JP5353468B2 - Power converter - Google Patents
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Description
この発明は、三相交流電源から整流回路を介して得た直流電力をインバータ回路によって交流電力に変換して交流モータを駆動する電力変換装置において、整流回路に設ける直流コンデンサの静電容量を小さくした場合に生じる共振現象を抑制する技術に関する。 The present invention relates to a power converter for driving an AC motor by converting DC power obtained from a three-phase AC power source through a rectifier circuit into AC power by an inverter circuit, and reducing the capacitance of a DC capacitor provided in the rectifier circuit. The present invention relates to a technology for suppressing a resonance phenomenon that occurs in the event of a failure.
交流モータの可変速駆動を実現する一般的な電力変換装置は、三相交流電源から直流電力を得る三相ダイオード整流回路と、直流電圧を平滑化する直流コンデンサと、直流電力を交流電力に変換する三相インバータ回路とを基本構成とする。従来の電力変換装置では、三相ダイオード整流回路が三相交流電源に接続され、三相ダイオード整流回路と三相交流電源との間には電源インダクタンスが存在する。そして、直流コンデンサとしては、大きな静電容量を有する電解コンデンサを使用することが多いが、静電容量の小さなフィルムコンデンサを使用する場合もある。フィルムコンデンサを使用する利点は、電源電流の高調波の抑制、入力力率の改善、電源および直流コンデンサ電流値の抑制などである。 A typical power converter that realizes variable speed drive of an AC motor is a three-phase diode rectifier circuit that obtains DC power from a three-phase AC power supply, a DC capacitor that smoothes DC voltage, and converts DC power to AC power. The basic configuration is a three-phase inverter circuit. In a conventional power converter, a three-phase diode rectifier circuit is connected to a three-phase AC power source, and a power supply inductance exists between the three-phase diode rectifier circuit and the three-phase AC power source. As the DC capacitor, an electrolytic capacitor having a large capacitance is often used, but a film capacitor having a small capacitance may be used. Advantages of using a film capacitor include suppression of harmonics of the power source current, improvement of input power factor, suppression of power source and DC capacitor current values, and the like.
しかしながら、三相交流電源、電源インダクタンス、三相ダイオード整流回路、および直流コンデンサで構成される電流経路では、２回路分の電源インダクタンスと直流コンデンサとによるＬＣ共振現象が生じる。そして、直流コンデンサの静電容量を小さくすると、ＬＣ共振現象の共振周波数が高くなる。このようなＬＣ共振現象による直流回路部の不安定化の回避策の一つとして、ＬＣ共振現象が生じる電流経路に抵抗を接続する方法がある（例えば、特許文献１参照）。 However, in a current path composed of a three-phase AC power source, a power source inductance, a three-phase diode rectifier circuit, and a DC capacitor, an LC resonance phenomenon occurs due to the power source inductance and DC capacitor for two circuits. When the capacitance of the DC capacitor is reduced, the resonance frequency of the LC resonance phenomenon is increased. As one of the measures for avoiding instability of the DC circuit portion due to such an LC resonance phenomenon, there is a method of connecting a resistor to a current path in which the LC resonance phenomenon occurs (for example, see Patent Document 1).
従来の電力変換装置では、ＬＣ共振を減衰させるための抵抗値が対応するＬＣ共振現象によって異なるため、回路部品として同じ仕様の抵抗を接続することができないという問題があった。また、三相ダイオード整流回路の入力側や、三相ダイオード整流回路と直流コンデンサとの間には直流電力が流れるので、当該箇所に接続した抵抗には、ＬＣ共振分の電流のみならず直流電力分の電流も流れる。このため、接続した抵抗において、これら両方の電流に相当する電力損失が発生する。本来は、ＬＣ共振分の電流を抵抗で減衰させることが狙いであるため、直流電力分の電流によって発生する電力損失は無駄であるという問題があった。 In the conventional power converter, since the resistance value for attenuating the LC resonance differs depending on the corresponding LC resonance phenomenon, there is a problem that it is not possible to connect resistors having the same specifications as circuit components. In addition, since DC power flows between the input side of the three-phase diode rectifier circuit and between the three-phase diode rectifier circuit and the DC capacitor, the resistor connected to the relevant location includes not only the current corresponding to the LC resonance but also DC power. Minute current also flows. For this reason, power loss corresponding to both of these currents occurs in the connected resistor. Originally, the aim was to attenuate the current corresponding to the LC resonance with a resistor, so that there was a problem that the power loss caused by the current corresponding to the DC power was wasted.
この発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、直流回路に設ける直流コンデンサの静電容量を小さくした場合に生じる共振現象を抑制することができる電力変換装置を得るものである。 The present invention has been made to solve the above-described problems, and provides a power converter that can suppress a resonance phenomenon that occurs when the capacitance of a DC capacitor provided in a DC circuit is reduced. is there.
