JPWO2016030933A1 - 電力変換装置 - Google Patents
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Abstract
Description
図5において、単相交流電源1の両端はEMI(Electro Magnetic Interference)フィルタ21を介して交流入力端子R1,S1に接続されている。交流入力端子R1,S1と接地点との間には、接地コンデンサ30が接続され、交流入力端子R1,S1の間には、コンデンサ33が接続されている。
スイッチング素子50,51の直列回路には、コンデンサ31,32の直列回路及びスイッチング素子52,53の直列回路がそれぞれ並列に接続され、コンデンサ31,32同士の接続点は交流入力端子S1に接続されている。スイッチング素子52,53同士の接続点をB点とすると、B点と交流入力端子S1との間には、リアクトル61とコンデンサ34とが直列に接続されている。また、コンデンサ34の両端にはEMIフィルタ22が接続され、その両端には負荷7が接続されている。更に、コンデンサ34の両端と接地点との間には、接地コンデンサ35が接続される。
このダブルコンバータにおいては、第1のコンバータを構成するスイッチング素子50,51のオンオフ動作により、交流電圧を直流電圧に変換してコンデンサ31,32を充電すると共に、第2のコンバータを構成するスイッチング素子52,53のオンオフ動作により、直流電圧を交流電圧に変換して負荷7に供給している。
図6に示すように、回路内の各部、例えば、A点,B点と接地点との間には寄生キャパシタンス40,41が存在する。このため、A点,B点の電位変動に伴い、寄生キャパシタンス40と接地コンデンサ30を介した高周波漏洩電流I1、または、寄生キャパシタンス41と接地コンデンサ35を介した高周波漏洩電流I3が回路内を循環することにより、コモンモードノイズに起因する雑音端子電圧が発生する。
図7は、特許文献1に記載された発明の主要部を示す回路図である。図7において、Qは半導体スイッチング素子、Lはリアクトル、N1は主巻線、N2は補助巻線、C11,C12はコンデンサ、D1はダイオード、C1はX点と機器のシャーシ(接地点)との間に存在する寄生キャパシタンス、C2は補助巻線と上記シャーシとの間に接続されたコンデンサ、Vinは入力電圧、Voutは出力電圧である。
ここで、主巻線N1及び補助巻線N2の巻数を参照符号と同様にN1,N2とし、寄生キャパシタンスC1及びコンデンサC2の容量値を参照符号と同様にC1,C2とすると、C1・N1=C2・N2となるように設定することにより、X点の電位変動による漏洩電流I1を打ち消すことができ、雑音端子電圧を低減することができる。
例えば、図8に示す電力変換装置は3レベルAC−DC変換装置(3レベルコンバータ)であり、交流入力電圧Vrsから3つの直流電位Vps,Vsn,0〔V〕を生成するものである。
この3レベルコンバータにおいて、コンデンサ31,32の直列回路の両端を正負の出力端子P,Nとすると、スイッチング素子50,51及び双方向スイッチ54のオンオフ動作により、直流出力端子であるP点,N点及びS点から3つの直流電位(Vps,Vsn,0〔V〕)を発生させることが可能である。
すなわち、A点の電位は、交流入力電圧Vrsが正の期間では、S点電位(−Vrs/2)とP点電位(Vps−Vrs/2)との間を変動し、交流入力電圧Vrsが負の期間では、S点電位(−Vrs/2)とN点電位(Vsn−Vrs/2)との間を変動する。また、B点の電位は、交流入力電圧Vrsが正の期間ではS点電位(−Vrs/2)と同様になり、交流入力電圧Vrsが負の期間では、A点と同様、つまりS点電位(−Vrs/2)とN点電位(Vsn−Vrs/2)との間を変動する。
このため、前述した特許文献1のように、回路内の一点の電位変動をコンデンサ及び補助巻線を用いて低減する方法では、漏洩電流I1,I3を同時に打ち消すことができない。
