JP6164667B2 - 電力変換回路および装置 - Google Patents
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Description
また、実装方法が適切でない場合、電力変換回路内に寄生インダクタンスや寄生キャパシタンスが含まれ、それが電磁ノイズ増加の原因となってしまう。さらに、素子の放熱の考慮も必要である。
モジュールを構成する基本的な単位電力変換回路を次に示す。
主回路2は、
キャパシタ10の一端にハイサイドの主回路スイッチ素子8の高電位側端子4が接続され、キャパシタ10の他端にローサイドの主回路スイッチ素子9の低電位側端子5が接続され、ハイサイドの主回路スイッチ素子の低電位側端子6およびローサイドの主回路スイッチ素子の高電位側端子7がそれぞれ開放され、各ゲート駆動回路3は信号絶縁、電源絶縁された最小回路、
または、
該最小回路が複数個、一のハイサイドの主回路スイッチ素子8の低電位側端子6を次のハイサイドの主回路スイッチ素子8の高電位側端子4に一のローサイドの主回路スイッチ素子9の高電位側端子7を次のローサイドの主回路スイッチ素子9の低電位側端子5に接続し、これを2以上繰り返して多段に接続され、当該ハイサイドの主回路スイッチ素子の最も低電位側の端子6および当該ローサイドの主回路スイッチ素子の最も高電位側の端子7がそれぞれ開放され、各ゲート駆動回路3は信号絶縁、電源絶縁された回路であることを特徴とする単位電力変換回路1である。
該4端子と該単位電力変換回路の全て(素子・配線等)が一枚の基板上乃至一つの絶縁体で覆われたパッケージ乃至一つの絶縁体と金属で覆われたパッケージ乃至一つの半導体等にまとめて実装されていることを特徴とする電力変換装置のためのモジュールである。
このモジュールを適切に設計することにより、様々な構成のマルチレベル電力変換装置を単位モジュールの組み合わせを変えて容易に低コストで実現することができるようになる。
さらに接続機構を備えることにより、モジュール構成がより柔軟、かつ、拡張が容易になる。
(3)前記4端子は、接続機構を有し、当該端子はそれぞれ、他の同一の単位電力変換回路の4端子のいずれとも接続できることを特徴とする(2)に記載の電力変換装置のためのモジュールである。
これにより、単位モジュールの組み合わせでフライングキャパシタ方式マルチレベル電力変換器が実現できる。接続モジュール数を増やすことで、レベル数や定格電圧、定格電力を容易に増やすことが可能である。
次のように多段に構成することができる。
(5)前記フライングキャパシタ方式マルチレベル電力変換装置において、一のモジュールのハイサイドの主回路スイッチ素子の最も低電位側の端子を、次のモジュールのハイサイドの主回路スイッチ素子の最も高電位側の端子に、一のモジュールのローサイドの主回路スイッチ素子の最も高電位側の端子を、次のモジュールのローサイドの主回路スイッチ素子の最も低電位側の端子に接続し、これを2以上繰り返して複数の当該モジュールが接続され、
最終端モジュールのハイサイドの主回路スイッチ素子の最も低電位側の端子とローサイドの主回路スイッチ素子の最も高電位側の端子を接続し出力端とする、
フライングキャパシタ方式マルチレベル電力変換装置を形成してなることを特徴とする(4)に記載するマルチレベル電力変換装置。
これにより、単位モジュールの組み合わせでアクティブ中性点クランプ方式マルチレベル電力変換器が実現できる。接続モジュール数を増やすことで、レベル数や定格電圧、定格電力を容易に増やすことが可能である。
つぎのような4モジュール構成のアクティブ中性点クランプ方式マルチレベル電力変換器を提供できる。
(7)前記アクティブ中性点クランプ方式マルチレベル電力変換装置であって、
[1]第一のモジュールのローサイドの主回路スイッチ素子の最も低電位側の端子を、第二のモジュールのハイサイドの主回路スイッチ素子の最も高電位側の端子に接続し、
[2]また、第一のモジュールのハイサイドの主回路スイッチ素子の最も低電位側の端子と、第一のモジュールのローサイドの主回路スイッチ素子の最も高電位側の端子と、第三のモジュールのローサイドの主回路スイッチ素子の最も高電位側の端子と接続し、
