ゲート駆動装置への電力供給方式
【課題】電力変換器の各アーム毎に複数個直列接続される半導体スイッチング素子対応の各ゲート駆動装置に電力を供給する場合に、絶縁トランスの容量を大きくすることなく絶縁を確保できるようにする。
【解決手段】電力変換器の各アーム毎にＩＧＢＴ等の半導体スイッチング素子１〜５を複数個直列接続し、低圧側のゲート駆動装置２５から高圧側ゲート駆動装置２１まで、絶縁トランス１５〜１１を介して順々に電力を分岐して伝達供給する構成とすることにより、高圧側の絶縁トランス１１の一次巻線と二次巻線間に印加される電圧を従来方式のものよりも低減させ、絶縁トランスの小容量化を図る。
【解決手段】電力変換器の各アーム毎にＩＧＢＴ等の半導体スイッチング素子１〜５を複数個直列接続し、低圧側のゲート駆動装置２５から高圧側ゲート駆動装置２１まで、絶縁トランス１５〜１１を介して順々に電力を分岐して伝達供給する構成とすることにより、高圧側の絶縁トランス１１の一次巻線と二次巻線間に印加される電圧を従来方式のものよりも低減させ、絶縁トランスの小容量化を図る。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、電圧駆動型半導体素子を各アーム当り複数個直列に接続して構成される電力変換装置、特に電圧駆動型半導体素子のゲート駆動装置への電源供給方式に関する。
【背景技術】
【０００２】
図１２に、各アームに電圧駆動型半導体素子を複数個直列接続された一般的な電力変換装置の例を示す。
図１２において、４１は３相交流入力電源、４２は整流回路、４３は平滑コンデンサ、４４〜４９は複数個直列接続されたＩＧＢＴ（絶縁ゲートバイポーラトランジスタ）のような電圧駆動型半導体素子、５０はモータ等の負荷である。各電圧駆動型半導体素子のゲート駆動装置（ＧＤＵ）は、異なる基準電位で動作しているため、ゲート駆動装置ごとに絶縁を確保し、各ゲート駆動装置に電力を供給する必要がある。
【０００３】
図１３に、例えば図１２の１アーム分の構成例を示す。
図１３において、１〜５はダイオードが逆並列に接続されたＩＧＢＴ、１０は絶縁トランス１１〜１５等からなるゲート電源供給回路、２０は交流（ＡＣ）電源、２１〜２５はゲート駆動装置（ＧＤＵ）、３０は制御装置である。また、制御装置３０からのオン，オフ信号は、ここでは例えば光ファイバケーブルを介して光信号で伝送され、絶縁して信号伝送されるようになっている。
【０００４】
図１３では、交流電源２０に絶縁トランス１１〜１５の一次側を接続し、絶縁トランス１１〜１５の二次側からゲート駆動装置２１〜２５の電源入力に接続することで、ゲート駆動装置ごとに絶縁を確保し、ゲート駆動装置２１〜２５に電力を供給するようにしている。なお、このような電力供給方式は良く知られており、例えば特許文献１に示されている。
【特許文献１】特開平１０−１６４８４３号公報（第３頁、図９）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
図１３の方式ではゲート駆動装置ごとに絶縁を確保し、各ゲート駆動装置に電力を供給することができる。しかし、図１３において、例えば絶縁トランス１５の一次側の対地電位が０［Ｖ］、二次側の対地電位も０［Ｖ］で、ＶＣＥ１＝ＶＣＥ２＝ＶＣＥ３＝ＶＣＥ４＝ＶＣＥ５＝ＶＣＥ［Ｖ］であるとすると、絶縁トランス回路１１の二次側の対地電位は４ＶＣＥ［Ｖ］となって、絶縁トランス１１の一次側と二次側間に印加される電圧は４ＶＣＥ［Ｖ］となる。
【０００６】
以上のことから、特に高電圧大容量の電力変換装置の場合には、絶縁耐圧を確保するために、高電圧側の絶縁トランスの容積（容量）を大きくしなければならず、装置が大型化するという問題がある。
したがって、この発明の課題は、ゲート駆動装置ごとに絶縁を確保し、各ゲート駆動装置に電力を供給する場合に、絶縁トランスの容量を大きくすることなく絶縁を確保できるようにすることにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
このような課題を解決するため、請求項１の発明では、各アームにはゲート駆動装置によりそれぞれ駆動される電圧駆動型半導体素子がｎ（３以上の整数）個直列接続され、前記ゲート駆動装置の電源入力には絶縁トランスの二次側がそれぞれ接続され、その各絶縁トランスを介して各ゲート駆動装置に電力を供給するゲート駆動装置への電力供給方式において、
最も低電圧側に接続された電圧駆動型半導体素子を１段目とし、最も高電圧側に接続された電圧駆動型半導体素子をｎ段目として、その中のｍ（２〜ｎ−１）段目の絶縁トランスの一次側に交流電源を接続し、前記ｍ段目の絶縁トランスの二次側にそれ以外の絶縁トランスの一次側を接続したことを特徴とする。
請求項１の発明においては、（１〜ｍ−１）段目および（ｍ＋１〜ｎ）段目に前記電圧駆動型半導体素子がそれぞれ２段以上ある場合は、前記ｍ段目の絶縁トランスの二次側にａ（１〜ｍ−１の中のいずれか）段目とｂ（ｍ＋１〜ｎの中のいずれか）段目の絶縁トランスの一次側をそれぞれ接続し、ａ段目の絶縁トランスの二次側には（１〜ｍ−１）の中でａ段目以外の絶縁トランスの一次側を接続し、ｂ段目の絶縁トランスの二次側には（ｍ＋１〜ｎ）の中でｂ段目以外の絶縁トランスの一次側を接続することができる（請求項２の発明）。
【０００８】
請求項３の発明では、各アームにはゲート駆動装置によりそれぞれ駆動される電圧駆動型半導体素子がｎ（２以上の整数）個直列接続され、前記ゲート駆動装置の電源入力には絶縁トランスの二次側がそれぞれ接続され、その各絶縁トランスを介して各ゲート駆動装置に電力を供給するゲート駆動装置への電力供給方式において、
最も低電圧側に接続された電圧駆動型半導体素子を１段目とし、最も高電圧側に接続された電圧駆動型半導体素子をｎ段目として、このｎ段目の電圧駆動型半導体素子のゲート駆動装置に接続された絶縁トランスの一次側と、ｎ−１段目の電圧駆動型半導体素子のゲート駆動装置に接続された絶縁トランスの二次側とを接続し、以下同様にして１段目まで接続し、この１段目の電圧駆動型半導体素子のゲート駆動装置に接続された絶縁トランスの一次側には交流電源を接続し、１段目からｎ段目のゲート駆動装置へと順々に電力を伝達供給することを特徴とする。
【０００９】
上記請求項３の発明においては、前記前記交流電源を、１段目の代わりにｎ段目の絶縁トランスの一次側に接続し、ｎ段目の絶縁トランスの二次側とｎ−１段目の絶縁トランスの一次側を接続し、以下同様に１段目まで接続することができ（請求項４の発明）、または、前記交流電源を、１段目の代わりに２段目〜ｎ−１段目のうちのいずれか１つであるｍ段目の絶縁トランスの一次側に接続し、そのｍ段目の絶縁トランスの二次側にｍ＋１段目の絶縁トランスの一次側を接続し、以下同様にしてｎ段目まで接続するとともに、前記ｍ段目の絶縁トランスの二次側にｍ−１段目の絶縁トランスの一次側を接続し、以下同様にして１段目まで接続することができる（請求項５の発明）。これら請求項３〜５のいずれかの発明においては、前記交流電源を接続した電圧駆動型半導体素子のゲート駆動装置に接続される絶縁トランスの一次側には、整流回路とインバータ回路とを接続することができる（請求項６の発明）。
【００１０】
請求項７の発明では、各アームにはゲート駆動装置によりそれぞれ駆動される電圧駆動型半導体素子がｎ（２以上の整数）個直列接続され、前記ゲート駆動装置の電源入力には絶縁トランスの二次側がそれぞれ接続され、その各絶縁トランスを介して各ゲート駆動装置に電力を供給するゲート駆動装置への電力供給方式において、
最も低電圧側に接続された電圧駆動型半導体素子を１段目とし、最も高電圧側に接続された電圧駆動型半導体素子をｎ段目として、このｎ段目の電圧駆動型半導体素子のゲート駆動装置に接続された絶縁トランスの一次側と、ｎ−１段目の電圧駆動型半導体素子のゲート駆動装置に接続された絶縁トランスの二次側とをインバータ回路および整流回路を介して接続し、以下同様にして１段目まで接続し、この１段目の電圧駆動型半導体素子のゲート駆動装置に接続された絶縁トランスの一次側には交流電源を接続し、１段目からｎ段目のゲート駆動装置へと順々に電力を伝達供給することを特徴とする。
【００１１】
