JP4337443B2 - マトリクスコンバータシステム - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、一定周波数の交流電源から任意の周波数の交流出力を直接生成するマトリクスコンバータのシステムに関する。
【0002】
【従来の技術】
従来技術の特開平10−191642号公報や特開2000−139076号公報など、従来のマトリクスコンバータでは電源とスイッチを含む主回路の間にLCフィルタを接続する必要がある。このLCフィルタは、マトリクスコンバータから電源に流出する高周波ノイズを抑制する効果と主回路のスイッチがONした場合に速やかに電荷を供給するバイパスコンデンサ的な効果を持つ。
【0003】
【特許文献1】
特開平10−191642号公報
【特許文献2】
特開2000−139076号公報
【0004】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来技術ではLCフィルタの実装方法に関して詳しく記載した例は無く、一般的にはLCフィルタのリアクトルとコンデンサは近接して設置している。ところが、LCフィルタのコンデンサと主回路のスイッチ部分の間の配線長が長くなる場合には、配線のインダクタンスが増加し、スイッチ素子がON/OFFする度に、スイッチ素子に過電圧が印加されることになる。この過電圧を抑制するために従来の回路ではダイオード,コンデンサ,抵抗からなるスナバ回路が接続されている。
【0005】
本発明の目的は、前記過電圧を抑制し、スナバ回路を小型化、或いは、スナバ回路を削除した構成のマトリクスコンバータシステムを提供することである。
【0006】
【課題を解決するための手段】
上記の課題を解決する手段として、LCフィルタの実装方法に着目し、LCフィルタのコンデンサとスイッチ素子の間の距離がLCフィルタのリアクトルとコンデンサの距離よりも小さくなるように構成する。特に、大容量システムなど、スイッチ素子が各出力相毎に分離された形態のモジュール構成のシステムでは、LCフィルタのコンデンサを各モジュール毎に分離し近接設置、或いは、少量のコンデンサをスイッチ素子に近接配置する。前記のように、LCフィルタのコンデンサとスイッチ素子の間の配線インダクタンスを小さくすることによって、フィルタでスナバ回路を代用する。
【0007】
本発明によると、マトリクスコンバータシステムにおいて、スイッチ素子に印加される過電圧を抑制し、スナバ回路の小型化、或いは、スナバ回路の削除を実現できる効果がある。
【0008】
【発明の実施の形態】
以下本発明の実施の形態を図面を参照して説明する。
【0009】
図1は本発明の第一実施例のマトリクスコンバータシステムであり、商用電源1,LCフィルタ2,マトリクスコンバータ主回路部3,負荷4より構成している。従来のコンバータシステムでは、整流器により商用電力を一度直流電力に変換し、インバータで任意の交流電力に再度変換する。このとき、直流部分の安定化を図るために、整流器とインバータの間に平滑コンデンサを接続する必要があった。これに対して、図1のマトリクスコンバータは、商用電源1から得られる一定周波数の交流電力を、直接、任意の周波数の交流電力に変換する。このマトリクスコンバータでは、直流電力に変換する動作が不要であるため、従来のコンバータで必須であった平滑コンデンサを削除できる。このため、装置の小型化が可能になる上、コンデンサの定期交換が不要になるため保守から見た効果は大きい。しかも、電力回生も可能であり、電源高調波も低減できる効果がある。
【0010】
図6はマトリクスコンバータ主回路3を構成する双方向スイッチ部31を示す図である。マトリクスコンバータは9個の双方向スイッチ部31により構成されており、これらをON・OFFさせることによって、任意の周波数の交流電力を出力する。図6(a)は一般的なIGBT81とダイオード82を組み合わせて双方向スイッチを構成している例である。図6(b)はデバイスに逆耐圧特性を持たせた逆阻止デバイス83により構成した例である。図示していない制御回路で演算した結果を基に図6(a),図6(b)の双方向スイッチをON/OFFさせることにより、商用電源から得られる一定周波数の交流電力を、直接、任意の周波数の交流電力に変換することができる。また、図1では、マトリクスコンバータ部分の9個の双方向スイッチを独立に記載しているが、9個の双方向スイッチが1個のモジュールの中に全て含まれた形のオールインワンデバイスを使用しても良い。
