(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
３相交流電源の交流電力を各相毎に入力する３個の入力端子と、
任意の周波数の１相交流を出力する１個の出力端子と、
２つの片方向スイッチを逆向きに組み合せることによって形成された双方向スイッチが前記各入力端子と前記出力端子との各間に１つずつ挿入されている双方向スイッチ群と、
前記片方向スイッチを駆動する駆動回路を前記各片方向スイッチ毎に備えた駆動回路群と、
前記各駆動回路に電力を供給する絶縁電源を複数備える絶縁電源群と、
を有する、１つの装置として構成されたことを特徴とする３相入力／１相出力の電力変換装置。
【請求項２】
前記各双方向スイッチは互いに逆方向に接続された２個のＩＧＢＴに基づいて構成され、
前記片方向スイッチを駆動する駆動回路は前記ＩＧＢＴを駆動するものであり、
前記各入力端子から前記出力端子へと繋ぐ各片方向スイッチを構成する３個のＩＧＢＴのエミッタ同士を前記出力端子に共通接続する構成にして該ＩＧＢＴの各駆動回路に電力を供給する絶縁電源を共有化した
ことを特徴とする請求項１に記載の３相入力／１相出力の電力変換装置。
【請求項３】
前記各双方向スイッチは互いに逆方向に接続された２個のＩＧＢＴに基づいて構成され、
前記片方向スイッチを駆動する駆動回路は前記ＩＧＢＴを駆動するものであり、
前記各ＩＧＢＴのうち各双方向スイッチを構成する各２個のＩＧＢＴのエミッタ同士を共通接続する構成にして該ＩＧＢＴの各駆動回路に電力を供給する絶縁電源を共有化した
ことを特徴とする請求項１に記載の３相入力／１相出力の電力変換装置。
【請求項４】
３相入力／３相出力ＰＷＭサイクロコンバータにおいて、
請求項１に記載の３相入力／１相出力の電力変換装置を用いて１の出力相を構成し、該構成を各出力相ごとに備えたことを特徴とする３相入力／３相出力ＰＷＭサイクロコンバータ。
【請求項５】
３相出力多重形ＰＷＭサイクロコンバータにおいて、
請求項１に記載の３相入力／１相出力の電力変換装置を複数、直列に接続して１の出力相を構成し、該構成を各出力相ごとに備えたことを特徴とする３相出力多重形ＰＷＭサイクロコンバータ。
【請求項６】
３相出力多重形ＰＷＭサイクロコンバータにおいて、
請求項１に記載の３相入力／１相出力の電力変換装置を複数、並列に接続して１の出力相を構成し、該構成を各出力相ごとに備えたことを特徴とする３相出力多重形ＰＷＭサイクロコンバータ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、交流電源の交流電力を、任意の周波数の交流電力に変換する電力変換装置に関し、特にパルス幅変調（以降ＰＷＭ）サイクロコンバータ型の電力変換装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、交流電源から出力される交流電力を、任意の周波数の交流電力に変換する電力変換装置として、ＰＷＭサイクロコンバータが知られている。
【０００３】
ＰＷＭサイクロコンバータは、絶縁ゲート形バイポーラトランジスタ（以降ＩＧＢＴ）などの自己消孤形スイッチング素子とダイオードとを少なくとも１個以上用いて構成され、入力から出力またはその逆へと双方向に電流を流せる複数の双方向スイッチをＰＷＭ制御により駆動して、任意の周波数の交流電力を出力している。
【０００４】
図６は、従来の３相入力／３相出力のＰＷＭサイクロインバータの構成を示すブロック図である。３相電源１は、入力フィルタ２を介して双方向スイッチ群３に接続され、双方向スイッチ群３は、誘導電動機４に接続される。
【０００５】
双方向スイッチ群３は、９個の双方向スイッチ１１〜１９より構成されている。３相電源１の出力Ｒは、双方向スイッチ１１、１４、１７に入力され、３相電源１の出力Ｓは、双方向スイッチ１２、１５、１８に入力され、３相電源１の出力Ｔは、双方向スイッチ１３、１６、１９に入力される。
【０００６】
