JP5999526B2 - 電力変換装置 - Google Patents
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Description
本発明は、逆阻止型絶縁ゲートバイポーラトランジスタを逆並列接続してなる双方向スイッチを使用する電力変換装置に関するものである。
逆阻止型絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（ＲＢ−ＩＧＢＴ：Reverse Blocking−Insu lated Gate Bipolar Transistor）を逆並列接続してなる双方向スイッチは、低損失特性を有することから、インバータ、コンバータ等の電力変換装置において実用されている（例えば、特許文献１、２参照）。
逆阻止型絶縁ゲートバイポーラトランジスタは、コレクタエミッタ間に逆電圧を印加した状態でゲートにオン信号を与えたときの漏れ電流の大きさと、同状態でゲートにオフ信号を与えたときの漏れ電流の大きさとが相違し、後者のほうが大きくなる。上記逆電圧印加時における漏れ電流の増加は、損失の増大をもたらす。そして、損失の増大は、逆阻止型絶縁ゲートバイポーラトランジスタの信頼性を低下させると共に、電力変換装置の変換効率を低下させる。
そこで、本発明の課題は、逆阻止型絶縁ゲートバイポーラトランジスタの持つ上記特性に着目し、逆電圧印加時の漏れ電流の増加を抑制して、この漏れ電流に起因した損失の低減を図ることができる電力変換装置を提供することにある。
そこで、本発明の課題は、逆阻止型絶縁ゲートバイポーラトランジスタの持つ上記特性に着目し、逆電圧印加時の漏れ電流の増加を抑制して、この漏れ電流に起因した損失の低減を図ることができる電力変換装置を提供することにある。
本発明は、逆耐圧性を持つ２つの逆阻止型絶縁ゲートバイポーラトランジスタを逆並列接続してなる双方向スイッチを備え、制御回路から出力される指令信号に基づいて生成されるゲート駆動信号を前記各逆阻止型絶縁ゲートバイポーラトランジスタに与えるようにした電力変換器であって、前記課題を解決するため、ある双方向スイッチに電流が流れない動作を、前記制御回路が前記電力変換器に指令している期間の前記制御回路から出力される前記指令信号は、該双方向スイッチ内の前記２つの逆阻止型絶縁ゲートバイポーラトランジスタのうち、逆電圧が印加される逆阻止型絶縁ゲートバイポーラトランジスタのゲートをオン状態にするゲート駆動信号が生成されるように設定される。
３レベル以上の電力変換を行なう実施の形態では、１相分の電力変換回路が、正極、中間極、負極を有する直流電源と、ダイオードが逆並列接続されかつ前記直流電源の正極にコレクタが接続された第１の半導体スイッチ素子と、ダイオードが逆並列接続されかつ前記直流電源の負極にエミッタが接続された第２の半導体スイッチ素子と、前記前記第１の半導体スイッチ素子のエミッタと前記第２の半導体スイッチ素子のコレクタとの接続点に一端が接続され、前記直流電源の中間極に他端が接続された前記双方向スイッチと、を備えるように構成される。
前記第１、第２の半導体スイッチ素子には、例えば絶縁ゲートバイポーラトランジスタを適用することができる。
前記第１、第２の半導体スイッチ素子には、例えば絶縁ゲートバイポーラトランジスタを適用することができる。
他の実施形態では、１相分の電力変換回路が、直流電源と、前記直流電源の正極と負極間に直列接続された前記双方向スイッチの第１の対と、前記直流電源の正極と負極間に直列接続された前記双方向スイッチの第２の対とを備えるように構成される。
更に別の実施形態では、前記双方向スイッチがマトリックスコンバータを構成するように接続される。
更に別の実施形態では、前記双方向スイッチがマトリックスコンバータを構成するように接続される。
本発明によれば、コレクタ−エミッタ間に逆電圧が印加された状態にある逆阻止型絶縁ゲートバイポーラトランジスタのゲートにゲートをオンさせる信号が与えられるので、上記逆電圧の印加に伴う漏れ電流の増加が抑制される。この結果、漏れ電流に起因した損失を低減して、逆阻止型絶縁ゲートバイポーラトランジスタの信頼性及び電力変換装置の変換効率の向上を図ることができる。
また、逆電圧が印加される逆阻止型絶縁ゲートバイポーラトランジスタのゲートをオン状態するための指令信号を制御回路から出力させるので、上記逆電圧が印加された逆阻止型絶縁ゲートバイポーラトランジスタを検出するための手段が不要であるという利点も有する。
また、逆電圧が印加される逆阻止型絶縁ゲートバイポーラトランジスタのゲートをオン状態するための指令信号を制御回路から出力させるので、上記逆電圧が印加された逆阻止型絶縁ゲートバイポーラトランジスタを検出するための手段が不要であるという利点も有する。
