JP6297009B2

JP6297009B2 - 電力変換装置

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Publication number: JP6297009B2
Application number: JP2015125434A
Authority: JP
Inventors: 友介椿
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2015-06-23
Filing date: 2015-06-23
Publication date: 2018-03-20
Anticipated expiration: 2035-06-23
Also published as: JP2017011888A

Description

本発明は、交流電源を直流電源に変換する電力変換装置に関するもので、特に、スイッチング素子を使用した電力変換装置に関するものである。

電子機器を作動させるにはトランジスタなどを動作させるための安定な直流電圧が必要である。この直流の定電圧を作る方式として、商用の交流電源から作る交流―直流（ＡＣ−ＤＣ）方式があり、一般的に、交流電源の入力端子の後段に、コモンモードチョークコイルによるフィルタを組込むことによって、交流電源のスキューの低減を図り、その後に、スイッチング素子を用いた電力変換部によって交流に変換している。このスイッチング素子を使用した電力変換装置は、軽量で効率が良いという長所があることから多くのところで採用されている。しかし、スイッチング素子を使用した電力変換装置では、一旦整流した電圧を交流に変換し、それを再び直流にしているためノイズが大きいという短所がある。
このノイズは、電源コードを伝わって交流電源に出ていくことになる。このノイズの流出を防ぐために、コモンモードチョークコイルと、そのコモンモードチョークコイルの交流電源側およびスイッチング素子側にコンデンサが使用されている。

このような電力変換装置を使用する場合、入力交流電源にはいろいろなサージ電圧が生じることを想定しておく必要がある。その中でも特に大きな問題は雷サージである。
この対策として、サージ電圧が印加される部品に並列に定電圧素子を設けることが特許文献１おいて提案されている。ここで、定電圧素子としてバリスタが使用されているので、以下、定電圧素子をバリスタとして説明する。この特許文献１に示された電力変換装置では、ノイズフィルタ部および電力変換部を備え、ノイズフィルタ部および電力変換部を構成する回路に必要に応じてバリスタを設け、また、このバリスタと並列にコンデンサを設けることが提案されている。

実開昭６３-１９８３８４号公報

確かに、雷サージ電圧の対策として、特許文献１に提案されているように回路構成部品に並列にバリスタを設けると、バリスタの設定電圧（バリスタ電圧）以下の電圧の場合にはバリスタはコンデンサとして振る舞い、サージ電圧が設定電圧を越えた場合には、バリスタは素子間のインピーダンスが急激に下がり、回路構成部品への入力電圧は、バリスタの内部抵抗と回路構成部品のインピーダンスの分圧で決まるため、バリスタのインピーダンスが低下したことによってサージ電圧が抑制されることになる。
この特許文献１に提案されているように、雷サージへの対策としては、保護を必要とする様々な部品の各々に並列にバリスタを設けることが一般的な解決策となっている。しかし、スイッチング素子を使用した電力変換装置の小型・軽量の長所を維持するために、できるだけ部品点数を少なくし、過剰な装備を削減する必要があることから、保護を必要とする部品に対してのみバリスタを設け、バリスタの選定は、サージ耐量を満足するように選定することが必要である。なお、サージ耐量とは、バリスタが耐えられるインパルス電流で、インパルス電流を所定時間印加してもバリスタ電圧が所定値以上変化しない電流の最大値であって、サージ耐量が大きいほどバリスタは大型のものとなる。
したがって、バリスタの使用をできるだけ限定し、サージ耐量のできるだけ小さなバリスタを使用することが、電力変換装置の小型・軽量の長所を維持するために重要な要素である。
このため、雷サージの流入部であるノイズフィルタ部の最前段にコンデンサとバリスタを並列接続した回路を電源ライン間に接続する構成が一般的であって、この構成を採用することで雷サージ電圧への対策が十分であると考えられていた。しかし、実際には、電源ライン間に雷サージ電圧が印加されると、後段部においてコモンモードチョークコイルとコンデンサによって共振が起こり、後段の部品に想定以上の電圧が印加され、部品の破損が発生するという新たな課題が生じた。

