(57)【要約】【課題】回路構成を簡素化することで、高速かつ大容量の補助スイッチング素子を必要としない回路構成を実現することができる半導体電力変換回路を提供する。【解決手段】第一半導体ブリッジ回路４は、第一中間接続点１１の上側の第一自励式半導体スイッチング素子７と、下側の第一ダイオード８との直列接続で構成され、第二半導体ブリッジ回路５は、第二中間接続点１３の上側の第二ダイオード９と、下アーム側の第二自励式半導体スイッチング素子１０との直列接続で構成され、第一中間接続点１１と直流電源１の正極１ａとの間に第一コンデンサ１５、第四ダイオード１８及び第三リアクトル１７が直列接続され、第二中間接続点１３と直流電源１の負極１ｂとの間に第二コンデンサ１９、第六ダイオード２２及び第四リアクトル２１が直列接続される。【選択図】図１
2014112992.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
直流電源の正極と負極との間に並列に接続される第一及び第二半導体ブリッジ回路を備え、
前記第一半導体ブリッジ回路は、その上アーム側の第一自励式半導体スイッチング素子と、下アーム側の第一ダイオードとの直列接続で構成され、
前記第二半導体ブリッジ回路は、上アーム側の第二ダイオードと、下アーム側の第二自励式半導体スイッチング素子との直列接続で構成され、
前記第一半導体ブリッジ回路の第一中間接続点には第一リアクトルが、前記第二半導体ブリッジ回路の第二中間接続点には、第二リアクトルがそれぞれ直列接続され、
前記第一及び第二リアクトルの開放端が交流出力端となり、
前記第一中間接続点には第一コンデンサの一端が接続され、該第一コンデンサの他端と前記直流電源の直流電圧の中性点との間には第三ダイオードが接続され、
前記第一コンデンサの他端と前記直流電源の正極との間には第三リアクトルと第四ダイオードとの直列回路が接続され、
前記第二中間接続点には第二コンデンサの一端が接続され、該第二コンデンサの他端と前記直流電源の直流電圧の中性点との間には第五ダイオードが接続され、
前記第二コンデンサの他端と前記直流電源の負極との間には第四リアクトルと第六ダイオードとの直列回路が接続されることを特徴とする半導体電力変換回路。
【請求項２】
直流電源の正極と負極との間に並列に接続される第一及び第二半導体ブリッジ回路を備え、
前記第一半導体ブリッジ回路は、その上アーム側の第一自励式半導体スイッチング素子と、下アーム側の第一ダイオードとの直列接続で構成され、
該第二半導体ブリッジ回路は、上アーム側の第二ダイオードと、下アーム側の第二自励式半導体スイッチング素子との直列接続で構成され、
第一半導体ブリッジ回路の第一中間接続点には第一リアクトルが、第二半導体ブリッジ回路の第二中間接続点には、第二リアクトルがそれぞれ直列接続され、
前記第一及び第二リアクトルの開放端が交流出力端となり、
前記第一中間接続点には第一コンデンサの一端が接続され、該第一コンデンサの他端と前記直流電源の直流電圧の中性点との間には第三ダイオードが接続され、
前記第一コンデンサの他端と前記直流電源の正極との間には第三リアクトルと第一サイリスタとの直列回路が接続され、
前記第二中間接続点には第二コンデンサの一端が接続され、該第二コンデンサの他端と前記直流電源の直流電圧の中性点との間には第五ダイオードが接続され、
前記第二コンデンサの他端と前記直流電源の負極との間には第四リアクトルと第二サイリスタとの直列回路が接続されることを特徴とする半導体電力変換回路。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、チョッパ、インバータ等の半導体電力変換回路に関するものであって、半導体ブリッジ回路を構成する半導体スイッチング素子のスイッチング損失低減に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、スイッチング素子として半導体を用いた電力変換装置において使用される半導体電力変換回路は、スイッチング素子のスイッチングを高周波で行うことによってインダクタやキャパシタ等の受動素子を小型化することが可能であることから、電力変換装置を小型化することが図られている。
