(57)【要約】【課題】高い電圧定格のインバータにも適用可能であり、かつ小型化が可能なアクティブフィルタとパッシブフィルタを組み合わせた漏れ電流抑制回路を提供する。【解決手段】  電力用半導体素子をスイッチング動作させて電力変換を行うインバータの漏れ電流抑制回路であって以下の構成を備える。（ａ）インバータの出力側に接続されたコンデンサと、前記インバータの直流ラインに接続されたコンデンサにて結合されるコモンモード電流のバイパス路。（ｂ）インバータのスイッチング動作によって発生するコモンモード電流を検出するコモンモード電流検出部。（ｃ）検出したコモンモード電流と同じ値の電流を前記バイパス路に引き込むコモンモード電流引き込み電流源。【選択図】図１
2015126593.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電力用半導体素子をスイッチング動作させて電力変換を行うインバータの漏れ電流抑制回路であって、
前記インバータの出力側に接続されたコンデンサと、前記インバータの直流ラインに接続されたコンデンサにて結合されるコモンモード電流のバイパス路と、
前記インバータのスイッチング動作によって発生するコモンモード電流を検出するコモンモード電流検出部と、
検出した前記コモンモード電流と同じ値の電流を前記バイパス路に引き込むコモンモード電流引き込み電流源と、
を備えることを特徴とする漏れ電流抑制回路。
【請求項２】
前記コモンモード電流検出部は、前記インバータの３相出力ラインに直列に配置される４相のコモンモードトランスであり、３相が前記インバータの出力に接続され、
残りの１相の補助巻線を流れる電流によりコモンモード電流を検出することを特徴とする請求項１に記載の漏れ電流抑制回路。
【請求項３】
前記コモンモード電流検出部は、前記インバータの直流ラインに直列に設置されるコモンモードトランスであり、前記インバータの直流ラインに直列に接続するトランスの補助巻線を用いて前記インバータのコモンモード電流を検出することを特徴とする請求項１に記載の漏れ電流抑制回路。
【請求項４】
前記コモンモード電流抽出回路は、コモンモードトランスの補助巻線を抵抗で短絡することを特徴とする請求項２または請求項３に記載の漏れ電流抑制回路。
【請求項５】
前記コモンモード電流引き込み電流源は、オペアンプとプッシュプル回路を用いることを特徴とする請求項１乃至４の何れか１項に記載の漏れ電流抑制回路。
【請求項６】
請求項１乃至５の何れか１項に記載の漏れ電流抑制回路を内蔵する太陽光発電システム。
【請求項７】
請求項１乃至５の何れか１項に記載の漏れ電流抑制回路を内蔵するモータ制御装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の実施形態は、漏れ電流抑制回路及び漏れ電流抑制回路を内蔵する太陽光発電システム及びモータ制御装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
インバータに代表される電力変換装置は、半導体スイッチング素子のスイッチング動作により電力変換を行っている。モータを駆動する３相ＰＷＭインバータを例にとると、出力しようとする電圧の指令値と三角波などのキャリアとを比較し、比較結果に基づき各相の半導体素子をスイッチングさせる。
【０００３】
このとき、その原理上、３相のＵＶＷ相出力電圧の平均値を示すコモンモード電圧はゼロにはならず、キャリアに同期して大きな電圧が発生する。このコモンモード電圧は、モータの浮遊容量などを介してアースへと流れる漏れ電流（高周波ノイズ）の原因となる。漏れ電流は他の機器に障害をもたらすなどの問題となるため、漏れ電流対策は必須となっている。その有効な対策としてコイルやコンデンサなどの受動素子で構成されるフィルタ回路がある（特許文献１，２参照）。
【０００４】
また、特許文献１，２のようなＬＣによるパッシブフィルタのほか、半導体素子を用いて積極的にコモンモード電圧をキャンセルするアクティブフィルタ回路も提案されている（特許文献３参照）。このような回路では、インバータのスイッチングで発生するコモンモード電圧をコンデンサで検出し、バイポーラトランジスタで構成されたエミッタフォロアを電圧制御型電源とし、コモンモードトランスへ電圧を印加する。コモンモードトランスは、インバータの３相出力ラインに巻かれたトランスであり、エミッタフォロアが出力する電圧は３相ラインに印加される。この結果、３相の出力から発生するコモンモード電圧がキャンセルされる。また、電圧ではなく電流をキャンセルするアクティブフィルタ回路も非特許文献１にて提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特許第4351916号公報