この発明に係る電力変換装置は、三相全波整流回路と直流回路とゲート駆動回路とを備えた電力変換装置であって、三相全波整流回路の各相は、正極母線側に接続された正極アームおよび負極母線側に接続された負極アームによって構成され、正極アームおよび負極アームのうちの一方はダイオードを有し、他方はダイオードと電界効果型のスイッチ素子との直列回路を有し、直流回路は、正極母線と負極母線との間に接続されたコンデンサであり、ゲート駆動回路は、スイッチ素子のゲート・ソース間電圧を制御してスイッチ素子の等価抵抗値を調整する。 A power converter according to the present invention is a power converter including a three-phase full-wave rectifier circuit, a DC circuit, and a gate drive circuit, and each phase of the three-phase full-wave rectifier circuit is connected to the positive bus side. The positive arm and the negative arm connected to the negative bus side, one of the positive arm and the negative arm has a diode, the other has a series circuit of a diode and a field effect type switching element, DC circuit, Ri capacitor connected der between the positive bus and the negative bus, the gate drive circuit, adjust the equivalent resistance of the switch element by controlling a gate-source voltage of the switching element.
また、この発明に係る電力変換装置は、三相全波整流回路と直流回路とゲート駆動回路とを備えた電力変換装置であって、三相全波整流回路の各相は、正極母線側に接続された正極アームおよび負極母線側に接続された負極アームによって構成され、正極アームおよび負極アームのそれぞれはダイオードを有し、直流回路は、正極母線と負極母線との間に接続され、コンデンサと複数の電界効果型のスイッチ素子とを直列接続したものであり、ゲート駆動回路は、スイッチ素子のゲート・ソース間電圧を制御してスイッチ素子の等価抵抗値を調整する。 The power conversion device according to the present invention is a power conversion device including a three-phase full-wave rectifier circuit, a DC circuit, and a gate drive circuit, and each phase of the three-phase full-wave rectifier circuit is on the positive electrode bus side. Consists of a connected positive arm and a negative arm connected to the negative bus side, each of the positive arm and the negative arm has a diode, the DC circuit is connected between the positive bus and the negative bus, and a capacitor all SANYO to a plurality of field effect switching device connected in series, the gate drive circuit, adjust the equivalent resistance of the switch element by controlling a gate-source voltage of the switching element.
この発明は、三相全波整流回路の各相の正極アームおよび負極アームのうちの一方はダイオードを有し、他方はダイオードと電界効果型のスイッチ素子との直列回路を有し、ゲート駆動回路がスイッチ素子のゲート・ソース間電圧を制御してスイッチ素子の等価抵抗値を調整するので、スイッチ素子の等価抵抗を任意に設定することができ、直流回路に設ける直流コンデンサの静電容量を小さくした場合に生じる共振現象を抑制することができる。 This invention is one having a diode of the respective phases of the positive electrode arms and negative arms of the three-phase full-wave rectifier circuit and the other have a series circuit of a diode and a field effect switching device, gate drive circuit Controls the gate-source voltage of the switch element to adjust the equivalent resistance value of the switch element, so that the equivalent resistance of the switch element can be set arbitrarily, and the capacitance of the DC capacitor provided in the DC circuit can be reduced. It is possible to suppress the resonance phenomenon that occurs in the case of this.
また、この発明は、直流回路が正極母線と負極母線との間に接続されコンデンサと複数の電界効果型のスイッチ素子とを直列接続し、ゲート駆動回路がスイッチ素子のゲート・ソース間電圧を制御してスイッチ素子の等価抵抗値を調整するので、スイッチ素子の等価抵抗を任意に設定することができ、直流回路に設ける直流コンデンサの静電容量を小さくした場合に生じる共振現象を抑制することができる。 Further, according to the present invention, a DC circuit is connected between a positive electrode bus and a negative electrode bus, a capacitor and a plurality of field effect type switch elements are connected in series, and a gate drive circuit controls a gate-source voltage of the switch element. Since the equivalent resistance value of the switch element is adjusted, the equivalent resistance of the switch element can be arbitrarily set, and the resonance phenomenon that occurs when the capacitance of the DC capacitor provided in the DC circuit is reduced can be suppressed. it can.
実施の形態１．
図１は、この発明の実施の形態１における電力変換装置の構成図である。図１において、電力変換装置は、三相交流電源１に接続された三相全波整流回路である三相ダイオード整流回路２と、直流回路である直流コンデンサＣＤと、負荷であるモータ４に接続された三相インバータ回路３とによって構成される。
Embodiment 1 FIG.
