JP2003204668A - 電力変換装置 - Google Patents
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- H02M7/42—Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal
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- H02M7/48—Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode
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- H02M7/487—Neutral point clamped inverters
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Abstract
(57)【要約】
【課題】半導体スイッチング素子およびダイオードの電
流利用率を向上させて、装置の小型化、および低価格化
を図ること。 【解決手段】半導体スイッチング素子Q1,Q2,Q3,Q4およ
び当該半導体スイッチング素子Q1,Q2,Q3,Q4と逆並列に
接続されたダイオードD1,D2,D3,D4を1パッケージに内
装した構造を有する複数のスイッチング素子を直列接続
して構成される電力変換装置において、直列接続された
各スイッチング素子の両端に、外付けのダイオードDX1,D
X2,DX3,DX4を逆並列にそれぞれ接続する。
流利用率を向上させて、装置の小型化、および低価格化
を図ること。 【解決手段】半導体スイッチング素子Q1,Q2,Q3,Q4およ
び当該半導体スイッチング素子Q1,Q2,Q3,Q4と逆並列に
接続されたダイオードD1,D2,D3,D4を1パッケージに内
装した構造を有する複数のスイッチング素子を直列接続
して構成される電力変換装置において、直列接続された
各スイッチング素子の両端に、外付けのダイオードDX1,D
X2,DX3,DX4を逆並列にそれぞれ接続する。
Description
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、交流電力を直流電
力に変換するPWM制御コンバータや、直流電力を交流
電力に変換するPWM制御インバータ等に適用される、
複数のスイッチング素子を直列接続して構成される電力
変換装置に係り、特に装置の小型化、および低価格化を
図れるようにした電力変換装置に関するものである。
力に変換するPWM制御コンバータや、直流電力を交流
電力に変換するPWM制御インバータ等に適用される、
複数のスイッチング素子を直列接続して構成される電力
変換装置に係り、特に装置の小型化、および低価格化を
図れるようにした電力変換装置に関するものである。
【0002】
【従来の技術】従来から、電力系統の分野においては、
交流電力を直流電力に変換するPWM制御コンバータ
や、直流電力を交流電力に変換するPWM制御インバー
タ等のような、多レベル電力変換装置が多く用いられて
きている。
交流電力を直流電力に変換するPWM制御コンバータ
や、直流電力を交流電力に変換するPWM制御インバー
タ等のような、多レベル電力変換装置が多く用いられて
きている。
【0003】この多レベル電力変換装置は、通常、複数
のスイッチング素子を直列接続して構成され、接続点か
ら交流出力を得るようにしている。
のスイッチング素子を直列接続して構成され、接続点か
ら交流出力を得るようにしている。
【0004】図5は、この種の従来の2レベル電力変換
装置(2レベルインバータ)の構成例を示す回路図であ
る。
装置(2レベルインバータ)の構成例を示す回路図であ
る。
【0005】なお、単相、3相出力電力変換装置の場合
には、他の相および2相も同様に構成される。
には、他の相および2相も同様に構成される。
【0006】図5において、直流電源1は、平滑用のリ
アクトル2、およびフィルタコンデンサ3を備えて、直
流電圧を出力するように直流電圧源を構成している。
アクトル2、およびフィルタコンデンサ3を備えて、直
流電圧を出力するように直流電圧源を構成している。
【0007】この直流電圧源の正電位ラインPと負電位
ラインNとの間に、第1,第2,第3,第4のスイッチ
ング素子を直列接続してなるスイッチングユニット4を
接続している。
ラインNとの間に、第1,第2,第3,第4のスイッチ
ング素子を直列接続してなるスイッチングユニット4を
接続している。
【0008】この第1,第2,第3,第4のスイッチン
グ素子は、半導体スイッチング素子(例えば、絶縁ゲー
ト形トランジスタ:IGBT素子等の自己消弧形素子)
Q1,Q2,Q3,Q4、およびこの半導体スイッチン
グ素子Q1,Q2,Q3,Q4と逆並列に接続されたダ
イオードD1,D2,D3,D4を、それぞれ1パッケ
ージに内装した構造を有している。
グ素子は、半導体スイッチング素子(例えば、絶縁ゲー
ト形トランジスタ:IGBT素子等の自己消弧形素子)
Q1,Q2,Q3,Q4、およびこの半導体スイッチン
グ素子Q1,Q2,Q3,Q4と逆並列に接続されたダ
イオードD1,D2,D3,D4を、それぞれ1パッケ
ージに内装した構造を有している。
【0009】また、第1,第2のスイッチング素子の接
続点、および第3,第4のスイッチング素子の接続点よ
り、交流端子Ta,Tbを導出している。
続点、および第3,第4のスイッチング素子の接続点よ
り、交流端子Ta,Tbを導出している。
【0010】かかる構成の2レベル電力変換装置におい
ては、半導体スイッチング素子Q1と半導体スイッチン
グ素子Q4が同時に導通状態の時、および半導体スイッ
チング素子Q2と半導体スイッチング素子Q3が同時に
導通状態の時に、直流電源1電圧を交流端子Ta,Tb
に供給して、前記動作を繰り返すことにより、直流電源
1電圧が交流出力に変換される。または、交流側の電力
が直流側の電力に変換される。
ては、半導体スイッチング素子Q1と半導体スイッチン