[3]また、第二のモジュールのハイサイドの主回路スイッチ素子の最も低電位側の端子と、第二のモジュールのローサイドの主回路スイッチ素子の最も高電位側の端子と、第三のモジュールのハイサイドの主回路スイッチ素子の最も低電位側の端子と接続し、
[4]また、第三のモジュールのハイサイドの主回路スイッチ素子の最も高電位側の端子と、第三のモジュールのローサイドの主回路スイッチ素子の最も低電位側の端子とを接続して出力端とする、
アクティブ中性点クランプ方式マルチレベル電力変換装置を形成してなることを特徴とする(6)に記載のマルチレベル電力変換装置。
これにより、単位モジュールの組み合わせでハイブリッド形アクティブ中性点クランプ方式マルチレベル電力変換器が実現できる。接続モジュール数を増やすことで、レベル数や定格電圧、定格電力を容易に増やすことが可能である。
次のような4モジュール構成のハイブリッド形アクティブ中性点クランプ方式マルチレベル電力変換器を提供できる。
(9)前記ハイブリッド形アクティブ中性点クランプ方式マルチレベル電力変換装置であって、
[1]第一のモジュールのローサイドの主回路スイッチ素子の最も低電位側の端子を、第二のモジュールのハイサイドの主回路スイッチ素子の最も高電位側の端子に接続し、
[2]また、第一のモジュールのハイサイドの主回路スイッチ素子の最も低電位側の端子と、第一のモジュールのローサイドの主回路スイッチ素子の最も高電位側の端子と、第三のモジュールのローサイドの主回路スイッチ素子の最も高電位側の端子と接続し、
[3]また、第二のモジュールのハイサイドの主回路スイッチ素子の最も低電位側の端子と、第二のモジュールのローサイドの主回路スイッチ素子の最も高電位側の端子と、第三のモジュールのハイサイドの主回路スイッチ素子の最も低電位側の端子と接続し、
[4]第三のモジュールのハイサイドの主回路スイッチ素子の最も高電位側の端子を、第四のモジュールのローサイドの主回路スイッチ素子の最も低電位側の端子に接続し、
[5]また、第三のモジュールのローサイドの主回路スイッチ素子の最も低電位側の端子と、第四のモジュールのハイサイドの主回路スイッチ素子の最も高電位側の端子とを接続し、
[6]また、第四のモジュールのハイサイドの主回路スイッチ素子の最も低電位側の端子と、第四のモジュールのローサイドの主回路スイッチ素子の最も高電位側の端子とを接続し出力端とする、
ハイブリッド形アクティブ中性点クランプ方式マルチレベル電力変換装置を形成してなることを特徴とする(8)に記載のマルチレベル電力変換装置。
これにより、単位モジュールの組み合わせでスタックマルチセル方式マルチレベル電力変換器が実現できる。接続モジュール数を増やすことで、レベル数や定格電圧、定格電力を容易に増やすことが可能である。
次のような4モジュール構成のスタックマルチセル方式マルチレベル電力変換器を提供できる。
(11)前記スタックマルチセル方式マルチレベル電力変換装置であって
[1]第一のモジュールのハイサイドの主回路スイッチ素子の最も低電位側の端子を第三のモジュールのハイサイドの主回路スイッチ素子の最も高電位側の端子に接続し、
[2]第一のモジュールのローサイドの主回路スイッチ素子の最も高電位側の端子を第二のモジュールのローサイドの主回路スイッチ素子の最も高電位側の端子に接続し、
[3]第二のモジュールのローサイドの主回路スイッチ素子の最も低電位側の端子を第三のモジュールのローサイドの主回路スイッチ素子の最も低電位側の端子に接続し、
[4]第二のモジュールのハイサイドの主回路スイッチ素子の最も高電位側の端子を第四のモジュールのローサイドの主回路スイッチ素子の最も低電位側の端子に接続し、
[5]第三のモジュールのローサイドの主回路スイッチ素子の最も高電位側の端子を第四のモジュールのハイサイドの主回路スイッチ素子の最も高電位側の端子に接続し、
[6]第一のモジュールのローサイドの主回路スイッチ素子の最も低電位側の端子と第二のモジュールのハイサイドの主回路スイッチ素子の最も低電位側の端子との間にキャパシタを接続し、
[7]第一のモジュールのハイサイドの主回路スイッチ素子の最も高電位側の端子と第二のモジュールのハイサイドの主回路スイッチ素子の最も低電位側の端子とを入力端子とし、
[8]第三のモジュールのハイサイドの主回路スイッチ素子の最も低電位側の端子と四のモジュールのハイサイドの主回路スイッチ素子の最も低電位側の端子と当該四のモジュールのローサイドの主回路スイッチ素子の最も高電位側の端子とを出力端子とし、
