(57)【要約】【課題】せん頭サージ電流が流れる半導体素子のチップ面積を広げず、該素子がせん頭サージ電流にも耐えられるようにして装置自体の小型化を図る。【解決手段】スイッチングレグ（19u,19v,19w）の中点は、交流電源（3）に接続される。上側スイッチング素子（5a,5b,5c）には上側還流ダイオード（6a,6b,6c）が、下側スイッチング素子（5d,5e,5f）には下側還流ダイオード（6d,6e,6f）が逆並列接続される。コンデンサ（4）は、スイッチングレグ（19u,19v,19w）の直流側にて該スイッチングレグ（19u,19v,19w）に並列に接続され、交流電源（3）から上側還流ダイオード（6a,6b,6c）を介して充電される。上側還流ダイオード（6a,6b,6c）は、ワイドギャップ半導体以外の半導体、下側還流ダイオード（6d,6e,6f）及びスイッチング素子（5a,5b,5c,5d,5e,5f）は、ワイドギャップ半導体を主材料とした半導体素子である。【選択図】図１
2018129982.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
互いに直列に接続された上側スイッチング素子（5a,5b,5c）及び下側スイッチング素子（5d,5e,5f）から成り、接続された上記上側スイッチング素子（5a,5b,5c）及び上記下側スイッチング素子（5d,5e,5f）の中点が交流電源（3）に接続されたスイッチングレグ（19u,19v,19w）と、
上記上側スイッチング素子（5a,5b,5c）に逆並列接続された上側還流ダイオード（6a,6b,6c）と、
上記下側スイッチング素子（5d,5e,5f）に逆並列接続された下側還流ダイオード（6d,6e,6f）と、
上記スイッチングレグ（19u,19v,19w）の直流側において該スイッチングレグ（19u,19v,19w）に並列に接続され、上記交流電源（3）から上記上側還流ダイオード（6a,6b,6c）を介して充電されるコンデンサ（4）と
を備え、
上記上側還流ダイオード（6a,6b,6c）は、ワイドギャップ半導体以外の半導体を主材料とした半導体素子であり、
上記下側還流ダイオード（6d,6e,6f）、上記上側スイッチング素子（5a,5b,5c）及び上記下側スイッチング素子（5d,5e,5f）は、ワイドギャップ半導体を主材料とした半導体素子である
ことを特徴とする電力変換装置。
【請求項２】
請求項１において、
前記ワイドギャップ半導体は、炭化珪素、窒化ガリウム系材料又はダイヤモンドを含む
ことを特徴とする電力変換装置。
【請求項３】
請求項１または請求項２において、
上記コンデンサ（4）は、セラミックコンデンサである
ことを特徴とする電力変換装置。
【請求項４】
請求項１から請求項３のいずれか１項において、
上記上側スイッチング素子（5a,5b,5c）とこれに対応する上記上側還流ダイオード（6a,6b,6c）とは、同一パッケージ内に収められている
ことを特徴とする電力変換装置。
【請求項５】
請求項１から請求項４のいずれか１項において、
少なくとも上記上側還流ダイオード（6a,6b,6c）を冷却する冷却部、
を更に備える
ことを特徴とする電力変換装置。
【請求項６】
請求項１から請求項５のいずれか１項に記載の電力変換装置（8）と、
上記交流電源（3）に接続され、高調波電流の発生源となる負荷器（1）と
を備え、
上記電力変換装置（8）は、上記交流電源（3）に対し上記負荷器（1）と並列に接続され、該負荷器（1）にて発生する高調波電流の低減を行うアクティブフィルタである
ことを特徴とする電力変換システム。
【請求項７】
請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の電力変換装置（8）と、
内部を熱媒体が流れる熱媒体配管（60）を有する空気調和装置（50）と
を備え、
上記電力変換装置（8）の少なくとも上記上側還流ダイオード（6a,6b,6c）は、上記熱媒体配管（60）を流れる上記熱媒体によって冷却される
ことを特徴とする空気調和システム。
【請求項８】
請求項７において、
上記電力変換装置（8）は、上記空気調和装置（50）に組み込まれている
ことを特徴とする空気調和システム。
【請求項９】
請求項７または請求項８において、
上記空気調和装置（50）は、上記交流電源（3）に接続され、高調波電流の発生源となる負荷器（1）を更に有し、
上記電力変換装置（8）は、上記交流電源（3）に対し上記負荷器（1）と並列に接続され、該負荷器（1）にて発生する高調波電流の低減を行うアクティブフィルタである
ことを特徴とする空気調和システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、交流電力を直流電力に変換する電力変換装置、これを備えた電力変換システム及び空気調和システムに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
工場・ビル等においては、電動機等に電力を供給する動力源として、大型のインバータ装置が多数設置されている。インバータ装置は、他装置に悪影響を及ぼす高調波を発生する場合があるため、アクティブフィルタ装置が設置される。
【０００３】
インバータ装置及びアクティブフィルタ装置は、交流電源に対し並列となるように交流電源に接続されている。アクティブフィルタ装置は、インバータ装置が接続された電力系統の高調波電流を検出し、検出した高調波電流とは逆位相の電流を生成して該電力系統に供給することにより、当該電力系統における高調波を低減させている。これにより、当該電力系統の電圧歪み及び電流歪みなどが低減され、当該電力系統に接続された他機器への高調波による不具合が抑制される。
