半導体電力変換装置
【課題】本発明の目的は、突入電流抑制回路のバイパス手段(サイリスタ)の制御線から商用電源側へ流出するノイズを抑制することが可能な半導体電力変換装置を提供することである。
【解決手段】本発明では、整流回路4と、整流回路4からの入力を平滑化する平滑コンデンサ5と、半導体素子6aのスイッチングにより平滑コンデンサ5の電圧を変換する電力変換回路6と、整流回路4と平滑コンデンサ5との間に配置されている突入電流抑制回路7とを備えている半導体電力変換装置1において、バイパス手段7bの切替動作を制御する制御線V,Wに配置され、バイパス手段7bの制御線V,Wから商用電源2側へ伝播するノイズを低減させるように構成された第1のノイズフィルタ回路11と、突入電流抑制回路7と前記平滑コンデンサ5との間に配置され、電力変換回路6から商用電源2側へ伝播するノイズを低減させるように構成された第2のノイズフィルタ回路12とを備えている半導体電力変換装置1が提供される。
【解決手段】本発明では、整流回路4と、整流回路4からの入力を平滑化する平滑コンデンサ5と、半導体素子6aのスイッチングにより平滑コンデンサ5の電圧を変換する電力変換回路6と、整流回路4と平滑コンデンサ5との間に配置されている突入電流抑制回路7とを備えている半導体電力変換装置1において、バイパス手段7bの切替動作を制御する制御線V,Wに配置され、バイパス手段7bの制御線V,Wから商用電源2側へ伝播するノイズを低減させるように構成された第1のノイズフィルタ回路11と、突入電流抑制回路7と前記平滑コンデンサ5との間に配置され、電力変換回路6から商用電源2側へ伝播するノイズを低減させるように構成された第2のノイズフィルタ回路12とを備えている半導体電力変換装置1が提供される。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、商用電源から供給される交流電力を直流電流に変換するとともに半導体素子のスイッチングにより負荷の要求する電力を供給するように構成された半導体電力変換装置に関する。
【背景技術】
【0002】
図5は、従来の一般的な半導体電力変換装置を示した回路図であり、半導体電力変換装置21は、三相の商用電源22の電圧・電流を所望の値に変換し、負荷23へ供給するものである。
【0003】
半導体電力変換装置21は、商用電源22から入力された交流を全波整流するように構成された全波整流回路24と、全波整流回路24の出力する脈動波形を平滑にするように構成された平滑コンデンサ25と、平滑コンデンサ25の出力側に接続され、少なくとも一つ以上の半導体素子のスイッチングにより負荷23の要求する電圧・電流を出力するように構成された電力変換回路26と、半導体電力変換装置21内で発生したノイズが商用電源22に伝わらないように構成されたノイズフィルタ回路27とを備えている。
【0004】
図6は、図5のノイズフィルタ回路27の一例を示した回路図である。
ノイズフィルタ回路27は、商用電源22から延びる三相交流の各配線R,S,T間をバイパスするように構成された線間用コンデンサ27aと、三相交流の各配線R,S,T上に配置され、所定の自己インダクタンスを有するコイル27bと、三相交流の各配線R,S,Tと接地との間をバイパスするように構成された接地用コンデンサ27cとを備えている。このように、従来のノイズフィルタ回路27では多くの部品が必要となるので、ノイズフィルタ回路27が半導体電力変換装置21内に占める容積が大きくなり、コストが増大するという問題があった。
図7は、特許文献1における半導体電力変換装置を示した回路図である。ここで、図5と同様の構成要素については同じ符号を付し、説明を省略する。
【0005】
特許文献1では上述の問題を解決するために、図7に示すように、半導体電力変換装置31のノイズフィルタ回路28が全波整流回路24の出力側に配置されている。
この構成によれば、全波整流回路24のダイオードの接合容量をノイズフィルタ回路28の線間用コンデンサとして利用できるので、新たに設置する線間用コンデンサの容量が小さくなり、ノイズフィルタ回路28を小型化することができる。
【0006】
一方、特許文献2では、特許文献1の構成では、全波整流回路24で生じるノイズを抑制できないことを指摘し、全波整流回路24のダイオードの逆回復時間が1μs以下の高速なダイオードを用いる構成を提案している。
【0007】
この構成によれば、逆回復時間に流れる短絡電流を抑制し、全波整流回路24から流出するノイズを低減することができる。
図8は、図7のノイズフィルタ回路28の一例を示した回路図である。
【0008】
ノイズフィルタ回路28は、全波整流回路24の出力側に配置されているので(図7参照)、二相の構成となっている。そして、ノイズフィルタ回路28は、全波整流回路24から延びる各配線P,N間をバイパスするように構成された線間用コンデンサ28aと、磁心に配線を巻き線して形成され、所定の自己インダクタンスを有するコモンモードチョークコイル28bと、各配線P,Nと接地との間をバイパスするように構成された接地用コンデンサ28cとを備えている。
【0009】
この構成によれば、図6のノイズフィルタ回路27の構成と比べて部品点数が減り、且
つ全波整流回路24のダイオードを接合容量として利用できるので、線間用コンデンサの容量が小さくなり、ノイズフィルタ回路28を小型化及び低コスト化をすることができる。
【0010】
図9は、従来の別の一般的な半導体電力変換装置を示した回路図である。ここで、図5と同様の構成要素については同じ符号を付し、説明を省略する。
図9の半導体電力変換装置31では、図7の構成に加えて、突入電流抑制回路29が全波整流回路24と平滑コンデンサ25との間に配置されている。突入電流抑制回路29は、商用電源22の投入時に一時的に流れる電流(突入電流)を抑制するものであり、平滑コンデンサ25の初期充電時の突入電流を抑制する抵抗29aと、充電完了後に抵抗29aをバイパスするバイパス手段29bとを備えている。ここで、バイパス手段29bとしては、リレーやサイリスタ等が使用されるが、以降では、バイパス手段29bとしてサイリスタを使用した場合について説明する。なお、リレーや他のバイパス手段を用いた場合でも、同様のことが言える。
