JP6631111B2 - 電力変換装置 - Google Patents

Description

この発明は、並列接続して使用する複数の半導体電力変換器で発生するノイズおよび横流を抑制するようにした電力変換装置に関する。

電力変換素子に半導体素子を使用した半導体電力変換器は、特に、電力変換素子として、ＳｉＣ（炭化シリコン）の基材としたＳｉＣ半導体素子を使用すると、半導体素子が高速動作するため、ＥＭＩ（Electro Magnetic Interference）ノイズが発生しやすくなるため、他の電子機器に電磁的障害を与えることが多くなる。

その対策の一例として、半導体電力変換器の入出力導線にコモンモードコアを磁気的に結合して構成したコモンモードチョークコイルを設けることにより、ノイズ電流を抑制することが特許文献１および２により提案されている。

ノイズ抑制の観点から考えると、コモンモードコア（コモンモードチョークコイル）のインダクタンスは大きいほど抑制効果が高くなる反面、次の（１）式で示すコモンモードコアの発生損失が増大する不都合がある。

コモンモードコアの発生損失＝１/２×Ｌ×Ｉ^２ （１）
ここで、Ｌはコモンモードコアのインダクタンス、Ｉは、コモンモード（零相）電流である。

このため、実際には、コモンモードコアにギャップを形成する等して、コモンモードコアのインダクタンスＬを低減し、かつ、コアに磁気飽和が生じないようにするのが一般的である。

また、半導体電力変換器の容量増大する方法として、半導体電力変換器を複数台並列接続して使用する方法がある。この方法は、特許文献３に示されている。

半導体電力変換器を並列接続して構成する場合、電力変換器を構成するＩＧＢＴ（絶縁ゲート形バイポーラトランジスタ）等の半導体スイッチ素子の特性を揃えて均一化し、接続するブスバー等の接続導体の長さを揃えることで、接続線のインダクタンスを均一化し、さらに、ゲート信号も同一のゲートパルスを使用することで、複数の半導体電力変換器をあたかも１つの電力変換器として動作させている。しかし、実際には、各半導体電力変換器内の制御装置のロジック回路の遅延のバラツキや、同期用クロック信号の位相のずれがあることから、半導体スイッチ素子のスイッチングのタイミングを正確に合わせることができず、スイッチングのタイミングにずれが生じ、一方の電力変換器から他方の電力変換器に電流が流れる、いわゆる横流が発生する。この横流は、直流電源を短絡する電流となり、過大となるので、これによって、電力変換器を構成する半導体スイッチ素子が焼損する恐れがある。

このような、横流による半導体電力変換器の半導体スイッチ素子の焼損を防止する対策として電力変換装置の出力回路にコモンモードコアを磁気的に結合し、横流発生時にこのコモンモードコアの働きにより、インダクタンスを増加させて、横流を抑制することも従来から行われている。

図４に、このようなコモンモードコアによる横流抑制装置を備えた従来の並列構成の電力変換装置の例を示す。

図４において、半導体電力変換器１、２は、ＩＧＢＴで構成され、直流電源Ｅから供給される直流電力を交流電力または、直流電力に変換して負荷５に並列に供給する。電力変換器１、２の出力回路には、それぞれコモンモードコア３、４が設けられる。コモンモードコア３、４は、リング状のフェライトコアで構成され、その中空部に電力変換装置１，２の３相交流出力導体の全部を貫通させることにより出力導１ａ、２ａに磁気的に結合される。これにより電力変換器１、２の出力回路にそれぞれコモンモードチョークコイルを挿入した構成となる。

電力変換器１、２の３相出力電流が平衡している場合は、コモンモードコア３、４内の合成磁束が零となるので、このコモンモードコア３、４は、インダクタンス、すなわちチョークコイルとしては作用しない。

例えば、電力変換器１、２から負荷５に対してコモンモードノイズ電流が流れた場合や、図５に点線矢印で示すように、電力変換器１の出力電流が、負荷５を介さず、電力変換器２に横流Ｉｃとして流れた場合は、コモンモードコア３、４を貫流する３相電流が不平衡となる。

横流Ｉｃは、半導体電力変換１と２のスイッチング動作の同期がずれて、例えば、電力変換器１を構成する直流電源Ｅの正極Ｐ側に接続されたＩＧＢＴＱ１１がオンし、電力変換器２の直流電源Ｅの負極Ｎ側に接続されたＩＧＢＴＱ２２がオンとなったときに、直流電源Ｅの正極Ｐ‐ＩＧＢＴＱ１１‐コモンモードコア３‐コモンモードコア４−ＩＧＢＴＱ２２‐直流電源Ｅの負極Ｎの経路で負荷５を経由しないで流れる。