したがって、本発明は、想定される雷サージ電圧だけでなく、この雷サージ電圧によって引き起こされる、コモンモードチョークコイルとコンデンサとの共振による課題を解決するために成されたもので、電源ライン間に雷サージ電圧が印加されたとしても、部品が破損しない電力変換装置を提供することを目的とするものである。

この発明は、リアクトルと、平滑コンデンサと、スイッチング回路とを有する電力変換部、および交流電源の入力部と前記電力変換部との間に設けられ、コモンモードチョークコイルを有するノイズフィルタ部を備え、前記ノイズフィルタ部の前記コモンモードチョークコイルの前記交流電源側に第１の定電圧素子を設け、前記コモンモードチョークコイルの前記電力変換部側に第２の定電圧素子を設け、前記リアクトルが、前記第２の定電圧素子の一方の端子と接続され、前記第２の定電圧素子の制限電圧値を、前記第１の定電圧素子の制限電圧素子の制限電圧値以上であって、前記第１の定電圧素子の制限電圧値と前記コモンモードチョークコイルの巻線に発生する誘導起電力の電圧値とを加算した値の電圧値以下としたものである。

この発明による電力変換装置によれば、電源ライン間に生じる雷サージ電圧による部品の破損を防止できる。また、ノイズフィルタ部における共振による印加電圧を想定して第２のバリスタを設けることによって、不必要に耐圧の高い部品を使用する必要が無くなるので、安価な電力変換装置を実現することができる。

この発明の実施の形態１による電力変換装置の構成を示す回路図である。この発明の実施の形態１による電力変換装置のノイズフィルタ部を示す回路図である。この発明の実施の形態１による電力変換装置のノイズフィルタ部を２段構成とした場合を示す回路図である。この発明の実施の形態１による電力変換装置の電力変換部から負荷までの構成を示す回路図である。この発明の実施の形態１による電力変換装置におけるリアクトルの接続を示す回路図である。

実施の形態１
以下、この発明の実施の形態１による電力変換装置を図１に基づいて説明する。
図１は、この発明の実施の形態１による電力変換装置の構成を示す回路図である。図１に示すように、電力変換装置は、商用の交流電源１に接続され、負荷１８に電力を供給するまでの要素で構成されている。電力変換装置は、ノイズフィルタ部２と電力変換部１９とを有し、交流電源１は、電力変換装置のノイズフィルタ部２に接続されている。また、電力変換装置の電力変換部１９の出力に負荷１８が接続されている。ノイズフィルタ部２にはコモンモードチョークコイル４が設けられ、コモンモードチョークコイル４の入力側、すなわち交流電源１に接続される側に、第１のバリスタ５ａおよび第１のコンデンサ３ａが配置され、コモンモードチョークコイル４の出力側、すなわち電力変換部１９が接続
される側に、第２のコンデンサ３ｂおよび第２のバリスタ５ｂが配置されている。このノイズフィルタ部２の後段には、電力変換部１９が接続されている。電力変換部１９の入力段には、第１のリアクトル６ａおよび第２のリアクトル６ｂが設けられ、その後段には、ダイオードブリッジ１４、ＭＯＳＦＥＴ（Ｍｅｔａｌ−Ｏｘｉｄｅ−ＳｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒＦｉｅｌｄ−ＥｆｆｒｃｔＴｒａｎｓｉｓｔｏｒ）１５、整流ダイオード１６および平滑コンデンサ１７が設けられている。そして、電力変換部１９の出力に負荷１８が接続されている。ここで、ＭＯＳＦＥＴ１５は、ＩＧＢＴ（ＩｎｓｕｌａｔｅｄＧａｔｅＢｉｐｏｌａｒＴｒａｎｓｉｓｔｏｒ）等の半導体スイッチでもよい。

