JP2017189026A - 3レベル電力変換回路 - Google Patents
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Abstract
Description
図5において、1は直流電源(電圧をEとする),2,3はコンデンサ(各電圧をE/2とする)、4,5は半導体スイッチング素子、6は上下アーム部、7は、コンデンサ2,3同士の接続点(中点)Mとスイッチング素子4,5同士の接続点(交流出力端子)Uとの間に接続された双方向スイッチとしての中間アーム部、8,10は半導体スイッチング素子、9,11はダイオード、12はリアクトル、13はコンデンサ、14,15は出力端子、P,Nはそれぞれ直流電源1(コンデンサ2,3の直列回路)の正極,負極である。
上記構成において、コンデンサ2,3の直列回路、上下アーム部6及び中間アーム部7からなる回路16は、一般にT型3レベルインバータと呼ばれている。
なお、上下アーム部6のスイッチング素子4,5には、直流電源1の電圧Eが印加されるモードがそれぞれ存在するが、中間アーム部7のスイッチング素子8,10にはそのようなモードが存在せず、印加電圧の最大値はE/2であるため、スイッチング素子4,5よりも低耐圧の素子を使用することができる。
図6において、61,62は直流電源、63,64はコンデンサ、65〜68はIGBT等の半導体スイッチング素子、70はスイッチング素子68の両端と正極Pとの間に接続された電圧クランプ型のスナバ回路、71は抵抗、72はコンデンサ、73はダイオード、80は配線インダクタンスである。ここで、スナバ回路70はRCDスナバ回路と呼ばれている。
また、中間アーム部7のスイッチング素子8については、スイッチング速度が比較的遅いため、図7(b)に示すようにサージ電圧が耐圧を超える恐れは少ない。
従って、ダイオード9が過電圧破壊される恐れがあり、この現象はスイッチング素子5のオン時におけるダイオード11でも同様に起こり得る。
図6における接続点Sのように大きな電位変動を起こす部分には、抵抗及びコンデンサからなるスナバ回路(RCスナバ回路)を用いることが有効であるが、一般に、RCスナバ回路のサージ電圧抑制機能は図6のRCDスナバ回路70より劣るものである。また、RCスナバ回路は充放電損失が大きく、このRCスナバ回路を使用する場合には中間アーム部のスイッチング素子68等に高耐圧のものが必要になり、低耐圧のスイッチング素子を使用可能であるという前述した特徴が損なわれてしまう。また、RCスナバ回路は充放電損失が大きく、損失や発熱が増大するという欠点もある。
前記中間アーム部が、前記中点と前記交流出力端子との間に接続された第1のダイオードと第3のスイッチング素子との直列回路と、前記中点と前記交流出力端子との間に接続された第2のダイオードと第4のスイッチング素子との直列回路と、を備え、
前記第1のダイオードの両端と前記第1,第2のコンデンサ同士の直列回路の正極との間に第1のスナバ回路が接続されると共に、前記第2のダイオードの両端と前記第1,第2のコンデンサ同士の直列回路の負極との間に第2のスナバ回路が接続され、
前記第1〜第4のスイッチング素子の動作により、前記交流出力端子から3つのレベルの電圧を出力させる3レベル電力変換回路において、
互いに順方向に直列接続された前記第1のダイオードと前記第2のダイオードとの接続点を、前記中点に接続したものである。
前記第1のスナバ回路が、
前記第1のダイオードに並列に接続され、かつ、前記第1のダイオードに対して順方向に接続された第3のダイオードと第3のコンデンサとの直列回路と、前記第3のダイオードと前記第3のコンデンサとの直列接続点と前記正極との間に接続された第1の抵抗と、によって構成され、
前記第2のスナバ回路が、
前記第2のダイオードに並列に接続され、かつ、前記第2のダイオードに対して順方向に接続された第4のダイオードと第4のコンデンサとの直列回路と、前記第4のダイオードと前記第4のコンデンサとの直列接続点と前記負極との間に接続された第2の抵抗と、によって構成されているものである。
前記中間アーム部を内蔵したモジュールが、前記第1のダイオードと前記第3のスイッチング素子との接続点に接続された第1の補助端子と、前記第2のダイオードと前記第4のスイッチング素子との接続点に接続された第2の補助端子と、を有し、
前記第1の補助端子が前記第3のダイオードに接続され、前記第2の補助端子が前記第4のダイオードに接続されるものである。
前記中間アーム部を内蔵したモジュールが、前記第1のダイオードと前記第3のスイッチング素子との接続点に前記第3のダイオードを介して接続された第1の補助端子と、前記第2のダイオードと前記第4のスイッチング素子との接続点に前記第4のダイオードを介して接続された第2の補助端子と、を有し、
前記第1の補助端子が前記第3のコンデンサと前記第1の抵抗との接続点に接続され、前記第2の補助端子が前記第4のコンデンサと前記第2の抵抗との接続点に接続されるものである。
図1は、本発明の実施形態を示す構成図であり、図5と同一の機能を有する部分については同一の参照符号を付してある。
また、RCDスナバ回路20,30は請求項における第1,第2のスナバ回路にそれぞれ相当する。更に、コンデンサ22,32は第3,第4のコンデンサにそれぞれ相当し、ダイオード23,33は第3,第4のダイオードにそれぞれ相当し、抵抗21,31は第1,第2の抵抗にそれぞれ相当する。
まず、図2は、上アームのスイッチング素子4がオンした時の動作説明図であり、51は中間アーム部6のスイッチング素子8,10の寄生キャパシタンス、52はダイオード9,11の寄生キャパシタンス、40は回路の配線インダクタンスである。
