JPWO2018073964A1

JPWO2018073964A1 - 電力変換装置

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Publication number: JPWO2018073964A1
Application number: JP2018546128A
Authority: JP
Inventors: 智一木; 章斗田中; 鈴木　大介; 大介鈴木; 知宏沓木; 酒井　顕; 顕酒井
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2016-10-21
Filing date: 2016-10-21
Publication date: 2019-02-14
Anticipated expiration: 2036-10-21
Also published as: WO2018073964A1; JP6584689B2

Abstract

交流電圧を整流する整流回路２と、整流回路２の出力側に接続されたコンバータ主回路３と、コンバータ主回路３が出力する直流電圧を平滑する平滑コンデンサ４と、コンバータ主回路３の動作を制御する制御部５とを備え、コンバータ主回路３は、スイッチング素子９と、スイッチング素子９をオン・オフ駆動するゲート駆動回路１０と、スイッチング素子９と平滑コンデンサ４間に接続された逆流防止用ダイオード１２と、スイッチング素子９用のオン・オフ動作信号をゲート駆動回路１０に伝達するフォトカップラ１１とを有し、制御部５はオン・オフ動作信号をフォトカップラ１１に出力することにより、電磁ノイズの影響による誤動作を低減できるとともに、絶縁電源やノイズ対策部品等のコストを削減でき、さらに基板面積を縮小することができる。

Description

この発明は、交流電力を直流電力へ変換するコンバータ動作を行う電力変換装置に関するものであり、特に電磁ノイズによる誤動作を低減させた電力変換装置に関するものである。

コンバータ動作を行うコンバータ回路を備えた電力変換装置において、変換後の直流電力に含まれる高調波信号を抑制する対策として、半導体スイッチング素子を用いたアクティブコンバータ方式を用いるのが一般的である。このアクティブコンバータにもいくつかの方式が知られているが、基本的にはリアクトルと半導体スイッチング素子を組み合わせた構成を有し、入力電源位相などを考慮してスイッチング素子をオン・オフ制御することで高調波抑制が可能なコンバータ動作を実現するものである。

近年、半導体スイッチング素子の製造技術の進歩や、炭化ケイ素（ＳｉＣ）等の新しい半導体を用いたスイッチング素子の開発により、半導体スイッチング素子のスイッチング速度は増大してきている。半導体スイッチング素子が高速動作可能となることで、コンバータ回路を構成するリアクトルの小型化、しいては電力変換装置自体の小型化や、コンバータの動作制御の高速処理が実現するなどのメリットがある。この為、半導体スイッチング素子の高周波スイッチング動作は今後も追及されていくと思われる。

しかしながら、半導体スイッチング素子の高周波スイッチング動作時には、スイッチング素子のゲート駆動回路において電磁ノイズが発生し、この電磁ノイズ（電磁ノイズＡと記す）が半導体スイッチング素子のゲート電圧に印加されることになる。

また、コンバータ回路の出力側に直流負荷としてインバータ回路及びインバータ回路により駆動されるモータを接続した場合、インバータ回路を構成する半導体スイッチング素子のスイッチング動作に起因した電磁ノイズが発生する。このインバータ回路で発生した電磁ノイズは、基板上の銅箔パターン（例えば、コンバータ回路とインバータ回路間の配線パターン）の配線インピーダンス（特にインダクタンス成分）によって増幅され、この増幅後の電磁ノイズ（電磁ノイズＢと記す）はコンバータ回路を構成する半導体スイッチング素子のエミッタ電圧に印加される。

これら２つの電磁ノイズ（電磁ノイズＡと電磁ノイズＢ）は全く独立に発生するものである為、ノイズ電圧間に電圧振幅や位相に相関は見られない。この為、スイッチング素子のゲート―エミッタ間電圧が不規則に変動し、スイッチング素子の誤動作を引き起こす。例えば、制御回路（マイコン等）からの指示によりコンバータ回路のスイッチング素子をオフ状態に維持しているときでも、電磁ノイズの影響でゲート―エミッタ間電圧がゲート・エミッタ間閾値電圧（以下ゲート閾値電圧という）より大きくなってしまい、スイッチング素子がターンオンしてしまう現象が発生しうる。このような現象を放置すると、コンバータ回路の誤動作につながる可能性が増大する。