グ素子Q4が同時に導通状態の時、および半導体スイッ
チング素子Q2と半導体スイッチング素子Q3が同時に
導通状態の時に、直流電源1電圧を交流端子Ta,Tb
に供給して、前記動作を繰り返すことにより、直流電源
1電圧が交流出力に変換される。または、交流側の電力
が直流側の電力に変換される。
【0011】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上述し
た従来の2レベル電力変換装置においては、次のような
間題点がある。
た従来の2レベル電力変換装置においては、次のような
間題点がある。
【0012】図6は、交流電力を直流電力に変換した場
合の各部波形を示す図である。
合の各部波形を示す図である。
【0013】図6においては、2レベル電力変換装置の
出力電流を正弦波と仮定して、1周期分の出力電圧(V
out)、出力電流(Iout)、半導体スイッチング
素子(ここではIGBT素子)Q1,Q2の電流(IQ
1,IQ2)、ダイオード電流(ID1,ID2)を示
している。
出力電流を正弦波と仮定して、1周期分の出力電圧(V
out)、出力電流(Iout)、半導体スイッチング
素子(ここではIGBT素子)Q1,Q2の電流(IQ
1,IQ2)、ダイオード電流(ID1,ID2)を示
している。
【0014】図6に示すように、交流電力を直流電力に
変換するケースでは、ダイオードD1,D2に流れる電
流ID1,ID2と、半導体スイッチング素子であるI
GBT素子Q1,Q2に流れる電流IQ1,IQ2とを
比較すると、負荷電流の大半は、ダイオードD1,D2
側に流れていることがわかる。
変換するケースでは、ダイオードD1,D2に流れる電
流ID1,ID2と、半導体スイッチング素子であるI
GBT素子Q1,Q2に流れる電流IQ1,IQ2とを
比較すると、負荷電流の大半は、ダイオードD1,D2
側に流れていることがわかる。
【0015】現状、市販のスイッチング素子は、一つの
パッケージに、半導体スイッチング素子であるIGBT
素子と逆並列接続したダイオードが内装されている構造
のものが大半である。
パッケージに、半導体スイッチング素子であるIGBT
素子と逆並列接続したダイオードが内装されている構造
のものが大半である。
【0016】前述したように、交流電力を直流電力に変
換する用途に、このような一つのパッケージにIGBT
素子とダイオードがセットされているスイッチング素子
を使用する場合には、IGBT素子とダイオードの利用
率が大きくなることになる。
換する用途に、このような一つのパッケージにIGBT
素子とダイオードがセットされているスイッチング素子
を使用する場合には、IGBT素子とダイオードの利用
率が大きくなることになる。
【0017】このことは、出力電流に見合うように逆並
列のダイオードを選定すると、実際に使用するスイッチ
ング素子電流よりも大きな電流耐量を有するIGBT素
子が接続されたスイッチング素子を選定することにな
り、非常に不経済である。
列のダイオードを選定すると、実際に使用するスイッチ
ング素子電流よりも大きな電流耐量を有するIGBT素
子が接続されたスイッチング素子を選定することにな
り、非常に不経済である。
【0018】一方、IGBT素子電流耐量から選定した
場合には、内部のダイオード電流耐量に不足が生じる。
場合には、内部のダイオード電流耐量に不足が生じる。
【0019】そこで、最近では、このようなケースにお
いては、前者に示した実際の電流よりも大きめのIGB
T素子電流耐量を有するスイッチング素子を選定した
り、あるいはダイオード電流耐量が見合うようにIGB
T素子とダイオードを内装したスイッチング素子を複数
並列にして使用するようにしている。
いては、前者に示した実際の電流よりも大きめのIGB
T素子電流耐量を有するスイッチング素子を選定した
り、あるいはダイオード電流耐量が見合うようにIGB
T素子とダイオードを内装したスイッチング素子を複数
並列にして使用するようにしている。
【0020】しかしながら、装置の大型化、コストアッ
プを招く結果となっている。
プを招く結果となっている。
【0021】以上のように、従来の2レベル電力変換装
置においては、装置の大型化、コストアップを招くとい
う解決すべき問題点がある。
置においては、装置の大型化、コストアップを招くとい
う解決すべき問題点がある。
【0022】本発明の目的は、半導体スイッチング素子
およびダイオードの電流利用率を向上させて、装置の小
型化、および低価格化を図ることが可能な電力変換装置
を提供することにある。
およびダイオードの電流利用率を向上させて、装置の小
型化、および低価格化を図ることが可能な電力変換装置
を提供することにある。
【0023】
【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
めに、請求項1に対応する発明では、半導体スイッチン
グ素子および当該半導体スイッチング素子と逆並列に接
続されたダイオードを1パッケージに内装した構造を有
する複数のスイッチング素子を直列接続して構成される
電力変換装置において、直列接続された各スイッチング
素子の両端に、外付けのダイオードを逆並列にそれぞれ
接続している。
めに、請求項1に対応する発明では、半導体スイッチン
グ素子および当該半導体スイッチング素子と逆並列に接
続されたダイオードを1パッケージに内装した構造を有
する複数のスイッチング素子を直列接続して構成される
電力変換装置において、直列接続された各スイッチング
素子の両端に、外付けのダイオードを逆並列にそれぞれ
接続している。
【0024】従って、請求項1に対応する発明の電力変
換装置においては、直列接続された各スイッチング素子
の両端に、外付けのダイオードを逆並列にそれぞれ接続
していることにより、例えば交流電力を直流電力に変換
する用途のように、ダイオード部電流が大きい場合で
も、外付けのダイオードに電流が分流するため、半導体
スイッチング素子としては、小型で低定格の半導体スイ
ッチング素子を選定することができる。また、外部にダ
