インダイレクトマトリクスコンバータ
【課題】 サージ電圧によってインダイレクトマトリクスコンバータのインバータのスイッチ素子が破壊されることを防止する。
【解決手段】 インダイレクトマトリクスコンバータは、コンバータ２を正極性母線４ｐと負極性母線４ｎとを介してインバータ６に接続してある。正極性母線４ｐにクランプダイオード２８ｕのアノードを接続し、カソードをコンデンサ３０の一端に接続し、コンデンサ３０の他端をクランプダイオード２８ｄのアノードに接続し、カソードを負極性母線４ｎに接続してある。インバータ６のスイッチ素子１６ｕｕ乃至１６ｕｗに上側放電阻止形スナバ回路２０ｕを設け、インバータ６のスイッチ素子１６ｄｕ乃至１６ｄｗに下側放電阻止形スナバ回路２０ｄに設け、上側放電阻止形スナバ回路２０ｕの放電抵抗器２６ｕが、ダイオード２８ｄアノードに接続され、下側放電阻止形スナバ回路２０ｄの放電抵抗器２６ｄが、ダイオード２６ｕのアノードに接続されている。
【解決手段】 インダイレクトマトリクスコンバータは、コンバータ２を正極性母線４ｐと負極性母線４ｎとを介してインバータ６に接続してある。正極性母線４ｐにクランプダイオード２８ｕのアノードを接続し、カソードをコンデンサ３０の一端に接続し、コンデンサ３０の他端をクランプダイオード２８ｄのアノードに接続し、カソードを負極性母線４ｎに接続してある。インバータ６のスイッチ素子１６ｕｕ乃至１６ｕｗに上側放電阻止形スナバ回路２０ｕを設け、インバータ６のスイッチ素子１６ｄｕ乃至１６ｄｗに下側放電阻止形スナバ回路２０ｄに設け、上側放電阻止形スナバ回路２０ｕの放電抵抗器２６ｕが、ダイオード２８ｄアノードに接続され、下側放電阻止形スナバ回路２０ｄの放電抵抗器２６ｄが、ダイオード２６ｕのアノードに接続されている。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、インダイレクトマトリクスコンバータに関し、特に、スナバ回路を設けたものに関する。
【背景技術】
【０００２】
インダイレクトマトリクスコンバータは、例えば非特許文献１に開示されているように、コンバータと、直流中間リンクと、インバータとを備えるものである。コンバータは、双方向スイッチを上側及び下側アームとして直列に接続した３つの直列回路を、１対の直流中間リンク間に接続し、各直列回路の上側及び下側アームの接続点に、ＬＣフィルタを介して三相交流電源が接続される。ＬＣフィルタは、三相交流電源の各相に直列に接続した直列リアクトルと、各相間に接続された並列コンデンサとからなる。１対の直流中間リンクには、一般的なインバータと同様な構成のインバータが接続されている。インダイレクトマトリクスコンバータでは、インバータの零ベクトル出力期間（環流モード期間）に、コンバータの双方向スイッチの切換をコンバータの電流が零のときに行う零電流スイッチングを採用している。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００３】
【非特許文献１】電気学会論文誌Ｄ １２６巻９号 第１１６１頁乃至１１７０頁 直流形交流電力変換回路の技術動向
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上述したように、コンバータの電流が零のときにコンバータの双方向スイッチの切換を行う。三相交流電源とコンバータとの間には、ＬＣフィルタが接続されており、このＬＣフィルタのコンデンサの電位が三相交流電源に依存して変化するので、その電位差が大きいとき、即ち、三相電源の電圧がクロスしている部分以外で切換が行われると、切り換えられる前にコンバータに接続されている並列コンデンサの電位と、切換後にコンバータに接続される並列コンデンサの電位とが異なり、電位差が生じ、この電位差に基づいて、インバータのスイッチ素子の寄生容量や、スナバ回路に高速のパルス電流が流れ、スイッチ素子の両端にサージ電圧を発生し、スイッチ素子の破壊に至ることがある。また、ゲート回路にパルス電流が流れ込んで誤点弧を起こす可能性もある。
【０００５】
本発明は、サージ電圧によってインダイレクトマトリクスコンバータのインバータのスイッチ素子が破壊されることを防止することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の一態様のインダイレクトマトリクスコンバータは、コンバータと、直流母線と、インバータとを、備えている。コンバータでは、双方向スイッチ手段を、上側及び下側アームとして直列に接続した３つの直列回路を互いに並列に接続してある。前記３つの直列回路における前記上側及び下側アームの双方向スイッチ手段の接続点に、直列リアクトルと並列コンデンサとを含む入力フィルタを介して三相交流電源が接続される。双方向スイッチ手段としては、単方向のスイッチ素子、例えばＩＧＢＴやＭＯＳＦＥＴを互いに逆方向に接続したものを使用することができる。直流母線は、このコンバータの前記３つの直列回路からなる並列回路の前記上側アーム側の端部を正極性母線とし、前記下側アーム側の端部を負極性母線としたものである。インバータは、スイッチ素子、例えば単方向スイッチ素子を、電流が同一方向に流れるように上側及び下側アームとして直列接続した３つの直列回路を、直流母線間に並列に接続し、これら３つの直列回路における前記上側及び下側アームの接続点に、三相負荷が接続されたものである。コンバータの双方向スイッチ手段は、三相交流電源の周波数よりも高い周波数の交流を正極性母線と負極性母線との間に生成するように、スイッチングされ、インバータのスイッチ素子は、正極性母線と負極性母線との間の交流を、三相交流電源の周波数よりも高い周波数の交流に変換するようにスイッチされる。このインダイレクトマトリクスコンバータでは、正極性母線と負極性母線との間に平滑された直流を生成することはない。また、インバータの環流モード期間に、即ち、上側アームのスイッチ素子全てがオンのとき、下側アームのスイッチ素子は全てオフ状態で、上側アームのスイッチ素子全てがオフのとき、下側アームのスイッチ素子が全てオン状態である期間に、コンバータの双方向スイッチの切換が行われる。前記正極性母線に正極性電圧降下手段の一端が接続され、負極性電圧降下手段の一端が前記負極性母線に接続されている。前記正極性電圧降下手段の他端と、前記負極性電圧降下手段の他端との間にコンデンサが接続されている。正極性及び負極性電圧降下手段としては、例えばダイオードや抵抗器を使用することができる。ダイオードを使用する場合、正極性母線側から負極性母線側に電流が流れる方向性にアノードとカソードが接続される。前記インバータの上側アームのスイッチ素子それぞれに上側放電阻止形スナバ回路が設けられ、前記インバータの下側アームのスイッチ素子それぞれに下側放電阻止形スナバ回路が設けられる。上側及び下側放電阻止形スナバ回路は、ダイオードとコンデンサと放電抵抗器とを有している。例えば上側放電阻止形スナバ回路では、コンデンサとダイオードとの直列回路が、上側アームのスイッチ素子に並列に接続され、特にコンデンサが正極性母線側に位置している。同様に下側放電阻止形スナバ回路でも、コンデンサとダイオードとの直列回路が、下側アームのスイッチ素子に並列に接続され、コンデンサが負極性母線側に位置している。上側及び下側放電阻止形スナバ回路では、放電抵抗器の一端がコンデンサとダイオードとの接続点に接続され、上側放電阻止形スナバ回路の放電抵抗器の他端が、前記負極性電圧降下手段の他端に接続され、前記下側放電阻止形スナバ回路の放電抵抗器の他端が、前記正極性電圧降下手段の他端に接続されている。
【０００７】
このように構成されたインダイレクトマトリクスコンバータでは、正極性直流母線と負極性直流母線との間に正極性及び負極性電圧降下手段とコンデンサとを接続し、正極性及び負極性電圧降下手段とコンデンサとの２つの接続点に、放電阻止形スナバ回路のコンデンサを接続しているので、正極性及び負極性直流母線の電位が変化しても、これらコンデンサの電位は一定に保たれている。従って、コンバータの双方向スイッチ手段が切り換えられ、入力フィルタの並列コンデンサの影響で正極性及び負極性直流母線間の電位が変化しても、インバータのスイッチ手段に過度電流が流れず、サージ電圧が発生することはない。
【０００８】