ここで、負荷１８に接続される電力変換部１９の動作原理について簡単に説明する。まず、ＭＯＳＦＥＴ１５がオンしたとき、第１のリアクトル６ａと第２のリアクトル６ｂに電流が流れて、そこにエネルギーが蓄積される。次に、ＭＯＳＦＥＴ１５がオフになると、第１のリアクトル６ａと第２のリアクトル６ｂに蓄積されたエネルギーが，負荷１８に伝達される。このとき、入力電流波形が正弦波状になるように、ＭＯＳＦＥＴ１５のオンオフのパルス幅を制御して、力率を改善するよう制御することができる。

電力変換部１９の回路は、この発明の実施の形態１による電力変換装置の構成に限るものではなく、スイッチングにより電力変換する他のＡＣ−ＤＣコンバータ回路で構成されるものであってもよい。

次に、この発明の実施の形態１による電力変換装置のノイズフィルタ部２の動作について説明する。図２は、この発明の実施の形態１による電力変換装置のノイズフィルタ部２に雷サージ電圧源７を接続した回路図である。なお、第１のバリスタ５ａ、第１のコンデンサ３ａ、コモンモードチョークコイル４、第２のコンデンサ３ｂ、第２のバリスタ５ｂは図１に示すものと同様である。

まず、電源ライン間に雷サージ電圧源７によって正方向の雷サージ電圧ＶＳが印加された場合、第１のバリスタ５ａが導通し、第１のバリスタ５ａの後段に印加される電圧Ｖ１は、第１のバリスタ５ａの制限電圧（バリスタ電圧）ＶＬ１にクランプされる。この雷サージ電圧ＶＳの印加によってコモンモードチョークコイル４の各巻線には電流が流れ、その各巻線には、図２に示す矢印の方向で誘導起電力ＶＣ１およびＶＣ２が発生する。ここで、コモンモードチョークコイル４の各巻線に流れる電流Ｉとコモンモードチョークコイル４の各巻線における漏れインダクタンスＬがそれぞれ等しいと仮定した場合、各巻線に流れる電流Ｉと誘導起電力ＶＣ１およびＶＣ２には次の（１）式の関係が成り立つ。
ＶＣ１＝ＶＣ２＝Ｌ×ΔＩ／Δｔ・・・（１）
よって、第２のバリスタ５ｂには、第１のバリスタ５ａの制限電圧ＶＬ１からコモンモードチョークコイル４の各巻線に発生する誘導起電力ＶＣ１およびＶＣ２を差し引いた電圧が印加される。その第２のバリスタ５ｂに印加される電圧Ｖ２は次の（２）式で表される。
Ｖ２＝ＶＬ１−ＶＣ１−ＶＣ２・・・（２）
すでに説明したように、図２に示す矢印の方向で誘導起電力ＶＣ１およびＶＣ２が発生する場合は、第２のバリスタ５ｂに印加される電圧はＶＬ１より小さくなる。このとき、第２のバリスタ５ｂに印加される電圧Ｖ２が第２のバリスタ５ｂの制限電圧ＶＬ２に達さない場合には、第２のバリスタ５ｂは導通しない。

しかしながら、コモンモードチョークコイル４の漏れインダクタンスＬと第１のコンデンサ３ａおよび第２のコンデンサ３ｂにおいて共振が生じるため、図２に示した矢印の方向と逆方向の誘導起電力ＶＣ１およびＶＣ２が発生する。よって、共振が発生した場合には、第２のバリスタ５ｂには、第１のバリスタ５ａの制限電圧ＶＬ１から、コモンモードチョークコイル４の各巻線部に発生する誘導起電力ＶＣ１およびＶＣ２を足し合わせた電
圧が印加されることになる。その際の第２のバリスタ５ｂに印加される電圧Ｖ２は次の（３）式で表されるようになる。
Ｖ２＝ＶＬ１＋ＶＣ１＋ＶＣ２・・・（３）
このように、図２に示す矢印と逆方向で誘導起電力ＶＣ１およびＶＣ２が発生する場合、すなわち共振が発生した場合には、第２のバリスタ５ｂには、第２のコンデンサ３ｂや電力変換部１９の部品が破損されるレベルの高電圧が印加される。従来の電力変換装置には第２のバリスタ５ｂが存在しないか、あるいは第２のバリスタ５ｂを設けていたとしても共振の発生を意識していなかったため第２のバリスタ５ｂが有効に機能せず、第２のコンデンサ３ｂや電力変換部１９の部品が破損されることになるが、本発明の実施の形態１による電力変換装置においては、第２のバリスタ５ｂが設けられているため、（３）式で表される高電圧は、第２のバリスタ５ｂの制限電圧ＶＬ２でクランプされる。