イオードを取り付けていることにより、大型で定格電流
の大きな半導体スイッチング素子を使用した場合よりも
部品点数は増加するものの、外部のダイオードと小型で
低定格の半導体スイッチング素子の電流利用率を向上さ
せることができるため、装置全体として、小型化、およ
び低価格化を図ることができる。
換装置においては、直列接続された各スイッチング素子
の両端に、外付けのダイオードを逆並列にそれぞれ接続
していることにより、例えば交流電力を直流電力に変換
する用途のように、ダイオード部電流が大きい場合で
も、外付けのダイオードに電流が分流するため、半導体
スイッチング素子としては、小型で低定格の半導体スイ
ッチング素子を選定することができる。また、外部にダ
イオードを取り付けていることにより、大型で定格電流
の大きな半導体スイッチング素子を使用した場合よりも
部品点数は増加するものの、外部のダイオードと小型で
低定格の半導体スイッチング素子の電流利用率を向上さ
せることができるため、装置全体として、小型化、およ
び低価格化を図ることができる。
【0025】また、請求項2に対応する発明では、上記
請求項1に対応する発明の電力変換装置において、外付
けのダイオードとしては、内部にダイオードが2個直列
で構成された2in1のダイオードを使用するようにし
ている。
請求項1に対応する発明の電力変換装置において、外付
けのダイオードとしては、内部にダイオードが2個直列
で構成された2in1のダイオードを使用するようにし
ている。
【0026】従って、請求項2に対応する発明の電力変
換装置においては、外付けのダイオードとして、内部に
ダイオードが2個直列で構成された2in1のダイオー
ドを使用していることにより、上記請求項1に対応する
発明の電力変換装置の場合に比較して追加の部品数が減
少するため、配線分や部品点数の削減を図ることができ
る。
換装置においては、外付けのダイオードとして、内部に
ダイオードが2個直列で構成された2in1のダイオー
ドを使用していることにより、上記請求項1に対応する
発明の電力変換装置の場合に比較して追加の部品数が減
少するため、配線分や部品点数の削減を図ることができ
る。
【0027】一方、請求項3に対応する発明では、互い
に直列接続された第1および第2のフィルタコンデンサ
の接続点を中性点として直流電圧を出力する直流電圧源
の正電位ラインと負電位ラインとの間に、半導体スイッ
チング素子および当該半導体スイッチング素子と逆並列
に接続されたダイオードを1パッケージに内装した構造
を有する第1,第2,第3,第4のスイッチング素子の
直列回路を接続し、第2および第3のスイッチング素子
の接続点より交流端子を導出し、第1および第2のスイ
ッチング素子の接続点と直流電圧源の中性点との間に第
1の結合ダイオードを接続し、第3および第4のスイッ
チング素子の接続点と直流電圧源の中性点との間に第2
の結合ダイオードを接続してなる中性点クランプ方式の
多レベル電力変換装置において、各相毎に正電位ライン
と交流端子との間、および負電位ラインと交流端子との
間に、外付けのダイオードを逆並列にそれぞれ接続して
いる。
に直列接続された第1および第2のフィルタコンデンサ
の接続点を中性点として直流電圧を出力する直流電圧源
の正電位ラインと負電位ラインとの間に、半導体スイッ
チング素子および当該半導体スイッチング素子と逆並列
に接続されたダイオードを1パッケージに内装した構造
を有する第1,第2,第3,第4のスイッチング素子の
直列回路を接続し、第2および第3のスイッチング素子
の接続点より交流端子を導出し、第1および第2のスイ
ッチング素子の接続点と直流電圧源の中性点との間に第
1の結合ダイオードを接続し、第3および第4のスイッ
チング素子の接続点と直流電圧源の中性点との間に第2
の結合ダイオードを接続してなる中性点クランプ方式の
多レベル電力変換装置において、各相毎に正電位ライン
と交流端子との間、および負電位ラインと交流端子との
間に、外付けのダイオードを逆並列にそれぞれ接続して
いる。
【0028】従って、請求項3に対応する発明の電力変
換装置においては、上記請求項1に対応する発明の電力
変換装置の場合と同様に、例えば交流電力を直流電力に
変換する用途では、各スイッチング素子内の半導体スイ
ッチング素子と逆並列に接続したダイオードの電流分担
に大きく偏りが生じるが、特にダイオード分が大きい場
合には、各相毎に正電位ラインと交流端子との間、およ
び負電位ラインと交流端子との間に、外付けのダイオー
ドを逆並列にそれぞれ接続していることにより、各スイ
ッチング素子内の逆並列に接続したダイオードの電流負
担を軽減できるため、半導体スイッチング素子として
は、小型で低定格の半導体スイッチング素子を選定する
ことができる。また、外部にダイオードを取り付けてい
ることにより、大型で定格電流の大きな半導体スイッチ
ング素子を使用した場合よりも部品点数は増加するもの
の、外部のダイオードと小型で低定格の半導体スイッチ
ング素子の電流利用率を向上させることができるため、
装置全体として、小型化、および低価格化を図ることが
できる。
換装置においては、上記請求項1に対応する発明の電力
変換装置の場合と同様に、例えば交流電力を直流電力に
変換する用途では、各スイッチング素子内の半導体スイ
ッチング素子と逆並列に接続したダイオードの電流分担
に大きく偏りが生じるが、特にダイオード分が大きい場
合には、各相毎に正電位ラインと交流端子との間、およ
び負電位ラインと交流端子との間に、外付けのダイオー
ドを逆並列にそれぞれ接続していることにより、各スイ
ッチング素子内の逆並列に接続したダイオードの電流負
担を軽減できるため、半導体スイッチング素子として
は、小型で低定格の半導体スイッチング素子を選定する
ことができる。また、外部にダイオードを取り付けてい
ることにより、大型で定格電流の大きな半導体スイッチ
ング素子を使用した場合よりも部品点数は増加するもの
の、外部のダイオードと小型で低定格の半導体スイッチ
ング素子の電流利用率を向上させることができるため、
装置全体として、小型化、および低価格化を図ることが