請求項７の発明においては、前記交流電源を、１段目の代わりにｎ段目の絶縁トランスの一次側に接続し、ｎ段目の絶縁トランスの二次側とｎ−１段目の絶縁トランスの一次側を接続し、以下同様に１段目まで接続することができ（請求項８の発明）、または前記交流電源を、１段目の代わりに２段目〜ｎ−１段目のうちのいずれか１つであるｍ段目の絶縁トランスの一次側に接続し、そのｍ段目の絶縁トランスの二次側とｍ＋１段目の絶縁トランスの一次側とを整流回路およびインバータ回路を介して接続し、以下同様にしてｎ段目まで接続するとともに、前記ｍ段目の絶縁トランスの二次側とｍ−１段目の絶縁トランスの一次側とを整流回路およびインバータ回路を介して接続し、以下同様にして１段目まで接続することができる（請求項９の発明）。
【００１２】
請求項１０の発明では、各アームにはゲート駆動装置によりそれぞれ駆動される電圧駆動型半導体素子がｎ（２以上の整数）個直列接続され、前記ゲート駆動装置の電源入力には絶縁トランスの二次側がそれぞれ接続され、その各絶縁トランスを介して各ゲート駆動装置に電力を供給するゲート駆動装置への電力供給方式において、
前記各電圧駆動型半導体素子のゲート駆動装置の電源入力と絶縁トランスとの間には整流回路をそれぞれ接続するとともに、最も低電圧側に接続された電圧駆動型半導体素子を１段目とし、最も高電圧側に接続された電圧駆動型半導体素子をｎ段目として、このｎ段目の電圧駆動型半導体素子のゲート駆動装置に接続された絶縁トランスの一次側と、ｎ−１段目の電圧駆動型半導体素子のゲート駆動装置と前記整流回路との接続点間をインバータ回路を介して接続し、以下同様にして１段目まで接続し、この１段目の電圧駆動型半導体素子のゲート駆動装置に接続された絶縁トランスの一次側には交流電源を接続し、１段目からｎ段目のゲート駆動装置へと順々に電力を伝達供給することを特徴とする。
【００１３】
請求項１０の発明においては、前記交流電源を、１段目の代わりにｎ段目の絶縁トランスの一次側に接続し、ｎ段目の電圧駆動型半導体素子のゲート駆動装置と前記整流回路との接続点間とｎ−１段目の絶縁トランスの一次側とをインバータ回路を介して接続し、以下同様に１段目まで接続することができ（請求項１１の発明）、または前記交流電源を、１段目の代わりに２段目〜ｎ−１段目のうちのいずれか１つであるｍ段目の絶縁トランスの一次側に接続し、そのｍ段目の電圧駆動型半導体素子のゲート駆動装置と前記整流回路との接続点間とｍ＋１段目の絶縁トランスの一次側とをインバータ回路を介して接続し、以下同様にしてｎ段目まで接続するとともに、前記ｍ段目の電圧駆動型半導体素子のゲート駆動装置と前記整流回路との接続点間とｍ−１段目の絶縁トランスの一次側とをインバータ回路を介して接続し、以下同様にして１段目まで接続することができる（請求項１２の発明）。
【発明の効果】
【００１４】
請求項１，２の発明によれば、２段目〜ｎ−１段目のいずれかの電圧駆動型半導体素子を基準として、その絶縁トランスから低圧側および高圧側のゲート駆動装置に対し、分岐してゲート電力を伝達供給するようにしたので、絶縁トランスの絶縁耐圧を低くすることができ、絶縁トランスの容積を小さくすることが可能となるため、特に高電圧大容量電力変換装置の小型化を実現できる。
また、請求項３〜１０の発明によれば、電圧駆動型半導体素子を各アーム当りｎ個直列に接続した、電力変換装置のゲート駆動装置へ電源を供給するに当り、１段目のゲート駆動装置からｎ段目のゲート駆動装置まで縦続接続して、順次電力を伝達供給するようにしたので、高電圧側の絶縁トランスの一次，二次間に印加される電圧が低減され、絶縁トランスの容積を小さくすることができる。これにより、高電圧大容量電力変換装置の小型化が可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
図１はこの発明の第１の実施の形態を示す構成図で、ＩＧＢＴが５直列で基準電位を３段目のＩＧＢＴとした場合の例である。
図示のように、各ＩＧＢＴ１〜５にはゲート駆動装置２１〜２５が接続され、ゲート駆動装置の電源入力には、絶縁トランス回路１１〜１５の二次側がそれぞれ接続されている。そして、３段目の絶縁トランス回路１３の一次側には交流電源２０が接続され、３段目の絶縁トランス回路１３の二次側には、３段目の絶縁トランス回路１３以外の絶縁トランス回路の一次側が接続されて構成される。
【００１６】
動作について説明する。
図１において、交流電源２０から電源が供給されると、３段目の絶縁トランス回路１３を介して、ゲート駆動装置２３に電力が供給される。これと同時に３段目以外の絶縁トランス回路１１，１２，１４，１５の一次側に電力が供給され、それぞれの絶縁トランス回路を介して、各ゲート駆動装置２１，２２，２４，２５に電力が供給される。
【００１７】
図１において、例えば絶縁トランス回路１３の一次側の電位が０［Ｖ］、絶縁トランス回路１５の二次側の対地電位が０［Ｖ］になっているとし、ＶＣＥ１＝ＶＣＥ２＝ＶＣＥ３＝ＶＣＥ４＝ＶＣＥ５＝ＶＣＥ［Ｖ］とすると、絶縁トランス回路１３の二次側の対地電位は２ＶＣＥ［Ｖ］となって、絶縁トランス回路１５の一次側の対地電位が２ＶＣＥ［Ｖ］となるため、絶縁トランス回路１３と１５の一次側と二次側に印加される電圧は２ＶＣＥ［Ｖ］となる。
【００１８】
このように、図１３に示す従来例の４ＶＣＥ［Ｖ］と比較して印加電圧が低くなるため、絶縁トランス回路に必要な絶縁耐圧は低くなる。つまり、（２段目〜ｎ−１段目）のうちのいずれかのＩＧＢＴを基準として、絶縁トランス回路を介して電力を供給伝達することにより、絶縁トランス回路に必要な絶縁耐圧を低くすることができる。
以上のことから、特に高電圧大容量の電力変換装置の場合に、絶縁トランス回路の容積（容量）を小さくでき、装置が大型化するという問題を軽決することが可能となる。
【００１９】
図２に図１の第１の変形例を示す。これは、ＩＧＢＴが４直列で基準電位を２段目のＩＧＢＴとした場合の例で、動作等は図１の場合と同様なので詳細は省略する。
図３に図１の第２の変形例を示す。図１に示すものに対し、１段目と２段目の絶縁トランス回路の一次側を直列接続し、その両端を３段目の絶縁トランス回路の二次側に接続し、同様に４段目と５段目の絶縁トランス回路の一次側を直列接続し、その両端を３段目の絶縁トランス回路の二次側に接続した場合の例で、動作等は図１の場合と同様なので詳細は省略する。
図４に図１の第３の変形例を示す。図１に示すものに対し、３段目以外の絶縁トランス回路の一次側を直列接続し、その両端を３段目の絶縁トランス回路の二次側に接続した場合の例で、動作等は図１の場合と同様なので詳細は省略する。
【００２０】
図５はこの発明の第２の実施の形態を示す構成図で、ＩＧＢＴが７直列で基準電位を４段目のＩＧＢＴとし、新たな基準電位を２段目と６段目のＩＧＢＴに設け、電力供給経路の分岐数を増やして構成した例を示す。
各ＩＧＢＴ１〜７にはゲート駆動装置２１〜２７が接続され、ゲート駆動装置２１〜２７の電源入力には、絶縁トランス回路１１〜１７の二次側がそれぞれ接続される。４段目の絶縁トランス回路１４の二次側に、２段目の絶縁トランス回路１６と６段目の絶縁トランス回路１２の一次側が接続される。さらに、２段目の絶縁トランス回路１６の二次側に、１段目の絶縁トランス回路１７と３段目の絶縁トランス回路１５の一次側が接続され、６段目の絶縁トランス回路１２の二次側に、５段目の絶縁トランス回路１３と７段目の絶縁トランス回路１１の一次側が接続された構成となっている。
【００２１】
動作を説明する。
交流電源１０から電力が供給されると、４段目の絶縁トランス回路１４を介して、ゲート駆動装置２４に電力が供給される。これと同時に２段目の絶縁トランス回路１６と６段目の絶縁トランス回路１２の一次側に電力が供給され、それぞれの絶縁トランス回路を介してゲート駆動装置２６，２２に電力が供給される。さらに、２段目の絶縁トランス回路１６と６段目の絶縁トランス回路１２の一次側に電力が供給されると、１段目の絶縁トランス回路１７と、３段目の絶縁トランス回路１５と、５段目の絶縁トランス回路１３と、７段目の絶縁トランス回路１１の一次側に電力が供給され、それぞれの絶縁トランス回路を介してゲート駆動装置２７，２５，２３，２１に電力が供給される。
【００２２】
図５において、例えば絶縁トランス回路１４の一次側の対地電位が０［Ｖ］、絶縁トランス回路１７の二次側の対地電位が０［Ｖ］になっており、ＶＣＥ１＝ＶＣＥ２＝ＶＣＥ３＝ＶＣＥ４＝ＶＣＥ５＝ＶＣＥ６＝ＶＣＥ７とすると、４段目の絶縁トランス回路１４の一次〜二次間に印加される電圧は３ＶＣＥ［Ｖ］、２段目の絶縁トランス回路１６と６段目の絶縁トランス回路１２の一次〜二次間に印加される電圧は２ＶＣＥ［Ｖ］、１段目の絶縁トランス回路１７と、３段目の絶縁トランス回路１５と、５段目の絶縁トランス回路１３と、７段目の絶縁トランス回路１１の一次〜二次間に印加される電圧はＶＣＥ［Ｖ］となる。
