(57)【要約】【課題】コモンモードチョークなどのノイズ対策部品を別途設けて、ノイズフィルタの大型化やコストの増加をさせずに、効果的にコモンモードノイズ抑制可能な電力変換器を提供する。【解決手段】スイッチング素子のスイッチングに起因して、グランドを基準とした電位が相補的に変動する複数のノードと、グランドとの間に電気容量を備えることで、一方の容量が放電した電荷を他方の容量が充電し、一方から他方へとグランドを介して電流が流れるため、外部に漏れ出すコモンモード電流を効果的に抑制する。【選択図】図３
2018196194.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
直列接続された一対のスイッチング素子と、直列接続された一対の整流素子と、が互いに並列に接続されたスイッチング回路と、
前記一対のスイッチング素子の互いの接続点、前記一対の整流素子の互いの接続点と交流入力源との間をそれぞれに接続する一対のラインに挿入された一対のリアクトルと、
前記スイッチング素子のスイッチングに起因して、グランドを基準とした電位が相補的に変動する前記スイッチング回路およびリアクトルからなる回路の複数のノードと、グランドとの間に設けられた少なくとも１対の電気容量と、
を備えた、電力変換器。
【請求項２】
スイッチング素子を有するスイッチング回路と、
前記スイッチング回路と交流入力の間に接続された一対のラインにそれぞれ設けた第１のリアクトル、第２のリアクトルと、
前記スイッチング回路の出力を平滑する平滑コンデンサと、
を備えた電力変換器であって、
前記スイッチング回路は、
第１のスイッチング素子と第２のスイッチング素子から成る第１の直列回路と、
第１の整流素子と第２の整流素子から成る第２の直列回路と、
から構成され、
前記第１のスイッチング素子の第１の端子と、前記第１の整流素子の第１の端子と、前記平滑コンデンサの正側が接続され、
前記第１のスイッチング素子の第２の端子と、前記第２のスイッチング素子の第１の端子と、前記第１のリアクトルの一端が接続され、
前記第１の整流素子の第２の端子と、前記第２の整流素子の第１の端子と、前記第２のリアクトルの一端が接続され、
前記第２のスイッチング素子の第２の端子と、前記第２の整流素子の第２の端子と、前記平滑コンデンサの負側が接続され、
前記第１のスイッチング素子の第２の端子と、前記第２のスイッチング素子の第１の端子と、前記第１のリアクトルの一端との接続点と、グランドとの間に接続される第１の電気容量と、
前記第１の整流素子の第２の端子と、前記第２の整流素子の第１の端子と、前記第２のリアクトルの一端との接続点と、グランドとの間に接続される第２の電気容量と、
を有し、
前記第１の電気容量をＣ１[Ｆ]、前記第２の電気容量をＣ２[Ｆ]としたとき、Ｃ１に対して、
【数１】
2018196194.tif 000019
の関係を満たすように、Ｃ２が設定されている、電力変換器。
【請求項３】
スイッチング素子を有するスイッチング回路と、
前記スイッチング回路と交流入力の間に接続された一対のラインにそれぞれ設けた第１のリアクトル、第２のリアクトルと、
前記スイッチング回路の出力を平滑する平滑コンデンサと、
を備えた電力変換器であって、
前記スイッチング回路は、
第１のスイッチング素子と第２のスイッチング素子から成る第１の直列回路と、
第１の整流素子と第２の整流素子から成る第２の直列回路と、
から構成され、
前記第１のスイッチング素子の第１の端子と、前記第１の整流素子の第１の端子と、前記平滑コンデンサの正側が接続され、
前記第１のスイッチング素子の第２の端子と、前記第２のスイッチング素子の第１の端子と、前記第１のリアクトルの一端が接続され、
前記第１の整流素子の第２の端子と、前記第２の整流素子の第１の端子と、前記第２のリアクトルの一端が接続され、
前記第２のスイッチング素子の第２の端子と、前記第２の整流素子の第２の端子と、前記平滑コンデンサの負側が接続され、
前記第１のスイッチング素子の第２の端子と、前記第２のスイッチング素子の第１の端子と、前記第１のリアクトルの一端との接続点と、グランドとの間に接続される第１の電気容量と、
前記第１の整流素子の第２の端子と、前記第２の整流素子の第１の端子と、前記第２のリアクトルの一端との接続点と、グランドとの間に接続される第２の電気容量と、
を有し、
前記第１の電気容量をＣ１[Ｆ]、前記第２の電気容量をＣ２[Ｆ]としたとき、Ｃ２に対して、
【数２】
2018196194.tif 000020
の関係を満たすように、Ｃ１が設定されている、電力変換器。
【請求項４】
前記第１のスイッチング素子、前記第２のスイッチング素子、前記第１の整流素子、前記第２の整流素子を冷却し、前記グランドと同一の電位の放熱板を備え、
前記第１のスイッチング素子の冷却面は前記第１のスイッチング素子の第２の端子と同一のノード、
前記第２のスイッチング素子の冷却面は前記第２のスイッチング素子の第１の端子と同一のノード、
前記第１の整流素子の冷却面は前記第１の整流素子の第２の端子と同一のノード、
前記第２の整流素子の冷却面は前記第２の整流素子の第１の端子と同一のノードに設定されており、
前記第１の電気容量は前記第１のスイッチング素子の冷却面と前記放熱板を一対の電極とする電気容量と、前記第２のスイッチング素子の冷却面と前記放熱板を一対の電極とする電気容量によって形成され、
前記第２の電気容量は前記第１の整流素子の冷却面と前記放熱板を一対の電極とする電気容量と、前記第２の整流素子の冷却面と前記放熱板を一対の電極とする電気容量によって形成される、
請求項２または３に記載の電力変換器。
【請求項５】
前記第１のスイッチング素子、前記第２のスイッチング素子、前記第１の整流素子、前記第２の整流素子の冷却面積が同一、
前記第１のスイッチング素子、前記第２のスイッチング素子、前記第１の整流素子、前記第２の整流素子の冷却面と前記放熱板の間の比誘電率が同一、
前記第１のスイッチング素子、前記第２のスイッチング素子、前記第１の整流素子、前記第２の整流素子の冷却面と前記放熱板の間の距離が同一である、請求項４に記載の電力変換器。
【請求項６】
スイッチング素子を有するスイッチング回路と、
前記スイッチング回路と交流入力の間に接続された一対のラインにそれぞれ設けた第１のリアクトル、第２のリアクトルと、
前記スイッチング回路の出力を平滑する平滑コンデンサと、
を備えた電力変換器であって、
前記スイッチング回路は、
第１のスイッチング素子と第２のスイッチング素子から成る第１の直列回路と、
第１の整流素子と第２の整流素子から成る第２の直列回路と、
から構成され、
前記第１のスイッチング素子の第１の端子と、前記第１の整流素子の第１の端子と、前記平滑コンデンサの正側が接続され、
前記第１のスイッチング素子の第２の端子と、前記第２のスイッチング素子の第１の端子と、前記第１のリアクトルの一端が接続され、
前記第１の整流素子の第２の端子と、前記第２の整流素子の第１の端子と、前記第２のリアクトルの一端が接続され、
前記第２のスイッチング素子の第２の端子と、前記第２の整流素子の第２の端子と、前記平滑コンデンサの負側が接続され、
前記第１のスイッチング素子の第２の端子と、前記第２のスイッチング素子の第１の端子と、前記第１のリアクトルの一端との接続点と、グランドとの間に接続される第１の電気容量と、
前記第１の整流素子の第２の端子と、前記第２の整流素子の第１の端子と、前記第２のリアクトルの一端との接続点と、グランドとの間に接続される第２の電気容量と、
前記第１のスイッチング素子の第１の端子と、前記第１の整流素子の第１の端子と、前記平滑コンデンサの正側との接続点と、グランドとの間に接続される第３の電気容量と、
前記第２のスイッチング素子の第２の端子と、前記第２の整流素子の第２の端子と、前記平滑コンデンサの負側との接続点と、グランドとの間に接続される第４の電気容量と、
を有し、
前記第１の電気容量をＣ１[Ｆ]、前記第２の電気容量をＣ２[Ｆ]、前記第３の電気容量をＣ３[Ｆ]、前記第４の電気容量をＣ４[Ｆ]としたとき、Ｃ２、Ｃ３、Ｃ４、に対して、
【数３】
2018196194.tif 000021
の関係を満たすように、Ｃ１が設定されている、電力変換器。
【請求項７】
スイッチング素子を有するスイッチング回路と、
前記スイッチング回路と交流入力の間に接続された一対のラインにそれぞれ設けた第１のリアクトル、第２のリアクトルと、
前記スイッチング回路の出力を平滑する平滑コンデンサと、
を備えた電力変換器であって、
前記スイッチング回路は、
第１のスイッチング素子と第２のスイッチング素子から成る第１の直列回路と、
第１の整流素子と第２の整流素子から成る第２の直列回路と、
から構成され、
