KR20120137519A - 전력 변환 장치 - Google Patents

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겐이찌 사까끼바라
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다이킨 고교 가부시키가이샤
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Abstract

본 발명은, 컨버터의 입력측 콘덴서로부터 클램프 콘덴서로 흐르는 돌입 전류를 방지하면서, 전용 충전 회로 없이 클램프 콘덴서를 충전할 수 있는 전력 변환 장치이다. 복수의 콘덴서(Cr, Cs, Ct)는 복수의 입력선(ACLr, ACLs, ACLt)의 상호간에 개재한다. 클램프 콘덴서(Cc1)는 2개의 직류 전원선(L1, L2)의 사이에 접속된다. 전류형 컨버터(1)는 복수의 스위치 소자(Sxp, Sxn)(단, x는 r, s, t를 대표함)를 구비한다. 스위치 소자(Sxp, Sxn)는 각각 다이오드와 트랜지스터를 구비하고 있다. 그리고, 어떠한 다이오드도 애노드가 직류 전원선(L2)측에 캐소드가 직류 전원선(L1)측에 접속된다. 어떠한 트랜지스터도 다이오드와 직렬로 접속된다. 어떠한 트랜지스터도 노멀리 온형의 트랜지스터이다.

Description

전력 변환 장치{ELECTRIC POWER CONVERSION DEVICE}
본 발명은, 전력 변환 장치에 관한 것으로, 특히 직류 링크에 클램프 콘덴서를 갖는 직접형 전력 변환 장치에 관한 것이다.
비특허문헌 1에는 직류 링크를 갖는 직접형 전력 변환 장치가 기재되어 있다. 상기 직접형 전력 변환 장치에 있어서 컨버터와 인버터가 직류 링크를 통하여 접속되어 있다.
컨버터는 입력측의 교류 전류를 직류 전류로 변환하여 직류 링크에 출력한다. 여기서 나타내어지는 컨버터 주 회로는 그 역의 변환, 즉 직류 링크의 직류 전류를 교류 전류로 변환하여 입력측에 출력할 수는 없다. 따라서, 인버터를 차단하였을 때에 발생하는 유도성 부하의 유도 전류를 컨버터가 전원측으로 회생할 수 없다.
따라서, 비특허문헌 1에서는 직류 링크에 클램프 콘덴서를 설치하고, 상기 유도 전류를 클램프 콘덴서가 흡수하고 있었다.
또한, 컨버터의 입력측에는 리액터와 입력 콘덴서로 이루어지는 필터가 설치되어 있다. 따라서, 클램프 콘덴서가 방전 상태에 있을 때, 컨버터가 도통하면, 입력 콘덴서와 클램프 콘덴서가 서로 단락하고, 입력 콘덴서로부터 클램프 콘덴서로 돌입 전류가 흐를 가능성이 있었다.
이와 같은 문제를 해결할 수 있는 기술이 예를 들어 비특허문헌 2에 기재되어 있다. 비특허문헌 2에는, 클램프 회로를 갖는 직류 링크를 갖는 직접형 전력 변환 회로에 있어서, 클램프 콘덴서를 충전하기 위한 다이오드 정류 회로가 별도로 설치되는 것이 기재되어 있다.
또한, 본 발명에 관련된 기술로서 비특허문헌 3, 4가 개시되어 있다.
비특허문헌 1: Lixiang Wei, T.A.Lipo, Ho Chan: "Matrix Converter Topologies With Reduced Number of Switches," Proc. of PESC 2002, vol. 1, pp 57-63(2002) 비특허문헌 2: J.Schonberger, T.Friedli, S.D.Round, and J.W.Kolar: "An Ultra Sparse Matrix Converter with a Novel Active Clamp Circuit", Proc. of PCC-Nagoya 2007(2007) 비특허문헌 3: K.Mino, S.Herold, and J.W.Kolar: "A Gate Drive Circuit for Silicon Carbide JFET.", Proc. of IECON'03 pp.1162-1166(2003) 비특허문헌 4: F.Schafmeister, S.Herold, and J.W.Kolar: "Evaluation of 1200V-Si-IGBTs and 1300V-SiC-JFETs for Application in Three-Phase Very Sparse Matrix AC-AC Converter Systems." APEC'03(2003)
일본 특허 출원 제2007-220907호의 명세서에는, 입력 콘덴서로부터 클램프 콘덴서로의 돌입 전류를 방지하는 직접형 전력 변환 장치가 기재되어 있다. 상기 직접형 전력 변환 장치에 있어서는, 서로 직렬로 접속된 2개의 클램프 콘덴서가 직류 링크에 설치되고, 전원의 중성점과 클램프 콘덴서의 상호간이 접속되어 있다. 그리고, 클램프 콘덴서의 충전시에, 컨버터를 적절하게 제어하여, 전원으로부터의 교류 전압을 배전압 정류하여 클램프 콘덴서에 공급하고 있다.