前述より、共振による高電圧への対応のために適正な制限電圧を持った第２のバリスタを配置することによって、第２のコンデンサ３ｂや電力変換部１９の部品の破損を防止できるとともに、それらの部品として耐圧が低い素子を使用することが可能となるため、低価格な電力変換装置を実現することができる。

実施の形態１では、ノイズフィルタ部２は１段構成であったが、図３に示すように２段構成であってもよい。２段構成にすることで、１段構成に対して高いノイズ減衰性能が得られる一方で、それに伴い増加したコモンモードチョークコイル４の漏れインダクタンスＬによる誘導起電力も大きくなるが、本発明におけるノイズフィルタ構成にすることで部品の破損を防ぐことができる。

また、実施の形態１では、一般的なノイズフィルタ部２としてコモンモードチョークコイル４の前段と後段に第１のコンデンサ３ａおよび第２のコンデンサ３ｂを接続した構成における共振について説明したが、この共振は、コモンモードチョークコイル４と第１のコンデンサ３ａおよび第２のコンデンサ３ｂによってのみ生じるものではなく、コモンモードチョークコイル４とその他部品等の寄生容量によっても発生する。

次に、第２のバリスタ５ｂから負荷１８までの動作について説明する。図４は、この発明の実施の形態１による電力変換装置における第２のバリスタ５ｂから負荷１８までを示した回路図である。図に示すように、ダイオードブリッジ１４は、第１のダイオード１４ａ、第２のダイオード１４ｂ、第３のダイオード１４ｃおよび第４のダイオード１４ｄによって構成されている。
なお、第１のリアクトル６ａ、第２のリアクトル６ｂ、ＭＯＳＦＥＴ１５、整流ダイオード１６、平滑コンデンサ１７、負荷１８は、図１に示すものと同様である。

図４の電力変換部１９の回路では、一般的に図５に示すようにダイオードブリッジ１４の後段に配置する第１のリアクトル６ａおよび第２のリアクトル６ｂを、ダイオードブリッジ１４の前段に配置している。このようにすることで、第２のバリスタ５ｂに対して並列接続される素子は、第２のバリスタ５ｂの制限電圧ＶＬ２以下の耐電圧にすることが可能となる。

まず、（３）式で表される高電圧が電力変換部１９に印加された場合、第１のリアクトル及び第２のリアクトルには電流が流れ、その各リアクトルには、図４に示す矢印の方向で誘導起電力Ｖ６１およびＶ６２が発生する。このとき、ダイオードブリッジ１４には、第２のバリスタ５ｂの制限電圧ＶＬ２から第１のリアクトル及び第２のリアクトルに発生する誘導起電力Ｖ６１およびＶ６２を差し引いた電圧が印加される。そのダイオードブリッジ１４に印加される電圧ＶＤは次の（４）式で表される。
ＶＤ＝ＶＬ２−Ｖ６１−Ｖ６２・・・（４）
また、ダイオードブリッジ１４に印加される電圧ＶＤとその後段に接続される整流ダイオード１６の順方向電圧Ｖ１６、平滑コンデンサ１７の充電電圧Ｖ１７には、次の式（５）の関係が成り立つ。
ＶＤ＝Ｖ１６＋Ｖ１７・・・（５）
ここで、整流ダイオード１６の順方向電圧がゼロであると仮定すれば、ダイオードブリッジ１４に印加される電圧ＶＤは平滑コンデンサ１７の充電電圧Ｖ１７とほぼ等しくなる。したがって、使用するダイオードブリッジ１４に必要な耐圧は、第２のバリスタ５ｂの制限電圧ＶＬ２以下である平滑コンデンサの充電電圧Ｖ１７程度でよいことになる。

