出力フィルタおよび電力変換装置
【課題】 出力フィルタのコモンモードフィルタに用いるコモンモードチョークに印加される電圧を低減し、コモンモードチョークの巻線のターン数を減らすことにより小形化ができる出力フィルタおよび電力変換装置を提供する。
【解決手段】 直流母線の正側，負側に直列に接続した双方向半導体スイッチＳ１，Ｓ３と、直流母線の中性点ｎおよび電力変換装置のインバータ部１０８のいずれかの出力相との間に直列に接続した双方向半導体スイッチＳ２とから構成された中性点切替部１０４と、帰線端を中性点ｎに接続したコモンモードフィルタ１０３と、電圧ベクトル検出回路１０５とを備えた出力フィルタ１０７において、中性点切替部１０４が、電圧ベクトル検出回路１０５で検出した半導体スイッチング素子のスイッチング状態に基づいて、双方向半導体スイッチＳ１，Ｓ３およびＳ２を切替える。
【解決手段】 直流母線の正側，負側に直列に接続した双方向半導体スイッチＳ１，Ｓ３と、直流母線の中性点ｎおよび電力変換装置のインバータ部１０８のいずれかの出力相との間に直列に接続した双方向半導体スイッチＳ２とから構成された中性点切替部１０４と、帰線端を中性点ｎに接続したコモンモードフィルタ１０３と、電圧ベクトル検出回路１０５とを備えた出力フィルタ１０７において、中性点切替部１０４が、電圧ベクトル検出回路１０５で検出した半導体スイッチング素子のスイッチング状態に基づいて、双方向半導体スイッチＳ１，Ｓ３およびＳ２を切替える。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電力変換装置のスイッチング動作で発生する高周波ノイズを低減する出力フィルタおよび電力変換装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
電力変換装置の出力側における問題として、高周波漏れ電流、伝導ＥＭＩ（Electro Magnetic Interference：電磁妨害雑音）、放射ＥＭＩ、モータ軸受の電食（モータ回転中の軸受ボールベアリングの内部を高周波電流が通過することにより、軌道輪と転動体の接触面が損傷する現象。特徴として、波状の磨耗が見られる。）、モータ端子でのサージ電圧が挙げられる。従来では、雑音端子電圧抑制のために例えば特許文献１に示すＥＭＩフィルタを用いていた。また、電力変換装置の出力側での対策は、出力フィルタを付加して対策を行ってきた。従来の電力変換装置のコモンモードフィルタには、例えば特許文献２および３、並びに非特許文献１がある。特許文献２および３、並びに非特許文献１は、コモンモード電流を抑制するためのコモンモードフィルタである。
特許文献２および３、並びに非特許文献１に代表されるコモンモードフィルタは、フィルタの共振周波数を電力変換装置のＰＷＭスイッチングのキャリア周波数よりも低くして、高周波漏れ電流、伝導ＥＭＩ、放射ＥＭＩ、モータ軸受の電食を抑制している。
【０００３】
図４は、出力側にコモンモードフィルタを付加した従来の電力変換装置の回路構成図である（特許文献２を参照）。図４において、１０８は電力変換装置のインバータ部、１０３はコモンモードフィルタ、１０２はモータ、１１２は中性点検出用トランスであり、Ｃｐｎは平滑コンデンサである。また、Ｌｃはコモンモードチョーク、Ｃｆ１およびＣｆ２はコンデンサ、Ｒｆはダンピング抵抗である。
インバータ部１０８は、ゲート信号に基づいて、平滑コンデンサＣｐｎで平滑化された直流電圧をＰＷＭスイッチングし、コモンモードフィルタ１０３を介して、負荷であるモータ１０２に所望の電力を供給する。
従来のコモンモードフィルタ１０３は、コモンモードチョークＬｃの各相出力端にコンデンサＣｆ１の一端を接続し、他端を中性点検出用トランス１１２の各入力端にそれぞれ接続し、共通結線端ｎ１’と帰線端ｎ２’との間に直列接続したコンデンサＣｆ２とダンピング抵抗Ｒｆを挿入して構成している。中性点検出用トランス１１２は、三相絶縁トランスの１次側巻線をスター結線し２次側巻線をデルタ結線して構成し、各スター結線端を入力端、共通結線端をｎ１’としている。
また、コモンモードフィルタ１０３の帰線端ｎ２’は、インバータ部１０８の直流母線であるＰ−Ｎ間に直列接続された同容量の二つのコンデンサＣを挿入して、その二つのコンデンサの接続点に接続されており、この接続点を直流母線の中性点ｎとしている。
コモンモードフィルタを付加した従来の電力変換装置は、上述のように構成されている。
【０００４】
また、図５は、図４の従来技術を用いた場合の電力変換装置のインバータ部１０８のゲート信号およびコモンモード電圧Ｖｃｎを示した図である。図５において、Ｓｕｐはインバータ部のＵ相上側アームのゲート信号、ＳｖｐはＶ相上側アームのゲート信号、ＳｗｐはＷ相上側アームのゲート信号を示す。
Ｓｕｐ、Ｓｖｐ、および Ｓｗｐは、それぞれ独立して、ＯＮ／ＯＦＦさせることが可能であり、Ｓｕｐ、Ｓｖｐ、および ＳｗｐそれぞれのＯＮ／ＯＦＦの状態によって、電力変換装置のインバータ部１０８の各アームから出力される電圧を合成したベクトルが決定される。この合成された電圧のベクトルを、一般的に電圧ベクトルと呼んでいる。
【０００５】
図７は、図４においてコモンモードフィルタ１０３を付加していない場合のコモンモード電圧およびコモンモード電流の計算結果を示した図である。コモンモードフィルタ１０３を付加していない場合、図４に示す接地点ＧＮＤから見たコモンモード電圧Ｖｃ１，Ｖｃ２は前記スイッチングの組み合わせにより、ステップ状の電圧波形となり、それに伴いコモンモード電流Ｉｃがモータ１０２から接地線に流れる。
【０００６】
また、図８は、従来技術を用いコモンモードフィルタ１０３を付加した電力変換装置の各部のコモンモード電圧およびコモンモード電流の計算結果を示した図である。同図において（ａ）はモータ運転周波数ｆ＝１０Ｈｚ時の計算結果であり、（ｂ）はモータ運転周波数ｆ＝６０Ｈｚ時の計算結果を示し、Ｖｃ１はコモンモードフィルタの入力端のコモンモード電圧、Ｖｃ２はコモンモードフィルタの出力端のコモンモード電圧、Ｉｃは接地線に流れるコモンモード電流を示す。
図８（ａ）におけるコモンモード電圧Ｖｃ１の電圧波形と図８（ｂ）におけるコモンモード電圧Ｖｃ１の電圧波形とが異なっているのは、モータ運転周波数が変わることによりＰＷＭスイッチングの変調率が異なっているためであり、（ａ）の変調率の方が（ｂ）の変調率よりも低い場合の例である。
【０００７】
図４に示すコモンモードフィルタ１０３の共振周波数は、電力変換装置の運転周波数とキャリア周波数の間になるように設計を行う。そのため、コモンモードフィルタを付加すると、図８に示すようにキャリア周波数より高い成分は減衰され、コモンモードフィルタの出力端でのコモンモード電圧Ｖｃ２は低減される。結果として、コモンモード電流Ｉｃも低減される。
【０００８】
図５に示すＶｃｎは電力変換装置の直流母線の中性点ｎを基準とした場合の電力変換装置出力側のコモンモード電圧であり、一般的に以下の式で表すことができる。
Ｖｃｎ＝（Ｖｕｎ＋Ｖｖｎ＋Ｖｗｎ）／３ （１）
ここで、Ｖｕｎ，ＶｖｎおよびＶｗｎは、それぞれ中性点ｎを基準とした場合のＵ相電圧、Ｖ相電圧、およびＷ相電圧を示す。
例えば、図５に示すように（Ｓｕｐ，Ｓｖｐ, Ｓｗｐ）が（ＯＮ，ＯＮ，ＯＮ）（以下、「Ｖ０ベクトル」という。）のときは、コモンモード電圧Ｖｃｎは、
Ｖｃｎ＝（Ｖｕｎ＋Ｖｖｎ＋Ｖｗｎ）／３
＝（ＶＰｎ＋ＶＰｎ＋ＶＰｎ）／３
＝ＶＰｎ ＝ＶＰＮ／２ （２）
となる。ここで、ＶＰｎは中性点ｎを基準として見たときの直流母線のＰ側電圧、ＶＰＮはＰ−Ｎ間電圧を表わす（以下、同様、図４を参照）。
【０００９】
また、（Ｓｕｐ，Ｓｖｐ，Ｓｗｐ）が（ＯＮ，ＯＦＦ，ＯＦＦ）（以下、「Ｖ１ベクトル」という。）のときは、コモンモード電圧Ｖｃｎは、
Ｖｃｎ＝（Ｖｕｎ＋Ｖｖｎ＋Ｖｗｎ）／３
＝（ＶＰｎ＋ＶＮｎ＋ＶＮｎ）／３
＝ＶＮｎ／３ ＝−ＶＰＮ／６ （３）
となる。ここで、ＶＮｎは中性点ｎを基準として見たときの直流母線のＮ側電圧を表わす（以下、同様）。