그러나, 이러한 기술은, 입력 콘덴서로부터 클램프 콘덴서로 돌입 전류가 흐르는 것을 방지할 수 있지만, 전용 충전 회로(예를 들어 전원의 중성점과 클램프 콘덴서를 저항을 통하여 접속하는 회로)가 필요하므로, 회로 규모나 제조 비용이 증대하고 있었다.
따라서, 본 발명은 컨버터의 입력측의 콘덴서로부터 클램프 콘덴서로의 돌입 전류를 방지하면서, 전용의 충전 회로를 생략할 수 있는 전력 변환 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명에 관한 전력 변환 장치의 제1 형태는, 상호간에 다상 교류 전압이 인가되는 복수의 입력선(ACLr, ACLs, ACLt)과, 상기 복수의 입력선의 상호간에 개재하는 복수의 콘덴서(Cr, Cs, Ct)와, 제1 직류 전원선(L1)과, 상기 제1 직류 전원선보다도 낮은 전위가 인가되는 제2 직류 전원선(L2)과, 상기 복수의 입력선의 각각에 대응하여 설치되고, 애노드가 상기 복수의 입력선 중 대응하는 하나의 측에, 캐소드가 상기 제1 직류 전원선측에 각각 접속된 제1 다이오드(Drp, Dsp, Dtp)와, 애노드가 상기 제2 직류 전원선측에, 캐소드가 대응하는 상기 복수의 입력선 중 상기 대응하는 하나의 측에 각각 접속된 제2 다이오드(Drn, Dsn, Dtn)와, 상기 복수의 입력선의 각각에 대응하여 설치되고, 외부로부터의 신호(SSrp, SSrn;SSsp, SSsn;SStp, SStn)에 기초하여, 상기 복수의 입력선 중 상기 대응하는 하나와 상기 제1 직류 전원선과의 사이의 상기 제1 다이오드를 통한 도통/비도통, 및 상기 복수의 입력선 중 상기 대응하는 하나와 상기 제2 직류 전원선과의 사이의 상기 제2 다이오드를 통한 도통/비도통을 선택하고, 상기 신호를 수취하지 않는 상태에서, 상기 복수의 입력선 중 상기 대응하는 하나를 상기 제1 및 상기 제2 직류 전원선과 도통시키는, 스위치부(Trp, Tsp, Ttp, Trn, Tsn, Ttn)를 갖는 컨버터(1)와, 상기 제1 및 상기 제2 직류 전원선의 사이에서 접속되는 클램프 콘덴서(Cc1, Cc2)를 구비한다.
본 발명에 관한 전력 변환 장치의 제2 형태는, 제1 형태에 관한 전력 변환 장치이며, 상기 스위치부(Trp, Tsp, Ttp, Trn, Tsn, Ttn)는 접합형 전계 효과 트랜지스터를 갖는다.
본 발명에 관한 전력 변환 장치의 제3 형태는, 제1 또는 제2 형태에 관한 전력 변환 장치이며, 애노드가 상기 제1 직류 전원선(L1)측에, 캐소드가 상기 제2 직류 전원선(L2)측에 각각 위치하고, 상기 클램프 콘덴서와 직렬로 접속된 제3 다이오드(D1)와, 복수의 출력선(ACLu, ACLv, ACLw)과, 상기 복수의 출력선 중 하나와, 상기 제1 직류 전원선과의 사이의 도통/비도통을 선택하는 하이 아암측 스위치 소자(Sup, Svp, Swp)와, 상기 복수의 출력선 중 상기 하나와, 상기 제2 직류 전원선과의 사이의 도통/비도통을 선택하는 로우 아암측 스위치 소자(Sun, Svn, Swn)를 갖는 인버터(3)를 더 구비한다.
본 발명에 관한 전력 변환 장치의 제4 형태는, 제3 형태에 관한 전력 변환 장치이며, 상기 하이 아암측 스위치 소자(Sup, Svp, Swp) 및 상기 로우 아암측 스위치 소자(Sun, Svn, Swn)는 절연 게이트 바이폴라 트랜지스터를 갖는다.