そして、本発明の特徴は、第1の接続点及び第2の接続点の電位変動を抑制するために電圧を注入する電位変動抑制部を備えている。この電位変動抑制部は、交流電圧の一方及び他方の極性(すなわち、正及び負の極性)における第1の接続点の電位変動により第1の接続点から寄生キャパシタンスを介して接地点に流れる第1の漏洩電流を、第1の接続点に接続されたリアクトルと第1の接地コンデンサとを介して流れる第1の補償電流により打ち消して第1の接続点の電位変動を抑制する。電位変動抑制部は、更に、交流電圧の他方の極性(例えば負極性)における第2の接続点の電位変動により第2の接続点から寄生キャパシタンスを介して接地点に流れる第2の漏洩電流を、リアクトルと第2の接地コンデンサとを介して流れる第2の補償電流により打ち消して第2の接続点の電位変動を抑制するように動作する。
このようにスイッチを開閉動作させるには、補助巻線の誘起電圧の極性に応じてオンオフするように半導体スイッチング素子等を接続すれば良い。
図1Aにおいて、単相交流電源1の両端はEMIフィルタ21を介して交流入力端子R1,S1に接続されている。交流入力端子R1,S1と接地点との間には、接地コンデンサ30が接続される。また、交流入力端子R1,S1の間には、コンデンサ33が接続されている。
なお、40はA点と接地点との間の寄生キャパシタンス、43はB点と接地点との間の寄生キャパシタンス、P点,N点は直流出力端子である。
また、接地コンデンサ44,45及びリアクトル62は、請求項における電位変動抑制部を構成している。
また、接地コンデンサ44,45の容量値は、以下の条件を満足するものとする。
まず、交流入力電圧Vrsが正のときにスイッチ8をオフした場合の接地コンデンサ44の容量値C44を、数式1とする。
[数式1]
C44=N×C40
なお、C40は寄生キャパシタンス40の容量値である。
[数式2]
C44+C45=N×C40+N×C43
なお、C43は寄生キャパシタンス43の容量値である。
[数式3]
漏洩電流I1=C40×ΔV
[数式4]
漏洩電流I3=C43×ΔV
[数式5]
補償電流I2=−C44×ΔV/N=N×C40×ΔV/N=C40×ΔV
[数式6]
補償電流I4=−C45×ΔV/N=N×C43×ΔV/N=C43×ΔV
[数7]
C40×N1=C44×N2
[数8]
C43×N1=C45×N2
上記の数式7,8において、N1は主巻線62mの巻数、N2は補助巻線62sの巻数である。
図2において、スイッチ8は、半導体スイッチング素子81と、そのゲートと交流入力端子S1との間に接続された抵抗82と、スイッチング素子81のゲートと接地コンデンサ44の一端との間に接続されたツェナーダイオード83と、から構成されている。ここで、スイッチング素子81には、図示するMOSFETのほか、IGBTを用いても良い。
このスイッチ8によれば制御回路が不要であり、構成が簡単である。なお、ツェナーダイオード83は、スイッチング素子81のゲートへの過電圧印加を防ぐためのものである。
また、補助巻線62sと接地コンデンサ44との接続点と接地点との間には、スイッチ8と接地コンデンサ45とが直列に接続されている。
主巻線62mと補助巻線62sとの接続点と、前記F点との間には、コンデンサ34が接続されている。このコンデンサ34の両端と接地点との間には接地コンデンサ35が接続され、コンデンサ34の両端にはEMIフィルタ22を介して負荷7が接続されている。
図4において、図1A,図2,図3と同一の機能を有するものには同一の参照符号を付してある。すなわち、交流入力端子R1,S1より前段の構成は図1A,図2と同様であり、C点,F点以降の構成は図3と同様である。以下では、図1A,図2,図3と異なる部分を中心に説明する。
また、F点とC点との間には、交流入力電圧Vrsを出力させる際にオフするスイッチ57が接続されている。
前記同様に、双方向スイッチ54は2個のIGBTを逆直列接続して構成しても良い。
図4の回路においても、出力電圧の極性によってC点とD点との電位変動のパターンが異なる。従って、第1,第2実施形態と同様に、C点の電位変動により寄生キャパシタンス47に流れる漏洩電流I1は、出力電圧が正のときに接地コンデンサ44を流れる補償電流I2により打ち消し、D点の電位変動により寄生キャパシタンス46に流れる漏洩電流I3は、出力電圧が負であってスイッチング素子81がオンしたときに接地コンデンサ45を流れる補償電流I4により、それぞれ打ち消すことができる。