上記の態様のインダイレクトマトリクスコンバータにおいて、前記コンデンサの両端に、別の放電用抵抗器を設けることもできる。このコンデンサと放電用抵抗器との放電時定数は、コンデンサの電位が、三相交流電源の最大電圧程度を維持するように設定することが望ましい。このように構成すると、コンデンサの電圧を三相交流電源の最大電圧程度に維持することによって、インバータのサージ吸収効果の低下を阻止することができる。
【０００９】
上記の態様のインダイレクトマトリクスコンバータにおいて、新たにスイッチ素子を設けることもできる。スイッチ素子は、導電路と、制御電極とを有し、制御電極に制御信号が供給されたとき、導電路が導通するものである。このスイッチの導電路が前記コンデンサの両端間に接続される。前記コンデンサの両端間に直列に２つの抵抗器を接続し、これら２つの抵抗器の接続点と前記制御電極との間に、前記コンデンサの両端間電圧が予め定めた値以上になったとき前記制御電極に前記制御信号を供給する制御信号発生手段を設けてある。制御信号発生手段としては、例えばツェナーダイオードを使用することができる。
【００１０】
或いは、上記２つの抵抗器に代えて、前記コンデンサの両端間電圧の検出手段を設け、この検出手段が予め定めた値以上の電圧を検出したとき、スイッチ手段の制御電極に制御信号を供給する制御信号発生手段を設けることもできる。
【００１１】
これらのように構成することによって、コンデンサ３０の電圧を所定値に維持することができ、より確実に、インバータのサージ吸収効果の低下を阻止することができる。
【００１２】
上記の一態様及びその変形例のいずれかのインダイレクトマトリクスコンバータにおいて、前記正極性電圧降下手段と、前記負極性母線に一端を接続した負極性電圧降下手段と、前記コンデンサと、前記上側及び下側放電阻止形スナバ回路とを、前記前記上側及び下側放電阻止形スナバ回路の放電抵抗器を除いて１つのパッケージに収容することもできる。或いは、前記正極性電圧降下手段と、前記負極性電圧降下手段と、前記コンデンサとを、モジュール化することもできる。
【００１３】
このように構成することによって、インバータのスイッチ手段のモジュールへの取付が容易になる。
【発明の効果】
【００１４】
以上のように、この発明によれば、サージ電圧によってインダイレクトマトリクスコンバータのインバータのスイッチ素子が破壊されることを防止できる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明の第１の実施形態のインダイレクトマトリクスコンバータの参考例のブロック図である。
【図２】図１のインダイレクトマトリクスコンバータでコンバータからパルス電流が流れる機構の説明用の第１のブロック図である。
【図３】図１のインダイレクトマトリクスコンバータでのコンバータからパルス電流が流れる機構の説明用の第１の波形図である。
【図４】図１のインダイレクトマトリクスコンバータでコンバータからパルス電流が流れる機構の説明用の第２のブロック図である。
【図５】図１のインダイレクトマトリクスコンバータからパルス電流が流れる説明用の第３のブロック図である。
【図６】図１のインダイレクトマトリクスコンバータでのコンバータからパルス電流が流れる機構の説明用の第２の波形図である。
【図７】本発明の第１の実施形態のインダイレクトマトリクスコンバータのブロック図である。
【図８】本発明の第２の実施形態のインダイレクトマトリクスコンバータの要部のブロック図である。
【図９】本発明の第３の実施形態のインダイレクトマトリクスコンバータの要部のブロック図である。
【図１０】本発明の第４の実施形態のインダイレクトマトリクスコンバータの要部のブロック図である。
【図１１】本発明の第５の実施形態のインダイレクトマトリクスコンバータの要部のブロック図である。
【図１２】図１１のインダイレクトマトリクスコンバータの要部の平面図及び側面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
本発明の実施形態の説明の前に、本発明のインダイレクトマトリクスコンバータの基本形態について図１を参照して説明する。このインダイレクトマトリクスコンバータは、コンバータ２と、正極側直流中間リンク４ｐ、負極側直流中間リンク４ｎと、インバータ６とを有している。
【００１７】
コンバータ２は、上側アームとして上側双方向スイッチ回路８ｕｒ、８ｕｓ、８ｕｔと、下側アームとして下側双方向スイッチ回路８ｄｒ、８ｄｓ、８ｄｔとを有し、上側双方向スイッチ回路８ｕｒと下側双方向スイッチ回路８ｄｒとが直列に接続され、側双方向スイッチ回路８ｕｓと下側双方向スイッチ回路８ｄsとが直列に接続され、側双方向スイッチ回路８ｕtと下側双方向スイッチ回路８ｄtとが直列に接続されている。これら３つの直列回路が互いに並列に接続されている。上側及び下側双方向スイッチ回路８ｕｒ、８ｄｒは、共に単方向スイッチ素子、例えばＩＧＢＴ１０ａ、１０ｂを有し、これらのエミッタ同士が接続され、それぞれのコレクタ−エミッタ間に逆並列にダイオード１２ａ、１２ｂが接続されている。各上側双方向スイッチ回路８ｕｒのＩＧＢＴ１０ａが、正極性直流中間リンク４ｐに接続されている。各上側双方向スイッチ回路８ｕｒのＩＧＢＴ１０ｂが、各下側双方向スイッチ回路８ｄｒのＩＧＢＴ１０ａのコレクタに接続されている。各下側双方向スイッチ回路８ｄのＩＧＢＴ１０ｂが、負極性直流中間リンク４ｎに接続されている。他の上側双方向スイッチ回路８ｕｓ、８ｕｔ、下側双方向スイッチ回路８ｄｓ、８ｄｔも同様である。
【００１８】
上側双方向スイッチ回路８ｕｒと下側双方向スイッチ回路８ｄｒとの接続点Ｒｉｎには、三相交流電源（図示せず）のＲ相が直流リアクトル（図示せず）を介して接続され、上側双方向スイッチ回路８ｕｓと下側双方向スイッチ回路８ｄｓとの接続点Ｓｉｎには、三相交流電源のＳ相が直流リアクトル（図示せず）を介して接続され、上側双方向スイッチ回路８ｕｔと下側双方向スイッチ回路８ｄｔとの接続点Ｔｉｎには、三相交流電源（図示せず）のＴ相が直流リアクトル（図示せず）を介して接続されている。接続点Ｒｉｎ、Ｓｉｎ間にはコンデンサ１４ｒｓが、接続点Ｓｉｎ、Ｔｉｎ間にはコンデンサ１４ｓｔが、接続点Ｔｉｎ、Ｒｉｎ間にはコンデンサ１４ｔｒが接続されている。これらコンデンサ１４ｒｓ、１４ｓｔ、１４ｔｒと各直流リアクトルとによって入力フィルタが構成されている。
【００１９】
インバータ６は、上側アームとして単方向スイッチ素子、例えばＩＧＢＴ１６ｕｕ、１６ｕｖ，１６ｕｗを、下側アームとして単方向スイッチ素子、例えばＩＧＢＴ１６ｄｕ、１６ｄｖ、１６ｄｗを有している。ＩＧＢＴ１６ｕｕのコレクタが正極性直流中間リンク４ｐに接続され、ＩＧＢＴ１６ｕｕのエミッタがＩＧＢＴ１６ｄuのコレクタに接続され、ＩＧＢＴ１６ｄｕのエミッタが負極性直流中間リンク４ｎに接続されている。他のＩＧＢＴ１６ｕｖ、１６ｕｗ、１６ｄｖ、１６ｄｗも同様に接続されている。ＩＧＢＴ１６ｕｕ、１６ｕｖ、１６ｕｗのコレクタ−エミッタ間には逆並列にダイオード１８ｕが接続され、ＩＧＢＴ１６ｄｕ、１６ｄｖ、１６ｄｗのコレクタ−エミッタ間にも逆並列にダイオード１８ｄが接続されている。ＩＧＢＴ１６ｕｕ、１６ｄｕとの接続点ｕ、ＩＧＢＴ１６ｕｖ、１６ｄｖの接続点ｖ、ＩＧＢＴ１６ｕｗ、１６ｄｗの接続点ｗには、負荷、例えば電動アクチュエータ（図示せず）が接続されている。
【００２０】
各ＩＧＢＴ１６ｕｕ、１６ｕｖ、１６ｕｗには、放電阻止形スナバ回路２０ｕが接続され、ＩＧＢＴ１６ｄｕ、１６ｄｖ、１６ｄｗには、放電阻止スナバ回路２０ｄが接続されている。放電阻止形スナバ回路２０ｕでは、ＩＧＢＴ１６ｕｕ、１６ｕｖ、１６ｕｗのコレクタ−エミッタ間に、スナバコンデンサ２２ｕとスナバダイオード２４ｕとの直列回路が並列に接続されている。スナバコンデンサ２２ｕの一端がＩＧＢＴ１６ｕｕ、１６ｕｖ、１６ｕｗのコレクタに接続され、その他端がスナバダイオード２４ｕのアノードに接続され、カソードがＩＧＢＴ１６ｕｕ、１６ｕｖ、１６ｕｗのエミッタに接続されている。各スナバコンデンサ２２ｕと各スナバダイオード２４ｕとの接続点に各スナバ放電抵抗器２６ｕの一端が接続され、他端が負極性直流リンク４ｎに接続されている。
【００２１】