본 발명에 관한 전력 변환 장치의 제1 형태에 따르면, 스위치부는 신호를 수취하지 않는 상태에서, 제1 다이오드를 통하여 하나의 입력선과 제1 직류 전원선을 접속하고, 제2 다이오드를 통하여 하나의 입력선과 제2 직류 전원선을 접속한다. 따라서, 신호를 수취하지 않는 상태에서 컨버터는 정류 회로로서 기능한다. 따라서, 예를 들어 전력 변환 장치의 기동 전과 같이 스위치부가 신호를 수취하고 있지 않은 상태에서 입력선에 다상 교류 전압이 인가되면, 클램프 콘덴서에 직류 전압이 충전된다. 이 경우, 콘덴서 및 클램프 콘덴서에는 대략 동시에 전압이 인가되므로, 콘덴서로부터 클램프 콘덴서로 돌입 전류가 발생하지 않는다.
또한, 전용의 충전 회로가 불필요하므로, 회로 규모 및 제조 비용을 저감시킬 수 있다.
본 발명에 관한 전력 변환 장치의 제2 형태에 따르면, 접합형 전계 효과 트랜지스터는 신호를 수취하지 않는 상태에서 도통하므로, 스위치부로서 구성이 용이한 접합형 전계 효과 트랜지스터를 그대로 사용할 수 있다. 또한, SiC, GaN 등의 와이드 밴드 갭 소자를 사용하여 구성할 때에 제작이 용이한 접합형 전계 효과 트랜지스터를 적용할 수 있다.
본 발명에 관한 전력 변환 장치의 제3 형태에 따르면, 클램프 콘덴서에 전압이 충전된 후에는, 제1 및 제2 직류 전원선의 사이에 평활 콘덴서 등의 전력 축적 수단을 갖지 않는 직접형 교류 전력 변환 장치로서 자신을 기능시킬 수 있다. 또한, 전압측 인버터로부터 환류된 전류를 클램프 콘덴서에서 축적하여, 일정한 전압으로 유지할 수 있다.
본 발명에 관한 전력 변환 장치의 제4 형태에 따르면, 제3 형태에 관한 전력 변환 장치의 실현에 기여한다.
본 발명의 목적, 특징, 국면 및 이점은, 이하의 상세한 설명과 첨부 도면에 의해 보다 명백해진다.
도 1은 제1 실시 형태에 관한 직접형 교류 전력 변환 장치의 개념적인 구성의 일례를 도시하는 도면이다.
도 2는 전류형 컨버터의 개념적인 구성의 일례를 도시하는 도면이다.
도 3은 전압형 컨버터의 개념적인 구성의 일례를 도시하는 도면이다.
도 4는 J-FET와 MOS-FET가 캐스 코드 접속된 하이브리드 소자를 도시하는 도면이다.
도 5는 제1 실시 형태에 관한 직접형 전력 변환 장치의 개념적인 구성의 다른 일례를 도시하는 도면이다.
도 6은 제2 실시 형태에 관한 직접형 전력 변환 장치의 개념적인 구성의 일례를 도시하는 도면이다.
도 7은 제2 실시 형태에 관한 직접형 전력 변환 장치의 개념적인 구성의 다른 일례를 도시하는 도면이다.
도 8은 제3 실시 형태에 관한 직접형 전력 변환 장치의 개념적인 구성의 일례를 도시하는 도면이다.
<제1 실시 형태>
도 1은 제1 실시 형태에 관한 직접형 전력 변환 장치의 개념적인 구성의 일례를 도시한다. 본 직접형 전력 변환 장치는, 복수의 입력선(ACLr, ACLs, ACLt)과, 리액터(Lr, Ls, Lt)와, 콘덴서(Cr, Cs, Ct)와, 전류형 컨버터(1)와, 직류 전원선(L1, L2)과, 클램프 회로(2)와, 전압형 인버터(3)와, 복수의 출력선(ACLu, ACLv, ACLw)을 구비하고 있다.
입력선(ACLr, ACLs, ACLt)에는 모두 전원(E1)이 접속되어 있다. 전원(E1)은 다상 교류 전원이며 예를 들어 3상 교류 전원이다. 전원(E1)은 입력선(ACLr, ACLs, ACLt)의 상호간에 3상 교류 전압을 인가한다.
리액터(Lr, Ls, Lt)의 각각은 입력선(ACLr, ACLs, ACLt) 상에 각각 설치되어 있다.