【0011】
マトリクスコンバータを用いたシステムでは、電源1とマトリクスコンバータ主回路部3の間にLCフィルタ2の接続が必須になる。このLCフィルタ2は、LCフィルタ用リアクトル21とLCフィルタ用コンデンサ22からなり、マトリクスコンバータ主回路部3から電源1に流出する高周波ノイズを除去するのみでなく、マトリクスコンバータ主回路部3のスイッチング時に瞬時に電荷を供給できるようなバイパスコンデンサ的な役割も担っている。ここで、LCフィルタのリアクトル21とLCフィルタのコンデンサで決まる共振周波数は、電源1の商用周波数と双方向スイッチ部31のスイッチング周波数の間の周波数になるように、リアクトル,コンデンサの値を設定しており、特に、双方向スイッチ部31のスイッチング周波数成分を除去できる周波数帯に特性を設定している。例えば、スイッチング周波数が10kHzで駆動するシステムでは、共振周波数が1kHzになるようにリアクトル,コンデンサの値を設定している。
【0012】
図2は従来のマトリクスコンバータシステムの実装構成図であり、装置盤5の内部にLCフィルタ2およびマトリクスコンバータ主回路部3が設置されている。ここで、LCフィルタ用リアクトル21は重量物であるため、一般的には装置盤5の底部に配置され、LCフィルタ用コンデンサ22もそれに付随して底部に設置される。この場合のマトリクスコンバータシステムの影響について図3を用いて詳しく説明する。
【0013】
図3は、従来のマトリクスコンバータシステムの詳細回路図である。図2のように、LCフィルタ2を装置盤5の底部に設置し、マトリクスコンバータ主回路部3との間に間隔が生じる場合には、LCフィルタ用コンデンサ22とマトリクスコンバータ主回路部3の間の配線の配線インダクタンス6が無視できなくなる。配線インダクタンス6が大きい場合には、マトリクスコンバータ主回路部3内の双方向スイッチ部31がON/OFFする度に、双方向スイッチ部31に過電圧が発生する。これは、スイッチがON状態からOFF状態に切り替わる時に、配線インダクタンス6に流れる電流が遮断されるため、配線インダクタンス6に蓄積されたエネルギーが電圧となって現れることが原因であり、配線インダクタンス6の大きさに比例して過電圧も大きくなる。この電圧がスイッチ素子の耐圧を超える場合には素子の破損を招く恐れがある。この過電圧を補償するために、従来のマトリクスコンバータシステムではスナバ回路7を接続している。つまり、配線インダクタンス6のエネルギーをスナバ回路7のコンデンサに蓄積し、抵抗で消費することにより、素子に印加される電圧を抑制している。しかし、このスナバ回路7は、装置の大型化を招く上、即応性が求められるため高速なダイオードが必要になるので、コストの増加は避けられない。
【0014】
そこで本発明では、図1のように、LCフィルタ用コンデンサ22とマトリクスコンバータ主回路部3の間の距離AがLCフィルタ用リアクトル21とLCフィルタ用コンデンサ22の距離Bよりも小さくなるようにLCフィルタ用コンデンサ22を配置する。図4は、本発明のマトリクスコンバータシステムの詳細回路図である。LCフィルタ用コンデンサ22とマトリクスコンバータ主回路部3の距離を小さくすることによって、上記区間の配線インダクタンスの大きさは小さくなり、スイッチ素子に印加される過電圧を抑制できる。つまり、LCフィルタのコンデンサとマトリクスコンバータ主回路部3の間の配線インダクタンス6を極力小さくすることによって、LCフィルタでスナバ回路を代用し、従来のスナバ回路の規模を小さくしたり、或いは、削除する。この場合には、LCフィルタ用リアクトル21とLCフィルタ用コンデンサ22の間の配線インダクタンス6が増加することになり、LCフィルタ用リアクトル21とLCフィルタ用コンデンサ22で決定するフィルタ定数が変動するが、配線インダクタンス6のはLCフィルタ用リアクトル21に対して十分に小さいため、変動幅も問題にならない程度の大きさで済む。また、この場合の実装構成は、図7に示すように、重量物であるLCフィルタ用リアクトル21を装置盤5の下部に配置し、LCフィルタ用コンデンサ22は、マトリクスコンバータ主回路部3の直近に配置した形態が望ましい。さらに、LCフィルタ用コンデンサ22とマトリクスコンバータ主回路部3内の各双方向スイッチ部31までの距離がほぼ均等になるように実装することによって、それぞれの配線インダクタンスはほぼ均等になるため動作特性を安定化できる効果がある。
