(57)【要約】【課題】フォトカプラ等の絶縁素子を有する絶縁回路を用いることなくグランドを分離して、相互干渉を回避するとともに安価に高速スイッチングを可能にする。【解決手段】第１電力変換回路４のスイッチ素子を駆動する第１駆動回路４１及び当該第１駆動回路４１を制御する第１制御回路４２と、第２電力変換回路５のスイッチ素子に駆動する第２駆動回路５１及び当該第２駆動回路５１を制御する第２制御回路５２と、各駆動回路４１、５１及び各制御回路４２、５２に電力を供給する一点接地されたスイッチング電源６と、第１駆動回路４１と第１制御回路４２との間、又は、第２駆動回路５１及び第２制御回路５２の少なくとも一方において、駆動回路のグランドと制御回路のグランドとを分離するＮＰＮトランジスタ７１及びＰＮＰトランジスタ７２を組み合わせた非絶縁のグランド分離回路７とを備える。【選択図】図２
2015076902.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
スイッチ素子を用いて構成された第１電力変換回路及び第２電力変換回路を有する電力変換装置であって、
前記第１電力変換回路のスイッチ素子を駆動する第１駆動回路及び当該第１駆動回路を制御する第１制御回路と、
前記第２電力変換回路のスイッチ素子に駆動する第２駆動回路及び当該第２駆動回路を制御する第２制御回路と、
前記各駆動回路及び各制御回路に電力を供給する一点接地された制御電源と、
前記第１駆動回路と前記第１制御回路との間、又は、前記第２駆動回路及び前記第２制御回路の少なくとも一方において、駆動回路のグランドと制御回路のグランドとを分離するＮＰＮトランジスタ及びＰＮＰトランジスタを組み合わせた非絶縁のグランド分離回路とを備える電力変換装置。
【請求項２】
前記グランド分離回路が設けられた駆動回路と前記制御電源と間に、前記制御電源の一点接地を基準とした電圧を前記駆動回路に印加するレギュレータが設けられている請求項１記載の電力変換装置。
【請求項３】
前記制御電源が、スイッチング電源である請求項１又は２記載の電力変換装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電力変換装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来の電力変換装置として、複数のスイッチ素子を有する第１電力変換回路及び第２電力変換回路を有するものがある。各電力変換回路は、スイッチ素子を駆動する駆動回路及び当該駆動回路を制御する制御回路を有しており、これら各駆動回路及び各制御回路は、相互干渉を回避するために、スイッチング電源回路で電力変換回路毎にグランドを分離（絶縁）している。
【０００３】
また、図５に示すように、電力変換回路毎にグランド分離していない単一のスイッチング電源を用いる場合には、制御回路のグランドに大電流が流れてしまい、パターンの焼損や誤作動に原因となってしまう。
【０００４】
この問題を回避するために、図６に示すように、第１電力変換回路の制御回路のグランドと、第２電力変換回路の駆動回路の一点接地のグランドとを共通にすることが考えられるが、大電流と配線インピーダンスに起因する電圧ノイズが第２電力変換回路の駆動回路に印加がされるため、誤作動や故障の原因となってしまう。
【０００５】
上記の問題を解決するために、フォトカプラ等の絶縁素子を用いたグランド分離回路（例えば特許文献１）や、各電力変換回路に対してグランド分離をしたスイッチング電源を用いることで、一点接地を確保しつつ相互干渉の回避を行っている。
【０００６】
しかしながら、フォトカプラ等の絶縁素子を用いたグランド分離回路を用いた場合には、応答遅延時間により半導体スイッチの高速スイッチングが難しい。なお、応答遅延時間の短い高速なフォトカプラを用いることも考えられるが、高速なフォトカプラは高価であり、電力変換装置のコスト増大に繋がってしまい得策ではない。また、各電力変換回路に絶縁型のスイッチング電源を用いることも、電力変換装置のコスト増大に繋がってしまう。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００２−３０５８８２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
そこで本発明は、フォトカプラ等の絶縁素子を有する絶縁回路を用いることなくグランドを分離して、相互干渉を回避するとともに安価に高速スイッチングを可能にすることを主たる所期課題とするものである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
すなわち本発明に係る電力変換装置は、スイッチ素子を用いて構成された第１電力変換回路及び第２電力変換回路を有する電力変換装置であって、前記第１電力変換回路のスイッチ素子を駆動する第１駆動回路及び当該第１駆動回路を制御する第１制御回路と、前記第２電力変換回路のスイッチ素子に駆動する第２駆動回路及び当該第２駆動回路を制御する第２制御回路と、前記各駆動回路及び各制御回路に電力を供給する一点接地された単一の制御電源と、前記第１駆動回路と前記第１制御回路との間、又は、前記第２駆動回路及び前記第２制御回路の少なくとも一方において、駆動回路のグランドと制御回路のグランドとを分離するＮＰＮトランジスタ及びＰＮＰトランジスタを組み合わせた非絶縁のグランド分離回路とを備えることを特徴とする。