콘덴서(Cr, Cs, Ct)는 입력선(ACLr, ACLs, ACLt)의 상호간에 개재하고, 예를 들어 Y 결선되어 있다. 즉, 콘덴서(Cr, Cs)는 입력선(ACLr, ACLs) 사이에 직렬로 접속되어 있다. 콘덴서(Cs, Ct)는 입력선(ACLs, ACLt) 사이에 직렬로 접속되어 있다. 콘덴서(Ct, Cr)는 입력선(ACLt, ACLr) 사이에 직렬로 접속된다. 이들은 전류형 컨버터(1)의 입력측에 설치되고 전압원으로서 기능한다. 한편, 콘덴서(Cr, Cs, Ct)는 각각 리액터(Lr, Ls, Lt)와 함께 캐리어 전류 성분을 제거하는 캐리어 전류 성분 제거 필터를 구성한다고 파악할 수도 있다.
전류형 컨버터(1)는 복수의 스위치 소자(Sxp, Sxn)(단, x는 r, s, t를 대표함. 이하, 마찬가지)를 갖고 있다. 그리고, 상기 복수의 스위치 소자(Sxp, Sxn)의 선택 동작에 의해, 입력선(ACLr, ACLs, ACLt)의 사이에 인가되는 3상 교류 전압을 선택적으로 직류 전원선(L1, L2) 사이에 공급함으로써 직류 전원선(L1, L2)에 전류를 흐르게 한다. 이에 의해, 직류 전원선(L1)을 고전위측, 직류 전원선(L2)을 저전위측으로 하는 직류 전압이 직류 전원선(L1, L2)의 사이에 인가된다.
도 2는 전류형 컨버터(1)의 구체적인 구성의 개념적인 일례를 나타낸다. 단, 도 2에 있어서는 1개의 상에 대한 구성을 나타내고 있다. 스위치 소자(Sxp)는 트랜지스터(Txp)와 고속 다이오드(Dxp)를 구비하고 있다. 스위치 소자(Sxn)는 트랜지스터(Txn)와 고속 다이오드(Dxn)를 구비하고 있다.
고속 다이오드(Dxp)의 애노드가 입력선(ACLx)측에, 그 캐소드가 직류 전원선(L1)측에 각각 접속되어 있다. 고속 다이오드(Dxn)의 애노드가 직류 전원선(L2)측에, 그 캐소드가 입력선(ACLx)측에 각각 접속되어 있다.
트랜지스터(Txp, Txn)는 외부의 신호를 받아 그 도통/비도통이 선택된다. 트랜지스터(Txp, Txn)는 상기 신호를 받지 않는 상태에서 도통하는, 소위 노멀리 온형의 스위치이다. 트랜지스터(Txp)는 입력선(ACLx)과 고속 다이오드(Dxp)의 애노드와의 사이에 설치되어 있다. 트랜지스터(Txn)는 입력선(ACLx)과 고속 다이오드(Dxn)의 캐소드와의 사이에 설치되어 있다.
이와 같은 전류형 컨버터(1)에 있어서, 트랜지스터(Txp, Txn)는 외부의 신호에 기초하여, 입력선(ACLx)과 직류 전원선(L1) 사이의 고속 다이오드(Dxp)를 통한 도통/비도통, 및 입력선(ACLx)과 직류 전원선(L2) 사이의 고속 다이오드(Dxn)를 통한 도통/비도통을 선택하고, 상기 신호를 받지 않는 상태에서 입력선(ACLx)을 직류 전원선(L1, L2)과 도통시키는 스위치부로 파악할 수 있다.
클램프 회로(2)는 다이오드(D1)와 클램프 콘덴서(Cc1)를 구비하고 있다. 클램프 콘덴서(Cc1)는 직류 전원선(L1, L2)의 사이에서 접속된다. 다이오드(D1)는 그 애노드가 직류 전원선(L1)측에, 그 캐소드가 직류 전원선(L2)측에 위치하고, 클램프 콘덴서(Cc1)와 직렬로 접속되어 있다.
클램프 회로(2)는, 출력선(ACLu, ACLv, ACLw)에 접속되는 유도성 부하(예를 들어 모터)로부터 전압형 인버터(3)를 통하여 직류 전원선(L1)을 흐르는 전류를 자신에게 흐르게 하고, 유도성 부하의 유도 전류를 축적하여, 일정한 전압으로 유지한다.
