JP5926079B2

JP5926079B2 - 電力変換装置

Info

Publication number: JP5926079B2
Application number: JP2012062337A
Authority: JP
Inventors: 隆二百瀬; 勝之天野; 典和伊藤
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2012-03-19
Filing date: 2012-03-19
Publication date: 2016-05-25
Anticipated expiration: 2032-03-19
Also published as: JP2013198267A

Description

本発明は、電力変換装置に関する。

従来、交流電源を任意の直流電源に変換する電力変換装置の小型化、高効率化を図る手段として、リアクトル、スイッチング素子、ダイオードからなる昇圧チョッパ回路を複数個並列接続し、各昇圧チョッパ回路を構成する各スイッチング素子の導通タイミングを互いに異ならせる、いわゆるインターリーブ方式の電力変換回路が知られている。このインターリーブ方式の電力変換装置に適用可能な技術としては、例えば、昇圧チョッパ回路を構成するリアクトルとして、流れる電流が一定値以上である領域ではインダクタンス値が変化しないスイングチョークを採用し、リアクトルに流れる電流が最大運転時の電流を越えた場合でも高効率を維持する技術が開示されている（例えば、特許文献１）。

特許第４７７１０１７号公報

近年、電力変換装置のより一層の高効率化を図るため、炭化珪素（ＳｉＣ）や窒化ガリウム（ＧａＮ）系材料、またはダイヤモンド等のワイドバンドギャップ（以下、「ＷＢＧ」という）半導体で形成されたスイッチング素子やダイオードを用いる事例が増加している。一方、インターリーブ方式の電力変換回路は、複数個並列に接続した昇圧チョッパ回路からなるため、各昇圧チョッパ回路を構成する各素子のバラツキにより電源投入時や停電からの復電の際に生じる突入電流は各昇圧チョッパ回路に均等に流れず、１つの昇圧チョッパ回路に突入電流が集中して流れる虞がある。このため、各昇圧チョッパ回路を構成する全てのダイオードを、過電流に対する耐量の大きいダイオード、より具体的には、電源投入時や停電からの復電の際に発生し得る突入電流の最大値に耐え得るチップサイズの大きなダイオードとする必要がある。このため、相対的に過電流に対する耐量の小さい、高速ダイオードや上述したＷＢＧ半導体素子で形成されたＷＢＧダイオードを用いた場合には、チップサイズもより大型化することとなるため、低コスト化への妨げとなる。特に、高価なＷＢＧダイオードを用いた場合、チップサイズを大きくすることは、大きなコストアップの要因となる。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、複数の昇圧チョッパ回路を有するインターリーブ方式の電力変換装置において、大きなコストアップを招くことなく、電源投入時や停電からの復電の際に発生し得る突入電流に耐え得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、リアクトル、スイッチング素子、および第１のダイオードを有して構成され、交流電源を整流する整流回路の出力をチョッピングして昇圧する昇圧チョッパ回路を複数並列に接続して構成されるインターリーブ方式の電力変換装置であって、前記各第１のダイオードよりも過電流耐量が大きく、複数並列に接続された前記昇圧チョッパ回路をバイパスする第２のダイオードを備え、前記各第１のダイオードは温度の上昇に従い順方向電圧が大きくなる半導体により形成され、前記第２のダイオードは温度の上昇に従い順方向電圧が小さくなる半導体により形成されていることを特徴とする。

本発明によれば、複数の昇圧チョッパ回路を有するインターリーブ方式の電力変換装置において、大きなコストアップを招くことなく、電源投入時や停電からの復電の際に発生し得る突入電流に耐え得る電力変換装置を得ることができる、という効果を奏する。

図１は、実施の形態にかかる電力変換装置の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．
図１は、実施の形態にかかる電力変換装置の一構成例を示す図である。図１に示すように、実施の形態にかかる電力変換装置は、単相交流電源（以下、単に「交流電源」という）１の交流電圧を整流する単相整流回路（以下、単に「整流回路」という）２、昇圧チョッパ回路部９、および昇圧チョッパ回路部９の出力を平滑する平滑コンデンサ６を備え、昇圧チョッパ回路部９により昇圧された直流電源を直流負荷７に供給するように構成されている。

整流回路２は、４個の整流ダイオード２ａ〜２ｄをブリッジ接続して構成される。昇圧チョッパ回路部９は、図１に示す例では、リアクトル３ａとスイッチング素子４ａと第１のダイオード５ａとからなる昇圧チョッパ回路９ａと、リアクトル３ｂとスイッチング素子４ｂと第１のダイオード５ｂとからなる昇圧チョッパ回路９ｂと、リアクトル３ｃとスイッチング素子４ｃと第１のダイオード５ｃとからなる昇圧チョッパ回路９ｃと、リアクトル３ｄとスイッチング素子４ｄと第１のダイオード５ｄとからなる昇圧チョッパ回路９ｄとを、並列接続して構成される例を示している。

