JPWO2012020473A1 - 電力変換装置 - Google Patents
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Abstract
出力パターンLOの近傍に電極パターン12を配置し、出力パターンLOから流れ出した漏れ電流PAを電極パターン12を介して漏れ電流検出回路11にて検出し、漏れ電流検出回路11による検出結果に基づいて発光ダイオード14を駆動することで、インバータ3の動作状態を通知する。
Description
本発明は電力変換装置に関し、特に、電力変換装置の出力状態を可視化する方式に関する。
電力変換装置の出力状態を検知する方法として、電力変換装置の電路に信号入力部を直に接続して電圧を検知する方法や、電路の周囲をコアで挟み込んだカレントトランスにて電流を検知する方法がある。
また、特許文献1には、電子機器に接続されている電源コードや信号線に検出部を挟み、電子機器が動作することによって発生するコモンモードノイズを検出することで、電子機器の動作状況を外部から非接触で検出する技術が開示されている。
また、特許文献2には、センサ部を電気機器の電源ケーブルの外側に近接配置し、電気機器の稼働時に電源ケーブルに流れる電流によって発生する磁束をセンサ部にて検知することにより、電源ケーブルの任意の位置で通電の有無を検知する技術が開示されている。
しかしながら、電力変換装置の電路に信号入力部を直に接続する方法では、電力変換装置の出力電圧は高電圧であり、電圧を降下させる抵抗や、絶縁するためのホトカプラが必要となり、部品コストの増大や設置スペースの増大が必要になるという問題があった。
カレントトランスを用いる方法では、電路の周囲をコアで挟み込む必要があり、設置位置に制約がある上に取り付けが容易でないという問題があった。
特許文献1に開示された方法では、電源コードや信号線に検出部を挟む必要があり、電源コードや信号線の周囲に大きなスペースが必要になるという問題があった。
特許文献2に開示された方法では、磁気センサは高価であり、設置スペースが増大するという問題があった。
本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、設置スペースの増大を抑制しつつ、電力変換装置の出力状態を非接触で検出することが可能な電力変換装置を得ることを目的とする。
上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明の電力変換装置は、インバータに接続された出力パターンとの間で浮遊容量を形成する電極パターンと、前記出力パターンから流れ出した漏れ電流を前記電極パターンを介して検出する漏れ電流検出回路と、前記漏れ電流検出回路による検出結果に基づいて前記インバータの動作状態を通知する通知部とを備えることを特徴とする。
この発明によれば、設置スペースの増大を抑制しつつ、電力変換装置の出力状態を非接触で検出することが可能という効果を奏する。
以下に、本発明に係る電力変換装置の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。
実施の形態1.
図1は、本発明に係る電力変換装置の実施の形態1の概略構成を示すブロック図である。図1において、電力変換装置5には、商用周波数の交流を直流に変換するコンバータ2および直流を所望の周波数の交流に変換するインバータ3が設けられている。ここで、コンバータ2側には、R相入力端子R、S相入力端子SおよびT相入力端子Tが設けられ、インバータ3側には、U相出力端子U、V相出力端子VおよびW相出力端子Wが設けられている。
図1は、本発明に係る電力変換装置の実施の形態1の概略構成を示すブロック図である。図1において、電力変換装置5には、商用周波数の交流を直流に変換するコンバータ2および直流を所望の周波数の交流に変換するインバータ3が設けられている。ここで、コンバータ2側には、R相入力端子R、S相入力端子SおよびT相入力端子Tが設けられ、インバータ3側には、U相出力端子U、V相出力端子VおよびW相出力端子Wが設けられている。
そして、コンバータ2は、R相入力端子R、S相入力端子SおよびT相入力端子Tを介して三相電源1に接続され、インバータ3は、U相出力端子U、V相出力端子VおよびW相出力端子Wを介してモータ4に接続されている。ここで、これらのR相入力端子R、S相入力端子SおよびT相入力端子Tは、入力パターンLIを介してコンバータ2に接続されている。U相出力端子U、V相出力端子VおよびW相出力端子Wは、出力パターンLOを介してインバータ3に接続されている。