放電阻止形スナバ回路２０ｄでは、ＩＧＢＴ１６ｄｕ、１６ｄｖ、１６ｄｗのコレクタ−エミッタ間に、スナバコンデンサ２２ｄとスナバダイオード２４ｄとの直列回路が並列に接続されている。スナバダイオード２４ｄのアノードがＩＧＢＴ１６ｄｕ、１６ｄｖ、１６ｄｗのコレクタに接続され、カソードがスナバコンデンサ２２ｄの一端に接続され、他端がＩＧＢＴ１６ｄｕ、１６ｄｖ、１６ｄｗのエミッタに接続されている。各スナバコンデンサ２２ｄと各スナバダイオード２４ｄとの接続点に各スナバ放電抵抗器２６ｄの一端が接続され、他端が正極性直流リンク４ｐに接続されている。
【００２２】
コンバータ２の上側及び下側双方向スイッチ回路８ｕｒ、８ｕｓ、８ｕｔ、８ｄｒ、８ｄｓ、８ｄｔ及びインバータ６のＩＧＢＴ１６ｕｕ、１６ｕｖ、１６ｕｗ、１６ｄｕ、１６ｄｖ、１６ｄｗは、図示していない制御回路によってオンオフ制御される。特に、各上側及び下側双方向スイッチ回路８ｕｒ、８ｕｓ、８ｕｔ、８ｄｒ、８ｄｓ、８ｄｔの切換は、インバータ６の環流期間、即ち、インバータ６のＩＧＢＴ１６ｕｕ、１６ｕｖ、１６ｕｗがオンで、ＩＧＢＴ１６ｄｕ、１６ｄｖ、１６ｄｗがオフの状態、またはンバータ６のＩＧＢＴ１６ｕｕ、１６ｕｖ、１６ｕｗがオフで、ＩＧＢＴ１６ｄｕ、１６ｄｖ、１６ｄｗがオンの状態で、切換ようとしている線間電圧が零の時点で行われる。
【００２３】
放電形スナバ回路２０ｕは、それに対応する例えばＩＧＢＴ１６ｕｖがターンオンしていたのが、ターンオフする際、ＩＧＢＴ１６ｕｖに流れていた電流が、スナバコンデンサ２２ｕ、ダイオード２４ｕを介して流れ、配線インダクタンスとターンオフ時の電流とによって決まるエネルギーがスナバコンデンサ２２ｕに吸収され、スナバコンデンサ２２ｕの電圧を上昇させ、ＩＧＢＴ１６ｕｖの寄生容量によるサージ電圧の発生を防止する。スナバコンデンサ２２ｕの電圧は、正極性直流リンク４ｐの電圧よりも高いとき、正極性直流リンク４ｐ、コンバータ２、負極性直流リンク４ｎ、スナバ放電抵抗器２６ｕの経路で、次にＩＧＢＴ１６ｕｖがターンオフするまでに放電される。放電形スナバ回路２０ｄにおいても、電流の流れる方向は、放電形スナバ回路２０ｕと逆であるが、同様にしてサージの発生が防止される。このように放電形スナバ回路２０ｕ、２０ｄは、インバータ６でのスイッチング動作時に発生するサージを防止している。
【００２４】
ところが、この構成では、インバータ２でのスイッチング動作によって、インバータ６のＩＧＢＴ１６ｕｕ、１６ｕｖ、１６ｕｗにおいてサージが発生することがある。以下、これについて説明する。
【００２５】
例えば図２に示すように、コンバータ２の上側双方向スイッチ回路８ｕｔと下側双方向スイッチ回路８ｄｒがオン、他の上側双方向スイッチ回路８ｕｒ、８ｕｓ、８ｄｓ、８ｄｔがオフで、インバータ６のＩＧＢＴ１６ｄｕ、１６ｄｖ、１６ｄｗがオン、ＩＧＢＴ１６ｕｕ、１６ｕｖ、１６ｕｗがオフである時点をｔ＝０とする。この時点では、コンデンサ１４ｒｓ、１４ｓｔ、１４ｔｒは、三相交流電源の線間電圧にほぼ等しく充電され、コンバータ２には接続点Ｔｉｎ、Ｒｉｎ間の電圧、即ちコンデンサ１４ｔｒの両端間電位である線間電圧Ｖｔｒが印加されている。また、接続点Ｒｉｎ、Ｓｉｎ間には、コンデンサ１４ｒｓの両端間電位と同じ線間電圧Vｒｓが印加されている。これを図３（ａ）に示す。
【００２６】
ｔ＝Δｔにおいて、コンバータ２において、図４に示すように、上側双方向スイッチ回路８ｕｓがオン、下側双方向スイッチ回路８ｄｒがオンで、上側双方向スイッチ回路８ｕｒ、８ｕｔがオフ、下側双方向スイッチ回路８ｄｓ、８ｄｔがオフで、インバータ６において、ＩＧＢＴ１６ｕｕ、１６ｄｖ、１６ｄｗがオン、ＩＧＢＴ１６ｕｖ、１６ｕｗ、１６ｄｕがオフに切り替わったとすると、コンバータ２の入力電圧は、接続点Ｒｉｎ、Ｓｉｎ間に接続されているコンデンサ１４ｒｓの両端間電圧に変化する。この電圧は線間電圧Ｖｒｓにほぼ等しく、ｔ＝０のときと比較して、Ｖｔｒ−Ｖｒｓの電位差がコンバータ２の入力電圧に生じる。コンバータ２への入力電圧が変化する状態を図３（ｂ）に示す。その結果、図５に１相のみを略図で示すように入力電圧の変化に基づく過渡現象によって正極性直流中間リンク４ｐ、負極性直流中間リンク４ｎにパルス電流が流入する。なお、コンデンサＣは、インバータ６のＩＧＢＴの寄生容量を示す。
【００２７】
図６は、コンデンサ１４ｒｓ、１４ｓｔ、１４ｔｒの電圧Ｖｒｓ、Ｖｓｔ、Ｖｔｒに、正極性及び負極性直流中間リンク４ｐ、４ｎ間の電圧波形を重ねて描いたもので、上述したようなｔ＝Δｔでの電位変動が生じたとき、直流中間電位がキャリア周波数の裁断で−Ｖｓｔの電圧波形上の電位に低下して、放電阻止形スナバ回路のコンデンサが、この−Ｖｓｔの電位まで放電し、電位低下していると、図５に示したように放電阻止形スナバ回路のコンデンサやＩＧＢＴの寄生容量にパルス電流が流れて、ＩＧＢＴのコレクタ−エミッタ間に、その容量をＣ、電位変化をｄｖ／ｄｔとすると、Ｃｄｖ／ｄｔのサージが発生する。これは、放電阻止形スナバ回路２０ｕが、対応するＩＧＢＴが次にターンオフするまでに、スナバコンデンサ２０ｕの電荷をスナバ放電抵抗器２６ｕによって放電させる構成であり、スナバ放電抵抗器２６ｕが負極性直流中間リンク４ｐ、スナバ放電抵抗器２６ｄが正極性直流中間リンク４ｎに接続されているので、スナバコンデンサ２０ｕ、スナバ放電抵抗器２６ｕの放電時定数が、コンバータ２のスイッチング周期に対して充分に小さい場合、スナバコンデンサ２２ｕが直流中間電位まで放電するからである。
【００２８】
本発明の第１の実施形態のインダイレクトマトリクスコンバータは、上述したサージの発生を防止するもので、図７に示すように、正極性直流中間リンク４ｐに上側電圧降下手段、例えばクランプダイオード２８ｕのアノードを接続し、そのカソードにコンデンサ２８の一端を接続し、コンデンサ２８の他端に、下側電圧降下手段、例えばクランプダイオード２８ｄのアノードを接続し、そのカソードを負極側直流中間リンク４ｎに接続してある。
【００２９】
そして、上側の放電阻止形スナバ回路２０ｕのスナバ放電抵抗器２６ｕの他端を、負極側直流中間リンク４ｎに接続し、下側の放電阻止形スナバ回路２０ｄのスナバ抵抗器２６ｄの他端を、正極側直流中間リンク４ｐに接続してある。他の構成は、上述した基本形態と同一であるので、同一部分には同一符号を付して、その説明を省略する。
【００３０】
このインダイレクトマトリクスコンバータでは、コンデンサ３０と上側のクランプダイオード２８ｕのカソードとの接続点の電位は、Ｖｒｓ、Ｖｓｔ、Ｖｔｓの絶対値のピーク電位からクランプダイオード２８ｕでの電圧降下分を差し引いた電位にクランプされ、コンデンサ３０と下側のクランプダイオード２８ｄのアノードとの接続点の電位は、Ｖｒｓ、Ｖｓｔ、Ｖｔｓの絶対値のクロス電位にクランプダイオード２８ｄの電圧降下分を加算した電位にクランプされ、変動しない。このように電位が変動しないコンデンサ３０と上側のクランプダイオード２８ｕのカソードとの接続点に、下側の放電阻止形スナバ回路２０ｄのスナバ放電抵抗器２６ｄの他端が接続され、電位が変動しないコンデンサ３０と下側のクランプダイオード２８ｄのアノードとの接続点に、上側の放電阻止形スナバ回路２０ｕのスナバ放電抵抗器２６ｕの他端が接続されている。従って、直流中間電位がコンバータ２でのスイッチングによって変動しても、スナバコンデンサ２２ｕは、コンデンサ３０とクランプダイオード２８ｄのアノードとの接続点の電位までしか放電せず、スナバコンデンサ２２ｄは、コンデンサ３０とクランプダイオード２８ｕのカソードとの接続点の電位までしか放電しない。そのため、コンバータ２でスイッチングしても、スナバコンデンサ２２ｕの電位が、コンデンサ１４ｒｓ、１４ｓｔ、１４ｔｒの電位よりも低くなることはなく、これらコンデンサ１４ｒｓ、１４ｓｔ、１４ｔｒからスナバコンデンサ２２ｕに電流が流れず、サージが発生することはない。
【００３１】
第２の実施形態のインダイレクトマトリクスコンバータの一部を図８に示す。このインダイレクトマトリクスコンバータでは、コンデンサ３０に並列に放電抵抗器３２を接続したものである。他の構成は、第１の実施形態のインダイレクトマトリクスコンバータと同一であるので、同一部分には同一符号を付して、その説明を省略する。放電抵抗器３２の抵抗値は、コンデンサ３０との放電時定数が、コンデンサ３０の電位が三相交流電源の最大電圧程度を維持するように設定してある。