前記第１のスイッチング素子の第１の端子と、前記第１の整流素子の第１の端子と、前記平滑コンデンサの正側が接続され、
前記第１のスイッチング素子の第２の端子と、前記第２のスイッチング素子の第１の端子と、前記第１のリアクトルの一端が接続され、
前記第１の整流素子の第２の端子と、前記第２の整流素子の第１の端子と、前記第２のリアクトルの一端が接続され、
前記第２のスイッチング素子の第２の端子と、前記第２の整流素子の第２の端子と、前記平滑コンデンサの負側が接続され、
前記第１のスイッチング素子の第２の端子と、前記第２のスイッチング素子の第１の端子と、前記第１のリアクトルの一端との接続点と、グランドとの間に接続される第１の電気容量と、
前記第１の整流素子の第２の端子と、前記第２の整流素子の第１の端子と、前記第２のリアクトルの一端との接続点と、グランドとの間に接続される第２の電気容量と、
前記第１のスイッチング素子の第１の端子と、前記第１の整流素子の第１の端子と、前記平滑コンデンサの正側との接続点と、グランドとの間に接続される第３の電気容量と、
前記第２のスイッチング素子の第２の端子と、前記第２の整流素子の第２の端子と、前記平滑コンデンサの負側との接続点と、グランドとの間に接続される第４の電気容量と、
を有し、
前記第１の電気容量をＣ１[Ｆ]、前記第２の電気容量をＣ２[Ｆ]、前記第３の電気容量をＣ３[Ｆ]、前記第４の電気容量をＣ４[Ｆ]としたとき、Ｃ１に対して、
【数４】
2018196194.tif 000022
の関係を満たすように、Ｃ２、Ｃ３、Ｃ４が設定されている、電力変換器。
【請求項８】
前記第１のスイッチング素子、前記第２のスイッチング素子、前記第１の整流素子、前記第２の整流素子を冷却し、前記グランドと同一の電位の放熱板を備え、
前記第１のスイッチング素子の冷却面は前記第１のスイッチング素子の第１の端子と同一のノード、
前記第２のスイッチング素子の冷却面は前記第２のスイッチング素子の第１の端子と同一のノード、
前記第１の整流素子の冷却面は前記第１の整流素子の第２の端子と同一のノード、
前記第２の整流素子の冷却面は前記第２の整流素子の第２の端子と同一のノードに設定されており、
前記第１の電気容量は前記第２のスイッチング素子の冷却面と前記放熱板を一対の電極とする電気容量によって形成され、
前記第２の電気容量は前記第１の整流素子の冷却面と前記放熱板を一対の電極とする電気容量によって形成され、
前記第３の電気容量は前記第１のスイッチング素子の冷却面と前記放熱板を一対の電極とする電気容量によって形成され、
前記第４の電気容量は前記第２の整流素子の冷却面と前記放熱板を一対の電極とする電気容量によって形成される、
請求項６または７に記載の電力変換器。
【請求項９】
前記第１のスイッチング素子、前記第２のスイッチング素子、前記第１の整流素子、前記第２の整流素子を冷却し、前記グランドと同一の電位の放熱板を備え、
前記第１のスイッチング素子の冷却面は前記第１のスイッチング素子の第２の端子と同一のノード、
前記第２のスイッチング素子の冷却面は前記第２のスイッチング素子の第２の端子と同一のノード、
前記第１の整流素子の冷却面は前記第１の整流素子の第１の端子と同一のノード、
前記第２の整流素子の冷却面は前記第２の整流素子の第１の端子と同一のノードに設定されており、
前記第１の電気容量は前記第１のスイッチング素子の冷却面と前記放熱板を一対の電極とする電気容量によって形成され、
前記第２の電気容量は前記第２の整流素子の冷却面と前記放熱板を一対の電極とする電気容量によって形成され、
前記第３の電気容量は前記第１の整流素子の冷却面と前記放熱板を一対の電極とする電気容量によって形成され、
前記第４の電気容量は前記第２のスイッチング素子の冷却面と前記放熱板を一対の電極とする電気容量によって形成される、
請求項６または７に記載の電力変換器。
【請求項１０】
前記第１のスイッチング素子、前記第２のスイッチング素子、前記第１の整流素子、前記第２の整流素子の冷却面と前記放熱板の間の比誘電率が同一、
前記第１のスイッチング素子、前記第２のスイッチング素子、前記第１の整流素子、前記第２の整流素子の冷却面と前記放熱板の間の距離が同一、
前記第１のスイッチング素子、前記第１の整流素子、前記第２の整流素子の冷却面積が同一であり、
前記第２のスイッチング素子の冷却面積は前記第１のスイッチング素子、前記第１の整流素子、前記第２の整流素子の冷却面積に比べて３倍となる、
請求項８に記載の電力変換器。
【請求項１１】
前記第１のスイッチング素子、前記第２のスイッチング素子、前記第１の整流素子、前記第２の整流素子の冷却面と前記放熱板の間の比誘電率が同一、
前記第１のスイッチング素子、前記第２のスイッチング素子、前記第１の整流素子、前記第２の整流素子の冷却面と前記放熱板の間の距離が同一、
前記第２のスイッチング素子、前記第１の整流素子、前記第２の整流素子の冷却面積が同一であり、
前記第１のスイッチング素子の冷却面積は前記第２のスイッチング素子、前記第１の整流素子、前記第２の整流素子の冷却面積に比べて３倍となる、
請求項９に記載の電力変換器。
【請求項１２】
前記第１のスイッチング素子、前記第２のスイッチング素子、前記第１の整流素子、前記第２の整流素子の冷却面積が同一、
前記第１のスイッチング素子、前記第２のスイッチング素子、前記第１の整流素子、前記第２の整流素子の冷却面と前記放熱板の間の距離が同一、
前記第１のスイッチング素子、前記第１の整流素子、前記第２の整流素子の冷却面と前記放熱板の間の比誘電率が同一であり、
前記第２のスイッチング素子の冷却面と前記放熱板の間の比誘電率は前記第１のスイッチング素子、前記第１の整流素子、前記第２の整流素子の冷却面と前記放熱板の間の比誘電率に比べて３倍となる、
請求項８に記載の電力変換器。
【請求項１３】
前記第１のスイッチング素子、前記第２のスイッチング素子、前記第１の整流素子、前記第２の整流素子の冷却面積が同一、
前記第１のスイッチング素子、前記第２のスイッチング素子、前記第１の整流素子、前記第２の整流素子の冷却面と前記放熱板の間の距離が同一、
前記第２のスイッチング素子、前記第１の整流素子、前記第２の整流素子の冷却面と前記放熱板の間の比誘電率が同一であり、
前記第１のスイッチング素子の冷却面と前記放熱板の間の比誘電率は前記第２のスイッチング素子、前記第１の整流素子、前記第２の整流素子の冷却面と前記放熱板の間の比誘電率に比べて３倍となる、
請求項９に記載の電力変換器。
【請求項１４】
前記第１のスイッチング素子、前記第２のスイッチング素子、前記第１の整流素子、前記第２の整流素子の冷却面積が同一、
前記第１のスイッチング素子、前記第２のスイッチング素子、前記第１の整流素子、前記第２の整流素子の冷却面と前記放熱板の間の比誘電率が同一、
前記第１のスイッチング素子、前記第１の整流素子、前記第２の整流素子の冷却面と前記放熱板の間の距離が同一であり、
前記第２のスイッチング素子の冷却面と前記放熱板の間の距離は前記第１のスイッチング素子、前記第１の整流素子、前記第２の整流素子の冷却面と前記放熱板の間の距離に比べて１／３倍となる、
請求項８に記載の電力変換器。
【請求項１５】
前記第１のスイッチング素子、前記第２のスイッチング素子、前記第１の整流素子、前記第２の整流素子の冷却面積が同一、
前記第１のスイッチング素子、前記第２のスイッチング素子、前記第１の整流素子、前記第２の整流素子の冷却面と前記放熱板の間の比誘電率が同一、
前記第２のスイッチング素子、前記第１の整流素子、前記第２の整流素子の冷却面と前記放熱板の間の距離が同一であり、
前記第１のスイッチング素子の冷却面と前記放熱板の間の距離は前記第２のスイッチング素子、前記第１の整流素子、前記第２の整流素子の冷却面と前記放熱板の間の距離に比べて１／３倍となる、
請求項９に記載の電力変換器。
【請求項１６】
前記第１のリアクトルと前記第２のリアクトルは、互いにコアを共有する結合型リアクトルである、請求項２から１５までのいずれか１項に記載の電力変換器。
【請求項１７】
前記第１のスイッチング素子、前記第２のスイッチング素子、前記第１の整流素子、前記第２の整流素子はそれぞれワイドバンドギャップ半導体によって構成される、請求項２から１６までのいずれか１項に記載の電力変換器。
【請求項１８】
直列接続された一対のスイッチング素子と、直列接続された一対の整流素子と、が互いに並列に接続されたスイッチング回路と、前記一対のスイッチング素子の互いの接続点、前記一対の整流素子の互いの接続点と交流入力源との間をそれぞれに接続する一対のラインに挿入された一対のリアクトルと、を含む回路の、