このような電磁ノイズによるコンバータ回路の誤動作を防ぐための手段として、高周波スイッチングを行う半導体スイッチング素子ならびに駆動回路と制御回路とを接続する信号経路のそれぞれにフォトカプラ等のアイソレーション回路を介在させることで、アクティブコンバータの半導体スイッチング素子ならびに駆動回路の電源と、その他の制御回路等の電源とを絶縁させるようにしたものがある（例えば、特許文献１参照）。

特開平８−１６８２５５

特許文献１記載の電力変換装置のように、信号経路毎にフォトカプラ等のアイソレーション回路を備えることで、コンバータ回路の半導体スイッチング素子ならびに駆動回路の電源と、その他の制御回路等の電源とを絶縁させる構成は、高周波スイッチングを行う半導体スイッチング素子ならびに駆動回路における電磁ノイズの影響を低減させる点において効果があるものの、多数のアイソレーション回路が必要になることから使用する部品点数の増加や基板面積の増大を招き、基板に対するコスト、しいては電力変換装置の製造コストを増加させてしまう。また、電力変換装置の物理的なサイズを増加させてしまい、電力変換装置の実使用時における設置の制約となってしまう。

この発明は上記のような課題を解決するためになされたものであり、本発明の目的は、部品点数の増加や基板面積の増大を抑制しつつ、装置内で発生する電磁ノイズによる誤動作を低減させることができる電力変換装置を得ることである。

本発明の電力変換装置は、交流電圧を整流する整流回路と、前記整流回路の出力側に接続されたコンバータ主回路と、前記コンバータ主回路が出力する直流電圧を平滑する平滑コンデンサと、前記コンバータ主回路の動作を制御する制御部と、を備え、前記コンバータ主回路は、スイッチング素子と、前記スイッチング素子をオン・オフ駆動するゲート駆動回路と、前記スイッチング素子と前記平滑コンデンサ間に接続された逆流防止用ダイオードと、前記スイッチング素子用のオン・オフ動作信号を前記ゲート駆動回路に伝達するフォトカップラとを有し、前記制御部は、前記オン・オフ動作信号を前記フォトカップラに出力することを特徴とするものである。

本発明の電力変換装置は、このように構成したことにより、電磁ノイズの影響による誤動作を低減できるとともに、絶縁電源やノイズ対策部品等のコストを削減でき、さらに基板面積を縮小することができるので、電力変換装置の小型化も実現することができる。

実施の形態１における電力変換装置の構成を示す図従来の電力変換装置の構成を示す図従来の電力変換装置における回路動作を説明する図実施の形態１における電力変換装置における回路動作を説明する図実施の形態２における電力変換装置の構成を示す図

実施の形態１.
実施の形態１における電力変換装置について、図に基づいて構成及び動作を説明する。図１に本実施の形態の電力変換装置の構成を示す。この電力変換装置は、単相交流電圧源１と、交流電圧を整流する整流回路２と、整流回路２の出力側に接続されコンバータ動作を行うコンバータ主回路３と、コンバータ主回路３が出力する直流電圧を平滑する為の平滑コンデンサ４と、コンバータ主回路３の動作を制御する制御部５と、平滑コンデンサ４の後段に接続され、平滑コンデンサ４で得られた直流電力を任意の周波数の交流電力に変換するインバータ主回路６と、インバータ主回路６により回転駆動されるモータ７から構成される。なお、インバータ主回路６及びモータ７はコンバータ主回路３の直流負荷に対応する。また、制御部５はインバータ主回路６の動作も制御する。

コンバータ主回路３は、整流回路２の出力側正極端子に一端が接続されたリアクトル８と、リアクトル８の他端と整流回路２の出力側負極端子間に接続された半導体スイッチング素子９（以下では、単にスイッチング素子９と記す）と、スイッチング素子９のゲート端子に接続され、スイッチング素子９をオン・オフ駆動するゲート駆動回路１０と、制御部５が出力するスイッチング素子９用のオン・オフ動作信号をゲート駆動回路１０に伝達するフォトカップラ１１と、スイッチング素子９と平滑コンデンサ４間に接続された逆流防止用ダイオード１２とから構成されている。