【００２３】
以上のように、図１３に示す従来例の４ＶＣＥ［Ｖ］と比較して、絶縁トランス回路の一次〜二次間に印加される電圧が低くなるため、絶縁トランス回路に必要な絶縁耐圧は低くなる。すなわち、（２段目〜ｎ−１段目）のなかでｍ段目のＩＧＢＴを基準とし、新たに（２段目〜ｍ−１段目）の中と、（ｍ＋１段目〜ｎ−１段目）の中にそれぞれ基準電位を設け、絶縁トランス回路を介して電力を伝達供給することにより、絶縁トランス回路に必要な絶縁耐圧を低くすることができる。
以上のことから、この発明は特に高電圧大容量電力変換装置の場合に、絶縁トランス回路の容量を小さくすることができ、装置を大型化するという問題が回避できる。
【００２４】
図６はこの発明の第３の実施の形態を示す構成図で、ＩＧＢＴが４直列の例である。
図示のように、ゲート駆動装置２１〜２４は、絶縁トランス１１〜１４によってそれぞれ絶縁されており、絶縁トランス１４の一次側に電力供給源である交流電源２０が接続されている。ゲート電源供給回路１０は、絶縁トランス１４の二次側と絶縁トランス１３の一次側、絶縁トランス１３の二次側と絶縁トランス１２の一次側、絶縁トランス１２の二次側と絶縁トランス１１の一次側をそれぞれ接続して構成される。
【００２５】
図６の構成において、交流電源２０から電力が供給されると、絶縁トランス１４を介してゲート駆動装置２４に電力が供給される。これと同時に絶縁トランス１３の一次側に電力が供給され、絶縁トランス１３を介してゲート駆動装置２３に電力が供給される。このように、１段目のゲート駆動装置２４から４段目のゲート駆動装置２１まで順々に電力が伝達供給される。
【００２６】
いま、図６で例えば絶縁トランス１４の一次側の対地電位が０［Ｖ］、二次側の対地電位も０Ｖ［Ｖ］で、ＶＣＥ１＝ＶＣＥ２＝ＶＣＥ３＝ＶＣＥ４＝ＶＣＥ［Ｖ］とすると、絶縁トランス１１の一次側の対地電位は２ＶＣＥ［Ｖ］、二次側の対地電位は３ＶＣＥ［Ｖ］となり、絶縁トランス１１の一次〜二次間に印加される電圧はＶＣＥ［Ｖ］となる。これにより、従来例の場合と比較して、印加電圧が２ＶＣＥ［Ｖ］だけ低くなり、絶縁トランス１１に必要な絶縁耐圧を低減させることができる。その結果、高電圧側の絶縁トランスの容量を小さくすることができ、装置が大型化するという問題を回避することが可能となる。
【００２７】
図７は図６の第１の変形例を示し、交流電源２０を４段目の絶縁トランス１１の一次側に接続した点が特徴である。
ここで、交流電源２０から電力が供給されると、絶縁トランス１１を介してゲート駆動装置２１に電力が供給される。これと同時に、絶縁トランス１２の一次側に電力が供給され、絶縁トランス１２を介してゲート駆動装置２２に電力が供給される。このように、４段目のゲート駆動装置２１から１段目のゲート駆動装置２４まで、順々に電力を伝達供給する。
【００２８】
いま、絶縁トランス１１の一次側の対地電位が０［Ｖ］、二次側の対地電位も０［Ｖ］で、ＶＣＥ１＝ＶＣＥ２＝ＶＣＥ３＝ＶＣＥ４＝ＶＣＥ［Ｖ］とすると、絶縁トランス１４の一次側の対地電位は２ＶＣＥ［Ｖ］、二次側の対地電位は３ＶＣＥ［Ｖ］となり、絶縁トランス１４の一次〜二次間に印加される電圧は（ＶＣＥ４）［Ｖ］となる。このことにより、従来の４直列の場合と比較して印加電圧が２ＶＣＥ［Ｖ］だけ低くなるため、絶縁トランス１４に必要な絶縁耐圧は小さくなる。
【００２９】
図８は図６の第２の変形例を示し、交流電源２０を２段目の絶縁トランス１３の一次側に接続した点が特徴である。
ここで、交流電源２０から電力が供給されると、絶縁トランス１３を介してゲート駆動装置２３に電力が供給される。これと同時に、絶縁トランス１２および絶縁トランス１４の一次側に電力が供給され、絶縁トランス１２を介してゲート駆動装置２２に、また絶縁トランス１４を介してゲート駆動装置２４に電力が供給される。このように、２段目のゲート駆動装置２３から１段目のゲート駆動装置２４および４段目のゲート駆動装置２５まで、順々に電力を伝達供給する。
【００３０】
いま、絶縁トランス１３の一次側の対地電位が０［Ｖ］、二次側の対地電位が（ＶＣＥ４）［Ｖ］になっているとすると、絶縁トランス１１，１２，１４の一次〜二次間に印加される電圧はＩＧＢＴ１素子分となる。このことにより、従来例と比較して印加電圧が低くなるため、絶縁トランスに必要な絶縁耐圧は小さくなる。
【００３１】
図９はこの発明の第４の実施の形態を示す構成図である。
ゲート駆動装置２１〜２４は、絶縁トランス１１〜１４によってそれぞれ絶縁されており、絶縁トランス１４の一次側には半導体整流回路８と、半導体素子Ｓ１，Ｓ２およびこの半導体素子を制御するためのパルス発生回路Ｐからなるインバータ回路９を介して、電力供給源としての交流電源２０が接続されている。そして、絶縁トランス１４の二次側と絶縁トランス１３の一次側、絶縁トランス１３の二次側と絶縁トランス１２の一次側、絶縁トランス１２の二次側と絶縁トランス１１の一次側という具合に、順次縦続的に接続して構成される。
【００３２】
図９のゲート電源供給回路の動作について、以下に説明する。
いま、交流電源１４から電力が供給されると、半導体整流回路８により直流に変換された後、インバータ回路９により高周波交流に変換され、絶縁トランス１４を介してゲート駆動装置２４に電力が供給される。これと同時に、変換された高周波交流電力が絶縁トランス１３の一次側に電力が供給され、絶縁トランス１３を介してゲート駆動装置２３に電力が供給される。このように、1段目のゲート駆動装置２４から４段目のゲート駆動装置２１まで、順々に電力が伝達供される。このように、交流電力を高周波化して伝達するので、図６〜図８の場合よりもさらに絶縁トランス容量を小さくすることが可能となる。
【００３３】
図１０はこの発明の第５の実施の形態を示す構成図である。
ゲート駆動装置２１〜２４は、絶縁トランス１１〜１４によってそれぞれ絶縁されており、絶縁トランス１４の一次側に電力供給源である交流電源２０が接続されている。ゲート電源供給回路１０は、絶縁トランス１４の二次側と絶縁トランス１３の一次側との間に、半導体整流回路３３と、半導体素子Ｓ１，Ｓ２と、この半導体素子を制御するためのパルス発生回路Ｐとから構成されるインバータ回路９３を接続する。
【００３４】
以下、同様に絶縁トランス１３の二次側と絶縁トランス１２の一次側との間に、半導体整流回路３２と、半導体素子Ｓ１，Ｓ２と、この半導体素子を制御するためのパルス発生回路Ｐとから構成されるインバータ回路９２を接続し、絶縁トランス１２の二次側と絶縁トランス１１の一次側との間に、半導体整流回路９１と、半導体素子Ｓ１，Ｓ２と、この半導体素子を制御するためのパルス発生回路Ｐとから構成されるインバータ回路９１を接続して構成される。なお、絶縁トランス１１〜１３の一次側は、センタタップ付きとしている。
【００３５】
図１０のゲート電源供給回路の動作について、以下に説明する。
いま、交流電源２０から電力が供給されると、絶縁トランス１４を介してゲート駆動装置２４に電力が供給される。これと同時に半導体整流回路３３により整流され、インバータ回路９３によって高周波化された交流電力に変換される。次に、変換された高周波交流電力が絶縁トランス１３の一次側に電力が供給され、絶縁トランス１３を介してゲート駆動装置２３に電力が供給される。このように、1段目のゲート駆動装置２４から４段目のゲート駆動装置２１まで、順々に電力を伝達供給する。このように、交流電力を高周波化して伝達するので、図６〜図８の場合よりもさらに絶縁トランス容量を小さくすることが可能となる。
【００３６】
図１１はこの発明の第６の実施の形態を示す構成図である。
これは、図１０の変形例を示し、各ゲート駆動装置への電力供給を図１０では交流で行なっているのに対しここでは直流で行なうようにし、ゲート駆動装置に一般的に内蔵されている整流回路を省略可能にした点が特徴である。また、交流電力を高周波化する点は図１０の場合と同様なので、図６〜図８の場合よりも絶縁トランス容量を小さくすることができる。その他は図１０と同じなので、説明は省略する。
【００３７】
図９，１０，１１では、ＡＣ電源２０を最も低電圧側に接続された電圧駆動型半導体素子に接続するようにしたが、最も高電圧側に接続された電圧駆動型半導体素子を含め任意の段に接続することができる。なお、そのときの機能，動作および効果はそれぞれの場合と同様である。