【０００４】
上記アクティブフィルタ装置は、特許文献１に一例を示すように、空気調和装置に高調波抑制装置として利用される。特許文献１のアクティブフィルタ装置では、全てのパワーモジュールの主材料としてワイドギャップ半導体が用いられている。
【０００５】
また、特許文献１の関連技術として、特許文献２が知られている。特許文献２は、スイッチング素子全てに主材料としてワイドギャップ半導体を採用し、Ｓｉ半導体を主材料とする還流ダイオードが各スイッチング素子に接続されたコンバータ装置を開示している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】第５７９４８１６号公報
【特許文献２】第５８６３４４２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
ワイドギャップ半導体として代表的なものに、ＳｉＣ半導体がある。ＳｉＣ半導体は、Ｓｉ半導体に比べて上限温度が高く定常損失が小さいため、Ｓｉ半導体よりも小さいチップ面積にて定常の電流を流すことができる。その反面、ＳｉＣ半導体は、Ｓｉ半導体と比べて、瞬間的に流れる大きな電流（以下、せん頭サージ電流と言う）の許容値が小さい。
【０００８】
それ故、全てのパワーモジュールがワイドギャップ半導体で構成された特許文献１では、せん頭サージ電流に耐えうる程度に各パワーモジュールの素子面積（チップ面積）を広げる等の対策を講じる必要がある。
【０００９】
また、特許文献２に示すように、全ての還流ダイオードがＳｉ半導体で構成されると、Ｓｉ半導体の耐圧絶縁領域の厚みはＳｉＣ半導体よりも増すため、還流ダイオードの素子面積（チップ面積）はＳｉＣ半導体で構成された場合に比べて大きくなる。従って、特許文献２に係る装置の小型化は図り難い。
【００１０】
特に、特許文献１及び特許文献２の両装置には、パワーモジュール（スイッチング素子）の直流側にコンバータが接続されている。コンデンサは、両装置が起動する前に充電されるが、この充電時に、パワーモジュール（スイッチング素子）に接続されたダイオードにせん頭サージ電流が流れる。それ故、パワーモジュール（スイッチング素子）の素子面積（チップ面積）を広げる対策以外に、特許文献１に示すような、コンデンサ充電時にせん頭サージ電流の増大を抑えるようにパワーモジュールを制御するせん頭サージ電流対策回路を、別途設ける対策が考えられる。しかし、せん頭サージ電流対策回路を別途設けることは、装置の小型化を困難とし、更には装置のコスト上昇を招く。
【００１１】
本発明は、かかる点に鑑みてなされたものであり、その目的は、せん頭サージ電流が流れる半導体素子の素子面積（チップ面積）を広げることなく、該素子が比較的大きいせん頭サージ電流にも耐えられるようにして、装置自体の小型化を図ることである。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
第１の発明は、互いに直列に接続された上側スイッチング素子（5a,5b,5c）及び下側スイッチング素子（5d,5e,5f）から成り、接続された上記上側スイッチング素子（5a,5b,5c）及び上記下側スイッチング素子（5d,5e,5f）の中点が交流電源（3）に接続されたスイッチングレグ（19u,19v,19w）と、上記上側スイッチング素子（5a,5b,5c）に逆並列接続された上側還流ダイオード（6a,6b,6c）と、上記下側スイッチング素子（5d,5e,5f）に逆並列接続された下側還流ダイオード（6d,6e,6f）と、上記スイッチングレグ（19u,19v,19w）の直流側において該スイッチングレグ（19u,19v,19w）に並列に接続され、上記交流電源（3）から上記上側還流ダイオード（6a,6b,6c）を介して充電されるコンデンサ（4）とを備え、上記上側還流ダイオード（6a,6b,6c）は、ワイドギャップ半導体以外の半導体を主材料とした半導体素子であり、上記下側還流ダイオード（6d,6e,6f）、上記上側スイッチング素子（5a,5b,5c）及び上記下側スイッチング素子（5d,5e,5f）は、ワイドギャップ半導体を主材料とした半導体素子であることを特徴とする電力変換装置である。
【００１３】
コンデンサ（4）充電時の電流経路上に位置する上側還流ダイオード（6a,6b,6c）は、ワイドギャップ半導体ではない半導体を主材料としているため、ワイドギャップ半導体を主材料とした下側還流ダイオード（6d,6e,6f）及び各スイッチング素子（5a,5b,5c,5d,5e,5f）に比べてせん頭サージ電流（突入電流）の許容値が高い。これにより、上側還流ダイオード（6a,6b,6c）は、その素子面積（チップ面積）を広げたり、別途サージ対策用回路を設けたりせずとも、コンデンサ（4）充電時のせん頭サージ電流に耐えることができる。従って、電力変換装置（8）全体のサイズを小さくすることができる。また、せん頭サージ電流により素子が破壊されるおそれを抑えることができるため、電力変換装置（8）の安全性も高められる。
【００１４】
第２の発明は、第１の発明において、上記ワイドギャップ半導体は、炭化珪素、窒化ガリウム系材料又はダイヤモンドを含むことを特徴とする電力変換装置である。
【００１５】
第３の発明は、第１の発明または第２の発明において、上記コンデンサ（4）は、セラミックコンデンサであることを特徴とする電力変換装置である。
【００１６】
これにより、コンデンサ（4）の素子の大きさ（チップサイズ）が小さくなるため、電力変換装置（8）自体のサイズを小さくすることができる。また、セラミックコンデンサは、直流電圧を印加した際に実効的な静電容量が減少する特性を有する。静電容量が小さい程、充電時にコンデンサ（4）に流れる電流は小さい。従って、コンデンサ（4）にセラミックコンデンサを採用することにより、コンデンサ（4）充電時に上側還流ダイオード（6a,6b,6c）を流れるせん頭サージ電流の大きさを減少させることができる。