この時、スイッチング素子8の寄生キャパシタンス51はダイオード9の寄生キャパシタンス52に比べて大きいため、スイッチング素子8とダイオード9との直列回路に印加された電圧(E/2)の大部分はダイオード9に加わり、その寄生キャパシタンス52と配線インダクタンス40とによって共振現象が発生する。これにより、仮にスナバ回路20がない場合、図3に破線で示すように、ダイオード9の両端電圧は印加電圧(E/2)の2倍、つまりE近くまで上昇しようとする。
なお、下アームのスイッチング素子5がオンした場合には、ダイオード11側のスナバ回路30の作用により、ダイオード11の電圧は図3と同様に変化することとなる。
このため、ダイオード9,11が過電圧破壊される恐れがない。
また、スナバ回路20,30のコンデンサ22,32の電圧変化幅は小さいため、コンデンサ22,32の充放電に伴う損失も低減される。
この変形例は、中間アーム部7Bを一体型のモジュールとして構成したものであり、中間アーム部7Bは、図1のスナバ回路20のダイオード23のアノードに接続される第1の補助端子Aと、スナバ回路30のダイオード33のカソードに接続される第2の補助端子Bとを備えている。なお、図1におけるコンデンサ22,32の各一端(非ダイオード23,33側)は、中点Mに予め接続しておけば良い。
この場合、ダイオード23,33を流れる電流の実効値は小さいため、補助端子A,Bを小型にして抵抗値が比較的大きくても補助端子A,Bの温度上昇が大きくなる恐れはない。
上記のように、モジュール化された中間アーム部7Bにダイオード23,33を内蔵することにより、配線の短縮によるスナバ効果の強化が可能である。また、スイッチング素子8,10の冷却手段をダイオード23,33の冷却に兼用することもできる。
2,3:コンデンサ
4,5,8,10:半導体スイッチング素子
6:上下アーム部
7A,7B:中間アーム部
9,11:ダイオード
12:リアクトル
13:コンデンサ
14,15:出力端子
20,30:RCDスナバ回路
21,31:抵抗
22,32:コンデンサ
23,33:ダイオード
40:配線インダクタンス
51,52:寄生キャパシタンス
P:正極
N:負極
M:中点(接続点)
U:交流出力端子
A,B:補助端子
Claims (4)
- 直流電圧が印加され、かつ、互いに直列に接続された第1,第2のコンデンサと、前記第1,第2のコンデンサの直列回路に並列に接続された第1,第2のスイッチング素子の直列回路と、前記第1,第2のコンデンサ同士の接続点である中点と前記第1,第2のスイッチング素子同士の接続点である交流出力端子との間に接続された双方向スイッチとしての中間アーム部と、を有し、
前記中間アーム部が、前記中点と前記交流出力端子との間に接続された第1のダイオードと第3のスイッチング素子との直列回路と、前記中点と前記交流出力端子との間に接続された第2のダイオードと第4のスイッチング素子との直列回路と、を備え、
前記第1のダイオードの両端と前記第1,第2のコンデンサ同士の直列回路の正極との間に第1のスナバ回路が接続されると共に、前記第2のダイオードの両端と前記第1,第2のコンデンサ同士の直列回路の負極との間に第2のスナバ回路が接続され、
前記第1〜第4のスイッチング素子の動作により、前記交流出力端子から3つのレベルの電圧を出力させる3レベル電力変換回路において、
互いに順方向に直列接続された前記第1のダイオードと前記第2のダイオードとの接続点を、前記中点に接続したことを特徴とする3レベル電力変換回路。 - 請求項1に記載した3レベル電力変換回路において、
前記第1のスナバ回路が、
前記第1のダイオードに並列に接続され、かつ、前記第1のダイオードに対して順方向に接続された第3のダイオードと第3のコンデンサとの直列回路と、前記第3のダイオードと前記第3のコンデンサとの直列接続点と前記正極との間に接続された第1の抵抗と、によって構成され、
前記第2のスナバ回路が、
前記第2のダイオードに並列に接続され、かつ、前記第2のダイオードに対して順方向に接続された第4のダイオードと第4のコンデンサとの直列回路と、前記第4のダイオードと前記第4のコンデンサとの直列接続点と前記負極との間に接続された第2の抵抗と、によって構成されていることを特徴とする3レベル電力変換回路。 - 請求項2に記載した3レベル電力変換回路において、
前記中間アーム部を内蔵したモジュールが、前記第1のダイオードと前記第3のスイッチング素子との接続点に接続された第1の補助端子と、前記第2のダイオードと前記第4のスイッチング素子との接続点に接続された第2の補助端子と、を有し、
前記第1の補助端子が前記第3のダイオードに接続され、前記第2の補助端子が前記第4のダイオードに接続されることを特徴とする3レベル電力変換回路。 - 請求項2に記載した3レベル電力変換回路において、
前記中間アーム部を内蔵したモジュールが、前記第1のダイオードと前記第3のスイッチング素子との接続点に前記第3のダイオードを介して接続された第1の補助端子と、前記第2のダイオードと前記第4のスイッチング素子との接続点に前記第4のダイオードを介して接続された第2の補助端子と、を有し、
前記第1の補助端子が前記第3のコンデンサと前記第1の抵抗との接続点に接続され、前記第2の補助端子が前記第4のコンデンサと前記第2の抵抗との接続点に接続されることを特徴とする3レベル電力変換回路。
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