JP2020065409A

JP2020065409A - 漏洩電流低減回路

Info

Publication number: JP2020065409A
Application number: JP2018197165A
Authority: JP
Inventors: 和章東; Kazuaki Azuma; 貴之廣川; Takayuki Hirokawa; 野島　健二; Kenji Nojima; 健二野島; 優樹斉藤; Yuki Saito
Original assignee: Panasonic Intellectual Property Management Co Ltd
Current assignee: Panasonic Intellectual Property Management Co Ltd
Priority date: 2018-10-19
Filing date: 2018-10-19
Publication date: 2020-04-23

Abstract

【課題】逆位相の波形を生成するのに、複雑な制御部を余計に有する必要があり、装置の高価格化・大型化につながってしまっていた。【解決手段】交流電源からの電源電圧が入力される電源フィルタ回路と、前記電源フィルタ回路の出力側に接続される整流及び昇圧コンバータと、前記整流及び昇圧コンバータの出力側に接続されるインバータ回路と、を有する回路であって、前記電源フィルタ回路と整流及び昇圧コンバータとの間にインバータノイズ検出用のコイルを配置し、前記コイルの出力側に、相互に極性の異なる素子を上下に配置し、前記コイルで検出したインバータノイズで漏洩電流を打ち消す。【選択図】図２

Description

本発明は電源もしくは発電機から供給された電力を、負荷機器を駆動もしくは系統連系する為の電力変換回路を備えた電力変換装置に関するものである。

従来よりインバータなどの電力変換回路では、半導体スイッチング時にモータやコンプレッサ等の寄生容量及び、ＥＭＣ対策用フィルタ回路のＹコンデンサにより漏洩電流が発生する。その為、対策として負荷漏洩インピーダンス等価インピーダンスに電圧を与えるスイッチング部と、前記スイッチング部をドライブする駆動部と、スイッチングパターンを生成する制御部を有して、インバータの発生する交流電圧と同期させ逆位相の電圧を発生させて漏洩電流を低減するものがあった。

特開平９−２３３８３７号公報

しかしながら、前記従来の構成では、逆位相の波形を生成するのに、複雑な制御部を余計に有する必要があり、装置の高価格化・大型化につながってしまっていた。

また、漏洩電流を低減する為、Ｙコンデンサ容量を減らすと、雑音端子電圧等のＥＭＣ特性が悪化する為、コモンモードフィルタのインダクタンス値を上げなければならず、回路体積の拡大やコストが増加してしまう課題があった。

本発明は、前記従来の課題を解決するもので、インバータノイズを検出し、漏洩電流と逆相のキャンセル電流をアクティブに流すことで、ＥＭＣ対策用のＹコンデンサ容量を減らすことなく、漏洩電流の低減のみを可能とするものである。

フィルタ回路と整流用コンバータ間に３相コモンモードコイルを挿入し、電源ラインに接続していない１相でインバータノイズを検出し、ノイズ電流によりデバイスを駆動させて、漏洩電流と逆相のキャンセル電流を挿入して漏洩電流を低減する。スイッチング素子はインバータのＰＮ電圧をバイアスし、また極性の異なる素子を上下に配置する。これにより、３相コモンモードフィルタで検出したインバータノイズのタイミングでスイッチング素子が駆動し、漏洩電流と逆向きのキャンセル電流を流すことが可能となり、漏洩電流を低減することができる。スイッチング素子に並行して還流用のダイオードを接続し、またスイッチング素子から出力されるラインにはＤＣカット用のコンデンサを配置し、基準電圧の安定化を図る。

漏洩電流と逆相のキャンセル電流をアクティブに流すことで、ＥＭＣ対策用のＹコンデンサ容量を減らすことなく、漏洩電流の低減のみを可能とする。

一般的な電力変換の回路構成を示す図本発明の実施の形態における回路構成を示す図本発明の実施の形態における３相コモンモードフィルタ及び、スイッチング素子、還流用ダイオード、ＤＣカット用コンデンサの回路上における回路結線図本発明の実施の形態におけるスイッチング素子のゲート抵抗切り替えタイミングを表す図本発明の実施の形態におけるスイッチング素子の駆動パターン切り替えのタイミングを表す図

第１の発明は、漏洩電流の要因であるインバータノイズを検出し、極性の異なる素子を上下に配置し、漏洩電流と逆相のキャンセル電流を注入することで、漏洩電流を低減することができる。

第２の発明は、電源フィルタ回路をＬＣＬフィルタの回路構成とし、前段のコモンモードコイルより、後段のコモンモードコイルの相数を１相増やし、その相でインバータノイズを検出する。これにより漏洩電流低減の効果と併せて、一般的に適用されるＬＣフィルタに比べて、ＬＣＬフィルタ構成にすることにより、更なるＥＭＣフィルタ性能の向上が可能となる。

第３の発明は、漏洩電流値によって、選択回路によるゲート抵抗の切り替えをすることにより、漏洩電流値が低い時の電力変換効率を向上させることができる。

第４の発明は、漏洩電流値によって、スイッチング素子の駆動パターンを切り替えることにより、漏洩電流値が低い時の電力変換効率を向上させることができる。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。なお、この実施の形態によって本発明が限定されるものではない。

（実施の形態１）
図１は従来の一般的な電力変換の回路構成を示す図である。
漏洩電流は４に示すインバータのスイッチングノイズが要因であり、６に示すノイズ低減を目的に挿入されるフィルタ回路のＹコンデンサ及び、７に示すモータやコンプレッサ等の負荷の寄生容量から８に示す電気機器の筐体へ電流が流れ込む。
この漏洩電流を低減する為の本発明の回路構成を図２に示す。
本発明は、図２に示すように、２のフィルタ回路と３のコンバータの間に９である３相コモンモードコイルを挿入する。この３相コモンモードコイルの内、電源ラインに接続していない１相でインバータノイズを検出し、ノイズ電流によりデバイスを駆動させて、漏洩電流と逆相のキャンセル電流を挿入して漏洩電流を低減する。