전압형 인버터(3)는 복수의 하이 아암측 스위치 소자(Syp)(단, y는 u, v, w를 대표함. 이하, 마찬가지)와, 로우 아암측 스위치 소자(Syn)를 갖고 있다. 이하에서는, 간단히 스위치 소자(Syp, Syn)라고 부른다. 스위치 소자(Syp)는 직류 전원선(L1)과 출력선(ACLy) 사이의 도통/비도통을 선택한다. 스위치 소자(Syn)는 직류 전원선(L2)과 출력선(ACLy) 사이의 도통/비도통을 선택한다. 그리고, 이들 복수의 스위치 소자(Syp, Syn)의 선택 동작에 의해, 직류 전원선(L1, L2) 사이의 전압을 변환하여 출력선(ACLu, ACLv, ACLw)에 출력한다.
도 3은 전압형 인버터(3)의 구체적인 구성의 개념적인 일례를 나타낸다. 단, 도 3에 있어서는 하나의 상에 대한 구성을 도시하고 있다. 스위치 소자(Syp)는 트랜지스터(Typ)와 환류 다이오드(Dyp)를 구비하고 있다. 스위치 소자(Syn)는 트랜지스터(Tyn)와 환류 다이오드(Dyn)를 구비하고 있다.
트랜지스터(Typ)의 콜렉터 및 환류 다이오드(Dyp)의 캐소드는 직류 전원선(L1)에 접속되어 있다. 트랜지스터(Tyn)의 이미터 및 환류 다이오드(Dyn)의 애노드는 직류 전원선(L2)에 접속되어 있다. 트랜지스터(Typ)의 이미터 및 트랜지스터(Tyn)의 콜렉터 및 환류 다이오드(Dyp)의 애노드 및 환류 다이오드(Dyn)의 캐소드는 공통되어 출력선(ACLy)에 접속되어 있다.
트랜지스터(Typ, Tyn)는 노멀리 오프형의 스위치이며, 예를 들어 절연 게이트 바이폴라 트랜지스터(Insulated Gate Bipolar Transistor, 이하, IGBT라고 부름)이다.
이와 같은 직접형 전력 변환 장치에 있어서, 다이오드(D1)는 클램프 콘덴서(Cc1)에 충전된 전압의 방전을 저해한다. 따라서, 본 직접형 전력 변환 장치는, 유도성 부하로 전류를 공급하는 데 있어서, 직류 전원선(L1, L2)에 평활 콘덴서나 리액터 등의 전력 축적 수단을 갖지 않는 직접형 전력 변환 장치로서 기능할 수 있다. 또한, 클램프 회로(2)는 예를 들어 스위치 소자(Syp, Syn)를 차단한 경우에 발생하는 전압형 인버터(3)로부터의 전류를 축적하여, 일정한 전압으로 유지한다.
다음에 본 직류형 전력 변환 장치의 클램프 콘덴서(Cc1)의 충전에 관한 작용에 대하여 설명한다.
트랜지스터(Txp, Txn)는 노멀리 온형의 스위치이므로, 외부로부터 신호를 받고 있지 않은 상태에서 전류형 컨버터(1)는 정류 회로로서 기능한다. 따라서, 예를 들어 직접형 전력 변환 장치의 기동 전과 같이 트랜지스터(Txp, Txn)가 신호를 받고 있지 않은 상태에서 입력선(ACLr, ACLs, ACLt)에 3상 교류 전압이 인가되면, 클램프 콘덴서(Cc1)에 직류 전압이 충전된다.
이때, 콘덴서(Cr, Cs, Ct)와 클램프 콘덴서(Cc1)는 전류형 컨버터(1)를 통하여 서로 접속되어 있다. 입력선(ACLr, ACLs, ACLt)에 3상 교류 전압이 인가되면, 클램프 콘덴서(Cc1)와 콘덴서(Cr, Cs, Ct)에는 대략 동시에 전압이 인가된다. 따라서, 콘덴서(Cr, Cs, Ct)의 어느 것에도 전압이 충전되어 있지 않은 상태에서, 클램프 콘덴서(Cc1)의 충전을 개시할 수 있다. 따라서, 클램프 콘덴서(Cc1)의 충전의 개시에 있어서, 콘덴서(Cr, Cs, Ct)로부터 클램프 콘덴서(Cc1)로 돌입 전류가 흐르는 것을 방지할 수 있다.
또한, 콘덴서(Cr, Cs, Ct)로부터 클램프 콘덴서(Cc1)로의 돌입 전류를 피하면서도, 클램프 콘덴서(Cc1)를 충전하기 위한 전용 충전 회로가 불필요하므로, 회로 규모 및 제조 비용을 저감시킬 수 있다.