【００１０】
このようなものであれば、駆動回路のグランドと制御回路のグラントとを、ＮＰＮトランジスタ及びＰＮＰトランジスタを組み合わせた非絶縁のグランド分離回路により分離しているので、非絶縁にて相互干渉を回避することができる。したがって、グランドを分離するためにフォトカプラ等の絶縁素子を用いた絶縁回路が不要となる。また、ＮＰＮトランジスタ及びＰＮＰトランジスタを用いて非絶縁グランド分離回路を構成しているので、安価で高速なスイッチングが可能となる。さらに、一点接地された単一の制御電源を用いて各駆動回路及び各制御回路に電力を供給しているので、電源コストを削減するとともに小型化することができる。その上、各制御回路のグランドを共通にすることができ、各制御回路間におけるアナログ信号やデジタル信号のレベルシフト回路を不要にすることができる。
【００１１】
前記グランド分離回路が設けられた駆動回路と前記制御電源と間に、前記制御電源の一点接地を基準とした電圧を前記駆動回路に印加するレギュレータが設けられていることが望ましい。
これならば、グランド分離回路が設けられた駆動回路に供給される電圧を安定させることができる。
【発明の効果】
【００１２】
このように構成した本発明によれば、ＮＰＮトランジスタ及びＰＮＰトランジスタを組み合わせた非絶縁のグランド分離回路を有するので、フォトカプラ等の絶縁素子を有する絶縁回路を用いることなくグランドを分離して、相互干渉を回避するとともに安価に高速スイッチングを可能にすることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本実施形態における電力変換装置の回路構成を示す図。
【図２】同実施形態におけるグランド分離回路の回路構成を示す図。
【図３】同実施形態におけるシミュレーション結果を示す図。
【図４】同実施形態におけるシミュレーションの各素子の具体的数値（定数）を示す図。
【図５】従来の電力変換装置の回路構成を示す図。
【図６】従来の電力変換装置の回路構成を示す図。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下に本発明の一実施形態について図面を参照して説明する。
【００１５】
本実施形態に係る電力変換装置１００は、図１に示すように、三相交流電源２からの三相交流電力を単相直流電力に変換するＡＣ／ＤＣコンバータ３により変換された単相直流電力を異なる単相直流電力に変換する第１電力変換回路４と、当該第１電力変換回路４により変換された単相直流電力を三相交流電力に変換する第２電力変換回路５とを備えている。この第２電力変換回路５により変換された三相交流電力は、例えばモータＭに供給される。
【００１６】
本実施形態の第１電力変換回路４は、半導体スイッチ素子を用いて構成されたＤＣ／ＤＣコンバータであり、第２電力変換回路５は、半導体スイッチ素子を用いて構成されたインバータである。そして、本実施形態の電力変換装置１００は、第１電力変換回路４のスイッチ素子に駆動信号を入力して駆動する第１駆動回路４１と、当該第１駆動回路４１に制御信号を入力して制御する第１制御回路４２と、第２電力変換回路５のスイッチ素子に駆動信号を入力して駆動する第２駆動回路５１と、当該第２駆動回路５１に制御信号を入力して制御する第２制御回路５２とを有する。
【００１７】
また、電力変換装置１００は、各駆動回路４１、５１及び各制御回路４２、５２に電力を供給する制御電源６を有している。この制御電源６は、スイッチング電源（ＳＭＰＳ）であり、制御電源６のグランドは、第２電力変換回路５のグランド、第２駆動回路５１のグランド、各制御回路４２、５２のグランドとともに一点接地（一点アース）されている。
【００１８】
そして、本実施形態の電力変換装置１００において、第１駆動回路４１と第１制御回路４２との間に、第１駆動回路４１のグランドと第１制御回路４２のグランドとを分離するＮＰＮトランジスタ７１及びＰＮＰトランジスタ７２を組み合わせた非絶縁のグランド分離回路７とが設けられている。なお、図１においては、第１駆動回路４１のブロック図内にグランド分離回路７が含まれている。
【００１９】
このグランド分離回路７の具体的構成は、図２に示す通りであり、ＮＰＮトランジスタ７１のベース端子には、第１制御回路４２からの制御信号（制御用電圧）を入力するための入力ラインが接続される。ＮＰＮトランジスタ７１のコレクタ端子には、ＰＮＰトランジスタ７２のベース端子が接続されるとともに、抵抗を介して制御電源６の電源ラインが接続される。ＮＰＮトランジスタ７１のエミッタ端子は、抵抗を介して接地されている。一方で、ＰＮＰトランジスタ７２のエミッタ端子には、抵抗を介して制御電源６の電源ラインが接続される。ＰＮＰトランジスタ７２のコレクタ端子は、抵抗を介して接地されている。このように構成することで、ＮＰＮトランジスタのグランドと、ＰＮＰトランジスタのグランドとを分離することにより、第１駆動回路４１のグランドと第１制御回路４２のグランドとが、絶縁素子を用いて絶縁すること無く分離される。