FIG. 1 is a configuration diagram of a power conversion device according to Embodiment 1 of the present invention. In FIG. 1, the power converter is connected to a three-phase
三相ダイオード整流回路２は、交流−直流変換を行うための正極アーム（以下、上アームとする）のダイオード素子Ｄ１Ｐ，Ｄ２Ｐ，Ｄ３Ｐと，負極アーム（以下、下アームとする）のダイオード素子Ｄ１Ｎ，Ｄ２Ｎ，Ｄ３Ｎと、下アームのダイオード素子Ｄ１Ｎ，Ｄ２Ｎ，Ｄ３Ｎの負極母線（以下、Ｎ母線とする）側にそれぞれ直列接続された電界効果型であるスイッチ素子Ｑ１，Ｑ２，Ｑ３とによって構成される。つまり、三相の各下アームは各ダイオード素子Ｄ１Ｎ，Ｄ２Ｎ，Ｄ３Ｎおよび各スイッチ素子Ｑ１，Ｑ２，Ｑ３の直列回路で構成され、Ｎ母線側に接続されている。なお、上アームは正極母線（以下、Ｐ母線とする）側に接続されている。スイッチ素子Ｑ１，Ｑ２，Ｑ３のゲート・ソース間電圧は、図示しないゲート駆動回路によって制御される。三相ダイオード整流回路２の入力端子Ｒ，Ｓ，Ｔは、三相交流電源１に接続され、出力端子は直流コンデンサＣＤを介して三相インバータ回路３に接続される。なお、三相ダイオード整流回路２の入力端子Ｒ，Ｓ，Ｔと三相交流電源１との間には、各相に電源経路の電源インダクタンスＬが存在する。
The three-phase
三相ダイオード整流回路２と三相インバータ回路３との間には、直流回路である直流コンデンサＣＤが設けられている。そして、直流コンデンサＣＤは、Ｐ母線とＮ母線との間に接続されている。直流コンデンサＣＤとしては、静電容量の大きい電解コンデンサを使用せず、静電容量の小さいフィルムコンデンサを使用する。直流−交流変換を行う三相インバータ回路３は、ＩＧＢＴ（Ｉｎｓｕｌａｔｅｄ Ｇａｔｅ Ｂｉｐｏｌａｒ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）素子Ｔ１Ｐ，Ｔ２Ｐ，Ｔ３Ｐ，Ｔ１Ｎ，Ｔ２Ｎ，Ｔ３Ｎによって構成され、出力端子には負荷であるモータ４が接続される。モータ４は、同期機および誘導機のいずれであってもよい。
A DC capacitor CD, which is a DC circuit, is provided between the three-phase
次に、電力変換装置の回路動作について説明する。本実施の形態では、電界効果型のスイッチ素子Ｑ１，Ｑ２，Ｑ３としてＭＯＳＦＥＴ（Ｍｅｔａｌ−Ｏｘｉｄｅ−Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ Ｆｉｅｌｄ−Ｅｆｆｅｃｔ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）などを適用する。三相ダイオード整流回路２を整流回路として動作させる際には、スイッチ素子Ｑ１，Ｑ２，Ｑ３を全てオンさせる。図２に、スイッチ素子Ｑ１，Ｑ２，Ｑ３を全てオンさせた場合の等価回路を示す。オン状態にあるスイッチ素子Ｑ１，Ｑ２，Ｑ３のドレイン・ソース間は、抵抗および逆並列ダイオードによって構成される回路と等価である。なお、この逆並列ダイオードは、定常的な回路動作には関与しないため、スイッチ素子Ｑ１，Ｑ２，Ｑ３を単なる抵抗と見なすことができる。
Next, the circuit operation of the power conversion device will be described. In the present embodiment, MOSFETs (Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistors) or the like are applied as the field effect type switching elements Q1, Q2, and Q3. When the three-phase
図３に、スイッチ素子Ｑ１，Ｑ２，Ｑ３を全てオンさせた場合の電流経路を示す。本実施の形態の電力変換装置において、有効電力は三相ダイオード整流回路２側から三相インバータ回路３側へ、一方向に流れる。また、三相ダイオード整流回路２は、三相交流電源１の電圧に応じて所定の二相に電流が流れる。ここで、図３に示すように、三相交流電源１、Ｒ相の電源インダクタンスＬ、ダイオード素子Ｄ１Ｐ、直流コンデンサＣＤ、スイッチ素子Ｑ２、ダイオード素子Ｄ２Ｎ、Ｓ相の電源インダクタンスＬ、三相交流電源１で構成される電流経路に注目する。
FIG. 3 shows a current path when all of the switching elements Q1, Q2, and Q3 are turned on. In the power conversion device of the present embodiment, active power flows in one direction from the three-phase
Ｒ相およびＳ相の電源インダクタンスＬのインダクタンス値をそれぞれＬ［Ｈ］、直流コンデンサＣＤの静電容量をＣ［Ｆ］とすると、当該電流経路の共振周波数の概略値ｆｒ［Ｈｚ］は、式（１）のように表すことができる。
ｆｒ＝１／｛２×π×（２×Ｌ×Ｃ）１／２｝ ・・・（１）
この電流経路における共振現象は、例えばダイオード素子Ｄ１Ｐ，Ｄ２Ｎのオン電圧や、図示していない電流経路内の抵抗によっても若干減衰されるが、一般的にその減衰効果は大きくない。しかしながら、本発明の電力変換装置では、スイッチ素子Ｑ２の等価抵抗によって大きな共振減衰効果を得ることができる。具体的には、ゲート駆動回路によってスイッチ素子Ｑ２のゲート・ソース間電圧を制御してスイッチ素子Ｑ２の等価抵抗値を調整することによって、電流経路における共振を減衰させることができる。
Assuming that the inductance value of the R-phase and S-phase power supply inductance L is L [H] and the capacitance of the DC capacitor CD is C [F], the approximate value fr [Hz] of the resonance frequency of the current path It can be expressed as (1).