整流回路２はダイオードブリッジで構成した全波整流回路で構成することができる。スイッチング素子９は例えば、ＩＧＢＴ（絶縁ゲートバイポーラトランジスタ：Insulated Gate Bipolar Transistor）である。なお、単相交流電圧源１の代わりに３相交流電圧源を用いてもよい。その場合には整流回路２は３相交流に対応した全波整流回路を用いればよい。スイッチング素子９のコレクタはリアクトル８に接続され、スイッチング素子９のエミッタは整流回路２の出力側負極端子に接続される。逆流防止用ダイオード１２はアノードがスイッチング素子９のコレクタに接続され、カソードが平滑コンデンサ４の正極端子に接続されている。平滑コンデンサ４としては電解コンデンサが好適である。モータ７には例えばブラシレスＤＣモータが適用される。インバータ主回路６には複数個の半導体スイッチング素子が含まれており、制御部５が生成するオン・オフ動作信号を用いてインバータ主回路６内のスイッチング素子をオン・オフ駆動することにより、モータ７を回転駆動する。インバータ主回路６はＩＰＭ（Intelligent Power Module）で構成してもよい。また、インバータ主回路６の制御を制御部５で行う代わりに、図示しないインバータ制御用マイコンを用いてインバータ主回路６の動作を制御するようにしてもよい。

次に、電力変換装置内の配線インピーダンス、及びグランド（ＧＮＤ又は接地）接続について説明する。電力変換装置内の各回路間を接続する配線パターンには配線インピーダンスが存在する。配線パターンには通常は銅箔が用いられるがこれに限るものではない。配線パターンの配線長は基板上の部品配置により変わってくるが、コンバータ主回路３とインバータ主回路６間の配線は特に配線長が長くなりやすく、この配線での配線インピーダンスのインダクタンス成分が回路動作に影響を与えやすい。この為、図１ではこの配線インピーダンスとして、配線インピーダンス１３を示している。

コンバータ主回路３とインバータ主回路６間の配線には、コンバータ主回路３及びインバータ主回路６内のスイッチング素子のオン・オフ動作に連動した電流が流れる為、配線インダクタンス１３には電位ＶＬが発生する。この為、コンバータ主回路３の基準グランドとインバータ主回路６の基準グランドは電気接続図上では同電位であり、また絶縁されているわけではないものの、実際には配線インダクタンス１３に生じた電位ＶＬにより、２つの基準グランド間には回路動作上無視できない電位差ＶＬが生じ、２つの基準グランドの電位は異なる値をとりうることになる。この為、以下の説明ではインバータ主回路６に接続される基準グランドをグランドＡ（ＧＮＤ―Ａ）、コンバータ主回路３に接続される基準グランドをグランドＢ（ＧＮＤ―Ｂ）と区分けして表記することにする。

この基準グランドの区分けに従えば、コンバータ主回路３内のスイッチング素子９、ゲート駆動回路１０、及びフォトカップラ１１の出力回路の基準グランドはグランドＢ（ＧＮＤ―Ｂ）となる。なお、制御部５はフォトカップラを介することなく直接インバータ主回路６に制御信号を出力するようにしている為、制御部５に接続される基準グランドはインバータ主回路６の基準グランドと同じグランドＡとすることが必要である。以上を纏めると、制御部５及びインバータ主回路６はグランドＡを基準グランドにして動作し、一方、コンバータ主回路３はグランドＢを基準グランドにして動作する。コンバータ主回路３内のゲート駆動回路１０と制御部５は異なる基準グランドで動作させることになるが、制御部５が出力するオン・オフ動作信号はフォトカップラ１１を介してゲート駆動回路１０に出力するようにしているので、基準グランドが異なっていても信号の送受は正しく行われる。

次に、電力変換装置の動作についてコンバータ主回路３を中心に説明する。制御部５は、コンバータ主回路３が出力すべき目標電圧値や、図示していない電圧検出回路により検出した平滑コンデンサ４の端子間電圧値に基づいて、コンバータ主回路３内のスイッチング素子９用のオン・オフ動作信号を生成し、フォトカップラ１１に出力する。目標電圧値は予め制御部５の内部の記憶部（図示していない）に記憶させるようにしてもよいし、電力変換装置の外部から制御部５に設定できるようにしてもよい。

