JP2009005447A

JP2009005447A - 電力変換回路

Info

Publication number: JP2009005447A
Application number: JP2007162311A
Authority: JP
Inventors: Akitake Takizawa; 聡毅滝沢
Original assignee: Fuji Electric Systems Co Ltd
Current assignee: Fuji Electric Co Ltd
Priority date: 2007-06-20
Filing date: 2007-06-20
Publication date: 2009-01-08

Abstract

【課題】多レベルの出力が可能な電力変換回路で使用する素子数を最小限にして小型化，低コスト化を可能とする。
【解決手段】例えば、１８ｉｎ１モジュール２Ａと、従来の２レベルインバータ回路に使用されている６ｉｎ１モジュール２Ｂの２台を隣り合わせに設置し、モジュール２Ａでは出力端子Ｔ１，Ｔ２，Ｔ３とコンデンサまたは電池１Ａ〜１Ｄの中間電位端子Ａ，Ｂ，Ｃとを結線する一方、出力端子Ｔ４，Ｔ５，Ｔ６と、モジュール２Ｂの出力端子Ｔ７，Ｔ８，Ｔ９とを結線し、負荷（モータ）４に結線して構成する。これにより、Ｖｐ，Ｖａ，Ｖｂ，Ｖｃ，Ｖｎの５レベルの電圧出力を可能とする。
【選択図】図１

Description

この発明は、多レベルの出力が可能な電力変換器主回路に関する。

図７は多レベルの出力が可能な電力変換器主回路の中、５レベルの例（１相分）を示すもので、例えば特許文献１に開示されている。１Ａ〜１Ｄが直流電源を構成する大容量のコンデンサまたは電池で、４直列構成の場合である。なお、コンデンサの場合は、図示されない直流電源回路、または交流電源回路と整流回路が外部に設けられるのが一般的である。５Ａ〜５Ｉが半導体スイッチ素子としてのＩＧＢＴ（絶縁ゲートバイポーラトランジスタ）と、逆並列接続されたダイオードとを８直列接続した回路、Ｄ１〜Ｄ１２がクランプ用ダイオードで、直列接続したコンデンサ１Ａ〜１Ｄの各接続点の電位Ｖａ，Ｖｂ，Ｖｃにクランプすることを目的に接続されている。Ｔｏは交流出力点で、モータなどの負荷に接続される。

上記構成により、交流出力点ＴｏにはＩＧＢＴ５Ａ〜５Ｈのオン・オフ状態によって、Ｖｐ，Ｖａ，Ｖｂ，ＶｃおよびＶｎの５レベルの電位を出力することが可能である。また、図７の回路を３並列接続することによって、３相出力が可能となる。このような回路により、図８のような一般的な２レベルのインバータ回路２Ｂと比較して、高調波成分の少ない交流出力を得ることが可能となる。

この様子を示すのが図９で、同（ａ）は５レベル回路の出力電圧波形例、同（ｂ）は２レベル回路の出力電圧波形例を示す。また、１回のスイッチングによる電位変動幅も、２レベル回路と比較して１／４になる。その結果、ノイズや高調波による外部環境への影響が低減され、フィルタ回路の小型化が可能になるだけでなく、高サージ電圧による絶縁破壊の問題も解消される。

特開２００６−２３００３５号公報

図７で、交流出力点ＴｏにＶｐの電位を出力しようとすると、ＩＧＢＴ５Ａ，５Ｂ，５Ｃおよび５Ｄを導通させる必要がある。すなわち、電流としてはＩＧＢＴ５Ａ，５Ｂ，５Ｃおよび５Ｄの全てを流れることになるため、各ＩＧＢＴの飽和電圧Ｖｃｅ分（約２Ｖ×４）が電圧降下として生じる。その結果、変換器部の発生損失が大きくなり、交流出力電圧の低下という問題が生じる。

また、素子数も図７に示す１相分で２８素子、３相分では８４素子となって、図８の２レベル回路に対して大幅増加となり、変換器部のコストアップや大型化の原因となる。また、図７に示す回路を容易に構成し得る汎用的なモジュールが存在しないことも、コストアップや大型化の要因となる。
したがって、この発明の課題は、電力変換回路で使用する素子数を最小限にして小型化，低コスト化を図ることにある。