【特許文献1】特開平1−286771号公報
【特許文献2】特開2001−275358号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【0011】
上述の図9の構成では、突入電流抑制回路29のサイリスタ29bは、一般的に、平滑コンデンサ25の初期充電が完了した後は常にオン状態であるため、サイリスタ29bを駆動する際のノイズ流出は非常に小さくなる。したがって、従来では、特許文献2のように全波整流回路のダイオードに着目したノイズ対策は行われていたが、突入電流抑制回路29のサイリスタ29bを駆動する際のノイズに着目したノイズ対策は行われていなかった。
【0012】
しかしながら、半導体電力変換装置31が、サイリスタの駆動用電源を生成する制御電源回路とノイズフィルタ回路とを直流中間部に備えている場合、以下に示すように、制御電源回路の駆動用電源に起因したノイズがサイリスタを経由して商用電源に流出するという問題が判明した。以下に、ノイズが商用電源へ流出する原理について説明する。
【0013】
図10は、制御電源回路の駆動用電源に起因したノイズが流出する原理を説明した図である。ここで、図5と同様の構成要素については同じ符号を付し、説明を省略する。
図10に示すように、半導体電力変換装置31は、突入電流抑制回路29のサイリスタ29b等を駆動する制御電源回路40と、サイリスタの駆動装置41とを備えている。ここで、制御電源回路40は、トランス40a等から構成されるフライバックコンバータである。
【0014】
なお、図10では、突入電流抑制回路29内のサイリスタ29bを駆動する電源を形成するための回路のみを示しており、制御電源回路40は、実際にはCPU電源や電力変換回路26のスイッチング素子を駆動する電源等を一括して生成するようになっている。
【0015】
図10に示すように、制御電源回路40のトランス40aの1次−2次間には浮遊容量40bが形成されることから、制御電源回路40の半導体素子のスイッチング周期に伴い、トランス40aの浮遊容量40bを充放電する高周波漏れ電流(コモンモード成分のノイズ)が流れることになる。
【0016】
ここで、図10の太線で示すように、制御電源回路40におけるスイッチング周期のノイズがトランス40aの浮遊容量40bを通じて突入電流抑制回路29のサイリスタ29bのゲート端子に流出し、その後、制御電源回路40へ戻るような電流経路が形成される。
【0017】
その際、突入電流抑制回路29のサイリスタ29bと平滑コンデンサ25との間にはコ
モンモードチョークコイル28bが存在しているので、コモンモードチョークコイル28bへ向かう経路のインダクタンスが高くなり、高周波漏れ電流は商用電源22側へ流出することになる。その後、高周波漏れ電流はアースラインから接地用コンデンサ28cを経由して直流中間部へと到達する。
【0018】
したがって、図10に示した位置にコモンモードチョークコイル28bが配置されると、サイリスタ29bを介して高周波漏れ電流がかえって大きくなってしまう可能性がある(なお、コモンモードチョークコイル28bがない場合には、物理的距離が近いPラインを通って制御電源回路40へ戻ることになる)。
【0019】
以上から、上述の図9及び図10の構成では、制御電源回路40からサイリスタ29bを経由して流出したノイズが商用電源22側に流出することになるので、雑音端子電圧が所定の規定値を満たすことができなくなるという問題があった。
【0020】
本発明は、このような実状に鑑みてなされたものであって、突入電流抑制回路のバイパス手段(サイリスタ)の制御線から商用電源側へ流出するノイズを抑制することが可能な半導体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】
【0021】
上記従来技術の有する課題を解決するために、請求項1の本発明では、商用電源からの交流入力を整流する整流回路と、該整流回路からの入力を平滑化する平滑コンデンサと、少なくとも一つ以上の半導体素子のスイッチングにより前記平滑コンデンサの電圧を所望の電圧及び電流に変換する電力変換回路と、前記平滑コンデンサの初期充電時に流れる突入電力を抑制する突入電力抑制抵抗と、前記平滑コンデンサが充電された後に前記突入電力抑制抵抗と並列に接続されるように構成されたバイパス手段とを有し、前記整流回路と前記平滑コンデンサとの間に配置されている突入電流抑制回路とを備えている半導体電力変換装置において、前記バイパス手段の切替動作を制御する制御線に配置され、前記バイパス手段の前記制御線から前記商用電源側へ伝播するノイズを低減させるように構成された第1のノイズフィルタ回路と、前記突入電流抑制回路と前記平滑コンデンサとの間に配置され、前記電力変換回路から前記商用電源側へ伝播するノイズを低減させるように構成された第2のノイズフィルタ回路とを備えている。
【発明の効果】
【0022】
さらに、本発明に係る半導体電力変換装置によれば、商用電源からの交流入力を整流する整流回路と、該整流回路からの入力を平滑化する平滑コンデンサと、少なくとも一つ以上の半導体素子のスイッチングにより前記平滑コンデンサの電圧を所望の電圧及び電流に変換する電力変換回路と、前記平滑コンデンサの初期充電時に流れる突入電力を抑制する突入電力抑制抵抗と、前記平滑コンデンサが充電された後に前記突入電力抑制抵抗と並列に接続されるように構成されたバイパス手段とを有し、前記整流回路と前記平滑コンデンサとの間に配置されている突入電流抑制回路とを備えている半導体電力変換装置において、前記バイパス手段の切替動作を制御する制御線に配置され、前記バイパス手段の前記制御線から前記商用電源側へ伝播するノイズを低減させるように構成された第1のノイズフィルタ回路と、前記突入電流抑制回路と前記平滑コンデンサとの間に配置され、前記電力変換回路から前記商用電源側へ伝播するノイズを低減させるように構成された第2のノイズフィルタ回路とを備えているので、第1のノイズフィルタ回路がバイパス手段の制御線から商用電源側へ伝播するノイズを抑制するとともに、第2のノイズフィルタ回路が電力変換回路から商用電源側へ伝播するノイズを抑制することができる。また、従来の構成に対してバイパス手段の制御線に第1のノイズフィルタ回路を設ければよいため、従来の構成に大きな設計変更がなく、半導体電力変換装置の小型化及び低コスト化を実現することができる。
