JP6145073B2

JP6145073B2 - 電力変換装置

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Publication number: JP6145073B2
Application number: JP2014115082A
Authority: JP
Inventors: 裕次 ▲高▼山; 崇山川; 有澤　浩一; 浩一有澤; 篠本　洋介; 洋介篠本
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2013-06-28
Filing date: 2014-06-03
Publication date: 2017-06-07
Anticipated expiration: 2034-06-03
Also published as: JP2015029407A

Description

本発明は、整流器モジュールおよびそれを用いた電力変換装置に関する。

一般的な整流回路は、ダイオードをブリッジ状に配置したダイオードブリッジを用いて構成されている。このダイオードブリッジを用いた構成では、交流電源を全波整流した電圧をコンデンサにより平滑することで直流電圧に変換している。このようなダイオードブリッジは、その汎用性から多用されており、モジュール化して低コスト化、基板面積低減が図られている。

なお、交流電源を直流に変換する構成は、従来、盛んに研究開発が行われており、上述したダイオードブリッジを用いない構成で、交流電源から直流に変換する整流回路が提案されている（例えば、特許文献１）。

特許文献１に記載された整流回路では、単相交流電源に対して倍の電圧を得ることが出来るチャージポンプ回路を２段並列に持たせており、それぞれの出力を逆流阻止ダイオードを用いて合成することにより交流電源電圧のピーク値の３倍の直流電圧を出力することが出来る構成としている。

特開平９−０２３６５５号公報

しかしながら、上記特許文献１に記載された整流回路のように、ダイオードブリッジを用いない構成において、モジュール化されたダイオードブリッジ（以下、「ダイオードブリッジモジュール」という）を用いて構成する場合には、このダイオードブリッジモジュール内の一部あるいは複数のダイオードブリッジモジュールを組み合わせて構成する必要がある。このため、部品点数の低減が図れず、低コスト化や軽量化、あるいは基板面積の低減を図ることができない場合がある、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、部品点数を低減することができ、小型軽量化、および低コスト化を実現可能とした整流器モジュールおよびそれを用いた電力変換装置を得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、本発明は、直列接続した４以上の複数の整流素子を含む整流器モジュールを用いて構成される電力変換装置であって、前記整流素子のうち、両端に配置される整流素子を逆流阻止用として用い、当該逆流阻止用の整流素子以外のうちの２つの整流素子を電源整流用として用いたことを特徴とする。

本発明によれば、電力変換装置を構成する部品点数を低減することができ、小型軽量化、および低コスト化が実現可能となる、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に適用可能な整流器モジュールの内部回路構成の一例を示す図である。図３は、図２に示す整流器モジュールの概略外形図を示す図である。図４は、図１に示す構成において図３に示す整流器モジュールを適用した場合の接続例を示す図である。図５は、図１に示した電力変換装置の電流経路を説明する図である。図６は、図１に示した電力変換装置において、双方向スイッチを動作させない場合の電流波形を示す図である。図７は、図１に示した電力変換装置において、双方向スイッチを動作させた場合の電流波形を示す図である。図８は、図１に示す電力変換装置に適用可能な整流器モジュールの図２とは異なる内部構成例を示す図である。図９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一構成例を示す図である。図１１は、図１０に示した電力変換装置における各部電圧波形を示す図である。

以下に添付図面を参照し、本発明の実施の形態にかかる整流器モジュールおよびそれを用いた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。本実施の形態の電力変換装置１００は、交流電源１から供給される交流電圧を直流電圧に変換して直流負荷７に供給する直流電源装置として構成したものであり、第１の整流素子３ａのアノードと第２の整流素子３ｂのカソードとが接続され、この接続点が交流電源１の一方端に接続される第１の整流部２００ａと、第３の整流素子３ｃのアノードと第４の整流素子３ｄのカソードとが接続され、この接続点が交流電源１の他方端に接続される第２の整流部２００ｂと、第１の整流部２００ａと並列に直列接続され、中点が交流電源１の他方端に接続される第１のコンデンサ４ａおよび第２のコンデンサ４ｂと、第２の整流部２００ｂと並列に直列接続され、中点が交流電源１の一方端に接続される第３のコンデンサ４ｃおよび第４のコンデンサ４ｄと、第１の整流部２００ａおよび第２の整流部２００ｂによる整流後の電圧を平滑する平滑コンデンサ５と、平滑コンデンサ５から第１の整流部２００ａへの電流の逆流を阻止する第５の整流素子６ａおよび第６の整流素子６ｂからなる第１の逆流阻止部３００ａと、平滑コンデンサ５から第２の整流部２００ｂへの電流の逆流を阻止する第７の整流素子６ｃおよび第８の整流素子６ｄからなる第２の逆流阻止部３００ｂと、交流電源１と第１の整流部２００ａあるいは第２の整流部２００ｂとの間に接続されたリアクタ２と、リアクタ２を介して交流電源１を短絡する双方向スイッチ８とを備え構成されている。

図１に示す例では、第１の整流素子３ａ、第２の整流素子３ｂ、第５の整流素子６ａ、および第６の整流素子６ｂを含む第１の直列回路を１つのパッケージとして整流器モジュール１０ａを形成し、第３の整流素子３ｃ、第４の整流素子３ｄ、第７の整流素子６ｃ、および第８の整流素子６ｄを含む第２の直列回路を１つのパッケージとして整流器モジュール１０ｂを形成している。

また、本実施の形態にかかる電力変換装置１００は、交流電源１から供給される交流電圧の位相を検出する位相検出器１１と、直流負荷７への出力電圧を検出する電圧検出器１２と、位相検出器１１および電圧検出器１２による検出結果（位相検出値および電圧検出値）に基づいて双方向スイッチ８を制御する制御部１３とを備えている。

