、この回生電力消費動作におけるスイッチング素子６の制御手法により本発明が限定されるものではない。
これに対し、図１に示す実施の形態１にかかる電力変換装置では、インバータ４に供給する直流電力を昇圧する昇圧動作を行う構成としている。
図１に示すように、昇圧動作を行う場合には、Ｐ端子（第１の端子）とＰ１端子（第２の端子）との間を開放し、Ｐ１端子（第２の端子）とＰＲ端子（第３の端子）との間にリアクトル１３を接続する。このリアクトル１３と、主回路１００に含まれるダイオード５およびスイッチング素子６とで昇圧チョッパ回路を構成する。
この昇圧動作では、制御手段７は、例えば、回生電力消費動作の場合と同様にインバータ４の入力直流電圧を監視し、この入力間電圧が予め設定した電圧値となるように、スイッチング素子６をオンオフ制御して、インバータ４に供給する直流電力を昇圧する。なお、この制御手段７による昇圧動作は、既知の従来技術であり、この昇圧動作におけるスイッチング素子６の制御手法により本発明が限定されるものではない。
モータ２が例えばＵ相、Ｖ相、Ｗ相の三相の固定子巻線を有し、回転子に永久磁石を用いた三相電動機である場合、回転子が回転することにより永久磁石の磁束が固定子巻線に鎖交して誘起電圧が発生し、この誘起電圧とインバータ４から出力される電圧との電位差によって固定子巻線に流れる電流に比例したトルクを出力する。このモータ２の出力トルクは、固定子巻線に流れる電流と固定子巻線の巻数との乗算値に比例するため、インバータ４が出力する各相電流を増加させることで、モータ２の出力トルクを増加させることができるが、この場合には、モータ２の銅損やインバータ４での導通損失が増加し高効率化の阻害要因となる。
一方、固定子巻線を増加させることでもモータ２の出力トルクを増加させることができるが、この場合には、固定子巻線に流れる電流を同等とするためにインバータ４から出力される電圧を上昇させる必要がある。
本実施の形態にかかる電力変換装置では、インバータ４の入力電圧を昇圧することで、インバータ４から出力される電圧を上昇させることができるので、モータ２の固定子巻線の巻数を増加することで、インバータ４が出力する各相電流を増加させることなく、つまり、モータ２の銅損やインバータ４での導通損失をほとんど増加させることなく、モータ２の出力トルクを上昇させることができ、高効率化に寄与することができる。
また、インバータ４の入力電圧を昇圧し、インバータ４から出力される各相電圧を上昇させた場合に、昇圧動作を行わない構成と同等の出力トルクを得る場合には、固定子巻線に流れる電流を少なくすることができ、固定子巻線の線径を小径化することができ、モータ２の小型化、及びモータまでの配線径の小径化に寄与することができる。
さらには、モータ２が必要とする出力トルクに応じて、インバータ４の入力電圧を変化させる、つまり、昇圧比を変えるようにすれば、インバータ４の出力電圧をモータ２が必要とする出力トルクに応じた値に調整することができる。
また、例えば、交流電源１から供給される電圧が低下した場合には、整流回路３の出力電圧値も低下することとなるが、その低下分を昇圧により補うことも可能となり、延いては、交流電源１から供給される電圧値に対し幅広く対応可能となる。
図４は、実施の形態１にかかる電力変換装置の図１とは異なる一構成例を示す図である。また、図５は、図４に示す電力変換装置を構成する主回路の一構成例を示す図である。また、図６は、図５に示す構成の主回路において、回生電力消費動作を行う場合の一構成例を示す図である。
図５に示すように、主回路１００ａにおいて突入電流防止回路９が正側電力供給経路のＰ端子（第１の端子）よりもインバータ４側に設けられた構成においても、図６に示すように、Ｐ端子（第１の端子）とＰ１端子（第２の端子）との間を短絡回路２００により接続し、Ｐ端子（第１の端子）とＰＲ端子（第３の端子）との間にブレーキ抵抗１２を接続してブレーキ回路を構成することで、回生電力消費動作を行う構成とすることができ、また、図４に示すように、Ｐ端子（第１の端子）とＰ１端子（第２の端子）との間を開放し、Ｐ１端子（第２の端子）とＰＲ端子（第３の端子）との間にリアクトル１３を接続して昇圧チョッパ回路を構成することで、昇圧動作を行う構成とすることができる。
