(57)【要約】【課題】スイッチング素子に逆電圧が印加されることを抑制できる電力変換装置を提供する。【解決手段】逆阻止型スイッチング部３１は交流線Ｐｒと直流線ＬＨとの間で互いに直列に接続されるダイオードＤｒ１及びスイッチング素子Ｓｒ１を有し、ダイオードＤｒ１はそのカソードを直流線ＬＨ側に向けて設けられる。逆阻止型スイッチング素子３４は交流線Ｐｒと直流線ＬＬとの間で互いに直列に接続されるダイオードＤｒ２及びスイッチング素子Ｓｒ２を有し、ダイオードＤｒ２はそのアノードを直流線ＬＬ側に向けて設けられる。第３ダイオードはアノードを直流線ＬＨ側に向けて、スイッチング素子Ｓｒ１，Ｓｒ２，Ｓｓ１，Ｓｓ２，Ｓｔ１，Ｓｔ２の少なくとも何れか一つに並列に接続される。【選択図】図１
2013138560.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
交流線(Pr,Ps,Pt)と
第１及び第２の直流線(LH,LL)と、
前記交流線と前記第１の直流線との間で互いに直列に接続される第１ダイオード(Dr1,Ds1,Dt1)及び第１のスイッチング素子(Sr1,Ss1,St1)を有し、前記第１ダイオードはそのカソードを前記第１の直流線側に向けて設けられる、第１逆阻止型スイッチング部(31〜33)と、
前記交流線と前記第２の直流線との間で互いに直列に接続される第２ダイオード(Dr2,Ds2,Dt2)及び第２のスイッチング素子(Sr2,Ss2,St2)を有し、前記第２ダイオードはそのアノードを前記第２の直流線側に向けて設けられる、第２逆阻止型スイッチング部(34〜36)と、
アノードを前記第１の直流線側に向けて、前記第１及び前記第２のスイッチング素子の少なくとも何れか一方に並列に接続される第３ダイオード(Dr3,Ds3,Dt3,Dr4,Ds4,Dt4)と
を備える、電力変換装置。
【請求項２】
前記第３ダイオードは２つのダイオード(Dr3,Ds3,Dt3,Dr4,Ds4,Dt4)であって、それぞれ前記第１及び前記第２のスイッチング素子(Sr1,Ss1,St1,Sr2,Ss2,St2)に並列に接続される、請求項１に記載の電力変換装置。
【請求項３】
前記第３ダイオード(Dr3,Ds3,Dt3,Dr4,Ds4,Dt4)の電流容量は前記第１及び前記第２のダイオード(Dr1,Ds1,Dt1,Dr2,Ds2,Dt2)の電流容量よりも小さい、請求項１又は２に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、電力変換装置に関し、特に逆阻止型スイッチング部を有する電力変換装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
特許文献１には三相の電流形コンバータについて記載されている。この電流形コンバータは入力線に印加される三相交流電圧を直流電圧に変換し、これを一対の直流線の間に印加する。より詳細には、電流形コンバータは各相につき一対の逆阻止型スイッチング部を有している。各相において、一対の逆阻止型スイッチング部は一対の直流線の間で互いに直列に接続され、その接続点が入力線に接続される。また各相の一対の逆阻止型スイッチング部は、直流母線間で他の相の一対の逆阻止型スイッチング部と並列に接続される。
【０００３】
これらの逆阻止型スイッチング部はダイオードとスイッチング素子とを備えている。ダイオードとスイッチング素子とは互いに直列に接続されている。これらのダイオードはいずれも、そのアノードを高電位側の直流線に向けて設けられている。これにより、ダイオードが逆阻止スイッチング部としての逆阻止機能を実現する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１１−１５６０４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