スタックマルチセル方式マルチレベル電力変換装置を形成してなることを特徴とする(10)に記載のマルチレベル電力変換装置。
これにより、複数モジュールの接続において、電磁ノイズの原因となるモジュール間の配線距離を過剰に長くせずに接続することが可能となる。コンパクトに接続できるため、実現したフライングキャパシタ方式マルチレベル電力変換装置の小型化に寄与する。
これにより、本モジュールを複数個多段接続してフライングキャパシタ方式マルチレベル電力変換器を構築した際に、上記抵抗が各キャパシタの電圧のアンバランスを補正するように補償電流を流す働きをするため、電力変換器のより安定な動作を提供する。
これにより、本モジュールを複数個多段接続してフライングキャパシタ方式マルチレベル電力変換器を構築した際に、モジュール間の配線の寄生インダクタンスや寄生キャパシタンスにより発生した電磁ノイズやスイッチングサージを上記キャパシタが吸収できるため、発生する電磁ノイズを低減することが可能になる。
ただし、単位モジュールにおいて、高電位側(回路図の上側)または低電位側(回路図の下側)の主回路スイッチ素子の数をkとする。
まず、回路構成は、k=4で前記出力端にキャパシタを追加した構成、すなわち主回路スイッチ素子8つとキャパシタ5つからなる図18の5レベルフライングキャパシタ方式マルチレベル電力変換回路とした。所要レベル数は5〜17レベルで、モジュール数接続数Mを1〜4程度で使用することとした。これより、図17を基にして主回路スイッチ素子の耐圧利用率λTを40%以下、キャパシタの耐圧利用率λCを75%以下と決め、市販されているSi−MOSFETおよびセラミックコンデンサの中から選定し、それぞれの耐電圧をVrT=60VおよびVrC=450Vとした。この設計においては、モジュール接続数Mを4、入力電圧を300Vとした場合、主回路スイッチ素子の実際の耐圧利用率λTは31.3%、キャパシタの耐圧利用率λCは66.7%となった。M=1〜4における動作点は図17に示した黒い点である。
また、その場で定格のダイナミックな構成が可能なため、必要とされる範囲の定格に対応する大量のモジュールユニットさえ準備しておけば、震災等の非常時・緊急時の対応が可能となる。
2 PCC:単位モジュールの主回路
3 GDC:単位モジュールのゲート駆動回路
4 Tin+ :単位モジュールのキャパシタの高電位側端子
5 Tin- :単位モジュールのキャパシタの低電位側端子
6 Tout+ :単位モジュールのハイサイドの主回路スイッチ素子の低電位側端子
7 Tout- :単位モジュールのローサイドの主回路スイッチ素子の高電位側端子
8 Shn:単位モジュールのハイサイドの主回路スイッチ素子
9 Sln:単位モジュールのローサイドの主回路スイッチ素子
10 C :キャパシタ
11 Ed :入力直流電源
12 LD :負荷
13 R :抵抗
Claims (15)
- 1つ以上のキャパシタと2つ以上の主回路スイッチ素子からなる主回路、および当該各主回路スイッチ素子を駆動するためのゲート駆動回路からなる単位電力変換回路であって、前記主回路は、
キャパシタの一端にハイサイドの主回路スイッチ素子の高電位側端子が接続され、
当該キャパシタの他端にローサイドの主回路スイッチ素子の低電位側端子が接続され、当該ハイサイドの主回路スイッチ素子の低電位側端子および当該ローサイドの主回路スイッチ素子の高電位側端子がそれぞれ開放され、前記各ゲート駆動回路は信号絶縁、電源絶縁された最小回路、
または、
当該最小回路が複数個、一のハイサイドの主回路スイッチ素子の低電位側端子を次のハイサイドの主回路スイッチ素子の高電位側端子に接続し、一のローサイドの主回路スイッチ素子の高電位側端子を次のローサイドの主回路スイッチ素子の低電位側端子に接続し、これを2以上繰り返して多段に接続され、当該ハイサイドの主回路スイッチ素子の最も低電位側の端子および当該ローサイドの主回路スイッチ素子の最も高電位側の端子がそれぞれ開放され、前記各ゲート駆動回路は信号絶縁、電源絶縁された回路、
であることを特徴とするマルチレベル電力変換回路のための単位電力変換回路。 - 請求項1に記載するマルチレベル電力変換回路のための単位電力変換回路は,さらに当該主回路のキャパシタの両端子および当該主回路のハイサイドの主回路スイッチ素子の開放された低電位側端子および同ローサイドの主回路スイッチ素子の開放された高電位側端子の少なくとも4端子を備えて、