なお、図１に示す例では、双方向スイッチ８をダイオードブリッジ８ａおよびスイッチング素子８ｂにより構成した例を示しているが、この双方向スイッチ８の構成により本発明が限定されるものではない。

図１に示す構成において、整流素子をブリッジ状に接続して構成されたダイオードブリッジモジュールを用いた場合、例えば、第１の整流素子３ａおよび第２の整流素子３ｂを構成するものとして１つ、第３の整流素子３ｃおよび第４の整流素子３ｄを構成するものとして１つ、第５の整流素子６ａおよび第６の整流素子６ｂを構成するものとして１つ、第７の整流素子６ｃおよび第８の整流素子６ｄを構成するものとして１つの合計４つのダイオードブリッジモジュールが必要となる。そのため、基板上の部品実装面積が必要以上に大きくなり、ダイオードブリッジモジュール内の整流素子も４つ中２つの使用となるため非効率的である。また、これら第１乃至第８の整流素子３ａ〜３ｄ，６ａ〜６ｄをそれぞれ単体の部品で構成した場合は部品単価が高く、基板上の部品実装面積も大きくなってしまう。

そのため、本実施の形態にかかる電力変換装置１００では、上述したように２つの整流器モジュール１０ａ，１０ｂで構成するようにしている。図２は、図１に示す電力変換装置に適用可能な整流器モジュールの内部回路構成の一例を示す図である。また、図３は、図２に示す整流器モジュールの概略外形図を示す図である。また、図４は、図１に示す構成において図３に示す整流器モジュールを適用した場合の接続例を示す図である。なお、図２に示す例では、整流器モジュール１０ａの内部回路構成の一例を示している。

図２に示すように、第６の整流素子６ｂのアノードをＴ１端子、第６の整流素子６ｂのカソードと第２の整流素子３ｂのアノードとの接続点をＴ２端子、第２の整流素子３ｂのカソードと第１の整流素子３ａのアノードとの接続点をＴ３端子、第１の整流素子３ａのカソードと第５の整流素子６ａのアノードとの接続点をＴ４端子、第５の整流素子６ａのカソードをＴ５端子としている。同様に、第８の整流素子６ｄのアノードをＴ１端子、第８の整流素子６ｄのカソードと第４の整流素子３ｄのアノードとの接続点をＴ２端子、第４の整流素子３ｄのカソードと第３の整流素子３ｃのアノードとの接続点をＴ３端子、第３の整流素子３ｃのカソードと第７の整流素子６ｃのアノードとの接続点をＴ４端子、第７の整流素子６ｃのカソードをＴ５端子とし、図３に示すパッケージ内にそれぞれ整流器モジュール１０ａ，１０ｂを形成した場合、図４に示すような比較的簡素な接続で実現することができる。

このような構成とすることにより、ダイオードブリッジモジュールを用いた構成と比べて部品点数を大幅に削減することができるだけでなく、基板上の部品実装面積の削減や、モジュール内素子の有効利用が可能となり、コスト低減効果が得られる。また、製造の際に部品実装等にかかる工数が削減でき、誤実装等の人為的ミスも減らすことができるので、製造工程におけるロスを抑制することができる。

また、モジュール化することで各素子間の配線長を短くすることができるので、低ノイズ化が可能であり、高信頼性が得られる。

つぎに、図１に示す電力変換装置１００の動作について、図１〜図７を参照して説明する。図５は、図１に示した電力変換装置の電流経路を説明する図である。また、図６は、図１に示した電力変換装置において、双方向スイッチを動作させない場合の電流波形を示す図である。また、図７は、図１に示した電力変換装置において、双方向スイッチを動作させた場合の電流波形を示す図である。なお、図５に示す例では、各構成部の符号および各部電圧を省略している。

図１において、交流電源１から印加される電源電圧Ｅの方向（図中の矢印で示した方向）を正極性とし、このときに図中に示した方向に交流電源１から電流Ｉｉｎが流れるものとする。ここでは、まず、図１に示した電力変換装置１００において、双方向スイッチ８を動作させない場合の動作について説明する。なお、第２および第３のコンデンサ４ｂ，４ｃには電荷が蓄積されて各両端電圧Ｖｂ，Ｖｃが電源電圧Ｅのピーク値と略等値となっているものとする。

図６において、図中矢印で示すタイミングは、交流電源１の電圧ゼロクロスを示している。図６に示す時刻ｔ０における交流電源１の電圧ゼロクロスから徐々に電源電圧Ｅが上昇すると、まず、図５（ａ）に示すように、交流電源１→リアクタ２→第３のコンデンサ４ｃ→第７の整流素子６ｃ→平滑コンデンサ５→第６の整流素子６ｂ→第２のコンデンサ４ｂ→交流電源１の経路で電流Ｉ１が流れる。この結果、平滑コンデンサ５の両端電圧Ｖｏは、電源電圧Ｅと、第３のコンデンサ４ｃの両端電圧Ｖｃと、第２のコンデンサ４ｂの両端電圧Ｖｂとの加算電圧となる（Ｖｏ＝Ｅ＋Ｖｃ＋Ｖｂ）。

電源電圧Ｅが更に上昇すると、時刻ｔ１において図５（ｂ）に示す経路、つまり、交流電源１→リアクタ２→第１の整流素子３ａ→第１のコンデンサ４ａ→交流電源１、および交流電源１→リアクタ２→第４のコンデンサ４ｄ→第４の整流素子３ｄ→交流電源１の２つの経路で電流Ｉ２が流れ始め、交流電源１から流れる電流Ｉｉｎは、電流Ｉ１と電流Ｉ２との加算電流となる（Ｉｉｎ＝Ｉ１＋Ｉ２）。この結果、第１および第４のコンデンサ４ａ，４ｄに電荷が蓄積されて各両端電圧Ｖａ，Ｖｄが電源電圧Ｅのピーク値と略等値となる。