fr = 1 / {2 × π × (2 × L × C) 1/2 } (1)
The resonance phenomenon in the current path is slightly attenuated by, for example, the ON voltage of the diode elements D1P and D2N and the resistance in the current path (not shown), but generally the attenuation effect is not large. However, in the power conversion device of the present invention, a large resonance damping effect can be obtained by the equivalent resistance of the switch element Q2. Specifically, the resonance in the current path can be attenuated by adjusting the equivalent resistance value of the switch element Q2 by controlling the gate-source voltage of the switch element Q2 by the gate drive circuit.
ＭＯＳＦＥＴは、ドレイン・ソース間電圧を一定とすると、ゲート・ソース間電圧に応じてドレイン電流を変えることができる。一般的なエンハンスメントタイプのＭＯＳＦＥＴでは、ゲート・ソース間電圧を低くするとドレイン電流は小さくなり、ゲート・ソース間電圧を高くするとドレイン電流は大きくなる。ドレイン・ソース間電圧は一定であるから、ゲート・ソース間電圧を低くするとＭＯＳＦＥＴの等価抵抗は大きくなり、ゲート・ソース間電圧を高くするとＭＯＳＦＥＴの等価抵抗は小さくなる。ＭＯＳＦＥＴであるスイッチ素子Ｑ２の等価抵抗をＲ［Ω］とすると、電流経路における共振の減衰係数ζは、式（２）のように表すことができる。
ζ＝Ｒ／２×｛Ｃ／（２×Ｌ）｝１／２ ・・・（２）
When the drain-source voltage is constant, the MOSFET can change the drain current according to the gate-source voltage. In a general enhancement type MOSFET, the drain current decreases as the gate-source voltage decreases, and the drain current increases as the gate-source voltage increases. Since the drain-source voltage is constant, the equivalent resistance of the MOSFET increases when the gate-source voltage is lowered, and the equivalent resistance of the MOSFET decreases when the gate-source voltage is increased. When the equivalent resistance of the switching element Q2 that is a MOSFET is R [Ω], the resonance attenuation coefficient ζ in the current path can be expressed as in Expression (2).
ζ = R / 2 × {C / (2 × L)} 1/2 (2)
電源インダクタンスＬのインダクタンス値と直流コンデンサＣＤの容量は、電力変換装置の入出力仕様によって様々な値を取り得る。例えば、どのような条件下でも減衰係数ζを同じにしようとする場合、その都度、等価抵抗を変更する必要がある。しかしながら、本発明の電力変換装置では、スイッチ素子Ｑ２のゲート・ソース間電圧を変えるだけでＭＯＳＦＥＴの等価抵抗を任意に設定できるので、容易に減衰係数ζを同じにすることができる。このため、様々な回路条件下においてＬＣ共振を減衰させることができる。 The inductance value of the power supply inductance L and the capacitance of the DC capacitor CD can take various values depending on the input / output specifications of the power converter. For example, when trying to make the damping coefficient ζ the same under any conditions, it is necessary to change the equivalent resistance each time. However, in the power conversion device of the present invention, the equivalent resistance of the MOSFET can be set arbitrarily by simply changing the gate-source voltage of the switch element Q2, so that the attenuation coefficient ζ can be easily made the same. For this reason, LC resonance can be attenuated under various circuit conditions.
なお、一例として、ダイオード素子Ｄ１ＰおよびＤ２Ｎに電流が流れる回路状態について説明したが、三相交流電源１からの交流電圧に応じて各相の電流経路が切り替わっていく。このため、電流が流れるスイッチ素子もＱ１，Ｑ２，Ｑ３と切り替わっていく。したがって、各回路状態において同一の共振減衰の効果を得るためには、スイッチ素子Ｑ１，Ｑ２，Ｑ３の等価抵抗はそれぞれ同じ、つまりゲート・ソース間電圧を同じにする必要がある。 As an example, the circuit state in which current flows through the diode elements D1P and D2N has been described. However, the current path of each phase is switched according to the AC voltage from the three-phase AC power supply 1. For this reason, the switch element through which the current flows is also switched to Q1, Q2, and Q3. Therefore, in order to obtain the same resonance attenuation effect in each circuit state, the equivalent resistances of the switch elements Q1, Q2, and Q3 must be the same, that is, the gate-source voltages must be the same.