【0023】
さらに、整流回路と突入電流抑制用のバイパス手段とが1つのパッケージとなっているモジュールを使用する場合でも、バイパス手段の制御線にノイズフィルタ回路を設けることにより、装置の小型化を妨げることなく、バイパス手段の制御線から商用電源側へ伝播するノイズを抑制することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【0024】
[第1実施形態]
以下、本発明の第1実施形態に係る半導体電力変換装置を、図面を参照しながら説明する。図1は、本発明の第1実施形態に係る半導体電力変換装置を示した回路図である。
【0025】
本発明の第1実施形態に係る半導体電力変換装置1は、三相の商用電源2の電圧・電流を所望の値に変換し、負荷3へ供給するものである。
図1に示すように、半導体電力変換装置1は、商用電源2からの交流入力を整流するように構成された全波整流回路4と、全波整流回路4の出力する脈動波形を平滑にするように構成された平滑コンデンサ5と、少なくとも一つ以上の半導体素子6aのスイッチングにより平滑コンデンサ5の電圧を所望の電圧及び電流に変換するように構成された電力変換回路6と、全波整流回路4と平滑コンデンサ5との間に配置され、商用電源2の投入時に一時的に流れる電流(突入電流)を抑制するように構成された突入電流抑制回路7とを備えている。
【0026】
ここで、突入電流抑制回路7は、図9の従来例と同様の構成となっており、平滑コンデンサ5の初期充電時の突入電流を抑制する抵抗7aと、平滑コンデンサ5の充電完了後に抵抗7aをバイパスするサイリスタ(バイパス手段)7bとを備えている。
【0027】
本発明の第1実施形態に係る半導体電力変換装置1の特徴としては、半導体電力変換装置1が更に、商用電源2側へ伝播するノイズを抑制するように構成されたノイズフィルタ回路8を備え、このノイズフィルタ回路8が全波整流回路4と突入電流抑制回路7との間に配置されていることである。
【0028】
ここで、ノイズフィルタ回路8は、上述した図8の従来例と同様の構成となっており、全波整流回路4から延びる各配線P,N間をバイパスするように構成された線間用コンデンサ8aと、磁心に配線を巻き線して形成され、所定の自己インダクタンスを有するコモンモードチョークコイル8bと、各配線P,Nと接地との間をバイパスするように構成された接地用コンデンサ8cとを備えている(図2参照)。
【0029】
そして、ノイズフィルタ回路8は、コモンモードチョークコイル8bと線間用コンデンサ8aの漏れインダクタンス成分によりノーマルモードノイズ成分を低減させるとともに、接地用コンデンサ8cと結合されたコモンモードチョークコイル8bの相互インダクタンス成分によりコモンモードノイズ成分を低減させるようになっている。
【0030】
次に、本発明の第1実施形態に係る半導体電力変換装置1におけるノイズの経路について説明する。図2は、第1実施形態に係る半導体電力変換装置1におけるノイズの経路を示した図である。
【0031】
図2に示すように、半導体電力変換装置1は、突入電流抑制回路7のサイリスタ7b等
を駆動する制御電源回路9と、サイリスタの駆動装置10とを備えている。ここで、制御電源回路9は、トランス9a等から構成されるフライバックコンバータである。
【0032】
なお、図2では、突入電流抑制回路7内のサイリスタ7bを駆動する電源を形成するための回路のみを示しており、実際にはCPU電源や電力変換回路6のスイッチング素子を駆動する電源等を一括して生成するようになっている。
【0033】
図2の太線で示すように、トランス9aの1次−2次間の浮遊容量9bの充放電に起因するノイズは、突入電流抑制回路7のサイリスタ7bから流出する。その際、サイリスタ7bと商用電源2との間にはコモンモードチョークコイル8bが存在しているため、コモンモードチョークコイル8bへ向かう経路のインピーダンスが高くなり、ノイズは平滑コンデンサ5側へ流れることになる。
【0034】
このように、突入電流抑制回路7のサイリスタ7bの制御線V,Wから流出するノイズが商用電源2側へ流れるのを抑制することができる。
このように、第1実施形態に係る半導体電力変換装置1によれば、半導体電力変換装置1が、商用電源2側へ伝播するノイズを抑制するように構成されたノイズフィルタ回路8を備え、このノイズフィルタ回路8が全波整流回路4と突入電流抑制回路7との間に配置されているので、ノイズフィルタ回路8が、電力変換回路6から商用電源2側へ伝播するノイズだけでなく、サイリスタ7bの制御線V,Wから商用電源2側へ伝播するノイズも抑制することができる。また、従来の構成に対してノイズフィルタ回路8の配置を変更するだけでよいので、半導体電力変換装置1の小型化及び低コスト化を実現することができる。
[第2実施形態]
以下、本発明の第2実施形態に係る半導体電力変換装置を、図面を参照しながら説明する。図3は、本発明の第2実施形態に係る半導体電力変換装置を示した回路図である。
【0035】
ここで、図3において、図1の第1実施形態と同じ構成要素については同じ番号を付して、説明は省略する。
図3に示すように、本発明の第2実施形態に係る半導体電力変換装置1では、第1のノイズフィルタ回路11が突入電流抑制回路7のサイリスタ7bの制御線V,Wに配置され、第2のノイズフィルタ回路12が、突入電流抑制回路7と平滑コンデンサ5との間に配置されている。ここで、第1のノイズフィルタ回路11及び第2のノイズフィルタ回路12は、第1実施形態のノイズフィルタ回路8と同様の構成であるため説明を省略する。
【0036】
次に、本発明の第2実施形態に係る半導体電力変換装置1におけるノイズの経路について説明する。
第2実施形態に係る半導体電力変換装置1では、制御電源回路(図示せず)に起因するノイズの経路は、上述した図10と同様である。しかしながら、第1のノイズフィルタ回路11を突入電流抑制回路7のサイリスタ7bの制御線V,Wに配置しているので、制御電源回路に起因するノイズの周波数成分が低周波数側へとシフトされる。この際、ノイズの周波数成分が所定の周波数帯域よりも下がることになり、ノイズが流出した場合でも、所定の規格を満たすことができる(例えば、Lフィルタを第1のノイズフィルタ回路11として使用する場合、フィルタのインダクタンスLとトランスの浮遊容量Cで決まる共振周波数を基にシフト量を設計すればよい)。