以上説明したように、実施の形態１にかかる電力変換装置によれば、交流電源から供給される交流を整流する整流回路、モータを駆動するインバータ、整流回路とインバータとの間の正側電力供給経路にカソードが接続されたダイオード、および、整流回路とインバータとの間の負側電力供給経路とダイオードのアノードとの間に接続されたスイッチング素子を含み形成され、正側電力供給経路に設けられたＰ端子（第１の端子）と、Ｐ端子（第１の端子）よりも整流回路側の正側電力供給経路に設けられ、Ｐ端子（第１の端子）との間が切り離されたＰ１端子（第２の端子）と、ダイオードおよびスイッチング素子の接続点から引き出されたＰＲ端子（第３の端子）とを備える主回路において、装置の大型化や高コスト化を招くことなく、モータからの回生電力を消費する回生電力消費動作を行う構成とする際にＰ端子（第１の端子）とＰ１端子（第２の端子）との間を短絡する短絡回路とＰ端子（第１の端子）とＰＲ端子（第３の端子）との間に接続する抵抗とを設けることに代えて、Ｐ１端子（第２の端子）とＰＲ端子（第３の端子）との間に接続するリアクトルを設けることにより、インバータに供給する直流電力を昇圧する昇圧動作を行う構成とすることができる。
なお、上述した実施の形態１では、突入電流防止回路を整流回路とインバータとの間の正側電力供給経路に設けた構成について説明したが、この突入電流防止回路を整流回路とインバータとの間の負側電力供給経路に設けた構成であってもよいことは言うまでもない。
実施の形態２．
図７は、実施の形態２にかかる電力変換装置の一構成例を示す図である。また、図８は、図７に示す電力変換装置を構成する主回路の一構成例を示す図である。また、図９は、図８に示す構成の主回路において、回生電力消費動作を行う場合の一構成例を示す図である。図７，８，９に示す例では、主回路１００ｂは、ダイオード５のアノードが負側電力供給経路に接続され、スイッチング素子６が整流回路３とインバータ４と間の正側電力供給経路とダイオード５のカソードとの間に接続された例を示している。
また、主回路１００ｂは、整流回路３とインバータ４との間の負側電力供給経路に設けられたＮ端子（第１の端子）と、Ｎ端子（第１の端子）よりも整流回路３側の負側電力供給経路に設けられ、Ｎ端子（第１の端子）との間が切り離されたＮ１端子（第２の端子）と、ダイオード５とスイッチング素子６との接続点から引き出されたＮＲ端子（第３の端子）と、整流回路３とインバータ４との間の正側電力供給経路に設けられたＰ端子とを備えている。なお、図８に示す例では、実施の形態１と同様に、インバータ４およびスイッチング素子６を制御するための制御手段７が接続される端子の図示を省略している。また、図８に示す例では、負側電力供給経路のＮ１端子（第２の端子）と整流回路３との間に突入電流防止回路９を設けた例を示している。
本実施の形態では、Ｎ端子（第１の端子）、Ｎ１端子（第２の端子）、およびＮＲ端子（第３の端子）に外部素子を接続することにより、モータ２の減速時における回生エネルギーを消費する回生電力消費動作、および、インバータ４に供給する直流電力を昇圧する昇圧動作の何れかを行う例について説明する。
図９に示すように、回生電力消費動作を行う場合には、Ｎ端子（第１の端子）とＮ１端子（第２の端子）との間を短絡回路２００により接続し、Ｎ端子（第１の端子）とＮＲ端子（第３の端子）との間にブレーキ抵抗１２を接続する。このブレーキ抵抗１２と、主回路１００ｂに含まれるダイオード５およびスイッチング素子６とでブレーキ回路を構成する。
図９に示す構成においても、実施の形態１において説明した図３の構成と同様の回生電力消費動作が可能である。
また、図７に示すように、昇圧動作を行う場合には、Ｎ端子（第１の端子）とＮ１端子（第２の端子）との間を開放し、Ｎ１端子（第２の端子）とＮＲ端子（第３の端子）との間にリアクトル１３を接続する。このリアクトル１３と、主回路１００ｂに含まれるダイオード５およびスイッチング素子６とで昇圧チョッパ回路を構成する。
図７に示す構成においても、実施の形態１において説明した図１の構成と同様の昇圧動作が可能である。
図１０は、実施の形態２にかかる電力変換装置の図７とは異なる一構成例を示す図である。また、図１１は、図１０に示す電力変換装置を構成する主回路の一構成例を示す図である。また、図１２は、図１１に示す構成の主回路において、回生電力消費動作を行う場合の一構成例を示す図である。
