WO2019097699A1 - 電力変換装置 - Google Patents

Abstract

コンデンサの静電容量の温度による変動を抑制できるとともに、コンデンサにおける電流アンバランスを抑制できる電力変換装置を開示する。本電力変換装置（１０１ａ）は、電力変換主回路と、電力変換回路の入力側もしくは出力側に接続され、高調波電流を吸収する複数のコンデンサ（４１，４２）とを備え、複数のコンデンサは、互いに並列接続される第１のコンデンサ（４１）および第２のコンデンサ（４２）を含み、第１のコンデンサ（４１）は静電容量に正の温度特性を有し、第２のコンデンサ（４２）は静電容量に負の温度特性を有し、さらに、第１のコンデンサ（４１）は静電容量に負の周波数特性を有し、第２のコンデンサ（４２）は静電容量に正の周波数特性を有する。もしくは、第１のコンデンサ（４１）は等価直列抵抗に負の温度特性を有し、第２のコンデンサ（４２）は等価直列抵抗に正の温度特性を有する。

Description

電力変換装置

　本発明は、平滑コンデンサを備える電力変換装置に関する。

　絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ）等の高速半導体スイッチング素子を用いた電力変換装置が様々な分野で使用されている。近年、半導体技術の進歩により大容量の半導体モジュールが実現され、大容量の電力変換装置の小型化が進んでいる。

　電力変換装置を大容量化するためには、半導体モジュールが複数並列接続される。この場合、電圧安定用の平滑コンデンサの充放電電流が大きくなるため、平滑コンデンサの電圧の変動が大きくなる。充放電電流を抑制するためには、コンデンサを複数並列接続して平滑コンデンサを構成することにより、平滑コンデンサの静電容量を増加させる。また、平滑用の小容量のコンデンサを備える変換器セルを複数並列接続して大容量の電力変換装置を構成することにより、コンデンサを並列接続して電力変換装置の平滑コンデンサの静電容量を増加する。

　複数のコンデンサが並列接続されると、コンデンサの静電容量とコンデンサ間の配線インダクタンスおよびコンデンサの内部インダクタンスによりＬＣ共振現象が発生する可能性がある。共振周波数と、スイッチング素子のスイッチング周波数およびその整数倍の周波数が一致すると、共振経路のインピーダンスが小さくなり、コンデンサ電流が大幅に増大する。コンデンサ電流が増大すると、コンデンサの電力損失が大きくなったり、コンデンサの寿命が低下したりする。

　このような共振現象に伴うコンデンサ電流の増大は、配線インダクタンスやスイッチング周波数の調整や最適化などによって抑制できる。しかし、コンデンサの静電容量に温度特性があるため、温度が変動すると共振周波数が変動して、コンデンサ電流が増大する怖れがある。また、静電容量の温度特性は、平滑コンデンサの静電容量自体を変動させる。

　これに対し、平滑コンデンサの静電容量の温度変動を抑制する従来技術として、特許文献１に記載される技術が知られている。

　本技術では、温度上昇により静電容量が増大する正の温度特性を持つコンデンサと、温度上昇により静電容量が減少する負の温度特性を持つコンデンサが並列接続される。これにより、温度変化に対する静電容量の変化が相殺される。

特開２００８－６１４７２号公報

　上記の従来技術では、温度変化による平滑コンデンサの静電容量の変動は抑制できるが、個々のコンデンサの静電容量は異なるため、各コンデンサに流れる電流がアンバランスになる。このため、平滑コンデンサにおいて電流集中が生じるため、平滑コンデンサの寿命劣化を起こす恐れがある。

　そこで、本発明は、コンデンサの静電容量の温度による変動を抑制できるとともに、コンデンサにおける電流アンバランスを抑制できる電力変換装置を提供する。

　上記課題を解決するために、本発明による電力変換装置は、電力変換回路の入力側もしくは出力側に接続され、高調波電流を吸収する複数のコンデンサと、を備えるものであって、複数のコンデンサは、互いに並列接続される第１のコンデンサおよび第２のコンデンサを含み、第１のコンデンサおよび第２のコンデンサは、静電容量と等価直列抵抗とインダクタンスとを成分とする内部インピーダンスを有し、第１のコンデンサは静電容量に正の温度特性を有し、第２のコンデンサは静電容量に負の温度特性を有し、さらに、第１のコンデンサおよび第２のコンデンサの温度変動に対する静電容量の変動に伴う、第１のコンデンサおよび第２のコンデンサにおける高調波電流のアンバランスの増大を、内部インピーダンスの成分のいずれかの変化によって緩和する。

　また、上記課題を解決するために、本発明による電力変換装置は、電力変換主回路と、電力変換回路の入力側もしくは出力側に接続され、高調波電流を吸収する複数のコンデンサと、を備えるものであって、複数のコンデンサは、互いに並列接続される第１のコンデンサおよび第２のコンデンサを含み、第１のコンデンサは静電容量に正の温度特性を有し、第２のコンデンサは静電容量に負の温度特性を有し、さらに、第１のコンデンサは静電容量に負の周波数特性を有し、第２のコンデンサは静電容量に正の周波数特性を有する。

　また、上記課題を解決するために、電力変換主回路と、電力変換回路の入力側もしくは出力側に接続され、高調波電流を吸収する複数のコンデンサと、を備えるものであって、複数のコンデンサは、互いに並列接続される第１のコンデンサおよび第２のコンデンサを含み、第１のコンデンサは静電容量に正の温度特性を有し、第２のコンデンサは静電容量に負の温度特性を有し、さらに、第１のコンデンサは等価直列抵抗に負の温度特性を有し、第２のコンデンサは等価直列抵抗に正の温度特性を有する。