【0037】
このように、第2実施形態に係る半導体電力変換装置1によれば、第1のノイズフィルタ回路11が突入電流抑制回路7のサイリスタ7bの制御線V,Wに配置され、第2のノイズフィルタ回路12が、突入電流抑制回路7と平滑コンデンサ5との間に配置されているので、第1のノイズフィルタ回路11がサイリスタ7bの制御線V,Wから商用電源2
側へ伝播するノイズを抑制するとともに、第2のノイズフィルタ回路12が電力変換回路6から商用電源2側へ伝播するノイズを抑制することができる。また、従来の構成に対してサイリスタ7bの制御線V,Wに第1のノイズフィルタ回路11を設ければよいため、従来の構成に大きな設計変更がなく、半導体電力変換装置1の低コスト化と小型化を実現することができる。
【0038】
また、半導体電力変換装置1の小型化のために、全波整流回路4と突入電流抑制用のサイリスタ7bが1つのパッケージとなっているモジュールを使用する場合においては、第1実施形態のようにノイズフィルタ回路を全波整流回路4とサイリスタ7bとの間に配置することができないが、第2実施形態のようにサイリスタ7bの制御線V,Wに第1のノイズフィルタ回路11を配置することにより、サイリスタ7bの制御線V,Wを伝播するノイズが商用電源2側へ伝播することを抑制することができる。
【0039】
さらに、モジュールのサイリスタ7bの制御線V,Wの部分にノイズフィルタ回路を設けるだけでよいので、装置の小型化を妨げることもない。特に、第1のノイズフィルタ回路11を例えばカットコアとすれば、従来の半導体電力変換装置の構成を大きく変更することなく、サイリスタ7bの制御線V,Wから流出するノイズを抑制することができる。
[第3実施形態]
以下、本発明の第3実施形態に係る半導体電力変換装置を、図面を参照しながら説明する。図4は、本発明の第3実施形態に係る半導体電力変換装置を示した回路図である。
【0040】
ここで、図4において、図1の第1実施形態と同じ構成要素については同じ番号を付して、説明は省略する。
図4に示すように、本発明の第3実施形態に係る半導体電力変換装置1では、第3のノイズフィルタ回路13が、突入電流抑制回路7のサイリスタ7bの制御線V,Wに配置され、第4のノイズフィルタ回路14が全波整流回路4と突入電流抑制回路7との間に配置されている。ここで、第3のノイズフィルタ回路13及び第4のノイズフィルタ回路14は、第1実施形態のノイズフィルタ回路8と同様の構成であるため説明を省略する。
【0041】
このように、第3実施形態に係る半導体電力変換装置1によれば、第3のノイズフィルタ回路13が、突入電流抑制回路7のサイリスタ7bの制御線V,Wに配置され、第4のノイズフィルタ回路14が全波整流回路4と突入電流抑制回路7との間に配置されているので、サイリスタ7bの制御線V,Wから商用電源2側へ流出するノイズが、第3のノイズフィルタ回路13だけでなく、第4のノイズフィルタ回路14で更に抑制されることになる。すなわち、サイリスタ7bの制御線V,Wから商用電源2側へ流出するノイズが2段階で抑制されるので、より高いノイズの抑制効果を得ることができる。しかも、第4のノイズフィルタ回路は、従来の構成と同様に電力変換回路6から商用電源2側へ伝播するノイズも抑制することができる。
【0042】
以上、本発明の実施の形態につき述べたが、本発明は既述の実施形態に限定されるものでなく、本発明の技術的思想に基づいて各種の変形及び変更が可能である。
なお、上述したノイズフィルタ回路8,11,12,13,14の構成は一例であり、電力変換回路6で発生するノイズやサイリスタ7bから流出するノイズを低減できる他の回路を用いてもよい。
【0043】
また、電力変換回路6は、例えば、直流電圧を交流に変換して出力するように構成されたインバータ回路や、直流電圧を別の直流電圧に変換して出力するチョッパ回路を用いてもよい。
【図面の簡単な説明】
【0044】
【図1】本発明の第1実施形態に係る半導体電力変換装置を示した回路図である。
【図2】本発明の第1実施形態に係る半導体電力変換装置におけるノイズの経路を示した図である。
【図3】本発明の第2実施形態に係る半導体電力変換装置を示した回路図である。
【図4】本発明の第3実施形態に係る半導体電力変換装置を示した回路図である。
【図5】従来の半導体電力変換装置を示した回路図である。
【図6】図5の半導体電力変換装置におけるノイズフィルタ回路を示した回路図である。
【図7】従来の特許文献1に記載された半導体電力変換装置を示した回路図である。
【図8】図7の半導体電力変換装置におけるノイズフィルタ回路を示した回路図である。
【図9】従来の別の半導体電力変換装置を示した回路図である。
【図10】図9の半導体電力変換装置におけるノイズの経路を示した図である。
【符号の説明】
【0045】
1 半導体電力変換装置
2 商用電源
3 負荷
4 全波整流回路
5 平滑コンデンサ
6 電力変換回路
6a 半導体素子
7 突入電流抑制回路
7a 抵抗
7b サイリスタ
8,11,12,13,14 ノイズフィルタ回路
8a 線間用コンデンサ
8b コモンモードチョークコイル
8c 接地用コンデンサ
9 制御電源回路
10 駆動装置
【技術分野】
【0001】
本発明は、商用電源から供給される交流電力を直流電流に変換するとともに半導体素子のスイッチングにより負荷の要求する電力を供給するように構成された半導体電力変換装置に関する。
【背景技術】
【0002】
図5は、従来の一般的な半導体電力変換装置を示した回路図であり、半導体電力変換装置21は、三相の商用電源22の電圧・電流を所望の値に変換し、負荷23へ供給するものである。
【0003】
半導体電力変換装置21は、商用電源22から入力された交流を全波整流するように構成された全波整流回路24と、全波整流回路24の出力する脈動波形を平滑にするように構成された平滑コンデンサ25と、平滑コンデンサ25の出力側に接続され、少なくとも一つ以上の半導体素子のスイッチングにより負荷23の要求する電圧・電流を出力するように構成された電力変換回路26と、半導体電力変換装置21内で発生したノイズが商用電源22に伝わらないように構成されたノイズフィルタ回路27とを備えている。
