(57)【要約】【課題】運転中のなんらかの事故や、電源電流を濾波するために取り付けられたＬＣフィルタの共振により、マトリックスコンバータにおける過電圧破壊事故を保護する、という機能を失せずに、マトリックスコンバータユニットの小型化を実現する。【解決手段】電源短絡事故を防止しつつマトリックスコンバータの入力電流を整流する機能と、その出力電流を整流する機能の両方を有する整流ダイオードを用いることで、小型で安価な過電圧保護装置を実現する。【選択図】図１
2011015558.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電力変換器において、
Ｒ相、Ｓ相、Ｔ相と定義した３相を有する三相交流電源（１０）と、
還流ダイオード内蔵のＩＧＢＴのコレクタともうひとつの還流ダイオード内蔵のＩＧＢＴのコレクタを接続することによって構成される双方向スイッチが３つあって、
該３つの双方向スイッチの一端をそれぞれ一点に接続してＵ相とし、前記３つの双方向スイッチの中のひとつの該Ｕ相と接続していない方をＲ相に接続し、もう一つの前記双方向スイッチの前記Ｕ相と接続していない方をＳ相に接続し、残りの前記双方向スイッチの前記Ｕ相と接続していない方をＴ相に接続して構成されるＵ相スイッチ群（１２）があって、
該Ｕ相スイッチ群と同様な構成でＶ相を構成するＶ相スイッチ群（１３）とＷ相を構成するＷ相スイッチ群（１４）があって、
前記Ｕ相スイッチ群（１２）を構成する３つの双方向スイッチの内で該Ｒ相に接続されるＩＧＢＴのコレクタにアノードが接続される整流ダイオード（１）があって、
該Ｖ相スイッチ群（１３）を構成する３つの双方向スイッチの内で該Ｓ相に接続されるＩＧＢＴのコレクタにアノードが接続される整流ダイオード（２）があって、
該Ｗ相スイッチ群（１４）を構成する３つの双方向スイッチの内で該Ｔ相に接続されるＩＧＢＴのコレクタにアノードが接続される整流ダイオード（３）があって、
該Ｒ相にカソードが接続される整流ダイオード（４）があって、
該Ｓ相にカソードが接続される整流ダイオード（５）があって、
該Ｔ相にカソードが接続される整流ダイオード（６）があって、
前記Ｕ相にカソードが接続される整流ダイオード（７）があって、
前記Ｖ相にカソードが接続される整流ダイオード（８）があって、
前記Ｗ相にカソードが接続される整流ダイオード（９）があって、
該整流ダイオード（１）と該整流ダイオード（２）と該整流ダイオード（３）のカソードにキャパシタ（１５）の正極が接続され、
該整流ダイオード（４）と該整流ダイオード（５）と該整流ダイオード（６）と該整流ダイオード（７）と該整流ダイオード（８）と該整流ダイオード（９）のアノードに該キャパシタ（１５）の負極が接続されることを特徴とする電力変換器。
【請求項２】
電力変換器において、
該三相交流電源（１０）と、
還流ダイオード内蔵のＩＧＢＴのエミッタともうひとつの還流ダイオード内蔵のＩＧＢＴのエミッタを接続することによって構成される双方向スイッチが３つあって、
該３つの双方向スイッチの中のひとつのＵ相と接続していない方をＲ相に接続し、もう一つの該双方向スイッチの該Ｕ相と接続していない方をＳ相に接続し、残りの前記双方向スイッチの前記Ｕ相と接続していない方をＴ相に接続して構成されるＵ相スイッチ群（２０２）があって、
該Ｕ相スイッチ群と同様な構成で該Ｒ相と該Ｓ相と該Ｔ相に接続されてＶ相とを構成するＶ相スイッチ群（３０２）およびＷ相を構成するＷ相スイッチ群（４０２）があって、
前記Ｕ相スイッチ群を構成する３つの双方向スイッチの内で前記Ｒ相に接続されるＩＧＢＴのエミッタにカソードが接続される整流ダイオード（１）があって、
前記Ｖ相スイッチ群を構成する３つの双方向スイッチの内で前記Ｓ相に接続されるＩＧＢＴのエミッタにカソードが接続される整流ダイオード（２）があって、
