(57)【要約】【課題】１個の制御電源から、他の半導体スイッチの制御電源をすべて構成できるので、装置の小型化を実現した電力変換装置を提供すること。【解決手段】直流の低電圧に接続されている第一の半導体スイッチ１００１と直流の高電圧に接続されている第二の半導体スイッチ１１０１とは直列に接続され、擬似交流の出力端子に接続されている第三の半導体スイッチ１２０１と高電圧と低電圧との間の直流中性点に接続されている第四の半導体スイッチ１３０１とが直列に接続されることで構成されている双方向半導体スイッチ１４０１を備え、制御電源１００３の正極と半導体スイッチ用コンデンサ１１０３の正極は半導体スイッチ用コンデンサと第一の抵抗１１１２とを介して、制御電源１００３の正極と双方向半導体スイッチ用コンデンサ１２０３の正極は第二のダイオード１２１１と第二の抵抗１２１２とを介して接続されている電力変換装置。【選択図】図１
2020072540.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
単方向半導体スイッチ素子と、
前記単方向半導体スイッチ素子に逆並列に接続されたダイオード素子と、から構成される半導体スイッチを複数備え、
第一の半導体スイッチの一端と第二の半導体スイッチの一端とは直列に接続され、前記第一の半導体スイッチの他端は直流の低電圧ラインに接続され、前記第二の半導体スイッチの他端は直流の高電圧ラインに接続されており、
前記第一の半導体スイッチと前記第二の半導体スイッチとの接続ラインに、擬似交流の電位を発生する２レベルインバータの出力端子が設けられており、
第三の半導体スイッチの一端と第四の半導体スイッチの一端とは、前記ダイオード素子のアノードが共通になるように直列に接続され、前記第三の半導体スイッチの他端は前記出力端子に接続され、前記第四の半導体スイッチの他端は、前記高電圧ラインと前記低電圧ラインとの間の直流中性点に接続されることで形成されている双方向半導体スイッチと、前記低電圧ラインに接続されている制御電源と、
前記第二の半導体スイッチと前記出力端子との接続ラインに接続されている半導体スイッチ用コンデンサと、
前記アノードの電位を基準として設けられている双方向半導体スイッチ用コンデンサと、を有し、
前記制御電源の正極と、前記半導体スイッチ用の制御電源用コンデンサの正極とは、第一のダイオードと第一の抵抗とを介して接続されているとともに、
前記制御電源の正極と、前記双方向半導体スイッチ用コンデンサの正極とは、第二のダイオードと第二の抵抗とを介して接続されている電力変換装置。
【請求項２】
前記第三の半導体スイッチと前記第四の半導体スイッチとはＭＯＳＦＥＴであり、前記第三の半導体スイッチ、前記第四の半導体スイッチを構成するダイオード素子は、ＭＯＳＦＥＴの寄生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。
【請求項３】
前記第二の半導体スイッチをＯＦＦにしている期間は、前記第三の半導体スイッチをＯＮにすることを特徴とする請求項１または２に記載の電力変換装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電力変換装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、この種の電力変換装置は、インバータとしての動作では、単方向の半導体スイッチ素子に逆並列にダイオード素子を接続した半導体スイッチを高速でオンオフすることにより、擬似交流に変換し、得られて擬似交流により交流モータ等を可変速駆動させるものである。
【０００３】
特に、半導体スイッチのオンオフの際には、回路の電位が急変して大きなノイズを発生したり、大きなスイッチング損失を生じたりするので、直流電力部分の直流電位の中性点を設け、中性点と直流の高電圧ラインとの間、もしくは、中性点と直流の低電圧ラインとの間をそれぞれオンオフさせる、いわゆる３レベルインバータというインバータ回路の方式がある。
【０００４】
これに対して、中性点を用いず、直流の高電圧ラインと低電圧ラインのみを用いる方式は、２レベルインバータといわれている。