また、（Ｓｕｐ，Ｓｖｐ, Ｓｗｐ）が（ＯＮ，ＯＮ，ＯＦＦ）（以下、「Ｖ２ベクトル」という。）のときは、コモンモード電圧Ｖｃｎは、
Ｖｃｎ＝（Ｖｕｎ＋Ｖｖｎ＋Ｖｗｎ）／３
＝（ＶＰｎ＋ＶＰｎ＋ＶＮｎ）／３
＝ＶＰｎ／３ ＝ＶＰＮ／６ （４）
となる。
また、（Ｓｕｐ，Ｓｖｐ, Ｓｗｐ）が（ＯＦＦ，ＯＮ，ＯＦＦ）（以下、「Ｖ３ベクトル」という。）のときは、コモンモード電圧Ｖｃｎは、
Ｖｃｎ＝（Ｖｕｎ＋Ｖｖｎ＋Ｖｗｎ）／３
＝（ＶＮｎ＋ＶＰｎ＋ＶＮｎ）／３
＝ＶＮｎ／３ ＝−ＶＰＮ／６ （５）
となる。
【００１０】
また、（Ｓｕｐ，Ｓｖｐ, Ｓｗｐ）が（ＯＦＦ，ＯＮ，ＯＮ）（以下、「Ｖ４ベクトル」という。）のときは、コモンモード電圧Ｖｃｎは、
Ｖｃｎ＝（Ｖｕｎ＋Ｖｖｎ＋Ｖｗｎ）／３
＝（ＶＮｎ＋ＶＰｎ＋ＶＰｎ）／３
＝ＶＰｎ／３ ＝ＶＰＮ／６ （６）
となる。
また、（Ｓｕｐ，Ｓｖｐ, Ｓｗｐ）が（ＯＦＦ，ＯＦＦ，ＯＮ）（以下、「Ｖ５ベクトル」という。）のときは、コモンモード電圧Ｖｃｎは、
Ｖｃｎ＝（Ｖｕｎ＋Ｖｖｎ＋Ｖｗｎ）／３
＝（ＶＮｎ＋ＶＮｎ＋ＶＰｎ）／３
＝ＶＮｎ／３ ＝−ＶＰＮ／６ （７）
となる。
また、（Ｓｕｐ，Ｓｖｐ, Ｓｗｐ）が（ＯＮ，ＯＦＦ，ＯＮ）（以下、「Ｖ６ベクトル」という。）のときは、コモンモード電圧Ｖｃｎは、
Ｖｃｎ＝（Ｖｕｎ＋Ｖｖｎ＋Ｖｗｎ）／３
＝（ＶＰｎ＋ＶＮｎ＋ＶＰｎ）／３
＝ＶＰｎ／３ ＝ＶＰＮ／６ （８）
となる。
また、（Ｓｕｐ，Ｓｖｐ, Ｓｗｐ）が（ＯＦＦ，ＯＦＦ，ＯＦＦ）（以下、「Ｖ７ベクトル」という。）のときは、コモンモード電圧Ｖｃｎは、
Ｖｃｎ＝（Ｖｕｎ＋Ｖｖｎ＋Ｖｗｎ）／３
＝（ＶＮｎ＋ＶＮｎ＋ＶＮｎ）／３
＝ＶＮｎ ＝−ＶＰＮ／２ （９）
となる。
【００１１】
その結果、従来のコモンモード電圧Ｖｃｎは、図８に示すような４段（±ＶＰＮ／２， ±ＶＰＮ／６）のステップ状の電圧Ｖｃ１と同様の電圧波形となる。
また、図９は従来のコモンモードフィルタ１０３を付加した場合のコモンモードチョークＬｃの端子間に印加される電圧Ｖｃ３とフィルタ電流Ｉｆを示す図である。コモンモードフィルタを設計する際、コモンモードチョークＬｃが磁気飽和を起こさないように注意する必要がある。
ここで、コモンモードチョークＬｃの端子間に印加される電圧Ｖｃ３をＶｃ３＝ Ｖｍ・ｃｏｓ (ωｔ)で近似し、コモンモードチョークＬｃのコアの断面積をＳ、巻線のターン数をＮ、キャリア周波数をｆとすると、コモンモードチョークＬｃのコア内での磁束密度Ｂは、式（１０）で近似できる。
【００１２】
【数１】
【００１３】
また、コアの最大磁束密度Ｂｍは、式（１０）より
【数２】
となる。
【００１４】
式（１１）より、コモンモードチョークの磁束密度は、Ｖｍ、ｆ、Ｎ、Ｓにより決定される。従来の電力変換装置では、Ｖｍは固定値なので、鉄損、銅損、サイズ、コスト等を考慮し、ｆ、Ｎ、Ｓを決定する。
従来のコモンモードフィルタのコモンモードチョークは、上述のようにして設計されていた。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１５】
【特許文献１】特開平１０−１０７５７１号公報
【特許文献２】特開平０９−０８４３５７号公報（６頁、図７）
【特許文献３】特許第３４６６１１８号（１８頁、図１８）
【非特許文献】
【００１６】
【非特許文献１】IEEE TRANSACTIONS ON INDUSTRY APPLICATIONS、VOL.28、NO.4、p858〜p863、JULY/AUGUST 1992
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１７】
従来の出力フィルタにおいては、コモンモードフィルタに用いるコモンモードチョークに、コモンモード電圧のキャリア成分のほとんどが印加されるため、磁気飽和を起こしやすく、磁気飽和を起こさせないためにはコモンモードチョークのコアの最大磁束密度をできるだけ小さくする必要があり、最大磁束密度を小さくするには巻線のターン数を増やさなければならず小形化することが難しいという問題があった。また、電流容量が大きな用途に対しては、巻線の電線サイズが大きくなり、コアに電線を巻くことが物理的に困難となるというような問題もあった。
本発明はこのような問題点に鑑みてなされたものであり、出力フィルタのコモンモードフィルタに用いるコモンモードチョークに印加される電圧を低減し、コモンモードチョークの巻線のターン数を減らすことにより小形化ができる出力フィルタおよび電力変換装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１８】
上記問題を解決するため、本発明は、次のように構成したものである。
請求項１に記載の発明は、直流母線の正側に直列に接続した双方向半導体スイッチ１と、前記直流母線の負側に直列に接続した双方向半導体スイッチ３と、前記直流母線間に直列に接続された二つの同一容量のコンデンサの接続点から成る前記直流母線の中性点ｎおよび電力変換装置のインバータ部のいずれかの出力相との間に直列に接続した双方向半導体スイッチ２とから構成された中性点切替部と、前記インバータ部および負荷であるモータとの間に接続され、かつ帰線端を前記中性点ｎに接続したコモンモードフィルタと、前記インバータ部の上下アームの半導体スイッチング素子を駆動するゲート信号から電圧ベクトルを検出する電圧ベクトル検出回路と、を備えた出力フィルタにおいて、
前記中性点切替部が、前記電圧ベクトル検出回路で検出した半導体スイッチング素子のスイッチング状態に基づいて、前記双方向半導体スイッチ１，３および２を切替えることを特徴とするものである。
【００１９】
請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の出力フィルタにおいて、前記中性点切替部が、前記インバータ部の上下アームの半導体スイッチング素子の上側アームが全てオンで下側アームが全てオフの時、または、前記上側アームが全てオフで前記下側アームが全てオンの時に、前記双方向半導体スイッチ２をオンとし、かつ前記双方向半導体スイッチ１および３をオフとし、前記上下アームの半導体スイッチング素子のスイッチングパターンが前記以外の場合は、前記双方向半導体スイッチ２をオフとし、かつ前記双方向半導体スイッチ１および３をオンとすることを特徴とするものである。
請求項３に記載の発明は、請求項１に記載の出力フィルタにおいて、前記電圧ベクトル検出回路が前記上下アームの半導体スイッチング素子の上側ゲート信号を３入力ＡＮＤ回路１に入力し、該３入力ＡＮＤ回路１の出力をＮＯＴ回路１を介して２入力ＡＮＤ回路の一方の入力に入力し、かつ、下側ゲート信号を３入力ＡＮＤ回路２に入力し、該３入力ＡＮＤ回路２の出力をＮＯＴ回路２を介して前記２入力ＡＮＤ回路の他方の入力に入力して、該２入力ＡＮＤ回路の出力を前記双方向半導体スイッチ１および３を駆動する信号とし、前記２入力ＡＮＤ回路の出力をＮＯＴ回路３を介して前記双方向半導体スイッチ２を駆動する信号とすることを特徴とするものである。
【００２０】
請求項４に記載の電力変換装置の発明は、請求項１乃至３のいずれかに記載の出力フィルタを備えたことを特徴とするものである。
【発明の効果】
【００２１】
請求項１乃至３に記載の発明によると、出力フィルタのコモンモードフィルタに用いるコモンモードチョークに印加される電圧を低減することが可能となり、コモンモードチョークの巻線のターン数を減らすことにより出力フィルタを小形化することができる。
また、請求項４に記載の発明によると、請求項１乃至３のいずれかに記載の出力フィルタを適用することで、従来、電力変換装置とは別置きとしていた出力フィルタを、電力変換装置に内蔵することが可能となり、低ノイズで省スペースの電力変換装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】本発明の中性点切替部を備えた出力フィルタを付加した電力変換装置の全体構成を説明する図