また、双方向スイッチ１１、１２、１３の出力が、誘導電動機４への入力Ｕとなり、双方向スイッチ１４、１５、１６の出力が、誘導電動機４への入力Ｖとなり、双方向スイッチ１７、１８、１９の出力が、誘導電動機４への入力Ｗとなる。
【０００７】
双方向スイッチ１１〜１９は、図７（ａ）もしくは図７（ｂ）に示される回路構成となっている。図７（ａ）に示される双方向スイッチは、ＩＧＢＴ３１と、ダイオード３３とから構成される片方向スイッチと、ＩＧＢＴ３２と、ダイオード３４とから構成される片方向スイッチとから構成される。ダイオード３３のカソード端子は、ＩＧＢＴ３１のコレクタ端子に接続され、ダイオード３３のアノード端子は、ＩＧＢＴ３１のエミッタ端子に接続される。ダイオード３４のカソード端子は、ＩＧＢＴ３２のコレクタ端子に接続され、ダイオード３４のアノード端子は、ＩＧＢＴ３２のエミッタ端子に接続される。そして、ＩＧＢＴ３１とＩＧＢＴ３２のエミッタ同士が接続され、双方向スイッチが形成されている。
【０００８】
図７（ｂ）に示される双方向スイッチは、ＩＧＢＴ３１と、ダイオード３３とから構成される片方向スイッチと、ＩＧＢＴ３２と、ダイオード３４とから構成される片方向スイッチとから形成される。ダイオード３３のカソード端子は、ＩＧＢＴ３１のコレクタ端子に接続され、片方向スイッチが形成され、ダイオード３４のカソード端子は、ＩＧＢＴ３２のコレクタ端子に接続され、もう一方の片方向スイッチが形成される。また、ＩＧＢＴ３２のエミッタ端子とダイオード３３のアノード端子が接続され、ＩＧＢＴ３１のエミッタ端子とダイオード３４のアノード端子が接続され、片方向スイッチ同士が逆並列に接続されることによって、双方向スイッチが形成される。
【０００９】
ＩＧＢＴ３１およびＩＧＢＴ３２には、それらへ入力されるゲート信号を駆動する駆動回路が必要となる。また、それらのドライブ回路へ電力を供給する電源が必要となる。この電源は他の電源から絶縁しなければならないため互いに絶縁されている絶縁電源を用いる。
【００１０】
図８に１つのＩＧＢＴとそのＩＧＢＴを駆動する駆動回路であるドライブ回路と絶縁電源の接続の様子を示す。ＩＧＢＴ４０のゲート端子Ｇ１は、ドライブ回路Ｄ１に接続され、ドライブ回路Ｄ１の電力は、絶縁電源ＰＳ１から供給される。絶縁電源ＰＳ１のグランド端子ＰＳＧ１は、ＩＧＢＴのエミッタ端子Ｅ１とドライブ回路のグランド端子ＤＧ１に接続されている。
【００１１】
図８のように、ＩＧＢＴ１個につき、１個のドライブ回路と１個のドライブ回路用絶縁電源が必要となる。図６の電力変換装置は、スイッチング素子が１８個存在する。このため、その素子を駆動するドライブ回路も１８個必要であり、ドライブ回路用の絶縁電源も１８個必要となる。
【００１２】
また、上述のようなＰＷＭサイクロコンバータでは、誘導電動機４に供給する電圧、電流を調整するために双方向スイッチが直列に接続されたり、並列に接続されたりして双方向スイッチが多重化されることがある。双方向スイッチが多重化されたＰＷＭサイクロコンバータでは、その接続形態に応じてドライブ回路や絶縁電源などに関する部分を再設計し直す必要がある。
【００１３】
【発明が解決しようとする課題】
従来のＰＷＭサイクロコンバータでは、以下に示す２つの問題点がある。
（１）双方向スイッチを多重化するために、回路の構成を変更する場合、その都度ドライブ回路および絶縁電源回路に関する部分を設計し直す必要があるため、回路設計や、製造に要する時間が増大する。
（２）双方向スイッチを駆動するドライブ回路用の絶縁電源が、双方向スイッチを構成する自己消孤形スイッチの個数分必要となるため、ＰＷＭサイクロコンバータ全体が大型化する。
【００１４】
よって、本発明は、双方向スイッチ群を多重化するためにＰＷＭサイクロコンバータの構成の変更を行う場合でも、ドライブ回路および絶縁電源まわりの設計を変更することなく、ＰＷＭサイクロコンバータの構成の変更を行うことが可能な電力変換装置を提供することを目的としている。
【００１５】
さらに本発明は、絶縁電源の共通化を計って、ＰＷＭサイクロコンバータを小型化することが可能な電力変換装置を提供することを目的としている。