前記Ｗ相スイッチ群を構成する３つの双方向スイッチの内で前記Ｔ相に接続されるＩＧＢＴのエミッタにカソードが接続される整流ダイオード（３）があって、
前記Ｒ相にカソードが接続される整流ダイオード（４）があって、
前記Ｓ相にカソードが接続される整流ダイオード（５）があって、
前記Ｔ相にカソードが接続される整流ダイオード（６）があって、
前記Ｕ相にカソードが接続される整流ダイオード（７）があって、
前記Ｖ相にカソードが接続される整流ダイオード（８）があって、
前記Ｗ相にアノードが接続される整流ダイオード（９）があって、
該整流ダイオード（１）と該整流ダイオード（２）と該整流ダイオード（３）のアノードにキャパシタ（１５）の負極が接続され、
該整流ダイオード（４）と該整流ダイオード（５）と該整流ダイオード（６）と該整流ダイオード（７）と該整流ダイオード（８）と該整流ダイオード（９）のカソードに該キャパシタ（１５）の正極が接続されることを特徴とする電力変換器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電力変換器の過電圧保護装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
三相交流電源を入力として、任意の振幅で任意の周波数の三相交流電圧を出力する変換器であるマトリックスコンバータが実用化されている。ここで定義するマトリックスコンバータとは９つの双方向スイッチによってその主回路が構成されているとし、例えば図２のように示される。双方向スイッチは例えば図３、図４のようにＩＧＢＴを二つ向かい合わせに接続して構成される。マトリックスコンバータの入力をＲ相、Ｓ相、Ｔ相と定義し、出力をＵ相、Ｖ相、Ｗ相と定義する。
【０００３】
ここで、マトリックスコンバータの出力Ｕ相とマトリックスコンバータの入力のＲ、Ｓ、Ｔ相のどれかを任意に接続するために必要な３つの双方向スイッチをＵ相スイッチ群１２と定義する。同様に、Ｖ相スイッチ群１３、Ｗ相スイッチ群１４を定義する。Ｕ相スイッチ群１２、Ｖ相スイッチ群１３、Ｗスイッチ群１４を合わせて双方向スイッチ群２３４と呼ぶことする。Ｕ相と入力Ｒ、Ｓ、Ｔ相のどれかと接続されるべき双方向スイッチは、電源短絡を避けるためにＵ相スイッチ群１２において必ず１つの双方向スイッチのみがＯＮする。Ｖ相スイッチ群１３、Ｗ相スイッチ群１４についても同様である。このような構成にして、出力Ｕ、Ｖ、Ｗ相に任意に入力Ｒ、Ｓ、Ｔ相を接続するように制御することによって、マトリックスコンバータは任意の振幅で任意の周波数の三相交流電圧を出力し、負荷に供給することができる。
【０００４】
マトリックスコンバータの運転中に例えばなんらかの事故が生じた場合は、安全を確保するために速やかに双方向スイッチ群２３４のすべてのスイッチをオフにして負荷への電源供給を止めなければならない。しかし、マトリックスコンバータを運転中に即座にすべての双方向スイッチをオフにした場合、例えば負荷が誘導性負荷だったならば負荷のインダクタンスに蓄積されたエネルギを消費する電流経路を確保しないと、マトリックスコンバータの出力にサージ電圧が生じる可能性がある。これにより、双方向スイッチ群２３４は破壊されてしまう恐れがある。
【０００５】
また、マトリックスコンバータには電源電流を濾波するためにＬＣフィルタが入力の三相交流電源１０と双方向スイッチ群２３４との間に取り付けられるのが一般的であるが、三相電源１０が投入された時にＬＣフィルタの共振により、マトリックスコンバータの入力電圧が電源電圧の２倍まで上昇する可能性がある。これによって双方向スイッチ群２３４は破壊される恐れがある。
【０００６】
このような問題を解決するために特許文献１（特開２００８−７９３８１号公報）に示すような発明が報告されている。