【図２】図１における中性点切替部とその制御部の詳細回路を示す図
【図３】本発明の中性点切替部を備えた出力フィルタを付加した電力変換装置の詳細を説明する図
【図４】従来例のコモンモードフィルタを付加した電力変換装置の回路構成図
【図５】従来例の電力変換装置におけるインバータ部のゲート信号およびコモンモード電圧を示す図
【図６】本発明の電力変換装置におけるインバータ部のゲート信号、中性点切替部の半導体スイッチの切替え信号およびコモンモード電圧を示す図
【図７】従来例におけるコモンモードフィルタを付加していない場合のコモンモード電圧およびコモンモード電流の計算結果を示す図
【図８】従来のコモンモードフィルタを付加した場合のコモンモード電圧およびコモンモード電流の計算結果を示す図
【図９】従来のコモンモードフィルタを付加した場合のコモンモードチョークに印加される電圧およびフィルタ電流の計算結果を示す図
【図１０】本発明の中性点切替部を備えた出力フィルタを付加した場合のコモンモード電圧およびコモンモード電流の計算結果を示す図
【図１１】本発明の中性点切替部を備えた出力フィルタを付加した場合のコモンモードチョークに印加される電圧およびフィルタ電流の計算結果を示す図
【図１２】従来のコモンモードフィルタを付加した場合のコモンモード電圧およびコモンモードチョークに印加される電圧のＦＦＴ解析結果（ｆ＝１０Ｈｚ時）を示す図
【図１３】本発明の中性点切替部を備えた出力フィルタを付加した場合のコモンモード電圧およびコモンモードチョークに印加される電圧のＦＦＴ解析結果（ｆ＝１０Ｈｚ時）を示す図
【図１４】従来のコモンモードフィルタを付加した場合のコモンモード電圧およびコモンモードチョークに印加される電圧のＦＦＴ解析結果（ｆ＝６０Ｈｚ時）を示す図
【図１５】本発明の中性点切替部を備えた出力フィルタを付加した場合のコモンモード電圧およびコモンモードチョークに印加される電圧のＦＦＴ解析結果（ｆ＝６０Ｈｚ時）を示す図
【図１６】モータ運転周波数ｆを変化させた場合のコモンモードチョークに印加されるキャリア成分の電圧を示す図
【発明を実施するための最良の形態】
【００２３】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。
実際の電力変換装置には様々な機能や手段が内蔵されているが、図面には本発明に関係する機能や手段のみを記載し説明することとする。また、同一名称には同一符号を付け重複説明を省略する。
【実施例１】
【００２４】
図１は、本発明の中性点切替え手段を備えた出力フィルタを付加した電力変換装置の全体構成を説明する図である。また、図２は図１における中性点切替え手段とその制御部の具体的な回路構成を示したものである。
図１において、１００は商用電源、１０１は電力変換装置、１０２はモータ、１０３はコモンモードフィルタ、１０４は中性点切替部、１０５は電圧ベクトル検出回路、１０６はインバータゲート制御回路である。また、１０７は本発明の出力フィルタであり、コモンモードフィルタ１０３、中性点切替部１０４および電圧ベクトル検出回路１０５から構成されており、インバータゲート制御回路１０６からのＰＷＭ信号を入力として制御される。１０８は電力変換装置１０１のインバータ部である。
中性点切替部１０４は、図２に示すインバータ部１０８の上側アーム半導体スイッチング素子が（ＯＮ、ＯＮ、ＯＮ）もしくは（ＯＦＦ、ＯＦＦ、ＯＦＦ）の場合、インバータ部１０８を直流母線から切り離し、インバータ出力部（Ｕ相，Ｖ相，Ｗ相）と直流母線の中性点ｎとを短絡させる回路である。また、中性点切替部１０４は、インバータ部１０８の各アームの半導体スイッチング素子のスイッチング状態に基づいて、図２に示すように、直流母線のＰ側およびＮ側にそれぞれ直列に接続された双方向半導体スイッチＳ１，Ｓ３、および直流母線の中性点ｎとインバータ部１０８のＶ相出力との間に接続された双方向半導体スイッチＳ２を切替えてコモンモードフィルタ１０３に接続される構成となっている。
なお、双方向半導体スイッチＳ２は、インバータ部１０８のＶ相出力に接続する代わりに、Ｕ相またはＷ相出力に接続してもよい。
【００２５】
本発明が従来技術と異なる部分は、電力変換装置のインバータ部１０８の各アーム半導体スイッチング素子のスイッチング状態に基づいて、インバータ部１０８を直流母線から切り離し、インバータ出力部と直流母線の中性点ｎとを短絡させる中性点切替部１０４を備え、出力フィルタ１０７におけるコモンモードフィルタ１０３のコモンモードチョークに印加される電圧を低減し、コモンモードフィルタ１０３に流れるフィルタ電流を低減できるようにした点である。
【００２６】
つぎに、本発明の具体的な動作について説明する。
図２において、１０５は電圧ベクトル検出回路であり、１０９〜１１１はＡＮＤ回路、１１２〜１１４はＮＯＴ回路であり、Ｓ１、Ｓ２、およびＳ３はＩＧＢＴとダイオードで構成した双方向半導体スイッチである。なお、双方向半導体スイッチの回路構成は、これに限定されず他の回路構成でも適用できる。
インバータゲート制御回路１０６は、不図示のＰＷＭ制御回路からＰＷＭ信号を受け、インバータ部１０８にゲート信号を出力すると共に、電圧ベクトル検出回路１０５に、インバータ部１０８のＵ相上側アーム半導体スイッチング素子のゲート信号Ｓｕｐ、Ｖ相上側アーム半導体スイッチング素子のゲート信号Ｓｖｐ、およびＷ相上側アーム半導体スイッチング素子のゲート信号Ｓｗｐを出力する。また同時に、電圧ベクトル検出回路１０５に、インバータ部１０８のＵ相下側アーム半導体スイッチング素子のゲート信号Ｓｕｎ、Ｖ相下側アーム半導体スイッチング素子のゲート信号Ｓｖｎ、およびＷ相下側アーム半導体スイッチング素子のゲート信号Ｓｗｎを出力する。
【００２７】
電圧ベクトル検出回路１０５は、２入力のＡＮＤ回路１０９と３入力のＡＮＤ回路１１０，１１１、およびＮＯＴ回路１１２，１１３で構成されており、インバータ部１０８の上アームのゲート信号Ｓｕｐ、Ｓｖｐ、Ｓｗｐおよび下アームのゲート信号Ｓｕｎ、Ｓｖｎ、Ｓｗｎを３入力のＡＮＤ回路１１０，１１１にそれぞれ入力し、双方向半導体スイッチＳ１、Ｓ２，Ｓ３の切替え信号とする。
具体的には、先に説明したＶ７ベクトル、すなわち（Ｓｕｐ、Ｓｖｐ、Ｓｗｐ）が（ＯＦＦ、ＯＦＦ、ＯＦＦ）、且つ（Ｓｕｎ、Ｓｖｎ、Ｓｗｎ）が（ＯＮ、ＯＮ、ＯＮ）の時は、電圧ベクトル検出回路１０５の２つのＡＮＤ回路１１０，１１１の出力が、それぞれ「０」および「１」となり、ＡＮＤ回路１０９の出力は「０」となるので、中性点切替部１０４のＮＯＴ回路１１４を介して駆動される双方向半導体スイッチＳ２をオンにする。また、Ｖ０ベクトル、すなわち（Ｓｕｐ、Ｓｖｐ、Ｓｗｐ）が（ＯＮ、ＯＮ、ＯＮ）、且つ（Ｓｕｎ、Ｓｖｎ、Ｓｗｎ）が（ＯＦＦ、ＯＦＦ、ＯＦＦ）の時は、２つのＡＮＤ回路１１０，１１１の出力が、それぞれ「１」および「０」となり、ＡＮＤ回路１０９の出力は「０」となるので、上述と同様に、双方向半導体スイッチＳ２をオンにする。また、Ｖ１ベクトル〜Ｖ６ベクトルの場合は、２つのＡＮＤ回路１１０，１１１の出力が、それぞれ「０」および「０」となり、ＡＮＤ回路１０９の出力は「１」となるので、双方向半導体スイッチＳ１およびＳ３をオンにする信号を出力する。
【００２８】
図６は、図２に示す本発明の電力変換装置におけるインバータ部１０８のゲート信号、中性点切替部１０４の双方向半導体スイッチの切替え信号およびコモンモード電圧を示す図である。
直流母線の中心点ｎを基準とした時の各電圧ベクトルにおけるコモンモード電圧Ｖｃｎは、式（１）〜（９）より、下記のように与えられる。
Ｖ０ベクトルのときは、Ｖｃｎ＝０
Ｖ１ベクトルのときは、Ｖｃｎ＝−ＶＰＮ／６
Ｖ２ベクトルのときは、Ｖｃｎ＝＋ＶＰＮ／６
Ｖ３ベクトルのときは、Ｖｃｎ＝−ＶＰＮ／６
Ｖ４ベクトルのときは、Ｖｃｎ＝＋ＶＰＮ／６
Ｖ５ベクトルのときは、Ｖｃｎ＝−ＶＰＮ／６
Ｖ６ベクトルのときは、Ｖｃｎ＝＋ＶＰＮ／６
Ｖ７ベクトルのときは、Ｖｃｎ＝０