前記スイッチング素子のスイッチングに起因して、グランドを基準とした電位が相補的に変動する複数のノードと、グランドとの間に少なくとも１対の電気容量を持たせて、一方の電気容量が放電した電荷を他方の電気容量が充電し、一方から他方へとグランドを介して電流を流して、外部に漏れ出すコモンモード電流を抑制する、電力変換器におけるノイズ抑制方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、半導体スイッチのオン操作およびオフ操作を繰り返して電力変換を行う、電力変換器および電力変換器におけるノイズ抑制方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
この種の電力変換器では、一般的には２０ｋＨｚ以上とされている高周波のスイッチング周波数にてスイッチング制御を行うため、ＩＧＢＴ(Insulated Gate Bipolar Transistor)やＭＯＳＦＥＴ(Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor)などのスイッチング素子のオン操作またはオフ操作に起因した高いスイッチングノイズを発生する。これにより、ノイズ発生源として他の電子機器の誤動作や機能停止などといった弊害を招くおそれがある。実際、こういったノイズに関して、特に各国の規格に一定の整合性を持たせる必要があることから、国際規格ＩＥＣ(International Electrotechnical Commission)が各分野の電子機器や自動車機器のＥＭＣ(Electromagnetic Compatibility)規格を制定、発行している。このようなスイッチングノイズを抑制するため、一般的にはノイズ対策部品を備えることが考えられるが、コストアップや装置の大型化は避けられないものとなる。
【０００３】
そこで、従来は、下記特許文献１にみられるように、リアクトルと、リアクトルに接続されたスイッチング素子を有するスイッチング回路と、スイッチング回路の出力を平滑する平滑コンデンサから構成される電力変換器において、電源より流れ込むラインと電源へ戻っていくライン、双方に同一のインダクタンス値を持つリアクトルを挿入することで、コモンモードノイズを有効的に低減させる手法が提案されていた。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特許第３２７４１２３号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ここで、スイッチング回路の一対のラインと、グランド(筐体)との間には、浮遊コンデンサが形成され得る。スイッチング素子のスイッチングによって、スイッチング素子の両端の電位が変動することに起因して、グランドへコモンモード電流が流れる。詳しくは、スイッチング素子のスイッチングに起因する電位変動によって、浮遊コンデンサが、充放電されることでグランドへコモンモード電流が流れる。
【０００６】
すなわち、特許文献１の技術では、スイッチング回路の一対のラインと、グランドとの間に形成される浮遊コンデンサ両端の電位が変動するため、浮遊コンデンサの充放電によるコモンモード電流を低減できず、コモンモードチョークなどのノイズ対策部品を別途設ける必要があり、ノイズフィルタの大型化やコストアップになるといった課題があった。
【０００７】
この発明は、上記課題を解決するためになされたものであり、コモンモードチョークなどのノイズ対策部品を別途設けて、ノイズフィルタの大型化やコストの増加をさせずに、効果的にコモンモードノイズを抑制可能な電力変換器および電力変換器におけるノイズ抑制方法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】
【０００８】
この発明は、例えば、スイッチング素子を有するスイッチング回路と、前記スイッチング回路と交流入力の間に接続された一対のラインにそれぞれ設けた第１のリアクトル、第２のリアクトルと、前記スイッチング回路の出力を平滑する平滑コンデンサと、を備えた電力変換器であって、前記スイッチング回路は、第１のスイッチング素子と第２のスイッチング素子から成る第１の直列回路と、第１の整流素子と第２の整流素子から成る第２の直列回路と、から構成され、前記第１のスイッチング素子の第１の端子と、前記第１の整流素子の第１の端子と、前記平滑コンデンサの正側が接続され、前記第１のスイッチング素子の第２の端子と、前記第２のスイッチング素子の第１の端子と、前記第１のリアクトルの一端が接続され、前記第１の整流素子の第２の端子と、前記第２の整流素子の第１の端子と、前記第２のリアクトルの一端が接続され、前記第２のスイッチング素子の第２の端子と、前記第２の整流素子の第２の端子と、前記平滑コンデンサの負側が接続され、前記第１のスイッチング素子の第２の端子と、前記第２のスイッチング素子の第１の端子と、前記第１のリアクトルの一端との接続点と、グランドとの間に接続される第１の電気容量と、前記第１の整流素子の第２の端子と、前記第２の整流素子の第１の端子と、前記第２のリアクトルの一端との接続点と、グランドとの間に接続される第２の電気容量と、
を有し、前記第１の電気容量をＣ１[Ｆ]、前記第２の電気容量をＣ２[Ｆ]としたとき、Ｃ１に対して、
【数１】
2018196194.tif 000003
の関係を満たすように、Ｃ２が設定されている、電力変換器等にある。
【発明の効果】
【０００９】
この発明では、コモンモードチョークなどのノイズ対策部品を別途設けて、ノイズフィルタの大型化やコストの増加をさせずに、効果的にコモンモードノイズを抑制可能な電力変換器および電力変換器におけるノイズ抑制方法を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】この発明の一実施の形態による電力変換器の概略構成を示す回路図である。
【図２】一般的な単相三線式の概略構成図である。
【図３】この発明の一実施の形態による電力変換器の２００Ｖ系の交流電源で使用する場合の概略構成を示す回路図である。
【図４】この発明の一実施の形態による電力変換器におけるスイッチングによる各ノードの電位の推移を概略的に示す図である。
【図５】この発明の一実施の形態による電力変換器におけるスイッチング素子、整流素子の構成の一例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
この発明による電力変換器では、グランドを基準とした電位が相補的に変動する複数のノードとグランドとの間にそれぞれに電気容量を設けることで、一方の電気容量が放電した電荷を他方の電気容量が充電し、一方から他方へとグランドを介して電流が流れるため、外部に漏れ出すコモンモード電流を効果的に抑制できる。
以下、この発明による電力変換器および電力変換器におけるノイズ抑制方法を実施の形態に従って図面を用いて説明する。なお、実施の形態において、同一もしくは相当部分は同一符号で示し、重複する説明は省略する。
【００１２】
実施の形態１．
図１は、この発明の一実施の形態による電力変換器の概略構成を示す回路図である。電力変換器は、図１に示すように、交流入力源としての商用交流入力１０１から負荷１０９までの要素で構成されている。商用交流入力１０１は一対のラインＬＩ１，ＬＩ２に設けられたそれぞれリアクトル１０２ａ及びリアクトル１０２ｂに接続され、リアクトル１０２ａ及びリアクトル１０２ｂの後段には、半導体スイッチング素子であるスイッチング素子１０４とスイッチング素子１０５から成る直列回路と、整流素子１０６と整流素子１０７から成る直列回路から構成されるスイッチング回路１０３、さらにスイッチング回路１０３の出力を平滑する平滑コンデンサ１０８が順番に接続され、平滑コンデンサ１０８の出力に負荷１０９が接続される。
【００１３】
スイッチング素子１０４及びスイッチング素子１０５は例えば、ＭＯＳＦＥＴ(Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor)で構成される。なお、スイッチング素子１０４及びスイッチング素子１０５はそれぞれ、ダイオードが逆並列接続されたＩＧＢＴ(Insulated Gate Bipolar Transistor)等の自己消弧型半導体スイッチング素子、またはＳｉＣ(Silicon Carbide)またはＧａＮ(Gallium Nitride)などのワイドバンドギャップ半導体で構成されてもよい。スイッチング素子１０４及び１０５にワイドバンドギャップ半導体を用いると、逆導通特性においてリカバリの大きなダイオードを持たず、リカバリが発生しないので、リカバリに起因するサージを抑制することができる。