【特許文献２】特許第3596694号公報
【特許文献３】特開平10-94244号公報
【０００６】
【非特許文献１】平成9年電気学会全国大会論文「高周波インバータのスイッチングノイズ除去用アクティブEMIフィルタ」
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかし、特許文献１，２のような構成のフィルタ回路では、コモンモード電流抽出回路に３つの単相リアクトルが含まれるなど、バイパス回路が大きく、これがフィルタ回路全体の大型化につながっている。また、特許文献３、非特許文献１のようなエミッタフォロア型のアクティブフィルタ回路は、インバータ回路の直流電圧の定格が高い場合、トランジスタの耐圧が制約となり、適用範囲が限定されてしまう。
【０００８】
さらに、フィルタ回路を用いて、コモンモード電圧を相殺する電圧発生させる場合、フィルタ内のトランジスタの応答性能により、遅延が生じる。その遅延は、フィルタ内のトランジスタの応答速度に起因するのであり、特に耐圧が高いトランジスタを使用した場合、耐圧が高いトランジスタは応答性能が遅いため、遅延が大きくなる。
【０００９】
そこで本発明の実施形態は、上記のような従来技術の問題点を解決するために提案されたもので、高い電圧定格のインバータにも適用可能であり、かつ小型化が可能なアクティブフィルタとパッシブフィルタを組み合わせた漏れ電流抑制回路を提供することである。また、本実施形態の漏れ電流抑制回路を内蔵する太陽光発電システム及びモータ制御装置を提供する。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記の目的を達成するために、本発明の実施形態は、電力用半導体素子をスイッチング動作させて電力変換を行うインバータの漏れ電流抑制回路であって以下の構成を備える。
（ａ）インバータの出力側に接続されたコンデンサと、前記インバータの直流ラインに接続されたコンデンサにて結合されるコモンモード電流のバイパス路。
（ｂ）インバータのスイッチング動作によって発生するコモンモード電流を検出するコモンモード電流検出部。
（ｃ）検出したコモンモード電流と同じ値の電流を前記バイパス路に引き込むコモンモード電流引き込み電流源。
【００１１】
また、本実施形態の漏れ電流抑制回路を内蔵する太陽光発電システム及びモータ制御装置も本実施形態の一態様である。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】第１実施形態の示す漏れ電流抑制回路の構成を示す構成図である。
【図２】第１実施形態のコモンモード電流抽出回路の構成を示す回路図である。
【図３】第１実施形態のコモンモード電流引き込み電流源の構成を示す回路図である。
【図４】第１実施形態の示す漏れ電流抑制回路に流れる電流を示す構成図である。
【図５】第１実施形態のコモンモード電流引き込み電流源に流れる電流を示す回路図である。
【図６】第２実施形態の示す漏れ電流抑制回路の構成を示す構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下、本発明に係るプラント電流抑制回路の実施形態について図面を参照しつつ詳細に説明する。実施形態において、重複する図面の説明は省略する。
【００１４】
［１．第１実施形態］
以下、図１乃至５を参照しつつ第１実施形態に係る漏れ電流抑制回路を説明する。本実施形態の漏れ電流抑制回路はインバータ装置に用いられる。インバータ装置の3相出力ラインを流れるコモンモード電流を検出する。バイパス路には、コモンモード電流を引き込むための電流源を備えており、検出したコモンモード電流と同じ大きさの電流をバイパス路に流す。これにより、コモンモード電流がアース４へ流れることを抑制する。
【００１５】
［１−１．構成］
［基本構成］
図１は、第１実施形態の電流抑制回路の一構成例を概略的に示す図である。１は直流電圧電源、２は直流をスイッチングによる交流に変換するインバータ、３は負荷である。本実施形態は、系統連係向けインバータを想定している。
【００１６】
直流電圧電源１は、インバータ２に対して直流電圧を印可する電源である。直流電圧電源１とインバータ２とを接続する直流電流ラインは、直流電流正側、直流電流負側ラインから構成される。直流電圧電源１としては、太陽光により発電を行う太陽光発電部を利用することができる。
【００１７】