前記4端子および該単位電力変換回路の全てが一枚の基板上乃至一つの絶縁体で覆われたパッケージ乃至一つの絶縁体と金属で覆われたパッケージ乃至一つの半導体にまとめてモジュールとして実装されていることを特徴とする電力変換装置のためのモジュール。 - 前記4端子は、接続機構を有し、当該端子はそれぞれ、他の同一の単位電力変換回路の4端子のいずれとも接続できることを特徴とする請求項2に記載の電力変換装置のためのモジュール。
- 請求項2または請求項3に記載の電力変換装置のためのモジュールであって同一のモジュ
ールが2つ以上組み合わされてフライングキャパシタ方式マルチレベル電力変換装置を形成してなることを特徴とするマルチレベル電力変換装置。 - 請求項4に記載するフライングキャパシタ方式マルチレベル電力変換装置において、一のモジュールのハイサイドの主回路スイッチ素子の最も低電位側の端子を、次のモジュールのハイサイドの主回路スイッチ素子の最も高電位側の端子に、一のモジュールのローサイドの主回路スイッチ素子の最も高電位側の端子を、次のモジュールのローサイドの主回路スイッチ素子の最も低電位側の端子に接続し、これを2以上繰り返して複数の当該モジュールが接続され、
最終端モジュールのハイサイドの主回路スイッチ素子の最も低電位側の端子とローサイドの主回路スイッチ素子の最も高電位側の端子を接続し出力端とする、
フライングキャパシタ方式マルチレベル電力変換装置を形成してなることを特徴とする請求項4に記載するマルチレベル電力変換装置。 - 請求項2または請求項3に記載の電力変換装置のためのモジュールであって同一の当該モジュールが3つ以上組み合わされてアクティブ中性点クランプ方式マルチレベル電力変換装置を形成してなることを特徴とするマルチレベル電力変換装置。
- 前記アクティブ中性点クランプ方式マルチレベル電力変換装置であって、第一のモジュールのローサイドの主回路スイッチ素子の最も低電位側の端子を、第二のモジュールのハイサイドの主回路スイッチ素子の最も高電位側の端子に接続し、
また、第一のモジュールのハイサイドの主回路スイッチ素子の最も低電位側の端子と、第一のモジュールのローサイドの主回路スイッチ素子の最も高電位側の端子と、第三のモジュールのローサイドの主回路スイッチ素子の最も高電位側の端子と接続し、
また、第二のモジュールのハイサイドの主回路スイッチ素子の最も低電位側の端子と、第二のモジュールのローサイドの主回路スイッチ素子の最も高電位側の端子と、第三のモジュールのハイサイドの主回路スイッチ素子の最も低電位側の端子と接続し、
また、第三のモジュールのハイサイドの主回路スイッチ素子の最も高電位側の端子と、第三のモジュールのローサイドの主回路スイッチ素子の最も低電位側の端子とを接続して出力端とする、
アクティブ中性点クランプ方式マルチレベル電力変換装置を形成してなることを特徴とする請求項6に記載のマルチレベル電力変換装置。 - 請求項2または請求項3に記載の電力変換装置のためのモジュールであって同一の当該モジュールが4つ以上組み合わされてハイブリッド形アクティブ中性点クランプ方式マルチレベル電力変換装置を形成してなることを特徴とするマルチレベル電力変換装置。
- 前記ハイブリッド形アクティブ中性点クランプ方式マルチレベル電力変換装置であって、第一のモジュールのローサイドの主回路スイッチ素子の最も低電位側の端子を、第二のモジュールのハイサイドの主回路スイッチ素子の最も高電位側の端子に接続し、
また、第一のモジュールのハイサイドの主回路スイッチ素子の最も低電位側の端子と、第一のモジュールのローサイドの主回路スイッチ素子の最も高電位側の端子と、第三のモジュールのローサイドの主回路スイッチ素子の最も高電位側の端子と接続し、
また、第二のモジュールのハイサイドの主回路スイッチ素子の最も低電位側の端子と、第二のモジュールのローサイドの主回路スイッチ素子の最も高電位側の端子と、第三のモジュールのハイサイドの主回路スイッチ素子の最も低電位側の端子と接続し、
第三のモジュールのハイサイドの主回路スイッチ素子の最も高電位側の端子を、第四のモジュールのローサイドの主回路スイッチ素子の最も低電位側の端子に接続し、