（実施の形態２）
図２において、本発明の回路構成を単相電源の場合で示しているが、単相電源に限定するものではない。３相電源の場合では、９に示す３相コモンモードコイルが４相コモンモードコイルの構成となる。

（実施の形態３）
実施の形態１において、図２の１０で示すアクティブキャンセル回路の回路結線図が図３である。１８及び１９に示すスイッチング素子はインバータのＰＮ電圧をバイアスし、極性の異なる素子を上下に配置する。またスイッチング素子に並行して２０及び２１に示す還流用ダイオードを接続し、スイッチング素子及び還流用ダイオードの耐圧はインバータのＰＮ電圧以上を確保する。スイッチング素子から出力されるラインには２２に示すＤＣカット用のコンデンサを配置し、基準電圧の安定化を図る。ただしこの２２に示すコン
デンサは必ず設置しなければならないわけではなく、本発明を適用する電気機器によっては取り外しても構わない。

（実施の形態４）
実施の形態３における１８及び１９に示すスイッチング素子は図３に示すようにバイポーラトランジスタに限定しない。また、１４に示す３相コモンモードコイルは巻線のターン数、コア材、コア形状は特に指定しない。

（実施の形態５）
図４は本発明の実施の形態１における漏洩電流と１８及び１９のスイッチング素子が発生する損失と、ゲート抵抗の切り替えの関係を示す図である。
漏洩電流の最大値が発生する条件にてスイッチング素子に付随するゲート抵抗値を設定するが、漏洩電流値が十分に小さい条件ではゲート抵抗値を大きくし、スイッチング素子流す電流値を抑制することで損失を低減することが可能となる。
図４に示す抵抗１より、抵抗２の方が大きい抵抗値であり、またゲート抵抗の切り替え時には漏洩電流の瞬間的な変動に対応する為、ヒステリシスを設定する。

（実施の形態６）
実施の形態５で設定するゲート抵抗の切り替えは、図４のように２種類の抵抗値に限定はしない。場合によっては何種類の抵抗値で切り替えを設定することも可能である。

（実施の形態７）
実施の形態５で設定するゲート抵抗の切り替えは図３で示す１８及び１９のスイッチング素子それぞれのゲート抵抗値を設定する方式、及び共通でゲート抵抗を設定する方式の両方の場合で適用することが可能である。

（実施の形態８）
図５は本発明の実施の形態１における漏洩電流と１８及び１９のスイッチング素子が発生する損失と、１８及び１９のスイッチング素子の駆動パターンの関係を示す図である。漏洩電流の最大値が発生する条件では、１８及び１９の両方のスイッチング素子を駆動させるが、漏洩電流値が十分に小さい条件では一方のスイッチング素子のみを駆動させて、損失を低減する。

（実施の形態９）
図３で設定する１８及び１９のスイッチング素子はどちらか一方の素子のみで回路構成することも可能であり、また、１８及び１９どちらか一方のスイッチング素子をダイオードに置換えることも可能である。

以上のように、本発明における漏洩電流低減回路は、電力変換機器を使用している民生や産業分野のあらゆる商品に適用できる。

１交流電源もしくは発電機
２フィルタ回路
３コンバータもしくは整流器
４インバータ
５負荷機器もしくは系統
６フィルタ回路Ｙコンデンサ
７負荷機器の寄生容量
８電気機器のフレーム及び筐体部
９３相コモンモードコイル
１０アクティブキャンセル回路
１１フィルタ回路のチョークコイル
１２フィルタ回路のＸコンデンサ
１３フィルタ回路のＹコンデンサ
１４３相コモンモードコイル
１５整流ダイオード
１６インバータ部スイッチング素子
１７インバータ部還流ダイオード
１８アクティブキャンセル回路部上側スイッチング素子
１９アクティブキャンセル回路部下側スイッチング素子
２０アクティブキャンセル回路部上側還流ダイオード
２１アクティブキャンセル回路部下側還流ダイオード
２２ＤＣカット用コンデンサ

Claims

交流電源からの電源電圧が入力される電源フィルタ回路と、前記電源フィルタ回路の出力側に接続される整流及び昇圧コンバータと、前記整流及び昇圧コンバータの出力側に接続されるインバータ回路と、を有する回路であって、前記電源フィルタ回路と整流及び昇圧コンバータとの間にインバータノイズ検出用のコイルを配置し、前記コイルの出力側に、相互に極性の異なる素子を上下に配置し、前記コイルで検出したインバータノイズで漏洩電流を打ち消すことを特徴とする漏洩電流低減回路。
前記電源フィルタ回路をＬＣＬフィルタの回路の構成とし、前段のコモンモードコイルより、後段のコモンモードコイルの相数を１相分だけ多くし、当該相でインバータノイズを検出することを特徴とする、請求項１に記載の漏洩電流低減回路。
逆相のキャンセル電流が注入される前記素子の信号部には、電流制限の為の抵抗を有し、漏洩電流の値に応じて該抵抗を変更することを特徴とした請求項１〜２のいずれか一項に記載の漏洩電流低減回路
逆相のキャンセル電流が注入される前記素子は極性の異なる素子を上下に配置し、漏洩電流の値に応じてスイッチング素子の駆動パターンを切り替えることを特徴とした請求項１〜３のいずれか一項に記載の漏洩電流低減回路