できる。
【0029】また、請求項4に対応する発明では、上記
請求項3に対応する発明の電力変換装置において、外付
けのダイオードとしては、それぞれ2個直列のダイオー
ドで構成するようにしている。
請求項3に対応する発明の電力変換装置において、外付
けのダイオードとしては、それぞれ2個直列のダイオー
ドで構成するようにしている。
【0030】従って、請求項4に対応する発明の電力変
換装置においては、外付けのダイオードを、それぞれ2
個直列のダイオードで構成していることにより、逆並列
に接続したダイオードの直列接続分の電圧降下と外付け
の2個直列分のダイオード電圧降下とが近づくため、電
流分担がよくなり、外付けのダイオードの電流容量を小
さくすることができ、外部のダイオードと小型で低定格
の半導体スイッチング素子の電流利用率をさらにより一
層向上させることができる。これにより、装置全体とし
て、さらにより一層小型化、および低価格化を図ること
ができる。
換装置においては、外付けのダイオードを、それぞれ2
個直列のダイオードで構成していることにより、逆並列
に接続したダイオードの直列接続分の電圧降下と外付け
の2個直列分のダイオード電圧降下とが近づくため、電
流分担がよくなり、外付けのダイオードの電流容量を小
さくすることができ、外部のダイオードと小型で低定格
の半導体スイッチング素子の電流利用率をさらにより一
層向上させることができる。これにより、装置全体とし
て、さらにより一層小型化、および低価格化を図ること
ができる。
【0031】
【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態につい
て図面を参照して詳細に説明する。
て図面を参照して詳細に説明する。
【0032】(第1の実施の形態)図1は、本実施の形
態による2レベル電力変換装置(2レベルインバータ)
の構成例を示す回路図であり、図5と同一要素には同一
符号を付してその説明を省略し、ここでは異なる部分に
ついてのみ述べる。
態による2レベル電力変換装置(2レベルインバータ)
の構成例を示す回路図であり、図5と同一要素には同一
符号を付してその説明を省略し、ここでは異なる部分に
ついてのみ述べる。
【0033】すなわち、本実施の形態による2レベル電
力変換装置は、図1に示すように、前記図5における半
導体スイッチング素子Q1,Q2,Q3,Q4、および
この半導体スイッチング素子Q1,Q2,Q3,Q4と
逆並列に接続されたダイオードD1,D2,D3,D4
を、それぞれ1パッケージに内装した構造を有する直列
接続された第1,第2,第3,第4の各スイッチング素
子の両端に、外付けのダイオードDX1,DX2,DX
3,DX4を逆並列にそれぞれ接続した構成としてい
る。
力変換装置は、図1に示すように、前記図5における半
導体スイッチング素子Q1,Q2,Q3,Q4、および
この半導体スイッチング素子Q1,Q2,Q3,Q4と
逆並列に接続されたダイオードD1,D2,D3,D4
を、それぞれ1パッケージに内装した構造を有する直列
接続された第1,第2,第3,第4の各スイッチング素
子の両端に、外付けのダイオードDX1,DX2,DX
3,DX4を逆並列にそれぞれ接続した構成としてい
る。
【0034】次に、以上のように構成した本実施の形態
による2レベル電力変換装置の作用について説明する。
による2レベル電力変換装置の作用について説明する。
【0035】図1において、例えば前記図6に示す各部
波形のように、交流電力を直流電力に変換するようなモ
ードでは、ダイオード部電流が大きく流れるが、本実施
の形態では、直列接続された各スイッチング素子の両端
に、外付けのダイオードDX1,DX2,DX3,DX4
を逆並列にそれぞれ接続していることにより、これらの
電流は、逆並列接続したダイオードD1と、外付けのダ
イオードDX1に分流して流れるため、逆並列接続した
ダイオードD1の電流耐量を大きく選定しなくてもよ
い。
波形のように、交流電力を直流電力に変換するようなモ
ードでは、ダイオード部電流が大きく流れるが、本実施
の形態では、直列接続された各スイッチング素子の両端
に、外付けのダイオードDX1,DX2,DX3,DX4
を逆並列にそれぞれ接続していることにより、これらの
電流は、逆並列接続したダイオードD1と、外付けのダ
イオードDX1に分流して流れるため、逆並列接続した
ダイオードD1の電流耐量を大きく選定しなくてもよ
い。
【0036】その結果、このダイオードD1と並列の半
導体スイッチング素子Q1も、電流定格が小さいもので
よく、半導体スイッチング素子Q1および逆並列接続し
たダイオードD1の電流利用率を向上させることができ
るため、小型で安価なスイッチング素子を選定すること
ができる。
導体スイッチング素子Q1も、電流定格が小さいもので
よく、半導体スイッチング素子Q1および逆並列接続し
たダイオードD1の電流利用率を向上させることができ
るため、小型で安価なスイッチング素子を選定すること
ができる。
【0037】また、外部にダイオードDX1,DX2,D
X3,DX4を取り付けていることにより、従来のよう
な大型で定格電流の大きな半導体スイッチング素子を使
用した場合よりも部品点数は増加するものの、外部のダ
イオードDX1,DX2,DX3,DX4と小型で低定格
の半導体スイッチング素子半導体スイッチング素子Q
1,Q2,Q3,Q4の電流利用率を向上させることが
できるため、装置全体としては、小型化、および低価格
化を図ることができる。
X3,DX4を取り付けていることにより、従来のよう
な大型で定格電流の大きな半導体スイッチング素子を使
用した場合よりも部品点数は増加するものの、外部のダ
イオードDX1,DX2,DX3,DX4と小型で低定格
の半導体スイッチング素子半導体スイッチング素子Q
1,Q2,Q3,Q4の電流利用率を向上させることが
できるため、装置全体としては、小型化、および低価格
化を図ることができる。
【0038】上述したように、本実施の形態による2レ
ベル電力変換装置では、半導体スイッチング素子および