또한, 도 2에 있어서는 트랜지스터(Txp, Txn)로서 접합형 전해 효과 트랜지스터(Junction Field Effect Transistor, 이하, J-FET라고 부름)를 채용하고 있다. J-FET는 노멀리 온형의 스위치 소자이며, 그 구성이 IGBT 등에 비하여, 간이하다.
또한, 종래에는 트랜지스터(Txp, Txn)로서 노멀리 오프형의 스위치 소자를 채용하고 있었다. 따라서, 종래에는 노멀리 온형의 J-FET를 채용하기 위하여, 이것과 MOS-FET(metal-oxide-semiconductor field-effect transistor)를 캐스 코드 접속하고 있었다. 도 4는 상기 하이브리드 소자를 도시하고 있다. J-FET(51)와 MOS-FET(52)가 캐스 코드 접속되어 있다. 이와 같은 하이브리드 소자는 상술한 비특허문헌 3에 기재되어 있다.
한편, 본 직접형 전력 변환 장치에서는 트랜지스터(Txp, Txn)는 노멀리 온형의 스위치이므로, 트랜지스터(Txp, Txn)로서 간이한 구성인 J-FET를 그대로 채용할 수 있다. 이에 의해, 제조 비용의 저감을 초래할 수 있다. 또한, 트랜지스터(Txp, Txn)로서 SiC, GaN 등의 와이드 밴드 갭 소자를 채용할 때에 제작이 용이한 접합형 전계 효과 트랜지스터를 적용할 수 있다. 이에 의해 직접형 전력 변환 장치의 고캐리어화에 의한 제어 성능 및, 변환 효율을 향상시킬 수 있다.
도 5는 직접형 전력 변환 장치의 개념적인 구성의 다른 일례를 도시하고 있다. 도 1에 도시하는 직접형 전력 변환 장치와 비교하여, 클램프 회로(2)의 구성이 상이하다.
클램프 회로(2)는 클램프 콘덴서(Cc1, Cc2)와 다이오드(D1 내지 D3)를 구비하고 있다. 클램프 콘덴서(Cc1, Cc2)는 직류 전원선(L1, L2) 사이에서 서로 직렬로 접속되어 있다. 클램프 콘덴서(Cc2)는 클램프 콘덴서(Cc1)에 대하여 직류 전원선(L2)측에 설치되어 있다.
다이오드(D1)는 클램프 콘덴서(Cc1, Cc2)의 사이에 설치되고, 그 애노드가 클램프 콘덴서(Cc1)에, 그 캐소드가 클램프 콘덴서(Cc2)에 각각 접속되어 있다. 다이오드(D2)의 애노드가 클램프 콘덴서(Cc2)와 다이오드(D1) 사이에, 그 캐소드가 직류 전원선(L1)에 각각 접속되어 있다. 다이오드(D3)의 애노드가 직류 전원선(L2)에, 그 캐소드가 클램프 콘덴서(Cc1)와 다이오드(D1) 사이에 각각 접속되어 있다.
이와 같은 클램프 회로(2)는 다음과 같이 작용한다. 전압형 인버터(3)측에 예를 들어 유도성 부하가 접속된 경우, 이에 흐르는 음하 전류는, 그 부하역률에 의존하여, 직류 전원선(L1, L2) 사이의 전압에 대하여 지연되는 경우가 있다. 이 경우에는 유도성 부하로부터 직류 전원선(L1)으로 환류 전류가 흐르는 기간이 존재하고, 클램프 콘덴서(Cc1, Cc2)는 서로 직렬 상태에서 충전된다. 이때의 충전 전압[클램프 콘덴서(Cc1, Cc2)의 1세트의 양단부 전압]도 부하역률에 기초하여 결정된다. 한편, 클램프 콘덴서(Cc1, Cc2)의 각각의 양단부 전압이, 직류 전원선(L1, L2)의 사이의 전압보다 상승하면, 클램프 콘덴서(Cc1, Cc2)는 서로 병렬 상태에서 방전한다. 또한, 클램프 콘덴서(Cc1, Cc2)는 서로 직렬 상태에서 충전하고, 서로 병렬 상태에서 방전하므로, 방전 전압은 충전 전압의 1/2이다.
이와 같은 충방전 동작에 의해 클램프 콘덴서(Cc1, Cc2)의 전압이 평형하도록 작용한다.