【００１６】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明の電力変換装置は、３相交流電源の交流電力を各相毎に入力する３個の入力端子と、任意の周波数の１相交流を出力する１個の出力端子と、２つの片方向スイッチを逆向きに組み合せることによって形成された双方向スイッチが前記各入力端子と前記出力端子との各間に１つずつ挿入されている双方向スイッチ群と、前記片方向スイッチを駆動する駆動回路を前記各片方向スイッチ毎に備えた駆動回路群と、前記各駆動回路に電力を供給する絶縁電源を複数備える絶縁電源群と、を有する、１つの装置として構成されている。
【００１７】
本発明の電力変換装置では、双方向スイッチと、その双方向スイッチを駆動するのに必要な駆動回路と、絶縁電源とを備えており、３相入力／３相出力のＰＷＭサイクロコンバータを設計する場合に、本発明の電力変換装置を組み合わせて設計を行うことによって、ＰＷＭサイクロコンバータの構成の変更を行う場合においても、ドライブ回路および電源回路まわりの設計を変更する必要がないため、回路設計や製造に要する時間が短縮される。
【００１８】
また、本発明の他の電力変換装置は、前記各双方向スイッチは互いに逆方向に接続された２個のＩＧＢＴに基づいて構成され、前記片方向スイッチを駆動する駆動回路は前記ＩＧＢＴを駆動するものであり、前記各入力端子から前記出力端子へと繋ぐ各片方向スイッチを構成する３個のＩＧＢＴのエミッタどおしを前記出力端子に共通接続する構成にして該ＩＧＢＴの各駆動回路に電力を供給する絶縁電源を共有化している。
【００１９】
本発明の電力変換装置では、エミッタ端子同士が互いに接続されている各ＩＧＢＴを駆動する各駆動回路が絶縁電源を共通とすることで、絶縁電源の個数が従来必要な６個から４個に減らすことができるので、ＰＷＭサイクロコンバータの小型化が可能となる。
【００２０】
また、本発明の他の電力変換装置は、前記各双方向スイッチは互いに逆方向に接続された２個のＩＧＢＴに基づいて構成され、前記片方向スイッチを駆動する駆動回路は前記ＩＧＢＴを駆動するものであり、前記各ＩＧＢＴのうち各双方向スイッチを構成する各２個のＩＧＢＴのエミッタ同士を共通接続する構成にして該ＩＧＢＴの各駆動回路に電力を供給する絶縁電源を共有化している。
【００２１】
本発明の電力変換装置では、１個の双方向スイッチを構成するＩＧＢＴのエミッタ端子同士が接続されており、エミッタ端子同士は等電位となる。よって、１個の双方向スイッチを構成する各ＩＧＢＴを駆動する２個の駆動回路に電力を供給する絶縁電源を共通化とした。従って、絶縁電源の数は３個となり、絶縁電源の数を４個から３個に減らしことによって、さらなるＰＷＭサイクロコンバータの小型化が可能となる。
【００２２】
【発明の実施の形態】
本発明の一実施形態について図面を参照して詳細に説明する。全図において、同一の符号がつけられている構成要素は、すべて同一の構成要素である。
【００２３】
図１は、本実施形態の電力変換装置の構成を示す回路図である。本実施形態の電力変換装置は、双方向スイッチ群３００と、ドライブ回路群８００と、絶縁電源群７００とから構成される。
【００２４】
双方向スイッチ群３００は、３つの双方向スイッチ３０１、４０１、５０１とから構成され、３相電源１と接続される入力端子６１０、６１１、６１２と出力端子６００とを備える。３つの双方向スイッチ３０１，４０１、５０１は、一端が３つの入力端子６１０、６１１、６１２にそれぞれ接続され、もう一端が出力端子６００に接続されている。
【００２５】
双方向スイッチ３０１は、２つのＩＧＢＴ３１１、３２１と、２つのダイオード３３１、３４１とから構成される。双方向スイッチ４０１は、２つのＩＧＢＴ４１１、４２１と、２つのダイオード４３１、４４１とから構成される。双方向スイッチ５０１は、２つのＩＧＢＴ５１１、５２１と、２つのダイオード５３１、５４１とから構成される。双方向スイッチ３０１、４０１、５０１の接続形態は図７（ｂ）と同じ接続形態となっている。
【００２６】