特許文献１の技術では、逆阻止型スイッチング部に、逆方向（即ちダイオードの順方向と反対方向の）の電圧が印加された場合であっても、ダイオードによって当該逆電圧が支持されるため、スイッチング素子に印加される逆電圧は小さい。
【０００６】
しかしながら、本願出願人は、例えば落雷等に起因して、次のような現象が生じる場合があることを発見した。即ち、当該逆阻止型スイッチング部に印加される逆電圧としては大きくないものの、スイッチング素子単体に大きな逆電圧が印加される場合がある。このような現象の詳細は後に述べるものの、この逆電圧は逆阻止用のダイオードによって低減されない。
【０００７】
そこで、本発明の目的は、スイッチング素子に逆電圧が印加されることを抑制できる電力変換装置を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明にかかる電力変換装置の第１の態様は、交流線(Pr,Ps,Pt)と第１及び第２の直流線(LH,LL)と、前記交流線と前記第１の直流線との間で互いに直列に接続される第１ダイオード(Dr1,Ds1,Dt1)及び第１のスイッチング素子(Sr1,Ss1,St1)を有し、前記第１ダイオードはそのカソードを前記第１の直流線側に向けて設けられる、第１逆阻止型スイッチング部(31〜33)と、前記交流線と前記第２の直流線との間で互いに直列に接続される第２ダイオード(Dr2,Ds2,Dt2)及び第２のスイッチング素子(Sr2,Ss2,St2)を有し、前記第２ダイオードはそのアノードを前記第２の直流線側に向けて設けられる、第２逆阻止型スイッチング部(34〜36)と、アノードを前記第１の直流線側に向けて、前記第１及び前記第２のスイッチング素子の少なくとも何れか一方に並列に接続される第３ダイオード(Dr3,Ds3,Dt3,Dr4,Ds4,Dt4)とを備える。
【０００９】
本発明にかかる電力変換装置の第２の態様は、第１の態様にかかる電力変換装置であって、前記第３ダイオードは２つのダイオード(Dr3,Ds3,Dt3,Dr4,Ds4,Dt4)であって、それぞれ前記第１及び前記第２のスイッチング素子(Sr1,Ss1,St1,Sr2,Ss2,St2)に並列に接続される。
【００１０】
本発明にかかる電力変換装置の第３の態様は、第１又は第２の態様にかかる電力変換装置であって、前記第３ダイオード(Dr3,Ds3,Dt3,Dr4,Ds4,Dt4)の電流容量は前記第１及び前記第２のダイオード(Dr1,Ds1,Dt1,Dr2,Ds2,Dt2)の電流容量よりも小さい。
【発明の効果】
【００１１】
本発明にかかる電力変換装置(3)の第１の態様によれば、第１逆阻止スイッチング部および第２逆阻止スイッチング部に逆電圧が印加されたとしても、第１ダイオードおよび第２ダイオードがその逆電圧の大部分を支持するので、第１及び第２のスイッチング素子に生じる逆電圧は抑制される。しかも、請求項１によれば、たとえ、逆阻止スイッチング部としては逆電圧が印加されずに、第３ダイオードと並列に接続されるスイッチング素子単体のみに逆電圧が印加された場合であっても、第３ダイオードによって当該逆電圧を抑制することができる。なお、このような場合の一例として、例えば落雷等に起因して、スイッチング素子の動作電源を経由して、当該スイッチング素子の第１の直流線側の一端の電位が増大することが挙げられる。
【００１２】
本発明にかかる電力変換装置の第２の態様によれば、第１及び第２のスイッチング素子の両方に大きな逆電圧が印加されることを防止できる。
【００１３】
本発明にかかる電力変換装置の第３の態様によれば、電流容量の大きいダイオードを採用する場合に比べて部品・製造コストの低減できる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】電力変換装置の概念的な構成の一例を示す図である。
【図２】従来の電力変換装置の概念的な構成の一例を示す図である。