整流素子１０６及び１０７は例えば、ダイオードで構成される。なお、整流素子１０６及び１０７はダイオードに限るものではなく、ＩＧＢＴ(Insulated Gate Bipolar Transistor)、ＭＯＳＦＥＴ(Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor)などのスイッチング素子やＳｉＣ(Silicon Carbide)やＧａＮ(Gallium Nitride)などのワイドバンドギャップ半導体を用いて構成されるものであってもよい。整流素子１０６及び１０７にワイドバンドギャップ半導体含むスイッチング素子を用いると、導通損失を低減でき、効率上昇の効果がある。
【００１４】
このように構成される電力変換器の動作について説明する。スイッチング素子１０４、１０５のスイッチング動作は、
交流入力が正の時は、スイッチング素子１０４がオフ、スイッチング素子１０５がオンと、スイッチング素子１０４がオン、スイッチング素子１０５がオフの２パターンで制御を行い、
交流入力が負の時は、スイッチング素子１０４がオン、スイッチング素子１０５がオフと、スイッチング素子１０４がオフ、スイッチング素子１０５がオンの２パターンで制御を行う。
例えば、交流入力が正の時は、スイッチング素子１０４がオフ、スイッチング素子１０５がオンした時、リアクトル１０２ａ、１０２ｂに電流が流れて、そこにエネルギーが蓄積される。次に、スイッチング素子１０４がオン、スイッチング素子１０５がオフになるとリアクトル１０２ａ、１０２ｂに発生する逆起電力によって蓄積されたエネルギーが負荷１０９に伝達される。このとき、入力電流波形が正弦波状になるように、スイッチング素子１０４、１０５のオンオフのパルス幅を制御して、力率を制御することができる。
【００１５】
このとき、スイッチング回路１０３の一対のラインＬＩ１，ＬＩ２と、電力変換器の筐体であるグランドとの間には、浮遊コンデンサが形成され得る。スイッチング素子１０４、１０５や整流素子１０６、１０７等の発熱素子は筐体内で、後述する図５に例示するように絶縁シート１２１などの絶縁物を介して冷却機能を持つヒートシンクなどの放熱板１２２(筐体)に取り付けられている。この放熱板は例えば筐体であってもよい。浮遊コンデンサはスイッチング素子１０４、１０５や整流素子１０６、１０７の冷却面の端子と放熱板または筐体であるグランドを一対の電極として形成される。
【００１６】
スイッチング素子１０４、１０５のスイッチングによって、スイッチング素子１０４、１０５の両端の電位が変動することに起因して、グランドへコモンモード電流が流れる。詳しくは、スイッチング素子１０４、１０５のスイッチングに起因する電位変動によって、上述した浮遊コンデンサが、充放電されることでグランドへコモンモード電流が流れる。
【００１７】
＜コモンモード電流の抑制＞
こうした問題に対処すべく、この発明において、コモンモード電流を効果的に抑制できる効果について、図２から図５を参照しながら説明する。
【００１８】
図２には、一般的な単相三線式の概略構成図である。図２に示すように、互いに逆位相に接続された商用交流入力１０１ａ及び１０１ｂの中性点１１０はグランドに接続される。商用交流入力１００Ｖ系として使用する場合の負荷は、負荷１１１ａ及び負荷１１１ｂのように商用交流入力１０１ａ及び１０１ｂに接続される。商用交流入力２００Ｖ系で使用する場合の負荷は、負荷１１２のように商用交流入力１０１ａと１０１ｂが直列接続された両端に接続される。また、
Ｖａｃ／２：グランドを基準とした負荷１１１ａの両端電圧Ｖｌｏａｄ１１１ａ
−Ｖａｃ／２：グランド基準とした負荷１１１ｂの両端電圧Ｖｌｏａｄ１１１ｂ
とすると、負荷１１２の両端電圧Ｖｌｏａｄ１１２は下記(１)式の通り、Ｖａｃとなる。
【００１９】
【数２】
2018196194.tif 000004
【００２０】
図１内の商用交流入力１０１を２００Ｖ系の入力とし、この発明の実施の形態による電力変換器を２００Ｖ系の商用交流入力１０１で扱う場合の概略構成図を図３に示す。リアクトル１０２ａ、リアクトル１０２ｂ、スイッチング回路１０３、スイッチング素子１０４、スイッチング素子１０５、整流素子１０６、整流素子１０７、平滑コンデンサ１０８、負荷１０９は図１に示すものと同じである。商用交流入力１０１ａ、商用交流入力１０１ｂ、中性点１１０は図２に示すものと同じである。図３の通り、商用交流入力電圧をＶａｃとし、単相三線式の場合、Ｖａｃの中性点１１０はグランド(筐体)に接続される。また、平滑コンデンサ１０８両端の電圧をＶｏｕｔと規定する。さらに、図３に示すように、リアクトル１０２ａ、スイッチング素子１０４、スイッチング素子１０５との接続のラインＬＩ１及びリアクトル１０２ｂ、整流素子１０６、整流素子１０７との接続のラインＬＩ２のそれぞれとグランドとの間に、電気容量１１７、１１８が接続される。また、平滑コンデンサ１０８正側のラインＬＩ３及び平滑コンデンサ１０８負側のラインＬＩ４ラインのそれぞれとグランドとの間に、電気容量１１９、１２０が接続される。
なお、以下の説明では電気容量を省略して容量とも記載する。
また、図３の電位Ｖａｏ１、Ｖｂｏ１、Ｖａｏ２、Ｖｂｏ２、の符号が示される接続点と同電位部分が、スイッチング回路１０３、リアクトル１０２ａ、リアクトル１０２ｂからなる回路のノード部分になる。
【００２１】
なお、一対のラインＬＩ１，ＬＩ２の双方に設けられたリアクトル１０２ａ及び１０２ｂのインダクタンス値は同一となるように設定する。具体的には、リアクトル１０２ａ、１０２ｂのそれぞれの巻き数及び巻線の材質を同一にする等、同一仕様の部品を選定することで実現できる。さらに、双方のリアクトル１０２ａ及び１０２ｂのコアを共有化し、同一のコアに対象に巻くことでも実現できる。リアクトル１０２ａ及び１０２ｂのコアを共有化することで、コイルの巻き方向より、リアクトル１０２ａ、１０２ｂで発生する磁束が加わり合い、トータルでインダクタンス値を増やすことができるため、リアクトル１０２ａ、１０２ｂを小型化できる。
【００２２】
続いて、図４を用いて、スイッチング素子１０４、１０５のスイッチングによる各ノードの電位の推移を説明する。図４は、この発明の一実施の形態による電力変換器におけるスイッチングによる各ノードの電位の推移を概略的にタイムチャートで示す図である。詳しくは、
図４の(ａ)は、スイッチング素子１０４のスイッチングの推移を示す。
図４の(ｂ)は、スイッチング素子１０５のスイッチングの推移を示す。
図４の(ｃ)は、
リアクトル１０２ａの両端のうち、スイッチング素子１０４とスイッチング素子１０５の接続点を基準とした商用交流入力１０１ａとの接続点の電位ＶＬａ及び
リアクトル１０２ｂの両端のうち、商用交流入力１０１ｂとの接続点を基準とした整流素子１０６と整流素子１０７との接続点の電位ＶＬｂの推移を示す。
図４の(ｄ)は、グランドを基準としたリアクトル１０２ａ、スイッチング素子１０４、スイッチング素子１０５との接続点の電位(容量１１７両端の電位)Ｖａｏ１の推移を示す。
図４の(ｅ)は、グランドを基準としたリアクトル１０２ｂ、整流素子１０６、整流素子１０７との接続点の電位(容量１１８両端の電位)Ｖｂｏ１の推移を示す。
図４の(ｆ)は、グランドを基準とした平滑コンデンサ１０８正側の電位(容量１１９両端の電位)Ｖａｏ２の推移を示す。
図４の(ｇ)は、グランドを基準とした平滑コンデンサ１０８負側の電位(容量１２０両端の電位)Ｖｂｏ２の推移を示す。
なお、図４では簡略化のため、整流素子の順方向電圧の影響は考慮していない。
【００２３】
リアクトル１０２ａとリアクトル１０２ｂのインダクタンス値が同一であることから、図４の(ｃ)に示すように、リアクトル１０２ａの両端電位ＶＬａ及びリアクトル１０２ｂの両端電位ＶＬｂは同一の値となる。こうしたリアクトル両端電位ＶＬａ、ＶＬｂの推移から、容量１１７両端の電位Ｖａｏ１及び容量１１８両端の電位Ｖｂｏ１はグランドを基準として相補的に変化する。
【００２４】
すなわち、容量１１７と容量１１８を同一の値に設定すれば、容量１１７、１１８のうち一方から他方へとグランドを介して電流が流れるため、外部に流れるコモンモード電流を低減することができる。
容量１１７の電位変動によるコモンモード電流Ｉｃｏｍ１１７及び
容量１１８の電位変動によるコモンモード電流Ｉｃｏｍ１１８(電流の方向は図３参照)、
容量１１７をＣ１１７、
容量１１８をＣ１１８(＝Ｃ１１７)、
容量１１７の電位変動の傾きをｄＶ１１７／ｄｔ、
容量１１７の電位と容量１１８の電位は相補的に変化するので、容量１１８の電位変動の傾きをｄＶ１１８／ｄｔ(＝−ｄＶ１１７／ｄｔ)
とすると、容量１１７及び１１８の電位変動によって、外部に流れるコモンモード電流Ｉｃｏｍ１１７＋  Ｉｃｏｍ１１８は下記(２)式となる。