続いて、図６に示す時刻ｔ２において交流電源１の電源電圧Ｅが負極性に転じると、図５（ｃ）に示すように、交流電源１→第１のコンデンサ４ａ→第５の整流素子６ａ→平滑コンデンサ５→第８の整流素子６ｄ→第４のコンデンサ４ｄ→リアクタ２→交流電源１の経路で電流Ｉ３が流れる。この結果、平滑コンデンサ５の両端電圧Ｖｏは、電源電圧Ｅと、第１のコンデンサ４ａの両端電圧Ｖａと、第４のコンデンサ４ｄの両端電圧Ｖｄとの加算電圧となる（Ｖｏ＝Ｅ＋Ｖａ＋Ｖｄ）。

さらに、時刻ｔ３において図５（ｄ）に示す経路、つまり、交流電源１→第３の整流素子３ｃ→第３のコンデンサ４ｃ→リアクタ２→交流電源１、および交流電源１→第２のコンデンサ４ｂ→第２の整流素子３ｂ→リアクタ２→交流電源１の２つの経路で電流Ｉ４が流れ始め、交流電源１から流れる電流Ｉｉｎは、電流Ｉ３と電流Ｉ４との加算電流となる（Ｉｉｎ＝Ｉ３＋Ｉ４）。この結果、第２および第３のコンデンサ４ｂ，４ｃに電荷が蓄積されて各両端電圧Ｖｂ，Ｖｃが電源電圧Ｅのピーク値と略等値となる。

上記の動作を繰り返すことにより、平滑コンデンサ５は、電源電圧Ｅのピーク値の略等値まで充電された第１乃至第４のコンデンサ４ａ〜４ｄの両端電圧および交流電源１の電源電圧Ｅとの加算電圧で充電される。この一連の動作により、電源電圧Ｅのピーク値の２倍乃至３倍の直流電圧を生成することができる。

ここで、図５（ａ）に示す電流Ｉ１、および図５（ｃ）に示す電流Ｉ３は、平滑コンデンサ５への充電電流となっている。つまり、図６（ｂ）に示す波形は、平滑コンデンサ５への充電電流波形を示している。図６（ｂ）から明らかなように、双方向スイッチ８を動作させない場合には、上述した時刻ｔ１，ｔ３までの間に平滑コンデンサ５に流れ込む電流Ｉ１，Ｉ３のピーク値が大きくなる。なぜなら、この期間は、交流電源１からだけでなく、第１乃至第４のコンデンサ４ａ〜４ｄの何れか２つからの放電電流も平滑コンデンサ５へ流れることとなるためである。一方、平滑コンデンサ５への充電が終了した時刻ｔ１，ｔ３以降は、直流負荷７が消費する電荷分だけ平滑コンデンサ５へ電流が流れ続けることとなる。

平滑コンデンサ５の充電経路、つまり、図５（ａ）、図５（ｃ）に示す電流Ｉ１，Ｉ３が流れる経路には、平滑コンデンサ５から第１および第２の整流部２００ａ，２００ｂ側への電流の逆流を阻止する第１および第２の逆流阻止部３００ａ，３００ｂを構成する第５乃至第８の整流素子６ａ〜６ｄが挿入されているが、この整流素子６ａ〜６ｄとしては、高速に電流を遮断するために逆回復時間ｔｒｒが小さい反面、順方向電圧Ｖｆが大きいものが用いられる。この整流素子６ａ〜６ｄに突入電流のようにピークの大きな電流が流れる場合には、そのピーク電流値に耐え得る電流容量が必要となり、さらに順方向電圧Ｖｆが大きくなる傾向がある。順方向電圧Ｖｆが大きい整流素子は、導通損失が大きく、低効率であると同時に、電流容量が大きいため高コストな部品となる。

そこで、本実施の形態にかかる電力変換装置１００では、図７に示すように、時刻ｔ１’，ｔ３’において電流Ｉ２，Ｉ４が流れ始める前、つまり、第１乃至第４のコンデンサ４ａ〜４ｄの充電が開始される前の微小期間Δｔだけ双方向スイッチ８をオンさせて交流電源１から流れる電流Ｉｉｎの通流角を拡大させる。この微小期間Δｔでは、交流電源１がリアクタ２を介して短絡され、第１および第２の整流部２００ａ，２００ｂ、および第１乃至第４のコンデンサ４ａ〜４ｄには電流が流れない。すなわち、図５に示した各電流経路のいずれにも電流が流れず、リアクタ２にエネルギーが蓄えられる。

双方向スイッチ８がオンからオフに変化すると、リアクタ２に蓄えられたエネルギーによって、交流電源１から電流Ｉｉｎが流れ続けようと動作する。このとき、図５（ｂ）あるいは図５（ｄ）に示す電流経路の電位よりも、図５（ａ）あるいは図５（ｃ）に示す電流経路の電位の方が低いため、図５（ａ）あるいは図５（ｃ）に示す電流経路へ電流Ｉｉｎ（＝Ｉ１ｏｒＩ３）が流れる。その結果、時刻ｔ１’，ｔ３’までの期間に平滑コンデンサ５に流れ込む電流Ｉ１，Ｉ３のピーク値を抑制することができる。