【００２０】
次にこのように構成した電力変換装置１００におけるグランド分離回路７の効果について図３を参照して説明する。
図３は、第１制御回路４２のグランドに相互干渉によるノイズを重畳させて、グランド分離回路７の有無により、第１駆動回路４１に入力される制御信号の波形を示したものである。なお、図３のグラフ（Ａ）は、第１制御回路４２により生成される基本制御信号の波形であり、グラフ（Ｂ）は、相互干渉によるノイズが重畳した制御信号の波形であり、グラフ（Ｃ）は、グランド分離回路７を有する場合に第１駆動回路４１に入力される制御信号の波形であり、グラフ（Ｄ）は、グランド分離回路７を有さない場合に第１駆動回路４１に入力される制御信号の波形である。
この図３から分かるように、グランド分離回路７を有する場合には、第１制御回路４２のグランドに相互干渉によるノイズが重畳しても、第１駆動回路４１に正常に制御信号を伝達できている。
【００２１】
次に、グランド分離回路７の具体的な駆動限界（駆動条件）について説明する。ここで、グランド分離回路７の各素子の具体的数値（定数）は、図４に示すとおりである。
このとき、グランド分離回路７の駆動限界（駆動条件）は、ＰＮＰトランジスタ７２のエミッタ端子側に設けられた抵抗Ｒｘを流れる電流Ｉｘが駆動に十分な電流を流せることが条件である。つまり、ベース電流を確保するために、グランド分離回路７により分離されたグランドレベルの差（第１制御回路４２のグランドレベルから第１駆動回路４１のグランドレベルを差し引いた電圧）を、１５Ｖ−２．６４Ｖ＝１２．３６Ｖ以下、とする必要がある。本実施形態では、制御電源（ＳＭＰＳ）６のグランドを電力変換装置１００の一番端（第２電力変換回路（インバータ）５側）に設けることで、前記グランドレベルの差が大きくなる方向にシフトするため、駆動限界による誤作動は起こらない。
【００２２】
このように構成した電力変換装置１００によれば、第１駆動回路４１のグランドと第１制御回路４２のグラントとを、ＮＰＮトランジスタ７１及びＰＮＰトランジスタ７２を組み合わせた非絶縁のグランド分離回路７により分離しているので、安価なトランジスタを用いて非絶縁にて相互干渉を回避することができる。したがって、グランドを分離するためにフォトカプラ等の絶縁素子を用いた絶縁回路が不要となる。また、ＮＰＮトランジスタ７１及びＰＮＰトランジスタ７２を用いてグランド分離回路７を構成しているので、安価で高速なスイッチングが可能となる。さらに、一点接地された単一のスイッチング電源６を用いて各駆動回路４１、５１及び各制御回路４２、５２の電力を供給しているので、電源コストを削減するとともに小型化することができる。その上、各制御回路４２、５２のグランドを共通にすることができ、各制御回路４２、５２間におけるアナログ信号やデジタル信号のレベルシフト回路を不要にすることができる。
【００２３】
なお、本発明は前記実施形態に限られるものではない。
例えば、図４に示すように、グランド分離回路７が設けられた第１駆動回路４１と制御電源６と間に、制御電源６の一点接地を基準とした電圧を第１駆動回路４１に印加するレギュレータを設けても良い。このようにレギュレータを設けることによって、グランド分離回路７が設けられた第１駆動回路４１に供給される電圧を安定させることができる。これにより、第１電力変換回路４の誤動作を確実に抑制することができる。
【００２４】
また、前記実施形態では、グランド分離回路７を第１電力変換回路４に設けているが、一点接地を第１電力変換回路に設け、第２電力変換回路５にグランド分離回路７を設けても良い。
【００２５】
さらに、前記実施形態では、第１電力変換回路４及び第２電力変換回路５の２つの電力変換回路を有するものであった３つ以上の電力変換回路を有するものであっても良い。この場合、一点接地を設けていない電力変換回路の駆動回路にグランド分離回路７を設ける必要がある。
【００２６】
その他、本発明は前記実施形態に限られず、その趣旨を逸脱しない範囲で種々の変形が可能であるのは言うまでもない。
【符号の説明】
【００２７】
１００・・・電力変換装置
４    ・・・第１電力変換回路
５    ・・・第２電力変換回路
４１  ・・・第１駆動回路
４２  ・・・第１制御回路
５１  ・・・第２駆動回路
５２  ・・・第２制御回路
６    ・・・制御電源
７    ・・・グランド分離回路
７１  ・・・ＮＰＮトランジスタ
７２  ・・・ＰＮＰトランジスタ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
2015076902.tif 000006
【図５】
2015076902.tif 000007
【図６】
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