また、図９〜１１ではＳ１〜Ｓ２を半導体素子とし、３１〜３４を半導体整流回路としたが、半導体式に限らないのは勿論である。
【図面の簡単な説明】
【００３８】
【図１】この発明の第１の実施の形態を示す回路構成図
【図２】図１の第１の変形例を示す回路構成図
【図３】図１の第２の変形例を示す回路構成図
【図４】図１の第３の変形例を示す回路構成図
【図５】この発明の第２の実施の形態を示す回路図
【図６】この発明の第３の実施の形態を示す回路構成図
【図７】図６の第１変形例を示す回路構成図
【図８】図６の第２変形例を示す回路構成図
【図９】この発明の第４の実施の形態を示す回路構成図
【図１０】この発明の第５の実施の形態を示す回路構成図
【図１１】この発明の第６の実施の形態を示す回路構成図
【図１２】電力変換装置の一般的な例を示す回路図
【図１３】電力供給方式の従来例を示す回路構成図
【符号の説明】
【００３９】
１〜７…ＩＧＢＴ、８，３１〜３４…半導体整流回路、９，９１〜９３…インバータ回路、１０…ゲート電源供給回路、１１〜１７…絶縁トランス、２０…交流電源、２１〜２７…ゲート駆動装置、３０…制御装置、Ｐ…パルス発生回路、Ｓ１，Ｓ２…半導体素子。
【技術分野】
【０００１】
この発明は、電圧駆動型半導体素子を各アーム当り複数個直列に接続して構成される電力変換装置、特に電圧駆動型半導体素子のゲート駆動装置への電源供給方式に関する。
【背景技術】
【０００２】
図１２に、各アームに電圧駆動型半導体素子を複数個直列接続された一般的な電力変換装置の例を示す。
図１２において、４１は３相交流入力電源、４２は整流回路、４３は平滑コンデンサ、４４〜４９は複数個直列接続されたＩＧＢＴ（絶縁ゲートバイポーラトランジスタ）のような電圧駆動型半導体素子、５０はモータ等の負荷である。各電圧駆動型半導体素子のゲート駆動装置（ＧＤＵ）は、異なる基準電位で動作しているため、ゲート駆動装置ごとに絶縁を確保し、各ゲート駆動装置に電力を供給する必要がある。
【０００３】
図１３に、例えば図１２の１アーム分の構成例を示す。
図１３において、１〜５はダイオードが逆並列に接続されたＩＧＢＴ、１０は絶縁トランス１１〜１５等からなるゲート電源供給回路、２０は交流（ＡＣ）電源、２１〜２５はゲート駆動装置（ＧＤＵ）、３０は制御装置である。また、制御装置３０からのオン，オフ信号は、ここでは例えば光ファイバケーブルを介して光信号で伝送され、絶縁して信号伝送されるようになっている。
【０００４】
図１３では、交流電源２０に絶縁トランス１１〜１５の一次側を接続し、絶縁トランス１１〜１５の二次側からゲート駆動装置２１〜２５の電源入力に接続することで、ゲート駆動装置ごとに絶縁を確保し、ゲート駆動装置２１〜２５に電力を供給するようにしている。なお、このような電力供給方式は良く知られており、例えば特許文献１に示されている。
【特許文献１】特開平１０−１６４８４３号公報（第３頁、図９）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
図１３の方式ではゲート駆動装置ごとに絶縁を確保し、各ゲート駆動装置に電力を供給することができる。しかし、図１３において、例えば絶縁トランス１５の一次側の対地電位が０［Ｖ］、二次側の対地電位も０［Ｖ］で、ＶＣＥ１＝ＶＣＥ２＝ＶＣＥ３＝ＶＣＥ４＝ＶＣＥ５＝ＶＣＥ［Ｖ］であるとすると、絶縁トランス回路１１の二次側の対地電位は４ＶＣＥ［Ｖ］となって、絶縁トランス１１の一次側と二次側間に印加される電圧は４ＶＣＥ［Ｖ］となる。
【０００６】
以上のことから、特に高電圧大容量の電力変換装置の場合には、絶縁耐圧を確保するために、高電圧側の絶縁トランスの容積（容量）を大きくしなければならず、装置が大型化するという問題がある。
したがって、この発明の課題は、ゲート駆動装置ごとに絶縁を確保し、各ゲート駆動装置に電力を供給する場合に、絶縁トランスの容量を大きくすることなく絶縁を確保できるようにすることにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
このような課題を解決するため、請求項１の発明では、各アームにはゲート駆動装置によりそれぞれ駆動される電圧駆動型半導体素子がｎ（３以上の整数）個直列接続され、前記ゲート駆動装置の電源入力には絶縁トランスの二次側がそれぞれ接続され、その各絶縁トランスを介して各ゲート駆動装置に電力を供給するゲート駆動装置への電力供給方式において、
最も低電圧側に接続された電圧駆動型半導体素子を１段目とし、最も高電圧側に接続された電圧駆動型半導体素子をｎ段目として、その中のｍ（２〜ｎ−１）段目の絶縁トランスの一次側に交流電源を接続し、前記ｍ段目の絶縁トランスの二次側にそれ以外の絶縁トランスの一次側を接続したことを特徴とする。
請求項１の発明においては、（１〜ｍ−１）段目および（ｍ＋１〜ｎ）段目に前記電圧駆動型半導体素子がそれぞれ２段以上ある場合は、前記ｍ段目の絶縁トランスの二次側にａ（１〜ｍ−１の中のいずれか）段目とｂ（ｍ＋１〜ｎの中のいずれか）段目の絶縁トランスの一次側をそれぞれ接続し、ａ段目の絶縁トランスの二次側には（１〜ｍ−１）の中でａ段目以外の絶縁トランスの一次側を接続し、ｂ段目の絶縁トランスの二次側には（ｍ＋１〜ｎ）の中でｂ段目以外の絶縁トランスの一次側を接続することができる（請求項２の発明）。
【０００８】
請求項３の発明では、各アームにはゲート駆動装置によりそれぞれ駆動される電圧駆動型半導体素子がｎ（２以上の整数）個直列接続され、前記ゲート駆動装置の電源入力には絶縁トランスの二次側がそれぞれ接続され、その各絶縁トランスを介して各ゲート駆動装置に電力を供給するゲート駆動装置への電力供給方式において、
最も低電圧側に接続された電圧駆動型半導体素子を１段目とし、最も高電圧側に接続された電圧駆動型半導体素子をｎ段目として、このｎ段目の電圧駆動型半導体素子のゲート駆動装置に接続された絶縁トランスの一次側と、ｎ−１段目の電圧駆動型半導体素子のゲート駆動装置に接続された絶縁トランスの二次側とを接続し、以下同様にして１段目まで接続し、この１段目の電圧駆動型半導体素子のゲート駆動装置に接続された絶縁トランスの一次側には交流電源を接続し、１段目からｎ段目のゲート駆動装置へと順々に電力を伝達供給することを特徴とする。
【０００９】
上記請求項３の発明においては、前記前記交流電源を、１段目の代わりにｎ段目の絶縁トランスの一次側に接続し、ｎ段目の絶縁トランスの二次側とｎ−１段目の絶縁トランスの一次側を接続し、以下同様に１段目まで接続することができ（請求項４の発明）、または、前記交流電源を、１段目の代わりに２段目〜ｎ−１段目のうちのいずれか１つであるｍ段目の絶縁トランスの一次側に接続し、そのｍ段目の絶縁トランスの二次側にｍ＋１段目の絶縁トランスの一次側を接続し、以下同様にしてｎ段目まで接続するとともに、前記ｍ段目の絶縁トランスの二次側にｍ−１段目の絶縁トランスの一次側を接続し、以下同様にして１段目まで接続することができる（請求項５の発明）。これら請求項３〜５のいずれかの発明においては、前記交流電源を接続した電圧駆動型半導体素子のゲート駆動装置に接続される絶縁トランスの一次側には、整流回路とインバータ回路とを接続することができる（請求項６の発明）。
【００１０】
請求項７の発明では、各アームにはゲート駆動装置によりそれぞれ駆動される電圧駆動型半導体素子がｎ（２以上の整数）個直列接続され、前記ゲート駆動装置の電源入力には絶縁トランスの二次側がそれぞれ接続され、その各絶縁トランスを介して各ゲート駆動装置に電力を供給するゲート駆動装置への電力供給方式において、
最も低電圧側に接続された電圧駆動型半導体素子を１段目とし、最も高電圧側に接続された電圧駆動型半導体素子をｎ段目として、このｎ段目の電圧駆動型半導体素子のゲート駆動装置に接続された絶縁トランスの一次側と、ｎ−１段目の電圧駆動型半導体素子のゲート駆動装置に接続された絶縁トランスの二次側とをインバータ回路および整流回路を介して接続し、以下同様にして１段目まで接続し、この１段目の電圧駆動型半導体素子のゲート駆動装置に接続された絶縁トランスの一次側には交流電源を接続し、１段目からｎ段目のゲート駆動装置へと順々に電力を伝達供給することを特徴とする。
【００１１】