図１は、本発明に係る単相３レベル電力変換装置（インバータ）の構成例を示す回路図である。この電力変換装置は、直流電源ＰＳ、アーム対ＡＰ及び双方向スイッチ（交流スイッチ）ＳＷを備えている。
電源ＰＳは、キャパシタＣ１，Ｃ２を直列接続した構成を有する。キャパシタＣ１，Ｃ２の端子電圧は共にＶｃｃ２である。従って、この電源ＰＳの正極と負極間の電圧Ｖｃｃ１は２×Ｖｃｃ２である。
電源ＰＳは、キャパシタＣ１，Ｃ２を直列接続した構成を有する。キャパシタＣ１，Ｃ２の端子電圧は共にＶｃｃ２である。従って、この電源ＰＳの正極と負極間の電圧Ｖｃｃ１は２×Ｖｃｃ２である。
アーム対ＡＰは、直列接続した半導体スイッチ素子Ｔ１，Ｔ２及び該半導体スイッチ素子Ｔ１，Ｔ２にそれぞれ並列接続したフリーホイールダイオードＤ１，Ｄ２を備えている。本実施形態では、半導体スイッチ素子Ｔ１，Ｔ２として絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ：Insulated Gate Bipolar Transistor）を使用しているが、これに代えて他の半導体スイッチ素子を使用することも可能である。
上アーム側の半導体スイッチ素子Ｔ１のコレクタは端子Ｐを介して電源ＰＳの正極に接続され、下アーム側の半導体スイッチ素子Ｔ２のエミッタは端子Ｎを介して電源ＰＳの負極に接続されている。また、半導体スイッチ素子Ｔ１のエミッタと半導体スイッチ素子Ｔ２のコレクタとの接続点であるアーム対ＡＰの中点は、出力端子Ｕに接続されている。
上アーム側の半導体スイッチ素子Ｔ１のコレクタは端子Ｐを介して電源ＰＳの正極に接続され、下アーム側の半導体スイッチ素子Ｔ２のエミッタは端子Ｎを介して電源ＰＳの負極に接続されている。また、半導体スイッチ素子Ｔ１のエミッタと半導体スイッチ素子Ｔ２のコレクタとの接続点であるアーム対ＡＰの中点は、出力端子Ｕに接続されている。
双方向スイッチＳＷは、２つの逆阻止型絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（Reverse-Blocking Insulated Gate Bipolar Transistor）Ｔ３，Ｔ４を逆並列接続した構成を有し、端子Ｍに接続された電源ＰＳの中間極とアーム対ＡＰの中点との間に接続されている。
以下、逆阻止型絶縁ゲートバイポーラトランジスタをＲＢ−ＩＧＢＴと略称する。
周知のように、ＲＢ−ＩＧＢＴは逆耐圧能力を備える点で一般のＩＧＢＴと相違する。このようなＲＢ−ＩＧＢＴで構成された双方向スイッチＳＷは、逆方向電流をブロックするためのダイオードが不要であり、このため、該ダイオードによる損失を生じないという利点を有する。なお、双方向スイッチＳＷとアーム対ＡＰは、一体化（モジュール化）が可能である。
以下、逆阻止型絶縁ゲートバイポーラトランジスタをＲＢ−ＩＧＢＴと略称する。
周知のように、ＲＢ−ＩＧＢＴは逆耐圧能力を備える点で一般のＩＧＢＴと相違する。このようなＲＢ−ＩＧＢＴで構成された双方向スイッチＳＷは、逆方向電流をブロックするためのダイオードが不要であり、このため、該ダイオードによる損失を生じないという利点を有する。なお、双方向スイッチＳＷとアーム対ＡＰは、一体化（モジュール化）が可能である。
半導体スイッチ素子Ｔ１、Ｔ２のゲートにはそれぞれゲート駆動回路ＧＤＵ１，ＧＤＵ２が接続され、ＲＢ−ＩＧＢＴ Ｔ３，Ｔ４のゲートにはそれぞれゲート駆動回路ＧＤＵ３，ＧＤＵ４が接続されている。これらのゲート駆動回路ＧＤＵ１〜ＧＤＵ４は、制御回路ＣＣから出力される指令信号Ｓ１〜Ｓ４に基づいて対応するゲート駆動信号を生成するものである。
ゲート駆動回路ＧＤＵ１〜ＧＤＵ４には周知の構成のものを使用することができ、図２にその一例を示す。このゲート駆動回路ＧＤＵ１〜ＧＤＵ４は、フォトカプラＰＣ、トランジスタＴ４，Ｔ５からなるバッファ回路ＢＵ、正側電源Ｅ１、負側電源Ｅ２及び抵抗Ｒを備えている。各ゲート駆動回路ＧＤＵ１〜ＧＤＵ４のフォトカプラＰＣには、図１に示す制御回路ＣＣからの指令信号Ｓ１〜Ｓ４がそれぞれ入力される。
ゲート駆動回路ＧＤＵ１〜ＧＤＵ４には周知の構成のものを使用することができ、図２にその一例を示す。このゲート駆動回路ＧＤＵ１〜ＧＤＵ４は、フォトカプラＰＣ、トランジスタＴ４，Ｔ５からなるバッファ回路ＢＵ、正側電源Ｅ１、負側電源Ｅ２及び抵抗Ｒを備えている。各ゲート駆動回路ＧＤＵ１〜ＧＤＵ４のフォトカプラＰＣには、図１に示す制御回路ＣＣからの指令信号Ｓ１〜Ｓ４がそれぞれ入力される。
ゲート駆動回路ＧＤＵ１〜ＧＤＵ４のバッファ回路ＢＵは、指令信号Ｓ１〜Ｓ４がゲートオンを指令している場合には、トランジスタＴ４のオン動作によってゲートをオンさせるゲート駆動駆号を、指令信号Ｓ１〜Ｓ４がゲートオフを指令している場合には、トランジスタＴ５のオン動作によってゲートをオフさせるゲート駆動駆号をそれぞれ出力する。