【図３】スイッチング素子に印加される電圧を示す図である。
【図４】スイッチング素子の動作電源側の概念的な構成の一例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
図１に示すように、電力変換装置（以下、コンバータと呼ぶ）３には交流線Ｐｒ，Ｐｓ，Ｐｔと直流線ＬＨ，ＬＬとが接続される。交流線Ｐｒ，Ｐｓ，Ｐｔには三相交流電源１が接続されて、三相交流電圧が印加される。なお図１では、３つの交流線と接続される三相コンバータ３が例示されるものの、これに限らない。コンバータ３は例えば単相のコンバータであってもよく、三相よりも大きい相のコンバータであってもよい。
【００１６】
コンバータ３は逆阻止型スイッチング部３１〜３６を備えている。逆阻止型スイッチング部３１〜３３の各々は交流線Ｐｒ，Ｐｓ，Ｐｔの各々と直流線ＬＨとの間に設けられる。逆阻止型スイッチング部３１はダイオードＤｒ１とスイッチング素子Ｓｒ１とを有し、逆阻止型スイッチング部３２はダイオードＤｓ１とスイッチング素子Ｓｓ１とを有し、逆阻止型スイッチング部３３はダイオードＤｔ１とスイッチング素子Ｓｔ１とを有する。
【００１７】
逆阻止型スイッチング部３１〜３３の各々において、ダイオードＤｘ１（以下、ｘはｒ，ｓ，ｔを代表する）とスイッチング素子Ｓｘ１とは入力線Ｐｘと直流線ＬＨとの間で互いに直列に接続される。図１の例示ではダイオードＤｘ１はスイッチング素子Ｓｘ１よりも直流線ＬＨ側に配置される。なお、ダイオードＤｘ１はスイッチング素子Ｓｘ１よりも入力線Ｐｘ側に配置されてもよい。特に各スイッチング素子Ｓｘの動作電源の電位を、直流線ＬＨの電位で共通するという観点では、ダイオードＤｘ１は入力線Ｐｘ側に配置されることが望ましい。ダイオードＤｘ１は、そのカソードを直流線ＬＨ側に向けて配置され、逆阻止型スイッチング部３１〜３３についての逆阻止機能を発揮する。即ち、ダイオードＤｒ１，Ｄｓ１，Ｄｔ１はそれぞれ直流線ＬＨから交流線Ｐｒ，Ｐｓ，Ｐｔへと逆阻止型スイッチング部３１〜３３を介して電流が流れることを防止する。
【００１８】
スイッチング素子Ｓｘ１は例えば絶縁ゲートバイポーラトランジスタなどであり、直流線ＬＬから直流線ＬＨへと向かう方向を順方向とするスイッチング素子である。
【００１９】
逆阻止型スイッチング部３４〜３６の各々は交流線Ｐｒ，Ｐｓ，Ｐｔの各々と直流線ＬＬとの間に設けられる。逆阻止型スイッチング部３４はダイオードＤｒ２とスイッチング素子Ｓｒ１とを有し、逆阻止型スイッチング部３５はダイオードＤｓ２とスイッチング素子Ｓｓ２とを有し、逆阻止型スイッチング部３６はダイオードＤｔ２とスイッチング素子Ｓｔ２とを有する。
【００２０】
逆阻止型スイッチング部３４〜３６の各々において、ダイオードＤｘ２とスイッチング素子Ｓｘ２とは入力線Ｐｘと直流線ＬＬとの間で互いに直列に接続される。図１の例示ではダイオードＤｘ２はスイッチング素子Ｓｘ２よりも入力線Ｐｘ側に配置されている。なお、ダイオードＤｘ２はスイッチング素子Ｓｘ２よりも直流線ＬＬ側に配置されてもよい。ダイオードＤｘ２はそのアノードを直流線ＬＬ側に向けて配置され、逆阻止型スイッチング部３４〜３６についての逆阻止機能を発揮する。即ち、ダイオードＤｒ２，Ｄｓ２，Ｄｔ２はそれぞれ交流線Ｐｒ，Ｐｓ，Ｐｔから直流線ＬＬへと逆阻止型スイッチング部３４〜３６を介して電流が流れることを防止する。
【００２１】
スイッチング素子Ｓｘ２は例えば絶縁ゲートバイポーラトランジスタなどであり、直流線ＬＬから直流線ＬＨへと向かう方向を順方向とするスイッチング素子である。
【００２２】
これらのスイッチング素子Ｓｘ１，Ｓｘ２が、交流線Ｐｘに印加される交流電圧に応じて適切に制御される。これにより、コンバータ３は交流線Ｐｒ，Ｐｓ，Ｐｔに印加される交流電圧を直流電圧に変換し、これを直流線ＬＨ，ＬＬの間に印可することができる。このような制御は公知な技術であるので詳細な説明は省略する。