【００１７】
第４の発明は、第１の発明から第３の発明のいずれか１項において、上記上側スイッチング素子（5a,5b,5c）とこれに対応する上記上側還流ダイオード（6a,6b,6c）とは、同一パッケージ内に収められていることを特徴とする電力変換装置である。
【００１８】
これにより、電力変換装置（8）における上側還流ダイオード（6a,6b,6c）及び上側スイッチング素子（5a,5b,5c）のレイアウトが簡単になる。
【００１９】
第５の発明は、第１の発明から第４の発明のいずれか１つにおいて、少なくとも上記上側還流ダイオード（6a,6b,6c）を冷却する冷却部、を更に備えることを特徴とする電力変換装置である。
【００２０】
コンデンサ（4）充電時、せん頭サージ電流が上側還流ダイオード（6a,6b,6c）を流れるため、当該上側還流ダイオード（6a,6b,6c）は発熱してしまう。これに対し、ここでは、少なくとも上側還流ダイオード（6a,6b,6c）は冷却される。従って、上側還流ダイオード（6a,6b,6c）の発熱が他素子や電力変換装置（8）付近の他装置に影響を及ぼすおそれは軽減される。
【００２１】
第６の発明は、第１の発明から第５の発明のいずれか１つに記載の電力変換装置（8）と、上記交流電源（3）に接続され、高調波電流の発生源となる負荷器（1）とを備え、上記電力変換装置（8）は、上記交流電源（3）に対し上記負荷器（1）と並列に接続され、該負荷器（1）にて発生する高調波電流の低減を行うアクティブフィルタであることを特徴とする電力変換システムである。
【００２２】
これにより、負荷器（1）で発生した高調波電流が、他装置に及ぼす影響を軽減することができる。
【００２３】
第７の発明は、第１の発明から第４の発明のいずれか１つに記載の電力変換装置（8）と、内部を熱媒体が流れる熱媒体配管を有する空気調和装置（50）とを備え、上記電力変換装置（8）の少なくとも上記上側還流ダイオード（6a,6b,6c）は、上記熱媒体配管（60）を流れる上記熱媒体によって冷却されることを特徴とする空気調和システムである。
【００２４】
コンデンサ（4）充電時、せん頭サージ電流が上側還流ダイオード（6a,6b,6c）を流れるため、当該上側還流ダイオード（6a,6b,6c）は発熱してしまう。これに対し、ここでは、少なくとも上側還流ダイオード（6a,6b,6c）は、空気調和装置（50）の熱媒体配管（60）を流れる熱媒体（冷媒、水等）によって冷却される。即ち、空気調和装置（50）は有効利用される。従って、上側還流ダイオード（6a,6b,6c）の発熱が他素子や電力変換装置（8）付近の他装置に影響を及ぼすおそれは軽減される。
【００２５】
第８の発明は、第７の発明において、上記電力変換装置（8）は、上記空気調和装置（50）に組み込まれていることを特徴とする空気調和システムである。
【００２６】
第９の発明は、第７の発明または第８の発明において、上記空気調和装置（50）は、上記交流電源（3）に接続され、高調波電流の発生源となる負荷器（1）を更に有し、上記電力変換装置（8）は、上記交流電源（3）に対し上記負荷器（1）と並列に接続され、該負荷器（1）にて発生する高調波電流の低減を行うアクティブフィルタであることを特徴とする空気調和システムである。
【００２７】
これにより、負荷器（1）で発生した高調波電流が、他装置に及ぼす影響を軽減することができる。
【発明の効果】
【００２８】
本発明によれば、上側還流ダイオード（6a,6b,6c）は、その素子面積（チップ面積）を広げずとも、コンデンサ（4）充電時のせん頭サージ電流に耐えることができ、電力変換装置（8）全体のサイズを小さくすることができる。また、せん頭サージ電流により素子が破壊されるおそれを抑えることができるため、電力変換装置（8）の安全性も高められる。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】図１は、本実施形態に係るアクティブフィルタ装置を含む空気調和システムの構成を概略的に示す図である。
【図２】図２は、コンデンサ充電時の、上側還流ダイオードに流れる電流、下側還流ダイオードに流れる電流、交流電源が出力する電源電圧、を経時的に表す図である。
【図３】図３は、アクティブフィルタ装置がヒートシンクに取り付けられて冷却される様子の説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００３０】
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、以下の実施形態は、本質的に好ましい例示であって、本発明、その適用物、あるいはその用途の範囲を制限することを意図するものではない。
【００３１】
≪実施形態≫
＜空気調和システムの概要＞
図１は、本実施形態に係る空気調和システム（100）の構成を示している。空気調和システム（100）は、三相の交流電源（3）に接続された空気調和装置（50）を備え、空気調和装置（50）には、高調波発生負荷器（1）及びアクティブフィルタ装置（8）（電力変換装置に相当）が含まれている。
【００３２】
空気調和システム（100）は、マンション、工場、ビル、戸建て住宅等に設置され、空気調和装置（50）によって室内の空気調和を行う。
【００３３】
−空気調和装置−