オン・オフ動作信号はフォトカップラ１１を経由してゲート駆動回路１０に伝達される。ゲート駆動回路１０は、オン・オフ動作信号に基づいてスイッチング素子９のゲート端子を駆動する。具体的には、ゲート駆動回路１０は、オン・オフ動作信号がオン状態の時にはスイッチング素子９をオンさせる電圧をゲート端子に出力し、オン・オフ動作信号がオフ状態の時にはスイッチング素子９をオフさせる電圧をゲート端子に出力する。これにより、スイッチング素子９はオン状態やオフ状態となることができる。

スイッチング素子９がオン状態になると、リアクトル８の一端はグランドＢに短絡し、リアクトル８には整流回路２から出力される電力が電磁エネルギーとして蓄積される。リアクトル８に蓄積された電磁エネルギーはスイッチング素子９がオフ状態になると逆流防止用ダイオード１２を通じて平滑コンデンサ４に供給される。制御部５が出力するオン・オフ動作信号に対応してスイッチング素子９がオン・オフ動作を繰り返すことで、平滑コンデンサ４の端子間には昇圧した直流電圧が生成される。制御部５は平滑コンデンサ４の端子間電圧が目標電圧値になるようにオン・オフ動作信号を生成する。また、コンバータ主回路３はリアクトル８とスイッチング素子９の働きにより、整流後の電力信号における力率改善や高調波信号の抑制の効果も実現することができる。

インバータ主回路６はインバータ主回路６内のスイッチング素子をオン・オフ動作させることで、平滑コンデンサ４の端子間に生じた直流電圧から３相交流電圧を生成してモータ７に供給し、モータ７を回転駆動させる。

次に、前述した電力変換装置の動作における電磁ノイズの影響について説明する。本発明における電力変換装置の動作と対比する為に、最初に従来の電力変換装置の動作における配線インピーダンスの影響について説明する。図２は従来の電力変換装置の構成を示したものである。図２の電力変換装置の構成において図１に示した電力変換装置の構成に対応する部分には同一の符号を付している。従来の電力変換装置では、図１の電力変換装置に設けていたフォトカップラ１１を削除し、制御部５が出力するオン・オフ動作信号をゲート駆動回路１０に直接入力するようにしている。この為、制御部５とゲート駆動回路１０で基準グランドを同一にしないと正しく信号の送受が行われないので、ゲート駆動回路１０のグランドを制御部５のグランドと同一のグランドＡ（ＧＮＤ−Ａ）としている。また、インバータ主回路６も制御部５が出力するインバータ制御用の制御信号を入力している為、インバータ主回路６の基準グランドも制御部５の基準グランドと同じグランドＡ（ＧＮＤ−Ａ）にする必要がある。

電力変換装置の基本動作は図１の電力変換装置の場合と同じであるので説明を省略し、電力変換装置の動作における配線インピーダンスの影響について図３の電圧波形図も参照して説明する。図３はスイッチング素子９のゲート端子の電圧（ゲート電圧ＶＧ：＜Ａ−１＞）、インバータ主回路６の基準グランド電位（ＧＮＤ−Ａ：＜Ａ−２＞）、コンバータ主回路３の基準グランド電位（ＧＮＤ―Ｂ：＜Ａ−３＞）、スイッチング素子９のゲート―エミッタ間電圧（ゲート―エミッタ間電圧ＶＧＥ；＜Ａ−４＞）のそれぞれについて電圧波形を示したものである。

スイッチング素子９のスイッチング動作時には、ゲート駆動回路１０において電磁ノイズが発生し、この電磁ノイズ（電磁ノイズＡと記す）がスイッチング素子９のゲート電圧に印加される。図３の＜Ａ−１＞は制御部５が出力するオン・オフ動作信号がオフ状態の時に、スイッチング素子９のゲート電圧に電磁ノイズＡが発生している様子を示したものである。