　本発明によれば、電力変換回路の入力側もしくは出力側に接続されるコンデンサの静電容量の温度による変動を抑制できるとともに、平滑コンデンサにおける電流アンバランスを抑制できる
　上記した以外の課題、構成および効果は、以下の実施形態の説明により明らかにされる。

本発明の実施例１である電力変換装置の構成を示す回路図である。 ＬＣ共振の周波数特性を示す。 各平滑コンデンサの静電容量の温度特性を示す。 各平滑コンデンサの静電容量の周波数特性を示す。 実施例１の変形例である電力変換装置を示す。 実施例１の他の変形例である電力変換装置を示す。 本発明の実施例２である電力変換装置の構成を示す回路図である。 各平滑コンデンサの等価直列抵抗の温度特性を示す。 実施例２の変形例である電力変換装置を示す。 実施例２の他の変形例である電力変換装置を示す。 本発明の実施例３である電力変換装置の構成を示す回路図である。 実施例３において電力変換装置のＰＷＭ制御に用いられるキャリアと変調波を示す。 コンデンサの等価回路を示す。 コンデンサのインピーダンスの周波数特性の一例を示す。 本発明の実施例４である電力変換装置の構成を示す回路図である。 実施例４の変形例である電力変換装置を示す。 本発明の実施例５である電力変換装置の構成を示す回路図である。 コンデンサの素子寿命と使用温度との関係を示す。 実施例５の変形例である電力変換装置を示す。 実施例５の他の変形例である電力変換装置を示す。

　本発明の一実施形態である電力変換装置は、電力変換用の半導体素子から構成される電力変換主回路と、電力変換回路の入力側もしくは出力側に接続され、高調波電流を吸収する複数のコンデンサ（例えば、平滑コンデンサやフィルタコンデンサ）を備える。この複数のコンデンサは、互いに並列接続される第１のコンデンサおよび第２のコンデンサを含み、これらのコンデンサは、静電容量と等価直列抵抗とインダクタンスとを成分とする内部インピーダンスを有する。なお、第１のコンデンサおよび第２のコンデンサの等価回路は、公知のコンデンサと同様に、これら成分の直列接続回路となる。

　ここで、第１のコンデンサは静電容量に正の温度特性を有し、第２のコンデンサは静電容量に負の温度特性を有する。これにより、第１のコンデンサおよび第２のコンデンサの並列接続の総静電容量の温度変化が抑制される。従って、高調波電流を吸収する機能は変動することなく維持される。しかし、個々のコンデンサの静電容量の値は異なるため、第１のコンデンサと第２のコンデンサが吸収する高調波電流の大きさがばらつく怖れがある。

　そこで、本実施形態においては、第１のコンデンサおよび第２のコンデンサの温度変動に対する静電容量の変動に伴う、第１のコンデンサおよび第２のコンデンサにおける高調波電流のアンバランスの増大を、内部インピーダンスの成分、すなわち静電容量と等価直列抵抗とインダクタンスのいずれかの変化によって緩和する。

　以下、本発明の実施形態について、下記の実施例１～５により、図面を用いながら、より具体的に説明する。各図において、参照番号が同一のものは同一の構成要件あるいは類似の機能を備えた構成要件を示している。

　図１は、本発明の実施例１であ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１０１ａにおいては、入力端子１ａ，１ｂ間に直流電源１が接続され、この直流電源１に、半導体スイッチング素子２によって構成される電力変換主回路の直流側が、複数の平滑コンデンサ４１，４２を介して接続される。また、電力変換主回路の交流側、すなわち電力変換回路の出力は、負荷６に接続される。

　なお、本実施例１において、平滑コンデンサ４１は、静電容量に正の温度特性を有する。また、平滑コンデンサ４１と並列に接続される平滑コンデンサ４２は、静電容量に負の温度特性を有する。従って、本実施例においては、温度変化に伴う、平滑コンデンサ４１および平滑コンデンサ４２の静電容量の変化量の正負が互いに逆である。これにより、平滑コンデンサ４１および平滑コンデンサ４２の静電容量の変化量が、互いに相殺し合い、平滑コンデンサ群４ａの総静電容量の値の温度変動が抑制される。例えば、各変化量の絶対値を実質同じ値にすれば、平滑コンデンサ群４ａの総静電容量は、温度が変動しても、一定に保たれる。

　複数の平滑コンデンサ４１，４２は、配線インダクタンス５を介して、互いに並列に接続され、平滑コンデンサ群４ａを構成する。実装状態では、平滑コンデンサ群４ａを構成する平滑コンデンサ４１，４２は互いに隣接して配置される。

　平滑コンデンサ群４ａは、配線インダクタンス１０ａおよび入力端子１ａ，１ｂを介して直流電源１に接続される。従って、本実施例１では、平滑コンデンサ４１は、配線インダクタンス５，１０ａの内、配線インダクタンス１０ａを介して直流電源に並列に接続され、配線インダクタンス５を介して電力変換主回路の直流側に並列に接続される。また、平滑コンデンサ４２は、配線インダクタンス５，１０ａの内、配線インダクタンス５および１０ａを介して直流電源に並列に接続され、配線インダクタンス５および１０ａを介することなく電力変換主回路の直流側に並列に接続される。なお、本実施例において、配線インダクタンス５の値は、配線インダクタンス１０ａの値よりも十分小さい。すなわち、平滑コンデンサ４１，４２間の配線長は、平滑コンデンサ群４ａと直流電源１との間の配線長よりも十分短い。