ゲートをオンさせるゲート駆動駆号の電圧値はほぼ正側電源Ｅ１の電圧（+１５Ｖ）となり、ゲートをオフさせるゲート駆動駆号の電圧値はほぼ負側電源Ｅ２の出力電圧（−１５Ｖ）となる。
ゲートをオンさせるゲート駆動駆号の電圧値はほぼ正側電源Ｅ１の電圧（+１５Ｖ）となり、ゲートをオフさせるゲート駆動駆号の電圧値はほぼ負側電源Ｅ２の出力電圧（−１５Ｖ）となる。
ところで、双方向スイッチＳＷを構成するＲＢ−ＩＧＢＴ Ｔ３，Ｔ４は、コレクタ、エミッタ間に逆電圧が印加されているときにエミッタからの正孔の再注入によって漏れ電流が増加するという特性を有する。この漏れ電流の増加を回避するには、ＲＢ−ＩＧＢＴ Ｔ３，Ｔ４に逆電圧が印加されているときに、該ＲＢ−ＩＧＢＴ Ｔ３，Ｔ４のゲートにゲートオン信号を与えればよい。すなわち、ゲートにオン信号を与えれば、電子がｎ+チャネルを通ってエミッタに抜けるので、つまり、正孔の再注入がなくなるので、漏れ電流の増加が抑制されることになる。
下記表は、半導体スイッチ素子Ｔ１、Ｔ２及びＲＢ−ＩＧＢＴ Ｔ３，Ｔ４に対するゲート駆動信号の形態をスイッチングモード別に示したものである。この表に示すゲート駆動信号によれば、後述するように、ＲＢ−ＩＧＢＴ Ｔ３，Ｔ４の漏れ電流の増加が抑制されることになる。
この表において、「ＯＮ」はゲートをオンさせることを、「ＯＦＦ」はゲートをオフさせることを、「ＳＷ」はゲートをオン、オフさせることをそれぞれ示している。
この表において、「ＯＮ」はゲートをオンさせることを、「ＯＦＦ」はゲートをオフさせることを、「ＳＷ」はゲートをオン、オフさせることをそれぞれ示している。
図１に示す電力変換装置は、この表に示すゲート駆動によって以下のように動作する。スイッチングモードＡ
まず、負荷Ｌを端子Ｕと端子Ｎ間に接続し（実線参照）、この負荷Ｌを上アーム側のスイッチ素子Ｔ１によって駆動する場合について説明する。この場合、制御回路ＣＣは「ＳＷ」を指令する信号Ｓ１と、「ＯＦＦ」を指令する信号Ｓ２〜Ｓ４とを出力する。この場合、信号Ｓ１は、変調（例えばパルス幅変調）処理されたパルス列からなる信号である。
これに伴い、ゲート駆動回路ＧＤＵ１はスイッチ素子Ｔ１のゲートをオン・オフさせるゲート駆動信号を出力し、ゲート駆動回路ＧＤＵ２，ＧＤＵ３，ＧＤＵ４はスイッチ素子Ｔ２、ＲＢ−ＩＧＢＴ Ｔ３，ＲＢ−ＩＧＢＴ Ｔ４のゲートをオフさせるゲート駆動信号をそれぞれ出力する。この結果、スイッチ素子Ｔ１のみがオン・オフ動作し、スイッチ素子Ｔ２，ＲＢ−ＩＧＢＴ Ｔ３，ＲＢ−ＩＧＢＴ Ｔ４はオフ状態となる。
スイッチ素子Ｔ１がオン・オフ動作すると、オン期間に負荷Ｌに電流ＩＬが流れるとともに、オフ期間にフリーホイールダイオードＤ２を介してリカバリー電流ＩＲが流れる。
まず、負荷Ｌを端子Ｕと端子Ｎ間に接続し（実線参照）、この負荷Ｌを上アーム側のスイッチ素子Ｔ１によって駆動する場合について説明する。この場合、制御回路ＣＣは「ＳＷ」を指令する信号Ｓ１と、「ＯＦＦ」を指令する信号Ｓ２〜Ｓ４とを出力する。この場合、信号Ｓ１は、変調（例えばパルス幅変調）処理されたパルス列からなる信号である。
これに伴い、ゲート駆動回路ＧＤＵ１はスイッチ素子Ｔ１のゲートをオン・オフさせるゲート駆動信号を出力し、ゲート駆動回路ＧＤＵ２，ＧＤＵ３，ＧＤＵ４はスイッチ素子Ｔ２、ＲＢ−ＩＧＢＴ Ｔ３，ＲＢ−ＩＧＢＴ Ｔ４のゲートをオフさせるゲート駆動信号をそれぞれ出力する。この結果、スイッチ素子Ｔ１のみがオン・オフ動作し、スイッチ素子Ｔ２，ＲＢ−ＩＧＢＴ Ｔ３，ＲＢ−ＩＧＢＴ Ｔ４はオフ状態となる。
スイッチ素子Ｔ１がオン・オフ動作すると、オン期間に負荷Ｌに電流ＩＬが流れるとともに、オフ期間にフリーホイールダイオードＤ２を介してリカバリー電流ＩＲが流れる。
次に、負荷Ｌを端子Ｐと端子Ｕ間に接続し（鎖線参照）、この負荷Ｌを下アーム側のスイッチ素子Ｔ２によって駆動する場合について説明する。この場合、制御回路ＣＣは「ＯＦＦ」を指令する信号Ｓ１，Ｓ３，Ｓ４と、「ＳＷ」を指令する信号Ｓ２とを出力する。
これに伴い、スイッチ素子Ｔ２のみがオン、オフ動作し、スイッチ素子Ｔ１，ＲＢ−ＩＧＢＴ Ｔ３，ＲＢ−ＩＧＢＴ Ｔ４はオフ状態となる。
スイッチ素子Ｔ２がオン、オフ動作すると、オン期間に負荷電流（図示省略）が流れ、オフ期間にフリーホイールダイオードＤ１を介してリカバリー電流（図示省略）が流れる。
これに伴い、スイッチ素子Ｔ２のみがオン、オフ動作し、スイッチ素子Ｔ１，ＲＢ−ＩＧＢＴ Ｔ３，ＲＢ−ＩＧＢＴ Ｔ４はオフ状態となる。
スイッチ素子Ｔ２がオン、オフ動作すると、オン期間に負荷電流（図示省略）が流れ、オフ期間にフリーホイールダイオードＤ１を介してリカバリー電流（図示省略）が流れる。
スイッチングモードＢ