【０００７】
図５に、特許文献１に示される発明の基本構成を示す。図２に示した回路をマトリックスコンバータ主回路として定義している。マトリックスコンバータ主回路の入力にはＬＣフィルタ１１を介して三相交流電源１０が接続される。過電圧による双方向スイッチ破壊を保護するために、マトリックスコンバータ主回路に並列に電圧クランプ回路３３３を接続している。これは整流ダイオードによってマトリックスコンバータ入力電流および出力電流を整流して直流に変換するとともに、該マトリックスコンバータ主回路の双方向スイッチ群２３４がすべてＯＦＦになった場合の電流経路を確保している。その場合のマトリックスコンバータ入力電流および出力電流によるエネルギは、キャパシタ１５に蓄えられる。
【０００８】
図５に示すような電圧クランプ回路３３３をマトリックスコンバータ主回路に追加することで、過電圧による双方向スイッチの破壊を保護することができる。しかしながら、１２個の整流ダイオードやキャパシタといった追加部品を必要とすることから、コストアップや、ユニットが大型化するといった問題があった。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特開２００８−７９３８１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
解決しようとする問題点は、上で定義した電圧クランプ回路３３３相当について、双方向スイッチ群２３４を過電圧から保護するという機能を失せずに、安価で小型化を実現するものである。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
請求項１の発明によれば、
電力変換器において、
Ｒ相、Ｓ相、Ｔ相と定義した３相を有する三相交流電源１０と、
還流ダイオード内蔵のＩＧＢＴのコレクタともうひとつの還流ダイオード内蔵のＩＧＢＴのコレクタを接続することによって構成される双方向スイッチが３つあって、
該３つの双方向スイッチの一端をそれぞれ一点に接続してＵ相とし、前記３つの双方向スイッチの中のひとつの該Ｕ相と接続していない方をＲ相に接続し、もう一つの前記双方向スイッチの前記Ｕ相と接続していない方をＳ相に接続し、残りの前記双方向スイッチの前記Ｕ相と接続していない方をＴ相に接続して構成されるＵ相スイッチ群１２があって、
該Ｕ相スイッチ群と同様な構成でＶ相を構成するＶ相スイッチ群１３とＷ相を構成するＷ相スイッチ群１４があって、
前記Ｕ相スイッチ群１２を構成する３つの双方向スイッチの内で該Ｒ相に接続されるＩＧＢＴのコレクタにアノードが接続される整流ダイオード１があって、
該Ｖ相スイッチ群１３を構成する３つの双方向スイッチの内で該Ｓ相に接続されるＩＧＢＴのコレクタにアノードが接続される整流ダイオード２があって、
該Ｗ相スイッチ群１４を構成する３つの双方向スイッチの内で該Ｔ相に接続されるＩＧＢＴのコレクタにアノードが接続される整流ダイオード３があって、
該Ｒ相にカソードが接続される整流ダイオード４があって、
該Ｓ相にカソードが接続される整流ダイオード５があって、
該Ｔ相にカソードが接続される整流ダイオード６があって、
前記Ｕ相にカソードが接続される整流ダイオード７があって、
前記Ｖ相にカソードが接続される整流ダイオード８があって、
前記Ｗ相にカソードが接続される整流ダイオード９があって、
該整流ダイオード１と該整流ダイオード２と該整流ダイオード３のカソードにキャパシタ１５の正極が接続され、
該整流ダイオード４と該整流ダイオード５と該整流ダイオード６と該整流ダイオード７と該整流ダイオード８と該整流ダイオード９のアノードに該キャパシタ１５の負極が接続されることを特徴とする電力変換器。
