JP6111671B2 - 駆動信号絶縁回路を用いた電力変換装置 - Google Patents

Description

本発明は、インバータなどの電力変換装置に適用する電力用半導体スイッチ素子を駆動する信号の絶縁回路を適用した電力変換装置に関する。

図１１に電力変換回路の代表回路である直流から交流に電力変換する２レベルインバータの主回路構成図を示す。１は直流電源，２は負荷としての交流電動機，３は電力用半導体素子で構成するインバータ回路で，直流電源１の直流電圧Ｅｄを交流電圧に変換し、電圧と周波数の可変出力が可能である。但し一般には直流電源１は，図示していない交流電源とダイオード整流器などを介して，大容量のコンデンサで構成される。また前記直流電圧Ｅｄが前記コンデンサ単体の電圧定格よりも高いときはコンデンサを複数個直列に接続する。

ここに示すインバータ回路３は３相出力の回路であり、Ｕ相用のアーム直列回路３Ｕ、Ｖ相用のアーム直列回路３Ｖ、Ｗ相用のアーム直列回路３Ｗを直流電源１と並列接続して構成される。各アーム直列回路の直列接続点は交流出力となり、負荷としての交流電動機２に接続される。アーム各々は、Ｕ相用のアーム直列回路３Ｕの上アームの例に示すように、スイッチ素子であるＩＧＢＴ４，ＩＧＢＴ４と逆並列に接続されるダイオード５，ゲート駆動回路６で構成され、これらが６回路で３相インバータ回路となる。７は電力変換装置の制御回路で，制御回路７で各ＩＧＢＴのオンオフ指令信号（ゲート駆動信号）が生成される。ＩＧＢＴ４を駆動するためのゲート駆動回路６では，制御回路７からのオンオフ信号を絶縁してＩＧＢＴ４のゲートに供給する。通常制御回路が置かれている基準電位側と，ＩＧＢＴ及びそのゲート駆動回路間には電位差があるため，両者間で信号伝送を行う場合は絶縁器が必要となる。

上記システムにおいて従来から適用されている絶縁器を用いた回路例として，図１２に示すフォトカプラ９を用いた回路構成，図１３に示すパルストランス１０，１１を用いた回路構成，図１４に示す光ファイバケーブル１２を用いた回路構成がある。

図１２に示すフォトカプラを用いた回路は、制御回路７からのオンオフ信号をスイッチ回路１６を介してフォトカプラ回路９のフォトダイオードを駆動し、フォトカプラの２次回路であるフォトトランジスタを用いたゲート駆動回路でゲート駆動回路用電源ＧＰＳからＩＧＢＴＱ１のゲートにオン用順バイアス電圧とオフ用逆バイアス電圧を供給する。ここで使用されている抵抗Ｒｐは、制御電源Ｖｃからフォトダイードに流れる電流を所定値に制限するための制限抵抗である。また、抵抗Ｒｇはゲート抵抗と呼ばれ、オン信号の電圧立上り時間の調整や、オフ信号の立下り時間の調整の役割を担う。

図１３に示す絶縁トランス（パルストランスとも呼ぶ）を用いた回路は、二つの絶縁トランス１０、１１を用いた変調−復調回路の構成である。絶縁トランスを小型化するために、制御回路７からのオンオフ信号をスイッチ回路１７内で、位相の１８０度ずれた二つの高周波信号に変調して、絶縁トランス１０の１次巻線ｎ１と１１の１次巻線ｎ１を駆動し、各絶縁トランスの２次巻線ｎ２の電圧を整流ダイオードＲＤで整流して、復調する構成である。復調された信号はスイッチ回路１３でゲート駆動回路用電源ＧＰＳからＩＧＢＴＱ１のゲートにオン用順バイアス電圧とオフ用逆バイアス電圧を供給する。抵抗Ｒｇはゲート抵抗と呼ばれ、オン信号の電圧立上り時間の調整や、オフ信号の立下り時間の調整の役割を担う。

図１４に示す光ファイバケーブル１２を用いた回路は、制御回路７からのオンオフの電気信号を電気−光変換器（Ｅ／Ｏ）１４で光信号に変換し、光ファイバケーブル１２で半導体スイッチ素子駆動回路まで光伝送し、この光信号を光−電気変換器（Ｏ／Ｅ）１５で電気信号に変換する。この電気信号はスイッチ回路１３でゲート駆動回路用電源ＧＰＳからＩＧＢＴＱ１のゲートにオン用順バイアス電圧とオフ用逆バイアス電圧を供給する。抵抗Ｒｇはゲート抵抗と呼ばれ、オン信号の電圧立上り時間の調整や、オフ信号の立下り時間の調整の役割を担う。