以上のように、電界効果型のスイッチ素子Ｑ１，Ｑ２，Ｑ３を片側のアームのダイオードに直列接続し、ゲート・ソース間電圧を変えることによってスイッチ素子Ｑ１，Ｑ２，Ｑ３の等価抵抗を任意に設定することができるので、直流回路に設ける直流コンデンサの静電容量を小さくした場合等の様々な回路条件下においても電源インダクタンスＬと直流コンデンサＣＤとの共振現象を効果的に減衰させることができる。また、共振現象を減衰させるための抵抗を設ける必要がないので、抵抗に流れる直流電流によって発生する電力損失を低減することができる。 As described above, the field effect switch elements Q1, Q2, and Q3 are connected in series to the diode on one arm, and the equivalent resistance of the switch elements Q1, Q2, and Q3 is arbitrarily set by changing the gate-source voltage. Therefore, the resonance phenomenon between the power supply inductance L and the DC capacitor CD can be effectively attenuated even under various circuit conditions such as when the capacitance of the DC capacitor provided in the DC circuit is reduced. Further, since it is not necessary to provide a resistor for attenuating the resonance phenomenon, it is possible to reduce power loss caused by a direct current flowing through the resistor.
実施の形態２．
図４は、この発明の実施の形態２における電力変換装置の構成図である。実施の形態１では、三相ダイオード整流回路２のスイッチ素子Ｑ１，Ｑ２，Ｑ３を下アームのダイオード素子Ｄ１Ｎ，Ｄ２Ｎ，Ｄ３ＮのＮ母線側にそれぞれ直列接続させていた。本実施の形態では、三相ダイオード整流回路１２のスイッチ素子Ｑ１，Ｑ２，Ｑ３を上アームのダイオード素子Ｄ１Ｐ，Ｄ２Ｐ，Ｄ３ＰのＰ母線側にそれぞれ直列接続させている点が実施の形態１と異なる。回路動作については、実施の形態１と同じであるが、図４に示した構成には、以下のような利点がある。
FIG. 4 is a configuration diagram of a power conversion device according to
図４において、スイッチ素子Ｑ１，Ｑ２，Ｑ３のそれぞれのゲート・ソース間には、ゲート駆動回路ＧＤがそれぞれ接続されている。このゲート駆動回路ＧＤによって、スイッチ素子Ｑ１，Ｑ２，Ｑ３のゲート・ソース間電圧が制御されている。実施の形態１のように、下アーム側にスイッチ素子Ｑ１，Ｑ２，Ｑ３を接続した場合、スイッチ素子Ｑ１，Ｑ２，Ｑ３のソース電位はそれぞれ異なる電位になっている。このため、ゲート駆動回路の電源を共用することはできず、互いに絶縁された３個の電源が必要となる。しかしながら、本実施の形態のように、上アーム側にスイッチ素子Ｑ１，Ｑ２，Ｑ３を接続した場合、ゲート駆動回路ＧＤは、スイッチ素子Ｑ１，Ｑ２，Ｑ３のソース電位を基準として動作する。このため、ゲート駆動回路ＧＤにはソース電位を基準とした電源を供給する必要があるが、スイッチ素子Ｑ１，Ｑ２，Ｑ３のソース電位はすべて直流回路のＰ母線につながっており、共通電位となっている。したがって、それぞれのゲート駆動回路ＧＤに供給する電源を共用することができる。つまり、ゲート駆動回路ＧＤの電源は１個でよい。 In FIG. 4, a gate drive circuit GD is connected between each gate and source of the switch elements Q1, Q2, and Q3. The gate drive circuit GD controls the gate-source voltages of the switch elements Q1, Q2, and Q3. When the switch elements Q1, Q2, and Q3 are connected to the lower arm side as in the first embodiment, the source potentials of the switch elements Q1, Q2, and Q3 are different from each other. For this reason, the power source of the gate drive circuit cannot be shared, and three power sources insulated from each other are required. However, when the switch elements Q1, Q2, Q3 are connected to the upper arm side as in the present embodiment, the gate drive circuit GD operates with reference to the source potential of the switch elements Q1, Q2, Q3. For this reason, it is necessary to supply power to the gate drive circuit GD with reference to the source potential. However, the source potentials of the switch elements Q1, Q2, and Q3 are all connected to the P bus of the DC circuit and become a common potential. ing. Therefore, it is possible to share the power supplied to each gate drive circuit GD. That is, the gate drive circuit GD needs only one power source.