また、第三のモジュールのローサイドの主回路スイッチ素子の最も低電位側の端子と、第四のモジュールのハイサイドの主回路スイッチ素子の最も高電位側の端子とを接続し、
また、第四のモジュールのハイサイドの主回路スイッチ素子の最も低電位側の端子と、第四のモジュールのローサイドの主回路スイッチ素子の最も高電位側の端子とを接続し出力端とする、
ハイブリッド形アクティブ中性点クランプ方式マルチレベル電力変換装置を形成してなることを特徴とする請求項8に記載のマルチレベル電力変換装置。 - 請求項2または請求項3に記載の電力変換装置のためのモジュールであって同一の当該モジュールが4つ以上組み合わされてスタックマルチセル方式マルチレベル電力変換装置を形成してなることを特徴とするマルチレベル電力変換装置。
- 前記スタックマルチセル方式マルチレベル電力変換装置であって
第一のモジュールのハイサイドの主回路スイッチ素子の最も低電位側の端子を第三のモジュールのハイサイドの主回路スイッチ素子の最も高電位側の端子に接続し、
第一のモジュールのローサイドの主回路スイッチ素子の最も高電位側の端子を第二のモジュールのローサイドの主回路スイッチ素子の最も高電位側の端子に接続し、
第二のモジュールのローサイドの主回路スイッチ素子の最も低電位側の端子を第三のモジュールのローサイドの主回路スイッチ素子の最も低電位側の端子に接続し、
第二のモジュールのハイサイドの主回路スイッチ素子の最も高電位側の端子を第四のモジュールのローサイドの主回路スイッチ素子の最も低電位側の端子に接続し、第三のモジュールのローサイドの主回路スイッチ素子の最も高電位側の端子を第四のモジュールのハイサイドの主回路スイッチ素子の最も高電位側の端子に接続し、
第一のモジュールのローサイドの主回路スイッチ素子の最も低電位側の端子と第二のモジュールのハイサイドの主回路スイッチ素子の最も低電位側の端子との間にキャパシタを接続し、
第一のモジュールのハイサイドの主回路スイッチ素子の最も高電位側の端子と第二のモジュールのハイサイドの主回路スイッチ素子の最も低電位側の端子とを入力端子とし、
第三のモジュールのハイサイドの主回路スイッチ素子の最も低電位側の端子と四のモジュールのハイサイドの主回路スイッチ素子の最も低電位側の端子と当該四のモジュールのローサイドの主回路スイッチ素子の最も高電位側の端子とを出力端子とし、
スタックマルチセル方式マルチレベル電力変換装置を形成してなることを特徴とする請求項10に記載のマルチレベル電力変換装置。 - 請求項2に記載する電力変換装置のためのモジュールにおいて前記4端子は、接続機構を有し、当該端子はそれぞれ、他の同一の単位電力変換回路の4端子のいずれとも接続でき、
前記同一の前記モジュールにおいて、各モジュールの各端子を互いに接続するための前記接続機構は、各モジュールにおいて前記キャパシタの両端と他の2端子は表面と裏面に各々について対称かつ互いについて点対称に配置され、または前記キャパシタの両端と他の2端子は片面ずつに互いについて点対称に配置されており、モジュールを垂直方向に積み重ねることで多段接続乃至並列接続を実現できる構造を具備することを特徴とする請求項4乃至請求項5のいずれか1項に記載のマルチレベル電力変換装置。 - 請求項2に記載する電力変換装置のためのモジュールにおいて前記4端子は、接続機構を有し、当該端子はそれぞれ、他の同一の単位電力変換回路の4端子のいずれとも接続でき、
前記同一の前記モジュールにおいて、各モジュールの各端子を互いに接続するための前記接続機構は、複数のモジュールを接続するための装置と接続できる機構を有することを特徴とする請求項4乃至請求項11のいずれか1項に記載のマルチレベル電力変換装置。 - 前記同一の前記モジュールにおいて、各主回路スイッチ素子の高電位側端子と低電位側
端子との間に抵抗が接続されていることを特徴とする請求項4乃至請求項5のいずれか1項に記載のマルチレベル電力変換装置。 - 前記同一の前記モジュールにおいて、ハイサイドの主回路スイッチ素子の低電位側端子とローサイドの主回路スイッチ素子の高電位側端子との間にキャパシタが接続されていることを特徴とする請求項4乃至請求項5のいずれか1項に記載のマルチレベル電力変換装置。
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