【００３２】
第１の実施形態のインダイレクトマトリクスコンバータでは、コンデンサ３０の充電電圧が、クランプダイオード２８ｕ、２８ｄの漏れ電流とサージ電圧のバランスによって上昇することがある。充電電圧が上昇すると、スナバコンデンサ２２ｕ、２２ｄの電位が高くなり、インバータ６でのサージ吸収効果が低くなり、インバータ６でのスイッチングの際にサージ電圧が上昇する。そこで、第２の実施形態のインダイレクトマトリクスコンバータでは、放電抵抗器３２を設けて、コンデンサ３０を電源電圧の最大電位程度まで放電するように構成して、コンバータ２からのパルス電流を防止しながら、インバータ６でのサージの抑制しろを確保している。
【００３３】
図９に第３の実施形態のインダイレクトマトリクスコンバータの要部を示す。このインダイレクトマトリクスコンバータでは、コンデンサ３０の両端に、スイッチ素子、例えばＩＧＢＴ３４のコレクターエミッタ導電路と放電抵抗器３６との直列回路が接続されている。また、コンデンサ３０の両端には、抵抗器３８、４０の直列回路が接続されている。これら抵抗器３８、４０の接続点とＩＧＢＴ３４の制御電極、例えばゲート電極との間に、制御信号発生手段、例えばツェナーダイオード４２と抵抗器４４との直列回路が接続されている。他の構成は、第1の実施形態のインダイレクトマトリクスコンバータと同一であるので、同一部分には同一符号を付して、その説明を省略する。
【００３４】
第２の実施形態のインダイレクトマトリクスコンバータでは、放電抵抗器３０は、上側及び下側のクランプダイオード２８ｕ、２８ｄを介して正極性及び負極性直流中間リンク４ｐ、４ｎ間に接続されているので、コンデンサ３０の容量を大きく設定し、放電抵抗器３０の値を小さく設定せざるを得なくなると、放電抵抗器３０のワット数が大きくなる問題がある。その点を、第３の実施形態のインダイレクトマトリクスコンバータは解決するもので、抵抗器３８、４０の値を大きく設定しておいて、これら抵抗器３８、４０によってコンデンサ３０の電圧を監視し、抵抗器４０の両端間電圧がツェナーダイオード４２のツェナー電圧を超えたとき、ＩＧＢＴ３４をターンオンして、コンデンサ３０の電荷を放電抵抗器３６によって放電させる。
【００３５】
図１０に第４の実施形態のインダイレクトマトリクスコンバータの要部を示す。このインダイレクトマトリクスコンバータは、第３の実施形態のインダイレクトマトリクスコンバータの変形で、コンデンサ３０の両端に、コンデンサ３０の電圧を検出する電圧センサ４６を設け、この電圧センサ４６が、コンデンサ３０の電圧が予め定めた電圧を超えたとき、ＩＧＢＴ３４にターンオン信号を供給する制御信号発生手段、例えばターンオン信号発生器４８を設けたものである。他の構成は、第３の実施形態のインダイレクトマトリクスコンバータと同一であるので、同一部分には同一符号を付して、その説明を省略する。
【００３６】
図１１及び図１２に第５の実施形態のインダイレクトマトリクスコンバータの要部を示す。このインダイレクトマトリクスコンバータの回路構成は、第１乃至第４の実施形態のインダイレクトマトリクスコンバータのいずれかのもので、一点鎖線で囲って示す放電阻止型スナバ回路２０ｕ、２０ｄのスナバコンデンサ２２ｕ、２２ｄ、スナバダイオード２４ｕ、２４ｄ、クランプ用ダイオード２８ｕ、２８ｄ、コンデンサ３０を、図１２（ｂ）に示すように１つのパッケージ４９に収容してある。なお、図１１に符号５０で示すのは、このパッケージ４９に設けた端子台である。ＩＧＢＴ１６ｕｕ乃至１６ｄｗは、図１２（ｂ）に示すように１つのモジュール５１に構成されており、符号５２は、このモジュール５１の端子台である。パッケージ４９内では、図１２（ａ）に示すようにスナバコンデンサ２２Ｕ、スナバダイオード２４ｕが１相分ずつ、合計三つのスナバ部５４にまとめられ、これらの上部または下部に、クランプ用ダイオード２８ｕ、２８ｄ、コンデンサ３０のクランプスナバ部５６が配置されている。このパッケージ４９は、取付具５８によってモジュール５１に取り付けられている。このように１つのパッケージ４９に収容することにより、モジュールへの取付が容易になる。
【００３７】
上記の各実施形態では、スイッチ素子として、ＩＧＢＴを使用したが、これに限ったものではなく、他の自己消弧型半導体スイッチ素子、例えばＭＯＳＦＥＴを使用することもできる。また、上記の各実施形態では、電圧降下素子としてダイオード２８ｕ、２８ｄを使用したが、これに限ったものではなく、例えば抵抗器を使用することもできる。また、第５の実施形態において、クランプ用ダイオード２８ｕ、２８ｄ、コンデンサ３０のみで１つのパッケージを構成することもできる。
【符号の説明】
【００３８】
２ コンバータ
４ｐ 正極性直流中間リンク
４ｎ 負極性直流中間リンク
６ インバータ
８ｕｒ乃至８ｕｔ ８ｄｒ乃至８ｄｔ 双方向スイッチ回路（双方向スイッチ手段）
１６ｕｕ乃至１６ｕｗ １６ｄｕ乃至１６ｄｗ ＩＧＢＴ（スイッチ素子）
２０ｕ 上側放電阻止形スナバ回路
２０ｄ 下側放電阻止形スナバ回路
２２ｕ ２２ｄ スナバコンデンサ
２４ｕ ２４ｄ スナバダイオード
２６ｕ ２６ｄ 放電抵抗器
２８ｕ ２８ｄ クランプダイオード（正極性及び負極性電圧降下手段）
３０ コンデンサ
【技術分野】
【０００１】
本発明は、インダイレクトマトリクスコンバータに関し、特に、スナバ回路を設けたものに関する。
【背景技術】
【０００２】
インダイレクトマトリクスコンバータは、例えば非特許文献１に開示されているように、コンバータと、直流中間リンクと、インバータとを備えるものである。コンバータは、双方向スイッチを上側及び下側アームとして直列に接続した３つの直列回路を、１対の直流中間リンク間に接続し、各直列回路の上側及び下側アームの接続点に、ＬＣフィルタを介して三相交流電源が接続される。ＬＣフィルタは、三相交流電源の各相に直列に接続した直列リアクトルと、各相間に接続された並列コンデンサとからなる。１対の直流中間リンクには、一般的なインバータと同様な構成のインバータが接続されている。インダイレクトマトリクスコンバータでは、インバータの零ベクトル出力期間（環流モード期間）に、コンバータの双方向スイッチの切換をコンバータの電流が零のときに行う零電流スイッチングを採用している。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００３】
【非特許文献１】電気学会論文誌Ｄ １２６巻９号 第１１６１頁乃至１１７０頁 直流形交流電力変換回路の技術動向
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上述したように、コンバータの電流が零のときにコンバータの双方向スイッチの切換を行う。三相交流電源とコンバータとの間には、ＬＣフィルタが接続されており、このＬＣフィルタのコンデンサの電位が三相交流電源に依存して変化するので、その電位差が大きいとき、即ち、三相電源の電圧がクロスしている部分以外で切換が行われると、切り換えられる前にコンバータに接続されている並列コンデンサの電位と、切換後にコンバータに接続される並列コンデンサの電位とが異なり、電位差が生じ、この電位差に基づいて、インバータのスイッチ素子の寄生容量や、スナバ回路に高速のパルス電流が流れ、スイッチ素子の両端にサージ電圧を発生し、スイッチ素子の破壊に至ることがある。また、ゲート回路にパルス電流が流れ込んで誤点弧を起こす可能性もある。
【０００５】