7:負荷
8:スイッチ
21,22:EMIフィルタ
30,35:接地コンデンサ
31,32,33:コンデンサ
41,44,45:コンデンサ
40,43,46,47:寄生キャパシタンス
50,51,52,53:半導体スイッチング素子
54,541:双方向スイッチ
54a,54b,541a,541b:半導体スイッチング素子
57:スイッチ
62:リアクトル
62m:主巻線
62s:補助巻線
81:半導体スイッチング素子
82:抵抗
83:ツェナーダイオード
91,92:直流電源
R1,S1:交流入力端子
P,N:直流出力端子
[数式3]
漏洩電流I1=C40×ΔV
[数式4]
漏洩電流I3=C43×ΔV
[数式5]
補償電流I2=−C44×ΔV/N=N×C40×ΔV/N=C40×ΔV
[数式6]
補償電流I4=−C45×ΔV/N=N×C43×ΔV/N=C43×ΔV
Claims (7)
- 複数の半導体スイッチング素子のスイッチング動作により、電源から供給される電力を変換して負荷に供給する電力変換装置であって、第1,第2の半導体スイッチング素子同士が接続された第1の接続点と、第3,第4の半導体スイッチング素子同士が接続された第2の接続点と、を有し、前記第1の接続点に加わる交流電圧の一方の極性における前記第1の接続点の電位変動パターンと前記第2の接続点の電位変動パターンとが異なる電力変換装置において、
前記第1の接続点及び前記第2の接続点の電位変動を抑制する電位変動抑制部を備え、
前記電位変動抑制部は、
前記交流電圧の一方及び他方の極性における前記第1の接続点の電位変動により前記第1の接続点から寄生キャパシタンスを介して接地点に流れる第1の漏洩電流を、前記第1の接続点に接続されたリアクトルと第1の接地コンデンサとを介して流れる第1の補償電流により打ち消して前記第1の接続点の電位変動を抑制し、かつ、
前記交流電圧の他方の極性における前記第2の接続点の電位変動により前記第2の接続点から寄生キャパシタンスを介して接地点に流れる第2の漏洩電流を、前記リアクトルと第2の接地コンデンサとを介して流れる第2の補償電流により打ち消して前記第2の接続点の電位変動を抑制することを特徴とする電力変換装置。 - 請求項1に記載した電力変換装置において、
前記第2の接続点は、2個の半導体スイッチング素子が逆直列に接続された双方向スイッチ内の前記2個の半導体スイッチング素子同士の接続点であり、前記双方向スイッチを構成する一方の半導体スイッチング素子に前記第1の接続点が接続されていることを特徴とする電力変換装置。 - 請求項1または2に記載した電力変換装置において、
前記リアクトルは、一端が前記第1の接続点に接続され、他端に補助巻線の一端が接続された主巻線と、前記主巻線とは誘起電圧が逆極性となる前記補助巻線とを備え、
前記補助巻線の他端を前記第1の接地コンデンサに接続し、かつ、スイッチを介して前記第1の接地コンデンサに接続すると共に、
前記スイッチは、前記第1の接続点に加わる交流電圧の一方の極性では開き、他方の極性では閉じるように構成されていることを特徴とする電力変換装置。 - 請求項3に記載した電力変換装置において、
前記スイッチは、前記補助巻線の誘起電圧の極性に応じて開閉動作する半導体スイッチング素子であることを特徴とする電力変換装置。 - 請求項1または2に記載した電力変換装置において、
前記第1〜第4の半導体スイッチング素子は、交流電圧を直流電圧に変換するためにスイッチング動作することを特徴とする電力変換装置。 - 請求項1または2に記載した電力変換装置において、
前記第1〜第4の半導体スイッチング素子は、直流電圧を交流電圧に変換するためにスイッチング動作することを特徴とする電力変換装置。 - 請求項1または2に記載した電力変換装置において、
前記第1〜第4の半導体スイッチング素子は、交流電圧を交流電圧に変換するためにスイッチング動作することを特徴とする電力変換装置。
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