【0004】
図6は、図5のノイズフィルタ回路27の一例を示した回路図である。
ノイズフィルタ回路27は、商用電源22から延びる三相交流の各配線R,S,T間をバイパスするように構成された線間用コンデンサ27aと、三相交流の各配線R,S,T上に配置され、所定の自己インダクタンスを有するコイル27bと、三相交流の各配線R,S,Tと接地との間をバイパスするように構成された接地用コンデンサ27cとを備えている。このように、従来のノイズフィルタ回路27では多くの部品が必要となるので、ノイズフィルタ回路27が半導体電力変換装置21内に占める容積が大きくなり、コストが増大するという問題があった。
図7は、特許文献1における半導体電力変換装置を示した回路図である。ここで、図5と同様の構成要素については同じ符号を付し、説明を省略する。
【0005】
特許文献1では上述の問題を解決するために、図7に示すように、半導体電力変換装置31のノイズフィルタ回路28が全波整流回路24の出力側に配置されている。
この構成によれば、全波整流回路24のダイオードの接合容量をノイズフィルタ回路28の線間用コンデンサとして利用できるので、新たに設置する線間用コンデンサの容量が小さくなり、ノイズフィルタ回路28を小型化することができる。
【0006】
一方、特許文献2では、特許文献1の構成では、全波整流回路24で生じるノイズを抑制できないことを指摘し、全波整流回路24のダイオードの逆回復時間が1μs以下の高速なダイオードを用いる構成を提案している。
【0007】
この構成によれば、逆回復時間に流れる短絡電流を抑制し、全波整流回路24から流出するノイズを低減することができる。
図8は、図7のノイズフィルタ回路28の一例を示した回路図である。
【0008】
ノイズフィルタ回路28は、全波整流回路24の出力側に配置されているので(図7参照)、二相の構成となっている。そして、ノイズフィルタ回路28は、全波整流回路24から延びる各配線P,N間をバイパスするように構成された線間用コンデンサ28aと、磁心に配線を巻き線して形成され、所定の自己インダクタンスを有するコモンモードチョークコイル28bと、各配線P,Nと接地との間をバイパスするように構成された接地用コンデンサ28cとを備えている。
【0009】
この構成によれば、図6のノイズフィルタ回路27の構成と比べて部品点数が減り、且
つ全波整流回路24のダイオードを接合容量として利用できるので、線間用コンデンサの容量が小さくなり、ノイズフィルタ回路28を小型化及び低コスト化をすることができる。
【0010】
図9は、従来の別の一般的な半導体電力変換装置を示した回路図である。ここで、図5と同様の構成要素については同じ符号を付し、説明を省略する。
図9の半導体電力変換装置31では、図7の構成に加えて、突入電流抑制回路29が全波整流回路24と平滑コンデンサ25との間に配置されている。突入電流抑制回路29は、商用電源22の投入時に一時的に流れる電流(突入電流)を抑制するものであり、平滑コンデンサ25の初期充電時の突入電流を抑制する抵抗29aと、充電完了後に抵抗29aをバイパスするバイパス手段29bとを備えている。ここで、バイパス手段29bとしては、リレーやサイリスタ等が使用されるが、以降では、バイパス手段29bとしてサイリスタを使用した場合について説明する。なお、リレーや他のバイパス手段を用いた場合でも、同様のことが言える。
【特許文献1】特開平1−286771号公報
【特許文献2】特開2001−275358号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【0011】
上述の図9の構成では、突入電流抑制回路29のサイリスタ29bは、一般的に、平滑コンデンサ25の初期充電が完了した後は常にオン状態であるため、サイリスタ29bを駆動する際のノイズ流出は非常に小さくなる。したがって、従来では、特許文献2のように全波整流回路のダイオードに着目したノイズ対策は行われていたが、突入電流抑制回路29のサイリスタ29bを駆動する際のノイズに着目したノイズ対策は行われていなかった。
【0012】
しかしながら、半導体電力変換装置31が、サイリスタの駆動用電源を生成する制御電源回路とノイズフィルタ回路とを直流中間部に備えている場合、以下に示すように、制御電源回路の駆動用電源に起因したノイズがサイリスタを経由して商用電源に流出するという問題が判明した。以下に、ノイズが商用電源へ流出する原理について説明する。
【0013】
図10は、制御電源回路の駆動用電源に起因したノイズが流出する原理を説明した図である。ここで、図5と同様の構成要素については同じ符号を付し、説明を省略する。
図10に示すように、半導体電力変換装置31は、突入電流抑制回路29のサイリスタ29b等を駆動する制御電源回路40と、サイリスタの駆動装置41とを備えている。ここで、制御電源回路40は、トランス40a等から構成されるフライバックコンバータである。
【0014】
なお、図10では、突入電流抑制回路29内のサイリスタ29bを駆動する電源を形成するための回路のみを示しており、制御電源回路40は、実際にはCPU電源や電力変換回路26のスイッチング素子を駆動する電源等を一括して生成するようになっている。
【0015】
図10に示すように、制御電源回路40のトランス40aの1次−2次間には浮遊容量40bが形成されることから、制御電源回路40の半導体素子のスイッチング周期に伴い、トランス40aの浮遊容量40bを充放電する高周波漏れ電流(コモンモード成分のノイズ)が流れることになる。
【0016】
ここで、図10の太線で示すように、制御電源回路40におけるスイッチング周期のノイズがトランス40aの浮遊容量40bを通じて突入電流抑制回路29のサイリスタ29bのゲート端子に流出し、その後、制御電源回路40へ戻るような電流経路が形成される。
【0017】
その際、突入電流抑制回路29のサイリスタ29bと平滑コンデンサ25との間にはコ