ダイオードの電流利用率を向上させて、装置の小型化、
および低価格化を図ることが可能となる。
ベル電力変換装置では、半導体スイッチング素子および
ダイオードの電流利用率を向上させて、装置の小型化、
および低価格化を図ることが可能となる。
【0039】(第2の実施の形態)図2は、本実施の形
態による2レベル電力変換装置(2レベルインバータ)
の構成例を示す回路図であり、図1と同一要素には同一
符号を付してその説明を省略し、ここでは異なる部分に
ついてのみ述べる。
態による2レベル電力変換装置(2レベルインバータ)
の構成例を示す回路図であり、図1と同一要素には同一
符号を付してその説明を省略し、ここでは異なる部分に
ついてのみ述べる。
【0040】すなわち、本実施の形態による2レベル電
力変換装置は、図2に示すように、前記図1における外
付けのダイオードとして、ダイオードDX1,DX2,D
X3,DX4の代わりに、内部にダイオードが2個直列
で構成された2in1のダイオードDX12,DX34
を使用する構成としている。
力変換装置は、図2に示すように、前記図1における外
付けのダイオードとして、ダイオードDX1,DX2,D
X3,DX4の代わりに、内部にダイオードが2個直列
で構成された2in1のダイオードDX12,DX34
を使用する構成としている。
【0041】次に、以上のように構成した本実施の形態
による2レベル電力変換装置においては、外付けのダイ
オードとして、内部にダイオードが2個直列で構成され
た2in1のダイオードDX12,DX34を使用して
いることにより、前記第1の実施の形態による2レベル
電力変換装置に比較して、追加の部品数が4個のダイオ
ードから2個のダイオードペアとなって減少するため、
配線分や部品点数の削減を図ることができる。
による2レベル電力変換装置においては、外付けのダイ
オードとして、内部にダイオードが2個直列で構成され
た2in1のダイオードDX12,DX34を使用して
いることにより、前記第1の実施の形態による2レベル
電力変換装置に比較して、追加の部品数が4個のダイオ
ードから2個のダイオードペアとなって減少するため、
配線分や部品点数の削減を図ることができる。
【0042】上述したように、本実施の形態による2レ
ベル電力変換装置では、前記第1の実施の形態による2
レベル電力変換装置の場合と同様の作用効果を得ること
ができるのに加えて、配線分や部品点数の削減を図るこ
とが可能となる。
ベル電力変換装置では、前記第1の実施の形態による2
レベル電力変換装置の場合と同様の作用効果を得ること
ができるのに加えて、配線分や部品点数の削減を図るこ
とが可能となる。
【0043】(第3の実施の形態)図3は、この種の従
来の3レベル電力変換装置(3レベルインバータ)の1
相分の主回路構成例を示す回路図であり、図1および図
2と同一要素には同一符号を付して示している。
来の3レベル電力変換装置(3レベルインバータ)の1
相分の主回路構成例を示す回路図であり、図1および図
2と同一要素には同一符号を付して示している。
【0044】なお、単相、3相出力電力変換装置の場合
には、他の相および2相も同様に構成される。
には、他の相および2相も同様に構成される。
【0045】図3において、直流電源1は、平滑用のリ
アクトル2を介し、互いに直列接続された2組のフィル
タコンデンサ3P,3Nの接続点を中性点ラインCとし
て直流電圧を出力するように、直流電圧源を構成してい
る。
アクトル2を介し、互いに直列接続された2組のフィル
タコンデンサ3P,3Nの接続点を中性点ラインCとし
て直流電圧を出力するように、直流電圧源を構成してい
る。
【0046】一方、直流電圧源の正電位ラインPと負電
位ラインNとの間に、半導体スイッチング素子(例え
ば、絶縁ゲート形トランジスタ:IGBT素子等の自己
消弧形素子)Q1,Q2,Q3,Q4、およびこの半導
体スイッチング素子Q1,Q2,Q3,Q4と逆並列に
接続されたダイオードD1,D2,D3,D4を、1パ
ッケージに内装した構造を有する第1,第2,第3,第
4のスイッチング素子の直列回路を接続している。
位ラインNとの間に、半導体スイッチング素子(例え
ば、絶縁ゲート形トランジスタ:IGBT素子等の自己
消弧形素子)Q1,Q2,Q3,Q4、およびこの半導
体スイッチング素子Q1,Q2,Q3,Q4と逆並列に
接続されたダイオードD1,D2,D3,D4を、1パ
ッケージに内装した構造を有する第1,第2,第3,第
4のスイッチング素子の直列回路を接続している。
【0047】また、第2,第3のスイッチング素子の接
続点より、交流端子Taを導出している。
続点より、交流端子Taを導出している。
【0048】さらに、第1および第2のスイッチング素
子の接続点と直流電圧源の中性点ラインとの間に、結合
ダイオードDC1を接続している。
子の接続点と直流電圧源の中性点ラインとの間に、結合
ダイオードDC1を接続している。
【0049】また、第3および第4のスイッチング素子
の接続点と直流電圧源の中性点ラインとの間に、結合ダ
イオードDC2を接続している。
の接続点と直流電圧源の中性点ラインとの間に、結合ダ
イオードDC2を接続している。
【0050】さらに、各相毎に、正電位ラインPと交流
端子Taとの間、および負電位ラインNと交流端子Ta
との間に、外付けのダイオードDX14を逆並列にそれ
ぞれ接続している。
端子Taとの間、および負電位ラインNと交流端子Ta
との間に、外付けのダイオードDX14を逆並列にそれ
ぞれ接続している。
【0051】以上により、スイッチングユニット4を構
成し、中性点クランプ方式の3レベル電力変換装置全体
を構成している。
成し、中性点クランプ方式の3レベル電力変換装置全体
を構成している。
【0052】次に、以上のように構成した本実施の形態
による3レベル電力変換装置の作用について説明する。
による3レベル電力変換装置の作用について説明する。
【0053】図3において、例えば3レベル電力変換装
置の出力電圧(M-C間電圧)をVoutとすると、出力電圧
Voutは、次のような動作によって出力される。