インバータ２は、直流をスイッチングによる交流に変換する。所謂ＰＷＭインバータである。インバータ２は、直流電圧電源１からの直流電流を入力し、所望の大きさ及び周波数の３相交流電流に変換して出力ラインに出力する。インバータ２は２つのスイッチング素子を含み、出力各相はＵ、Ｖ、Ｗの３相を構成する。
【００１８】
負荷３は、インバータ２に接続される負荷であり、インバータ２から出力された３相交流電圧が印加する。負荷３としては、３相系統連係負荷は、家庭用・産業用の商用電源を想定する。負荷３としてはモータ等がある。負荷３は、浮遊容量５を介してアース４に接続され、負荷３としてモータを使用する場合は、モータのフレームがアース４に接続される。
【００１９】
系統連係向けインバータ２では、ノイズとして商用電源側へのノイズが一定の規制値を超えないことが求められる。すなわち、図１のインバータ２から負荷３側へのノイズである。ここへノイズが漏れると負荷３からアース４への浮遊容量５，６を通り、アース４にノイズが漏れ出してしまう。これが漏れ電流となり、様々な問題を引き起こす。本実施形態では、この漏れ電流を抑制するために、インバータ２に、漏れ電流抑制回路を接続する。
【００２０】
本実施形態の電流抑制回路は、インバータ２のアース４に対するコモンモード電流を検出し、この電流がアース４に流れないように、バイパス路に対して引き込む。電流抑制回路は、３相出力部に接続された３相バイパスコンデンサ７と、直流電圧の中性点に接続される直流側バイパスコンデンサ８と、インバータのコモンモード電流を引き込むコモンモード電流引き込み電流源９と、インバータのコモンモード電流を検出するコモンモード電流抽出回路１０を備える。この３相インバータ出力部から3相バイパスコンデンサ７、コモンモード電流引き込み電流源９、直流側バイパスコンデンサ８を通りインバータ直流側へ戻る経路を、以後ノイズ電流のバイパス路と呼ぶ。
【００２１】
３相バイパスコンデンサ７は、インバータ２の出力側に設けられた３つのコンデンサである。それぞれのコンデンサは、インバータ２の出力の各相にそれぞれ接続される。３つのコンデンサの容量は同一のものである。
【００２２】
直流側バイパスコンデンサ８は、直流電圧電源１とインバータ２とを接続する直流電流ラインとの間に設けられた２つのコンデンサである。２つのコンデンサは直接に接続され、接続点は中性点となる。この中性点には、バイパス路が接続され、バイパス路を経たコモンモード電流を直流電圧電源１とインバータ２とを接続する直流電流ラインへと出力する。
【００２３】
コモンモード電流抽出回路１０は、インバータのスイッチングによって発生するコモンモード電流を検出する。本実施形態において、コモンモード電流抽出回路１０がコモンモード電流検出部に相当する。図２は、コモンモード電流抽出回路１０の構成を示す回路図である。図２に示すように、インバータ２から出力されたＵ、Ｖ、Ｗの各相には、それぞれコモンモードトランス１１に接続される。コモンモードトランス１１は、４相のトランスであり、３相がインバータ２の出力に、１相は抵抗Ｒ１にて短絡する。抵抗Ｒ１の一端は抵抗Ｒ２に接続され、他端は抵抗Ｒ３に接続される。抵抗Ｒ１の電圧を抵抗Ｒ２、Ｒ３を介して検出可能に構成させる。
【００２４】
すなわち、抵抗Ｒ２，Ｒ３に比べて抵抗Ｒ１の抵抗が非常に小さい場合、コモンモードトランス１１の各コイルに流れる電流はＲ１にのみ流れる。そのため、抵抗Ｒ１の両端電圧を検出することでコモンモード電流を検出することができる。検出したコモンモード電流はコモンモード電流引き込み電流源９に出力される。なお、コモンモード電流を検出するコモンモードトランス１１は電流検出用であるため、一般のノイズ抑制回路のためのコモンモードチョークコイルに比べて非常に小さいインダクタンス、コアサイズで構成される。
【００２５】
コモンモード電流引き込み電流源9は、コモンモード電流抽出回路１０で検出した電流と同等の電流をバイパス路に流すよう動作する。図３は、コモンモード電流引き込み電流源９の構成を示す回路図である。図３に示すように、コモンモード電流引き込み電流源９は、オペアンプ１２、プッシュプル回路１３、電源１４から構成される。
【００２６】
オペアンプ１２は、２電源方式のオペアンプであり、電源として電源１４を使用する。オペアンプ１２の反転入力端子は、抵抗Ｒ２を介して抵抗Ｒ１の一端と接続される。オペアンプ１２の非反転入力端子は、抵抗Ｒ３を介して抵抗Ｒ１の一端と接続される。オペアンプ１２の出力端子には、プッシュプル回路１３が接続される。
【００２７】