空気調和装置（50）は、図示していないが、圧縮機、熱源側熱交換器、利用側熱交換器等を有している。これらが図３の冷媒配管（60）（熱媒体配管に相当）によって接続されることにより、冷媒回路が構成されている。冷媒回路内には冷媒（熱媒体に相当）が充填且つ循環しており、これによって空気調和装置（50）は室内を冷房及び暖房することができる。空気調和装置（50）には、後述するアクティブフィルタ装置（8）が組み込まれている。
【００３４】
−高調波発生負荷器−
高調波発生負荷器（1）は、配線（L1,L2,L3）を介して交流電源（3）に接続され、高調波電流の発生源となる機器である。本実施形態では、高調波発生負荷器（1）が、圧縮機等の動力源である電動機に電力を供給するためのインバータ回路を備えた電力供給機器である場合を例に取る。
【００３５】
具体的に、本実施形態に係る高調波発生負荷器（1）は、図示していないが、インバータ回路の他にコンバータ回路を有する。高調波発生負荷器（1）は、交流電源（3）からの交流電力を、所望の周波数及び所望の電圧を有する交流電力に変換すると、当該電力を例えば圧縮機の動力源である電動機に供給する。これにより、当該電力を供給された圧縮機が稼働して冷媒回路が機能し、その結果、室内の空気調和が行われる。
【００３６】
また、このような高調波発生負荷器（1）には、三相の交流電源（3）に対し、配線（L4,L5,L6）を介して高調波発生負荷器（1）と並列にアクティブフィルタ装置（8）が接続されている。
【００３７】
空気調和装置（50）において、高調波発生負荷器（1）や圧縮機の電動機が稼働すると、高調波電流が発生する場合がある。この高調波電流は、交流電源（3）から空気調和装置（50）へ電力を供給する電流経路を介して、交流電源（3）に流出する可能性がある。このような高調波電流は、一般的には、交流電源（3）側への流出レベルが規制されている。そのため、空気調和システム（100）では、アクティブフィルタ装置（8）によって、流出する高調波電流の低減が図られる。
【００３８】
なお、配線（L1,L2,L3）及び配線（L4,L5,L6）は、交流電源（3）の各相に対応して設けられている。配線（L1,L2,L3）の一端は交流電源（3）に接続され、他端は高調波発生負荷器（1）に接続されている。配線（L4,L5,L6）の一端は、配線（L1,L2,L3）に接続され、他端は、アクティブフィルタ装置（8）の電流源（9）に接続されている。
【００３９】
＜アクティブフィルタ装置の構成＞
アクティブフィルタ装置（8）は、高調波発生負荷器（1）から流出する高調波電流を打ち消す機能を有する。即ち、アクティブフィルタ装置（8）は、交流電源（3）から流出する高調波電流を検出し、検出した高調波電流とは逆位相の電流を生成して高調波発生負荷器（1）に供給する。
【００４０】
このようなアクティブフィルタ装置（8）は、図１に示すように、主として、電流源（9）と、コンデンサ（4）と、ＬＣフィルタ（20）とを備える。
【００４１】
−電流源−
電流源（9）は、複数のスイッチングレグ（19u,19v,19w）及び還流ダイオード（6a,6b,6c,6d,6e,6f）を有する。
【００４２】
スイッチングレグ（19u,19v,19w）は、交流電源（3）の相数に応じて３つ設けられている。スイッチングレグ（19u,19v,19w）は、互いに直列に接続された上側スイッチング素子（5a,5b,5c）及び下側スイッチング素子（5d,5e,5f）で構成される。各スイッチングレグ（19u,19v,19w）の中点（nu,nv,nw）、つまりは、接続された上側スイッチング素子（5a,5b,5c）及び下側スイッチング素子（5d,5e,5f）の中点（nu,nv,nw）それぞれは、各配線（L4,L5,L6）及び各配線（L1,L2,L3）を介して交流電源（3）に接続されている。
【００４３】
具体的に、各上側スイッチング素子（5a,5b,5c）のドレイン端子は、配線（L7）に接続され、ソース端子は、各下側スイッチング素子（5d,5e,5f）のドレイン端子に接続されている。各下側スイッチング素子（5d,5e,5f）のソース端子は、配線（L8）に接続されている。各上側スイッチング素子（5a,5b,5c）及び各下側スイッチング素子（5d,5e,5f）のゲート端子は、スイッチング制御部（図示せず）に接続されている。
【００４４】
スイッチング制御部では、各上側スイッチング素子（5a,5b,5c）及び各下側スイッチング素子（5d,5e,5f）を所定周波数にてオンオフさせる制御が行われる。特に、スイッチング制御部は、アクティブフィルタ装置（8）の起動前にコンデンサ（4）の充電を行う際には、全てのスイッチング素子（5a,5b,5c,5d,5e,5f）をオフとする。
【００４５】
そして、各上側スイッチング素子（5a,5b,5c）には、上側還流ダイオード（6a,6b,6c）が逆並列接続されている。各下側スイッチング素子（5d,5e,5f）には、下側還流ダイオード（6d,6e,6f）が逆並列接続されている。
【００４６】
特に、本実施形態では、上側スイッチング素子（5a,5b,5c）、下側スイッチング素子（5d,5e,5f）、及び下側還流ダイオード（6d,6e,6f）は、ワイドギャップ半導体を主材料とした半導体素子である。ワイドギャップ半導体は、炭化珪素、窒化ガリウム系材料又はダイヤモンドであることができる。もしくは、ワイドギャップ半導体は、窒化珪素、窒化ガリウム系材料又はダイヤモンドを主な材料として含む半導体であることができる。
【００４７】
一方で、上側還流ダイオード（6a,6b,6c）は、ワイドギャップ半導体以外の半導体を主材料とした半導体素子である。ワイドギャップ半導体以外の半導体としては、例えばＳｉ半導体が挙げられる。
【００４８】
−電流源における半導体素子の構成について−
ここで、ワイドギャップ半導体としてＳｉＣ半導体を例に挙げて、ＳｉＣ半導体とＳｉ半導体との違いについて説明する。
【００４９】