これら方式はそれぞれ一長一短の特徴がある。フォトカプラは安価で，実装面積および体積が小さいというメリットがあるが，光絶縁部の伝送効率の点で１次−２次間の距離を離すことができず，１次−２次間の絶縁耐圧を高くすることに限界があることや，ある程度の伝送時間が必要で，その伝送時間にも個体差（ばらつき）がある，といったデメリットがある。

絶縁トランスは，フォトカプラに比べて高価であり，実装面積，体積も大きい，さらには増幅機能を備えたスイッチ回路１３が必要といったデメリットもある。一方，大きさに制約がなければ絶縁電圧を高くすることが可能であり，また伝送時間もほぼゼロであるといったメリットがある。

光ファイバケーブルはこれら３者の中では最も高価であり，また電気−光変換器（Ｅ/Ｏ）１４，光−電気変換器（Ｏ/Ｅ）１５が必要で，増幅機能を備えたスイッチ回路１３が必要といったデメリットがあるが，絶縁電圧を考慮する必要がなく，また長距離信号伝送も可能といったメリットがある。

上記の特徴を活かして、一般に，２００Ｖ系や４００Ｖ系の低圧の装置にはフォトカプラが，装置を並列接続するような大容量のシステムには信号伝送時間ばらつきが問題とならないパルストランスが，また高絶縁耐量が必要となる数１０００Ｖ系以上の高圧装置には光ファイバケーブルが適用されることが多い。
フォトカプラを適用した例は，特許文献１に、パルストランスを適用した例は特許文献２に，光ファイバケーブルを適用した例として，特許文献３に、各々記載されている。

特開２００４−３１２７９６号公報 特開平７−１５９４９号公報 特開２００６−１０９６８６号公報

電気学会技術報告 第１０９３号

上述のように、数１０００Ｖクラスの高圧の装置では，一般的に信号絶縁手段として光ファイバケーブルを適用しているため，コストアップ要因となる。
また図１１の回路方式をベースに高圧回路を構成する場合の例を図１５に示す。本回路例は非特許文献１に記載されているフライングキャパシタ形電力変換回路と呼ばれ，高耐圧の半導体スイッチ素子を適用せずに，低耐圧の半導体スイッチ素子を直列に接続（Ｑ１〜Ｑ４）し，さらに半導体スイッチ素子Ｑ１とＱ２の接続点とＱ３とＱ４の接続点との間にコンデンサ２１，２２の直列回路を接続する構成である。例えば、直流単電源１ａ〜１ｄで構成された直流電源電圧を４Ｅｄとした場合，フライングキャパシタＣ１、Ｃ２の各々の電圧をＥｄ（合計で２Ｅｄ）とすることで交流出力点Ａｕには，Ｍ電位を基準に２Ｅｄ，Ｍ，−２Ｅｄの３つのレベルの電位を出力可能となるため，本回路は３レベルのインバータとなる。本回路例のように３レベル以上のマルチレベルインバータの場合，一般にスイッチ素子数が多くなるため，その数に応じて光ファイバケーブルの数も必要となり，さらなるコストアップ要因となる。
従って、本発明の課題は、高電圧の電力変換回路を構成する半導体スイッチ素子に制御回路から駆動信号を絶縁して伝送する回路方式として、光ファイバケーブルなどの高価な絶縁手段を用いない低価格の絶縁回路方式とそれを用いた低価格の電力変換装置を提供することである。

上述の課題を解決するために、第１の発明においては、半導体スイッチ素子直列回路と、半導体スイッチ素子をオンオフ制御する駆動信号絶縁回路と、キャパシタとからなるフライングキャパシタ形電力変換装置として、前記駆動信号絶縁回路は、駆動信号を異電位間で絶縁して伝送し、絶縁トランスを用いた信号絶縁回路とフォトカプラを用いた信号絶縁回路とを直列接続して二重絶縁した直列絶縁回路にて構成され、前記半導体スイッチ素子直列回路は、直流電源と並列に２ｎ（ｎは２以上の整数）個の半導体スイッチ素子が直列接続されており、前記半導体スイッチ素子直列回路の中間点を中心に２Ｎ（Ｎは１〜ｎ−１までの整数）個のキャパシタが半導体スイッチ素子直列回路と並列に接続されており、前記駆動信号絶縁回路は、前記半導体スイッチ素子の各々に適用されており、前記いずれかのフライングキャパシタの中間電位点に、前記半導体スイッチ素子の各々に適用された前記絶縁トランスを用いた信号絶縁回路と前記フォトカプラを用いた信号絶縁回路とを直列接続した駆動信号絶縁回路の直列接続点が接続される。
第２の発明においては、第１の半導体スイッチ素子直列回路と、第２の半導体スイッチ素子直列回路と、半導体スイッチ素子をオンオフ制御する駆動信号絶縁回路と、キャパシタとからなるフライングキャパシタ形電力変換装置として、前記駆動信号絶縁回路は、駆動信号を異電位間で絶縁して伝送し、絶縁トランスを用いた信号絶縁回路とフォトカプラを用いた信号絶縁回路とを直列接続して二重絶縁した直列絶縁回路にて構成され、前記第１の半導体スイッチ素子直列回路は、直流電源と並列に２ｎ（ｎは２以上の整数）個の半導体スイッチ素子が直列接続されており、前記第１の半導体スイッチ素子直列回路の中間点を中心に２Ｎ（Ｎは１〜ｎ−１までの整数）個のキャパシタが第１の半導体スイッチ素子直列回路と並列に接続されており、前記第２の半導体スイッチ素子直列回路は、前記Ｎの最大値で決められたキャパシタと並列に複数の半導体素子が直列接続されており、前記第２の半導体スイッチ素子直列回路の中間接続点と前記直流電源の中間電位点との間に双方向のスイッチングが可能な双方向スイッチを接続されており、前記半導体スイッチ素子の各々に前記駆動信号絶縁回路が適用されており、前記いずれかのフライングキャパシタの中間電位点に、前記半導体スイッチ素子の各々に適用された前記絶縁トランスを用いた信号絶縁回路と前記フォトカプラを用いた信号絶縁回路とを直列接続した駆動信号絶縁回路の直列接続点が接続される。