モンモードチョークコイル28bが存在しているので、コモンモードチョークコイル28bへ向かう経路のインダクタンスが高くなり、高周波漏れ電流は商用電源22側へ流出することになる。その後、高周波漏れ電流はアースラインから接地用コンデンサ28cを経由して直流中間部へと到達する。
【0018】
したがって、図10に示した位置にコモンモードチョークコイル28bが配置されると、サイリスタ29bを介して高周波漏れ電流がかえって大きくなってしまう可能性がある(なお、コモンモードチョークコイル28bがない場合には、物理的距離が近いPラインを通って制御電源回路40へ戻ることになる)。
【0019】
以上から、上述の図9及び図10の構成では、制御電源回路40からサイリスタ29bを経由して流出したノイズが商用電源22側に流出することになるので、雑音端子電圧が所定の規定値を満たすことができなくなるという問題があった。
【0020】
本発明は、このような実状に鑑みてなされたものであって、突入電流抑制回路のバイパス手段(サイリスタ)の制御線から商用電源側へ流出するノイズを抑制することが可能な半導体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】
【0021】
上記従来技術の有する課題を解決するために、請求項1の本発明では、商用電源からの交流入力を整流する整流回路と、該整流回路からの入力を平滑化する平滑コンデンサと、少なくとも一つ以上の半導体素子のスイッチングにより前記平滑コンデンサの電圧を所望の電圧及び電流に変換する電力変換回路と、前記平滑コンデンサの初期充電時に流れる突入電力を抑制する突入電力抑制抵抗と、前記平滑コンデンサが充電された後に前記突入電力抑制抵抗と並列に接続されるように構成されたバイパス手段とを有し、前記整流回路と前記平滑コンデンサとの間に配置されている突入電流抑制回路とを備えている半導体電力変換装置において、前記バイパス手段の切替動作を制御する制御線に配置され、前記バイパス手段の前記制御線から前記商用電源側へ伝播するノイズを低減させるように構成された第1のノイズフィルタ回路と、前記突入電流抑制回路と前記平滑コンデンサとの間に配置され、前記電力変換回路から前記商用電源側へ伝播するノイズを低減させるように構成された第2のノイズフィルタ回路とを備えている。
【発明の効果】
【0022】
さらに、本発明に係る半導体電力変換装置によれば、商用電源からの交流入力を整流する整流回路と、該整流回路からの入力を平滑化する平滑コンデンサと、少なくとも一つ以上の半導体素子のスイッチングにより前記平滑コンデンサの電圧を所望の電圧及び電流に変換する電力変換回路と、前記平滑コンデンサの初期充電時に流れる突入電力を抑制する突入電力抑制抵抗と、前記平滑コンデンサが充電された後に前記突入電力抑制抵抗と並列に接続されるように構成されたバイパス手段とを有し、前記整流回路と前記平滑コンデンサとの間に配置されている突入電流抑制回路とを備えている半導体電力変換装置において、前記バイパス手段の切替動作を制御する制御線に配置され、前記バイパス手段の前記制御線から前記商用電源側へ伝播するノイズを低減させるように構成された第1のノイズフィルタ回路と、前記突入電流抑制回路と前記平滑コンデンサとの間に配置され、前記電力変換回路から前記商用電源側へ伝播するノイズを低減させるように構成された第2のノイズフィルタ回路とを備えているので、第1のノイズフィルタ回路がバイパス手段の制御線から商用電源側へ伝播するノイズを抑制するとともに、第2のノイズフィルタ回路が電力変換回路から商用電源側へ伝播するノイズを抑制することができる。また、従来の構成に対してバイパス手段の制御線に第1のノイズフィルタ回路を設ければよいため、従来の構成に大きな設計変更がなく、半導体電力変換装置の小型化及び低コスト化を実現することができる。
【0023】
さらに、整流回路と突入電流抑制用のバイパス手段とが1つのパッケージとなっているモジュールを使用する場合でも、バイパス手段の制御線にノイズフィルタ回路を設けることにより、装置の小型化を妨げることなく、バイパス手段の制御線から商用電源側へ伝播するノイズを抑制することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【0024】
[第1実施形態]
以下、本発明の第1実施形態に係る半導体電力変換装置を、図面を参照しながら説明する。図1は、本発明の第1実施形態に係る半導体電力変換装置を示した回路図である。
【0025】
本発明の第1実施形態に係る半導体電力変換装置1は、三相の商用電源2の電圧・電流を所望の値に変換し、負荷3へ供給するものである。
図1に示すように、半導体電力変換装置1は、商用電源2からの交流入力を整流するように構成された全波整流回路4と、全波整流回路4の出力する脈動波形を平滑にするように構成された平滑コンデンサ5と、少なくとも一つ以上の半導体素子6aのスイッチングにより平滑コンデンサ5の電圧を所望の電圧及び電流に変換するように構成された電力変換回路6と、全波整流回路4と平滑コンデンサ5との間に配置され、商用電源2の投入時に一時的に流れる電流(突入電流)を抑制するように構成された突入電流抑制回路7とを備えている。
【0026】
ここで、突入電流抑制回路7は、図9の従来例と同様の構成となっており、平滑コンデンサ5の初期充電時の突入電流を抑制する抵抗7aと、平滑コンデンサ5の充電完了後に抵抗7aをバイパスするサイリスタ(バイパス手段)7bとを備えている。
【0027】
本発明の第1実施形態に係る半導体電力変換装置1の特徴としては、半導体電力変換装置1が更に、商用電源2側へ伝播するノイズを抑制するように構成されたノイズフィルタ回路8を備え、このノイズフィルタ回路8が全波整流回路4と突入電流抑制回路7との間に配置されていることである。
【0028】
ここで、ノイズフィルタ回路8は、上述した図8の従来例と同様の構成となっており、全波整流回路4から延びる各配線P,N間をバイパスするように構成された線間用コンデンサ8aと、磁心に配線を巻き線して形成され、所定の自己インダクタンスを有するコモンモードチョークコイル8bと、各配線P,Nと接地との間をバイパスするように構成された接地用コンデンサ8cとを備えている(図2参照)。
【0029】