コンバータ2には、整流ダイオードD1〜D6が設けられ、整流ダイオードD1、D2は互いに直列接続され、整流ダイオードD3、D4は互いに直列接続され、整流ダイオードD5、D6は互いに直列接続されている。そして、整流ダイオードD1、D2の接続点にはR相入力端子Rが設けられ、整流ダイオードD3、D4の接続点にはS相入力端子Sが設けられ、整流ダイオードD5、D6の接続点にはT相入力端子Tが設けられている。
平滑コンデンサC1は、整流ダイオードD1、D2の直列回路、整流ダイオードD3、D4の直列回路および整流ダイオードD5、D6の直列回路に並列に接続されている。
インバータ3には、スイッチング素子M1〜M6および還流ダイオードN1〜N6が設けられている。なお、スイッチング素子M1〜M6としては、IGBTを用いるようにしてもよいし、バイポーラトランジスタを用いるようにしてもよいし、電界効果トランジスタを用いるようにしてもよい。
ここで、還流ダイオードN1〜N6は、スイッチング素子M1〜M6にそれぞれ並列に接続されている。スイッチング素子M1、M2は互いに直列接続され、スイッチング素子M3、M4は互いに直列接続され、スイッチング素子M5、M6は互いに直列接続されている。そして、スイッチング素子M1、M2の接続点にはU相出力端子Uが設けられ、スイッチング素子M3、M4の接続点にはV相出力端子Vが設けられ、スイッチング素子M5、M6の接続点にはW相出力端子Wが設けられている。
また、この電力変換装置5には、出力パターンLOの近傍に配置された電極パターン12、出力パターンLOから流れ出した漏れ電流PAを電極パターン12を介して検出する漏れ電流検出回路11、漏れ電流検出回路11による検出結果に基づいて発光ダイオード14を駆動するドライバ13およびインバータ3の動作状態を通知する発光ダイオード14が設けられている。ここで、電極パターン12は、出力パターンLOとの間で浮遊容量Cfを形成することができる。
図2は、図1の漏れ電流検出回路11およびドライバ13の構成例を示す回路図である。図2において、漏れ電流検出回路11には、コンデンサC11、C12、ダイオードD11、抵抗R11、スイッチSW、基準電源DCおよびコンパレータCPが設けられている。ドライバ13には、抵抗R12、R13およびトランジスタTRが設けられている。
そして、電極パターン12は、コンデンサC11、ダイオードD11および抵抗R11を順次介してコンパレータCPの一方の入力端子に接続されている。また、コンパレータCPの一方の入力端子には、コンデンサC12が接続されている。また、コンデンサC12にはスイッチSWが並列に接続されている。基準電源DCは、コンパレータCPの他方の入力端子に接続されている。
コンパレータCPの出力端子は抵抗R12を介してトランジスタTRのベースに接続されている。トランジスタTRのコレクタは、抵抗R13を介して電源電位に接続され、トランジスタTRのエミッタは発光ダイオード14に接続されている。
以下、図1の電力変換装置5の動作について説明する。
三相電源1からコンバータ2に交流が入力されると、コンバータ2にて直流に変換され、インバータ3に入力される。そして、インバータ3において、スイッチング素子M1〜M6のスイッチング動作に従って直流が交流に変換され、その交流がモータ4に供給されることで、PWM制御によってモータ4が駆動される。
三相電源1からコンバータ2に交流が入力されると、コンバータ2にて直流に変換され、インバータ3に入力される。そして、インバータ3において、スイッチング素子M1〜M6のスイッチング動作に従って直流が交流に変換され、その交流がモータ4に供給されることで、PWM制御によってモータ4が駆動される。
図3は、図1の電力変換装置5の出力時の図2のコンパレータPAの入出力波形を示す図である。図3において、図1のスイッチング素子M1〜M6がスイッチング動作すると、高速のオンオフにより、スイッチングごとに浮遊容量Cfを介して漏れ電流PAが流れる。
この時の漏れ電流PAは、PA=Cf・dv/dtという式で表すことができる。ただし、dv/dtは、スイッチング素子M1〜M6のスイッチング速度である。この漏れ電流PAは、平滑コンデンサC1→スイッチング素子M1〜M6出力パターンLO→電極パターン12→漏れ電流検出回路11→接地点E1→接地点E2→平滑コンデンサC1の経路で流れる。この時、漏れ電流PAにより、漏れ電流検出回路11のコンデンサC12が充電される。