【０００３】
そして、このような半導体電力変換回路の高周波化を実現するために、いわゆるソフトスイッチングと称される回路技術が半導体電力変換回路に導入されている。このソフトスイッチングは、共振現象を利用して電圧または電流がゼロとなった状態でスイッチング素子をスイッチングするものである。このため、原理的には電圧、電流の過渡交差は発生せず、スイッチング損失のない動作が行なえる。
【０００４】
例えば、特許文献１には、補助共振転流ポール回路（以下、ＡＲＣP回路）を備えてソフトスイッチングを実行し、直流電力を交流電力に変換して負荷に出力する電力変換装置ＰＣＤが記載されている。この電力変換装置ＰＣＤの一相分の回路構成は、図３に示すようなもので、第一共振キャパシタＣ１と第一還流ダイオードＤ１とが並列接続された第一スイッチング素子Ｔｒ１、及び第二共振キャパシタＣ２と第二還流ダイオードＤ２とが並列接続された第二スイッチング素子Ｔｒ２を直列接続した主スイッチング回路ＳＷと、主スイッチング回路ＳＷの両スイッチング素子Ｔｒ１、Ｔｒ２が接続される接続点Ｐｃと直流電源ＢＴの電源電圧の中性点ＮＰとの間に接続されるＡＲＣＰ回路ＡＲとを備えるものである。ＡＲＣＰ回路ＡＲは、逆直列された第一及び第二補助スイッチング素子Ｔｒ３、Ｔｒ４と、それぞれの補助スイッチング素子Ｔｒ３、Ｔｒ４に対して逆並列に接続される第一及び第二補助ダイオードＤ３、Ｄ４と、それらのスイッチング素子Ｔｒ３、Ｔｒ４に直列接続される共振リアクタＬとで構成される。
【０００５】
そして、例えば第二還流ダイオードＤ２が導通している状態から第一スイッチング素子Ｔｒ１を導通させる場合では、第一補助スイッチング素子Ｔｒ３を導通した後に第二スイッチング素子Ｔｒ２を遮断して、ＡＲＣＰ回路ＡＲに転流用電流を流す。これによって、共振リアクタＬと第一及び第二共振キャパシタＣ１、Ｃ２とが共振し、第二共振キャパシタＣ２の電圧が上昇する。そして第二共振キャパシタＣ２の電圧が電源電圧と等しくなった時点で第一還流ダイオードＤ１が導通し、第一スイッチング素子Ｔｒ１に印加される電圧がゼロになる時点で第一スイッチング素子Ｔｒ１を導通させることで、ソフトスイッチングを実施することができる。
【０００６】
しかしながら、上述したようにＡＲＣＰ回路ＡＲにおける第一及び第二補助スイッチング素子Ｔｒ３、Ｔｒ４には、第一及び第二スイッチング素子Ｔｒ１、Ｔｒ２と同等もしくはそれ以上の転流用電流が流れることになるので、第一及び第二スイッチング素子Ｔｒ１、Ｔｒ２と同等のスイッチング速度、耐圧及び電流定格を備えた第一及び第二補助スイッチング素子Ｔｒ３、Ｔｒ４が必要となる。このため、第一及び第二補助スイッチング素子Ｔｒ３、Ｔｒ４及び共振リアクトルＬが大型になり、この回路を用いる半導体電力変換装置が小型化できないといった問題が生じた。またそのような第一及び第二補助スイッチング素子Ｔｒ３、Ｔｒ４等を使用することにより、価格が上昇する傾向にあった。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００５−１３０６１２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
そこで、本発明は上述したような問題を鑑みてなされたものであり、回路構成を簡素化することで、高速かつ大容量の補助スイッチング素子を必要としない回路構成を実現することができる半導体電力変換回路を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