　なお、本実施例１において、電力変換主回路は、半導体スイッチング素子２からなる三相フルブリッジ回路を備える三相インバータであり、負荷６は、三相交流電動機などの三相交流負荷である。また、半導体スイッチング素子２としては、ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）やＭＯＳＦＥＴ（Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor）等が適用される（図１中には、ＩＧＢＴを記す）。なお、図１中では、三相フルブリッジ回路の一つのアームが、一個の半導体スイッチング素子２から構成されているが、これに限らず、複数の半導体スイッチング素子の直並列接続から構成されても良い。

　電力変換装置１０１ａは、電力変換主回路を構成する半導体スイッチング素子２をＰＷＭ制御（ＰＷＭ：Pulse Width Modulation）等のスイッチング制御によってオン・オフすることにより、直流電源１から供給される直流電力を交流電力へ変換し、この交流電力を負荷６に出力する。すなわち、電力変換装置１０１ａは、逆変換器（インバータ）である。このとき、平滑コンデンサ群４にはリプル電流が流れるが、リプル電流の大きさは、平滑コンデンサ４１の静電容量と、平滑コンデンサ４２の静電容量、平滑コンデンサ４１と平滑コンデンサ４２間の配線インダクタンス５によるＬＣ共振に依存する。

　図２は、ＬＣ共振の周波数特性を示す。半導体スイッチング素子２のスイッチング周波数が、共振周波数１１８に一致すると、平滑コンデンサ群４ａには大きなリプル電流が流れる。リプル電流が増大すると、コンデンサ温度が上昇する。このため、静電容量に正の温度特性を有する平滑コンデンサ４１は静電容量が増大する。また、静電容量に負の温度特性を有する平滑コンデンサ４２は静電容量が減少する。

　ここで、コンデンサ電流ｉは、静電容量をＣとし、コンデンサ電圧をＶとして、式（１）によって表される。ｄＶ／ｄｔはコンデンサ電圧の時間変化率を示す。

　式（１）が示すようにコンデンサ電流は静電容量に比例するため、温度の変動に対し平滑コンデンサ群４ａとして総静電容量の変動が抑制されても、温度上昇によって静電容量が増大する平滑コンデンサ４１では電流が増大し、温度上昇によって静電容量が減少する平滑コンデンサ４２は電流が減少する。その結果、平滑コンデンサ４１に流れる電流と平滑コンデンサ４２に流れる電流とにアンバランスが生じる。アンバランスが生じると、電流が増大する平滑コンデンサ４１はさらに温度上昇するため、平滑コンデンサ４１の静電容量および電流がさらに増大する。

　このような電流のアンバランスは、半導体スイッチング素子２のスイッチング周波数が、平滑コンデンサ群４ａにおけるＬＣ共振の共振周波数に近い場合に顕著になる。これは、温度上昇によって平滑コンデンサ４１および平滑コンデンサ４２の静電容量の値に差異が生じるのに加えて、半導体スイッチング素子２のスイッチングに伴って平滑コンデンサ４１，４２に流れるリプル電流における共振周波数に近い周波数成分が多くなるためである。電流のアンバランスが顕著になると、平滑コンデンサ４１に電流集中が起きるので、平滑コンデンサ４１の寿命が低下する怖れがある。

　これに対し、本実施例１においては、以下に説明するように、平滑コンデンサ４１および平滑コンデンサ４２の特性を異ならしめる。

　図３は、平滑コンデンサ４１と平滑コンデンサ４２の静電容量の温度特性を示す。なお、縦軸は静電容量の変化分を示し、横軸は温度を示す。

　図３に示すように、平滑コンデンサ４１の静電容量は正の温度特性１０２ｂを有し、平滑コンデンサ４２の静電容量は負の温度特性１０２ａを示す。

　図４は、平滑コンデンサ４１と平滑コンデンサ４２の静電容量の周波数特性を示す。なお、縦軸は静電容量の変化分を示し、横軸は周波数を示す。

　図４に示すように、平滑コンデンサ４１の静電容量は負の周波数特性１０３ｂを有し、平滑コンデンサ４２の静電容量は正の周波数特性１０３ａを示す。

　このように、平滑コンデンサ４１の静電容量は、正の温度特性および負の周波数特性を有するため、温度上昇による静電容量の増大が、共振周波数に近い高周波数においては、負の周波数特性による静電容量の減少によって相殺される。このため、平滑コンデンサ４１に流れる電流の増大が抑制される。また、平滑コンデンサ４２の静電容量は、負の温度特性および正の周波数を有するため、温度上昇による静電容量の減少が、共振周波数に近い高周波数においては、正の周波数特性による静電容量の増大によって相殺される。このため、平滑コンデンサ４１に流れる電流の減少が抑制される。このため、平滑コンデンサ４１と平滑コンデンサ４２の電流アンバランスの増大が防止される。

　上述のような平滑コンデンサ４１，４２のように、静電容量の温度特性および周波数特性が互いに異なる平滑コンデンサとしては、誘電体フィルム材料が互いに異なるフィルムコンデンサが適用される。誘電体フィルム材料は、ポリプロピレン（polypropylene）、ポリエチレンテレフタラート（polyethylene terephthalate）、ポリフェニレンサルファルド（polyphenylene sulfide）、ポリエチレン（polyethylene）、ポリエステル（polyester）などから適宜選択される。例えば、平滑コンデンサ４１としては、ポリプロピレンを誘電体フィルム材料とするフィルムコンデンサが適用され、平滑コンデンサ４２としては、ポリエチレンテレフタラートを誘電体フィルム材料としたフィルムコンデンサが適用される。なお、これらのフィルムコンデンサに限らず、静電容量の正負の温度特性および周波数特性が得られるコンデンサであれば、電解コンデンサやセラミックコンデンサなどを適用しても良い。