【０００５】
３レベルインバータ回路では、交流側出力端子は、直流の高電圧ライン、直流の中性点、直流の低電圧ラインのいずれかの電位になるので、それぞれの電位に接続する半導体スイッチが必要になる。
【０００６】
特に、中性点からの電流出力は双方向になるため、双方向の半導体スイッチが必要になる。三相の擬似交流を作成するには、半導体スイッチが２レベルインバータでは６個であるのに対し、３レベルインバータでは少なくとも９個の半導体スイッチが必要となる。
【０００７】
これらの半導体スイッチをオンさせるには、半導体スイッチの一端に対してある電位を与えることにより実現できるが、ある電位を与えるためには、それぞれの半導体スイッチに対して、小さいながらも独立した電源（以下、制御電源と称す）が必要になる。
【０００８】
また、３レベルインバータは半導体スイッチの数が多いため、独立した制御電源の個数も多くなってしまう。
【０００９】
これに対して、単方向半導体スイッチ素子と単方向半導体スイッチ素子に逆並列に接続されたダイオード素子とから構成される半導体スイッチを直列接続し、直流の高電圧ラインと低電圧ラインに接続して、その中点を交流出力する２レベルインバータの出力端子に、直流中性点との間に、同じ半導体スイッチを互いに逆極性に直列接続して双方向スイッチを構成した３レベルインバータ回路の制御電源の個数を減らす方法として、双方向スイッチを構成する半導体スイッチのダイオード素子のカソードを共通に接続した場合には、独立した制御電源の個数が２個で実現できる方法や、双方向スイッチを構成する半導体スイッチのダイオード素子のアノードを共通に接続した場合には、独立した制御電源の個数が４個で実現できる方法が開示されている（例えば、特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１０】
【特許文献１】特開２０１１−６１８８３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
しかしながら、前記従来の構成では、独立した制御電源が複数個必要であり、絶縁トランスの出力巻線の個数を複数個必要としてしまうので、変換装置を小型化するのが困難でなるという課題を有していた。
【００１２】
本発明は、前記従来の課題を解決するもので、１個の制御電源から、他の半導体スイッチの制御電源をすべて構成できるので、装置の小型化を実現した電力変換装置を提供することを目的とするものである。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
前記従来の課題を解決するために、本発明の電力変換装置は、単方向半導体スイッチ素子と、前記単方向半導体スイッチ素子に逆並列に接続されたダイオード素子と、から構成される半導体スイッチを複数備え、第一の半導体スイッチの一端と第二の半導体スイッチの一端とは直列に接続され、前記第一の半導体スイッチの他端は直流の低電圧ラインに接続され、前記第二の半導体スイッチの他端は直流の高電圧ラインに接続されており、前記第一の半導体スイッチと前記第二の半導体スイッチとの接続ラインに、擬似交流の電位を発生する２レベルインバータの出力端子が設けられており、第三の半導体スイッチの一端と第四の半導体スイッチの一端とは、前記ダイオード素子のアノードが共通になるように直列に接続され、前記第三の半導体スイッチの他端は前記出力端子に接続され、前記第四の半導体スイッチの他端は、前記高電圧ラインと前記低電圧ラインとの間の直流中性点に接続されることで形成されている双方向半導体スイッチと、前記低電圧ラインに接続されている制御電源と、前記第二の半導体スイッチと前記出力端子との接続ラインに接続されている半導体スイッチ用コンデンサと、前記アノードの電位を基準として設けられている双方向半導体スイッチ用コンデンサと、を有し、前記制御電源の正極と、前記半導体スイッチ用の制御電源用コンデンサの正極とは、第一のダイオードと第一の抵抗とを介して接続されているとともに、前記制御電源の正極と、前記双方向半導体スイッチ用コンデンサの正極とは、第二のダイオードと第二の抵抗とを介して接続されている。