第３の発明においては、第１〜第２の発明における電力変換装置の駆動信号絶縁回路において、前記駆動信号の送信元となる基準電位側を絶縁トランスを用いた信号絶縁回路とし、前記半導体スイッチ素子側をフォトカプラを用いた信号絶縁回路とする。

第４の発明においては、第３の発明における電力変換装置の駆動信号絶縁回路において、前記絶縁トランスの１次巻線を前記基準電位側で駆動し、前記絶縁トランスの２次巻線から前記フォトカプラのフォトダイオードにオン信号時の電流を供給する。

第５の発明においては、第３〜第４の発明における電力変換装置の駆動信号絶縁回路において、前記絶縁トランスを用いた信号絶縁回路と前記フォトカプラを用いた信号絶縁回路とを直列接続する直列接続点を、前記基準電位と前記直列絶縁回路を介して駆動する半導体スイッチ素子のエミッタ電位との間の中間電位点に接続する。

本発明では、高電圧の電力変換装置に適用するゲート駆動信号の絶縁器として光ファイバケーブルを使用せず，絶縁トランスと低廉のフォトカプラのみを使用し、絶縁トランスによる信号絶縁回路とフォトカプラによる信号絶縁回路を直列接続構成とし、直列接続点を前記基準電位と前記直列絶縁回路を介して駆動する半導体スイッチ素子のエミッタ電位との間の中間電位点に接続するようにしている。
この結果、絶縁器として低耐圧の絶縁トランスと低耐圧のフォトカプラで、高電圧の回路に信号を絶縁伝送することが可能となり、高電圧回路に適用可能な低価格の信号絶縁回路とそれを用いた低価格の高電圧の電力変換装置を提供することが可能となる。

本発明の第1の実施例を示す回路図である。 第1の実施例を適用したフライングキャパシタ形３レベルインバータ回路例である。 図２の各部の電位又は電圧を示す図である。 第１の実施例を適用したフライングキャパシタ形４レベルインバータ回路例である。 図４の各部の電位又は電圧を示す図である。 第１の実施例を適用したフライングキャパシタ形５レベルインバータ回路例である。 図６の各部の電位又は電圧を示す図である。 第１の実施例を適用したフライングキャパシタ形７レベルインバータ回路例である。 図８の各部の電位又は電圧を示す図である。 第１の実施例を適用した２レベルインバータ回路例である。 一般的な２レベルインバータの主回路構成図である。 フォトカプラを用いた駆動信号絶縁伝送回路例である。 絶縁トランスを用いた駆動信号絶縁伝送回路例である。 光ファイバケーブルを用いた駆動信号絶縁伝送回路例である。 フライングキャパシタ形３レベルインバータ回路例である。

本発明の要点は、電力変換装置に適用する半導体スイッチ素子をオンオフ制御する駆動信号を、異電位間で絶縁して伝送する手段として、絶縁トランスを用いた信号絶縁回路とフォトカプラを用いた信号絶縁回路とを直列接続して二重絶縁した直列絶縁回路にて構成し、前記直列絶縁回路の直列接続点を、基準電位と前記直列絶縁回路を介して駆動する半導体スイッチ素子のエミッタ電位との間の中間電位点に接続し、絶縁器として低耐圧の絶縁トランスと低耐圧のフォトカプラを適用可能としている点である。