【００２３】
また図１の例示では、コンバータ３はダイオードＤｒ３，Ｄｓ３，Ｄｔ３，Ｄｒ４，Ｄｓ４，Ｄｔ４を更に備えている。ダイオードＤｘ３，Ｄｘ４はそのアノードを直流線ＬＨ側に向けて設けられ、それぞれスイッチング素子Ｓｘ１，Ｓｘ２と並列に接続される。これらのダイオードＤｘ１，Ｄｘ２はコンバータ３の通常動作、即ち交流電圧から直流電圧への変換動作において、理想的にはなんら寄与しない。しかしながらダイオードＤｘ３，Ｄｘ４によって例えば落雷などによる不具合を抑制することができる。この点については後に詳述する。
【００２４】
図１の例示では、三相交流電源１とコンバータ３との間にフィルタ２が設けられる。例えばフィルタ２は交流線Ｐｒ，Ｐｓ，Ｐｔの各々に設けられるリアクトルと、交流線Ｐｒ，Ｐｓ，Ｐｔの相互間に設けられるコンデンサとを備える。コンデンサはリアクトルとコンバータ３との間に設けられ、図１の例示では、これらのコンデンサがスター結線で互いに接続されている。このフィルタ２は、交流線Ｐｒ，Ｐｓ，Ｐｔを流れる電流の、例えばコンバータ３のスイッチングによる高調波成分を抑制する。これによって、入力電流の波形を滑らかにすることができる。なお、フィルタ２は必須の要件ではない。
【００２５】
また図１の例示では、コンバータ３の後段にはインバータ４が接続されている。インバータ４は例えば三相インバータであって、直流線ＬＨ，ＬＬの間の直流電圧を交流電圧に変換して、これを負荷５へと印加する。インバータ４は直流線ＬＨ，ＬＬの間で互いに直列に接続される一対のスイッチング部を三相分、備えている。この一対のスイッチング部の間の接続点が負荷５に接続される。各スイッチング部は、互いに並列に接続されるダイオードおよびスイッチング素子を有している。当該ダイオードはそのアノードを直流線ＬＨ側に向けて設けられる。そして、これらのスイッチング素子が適宜に制御されることで、インバータ４は直流電圧を所望の交流電圧に変換することができる。かかる制御は公知な技術であるので詳細な説明は省略する。
【００２６】
負荷５は例えばモータであって、インバータ４から印加される交流電圧に応じて駆動される。
【００２７】
なお、コンバータ３が直流電圧を供給する装置はインバータに限らず、任意の装置であってよい。
【００２８】
以下、本コンバータ３の効果を従来のコンバータとの比較に基づいて説明する。従来のコンバータ３０は図２に示すようにダイオードＤｘ３，Ｄｘ４を備えていない。このコンバータ３０においても、逆阻止型スイッチング部３１〜３６はそれぞれダイオードＤｒ１，Ｄｓ１，Ｄｔ１，Ｄｒ２，Ｄｓ２，Ｄｔ２を有している。したがって、逆阻止型スイッチング部３１〜３６に対して直流線ＬＨ側を高電位とする逆電圧が印加されたとしても、その大部分はダイオードＤｒ１，Ｄｓ１，Ｄｔ１，Ｄｒ２，Ｄｓ２，Ｄｔ２によって支持される。したがって、スイッチング素子Ｓｒ１，Ｓｓ１，Ｓｔ１，Ｓｒ２，Ｓｓ２，Ｓｔ２に印加される逆電圧を抑制することができる。
【００２９】
しかしながら、例えば落雷などに起因して次の現象が生じる場合がある。即ち、例えば逆阻止型スイッチング部３６の両端にはさほど大きな逆電圧が生じないものの、図３に示すように、スイッチング素子Ｓｔ２単体に大きな逆電圧が生じる場合がある。なお、図３の例示では、スイッチング素子Ｓｔ２が導通した状態で逆電圧が印加され、逆電圧が解消された後にスイッチング素子Ｓｔ２が非導通している。ただし、スイッチング素子Ｓｔ２の導通／非導通のタイミングと逆電圧のタイミングとはこれに限らず単なる例示である。
【００３０】