すなわち、Ｖ１〜Ｖ６ベクトルにおいては、中性点切替部１０４のスイッチＳ１，Ｓ３がＯＮとなり、Ｓ２がＯＦＦとなるので、従来例の図４の回路構成と同一であり、式（３）〜（８）と全く同じ動作となる。Ｖ０およびＶ７ベクトルにおいては、中性点切替部１０４のスイッチＳ１，Ｓ３がＯＦＦとなり、Ｓ２がＯＮとなるので、インバータ部１０８のＵ相，Ｖ相およびＷ相の各出力は中性点ｎの電位と同一となりＶｃｎ＝０となる。
このように、図６に示すように、Ｖ０ベクトルおよびＶ７ベクトル時に直流母線電圧のＰ側とＮ側の双方向半導体スイッチＳ１およびＳ３をＯＦＦし、インバータ出力部と直流母線の中性点ｎとの間の双方向半導体スイッチＳ２をＯＮすることにより、Ｖｃｎ＝０にすることができる。そのため、いずれの電圧ベクトルの場合も、０、＋ＶＰＮ／６、−ＶＰＮ／６の３種類の値のステップ状の電圧波形となり、図５に示す従来の方式よりもコモンモード電圧Ｖｃｎを低減することができる。その結果、本発明の中性点切替部を備えた出力フィルタは、図３に示すコモンモードフィルタ１０３のダンピング抵抗Ｒｆを流れるフィルタ電流Ｉfを小さくすることができる。
【００２９】
図１０は、図３に示す本発明の中性点切替部を備えた出力フィルタ１０７を付加した電力変換装置のコモンモード電圧・電流の計算結果を示した図である。図１０（ａ）はモータ運転周波数ｆ＝１０Ｈｚの時であり、図１０（ｂ）はモータ運転周波数ｆ＝６０Ｈｚの時である。また、図１１は、コモンモードチョークＬｃの端子間に印加される電圧およびフィルタ電流Ｉｆの計算結果を示す図である。図１１（ａ）はモータ運転周波数ｆ＝１０Ｈｚの時であり、図１１（ｂ）はモータ運転周波数ｆ＝６０Ｈｚの時である。
図１０に示すように、図３に記載の本発明の中性点切替部を備えた出力フィルタ１０７を用いた電力変換装置のコモンモード電圧Ｖｃ１は、０、＋ＶＰＮ／６、−ＶＰＮ／６の３種類の値のステップ状の電圧波形となる。図１０（ａ）および（ｂ）において、コモンモード電圧Ｖｃ１の電圧波形が異なるのは、ＰＷＭスイッチングの変調率の違いによるものである。図１１に示すようにコモンモードチョークＬｃの端子間に印加される電圧Ｖｃ３も図１０に示したＶｃ１と同期した波形となる。フィルタ電流Ｉｆは、コモンモードチョークＬｃの端子間に印加される電圧Ｖｃ３の大きさの積分値に応じて流れる電流値が決定される。
図８および図９に示す従来技術の出力フィルタである図４のコモンモードフィルタ１０３を用いた電力変換装置と、本発明の中性点切替部を備えた出力フィルタ１０７を用いた電力変換装置のコモンモード電圧・電流およびコモンモードチョークＬｃに印加される電圧、フィルタ電流Ｉｆを比較すると、本発明の中性点切替部を備えた出力フィルタ１０７を用いた電力変換装置はコモンモード電圧Ｖｃ１が小さいため、コモンモードチョークＬｃの端子間に印加される電圧Ｖｃ３も小さくなり、結果としてフィルタ電流Ｉｆも小さくなっていることがわかる。
【００３０】
図１２は従来技術の出力フィルタであるコモンモードフィルタ１０３を用いた場合において、モータ運転周波数ｆ＝１０Ｈｚ時の各部のコモンモード電圧Ｖｃ１、Ｖｃ２、Ｖｃ３のＦＦＴ解析結果を示す図であり、図１３は本発明の中性点切替部を備えた出力フィルタ１０７を用いた場合において、モータ運転周波数ｆ＝１０Ｈｚ時の各部のコモンモード電圧Ｖｃ１、Ｖｃ２、Ｖｃ３のＦＦＴ解析結果を示す図である。また、図１４は従来技術の出力フィルタであるコモンモードフィルタ１０３を用いた場合において、モータ運転周波数ｆ＝６０Ｈｚ時の各部のコモンモード電圧Ｖｃ１、Ｖｃ２、Ｖｃ３のＦＦＴ解析結果を示す図であり、図１５は本発明の中性点切替部を備えた出力フィルタ１０７を用いた場合において、モータ運転周波数ｆ＝６０Ｈｚ時の各部のコモンモード電圧Ｖｃ１、Ｖｃ２、Ｖｃ３のＦＦＴ解析結果を示す図である。また、図１６は図１２〜１５に示したＦＦＴ解析結果を元にコモンモードチョークＬｃの端子間に印加されるキャリア成分の電圧を示す図である。
本発明の中性点切替部を備えた出力フィルタ１０７は、図１６に示すようにコモンモードチョークＬｃに印加されるキャリア成分の電圧を低減できることがわかる。
【００３１】
このように、本発明はコモンモードフィルタの帰線端を、直流母線の中性点に接続した出力フィルタにおいて、インバータ部の各アームの半導体スイッチング素子のスイッチング状態に基づいて、双方向半導体スイッチを切替える中性点切替え手段を備えるので、出力フィルタのコモンモードフィルタに用いるコモンモードチョークに印加される電圧を低減することができ、結果としてコモンモードチョークの巻線のターン数を減らすことにより、出力フィルタの小形化ができる。
【産業上の利用可能性】
【００３２】
コモンモードフィルタに用いるコモンモードチョークのサイズを小さくすることができるので、本発明の出力フィルタ全体としてのサイズも小さくなる。そのため従来は、一般的に、電力変換装置とは別置きとしていた出力フィルタを、電力変換装置内に配置することが可能となり、出力フィルタ内蔵型の電力変換装置として低ノイズで省スペース化が要求される用途への適用が可能となる。
【符号の説明】
【００３３】
１００ 商用電源
１０１ 電力変換装置
１０２ モータ
１０３ コモンモードフィルタ
１０４ 中性点切替部
１０５ 電圧ベクトル検出回路
１０６ インバータゲート制御回路
１０７ 出力フィルタ
１０８ インバータ部
１０９，１１０，１１１ ＡＮＤ回路
１１２，１１３，１１４ ＮＯＴ回路
１１２ 中性点検出用トランス
Ｃｐｎ 平滑コンデンサ
Ｌｃ コモンモードチョーク
Ｃｆ１，Ｃｆ２，Ｃ コンデンサ
Ｒｆ ダンピング抵抗
Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３ 双方向半導体スイッチ
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電力変換装置のスイッチング動作で発生する高周波ノイズを低減する出力フィルタおよび電力変換装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
電力変換装置の出力側における問題として、高周波漏れ電流、伝導ＥＭＩ（Electro Magnetic Interference：電磁妨害雑音）、放射ＥＭＩ、モータ軸受の電食（モータ回転中の軸受ボールベアリングの内部を高周波電流が通過することにより、軌道輪と転動体の接触面が損傷する現象。特徴として、波状の磨耗が見られる。）、モータ端子でのサージ電圧が挙げられる。従来では、雑音端子電圧抑制のために例えば特許文献１に示すＥＭＩフィルタを用いていた。また、電力変換装置の出力側での対策は、出力フィルタを付加して対策を行ってきた。従来の電力変換装置のコモンモードフィルタには、例えば特許文献２および３、並びに非特許文献１がある。特許文献２および３、並びに非特許文献１は、コモンモード電流を抑制するためのコモンモードフィルタである。
特許文献２および３、並びに非特許文献１に代表されるコモンモードフィルタは、フィルタの共振周波数を電力変換装置のＰＷＭスイッチングのキャリア周波数よりも低くして、高周波漏れ電流、伝導ＥＭＩ、放射ＥＭＩ、モータ軸受の電食を抑制している。
【０００３】
図４は、出力側にコモンモードフィルタを付加した従来の電力変換装置の回路構成図である（特許文献２を参照）。図４において、１０８は電力変換装置のインバータ部、１０３はコモンモードフィルタ、１０２はモータ、１１２は中性点検出用トランスであり、Ｃｐｎは平滑コンデンサである。また、Ｌｃはコモンモードチョーク、Ｃｆ１およびＣｆ２はコンデンサ、Ｒｆはダンピング抵抗である。
インバータ部１０８は、ゲート信号に基づいて、平滑コンデンサＣｐｎで平滑化された直流電圧をＰＷＭスイッチングし、コモンモードフィルタ１０３を介して、負荷であるモータ１０２に所望の電力を供給する。