【００１４】
これにより、第一の半導体スイッチをオンすることにより、低電圧ラインに接続されている制御電源の正極から、第二のダイオードと第二の抵抗を介して、双方向半導体スイッチ用コンデンサ、第三の半導体スイッチの逆並列ダイオード素子、第一の半導体スイッチ、制御電源の負極と電流が流れるため、このとき、双方向半導体スイッチ用の第三の制御回路と並列接続されている双方向半導体スイッチ用コンデンサが充電されて、一時的に双方向半導体スイッチ用の制御電源が構成される。
【００１５】
また、第一の半導体スイッチをオンすることにより、低電圧ラインに接続されている制御電源の正極から、第一のダイオードと第一の抵抗とを介して、半導体スイッチ用の制御電源用コンデンサ、第一の半導体スイッチ、制御電源の負極と電流が流れるため、このとき、第二の半導体スイッチ用の第二の制御回路と並列接続されている半導体スイッチ用コンデンサが充電されて、一時的に第二の半導体スイッチ用の制御電源が構成される。
【００１６】
すなわち、直流の低電圧ラインに接続されている制御用電源から、双方向半導体スイッチ用の制御電源および第二の半導体スイッチ用の制御電源を構成することができるので、装置の小型化を実現した電力変換装置を提供できる。
【発明の効果】
【００１７】
本発明によれば、１個の制御電源から、他の半導体スイッチの制御電源をすべて構成できるので、装置の小型化を実現した電力変換装置を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】本発明の実施の形態１における電力変換装置の回路ブロック図
【図２】同電力変換装置における制御電源の動作を示す回路ブロック図
【図３】他の電力変換装置における制御電源の動作を示す回路ブロック図
【発明を実施するための形態】
【００１９】
第１の発明は、単方向半導体スイッチ素子と、前記単方向半導体スイッチ素子に逆並列に接続されたダイオード素子と、から構成される半導体スイッチを複数備え、第一の半導体スイッチの一端と第二の半導体スイッチの一端とは直列に接続され、前記第一の半導体スイッチの他端は直流の低電圧ラインに接続され、前記第二の半導体スイッチの他端は直流の高電圧ラインに接続されており、前記第一の半導体スイッチと前記第二の半導体スイッチとの接続ラインに、擬似交流の電位を発生する２レベルインバータの出力端子が設けられており、第三の半導体スイッチの一端と第四の半導体スイッチの一端とは、前記ダイオード素子のアノードが共通になるように直列に接続され、前記第三の半導体スイッチの他端は前記出力端子に接続され、前記第四の半導体スイッチの他端は、前記高電圧ラインと前記低電圧ラインとの間の直流中性点に接続されることで形成されている双方向半導体スイッチと、前記低電圧ラインに接続されている制御電源と、前記第二の半導体スイッチと前記出力端子との接続ラインに接続されている半導体スイッチ用コンデンサと、前記アノードの電位を基準として設けられている双方向半導体スイッチ用コンデンサと、を有し、前記制御電源の正極と、前記半導体スイッチ用の制御電源用コンデンサの正極とは、第一のダイオードと第一の抵抗とを介して接続されているとともに、前記制御電源の正極と、前記双方向半導体スイッチ用コンデンサの正極とは、第二のダイオードと第二の抵抗とを介して接続されている電力変換装置である。
【００２０】
これにより、第一の半導体スイッチをオンすることにより、低電圧ラインに接続されている制御電源の正極から、第二のダイオードと第二の抵抗を介して、双方向半導体スイッチ用コンデンサ、第三の半導体スイッチの逆並列ダイオード素子、第一の半導体スイッチ、制御電源の負極と電流が流れるため、このとき、双方向半導体スイッチ用の第三の制御回路と並列接続されている双方向半導体スイッチ用コンデンサが充電されて、一時的に双方向半導体スイッチ用の制御電源が構成される。
【００２１】
また、第一の半導体スイッチをオンすることにより、低電圧ラインに接続されている制御電源の正極から、第一のダイオードと第一の抵抗とを介して、半導体スイッチ用の制御電源用コンデンサ、第一の半導体スイッチ、制御電源の負極と電流が流れるため、このとき、第二の半導体スイッチ用の第二の制御回路と並列接続されている半導体スイッチ用コンデンサが充電されて、一時的に第二の半導体スイッチ用の制御電源が構成される。