이상과 같이, 유도성 부하로부터의 환류 전류를 충전하고, 또한 방전하여 유도성 부하로 다시 공급할 수 있으므로, 유도성 부하를 효율적으로 구동할 수 있다. 또한, 클램프 회로(2)는 스위치 소자 등의 소위 능동 소자를 필요로 하고 있지 않으므로, 소비 전력이나 제조 비용을 저감시킬 수 있다.
<제2 실시 형태>
도 6은 제2 실시 형태에 관한 직접형 전력 변환 장치의 개념적인 구성의 일례를 나타낸다. 도 1에 도시하는 직접형 전력 변환 장치와 비교하여, 제어부(4)를 더 구비하고 있다.
제어부(4)는 클램프 콘덴서(Cc1)의 양단부와 접속되고, 클램프 콘덴서(Cc1)의 양단부 전압을 동작 전원으로서 사용한다. 제어부(4)는 전류형 컨버터(1)[보다 구체적으로는 트랜지스터(Txp, Txn)]로 신호(SSxp, SSxn)를 제공하고, 전압형 인버터(3)[보다 구체적으로는 트랜지스터(Typ, Tyn)]로 신호(SSyp, SSyn)를 제공한다.
트랜지스터(Txp, Txn, Typ, Tyn)는 각각 신호(SSxp, SSxn, SSyp, SSyn)에 기초하여 그 도통/비도통이 제어된다.
이와 같은 직접형 전력 변환 장치에 따르면, 제어부(4)에 동작 전원을 부여하는 정류 회로를 생략할 수 있으므로 회로 규모나 제조 비용을 저감시킬 수 있다.
도 7은 직접형 전력 변환 장치의 개념적인 구성의 다른 일례를 도시한다. 단, 도 7에 있어서는 클램프 회로(2)보다도 후단을 생략하여 나타내고 있다. 도 5에 나타내는 직접형 전력 변환 장치와 비교하여, 클램프 콘덴서(Cc1, Cc2)의 양단부에 각각 저항(R1, R2)이 접속되어 있다. 상기 저항(R1, R2)은 제어부(4)를 의사적으로 저항으로서 나타낸 것이다. 예를 들어, 저항(R1)은 제어부(4) 중, 컨버터(1)측의 제어부, 저항(R2)은 인버터(3)측의 제어부로 할 수 있고, 저항(R1, R2)으로 각각 나타내어지는 제어부가 거의 동등한 부하가 되도록 선택하는 것이 바람직하다.
제어부(4)는 클램프 콘덴서(Cc1, Cc2)의 양단부 전압을 동작 전원으로서 사용한다. 따라서 제어부(4)에 동작 전원을 부여하는 정류 회로를 생략할 수 있고, 이로써 회로 규모나 제조 비용을 저감시킬 수 있다.
<제3 실시 형태>
도 8은 제3 실시 형태에 관한 직접형 전력 변환 장치의 개념적인 구성의 일례를 나타낸다. 단, 도 8에 있어서는 클램프 회로(2)보다도 후단을 생략하여 나타내고 있다. 도 1에 도시하는 직접형 전력 변환 장치와 비교하여 저항(R3, R4), 스위치(S1, S2)를 더 구비하고 있다.
저항(R3, R4)은 입력선(ACLr, ACLs, ACLt)의 적어도 어느 두 개에 설치되어 있다. 예를 들어 저항(R3, R4)은 입력선(ACLr, ACLt) 상에 설치되어 있다.
이에 의해, 클램프 콘덴서(Cc1)의 충전시에 전원(E1)으로부터 클램프 콘덴서(Cc1)로 흐르는 전류가 저항(R3, R4)을 통하므로, 전원(E1)으로부터 클램프 콘덴서(Cc1)로 흐르는 돌입 전류를 저감시킬 수 있다. 따라서, 예를 들어 클램프 콘덴서(Cc1)로서 전기 용량이 큰 전해 콘덴서를 채용해도, 돌입 전류가 문제가 되지 않는다.
스위치(S1, S2)는 예를 들어 노멀리 오프형의 릴레이이며, 각각 저항(R3, R4)과 병렬로 접속되어 있다. 클램프 콘덴서(Cc1)가 충전된 후에 스위치(S1, S2)를 도통시킴으로써, 통상 운전에 있어서 저항(R3, R4)에서 발생하는 손실을 피할 수 있다.
또한, 도 8에 있어서의 클램프 회로(2)를, 도 5에 도시하는 클램프 회로(2)로 치환해도 된다.