また、電力変換装置における平滑コンデンサ１７の容量は一般的に大きな値が適用されるので、ノイズフィルタ部２において発生するような共振は起きない。また、ノイズフィルタ部２と平滑コンデンサ１７との間には整流ダイオード１６が存在するので、平滑コンデンサ１７からノイズフィルタ部２の方向に電流が流れることも無い。
以上のように、ノイズフィルタ部２の後段、すなわち電力変換部１９が接続される側に第２のバリスタ５ｂを設け、その第２のバリスタ５ｂの制限電圧値を、第１のバリスタ５ａの制限電圧値とコモンモードチョークコイル４の巻線に発生する誘導起電力の電圧値とを加算した値の電圧が印加されることを想定して設定することによって、部品の破壊を防止することができる。すなわち、第２のバリスタ５ｂの制限電圧値を第2のバリスタ５ｂに対して並列に接続される部品の耐圧以下の電圧値に設定することによって、必要最小限のバリスタを設定することができることになる。また、電力変換部のリアクトルを第２のバリスタの直後に接続することによって、第２のバリスタ以後の部品を、さらに耐圧の低い部品（平滑コンデンサ１７の充電電圧Ｖ１７程度）とすることができる。

なお、この発明の実施の形態１による電力変換装置のリアクトルは、各ラインに各々配置した構成としたが、どちらか一方の相のみに配置してもよい。
また、本発明では、バリスタを定電圧素子の一例として説明したが、他の定電圧素子、例えばアレスタであっても同等の効果を達成することができる。
また、本発明は、その発明の範囲内において、実施の形態の任意の構成要素を適宜、変更または省略することが可能である。

１交流電源、２ノイズフィルタ部、
３ａ第１のコンデンサ、３ｂ第２のコンデンサ、
４コモンモードチョークコイル、５ａ第１のバリスタ、５ｂ第２のバリスタ、
６ａ第１のリアクトル、６ｂ第２のリアクトル、７雷サージ電圧源、
１４ダイオードブリッジ、１５ＭＯＳＦＥＴ、１６整流ダイオード、
１７平滑コンデンサ、１８負荷、１９電力変換部

Claims

リアクトルと、平滑コンデンサと、スイッチング回路とを有する電力変換部、および交流電源の入力部と前記電力変換部との間に設けられ、コモンモードチョークコイルを有するノイズフィルタ部を備え、前記ノイズフィルタ部の前記コモンモードチョークコイルの前記交流電源側に第１の定電圧素子を設け、前記コモンモードチョークコイルの前記電力変換部側に第２の定電圧素子を設け、
前記リアクトルが、前記第２の定電圧素子の一方の端子と接続され、前記第２の定電圧素子の制限電圧値を、前記第１の定電圧素子の制限電圧値以上であって、前記第１の定電圧素子の制限電圧値と前記コモンモードチョークコイルの巻線に発生する誘導起電力の電圧値とを加算した値の電圧値以下としたことを特徴とする電力変換装置。
複数のリアクトルと、平滑コンデンサと、スイッチング回路とを有する電力変換部、および交流電源の入力部と前記電力変換部との間に設けられ、コモンモードチョークコイルを有するノイズフィルタ部を備え、前記ノイズフィルタ部の前記コモンモードチョークコイルの前記交流電源側に第１の定電圧素子を設け、前記コモンモードチョークコイルの前記電力変換部側に第２の定電圧素子を設け、前記複数のリアクトルが、前記第２の定電圧素子の一方の端子と他方の端子に接続され、前記第２の定電圧素子の制限電圧値を、前記第１の定電圧素子の制限電圧値以上であって、前記第１の定電圧素子の制限電圧値と前記コモンモードチョークコイルの巻線に発生する誘導起電力の電圧値とを加算した値の電圧値以下としたことを特徴とする電力変換装置。