【００２５】
【数３】
2018196194.tif 000005
【００２６】
(２)式のようにコモンモード電流Ｉｃｏｍ１１７、Ｉｃｏｍ１１８は打消し合い、容量１１７、１１８のうち一方から他方へとグランドを介して電流が流れるため、外部にコモンモード電流は流れない。
【００２７】
上記では、容量１１７と容量１１８が同一の値に設定する場合について述べたが、容量１１７に対して容量１１８は下記(３)式を満たすように設定することで、容量１１８が設定されていない場合に比べて、外部に流れるコモンモード電流が低減できる。
【００２８】
【数４】
2018196194.tif 000006
【００２９】
(３)式を満たすことでコモンモード電流が低減できる方法について説明する。まず、容量１１８が設定されていない場合、容量１１７の電位変動の傾きをｄＶ１１７／ｄｔとすると、容量１１７の電位変動によるコモンモード電流Ｉｃｏｍ１１７は下記(４)式となる。
【００３０】
【数５】
2018196194.tif 000007
【００３１】
また、容量１１８が容量１１７の２倍、すなわちＣ１１８＝２・Ｃ１１７の場合、容量１１７の電位と容量１１８の電位は相補的に変化する(ｄＶ１１７／ｄｔ＝−ｄＶ１１８／ｄｔ)ので、容量１１７及び１１８の電位変動によって、外部に流れるコモンモード電流の絶対値|Ｉｃｏｍ１１７＋Ｉｃｏｍ１１８|は下記(５)式となる。
【００３２】
【数６】
2018196194.tif 000008
【００３３】
すなわち、容量１１８が容量１１７の２倍となる場合、容量１１８が設定されていない時と同等のコモンモード電流が外部に流れる。容量１１８が容量１１７の２倍以上となると、容量１１８が設定されていない場合に比べて、外部に流れるコモンモード電流は増加する。容量１１７に対して、容量１１８が(３)式を満たすように設定すれば、容量１１８が設定されていない場合に比べて、外部に流れるコモンモード電流は低減できる。
【００３４】
上記と同様の理由により、容量１１８に対して容量１１７は下記(６)式を満たすように設定することで、容量１１７が設定されていない場合に比べて、外部に流れるコモンモード電流が低減できる。
【００３５】
【数７】
2018196194.tif 000009
【００３６】
一方で、図４の(ｆ)と図４の(ｇ)に示すように、容量１１９両端の電位Ｖａｏ２及び容量１２０両端の電位Ｖｂｏ２の変動分は相補的ではなく同一の値となる。具体的には、入力電圧が正において、スイッチング素子１０４がオフ、スイッチング素子１０５がオンからスイッチング素子１０４がオン、スイッチング素子１０５がオフへ遷移する場合のＶａｏ２及びＶｂｏ２の電位の変動分は−ＶＯＵＴ／２となり、入力電圧が負において、スイッチング素子１０４がオン、スイッチング素子１０５がオフからスイッチング素子１０４がオフ、スイッチング素子１０５がオンへ遷移する場合のＶａｏ２及びＶｂｏ２の電位の変動分はＶＯＵＴ／２となる。すなわち、容量１１９、１２０に流れるコモンモード電流の向きは同じとなり、互いに打ち消されないため、外部にコモンモード電流が流れてしまう。
【００３７】
容量１１９をＣ１１９、容量１２０をＣ１２０、容量１１９の電位変動の傾きをｄＶ１１９／ｄｔ、容量１２０の電位変動の傾きをｄＶ１２０／ｄｔ、容量１１９の電位変動によるコモンモード電流Ｉｃｏｍ１１９、容量１２０の電位変動によるコモンモード電流Ｉｃｏｍ１２０(電流の方向は図３参照)とすると、外部に流れるコモンモード電流Ｉｃｏｍ１１９＋Ｉｃｏｍ１２０は下記(７)式となる。
【００３８】
【数８】
2018196194.tif 000010
【００３９】
(７)式より容量１１９及び１２０の電位変動によって外部に流れるコモンモード電流Ｉｃｏｍ１１９＋Ｉｃｏｍ１２０は、容量１１９及び容量１２０を極力小さくすることで低減できることがわかる。図５の(ａ)にはスイッチング素子、整流素子の構成の一例を示す上面図、(ｂ)には側面図を示す。容量１１９及び容量１２０といったラインとグランド間の容量は、図５に示すように、スイッチング素子１０４、１０５や整流素子１０６、１０７といった発熱素子の冷却面の端子と、絶縁シート１２１などの絶縁物を介して接続される放熱板１２２(グランド)を一対の電極とした容量が支配的となる。すなわち、スイッチング素子１０４、１０５はリアクトル１０２ａと接続する端子側に冷却面を設定すれば、容量１１７にスイッチング素子１０４、１０５を冷却することによる容量が形成され、整流素子１０６、１０７はリアクトル１０２ｂと接続する端子側に冷却面を設定すれば、容量１１８に整流素子１０６、１０７を冷却することによる容量が形成され、容量１１９及び容量１２０は発熱素子の冷却による容量が形成されず、容量１１９及び容量１２０を小さくできるため、外部に流れるコモンモード電流を低減することができる。例えば、スイッチング素子１０４はソース電極を冷却面、スイッチング素子１０５はドレイン電極を冷却面、整流素子１０６はアノード電極を冷却面、整流素子１０７はカソード電極を冷却面となるデバイスを使用すれば、上記は実現できる。なお、整流素子１０６及び１０７にスイッチング素子を使用する場合は、整流素子１０６はソース電極を冷却面、整流素子１０７はドレイン電極を冷却面とするデバイスを使用すればよい。
【００４０】
真空の誘電率をε０として、スイッチング素子１０４、１０５及び整流素子１０６、１０７の冷却面とグランド間の比誘電率をそれぞれεｒ＿ＳＷ１０４、εｒ＿ＳＷ１０５、εｒ＿Ｄ１０６、εｒ＿Ｄ１０７とし、
スイッチング素子１０４、１０５及び整流素子１０６、１０７の冷却面とグランド間の距離をそれぞれｄＳＷ１０４、ｄＳＷ１０５、ｄＤ１０６、ｄＤ１０７とし、
スイッチング素子１０４、１０５及び整流素子１０６、１０７の冷却面積をそれぞれＳＳＷ１０４、ＳＳＷ１０５、ＳＤ１０６、ＳＤ１０７とすると、
スイッチング素子１０４、１０５及び整流素子１０６、１０７を冷却することによる容量ＣＳＷ１０４、ＣＳＷ１０５、ＣＤ１０６、ＣＤ１０７は下記(８)式から(１１)式となる。
【００４１】
【数９】
2018196194.tif 000011
【００４２】
この場合、容量１１７はスイッチング素子１０４、１０５を冷却することによる容量ＣＳＷ１０４、ＣＳＷ１０５の合計値となり、容量１１８は整流素子１０６、１０７を冷却することによる容量ＣＤ１０６、ＣＤ１０７の合計値となる。
【００４３】
【数１０】
2018196194.tif 000012
【００４４】
前述の通り、容量１１７及び容量１１８の値を同一に設定するまたは、(３)式、(６)式を満たすように設定すれば、容量１１７及び１１８の電位変動によって、外部に流れるコモンモード電流を低減できるので、ＣＳＷ１０４＝ＣＳＷ１０５＝ＣＤ１０６＝ＣＤ１０７と設定すればよい。すなわち、スイッチング素子１０４、１０５及び整流素子１０６、１０７において、冷却面とグランド間の比誘電率及び距離、冷却面積を同一に設定することで、容量１１７及び容量１１８の値を同一に設定でき、容量１１７及び１１８の電位変動によって、外部に流れるコモンモード電流を低減できる。例えば、図５に示すようにスイッチング素子１０４、１０５及び整流素子１０６、１０７において、同一の絶縁シート１２１を使用することで冷却面とグランド間の比誘電率及び距離を同一に設定でき、同一の冷却面積を有するパッケージを使用すること容量１１７及び容量１１８の値を同一に設定できる。
【００４５】
また、図４の(ｄ)から(ｇ)に示すように、容量１１８両端の電位Ｖｂｏ１及び容量１１９両端の電位Ｖａｏ２及び容量１２０両端の電位Ｖｂｏ２の変動分は同一になり、容量１１７両端の電位Ｖａｏ１に対して相補的に変化する。具体的には、入力電圧が正において、スイッチング素子１０４がオフ、スイッチング素子１０５がオンからスイッチング素子１０４がオン、スイッチング素子１０５がオフへ遷移する場合のＶａｏ１の電位の変動分はＶＯＵＴ／２、Ｖｂｏ１及びＶａｏ２及びＶｂｏ２の電位の変動分は−ＶＯＵＴ／２となり、入力電圧が負において、スイッチング素子１０４がオン、スイッチング素子１０５がオフからスイッチング素子１０４がオフ、スイッチング素子１０５がオンへ遷移する場合のＶａｏ１の電位の変動分は−ＶＯＵＴ／２、Ｖｂｏ１及びＶａｏ２及びＶｂｏ２の電位の変動分はＶＯＵＴ／２となる。
【００４６】
すなわち、容量１１７と容量１１８、容量１１９、容量１２０の合計値を同一の値(Ｃ１１７＝Ｃ１１８＋Ｃ１１９＋Ｃ１２０)に設定すれば、容量１１７と容量１１８、容量１１９、容量１２０のうち一方から他方へとグランドを介して電流が流れるため、外部に流れるコモンモード電流を低減することができる。容量１１７の電位と容量１１８、容量１１９、容量１２０の電位は相補的に変化するので、