従来のコモンモードフィルタ１０３は、コモンモードチョークＬｃの各相出力端にコンデンサＣｆ１の一端を接続し、他端を中性点検出用トランス１１２の各入力端にそれぞれ接続し、共通結線端ｎ１’と帰線端ｎ２’との間に直列接続したコンデンサＣｆ２とダンピング抵抗Ｒｆを挿入して構成している。中性点検出用トランス１１２は、三相絶縁トランスの１次側巻線をスター結線し２次側巻線をデルタ結線して構成し、各スター結線端を入力端、共通結線端をｎ１’としている。
また、コモンモードフィルタ１０３の帰線端ｎ２’は、インバータ部１０８の直流母線であるＰ−Ｎ間に直列接続された同容量の二つのコンデンサＣを挿入して、その二つのコンデンサの接続点に接続されており、この接続点を直流母線の中性点ｎとしている。
コモンモードフィルタを付加した従来の電力変換装置は、上述のように構成されている。
【０００４】
また、図５は、図４の従来技術を用いた場合の電力変換装置のインバータ部１０８のゲート信号およびコモンモード電圧Ｖｃｎを示した図である。図５において、Ｓｕｐはインバータ部のＵ相上側アームのゲート信号、ＳｖｐはＶ相上側アームのゲート信号、ＳｗｐはＷ相上側アームのゲート信号を示す。
Ｓｕｐ、Ｓｖｐ、および Ｓｗｐは、それぞれ独立して、ＯＮ／ＯＦＦさせることが可能であり、Ｓｕｐ、Ｓｖｐ、および ＳｗｐそれぞれのＯＮ／ＯＦＦの状態によって、電力変換装置のインバータ部１０８の各アームから出力される電圧を合成したベクトルが決定される。この合成された電圧のベクトルを、一般的に電圧ベクトルと呼んでいる。
【０００５】
図７は、図４においてコモンモードフィルタ１０３を付加していない場合のコモンモード電圧およびコモンモード電流の計算結果を示した図である。コモンモードフィルタ１０３を付加していない場合、図４に示す接地点ＧＮＤから見たコモンモード電圧Ｖｃ１，Ｖｃ２は前記スイッチングの組み合わせにより、ステップ状の電圧波形となり、それに伴いコモンモード電流Ｉｃがモータ１０２から接地線に流れる。
【０００６】
また、図８は、従来技術を用いコモンモードフィルタ１０３を付加した電力変換装置の各部のコモンモード電圧およびコモンモード電流の計算結果を示した図である。同図において（ａ）はモータ運転周波数ｆ＝１０Ｈｚ時の計算結果であり、（ｂ）はモータ運転周波数ｆ＝６０Ｈｚ時の計算結果を示し、Ｖｃ１はコモンモードフィルタの入力端のコモンモード電圧、Ｖｃ２はコモンモードフィルタの出力端のコモンモード電圧、Ｉｃは接地線に流れるコモンモード電流を示す。
図８（ａ）におけるコモンモード電圧Ｖｃ１の電圧波形と図８（ｂ）におけるコモンモード電圧Ｖｃ１の電圧波形とが異なっているのは、モータ運転周波数が変わることによりＰＷＭスイッチングの変調率が異なっているためであり、（ａ）の変調率の方が（ｂ）の変調率よりも低い場合の例である。
【０００７】
図４に示すコモンモードフィルタ１０３の共振周波数は、電力変換装置の運転周波数とキャリア周波数の間になるように設計を行う。そのため、コモンモードフィルタを付加すると、図８に示すようにキャリア周波数より高い成分は減衰され、コモンモードフィルタの出力端でのコモンモード電圧Ｖｃ２は低減される。結果として、コモンモード電流Ｉｃも低減される。
【０００８】
図５に示すＶｃｎは電力変換装置の直流母線の中性点ｎを基準とした場合の電力変換装置出力側のコモンモード電圧であり、一般的に以下の式で表すことができる。
Ｖｃｎ＝（Ｖｕｎ＋Ｖｖｎ＋Ｖｗｎ）／３ （１）
ここで、Ｖｕｎ，ＶｖｎおよびＶｗｎは、それぞれ中性点ｎを基準とした場合のＵ相電圧、Ｖ相電圧、およびＷ相電圧を示す。
例えば、図５に示すように（Ｓｕｐ，Ｓｖｐ, Ｓｗｐ）が（ＯＮ，ＯＮ，ＯＮ）（以下、「Ｖ０ベクトル」という。）のときは、コモンモード電圧Ｖｃｎは、
Ｖｃｎ＝（Ｖｕｎ＋Ｖｖｎ＋Ｖｗｎ）／３
＝（ＶＰｎ＋ＶＰｎ＋ＶＰｎ）／３
＝ＶＰｎ ＝ＶＰＮ／２ （２）
となる。ここで、ＶＰｎは中性点ｎを基準として見たときの直流母線のＰ側電圧、ＶＰＮはＰ−Ｎ間電圧を表わす（以下、同様、図４を参照）。
【０００９】
また、（Ｓｕｐ，Ｓｖｐ，Ｓｗｐ）が（ＯＮ，ＯＦＦ，ＯＦＦ）（以下、「Ｖ１ベクトル」という。）のときは、コモンモード電圧Ｖｃｎは、
Ｖｃｎ＝（Ｖｕｎ＋Ｖｖｎ＋Ｖｗｎ）／３
＝（ＶＰｎ＋ＶＮｎ＋ＶＮｎ）／３
＝ＶＮｎ／３ ＝−ＶＰＮ／６ （３）
となる。ここで、ＶＮｎは中性点ｎを基準として見たときの直流母線のＮ側電圧を表わす（以下、同様）。
また、（Ｓｕｐ，Ｓｖｐ, Ｓｗｐ）が（ＯＮ，ＯＮ，ＯＦＦ）（以下、「Ｖ２ベクトル」という。）のときは、コモンモード電圧Ｖｃｎは、
Ｖｃｎ＝（Ｖｕｎ＋Ｖｖｎ＋Ｖｗｎ）／３
＝（ＶＰｎ＋ＶＰｎ＋ＶＮｎ）／３
＝ＶＰｎ／３ ＝ＶＰＮ／６ （４）
となる。
また、（Ｓｕｐ，Ｓｖｐ, Ｓｗｐ）が（ＯＦＦ，ＯＮ，ＯＦＦ）（以下、「Ｖ３ベクトル」という。）のときは、コモンモード電圧Ｖｃｎは、
Ｖｃｎ＝（Ｖｕｎ＋Ｖｖｎ＋Ｖｗｎ）／３
＝（ＶＮｎ＋ＶＰｎ＋ＶＮｎ）／３
＝ＶＮｎ／３ ＝−ＶＰＮ／６ （５）
となる。
【００１０】
また、（Ｓｕｐ，Ｓｖｐ, Ｓｗｐ）が（ＯＦＦ，ＯＮ，ＯＮ）（以下、「Ｖ４ベクトル」という。）のときは、コモンモード電圧Ｖｃｎは、
Ｖｃｎ＝（Ｖｕｎ＋Ｖｖｎ＋Ｖｗｎ）／３
＝（ＶＮｎ＋ＶＰｎ＋ＶＰｎ）／３
＝ＶＰｎ／３ ＝ＶＰＮ／６ （６）
となる。
また、（Ｓｕｐ，Ｓｖｐ, Ｓｗｐ）が（ＯＦＦ，ＯＦＦ，ＯＮ）（以下、「Ｖ５ベクトル」という。）のときは、コモンモード電圧Ｖｃｎは、
Ｖｃｎ＝（Ｖｕｎ＋Ｖｖｎ＋Ｖｗｎ）／３
＝（ＶＮｎ＋ＶＮｎ＋ＶＰｎ）／３
＝ＶＮｎ／３ ＝−ＶＰＮ／６ （７）
となる。
また、（Ｓｕｐ，Ｓｖｐ, Ｓｗｐ）が（ＯＮ，ＯＦＦ，ＯＮ）（以下、「Ｖ６ベクトル」という。）のときは、コモンモード電圧Ｖｃｎは、
Ｖｃｎ＝（Ｖｕｎ＋Ｖｖｎ＋Ｖｗｎ）／３
＝（ＶＰｎ＋ＶＮｎ＋ＶＰｎ）／３
＝ＶＰｎ／３ ＝ＶＰＮ／６ （８）
となる。
また、（Ｓｕｐ，Ｓｖｐ, Ｓｗｐ）が（ＯＦＦ，ＯＦＦ，ＯＦＦ）（以下、「Ｖ７ベクトル」という。）のときは、コモンモード電圧Ｖｃｎは、
Ｖｃｎ＝（Ｖｕｎ＋Ｖｖｎ＋Ｖｗｎ）／３
＝（ＶＮｎ＋ＶＮｎ＋ＶＮｎ）／３
＝ＶＮｎ ＝−ＶＰＮ／２ （９）
となる。
【００１１】
その結果、従来のコモンモード電圧Ｖｃｎは、図８に示すような４段（±ＶＰＮ／２， ±ＶＰＮ／６）のステップ状の電圧Ｖｃ１と同様の電圧波形となる。
また、図９は従来のコモンモードフィルタ１０３を付加した場合のコモンモードチョークＬｃの端子間に印加される電圧Ｖｃ３とフィルタ電流Ｉｆを示す図である。コモンモードフィルタを設計する際、コモンモードチョークＬｃが磁気飽和を起こさないように注意する必要がある。
ここで、コモンモードチョークＬｃの端子間に印加される電圧Ｖｃ３をＶｃ３＝ Ｖｍ・ｃｏｓ (ωｔ)で近似し、コモンモードチョークＬｃのコアの断面積をＳ、巻線のターン数をＮ、キャリア周波数をｆとすると、コモンモードチョークＬｃのコア内での磁束密度Ｂは、式（１０）で近似できる。
【００１２】
【数１】
【００１３】
また、コアの最大磁束密度Ｂｍは、式（１０）より
【数２】
となる。
【００１４】
式（１１）より、コモンモードチョークの磁束密度は、Ｖｍ、ｆ、Ｎ、Ｓにより決定される。従来の電力変換装置では、Ｖｍは固定値なので、鉄損、銅損、サイズ、コスト等を考慮し、ｆ、Ｎ、Ｓを決定する。
従来のコモンモードフィルタのコモンモードチョークは、上述のようにして設計されていた。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１５】
【特許文献１】特開平１０−１０７５７１号公報
【特許文献２】特開平０９−０８４３５７号公報（６頁、図７）
【特許文献３】特許第３４６６１１８号（１８頁、図１８）
【非特許文献】
【００１６】
【非特許文献１】IEEE TRANSACTIONS ON INDUSTRY APPLICATIONS、VOL.28、NO.4、p858〜p863、JULY/AUGUST 1992
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１７】