またこれとは別にモータを駆動させるインバータ主回路６ではインバータ主回路６を構成するスイッチング素子のスイッチング動作に起因した電磁ノイズが発生する。図３の＜Ａ−２＞は、インバータ主回路６の基準グランドであるグランドＡ（ＧＮＤ−Ａ）にこの電磁ノイズが発生している様子を示したものである。この電磁ノイズは、基板上の配線パターンの配線インピーダンス（特にインダクタンス成分）によって増幅される。具体的には、配線インピーダンス１３のインダクタンスをＬ、配線パターン上の電流をｉとすると、Ｌ・ｄｉ／ｄｔで計算される誘導電圧によって増幅された電磁ノイズＢが発生する。図３の＜Ａ−３＞は、コンバータ回路とインバータ回路間の配線パターンの配線インピーダンス１３によって増幅された電磁ノイズ（電磁ノイズＢと記す）がコンバータ主回路３の基準グランド電位であるグランドＢ（ＧＮＤ―Ｂ）に発生している様子を示したものである。スイッチング素子９のエミッタはグランドＢに接続されている為、スイッチング素子９のエミッタ電圧ＶＥには電磁ノイズＢが印加される。

これら２つの電磁ノイズ（電磁ノイズＡと電磁ノイズＢ）は全く独立に発生するものである為、２つの電磁ノイズ間には電圧振幅や位相に相関は見られない。この為、スイッチング素子９のゲート電圧ＶＧとスイッチング素子９のエミッタ電圧ＶＥには全く独立な電磁ノイズが印加されることになり、スイッチング素子９のゲート―エミッタ間電圧ＶＧＥ（＝ゲート電圧ＶＧ−エミッタ電圧ＶＥ）が電磁ノイズによって不規則に変動する。そして、制御部５が出力するオン・オフ動作信号がオフ状態でスイッチング素子９がオフ状態に維持されている場合であっても、電磁ノイズの影響でゲート―エミッタ間電圧ＶＧＥがゲート・エミッタ間閾値電圧（以下ゲート閾値電圧という）より大きくなってしまい、スイッチング素子が誤ってターンオンしてしまう現象が発生しうる。このような現象を放置すると、電力変換装置の誤動作につながる可能性が増大する。

これに対して、本実施形態の電力変換装置は、電磁ノイズによる誤動作の可能性を低減するように構成したものであるので、以下に電力変換装置の動作における電磁ノイズの影響について図４の電圧波形図も参照して説明する。図４は図３の電圧波形図と同様に、制御部５が出力するオン・オフ動作信号がオフ状態時において、スイッチング素子９のゲート端子の電圧（ゲート電圧ＶＧ：＜Ｂ−１＞）、インバータ主回路６の基準グランド電位（ＧＮＤ−Ａ：＜Ｂ−２＞）、コンバータ主回路３の基準グランド電位（ＧＮＤ―Ｂ：＜Ｂ−３＞）、スイッチング素子９のゲート―エミッタ間電圧（ゲート―エミッタ間電圧ＶＧＥ；＜Ｂ−４＞）のそれぞれについて電圧波形を示したものである。

インバータ主回路６を構成するスイッチング素子のスイッチング動作に起因した電磁ノイズが発生し、図４の＜Ｂ−２＞に示すような電磁ノイズがインバータ主回路６の基準グランドであるグランドＡ（ＧＮＤ−Ａ）に発生する。この電磁ノイズは、コンバータ回路とインバータ回路間の配線パターンの配線インピーダンス１３によって増幅され、この増幅後の電磁ノイズ（電磁ノイズＢと記す）が＜Ｂ−３＞に示すようにコンバータ主回路３の基準グランド電位であるグランドＢ（ＧＮＤ―Ｂ）に発生する。スイッチング素子９のエミッタはグランドＢに接続されている為、スイッチング素子９のエミッタ電圧ＶＥには電磁ノイズＢが印加される。