置の出力電圧(M-C間電圧)をVoutとすると、出力電圧
Voutは、次のような動作によって出力される。
【0054】すなわち、半導体スイッチング素子Q1と
半導体スイッチング素子Q2が導通状態の時 Vout=+VD1 半導体スイッチング素子Q2と半導体スイッチング素子
Q3が導通状態の時 Vout=0 半導体スイッチング素子Q3と半導体スイッチング素子
Q4が導通状態の時 Vout=−VD2 半導体スイッチング素子Q1〜Q4を、上記のように動
作をさせることによって、3レベルの電圧を出力させ
る。
半導体スイッチング素子Q2が導通状態の時 Vout=+VD1 半導体スイッチング素子Q2と半導体スイッチング素子
Q3が導通状態の時 Vout=0 半導体スイッチング素子Q3と半導体スイッチング素子
Q4が導通状態の時 Vout=−VD2 半導体スイッチング素子Q1〜Q4を、上記のように動
作をさせることによって、3レベルの電圧を出力させ
る。
【0055】上記の場合、通常は、半導体スイッチング
素子を2個ずつ導通させるが、半導体スイッチング素子
Q1,Q2,Q3、または半導体スイッチング素子Q2,
Q3,Q4の3個の半導体スイッチング素子が同時に導
通状態になると、フィルタコンデンサ3P,3Nの両端
が短絡されて短絡電流が流れ、当該短絡電流によって正
常な半導体スイッチング素子を破壊する場合がある。
素子を2個ずつ導通させるが、半導体スイッチング素子
Q1,Q2,Q3、または半導体スイッチング素子Q2,
Q3,Q4の3個の半導体スイッチング素子が同時に導
通状態になると、フィルタコンデンサ3P,3Nの両端
が短絡されて短絡電流が流れ、当該短絡電流によって正
常な半導体スイッチング素子を破壊する場合がある。
【0056】例えば、図3において、半導体スイッチン
グ素子Q1〜Q3にオン信号が入ると、フィルタコンデ
ンサ3P→半導体スイッチング素子Q1→半導体スイッ
チング素子Q2→半導体スイッチング素子Q3→結合ダ
イオードDC2の経路で短絡され、その経路を過大な短
絡電流が流れて、半導体スイッチング素子を破壊するこ
とがある。
グ素子Q1〜Q3にオン信号が入ると、フィルタコンデ
ンサ3P→半導体スイッチング素子Q1→半導体スイッ
チング素子Q2→半導体スイッチング素子Q3→結合ダ
イオードDC2の経路で短絡され、その経路を過大な短
絡電流が流れて、半導体スイッチング素子を破壊するこ
とがある。
【0057】したがって、実際の制御は、短絡を防止す
るために、半導体スイッチング素子Q1と半導体スイッ
チング素子Q3を逆動作させ、また半導体スイッチング
素子Q2と半導体スイッチング素子Q4を逆動作させ
る。
るために、半導体スイッチング素子Q1と半導体スイッ
チング素子Q3を逆動作させ、また半導体スイッチング
素子Q2と半導体スイッチング素子Q4を逆動作させ
る。
【0058】すなわち、半導体スイッチング素子Q1が
導通状態の時は半導体スイッチング素子Q3を非導通と
し、半導体スイッチング素子Q3が導通状態の時は半導
体スイッチング素子Q1を非導通とする。
導通状態の時は半導体スイッチング素子Q3を非導通と
し、半導体スイッチング素子Q3が導通状態の時は半導
体スイッチング素子Q1を非導通とする。
【0059】同様に、半導体スイッチング素子Q2が導
通状態の時は半導体スイッチング素子Q4を非導通と
し、半導体スイッチング素子S4が導通状態の時はスイ
ッチング素子Q2を非導通とする。
通状態の時は半導体スイッチング素子Q4を非導通と
し、半導体スイッチング素子S4が導通状態の時はスイ
ッチング素子Q2を非導通とする。
【0060】一方、前記第1の実施の形態による2レベ
ル電力変換装置の場合と同様に、例えば交流電力を直流
電力に変換するようなモードでは、各スイッチング素子
内の半導体スイッチング素子Q1,Q2,Q3,Q4と
逆並列に接続したダイオードD1,D2,D3,D4の
電流分担に大きく偏りが生じるが、特にダイオード分が
大きい場合には、本実施の形態では、各相毎に正電位ラ
インPと交流端子Taとの間、および負電位ラインNと
交流端子Taとの間に、外付けのダイオードDX14を
逆並列にそれぞれ接続していることにより、第1,第
2,第3,第4の各スイッチング素子内の逆並列に接続
したダイオードD1,D2,D3,D4の電流負担を軽
減できるため、半導体スイッチング素子Q1,Q2,Q
3,Q4としては、小型で低定格の半導体スイッチング
素子を選定することができる。
ル電力変換装置の場合と同様に、例えば交流電力を直流
電力に変換するようなモードでは、各スイッチング素子
内の半導体スイッチング素子Q1,Q2,Q3,Q4と
逆並列に接続したダイオードD1,D2,D3,D4の
電流分担に大きく偏りが生じるが、特にダイオード分が
大きい場合には、本実施の形態では、各相毎に正電位ラ
インPと交流端子Taとの間、および負電位ラインNと
交流端子Taとの間に、外付けのダイオードDX14を
逆並列にそれぞれ接続していることにより、第1,第
2,第3,第4の各スイッチング素子内の逆並列に接続
したダイオードD1,D2,D3,D4の電流負担を軽
減できるため、半導体スイッチング素子Q1,Q2,Q
3,Q4としては、小型で低定格の半導体スイッチング
素子を選定することができる。
【0061】また、外部にダイオードDX14を取り付
けていることにより、従来のような大型で定格電流の大
きな半導体スイッチング素子を使用した場合よりも部品
点数は増加するものの、外部のダイオードDX14と小
型で低定格の半導体スイッチング素子半導体スイッチン
グ素子Q1,Q2,Q3,Q4の電流利用率を向上させ
ることができるため、装置全体として、小型化、および
低価格化を図ることができる。
けていることにより、従来のような大型で定格電流の大
きな半導体スイッチング素子を使用した場合よりも部品
点数は増加するものの、外部のダイオードDX14と小
型で低定格の半導体スイッチング素子半導体スイッチン
グ素子Q1,Q2,Q3,Q4の電流利用率を向上させ
ることができるため、装置全体として、小型化、および
低価格化を図ることができる。