まず、負荷Ｌを端子Ｐと端子Ｕ間に接続し、この負荷ＬをスイッチＳＷのＲＢ−ＩＧＢＴ Ｔ３によって駆動する場合について説明する。この場合、制御回路ＣＣは「ＯＦＦ」を指令する信号Ｓ１，Ｓ２と、「ＳＷ」を指令する信号Ｓ３と、「ＯＮ」を指令する信号Ｓ４とを出力する。
これに伴い、ゲート駆動回路ＧＤＵ１，ＧＤＵ２は図３（ａ）、（ｂ）に示すようなゲート駆動信号を、ゲート駆動回路ＧＤＵ３は、同図（ｃ）に例示するようなゲート駆動信号を、ゲート駆動回路ＧＤＵ４は同図（ｄ）に示すようなゲート駆動信号をそれぞれ出力する。この結果、ＲＢ−ＩＧＢＴ Ｔ３がオン、オフ動作し、スイッチ素子Ｔ１，Ｔ２が共にオフ状態となる。このとき、ＲＢ−ＩＧＢＴ Ｔ４は、ゲートをオンさせるゲート駆動信号が与えられているもののオンしない。なぜなら、ＲＢ−ＩＧＢＴ Ｔ４のコレクタ、エミッタ間には、負荷Ｌを介してキャパシタＣ１の端子電圧Ｖｃｃ２が逆方向に印加されているからである。
まず、負荷Ｌを端子Ｐと端子Ｕ間に接続し、この負荷ＬをスイッチＳＷのＲＢ−ＩＧＢＴ Ｔ３によって駆動する場合について説明する。この場合、制御回路ＣＣは「ＯＦＦ」を指令する信号Ｓ１，Ｓ２と、「ＳＷ」を指令する信号Ｓ３と、「ＯＮ」を指令する信号Ｓ４とを出力する。
これに伴い、ゲート駆動回路ＧＤＵ１，ＧＤＵ２は図３（ａ）、（ｂ）に示すようなゲート駆動信号を、ゲート駆動回路ＧＤＵ３は、同図（ｃ）に例示するようなゲート駆動信号を、ゲート駆動回路ＧＤＵ４は同図（ｄ）に示すようなゲート駆動信号をそれぞれ出力する。この結果、ＲＢ−ＩＧＢＴ Ｔ３がオン、オフ動作し、スイッチ素子Ｔ１，Ｔ２が共にオフ状態となる。このとき、ＲＢ−ＩＧＢＴ Ｔ４は、ゲートをオンさせるゲート駆動信号が与えられているもののオンしない。なぜなら、ＲＢ−ＩＧＢＴ Ｔ４のコレクタ、エミッタ間には、負荷Ｌを介してキャパシタＣ１の端子電圧Ｖｃｃ２が逆方向に印加されているからである。
スイッチ素子Ｔ２及びキャパシタＣ２を省略した図４に示すように、負荷ＬにはＲＢ−ＩＧＢＴ Ｔ３のオン期間に電流ＩＬが流れる。このＲＢ−ＩＧＢＴ Ｔ３のコレクタ、エミッタ間に印加されている電圧は、Ｖｃｃ１ではなくキャパシタＣ１の端子電圧Ｖｃｃ２（Ｖｃｃ１／２）である。なお、ＲＢ−ＩＧＢＴ Ｔ３のオフ期間には、フリーホイールダイオードＤ１を介してリカバリー電流ＩＲが流れる。
一方、コレクタ、エミッタ間に逆電圧Ｖｃｃ２が印加されたＲＢ−ＩＧＢＴ Ｔ４は、上記のようにゲートをオンさせるゲート駆動信号が入力されるので、前述した正孔の再注入による漏れ電流の増加が抑制されて、この漏れ電流による損失が低減される。
一方、コレクタ、エミッタ間に逆電圧Ｖｃｃ２が印加されたＲＢ−ＩＧＢＴ Ｔ４は、上記のようにゲートをオンさせるゲート駆動信号が入力されるので、前述した正孔の再注入による漏れ電流の増加が抑制されて、この漏れ電流による損失が低減される。
次に、負荷Ｌを端子Ｕと端子Ｎ間に接続し、この負荷ＬをスイッチＳＷのスイッチ素子Ｔ４によって駆動する場合について説明する。この場合、制御回路ＣＣは、「ＯＦＦ」を指示する制御信号Ｓ１，Ｓ２と、「ＯＮ」を指示する制御信号Ｓ３と、「ＳＷ」を指示する制御信号Ｓ４とを出力する。
これに伴い、ゲート駆動回路ＧＤＵ１，ＧＤＵ２は図５（ａ）、（ｂ）に示すようなゲート駆動信号を、ゲート駆動回路ＧＤＵ３は図５（ｃ）に示すようなゲート駆動信号を、ゲート駆動回路ＧＤＵ４は図５（ｄ）に示すようなゲート駆動信号（図３（ｃ）に示す信号を反転した信号）をそれぞれ出力する。この結果、ＲＢ−ＩＧＢＴ Ｔ４がオン、オフ動作するとともに、スイッチ素子Ｔ１，Ｔ２がそれぞれオフ状態となる。ＲＢ−ＩＧＢＴ Ｔ３は、コレクタ、エミッタ間に逆方向電圧が印加されているためオフ状態となる。
これに伴い、ゲート駆動回路ＧＤＵ１，ＧＤＵ２は図５（ａ）、（ｂ）に示すようなゲート駆動信号を、ゲート駆動回路ＧＤＵ３は図５（ｃ）に示すようなゲート駆動信号を、ゲート駆動回路ＧＤＵ４は図５（ｄ）に示すようなゲート駆動信号（図３（ｃ）に示す信号を反転した信号）をそれぞれ出力する。この結果、ＲＢ−ＩＧＢＴ Ｔ４がオン、オフ動作するとともに、スイッチ素子Ｔ１，Ｔ２がそれぞれオフ状態となる。ＲＢ−ＩＧＢＴ Ｔ３は、コレクタ、エミッタ間に逆方向電圧が印加されているためオフ状態となる。
スイッチ素子Ｔ１及びキャパシタＣ１を省略した図６に示すように、負荷ＬにはＲＢ−ＩＧＢＴ Ｔ４のオン期間に電流ＩＬが流れるが、この負荷電流ＩＬの大きさも前記スイッチングモードＡにおける負荷電流ＩＬの１／２となる。ＲＢ−ＩＧＢＴ Ｔ４のオフ期間には、フリーホイールダイオードＤ２を介してリカバリー電流ＩＲが流れる。
一方、コレクタ、エミッタ間に逆電圧Ｖｃｃ２が印加されたＲＢ−ＩＧＢＴ Ｔ３のゲートには、前記したように、ゲートをオンさせるゲート駆動信号が入力されているので、正孔の再注入による漏れ電流の増加が抑制される。