スイッチング素子９のスイッチング動作時には、ゲート駆動回路１０において電磁ノイズが発生し、この電磁ノイズ（電磁ノイズＡと記す）がスイッチング素子９のゲート電圧に印加される。しかしながら、本実施形態の電力変換装置ではゲート駆動回路１０の基準グランドとスイッチング素子９の基準グランドはいずれも同じグランドＢ（ＧＮＤ−Ｂ）に取っているので、電磁ノイズＡと電磁ノイズＢはいずれも同一の基準グランド（ＧＮＤ−Ｂ）に対して印加されることになり、＜Ｂ−１＞に示すように電磁ノイズＡと電磁ノイズＢは合成されて同一若しくはほぼ同一の電圧波形となる。この為、＜Ｂ−４＞に示すようにスイッチング素子９のゲート―エミッタ間電圧ＶＧＥ（＝ゲート電圧ＶＧ−エミッタ電圧ＶＥ）には電磁ノイズが全く印加されないか、印加されたとしても極めて小さな電圧しか印加されないようにできる。従って、インバータ主回路６で発生し配線インピーダンス１３によって増幅された電磁ノイズが発生したとしても、この電磁ノイズの影響を受けことなくスイッチング素子９を正常に動作させることができる。

以上説明したように、本実施の形態の電力変換装置では、制御部５の基準グランド（ＧＮＤ−Ａ）とコンバータ主回路３の基準グランド（ＧＮＤ−Ｂ）を絶縁することなく、また制御部５が出力するオン・オフ動作信号をゲート駆動回路１０に伝達する経路にフォトカップラ１１を挿入することで制御部５とコンバータ主回路３間の信号送受において基準グランドを分離するようにしたことで、インバータ主回路６等で発生した電磁ノイズがスイッチング素子９に重畳する影響を低減しスイッチング素子９の正常動作を実現することができる。これにより、電力変換装置において電磁ノイズによる誤動作を低減できるとともに、絶縁電源やノイズ対策部品等のコストを削減でき、さらに基板面積を縮小することができるので、電力変換装置の小型化も実現することができる。

なお、以上の説明では、フォトカップラ１１を用いて、制御部５とコンバータ主回路３間でオン・オフ動作信号を伝達するようにしたが、フォトカップラ１１と同様に異なる基準グランド間での信号伝達を可能にするその他の回路素子を使用しても同様な効果を得ることができる。また、コンバータ主回路３からの直流電力が与えられる直流負荷としてインバータ主回路６とモータ７で説明したが、それ以外の負荷装置を接続した構成も同様に可能である。

また、電力変換装置においてさらなる高周波スイッチング動作を実現する為に、コンバータ主回路３やインバータ主回路６内の回路素子（スイッチング素子やダイオード等）にＳｉＣ（炭化珪素）、ＧａＮ（窒化ガリウム）、又はダイヤモンド等のワイドバンドギャップ半導体によって形成された回路素子を用いることができる。ワイドバンドギャップ半導体で形成された回路素子を用いることでスイッチング周波数を増加させることが可能となり、これによりコンバータ動作やインバータ動作のさらなる高速処理が可能になるが、他方配線インピーダンスでの電磁ノイズの増加はさらに大きくなる。このようなワイドバンドギャップ半導体素子を用いた場合でも本実施の形態での電力変換装置は電磁ノイズの影響を低減できるという同様な効果を得ることができる。

実施の形態２.
実施の形態２における電力変換装置について、図に基づいて構成及び動作を説明する。実施の形態２における電力変換装置は実施の形態１での電力変換装置とはコンバータ主回路の構成が異なっているので、その点を中心に説明する。図５に本実施の形態の電力変換装置の構成を示す。図５において図１と同一若しくは対応する部分には同一の符号を付している。この電力変換装置は、単相交流電圧源１、整流回路２、平滑コンデンサ４、制御部５、インバータ主回路６、モータ７を備えている点は実施の形態１での電力変換装置と同じであるので説明を省略し、コンバータ主回路１４について以下に説明する。