【0015】
図5は、本発明の第二実施例のマトリクスコンバータシステムである。第二実施例は、第一実施例と同様にLCフィルタ用コンデンサ22とマトリクスコンバータ主回路部3の間の距離AがLCフィルタ用リアクトル21とLCフィルタ用コンデンサ22の距離Bよりも小さくなるように構成した条件でLCフィルタ用コンデンサ22を出力相(U相,V相,W相)毎に分割した例である。この構成によると、コンデンサ22の数は増加するものの、1個当たりのコンデンサの大きさは小さくなる効果がある。特に、出力容量の大きいマトリクスコンバータシステムでは、双方向スイッチ部31が出力相毎にモジュール化される場合多いため、モジュール毎にコンデンサ22が取り付けられる格好になり、各相に対するバランス(対称性)がよくなる上、個々のコンデンサの小型化によって実装も容易になる。さらにこの場合には、LCフィルタ用コンデンサ22と双方向スイッチ部31の間の距離を極めて小さくすることが可能になり、上記区間の配線インダクタンスを小さくでき、スイッチ素子に印加される過電圧を抑制できる効果が高まる。
【0016】
また、第二実施例の場合も第一実施例と同様に、LCフィルタ用リアクトル21とLCフィルタ用コンデンサ22の間の配線インダクタンス6が増加することになり、LCフィルタ用リアクトル21とLCフィルタ用コンデンサ22で決定するフィルタ定数が変動するが、配線インダクタンス6はLCフィルタ用リアクトル21に対して十分に小さいため、変動幅も問題にならない程度の大きさで済む。
【0017】
図8は、本発明の第三実施例のマトリクスコンバータシステムである。第三実施例は、LCフィルタ用コンデンサ22を分割し、大きい方のコンデンサ221をリアクトルの直近(装置盤の底部)に配置し、小さい方のコンデンサ222をマトリクスコンバータ主回路部3の直近に配置した例である。この構成によると、配線インダクタンスに蓄積されたエネルギーを、スイッチOFF時に小さい方のコンデンサ222に吸収させることが可能になり、スイッチ素子に印加される過電圧を抑制できる効果がある。また、マトリクスコンバータ主回路部3の直近に接続するコンデンサ222は容積も小さくなるため、実装も容易になる。
【0018】
図9は、本発明の第四実施例のマトリクスコンバータシステムである。第四実施例も第三実施例と同様にLCフィルタ用コンデンサ22を分割し、大きい方のコンデンサ221をリアクトルの直近(装置盤の底部)に配置する。さらに、小さい方のコンデンサ222を第二実施例と同様に出力相(U相,V相,W相)毎に分割している。この構成によると、第二実施例と同様に、容量の大きいマトリクスコンバータシステムでは、モジュール毎にコンデンサ222が取り付けられる格好になり、各相に対するバランス(対称性)がよくなる上、個々のコンデンサの小型化によって実装も容易になる。
【0019】
第三実施例、および、第四実施例では、マトリクスコンバータ主回路部3の電源側に配線インダクタンス等の電流源的な要素が配置されることを避け、コンデンサ222による電圧源的な要素が配置されるような構成にしている。つまり、コンデンサ222の大きさは、配線インダクタンス6によって発生する過電圧がスイッチ素子の耐圧よりも十分に小さい値になる範囲で決定すればよい。この意味においてコンデンサ221とコンデンサ222の比率が、8:2或いは9:1のように極端にコンデンサ222の大きさが小さくなっても良いことは言うまでもない。
【0020】
以上、本発明の実施の形態を説明したが、本発明は上記の実施形態に限定されるものではなく、その要旨を変更しない範囲内で様々変形して実施できることは言うまでもない。
【0021】
【発明の効果】
