JPWO2012020473A1

JPWO2012020473A1 - 電力変換装置

Info

Publication number: JPWO2012020473A1
Application number: JP2012528531A
Authority: JP
Inventors: 田中　哲夫; 哲夫田中
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2010-08-10
Filing date: 2010-08-10
Publication date: 2013-10-28
Also published as: US20130141957A1; KR20130043683A; CN103080756A; WO2012020473A1; TW201207420A

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。

特開２００７−１２０９５６号公報特開２００２−３６８１９１号公報

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。

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５（ａ）は、図１の電力変換装置５の概略構成を示す平面図、図５（ｂ）は、図１の電力変換装置５の概略構成を示す側面図である。図６は、図５（ａ）のＡ−Ａ´線で切断した主回路基板２５の概略構成を示す断面図である。

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。

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。

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
ＲＲ相入力端子
ＳＳ相入力端子
ＴＴ相入力端子
ＵＵ相出力端子
ＶＶ相出力端子
ＷＷ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

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。