一方、コレクタ、エミッタ間に逆電圧Ｖｃｃ２が印加されたＲＢ−ＩＧＢＴ Ｔ３のゲートには、前記したように、ゲートをオンさせるゲート駆動信号が入力されているので、正孔の再注入による漏れ電流の増加が抑制される。
スイッチングモードＣ
まず、負荷Ｌを端子Ｍと端子Ｕ間に接続し（図１には示されていない）、この負荷Ｌを上アーム側のスイッチ素子Ｔ１によって駆動する場合について説明する。この場合、制御回路ＣＣは、「ＳＷ」を指令する信号Ｓ１と、「ＯＦＦ」を指令する信号Ｓ２，Ｓ３と、「ＯＮ」を指令する信号Ｓ４とを出力する。
これに伴い、ゲート駆動回路ＧＤＵ１は図７（ａ）に示すようなゲート駆動信号を、ＧＤＵ２，ＧＤＵ３は図７（ｂ）、（ｃ）に示すようなゲート駆動信号を、ゲート駆動回路ＧＤＵ４は図７（ｄ）に示すようなゲート駆動信号をそれぞれ出力する。この結果、スイッチ素子Ｔ１がオン、オフ動作し、スイッチ素子Ｔ２とＲＢ−ＩＧＢＴ Ｔ３が共にオフ状態となる。
まず、負荷Ｌを端子Ｍと端子Ｕ間に接続し（図１には示されていない）、この負荷Ｌを上アーム側のスイッチ素子Ｔ１によって駆動する場合について説明する。この場合、制御回路ＣＣは、「ＳＷ」を指令する信号Ｓ１と、「ＯＦＦ」を指令する信号Ｓ２，Ｓ３と、「ＯＮ」を指令する信号Ｓ４とを出力する。
これに伴い、ゲート駆動回路ＧＤＵ１は図７（ａ）に示すようなゲート駆動信号を、ＧＤＵ２，ＧＤＵ３は図７（ｂ）、（ｃ）に示すようなゲート駆動信号を、ゲート駆動回路ＧＤＵ４は図７（ｄ）に示すようなゲート駆動信号をそれぞれ出力する。この結果、スイッチ素子Ｔ１がオン、オフ動作し、スイッチ素子Ｔ２とＲＢ−ＩＧＢＴ Ｔ３が共にオフ状態となる。
スイッチ素子Ｔ２及びキャパシタＣ２を省略した図８に示すように、負荷Ｌにはスイッチ素子Ｔ１のオン期間に電流ＩＬが流れるが、この負荷電流ＩＬの大きさは前記スイッチングモードＡにおける負荷電流ＩＬの１／２となる。
ＲＢ−ＩＧＢＴ Ｔ４は、スイッチ素子Ｔ１のオン期間にオフ状態となり、スイッチ素子Ｔ１のオフ期間にリカバリー電流ＩＲを流す。また、ＲＢ−ＩＧＢＴ Ｔ４は、スイッチ素子Ｔ１のオン期間に逆電圧Ｖｃｃ２が印加されるが、このとき、図７（ｄ）に示すゲートオン信号が入力されるので、前述した正孔の再注入による漏れ電流の増加が抑制されて、この漏れ電流による損失が低減される。
ＲＢ−ＩＧＢＴ Ｔ４は、スイッチ素子Ｔ１のオン期間にオフ状態となり、スイッチ素子Ｔ１のオフ期間にリカバリー電流ＩＲを流す。また、ＲＢ−ＩＧＢＴ Ｔ４は、スイッチ素子Ｔ１のオン期間に逆電圧Ｖｃｃ２が印加されるが、このとき、図７（ｄ）に示すゲートオン信号が入力されるので、前述した正孔の再注入による漏れ電流の増加が抑制されて、この漏れ電流による損失が低減される。
次に、上記と同様に負荷Ｌを端子Ｕと端子Ｎ間に接続し、この負荷Ｌを下アーム側のスイッチ素子Ｔ２によって駆動する場合について説明する。この場合、制御回路ＣＣは、「ＯＦＦ」を指令する信号Ｓ１，Ｓ４と、「ＳＷ」を指令する信号Ｓ２と、「ＯＮ」を指令する信号Ｓ３とを出力する。
これに伴い、ＧＤＵ１，ＧＤＵ４は図９（ａ）、（ｄ）に示すようなゲート駆動信号を、ゲート駆動回路ＧＤＵ２は図９（ｂ）に例示するようなゲート駆動信号（図７（ａ）に示す信号を反転した信号）を、ＧＤＵ３は図９（ｃ）に示すようなゲート駆動信号をそれぞれ出力する。この結果、スイッチ素子Ｔ２がオン、オフ動作し、スイッチ素子Ｔ１及びＲＢ−ＩＧＢＴ Ｔ４が共にオフ状態となる。
これに伴い、ＧＤＵ１，ＧＤＵ４は図９（ａ）、（ｄ）に示すようなゲート駆動信号を、ゲート駆動回路ＧＤＵ２は図９（ｂ）に例示するようなゲート駆動信号（図７（ａ）に示す信号を反転した信号）を、ＧＤＵ３は図９（ｃ）に示すようなゲート駆動信号をそれぞれ出力する。この結果、スイッチ素子Ｔ２がオン、オフ動作し、スイッチ素子Ｔ１及びＲＢ−ＩＧＢＴ Ｔ４が共にオフ状態となる。
スイッチ素子Ｔ１及びキャパシタＣ１を省略した図１０に示すように、負荷Ｌにはスイッチ素子Ｔ２のオン期間に電流ＩＬが流れる。
ＲＢ−ＩＧＢＴ Ｔ３は、スイッチ素子Ｔ２のオン期間にオフ状態となり、スイッチ素子Ｔ２のオフ期間にリカバリー電流ＩＲを流す。また、ＲＢ−ＩＧＢＴ Ｔ３は、スイッチ素子Ｔ２のオン期間に逆電圧Ｖｃｃ２が印加されるが、このとき、図９（ｃ）に示すゲートオン信号が入力されるので、前述した正孔の再注入による漏れ電流の増加が抑制される。
ＲＢ−ＩＧＢＴ Ｔ３は、スイッチ素子Ｔ２のオン期間にオフ状態となり、スイッチ素子Ｔ２のオフ期間にリカバリー電流ＩＲを流す。また、ＲＢ−ＩＧＢＴ Ｔ３は、スイッチ素子Ｔ２のオン期間に逆電圧Ｖｃｃ２が印加されるが、このとき、図９（ｃ）に示すゲートオン信号が入力されるので、前述した正孔の再注入による漏れ電流の増加が抑制される。