　なお、フィルムコンデンサは、一般に、比較的耐電圧が高く、低損失である。このような特徴は、電力変換装置に好適である。しかし、フィルムコンデンサは、静電容量に温度特性を有する。従って、本実施例１は、特に、フィルムコンデンサが適用される場合に、好適である（後述の、各実施例および各変形例についても、同様）。

　図５は、実施例１の変形例である電力変換装置を示す。以下、実施例１と異なる点について、説明する。なお、配線インダクタンス５のインダクタンスの値は、実施例１（図１）と同様に、配線インダクタンス１０ｂ（図１における配線インダクタンス１０ａに対応）の値よりも十分小さい（後述の図６の変形例も同様）。

　本変形例において、電力変換装置１０１ｂ（図５）は、回路構成は実施例１（図１）と同様であるが、実施例１とは異なり順変換器として動作する。

　図５に示すように、半導体スイッチング素子２から構成される電力変換主回路の交流側には交流電源７が接続され、電力変換主回路の直流側には平滑コンデンサ群４ａおよび配線インダクタンス１０ｂを介して負荷６が接続される。

　電力変換装置１０１ｂは、交流電源７から供給される交流電力を直流電力へ変換し、この直流電力を負荷６に出力する。なお、本変形例において、交流電源７は三相交流電源であり、負荷６は直流負荷である。

　本変形例における平滑コンデンサ群４ａは、実施例１と同様の構成を有するので、本変形例においても、上述の実施例１と同様の効果が得られる。

　図６は、実施例１の他の変形例である電力変換装置を示す。以下、実施例１と異なる点について、説明する。

　図６に示すように、本変形例において、電力変換主回路は、ダイオード９からなる三相フルブリッジ回路を備える整流器である。従って、電力変換装置１０１ｃは、順変換器として動作し、交流電源７から供給される交流電力を直流電力へ変換し、この直流電力を負荷６に出力する。なお、本変形例において、交流電源７は三相交流電源であり、負荷６は直流負荷である。

　本変形例における平滑コンデンサ群４ａは、実施例１と同様の構成を有するので、本変形例においても、上述の実施例１と同様の効果が得られる。

　次に、本発明の実施例２について説明するが、主に、実施例１と異なる点について説明する。

　図７は、本発明の実施例２である電力変換装置の構成を示す回路図である。

　図７に示すように、平滑コンデンサ群４ｂにおいて、平滑コンデンサ４３および平滑コンデンサ４４が、配線インダクタンス５を介して並列に接続される。実施例１と同様に、平滑コンデンサ４３は静電容量に正の温度特性を有し、平滑コンデンサ４４は静電容量に負の温度特性を有する。このため、実施例１と同様に、平滑コンデンサ群４ｂとしては、総静電容量の温度変化が抑制される。さらに、本実施例２において、平滑コンデンサ４３，４４は、後述するように、コンデンサの等価直列抵抗の温度特性が互いに異なっている。なお、平滑コンデンサ群４ｂ以外の電力変換装置１０１ｄの回路構成は、実施例１（図１）と同様である。

　図８は、平滑コンデンサ４３と平滑コンデンサ４４の等価直列抵抗の温度特性を示す。なお、縦軸は等価直列抵抗の変化分を示し、横軸は温度を示す。

　図８に示すように、平滑コンデンサ４３の等価直列抵抗は正の温度特性１０２ｃを有し、平滑コンデンサ４４の等価直列抵抗は負の温度特性１０３ｃを有する。

　図８に示すように、平滑コンデンサ４３においては、等価直列抵抗が正の温度特性を有するので、温度が上昇すると等価直列抵抗が増大する。このため、平滑コンデンサ４３に流れる電流の増大が抑制される。また、平滑コンデンサ４４においては、等価直列抵抗が負の温度特性を有するので、温度が上昇すると等価直列抵抗が減少する。このため、平滑コンデンサ４４に流れる電流の減少が抑制される。従って、静電容量の温度特性の正負の違いに伴う、平滑コンデンサ４３と平滑コンデンサ４２の電流アンバランスの増大が防止される。

　上述のような平滑コンデンサ４３，４４のように、静電容量の温度特性および等価直列抵抗の温度特性が互いに異なる平滑コンデンサとしては、誘電体フィルム材料が互いに異なるフィルムコンデンサが適用される。実施例１と同様に、誘電体フィルム材料は、ポリプロピレン、ポリエチレンテレフタラート、ポリフェニレンサルファルド、ポリエチレンなどから適宜選択される。例えば、平滑コンデンサ４３としては、ポリプロピレンを誘電体フィルム材料とするフィルムコンデンサが適用され、平滑コンデンサ４４としては、ポリエチレンテレフタラートを誘電体フィルム材料としたフィルムコンデンサが適用される。なお、これらのフィルムコンデンサに限らず、静電容量の正負の温度特性および等価直列抵抗の正負の温度特性が得られるコンデンサであれば、電解コンデンサやセラミックコンデンサなどを適用しても良い。

　図９は、実施例２の変形例である電力変換装置を示す。なお、本変形例は、前述の実施例１の変形例（図５）に対応する。

　図９に示すように、本変形例において、電力変換装置１０１ｅ（図９）は、回路構成は実施例２（図７）と同様であるが、実施例２とは異なり順変換器として動作する。

　図１０は、実施例２の他の変形例である電力変換装置を示す。なお、本変形例は、前述の実施例１の他の変形例（図６）に対応する。

　図１０に示すように、本変形例において、電力変換主回路は、ダイオード９からなる三相フルブリッジ回路を備える整流器である。従って、電力変換装置１０１ｆは、順変換器として動作する。

