JP2012157187A

JP2012157187A - 電力変換回路

Info

Publication number: JP2012157187A
Application number: JP2011014998A
Authority: JP
Inventors: Hirotomo Yoshida; 大智吉田; Hisashi Fujimoto; 久藤本
Original assignee: Fuji Electric Co Ltd
Current assignee: Fuji Electric Co Ltd
Priority date: 2011-01-27
Filing date: 2011-01-27
Publication date: 2012-08-16

Abstract

【課題】素子数が少なく、導通損失やスイッチング損失が低減可能な電力変換装置を提供する。
【解決手段】第1及び第2の直流電圧源を直列接続してなる第1の直列回路と、ダイオードを逆並列に接続した第1及び第2のスイッチング素子とを直列接続してなる第2の直列回路と、ダイオードを逆並列に接続した第5及び第6のスイッチング素子を直列接続してなる第3の直列回路と、をそれぞれ並列接続し、第1及び第2の直流電圧源との接続点及び、第1及び第2のスイッチング素子との接続点との間に、第3及び第4のスイッチング素子とを逆並列接続してなる双方向スイッチング素子を接続し、第1及び第2のスイッチング素子との接続点と、第5及び第6のスイッチング素子との接続点と、をそれぞれ出力端子とする。
【選択図】図１

Description

この発明は、直流電力と交流電力とを相互に変換する電力変換装置に関する。

電力変換技術の中で最も重要な技術の一つに、直流電力から交流電力を生成するためのインバータがある。特に、スイッチング素子としてIGBTを使ったIGBTインバータは、家電品から産業機器まで広い分野で用いられている。
インバータには、2つの直流電位から交流を生成する2レベルインバータと、3つ以上の複数の直流電位から交流を生成する多レベルインバータがある。2レベルインバータは部品点数が少なく、小型・安価という特徴がある。一方、多レベルインバータは、出力する交流に歪みが少なく、この結果、低騒音・低ノイズ・出力フィルタが小型化可能、という特徴を持つ。

上記多レベルインバータのうち、5レベルの単相交流を出力するインバータ回路として、図3に示す回路が用いることが多い（特許文献1の図18等）。
ここで図3の回路構成を説明する。図4は図3の回路の片側を取り出した図である。すなわち、ダイオードD1〜D4がそれぞれ逆並列に接続されたスイッチング素子Q1〜Q4からなる直列回路5が、直列接続された直流電圧源E1及びE2からなる直列回路1に対して並列に接続されている。さらに、ダイオードD5及びD6からなるダイオード直列回路6が、ダイオードD5のカソード側がスイッチング素子Q1及びQ2の接続点に、ダイオードD５のアノード側とダイオードD6のカソード側が、直流電圧源E1及びE2の接続点に、ダイオードD6のアノード側がスイッチング素子Q3及びQ4の接続点に、それぞれ接続される。
Q2とQ3のスイッチング素子の接続点は、0、E2、E1+E2の3レベルの電圧が出力可能な交流出力端子となる。図3に示すように、この3レベル出力回路を並列に2組接続することで、5レベルを出力する電力変換回路が構成される。

次に、図3に示した従来回路の動作を説明する。ここで、直列接続された直流電圧源E1及びE2は、それぞれ互いに等しい電圧値Eを有しているとする。図3に示す5レベルインバータ回路は、図4に示すようなスイッチング素子Q1〜Q4及びダイオードD1〜D6からなる3レベルインバータ回路と、この3レベルインバータ回路に並列に接続された、スイッチング素子Q5〜Q8及びダイオードD7〜D12からなる3レベルインバータ回路から構成され、それぞれの交流出力をU相及びV相とする。
ここで、以下表１のようなモードを設定し、スイッチングを行う。

この回路においては、以上のモードを適宜組み合わせることにより、5レベルの電圧を出力している。

特開2008−178284号公報

しかしながら、図3に示すように、従来回路においては、半導体素子が自己消弧型スイッチング素子で8素子、ダイオードが12素子、計20素子が必要になる。更に、これら8つの自己消弧型スイッチング素子は、それぞれにPWMパターンを持ち、制御も複雑となっていた。また上記したような素子の多さによって、電流通過素子数が多くなり、導通損失やスイッチング損失が大きくなるという問題があった。

本発明は、上記課題を解決する多レベル出力型の電力変換回路を提供するものである。

上記目的を達成するため、本発明では、第1の直流電圧源と第2の直流電圧源を直列接続してなる第1の直列回路と、ダイオードを逆並列に接続した第1のスイッチング素子と第2のスイッチング素子を直列接続してなる第2の直列回路と、ダイオードを逆並列に接続した第5のスイッチング素子と第6のスイッチング素子を直列接続してなる第3の直列回路と、をそれぞれ並列に接続し、第1の直流電圧源と第2の直流電圧源との接続点と、第1のスイッチング素子と第2のスイッチング素子との接続点と、の間に、第3のスイッチング素子と第4のスイッチング素子とを逆並列に接続してなる双方向スイッチング素子を接続し、第1のスイッチング素子と第2のスイッチング素子との接続点と、第5のスイッチング素子と第6のスイッチング素子との接続点と、をそれぞれ出力端子とする。