上記のように、本実施形態に係る電力変換装置によれば、双方向スイッチＳＷを構成するＲＢ−ＩＧＢＴ Ｔ３及びＲＢ−ＩＧＢＴ Ｔ４に逆電圧Ｖｃｃ２が印加されたときに、このＲＢ−ＩＧＢＴ Ｔ３及びＲＢ−ＩＧＢＴ Ｔ４にゲートをオンさせるゲート駆動信号が入力される。したがって、正孔の再注入による漏れ電流の増加が抑制されて、電力変換効率が向上する。
図１１は、図１に示すアーム対ＡＰと双方向スイッチＳＷを三相分備えた三相３レベル電力変換装置を示している。この電力変換装置において、アーム対ＡＰ１〜ＡＰ３は図１に示すアーム対ＡＰと同様の構成を有し、双方向スイッチＳＷ１〜ＳＷ３は同図に示す双方向スイッチＳＷと同様の構成を有する。なお、アーム対ＡＰ１，ＡＰ２及びＡＰ３は、それぞれ双方向スイッチＳＷ１，ＳＷ２及びチＳＷ３と一体化（モジュール化）することができる。符号ＬＯはフィルタ用リアクトルを示し、符号Ｌ’は三相負荷を示す。
本実施形態に係る電力変換装置においても、双方向スイッチＳＷ１〜ＳＷ３を構成するＲＢ−ＩＧＢＴに逆電圧が印加される場合がある。そこで、図示していない制御回路は、逆電圧が印加されるＲＢ−ＩＧＢＴのゲートをオンさせるゲート駆動信号を出力する。これにより、ＲＢ−ＩＧＢＴにおける漏れ電流の増加が抑制されて電力変換効率が向上する。
本実施形態に係る電力変換装置及び図１に示す電力変換装置は、いずれも３つのレベルの電圧出力を得ることが可能であるが、更に多くのレベルの電圧出力が得られる電力変換装置（例えば、特開平２０１１-７２１１８号公報参照）においても、逆電圧印加状態のＲＢ−ＩＧＢＴのゲートをオンさせる構成とすることによって電力変換効率を向上することができる。
図１２は、本発明に係る単相２レベル電力変換装置（インバータ）の実施形態を示す回路図である。この電力変換装置は、直列接続した双方向スイッチＳＷ１０，ＳＷ３０の対と直列接続した双方向スイッチＳＷ２０，ＳＷ４０の対とをキャパシタからなる直流電源ＰＳ’の正極と負極間に並列接続し、双方向スイッチＳＷ１０，ＳＷ３０の直列接続点と双方向スイッチＳＷ２０，ＳＷ４０の直列接続点との間に単相負荷Ｌを接続した構成を有する。
双方向スイッチＳＷ１０を構成するＲＢ−ＩＧＢＴ Ｔ１１及びＲＢ−ＩＧＢＴ Ｔ１２、双方向スイッチＳＷ２０を構成するＲＢ−ＩＧＢＴ Ｔ２１及びＲＢ−ＩＧＢＴ Ｔ２２、双方向スイッチＳＷ３０を構成するＲＢ−ＩＧＢＴ Ｔ３１及びＲＢ−ＩＧＢＴ Ｔ３２、双方向スイッチＳＷ４０を構成するＲＢ−ＩＧＢＴ Ｔ４１及びＲＢ−ＩＧＢＴ Ｔ４２は、それぞれ図１に示す双方向スイッチＳＷ１を構成するＲＢ−ＩＧＢＴ Ｔ１及びＲＢ−ＩＧＢＴ Ｔ２に対応している。
ＲＢ−ＩＧＢＴ Ｔ１１，Ｔ１２にはゲート駆動回路ＧＤＵ１１、ＧＤＵ１２が、ＲＢ−ＩＧＢＴ Ｔ２１，Ｔ２２にはゲート駆動回路ＧＤＵ２１、ＧＤＵ２２が、ＲＢ−ＩＧＢＴ Ｔ３１，Ｔ３２にはゲート駆動回路ＧＤＵ３１、ＧＤＵ３２が、ＲＢ−ＩＧＢＴ Ｔ４１，Ｔ４２にはゲート駆動回路ＧＤＵ４１、ＧＤＵ４２がそれぞれ接続されている。
これらのゲート駆動回路は、図２に示すゲート駆動回路ＧＤＵ１〜ＧＤＵ４と同様の構成を有し、それぞれ制御回路ＣＣ’からの指令信号を入力する。
ＲＢ−ＩＧＢＴ Ｔ１１，Ｔ１２にはゲート駆動回路ＧＤＵ１１、ＧＤＵ１２が、ＲＢ−ＩＧＢＴ Ｔ２１，Ｔ２２にはゲート駆動回路ＧＤＵ２１、ＧＤＵ２２が、ＲＢ−ＩＧＢＴ Ｔ３１，Ｔ３２にはゲート駆動回路ＧＤＵ３１、ＧＤＵ３２が、ＲＢ−ＩＧＢＴ Ｔ４１，Ｔ４２にはゲート駆動回路ＧＤＵ４１、ＧＤＵ４２がそれぞれ接続されている。
これらのゲート駆動回路は、図２に示すゲート駆動回路ＧＤＵ１〜ＧＤＵ４と同様の構成を有し、それぞれ制御回路ＣＣ’からの指令信号を入力する。
以下、本実施形態に係る電力変換装置の動作について説明する。制御回路ＣＣ’は、指令信号Ｓ１１，Ｓ１２，Ｓ２１，Ｓ２２，Ｓ３１，Ｓ３２，Ｓ４１，Ｓ４２を出力する。
すなわち、制御回路ＣＣ’は、図１６に示す期間（１）において、ＲＢ−ＩＧＢＴ Ｔ１１，Ｔ２２，Ｔ３２，Ｔ４１のゲートをオンさせるゲート駆動信号と、ＲＢ−ＩＧＢＴ Ｔ１２，Ｔ２１，Ｔ３１，Ｔ４２のゲートをオフさせるゲート駆動信号とが生成されるような指令信号を出力する。
この結果、ＲＢ−ＩＧＢＴ Ｔ１１，Ｔ４１がオンして、図１２に示す経路で負荷駆動電流ＩＡが流れるとともに、ＲＢ−ＩＧＢＴ Ｔ２２，Ｔ３２のコレクタ、エミッタ間に逆電圧が印加される。斜線で示すように、逆電圧が印加されるＲＢ−ＩＧＢＴ Ｔ２２，Ｔ３２は、ゲートをオンさせるゲート駆動信号を入力するので、正孔の再注入による漏れ電流の増加が抑制されることになる。
すなわち、制御回路ＣＣ’は、図１６に示す期間（１）において、ＲＢ−ＩＧＢＴ Ｔ１１，Ｔ２２，Ｔ３２，Ｔ４１のゲートをオンさせるゲート駆動信号と、ＲＢ−ＩＧＢＴ Ｔ１２，Ｔ２１，Ｔ３１，Ｔ４２のゲートをオフさせるゲート駆動信号とが生成されるような指令信号を出力する。