このようなノイズ電流または横流が生じることにより各電力変換器１、２の出力電流は不平衡となる。不平衡電流が発生するとその零相分の電流（コモンモード電流）によってコモンモードコア３、４に磁束が発生するので、このコモンモードコア３、４は、インダクタンス、すなわちチョークコイルとして作用し、ノイズ電流および横流を抑制することができる。

特許第４３５１９１６号公報 特許第４２６０１１０号公報 特許第３６７６０５６号公報

しかし、複数の半導体電力変換器を並列接続して構成した電力変換装置において、各半導体電力変換器の出力にコモンモードコアを磁気的に結合した場合、このコモンモードコアのインダクタンスは、コモンモードノイズ電流に対しては、低く抑え、横流に対しては、高くすることが望ましいという、相反する要求があり、対策が望まれていた。

この発明は、このような要求に応えるため、複数の半導体電力変換器を並列接続して構成した電力変換装置において、前記各半導体電力変換器の出力にコモンモードコアを磁気的に結合し、このコモンモードコアが、電磁障害ノイズ電流のように前記各半導体電力変換器に同一方向のノイズ電流が流れる場合は、インダクタンスを低減し、前記各半導体電力変換器間に横流が流れる場合は、インダクタンスを高く維持することができるようにした電力変換装置を提供することを課題とするものである。

この発明は、前記の課題を解決するため、複数の半導体電力変換器を並列接続して構成した電力変換装置において、前記各半導体電力変換器の出力導体にそれぞれコモンモードコアを磁気的に結合し、これらのコモンモードコアに共通に２次導体を貫通し、この２次導体の両端を結合して２次導体の閉回路を形成したことを特徴とするものである。

この発明おいては、前記２次導体で形成した閉回路に直列に適宜の抵抗器を挿入することができる。

この発明によれば、複数の半導体電力変換器を並列接続して構成した電力変換装置における各半導体電力変換器の出力導体に磁気的に結合されたコモンモードコアに共通に２次導体を貫通し、この２次導体の両端を閉じて閉回路となる２次回路を設けることにより、電磁障害ノイズ電流のように各半導体電力変換器に同一方向となるコモンモード電流が流れる場合は、コモンモードコアのインダクタンスを低減することができ、かつ、半導体電力変換器間に横流が流れる場合は、コモンモードコアのインダクタンスを高く維持することができる。このため、コモンモードコアの途中にギャップを設ける等のインダクタンスを低減させる対策を施す必要がないので、装置のコストを低減できる効果が得られる。

この発明の第１の実施例のノイズ電流が流れている状態を示す構成図。 この発明の第１の実施例の横流が流れている状態示す構成図。 この発明の第２の実施例を示す構成図。 従来の電力変換装置を示す構成図。 従来の電力変換装置の動作説明図。

この発明の実施の形態を図に示す実施例について説明する。

図１に、この発明の第１の実施例の構成を示す。この図１において、１、２は、直流電源Ｅから供給される直流電力を交流電力に変換して負荷５に並列に供給する半導体電力変換器である。３、４は、リング状のフェライトで構成されたコモンモードコアであり、電力変換器１、４の３相の出力導体１ａ、２ａをそれぞれ全部共通に貫通することにより、この出力導体１ａ，２ａに磁気的に結合されている。このコモンモードコア３、４には、共通に２次導体６が貫通され、この２次導体６は、両端を結合して１つの閉回路を形成する。

このように構成した電力変換装置において、半導体電力変換器１、２が正常に動作し、半導体電力変換器１、２に電磁障害ノイズによるコモンモードノイズ電流Ｉｎも、横流電流Ｉｃも流れていない状態にあるときは、コモンモードコア３、４を貫流する３相出力電流は平衡しているため、コモンモードコア３、４を貫流するにコモンモード電流は発生しない。このため、コモンモードコア３、４には、コモンモード電流による磁束が発生しないので、コモンモードコア３、４は、インダクタンスとして作用せず、損失も発生しない。

図１に示すように、電力変換器１、２に電磁障害ノイズが発生したとき、これによって電力変換器１、２の出力導体１ａ、２ａを介してコモンモードノイズ電流Ｉｎ１、Ｉｎ２が負荷５に流れる。このコモンモードノイズ電流Ｉｎ１、Ｉｎ２は、矢印で示すように同一方向の電流となる。