本発明は、サージ電圧によってインダイレクトマトリクスコンバータのインバータのスイッチ素子が破壊されることを防止することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の一態様のインダイレクトマトリクスコンバータは、コンバータと、直流母線と、インバータとを、備えている。コンバータでは、双方向スイッチ手段を、上側及び下側アームとして直列に接続した３つの直列回路を互いに並列に接続してある。前記３つの直列回路における前記上側及び下側アームの双方向スイッチ手段の接続点に、直列リアクトルと並列コンデンサとを含む入力フィルタを介して三相交流電源が接続される。双方向スイッチ手段としては、単方向のスイッチ素子、例えばＩＧＢＴやＭＯＳＦＥＴを互いに逆方向に接続したものを使用することができる。直流母線は、このコンバータの前記３つの直列回路からなる並列回路の前記上側アーム側の端部を正極性母線とし、前記下側アーム側の端部を負極性母線としたものである。インバータは、スイッチ素子、例えば単方向スイッチ素子を、電流が同一方向に流れるように上側及び下側アームとして直列接続した３つの直列回路を、直流母線間に並列に接続し、これら３つの直列回路における前記上側及び下側アームの接続点に、三相負荷が接続されたものである。コンバータの双方向スイッチ手段は、三相交流電源の周波数よりも高い周波数の交流を正極性母線と負極性母線との間に生成するように、スイッチングされ、インバータのスイッチ素子は、正極性母線と負極性母線との間の交流を、三相交流電源の周波数よりも高い周波数の交流に変換するようにスイッチされる。このインダイレクトマトリクスコンバータでは、正極性母線と負極性母線との間に平滑された直流を生成することはない。また、インバータの環流モード期間に、即ち、上側アームのスイッチ素子全てがオンのとき、下側アームのスイッチ素子は全てオフ状態で、上側アームのスイッチ素子全てがオフのとき、下側アームのスイッチ素子が全てオン状態である期間に、コンバータの双方向スイッチの切換が行われる。前記正極性母線に正極性電圧降下手段の一端が接続され、負極性電圧降下手段の一端が前記負極性母線に接続されている。前記正極性電圧降下手段の他端と、前記負極性電圧降下手段の他端との間にコンデンサが接続されている。正極性及び負極性電圧降下手段としては、例えばダイオードや抵抗器を使用することができる。ダイオードを使用する場合、正極性母線側から負極性母線側に電流が流れる方向性にアノードとカソードが接続される。前記インバータの上側アームのスイッチ素子それぞれに上側放電阻止形スナバ回路が設けられ、前記インバータの下側アームのスイッチ素子それぞれに下側放電阻止形スナバ回路が設けられる。上側及び下側放電阻止形スナバ回路は、ダイオードとコンデンサと放電抵抗器とを有している。例えば上側放電阻止形スナバ回路では、コンデンサとダイオードとの直列回路が、上側アームのスイッチ素子に並列に接続され、特にコンデンサが正極性母線側に位置している。同様に下側放電阻止形スナバ回路でも、コンデンサとダイオードとの直列回路が、下側アームのスイッチ素子に並列に接続され、コンデンサが負極性母線側に位置している。上側及び下側放電阻止形スナバ回路では、放電抵抗器の一端がコンデンサとダイオードとの接続点に接続され、上側放電阻止形スナバ回路の放電抵抗器の他端が、前記負極性電圧降下手段の他端に接続され、前記下側放電阻止形スナバ回路の放電抵抗器の他端が、前記正極性電圧降下手段の他端に接続されている。
【０００７】
このように構成されたインダイレクトマトリクスコンバータでは、正極性直流母線と負極性直流母線との間に正極性及び負極性電圧降下手段とコンデンサとを接続し、正極性及び負極性電圧降下手段とコンデンサとの２つの接続点に、放電阻止形スナバ回路のコンデンサを接続しているので、正極性及び負極性直流母線の電位が変化しても、これらコンデンサの電位は一定に保たれている。従って、コンバータの双方向スイッチ手段が切り換えられ、入力フィルタの並列コンデンサの影響で正極性及び負極性直流母線間の電位が変化しても、インバータのスイッチ手段に過度電流が流れず、サージ電圧が発生することはない。
【０００８】
上記の態様のインダイレクトマトリクスコンバータにおいて、前記コンデンサの両端に、別の放電用抵抗器を設けることもできる。このコンデンサと放電用抵抗器との放電時定数は、コンデンサの電位が、三相交流電源の最大電圧程度を維持するように設定することが望ましい。このように構成すると、コンデンサの電圧を三相交流電源の最大電圧程度に維持することによって、インバータのサージ吸収効果の低下を阻止することができる。
【０００９】
上記の態様のインダイレクトマトリクスコンバータにおいて、新たにスイッチ素子を設けることもできる。スイッチ素子は、導電路と、制御電極とを有し、制御電極に制御信号が供給されたとき、導電路が導通するものである。このスイッチの導電路が前記コンデンサの両端間に接続される。前記コンデンサの両端間に直列に２つの抵抗器を接続し、これら２つの抵抗器の接続点と前記制御電極との間に、前記コンデンサの両端間電圧が予め定めた値以上になったとき前記制御電極に前記制御信号を供給する制御信号発生手段を設けてある。制御信号発生手段としては、例えばツェナーダイオードを使用することができる。
【００１０】
或いは、上記２つの抵抗器に代えて、前記コンデンサの両端間電圧の検出手段を設け、この検出手段が予め定めた値以上の電圧を検出したとき、スイッチ手段の制御電極に制御信号を供給する制御信号発生手段を設けることもできる。
【００１１】
これらのように構成することによって、コンデンサ３０の電圧を所定値に維持することができ、より確実に、インバータのサージ吸収効果の低下を阻止することができる。
【００１２】
上記の一態様及びその変形例のいずれかのインダイレクトマトリクスコンバータにおいて、前記正極性電圧降下手段と、前記負極性母線に一端を接続した負極性電圧降下手段と、前記コンデンサと、前記上側及び下側放電阻止形スナバ回路とを、前記前記上側及び下側放電阻止形スナバ回路の放電抵抗器を除いて１つのパッケージに収容することもできる。或いは、前記正極性電圧降下手段と、前記負極性電圧降下手段と、前記コンデンサとを、モジュール化することもできる。
【００１３】
このように構成することによって、インバータのスイッチ手段のモジュールへの取付が容易になる。
【発明の効果】
【００１４】
以上のように、この発明によれば、サージ電圧によってインダイレクトマトリクスコンバータのインバータのスイッチ素子が破壊されることを防止できる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明の第１の実施形態のインダイレクトマトリクスコンバータの参考例のブロック図である。
【図２】図１のインダイレクトマトリクスコンバータでコンバータからパルス電流が流れる機構の説明用の第１のブロック図である。
【図３】図１のインダイレクトマトリクスコンバータでのコンバータからパルス電流が流れる機構の説明用の第１の波形図である。
【図４】図１のインダイレクトマトリクスコンバータでコンバータからパルス電流が流れる機構の説明用の第２のブロック図である。
【図５】図１のインダイレクトマトリクスコンバータからパルス電流が流れる説明用の第３のブロック図である。
【図６】図１のインダイレクトマトリクスコンバータでのコンバータからパルス電流が流れる機構の説明用の第２の波形図である。
【図７】本発明の第１の実施形態のインダイレクトマトリクスコンバータのブロック図である。
【図８】本発明の第２の実施形態のインダイレクトマトリクスコンバータの要部のブロック図である。
【図９】本発明の第３の実施形態のインダイレクトマトリクスコンバータの要部のブロック図である。
【図１０】本発明の第４の実施形態のインダイレクトマトリクスコンバータの要部のブロック図である。
【図１１】本発明の第５の実施形態のインダイレクトマトリクスコンバータの要部のブロック図である。
【図１２】図１１のインダイレクトマトリクスコンバータの要部の平面図及び側面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
本発明の実施形態の説明の前に、本発明のインダイレクトマトリクスコンバータの基本形態について図１を参照して説明する。このインダイレクトマトリクスコンバータは、コンバータ２と、正極側直流中間リンク４ｐ、負極側直流中間リンク４ｎと、インバータ６とを有している。
【００１７】
