(57)【要約】【課題】機器の安全性に対する要求の高まりによって、電力変換装置においても露出導電性部品の絶縁強化が必要となっている。【解決手段】インバータの制御装置を構成する制御回路部とゲート駆動回路部との間に、光伝送手段と信号処理部及び電源生成部を有する中継部を設ける。制御回路部で生成されたゲート信号は光伝送手段を介して中継部の信号処理部に入力し、信号処理部からの出力は光伝送手段を介してゲート駆動回路部に出力する。また、中継部の電源生成部に対して制御装置用交流電源から高耐圧の変圧器を介して交流電力を供給し、且つ中継部の電源生成部からゲート駆動回路部に対して高耐圧変圧器を介して交流電力を供給するよう構成した。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体スイッチングデバイスにより構成されたインバータの制御装置であって制御回路部によってゲート信号を生成し、生成されたゲート信号は光伝送手段を介してゲート駆動回路部に入力し、ゲート駆動回路部によって半導体スイッチングデバイスを制御するものにおいて、
前記制御回路部とゲート駆動回路部との間に、光伝送手段と信号処理部及び電源生成部を有する中継部を設け、前記制御回路部で生成されたゲート信号は光伝送手段を介して中継部の信号処理部に入力し、信号処理部からの出力は光伝送手段を介して前記ゲート駆動回路部に出力すると共に、
前記中継部の電源生成部に対して制御装置用交流電源から変圧器を介して交流電力を供給し、且つ中継部の電源生成部から前記ゲート駆動回路部に対して前記変圧器とは異なる変圧器を介して交流電力を供給するよう構成したことを特徴とした電力変換装置の絶縁構造。
【請求項２】
前記中継部に送電コイルを設け、前記ゲート駆動回路部に受電コイルを設け、前記中継部の電源生成部で生成された高周波交流電力を送電コイルを介してゲート駆動回路部の受電コイルに送電するよう構成したことを特徴とした請求項１記載の電力変換装置の絶縁構造。
【請求項３】
前記中継部、ゲート駆動回路部及び半導体スイッチングデバイスを導電性材料で構成された収納ケースに収納し、収納ケースを前記インバータ主回路電圧の中間電位点に接続したことを特徴とした請求項１又は２記載の電力変換装置の絶縁構造。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電力変換装置に係わり、特に入力電圧が比較的高い電力変換装置の絶縁構造に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
図５は、一般的な３相インバータの主回路構成図を示したもので、６個の半導体スイッチングデバイスにより構成されている。使用する半導体スイッチングデバイスとしてはＩＧＢＴ（絶縁ゲートバイポーラトランジスタ）やＦＥＴ等種々のものが考えられるが、ここでは大容量の電力変換装置に使用されることが多い
ＩＧＢＴを例に説明する。したがって、以下の各実施例等ではＩＧＢＴに限定されるものではない。
【０００３】
図５における３相インバータは、ＩＧＢＴ Ｓ１〜Ｓ６のＯＮ／ＯＦＦのゲート信号を制御回路部にて生成し、ゲート駆動回路部によってＳ１〜Ｓ６を制御することで所望の交流電圧出力を得ることができる。各々のＩＧＢＴのＯＮ／ＯＦＦ用のゲート信号はゲートエミッタ間の電圧により決定され、例えば、Ｓ１のＯＮ／ＯＦＦ用のゲート信号はＧs1端子とＥs1端子間の電圧により、また、Ｓ１と直列に接続されるＳ２のＯＮ／ＯＦＦ用のゲート信号はＧs2端子とＥs2端子間の電圧により決定される。
【０００４】
また、Ｅs2端子の電位は常に直流部のＮ端子の電位であるが、Ｅs1端子の電位はＳ１がＯＮのときには直流部のＰ端子の電位で、Ｓ２がＯＮすると直流部のＮ端子の電位となる。このように各々のＩＧＢＴのエミッタ電位は異なるため、各々のゲートエミッタ間電圧は絶縁された電圧とする必要がある。
【０００５】
図６は文献１に開示された３相インバータの制御装置構成の部分図である。オペレータが操作部１０で設定した電圧指令値や周波数指令値等は制御回路部３０内のゲート信号生成部３１に入力される。ゲート信号生成部３１で生成したＳ１〜Ｓ６のＯＮ／ＯＦＦ用のゲート信号は、各々絶縁されたゲート駆動回路部５０に入力され、絶縁されたゲートエミッタ間電圧としてＳ１〜Ｓ６に印加される。
【０００６】
ゲート信号生成部３１からゲート駆動回路部５０に入力されるゲート信号は、フォトカプラ５１により絶縁され、また、制御回路部３０内の電源生成部３２から供給されるゲート駆動回路部５０の電源は、変圧器５２により絶縁される。
このように、一般に３相インバータにおいては、絶縁境界１００により制御回路部３０とゲート駆動回路部５０が絶縁されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特許第４０５５１１５