そして、コンデンサC12が充電されることで、コンデンサC12の端子間電圧Vc2が基準電源DCにて与えられる基準電圧Vref以上になると、コンパレータCPの出力電圧Voutが立ち上がる。この結果、トランジスタTRがオンし、トランジスタTRを介して発光ダイオード14に電流が流れることで、発光ダイオード14が点灯することで、インバータ3が動作中であることが通知される。
この時、スイッチSWは一定の周期でオン/オフされ、コンデンサC12が断続的に放電される。なお、この時のスイッチSWのオン/オフの周期は、電力変換装置5の出力時にコンデンサC11の端子間電圧Vc2が基準電圧Vrefを下回らないように設定することができる。
図4は、図1の電力変換装置5の出力停止時の図2のコンパレータPAの入出力波形を示す図である。図4において、漏れ電流PAは、PA=Cf・dv/dtであり、スイッチング素子M1〜M6のスイッチング動作が停止すると、dv/dt=0となる。このため、漏れ電流PAが出力パターンLOから流れ出すことがなくなり、浮遊容量Cfを介して電極パターン12が充電されなくなる。
この時、スイッチSWは一定の周期でオン/オフされることで、コンデンサC12に蓄積されていた電荷が放電され、コンデンサC12の端子間電圧Vc2が基準電圧Vrefを下回ることで、コンパレータCPの出力電圧Voutはロウレベルになる。
この結果、トランジスタTRがオフし、トランジスタTRにて発光ダイオード14に流れる電流が遮断されることで、発光ダイオード14が消灯し、インバータ3が停止中であることが通知される。
ここで、電極パターン12を介して検出された漏れ電流PAに基づいてインバータ3の動作状態を検出することにより、電力変換装置5の電路に信号入力部を直に接続したり、電源コードや信号線に検出部を挟んだりする必要がなくなり、設置スペースの増大を抑制しつつ、電力変換装置5の出力状態を非接触で検出することが可能となる。
なお、上述した実施の形態では、インバータ3の動作状態を通知する通知部として発光ダイオード14を用いた場合について説明したが、電球や液晶表示装置などを用いるようにしてもよい。
図5(a)は、図1の電力変換装置の概略構成を示す平面図、図5(b)は、図1の電力変換装置の概略構成を示す側面図である。図5において、半導体モジュール21は主回路基板25に実装され、モジュールピン23を介して主回路基板25に電気的に接続されている。なお、半導体モジュール21には、図1のスイッチング素子M1〜M6、整流ダイオードD1〜D6および還流ダイオードN1〜N6が形成された半導体チップを搭載している。
そして、半導体モジュール21の裏面には、半導体モジュール21から発生した熱を放出するヒートシンク22が配置されている。ヒートシンク22の近傍には、ヒートシンク22に送風するファン27が設けられている。また、半導体モジュール21の表面側からはモジュールピン23が引き出されている。
また、主回路基板25には、平滑コンデンサC1および主回路端子台26が実装されている。また、主回路基板25には出力パターンLOが形成され、モジュールピン23と主回路端子台26とは、出力パターンLOを介してUVW相ごとに接続されている。
なお、主回路端子台26には、R相入力端子R、S相入力端子S、T相入力端子T、U相出力端子U、V相出力端子VおよびW相出力端子Wを設けることができる。
また、主回路基板25には出力パターンLOの近傍に電極パターン12が形成されている。また、主回路基板25には発光ダイオード14が実装され、発光ダイオード14は主回路端子台26のU相出力端子U、V相出力端子VまたはW相出力端子Wの近傍に配置することができる。
ここで、主回路基板25に発光ダイオード14を実装することにより、主回路端子台26にケーブル配線する時に、インバータ3の動作状態を容易に確認することができ、インバータ3の動作状態の確認時の安全性を向上させることができる。
図6は、図5(a)のA−A´線で切断した主回路基板の概略構成を示す断面図である。図6において、主回路基板25の表面には配線層L1が設けられ、主回路基板25の裏面には配線層L2が設けられている。そして、配線層L1には出力パターンLOが形成され、配線層L2には電極パターン12が形成されている。なお、電極パターン12は、出力パターンLOの少なくともいずれかの1層分と対向するように配置することが好ましい。