上記のような双方向スイッチ８の制御は、制御部１３により行われる。制御部１３は、位相検出器１１の出力である位相検出値に基づいて、直流負荷７への出力電圧が所望値となるような双方向スイッチ８のオン期間（図７（ｂ）に示す微小期間Δｔ）を算出すると共に、交流電源１から印加される電源電圧Ｅのゼロクロスを基準として、予め平滑コンデンサ５に流れ込む電流Ｉ１，Ｉ３のピーク値が所望値以下となるように設定されたタイミングで双方向スイッチ８をオン制御し、算出したオン期間（Δｔ）の経過後に、双方向スイッチ８をオフ制御する。

これにより、平滑コンデンサ５から第１および第２の整流部２００ａ，２００ｂ側への電流の逆流を阻止する第５乃至第８の整流素子６ａ〜６ｄとして、電流容量が小さい低コストな整流素子を用いることができるので、整流器モジュール１０ａ，１０ｂの小型化、低コスト化を図ることができ、また、第５乃至第８の整流素子６ａ〜６ｄの順方向電圧Ｖｆも小さくなるので、整流器モジュール１０ａ，１０ｂを適用する電力変換装置１００の低損失化を図ることができる。

図８は、図１に示す電力変換装置に適用可能な整流器モジュールの図２とは異なる内部構成例を示す図である。図１に示す例では、図２に示すように、第１の整流素子３ａ、第２の整流素子３ｂ、第５の整流素子６ａ、および第６の整流素子６ｂを含む第１の直列回路を１つのパッケージとして整流器モジュール１０ａを形成し、第３の整流素子３ｃ、第４の整流素子３ｄ、第７の整流素子６ｃ、および第８の整流素子６ｄを含む第２の直列回路を１つのパッケージとして整流器モジュール１０ｂを形成する例を示したが、例えば、図８（ａ）に示すように、第１の整流素子３ａ、第２の整流素子３ｂ、第５の整流素子６ａ、および第６の整流素子６ｂを含む第１の直列回路と、第３の整流素子３ｃ、第４の整流素子３ｄ、第７の整流素子６ｃ、および第８の整流素子６ｄを含む第２の直列回路とを１つのパッケージとして整流器モジュールを形成してもよい。あるいは、図８（ｂ）に示すように、第１の整流素子３ａ、第２の整流素子３ｂ、第５の整流素子６ａ、および第６の整流素子６ｂを含む第１の直列回路と、第３の整流素子３ｃ、第４の整流素子３ｄ、第７の整流素子６ｃ、および第８の整流素子６ｄを含む第２の直列回路とを並列接続して１つのパッケージとして整流器モジュールを形成してもよい。あるいは、図８（ｃ）に示すように、図８（ｂ）に示す構成に対し、さらに双方向スイッチ８を含み、１つのパッケージとして整流器モジュールを形成してもよい。なお、図８に示す各整流器モジュールは、どのようなパッケージ上に形成してもよく、そのパッケージ上において各端子Ｔ１〜Ｔ１０をどのように配置するかについても任意である。

図９は、実施の形態１にかかる電力変換装置の図１とは異なる構成例を示す図である。なお、図９に示す例では、位相検出器１１、電圧検出器１２、および制御部１３を省略している。

図９に示す例では、図１に示す構成に加え、第１のコンデンサ４ａおよび第２のコンデンサ４ｂの中点と交流電源１との間に双方向スイッチ２１ａを備え、第３のコンデンサ４ｃおよび第４のコンデンサ４ｄの中点と交流電源１との間に双方向スイッチ２１ｂを備える構成としている。このような構成では、双方向スイッチ２１ａ，２１ｂのオンデューティを調整することで直流負荷７への出力電圧の制御が可能となるが、この図９に示す構成において、第１の整流素子３ａ、第２の整流素子３ｂ、第５の整流素子６ａ、および第６の整流素子６ｂを含む第１の直列回路にさらに双方向スイッチ２１ａを加えて１つの整流器モジュール１０ａを形成し、第３の整流素子３ｃ、第４の整流素子３ｄ、第７の整流素子６ｃ、および第８の整流素子６ｄを含む第２の直列回路にさらに双方向スイッチ２１ｂを加えて１つの整流器モジュール１０ｂを形成してもよい。あるいは、図８に示す各構成に双方向スイッチ２１ａ，２１ｂを加えた構成としてもよい。

また、第１乃至第２の直列回路を構成する整流素子の素子数は上記に限らず、５つ以上の整流素子からなる直列回路を１単位として整流器モジュールを形成してもよいことは言うまでもない。

以上説明したように、実施の形態１の整流器モジュールおよびそれを用いた電力変換装置によれば、交流電源を整流する整流部、整流後の電圧を平滑するコンデンサ、およびコンデンサから整流部側への電流の逆流を阻止する逆流阻止部を有する電力変換装置に適用され、少なくとも整流部および逆流阻止部を構成する４つ以上の整流素子が直列に連なる直列回路を含み、１つのパッケージとして整流器モジュールを形成したので、ダイオードブリッジモジュールを用いた構成と比べて部品点数を大幅に削減することができ、基板上の部品実装面積の削減、モジュール内素子の有効利用が可能となり、低コスト化を図ることができる。また、製造の際に部品実装等にかかる工数が削減でき、誤実装等の人為的ミスも減らすことができるので、製造工程におけるロスを抑制することができる。さらに、モジュール化することで各素子間の配線長を短くすることができるので、低ノイズ化が可能であり、高信頼性が得られる。