【非特許文献】
【０００８】
R．Steiner．P．K．Steimer，F．Krismer，J．W．Kolar，Contactless
Energy Transmission for an Isolated 100W Gate Driver Supply of a Medium Voltage Converter，Proceedings of the 35th Annual Conference of the IEEE Industrial Electronics Society(IECON 2009)，Porto，Portugal，November3-5，2009，pp．307-312       
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
近年、安全に対する社会の要求が高まっており、電力変換装置においても、例えば、ＩＥＣ−61800−5−１のような安全規格に準拠する必要がある。
ＩＥＣ−61800−5−１においては、ディサイシブ電圧クラスＤの回路において、露出導電性部品の保護ボンディング（アースへの接続）、または二重絶縁若しくは強化絶縁が必要とされている。
【００１０】
ディサイシブ電圧クラスは回路中の使用電圧によって決定され、入出力電圧が１ｋＶ以上のインバータの主回路部はディサイシブ電圧クラスＤに該当する。
そのため、電力変換装置の使用者が触れる可能性がある、例えば操作部などの露出導電性部品とディサイシブ電圧クラスＤの回路間は、保護ボンディング、または二重絶縁若しくは強化絶縁の必要がある。操作部回路は、電気信号により指令値等を入力するため、保護ボンディングは不可能である。
【００１１】
上記の図５，図６で示すような３相インバータの構成では、電力変換装置の使用者が触れる可能性がある操作部１０とインバータの主回路部であるＩＧＢＴ
６０との絶縁境界は絶縁境界１００の１箇所のみである。この絶縁境界１００を強化すればＩＥＣ−61800−5−１に準拠可能であるが、しかし、強化絶縁においては沿面距離や空間距離を大きくとる必要があり、装置が大型化するという問題がある。
【００１２】
本発明が目的とするところは、ＩＥＣ−61800−5−１を準拠する入出力電圧が１ｋＶ以上のインバータにおいて二重絶縁構造で、且つ小型な絶縁構造を有する電力変換装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本発明は、半導体スイッチングデバイスにより構成されたインバータの制御装置であって制御回路部によってゲート信号を生成し、生成されたゲート信号は光伝送手段を介してゲート駆動回路部に入力し、ゲート駆動回路部により半導体スイッチングデバイスを制御するものにおいて、
前記制御回路部とゲート駆動回路部との間に、光伝送手段と信号処理部及び電源生成部を有する中継部を設け、前記制御回路部で生成されたゲート信号は光伝送手段を介して中継部の信号処理部に入力し、信号処理部からの出力は光伝送手段を介して前記ゲート駆動回路部に出力すると共に、
前記中継部の電源生成部に対して制御装置用交流電源から変圧器を介して交流電力を供給し、且つ中継部の電源生成部から前記ゲート駆動回路部に対して前記変圧器とは異なる変圧器を介して交流電力を供給するよう構成したことを特徴としたものである。
【００１４】
また、本発明は、前記中継部に送電コイルを設け、前記ゲート駆動回路部に受電コイルを設け、前記中継部の電源生成部で生成された高周波交流電力を送電コイルを介してゲート駆動回路部の受電コイルに送電するよう構成したことを特徴としたものである。
【００１５】
さらに本発明は、前記中継部、ゲート駆動回路部及び半導体スイッチングデバイスを導電性材料で構成された収納ケースに収納し、収納ケースを前記インバータ主回路電圧の中間電位点に接続したことを特徴としたものである。
【発明の効果】
【００１６】
以上のとおり、本発明によれば、強化絶縁を施すことなく、装置の小型化、低コスト化を図りながら、ＩＥＣ−61800−5−１に定める安全規格に準拠することができるものである。また、中継部、ゲート駆動回路部及び半導体スイッチングデバイスを導電性材料で構成された収納ケースに収納して主回路電圧の中間電位点に接続したことで、制御装置のノイズ対策が軽減でき、且つ許容空間距離の短縮が図れることで装置全体の小型化が可能となるものである。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本発明の実施形態を示すインバータ制御装置の構成図。
【図２】本発明の他の実施形態を示すインバータ制御装置の構成図。