【００２２】
すなわち、直流の低電圧ラインに接続されている制御用電源から、双方向半導体スイッチ用の制御電源および第二の半導体スイッチ用の制御電源を構成することができるので、装置の小型化を実現した電力変換装置を提供できる。
【００２３】
第２の発明は、特に、第１の発明において、前記第三の半導体スイッチと前記第四の半導体スイッチとはＭＯＳＦＥＴであり、前記第三の半導体スイッチ、前記第四の半導体スイッチを構成するダイオード素子は、ＭＯＳＦＥＴの寄生ダイオードであることを特徴とするものである。
【００２４】
これにより、ＭＯＳＦＥＴの導通特性は抵抗に近いため、交流入出力におけるゼロクロス近傍などでは、ダイオードよりも電圧降下が少なくなり、双方向半導体スイッチ用コンデンサを充電して、双方向半導体スイッチ用の制御電源を形成するにあたり、双方向半導体スイッチ用の制御電源の電圧を高くできるので、電力変換装置の回路損失なども低減することができる。
【００２５】
第３の発明は、特に、第１または第２の発明において、前記第二の半導体スイッチをＯＦＦにしている期間は、前記第三の半導体スイッチをＯＮにすることを特徴とするものである。
【００２６】
これにより、第一の半導体スイッチと双方向半導体スイッチの相補のＯＮ／ＯＦＦにより、低電圧と中性点との間の電位を発生せしめるときには、中性点に接続されている第四の半導体スイッチと第一の半導体スイッチとを相補的にＯＮ／ＯＦＦする。
【００２７】
このとき、第三の半導体スイッチはＯＦＦ状態であっても、並列のダイオードを経由して接続が維持されるので、中性点に接続されている第四の半導体スイッチと第一の半導体スイッチとの相補的なＯＮ／ＯＦＦだけで、低電圧と中性点との間の電位を発生することができる。
【００２８】
さらに、第三の半導体スイッチをＯＮすることにより、ダイオードを経由している接続が、ＭＯＳＦＥＴのチャネルを経由した接続となり、ダイオードを経由した接続よりも、電圧降下が少なくできる。このため、低電圧ラインに接続されている制御用電源から充電経路における電圧降下が少なくなるため、半導体スイッチを駆動させる制御回路の設計自由度が向上する。
【００２９】
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。
【００３０】
（実施の形態１）
図１は、本発明の第１の実施の形態における電力変換装置の回路ブロック図を示すものである。
【００３１】
図１において、第一の半導体スイッチ１００１は、単方向半導体スイッチ素子１００１ａと、単方向半導体スイッチ素子１００１ａに逆並列に接続されたダイオード素子１００１ｂとから構成されている。
【００３２】
そして、この第一の半導体スイッチ１００１と同様の機能を果たす半導体スイッチを、他にも、第二の半導体スイッチ１１０１、第三の半導体スイッチ１２０１、第四の半導体スイッチ１３０１と、複数備えている。
【００３３】
そして、直流低圧側コンデンサ１０１０と直流高圧側コンデンサ１１１０との直列接続からなる直流電源を構成し、直流低電圧ラインには、第一の半導体スイッチ１００１、直流高電圧ラインには、第二の半導体スイッチ１１０１が接続されている。
【００３４】
そして、第一の半導体スイッチ１００１，第二の半導体スイッチ１１０１の他方の端子は、共に擬似交流ラインに接続されていて、その接続点が擬似交流端子とする２レベルインバータの出力端子である。
【００３５】
また、直流低圧側コンデンサ１０１０，直流高圧側コンデンサ１１１０の接続点は、直流中性点として、第四の半導体スイッチ１３０１と第三の半導体スイッチ１２０１の直列接続を経由して、擬似交流端子とする２レベルインバータの出力端子である擬似交流ラインに接続されている。
【００３６】
ここで、第一の半導体スイッチ１００１をＯＮにすれば、擬似交流ラインの電位は、直流低電圧ラインと同じ電位になり、第二の半導体スイッチ１１０１をＯＮにすれば、擬似交流ラインの電位は、直流高電圧ラインと同じ電位になり、第三の半導体スイッチ１２０１と第四の半導体スイッチ１３０１をＯＮにすれば、擬似交流ラインは、直流中性点と同じ電位になる。