また、複数の整流素子が直列に連なる直列回路を複数有する構成の電力変換装置に適用する場合には、複数の直列回路を１つのパッケージとして整流器モジュールを形成することも可能であり、また、複数の直列回路が並列接続される構成の電力変換装置に適用する場合には、複数の直列回路を１つのパッケージ内で並列接続して整流器モジュールを形成することも可能であり、また、交流電源と整流部との間にリアクタを接続し、このリアクタを介して交流電源を短絡する双方向スイッチを有する電力変換装置に適用する場合には、複数の直列回路および双方向スイッチを１つのパッケージとして整流器モジュールを形成することも可能である。これらの手法により、さらに部品点数の削減を図ることができ、さらなる低コスト化、工数削減、製造工程におけるロスの抑制を図ることができる。また、素子間の配線長をさらに短縮することも可能であるので、さらなる低ノイズ化が可能であり、より信頼性を高めることができる。

また、第１の整流素子のアノードと第２の整流素子のカソードとが接続され、この接続点が交流電源の一方端に接続される第１の整流部と、第３の整流素子のアノードと第４の整流素子のカソードとが接続され、この接続点が交流電源の他方端に接続される第２の整流部と、第１の整流部と並列に直列接続され、中点が交流電源の他方端に接続される第１のコンデンサおよび第２のコンデンサと、第２の整流部と並列に直列接続され、中点が交流電源の一方端に接続される第３のコンデンサおよび第４のコンデンサと、第１の整流部および第２の整流部による整流後の電圧を平滑する平滑コンデンサと、平滑コンデンサから第１の整流部への電流の逆流を阻止する第５の整流素子および第６の整流素子からなる第１の逆流阻止部と、平滑コンデンサから第２の整流部への電流の逆流を阻止する第７の整流素子および第８の整流素子からなる第２の逆流阻止部とを備え、電源電圧のピーク値の２倍乃至３倍の直流電圧を生成可能な構成において、交流電源と第１の整流部あるいは第２の整流部との間に接続されたリアクタを介して交流電源を短絡する双方向スイッチを具備し、第１乃至第４のコンデンサの充電が開始される前の微小期間Δｔだけ双方向スイッチをオンさせて交流電源から流れる電流の通流角を拡大させるようにしたので、第１乃至第４のコンデンサの充電が開始される前の期間において平滑コンデンサに流れ込む電流のピーク値を抑制することができ、平滑コンデンサから第１および第２の整流部側への電流の逆流を阻止する第５乃至第８の整流素子として、電流容量が小さい低コストな整流素子を用いることができるので、整流器モジュールの小型化、低コスト化を図ることができ、また、第５乃至第８の整流素子の順方向電圧も小さくなるので、整流器モジュールを適用する電力変換装置の低損失化を図ることができる。

なお、実施の形態１における第１および第２の逆流阻止部を構成する第５乃至第８の整流素子としては、上述したように逆回復時間ｔｒｒが小さいＦＲＤ（ファストリカバリダイオード）等を用いることが好ましい。また、第１乃至第８の整流素子、双方向スイッチ等の各半導体素子としては、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）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。

このようなＷＢＧ半導体によって形成された半導体素子は、耐電圧性が高く、許容電流密度も高い。そのため、半導体素子の小型化が可能であり、これら小型化された半導体素子を用いることにより、整流器モジュールの小型化が可能となり、延いては、これらの整流器モジュールを用いて構成した電力変換装置の小型化、軽量化が可能となる。

また、このようなＷＢＧ半導体によって形成された半導体素子は、耐熱性も高い。そのため、ヒートシンクの放熱フィンの小型化や、水冷部の空冷化が可能であるので、電力変換装置の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半導体素子は、電力損失が低い。そのため、半導体素子の高効率化が可能であり、延いては電力変換装置の高効率化が可能になる。

なお、各半導体素子がＷＢＧ半導体によって形成されていることが望ましいが、これら各半導体素子のうちの少なくとも１つがＷＢＧ半導体によって形成されていてもよく、上述した効果を得ることが可能である。

実施の形態２．
図１０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。本実施の形態の電力変換装置１００ａは、実施の形態１と同様に、交流電源１から供給される交流電圧を直流電圧に変換して直流負荷７に供給するものであり、第１の整流素子３ａのアノードと第２の整流素子３ｂのカソードとが接続され、この接続点が交流電源１の一方端に接続される第１の整流部２００ａと、第３の整流素子３ｃのアノードと第４の整流素子３ｄのカソードとが接続され、この接続点が交流電源１の他方端に接続される第２の整流部２００ｂと、第１の整流部２００ａおよび第２の整流部２００ｂからなるダイオードブリッジと並列に直列接続された第１のスイッチング素子１４ａおよび第２のスイッチング素子１４ｂと、第１のスイッチング素子１４ａにより充電と非充電とがスイッチングされる第１のコンデンサ４ａと、第２のスイッチング素子１４ｂにより充電と非充電とがスイッチングされる第２のコンデンサ４ｂと、並列接続された第５の整流素子６ａおよび第６の整流素子６ｂからなり、第１のコンデンサ４ａから第１のスイッチング素子１４ａへの電流の逆流を阻止する第１の逆流阻止部３００ａと、並列接続された第７の整流素子６ｃおよび第８の整流素子６ｄからなり、第２のコンデンサ４ｂから第２のスイッチング素子１４ｂへの電流の逆流を阻止する第２の逆流阻止部３００ｂと、交流電源１と第１の整流部２００ａおよび第２の整流部２００ｂからなるダイオードブリッジとの間に接続されたリアクタ２と、リアクタ２を介して交流電源１を短絡する双方向スイッチ８とを備え構成されている。

図１０に示す例では、実施の形態１と同様に、第１の整流素子３ａ、第２の整流素子３ｂ、第５の整流素子６ａ、および第６の整流素子６ｂを含む第１の直列回路を１つのパッケージとして整流器モジュール１０ａを形成し、第３の整流素子３ｃ、第４の整流素子３ｄ、第７の整流素子６ｃ、および第８の整流素子６ｄを含む第２の直列回路を１つのパッケージとして整流器モジュール１０ｂを形成している。