プッシュプル回路１３は、電源として電源１４と、２個のトランジスタを正負対称に接続し、それぞれ一方の極性の信号のみを増幅する。プッシュプル回路１３は、信号の正側ＮＰＮ型トランジスタ１３ａ、負側にＰＮＰ型トランジスタ１３ｂを配し、各トランジスタには、分電圧用の抵抗１３ｃ，１３ｆとダイオード１３ｄ，１３ｅを設ける。プッシュプル回路１３を構成するＮＰＮ型トランジスタ１３ａ、ＰＮＰ型トランジスタ１３ｂ共にエミッタが共通となっていて、どちらのトランジスタもエミッタ・フォロワになっている。プッシュプル回路１３の出力側には、抵抗Ｒ６が接続する。抵抗Ｒ６の出力側は、バイパス路へと接続される。
【００２８】
オペアンプ１２およびプッシュプル回路１３の電源１４の電圧は、インバータの3相出力部に接続された3相バイパスコンデンサ7の結合部を基準として±Vccの電圧を持つ電圧源で構成される。これにより、プッシュプル回路１３で流すIbypassは、３相バイパスコンデンサ７を経由したインバータ２から出力した電流が流れる。
【００２９】
［１−２．作用］
本実施形態では、インバータ２でのスイッチングにより発生する漏れ電流を抑制する。インバータ２は、電圧型ＰＷＭインバータであり、スイッチングのたびにコモンモード電圧が変動する。つまり、図４に示す回路には、インバータ２のスイッチングの度に変動するコモンモード電圧によりインバータ２の出力側には矢印ＩＡのコモンモード電流が流れる。
【００３０】
コモンモード電流引き込み電流源９は、バイパス路に矢印ＩＡのコモンモード電流と同じ大きさの電流を流すように動作する。つまり、３相バイパスコンデンサ７を介してバイパス路に流れる矢印ＩＢの電流の大きさは、矢印ＩＡのコモンモード電流と極めて等しくなる。そのため、インバータ２から出力した矢印ＩＡのコモンモード電流は、ほとんど負荷３へ流れなくなる。
【００３１】
バイパス路を流れた矢印ＩＢのコモンモード電流は、直流側バイパスコンデンサ８の中性点を経て、矢印ＩＣとして直流電圧電源１とインバータ２とを接続する直流電流ラインへと出力する。以下では、本実施形態の電流抑制回の動作を詳述する。
【００３２】
インバータ２の出力側には矢印ＩＡのコモンモード電流は、コモンモード電流抽出回路１０によって検出される。検出はコモンモードトランス１１によって行われる。コモンモードトランス１１の抵抗Ｒ１の両端電圧がVR1である場合、コモンモード電流抽出回路１０に流れる電流Icomは、以下の式より表すことができる。
［式１］
VR1 = Icom・R1・・・（１）
【００３３】
図５に示すように、電流Icomは抵抗Ｒ２，Ｒ３を介してオペアンプ１２に入力される。オペアンプ１２は、プッシュプル回路１３の出力に接続された抵抗Ｒ６の両端電圧VR6を次式の関係になるように動作する。
［式２］
VR6 = VR1・R4/R2・・・（２）
（ただし、R2=R3, R4=R5）
【００３４】
この時、抵抗Ｒ６に流れる電流、すなわちバイパス路の電流Ibypassは、次の式（３）であらわされる。
［式３］
Ibypass= VR6/R6 = Icom・R1・R4/(R2・R6)・・・（３）
【００３５】
仮に、R1 = R6 , R2 = R4とするとIbypass = Icomが成立する。つまり、抵抗Ｒ１〜Ｒ６が、R1 = R6、R2=R3、R4=R5の関係を見たすように選択することで、検出したコモンモード電流Icomをそのままバイパス路に流すよう動作する。つまり、インバータ２から出力した矢印ＩＢの電流は、３相バイパスコンデンサ７を経由してバイパス路に引き込まれる。矢印ＩＢの電流の大きはと、バイパス路を流れる電流Ibypassとは、同じ大きさの電流であり、また、検出回路で検出されたコモンモード電流Icomと同じ値である。バイパス路を流れる電流Ibypassはプッシュプル回路１３の出力から直流側バイパスコンデンサ８を通り、再びインバータ２へ還流する。
【００３６】
以上、プッシュプル回路13のＮＰＮ型トランジスタ１３ａによる正側の動作について説明したが、負側のＰＮＰ型トランジスタの動作も同様である。
【００３７】
［１−３．効果］
本実施形態の電流抑制回路によれば、インバータ２から出力されるコモンモード電流Icomを検出し、コモンモード電流Icomと同じ大きさの電流をバイパス路に流す。このようにインバータ２のスイッチングで発生したコモンモード電流Icomをバイパス路に全て引き込むことで外部の浮遊容量５，６を通りアース４へ流れ出すことを抑制することができる。
【００３８】
また、３相バイパスコンデンサ７および直流側バイパスコンデンサ８の容量を大きくすることで、オペアンプ１２およびプッシュプル回路１３の電源１４の電圧Vccは小さく済むため、プッシュプル回路１３の素子耐圧は例えば±１５V程度と小さくでき、小型化が図れる。