【００３７】
これを適宜切り替えていくことにより、擬似交流ラインから、擬似交流の電位を発生することができる。
【００３８】
また、直流低電圧ラインには、第一の半導体スイッチ１００１の制御電源１００３が具備されており、この制御電源１００３が、第一の半導体スイッチ１００１の第一の制御回路１００２の電源の役割を果たすことで、第一の半導体スイッチ１００１のＯＮ／ＯＦＦを制御することが可能になる（なお、第一の制御回路１００２の制御指令端子は省略する）。
【００３９】
さらに、制御電源１００３の正側端子は、第一のダイオード１１１１と第一の抵抗１１１２を経由して、半導体スイッチ用コンデンサ１１０３に接続されている。
【００４０】
また、制御電源１００３の正側端子は、第二のダイオード１２１１と第二の抵抗１２１２を経由して、双方向半導体スイッチ用コンデンサ１２０３に接続されている。
【００４１】
半導体スイッチ用コンデンサ１１０３の一端は、擬似交流ラインに接続されており、半導体スイッチ用コンデンサ１１０３の他端は、第二の半導体スイッチ１１０１の第二の制御回路１１０２の電源端子に接続されている。
【００４２】
同様に、双方向半導体スイッチ用コンデンサ１２０３の両端は、第三の半導体スイッチ１２０１の第三の制御回路１２０２の電源端子と、第四の半導体スイッチ１３０１の第四の制御回路１３０２の電源端子とに、並列に接続されている。
【００４３】
つまり、何らかの方法で、半導体スイッチ用コンデンサ１１０３や双方向半導体スイッチ用コンデンサ１２０３を充電することができれば、第二の半導体スイッチ１１０１、第三の半導体スイッチ１２０１、第四の半導体スイッチ１３０１を駆動制御することができる構成になっている。
【００４４】
図２に基づいて、その動作原理について説明する。図２は、図１の回路をもとに、半導体スイッチ用コンデンサ１１０３、双方向半導体スイッチ用コンデンサ１２０３への充電経路を追記したものである。
【００４５】
直流低電圧ラインに設けた制御電源１００３と第一の制御回路１００２とにより、第一の半導体スイッチ１００１をＯＮにする。第一の半導体スイッチ１００１をＯＮにすることにより、擬似交流ラインの電圧は、直流低電圧ラインとほぼ同電位、すなわち、この回路における最低電位になる。
【００４６】
このとき、制御電源１００３から第二のダイオード１２１１、第二の抵抗１２１２、および、第三の半導体スイッチ１２０１のダイオード素子１２０１ａと、第一の半導体スイッチ１００１とを介して、双方向半導体スイッチ用コンデンサ１２０３を充電する。
【００４７】
双方向半導体スイッチ用コンデンサ１２０３が充電されるので、第三の半導体スイッチ１２０１の第三の制御回路１２０２、第四の半導体スイッチ１３０１の第四の制御回路１３０２を駆動させる電源が一時的に形成されることになる。
【００４８】
同様に、制御電源１００３から第一のダイオード１１１１、第一の抵抗１１１２、および、第一の半導体スイッチ１００１を介して、半導体スイッチ用コンデンサ１１０３を充電する。
【００４９】
半導体スイッチ用コンデンサ１１０３が充電されるので、第二の半導体スイッチ１１０１用の第二の制御回路１１０２を駆動する電源が一時的に形成されることになる。
【００５０】
すなわち、半導体スイッチ用コンデンサ１１０３、双方向半導体スイッチ用コンデンサ１２０３に電荷が蓄えられている限り、第二の半導体スイッチ１１０１，第三の半導体スイッチ１２０１，第四の半導体スイッチ１３０１を駆動制御できる。
【００５１】
擬似交流を発生させるために、頻繁に第一の半導体スイッチ１００１はＯＮされ、さらに他の擬似交流ラインに対しても、直流低電圧ラインに設けた制御電源１００３を共通に用いることができる。
【００５２】
このように、本発明の第１の実施の形態における電力変換装置によれば、１個の制御電源１００３から、多相の擬似交流用の電力変換装置における制御電源をすべて形成することができるのである。
【００５３】