このような課題を解決するため、請求項１の発明では、直流から交流、または交流から直流に変換する電力変換回路において、
多数直列接続されたコンデンサまたは電池からなる直流部と、双方向型半導体スイッチ素子を９回路内蔵した電力用半導体モジュール１台と、半導体スイッチ素子と逆並列接続されたダイオードを１アームとして６回路分内蔵した電力用半導体モジュール１台か、または、半導体スイッチ素子と逆並列接続されたダイオードを１アームとして２回路分内蔵した電力用半導体モジュール３台を有し、前記双方向型半導体スイッチ素子を内蔵した電力用半導体モジュールの６出力端子のうち、３出力を前記直列接続されたコンデンサ同士または電池同士の各接続点に、残りの３出力を前記半導体スイッチ素子と逆並列接続されたダイオードの６回路分を内蔵した電力用半導体モジュールの３相各相の交流出力端子に接続したことを特徴とする。

上記請求項１の発明においては、前記双方向型半導体スイッチ素子が９回路内蔵された電力用半導体モジュールをＮ（正の整数）台用い、（３Ｎ＋２）レベルの交流電圧を出力可能とすることができ（請求項２の発明）、これら請求項１または２の発明においては、前記双方向型半導体スイッチ素子が９回路内蔵された電力用半導体モジュールのスイッチ素子の中で、前記コンデンサまたは電池に接続される３つの出力端子のうち、１つまたは２つの出力端子に接続されているスイッチ素子３つを動作させないことで、任意のレベルの交流電圧を出力可能にすることができる（請求項３の発明）。

すなわち、この発明は、小型・高効率・低コスト化を目的に、例えば特開２００２−２４７８６２号公報に記載されている３レベルの電力変換回路、例えば文献（IEEE TRANSACTION ON POWER ELECTRONICS,VOL.21,NO.5,SEP.2006,p1311~1319）に記載されている５レベルの電力変換回路、さらに、例えば特開２００４−２７４９０６号公報に記載されている３相交流から直接３相交流に電力変換する回路（マトリックスコンバータとも呼ばれる）用として汎用的に入手できる、図５（ｂ）に示すような双方向型スイッチ３（逆耐圧を有するＩＧＢＴ３１，３２を、図５（ｃ）のように逆並列接続したもの）を内蔵した、例えば図６に示すような半導体スイッチ素子モジュール２Ａ（１８ｉｎ１モジュール）を用いることにより、直流と交流の相互の変換が可能な多レベル（３Ｎ＋２：Ｎは正の整数）電力変換回路を容易に構成可能とするものである。

つまり、図６に示す１８ｉｎ１モジュール２Ａと、図８に示すような従来の２レベルインバータ回路に使用されている６ｉｎ１モジュール２Ｂの２台にて５レベル、また、複数の１８ｉｎ１モジュール２Ａと、１台の６ｉｎ１モジュール２Ｂにより、（３Ｎ＋２）レベルの交流出力が可能な電力変換回路が容易に構成可能であるため、配線の省力化，小型高信頼のシステムが構築可能となる。

この発明によれば、半導体スイッチ素子モジュールを最小限使用することで、任意のレベルの交流出力が可能な電力変換回路を容易に構成することができ、その結果、変換回路の小型化，低コスト化が可能となる。

図１はこの発明の実施の形態を示す回路図である。同図からも明らかなように、モジュール２Ａとモジュール２Ｂを隣り合わせに設置した例である。モジュール２Ａでは出力端子Ｔ１，Ｔ２，Ｔ３とコンデンサの中間電位端子Ａ，Ｂ，Ｃとを結線する。また、出力端子Ｔ４，Ｔ５，Ｔ６と、モジュール２Ｂの出力端子Ｔ７，Ｔ８，Ｔ９とを結線し、負荷（モータ）４に結線して構成される。なお、モジュール２Ｂに、半導体スイッチ素子と逆並列接続されたダイオードを１アームとして、６回路分内蔵した電力用半導体モジュールを用いているが、半導体スイッチ素子と逆並列接続されたダイオードを１アームとして、２回路分内蔵した電力用半導体モジュール３台で構成するようにしても良いのは勿論である。

以上の結線により、出力端子Ｐ，Ｕ（Ｔ４，Ｔ７），Ｖ（Ｔ５，Ｔ８），Ｗ（Ｔ６，Ｔ９），Ｎには、図７と同様にＶｐ，Ｖａ，Ｖｂ，Ｖｃ，Ｖｎの各電位が出力可能となる。例えば、Ｕ相にＶａを、Ｖ相にＶｂを、Ｗ相にＶｃを出力する場合は、スイッチ３Ａ，３Ｅ，３Ｉをオンさせれば良いことになる。
図２に図１を実現する機器構成図を示す。図示のようにモジュール２Ａ，２Ｂおよびコンデンサ１Ａ〜１Ｄを横並びに配置するだけで、短い配線で容易に実現可能である。