図１に、本発明の第1の実施例を示す。絶縁トランス１０と１１を用いたトランス絶縁回路ＰＴＣとフォトカプラ回路９を用いたフォトカプラ絶縁回路ＰＣＣとを直列接続した二重絶縁回路で、制御回路からのオンオフ信号を絶縁して半導体スイッチ素子としてのＩＧＢＴのゲートに伝送する回路である。トランス絶縁回路ＰＴＣは、制御回路からのオンオフ信号を端子ＩＮからスイッチ回路１７に入力し、スイッチ回路１７では入力されたオンオフ信号を位相が１８０度ずれた二つの高周波信号に変調して、絶縁トランス１０の１次巻線ｎ１と１１の１次巻線ｎ１を駆動し、各絶縁トランスの２次巻線ｎ２の電圧を整流ダイオードＲＤで整流して、復調する構成である。トランス絶縁回路ＰＴＣの出力端子ＳＰとＳＮ間にはＩＮ端子のオンオフ信号が絶縁されたオンオフ信号として出力される。

このオンオフ信号はフォトカプラ絶縁回路ＰＣＣの入力端子ＰＡとＰＢに入力され、オン信号時はフォトカプラ回路９の１次回路であるフォトダイオードを抵抗Ｒｐを介して駆動し、フォトカプラの２次回路であるフォトトランジスタを用いたゲート駆動回路でゲート駆動回路用電源ＧＰＳからゲート抵抗Ｒｇを介してＩＧＢＴＱ１のゲートにオン用順バイアス電圧を供給する。オフ信号時は、ゲート駆動回路用電源ＧＰＳからゲート抵抗Ｒｇを介してＩＧＢＴＱ１のゲートにオフ用逆バイアス電圧を供給する。

この様な構成において、前記絶縁トランスを用いたトランス絶縁回路ＰＴＣと前記フォトカプラを用いたフォトカプラ絶縁回路ＰＣＣとを直列接続する端子ＳＮとＰＢとの直列接続点８を、制御回路側の基準電位と前記直列絶縁回路を介して駆動する半導体スイッチ素子（ＩＧＢＴ）Ｑ１のエミッタ電位との間の中間電位点に接続することにより、基準電位とエミッタ電位との電位差の半分が絶縁トランス１０と１１の１次巻線と２次巻線との間、及びフォトカプラの１次フォトダイオードと２次フォトトランジスタとの間に印加されることになる。従って、絶縁器として、従来の回路構成に比べて半分の電位差に耐える絶縁トランスとフォトカプラを適用することが可能となる。また、基準電位側にフォトカプラを用いた回路を適用し、半導体スイッチ素子側に絶縁トランスを用いた構成も実現可能であるが、フォトカプラの２次側回路を駆動するための電源が必要となり、コスト的に不利となる。本実施例の構成では、絶縁トランスの２次巻線からフォトダイオードに電流を流すことができるため、絶縁トランスの２次回路（中間回路部）に電源は不要となる。

図２に、本発明の第２の実施例を示す。３レベル出力のフライングキャパシタ形インバータ回路に、実施例１で説明した二重絶縁した直列絶縁回路を用いたゲート駆動回路を適用した３レベル３相インバータの回路である。回路構成は同じ１相分の回路を３回路分（Ｕ相用、Ｖ相用、Ｗ相用）用いて構成しているので、Ｕ相について説明する。直流単電源１ａ〜１ｄを直列接続した直流電源と並列にダイオードを逆並列接続したＩＧＢＴを４個（Ｑ１〜Ｑ４）直列接続したＩＧＢＴ直列回路を接続し、ＩＧＢＴＱ１とＱ２の接続点とＩＧＢＴＱ３とＱ４の接続点との間にコンデンサＣ１とＣ２の直列回路を接続し、ＩＧＢＴＱ２とＱ３との接続点を交流出力とした回路が１相分の主回路構成である。ＩＧＢＴＱ１〜Ｑ４の各ゲートには実施例１で説明した二重絶縁した直列絶縁回路を用いたゲート駆動回路が接続されており、各ゲート駆動回路の入力ＩＮには制御回路７から各々オンオフ信号が供給される。
ここで、各ゲート駆動回路の入力ＩＮと制御回路７からのオンオフ信号との接続線に４ｗと記載されているのは、４個分の信号線が配線されていることを意味する。

この様な回路構成において、直流単電源の電圧を各々Ｅｄ、コンデンサＣ１とＣ２の電圧を各々Ｅｄとすると、直流電源の中間点Ｍの電圧を零として、例えば、ＩＧＢＴＱ１とＱ２をオンすると交流出力には２Ｅｄが、ＩＧＢＴＱ１とＱ３をオンすると交流出力には零が、ＩＧＢＴＱ３とＱ４をオンすると交流出力には−２Ｅｄが、各々出力され、３レベルの変換動作となる。