そして、ノイズフィルタ回路8は、コモンモードチョークコイル8bと線間用コンデンサ8aの漏れインダクタンス成分によりノーマルモードノイズ成分を低減させるとともに、接地用コンデンサ8cと結合されたコモンモードチョークコイル8bの相互インダクタンス成分によりコモンモードノイズ成分を低減させるようになっている。
【0030】
次に、本発明の第1実施形態に係る半導体電力変換装置1におけるノイズの経路について説明する。図2は、第1実施形態に係る半導体電力変換装置1におけるノイズの経路を示した図である。
【0031】
図2に示すように、半導体電力変換装置1は、突入電流抑制回路7のサイリスタ7b等
を駆動する制御電源回路9と、サイリスタの駆動装置10とを備えている。ここで、制御電源回路9は、トランス9a等から構成されるフライバックコンバータである。
【0032】
なお、図2では、突入電流抑制回路7内のサイリスタ7bを駆動する電源を形成するための回路のみを示しており、実際にはCPU電源や電力変換回路6のスイッチング素子を駆動する電源等を一括して生成するようになっている。
【0033】
図2の太線で示すように、トランス9aの1次−2次間の浮遊容量9bの充放電に起因するノイズは、突入電流抑制回路7のサイリスタ7bから流出する。その際、サイリスタ7bと商用電源2との間にはコモンモードチョークコイル8bが存在しているため、コモンモードチョークコイル8bへ向かう経路のインピーダンスが高くなり、ノイズは平滑コンデンサ5側へ流れることになる。
【0034】
このように、突入電流抑制回路7のサイリスタ7bの制御線V,Wから流出するノイズが商用電源2側へ流れるのを抑制することができる。
このように、第1実施形態に係る半導体電力変換装置1によれば、半導体電力変換装置1が、商用電源2側へ伝播するノイズを抑制するように構成されたノイズフィルタ回路8を備え、このノイズフィルタ回路8が全波整流回路4と突入電流抑制回路7との間に配置されているので、ノイズフィルタ回路8が、電力変換回路6から商用電源2側へ伝播するノイズだけでなく、サイリスタ7bの制御線V,Wから商用電源2側へ伝播するノイズも抑制することができる。また、従来の構成に対してノイズフィルタ回路8の配置を変更するだけでよいので、半導体電力変換装置1の小型化及び低コスト化を実現することができる。
[第2実施形態]
以下、本発明の第2実施形態に係る半導体電力変換装置を、図面を参照しながら説明する。図3は、本発明の第2実施形態に係る半導体電力変換装置を示した回路図である。
【0035】
ここで、図3において、図1の第1実施形態と同じ構成要素については同じ番号を付して、説明は省略する。
図3に示すように、本発明の第2実施形態に係る半導体電力変換装置1では、第1のノイズフィルタ回路11が突入電流抑制回路7のサイリスタ7bの制御線V,Wに配置され、第2のノイズフィルタ回路12が、突入電流抑制回路7と平滑コンデンサ5との間に配置されている。ここで、第1のノイズフィルタ回路11及び第2のノイズフィルタ回路12は、第1実施形態のノイズフィルタ回路8と同様の構成であるため説明を省略する。
【0036】
次に、本発明の第2実施形態に係る半導体電力変換装置1におけるノイズの経路について説明する。
第2実施形態に係る半導体電力変換装置1では、制御電源回路(図示せず)に起因するノイズの経路は、上述した図10と同様である。しかしながら、第1のノイズフィルタ回路11を突入電流抑制回路7のサイリスタ7bの制御線V,Wに配置しているので、制御電源回路に起因するノイズの周波数成分が低周波数側へとシフトされる。この際、ノイズの周波数成分が所定の周波数帯域よりも下がることになり、ノイズが流出した場合でも、所定の規格を満たすことができる(例えば、Lフィルタを第1のノイズフィルタ回路11として使用する場合、フィルタのインダクタンスLとトランスの浮遊容量Cで決まる共振周波数を基にシフト量を設計すればよい)。
【0037】
このように、第2実施形態に係る半導体電力変換装置1によれば、第1のノイズフィルタ回路11が突入電流抑制回路7のサイリスタ7bの制御線V,Wに配置され、第2のノイズフィルタ回路12が、突入電流抑制回路7と平滑コンデンサ5との間に配置されているので、第1のノイズフィルタ回路11がサイリスタ7bの制御線V,Wから商用電源2
側へ伝播するノイズを抑制するとともに、第2のノイズフィルタ回路12が電力変換回路6から商用電源2側へ伝播するノイズを抑制することができる。また、従来の構成に対してサイリスタ7bの制御線V,Wに第1のノイズフィルタ回路11を設ければよいため、従来の構成に大きな設計変更がなく、半導体電力変換装置1の低コスト化と小型化を実現することができる。
【0038】
また、半導体電力変換装置1の小型化のために、全波整流回路4と突入電流抑制用のサイリスタ7bが1つのパッケージとなっているモジュールを使用する場合においては、第1実施形態のようにノイズフィルタ回路を全波整流回路4とサイリスタ7bとの間に配置することができないが、第2実施形態のようにサイリスタ7bの制御線V,Wに第1のノイズフィルタ回路11を配置することにより、サイリスタ7bの制御線V,Wを伝播するノイズが商用電源2側へ伝播することを抑制することができる。
【0039】
さらに、モジュールのサイリスタ7bの制御線V,Wの部分にノイズフィルタ回路を設けるだけでよいので、装置の小型化を妨げることもない。特に、第1のノイズフィルタ回路11を例えばカットコアとすれば、従来の半導体電力変換装置の構成を大きく変更することなく、サイリスタ7bの制御線V,Wから流出するノイズを抑制することができる。
[第3実施形態]
以下、本発明の第3実施形態に係る半導体電力変換装置を、図面を参照しながら説明する。図4は、本発明の第3実施形態に係る半導体電力変換装置を示した回路図である。
【0040】
ここで、図4において、図1の第1実施形態と同じ構成要素については同じ番号を付して、説明は省略する。
図4に示すように、本発明の第3実施形態に係る半導体電力変換装置1では、第3のノイズフィルタ回路13が、突入電流抑制回路7のサイリスタ7bの制御線V,Wに配置され、第4のノイズフィルタ回路14が全波整流回路4と突入電流抑制回路7との間に配置されている。ここで、第3のノイズフィルタ回路13及び第4のノイズフィルタ回路14は、第1実施形態のノイズフィルタ回路8と同様の構成であるため説明を省略する。