炭化珪素（以下ＳｉＣ）の禁制帯幅はシリコン（以下Ｓｉ）の数倍であるため、ＳｉＣの動作時の上限温度はＳｉに比べて高い。また、ＳｉＣの絶縁破壊電界はＳｉの約１０倍であるため、ＳｉＣでは耐圧絶縁領域の厚みをＳｉの約１／１０にすることができる。更に、ＳｉＣでは、伝導に寄与するキャリアがＳｉの約１００倍と高濃度であり、ＳｉＣの定常損失はＳｉに比べて遙かに低い。
【００５０】
その反面、ＳｉＣは、コンデンサ（4）の充電時に過渡的に流れる電流（せん頭サージ電流）の電流許容値がＳｉに比べて遙かに小さい。それ故、ＳｉＣの半導体素子では、せん頭サージ電流に対する対策を講じる必要がある。
【００５１】
その対策として、コンデンサ（4）の充電時にせん頭サージ電流が流れる経路上の半導体素子をＳｉＣで設計する場合に、当該半導体素子の素子サイズ（チップサイズ）を大きくして、当該ＳｉＣ半導体自体がせん頭サージ電流に耐えられるようにすることが挙げられる。しかしこの対策では、ＳｉＣ半導体の素子サイズ（チップサイズ）が大きくなることから、必然的にアクティブフィルタ装置（8）のサイズも大きくなってしまう。
【００５２】
他の対策として、コンデンサ（4）充電時のせん頭サージ電流の増大が抑えられるようにＳｉＣ半導体の動作を制御する対策回路である充電回路等を、アクティブフィルタ装置（8）に別途設けることで、アクティブフィルタ装置（8）自体がせん頭サージ電流に耐えられるようにすることが挙げられる。しかし、この対策では、対策回路を設ける分、アクティブフィルタ装置（8）の製造コストが増すのみならず、アクティブフィルタ装置（8）のサイズの小型化は困難となる。
【００５３】
そこで、本実施形態では、コンデンサ（4）の充電時にせん頭サージ電流が流れる経路上の半導体素子である上側還流ダイオード（6a,6b,6c）のみを、ワイドギャップ半導体よりもせん頭サージ電流に対する電流許容値が高いワイドギャップ半導体以外の半導体を主材料として構成している。一方で、本実施形態では、せん頭サージ電流が流れる経路上にない半導体素子である下側還流ダイオード（6d,6e,6f）及び各スイッチング素子（5a,5b,5c,5d,5e,5f）を、ワイドギャップ半導体素子を主材料として構成している。
【００５４】
具体的に、全てのスイッチング素子（5a,5b,5c,5d,5e,5f）がオフしているため、コンデンサ（4）には、交流電源（3）から配線（L4,L5,L6）、上側還流ダイオード（6a,6b,6c）を及び配線（L7）を介して電流が流れ、当該コンデンサ（4）は充電される。従って、上側還流ダイオード（6a,6b,6c）は、コンデンサ（4）の充電時にせん頭サージ電流が流れる経路上に位置する半導体素子と言える。それ故、上側還流ダイオード（6a,6b,6c）のみを、ワイドギャップ半導体以外の半導体を主材料とした半導体、例えばＳｉ半導体で構成している。
【００５５】
また、コンデンサ（4）の充電時、上側還流ダイオード（6a,6b,6c）からコンデンサ（4）に流れたせん頭サージ電流は、コンデンサ（4）から配線（L8）及び下側還流ダイオード（6d,6e,6f）を介して交流電源（3）に流れる。つまり、せん頭サージ電流は、上側還流ダイオード（6a,6b,6c）のみならず下側還流ダイオード（6d,6e,6f）にも流れるため、下側還流ダイオード（6d,6e,6f）も上側還流ダイオード（6a,6b,6c）と同様、例えばＳｉ半導体で構成する必要があるようにも考えられる。しかし、本実施形態では、以下の理由により、下側還流ダイオード（6d,6e,6f）はスイッチング素子（5a,5b,5c,5d,5e,5f）と同様にワイドギャップ半導体にて構成している。
【００５６】
図２は、コンデンサ（4）の充電の際、交流電源（3）の３相の電源電圧（Vuv,Vvw,Vwu）が電源電圧（Vuv）、電源電圧（Vvw）、電源電圧（Vwu）の順に高くなっている時の、上側還流ダイオード（6a,6b,6c）及び下側還流ダイオード（6d,6e,6f）それぞれに流れる電流の経時的変化を例示している。コンデンサ（4）の充電時、電流源（9）における上側では、１相（Ｕ相）分である上側還流ダイオード（6a）のみに大きなせん頭サージ電流が流れるが、下側では、上記１相（Ｕ）相を除いた残りの２相（Ｖ相，Ｗ相）分である下側還流ダイオード（6e,6f）それぞれに、上側還流ダイオード（6a）に流れたせん頭サージ電流のほぼ半分の電流量の電流が流れる。つまり、コンデンサ（4）の充電時、電流が流れる下側還流ダイオード（6d,6e,6f）の数は、電流が流れる上側還流ダイオード（6a,6b,6c）の数より多い。それ故、下側還流ダイオード（6d,6e,6f）のせん頭サージ電流の電流許容値は、上側還流ダイオード（6a,6b,6c）の約半分で済むこととなる。
【００５７】
従って、上側還流ダイオード（6a,6b,6c）には、せん頭サージ電流の電流許容値がワイドギャップ半導体よりも大きいワイドギャップ半導体以外の半導体を採用し、下側還流ダイオード（6d,6e,6f）には、ワイドギャップ半導体を採用している。更に、コンデンサ（4）の充電時、全スイッチング素子（5a,5b,5c,5d,5e,5f）はオフしており電流は流れないため、下側還流ダイオード（6d,6e,6f）のみならず、全スイッチング素子（5a,5b,5c,5d,5e,5f）にもワイドギャップ半導体を採用できる。これにより、せん頭サージ電流対策用の回路を別途設ける必要がないため、アクティブフィルタ装置（8）の製造コストは増加しない。且つ、ワイドギャップ半導体以外の半導体（例えばＳｉ半導体）を採用する部分は必要最低限な箇所に限られているため、アクティブフィルタ装置（8）のサイズが大きくなる可能性は低くなる。更に、還流ダイオード（6a,6b,6c,6d,6e,6f）のオンロスやスイッチング素子（5a,5b,5c,5d,5e,5f）のスイッチング損失が低減できる。また、せん頭サージ電流対策は、半導体素子の種類の変更により実現されるため、全ての半導体素子がワイドギャップ半導体で形成される場合に比べて、使用する半導体素子のサイズが大幅に変更されることはなく、更にはスイッチング損失等の対策を別途施す必要がない。そのため、アクティブフィルタ装置（8）を冷却する冷却部（後述）を小型化にすることができる。