本発明によると、マトリクスコンバータのスイッチ素子に印加される過電圧を抑制でき、素子保護用のスナバ回路を小型化、或いは、削除できる効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の第一の実施例を示す構成図である。
【図2】従来システムの実装構成図である。
【図3】従来システムの回路図である。
【図4】第一実施例の回路図である。
【図5】本発明の第二の実施例を示す構成図である。
【図6】双方向スイッチを示す図である。
【図7】第一実施例の実装構成図である。
【図8】本発明の第三の実施例を示す構成図である。
【図9】本発明の第四の実施例を示す構成図である。
【符号の説明】
1…電源、2…LCフィルタ、3…マトリクスコンバータ主回路部、4…負荷、5…装置盤、6…配線インダクタンス、7…スナバ回路、21…LCフィルタのリアクトル、22…LCフィルタのコンデンサ、31…双方向スイッチ部、81…IGBT、82…ダイオード、83…逆阻止デバイス、221…LCフィルタのコンデンサのうち大きい方、222…LCフィルタのコンデンサのうち小さい方。
Claims (7)
- 少なくとも、複数の双方向スイッチを備えた主回路部と、電源と前記主回路部との間に設けられリアクトルとコンデンサからなるLCフィルタと、前記主回路部によって駆動される負荷によって構成され、前記主回路部では、前記電源から得られる一定周波数の電力を可変周波数の電力に変換する機能を有したマトリクスコンバータシステムにおいて、
前記LCフィルタの前記コンデンサは、前記複数の双方向スイッチの数に等しい複数の第1のコンデンサを有し、前記複数の第1のコンデンサは、出力相毎にグループ分けされ、同じグループに属する前記第1のコンデンサ同士は、一端が共通に、他端がそのグループに対応する出力相に属する前記双方向スイッチのそれぞれに対して一対一で対応するように、互いに並列に接続されており、
前記LCフィルタの前記第1のコンデンサと前記主回路部の間の距離が前記LCフィルタの前記リアクトルと前記LCフィルタの前記第1のコンデンサの距離よりも小さくなるようにLCフィルタの前記第1のコンデンサが配置されていることを特徴とするマトリクスコンバータシステム。 - 請求項1に記載したマトリクスコンバータシステムにおいて、
前記LCフィルタは、前記マトリクスコンバータを構成するスイッチ素子のスイッチング周波数成分を除去する周波数帯に特性が設定されたフィルタであることを特徴とするマトリクスコンバータシステム。 - 請求項1あるいは請求項2に記載したマトリクスコンバータシステムにおいて、
前記双方向スイッチは、前記出力相毎にモジュール化されており、モジュール毎に前記第1のコンデンサが取り付けられていることを特徴とするマトリクスコンバータシステム。 - 請求項1から請求項3の何れかに記載したマトリクスコンバータシステムにおいて、
前記LCフィルタの前記第1のコンデンサと前記主回路部内のそれぞれの前記双方向スイッチの距離がほぼ均等になるように実装されていることを特徴とするマトリクスコンバータシステム。 - 請求項1から請求項4の何れかに記載したマトリクスコンバータシステムにおいて、
前記主回路部と前記LCフィルタは同一の装置盤の内部に配置され、
前記LCフィルタの前記リアクトルは前記装置盤の底部に配置され、かつ、前記LCフィルタの前記第1のコンデンサは前記主回路部の直近に配置されていることを特徴とするマトリクスコンバータシステム。 - 請求項1から請求項4の何れかに記載したマトリクスコンバータシステムにおいて、
前記LCフィルタは、前記第1のコンデンサよりも前記LCフィルタの前記リアクトルに近い位置に配置された第2のコンデンサを有し、
前記第1のコンデンサは、前記第2のコンデンサよりも容量の小さいコンデンサであることを特徴とするマトリクスコンバータシステム。 - 請求項6に記載したマトリクスコンバータシステムにおいて、
前記主回路部と前記LCフィルタは同一の装置盤の内部に配置され、
前記LCフィルタの前記リアクトルおよび前記LCフィルタの前記第2のコンデンサは前記装置盤の底部に配置され、かつ、前記LCフィルタの前記第1のコンデンサは前記主回路部の直近に配置されていることを特徴とするマトリクスコンバータシステム。
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