【0062】上述したように、本実施の形態による3レ
ベル電力変換装置では、半導体スイッチング素子および
ダイオードの電流利用率を向上させて、装置の小型化、
および低価格化を図ることが可能となる。
ベル電力変換装置では、半導体スイッチング素子および
ダイオードの電流利用率を向上させて、装置の小型化、
および低価格化を図ることが可能となる。
【0063】(第4の実施の形態)図4は、本実施の形
態による3レベル電力変換装置(3レベルインバータ)
の構成例を示す回路図であり、図3と同一要素には同一
符号を付してその説明を省略し、ここでは異なる部分に
ついてのみ述べる。
態による3レベル電力変換装置(3レベルインバータ)
の構成例を示す回路図であり、図3と同一要素には同一
符号を付してその説明を省略し、ここでは異なる部分に
ついてのみ述べる。
【0064】すなわち、本実施の形態による3レベル電
力変換装置は、図4に示すように、前記図3における外
付けのダイオードとして、ダイオードD14の代わり
に、それぞれ2個直列のダイオードDX12とDX34
で構成するようにしている。
力変換装置は、図4に示すように、前記図3における外
付けのダイオードとして、ダイオードD14の代わり
に、それぞれ2個直列のダイオードDX12とDX34
で構成するようにしている。
【0065】次に、以上のように構成した本実施の形態
による3レベル電力変換装置の作用について説明する。
による3レベル電力変換装置の作用について説明する。
【0066】前記図3においては、交流側からダイオー
ド側を流れる電流は、そのほとんどが追加した外付けの
ダイオードDX14側を流れる。
ド側を流れる電流は、そのほとんどが追加した外付けの
ダイオードDX14側を流れる。
【0067】これは、一方がダイオードD1とダイオー
ドD2の直列に対して、外付けのダイオードDX14は
ダイオード1個分が並列に接続してあり、電流は電圧降
下の少ない外付けのダイオードDX14側を流れるため
である。
ドD2の直列に対して、外付けのダイオードDX14は
ダイオード1個分が並列に接続してあり、電流は電圧降
下の少ない外付けのダイオードDX14側を流れるため
である。
【0068】この点、本実施の形態では、この電流不平衡
を緩和するように、外付けのダイオードとして、それぞ
れ2個直列のダイオードDX12とDX34で構成して
いることにより、逆並列に接続したダイオードD1,D
2の直列接続分の電圧降下とDX12の2個直列分のダ
イオード電圧降下とが近づくため、電流分担がよくな
り、外付けのダイオードDX12,DX34の電流容量
を小さくすることができ、外部のダイオードDX12,
DX34と小型で低定格の半導体スイッチング素子素子
Q1,Q2,Q3,Q4の電流利用率をさらにより一層
向上させることができる。
を緩和するように、外付けのダイオードとして、それぞ
れ2個直列のダイオードDX12とDX34で構成して
いることにより、逆並列に接続したダイオードD1,D
2の直列接続分の電圧降下とDX12の2個直列分のダ
イオード電圧降下とが近づくため、電流分担がよくな
り、外付けのダイオードDX12,DX34の電流容量
を小さくすることができ、外部のダイオードDX12,
DX34と小型で低定格の半導体スイッチング素子素子
Q1,Q2,Q3,Q4の電流利用率をさらにより一層
向上させることができる。
【0069】これにより、装置全体として、さらにより
一層小型化、および低価格化を図ることができる。
一層小型化、および低価格化を図ることができる。
【0070】上述したように、本実施の形態による3レ
ベル電力変換装置では、前記第3の実施の形態による3
レベル電力変換装置の場合と同様の作用効果を、さらに
より一層効果的に実現することが可能となる。
ベル電力変換装置では、前記第3の実施の形態による3
レベル電力変換装置の場合と同様の作用効果を、さらに
より一層効果的に実現することが可能となる。
【0071】(その他の実施の形態)尚、本発明は、上
記各実施の形態に限定されるものではなく、実施段階で
はその要旨を逸脱しない範囲で、種々に変形して実施す
ることが可能である。また、各実施の形態は可能な限り
適宜組合わせて実施してもよく、その場合には組合わせ
た作用効果を得ることができる。さらに、上記各実施の
形態には種々の段階の発明が含まれており、開示される
複数の構成要件における適宜な組合わせにより、種々の
発明を抽出することができる。例えば、実施の形態に示
される全構成要件から幾つかの構成要件が削除されて
も、発明が解決しようとする課題の欄で述べた課題(の
少なくとも一つ)が解決でき、発明の効果の欄で述べら
れている効果(の少なくとも一つ)が得られる場合に
は、この構成要件が削除された構成を発明として抽出す
ることができる。
記各実施の形態に限定されるものではなく、実施段階で
はその要旨を逸脱しない範囲で、種々に変形して実施す
ることが可能である。また、各実施の形態は可能な限り
適宜組合わせて実施してもよく、その場合には組合わせ
た作用効果を得ることができる。さらに、上記各実施の
形態には種々の段階の発明が含まれており、開示される
複数の構成要件における適宜な組合わせにより、種々の
発明を抽出することができる。例えば、実施の形態に示
される全構成要件から幾つかの構成要件が削除されて
も、発明が解決しようとする課題の欄で述べた課題(の
少なくとも一つ)が解決でき、発明の効果の欄で述べら
れている効果(の少なくとも一つ)が得られる場合に
は、この構成要件が削除された構成を発明として抽出す
ることができる。
【0072】
【発明の効果】以上説明したように、本発明の電力変換
装置によれば、半導体スイッチング素子およびダイオー
ドの電流利用率を向上させて、装置の小型化、および低
価格化を図ることが可能となる。
装置によれば、半導体スイッチング素子およびダイオー
ドの電流利用率を向上させて、装置の小型化、および低
価格化を図ることが可能となる。
【図1】本発明による2レベル電力変換装置(2レベル
インバータ)の第1の実施の形態を示す回路図。