【００５８】
また、本実施形態の電流源（9）は、上述したスイッチング素子（5a,5b,5c,5d,5e,5f）及び還流ダイオード（6a,6b,6c,6d,6e,6f）全てを一部品として同一パッケージ内に収めた構造としている。つまり，電流源（9）は、全てのスイッチング素子（5a,5b,5c,5d,5e,5f）と全ての還流ダイオード（6a,6b,6c,6d,6e,6f）とが一体化された半導体モジュールである。そのことにより、電流源（9）を実装する基板の面積ができるだけ小さくなるようにアクティブフィルタ装置（8）を基板上にてレイアウトしたり、電流源（9）を冷却部（後述）にて冷却する時には簡単な構造の冷却部で冷却を行なったりすることができる。
【００５９】
−コンデンサ−
コンデンサ（4）は、電流源（9）の直流側（即ち電流源（9）の後段）に位置する。より具体的には、コンデンサ（4）は、該電流源（9）における各スイッチングレグ（19u,19v,19w）に対して並列となるように、一端が配線（L7）に接続され、他端が配線（L8）に接続されている。
【００６０】
コンデンサ（4）には、電界コンデンサやフィルムコンデンサを採用することもできるが、本実施形態では、セラミックコンデンサを採用している。セラミックコンデンサは、半導体素子であるスイッチング素子（5a,5b,5c,5d,5e,5f）及び還流ダイオード（6a,6b,6c,6d,6e,6f）と同様に、高さが比較的低い構成である。それ故、スイッチング素子（5a,5b,5c,5d,5e,5f）及び還流ダイオード（6a,6b,6c,6d,6e,6f）に加えて、コンデンサ（4）についても後述するように空気調和装置（50）の冷却部によって冷却することを鑑みると、セラミックコンデンサの形状は好適だからである。
【００６１】
また、セラミックコンデンサは、同じ静電容量にて比較しても、電界コンデンサなどよりもチップサイズが比較的小さくなる。そのため、コンデンサ（4）にセラミックコンデンサを採用することは、アクティブフィルタ装置（8）の小型化にも繋がる。
【００６２】
更には、セラミックコンデンサは、通常、印加される電圧が上昇すると実効的な静電容量Cdが減少する特性を有する。そのため、コンデンサ（4）にセラミックコンデンサを採用することにより、コンデンサ（4）の充電時にはコンデンサ（4）には電圧が印加されるため、静電容量Cdが減少し、コンデンサ（4）充電時のせん頭サージ電流を小さくすることができる。
【００６３】
このようなコンデンサ（4）が充電されることにより、交流電源（3）から出力された交流電力は、電流源（9）において直流電力に変換される。
【００６４】
−ＬＣフィルタ−
ＬＣフィルタ（20）は、配線（L4,L5,L6）上に設けられている。ＬＣフィルタ（20）は、電流源（9）の入力段段（即ち電流源（9）の前段）に設けられている。ＬＣフィルタ（20）は、リアクトル（2a,2b,2c）と、コンデンサ（7a,7b,7c）とで構成される。リアクトル（2a,2b,2c）及びコンデンサ（7a,7b,7c）それぞれは、交流電源（3）の相数に対応して複数設けられている。
【００６５】
リアクトル（2a,2b,2c）それぞれは、各配線（L4,L5,L6）上に直列に接続されている。コンデンサ（7a,7b,7c）それぞれは、各リアクトル（2a,2b,2c）に対し並列に接続されている。つまり、各コンデンサ（7a,7b,7c）の一端は、各配線（L4,L5,L6）において各リアクトル（2a,2b,2c）の電流流出側に接続され、各コンデンサ（7a,7b,7c）の他端は互いに接続されている。これにより、ＬＣフィルタ（20）は、交流電源（3）の各相に対応して設けられている。
【００６６】
各リアクトル（2a,2b,2c）のインダクタンスを“La,Lb,Lc”、各コンデンサ（7a,7b,7c）の静電容量を“Ca,Cb,Cc”とすると、各相のリアクトル（2a,2b,2c）及びコンデンサ（7a,7b,7c）の関係は、以下のカットオフ周波数“fa,fb,fc”で規定される。
【００６７】
【数１】
2018129982.tif 000003
【００６８】
【数２】
2018129982.tif 000004
【００６９】
【数３】
2018129982.tif 000005
【００７０】
このカットオフ周波数“fa,fb,fc”は、電流源（9）におけるスイッチング素子（5a,5b,5c,5d,5e,5f）のスイッチング周波数に基づいて決定される。具体的に、ＬＣフィルタ（20）のカットオフ周波数fa,fb,fcは、スイッチング素子（5a,5b,5c,5d,5e,5f）のスイッチング周波数成分が交流電源（3）に流出しないように、該スイッチング周波数の１／５〜１／１０程度に設計される。
【００７１】
例えば、スイッチング周波数が１０ｋＨｚである場合、上記３つの式それぞれによって求められるＬＣフィルタ（20）のカットオフ周波数が約２ｋＨｚになるようなインダクタンスLa,Lb,Lcを有するリアクトル（2a,2b,2c）及び静電容量Ca,Cb,Ccを有するコンデンサ（7a,7b,7c）が選定されることになる。つまり、スイッチング周波数が５０ｋＨｚとした場合、ＬＣフィルタのカットオフ周波数は１０ｋＨｚになり、スイッチング周波数１０ｋＨｚに比べてリアクトル（2a,2b,2c）のインダクタンスLa,Lb,Lc及びコンデンサ（7a,7b,7c）の静電容量Ca,Cb,Ccを小さくすることができる。