　これら図９および図１０に示す実施例２の変形例における平滑コンデンサ群４ｂは、実施例２と同様の構成を有するので、これら変形例においても、上述の実施例２と同様の効果が得られる。

　次に、本発明の実施例２について説明するが、主に、実施例１，２と異なる点について説明する。

　図１１は、本発明の実施例３である電力変換装置の構成を示す回路図である。

　図１１に示すように、電力変換装置１０１ｇを含む回路構成は、実施例１（図１）および実施例２（図７）と同様であるが、本実施例３においては、平滑コンデンサ群４ｂと、半導体スイッチング素子２からなる電力変換主回路の直流側との間における直流端子１ｃ，１ｄ間に電圧センサ８が接続される。

　なお、平滑コンデンサ群４ｃにおける平滑コンデンサ４５は、実施例１（図１）における平滑コンデンサ４１と同様に、静電容量に正の温度特性および負の周波数特性を有する。また、平滑コンデンサ群４ｃにおける平滑コンデンサ４６は、実施例１（図１）における平滑コンデンサ４２と同様に、静電容量に負の温度特性および正の周波数特性を有する。

　電圧センサ８の検出値は、図示しない制御装置において、電力変換装置１０１ｇが出力する交流電力を制御するために用いられる。さらに、本実施例３においては、後述するように、電圧センサ８の検出値に基づき、平滑コンデンサ４５，４６の電流アンバランスの発生を検知したら、ＰＷＭ制御に用いるキャリア周波数を増大する。これにより、各平滑コンデンサのインピーダンスを増大させ、各平滑コンデンサに流れるリプル電流の大きさを抑制する。従って、過度な電流アンバランスが防止され、各平滑コンデンサの寿命劣化を防止することができる。

　まず、電圧センサ８による、平滑コンデンサ４５，４６の電流アンバランスの発生の検知について説明する。

　電圧センサ８は、電力変換装置１０１ｇの直流電圧入力電圧、すなわち平滑コンデンサ群４ｃの電圧値を検出する。図示しない制御装置は、電圧センサ８によって検出される電圧値に基づいて、平滑コンデンサ群４ｃの電圧変化の大きさを検出する。

　ここで、平滑コンデンサ群４ｃの電圧変化の大きさは、平滑コンデンサ群４ｃの充放電の速さを示し、前述の式（１）が示すように、平滑コンデンサ群４ｃの総静電容量の大きさによって変化する。特に、平滑コンデンサ群４ｃの総静電容量が減少して、平滑コンデンサ群４ｃのリプル除去性能が低下する場合には、充放電が速まるので、電圧変化の大きさが増加する。

　そこで、本実施例３においては、図示しない制御装置が、平滑コンデンサ群４ｃの電圧変化の大きさの検出値が予め設定される閾値を超えているか否かを判定することにより、平滑コンデンサ群４ｃの総静電容量が減少しているか否か、すなわち温度上昇に伴い平滑コンデンサ４５，４６の電流アンバランスが発生する状態であるか否かを判定する。

　次に、電流アンバランスが検知される場合における各平滑コンデンサのインピーダンスを増大について説明する。

　図１２は、本実施例３において電力変換装置のＰＷＭ制御（ＰＷＭ：Pulse Width Modulation）に用いられるキャリアと変調波を示す。

　図１２に示すような基本周波数を有する変調波１１６（電圧指令）と、変調波１１６よりも十分に高い周波数であり、半導体スイッチング素子２のスイッチング周波数に対応する高周波数を有する三角波キャリア１１７とを比較することにより、半導体スイッチング素子２のスイッチングパターンとなるＰＷＭパルスが生成される。なお、本実施例３におけるＰＷＭ制御は公知技術であり、さらに詳細な説明は省略する。

　図１２に示す三角波キャリア１１７の周波数、すなわち半導体スイッチング素子２のスイッチング周波数に相当する高周波数成分を含むリプル電流が、各平滑コンデンサに流れる。

　図１３は、コンデンサの等価回路を示す。

　図１３に示すように、コンデンサは、内部インダクタンス１１３と、静電容量１１４と、等価直列抵抗１１５（ＥＳＲ：Equivalent Series Resistance）の直列接続回路によって表わされる。内部インダクタンス１１３の大きさは、主にコンデンサの内部電極やリードなどの金属導体の構成に依存するので、温度依存性や周波数依存性は少ない。静電容量１１４の大きさは、誘電体の特性に依存するので、本実施例３および前述の実施例１，２のように、周波数特性や温度特性を有する。等価直列抵抗１１５は、誘電体および金属導体の電気抵抗成分から構成されるので、周波数特性や、前述の実施例２のように温度特性を有する。

　図１４は、コンデンサのインピーダンスの周波数特性の一例を示す。

　コンデンサのインピーダンスＺは、図１３に示す等価回路から、式（２）で表される。

　ここで、Ｒ，Ｌ，Ｃは、それぞれ、等価直列抵抗１１５、内部インダクタンス１１３、静電容量１１４を示す。また、ωは角周波数を示す。

　図１４は、式（２）で表されるＺの大きさとωとの関係、すなわちＲＬＣ直列共振特性の一例を示している。従って、本実施例３においては、平滑コンデンサ４５，４６の各インピーダンスがこのような共振特性を有している。