従来の出力フィルタにおいては、コモンモードフィルタに用いるコモンモードチョークに、コモンモード電圧のキャリア成分のほとんどが印加されるため、磁気飽和を起こしやすく、磁気飽和を起こさせないためにはコモンモードチョークのコアの最大磁束密度をできるだけ小さくする必要があり、最大磁束密度を小さくするには巻線のターン数を増やさなければならず小形化することが難しいという問題があった。また、電流容量が大きな用途に対しては、巻線の電線サイズが大きくなり、コアに電線を巻くことが物理的に困難となるというような問題もあった。
本発明はこのような問題点に鑑みてなされたものであり、出力フィルタのコモンモードフィルタに用いるコモンモードチョークに印加される電圧を低減し、コモンモードチョークの巻線のターン数を減らすことにより小形化ができる出力フィルタおよび電力変換装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１８】
上記問題を解決するため、本発明は、次のように構成したものである。
請求項１に記載の発明は、直流母線の正側に直列に接続した双方向半導体スイッチ１と、前記直流母線の負側に直列に接続した双方向半導体スイッチ３と、前記直流母線間に直列に接続された二つの同一容量のコンデンサの接続点から成る前記直流母線の中性点ｎおよび電力変換装置のインバータ部のいずれかの出力相との間に直列に接続した双方向半導体スイッチ２とから構成された中性点切替部と、前記インバータ部および負荷であるモータとの間に接続され、かつ帰線端を前記中性点ｎに接続したコモンモードフィルタと、前記インバータ部の上下アームの半導体スイッチング素子を駆動するゲート信号から電圧ベクトルを検出する電圧ベクトル検出回路と、を備えた出力フィルタにおいて、
前記中性点切替部が、前記電圧ベクトル検出回路で検出した半導体スイッチング素子のスイッチング状態に基づいて、前記双方向半導体スイッチ１，３および２を切替えることを特徴とするものである。
【００１９】
請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の出力フィルタにおいて、前記中性点切替部が、前記インバータ部の上下アームの半導体スイッチング素子の上側アームが全てオンで下側アームが全てオフの時、または、前記上側アームが全てオフで前記下側アームが全てオンの時に、前記双方向半導体スイッチ２をオンとし、かつ前記双方向半導体スイッチ１および３をオフとし、前記上下アームの半導体スイッチング素子のスイッチングパターンが前記以外の場合は、前記双方向半導体スイッチ２をオフとし、かつ前記双方向半導体スイッチ１および３をオンとすることを特徴とするものである。
請求項３に記載の発明は、請求項１に記載の出力フィルタにおいて、前記電圧ベクトル検出回路が前記上下アームの半導体スイッチング素子の上側ゲート信号を３入力ＡＮＤ回路１に入力し、該３入力ＡＮＤ回路１の出力をＮＯＴ回路１を介して２入力ＡＮＤ回路の一方の入力に入力し、かつ、下側ゲート信号を３入力ＡＮＤ回路２に入力し、該３入力ＡＮＤ回路２の出力をＮＯＴ回路２を介して前記２入力ＡＮＤ回路の他方の入力に入力して、該２入力ＡＮＤ回路の出力を前記双方向半導体スイッチ１および３を駆動する信号とし、前記２入力ＡＮＤ回路の出力をＮＯＴ回路３を介して前記双方向半導体スイッチ２を駆動する信号とすることを特徴とするものである。
【００２０】
請求項４に記載の電力変換装置の発明は、請求項１乃至３のいずれかに記載の出力フィルタを備えたことを特徴とするものである。
【発明の効果】
【００２１】
請求項１乃至３に記載の発明によると、出力フィルタのコモンモードフィルタに用いるコモンモードチョークに印加される電圧を低減することが可能となり、コモンモードチョークの巻線のターン数を減らすことにより出力フィルタを小形化することができる。
また、請求項４に記載の発明によると、請求項１乃至３のいずれかに記載の出力フィルタを適用することで、従来、電力変換装置とは別置きとしていた出力フィルタを、電力変換装置に内蔵することが可能となり、低ノイズで省スペースの電力変換装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】本発明の中性点切替部を備えた出力フィルタを付加した電力変換装置の全体構成を説明する図
【図２】図１における中性点切替部とその制御部の詳細回路を示す図
【図３】本発明の中性点切替部を備えた出力フィルタを付加した電力変換装置の詳細を説明する図
【図４】従来例のコモンモードフィルタを付加した電力変換装置の回路構成図
【図５】従来例の電力変換装置におけるインバータ部のゲート信号およびコモンモード電圧を示す図
【図６】本発明の電力変換装置におけるインバータ部のゲート信号、中性点切替部の半導体スイッチの切替え信号およびコモンモード電圧を示す図
【図７】従来例におけるコモンモードフィルタを付加していない場合のコモンモード電圧およびコモンモード電流の計算結果を示す図
【図８】従来のコモンモードフィルタを付加した場合のコモンモード電圧およびコモンモード電流の計算結果を示す図
【図９】従来のコモンモードフィルタを付加した場合のコモンモードチョークに印加される電圧およびフィルタ電流の計算結果を示す図
【図１０】本発明の中性点切替部を備えた出力フィルタを付加した場合のコモンモード電圧およびコモンモード電流の計算結果を示す図
【図１１】本発明の中性点切替部を備えた出力フィルタを付加した場合のコモンモードチョークに印加される電圧およびフィルタ電流の計算結果を示す図
【図１２】従来のコモンモードフィルタを付加した場合のコモンモード電圧およびコモンモードチョークに印加される電圧のＦＦＴ解析結果（ｆ＝１０Ｈｚ時）を示す図
【図１３】本発明の中性点切替部を備えた出力フィルタを付加した場合のコモンモード電圧およびコモンモードチョークに印加される電圧のＦＦＴ解析結果（ｆ＝１０Ｈｚ時）を示す図
【図１４】従来のコモンモードフィルタを付加した場合のコモンモード電圧およびコモンモードチョークに印加される電圧のＦＦＴ解析結果（ｆ＝６０Ｈｚ時）を示す図
【図１５】本発明の中性点切替部を備えた出力フィルタを付加した場合のコモンモード電圧およびコモンモードチョークに印加される電圧のＦＦＴ解析結果（ｆ＝６０Ｈｚ時）を示す図
【図１６】モータ運転周波数ｆを変化させた場合のコモンモードチョークに印加されるキャリア成分の電圧を示す図
【発明を実施するための最良の形態】
【００２３】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。
実際の電力変換装置には様々な機能や手段が内蔵されているが、図面には本発明に関係する機能や手段のみを記載し説明することとする。また、同一名称には同一符号を付け重複説明を省略する。
【実施例１】
【００２４】
図１は、本発明の中性点切替え手段を備えた出力フィルタを付加した電力変換装置の全体構成を説明する図である。また、図２は図１における中性点切替え手段とその制御部の具体的な回路構成を示したものである。
図１において、１００は商用電源、１０１は電力変換装置、１０２はモータ、１０３はコモンモードフィルタ、１０４は中性点切替部、１０５は電圧ベクトル検出回路、１０６はインバータゲート制御回路である。また、１０７は本発明の出力フィルタであり、コモンモードフィルタ１０３、中性点切替部１０４および電圧ベクトル検出回路１０５から構成されており、インバータゲート制御回路１０６からのＰＷＭ信号を入力として制御される。１０８は電力変換装置１０１のインバータ部である。
中性点切替部１０４は、図２に示すインバータ部１０８の上側アーム半導体スイッチング素子が（ＯＮ、ＯＮ、ＯＮ）もしくは（ＯＦＦ、ＯＦＦ、ＯＦＦ）の場合、インバータ部１０８を直流母線から切り離し、インバータ出力部（Ｕ相，Ｖ相，Ｗ相）と直流母線の中性点ｎとを短絡させる回路である。また、中性点切替部１０４は、インバータ部１０８の各アームの半導体スイッチング素子のスイッチング状態に基づいて、図２に示すように、直流母線のＰ側およびＮ側にそれぞれ直列に接続された双方向半導体スイッチＳ１，Ｓ３、および直流母線の中性点ｎとインバータ部１０８のＶ相出力との間に接続された双方向半導体スイッチＳ２を切替えてコモンモードフィルタ１０３に接続される構成となっている。