請求項７の発明においては、前記交流電源を、１段目の代わりにｎ段目の絶縁トランスの一次側に接続し、ｎ段目の絶縁トランスの二次側とｎ−１段目の絶縁トランスの一次側を接続し、以下同様に１段目まで接続することができ（請求項８の発明）、または前記交流電源を、１段目の代わりに２段目〜ｎ−１段目のうちのいずれか１つであるｍ段目の絶縁トランスの一次側に接続し、そのｍ段目の絶縁トランスの二次側とｍ＋１段目の絶縁トランスの一次側とを整流回路およびインバータ回路を介して接続し、以下同様にしてｎ段目まで接続するとともに、前記ｍ段目の絶縁トランスの二次側とｍ−１段目の絶縁トランスの一次側とを整流回路およびインバータ回路を介して接続し、以下同様にして１段目まで接続することができる（請求項９の発明）。
【００１２】
請求項１０の発明では、各アームにはゲート駆動装置によりそれぞれ駆動される電圧駆動型半導体素子がｎ（２以上の整数）個直列接続され、前記ゲート駆動装置の電源入力には絶縁トランスの二次側がそれぞれ接続され、その各絶縁トランスを介して各ゲート駆動装置に電力を供給するゲート駆動装置への電力供給方式において、
前記各電圧駆動型半導体素子のゲート駆動装置の電源入力と絶縁トランスとの間には整流回路をそれぞれ接続するとともに、最も低電圧側に接続された電圧駆動型半導体素子を１段目とし、最も高電圧側に接続された電圧駆動型半導体素子をｎ段目として、このｎ段目の電圧駆動型半導体素子のゲート駆動装置に接続された絶縁トランスの一次側と、ｎ−１段目の電圧駆動型半導体素子のゲート駆動装置と前記整流回路との接続点間をインバータ回路を介して接続し、以下同様にして１段目まで接続し、この１段目の電圧駆動型半導体素子のゲート駆動装置に接続された絶縁トランスの一次側には交流電源を接続し、１段目からｎ段目のゲート駆動装置へと順々に電力を伝達供給することを特徴とする。
【００１３】
請求項１０の発明においては、前記交流電源を、１段目の代わりにｎ段目の絶縁トランスの一次側に接続し、ｎ段目の電圧駆動型半導体素子のゲート駆動装置と前記整流回路との接続点間とｎ−１段目の絶縁トランスの一次側とをインバータ回路を介して接続し、以下同様に１段目まで接続することができ（請求項１１の発明）、または前記交流電源を、１段目の代わりに２段目〜ｎ−１段目のうちのいずれか１つであるｍ段目の絶縁トランスの一次側に接続し、そのｍ段目の電圧駆動型半導体素子のゲート駆動装置と前記整流回路との接続点間とｍ＋１段目の絶縁トランスの一次側とをインバータ回路を介して接続し、以下同様にしてｎ段目まで接続するとともに、前記ｍ段目の電圧駆動型半導体素子のゲート駆動装置と前記整流回路との接続点間とｍ−１段目の絶縁トランスの一次側とをインバータ回路を介して接続し、以下同様にして１段目まで接続することができる（請求項１２の発明）。
【発明の効果】
【００１４】
請求項１，２の発明によれば、２段目〜ｎ−１段目のいずれかの電圧駆動型半導体素子を基準として、その絶縁トランスから低圧側および高圧側のゲート駆動装置に対し、分岐してゲート電力を伝達供給するようにしたので、絶縁トランスの絶縁耐圧を低くすることができ、絶縁トランスの容積を小さくすることが可能となるため、特に高電圧大容量電力変換装置の小型化を実現できる。
また、請求項３〜１０の発明によれば、電圧駆動型半導体素子を各アーム当りｎ個直列に接続した、電力変換装置のゲート駆動装置へ電源を供給するに当り、１段目のゲート駆動装置からｎ段目のゲート駆動装置まで縦続接続して、順次電力を伝達供給するようにしたので、高電圧側の絶縁トランスの一次，二次間に印加される電圧が低減され、絶縁トランスの容積を小さくすることができる。これにより、高電圧大容量電力変換装置の小型化が可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
図１はこの発明の第１の実施の形態を示す構成図で、ＩＧＢＴが５直列で基準電位を３段目のＩＧＢＴとした場合の例である。
図示のように、各ＩＧＢＴ１〜５にはゲート駆動装置２１〜２５が接続され、ゲート駆動装置の電源入力には、絶縁トランス回路１１〜１５の二次側がそれぞれ接続されている。そして、３段目の絶縁トランス回路１３の一次側には交流電源２０が接続され、３段目の絶縁トランス回路１３の二次側には、３段目の絶縁トランス回路１３以外の絶縁トランス回路の一次側が接続されて構成される。
【００１６】
動作について説明する。
図１において、交流電源２０から電源が供給されると、３段目の絶縁トランス回路１３を介して、ゲート駆動装置２３に電力が供給される。これと同時に３段目以外の絶縁トランス回路１１，１２，１４，１５の一次側に電力が供給され、それぞれの絶縁トランス回路を介して、各ゲート駆動装置２１，２２，２４，２５に電力が供給される。
【００１７】
図１において、例えば絶縁トランス回路１３の一次側の電位が０［Ｖ］、絶縁トランス回路１５の二次側の対地電位が０［Ｖ］になっているとし、ＶＣＥ１＝ＶＣＥ２＝ＶＣＥ３＝ＶＣＥ４＝ＶＣＥ５＝ＶＣＥ［Ｖ］とすると、絶縁トランス回路１３の二次側の対地電位は２ＶＣＥ［Ｖ］となって、絶縁トランス回路１５の一次側の対地電位が２ＶＣＥ［Ｖ］となるため、絶縁トランス回路１３と１５の一次側と二次側に印加される電圧は２ＶＣＥ［Ｖ］となる。
【００１８】
このように、図１３に示す従来例の４ＶＣＥ［Ｖ］と比較して印加電圧が低くなるため、絶縁トランス回路に必要な絶縁耐圧は低くなる。つまり、（２段目〜ｎ−１段目）のうちのいずれかのＩＧＢＴを基準として、絶縁トランス回路を介して電力を供給伝達することにより、絶縁トランス回路に必要な絶縁耐圧を低くすることができる。
以上のことから、特に高電圧大容量の電力変換装置の場合に、絶縁トランス回路の容積（容量）を小さくでき、装置が大型化するという問題を軽決することが可能となる。
【００１９】
図２に図１の第１の変形例を示す。これは、ＩＧＢＴが４直列で基準電位を２段目のＩＧＢＴとした場合の例で、動作等は図１の場合と同様なので詳細は省略する。
図３に図１の第２の変形例を示す。図１に示すものに対し、１段目と２段目の絶縁トランス回路の一次側を直列接続し、その両端を３段目の絶縁トランス回路の二次側に接続し、同様に４段目と５段目の絶縁トランス回路の一次側を直列接続し、その両端を３段目の絶縁トランス回路の二次側に接続した場合の例で、動作等は図１の場合と同様なので詳細は省略する。
図４に図１の第３の変形例を示す。図１に示すものに対し、３段目以外の絶縁トランス回路の一次側を直列接続し、その両端を３段目の絶縁トランス回路の二次側に接続した場合の例で、動作等は図１の場合と同様なので詳細は省略する。
【００２０】
図５はこの発明の第２の実施の形態を示す構成図で、ＩＧＢＴが７直列で基準電位を４段目のＩＧＢＴとし、新たな基準電位を２段目と６段目のＩＧＢＴに設け、電力供給経路の分岐数を増やして構成した例を示す。
各ＩＧＢＴ１〜７にはゲート駆動装置２１〜２７が接続され、ゲート駆動装置２１〜２７の電源入力には、絶縁トランス回路１１〜１７の二次側がそれぞれ接続される。４段目の絶縁トランス回路１４の二次側に、２段目の絶縁トランス回路１６と６段目の絶縁トランス回路１２の一次側が接続される。さらに、２段目の絶縁トランス回路１６の二次側に、１段目の絶縁トランス回路１７と３段目の絶縁トランス回路１５の一次側が接続され、６段目の絶縁トランス回路１２の二次側に、５段目の絶縁トランス回路１３と７段目の絶縁トランス回路１１の一次側が接続された構成となっている。
【００２１】
動作を説明する。
交流電源１０から電力が供給されると、４段目の絶縁トランス回路１４を介して、ゲート駆動装置２４に電力が供給される。これと同時に２段目の絶縁トランス回路１６と６段目の絶縁トランス回路１２の一次側に電力が供給され、それぞれの絶縁トランス回路を介してゲート駆動装置２６，２２に電力が供給される。さらに、２段目の絶縁トランス回路１６と６段目の絶縁トランス回路１２の一次側に電力が供給されると、１段目の絶縁トランス回路１７と、３段目の絶縁トランス回路１５と、５段目の絶縁トランス回路１３と、７段目の絶縁トランス回路１１の一次側に電力が供給され、それぞれの絶縁トランス回路を介してゲート駆動装置２７，２５，２３，２１に電力が供給される。
【００２２】
図５において、例えば絶縁トランス回路１４の一次側の対地電位が０［Ｖ］、絶縁トランス回路１７の二次側の対地電位が０［Ｖ］になっており、ＶＣＥ１＝ＶＣＥ２＝ＶＣＥ３＝ＶＣＥ４＝ＶＣＥ５＝ＶＣＥ６＝ＶＣＥ７とすると、４段目の絶縁トランス回路１４の一次〜二次間に印加される電圧は３ＶＣＥ［Ｖ］、２段目の絶縁トランス回路１６と６段目の絶縁トランス回路１２の一次〜二次間に印加される電圧は２ＶＣＥ［Ｖ］、１段目の絶縁トランス回路１７と、３段目の絶縁トランス回路１５と、５段目の絶縁トランス回路１３と、７段目の絶縁トランス回路１１の一次〜二次間に印加される電圧はＶＣＥ［Ｖ］となる。