【図３】本発明の他の実施形態を示すインバータ制御装置の構成図。
【図４】３相インバータの主回路構成図。
【図５】３相インバータの主回路構成図。
【図６】従来のインバータ制御装置の構成図。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
本発明は、インバータの制御装置を構成する制御回路部とゲート駆動回路部との間に、光伝送手段と信号処理部及び電源生成部を有する中継部を設ける。制御回路部で生成されたゲート信号は光伝送手段を介して中継部の信号処理部に入力し、信号処理部からの出力は光伝送手段を介してゲート駆動回路部に出力する。また、中継部の電源生成部に対して制御装置用低圧交流電源から高耐圧変圧器を介して交流電力を供給し、且つ中継部の電源生成部からゲート駆動回路部に対して高耐圧変圧器を介して交流電力を供給するよう構成したもので、以下図に基づいて詳述する。
【実施例１】
【００１９】
図１は、本発明の第１の実施例を示す制御装置における構成図を示したもので、図６と同一もしくは相当する分部に同一符号を付している。また、インバータ構成は図５で示す３相インバータとしている。３相インバータは、ＩＧＢＴ Ｓ１〜Ｓ６のＯＮ／ＯＦＦ用のゲート信号を制御回路３０内のゲート信号生成部３１において決定し制御することにより、オペレータが操作部１０で設定した電圧指令値や周波数指令値等に従った交流電圧出力を得ることができる。
【００２０】
操作部１０で設定した電圧指令値や周波数指令値等は制御回路３０内のゲート信号生成部３１に入力される。ゲート信号生成部３１によって生成されたＳ１〜Ｓ６のＯＮ／ＯＦＦ用のゲート信号は、光伝送手段である光送信器３３によって電気信号から光信号に変換され、中継部４０に入力される。なお、ゲート信号生成部３１を駆動するための電源は、制御装置用交流電源２０より電源生成部３２を通して供給される。
【００２１】
制御回路３０から光ファイバ９１を介して伝送されたゲート信号は、中継部４０内の光受信器４１に入力されて光信号から電気信号に再変換され、信号処理部４２に入力される。信号処理部４２は、中継部４０内で異常が発生した場合等にゲート信号をＯＦＦにする等の処理を行う機能を有している。信号処理部４２から出力されたゲート信号は、光送信器４４により電気信号から光信号に再変換され、ゲート駆動回路部５０に入力される。また、制御装置用交流電源２０より高耐圧の変圧器７０により絶縁された電力が中継部４０内の電源生成部４３に入力され、信号処理部４２に供給される。また、変圧器７０から供給された電力の一部は高耐圧の変圧器７１に入力される。ここでの高耐圧の変圧器７０及び７１は、変圧器の１次回路と２次回路間に発生する電位差に耐えることができる絶縁耐量を持つ変圧器が用いられる。
【００２２】
中継部４０から光ファイバ９２を介して伝達されたゲート信号は、ゲート駆動回路部５０内の光受信器５４に入力されて光信号から電気信号に再変換され、ゲートドライバ５３に入力される。ゲートドライバ５３は、ＩＧＢＴ ６０のゲートエミッタ間電圧を制御する。ゲートドライバ５３の動作に必要な電力は変圧器７１から整流部５６を通して供給される。
【００２３】
図１では３相インバータを構成する６個のＩＧＢＴのうち、１個のＩＧＢＴに対する制御構成のみ記載しているが、他のＩＧＢＴについても同様にそれぞれ制御回路３０、中継部４０及びゲート駆動回路部５０を接続することにより図５で示すＩＧＢＴ Ｓ１〜Ｓ６を全て制御することが可能となる。また、光伝送手段としての光ファイバ９１、９２に変えて、図６で示すようなフォトカプラを用いてもよいことは勿論である。
【００２４】
図１で示す電力変換装置においては、絶縁境界１１０と絶縁境界１２０の２箇所で絶縁を図っている。つまり制御回路３０と中継部４０間においてゲート信号は光ファイバ９１により、また、制御電源は変圧器７０によって絶縁し、中継部４０とゲート駆動回路部５０間においてゲート信号は光ファイバ９２により、また、制御電源は変圧器７１によってそれぞれ絶縁している。
【００２５】
ＩＥＣ−61800−5−１においては、ディサイシブ電圧クラスＤの回路において、露出導電性部品の保護ボンディング（アースへの接続）、またはディサイシブ電圧クラスＤの他回路から二重絶縁若しくは強化絶縁が必要とされている。ディサイシブ電圧クラスは回路中の使用電圧によって決定され、入出力電圧が１ｋＶのインバータ主回路部はディサイシブ電圧クラスＤに該当する。そのため、図１の絶縁構成によれば、入出力電圧が１ｋＶのインバータにおいてもディサイシブ電圧クラスＤに該当するＩＧＢＴ ６０等の主回路部と、操作部１０は二重絶縁の絶縁構成となり、ＩＥＣ−61800−5−１に準拠できる。
【００２６】