なお、双方向半導体スイッチＳ２は、インバータ部１０８のＶ相出力に接続する代わりに、Ｕ相またはＷ相出力に接続してもよい。
【００２５】
本発明が従来技術と異なる部分は、電力変換装置のインバータ部１０８の各アーム半導体スイッチング素子のスイッチング状態に基づいて、インバータ部１０８を直流母線から切り離し、インバータ出力部と直流母線の中性点ｎとを短絡させる中性点切替部１０４を備え、出力フィルタ１０７におけるコモンモードフィルタ１０３のコモンモードチョークに印加される電圧を低減し、コモンモードフィルタ１０３に流れるフィルタ電流を低減できるようにした点である。
【００２６】
つぎに、本発明の具体的な動作について説明する。
図２において、１０５は電圧ベクトル検出回路であり、１０９〜１１１はＡＮＤ回路、１１２〜１１４はＮＯＴ回路であり、Ｓ１、Ｓ２、およびＳ３はＩＧＢＴとダイオードで構成した双方向半導体スイッチである。なお、双方向半導体スイッチの回路構成は、これに限定されず他の回路構成でも適用できる。
インバータゲート制御回路１０６は、不図示のＰＷＭ制御回路からＰＷＭ信号を受け、インバータ部１０８にゲート信号を出力すると共に、電圧ベクトル検出回路１０５に、インバータ部１０８のＵ相上側アーム半導体スイッチング素子のゲート信号Ｓｕｐ、Ｖ相上側アーム半導体スイッチング素子のゲート信号Ｓｖｐ、およびＷ相上側アーム半導体スイッチング素子のゲート信号Ｓｗｐを出力する。また同時に、電圧ベクトル検出回路１０５に、インバータ部１０８のＵ相下側アーム半導体スイッチング素子のゲート信号Ｓｕｎ、Ｖ相下側アーム半導体スイッチング素子のゲート信号Ｓｖｎ、およびＷ相下側アーム半導体スイッチング素子のゲート信号Ｓｗｎを出力する。
【００２７】
電圧ベクトル検出回路１０５は、２入力のＡＮＤ回路１０９と３入力のＡＮＤ回路１１０，１１１、およびＮＯＴ回路１１２，１１３で構成されており、インバータ部１０８の上アームのゲート信号Ｓｕｐ、Ｓｖｐ、Ｓｗｐおよび下アームのゲート信号Ｓｕｎ、Ｓｖｎ、Ｓｗｎを３入力のＡＮＤ回路１１０，１１１にそれぞれ入力し、双方向半導体スイッチＳ１、Ｓ２，Ｓ３の切替え信号とする。
具体的には、先に説明したＶ７ベクトル、すなわち（Ｓｕｐ、Ｓｖｐ、Ｓｗｐ）が（ＯＦＦ、ＯＦＦ、ＯＦＦ）、且つ（Ｓｕｎ、Ｓｖｎ、Ｓｗｎ）が（ＯＮ、ＯＮ、ＯＮ）の時は、電圧ベクトル検出回路１０５の２つのＡＮＤ回路１１０，１１１の出力が、それぞれ「０」および「１」となり、ＡＮＤ回路１０９の出力は「０」となるので、中性点切替部１０４のＮＯＴ回路１１４を介して駆動される双方向半導体スイッチＳ２をオンにする。また、Ｖ０ベクトル、すなわち（Ｓｕｐ、Ｓｖｐ、Ｓｗｐ）が（ＯＮ、ＯＮ、ＯＮ）、且つ（Ｓｕｎ、Ｓｖｎ、Ｓｗｎ）が（ＯＦＦ、ＯＦＦ、ＯＦＦ）の時は、２つのＡＮＤ回路１１０，１１１の出力が、それぞれ「１」および「０」となり、ＡＮＤ回路１０９の出力は「０」となるので、上述と同様に、双方向半導体スイッチＳ２をオンにする。また、Ｖ１ベクトル〜Ｖ６ベクトルの場合は、２つのＡＮＤ回路１１０，１１１の出力が、それぞれ「０」および「０」となり、ＡＮＤ回路１０９の出力は「１」となるので、双方向半導体スイッチＳ１およびＳ３をオンにする信号を出力する。
【００２８】
図６は、図２に示す本発明の電力変換装置におけるインバータ部１０８のゲート信号、中性点切替部１０４の双方向半導体スイッチの切替え信号およびコモンモード電圧を示す図である。
直流母線の中心点ｎを基準とした時の各電圧ベクトルにおけるコモンモード電圧Ｖｃｎは、式（１）〜（９）より、下記のように与えられる。
Ｖ０ベクトルのときは、Ｖｃｎ＝０
Ｖ１ベクトルのときは、Ｖｃｎ＝−ＶＰＮ／６
Ｖ２ベクトルのときは、Ｖｃｎ＝＋ＶＰＮ／６
Ｖ３ベクトルのときは、Ｖｃｎ＝−ＶＰＮ／６
Ｖ４ベクトルのときは、Ｖｃｎ＝＋ＶＰＮ／６
Ｖ５ベクトルのときは、Ｖｃｎ＝−ＶＰＮ／６
Ｖ６ベクトルのときは、Ｖｃｎ＝＋ＶＰＮ／６
Ｖ７ベクトルのときは、Ｖｃｎ＝０
すなわち、Ｖ１〜Ｖ６ベクトルにおいては、中性点切替部１０４のスイッチＳ１，Ｓ３がＯＮとなり、Ｓ２がＯＦＦとなるので、従来例の図４の回路構成と同一であり、式（３）〜（８）と全く同じ動作となる。Ｖ０およびＶ７ベクトルにおいては、中性点切替部１０４のスイッチＳ１，Ｓ３がＯＦＦとなり、Ｓ２がＯＮとなるので、インバータ部１０８のＵ相，Ｖ相およびＷ相の各出力は中性点ｎの電位と同一となりＶｃｎ＝０となる。
このように、図６に示すように、Ｖ０ベクトルおよびＶ７ベクトル時に直流母線電圧のＰ側とＮ側の双方向半導体スイッチＳ１およびＳ３をＯＦＦし、インバータ出力部と直流母線の中性点ｎとの間の双方向半導体スイッチＳ２をＯＮすることにより、Ｖｃｎ＝０にすることができる。そのため、いずれの電圧ベクトルの場合も、０、＋ＶＰＮ／６、−ＶＰＮ／６の３種類の値のステップ状の電圧波形となり、図５に示す従来の方式よりもコモンモード電圧Ｖｃｎを低減することができる。その結果、本発明の中性点切替部を備えた出力フィルタは、図３に示すコモンモードフィルタ１０３のダンピング抵抗Ｒｆを流れるフィルタ電流Ｉfを小さくすることができる。
【００２９】
図１０は、図３に示す本発明の中性点切替部を備えた出力フィルタ１０７を付加した電力変換装置のコモンモード電圧・電流の計算結果を示した図である。図１０（ａ）はモータ運転周波数ｆ＝１０Ｈｚの時であり、図１０（ｂ）はモータ運転周波数ｆ＝６０Ｈｚの時である。また、図１１は、コモンモードチョークＬｃの端子間に印加される電圧およびフィルタ電流Ｉｆの計算結果を示す図である。図１１（ａ）はモータ運転周波数ｆ＝１０Ｈｚの時であり、図１１（ｂ）はモータ運転周波数ｆ＝６０Ｈｚの時である。
図１０に示すように、図３に記載の本発明の中性点切替部を備えた出力フィルタ１０７を用いた電力変換装置のコモンモード電圧Ｖｃ１は、０、＋ＶＰＮ／６、−ＶＰＮ／６の３種類の値のステップ状の電圧波形となる。図１０（ａ）および（ｂ）において、コモンモード電圧Ｖｃ１の電圧波形が異なるのは、ＰＷＭスイッチングの変調率の違いによるものである。図１１に示すようにコモンモードチョークＬｃの端子間に印加される電圧Ｖｃ３も図１０に示したＶｃ１と同期した波形となる。フィルタ電流Ｉｆは、コモンモードチョークＬｃの端子間に印加される電圧Ｖｃ３の大きさの積分値に応じて流れる電流値が決定される。
図８および図９に示す従来技術の出力フィルタである図４のコモンモードフィルタ１０３を用いた電力変換装置と、本発明の中性点切替部を備えた出力フィルタ１０７を用いた電力変換装置のコモンモード電圧・電流およびコモンモードチョークＬｃに印加される電圧、フィルタ電流Ｉｆを比較すると、本発明の中性点切替部を備えた出力フィルタ１０７を用いた電力変換装置はコモンモード電圧Ｖｃ１が小さいため、コモンモードチョークＬｃの端子間に印加される電圧Ｖｃ３も小さくなり、結果としてフィルタ電流Ｉｆも小さくなっていることがわかる。
【００３０】
図１２は従来技術の出力フィルタであるコモンモードフィルタ１０３を用いた場合において、モータ運転周波数ｆ＝１０Ｈｚ時の各部のコモンモード電圧Ｖｃ１、Ｖｃ２、Ｖｃ３のＦＦＴ解析結果を示す図であり、図１３は本発明の中性点切替部を備えた出力フィルタ１０７を用いた場合において、モータ運転周波数ｆ＝１０Ｈｚ時の各部のコモンモード電圧Ｖｃ１、Ｖｃ２、Ｖｃ３のＦＦＴ解析結果を示す図である。また、図１４は従来技術の出力フィルタであるコモンモードフィルタ１０３を用いた場合において、モータ運転周波数ｆ＝６０Ｈｚ時の各部のコモンモード電圧Ｖｃ１、Ｖｃ２、Ｖｃ３のＦＦＴ解析結果を示す図であり、図１５は本発明の中性点切替部を備えた出力フィルタ１０７を用いた場合において、モータ運転周波数ｆ＝６０Ｈｚ時の各部のコモンモード電圧Ｖｃ１、Ｖｃ２、Ｖｃ３のＦＦＴ解析結果を示す図である。また、図１６は図１２〜１５に示したＦＦＴ解析結果を元にコモンモードチョークＬｃの端子間に印加されるキャリア成分の電圧を示す図である。