　図１４が示すように、周波数が共振点から離れると、インピーダンスは増大する。但し、式（２）から判るように、インピーダンスの大きさにおいて、低周波側では静電容量１１４によるリアクタンス成分が支配的になり、高周波側では内部インダクタンス１１３によるリアクタンス成分が支配的になる。そのため、低周波側ではコンデンサの静電容量１１４の違いがインピーダンスに与える影響が大きい。従って、温度上昇に伴って各平滑コンデンサの静電容量にばらつきが生じる場合、キャリアの周波数を通常よりも下げて平滑コンデンサのインピーダンスの大きさを増大させても、平滑コンデンサのインピーダンスの大きさがばらつくので、電流アンバランスを防止することが難しい。

　これに対し、高周波側ではコンデンサの内部インダクタンス１１３の違いがインピーダンスに与える影響が大きい。しかも、上述のように、内部インダクタンス１１３の温度依存性は小さい。従って、温度上昇に伴って各平滑コンデンサの静電容量にばらつきが生じる場合、キャリアの周波数を通常よりも高くして、各平滑コンデンサのインピーダンスの大きさを増大させることにより、各平滑コンデンサに流れるリプル電流の大きさが抑制されるので、過度な電流アンバランスを防止することができる。

　なお、実施例３における平滑コンデンサ群４ｃを、実施例２における平滑コンデンサ群４ｂように、静電容量に正の温度特性を有するとともに等価直列抵抗に負の温度依存性を有する平滑コンデンサと、静電容量に負の温度特性を有するとともに等価直列抵抗に正の温度依存性を有する平滑コンデンサとで構成しても、本実施例３と同様の効果が得られる。

　次に、本発明の実施例４について説明するが、主に、実施例１～３と異なる点について説明する。

　図１５は、本発明の実施例４である電力変換装置の構成を示す回路図である。

　図１５に示すように、本実施例３の電力変換装置は交流電力系統に接続される。なお、図１５においては、交流電力系統を、交流電源７、交流電源７と電力変換装置との間における系統インダクタンス１３１および寄生容量１３２によって示す。

　本実施例の電力変換装置は、実施例１～３（図１，７，１１）と同様に、半導体スイッチング素子２によって構成される電力変換主回路を備える。電力変換回路の直流側が、直流電力を蓄電する蓄電装置４が接続される。また、電力変換主回路の交流側が、高調波フィルタ１１９を介して、交流電力系統に接続される。電力変換主回路は、半導体スイッチング素子２をオン・オフ制御することにより、交流電力系統からの交流電力を直流電力に変換して蓄電装置４に蓄電したり、蓄電装置４からの直流電力を交流電力に変換して交流電力系統へ出力したりする。電力変換装置から出力される交流電力に含まれる高調波電流の交流電力系統への重畳は、高調波フィルタ１１９によって抑制される。

　高調波フィルタ１１９は、直列に接続されるリアクトルと、リアクトルの直列接続点に接続されるフィルタコンデンサによって構成されるＬＣフィルタ回路からなる。本実施例４において、このＬＣフィルタ回路は、直列に接続されるリアクトル１２０と、リアクトル１２０の直列接続点とグラウンド１２３との間に接続されるコンデンサ１２１，１２２によって構成される。コンデンサ１２１，１２２は、互いに並列接続されて、フィルタコンデンサを構成する。

　フィルタコンデンサにおけるコンデンサ１２１は、実施例１（図１）における平滑コンデンサ４１と同様に、静電容量に正の温度特性および負の周波数特性を有する。また、フィルタコンデンサにおけるコンデンサ１２２は、実施例１（図１）における平滑コンデンサ４２と同様に、静電容量に負の温度特性および正の周波数特性を有する。これにより、実施例１と同様に、温度変動に伴う、フィルタコンデンサの容量の変動を抑制できるとともに、フィルタコンデンサを構成する各コンデンサの電流アンバランスを抑制できる。従って、温度変動に対し、フィルタ性能を保持できるととともに、電流アンバランスによる高調波フィルタの寿命劣化を防止できる。

　図１６は、実施例４の変形例である電力変換装置を示す。以下、実施例４と異なる点について、説明する。

　図１６に示すように、本変形例において、電力変換主回路は、ダイオード９からなる三相フルブリッジ回路を備える整流器である。従って、電力変換装置は、順変換器として動作し、電力系統から供給される交流電力を直流電力へ変換して蓄電装置４に蓄電する。

　本変形例におけるフィルタコンデンサ群は、実施例４と同様の構成を有するので、本変形例においても、上述の実施例１と同様の効果が得られる。

　なお、実施例２と同様に、上述のコンデンサ１２１およびコンデンサ１２１を、それぞれ、静電容量に正の温度特性を有するとともに等価直列抵抗に負の温度依存性を有するコンデンサおよび静電容量に負の温度特性を有するとともに等価直列抵抗に正の温度依存性を有するコンデンサとしても、本実施例４と同様の効果が得られる。

　次に、本発明の実施例５について説明するが、主に、実施例１～４と異なる点について説明する。

　図１７は、本発明の実施例５である電力変換装置の構成を示す回路図である。

　図１７に示すように、本実施例５における電力変換装置は、実施例１と同様に三相インバータとして動作するが、実施例１（図１）と異なり、２個の平滑コンデンサ群４ａが２並列接続されている。

　実施例１と同様に、各平滑コンデンサ群４ａにおいて、平滑コンデンサ４１は、静電容量に正の温度特性および負の周波数特性を有し、平滑コンデンサ４２は、静電容量に負の温度特性および正の周波数特性を有する。