なお、図１、図２でも示しているが、双方向半導体スイッチ１４０１を構成する第三の半導体スイッチ１２０１、第四の半導体スイッチ１３０１は、ＭＯＳＦＥＴで構成することが望ましい。
【００５４】
なぜならば、ＭＯＳＦＥＴはＯＮしているときには、通過損失特性が抵抗特性になり、電流が小さいときには、その電圧降下が小さくできる。
【００５５】
また、第三の半導体スイッチ１２０１を構成するダイオード素子１２０１ｂ、第四の半導体スイッチ１３０１を構成するダイオード素子１３０１ｂは、ＭＯＳＦＥＴの寄生ダイオードであることが望ましい。
【００５６】
図３に基づいて、その動作時における作用を説明する。
【００５７】
第二の半導体スイッチ１１０１がＯＦＦであり、双方向半導体スイッチ１４０１（第三の半導体スイッチ１２０１と第四の半導体スイッチ１３０１）との第一の半導体スイッチ１００１の相補的なＯＮ／ＯＦＦにより、中性点電位と低電圧との間の電圧を発生する場合を示している。
【００５８】
ここで、第三の半導体スイッチ１２０１をＯＮしても、第四の半導体スイッチ１３０１と第一の半導体スイッチ１００１が同時にＯＮにならない限り、中性点と低電圧ラインとの間の短絡は生じない。
【００５９】
したがって、第三の半導体スイッチ１２０１をＯＮとし、第四の半導体スイッチ１３０１と第一の半導体スイッチ１００１とを相補的にＯＮ／ＯＦＦすればよい。
【００６０】
このとき、擬似交流端子から外部へ流れる電流は、交流電流であり、第一の半導体スイッチ１００１と双方向半導体スイッチ１４０１（第三の半導体スイッチ１２０１および第四の半導体スイッチ１３０１）とを時分割で流れる。
【００６１】
交流電流では、電流極性が反転する前後では、電流量が小さくなっており、ＭＯＳＦＥＴでの電圧降下が小さくなる。
【００６２】
したがって、低電圧側の第一の半導体スイッチ１００１の制御電源１００３に接続される系の電圧降下が小さくなり、双方向半導体スイッチ１４０１（第三の半導体スイッチ１２０１および第四の半導体スイッチ１３０１）の制御電源を構成する双方向半導体スイッチ用コンデンサ１２０３での電圧低下が緩和され、双方向半導体スイッチ１４０１（第三の半導体スイッチ１２０１と第四の半導体スイッチ１３０１）の駆動回路設計の自由度が向上する。
【００６３】
さらに、これまで説明してきたことからもわかるように、低電圧側の第一の半導体スイッチ１００１がＯＮのときには、疑似交流ラインが直流の低電位側になる。
【００６４】
このため、三相モータを駆動する三相回路などを構成するときには、駆動前に、３つの相の低電圧側の半導体スイッチを同時にＯＮしてやれば、モータに影響を及ぼすことなく、各駆動電源が構成できる。
【００６５】
また、三相整流回路に用いる場合には、３つの疑似交流ラインのうち、最も低い電位の低電圧側の半導体スイッチをＯＮにしなくても、逆並列のダイオードにより、ＯＮしていることと等価になり、制御電源１００３から半導体スイッチ用コンデンサ１１０３、双方向半導体スイッチ用コンデンサ１２０３への充電が実現できる。
【産業上の利用可能性】
【００６６】
以上のように、本発明にかかる電力変換装置は、１個の制御電源から、他の半導体スイッチの制御電源をすべて構成できるので、装置の小型化が図れるため、電気機器の電力変換装置に有用である。
【符号の説明】
【００６７】
１００１  第一の半導体スイッチ
１００２  第一の制御回路
１００３  制御電源
１０１０  直流低圧側コンデンサ
１１０１  第二の半導体スイッチ
１１０２  第二の制御回路
１１０３  半導体スイッチ用コンデンサ
１１１０  直流高圧側コンデンサ
１１１１  第一のダイオード
１１１２  第一の抵抗
１２０１  第三の半導体スイッチ
１２０２  第三の制御回路
１２０３  双方向半導体スイッチ用コンデンサ
１２１１  第二のダイオード
１２１２  第二の抵抗
１３０１  第四の半導体スイッチ
１３０２  第四の制御回路
１４０１  双方向半導体スイッチ
【図１】
2020072540.tif 000003
【図２】
2020072540.tif 000004
【図３】
2020072540.tif 000005