すなわち、本発明に係る半導体電力変換回路は、直流電源の正極と負極との間に並列に接続される第一及び第二半導体ブリッジ回路を備え、前記第一半導体ブリッジ回路は、その上アーム側の第一自励式半導体スイッチング素子と、下アーム側の第一ダイオードとの直列接続で構成され、前記第二半導体ブリッジ回路は、上アーム側の第二ダイオードと、下アーム側の第二自励式半導体スイッチング素子との直列接続で構成され、前記第一半導体ブリッジ回路の第一中間接続点には第一リアクトルが、前記第二半導体ブリッジ回路の第二中間接続点には、第二リアクトルがそれぞれ直列接続され、前記第一及び第二リアクトルの開放端が交流出力端となり、前記第一中間接続点には第一コンデンサの一端が接続され、該第一コンデンサの他端と前記直流電源の直流電圧の中性点との間には第三ダイオードが接続され、前記第一コンデンサの他端と前記直流電源の正極との間には第三リアクトルと第四ダイオードとの直列回路が接続され、前記第二中間接続点には第二コンデンサの一端が接続され、該第二コンデンサの他端と前記直流電源の直流電圧の中性点との間には第五ダイオードが接続され、前記第二コンデンサの他端と前記直流電源の負極との間には第四リアクトルと第六ダイオードとの直列回路が接続されることを特徴とする。
【００１０】
このような構成によれば、第一自励式半導体スイッチング素子の遮断時には、出力電流は第一コンデンサ側に転流し、第一自励式半導体スイッチング素子をゼロ電圧スイッチングすることができ、同様にして、第二自励式半導体スイッチング素子の遮断時には、出力電流は第二コンデンサ側に転流し、第二自励式半導体スイッチング素子のゼロ電圧スイッチングすることができる。そして第一自励式半導体スイッチング素子が導通することにより、第一コンデンサと第一コンデンサと第三リアクトルとにより共振回路が形成され、同様に、第二自励式半導体スイッチング素子が導通することにより、第二コンデンサと第四リアクトルとにより共振回路が形成され、それによって、第一コンデンサと第二コンデンサとがリセットされる。
【００１１】
このように、上記第一及び第二半導体ブリッジ回路の補助となる回路に高速且つ大容量の自励式半導体スイッチング素子を用いる必要がないため、回路を簡素化することが可能となり、本発明の半導体電力変換回路を用いる装置の小型化及び低価格化が可能になる。しかも、第一半導体ブリッジ回路の第一自励式半導体スイッチング素子及び第二半導体ブリッジ回路の第二自励式半導体スイッチング素子をゼロ電圧スイッチングすることで、スイッチング損失を低減することが可能になる。
【００１２】
また本発明に係る他の半導体電力変換回路は、直流電源の正極と負極との間に並列に接続される第一及び第二半導体ブリッジ回路を備え、前記第一半導体ブリッジ回路は、その上アーム側の第一自励式半導体スイッチング素子と、下アーム側の第一ダイオードとの直列接続で構成され、該第二半導体ブリッジ回路は、上アーム側の第二ダイオードと、下アーム側の第二自励式半導体スイッチング素子との直列接続で構成され、第一半導体ブリッジ回路の第一中間接続点には第一リアクトルが、第二半導体ブリッジ回路の第二中間接続点には、第二リアクトルがそれぞれ直列接続され、前記第一及び第二リアクトルの開放端が交流出力端となり、前記第一中間接続点には第一コンデンサの一端が接続され、該第一コンデンサの他端と前記直流電源の直流電圧の中性点との間には第三ダイオードが接続され、前記第一コンデンサの他端と前記直流電源の正極との間には第三リアクトルと第一サイリスタとの直列回路が接続され、前記第二中間接続点には第二コンデンサの一端が接続され、該第二コンデンサの他端と前記直流電源の直流電圧の中性点との間には第五ダイオードが接続され、前記第二コンデンサの他端と前記直流電源の負極との間には第四リアクトルと第二サイリスタとの直列回路が接続されることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１３】
このように本発明の半導体電力変換回路によれば、ゼロ電圧スイッチングを実行するための補助となる回路を、第一及び第二コンデンサと、第三及び第四リアクトルとにより上記したように第一及び第二半導体ブリッジ回路に接続しているので、上記補助となる回路に高速且つ大容量の自励式半導体スイッチング素子を用いる必要がないため、回路を簡素化することができ、本発明の半導体電力変換回路を用いる装置の小型化及び低価格化を実現することができ、第一半導体ブリッジ回路の第一自励式半導体スイッチング素子及び第二半導体ブリッジ回路の第二自励式半導体スイッチング素子をゼロ電圧スイッチングすることで、スイッチング損失を低減することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明の実施形態の回路図。