一般に数ｋＶクラス以上の高圧回路の場合，安全性の観点から浮遊電位となる回路は作らず，全ての回路や金属物はいずれかの電位に接続する必要がある。図１における端子ＳＮとＰＢとの直列接続点８をいずれかの電位に接続する必要がある。
図２に示すフライングキャパシタ形のインバータ回路においては，絶縁トランスの１次側（制御回路側の基準電位）をＭ点（０電位）に接続した場合，図１における絶縁トランスとフォトカプラ間の直列接続点８は，Ｑ１用はＥｄ電位のＥ１に，Ｑ２用，Ｑ３用はフライングキャパシタＣ１とＣ２の接続点Ｅ３に，Ｔ４用は−Ｅｄ電位のＥ２に、各々接続する。

本回路構成とした場合の各ゲート駆動回路の，ゲート駆動回路が動作する基準電位，絶縁トランス回路ＰＴＣの出力とフォトカプラ回路ＰＣＣの入力との接続点である中間回路の電位（絶縁トランスの１次と２次間に印加される電圧），およびフォトカプラの１次と２次間に印加される最大電圧値のまとめを図３に示す。本図から判るように，全ての絶縁トランス及びフォトカプラの１次と２次間に印加される電圧の絶対値はＥｄとなる。すなわち，Ｅｄの電圧に対して必要となる絶縁耐量を有した絶縁トランス及びフォトカプラを選定すればよいことが判る。

図４に、本発明の第３の実施例を示す。４レベル出力のフライングキャパシタ形インバータ回路に、実施例１で説明した二重絶縁した直列絶縁回路を用いたゲート駆動回路を適用した４レベル３相インバータの回路の１相分の回路構成である。直流単電源１ａ〜１ｆを直列接続した直流電源と並列にダイオードを逆並列接続したＩＧＢＴを６個（Ｑ１〜Ｑ６）直列接続したＩＧＢＴ直列回路を接続し、ＩＧＢＴＱ２とＱ３の接続点とＩＧＢＴＱ４とＱ５の接続点との間にコンデンサＣ１とＣ２の直列回路を、ＩＧＢＴＱ１とＱ２の接続点とＩＧＢＴＱ５とＱ６の接続点との間にコンデンサＣ３とＣ４の直列回路を、各々接続し、ＩＧＢＴＱ３とＱ４との接続点を交流出力とした回路が１相分の主回路構成である。ＩＧＢＴＱ１〜Ｑ６の各ゲートには実施例１で説明した二重絶縁した直列絶縁回路を用いたゲート駆動回路が接続されており、各ゲート駆動回路の入力ＩＮには制御回路７から各々オンオフ信号が供給される。
ここで、各ゲート駆動回路の入力ＩＮと制御回路７からのオンオフ信号との接続線に６ｗと記載されているのは、６個分の信号線が配線されていることを意味する。

この様な回路構成において、直流単電源１ａ〜１ｆの電圧を各々Ｅｄ、コンデンサＣ１とＣ２の電圧を各々Ｅｄ、コンデンサＣ３とＣ４の電圧を各々２Ｅｄとすると、直流電源の中間点Ｍの電圧を零として、例えば、ＩＧＢＴＱ１〜Ｑ３をオンすると交流出力には３Ｅｄが、ＩＧＢＴＱ１、Ｑ２、Ｑ４をオンすると交流出力にはＥｄが、ＩＧＢＴＱ３、Ｑ５、Ｑ６をオンすると交流出力には−Ｅｄが、ＩＧＢＴＱ４、Ｑ５、Ｑ６をオンすると−３Ｅｄが、各々出力され、４レベルの変換動作となる。