この結果、ＲＢ−ＩＧＢＴ Ｔ１１，Ｔ４１がオンして、図１２に示す経路で負荷駆動電流ＩＡが流れるとともに、ＲＢ−ＩＧＢＴ Ｔ２２，Ｔ３２のコレクタ、エミッタ間に逆電圧が印加される。斜線で示すように、逆電圧が印加されるＲＢ−ＩＧＢＴ Ｔ２２，Ｔ３２は、ゲートをオンさせるゲート駆動信号を入力するので、正孔の再注入による漏れ電流の増加が抑制されることになる。
次に、制御回路ＣＣ’は、図１６に示す期間（２）において、ＲＢ−ＩＧＢＴ Ｔ１２，Ｔ２２，Ｔ３２，Ｔ４２のゲートをオンさせるゲート駆動信号と、ＲＢ−ＩＧＢＴ Ｔ１１，Ｔ２１，Ｔ３１，Ｔ４１のゲートをオフさせるゲート駆動信号とが生成されるような指令信号を出力する。
この結果、ＲＢ−ＩＧＢＴ Ｔ２２，Ｔ３２がオンして、図１３に示す経路でリカバリー電流ＩＢが流れるとともに、ＲＢ−ＩＧＢＴ Ｔ１２，Ｔ４２のコレクタ、エミッタ間に逆電圧が印加されることになる。斜線で示すように、逆電圧が印加されるＲＢ−ＩＧＢＴ Ｔ１２，Ｔ４２は、ゲートをオンさせるゲート駆動信号を入力するので、正孔の再注入による漏れ電流の増加が抑制される。
この結果、ＲＢ−ＩＧＢＴ Ｔ２２，Ｔ３２がオンして、図１３に示す経路でリカバリー電流ＩＢが流れるとともに、ＲＢ−ＩＧＢＴ Ｔ１２，Ｔ４２のコレクタ、エミッタ間に逆電圧が印加されることになる。斜線で示すように、逆電圧が印加されるＲＢ−ＩＧＢＴ Ｔ１２，Ｔ４２は、ゲートをオンさせるゲート駆動信号を入力するので、正孔の再注入による漏れ電流の増加が抑制される。
制御回路ＣＣ’は、図１６に示す期間（３）において、ＲＢ−ＩＧＢＴ Ｔ１２，Ｔ２１，Ｔ３１，Ｔ４２のゲートをオンさせるゲート駆動信号と、ＲＢ−ＩＧＢＴ Ｔ１１，Ｔ２２，Ｔ３２，Ｔ４１のゲートをオフさせるゲート駆動信号とが生成されるような指令信号を出力する。
この結果、ＲＢ−ＩＧＢＴ Ｔ２１，Ｔ３１がオンして、図１４に示す経路で負荷駆動電流ＩＣが流れるとともに、ＲＢ−ＩＧＢＴ Ｔ１２，Ｔ４２のコレクタ、エミッタ間に逆電圧が印加されることになる。斜線で示すように、逆電圧が印加されるＲＢ−ＩＧＢＴ Ｔ１２，Ｔ４２は、ゲートをオンさせるゲート駆動信号を入力するので、正孔の再注入による漏れ電流の増加が抑制される。
この結果、ＲＢ−ＩＧＢＴ Ｔ２１，Ｔ３１がオンして、図１４に示す経路で負荷駆動電流ＩＣが流れるとともに、ＲＢ−ＩＧＢＴ Ｔ１２，Ｔ４２のコレクタ、エミッタ間に逆電圧が印加されることになる。斜線で示すように、逆電圧が印加されるＲＢ−ＩＧＢＴ Ｔ１２，Ｔ４２は、ゲートをオンさせるゲート駆動信号を入力するので、正孔の再注入による漏れ電流の増加が抑制される。
次に、制御回路ＣＣ’は、図１６に示す期間（４）において、ＲＢ−ＩＧＢＴ Ｔ１２，Ｔ２２，Ｔ３２，Ｔ４２のゲートをオンさせるゲート駆動信号と、ＲＢ−ＩＧＢＴ Ｔ１１，Ｔ２１，Ｔ３１，Ｔ４１のゲートをオフさせるゲート駆動信号とが生成されるような指令信号を出力する。
この結果、ＲＢ−ＩＧＢＴ Ｔ１２，Ｔ４２がオンして、図１５に示す経路でリカバリー電流ＩＤが流れるとともに、ＲＢ−ＩＧＢＴ Ｔ２２，Ｔ３２のコレクタ、エミッタ間に逆方向電圧が印加されることになる。斜線で示すように、逆電圧が印加されるＲＢ−ＩＧＢＴ Ｔ２２，Ｔ３２は、ゲートをオンさせるゲート駆動信号を入力するので、正孔の再注入による漏れ電流の増加が抑制される。
この結果、ＲＢ−ＩＧＢＴ Ｔ１２，Ｔ４２がオンして、図１５に示す経路でリカバリー電流ＩＤが流れるとともに、ＲＢ−ＩＧＢＴ Ｔ２２，Ｔ３２のコレクタ、エミッタ間に逆方向電圧が印加されることになる。斜線で示すように、逆電圧が印加されるＲＢ−ＩＧＢＴ Ｔ２２，Ｔ３２は、ゲートをオンさせるゲート駆動信号を入力するので、正孔の再注入による漏れ電流の増加が抑制される。
図１７は、本発明に係る三相２レベル電力変換装置（インバータ）の実施形態を示す回路図である。この電力変換装置は、三相負荷Ｌ’に適用すべく、図１２に示す電力変換装置を三相用に拡張したものであり、直流電源ＰＳ’の正極と負極間にそれぞれ直列接続された、双方向スイッチＳＷ５０，ＳＷ８０の対、双方向スイッチＳＷ６０，ＳＷ９０の対及び双方向スイッチＳＷ７０，ＳＷ１００の対を備えている。
上記双方向スイッチＳＷ５０〜ＳＷ１００を構成するＲＢ−ＩＧＢＴのいくつかはコレクタ、エミッタ間に逆電圧が印加される場合がある。
逆電圧が印加されるＲＢ−ＩＧＢＴは、ゲート制御シーケンスから予め知られる。そこで、図示していない制御回路は、逆電圧が印加されるＲＢ−ＩＧＢＴの漏れ電流の増加を抑制するために、該ＲＢ−ＩＧＢＴのゲートをオンさせるゲート駆動信号が生成されるような指令信号を出力する。これにより、逆電圧が印加されるＲＢ−ＩＧＢＴの漏れ電流の増加による損失が低減される。
上記双方向スイッチＳＷ５０〜ＳＷ１００を構成するＲＢ−ＩＧＢＴのいくつかはコレクタ、エミッタ間に逆電圧が印加される場合がある。