【図２】本発明の他の実施形態の回路図。
【図３】従来例の回路図。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
この発明の一実施形態を、図１を参照して説明する。
【００１６】
この実施形態に係る半導体電力変換回路１００は、直流電源１の正極１ａと負極１ｂとの間に並列に接続される第一電源コンデンサ２と第二電源コンデンサ３との直列回路を備えるとともに、同様に直流電源１の正極１ａと負極１ｂとの間に並列に接続される第一半導体ブリッジ回路４と第二半導体ブリッジ回路５とを備えている。第一電源コンデンサ２と第二電源コンデンサ３との接続点は、直流電源１の中性点６となる。
【００１７】
第一半導体ブリッジ回路４は、その上アーム側に設けられる第一自励式半導体スイッチング素子７と、その下アーム側に設けられる第一ダイオード８との直列接続で構成される。第一ダイオード８は、そのアノードが直流電源１の負極１ｂに接続され、そのカソードが第一自励式半導体スイッチング素子７と接続される。第一ダイオード８のカソードと第一自励式半導体スイッチング素子７との接続点が、第一半導体ブリッジ回路４の第一中間接続点１１を構成する。
【００１８】
第二半導体ブリッジ回路５は、その上アーム側に設けられる第二ダイオード９と、その下アーム側に設けられる第二自励式半導体スイッチング素子１０との直列接続で構成される。第二ダイオード９は、そのアノードが第一自励式半導体スイッチング素子７と接続され、そのカソードが直流電源１の正極１ａに接続される。第二ダイオード９のアノードと第二自励式半導体スイッチング素子１０との接続点が、第二半導体ブリッジ回路５の第二中間接続点１３を構成する。
【００１９】
第一及び第二自励式半導体スイッチング素子７、１０は例えば、ＮチャネルパワーＭＯＳＦＥＴである。
【００２０】
第一半導体ブリッジ回路４の第一中間接続点１１には第一リアクトル１２が、また第二半導体ブリッジ回路５の第二中間接続点１３には、第二リアクトル１４がそれぞれ直列接続される。第一及び第二リアクトル１２、１４のそれぞれの開放端は相互に接続されて、交流出力端２４となる。交流出力端２４には、モータ等の負荷が接続される。
【００２１】
さらに、第一半導体ブリッジ回路４の第一中間接続点１１には、第一転流コンデンサ１５の一端１５ａが接続され、第一転流コンデンサ１５の他端１５ｂと直流電源１の中性点６との間には、第三ダイオード１６が接続される。第三ダイオード１６は、そのアノードが直流電源１の中性点６に接続され、そのカソードが第一転流コンデンサ１５の他端１５ｂに接続される。
【００２２】
第一転流コンデンサ１５の他端１５ｂと直流電源１の正極１ａとの間には第三リアクトル１７と第四ダイオード１８との直列回路が接続される。第四ダイオード１８は、そのアノードが第一転流コンデンサ１５の他端１５ｂに接続され、そのカソードが第三リアクトル１７に接続される。
【００２３】
第二半導体ブリッジ回路５の第二中間接続点１３には、第二転流コンデンサ１９の一端１９ａが接続され、第二転流コンデンサ１９の他端１９ｂと直流電源１の中性点６との間には第五ダイオード２０が接続される。第五ダイオード２０は、そのアノードが第二転流コンデンサ１９の他端１９ｂに接続され、そのカソードが直流電源１の中性点６に接続される。
【００２４】
第二転流コンデンサ１９の他端１９ｂと直流電源１の負極１ｂとの間には、第四リアクトル２１と第六ダイオード２２との直列回路が接続される。第六ダイオード２２は、そのアノードが第四リアクトルに接続され、そのカソードが第二転流コンデンサ１９の他端１９ｂに接続される。
【００２５】