また、本実施の形態では、電源投入時や瞬時停電からの復電の際に、昇圧チョッパ回路部９の各昇圧チョッパ回路９ａ〜９ｄを構成する各第１のダイオード５ａ〜５ｄに流れる突入電流を抑制するため、昇圧チョッパ回路部９をバイパスする第２のダイオード８を備えている。この第２のダイオード８による各第１のダイオード５ａ〜５ｄへの突入電流抑制動作については後述する。

各第１のダイオード５ａ〜５ｄは、例えばファストリカバリダイオードあるいは炭化珪素（ＳｉＣ）や窒化ガリウム（ＧａＮ）系材料、またはダイヤモンド等のワイドバンドギャップ（以下、「ＷＢＧ」という）半導体で形成されたＷＢＧダイオードにより構成され、第２のダイオード８としては、各第１のダイオード５ａ〜５ｄよりも過電流耐量が大きいＳｉ系半導体により構成されたＳｉダイオードを想定している。

なお、図１に示す例では、交流電源１が単相交流電源であり、整流回路２を単相整流回路として構成する例を示したが、交流電源１が三相交流電源であり、整流回路２を三相整流回路として構成してもよい。また、図１に示す例では、チョッパ回路部を２個並列接続して構成する例を示したが、３個以上のチョッパ回路部を並列接続して構成してもよい。

また、図１に示す例では、昇圧チョッパ回路部９を４つの各昇圧チョッパ回路９ａ〜９ｄにより構成する例を示したが、２つまたは３つ、あるいは５つ以上の複数の昇圧チョッパ回路により構成してもよい。

つぎに、本実施の形態にかかる電力変換装置における第２のダイオード８による各第１のダイオード５ａ〜５ｄへの突入電流抑制動作について説明する。

交流電源１の投入前、あるいは交流電源１の停電時には、平滑コンデンサ６がほとんど充電されていない状態となっている。この平滑コンデンサ６がほとんど充電されていない状態で、交流電源１が投入された直後や交流電源１が停電から復電した直後には、平滑コンデンサ６の端子間電圧が交流電源１のピーク電圧と同等の電圧となるべく、整流回路２から平滑コンデンサ６に向けて大きな突入電流が流れる。この突入電流は、各昇圧チョッパ回路９ａ〜９ｄの各リアクトル３ａ〜３ｄおよび各第１のダイオード５ａ〜５ｄを介して流れる４つの各経路と、第２のダイオード８を介して流れる経路とに分流する。

ここで、第２のダイオード８を具備していない従来の構成では、各リアクトル３ａ〜３ｄのインダクタンス値のバラツキや、各第１のダイオード５ａ〜５ｄのオン抵抗値のバラツキ等により、１つの経路に突入電流が集中して流れる虞がある。このため、第２のダイオード８を具備していない従来の構成では、各昇圧チョッパ回路９ａ〜９ｄを構成する全ての第１のダイオード５ａ〜５ｄを、電源投入時や停電からの復電の際に発生し得る突入電流の最大値に耐え得るチップサイズの大きなダイオードとする必要がある。このため、各第１のダイオード５ａ〜５ｄとして、相対的に過電流に対する耐量の小さい、ファストリカバリダイオードやＷＢＧダイオードを用いた場合には、チップサイズもより大型化することとなるため、低コスト化への妨げとなる。特に、高価なＷＢＧダイオードを用いた場合、チップサイズを大きくすることは、大きなコストアップの要因となる。

一方、第２のダイオード８を具備した本実施の形態の構成では、各第１のダイオード５ａ〜５ｄを含む昇圧チョッパ回路部９側の各経路には、各リアクトル３ａ〜３ｄが含まれ、この各リアクトル３ａ〜３ｄによるインダクタンスが突入電流を妨げる要素となるのに対し、第２のダイオード８を流れる経路には、突入電流を妨げる要素がない。このため、電源投入時や停電からの復電の際に発生し得る突入電流の大部分は、第２のダイオード８を介して平滑コンデンサ６に流れ込むこととなり、各第１のダイオード５ａ〜５ｄを含む昇圧チョッパ回路部９側の各経路に流れる突入電流を抑制することができる。

したがって、本実施の形態にかかる電力変換装置では、第２のダイオード８を具備していない従来の構成よりも昇圧チョッパ回路部９を構成する各第１のダイオード５ａ〜５ｄの過電流耐量を大幅に抑制可能であり、ファストリカバリダイオードあるいはＷＢＧダイオードにより構成された高価な各第１のダイオード５ａ〜５ｄのチップサイズを小さくすることができ、大幅な低コスト化が可能となる。一方、第２のダイオード８としては、電源投入時や停電からの復電の際に発生し得る突入電流をバイパスさせればよく、この突入電流に耐え得る過電流耐量を確保すればよいので、高価なファストリカバリダイオードやＷＢＧダイオード等である必要性はなく、より安価且つ低速なＳｉダイオードとすればよい。