以上のように、スイッチ素子Ｑ１，Ｑ２，Ｑ３を上アームのダイオード素子Ｄ１Ｐ，Ｄ２Ｐ，Ｄ３ＰのＰ母線側にそれぞれ直列接続させることによって、スイッチ素子Ｑ１，Ｑ２，Ｑ３のゲート駆動回路ＧＤの電源を減らすことができる。 As described above, the switch elements Q1, Q2, and Q3 are connected in series to the P bus side of the upper arm diode elements D1P, D2P, and D3P, respectively, so that the gate drive circuit GD of the switch elements Q1, Q2, and Q3 can be powered. Can be reduced.
実施の形態３．
図５は、この発明の実施の形態３における電力変換装置の構成図である。実施の形態１，２では、電界効果型のスイッチ素子Ｑ１，Ｑ２，Ｑ３を三相ダイオード整流回路２に設けていた。本実施の形態では、三相ダイオード整流回路２２にスイッチ素子を設けず、スイッチ素子Ｑ１１，Ｑ１２を直流コンデンサＣＤに対して直列接続させて直流回路を構成している点が実施の形態１，２と異なる。図５において、直流コンデンサＣＤのＰ母線側にスイッチ素子Ｑ１１を直列に接続し、直流コンデンサＣＤのＮ母線側にスイッチ素子Ｑ１２を直列に接続している。直流コンデンサＣＤには、流入および流出方向の電流が流れるが、いずれの方向に対してもスイッチ素子Ｑ１１，Ｑ１２の等価抵抗による共振減衰効果を得ることができる。
FIG. 5 is a configuration diagram of a power conversion device according to
図６に、スイッチ素子Ｑ１１，Ｑ１２を直流コンデンサＣＤと直列に接続させた場合の電流経路を示す。図６（ａ）は流入時の電流経路であり、図６（ｂ）は流出時の電流経路である。流入時、流出時いずれの場合でも、スイッチ素子Ｑ１１，Ｑ１２はオンになっている。図６（ａ）に示すように、流入時は、電流がスイッチ素子Ｑ１１のダイオード部、直流コンデンサＣＤ、スイッチ素子Ｑ１２のＭＯＳＦＥＴ部を流れる。このとき、スイッチ素子Ｑ１２が等価抵抗として機能する。なお、電流はスイッチ素子Ｑ１１のＭＯＳＦＥＴ部とダイオード部に分流するが、ＭＯＳＦＥＴ部の等価抵抗は共振減衰効果を得られる値に設定されているため、主にダイオード部を流れることになる。また、図６（ｂ）に示すように、流出時は、電流がスイッチ素子Ｑ１２のダイオード部、直流コンデンサＣＤ、スイッチ素子Ｑ１１のＭＯＳＦＥＴ部を流れる。このとき、スイッチ素子Ｑ１１が等価抵抗として機能する。なお、流入時と同じ原理によって、電流は主にスイッチ素子Ｑ１２のダイオード部を流れることになる。そして、直流コンデンサＣＤには直流電流は流れず、交流電流のみが流れるので、スイッチ素子Ｑ１１，Ｑ１２では共振減衰のための電力損失は発生するが、直流電力に起因する電力損失は発生しない。つまり、無駄な電力損失を小さくすることができるという利点がある。 FIG. 6 shows a current path when the switch elements Q11 and Q12 are connected in series with the DC capacitor CD. 6A shows a current path at the time of inflow, and FIG. 6B shows a current path at the time of outflow. In both cases of inflow and outflow, the switch elements Q11 and Q12 are turned on. As shown in FIG. 6A, during inflow, current flows through the diode portion of the switch element Q11, the DC capacitor CD, and the MOSFET portion of the switch element Q12. At this time, the switch element Q12 functions as an equivalent resistance. The current is shunted to the MOSFET part and the diode part of the switching element Q11. However, since the equivalent resistance of the MOSFET part is set to a value that can obtain the resonance damping effect, the current mainly flows through the diode part. Also, as shown in FIG. 6B, when flowing out, current flows through the diode portion of the switch element Q12, the DC capacitor CD, and the MOSFET portion of the switch element Q11. At this time, the switch element Q11 functions as an equivalent resistance. Note that the current mainly flows through the diode portion of the switch element Q12 according to the same principle as that at the time of inflow. Since no direct current flows through the direct current capacitor CD and only alternating current flows, power loss due to resonance attenuation occurs in the switch elements Q11 and Q12, but power loss due to direct current power does not occur. That is, there is an advantage that wasteful power loss can be reduced.
以上のように、電界効果型のスイッチ素子Ｑ１１，Ｑ１２を直流回路であるコンデンサに直列接続し、ゲート・ソース間電圧を変えることによってスイッチ素子Ｑ１１，Ｑ１２の等価抵抗を任意に設定することができるので、直流回路に設ける直流コンデンサの静電容量を小さくした場合等の様々な回路条件下においても電源インダクタンスＬと直流コンデンサＣＤとの共振現象を効果的に減衰させることができる。また、共振現象を減衰させるための抵抗を設ける必要がないので、抵抗に流れる直流電流によって発生する電力損失を低減することができる。 As described above, the field effect switch elements Q11 and Q12 are connected in series to a capacitor which is a DC circuit, and the equivalent resistance of the switch elements Q11 and Q12 can be arbitrarily set by changing the gate-source voltage. Therefore, the resonance phenomenon between the power supply inductance L and the DC capacitor CD can be effectively attenuated even under various circuit conditions such as when the capacitance of the DC capacitor provided in the DC circuit is reduced. Further, since it is not necessary to provide a resistor for attenuating the resonance phenomenon, it is possible to reduce power loss caused by a direct current flowing through the resistor.