　これにより、実施例１と同様に、温度変動に伴う、各平滑コンデンサ群４ａの静電容量の変動を抑制できるとともに、各平滑コンデンサ群４ａにおける各コンデンサの電流アンバランスを抑制できる。従って、本実施例５によれば、平滑コンデンサ群４ａの並列接続により平滑コンデンサ全体としての総静電容量を増加させながらも、温度変動に伴う、総静電容量の変動を抑制できる。また、各コンデンサの電流アンバランスを抑制できるので、平滑コンデンサ全体としての寿命劣化が抑制できる。

　２個の平滑コンデンサ群４ａは、配線インダクタンス５を介して、互いに並列に接続される。実装状態では、２個の平滑コンデンサ群４ａは互いに隣接して配置されるので、図１７中の４個の平滑コンデンサが互いに隣接して配置される。例えば、実装状態において、２個の平滑コンデンサ群４ａを構成する一群の平滑コンデンサ（図１７中では、４個の平滑コンデンサ）は、隣接する２個の平滑コンデンサが平滑コンデンサ４１および平滑コンデンサ４２となるように、配置される。

　図１８は、コンデンサの素子寿命と使用温度との関係を示す。

　図１８に示すように、また、良く知られているように、コンデンサの素子寿命は、使用温度が１０℃増加すると半減する。このように、コンデンサの寿命は温度に大きく影響される。

　本実施例５のように、複数の平滑コンデンサが互いに隣接して配置される場合、各平滑コンデンサの使用温度は、自己発熱や周囲温度だけでなく、隣接する他の平滑コンデンサの発熱にも影響される。このため、電流集中によりある平滑コンデンサの発熱が増加すると、この平滑コンデンサが温度上昇するだけでなく、隣接する他の平滑コンデンサの温度も上昇する。このため、複数の平滑コンデンサ全体としての寿命劣化が大きくなる恐れがある。

　これに対し、本実施例５では、各平滑コンデンサ群４ａが、静電容量に正の温度特性および負の周波数特性を有する平滑コンデンサ４１と、静電容量に負の温度特性および正の周波数特性を有する平滑コンデンサ４２とによって構成されるので、温度変動に対して、複数の平滑コンデンサ全体としての総静電容量の変動が抑制されるとともに、電流アンバランスにともなう電流集中およびそれによる発熱の増大を抑制することができる。従って、複数の平滑コンデンサ全体としての寿命劣化が抑制できる。

　図１９は、実施例５の変形例である電力変換装置を示す。以下、実施例５と異なる点について、説明する。

　本変形例において、電力変換装置（図１９）は、回路構成は実施例１（図１）と同様であるが、実施例１９とは異なり順変換器として動作する。

　図１９に示すように、半導体スイッチング素子２から構成される電力変換主回路の交流側には交流電源７が接続され、電力変換主回路の直流側には２個の平滑コンデンサ群４ａおよび配線インダクタンス１０ｂを介して負荷６が接続される。

　本変形例の電力変換装置は、交流電源７から供給される交流電力を直流電力へ変換し、この直流電力を負荷６に出力する。なお、本変形例において、交流電源７は三相交流電源であり、負荷６は直流負荷である。

　本変形例における各平滑コンデンサ群４ａは、実施例５と同様の構成を有するので、本変形例においても、上述の実施例５と同様の効果が得られる。

　図２０は、実施例５の他の変形例である電力変換装置を示す。以下、実施例５と異なる点について、説明する。

　図２０に示すように、本変形例において、電力変換主回路は、ダイオード９からなる三相フルブリッジ回路を備える整流器である。従って、本変形例の電力変換装置は、順変換器として動作し、交流電源７から供給される交流電力を直流電力へ変換し、この直流電力を負荷６に出力する。なお、本変形例において、交流電源７は三相交流電源であり、負荷６は直流負荷である。

　本変形例における各平滑コンデンサ群４ａは、実施例１と同様の構成を有するので、本変形例においても、上述の実施例５と同様の効果が得られる。

　なお、実施例２と同様に、上述の平滑コンデンサ４１および平滑コンデンサ４２を、それぞれ、静電容量に正の温度特性を有するとともに等価直列抵抗に負の温度依存性を有するコンデンサおよび静電容量に負の温度特性を有するとともに等価直列抵抗に正の温度依存性を有するコンデンサとしても、本実施例５と同様の効果が得られる。

　なお、本発明は前述した実施例に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば、前述した実施例は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、各実施例の構成の一部について、他の構成の追加・削除・置き換えをすることが可能である。

　例えば、平滑コンデンサの並列数や、平滑コンデンサ群の並列数は、任意の複数個でも良い。また、上述の平滑コンデンサを、単体のコンデンサを複数個直列接続して構成することにより、高電圧化しても良い。

１…直流電源、１ａ，１ｂ…入力端子、２…半導体スイッチング素子、４…蓄電装置、４ａ，４ｂ…平滑コンデンサ群、５…配線インダクタンス、６…負荷、７…交流電源、９…ダイオード、１０ａ，１０ｂ…配線インダクタンス、４１，４２，４３，４４…平滑コンデンサ、１０１ａ，１０１ｂ，１０１ｃ，１０１ｄ，１０１ｅ，１０１ｆ…電力変換装置、１１３…内部インダクタンス、１１４…静電容量、１１５…等価直列抵抗、１１９…高調波フィルタ、１２０…リアクトル、１２１，１２２…コンデンサ、１２３…グラウンド、１３１…系統インダクタンス、１３２…寄生容量

Claims (15)