容量１１７の電位変動の傾きをｄＶ１１７／ｄｔ、
容量１１８の電位変動の傾きをｄＶ１１８／ｄｔ(＝−ｄＶ１１７／ｄｔ)、
容量１１９の電位変動の傾きをｄＶ１１９／ｄｔ(＝−ｄＶ１１７／ｄｔ)、
容量１２０の電位変動の傾きをｄＶ１２０／ｄｔ(＝−ｄＶ１１７／ｄｔ)
とすると、容量１１７、１１８、１１９、１２０の電位変動によって、外部に流れるコモンモード電流Ｉｃｏｍ１１７＋Ｉｃｏｍ１１８＋Ｉｃｏｍ１１９＋Ｉｃｏｍ１２０は下記(１３)式となる。
【００４７】
【数１１】
2018196194.tif 000013
【００４８】
(１３)式のようにコモンモード電流Ｉｃｏｍ１１７、Ｉｃｏｍ１１８、Ｉｃｏｍ１１９、Ｉｃｏｍ１２０は打消し合い、外部にコモンモード電流は流れない。
【００４９】
上記では、容量１１７と容量１１８、容量１１９、容量１２０の合計値が同一の値に設定する場合について述べたが、前述の通り、下記(１４)式及び(１５)式を満たすように設定すれば、外部に流れるコモンモード電流は低減できる。
【００５０】
【数１２】
2018196194.tif 000014
【００５１】
容量１１７と容量１１８、容量１１９、容量１２０の合計値を同一の値(Ｃ１１７＝Ｃ１１８＋Ｃ１１９＋Ｃ１２０)に設定する、または、(１４)式及び(１５)式を満たすようにスイッチング素子１０４、１０５及び整流素子１０６、１０７の冷却面を設定する方法について説明する。
スイッチング素子１０４はリアクトル１０２ａと接続する端子側に冷却面を設定すれば、容量１１７にスイッチング素子１０４を冷却することによる容量が形成され、スイッチング素子１０５は平滑コンデンサ負側と接続する端子側に冷却面を設定すれば、容量１２０にスイッチング素子１０５を冷却することによる容量が形成され、整流素子１０６は平滑コンデンサ正側と接続する端子側に冷却面を設定すれば、容量１１９に整流素子１０６を冷却することによる容量が形成され、整流素子１０７はリアクトル１０２ｂと接続する端子側に冷却面を設定すれば、容量１１８に整流素子１０７冷却することによる容量が形成される。例えば、スイッチング素子１０４、１０５には一般的にソース電極が冷却面となる横型構造のデバイス、整流素子１０６、１０７にはカソード電極が冷却面となるダイオードを使用すれば、上記は実現できる。なお、整流素子１０６及び１０７にスイッチング素子を使用する場合は、整流素子１０６、１０７はドレイン電極を冷却面とするデバイスを使用すればよい。すなわち、容量１１７、容量１１８、容量１１９、容量１２０はスイッチング素子１０４、１０５及び整流素子１０６、１０７を冷却することによる容量ＣＳＷ１０４、ＣＳＷ１０５、ＣＤ１０６、ＣＤ１０７を用いて下記(１６)式で示される。
【００５２】
【数１３】
2018196194.tif 000015
【００５３】
(１６)式において、容量１１７と容量１１８、容量１１９、容量１２０の合計値を同一の値(Ｃ１１７＝Ｃ１１８＋Ｃ１１９＋Ｃ１２０)に設定する場合、スイッチング素子１０４、１０５及び整流素子１０６、１０７を冷却することによる容量ＣＳＷ１０４、ＣＳＷ１０５、ＣＤ１０６、ＣＤ１０７は下記(１７)式となるように設定する。
【００５４】
【数１４】
2018196194.tif 000016
【００５５】
具体的には、スイッチング素子１０４、１０５及び整流素子１０６、１０７において、冷却面とグランド間の比誘電率及び距離を同一に設定し、スイッチング素子１０５及び整流素子１０６、１０７において、冷却面積を同一に設定し、スイッチング素子１０４の冷却面積はスイッチング素子１０５及び整流素子１０６、１０７の冷却面積に比べて３倍となるように設定すればよい。例えば、スイッチング素子１０４、１０５及び整流素子１０６、１０７において、同一の絶縁シート１２１を使用することで冷却面とグランド間の比誘電率及び距離を同一に設定でき、スイッチング素子１０５及び整流素子１０６、１０７において、同一の冷却面積を有するパッケージを使用し、スイッチング素子１０４はスイッチング素子１０５及び整流素子１０６、１０７に比べて３倍の冷却面積を有するパッケージを使用することで設定することができる。または、スイッチング素子１０４、１０５及び整流素子１０６、１０７において、冷却面とグランド間の距離及び冷却面積を同一に設定し、スイッチング素子１０５及び整流素子１０６、１０７において、冷却面とグランド間の比誘電率を同一に設定し、スイッチング素子１０４の冷却面とグランド間の比誘電率はスイッチング素子１０５及び整流素子１０６、１０７の冷却面とグランド間の比誘電率に比べて３倍になるように設定すればよい。例えば、スイッチング素子１０４、１０５及び整流素子１０６、１０７において、同一の厚みの絶縁シート１２１を使用することで冷却面とグランド間の距離を同一に設定でき、同一の冷却面積を有するパッケージを使用することで冷却面積を同一に設定でき、スイッチング素子１０５及び整流素子１０６、１０７において、同一の絶縁シート１２１を使用することで冷却面とグランド間の比誘電率を同一に設定でき、スイッチング素子１０４はスイッチング素子１０５及び整流素子１０６、１０７に比べて、３倍の比誘電率を有する絶縁シート１２１を使用することで設定することができる。または、スイッチング素子１０４、１０５及び整流素子１０６、１０７において、冷却面とグランド間の比誘電率及び冷却面積を同一に設定し、スイッチング素子１０５及び整流素子１０６、１０７において、冷却面とグランド間の距離を同一に設定し、スイッチング素子１０４の冷却面とグランド間の距離はスイッチング素子１０５及び整流素子１０６、１０７の冷却面とグランド間の距離に比べて１／３倍になるように設定すればよい。例えば、スイッチング素子１０４、１０５及び整流素子１０６、１０７において、同一の比誘電率を有する絶縁シート１２１を使用することで冷却面とグランド間の比誘電率を同一に設定でき、同一の冷却面積を有するパッケージを使用することで冷却面積を同一に設定でき、スイッチング素子１０５及び整流素子１０６、１０７において、同一の厚みの絶縁シート１２１を使用することで冷却面とグランド間の距離を同一に設定でき、スイッチング素子１０４はスイッチング素子１０５及び整流素子１０６、１０７に比べて、１／３倍の厚みを有する絶縁シート１２１を使用することで設定することができる。
【００５６】
スイッチング素子１０４、１０５及び整流素子１０６、１０７の冷却面は以下のように設定しても同様の効果が得られる。スイッチング素子１０４は平滑コンデンサ正側と接続する端子側に冷却面を設定すれば、容量１１９にスイッチング素子１０４を冷却することによる容量が形成され、スイッチング素子１０５はリアクトル１０２ａと接続する端子側に冷却面を設定すれば、容量１１７にスイッチング素子１０５を冷却することによる容量が形成され、整流素子１０６はリアクトル１０２ｂと接続する端子側に冷却面を設定すれば、容量１１８に整流素子１０６冷却することによる容量が形成され、整流素子１０７は平滑コンデンサ負側と接続する端子側に冷却面を設定すれば、容量１２０に整流素子１０７を冷却することによる容量が形成される。例えば、スイッチング素子１０４、１０５はドレイン電極を冷却面、整流素子１０６、１０７はアノード電極を冷却面となるデバイスを使用すれば、上記は実現できる。なお、整流素子１０６及び１０７にスイッチング素子を使用する場合は、整流素子１０６、１０７はソース電極を冷却面とするデバイスを使用すればよい。すなわち、容量１１７、容量１１８、容量１１９、容量１２０はスイッチング素子１０４、１０５及び整流素子１０６、１０７を冷却することによる容量ＣＳＷ１０４、ＣＳＷ１０５、ＣＤ１０６、ＣＤ１０７を用いて下記(１８)式となる。
【００５７】
【数１５】
2018196194.tif 000017
【００５８】
(１８)式において、容量１１７と容量１１８、容量１１９、容量１２０の合計値を同一の値(Ｃ１１７＝Ｃ１１８＋Ｃ１１９＋Ｃ１２０)に設定する場合、スイッチング素子１０４、１０５及び整流素子１０６、１０７を冷却することによる容量ＣＳＷ１０４、ＣＳＷ１０５、ＣＤ１０６、ＣＤ１０７は(１９)式となるように設定する。
【００５９】
【数１６】
2018196194.tif 000018
【００６０】