【００７２】
具体的には、ＬＣフィルタ（20）のカットオフ周波数が２ｋＨｚから１０ｋＨｚへと５倍高くなると、リアクトル（2a,2b,2c）のインダクタンスLa,Lb,Lcとコンデンサ（7a,7b,7c）の静電容量Ca,Cb,Ccとの積“Ｌ×Ｃ”の値は、ＬＣフィルタ（20）のカットオフ周波数が２ｋＨｚの時の約１／２５程となる。すると、コンデンサ（7a,7b,7c）及びリアクトル（2a,2b,2c）の各値を、ＬＣフィルタ（20）のカットオフ周波数が２ｋＨｚの場合に比べて約１／５程度にすることができる。これは、スイッチング素子（5a,5b,5c,5d,5e,5f）のスイッチング周波数を高くすることが、リアクトル（2a,2b,2c）のインダクタンスLa,Lb,Lc及びコンデンサ（7a,7b,7c）の静電容量Ca,Cb,Ccを小さくできる効果があることを示している。
【００７３】
なお、本実施形態では、既に述べたように、電流源（9）には、ワイドギャップ半導体を主材料とする半導体素子と、ワイドギャップ半導体以外の半導体を主材料とする半導体素子とが混在している。この場合、上記スイッチング周波数は、ワイドギャップ半導体以外の半導体を主材料とする上側還流ダイオード（6a,6b,6c）の影響を受けることなく、ワイドギャップ半導体を主材料とするスイッチング素子（5a,5b,5c,5d,5e,5f）のみに基づいて決定される。
【００７４】
＜アクティブフィルタ装置の冷却構造＞
図３に示すように、空気調和装置（50）は、冷却部として、冷媒配管（60）と、冷媒配管（60）に接続された冷却器としてのヒートシンク（70）とを有する。ヒートシンク（70）は、アルミニウム等の金属板が細長く成型されたものである。ヒートシンク（70）上には、本実施形態に係るアクティブフィルタ装置（8）が配置されている。図３では、冷媒配管（60）が、高調波発生負荷器（1）を介してヒートシンク（70）まで延びており、ヒートシンク（70）上には、アクティブフィルタ装置（8）を構成する電流源（9）、コンデンサ（4）及びＬＣフィルタ（20）が、ヒートシンク（70）上部からビスなどにより固定されている。
【００７５】
このように、本実施形態では、１つの半導体モジュールに含まれるスイッチング素子（5a,5b,5c,5d,5e,5f）及び還流ダイオード（6a,6b,6c,6d,6e,6f）と、セラミックコンデンサであるコンデンサ（4）とが、冷媒配管（60）内を流れる冷媒の熱が伝わったヒートシンク（70）により冷却される。そのことにより、コンデンサ（4）の充電時に電流源（9）内を大きな電流（せん頭サージ電流）が流れ、コンデンサ（4）及び電流源（9）が発熱しても、コンデンサ（4）及び電流源（9）は冷却される。即ち、ワイドギャップ半導体以外の半導体で構成された半導体素子の他、ワイドギャップ半導体で構成された半導体素子、コンデンサ（4）が、冷媒配管（60）を流れる冷媒により冷却されるため、コンデンサ（4）充電時の電流経路上に位置する半導体素子の発熱を抑えながらも、当該素子にせん頭サージ電流を流すことができる。
【００７６】
また、本実施形態は、電流源（9）の直流側のコンデンサ（4）がセラミックコンデンサであるため、コンデンサ（4）の高さを電流源（9）の半導体モジュールと同等の高さにすることができている。従って、充電時に発熱部品の１つとなるコンデンサ（4）は、電流源（9）を構成する半導体モジュールと同じように、構造上の制約を受けることなく冷媒配管（60）で冷却することができる。
【００７７】
更に、本実施形態では、ＬＣフィルタ（20）も、上記コンデンサ（4）等と同じヒートシンク（70）上にて、冷媒配管（60）を流れる冷媒により冷却される。これにより、ＬＣフィルタ（20）を構成するリアクトル（2a,2b,2c）及びコンデンサ（7a,7b,7c）のサイズを、発熱を考慮して大きくする必要がなく、逆に小さくすることも可能となる。
【００７８】
＜効果＞
本実施形態では、コンデンサ（4）充電時の電流経路上に位置する上側還流ダイオード（6a,6b,6c）は、ワイドギャップ半導体ではない半導体を主材料としているため、ワイドギャップ半導体を主材料とした下側還流ダイオード（6d,6e,6f）及び各スイッチング素子（5a,5b,5c,5d,5e,5f）に比べてせん頭サージ電流（突入電流）の許容値が高い。これにより、上側還流ダイオード（6a,6b,6c）は、その素子面積（チップ面積）を広げたり、別途サージ対策用回路を設けたりせずとも、コンデンサ（4）充電時のせん頭サージ電流に耐えることができる。従って、アクティブフィルタ装置（8）全体のサイズを小さくすることができる。また、せん頭サージ電流により素子が破壊されるおそれを抑えることができるため、アクティブフィルタ装置（8）の安全性も高められる。
【００７９】
ここで、上記ワイドギャップ半導体は、炭化珪素、窒化ガリウム系材料又はダイヤモンドを含む。
【００８０】
上記コンデンサ（4）は、セラミックコンデンサであるため、コンデンサ（4）の素子の大きさ（チップサイズ）は小さくなり、アクティブフィルタ装置（8）自体のサイズを小さくすることができる。また、セラミックコンデンサは、直流電圧を印加した際に実効的な静電容量が減少する特性を有する。静電容量が小さい程、充電時にコンデンサ（4）に流れる電流は小さい。従って、コンデンサ（4）にセラミックコンデンサを採用することにより、コンデンサ（4）充電時に上側還流ダイオード（6a,6b,6c）を流れるせん頭サージ電流の大きさを減少させることができる。