図１１に示すように、主回路１００ｃにおいて突入電流防止回路９が負側電力供給経路のＮ端子（第１の端子）よりもインバータ４側に設けられた構成においても、図１２に示すように、Ｎ端子（第１の端子）とＮ１端子（第２の端子）との間を短絡回路２００により接続し、Ｎ端子（第１の端子）とＮＲ端子（第３の端子）との間にブレーキ抵抗１２を接続してブレーキ回路を構成することで、回生電力消費動作を行う構成とすることができ、また、図１０に示すように、Ｎ端子（第１の端子）とＮ１端子（第２の端子）との間を開放し、Ｎ１端子（第２の端子）とＮＲ端子（第３の端子）との間にリアクトル１３を接続して昇圧チョッパ回路を構成することで、昇圧動作を行う構成とすることができる。
以上説明したように、実施の形態２にかかる電力変換装置によれば、交流電源から供給される交流を整流する整流回路、モータを駆動するインバータ、整流回路とインバータとの間の負側電力供給経路にアノードが接続されたダイオード、および、整流回路とインバータとの間の正側電力供給経路とダイオードのカソードとの間に接続されたスイッチング素子を含み形成され、負側電力供給経路に設けられたＮ端子（第１の端子）と、Ｎ端子（第１の端子）よりも整流回路側の負側電力供給経路に設けられ、Ｎ端子（第１の端子）との間が切り離されたＮ１端子（第２の端子）と、ダイオードおよびスイッチング素子の接続点から引き出されたＮＲ端子（第３の端子）とを備える主回路において、装置の大型化や高コスト化を招くことなく、モータからの回生電力を消費する回生電力消費動作を行う構成とする際にＮ端子（第１の端子）とＮ１端子（第２の端子）との間を短絡する短絡回路とＮ端子（第１の端子）とＮＲ端子（第３の端子）との間に接続する抵抗とを設けることに代えて、Ｎ１端子（第２の端子）とＮＲ端子（第３の端子）との間に接続するリアクトルを設けることにより、インバータに供給する直流電力を昇圧する昇圧動作を行う構成とすることができる。
なお、上述した実施の形態２では、突入電流防止回路を整流回路とインバータとの間の負側電力供給経路に設けた構成について説明したが、この突入電流防止回路を整流回路とインバータとの間の正側電力供給経路に設けた構成であってもよいことは言うまでもない。
実施の形態３．
図１３は、実施の形態３にかかる電力変換装置の一構成例を示す図である。図１３に示す例では、主回路１００ｄは、実施の形態１，２において説明したダイオード５およびスイッチング素子６に代えて、インバータ４への正側電力供給経路にカソードが接続された第１のダイオード５ａおよび第２のダイオード５ｂと、第１のダイオード５ａのアノードおよびインバータ４への負側電力供給経路の間に接続された第１のスイッチング素子６ａと、インバータ４への負側電力供給経路と第２のダイオード５ｂのアノードとの間に接続された第２のスイッチング素子６ｂとを備えている。
また、図１３に示す例では、第１のダイオード５ａと第１のスイッチング素子６ａとの接続点には、ＰＲ１端子（第３の端子）が設けられ、第２のダイオード５ｂと第２のスイッチング素子６ｂとの接続点には、ＰＲ２端子（第４の端子）が設けられている。
また、図１３に示す例では、突入電流防止回路９が正側電力供給経路のＰ端子（第１の端子）よりもインバータ４側に設けられた構成を示しているが、上述した実施の形態１と同様に、突入電流防止回路９が正側電力供給経路のＰ１端子（第２の端子）よりも整流回路３側に設けられた構成であってもよいし、整流回路３とインバータ４との間の負側電力供給経路に設けた構成であってもよいことは言うまでもない。
本実施の形態では、図１３に示すように、Ｐ端子（第１の端子）とＰ１端子（第２の端子）との間を開放し、Ｐ端子（第１の端子）とＰＲ２端子（第４の端子）との間にブレーキ抵抗１２を接続してブレーキ回路を構成すると共に、Ｐ１端子（第２の端子）とＰＲ１端子（第３の端子）との間にリアクトル１３を接続して昇圧チョッパ回路を構成することにより、回生電力消費動作と昇圧動作とを併用することが可能である。
図１４は、実施の形態３にかかる電力変換装置の図１３とは異なる一構成例を示す図である。図１４に示す例では、主回路１００ｅは、第１のダイオード５ａおよび第２のダイオード５ｂのアノードがインバータ４への負側電力供給経路に接続され、第１のスイッチング素子６ａが第１のダイオード５ａのカソードおよびインバータ４への正側電力供給経路の間に接続され、第２のスイッチング素子６ｂがインバータ４への正側電力供給経路と第２のダイオード５ｂのカソードとの間に接続されている。