コモンモードコア３、４に共通に貫通された２次導体６は、両方のコアを同じ方向に貫通されている。すなわちコモンモードコア３を電力変換器１側から負荷５側へ貫通した２次導体６の先端は、他方のコモンモードコア４を電力変換器２側から負荷５側へ貫通して後端と結合され、閉回路が形成される。

コモンモードコア３、４に、各変換器１、２の出力導体１ａ、２ａに流れるコモンモードノイズ電流Ｉｎ１、Ｉｎ２が貫流すると、コモンモードコア３、４を貫通した２次導体６には、このコモンモードノイズ電流Ｉｎ１、Ｉｎ２と対向する方向の矢印Ｉ２１、Ｉ２２で示す２次電流が流れるため、この２次電流Ｉ２１、Ｉ２２によってコモンモードコア３、４に発生する磁束が、コモンモードノイズ電流Ｉｎ１，Ｉｎ２によって発生した磁束を打ち消すことになる。このため、コモンモードコア３、４のコモンモードノイズ電流Ｉｎ１、Ｉｎ２に対するインダクタンスを低減させることができる。

一方、図２に示すように、半導体電力変換器１、２間に、出力導体１ａ、２ａを介して横流Ｉｃが流れた場合は、コモンモードコア３、４では、矢印で示すように、これらを貫流する横流Ｉｃの方向が互いに反対方向となる。このため、２次導体６には、コモンモードコア３を貫通する部分において矢印Ｉ２３で示す方向の２次電流Ｉ２３が誘導され、コモンモードコア４を貫通する部分において矢印Ｉ２４で示す方向の２次電流Ｉ２４が誘導される。２次導体６に誘導される２次電流Ｉ２３とＩ２４は方向が反対のため、相互に打消し合い、２次導体６を流れる２次電流Ｉ２は零となるので、横流Ｉｃによってコモンモードコア３、４に発生される磁束は低減されることなく維持される。このため、コモンモードコア３、４は、横流Ｉｃに対しては、高いインダクタンスを維持することができる。

この発明のように、複数の半導体電力変換器を並列接続して構成した電力変換装置において、各半導体電力変換器の出力導体にそれぞれコモンモードコアを磁気的に結合し、これらのコモンモードコアに共通に２次導体を貫通し、この２次導体により閉回路を形成することにより、コモンモードノイズ電流に対しては、コモンモードコアのインダクタンスを低減し、横流に対してはコモンモードコアのインダクタンスを維持し、低減されないようにすることができる。これにより、コモンモードコアにギャップを設けて予めインダクタンス値を下げる必要がなく、それぞれのモードで、自動的にコモンモードコアのインダクタンス値を調整することできる。

図３にこの発明の第２の実施例を示す。この実施例２は、複数の半導体電力変換器１、２の出力導体のそれぞれに磁気的に結合した複数のコモンモードコア３、４に共通にした２次導体６によって形成した閉回路に直列に抵抗器７を挿入した点が、前記の実施例１とは異なる。

この実施例２における抵抗器７は、電力変換器１、２から負荷５にコモンモードノイズ電流Ｉｎ１、Ｉｎ２が流れるときは、コモンモードコア３、４において２次導体６に誘導される２次電流Ｉ２１、Ｉ２２が同一方向となり加算されるので、電流Ｉ２１、Ｉ２２の合成電流によって電力を消費する。この電力は、コモンモードコア３、４の１次回路、すなわち各電力変換器１、２の主回路の出力導体１ａ、２ａ側から、２次回路、すなわちコモンモード３、４を共通に貫通する２次導体６に供給されることで、零相電流のエネルギを消費する。抵抗器７の消費電力は、抵抗器７を流れる電流の２乗に抵抗器７の抵抗値を乗じたものであるので、抵抗値を適切に選定することにより零相電流のエネルギを適切に処理することができるので、ノイズ抑制効果を調整することが可能となる。

なお、横流が生じた場合は、コモンモードコア３、４に貫通された２次導体６に誘導された２次電流は相互に打ち消されて、２次導体６の閉回路には２次電流は流れないので、抵抗器７による電力消費は生じない。

Ｅ：直流電源
１、２：半導体電力変換器
１ａ、２ａ：半導体電力変換器の出力導体
３、４：コモンモードコア
５：負荷
６：２次導体
７：抵抗器

Claims (1)

1. 複数の半導体電力変換器を並列接続して構成した電力変換装置において、
   前記各半導体電力変換器の出力導体にそれぞれコモンモードコアを磁気的に結合し、これらのコモンモードコアに共通に２次導体を貫通し、この２次導体の両端を結合して２次導体の閉回路を形成し、
   前記２次導体で形成した閉回路に直列に適宜の抵抗器を挿入したことを特徴とする電力変換装置。

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