図３にこの発明の別の実施の形態を示す。これは、モジュール２Ｂの出力端子Ｔ７，Ｔ８，Ｔ９に対し、モジュール２Ａ，２Ｃの出力端子Ｔ４ａ，Ｔ４ｃとＴ５ａ，Ｔ５ｃとＴ６ａ，Ｔ６ｃを接続したものである。また、モジュール２Ａ，２Ｃのもう一方の出力端子Ｔ１ａ，Ｔ２ａ，Ｔ３ａ，Ｔ１ｃ，Ｔ２ｃ，Ｔ３ｃは、７直列接続されたコンデンサ１Ａ〜１Ｇの各接続点に接続されている。これにより、出力端子Ｔ７，Ｔ８，Ｔ９には、各コンデンサの接続点の電位を出力することが可能になるため、８レベルの電力変換回路が実現できる。同様に、モジュール２ＡをＮ（正の整数）台、モジュール２Ｂを１台、コンデンサを３Ｎ＋１台直列接続することで、一般的には３Ｎ＋２レベルの電力変換回路を構成することができる。

図４にこの発明のさらに別の実施の形態を示す。
図１は２台のモジュールによる５レベルの回路例であるが、モジュール２Ａの中で例えばＶｃ電位に接続される双方向型スイッチ３つ（３ｇ，３Ｈ，３Ｉ）を動作させず、その出力端子Ｔ３を開放し、コンデンサも３直列とすることで、４レベルとすることも可能で、同様に図３の構成で６レベル，７レベルのものなど、動作させないスイッチを設けることで、任煮のレベルの電力変換回路を構成することができる。
また、双方向型スイッチとしては、逆耐圧がないスイッチ素子とダイオードの直列回路を、逆並列に接続したものを用いることも可能である。

この発明の実施の形態を示す回路図図１を実現するための機器構成図この発明の別の実施の形態を示す回路図この発明のさらに別の実施の形態を示す回路図マトリックスコンバータを説明する概要図１８ｉｎ１モジュールの例を示す回路図５レベル回路の従来例を示す回路図２レベル回路の従来例を示す回路図５レベル回路と２レベル回路の出力電圧を示す波形図

符号の説明

１…コンデンサまたは電池（直流部）、２Ａ，２Ｂ，２Ｃ…半導体モジュール、３，３Ａ〜３Ｉ…双方向型半導体スイッチ素子、４…負荷（モータ）、５Ａ〜５Ｈ…スイッチ素子（ＩＧＢＴ）、Ｔ１〜Ｔ９，Ｔ１ａ〜Ｔ６ａ，Ｔ１ｃ〜Ｔ６ｃ…出力端子、Ｄ１〜Ｄ１２…ダイオード、Ｔｏ…交流出力点。

Claims

直流から交流、または交流から直流に変換する電力変換回路において、
多数直列接続されたコンデンサまたは電池からなる直流部と、双方向型半導体スイッチ素子を９回路内蔵した電力用半導体モジュール１台と、半導体スイッチ素子と逆並列接続されたダイオードを１アームとして６回路分内蔵した電力用半導体モジュール１台か、または、半導体スイッチ素子と逆並列接続されたダイオードを１アームとして２回路分内蔵した電力用半導体モジュール３台を有し、前記双方向型半導体スイッチ素子を内蔵した電力用半導体モジュールの６出力端子のうち、３出力を前記直列接続されたコンデンサ同士または電池同士の各接続点に、残りの３出力を前記半導体スイッチ素子と逆並列接続されたダイオードの６回路分を内蔵した電力用半導体モジュールの３相各相の交流出力端子に接続したことを特徴とする電力変換器主回路。
前記双方向型半導体スイッチ素子が９回路内蔵された電力用半導体モジュールをＮ（正の整数）台用い、（３Ｎ＋２）レベルの交流電圧を出力可能とすることを特徴とする請求項１に記載の電力変換器主回路。
前記双方向型半導体スイッチ素子が９回路内蔵された電力用半導体モジュールのスイッチ素子の中で、前記コンデンサまたは電池に接続される３つの出力端子のうち、１つまたは２つの出力端子に接続されているスイッチ素子３つを動作させないことで、任意のレベルの交流電圧を出力可能にすることを特徴とする請求項１または２に記載の電力変換器主回路。