実施の形態４．
実施の形態１〜３においては、スイッチ素子の等価抵抗を共振減衰用として機能させる場合について説明を行ったが、本実施の形態で説明するようにスイッチ素子の等価抵抗を突入電流抑制用として機能させることもできる。まず、電力変換装置の起動時の回路動作について説明する。図７は、この発明の実施の形態４における電力変換装置の構成図である。図７において、起動時の回路動作を説明するため、三相ダイオード整流回路２の入力側に開閉器ＳＷを接続している。
In the first to third embodiments, the case where the equivalent resistance of the switch element is functioned for resonance attenuation has been described. However, as described in the present embodiment, the equivalent resistance of the switch element is functioned for suppressing inrush current. It can also be made. First, the circuit operation at the time of starting the power conversion device will be described. FIG. 7 is a configuration diagram of a power conversion device according to
電力変換装置の起動前の直流コンデンサＣＤの電圧はゼロボルトである。仮に、スイッチ素子Ｑ１，Ｑ２，Ｑ３の等価抵抗が小さく設定されている場合を想定する。スイッチ素子Ｑ１，Ｑ２，Ｑ３の等価抵抗が小さい状態のまま開閉器ＳＷをオンすると、三相交流電源１から直流コンデンサＣＤに対して大きな突入電流が流れ込む。この突入電流は、三相交流電源１へ悪影響を及ぼす可能性があるため、通常はその電流値を抑制している。具体的には、突入電流抑制抵抗を電流経路内に接続し、突入電流を抑制している。ただし、突入電流抑制抵抗は、電力変換装置の起動時のみ必要であり、通常運転時には不要である。このため、通常運転時には突入電流抑制抵抗の両端子をスイッチによって短絡している。 The voltage of the DC capacitor CD before starting up the power converter is zero volts. Assume that the equivalent resistances of the switching elements Q1, Q2, and Q3 are set to be small. When the switch SW is turned on while the equivalent resistances of the switch elements Q1, Q2, and Q3 are small, a large inrush current flows from the three-phase AC power source 1 into the DC capacitor CD. Since this inrush current may adversely affect the three-phase AC power supply 1, the current value is normally suppressed. Specifically, an inrush current suppression resistor is connected in the current path to suppress the inrush current. However, the inrush current suppression resistor is necessary only at the time of starting the power converter, and is not necessary during normal operation. For this reason, during normal operation, both terminals of the inrush current suppression resistor are short-circuited by a switch.
一方、本実施の形態の電力変換装置では、電力変換装置の起動時におけるスイッチ素子Ｑ１，Ｑ２，Ｑ３の等価抵抗を大きく設定しておくことによって、上記の突入電流抑制機能を実現することができる。開閉器ＳＷをオンした後、直流コンデンサＣＤの電圧が所定値まで上昇した時点で、今度はスイッチ素子Ｑ１，Ｑ２，Ｑ３の等価抵抗を、共振減衰のための抵抗値まで小さくする。実施の形態１において説明したように、スイッチ素子Ｑ１，Ｑ２，Ｑ３それぞれのゲート・ソース間電圧を変化させて各スイッチ素子Ｑ１，Ｑ２，Ｑ３の等価抵抗値を調整する。このように、スイッチ素子Ｑ１，Ｑ２，Ｑ３に、突入電流抑制と共振減衰の２つの機能を持たせることができる。 On the other hand, in the power conversion device of the present embodiment, the above inrush current suppression function can be realized by setting the equivalent resistances of the switch elements Q1, Q2, and Q3 large when the power conversion device is activated. . After the switch SW is turned on, when the voltage of the DC capacitor CD rises to a predetermined value, the equivalent resistance of the switch elements Q1, Q2, Q3 is reduced to a resistance value for resonance attenuation. As described in the first embodiment, the gate-source voltages of the switching elements Q1, Q2, and Q3 are changed to adjust the equivalent resistance values of the switching elements Q1, Q2, and Q3. Thus, the switching elements Q1, Q2, and Q3 can have two functions of inrush current suppression and resonance attenuation.