インバータ)の第1の実施の形態を示す回路図。
【図2】本発明による2レベル電力変換装置(2レベル
インバータ)の第2の実施の形態を示す回路図。
インバータ)の第2の実施の形態を示す回路図。
【図3】本発明による中性点クランプ方式の3レベル電
力変換装置(3レベルインバータ)の第3の実施の形態
を示す回路図。
力変換装置(3レベルインバータ)の第3の実施の形態
を示す回路図。
【図4】本発明による中性点クランプ方式の3レベル電
力変換装置(3レベルインバータ)の第4の実施の形態
を示す回路図。
力変換装置(3レベルインバータ)の第4の実施の形態
を示す回路図。
【図5】従来の2レベル電力変換装置(2レベルインバ
ータ)の1相分の構成例を示す回路図。
ータ)の1相分の構成例を示す回路図。
【図6】交流電力を直流電力に変換した場合の各部波形
の一例を示す図。
の一例を示す図。
1…直流電源、
2…平滑用のリアクトル、
3,3P,3N…フィルタコンデンサ、
4…スイッチングユニット、
Q1,Q2,Q3,Q4…半導体スイッチング素子、
D1,D2,D3,D4…逆並列接続したダイオード、
DX1,DX2,DX3,DX4,DX12,DX14,
DX34…外付けのダイオード、 DC1,DC2…結合ダイオード、 P…正電位ライン、 N…負電位ライン、 C…中性点ライン、 Ta,Tb…交流端子。
DX34…外付けのダイオード、 DC1,DC2…結合ダイオード、 P…正電位ライン、 N…負電位ライン、 C…中性点ライン、 Ta,Tb…交流端子。
Claims (4)
- 【請求項1】 半導体スイッチング素子および当該半導
体スイッチング素子と逆並列に接続されたダイオードを
1パッケージに内装した構造を有する複数のスイッチン
グ素子を直列接続して構成される電力変換装置におい
て、前記直列接続された各スイッチング素子の両端に、
外付けのダイオードを逆並列にそれぞれ接続して成るこ
とを特徴とする電力変換装置。 - 【請求項2】 前記請求項1に記載の電力変換装置にお
いて、前記外付けのダイオードとしては、内部にダイオ
ードが2個直列で構成された2in1のダイオードを使
用するようにしたことを特徴とする電力変換装置。 - 【請求項3】 互いに直列接続された第1および第2の
フィルタコンデンサの接続点を中性点として直流電圧を
出力する直流電圧源の正電位ラインと負電位ラインとの
間に、半導体スイッチング素子および当該半導体スイッ
チング素子と逆並列に接続されたダイオードを1パッケ
ージに内装した構造を有する第1,第2,第3,第4の
スイッチング素子の直列回路を接続し、 前記第2および第3のスイッチング素子の接続点より交
流端子を導出し、 前記第1および第2のスイッチング素子の接続点と前記
直流電圧源の中性点ラインとの間に第1の結合ダイオー
ドを接続し、 前記第3および第4のスイッチング素子の接続点と前記
直流電圧源の中性点ラインとの間に第2の結合ダイオー
ドを接続してなる中性点クランプ方式の多レベル電力変
換装置において、 各相毎に前記正電位ラインと交流端子との間、および前
記負電位ラインと交流端子との間に、外付けのダイオー
ドを逆並列にそれぞれ接続して成ることを特徴とする電
力変換装置。 - 【請求項4】 前記請求項3に記載の電力変換装置にお
いて、前記外付けのダイオードとしては、それぞれ2個
直列のダイオードで構成するようにしたことを特徴とす
る電力変換装置。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2002000811A JP2003204668A (ja) | 2002-01-07 | 2002-01-07 | 電力変換装置 |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2002000811A JP2003204668A (ja) | 2002-01-07 | 2002-01-07 | 電力変換装置 |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JP2003204668A true JP2003204668A (ja) | 2003-07-18 |
Family
ID=27641094
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP2002000811A Pending JP2003204668A (ja) | 2002-01-07 | 2002-01-07 | 電力変換装置 |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JP2003204668A (ja) |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2010512135A (ja) * | 2006-12-08 | 2010-04-15 | シーメンス アクチエンゲゼルシヤフト | 電圧形インバータの直流側短絡を制御するための半導体保護素子 |
-
2002
- 2002-01-07 JP JP2002000811A patent/JP2003204668A/ja active Pending
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2010512135A (ja) * | 2006-12-08 | 2010-04-15 | シーメンス アクチエンゲゼルシヤフト | 電圧形インバータの直流側短絡を制御するための半導体保護素子 |
US8817440B2 (en) | 2006-12-08 | 2014-08-26 | Siemens Aktiengesellschaft | Semiconductor protection elements for controlling short circuits at the DC end of voltage source converters |
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