また、図１４に示す例では、第１のダイオード５ａと第１のスイッチング素子６ａとの接続点には、ＮＲ１端子（第３の端子）が設けられ、第２のダイオード５ｂと第２のスイッチング素子６ｂとの接続点には、ＮＲ２端子（第４の端子）が設けられている。
また、図１４に示す例では、突入電流防止回路９が負側電力供給経路のＮ端子（第１の端子）よりもインバータ４側に設けられた構成を示しているが、上述した実施の形態２と同様に、突入電流防止回路９が負側電力供給経路のＮ１端子（第２の端子）よりも整流回路３側に設けられた構成であってもよいし、整流回路３とインバータ４との間の正側電力供給経路に設けた構成であってもよいことは言うまでもない。
この図１４に示す例においても、Ｎ端子（第１の端子）とＮ１端子（第２の端子）との間を開放し、Ｎ端子（第１の端子）とＮＲ２端子（第４の端子）との間にブレーキ抵抗１２を接続してブレーキ回路を構成すると共に、Ｎ１端子（第２の端子）とＮＲ１端子（第３の端子）との間にリアクトル１３を接続して昇圧チョッパ回路を構成することにより、図１３に示す例と同様に、回生電力消費動作と昇圧動作とを併用することが可能である。
以上説明したように、実施の形態３にかかる電力変換装置によれば、交流電源から供給される交流を整流する整流回路とモータを駆動するインバータとを含み形成された主回路において、外部素子を接続することにより昇圧チョッパ回路とブレーキ回路とを同時に構成可能な構成としたので、装置の大型化や高コスト化を招くことなく、モータの回生電力消費動作と昇圧動作とを併用することができる。
なお、上述した実施の形態において、主回路を構成するダイオードやスイッチング素子としては、一般的には珪素（Ｓｉ：シリコン）を材料とするＳｉ系半導体を用いるのが主流であるが、炭化珪素（ＳｉＣ：シリコンカーバイド）や窒化ガリウム（ＧａＮ）、ダイヤモンドを材料とするワイドバンドギャップ（ＷＢＧ）半導体を用いてもよいことは言うまでもない。
このようなＷＢＧ半導体によって形成されたダイオードやスイッチング素子は、耐電圧性が高く、許容電流密度も高い。そのため、それらを適用することでより小型化したパワー半導体モジュールが実現でき、これら小型化されたパワー半導体モジュールを用いることにより、電力変換装置の小型化が可能となる。
また、このようなＷＢＧ半導体によって形成されたダイオードやスイッチング素子は、耐熱性も高い。そのため、電力変換装置のヒートシンクの放熱フィンの小型化が可能であるので、一層の小型化が可能になる。
さらに、このようなＷＢＧ半導体によって形成されたダイオードやスイッチング素子は、電力損失が低い。そのため、ダイオードやスイッチング素子の高効率化が可能であり、延いてはパワー半導体モジュールや電力変換装置の高効率化が可能になる。
なお、パワー半導体モジュールを構成するダイオードやスイッチング素子の全てがＷＢＧ半導体によって形成されていることが望ましいが、上述した実施の形態においては、少なくとも昇圧チョッパ回路やブレーキ回路を構成するスイッチング素子がＷＢＧ半導体によって形成されることにより、高速スイッチング制御が可能となり高精度な昇圧制御や回線電力消費動作を行うことができる。なお、その他のダイオードやスイッチング素子をＷＢＧ半導体によって形成されることにより、同様の効果を得ることが可能であり、さらには、インバータを構成する各スイッチング素子をＷＢＧ半導体で構成してもよく、これによりパワー半導体モジュールや電力変換装置の更なる高効率化を図ることができることは言うまでもない。
また、上述した実施の形態では、スイッチング素子として、例えば、パワートランジスタ、パワーＭＯＳＦＥＴ、ＩＧＢＴを例として挙げたが、通常のＭＯＳＦＥＴよりも深いＰ層を持ち、深いＰ層がｎ層と広く接することで低オン抵抗でありながら高い電圧耐力を有し、高効率なスイッチング素子として知られているスーパージャンクション構造のＭＯＳＦＥＴ（Ｍｅｔａｌ−Ｏｘｉｄｅ−Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ Ｆｉｅｌｄ−Ｅｆｆｅｃｔ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）や、絶縁ゲート半導体装置、バイポーラトランジスタ等を用いても、同様の効果を得ることが可能であり、更なる低損失化を実現でき、高効率なパワー半導体モジュールや電力変換装置を提供できる。