【００１２】
請求項２の発明によれば、
電力変換器において、
該三相交流電源１０と、
還流ダイオード内蔵のＩＧＢＴのエミッタともうひとつの還流ダイオード内蔵のＩＧＢＴのエミッタを接続することによって構成される双方向スイッチが３つあって、
該３つの双方向スイッチの中のひとつのＵ相と接続していない方をＲ相に接続し、もう一つの該双方向スイッチの該Ｕ相と接続していない方をＳ相に接続し、残りの前記双方向スイッチの前記Ｕ相と接続していない方をＴ相に接続して構成されるＵ相スイッチ群２０２があって、
該Ｕ相スイッチ群と同様な構成で該Ｒ相と該Ｓ相と該Ｔ相に接続されてＶ相とを構成するＶ相スイッチ群３０２およびＷ相を構成するＷ相スイッチ群４０２があって、
前記Ｕ相スイッチ群を構成する３つの双方向スイッチの内で前記Ｒ相に接続されるＩＧＢＴのエミッタにカソードが接続される整流ダイオード１があって、
前記Ｖ相スイッチ群を構成する３つの双方向スイッチの内で前記Ｓ相に接続されるＩＧＢＴのエミッタにカソードが接続される整流ダイオード２があって、
前記Ｗ相スイッチ群を構成する３つの双方向スイッチの内で前記Ｔ相に接続されるＩＧＢＴのエミッタにカソードが接続される整流ダイオード３があって、
前記Ｒ相にカソードが接続される整流ダイオード４があって、
前記Ｓ相にカソードが接続される整流ダイオード５があって、
前記Ｔ相にカソードが接続される整流ダイオード６があって、
前記Ｕ相にカソードが接続される整流ダイオード７があって、
前記Ｖ相にカソードが接続される整流ダイオード８があって、
前記Ｗ相にアノードが接続される整流ダイオード９があって、
該整流ダイオード１と該整流ダイオード２と該整流ダイオード３のアノードにキャパシタ１５の負極が接続され、
該整流ダイオード４と該整流ダイオード５と該整流ダイオード６と該整流ダイオード７と該整流ダイオード８と該整流ダイオード９のカソードに該キャパシタ１５の正極が接続されることを特徴とする電力変換器。
【００１３】
本発明は、図１に示す構成において、Ｒ相に接続されたひとつのＩＧＢＴの還流ダイオードのカソードに整流ダイオード１のアノードが接続され、Ｓ相に接続されたひとつのＩＧＢＴの還流ダイオードのカソードに整流ダイオード２のアノードが接続され、Ｔ相に接続されたひとつのＩＧＢＴの還流ダイオードのカソードに整流ダイオード３のアノードが接続され、整流ダイオード１と整流ダイオード２と整流ダイオード３のカソードがキャパシタ１４の正極に接続されることで、整流ダイオード１と整流ダイオード２と整流ダイオード３のそれぞれが、電源短絡事故を防止しつつＲ相とＳ相とＴ相の電流を整流する機能と、Ｕ相とＶ相とＷ相の電流を整流する機能の両方を有することを主要な特徴とする。
【発明の効果】
【００１４】
従来よりも小型で安価なマトリックスコンバータを開発することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明の実施方法を示した説明図である。（実施例１）
【図２】本発明の部品の一部であるマトリックスコンバータについて説明した図である。
【図３】ＩＧＢＴを用いた双方向スイッチの１例を示した図である。
【図４】ＩＧＢＴを用いた双方向スイッチの１例を示した図である。
【図５】本発明と同様な機能を有する従来回路を示した図である。
【図６】本発明の実施方法を示した説明図である。（実施例２）
【発明を実施するための形態】
【００１６】
マトリックスコンバータにおける過電圧破壊事故を保護するという機能を失せずに、マトリックスコンバータユニットの小型化を実現した。
【実施例１】
【００１７】