ドライブ回路群８００は、６個のドライブ回路８０１、８０２、８０３、８１１、８１２、８１３から構成される。ドライブ回路８０１〜８０３、８１１〜８１３はそれぞれＩＧＢＴ３１１、４１１、５１１、３２１、４２１、５２１のゲート端子に接続されている。
【００２７】
絶縁電源群７００は、４個の絶縁電源７０１〜７０４から構成される。電源端子ＰＮ２およびグランド端子ＧＮＤ２はドライブ回路８０１と接続され、絶縁電源７０２はドライブ回路８０１に電力を供給する。グランド端子ＧＮＤ２はＩＧＢＴ３１１のエミッタ端子にも接続される。
【００２８】
電源端子ＰＮ３およびグランド端子ＧＮＤ３はドライブ回路８０２と接続され、絶縁電源７０３はドライブ回路８０２に電力を供給する。グランド端子ＧＮＤ３はＩＧＢＴ４１１のエミッタ端子にも接続される。
電源端子ＰＮ４およびグランド端子ＧＮＤ４はドライブ回路８０２と接続され、絶縁電源７０４はドライブ回路８０３に電力を供給する。グランド端子ＧＮＤ４はＩＧＢＴ５１１のエミッタ端子にも接続される。
【００２９】
ＩＧＢＴ３２１のエミッタ端子と、ＩＧＢＴ４２１のエミッタ端子と、ＩＧＢＴ５２１のエミッタ端子は互いに接続されており、常に等電位であるため、ＩＧＢＴ３２１と、ＩＧＢＴ４２１と、ＩＧＢＴ５２１とについては、それらを駆動するドライブ回路８１１、８１２、８１３の絶縁電源を共有化することができる。よって、電源端子ＰＮ１およびグランド端子ＧＮＤ１はドライブ回路８１１、８１２、８１３に接続され、絶縁電源７０１は、ドライブ回路８１１、８１２、８１３に電力を供給する。グランド端子ＧＮＤ１はＩＧＢＴ３２１と、ＩＧＢＴ４２１と、ＩＧＢＴ５２１のエミッタ端子にも接続される。
【００３０】
本実施形態の電力変換装置では、ドライブ回路８１１、８１２、８１３が同じ絶縁電源７０１を共有することで、絶縁電源の個数を本来必要な６個から４個に減らすことができる。
【００３１】
次に本実施形態の電力変換装置を用いたＰＷＭサイクロコンバータの構成について説明する。図２は、本実施形態の電力変換装置を用いた３相入力／３相出力ＰＷＭサイクロコンバータの構成を示すブロック図である。
【００３２】
ＰＷＭサイクロコンバータは本実施形態の電力変換装置５を３個組み合わせて構成されたものである。双方向スイッチと、その双方向スイッチを駆動するのに必要なドライブ回路と、ドライブ回路を備える電力変換装置５によって、ＰＷＭサイクロコンバータを構成にすることによって、ドライブ回路および絶縁電源に関する部分を設計し直す必要がなくなるため、３相入力／３相出力のＰＷＭサイクロコンバータの回路設計が容易になる。
【００３３】
また、本実施形態の電力変換装置は、多重形のＰＷＭサイクロコンバータにも適用できる。図３は、本発明の一実施形態の電力変換装置を用いた直列多重形ＰＷＭサイクロコンバータの構成を示すブロック図である。
【００３４】
このような直列多重形ＰＷＭサイクロコンバータは、誘導電動機４が電力変換装置５から出力される電圧より大きい電圧を必要としている場合に、電力変換装置５を直列に接続し、誘導電動機４への電圧を大きくするために構成される。
【００３５】
また、直列多重形ＰＷＭサイクロコンバータは、電力変換装置５を直列多重化することにより、誘導電動機４へ入力される電流の波形を正弦波にさらに近づけることができ、その電流に含まれる高調波を抑制することができる。
【００３６】
図４は、本発明の一実施形態の電力変換装置を用いた並列多重形ＰＷＭサイクロコンバータの構成を示すブロック図である。このような並列多重形ＰＷＭサイクロコンバータは、誘導電動機４の必要とする電流の値が、１つの電力変換装置５から出力される電流より大きい場合に電力変換装置５を並列に接続し、誘導電動機４への入力電流を大きくするために構成される。
【００３７】
図３、図４のいずれの場合においても、本実施形態の電力変換装置５を組み合せることによって、多重形ＰＷＭサイクロコンバータの回路設計を容易に行うことができる。
【００３８】
本実施形態の電力変換装置では、双方向スイッチの回路構成は、図７（ｂ）の回路構成と同等であったが、双方向スイッチの回路構成は、図７（ａ）の回路構成と同等であっても良い。