逆電圧が印加されるＲＢ−ＩＧＢＴは、ゲート制御シーケンスから予め知られる。そこで、図示していない制御回路は、逆電圧が印加されるＲＢ−ＩＧＢＴの漏れ電流の増加を抑制するために、該ＲＢ−ＩＧＢＴのゲートをオンさせるゲート駆動信号が生成されるような指令信号を出力する。これにより、逆電圧が印加されるＲＢ−ＩＧＢＴの漏れ電流の増加による損失が低減される。
図１８は、マトリクスコンバータに適用した本発明に係る電力変換装置の構成例を示す回路図である。この電力変換装置は、９個の双方向スイッチＳＷ１１０〜ＳＷ１９０を三相交流電源ＡＣ−ＰＳと三相負荷Ｌ’との間に接続した構成を有する。
この電力変換装置においても、双方向スイッチＳＷ１１０〜ＳＷ１９０を構成するＲＢ−ＩＧＢＴのいくつかは、そのコレクタ、エミッタ間に逆方向の電圧が印加される場合がある。そこで、図示していない制御回路は、逆方向の電圧が印加されるスイッチ素子のゲートにゲートオン信号が入力されるように、そのスイッチ素子に係るゲート駆動回路にゲートオンを指示する制御信号を出力する。この結果、逆方向の電圧が印加されるスイッチ素子は、正孔の再注入による漏れ電流の増加が抑制されて、この漏れ電流の増加による損失が低減される。
この電力変換装置においても、双方向スイッチＳＷ１１０〜ＳＷ１９０を構成するＲＢ−ＩＧＢＴのいくつかは、そのコレクタ、エミッタ間に逆方向の電圧が印加される場合がある。そこで、図示していない制御回路は、逆方向の電圧が印加されるスイッチ素子のゲートにゲートオン信号が入力されるように、そのスイッチ素子に係るゲート駆動回路にゲートオンを指示する制御信号を出力する。この結果、逆方向の電圧が印加されるスイッチ素子は、正孔の再注入による漏れ電流の増加が抑制されて、この漏れ電流の増加による損失が低減される。
ＰＳ、ＰＳ’ 直流電源
ＡＰ，ＡＰ１〜ＡＰ３ アーム対
ＳＷ、ＳＷ１〜ＳＷ３，ＳＷ１０〜ＳＷ１９０ 双方向スイッチ
Ｃ１，Ｃ２ キャパシタ
Ｔ１，Ｔ２ 半導体スイッチ素子
Ｔ３，Ｔ４ 逆阻止型絶縁ゲートバイポーラトランジスタ
Ｄ１，Ｄ２ フリーホイールダイオード
ＧＤＵ１〜ＧＤＵ４、ＧＤＵ１１, ＧＤＵ１２〜ＧＤＵ４１，ＧＤＵ４２ ゲート駆動回路
Ｌ 単相負荷
Ｌ’ 三相負荷
ＣＣ，ＣＣ’ 制御回路
ＡＰ，ＡＰ１〜ＡＰ３ アーム対
ＳＷ、ＳＷ１〜ＳＷ３，ＳＷ１０〜ＳＷ１９０ 双方向スイッチ
Ｃ１，Ｃ２ キャパシタ
Ｔ１，Ｔ２ 半導体スイッチ素子
Ｔ３，Ｔ４ 逆阻止型絶縁ゲートバイポーラトランジスタ
Ｄ１，Ｄ２ フリーホイールダイオード
ＧＤＵ１〜ＧＤＵ４、ＧＤＵ１１, ＧＤＵ１２〜ＧＤＵ４１，ＧＤＵ４２ ゲート駆動回路
Ｌ 単相負荷
Ｌ’ 三相負荷
ＣＣ，ＣＣ’ 制御回路
Claims (5)
- 逆耐圧性を持つ２つの逆阻止型絶縁ゲートバイポーラトランジスタを逆並列接続してなる双方向スイッチを備え、制御回路から出力される指令信号に基づいて生成されるゲート駆動信号を前記各逆阻止型絶縁ゲートバイポーラトランジスタに与えるようにした電力変換器であって、
ある双方向スイッチに電流が流れない動作を、前記制御回路が前記電力変換器に指令している期間の前記制御回路から出力される前記指令信号は、該双方向スイッチ内の前記２つの逆阻止型絶縁ゲートバイポーラトランジスタのうち、逆電圧が印加される逆阻止型絶縁ゲートバイポーラトランジスタのゲートをオン状態にするゲート駆動信号が生成されるように設定されることを特徴とする電力変換装置。 - ３レベル以上の電力変換を行なう電力変換器であって、
１相分の電力変換回路が、
正極、中間極、負極を有する直流電源と、
ダイオードが逆並列接続されかつ前記直流電源の正極にコレクタが接続された第１の半導体スイッチ素子と、
ダイオードが逆並列接続されかつ前記直流電源の負極にエミッタが接続された第２の半導体スイッチ素子と、
前記前記第１の半導体スイッチ素子のエミッタと前記第２の半導体スイッチ素子のコレクタとの接続点に一端が接続され、前記直流電源の中間極に他端が接続された前記双方向スイッチと、
を備えることを特徴とする請求項１に記載の電力変換装置。 - 前記第１、第２の半導体スイッチ素子が絶縁ゲートバイポーラトランジスタである請求項２に記載の電力変換装置。
- １相分の電力変換回路が、
直流電源と、
前記直流電源の正極と負極間に直列接続された前記双方向スイッチの第１の対と、
前記直流電源の正極と負極間に直列接続された前記双方向スイッチの第２の対と、
を備えることを特徴とする請求項１に記載の電力変換装置。 - 複数の前記双方向スイッチをマトリックスコンバータが構成されるように接続したことを特徴とする請求項１に記載の電力変換装置。
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