【００２３】
以上のように、図１３に示す従来例の４ＶＣＥ［Ｖ］と比較して、絶縁トランス回路の一次〜二次間に印加される電圧が低くなるため、絶縁トランス回路に必要な絶縁耐圧は低くなる。すなわち、（２段目〜ｎ−１段目）のなかでｍ段目のＩＧＢＴを基準とし、新たに（２段目〜ｍ−１段目）の中と、（ｍ＋１段目〜ｎ−１段目）の中にそれぞれ基準電位を設け、絶縁トランス回路を介して電力を伝達供給することにより、絶縁トランス回路に必要な絶縁耐圧を低くすることができる。
以上のことから、この発明は特に高電圧大容量電力変換装置の場合に、絶縁トランス回路の容量を小さくすることができ、装置を大型化するという問題が回避できる。
【００２４】
図６はこの発明の第３の実施の形態を示す構成図で、ＩＧＢＴが４直列の例である。
図示のように、ゲート駆動装置２１〜２４は、絶縁トランス１１〜１４によってそれぞれ絶縁されており、絶縁トランス１４の一次側に電力供給源である交流電源２０が接続されている。ゲート電源供給回路１０は、絶縁トランス１４の二次側と絶縁トランス１３の一次側、絶縁トランス１３の二次側と絶縁トランス１２の一次側、絶縁トランス１２の二次側と絶縁トランス１１の一次側をそれぞれ接続して構成される。
【００２５】
図６の構成において、交流電源２０から電力が供給されると、絶縁トランス１４を介してゲート駆動装置２４に電力が供給される。これと同時に絶縁トランス１３の一次側に電力が供給され、絶縁トランス１３を介してゲート駆動装置２３に電力が供給される。このように、１段目のゲート駆動装置２４から４段目のゲート駆動装置２１まで順々に電力が伝達供給される。
【００２６】
いま、図６で例えば絶縁トランス１４の一次側の対地電位が０［Ｖ］、二次側の対地電位も０Ｖ［Ｖ］で、ＶＣＥ１＝ＶＣＥ２＝ＶＣＥ３＝ＶＣＥ４＝ＶＣＥ［Ｖ］とすると、絶縁トランス１１の一次側の対地電位は２ＶＣＥ［Ｖ］、二次側の対地電位は３ＶＣＥ［Ｖ］となり、絶縁トランス１１の一次〜二次間に印加される電圧はＶＣＥ［Ｖ］となる。これにより、従来例の場合と比較して、印加電圧が２ＶＣＥ［Ｖ］だけ低くなり、絶縁トランス１１に必要な絶縁耐圧を低減させることができる。その結果、高電圧側の絶縁トランスの容量を小さくすることができ、装置が大型化するという問題を回避することが可能となる。
【００２７】
図７は図６の第１の変形例を示し、交流電源２０を４段目の絶縁トランス１１の一次側に接続した点が特徴である。
ここで、交流電源２０から電力が供給されると、絶縁トランス１１を介してゲート駆動装置２１に電力が供給される。これと同時に、絶縁トランス１２の一次側に電力が供給され、絶縁トランス１２を介してゲート駆動装置２２に電力が供給される。このように、４段目のゲート駆動装置２１から１段目のゲート駆動装置２４まで、順々に電力を伝達供給する。
【００２８】
いま、絶縁トランス１１の一次側の対地電位が０［Ｖ］、二次側の対地電位も０［Ｖ］で、ＶＣＥ１＝ＶＣＥ２＝ＶＣＥ３＝ＶＣＥ４＝ＶＣＥ［Ｖ］とすると、絶縁トランス１４の一次側の対地電位は２ＶＣＥ［Ｖ］、二次側の対地電位は３ＶＣＥ［Ｖ］となり、絶縁トランス１４の一次〜二次間に印加される電圧は（ＶＣＥ４）［Ｖ］となる。このことにより、従来の４直列の場合と比較して印加電圧が２ＶＣＥ［Ｖ］だけ低くなるため、絶縁トランス１４に必要な絶縁耐圧は小さくなる。
【００２９】
図８は図６の第２の変形例を示し、交流電源２０を２段目の絶縁トランス１３の一次側に接続した点が特徴である。
ここで、交流電源２０から電力が供給されると、絶縁トランス１３を介してゲート駆動装置２３に電力が供給される。これと同時に、絶縁トランス１２および絶縁トランス１４の一次側に電力が供給され、絶縁トランス１２を介してゲート駆動装置２２に、また絶縁トランス１４を介してゲート駆動装置２４に電力が供給される。このように、２段目のゲート駆動装置２３から１段目のゲート駆動装置２４および４段目のゲート駆動装置２５まで、順々に電力を伝達供給する。
【００３０】
いま、絶縁トランス１３の一次側の対地電位が０［Ｖ］、二次側の対地電位が（ＶＣＥ４）［Ｖ］になっているとすると、絶縁トランス１１，１２，１４の一次〜二次間に印加される電圧はＩＧＢＴ１素子分となる。このことにより、従来例と比較して印加電圧が低くなるため、絶縁トランスに必要な絶縁耐圧は小さくなる。
【００３１】
図９はこの発明の第４の実施の形態を示す構成図である。
ゲート駆動装置２１〜２４は、絶縁トランス１１〜１４によってそれぞれ絶縁されており、絶縁トランス１４の一次側には半導体整流回路８と、半導体素子Ｓ１，Ｓ２およびこの半導体素子を制御するためのパルス発生回路Ｐからなるインバータ回路９を介して、電力供給源としての交流電源２０が接続されている。そして、絶縁トランス１４の二次側と絶縁トランス１３の一次側、絶縁トランス１３の二次側と絶縁トランス１２の一次側、絶縁トランス１２の二次側と絶縁トランス１１の一次側という具合に、順次縦続的に接続して構成される。
【００３２】
図９のゲート電源供給回路の動作について、以下に説明する。
いま、交流電源１４から電力が供給されると、半導体整流回路８により直流に変換された後、インバータ回路９により高周波交流に変換され、絶縁トランス１４を介してゲート駆動装置２４に電力が供給される。これと同時に、変換された高周波交流電力が絶縁トランス１３の一次側に電力が供給され、絶縁トランス１３を介してゲート駆動装置２３に電力が供給される。このように、1段目のゲート駆動装置２４から４段目のゲート駆動装置２１まで、順々に電力が伝達供される。このように、交流電力を高周波化して伝達するので、図６〜図８の場合よりもさらに絶縁トランス容量を小さくすることが可能となる。
【００３３】
図１０はこの発明の第５の実施の形態を示す構成図である。
ゲート駆動装置２１〜２４は、絶縁トランス１１〜１４によってそれぞれ絶縁されており、絶縁トランス１４の一次側に電力供給源である交流電源２０が接続されている。ゲート電源供給回路１０は、絶縁トランス１４の二次側と絶縁トランス１３の一次側との間に、半導体整流回路３３と、半導体素子Ｓ１，Ｓ２と、この半導体素子を制御するためのパルス発生回路Ｐとから構成されるインバータ回路９３を接続する。
【００３４】
以下、同様に絶縁トランス１３の二次側と絶縁トランス１２の一次側との間に、半導体整流回路３２と、半導体素子Ｓ１，Ｓ２と、この半導体素子を制御するためのパルス発生回路Ｐとから構成されるインバータ回路９２を接続し、絶縁トランス１２の二次側と絶縁トランス１１の一次側との間に、半導体整流回路９１と、半導体素子Ｓ１，Ｓ２と、この半導体素子を制御するためのパルス発生回路Ｐとから構成されるインバータ回路９１を接続して構成される。なお、絶縁トランス１１〜１３の一次側は、センタタップ付きとしている。
【００３５】
図１０のゲート電源供給回路の動作について、以下に説明する。
いま、交流電源２０から電力が供給されると、絶縁トランス１４を介してゲート駆動装置２４に電力が供給される。これと同時に半導体整流回路３３により整流され、インバータ回路９３によって高周波化された交流電力に変換される。次に、変換された高周波交流電力が絶縁トランス１３の一次側に電力が供給され、絶縁トランス１３を介してゲート駆動装置２３に電力が供給される。このように、1段目のゲート駆動装置２４から４段目のゲート駆動装置２１まで、順々に電力を伝達供給する。このように、交流電力を高周波化して伝達するので、図６〜図８の場合よりもさらに絶縁トランス容量を小さくすることが可能となる。
【００３６】
図１１はこの発明の第６の実施の形態を示す構成図である。
これは、図１０の変形例を示し、各ゲート駆動装置への電力供給を図１０では交流で行なっているのに対しここでは直流で行なうようにし、ゲート駆動装置に一般的に内蔵されている整流回路を省略可能にした点が特徴である。また、交流電力を高周波化する点は図１０の場合と同様なので、図６〜図８の場合よりも絶縁トランス容量を小さくすることができる。その他は図１０と同じなので、説明は省略する。
【００３７】
図９，１０，１１では、ＡＣ電源２０を最も低電圧側に接続された電圧駆動型半導体素子に接続するようにしたが、最も高電圧側に接続された電圧駆動型半導体素子を含め任意の段に接続することができる。なお、そのときの機能，動作および効果はそれぞれの場合と同様である。