また、第1の直流電圧源と第2の直流電圧源を直列接続してなる第1の直列回路と、ダイオードを逆並列に接続した第1のスイッチング素子と第2のスイッチング素子を直列接続してなる第2の直列回路と、ダイオードを逆並列に接続した第5のスイッチング素子と第6のスイッチング素子を直列接続してなる第3の直列回路と、をそれぞれ並列に接続し、第1の直流電圧源と第2の直流電圧源との接続点と、第1のスイッチング素子と第2のスイッチング素子との接続点と、の間に、ダイオードを逆並列に接続した第3のスイッチング素子と第4のスイッチング素子とを対向して直列接続してなる双方向スイッチング素子を接続し、第1のスイッチング素子と第2のスイッチング素子との接続点と、第5のスイッチング素子と第6のスイッチング素子との接続点と、をそれぞれ出力端子としてもよい。

この発明によれば、従来技術に比べて、より少ない素子数により変換回路を構成することが可能となる。第1の発明においては、従来回路に比較して自己消弧型スイッチング素子が8個から6個に減少する。また、ダイオードが12個から4個に減少し、より少ない半導体素子数で従来回路と同一の効果を達成することができる。

また、第2の発明によれば、従来回路に比較して自己消弧型スイッチング素子が8個から6個に減少し、ダイオードが12個から6個に減少する。こちらもより少ない半導体素子数で従来回路と同一の効果を達成することができる。

さらに、いずれの電圧の出力時においても、駆動させる素子数が従来技術と比べて少なくて済むため、電流通流損失及びスイッチング損失がその分減少し、高効率化が可能である。

この発明の第１の実施形態を示す回路図この発明の第２の実施形態を示す回路図従来技術を示す回路図従来技術を示す回路図

図１に本発明の第1の実施形態を示す。図1において、直流電圧源E1、E2からなる第1の直列回路1に対し、スイッチング素子Q1、Q2からなりU相を出力する第2の直列回路2、スイッチング素子Q5、Q6からなりV相を出力する第3の直列回路3、がそれぞれ並列に接続され、第1の直列回路の接続点と第2の直列回路の接続点との間には、スイッチング素子Q3とQ4が逆並列に接続された双方向スイッチング素子4が接続されている。ここで、直流電圧源E1及びE2は、図3及び図4に示した従来技術と同じように、同じ電圧＋Eを持つものとする。
ここで、図1の動作パターンは以下表２のようになる。本実施形態では、以下表２のモードを適宜組み合わせ、従来技術と同様に5レベルの電圧を出力させる。従来技術に比較して自己消弧型スイッチング素子は8個から6個に、また、ダイオードが12個から4個に減少している。

表２から、U-V間電圧+2Eを出力するモード1では、2つの素子をオンさせる。上記従来技術では、同じモードにおいて4つの素子をオンさせているから、2つの素子の分だけ電流通流による損失と、スイッチング損失が低減できる。
各モードにおける、従来技術との駆動素子数の比較を以下に整理する。つまり、いずれのモードにおいても、駆動素子数は低減できることが分かる。

次に、図2に本発明の第2の実施形態を示す。図1との相違点は、双方向スイッチング素子7の構成である。図2において、スイッチング素子Q3とQ4からなる双方向スイッチング素子7は、逆導通ダイオードD3及びD4がそれぞれ並列接続された通常のIGBTスイッチを、互いに対向して接続したものである。
図2に示した回路では、以下表４の動作にて各素子をオンさせる。以下スイッチングのパターンを適宜組み合わせて、従来技術と同様に5レベルの電圧を出力させる。この実施形態では、従来技術に比較して自己消弧型スイッチング素子が8個から6個に、また、ダイオードは12個から6個に減少している。

本実施形態においても、従来技術と比べ、いずれのモードにおいても駆動素子数を少なくすることができ、この結果、通流損失及びスイッチング損失を低減することが可能となる。

１…第1の直列回路、２…第2の直列回路、３…第3の直列回路、４…双方向スイッチ

Claims

第1の直流電圧源と第2の直流電圧源を直列接続してなる第1の直列回路と、ダイオードを逆並列に接続した第1のスイッチング素子と第2のスイッチング素子を直列接続してなる第2の直列回路と、ダイオードを逆並列に接続した第5のスイッチング素子と第6のスイッチング素子を直列接続してなる第3の直列回路と、をそれぞれ並列に接続し、
第1の直流電圧源と第2の直流電圧源との接続点及び、第1のスイッチング素子と第2のスイッチング素子との接続点との間に、第3のスイッチング素子と第4のスイッチング素子とを逆並列に接続してなる双方向スイッチング素子を接続し、
第1のスイッチング素子と第2のスイッチング素子との接続点と、第5のスイッチング素子と第6のスイッチング素子との接続点と、をそれぞれ出力端子としたことを特徴とする電力変換装置。
第1の直流電圧源と第2の直流電圧源を直列接続してなる第1の直列回路と、ダイオードを逆並列に接続した第1のスイッチング素子と第2のスイッチング素子を直列接続してなる第2の直列回路と、ダイオードを逆並列に接続した第5のスイッチング素子と第6のスイッチング素子を直列接続してなる第3の直列回路と、をそれぞれ並列に接続し、
第1の直流電圧源と第2の直流電圧源との接続点及び、第1のスイッチング素子と第2のスイッチング素子との接続点との間に、ダイオードを逆並列に接続した第3のスイッチング素子と第4のスイッチング素子とを対向して直列接続してなる双方向スイッチング素子を接続し、
第1のスイッチング素子と第2のスイッチング素子との接続点と、第5のスイッチング素子と第6のスイッチング素子との接続点と、をそれぞれ出力端子としたことを特徴とする電力変換装置。