なお、以上の実施の形態に示した構成は、本発明の構成の一例であり、別の公知の技術と組み合わせることも可能であるし、本発明の要旨を逸脱しない範囲で、一部を省略する等、変更して構成することも可能であることは言うまでもない。
以上のように、本発明は、整流回路およびインバータ回路による構成において、装置の大型化や高コスト化を招くことなく、モータの回生電力消費動作と昇圧動作とを実現する技術として有用であり、特に、入力電圧に対し幅広く対応する必要がある場合や、入力電圧の変動の影響を考慮する必要がある場合に適用可能な構成として適している。
１ 交流電源、２ モータ、３ 整流回路、４ インバータ、５ ダイオード、５ａ 第１のダイオード、５ｂ 第２のダイオード、６ スイッチング素子、６ａ 第１のスイッチング素子、６ｂ 第２のスイッチング素子、７ 制御手段、８ 平滑コンデンサ、９ 突入電流防止回路、１０ 充電用抵抗、１１ スイッチ、１２ ブレーキ抵抗、１３ リアクトル、１００，１００ａ，１００ｂ，１００ｃ，１００ｄ，１００ｅ 主回路、２００ 短絡回路。

Claims (16)

  1. 交流電源から供給される交流を整流する整流回路とモータを駆動するインバータとを含み形成された主回路を具備した電力変換装置であって、
    前記主回路は、
    前記整流回路と前記インバータとの間の正側電力供給経路にカソードが接続されたダイオードと、
    前記整流回路と前記インバータとの間の負側電力供給経路と前記ダイオードのアノードとの間に接続されたスイッチング素子と、
    前記正側電力供給経路上に設けられた第１の端子と、
    前記第１の端子よりも前記整流回路側の前記正側電力供給経路上に設けられ、前記第１の端子との間が切り離された第２の端子と、
    前記ダイオードと前記スイッチング素子との接続点から引き出された第３の端子と、
    を備え、
    前記第２の端子と前記第３の端子との間に設けられたリアクトルを備え、
    前記ダイオード、前記スイッチング素子、および前記リアクトルにより前記インバータに供給する直流電力を昇圧する昇圧チョッパ回路を構成することを特徴とする電力変換装置。
  2. 交流電源から供給される交流を整流する整流回路とモータを駆動するインバータとを含み形成された主回路を具備した電力変換装置であって、
    前記主回路は、
    前記整流回路と前記インバータとの間の正側電力供給経路にカソードが接続された第１のダイオードおよび第２のダイオードと、
    前記整流回路と前記インバータとの間の負側電力供給経路と前記第１のダイオードのアノードとの間に接続された第１のスイッチング素子と、
    前記整流回路と前記インバータとの間の負側電力供給経路と前記第２のダイオードのアノードとの間に接続された第２のスイッチング素子と、
    前記正側電力供給経路上に設けられた第１の端子と、
    前記第１の端子よりも前記整流回路側の前記正側電力供給経路上に設けられ、前記第１の端子との間が切り離された第２の端子と、
    前記第１のダイオードと前記第１のスイッチング素子との接続点から引き出された第３の端子と、
    前記第２のダイオードと前記第２のスイッチング素子との接続点から引き出された第４の端子と、
    を備え、
    前記第２の端子と前記第３の端子との間に設けられたリアクトルと、
    前記第１の端子と前記第４の端子との間に設けられた抵抗と、
    を備え、
    前記第１のダイオード、前記第１のスイッチング素子、および前記リアクトルにより前記インバータに供給する直流電力を昇圧する昇圧チョッパ回路を構成し、前記第２のダイオード、前記第２のスイッチング素子、および前記抵抗により前記モータからの回生電力を消費するブレーキ回路を構成することを特徴とする電力変換装置。
  3. 前記主回路は、前記インバータへの直流電圧を平滑する平滑コンデンサへの突入電流防止回路を備えることを特徴とする請求項１または２に記載の電力変換装置。
  4. 前記主回路は、前記突入電流防止回路が前記＋側電力供給経路の前記第２の端子よりも前記整流回路側に設けられたことを特徴とする請求項３に記載の電力変換装置。
  5. 前記主回路は、前記突入電流防止回路が前記＋側電力供給経路の前記第１の端子よりも前記インバータ側に設けられたことを特徴とする請求項３に記載の電力変換装置。
  6. 前記主回路は、前記突入電流防止回路が前記負側電力供給経路に設けられたことを特徴とする請求項３に記載の電力変換装置。