1. 　電力変換主回路と、
   　前記電力変換主回路の入力側もしくは出力側に接続され、高調波電流を吸収する複数のコンデンサと、
   を備える電力変換装置において、
   　前記複数のコンデンサは、互いに並列接続される第１のコンデンサおよび第２のコンデンサを含み、
   　前記第１のコンデンサおよび前記第２のコンデンサは、静電容量と等価直列抵抗とインダクタンスとを成分とする内部インピーダンスを有し、
   　前記第１のコンデンサは前記静電容量に正の温度特性を有し、
   　前記第２のコンデンサは前記静電容量に負の温度特性を有し、
   　さらに、
   　前記第１のコンデンサおよび前記第２のコンデンサの温度変動に対する前記静電容量の変動に伴う、前記第１のコンデンサおよび前記第２のコンデンサにおける前記高調波電流のアンバランスの増大を、前記内部インピーダンスの前記成分のいずれかの変化によって緩和することを特徴とする電力変換装置。
2. 　請求項１に記載の電力変換装置において、
   　前記第１のコンデンサは前記静電容量に負の周波数特性を有し、
   　前記第２のコンデンサは前記静電容量に正の周波数特性を有し、
   　前記温度変動に対する前記第１のコンデンサおよび前記第２のコンデンサに流れる前記高調波電流の前記アンバランスの増大が、前記静電容量の前記周波数特性によって緩和されることを特徴とする電力変換装置。
3. 　電力変換主回路と、
   　前記電力変換主回路の入力側もしくは出力側に接続され、高調波電流を吸収する複数のコンデンサと、
   を備える電力変換装置において、
   　前記複数のコンデンサは、互いに並列接続される第１のコンデンサおよび第２のコンデンサを含み、
   　前記第１のコンデンサは静電容量に正の温度特性を有し、
   　前記第２のコンデンサは静電容量に負の温度特性を有し、
   　さらに、
   　前記第１のコンデンサは前記静電容量に負の周波数特性を有し、
   　前記第２のコンデンサは前記静電容量に正の周波数特性を有すること
   を特徴とする電力変換装置。
4. 　請求項１に記載の電力変換装置において、
   　前記第１のコンデンサは等価直列抵抗に負の温度特性を有し、
   　前記第２のコンデンサは等価直列抵抗に正の温度特性を有し、
   　前記温度変動に対する前記第１のコンデンサおよび前記第２のコンデンサに流れる前記高調波電流の変動が、前記等価直列抵抗の前記温度特性によって緩和されることを特徴とする電力変換装置。
5. 　電力変換主回路と、
   　前記電力変換主回路の入力側もしくは出力側に接続され、高調波電流を吸収する複数のコンデンサと、
   を備える電力変換装置において、
   　前記複数のコンデンサは、互いに並列接続される第１のコンデンサおよび第２のコンデンサを含み、
   　前記第１のコンデンサは静電容量に正の温度特性を有し、
   　前記第２のコンデンサは静電容量に負の温度特性を有し、
   　さらに、
   　前記第１のコンデンサは等価直列抵抗に負の温度特性を有し、
   　前記第２のコンデンサは等価直列抵抗に正の温度特性を有すること
   を特徴とする電力変換装置。
6. 　請求項３または請求項５に記載の電力変換装置において、
   　前記第１のコンデンサおよび前記第２のコンデンサは、互いに誘電体材料が異なるフィルムコンデンサであることを特徴とする電力変換装置。
7. 　請求項６に記載の電力変換装置において、
   　前記誘電体材料は、ポリプロピレン、ポリエチレンテレフタラート、ポリフェニレンサルファルド、ポリエチレン、ポリエステルのいずれかであることを特徴とする電力変換装置。
8. 　請求項３または請求項５に記載の電力変換装置において、
   　前記複数のコンデンサは、前記電力変換主回路の直流側に接続される平滑コンデンサであることを特徴とする電力変換装置。
9. 　請求項３または請求項５に記載の電力変換装置において、
   　前記電力変換主回路は直流電力を交流電力に変換することを特徴とする電力変換装置。
10. 　請求項３または請求項５に記載の電力変換装置において、
    　前記電力変換主回路は交流電力を直流電力に変換することを特徴とする電力変換装置。
11. 　請求項９または請求項１０に記載の電力変換装置において、
    　前記電力変換主回路は半導体スイッチング素子から構成されることを特徴とする電力変換装置。
12. 　請求項１０に記載の電力変換装置において、
    　前記電力変換主回路はダイオード整流器から構成されることを特徴とする電力変換装置。
13. 　請求項１に記載の電力変換装置において、
    　前記第１のコンデンサと前記第２のコンデンサの電流アンバランスに応じて前記電力変換主回路のスイッチング周波数を増大し、
    　前記温度変動に対する前記第１のコンデンサおよび前記第２のコンデンサに流れる前記高調波電流の前記アンバランスの増大が、前記スイッチング周波数の増大によって前記インダクタンスのリアクタンスを増大することにより、緩和されることを特徴とする電力変換装置。
14. 　請求項３または請求項５に記載の電力変換装置において、
    　前記電力変換主回路は半導体スイッチング素子から構成され、
    　さらに、前記第１のコンデンサと前記第２のコンデンサの電流アンバランスを検出する検出手段を備え、
    　前記検出手段によって検出される前記電流アンバランスに応じて、前記半導体スイッチング素子のスイッチング周波数を増大する制御手段を備えることを特徴とする電力変換装置。
15. 　請求項３または請求項５に記載の電力変換装置において、
    　前記複数のコンデンサは、前記電力変換主回路の交流側に接続されるフィルタ回路に含まれることを特徴とする電力変換装置。

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