コンバータ主回路１４は、整流回路２の出力側正極端子に一端が接続されたリアクトル１５ａ，１５ｂと、リアクトル１５ａ，１５ｂの他端と整流回路２の出力側負極端子間にそれぞれ接続された半導体スイッチング素子１６ａ，１６ｂ（以下では、単にスイッチング素子１６ａ，１６ｂと記す）と、スイッチング素子１６ａ，１６ｂのゲート端子にそれぞれ接続され、スイッチング素子１６ａ，１６ｂをそれぞれオン・オフ駆動するゲート駆動回路１７ａ，１７ｂと、制御部５が出力する２つのオン・オフ動作信号をゲート駆動回路１７ａ，１７ｂにそれぞれ伝達するフォトカップラ１８ａ，１８ｂと、スイッチング素子１６ａ，１６ｂと平滑コンデンサ４間にそれぞれ接続された逆流防止用ダイオード１９ａ，１９ｂとから構成されている。

次に、電力変換装置内の配線インピーダンス、及びグランド（ＧＮＤ又は接地）接続について説明する。コンバータ主回路１４とインバータ主回路６間の配線には、コンバータ主回路１４及びインバータ主回路６内のスイッチング素子のオン・オフ動作に連動した電流が流れる為、配線インピーダンス１３に電位ＶＬが発生する点は、実施の形態１の場合と同じである。この為、インバータ主回路６に接続される基準グランドであるグランドＡ（ＧＮＤ―Ａ）の電位とコンバータ主回路１４に接続される基準グランドであるグランドＢ（ＧＮＤ―Ｂ）の電位は異なる値をとりうることになる。なお、コンバータ主回路１４内のスイッチング素子１６ａ，１６ｂ、ゲート駆動回路１７ａ，１７ｂ、及びフォトカップラ１８ａ，１８ｂの出力回路の基準グランドはいずれもグランドＢ（ＧＮＤ―Ｂ）である。

一方、制御部５はフォトカップラを介することなく直接インバータ主回路６に制御信号を出力するようにしている為、制御部５に接続される基準グランドはインバータ主回路６の基準グランドと同じグランドＡである。このように、制御部５及びインバータ主回路６はグランドＡを基準グランドにして動作し、一方、コンバータ主回路１４はグランドＢを基準グランドにして動作する。コンバータ主回路１４内のゲート駆動回路１７ａ，１７ｂと制御部５は異なる基準グランドで動作させることになるが、制御部５が出力するオン・オフ動作信号はフォトカップラ１８ａ，１８ｂを介してゲート駆動回路１７ａ，１７ｂに出力するようにしているので、基準グランドが異なっていても信号の送受は正しく行われる。

次に、電力変換装置の動作についてコンバータ主回路１４を中心に説明する。制御部５は、コンバータ主回路１４が出力すべき目標電圧値や、図示していない電圧検出回路により検出した平滑コンデンサ４の端子間電圧値に基づいて、コンバータ主回路１４内のスイッチング素子１６ａ用のオン・オフ動作信号とスイッチング素子１６ｂ用のオン・オフ動作信号を生成し、フォトカップラ１８ａ，１８ｂにそれぞれ出力する。

スイッチング素子１６ａ用のオン・オフ動作信号はフォトカップラ１８ａを経由してゲート駆動回路１７ａに伝達される。ゲート駆動回路１７ａは、オン・オフ動作信号に基づいてスイッチング素子１６ａのゲート端子を駆動する。一方、スイッチング素子１６ｂ用のオン・オフ動作信号はフォトカップラ１８ｂを経由してゲート駆動回路１７ｂに伝達される。ゲート駆動回路１７ｂは、オン・オフ動作信号に基づいてスイッチング素子１６ａのゲート端子を駆動する。これにより、スイッチング素子１６ａ，１６ｂはオン状態やオフ状態となることができる。このようにして、一例としてスイッチング素子１６ａとスイッチング素子１６ｂが交互にオン状態になるように制御することでコンバータ動作を行わせることが可能であるし、スイッチング素子１６ａ，１６ｂのその他のオン・オフ状態の組み合わせを実現することでもコンバータ動作を行わせることもできる。