本発明の中性点切替部を備えた出力フィルタ１０７は、図１６に示すようにコモンモードチョークＬｃに印加されるキャリア成分の電圧を低減できることがわかる。
【００３１】
このように、本発明はコモンモードフィルタの帰線端を、直流母線の中性点に接続した出力フィルタにおいて、インバータ部の各アームの半導体スイッチング素子のスイッチング状態に基づいて、双方向半導体スイッチを切替える中性点切替え手段を備えるので、出力フィルタのコモンモードフィルタに用いるコモンモードチョークに印加される電圧を低減することができ、結果としてコモンモードチョークの巻線のターン数を減らすことにより、出力フィルタの小形化ができる。
【産業上の利用可能性】
【００３２】
コモンモードフィルタに用いるコモンモードチョークのサイズを小さくすることができるので、本発明の出力フィルタ全体としてのサイズも小さくなる。そのため従来は、一般的に、電力変換装置とは別置きとしていた出力フィルタを、電力変換装置内に配置することが可能となり、出力フィルタ内蔵型の電力変換装置として低ノイズで省スペース化が要求される用途への適用が可能となる。
【符号の説明】
【００３３】
１００ 商用電源
１０１ 電力変換装置
１０２ モータ
１０３ コモンモードフィルタ
１０４ 中性点切替部
１０５ 電圧ベクトル検出回路
１０６ インバータゲート制御回路
１０７ 出力フィルタ
１０８ インバータ部
１０９，１１０，１１１ ＡＮＤ回路
１１２，１１３，１１４ ＮＯＴ回路
１１２ 中性点検出用トランス
Ｃｐｎ 平滑コンデンサ
Ｌｃ コモンモードチョーク
Ｃｆ１，Ｃｆ２，Ｃ コンデンサ
Ｒｆ ダンピング抵抗
Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３ 双方向半導体スイッチ
【特許請求の範囲】
【請求項１】
直流母線の正側に直列に接続した双方向半導体スイッチ１と、前記直流母線の負側に直列に接続した双方向半導体スイッチ３と、前記直流母線間に直列に接続された二つの同一容量のコンデンサの接続点から成る前記直流母線の中性点ｎおよび電力変換装置のインバータ部のいずれかの出力相との間に直列に接続した双方向半導体スイッチ２とから構成された中性点切替部と、
前記インバータ部および負荷であるモータとの間に接続され、かつ帰線端を前記中性点ｎに接続したコモンモードフィルタと、
前記インバータ部の上下アームの半導体スイッチング素子を駆動するゲート信号から電圧ベクトルを検出する電圧ベクトル検出回路と、を備えた出力フィルタにおいて、
前記中性点切替部は、前記電圧ベクトル検出回路で検出した半導体スイッチング素子のスイッチング状態に基づいて、前記双方向半導体スイッチ１，３および２を切替えることを特徴とする出力フィルタ。
【請求項２】
前記中性点切替部は、前記インバータ部の上下アームの半導体スイッチング素子の上側アームが全てオンで下側アームが全てオフの時、または、前記上側アームが全てオフで前記下側アームが全てオンの時に、前記双方向半導体スイッチ２をオンとし、かつ前記双方向半導体スイッチ１および３をオフとし、
前記上下アームの半導体スイッチング素子のスイッチングパターンが前記以外の場合は、前記双方向半導体スイッチ２をオフとし、かつ前記双方向半導体スイッチ１および３をオンとすることを特徴とする請求項１に記載の出力フィルタ。
【請求項３】
前記電圧ベクトル検出回路は前記上下アームの半導体スイッチング素子の上側ゲート信号を３入力ＡＮＤ回路１に入力し、該３入力ＡＮＤ回路１の出力をＮＯＴ回路１を介して２入力ＡＮＤ回路の一方の入力に入力し、かつ、下側ゲート信号を３入力ＡＮＤ回路２に入力し、該３入力ＡＮＤ回路２の出力をＮＯＴ回路２を介して前記２入力ＡＮＤ回路の他方の入力に入力して、該２入力ＡＮＤ回路の出力を前記双方向半導体スイッチ１および３を駆動する信号とし、前記２入力ＡＮＤ回路の出力をＮＯＴ回路３を介して前記双方向半導体スイッチ２を駆動する信号とすることを特徴とする請求項１に記載の出力フィルタ。
【請求項４】
請求項１乃至３のいずれかに記載の出力フィルタを備えたことを特徴とする電力変換装置。
【請求項１】
直流母線の正側に直列に接続した双方向半導体スイッチ１と、前記直流母線の負側に直列に接続した双方向半導体スイッチ３と、前記直流母線間に直列に接続された二つの同一容量のコンデンサの接続点から成る前記直流母線の中性点ｎおよび電力変換装置のインバータ部のいずれかの出力相との間に直列に接続した双方向半導体スイッチ２とから構成された中性点切替部と、
前記インバータ部および負荷であるモータとの間に接続され、かつ帰線端を前記中性点ｎに接続したコモンモードフィルタと、
前記インバータ部の上下アームの半導体スイッチング素子を駆動するゲート信号から電圧ベクトルを検出する電圧ベクトル検出回路と、を備えた出力フィルタにおいて、
前記中性点切替部は、前記電圧ベクトル検出回路で検出した半導体スイッチング素子のスイッチング状態に基づいて、前記双方向半導体スイッチ１，３および２を切替えることを特徴とする出力フィルタ。
【請求項２】
前記中性点切替部は、前記インバータ部の上下アームの半導体スイッチング素子の上側アームが全てオンで下側アームが全てオフの時、または、前記上側アームが全てオフで前記下側アームが全てオンの時に、前記双方向半導体スイッチ２をオンとし、かつ前記双方向半導体スイッチ１および３をオフとし、
前記上下アームの半導体スイッチング素子のスイッチングパターンが前記以外の場合は、前記双方向半導体スイッチ２をオフとし、かつ前記双方向半導体スイッチ１および３をオンとすることを特徴とする請求項１に記載の出力フィルタ。
【請求項３】
前記電圧ベクトル検出回路は前記上下アームの半導体スイッチング素子の上側ゲート信号を３入力ＡＮＤ回路１に入力し、該３入力ＡＮＤ回路１の出力をＮＯＴ回路１を介して２入力ＡＮＤ回路の一方の入力に入力し、かつ、下側ゲート信号を３入力ＡＮＤ回路２に入力し、該３入力ＡＮＤ回路２の出力をＮＯＴ回路２を介して前記２入力ＡＮＤ回路の他方の入力に入力して、該２入力ＡＮＤ回路の出力を前記双方向半導体スイッチ１および３を駆動する信号とし、前記２入力ＡＮＤ回路の出力をＮＯＴ回路３を介して前記双方向半導体スイッチ２を駆動する信号とすることを特徴とする請求項１に記載の出力フィルタ。
【請求項４】
請求項１乃至３のいずれかに記載の出力フィルタを備えたことを特徴とする電力変換装置。
【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１４】
【図１５】
【図１６】
【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１４】
【図１５】
【図１６】
【公開番号】特開２０１０−２５９２４５（Ｐ２０１０−２５９２４５Ａ）
【公開日】平成２２年１１月１１日（２０１０．１１．１１）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−１０７５９７（Ｐ２００９−１０７５９７）
【出願日】平成２１年４月２７日（２００９．４．２７）
【出願人】（０００００６６２２）株式会社安川電機 (2,482)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２２年１１月１１日（２０１０．１１．１１）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年４月２７日（２００９．４．２７）
【出願人】（０００００６６２２）株式会社安川電機 (2,482)
【Ｆターム（参考）】
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