この様な構成における各ゲート駆動回路の絶縁トランスとフォトカプラの中間回路電位８の接続点と、絶縁トランス１次−２次間電圧と、フォトカプラ１次−２次間電圧と、の関係を図５に示す。接続点Ｅ１は直流単電源１ａと１ｂの接続点、接続点Ｅ２は直流単電源１ｂと１ｃの接続点、接続点Ｅ３は直流単電源１ｄと１ｅの接続点、接続点Ｅ４は直流単電源１ｅと１ｆの接続点、接続点Ｅ５はコンデンサＣ１とＣ２の接続点、接続点Ｅ６はコンデンサＣ３とＣ４の接続点、である。Ｑ１用ゲート駆動回路の絶縁トランスとフォトカプラの中間回路電位８をＥ１に、Ｑ２用ゲート駆動回路の絶縁トランスとフォトカプラの中間回路電位８をＥ５に、Ｑ３用ゲート駆動回路の絶縁トランスとフォトカプラの中間回路電位８をＥ５に、Ｑ４用ゲート駆動回路の絶縁トランスとフォトカプラの中間回路電位８をＥ４に、Ｑ５用ゲート駆動回路の絶縁トランスとフォトカプラの中間回路電位８をＥ４に、Ｑ６用ゲート駆動回路の絶縁トランスとフォトカプラの中間回路電位８をＥ５に、各々接続すると、絶縁トランス１０、１１の１次−２次間電圧は２Ｅｄに、フォトカプラの１次−２次間電圧はＥｄとなる。また、Ｑ１用ゲート駆動回路の絶縁トランスとフォトカプラの中間回路電位８をＥ２に、Ｑ２用ゲート駆動回路の絶縁トランスとフォトカプラの中間回路電位８をＥ２に、Ｑ３用ゲート駆動回路の絶縁トランスとフォトカプラの中間回路電位８をＥ３に、Ｑ４用ゲート駆動回路の絶縁トランスとフォトカプラの中間回路電位８をＥ６に、Ｑ５用ゲート駆動回路の絶縁トランスとフォトカプラの中間回路電位８をＥ３に、Ｑ６用ゲート駆動回路の絶縁トランスとフォトカプラの中間回路電位８をＥ６に、各々接続すると、絶縁トランス１０、１１の１次−２次間電圧はＥｄに、フォトカプラの１次−２次間電圧は２Ｅｄとなる。

図６に、本発明の第４の実施例を示す。実施例２で説明した３レベル出力のフライングキャパシタ形インバータ回路のコンデンサＣ１とＣ２の直列回路と並列に半導体スイッチ素子（ＩＧＢＴ）Ｑ５、Ｑ６を直列接続した第２の半導体スイッチ直列回路を接続し、前記第２の半導体スイッチ直列回路の直列接続点と直流電源の中間電位点との間に双方向の電流をオンオフ可能な逆阻止形ＩＧＢＴＱ１１とＱ１２で構成した双方向スイッチを接続し、さらにＩＧＢＴＱ１を３個のＩＧＢＴ（Ｑ１ａ、Ｑ１ｂ、Ｑ１ｃ）の直列回路に、ＩＧＢＴＱ４を３個のＩＧＢＴ（Ｑ４ａ、Ｑ４ｂ、Ｑ４ｃ）の直列回路に変更したものである。この回路は５レベル出力のフライングキャパシタ形インバータ回路と呼ばれる。詳細は特開２０１２−１８２９７４号公報に記載されているので、動作説明は省略する。

この様な構成において、直流単電源１ａ〜１ｄの電圧を各々Ｅｄ、コンデンサＣ１とＣ２の電圧を各々Ｅｄ／２とし、直流電源の中間電位点Ｍを零、直流単電源１ａと１ｂの接続点をＥ１、直流単電源１ｃと１ｄの接続点をＥ２、コンデンサＣ１とＣ２の接続点をＥ３とした時の、各ゲート駆動回路の絶縁トランスとフォトカプラの中間回路電位８の接続点と、絶縁トランス１次−２次間電圧と、フォトカプラ１次−２次間電圧と、の関係を図７に示す。Ｑ１ａ用とＱ１ｂ用のゲート駆動回路の絶縁トランスとフォトカプラの中間回路電位８の接続点をＥ１に、Ｑ１ｃ用、Ｑ２用、Ｑ３用及びＱ６用のゲート駆動回路の絶縁トランスとフォトカプラの中間回路電位８の接続点をＥ３に、Ｑ４ａ用、Ｑ４ｂ用及びＱ４ｃ用ゲート駆動回路の絶縁トランスとフォトカプラの中間回路電位８の接続点をＥ２に、各々接続することにより、絶縁トランスの１次−２次間電圧とフォトカプラの１次−２次間電圧は図７に示すようになる。絶縁トランスの１次−２次間電圧とフォトカプラの１次−２次間電圧合計値は２Ｅｄであるが、ＥｄとＥｄに分割して負担、３／２ＥｄとＥｄ／２に分担して負担する何れかとなる。ここで、Ｑ７用、Ｑ８用及びＱ５用のゲート駆動回路の入出力間には電圧Ｅｄが印加されるだけであるので、二重絶縁の必要性はない。