このような構成とすることにより、実施の形態１と同様に、ダイオードブリッジモジュールを用いた構成と比べて部品点数を大幅に削減することができるだけでなく、基板上の部品実装面積の削減や、モジュール内素子の有効利用が可能となり、コスト低減効果が得られる。また、製造の際に部品実装等にかかる工数が削減でき、誤実装等の人為的ミスも減らすことができるので、製造工程におけるロスを抑制することができる。

つぎに、図１０に示す電力変換装置１００ａの動作について、図１０および図１１を参照して説明する。図１１は、図１０に示した電力変換装置における各部電圧波形を示す図である。

図１０に示す構成は、交流電源１の電源電圧Ｅのピーク値より高い直流出力電圧を得る昇圧形の交流−直流変換回路であり、高力率コンバータ回路とも呼ばれる。第１のコンデンサ４ａの両端電圧をＶａ（＝Ｖ）、第２のコンデンサ４ｂの両端電圧をＶｂ（＝Ｖ）としたとき、交流電源１の電源電圧Ｅが正極性（図中の矢印で示した方向）、つまり、Ｅ＞０であり、且つ、Ｅ＜Ｖである場合に、第１のスイッチング素子１４ａと第２のスイッチング素子１４ｂとを同時にオン制御すると、交流電源１→リアクタ２→第１の整流素子３ａ→第１のスイッチング素子１４ａ→第２のスイッチング素子１４ｂ→第４の整流素子３ｄ→交流電源１の経路で電流が流れる。

このとき、リアクタ２の両端電圧は小さいため、交流電源１からリアクタ２の一方端に電源電圧Ｅが印加されると、リアクタ２に印加される電圧は正の値となり（（Ｅ−Ｖ）＞０）、リアクタ２に流れる電流、すなわち入力電流が増加する（図１１に示すｔ０−ｔ１期間）。

続いて、第１のスイッチング素子１４ａがオフすると、リアクタ２→第１の整流素子３ａ→第５および第６の整流素子６ａ，６ｂ→第１のコンデンサ４ａ→第２のスイッチング素子１４ｂ→第４の整流素子３ｄ→交流電源１→リアクタ２の経路に電流が転流する。

ここで、第１乃至第４の整流素子３ａ〜３ｄからなるダイオードブリッジの入力電圧Ｖ１には、第１のコンデンサ４ａの両端電圧Ｖａ（＝Ｖ）が発生する。

一方、第２のスイッチング素子１４ｂがオフすると、リアクタ２→第１の整流素子３ａ→第１のスイッチング素子１４ａ→第２のコンデンサ４ｂ→第７および第８の整流素子６ｃ，６ｄ→第４の整流素子３ｄ→交流電源１→リアクタ２の経路に電流が転流する。

ここで、第１乃至第４の整流素子３ａ〜３ｄからなるダイオードブリッジの入力電圧Ｖ１には、第２のコンデンサ４ｂの両端電圧Ｖｂ（＝Ｖ）が発生する。

第１および第２のコンデンサ４ａ，４ｂの両端電圧は同じ値に制御されるため（Ｖａ＝Ｖｂ＝Ｖ）、このときのダイオードブリッジの入力電圧Ｖ１は、第１および第２のコンデンサ４ａ，４ｂの両端電圧Ｖと等値となる（Ｖ１＝Ｖ）。このとき、交流電源１の電源電圧Ｅは、第１および第２のコンデンサ４ａ，４ｂの両端電圧Ｖ（＝Ｖａ＝Ｖｂ）よりも小さいため、リアクタ２に印加される電圧は負の値となり（（Ｅ−Ｖ）＜０）、リアクタ２に流れる電流、すなわち入力電流が減少する。ここで、第１および第２のコンデンサ４ａ，４ｂの両端電圧Ｖ（＝Ｖａ＝Ｖｂ）の値は、出力電圧（２Ｖ）の半分であるため、リアクタ２に印加される電圧の絶対値は小さくなる（図１１に示すｔ１−ｔ２期間）。

つぎに、交流電源１の電源電圧Ｅが正極性（図中の矢印で示した方向）、つまり、Ｅ＞０であり、且つ、Ｅ＞Ｖである場合に、第１のスイッチング素子１４ａあるいは第２のスイッチング素子１４ｂをオン制御すると、電流の経路は上記と同様となり、このとき、交流電源１の電源電圧Ｅは、第１および第２のコンデンサ４ａ，４ｂの両端電圧Ｖ（＝Ｖａ＝Ｖｂ）よりも大きいため、リアクタ２に印加される電圧は正の値となり（（Ｅ−Ｖ）＞０）、リアクタ２に流れる電流、すなわち入力電流が増加する。このとき、ダイオードブリッジの入力電圧Ｖ１の値は第１および第２のコンデンサ４ａ，４ｂの両端電圧Ｖ（＝Ｖａ＝Ｖｂ）であり、零まで下がることはないので、リアクタ２に印加される電圧の絶対値は小さくなる（図１１に示すｔ３−ｔ４期間）。