図１は、本発明装置の１実施例であり、マトリックスコンバータの主回路およびその保護回路を示すものである。双方向スイッチは図３に示す構成であるとし、マトリックスコンバータの主回路は図２に示すものと同じである。Ｒ相に接続されたひとつのＩＧＢＴの還流ダイオードのカソードに整流ダイオード１のアノードが接続され、Ｓ相に接続されたひとつのＩＧＢＴの還流ダイオードのカソードに整流ダイオード２のアノードが接続され、Ｔ相に接続されたひとつのＩＧＢＴの還流ダイオードのカソードに整流ダイオード３のアノードが接続され、整流ダイオード１と整流ダイオード２と整流ダイオード３のカソードがキャパシタ１５の正極に接続される。なお、双方向スイッチはＩＧＢＴでなくＦＥＴなどのその他の半導体スイッチング素子で代替して構成してもよい。
【００１８】
キャパシタ１５の負極には、整流ダイオード４、整流ダイオード５、整流ダイオード６、整流ダイオード７、整流ダイオード８、整流ダイオード９のアノードが接続される。
【００１９】
整流ダイオード４のカソードはＲ相に接続される。整流ダイオード５のカソードはＳ相に接続される。整流ダイオード６のカソードはＴ相に接続される。整流ダイオード７のカソードはＵ相に接続される。整流ダイオード８のカソードはＶ相に接続される。整流ダイオード９のカソードはＷ相に接続される。
【００２０】
このような構成にすることで、整流ダイオード１と整流ダイオード２と整流ダイオード３のそれぞれが、電源短絡事故を防止しつつＲ相とＳ相とＴ相の電流を整流する機能と、Ｕ相とＶ相とＷ相の電流を整流する機能の両方を有する。
【００２１】
図５に示す従来回路では１２個の整流ダイオードおよびキャパシタが必要であるが、本発明では、双方向スイッチ群２３４を構成するＩＧＢＴの還流ダイオードを電流経路の確保に流用するので、９個の整流ダイオードおよびキャパシタで十分である。よって回路の小型化が実現できる。
【実施例２】
【００２２】
図６は本発明におけるもう１つの実施例である。双方向スイッチが図４のような構成だった場合、発明の実施例は図６に示すようになる。その場合のＵ相スイッチ群を２０２、Ｖ相スイッチ群を３０２、Ｗ相スイッチ群を４０２のように定義している。
【００２３】
図６において、本発明の特徴である整流ダイオード１、整流ダイオード２、整流ダイオード３および整流ダイオード４から９を実施例１に対して逆向きに接続し、キャパシタ１５の極性を実施例１と反対に接続すると、実施例１と同様に過電圧破壊事故を保護するという機能を失せずに、マトリックスコンバータの小型化が実現可能である。電源短絡事故を防止しつつマトリックスコンバータの入力電流を整流する機能と、その出力電流を整流する機能の両方を有する整流ダイオードを用いることで、小型で安価な過電圧保護装置を実現する。
【産業上の利用可能性】
【００２４】
本発明はマトリックスコンバータに適用することができる。
【符号の説明】
【００２５】
１      整流ダイオード１
２      整流ダイオード２
３      整流ダイオード３
４      整流ダイオード４
５      整流ダイオード５
６      整流ダイオード６
７      整流ダイオード７
８      整流ダイオード８
９      整流ダイオード９
１０    三相交流電源
１１    ＬＣフィルタ
１２    Ｕ相スイッチ群
１３    Ｖ相スイッチ群
１４    Ｗ相スイッチ群
１５    キャパシタ
２０２  Ｕ相スイッチ群
３０２  Ｖ相スイッチ群
４０２  Ｗ相スイッチ群
２３４  双方向スイッチ群
３３３  電圧クランプ回路
【図１】
2011015558.tif 000003
【図２】
2011015558.tif 000004
【図３】
2011015558.tif 000005
【図４】
2011015558.tif 000006
【図５】
2011015558.tif 000007
【図６】
2011015558.tif 000008