コンバータ２は、上側アームとして上側双方向スイッチ回路８ｕｒ、８ｕｓ、８ｕｔと、下側アームとして下側双方向スイッチ回路８ｄｒ、８ｄｓ、８ｄｔとを有し、上側双方向スイッチ回路８ｕｒと下側双方向スイッチ回路８ｄｒとが直列に接続され、側双方向スイッチ回路８ｕｓと下側双方向スイッチ回路８ｄsとが直列に接続され、側双方向スイッチ回路８ｕtと下側双方向スイッチ回路８ｄtとが直列に接続されている。これら３つの直列回路が互いに並列に接続されている。上側及び下側双方向スイッチ回路８ｕｒ、８ｄｒは、共に単方向スイッチ素子、例えばＩＧＢＴ１０ａ、１０ｂを有し、これらのエミッタ同士が接続され、それぞれのコレクタ−エミッタ間に逆並列にダイオード１２ａ、１２ｂが接続されている。各上側双方向スイッチ回路８ｕｒのＩＧＢＴ１０ａが、正極性直流中間リンク４ｐに接続されている。各上側双方向スイッチ回路８ｕｒのＩＧＢＴ１０ｂが、各下側双方向スイッチ回路８ｄｒのＩＧＢＴ１０ａのコレクタに接続されている。各下側双方向スイッチ回路８ｄのＩＧＢＴ１０ｂが、負極性直流中間リンク４ｎに接続されている。他の上側双方向スイッチ回路８ｕｓ、８ｕｔ、下側双方向スイッチ回路８ｄｓ、８ｄｔも同様である。
【００１８】
上側双方向スイッチ回路８ｕｒと下側双方向スイッチ回路８ｄｒとの接続点Ｒｉｎには、三相交流電源（図示せず）のＲ相が直流リアクトル（図示せず）を介して接続され、上側双方向スイッチ回路８ｕｓと下側双方向スイッチ回路８ｄｓとの接続点Ｓｉｎには、三相交流電源のＳ相が直流リアクトル（図示せず）を介して接続され、上側双方向スイッチ回路８ｕｔと下側双方向スイッチ回路８ｄｔとの接続点Ｔｉｎには、三相交流電源（図示せず）のＴ相が直流リアクトル（図示せず）を介して接続されている。接続点Ｒｉｎ、Ｓｉｎ間にはコンデンサ１４ｒｓが、接続点Ｓｉｎ、Ｔｉｎ間にはコンデンサ１４ｓｔが、接続点Ｔｉｎ、Ｒｉｎ間にはコンデンサ１４ｔｒが接続されている。これらコンデンサ１４ｒｓ、１４ｓｔ、１４ｔｒと各直流リアクトルとによって入力フィルタが構成されている。
【００１９】
インバータ６は、上側アームとして単方向スイッチ素子、例えばＩＧＢＴ１６ｕｕ、１６ｕｖ，１６ｕｗを、下側アームとして単方向スイッチ素子、例えばＩＧＢＴ１６ｄｕ、１６ｄｖ、１６ｄｗを有している。ＩＧＢＴ１６ｕｕのコレクタが正極性直流中間リンク４ｐに接続され、ＩＧＢＴ１６ｕｕのエミッタがＩＧＢＴ１６ｄuのコレクタに接続され、ＩＧＢＴ１６ｄｕのエミッタが負極性直流中間リンク４ｎに接続されている。他のＩＧＢＴ１６ｕｖ、１６ｕｗ、１６ｄｖ、１６ｄｗも同様に接続されている。ＩＧＢＴ１６ｕｕ、１６ｕｖ、１６ｕｗのコレクタ−エミッタ間には逆並列にダイオード１８ｕが接続され、ＩＧＢＴ１６ｄｕ、１６ｄｖ、１６ｄｗのコレクタ−エミッタ間にも逆並列にダイオード１８ｄが接続されている。ＩＧＢＴ１６ｕｕ、１６ｄｕとの接続点ｕ、ＩＧＢＴ１６ｕｖ、１６ｄｖの接続点ｖ、ＩＧＢＴ１６ｕｗ、１６ｄｗの接続点ｗには、負荷、例えば電動アクチュエータ（図示せず）が接続されている。
【００２０】
各ＩＧＢＴ１６ｕｕ、１６ｕｖ、１６ｕｗには、放電阻止形スナバ回路２０ｕが接続され、ＩＧＢＴ１６ｄｕ、１６ｄｖ、１６ｄｗには、放電阻止スナバ回路２０ｄが接続されている。放電阻止形スナバ回路２０ｕでは、ＩＧＢＴ１６ｕｕ、１６ｕｖ、１６ｕｗのコレクタ−エミッタ間に、スナバコンデンサ２２ｕとスナバダイオード２４ｕとの直列回路が並列に接続されている。スナバコンデンサ２２ｕの一端がＩＧＢＴ１６ｕｕ、１６ｕｖ、１６ｕｗのコレクタに接続され、その他端がスナバダイオード２４ｕのアノードに接続され、カソードがＩＧＢＴ１６ｕｕ、１６ｕｖ、１６ｕｗのエミッタに接続されている。各スナバコンデンサ２２ｕと各スナバダイオード２４ｕとの接続点に各スナバ放電抵抗器２６ｕの一端が接続され、他端が負極性直流リンク４ｎに接続されている。
【００２１】
放電阻止形スナバ回路２０ｄでは、ＩＧＢＴ１６ｄｕ、１６ｄｖ、１６ｄｗのコレクタ−エミッタ間に、スナバコンデンサ２２ｄとスナバダイオード２４ｄとの直列回路が並列に接続されている。スナバダイオード２４ｄのアノードがＩＧＢＴ１６ｄｕ、１６ｄｖ、１６ｄｗのコレクタに接続され、カソードがスナバコンデンサ２２ｄの一端に接続され、他端がＩＧＢＴ１６ｄｕ、１６ｄｖ、１６ｄｗのエミッタに接続されている。各スナバコンデンサ２２ｄと各スナバダイオード２４ｄとの接続点に各スナバ放電抵抗器２６ｄの一端が接続され、他端が正極性直流リンク４ｐに接続されている。
【００２２】
コンバータ２の上側及び下側双方向スイッチ回路８ｕｒ、８ｕｓ、８ｕｔ、８ｄｒ、８ｄｓ、８ｄｔ及びインバータ６のＩＧＢＴ１６ｕｕ、１６ｕｖ、１６ｕｗ、１６ｄｕ、１６ｄｖ、１６ｄｗは、図示していない制御回路によってオンオフ制御される。特に、各上側及び下側双方向スイッチ回路８ｕｒ、８ｕｓ、８ｕｔ、８ｄｒ、８ｄｓ、８ｄｔの切換は、インバータ６の環流期間、即ち、インバータ６のＩＧＢＴ１６ｕｕ、１６ｕｖ、１６ｕｗがオンで、ＩＧＢＴ１６ｄｕ、１６ｄｖ、１６ｄｗがオフの状態、またはンバータ６のＩＧＢＴ１６ｕｕ、１６ｕｖ、１６ｕｗがオフで、ＩＧＢＴ１６ｄｕ、１６ｄｖ、１６ｄｗがオンの状態で、切換ようとしている線間電圧が零の時点で行われる。
【００２３】
放電形スナバ回路２０ｕは、それに対応する例えばＩＧＢＴ１６ｕｖがターンオンしていたのが、ターンオフする際、ＩＧＢＴ１６ｕｖに流れていた電流が、スナバコンデンサ２２ｕ、ダイオード２４ｕを介して流れ、配線インダクタンスとターンオフ時の電流とによって決まるエネルギーがスナバコンデンサ２２ｕに吸収され、スナバコンデンサ２２ｕの電圧を上昇させ、ＩＧＢＴ１６ｕｖの寄生容量によるサージ電圧の発生を防止する。スナバコンデンサ２２ｕの電圧は、正極性直流リンク４ｐの電圧よりも高いとき、正極性直流リンク４ｐ、コンバータ２、負極性直流リンク４ｎ、スナバ放電抵抗器２６ｕの経路で、次にＩＧＢＴ１６ｕｖがターンオフするまでに放電される。放電形スナバ回路２０ｄにおいても、電流の流れる方向は、放電形スナバ回路２０ｕと逆であるが、同様にしてサージの発生が防止される。このように放電形スナバ回路２０ｕ、２０ｄは、インバータ６でのスイッチング動作時に発生するサージを防止している。
【００２４】
ところが、この構成では、インバータ２でのスイッチング動作によって、インバータ６のＩＧＢＴ１６ｕｕ、１６ｕｖ、１６ｕｗにおいてサージが発生することがある。以下、これについて説明する。
【００２５】
例えば図２に示すように、コンバータ２の上側双方向スイッチ回路８ｕｔと下側双方向スイッチ回路８ｄｒがオン、他の上側双方向スイッチ回路８ｕｒ、８ｕｓ、８ｄｓ、８ｄｔがオフで、インバータ６のＩＧＢＴ１６ｄｕ、１６ｄｖ、１６ｄｗがオン、ＩＧＢＴ１６ｕｕ、１６ｕｖ、１６ｕｗがオフである時点をｔ＝０とする。この時点では、コンデンサ１４ｒｓ、１４ｓｔ、１４ｔｒは、三相交流電源の線間電圧にほぼ等しく充電され、コンバータ２には接続点Ｔｉｎ、Ｒｉｎ間の電圧、即ちコンデンサ１４ｔｒの両端間電位である線間電圧Ｖｔｒが印加されている。また、接続点Ｒｉｎ、Ｓｉｎ間には、コンデンサ１４ｒｓの両端間電位と同じ線間電圧Vｒｓが印加されている。これを図３（ａ）に示す。
【００２６】
ｔ＝Δｔにおいて、コンバータ２において、図４に示すように、上側双方向スイッチ回路８ｕｓがオン、下側双方向スイッチ回路８ｄｒがオンで、上側双方向スイッチ回路８ｕｒ、８ｕｔがオフ、下側双方向スイッチ回路８ｄｓ、８ｄｔがオフで、インバータ６において、ＩＧＢＴ１６ｕｕ、１６ｄｖ、１６ｄｗがオン、ＩＧＢＴ１６ｕｖ、１６ｕｗ、１６ｄｕがオフに切り替わったとすると、コンバータ２の入力電圧は、接続点Ｒｉｎ、Ｓｉｎ間に接続されているコンデンサ１４ｒｓの両端間電圧に変化する。この電圧は線間電圧Ｖｒｓにほぼ等しく、ｔ＝０のときと比較して、Ｖｔｒ−Ｖｒｓの電位差がコンバータ２の入力電圧に生じる。コンバータ２への入力電圧が変化する状態を図３（ｂ）に示す。その結果、図５に１相のみを略図で示すように入力電圧の変化に基づく過渡現象によって正極性直流中間リンク４ｐ、負極性直流中間リンク４ｎにパルス電流が流入する。なお、コンデンサＣは、インバータ６のＩＧＢＴの寄生容量を示す。
【００２７】
図６は、コンデンサ１４ｒｓ、１４ｓｔ、１４ｔｒの電圧Ｖｒｓ、Ｖｓｔ、Ｖｔｒに、正極性及び負極性直流中間リンク４ｐ、４ｎ間の電圧波形を重ねて描いたもので、上述したようなｔ＝Δｔでの電位変動が生じたとき、直流中間電位がキャリア周波数の裁断で−Ｖｓｔの電圧波形上の電位に低下して、放電阻止形スナバ回路のコンデンサが、この−Ｖｓｔの電位まで放電し、電位低下していると、図５に示したように放電阻止形スナバ回路のコンデンサやＩＧＢＴの寄生容量にパルス電流が流れて、ＩＧＢＴのコレクタ−エミッタ間に、その容量をＣ、電位変化をｄｖ／ｄｔとすると、Ｃｄｖ／ｄｔのサージが発生する。これは、放電阻止形スナバ回路２０ｕが、対応するＩＧＢＴが次にターンオフするまでに、スナバコンデンサ２０ｕの電荷をスナバ放電抵抗器２６ｕによって放電させる構成であり、スナバ放電抵抗器２６ｕが負極性直流中間リンク４ｐ、スナバ放電抵抗器２６ｄが正極性直流中間リンク４ｎに接続されているので、スナバコンデンサ２０ｕ、スナバ放電抵抗器２６ｕの放電時定数が、コンバータ２のスイッチング周期に対して充分に小さい場合、スナバコンデンサ２２ｕが直流中間電位まで放電するからである。