【００８１】
また、電流源（9）を構成する半導体素子は同一パッケージ内に収められている。そのため、アクティブフィルタ装置（8）の構成要素のレイアウトが簡単になる。
【００８２】
ところで、コンデンサ（4）充電時、せん頭サージ電流が上側還流ダイオード（6a,6b,6c）を流れるため、当該上側還流ダイオード（6a,6b,6c）は発熱する。これに対し、本実施形態では、電流源（9）は、空気調和装置（50）の冷媒配管（60）を流れる冷媒によって冷却される。即ち、空気調和装置（50）は有効利用される。更に、充電により発熱するコンデンサ（4）も、冷媒配管（60）を流れる冷媒により冷却される。従って、上側還流ダイオード（6a,6b,6c）及びコンデンサ（4）等の発熱が他素子やアクティブフィルタ装置（8）付近の他装置に影響を及ぼすおそれは軽減され、せん頭サージ電流が流れてもアクティブフィルタ装置（8）及び空気調和装置（50）の安全性を保つことができる。
【００８３】
更に、アクティブフィルタ装置（8）のスイッチング素子（5a,5b,5c,5d,5e,5f）にワイドギャップ半導体を採用し且つアクティブフィルタ装置（8）を冷媒にて冷却するため、せん頭サージ電流に耐えうる状態にて、高いスイッチング周波数fa,fb,fcを実現できる。そのため、アクティブフィルタ装置（8）の入力側（前段）に位置するＬＣフィルタ（20）のカットオフ周波数を高くでき、リアクトル（2a,2b,2c）のインダクタンスLa,Lb,Lcとコンデンサ（7a,7b,7c）の静電容量Ca,Cb,Ccを小さくできる効果もある。
【００８４】
また、本実施形態では、アクティブフィルタ装置（8）は、空気調和装置（50）に組み込まれている。そして、アクティブフィルタ装置（8）は、交流電源（3）に対し高調波発生負荷器（1）と並列に接続され、高調波発生負荷器（1）にて発生する高調波電流の低減を行う。これにより、高調波発生負荷器（1）にて発生した高調波電流が、他装置に及ぼす影響を軽減することができる。
【００８５】
≪その他の実施形態≫
上記実施形態では、交流電源（3）に空気調和装置（50）が接続されている例を説明した。しかし、交流電源（3）には、空気調和装置（50）に関連する機器以外の機器が負荷器として接続されていてもよい。負荷器としては、ビルに設けられたエレベータ、ファン、ポンプ、エスカレータ、三相の交流電源（3）で駆動する照明、更には、アクティブフィルタ等の高調波対策を実施していない、空気調和装置（50）とは別の空気調和装置等などを例示できる。つまり、空気調和装置（50）以外の負荷器が交流電源（3）に対し電力変換装置である上記アクティブフィルタ装置（8）と並列接続されている場合においても、上記アクティブフィルタ装置（8）は、当該負荷器にて発生する高調波電流の低減を行うことができる。
【００８６】
コンデンサ（4）は、セラミックコンデンサ以外のコンデンサで構成されていてもよい。
【００８７】
電流源（9）を構成する半導体素子全てではなく、少なくとも上側スイッチング素子（5a,5b,5c）とこれに対応する上側還流ダイオード（6a,6b,6c）とが同一パッケージ内に収められた１つの半導体モジュールとされていてもよい。
【００８８】
また、電流源（9）を構成する半導体素子全ては、同一パッケージ内に収められておらず、別々のチップとして設けられてもよい。
【００８９】
電流源（9）の半導体素子の冷却は、必須ではない。
【００９０】
電流源（9）の半導体素子を冷却する場合、冷媒に代えて、水やブラインなどの熱媒体によって冷却されてもよい。
【００９１】
交流電源（3）に、空気調和装置（50）に関連する機器以外の機器が負荷器として接続されている際に、電流源（9）の半導体素子が冷却される場合、電流源（9）の半導体素子は、冷媒や水等ではなく、例えば空気を用いて冷却する冷却部によって冷却されてもよい。
【００９２】
冷却対象は、電流源（9）の半導体素子全てではなく、一部であってもよい。例えば、ＬＣフィルタ（20）、電流源（9）及びコンデンサ（4）のうち少なくとも１つが冷却対象であってもよい。また、電流源（9）については、電流源（9）全体が冷却対象ではなく、少なくとも上側スイッチング素子（5a,5b,5c）及びこれに対応する上側還流ダイオード（6a,6b,6c）が冷却対象であってもよい。
【００９３】
アクティブフィルタ装置（8）は、空気調和装置（50）に組み込まれておらず、空気調和装置（50）とは別に設けられていてもよい。
【００９４】
上記実施形態では、本技術がアクティブフィルタ装置に採用された場合を例示した。しか、本技術は、コンデンサ（4）を用いて交流電力を直流電力に変換するタイプの装置であればよく、その用途は、アクティブフィルタ装置に限定されない。例えば、本技術は、コンバータ回路に採用することもできる。
【産業上の利用可能性】
【００９５】
以上説明したように、本発明は、アクティブフィルタ装置及びコンバータ装置のように、コンデンサを用いて交流電力を直流電力に変換する装置について有用である。
【符号の説明】
【００９６】
1  高調波発生負荷器
3  交流電源
4  コンデンサ
5a,5b,5c  上側スイッチング素子
5d,5e,5f  下側スイッチング素子
6a,6b,6c  上側還流ダイオード
6d,6e,6f  下側還流ダイオード
8  アクティブフィルタ装置（電力変換装置）
50  空気調和装置
60  冷媒配管（熱媒体配管）
19u,19v,19w  スイッチングレグ
100  空気調和システム
【図１】
2018129982.tif 000006
【図２】
2018129982.tif 000007
【図３】
2018129982.tif 000008