具体的には、前述の通り、スイッチング素子１０４、１０５及び整流素子１０６、１０７において、冷却面とグランド間の比誘電率及び距離を同一に設定し、スイッチング素子１０４及び整流素子１０６、１０７において、冷却面積を同一に設定し、スイッチング素子１０５の冷却面積はスイッチング素子１０４及び整流素子１０６、１０７の冷却面積に比べて３倍となるように設定すればよい。または、スイッチング素子１０４、１０５及び整流素子１０６、１０７において、冷却面とグランド間の距離及び冷却面積を同一に設定し、スイッチング素子１０４及び整流素子１０６、１０７において、冷却面とグランド間の比誘電率を同一に設定し、スイッチング素子１０５の冷却面とグランド間の比誘電率はスイッチング素子１０４及び整流素子１０６、１０７の冷却面とグランド間の比誘電率に比べて３倍になるように設定すればよい。または、スイッチング素子１０４、１０５及び整流素子１０６、１０７において、冷却面とグランド間の比誘電率及び冷却面積を同一に設定し、スイッチング素子１０４及び整流素子１０６、１０７において、冷却面とグランド間の距離を同一に設定し、スイッチング素子１０５の冷却面とグランド間の距離はスイッチング素子１０４及び整流素子１０６、１０７の冷却面とグランド間の距離に比べて１／３倍になるように設定すればよい。
【００６１】
図３の電力変換器は交流入力のＡＣ／ＤＣコンバータに限るものではなく、入力電圧の中性点の電位が安定する構成であれば同様の効果が得ることができる。例えば、入力電圧として直流電圧源を用いたＤＣ／ＤＣコンバータであってもよい。
【００６２】
本実施の形態では、商用交流入力を一般的な単相三線式にて説明したが、単相二線式など他の配電方式であってもよい。
【００６３】
本実施の形態では、容量１１７、１１８、１１９、１２０をスイッチング素子１０４、１０５や整流素子１０６、１０７といった発熱素子の冷却面の端子と、絶縁シートなどの絶縁物を介して接続される放熱板(グランド)１２２を一対の電極とした容量として説明したが、積層型セラミックコンデンサや基板パターンとグランドを一対の電極とする容量などで形成してもよい。
【００６４】
この発明は、その発明の範囲において、実施の形態の任意の構成要素を適宜、変更または省略することが可能である。
【００６５】
なお、
リアクトル１０２ａが第１のリアクトル、
リアクトル１０２ｂが第２のリアクトル、
スイッチング素子１０４が第１のスイッチング素子、スイッチング素子１０５が第２のスイッチング素子をそれぞれ構成し、スイッチング素子１０４と半導体スイッチ１０５が第１の直列回路を構成する。
整流素子１０６が第１の整流素子、整流素子１０７が第２の整流素子をそれぞれ構成し、整流素子１０６と整流素子１０７が第２の直列回路を構成する。
容量１１７、容量１１８、容量１１９、容量１２０が第１から第４の容量をそれぞれ構成する。
【符号の説明】
【００６６】
１０１，１０１ａ，１０１ｂ  商用交流入力、１０２ａ，１０２ｂ  リアクトル、
１０３  スイッチング回路、１０４，１０５  スイッチング素子、
１０６，１０７  整流素子、１０８  平滑コンデンサ、
１０９，１１１ａ，１１１ｂ，１１２  負荷、
１１７，１１８，１１９，１２０  電気容量、１２１  絶縁シート、
１２２  放熱板、ＬＩ１，ＬＩ２，ＬＩ３，ＬＩ４  ライン。
【図１】
2018196194.tif 000023
【図２】
2018196194.tif 000024
【図３】
2018196194.tif 000025
【図４】
2018196194.tif 000026
【図５】
2018196194.tif 000027
【手続補正書】
【提出日】平成30年1月25日(2018.1.25)
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００１
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００１】
この発明は、半導体スイッチのオン操作およびオフ操作を繰り返して電力変換を行う、電力変換器に関する。
【手続補正３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００７
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００７】
この発明は、上記課題を解決するためになされたものであり、コモンモードチョークなどのノイズ対策部品を別途設けて、ノイズフィルタの大型化やコストの増加をさせずに、効果的にコモンモードノイズを抑制可能な電力変換器を提供することを目的とする。
【手続補正４】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００８
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００８】
この発明は、スイッチング素子を有するスイッチング回路と、前記スイッチング回路と交流入力の間に接続された一対のラインにそれぞれ設けた第１のリアクトル、第２のリアクトルと、前記スイッチング回路の出力を平滑する平滑コンデンサと、を備えた電力変換器であって、前記スイッチング回路は、第１のスイッチング素子と第２のスイッチング素子から成る第１の直列回路と、第１の整流素子と第２の整流素子から成る第２の直列回路と、から構成され、前記第１のスイッチング素子の第１の端子と、前記第１の整流素子の第１の端子と、前記平滑コンデンサの正側が接続され、前記第１のスイッチング素子の第２の端子と、前記第２のスイッチング素子の第１の端子と、前記第１のリアクトルの一端が接続され、前記第１の整流素子の第２の端子と、前記第２の整流素子の第１の端子と、前記第２のリアクトルの一端が接続され、前記第２のスイッチング素子の第２の端子と、前記第２の整流素子の第２の端子と、前記平滑コンデンサの負側が接続され、前記第１のスイッチング素子の第２の端子と、前記第２のスイッチング素子の第１の端子と、前記第１のリアクトルの一端との接続点と、グランドとの間に接続される第１の電気容量と、前記第１の整流素子の第２の端子と、前記第２の整流素子の第１の端子と、前記第２のリアクトルの一端との接続点と、グランドとの間に接続される第２の電気容量と、前記第１のスイッチング素子の第１の端子と、前記第１の整流素子の第１の端子と、前記平滑コンデンサの正側との接続点と、グランドとの間に接続される第３の電気容量と、前記第２のスイッチング素子の第２の端子と、前記第２の整流素子の第２の端子と、前記平滑コンデンサの負側との接続点と、グランドとの間に接続される第４の電気容量と、を有し、前記第１の電気容量をＣ１[Ｆ]、前記第２の電気容量をＣ２[Ｆ]、前記第３の電気容量をＣ３[Ｆ]、前記第４の電気容量をＣ４[Ｆ]としたとき、Ｃ２、Ｃ３、Ｃ４、に対して、
０＜Ｃ１＜２・（Ｃ２＋Ｃ３＋Ｃ４）
の関係を満たすように、Ｃ１が設定されている、電力変換器等にある。
【手続補正５】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
スイッチング素子を有するスイッチング回路と、
前記スイッチング回路と交流入力の間に接続された一対のラインにそれぞれ設けた第１のリアクトル、第２のリアクトルと、
前記スイッチング回路の出力を平滑する平滑コンデンサと、
を備えた電力変換器であって、
前記スイッチング回路は、
第１のスイッチング素子と第２のスイッチング素子から成る第１の直列回路と、
第１の整流素子と第２の整流素子から成る第２の直列回路と、
から構成され、
前記第１のスイッチング素子の第１の端子と、前記第１の整流素子の第１の端子と、前記平滑コンデンサの正側が接続され、
前記第１のスイッチング素子の第２の端子と、前記第２のスイッチング素子の第１の端子と、前記第１のリアクトルの一端が接続され、
前記第１の整流素子の第２の端子と、前記第２の整流素子の第１の端子と、前記第２のリアクトルの一端が接続され、
前記第２のスイッチング素子の第２の端子と、前記第２の整流素子の第２の端子と、前記平滑コンデンサの負側が接続され、
前記第１のスイッチング素子の第２の端子と、前記第２のスイッチング素子の第１の端子と、前記第１のリアクトルの一端との接続点と、グランドとの間に接続される第１の電気容量と、
前記第１の整流素子の第２の端子と、前記第２の整流素子の第１の端子と、前記第２のリアクトルの一端との接続点と、グランドとの間に接続される第２の電気容量と、
前記第１のスイッチング素子の第１の端子と、前記第１の整流素子の第１の端子と、前記平滑コンデンサの正側との接続点と、グランドとの間に接続される第３の電気容量と、
前記第２のスイッチング素子の第２の端子と、前記第２の整流素子の第２の端子と、前記平滑コンデンサの負側との接続点と、グランドとの間に接続される第４の電気容量と、
を有し、
前記第１の電気容量をＣ１[Ｆ]、前記第２の電気容量をＣ２[Ｆ]、前記第３の電気容量をＣ３[Ｆ]、前記第４の電気容量をＣ４[Ｆ]としたとき、Ｃ２、Ｃ３、Ｃ４、に対して、
０＜Ｃ１＜２・（Ｃ２＋Ｃ３＋Ｃ４）
の関係を満たすように、Ｃ１が設定されている、電力変換器。