【００２８】
本発明の第１の実施形態のインダイレクトマトリクスコンバータは、上述したサージの発生を防止するもので、図７に示すように、正極性直流中間リンク４ｐに上側電圧降下手段、例えばクランプダイオード２８ｕのアノードを接続し、そのカソードにコンデンサ２８の一端を接続し、コンデンサ２８の他端に、下側電圧降下手段、例えばクランプダイオード２８ｄのアノードを接続し、そのカソードを負極側直流中間リンク４ｎに接続してある。
【００２９】
そして、上側の放電阻止形スナバ回路２０ｕのスナバ放電抵抗器２６ｕの他端を、負極側直流中間リンク４ｎに接続し、下側の放電阻止形スナバ回路２０ｄのスナバ抵抗器２６ｄの他端を、正極側直流中間リンク４ｐに接続してある。他の構成は、上述した基本形態と同一であるので、同一部分には同一符号を付して、その説明を省略する。
【００３０】
このインダイレクトマトリクスコンバータでは、コンデンサ３０と上側のクランプダイオード２８ｕのカソードとの接続点の電位は、Ｖｒｓ、Ｖｓｔ、Ｖｔｓの絶対値のピーク電位からクランプダイオード２８ｕでの電圧降下分を差し引いた電位にクランプされ、コンデンサ３０と下側のクランプダイオード２８ｄのアノードとの接続点の電位は、Ｖｒｓ、Ｖｓｔ、Ｖｔｓの絶対値のクロス電位にクランプダイオード２８ｄの電圧降下分を加算した電位にクランプされ、変動しない。このように電位が変動しないコンデンサ３０と上側のクランプダイオード２８ｕのカソードとの接続点に、下側の放電阻止形スナバ回路２０ｄのスナバ放電抵抗器２６ｄの他端が接続され、電位が変動しないコンデンサ３０と下側のクランプダイオード２８ｄのアノードとの接続点に、上側の放電阻止形スナバ回路２０ｕのスナバ放電抵抗器２６ｕの他端が接続されている。従って、直流中間電位がコンバータ２でのスイッチングによって変動しても、スナバコンデンサ２２ｕは、コンデンサ３０とクランプダイオード２８ｄのアノードとの接続点の電位までしか放電せず、スナバコンデンサ２２ｄは、コンデンサ３０とクランプダイオード２８ｕのカソードとの接続点の電位までしか放電しない。そのため、コンバータ２でスイッチングしても、スナバコンデンサ２２ｕの電位が、コンデンサ１４ｒｓ、１４ｓｔ、１４ｔｒの電位よりも低くなることはなく、これらコンデンサ１４ｒｓ、１４ｓｔ、１４ｔｒからスナバコンデンサ２２ｕに電流が流れず、サージが発生することはない。
【００３１】
第２の実施形態のインダイレクトマトリクスコンバータの一部を図８に示す。このインダイレクトマトリクスコンバータでは、コンデンサ３０に並列に放電抵抗器３２を接続したものである。他の構成は、第１の実施形態のインダイレクトマトリクスコンバータと同一であるので、同一部分には同一符号を付して、その説明を省略する。放電抵抗器３２の抵抗値は、コンデンサ３０との放電時定数が、コンデンサ３０の電位が三相交流電源の最大電圧程度を維持するように設定してある。
【００３２】
第１の実施形態のインダイレクトマトリクスコンバータでは、コンデンサ３０の充電電圧が、クランプダイオード２８ｕ、２８ｄの漏れ電流とサージ電圧のバランスによって上昇することがある。充電電圧が上昇すると、スナバコンデンサ２２ｕ、２２ｄの電位が高くなり、インバータ６でのサージ吸収効果が低くなり、インバータ６でのスイッチングの際にサージ電圧が上昇する。そこで、第２の実施形態のインダイレクトマトリクスコンバータでは、放電抵抗器３２を設けて、コンデンサ３０を電源電圧の最大電位程度まで放電するように構成して、コンバータ２からのパルス電流を防止しながら、インバータ６でのサージの抑制しろを確保している。
【００３３】
図９に第３の実施形態のインダイレクトマトリクスコンバータの要部を示す。このインダイレクトマトリクスコンバータでは、コンデンサ３０の両端に、スイッチ素子、例えばＩＧＢＴ３４のコレクターエミッタ導電路と放電抵抗器３６との直列回路が接続されている。また、コンデンサ３０の両端には、抵抗器３８、４０の直列回路が接続されている。これら抵抗器３８、４０の接続点とＩＧＢＴ３４の制御電極、例えばゲート電極との間に、制御信号発生手段、例えばツェナーダイオード４２と抵抗器４４との直列回路が接続されている。他の構成は、第1の実施形態のインダイレクトマトリクスコンバータと同一であるので、同一部分には同一符号を付して、その説明を省略する。
【００３４】
第２の実施形態のインダイレクトマトリクスコンバータでは、放電抵抗器３０は、上側及び下側のクランプダイオード２８ｕ、２８ｄを介して正極性及び負極性直流中間リンク４ｐ、４ｎ間に接続されているので、コンデンサ３０の容量を大きく設定し、放電抵抗器３０の値を小さく設定せざるを得なくなると、放電抵抗器３０のワット数が大きくなる問題がある。その点を、第３の実施形態のインダイレクトマトリクスコンバータは解決するもので、抵抗器３８、４０の値を大きく設定しておいて、これら抵抗器３８、４０によってコンデンサ３０の電圧を監視し、抵抗器４０の両端間電圧がツェナーダイオード４２のツェナー電圧を超えたとき、ＩＧＢＴ３４をターンオンして、コンデンサ３０の電荷を放電抵抗器３６によって放電させる。
【００３５】
図１０に第４の実施形態のインダイレクトマトリクスコンバータの要部を示す。このインダイレクトマトリクスコンバータは、第３の実施形態のインダイレクトマトリクスコンバータの変形で、コンデンサ３０の両端に、コンデンサ３０の電圧を検出する電圧センサ４６を設け、この電圧センサ４６が、コンデンサ３０の電圧が予め定めた電圧を超えたとき、ＩＧＢＴ３４にターンオン信号を供給する制御信号発生手段、例えばターンオン信号発生器４８を設けたものである。他の構成は、第３の実施形態のインダイレクトマトリクスコンバータと同一であるので、同一部分には同一符号を付して、その説明を省略する。
【００３６】
図１１及び図１２に第５の実施形態のインダイレクトマトリクスコンバータの要部を示す。このインダイレクトマトリクスコンバータの回路構成は、第１乃至第４の実施形態のインダイレクトマトリクスコンバータのいずれかのもので、一点鎖線で囲って示す放電阻止型スナバ回路２０ｕ、２０ｄのスナバコンデンサ２２ｕ、２２ｄ、スナバダイオード２４ｕ、２４ｄ、クランプ用ダイオード２８ｕ、２８ｄ、コンデンサ３０を、図１２（ｂ）に示すように１つのパッケージ４９に収容してある。なお、図１１に符号５０で示すのは、このパッケージ４９に設けた端子台である。ＩＧＢＴ１６ｕｕ乃至１６ｄｗは、図１２（ｂ）に示すように１つのモジュール５１に構成されており、符号５２は、このモジュール５１の端子台である。パッケージ４９内では、図１２（ａ）に示すようにスナバコンデンサ２２Ｕ、スナバダイオード２４ｕが１相分ずつ、合計三つのスナバ部５４にまとめられ、これらの上部または下部に、クランプ用ダイオード２８ｕ、２８ｄ、コンデンサ３０のクランプスナバ部５６が配置されている。このパッケージ４９は、取付具５８によってモジュール５１に取り付けられている。このように１つのパッケージ４９に収容することにより、モジュールへの取付が容易になる。
【００３７】
上記の各実施形態では、スイッチ素子として、ＩＧＢＴを使用したが、これに限ったものではなく、他の自己消弧型半導体スイッチ素子、例えばＭＯＳＦＥＴを使用することもできる。また、上記の各実施形態では、電圧降下素子としてダイオード２８ｕ、２８ｄを使用したが、これに限ったものではなく、例えば抵抗器を使用することもできる。また、第５の実施形態において、クランプ用ダイオード２８ｕ、２８ｄ、コンデンサ３０のみで１つのパッケージを構成することもできる。
【符号の説明】
【００３８】
２ コンバータ
４ｐ 正極性直流中間リンク
４ｎ 負極性直流中間リンク
６ インバータ
８ｕｒ乃至８ｕｔ ８ｄｒ乃至８ｄｔ 双方向スイッチ回路（双方向スイッチ手段）