また、図９〜１１ではＳ１〜Ｓ２を半導体素子とし、３１〜３４を半導体整流回路としたが、半導体式に限らないのは勿論である。
【図面の簡単な説明】
【００３８】
【図１】この発明の第１の実施の形態を示す回路構成図
【図２】図１の第１の変形例を示す回路構成図
【図３】図１の第２の変形例を示す回路構成図
【図４】図１の第３の変形例を示す回路構成図
【図５】この発明の第２の実施の形態を示す回路図
【図６】この発明の第３の実施の形態を示す回路構成図
【図７】図６の第１変形例を示す回路構成図
【図８】図６の第２変形例を示す回路構成図
【図９】この発明の第４の実施の形態を示す回路構成図
【図１０】この発明の第５の実施の形態を示す回路構成図
【図１１】この発明の第６の実施の形態を示す回路構成図
【図１２】電力変換装置の一般的な例を示す回路図
【図１３】電力供給方式の従来例を示す回路構成図
【符号の説明】
【００３９】
１〜７…ＩＧＢＴ、８，３１〜３４…半導体整流回路、９，９１〜９３…インバータ回路、１０…ゲート電源供給回路、１１〜１７…絶縁トランス、２０…交流電源、２１〜２７…ゲート駆動装置、３０…制御装置、Ｐ…パルス発生回路、Ｓ１，Ｓ２…半導体素子。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
各アームにはゲート駆動装置によりそれぞれ駆動される電圧駆動型半導体素子がｎ（３以上の整数）個直列接続され、前記ゲート駆動装置の電源入力には絶縁トランスの二次側がそれぞれ接続され、その各絶縁トランスを介して各ゲート駆動装置に電力を供給するゲート駆動装置への電力供給方式において、
最も低電圧側に接続された電圧駆動型半導体素子を１段目とし、最も高電圧側に接続された電圧駆動型半導体素子をｎ段目として、その中のｍ（２〜ｎ−１）段目の絶縁トランスの一次側に交流電源を接続し、前記ｍ段目の絶縁トランスの二次側にそれ以外の絶縁トランスの一次側を接続したことを特徴とするゲート駆動装置への電力供給方式。
【請求項２】
（１〜ｍ−１）段目および（ｍ＋１〜ｎ）段目に前記電圧駆動型半導体素子がそれぞれ２段以上ある場合は、前記ｍ段目の絶縁トランスの二次側にａ（１〜ｍ−１の中のいずれか）段目とｂ（ｍ＋１〜ｎの中のいずれか）段目の絶縁トランスの一次側をそれぞれ接続し、ａ段目の絶縁トランスの二次側には（１〜ｍ−１）の中でａ段目以外の絶縁トランスの一次側を接続し、ｂ段目の絶縁トランスの二次側には（ｍ＋１〜ｎ）の中でｂ段目以外の絶縁トランスの一次側を接続したことを特徴とする請求項１に記載のゲート駆動装置への電力供給方式。
【請求項３】
各アームにはゲート駆動装置によりそれぞれ駆動される電圧駆動型半導体素子がｎ（２以上の整数）個直列接続され、前記ゲート駆動装置の電源入力には絶縁トランスの二次側がそれぞれ接続され、その各絶縁トランスを介して各ゲート駆動装置に電力を供給するゲート駆動装置への電力供給方式において、
最も低電圧側に接続された電圧駆動型半導体素子を１段目とし、最も高電圧側に接続された電圧駆動型半導体素子をｎ段目として、このｎ段目の電圧駆動型半導体素子のゲート駆動装置に接続された絶縁トランスの一次側と、ｎ−１段目の電圧駆動型半導体素子のゲート駆動装置に接続された絶縁トランスの二次側とを接続し、以下同様にして１段目まで接続し、この１段目の電圧駆動型半導体素子のゲート駆動装置に接続された絶縁トランスの一次側には交流電源を接続し、１段目からｎ段目のゲート駆動装置へと順々に電力を伝達供給することを特徴とするゲート駆動装置への電力供給方式。
【請求項４】
前記交流電源を、１段目の代わりにｎ段目の絶縁トランスの一次側に接続し、ｎ段目の絶縁トランスの二次側とｎ−１段目の絶縁トランスの一次側を接続し、以下同様に１段目まで接続することを特徴とする請求項３に記載のゲート駆動装置への電力供給方式。
【請求項５】
前記交流電源を、１段目の代わりに２段目〜ｎ−１段目のうちのいずれか１つであるｍ段目の絶縁トランスの一次側に接続し、そのｍ段目の絶縁トランスの二次側にｍ＋１段目の絶縁トランスの一次側を接続し、以下同様にしてｎ段目まで接続するとともに、前記ｍ段目の絶縁トランスの二次側にｍ−１段目の絶縁トランスの一次側を接続し、以下同様にして１段目まで接続することを特徴とする請求項３に記載のゲート駆動装置への電力供給方式。
【請求項６】
前記交流電源を接続した電圧駆動型半導体素子のゲート駆動装置に接続される絶縁トランスの一次側には、整流回路とインバータ回路とを接続することを特徴とする請求項３〜５のいずれかに記載のゲート駆動装置への電力供給方式。
【請求項７】
各アームにはゲート駆動装置によりそれぞれ駆動される電圧駆動型半導体素子がｎ（２以上の整数）個直列接続され、前記ゲート駆動装置の電源入力には絶縁トランスの二次側がそれぞれ接続され、その各絶縁トランスを介して各ゲート駆動装置に電力を供給するゲート駆動装置への電力供給方式において、
最も低電圧側に接続された電圧駆動型半導体素子を１段目とし、最も高電圧側に接続された電圧駆動型半導体素子をｎ段目として、このｎ段目の電圧駆動型半導体素子のゲート駆動装置に接続された絶縁トランスの一次側と、ｎ−１段目の電圧駆動型半導体素子のゲート駆動装置に接続された絶縁トランスの二次側とをインバータ回路および整流回路を介して接続し、以下同様にして１段目まで接続し、この１段目の電圧駆動型半導体素子のゲート駆動装置に接続された絶縁トランスの一次側には交流電源を接続し、１段目からｎ段目のゲート駆動装置へと順々に電力を伝達供給することを特徴とするゲート駆動装置への電力供給方式。
【請求項８】
前記交流電源を、１段目の代わりにｎ段目の絶縁トランスの一次側に接続し、ｎ段目の絶縁トランスの二次側とｎ−１段目の絶縁トランスの一次側とを整流回路およびインバータ回路を介して接続し、以下同様に１段目まで接続することを特徴とする請求項７に記載のゲート駆動装置への電力供給方式。
【請求項９】
前記交流電源を、１段目の代わりに２段目〜ｎ−１段目のうちのいずれか１つであるｍ段目の絶縁トランスの一次側に接続し、そのｍ段目の絶縁トランスの二次側とｍ＋１段目の絶縁トランスの一次側とを整流回路およびインバータ回路を介して接続し、以下同様にしてｎ段目まで接続するとともに、前記ｍ段目の絶縁トランスの二次側とｍ−１段目の絶縁トランスの一次側とを整流回路およびインバータ回路を介して接続し、以下同様にして１段目まで接続することを特徴とする請求項７に記載のゲート駆動装置への電力供給方式。
【請求項１０】
各アームにはゲート駆動装置によりそれぞれ駆動される電圧駆動型半導体素子がｎ（２以上の整数）個直列接続され、前記ゲート駆動装置の電源入力には絶縁トランスの二次側がそれぞれ接続され、その各絶縁トランスを介して各ゲート駆動装置に電力を供給するゲート駆動装置への電力供給方式において、
前記各電圧駆動型半導体素子のゲート駆動装置の電源入力と絶縁トランスとの間には整流回路をそれぞれ接続するとともに、最も低電圧側に接続された電圧駆動型半導体素子を１段目とし、最も高電圧側に接続された電圧駆動型半導体素子をｎ段目として、このｎ段目の電圧駆動型半導体素子のゲート駆動装置に接続された絶縁トランスの一次側と、ｎ−１段目の電圧駆動型半導体素子のゲート駆動装置と前記整流回路との接続点間をインバータ回路を介して接続し、以下同様にして１段目まで接続し、この１段目の電圧駆動型半導体素子のゲート駆動装置に接続された絶縁トランスの一次側には交流電源を接続し、１段目からｎ段目のゲート駆動装置へと順々に電力を伝達供給することを特徴とするゲート駆動装置への電力供給方式。
【請求項１１】
前記交流電源を、１段目の代わりにｎ段目の絶縁トランスの一次側に接続し、ｎ段目の電圧駆動型半導体素子のゲート駆動装置と前記整流回路との接続点間とｎ−１段目の絶縁トランスの一次側とをインバータ回路を介して接続し、以下同様に１段目まで接続することを特徴とする請求項１０に記載のゲート駆動装置への電力供給方式。
【請求項１２】
前記交流電源を、１段目の代わりに２段目〜ｎ−１段目のうちのいずれか１つであるｍ段目の絶縁トランスの一次側に接続し、ｍ段目の電圧駆動型半導体素子のゲート駆動装置と前記整流回路との接続点間とｍ＋１段目の絶縁トランスの一次側とをインバータ回路を介して接続し、以下同様にしてｎ段目まで接続するとともに、前記ｍ段目の電圧駆動型半導体素子のゲート駆動装置と前記整流回路との接続点間とｍ−１段目の絶縁トランスの一次側とをインバータ回路を介して接続し、以下同様にして１段目まで接続することを特徴とする請求項１０に記載のゲート駆動装置への電力供給方式。