図８に、本発明の第５の実施例を示す。実施例３で説明した４レベル出力のフライングキャパシタ形インバータ回路のコンデンサＣ３とＣ４の直列回路と並列に半導体スイッチ素子（ＩＧＢＴ）Ｑ７〜Ｑ１０を直列接続した第２の半導体スイッチ直列回路を接続し、前記第２の半導体スイッチ直列回路の中間接続点と直流電源の中間電位点との間に、逆阻止形ＩＧＢＴＱ１１とＱ１２で構成した双方向の電流をオンオフ可能な双方向スイッチを接続し、さらにＩＧＢＴＱ１を４個のＩＧＢＴ（Ｑ１ａ、Ｑ１ｂ、Ｑ１ｃ、Ｑ１ｄ）の直列回路に、ＩＧＢＴＱ６を４個のＩＧＢＴ（Ｑ６ａ、Ｑ６ｂ、Ｑ６ｃ、Ｑ６ｄ）の直列回路に変更したものである。また、ＩＧＢＴＱ８とＱ９の直列回路と並列にコンデンサＣ５が接続される。この回路は７レベル出力のフライングキャパシタ形インバータ回路と呼ばれる。詳細は特願２０１２−００４７２３号に記載されているので、動作説明は省略する。

このような構成において、直流単電源１ａ〜１ｆの電圧をＥｄ，コンデンサＣ１、Ｃ３〜Ｃ５の電圧をＥｄとし、直流単電源１ｂと１ｃの接続点をＥ１、直流単電源１ｄと１ｅの接続点をＥ２、コンデンサＣ３とＣ４の接続点をＥ３とした時の各ゲート駆動回路の絶縁トランスとフォトカプラの中間回路電位８の接続点と、絶縁トランス１次−２次間電圧と、フォトカプラ１次−２次間電圧と、の関係を図９に示す。
ＩＧＢＴＱ１ａ〜Ｑ１ｄ用のゲート駆動回路の絶縁トランスとフォトカプラの中間回路電位８の接続点をＥ１に、ＩＧＢＴＱ２〜Ｑ４用のゲート駆動回路の絶縁トランスとフォトカプラの中間回路電位８の接続点をＥ３に、ＩＧＢＴＱ５、Ｑ１０、Ｑ６ａ〜Ｑ６ｄ用のゲート駆動回路の絶縁トランスとフォトカプラの中間回路電位８の接続点をＥ２に、各々接続することにより、絶縁トランスの１次−２次間電圧とフォトカプラの１次−２次間電圧は図９に示すようになる。合計値は３Ｅｄであるが、Ｅｄと２Ｅｄに分割して負担する。ここで、ＩＧＢＴＱ８用、Ｑ１１用及びＱ１２用のゲート駆動回路の入出力間には電圧Ｅｄが、ＩＧＢＴ７と９用のゲート駆動回路の入出力間には電圧２Ｅｄが、印加されるだけであるので、二重絶縁の必要性はない。上述の例の他に、コンデンサＣ１やＣ５を分割する方法があり、絶縁トランスとフォトカプラの絶縁電圧分担を変更することができる。

図１０に、本発明の第６の実施例を示す。直流単電源１ａと１ｂの直列回路で構成された直流電源と並列に半導体スイッチ素子Ｑ１とＱ２の直列接続回路を接続する２レベルインバータ回路の１相分の回路に、実施例１で説明した二重絶縁した直列絶縁回路を用いたゲート駆動回路を適用した２レベルインバータの回路の１相分の回路構成である。上下アーム（Ｑ１用、Ｑ２用）ともに同じゲート駆動回路が記載されているが、制御回路の基準電位を直流電源の負極Ｎに接続すれば、下アームのＩＧＢＴＱ２は基準電位となるので、二重絶縁した直列絶縁回路を用いる必要はない。上アームのＩＧＢＴＱ１は負極Ｎと正極Ｐの電位間で動作するので、ゲート駆動回路は絶縁トランスを用いた回路ＰＴＣとフォトカプラを用いた回路ＰＣＣを直列接続した構成とし、実施例１に示した直列接続点８は直流電源の中間接続点に接続する。この結果、ＩＧＢＴＱ１用のゲート駆動回路の絶縁トランスを用いた回路ＰＴＣとフォトカプラを用いた回路ＰＣＣへの印加電圧はＥｄ／２となり、絶縁器の小型化が図れる。
尚、本実施例の説明では、インバータ回路について説明したが、ＰＷＭ整流回路、直流−変換回路、マトリクスコンバータなどの周波数変換回路などの回路についても、適用可能である。

本発明は、高電圧の電力変換回路のゲート駆動信号の絶縁技術に関し、電力変換装置全般に適用可能である。特に、高電圧を取り扱う高圧電動機駆動装置、系統連系用変換装置、鉄道車両駆動装置などへの適用が可能である。