この実施例によれば、沿面距離や空間距離を短くしやすいため、各制御部品に対する強化絶縁を施すことなく装置の絶縁構成の小型化が図れるものである。
【実施例２】
【００２７】
図２は第２の実施例を示したもので、図１との相違点は、中継部４０とゲート駆動回路部５０間における制御電源の授受を変圧器７１に換えて送電コイル４６と受電コイル５５によって行うことである。
【００２８】
すなわち、中継部４０内において、変圧器７０により絶縁された電力は電源生成部４５に入力され、信号処理部４２に供給する。同時に、電源生成部４５では高周波交流電力を生成し、生成された高周波交流電力は送電コイル４６に入力され、この送電コイル４６を介してゲート駆動回路部５０内の受電コイル５５へ非接触で電力が送電される。
【００２９】
受信コイル５５で受信した交流電力は整流部５６により直流に変換されてゲートドライバ５３の制御電源になる。なお、送電コイル４６と受電コイル５５間の非接触給電については、例えば非特許文献に開示されている技術によって実現される。その他の動作は図１と同様である。
【００３０】
一般に、高耐圧の変圧器は低耐圧の変圧器に比べ体積・重量ともに大きく、また価格も高価である。したがって、この実施例によれば、図１の実施例よりも更に小型化、及び低コスト化の実現が可能な絶縁構造が得られるものである。
【実施例３】
【００３１】
図３は第３の実施例を示す概略図である。図２で示すように、中継部４０で高周波交流電力を生成し、非接触でゲート駆動回路部５０へ非接触で電力を伝送する場合、一部が電磁界ノイズとして周囲に漏洩する。また、ＩＧＢＴ ６０においても大電力のスイッチング動作によってノイズが発生する。制御回路部３０にこれらのノイズが混入すると回路に誤動作が起こり、電力変換装置自体が誤動作する虞が生じる。
【００３２】
図３で示す実施例は、発生したノイズが制御回路部３０に混入するのを防止するものである。そのために、中継部４０、ゲート駆動回路部５０及びＩＧＢＴ ６０を導電性材料で構成された収納ケース２００に収納し、送電コイル４６などで発生する電磁界ノイズが収納ケース２００から漏洩することを防止している。また、この収納ケース２００を、図４で示したインバータ主回路電圧の中間電位端子Ｍに接続することで、さらなる装置の絶縁構造の小型化を図っている。
【００３３】
すなわち、中継部４０、ゲート駆動回路部５０及びＩＧＢＴ ６０を収納ケース２００に収納することで、制御回路部３０が電磁界ノイズに晒されることが防げるため、制御回路部３０に対するノイズ対策が不要になる。また、収納ケース２００を、インバータ主回路の端子Ｐ，Ｎ間の中間電位点である端子Ｍに接続することで、収納ケース２００とインバータ主回路間の空間距離を短縮することができて装置の絶縁構造の小型化が実現できる。なお、図４におけるＣ１，Ｃ２はコンデンサである。
【００３４】
仮に、収納ケース２００をアースに接地し、Ｎ端子の電位がアース電位であった場合には、収納ケース２００を配置するときのＰ端子間との空間距離は、主回路Ｐ，Ｎ間電圧に対する許容空間距離を確保する必要がある。この点、実施例３のように収納ケース２００を中間電位端子Ｍに接続することで、収納ケース２００の配置距離は、端子Ｐ，Ｎ間の半分の電圧に対する許容空間距離さえ確保されればよく、これによって装置の大型化の回避が可能になるものである。
【００３５】
また、この実施例では、収納ケース２００に収納する各機能部分を最小限とすることにより装置の小型化が実現できるものである。つまり、空間距離の確保が必要な中継部４０、ゲート駆動回路部５０及びＩＧＢＴ ６０のみを収納ケース２００に収納し、空間距離の確保が必要ない低圧のみを扱う操作部１０、制御回路部３０及び変圧器７０を収納ケース２００の外に配置する。これにより制御回路部３０、変圧器７０等の配置の自由度が増し、装置全体の小型化が可能となるものである。
【００３６】
なお、図１で示す装置においても、中継部４０、ゲート駆動回路部５０及びＩＧＢＴ ６０のみを収納ケース２００に収納することで、第３の実施例と同様の効果が得られるものである。
【符号の説明】
【００３７】
Ｓ１〜Ｓ６…半導体スイッチングデバイス（ＩＧＢＴ）
Ｃ１，Ｃ２…コンデンサ
Ｐ…直流入力正極端子
Ｎ…直流入力負極端子
Ｍ…ＰＮ中間電位端子
１０…  操作部
２０…  制御装置用交流電源
３０…  制御回路部
４０…  中継部
５０…  ゲート駆動回路部
６０…  半導体スイッチングデバイス（ＩＧＢＴ）
２００…  収納ケース
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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