본 발명은 상세하게 설명되었지만, 상기한 설명은, 모든 국면에 있어서, 예시이며, 본 발명이 그에 한정되는 것은 아니다. 예시되고 있지 않은 무수한 변형예가, 본 발명의 범위로부터 벗어나지 않고 상정될 수 있는 것으로 해석된다.

Claims (5)

  1. 상호간에 다상 교류 전압이 인가되는 복수의 입력선(ACLr, ACLs, ACLt)과,
    상기 복수의 입력선의 상호간에 개재하는 복수의 콘덴서(Cr, Cs, Ct)와,
    제1 직류 전원선(L1)과,
    상기 제1 직류 전원선보다도 낮은 전위가 인가되는 제2 직류 전원선(L2)과,
    상기 복수의 입력선의 각각에 대응하여 설치되고, 애노드가 상기 복수의 입력선 중 대응하는 하나의 측에, 캐소드가 상기 제1 직류 전원선측에 각각 접속된 제1 다이오드(Drp, Dsp, Dtp)와, 애노드가 상기 제2 직류 전원선측에, 캐소드가 상기 복수의 입력선 중 상기 대응하는 하나의 측에 각각 접속된 제2 다이오드(Drn, Dsn, Dtn)와, 상기 복수의 입력선의 각각에 대응하여 설치되고, 외부로부터의 신호(SSrp, SSrn;SSsp, SSsn;SStp, SStn)에 기초하여, 상기 복수의 입력선 중 상기 대응하는 하나와 상기 제1 직류 전원선과의 사이의 상기 제1 다이오드를 통한 도통/비도통, 및 상기 복수의 입력선 중 상기 대응하는 하나와 상기 제2 직류 전원선과의 사이의 상기 제2 다이오드를 통한 도통/비도통을 선택하고, 상기 신호를 수취하지 않는 상태에서, 상기 복수의 입력선 중 상기 대응하는 하나를 상기 제1 및 상기 제2 직류 전원선과 도통시키는, 스위치부(Trp, Tsp, Ttp, Trn, Tsn, Ttn)를 갖는 컨버터(1)와,
    상기 제1 및 상기 제2 직류 전원선의 사이에서 접속되는 클램프 콘덴서(Cc1,Cc2)를 구비하는 전력 변환 장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 스위치부(Trp, Tsp, Ttp, Trn, Tsn, Ttn)는 접합형 전계 효과 트랜지스터를 갖는 전력 변환 장치.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 애노드가 상기 제1 직류 전원선(L1)측에, 캐소드가 상기 제2 직류 전원선(L2)측에 각각 위치하고, 상기 클램프 콘덴서와 직렬로 접속된 제3 다이오드(D1)와,
    복수의 출력선(ACLu, ACLv, ACLw)과,
    상기 복수의 출력선 중 하나와, 상기 제1 직류 전원선과의 사이의 도통/비도통을 선택하는 하이 아암측 스위치 소자(Sup, Svp, Swp)와, 상기 복수의 출력선 중 상기 하나와, 상기 제2 직류 전원선과의 사이의 도통/비도통을 선택하는 로우 아암측 스위치 소자(Sun, Svn, Swn)를 갖는 인버터(3)를 더 구비하는 전력 변환 장치.
  4. 제3항에 있어서, 상기 하이 아암측 스위치 소자(Sup, Svp, Swp) 및 상기 로우 아암측 스위치 소자(Sun, Svn, Swn)는 절연 게이트 바이폴라 트랜지스터를 갖는 전력 변환 장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 제1 및 상기 제2 직류 전원선의 사이에서 접속되는 다이오드(D1, D2, D3)를 더 구비하고,
    상기 다이오드(D1)의 애노드는 상기 클램프 콘덴서(Cc1)에 접속되고, 상기 다이오드(D1)의 캐소드는 클램프 콘덴서(Cc2)에 접속되며,
    상기 다이오드(D2)의 애노드는 상기 클램프 콘덴서(Cc2)와 상기 다이오드(D1) 사이에 접속되고, 상기 다이오드(D2)의 캐소드는 상기 제1 직류 전원선(L1)에 접속되며,
    상기 다이오드(D3)의 애노드는 상기 제2 직류 전원선(L2)에 접속되고, 상기 다이오드(D3)의 캐소드는 상기 클램프 콘덴서(Cc1)와 상기 다이오드(D1) 사이에 접속되는, 전력 변환 장치.
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