なお、すべての実施の形態において、ＭＯＳＦＥＴとしてシリコンカーバイド（ＳｉＣ）ＭＯＳＦＥＴを適用することが可能である。本発明の実施の形態１〜４では、電界効果型のスイッチ素子を抵抗として使用するので、スイッチ素子における電力損失は比較的大きくなり、結果としてスイッチ素子の熱的な責務はやや厳しくなる。一般的なシリコンＭＯＳＦＥＴはチャネル温度１５０℃程度まで対応可能であるが、シリコンカーバイドＭＯＳＦＥＴが適用できれば、さらに高いチャネル温度が許容される。このため、本発明の共振現象抑制する電力変換装置において、シリコンカーバイドＭＯＳＦＥＴを適用することによって、許容されるチャネル温度が高くすることができれば、冷却系を簡素化できるため、冷却フィンの小型化やファンの省略することが可能となる。また、ダイオード素子をシリコンカーバイドによって形成してもよく、これにより整流回路における電力損失をより低減することができる。 In all the embodiments, a silicon carbide (SiC) MOSFET can be applied as the MOSFET. In the first to fourth embodiments of the present invention, since the field effect type switch element is used as a resistor, the power loss in the switch element becomes relatively large, and as a result, the thermal duty of the switch element becomes somewhat severe. A general silicon MOSFET can cope with a channel temperature of up to about 150 ° C. However, if a silicon carbide MOSFET can be applied, a higher channel temperature is allowed. For this reason, in the power conversion device for suppressing the resonance phenomenon of the present invention, if the allowable channel temperature can be increased by applying the silicon carbide MOSFET, the cooling system can be simplified. The fan can be omitted. Further, the diode element may be formed of silicon carbide, which can further reduce power loss in the rectifier circuit.
１ 三相交流電源、２，１２，２２ 三相ダイオード整流回路、
３ 三相インバータ回路、４ モータ、
ＣＤ 直流コンデンサ、ＧＤ ゲート駆動回路、
Ｄ１Ｐ，Ｄ２Ｐ，Ｄ３Ｐ，Ｄ１Ｎ，Ｄ２Ｎ，Ｄ３Ｎ ダイオード素子、
Ｑ１，Ｑ２，Ｑ３，Ｑ１１，Ｑ１２ スイッチ素子、ＳＷ 開閉器、
Ｔ１Ｐ，Ｔ２Ｐ，Ｔ３Ｐ，Ｔ１Ｎ，Ｔ２Ｎ，Ｔ３Ｎ ＩＧＢＴ素子。
1 Three-phase AC power supply, 2, 12, 22 Three-phase diode rectifier circuit,
3 Three-phase inverter circuit, 4 motor,
CD DC capacitor, GD gate drive circuit,
D1P, D2P, D3P, D1N, D2N, D3N diode elements,
Q1, Q2, Q3, Q11, Q12 switch element, SW switch,
T1P, T2P, T3P, T1N, T2N, T3N IGBT elements.
Claims (4)
前記三相全波整流回路の各相は、正極母線側に接続された正極アームおよび負極母線側に接続された負極アームによって構成され、前記正極アームおよび前記負極アームのうちの一方はダイオードを有し、他方はダイオードと電界効果型のスイッチ素子との直列回路を有し、
前記直流回路は、前記正極母線と前記負極母線との間に接続されたコンデンサであり、
前記ゲート駆動回路は、前記スイッチ素子のゲート・ソース間電圧を制御して前記スイッチ素子の等価抵抗値を調整することを特徴とする電力変換装置。 A power conversion device comprising a three-phase full-wave rectifier circuit, a DC circuit, and a gate drive circuit ,
Each phase of the three-phase full-wave rectifier circuit includes a positive arm connected to the positive bus side and a negative arm connected to the negative bus side, and one of the positive arm and the negative arm has a diode. And the other has a series circuit of a diode and a field effect type switching element,
The DC circuit, Ri capacitor connected der between the positive bus and the negative electrode bus,
The gate driving circuit includes a power converter which controls the gate-source voltage, characterized that you adjust the equivalent resistance of the switching element of the switching element.
前記三相全波整流回路の各相は、正極母線側に接続された正極アームおよび負極母線側に接続された負極アームによって構成され、前記正極アームおよび前記負極アームのそれぞれはダイオードを有し、
前記直流回路は、前記正極母線と前記負極母線との間に接続され、コンデンサと複数の電界効果型のスイッチ素子とを直列接続したものであり、
前記ゲート駆動回路は、前記スイッチ素子のゲート・ソース間電圧を制御して前記スイッチ素子の等価抵抗値を調整することを特徴とする電力変換装置。 A power conversion device comprising a three-phase full-wave rectifier circuit, a DC circuit, and a gate drive circuit ,
Each phase of the three-phase full-wave rectifier circuit is configured by a positive arm connected to the positive bus side and a negative arm connected to the negative bus side, and each of the positive arm and the negative arm has a diode,
The DC circuit is connected between the positive bus and the negative electrode bus state, and are not connected in series with a capacitor and a plurality of field effect switching element,
The gate driving circuit includes a power converter which controls the gate-source voltage, characterized that you adjust the equivalent resistance of the switching element of the switching element.
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