つぎに、第１のスイッチング素子１４ａおよび第２のスイッチング素子１４ｂを同時にオフ制御すると、リアクタ２→第１の整流素子３ａ→第５および第６の整流素子６ａ，６ｂ→第１のコンデンサ４ａ→第２のコンデンサ４ｂ→第７および第８の整流素子６ｃ，６ｄ→第４の整流素子３ｄ→交流電源１→リアクタ２の経路で電流が流れる。ここで、第１の整流素子３ａ、第５および第６の整流素子６ａ，６ｂ、第７および第８の整流素子６ｃ，６ｄ、および第４の整流素子３ｄが導通するので、ダイオードブリッジの入力電圧Ｖ１の値は、第１のコンデンサ４ａの両端電圧Ｖａ（＝Ｖ）と第２のコンデンサ４ｂの両端電圧Ｖｂ（＝Ｖ）との和の電圧２Ｖとなる。このとき、リアクタ２に印加される電圧は負の値となる（（Ｅ−２Ｖ）＜０）。したがって、リアクタ２に流れる電流、すなわち入力電流が減少する。このとき、交流電源１の電源電圧Ｅは高い値となっているが、ダイオードブリッジの入力電圧Ｖ１も高い値であるため（Ｖ１＝２Ｖ）、リアクタ２に印加される電圧の絶対値は小さな値となる（図１１に示すｔ４−ｔ５期間）。

ここでは交流電源１の電源電圧Ｅが正極性（Ｅ＞０）の領域における動作を説明したが、交流電源１の電源電圧Ｅが負極性（Ｅ＜０）の領域では、第１の整流素子３ａおよび第４の整流素子３ｄが導通する代わりに第２の整流素子３ｂおよび第３の整流素子３ｃが導通し、それ以外は同様の動作となる。図１０に示す構成では、上述したような一連のスイッチング動作を繰り返すことにより、入力電流を正弦波状に制御する。また、同時に、第１のコンデンサ４ａおよび第２のコンデンサ４ｂへの充電電流を制御し、第１のコンデンサ４ａおよび第２のコンデンサ４ｂの各両端電圧Ｖａ，Ｖｂをバランスさせながら直流負荷７への出力電圧を制御することができる。さらに、リアクタ２に印加される電圧が小さいため、リアクタ２に流れる電流リプルが小さくなり、リアクタ２の小形化、低損失化が図れる。さらに、入力電流に流れるリプルも小さくなるので、低ノイズ化やノイズフィルタの小形化も可能となる。

また、本実施の形態では、第１の逆流阻止部３００ａを構成する第５および第６の整流素子６ａ，６ｂ、第２の逆流阻止部３００ｂを構成する第７および第８の整流素子６ｃ，６ｄをそれぞれ並列に接続しているため、電流が分流されて第５乃至第８の整流素子６ａ〜６ｄに流れる電流が小さくなり、電流容量が小さい低コストな整流素子を用いることができるので、整流器モジュール１０ａ，１０ｂの小型化、低コスト化を図ることができ、また、第５乃至第８の整流素子６ａ〜６ｄの順方向電圧Ｖｆを抑制することができるため、整流器モジュール１０ａ，１０ｂを適用する電力変換装置１００ａの低損失化を図ることができる。

なお、図１０に示す例では、実施の形態１と同様に、第１の整流素子３ａ、第２の整流素子３ｂ、第５の整流素子６ａ、および第６の整流素子６ｂを含む第１の直列回路を１つのパッケージとして整流器モジュール１０ａを形成し、第３の整流素子３ｃ、第４の整流素子３ｄ、第７の整流素子６ｃ、および第８の整流素子６ｄを含む第２の直列回路を１つのパッケージとして整流器モジュール１０ｂを形成する例を示したが、実施の形態１において説明したように、第１の整流素子３ａ、第２の整流素子３ｂ、第５の整流素子６ａ、および第６の整流素子６ｂを含む第１の直列回路と、第３の整流素子３ｃ、第４の整流素子３ｄ、第７の整流素子６ｃ、および第８の整流素子６ｄを含む第２の直列回路とを１つのパッケージとして整流器モジュールを形成してもよいし、第１の整流素子３ａ、第２の整流素子３ｂ、第５の整流素子６ａ、および第６の整流素子６ｂを含む第１の直列回路と、第３の整流素子３ｃ、第４の整流素子３ｄ、第７の整流素子６ｃ、および第８の整流素子６ｄを含む第２の直列回路とを並列接続して１つのパッケージとして整流器モジュールを形成してもよいし、上述した構成に対し、さらに双方向スイッチ８を含み、１つのパッケージとして整流器モジュールを形成してもよい。なお、各整流器モジュールは、どのようなパッケージ上に形成してもよく、そのパッケージ上において各端子Ｔ１〜Ｔ１０をどのように配置するかについても任意である点においても、実施の形態１と同様である。

また、実施の形態１と同様に、第１乃至第２の直列回路を構成する整流素子の素子数は上記に限らず、５つ以上の整流素子からなる直列回路を１単位として整流器モジュールを形成してもよいことは言うまでもない。

以上説明したように、実施の形態２の電力変換装置によれば、第１の整流素子のアノードと第２の整流素子のカソードとが接続され、この接続点が交流電源の一方端に接続される第１の整流部と、第３の整流素子のアノードと第４の整流素子のカソードとが接続され、この接続点が交流電源の他方端に接続される第２の整流部と、第１の整流部および第２の整流部からなるダイオードブリッジと並列に直列接続された第１のスイッチング素子および第２のスイッチング素子と、第１のスイッチング素子により充電と非充電とがスイッチングされる第１のコンデンサと、第２のスイッチング素子により充電と非充電とがスイッチングされる第２のコンデンサと、並列接続された第５の整流素子および第６の整流素子からなり、第１のコンデンサから第１のスイッチング素子への電流の逆流を阻止する第１の逆流阻止部と、並列接続された第７の整流素子および第８の整流素子からなり、第２のコンデンサから第２のスイッチング素子への電流の逆流を阻止する第２の逆流阻止部とを備え、交流電源の電源電圧のピーク値より高い直流出力電圧を得る構成において、実施の形態１と同様に、少なくとも第１および第２の整流部および第１および第２の逆流阻止部を構成する４つ以上の整流素子が直列に連なる直列回路を含み、１つのパッケージとして整流器モジュールを形成したことにより、ダイオードブリッジモジュールを用いた構成と比べて部品点数を大幅に削減することができ、基板上の部品実装面積の削減、モジュール内素子の有効利用が可能となり、低コスト化を図ることができる。また、製造の際に部品実装等にかかる工数が削減でき、誤実装等の人為的ミスも減らすことができるので、製造工程におけるロスを抑制することができる。さらに、モジュール化することで各素子間の配線長を短くすることができるので、低ノイズ化が可能であり、高信頼性が得られる。