【００３９】
図５は、双方向スイッチの回路構成が図７（ａ）と同等であった場合の電力変換装置の構成を示す回路図である。本電力変換装置の回路構成は、図１の電力変換装置の回路構成とほぼ同等であるが、双方向スイッチ３０１、４０１、５０１の代わりに、図７（ａ）の回路構成と同等の回路構成を有する双方向スイッチ３５１、４５１、５５１が入力端子６１０、６１１、６１２と出力端子６００との間に挿入されている。
【００４０】
本電力変換装置では、１個の双方向スイッチを構成するＩＧＢＴのエミッタ端子同士が接続されており、接続されたエミッタ端子同士は等電位となる。よって、１個の双方向スイッチを構成する各ＩＧＢＴを駆動する２個のドライブ回路に電力を供給する絶縁電源を共通化することができる。従って、本電力変換装置に必要な絶縁電源の数は３個となる。つまり、双方向スイッチの回路構成を図７（ａ）の構成にした方が、図７（ｂ）の構成とするよりも、絶縁電源の数を１つ減らすことができる。
【００４１】
また、図１および図５の電力変換装置では、ＩＧＢＴとダイオードが用いられているが、これらについては、ゲートターンオフサイリスタ（ＧＴＯ）等に代表される逆耐圧を有する他の自己消孤形スイッチを代わりに用いても良い。
【００４２】
【発明の効果】
以上説明したように、ＰＷＭサイクロコンバータを本発明の電力変換装置によって構成することによって、ＰＷＭサイクロコンバータの回路設計、製造が簡単となり、それらの工程の時間短縮が可能となる。
【００４３】
また、本発明の電力変換装置によって、ＰＷＭサイクロコンバータの小型化が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態の電力変換装置の構成を示す回路図である。
【図２】本発明の一実施形態の電力変換装置を用いた３相入力／３相出力のＰＷＭサイクロコンバータの構成を示すブロック図である。
【図３】本発明の一実施形態の電力変換装置を用いた直列多重形ＰＷＭサイクロコンバータの構成を示すブロック図である。
【図４】本発明の一実施形態の電力変換装置を用いた並列多重形ＰＷＭサイクロコンバータの構成を示すブロック図である。
【図５】本発明の他の実施形態の電力変換装置の構成を示す回路図である。
【図６】従来の３相入力／３相出力ＰＷＭサイクロコンバータの構成を示すブロック図である。
【図７】双方向スイッチの回路図である。
【図８】ＩＧＢＴとドライブ回路と絶縁電源の接続形態を示すブロック図である。
【符号の説明】
１  ３相電源
２  入力フィルタ
３  双方向スイッチ群
４  誘導電動機
５  電力変換装置
１１〜１９  双方向スイッチ
３１、３２、４０、３１１、３２１、４１１、４２１、５１１、５２１  ＩＧＢＴ
３３、３４、３３１、３４１、４３１、４４１、５３１、５４１  ダイオード
３００  双方向スイッチ群
３０１、４０１、５０１、３５１、４５１、５５１  双方向スイッチ
６００  出力端子
６１０、６１１、６１２  入力端子
７００  絶縁電源群
７０１、７０２、７０３、７０４  絶縁電源
８００  ドライブ回路群
８０１，８０２、８０３、８１１、８１２、８１３  ドライブ回路
Ｃ１  コレクタ端子
Ｇ１  ゲート端子
Ｅ１  エミッタ端子
ＰＮ１、ＰＮ２、ＰＮ３、ＰＮ４  電源端子
ＧＮＤ１、ＧＮＤ２、ＧＮＤ３、ＧＮＤ４  グランド端子
ＰＳ１  絶縁電源
Ｄ１  ドライブ回路
ＰＳＧ１  絶縁電源ＰＳ１のグランド端子
ＤＧ１  ドライブ回路Ｄ１のグランド端子
【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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【図７】
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【図８】
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