【００３９】
なお、バイパス路を形成する２種のコンデンサの合成容量Callと、アース４を通るシステム全体の一巡浮遊容量Cstray_all、インバータ２の直流電源１の電圧Vdcから、プッシュプル回路13の電源14の電圧Vccは式（４）で規定される電圧が必要となる。
［式４］
2Vcc > Vdc・Cstray_all/Call・・・（４）
【００４０】
システム全体の一巡浮遊容量Cstray_all は決まっているため、Callを適正に選ぶことでコンデンササイズとプッシュプル回路周辺回路の耐圧すなわちサイズを最適にすることができ、小型化が図れる。
【００４１】
また、各抵抗比は、プッシュプル回路１３の電源１４の電圧やコモンモード電流抽出回路１０のコモンモードトランス１１の巻き数比に応じて調整することができる。
【００４２】
［２．第２実施形態］
［２−１．構成］
第２実施形態にかかる漏れ電流抑制回路は、図６に示すように第１の実施形態のインバータ２に接続する負荷３が３相モータ１７である点で第１の実施形態と異なる。負荷３がモータ負荷の場合、直流電圧電源１側へ漏れ出すノイズを抑制する必要がある。このため、コモンモード電流抽出回路１０は、直流側へ設置する。このほかの構成は第１の実施形態と同様であり、漏れ電流抑制回路の動作としても同様となる。
【００４３】
［２−２．作用効果］
以上のような構成を有する電流抑制回路では、直流側で検出した漏れ電流に基づいて、電流の引き込みを行う。これにより、インバータ２のスイッチングで発生したコモンモード電流Icomをバイパス路に全て引き込むことで外部の浮遊容量５，６を通りアース４へ流れ出すことを抑制することができる。
【００４４】
［３．その他の実施形態］
本明細書においては、本発明に係る複数の実施形態を説明したが、これらの実施形態は例として提示したものであって、発明の範囲を限定することを意図していない。具体的には、発明の範囲を逸脱しない範囲で、種々の省略や置き換え、変更を行うことができる。これらの実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると同様に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれるものである。
【００４５】
さらに、第１乃至第２実施形態を全て又はいずれかを組み合わせたものも包含され、その他の様々な形態で実施されることが可能である。
【００４６】
例えば、本実施形態１では、インバータ２から出力したコモンモード電流Icomと同じ大きさの電流をバイパス路に引き込むために、インバータ２の出力側に、コモンモード電流抽出回路１０、３相バイパスコンデンサ７の順に設けた。しかしながら、負荷３に対してコモンモード電流を流さなければ、他の構成でも良い。例えば、インバータ２の出力側に、３相バイパスコンデンサ７、コモンモード電流抽出回路１０の順に設け、コモンモード電流抽出回路１０で検出されるコモンモード電流Icomが０になるように、バイパス路に電流を流すようにしても良い。
【００４７】
また、以上説明した漏れ電流抑制回路をインバータおよびインバータによる電力を供給する太陽光発電システムに組み込んだ場合、誤動作等の原因となるＥＭＩを抑制することができると共に装置の大型化を抑制することができる。同様に、これらの効果を持つ漏れ電流抑制回路をインバータおよびモータ制御装置に組み込んだ場合、誤動作等の原因となるＥＭＩを抑制することができると共に装置の大型化を抑制することができる。
【符号の説明】
【００４８】
１    …  直流電源
２    …  インバータ
３    …  負荷
４    …  アース
５    …  浮遊容量
６    …  浮遊容量
７    …  ３相バイパスコンデンサ
８    …  直流側バイパスコンデンサ
９    …  コモンモード電流引き込み電流源
１０  …  コモンモード電流抽出回路
１１  …  コモンモードトランス
１２  …  オペアンプ
１３  …  プッシュプル回路
１３ａ…  ＮＰＮ型トランジスタ
１３ｂ…  ＰＮＰ型トランジスタ
１３ｃ…  抵抗
１３ｄ…  ダイオード
１３ｅ…  ダイオード
１３ｆ…  抵抗
１４  …  電源
１７  …  ３相モータ
【図１】
2015126593.tif 000003
【図２】
2015126593.tif 000004
【図３】
2015126593.tif 000005
【図４】
2015126593.tif 000006
【図５】
2015126593.tif 000007
【図６】
2015126593.tif 000008