次に、電力変換装置の動作における電磁ノイズの影響について説明する。コンバータ主回路１４内のスイッチング素子１６ａ，１６ｂ、ゲート駆動回路１７ａ，１７ｂ、及びフォトカップラ１８ａ，１８ｂの出力回路の基準グランドはいずれも同一のグランドＢ（ＧＮＤ―Ｂ）である。この為、インバータ主回路６で発生した電磁ノイズが配線パターンを伝搬して増幅され、スイッチング素子１６ａ，１６ｂのエミッタに印加された電磁ノイズ(電磁ノイズＡと記す)と、ゲート駆動回路１７ａ，１７ｂで発生しスイッチング素子１６ａ，１６ｂに印加される電磁ノイズ(電磁ノイズＢと記す)は、いずれも同一の基準グランド（ＧＮＤ−Ｂ）に対して印加されることになり、電磁ノイズＡと電磁ノイズＢは合成されて同一若しくはほぼ同一の電圧波形となる。この為、スイッチング素子１６ａ，１６ｂのゲート―エミッタ間電圧ＶＧＥ（＝ゲート電圧ＶＧ−エミッタ電圧ＶＥ）には電磁ノイズが全く印加されないか、印加されたとしても極めて小さな電圧しか印加されないようにできる。従って、インバータ主回路６で発生し配線インピーダンス１３によって増幅された電磁ノイズが発生したとしても、この電磁ノイズの影響を受けことなくスイッチング素子１６ａ，１６ｂを正常に動作させることができる。

なお、実施の形態１〜２で説明した電力変換装置は、家電機器及び産業用機器に適用することができる。例えば空気調和機、圧縮機、凝縮器、膨張器、及び蒸発器が冷媒配管によって接続された冷凍サイクル回路を備えた冷凍サイクル装置、及び冷凍サイクル装置を搭載した冷蔵庫、冷凍庫、ヒートポンプ式給湯機、ショーケース等の家電機器、産業用機器に適用可能である。

１交流電圧源、２整流回路、３コンバータ主回路、４平滑コンデンサ、５制御部、６インバータ主回路、７モータ、８リアクトル、９スイッチング素子、１０ゲート駆動回路、１１フォトカップラ、１２逆流防止用ダイオード、１３配線インピーダンス、１４コンバータ主回路、１５ａ，１５ｂリアクトル、１６ａ，１６ｂスイッチング素子、１７ａ，１７ｂゲート駆動回路、１８ａ，１８ｂフォトカップラ、１９ａ，１９ｂ逆流防止用ダイオード

Claims

交流電圧を整流する整流回路と、
前記整流回路の出力側に接続されたコンバータ主回路と、
前記コンバータ主回路が出力する直流電圧を平滑する平滑コンデンサと、
前記コンバータ主回路の動作を制御する制御部と、を備え、
前記コンバータ主回路は、スイッチング素子と、前記スイッチング素子をオン・オフ駆動するゲート駆動回路と、前記スイッチング素子と前記平滑コンデンサ間に接続された逆流防止用ダイオードと、前記スイッチング素子用のオン・オフ動作信号を前記ゲート駆動回路に伝達するフォトカップラとを有し、
前記制御部は、前記オン・オフ動作信号を前記フォトカップラに出力することを特徴とする電力変換装置。
前記コンバータ主回路は、複数個のスイッチング素子と、前記スイッチング素子をオン・オフ駆動する複数個のゲート駆動回路と、前記スイッチング素子と前記平滑コンデンサ間に接続された複数個の逆流防止用ダイオードと、前記スイッチング素子用のオン・オフ動作信号を前記ゲート駆動回路に伝達する複数個のフォトカップラとを有することを特徴とする請求項１に記載の電力変換装置。
前記スイッチング素子はワイドバンドギャップ半導体によって形成されていることを特徴とする請求項１〜２のいずれか一つに記載の電力変換装置。
前記逆流防止用ダイオードはワイドバンドギャップ半導体によって形成されていることを特徴とする請求項１〜２のいずれか一つ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（ＳｉＣ）、窒化ガリウム（ＧａＮ）又はダイヤモンドであることを特徴とする請求項３又は４に記載の電力変換装置。
請求項１〜５のいずれか一つに記載の電力変換装置と、圧縮機、凝縮器、膨張器、及び蒸発器が冷媒配管によって接続された冷凍サイクル回路とを備えたことを特徴とする冷凍サイクル装置。
請求項６に記載の冷凍サイクル装置を備えたことを特徴とする空気調和機。