なお、電極パターン12と出力パターンLOの少なくともいずれかの一方は主回路基板25の内層に配置するようにしてもよい。この場合、電極パターン12と出力パターンLOとは、主回路基板25の互いに隣接する層に対向して配置することが好ましい。
ここで、電極パターン12と出力パターンLOの少なくともいずれかの一方を主回路基板25の内層に形成することにより、主回路基板25の面積の増大を抑制することが可能となり、電力変換装置5の大型化を抑制することが可能となる。
以上のように本発明に係る電力変換装置は、設置スペースの増大を抑制しつつ、電力変換装置の出力状態を非接触で検出することが可能となり、電力変換装置の出力状態を可視化する方法に適している。
1 三相電源
2 コンバータ
3 インバータ
4 モータ
5 電力変換装置
D1〜D6 整流ダイオード
C1 平滑コンデンサ
M1〜M6 スイッチング素子
N1〜N6 還流ダイオード
11 漏れ電流検出回路
12 電極パターン
13 ドライバ
14 発光ダイオード
LI 入力パターン
LO 出力パターン
R R相入力端子
S S相入力端子
T T相入力端子
U U相出力端子
V V相出力端子
W W相出力端子
21 半導体モジュール
22 ヒートシンク
23 モジュールピン
25 主回路基板
26 主回路端子台
27 ファン
L1、L2 配線層
C11、C12 コンデンサ
D11 ダイオード
R11〜R13 抵抗
SW スイッチ
DC 基準電源
CP コンパレータ
TR トランジスタ
2 コンバータ
3 インバータ
4 モータ
5 電力変換装置
D1〜D6 整流ダイオード
C1 平滑コンデンサ
M1〜M6 スイッチング素子
N1〜N6 還流ダイオード
11 漏れ電流検出回路
12 電極パターン
13 ドライバ
14 発光ダイオード
LI 入力パターン
LO 出力パターン
R R相入力端子
S S相入力端子
T T相入力端子
U U相出力端子
V V相出力端子
W W相出力端子
21 半導体モジュール
22 ヒートシンク
23 モジュールピン
25 主回路基板
26 主回路端子台
27 ファン
L1、L2 配線層
C11、C12 コンデンサ
D11 ダイオード
R11〜R13 抵抗
SW スイッチ
DC 基準電源
CP コンパレータ
TR トランジスタ
Claims (6)
- インバータに接続された出力パターンとの間で浮遊容量を形成する電極パターンと、
前記出力パターンから流れ出した漏れ電流を前記電極パターンを介して検出する漏れ電流検出回路と、
前記漏れ電流検出回路による検出結果に基づいて前記インバータの動作状態を通知する通知部とを備えることを特徴とする電力変換装置。 - 前記通知部は、前記漏れ電流検出回路による検出結果に基づいて動作する発光ダイオードであることを特徴とする請求項1に記載の電力変換装置。
- 前記電極パターンと前記出力パターンとが近接して配置された主回路基板をさらに備えることを特徴とする請求項2に記載の電力変換装置。
- 前記電極パターンと前記出力パターンとは、前記主回路基板の互いに隣接する層に対向して配置されていることを特徴とする請求項3に記載の電力変換装置。
- 前記出力パターンは、前記主回路基板の内層に配置されていることを特徴とする請求項4に記載の電力変換装置。
- 前記発光ダイオードは、前記主回路基板上に実装された主回路端子台の近傍に配置されていることを特徴とする請求項2から5のいずれか1項に記載の電力変換装置。
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Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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Publication Number | Publication Date |
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JP2012528531A Pending JPWO2012020473A1 (ja) | 2010-08-10 | 2010-08-10 | 電力変換装置 |
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