また、昇圧チョッパ回路部９を構成する各第１のダイオード５ａ〜５ｄとして、温度の上昇に従い順方向電圧が大きくなるＷＢＧダイオードを用い、第２のダイオード８として、温度の上昇に従い順方向電圧が小さくなるＳｉダイオードを用いた場合は、装置の動作時の発熱による温度上昇に伴い昇圧チョッパ回路部９側の各経路にはより突入電流が流れ難く、第２のダイオード８を流れる経路にはより突入電流が流れ易くなるため、昇圧チョッパ回路部９を構成する各第１のダイオード５ａ〜５ｄへの突入電流抑制効果がより大きくなる。

以上説明したように、実施の形態の電力変換装置によれば、複数の昇圧チョッパ回路を有するインターリーブ方式の電力変換装置において、複数の昇圧チョッパ回路により構成される昇圧チョッパ回路部をバイパスする第２のダイオードを備えることにより、電源投入時や停電からの復電の際に発生する突入電流の大部分を第２のダイオード８にバイパスさせることが可能となるので、各昇圧チョッパ回路を構成する各第１のダイオードの過電流耐量を大幅に抑制可能であり、ファストリカバリダイオードあるいはＷＢＧダイオードにより構成された高価な各第１のダイオードのチップサイズを小さくすることができ、大幅な低コスト化が可能となる。

一方、第２のダイオードとしては、電源投入時や停電からの復電の際に発生し得る突入電流に耐え得る過電流耐量を確保すればよいので、より安価且つ低速なＳｉダイオードで構成することができる。

このように、実施の形態の電力変換装置によれば、複数の昇圧チョッパ回路を有するインターリーブ方式の電力変換装置において、大きなコストアップを招くことなく、電源投入時や瞬時停電からの復電の際に発生し得る突入電流に耐え得る電力変換装置を得ることが可能となる。

また、実施の形態の電力変換装置によれば、昇圧チョッパ回路の並列接続数が増加した場合でも、第２のダイオードを唯一備えることで、各昇圧チョッパ回路を構成する各第１のダイオードへの突入電流抑制効果を得ることが可能であり、昇圧チョッパ回路の並列接続数が多い程、コストパフォーマンスの高い突入電流抑制効果を得ることができる。

なお、上述した実施の形態では、昇圧チョッパ回路を構成する各第１のダイオードをＷＢＧ半導体により形成した例について説明したが、昇圧チョッパ回路を構成する各スイッチング素子をＷＢＧ半導体により形成した構成であってもよい。

ＷＢＧ半導体は、Ｓｉ系半導体と比較して、スイッチング損失および導通損失が小さいと共に、耐熱性が高く、高温動作が可能である。したがって、昇圧チョッパ回路を構成する各第１のダイオードだけでなく、昇圧チョッパ回路を構成する各スイッチング素子についても、ＷＢＧ半導体で形成することにより、これらの各スイッチング素子をＳｉ系半導体で形成した場合よりも、ヒートシンクの大きさを小さくする等、放熱設計をより簡素化することができる。

さらに、このようなＷＢＧ半導体によって形成されたスイッチング素子やダイオードは、耐電圧性が高く、許容電流密度も高いため、スイッチング素子やダイオード自体の小型化も可能である。

したがって、昇圧チョッパ回路を構成する各スイッチング素子および各第１のダイオードとして、ＷＢＧ半導体によって形成されたスイッチング素子およびダイオードを用いることにより、電力変換装置の小型化、低コスト化をも図ることができる。

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。

１交流電源
２単相整流回路（整流回路）
２ａ〜２ｄ整流ダイオード
３ａ〜３ｄリアクトル
４ａ〜４ｄスイッチング素子
５ａ〜５ｄ第１のダイオード
６平滑コンデンサ
７直流負荷
８第２のダイオード
９昇圧チョッパ回路部
９ａ〜９ｄ昇圧チョッパ回路

Claims

リアクトル、スイッチング素子、および第１のダイオードを有して構成され、交流電源を整流する整流回路の出力をチョッピングして昇圧する昇圧チョッパ回路を複数並列に接続して構成されるインターリーブ方式の電力変換装置であって、
前記各第１のダイオードよりも過電流耐量が大きく、複数並列に接続された前記昇圧チョッパ回路をバイパスする第２のダイオードを備え、
前記各第１のダイオードは温度の上昇に従い順方向電圧が大きくなる半導体により形成され、
前記第２のダイオードは温度の上昇に従い順方向電圧が小さくなる半導体により形成されていることを特徴とする電力変換装置。
前記各第１のダイオードは、ファストリカバリダイオードであることを特徴とする請求項１に記載の電力変換装置。
前記各第１のダイオードは、ワイドバンドギャップ半導体により形成されたことを特徴とする請求項１に記載の電力変換装置。
前記各スイッチング素子は、ワイドバンドギャップ半導体により形成されたことを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載の電力変換装置。
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３または４に記載の電力変換装置。