【請求項１】
各アームにはゲート駆動装置によりそれぞれ駆動される電圧駆動型半導体素子がｎ（３以上の整数）個直列接続され、前記ゲート駆動装置の電源入力には絶縁トランスの二次側がそれぞれ接続され、その各絶縁トランスを介して各ゲート駆動装置に電力を供給するゲート駆動装置への電力供給方式において、
最も低電圧側に接続された電圧駆動型半導体素子を１段目とし、最も高電圧側に接続された電圧駆動型半導体素子をｎ段目として、その中のｍ（２〜ｎ−１）段目の絶縁トランスの一次側に交流電源を接続し、前記ｍ段目の絶縁トランスの二次側にそれ以外の絶縁トランスの一次側を接続したことを特徴とするゲート駆動装置への電力供給方式。
【請求項２】
（１〜ｍ−１）段目および（ｍ＋１〜ｎ）段目に前記電圧駆動型半導体素子がそれぞれ２段以上ある場合は、前記ｍ段目の絶縁トランスの二次側にａ（１〜ｍ−１の中のいずれか）段目とｂ（ｍ＋１〜ｎの中のいずれか）段目の絶縁トランスの一次側をそれぞれ接続し、ａ段目の絶縁トランスの二次側には（１〜ｍ−１）の中でａ段目以外の絶縁トランスの一次側を接続し、ｂ段目の絶縁トランスの二次側には（ｍ＋１〜ｎ）の中でｂ段目以外の絶縁トランスの一次側を接続したことを特徴とする請求項１に記載のゲート駆動装置への電力供給方式。
【請求項３】
各アームにはゲート駆動装置によりそれぞれ駆動される電圧駆動型半導体素子がｎ（２以上の整数）個直列接続され、前記ゲート駆動装置の電源入力には絶縁トランスの二次側がそれぞれ接続され、その各絶縁トランスを介して各ゲート駆動装置に電力を供給するゲート駆動装置への電力供給方式において、
最も低電圧側に接続された電圧駆動型半導体素子を１段目とし、最も高電圧側に接続された電圧駆動型半導体素子をｎ段目として、このｎ段目の電圧駆動型半導体素子のゲート駆動装置に接続された絶縁トランスの一次側と、ｎ−１段目の電圧駆動型半導体素子のゲート駆動装置に接続された絶縁トランスの二次側とを接続し、以下同様にして１段目まで接続し、この１段目の電圧駆動型半導体素子のゲート駆動装置に接続された絶縁トランスの一次側には交流電源を接続し、１段目からｎ段目のゲート駆動装置へと順々に電力を伝達供給することを特徴とするゲート駆動装置への電力供給方式。
【請求項４】
前記交流電源を、１段目の代わりにｎ段目の絶縁トランスの一次側に接続し、ｎ段目の絶縁トランスの二次側とｎ−１段目の絶縁トランスの一次側を接続し、以下同様に１段目まで接続することを特徴とする請求項３に記載のゲート駆動装置への電力供給方式。
【請求項５】
前記交流電源を、１段目の代わりに２段目〜ｎ−１段目のうちのいずれか１つであるｍ段目の絶縁トランスの一次側に接続し、そのｍ段目の絶縁トランスの二次側にｍ＋１段目の絶縁トランスの一次側を接続し、以下同様にしてｎ段目まで接続するとともに、前記ｍ段目の絶縁トランスの二次側にｍ−１段目の絶縁トランスの一次側を接続し、以下同様にして１段目まで接続することを特徴とする請求項３に記載のゲート駆動装置への電力供給方式。
【請求項６】
前記交流電源を接続した電圧駆動型半導体素子のゲート駆動装置に接続される絶縁トランスの一次側には、整流回路とインバータ回路とを接続することを特徴とする請求項３〜５のいずれかに記載のゲート駆動装置への電力供給方式。
【請求項７】
各アームにはゲート駆動装置によりそれぞれ駆動される電圧駆動型半導体素子がｎ（２以上の整数）個直列接続され、前記ゲート駆動装置の電源入力には絶縁トランスの二次側がそれぞれ接続され、その各絶縁トランスを介して各ゲート駆動装置に電力を供給するゲート駆動装置への電力供給方式において、
最も低電圧側に接続された電圧駆動型半導体素子を１段目とし、最も高電圧側に接続された電圧駆動型半導体素子をｎ段目として、このｎ段目の電圧駆動型半導体素子のゲート駆動装置に接続された絶縁トランスの一次側と、ｎ−１段目の電圧駆動型半導体素子のゲート駆動装置に接続された絶縁トランスの二次側とをインバータ回路および整流回路を介して接続し、以下同様にして１段目まで接続し、この１段目の電圧駆動型半導体素子のゲート駆動装置に接続された絶縁トランスの一次側には交流電源を接続し、１段目からｎ段目のゲート駆動装置へと順々に電力を伝達供給することを特徴とするゲート駆動装置への電力供給方式。
【請求項８】
前記交流電源を、１段目の代わりにｎ段目の絶縁トランスの一次側に接続し、ｎ段目の絶縁トランスの二次側とｎ−１段目の絶縁トランスの一次側とを整流回路およびインバータ回路を介して接続し、以下同様に１段目まで接続することを特徴とする請求項７に記載のゲート駆動装置への電力供給方式。
【請求項９】
前記交流電源を、１段目の代わりに２段目〜ｎ−１段目のうちのいずれか１つであるｍ段目の絶縁トランスの一次側に接続し、そのｍ段目の絶縁トランスの二次側とｍ＋１段目の絶縁トランスの一次側とを整流回路およびインバータ回路を介して接続し、以下同様にしてｎ段目まで接続するとともに、前記ｍ段目の絶縁トランスの二次側とｍ−１段目の絶縁トランスの一次側とを整流回路およびインバータ回路を介して接続し、以下同様にして１段目まで接続することを特徴とする請求項７に記載のゲート駆動装置への電力供給方式。
【請求項１０】
各アームにはゲート駆動装置によりそれぞれ駆動される電圧駆動型半導体素子がｎ（２以上の整数）個直列接続され、前記ゲート駆動装置の電源入力には絶縁トランスの二次側がそれぞれ接続され、その各絶縁トランスを介して各ゲート駆動装置に電力を供給するゲート駆動装置への電力供給方式において、
前記各電圧駆動型半導体素子のゲート駆動装置の電源入力と絶縁トランスとの間には整流回路をそれぞれ接続するとともに、最も低電圧側に接続された電圧駆動型半導体素子を１段目とし、最も高電圧側に接続された電圧駆動型半導体素子をｎ段目として、このｎ段目の電圧駆動型半導体素子のゲート駆動装置に接続された絶縁トランスの一次側と、ｎ−１段目の電圧駆動型半導体素子のゲート駆動装置と前記整流回路との接続点間をインバータ回路を介して接続し、以下同様にして１段目まで接続し、この１段目の電圧駆動型半導体素子のゲート駆動装置に接続された絶縁トランスの一次側には交流電源を接続し、１段目からｎ段目のゲート駆動装置へと順々に電力を伝達供給することを特徴とするゲート駆動装置への電力供給方式。
【請求項１１】
前記交流電源を、１段目の代わりにｎ段目の絶縁トランスの一次側に接続し、ｎ段目の電圧駆動型半導体素子のゲート駆動装置と前記整流回路との接続点間とｎ−１段目の絶縁トランスの一次側とをインバータ回路を介して接続し、以下同様に１段目まで接続することを特徴とする請求項１０に記載のゲート駆動装置への電力供給方式。
【請求項１２】
前記交流電源を、１段目の代わりに２段目〜ｎ−１段目のうちのいずれか１つであるｍ段目の絶縁トランスの一次側に接続し、ｍ段目の電圧駆動型半導体素子のゲート駆動装置と前記整流回路との接続点間とｍ＋１段目の絶縁トランスの一次側とをインバータ回路を介して接続し、以下同様にしてｎ段目まで接続するとともに、前記ｍ段目の電圧駆動型半導体素子のゲート駆動装置と前記整流回路との接続点間とｍ−１段目の絶縁トランスの一次側とをインバータ回路を介して接続し、以下同様にして１段目まで接続することを特徴とする請求項１０に記載のゲート駆動装置への電力供給方式。
【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１３】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【公開番号】特開２００６−８１２３２（Ｐ２００６−８１２３２Ａ）
【公開日】平成１８年３月２３日（２００６．３．２３）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００４−２５９１４８（Ｐ２００４−２５９１４８）
【出願日】平成１６年９月７日（２００４．９．７）
【出願人】（０００００５２３４）富士電機ホールディングス株式会社 (3,146)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１８年３月２３日（２００６．３．２３）
【国際特許分類】
【出願日】平成１６年９月７日（２００４．９．７）
【出願人】（０００００５２３４）富士電機ホールディングス株式会社 (3,146)
【Ｆターム（参考）】
[ Back to top ]