【請求項２】
スイッチング素子を有するスイッチング回路と、
前記スイッチング回路と交流入力の間に接続された一対のラインにそれぞれ設けた第１のリアクトル、第２のリアクトルと、
前記スイッチング回路の出力を平滑する平滑コンデンサと、
を備えた電力変換器であって、
前記スイッチング回路は、
第１のスイッチング素子と第２のスイッチング素子から成る第１の直列回路と、
第１の整流素子と第２の整流素子から成る第２の直列回路と、
から構成され、
前記第１のスイッチング素子の第１の端子と、前記第１の整流素子の第１の端子と、前記平滑コンデンサの正側が接続され、
前記第１のスイッチング素子の第２の端子と、前記第２のスイッチング素子の第１の端子と、前記第１のリアクトルの一端が接続され、
前記第１の整流素子の第２の端子と、前記第２の整流素子の第１の端子と、前記第２のリアクトルの一端が接続され、
前記第２のスイッチング素子の第２の端子と、前記第２の整流素子の第２の端子と、前記平滑コンデンサの負側が接続され、
前記第１のスイッチング素子の第２の端子と、前記第２のスイッチング素子の第１の端子と、前記第１のリアクトルの一端との接続点と、グランドとの間に接続される第１の電気容量と、
前記第１の整流素子の第２の端子と、前記第２の整流素子の第１の端子と、前記第２のリアクトルの一端との接続点と、グランドとの間に接続される第２の電気容量と、
前記第１のスイッチング素子の第１の端子と、前記第１の整流素子の第１の端子と、前記平滑コンデンサの正側との接続点と、グランドとの間に接続される第３の電気容量と、
前記第２のスイッチング素子の第２の端子と、前記第２の整流素子の第２の端子と、前記平滑コンデンサの負側との接続点と、グランドとの間に接続される第４の電気容量と、
を有し、
前記第１の電気容量をＣ１[Ｆ]、前記第２の電気容量をＣ２[Ｆ]、前記第３の電気容量をＣ３[Ｆ]、前記第４の電気容量をＣ４[Ｆ]としたとき、Ｃ１に対して、
０＜Ｃ２＋Ｃ３＋Ｃ４＜２・Ｃ１
の関係を満たすように、Ｃ２、Ｃ３、Ｃ４が設定されている、電力変換器。
【請求項３】
前記第１のスイッチング素子、前記第２のスイッチング素子、前記第１の整流素子、前記第２の整流素子を冷却し、前記グランドと同一の電位の放熱板を備え、
前記第１のスイッチング素子の冷却面は前記第１のスイッチング素子の第１の端子と同一のノード、
前記第２のスイッチング素子の冷却面は前記第２のスイッチング素子の第１の端子と同一のノード、
前記第１の整流素子の冷却面は前記第１の整流素子の第２の端子と同一のノード、
前記第２の整流素子の冷却面は前記第２の整流素子の第２の端子と同一のノードに設定されており、
前記第１の電気容量は前記第２のスイッチング素子の冷却面と前記放熱板を一対の電極とする電気容量によって形成され、
前記第２の電気容量は前記第１の整流素子の冷却面と前記放熱板を一対の電極とする電気容量によって形成され、
前記第３の電気容量は前記第１のスイッチング素子の冷却面と前記放熱板を一対の電極とする電気容量によって形成され、
前記第４の電気容量は前記第２の整流素子の冷却面と前記放熱板を一対の電極とする電気容量によって形成される、
請求項１または２に記載の電力変換器。
【請求項４】
前記第１のスイッチング素子、前記第２のスイッチング素子、前記第１の整流素子、前記第２の整流素子を冷却し、前記グランドと同一の電位の放熱板を備え、
前記第１のスイッチング素子の冷却面は前記第１のスイッチング素子の第２の端子と同一のノード、
前記第２のスイッチング素子の冷却面は前記第２のスイッチング素子の第２の端子と同一のノード、
前記第１の整流素子の冷却面は前記第１の整流素子の第１の端子と同一のノード、
前記第２の整流素子の冷却面は前記第２の整流素子の第１の端子と同一のノードに設定されており、
前記第１の電気容量は前記第１のスイッチング素子の冷却面と前記放熱板を一対の電極とする電気容量によって形成され、
前記第２の電気容量は前記第２の整流素子の冷却面と前記放熱板を一対の電極とする電気容量によって形成され、
前記第３の電気容量は前記第１の整流素子の冷却面と前記放熱板を一対の電極とする電気容量によって形成され、
前記第４の電気容量は前記第２のスイッチング素子の冷却面と前記放熱板を一対の電極とする電気容量によって形成される、
請求項１または２に記載の電力変換器。
【請求項５】
前記第１のスイッチング素子、前記第２のスイッチング素子、前記第１の整流素子、前記第２の整流素子の冷却面と前記放熱板の間の比誘電率が同一、
前記第１のスイッチング素子、前記第２のスイッチング素子、前記第１の整流素子、前記第２の整流素子の冷却面と前記放熱板の間の距離が同一、
前記第１のスイッチング素子、前記第１の整流素子、前記第２の整流素子の冷却面積が同一であり、
前記第２のスイッチング素子の冷却面積は前記第１のスイッチング素子、前記第１の整流素子、前記第２の整流素子の冷却面積に比べて３倍となる、
請求項３に記載の電力変換器。
【請求項６】
前記第１のスイッチング素子、前記第２のスイッチング素子、前記第１の整流素子、前記第２の整流素子の冷却面と前記放熱板の間の比誘電率が同一、
前記第１のスイッチング素子、前記第２のスイッチング素子、前記第１の整流素子、前記第２の整流素子の冷却面と前記放熱板の間の距離が同一、
前記第２のスイッチング素子、前記第１の整流素子、前記第２の整流素子の冷却面積が同一であり、
前記第１のスイッチング素子の冷却面積は前記第２のスイッチング素子、前記第１の整流素子、前記第２の整流素子の冷却面積に比べて３倍となる、
請求項４に記載の電力変換器。
【請求項７】
前記第１のスイッチング素子、前記第２のスイッチング素子、前記第１の整流素子、前記第２の整流素子の冷却面積が同一、
前記第１のスイッチング素子、前記第２のスイッチング素子、前記第１の整流素子、前記第２の整流素子の冷却面と前記放熱板の間の距離が同一、
前記第１のスイッチング素子、前記第１の整流素子、前記第２の整流素子の冷却面と前記放熱板の間の比誘電率が同一であり、
前記第２のスイッチング素子の冷却面と前記放熱板の間の比誘電率は前記第１のスイッチング素子、前記第１の整流素子、前記第２の整流素子の冷却面と前記放熱板の間の比誘電率に比べて３倍となる、
請求項３に記載の電力変換器。
【請求項８】
前記第１のスイッチング素子、前記第２のスイッチング素子、前記第１の整流素子、前記第２の整流素子の冷却面積が同一、
前記第１のスイッチング素子、前記第２のスイッチング素子、前記第１の整流素子、前記第２の整流素子の冷却面と前記放熱板の間の距離が同一、
前記第２のスイッチング素子、前記第１の整流素子、前記第２の整流素子の冷却面と前記放熱板の間の比誘電率が同一であり、
前記第１のスイッチング素子の冷却面と前記放熱板の間の比誘電率は前記第２のスイッチング素子、前記第１の整流素子、前記第２の整流素子の冷却面と前記放熱板の間の比誘電率に比べて３倍となる、
請求項４に記載の電力変換器。
【請求項９】
前記第１のスイッチング素子、前記第２のスイッチング素子、前記第１の整流素子、前記第２の整流素子の冷却面積が同一、
前記第１のスイッチング素子、前記第２のスイッチング素子、前記第１の整流素子、前記第２の整流素子の冷却面と前記放熱板の間の比誘電率が同一、
前記第１のスイッチング素子、前記第１の整流素子、前記第２の整流素子の冷却面と前記放熱板の間の距離が同一であり、
前記第２のスイッチング素子の冷却面と前記放熱板の間の距離は前記第１のスイッチング素子、前記第１の整流素子、前記第２の整流素子の冷却面と前記放熱板の間の距離に比べて１／３倍となる、
請求項３に記載の電力変換器。
【請求項１０】
前記第１のスイッチング素子、前記第２のスイッチング素子、前記第１の整流素子、前記第２の整流素子の冷却面積が同一、
前記第１のスイッチング素子、前記第２のスイッチング素子、前記第１の整流素子、前記第２の整流素子の冷却面と前記放熱板の間の比誘電率が同一、
前記第２のスイッチング素子、前記第１の整流素子、前記第２の整流素子の冷却面と前記放熱板の間の距離が同一であり、
前記第１のスイッチング素子の冷却面と前記放熱板の間の距離は前記第２のスイッチング素子、前記第１の整流素子、前記第２の整流素子の冷却面と前記放熱板の間の距離に比べて１／３倍となる、
請求項４に記載の電力変換器。
【請求項１１】
前記第１のリアクトルと前記第２のリアクトルは、互いにコアを共有する結合型リアクトルである、請求項１から１０までのいずれか１項に記載の電力変換器。
【請求項１２】
前記第１のスイッチング素子、前記第２のスイッチング素子、前記第１の整流素子、前記第２の整流素子はそれぞれワイドバンドギャップ半導体によって構成される、請求項１から１１までのいずれか１項に記載の電力変換器。