１・・・直流電源 １ａ〜１ｆ・・・直流単電源
２・・・交流電動機（負荷） ３・・・３相インバータ回路
４、Ｑ１〜Ｑ１０、Ｑ１ａ〜Ｑ１ｄ、Ｑ４ａ〜Ｑ４ｃ、Ｑ６ａ〜Ｑ６ｄ・・・ＩＧＢＴ
Ｑ１１、Ｑ１２・・・逆阻止形ＩＧＢＴ ７・・・制御回路
Ｃ１〜Ｃ５・・・コンデンサ ９・・・フォトカプラ回路
１０、１１・・・絶縁トランス １３、１６、１７・・・スイッチ回路
ＲＤ・・・整流回路 Ｒｐ、Ｒｇ・・・抵抗 ５・・・ダイオード
６・・・ゲート駆動回路 ＧＰＳ・・・駆動回路電源
１２・・・光ファイバケーブル １４・・・電気−光変換器
１５・・・光−電気変換器 ＰＴＣ・・・トランス絶縁回路
ＰＣＣ・・・フォトカプラ絶縁回路

Claims (5)

1. 半導体スイッチ素子直列回路と、半導体スイッチ素子をオンオフ制御する駆動信号絶縁回路と、キャパシタとからなるフライングキャパシタ形電力変換装置であって、
   前記駆動信号絶縁回路は、駆動信号を異電位間で絶縁して伝送し、絶縁トランスを用いた信号絶縁回路とフォトカプラを用いた信号絶縁回路とを直列接続して二重絶縁した直列絶縁回路にて構成され、
   前記半導体スイッチ素子直列回路は、直流電源と並列に２ｎ（ｎは２以上の整数）個の半導体スイッチ素子が直列接続されており、
   前記半導体スイッチ素子直列回路の中間点を中心に２Ｎ（Ｎは１〜ｎ−１までの整数）個のキャパシタが半導体スイッチ素子直列回路と並列に接続されており、
   前記駆動信号絶縁回路は、前記半導体スイッチ素子の各々に適用されており、
   前記いずれかのフライングキャパシタの中間電位点に、前記半導体スイッチ素子の各々に適用された前記絶縁トランスを用いた信号絶縁回路と前記フォトカプラを用いた信号絶縁回路とを直列接続した駆動信号絶縁回路の直列接続点が接続されていることを特徴とするフライングキャパシタ形電力変換装置。
2. 第１の半導体スイッチ素子直列回路と、第２の半導体スイッチ素子直列回路と、半導体スイッチ素子をオンオフ制御する駆動信号絶縁回路と、キャパシタとからなるフライングキャパシタ形電力変換装置であって、
   前記駆動信号絶縁回路は、駆動信号を異電位間で絶縁して伝送し、絶縁トランスを用いた信号絶縁回路とフォトカプラを用いた信号絶縁回路とを直列接続して二重絶縁した直列絶縁回路にて構成され、
   前記第１の半導体スイッチ素子直列回路は、直流電源と並列に２ｎ（ｎは２以上の整数）個の半導体スイッチ素子が直列接続されており、
   前記第１の半導体スイッチ素子直列回路の中間点を中心に２Ｎ（Ｎは１〜ｎ−１までの整数）個のキャパシタが第１の半導体スイッチ素子直列回路と並列に接続されており、
   前記第２の半導体スイッチ素子直列回路は、前記Ｎの最大値で決められたキャパシタと並列に複数の半導体素子が直列接続されており、
   前記第２の半導体スイッチ素子直列回路の中間接続点と前記直流電源の中間電位点との間に双方向のスイッチングが可能な双方向スイッチを接続されており、
   前記半導体スイッチ素子の各々に前記駆動信号絶縁回路が適用されており、
   前記いずれかのフライングキャパシタの中間電位点に、前記半導体スイッチ素子の各々に適用された前記絶縁トランスを用いた信号絶縁回路と前記フォトカプラを用いた信号絶縁回路とを直列接続した駆動信号絶縁回路の直列接続点が接続されていることを特徴とするフライングキャパシタ形電力変換装置。
3. 請求項１または２に記載のフライングキャパシタ形電力変換装置において、駆動信号絶縁回路は、前記駆動信号の送信元となる基準電位側を絶縁トランスを用いた信号絶縁回路とし、前記半導体スイッチ素子側をフォトカプラを用いた信号絶縁回路とすることを特徴とするフライングキャパシタ形電力変換装置。
4. 請求項３に記載のフライングキャパシタ形電力変換装置において、駆動信号絶縁回路は、前記絶縁トランスの１次巻線を前記基準電位側で駆動し、前記絶縁トランスの２次巻線から前記フォトカプラのフォトダイオードにオン信号時の電流を供給することを特徴とするフライングキャパシタ形電力変換装置。
5. 請求項３または４項に記載のフライングキャパシタ形電力変換装置において、駆動信号絶縁回路は、前記絶縁トランスを用いた信号絶縁回路と前記フォトカプラを用いた信号絶縁回路とを直列接続する直列接続点を、前記基準電位と前記直列絶縁回路を介して駆動する半導体スイッチ素子のエミッタ電位との間の中間電位点に接続することを特徴とするフライングキャパシタ形電力変換装置。