１６ｕｕ乃至１６ｕｗ １６ｄｕ乃至１６ｄｗ ＩＧＢＴ（スイッチ素子）
２０ｕ 上側放電阻止形スナバ回路
２０ｄ 下側放電阻止形スナバ回路
２２ｕ ２２ｄ スナバコンデンサ
２４ｕ ２４ｄ スナバダイオード
２６ｕ ２６ｄ 放電抵抗器
２８ｕ ２８ｄ クランプダイオード（正極性及び負極性電圧降下手段）
３０ コンデンサ
【特許請求の範囲】
【請求項１】
双方向スイッチ手段を、上側及び下側アームとして直列に接続した３つの直列回路を互いに並列に接続し、前記３つの直列回路における前記上側及び下側アームの双方向スイッチ手段の接続点に、直列リアクトルと並列コンデンサとを含む入力フィルタを介して三相交流電源が接続されるコンバータと、
このコンバータの前記３つの直列回路からなる並列回路の前記上側アーム側の端部を正極性母線とし、前記下側アーム側の端部を負極性母線とした直流母線と、
スイッチ素子を電流が同一方向に流れるように上側及び下側アームとして直列接続した３つの直列回路を、前記直流母線間に並列に接続し、これら３つの直列回路における前記上側及び下側アームの接続点に、三相負荷が接続されるインバータとを、
具備するインダイレクトマトリクスコンバータにおいて、
前記正極性母線に一端を接続した正極性電圧降下手段と、
前記負極性母線に一端を接続した負極性電圧降下手段と、
前記正極性電圧降下手段の他端と、前記負極性電圧降下手段の他端との間に接続されたコンデンサと、
前記インバータの上側アームのスイッチ素子それぞれに設けられ、ダイオードとコンデンサと放電抵抗器とを有する上側放電阻止形スナバ回路と、
前記インバータの下側アームのスイッチ素子それぞれに設けられ、ダイオードとコンデンサと放電抵抗器とを有する下側放電阻止形スナバ回路とを、
具備し、前記上側放電阻止形スナバ回路の放電抵抗器が、前記負極性電圧降下手段の他端に接続され、前記下側放電阻止形スナバ回路の放電抵抗器が、前記正極性電圧降下手段の他端に接続されているインダイレクトマトリクスコンバータ。
【請求項２】
請求項１記載のインダイレクトマトリクスコンバータにおいて、前記コンデンサの両端に、別の放電用抵抗器を設けたインダイレクトマトリクスコンバータ。
【請求項３】
請求項１記載のインダイレクトマトリクスコンバータにおいて、前記コンデンサの両端間に導電路を接続し、制御電極に制御信号が供給されたとき前記導電路を導通させるスイッチ素子を設け、前記コンデンサの両端間に直列に２つの抵抗器を接続し、これら２つの抵抗器の接続点と前記制御電極との間に、前記コンデンサの両端間電圧が予め定めた値以上になったとき前記制御電極に前記制御信号を供給する制御信号発生手段を設けたインダイレクトマトリクスコンバータ。
【請求項４】
請求項１記載のインダイレクトマトリクスコンバータにおいて、前記記コンデンサの両端間に導電路を接続し、制御電極に制御信号が供給されたとき前記導電路を導通させるスイッチ素子を設け、前記コンデンサの両端間電圧の検出手段を設け、この検出手段が予め定めた値以上の電圧を検出したとき、前記制御電極に制御信号を供給する制御信号発生手段を設けたインダイレクトマトリクスコンバータ。
【請求項５】
請求項１乃至４いずれか記載のインダイレクトマトリクスコンバータにおいて、前記正極性電圧降下手段と、前記負極性母線に一端を接続した負極性電圧降下手段と、前記コンデンサと、前記上側及び下側放電阻止形スナバ回路とを、前記前記上側及び下側放電阻止形スナバ回路の放電抵抗器を除いて１つのパッケージに収容したインダイレクトマトリクスコンバータ。
【請求項６】
請求項１乃至４いずれか記載のインダイレクトマトリクスコンバータにおいて、前記正極性電圧降下手段と、前記負極性電圧降下手段と、前記コンデンサとを、モジュール化したインダイレクトマトリクスコンバータ。
【請求項１】
双方向スイッチ手段を、上側及び下側アームとして直列に接続した３つの直列回路を互いに並列に接続し、前記３つの直列回路における前記上側及び下側アームの双方向スイッチ手段の接続点に、直列リアクトルと並列コンデンサとを含む入力フィルタを介して三相交流電源が接続されるコンバータと、
このコンバータの前記３つの直列回路からなる並列回路の前記上側アーム側の端部を正極性母線とし、前記下側アーム側の端部を負極性母線とした直流母線と、
スイッチ素子を電流が同一方向に流れるように上側及び下側アームとして直列接続した３つの直列回路を、前記直流母線間に並列に接続し、これら３つの直列回路における前記上側及び下側アームの接続点に、三相負荷が接続されるインバータとを、
具備するインダイレクトマトリクスコンバータにおいて、
前記正極性母線に一端を接続した正極性電圧降下手段と、
前記負極性母線に一端を接続した負極性電圧降下手段と、
前記正極性電圧降下手段の他端と、前記負極性電圧降下手段の他端との間に接続されたコンデンサと、
前記インバータの上側アームのスイッチ素子それぞれに設けられ、ダイオードとコンデンサと放電抵抗器とを有する上側放電阻止形スナバ回路と、
前記インバータの下側アームのスイッチ素子それぞれに設けられ、ダイオードとコンデンサと放電抵抗器とを有する下側放電阻止形スナバ回路とを、
具備し、前記上側放電阻止形スナバ回路の放電抵抗器が、前記負極性電圧降下手段の他端に接続され、前記下側放電阻止形スナバ回路の放電抵抗器が、前記正極性電圧降下手段の他端に接続されているインダイレクトマトリクスコンバータ。
【請求項２】
請求項１記載のインダイレクトマトリクスコンバータにおいて、前記コンデンサの両端に、別の放電用抵抗器を設けたインダイレクトマトリクスコンバータ。
【請求項３】
請求項１記載のインダイレクトマトリクスコンバータにおいて、前記コンデンサの両端間に導電路を接続し、制御電極に制御信号が供給されたとき前記導電路を導通させるスイッチ素子を設け、前記コンデンサの両端間に直列に２つの抵抗器を接続し、これら２つの抵抗器の接続点と前記制御電極との間に、前記コンデンサの両端間電圧が予め定めた値以上になったとき前記制御電極に前記制御信号を供給する制御信号発生手段を設けたインダイレクトマトリクスコンバータ。
【請求項４】
請求項１記載のインダイレクトマトリクスコンバータにおいて、前記記コンデンサの両端間に導電路を接続し、制御電極に制御信号が供給されたとき前記導電路を導通させるスイッチ素子を設け、前記コンデンサの両端間電圧の検出手段を設け、この検出手段が予め定めた値以上の電圧を検出したとき、前記制御電極に制御信号を供給する制御信号発生手段を設けたインダイレクトマトリクスコンバータ。
【請求項５】
請求項１乃至４いずれか記載のインダイレクトマトリクスコンバータにおいて、前記正極性電圧降下手段と、前記負極性母線に一端を接続した負極性電圧降下手段と、前記コンデンサと、前記上側及び下側放電阻止形スナバ回路とを、前記前記上側及び下側放電阻止形スナバ回路の放電抵抗器を除いて１つのパッケージに収容したインダイレクトマトリクスコンバータ。
【請求項６】
請求項１乃至４いずれか記載のインダイレクトマトリクスコンバータにおいて、前記正極性電圧降下手段と、前記負極性電圧降下手段と、前記コンデンサとを、モジュール化したインダイレクトマトリクスコンバータ。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【公開番号】特開２０１２−３９８１０（Ｐ２０１２−３９８１０Ａ）
【公開日】平成２４年２月２３日（２０１２．２．２３）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−１７９３７０（Ｐ２０１０−１７９３７０）
【出願日】平成２２年８月１０日（２０１０．８．１０）
【出願人】（５０３４０５６８９）ナブテスコ株式会社 (737)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年２月２３日（２０１２．２．２３）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年８月１０日（２０１０．８．１０）
【出願人】（５０３４０５６８９）ナブテスコ株式会社 (737)
【Ｆターム（参考）】
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