上述の逆電圧は例えばスイッチング素子Ｓｘ１，Ｓｘ２の動作電源の変動に依存して生じるものであることが分かった。そこでまずスイッチング素子Ｓｘ１，Ｓｘ２の動作電源について説明する。図４に例示するように、スイッチング素子Ｓｘ１，Ｓｘ２の制御端子（ゲート端子）にはそれぞれドライブ回路Ｄｒｘ１，Ｄｒｘ２が接続される。ドライブ回路Ｄｒｘ１，Ｄｒｘ２には動作電源Ｅｘ１，Ｅｘ２が接続されている。動作電源Ｅｘ１，Ｅｘ２はそれぞれ直流電源であり、動作電源Ｅｘ１の低電位側の一端がスイッチング素子Ｓｘ１の直流線ＬＨ側の一端（エミッタ端子）に接続され、動作電源Ｅｘ２の低電位側の一端がスイッチング素子Ｓｘ２の直流線ＬＨ側の一端（エミッタ端子）に接続される。ドライブ回路Ｄｒｘ１，Ｄｒｘ２はそれぞれスイッチング信号を受け取って、これをスイッチング信号Ｓｘ１，Ｓｘ２の制御端子に印加する。
【００３１】
かかるコンバータ３において、動作電源Ｅｘ１，Ｅｘ２が落雷等によって変動することに起因して上述の現象が生じ得る。例えば動作電源Ｅｘ２の低電位の増大によって、スイッチング素子Ｓｘ２の直流線ＬＨ側の一端の電位が増大し得る。この電位の増大はスイッチング素子Ｓｘ２に逆電圧を生じさせるものの、スイッチング素子Ｓｘ２およびダイオードＤｘ２の一組（即ち逆阻止型スイッチング部３６）の両端電圧を変化させるものではない。
【００３２】
このようにスイッチング素子Ｓｘ２とダイオードＤｘ２との一組の両端電圧は変わらないものの、スイッチング素子Ｓｘ２に逆電圧が生じた場合、ダイオードＤｘ２によってはこの逆電圧を低減することができない。
【００３３】
一方、本実施の形態にかかるコンバータ３によれば、スイッチング素子Ｓｘ１，Ｓｘ２にダイオードＤｘ３，Ｄｘ４が逆並列に接続されている。したがって、たとえ逆阻止型スイッチング部には逆電圧が印加されずにスイッチング素子Ｓｘ１，Ｓｘ２単体に逆電圧が印加される場合があっても、ダイオードＤｘ３，Ｄｘ４の導通によりこの逆電圧を低減することができる。このような方策は、ダイオードＤｘ１，Ｄｘ２によるスイッチング素子Ｓｘ１，Ｓｘ２の逆電圧抑制に拘泥した従来の技術からは容易には導けないものである。
【００３４】
なお、ダイオードＤｘ３，Ｄｘ４を流れる電流は回路の寄生容量等に蓄えられた電荷に基づいて生じる。そしてこのような寄生容量は三相交流電源１の容量よりも小さいので、ダイオードＤｘ３，Ｄｘ４を流れる電流はダイオードＤｘ１，Ｄｘ２に流れる電流よりも小さい。したがって、ダイオードＤｘ３又はダイオードＤｘ４の電流容量はダイオードＤｘ１，Ｄｘ２の電流容量よりも小さいことが望ましい。これにより、部品・製造コストを低減することができる。
【００３５】
一方で、ダイオードＤｘ３，Ｄｘ４の順方向電圧の定格値は、ダイオードＤｘ１，Ｄｘ２よりも大きいことが望ましい。瞬間的にダイオードＤｘ３，Ｄｘ４に印加される順方向の電圧がダイオードＤｘ１，Ｄｘ２に印加される順方向の電圧よりも高くなり得るからである。
【００３６】
また、コンバータ３は必ずしもダイオードＤｘ３，Ｄｘ４の全てを備えている必要はない。ダイオードＤｒ３，Ｄｓ３，Ｄｔ３，Ｄｒ４，Ｄｓ４，Ｄｔ４の少なくとも一つが設けられていればよい。これと並列接続されるスイッチング素子の逆電圧を防止でき、効果を招来できるからである。
【００３７】
また従来技術の思想として公知のサージ吸収回路を設けることが考えられる。例えばコンバータ３の入力側に、サージ電圧を吸収する公知のサージ吸収回路を少なくとも１段以上設けることで、コンバータ３のサージ電圧を吸収する。しかしながら、このような対策では回路規模の増大を招くし、必ずしもスイッチング素子の逆電圧を抑制することができない。
【符号の説明】
【００３８】
３  コンバータ
３１〜３６  逆阻止型スイッチング部
Ｄｒ１，Ｄｓ１，Ｄｔ１，Ｄｒ２，Ｄｓ２，Ｄｔ２，Ｄｒ３，Ｄｓ３，Ｄｔ３，Ｄｒ４，Ｄｓ４，Ｄｔ４  ダイオード
ＬＨ，ＬＬ  直流線
Ｐｒ，Ｐｓ，Ｐｔ  交流線
Ｓｒ１，Ｓｓ１，Ｓｔ１，Ｓｒ２，Ｓｓ２，Ｓｔ２  スイッチング素子
【図１】
2013138560.tif 000003
【図２】
2013138560.tif 000004
【図３】
2013138560.tif 000005
【図４】
2013138560.tif 000006