  7. 前記ダイオードおよび前記スイッチング素子のうち、少なくとも前記スイッチング素子がワイドバンドギャップ半導体で形成されていることを特徴とする請求項１または２に記載の電力変換装置。
  8. 前記ワイドバンドギャップ半導体は、炭化珪素、窒化ガリウム系材料またはダイヤモンドであることを特徴とする請求項７に記載の電力変換装置。
  9. 交流電源から供給される交流を整流する整流回路とモータを駆動するインバータとを含み形成された主回路を具備した電力変換装置であって、
    前記主回路は、
    前記整流回路と前記インバータとの間の負側電力供給経路にアノードが接続されたダイオードと、
    前記整流回路と前記インバータとの間の正側電力供給経路と前記ダイオードのカソードとの間に接続されたスイッチング素子と、
    前記負側電力供給経路上に設けられた第１の端子と、
    前記第１の端子よりも前記整流回路側の前記負側電力供給経路上に設けられ、前記第１の端子との間が切り離された第２の端子と、
    前記ダイオードと前記スイッチング素子との接続点から引き出された第３の端子と、
    を備え、
    前記第２の端子と前記第３の端子との間に設けられたリアクトルを備え、
    前記ダイオード、前記スイッチング素子、および前記リアクトルにより前記インバータに供給する直流電力を昇圧する昇圧チョッパ回路を構成することを特徴とする電力変換装置。
  10. 交流電源から供給される交流を整流する整流回路とモータを駆動するインバータとを含み形成された主回路を具備した電力変換装置であって、
    前記主回路は、
    前記整流回路と前記インバータとの間の負側電力供給経路にアノードが接続された第１のダイオードおよび第２のダイオードと、
    前記整流回路と前記インバータとの間の正側電力供給経路と前記第１のダイオードのカソードとの間に接続された第１のスイッチング素子と、
    前記整流回路と前記インバータとの間の正側電力供給経路と前記第２のダイオードのカソードとの間に接続された第２のスイッチング素子と、
    前記負側電力供給経路上に設けられた第１の端子と、
    前記第１の端子よりも前記整流回路側の前記負側電力供給経路上に設けられ、前記第１の端子との間が切り離された第２の端子と、
    前記第１のダイオードと前記第１のスイッチング素子との接続点から引き出された第３の端子と、
    前記第２のダイオードと前記第２のスイッチング素子との接続点から引き出された第４の端子と、
    を備え、
    前記第２の端子と前記第３の端子との間に設けられたリアクトルと、
    前記第１の端子と前記第４の端子との間に設けられた抵抗と、
    を備え、
    前記第１のダイオード、前記第１のスイッチング素子、および前記リアクトルにより前記インバータに供給する直流電力を昇圧する昇圧チョッパ回路を構成し、前記第２のダイオード、前記第２のスイッチング素子、および前記抵抗により前記モータからの回生電力を消費するブレーキ回路を構成することを特徴とする電力変換装置。
  11. 前記主回路は、前記インバータへの直流電圧を平滑する平滑コンデンサへの突入電流防止回路を備えることを特徴とする請求項９または１０に記載の電力変換装置。
  12. 前記主回路は、前記突入電流防止回路が前記負側電力供給経路の前記第２の端子よりも前記整流回路側に設けられたことを特徴とする請求項１１に記載の電力変換装置。
  13. 前記主回路は、前記突入電流防止回路が前記負側電力供給経路の前記第１の端子よりも前記インバータ側に設けられたことを特徴とする請求項１１に記載の電力変換装置。
  14. 前記主回路は、前記突入電流防止回路が前記正側電力供給経路に設けられたことを特徴とする請求項１１に記載の電力変換装置。
  15. 前記第１のダイオード、前記第２のダイオード、前記第１のスイッチング素子、および前記第２のスイッチング素子のうち、少なくとも前記第２のスイッチング素子がワイドバンドギャップ半導体で形成されていることを特徴とする請求項９または１０に記載の電力変換装置。
  16. 前記ワイドバンドギャップ半導体は、炭化珪素、窒化ガリウム系材料またはダイヤモンドであることを特徴とする請求項１５に記載の電力変換装置。
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