【0041】
このように、第3実施形態に係る半導体電力変換装置1によれば、第3のノイズフィルタ回路13が、突入電流抑制回路7のサイリスタ7bの制御線V,Wに配置され、第4のノイズフィルタ回路14が全波整流回路4と突入電流抑制回路7との間に配置されているので、サイリスタ7bの制御線V,Wから商用電源2側へ流出するノイズが、第3のノイズフィルタ回路13だけでなく、第4のノイズフィルタ回路14で更に抑制されることになる。すなわち、サイリスタ7bの制御線V,Wから商用電源2側へ流出するノイズが2段階で抑制されるので、より高いノイズの抑制効果を得ることができる。しかも、第4のノイズフィルタ回路は、従来の構成と同様に電力変換回路6から商用電源2側へ伝播するノイズも抑制することができる。
【0042】
以上、本発明の実施の形態につき述べたが、本発明は既述の実施形態に限定されるものでなく、本発明の技術的思想に基づいて各種の変形及び変更が可能である。
なお、上述したノイズフィルタ回路8,11,12,13,14の構成は一例であり、電力変換回路6で発生するノイズやサイリスタ7bから流出するノイズを低減できる他の回路を用いてもよい。
【0043】
また、電力変換回路6は、例えば、直流電圧を交流に変換して出力するように構成されたインバータ回路や、直流電圧を別の直流電圧に変換して出力するチョッパ回路を用いてもよい。
【図面の簡単な説明】
【0044】
【図1】本発明の第1実施形態に係る半導体電力変換装置を示した回路図である。
【図2】本発明の第1実施形態に係る半導体電力変換装置におけるノイズの経路を示した図である。
【図3】本発明の第2実施形態に係る半導体電力変換装置を示した回路図である。
【図4】本発明の第3実施形態に係る半導体電力変換装置を示した回路図である。
【図5】従来の半導体電力変換装置を示した回路図である。
【図6】図5の半導体電力変換装置におけるノイズフィルタ回路を示した回路図である。
【図7】従来の特許文献1に記載された半導体電力変換装置を示した回路図である。
【図8】図7の半導体電力変換装置におけるノイズフィルタ回路を示した回路図である。
【図9】従来の別の半導体電力変換装置を示した回路図である。
【図10】図9の半導体電力変換装置におけるノイズの経路を示した図である。
【符号の説明】
【0045】
1 半導体電力変換装置
2 商用電源
3 負荷
4 全波整流回路
5 平滑コンデンサ
6 電力変換回路
6a 半導体素子
7 突入電流抑制回路
7a 抵抗
7b サイリスタ
8,11,12,13,14 ノイズフィルタ回路
8a 線間用コンデンサ
8b コモンモードチョークコイル
8c 接地用コンデンサ
9 制御電源回路
10 駆動装置
【特許請求の範囲】
【請求項1】
商用電源からの交流入力を整流する整流回路と、
該整流回路からの入力を平滑化する平滑コンデンサと、
少なくとも一つ以上の半導体素子のスイッチングにより前記平滑コンデンサの電圧を所望の電圧及び電流に変換する電力変換回路と、
前記平滑コンデンサの初期充電時に流れる突入電力を抑制する突入電力抑制抵抗と、前記平滑コンデンサが充電された後に前記突入電力抑制抵抗と並列に接続されるように構成されたバイパス手段とを有し、前記整流回路と前記平滑コンデンサとの間に配置されている突入電流抑制回路と
を備えている半導体電力変換装置において、
前記バイパス手段の切替動作を制御する制御線に配置され、前記バイパス手段の前記制御線から前記商用電源側へ伝播するノイズを低減させるように構成された第1のノイズフィルタ回路と、
前記突入電流抑制回路と前記平滑コンデンサとの間に配置され、前記電力変換回路から前記商用電源側へ伝播するノイズを低減させるように構成された第2のノイズフィルタ回路と
を備えていることを特徴とする半導体電力変換装置。
【請求項1】
商用電源からの交流入力を整流する整流回路と、
該整流回路からの入力を平滑化する平滑コンデンサと、
少なくとも一つ以上の半導体素子のスイッチングにより前記平滑コンデンサの電圧を所望の電圧及び電流に変換する電力変換回路と、
前記平滑コンデンサの初期充電時に流れる突入電力を抑制する突入電力抑制抵抗と、前記平滑コンデンサが充電された後に前記突入電力抑制抵抗と並列に接続されるように構成されたバイパス手段とを有し、前記整流回路と前記平滑コンデンサとの間に配置されている突入電流抑制回路と
を備えている半導体電力変換装置において、
前記バイパス手段の切替動作を制御する制御線に配置され、前記バイパス手段の前記制御線から前記商用電源側へ伝播するノイズを低減させるように構成された第1のノイズフィルタ回路と、
前記突入電流抑制回路と前記平滑コンデンサとの間に配置され、前記電力変換回路から前記商用電源側へ伝播するノイズを低減させるように構成された第2のノイズフィルタ回路と
を備えていることを特徴とする半導体電力変換装置。
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】
【図10】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】
【図10】
【公開番号】特開2013−102697(P2013−102697A)
【公開日】平成25年5月23日(2013.5.23)
【国際特許分類】
【出願番号】特願2013−46276(P2013−46276)
【出願日】平成25年3月8日(2013.3.8)
【分割の表示】特願2008−329601(P2008−329601)の分割
【原出願日】平成20年12月25日(2008.12.25)
【出願人】(000005234)富士電機株式会社 (3,146)
【Fターム(参考)】
【公開日】平成25年5月23日(2013.5.23)
【国際特許分類】
【出願日】平成25年3月8日(2013.3.8)
【分割の表示】特願2008−329601(P2008−329601)の分割
【原出願日】平成20年12月25日(2008.12.25)
【出願人】(000005234)富士電機株式会社 (3,146)
【Fターム(参考)】
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