また、複数の整流素子が直列に連なる複数の直列回路を１つのパッケージとして整流器モジュールを形成することも可能であり、これら複数の直列回路を１つのパッケージ内で並列接続して整流器モジュールを形成することも可能であり、また、これら複数の直列回路および双方向スイッチを１つのパッケージとして整流器モジュールを形成することも可能である。これらの手法により、さらに部品点数の削減を図ることができ、さらなる低コスト化、工数削減、製造工程におけるロスの抑制を図ることができる。また、素子間の配線長をさらに短縮することも可能であるので、さらなる低ノイズ化が可能であり、より信頼性を高めることができる。

また、第１の逆流阻止部を構成する第５および第６の整流素子、第２の逆流阻止部を構成する第７および第８の整流素子をそれぞれ並列に接続した構成としているため、電流が分流されて第５乃至第８の整流素子に流れる電流が小さくなり、電流容量が小さい低コストな整流素子を用いることができるので、整流器モジュールの小型化、低コスト化を図ることができ、また、第５乃至第８の整流素子の順方向電圧Ｖｆを抑制することができるため、整流器モジュールを適用する電力変換装置の低損失化を図ることができる。

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。

以上のように、本発明は、電力変換装置を構成する部品点数を低減して、小型軽量化、および低コスト化を実現できる技術として有用であり、特に、交流電源を整流する整流部、整流後の電圧を平滑するコンデンサ、およびコンデンサから整流部側への電流の逆流を阻止する逆流阻止部を有する電力変換装置に適している。

１交流電源、２リアクタ、３ａ第１の整流素子、３ｂ第２の整流素子、３ｃ第３の整流素子、３ｄ第４の整流素子、４ａ第１のコンデンサ、４ｂ第２のコンデンサ、４ｃ第３のコンデンサ、４ｄ第４のコンデンサ、５平滑コンデンサ、６ａ第５の整流素子、６ｂ第６の整流素子、６ｃ第７の整流素子、６ｄ第８の整流素子、７直流負荷、８双方向スイッチ、８ａダイオードブリッジ、８ｂスイッチング素子、１０ａ，１０ｂ整流器モジュール、１１位相検出器、１２電圧検出器、１３制御部、１４ａ第１のスイッチング素子、１４ｂ第２のスイッチング素子、２１ａ，２１ｂ双方向スイッチ、１００，１００ａ電力変換装置、２００ａ第１の整流部、２００ｂ第２の整流部、３００ａ第１の逆流阻止部、３００ｂ第２の逆流阻止部。

Claims

直列接続した４以上の複数の整流素子を含む整流器モジュールを用いて構成される電力変換装置であって、
前記整流素子のうち、両端に配置される整流素子を逆流阻止用として用い、当該逆流阻止用の整流素子以外のうちの２つの整流素子を電源整流用として用い、
前記整流器モジュールを最低限２個以上備えて電力を供給し、
第１の整流素子のアノードと第２の整流素子のカソードとが接続され、当該接続点が交流電源の一方端に接続される第１の整流部と、
第３の整流素子のアノードと第４の整流素子のカソードとが接続され、当該接続点が前記交流電源の他方端に接続される第２の整流部と、
前記第１の整流部および前記第２の整流部からなるダイオードブリッジと並列に直列接続された第１のスイッチング素子および第２のスイッチング素子と、
前記第１のスイッチング素子により充電と非充電とがスイッチングされる第１のコンデンサと、
前記第２のスイッチング素子により充電と非充電とがスイッチングされる第２のコンデンサと、
並列接続された第５の整流素子および第６の整流素子からなり、前記第１のコンデンサから前記第１のスイッチング素子への電流の逆流を阻止する第１の逆流阻止部と、
並列接続された第７の整流素子および第８の整流素子からなり、前記第２のコンデンサから前記第２のスイッチング素子への電流の逆流を阻止する第２の逆流阻止部と、
を備え、
前記第１の整流素子、前記第２の整流素子、前記第５の整流素子、および前記第７の整流素子を含む第１の直列回路、ならびに、前記第３の整流素子、前記第４の整流素子、前記第６の整流素子、および前記第８の整流素子を含む第２の直列回路のうちの少なくとも一方を含む前記整流器モジュールを用いて構成された
ことを特徴とする電力変換装置。
前記整流器モジュールは、整流方向が同一となるように前記各整流素子が直列接続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。
前記整流器モジュールは、前記第１の直列回路あるいは前記第２の直列回路のうちの何れか一方を含むｎ（ｎは４以上の整数）素子入り（ｎ＋１）端子整流器モジュールであり、前記第１の直列回路および前記第２の直列回路を前記ｎ素子入り（ｎ＋１）端子整流器モジュールで構成した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。
前記整流器モジュールは、前記第１の直列回路および前記第２の直列回路の双方を含むｎ（ｎは８以上の整数）素子入り（ｎ＋２）端子整流器モジュールであ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。
前記第１の整流素子、前記第２の整流素子、前記第３の整流素子、前記第４の整流素子、前記第５の整流素子、および前記第６の整流素子、前記第７の整流素子、および前記第８の整流素子のうちの少なくとも１つ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から４の何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５に記載の電力変換装置。