このような構成において、第一自励式半導体スイッチング素子７が導通状態から遮断される場合は、出力電流は第一電源コンデンサ２から第三ダイオード１６を通り第一転流コンデンサ１５の経路に転流する。この時、第一転流コンデンサ１５の電圧は第一電源コンデンサ２の電圧と同じ大きさで逆極性となっている。そのため転流経路の第一電源コンデンサ２から第三ダイオード１６を通り第一転流コンデンサ１５までの電圧、すなわち第一自励式半導体スイッチング素子７の両端電圧は転流開始時にはほぼ０ボルトになっている。遮断開始後の転流により、第一転流コンデンサ１５が充電されその電圧が上昇するに伴い第一式半導体スイッチング素子７の電圧も緩やかに上昇する。この一連の動作により、第一自励式半導体スイッチング素子７の電流遮断動作過渡期において、その両端電圧はほぼ０ボルトから緩やかに上昇する特性となるため、いわゆるゼロ電圧スイッチングが可能になる。また、この時第一転流コンデンサ１５の電圧は第一電源コンデンサ２の電圧と同極性のほぼ同じ電圧まで充電される。
【００２６】
次に、第一自励式半導体スイッチング素子７が導通すると、第三リアクトル１７と第一転流コンデンサ１５とにより共振回路が形成される。これによって、第一転流コンデンサ１５はリセットされ再度、極性が反転した電圧に充電される。
【００２７】
回路の双対性により、第二自励式半導体スイッチング素子１０の動作についても同様であるため説明を省略する。
【００２８】
上記したように、第一及び第二半導体ブリッジ回路４、５に接続される転流及び共振用の補助回路側に自励式半導体スイッチング素子を用いる必要がないので、回路構成を簡素化することができる。その結果、使用する回路素子が占有する容積が小さくなるので、本実施形態に係る半導体電力変換回路１００を組み込んだ装置を小型化することができるとともに、低価格化を実現することができる。
【００２９】
しかも、第一及び第二自励式半導体スイッチング素子７、１０を遮断する時、遮断している時に第一及び第二自励式関導体スイッチング素子７、１０をゼロ電圧スイッチングすることができるので、スイッチング損失を低減することができるとともに、電磁干渉ノイズを低減することができる。
【００３０】
なお、本発明は上記実施形態に限定されるものではない。
【００３１】
例えば、図２に示す本発明の他の実施形態に係る半導体電力変換回路２００は、上記実施形態における第四ダイオード１８及び第六ダイオード２２に代えて、第一及び第二サイリスタ２１８、２２２を使用するものである。すなわち、半導体電力変換回路２００は、第一及び第二サイリスタ２１８、２２２以外の回路構成は、上記実施形態における半導体電力変換回路１００と同一にしてある。
【００３２】
このように、第一及び第二サイリスタ２１８、２２２を使用することにより、第一及び第二自励式半導体スイッチング素子７、１０のスイッチングのタイミングに合わせて共振回路を形成することができる。
【００３３】
その他、本発明は上記実施形態に限られず、その趣旨を逸脱しない範囲で種々の変形が可能であるのは言うまでもない。
【符号の説明】
【００３４】
１・・・直流電源
１ａ・・・正極
１ｂ・・・負極
４・・・第一半導体ブリッジ回路
５・・・第二半導体ブリッジ回路
６・・・中性点
７・・・第一自励式半導体スイッチング素子
８・・・第一ダイオード
９・・・第二ダイオード
１０・・・第二自励式半導体スイッチング素子
１１・・・第一中間接続点
１２・・・第一リアクトル
１３・・・第二中間接続点
１４・・・第二リアクトル
１５・・・第一転流コンデンサ
１５ａ・・・第一転流コンデンサの一端
１５ｂ・・・第一転流コンデンサの他端
１６・・・第三ダイオード
１７・・・第三リアクトル
１８・・・第四ダイオード
１９・・・第二転流コンデンサ
１９ａ・・・第二転流コンデンサの一端
１５ｂ・・・第二転流コンデンサの他端
２０・・・第五コンデンサ
２１・・・第四リアクトル
２２・・・第六ダイオード
１００・・・半導体電力変換回路
【図１】
2014112992.tif 000003
【図２】
2014112992.tif 000004
【図３】
2014112992.tif 000005